An experimental study of interfacial condensation heat transfer was performed for countercurrent steam-water wavy flow in a horizontal circular pipe. The present experiments have been carried out using a horizontal pipe that has a length of 2m and inner diameter of 0.084m for wavy interface condition. By measuring the increase rate of local water bulk temperature, local condensation heat transfer coefficients were derived. In case of wavy flow in a pipe, comparing with the wide rectangular channel flow and with the circular pipe flow under smooth interface, there are great differences in the interfacial heat transfer characteristic.
From the present experiments, total 105 data of heat transfer coefficient were obtained. The heat transfer coefficients were found to vary from 1.8 to 5 kW/㎡ °C, the water and steam Reynolds numbers ranges from 3000 to 15000 and from 10000 to 24000, respectively. Based on the experiment data, new Nusselt number correlation was developed and the parametric effects of thick water layer, steam and water flow rates, and the degree of water subcooling were also examined. It was found that the local Nusselt number increase with steam and water Reynolds number and water Prandtl number. For the wavy interface condition, the local Nusselt number is more strongly sensitive to the steam Reynolds number than water Reynolds number in contrast to countercurrent stratified flow where the interface is smooth.
It was visually observed that for a given water superficial velocity, the transition from smooth to wavy interface occurred at lower steam superficial velocity than previous air-water experiment. Comparison of the present data with existing correlations showed that the existing correlations are not directly applicable to the horizontal circular piping of Nuclear Power Plant.
본 연구는 수평관에서 증기와 물의 역류 파형유동시 계면에서의 응축열전달 현상에 대한 이해를 증진하기 위해 수행하였다. 원자력발전소 에서 증기발생기 급수관에서의 응축에 의한 수격현상과 냉각재 상실 사고 (LOCA)시의 고온관, 저온관에서의 시스템 거동을 해석하기 위해서는 수평관에서의 계면응축열전달에 대한 모델링이 중요하지만, 지금 까지 수행된 여러 실험적 연구는 대부분이 높이에 비하여 폭의 길이가 긴 사각유로에 국한되었기 때문에 기존의 상관식이 원형관에 직접 적용될 수 있는지에 대한 의문이 생긴다.
본 연구는 길이 2m, 내경 84mm 인 원관에서 계면파가 형성된 조건하에서 수행하였다. 총 105개의 계면응축열전달 계수로 부터 역류 파형유동시 응축열전달을 예측할 수 있는 두가지 상관식을 개발하였으며, 더불어 물과 증기의 유량과 물의 과냉각도가 계면응축열전달에 미치는 영향도 살펴보았다. 실험결과, 원형관에서 수행된 기존의 매끈한 계면의 성층유동과는 반대로, 계면응축열전달계수는 물보다 증기의 유량에 대한 의존도가 더 컸다. 또 다른 기존의 사각관에서 얻어진 상관식과의 비교에서도 본 실험 데이타와는 서로 많은 차이가 남을 알 수 있있지만 유동조건의 차이로 인하여 유동단면적에 따른 응축열전달 현상의 차이를 정량화 하기에는 불가능했다.
성층류에서 파형류로 천이에 대해서 살펴본 결과, 기존의 공기-물 실험에 비해서 보다 낮는 증기 속도($j_g$) 에서 천이가 발행함을 알 수 있었는데, 이것은 공기와 증기의 점성이 다르고, 또한 응축현상이 존재할 때가 그렇지 않은 경우보다 계면전단응력이 더 크기 때문이다.
