Experimental Investigation on the Pool Boiling Critical Heat Flux of Water-Based Alumina and Titania Nanofluids on a Flat Plate Heater

(1)

<학술논문> DOI:10.3795/KSME-B.2009.33.10.729

평판형 히터를 이용한 알루미늄과 타이타늄 산화물 나노유체의 풀비등 임계열유속에 관한 실험적 연구

안호선

^*

· 김형대

^*

· 조항진

^*

· 강순호

^*

· 김무환

^†

(2009 년 3 월 25 일 접수, 2009 년 8 월 20 일 수정, 2009 년 8 월 22 일 심사완료)

Experimental Investigation on the Pool Boiling Critical Heat Flux of Water-Based Alumina and Titania Nanofluids on a Flat Plate Heater

HoSeon Ahn, Hyung Dae Kim, Hangjin Jo, Soonho Kang and Moo Hwan Kim

Key words

: N

anofluid(나노유체), Critical Heat Flux(임계열유속), Boiling Heat Transfer(비등열전달)

Abstract

Pool boiling heat transfer and critical heat flux (CHF) of water-based nanofluids with alumina and titania nanoparticles of 0.01% by volume were investigated on a disk heater at saturated and atmospheric conditions.

The experimental results showed that the boiling in nanofluids caused the considerable increase in CHF on the flat surface heater. It was revealed by visualization of the heater surface subsequent to the boiling experiments that a major amount of nanoparticles deposited on the surface during the boiling process. Pool boiling of pure water on the surface modified by such nanoparticle deposition resulted in the same CHF increases as what boiling nanofluids, thus suggesting the CHF enhancement in nanofluids was an effect of the surface modification through the nanoparticle deposition during nanofluid boiling. Possible reasons for CHF enhancement in pool boiling of nanofluids are discussed with surface property changes caused by the nanoparticle deposition.

기호설명

"

q : 열 유속 (kW/m

²

)

T

sat

: 유체의 포화온도(ºC)

T

wall

: 벽면 온도(ºC)

speciman

T : 실험 시편 온도(ºC)

k : 열전도도 (W/m/K)

x : 열전대 사이의 거리(m)

1. 서 론

비등현상을 이용한 열 전달 방식을 사용하는 많은 시스템에서 임계열유속은 그 시스템의 안전과 경제 성에서의 한계를 결정하는 중요한 인자로 작용하고 있다. 시스템이 임계열유속에 이르면 열전달 효율이 급감하고 표면 온도는 급격하게 상승하여 시스템에 문제를 야기한다. 그러기에 현재까지도 많은 연구자 들이 임계열유속을 향상 시키고 지연시키기 위하여 다양한 물리화학적, 기계적 방식으로 접근을 하고 있다. 나노유체

⁽¹⁾

란 순수유체 내에 수십 nm 크기의 입자들이 안정적으로 분산 되어 있는 새로운 개념의 열전달 유체를 말한다. 풀비등 현상에서 작동유체를 순수 유체 대신 나노유체를 사용할 경우 성취 가능 한 임계열유속 값이 획기적으로 증가한다는 것은 이

† 책임저자, 회원, 포항공과대학교 기계공학과 E-mail : [email protected]

TEL : (054)279-2165 FAX : (054)279-3199 * 포항공과대학교 기계공학과

(2)

증가 기술은 작동유체의 교체만으로 주목할 만한 효 과를 얻을 수 있다는 점에서 많은 시간과 노력을 기 울여 장치의 조건들을 변경하는 기존의 방법들과 비 교하여 보다 편리하고 직접적이며 경제적인 방안이 다. 그 중 나노 유체에서의 임계열유속의 증진을 설 명하기 위한 메커니즘에 관련된 연구가 계속 진행이 되어왔다. 이러한 메커니즘 설명을 위하여 비등 시 나노 유체의 표면 개질 영향에 집중하고 있다. 표면 개질의 경우, 비등 과정을 통해 표면의 특성을 바꾸 게 되는데, 이 때, 표면의 특성을 나타내는 요인으로 는 거칠기, 젖음성, 구조적 효과로 나누어 볼 수 있 다. 우선, 거칠기는 많은 사람들이 다양한 방법으로 변화를 주며 실험을 수행하였으나

⁽²⁾

그 정도에 따라 임계열유속 향상 정도가 크거나 혹은 적은 효과가 뚜렷하지 않은 것으로 알려져 있다.

⁽³⁾

반면, 접촉각 으로 대변되는 표면의 젖음성은 시스템의 한계인 임 계열유속 값을 결정하는 주요 인자로 특히, 임계열 유속에 많은 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다. 젖 음성은 접촉각이 감소함에 따라 즉, 젖음성이 좋아 짐에 따라 임계열유속 값은 증가하는 추세를 보인 다.

⁽⁴⁾

또한, 구조적 변화를 통해 수력학적으로 냉매 의 공급을 원활히 하는 효과로 임계열유속의 향상을 기대할 수 있다.

⁽⁵⁾

또한, 최근에 나노 사이즈의 입자 들을 유체에 고르게 분산시킨 나노유체를 작동유체 로 이용함으로써 표면 개질을 이루고자 하여왔다.

나노 입자의 유착에 의한 임계열유속 향상에 대해서 는 많은 연구가 있어왔다. 즉 다시 말해 나노유체 내의 나노입자들이 가열표면에 유착되어 원래의 표 면에서 다른 표면으로의 표면 특성의 변화를 일으키 고 임계열유속의 향상은 그 효과에 의한 것임이 밝

혀졌다.

^(6,7)

나노 입자 유착 표면에서 마이크로 스케

일과 나노 스케일이 혼재되어 있는 복합 스케일의 구조적 특성과 초친수성의 표면 특성을 볼 수 있었 다. 나노입자들이 표면에 유착됨에 따라 표면의 젖 음성을 바꾸고 나노-마이크로 규모에서의 구조변화 를 이루기 때문이다.

⁽⁸⁾

본 연구에서는 보다 실제 상황에 적용이 가능하 고 효과적인 표면연구를 위하여 평판형 히터를 가 진 풀비등 실험 장치의 개발이 필요했다. 기존의

⁽⁹⁾

연구결과는 전열선을 이용한 전기적인 가열방식을 사용하여 임계열유속 실험을 수행하였다. 하지만 이러한 실험 방식은 나노 유체에서 나노 입자의 히 터 표면 유착이 전기장에 의하여 영향을 받을 수 있다는 연구 결과가 존재한다.

⁽¹⁰⁾

본 연구에서는 전 기적인 가열이 아닌 열 적 가열을 통한 비등 실험

배제할 수가 있었다. 그리고 탈착이 가능한 실험 시편을 적용하여 나노유체에서 임계열유속 증진의 메커니즘 연구를 보다 효과적으로 할 수 있다. 본 연구에서는 0.01% vol. 물-TiO

₂

, 물-Al

2

O

3

나노유체를 이용하여 풀 비등 실험을 수행하였으며, 비등 표면 은 구리와 니켈 두 가지 표면을 이용하였다. 비등 에 의한 나노입자 비등 표면의 도포 이후 순수 물 에서의 임계열유속 실험을 통하여 다시 나노유체에 서의 임계열유속의 증진은 표면의 영향임을 다시 확인하였다. 다른 비등 표면에 대한 다른 나노유체 상에서의 임계열유속 증진 정도를 파악했고, 나노 유체에서의 임계열유속 증진에 관련한 젖음성의 영 향을 확인 하기 위해서 Kandlikar 의 모델

⁽¹¹⁾

을 이용 하여 나노 입자의 표면 유착에 의해 비등 표면의 젖음성 변화에 따른 임계열유속의 증진 경향을 파 악하였다

2. 풀비등 실험

2.1 나노 유체

본 실험에서는 NanoPhase 에서 제조된 평균 크기 54nm 의 알루미나(Al

2

O

3

) 나노입자와 Advanced Nano Product 에서 제조된 평균 크기 85nm 의 티나니아 (TiO

2

) 나노입자들을 이용하여 나노유체를 제조하였 다. 건조상태의 나노입자들을 적당량의 순수물 내에 넣은 후, 3 시간 동안의 초음파 가진을 함으로써 용 액내 입자들이 균일하게 분산이 되도록 하였다. 나 노입자는 용액의 pH 를 변화시키거나 소량의 계면 활성제를 첨가하여 효과적으로 분산할 수 있으나, 그러한 첨가제 자체가 비등 현상에 크게 영향을 줄 수 있기 때문에 첨가제의 사용은 배제하였다. Fig. 1 은 위의 과정으로 분산된 나노입자들을 Transmission Electron Microscope (TEM) 를 이용하여 촬영한 모습니 다.나노입자들의 크기는 대략 10~100nm 이다.

Fig. 1 TEM image of Al

2

O

3

(left) and TiO

2

(right) nanoparticles dispersed in distilled water

(3)

Fig. 2 Schematic diagram of experimental apparatus

2.2 실험 장치 및 과정

Fig. 2 는 평판형 히터를 가진 풀비등 실험장치 의 개략도이다. 비등용 수조, 평판형 히터 시편, 가열부, 데이터 수집장치로 구성된다. 비등용 수조 는 직경 150 mm, 높이 200 mm 크기의 stainless steel cylinder 이다. 수조내 작동 유체의 온도는 삽 입된 T-타입 열전대를 이용하여 측정하며, 측정된 온도를 바탕으로 수조벽에 삽입된 8 개의 200W 급 카트리지 히터로의 공급전력을 PID 제어기를 이 용하여 제어하면서 100°C 포화상태로 유지된다.

상변화 현상에 유체의 농도 변화를 방지하기 위하 여 응축기가 실험장치 상단에 설치가 되었다.

평판형 히터 시편은 고순 99.999% 구리로 제작 이 된, 두께 6 mm, 직경 20 mm 의 디스크이다(Fig.

3). 히터 시편의 상부 표면은 #210 사포를 이용하 여 마무리하여 균일한 표면 조건을 가지도록 하였 다. 시편의 옆면은 0.5W/m/K 의 매우 낮은 열전도 도를 가지는 고온용 플라스틱 단열제를 이용하여 단열시켰고, 온도측정을 위하여 비등표면에서 2.5 mm 하단 중앙에 0.5 mm 직경의 K-타입 열전대를 삽입하였다. 히터 시편의 가열은 가열부로부터 발 생한 열을 열전달용 구리 블록을 통하여 전도시키 는 방식에 의해 이루어진다. 열전달용 구리 블록 은 히터 시편 하단과 같은 직경을 가지는 봉 구조 이며 5kW 급 복사형 파이버 히터에 의해 발생한 열을 모아 비등 표면으로 전도시키는 역할을 한다.

열 전달용 구리 블록에는 세로 방향으로 각각 7 mm 의 간격을 두고 총 세개의 0.5mm 직경의 K 타입 열전대를 삽입하였고, 상부 두개의 열전대들 에서 측정이 되는 온도의 차이값을 이용하여 히터 시편으로 공급되는 열유속을 1 차원 정상 상태 열 전달 관계식을 이용하여 다음과 같이 계산하였다.

q k T x

′′ = ∆

& ∆ (1)

Fig. 3 Test specimen

히터 시편의 벽면 온도는 열전달부에서 측정된 열유속을 이용하여 비등 표면 2.5 mm 하단의 측 정 온도를 다음 식에 의해 외삽하여 측정하였다.

wall wall sat specimen sat

T T T T q l T

k

 ′′ 

∆ = − = − −

 

&

(2)

모든 실험은 대기압 하에서 순수물의 포화 온 도인 100℃ 조건에서 수행 되었다. 분당 약 2kW/m

²

의 비율로 열 유속을 증가시키면서 실험 을 수행하였으며, 이러한 과정 중 급격한 표면온 도의 증가가 관찰되는 순간을 기준으로 임계열유 속을 판단하였다.

2.3 불확실성 해석

표면 온도 및 열유속 측정의 불확실성 해석은 다음의 과정에 의해 수행되었다. 열유속의 측정은 식 (1)을 계산하였고, 표면 온도의 측정은 식 (2) 을 통하여 계산하였다. 이때 측정된 온도, 거리, 열전도계수 등에 의한 불확실성은 다음과 같은 식 으로 구하였다.

⁽¹²⁾

2 1

2 2

2 1

T T

q U x

U U

q T T x

′′  −   ∆ 

=   +  

′′  −   ∆ 

(3)

⁰

2 2 2

0

wall sat

T T T q d

wall sat

U U U U

T T T q d

′′

∆  −     

=   +  ′′  +  

∆  −     

⁽⁴⁾

열전대는 한국시험연구원에서 보정을 한 RTD 를 이용하여 보정을 수행하였다. 열전대의 불확실성은

±0.2 ºC 이고, 열유속의 불확실성은 거리 측정 오차 (±0.02mm), 열전도성의 오차(0.3%)를 고려하여, 열 유속 100kW/m

²

에서 12.6%, 열 유속 2000kW/m

²

에 서 0.75% 의 결과를 보였다. 표면 접촉각은 1µl 의 순수물을 5 회 이상 떨어뜨려 측정하여 평균을 냈으 며, 측정오차는 ± 2°로 나타났다.

(4)

B o ilin g C u rve

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Rohs enow Correlation for C u tes t 1

tes t 2 tes t 3

Zuber's C HF c orrelation Katto's CHF c orrelation

Fig. 4 Pool boiling tests of pure water

3. 실험 결과 및 토의

3.1 순수물 비등 곡선

나노유체 비등 실험을 수행하기에 앞서, 실험장 치의 재현성의 검증을 위하여 여러 차례의 순수물 비등 실험을 수행하였다. Fig 4 에서 보이는 바와 같이 순수물 실험의 재현성은 매우 우수하게 나타 났다. 핵비등 영역에서 비등 특성은 물-구리에 조 합에 대한 Rohsenow

⁽¹³⁾

상관식과 매우 유사하며, 임계열유속은 무한 평면에서의 Zuber

⁽¹⁴⁾

상관식보 다 높으나, 유한한 히터 표면에서의 유체 공급을 고려한 Katto

⁽¹⁵⁾

의 상관식과 유사한 결과를 보였다.

순수물을 이용한 재현성 검증 실험의 결과, 본 풀 비등 실험장치는 일반적인 비등 열전달 및 임계열 유속 특성을 잘 나타내고 있어 나노유체 비등 열 전달 특성을 연구하기에 적합함을 확인 하였다.

3.2 나노유체 비등 곡선

Fig. 5 는 구리 표면에서 0.01 vol% 의 알루미나 나노유체의 비등 열전달 실험 결과를 보여준다.

자유 대류 열전달 영역부터 비등 시작점(ONB)까 지는 거의 비슷한 열전달 효율을 보이고 있으나, 핵비등 영역에서 나노유체의 열전달 성능은 순수 물에 비해 저하됨을 확인할 수 있다. 알루미나 나 노유체의 비등특성은 비등 표면과 작동 유체간의 관계(구리-물: C

_s.f

= 0.013)를 고려한 Rohsenow

⁽¹³⁾

Fig. 5 Pool boiling tests of alumina nanofluid

상관식의 예측과는 맞지 않음을 확인할 수가 있다.

그럼에도 알루미나 나노유체는 순수물에 비해 약 35%의 임계열유속 상승을 보였고, 벽면 과열 도 역시 비례하여 상승 하였다. 이러한 나노 유체 에서의 임계열유속 증가는 이전의 나노유체 비등 연구 결과들과 동일한 결과이며, Zuber 와 Katto 의 임계열유속 상관식의 예측값보다 높은 값을 가진

다.

^(16~18)

Fig. 6 은 타이타늄 산화물 나노유체에서의

비등 곡선을 보여주며, 알루미나 나노유체에서의 경우와 유사한 결과를 나타냈다.

3.3 나노입자 표면유착

Fig. 7 은 순수물과 나노유체에서의 실험 전⋅후 실험 시편의 표면을 전자주사현미경(SEM)을 이용 하여 촬영한 사진으로, 나노유체 비등을 수행한 히터 표면에는 많은 양의 나노입자들이 유착 되어 있음을 볼 수 있다. 이는 가열면 위에서 액체의 비등 열전달 시 기포 아랫면의 매우 얇은 액체층 의 빠른 증발로 인해 액체층에 포함되어 있던 나 노입자들이 표면에 흡착된 것이라고 보여진다.

⁽¹⁹⁾

나노입자의 유착은 비등 표면의 물리화학적 성질 뿐만이 아니라 마이크로 단위의 구조물들을 형성 하여 표면 형태를 변화시키며, 비등 기포의 발생 밀도, 이탈 직경, 이탈 빈도, 및 기포 성장층 아래 의 마이크로/마크로 층의 증발 현상

⁽²⁰⁾

등을 변화 시켜 비등 열전달 및 임계열유속 현상에 상당한 영향을 줄 수 있다. 따라서 나노유체의 임계열유 속 증가 현상의 해석 또한 나노입자의 비등 표면 의 유착에 의한 영향을 반드시 고려 해야만 한다.

Boiling Curve

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0 20 40 60 80 100

Pure water on Cu Al2O3 NF on Cu-1 Rohsenow

(5)

Fig. 6 Pool boiling tests of all nanofluids, (a) : Al

2

O

3

(b) : TiO

2

Fig. 7 SEM photographs of various copper heater surfaces: (a) fresh; (b) water-boiled; (c) alumina- boiled; (d) titania-boiled

Fig. 8 Boiling curves for pre-boiling of the initially clean surface in alumina nanofluids and subsequent boiling of pure water on the nanofluid- boiled surfaces

Fig. 9 Boiling curves of nanofluids on the initially clean surface and pure water on the nanoparticle-fouled surfaces, for the alumina and titania nanoparticles, (a) : Al

2

O

3

(b) : TiO

2

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 500 1000 1500 2000 2500

Pure water Nanofluid

Pre-boiling in nanofluid Pure water on pre-boiled surface q " [k W /m

2

]

T

_wall

-T

_sat

[K]

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 500 1000 1500 2000 2500

Pure water Nanofluids

Pre-boiling in nanofluids Pure water on pre-boiled surface q " [k W /m

2

]

T

_wall

-T

_sat

[K]

(a) (b)

Pure water on fouled surface Pre-boiling in 0.01 vol% alumina 0.01 vol% alumina

Pure water on fouled surface Pre-boiling in 0.01 vol% titania 0.01 vol% titania

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 500 1000 1500 2000 2500

Pure water Nanofluid

Pre-boiling in nanofluid Pure water on pre-boiled surface q " [k W /m

2

]

T

_wall

-T

_sat

[K]

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 500 1000 1500 2000 2500

Pure water Nanofluids

Pre-boiling in nanofluids Pure water on pre-boiled surface q " [k W /m

2

]

T

_wall

-T

_sat

[K]

(a) (b)

Pure water on fouled surface Pre-boiling in 0.01 vol% alumina 0.01 vol% alumina

Pure water on fouled surface Pre-boiling in 0.01 vol% titania 0.01 vol% titania

0 10 20 30 40 50 60

0 500 1000 1500 2000 2500

Pre-boiling in nanofluids Pure water on pre-boiled surface

q " [k W /m

2

]

T

_wall

-T

_sat

[K]

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0

P u re w a te r N a n o flu id

P re -b o ilin g in n a n o flu id P u re w a te r o n p re -b o ile d s u rfa c e q" [kW/m2]

T_{w a ll}-T_{s a t} [K ]

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0

P u re w a te r N a n o flu id s P re -b o ilin g in n a n o flu id s P u re w a te r o n p re -b o ile d s u rfa c e q" [kW/m2]

T_{w a ll}-T_{s a t} [K ] Pure water

0.01 vol% alumina Pure water

0.01 vol% titania

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0

T_{w a ll}-T_{s a t} [K ] Pure water 0.01 vol% alumina Pure water

0.01 vol% titania Pure water 0.01 vol% titania

(a) (b)

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0

T_{w a ll}-T_{s a t} [K ] Pure water

0.01 vol% titania

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0

T_{w a ll}-T_{s a t} [K ] Pure water 0.01 vol% alumina Pure water

0.01 vol% titania Pure water 0.01 vol% titania

(a) (b)

(a)

(d) (b)

(c) (a)

(d) (b)

(c)

(6)

Effusivity, (ck)

^1/2

( J / (m K s

^1/2

) )

Roughness (µm)

Static contact angle for water (θ ) ~ ± 2°

Copper 37,136 0.21 75

Al2O3 nanoparticle layer 11,819 3.25 11

TiO2 nanoparticle layer 4,979 3.53 9

3.4 나노입자 표면유착과 임계열유속

나노입자의 비등표면유착이 임계열유속의 증진 에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 나노유체 비 등에 의해 형성된 나노입자 표면유착을 가지는 히 터 시편을 이용하여 순수물의 비등 실험을 수행하 였다. 단, 나노입자 유착표면의 준비 시 나노유체 임계열유속 값의 90% 까지만 열유속을 증가시켜 임계열유속 발생 시 온도의 급상승에 의한 표면 상태의 변화를 방지하였다. Fig. 8 은 알루미나 나 노유체에서 나노입자 유착표면의 준비를 위한 비 등 실험과 준비된 나노입자유착표면에서의 순수물 비등 실험의 비등 열전달 특성을 보여준다. 핵비 등의 시작을 위해 나노입자가 유착된 비등 표면은 순수표면 보다 더 큰 벽면 과열도가 요구되었고, 비등 열전달 성능은 열유속이 1700kW/m

²

보다 낮 을 때에 나노입자가 유착된 표면이 깨끗한 표면에 비해서 더 낮게 나타났다. 그럼에도 나노입자가

유착된 비등 표면에서 임계열유속은 깨끗한 비 등 표면에서의 1700 kW/m

²

고 비교하여 상당히 증가된 2200 kW/m

²

를 나타내었다. 나노입자 유착 표면의 비등 곡선에서 한가지 흥미로운 사실은 임 계열유속 지점 근처에서 열유속이 증가함에도 불 구하고 벽면 온도가 감소하였다는 사실이다. 이러 한 현상은 다공성층을 비등 표면에 코팅을 한 상 태에서 종종 관찰되는 역전 임계열유속 현상으로,

⁽²¹⁾

최근 Kim et al.

⁽²²⁾

및 Chen et al.

⁽²³⁾

역시 유사한 현 상을 관찰했다. Fig. 9 는 깨끗한 비등 표면에서의 나노유체의 비등 곡선과 나노입자가 유착된 표면 에서 순수물의 비등곡선을 보여준다. 나노유체의 증가된 임계열유속은 나노입자가 유착된 표면에서 의 순수물의 임계열유속과 실험의 측정 오차 내에 서 같은 값을 가졌다. 따라서 본 실험 결과는 비 등표면의 나노입자 유착이 나노유체 임계열유속 증진의 주요 원인임을 분명하게 보여준다.

3.5 토의

본 연구의 풀비등 실험 결과들로부터 나노유체

의 임계열유속 증가 현상이 나노유체 비등시 나노 입자의 표면흡착 현상에 의해 야기됨을 확인할 수 있었다. 따라서 나노유체에서 임계열유속 증진 현 상의 해석은 순수한 유체에서의 임계열유속의 메 커니즘과 관련된 표면인자들이 나노입자 흡착에 의해 어떻게 변화하는가를 분석함으로써 설명될 수 있다. 나노입자의 유착에 의한 비등 표면의 구 조적 및 물리화학적 특성의 변화를 정략화 하기 위하여, 물질의 열분출도(effusivity), 표면 거칠기 (roughness), 표면 젖음성(wettability)을 측정 또는 계산하였으며 결과는 Table 1 에 보여진다. 높은 열 전도도를 가지는 히터 물질은 기포 성장층 아래의 고온 지점(hot/dry spot)의 열에너지를 주변의 저온 영역으로 효율적으로 분산시켜 국부적 과열에 의 한 임계열유속의 발생을 저지시키는 효과를 가진 다. 열분출도(thermal effusivity)는 이러한 히터를 통한 열전도의 효과를 나타내는 인자로서, Arik and Bar

⁽²⁴⁾

는 풀비등 임계열유속이 열분출도에 비례하 여 증가함을 실험적으로 보였다. 본 실험의 경우, 알루미나와 티타니아 나노입자의 경우 히터의 기 본 물질인 구리에 비해서 오히려 더 작은 열분출 도를 가진다. 따라서 실험 결과에서 보여지는 임 계열유속 증가 현상을 설명하는 표면인자로 적절 치 못하다.

나노입자의 유착은 비등 표면의 구조를 마이크 로 단위에서 크게 바꾼다. 그러나 Hahne and Grigull

⁽²⁵⁾

에 의하면 표면 거칠기는 핵점 밀도 및 핵활성화도를 변화시켜 기포 성장에 영향을 미치 지만, 이러한 변화의 영향은 임계열유속 부근에서 약해진다. 이는 표면 거칠기변화가 임계열유속에 미치는 영향은 미소하다는 Tong

⁽²⁶⁾

의 실험 결과와 일치하는 결과이다. 따라서 나노입자 흡착에 의 한 표면 거칠기의 변화는 나노유체 비등시 관찰되 는 큰 규모의 임계열유속 증가를 설명하는 주요 표면 인자라고 가정하기 힘들다.

(7)

표면 젖음성은 임계열유속에 큰 영향을 미치는 주요 인자로 잘 알려져 있다.

^(27~29)

표면 장력 값을 알고 있는 유체를 이용하여 고체 표면 위에서의 접촉각을 측정하는 것은 고체 표면의 젖음성을 정 량화 하는 가장 잘 알려진 방법이다. 나노입자가 유착된 히터 표면에서 순수물의 정접촉각 (static contact angle)은 순수 구리 표면과 비교하여 주목 할 만큼 작은 값을 나타내었다. Kandlikar

⁽¹¹⁾

은 임 계열유속 현상의 발생 메커니즘을 가열 벽면에서 성장하는 단위 기포에 작용하는 표면 장력에 의한 힘과 물-수증기 면에서의 빠른 증발 현상에 의한 반작용에 의한 힘의 균형을 이용하여 해석하였으 며, 다음과 같은 이론식을 제안하였다.

( )

^{1 2}

( )

^{1 4}

1 2

CHF g

1 cos 2 π

1 cos cos g

16 π 4

fg l g

q′′ =h ρ  + β    + + β φ   σ ρ −ρ 

(5) Fig. 10 은 본 연구에서 측정된 나노유체에서의 임계열유속의 증진을 접촉각의 변화를 이용하여 나타낸 결과이다. Kandlikar

⁽¹¹⁾

의 이론식에서 순수 표면의 접촉각인 75°에서의 순수물의 임계열유속 을 기준으로 접촉각의 감소에 의한 임계열유속의 변화 특성도 함께 나타내었다. 그 결과 나노유체 에서의 임계열유속의 증가 현상은 Kandlikar

⁽¹¹⁾

모 델에서의 접촉각의 감속에 의한 임계열유속의 증 가 경향과 일치하는 경향성을 나타내었다. 따라서, 본 결과로부터 나노유체에서의 임계열유속의 증진 이 비등 열전달 중 나노입자들의 표면유착에 의한 표면 젖음성의 증진에 의해 야기되었다고 보여진 다.

Fig. 10 CHF/CHF

water

(experimental data), CHF/CHF

75°

(kandlikar prediction) vs contact angle

4. 결 론

본 연구에서는 알루미나와 티타니아 나노입자들 을 이용하여 대기압 하에서의 나노유체 포화 핵비 등 임계열유속 실험을 수행하였다. 기존의 전기 가열식 실험 당시 나타날 수 있는 전기장에 의한 나노 입자의 표면 유착을 방지 하기 위하여, 열 전도 방식의 풀비등 실험 장치를 개발하였다. 실 험 결과는 나노유체에서의 임계열유속 증진이 나 노유체에서 핵비등 중 발생하는 나노입자의 비등 표면 유착에 의해서 표면의 성질을 변화에 의해 기인함을 보여주었다. 순수물을 이용한 접촉각의 측정으로부터 나노입자의 표면유착이 비등면의 표 면 젖음성을 크게 증가시킴을 확인하였으며, 이러 한 표면 젖음성의 변화는 과열면에서 성장중인 기 포에 고체면으로부터 작용하는 표면장력에 의한 힘을 증가시키는 효과를 야기하여 나노유체의 임 계열유속 증가를 설명하는 주요 인자이다.

후 기

이 논문은 교육과학기술부의 재원으로 시행하는 한국연구재단의 원자력기술개발사업으로 지원받았 습니다. (연구과제 관리코드: MZ0706000050- 08M0600-05010).

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CHF/CHFw ater (experimental data), CHF/CHF75°

(kandlikar prediction) vs contact angle

10 15 20 25 30 35 40 45

0 10 20 30 40 50

Contact Angle

C H F e n h a n c e r a ti o

Kandlikar's normalized correlation data

Experimental Data

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