Nanofluids as a working fluid is desirable method to improve critical heat flux (CHF) in pool and flow boiling. In pool boiling, CHF enhancement by nanofluids have been identified from numerous experimental studies in various situations. In flow boiling, CHF enhancement by nanofluids also have been widely known. In this study, subcooled flow boiling CHF experiments were conducted with DI water on bare stainless steel and nanoparticle coated surface at atmospheric pressure. Iron oxide($Fe_3O_4$) nanofluids was coated on the tube surface in condition of 10 ppm volume, mass flux of $1,000 kg/m^{2} s$, inlet temperature of $100^\circ C$, heat flux of $2,500 kW/m^{2}$ and time of 30 min. Nanoparticles were deposited sufficiently on test sections during deposition process. Then, working fluid was changed to DI water.
Experiment was conducted in mass flux from $1,000 kg/m^{2} s4 to $5,000 kg/m^{2} s$ and inlet temperature of 40, 60, $80^\circ C$. CHF results of bare stainless steel and nanoparticle coated surface was obtained in the subcooled boiling region. Overall trend of CHF enhancement decreased as exit quality decreased. In mass flux of 2,000, 3,000, $4,000 kg/m^{2} s$, the CHF enhancement ratio decreased and approached to zero as exit quality decreased. In mass flux of $1,000 kg/m^{2} s$, the CHF of nanoparticle coated surface on high subcooling condition was even lower than that of bare stainless steel surface. In mass flux of $5,000 kg/m^{2} s$, CHF enhancement ratio remained at least 20 % in high subcooling condition. In terms of mass flux, CHF enhancement was increased as mass flux increased. Static contact angle was measured in as-received surface, DI-water boiled surface, nanoparticle coated surface, and nanoparticle coated & DI-water boiled surface. Contact angle decreased significantly after the nanoparticle deposition process. Contact angle increased small after nanoparticle coated & DI-water experiment, consequentially, not much nanoparticle was detached by the high mass flux experiment.
CHF enhancement was analyzed by using flow boiling CHF mechanism. There are three different DNB mechanism such as ‘Dryout under a vapor clot’, ‘Near-wall bubble crowding and vapor blanketing’ and ’Evaporation of liquid film surrounding a slug flow bubble’. Our experimental data was plotted to the G-x flow regime. In region of ‘Dryout under a vapor clot’, CHF enhancement ratio was small under 10%. In region of ‘Near-wall bubble crowding and vapor blanketing’, however, CHF enhancement ratio was high from 20% to 40%. Although exit quality is similar in subcooled boiling region, the CHF enhancement was different from the mechanism of DNB. In mechanism of ’Evaporation of liquid film surrounding a slug flow bubble’, CHF enhancement was relatively low from -10 % to 10 %. The each CHF mechanism was investigated with theoretical CHF model such as ‘critical bubbly layer model’ and ‘liquid sublayer dryout model’.
CHF enhancement by nanoparticle occurred due to the improvement of wettability and rewetting characteristics of deposited surface. When the wettability is improved by nanoparticle coating, the surface properties and bubble characteristics like departure frequency, shape and size can be changed significantly. The active nucleation site density decrease as surface wettability increase. The nucleation site density also decreased as inlet subcooling increase. Therefore, the CHF enhancement could be decreased due to degradation of active nucleation site density as exit quality decreased in highly subcooled boiling region. With the improvement of surface wettability, the bubble departure diameter increase, whereas the bubble departure frequency decrease. In the ‘critical bubbly layer model’, the critical heat flux is a function of the mass flux into bubbly layer from liquid core and departure diameter. As the bubble departure diameter increase, the turbulent intensity increased, then turbulent velocity fluctuation increased, as a result, CHF is enhanced by turbulent fluctuation. In the ‘liquid sublayer dryout model’, CHF occur when the evaporation of the liquid sublayer is higher than the liquid supply to liquid sublayer, The liquid sublayer thickness is increased by wettability improvement. However, the bubble departure time is increased by wettability change. Therefore, CHF enhancement can be compensated. Finally, CHF mechanism of the evaporation of liquid film in slug flow can be explained with LFD-type CHF mechanism. Because the LFD in annular flow is not significantly affected by wettability improvement, CHF in slug flow also is not enhanced by the wettability.
수조비등과 유동비등 상황에서 다양한 조건에서 많은 실험적인 연구를 통해 임계열유속의 증진이 확인이 되었다. 본 연구에서는 대기압 상황에서 기본 스테인리스 표면과 $Fe_3O_4$ 나노입자를 코팅한 표면에 증류수를 사용하여 미포화 유동 비등 임계열유속 증진에 관한 실험이 수행되었다.
이전까지 수행된 나노입자 유동 비등 임계열유속 실험에서는 임계 건도가 포화 영역에 많이 분포하고 있었지만, 미포화 유동 비등상황에서는 나노유체를 사용한 임계열유속의 증진 실험이 많이 수행되지 않았다. 그리고 이전까지 수행된 나노입자 실험에서는 작동유체를 나노유체를 사용하였기 때문에 실험 중에 나노입자 흡착을 컨트롤 하기가 어려웠다. 이러한 한계점을 보완하고자 본 실험에서 나노입자 흡착과정을 통하여서 같은 조건에서 모든 실험표면에 나노코팅을 하였다. 충분한 시간 동안의 흡착을 통하여서 표면의 습윤성이 상당히 좋아졌고, 이는 표면의 접촉각이 상당히 감소한 것을 통해 확인했다. 이에, 미포화도가 높은 영역에서 다시 말해, 건도가 낮은 영역에서 나노유체를 사용했을 때 과연 임계열유속의 증진이 조건에 따라 어떻게 달라지는지 실험을 통하여 확인해보았다.
실험은 질량유속 $1,000 kg/m^{2} s$ 에서 $5,000 kg/m^{2} s$, 입구온도 40, 60, $80^\circ C$ 로 기본 스테인리스 표면과 나노입자를 코팅한 표면에서 미포화 유동비등 임계열유속 값을 얻었다. 전반적인 임계열유속의 증진은 모든 질량유속에서 출구건도가 작아질수록 낮아지는 경향을 보였다. 고유속인 $5,000 kg/m^{2} s$ 에서는 높은 미포화도 조건에서도 증진이 20% 정도로 많이 있었고, 저유속인 $1,000 kg/m^{2} s$ 에서는 높은 미포화도 조건에서 임계열유속이 오히려 감소하였고, 나머지 유속에서는 건도가 낮아질수록 증진이 작아지다가 점차 사라지는 경향을 보였다. 질량유속의 관점에서는 비슷한 입구조건상황에서 질량유속이 높아질수록 임계열유속 증진의 양이 점차 커지는 경향을 보였다.
위와 같은 임계열유속 증진의 양상이 단순히 습윤성과 관련된 변수인 표면 액체 접촉각의 함수로 분석이 되지 않았다. 그래서 미포화 유동비등 상황에서 임계열유속이 발생하는 핵비등이탈 (DNB)의 다양한 메커니즘을 통해서 분석하고자 하였다. 기존의 유동 비등 임계열유속 가시화 실험들을 바탕으로 총 세 가지의 핵비등이탈이 있었고, 우리의 실험 결과와 비교를 하였다. 각각의 핵비등이탈 메커니즘들은 질량유속과 출구건도의 함수로 분류를 할 수 있었다. 저유속($1,000kg/m^{2} s$)인 경우 ‘슬럭류 기포 주위의 액체막 증발’의 메커니즘으로 인해 핵비등이탈이 발생했다. 유속(2,000~$3,000 kg/m^{2} s$)인 경우 ‘한 기포생성지점에서의 국부적 과열’의 메커니즘으로 높은 미포화도 조건에서 나타났다. 고유속(4,000~$5,000 kg/m^{2} s$)의 경우 ‘기포 군집층 형성으로 인한 액체 접근 차단’의 메커니즘으로 핵비등이탈이 발생했다. 실험의 결과에 따르면 고유속으로 갈수록 다시말해 ‘기포 군집층 형성으로 인한 액체 접근 차단’의 메커니즘이 될수록 전반적인 임계열유속의 증진이 20~40 %로 높게 결과를 보였다. 반면에, 다른 두 메커니즘인 ‘슬럭류 기포 주위의 액체막 증발’ 메커니즘은 임계열유속 증진이 -10~10 %로 낮게 나타났고, 마찬가지로 ‘한 기포생성지점에서의 국부적 과열’의 메커니즘 또한 임계열유속 증진이 0~10 %로 낮게 나타났음을 확인하였다. 이러한 임계열유속 증진의 양상들을 각각의 메커니즘의 이론적 임계열유속 모델들을 통해서 분석하고자 하였다.
표면이 나노입자로 인해 흡착이 되면 표면의 습윤성이 높아져서 임계열유속이 증진이 된다고 알려져 있다. 표면의 습윤성이 좋아지게 되면 기포가 생길 때의 버블의 특성들이 달라질 수 있다. 여러 문헌들을 참고하였을 때, 습윤성이 좋은 표면의 경우 버블들이 둥근 형태로 생성되었고, 핵비등 기포생성밀도가 더 작아지고, 큰 사이즈의 버블들이 형성되었다. 그리고 버블의 탈출 속도가 느렸으며, 다시 말해 버블들의 탈출, 생성 시간이 더 길었음을 알 수 있다. 본 실험 결과에서 건도가 낮아질수록 임계열유속의 증진이 감소되었는데, 이는 미포화도가 높아지고 습윤성이 좋아질수록 핵비등 기포생성밀도가 더 작아졌기 때문으로 판단된다. 왜냐하면 기본적으로 습윤성이 좋아지면 임계열유속이 증가하나, 핵비등 기포생성밀도가 많이 낮아지게 되면 버블들의 생성이 줄어들게 되어서 습윤성의 효과가 많이 줄어들 것이라 판단된다.
고유속의 경우인 ‘기포 군집층 형성으로 인한 액체 접근 차단’의 메커니즘은 ‘임계기포층 모델’을 기본으로 하고, 기포층에서의 기공률이 일정값 이상이 되면 핵비등이탈이 발생하는 것으로 가정되었다. 임계기포층 모델에서 임계열유속은 기포층과 주유동사이의 질량유속과 버블의 생성크기의 함수로 나타나 있다. 앞서 말했듯이 표면의 습윤성이 높아지게 되면 버블의 크기가 커지게 되고, 모델에 따라서 난류 속도 변동이 커지게 되서 임계열유속이 커진다는 분석이 가능하다. 저유속의 경우는 ‘액체 미세층 건조 모델’을 기본으로 한다. 이 모델에서 임계열유속은 얇고 긴 차단기포와 가열면사이의 액체미세층에서 가열에 의한 증발률이 액체 공급률 보다 커지면 핵비등이탈이 발생하는 것으로 가정한다. 나노유체로 인한 습윤성이 증가하게 되면 액체미세층의 두께가 두꺼워지게 되고 이는 임계열유속을 더 지연시키게 된다. 하지만, 앞서 말했듯이 습윤성이 좋아지면 버블 발생 시간, 탈출 시간이 증가하게 되어 임계열유속을 더 빠르게 발생시킬 수 있다. 두 가지 영향으로 인해서 임계열유속의 증진이 상쇄가 된다. 슬럭류의 경우도 마찬가지로 ‘액체 미세층 건조 모델’이지만 슬럭류의 길이에 따라서 임계열유속에 영향을 미치게 된다. 그러나 슬럭류에서의 임계열유속은 ‘액체막 건조 모델(LFD)’와 상당히 유사하고, 액체막 건조의 상황에서는 습윤성 향상에 의한 임계열유속의 증진이 많이 나타나지 않았음을 참고문헌을 통하여서 확인하였다. 따라서 슬럭류의 메커니즘에서도 증진이 많이 나타나지 않음을 확인할 수 있다.
