비등(끓음) Boiling

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비등 Boiling

비등은 액체에서 기체로 상변화하는 과정이다. 액체가 포화온도보다 충분히 높은 온도로 유지되는 표면과 접하고 있을 때 고체와 액체 계면에서 발생한다. 

0. 비등(끓음)과 증발의 차이

증발(evaporation)도 액체에서 기체로 상변화하는 과정이지만 비등(Boiling, 끓음)과 차이가 있다. 

고체-액체 계면(interface)에서 뜨거운 고체에서 액체로 열전달에 의해 상변화가 일어나면, 비등(boiling)

기체-액체 계면에서 기체의 증기압이 액체의 포화압력보다 작아 상변화가 일어나면, 증발(evaporating)

증발은 액체와 증기계면에서 주어진 온도의 액체 포화압력보다 증기압이 작을 때 일어난다. 

예를 들어 건조한 날에 빨래 온도가 섭씨 100도가 되지도 않았는데 마르는 것이 바로 물이 증발했기 때문이다.   

증발 과정중에는 기포가 형성되지 않으며 기포의 운동이 없다.

반면에 비등과정에서는 기포(bubble)가 형성된다. 단, 초임계압력과 온도에서는 기포가 형성되지 않는다.  

참고로,

증기(vapor)는 일정한 온도하에서 압력을 증가시켜 액화시킬 수 있는 상태

기체(gas)는 등온하에서 아무리 압력을 가해도 액화되지 않는 상태를 말한다. 

^[각주:1]

1. 유체의 유동(bulk fluid flow)에 따른 분류

^[각주:2]

1.1. 풀 비등(pool boiling)

총체적인 유체비등이 없을 때 풀비등이라고 한다. 

유체가 정지하고 있어 유체의 비등은 부력에 의한 자연대류와 기포의 운동에 따른다.

1.2. 유동비등(flow boiling)

총체적인 비등이 있을 때 유동비등이라고 한다.  

2. 유체의 온도에 따른 분류

^[각주:3]

2.1. 아냉비등(subcooled boiling)

비등 중 액체의 주된 부분의 온도가 포화온도보다 낮을 때를 아냉되었다고 하며, 이때 일어나는 비등을 아냉비등이라고 한다. 

쉽게 말해, 특정부분만 끓는점 이상이 되어 끓는 것을 아냉비등이라고 이해하자.

2.2. 포화비등(saturated boiling)

액체의 온도가 포화온도와 같게 되었을 때 일어나는 비등을 포화비등이라고 한다. 

3. 초과온도에 따른 분류

포화온도보다 표면온도의 차이를 초과온도라고 하고, 초과온도에 따라 비등을 4개의 구역으로 나눈다. (S. Nukiyama, 1934) 

초과온도가 낮은 순으로 자연대류비등(Natural convection boiling), 핵비등(Nucleate boiling), 천이비등(Transition boiling), 막비등(film boiling)이라고 한다.

3.1. 풀비등(pool boiling) 의 초과온도에 따른 분류

^{[각주:4][각주:5]}

^[각주:6]

구간 및 점(point) 설명

• 영점 ~ 점 A : 자연대류비등(natural convection boiling)
• 점 A : ONB, onset of nucleate boiling, 핵비등이 시작되는 곳
• 점 A ~ 점 C : 핵비등(nucleate boiling)
• 점 C : CHF, Critical heat flux , 최대 열유속
• 점 C ~ 점 D : 천이비등(transition boiling)
• 점 D : Leidenfrost point, 최소 열유속
• 점 D ~ 점 E : 막비등(film boiling)

^[각주:7]

^[각주:8]

^[각주:9]

^[각주:10]

^[각주:11]

3.2. 유동비등(flow boiling)의 초과온도에 따른 분류

유속에 따라서 CHF가 달라진다.

추가. Dry out

^[각주:12]

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2014. 06. 02 작성

2017. 04. 09 수정

1. https://i.stack.imgur.com/lbHET.png [본문으로]
2. Heat and mass transfer, cegel [본문으로]
3. Heat and mass transfer, cegel [본문으로]
4. Heat and mass transfer, cegel [본문으로]
5. Heat and mass transfer, cegel [본문으로]
6. Heat and mass transfer, cegel [본문으로]
7. http://goo.gl/XEdErj/ From Chen et al.,1 copyright © 2009 American Chemical Society. Reprinted with permission from ACS. [본문으로]
8. http://ahnlab.incheon.ac.kr/ [본문으로]
9. http://www.nuclear-power.net/wp-content/uploads/2016/06/Bubbly-Slug-Churn-Annular-Mist-Flow.png?a34b7f [본문으로]
10. Figure 7 Flow patterns observed in vertical upward bubbly pipe flow (Taitel et al. 1980), and flow pattern map for a 72-mm inner diameter vertical pipe flow of air and water according to the model of Taitel et al. (1980). Fluid mechanical aspects of the gas-lift technique, S. Guet G. Ooms G. Ooms [본문으로]
11. http://www.nuclear-power.net/wp-content/uploads/2016/06/Bubbly-Slug-Plug-Annular-Stratified-Mist-Wavy.png?a34b7f [본문으로]
12. http://goo.gl/P2S1hJ [본문으로]