The interfacial heat transfer in a steam-water countercurrent stratified horizontal pipe was experimentally investigated for smooth and rough interfaces, with emphasis on the temperature and velocity distribution within the thick water layer (0.0175 ~ 0.0345m). Although there are several existing experimental studies on this subject, most of the existing studies were performed using a rectangular channel having large aspect ratio. Due to the great difference in flow channel geometry there is a difficulty in applying existing correlations to the flow in NPP (Nuclear Power Plant) directly. When the cross sectional area of a wide rectangular channel and that of a circular pipe are the same, the water layer of the circular channel will be much thicker than that of the wide rectangular channel for given flow rates of steam and water. In particular, when the water layer thickness is increased, the characteristics of heat, mass and momentum transport, such as the turbulent intensity and the efficiency of turbulent mixing in the interface between the steam and water which play a dominant role in the interfacial condensation heat transfer, would be changed.
The present experiments have been carried out using a nearly horizontal pipe (0.02°) that has a length of 2.2m and inner diameter of 0.083m. It is shown that the velocity and temperature profiles in the water layer are different between smooth and rough interface. The velocity profile nearby the interface has been obtained by a Hot Film Anemometer. The interfacial condensation heat transfer coefficients with interfacial velocity were higher than that without interfacial velocity.
Based on the present experimental data, two Nusselt number correlations were developed in terms of steam and water Reynolds numbers, and the water Jacob number; one for smooth and the other for rough interfaces. The present experimental data agree with the calculated values within ±30% for the smooth interface and ±25% for the rough interface. Comparisons of the present data with existing correlations showed that the present heat transfer coefficients were significantly lower than the values predicted by existing correlations.
본 연구는 수평한 원관에서 증기와 물의 역류유동시 계면에서의 열전달 현상을 밝히기 위한 것으로 두꺼운 물유동층 안의 온도와 속도 분포에 중점을 두어 매끈한 계면과 거친 계면으로 나누어 수행하였다. 이에 관하여 여러 실험적 연구가 수행되었지만, 대부분이 높이에 비하여 폭의 길이가 긴 사각 유로에 국한되었으므로 원관으로 이루어진 원자력 발전소 내에서의 유동에 적용하는 것은 어려움이 있다. 동일한 물과 증기의 유량이 흐를 때 원관에서의 물유동층의 두께가 aspect ratio가 큰 사각관의 물유동층에 비해 훨씬 크게 나타난다. 특히, 유로에서 물유동층의 두께가 증가할수록 계면 열전달에 중요한 역할을 하는 turbulent intensity, turbulent mixing 효과와 같은 열, 질량과 모멘텀전달은 많은 차이를 나타내고 있다.
따라서 본 연구는 길이 2.2m, 내경 83mm인 수평한 원관 조건하에서 수행하였다. 매끈한 계면과 거친 계면에서 온도와 속도 분포 모두 서로 다른 분포를 나타내었다. 계면 근처에서의 속도는 Hot Film Anemometer를 사용하여 정확하게 측정하였으며 계면 근처에서의 속도분포를 적용한 계면열전달계수 값이 속도분포를 적용하지 않은 계면열전달계수 값보다 높게 나타났다.
본 연구에서는 매끈한 계면과 거친 계면에 대해 역류 유동시 응축열전달계수를 예측할 수 있는 두개의 상관식을 개발하였다. 측정된 값들은 계산된 값들과 매끈한 계면에서 ±30% 안에서 잘 맞았고 거친 계면에서는 ±25% 안에서 잘 맞는 값임을 확인하였다. 본 실험데이터와 기존의 상관식을 비교할 때 계면열전달계수 값은 현저하게 낮은 값임을 확인 할 수 있었다.
