Phenomena of direct contact condensation (DCC) heat transfer between steam and water are characterized by the transport of heat and mass through a moving steam/water interface. Application of the phenomena of DCC heat transfer to nuclear power plant operations and chemical processes provides some advantageous features in the viewpoint of enhanced heat transfer. The purpose of this study is to improve the understanding of the characteristics of DCC of stable steam jets discharging from a single horizontal pipe into a quenching tank filled with subcooled water. This study includes both the experimental studies, which deal with the condensation characteristics of stable steam jets, and theoretical studies, which present a modeling for the best representation of the experimental results.
Experiments have been performed for five horizontal nozzles with different inside diameters by changing the experimental parameters such as steam mass flux, pool temperature and nozzle inside diameter. Effects of the parameters on the experimental results have been analyzed. Analysis of the condensing steam jets by reviewing pictures taken by a high speed video camera showed that two types of steam jet such as ellipsoidal shape and conical shape were typically observed for a stable steam jet, depending on the steam mass flux and pool temperature. The steam jet expansion ratio, defined as a ratio of the maximum steam jet diameter to the nozzle inside diameter, and the dimensionless steam jet length, defined as a ratio of the steam jet length to the nozzle inside diameter, were measured. The average condensation heat transfer was calculated by defining the surface area of steam jet cavity. The effect of steam mass flux, pool temperature and nozzle inside diameter on these condensation parameters were discussed. Empirical correlations for the dimensionless steam jet lengths and the average condensation heat transfer coefficients as a function of dimensionless steam mass flux and condensation driving potential representing a dimensionless temperature difference were established and compared with the correlations by other investigators. A heat transfer correlation as a function of Stanton number, Reynolds number and Jacob number was also established. The axial and radial temperature distributions in the steam jet as well as in the surrounding water were measured. The effect of steam mass flux and pool temperature on the temperature distributions were also discussed. Near the nozzle exit inside the steam jet, the axial and radial temperature distributions were independent of the pool temperature. The temperature variations for both the axial and radial directions were observed inside the steam jet due to the expansion and compression waves in case of an ellipsoidal shaped jet. In the flow field downstream of the steam jet including its tip, both the axial and radial temperature distributions were strongly dependent on the pool temperature. In particular, a similarity profile of the radial temperatures was clearly seen in this region.
In order to reproduce the experimental results, an attempt has been made for the establishment of a simple analysis model predicting the steam jet shapes and temperature distributions in the mixing region. Estimation by the analysis model reasonably reproduced the experimental results. Steam properties such as temperature, pressure and density at the nozzle exit plane, which were used for the analysis model, were calculated from the measuring data upstream of the nozzle exit and the Fanno flow relations. The geometric dimensions of non-condensing steam jet were calculated by using a method of characteristics (MOC) and Prandtl-Meyer expansion relations. The calculated shape of the non-condensing steam jet was compared with that of the condensing steam jet obtained by experiment in order to provide insights how the steam jet boundary was encroached due to the steam condensation. The calculation confirmed the validity of the assumption in the analysis model that heat transfer in the steam expansion region was negligible. The analysis model is valid only in the steam/water mixing region. The model was derived from the mass, momentum and energy equations as well as a thermal balance equation with condensing characteristics at the steam/water interface for the axi-symmetric coordinates. The analysis results were compared with the experimental ones. The extremely large heat transfer rate at the steam/water interface was reflected in the effective thermal conductivity estimated from the experimental results. The assumed effective thermal conductivity in the mixing region, which could reproduce the steam jet shape of the experiment, was tens of thousands times the molecular thermal conductivity of water. The analysis model predicted that the steam jet shape (i. e. radius and length) was increasing as the steam mass flux and the pool temperature were increasing, which was similar in trend to that observed in the experiment. The analysis model also reasonably predicted the temperatures measured in the experiment.
물과 증기의 직접접촉에 의한 응축 열전달은 움직이는 증기/물 경계 면에서 열 및 물질 전달이 이루어지는 현상으로서, 매우 큰 열전달계수를 수반하므로 원자력 발전소 설계 및 화학 공정 설계 등에서 광범위하게 응용 되고 있다. 본 연구의 목적은 단일수평배관을 통해 과냉각수조로 분사되는 증기제트의 직접접촉 응축특성에 대한 이해를 증진시키기 위한 것으로서, 본 연구는 증기제트의 응축특성을 알아보기 위한 실험적 연구와 실험결과에 대한 이해를 위해 해석 모델을 제시한 해석적 연구로 구성되어 있다.
실험은 서로 다른 내경을 갖는 다섯 개의 단일수평배관에 대해 증기 질량속과 수조 온도 등의 실험인자를 바꾸어 가면서 수행하였고, 이들 인자 들이 실험 결과에 주는 영향을 분석하였다. 증기제트의 응축현상을 고속 비 디오 카메라로 촬영하였고, 가시적 제트의 형상을 분석한 결과 증기 질량속 과 수조온도가 변화함에 따라 타원형 및 원추형 증기제트 형상이 나타나는 것을 관찰하였다. 증기제트 최대 내경을 노즐 내경으로 나눈 팽창비와 증기 제트 길이를 노즐 내경으로 나눈 무차원 증기제트 길이 등을 구하였고, 증 기/물의 접촉면적을 정의하여 평균응축열전달계수를 제시하였다. 증기 질량 속, 수조온도 및 노즐 내경이 이들 응축변수에 미치는 영향을 분석하였다. 무차원 증기제트 길이와 평균응축열전달계수를 무차원 증기 질량속 및 무차 원 온도차를 표시하는 응축추진 포텐셜의 함수로 나타낸 상관식을 구하였 고, 타 연구자의 결과와 비교하였다. 또한 Stanton수, Reynolds수 및 Jacob 수 등의 함수로 나타낸 평균응축열전달 상관식을 구하였다. 증기제트 내부 와 주위 물 온도를 측정했으며 증기 질량속 및 수조온도가 온도분포에 미치 는 영향을 분석하였다. 분석결과, 증기 질량속이 일정할 때 노즐출구 부근 증기제트 내부의 축방향 및 반경방향 온도분포는 주위 물 온도와는 무관하 게 나타났으며, 특히 타원 형상을 보이는 경우 팽창 및 압축파의 영향으로 온도가 축방향 거리 및 반경방향 거리에 따라 변화하는 현상을 관찰하였다. 증기제트 끝 부분을 포함한 증기제트 하류 유동장에서 축방향 및 반경방향 온도는 주위 물 온도에 의존하였으며, 특히 반경방향 온도분포에는 뚜렷한 상사성이 존재함을 확인하였다.
실험에서 관찰된 증기제트 형상과 혼합영역에서의 온도분포를 예측 하기 위한 단순화된 해석 모델을 제시하였으며, 이 모델은 실험결과를 비교 적 잘 예측하였다. 해석 모델에 사용된 배관 출구에서의 증기 압력 및 온도 는, 배관 상류에서 측정된 값과 Fanno 유동관계식을 사용하여 구하였다. 특성기법과 Prandtl-Meyer 팽창 관계식을 사용하여 비응축성 증기제트의 팽창현상을 분석하였다. 이 해석결과를 실험결과와 비교하여 증기/물 경계 면이 응축에 의해 어떻게 잠식되는가를 알아보았고 증기팽창이 발생되는 물 /증기 경계면에서의 열전달을 무시한 해석 모델 가정의 타당성을 확인하였 다. 축대칭 좌표계에서 질량, 운동량 및 에너지 방정식과 증기/물 경계면에 서의 응축 특성을 고려한 열평형 방정식을 사용하여 증기제트의 형상과 증 기가 응축되는 혼합영역에서의 온도분포를 구하였으며, 실험 결과와 비교하 였다. 증기/물 경계에서의 매우 큰 열전달율은 실험을 근거로 한 유효열전 도계수에 의해 반영되었다. 실험에서 관찰된 증기제트 형상을 잘 예측해주 는 혼합영역에서의 대표 유효열전도계수는 물의 열전도계수의 수 만배 정도 인 것으로 계산되었다. 제시된 해석 모델은, 실험에서 관찰된 바와 같이 증 기 질량속과 수조 온도가 증가할수록 증기제트 크기(반경 및 길이)가 증가 하는 경향을 보였고, 또한 측정된 혼합영역의 온도를 비교적 잘 예측함을 보였다.
