In this study, magnetite-water nanofluid is suggested as a promising coolant option for the thermal-hydraulic applications including the nuclear power generation area. Compared to the other kinds of nanofluids, magnetite-water nanofluid has its own and unique advantages: it could be controlled by using magnetic field. (1) Concentration control: effective concentration of nanofluid could be controlled at the point of interest, (2) Withdrawal of nanoparticles: useless nanoparticles could be withdrawn from the base fluid using magnets, and (3) Decontamination: the radioactive isotopes, such as iodine-131 or cesium-137 dissolved in working fluid, could be removed easily by using both the magnetite nanoparticles with proper functional groups and the magnetic filter (adsorption and filtration method).
Experimental studies were conducted to understand the flow boiling CHF characteristics of magnetite-water nanofluid. Flow boiling CHF enhancement using nanofluid was assessed for the wide range of critical quality conditions, especially for intermediate and relatively high critical quality conditions. Focusing on the fundamental features of two-phase liquid film flow, effects of nanoparticle deposition, in terms of surface wettability, on the two-phase liquid film flow were investigated. The time-dependent behavior of CHF enhancement using nanofluid and the effects of magnetic field on the CHF of magnetite-water nanofluid were investigated, too.
Air-water two-phase flow experiments were performed for the two different surface specimens to investigate the effects of surface wettability on the two-phase liquid film flow. Relative speed of gas and liquid phase was in the same range (order of magnitude) compared to that for the flow boiling CHF experiments conducted in this study. Both liquid film and liquid droplet flow fractions were measured at the given two-phase flow conditions. For the nanoparticle deposited surface with better surface wettability, liquid film flow fraction was higher than that for the bare surface. During the development of liquid film flow in flow channel, there happened the deposition of liquid droplets on the surface: with the better surface wettability, more liquid droplets were deposited on the surface, and therefore, the liquid film flow fraction becomes larger. Also, the results could be explained with the liquid droplet entrainment: with the better surface wettability, the liquid film flow became more stable and the liquid droplet entrainment would be suppressed. However, absolute value of measured entrainment fractions were very small, and therefore, effects of surface wettability on the liquid droplet entrainment are not significant in terms of liquid film dryout. Actually, there was not the CHF enhancement in annular flow with the relatively high critical quality conditions, in which the LFD-type thermal crisis would occur.
Collision behavior of single liquid droplet with the surfaces was observed. Two kinds of surfaces with the quiet different wettability were considered, and pure water of 5 microliters was dropped onto the 45-deg. inclined surfaces by using micro-pipette. After the liquid droplet collides with the surface, the region at which the collision occurred was remained wetted for the nanoparticle deposited surface which has a better surface wettability. For the bare surface, however, the liquid droplet slide down and the region at which the collision occurred was exposed as a dried surface. The effective deposition of liquid droplets onto the surface and the re-wetting characteristics of the surface could be enhanced with a better surface wettability, and the thermal crisis related to the sudden breakup of liquid film and the intermittent exposure of local dry spot could be delayed.
Flow boiling CHF experiments were performed using magnetite-water nanofluid. Different from the previous studies, wide range of critical quality conditions were considered with various heating length, mass flux, and inlet sub-cooling. CHF enhancement was observed for the low critical quality conditions in which DNB-like thermal crisis would occur: these results were consistent with the previous studies reporting the delay of DNB using nanofluids. Meanwhile, there is not the CHF enhancement for the high critical quality conditions. In annular flow with the high critical quality conditions, LFD-type thermal crisis would occur. As the critical quality increased from 0.07 to 0.74, amount of CHF enhancement was gradually decreased and approached to zero. It could be conclude that, CHF enhancement using nanofluid could not be expected for annular flow with the relatively high critical quality, since there were the marginal effects of surface wettability on the liquid film flow.
The time-dependent behavior of CHF enhancement using nanofluid and the effects of magnetic field on the CHF characteristics were studied, experimentally. To investigate the effects of heat flux history on the CHF enhancement using nanofluid, flow boiling experiments were conducted with 5 different heat flux history groups, and for the faster transient cases, the lower CHF enhancement was observed. As the transient became slower, extent of CHF enhancement gradually increased and saturated to a certain level. Therefore, it would take some time to ensure the enhancement of CHF using nanofluid as working fluid.
The effects of electricity-induced magnetic field is eliminated by using round tube as the test section, and the magnetic field of desired shape and strength is applied inside the test section tube with the permanent Neodymium magnets. Based on the experimental results, with the magnetic field, an additional CHF enhancement using nanofluid is observed, and the time-dependent behavior of CHF enhancement is improved, too. Even for the fast transient case, an additional CHF enhancement is observed.
With additional advantages of magnetite-water nanofluid in terms of CHF characteristics, there would be relevant potential applications: such as fusion reactor diverter and large scale electronic components - there exist both strong needs of superior cooling ability and strong magnetic fields. To achieve the goal, appropriate flow path of coolant should be designed considering both strength and shape of pre-existing magnetic field.
나노유체는 최근 원자력발전소를 비롯한 다양한 열수력 응용분야에서 각광을 받고 있는 작동유체로, 본 연구에서는 Fe3O4 나노유체가 새롭게 제안되었다. 기존 나노유체 대비 Fe3O4 나노유체가 가지는 장점은 자기장을 이용한 제어가 가능하다는 점으로, 보다 구체적으로는 국부농도 제어, 나노입자 회수, 작용기 흡착을 통한 방사성 물질 제염 등을 들 수 있다. 본 연구에서는 Fe3O4 나노유체의 유동비등 임계열유속 특성 및 Fe3O4 나노입자가 침적된 표면에서의 이상유동 특성에 대한 실험적 연구가 수행되었다.
이전까지 수행되어 온 나노유체를 이용한 유동비등 임계열유속 연구에서는, 수행된 실험의 유동영역이 환형류에 해당하며 그 중 일부 연구에서는 액막건조 방식의 임계열유속이 발생했을 것이라고 언급했다. 하지만 실험이 비교적 짧은 가열길이와 낮은 임계건도 조건에서 수행되어 환형류가 충분히 발달했다고 보기 힘들며, 따라서 액막건조보다는 핵비등이탈에 가까운 방식의 임계열유속이 발생했을 것으로 판단된다. 나노유체를 이용한 핵비등이탈 방식 임계열유속 증진에 관한 연구는 수조비등 실험을 통해 많이 수행되어 온 반면, 나노유체의 액막건조 방식 임계열유속에 관한 연구는 아직 수행된 적이 없다. 본 연구에서는 액막건조 방식 임계열유속이 발생하는 조건에서 Fe3O4 나노유체의 유동비등 임계열유속 특성을 정량화하고, 또한 Fe3O4 나노입자가 침적된 표면이 액막유동에 미치는 영향을 실험을 통해 살펴보았다.
Fe3O4 나노입자가 침적된 표면 또는 표면조건(습윤성)이 액막유동에 미치는 영향을 공기-물 이상유동 실험을 통해 살펴보았다. 깨끗한 표면과 Fe3O4 나노입자가 침적된 표면, 즉 습윤성이 극명히 다른 두 표면 위를 흐르는 액막유동에 대해 액막유량과 액적유량을 측정하여 각각의 액체유량분율을 얻었다. 습윤성이 좋은 표면의 경우, 액적 액체유량분율이 낮게 측정되었다. 하지만 표면조건에 관계없이 1% 이하의 낮은 액적 액체유량분율이 측정된 것으로 보아 수행된 실험조건에서는 액적이탈 현상이 거의 일어나지 않았다고 볼 수 있으며, 따라서 표면조건(습윤성)이 액적이탈에 미치는 영향은 액막건조 관점에서 중요하지 않다고 판단된다. 즉, 나노유체를 이용한 액막건조 지연은 기대할 수 없다. 다만 습윤성이 좋은 표면의 경우, 유로 입구영역에서부터 진행되는 액막 발달과정에서 더 많은 액적이 표면에 침적됨에 따라 기체흐름 내 액적 양이 줄어든 것으로 판단된다. 액막이 아닌, 표면에의 액적침적은 표면조건의 영향을 많이 받으며, 이러한 사실은 액적-표면 충돌현상 관찰을 통해 확인했다.
Fe3O4 나노유체의 임계열유속 특성이 유동비등 실험을 통해 정량화 되었다. 이전의 나노유체 유동비등 임계열유속 연구와 비교하여 비교적 넓은 범위의 임계건도 조건에서 실험이 수행되었다. 낮은 임계건도 조건에서는 나노유체를 이용한 임계열유속 증진이 관찰되었으며, 이는 핵비등 과정에서 표면에 침적된 나노입자 층으로 인해 습윤성이 향상되었기 때문이다. 이러한 결과는 이전의 나노유체 임계열유속 연구 결과와 일치하는 것이다. 임계건도가 증가할수록 나노유체를 이용한 임계열유속 증진 정도는 감소하며, 임계건도 0.6 이상의 조건에서는 증진이 거의 발생하지 않는다. 이는 임계건도가 증가함에 따라 임계열유속이 발생하는 방식이 핵비등이탈에서 액막건조로 옮겨가기 때문으로 판단된다. 핵비등이탈과는 달리 액막건조는 습윤성 등 표면조건의 거의 영향을 받지 않는다.
나노유체를 이용한 임계열유속 증진은 핵비등 과정에서 발생하는 나노입자의 침적 및 그로 인한 표면조건의 변화가 주된 원인이다. 핵비등 발생 정도에 따라 나노입자 침적 및 표면조건 변화 정도가 달라지며, 궁극적으로는 임계열유속 증진도 영향을 받는다. 열유속 증가 속도를 다양하게 설정하여 유동비등 실험을 수행함으로써 나노유체를 이용한 임계열유속 증진의 과도 특성을 살펴보았다. 상대적으로 빠른 과도 상황일수록 나노유체를 이용한 임계열유속 증진 정도가 작았으며, 과도 속도가 느려짐에 따라 증진 정도는 점점 증가하여 일정한 값으로 수렴하였다. 따라서 나노유체를 이용한 임계열유속 증진을 기대하기 위해서는 충분한 핵비등 발생을 위한 시간이 필요하다.
본 연구에서 제안된Fe3O4 나노유체는 자기장의 영향을 받으며, 따라서 자기장 조건에서 Fe3O4 나노유체의 임계열유속 특성을 유동비등 실험을 통해 살펴보았다. 전류에 의한 자기장의 영향을 제거하기 위해 원형관 가열시편이 사용되었으며, 네오디뮴 영구자석으로 원형관 내부에 약 50가우스 세기의 자기장을 생성하였다. 자기장 조건에서 추가적인 임계열유속 증진이 관찰되었으며, 이는 자기장으로 인해 원형관 내부 벽면 부근의 유효농도가 증가했기 때문이다. 뿐만 아니라, 앞서 살펴본 임계열유속 증진의 과도 특성 역시 자기장 조건에서 향상되는 결과를 얻었다. 빠른 과도 상황에서도 추가적인 임계열유속 증진이 관찰되었으며, 과도 속도가 느려짐에 따른 수렴 역시 빠르게 진행됐다. Fe3O4 나노유체는 자기장을 이용한 제어가 가능하다는 장점을 지니고 있고, 특히 열전달 측면에서 다른 나노유체 대비 추가적인 성능 향상이 기대된다. 따라서 Fe3O4 나노유체는 강력한 자기장이 생성되어 있는 조건에서 대용량의 열제거 성능이 필요한 경우, 예를 들면 핵융합로 다이버터나 대형 전력전자기기 등의 냉각에 유용할 것으로 판단되며, 이를 위해서는 자기장의 세기 및 형태를 고려한 냉각재 유로의 설계가 뒤따라야 할 것이다.
