The critical heat flux (CHF) is one of the most important thermal hydraulic parameter in thermal hydraulic design and safety analysis. The CHF enhancement allows higher limit of operation condition so that heat transfer equipments can be operated safely with more margins and can have more economics. Nano-fluid is one of the most potential methods which can enhance the CHF and many researchers are working on. This study consists of two parts. First part is dispersion stability of $Al_2O_3$ Nano-fluids and second part is flow boiling CHF experiment with $Al_2O_3$ Nano-fluids.
In the first part, zeta potentials of $Al_2O_3$ Nano-fluids with varying time and concentration were measured by ELS-Z2 of Otsuka Electronics to find out the effect of time and concentration on the zeta potentials. The experiments were conducted at concentration of 0.001 vol% ~ 0.5 vol% and time of 1hour ~ 3days. All measurements of zeta potentials were in the range of 30 mV ~ 60 mV. The zeta potentials of $Al_2O_3$ Nano-fluids slightly increased as time increased within 1day. The zeta potentials of $Al_2O_3$ Nano-fluids slightly increased as particle concentration increased from 0.001 vol% to 0.5 vol%. The pHs of $Al_2O_3$ Nano-fluids were also measured.
In the second part, flow boiling CHF enhancement experiments using $Al_2O_3$ Nano-fluids with three different concentrations (0.001 vol%, 0.01 vol%, and 0.1 vol%) were conducted under atmospheric pressure, at mass flux of 100~300 $kg/m^2 s$, at inlet temperature of 50~75℃. The CHFs of $Al_2O_3$ Nano-fluids were enhanced in flow boiling for all experiment conditions up to about 70%. Maximum CHF enhancement (70.24%) was shown at 0.01 vol% concentration, 50℃ inlet temperature and 100 $kg/m^2 s$ of mass flux. Inner surfaces of test section tube were observed by FE-SEM and Zeta potentials of $Al_2O_3$ Nano-fluid were measured before and after the CHF experiments.
본 연구는 산화알루미늄 나노유체를 이용한 임계열유속 증진 연구이다.
우선 산화알루미늄 나노유체의 분산 안전성을 확인하기 위하여 다양한 농도와 경과 시간에서 제타포텐셜을 측정하였다. 실험은 0.001 vol% ~ 0.5 vol% 의 농도와 1시간 ~ 3일의 경과 시간에서 수행되었다. 모든 제타포텐셜 결과는 30mV ~ 60mV 사이로 측정되었다. 산화알루미늄 나노유체의 제타포텐셜은 하루 이내에서 시간이 경과함에 따라 약간 증가하는 경향을 보였고, 농도를 0.001vol% 에서 0.5vol% 로 증가시킴에 따라 역시 약간 증가하는 경향을 보였다. 이를 통해 유동 비등 임계열유속 실험에서 산화알루미늄 나노유체 사용이 가능함을 보장해 주었다.
유동 비등 임계열유속 실험은 대기압에서 나노유체를 사용하여 수행되었다. 나노유체의 농도는 0.001 vol%~ 0.1vol% 였고, 질량유속은 100~300 $kg/m^2 s$ 였으며, 입구온도는 50℃ 와 75 ℃ 였다. 전 실험 조건에서 나노유체를 사용하였을 때 임계열유속은 증진되었다. 0.01vol%의 농도, 50℃ 의 입구온도 그리고 100 $kg/m^2 s$ 의 질량유속에서 임계열유속은 70.24%의 가장 큰 증진을 보였다. 임계열유속 실험 후 주사전자현미경을 사용하여 실험관 내부를 촬영하였다. 실험관 내부 표면은 산화알루미늄 나노입자들이 퇴적되어 있었다. 산화알루미늄 나노입자의 퇴적이 유체의 실험관 내부표면에 대한 wettability를 증진시켰고, 이로 인해 임계열유속이 증진되었다. 그리고 임계열유속 실험 전·후에 산화알루미늄 나노유체의 제타포텐셜을 측정하여 임계열유속 실험 동안의 분산안정성을 확인하였다.
