A Study on the Evaporation Characteristics of Water or Nanofluid Droplets on a Heated Surface

물과 나노유체 액적의 고온 벽면에서의 증발 특성에 관한 연구

김진한

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A Study on the Evaporation Characteristics of Water or Nanofluid Droplets on a Heated Surface

J. H. Kim, K. J. Lee, S. W. Jung and B. S. Kang

Key Words: Nanofluid(나노 유체), Droplet evaporation(액적 증발)

Abstract

In this study, the evaporation characteristics of water or nanofluid droplets on a heated surface was investigated by visu- alization of the evaporation process and evaluation of the heat transfer coefficient using the droplet temperature measured.

The evaporation characteristics was compared between water and nanofluid droplets and the effects of the mass ratio of nano- fluid and the inclination of heated surface were analyzed. The heat transfer rate of nanofluid droplet was higher than that of water droplet. The heat transfer coefficient was increased with the increase of the mass ratio of nanofluid. The effect of the inclination of heated surface was much higher than that of fluid type used, which indicates that the inclination of heated sur- face should be considered as one of influential parameters in the spray cooling process.

1. 서 론

분무 노즐에서 분사되는 액적을 이용하여 고온면을 냉각시키는 분무 냉각은 다른 냉각 방식과 비교했을 때 비교적 높은 냉각 성능을 가지며, 고온면을 균일하게 냉 각시킬 수 있고, 분무 특성을 적절히 조절하여 고온면의 냉각 특성을 용이하게 제어할 수 있는 장점을 보유하고 있다. 분무 냉각은 제철산업의 연속주조공정 강판의 열 처리, 화재 진화, 원자력발전소 경수로의 용융노심 비상 냉각 등⁽¹⁾과 같이 비교적 표면 온도가 매우 높은 경우의 분야에서 오래 전부터 사용되어 왔으며, 최근에는 표면 온도를 낮게 유지시킬 필요가 있는 고밀도 전자장치, 고

출력 고체 레이저의 냉각 등⁽²⁾광범위한 산업 분야에서 활발히 활용되고 있다.

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, 분무 냉각 분야에서 도 일반 유체 대신에 나노유체를 사용한 연구^(3~6)가 발 표되고 있다. 이 경우 분사된 유체는 고온 금속벽과 충 돌한 후 액적의 형태로 존재하게 된다. 이러한 액적 내 부에 나노입자가 존재함으로 인하여 액적의 습윤성 (wettability)이 변화하게 되고 고온 벽면에서 액적으로의 열전달이 영향을 받게 된다.

신동환 등⁽⁷⁾은 나노유체 액적의 젖음 거동 및 증발 특 성을 분석하여, 나노유체의 질량비가 증가할수록 둘레 길이가 증가하며 총 증발시간은 감소함을 보고하였다.

김영찬⁽⁸⁾은 고체면의 표면조도가 일정한 경우 물 액적 보다 나노유체 액적의 접촉각이 작아짐을 보고하였다.

또한, 김영찬⁽⁹⁾은 나노입자가 유체의 열전도도를 향상시

(Recieved: 17 Oct 2016, Recieved in revised form: 8 Nov

2016, Accepted: 23 Nov 2016)

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전남대학교 기계공학부

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

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

켜서 나노유체 액적의 증발속도가 물 액적보다 증가함 을 보고하였다. Kim⁽¹⁰⁾은 나노유체 액적의 증발시간이 물 액적보다 짧고, 나노유체 액적의 열전달계수가 물 액 적보다 높은 결과를 보고하였으며, 나노유체의 초기 접 촉각과 열전도도의 증가를 그 요인으로 제시하였다.

본 연구에서는 물과 나노유체 액적의 고온 벽면 위에 서의 증발 특성을 파악하여 나노유체를 이용한 분무냉 각 열전달 연구의 기초적인 자료를 제공하고자 한다. 물 과 나노유체 액적의 고온 벽면 위에서의 증발 특성을 비교하였고, 나노유체 입자 질량비의 변화와 고온 벽면 의 경사가 나노유체 액적의 증발 특성에 미치는 영향을 분석하였다.

2. 실험장치 및 조건

나노유체 액적의 고온 벽면 위 증발 현상을 가시화하 기 위한 실험 장치는 Fig. 1에 나타내었듯이 액적 생성 장치, 고온 벽면 실험체적과 전기공급부, 광원과 CCD 카메라의 가시화장치, 온도 측정장치로 구성된다. 액적 은 시린지 펌프에서 매우 작은 유량으로 공급되는 유체 (물, 나노유체)에 의해 주사바늘 끝에서 매우 부드럽게 고온 벽면 위에 놓인다. 증발 과정의 가시화는 광원 (stroboscope)과 CCD 카메라(Megaplus ES1.0)를 사용하 였다. 고온벽은 열전도도가 높고 절삭성이 좋은 구리로 제작하였으며, 한 변이 25 mm인 정사각형으로써, 길이 가 40 mm인 직육면체의 상부가 된다. 실험 시작 직후, 고온벽과 액적의 접촉각은 약 38~40° 정도이다.

가열을 위해 카트리지 히터(D=10 mm, L=70 mm, 250 W) 3개가 사용되었으며 슬라이닥스에서 전압을 조 절하여 고온 벽면온도를 변경시켰다. 고온 벽면온도는

표면에서 깊이 방향으로 심어진 3 개의 열전대(K Type, D=1.0 mm, L=12.5 mm)로 측정되었다. 열전대로부터의 신호는 데이터 수집장치(Agilent, 34970A)를 사용하여 수집되었다.

나노유체에 사용한 나노 입자는 알루미나(Al2O3)이며 평균 직경은 30 nm이다. 나노유체는입자를 해당 질량비 로 물과 잘 섞은 후 초음파에너지를 약 30분 정도 가하 여 입자간의 응집성을 최대한 제거하였다. 실험에 사용 한 나노입자의 질량비는 1, 2, 3%이며, 사용 유체의 물 성값은 Table 1에 나타내었다. 물과 나노유체의 밀도는 플라스크를 이용하여 부피와 질량을 측정하였고, 비열 은 물과 나노입자 각각의 비열로부터 질량비를 반영하 여 계산하였다.

Table 1 Properties of water and nanofluid Fluid Density(ρ)

(kg/m³)

Specific Heat(c) (J/kg·K)

Water 998 4,184

Nano- fluid

1% wt. 1,020 4,151 2% wt. 1,042 4,118 3% wt. 1,064 4,085

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

Fig. 2 Measurement of droplet temperature

Fig. 3 Measurement of average droplet temperature

액적의 열전달계수를 구하기 위하여 필요한 액적의 온도는 Fig. 2와 같이 액적 중앙에 놓인 열전대를 이용 하여 측정하였고, 시간에 따른 온도변화를 Fig. 3에 나 타내었다. 이러한 온도 측정 결과로부터 평균 액적온도 T

dm

고온 벽면 위 액적으로의 열전달계수 h를 구하기 위 하여 Kim⁽¹⁰⁾의 열전달 모델을 적용하였다. 즉, 고온 벽 면에서 액적으로의 총 열전달량 Q

t

(1) 로 표현되며, A는 고온벽과 액적의 접촉면적, T

w

dm

b

e

(2) (3) 로 표현되며, V

d

di

v

실험 조건은 Table 2에 나타내었으며, 실험 A에서는 물과 1% 질량비 나노유체 액적에 대해 고온 벽면온도 를 변화시켰고, 동일 고온 벽면온도에서 실험 B에서는 나노유체 질량비의 영향, 실험 C에서는 고온 벽면의 기 울기 영향을 파악하고자 하였다. 실험 A는 주사바늘 22

Gauge를 사 용하였고 액적 체적은 20 μL였으며, 실험 B와 C는 26 Gauge, 액적 체적은 8 μL였다.

3. 결과 및 고찰

Figure 4는 고온 벽면온도 T

u

질량비 나노유체의 액적 증발과정을 보여주고 있으며,

Q

= hA T (

– T

) t Δ = Q

+ Q

Q

= ρcV

( T

– T

) Q

= ρV

L

Table 2 Experimental conditions

Case Fluid T

w

A-1 water

81.3 0

A-2 1% wt. nanofluid

A-3 water

98.5 0

A-4 1% wt. nanofluid B-1 1% wt. nanofluid

112.8 0 B-2 2% wt. nanofluid

B-3 3% wt. nanofluid C-1

3% wt. nanofluid 103.2

2.9

C-2 6.2

C-3 14.4

Fig. 4 Process of droplet evaporation on the heated surface for the case of T

w

Fig. 5는 초기 액적 직경 D0를 이용하여 무차원한 액적 의 유효접촉직경 D의 시간에 따른 변화를 보여주고 있 다. 80초 이후부터 접촉직경의 감소가 나타나는데, 나노 유체 액적은 나노입자의 영향으로 표면장력이 줄어들어

접촉직경이 물 액적보다 크다는 것을 알 수 있다. 따라 서, 이로 인한 열전달 면적의 증가로 물 액적보다는 나 노유체 액적으로의 열전달이 더 크게 된다. Table 3은 Fig. 5 Time history of droplet diameter evolution for the

case of T

w

Table 3 Evaporation time and mean temperature of droplet Case Fluid T

w

dm

A1 water

81.3 135 75.6 A2 1% wt. nanofluid 129 75.7 A3 water

98.5 56 90.2 A4 1% wt. nanofluid 45 92.6 B1 1% wt. nanofluid

112.8

6.6 94.9 B2 2% wt. nanofluid 6.1 96.9 B3 3% wt. nanofluid 6.0 97.1 C1

3% wt. nanofluid 103.2

13.8 94.9

C2 13.6 96.7

C3 9.0 98.1

Fig. 6 Process of droplet evaporation on the heated surface for the case of T

w

각 실험조건에서 액적의 증발 시간을 보여 주고 있다.

실험 A는 1회, B와 C는 10회 실험의 평균값이다.

T

w

Figure 6은 고온 벽면온도가 더 높아져 T

w

부에서 비등 현상이 일어남을 관찰할 수 있었다. Fig. 7 은 액적의 무차원 유효접촉직경의 시간에 따른 변화를 보여주고 있다. T

w

w

w

w

Figure 8은 고온 벽면온도 T

w

Figure 9는 벽면온도 T

w

case of T

w

Fig. 8 Process of droplet evaporation on the heated surface for the case of T

w

체 액적이 증발할 때, 벽면의 경사각을 2.9^o, 6.2^o, 14.4^o 로 변화시켰을 때의 증발 과정을 보여 주고 있다. 액적 의 증발 시간은 2.9^o에서 13.8초, 6.2^o에서 13.6초로 약간 감소하였지만, 경사각 14.4^o에서는 9.6초로 크게 감소하 였다. 평균 액적온도는 경사각이 커질수록 94.9^oC, 96.7^oC, 98.1^oC로 높아졌다. 이러한 결과는 경사각이 커질수록 고온벽에서 액적으로의 열전달이 높아졌음을 나타낸다.

Figure 10에 나타내었듯이 나노유체 액적이 완전히 증발한 후에 나타나는 커피링(coffee ring)을 관찰해 보 면, 수평한 고온 벽면에서는 액적 가장자리로 균일한 두 께의 커피링이 관찰된 반면, 경사진 벽면에서는 중력에 의해 나노입자가 아래 방향으로 몰리면서 액적 아랫부 분의 커피링 두께가 더 두꺼움을 알 수 있다. 이로 인해

액적 아랫부분에서는 열전달을 향상시키는 나노입자의 증가로 인하여 액적으로의 열전달이 매우 증가한다는 Fig. 9 Process of droplet evaporation on the inclined heated surface for the case of T

w

Fig. 10 Effect of surface inclination on the phenomena of coffee ring

것을 알 수 있다.

각 실험조건에서 식 (1)에 의해 계산된 열전달계수를 Fig. 11에 나타내었다. 전반적으로 대부분의 유체에서 고 온 벽면온도가 높아질수록 열전달계수는 높아짐을 알 수 있다. 벽면온도 T

w

w

w

벽면온도 T

w

4. 결 론

본 연구에서는 고온 벽면에서 물과 나노유체 단일 액 적의 증발 특성을 분석하기 위하여, 액적의 증발 과정을 가시화하였고 액적 온도를 측정하여 열전달계수를 구하 였다. 물과 나노유체 액적의 고온벽 위에서의 증발 특성 을 비교하였고, 나노유체 입자 질량비의 변화와 고온벽 의 경사가 나노유체 액적의 증발 특성에 미치는 영향을 분석하였다.

물 액적보다는 나노유체 액적으로의 열전달이 더 높 았으며, 나노유체 입자 질량비가 높을수록 열전달이 높 게 나타났다. 고온 벽면 기울기의 영향은 사용 유체의 영향보다 크게 나타났으며, 그리 높지 않은 경사각에서 도 열전달계수가 매우 높게 나타났다. 따라서, 나노유체 를 활용한 분무냉각 해석 시 고온벽의 기울기가 중요한 변수로서 고려되어야 할 것이다.

참고문헌

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Fig. 11 Heat transfer coefficient for a droplet on heated surface