In an effort to determine the combined effects of major parameters of heat exchanger tubes on the nucleate pool boiling heat transfer in the scaled in-containment refueling water storage tank (IRWST), a total of 2,317 data (i.e., 1,121 data points with horizontal tubes, 1,063 data points with vertical tubes, and 133 data points with 45° inclined tubes) for q" versus △T has been obtained using various combinations of tube diameters (D=9.7~25.4mm), surface roughness (ε=15.1-60.9nm), and tube orientations (θ=0, 45, and 90°).
The experimental results show that (1) increased surface roughness enhances heat transfer for both horizontal and vertical tubes, (2) the two heat transfer mechanisms, i.e., enhanced heat transfer due to liquid agitation by bubbles generated and reduced heat transfer by the formation of large vapor slugs and bubble coalescence are different in two regions of low heat fluxes (q"≤50kW/ ㎡) and high heat fluxes (q" gt 50kW/㎡) depending on the orientation of tubes and the degree of surface roughness, and (3) the heat transfer rate decreases as the tube diameter is increased for both horizontal and vertical tubes, but the effect of tube diameter on the nucleate pool boiling heat transfer for vertical tubes is greater than that for horizontal tubes.
Two empirical heat transfer correlations for q", one for horizontal tubes and the other for vertical tubes, are obtained in terms of surface roughness (ε) and tube diameter (D). In addition, a simple empirical correlation for nucleate pool boiling heat transfer coefficient ($h_b$) is obtained as a function of heat flux (q") only.
Introducing the above empirical correlations into the computer code developed at KAIST, characteristics of the PRHRS have been analyzed for various tube diameters and number of tubes. According to the result of computer code simulations, 19.05 mm tube diameter for the heat exchanger is found to be the most efficient for decay heat removal from the reactor core.
축소한 격납용기 내부 핵연료재장전수저장탱크의 안쪽에 설치한 열교환기 튜브의 주요 매개변수들이 풀핵비등 열전달에 미치는 복합적인 영향을 규명하기 위해 튜브 외경(D=9.7~ 25.4mm), 표면 거칠기(ε=15.1~60.9nm), 그리고 튜브 설치 방향(θ=0,45, 그리고 90°)에 대한 다양한 조합들을 활용하여 열유속 q"와 과열 온도 차이 △T 간의 관계에 대한 총 2,317 개 (1,121 개는 수평 튜브, 1,063 개는 수직 튜브, 그리고 133 개는 45° 경사진 튜브에 대한 것임)의 실험값을 취득하였다.
이 실험 결과들에 의하면, (1) 표면 거칠기 증가는 수평 및 수직 튜브 모두에 대해 열전달을 향상시키고, (2) 기포 생성에 따른 두가지 열전달 기구인 주변 액체 운동 증가에 의한 열전달 향상과 기포층 및 기포 군집 형성에 의한 열전달 감소는 50kW/㎡의 열유속을 경계로 낮은 열유속과 높은 열유속 영역에서 서로 다르게 관찰되는데, 이것은 튜브 설치 방향과 표면 거칠기의 크기와 관련이 있으며, (3) 튜브 외경 증가는 수평 및 수직 튜브 모두에 대해 열전달을 감소시키는데, 그 영향 정도는 수평보다 수직구조에서 더 크게 나타나는 것으로 밝혀졌다.
수평 및 수직 튜브들에 대해 열유속 q"와 표면 거칠기 (ε) 및 튜브 외경 (D) 사이의 관계를 결정하는 두가지 실험식을 개발하였다. 그리고, q" 만의 함수로된 풀핵비등 열전달계수 ($h_b$)에 대한 간단한 실험식도 부가적으로 개발하였다.
위에서 제시한 실험식들을 KAIST에서 개발한 컴퓨터 코드에 대입하여 여러 가지 다양한 튜브 외경과 튜브 갯수 변화가 PRHRS 에 미치는 영향을 분석해 보았다. 컴퓨터 코드 모사(simulation) 결과에 의하면, 19.05mm 의 열교환기 튜브가 원 자로 노심으로부터 생성되는 잔열의 제거에 가장 효과적임을 알 수 있었다.
