강제대류 조건에서 극저온 수직 평판의 열교환 예측

Abstract

본 연구에서는 강제대류 조건에서 극저온(-100℃ 이하) 수직 냉각면의 착상에 따른 조건 별 열유속 값의 변화를 정량적으로 분석하였다. 실험 조건의 설정은 공기 유속, 냉각면 온도, 공기 온도 및 습도를 제어 인자로 선정하였고, 열유속 센서를 활용하여 실험을 진행하였다. 이때, 열유속 값의 변화에는 공통적인 특징이 나타났다. 열유속은 초기 열유속 값인 q ̇_max 이후 빠르게 감소하여 착상 메커니즘의 전환 시점(t_tr)에 q ̇_tr에 도달하였고, 이후 착상 메커니즘의 변화로 인해 상대적으로 낮은 기울기(a)값을 가지며 선형적으로 감소하였다. 이러한 열유속 특징 값들은 착상인자에 영향을 받았는데, parametric study를 통해 분석한 결과, 착상인자의 영향도는 선형적으로 나타났다. 전환 시점(t_tr)의 경우 냉각면 온도에 의해 가장 큰 변화를 보였으며, a, q ̇_max, q ̇_tr의 경우 유속의 변화에 가장 큰 영향을 받았다. 이러한 영향도를 정량적으로 분석하기 위해 무차원화한 제어 인자들을 통해 네 가지 열유속 특징 값들의 상관식을 각각 도출하였고, 이를 활용하여 3시간 동안 전달된 단위 면적 당 총 열량 값을 예측하였다. 예측된 총 열량 값의 경우 실험 값과 비교하여 ±6%이내의 오차를 보였고, R^2값은 0.994로 나타났다. 마지막으로, 착상 인자가 총 열량 값에 가하는 영향도를 분석한 결과, 유속의 영향이 가장 크게 나타났고, 나머지 인자들의 영향도는 비선형적으로 나타났다.|In this research, heat flux variation on a cryogenic vertical flat plate due to frosting was investigated quantitatively. Experiments were conducted using a heat flux sensor via varying the air temperature(T_a), air humidity〖(w〗_a), air velocity(u_a), and wall temperature(T_w), which are the four frosting factors. From analyzing results of the experiments, some common characteristics were observed for the variation of the heat flux on the cryogenic vertical flat plate. The heat flux was rapidly reduced starting from q ̇_max, the maximum value of the heat flux at t=0. When the heat flux reached q ̇_tr at t=t_tr, the frosting mechanism was transferred from desublimation-dominant to condensation-dominant frosting, resulting in a linear reduction of the heat flux with relatively low gradient value (a). Such characteristics of the heat flux variation were affected by the four frosting factors. From the results of the parametric study, within the frosting factors, T_w showed the greatest impact on t_tr, and u_a on a,q ̇_max, q ̇_tr. In order to quantitatively investigate such effects, correlation functions were deduced by non-dimensionalizing frosting factors and characteristic values to calculate the correlation coefficients. From the correlation, the total heat transfer was predicted and evaluated. The prediction error, in comparison to the experimental result, was within ±6%, and the R-squared value was 0.994. Finally, from the results of the parametric study, the effect of air velocity on the total heat transfer was the largest, for up to 55.4%, and the other frosting factors showed non-linear effects.