열교환기 표면 설계로 효율성 향상 가능

미국: MIT 연구원들은 열 교환기 재료에 대해 특별히 맞춤화된 표면 처리를 통해 시스템의 효율성을 향상시키는 방법을 찾았다고 주장합니다.

현재 실험실 규모로 진행 중인 이 연구는 서로 다른 크기 규모에서 세 가지 종류의 표면 변형을 조합하는 작업을 포함합니다. 그러나 연구자들은 실용적인 산업 규모의 공정을 개발하려면 더 많은 연구가 필요하다는 점을 인정했습니다.

새로운 발견은 최근 MIT를 졸업한 송영섭, 포드 공학 교수인 Evelyn Wang 및 MIT의 다른 4명의 논문에서 Advanced Materials 저널에 설명되어 있습니다.

비등 과정은 일반적으로 열 전달 계수(HTC)와 임계 열 유속(CHF) 간의 균형을 유지합니다.

두 매개변수 모두 중요하지만 두 매개변수는 본질적인 절충안이 있기 때문에 함께 향상시키는 것은 어렵습니다. 그 이유는 끓는 표면에 기포가 많으면 끓는 것이 매우 효율적이지만, 표면에 기포가 너무 많으면 서로 뭉쳐서 증기막이 형성될 수 있기 때문이라고 설명합니다. 끓는 표면. 이 필름은 뜨거운 표면으로부터의 열 전달에 대한 저항을 유발하고 CHF 값을 낮춥니다.

이제 수년간의 작업 끝에 팀은 재료 표면에 추가된 다양한 질감의 조합을 통해 두 특성을 동시에 크게 향상시키는 방법을 달성했다고 합니다.

현재 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 박사후 연구원으로 재직 중인 송 씨는 MIT에서 박사 학위 논문 작업의 일환으로 많은 연구를 수행했습니다. 그가 개발한 새로운 표면 처리의 다양한 구성 요소는 이전에 연구되었지만 연구원들은 이 연구가 두 가지 경쟁 매개변수 간의 상충 관계를 극복하기 위해 이러한 방법을 결합할 수 있음을 보여준 최초의 것이라고 말합니다.

표면에 일련의 미세한 구멍 또는 움푹 들어간 부분을 추가하는 것은 해당 표면에 기포가 형성되는 방식을 제어하여 움푹 들어간 곳 위치에 효과적으로 고정되도록 유지하고 내열 필름으로 퍼지는 것을 방지하는 방법입니다.

연구진은 필름 형성을 방지하기 위해 약 2mm로 분리된 10μm 너비의 덴트 배열을 만들었습니다. 그러나 이러한 분리는 표면의 기포 농도를 감소시켜 비등 효율을 감소시킬 수도 있습니다. 이를 보완하기 위해 팀은 훨씬 더 작은 규모의 표면 처리를 도입하여 나노미터 규모의 작은 돌기와 능선을 생성하여 표면적을 늘리고 기포 아래의 증발 속도를 촉진했습니다.

이 실험에서는 재료 표면의 일련의 기둥 중앙에 공동이 만들어졌습니다. 나노 구조와 결합된 이 기둥은 바닥에서 상단까지 액체의 흡수를 촉진하고, 이는 물에 노출되는 표면적을 더 많이 제공하여 끓는 과정을 향상시킵니다. 표면 질감의 세 가지 "계층"(공동 분리, 포스트 및 나노 크기 질감)이 결합되어 끓는 과정의 효율성이 크게 향상된다고 Song은 말합니다.

이들의 연구를 통해 이러한 종류의 표면 처리를 결합하면 원하는 효과를 얻을 수 있다는 것이 확인되었지만, 이 작업은 실용적인 장치로 쉽게 확장할 수 없는 소규모 실험실 조건에서 수행되었습니다.

Evelyn Wang은 “향상을 얻기 위해 이러한 방식으로 표면을 제어할 수 있다는 것을 보여주는 것이 첫 번째 단계입니다.”라고 말했습니다. "그럼 다음 단계는 보다 확장 가능한 접근 방식을 생각하는 것입니다."

예를 들어, 이 실험에서 표면의 기둥은 반도체 칩을 생산하는 데 일반적으로 사용되는 클린룸 방법을 사용하여 생성되었지만 전착과 같이 이러한 구조를 생성하는 덜 까다로운 다른 방법이 있다고 합니다. 표면 나노구조 텍스처를 생성하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 그 중 일부는 더 쉽게 확장할 수 있습니다.

팀에는 MIT의 Carlos Diaz-Martin, Lenan Zhang, 차형윤, Yajing Zhao도 포함되었습니다. 이 작업은 ARPA-E(Advanced Research Projects Agency-Energy), 공군 과학 연구실, 싱가포르-MIT 연구 기술 연합의 지원을 받았으며 MIT.nano 시설을 활용했습니다.