A Study on the Behavior of Nano-fluid Droplet Impacting Upon a Hot Surface

(1)

고온벽과 충돌하는 나노유체 액적 거동에 관한 연구

김으뜸

^*

·박인한

^*

·배녹호

^*

·강보선

^†

A Study on the Behavior of Nano-fluid Droplet Impacting Upon a Hot Surface

E. DD. Kim, I. H. Park, N. H. Bae and B. S. Kang

Key Words: Impacting Droplet( 충돌 액적), Nano-fluid(나노 유체)

Abstract

In this study, the behavior of water or nanofluid droplets impacting upon a hot surface was investigated by visualization of impacting phenomena with time-delayed photographic technique. Changing the mass ratio of nanofluid and the temperature of the heated surface, the characteristics of the spreading behavior and the diameter of spreading liquid film was compared between water and nanofluid droplets. The impacting droplet spreaded as a liquid film after impact and nanofluid droplets spreaded more widely than water droplets. After reaching the maximum diameter, water droplets shrinked more than nanof- luid droplets. Based on this, the heat transfer area from a hot surface to impacting nanofluid droplets would be wider than that of impacting water droplets. Considering individual impacting droplet only, spray cooling using nanofluid would be better than using water.

1. 서 론

단일 액적이 고체 벽면과 충돌하는 현상은 분무 냉각, 분무 도장, 내연기관의 연료 분사, 잉크젯 프린팅, 분무 성형, 스프링클러의 화재 소화 등 다양한 분야에서 응용 되고 있으며

^(1,2)

, Rein

⁽³⁾

, Yarin

⁽⁴⁾

, Moreira 등

⁽⁵⁾

은 이 주제 에 대한 종합적인 내용을 소개하고 있다. 액적의 고온벽 과의 충돌 특성은, 고온벽의 온도 T

w

, 액적의 조건(직경 D

⁰

, 속도 V, 충돌 각도), 유체의 특성(밀도 ρ, 점도 µ, 표 면 장력 σ), 고체 표면의 거칠기 정도 등의 변수에 따라 다양하고 복잡한 거동특성을 나타낸다. 이 현상과 관련 된 무차원 변수들은 Weber 수 (We=ρD

0

V

²

/ σ), Ohne- sorge 수(Oh=We

^1/2

/Re= µ/(ρσD

0

)

^1/2

) 등이다.

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. C. D. Martinez

⁽⁶⁾

는 알루미나(Al

²

O

3

) 나노유체 를 사용한 경우 물과 비교하여 단상 열전달이 42% 정 도 증가하며 이는 나노입자로 인해 액적의 고온면과의 접촉각이 증가하고 더 오래 고온면과 접촉하기 때문으 로 설명하였다. Zhu 등

⁽⁷⁾

은 비등현상이 없는 단상 열전 달 영역에 대한 분무냉각실험에서 티타늄디옥사이드 (TiO

₂

) 나노유체를 사용한 경우가 물에 비해 열전달계수 가 35% 정도 증가함을 보였다. Bellerová 등

⁽⁸⁾

은 알루미 나(Al

2

O

3

) 와 티타늄디옥사이드(TiO

2

) 나노유체를 사용 한 분무냉각실험을 수행했는데, 물과 비교했을 때 오히 려 열전달계수가 감소함을 보였다. Chang 등

⁽⁹⁾

은 알루 미나 나노입자 부피비가 분무냉각에 미치는 영향을 연 구하여 낮은 부피비(0.001%)에서는 열전달이 물보다 증 가하였지만, 높은 부피비(0.025, 0.05%)에서는 나노입자 Recieved: 26 Jan 2015, Recieved in revised form: 16 Mar

2015, Accepted: 17 Mar 2015)

*

전남대학교 기계공학부

†

책임저자, 회원, 전남대학교 기계공학부 E-mail : [email protected]

TEL : (062)530-1683 FAX : (062)530-1689

(2)

의 침착으로 인해 약간 증가하거나 오히려 감소했음을 보였다. 이와 같이, 나노유체를 이용한 분무냉각에 대한 기존의 연구결과는 나노입자를 사용함으로써 분무냉각 성능의 개선 여부가 상반된 결과가 보고되고 있으며 여 전히 명확하게 규명되지 않고 있다. 따라서, 나노유체의 분무냉각 시 개별 나노유체 액적들의 고온벽과의 충돌 현상에 대한 연구가 필요하다.

본 연구에서는 나노유체를 사용한 분무냉각특성해석 의 기초적인 자료를 제공하기 위하여, 물과 나노유체 액 적이 고온벽과 충돌하는 현상을 시간지연촬영법으로 가 시화하여 거동 특성을 비교, 분석하였다. 나노유체의 질 량비와 고온벽의 온도를 변화시키며, 액적이 고온벽과 충돌 후 거동 특성 및 확산, 수축하는 액막의 직경 변화 를 측정하여, 물과 나노유체 액적의 충돌 후 거동 특성 을 분석하였다.

2. 실험장치 및 조건

액적의 고온벽면 위 충돌 거동을 가시화하기 위하여 시간지연촬영법을 사용하였다. 시간지연촬영법은 떨어 지는 액적을 광센서가 감지하여 감지 순간부터 지연시 간을 다르게 하면서 충돌 액적을 촬영하는 기법이다.

실험 장치의 구성은 Fig. 1에 나타내었으며, Fig. 2는 직경 D

0

의 액적이 높이 h인 위치에서 낙하하여 충돌 직전 속도 V로 고온벽 위로 충돌하는 것을 나타내고 있다.

액적은 시린지 펌프에서 공급되는 유체(물, 나노유체) 에 의해 일정 높이(h=220 mm)의 주사바늘 끝에서 떨어 진다. 주사바늘의 ID=0.140 mm, OD=0.305 mm이다. 떨 어지는 액적을 광센서가 감지하여 신호를 펄스발생기로

보내면, 원하는 지연시간 뒤에 CCD 카메라로 신호가 보내져서 충돌 액적의 거동을 촬영하게 된다. 고온벽의 재질은 구리이며, 면적은 25 mm × 25 mm이다. 가열을 위해 카트리지 히터(D=10 mm, L=70 mm, 250 W) 3개 가 사용되었으며 슬라이닥스에서 전압을 조절하여 고온 벽면온도를 변경시켰다. 고온 벽면온도는 표면에서 깊 이 방향으로 심어진 3개의 열전대(K Type, D=1.0 mm, L=12.5 mm)로 측정되었다. 충돌 액적의 크기와 속도는 고온벽과 충돌 직전에 촬영한 두 액적 이미지를 분석하 여 계산하였다.

나노유체에 사용한 나노 입자는 알루미나(Al

2

O

3

) 이며 평균 직경은 30 nm이다. 나노유체는 입자를 해당 질량 비로 물과 잘 섞은 후 초음파에너지를 가하여 입자간의 응집성을 최대한 제거하였다. 실험에 사용한 나노입자 의 질량비는 0.5, 1.0%이다. 물과 나노유체의 밀도, 점도, 표면장력은 직접 측정하였다. 밀도는 플라스크를 이용 하여 무게를 재어 측정하였고, 점성계수는 DV-III Ultra Rheometer(Brookfield Eng. Co.), 표면장력은 514-B2(Itoh Co.) 를 이용하여 측정하였으며 사용 유체의 측정값은 Table 1 에 나타내었다. 실험 변수는 고온벽의 온도 T

w

=80

^o

C 와 120

^o

C, 물과 나노유체의 질량비 0.5, 1%인 경 우에 대해 실험을 수행하였고, 실험 조건은 Table 2에 나타내었다.

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

Fig. 2 Impacting droplet onto a hot surface

Table 1 Properties of water and nanofluid Density

(kg/m

³

)

Viscosity (Pa·s)

Surface Tension (N/m) Water 998.0 0.959 ×10

⁻³

0.0727 0.5% wt.

Nanofluid 1014.8 0.426 ×10

⁻³

0.0704 1.0% wt.

Nanofluid 1020.0 0.306 ×10

⁻³

0.0640

(3)

3. 결과 및 고찰

Figs. 3~5 는 고온벽 온도가 80

^o

C 인 경우, 액적의 충돌 후 거동을 보여 주고 있다. 액적은 고온 벽에 충돌 후

4~5 ms 까지는 균일한 두께의 액막으로 서서히 퍼지다 가 액막 표면에 주름이 생기면서 약 11 ms에 최대 직경 에 도달한 후 다시 수축되는 데, 물인 경우(Case 1)에만 현저히 수축되어 액막의 직경이 매우 감소한다. 반면에 Table 2 Experimental conditions

Case T

w

(

^o

C) Fluid D

0

(mm) V (m/s) Re We

1

80 Water 3.48 2.00 7,243 191

2 0.5 % wt. nanofluid 3.55 1.99 16,820 203

3 1.0 % wt. nanofluid 3.58 1.92 22,400 167

4

120 Water 3.42 1.99 7,083 186

5 0.5 % wt. nanofluid 3.49 1.98 16,461 197

6 1.0 % wt. nanofluid 3.51 1.94 20,241 188

Fig. 3 The behavior of impacting water droplet on the hot surface for the case of T

w

=80

^o

C

Fig. 4 The behavior of impacting 0.5% wt. nanofluid droplet on the hot surface for the case of T

w

=80

^o

C

(4)

Fig. 5 The behavior of impacting 1.0% wt. nanofluid droplet on the hot surface for the case of T

w

=80

^o

C

Fig. 6 Comparison of the behavior of impacting droplet on the hot surface ( T

w

=80

^o

C) between different fluids

Fig. 7 The behavior of impacting water droplet on the hot surface for the case of T

w

=120

^o

C

(5)

Fig. 8 The behavior of impacting 0.5% wt. nanofluid droplet on the hot surface for the case of T

w

=120

^o

C

Fig. 9 The behavior of impacting 1.0% wt. nanofluid droplet on the hot surface for the case of T

w

=120

^o

C

Fig. 10 Comparison of the behavior of impacting droplet on the hot surface ( T

w

=120

^o

C) between different fluids

(6)

나노유체 액적(Case 2, Case 3)들은 충돌 후 액막 직경 이 확장된 상태에서 물인 경우와 비교해서는 매우 약하 게 수축되는 양상을 보이며, 이는 비슷한 시간대에 물과 나노유체 액적들의 충돌 후 거동을 비교한 Fig. 6에 잘 나타나 있다.

Figs. 7~9 는 고온벽 온도가 120

^o

C 인 경우, 액적의 충 돌 후 거동을 보여 주고 있다. 액적은 고온벽에 충돌 후 액막의 직경이 천천히 확장되다가 액막 표면에 파동이 생긴 후, 최대 직경에 도달한 이후에 비등이 발생하여 모든 유체가 증발하게 되는 데 물보다는 나노유체에서 비등 현상이 훨씬 활발하여 빠른 시간에 증발하는 것을 알 수 있다. Fig. 10은 물과 나노유체 액적들의 충돌 후 거동을 비교하여 보여주고 있다. 물의 경우 충돌 액적이 액막으로 퍼진 후 수축과정을 거치지만, 나노유체 액적 들은 수축과정이 거의 없으면서 활발한 비등으로 인하 여 액막이 분열되면서 증발하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 11 은 물과 나노유체 액적의 거동을 고온벽의 온 도에 따라 비교하였다. 고온벽의 온도가 80

^o

C 일 때는 충돌 액적이 액막으로 퍼졌다가 수축되며 비등 현상은 거의 일어나지 않는다. 반면에 T

w

=120

^o

C 일 때는 액적이 액막으로 넓게 퍼지면서 비등으로 인하여 대부분의 유 체가 증발되었음을 알 수 있다.

Fig. 12 는 액적이 충돌 후 확산, 수축되는 액막의 시 간에 따른 무차원 액막 직경의 변화를 나타내고 있으며 Table 3 은 무차원 액적 직경의 최대값을 보여주고 있다.

액적 직경은 Inspector(Matrox)를 사용하여 측정하였으 며, 측정오차는 길이 측정 시 좌, 우측 1개씩, 2개의 화 소 오차를 가정하면, 픽셀 1개의 실제 길이를 나타내는

환산계수에 의해 0.1 mm가 된다.

T

w

=80

^o

C 에서 물 액적은 나노유체 액적들보다 최대직 경이 가장 낮았으며, 가장 많이 수축하였다. 나노유체 Fig. 11 Comparison of the behavior of impacting droplet on the hot surface between different fluids

Fig. 12 Time history of droplet diameter evolution

(7)

액적들은 최대로 확장한 후 0.5% 질량비 나노유체 액적 의 직경은 큰 변화가 없는 반면, 1.0% 질량비 나노유체 액적은 약간 수축하였다. 최대직경이 가장 높은 액적은 1.0% 질량비 나노유체 액적이다. T

w

=120

^o

C 에서도 80

^o

C 인 경우와 유사한 경향을 보였다. 물 액적은 최대로 확 장한 후 수축되었지만 비등으로 인하여 80

^o

C 인 경우보 다는 덜 수축되었다. 나노유체 액적은 초기에는 1.0%

질량비 나노유체 액적이 가장 넓게 확장되었지만 그 이 후에는 비등으로 인하여 두 유체 액적의 직경 차이는 그리 크지 않았다. 최대직경은 두 고온벽 온도에서 나노 입자 질량비가 높을수록 최대직경이 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 1.0% 질량비 나노유체를 제외하고 80

^o

C 인 경우보다 120

^o

C 인 경우가 확장 액막에 발생한 비등현상 으로 더 높게 나타났다.

4. 결 론

본 연구에서는 물과 나노유체의 분무냉각성능 차이를 예측하기 위하여, 고온벽과 충돌하는 물과 나노유체 액 적의 충돌 후 거동을 시간지연촬영법으로 가시화하고, 고온벽의 온도와 나노입자 질량비 변화에 따른 거동을 분석하였다.

물과 나노유체 액적들은 고온벽과 충돌 후 액막으로 퍼지면서 최대직경에 도달한 후 나노유체 액적들은 약 간 수축되었지만, 물 액적은 많이 수축되었다. 나노입자 질량비가 높아질수록 확장 액막은 더 퍼져서 최대직경 은 더 커지는 경향을 보였다. 또한, 고온벽면의 온도가 높은 경우가 액막이 더 넓게 퍼지면서 비등 현상이 활 발히 발생하였다. 분무냉각시 개별 액적의 충돌 거동만 을 고려한다면, 물보다는 질량비가 높은 나노유체가 더 넓게 확산되면서 고온벽과의 열전달 면적의 증가로 냉 각성능이 더 좋을 것으로 예측된다.

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2

O

3

and TiO

2

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2

O

3

-water nanofluid”, Int. J. of Heat and Mass Transfer, Vol. 55, 2012, pp. 1014~1021.

Table 3 Maximum spreading diameter

Case 1 2 3 4 5 6

T

^w

(

^o

C) 80 120

wt. of nanofluid (%) 0 0.5 1.0 0 0.5 1.0

( D/D

0

)

_max