본문 바로가기
HOME> 보고서 > 보고서 검색상세

보고서 상세정보

수직 원형 세관 내 상향 혼합대류 초임계 이산화탄소 열전달 실험
Testing of Heat Transfer to Supercritical CO2 Mixed ConvectionUpflow in a Vertical Small Tube

  • 과제명

    수직 원형 세관 내 상향 혼합대류 초임계 이산화탄소 열전달 실험

  • 연구책임자

    서균렬

  • 보고서유형

    최종보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2010-04

  • 과제시작년도

    2009

  • 주관부처

    교육과학기술부

  • 등록번호

    TRKO201000015217

  • 과제고유번호

    1345099384

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    Supercritical fluid is referred to a substance at a temperature and pressure above its critical point. Hence the occurrence of th...

    Supercritical fluid is referred to a substance at a temperature and pressure above its critical point. Hence the occurrence of the critical heat flux due to the liquid-gas phase transition can be avoided. In addition, close to the critical point, minute changes in pressure or temperature cause large changes in density or specific heat. $SCO_{2}$ has such advantages as high density, easy accessibility, low price and no toxicity compared against other fluids. Nevertheless one of the most marked characteristics is its low critical point, which renders change from $CO_{2}$ to $SCO_{2}$ easier than other fluids.
    So $SCO_{2}$ is considered of working fluid of secondary system in Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) which is one of 4th Generation reactors. SFR used sodium as coolant rather than water because of its high conductivity. Moreover, Since sodium has less ability to slow down a neutron, it doesn't thermalize a neutron and can produce Pu-239 with U-238. As a result, SFR not only reproduce fuel but it also can reduce nuclear waste by less than 5%. Sodium react explosively to water so $CO_{2}$ is an alternative for water in 1st system.
    The Pressure Applied $CO_{2}$ Operation (PACO) aims to determine thermophysical characteristics of $SCO_{2}$. To achieve this goal, a vertical small circular tube is used to guide the upward flow. The tube wall temperatures are obtained at a fixed pressure by varying other parameters such as the inlet temperature, heat flux and flow rate. The mass flow rate and electric power are varied by 0.02 kg/s and 0.04 kg/s, and from 18 W to 30 W, respectively. The PACO test section is a circular tube with the inner diameter of 8.1 mm, where $CO_{2}$ flows upward. The outer diameter of the tube is 14.5 mm. A total of 39 thermocouples are installed at the outer wall of the pipe. Six red circles mean the heating cartridges. The total height is 2100 mm, of which 800 mm is for the entrance and 100 mm for the exit.
    The outer wall temperature distribution as a function of distance and the tube length ratio x/D. The outer wall temperature soars for the higher electric power. In the graph, there was a decrease of wall temperature. The buoyancy effect increases the velocity of outside $CO_{2}$ and then difference of velocity profile outside and inside goes smaller. So Heat of outside cannot be transmitted well to inside of $CO_{2}$.
    The CO2 can turn into super critical fluid easily compared with other fluids. Thus, its property, for example density or specific heat, changes rapidly at the critical point. For optimization of heat transfer, further test and analysis are being done.


    초임계유체는 임계점 이상의 온도와 압력의 상태에서 유체이다. 임계점 이상의 온도 압력에서는 액체상과 기체상의 변화가 일어나지 않는다. 임계점 근처에서는 작은 압력이나 온도의 변화가 밀도나 비열의 큰 변화를 가져온다. 초임계 이산화탄...

    초임계유체는 임계점 이상의 온도와 압력의 상태에서 유체이다. 임계점 이상의 온도 압력에서는 액체상과 기체상의 변화가 일어나지 않는다. 임계점 근처에서는 작은 압력이나 온도의 변화가 밀도나 비열의 큰 변화를 가져온다. 초임계 이산화탄소는 다른 유체에 비해 높은 밀도와 수집의 용이성, 낮은 가격, 그리고 무독성이라는 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 임계점이 다른 유체에 비해 낮다는 큰 특징이 있다.
    최근 초임계 이산화탄소는 4세대 원전인 소듐 냉각 고속로(SFR)의 2차 계통의 작동 유체로 고려되면서 관심을 받고 있다. SFR은 높은 열 출력 밀도로 인해, 냉각제로 물보다 열전달이 좋은 액체 나트륨을 사용한다. 무엇보다 나트륨은 중성자 감속 능력이 낮아 중성자를 열화 시키지 않아 U-238으로 Pu-239을 생성할 수 있다. 그 결과 SFR은 연료를 재생산할 뿐만 아니라 핵폐기물 5% 이내로 감소시킬 수 있다. 하지만 나트륨은 물과 폭발적으로 반응하기 때문에 2차 계통에서 물을 사용 할 수 없기 때문에 이산화탄소가 물을 대신할 작동유체로 떠오르고 있다.
    본 실험의 목적은 초임계 이산화탄소의 열역학적 특성을 파악하는 것이다. 이를 위해 상향류를 수직 원형 세관에 흘려서 고정 압력에서 온도나 열속, 유속 등을 변화 시켜가며 세관 벽면의 온도를 얻는다. 유속과 전력은 각각 0.02 kg/s, 0.04 kg/s와 18 W에서부터 30 W까지 이다. 시험 부위는 안지름이 8.1 mm, 바깥지름이 14.5 mm인 원형 관이고, 총 39개의 열전대가 세관 바깥벽에 설치되었다. 시험 부위의 총 높이는 2100 mm이고 이 중 800 mm는 입구 부분이고 100 mm는 출구 부분이다.
    관의 바깥부분 온도 분포는 시작부분과의 거리 x와 관의 지름D와의 비율 x/D의 함수이다. 전력이 높을수록 바깥 부분의 온도가 높아졌다. 관의 바깥 부분 온도는 열을 받음에 따라 점차 증가하는 것이 맞지만, 특정 부분에서는 일시적으로 열을 계속 받았는데도 불구하고 온도가 감소하였다. 이 열전달 약화 현상은 부력 효과에 의해 설명 될 수 있다. 부력 효과에 의해 관의 바깥 부분의 이산화탄소의 속도가 빨라지게 되면 내부 이산화탄소와의 속도 차이가 작아져서, 유체 중심으로 열을 충분히 교환하지 못하기 때문이다.
    이산화탄소는 다른 유체보다 쉽게 초임계 상태로 변한다. 밀도나 비열과 같은 물성치는 임계점 근처에서 급격하게 변한다. 이 성질을 이용하여 열교환을 극대화하기 위해서 더 많은 실험과 분석이 행해지고 있다.


  • 목차(Contents) 

    1. 최종보고서 ... 1
    2. 요약 ... 2
    3. Abstract ... 2
    4. 1. 서론 ... 3
    5. 2. 배경이론 ... 5
    6. 2-1. 초임계 이산화탄소의 물성 ... 5
    7. 2-2. 외벽 온도와 내벽 온도 관계식 ... 6
    8. 2-3. 레이놀즈 수 ....
    1. 최종보고서 ... 1
    2. 요약 ... 2
    3. Abstract ... 2
    4. 1. 서론 ... 3
    5. 2. 배경이론 ... 5
    6. 2-1. 초임계 이산화탄소의 물성 ... 5
    7. 2-2. 외벽 온도와 내벽 온도 관계식 ... 6
    8. 2-3. 레이놀즈 수 ... 8
    9. 3. 선행 연구 ... 8
    10. 4. 공학 실험 ... 9
    11. 4-1. 관로 계통 ... 9
    12. 4-2. 실험 절차 ... 13
    13. 4-3. 실험 조건 ... 13
    14. 5. 실험 결과 ... 13
    15. 5-1. 질소 예비 실험 결과 ... 13
    16. 5-2. 이산화탄소 실험 결과 ... 14
    17. 6. 실험 결과 분석 및 논의 ... 16
    18. 6-1. 유체 온도 분포 ... 16
    19. 6-2. 유체 온도와 밀도의 관계 ... 16
    20. 6-3. 열전달 약화 ... 17
    21. 7. 결론 ... 19
    22. 참고문헌 ... 20
  • 참고문헌

    1. 전체(0)
    2. 논문(0)
    3. 특허(0)
    4. 보고서(0)

 활용도 분석

  • 상세보기

    amChart 영역
  • 원문보기

    amChart 영역