This study aims to reveal the characteristics of the critical heat flux (CHF) of internally heated concentric annuli and vertical round tubes in low-pressure and low-flow (LPLF) conditions. Although many efforts have been devote to the subject of the CHF during the last forty years, the information on the CHF phenomenon for LPLF conditions is still very limited. The applicable ranges of th CHF correlations for annuli and round tubes are concentrate on the operating conditions of nuclear power plant (NPP), namely high-pressure and high-flow (HPHF) conditions. these facts promoted to collect the reliable CHF data for LPLF conditions for both annuli and round tubes.
The critical heat flux data for vertical flow boiling of water in annuli and round tubes at low pressures and low mass fluxes show the following trends: The observed CHF mechanism for annuli was changed in the order of flooding, churn-to-annular flow transition, and local dryout under a large bubble in churn flow as the flow rate was increased from zero to higher values. The observed parametric trends for annuli are consistent with the previous understanding except that the CHF for downward flow is considerably lower (up to 40%) than that for upward flow. The critical quality is much lower than that for round tubes at the same inlet conditions. The observed parametric trends for round tubes are generally consistent with the previous understanding except for system pressure an tube diameter effect. For the system pressure effect, it is observed that the pressure effect is complicated but not so large, whereas the existing CHF correlations do not present the parametric trend exactly. For tube diameter effect, the decreasing trends of CHF with respect to tube diameter was the general understanding so far, but in this region the CHF show a increasing trend of tube diameter.
The prediction and the parametric trend analyses are performed by two view points, I.e., for fixed inlet conditions and for local conditions hypothesis for annuli and round tubes. The data have also been compared with predictions of the existing well-known correlations: Among the CHF correlation for annuli, Doerffer et al.’s correlation is suggested to be used for reliable assessment of the annulus CHF for most conditions, except for very low pressure conditions (P < 1000 kPa). The success of tube-table-based correlations by Doerffer et al. indicate the feasibility of using a well-established tube correlation as a basis for future development of annulus CHF prediction models. The artificial neural networks (ANNs) are applied to the CHF database for round tube at LPLF (P = 110~1100 kPa, G = 0~500 kg/m$^2$s) conditions. The train back-propagation neural networks (BPNs) predict the CHF better than those any other CHF correlations. The parametric trends on the BPN for fixed inlet conditions well agree with our experimental results. For local conditions hypothesis, the parametric trend analysis are consistence with many previous studies except for tube diameter effect. Except for exit qualities of 0.6 and 0.7, the CHF increases with increasing tube diameter.
By considering the above conclusions, the followings are recommended for further study: (a) BPN is recommended to be used for predicting and parametric trend analyzing the critical heat flux with high reliability. (b) It is found that the trained data can be directly used to assess the error statistics of a trained BPN; whereas in the past an independent sample data have been used to assess the errors. (c) It is recommended that the feasibility of using a well-established tube correlation as a basis for future development of annulus CHF prediction models. (d) Still, the CHF database for LPLF conditions are not enough, it is highly recommended to supplement the reliable CHF data set specially in the subcooled and low-quality region.
이번 연구의 주된 목표는 저압$\cdot$저유속(LPLF) 조건에서의 내부관-가열-동심원 환상관과 수직 원형관에 대한 임계 열유속의 특징을 이해하는 것이다. 지난 40여년간 임계 열유속 현상에 대하여 많은 노력들을 기울여 왔지만, LPLF 조건에 개한 이해는 제한적이다. 환상관과 원형관에 대한 CHF 상관식들의 적용 범위가 발전소 운전 영역, 즉 고압$\cdot$고유속 조건에 집중되어 있는 현실이다. 이러한 사실들이 저압$\cdot$저유속 조건에서의 환상관과 원형관에 대한 신뢰성 있는 CHF 데이터를 확보하는 실험의 동기가 되었다. 저압$\cdot$저유속 조건에서의 환상관과 원형관에 대한 수직 유동 비등의 임계 열유속 데이터는 다음과 같은 경향을 보인다: 관측된 환상관에 대한 임계 열유속 기구는 입구 유속이 제로 '0' 에서 높은 값으로 이동함에 따라 플러딩, 천 유동-환상류 유동으로의 천이, 그리고 천유동에서의 커다란 기포 아래에서의 국부적 드라이 아웃의 순서로 변해 가는 것을 알 수 있었다. 환상관에 대한 실험에 의해 관측된 주요변수의 영향은 지금까지의 이해와 대부분 일치하는데, 하향류 유동의 경우 상향류보다 임계 열유속 값이 상당히 낮게 (최고 40% 까지) 관측되었다. 환상관에서의 임계 건도는 일정한 입구 조건의 원형관에 비해 상당히 낮게 관측되었다. 원형관에 대해 관측된 주요변수에 대한 영향은 시스템 압력과 관 직경의 영향을 제외하고는 지금까지의 이해와 일치한다. 압력 영향의 경우, 일관성이 없이 혼란스러우나 그 정도는 크지 않았다. 관 직경의 영향의 경우, 지금까지의 이해는 관 직경이 증가함에 따라 CHF가 감소하는 경향을 보이나, 이 영역의 경우 관 직경에 따라 증가하는 경향을 보이고 있다.
환상관과 원형관에 대한 임계 열유속의 예측과 주요 변수 경향 분석이 일정한 입구 조건과 국부 조건 가설의 관점에서 수행되었다. 또한 데이터들은 기존의 상관식과 비교 평가되었다: 환상관에 대한 CHF 상관식들 중, Doerffer 등에 의한 상관식이 매우 낮은 압력 조건($P<1000 kPa$)을 제외하고, 대부분의 조건에 대해서 좋은 예측을 보였다. 이것은 Doerffer 등과 같은 원형관-테이블-기초 상관식이 앞으로의 환상관 임계 열유속 예측 모델 등에 기초로서 원형관 상관식을 사용할 수 있음을 나타낸다. 인공 신경 회로망(ANN)이 저압$\cdot$저유속 조건의 임계 열유속 데이터베이스 ($P = 110 \sim 1100 kPa, G = 0 \sim 500 kg/m^2s$)에 적용되었다. 학습된 역전파 신경회로망(BPN)은 다른 임계 열유속 상관식들보다 CHF 예측 성능이 우수하였다. 일정한 입구 조건에 대한 주요 변수 경향은 실험 결과에서와 동일하였으며, 국부 조건 가설에 대해서는, 관 직경의 영향을 제외하고는 많은 이전의 연구 결과와 일치하였다. 특히, 0.6에서 0.7의 출구 건도를 제외하고, CHF가 관 직경이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다.
위에서 얻은 결론을 토대로, 다음 사항들이 이후의 연구를 위해 제안되었다: (a) BPN이 임계 열유속의 예측과 변수 경향 분석에 높은 신뢰성을 갖고 사용되어질 수 있다. (b) BPN의 오차 분석을 위해 독립적인 견본 데이터를 따로 확보하는 등의 절차를 거치지 않고, 직접 전체 데이터 자체를 학습과 오차 분석이 사용하여도 무방하다. (c) 앞으로의 환상관 임계 열유속 예측 모델 등의 기초로서 원형관 상관식이 사용될 수 있다. (d) 아직, 저압$\cdot$저유속 조건에 대한 CHF 데이터베이스가 부족하기 때문에, 과냉각 그리고 저-건도 영역의 신뢰성 있는 CHF 데이터가 좀더 확보되어야 하겠다.
