조핵제로서 실리카 입자가 물의 과냉각 해소에 미치는 영향

강채동,이동규 대한설비공학회 2024 설비공학 논문집 Vol.36 No.4

조핵제로서 실리카 입자를 함유한 증류수에 대한 냉각 실험을 수행하였으며 과냉각 현상을 관찰하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 1) 냉각온도가 낮은 -30℃에서 과냉도와 냉각률이 반비례하였으며 조핵제가 혼합되지 않은 증류수보다 작은 과냉도를 나타내었다. 2) 냉각온도가 높아질수록, 즉 -20, -10℃일 때 조핵제 종류와 관계없이 과냉도 해소시간은 점점 길게 나타나는 경향을 보였다3) 실리카 입자 조핵제 GB3를 가진 증류수에서 제일 큰 평균 과냉도(11.3 K)를 보였다. 4) 조핵제로 사용된 입자들의 평균 지름 또는 단위질량 당 비 표면적은 카올린이 가장 크고, 실리카 입자 GB1에서 GB4 순으로 나타났다. 5) 평균 입자 지름이 클수록 해소 없이 과냉각 상태를 유지하는 개체수가 증가하였다. 6) 조핵제 가운데 카올린 입자 함유 시료에서 평균 과냉도가 6 K으로 가장 작게 나타났으며 실리카 입자 가운데에서는 GB1에서 과냉도(2.47 K) 및 평균 과냉도(약 9 K)가 최소로 나타났다. 이상의 본 연구의 실험 결과 분석을 통하여 미세 실리카 입자를 물 또는 증류수의 조핵제로 사용하기 위해서는 입자가 보다 균일하고 미세한 구조를 갖는 것이 유리함을 확인하였다. In this study, effects of silica fine particles as nucleates on supercooling that occurs during water cooling as a way to efficiently produce ice used as a high-lighted cold storage material were determined. To enhance freezing of supercooled water, silica particles with different sizes ranging from tens to hundreds of microns were added to distilled water. Cooling experiments were then performed for more than 10 cooling and recovering cycles. The cooling experiment showed that the supercooling degree tended to decrease as the size of the particle became smaller compared to the same mass of administered particles. Through the experiment, we obtained results on the possibility of using silica particles as nucleating agents to help release supercooling of water if particles could be made finer and more homogenized. In addition, basic data obtained from this study could change the existing perception of the uniqueness of nucleating agents as materials.

고온 강재의 담금질 열전달에 관한 연구 제1보 : 과냉과도 비등열전달과 냉각곡선

윤석훈,홍영표,김경근,김용모 대한기계학회 1993 대한기계학회논문집 Vol.17 No.6

The quenching of steels by water is one of the imprtant problems in the applications of heat treatment, but the fundamental researches by way of theoretical approaches have not been satisfactorily improbed yet. This study aimed at measuring the exact subcooled transient boiling curve for cylindrical specimens and at conducting the analytical researches into the prediction of cooling curves, including the latent heat of phase transformation of steel. Experiments of quenching were made with cylindrical specimens of carbon steel S45C of diameters from 12 to 30 mm and with Cu specimens of 12 mm diameter respectively. The internal temperature of specimens during the quenching process was measured by C-A sheathed thermocouple. The heat fluxes were numerically calculated by the numerical method of inverse heat conduction problem, using the measured inner temperature of specimen as a boundary condition. In case of ${\Delta}T_{sub}=80K$, $q_{s}$ is as follows $q_{s}=2.02{\times}10^{5}{\Delta}T_{set}^{0.05}:{\Delta}T_{set}\le500K.$ And the numerical analysis of unsteady heat conduction during the quenching process was made and the cooling curves were calculated by TDMA method. 본 연구에서는 금속 열처리를 위한 고온면의 막비등 급냉각에 관한 1차적 연구로서 과냉과도 비등곡선의 정확한 형상과 냉각제의 냉각조건이 강재의 과냉과도 비등열전달에 미치는 영향, $A_1$변태점 부근의 $A_1$냉각속도와 상변태열량광의 관계, 그리고 상변태열이 냉각곡선에 미치는 영향 등을 규명하고자 한다.

THF-탄소나노튜브 나노유체를 이용한 메탄 하이드레이트 제조

박성식(Park, SungSeek),안응진(An, EoungJin),김남진(Kim, NamJin) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

본 연구에서는 THF(Tetrahydrofuran)와 산화탄소나노튜브를 혼합한 유체가 메탄 하이드레이트 생성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 하이드레이트 생성실험을 수행하고 비교분석하였다. 먼저 하이드레이트 생성 시 정확히 큰 동공에 하나의 THF 분자를 위치시킬 수 있는 5.56 mol%의 THF 혼합유체와 0.003 wt%의 산화 탄소나노튜브를 첨가한 산화탄소나노유체에서 하이드레이트 생성실험을 수행한 결과 같은 과냉도에서 상평형은 THF가 우수하였으며, 하이드레이트 생성에 소모되는 가스소모량은 산화탄소나노튜브가 월등히 우수한 효과를 보였다. 따라서 이 두 종류 촉진제의 단점을 보완하고, 우수한 효과를 이끌어 내기 위해 THF와 산화탄소나노튜브를 혼합하였다. 0.003 wt%의 산화탄소나노유체에 5.56 mol%의 THF를 혼합하였으며, 하이드레이트 상평형, 가스소모량, 생성시간을 측정하여 증류수와 THF, 산화탄소나노유체와 비교하였다. 그 결과, THF+산화탄소나노튜브 혼합유체의 상평형은 THF의 상평형과 비슷하였으고, 과냉도 3.4K에서의 가스소모량은 산화나노유체가 증류수의 3.6배, THF가 증류수의 1.7배, THF+산화탄소나노튜브 혼합유체가 증류수의 5.2배로 THF+산화탄소나노튜브 혼합유체에서 가스소모량이 가장 높음을 알 수 있었다. 또한 하이드레이트 생성시간은 같은 과냉도에서 THF+산화탄소나노튜브 혼합유체가 THF보다 빠르며, 산화탄소나노유체의 하이드레이트 생성시간과 비슷함을 보였다. 따라서 THF+산화탄소나노튜브 혼합유체는 THF의 우수한 상평형 효과와 탄소나노튜브의 높은 가스소모량 효과를 같이 가지고 있음을 확인하였다.

TMA 농도에 따른 포접화합물의 냉각특성에 대한 연구

김진흥,정낙규,김창호 한국에너지학회 2005 에너지공학 Vol.14 No.1

본 연구는 저온축열물질로서 TMA(Tri-methyl-amine, (CH3)3N)를 20~25 wt%로 포함하고 있는 TMA-물계 포접화합물의 냉각특성에 대하여 냉열원온도 -5oC에서 실험적으로 연구를 수행하였다. 연구결과, TMA의 질량농도가 증가할수록 상변화온도와 비열이 증가하였으며, 과냉도가 감소하고 액상유지시간이 단축되었다. 특히, TMA 25 wt%를 포함한 TMA-물계 포접화합물은 상변화온도 평균 5.8oC, 과냉도 8.0oC, 액상유지시간 10분, 비열 4.099 kJ/kgoC를 나타내었다. 본 연구의 결과로부터 TMA-물계 포접화합물은 물보다 높은 상변화온도를 나타내었으며, 과냉도가 감소하고, 액상유지시간이 단축되는 과냉각 억제효과를 확인할 수 있었다.

제올라이트-메탄 하이드레이트 생성에 대한 비교 연구

박성식(Park, SungSeek),안응진(An, EoungJin),김남진(Kim, NamJin) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

메탄 하이드레이트는 낮은 온도와 높은 압력 조건에서 물분자들의 격자구조에 메탄가스분자가 포획되어 수소결합으로 형성되는 외관상 얼음과 비슷한 결정성 화합물이다. 1m³의 메탄 하이드레이트는 표준상태에서 172m³의 메탄가스와 0.8m³의 물로 분해되며, -10?C{sim}-20?C의 온도에서는 하이드레이트 입자표면에서 생성되는 얼음막으로 인하여 상압에서도 안정하게 존재하는 자기보존 효과를 가지고 있다. 따라서 이와 같은 특징을 천연가스 수송 및 저장의 방법으로 이용할 경우 -162?C의 초저온을 만들고 유지시키기 위하여 고가의 설비를 필요로 하는 기존의 LNG 수송방법을 대체할 수 있다. 특히 연간 천연가스 소비량을 0.4 ~ 1.0 million ton으로 가정했을 때, 하이드레이트 수송방법은 LNG 수송에 비해 18 ~ 25% 정도의 비용을 절약할 수 있는 경제적인 방법으로 알려져 있다. 그러나 하이드레이트를 인공적으로 제조할 경우 물분자와 가스분자의 반응율이 낮기 때문에 하이드레이트가 생성되기까지 많은 시간이 소요되며, 하이드레이트에 포획되는 가스분자의 양도 적다. 따라서 본 연구에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 다공성 물질인 천연 제올라이트와 제올라이트 13X를 이용하여 제올라이트 혼합유체를 제조하였으며, 메탄가스와 반응시켜 하이드레이트를 생성시키는 실험을 수행하였다. 그 결과, 하이드레이트 생성 시 천연 제올라이트와 제올라이트 13X 모두 0.01 wt%의 혼합비율에서 가장 좋은 효과를 나타내었으며, 하이드레이트에 포획된 가스의 양은 같은 과냉도 조건에서 천연제올라이트와 제올라이트 13X 혼합유체를 이용하여 하이드레이트를 생성 시켰을 때, 증류수보다 각각 4배, 5배 높음을 보였다. 또한 낮은 과냉도에서 하이드레이트 생성 시 제올라이트, 제올라이트13X 혼합유체에서 하이드레이트 생성시간이 증류수에서 하이드레이트를 생성시킬 때보다 빨라짐을 확인하였다.

첨가제에 의한 TMA의 냉각특성에 대한 연구

정낙규,김진흥,김창오,강승현 한국에너지학회 2005 에너지공학 Vol.14 No.2

본 연구에서는 TMA 25 wt%-물계 포접화합물에 첨가제를 첨가하여 상변화온도, 과냉도, 비열 그리고 체적변화율의 냉각특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 사용된 첨가제는 에탄올 이며, 냉열원온도는 -7oC이다. 실험결과들은 다음과 같다. 1) 상변화온도는 TMA 25 wt%-물계 포접화합물에 에탄올을 첨가하여 냉각과정동안 0.32~0.96oC가 상승되었다. 2) 과냉도는 TMA 25 wt%-물계 포접화합물에 에탄올 0.5 wt%를 첨가한 경우에 0.9oC가 억제되었다. 3) 비열은 TMA 25 wt%-물계 포접화합물에 에탄올 0.1 wt%를 첨가한 경우에 0.19 kJ/kgoC가 증가하였다. 4) 체적변화율은 TMA 25 wt%-물계 포접화합물에 에탄올을 첨가한 경우에 1.15~1.5%가 감소하였다.

과냉유동비등 상황에서의 직사각형 채널의 비등시작점에 대한 실험적 연구

임지환(Ji Hwan Lim),이수원(Su Won Lee),오훈교(Hoongyo Oh),박민규(Minkyu Park),황돈관(Donkoan Hwang),김무환(Moo Hwan Kim),조항진(HangJin Jo) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.11

The cooling system of a fusion power plant is safe to operate in single-phase to avoid flow instability due to vapour or reaching a potential critical heat flux. However, there are very few cases of experimental evaluation of onset of nucleate boiling (ONB) under one-side high heat load conditions inside the tokamak. Therefore, ONB of a rectangular channel was evaluated under one-side heating condition. As a result of analyzing the effect of system parameters on ONB heat flux, it was confirmed that ONB heat flux had a proportional relationship with flow and sub-cooling, and an inverse relationship with pressure. In addition, as a result of evaluating various types of ONB correlations, it was difficult to find correlations that predict ONB with high accuracy under one-side high heat load conditions. This proves that it is essential to develop a new ONB correlation for application to the tokamak cooling system.

과냉도에 따른 모세관 입구단에서의 냉매 상태 변화가 냉장고 냉매 소음에 미치는 영향의 실험적 분석

오영후(Oh, Young-Hoo),김민성(Kim, Min-Seong),한형석(Han, Hyung-Suk),김태훈(Kim, Tae-Hoon),정의봉(Jeong, Weui-Bong) 한국소음진동공학회 2012 한국소음진동공학회 논문집 Vol.22 No.12

This study is focused on the experimental analysis of the noise induced by phase change of refrigerant at the entrance of capillary tube. The refrigerant is usually two-phase condition when it flowed into the capillary tube. At the entrance of capillary tube, the phase condition of refrigerant is formed by sub-cool control. If it has sufficient sub-cool temperature, all of the vapor refrigerants turned to liquid, which means there is only liquid. Otherwise, the gas is coexisted. Based on this theory, we experiment on each case by changing sub-cool temperature using refrigerant-supplying equipment. The noise level is measured for each case and compared.

충돌과냉수분류(衝突過冷水噴流)의 비등열전달(沸騰熱傳達)에 관한 연구(硏究)

이강진,이종수,엄기찬,조용철,서정윤,Lee, G.J.,Lee, J.S.,Ohm, K.C.,Cho, Y.C.,Seo, J.Y. 대한설비공학회 1993 설비공학 논문집 Vol.5 No.1

This paper describes the boiling heat transfer phenomena to be divided into three regions, nonboiling, nucleate boiling and burn-out in the impinging subcooled water jet system. In the nonboiling region, Nusselt number is a function of Prandtl number, Reynolds number and ${\Delta}T_{sub}/T_{ast}$ In the nucleate boiling region, the heat flux increases with increment of the nozzle exit velocity. But the degree of liquid subcooling does not affect the shape of the nucleate boilng curve. The dimensionless correlations can be expressed in the form of $q{\ell}/K_f{\Delta}T_{ast}=C(Bo{\cdot}C_p{\cdot}{\Delta}T_{sat}/Vo^2)^m{\cdot}(Re/We)^n$. The burn-out heat flux increases linearly with increment of the nozzle exit velocity, but independs of degree of subcooling and the supplementary water height.

과냉 액체질소용 저온용기의 증기 공간에서 유리기포의 단열성능

김도헌(Do-heon Kim),김민지(Min-jee Kim),장호명(Ho-Myung Chang) 대한기계학회 2006 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2006 No.6

An experiment is performedto demonstrate the feasibility of powder insulation in the vapor space above liquid nitrogen for HTS (high temperature superconductor) power applications. Recently, we have proposed this unique insulation technique and tbiswork is the first step to quantify the insulation performance. A liquid-nitrogen container surrounded by vapor spaceis cooled in a cryostat by coldhead of a GM cryocooler, and the heal leak in steady state is measured from the refrigeration capacity of the cryocooler and a precisely controlled heater attached on the coldhead. The same procedure is repeated when the vapor spaced is filled with the proposed powder. The experimental results show that the commercially available glass bubbles in the nitrogen-helium gas mixture for subcooled liquid nitrogen are very effective in reducing the heat leak, mainly because they obstruct the thermal radiation and the natural convection.