A new dry-spot model for critical heat flux (CHF) is proposed. The new concept for dry area formation based on Poisson distribution of active nucleation sites and the critical active site number is introduced. The model is based on the boiling phenomena observed in nucleate boiling such as Poisson distribution of active nucleation sites and formation of dry spots on the heating surface. It is hypothesized that when the number of bubbles surrounding one bubble exceeds a critical number, the surrounding bubbles restrict the feed of liquid to the microlayer under the bubble. Then a dry spot of vapor will form on the heated surface. As the surface temperature is raised, more and more bubbles will have a population of surrounding active sites over the critical number. Consequently, the number of the spots will increase and the size of dry areas will increase due to merger of several dry spots. If this trend continues, the number of effective sites for heat transport through the wall will diminish, and CHF and transition boiling occur.
The model is applicable to pool and subcooled forced convection boiling conditions, based on the common mechanism that CHF and transition boiling are caused by the accumulation and coalescences of dry spots. It is shown that CHF and heat flux in transition boiling can be determined without any empirical parameter based on information on the boiling parameters such as active site density and bubble diameter, etc., in nucleate boiling. It is also shown that the present model well represents actual phenomena on CHF and transition boiling and explains the mechanism on how parameters such as flow modes (pool or flow) and surface wettability influence CHF and transition boiling.
Validation of the present model for CHF and transition boiling is achieved without any tuning parameter always present in earlier models. It is achieved by comparing the predictions of CHF and heat flux in transition boiling using measured boiling parameters in nucleate boiling from given boiling conditions with the pool CHF data measured by Dhir and Liaw and Paul and Abdel-Khalik and the subcooled flow CHF data measured by Del Valle M. and Kenning and with the heat flux data in transition boiling measured by Dhir and Liaw. The predictions show good agreement with the existing data.
To use the present phenomenological model as a prediction tool, a study has been performed to predict CHF in pool and subcooled forced convection boiling using existing correlations for active site density, maximum bubble diameter, and heat transfer coefficients in nucleate boiling. Comparison of the model predictions with experimental data for pool boiling of water and upward flow boiling of water in vertical, uniformly-heated round tubes is performed. The data set (2438 data points) for CHF in subcooled forced convection boiling covers wide ranges of operating conditions (0.1≤P≤14.0 MPa, 0.00033≤D≤0.0375 m; 0.002≤L≤2 m; 660 ≤G≤90000 kg/㎡s; 70≤$Δh_i$≤1456 kJ/kg). Without any tuning factor, 1492 data points out of 2438 (61.2%) are calculated with a r.m.s. error of 41.3% and about 80% of the calculated data points are predicted within ±50%. It is also shown that by a modification of suppression factor in subcooled boiling, the predictive capability of the present model can be improved, i.e., 2421 data points (99.3%) are calculated with a r.m.s. error of 20.5% and 82.3% of the calculated data points are predicted within ±25%. In addition, the parametric trends of CHF in subcooled forced convection boiling have been investigated under local conditions hypothesis.
수조 및 과냉 강제 대류 비등하에서 임계 열유속과 천이 비등영역에서의 열전달 메커니즘에 관한 연구를 수행하였다. 핵 비등영역, 임계 열유속 및 천이 비등 영역에서 실험적으로 관측되는 현상들을 바탕으로 임계 열유속과 천이 비등영역에서의 열전달 현상을 묘사하는 드라이-스팟 모델을 제시하였다. 또한, 상기한 전 열전달 영역에서 공통적으로 관측되는 가열면상의 작은 드라이-스팟들의 생성 메커니즘을 설명하기 위해 활성 핵 생성지점의 분포와 임계 활성 핵 생성지점 수에 바탕을 둔 새로운 드라이-스팟 생성 메커니즘을 제시하였다.
새로 개발된 모델로 실험 상수 값이나 모델의 변경 없이, 서로 다른 비등조건인 수조 비등과 과냉 강제 대류 비등하에서의 임계 열유속을 예측하고 실험치들과 각각 비교한 결과, 실험치들과 잘 일치하였다. 따라서, 서로 다른 비등 조건에서도 임계 열유속의 메커니즘은 동일하게 가열면의 온도 증가에 따라 가열면상에 생성된 작은 드라이-스팟들의 누적으로 인한 것으로 밝혀졌다. 또한, 임계 열유속 메커니즘은 핵 비등영역에서의 열전달 메커니즘과 밀접한 관계가 있고, 주어진 비등 조건하에서 핵 비등영역의 열전달 계수, 온도에 따른 활성 핵 생성 밀도, 기포의 크기 등에 대한 정보가 알려지면 임계 열유속을 예측할 수 있다. 가열면의 상태나 비등 조건에 따라 임계 열유속값이 달라지는 이유는 비등 조건에 따라 이들 변수들 (활성 핵 생성 밀도, 기포의 크기등) 이 영향을 받고, 이 변수들에 따라 임계 열유속도 영향을 받기 때문이다.
본 모델을 핵 비등영역의 열전달 계수와 활성 핵 생성 밀도, 기포의 크기 등을 이용하고, 먼저 형성된 드라이-스팟들이 활성 핵 생성에 미치는 영향을 고려하여, 천이 비등에 적용한 결과, 예측한 열유속값과 가열면중 액체와 접촉한 면적비등이 실험치들과 잘 일치함을 보였다. 천이 비등에서도 대부분의 열전달은 액체와 접촉한 가열면에서 생성된 기포들에 의해 이루어진다. 가열면의 특성이 천이 비등에 미치는 영향은 가열면의 특성이 임계 열유속에 미치는 효과와 같이, 가열면의 특성에 따라 활성 핵 생성 밀도, 기포의 크기등이 영향을 받고, 이 변수들에 따라 액체와 접촉한 면적비가 달라지고, 열유속값도 달라진다.
또한, 수조 및 과냉 강제 대류 비등하에서 기존에 알려진 핵 비등영역의 열 전달 계수, 활성 핵 생성 밀도, 기포의 크기 등에 대한 상관식을 이용하여, 본 모델로 임계 열유속을 예측한 결과와 임계 열유속 데이터 베이스의 실험치들과 비교한 결과, 잘 일치함을 보여주었고, 과냉 강제 대류 비등하에서 임계 열유속에 대한 변수 경향 분석결과들도 기존에 알려진 결과들과 잘 일치하였다.