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문제 정의
- 일반적으로 비등 실험은 비등의 히스테리시스(Hysteresis)를 고려하여 열유속을 감소시키면서 데이터를 측정한다. 그러나 본 연구에서는 잘알려지지 않은 임계 열유속 근방까지의 데이터를 측정하기 위해 열유속을 증가시키면서 실험을 수행하였다.
- 낮은 핀 표면은 평판과비교하여 열전달 면적을 크게 증가시켜 열전달 성능을 향상시키기 위한 목적으로 제작되었다.
- 이에 본 연구에서는 현재 널리 사용되고 있는 FC-72를 작동 유체로 하여 열전달 촉진 표면인 Thermoexcel-E 표면에서 액적유량밀도 및 분무 액체의 온도 변화에 따른 분무 냉각 데이터를 취하여 통신장비 및 전자부품산업계가 필요로 하는 기초 자료로 제시하고자 한다.
제안 방법
- 용접이나 전기 도금의 방법 등으로 열전달 표면에 직접 열전대를 부착시키는 경우에는 표면 조건의 변화로 인해 실제 매끈한 표면에서의 비등 열전달계수를 측정하기 어렵다. 따라서 Fig. 4에서 볼 수 있듯이 본 연구에서는열전달 표면에 변화를 주지 않고 표면 온도를 정확하게 측정하기 위하여 열전달 히터 위에 부착한 구리 판에 드릴을 이용하여 직경 1.0 mm, 깊이 5.0 mm의 구멍 네 개를 동일한 간격으로 냈고 그 안에 T-type 열전대가 들어갈 수 있도록 하였다. 이렇게 4개의 열전대를 각각 구멍 안에 넣고 구멍을 은 납으로 채워 빈 공간이 생기지 않게 하였다.
- 시스템이 임계 열유속 부근에 도달하면 유동이 안정적으로 유지되지 못하고 순식간에 막 비등으로 넘어가서 히터가 망가지게 되므로 본 연구에서는 히터 표면의 온도를 1초마다 측정하여 온도가 100℃ 이상이 되면 자동으로 히터의 전원이 차단되도록 하였다. 따라서 본 실험에서 유체의 임계 열유속은 히터 표면의 온도가 급격하게 증가하여 히터의 전원이 차단되는 시점으로 결정하였다.
- 실험이 끝난 뒤에는 작동 유체를 빈 용기에 회수한 후 열전달 시험부를 비등 용기에서 분리하고 비등 용기를 분해하여 아세톤 등의 세정제를 이용해 깨끗이 닦아내고 유체를 바꾸어 다시 위의 과정을 반복하여 실험을 수행하였다. 또한 비등 열전달계수가 표면 불결 효과의영향을 크게 받으므로 본 연구에서는 유체를 교체할 때마다 열전달 시험부 표면을 아세톤 등으로 세척하여 표면 조건을 항상 균일하게 유지하면서 실험을 수행하였다.
- 비등 실험에서 무엇보다 중요한 것은 비등 용기의 밀폐성 확보와 증발온도의 유지이다. 본 실험에서는 질소와 냉매로 비등 용기를 20기압까지 충전한 후 할로겐디텍터로 가스의 누출을 확인하였다. 문제가 없음이 확인되면 약 두 시간 동안 진공 펌프를 구동한 뒤 실험할 유체를 충전하였다.
- 본 연구에서는 평판과 Thermoexcel-E 표면을 사용하여 FC-72 유체를 이용해 임계 열유속 근방까지 액적유량밀도의 변화에 따른 분무냉각 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 표면이 매끈한 평판과 열전달 촉진 표면인 Thermoexcel-E 표면을 사용하여 임계점 부근의높은 열유속에서도 비등 열전달계수를 측정할 수 있도록 작은 크기의 평면 열전달 시험부를 제작하였다.
- 시스템이 임계 열유속 부근에 도달하면 유동이 안정적으로 유지되지 못하고 순식간에 막 비등으로 넘어가서 히터가 망가지게 되므로 본 연구에서는 히터 표면의 온도를 1초마다 측정하여 온도가 100℃ 이상이 되면 자동으로 히터의 전원이 차단되도록 하였다.
- 실험이 끝난 뒤에는 작동 유체를 빈 용기에 회수한 후 열전달 시험부를 비등 용기에서 분리하고 비등 용기를 분해하여 아세톤 등의 세정제를 이용해 깨끗이 닦아내고 유체를 바꾸어 다시 위의 과정을 반복하여 실험을 수행하였다.
- 열전달 히터에서 발생하는 열이 구리 판 쪽으로만 가도록 하기 위해서 열전도도가 매우 낮은 MC 나일론 단열 블록을 제작하였다. 블록의 위쪽에는 가로 18 mm, 세로 15 mm, 깊이 6 mm의 사각형 부위를 만들어 열전달시험부를 넣을 수 있게 하였다.
- 이렇게 열전달시험부를 만들기 위해 Thermoexcel-E 표면과 히터를 선정한 뒤 히터 표면에 은 납을 대고 가열하여 히터와 구리판을 직접 접합하였다.
- 주어진 열유속에서 정상 상태가 유지되면 비등 열전달계수를 측정하고 다시 열유속을 10 kW/m2씩 증가시키면서 높은 열유속까지 데이터를 측정하였다.
- 문제가 없음이 확인되면 약 두 시간 동안 진공 펌프를 구동한 뒤 실험할 유체를 충전하였다. 충전이 다 된 후 정밀온도 제어항온조를 사용하여 풀 온도를 36℃로 유지하고 열유속10 kW/m2에서부터 실험을 수행하였다. 주어진 열유속에서 정상 상태가 유지되면 비등 열전달계수를 측정하고 다시 열유속을 10 kW/m2씩 증가시키면서 높은 열유속까지 데이터를 측정하였다.
대상 데이터
- 열전달 시험부는 크게 비등이일어나는 구리판과 그 판에 열을 공급하는 히터로 구성되어 있다. 가열 히터는 안에 20옴의 니크롬선이 삽입되어 있어 약 3,800 kW/m2 정도의 열유속까지 낼 수 있는 것으로 선정했다(CGI사, CCR-375-1 모델). 열전달 히터를 직접 액체 냉매에 접촉시킬 수 없기 때문에 본 실험에서는 열전달 히터와 같은 크기로 평평하게 제작한 Thermoexcel-E 표면을 사용하였다.
- 분무노즐에 공급되는작동유체의 온도제어는 독립된 정밀 항온조에 의해 정밀하게 제어된다. 본 실험에서 요구되는 높은 열유속은 시험부 내에 삽입된 직류 전원 공급기(Agilent 6030 A, 200 V, 17 A)에 의해 가열되는 히터로 하였다.
- 1은 분무 냉각 열전달계수를 안전하게 측정할수 있는 실험장치의 개략도를 나타낸다. 실험 장치는크게 비등 용기와 외부 응축기로 구성되어 있으며, 비등 용기는 직경 140 mm, 길이 160 mm의 스테인리스스틸 파이프와 양 끝단의 플랜지를 사용하여 밀폐형으로 제작하였다. 비등 용기에서 열을 받아 증발된 증기는 외부 응축기에 의해 액체로 응축된 뒤 중력에 의해 다시 비등 용기로 순환되도록 하였다.
- 53 mm)를 나타낸다. 열전달 시험부는 크게 비등이일어나는 구리판과 그 판에 열을 공급하는 히터로 구성되어 있다. 가열 히터는 안에 20옴의 니크롬선이 삽입되어 있어 약 3,800 kW/m2 정도의 열유속까지 낼 수 있는 것으로 선정했다(CGI사, CCR-375-1 모델).
- 열전달 히터를 직접 액체 냉매에 접촉시킬 수 없기 때문에 본 실험에서는 열전달 히터와 같은 크기로 평평하게 제작한 Thermoexcel-E 표면을 사용하였다.
이론/모형
- 본 실험에서 발생한 실험 데이터의 불확실성을 결정하기 위해 Kline and McClintock(28)이 제안한 방법을적용하였으며 두 표면에서 2.4% 이하인 것으로 나타났다. 또한 한 유체에 대해 반복 실험을 한 결과 실험데이터의 재현율은 5% 이내로 나타났다.
- 본 실험에서 열전달계수는 간단한 에너지 방정식을 사용하여 구하였다.
성능/효과
- (1) 평판과 Thermoexcel-E 표면에서 측정한 임계 열유속은 액적유량밀도가 높아짐에 따라 증가하였다.
- (2) 평판과 Thermoexcel-E 표면에서 측정한 임계 열유속은 과냉도가 커짐에 따라 증가하였으나 과냉도의 효과는 크지 않음을 알 수 있다.
- (3) Thermoexcel-E 표면의 경우 임계 열유속이 평판에비해 최대 105%까지 증가하였다.
- Thermoexcel-E 표면에서 액적유량밀도의 변화에 따른 열전달계수는 평판에서의 경향과 비슷하게 액적유량밀도가 증가할수록 높게 나타났다. Fig.
- 4% 이하인 것으로 나타났다. 또한 한 유체에 대해 반복 실험을 한 결과 실험데이터의 재현율은 5% 이내로 나타났다.
- 이 그림들을 통해 알 수 있듯이 두 과냉도에서 Thermoexcel-E 표면에서 측정된 임계열유속은 평판에서 측정된 임계 열유속보다 최고 105%까지 향상되었다. 비록 Thermoexcel-E 표면이 평판에 비해 임계 열유속 면에서 큰 향상을 나타내었지만 기존에 사용되던 낮은 핀 표면보다는 향상률이 높지 않았다. Lee et al.
- 9는 과냉도 및 액적 유량밀도의 변화에 따른 평판과 Thermoexcel-E 표면에서 측정한 분무 냉각비등 곡선과 임계 열유속을 나타낸다. 이 그림들을 통해 알 수 있듯이 두 과냉도에서 Thermoexcel-E 표면에서 측정된 임계열유속은 평판에서 측정된 임계 열유속보다 최고 105%까지 향상되었다. 비록 Thermoexcel-E 표면이 평판에 비해 임계 열유속 면에서 큰 향상을 나타내었지만 기존에 사용되던 낮은 핀 표면보다는 향상률이 높지 않았다.
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