A new experimental attempt is made to simultaneously observe the dynamic behaviors of bubbles and dry spots in the vicinity of boiling surface for pool and forced convective boiling. Based on the direct observation results for CHF mechanism, an effective nucleate boiling limitation model is proposed to predict nucleate boiling heat transfer as well as CHF for pool boiling.
From the visualization results, the formation of bubbles and dry spots occurs simultaneously. This indicates that, when a bubble nucleates and grows at a nucleation site, a dry spot is formed under the corresponding bubble. Therefore, they should be considered as synchronized identity rather than an independent one. Also, the dry spot density is equal to the active site density in discrete bubble regime.
At the situation of CHF for pool boiling, the fraction of the dried area of the heater surface is above 70%. However, the heater surface temperature is stably maintained due to the nucleate boiling in the strip-shape wetted region existing around the edge of the vapor film. At just after CHF, the nucleate boiling region still exists but the rewetting region is extinguished by an agglomeration of nucleating bubbles. Then, dry spots under the agglomerated bubbles grow, eventually resulting in the dryout of all heater surfaces.
For forced convective boiling, the formation of bubbles and dry spots occurs simultaneously as observed as in pool boiling. Nucleation on the heater surface is suppressed as mass flux increases, and the active site density correlation for the pool boiling does not incorporate the forced convective boiling data.
At the situation of forced convective boiling CHF, the fraction of the dried area of the heater surface is above 85 %. Also, the heater surface temperature is stably maintained due to the nucleate boiling at the wetted region around the large vapor clots. This implies that the CHF triggering mechanism for convective flow boiling is not much different from that observed for pool boiling. Therefore we conclude that CHF is strongly related to the nucleate boiling limitation in the wetted region. This gives us the possibility to model the CHF as the extension of the nucleate boiling.
From the analyses of experimental data for pool boiling, it is noted that the effective nucleate boiling fraction, which is defined as the ratio of the number of bubbles without coalescence to total number of bubbles in a given area, should be considered as the important quantity representing the nucleate boiling heat flux from nucleate boiling regime to CHF. We a new effective nucleate boiling limitation model based on the effective nucleate boiling fraction and the observed CHF mechanism. The remarkable feature of the present model is to view CHF as the extension of the high-heat flux nucleate boiling in contrast to the traditional view of CHF as independent phenomena distinct from the nucleate boiling. The verification of the present model has been accomplished using water pool boiling data under the atmospheric pressure condition. From the verification, it is noted that the present model agrees well with experimental CHF data within ±10 % for the contact angle between 14 and 69 degrees.
수조 및 강제대류 비등시, 임계열유속 Mechanism을 정확히 이해하기 위해서는 임계열유속시 가열면에 대한 직접적 가시화가 필수적이다.
본 연구에서는 먼저, 수조 및 강제대류 비등시 기포 및 Dry Spot의 동적 거동을 가시화 하고, 이를 바탕으로 임계열유속 Mechanism을 정확히 이해하고자 하였다. 특히 수조비등시, 보다 정확한 기포거동을 관찰하기 위하여 2차원 비등 가시화 실험을 추가로 수행하였다. 가시화 실험결과로부터 도출된 임계열유속 Mechanism은 가설에 바탕을 둔 기존의 모델들과는 다르게 보다 현실적인 모델 개발을 가능하게 한다.
수조비등시 기포와 Dry Spot은 동시에 발현하는 것으로 관찰되었으며, 따라서 이들은 동시개념으로 고려되어야 한다. 수조비등 임계열유속시 가열면의 약 70 % 이상이 건조된다. 그러나, 큰 증기 덩어리 사이의 액체접촉 지점에서는 매우 격렬한 핵비등이 존재하는 것이 관찰되었다. 임계열유속 상태에서 액체접촉지점에서의 핵비등은 전체 전열면의 평균 온도가 더 이상 상승하지 않도록 하는 중요한 역할을 담당한다. 임계열유속 상황에서 미세한 열유속 증가는 전체 전열면의 건조화를 야기한다. 즉, 증가된 열유속으로 인하여 액체접촉 지점에서 핵비등에 의해 발생하는 기포들의 결합으로 인하여 핵비등이 제한되고 따라서, 열제거원이 상실되어 전열면의 온도는 급격히 상승하게 되며, 결과적으로 전열면의 손상을 유발한다. 이러한 핵비등 제한 현상은 수조비등 임계열유속과 매우 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다. 또한 수조비등 실험결과로부터, 임의의 전열면에 발생하는 독립기포와 존재가능한 기포 수의 비로 정의되는 유효핵비등 분률은 핵비등 영역 및 임계열유속의 예측에 매우 중요한 변수임이 밝혀졌다.
강제대류 비등시, 기포와 Dry Spot은 수조비등의 경우와 마찬가지로 동시에 발현됨이 관찰되었고, 수조비등 핵활성지점 밀도 관계식은 강제대류 비등 조건에 유효하지 않은 것으로 나타났다. 강제대류 비등 임계열유속에서의 가시화 결과로부터 기포 및 Dry Spot의 동적 거동을 분석한 결과, 수조 비등의 경우와 크게 다르지 않음이 밝혀졌다. 따라서 본 연구에서는 임계열유속 Mechanism으로서 “액체접촉 지점에서의 핵비등 제한”을 제안하였다.
본 연구의 가시화 결과로부터, “액체접촉 지점에서의 핵비등 제한”을 임계열유속 Mechanism으로서 이해하고, 유효 핵비등 분률을 통계적으로 예측하는 관계식을 형식화함으로써 수조비등시 임계열유속을 예측하기 위한 “유효 핵비등 제한 모델”을 제시하였다. 이 “유효 핵비등 제한 모델”을 이용한 예측치를 상압조건의 물 임계열유속 실험자료와 비교한 결과, 유체-고체간의 접촉각 14 및 69° 범위에서 실험치들과 약 ±10 % 이내의 오차범위로 일치하였다. 또한, 본 모델은 핵비등 개시점으로부터 완전히 발달된 핵비등 영역까지의 범위에서 열유속을 매우 정확하게 예측하는 것으로 나타났다.
