산질화 표면에서의 액적 증발 열전달 성능 분석
김대윤ㆍ이성혁†
Analysis of Heat Transfer Performance of Oxi-nitriding Surface during Droplet Evaporation
Dae Yun Kim and Seong Hyuk Lee
Key Words: Droplet evaporation(액적 증발), Heat transfer(열전달), Oxi-nitriding(산질화), Corrosion resistance(내부식성), Thermal resistance(열저항)
Abstract
In general, the oxi-nitriding method is well known as such a surface treatment way for substantial enhancement in corro- sion resistance, even comparable to that of titanium. However, there are still lacks of information on thermal performance of the oxi-nitriding surface being of additional compound layers on the base substrate. Above all, the quantitative measurement of its thermal performance still was not evaluated yet. Thus, the present study experimentally measures the thermal resistance of the oxi-nitriding surface during droplet evaporation and then estimates heat transfer performance with the use of the one- dimensional heat transfer model in vertical direction. From the experimental results, it is found that the total evaporation time slightly increased with the thermal resistance caused by the oxi-nitriding layer, showing a maximum difference of approxi- mately 20% with that of the bare surface. Although the heat transfer performance of oxi-nitriding surface became slightly lower than that of the bare surface, the oxi-nitriding surface exhibits much better heat transfer performance compared to tita- nium.
1. 서 론
최근, 해양 공학의 발달로 해수 환경에 노출되는 구조 물들이 많아 재료의 내부식성이 중요해지고 있다. 특히, 티타늄은 뛰어난 내부식성 덕분에 주로 해양공학 혹은 해양플랜트의 열교환기에 널리 사용되고 있다. 그러나, 티타늄의 고비용 및 낮은 열전달 특성은 극복해야 할 주요 단점 중 하나로 여겨진다. 이에 따라 티타늄을 비 슷한 내부식성을 갖지만 열성능이 좋고 비교적 저렴한
재료로 대체하기 위한 많은 노력이 있다. 질화(nitriding) 표면처리는 재료의 수명을 연장시키는 잠재적이고 유망 한 기술 중 하나다(1,2). 표면 특성의 수정을 통해 내부식 성 및 내마모성이 향상되는 장점이 있다(3). 질화 기술은 견고한 내부와 단단한 외부를 가진 독특한 복합 구조를 만들어 강의 기계적 성능을 크게 향상시킬 수 있다(4,5). 또한, 제품의 변형이 적고 시편의 형상에 코팅되는 데 제한이 없다는 것이 유리하다(6).
산업 현장에 적용하기 전에 질화층의 부식 방지 성능 이 보장되어야 한다. 따라서, 우리는 상업적인 산질화 표면에 대해 극한의 염수 분무 시험(SST: Salt Spray Test)을 수행했다. Fig. 1(a)과 같이, 일반 강판 냉간 상업 용 SPCC강을 열교환기의 형상을 모사하여 산질화(oxi- nitriding) 표면처리 후 전착 코팅된 시편의 내부식성을 비교하였다. 4oC의 저온에서 해양심층수보다 보수적인 (Received: 29 Oct 2019, Received in revised form: 6 Dec
2019, Accepted: 8 Dec 2019)
*중앙대학교 기계공학부
†책임저자, 회원, 중앙대학교 기계공학부(소속) E-mail: [email protected]
TEL: (02)820-5254 FAX: (02)820-9780
환경을 설정하여 장기 부식을 위해 챔버에서 400 시간 까지 부식 실험을 수행했다. 일반 시편의 경우 물결(cor- rugation) 모양에 국부 부식이 관찰 되었지만 산질화 표 면에서는 부식이 진행되지 않았다. Fig. 1(b)과 같이, 부 식이 발생한 부분의 단면을 보면 일반 SPCC 강의 부식층 두께는 시간이 지남에 따라 증가하고, 모재 위에는 부식 층이 생성된다. 또한, 부식이 진행되면, 편평했던 시편이 침식되면서 표면이 불균일하게 변화하는 반면, 산질화 표 면에서 부식은 발생하지 않았다. 따라서 산질화 표면처리 된 표면은 내부식성이 현저히 개선된다. 한편, 열전달 측 면에서 새로운 화합물층의 형성은 일반 SPCC보다 열저 항을 증가시킬 수 있다(7). 특히, 티타늄의 경우, 전도열전 달 계수가 SPCC에 비해 현저하게 작기 때문에 열저항이 크게 나타난다. 실제로 부식방지를 위해 상대적으로 가격 이 저렴한 SPCC를 이용한 산업적 적용가능성이 높아지 고는 있지만, 산질화층에 대한 열전달 성능 특성을 정량 적으로 분석한 연구는 거의 전무한 실정이다(8).
따라서 본 연구에서는 산질화 표면 개질에 따른 표면 특성을 고려할 수 있도록 액적의 증발 열전달을 이용하 였다. 증발 동안 액적의 동적거동을 측정하고 시간에 따 른 열유속과 산질화 화합물층에 따른 열저항 변화를 분 석했다(9,10).
2. 실 험
SPCC 강을 기본 물질로 사용하고 액적 증발 실험을 수행하기 위해 Fig. 2(b)와 같은 표면을 만들었다. 각 시
이다. 일반 표면에 SiC 연마지(#2000)를 사용하여 표면 을 연마하였다. 산질화 코팅법을 사용하여 전형적인 산 업 공정과 동일한 샘플 표면을 제조하였다. Fig. 2와 같 이 FE-SEM 이미지를 보면 코팅 표면은 총 2개의 층을 갖는다. 하나는 29.36 µm의 전착코팅층(electrocoating) 이고, 다른 하나는 19.35 µm의 산질화층(oxi-nitriding)이 다. 그림의 좌측하단의 삽도는 일반 SPCC 및 산질화 표 면 위 탈이온수(DI-water) 액적의 평형 접촉각을 나타내 며, 각각 79.35±1.1o및 72.78±1.5o로 친수성을 보인다.
Figure 3은 본 실험에서 사용한 실험 장비에 대한 개 략도를 나타낸다. 액적이 증발하는 동안 시간에 따라 변 하는 액적 형태는 할로겐 램프(Fiber-lite, MI-157)와 CMOS 카메라(Canon, EOS 7D)를 사용하여 shadow-gra- phy기법으로 가시화하였다. 촬영한 이미지는 후처리하 여 액적의 동적거동을 정량적으로 분석했다. 실험의 재 현성을 높이기 위해 시린지 펌프를 사용하여 액적을 자 동으로 일관된 체적으로 대상 표면에 올려놓았다. 시편 으로부터 마이크로 니들 끝단까지의 거리는 약 4.6 mm 이고, 액적의 체적은 7.5 µL로 설정했다. 액적의 Bo수와 Ca 수가 매우 작기 때문에 그 모양은 구형 캡을 따르며 중력 효과는 무시할 수 있다(11). 전열면(Lab companion, T-17R)을 사용하여 표면을 40, 60 및 80oC로 가열하고 Fig. 1 (a) specimen, and (b) cross-section view of bare
and oxi-nitriding surfaces after SST
Fig. 3 Schematics of the experimental apparatus
온도를 RTD센서(J & S Sensor, PT100)로 측정하였다.
대기조건은 온도 18.6±0.9oC와 상대 습도 26±2.1%의 온 /습도계(Kimo, TH100)로 측정하였다. 모든 온도 와 습 도는 데이터 수집 장비(Agilent, 34970A)를 이용하여 측 정한다. 실험은 10 회 반복하였으며, 예측된 불확실성은 약 4.1%이다.
3. 결과 및 고찰
3.1 액적의 동적 거동
촬영된 이미지와 데이터 획득 시스템을 사용하여 증 발 시 액적의 동적거동을 분석하였다. Fig. 4는 80oC에 서 가열된 각 표면에 대한 액적 의 증발거동을 보여준 다. 평형 접촉각의 측정 결과와 유사하게 동적 접촉각은 표면에 놓여진 후 증발과정 동안 질화 표면에서 보다 더 작게 나타났다. 액적은 피닝(pinning) 효과로 인해 일 정한 반경 모드(CR mode)를 보여주며 이러한 현상은 다른 문헌에서 보고된 결과와 매우 유사하다(10,12). 일정 한 반경 모드는 액적이 피닝되어 증발과정 동안 접촉면 적은 일정하게 유지되면서 접촉각만 감소하는 과정을 일컫는다(13). 액적의 체적은 구형캡(spherical cap) 모양 을 가정하여 측정된 접촉직경과 접촉각으로 계산할 수
있다(13,14). 최종 증발 시간은 각각 평균 P CC에서 약
70.1 초이고 산질화 표면에서 약 74.5 초로 각각 측정되 었다. 산질화 표면상의 액적의 총 증발 시간은 노출된 표면에서의 것과 비교하여 약 6.27%로 지연되었다. 액 적의 동적 거동을 정량화하기 위해, 촬영된 이미지를 후 처리함으로써 접촉각과 액적의 체적을 측정하였다.
액적의 동적 거동을 분석하기 위해, 증발과정 동안 시
간에 대한 접촉각의 변화를 측정하였다. 정규화된 접촉 각은 Fig. 5와 같이 각 표면별 표면 온도에 따라 측정되 었다. 오차 범위는 10 회의 반복 실험에 대한 결과를 나 타낸다. 표면 온도가 증가함에 따라 열전달량이 증가하 여 총 증발 시간이 감소했다. 시간에 따른 접촉각의 변 화는 두 표면에서 유사한 경향을 보였다. 액적이 표면에 놓여진 후 초기 증발 과정에서 액적의 피닝효과가 분명 하게 관찰되었다(10,12). 최종 증발에 가까울수록 디피닝 (depinning)되면서 일정한 반경 모드와 일정 각도 모드 (CA mode)가 번갈아 나타난다(13). 액적 형상에 대한 정 량적 데이터로부터, 구형캡에 따른 기하학적 특성을 사 용하여 액적의 체적을 계산할 수 있다(14). Fig. 6은 최종 증발될 때까지 표면 온도에 대한 각 표면 위 액적의 정 규화된 체적 변화를 보여준다. 액적의 체적은 초기 상태 의 체적을 기준으로 시간에 따라 정규화되었다.
표면 온도가 상승함에 따라, 전열면을 통한 향상된 열 유속으로 인해 액적의 증발이 가속화되었다. 각 표면에 Fig. 4 Temporal evolution of droplets on (a) bare, and (b) oxi-nitriding surface during evaporation
Fig. 5 Normalized contact angle variations on each sur- face during evaporation
서 액적의 동적 거동은 큰 차이가 관찰되지 않았다. 즉, 표면의 변화에 따라 액적의 증발에 실질적인 차이는 없 었다. 또한, 액적의 체적은 시간에 따라 거의 선형적으 로 감소했다. 시간에 따른 체적 변화의 기울기는 이론적 으로 고체 표면 온도에 따라 예측될 수 있다(11). 이론적 예측값과 비교하여, 실험 결과는 매우 유사한 경향을 보 였지만 최종 증발 직전에 오차가 상대적으로 크게 발생 하였다. 이는 반복실험 동안 SPCC표면은 물리적으로 연마/세척할 수 있지만, 산질화 표면은 코팅층의 박리로 인해 물리적으로 세정될 수 없었기에 비교적 큰 오차를 초래했다고 사료된다.
3.2 열성능 평가
액적의 접촉각 및 접촉 직경과 같은 초기 형상 및 환 경 조건 모두를 고려하여 열저항을 평가하였다. Fig. 7 과 같이, 단일 액적 증발은 다층박막을 모사한 1 차원 열전달 모델로서 설명될 수 있다(15). 이 모델은 다음과 같이 액적 곡률 및 액체-기체 계면을 고려했다.
태 열전달로 간주되어 계면의 법선방향으로 질량 유속 이 발생한다는 가정하에 추정되었다(19). 상변화동안 방 출된 잠열은 주어진 θapp에 따라 변하는 열저항 ψd를 갖 는 액적을 통해 구하였다.
(3)
여기서 kw는 물의 열전도율이다. 이어서, 산질화 영역을 통해 액적의 겉보기로부터 시편으로 열이 전도된다. 이 코팅된 영역을 액적의 기저에서 시편 표면까지 평행한 열전달 경로로 근사하여 다음 관계식을 얻으면 다음과 같다.
(4)
(5)
(6)
여기서 kn은 산질화 층의 열전도도(45 W/m×K)이고, δn
은 산질화 층의 두께(40 µm)이고, kSPCC는 SPCC의 열전 도도 (54 W/m×K)다. δSPCC는 SPCC 두께(1.53 mm)이며, kt는 티타늄의 열전도도(순수 티타늄의 경우 22.5W/mK) 이며, δt는 티타늄의 두께로 δSPCC와 동일하게 설정하 였다. 산질화 표면의 경우, 식 (1)-(5)을 합산하여 전열판 으로부터 액적을 통해 공기로의 열유속은 다음과 같다.
(7)
Figure 8은 증발 중 액적 거동에 따라 식 (7)을 이용 하여 계산한 열유속이다. 초기 액적의 열유속은 표면온 도와 대기온도의 차이값에 비례하여 증가한다. 액적의
4 sin
app d
w app
Rk ψ θ
π θ
=
2 sin2 n n
n app
R k ψ δ
π θ
=
2 sin2
SPCC SPCC
SPCC app
R k ψ δ
π θ
=
2 sin2 t t
t app
R k ψ δ
π θ
=
1
2 2
( 2 )
''
( (1 cos ) )
4 sin sin
sat lv l
app i
i app
l app i app
T T
q R Rh
h Rk R k
γ ρ
θ δ
θ π θ π θ
−
Δ −
=
− + +∑
Fig. 6 Temporal evolution of normalized droplet volume on each surface
Fig. 7 One-dimensional thermal resistance model for a single droplet on the surface
피닝효과가 유지되는 구간에서는 열유속이 증가한다.
액적 끝단이 피닝되어 있으면 전열면(고체-액체 접촉면 적)은 동일하지만, 증발함에 따라 액적의 접촉각이 감소 하고 액체-기체 계면의 면적이 감소하여 상대적으로 열 유속이 증가한다. 이 효과는 표면 온도가 상승할수록 크 게 나타나며, 초기 열유속 값보다 최대 22.8% 증가하였 다. 또한, 표면 온도가 증가함에 따라 열전달량이 많아 지므로 열유속의 기울기가 증가한다. 액적의 최종 증발 직전에 디피닝(depinning) 되면서 열유속이 급속히 감소 된다. 이러한 액적의 거동은 일반 SPCC표면과 산질화 표면에서 유사하게 나타난다. 그러나 시간에 따른 열유 속 변화 양상을 보면 산질화 코팅층의 유무에 따라 큰 차이는 없다.
본 연구의 실험에서 티타늄을 사용하지는 않았으나, 실험한 산질화 표면의 열성능과 비교하기 위해 식 (1)- (6)을 조합하여 티타늄의 이론적 열저항값을 예측하였 다. Fig. 9는 초기상태에서 액적의 형상에 기초한 열저 항 값이며, 일반 SPCC의 값을 기준으로 정규화하였다.
산질화 코팅층 형성에 따라 열저항이 약 19% 증가하였 다. 하지만 산질화 표면의 열저항은 티타늄의 51.4% 정 도로 절반 수준밖에 되지 않는다. 즉, 산질화 SPCC는 티타늄과 비교하여 열전달 성능이 2배 가까이 될 정도 로 매우 우수하다. 산질화 코팅층이 형성되었음에도 상 대적으로 일반 SPCC와 유사한 열성능을 갖고 화합물층 의 형성으로 열저항이 증가되었음에도 티타늄과 비교하 면 상당히 우수한 열전달 성능을 보인다.
4. 결 론
본 연구에서는 산질화 열처리 후 표면특성의 변화 를 고려하여 열전달 성능을 분석하기 위해 액적의 증 발 실험을 통해 열성능을 평가하였다. 결론은 다음과 같다.
(1) 산질화 코팅층의 형성으로 시편의 열저항이 증가하 여 열전달을 저해하지만 총 증발 시간은 약 6% 증가하였 다. 즉, 산질화 열처리로 추가적인 화합물층이 형성되었 음에도 여전히 모재와 유사한 열전달 성능을 갖는다.
(2) 산질화 시편의 열저항은 일반 SPCC 보다 약 19%
증가하지만 티타늄과 비교하면 54%정도 밖에 되지 않 는다. 즉, 티타늄 보다 열전달 성능이 약 1.9배로 매우 우수하다.
(3) 염수분무시험 결과를 포함하여, 증가된 부식 방지 성능과 우수한 열전달 특성을 갖는 산질화 열처리 기술 은 극한 환경에 노출되는 해양공학분야에 기여할 것으 로 기대한다.
후 기
이 논문은 2017년도 정부(미래창조과학부)의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다(No.
2017R1A2B2006943).
Fig. 8 Heat flux during droplet evaporation with respect
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