Geon Hyeong Lee;Jae Hyung Park;Beomjin Jeong;Sung Joong Kim
Nuclear Engineering and Technology
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제56권8호
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pp.3043-3066
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2024
In various small modular reactor (SMR) designs currently under development, the conventional concrete containment building has been replaced by a metal containment vessel (MCV). In these systems, the gap between the MCV and the reactor pressure vessel is filled with gas or vacuumed weakly, effectively suppressing conduction and convection heat transfer. However, thermal radiation remains the major mode of heat transfer during normal operation. The objective of this study was to investigate the heat-transfer mechanisms in integral pressurized water reactor (IPWR)-type SMRs under various gas-filled conditions using computational fluid dynamics. The use of thermal radiation shielding (TRS) with a much lower emissivity material than the MCV surface was also evaluated. The results showed that thermal radiation was always the dominant contributor to heat loss (48-97%), while the conjugated effects of the gas candidates on natural convection and thermal radiation varied depending on their thermal and radiative properties, including absorption coefficient. The TRS showed an excellent insulation performance, with a reduction in the total heat loss of 56-70% under the relatively low temperatures of the IPWR system, except for carbon dioxide (13%). Consequently, TRS can be utilized to enhance the thermal efficiency of SMR designs by suppressing the heat loss through the MCV.
The numerical solutions are examined on the effect of a centered heat conducting body on natural convection in a 2-D square cavity. The influences of the Rayleigh number, the dimensionless conducting body size, and the ratio of the thermal diffusivity of the body to that of the fluid have been investigated on the natural convection heat transfer in overall concerned region. The analysis reveals that the fluid flow and heat transfer processes are governed by all of them. Results for isotherms, vector plots and wall Nusselt numbers are reported for Pr = 0.71 and relatively wide ranges of the other parameters. Heat transfer across the cavity, in comparison to that in the absence of a body, are enhanced (reduced) in general by a body with a thermal diffusivity ratio less (greater) than unity. The heat transfer are also found to attain a minimum as the body size is increased.
A series of computational analyses was performed to predict the cooling process by the cooling channel of preburners used for kerosene-liquid oxygen staged combustion cycle rocket engines. As an oxygen-rich combustion occurs in the kerosene fueled preburner, it is of great importance to control the wall temperature so that it does not exceed the critical temperature. However, since the heat transfer is proportional to the speed of fluid running inside the channel, the high heat transfer leads to a trade-off of pressure loss. For this reason, it is necessary to establish a certain criteria between the pressure loss and the heat transfer or the wall surface temperature. The design factors of the cooling channel were determined by the computational research, and a test model was manufactured. The test model was used for the hot fire tests to prove the function of the cooling mechanism, among other purposes.
A fluid in an enclosure can be heated by electric heating, chemical reaction, or fission heat. In order to remove the volumetric heat of the fluid, the walls surrounding the enclosure must be cooled. In this case, a natural convection occurs in the pool of the fluid, and it has a dominant role in heat transfer to the surrounding walls. It can augment the heat transfer rates tens to hundreds times larger than conductive heat transfer. The heat transfer by a natural convection in a regular shape such as a square cavity or semi-circular pool has been studied experimentally and numerically for many years. A pool of an inverted triangular shape with 10 degree inclined bottom walls has a good cooling performance because of enhanced boiling critical heat flux (CHF) compared to horizontal downward surface. The coolability of the pool is determined by comparing the thermal load from the pool and the maximum heat flux removable by cooling mechanism such as radiative or boiling heat transfer on the pool boundaries. In order to evaluate the pool coolability, it is important to correctly expect the thermal load by a natural convection heat transfer of the pool. In this study, turbulence models with modifications for buoyancy effect were validated for unsteady natural convections by volumetric heating. And natural convection in the triangular pool was evaluated by using the models.
In this paper, the heat transfer analysis and thermal stress analysis of the PCB(Printed Circuit Board) equipped in electronic Packages are carried out for various may types of chips on the PCB. And two structural PCB models are used in the analyses. The electronic chips on the PCB usually emit heat and this heat generates the thermal stress around the chip. The thermal load due to the heat generation of chips on the PCB may cause the malfunction of the electronic packages such as a monitor. a computer etc. Hence, the PCB should be designed to withstand these thermal loads. In this paper, the heat transfer analysis and thermal stress analysis are executed for the PCB model with pins and the analysis results are compared with the results for the PCB model without pins. The analysis results show that the PCB model without pins is not good for the thermal stress analysis of PCB, even though these two models have similar heat transfer characteristics. The analysis results also show that the highest thermal stress occurs in the pin especially attached to the highest temperature chip, and the PCB constrained to the electronic package on the long side is structurally more stable than other cases. The analyses of the PCB are executed using the finite element analysis code, NISA.
The natural convection heat transfer and solidification in a stratified pool are studied. The flow and heat transfer characteristics in a heat generating pool are compared between single-layered and double-layered pools. And local Nusselt number distributions on outer walls are obtained to consider thermal loads on a vessel wall. The cooling and solidification of Al₂O₃/Fe melt in a hemispherical vessel are simulated to study the mechanism of heat transfer and temperature distribution. A unstructured mesh is chosen for this study because of the non-orthogonality originated from the boundaries of double-layered pool. Interface between the layers is modeled to be fixed. With this assumption mass flux across the interface is neglected, but shear force and heat flux are considered by boundary conditions. The colocated cell-centered finite volume method is used with the Rhie-Chow interpolation to compute cell face velocity. To prevent non-physical solutions near walls in case body force is large the wall pressure is extrapolated by the way to include body force. The numerical solutions calculated by current method show that averaged downward heat flux of the double-layered pool increases compared to single-layered pool and maximum temperature occurs right below the interface of the layers.
This study investigates anti-icing design by conjugate heat transfer analysis in lab-scale printed circuit heat exchanger (PCHE) for supply of cryogenic high pressure liquid hydrogen. The conjugate heat transfer analysis by using computational dynamics (CFD) provided various temperature distributions at important locations in PCHE heat exchanger and predicted the possibility of freezing in hot channel. And, the effect of inlet temperature of glycol water was analyzed in order to resolve the freezing problem in PCHE.
The solar air heater has various performances according to an obstacle installed in the air duct. Many studies on thermal performance have been conducted. But many of these studies were using a kind of rib type obstacle attached at the bottom of absorbing plate, but they are so hard to be manufactured. In this study, characteristics of the heat transfer and pressure drop in the solar air heater with various horizontal rectangular obstacles was investigated by CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis. As a result, the heat transfer performance was improved from 1.2 to 3.32 times depending on installation conditions of rectangular obstacle. The pressure drop, however, also increased with increment of heat transfer performance from 2.8 to 180 times only by changing installation conditions of rectangular obstacle. Thus, the performance factor presenting the thermal performance enhancement on the same pressure drop was also confirmed. As a result, the highest value of 0.828 as better performance factor was obtained at the lower height of rectangular obstacle and this value has started to decrease with increment of heat transfer performance. In the end, it could be confirmed that the pressure drop was carried higher than the quantity of improvement of the heat transfer performance when the heat transfer performance was increased by change of installation conditions of rectangular obstacle. Both heat transfer enhancement and pressure drop to be required for system need to be considered before the rectangular obstacles are applied to the solar air heater.
Research in heat transfer and solidification commonly involves experimentation and mathematical modeling with associated numerical analysis and computation. Inverse problems in heat transfer are part of this paradigm. During the solidification of metal casting, an interfacial heat transfer resistance exists at the boundary between the casting and the mold, and this heat transfer resistance usually varies with time. In the case of the squeeze casting the contact heat transfer resistance is decreased by pressure and ideal contact is almost accomplished. In the present work, heat transfer coefficient, which is inverse value of the heat transfer resistance, was used for convenience. A numerical technique, Non-Linear Estimation has been adopted for calculation of the casting/mold interfacial heat transfer coefficient during the squeeze casting process. In this method, the measured temperature data from experiment were used. The computational results were applied to the analysis of heat transfer and solidification.
Flame transfer function is used to determine the relationship between flow fluctuations and heat release perturbations in a lean premixed gas turbine combustor. The characteristics of flame transfer function are known to depend greatly on flame geometries in addition to other various flow conditions. However, it is not easy to experimentally measure the flame transfer function under various actual combustor operating conditions in terms of time and cost. The current research tries to model the flame transfer function using CFD(Computational Fluid Dynamics). From the results, it is shown that the calculated steady flame geometry can be exactly captured with consideration of the wall heat transfer and radiations. Also, unsteady analysis results show the close characteristics of the flame transfer function to the measured one in both gain and phase.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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