막상 응축 (film condensation)
쉽게 풀면
증기가 차가운 벽에 닿아 액체가 될 때, 액체가 벽 전체를 얇게 덮고 흘러내리면 막상 응축이라고 합니다. 이때 벽과 증기 사이에 액체 막이 끼어들어 열이 통과하기 어려워지므로, 막이 두꺼울수록 열전달이 나빠집니다. 반대로 액체가 방울로 맺혀 굴러떨어지면 벽이 자주 드러나 열전달이 훨씬 좋아집니다.
왜 중요한가
증류탑 응축기, 발전소 복수기, 증발기처럼 증기를 액체로 바꾸는 설비의 용량은 응축측 열전달계수가 좌우하는데, 산업 설비는 대부분 막상 응축 상태로 운전됩니다. 따라서 설계에서는 막상 응축을 기준으로 보수적으로 계산하고, 응축액이 빠르게 빠져나가도록 배열과 배수 경로를 잡습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
막상 응축을 전제로 고전 이론식을 적용하는 표준 설계 절차입니다.
액막 두께가 열저항을 지배한다는 이 현상의 본질을 보여줍니다.
조금 더 깊게 보면
막상 응축의 고전 해석은 누셀트가 제시한 층류 액막 모델로, 중력과 점성이 균형을 이루는 액막의 두께를 구해 열전달계수를 유도합니다. 이 해석에 따르면 열전달계수는 액막이 길어질수록 작아지고, 증기와 벽의 온도차가 커질수록 응축량이 늘어 액막이 두꺼워지므로 역시 작아집니다. 액막의 레이놀즈 수가 커지면 파동이 생기고 결국 난류로 전이해 실제 열전달계수는 층류 이론값보다 커지며, 비응축성 기체가 조금만 섞여도 계면에 쌓여 성능이 크게 떨어집니다.
주의할 점
적상 응축이 이론적으로 훨씬 유리하지만 표면 처리의 내구성 때문에 장기 운전에서는 유지되기 어려우므로, 설계 기준은 막상 응축으로 잡는 것이 안전합니다. 핵비등이 액체 속에서 기포가 생기는 반대 방향의 상변화라면, 막상 응축은 증기가 액체로 바뀌며 생긴 액막 자체가 열저항이 된다는 점에서 지배 요인이 다릅니다.