This thesis addressed fundamental insight into the mechanism by which CHF is triggered. Proper physics-based understanding of the mechanisms by which critical heat flux (CHF) occurs is crucial in order to guide the development of high heat removal devices. Although many mechanisms by which critical heat flux occurs during pool boiling have been proposed, these models are not consistent with the majority of the data. One of reasons is the lack of reliable local information that can enable models to be tested.
In this study, the experimental work was undertaken to investigate the process by which pool-boiling critical heat flux (CHF) occurs using an IR camera to measure the local temperature and heat transfer coefficients on a heated silicon surface. The wetted area fraction (WF), the contact line length density (CLD), the frequency between dryout events, the lifetime of the dry patches, the speed of the advancing and receding contact lines, the dry patch size distribution, and the regional heat transfer on the surface were measured throughout the boiling curve. It was found that the heat flux through the liquid covered area was relatively small compared to the heat flux on the contact line, however, contributes the most to the overall boiling heat transfer. The heat transfer on the liquid covered area accounted for at least 85% of the overall heat transfer at CHF. Furthermore, quantitative analysis of this data at high heat flux and transition through CHF revealed that the boiling curve can simply be obtained by weighting the heat flux from the liquid-covered areas by WF. It was observed that CHF occurs when the heat transfer through the liquid covered area is not enough to remove the heat since the dry patch size increases faster than the increase in heat transfer through the liquid area. Finally, CHF mechanisms proposed in the literature were evaluated against the observations.
상변화 (Phase change)를 이용한 냉각 방법은 단상 냉각 기법에 비해 높은 냉각 성능을 가짐으로 인해 고성능 냉각이 필요한 산업 분야에 널리 사용되고 있다. 상변화 열전달이 사용되는 대표 산업 분야로는 원자로 냉각, 로켓 모터 냉각, 고성능 CPU 냉각 등을 들 수 있다. 그러나 상변화 열전달에는 임계 열유속 (Critical heat flux) 이라는 한계점이 존재한다. 표면 열유속이 임계 열유속 보다 높을 때, 표면 온도는 급격히 상승하여 시스템 고장에 직접적인 원인이 된다. 그렇기 때문에 효율적으로 냉각 시스템을 구축하고, 냉각 성능을 개선하기 위해서는 임계 열유속 메커니즘(Mechanism)을 제대로 이해할 필요가 있다. 이러한 중요성 때문에, 지난 반세기에 걸쳐 임계 열유속 메커니즘에 대한 많은 연구가 수행되고 있다. 그럼에도 불구하고 임계 열유속 발생 메커니즘은 가장 단순한 수평 풀 비등에 대해서도 여전히 논란의 대상이다. 이러한 논란의 원인 중 하나는 상변화가 일어나는 표면의 국소 데이터가 부족하기 때문이다.
본 연구에서는 고속 열화상 카메라를 이용하여, 표면 열유속 조건에 따라 비등표면의 온도와 열유속 분포를 획득하였고, 풀 비등에서의 임계 열유속 현상에 대해 관찰하였다. 국소 데이터를 기반으로 비등표면을 액체와 기체로 덮여 있는 부분을 나누고, 열유속 변화에 따른 비등표면 면적에 대한 액체로 덮여 있는 면적의 비율 (Wetted area fraction), 기포의 크기, 생성 빈도 등을 분석하였다. 열유속이 증가함에 따라 비등표면 위에 액체로 덮여 있는 면적이 줄어들고, 기포 크기와 기포 생성빈도가 증가하게 된다. 또한 임계 열유속에 매우 근접하게 되면, 기포는 비등표면으로부터 이탈하기 전에, 주위의 기포와 합쳐지면서 기포의 크기가 크게 증가하고, 비등표면에 위에 장시간 머무르게 된다. 임계 열유속에서는 기포가 결합으로 인해 지속적으로 확장하여, 비등표면 전체를 덮게 된다.
비등표면을 액체, 기체뿐만 아니라 상변화가 일어나는 부분으로 나누어 영역별로 전체 열전달에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 비록 임계 열유속으로 다가갈수록 액체로 덮여있는 부분의 면적이 감소하지만, 비등표면 전체 열전달에 85% 이상 차지하는 것을 발견하였다. 그리고 액체로 덮여 있는 부분의 열유속과 비등표면 면적에 대한 액체로 덮여 있는 면적의 비율의 곱으로 비등표면 열유속을 나타낼 수 있는 것을 확인하였다. 임계 열유속은 액체로 덮여 있는 부분의 열유속의 증가율 보다 액체로 덮여 있는 면적의 감소율이 더 크기 때문에 나타나는 새로운 관찰결과를 제시하였다.
기존 연구 및 본 연구의 실험 데이터를 바탕으로, 액체로 덮여 있는 면적을 기반으로 한 임계 열유속 발생 메커니즘을 제시하였다. 본 연구에서 제안한 메커니즘은 기존의 실험의 관측 결과와 일관된 것을 확인하였다. 그리고 분무 냉각, 비등유동, 과냉비등, 비등표면 처리에 따른 임계 열유속 상승 원인을 설명할 수 있음을 보였다. 본 연구에서 제안한 임계 열유속 메커니즘을 다양한 비등 조건에 대해 검증, 개선하면, 광범위에 걸친 임계 열유속 예측 모델 개발에 이용될 수 있을 것이라 기대된다.
