Journal of the Korean Society of Systems Engineering
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v.16
no.2
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pp.38-46
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2020
The accurate measurement of critical heat flux (CHF) in flow boiling is important for the safety requirement of the nuclear power plant to prevent sharp degradation of the convective heat transfer between the surface of the fuel rod cladding and the reactor coolant. In this paper, a System Engineering approach is used to develop a model that predicts the CHF using machine learning. The model is built using artificial neural network (ANN). The model is then trained, tested and validated using pre-existing database for different flow conditions. The Talos library is used to tune the model by optimizing the hyper parameters and selecting the best network architecture. Once developed, the ANN model can predict the CHF based solely on a set of input parameters (pressure, mass flux, quality and hydraulic diameter) without resorting to any physics-based model. It is intended to use the developed model to predict the DNBR under a large break loss of coolant accident (LBLOCA) in APR1400. The System Engineering approach proved very helpful in facilitating the planning and management of the current work both efficiently and effectively.
Park, Choon-Kyung;Chun, Se-Young;Seok-Cho;Yang, Sun-Ku;Chung, Moon-Ki
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1997.10a
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pp.522-527
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1997
A total of 386 critical flow data points from 19 runs of 27 runs in the Marviken Test were selected and compared with the predictions by the correlations based on the critical flow scaling parameters. The results show that the critical mass flux in the very large diameter pipe can be also characterized by two scaling parameters such as discharge coefficient and dimensionless subcooling( $C_{d, ref}$ and $\Delta$$T^{*}$$_{sub}$). The agreement between the measured data and the predictions are excellent.t.ons are excellent.t.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.16
no.5
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pp.3006-3013
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2015
Flat tube heat exchangers can improve the thermal performance significantly compared with round tube heat exchangers. For proper design of flat tube heat exchangers, one should know the tubeside heat transfer coefficients. In this study, convective boiling heat transfer coefficients of R-410A were obtained in a flat extruded aluminum tube with $D_h=1.41mm$. The test range covered mass flux from 200 to $600kg/m^2s$, heat flux from 5 to $15kW/m^2$ and saturation temperature from $5^{\circ}C$ to $15^{\circ}C$. The heat transfer coefficient curve shows a decreasing trend after a certain quality(critical quality). The critical quality decreases as the heat flux increases, and as the mass flux decreases. The early dryout at a high heat flux results in a unique 'cross-over' of the heat transfer coefficient curves. The heat transfer coefficient increases as the mass flux increases. At a low quality region, however, the effect of mass flux is not prominent. The heat transfer coefficient increases as the saturation temperature increases. The effect of saturation temperature, however, diminishes as the heat flux decreases. Both the Shah and the Kaew-On et al. correlations reasonably predicted the present data.
In this study, R-123 flow boiling experiments were carried out to investigate the effects of nanoparticle deposition on heater surfaces on flow critical heat flux (CHF) and boiling heat transfer. It is known that CHF enhancement by nanoparticles results from porous structures that are very similar to layers of Chalk River unidentified deposit formed on nuclear fuel rod surfaces during the reactor operation period. Although previous studies have investigated the surface effects through surface modifications, most studies are limited to pool boiling conditions, and therefore, the effects of porous surfaces on flow boiling heat transfer are still unclear. In addition, there have been only few reports on suppression of wetting for decoupled approaches of reasoning. In this study, bare and $Al_2O_3$ nanoparticle-coated surfaces were prepared for the study experiments. The CHF of each surface was measured with different mass fluxes of $1,600kg/m^2s$, $1,800kg/m^2s$, $2,100kg/m^2s$, $2,400kg/m^2s$, and $2,600kg/m^2s$. The nanoparticle-coated tube showed CHF enhancement up to 17% at a mass flux of $2,400kg/m^2s$ compared with the bare tube. The factors for CHF enhancement are related to the enhanced rewetting process derived from capillary action through porous structures built-up by nanoparticles while suppressing relative wettability effects between two sample surfaces as a highly wettable R-123 refrigerant was used as a working fluid.
Kim, Hong-Chae;Baek, Won-Pil;Kim, Han-Kon;Chang, Soon-Heung
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1997.05a
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pp.356-361
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1997
To investigate parametric effect on CHF and to get CHF data, experimental study has been performed with vertical round tubes under the condition of low pressure and low flow (LPLF). Test sections are made of Inconel-625 tube and have the geometry of 8 and 10 mm in diameter, and 0.5 and 1.0 m in heated length. All experiments have been conducted at the pressure of under 9 bar, the mass flux of under 250 kg/$m^2$ and the inlet subcooling of 350 and 450 kJ/kg, for stable upward flow with water as a coolant. Flow regime analysis has been performed for obtained CHF data with Mishima's flow regime map, which reveals that most of the CHF occur in the annular-mist flow regime. General parametric trends of the collected CHF data are consistent with those of previous studies. However, for the pressure effect on CHF, two different are observed; For relatively high mass flux, CHF increases with pressure and far lower mass flux, CHF decrease with pressure. Using modern data regression tool, ACE algorithm, two new CHF correlations for LPLF condition are developed based on local condition and inlet condition, respectively. The developed CHF correlations show better prediction accuracy compared with existing CHF prediction methods.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1996.05b
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pp.349-355
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1996
In this study, the mechanistic critical heat flux (CHF) model and correlation for water are derived based on flow excursion (or Ledinegg instability) criterion and the simplified two-phase homogeneous model. The relationship between CHF for the water and the principal parameters such as mass flux heat of vaporization, heated length-to-diameter ratio, vapor-liquid density ratio and inlet subcooling is derived on the developed correlation. The developed CHF correlation predicts very well at the applicable ranges, 1 < P < 40 bar, 1, 300 < G 27, 00 kg/$m^2$s and inlet quality is less than -0.1. The overall mean ratio of predicted to experimental CHF value is 0.988 with standard deviation of 0.046.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1997.10a
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pp.546-551
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1997
This paper presents a prediction of critical heat flux (CHF) in bubbly flow regime using dry-spot model proposed recently by authors for pool and flow boiling CHF and existing correlations for forced convective heat transfer coefficient, active site density and bubble departure diameter in nucleate boiling region. Without any empirical constants always present in earlier models, comparisons of the model predictions with experimental data for upward flow of water in vertical, uniformly-heated round tubes are performed and show a good agreement. The parametric trends of CHF have been explored with respect to variations in pressure, tube diameter and length, mass flux and inlet subcooling.
The Critical Heat Flux (CHF) of water with dispersed alumina nanoparticles was measured for the geometry and flow conditions relevant to the In-Vessel Retention (IVR) situation which can occur during core melting sequences in certain advanced Light Water Reactors (LWRs). CHF measurements were conducted in a flow boiling loop featuring a test section designed to be thermal-hydraulically similar to the vessel/insulation gap in the Westinghouse AP1000 plant. The effects of orientation angle, pressure, mass flux, fluid type, boiling time, surface material, and surface state were investigated. Results for water-based nanofluids with alumina nanoparticles (0.001% by volume) on stainless steel surface indicate an average 70% CHF enhancement with a range of 17% to 108% depending on the specific flow conditions expected for IVR. Experiments also indicate that only about thirty minutes of boiling time (which drives nanoparticle deposition) are needed to obtain substantial CHF enhancement with nanofluids.
Wang, Kai;Li, Chun-Yen;Uesugi, Kotaro;Erkan, Nejdet;Okamoto, Koji
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.9
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pp.2839-2846
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2021
In this study, experiments of downward-facing flow boiling were conducted to investigate material effects on CHF. Experiments were conducted using aluminum, copper, and carbon steel. It was found that different materials had different CHFs. Aluminum has the biggest CHF while copper has the lowest CHF for each mass flux. After experiment, surface wettability increased and surface became rougher, which was probably due to the oxidation process during nucleate boiling. The CHF difference is likely to be related to the surface wettability, roughness and thermal effusivity, which influences the bubble behavior and in turn affects CHF. Further studies are needed to determine which factor is dominant.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.16
no.1
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pp.121-126
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2008
The cooling heat transfer coefficient of $CO_2$ (R-744) in a horizontal and helically coiled tube was investigated experimentally. The main components of the refrigerant loop are a receiver, a variable-speed pump, a mass flow meter, a pre-heater, evaporator and gas cooler (test section). The test section consists of a horizontal stainless steel tube and hellically coiled copper tube of 4.57 and 7.75 mm. The experiments were conducted at saturation temperature of 100 to $20^{\circ}C$, and mass flux of 200 to $500kg/m^2s$. The test results showed the variation of the heat transfer coefficient tended to decrease as cooling pressure of $CO_2$ increased. The heat transfer coefficient with respect to mass flux increased as mass flux increased. The experimental results were also compared with the existing correlations for the supercritical heat transfer coefficient, which generally underpredicted the measured data. However, the experimental data showed a relatively good agreement with the correlations of Pitla et al. except for the pseudo critical temperature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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