Dynamics of Heat Transfer During Cooling of Overheated Surfaces

Abstract

Quenching phenomenon is one of the most unexplored phenomena in the field of heat transfer. However, quenching is known for a long time especially due to metal hardening. In the several last decades, the phenomenon has come to the fore of interest in connection with nuclear reactor safety and cryogenic technologies. Quenching is defined as an onset of rapid temperature decrease within cooled geometry by relatively cold liquid. The contact between cooled surface and coolant is not a straightforward process. If the surface temperature is high enough, liquid can't touch the surface directly, but it is separated by stable vapor layer. The layer acts as a thermal insulation barrier and the resulting heat transfer is very limited until surface temperature fails bellow so-called Leidenfrost temperature. The actual value of quenching temperature is inuenced by many factors such as dynamics of the coolant, initial wall temperature, material properties of cooled geometry, etc. An experimental loop with an annular flow channel has been built in order to deepen the knowledge on the quenching phenomenon. The flow channel is vertical and it is equipped with changeable electrically heated tubes (models) with the outer diameter of 9mm and length over 1,7m in three different geometrical configurations: Model A - wall thickness (delta) 0,5mm, Model B - delta = 1,0 mm and Model C with variable wall thickness. Each model was exposed to bottom flooding at initial wall temperature levels from 250 degrees of C to 700 degrees of C and with four different coolant mass fluxes for each temperature level (80, 110, 190, 270 kg.m-2.s-1). Results show the complexity of the phenomenon for given configurations and initial experiment parameters. Correlations for all important points in the process were developer i.e. correlations for quenching, critical and nucleate boiling temperature. Another part of the study is suggestion of heat transfer coeficients for the three-regional rewetting model. On top of that correlations for local heat transfer coeficients were proposed. There is also pointed out the effect of pressure pulsation during the flooding and its influence on the process. All these results together with raw experimental results can serve as an input for further investigations of the phenomena and for nuclear reactor safety analyses.

Jevy provázející smáčení vysoce rozehřátých povrchů jsou jedněmi z nejméně prozkoumaných jevů z oblasti přenosu tepla. Tyto procesy jsou jako takové známé již dlouhou dobu především díky tepelnému zpracování kovů (angl. quenching). V posledních několika dekádách se tento jev dostal do popředí zájmu především ve spojení s bezpečností jaderných reaktorů a kryogenní technikou. Smáčení je definované jako počátek prudkého poklesu teploty chlazeného objektu, který je způsobený kontaktem s relativně chladným chladivem, např. vodou. Přímý kontakt mezi rozehřátým povrchem a chladivem však není přímočarý proces. Pokud je teplota povrchu dostatečně vysoká, je kapalina oddělena od povrchu parní vrstvou, která brání přímému kontaktu povrch-chladivo. Tato parní vrstva se chová jako tepelně izolační vrstva a přestup tepla je tak značně snížen až do okamžiku, kdy teplota povrchu poklesne pod tzv. Leidenfrostovu teplotu, při které dojde ke kolapsu parní vrstvy. Vlastní hodnota této teploty je závislá na mnoha faktorech, jako například dynamice chladiva, počáteční teplotě povrchu, vlastnostech chlazeného objektu, geometrii, atd. Za účelem prohloubení znalostí o tomto jevu bylo postaveno experimentální zařízení s anulárním průtočným kanálem. Testovací kanál má výšku přes 1.7m a je vybaven měnitelnými průchodem elektrického proudu vyhřívanými modely (trubkami) s vnějším průměrem 9mm. Tyto modely byly použity ve třech variantách: Model A s tloušťkou stěny 0.5mm, Model B - 1.0mm a Model C s proměnnou tloušťkou stěny po výšce. Každý model byl vystaven sérii experimentů se zaplavováním zdola na počátečních tepelných hladinách povrchu od 250°C do 700°C se čtyřmi různými průtoky chladiva 80,110,190,270 kg.m-2s-1. Výsledky ukazují komplexní charakter daného jevu pro danou konfiguraci a parametry. Byly vytvořeny korelace pro všechny důležité body v procesu smáčení, tj. korelace pro teplotu smočení, teplotu kritického tepelného toku a teplotu bublinkového varu. Další částí studie je návrh součinitelů přestupu tepla pro tří-oblastní model smáčení. Navíc jsou zde předloženy korelace pro lokální součinitele přestupu tepla. Poukázáno je ve studii také na efekt tlakových pulzací během zaplavování a jejich vliv na daný proces. Všechny tyto výsledky společně s naměřenými daty mohou sloužit jako vstup pro další studie zaměřené na tento jev, popřípadě pro bezpečnostní analýzy jaderných reaktorů.