強制流動サブクール沸騰DNBにおける伝熱面温度変化の予測

Prediction of heater surface temperature change at subcooled flow boiling DNB

Liu, W.; Podowski, M. Z.*

Liu, W.; Podowski, M. Z.*

強制流動サブクール沸騰を用いた高熱機器の出力は、冷却限界、いわゆる限界熱流束(Critical Heat Flux: CHF)に制限される。定常の核沸騰から逸脱し、不安定な気液共存伝熱である過渡沸騰、あるいは伝熱面温度の著しい上昇をもたらす膜沸騰の開始点として、Departure from Nucleate Boiling (DNB)が限界熱流束と深く関係する。今後の高熱機器の熱設計は、DNBを含む各伝熱過程に対し物理現象に基づいたモデリングを行い、温度の著しい上昇を含む温度過渡変化を計算することによってCHFを予測することが期待されるが、その技術は確立されていない。そこで、本報では、DNB時における伝熱流動を、Liquid sublayer dryoutモデルに基づいてモデリングし、熱伝導方程式を解くことによって液膜厚さや伝熱面温度の過渡変化を得られた。大気泡下の液膜は、蒸発によってdryoutし、DNB発生する過程を予測できたが、実験で確認された、ヒータ焼損につながる温度の著しい上昇が再現されなかった。これを再現するには、DNB発生時の壁面と接触した大気泡速度、及びDNB発生後の過渡沸騰や膜沸騰領域の伝熱をモデル化する必要があると考える。

This paper gives prediction to the transient heat transfer at Departure of Nucleate Boiling (DNB) point for subcooled flow boiling. The prediction is carried out by solving the heat conduction equations in cylindrical coordinates with convective boundary condition, which changes with the change of the heat transfer mode on the heated surface. DNB is assumed to happen at the complete dryout of liquid sublayer trapped between the heated wall and an elongated vapor clot, during the passing time of the vapor clot. Important parameters including initial thickness of the liquid sublayer, vapor clot length, vapor clot velocity and void fraction etc., are calculated from the Liu - Nariai model. The initial heater surface temperature is derived from the Jens-Lottes correlation. The transient changes of liquid sublayer thickness, surface temperature at DNB are reported. No obvious temperature jumping is observed at DNB. To predict temperate excursion at Critical Heat Flux (CHF), more simulations to the transient boiling and film boiling processes are needed.