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물탱크 내의 열성층

전문가 제언: ○ 유체의 밀도 차이에 의해 온도가 낮은 유체 위에 온도가 높은 유체가 층을 이루는 현상을 열성층이라 한다. 열성층은 테양열 온수공급 시스템과 같이 비교적 저온 시스템에서는 온도 차에 의한 자연 순환을 촉진하여 시스템 효율을 높이는 유익한 결과를 얻을 수 있다. 그러나 원자력발전소와 같은 고온 시스템에서는 용기 또는 배관에서 열성층이 일어나면 높은 열응력이 발생하여 피로 또는 균열이 일어나는 해로운 결과를 가져올 수 있다.

○ 태양열 온수공급 시스템에서 시스템의 열적 성능과 관련된 중요한 요소는 온수 저장탱크다. 저장탱크 내에서 열성층의 형성은 온수의 에너지 질을 향상시키고 태양열 시스템의 효율을 높이는 역할을 한다. 에너지의 질을 보존하고 열성층의 붕괴를 피하기 위해서는 첫째로 배출과정에서 찬 물이 탱크의 상부로 들어오는 것을 막아야 한다. 또한 열성층이 형성되도록 원통형 저장탱크의 경우는 수직방향의 길이를 높이고 직경을 작게 하는 것이다.

○ 저장탱크 내 열성층의 수립을 촉진하는 또 다른 방법은 열교환기를 저장탱크의 내부 또는 외부에 두어 간접적으로 저장탱크 내의 물을 가열하는 것이다. 태양열 집열기에서 가열된 온수는 열교환기로 들어가서 저장탱크 내의 온수를 가열하고 다시 집열기로 되돌아간다. 한편으로 사용자 회로는 저장탱크로부터 온수를 얻으며 그 과정에서 냉각된 물을 다시 저장탱크로 돌려보낸다. 이러한 구조는 자연대류를 촉진하여 저장탱크 내에 안정된 열성층을 형성시킨다.

○ 열성층 현상은 원자력발전소의 부품 또는 배관 등에서도 자주 발생한다. 최근에 브라질 원자력발전소인 Angra 2호기(PWR)의 주 급수배관에서 열성층으로 인한 균열이 발견되어 원자로를 정지시킨 일이 있었다. 고온수와 저온수가 만나 열성층을 형성하면 열응력이 생기며 이런 일이 자주 발생하면 배관 벽의 피로현상 때문에 균열까지 일어날 수 있다. 이 자료는 태양열 온수시스템을 대상으로 하고 있지만 열성층 전반을 다루고 있어 여러 분야에서의 활용이 가능하다고 사료된다.

저자: Y.M. Han, R.Z. Wang, Y.J. Dai
자료유형: 학술정보