Considerable experiments and analytical works have been devoted to investigate pool-boiling CHF in various conditions. In addition, several mechanistic models have been suggested for the prediction of the CHF at infinite horizontal upward facing plate: these models have been continuously modified as progress has been made in understanding the physical mechanisms leading to CHF. Recently, pool boiling CHF conditions at inclined heated surface and curved surface have appeared and been highlighted with respect to practical applications. Although a few experimental studies have been conducted as a result of requests from the industry, the understanding has lagged behind concerning CHF behavior with inclination angle, the effect of size on CHF and phenomenological information related to bubble behavior at inclined plates.
In the present study, to identify CHF behavior for different inclination angles as well as the effect of size on CHF, pool-boiling experiments were conducted with small flat plates submerged in a pool of saturation water. The experiments were performed at 7 different inclination angles (0˚; horizontal downward facing plate, 30˚,60˚,90˚,120˚,150˚&180˚; horizontal upward facing plate) using 6 different test sections (width: 3 cm & 4 cm, length: 10cm, 15 cm & 20 cm). The CHF generally increased with increases in inclination angle and a transition angle, at which CHF increase rate with inclination angle suddenly changed, was identified between 0˚$ and 30˚: CHF sharply increased up to the transition angle and increased gradually beyond that angle. Considering present experimental results and previous studies, the transition angle must be affected by, and increased with the increase in the characteristic length (diameter in disc test section and width in plate test section). In addition, CHF values of the 30˚ inclined plates were higher than those of the 60˚ inclined plate. The effects of width and length were noticeable in the W4 series (W4L10, W4L15 & W4L20) and the L15 (W3L15 & W4L15) & L20 (W3L20 & W4L20) series, respectively; on the other hand, those effects were not detected in the W3 series and L10 series.
Additional experiments with a high-speed camera were performed to investigate bubble behaviors at inclined plates. Above about 400 kW/㎡, cyclic bubble behaviors were observed at the 30˚, 60˚ and 90˚ inclined plates: (i) formation of a large coalesced bubble in the lower part of the heated surface; (ii) rise of the large bubble along the surface; (iii) the escape of the large bubble through the top edge and initiation of another large coalesced bubble; and (iv) formation of a new large coalesced bubble in the lower part of the heated surface. Based on the recorded bubble behavior at inclined plates, the detachment frequency and liner-fitting relations between the frequency and heat flux were identified for 3 different inclination angles of each test sections. In the 60˚ and 90˚ inclined plates, the detachment frequency decreased with increase of heat flux. On the other hand, contrary tendency was observed in the 30˚ inclined plate: the frequency increased as heat flux increased. These opposite behaviors in the detachment frequency may be induced by different bubble escape path.
Using the Haramura and Katto model as the macrolayer thickness, and the extrapolation of the liner-fitting relations of the detachment frequency based on the present experimental results, CHF was predicted based on the macrolayer dryout model. According to prediction results, CHFs were predicted well except for some of experimental results.'
다양한 조건하에서 풀비등 임계열유속을 파악하기 위하여 다방면에 걸친 실험 및 해석적 연구가 수행되어 왔다. 이와 더불어 수행된 연구 결과를 바탕으로 무한 상향 평판에서의 임계열유속 예측을 위한 역학적 모델 또한 제안되었으며, 임계열유속을 초래하는 현상에 대한 이해력이 향상됨에 따라 제안된 역학적 모델들은 지속적으로 개선되어 왔다. 최근 이러한 역학적 모델들의 적용이 다소 어려운 특이한 상태들이 실제 적용 차원에서 부각되었는데, 이러한 상태들은 원자력발전소의 중대사고 기간 동안 노심용융물을 포함하는 원자로용기 하부헤드 곡면에서의 임계열유속, 냉매 이송 저장 탱크에서의 화재시 저장 탱크 곡면에서의 임계열유속, 전자 칩과 같은 경사진 판에서의 임계열유속 등을 포함한다. 풀비등 임계열유속 파악을 위한 산업체에서의 요청으로 인하여 제한된 수의 실험적 연구가 수행되었지만, 열전달면의 경사각도에 따른 임계열유속의 거동 변화, 열전달면의 크기가 임계열유속에 미치는 영향 그리고 경사진 열전달면에서의 기포 거동에 대해서는 충분히 알려지지 않은 상태이다.
본 연구에서는 열전달면의 경사각도 및 크기가 임계열유속에 미치는 영향을 파악하기 위하여 대기압하 포화 상태의 물을 이용한 임계열유속 실험을 수행하였다. 실험은 7가지 경사 각도 0˚; 평형 하향 열전달면, 30˚,60˚,90˚,120˚,150˚&180˚; 평형 상향 열전달면)하에서 수행되었으며, 6가지 다른 실험 시편(폭: 3 cm & 4 cm, 길이: 10 cm, 15 cm & 20 cm)들이 이용되었다. 임계열유속은 열전달면의 경사각도가 증가할수록 일반적으로 증가하였으며, 열전달면의 경사각도에 따른 임계열유속의 증가율이 급격하게 변하는 천이 각도가 0˚와 30˚ 사이에서 발견되었다. 임계열유속은 천이 각도 이전에서는 급격하게 증가하는 반면, 천이 각도 이후 영역에서는 서서히 증가하는 것으로 나타났다. 본 실험 결과 및 이전 연구 결과의 검토 결과, 이러한 천이 각도는 열전달면의 특성 길이(원형 시편의 경우 직경, 평판 시편의 경우 폭)에 영향을 받으며, 특성 길이가 증가함에 따라서 서서히 증가하는 것으로 분석되었다. 그리고 W4L15 (폭이 4cm, 길이가 15 cm) 및 W4L20 시편을 제외하고 30˚ 경사각도에서의 임계열유속이 60˚ 경사각도에서의 임계열유속 보다 큰 것으로 측정되었다. 열전달면의 길이 및 폭의 영향은 각각 W4 series (W4L10, W4L15 및 W4L20)와 L15 (W3L15 및W4L15) & L20 (W3L20 및W4L20) series에서 각각 나타났으며, W3 series 및 L10 series에서 길이 및 폭의 영향은 미비한 것으로 나타났다.
임계열유속의 측정과 더불어 경사진 열전달면에서의 기포 거동을 파악하기 위한 부가적인 실험 또한 수행되었는데, 열전달면에서의 기포 거동은 고속 카메라를 이용하여 관찰하였다. 30˚, 60˚, 90˚ 경사 각도를 가지는 열전달면에서 약 400 kW/㎡ 이상의 열유속부터 주기적인 현상이 관찰되었다; (i) 열전달면의 하부 부분에 큰 흡착 기포(coalesced bubble)의 형성;(ii) 열전달면을 따른 큰 기포의 상승; (iii) 열전달면의 상부 부분을 통한 큰 기포의 이탈 및 다른 큰 흡착 기포의 형성 시작; 그리고 (iv) 열전달면의 하부 부분에서 새로운 큰 흡착 기포의 형성. 각각의 실험 시편 및 세 가지 경사각도에 대하여 녹화된 기포 거동을 이용하여 흡착 기포의 이탈 빈도를 분석하였으며, 열유속에 따른 기포 이탈 빈도 관계식을 개발하였다. 60˚ 및 90˚ 경사각도를 가지는 열전달면에서는 열유속이 증가함에 따라서 기포 이탈 빈도는 감소하는 것으로 나타난 반면에, 30˚ 경사각도를 가지는 열전달면에서는 열유속이 증가함에 따라서 기포 이탈 빈도는 증가하는 것으로 관찰되었다. 이러한 상반된 경향은 기포 이탈 경로의 차이로 인해 발생하는 것으로 파악되었다.
이와 더불어 Macrolayer Dryout Model에 기본하여 경사진 열전달면에서의 임계열유속을 예측하여 보았다. 열유속에 따른 Macrolayer 두께는 Haramura & Katto에 의해 제안된 상관식을 이용하였으며, 기포 이탈 빈도는 본 실험을 통하여 파악된 실험 상관식의 외삽을 이용하였다. 예측 결과에 의하면 일부 실험 데이터를 제외하고는 임계열유속을 정확하게 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
