[논문]나노유체의 열전도율 실험과 열전달 메커니즘의 제시

박권하; 이진아; 김혜민

doi:10.5916/jkosme.2008.32.6.862

나노유체의 열전도율 실험과 열전달 메커니즘의 제시
Heat Conductivity Test and Conduction Mechanism of Nanofluid 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.32 no.6, 2008년, pp.862 - 868

박권하 (한국해양대학교 기계정보공학부) , 이진아 (한국해양대학교 기계공학과 대학원) , 김혜민 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Many studies have been conducted to increase heat transfer in fluid. One of the various heat transfer enhancement techniques is suspending fine metallic or nonmetallic solid powder in traditional fluid. Nanofluid is defined as a new kind of heat transfer fluid containing a very small quantity of nanometer particles that are uniformly and stably suspended in a liquid. This study investigates the effect of nanofluid containing diamond, CuNi and CuAg nanometer particles, and proposes the heat transport mechanism of nanofluid. The test result shows that the thermal conductivity of nanofluid is much higher than that of traditional fluid, and the increasing rate of the conductivity is dependent on the conductivity of the solid metal.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 다이아몬드, CuAg와 CuNi 나노 분말을 포함한 나노유체의 열전도 특성을 기존 유체의 열전도 특성과 비교 검토하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
명확히 보여준다. 이는 일반유체에 포함된 나노 금속분말의 영향이다 나노금속분말의 열전도율과 혼합율 만을 생각한다면 실험결과와 같은 높은 열전도율 향상을 기대할 수 없다 본 논문에서는 이를 설명하기 위하여 다음과 같은 나노유체의 열전달 메커니즘을 제시하고자한다.
하지만 나노크기의 분말을 생산하거나 실험적으로 분석하는 것 자체가 어렵고 분자 역학적인 해석은 한계가 있으며 고전이론에 의한 모델 수립도 많은 문제를 갖고 있다. 이러한 복잡한 현상에도 불구하고, 본 연구에서는 나노금속분말의 불안정한 특성과 분자 거동 등을 종합적으로 고찰하여 다음과 같은 나노유체의 열전달 메커니즘을 제시하고자 한다.

제안 방법

Xue(2)과 Yu 등(3) 은 나노유체에 들어있는 고체입자와 기본 유체 사이에서의 경계면에 대한 영향을 고려하여 나노유체의 열전도에 관한 새로운 모델을 만들었고 Keblinski 등(4)은 나노유체에서의 열전도율의 증가에 대해서 나노입자의 브라운 운동(Bnwnian motion) 등네 가지의 가능성 있는 설명을 제시하였다 Xuan 등⑸-⑺은 나노입자의 체적비와 열전달의 레이놀즈수(Reynolds number), 유동특성에 따른 대류 열전달의 영향에 대해서 연구하였으며 나노입자가 들어간 나노유체가 열전달을 개선시키는 이유와 Cu 나노입자를 기름과 물에 넣어서 그 특성을 비교하였다. 또한, 부유된 나노입자의 강화된 열전달을 분석하는 접근방법도 제시하였고 나노유체의 열전달메카니즘(mechanism)을 설명하였다. Eastman 등⑻은 기본 유체인 에틸렌글리콜 (ethylene glycol)에 대략적으로 평균직경이 10nm보다 작은 Cu 나노입자를 0.
본 연구에서는 다이아몬드, CuNi합금, Cu Ag 합금 나노금속분말을 증류수와 에틸렌글리콜 용액에 넣어서 열전도율을 측정하였고. 용액에 대한 나노 금속분말의 vol%와 측정온도에 따른 열전달 특성을 분석하고 예상되는 열전달 메커니즘을 제시하였다.
열전도율을 측정하였고. 용액에 대한 나노 금속분말의 vol%와 측정온도에 따른 열전달 특성을 분석하고 예상되는 열전달 메커니즘을 제시하였다.

대상 데이터

나노 다이아몬드. CuNi와 CuAg를 사용하였으며 vol%로 0.025vol%에서 0.5vol%까지, 온도는 10℃와 40℃에서 실험하였다. 다이아몬드의 평균 직경은 25nm이며 CuNi와 CuAg의 평균 직경은 30nm이다.
R3는 가변저항이며. R4에 사용한 열선은 백금선으로 그 선의 두께가 25um. 길이는 10cm이다.
R4에 사용한 열선은 백금선으로 그 선의 두께가 25um. 길이는 10cm이다. 여기서 얻은 데이터는 A/D 변환기로 변화하여 PC에 저장하였다.

이론/모형

비정상열 선법 (Transient hot wire method) 을 이용하여 나노금속분말이 들어있는 용액의 열전도율을 측정하였다. 비정상열선법은 정상상태 (steady state)법에서 문제가 되는 측정 유체 내의 대류효과가 나타나지 않고 비교적 간단히 장치를 구성하여 즉정할 수 있다는 장점을 가지고 있다

성능/효과

1) 다이아몬드나노유체: 증류수에 0.048 vol% 혼합한 경우 유체온도 10℃에서 40℃ 범위에서 열전도율이 9-15% 향상되었다.
2) CuAg나노유체: 에틸렌글리콜에 CuAg 나노 분말 O.lvol%를 혼합한 경우 유체온도 10℃에서 40℃ 범위에서 17% 열전도율 상승을 나타내었다.
3) CuNi나노유체: 0.5vol% 혼합한 경우 24-28%의 상승을 나타내었다.
4) 유체 온도의 영향: 다이아몬드 나노유체에서는 온도가 증가하면 열전도율이 더욱 상승하였지만 CuAg의 경우 vol%에 따라 혼돈되는 경향을 나타내었고 CuNi는 오히려 감소하는 경향을 나타내었다. 10℃와 40'C의 비교적 낮은 온도에서 다소 큰 비중을 갖고 있는 나노유체의 부라운 운동은 열전달 향상에 그다지 큰 영향을 미치지 않는 것으로 생각된다.
상기의 메커니즘이 종합적으로 작용하여 나노유체의 열전달성이 크게 향상되는 것으로 생각된다
Park 등1(2), Ma 등"은 진동 전열 관에서의 나노유체 영향을 연구하였다. 이상의 실험에 의하면 나노물질의 크기와 종류에 따라 열전달 특성이 변화하지만 열전도율 향상은 명백한 것으로 판단된다.
첫째, 극저온 영역에서 열전달을 주도하는 자유전자(Free electron)가 나노유체의 경우 상온에서도 다량 존재함으로써 열전달 특성을 향상시키는것이며. 둘째는 금속입자 표면의 홀전자 (unpaired electron)가 유체분자를 끌어당겨 마치 금속입자와 유사한 밀집된 구조를 형성하는 준 격자(quasiTattice) 성장에 의한 열전달 촉진 현상이며, 셋째는 성장된 금속입자들이 브라운 운동에 의하여 상호 충돌함으로써 직접 금속 간 열전달에 의한 열전달 향상, 본 논문에서는 이를 거시적격자 진동(macroscopic lattice vibration) 이라 명칭한다.

후속연구

5) 나노유체의 열전달 메커니즘을 제시하였지만 이는 이론적인 고찰에 의한 것으로 분자 역학적인 관점에서 실험 및 해석적 연구가 요구된다

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