The boiling crisis phenomenon is the most enormously studied and disputed topic in the area of boiling heat transfer. The great interest is due to practical motives since it is desirable to design a heat exchanger or boiler to operate at as high a heat flux as is possible with optimum heat transfer rates, but without the risk of physical burnout. This study consists of two parts of boiling crisis mechanism-related visualization study and CI-1F enhancement-related nano-fluid study. In Part I, firstly subcooled flow boiling phenomena have been investigated photographically for water in vertical, one-side heated, rectangular channels under atmospheric pressure. At sufficiently high heat fluxes, three characteristic layers were observed in the heated channel: (a) a superheated liquid layer with small bubbles attached on the heated wall, (b) a flowing bubble layer consisting of large coalesced bubbles over the superheated liquid layer, and (c) the liquid core over the flowing bubble layer. In addition, the existence of a liquid sublayer under coalesced bubbles was identified photographically. According to visualization, the CI-1F mechanism for the present experimental condition could be related to the formation of large vapor clots resulting from coalescences of bubbles and the evaporation of the superheated liquid layer beneath those clots. Secondly, a photographic study of subcooled flow boiling with R-134a has been performed under higher pressure. The visualization made possible a detailed observation of the characteristic near-wall region, consisting of vapor remnants, an interleaved liquid layer, and coalesced adjacent bubbles. In addition, it is shown that the near-wall bubble layer of nucleate boiling beneath vapor clots is extinguished and, afterwards, the heated surface is locally covered by large vapor films, at CHF. Thirdly, a visualization study of pool boiling with nano-fluids has been performed. In the boiling, a thin liquid film adhering to a heater surface underneath a massive vapor bubble was directly observed, which describes an original mechanism of boiling crisis. The film consists of three parts of liquid wetting area, dry spots and nucleating bubbles in charge of heat transfer from the heater surface during the growth period of a vapor bubble. Dryout proceeds with evaporation of the film from the rims of vapor holes. Boiling crisis occurs by means of a non-wetting region due to increase of wall temperature of repeated dryout. In Part II, boiling heat transfer characteristics of nano-fluids with nano-particles suspended in water have been studied using different volume concentrations of alumina nano-particles. Pool boiling heat transfer coefficients and phenomena of nano-fluids arc compared with those of pure water, which are obtained on a horizontal flat surface with highly smooth roughness of a few tens nano-meters. The experimental results show that the nano-fluids have poor heat transfer performance compared to pure water while 13~33% critical heat flux in-creases in the nano-fluids, which results from the change of surface characteristics by the deposition of nanoparticles.
본 연구를 통해, 처음으로 수조 (1) 비등 위기(임계 열유속, Critical Heat Flux) 현상의 발생 메커니즘을 설명하는 동적 거동의 액체 미세층을 나노 유체를 이용하여, 직접 관찰을 통해 발견하였다. (2) 물과 (3) 신냉매인 R134a 유동 비등 및 비등 위기 현상의 메커니즘에 중요한 가열면 근처 과열 액체 층을 고려하는 3-layer 유동 구조를 입증하는 현상을 발견하였다. 또한, 더 높은 열적 안전 마진을 위한 (4) 임계 열유속 값의 증대 방법으로, 전통적 냉각수인 물 대신 알루미나 나노 유체의 사용이 약 13~33% 임계 열유속 값의 증진 성능을 발휘하는 것을 확인하였다.
실제 본 연구는 임계 열유속 메커니즘을 규명하기 위한 현상 관찰 연구(Part I)와 임계 열유속 증진 방법을 개발하기 위한 나노 유체 성능 연구(Part II)의 두 부분으로 나뉜다. Part I의 현상 관찰 연구는 가시화 기술을 이용하여, 전기적으로 가열되는 히터의 한 면을 가진 사각 채널에서 수행되었다. 가시화 장비로서, 순간 캡쳐를 위한 렌즈교환식 일안 반사식 고해상도 디지털 CCD카메라와 동적 캡쳐를 위한 높은 시간 분해능의 저행상도 고속 비디오 카메라를 사용하였으며, 100 μsec time duration의 double flashes과 10 μsec time duration의 strobes가 광원으로 각각 사용되었다. 또한 미세 구조를 확대하기 위한 긴 초점 거리의 집속렌즈인 접사 렌즈 및 접사링을 사용하였다. 처음에, 물을 이용하여 대기압(1bar)에서 중간 질량유속(0-2000 kg/m2s)에서 실험하여, 가열면 근처 기포들의 거동을 보여주는 현상과 다음과 같은 (1) 가열 표면 위에 성장하는 매우 작은 기포들을 가진 과열 액체 층, (2) 증기 덩어리와 작은 기포들을 포함하는 유동 기포 층 (이 층에서 기포간의 큰 응집이 발생한다.), (3) 유동 기포 층 너머 액체 중심 층의 특징적인 세개의 층으로 이루어지는 유동 비등 구조를 발견하였다.
본 연구는 임계열유속 현상 발생 장면을 캡쳐하여 분석한 결과, 이러한 특징적인 유동 구조가 유동 비등 임계열유속 현상 발생 메커니즘과 밀접하게 관련되어 있을 것으로 보고, 고압 조건에서도 이러한 현상이 발생하는 지 확인하기 위해 신냉매인 R134a를 이용하여 고압 시물레이션 실험을 수행하였으며, 이를 통해 이러한 3-layer의 가장 낮은 층인 액체 층이 그 발생 메커니즘에 중요한 역할을 하는 것을 확인하였다. 또한 가열면 근처의 확대를 통해 선명한 기포 응집 및 기포와 가열면 사이 미세구조를 관찰하였으며, 기포 거동과 그로인한 열전달 메카니즘을 이해하는데 유용하였다.
현상 관찰 연구의 마지막으로, 이러한 액체 미세층에 대한 직접적으로 관찰할 수 있는 방법을 고민하던 끝에, 직접적 증거 확보를 위한 관찰이 액체-기체 상의 명확한 구분아래에서 이루어질 수 있다는 점에 착안하여 흰색의 알루미나 나노 입자를 물에 균일하게 분산시킨 나노 유체를 이용하여 실험을 수행하였으며, 기존의 관찰 방식인 top-down view 및 bottom-up view가 아닌, 큰 기포의 발생으로 인한 추진력이 전체 유체를 가열면에 수직으로 밀어올리며, 가열표면을 직접적으로 관찰 가능하게하는 diagonal-inside view 방식을 처음으로 개발하였다. 이러한 방법은 놀랍게도 기존에 직접적으로 관찰하지 못하왔던 액체 층 존재를 발견하였으며, 그것의 동적 거동을 명확히 보여 주었다. 이러한 단순하고도 획기적인 방법의 실험 결과는 비등 위기 발생 메커니즘에 대한 논쟁을 해결 할 수 있는 토대를 제공하였다.
Part II에서는 임계 열유속 증진 방안으로서 나노 유체의 적용성을 확인해 보았다. 나노 유체 열전달 연구는 최근의 나노 입자 기술의 구현에 기인하여 새롭게 등장한 분야이다. 이러한 입자가 기존 유체의 열전도도 증진에 있어 혁신적인 기여를 한다는 보고가 나오면서, 원자력 분야에서는 오래도록 관심이 기울여진 원자로의 경제성 및 안전성에 응용할 수 있을 것이라는 전망이 나오고 있다. 따라서 본 연구에서는 핵연료 DNB 성능 향상과 원자로 중대사고 시 원자로 외벽 냉각의 성공을 위한 CHF 증진 전략으로 이러한 나노 유체의 사용이 가능한지 조사하기 위해 나노 유체 열전달에 관한 기초 연구를 수행하게 되었다.
실험 장치는 현상 연구에서와 같은 Geometry이며 다만, 수평 배치와 수직 배치의 두 경우로 보다 넓은 높이를 지닌 채널에서 수행되었다. 그동안, 나노 유체는 나노 입자의 부유 운동 및 보다 많은 표면 분자들의 에너지 수송 참여에 기인하여 열전달의 긍정적인 성능 향상이 기대되어왔다. 하지만 실험 결과, 알루미나 나노유체의 비등 열전달 계수는 증류수에 비해 오히려 저하되었다. 이는 나노 유체의 나노 입자들이 표면 cavity에 영향을 주어 nucleation 활성화를 방해하는 효과를 발현하는 것으로 분석되며, 이는 표면 거칠기 측정을 통해 확인해 볼 수 있었다. 이에 반해, 임계 열유속은 13-33%(수직-수평) 증가하였으며, 이것은 같은 이유로 비등이 지연되면서 비등의 한계점인 임계 열유속 또한 지연된 것으로 분석 된다.
