[논문]초음파 가진시 압력변동이 열전달 향상에 미치는 영향

양호동; 오율권

문제 정의

이러한 열전달 촉진요소중의 하나로 드러난 음향 흐름은, 초음파 진동이 매질을 통과할 때 발생하는 음압에 기인하는 것4)이라고 알려져 있으며 열전달 촉진과 초음파 진동에 의해 형성된 음압과의 관계를 고찰해 보는 것이 필요하다. 따라서, 본연구에서는 초음파 진동을 사용하여 단열된 용융 용기를 채운 액상파라핀에 음장을 형성하여, 실험을 통해 구해진 열전달 향상비와 용기 내에 발생하는 압력분포를 수치해석을 통하여 계산하고 압력변동이 열전달 향상에 미치는 영향에 관하여 알아보고자 한다.
)에서 제시한 값을 준용하여 Table 1에 정리하였다. 본 연구에서는 가열방식으로 등열유속 가열조건을 택하여 일정한 열유속 조건의 열전달 프로세스를 구성하기 위해서 q =6433.13 W/矛의 일정한 열유속을 용융이 지속되는 동안 용기내의 판히터에 공급하여 가열하도록 하였다. 판히터 및 용융용기는 등 열 유속 가열조건을 만족하고 열손실을 최대한 방지하도록 석면 및 베이클라이트 스티로폼을 이용하여 절연 및 단열벽을 설치하였다.
본 연구에서는 초음파 진동에 의해 발생한 강한 유체의 움직임이 열전달에 영향을 끼치는 중요한 요인을 제시하였다. PIV 측정에 의해 명백히 드러난 음향흐름이라 불리우는 유동현상은 대류 열전달 촉진을 설명하기 위한 중요한 물리적 개념인 유체의 속도 및 운동에너지를 증가시키게 한다.

제안 방법

또한, 열전달계수를 구하기 위하여 동일한 조건하에서 용융을 3회 실시하여 평균온도를 사용하였으며, 열전대에서 측정된 온도 분포는 데이터획득장치에 의해 매 1분마다 PC에 기록되었다. 초음파 진동 가진시 액상 영역에서의 가시화를 위해 Fig.
판히터 및 용융용기는 등 열 유속 가열조건을 만족하고 열손실을 최대한 방지하도록 석면 및 베이클라이트 스티로폼을 이용하여 절연 및 단열벽을 설치하였다. 또한, 용융과정 동안에 파라핀의 온도를 측정하기 위해 Fig. 2(a) 에서 보는 바와 같이 0.5mm의 정밀도를 가진 Traverse를 사용하여 K-type의 열전대를 미리 선정한 위치 (x=0.2, 0.4, 0.6, 0.8과 z=0.5, Fig. 2 참조)에 설치하였다.
5에 나타내었으며, 동그라미를 형성하는 영역이 밑면에 2개의 진동자가 부착되어 있는 부위로서, 185W 진동부에 대한 것이다. 음향해석을 위해 경계요소법을 이용하여, 요소의 크기는 파장의 1/6 이내로 하였다. 액상 파라핀에서 전파속도 c는 온도에 따라 다르지만 대략 1000並 이고, 진동주파수, f는 401曲이므로 파장 人 (=c/f)는약 25mm이다.
4와 같이 진동판 밑면에 부착된 진동자들의 가진에 의해 진동판에 횡 진동이 발생하며, 한 진동부 안의 진동자들은 모두 병렬연결로 하나의 발진기에 의해 구동되므로 동일 위상의 진동을 진동판에 가하는 것으로 전제하였다. 진동부는 ANSYSTM의 Brick 20 node type 95를 이용하여 유한요소 모델링한 후, SVS 의 Node 정렬 순서에 맞게 재배열하였다. 203개의 element와 1524개의 node로 구성되어 모델링 된 그림을 Fig.
초음파 강도의 변화에 따라 용융과정 동안 상변화 열전달에 미치는 영향을 조사해 보기 위해 전압 출력을 70~340W로 변화시키면서 실험을 수행하였다. 또한, 열전달계수를 구하기 위하여 동일한 조건하에서 용융을 3회 실시하여 평균온도를 사용하였으며, 열전대에서 측정된 온도 분포는 데이터획득장치에 의해 매 1분마다 PC에 기록되었다.
또한, 열전달계수를 구하기 위하여 동일한 조건하에서 용융을 3회 실시하여 평균온도를 사용하였으며, 열전대에서 측정된 온도 분포는 데이터획득장치에 의해 매 1분마다 PC에 기록되었다. 초음파 진동 가진시 액상 영역에서의 가시화를 위해 Fig. 3에서 보는 바와 같이 Argon-Ion레이저를 이용하여 시험부에 수직으로 가시광을 조사하고, CCD 카메라를 레이저 가시광에 의해 형성된 조사단면과 수직방향으로 설치하여 30fps(frame per second)의 속도로 촬영한 후,CCD 카메라에 의해 획득된 영상을 이미지 보드를 통해 저장하고 이를 상호상관알고리즘을 사용하는 Cactus2000을 이용하여 해석하였다.
13 W/矛의 일정한 열유속을 용융이 지속되는 동안 용기내의 판히터에 공급하여 가열하도록 하였다. 판히터 및 용융용기는 등 열 유속 가열조건을 만족하고 열손실을 최대한 방지하도록 석면 및 베이클라이트 스티로폼을 이용하여 절연 및 단열벽을 설치하였다. 또한, 용융과정 동안에 파라핀의 온도를 측정하기 위해 Fig.

대상 데이터

1에 나타내었다. 상변화 물질로는 다른 정제된 파라핀에 비하여 가격이 저렴하고, 용융온도가 상온보다 높아서 상변화 영역에서의 상변이가 안정적으로 이루어질 수 있는 용융점이53.2°C인 파라핀(n-octadecane)을 선정하여 사용하였으며, 그 물성치는 다른 열적 특성 실험 없이제조사(Shinyo Pure Chemical Co.)에서 제시한 값을 준용하여 Table 1에 정리하였다. 본 연구에서는 가열방식으로 등열유속 가열조건을 택하여 일정한 열유속 조건의 열전달 프로세스를 구성하기 위해서 q =6433.
실험은 초음파 진동을 발생시킬 수 있는 지름이 40mm인 볼트 조임 란즈방형 진동자 2개가 부착되어 40±1血의 주파수를 방사할 수 있는 가로, 세로, 높이가 각각 13cmx12.5cmx12.5cm인 용융용기를 제작하여 사용하였으며 실험장치의 개략도는 Fig. 1에 나타내었다. 상변화 물질로는 다른 정제된 파라핀에 비하여 가격이 저렴하고, 용융온도가 상온보다 높아서 상변화 영역에서의 상변이가 안정적으로 이루어질 수 있는 용융점이53.

이론/모형

따른다. 따라서 본 연구에서는 MacCollum 과 Clementia7), Jarng8)등이 보고한 바 있는 결합형 유한요소-경계요소법(coupled FE-BEM)을 적용하여 초음파 진동에 의해 파생되는 각종 물리량을 유한요소법을 이용하여 계산한 뒤 매질에서의 음압 분포를 경계요소법을 도입하여 해석하였으며, 구조물-음향의 연성해석에 있어서 구조계는 유한요소법을 음향계는 경계요소법을 적용한 상용코드, SVS(Structural Vibration Simulator)를 사용하였다.
음파의 전파속도와 매질의 밀도는 온도와 밀접한 관련이 있음을 감안해 볼 때, 가열되고 있는 유체의 정확한 평균온도를 구하기 위해 Hong8), Mashiro9)등이 제시한 다음의 식을 이용하여 액상 파라핀의 평균온도를 구하였다.

성능/효과

확인할 수 있다. 또한, 초음파 출력강도가 강할수록 열전달 향상비는 높게 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 결국, 매질 내에서의 초음파 진동의 가진으로 인해 발생하는 음압은 열전달의 증가에 영향을 미칠 수 있는 Eckart streaming과 같은 격 렬한 유동을 일으켜 열전달을 향상시킨다.
초음파 강도가 증가함에 따라 열전달 계수는 증가하였고, 340W의 초음파 출력강도가 주어졌을 때 가장 큰 약 28%의 열전달 향상결과가측정되 었다. 액상영 역 에서 갑작스런 압력 변동에 의해 음향흐름은 형성되고, 수치해석을 통한 음압의 계산 결과 초음파 출력강도가 각각 340W, 185W, 70W일 때 약 60.3%, 39% 그리고 35%의압력이 증가하는 결과를 보였다. 초음파 진동자 부근에서의 높은 압력분포는 격렬한 유동(즉,quasi-Eckart streaming)을 발달시키고, 압력변동이열전달의 증감과 밀접한 관련이 있음을 확인할 수 있다.
PIV 측정에 의해 명백히 드러난 음향흐름이라 불리우는 유동현상은 대류 열전달 촉진을 설명하기 위한 중요한 물리적 개념인 유체의 속도 및 운동에너지를 증가시키게 한다. 초음파 강도가 증가함에 따라 열전달 계수는 증가하였고, 340W의 초음파 출력강도가 주어졌을 때 가장 큰 약 28%의 열전달 향상결과가측정되 었다. 액상영 역 에서 갑작스런 압력 변동에 의해 음향흐름은 형성되고, 수치해석을 통한 음압의 계산 결과 초음파 출력강도가 각각 340W, 185W, 70W일 때 약 60.
3%, 39% 그리고 35%의압력이 증가하는 결과를 보였다. 초음파 진동자 부근에서의 높은 압력분포는 격렬한 유동(즉,quasi-Eckart streaming)을 발달시키고, 압력변동이열전달의 증감과 밀접한 관련이 있음을 확인할 수 있다. 결국, 이러한 메카니즘은 열전달 향상비가 증가됨을 뒷받침해 주는 것이다.

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