표면 젖음성이 수조 비등 임계열유속에 미치는 영향에 대한 연구
Effect of Surface Wettability on the Pool Boiling Critical Heat Flux
- 발행기관 한동대학교 일반대학원
- 지도교수 이재영
- 발행년도 2018
- 학위수여년월 2018. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계제어공학과
- 세부전공 기계제어
- 원문페이지 x, 124
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/handong/200000115155
- UCI I804:47030-200000115155
- 본문언어 영어
- 저작권 한동대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구에서는 수조 비등 임계열유속에 젖음성이 미치는 영향을 실험해보았다. 젖음성의 개별적인 영향을 알아보기 위해서는 다공성이나 표면 거칠기와 같은 표면 특성들을 이로부터 배재하는 것이 필수적이다. 따라서 순수하게 표면의 젖음성만이 변화된 열원 표면을 구상하였다. 직류 플라즈마 스퍼터링 방식을 통해 표면에 TiO2가 집적되도록 코팅을 하여 일정 범위의 접촉각을 가지는 시편을 마련할 수 있었다. 코팅 하기 전 열원 표면의 접촉각은 81.6o였지만, 코팅을 통해 약 10o부터 62.4o에 이르기까지 다양한 접촉각을 가지는 시편을 제작하였다. 스퍼터링으로 인해 생성된 TiO2 층은 광학현미경이나 SEM으로는 관찰하기 어려웠지만, TEM과 EDS 등의 추가적인 방법을 이용하여 TiO2 층을 관찰할 수 있었다. 이러한 시편들은 삼차수로 채워진 이중수조의 구조를 가지는 수조 내부에 설치되었으며 대기압조건에서 직류전력을 인가하여 수조 비등 실험을 진행하는데 이용되었다. 해당 연구는 0.5mm의 직경을 가지는 니크롬선 히터에서도 실시되었다. 또한, 다른 표면 특성 방법이 미치는 영향을 비교하기 위하여 TiO2 나노유체 수조 비등을 통하여 니크롬선 히터의 표면을 코팅하였다. TiO2 나노입자의 크기는 평균적으로 30-40nm였다. TiO2 나노유체의 농도는 여러 농도의 나노유체에서 수조 비등 실험을 실시하여 임계열유속이 최대가 되는 경우로써, 0.01vol.%로 결정하였다. 나노유체에서의 다양한 비등 이력을 반영하여 표면이 변화된 시편을 준비할 수 있었다. 나노입자의 증착, 젖음성의 변화를 관찰할 수 있었다. 표면 형태는 SEM을 통해 분석하였으며, 이를 통해 다공성 층이 형성됨을 관찰할 수 있었다. 실험 결과, 다양한 접촉각을 가지는 시편들의 임계열유속은 접촉각의 변화와는 무관하였으며, 유사한 값을 보임을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과로부터, 기존에 접촉각과 임계열유속의 상관관계식으로 널리 쓰이던 Kandlikar et al. (2001) 의 상관식과 실제 현상은 일치하지 않는다는 사실을 확인할 수 있었다. 하지만, 나노유체 풀비등을 통해 TiO2 나노입자가 증착된 열원에서는 CHF가 향상됨을 관찰하 수 있었다. TiO2 나노입자가 증착된 열원에서 CHF가 증가하는 원리를 밝히기 위하여, 비등 실험 동안 나타나는 기포 거동 및 상온에서의 액적 분포를 분석하여 표면 특성을 변화시키지 않은 표준 시편의 경우와 비교하여 분석해보았다.
more초록/요약
This study set out to investigate the effect of wettability on the pool boiling critical heat flux (CHF). However, it is necessary to distinguish effects of the wettability and porosity on the CHF. Therefore, heater surfaces with a range of contact angles without porous layers were prepared by DC plasma sputtering of TiO2 metal oxide. A bare, thin flat-plate heater built on a PCB (4-mm wide x 100-mm long) with a contact angle of 81.6o was sputtered to create contact angles from 62.4° to 10°. A thickness of TiO2 layer built on the heater surface could not be observed by optical microscope or SEM and hence additional analysis, such as TEM or EDS was used to confirm the formation of the TiO2 layer. A heater with one of these specific contact angles was installed in saturated water in a double-walled chamber at atmospheric pressure and then DC power was applied. Experiments were performed to collect data on the pool boiling heat transfer and the CHF conditions. The experiment was also conducted using nichrome wire heater of which diameter is 0.5mm. In addition, for the purpose of comparison, surface of the nichrome wire heater was modified by TiO2 nanofluid pool boiling. Size of the TiO2 nanoparticle was 30-40nm in average. Concentration of the TiO2 nanofluid was adjusted by evaluating the maximum CHF in pool boiling experiment. The modified heater surface was prepared by nanofluid pool boiling with various boiling history. The nanoparticle deposition and hence change of wettability was observed. Surface morphologies were analyzed by SEM and thus formation of porous layer was observed. From the experimental results, the CHF data was not influenced by changes in the contact angle, which was not in agreement with the Kandlikar’s correlation, whereby there is a clear correlation between the contact angle and the CHF. However, an enhancement of CHF was observed when the surface modification method changed to TiO2 nanoparticle deposition by nanofluid pool boiling. For the clarifying a mechanism of increasing CHF in TiO2 nanoparticle deposited surface, bubble behavior and droplet wavelength were analyzed and compared with those of bare surface.
more목차
Abstract ⅰ
Contents ⅳ
List of Figures ⅶ
List of Tables ⅹ
Ⅰ. Introduction 1
1. Research Background 1
2. Research Objective 2
Ⅱ. Scientific Background 5
1. Critical Heat Flux (CHF) and Theories 5
1.1 CHF models 5
1.2 Hydrodynamic Instability Theory 6
2. An Effect of Surface Condition on CHF 12
2.1 Formation of Porous Layer by Nanoparticle Deposition 12
2.2 Wettability 13
2.3 Surface Roughness 15
2.4 Capillary Wicking Ability 16
3. Modification of Surface Wettability 21
3.1 Theoretical Background 21
3.2 Thin Oxide Film Deposition 27
Ⅲ. Experimental Methods 28
1. Specification of Heating Elements 28
1.1 Flat Plate Heater on Printed Circuit Board (PCB) 28
1.2 Nichrome Wire Heater 30
2. Modification of Surface Wettability 31
2.1 TiO2 Molecule Deposition by DC Plasma Sputtering Method 31
2.2 TiO2 Nanoparticle Deposition by Nanofluid Pool Boiling 36
2.2.1 Preparation of TiO2 Nanofluid 36
2.2.2 Surface Modification by Nanofluid Pool Boiling 39
3. Analysis on the Surface Properties 40
3.1 Variation of Wettability 40
3.1.1 Measurement of Contact Angle (CA) 40
3.1.2 Modified Surface by TiO2 Sputtering 40
3.1.3 Variation of Wettability by TiO2 Nanofluid pool boiling 42
3.2 Surface Morphology 44
3.2.1 Modified Surface by TiO2 Sputtering 44
3.2.2 Modified Surface by TiO2 Nanofluid pool boiling 55
3.3 Consistency of Surface Modification 60
4. Detail on Pool Boiling Experiment 65
4.1 Experimental Setup and Procedure 65
4.2 Uncertainty Analysis 69
Ⅳ. Results 72
1. Effect of TiO2 Sputtering on CHF 72
2. Effect of TiO2 Nanofluid Pool Boiling on CHF 75
Ⅴ. Analysis and Discussion 80
1. Hydrodynamic Instability Wavelength during Pool Boiling 82
2. Bubble Behavior Analysis during Pool Boiling 87
3. Droplet Wavelength Analysis 93
Ⅵ. Conclusion and Outlooks 97
Nomenclature 102
Reference 105
Appendix 111
1. SEM Images of PCB Heater Surface 111
2. EDS Result of PCB Heater Surface 114
3. EDS Result of TiO2 Sputtered Heater Surface 116
4. Droplet Wavelength Distribution 120
Acknowledgement 123