An experimental study has been conducted to examine the two-phase frictional pressure drop and boiling heat transfer in horizontal rectangular channels with small gaps. The gap between the upper and the lower plates of each channel ranges from 0.4 to 4mm while the channel width being fixed to 20mm.
Two-phase frictional pressure drop of the air-water flow increased with the increases in the superficial velocities of air and water and with the decrease in the gap size. The Lockhart-Martinelli type correlation with newly proposed parameter C, taking account of the gap size and the flow rates of the gas and the liquid, was adopted to represent the experimental results. The modified correlation represents the measured values within ±10%.
Frictional pressure drop of the two-phase R-113 flow in the adiabatic condition increased with the increases in the mass flux and the inlet quality. The modified Lockhart-Martinelli type correlation is also applicable to this case with the accuracy of ±15%. For the case of the boiling R-113 flow, in which the liquid and gas phases mostly belong to the laminar and the turbulent regimes, respectively, the measured results are within ±20% from correlation.
The boiling heat transfer coefficient increased with the mass flux and the local quality; on the other hand, the effect of the heat flux appeared to be minor. The two-phase forced convection is considered to be the predominant heat transfer mechanism. Especially, with the smaller gap size and the lower flow rate, the heat transfer rate is primarily controlled by the film thickness.
The Kandlikar's flow boiling correlation represents the heat transfer data with 10.7% mean deviation for high flow rate conditions ($Re_LF$ ＞ 200). On the other hand, none of the conventional general correlations, developed for relatively large-sized tubes, predicts the heat transfer coefficients for small-channel flows at the low flow rate conditions ($Re_LF$ ＞ 200).
Parameter F, denoting the ratio of the boiling heat transfer coefficient to the single-phase one, correlates the experimental data for the range of ($Re_LF$ ＞ 200) within the deviation of ±20% when the modified Lockhart-Martinelli type correlation (developed to predict the pressure drop) is adopted.
미세 사각유로에서의 2상 유동 마찰 압력강하와 비등열전달에 대한 연구를 수행하였다. 실험에 사용된 사각 유로의 폭은 20mm로 고정되어 있으며, 유로의 높이는 0.4, 1, 2, 4mm로 변화시켰다.
단열 상태에서의 2상 (공기-물) 유동 마찰 압력강하는 기체와 액체의 겉보기 속도가 증가할수록, 유로 높이가 감소할수록 증가하였으며, 실험 결과로부터 미세 유로에 적용할 수 있는 새로운 상관식을 제안하였다. 제안된 상관식은 Lockhart-Martinelli 상관식에 기본을 두고 있으며, 액상과 기상의 유량에 따른 유동 영역 (층류 혹은 난류) 과 유로높이가 작아짐에 따라 중요해지는 표면장력 효과를 고려하여 Lockhart-Martinelli 상관식의 상수 C를 수정하였다. 새로이 제안된 상관식은 ±10%의 오차 범위에서 실험 결과를 표현할 수 있다.
단열 상태에서의 2상 (R-113 액체-기체) 유동 마찰 압력강하는 질량유속과 입구 건도가 증가함에 따라 증가하였으며, 수정된 Lockhart-Martinelli 상관식을 이용하면, ±15% 범위에서 실험결과를 예측할 수 있다. 비등이 수반된 경우에는 액상과 기상이 각각 층류와 난류 영역에 해당하며, 수정된 Lockhart-Martinelli 상관식을 이용하면 마찰 압력강하를 ±20% 범위에서 예측할 수 있다.
비등 열전달계수는 질량유속과 건도 증가에 따라 증가하며, 열유속에 따른 영향은 크지 않음을 확인하였다. 즉, 주된 열전달 기구는 2상 강제 대류 비등에 해당한다. 특히 유로 높이가 작아지고 질량유속이 낮은 경우의 열전달계수는 건도 변화 즉, 액막 두께에 의해 결정된다.
Kandlikar (1990)의 흐름 비등 상관식을 이용하여 높은 질량유속 조건 ($Re_LF$ ＞ 200)에서의 결과를 표현하면 평균편차 10.7%로 실험 결과를 비교적 잘 표현할 수 있음을 알 수 있으나, 질량유속이 낮은 조건 ($Re_LF$ ＞ 200)에서는 비교적 큰 관의 경우에 적용할 수 있는 기존의 상관식들로 실험 결과를 제대로 표현할 수 없음을 알 수 있다.
따라서 $Re_LF$ ＞ 200의 낮은 질량유속 조건에서의 비등 열전달계수를 예측하기 위한 상관식을 Chen (1964)의 방법을 도입하여 단상 유동 열전달계수에 대한 향상계수인 로서 제안하였다. 새로이 제안된 F 변수는 수정된 Lockhart-Martinelli 상관식으로 표현되는 2상 유동 마찰손실계수와 사각유로의 단면종횡비로 구성되어 있으며, 실험 결과를 ±20% 오차 범위에서 잘 표현할 수 있다.
