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문제 정의
- 본 연구에서는 단일액적(single droplet)에 대한 증발실험을 수행하여 분무냉각 열전달 연구를 위한 기초자료를 확보하고자 한다. 분무냉각 열전달은 아주 작은 크기로 미립화한 액적을 이용하여 물체를 냉각시키는 기술이기 때문에 단일 액적의 증발거동(evaporation behavior)에 대한 정보가 매우 중요하다고 판단된다.
- 본 연구에서는 순수 물과 나노유체의 단일액적(single droplet)에 대한 증발실험을 수행하였으며, 특히 냉각면의 표면조도와 접촉각 등이 액적의 증발거동에 미치는 영향을 관찰하였다. 그 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 본 연구에서는 선행연구(7)와 마찬가지로 액적의 형상분석을 위해 독일 Krüss사의 액적형상 분석장비(DSA 100)를 활용하였으며, 고체 표면의 온도를 조절하기 위해 Fig 2에 나타낸 구리블록을 별도로 제작하여 실험에 활용하였다. Fig. 1에 나타낸 실험장치를 이용하여 가열된 표면에서 액적이 증발하거나 비등하는 과정에 있어서 액적의 직경, 부피, 접촉각 등과 같은 액적의 형상을 분석하였다. Fig.
- 이 경우 액적은 순수 표면현상에 의해 증발이 발생하는 것으로 가정할 수 있다. 다음 단계에서는 구리블록에 5~35 watt 범위의 열유속을 인가하여 전열면의 온도가 정상상태에 도달한 시점에서 전열면에 액적을 공급하여 액적이 증발하는 과정을 촬영하고 액적의 형상을 관찰하였다. 또한 본 실험에서는 초음파 가습기를 이용하여 상대습도를 일정하게 유지한 후 모든 증발실험을 수행하였다.
- 다음 단계에서는 구리블록에 5~35 watt 범위의 열유속을 인가하여 전열면의 온도가 정상상태에 도달한 시점에서 전열면에 액적을 공급하여 액적이 증발하는 과정을 촬영하고 액적의 형상을 관찰하였다. 또한 본 실험에서는 초음파 가습기를 이용하여 상대습도를 일정하게 유지한 후 모든 증발실험을 수행하였다.
- 실험은 일정부피의 액적을 전열면에 공급하여 접촉각을 측정하거나, 증발과정을 촬영한 후에 액적의 형상을 분석하는 방법으로 진행하였다. 본 실험에서는 5~25㎕ 부피 범위의 액적을 이용하여 우선 전열면에 열유속을 인가하지 않은 상태에서 액적이 자연적으로 증발하는 과정을 촬영하고 증발시간을 측정하였다. 이 경우 액적은 순수 표면현상에 의해 증발이 발생하는 것으로 가정할 수 있다.
- 3에는 액적의 부피를 동일하게 설정하고 액적의 초기 접촉각을 변화시켜 액적의 자연증발시간을 측정한 실험결과를 나타내었다. 본 실험에서는 적절한 부피의 액적을 전열면에 낙하시킨 후 니들(neddle)을 이용하여 초기부피와 접촉각을 조절한 후 증발실험을 수행하였다. Fig.
- 본 연구에서는 선행연구(7)와 마찬가지로 액적의 형상분석을 위해 독일 Krüss사의 액적형상 분석장비(DSA 100)를 활용하였으며, 고체 표면의 온도를 조절하기 위해 Fig 2에 나타낸 구리블록을 별도로 제작하여 실험에 활용하였다.
- 본 연구에서는 앞서 설명한 바와 같이 고체 표면의 온도를 액적의 온도와 동일하게 설정한 상태에서 액적의 증발과정을 관찰하는 자연증발실험과 고체의 표면을 일정 온도로 가열하여 액적의 증발과정을 관찰하는 가열증발실험, 두 종류의 실험을 수행하였다. Fig.
- 또한 구리블록의 전열면은 #2000, #400, #60의 3종류의 샌드페이퍼로 연마하여 표면조도를 측정한 후 실험에 활용하였다. 실험은 일정부피의 액적을 전열면에 공급하여 접촉각을 측정하거나, 증발과정을 촬영한 후에 액적의 형상을 분석하는 방법으로 진행하였다. 본 실험에서는 5~25㎕ 부피 범위의 액적을 이용하여 우선 전열면에 열유속을 인가하지 않은 상태에서 액적이 자연적으로 증발하는 과정을 촬영하고 증발시간을 측정하였다.
- 9에는 각각 순수 물과 나노유체액적의 가열증발 실험결과를 나타내었다. 앞서 설명한 바와 같이 가열증발 실험에서는 구리블록에 5~35 watt 범위의 전력을 공급하여 전열면의 온도가 정상상태에 도달한 시점에서 전열면에 액적을 공급하여 액적이 증발하는 시간을 측정하고 액적의 형상을 관찰하였다. 이때에 액적의 초기 접촉각은 75~85°의 범위에서 설정한 상태에서 실험을 실시하였다.
- 전열면의 표면온도는 이 지점에서 측정된 온도에 기초하여 열전도 방정식을 이용하여 계산하였다. 이 구리블록은 단열성이 좋은 유리섬유와 천 등을 이용하여 표면을 완전히 단열한 후에 실험을 수행하였다. 또한 구리블록의 전열면은 #2000, #400, #60의 3종류의 샌드페이퍼로 연마하여 표면조도를 측정한 후 실험에 활용하였다.
- 0㎜이며, 전열면과 반대쪽에는 직경이 60㎜인 원통형 구리블록에 용량이 220 watt인 카트리지 히터를 9개 삽입하여 전열면에 열유속을 인가할 수 있도록 제작하였다. 전열면에 인가되는 열유속은 전원조절기를 이용하여 조절하였으며, 전열면의 표면으로부터 약 1.0 ㎜ 아래 위치에 직경 0.5 ㎜의 K Type 열전대를 삽입하여 전열면의 온도를 측정하였다. 전열면의 표면온도는 이 지점에서 측정된 온도에 기초하여 열전도 방정식을 이용하여 계산하였다.
- 분무냉각 열전달은 아주 작은 크기로 미립화한 액적을 이용하여 물체를 냉각시키는 기술이기 때문에 단일 액적의 증발거동(evaporation behavior)에 대한 정보가 매우 중요하다고 판단된다. 특히 본 연구에서는 물과 나노유체(nanofluid)를 이용하여 액적의 증발실험을 수행하였으며, 냉각면의 표면조도와 접촉각 등이 액적의 증발거동에 미치는 영향을 관찰하였다.
대상 데이터
- 1에 나타낸 실험장치를 이용하여 가열된 표면에서 액적이 증발하거나 비등하는 과정에 있어서 액적의 직경, 부피, 접촉각 등과 같은 액적의 형상을 분석하였다. Fig. 2에 나타낸 구리블록은 전열면의 직경이 약 9.0㎜이며, 전열면과 반대쪽에는 직경이 60㎜인 원통형 구리블록에 용량이 220 watt인 카트리지 히터를 9개 삽입하여 전열면에 열유속을 인가할 수 있도록 제작하였다. 전열면에 인가되는 열유속은 전원조절기를 이용하여 조절하였으며, 전열면의 표면으로부터 약 1.
- 구리는 비교적 열전도도가 우수하며, 또한 전열면이 구리로 제작되었기 때문에 나노입자가 전열면에 부착되어도 전열면 표면의 열물성이 거의 변하지 않을 것으로 판단하였다. 나노유체는 0.5% 부피농도로 제조하였으며, 이 나노유체는 실험시작 전 2시간 정도 초음파진동에 의해 나노입자들을 안정적으로 분산시킨 후 실험에 사용하였다.
- 이 구리블록은 단열성이 좋은 유리섬유와 천 등을 이용하여 표면을 완전히 단열한 후에 실험을 수행하였다. 또한 구리블록의 전열면은 #2000, #400, #60의 3종류의 샌드페이퍼로 연마하여 표면조도를 측정한 후 실험에 활용하였다. 실험은 일정부피의 액적을 전열면에 공급하여 접촉각을 측정하거나, 증발과정을 촬영한 후에 액적의 형상을 분석하는 방법으로 진행하였다.
- 본 연구에서는 순수 물과 순수 물에 80nm 크기의 산화구리(CuO) 분말을 첨가한 나노유체를 실험에 활용하였다. 구리는 비교적 열전도도가 우수하며, 또한 전열면이 구리로 제작되었기 때문에 나노입자가 전열면에 부착되어도 전열면 표면의 열물성이 거의 변하지 않을 것으로 판단하였다.
이론/모형
- 5 ㎜의 K Type 열전대를 삽입하여 전열면의 온도를 측정하였다. 전열면의 표면온도는 이 지점에서 측정된 온도에 기초하여 열전도 방정식을 이용하여 계산하였다. 이 구리블록은 단열성이 좋은 유리섬유와 천 등을 이용하여 표면을 완전히 단열한 후에 실험을 수행하였다.
성능/효과
- (1) 고체의 표면을 가열하지 않은 상태에서 액적을 증발시키는 자연증발 실험결과로부터 동일한 부피의 순수 물과 나노유체 액적의 증발시간은 거의 동일함을 알 수 있었으며, 이는 나노유체에 포함된 나노입자가 액적의 자연증발 속도에는 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 판단된다. 또한 고체의 표면조도를 다르게 설정한 자연증발 실험결과로부터 고체의 표면조도는 나노유체 액적의 자연증발 속도에 큰 영향을 미치지 못하고 있는 것으로 판단된다.
- (2) 고체의 표면을 액적의 초기온도 이상으로 가열하여 액적을 증발시키는 가열증발 실험결과로부터 나노유체액적의 증발속도는 동일한 부피의 순수 물 액적보다 증발속도가 약간 빠르게 나타나고 있음을 알 수 있었으며, 이는 나노유체에 포함된 나노입자가 열전도도를 향상시켜 열전달이 촉진되기 때문이 것으로 판단된다. 또한 고체의 표면조도가 증가할수록 액적의 증발속도는 미소하게 증가하며 이는 고체의 표면조도가 증가할수록 고체-액체의 접촉 면적이 증가하여 열전달이 촉진되기 때문인 것으로 판단된다.
- 12에는 순수 물과 나노유체 액적의 증발과정을 고체의 표면온도를 변화시켜 촬영한 사진을 나타내었으며, 실험결과로부터 고체의 표면온도가 증가할수록 증발 완료시간은 점차 빨라지고 있음을 알 수 있었다. 고체의 표면온도가 증가할수록 고체 표면에서의 기포발생이 증가하여 증발 시간이 급격히 단축되며, 특히 고체표면의 온도가 약 110℃ 부근에서는 액적 내부에서의 급격한 비등(boiling)이 발생하여 10㎕의 액적이 2~3초 이내의 매우 빠른 시간에 증발이 완료되고 있음을 알 수 있었다. 이 과정동안에는 액적의 정확한 형상측정과 분석이 불가능하였으며 이에 대한 정확한 현상을 관찰하기 위해서는 고성능 촬영장비를 이용한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 순수 물과 순수 물에 80nm 크기의 산화구리(CuO) 분말을 첨가한 나노유체를 실험에 활용하였다. 구리는 비교적 열전도도가 우수하며, 또한 전열면이 구리로 제작되었기 때문에 나노입자가 전열면에 부착되어도 전열면 표면의 열물성이 거의 변하지 않을 것으로 판단하였다. 나노유체는 0.
- 고체의 표면조도와 액적의 초기 접촉각과의 상관관계를 연구한 선행연구(7)에서는 고체의 표면조도가 증가할수록 액적의 초기 접촉각이 약간 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 동일한 부피의 액적에 대하여 액적의 초기 접촉각이 커질수록 고체와 접촉하는 면적이 감소하여 열전달에 불리할 것으로 판단되지만, 앞서 설명한 바와 같이 고체의 표면조도가 증가할수록 고체표면과 액적이 실제로 접촉하는 면적은 증가하여 열전달이 촉진되는 것으로 판단된다. Fig.
- (1) 고체의 표면을 가열하지 않은 상태에서 액적을 증발시키는 자연증발 실험결과로부터 동일한 부피의 순수 물과 나노유체 액적의 증발시간은 거의 동일함을 알 수 있었으며, 이는 나노유체에 포함된 나노입자가 액적의 자연증발 속도에는 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 판단된다. 또한 고체의 표면조도를 다르게 설정한 자연증발 실험결과로부터 고체의 표면조도는 나노유체 액적의 자연증발 속도에 큰 영향을 미치지 못하고 있는 것으로 판단된다.
- 이때에 액적의 초기 접촉각은 75~85°의 범위에서 설정한 상태에서 실험을 실시하였다. 또한 구리블록에 5~35 watt의 전력을 공급할 경우 전열면 표면의 측정온도는 35~110℃의 범위에 있음을 확인하였다. Fig.
- 앞서 설명한 바와 같이 전열면에 인가된 전력이 증가할수록 고체표면의 온도가 증가하여 열전달이 증가함으로서 액적의 증발속도가 빨라지는 것으로 판단된다. 또한 순수 물보다는 나노유체 액적의 증발속도가 빠르며 표면조도가 증가할수록 증발속도가 약간 빨라짐을 알 수 있다. 전열면에 공급되는 전력이 30 watt 이상 (Ts≒97℃)인 영역에서는 고체표면에 급격한 비등(boiling)이 발생하여 증발과정동안의 액적형상 분석과 증발시간 측정 등에 대해서는 고성능 촬영 장비를 동원한 추가적인 연구가 요구된다.
후속연구
- 고체의 표면온도가 증가할수록 고체 표면에서의 기포발생이 증가하여 증발 시간이 급격히 단축되며, 특히 고체표면의 온도가 약 110℃ 부근에서는 액적 내부에서의 급격한 비등(boiling)이 발생하여 10㎕의 액적이 2~3초 이내의 매우 빠른 시간에 증발이 완료되고 있음을 알 수 있었다. 이 과정동안에는 액적의 정확한 형상측정과 분석이 불가능하였으며 이에 대한 정확한 현상을 관찰하기 위해서는 고성능 촬영장비를 이용한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이와 같이 고체의 표면온도가 액체의 포화온도 이상으로 가열될 경우 고체-액체 경계에서 급격한 비등이 발생하여 Fig.
- 또한 순수 물보다는 나노유체 액적의 증발속도가 빠르며 표면조도가 증가할수록 증발속도가 약간 빨라짐을 알 수 있다. 전열면에 공급되는 전력이 30 watt 이상 (Ts≒97℃)인 영역에서는 고체표면에 급격한 비등(boiling)이 발생하여 증발과정동안의 액적형상 분석과 증발시간 측정 등에 대해서는 고성능 촬영 장비를 동원한 추가적인 연구가 요구된다.
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