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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 산업현장에서 많이 사용되고 있는 구리열교환기를 장착한 열전달 시스템의 효율과 안전성을 향상시키기 위하여 열교환기와 같은 재질이면서 열전도도가 높은 구리나노입자를 실험시편 표면에 분사 증착하여 코팅하는 방법을 사용함으로써 순수 물에서 나노입자 코팅시간에 따른 임계 열유속, 열전달 계수, 접촉각, 거칠기를 측정하여 나노입자 코팅이 열전달현상에 미치는 영향을 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 풀 비등 임계 열유속 실험을 위하여 실험시편에 구리 나노입자를 분사코팅한 후의 표면을 관찰하였다.
제안 방법
- 0005wt.%의 환원된 그래핀 옥사이드 나노유체가 코팅된 Ni-Cr 와이어 히터를 이용하여 풀 비등 임계 열유속 실험을 수행하였으며, 약 320% 증가된 임계 열유속을 관찰하였다. 특히, 코팅시간에 따른 임계 열유속을 측정하였으며, 환원된 그래핀 옥사이드 나노유체를 이용한 코팅시간이 증가할수록 임계 열유속이 획기적으로 증가함을 확인하였다.
- 그리고 접촉각에 따른 표면 거칠기를 측정하기 위하여 Non-Contact white light scanning interferometer system을 적용한 3D 나노형상 측정 시스템(Nanoview NV2000, Nanosystem Co.)을 사용하였으며, 그 결과를 [그림 7]에 정리하였다. 그림에서 볼 수 있듯이 열전달 실험시편 표면 거칠기는 코팅 시간이 증가할수록 증가하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 [그림 2]와 [표 1]에서 볼 수 있듯이 40∼60nm 크기의 순도 99.5% 구리나노입자를 60 초, 180초, 240초 동안 분사증착 코팅을 하였으며, 코팅시간에 따른 풀 비등 임계 열유속과 열전달 계수를 비교하였다.
- 측정되는 실험데이터의 모니터링과 저장을 위하여 데이터로 거와 컴퓨터를 설치하였다. 본 연구에서는 실험이 종료된 후에 열전달 실험 시편 표면 상태를 관찰하기 위하여 전자장방출주사전자현미경, 접촉각 측정기, 3D나노 형상측정시스템을 이용하여 시편의 표면상태, 접촉각, 그리고 거칠기를 측정하였다. 또한 열전달 시편의 표면에 구리나노입자를 코팅하기 위하여 분사증착 코팅방법을 사용하였다.
대상 데이터
- [그림 1]과 [그림 2]는 본 연구에서 사용된 실험장치와 실험시편의 개략도이다. 실험시편은 직경 1 mm 의 K-타입 열전대가 삽입되어 있는 지름 10 mm의 구리와 시편을 고정하는 역할과, 동시에 열전대를 7 mm 간격으로 3개를 삽입한 히터에서 발생되는 열이 다른 곳으로 분산되지 않도록 하기 위한 단열재인 PEEK로 구성되어 있다. 또한 [그림 1]에서 볼 수 있듯이 실험시편은 반응용기의 하부에 있는 히터부와 연결되어 있으며, 히터는 구리블럭과 알루미늄 용기, 알루미늄 재질의 단열판, 히터의 높이를 조절할 수 있는 서포트잭으로 구성되었다.
이론/모형
- 본 연구에서는 실험이 종료된 후에 열전달 실험 시편 표면 상태를 관찰하기 위하여 전자장방출주사전자현미경, 접촉각 측정기, 3D나노 형상측정시스템을 이용하여 시편의 표면상태, 접촉각, 그리고 거칠기를 측정하였다. 또한 열전달 시편의 표면에 구리나노입자를 코팅하기 위하여 분사증착 코팅방법을 사용하였다.
- 본 연구의 임계 열유속은 실험에서 측정된 온도를 사용하여 식 (1)의 1차원 정상상태 열전도방정식을 이용하여 계산하였고, 비등 열전달 계수는 식 (2)의 대류 열전달 방정식을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- (2006)은 Al2O3, TiO2, SiO2 나노입자를 적용한 나노유체에서 Ni-Cr 와이어 히터를 이용하여 풀 비등 임계 열유속 실험을 수행하였다. 그리고 비등실험을 통하여 가열표면에 나노입자를 증착하고, 이 증착시킨 표면과 순수 물의 풀 비등 임계 열유속 실험을 진행하고, 깨끗한 시편표면과 나노유체를 사용한 시편표면의 풀 비등 임계 열유속 실험결과를 서로 비교하여, 나노입자 증착 표면이 임계 열유속 향상의 원인이 될 수 있으며, 나노입자의 증착현상이 만들어낸 열전달 시편표면 접촉각의 변화와 표면특성 변화에 따른 모세관력의 증가가 임계 열유속 향상의 주요 원인임을 실험적으로 보였다. 또한 Zhang et al.
- )을 사용하였으며, 그 결과를 [그림 7]에 정리하였다. 그림에서 볼 수 있듯이 열전달 실험시편 표면 거칠기는 코팅 시간이 증가할수록 증가하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 그림을 보면 알 수 있듯이 측정된 열전달 계수는 코팅시간이 60초, 180초, 240초 상태에서 코팅을 하지 않았을 때보다 각각 –2.08%, -5.03%, 5.79%의 증가율을 확인하였다.
- 79%의 증가율을 확인하였다. 따라서 구리 나노입자 코팅시간이 60초, 180초 상태에서 코팅을 하지 않은 시편보다 임계 열유 속은 증가하나 열전달계수는 작아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 열전달 표면의 과도한 온도상승으로 인하여 열전달 시스템의 안전성에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 열전달계수를 증대시키기 위한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 열전달 계수는 증가하나 임계 열유속이 감소하는 경우와 열전달 계수는 감소하나 임계 열유속은 증가하는 서로 반대의 현상이 존재함을 알 수 있었다. 따라서 열시스템의 안전성을 높이기 위해서는 임계 열유속과 열전달 계수를 모두 증대시킬 수 있는 더 많은 연구가 필요한 것으로 보여진다.
- 또한 실험 전후의 열전달 표면 거칠기를 측정하였으며, 나노입자의 침착에 의한 열전달 표면의 거칠기가 변화함을 관찰하고, 이러한 나노입자의 침착현상이 나노유체의 임계 열유속 증가와 관련을 가지고 있다고 주장하였다. Ahn et al.
- 또한, 순수 물에서 구리 나노 입자 코팅시간이 60초, 180초까지 임계 열유속은 각각 5.74%, 6.40%로 증가하였으며, 240초 상태에서는 – 17.48%로 감소하였고, 열전달계수는 –2.08%, -5.03%, 5.79%의 증가율을 보이는 것으로 확인하였다.
- 또한, 위의 식들에 사용되어진 인자들을 이용하여 Kline and McClintock(1953)의 오차 전파방법으로 열유속과 열전달 계수에 대한 불확실성을 계산한 결과 열유속 100kW/m2에서 각각 10.63%, 15.04%이며, 열유속 1,100kW/m2에서는 각각 2.44%, 2.45%임을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 열전달 시스템의 안전성 향상을 위하여 구리 나노입자가 코팅된 실험시편의 임계 열유속, 열전달 계수, 접촉각, 표면 거칠기를 비교분석한 결과, 코팅 시간이 증가할수록 접촉각이 감소하였으며 표면 거칠기는 증가함을 확인하였다. 또한, 순수 물에서 구리 나노 입자 코팅시간이 60초, 180초까지 임계 열유속은 각각 5.
- %의 환원된 그래핀 옥사이드 나노유체가 코팅된 Ni-Cr 와이어 히터를 이용하여 풀 비등 임계 열유속 실험을 수행하였으며, 약 320% 증가된 임계 열유속을 관찰하였다. 특히, 코팅시간에 따른 임계 열유속을 측정하였으며, 환원된 그래핀 옥사이드 나노유체를 이용한 코팅시간이 증가할수록 임계 열유속이 획기적으로 증가함을 확인하였다.
후속연구
- 따라서 열전달 계수는 증가하나 임계 열유속이 감소하는 경우와 열전달 계수는 감소하나 임계 열유속은 증가하는 서로 반대의 현상이 존재함을 알 수 있었다. 따라서 열시스템의 안전성을 높이기 위해서는 임계 열유속과 열전달 계수를 모두 증대시킬 수 있는 더 많은 연구가 필요한 것으로 보여진다.
- 이는 구리 나노입자 코팅 시 만들어지는 다공성으로 인해 친수성이 증대되어 빠른 비등 열전달 현상이 발생하여 임계 열유속이 감소하는 것으로 사료된다. 따라서 열시스템의 안전성을 향상시키기 위해서 임계 열유속과 열전달 계수를 모두 증대시킬 수 있는 최적의 두께가 존재함을 알 수 있었고, 정확한 판단을 위해서는 구리 나노입자의 크기와 분사시간에 대한 더 많은 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 구리 나노입자 코팅시간이 60초, 180초 상태에서 코팅을 하지 않은 시편보다 임계 열유 속은 증가하나 열전달계수는 작아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 열전달 표면의 과도한 온도상승으로 인하여 열전달 시스템의 안전성에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 열전달계수를 증대시키기 위한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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