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문제 정의
- 본 연구에서는, 다양한 조건의 질소이온을 알루미늄 표면에 조사하였다. 이후, 이온조사에 따른 표면에너지 변화를 분석하고, 증기응축 실험을 수행하여 표면에서 발생하는 응축수의 거동을 관찰하였다.
제안 방법
- 이후, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)과 증류수, 초음파세척기를 이용하여 표면을 세척하고 오염을 방지하기 위해 밀봉 보관하였다. 경면가공이 완료된 시편은 Fig. 1의 기체 이온 조사장치 이용하여 질소이온을 조사하였다. 챔버에 진공을 형성시킨 이후, 질소가스를 챔버내부로 주입 하였다.
- 테스트 챔버는 표면에서 생성되는 응축수 거동의 관찰이 가능하도록 10 mm 두께의 강화유리를 전면에 설치하였다. 또한, 외부와의 열전달을 방지하기 위하여 주위를 그라스울(glass wool)로 단열하였다.
- 본 연구에서는 다양한 조건의 질소이온을 알루미늄 표면에 조사하여, 그에 따른 표면에너지 변화를 분석하고 증기응축 거동변화를 분석하였다. 조사표면은 질소이온과 반응하여 질화알루미늄이 형성되어, 가시적인 색상변화 및 표면에너지 변화가 관찰되었다.
- 증기응축 실험장치를 검증하기 위해, 경면가공한 알루미늄 실린더 시편을 이용하여 액막응축을 일으키고 열전달 성능을 평가하였다. 순수증기 생성을 위해 장시간 물을 끓여 불응축가스 영향을 감소시킨 이후, 증기응축 실험을 진행하였다. 측정결과는 액막응축의 이론적 해인 Nusselt theory와 비교하였으며, 원형 시편에 적용 가능 하도록 특성길이를 고려한 O’Neil and westwater(5)의 수정관계식을 사용하였다.
- 실험장치 검증을 진행한 이후, 실린더 시편의 표면에 질소이온을 조사하여 증기응축 실험을 수행하였다. 질소이온을 조사한 응축 면에서는 초기 액적의 형태로 응축수가 배출되었다.
- 응축실험에 의한 표면조성 변화를 분석하기 위해, 알루미늄 쿠폰형 시편에 20 keV, 1017 ions/cm2 조사량으로 질소이온을 조사하였다. 이후, 조사시편을 실린더형 시편에 부착하여 대기압 수준의 압력과 과냉도 10 K 조건에서 1시간 동안 증기를 응축시켰다.
- 이온조사에 따른 표면에너지 변화를 분석하기 위해, 가로와 세로의 길이가 각각 28 mm, 두께가 2 mm인 쿠폰 형태의 알루미늄 시편을 제작하였다. 이온을 조사하기 전, 제조공정에서 발생하는 이물질과 산화막의 영향을 제거하기 위해 표면을 경면가공 하였다. 이후, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)과 증류수, 초음파세척기를 이용하여 표면을 세척하고 오염을 방지하기 위해 밀봉 보관하였다.
- 이온조사에 의한 표면에너지 변화를 분석하기 위해 접촉각을 측정하였다. 표면의 5개 지점에 10 ul의 증류수를 떨어뜨려 접촉각을 측정하였으며, Fig.
- 본 연구에서는, 다양한 조건의 질소이온을 알루미늄 표면에 조사하였다. 이후, 이온조사에 따른 표면에너지 변화를 분석하고, 증기응축 실험을 수행하여 표면에서 발생하는 응축수의 거동을 관찰하였다.
- 제작 시편의 한 쪽에는 냉각 유로를, 반대쪽은 경면 가공하여 응축 면으로 사용하였다. 증기응축 성능 변화에 따른 열전달량을 측정하기 위해, 시험편의 중심선을 따라 등간격으로 4개의 구리-콘스탄탄(copper-constantan, type T) 열전대를 설치하였다. 실린더형 시편에서의 온도구배와 1차원 열전도 방정식을 이용하여 시험편의 열유속을 계산하였다.
- 증기응축 실험을 위해 원형 실린더의 형태의 시험편을 제작하였다. 제작 시편의 한 쪽에는 냉각 유로를, 반대쪽은 경면 가공하여 응축 면으로 사용하였다.
- 증기응축 실험장치를 검증하기 위해, 경면가공한 알루미늄 실린더 시편을 이용하여 액막응축을 일으키고 열전달 성능을 평가하였다. 순수증기 생성을 위해 장시간 물을 끓여 불응축가스 영향을 감소시킨 이후, 증기응축 실험을 진행하였다.
- 질소이온 조사표면의 증기응축 특성을 관찰하기 위해 실험장치를 구성하였으며, 개략도를 Fig. 2에 나타내었다. 히터의 출력조절에 의해 생성된 증기는 테스트 챔버 내부로 유입된다.
- (3,4)은 유기이온을 조사한 금속 표면에서 표면에너지 변화와 응축열전달 특성을 연구하였다. 티타늄, 알루미늄 등의 금속 전열면에 다양한 종류의 유기이온을 조사하여 표면에너지 변화를 관찰하고, 증기응축 실험을 수행하였다. 유기이온들 중에서 질소이온을 조사한 알루미늄 표면에서는 열전달 성능이 2배 향상되었으며, 액적응축이 장기간 유지됨을 보고하였다.
대상 데이터
- 이온조사에 따른 표면에너지 변화를 분석하기 위해, 가로와 세로의 길이가 각각 28 mm, 두께가 2 mm인 쿠폰 형태의 알루미늄 시편을 제작하였다. 이온을 조사하기 전, 제조공정에서 발생하는 이물질과 산화막의 영향을 제거하기 위해 표면을 경면가공 하였다.
데이터처리
- 이후, 조사시편을 실린더형 시편에 부착하여 대기압 수준의 압력과 과냉도 10 K 조건에서 1시간 동안 증기를 응축시켰다. 실험 전과 실험 후의 표면은 이차 이온 질량 분석기(secondary ion mass spectroscopy, SIMS)를 이용하여 원소의 분포변화를 분석하였으며, 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다.
- 이온조사에 의한 표면에너지 변화를 분석하기 위해 접촉각을 측정하였다. 표면의 5개 지점에 10 ul의 증류수를 떨어뜨려 접촉각을 측정하였으며, Fig. 4에 평균값과 표준편차를 나타내었다. 질소이온 조사표면은 경면가공한 알루미늄 표면과 비교하여 접촉각이 증가하는 경향을 보였다.
이론/모형
- 증기응축 성능 변화에 따른 열전달량을 측정하기 위해, 시험편의 중심선을 따라 등간격으로 4개의 구리-콘스탄탄(copper-constantan, type T) 열전대를 설치하였다. 실린더형 시편에서의 온도구배와 1차원 열전도 방정식을 이용하여 시험편의 열유속을 계산하였다. 응축면의 온도는 측정된 온도와 계산된 열유속 데이터를 이용하여 식(1)과 같이 계산하였다.
- 측정결과는 액막응축의 이론적 해인 Nusselt theory와 비교하였으며, 원형 시편에 적용 가능 하도록 특성길이를 고려한 O’Neil and westwater(5)의 수정관계식을 사용하였다.
성능/효과
- 또한, 일부 실험에서 액막응축이 구현됨에도 불구하고 Nusselt theory 대비 열전달 계수가 감소하는 현상을 발견하였으나, 이를 unknown effect로 정의하였다.(3) 본 연구의 실험결과에서는 질소이온 조사표면에서 발생하는 액막응축과 표면 색상변화는 가수분해 현상에 의한 결과이며, 이로 인해 액막응축이 구현되고 불응축 가스가 형성되어 열전달 성능 감소를 야기시키는 것으로 분석되었다. 또한, 질화알루미늄은 물의 온도가 상승함에 따라 가수분해 반응이 가속화되기 때문에(6,7) , 과냉도가 낮은 조건에서부터 실험한 본 연구에서는 빠른시간 내에 액막응축이 구현된 것으로 분석되었다.
- 질소이온 조사표면은 경면가공한 알루미늄 표면과 비교하여 접촉각이 증가하는 경향을 보였다. 또한, 이온조사량이 증가할수록 접촉각이 증가하였으며, 조사에너지가 표면에너지 변화에 미치는 영향은 적은 것으로 나타났다.
- 실험에서 측정된 열유속과 응축열전달계수는 Nusselt theory와 ±5% 이내에서 잘 일치하였다.
- 3에 나타내었다. 알루미늄의 색상과는 달리, 질소이온이 조사된 표면은 노란색으로 변했으며, 이온조사량이 증가할수록 색상이 짙게 나타났다. 표면 색상변화는 질소와 알루미늄이 반응하여 화합물이 형성된 결과이며, 질화알루미늄(aluminum nitride)의 색을 띠는 것으로 확인되었다.
- 본 연구에서는 다양한 조건의 질소이온을 알루미늄 표면에 조사하여, 그에 따른 표면에너지 변화를 분석하고 증기응축 거동변화를 분석하였다. 조사표면은 질소이온과 반응하여 질화알루미늄이 형성되어, 가시적인 색상변화 및 표면에너지 변화가 관찰되었다. 질소이온 조사표면은 초기 액적응축이 구현되었으나, 시간이 경과함에 따라 액막응축으로 변하였다.
- 4에 평균값과 표준편차를 나타내었다. 질소이온 조사표면은 경면가공한 알루미늄 표면과 비교하여 접촉각이 증가하는 경향을 보였다. 또한, 이온조사량이 증가할수록 접촉각이 증가하였으며, 조사에너지가 표면에너지 변화에 미치는 영향은 적은 것으로 나타났다.
- 알루미늄의 색상과는 달리, 질소이온이 조사된 표면은 노란색으로 변했으며, 이온조사량이 증가할수록 색상이 짙게 나타났다. 표면 색상변화는 질소와 알루미늄이 반응하여 화합물이 형성된 결과이며, 질화알루미늄(aluminum nitride)의 색을 띠는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 이러한 현상은 표면에 형성된 질화알루미늄이 응축수와 반응하여 가수분해 현상이 발생하여 표면이 산화되고, 불응축가스가 생성되어 열전달 성능을 감소시키는 것으로 분석되었다. 질소이온을 조사한 알루미늄 표면은 작동유체로 물을 사용하거나, 고온의 유체를 냉각시키는 에너지시스템 또는 열교환기에 적용하기 위해서는 운전조건 또는 환경에 대한 추가적인 검증이 필요할 것으로 판단된다.
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