물과 나노유체의 분무 특성 비교
강보선*,†·이신표**
Comparison of the Characteristics of Sprays between Water and Nanofluid Sprays
B. S. Kang and S. P. Lee
Key Words: Nanofluid(나노유체), Nano particles(나노입자), Spray cooling(분무냉각)
Abstract
Nanofluids are that metallic or nonmetallic nanometer-sized particles are dispersed in liquid. They can be used in various fields to increase the heat transfer rate because the thermal conductivity of nanofluids can be increased significantly. Nanofluids may be used as a good alternative of coolants in spray cooling. This study conducted experiments to compare the characteristics of sprays between water and nanofluid sprays. The radial distributions of droplet velocities and diameters of water, 0.2%
wt.(weight), and 0.5% wt. Al2O3 nanofluids at the pressure of 0.2 and 0.3 MPa were measured by laser doppler instruments.
The radial distributions of droplet diameters and velocities at two axial positions with water and 0.2% wt. nanofluid sprays didn’t show much difference. A big difference, however, was observed between 0.5% wt. nanofluid and water sprays. With the increase of the mass of nano-particles, the average droplet diameters were increased and the average droplet velocities were decreased.
1. 서 론
최근 소량의 나노입자(구리, 알루미늄 등)를 일반 유 체에 분산, 부유시켜 유체의 열전달 특성을 향상시키는 효과를 보이는 나노유체를 활용한 연구가 대류열전달 분야에서 활발히 진행되고 있으며, 분무냉각 분야에서 도 일반 유체 대신에 나노유체를 사용한 연구가 발표되 고 있다. 분무노즐에서 분사되는 다수의 액적을 이용하 여 고온면을 냉각시키는 분무냉각은 다른 냉각 방식과 비교했을 때 비교적 높은 냉각 성능을 가지며, 고온면을 균일하게 냉각시킬 수 있고, 분무특성을 적절히 조절하
여 고온면의 냉각 특성을 용이하게 제어할 수 있는 장 점을 보유하고 있다.
분무냉각은 제철산업의 연속주조공정 강판의 열처리, 화재 진화, 원자력발전소 경수로의 용융노심 비상냉각 등(1)과 같이 비교적 표면 온도가 매우 높은 경우의 분야 에서 오래 전부터 사용되어 왔으며, 최근에는 표면온도 를 낮게 유지시킬 필요가 있는 고밀도 전자장치, 고출력 고체 레이저의 냉각 등(2)광범위한 산업분야에서 활발 히 활용되고 있다.
분무냉각은 분무 특성(유량, 액적 크기, 액적 속도), 고온면의 조건(온도, 표면거칠기, 습윤성, 경사도), 유체 특성(물성치, 과냉 온도), 주변 환경(온도, 압력) 등의 다 양한 파라미터의 영향을 받으면서 매우 복잡한 상변화 를 동반한 유동 및 열전달 현상이 발생하기 때문에 수 많은 연구에도 불구하고 분무냉각 메카니즘을 이해하고 응용분야에 적용하는 데는 여전히 많은 어려움이 있는 상황이다.
나노유체를 이용한 분무냉각특성과 관련한 기존 연구 Recieved: 16 May 2014, Recieved in revised form: 09 June
2014, Accepted: 10 June 2014)
*전남대 기계공학부
**경기대 기계시스템공학과 교수
†책임저자, 전남대 기계공학부 E-mail : [email protected]
TEL : (062)530-1683 FAX : (062)530-1689
로, C. D. Martinez(3)는 알루미나(Al2O3) 나노유체를 사 용한 경우 물과 비교하여 단상 열전달이 42% 정도 증 가함을 보였다. Zhu 등(4)은 단상 열전달 영역에 대한 분 무냉각실험에서 티타늄디옥사이드(TiO2) 나노유체를 사 용한 경우가 물에 비해 열전달계수가 35% 정도 증가함 을 보였다. Bellerová 등(5)은 알루미나(Al2O3)와 티타늄 디옥사이드(TiO2) 나노유체를 사용하였으며, 물과 비교 했을 때 오히려 열전달계수가 감소하였다. Chang 등(6) 은 나노유체를 사용한 분무냉각에서 충돌 액적이 나노 입자층 형성을 억제하기 때문에 열전달 성능이 좋아질 것으로 예측하고, 알루미나 나노입자 부피비가 분무냉 각에 미치는 영향을 연구하였다.
이러한 기존 연구에서는 물과 나노유체의 분무냉각특 성 비교에 초점이 맞추어졌지만, 분무냉각에 중요한 영 향을 미치는 분무특성, 즉, 액적의 속도, 크기, 공간 분 포특성에 대한 연구는 지금까지 발표된 연구결과가 없 는 것으로 알고 있다.
본 연구에서는 분무냉각에 활용가능성이 높은 나노유 체 분무에 대하여 나노입자 질량비 변화에 따른 분무특 성의 변화를 측정하고 물 분무특성과 비교하였다. 알루 미나 나노입자의 질량비와 유체 분사 압력을 변화시키 며 레이저 계측장비인 PDA(Phase Doppler Anemomery) 를 사용하여 분무 축방향, 반경방향으로의 액적 속도, 직경분포의 변화를 측정하였다.
2. 실험장치 및 조건
실험 장치는 Fig. 1에 나타내었듯이 분무 노즐로의 유 체 공급시스템과 분무특성을 계측하는 레이저 계측시스 템으로 구성하였다. 유체를 안정되게 분사 노즐로 공급 하기 위하여 고압 질소를 이용하여 액체저장용기를 일
정한 압력으로 가압하였으며, 가압된 용기로부터 유체가 유량계(rotameter)를 거쳐서 분무 노즐로 공급된다. 유체 를 분사시키기 위해 원추형 분무 노즐(Spraying Systems, TG-SS1, D=0.51 mm, 0.54~1.3 L/min)을 사용했으며, 분 사 압력은 분무 노즐 직전 입구에서 측정하였다.
분무 액적의 크기와 속도를 측정하기 위해 레이저 계측 장비인 PDA(Phase Doppler Anemometry, Dantec Dynam- ics)가 사용되었다. 광원은 Ar-Ion 레이저이며, 측정점은 분 무 축방향으로 z=100, 200 mm에서 반경방향으로 10 mm 간격으로 분무 가장자리를 벗어나기 직전 위치까지 자동 이송장치에 의해 이동하며 측정하였다. 각 측정점에서 측 정된 샘플의 개수는 대략 3만~5만 개 정도였다.
나노유체에 사용한 나노입자는 알루미나(Al2O3)이며 평균 직경은 30 nm이다. 나노유체는 나노입자를 해당 질량비로 물과 잘 섞은 후 20 kHz 이상의 초음파에너지 를 가하여 입자간의 응집성을 최대한 제거하였다. 실험 에 사용한 나노입자의 질량비는 0.2%, 0.5%이며, 각각 에 해당하는 부피비는 0.0006%, 0.0015%이다.
나노유체의 밀도, 점도와 같은 물성값은 나노입자의 부피비 φ를 사용하여 Williams 등(7)이 제안한 아래 식 (4)~(5)를 이용하여 계산하였다.
(4) (5) 여기서 ρ, µ는 각각 밀도, 점도를 나타내며, 하첨자 p는 나노입자, w는 물을 나타낸다. Zeitoun과 Ali(8)는 위 식 들과 측정값을 비교하였는데, 밀도는 거의 일치하고, 점 도는 식 (5)의 20% 이내에 존재해, 나노유체 물성값을 대략적으로 예측하는 데 위 식을 사용한 경우 큰 오차 는 없는 것으로 나타났다. 위 식들에 의해 계산한 물과 나 노유체의 물성값은 Table 1에 나타내었다.
실험 조건은 Table 2에 나타내었다. 분사 유체는 물, 질량비 0.2% 나노유체, 질량비 0.5% 나노유체를 사용하 였으며, 유체의 게이지 분사압력 P=0.2, 0.3 MPa인 경우 에 대해 유체 공급이 안정화된 이후에 분무의 축방향, 반
ρ φρ= p+(1–φ)ρw µ µ= wexp 4.91[ φ 0.2092 φ⁄( – )]
Fig. 1 Schematic of Experimental System
Table 1 Properties of water and nanofluid Density
(kg/m3)
Viscosity (Pas) Water
0998.2
1.00310−3 0.2% wt. Nanofluid0999.6
1.01710−3 0.5% wt. Nanofluid 1001.8 1.03810−3경방향 측정 위치에서 액적 속도와 직경을 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 분무 액적 직경
물과 나노유체 분무 액적 직경의 두 축방향 위치 (z=100, 200 mm)에서 반경방향 직경분포를 분사압력
P=0.2, 0.3 MPa인 경우에 대해 Figs. 2와 3에 각각 나타 내었다. 모든 유체, 모든 축방향 위치에서 분무 중심축 에서 미립화가 가장 잘 이루어져 액적 직경이 가장 작 고 분무 가장자리로 갈수록 미립화가 잘 이루어지지 않 아 액적 직경이 증가하였다.
물과 질량비 0.2% 나노유체의 액적 직경은 분사압력 과 무관하게 큰 차이가 없지만, 질량비0.5% 나노유체는 액적 직경이 높게 나타나 물과 질량비 0.2% 나노유체보 다는 액체의 미립화가 잘 이루어지지 않았음을 알 수 있다. 특히, 분무 가장자리에서는 이러한 차이가 크게 나타나지 않지만, 분무 중심축에서는 질량비 0.5% 나노 유체의 미립화가 잘 이루어지지 않아 액적의 직경이 물 과 질량비 0.2% 나노유체보다 크게 나타난다. 분무 중 심축에서의 이러한 차이는 분무 하류로 진행하면서는 감소하는 경향을 나타내고 있다.
본 실험에서는 나노입자의 여러 질량비에 대한 실험 은 수행하지 못했지만, 특정 질량비까지는 물 분무와 큰 차이를 나타내지 않다가 그 이상의 질량비에서는 나노 입자가 액체의 미립화에 영향을 미쳐서 물 분무와는 다 Table 2 Experimental Conditions
Case Fluid Pressure (MPa) 1
Water 0.2
2 0.3
3
0.2% wt. Nanofluid 0.2
4 0.3
5
0.5% wt. Nanofluid 0.2
6 0.3
Fig. 2 Droplet diameters with different fluids at P=0.2 MPa
Fig. 3 Droplet diameters with different fluids at P=0.3 MPa
른 특성을 갖는 분무를 형성한다는 것을 알 수 있다. 나 노입자의 어떠한 특성이 액체의 미립화에 영향을 미치 는지에 대해서는 기존 연구결과도 전혀 없을 뿐만 아니 라 본 연구에서도 근본적인 연구의 초점이 아니었기 때 문에 명확히 그 요인을 명시하기는 어려운 점이 있다.
Table 1에 나타내었듯이 물과 나노유체의 밀도, 점도 의 차이는 미미한 정도이며, 단지 미립화에 영향을 미치 는 표면장력값의 차이는 측정을 하지 못했기 때문에 예 측할 수 없다. 이러한 물성값의 차이 외에는 노즐에서 분사되는 액체가 미립화되는 과정에서 나노입자가 어떠 한 메카니즘으로 미립화를 방해하는지는 알 수 없지만, 미립화를 방해한다는 것은 확실하며 그 메카니즘을 규 명할 수 있는 추가적인 연구가 필요하다.
Fig. 4는 z=200 mm에서 분사압력이 물과 질량비 0.5% 나노유체의 액적 직경에 미치는 영향을나타낸다.
물의 경우에는 분사압력 증가로 인하여 액적 직경이 약 간 감소하였고 분무중심축에서의 감소가 크게 나타난다.
반면에 0.5% 나노유체에서는 분사압력 증가로 인한 액적 직경 감소가 모든 반경위치에서 폭넓게 나타나고 있다.
서로 다른 유체 분무의 평균 액적 직경을 Fig. 5에 나 타내었다. 분사압력이 높을수록 액적 직경은 감소하며 물 분무는 그 차이가 크지만 나노입자 질량비가 높아질 수록 그 차이는 감소하였다. 또한, 나노유체의 질량비가 높아질수록 미립화가 잘 이루어지지 않아 평균 액적 직 경은 증가함을 알 수 있다. 하지만, 물과 질량비 0.2% 나 노유체의 액적 직경 차이는 크지 않지만 질량비 0.5% 나 노유체의 직경은 다른 두 유체와 큰 차이를 나타내었다.
3.2 분무 액적 속도
물과 나노유체 분무 액적 속도의 두 축방향 위치 (z=100, 200 mm)에서 반경방향 속도분포를 분사압력 P=0.2, 0.3 MPa인 경우에 대해 Figs. 6과 7에 각각 나타 내었다. 모든 유체, 모든 축방향 위치에서 분무 중심축 에서 가장 속도가 높고 분무 가장자리로 갈수록 액적 속도가 감소하였으며, 분무 하류로 갈수록 속도가 감소 하였다. 이는 앞절의 분무 액적 직경의 결과로부터 예측 될 수 있다. 즉, 분무 중심에서 액적 직경이 가장 작기
Fig. 4 Effect of pressure on droplet diameters
Fig. 5 Comparison of average droplet diameters with dif- ferent fluids
Fig. 6 Droplet velocities with different fluids at P=0.2 MPa
때문에 속도는 가장 빠르게 되고, 분무 가장자리의 큰 액적들은 속도가 떨어지게 된다. 분무 하류로 갈수록 액 적에 작용하는 항력으로 인하여 액적 속도는 감속한 것 으로 판단된다.
액적 직경과 마찬가지로 물과 질량비 0.2% 나노유체 의 액적 속도는 분사압력과 무관하게 액적속도 차이가 거의 없지만, 질량비 0.5% 나노유체는 액적 속도가 매 우 낮아졌음을 알 수 있다. 액적 직경의 경우와 마찬가 지로 이 차이는 z=100 mm에서는 크게 나타나지만, 분 무 하류로 진행하여 z=200 mm에서는 감소하였다. 이러 한 결과는 앞 절에서 논의하였듯이 어느 질량비 이상의 나노유체에서는 나노입자가 액체의 미립화에 영향을 미 쳐서 물과는 다른 크기의 액적들이 형성되기 때문으로 예측된다.
Fig. 8은 z=200 mm에서 분사압력이 물과 질량비 0.5% 나노유체의 액적 속도에 미치는 영향을 나타낸다.
물의 경우에는 분사압력 증가로 인하여 액적 속도가 약 간 증가하였고 분무중심축에서의 증가가 높게 나타난다.
반면에 0.5% 나노유체에서는 분사압력 증가로 인한 액 적 속도 증가가 반경방향 50 mm에 걸쳐서 폭넓게 나타 나고 있다.
서로 다른 유체 분무의 평균 액적 속도를 Fig. 9에 나 타내었다. 분사압력이 높을수록 액적 속도는 높게 나타 나며, 나노유체의 질량비가 높아질수록 평균 액적 속도 는 감소함을 알 수 있다. 하지만, 물과 질량비 0.2% 나 노유체의 액적 속도 차이는 크지 않지만 질량비 0.5%
나노유체의 액적 속도는 큰 차이를 나타내고 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 물과 나노유체 분무에 대하여 알루미 나 나노입자의 질량비와 유체 분사 압력을 변화시키며 분무 축방향, 반경방향으로의 액적 속도, 직경분포의 변 화를 측정하여 물 분무와 나노유체 분무의 특성을 비교 Fig. 7 Droplet velocities with different fluids at P=0.3
MPa
Fig. 8 Effect of pressure on droplet velocities at z=200 mm
Fig. 9 Comparison of average droplet velocities with dif- ferent fluids
하였다.
전반적으로 나노입자 질량비가 증가할수록 분무 액적 의 평균 직경은 증가하고 평균 속도는 감소하였다. 그 차이는 물과 질량비 0.2% 나노유체는 작았지만, 질량비 0.5% 나노유체는 다른 두 유체와 큰 차이를 나타내었다.
국소 액적 직경과 속도분포는 물과 질량비 0.2% 나노유 체는 차이가 크지 않았지만, 질량비 0.5% 나노유체는 큰 차이를 나타내었다.
나노유체에 포함된 나노입자가 어떠한 메카니즘으로 액체미립화에 영향을 미치는지에 대한 추가적인 연구가 요구된다.
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