In the current study, mechanisms behind the Departure from Nucleate Boiling (DNB) process are experimentally investigated, and a theoretical model for predicting Critical Heat Flux (CHF) is developed based on the investigation. Generally, when a heating element is immersed in stationary fluid, nucleate pool boiling occurs, accompanied by numerous bubbles on the surface of the heating element. However, as the surface heat flux reaches CHF, the DNB process occurs, and the surface temperature abruptly increases to about 1000℃. Therefore, to avoid the failure of heating elements, it is required to identify the cause of the DNB process and accurately predict CHF based on it. In this study, temperature and heat flux distributions on the boiling surface are measured using a high-speed IR camera to figure out the cause of the DNB process. Experiments are performed about FC-72 and water, and as a result, it is observed that the DNB process caused by two different mechanisms depending on the working fluid. Firstly, for the case of FC-72, the DNB process occurs when pre-existed dry patches merge into a vapor film as the temperature of the dry patches reaches the Leidenfrost temperature. On the other hand, for the case of water, the DNB process occurs when a local dry spot appears at the liquid film region under bubbles and expands to the entire surface. Based on the two different phenomena observed in the current study, two CHF mechanisms are suggested: Rewetting limit and Capillary limit. A theoretical model for predicting CHF is developed based on the two suggested mechanisms and validated using experimental data. Also, parametric analyses are conducted to investigate the effect of the surface conditions, such as the contact angle, the heater size, and the surface thermal conductivity, on CHF.
본 연구에서는 풀 비등 열전달에서 핵비등 이탈이 발생하는 원인을 실험적으로 분석하고, 이에 근거하여 임계열유속을 예측할 수 있는 이론적 모델을 개발하고자 한다. 일반적으로 정체된 유체에 가열체를 담그면 가열체 표면에 버블이 형성되는 풀 핵비등 열전달이 발생한다. 이러한 풀 핵비등 상황에서 표면 열유속이 점점 높아지다 임계열유속에 다다르게 되면, 핵비등 이탈이 발생하며 표면 온도가 1000℃ 이상으로 급격히 상승하게 된다. 따라서 비등 표면의 손상을 방지하기 위해서는 핵비등 이탈이 발생하는 원인을 파악하고, 이에 근거하여 임계열유속을 정확히 예측할 필요가 있다. 본 연구에서는 핵비등 이탈이 일어나는 원인을 규명하기 위해 초고속 적외선 카메라를 이용하여 비등 표면의 온도와 열유속을 측정하였다. 실험은 FC-72와 물, 이 두 가지 작동유체에 대해 수행하였으며, 실험 결과, 작동유체에 따라 서로 다른 원인에 의해 핵비등 이탈이 발생하는 것이 관측되었다. 우선, 작동유체가 FC-72일 때는 임계열유속 이전부터 표면에 존재하던 마른 영역들의 온도가 Leidenfrost 온도에 도달하자 마른 영역들이 서로 병합되며 핵비등 이탈이 발생하는 것이 관측되었고, 작동유체가 물일 때는 버블 아래 존재하는 액막에 마른 영역이 발생한 후, 마른 영역이 점점 확장되며 핵비등 이탈이 발생하는 것이 관측되었다. 본 연구에서는 실험적으로 관측된 서로 다른 두 가지 현상을 바탕으로 젖음 한계와 모세관력 한계라는 두 개의 임계열유속 기작을 제안하였다. 이 후에는 이러한 두 개의 기작에 기반하여 임계열유속을 예측할 수 있는 이론 모델을 개발하였으며, 실험 데이터를 이용하여 개발한 이론 모델을 검증하였다. 또한, 개발한 이론모델을 통해 표면접촉각, 히터 사이즈, 표면 열전도도 등 다양한 표면조건들이 임계열유속에 미치는 영향을 분석하였다.
