The objective of this study is measurement of critical heat flux(CHF) enhancement of SiC nanofluid and development of advanced CHF model for nanofluid.
CHF is a significant safety criteria not only for nuclear power plant(NPP) but also every engineering device which utilizes two phase boiling heat transfer. Safety and efficiency of the system can be improved simultaneously if CHF is enhanced so many studies tried to enhance CHF in both of pool boiling and flow boiling. The representative methods for enhancing CHF are modification of surface, imposing additional physical transition to thermal-hydraulic system, and change of fluid properties.
Recently, nanofluid technique is highlighted as an revolutionary way to change both of fluid properties and surface morphology. Nanofluid is colloidal solution containing nano or semi-nano sized particles in its base fluid. Many researches reported that the nanofluid can enhance thermal-hydraulic properties of the fluid, such as heat transfer coefficient, and CHF. In this study, CHF enhancement performance of SiC nanofluid was investigated in pool boiling experiment.
The 3 different volume concentrations were utilized for CHF experiment, 0.0001%, 0.001%, and 0.01%. Zeta potential, and contact angle of the SiC nanofluid were measured. The pool boiling CHF experi-ments with SiC nanofluid were conducted under atmospheric pressure. Two different dimensions of test sec-tions were tested for verifying unusual CHF enhancement trends for SiC nanofluid. At 0.01% volume concentration condition, CHF was enhanced up to 105%. After nanofluid experiment, experiment with DI water utilizing nanoparticle deposited test section was conducted. CHF enhancement ratios of SiC nanoparticle deposited test sections were well corresponded with the results of SiC nanofluid. The unusual CHF enhancement trend was interesting because it did not linearly proportional to the nanoparticle concentration. The wettability transition of SiC nanoparticle deposited surface was discussed as main reason of CHF enhancement variation.
CHF enhancement of the SiC nanofluid and deposited surface was not fully explained by conventional CHF models. There are several CHF models which have been tried to depict behavior of CHF. Among them, the model which explains CHF and its transition behavior by wettability change suggested by Kandlikar has received recognition due to its accuracy. There have been several reports that are controversial to conventional CHF models especially for nanofluid. Based on conventional CHF models, if wettability gets worse than reference case(usually distilled(DI) water+plain surface), CHF cannot be enhanced. In this SiC nanofluid CHF experimental study, even wettability of deposited surface gets worse dramatically than DI water case, CHF was enhanced. The enhancement trend was well corresponded with wettability transition. If wettability gets worse, enhancement ratio was decreased, and if wettability gets better, enhancement ratio was increased. Through this observation, I found that wettability affects to CHF enhancement, but wettability cannot fully explain the phenomena.
I concluded from my experimental data that there have to be additional parameter that affects on nanofluid CHF. The surface deposition of nanoparticle was focused. Inspired from one of the conventional CHF models, macrolayer dryout model suggested by Katto, advanced additional macrolayer concept by deposited nanoparticle layer was proposed. The advanced model assumed that additional macrolayer is provided by deposited nanoparticle on the surface. The deposited nanoparticle layer is assumed to containing fluid among the nanoparticles. Also in the macroscopic view of nanoparticle deposition, the effect of roughness was also considered. The roughness is provided by nanoparticle deposition and the concept of nanoparticle layer mountain and valley provided by surface roughness due to nanoparticle deposition was suggested. All of those additional fluid will described in a conceptual additional macrolayer. This additional fluid macrolayer is summed up with conventional macrolayer layer so it can provide more dry out time, finally CHF will be enhanced. Based on this concept, advanced CHF model was built up of which can explain CHF enhancement of nanofluid even in the case of decrease of wettability. This advanced model explained well about CHF enhancement in wettability-poor(poor than DI water) case. Furthermore, this advanced model also supplemented CHF enhancement in wettability-better(better than DI water) case. Conventional CHF model also did not predict CHF enhancement of nanofluid in wettability-better case. The predicted amount of nanofluid CHF enhancement by conventional CHF models in wettability-better case was not enough quantitatively. Advanced CHF model suggested in this study covered the whole wettability range for predicting CHF enhancement of nanofluid in more precise manner than that of conventional CHF models.
임계열유속 현상은 비등 열전달 중 일어나는 현상으로 가열면의 급격한 온도 상승 혹은 열전달률 하락을 야기하여 가열면의 파기를 초래할 수 있다. 따라서 임계열유속은 원자력 발전소 뿐만 아니라 이상유동 열전달을 활용하는 열전달 시스템 혹은 기기에서 중요한 안전 기준으로 적용된다. 임계열유속을 효과적으로 증진할 시 열전달 시스템 혹은 기기의 안전성과 경제성 역시 확보할 수 있다. 임계열유속 현상이 발생된 이래 임계열유속 증진을 위한 많은 연구들이 행해졌다. 대표적인 예로 비등이 일어나는 가열면의 표면성질을 바꾸거나, 유체의 성질을 바꾸거나, 비등이 일어나는 계에 물리적인 변화를 가하는 방법 등이 있다.
최근 나노유체를 활용한 임계열유속 증진 방안에 관한 연구가 활발히 행해지고 있다. 나노유체는 나노 단위의 입자를 유체에 용해시켜 놓은 용액으로 처음 연구가 행해질 당시에 용액의 열전도도의 향상에 초점이 맞추어졌었고 임계열유속 등 비등 열전달 현상 또한 그에 기반하여 연구되어 졌다. 하지만 많은 연구를 통해 임계열유속 증진의 현상은 나노유체가 비등 시 가열 표면에 증착되는 나노 입자에 의한 표면 변화 때문임이 입증되었다.
많은 나노유체에 대한 연구가 진행되었지만, 차세대 재료로 각광받고 있는 실리콘 카바이드 나노유체에 대한 연구, 특히 가열 임계열유속에 관한 연구가 없어 이를 실험적으로 연구하고 그 성능을 평가해보았다.
실리콘 카바이드 나노유체의 실제 활용을 위해 중요하게 고려되는 요소인 안정적인 분산도 평가를 위해 제타 포텐셜 측정이 이루어졌다. 그리고 대기압 하에서 0.0001%, 0.001%, 0.01% 3가지 나노유체 농도에 대한 수조비등 임계열유속 실험이 수행되었다. 실험 데이터의 신뢰성과 임계열유속 증진을 위해 일반 증류수에서의 임계열유속 실험도 수행되었다. 실험 경향의 재현성을 확인하기 위해 다른 규격의 실험 시편을 이용하여 동일한 농도 조건에서 나노유체 임계열유속 실험이 수행되었다. 0.01% 농도 조건일 때 임계열유속은 최대 105%까지 증진되었다. 나노유체 임계열유속이 수행 된 후 나노 입자가 증착된 실험 시편을 증류수에서 임계열유속 실험을 수행했다. 임계열유속 증진 경향은 나노유체를 이용한 실험과 동일하게 나타났다.
실리콘 카바이드 나노유체를 이용한 임계열유속 실험에서 기존의 실험들과 상반되는 흥미로운 결과가 관찰 되었다. 일반적인 나노유체 실험의 경우 표면에 나노 입자가 증착 되면서 표면 성질이 친수성을 띄게 되어 임계열유속이 증진되는 경우가 대부분이다. 본 실험에서는 실리콘 카바이드 나노입자가 증착된 실험 시편의 표면이 일반 증류수보다 더 소수성을 띄게 되었음에도 불구하고 임계열유속이 감소하지 않거나 심지어 증진되는 결과를 보여주었다. 이는 실험적으로도 기존에 많이 보고 된 적 없는 결과이며 친수성을 이용하여 임계열유속 경향을 예측하는 기존의 모델들에 상반되는 결과이다.
본 연구에서 수행된 실험 데이터를 바탕으로 나노유체 임계열유속 증진을 기존의 임계열유속 모델에 비해 더욱 잘 설명할 수 있는 모델이 개발 되었다. 본 모델의 의의는 두 가지 이다. 기존의 모델의 경우 나노유체 임계열유속의 증진을 두 가지 측면에서 충분히 예측할 수 없었다. 나노유체로 인해 표면이 친수성이 되는 경우 그 증진의 크기를 충분히 예측하지 못하였고, 표면이 소수성이 되는 경우는 예측이 불가능하거나 감소되는 쪽으로만 예측이 되었다. 본 연구에서 개발된 모델은 이 두 가지 문제점을 모두 해결하여 나노입자가 증착이 된 소수성 표면에서도 임계열유속 증진을 설명할 수 있고, 친수성 표면이 되더라도 기존의 모델에서 부족하게 예측 되었던 임계열유속 증진을 충분히 많이 예측할 수 있게 되었다. 기존의 액체 미세층 건조 모델을 기반으로 나노 입자의 표면 증착에서 얻은 영감을 통해 모델이 개발되었다. 표면에 증착된 나노 입자층에 존재하는 다공성 구조에 유체가 포함되어 있어 이를 통해 추가적인 액체 미세층이 제공되어 액체 미세층의 건조시간을 기존의 건조시간보다 증가시키게 되고, 이는 임계열유속의 증진으로 나타나게 되는 개량 액체 미세층 건조모델을 제안했다. 본 연구에서 행해진 실험의 데이터와 기존의 타 나노유체 임계열유속 실험 데이터들과도 비교하여 기존의 모델에 비해 더 좋은 예측도를 보여주었다.
