This research focuses on the transient process of the pipe cooling by the internal flow of cryogenic fluid, which is a so-called cryogenic line chill-down process. We extended the quenching database with various cryogenic fluids and developed the heat transfer correlations for predicting the cryogenic line chill-down process. The line chill-down experiments are carried out on a 12.7 mm outer diameter, 7 m long horizontal pipe with liquid nitrogen, liquid argon, and liquid oxygen. Based on the experimental data, the empirical correlations for some important parameters, such as the critical heat flux (CHF), the CHF temperature, and the minimum heat flux (MHF) temperature are developed. The calculation results predict the experimental data with the mean absolute error of 20.1%, 3.6%, and 2.3%, respectively. Additionally, a one-dimensioned homogeneous model is established to simulate the chill-down process, and the correlations for heat transfer coefficient (HTC) are developed for single-phase vapor heat transfer regime and film boiling regime. The empirical correlations are validated by simulating the line chill-down process with LN2, LAr, and LOX in mass flux range from 15 to 868 kg/$m^2s$ and predicting the line chill-down time within 10% error.
본 연구에서는 극저온 유체 운송 라인 냉각 실험을 통해 데이터베어스를 확장하고, 극저온 배관 냉각 과정에 적용되는 열전달 관계식을 적립하였다. 본 학위논문에서는 액체질소, 액체산소, 액체아르곤을 작동 유체로 선정하여 극저온 유체 운송 배관 냉각 실험을 수행하였다. 냉각 실험은 7 m 길이, 12.7 mm 외경인 스테인레스 스틸 배관에서 다양한 질량 유속 조건에서 수행하였다. 실험 데이터 바탕으로 임계 열유속, 임계 열유속 온도, 최소 열유속 온도 등의 경험적 상관식을 제시하였으며, 상관식을 이용한 계산 결과의 평균절대오차는 각각 20.1%, 3.6%, 3.3% 이다. 또한, 1차원 균질모델을 수립하여 액체질소, 액체산소, 액체아르곤 운송 배관의 냉각과정을 모사하였고, 단상기체강제대류 및 막비등 영역의 열전달계수에 대한 상관관계식을 제시하였다. 최종적으로 다양한 극저온 유체 (액체질소, 액체산소, 액체아르곤)를 이용하여 다양한 질량 유속 범위 (15-868 kg/$m^2s$)에서의 배관 냉각 시간을 10% 이내 오차로 예측하였다.
