1-1. 비등에 대하여 종류별로 열거하고 그 내용을 설명하시오.

비등(Boiling)은 액체가 가열되어 기체로 상변화하는 현상을 말합니다. 비등은 액체와 가열면의 온도차, 유체의 유동 상태 등 다양한 조건에 따라 여러 가지 형태로 나타납니다. 주요 비등의 종류는 다음과 같습니다.

 

1. 풀 비등 (Pool Boiling)

유체가 정지해 있는 상태에서 가열에 의해 발생하는 비등입니다. 유체의 움직임은 주로 부력에 의한 자연대류와 생성된 기포의 움직임에 의해 일어납니다. 냄비에 물을 넣고 가열할 때 일어나는 현상이 대표적인 풀 비등입니다. 가열면의 온도와 액체의 포화 온도 차이에 따라 다음과 같은 영역으로 나뉩니다.

• 자연대류 비등 (Natural Convection Boiling): 가열면 온도가 포화 온도보다 약간 높지만 아직 기포가 활발하게 생성되지 않는 단계입니다. 열전달은 주로 자연대류에 의해 일어납니다.
• 핵비등 (Nucleate Boiling): 가열면의 특정 지점(핵생성점)에서 기포가 발생하여 성장하고 떨어져 나가는 비등입니다. 열전달이 매우 효율적으로 일어나는 구간으로, 핵비등 영역은 다시 다음과 같이 세분화될 수 있습니다.
  • 고립 기포 영역 (Isolated Bubble Regime): 핵생성점에서 기포가 개별적으로 발생하여 성장하고 떨어져 나갑니다.
  • 취합/기포 기둥 영역 (Slug/Column Regime): 열유속이 증가함에 따라 기포 발생 빈도가 높아지고 기포들이 합쳐져서 슬러그 또는 기포 기둥 형태로 뭉쳐져 올라갑니다.
• 천이 비등 (Transition Boiling): 핵비등에서 막비등으로 넘어가는 불안정한 영역입니다. 가열면 일부가 증기막으로 덮이기 시작하며, 액체와의 접촉이 줄어들어 열전달 효율이 감소합니다. 열유속이 최대가 되는 임계 열유속(CHF: Critical Heat Flux) 이후에 나타납니다.
• 막비등 (Film Boiling): 가열면 전체가 안정적인 증기막으로 완전히 덮이는 비등입니다. 증기막은 열전도율이 낮아 단열층 역할을 하므로 열전달 효율이 가장 낮습니다. 막비등은 가열면 온도가 최소 열유속(Leidenfrost Point) 온도보다 높을 때 발생합니다.

2. 유동 비등 (Flow Boiling)

유체가 펌프나 압력차 등에 의해 강제로 유동하는 상태에서 가열에 의해 발생하는 비등입니다. 유체의 강제적인 움직임이 열전달에 큰 영향을 미칩니다. 파이프나 채널 내부에서의 비등이 대표적인 유동 비등입니다. 유체의 상태 변화에 따라 다양한 유동 패턴(기포 유동, 슬러그 유동, 환상 유동, 미스트 유동 등)을 보이며 열전달 특성이 변화합니다.

 

3. 포화 비등 (Saturated Boiling)

비등이 일어나는 액체의 온도가 해당 압력에서의 포화 온도와 같은 상태의 비등입니다. 액체 전체가 언제든지 기화할 수 있는 상태에 있습니다.

 

4. 아냉 비등 (Subcooled Boiling)

액체의 평균 온도는 포화 온도보다 낮지만, 가열면에 접한 액체층은 과열되어 비등이 발생하는 형태입니다. 생성된 기포는 차가운 주변 액체에 의해 응축되어 사라지기도 합니다.

 

요약하자면 비등은 유체의 유동 유무에 따라 풀 비등과 유동 비등으로 나눌 수 있으며, 가열면 온도와 액체 온도 차이에 따른 비등 곡선 상에서 자연대류 비등, 핵비등, 천이 비등, 막비등의 영역으로 구분됩니다. 또한, 액체의 벌크 온도에 따라 포화 비등과 아냉 비등으로도 분류할 수 있습니다. 각 비등 형태는 고유의 열전달 특성을 가지며 다양한 산업 분야에서 중요한 의미를 가집니다.