삼상 슬러리 유동층에서 열전달 특성

Abstract

삼상 슬러리 유동층과 기-액 2상 흐름 그리고 액상유동층에서의 열전달 특성을 직경 15.2cm의 유동층 반응기에서 연구하였다. 실험으로써 기상으로는 공기를, 액상 즉 슬러리상으로는 mineral oil과 coal-mineral oil의 slurry를 그리고 고체입자로써 네가지 크기의 glass beads (3,4,6,8mm)를 사용하여 액상유속 (4 ~ 12cm/s), 기상유속 (0 ~ 14cm/s), 액상의 점도 (14 ~ 23.5 cp) 그리고 고체입자의 크기(3 ~ 8 mm) 가 유동층과 heater사이의 열전달 계수에 미치는 영향를 연구하였다. 상 체유량은 pressure profile method를 사용하여 측정하였다. 삼상 슬러리 유동층에서의 상 체유량에 대한 실험결과로써 액상의 유속이 증가함에 따라 액상의 체유량은 증가하나 기상 및 고상의 체유량은 감소함을 볼 수 있었고 기상유속이 증가함에 따라 유동층의 공극률은 상당히 증가함을 볼 수 있으며 상체유량은 액상의 점도의 증가에 대하여 큰 영향을 보이지 않았다. 기-액 2상 흐름에서의 열전달 계수는 낮은 액상유속에서는 기상유속이 낮은 범위에서 기상유속이 증가함에 따라 열전달 계수가 급격히 증가하다가 높은 기상유속의 범위에서는 열전달 계수의 증가가 완만해지고 높은 액상유속(10cm/s이상)에서는 전체적인 기상유속의 범위에서 열전달 계수의 증가가 비교적 완만함을 볼 수 있다. 기-액 2상 흐름에서 얻은 상관식은 다음과 같다. $h = 764 μ^{-0.252} u_l^{-0.0764} u_g^{0.279}$ 액상유동층에서는 열전달 계수가 액상유속 즉 액상체유량에 대하여 최대점을 보이며 본 실험에 사용된 고체입자크기의 범위내에서 입자의 크기가 증가함에 따라 열전달 계수의 최대점은 증가하는 양상을 보여주었다. 액상유동층에서 얻은 열전달 계수의 상관식은 다음과 같다. $h = 2330 u_l^{0.159} d_p^{0.172} μ^{-0.577}$ 삼상 슬러리 유동층에서의 열전달 특성은 기-액 2상 흐름과 액상유동층에서의 열전달 특성이 복합적으로 나타나는 것을 볼 수 있었다. 삼상 슬러리 유동층에서의 열전달 계수는 기상유속이 증가함에 따라 증가하는 양상을 보여주었고 액상유속에 대해서는 액상유동층의 경우와 같이 열전달 계수의 최대점을 보여주었다. 그리고 삼상 슬러리 유동층에서 액상인 슬러리상의 점도가 증가함에 따라 열전달 계수는 상당히 감소하는 추세를 발견하였고, 입자의 직경이 증가함에 따라 열전달 계수가 증가하는 양상을 볼 수 있으나 높은 기상유속의 범위에서는 국부적인 최소값을 나타내었다. 삼상 슬러리 유동층에서 얻은 열전달 계수의 상관식은 다음과 같다. $h=613.63 μ^{-0.1092}u_1^{0.198}u_g^{0.1045}D_p^{-0.067} for 4≤u_1≤7cm/s$ $h=1566.97 μ^{-0.0873}u_1^{-0.2202}u_g^{0.0794}D_p^{0.1652} for 7＜u_1≤12cm/s$