[논문]소수성 구리 표면에서의 액적 응축에 관한 액적 성장 및 열전달 특성 연구

이형주; 정찬호; 김대윤; 문주현; 이재빈; 이성혁

doi:10.15435/jilasskr.2018.23.3.149

소수성 구리 표면에서의 액적 응축에 관한 액적 성장 및 열전달 특성 연구
Investigation of Droplet Growth and Heat Transfer Characteristics during Dropwise Condensation on Hydrophobic Copper Surface 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.23 no.3, 2018년, pp.149 - 153

이형주 (중앙대학교 기계공학과) , 정찬호 (중앙대학교 기계공학과) , 김대윤 (중앙대학교 기계공학과) , 문주현 , 이재빈 (두산중공업 가스터빈 개발사업부) , 이성혁 (중앙대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The present study investigates the heat transfer characteristics of droplet growth during dropwise condensation on the hydrophobic copper surface. We use the copper specimen coated by the self-assembled layer and conduct the real-time measurement of droplet size and spatial distribution of condensates during condensation with the use of the K2 lens (long distance microscope lens) and CMOS camera. The temperatures are measured by three RTDs (resistance temperature detectors) that are located through the holes made in the specimen. The surface temperature is estimated by the measured temperatures with the use of the one-dimensional conduction equation. It is observed that the droplets on the surface are growing up and merging, causing larger droplets. The experimental results show that there are three distinct regimes; in the first regime, individual small droplets are created on the surface in the early stage of condensation, and they are getting larger owing to direct condensation and coalescence with other droplets. In the second and third regimes, the coalescence occurs mainly, and the droplets are detached from the surface. Also, the fall-off time becomes faster as the surface wettability decreases. In particular, the heat transfer coefficient increases substantially with the decrease in wettability because of faster removal of droplets on the surfaces for lower wettability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 여전히 표면의 젖음성이 액적 성장 거동에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 연구는 부족한 상황이며, 특히 액적 성장 거동이 표면 열전달에 미치는 영향에 대한 연구가 미미하다. 따라서 본 연구에서는 소수성 표면에서 액적응축현상을 촬영하여 성장 거동을 분석하였고, 더 나아가 표면의 젖음성이 열전달 성능에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다. 결과로서, 액적 성장 거동 특성을 관찰하여 단일 액적 성장이 일어나는 영역과 액적들의 결합이 주로 일어나는 영역의 기준을 정량적으로 제안하였다.
본 연구에서는 화학적으로 텍스쳐 된 구리 표면의 액적 응축 시 액적 성장 거동을 관찰하고, 액적 성장 과정이 열전달에 미치는 영향을 분석하기 위하여 실험을 수행하였다. 소수성 표면에서 액적 성장 거동은 응축 표면의 liquid area fraction을 분석하여 세가지 영역으로 나눌 수 있다.

제안 방법

상대 습도는 습도 조절 챔버의 센서와 가습기를 사용하여 조절하였다. 구리 시편 내 열전달을 측정하기 위해 시편의 높이 방향으로 측온 저항체(resistance temperature detector, RTD)를 상단 표면으로부터 각각 1, 2, 그리고 3 mm 떨어진 위치에 홀을 뚫어 삽입하였다. 측온 저항체는 데이터 수집 장치(Agilent, 34970A)에 연결하였고, 실시간으로 온도를 측정하였다.
결과로서, 액적 성장 거동 특성을 관찰하여 단일 액적 성장이 일어나는 영역과 액적들의 결합이 주로 일어나는 영역의 기준을 정량적으로 제안하였다. 또한 액적 성장 거동이 표면 응축 열전달에 미치는 영향을 분석하였다.
용액에 담가 놓는 시간에 따라 달라지는 코팅 층의 두께와 형상은 액적의 접촉각에 영향을 미치게 된다⁽⁹⁾. 본 연구에서는 n-octadecyl mercaptan layer 코팅을 각각 10분과 2시간 진행하였다. Fig.
본 연구에서는 시간에 따른 응축 액적의 거동과 열전달을 측정하기 위해 Fig. 2와 같이 응축 가시화 및 온도측정 장치를 구성하였다. 실험 장치는 크게 다음과 같이 습도 조절 챔버와 냉각 시스템, 온도 측정을 위한 데이터 수집 장치, 가시화 장치의 세 부분으로 나눌 수 있다.
챔버 내부의 압력은 대기압 상태이며, 내부 온도는 26±1°C, 상대 습도는 80±2%로 유지되었다. 상대 습도는 습도 조절 챔버의 센서와 가습기를 사용하여 조절하였다. 구리 시편 내 열전달을 측정하기 위해 시편의 높이 방향으로 측온 저항체(resistance temperature detector, RTD)를 상단 표면으로부터 각각 1, 2, 그리고 3 mm 떨어진 위치에 홀을 뚫어 삽입하였다.
1과 같이 연마된 구리 시편과 두 개의 소수성 표면을 제작하였다. 소수성의 구리 시편을 제작하기 위해 noctadecyl mercaptan layer를 코팅하였다. 먼저 연마된 구리시편을 H₂O₂ 용액에 8 시간 동안 넣어 순수한 산화층을 형성시켰다.
시간에 따른 liquid area fraction 을 기준으로 하여 액적의 성장 거동을 세가지 영역으로 나누었다. Regime 1에서는 작은 액적들이 성장하면서 인접한 액적들과 결합이 일어나 큰 액적으로 성장하게 된다.
48V를 사용하였다. 원본 이미지를 8 bit 이미지로 변환한 후에 액적경계선의 강도를 임계값으로 하여 액적 경계선을 얻어내었다. 원형의 경계선 내부 면적을 계산하여 liquid area fraction을 구하였다.
원본 이미지를 8 bit 이미지로 변환한 후에 액적경계선의 강도를 임계값으로 하여 액적 경계선을 얻어내었다. 원형의 경계선 내부 면적을 계산하여 liquid area fraction을 구하였다.
036% 이다. 응축 과정은 고배율렌즈(Infinity K2, Edmund)를 CMOS(Canon, EOS 7D) 카메라에 부착하여 실시간으로 촬영 하였으며, 광원으로는 할로겐 램프(Fiber-lite, MI-157)를 사용하였다.
구리 시편 내 열전달을 측정하기 위해 시편의 높이 방향으로 측온 저항체(resistance temperature detector, RTD)를 상단 표면으로부터 각각 1, 2, 그리고 3 mm 떨어진 위치에 홀을 뚫어 삽입하였다. 측온 저항체는 데이터 수집 장치(Agilent, 34970A)에 연결하였고, 실시간으로 온도를 측정하였다. 불확도 분석에는 ASME PTC 19.
1에 나타낸 바와 같이 연마된 구리 시편의 접촉각은 73±1°, 코팅된 표면의 접촉각은 각각 124±2° 및 148±1° 이다. 코팅된 표면의 내구성을 확인하기 위해 코팅 표면의 거칠기를 측정하였다. 응축 실험 이전의 코팅 표면 거칠기는 약 2~2.
표면 젖음성에 따른 액적의 성장 거동이 열전달에 미치는 영향을 분석하기 위해 열전달 계수를 비교하였다. 열유속과 구리 표면의 온도는 시편의 온도 측정을 통해다음과 같이 계산할 수 있다.
구리 시편의 크기는 직경 25 mm, 높이 60 mm이다. 표면 젖음성에 따른 액적의 접촉 특성을 측정하기 위해 Fig. 1과 같이 연마된 구리 시편과 두 개의 소수성 표면을 제작하였다. 소수성의 구리 시편을 제작하기 위해 noctadecyl mercaptan layer를 코팅하였다.

대상 데이터

9%의 구리를 사용하였다. 구리 시편의 크기는 직경 25 mm, 높이 60 mm이다. 표면 젖음성에 따른 액적의 접촉 특성을 측정하기 위해 Fig.
본 연구에서는 열전도율이 뛰어나고 열 교환 시스템에 널리 사용되는 순도 99.9%의 구리를 사용하였다. 구리 시편의 크기는 직경 25 mm, 높이 60 mm이다.

이론/모형

측온 저항체는 데이터 수집 장치(Agilent, 34970A)에 연결하였고, 실시간으로 온도를 측정하였다. 불확도 분석에는 ASME PTC 19.1 test uncertainty 방법을 사용하였으며, 본 실험의 온도 측정의 불확도는 1.036% 이다. 응축 과정은 고배율렌즈(Infinity K2, Edmund)를 CMOS(Canon, EOS 7D) 카메라에 부착하여 실시간으로 촬영 하였으며, 광원으로는 할로겐 램프(Fiber-lite, MI-157)를 사용하였다.

성능/효과

따라서 본 연구에서는 소수성 표면에서 액적응축현상을 촬영하여 성장 거동을 분석하였고, 더 나아가 표면의 젖음성이 열전달 성능에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다. 결과로서, 액적 성장 거동 특성을 관찰하여 단일 액적 성장이 일어나는 영역과 액적들의 결합이 주로 일어나는 영역의 기준을 정량적으로 제안하였다. 또한 액적 성장 거동이 표면 응축 열전달에 미치는 영향을 분석하였다.
응축 실험 이전의 코팅 표면 거칠기는 약 2~2.5 μm로 측정되었으며, 10번의 반복실험 이후에도 일정하게 유지되는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	응축이란?	응축(condensation)은 증기 온도가 포화온도 이하로 내려갈 때 기체 상태에서 액체 상태로의 상변화를 의미한다. 응축현상은 자연현상 및 산업현장 어디에나 존재하는 현상으로 많은 연구자들의 오랜 관심을 받아 왔다(1-7).
	응축을 응축액의 접촉각에 따라 구분하면?	응축현상은 자연현상 및 산업현장 어디에나 존재하는 현상으로 많은 연구자들의 오랜 관심을 받아 왔다(1-7). 응축은 금속 표면에 맺히는 응축액의 접촉각에 따라 액 막 응축(filmwise condensation)과 액적 응축(dropwisecondensation)으로 구분된다(6). 일반적으로 금속 표면은 높은 젖음성을 갖고 있기 때문에 액막 응축이 일어난다.
	액적 응축 현상을 연구하여 어디에 활용할 수 있겠는가?	액적이 굴러 떨어진 경로를 따라 표면은 새로 노출되고 다시 응축 현상이 발생하여 열전달을 증가시킨다. 표면의 열전달 계수를 증가시킴으로써 열 교환 시스템의 성능을 높일 수 있다고 보고되었다(8). 따라서 연구자들은액적 응축 현상에 대하여 실험적으로 연구하고 있으며, 특히 응축액의 형성과 성장 거동에 대한 연구가 수행되고 있다(5, 6).

참고문헌 (9)

J. Blaschke, T. Lapp, B. Hof, J. Vollmer, "Breath figures: nucleation, growth, coalescence, and the size distribution of droplets", Physical Review Letters, Vol. 109, 2012.
D. Beysens, "The formation of dew", Atmospheric Research, Vol. 39, 1995, pp. 215-237.

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A. Steyer, P. Guenoun, D. Beysens, C. M. Knobler, "Growth of droplets on a substrate by diffusion and coalescence", Physical Review A, Vol. 44, 1991, pp. 8271-8277.

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J. L. Viovy, D. Beysens, C. M. Knobler, "Scaling description for the growth of condensation patterns on surfaces", Physical Review A, Vol. 37, 1988, pp. 4965-4970.

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J. E. Castillo, J. A. Weibel, S. V. Garimella, "The effect of relative humidity on dropwise condensation dynamics", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 80, 2015, pp. 759-766.

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J. B. Lee, J. W. Lee, S. H. Lee, Y. T. Kang, C. K. Choi, "Dependency of condensation forms on wettability", Journal of Heat Transfer Transactions of the ASME, Vol. 136, 2014.

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X. M. Chen, J. Wu, R. Y. Ma, M. Hua, N. Koratkar, S. H. Yao, "Nanograssed micropyramidal architectures for continuous dropwise condensation", Advanced Functional Materials, Vol. 21, 2011, pp. 4617-4623.

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J. W. Rose, "Dropwise condensation theory and experiment: A review", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part A-Journal of Power and Energy, Vol. 216, 2002, pp. 115-128.

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J. Park, B. Kim, S. Y. Kim, J. Hwang, "Prediction of drop-on-demand (DOD) pattern size in pulse voltage-applied electrohydrodynamic (EHD) jet printing of Ag colloid ink", Applied Physics A, Vol. 117, 2014, pp. 2225-2234.

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