In this paper, works related to enhancement of the CHF are reviewed in terms of fundamental mechanisms and practical applications. Studies on CHF enhancement in forced convection are divided into two categories, CHF enhancement of internal flow in tubes and enhancement of CHF in the nuclear fuel bundle. Methods of enhancing the CHF of internal flows in tubes include enhancement of the swirl flow using twisted tapes, a helical coil, and a grooved surface; promotion of flow mixing using a hypervapotron; altering the characteristics of the heated surface using porous coatings and nano-fluids; and changing the surface tension of the fluid using additives such as surfactants. In the fuel bundle, mixing vanes or wire wrapped rods can be employed to enhance the CHF by changing the flow distributions. These methods can be applied to practical heat exchange systems such as nuclear reactors, fossil boilers, fusion reactors, etc.
Recently, many research studies have investigated the enormous critical heat flux (CHF) enhancement caused by nanofluids during pool boiling and flow boiling. One of the main reasons for this enhancement is nanoparticle deposition on the heated surface. However, in real applications, nanofluids create many problems when used as working fluids because of sedimentation and aggregation. Therefore, artificial surfaces on silicon and metal have been developed to create an effect similar to that of nanoparticle deposition. These modified surfaces have proved capable of greatly increasing the CHF during pool boiling, and good results have also been observed during flow boiling. In this study, we demonstrate that the wetting ability of a surface, i.e., wettability, and the liquid spreading ability (hydrophilic surface property), are key parameters for increasing the CHF during both pool and flow boiling. We also demonstrate that when the fuel surface in nuclear power plants is modified in a similar manner, it has the same effect, producing a large CHF enhancement.
In-vessel corium retention (IVR) during external reactor vessel cooling (ERVC) is a key severe accident management strategy adopted in advanced nuclear power plants. The injection of nanofluids has been regarded as a means of enhancing CHF when using the IVR-ERVC strategy to safeguard high-power nuclear reactors. However, a critical practical concern is that various types of debris flowing from the contaminant sump during operation of an ERVC system might degrade CHF enhancement by nanofluids. Our objective here was to experimentally assess the viability of nanofluid use to enhance CHF in practical ERVC contexts (e.g., when fluids contain various types of debris). The types and characteristics of debris expected during IVR-ERVC were examined. We performed pool boiling CHF experiments using nanofluids containing these types of debris. Notably, we found that debris did not cause any degradation of the CHF enhancement characteristics of nanofluids. The nanoparticles are approximately 1000-fold smaller than the debris particles; the number of nanoparticles in the same volume fraction is 1 billion-fold greater. Nanofluids increase CHF via porous deposition of nanosized particles on the boiling surface; this is not hindered by extremely large debris particles.
Journal of the Korean Society for Geothermal and Hydrothermal Energy
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v.14
no.2
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pp.8-14
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2018
A boiling heat transfer is used in various industry such as power generation systems, heat exchangers, air-conditioning and refrigerations. In the boiling heat transfer system, the critical heat flux (CHF) is the important factor, and it indicated safety of the system. It has kept up studies on the CHF enhancement. Recently, it is reported the CHF enhancement, when working fluid used the nanofluid with excellent thermal properties. Therefore, in this study, we investigated the influence of nano particles coated surface for heat transfer enhancement in pure water, oxidized multi-wall carbon nanotube nanofluid (OMWCNT), and oxidized graphene nanofluid (OGraphene). Nanoparticles were coated for 120 sec on the surface, and we measured the CHF at the flow velocities of 0.5, 1.0, and 1.5 m/sec, respectively. As the results, both of the OMWCNT and OGraphene nanofluids increased up to about 34.0 and 40.0%.
Kim, Hyung-Dae;Kim, Seon-Tae;Ahn, Ho-Seon;Kim, Moo-Hwan
Proceedings of the KSME Conference
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2007.05b
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pp.1906-1911
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2007
It has been well known that pool boiling CHF in nanofluids compared to pure water significantly increase due to the deposition of nanoparticles on heater surface. This study concerns the characteristics of the nanoparticle deposition layer and its influence on CHF. Pool boiling experiments were carried out with 0.01vol.% water-$TiO_2$ nanofluids to obtain various nanoparticle-deposited heaters. CHF on the prepared heaters was measured during pool boiling in pure water. The heater surfaces were visualized using scanning electron microscope (SEM) and also characterized using contact angle and capillarity. The results showed that the CHF enhancement in nanofluids was completely dependent upon the structural and physicochemical characteristics of the nanoparticle deposition layer.
CHF characteristics of nano- fluids were investigated with different volumetric concentrations of $TiO_2$ nanoparticles. Pool boiling experiments indicated that the application of nano-fluids, instead of pure water, as a cooling liquid significantly increased the CHF. SEM (scanning electron microscope) observations subsequent to the pool boiling experiments revealed that nanoparticles were coated on the heating surface during pool boiling of nano-fluids. In order to investigate the roles of nanoparticles in CHF enhancement ofb nano-fluids, pool boiling experiments were performed using (a) a nanoparticle-coated heater, prepared by pool boiling of nano-fluids, immersed in pure water and (b) a nanoparticle-coated heater immersed in nano-fluids. The results demonstrated two different roles of nanoparticles in CHF enhancement using nano-fluids: the effect of nanoparticles coated on the heater surface and the effect of nanoparticles suspended in nano- fluids.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.31
no.11
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pp.949-956
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2007
Pool boiling critical heat flux (CHF) of nanofluids with oxide nanoparticles of $TiO_2$ or $Al_2O_3$ was experimentally investigated under atmospheric pressure. The results showed that a dispersion of oxide nanoparticles significantly enhances the CHF over that of pure water. Moreover it was found that nanoparticles were seriously deposited on the heater surface during pool boiling of nanofluids. CHF of pure water on a nanoparticle-deposited surface, which is produced during the boiling of nanofluids, was not less than that of nanofluids. The result reveals that the CHF enhancement of nanofluids is absolutely attributed to modification of the heater surface by the nanoparticle deposition. Then, the nanoparticle-deposited surface was characterized with parameters closely related to pool boiling CHF, such as surface roughness, contact angle, and capillary wicking. Finally, reason of the CHF enhancement of nanofluids is discussed based on the changes of the parameters.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.11
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pp.840-848
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2009
In the boiling heat transfer mechanism, CHF(critical heat flux) is the significantly important parameter of the system. So, many researchers have been struggling to enhance the CHF of the system in enormous methods. Recently, there were lots of researches about enormous CHF enhancement with the nanofluids. In that, the pool boiling CHF in nanofluids has the significantly increased value compared to that in pure water because of the deposition of the nanoparticle on the heater surface in the nanofluids. The aim of this study is the comparison of the effect of the nanoparticle deposited surface and the modified surface which has the similar morphology and made by MEMS fabrication. The nanoparticle deposited surface has the complex structures in nano-micro scale. Therefore, we fabricated the surfaces which has the similar wettability and coated with the micro size post and nano structure. The experiment is performed in 3 cases : the bare surface with 0.002% water-ZnO nanofluids, the nanoparticle deposited surface with pure water and the new fabricated surface with pure water. The contact angle, a representative parameter of the wettability, of the all 3 cases has the similar value about 0 and the SEM(scanning electron microscope) images of the surfaces show the complex nano-micro structure. From the pool boiling experiment of the each case, the nanoparticle deposited surface with pure water and the fabricated surface with pure water has the almost same CHF value. In other words, the CHF enhancement of the nanoparticle deposited surface is the surface effect. It also shows that the new fabricated surface follows the nanoparticle deposited surface well.
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.
The effects on pool boiling heat transfer of aqueous solutions of boric acid ($H_3BO_3$) and sodium chloride (NaCl) as working fluids have been studied. Borated and NaCl water were prepared by dissolving 0.5~5% volume concentration of boric acid and NaCl in distilled-deionized water. The pool boiling tests were conducted using $1{\times}1\;cm^2$ flat heaters at 1 atm. The critical heat flux (CHF) dramatically increased compared to boiling pure water. At the end of boiling tests it was observed that particles of boric acid and NaCl had deposited and formed a coating on the heater surface. The CHF enhancement and surface modification during boiling tests were very similar to those obtained from boiling with nanofluids. Additional experiments were carried out to investigate the reliability of the additives deposition in pure water. The boric acid and NaCl coatings disappeared after repeated boiling tests on the same surface due to the soluble nature of the coatings, thus CHF enhancement no longer existed. These results demonstrate that not only insoluble nanoparticles but also soluble salts can be deposited during boiling process and the deposited layer is solely responsible for significant CHF enhancement.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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