The critical heat flux (CHF) is one of the most important thermal hydraulic parameters in heat transfer sys-tem design and safety analyses. CHF enhancement allows higher limits of operational conditions such that heat transfer equipment can be operated safely with greater margins and better economy. Nanofluid is an engineered colloidal suspension of nano-sized particles in a base fluid. The application of nanofluids is thought to have strong potential for enhancing the CHF. Many researchers have studied CHF enhancement by using nanofluids since the work conducted by You et al. was reported. While numerous studies on CHF enhancement using nanofluids in pool boiling have been reported, there is little data about CHF in flow boiling using nanofluids. Various hypotheses have been proposed to explain the CHF enhancement. Among them, a decrease of the contact angle by the deposition of nanoparticles on the heater surface during boiling of nanofluids explains the CHF enhancement quite well. However, in light of counterexamples, this does not comprehensively explain the CHF enhancement. Therefore, a new mechanism to explain the CHF enhancement occurring with the use of nanofluids is required.
In the present study, two kinds of experimental works were conducted and CHF enhancement mechanism of nanofluids was described.
First, flow boiling CHF experiments using Al2O3 nanofluid and Al2O3 nanoparticle deposited tubes were conducted to find the primary reason of CHF enhancement. The flow boiling CHF of Al2O3 nanofluid with a plain tube (NFPT) and de-ionized water with an Al2O3 nanoparticle deposited tube (DWNT) were enhanced up to about 80% for all experimental conditions. There was no big difference in the CHF results between NFPT and DWNT; these results indicate that the CHF enhancement of Al2O3 nanofluid is surely caused by deposition of nanoparticles on the test section tube inner surface. After the flow boiling CHF experiments, the inner surfaces of the test section tube were explored by FE-SEM, which revealed the deposition of Al2O3 na-noparticles on the heated surfaces. The CHF enhancement ratios of NFPT and DWNT conditions were in-creased with an increasing mass flux from 500 to 1500 kg/m2s, and the CHF enhancement ratios of Al2O3 nanofluid did not show a trend toward an increased mass flux from 100 to 300 kg/m2s. This difference in CHF enhancement ratios may be due to a different Reynolds number. There was no concentration effect on the flow boiling CHF enhancement. The effect may already be saturated at a concentration of 10-4 vol%.
Second, we conducted the flow boiling CHF experiments using nanofluids under different heating rate to examine the effect of boiling time on the CHF of nanofluids. The CHF values of Al2O3 nanofluid decreased with reducing boiling time from 15minutes to 30seconds. This result showed that the CHF value of Al2O3 nanofluid was affected by boiling time. From the relation between enhancement ratio and boiling time, we could conclude that the deposition effect of nanoparticle was saturated within relatively short boiling time (about 100seconds). We could also conclude that the CHF enhancement was saturated at some degree of deposition of nanoparticles such as deposition thickness, or deposition area because the degree of deposition should be related to the boiling time. From the SEM observation, we could deduce that the area of nanoparti-cle deposition and morphology of micro-structure are important factors for CHF enhancement.
Third, we described the CHF enhancement mechanism of nanofluids and explained the counterexamples with a new hypothesis instead of relying on the existing concept of decreased contact angle. The surface ten-sion force acting on a bubble in the nanofluid depends on the combination of the contact angle α and structure angle β. Therefore, the net force acting on the bubble could reach zero earlier on the heater surface. Finally we concluded that the deposition of nanoparticles on the heater surface forms a micro-structure on the heater surface, and this micro-structure increases the nucleation site density and decreases the bubble departure diameter under the same heat flux, enhancing the CHF.
본 연구에서는 두 가지 종류의 나노유체를 사용한 유동 비등 임계열유속 실험을 수행하였으며, 나노유체에 의한 임계열유속 증진 메커니즘을 새로운 가설을 통해 설명하였다.
첫째, 나노유체에 의해 임계열유속이 증진되는 가장 근본적인 원인을 규명하기 위해 나노유체와 기본 관을 사용하는 실험과 증류수와 나노입자가 부착된 관을 사용하는 실험을 수행하였다. 나노유체와 기본 관을 사용한 경우의 유동 비등 임계열유속과 증류수와 나노입자가 부착된 관을 사용한 경우의 유동 비등 임계열유속은 모든 실험 조건에서 최대 80%까지 증진되었다. 두 종류의 실험에서 임계열유속 결과는 거의 차이가 없었다. 이를 통해 산화알루미늄 나노유체에 의한 임계열유속의 증진은 확실히 나노입자의 실험시편 내부 가열 표면으로의 부착에 의한 것임을 알 수 있었다. 유동 비등 임계열유속 실험 수행 후 실험시편 내부표면을 전계 방출 주사전자현미경을 사용하여 확인해 보았고, 내부 가열 표면에 산화알루미늄 나노입자가 부착되었음을 확인하였다. 한편 임계열유속 증진률은 질량 유속이 500 kg/m2에서 1500 kg/m2까지 증가함에 따라 함께 증가하였다. 과거 연구에서 질량 유속이 100 kg/m2에서 300 kg/m2까지 증가할 때 임계열유속 증진률은 오히려 감소하였었다. 이러한 차이점은 Reynolds number의 차이에서 기인한 것으로 나타났다. 그리고 나노유체 농도의 변화에 따른 유동 비등 임계열유속 값의 변화는 확인 할 수 없었다. 이를 통해 가장 낮은 농도인 10-4 vol% 에서 이미 나노입자의 부착에 의한 임계열유속 증진 효과가 포화되었다고 평가하였다.
둘째, 나노유체의 비등 시간이 유동 비등 임계열유속에 미치는 영향을 평가하기 위하여 가열 속도의 변화에 따른 나노유체의 유동 비등 임계열유속을 측정하였다. 산화알루미늄 나노유체의 유동비등 임계열유속 값은 비등 시간을 15분에서 30초까지 줄임에 따라 함께 감소하였다. 비등 시간과 임계열유속 값의 관계를 살펴보면, 임계열유속 값은 비등 시간이 120초를 넘어가면서부터 수렴해가는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 우리는 나노입자의 가열 표면으로의 부착에 의한 임계열유속 증진 효과가 상대적으로 짧은 시간 (약 100초) 안에 포화된다고 결론을 내릴 수 있었고, 따라서 나노유체가 매우 낮은 농도에서도 IVR-ERVC와 같은 중대사고 대처 전략에서 임계열유속을 증진시키는 역할을 수행할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 전계 방출 주사전자현미경을 사용한 내부 가열 표면 촬영을 통해, 나노입자의 부착면적과 나노입자에 의해 형성되는 미세구조의 형상이 임계열유속 증진에 중요한 요소로 작용함을 확인할 수 있었다.
셋째, 나노유체에 의한 임계열유속 증진 메커니즘을 기존의 접촉각 감소대신 새로운 가정을 통해 설명하였다. 기존의 접촉각으로는 설명할 수 없었던 반례들을 접촉각과 구조각의 조합이라는 새로운 가정을 통해 설명할 수 있었다.
