은 나노유체의 미세관내 층류 유동의 압력강하 및 열전달계수에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on Pressure Drop and Heat Transfer Coefficient of Laminar Ag Nanofluid Flow in Mini-Tubes원문보기
본 연구에서는 두 가지 종류의 미세관(외경 1/8inch, 3/16inch)을 사용하여 증류수 및 0.1vol.%, 0.3vol.%의 농도를 가지는 은 나노유체의 층류 유동 조건인 Re수 500~2,500의 범위에서 압력강하 및 나노유체의 열전달 계수를 실험적으로 구하였다. 압력강하의 경우 나노유체의 압력강하는 증류수에 비해 최대 21% 증가하였다. 대류열전달계수의 경우 나노유체 0.1vol%의 경우 증류수에 비해 1/8inch관에서는 약 3~42%, 3/16inch관에서는 약 3~69%의 향상이 있었다. 또한, 0.3vol%의 경우 1/8inch관에서는 약 35~65%, 3/16inch관에서는 약 62~125%의 향상이 있는 것을 알 수 있었다. 이상의 결과에서 은나노유체를 기계 및 전자 시스템의 냉각제로 사용할 경우 증류수에 비해 매우 우수한 냉각성능을 보일 것으로 판단된다.
본 연구에서는 두 가지 종류의 미세관(외경 1/8inch, 3/16inch)을 사용하여 증류수 및 0.1vol.%, 0.3vol.%의 농도를 가지는 은 나노유체의 층류 유동 조건인 Re수 500~2,500의 범위에서 압력강하 및 나노유체의 열전달 계수를 실험적으로 구하였다. 압력강하의 경우 나노유체의 압력강하는 증류수에 비해 최대 21% 증가하였다. 대류열전달계수의 경우 나노유체 0.1vol%의 경우 증류수에 비해 1/8inch관에서는 약 3~42%, 3/16inch관에서는 약 3~69%의 향상이 있었다. 또한, 0.3vol%의 경우 1/8inch관에서는 약 35~65%, 3/16inch관에서는 약 62~125%의 향상이 있는 것을 알 수 있었다. 이상의 결과에서 은나노유체를 기계 및 전자 시스템의 냉각제로 사용할 경우 증류수에 비해 매우 우수한 냉각성능을 보일 것으로 판단된다.
This study presents the heat transfer and pressure drop characteristics of Ag nanofluid in mini-tubes(outer diameters of 1/8inch, 3/16inch). Experiments were performed for Reynolds numbers ranged from 500 to 2,500 and nanofluid concentrations of 0.1 and 0.3vol.%. The pressure drop of nanofluid flow ...
This study presents the heat transfer and pressure drop characteristics of Ag nanofluid in mini-tubes(outer diameters of 1/8inch, 3/16inch). Experiments were performed for Reynolds numbers ranged from 500 to 2,500 and nanofluid concentrations of 0.1 and 0.3vol.%. The pressure drop of nanofluid flow increased by max. 21% compared with that of distilled water. The heat transfer coefficients of the nanofluid of 0.1 vol.% enhanced 3~42% for 1/8inch tube, and 3~69% for 3/16inch tube. Also, the heat transfer coefficients of the nanofluid of 0.3 vol.% enhanced 35~65% for 1/8inch tube, and 62~125% for 3/16inch tube. From the results Ag nanofluid can be a better candidate as a coolant than distilled water when using in mechanical and/or electronic systems.
This study presents the heat transfer and pressure drop characteristics of Ag nanofluid in mini-tubes(outer diameters of 1/8inch, 3/16inch). Experiments were performed for Reynolds numbers ranged from 500 to 2,500 and nanofluid concentrations of 0.1 and 0.3vol.%. The pressure drop of nanofluid flow increased by max. 21% compared with that of distilled water. The heat transfer coefficients of the nanofluid of 0.1 vol.% enhanced 3~42% for 1/8inch tube, and 3~69% for 3/16inch tube. Also, the heat transfer coefficients of the nanofluid of 0.3 vol.% enhanced 35~65% for 1/8inch tube, and 62~125% for 3/16inch tube. From the results Ag nanofluid can be a better candidate as a coolant than distilled water when using in mechanical and/or electronic systems.
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제안 방법
대류열전달계수를 구하기 위해서는 관 내부의 표면 온도가 필요한데 관 내부의 온도 측정에는 많은 기술적인 어려움이 따른다. 그래서 출구 온도와 관 외부 표면 온도의 변화가 없을 때부터 1시간이 경과한 후를 정상상태라고 가정하고 관 외부 표면온도를 측정하여 관 내부 표면 온도를 계산한 다음 대류열전달계수를 구하였다. 먼저 표면 열 유속이 일정하다고 가정하면 관 내부 표면 온도는 식(9)으로부터 구할 수 있다.
본 연구에서는 외경 1/8, 3/16inch 미세관에서 은(Ag)나노 입자를 물에 분산시킨 나노유체를 적용하여 보다 넓은 범위(Re 수 500～2,500)층류영역에서의 대류열전달 계수를 측정하였다. 그리고 분산제(화학 첨가물)를 사용하지 않고 나노유체를 제조하였으며, 제조된 은 나노유체에 대한 압력강하, 열전달률, 그리고 대류 열전달 계수를 구하는 실험을 수행하였다. 한편 대류열전달계수 및 유동 특성을 실험함에 있어서 필요한 나노유체의 물성치(점성, 비열)는 기존의 상관식(모델)을 이용하여 계산하였고 밀도는 직접 부피와 질량을 측정하여 구하였다.
나노유체는 부피비가 0.1, 0.3vol%가 되도록 증류수를 기본유체로 사용하여 은 나노입자를 첨가하고 초음파 분산기를 사용하여 3시간동안 에너지를 가해 주는 2단계 방법(2 Step method)을 사용하였다. 은 나노입자는 Nanotechnologies사에서 제조되었으며 크기는 평균 150nm이다.
표 1은 본 실험에서 사용한 은 나노입자에 대한 물성 치를 나타낸 것이다. 나노유체의 물성치에 대한 실험이 부족한 실정이어서 이론적으로 계산하였다.
나노유체의 제조는 초음파 분산기를 사용하는 2단계 방법으로 하였고 제조 후에 은 나노유체의 안정도를 보기 위해 일정한 시간에 사진을 촬영하였다. 분산을 위한 장비는 Sonics사의 CW-130 모델을 사용하였고 3시간동안 분산을 시켰는데 10초 동안 Pulse를 가동시킨 후 5초동안 정지시키도록 설정하였다.
시험부는 열선이 감겨져 있으며 열선은 관 외부 표면에 100W의 열량을 전달하게 된다. 대류열전달계수를 구하기 위해 시험부에서 100mm 간격으로 열전대를 부착하여 관 외부의 벽면 온도를 측정하였다. 그리고 시험부를 지난 유체는 다시 항온 수조에 들어가 다시 초기 온도(22℃)로 맞춰지게 된다.
실험 장치는 항온조, 기어펌프, 열전대, 히터 및 차압변환기를 이용하였고 유체는 은 나노유체를 이용하여 실험을 하였다. 본 실험에서는 폐회로를 구성하여 기어펌프를 사용해서 유체를 유동시켰다. 유체가 흐르는 스테인리스 스틸관에 열선 히터를 사용하여 열을 가해줘 관 벽면으로부터 유체로의 열전달이 일어나게 하였고, 관 주위에 세라믹재질의 단열재를 감싸 외부로의 열손실을 최소화하였다.
본 연구에서는 외경 1/8, 3/16inch 미세관에서 은(Ag)나노 입자를 물에 분산시킨 나노유체를 적용하여 보다 넓은 범위(Re 수 500～2,500)층류영역에서의 대류열전달 계수를 측정하였다. 그리고 분산제(화학 첨가물)를 사용하지 않고 나노유체를 제조하였으며, 제조된 은 나노유체에 대한 압력강하, 열전달률, 그리고 대류 열전달 계수를 구하는 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 증류수와 은 나노유체를 사용하여 외경 1/8inch, 3/16inch인 관에서의 압력강하 및 대류열전달계수를 실험적으로 구하였다.
본 실험에서는 폐회로를 구성하여 기어펌프를 사용해서 유체를 유동시켰다. 유체가 흐르는 스테인리스 스틸관에 열선 히터를 사용하여 열을 가해줘 관 벽면으로부터 유체로의 열전달이 일어나게 하였고, 관 주위에 세라믹재질의 단열재를 감싸 외부로의 열손실을 최소화하였다.
그리고 분산제(화학 첨가물)를 사용하지 않고 나노유체를 제조하였으며, 제조된 은 나노유체에 대한 압력강하, 열전달률, 그리고 대류 열전달 계수를 구하는 실험을 수행하였다. 한편 대류열전달계수 및 유동 특성을 실험함에 있어서 필요한 나노유체의 물성치(점성, 비열)는 기존의 상관식(모델)을 이용하여 계산하였고 밀도는 직접 부피와 질량을 측정하여 구하였다.
대상 데이터
K-type 열전대와 Pt100은 Misumi사의 제품을 사용하였고 불확실성은 ±0.3K이다.
25%이고 0～10 psid의 차압을 측정할 수 있다. 기어펌프는 60～1000 ml/min을 조절할 수 있는 Cole-Parmer사의 KH 75211-35를 사용하였다. K-type 열전대와 Pt100은 Misumi사의 제품을 사용하였고 불확실성은 ±0.
그림 1은 실험 장치의 개략도이다. 실험 장치는 항온조, 기어펌프, 열전대, 히터 및 차압변환기를 이용하였고 유체는 은 나노유체를 이용하여 실험을 하였다. 본 실험에서는 폐회로를 구성하여 기어펌프를 사용해서 유체를 유동시켰다.
이론/모형
나노유체의 비열은 혼합이론 (mixing theory)[8-9]로 계산하였다.
먼저, 나노유체의 점성계수는 대부분 부피비가 1% 미만의 나노입자들을 첨가하기 때문에 거의 영향을 미치기 않을 것이라 예상이 되지만 본 논문에서는 브라운 운동 효과가 포함된 모델[7]인 식(5)을 사용하였다.
나노유체의 제조는 초음파 분산기를 사용하는 2단계 방법으로 하였고 제조 후에 은 나노유체의 안정도를 보기 위해 일정한 시간에 사진을 촬영하였다. 분산을 위한 장비는 Sonics사의 CW-130 모델을 사용하였고 3시간동안 분산을 시켰는데 10초 동안 Pulse를 가동시킨 후 5초동안 정지시키도록 설정하였다.이렇게 설정한 이유는 제품의 권장 사항이 10분 가동 후 5분 정지이기 때문이다.
압력강하를 측정하기 위한 차압계는 Cole- Parmer사의 차압변환기를 사용하여 측정하였고 불확실성은 ±0.25%이고 0～10 psid의 차압을 측정할 수 있다.
성능/효과
대류열전달계수의 경우 Re 수가 증가할수록 더 커지는 경향을 가지고 있는데, Re 수가 2000을 넘어가는 구간부터 급격한 증가를 보여준다. 0.1vol%의 경우 증류수에 비해 1/8inch관에서는 약 3～42%, 3/16inch관에서는 약 3～69%의 향상이 있었고 0.3vol%의 경우 1/8inch관에서는 약 35～65%, 3/16inch관에서는 약 62～125%의 향상이 있는 것을 알 수 있었다.
그러나 줄어든 온도 차이에 비해 유량이 증가하는 비율이 높기 때문에 열전달률은 증가하게 된다. 그리고 나노유체의 농도가 진할수록 더 높은 열전달률의 값을 가지는 것을 알 수 있다. 나노유체 0.
Re 수가 증가할수록 관 내부 표면 온도와 내부 유체 온도간의 차이가 줄어들게 되어 대류열전달계수는 증가하는 경향을 보인다. 나노유체 0.1vol%의 경우 증류수에 비해 1/8inch관에서는 약 3～42%, 3/16inch관에서는 약 3～69%의 향상이 있고 0.3vol%의 경우 1/8inch 관에서는 약 35～65%, 3/16inch관에서는 약 62～125%의 향상이 있는 것을 알 수 있었다. 증가되는 비율을 보면 Re 수가 클수록 더 큰 증가율을 보이게 되는데, 이는 시험부의 거의 전 구간이 열적 입구길이 구간에 해당되므로 Re 수의 영향을 받는 것으로 보인다.
6%의 증가를 보여 Maxwell model로 계산된 열전도율에 비해 크게 계산되었다. 두 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 열적 완전발달 가정 하에 구해진 이론 식(그림에서 직선)에 비해서 본 연구의 증류수 및 나노유체의 Nu 수의 값은 모두 큰 값을 나나내고 있으며, 또한, Re 수가 증가함에 따라 증가하고 있음을 알 수 있다. 이것은 본 시험부가 거의 전영역이 열적 입구길이에 속하기 때문인 것으로 분석된다.
먼저 압력강하를 측정하여 마찰계수를 비교하였을 때 1/8inch 관에서 0.1vol% 은 나노유체는 증류수에 비해 5～10%, 0.3vol%인 경우에는 2～21% 증가하였고, 3/16inch 관에서 은 나노유체는 각각 2～14%, 13～53% 증가하였다.
그 중 하나로 열전도율이 높은 물질인 금속을 미세한 입자로 만들어 유체와 혼합한 용액의 열전달 성능에 관한 연구가 많이 수행되어 왔다. 이러한 연구들을 보면 마이크로미터 혹은 나노미터 사이즈의 입자를 분산시킨 유체를 사용하였는데, 실험 결과를 보면 열전달이 향상되었음을 볼 수 있다. 그러나 유체의 분산 안정성, 입자에 의한 막힘과 착상 현상으로 인한 성능 하락등과 같은 문제가 있다.
이상의 결과에서 은나노유체를 기계 및 전자 시스템의 냉각제로 사용할 경우 증류수에 비해 매우 우수한 냉각 성능을 보일 것으로 판단된다.
후속연구
앞으로 나노유체가 단상유동의 고성능 냉각유체로 사용되기 위해서는 열전도율, 점성, 비열 등의 열물성치에 대한 연구와 층류, 난류 및 마이크로 사이즈의 미세관 등 다양한 조건에서의 심도 있는 열전달 연구를 수행한 후 실험결과를 반영한 압력강하 및 열전달 실험상관식을 개발할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
외경 1/8inch, 3/16inch의 미세관을 사용해 증류수 및 0.1vol.%, 0.3vol.%의 농도를 가지는 은 나노유체의 층류 유동 조건인 Re 수 500-2500 범위에서 압력강하 및 나노유체의 열전달계수를 실험적으로 구해본 결과는?
%의 농도를 가지는 은 나노유체의 층류 유동 조건인 Re수 500~2,500의 범위에서 압력강하 및 나노유체의 열전달 계수를 실험적으로 구하였다. 압력강하의 경우 나노유체의 압력강하는 증류수에 비해 최대 21% 증가하였다. 대류열전달계수의 경우 나노유체 0.1vol%의 경우 증류수에 비해 1/8inch관에서는 약 3~42%, 3/16inch관에서는 약 3~69%의 향상이 있었다. 또한, 0.3vol%의 경우 1/8inch관에서는 약 35~65%, 3/16inch관에서는 약 62~125%의 향상이 있는 것을 알 수 있었다. 이상의 결과에서 은나노유체를 기계 및 전자 시스템의 냉각제로 사용할 경우 증류수에 비해 매우 우수한 냉각성능을 보일 것으로 판단된다.
알루미나를 유체에 분산한 연구에서, 나노유체의 열전도도와 층류유동의 열전달계수는 어떻게 나타났는가?
하지만 나노유체의 대류 특성에 대한 연구는 매우 제한적이며 활발하지 못하기 때문에 미세관에서의 관의 직경이나 유량의 범위가 제한되어 나노유체의 활용에 있어 더욱 넓은 범위의 정량적인 데이터가 요구되는 실정이다.[1-3] 현재까지는 주로 알루미나(Al2O3)를 유체에 분산한 연구[2, 3]를 통해 나노유체의 열전도도는 0.1%에서 대략 10%향상, 매우 제한된 범위의 층류유동(Re 수 100이하)의 열전달계수는 최대 12%정도 향상된다고 보고되고 있다.
나노유체의 총체적인 열전달을 이해하기 위해서는 어떤 연구가 병행되야 하는가?
이러한 나노 입자를 유체에 분산시켰을 때 기존 유체에 비해 열전도율이 향상되는 결과를 볼 수 있다. 나노유체의 총체적인 열전달 현상을 이해하기 위해서는 나노유체의 열전도율뿐만 아니라 대류에 대한 연구도 병행 되어야 한다. 국내외에서 자연대류와 강제대류에 대해서 연구가 이루어지고 있다.
참고문헌 (10)
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