The understanding of CHF phenomenon and an accurate prediction of the CHF condition are important for safe and economic design of many heat transfer units including nuclear reactors, fossil fuel boilers, fusion reactors, electronic chips, etc. The phenomenon has been investigated extensively over the world since Nukiyama (1934) first characterized it. In particular, a large amount of significant work has been done during the last four decades with the development of water cooled nuclear reactors.
The wettability of the heated surface under pool boiling of surfactant solutions and nano-fluids has been investigated. Tri-sodium phosphate (TSP, $Na_3PO_4$) solutions and Aluminum oxide nano-fluids were prepared for experiments. Contact angles of pure water and the solutions on the quenched surface and fresh surface were measured. Surfaces deposited TSP and nano-particle could affect surface energy of the strips and enhance hydrophilicity of the surfaces. Several implications of the experimental results on the pool boiling CHF model and CHF enhancement using TSP and NF were discussed.
A increase of CHF was observed with nano-fluid. The addition of nano-particle helped to increase the wettability by reducing the surface tension. This happens with the decrease in bubble diameter, breakup of bubbles and avoidance of bubble coalescence. CHF increase or decrease depends upon competition between high wettability and high instability. An optimum nano-fluid concentration is needed which must have high crystalline content. When the concentration reaches at a critical value, CHF will tend to a constant value.
As the results of previous study, surface tension effect the results of CHF. And it is same to nano-fluids, because surface tension change the dynamics of mixture fluids at two phase and means the instability of thermal hydraulics. Contact angle which be in the limelight at recent research means wettability of heated surface. However, in case of nano-fluids, both are decreased. So nano-fluids have conflict cause about CHF enhancement, it will be inspected by experiments.
Deposition of nano-particles increasing the wettability and the rewetting are cause of CHF enhancement. It delay the growth of dry patch by increasing of wettability and lead to CHF enhancement. Now, we must define the wettability of nano-fluids. At case of nano-fluids using metallic particle, the explanation using contact angle using was reasonable. But, at case of nan-fluids using hydrophobic CNT, this explanation can’t be acceptable. Moreover, at case of surfactant solution, contact angle was very low. But CHF enhancement was not great.
So, wettability about nano-fluids must be defined anew for explanation of CHF enhancement. I suggest the extension of micro layer are acceptable concept for increasing wettability using nano-fluids.
CHF는 원자력 발전소 시스템의 성능에 매우 밀접한 관련이 있는 제한 요건이다. 이러한 CHF를 증진하기 위해서 국내외 연구기관에서는 유체의 특성 변화, 가열면 표면의 가공 등 여러 가지 방법을 통해 CHF를 증진하기 위한 연구를 수행해왔다. 대표적인 방법으로 가열면 표면의 거칠기를 이용한 연구, 가열면의 coating에 관한 연구, 계면활성제를 이용한 연구, 등 CHF가 증진 방법으로 여러 연구가 수행되었다. 하지만 계면활성제의 경우 몇몇 실험에서는 CHF가 오히려 감소하는 결과를 보이는 경우도 있어 좀더 심층적인 연구가 필요하다. 그리고 Nano-fluid를 이용한 CHF 증진 실험들도 최근에 와서 수행되었다 (You and Kim, 2003; Vassallo et al., 2004; Bang and Chang, 2005, Kim et al., 2006). 수조 실험의 경우 매우 큰 CHF 증진을 보여주면서 좋은 연구 성과를 보여주고 있다. 하지만 그 메커니즘에 대해서는 아직 확실하게 밝혀지지 않아 이에 대한 연구가 필요하다.
기존에 예측실과 실험결과에서 알려져 있듯이 surface tension의 감소는 CHF 결과에 영향을 미친다. 그리고 이것은 나노 유체의 경우도 마찬가지로 혼합 2상 유체의 동역학적 측면에서 영향을 미치게 되고, surface tension은 열수력학적 불안정성의 물리적 의미를 포함하게 된다. 그리고 최근 나노 유체의 연구의 진행에 따라 부각되고 있는 contact angle은 표면의 wettability를 표현하는 의미를 갖게 된다. 다만 나노 유체의 경우 2가지 모두가 감소하게 되어 상반된 효과를 갖게 되므로 이에 대한 분리된 의미 부여가 필요하고 실험적으로 이론적으로 이에 대한 검증과 확인이 필요하다. 그러나 surface tension의 감소에 의한 효과보다 contact angle에 의한 효과가 좀더 CHF 결과에 결정적 요소로 작용하게 되어서 결과적으로는 CHF 증진을 설명하고 예측할 수 있게 된다.
나노 입자의 deposition에 의한 wettability와 rewetting 효과는 현재로서 수조 비등에서 나노 유체의 획기적인 CHF 증진의 큰 요인으로 보여 진다. 나노 입자의 deposition은 가열면 표면에서의 wettability와 rewetting을 크게 증가시켜 유체의 공급이 원활이 이루어져 dry patch의 성장을 지연시켜 수조 비등에서 CHF를 크게 증가 시키는 것으로 보여 진다. 여기서 나노유체에 의한 wettability에 대한 새로운 정의가 필요하다. Metallic 입자를 이용한 나노 유체의 경우 앞서 언급된 contact angle을 이용한 방법으로도 설명이 가능하나 CNT와 같이 소수성의 물질을 이용한 CHF 증진효과에 대해서는 그 설명이 어렵다. 게다가 계면활성제의 경우 그 contact angle 측면에서 바라본 wettability의 증진이 나노유체보다 매우 크지만 CHF 증진면에서는 그리 크지 않다는 것을 생각해 볼 때, 본 연구에서 제시된 micro layer에서의 wettability 증진에 대한 부분이 필요하다고 생각된다.
현재 나노 유체를 이용한 CHF의 증진과 열전도도의 증진은 명백해 보인다. 하지만 열교환 효율 측면에서는 아직 상반된 결과들이 보고 되고 있어 이에 대한 이해와 실험이 필요한 실정이다. 나노 유체를 좀더 정확히 규명하고 이해하기 위해서는 이론적 모델이 필요하지만, 아직 나노 유체의 특성에 대한 연구가 정확히 이루어지고 있지 못하다.