[논문]등온으로 유지되는 가는 열선주위를 흐르는 나노유체의 대류열전달계수 측정실험

이신표

doi:10.3795/ksme-b.2012.36.1.009

등온으로 유지되는 가는 열선주위를 흐르는 나노유체의 대류열전달계수 측정실험
Measuring Convective Heat Transfer Coefficients of Nanofluids over a Circular Fine Wire Maintaining a Constant Temperature 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.1 = no.316, 2012년, pp.9 - 16

초록
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본 논문은 열전달 유체로서 나노유체의 유용성을 평가하기 위한 장치를 설명한 것이다. 열선센서를 이용한 나노유체 대류성능 평가장치는 몇 가지가 제안되었으나 센서의 작동조건이 불명확한 단점이 있었다. 본 연구에서는 일정한 온도로 유지되는 가는 열선 주위를 흐르는 대류열전달계수를 측정하여 나노유체의 유용성을 평가하였다. 제시된 장치의 동작원리와 실험방법을 자세히 설명하였으며 먼저 순수유체에 대한 실험을 통하여 장치의 타당성을 검증하였다. 그래파이트 나노오일을 이용하여 대류열전달계수에 미치는 농도와 속도 그리고 온도의 영향을 종합적으로 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes a measuring apparatus that can be used to appraise the effectiveness of nanofluids as new heat-transfer-enhancing fluids. A couple of apparatuses using fine hot wires as sensors have been proposed for this purpose; however, they have a technical weakness related to the uncertain working conditions of the sensor. The present method uses the convective heat transfer coefficient from a hot wire as an indication of the heat transfer effectiveness of the nanofluid, where the temperature of the wire remains constant during the experiment. The operating principle and experimental procedure are explained in detail, and the validity of the system is tested with pure base fluids. The effects of particle concentration, velocity, and temperature on the heat transfer coefficients of the nanofluids are discussed comprehensively using the experimental data for graphite nanolubrication oil.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 제조된 나노유체의 대류열전달 성능을 간단하며 정확하게 평가할 수 있는 장치의 개발에 관한 것이다.
본 연구에서는 열선센서의 온도를 일정하게 유지 하는 기능을 가진 나노유체 대류열전달 성능 평가 장치를 제안하였다. 이 장치를 이용하여 나노유체대류열전달계수의 특성을 종합적으로 파악할 수 있었으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 열선을 이용한 대류열전달 평가 장치에 등온조건하에서 대류열전달계수 실험이 가능하도록 정온도형 열선유속계 회로를 도입하였다. 또한 열선센서를 흐르는 유속이 정확히 설정되도록 회전대(turntable)를 도입하여 실험장치를 개선하였다.
본 연구자는 나노유체의 대류열전달 성능을 평가할 수 있는 몇 가지 방식들을 제안하였다. 첫번째 방식⁽⁹⁾은 아크릴 튜브에 유체를 채우고 유체가 튜브 속을 흐를 때 튜브의 끝에 위치한 열 선으로부터의 냉각 열량을 측정하여 대류열전달 계수를 환산하는 것이었다.
8 ℃이 다. 이를 절대온도로 표시하면 319.95K (~320K)인데 이렇게 막온도를 설정한 이유는 측정된 실험 데이터와 320K에서 엔진오일과 글리세린의 열물성치를 이용하여 Churchill과 Bernstein관계식으로부터 구한 데이터를 비교하기 위해서이다. 이 관계식은 Re×Pr>0.

가설 설정

만약 Rp를 176Ω보다 높은 200Ω으로 설정하였다고 가정하자.
예를 들어 균형을 이루고 있던 열선주위의 속도가 증가했다고 가정하자. 속도가 증가하면 대류열전달 계수가 증가하고 열선은 순간적으로 냉각될 것이다. 이것은 열선온도 T_w가 감소되는 것을 의미하고 식 (1)에 따라 Rw는 감소하게 된다.
전기 도선 발열체가 있고 이 도선의 온도를 일정하게 유지하는 경우를 가정해 보자. 도선 외부의 유체가 공기이고 온도와 속도가 일정할 때 이 도선에 일정한 전류를 흘리면 외부로의 대류열전달과 자체발열이 균형을 이루는 조건에서 도선의 온도가 결정되고 일정하게 유지된다.

제안 방법

또한 열선센서를 흐르는 유속이 정확히 설정되도록 회전대(turntable)를 도입하여 실험장치를 개선하였다. 개발된 새로운 장치를 이용하여 나노유체의 대류열전달 특성을 혼합농도, 유동속도, 막온도의 관점에서 고찰할 수 있었다.
본 연구에서는 열선을 이용한 대류열전달 평가 장치에 등온조건하에서 대류열전달계수 실험이 가능하도록 정온도형 열선유속계 회로를 도입하였다. 또한 열선센서를 흐르는 유속이 정확히 설정되도록 회전대(turntable)를 도입하여 실험장치를 개선하였다. 개발된 새로운 장치를 이용하여 나노유체의 대류열전달 특성을 혼합농도, 유동속도, 막온도의 관점에서 고찰할 수 있었다.
⁽¹¹⁾ 위에서 설명한 방식과 유사한 원리를 채택한 장치를 일본 특허⁽¹²⁾에서 찾을 수 있다. 세라믹공정에서 혼합물 농도에 따라 열선으로부터의 신호가 달라지는데 이를 통하여 혼합물 상태를 판단하였다.
1은 본 연구에서 사용한 회전대에 의한 유속 발생장치의 개략도이다. 속도조절이 가능한 DC모터를 이용하여 회전테이블의 회전수를 조절 하였다. 회전대 측면에 rpm meter(DT-2235A)가 부착되어 회전수를 모니터링 하였다.
이 방식은 정지된 열선주위를 유체가 흐르는 방식인데 튜브내를 흐르는 유체의 속도를 정확히 설정하는데 어려움이 있었다. 이를 개선하여 정지한 유체속을 가열된 열선이 이동하도록 선형이송장치를 도입하여 장치를 개선하였다.⁽¹¹⁾ 위에서 설명한 방식과 유사한 원리를 채택한 장치를 일본 특허⁽¹²⁾에서 찾을 수 있다.
제안된 장치에 대한 타당성을 검토하기 위하여 열물성이 잘 알려진 순수유체에 대하여 먼저 대류열전달계수 측정실험을 실시하였다. Fig.
본 연구자는 나노유체의 대류열전달 성능을 평가할 수 있는 몇 가지 방식들을 제안하였다. 첫번째 방식⁽⁹⁾은 아크릴 튜브에 유체를 채우고 유체가 튜브 속을 흐를 때 튜브의 끝에 위치한 열 선으로부터의 냉각 열량을 측정하여 대류열전달 계수를 환산하는 것이었다. 이 장치는 물, 글리세린, 엔진오일에 대하여 명백한 열전달 특성차이를 보였으며 나노유체의 농도별 특성도 파악할수 있었다.
속도조절이 가능한 DC모터를 이용하여 회전테이블의 회전수를 조절 하였다. 회전대 측면에 rpm meter(DT-2235A)가 부착되어 회전수를 모니터링 하였다. 중심에는 유체 용기(Schale: 샬레)가 부착되어 있으며 그림에 표시한 바와 같이 용기의 원주 근처에 센서가 설치된다.

대상 데이터

사용한 센서는 공기 난류유동 측정에 사용하는 길이 2mm, 직경 5 μ m의 텅스텐 열선과 비교하여 표면적(=π ∙d∙L)이 약 60배(길이6배, 직경 10배)이다.
센서는 직경 50μm의 백금선을 사용하였으며 길이는 12mm이다.

이론/모형

본 연구에서는 나노유체의 대류열전달 평가지표로 대류열전달계수를 사용하였다. 식 (7)의 좌측 발열양은 오옴의 법칙과 Fig.

성능/효과

(1) 순수유체를 이용한 정온도 실험결과 대류열전달계수는 잘 알려진 Churchill과 Bernstein관계식과 일치하였고 이를 통하여 장치의 타당성을 검증할 수 있었다.
(2) 동일한 속도에서는 혼합농도가 높아질수록 온도증가에 따라 대류열전달계수가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 낮은 혼합농도에서는 온도에 따른 대류열전달계수의 변화를 관찰할 수 없었다.
(3) 동일한 농도의 나노유체 실험에서는 각각의 속도에 대하여 온도증가에 따른 대류열전달계수 증가가 동일하였다.
가장 널리 인정되는 이론은 나노입자들의 불규칙 적인 운동이 유체속에서 부가적인 혼합을 일으켜 열전도율 상승결과를 가져왔다고 설명하는 것이다.⁽⁴⁾ 나노유체의 최종목표는 대류열전달 효율을 높이는 것이다. 그러나 나노유체를 실용적으로 사용하기에는 아직도 해결해야 할 여러 가지 기술적 어려움이 있다.
따라서 나노유체를 사용하는 시스템은 기존 유체를 사용하는 시스템과 비교하여 높은 열교환효율을 갖게 될 것으로 기대할 수 있다. 나노유체 열전도율 측정에 대한 실험 결과들은 기존 이론에 의한 예상보다 높은 열전도율 상승 결과들을 보여주고 있다.^(2,3) 이론 연구자들은 이와 같은 실험 데이터를 근거로 나노유체의 열전도율 상승효과를 설명하는 여러 가지 메커니즘을 제시하였다.
Das 등⁽¹⁷⁾은 나노유체의 열전도율(정적 열전달특성)이 온도에 따라 크게 증가한다고 보고하였다. 본 연구 결과는 또한 나노유체의 대류열전달계수(동적 열전달특성)도 온도에 따라 변화함을 보여준다.
이 장치는 물, 글리세린, 엔진오일에 대하여 명백한 열전달 특성차이를 보였으며 나노유체의 농도별 특성도 파악할수 있었다. 시험결과는 Churchill과 Bernstein ⁽¹⁰⁾의 실린더 대류관계식을 잘 만족하여 장치의 정당성을 증명할 수 있었다. 이 방식은 정지된 열선주위를 유체가 흐르는 방식인데 튜브내를 흐르는 유체의 속도를 정확히 설정하는데 어려움이 있었다.

후속연구

(4) 본 연구에서 제안된 장치는 정온도 열선유지회로 기능을 가지고 있어서 향후 나노유체 연구에 많은 사용이 기대된다.
이것은 나노입자의 농도가 어느 정도 이상 되었을 때 온도의 영향이 대류열전달계수에 나타나기 시작한다고 해석할 수 있다. 혼합농도, 온도 그리고 대류열전달계수 사이의 관계에 대한 추가 연구가 필요하다. Das 등⁽¹⁷⁾은 나노유체의 열전도율(정적 열전달특성)이 온도에 따라 크게 증가한다고 보고하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노유체란?	나노유체는 물, 엔진오일 등 기존 유체에 나노 미터 크기의 금속입자를 혼합하여 제조한 새로운 유체를 말한다.(1) 금속은 유체와 비교하여 열전도율이 수백배 높기 때문에 나노유체는 순수한 유체와 비교하여 상승된 열전도율을 가지게 된다.
	나노유체의 최종목표는?	가장 널리 인정되는 이론은 나노입자들의 불규칙 적인 운동이 유체속에서 부가적인 혼합을 일으켜 열전도율 상승결과를 가져왔다고 설명하는 것이다.(4) 나노유체의 최종목표는 대류열전달 효율을 높이는 것이다. 그러나 나노유체를 실용적으로 사용하기에는 아직도 해결해야 할 여러 가지 기술적 어려움이 있다.
	나노유체를 사용하는 시스템이 기존 유체를 사용하는 시스템과 비교하여 높은 열교환효율을 갖게 될 것으로 기대되는 이유는?	나노유체는 물, 엔진오일 등 기존 유체에 나노 미터 크기의 금속입자를 혼합하여 제조한 새로운 유체를 말한다.(1) 금속은 유체와 비교하여 열전도율이 수백배 높기 때문에 나노유체는 순수한 유체와 비교하여 상승된 열전도율을 가지게 된다. 따라서 나노유체를 사용하는 시스템은 기존 유체를 사용하는 시스템과 비교하여 높은 열교환효율을 갖게 될 것으로 기대할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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