[논문]마이크로 채널에서 물의 비등 열전달 특성

임태우; 유삼상; 최형식; 김동혁

doi:10.5916/jkosme.2011.35.6.750

마이크로 채널에서 물의 비등 열전달 특성
Boiling Heat Transfer Characteristics of Deionized Water in Microchannel 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.35 no.6, 2011년, pp.750 - 756

임태우 (한국해양대학교 기관공학부) , 유삼상 (한국해양대학교 기계.에너지시스템공학부) , 최형식 (한국해양대학교 기계.에너지시스템공학부) , 김동혁 (한국해양대학교 기계.에너지시스템공학부)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 $500{\mu}m$의 수력 직경을 가지는 마이크로 채널에서 물에 대한 유동 비등 열전달계수를 측정하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 실험 영역은 열유속이 100~400 kW/$m^2$이고, 증기 건도가 0~0.2 그리고 질량유속이 200, 400 그리고 600 kg/$m^2s$의 범위에서 이루어졌다. 실험결과 측정된 열전달계수는 질량유속과 증기건도에는 의존하지 않으며, 열유속에는 다소 의존하는 것으로 나타났다. 또한 측정된 열전달계수는 매크로스케일에서 제안된 몇몇 상관식들과 비교하였으며, 기존의 상관식들은 본 연구의 실험 조건에서 얻어진 유동 비등 열전달계수를 높게 예측하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study was carried out to measure the heat transfer coefficient in flow boiling to deionized water in a microchannel having a hydraulic diameter of $500{\mu}m$. Tests were performed in the ranges of heat fluxes from 100 to 400 kW/$m^2$, vapor qualities from 0 to 0.2 and mass fluxes of 200, 400 and 600 kg/$m^2s$. From the experimental results, it is found that the measured heat transfer coefficients is independent of mass flux and quality, and is somewhat dependent of heat flux. Measured data of heat transfer are compared to a few available correlations proposed for macroscale. The previous correlations for macroscale overpredicted the flow boiling heat transfer coefficient for the test conditions considered in this work.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 마이크로 채널에서의 이상 유동 열전달에 대한 실험적 연구를 통해 마이크로 스케일에서의 열전달 특성을 분석하는 것이며, 또한 얻어진 결과를 기존의 매크로 관에서 얻어진 상관식과 비교·분석하고자 한다.

가설 설정

는 유동방향으로 감소한다. 마이크로채널 내의 국소 압력을 얻기 위해 마이크로채널의 입구에서 출구까지 선형적으로 압력이 강하하는 것으로 가정하며, 국소 포화 포화온도 T_sat도 마찬가지다. 식에서 벽면온도 T_w는 마이크로채널의 하부에서 측정된 온도 T_b를 교정함으로써 얻어지며, 다음과 같다.
본 연구에서는 주어진 단면에서 마이크로채널의 측면 벽온도는 하부 온도와 다르지 않다고 가정하였다. 동일한 가정이 [20]에 의해서도 사용되었다.

제안 방법

실험을 시작하기 전에 저장조의 작동유체를 약 1시간 동안 가열시켜 증발시킴으로 가스제거(degassing) 작업을 수행한다. 그리고 시린지 펌프로 물을 순환시켜 전자저울로 유량을 측정하여 원하는 값으로 시린지 펌프를 조절하였다. 마이크로 채널내의 유동 비등 실험은 일정한 유량에서 열유속을 증가시킴으로써 수행되었다.
현재 마이크로 채널 구조[11]에서의 유동 비등 열전달에 대한 메커니즘을 이해하기 위한 수많은 연구가 이루어지고 있으며, 핵 비등이 마이크로 채널내에서의 증발을 지배하는 것[12]으로 여러 연구자들에 의해 밝혀지고 있다. 또한 이전의 큰 관에서의 유동 비등의 경우 대류와 핵 비등 열전달을 중요하게 고려하였으며, 총 열전달은 전형적으로 이들 두 개의 성분을 결합하여 취급하였다. 그러나 마이크로 채널에서의 유동은 보통 층류이기 때문에 전통적인 비등 상관식들은 비등 열전달을 높게 예측한 것으로 밝혀졌다[13].
그리고 시린지 펌프로 물을 순환시켜 전자저울로 유량을 측정하여 원하는 값으로 시린지 펌프를 조절하였다. 마이크로 채널내의 유동 비등 실험은 일정한 유량에서 열유속을 증가시킴으로써 수행되었다. 본 연구에서 작동유체의 유량은 2.
본 연구에서는 수력직경 500μm를 가지는 수평사각 마이크로 채널에서 유동 비등 열전달 시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이들 측정량의 불확실성은 유량의 경우 ±3∼5%였으며, 압력 강하 측정은 풀 스케일에서 0.25%의 정확성을 가지는 차압계 (differential pressure drop transducer)를 사용하였다.
작동유체의 입·출구 온도는 입구와 출구에 절대 압력계와 T-type 열전대를 설치하여 측정하였으며, 시험부 입·출구의 압력 강하는 차압계를 사용하여 측정하였다.

대상 데이터

Figure 1은 유동 비등 열전달과 압력강하 측정을 위한 실험장치의 개략도를 나타낸다. 본 시스템은 입구 저장탱크(reservoir tank), 핫플레이트(hot plate), 시린지 펌프(syringe pump), 필터(filter), 예열기(preheater), 시험구간(test section), 출구 저장탱크(reservoir tank) 그리고 전자저울(electronic balance)로 구성되어 있다. 모든 실험에서 작동유체(de-ionised water)는 핫플레이트에서 일정온도로 가열된 후 시린지 펌프에 의해 필터를 거쳐 예열기로 공급되며, 예열기에서 시험구간 입구의 주어진 엔탈피까지 예열된 후 시험구간으로 들어가 다시 가열되게 되어 있다.
본 실험에서 직접 측정된 양은 유량, 압력 강하, 입·출구 압력, 그리고 열 유속 등이다. 이들 측정량의 불확실성은 유량의 경우 ±3∼5%였으며, 압력 강하 측정은 풀 스케일에서 0.

성능/효과

1. 본 연구에서 얻어진 열전달계수는 질량유속의 영향을 거의 받지 않음을 확인하였으며, 저건도(x<0.08) 영역에서는 증기 건도가 증가함에 따라 열전달계수는 급격히 감소하였다.
2. 고 질량유속(G=600 kg/m²s)에서는 열전달계수가 열유속의 영향을 받고 있다는 것을 알 수 있었다.
3. 본 실험 결과를 기존의 매크로스케일에 대한 몇몇 상관식과 비교한 결과 100%까지 오차가 났으나, 저 질량 유속에서는 100% 이상까지 오차가 발생하였다. 따라서 마이크로스케일에서의 유동현상을 충족시킬 수 있는 새로운 상관식 개발이 요구된다.
즉, 가열기의 평균온도와 폴리카보네이트 커버의 평균온도가 주변으로의 열손실을 계산하기 위해 사용된다. 대류와 열복사로 인한 손실은 모든 조건에서 최대 동력의 3%이하가 되는 것으로 평가되었다. 자유 대류와 복사로 인한 열손실이 먼저 계산되며, 그리고 나서 축방향 열유속으로 인한 동력이 다음과 같이 결정된다.
열전달계수에서의 불확실성은 마이크로채널로 일어나는 열전달률을 결정할 때의 불확실성과 벽면온도 측정으로부터 유발되며, 본 연구에서는 6∼12%의 범위에 있는 것으로 평가되었으며, 그 보다 더 큰 불확실성은 낮은 열유속에서 일어났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 채널에서의 이상 유동 열전달이 마이크롤 냉각요소로 사용될 수 있는 이유는?	마이크로 채널에서의 이상 유동 열전달은 단상 액체 유동에 비해 열소산 능력이 대단히 크기 때문에 마이크로 채널은 노트북 컴퓨터 칩, 전자 부품, 그리고 항공기의 전기 부품 등과 같은 마이크로 냉각 요소로 사용될 수 있다. 마이크로 채널에서 일어나는 열전달 과정 및 유체역학적 특성은 매크로 스케일에서의 그것과 분명히 다르며[6-10], 매크로 스케일에서 얻을 수 있는 지식의 일부만이 마이크로스케일에 적용할 수 있는 것으로 알려져 있다.
	마이크로 채널 구조에서의 유동 비등 열전달에 대한 메커니즘은 무엇으로 밝혀지고 있는가?	마이크로 채널에서 일어나는 열전달 과정 및 유체역학적 특성은 매크로 스케일에서의 그것과 분명히 다르며[6-10], 매크로 스케일에서 얻을 수 있는 지식의 일부만이 마이크로스케일에 적용할 수 있는 것으로 알려져 있다. 현재 마이크로 채널 구조[11]에서의 유동 비등 열전달에 대한 메커니즘을 이해하기 위한 수많은 연구가 이루어지고 있으며, 핵 비등이 마이크로 채널내에서의 증발을 지배하는 것[12]으로 여러 연구자들에 의해 밝혀지고 있다. 또한 이전의 큰 관에서의 유동 비등의 경우 대류와 핵 비등 열전달을 중요하게 고려하였으며, 총 열전달은 전형적으로 이들 두 개의 성분을 결합하여 취급하였다.

참고문헌 (24)

J. Dirker, W. Liu, D. Van Wyk, J.P. Meyer and A.G. Malan, "Embedded solid state heat extraction in integrated power electronic modules", IEEE Trans. Power Electron. vol. 20, no. 3, pp. 694-703, 2005.

상세보기
E.W. Kreutz, N. Pirch, T. Ebert, R. Wester, B. Ollier, P. Loosen and R. Poprawe, "Simulation of micro-channel heat sinks for optoelectronic", Microsyst. Microelectron. J. vol. 31 pp. 787- 90, 2000.

상세보기
A.G. Fedorov and R. Viskanta, "Three-dimensional conjugate heat transfer in the microchannel heat sink for electronic packaging", Int. J. Heat Mass Transfer vol. 43 pp. 399-15, 2000.

상세보기
W. Qu and I. Mudawar, "Analysis of three-dimensional heat transfer in microchannel heat sinks", Int. J. Heat Mass Transfer vol. 45 pp. 3973-985, 2002.

상세보기
C.Y. Zhao and T.J. Lu, "Analysis of microchannel heat sinks for electronics cooling", Int. J. Heat Mass Transfer vol. 45 pp. 4857-869, 2002.

상세보기
C.Y. Soong and S.H. Wang, "Theoretical analysis of electrokinetic flow and heat transfer in a microchannel under asymmetric boundary conditions", Colloid Interface Sci. vol. 265 pp. 202-13, 2003.

상세보기
X.F. Peng and B.-X. Wang, "Forced convection and flow boiling heat transfer for liquid flowing through microchannels", Int. J. Heat Mass Transfer vol. 36 no. 14, pp. 3421- 3427, 1993.

상세보기
S.G. Kandlikar, "Fundamental issues related to flow boiling in minichannels and microchannels", Exp. Therm. Fluid Sci. vol. 26, pp. 389-407, 2002.

상세보기
M.W. Wambsganss et al., "Boiling heat transfer in a horizontal small-diameter tube", J. Heat Transfer Trans. ASME vol. 115 no. 4, pp. 963-972, 1993.

상세보기
Thome, J.R., "Boiling in microchannels: a review of experiment and theory". Int. J. Heat and Fluid Flow vol. 25, pp. 128-139, 2004.

상세보기
G. Hetsroni et al., "Fluid flow in microchannels", Int. J. Heat Mass Transfer vol. 48 no. 10, pp. 982-1998, 2005.
T.N. Tran and M.W. Wambsganss, D.M. France, "Small circular- and rectangular channel boiling with two refrigerants", Int. J. Multiphase Flow vol. 22, no. 3, pp. 485-498, 1996.

상세보기
Liu, D. and Garimella, S.V., "Flow boiling in a microchannel heat sink". In: Proceedings of ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Orlando, FL, November pp. 5-11, 2005.
B.X. Wang and X.F. Peng, "Experimental investigation on liquid forced convection heat transfer through microchannels", International Journal of Heat and Mass Transfer vol. 37 (suppl.1) pp. 73-82, 1994.

상세보기
X.F. Peng, G.P. Peterson and B.X. "Wang, Frictional flow characteristics of water flowing through rectangular micro-channels, Experimental Heat Transfer vol. 7 pp. 249-264, 1994.

상세보기
X.F. Peng, G.P. Peterson and B.X. Wang, "Heat transfer characteristics of water flowing through micro-channels", Experimental Heat Transfer vol. 7 pp. 265-283, 1994.

상세보기
X.F. Peng and G.P. Peterson, "Forced convection heat transfer of single-phase binary mixtures through microchannels", Experimental Thermal and Fluid Science vol. 12 pp. 98- 112, 1996.

상세보기
P.S. Lee, S.V. Garimella and D. Liu, "Investigation of heat transfer in rectangular microchannels", International Journal of Heat and Mass Transfer vol. 48 pp. 1688-1704, 2005.

상세보기
Y. Mishan, A. Mosyak, E. Pogrebnyak and G. Hetsroni, "Effect of developing flow and thermal regime on momentum and heat transfer in micro-scale heat sink", International Journal of Heat and Mass Transfer vol. 50, pp. 3100-3114, 2007.

상세보기
W. Qu andI. Mudawar, "Experimental and numerical study of pressure drop and heat transfer in a single-phase micro-channel heat sink", Int. J. Heat Mass Transfer vol. 45, pp. 2549-2565, 2002.

상세보기
Liu, D., Lee, P. -S., Garimella and S. V., "Prediction of the onset of nucleate boiling in microchannel flow". International Journal of Heat and Mass Transfer vol. 48, pp. 5134- 5149, 2005.

상세보기
Wang, G., Cheng, P., and Wu, H., "Unstable and stable flow boiling in parallel microchannels and in a single microchannel", International Journal of Heat and Mass Transfer vol. 50, pp. 4297-4310, 2007.

상세보기
S.G. Kandlikar and W.J. Grande, "Evolution of microchannel flow passages thermo-hydraulic performance and fabrication technology", Heat Transfer Eng. vol. 24, no. 1, pp. 3-17, 2003.
A.E. Bergles, "Boiling and evaporation in small diameter channels", Heat Transfer Engineering Microchannels-Short History and Bright Future, vol. 24, no. 1, pp. 18-40, 2003.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증