초음파 진동이 비등열전달 촉진에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

열전달을 촉진시키기 위한 기술은 다양한 분야에서 수치적해석이나 실험적해석을 통해 이루어지고 있다. 특히, 액체가 기체상태로 변화하는 상변화를 통하여 열을 전달하는 비등열전달의 경우 원자력발전소, 냉난방, 전자부품냉각, 열교환기, 흡수식냉각장치 등 높은 열전달을 필요로 하는 산업분야에서 고성능화 및 고효율화를 추구하고자 다양한 열전달 촉진 기술을 개발, 적용하여 활발한 연구를 수행하고 있다. 이러한 열전달 촉진 기술의 하나로 제시되고 있는 초음파 진동을 이용한 연구는 이미 컷팅이나 용접, 세척분야, 의료분야 등에서 그 우수성을 인정받고 있다. 그러나 초음파 진동을 통해 제안된 다양한 열전달 증대 요인들은 실험적 근거가 희박한 추론에 의한 것이고, 특히 비등열전달과 관련하여 열전달이 촉진되는 원인을 명확히 규명하고자 하는 연구는 극히 소수에 지나지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 초음파 진동이 비등열전달 과정에서 열전달을 촉진시키는 원인을 규명하고자 비등용기내에 물을 채우고 일정한 온도로 가열하였으며, 가열과정 동안 초음파 진동을 열전달 프로세스에 가하여 열전달 증진 원인을 규명해 보았다. 세부적으로 가열과정 동안 초음파 진동을 가진한 경우와 가진하지 않은 경우에 있어서 열전달계수를 측정하고 열전달 향상비를 계산하였고, 발생하는 압력분포를 하이드로폰을 이용해 실험적으로 구하였으며, 결합형 유한요소-경계요소법을 이용한 수치적 해법으로 계산한 뒤 열전달 향상과의 상호관계를 규명하였다. 본 실험을 통하여, 액상에 초음파 진동을 가진함으로써 비등열전달 과정동안 열전달이 촉진되는 것을 확인하였으며, 특히 대류상태에서 열전달이 촉진되는 것을 확인할 수 있었다. 매질내에 발생하는 압력분포는 초음파 진동자 부근에서 높게 형성되는 것을 실험과 수치해석을 통해 확인하였으며, 초음파 진동의 가진으로 인해 형성된 압력분포는 비등열전달 과정동안 열전달을 촉진시키는 요인으로 작용하였으며, 결국 매질내에 발생하는 압력분포는 열전달 향상에 기여함을 확인할 수 있었다.|The technique of heat transfer enhancement has been studied by numerical and experimental works. Especially, the industrial applications of boiling heat transfer have attracted considerable a field for needs of high quantity heat transfer. For examples, it includes the nuclear power plant, heating and air-condition system, cooling of electromagnetic parts, heat exchanger and refrigeration system of absorbed form. Therefore, the effective enhancement technique of boiling heat transfer is now required. So, the effect of ultrasonic waves on boiling heat transfer in the liquid has been studied by several researchers. However, most researches applying ultrasonic waves suggested a cause of heat transfer enhancement as a reasoning, which is not experimental results enough. Also, only a few researchers have studied to prove a cause of heat transfer enhancement during the boiling process. Accordingly, the objective of this study was to investigate the boiling process of a pure water from a heated bottom of cavity for the following : one without ultrasonic vibration and the other with ultrasonic vibration. In this study, heat transfer coefficient was measured with and without ultrasonic vibration during the boiling process. From the results of measured heat transfer coefficient, the augmentation ratio of heat transfer was calculated. Also, acoustic pressure distributions experimentally measured by hydrophone and calculated by numerical analysis when ultrasonic waves was applied. So, the profiles of the augmentation ratio of heat transfer coefficient were experimentally measured and were compared with those of the acoustic pressure obtained by experimental and numerical works. For the numerical analysis, a coupled finite element-boundary element method(coupled FE-BEM) was applied. The results of study, heat transfer coefficient and augmentation ratio of heat transfer is higher with ultrasonic waves than without one. Especially, augmentation ratio of heat transfer is more increase the convection state then subcooled boiling and saturated boiling states. Also, acoustic pressure is higher near ultrasonic transducer then other points where is no installed it. Finally, experimental and numerical results clearly show that acoustic pressure distributions are closely related to the augmentation of heat transfer. That is, the profiles of acoustic pressure distributions are consistent with that of augmentation of heat transfer.