Most condensation study, including PCCX designs, is focused on filmwise condensation(FWC). However, operating condition of PCCS is likely to be dropwise condensation(DWC) and related studies also reported DWC. Also, low-conductivity surface, such as stainless steel, is profoundly affected by constriction resistance.
Consequently, this study compared DWC and FWC for SUS316 surface. Feasibility of using DWC for PCCS was also assessed. Drop-size distribution data under subcooled temperature and non-condensable gas (NCG) concentration was obtained by image processing to develop constriction resistance model. Moreover, an empirical model of drop-size density for large droplet was suggested. At last, the constriction model and overall heat transfer coefficient(HTC) considering constriction model were developed. The experiment was conducted on both vertical flat and tube surface. Experimental condition was subcooled range 1~30K and NCG range 0~40%. Tube experiment was also conducted on 0.3m and 1.0m tube to check length effect.
In the flat surface experiment, FWC showed 2~3 times higher HTC than DWC and maintained at least 12 hours. The advantage of FWC was disappeared subcooled over 20K. In the tube surface experiment, DWC showed 1.5 times higher HTC than FWC and maintained at least 4 hours. None of the significant length effect was observed. In addition, HTC is dramatically decreased in the presence of NCG for both experiments. A behavior of initial droplet growth is affected by subcooled temperature and critical radius. Maximum drop departure radius is 1.37mm for SUS316. All drop-size distribution function, including N(r), f(r) and A(r), was obtained, and they were independent of experimental conditions. Moreover, empirical drop-size distribution model for large droplet was developed. In conclusion, the constriction model for single drop and multiple drops were developed. The results from the validation showed that constriction resistance took account of 70~85% of total resistance.
PCCX 설계 등 대부분의 응축연구는 막응축 모델을 통해 연구되어 왔다. 그러나 PCCS의 운전조건은 액적응축에 가까우며 실제로 스테인리스 표면을 이용한 관련 연구에서 액적응축이 보고되고 있다. 또한 스테인리스와 같은 저 열전도율 표면의 경우 제한저항의 영향이 크다고 알려져 있다.
따라서 본 연구에서는 SUS316 표면에 대해서 각각 액적응축과 막응축의 열전달 특성을 비교하였고 PCCS에서의 액적응축 가능성을 평가하였다. 또한 제한 저항 모델 개발을 위하여 이미지 프로세싱을 이용하여 과냉각도와 비응축가스 농도에 따른 액적 크기 분포를 관찰하였다. 그리고 큰 액적에 대해서도 실제 액적 크기 분포를 예측 할 수 있는 실험적 모델을 개발하였다. 이를 통해 최종적으로 실제 액적 크기 분포를 이용한 제한 저항 모델을 개발하였고, 종합 열전달률 모델에 적용하여 실제 실험 데이터와 비교해 보았다.실험은 수직평판, 수직관 두가지 구조에 대해 1~30K의 과냉각도와, 0~40%의 비응축가스 농도에 대해 실험을 수행하였다. 또한 수직튜브 실험에서는 길이효과를 확인하기 위해 0.3m와 1.0m 두가지 길이에 대해 실험하였다.
우선 수직평판 실험에서 액적응축은 막응축보다 약 2~3배 높은 열전달률을 보여주었으며 최소 12시간 이상 지속되었다. 또한 액적응축은 20K이상의 과냉각도에서 열전달률 향상 효과가 사라지는 것을 확인하였다. 수직관 실험에서도 액적응축은 막응축보다 약 1.5배 높은 열전달률을 보여주었으며 최소 4시간 이상 지속되었다. 액적응축에서 길이효과는 발견되지 않았다. 또한 양쪽 실험 모두 공통적으로 비응축성가스에 의한 급격한 열전달률 감소 효과가 관찰되었다. 액적 크기 분포 분석에서는 초기 액적 성장 양상이 과냉각도와 최소 액적 크게에 영향을 받는것이 관찰되었다. SUS316 표면에서의 최대이탈액적크기는 1.37mm이었다. N(r), f(r), A(r) 등 모든 액적 크기 분포 함수 데이터를 수집했으며 이들은 실험조건에 거의 영향을 받지 않았다. 또한 수집된 데이터를 통해 큰 액적에 대한 실험적 상관함수를 개발하였다. 마지막으로 단일 액적과 전체 액적에 대한 제한 저항 모델을 개발하였고 실험 데이터와의 비교 결과 스테인리스 표면에 대해서는 총 열저항 중 약 70~85%를 제한저항이 차지하는 것이 확인되었다.