Water-based nanofluids are colloidal dispersions of nanoparticles in pure water and have significantly higher critical heat flux (CHF) values compared to pure water at atmospheric pressure. However, when nanofluids are used in the cooling system, it is difficult to keep the nanoparticles dispersed and to clean up the nanoparticles if necessary, especially in nuclear power plant. Furthermore, the required mass of nanoparticles can make the method economically challenging because tons of nanoparticles are needed to provide several thousand tons of nanofluids for nuclear power plant application. In this study, a magnetite-water nanofluid is introduced to overcome the shortcomings of nanofluids and set itself apart from other nanofluids. To assess the potential use of magnetite-water nanofluid as a coolant in nuclear power plants, mainly three experimental works have been done. The first one is the feasibility study of CHF enhancement using magnetite-water nanofluid at lower concentration. The second one is the effect of pressure on CHF enhancement to understand the CHF characteristic. And, the last one is the effect of dispersion stability of nanoparticles in nanofluids on CHF enhancement.
First, pool boiling CHF experiments using a Ni-Cr wire were performed to assess the CHF performance using magnetite-water nanofluid according to the nanoparticle concentration. The CHF values between the magnetite-water nanofluid and the other nanofluids with several volume concentrations were compared to evaluate the effect of the magnetite-water nanofluid on the CHF enhancement. The CHF values of the mag-netite-water nanofluid were enhanced from approximately 70% to 140% of pure water as the nanoparticle concentration increased. And, analytical study on the bubble behaviors and surface characteristics were also carried out to understand the mechanism of CHF enhancement.
Secondly, pool boiling CHF experiment at higher pressure were also performed to evaluate the effect of pressure on the CHF enhancement of water-based nanofluids. It was found that the CHF using water-based nanofluids can be enhanced at high pressures in a pool. And, several methods (i.e., analyses of the bubble dynamics during nucleate boiling, of the contact angle with a droplet of pure water, and of the weight of deposited nanoparticles on the heating surface after CHF) were used to investigate the mechanism of CHF occurrence and the effect of pressure on the CHF in water-based nanofluids. Based on the obtained results, we founded that the bubble size decreased and the nucleation site density increased with increasing system pressure.
The trends in bubble size and nucleation site density according to the change in pressure are similar between the pure water and the nanofluids. However, the difference in bubble frequency between the pure water and the nanofluid was a factor of two greater for the nanofluids. Because of these bubble dynamics, the chance to rewet the same area in the nanofluids was increased for the same time period during boiling. The contact angles of the nanofluid were lower than that for the pure water cases at all ranges of pressure tested. The weight of the deposited nanoparticles on the heating surface decreased as the system pressure was increased. Through the validation of additional experiments for the detachment of nanoparticles, we also prove that nanoparticles can be more detached from heating surface at higher pressure condition when nucleate boiling.
Lastly, we focused on the effect of nanofluid stability on CHF enhancement. The dispersion stability of nanofluid was considered by the effect of sonication, dilution, and storage time. In the manufacturing nanofluid using two-step method, initial sonication should be applied to guarantee the CHF enhancement of nanofluids. We also experimentally proved that the limitation of nanoparticle concentration was existed in the process of dilution. CHF enhancement can be guaranteed until 1,000 ppm Vol. of concentrated nanofluid without consideration of mixing ratio between the pure water and concentrated nanofluids. From the relation-ship between DLS data and CHF, the dispersion stability of nanoparticles in the nanofluid can’t affect the CHF enhancement, exclusively. The CHF enhancement using the nanofluid made by two-step method can be guaranteed for a 6 months at least. And, we also proved that there is no effect of dilution on CHF enhancement within the limitation of dilution ratio though the consideration of time-dependent stability
대기압 조건에서의 나노입자들이 잘 분산되어 있는 나노유체의 임계열유속은 물에 비해 높은 증진을 보인다. 그러나 열적 특성이 뛰어난 나노유체를 실제 냉각시스템에 사용하기에는 해결해야 할 문제점들이 있다. 나노입자들이 사용되기까지 잘 분산된 상태를 유지시켜야 하는 어려움이 있으며, 사용 후에는 필요에 따라 제거할 수 있어야 하는데 워낙 입자들이 작기 때문에 수거하기 힘들다 또한 아직까지 대용량 나노유체를 제조하는 경제적인 문제가 있다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 나노유체의 단점들을 보완할 수 있을 뿐만 아니라 나노유체의 고유의 장점을 가질 수 있는 새로운 물질, 자성 나노유체를 소개하고자 한다. 자성 나노유체는 주변 자기장에 의해 자성을 갖는 고유한 특성을 갖는다. 따라서 외부 자기장을 이용한 국소적인 농도조절을 통하여 적은 양의 나노입자의 극대화가 가능 할 것이라 예상되며, 또한 사용된 나노입자들을 손쉽게 수거할 수 있다는 장점이 있다. 나노입자를 합성할 때 추가적인 공정을 통한다면 사고 시 용존해 있는 세슘이나 요오드 이온들은 같이 포획할 수 있는 잠재적 가능성도 보인다. 이와 같은 장점을 가지고 있는 자성유체를 실제 원자력 발전소의 적용하기 위해 실제 다양한 조건을 고려한 임계열유속 특성에 대해 알아보고자 한다.
우선 기존의 나노유체와 같이 자성유체의 임계열유속이 증진이 가능한 지 확인하기 위하여 수조비등에서의 임계열유속 실험을 수행하였다. 농도에 따라 자성유체의 수조비등 임계열유속은 40-70% 증진하며, 기존의 나노유체와 비교해 본 결과 동등하거나 그 이상의 증진 성능을 보이는 것을 확인하였다. 또한 임계열유속 증진에 대한 이해와 이유를 알기 위하여 기포들의 거동이나 표면효과를 고려한 분석방법을 적용하였다.
원자력 발전소에 자성유체를 적용하기 위해서는 검증해야 할 부분들이 많이 존재한다. 그 중에서도 실제 조건을 고려한 특성을 파악하고 이해하는 기초적인 연구가 우선 수행되어야 할 것이다. 본 연구에서는 실제 조건을 고려한 자성유체의 임계열유속 특성을 파악하고자 한다.
냉각재 상실과 같은 중대사고 시 격납건물 안의 압력은 급격하게 상승하게 되는데 이런 상황에서도 나노유체를 냉각수로 사용하려면 압력에 대한 임계열유속 특성을 알아야만 한다. 자성유체의 실험에 앞서, 물에 대한 압력에 따른 임계열유속 실험을 수행하였으며, 실험결과와 Zuber상관식과 비교함으로써 실험장치 검증을 수행하였다. 검증된 실험장치를 이용하여1 ppm 부피농도의 자성유체의 대기압에서부터 1.1 MPa 에서의 임계열유속을 측정하였다. 또한 자성유체 임계열유속 증진의 경향성 및 성능 비교를 하기 위해 알루미나 나노유체를 준비하여 실험을 수행하였다. 준비된 나노유체는 공통적으로 압력이 증가할수록 임계열유속은 더욱 증가하고, 임계열유속 비는 감소하거나 수렴하는 경향을 보였다. 임계열유속 특성을 이해하기 위해 낮은 열유속에서의 기포들의 거동과 임계열유속 실험 후의 표면효과를 알아보았다. 기포들의 거동은 기포의 크기, NSD (nucleation site density), 그리고 기포빈도수를 통하여 분석하였다. 물과 나노유체의 경우, 압력이 증가할수록 기포의 크기는 작아지고 NSD는 증가하였으며 물과 나노유체 사이에서 큰 차이점을 보이지 않았다. 하지만 기포빈도수에서는 자성유체와 알루미나 나노유체의 경우 물의 기포빈도수 보다 두 배 정도 큰 결과를 나타내었으며, 압력이 변하여도 기포빈도수의 결과는 영향을 받지 않는 다는 것을 알 수 있었다. 다음으로 압력조건에 따른 표면변화를 관찰하였다. 일반적으로 나노유체에서의 비등 시 히터 표면에서 나노입자들의 침전이 나타나기 때문에 표면의 습윤특성이 변하게 되는데 표면효과 분석을 통해 침전된 나노입자에 의한 습윤성에 대해 알아보았다. 표면효과를 정량화하기 위해 접촉각 측정 및 침전된 나노입자들의 무게를 직접 측정한 결과, 압력이 증가할수록 침전된 나노입자 무게는 오히려 감소하게 되고, 접촉각은 감소하거나 감소는 되지만 그 폭이 줄어드는 결과를 나타냈다. 일반적으로 임계열유속이 증가하게 되면 침전된 나노입자 무게는 증가하거나 접촉각의 급격한 감소로 표면의 습윤성 증진을 통해 나타나게 되는데 압력에 따른 결과들은 상이한 결과를 나타내었다. 추가적인 실험을 통해, 압력이 증가할수록 표면에서의 침전현상이 감소함으로 인해 표면효과는 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
나노유체의 성능유지를 위해서는 나노입자들이 잘 분산되어 있어야 하며, 이는 단상유동 열전달에서는 많은 연구가 진행되어 왔다 하지만, 이상유동 열전달 메커니즘인 임계열유속에 대해서 나노유체의 분산안정성과 성능에 대해서 알아보기 위해 sonication효과, 희석효과, 그리고 시간에 따른 임계열유속 측정을 수행하였다. Two-step method를 이용한 나노유체를 만들 때, 나노입자들을 분산시키기 위해 초음파를 이용한다. 이 때 초음파를 이용한 분산이 임계열유속에 미치는 영향을 통해 알 수 있었던 것은 초기에 초음파를 이용한 분산과정이 꼭 필요하다는 것이다. 또한 나노유체를 실제 원자력 발전소에 적용하기 위해서는 대용량의 나노유체가 필요하게 되는데 이를 저장하고 유지, 보수하기에는 어려움이 있다. 따라서 농축된 나노유체를 이용하여 희석하여 써야 하는데 이 때, 희석효과가 임계열유속에 미치는 영향에 대한 연구를 통해서 희석비율보다는 농축 나노유체의 농도제한이 필요하다는 것과 1,000 ppm 이하의 농도에서만 임계열유속이 보장된다는 사실을 알게 되었다. 마지막으로, 실제 나노유체를 유지, 보수하기 위해서 저장시간에 따른 임계열유속 성능이 어떻게 되는지 알아야 한다. 따라서 나노유체의 분산성을 대표하는 나노 입자크기 측정과 임계열유속 실험을 통해 최소 6개월까지는 임계열유속 증진을 보장할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 실제 자성유체를 적용한 설계를 할 때 고려해야 할 조건들에 대해 알아보고 실제 원자력 발전소 적용 시 근간이 될 수 있는 결과들을 도출할 수 있었다.
