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승신 여
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1 액적의 Weber 수에따른냉각특성의변화 방창훈 양창호 * 경북전문대학소방안전관리과 * LG 전자 ( 접수 / 채택 ) The Variation of Cooling Charateristics Due to the Weber Number of Droplet Chang-Hoon Bang Chang-Ho Yang * Department of Fire Protection Engineering, Kyungbuk College * LG Electronics (Received November 15, 2002 / Accepted January 3, 2003) Abstract : The objective of the present work is to examine the variation of cooling characteristics due to the Weber number of droplet on a heated surface. The surface temperatures varied from 72.5~106.1 on steel and Teflon, when Weber number was 60, 180, 300. The results are as follows; In the case of the same droplet size, the initial temperature of solid increases the indepth temperature of solid more drop. In the case of the same surface temperature, Weber number increases with increasing the cooling effect of droplet. The time-average heat flux increases with increasing the initial temperature of solid and Weber number. The evaporation time decreases with increasing the initial temperature of solid and Weber number. Key Words : droplet, weber number 1. 서론 1) 소화제로사용되는물질에는여러가지가있으며, 그중에서물은가격이저렴하고변질의우려가없으며, 인체에무해하여소화제로가장많이사용된다. 물의물리화학적특징으로는비열이매우커서많은열량을흡수하며, 큰증발잠열로인하여기화시다량의열을주위에서빼앗아가연물을냉각시킨다. 또한기화팽창률이커서수증기가연소면을덮어질식소화효과를일으킨다. 물의소화성능을향상시키기위한연구가최근활발히이루어지고있으며, 최적의냉각성능을나타내는조건을구명하는것이실제적용에있어서의전제조건이다. DiMarzo 등 1) 은물을증발유체로하여표면온도에따른증발시간, 증발체적, 국소열유속등의실험및수치해석적연구를수행하였으며, 실험결과 To whom correspondence should be addressed. bch@mail.kbc.ac.kr 와수치해석적모델의결과가잘일치함을보고하였다. Klassen 등 2) 은 Marco 표면에놓인단일물액적의증발냉각을열화상처리장치를이용하여실험적으로연구하였다. Abu-Zaid 등 3) 은다공질및비다공질세라믹표면에놓인단일물액적의증발냉각을실험적으로연구하였다. 실험결과증발시간은동일실험조건하에서비다공질고체가다공질고체보다길게나타났으나, 액적이영향을미치는영역은다공질고체가더욱크다는것을밝혔다. 유갑종등 4) 은가열된고체표면에부착된단일액적의증발냉각특성을가열고체의재질과액적의크기를변화시켜실험적으로연구하였다. Bernardin 등 5) 은알루미늄표면에서충돌액적의열전달및유체역학적거동을실험적으로연구하였다. 고착액적과충돌액적이상이한열전달및유체역학적거동을보이며, 표면조도가액적의증발냉각특성에큰영향을준다는것을밝혔다. Wachters 등 6) 은수평표면에부딪치는액적의충돌과분열이 Weber 수에따라 3 개의일반적인범주로나누어질수있음을보여주었 33

2 방창훈, 양창호 다. Akao 등 7) 은물, 계면활성제를포함한물, 에탄올, 아세트산을이용하여 300~500 로가열된구리면에서최대확장직경과전열면적을측정하였다. Ko 등 8) 은고온표면에충돌하는액적의분열거동을연구하기위하여 LFP 영역에서 n-decane 을이용하여실험적으로연구하였다. 상기의연구들은대부분액적의크기, 고체표면의재질, 온도등에따른영향을연구하였다. 그러나대부분의경우분무된액적은임의의속도로고체표면에충돌하여증발한다. 따라서액적의충돌속도가가열고체의냉각특성에미치는영향에대한보다자세한연구가필요하다. 따라서본연구에서는액적의 Weber 수에따른냉각특성을규명하기위하여액적의충돌속도를변화하여실험하였다. 또한가열고체의열전도도에따른영향을규명하기위하여탄소강을선택하였으며, 고분자물질로는테프론을사용하였다. Fig. 1. Schematic diagram of experimental setup 2. 실험장치및방법 2.1. 실험장치 Fig. 1 은전체실험장치를개략적으로나타낸그림이다. 온도제어부 1 은가열모듈하부에부착된열전대의온도를이용하여제어하는온도제어기 (Fuji, pxw-9) 와전원공급기 (Spc-101series) 로구성되어있다. 데이터처리부 2 는가열모듈에부착된 K 형열전대의데이터를처리하기위한데이터처리장치 (Fluke, 2640A) 로이루어져있다. 유량공급부 3 은액적의속도및크기를조절하기위한정유량조정기 (KD scientific model 100) 와액적발생기및액적의직경을조절하기위한니들과소형 X-Z Traverse 로구성되어있다. 냉각수제어부 4 는액적발생기의온도를제어하기위한냉각수탱크와유량조절밸브, 열교환기로구성되어있다. 영상처리부 5 는고해상도 CCD 카메라와영상처리장치로구성되어있다. 또한 CCD 카메라에는확대렌즈를부착하였다. 가열블록케이스 6 은외부치수가 mm 이다. 실험장치는충돌속도에따른열전달특성을연구하기위하여충돌속도를변화시킬수있도록높이조절이가능하게설치하여 Weber 수를 60, 180, 300 으로조절할수있게하였다. (a) Carbon steel (b) Teflon Fig. 2. Schematic diagram of heating element Fig. 2 (a) 는가열고체로사용된탄소강의형상과열전대의위치를나타낸그림으로전체길이를 70mm 로상부직경이 12mm, 하부직경이 25mm 인원통형으로제작하였다. 열전대는가열고체의표면으로부터깊이 1mm, 4mm, 7mm 에각각 3 개부착하였으며온도제어용열전대는깊이 50mm 에 1 개설치하였다. 테프론은열전도도가낮기때문에축대칭의 2 차원열전도를고려하여 Fig. 2 (b) 와같이전체길이가 50mm 이고직경이 25mm 인원통형으로하였다. 열전대는중심축에서깊이방향으로 1mm 간격으로 3 개를심고, 중심축에서깊이방향으로 1mm 씩떨 34 Journal of the KIIS, Vol. 18, No. 1, 2003

3 액적의 Wdber 수에따른냉각특성의변화 어진곳에깊이방향으로 1 개씩덜심어총 6 개를심었다. 가열고체를가열하기위한히터는 240V, 200W 인밴드형을사용하였다. 가열고체인탄소강표면은 # 2000 사포로연마한후에 10μm 의크롬을도금하였으나테프론의경우는 # 2000 사포로만연마하였다 실험방법및범위주위의온도는 25±0.5 로설정하였고, 액적의온도는 25±0.25 로하였다. 증발시고체표면에서물이완전히증발할때까지의증발액적의열물성치는 Cengel 9) 의자료를이용하였다. 실험에사용한순수한물은증류수를 100 까지가열하여물속의기체를제거한후사용하였다. 또한실험동안온도변화를열전대를통하여측정하고, 시간에따른변화는 CCD 카메라를이용하여기록하였다. 액적의직경은표면에떨어질때를촬영하여측정하고이를보정하기위하여각각 50 방울및 100 방울을모아무게를측정하였다. 측정결과 ±3% 이내로매우잘일치하였다. 본실험에서측정된온도의불확실도는 ±0.25 이고, 제어되는히터의온도는 ±0.2 이다. 길이의측정에대한불확실도는 ±0.25mm 정도이고, 질량의불확실도는 ±0.0001g 이다. 시간의불확실도는 CCD 카메라의기본측정시간인 1/30s 이고, 최대오차는 0.17% 로나타났다. 화상데이터의불확실도는 ±7 μm로나타났다. 또한온도와증발시부터계산된증발열유속은최대 ±9% 로나타났다. Table 1 에액적실험의변수와범위를요약하여나타내었다. 따른깊이방향온도변화 (Indepth temperature: Tin) 를나타낸그림이다. Fig. 3 (a) 는가열고체표면의초기온도가 72.5 일때를나타낸그림으로고체내부의온도는액적부착시급격히하강한후, 서서히감소하여최소값에도달한후증가하여가열고체표면의초기온도로회복되고있다. 급격한온도감소가발생하는구간은액적이부착후고체표면이액적에의하여냉각되어나타나는현상이며이후액적에의하여고체표면은지속적으로냉각되어최소값을나타낸다. 다시온도가상승하는것은액적의증발이거의완료되어액적에의한냉각효과는없어지고주위고체로부터의전도열전달로인하여표면온도가상승하기때문이다. (a) T s,o = 72.5 Tabl e 1. Parameters and experimental ranges for droplet experiments Surrounding & initial droplet temperature Surrounding : 25±0.5 Initial droplet : 25±0.25 Surface temperature 72.5 ~106.1 Surface material Carbon steel, Teflon Droplet diameter 2.4 mm, 3.0 mm Weber number 60, 180, 실험결과및고찰 Fig. 3 은액적의지름이 3.0mm 와 2.4mm 이고 Weber 수가 60 일때, 액적부착후시간 (t) 의경과에 (b) T s,o = Fig. 3. Indepth temperature variation of steel versus time for We=60 산업안전학회지, 제 18 권제 1 호, 2003 년 35

4 방창훈, 양창호 액적의지름이 3.0mm 인경우가 2.4mm 인경우보다낮은온도를나타내며이는액적의물함유량이많기때문에고체표면에서의냉각이다소많이일어나기때문이다. 따라서고체내부의온도하강이조금더일어난다. Fig. 3 (b) 는가열고체표면의초기온도가 일때를나타낸그림으로전반적인경향은앞의경우와유사하지만, 초기고체내부온도는급격히감소하고증발시간과회복시간이매우단축되었다. 이는액적의온도와고체의표면온도와의차가커져서열전달이더크게일어나기때문이다. 또한액적의증발시간과회복시간이매우짧아짐을알수있다. Fig. 4 는액적의지름이 3.0mm 이고 Weber 수가 60, 180, 300 일때, 고체표면으로부터깊이 1.0mm 인지점에서액적부착전의초기온도와시간의경과에따라변화하는온도 (T i,o) 와의차 ΔT(=T i-t i,o) 를나타낸것이다. Fig. 4 (a) 는가열고체표면의초기온도가 72.5 일때를나타낸그림으로액적부착후시간이경과함에따라온도는급격히감소한후냉각곡선의기울기가매우완만한변화를나타내고있다. 또한 Weber 수가증가함에따라서고체내부의온도하강은조금더크게일어나고있다. 이는 Weber 수가증가할수록액적의부착초기에접촉면적이확대되어순간적인전열면적이증가하여고체표면이급속히냉각되기때문이다. Fig. 4 (b) 는가열고체표면의초기온도가 일때를나타낸그림으로고체표면의온도가증가함에따라열전달이활발히일어나서온도하강이크게일어나며 Weber 수에따른영향이조금작게나타난다. Fig. 5 는액적직경이 3.0mm 일때, 가열고체표면의초기온도 (T s,o) 에대한증발기간동안의시간평균열유속 (time-average heating flux, q) 을나타낸실험결과이다. 시간평균열유속 (q) 1) 은액적의증발기간동안고온체와액적의경계면에서고온체로부터액적으로전달된총열량을액적의초기표면적과총증발기간으로나눈값이며식 (1) 과같다. q =(2d o ρ l λ')/(3t t ) (1) (a) T s,o= 72.5 (b) T s,o= Fig mm below temperature difference with time on steel for various Weber number, do=3.0mm 여기서 λ' = λ+c p (T d -T ) 는유효증발잠열이고, T d 는액적의시간평균온도이다. 전반적으로초기고체표면온도가증가할수록시간평균열유속은지수적으로증가하며, Weber 수가증가할수록시간평균열유속이크게나타난다. 이는 Weber 수가클수록초기액적의부착면적이증가하여순간적인열전달이활발히일어나기때문이다. 또한고체표면의온도가상대적으로낮을때는 Weber 수의영향이작게나타나며, 온도가높을수록열유속차이가조금크게나타난다. 탄소강의시간평균열유속이테프론보다높게나타나고있다. 이는탄소강의열전도도가크기때문에고체로부터액적으로전달되는단위시간당열량이많기때문이다. Fig. 6은액적직경이 3.0mm일때, 초기표면온도 (T s,o) 에따른전체증발에걸리는시간 (Evaporation time, t t) 을나타낸그림이다. 36 Journal of the KIIS, Vol. 18, No. 1, 2003

5 액적의 Wdber 수에따른냉각특성의변화 1) 동일고체표면온도에서 Weber 수가클수록액적에의한냉각효과는크게나타난다. 즉액적의충돌속도가증가할수록냉각효과가증가함을나타낸다. 2) 시간평균열유속은고체재질에관계없이초기고체표면온도가증가할수록증가하며, Weber 수가증가할수록시간평균열유속이크게나타난다. 3) 증발시간은고체재질에관계없이초기고체표면온도가증가할수록감소하며, Weber 수가증가할수록증발시간은작게나타난다. 4) 열전도도가큰탄소강이테프론보다시간평균열유속은크게, 증발시간은작게나타났다. Fig. 5. Time-average heat flux with initial surface temperature, do= 3.0mm 참고문헌 Fig. 6. Evaporation time with initial surface temperature, do= 3.0mm 본연구에서정의된겉보기증발시간 (t t) 은액적이부착된후액적이증발하는동안촬영된영상자료로부터수분이완전히증발하여외부에물의흔적이완전히없어지는상태까지측정한값으로정의하였다. 초기고체표면온도가증가할수록증발시간은감소하며, Weber 수가증가할수록증발시간은작게나타난다. 4. 결론 본연구에서는액적의 Weber 수변화에따른냉각특성을실험적으로연구하여다음과같은결론을얻었다. 1) DiMarzo M., Evans D. D., Evaporation of a Water Droplet Deposited on a Hot High Thermal Conductivity Surface, J. of Heat Transfer, Vol.111, , ) Klassen, M., DiMarzo, M., Transient Cooling of a Hot Surface by Droplets Evaporation, NIST-GCR , ) Abu-Zaid, M., Atreya, A., Transient Cooling of Hot Porous and Nonporous Ceramic Solids by Droplet Evaporation, J of Heat Transfer, Vol. 116, pp. 694~701, ) 유갑종, 방창훈, 김정수, 가열된고체표면에부착된단일액적의증발냉각, 대한기계학회논문집 B 권, 제 25 권, 제 6 호, pp. 845~852, ) Benardin, J. D., Leidenfrost Point and Film Boiling Heat Transfer of Single Droplets and Sprays, A Thesis of Ph. D, ) L. H. J. Wachers and N. A. J. Westerling, The Heat transfer from a Hot Wall to Impinging Water Drops in the Spheroidal State, Chemical Engineering Science, Vol. 21, pp. 1047~1056, ) F. Akao, J. Araki, S. Mori and A. Moriyama, Deformation Behaviors of a Liquid Droplet Impinging onto Hot Metal Surface, Transactions ISIJ, Vol. 20, pp. 737~743, ) Y. S. Ko and S. H. Chung, An Experiment on the Breakup of Impinging Droplets on a Hot Surface, Experiments in Fluids, pp. 118~123, ) Cengel Y. A., Boles M. A., Thermodynamics, McGraw-Hill, Int. ed, 산업안전학회지, 제 18 권제 1 호, 2003 년 37

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12(4) 10.fm KIGAS Vol. 12, No. 4, December, 2008 (Journal of the Korean Institute of Gas) l x CNG» v m s w ½ Á y w» œw (2008 9 30, 2008 12 10, 2008 12 10 k) Numerical Analysis for Temperature Distribution and Thermal