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Critical Heat Flux[1]
臨界熱流束
1. 개요
상변화가 일어나는 시스템의 안전 제한치를 나타내는 척도[2]열적 여유도[3]
임계열유속 (CHF)은 비등열전달 현상에서 나타나는 특정 임계점으로서 열전달 효율이 급격히 감소하는 지점을 말한다.
상변화가 발생하는 핵비등 (nucleate boiling) 상태에서 열유속을 점진적으로 증가시킬 때, 임계열유속 지점에 도달하게 되면 막비등 (film boiling)으로 열전달 방식이 전환되면서 열전달 표면의 온도가 급격히 증가한다. 이에 따라 대부분의 금속표면의 경우 심각한 손상을 입게 된다. 상변화가 발생하는 시스템에서 열적 여유도의 중요한 기준점이 되기 때문에 매우 중요하다.
2. 역사
Nukiayma (1934): CHF 현상을 실험적으로 관측Kutateladze (1951): 무차원분석을 통하여 처음으로 CHF 모델을 제시
Zuber (1959): CHF 모델의 영원한 선구자. instability를 사용하여 물리적인 해석이 들어간 CHF 모델을 제시
Lienhard와 Dhir 연구팀 (1970년대): Zuber 모델을 현실적인 조건으로 개선. 엄청난 실험의 노가다.
Haramura와 Katto (1983): 기존의 hydrodynamic instability 모델과는 다른 macrolayer라는 개념을 도입하여 새로운 방식으로 CHF 작동 방식을 설명한 모델.
Kandlikar (2001): 성공적으로 젖음성을 CHF 모델에 결합. 하지만 지금은 후속 연구들에 의해서 꽤나 논박되고 있는 중
주요 CHF 모델 분류
- Hydrodynamic instability model[4]
- Macrolayer dryout model[5]
- Bubble interaction model[6]
- Hot/dry spot model[7]
3. 응용
기계공학분야에서도 상변화와 관련된 부분은 해석이 매우 까다롭기 때문에 학부 때는 아주 중요하게 다루지는 않는다. 보통 소개정도만 하고 넘어가는 편.상변화가 발생하는 대표적인 시스템은 보통, 보일러에서 증기가 발생하고 이 증기가 터빈을 구동시켜 전기를 생산하는 방식이다. 여기서 시스템이 안전하게 운영되기 위해서는 임계열유속이라는 제한치 이하에서 구동된다.
임계열유속이 고려되는 가장 유명한 시스템은 단연 원자력 발전소이다. 더 이상 말할 필요도 없이 원자력 발전소에서 안전은 매우 중요한 요소이기 때문에, 대부분의 상업 원자력 발전소에서의 최대출력은 임계열유속의 약 70% 이하로 제한되어 있다.