임계열유속에 대한 임계전류밀도의 상사특성

• 영문명: Analogous characteristics of critical current density with critical heat flux
• 발행기관: 경희대학교 학술단체협의회
• 저자명: 박해균(Hae-kyun Park)
• 간행물 정보: 『고황논집』제70집, 3~29쪽, 전체 27쪽
• 주제분류: 복합학 > 학제간연구
• 파일형태: PDF
• 발행일자: 2022.06.30

국문 초록

임계열유속은 원자력발전소의 설계 및 안전과 관련된 매우 중요한 인자이다. 복잡한 수력학적 조건에서의 임계열유속 측정실험은 극한의 실험조건에 의한 실험설비의 파손 시 발생하는 경제적, 시간적 소요에 의해 연구자들로 하여금 많은 어려움을 겪게 한다. 본 연구는 이러한 임계열유속 측정의 난점을 극복하기 위해 열과 물질전달 간의 상사성을 이용한 대체가능 실험방법론을 제시한다. 임계전류밀도는 작업전극에 수소막이 덮이면서 나타나는 전기분해에서의 작동한계이다. 본 연구에서는 임계열유속과 임계전류밀도의 수력학적 유사성을 기반으로, 임계열유속에 대한 임계전류밀도의 상사특성을 탐구한다. 비등계에서의 기화현상을 모사하기 위해 묽은황산전기분해계를 사용하여 전기화학적으로 수소를 발생시키는 실험을 수행하였다. 예비실험으로써, 수소환원계의 핵생성특성을 측정하고 이를 비등계와 비교하였다. 비등계에서와 유사하게, 전류밀도가 증가하면 수소환원계의 활성핵생성밀도(Active nucleation site density)가 증가하였다. 반면, 비등계에서와는 반대로 수소기포의 이탈직경은 전류밀도에 따라 감소하였다. 결과적으로, 수소기포의 주기는 전류밀도에 따라 증가하였다. 임계전류밀도의 메커니즘을 밝히기 위해 기존 임계열유속 모형을 차용하고 이를 수소환원계에 활용가능한 형태로 수정하였다. 기존 비등계의 Dry spot 모형과 유사한 개념으로 ‘Insulation spot’ 모형을 개발하여 임계전류밀도에서의 수소기포배열을 평가하였다. 임계기포수가 6개인 경우 Insulated spot 모형에 의한 임계전류밀도는 측정된 임계전류밀도보다 7.4% 높은 값을 산출해내며 잘 예측한다. 본 연구에서 최초로 수소환원계에서의 Macrolayer가 확인되었다. 수소기포덩어리의 Hovering time과 Macrolayer의 두께를 활용한 기존 Macrolayer dryout 모형은 임계전류밀도 또한 4.37% 이내로 잘 예측한다. 이러한 결과는 임계열유속에서와 마찬가지로 임계전류밀도 또한 수력학적 거동이 지배적으로 작용함을 의미한다. 그러므로, 수소환원계의 작은 수소기포이탈직경을 고려하면 임계전류밀도는 임계열유속의 축소모형이라고 간주할 수 있겠다. 이러한 상사관계를 여러 기하학적 및 수력학적 조건으로 확장할 수 있다. 질량유량, 표면기울기, 도관의 크기 등에 대한 임계전류밀도의 영향은 임계열유속에서의 영향과 유사하게 나타남을 확인하였다. 본 연구에서 밝혀진 상사특성을 통해, 열과 물질전달 간의 상사성을 이상유동 현상의 범위로 확장함으로써 더욱 진보된 상사성을 확립할 수 있다.

영문 초록

The critical heat flux (CHF) is one of the important design and safety parameters in the nuclear power plant. The measurements of the CHF for complex hydrodynamic conditions are difficult due to the extreme experimental conditions, which cause the failure of the test facility, resulting in financial and time demanding problems. The present study proposes a possible alternative experimental method to overcome the difficulty of the CHF experiment by extending the analogy relation between heat and mass transfers. The critical current density (CCD) is an operation limit in the water electrolysis when hydrogen film is formed on the working electrode. Based on the hydrodynamic similarities between the CHF and the CCD, analogous characteristics of the CCD with the CHF are explored. Dilute sulfuric acid electrolysis was employed to produce hydrogen gas, which simulates vaporization in the boiling system. As the preliminary investigation, the nucleation characteristics of the hydrogen evolving system are measured and compared with the boiling system. The active nucleation site density in the hydrogen evolving system increased with current density increased, similar to the boiling system. The hydrogen departure diameter decreased with the increased current density as opposed to the boiling system. Accordingly, the hydrogen bubble frequency increased as the current density increased. The existing CHF models are borrowed and customized to envisage the CCD mechanism. The hydrogen bubble configuration at the CCD is estimated by the ‘insulated spot model’, which is developed in a similar manner to the dry spot model in the boiling system. The CCD is predicted well when the critical number of bubbles is six, which yields 7.4% higher value than the measured one. The presence of the macrolayer in the hydrogen evolving system is firstly revealed in this study. The macrolayer dryout model also predicts the CCD within 4.37% by utilizing the thickness of macrolayer and hovering time of hydrogen mass. The results imply that the CCD is dominated by the hydrodynamic behaviors just like the CHF. Hence, the CCD can be regarded as a miniature CHF considering small bubble diameter of the hydrogen evolving system. The analogous relations are extended by applying to the various geometric and hydrodynamic conditions. It is confirmed that the influences of mass flux, surface inclination, channel gap size, etc on the CCD are similar to those on the CHF. The analogous characteristics proven in this study shed light on the improved analogy between heat and mass transfers by extending the scope to include the two-phase flow phenomenon.

목차

1. 서론

2. 연구방법론

3. 수전해시스템의 핵생성 특성

4. 임계열유속에 대한 임계전류밀도의 상사 분석

5. 요약 및 결론

참고문헌

키워드

임계열유속 임계전류밀도 상사성 핵생성특성 임계열유속 축소모델 Critical heat flux Critical current density Analogy Nucleation characteristics Miniature CHF