In recent years, it was found that pool boiling critical heat flux (CHF) increases in nanofluids. The CHF conditions are important for safe and economic design of many heat transfer units including nuclear reactor.
In this study, our objective is to evaluate the impact of Carbone Nano Tubes (Singlewalled CNTs and Multiwalled CNTs) and Fullerene (C-60) nanofluids at different particle concentration on pool boiling critical heat flux experimentally at saturated conditions. Multiwalled CNT and fullerene (C-60) added in the pure water at three volume concentrations (0.01%, 0.001%, and 0.0001%). Singlewalled CNT nanoparticles added in the pure water at two volume concentrations (0.0005%, and 0.0001%).
For the dispersion of nanoparticles in pure water, several treatments were performed. Multiwalled CNTs and Fullerene (C-60) prepared using acid treatment, meanwhile two treatment are using for Singlewalled CNTs: (1)Singlewalled CNTs prepared using polymer treatment, (2)Singlewalled CNTs prepared using pre polymerization of micelle treatment. The zeta potential of CNTs and Fullerene nanofluids were in the range of 13-71 mV. The zeta potential of nanofluids was constant for more than one month. It concludes that the treatment has been succeeded produces water dispersible CNTs and Fullerene nanofluids with good stability.
The critical heat flux (CHFs) of the solution is enhanced greatly for all nanofluids. Enhanced (~167.9%) CHF was observed for solutions with Multiwalled CNT nanoparticles with concentration 0.01 vol%. Enhanced (~109.4%) CHF was observed for solutions with Singlewalled CNT nanoparticles with concentration 0.0005 vol%. Enhanced (~108.9%) CHF was observed for solutions with Fullerene nanoparticles with concentration 0.01 vol%.
The pool boiling Heat Transfer Coefficient (HTCs) of the CNTs nanofluids are lower than those of pure water in the entire nucleate boiling regime. On the other hand, the pool boiling HTCs of Fullerene nanofluids are higher than those of pure water in the entire nucleate boiling regime.
In addition, we also identify reasons behind the increase in the critical heat flux. SEM images and EDS analysis shows a porous coating layer of nanoparticles on heater surface subjected to nanofluids CHF test. These coating layers change the morphology of the heater surface and are the responsible for the CHF enhancement. The mean roughness (Ra) and thickness of the coating was estimated using AFM. Ra was found from 42.064 to 69.509 nm and thickness found from 400 to 521.9 nm; it was almost 200% increase compare to boiling by pure water. The Ra and thickness increase is one of important parameter for the CHF enhancement with nanofluids. The same coating layer, increase the wettability by decrease the static contact angle on the test surface. Finally, it is hypothesized that the combinations of the roughness, maximum thickness and wettability were reasons behind the increased in CHF with nanofluids due to water entrapped in pores contributing capillary action.
최근 들어서 나노유체를 사용하여 수조비등에서 임계열유속이 증진됨이 밝혀졌다. 임계열유속은 원자력 발전소를 비롯한 여러 열전달 시스템에서 안전성 및 경제성을 결정하는 중요한 요소이다.
본 연구의 목적은 포화상태에서 탄소나노튜브(Singlewalled CNTs 와 Multiwalled CNTs)와 풀러린(C-60) 나노유체의 농도에 따른 임계열유속의 변화를 측정하는 것이다. Multiwalled CNTs와 풀러린은 증류수에 세가지 농도(0.01%, 0.001%, 0.0001%)로 넣었으며, Singlewalled CNTs는 증류수에 두가지 농도 (0.0005%, 0.0001%)로 넣었다.
증류수에서 나노입자의 분산을 위해 몇 가지 처리를 수행하였다. Multiwalled CNTs와 풀러린은 산처리를 사용하여 준비하였고, Singlewalled CNTs는 두가지 처리방법을 사용하였다 : (1)폴리머 처리법, (2)미셸(micelle) 처리법. 탄소나노튜브와 풀러린 나노유체의 제타 전위는 13-71 mV로 측정되었다. 나노유체의 제타전위는 한달 가까이 거의 일정하게 유지되었다. 이것으로 앞에 언급한 처리법을 통해 분산성이 좋은 나노유체를 만들 수 있음을 확인하였다.
모든 종류의 나노유체에 대해서 임계열유속이 상당히 증진되었다. Multiwalled CNT 나노유체의 경우 0.01vol%에서 임계열유속이 167.9%까지 증진되었고, Singlewalled CNT 나노유체의 경우 0.0005vol%에서 임계열유속이 109.4%까지 증진되었으며, 풀러린 나노유체의 경우 0.01vol%에서 임계열유속이 108.9%까지 증진되었다.
탄소나노튜브 나노유체의 수조비등 열전달 계수는 전 핵비등 영역에서 증류수의 그것보다 낮았다. 반면에 풀러린 나노유체의 수조비등 열전달 계수는 전 핵비등 영역에서 증류수의 그것보다 높았다.
그리고 우리는 임계열유속의 증진 이유를 연구하였다. SEM촬영과 EDS해석은 나노입자의 다공성 층이 가열면에 형성되었음을 보여준다. 이 다공성 층은 가열표면의 형태를 바꾸고 이것이 바로 임계열유속의 이유가 된다. 평균 거칠기(Ra) 와 다공성 층의 두께는 AFM을 통해 측정되었다. Ra는 42.064에서 69.509로 측정되었고(증류수로 실험했을 때에 비해 200%정도 증가한 값), 두께는 400mm에서 521.9mm로 측정되었다. Ra와 두께의 증가는 임계열유속 증진에 중요한 요소이다. 마지막으로 Ra, 최대두께 그리고 wettability사이의 조합으로 물이 구멍으로 끌려가는 모세관현상을 통해 임계열유속의 증진된다고 가설을 세웠다.
