An experimental study has been performed on boiling phenomena and critical heat flux (CHF) in narrow gaps submerged in a pool of saturated water under atmospheric pressure. Two types of test geometries were investigated: (a) internally heated annular gaps with the opened bottom and (b) one-side heated rectangular gaps with the closed bottom.
The annular test sections were heated by a stainless steel inner tube with outside diameter of 19 mm and heated length of 200 mm. The annular gap was changed in the range of 0.5 to 3.5 mm and the orientation of the test section was changed from horizontal (θ=0°) to vertical positions (θ=90°). Natural circulation flow was established in the gap where single-phase liquid entered from the bottom and two-phase mixture flowed out through the top of the test section. The experimental results indicate that the CHF occurs due to the dryout of the liquid film on the heated wall and increases with the increases in the gap size and the inclination angle (θ). A one-dimensional two-phase flow model with a modified friction factor correlation is suggested to predict the CHF condition. The developed model reasonably predicts available CHF data.
The rectangular test section was heated by a 200 mm (length) × 60 mm (width) plated heater. Two gap sizes (0.5 and 1.0 mm) were investigated for vertical orientation with the closed bottom condition. In this case, the CHF was observed to occur due to flooding as in previous works. To understand the mechanism of flooding in narrow channels, data analysis and theoretical modeling were conducted. A new flooding correlation is suggested using Kutateladze number which shows better prediction results than other flooding correlations in narrow channels. A theoretical model is also derived for flooding in thin rectangular channels. It shows similar tendency with the flooding data for large span width, but slightly under-predict them.
간극에서 비등에 의한 열제거는 낮은 온도차에 비하여 높은 열전달 능력을 보임으로 인하여 관심을 끌고 있다. 간극에서의 임계열유속은 가열면의 손상 없이 제거 가능한 열량을 나타내며, 간극 유로에서 비등에 의한 열제거의 평가나 설계에 있어서 중요한 척도가 된다. TMI 사고시 노심 용융물이 원자로 Pressure용기 하부 헤드에 재배치 되었고, 용기의 용융이 발생하지 않고 용기 내에서 급속히 냉각된 것으로 인하여 노심이 용융되어 재배치 될 경우 노심용융물의 냉각 메커니즘의 하나로 간극에서의 냉각이 제안되었다. 현재 이를 평가하기위한 임계열유속 상관식 및 데이터가 부족한 실정이다.
경사각도와 간극의 크기가 임계열유속에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실험이 수행되었다. 실험은 바닥이 뚫린 환상관 시편과 바닥이 막힌 사각 시편이 사용되었다. 환상관 시편은 가열길이가 200 mm, 안쪽 튜브의 외경이 19 mm, 간극의 크기는 0.5, 1.5, 3.0, 3.5 mm였고 경사각도는 수평(0°)에서 수직(180°)까지 (30°) 간격으로 변화시켰다. 사각시편의 경우 가열길이가 200 mm, 가열면의 폭이 60 mm였고 간극의 크기는 0.5, 1.0 mm 였으며 수직인 경우에 한하여 실험이 수행되었다. 환상관의 경우 실험 중 자연순환에 의한 유동이 형성되었으며 수평인 경우를 제외하고는 바닥쪽 입구로 물이 유입되어 위 쪽으로 빠져나가는 것으로 관찰되었다. 수평인 경우는 양단의 아래 쪽에서 물이 유입되어 시편의 중앙으로 흐르다가 양단의 위 쪽으로 빠져나갔다. 사각관의 경우 바닥이 막혀있어서 위쪽의 좁은 틈을 따라 물이 유입되어 유로의 중앙을 따라 나오는 것으로 관찰되었다. 실험결과 임계열유속은 간극의 크기가 작아짐에 따라 감소하고 경사각도가 수평에 가까워질수록 감소하는 것으로 나타났다. 임계열유속 현상은 가열면에서의 액막이 증발하면서 발생하는 것으로 관찰되었다. 환상관의 경우 얻어진 실험결과와 균질유동 모델을 바탕으로 하여 실험 상관식을 작성하였으며 비슷한 조건의 다른 실험 결과들을 잘 예측하는 것으로 나타났다.
사각시편의 경우 임계열유속 메커니즘이 플러딩 현상과 관련 있는 것으로 나타났으며 임계열유속 예측을 위하여 사각 간극에서의 플러딩 현상에 대한 연구가 수행되었다. 사각간극에서의 플러딩 실험 데이터를 수집하여 사각 간극에서의 플러딩 상관식을 새로이 개발하였으며 유로 단면의 길이의 비와 관련이 있는 것으로 나타났다. 사각유로에서의 플러딩에 대한 이론적인 상관식을 유도하였으며 수집된 데이터를 비교적 잘 예측하는 것으로 나타났다. 실험을 통하여 얻어진 임계열유속 데이터는 바닥이 열려있어 자연순환이 가능한 경우에 비하여 작은 것으로 나타났으며 플러딩 상관식에 의한 예측값은 실험치에 비하여 비슷한 경향을 보이나 약간 낮게 예측하는 것으로 나타났다.
