The boiling crisis or critical heat flux (CHF) phenomenon is an enormously studied topic of the boiling heat transfer. The great interest in the CHF is due to practical motives, since it is desirable to design an equipment (heat exchanger or boiler, etc) to operate at as high a heat flux as possible with optimum heat transfer rates but without the risk of physical burnout. This study consists of two parts of flow boiling CHF experiment; with porous surface coated tubes and by using surfactant solutions as working fluid.
In first part, the effect of micro-and nano-porous inside surface coated vertical tubes on the CHF was determined for flow boiling of water in vertical round tubes at atmospheric pressure. CHF was measured for a smooth and three different coated tubes, at mass fluxes of 100~300kg/㎡s and two inlet subcooling temperatures (50℃ and 75℃). Greater CHF enhancement was found with microporous coatings. $Al^2O^3$ microporous coatings with particle size<10㎛ and coating thickness of 50㎛ showed the best CHF enhancement. The maximum increase in the CHF was about 25% for microporous $Al^2O^3$. A wettability test was performed to study the physical mechanism of increase of CHF with microporous coated surfaces and contact angle was measured for smooth and coated surfaces. Pressure drop measurements were also performed across the coated tubes using the DP-cell apparatus.
In second part, surfactant effect on the CHF was determined for water flow boiling at atmospheric pressure in a closed loop filled with solution of tri-sodium phosphate (TSP, $Na^3PO^4.12H^2O$). The TSP is usually added to the containment sump water to adjust pH level during accident in nuclear power plants. The CHF was measured for four different surfactant solutions of water in vertical tubes, at different mass fluxes (100~500kg/㎡s) and two inlet subcooling temperatures (50℃ and 75℃). Surfactant solutions in the range of 0.05%~0.2% at low mass flux (~100kg/㎡s) showed the best CHF enhancement. CHF was decreased at high mass flux (500kg/㎡s) compared to the reference plain water data. The maximum increase in CHF was about 48% as compared to the reference data. Surfactant caused a decrease in contact angle and surface tension. Theoretical reasoning of the CHF mechanism and phenomenon was explored with the addition of surfactant.
본 연구는 다공질의 표면 코팅과 계면활성제를 이용한 임계열유속 증진 연구이다.
대기압조건에서 내부 표면에 마이크로/나노 다공질 코팅이된 수직원형관에 물을 흘리면서 임계열유속을 측정하였다. 코팅이 없는 원형관과 3종의 서로 다른 코팅이 된 원형관이 사용되었으며 질량유속은 100~300kg/㎡s, 입구 미포화도는 50℃ 와 75℃ 였다. 다공질 코팅으로 인한 기포핵생성 촉진, 기포이탈빈도 증가, 기포합체 감소 등에 의해 임계열유속이 증진되었다.
마이크로 다공질 코팅이 가장 큰 임계열유속 증진을 보였다. 10㎛ 미만의 $Al^2O^3$ 입자로 만들어진 마이크로 다공질 코팅을 50㎛ 두께로 코팅한 경우 가장 큰 임계열유속 증진을 보였다. 임계열유속은 최대 25% 가량 증가하는 것으로 나타났다. 마이크로 다공질 코팅의 임계열유속 증진 현상 규명을 위해 코팅을 한 경우와 하지 않은 경우에 대한 친수성 비교시험과 표면 접촉각 비교시험을 수행하였다. 마이크로 다공질 $Al^2O^3$ 코팅이 가장 많은 양의 물을 다공질 내에 함유하여 친수성 지표가 가장 높은 것으로 나타나서 입자 크기가 큰 코팅의 친수성 지표가 높아 임계열유속이 더 증진되는 것을 확인할 수 있었다. $Al^2O^3$ 마이크로 다공질 코팅이 $TiO_2$ 마이크로 다공질 코팅에 비해 우수하였으나 $Al^2O^3$ 나노 다공질 코팅은 그렇지 못했다. 코팅된 수직관의 입구와 출구에 차압계를 설치하여 차압이 측정하였다.
계면활성제가 임계열유속에 미치는 영향을 규명하기 위해 삼인산나트륨(TSP, $Na^3PO^4.12H^2O$) 수용액을 사용한 대기압조건의 임계열유속 실험이 수행되었다. 삼인산나트륨은 원자력발전소 사고 시 집수조의 산도를 조절하기 위해 첨가되는 첨가물이다. 4종의 농도와 질량유속 (100~500kg/㎡s), 입구 미포화도 (50℃, 75℃)에 대한 실험이 수행되었다. 최대 임계열유속 증진은 약 48% 인 것으로 나타났다. 계면활성제는 표면 접촉각 및 표면장력을 감소시킨다. 표면장력의 감소로 작은 크기의 기포가 가열면을 빠른 주기로 이탈하게 된다. 0.05%~0.2% 수용액 농도와 $100kg/㎡s$ 이하의 저유속 조건에서 가장 큰 임계열유속 증진을 보였다. 500kg/㎡s$ 정도의 고유속 조건에서는 오히려 순수한 물에 비해 임계열유속이 감소함을 볼 수 있었는데 이는 아냉각 조건(기포 응축으로 인한 유동 진동 발생) 및 기포-슬러그 유동 조건에서 벽면의 액막이 표면장력 감소로 불안정해지면서 임계열유속이 감소한 것으로 보인다.
