The Experimental Study on Mist Cooling Heat Transfer

초음파진동을 이용한 미세분무냉각 열전달에 관한 실험적 연구

김 영 찬

^†

The Experimental Study on Mist Cooling Heat Transfer

Yeung Chan Kim

Key Words: Mist Cooling( ^{미세분무냉각} ), Heat Transfer( ^열전달 ), Supersonic( ^초음파 ), Micro-fin( ^{마이크로 휜} ), Cooling Technique ( 냉각기술 )

Abstract

Mist cooling is widely employed as a cooling technique of high temperature surfaces, and it has heat transfer characteris- tics similar to boiling heat transfer which has the convection, nucleate and film boiling regions. In the present study, mist cooling heat transfer was experimentally investigated for the mist flow impacting on the heated surfaces of mico-fins. The mist flow was generated by supersonic vibration. Experiments were conducted under the test conditions of droplet flow rate, Q = 6.02×10⁻⁹~3.47×10⁻⁸ m³/s and liquid temperature, T^f= 30~35^oC. From the experimental results, it is found that an increase in the droplet flow rate improves mist cooling heat transfer in the both case of smooth surface and surfaces of micro-fins. Micro-fins surfaces enhance the mist cooling heat transfer. Besides, the experimental results show that an increase in the droplet flow rate decrease the heat transfer efficiency of mist cooling.

기호설명

c

: 액체의 비열 [kJ/kg]

D : ^{액적유량밀도} [m

/(m

s)]

h

: 액체의 증발열 [kJ/kg]

Q : 분무액체의 유량 [m

/s]

q" : ^{표면 열유속} [W/m

] T

: 분무액체의 온도 [

C]

T

: 냉각면의 표면온도 [

C]

T

: 분무액체의 포화온도 [

C]

∆ T

: ^{냉각표면과 액체의 온도차이} , T

-T

ρ : 액체의 밀도 [kg/m

]

1. 서 론

미립화한 액체를 고온의 물체에 충돌시켜 물체를 냉 각시키는 분무냉각열전달에는 분무액체의 유량 및 온도 ,

충돌속도 , 냉각면의 재질 , 표면 형상 등을 비롯한 많은 요인들이 영향을 미치고 있으며 , 이들 요인들은 열전달 현상을 매우 복잡하게 만들뿐만 아니라 분무냉각열전달 의 정확한 예측을 어렵게 한다 . 또한 분무냉각열전달은

냉각면의 온도에 따라 강제대류 (Forced convection), 핵

비등 (Nucleate boiling), 막비등 (Film boiling) 과 같은 다 양한 형태의 열전달 특성을 나타내고 있기 때문에 분무 냉각을 이용한 냉각시스템의 설계를 위해서는 각각의 온도영역에 대한 열전달 특성을 명확히 파악할 필요가 있다 .

위에서 언급한 분무냉각열전달에 영향을 미치는 여러 요인들 중에서도 분무액체의 유량은 열전달에 가장 큰

영향을 미치는 요인으로 알려져 있다 . Kim ^{et al} .

^은

강제대류 및 핵비등 , 막비등 영역을 대상으로 분무액체 2010

11

02

~2010

12

21

, 2010

12

23

)

†책임저자

,

,

E-mail : [email protected]

TEL : (054)820-6013 FAX : (054)820-5092

의 유량을 폭 넓게 변화시켜 분무냉각열전달에 관한 일 련의 연구를 수행하였으며 , ^{이들 연구결과에 기초하여}

분무액체 유량과 분무냉각열전달과의 상호관계를 나타 내는 열전달 상관식을 제안하였다 . 또한 최근의 연구

에서는 냉각면 표면에 다양한 크기와 형상의 마이크로

휜 (Micro-fin) ^{이 가공된 냉각면을 대상으로 분무냉각열전}

달 실험을 수행하여 마이크로 휜 형상이 분무냉각열전달 에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다 . 이 연구에서 는 분무액체의 유량을 9.17×10

~3.08×10

m

/s ^{의 범위}

로 설정하고 , 냉각면 표면에 다양한 크기와 형상의 마이 크로 휜이 가공된 냉각면에 대한 분무냉각열전달 실험을 수행하였다 . ^{그 결과} , ^{분무냉각열전달은 분무유량이 비}

교적 작고 희박한 분무영역에서 마이크로 휜 형상의 영 향을 크게 받고 있었으며 분무유량이 증가할수록 이러한 경향은 점차 약해지고 있음을 파악할 수 있었다 .

본 연구에서는 분무액체의 유량을 기존의 실험범위보 다 더욱 작게 설정하여 강제대류 및 핵비등영역을 대상 으로 분무냉각열전달 실험을 수행하였다 . 이를 위해서

초음파 진동에 의해 발생하는 미세분무 (Mist) ^{를 실험에}

이용하였으며 , 분무액체의 유량을 6.02×10

~3.47×10

m

/s(0.36~2.08 cm

/min) 의 범위로 설정하여 실험을 수

행하였다 . ^냉각면은 Fig. 1 ^{에 나타낸 바와 같이 한 변의}

길이가 각각 500 µ m, 900 µ m 인 정육면체 형상의 마이

크로 휜을 가공한 2 종류의 냉각면과 마이크로 휜이 가 공되어 있지 않은 편평한 냉각면을 이용하여 실험을 수 행하였으며 , 이들 실험결과를 상호 비교하여 마이크로 휜 형상이 열전달 촉진에 미치는 영향을 파악하였다 .

2. 실험장치 및 방법

Fig. 2 에는 본 연구에 사용된 실험장치의 개략도를 나

타내었다 . 본 연구에서는 물을 작동유체로 사용하였으 며 , 앞서 설명한 바와 같이 분무액체의 유량이 아주 작 은 분무영역을 대상으로 분무냉각열전달 실험을 수행하 였다 . 이를 위해서 본 실험에서는 초음파 진동에 의해 발생되는 미세분무를 실험에 이용하였다 . 분무액체는

Fig. 2 ^{의 ⑨에 나타낸 미스트 발생기} (Mist generator) ^에서

초음파 진동에 의해 크기가 약 50 µ m 이하의 미세 액 적으로 분해되어 냉각면 표면에 공급된다 . 또한 분무유 량은 미스트 발생기의 전원을 조절함으로서 6.02×10

~3.47×10

m

/s 의 범위에서 변화시킬 수 있었다 . 미스

트 발생기에 발생되는 액적은 Fig. 2 의 ②에 나타낸 바

와 같이 내경이 10 mm ^{인 플라스틱 노즐을 통해 냉각면}

에 공급된다 .

분무노즐과 냉각면과의 거리는 약 10 mm 로 설정하

였으며 , 노즐을 통과하는 액적 (Droplet) 의 대부분이 냉

각면에 충돌할 수 있도록 실험장치를 구성하였다 .

본 실험에서는 앞서 설명한 바와 같이 한 변의 길이

가 각각 500 µ m, 900 µ m 인 정육면체 형상의 휜을 표면

에 가공한 2 ^{종류의 냉각면과 휜이 가공되어 있지 않은}

편평한 냉각면을 사용하여 실험결과를 상호 비교하였다 .

Fig. 2 의 ③에 나타낸 원통형 구리 블록의 한쪽 면에 직

Fig. 1 View and geometry of micro structure Fig. 2 Schematic of experimental apparatus

경이 약 9.8 mm 인 냉각면을 가공하여 실험에 사용하였 다 . ^{냉각면과 반대쪽에는 직경이} 60 mm ^{인 원통형 구리}

블록에 용량이 220W 인 카트리지 히터를 9 개 삽입하여

전원조절기를 이용하여 냉각면에 인가되는 열유속을 조 절하였다 . 구리 블록은 베이크라이트 (Bakelite) 로 제작된 용기와 단열재를 이용하여 열손실을 최소로 하였다 . ^냉

각면 표면으로부터 약 1.5 mm 아래 위치에 직경 0.5

mm 의 K type 열전대를 삽입하여 온도를 측정하였으며 ,

냉각면의 표면온도는 이 지점에서 측정된 온도에 기초 하여 열전도 방정식을 이용하여 계산하였다 . 본 실험에 서 열손실은 카트리지 히터에 인가된 전력의 3% 미만 이며 , ^{표면 열유속 산출시 이러한 열손실을 고려하여 열}

유속을 계산하였다 . 실험방법은 우선 구리 블록에 최초

20W/cm

정도의 낮은 열유속을 인가하여 냉각면의 온

도가 정상상태에 도달한 시점에서의 냉각면 온도를 측 정하였으며 , 이후 점차적으로 열유속을 상승시켜 임계

열유속점 (Critical heat flux) 부근에 도달할 때까지 실험

을 반복적으로 수행하였다 .

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 3 에는 분무액체의 온도를 약 30~35

C 로 일정하

게 설정하고 분무액체의 유량을 6.02×10

~34.72×10

m

/s ^{의 범위에서 변화시켜 표면 열유속을 측정한 결과}

를 나타내었다 . Fig. 3 의 (a) 에는 휜이 가공되어 있지 않 은 편평한 냉각면에 대한 실험결과를 나타내었으며 , (b)

와 (c) 에는 냉각면 표면에 각각 500 µ m, 900 µ m 크기

의 마이크로 휜이 가공된 냉각면에 대한 실험결과를 나 타내었다 . 단 , 그림에 나타낸 실험값들은 모두 냉각면의

투영면적 0.75 cm

에 대해 단위 면적당 열유속을 산출

한 값이다 .

또한 Fig. 3 에는 냉각면에 미세 분무류 (Mist flow) 을

공급하지 않고 , 냉각면이 공기와의 자연대류 (Natural

convection) ^{및 복사} (Radiation) ^{열전달에 의해 냉각될 경}

우에 대한 열유속을 측정하여 그 결과를 함께 나타내었 다 . 이 때 주위 공기온도는 약 30

C 로 설정하여 실험을 수행하였다 . Fig. 3 ^의 (a), (b), (c) ^{에 나타낸 모든 실험결}

과로부터 자연대류에 의한 열유속이 가장 낮고 분무액 체의 온도를 거의 일정하게 유지한 상태에서 분무액체 의 유량이 증가할수록 열유속이 점차 증가하고 있음을 알 수 있다 . ^{본 실험에서는 물을 작동유체로 사용할 경}

우 카트리지 히터용량의 문제로 임계 열유속에 도달하 Fig. 3 Mist cooling heat transfer for different droplet flow

rate (Q=6.01×10

~34.72×10

m

/s)

기 전에 실험을 중단하였으므로 Fig. 3 에 나타낸 실험결 과에는 임계 열유속이 포함되어 있지 않다 .

Fig. 4 ^{에는 분무액체의 유량과 온도를 거의 일정하게}

설정한 상태에서 3 종류의 냉각면에 대한 실험결과를 나

타내었다 . Fig. 4 에는 Fig. 3 의 그림과 마찬가지로 자연

대류에 의한 열유속 측정결과를 함께 나타내었다 . Fig.

4 ^의 (a), (b) ^{에 나타낸 각기 다른 분무유량 조건을 대상}

으로 실험한 결과에서 알 수 있듯이 편평한 냉각면에 비해 마이크로 휜이 가공된 냉각면의 열유속이 약간 높 게 나타나고 있다 . ^{또한 비교적 큰 차이는 아니지만} 500

µ m 마이크로 휜이 가공된 냉각면의 열유속이 900 µ m

마이크로 휜의 경우 보다 열유속보다 약간 높게 나타나 고 있음을 알 수 있다 . ^{이와 같이 편평한 냉각면에 비해}

마이크로 휜이 가공된 냉각면의 분무냉각열전달이 향상

되는 원인으로 여러 가지 요인들을 추정할 수 있지만 일반적으로 마이크로 휜에 의한 표면적 증가와 모세관 효과를 우선적으로 생각할 수 있다 . 본 실험에서 사용한

5 ^{비해 마이크로 휜 냉각면의 표면적은} 156.4 mm

, 9 ^비

해 마이크로 휜 냉각면의 경우는 153.8 mm

이며 편평

한 냉각면의 표면적 75.4 mm

에 비해 약 2 배 증가하였

음을 기하학적 계산으로부터 알 수 있다 . ^{이러한 표면적}

의 증가가 열전달 촉진에 상당 부분 기여하였을 것으로 판단된다 . 이와는 별도로 마이크로 휜이 가공된 냉각면 의 열전달은 모세관 효과에 의해서도 촉진될 것으로 추 정된다 .

Fig. 5 의 (b) 에 나타낸 바와 같이 마이크로 휜이 가공

된 냉각면에서는 마이크로 휜의 모세관 효과에 의해 액 적이 냉각면에 충돌하는 순간 넓게 퍼지게 되며 , 이는 액적과 냉각면과의 접촉 면적을 크게 증가시켜 열전달 을 촉진시키는 것으로 추정된다 . 본 실험에서 사용한

500 ^µ m ^{마이크로 휜 냉각면의 표면적과} 900 ^µ m ^마이

크로 휜 냉각면의 표면적이 거의 동일함에도 불구하고

500 µ m 마이크로 휜이 가공된 냉각면의 열유속이 약간

더 높게 나타나는 것은 이러한 현상에 의한 것으로 추 정된다 .

Fig. 6 에는 편평한 냉각면에 대하여 분무액체의 유량

과 분무냉각열전달 효율 (Efficiency) ^{과의 관계를 나타내}

었다 . 그림에 나타낸 분무냉각열전달 효율 , ε은 아래의 식

을 이용하여 계산하였다 .

(1)

위 식에서 q

는 순수 액적에 의한 열유속을 나타내며 ,

본 실험에서는 표면 열유속 , q" ^{에서 실험으로부터 구한}

대류 및 복사에 의한 열유속을 뺀 값을 사용하였다 . 또 ε q

ρD h ^[

+ c

⁽ T

– T

^{) ]}

---

= Fig. 4 Effect of surface structures on heat flux

Fig. 5 Droplet behavior on micro-fins surface

한 액적유량밀도 , D 는 분무액체의 유량을 냉각면의 투 영면적으로 나눈 값으로 단위 면적당 냉각면에 충돌하 는 분무액체의 유량을 의미한다 . 분무냉각열전달 효율 에 관한 식 (1) 은 냉각면에 충돌하는 액적들이 냉각면으 로부터 열을 흡수하여 모두 증발한다고 가정할 경우에 대한 열유속과 실제 실험에서 측정한 열유속과의 비를 나타내며 , 이는 냉각면에 충돌하는 액적들의 열전달에 기여하는 효율을 의미한다 .

Fig. 6 ^{에 나타낸 바와 같이 편평한 냉각면을 대상으로}

실험한 경우에 있어서 액적유량밀도가 증가할수록 분무 냉각열전달 효율은 급격이 감소하며 , 또한 냉각면의 표 면온도가 낮을수록 열전달 효율이 감소하고 있음을 알 수 있다 . 이는 액적유량밀도가 증가할수록 냉각면에 미

증발 액적에 의한 액막 (Liquid film) 이 형성되며 , 이 액

막의 형성은 충돌액적과 냉각면의 직접적인 접촉을 방 해하여 분무냉각열전달 효율이 감소하게 되는 것으로 판단된다 .

Fig. 7 에는 냉각면 표면형상이 서로 다른 3 종류의 냉

각을 대상으로 실험한 결과를 이용하여 열전달 효율을 계산한 결과를 나타내었다 . Fig. 6 에 나타낸 편평한 냉 각면을 대상으로 실험한 결과와 마찬가지로 액적유량밀 도가 증가할수록 열전달 효율이 감소하고 있음을 알 수 있다 . 또한 표면이 편평한 냉각면보다 마이크로 휜이 가 공된 냉각면의 열전달 효율이 높게 나타나고 있으며 , 이 는 앞서 설명한 바와 같이 마이크로 휜이 가공된 냉각 면에서는 마이크로 휜에 의한 표면적 증가와 모세관 효 과에 의해 분무냉각열전달 효율이 증가하는 것으로 판

단된다 . ^단 , Fig. 6 ^과 Fig. 7 ^{에 나타낸 값들 중 액적유량}

밀도가 10

m

/(m

s) 보다 큰 영역의 열전달 효율은 기 존의 연구결과

를 활용하여 계산하였다 .

4. 결 론

본 연구에서는 초음파 진동에 의해 발생하는 미세분무

(Mist) 를 이용하여 분무냉각열전달 실험을 수행하였다 .

냉각면은 한 변의 길이가 각각 500 µ m, 900 µ m 인 정육

면체 형상의 마이크로 휜을 가공한 2 ^{종류의 냉각면과 휜}

이 가공되어 있지 않은 편평한 냉각면을 실험에 이용하 였다 . 실험결과로부터 다음과 같은 사실을 알 수 있었다 . 1) 분무액체의 유량이 매우 작은 영역에서도 유량이 증 가할수록 표면 열유속이 증가하고 있음을 알 수 있었다 .

2) 동일한 실험조건에서 500 µ m 휜이 가공된 냉각면

의 열유속이 가장 높았지만 900 µ m 냉각면과 편평한

냉각면의 열유속에 비해 그 차이는 그리 크지 않음을 알 수 있었다 . 이는 분무액체의 유량이 매우 작기 때문 에 마이크로 휜에 의한 열전달 촉진효과도 크지 않은 것으로 판단된다 .

3) 액적유량밀도와 열전달 효율과의 관계를 계산한 결과로부터 액적유량밀도가 감소할수록 분무냉각열전 달 효율은 점차 증가하는 것을 알 수 있었다 .

후 기

본 논문은 2009 년도 한국과학재단 일반연구자지원사

Fig. 6 Heat transfer efficiency for smooth surface

Fig. 7 Effect of surface structures on heat transfer effi-

ciency of mist cooling

업(2009-0070838)의 연구비지원에 의하여 연구되었으며 관계자 여러분께 감사드립니다.

참고문헌

(1) Y.C. Kim, S. Nishio and H. Ohkubo, “Spray Cooling with Formation of Liquid Film Flow: Distribution of Heat Transfer Coefficient in High Temperature Region”, Trans. of the JSME, Vol. 60-574, 1994, pp.2158-2164.

(2) Y.C. Kim and S. M. Yun, “Study on Correlation of Droplet Flow rate and Film Boiling Heat Transfer in Spray Cooling”, Trans. of the KSME(B), Vol. 31-4, 2007, pp.335~340.

(3) Y.C. Kim, “Study on Boiling Heat Transfer of FC-77 in Spray Cooling”, J. of ILASS-KOREA, Vol.12-4, 2007, pp.179~184.

(4) Y.C. Kim, “Correlation of Droplet Flow Rate and Spray Cooling Heat Transfer in Forced Convection and Nucleate Boiling Region”, J. of ILASS-KOREA, Vol.13- 3, 2008, pp.143~148.

(5) Y.C. Kim, “Effect of Micro-fin structure on Spray Cooling Heat Transfer in Forced Convection and Nucleate Boiling Region”, Trans. of the KSME(B), Vol. 34-11, 2010 (in press)

(6) C.O. Pederson, “An Experimental Study of the Dynamic Behavior and Heat Transfer Characteristics of Water Droplets impinging upon a Heated Surface”, Int. J. of Heat & Mass Transfer, Vol.13, 1970, pp.369~381.