Doctoral Thesis

CRITICAL HEAT FLUX BEHAVIOUR OF CHROMIUM-COATED ZIRCONIUM TUBES UNDER LOW-PRESSURE ANNULAR FLOW BOILING

Final Thesis 8.96 MB Summary of Thesis 8.96 MB

Author of thesis: M.Sc. Taron Petrosyan

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Karel Katovský, Ph.D.

Reviewers: doc. Ing. Miloš Müller, Ph.D., Ing. Jan Štěpánek, Ph.D.

Abstract:

This dissertation investigates the critical heat flux (CHF) behavior of chromium-coated zirconium tubes under low-pressure forced-convection boiling in a vertical annular geometry. Experiments were conducted at three pressure levels (120, 200, and 300 kPa), three mass flux levels (400, 500, and 600 kgm^(-2) s^(-1)), and multiple inlet temperature conditions (64–91 °C).
Two independently fabricated but compositionally identical samples were tested to evaluate experimental reproducibility and sample-to-sample variability. In addition to smooth reference surfaces, controlled mechanical surface modifications (150-, 80-, and 40-grit treatments) were applied to assess the influence of surface morphology on CHF behavior.
Results demonstrate that CHF increases systematically with pressure, mass flux, and inlet subcooling, consistent with classical hydrodynamic scaling behavior for annular flow. Roughness-induced enhancement remained moderate (typically ≤10%) and exhibited pressure dependence, with the strongest effects observed at intermediate pressure.
Dimensionless analysis using Reynolds, Boiling, Jakob, and Weber numbers confirms that all smooth and roughened data collapse within the same scaling envelope, indicating preservation of the dominant annular film dryout mechanism. Sample-to-sample deviations remain within 1–7% under most conditions and are comparable to experimental repeatability scatter, confirming robust reproducibility of the dataset.
The results indicate that surface morphology modifies the absolute CHF value, while the underlying hydrodynamic scaling remains governed by liquid film stability controlled by flow inertia. The work provides a systematically controlled CHF dataset for chromium-coated zirconium under low-pressure annular flow boiling and contributes to improved understanding of surface effects within hydrodynamically dominated boiling systems.

Keywords:

critical heat flux, flow boiling, two-phase flow, subchannel geometry, ZIRLO, chromium coatings, nuclear thermal hydraulics.

Date of defence

23.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Obhajoba disertační práce proběhla prezenční formou. Doktorand v rámci prezentace seznámil komisi a přítomné s cíli, metodikou, hlavními výsledky a vlastními přínosy disertační práce zaměřené na kritický tepelný tok při varu v mezikruhovém kanálu na chromem povlakovaných zirkoniových trubkách. Po skončení prezentace doktoranda školitel seznámil přítomné se svým hodnocením průběhu doktorského studia. Následovalo představení oponentních posudků a diskuse k dotazům a připomínkám oponentů. V rámci veřejné diskuse vystoupili s dotazy a připomínkami také další členové komise a přítomní hosté (prof. Aubrecht, prof. Slugeň, prof. Drápela). Písemný záznam dotazů je přílohou tohoto protokolu.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Power Systems and Power Electronics (DKC-SEE)

Composition of Committee

prof. RNDr. Vladimír Aubrecht, CSc. (předseda)
doc. Ing. Jan Bárta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Drápela, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Petr Toman, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Zácha, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Vladimír Slugeň, DrSc. (člen)
doc. Ing. Miloš Müller, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Štěpánek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Karel Katovský, Ph.D.

Doktorand Taron Petrosyan je studentem doktorského studia od roku 2017. Zpočátku byl přijat na téma výzkumu jaderných dat. Hned od roku 2018 se směřování tématu práce nasměrovala na studium krize varu a využití zařízení M.R.C.H.A. Student v té době vykonal dlouhodobou stáž v Jižní Koreji a byl spoluřešitelem společného projektu s korejskými partnery. Osvojil si výpočetní program ASYST, který skupina používala jako nezávislé porovnání. Publikoval společně s kolegy srovnávací článek.
Jeho doktorské studium bylo významně ovlivněno technickými problémy s experimentálním zařízením. Zařízení bylo sice v provozu, ale buď nebyl stabilní nebo nebylo možné připravit vzorky nebo nefungovalo něco jiného. Provedení experimentů se tedy stále odkládalo, ale téma se nezměnilo, jelikož funkčnost zařízení byla stále znova slibována a znovu odkládána. Až v naprostém závěru vymezeného času se podařilo domluvit měření na obdobném německém zařízení.
Student si sám zařídit experimentální seans, provedl se zahraničními kolegy měření, získal data, zpracoval je a kvantifikoval. S kolegy z Německa připravuje publikaci.

Předložená práce tedy nakonec odpovídá zadání a obsahuje všechny potřebné části – popisuje vytyčené cíle, definuje danou problematiku, zpracovává přehled současného stavu vybírá konkrétní bílá místa a jeho přínos komunitě a vědě. Poté popisuje experimenty a jejich výsledky. Z toho je zjevné, že cíle práce byly splněny. Student díky tomu ukázat schopnost samostatné vědecké práce.

Disertační práci pana Tarona Petrosyana doporučuji k obhajobě.
viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 314,28 kB

Reviewer’s report
Ing. Jan Štěpánek, Ph.D.

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 1,25 MB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová