본 연구의 목표는 수평 관외 초소수성 튜브에서 비응축가스(NCG)의 영향을 관찰하고, 이를 일반 알루미늄 튜브의 응축 현상과 비교하는 것이다. 초소수성 튜브 제작을 위해 Self-Assembled Monolayer(SAM) 코팅으로 알루미늄 튜브의 외부를 표면개질 했다. 응축 성능을 나타내기 위해 총합 열전달계수를 사용하였고, 이 값으로 응축 성능을 비교 검토하였다. 본 연구의 주요 변수는 비응축가스 질량 분율로, 0.08에서 0.45의 범위에서 실험을 진행하였다. 응축 실험을 통해 비응축가스 질량 분율이 낮아질수록 응축 성능이 SAM 튜브와 일반 튜브에서 모두 향상되는 것을 확인했다. SAM 튜브에서 적응축 열전달 성능은 일반 튜브 대비하여 평균 약 1.9배에서 2.5배 정도 큰 것을 관찰하였다. SAM 튜브에서 비응축가스 질량 분율이 낮아지면서 응축 성능 상승폭이 감소하게 되는데, 이는 Flooded 응축 현상이 발현되었기 때문이다. 응축이 더 활발하게 진행되면 SAM 튜브에서 막응축이 일어나는 것을 관찰하였고, 이 때 성능은 일반 알루미늄 튜브보다도 저하된 성능을 보였다. SAM 알루미늄 튜브에서 Flooded 응축과 막응축이 일어나는 원인으로 표면에서의 Pinning 효과를 이용하여 설명하였다. 결론적으로, SAM 튜브를 실제 응축기에 적용해 표면개질로 인한 응축 성능 개선 효과를 얻기 위해서는 적응축 또는 Flooded 응축이 일어나는 조건으로 응축기 내 환경 조성을 해야 한다.
본 연구의 목표는 수평 관외 초소수성 튜브에서 비응축가스(NCG)의 영향을 관찰하고, 이를 일반 알루미늄 튜브의 응축 현상과 비교하는 것이다. 초소수성 튜브 제작을 위해 Self-Assembled Monolayer(SAM) 코팅으로 알루미늄 튜브의 외부를 표면개질 했다. 응축 성능을 나타내기 위해 총합 열전달계수를 사용하였고, 이 값으로 응축 성능을 비교 검토하였다. 본 연구의 주요 변수는 비응축가스 질량 분율로, 0.08에서 0.45의 범위에서 실험을 진행하였다. 응축 실험을 통해 비응축가스 질량 분율이 낮아질수록 응축 성능이 SAM 튜브와 일반 튜브에서 모두 향상되는 것을 확인했다. SAM 튜브에서 적응축 열전달 성능은 일반 튜브 대비하여 평균 약 1.9배에서 2.5배 정도 큰 것을 관찰하였다. SAM 튜브에서 비응축가스 질량 분율이 낮아지면서 응축 성능 상승폭이 감소하게 되는데, 이는 Flooded 응축 현상이 발현되었기 때문이다. 응축이 더 활발하게 진행되면 SAM 튜브에서 막응축이 일어나는 것을 관찰하였고, 이 때 성능은 일반 알루미늄 튜브보다도 저하된 성능을 보였다. SAM 알루미늄 튜브에서 Flooded 응축과 막응축이 일어나는 원인으로 표면에서의 Pinning 효과를 이용하여 설명하였다. 결론적으로, SAM 튜브를 실제 응축기에 적용해 표면개질로 인한 응축 성능 개선 효과를 얻기 위해서는 적응축 또는 Flooded 응축이 일어나는 조건으로 응축기 내 환경 조성을 해야 한다.
This purpose of this research is to observe the influence of non-condensable gas (NCG) on a horizontal super-hydrophobic aluminum tube and compare it with a bare aluminum tube. To achieve super-hydrophobic characteristics, an aluminum tube was coated with a Self-Assembled Monolayer (SAM). The overal...
This purpose of this research is to observe the influence of non-condensable gas (NCG) on a horizontal super-hydrophobic aluminum tube and compare it with a bare aluminum tube. To achieve super-hydrophobic characteristics, an aluminum tube was coated with a Self-Assembled Monolayer (SAM). The overall heat transfer coefficient U was used to represent the condensation performance. The NCG mass fraction was the main variable, and its range was 0.08 to 0.45. The condensation performance of the SAM tube and bare tube increased with decreasing mass fraction of NCG. The SAM tube showed 1.9 to 2.5 times larger dropwise condensation performance than the bare tube. When the mass fraction of NCG decreased in the SAM tube, the rate of increase of the SAM tube was lower because flooded condensation occurred. In addition, filmwise condensation occurred in the SAM tube when more active condensation was generated, and its performance was lower than that of the bare aluminum tube. The flooded and filmwise condensation in the SAM tube is explained by the pinning effect. In conclusion, controlling the condition of the condenser is necessary to improve the condensation performance by surface modification a SAM.
This purpose of this research is to observe the influence of non-condensable gas (NCG) on a horizontal super-hydrophobic aluminum tube and compare it with a bare aluminum tube. To achieve super-hydrophobic characteristics, an aluminum tube was coated with a Self-Assembled Monolayer (SAM). The overall heat transfer coefficient U was used to represent the condensation performance. The NCG mass fraction was the main variable, and its range was 0.08 to 0.45. The condensation performance of the SAM tube and bare tube increased with decreasing mass fraction of NCG. The SAM tube showed 1.9 to 2.5 times larger dropwise condensation performance than the bare tube. When the mass fraction of NCG decreased in the SAM tube, the rate of increase of the SAM tube was lower because flooded condensation occurred. In addition, filmwise condensation occurred in the SAM tube when more active condensation was generated, and its performance was lower than that of the bare aluminum tube. The flooded and filmwise condensation in the SAM tube is explained by the pinning effect. In conclusion, controlling the condition of the condenser is necessary to improve the condensation performance by surface modification a SAM.
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문제 정의
본 연구는 수평 관외에서 비응축가스 질량 분율과SAM 코팅을 통해 초소수성 표면을 갖는 알루미늄 튜브에서의 응축 성능과의 상관성을 규명하고, 이를 일반 알루미늄 튜브에서의 응축 성능과 비교하여 어떤 차이가 있는지 확인하기 위해 진행되었다. SAM 코팅은 적응축현상을 유도하기 위해 알루미늄 튜브 표면을 초소수성으로 개질하는 방법이다.
본 연구는 적응축 열전달에 미치는 비응축가스의 영향을 관찰하고, 이를 막응축 열전달에 미치는 영향과 비교하기 위해 진행했다. 적응축 현상을 유도하기 위해 초소수성 SAM 코팅 표면개질을 한 알루미늄 튜브를 사용했고, 일반 알루미늄 튜브를 사용해 막응축 현상을 관찰했다.
제안 방법
K 타입 열전대는 ±0.15°C 정확도를 갖도록 교정되었으며 총 5개를 두 개의 튜브 입, 출구에 각각 1개씩, 응축 챔버 내부 온도 측정을 위해 응축 챔버의 중앙에 1개 설치하였다.
응축 챔버는 스테인레스 재질로 직육면체 형상으로 제작되었으며, 크기는 W 1200 x L 500 x H 500 mm이다. 내부 압력이 0.02 bar인 상황에서 외압을 견딜 수 있도록 두께를 10 mm으로 설계하였다. 튜브에서 응축된 응축수는 응축수 수집관을 통해 수위 게이지로 흘러 들어간 후 응축 챔버 하단의 보조탱크에 저장된다.
2에 나타나 있다. 냉각기에서 나오는 냉각수가 흐르는 방향과 증기발생기에서 나오는 증기가 반대로 흐르게 설계했다. 실험장치는 증기발생기에서 배출된 증기가 응축 챔버에서 응축되고 응축수는 하단의 보조 탱크에 저장되는 닫힌 시스템으로 설계되었다.
본 실험에서는 냉각수의 온도를 20 ± 0.1 °C로 설정했다.
두 알루미늄 튜브에서의 응축 열전달 성능은 총합 열전달계수 U로 표현하였다. 본 연구를 통해, 비응축가스 질량 분율과 초소수성 표면을 가진 튜브에서의 열전달 성능의 상관성을 규명하였고 최종적으로 SAM 튜브, 일반 튜브에서 일어나는 응축 열전달에 미치는 비응축가스 영향을 분석하였다.
067 bar 두 개의 값으로 설정했다. 본 연구의 주요 변수는 비응축가스 질량 분율이며, 0.08부터 0.45까지의 범위에서 실험을 진행하였다. 응축 실험을 통해 다음 4가지의 결과를 도출했다.
냉각기에서 나오는 냉각수가 흐르는 방향과 증기발생기에서 나오는 증기가 반대로 흐르게 설계했다. 실험장치는 증기발생기에서 배출된 증기가 응축 챔버에서 응축되고 응축수는 하단의 보조 탱크에 저장되는 닫힌 시스템으로 설계되었다. 실험장치의 주요 튜브들의 구경은 1 inch이고 스테인레스 재질이다.
이론적 해석을 통해 응축 성능을 나타내기 위한 총합 열전달계수를 도출했다. 응축 챔버는 내부 압력을 0.02 bar로 설정해도 변형 및 파손이 없도록 설계하였고, 진공도 유지가 가능하도록 제작하였다. 튜브 내에 흐르는 냉각수의 온도는 20 °C, Renolds수는 10000으로 고정했다.
냉각수의 Reynolds 수는 10000, 온도는 20 °C로 고정한다. 응축수 유량을 측정해 qc와 U를 계산하고, U를 통해 SAM 튜브와 일반 튜브의 열전달 성능을 비교한다.
SAM 코팅은 적응축현상을 유도하기 위해 알루미늄 튜브 표면을 초소수성으로 개질하는 방법이다. 이론적 해석을 통해 응축 성능을 나타내기 위한 총합 열전달계수를 도출했다. 응축 챔버는 내부 압력을 0.
본 연구는 적응축 열전달에 미치는 비응축가스의 영향을 관찰하고, 이를 막응축 열전달에 미치는 영향과 비교하기 위해 진행했다. 적응축 현상을 유도하기 위해 초소수성 SAM 코팅 표면개질을 한 알루미늄 튜브를 사용했고, 일반 알루미늄 튜브를 사용해 막응축 현상을 관찰했다. 두 알루미늄 튜브에서의 응축 열전달 성능은 총합 열전달계수 U로 표현하였다.
Table 1에 수식을 위한 명명법이 정리되어 있다. 총합 열전달계수 U를 정의하기 위해서 응축수의 양을 측정해 열전달율 qc를 계산한다. qc를 계산할 때, Rohsenow[11]의 수정된 기화열 모델 식 (2)를 식 (1)에 적용한다.
각각의 수위 게이지를 통해 응축 열량과 열손실 열량을 도출할 수 있다. 하단 보조탱크의 용량은 60 L로 최대 증기유량에서 4시간까지 응축실험을 진행할 수 있도록 설계했다. 보조탱크 최하단에는 응축수를 배출하기 위한드레인 밸브가 설치되어 있다.
대상 데이터
설치된 계측기들은 Table 2에 정리된 것과 같다. 데이터를 수집하기 위해 K타입 열전대, 압력계, 터빈 유량계, 차압식 증기 유량계를 사용했다. K 타입 열전대는 ±0.
본 연구의 응축 열교환기 튜브로 알루미늄 튜브가 사용된다. 알루미늄의 열전도율은 237 W/m·K이다.
실험장치는 증기발생기에서 배출된 증기가 응축 챔버에서 응축되고 응축수는 하단의 보조 탱크에 저장되는 닫힌 시스템으로 설계되었다. 실험장치의 주요 튜브들의 구경은 1 inch이고 스테인레스 재질이다. 증기발생기에서 나오는 호스는 1/2 inch이고 스테인레스 재질이다.
응축 챔버는 스테인레스 재질로 직육면체 형상으로 제작되었으며, 크기는 W 1200 x L 500 x H 500 mm이다. 내부 압력이 0.
알루미늄의 열전도율은 237 W/m·K이다. 튜브의 길이는 440 mm이고, 외경은 25 mm, 두께는 2 mm이다. 막응축 현상을 관찰하기 위해서 일반 알루미늄 튜브가 사용되었으며, 적응축 현상을 관찰하기 위해서Kwak과 Hwang[12]의 방법으로 SAM 코팅된 알루미늄튜브가 사용되었다.
데이터처리
Tang 외[5]는 비응축가스가 존재하는 상황에서 수평관외 막응축(FWC) 현상을 연구하기 위하여 이중 경계층 모델을 개발했다. 위 모델을 바탕으로 유한요소법을 사용하여 수치적인 해를 풀었으며, 직접 실험한 결과와 비교해 타당성을 검증했다. 응축기에서의 비응축가스의 질량 분율이 낮더라도 평균 총합열전달 계수는 명백하게 저하되는 것을 이 모델을 통해 확인하였다.
이론/모형
튜브의 길이는 440 mm이고, 외경은 25 mm, 두께는 2 mm이다. 막응축 현상을 관찰하기 위해서 일반 알루미늄 튜브가 사용되었으며, 적응축 현상을 관찰하기 위해서Kwak과 Hwang[12]의 방법으로 SAM 코팅된 알루미늄튜브가 사용되었다. 사용된 알루미늄 튜브들은 Fig.
Ren 외[3]는 실험적, 이론적으로 비응축가스의 분율과 냉각수의 Reynolds 수에 따라 증기/공기 혼합물의 수평관내 응축 실험을 진행했다. 이론 모델은 흡수효과와 거칠기를 포함한 Liao[4]의 수정된 확산층 이론을 통해서 세워졌고, 실험을 통해 검증되었다. 실험의 결과로 비응축가스의 질량분율이 낮고, 냉각수의 유량이 클수록 평균열전달 계수는 상승하는 결과를 보였다.
성능/효과
1) 일반적으로, 비응축가스 질량 분율이 낮아질수록 SAM 튜브와 일반 튜브의 U는 모두 증가한다. 이는 비응축가스가 응축에 미치는 부정적인 영향이 감소하기 때문이다.
2) 비응축가스 질량 분율에 따른 SAM 튜브에서의 응축 성능 변화는 일반 튜브에서와는 다르다. 비응축가스 질량 분율이 감소하면서 한 점을 기점으로USAM 증가폭, 즉 기울기가 감소한다.
3) 전반적으로 USAM이 UBare보다 높다. 하지만, SAM 튜브가 기능을 상실하면 SAM 튜브에서도 막응축 현상이 발현되며, SAM 튜브의 응축 성능이 튜브가 일반 튜브보다 저하되어 USAM이 UBare보다 작아진다.
4) SAM 튜브를 실제 응축기에 적용해 표면개질로 인한 응축 성능 개선 효과를 얻기 위해서는 적응축 또는 Flooded 응축이 일어나는 조건으로 응축기 내 환경 조성을 해주어야 한다.
하지만, SAM 튜브의 응축 열전달 성능인 USAM은 다른 경향을 가지고 있다. USAM이 첫 번째 실험(Fig. 4)에서는 약 1.6 kW/m2K 인 지점, 두 번째 실험(Fig. 5)에서는 약 2.0kW/m2K 인 지점을 기준으로, 비응축가스 질량 분율 감소에 따른 USAM이 증가하는 비율, 즉 기울기가 감소하는 경향을 보였다. 언급한 두 지점에서의 응축 형태를 관찰해보니 Flooded 응축이 관찰되었고, 이 때의 사진은 Fig.
Lee 외[6]는 두 가지의 다른 Self-Assembled Monolayer(SAM) 코팅된 소수성 표면에서의 액적 성장 거동을 관찰하였다. 그 결과 액적의 성장, 유착과 표면에너지로 인한 액적 성장 및 거동특성을 파악하였고, 이러한 결과는 적응축 열전달 제어에 유용할 것으로 보인다.
Kroger와 Rohsenow[2]는 비응축가스인 아르곤과 헬륨을 주입하고 응축을 일으켜 비응축가스가 응축에 미치는 영향을 확인하는 실험을 진행했다. 그 결과 응축에 미치는 분자확산의 영향이 지배적이라는 것과, 반대로 열확산의 영향은 미비하다는 것을 보였다. 따라서 비응축가스가 존재하는 응축 현상을 분석할 때의 지배 방정식은 분자확산 방정식이라고 서술했다.
Ma 외[9]는 비응축가스가 있는 조건에서 SAM 코팅을 한 나노구조, 마이크로 구조가 형성된 구리 수직 평판에 적응축 열전달 실험을 진행하였다. 그 결과 적응축 열전달도 막응축 열전달처럼 비응축가스가 많아질수록 응축 열전달율이 저하되는 것을 확인하였다. 또한 비응축가스 몰분율이 약 20 % 이하일 땐 마이크로구조 표면에서의 열전달율이 나노구조 표면에서보다 크다가, 비응축가스 몰분율 20 %를 기점으로 이것이 역전되는 것을 확인하였다.
위 연구자는 구리 튜브를 수평으로 두고 그 안에 냉각수를 공급했다. 그 결과, 보일러 내의 공기의 부피율이 0.005일 때, 구리 튜브의 표면 열전달 효율이 약 50% 저하되는 것을 확인했다.
Miljkovic 외[8]는 초소수성 표면에서 응축 열전달이 일어날 때 생기는 표면과 액적의 상태를 관찰하였다. 그 결과, 점핑(Jumping), 액적(Dropwise)과 Flooded 응축 현상이 관찰되었고, 막응축 현상보다 각각 약 5배, 3.3배, 2배 가량 향상된 응축열전달 계수를 보였다. 또한, 막응축에서는 증기압이 증가할수록 응축열전달 계수가 감소한 반면, 위에 나열된 3가지 현상이 일어날 때에는 응축열전달 계수가 소폭 증가했다.
실험 절차에서 설명했듯이, 비응축가스 질량 분율이 낮아질수록 증기량이 증가해 포화온도가 상승하며 챔버 내 압력과 온도 또한 상승한다. 그리고 비응축가스 질량 분율이 낮아질수록 SAM 튜브의 응축성능이 높아졌으며 동시에 Flooded 응축이 발현되었다. Narhe과 Baysens[10]의 연구가 밝힌 것처럼 응축이 활발하게 일어나면 Pinning 현상이 발생하여 액적이 표면에서 떨어지지 않게 되고, 그 결과 적응축이 일어나던 초소수성 표면에서 Flooded 응축과 막응축이 일어나게 된다.
14일 때는 낮은 것으로 보면, 이때 SAM 코팅 기능을 상실했다. 두 번째 실험에서 SAM 코팅이 기능을 유지하여 적응축이 일어나는 비응축가스 질량 분율 구간에서 USAM이 UBare보다 최대 3.07 배, 최소 1.54 배 크고, 최대값과 최소값을 제외한 평균값은 약 2.49 배 크다.
두 실험 결과 모두에서 비응축가스 질량 분율이 감소할수록 UBare가 증가하는 폭이 커진다. 즉, UBare의 기울기가 커진다고 말할 수 있다.
그 결과 적응축 열전달도 막응축 열전달처럼 비응축가스가 많아질수록 응축 열전달율이 저하되는 것을 확인하였다. 또한 비응축가스 몰분율이 약 20 % 이하일 땐 마이크로구조 표면에서의 열전달율이 나노구조 표면에서보다 크다가, 비응축가스 몰분율 20 %를 기점으로 이것이 역전되는 것을 확인하였다. 연구자는 표면 구조와 비응축가스의 몰분율이 표면 젖음성에 영향을 주기 때문에 이 같은 결과가 나왔다고 해석하였다.
SAM 튜브에서 Flooded 응축과 막응축이 일어나는 원인을 밝히기 위해서는 실험 시 응축 챔버 내부의 환경을 살펴보아야 한다. 실험 절차에서 설명했듯이, 비응축가스 질량 분율이 낮아질수록 증기량이 증가해 포화온도가 상승하며 챔버 내 압력과 온도 또한 상승한다. 그리고 비응축가스 질량 분율이 낮아질수록 SAM 튜브의 응축성능이 높아졌으며 동시에 Flooded 응축이 발현되었다.
이론 모델은 흡수효과와 거칠기를 포함한 Liao[4]의 수정된 확산층 이론을 통해서 세워졌고, 실험을 통해 검증되었다. 실험의 결과로 비응축가스의 질량분율이 낮고, 냉각수의 유량이 클수록 평균열전달 계수는 상승하는 결과를 보였다.
위 모델을 바탕으로 유한요소법을 사용하여 수치적인 해를 풀었으며, 직접 실험한 결과와 비교해 타당성을 검증했다. 응축기에서의 비응축가스의 질량 분율이 낮더라도 평균 총합열전달 계수는 명백하게 저하되는 것을 이 모델을 통해 확인하였다.
5에 나타나 있다. 이 또한 첫 번째 실험 결과와 마찬가지로 일반적으로 비응축가스 질량 분율이 감소할수록 SAM 튜브와 일반 튜브의 U가 증가한다. 이를 통해 비응축가스 영향이 감소한다는 것을 재확인할 수 있다.
이처럼 SAM 코팅에서의 응축 열전달 성능이 일반 튜브보다 낮아지게 되면 SAM 코팅이 기능을 상실한 것으로 간주한다. 첫 번째 실험에서 SAM 코팅이 기능을 유지하여 적응축이 일어나는 비응축가스 질량 분율 구간에서 USAM은 UBare보다 최대 약 2.21 배, 최소 약 1.41 배 크며, 최대값과 최소값을 제외한 평균값은 약 1.9 배 크다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알루미늄의 열전도율은?
본 연구의 응축 열교환기 튜브로 알루미늄 튜브가 사용된다. 알루미늄의 열전도율은 237 W/m·K이다. 튜브의 길이는 440 mm이고, 외경은 25 mm, 두께는 2 mm이다.
평균열전달 계수가 상승하는 원인은?
이론 모델은 흡수효과와 거칠기를 포함한 Liao[4]의 수정된 확산층 이론을 통해서 세워졌고, 실험을 통해 검증되었다. 실험의 결과로 비응축가스의 질량분율이 낮고, 냉각수의 유량이 클수록 평균열전달 계수는 상승하는 결과를 보였다.
수평 관외 적응축 현상을 이론적으로 모델링했을 때 얻을 수 있는 분석 결과는?
이들은 접촉각이 크고 증기압이 증가할수록 높은 열유속을 갖는다는 것을 이론적해석을 통해 밝혀냈고, 실험 데이터와 비교해 검증을 완료했다. 이를 통해 물방울의 접촉각이 작고 냉각수 입,출구의 온도차이가 크지 않을 때에도 성공적으로 수평 관외 적응축 열전달을 예측할 수 있게 되었다.
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