A study of post-dryout heat transfer was performed with a direct heated smooth tube and rifled tubes using vertical R-134a up-flow to investigate the heat transfer characteristics in the post-dryout region. Three types of rifled tube having different rib height and width were used to examine the effects of rib configuration and the experimental results of rifled tubes were compared with the results of smooth tube, using a mass flux of 70-800kg/㎡-sec and a pressure of 13-24 bar (corresponding to an approximate water pressure of 80-140 bar). Wall temperature distribution in all tubes was strongly dependent on pressure and mass flux. Wall temperatures of the rifled tubes in the post-dryout region were far lower than for the smooth tube at same conditions and the critical point at rifled tubes move to much higher qualities against the smooth tube. This was attributed to turbulence and swirl flow caused by the rib. The increasing of critical quality and the decreasing of wall temperature in the rifled tubes against the smooth tube are pronounced at higher pressure and higher mass flux. The thermal non-equilibrium, which is usually present in the post-dryout region, was also lowered at the rifled tube. The effects of rib configuration on decreasing of the wall temperature are present in the low mass flux and low pressure, but not in high mass flux and high pressure. Type B rifled tube was found to be most effective for decreasing of the wall temperature, and it suggested the wall temperature distribution is most dependent on the rib height.
The empirical correlation for the post-dryout heat transfer in the smooth tube was developed. The predicted wall temperature by the empirical correlation for smooth tube agrees well with the experimental results of the present study and the prediction by CSO correlation. The heat transfer correlation for rifled tubes was also developed as a function of rib height and width with the modification of the smooth tube correlation. This correlation used the heat transfer enhancement ratio of the rifled tube against the smooth tube and two geometry parameters, $\(\frac{e}{d_{in}}\)$, $\(\frac{4w}{\pi d_{in}}\)$. The heat transfer coefficients of the smooth tube which were equivalent to the rifled tube conditions were calculated by the correlation for smooth tube. The correlation for the rifled tube predicted the wall temperature of the present experiments within ±10%.
The phenomenological model for the prediction of wall temperature in the rifled tubes was also developed using simple superposition of heat transfer for both evaporation and superheat regions, assuming thermal equilibrium. In order to calculate the wall temperature in the superheated region, the heat transfer coefficients calculated by the friction-heat transfer analogy approach were used in the heat transfer equation with the superheated vapor temperature calculated by simple heat balance. For the evaporation region, the friction-heat transfer analogy approach and the correlation of Baumeister were used for the heat transfer calculation from the wall to vapor and from the wall to droplets, respectively, and the vapor saturated temperature was used as the vapor temperature. This model predicted the wall temperature of the rifled tube within +15%, -7%.
임계열유속을 증진시키기 위하여 라이플관이 사용되며 라이플관은 임계열유속 증진 뿐만 아니라 드라이아웃 이후의 분무류 영역에서의 열전달도 증진시킨다. 분무류와 같은 이상유동은 원자로의 가상사고 시 핵연료채널에서 발생하므로 사고해석을 통하여 핵연료의 건전성을 평가하기 위하여 이상유동 영역에서의 열전달 현상에 대한 연구가 필요하다. 또한 관류형 보일러는 드라이아웃이 발생한 이후의 영역에서도 운전이 되므로 보일러의 설계를 위하여 이상유동 영역에서의 열전달현상 및 튜브벽 온도에 대한 예측이 필요하다. 그러나 이 영역에서의 열전달현상은 매우 복잡하고 특히 임계열유속 및 열전달 증진을 위하여 열전달 증진기구가 사용된 경우에는 그 해석이 용이하지 않다. 본 연구에서는 드라이아웃 이후 영역에서의 열전달 현상 연구를 위하여 3개의 다른 형상을 갖는 라이플관과 한 개의 원형관에 대한 포스트드라이아웃 시험을 R-134a를 이용하여 수행하였으며 본 시험결과를 바탕으로 열전달 예측을 위한 상관식을 얻었다.
시험은 $13 \sim 24 bar$의 압력조건, $70 \sim 800 kg/m2-sec$의 유량조건에서 수행되었으며 입구과냉 조건은 10℃ 정도로 유지되었다. 본 시험결과 드라이아웃 이후의 영역에서 발생되는 분무류에서의 튜브 벽 온도는 압력 및 유량조건의 영향을 받으며 동일한 조건에서 라이플 튜브에서의 온도가 원형관에서의 온도보다 매우 낮게 나타났다. 이는 라이플관의 rib 형상에 의한 회전유동 및 튜브 벽에서의 난류에 기인하는 것으로 판단되며 압력이 높을수록 유량이 클수록 라이플의 영향이 증가하였다. 라이플관에서의 열전달 증진은 드라이아웃 이후의 분무류 영역에서 존재하는 thermal non-equilibrium의 감소의 결과로 나타나며 이는 라이플관을 이용한 다른 연구자의 연구결과 및 twisted tape를 이용한 회전류에서의 열전달 연구결과와 일치한다. 분무류 열전달에 대한 라이플형상의 영향이 검토되었으며 시험결과 타입 B의 라이플관에서의 열전달이 가장 향상되는 것으로 나타났으며 이는 rib의 높이가 높을수록 회전류를 잘 발생시켜 열전달이 증가됨을 알 수 있다.
본 시험결과와 기존의 여러 상관식들을 이용한 예측결과와 비교하였으며 평형상관식인 Dougall-Rohsenow, Condie-Bengston 상관식에 의한 예측결과가 시험결과와 비교적 잘 일치하였으며 이는 본 시험이 높은 건도에서 수행되었기 때문에 단상류에 대해 적절한 본 상관식들 과 잘 일치하는 것으로 판단된다. 비평형 상관식인 Groenveld-Delorme, Saha, Hein & Kohler에 의한 예측결과는 평균예측오차가 15% 이상으로 큰 오차를 나타냈으며 Saha 상관식의 경우, 액적의 크기에 대한 상관식을 사용하므로 이에 따른 오차가 증가하는 것으로 판단된다. 그러나 비평형차 상관식인 CSO 상관식에 의한 예측결과는 오차 2.2%로 시험결과와 가장 잘 일치하였으며 CSO 상관식에서 이용하는 thermal non-equilibrium을 고려한 momentum-transfer analogy 기법이 분무류의 열전달을 예측하는데 가장 효과적인 것으로 판단된다.
본 시험의 원형관에 대한 923개, 라이플관에 대한 1688개 데이터를 이용하여 분무류 영역에서의 열전달을 예측하기 위하여 상관식을 개발하였다. 원형관에 대한 상관식은 단상류의 열전달에서 흔히 사용되는 Re, Pr의 무차원 수가 사용되었으며 벽으로부터의 열유속은 벽면 온도의 변화에 의한 튜브재질의 저항계수의 변화를 고려한 국소 열유속을 사용하였다. 또한 드라이아웃 지점의 영향을 고려하기 위하여 임계건도 $(x_c)$ 및 드라이아웃 지점에서의 거리를 상관식의 변수로 사용하였다. 라이플관에서의 상관식은 원형관에 대한 상관식을 이용하여 개발하였으며 라이플관의 시험조건과 동일한 조건에서의 원형관 열전달과 라이플관에서의 동등 시험결과를 이용하여 얻은 열전달 향상률에 대하여 라이플 형상과 관련된 변수 및 시험조건을 변수로 사용하여 상관식을 얻었다. 라이플 관에서의 분무류 영역의 열전달은 원형관에 비하여 최대 40%정도 향상되는 것으로 나타났으며 라이플 관에 대한 상관식의 예측결과는 평균오차 -3%이내에서 시험결과와 일치하였다. 또한 라이플의 분무류에 대한 열전달 예측을 위한 phenomenological model을 기 개발된 증기 및 액적에 대한 열전달 모델들을 이용하여 개발하였다. 본 모델은 벽면으로부터 액적과 증기로의 열전달이 중첩되는 것으로 가정하여 개발되었으며 예측결과가 시험결과와 잘 일치하였다.
