In this study, experimental investigation and CFD analysis were performed in order to find out the effect of twisted tape on CHF enhancement.
CHF experiments were performed in the smooth tube and the twisted tape inserted tube. Inside diameter and heated length of the smooth tube is 10.4 mm and 1000 mm, respectively. The test section was vertically installed in the test loop and uniformly heated by electricity. The values of the twisted tape ratio y (the length for 180° twist of inside diameter) are approximately 5.77, 7.21, 9.62. The width and thickness of the twisted tape are 9.0 mm and 0.3 mm, respectively. The working fluid is R-134a, which entered into the test section upward with an inlet subcooling of 30-50 kJ/kg. The test pressure is ranged from 12 to 25 bar. The mass flux is ranged from 1000 to 5000 kg/㎡s. The experimental results of the smooth tube and the twisted tape inserted tube were compared with each other. The CHF in the twisted tape inserted tube was enhanced to 10-80 % comparing with CHF in the smooth tube. The pressure drop in the twisted tape inserted tube was also increased about 2 to 7 times than that of the smooth tube.
CFD analysis was performed at the same geometry and flow condition of the CHF test to investigate the detailed flow characteristics in the twisted tape inserted tube. From the CFD calculation, swirl flow was generated by the twisted tape and increases the tangential and axial velocity. Tangential velocity is the highest at the end of the twisted tape and the lowest between the twisted tape and the tube wall. Thus, the cases of different gap size between twisted tape and tube wall were also calculated. As the width between the twisted tape and tube wall becomes narrower, the swirl effect of the twisted tape on CHF enhancement becomes stronger without imposing additional pressure drop.
임계열유속은 높은 열유속을 갖는 열전달 기기의 설계 및 운전에 있어서 매우 중요한 제한인자이며, 주어진 조건에서 임계열유속 값이 높을수록 경제성과 안전성의 향상을 도모할 수 있다. 특히 원자로의 핵연료봉과 같이 가열한 면의 열유속이 조절되는 시스템에서는 임계열유속 현상이 표면 온도의 급격한 상승을 유발하며, 가열면 온도가 용융점에 도달하면 핵연료의 파괴와 함께 방사성 물질의 누출로 이어지기도 한다. 따라서 가장 효과적으로 열전달이 이루어지는 핵비등 영역을 확대시키는 방법, 즉 임계열유속 증진 방법 및 응용에 대한 연구개발이 지난 30여 년간 수행되어 왔고, 앞으로도 지속적인 연구가 필요하다.
본 연구는 임계열유속 증진을 위한 여러 방법들 중에서 원형관 속에 설치된 비틀림 테잎에 의해 발생하는 회전 유동이 임계열유속 값의 향상에 미치는 영향에 대해 실험과 전산유체 해석을 통해 수행되었다. 특히, 0.1-4.0 MPa 영역의 핵융합 원자로에 한정되어 있던 기존 연구와 달리 실제로 15.5 MPa에서 운전되고 있는 가압경수로처럼 고압조건에서 임계열유속에 미치는 비틀림 테잎의 영향에 대한 연구가 필요하다고 생각된다.
임계열유속 실험은 비틀림 비가 5.77, 7.21, 9.62의 세가지 종류의 비틀림 테잎을 삽입된 10.4 mm 지름을 가지는 수직원형관에서 수행되었으며, 가열 길이는 1000 mm이다. 전기를 이용한 직접 가열방식을 사용해, 가열 벽면의 온도를 측정해 임계열유속의 발생을 측정하였다. 물과 경향은 비슷하지만 포화압력과 온도가 낮아 안전성이 높은 R-134a를 유체로 사용하였다. 30-50 kJ/kg 미포화도의 유체를 수직방향으로 주입했으며, 시스템 압력은 12-25 bar, 유량은 1000-5000 kg/㎡s 이다. 비틀림 테잎을 이용했을 경우 임계열유속은 비틀림 테잎의 종류와 실험 조건에 따라 1.1-1.8배의 증진율을 보였으며, 비틀림 비가 작을수록 높은 증진률을 보인 반면 압력 손실 역시 증가하였다. 또한 기포류와 슬럭류의 경계에서 가장 높은 증진율을 보였다. 이는 슬럭류로 넘어가면서 테잎이 일부 유체를 붙잡아 냉각에 충분히 이용되지 못하는 효과 때문이다.
비틀림 테잎이 삽입된 원형관 안에서 유체의 유동특징을 알아보기 위해 수행된 전산유체 해석은 임계열유속 실험과 동일한 조건과 상태에서 계산되었다. 비틀림 테잎에 의한 회전유동의 효과가 저유속의 경우 관 전체에 균일하게 분포하였으나 고유속의 경우 비틀림 테잎의 양 끝에 집중되었다. 또한, 비틀림 테잎과 관 벽 사이의 간격이 줄어들수록, 추가적인 압력 손실 없이 회전유동에 의한 임계열유속 증진의 효과는 더욱 크게 나타나는 것으로 조사되었다.