[논문]탄소나노튜브 사용 풀비등 열전달 촉진

박기정; 정동수

문제 정의

열전달과 관련하여 탄소나노튜브의 중요한 특성 중 하나는 탄소나노튜브의 열전도도가 금의 열 전도도의 10배나 되어 열적으로 초전도체라는 점이다.&9> 본 연구에서는 탄소나노튜브가 기포의 생성에 어떠한 영향을 미치는지 또 표면 불결효과가 발생하여 열전달 성능이 감소하는지 등을 거시적으로 살펴보고 앞으로의 연구방향을 제시하려 한다. 이를 위해 특별히 물과 기존의 냉동기에 사용되는 몇몇 냉매를 작동유체로 선정하여 풀비등 실험을 수행하였다.
'心 탄소나노튜브는 방사체(emitter), 전계방출 디스플레이 (field emission display), 2차 배터리, 연료전지, 수소저장, 센서 둥의 IT 관련 산업과 메카트로닉스, 나노와이어, 나노캡슐, 나노팁 등의 NT 관련'산업에서 응용이 가능하여 최근 들어 이런 분야에서의 탄소나노튜브 웅용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.™ 이런 분야에서의 대부분 연구는 나노시스템에 나노물질의 특성을 살리려는 것을 목표로 하지만 본 연구에서는 매크로 시스템에서 나노입자의 특성을 살피는 것을 목표로 한다.
l은 상온에서 다양한 증기압을 갖는 냉매들과 물의 풀비둥 열전달계수를 안전하게 측정할 수 있는 실험장치의 개략도이다. 본 연구에서 사용한 실험장치는 Jung et alm>이 사용한 것과 동일하므로 본 논문에서는 간단하게 실험장치에 대해 설명하려 한다. 관심이 있는 독자는 Jung et al.
본 연구에서는 기존의 나노입자 대신 탄소나노 튜브(carbon nanotubes, CNTsX 적용하여 물과 몇몇 냉매의 풀비등 열전달 향상을 살펴보려 한다. 탄소원자들이 육각형 벌집 모양의 원통형 분자구조를 가지고 있는 탄소나노튜브는 특이한 분자구조로 인하여 탁월한 기계적, 전기적, 열적, 광학적 성질을 보유하고 이에 미래 소재로서 주목을 받고 있다.
본 연구에서는 평관에서 증기압이 다른 R22, R123, R134a 냉매와 물을 작동유체로 해서 탄소 나노튜브(CNTs)를 부피비로 1.0% 넣은 경우 풀비등 열전달계수가 얼마나 상숭되는가를 살펴보았다. 모든 데이터는 냉매의 경우 풀의 온도를 70로, 물의 경우 100P로 유지한 채 수집되었고 열유속은 10~80kW/m'에서 10kW/n?로 변화시켜 가며 실험을 수행하였다.

가설 설정

여기서 Tth, L, Do, Dth, k는 각각 열전대로 측정한 온도(°C), 열전달관의 길이(m), 관의 직경(m), 열전대까지의 직경(m), 증발관의 열전도도(W/m・K)이다. 본 실험에서 사용한 중발관은 열전도도가 높은 구리관으로서 보정값와 측정값 Tth의 차이가 거의 없으므로 열전대의 측정값을 벽면의 온도라고 가정하여 열전달계수를 결정했다.

제안 방법

1.0% 부피비로 혼합하여 풀비둥 열전달 실험을 수행하였다. 모든 시험에서 풀의 온도는 냉매의 경우 7°C로, 물의 경우 100°C로 유지하였고 열유 속은 10~80kW/m2 사이에서 lOkW/n?씩 변화시켜 가면서 열전달계수를 측정하였다.
실험이 끝난 후 작동유체를 빈 용기에 회수한 후 증발관을 분리하고 비등용기를 분해해 아세톤을 이용해 깨끗이 닦아낸 후 유체를 바꾸어 다시 위의 과정을 반복하여 수행하였다. 또한 비둥열 전달계수가 표면 불결효과의 영향을 크게 받으므로 본 연구에서는 유체를 교체할 때마다 증발관의 표면을 2, 000ps의 동일한 사포로 균일하게 닦아낸 후 아세톤으로 세척하여 항상 균일한 표면올 유지하며 실험을 수행하였다. 실험의 반복성을 확인하기 위해 본 연구실에서 기존에 R22에 대해서 수행한 실험결과를 이용하였다.
0% 넣은 경우 풀비등 열전달계수가 얼마나 상숭되는가를 살펴보았다. 모든 데이터는 냉매의 경우 풀의 온도를 70로, 물의 경우 100P로 유지한 채 수집되었고 열유속은 10~80kW/m'에서 10kW/n?로 변화시켜 가며 실험을 수행하였다. 본 실험을 통해 얻은 데이터를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻게 되었다.
비등실험에서 무엇보다 중요한 것은 비등용기의 밀폐성 확보와 증발온도 유지이다. 본 실험에서는 질소와 냉매로 비등용기를 20기압까지 충전한 뒤에 할로겐 디텍터로 가스의 누출을 확인하였다. 문제가 없음이 확인되면 진공펌프를 약 두 시간 동안 구동한 뒤 실험할 유체를 충전하였다.
본 연구에서는 카트리지 히터를 증발관에 삽입하여 비등을 발생시키고 열유속을 변화시켰다. 중발관의 표면에 직접 열전대를 부착할 수 없기 때문에 본 연구에서는 Fig.
실험장치는 크게 비등용기와 응축기로 구성되어 있으며, 비등용기는 직경 127mm, 길이 230mm의 스테인리스 스틸 파이프 및 플랜지를 사용하여 밀폐형으로 제작하였다. 비등이 발생되는 용기 내의 온도 및 압력을 정확하게 측정하기 위해 6개의 열전대와 압력 게이지, 그리고 압력 변환계를 설치하였다. 응축기는 내부에 설치된 열교환기로 증발된 냉매증기를 액체로 만든 뒤 중력에 의해 다시 비등용기로 순환되도록 설치하였다.
또한 비둥열 전달계수가 표면 불결효과의 영향을 크게 받으므로 본 연구에서는 유체를 교체할 때마다 증발관의 표면을 2, 000ps의 동일한 사포로 균일하게 닦아낸 후 아세톤으로 세척하여 항상 균일한 표면올 유지하며 실험을 수행하였다. 실험의 반복성을 확인하기 위해 본 연구실에서 기존에 R22에 대해서 수행한 실험결과를 이용하였다. 기존에 사용한 것과 동일한 수평관을 이용해 실험을, 수행한 후 오차범위 3% 이내의 동일한 결과가 나올 경우에 본 실험을 수행하여 실험 데이터를 취하 였다.
실험이 끝난 후 작동유체를 빈 용기에 회수한 후 증발관을 분리하고 비등용기를 분해해 아세톤을 이용해 깨끗이 닦아낸 후 유체를 바꾸어 다시 위의 과정을 반복하여 수행하였다. 또한 비둥열 전달계수가 표면 불결효과의 영향을 크게 받으므로 본 연구에서는 유체를 교체할 때마다 증발관의 표면을 2, 000ps의 동일한 사포로 균일하게 닦아낸 후 아세톤으로 세척하여 항상 균일한 표면올 유지하며 실험을 수행하였다.
0% 부피비로 혼합하여 풀비둥 열전달 실험을 수행하였다. 모든 시험에서 풀의 온도는 냉매의 경우 7°C로, 물의 경우 100°C로 유지하였고 열유 속은 10~80kW/m2 사이에서 lOkW/n?씩 변화시켜 가면서 열전달계수를 측정하였다.
문제가 없음이 확인되면 진공펌프를 약 두 시간 동안 구동한 뒤 실험할 유체를 충전하였다. 유체를 충전하기 전에 유체의 충전량을 미리 계산하여 부피비로 1.0%의 탄소나노튜브를 미리 밸브 안에 삽입하여 유체 충전시 같이 충전이 되도록 하였다. 충전이 다 된 후 정밀온도 제어 칠러를 사용하여 냉매의 경우에는 풀온도를 7C로 유지하고 물의 경우에는 100°C로 유지한 뒤 카트리지 히터를 조절하여, 열유속 80kW/m2에서 약 한 시간 동안 튜브를 가열하여 튜브 표면의 가스와 불순물을 충분히 제거시킨 후, 열유속 80kW/m2에서부터 실험을 수행한다.
본 연구에서는 카트리지 히터를 증발관에 삽입하여 비등을 발생시키고 열유속을 변화시켰다. 중발관의 표면에 직접 열전대를 부착할 수 없기 때문에 본 연구에서는 Fig.2와 같이 두 개의 동관을 접합하여 열전대를 삽입할 수 있도록 증발관을 제작하였다. 액체냉매와 접촉하여 비등이 발생되는 표면의 길이는 152mm이고 증발관의 양끝에는 외부와의 열전달을 차단하기 위해 열전도도가 매우 낮은 MC 나일론(Monomer Cast Nylon, MCN)으로 부싱을 만들어 증발관에 끼웠다.
0%의 탄소나노튜브를 미리 밸브 안에 삽입하여 유체 충전시 같이 충전이 되도록 하였다. 충전이 다 된 후 정밀온도 제어 칠러를 사용하여 냉매의 경우에는 풀온도를 7C로 유지하고 물의 경우에는 100°C로 유지한 뒤 카트리지 히터를 조절하여, 열유속 80kW/m2에서 약 한 시간 동안 튜브를 가열하여 튜브 표면의 가스와 불순물을 충분히 제거시킨 후, 열유속 80kW/m2에서부터 실험을 수행한다. 정상상태에서 풀비둥 열전달계수를 측정한 다음 열유속을 10kW/n?씩 감소시키면서 최저 열유속 5kW/n;까지 측정한다.
0%를 넣고 실험을 진행하였다. 탄소나노튜브가 제대로 작동하려면 분산이 제대로 이루어져야 하지만 본 연구에서는 일단 다른 분산첨가제 등을 넣지 않고 단순히 작동유체와 탄소나노튜브만을 섞어서 실험을 수행하였다.
탄소나노튜브를 비등실험에 적용한 사례가 거의 없으므로 어느 정도의 양을 넣어야 할지 예측하기 어려워 작동유체 체적의 1.0%를 넣고 실험을 진행하였다. 탄소나노튜브가 제대로 작동하려면 분산이 제대로 이루어져야 하지만 본 연구에서는 일단 다른 분산첨가제 등을 넣지 않고 단순히 작동유체와 탄소나노튜브만을 섞어서 실험을 수행하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 다중벽 구조로 된 형태(Multi walled Carbon Nanotube)로 길이는 1pm이고 직경이 20nm인 탄소나노튜브 사용하여 실험을 수 행하였다.
(11)의 논문을 참고하기 바란다. 실험장치는 크게 비등용기와 응축기로 구성되어 있으며, 비등용기는 직경 127mm, 길이 230mm의 스테인리스 스틸 파이프 및 플랜지를 사용하여 밀폐형으로 제작하였다. 비등이 발생되는 용기 내의 온도 및 압력을 정확하게 측정하기 위해 6개의 열전대와 압력 게이지, 그리고 압력 변환계를 설치하였다.
&9> 본 연구에서는 탄소나노튜브가 기포의 생성에 어떠한 영향을 미치는지 또 표면 불결효과가 발생하여 열전달 성능이 감소하는지 등을 거시적으로 살펴보고 앞으로의 연구방향을 제시하려 한다. 이를 위해 특별히 물과 기존의 냉동기에 사용되는 몇몇 냉매를 작동유체로 선정하여 풀비등 실험을 수행하였다.

이론/모형

본 실험 중에서 발생되는 측정오차를 계산하기 위해 Kline and McClintock""이 제안한 방법을 사용하였다. 오차의 원인은 대부분 정밀도 ±0.

성능/효과

(1) 탄소나노튜브를 사용한 경우 모든 유체에 대해 열전달계수가 상승했다. 특히 낮은 열유속 에서는 탄소나노튜브를 적용한 경우 열전달 계수 가 37%까지 향상되었다.
이런 입자들은 주로 물을 유체로 하는 단상유동 열전달에 적용되었으나 실제로 열전달 촉진이 이루어진 결과는 보고되지 않고 있다. 또한 이러한 나노입자를 물의 풀비둥 열전달에 적용하여 데이터를 측정한 결과 오히려 이런 나노입자가 표면에 부착되어 표면 불결효과를 일으켜 비등 열전달계수를 감소시키는 것으로 나타났다
Table 1은 열유 속이 20,60kW/n?일 때 탄소나노튜브를 넣은 경우 각 유체의 열전달 향상률을 보여준다. 모든 유체에 대해 탄소나노튜브를 첨가하면 풀비등 열전달 계수 가 증가하는 것으로 나타났고, 특별히 낮은 열유 속에서는 약 37%까지 크게 증가했다. 그러나 모든 유체에 대해 열유속이 증가하면 열전달 촉진이 줄어들었다.
이것을 종합해 보면 열유속이 낮을 경우 기포의 발생이 적으며 이때에는 열전도도가 높은 탄소나노튜브가 직접 열경계충에 닿거나 경계층올 교란시켜 상당한 열전달 향상을 이루는 것으로 보인다, 반면에 열유속이 증가하면 기포의 발생 빈도가 증가하고 따라서 탄소나노튜브가 직접 열경계층에 닿으면서 열전달 상승을 일으키는 확률이 적게 됨을 알 수 있다. 따라서 냉동/공조기와 같이 실제 열유 속이 30kW/m2 이하인 경우에는 소량의 탄소나노튜브를 넣었을 때 상당한 열전달 상승이 예상되지만 핵발전소 둥과 같이 열유속이 높은 사례에서는 탄소나노튜브로 인한 열전달 상숭효과가 그라 크지 않을 것으로 예상된다.
그러나 모든 유체에 대해 열유속이 증가하면 열전달 촉진이 줄어들었다. 특별히 이 같은 열전달 촉진 감소현상은 물에서 가장 두드러지게 나타나서 80kW/m2에서는 탄소나노튜브를 사용한 경우 열전달 계수 가 7% 정도 상승하는 것으로 나타났다.

후속연구

(2) 탄소나노튜브의 경우 표면 불결현상이 목격되지 않았지만 상업용으로 쓰일 경우 이에 대한 장기적 연구가 필요하다.
(3) 탄소나노튜브의 최적 양과 분산효과에 대한 연구가 필요하며, 또한 다른 종류의 탄소나노 튜브에 대한 연구도 장기적으로 필요하다.
마지막으로 탄소나노튜브의 양에 대해서도 열 전달 촉진을 일으키는 데 필요한 적정량이 있을 것으로 추정된다. 본 연구에서는 부피비가 1.
-2003년에 You and Kim(16)은 AhO3 나노입자를 물에 첨가하여 물의 임계 열유속을 200% 증대시킬 수 있음올 보였다. 본 실험장치로는 임계열 유속에서 실험을 할 수 없으므로 이것을 규명할 수 없었지만 풀비둥 결과를 보면 탄소나노튜브의 경우에도 기포가 거의 보이지 않는 막비둥(film boHing) 상태의 임계 열유속 근처에서 입자 자체가 열경계층을 교란시킬 것으로 추정되므로 핵발전소의 안전 중대를 위해 이에 대한 연구가 필요 하다.

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