[논문]나노 구조가 형성된 열전달 표면에서의 임계 열유속 증진 메커니즘

김동억

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.7.619

나노 구조가 형성된 열전달 표면에서의 임계 열유속 증진 메커니즘
Critical Heat Flux Enhancement Mechanism on a Surface with Nano-Structures 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.7 = no.346, 2014년, pp.619 - 624

초록
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나노 구조가 형성된 열전달 표면에서 유체의 비등 시 임계 열유속 값이 나노 구조가 없는 표면보다 현저히 증가한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 다수의 물리적 메커니즘들이 이러한 나노 구조에서의 임계 열유속 증진 현상을 설명하기 위해 제안되어 왔다. 하지만 지금까지 대부분의 연구들은 정성적인 결과를 제시해 왔으며, 이러한 현상을 일반적으로 설명할 수 있는 이론은 아직 확립되지 않았다. 본 연구에서는 나노 구조가 형성된 표면에서의 임계 열유속 증진에 관한 정량적인 메커니즘을 증기 반동력 및 표면 접착력에 기초하여 제안하고자 한다. 특히, 본 연구에서는 임계 열유속 증진 현상을 표면에 형성된 나노 구조로 인한 액체, 증기, 고체의 삼중선 길이의 증가 및 나노 구조와 액체 사이의 접착력에 근거하여 설명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The critical heat flux (CHF) on a heat transfer surface with nanostructures is known to be significantly better than that on flat surfaces. Several physical mechanisms have been proposed to explain this phenomenon. However, almost all studies conducted so far have been qualitative, and a generalized theory has not yet been established. In this study, we developed a quantitative mechanism for CHF enhancement on a surface with nanostructures, based on vapor recoil and surface adhesion forces. We focused on the increase in the length of the triple contact line owing to the formation of nanostructures and the adhesion force between them and the liquid.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리하여 본 연구에서는 증기 반동력 메커니즘에 기초하여 나노 구조가 형성된 열원 표면에서의 임계 열유속 증진 메커니즘을 정량적으로 제안하고자 한다.
본 연구에서는 나노 구조가 형성되어 있는 표면에서의 임계 열유속 증진 메커니즘에 대해 살펴보았다. 나노 구조가 형성된 표면에서의 임계 열유속 증진에 관한 정량적인 메커니즘을 증기 반동력 및 표면 접착력에 기초하여 분석하였고, 이를 통해 정량적인 모델을 제안하였다.

가설 설정

모델 개발을 위해 Fig. 4(a)에서와 같이 나노 구조가 형성되어 있는 표면에서 증발하는 구형의 기체-액체 계면을 가정할 수 있다.

제안 방법

본 연구에서는 나노 구조가 형성되어 있는 표면에서의 임계 열유속 증진 메커니즘에 대해 살펴보았다. 나노 구조가 형성된 표면에서의 임계 열유속 증진에 관한 정량적인 메커니즘을 증기 반동력 및 표면 접착력에 기초하여 분석하였고, 이를 통해 정량적인 모델을 제안하였다. 특히, 본 연구에서는 임계 열유속 증진 현상을 표면에 형성된 나노 구조로 인한 액체, 증기, 고체의 삼중선 길이의 증가 및 나노 구조와 액체 사이의 접착력에 근거하여 설명하였다.
나노 구조가 형성된 표면에서의 임계 열유속 증진에 관한 정량적인 메커니즘을 증기 반동력 및 표면 접착력에 기초하여 분석하였고, 이를 통해 정량적인 모델을 제안하였다. 특히, 본 연구에서는 임계 열유속 증진 현상을 표면에 형성된 나노 구조로 인한 액체, 증기, 고체의 삼중선 길이의 증가 및 나노 구조와 액체 사이의 접착력에 근거하여 설명하였다. 이렇게 개발된 모델을 기존의 연구로부터 획득된 실험 데이터와 비교한 결과 이 모델은 나노 구조 표면에서의 임계 열유속 증진 현상을 합리적으로 설명할 수 있는 모델이라는 것을 확인할 수 있었다.

성능/효과

4 kW/m²의 값을 획득할 수 있고, 이 값은 실험값인 2003 kW/m² 와 유사한 값을 나타내고, 이는 모델의 예측 값이 실험값을 잘 예측하는 결과라고 판단할 수 있다. 또한 본 연구를 통해 개발된 상관식은 Kandlikar⁽⁵⁾에 의해 개발된 상관식[식 (13)]에 비해 Wu 등⁽¹⁶⁾의 구리 표면, TiO₂/SiO₂ 코팅 표면 및 Li 등⁽¹⁷⁾의 구리 나노 기둥 표면의 임계 열유속 데이터를 상대적으로 정확하게 예측하고 있는 것을 볼 수 있다
^(3~7) 이 중 Kandlikar 의 연구⁽⁵⁾에서는, 임계 열유속 현상을 증기 반동력(Vapor recoil force)에 의한 표면에서의 증기 기포의 퍼짐(spreading)현상으로 정의하고, 이에 따른 이론적인 임계 열유속 상관식을 도출하였다. 또한 이 연구에서는 기존의 임계 열유속 데이터와의 비교를 통해 이론 상관식의 타당성을 입증하였다.
특히, 본 연구에서는 임계 열유속 증진 현상을 표면에 형성된 나노 구조로 인한 액체, 증기, 고체의 삼중선 길이의 증가 및 나노 구조와 액체 사이의 접착력에 근거하여 설명하였다. 이렇게 개발된 모델을 기존의 연구로부터 획득된 실험 데이터와 비교한 결과 이 모델은 나노 구조 표면에서의 임계 열유속 증진 현상을 합리적으로 설명할 수 있는 모델이라는 것을 확인할 수 있었다. 또한 본 모델은 표면 특성 변화에 따른 임계 열유속에 관한 다른 연구자의 기존 모델⁽⁵⁾에 비해 상대적으로 우수한 실험 데이터 예측능력을 나타내는 것을 확인할 수 있었으며 나노 구조 등에 의한 삼중접촉선의 왜곡 및 액체와 표면 구조간의 상호관계를 반영할 수 있다는 점에서 활용 가능성이 높다고 할 수 있다.
지금까지 본 절에서 설명한 내용을 종합하면, 본 연구에서 수행된 증기 반동력 및 표면 접착력간의 힘의 균형에 기초한 임계 열유속 모델(식 (12))은 나노 구조가 형성된 열원 표면에서의 임계 열유속 증가를 합리적으로 설명할 수 있는 모델이라고 결론 지을 수 있다.

후속연구

차후 본 모델의 더욱 정밀하고 정확한 검증을 위해 나노 구조로 인한 삼중선의 길이 변화를 정량화할 수 있는 나노 구조 또는 나노 다공성 구조를 가진 표면의 제작 및 이를 이용한 임계 열유속 실험이 요구된다. 그리고 본 연구에서 개발된 모델은 대기압 및 작동유체가 물인 조건의 수조 비등실험 데이터와의 비교를 통해 검증 되었으므로, 향후 모델의 실제 적용을 위해서는 압력 및 작동유체에 따른 임계 열유속 실험데이터 와의 비교 및 검증이 필수적이다.
이렇게 개발된 모델을 기존의 연구로부터 획득된 실험 데이터와 비교한 결과 이 모델은 나노 구조 표면에서의 임계 열유속 증진 현상을 합리적으로 설명할 수 있는 모델이라는 것을 확인할 수 있었다. 또한 본 모델은 표면 특성 변화에 따른 임계 열유속에 관한 다른 연구자의 기존 모델⁽⁵⁾에 비해 상대적으로 우수한 실험 데이터 예측능력을 나타내는 것을 확인할 수 있었으며 나노 구조 등에 의한 삼중접촉선의 왜곡 및 액체와 표면 구조간의 상호관계를 반영할 수 있다는 점에서 활용 가능성이 높다고 할 수 있다. 차후 본 모델의 더욱 정밀하고 정확한 검증을 위해 나노 구조로 인한 삼중선의 길이 변화를 정량화할 수 있는 나노 구조 또는 나노 다공성 구조를 가진 표면의 제작 및 이를 이용한 임계 열유속 실험이 요구된다.
또한 본 모델은 표면 특성 변화에 따른 임계 열유속에 관한 다른 연구자의 기존 모델⁽⁵⁾에 비해 상대적으로 우수한 실험 데이터 예측능력을 나타내는 것을 확인할 수 있었으며 나노 구조 등에 의한 삼중접촉선의 왜곡 및 액체와 표면 구조간의 상호관계를 반영할 수 있다는 점에서 활용 가능성이 높다고 할 수 있다. 차후 본 모델의 더욱 정밀하고 정확한 검증을 위해 나노 구조로 인한 삼중선의 길이 변화를 정량화할 수 있는 나노 구조 또는 나노 다공성 구조를 가진 표면의 제작 및 이를 이용한 임계 열유속 실험이 요구된다. 그리고 본 연구에서 개발된 모델은 대기압 및 작동유체가 물인 조건의 수조 비등실험 데이터와의 비교를 통해 검증 되었으므로, 향후 모델의 실제 적용을 위해서는 압력 및 작동유체에 따른 임계 열유속 실험데이터 와의 비교 및 검증이 필수적이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	임계 열유속은 어디에서 나타나는가?	그러므로 임계열유속 값의 정확한 예측 및 나아가 그 값의 증진은 고효율 비등 시스템의 개발에 본질적인 요소라고 할 수 있다. 임계 열유속은 기본적으로 핵비등 영역에서 막비등 영역으로 천이되는 지점에서 나타난다. 액체에서 증기로의 상변화를 통해 열을 전달하던 열원 표면이 증기로 덮이게 되면 증기의 상대적으로 낮은 열전달 능력으로 인해 열원 표면에서 10 K 에서 100 K 오더의 급격한 온도상승이 수반된다.
	최초로 제안된 임계 열유속에 대한 증기 반발력 메커니즘은 무엇인가?	사실, 임계 열유속에 대한 증기 반발력 메커니즘은 Nikolayev 등(8,9)에 의해 최초로 제안되었다. 그들은 액체-증기 계면에서 증발하는 유체 분자들이 계면에 반동력을 유발한다고 제안하였다. 또한 이러한 힘이 로켓 엔진에서 가스가 방출될 때 발생 하는 반동력과 유사한 힘이라고 설명하였다.
	번아웃(Burn-out) 현상이란 무엇인가?	임계 열유속은 기본적으로 핵비등 영역에서 막비등 영역으로 천이되는 지점에서 나타난다. 액체에서 증기로의 상변화를 통해 열을 전달하던 열원 표면이 증기로 덮이게 되면 증기의 상대적으로 낮은 열전달 능력으로 인해 열원 표면에서 10 K 에서 100 K 오더의 급격한 온도상승이 수반된다. 이것이 번아웃(Burn-out) 현상이다(Fig.

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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].

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