This study deals with experimental works performed in the dryout and the post-dryout condition using R-134a to investigate the CHF and post-CHF characteristics and the effects of spacer grids in a vertical annular geometry. The experiments were conducted under the outlet pressure of 11 - 20 bar, the mass fluxes of 100 - 400 kg/ $m^2$ s, and the inlet temperatures of 25 - 51 $\circ$ C.
The critical heat flux (CHF) experiments in the forced convection boiling were performed with one heated rod and four spacer grids using R-134a as a working fluid. The parametric trend of the CHF data was well consistent with the previous understanding in water. The comparison between the present results and water data in similar geometry showed R-134a can be a modeling fluid for simulating water CHF in high pressure and high temperature condition and indicate the effect of the flow obstacle enhancing the CHF.
The visualization works were performed in the condition of dryout and post-dryout heat transfer to give an insight to the interfacial characteristics, flow regimes, and heat transfer mechanisms. Dryout patches on inner liquid film playing the important role in CHF occurrence were observed. The direct observation of flowing bubble behaviors were achieved, which enhances the understanding of the effect of flow obstacles in the flow boiling heat transfer.
The post-CHF experiments were also performed to investigate the post-CHF heat transfer characteristics in an annular geometry and about 700 of post-CHF data were obtained in the annular geometry. These post dryout data were compared with the existing thermal equilibrium and thermal non-equilibrium models. The results showed a large prediction uncertainty. 301 data points were extracted from the post-dryout experiments for the film boiling region, and the empirical correlation was developed with the present experimental results. The heat transfer coefficient was calculated based on the saturated vapor temperature and the wall temperature of the heater rod. The average error and RMS error of the prediction were 0.17% and 3.4%, respectively.
The experiments related to the spacer grid effects were performed with I-type of spacer grid and split-swirl mixing vane (with blockage-area ratios of 4.0 and 5.8 %). The spacer grid and mixing vane test results showed the enhancement effect on the heat transfer at the downstream location of the spacers. The experimental results in split-swirl type of grid tests showed the more improved effect than the I-type of spacer grid tests.
The experimental results showed the noticeable wall superheat reduction in the mass flux of 300 ~ 400 kg/ $m^2$ sec at 16 ~ 20 bar, but enhancement effects were not observed for the low mass flow of high quality condition of 100 kg/ $m^2$ s and the pressure condition of 11 bar. It was considered that the enhancement effect by spacers is smaller than the effect by the following combined mechanisms of (i) the negative effect of spacers at dryout in low mass flux of high quality condition by break-up of liquid film, (ii) gradually increased heat flux to give the increased wall temperature in condition of the poor heat transfer rate by vapor, and (iii) “undeveloped” film-boiling heat transfer region just beyond the CHF location, where the vapor superheat increases in which upstream history is considerably important.
To define effects of spacer grid and mixing vane at the exit parts, the data points obtained at a location of 1820 mm were compared with bare data. Fully developed film boiling region was shown in the location of the exit part. The spacer grid and mixing vane test results did not show the improved effects compared with the bare condition. This is explained by the long distance ratio to the diameter between the thermocouple and the spacer.
본 연구는 원자력에서 중요하게 다루어지는 임계열유속 및 초과임계열유속의 열전달 현상에 대한 실험적 연구를 목적으로 수행되었다. 기존 열수력 실험들은 대부분 냉매로 물을 사용하였으나 물의 높은 임계 압력과 기화열로 인하여 실험 수행에 많은 비용과 시간이 소요되기 때문에, 이 연구에서는 물로 확인하기 힘든 고온 조건의 현상을 규명하기 위해 낮은 임계 압력과 기화열을 가지면서도 물의 비등현상을 적절하게 모의할 수 있는 R-134a를 냉매 물질로 사용하여 가열봉과 외곽 채널로 구성된 환상관에서 실험을 수행하였다.
환상관에서 얻어진 R-134a 임계열유속 실험 데이터는 임계열유속 조건에 대한 물의 모의유체로서의 상사성을 보여주었고 임계열유속 조건에서 지지격자의 열전달 증진 효과를 보여주었다. 환상관에서 얻어진 임계열유속 데이터는 R-134a가 응용될 수 있는 다른 실험들과 이론적인 모델 연구에 필요한 자료로 제공될 수 있을 것이다. 임계열유속과 초과임계열유속 조건에서 가시화 실험을 수행하여 임계열유속 발생시 액체막의 건조가 큰 영향을 미치는 것을 확인하였고 강제 대류 비등 조건에서 지지격자의 영향을 관측하여 실제적인 기포의 거동을 확인하였다.
초과임계열유속 실험은 압력 11- 20 bar, 유량 100-400 $kg/m^2s$의 조건에서 수행되었으며 지지격자가 없는 상태의 환상관 실험과 지지격자가 장착된 실험을 따로 수행하여 지지격자의 영향을 조사하였다. 700 여 개의 초과임계열유속 데이터 중 막비등 조건의 301 개의 데이터를 선별하여 기존 원형관에 기초한 초과임계열유속 상관식과 비교한 결과 대부분의 모델들이 초과임계열유속 조건에서의 열전달계수값을 낮게 예측하였다. 환상관실험의 경우 원형관 실험보다 높은 열전달계수값을 가지는 이유는 cold wall에 따른 효과로 해석되며, 초과임계열유속 실험의 경우 예측 모델간의 오차가 크기 때문에, 본 연구에서 수행된 범위에 대해 평균오차 0.37%, RMS오차 8.62%의 초과임계열유속 실험상관식을 개발하였다.
지지격자와 혼합날개를 장착한 실험의 경우 장착 위치의 하류에서, 압력 16-20bar, 유량 300-400 $kg/m^2s$의 조건일 때에 벽면온도가 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있었으나 상대적으로 저압 저유속 조건에서는 그 증진 효과를 확인하기 어려웠다. 이는 저유속 고건도 조건에서 지지격자의 액막 분쇄에 의한 임계열유속 감소 현상으로 인해 지지격자가 장착된 실험에서 먼저 임계열유속이 발생하고 임계열유속 발생 직후 급격히 온도가 상승된 가열면에서, (가열면과 증기, 증기와 액적 사이의 열적 비평형 상태) 증기의 낮은 열전달율에 추가적인 열유속 증가로 인하여 벽면 온도가 상승하게 되는 현상이 엔탈피 혼합이나 벽면으로의 액적 이동과 같은 지지격자의 열전달 증진 효과를 상쇄하여 증진효과가 나타나지 않는 것으로 해석된다.
막비등이 완전히 진행된 출구 부분에서 측정된 값을 분석한 결과, 지지격자나 혼합날개에 의한 증진 효과가 나타나지 않았으며 이는 지지격자와 출구와의 거리가 멀어 지지격자의 영향이 미치지 않는 것으로 해석된다.
