간헐천 현상

간헐천 현상이란 극저온 액체가 수직으로 길게 뻗은 관(길이 대 직경 비율이 특정 값에 도달하는 관)을 따라 이동할 때, 액체의 기화로 생성된 기포와 기포 사이의 중합 반응이 일어나면서 액체가 분출되는 현상을 말합니다. 최종적으로 극저온 액체는 관 입구 밖으로 역류하여 분출됩니다.

파이프라인의 유속이 낮을 때 분수처럼 물이 솟구치는 현상이 발생할 수 있지만, 유속이 완전히 멈췄을 때만 이를 알아차릴 수 있습니다.

극저온 액체가 수직 파이프라인을 따라 흐르는 과정은 예냉 과정과 유사합니다. 극저온 액체는 열에 의해 끓고 기화되는데, 이는 예냉 과정과는 다른 점입니다! 하지만 이 열은 예냉 과정처럼 시스템의 큰 열용량에서 발생하는 것이 아니라, 주로 주변의 작은 열 유입에서 비롯됩니다. 따라서 증기막이 아닌 상대적으로 높은 온도의 액체 경계층이 관 벽면 근처에 형성됩니다. 액체가 수직 파이프를 따라 흐를 때, 외부 열 유입으로 인해 관 벽면 근처의 유체 경계층의 열밀도가 감소합니다. 부력의 작용으로 유체는 위쪽으로 역류하여 고온 유체 경계층을 형성하고, 중심부의 저온 유체는 아래쪽으로 흐르면서 두 유체 사이에 대류 효과가 발생합니다. 고온 유체 경계층은 흐름 방향을 따라 점차 두꺼워지다가 중심부 유체를 완전히 차단하고 대류를 멈춥니다. 그 후, 열을 방출할 대류가 없기 때문에 고온 영역의 액체 온도는 급격히 상승합니다. 액체의 온도가 포화 온도에 도달하면 끓기 시작하면서 기포가 발생합니다. 가스 폭탄은 기포의 상승 속도를 늦춥니다.

수직 배관 내에 기포가 존재하면, 기포의 점성 전단력으로 인해 기포 바닥의 정압이 감소하고, 이는 다시 액체의 과열을 유발하여 더 많은 증기를 생성합니다. 이렇게 생성된 증기는 다시 정압을 낮추는 상호 상승 작용을 일으켜 일정 수준 이상의 증기 분출을 초래합니다. 액체가 증기를 동반한 채 배관으로 역류할 때, 마치 폭발과 유사한 간헐천 현상이 발생합니다. 액체와 함께 탱크 상부로 분출된 일정량의 증기는 탱크 내부 전체 온도의 급격한 변화를 일으키고, 이는 다시 압력의 급격한 변화로 이어집니다. 압력 변동이 최고점과 최저점을 오가는 경우, 탱크 내부가 음압 상태가 될 수 있으며, 이러한 압력 차이는 시스템의 구조적 손상을 야기할 수 있습니다.

증기 분출 후 파이프 내부 압력이 급격히 떨어지고, 중력의 영향으로 극저온 액체가 수직 파이프로 다시 주입됩니다. 이 고속의 액체 흐름은 수격 현상과 유사한 압력 충격을 발생시켜 시스템, 특히 우주 장비에 큰 영향을 미칩니다.

분출 현상으로 인한 피해를 제거하거나 줄이기 위해, 적용 과정에서 우선 열 침투가 분출 현상의 근본 원인이므로 배관 시스템의 단열에 각별히 주의해야 합니다. 또한, 불활성 비응축 가스 주입, 극저온 액체 추가 주입, 배관 순환 등의 방안을 검토할 수 있습니다. 이러한 방안들의 핵심은 극저온 액체의 과잉 열을 전달하여 열 축적을 방지하고 분출 현상 발생을 막는 것입니다.

불활성 기체 주입 방식에서는 일반적으로 헬륨을 불활성 기체로 사용하며, 헬륨을 파이프라인 하단에 주입합니다. 액체와 헬륨 사이의 증기압 차이를 이용하여 생성물 증기를 액체에서 헬륨으로 이동시켜 물질 전달을 유도함으로써 극저온 액체의 일부를 기화시키고, 극저온 액체로부터 열을 흡수하여 과냉각 효과를 발생시켜 과도한 열 축적을 방지합니다. 이 방식은 일부 우주 추진제 충전 시스템에 사용됩니다. 추가 충전은 과냉각된 극저온 액체를 추가하여 극저온 액체의 온도를 낮추는 방식이며, 순환 파이프라인 추가 방식은 파이프라인과 탱크 사이에 자연 순환 조건을 형성하여 국부적으로 과도한 열을 전달하고 열분해 발생 조건을 제거하는 방식입니다.

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HL 극저온 장비

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