임계열유속에 대한 임계전류밀도의 상사특성

박해균(Hae-kyun Park) 경희대학교 학술단체협의회 2022 高凰論集 Vol.70 No.-

임계열유속은 원자력발전소의 설계 및 안전과 관련된 매우 중요한 인자이다. 복잡한 수력학적 조건에서의 임계열유속 측정실험은 극한의 실험조건에 의한 실험설비의 파손 시 발생하는 경제적, 시간적 소요에 의해 연구자들로 하여금 많은 어려움을 겪게 한다. 본 연구는 이러한 임계열유속 측정의 난점을 극복하기 위해 열과 물질전달 간의 상사성을 이용한 대체가능 실험방법론을 제시한다. 임계전류밀도는 작업전극에 수소막이 덮이면서 나타나는 전기분해에서의 작동한계이다. 본 연구에서는 임계열유속과 임계전류밀도의 수력학적 유사성을 기반으로, 임계열유속에 대한 임계전류밀도의 상사특성을 탐구한다. 비등계에서의 기화현상을 모사하기 위해 묽은황산전기분해계를 사용하여 전기화학적으로 수소를 발생시키는 실험을 수행하였다. 예비실험으로써, 수소환원계의 핵생성특성을 측정하고 이를 비등계와 비교하였다. 비등계에서와 유사하게, 전류밀도가 증가하면 수소환원계의 활성핵생성밀도(Active nucleation site density)가 증가하였다. 반면, 비등계에서와는 반대로 수소기포의 이탈직경은 전류밀도에 따라 감소하였다. 결과적으로, 수소기포의 주기는 전류밀도에 따라 증가하였다. 임계전류밀도의 메커니즘을 밝히기 위해 기존 임계열유속 모형을 차용하고 이를 수소환원계에 활용가능한 형태로 수정하였다. 기존 비등계의 Dry spot 모형과 유사한 개념으로 ‘Insulation spot’ 모형을 개발하여 임계전류밀도에서의 수소기포배열을 평가하였다. 임계기포수가 6개인 경우 Insulated spot 모형에 의한 임계전류밀도는 측정된 임계전류밀도보다 7.4% 높은 값을 산출해내며 잘 예측한다. 본 연구에서 최초로 수소환원계에서의 Macrolayer가 확인되었다. 수소기포덩어리의 Hovering time과 Macrolayer의 두께를 활용한 기존 Macrolayer dryout 모형은 임계전류밀도 또한 4.37% 이내로 잘 예측한다. 이러한 결과는 임계열유속에서와 마찬가지로 임계전류밀도 또한 수력학적 거동이 지배적으로 작용함을 의미한다. 그러므로, 수소환원계의 작은 수소기포이탈직경을 고려하면 임계전류밀도는 임계열유속의 축소모형이라고 간주할 수 있겠다. 이러한 상사관계를 여러 기하학적 및 수력학적 조건으로 확장할 수 있다. 질량유량, 표면기울기, 도관의 크기 등에 대한 임계전류밀도의 영향은 임계열유속에서의 영향과 유사하게 나타남을 확인하였다. 본 연구에서 밝혀진 상사특성을 통해, 열과 물질전달 간의 상사성을 이상유동 현상의 범위로 확장함으로써 더욱 진보된 상사성을 확립할 수 있다. The critical heat flux (CHF) is one of the important design and safety parameters in the nuclear power plant. The measurements of the CHF for complex hydrodynamic conditions are difficult due to the extreme experimental conditions, which cause the failure of the test facility, resulting in financial and time demanding problems. The present study proposes a possible alternative experimental method to overcome the difficulty of the CHF experiment by extending the analogy relation between heat and mass transfers. The critical current density (CCD) is an operation limit in the water electrolysis when hydrogen film is formed on the working electrode. Based on the hydrodynamic similarities between the CHF and the CCD, analogous characteristics of the CCD with the CHF are explored. Dilute sulfuric acid electrolysis was employed to produce hydrogen gas, which simulates vaporization in the boiling system. As the preliminary investigation, the nucleation characteristics of the hydrogen evolving system are measured and compared with the boiling system. The active nucleation site density in the hydrogen evolving system increased with current density increased, similar to the boiling system. The hydrogen departure diameter decreased with the increased current density as opposed to the boiling system. Accordingly, the hydrogen bubble frequency increased as the current density increased. The existing CHF models are borrowed and customized to envisage the CCD mechanism. The hydrogen bubble configuration at the CCD is estimated by the ‘insulated spot model’, which is developed in a similar manner to the dry spot model in the boiling system. The CCD is predicted well when the critical number of bubbles is six, which yields 7.4% higher value than the measured one. The presence of the macrolayer in the hydrogen evolving system is firstly revealed in this study. The macrolayer dryout model also predicts the CCD within 4.37% by utilizing the thickness of macrolayer and hovering time of hydrogen mass. The results imply that the CCD is dominated by the hydrodynamic behaviors just like the CHF. Hence, the CCD can be regarded as a miniature CHF considering small bubble diameter of the hydrogen evolving system. The analogous relations are extended by applying to the various geometric and hydrodynamic conditions. It is confirmed that the influences of mass flux, surface inclination, channel gap size, etc on the CCD are similar to those on the CHF. The analogous characteristics proven in this study shed light on the improved analogy between heat and mass transfers by extending the scope to include the two-phase flow phenomenon.

다양한 표면에서 유동 속도에 따른 풀 비등 열전달에 관한 연구

강동규(Dong-gyu Kang),이요한(Yohan Lee),서훈(Hoon Seo),정동수(Dongsoo Jung) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.4

본 연구에서는 열전달 표면의 형상과 그 위에서의 유동 속도의 변화에 따른 풀 비등 열전달계수의 변화를 살펴보기 위해 평판, 낮은 핀, Thermoexcel-E, Turbo-B 표면을 사용하여 유동 속도를 변화시켜가며 임계 열유속까지 열전달계수를 측정하였다. 작동 유체로는 증류수를 사용하였고 사각 평면 히터(9.53 x 9.53mm)를 이용하여 네 가지 표면에서 임계 열유속까지의 데이터를 얻을 수 있도록 장치를 제작하였고 60 에서 유동 속도를 0, 0.1, 0.15, 0.2m/s로 변화시켜가며 데이터를 취했다. 실험 데이터를 보면 모든 표면에서 유동이 있을 때의 임계 열유속은 유동이 없을 때에 비해 높은 것으로 나타났다. 또한 표면적의 증가와 기포 이탈에 충분한 핀 간격 등으로 인해 낮은 핀 표면의 임계 열유속은 평판이나 Turbo-B, Thermoexcel-E 표면보다 훨씬 놓았고 평판에 비해서는 무려 5배 정도의 향상을 보였다. 한편 대형 냉동기의 증발기용으로 개발된 Turbo-B와 Thermoexcel-E 표면은 물에서 기포의 이탈 지름이 크므로 열전달계수와 임계 열유속 모두 예상보다 큰 효과를 나타내지 않았다. 50kW/m2이하의 저열유속에서는 모든 표면에 대해 유동 속도 증가에 따라 열전달계수가 증가하였다. 결론적으로 핵발전소의 증기발생기에 적용하기에는 낮은 핀 형상의 표면이 가장 좋은 것으로 나타났다. In this study, a smooth flat surface, low fin, Turbo-B, and Thermoexcel-E surfaces are used to examine the effect of the flow velocity on the pool boiling heat transfer coefficients (HTCs) and critical heat fluxes (CHFs). HTCs and CHFs are measured on a smooth square heater of 9.53 × 9.53 mm2 at 60°C in a pool of pure water at various fluid velocities of 0, 0.1, 0.15, and 0.2 m/s. Test results show that for all surfaces, CHFs obtained with flow are higher than those obtained without flow. CHFs of the low fin surface are higher than those of the Turbo-B and Thermoexcel-E surfaces due largely to the increase in surface area and sufficient fin spaces for the easy removal of bubbles. CHFs of the low fin surface show even 5 times higher CHFs as compared to the plain surface. On the other hand, both Turbo-B and Thermoexcel-E surfaces do not show satisfactory results because their pore sizes are too small and water bubbles easily cover them. At low heat fluxes of less than 50 kW/m2, HTCs increase as the flow velocity increases for all surfaces. In conclusion, a low fin geometry is good for application to steam generators in nuclear power plants.

탄소나노튜브 적용 나노유체의 임계 열유속까지의 비등 열전달계수

박기정(Ki-Jung Park),이요한(Yohan Lee),정동수(Dongsoo Jung),심상은(Sang Eun Shim) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.7

본 연구에서는 순수 물에 탄소나노튜브를 분산시킨 나노유체를 작동유체로 하여 60℃에서 정사각형 구리평면 히터를 이용하여 핵 비등 열전달계수와 임계 열유속을 측정하였다. 탄소나노튜브의 체적비는 0.0001%, 0.001%, 0.01%까지 변화시켜 실험을 수행하였다. 탄소나노튜브는 고분자 물질을 사용하여 분산시키지 않고 탄소나노튜브에 직접 산화처리를 하여 분산시켰다. 실험 결과 나노유체의 열전달계수는 순수 물과 비교해 모든 체적비에서 증가하였다. 산화 처리를 한 탄소나노튜브는 비등이 일어나는 동안 열 경계층 안에서 열전도도가 큰 탄소나노튜브가 침착되지 않고 열전달 표면에 자주 접촉함으로써 열 경계층을 교란시켜 비등 열전달을 촉진시키는 것으로 사료된다. 임계 열유속은 체적비 0.001%에서 순수 물의 결과에 비해 150%까지 증가하였다. 이는 열전달 표면에서 탄소나노튜브가 매우 얇게 침착되어 생긴 나노 막으로 인해 거대한 기포막의 형성이 억제되고 핵 비등이 높은 열유속에서도 지속되어 임계 열유속이 증가하는 것으로 판단된다. In this study, the nucleate pool boiling heat transfer coefficients (HTCs) and critical heat flux (CHF) for a smooth and square flat heater in a pool of pure water with and without carbon nanotubes (CNTs) dispersed at 60℃ were measured. Tested aqueous nanofluids were prepared using CNTs with volume concentrations of 0.0001%, 0.001%, and 0.01%. The CNTs were dispersed by chemically treating them with an acid in the absence of any polymers. The results showed that the pool boiling HTCs of the nanofluids are higher than those of pure water in the entire nucleate boiling regime. The acid-treated CNTs led to the deposition of a small amount of CNTs on the surface, and the CNTs themselves acted as heat-transfer-enhancing particles, owing to their very high thermal conductivity. There was a significant increase in the CHF? up to 150%?when compared to that of pure water containing CNTs with a volume concentration of 0.001%. This is attributed to the change in surface characteristics due to the deposition of a very thin layer of CNTs on the surface. This layer delays nucleate boiling and causes a reduction in the size of the large vapor canopy around the CHF. This results in a significant increase in the CHF.

얇은 수직 사각유로에서의 포화비등조건 임계열유속 예측

최길식(Gil Sik Choi),장순흥(Soon Heung Chang),정용훈(Yong Hun Jeong) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.12

산업적으로 얇은 사각유로에서의 임계열유속을 포함한 열수력 현상을 이해하고 이를 시스템 설계에 반영해야 될 필요성이 증대되고 있다. 포화비등조건에서 임계열유속이 발생하는 주요기구는 일반적으로 환상유동 영역에서 액막이 건조되는 것이다. 이러한 임계열유속을 예측하기 위하여 원형관에 대한 대표적인 액막건조모델을 고찰하고 환상유동 시작 경계조건을 상수로 가정하는 기존 모델의 한계를 살펴보았다. 균일한 열유속으로 가열되는 얇은 수직사각유로 상향유동에서의 임계열유속을 예측하기 위하여 환상유동을 단순 모델링하고, 새로운 액막건조모델을 적용하였다. 284 개 실험데이타에 대한 예측성능을 확인한 결과 MAE 18.1%, RMSE 22.9% 예측오차로 실험데이타를 잘 예측할 수 있음을 확인하였다. There is an increasing need to understand the thermal-hydraulic phenomena, including the critical heat flux (CHF), in narrow rectangular channels and consider these in system design. The CHF mechanism under a saturated flow boiling condition involves the depletion of the liquid film of an annular flow. To predict this type of CHF, the previous representative liquid film dryout models (LFD models) were studied, and their shortcomings were reviewed, including the assumption that void fraction or quality is constant at the boundary condition for the onset of annular flow (OAF). A new LFD model was proposed based on the recent constitutive correlations for the droplet deposition rate and entrainment rate. In addition, this LFD model was applied to predict the CHF in vertical narrow rectangular channels that were uniformly heated. The predicted CHF showed good agreement with 284 pieces of experimental data, with a mean absolute error of 18. 1 % and root mean square error of 22.9 %.

비정상 열전도 역산법에 의한 분무냉각 임계열유속(CHF)의 측정에 관한 연구

김영찬(Yeung Chan Kim) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.10

본 연구에서는 비정상 열전도 역산문제의 해석이 가능한 프로그램을 이용하여 온도측정의 시간간격, 측정위치가 분무냉각 열유속의 측정결과에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. CHF 부근에서는 온도측정의 시간간격이 커질수록 비정상 열전도 역산법을 이용하여 계산한 열유속은 점차 감소하고 있음을 알 수 있었다. CHF 부근에서는 열유속이 매우 빠르게 변화하기 때문에 시간간격을 일정 값 이하로 작게 측정하여 열유속을 계산하는 것이 매우 중요할 것으로 판단된다. 온도측정위치는 비정상 열전도 역산법을 이용한 CHF 부근의 계산결과에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 파악되었다. 실험결과로부터 CHF 과열도는 열전대의 측정위치가 전열면 표면에 가까울수록 약간 고온으로 이동하는 경향이 있음을 알 수 있었다. A study on the measurement of critical heat flux using the transient inverse heat conduction method in spray cooling was performed. The inverse heat conduction method estimates the surface heat flux or temperature using a measured interior temperature history. The effects of the measuring time interval and location of temperature measurement on the measurement of critical heat flux were primarily investigated. The following results were obtained. The estimated critical heat flux decreased as the time interval of temperature measurement increased. Meanwhile, the effect of measurement location on critical heat flux was not significant. It was also found, from the experimental results, that the critical superheat increased as the measurement location of thermocouple neared the heat transfer surface.

나노유체의 분무냉각 열전달에 관한 연구

김영찬(Yeung Chan Kim) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.11

본 연구에서는 순수 물에 0.1% 부피농도의 산화구리(CuO) 나노입자를 혼합하여 제조한 나노유체에 대한 분무냉각 열전달실험을 수행하여 순수 물의 실험결과와 비교하였다. 실험결과, 순수 물의 경우와 마찬가지로 나노유체의 액적유량밀도가 증가할수록 전체 비등영역에서 분무냉각 열유속이 증가하였다. 특히 액적유량밀도가 증가함에 따라 막비등영역보다 임계열유속 부근의 핵비등영역에서 열유속이 큰 폭으로 증가함을 알 수 있었으며, 이는 나노액적에 의한 상변화 열전달의 효과가 핵비등영역에서 더욱 크게 나타나고 있는 것으로 판단된다. 또한 나노유체의 경우가 순수 물을 사용한 경우보다 전체 비등영역에서 열유속이 높게 나타났으며, 본 실험범위에서 나노유체를 사용한 경우의 임계열유속이 순수물의 임계열유속보다 8~15% 정도 높게 나타나고 있음을 알 수 있었다. An experimental study on the spray-cooling heat transfer of nanofluids is conducted. A nanofluid of 0.1% volumetric concentration mixed with 80-nm sized CuO powder and pure water are used for the experiment. The experimental results showed that the heat flux of the nanofluid spray increased with an increased droplet flow rate in the surface-temperature regions of both nucleate boiling and film boiling. In addition, it was found that the heat flux of nanofluid spray was higher than that of pure water spray in both surface-temperature regions. In particular, the critical heat flux of nanofluid spray was 8~15% higher than that of pure water spray under the present experimental conditions.

나노 구조가 형성된 열전달 표면에서의 임계 열유속 증진 메커니즘

김동억(Dong Eok Kim) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集B Vol.38 No.7

나노 구조가 형성된 열전달 표면에서 유체의 비등 시 임계 열유속 값이 나노 구조가 없는 표면보다 현저히 증가한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 다수의 물리적 메커니즘들이 이러한 나노 구조에서의 임계 열유속 증진 현상을 설명하기 위해 제안되어 왔다. 하지만 지금까지 대부분의 연구들은 정성적인 결과를 제시해 왔으며, 이러한 현상을 일반적으로 설명할 수 있는 이론은 아직 확립되지 않았다. 본 연구에서는 나노 구조가 형성된 표면에서의 임계 열유속 증진에 관한 정량적인 메커니즘을 증기 반동력 및 표면 접착력에 기초하여 제안하고자 한다. 특히, 본 연구에서는 임계 열유속 증진 현상을 표면에 형성된 나노 구조로 인한 액체, 증기, 고체의 삼중선 길이의 증가 및 나노 구조와 액체 사이의 접착력에 근거하여 설명하였다. The critical heat flux (CHF) on a heat transfer surface with nanostructures is known to be significantly better than that on flat surfaces. Several physical mechanisms have been proposed to explain this phenomenon. However, almost all studies conducted so far have been qualitative, and a generalized theory has not yet been established. In this study, we developed a quantitative mechanism for CHF enhancement on a surface with nanostructures, based on vapor recoil and surface adhesion forces. We focused on the increase in the length of the triple contact line owing to the formation of nanostructures and the adhesion force between them and the liquid.

나노유체 : 수조비등 환경에서 나노입자 코팅두께에 따른 임계열유속 결과의 실험적 연구

박성대 ( Seong Dae Park ),문성보 ( Sung Bo Moon ),방인철 ( In Cheol Bang ) 한국액체미립화학회 2012 한국액체미립화학회 학술강연회 논문집 Vol.2012 No.-

Since nanofluids, which are colloidal dispersions of nanoparticles in a base fluid such as water, were known as a way to significantly enhance the CHF, the pool boiling CHF test was conducted in a variety conditions depending on the material, the concentration etc. The concentration is the factor which influences the amount the coating materials on the heater surface. In most papers which are reporting the results of the pool boiling CHF test for nanofluids, the exact heating time is not described according to the heat flux level. The heating time is also an important factor that determines the amount of coated material. Alumina nanofluid is prepared by dispersing nanoparticles into the distilled water as a base fluid. The concentration of nanofluid is 0.01Vol%. Pre-coating process was carried out from 1 to 180 minutes at 600kW/m2. Heating time affects CHF positively in the region of a relatively short pre-coating time. The trend of CHF change is slowly decreased as pre-coating time is incrased. When more nanoparticles are coated on the heater surface but not heat transfer area is limited, the heat resistance which is disturbing the heat flow is increasing. The static contact angle was measured for sessile droplets of pure water (1μl) at 25℃ in air on the clean and nanoparticles coated surfaces boiled in nanofluids. The dramatic decrease of contact angle was observed on the coated heater surface. The results of contact angle are not uncovering the slight decrease of CHF in high pre-coating region. Hydrodynamic instability theory has been known as model of Zuber who proposed initially. The nanoparticle-coated surface has a shorter average distance compared with a bare surface. A case of high pre-heating time has a short wavelength in this work. A short wavelength allows to the vapor to prevent the formation of bulk vapor by venting the vapor equally across the heater surface. But the results of wavelength are not similarly uncovering the slight decrease of CHF in high pre-coating region. Coating thickness was measured by analyzing the SEM images. The thickness is continually increased but the gradient is becoming gentle. Reversely, porosity is decreased as the pre-boiling time is longer. It means that the coating layer formed by nanoparticles is becoming dense. It is clear the coating layer functions as a heat transfer resistance.

다공성 실리콘 표면에서의 비등 열전달

정정열(Jung-Yeul Jung),곽호영(Ho-Young Kwak) 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.5

Boiling heat transfer on porous silicon surface was studied in this study. Experiments were conducted to investigate the effects of porous surface with submicron-scale roughness on the boiling heat transfer in subcooled FC-72 at the ambient pressure. Two-types of porous silicon surface were obtained using anodisation with HF (hydro fluoric acid) based electrolyte and DMF (dimethylforamide) based one. Thin film heaters for supplying constant heat flux and thin film temperature sensors were fabricated using conventional MUPs processes with doped polysilicon. Enhanced heat transfer using PSHF chip (porous silicon made using HF based electrolyte) and PSDMF chip (porous silicon made using DMF based electrolyte) were about 40.7 % and 2.3 %, respectively.

단면 열속부하된 Hypervapotron 냉각채널의 과냉비등상황 임계열유속 실험적 연구

임지환(Ji Hwan Lim),박민규(Min Gyu Park),오훈교(Hun Gyo Oh),황돈관(Don Koan Hwang),김무환(Moo Hwan Kim),조항진(Hang Jin Jo) 대한기계학회 2019 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2019 No.11

In Korea, KSTAR’s tokamak long-time operation technique has reached 70 seconds in 2016, and steady-state plasma control technique is estimated to reach world-class level. However, the lack of cooling capacity to maintain the thermal steady state of the tokamak is becoming a severe engineering problem in preparation for K-DEMO. To simulate the fusion thermal condition, a test loop was constructed to withstand high temperature (150℃) and high pressure (20 bar). Through this loop, CHF experiments were carried out for the Hypervapotron channel and the results were compared with Baxi Hypervapotron CHF correlation. But, a high error average of 173.46% was found, and the Ja number index was changed to 0.45 in consideration of the 10 bar pressure to enable a reasonable prediction of 6.85% lower error. If CHF modeling and verification test is performed later, it will be possible to predict CHF over a wider range.