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문제 정의
- 이처럼, 나노유체의 우수한 열적특성을 적용하려는 연구가 많은 분야에서 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 태양열 집열기의 작동유체로 적용하기 위하여, 증류수와 에탄올을 기반으로 산화 탄소나노유체를 제조하고 온도에 따른 나노유체의 열전도도 및 점도를 측정하여 비교 분석하였다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 각각 증류수와 에탄올을 기반으로 산화 탄소나노튜브를 0.0005 ∼ 0.1 vol%의 비율로 혼합하고 초음파 분산시켜 나노유체를 제조하였다.
- 본 실험에서는 열전도도 측정실험과 같이 동일한 실험 온도 조건(10℃, 25℃, 70℃)에서 점도를 측정하였다. 점도 측정 실험장치는 점도계 (Brookfield DV-II+pro)와 항온수조(TC-502), 컴퓨터로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 화학 증기 증착법에 의해 제조된 다중벽 탄소나노튜브(CM-100)를 이용하였으며, 황산(H2SO4,98%)과 질산(HNO3, 64%)으로 탄소나노튜브의 표면을 산화 처리하였다. 사용된 CM-100 탄소나노튜브의 물성치를 Table 1에 나타내었으며, CM-100 탄소나노튜브(a)와 산화 CM-100 탄소나노튜브(b)를 장 방출주사 전자현미경(JSM-06700F)으로 확대하여 찍은 SEM 사진을 Fig.
- 백금선이 완전히 잠긴 나노유체를 항온수조를 이용하여 온도와 평형을 시킨 후, 가변 저항을 조절하여 검류계에 걸리는 전압을 0으로 만들고 직류 전원 공급기로 15V의 전압을 인가시킨다. 전압이 인가되면 백금선의 표면 온도가 변하면서 저항도 함께 변하게 되는데, 이 데이터를 전기저항과 온도의 선형식에 적용하여 나노유체의 온도 변화를 계산하였다. 나노유체의 온도 변화 계산은 Bentley9)가 제안한 식 (1)을 이용하였다.
- 점도 측정실험은 항온수조로 나노유체를 실험온도로 평형 시킨 후에 점도계의 회전 추를 충분히 담그고 회전시켜 측정하였다.
- 태양열 집열기의 효율 향상을 위해, 히트파이프의 작동유체로 적용시킬 순수 물, 에탄올 산화탄소나노유체의 열전도도 및 점도 특성을 측정한 본 실험의 결과는 다음과 같다.
이론/모형
- 전압이 인가되면 백금선의 표면 온도가 변하면서 저항도 함께 변하게 되는데, 이 데이터를 전기저항과 온도의 선형식에 적용하여 나노유체의 온도 변화를 계산하였다. 나노유체의 온도 변화 계산은 Bentley9)가 제안한 식 (1)을 이용하였다.
- 본 연구에서는 비정상 열선법(Transient Hot-wire Method)을 이용하여 나노유체의 열전도도를 측정하였다. 열전도도 측정 장치는 Fig.
- 위 식 (1)의 전기저항과 온도의 선형식을 이용하여 계산된 온도 데이터를 Nagasaka10)가 제안한 열선의 온도 변화식을 이용하여 나노유체의 열전도도를 계산하였다.
성능/효과
- (1) 나노유체의 열전도도 측정에서, 0.1 vol% 체적분율로 혼합하였을 때, 순수 물 산화 탄소나노유체는 10℃일 때 증류수 대비 7.98%, 25℃일 때는 8.34%, 70℃일 때는 9.14% 증가하였으며, 에탄올 산화탄소나노유체의 열전도도는 에탄올 대비 10℃일 때 33.72%, 25℃일 때 33.14%, 70℃일 때 32.25%가 증가하였다.
- (2) 0.0005 vol%와 0.001 vol%의 순수 물, 에탄올 산화탄소나노유체의 열전도도를 시간이 경과함에 따라 측정한 결과, 나노유체의 열전도도 변화가 거의 없음을 확인하였다.
- (3) 동일 체적분율에서의 나노유체의 열전도도는 기본유체의 열전도도 특성과 마찬가지로 순수 물 나노유체의 경우 온도가 증가함에 따라 열전도도가 증가하였으며, 에탄올 산화탄소나노유체의 경우 온도가 증가함에 따라 열전도도가 감소함을 확인하였다.
- (4) 탄소나노유체의 점도는 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 체적분율 0.1 vol%의 순수 물 산화 탄소나노유체는 증류수 대비 10℃에서 37.08%, 25℃에서 33.96%, 70℃에서는 21.64%가 증가하였다. 또한 에탄올 산화탄소나노유체의 점도는 기본유체인 에탄올 대비 10℃에서 35.
- 1) 이처럼 태양열 에너지는 지구상에서 가장 풍부한 에너지 자원이며, 온실가스를 배출하지 않고, 부존량이 풍부한 무공해·무한정의 에너지원이다.
- 001 vol%의 순수 물과 에탄올 산화탄소나노유체 열전도도의 시간에 따른 변화를 관찰한 그래프이다. 나노유체를 제조한 직후, 2시간 후, 12시간 후의 열전도도를 측정하였고, 시간이 지남에 따라 나노유체의 열전도도 변화는 거의 없다는 것을 확인하였다.
- 나노유체의 열전도도 측정실험은 실험의 오차를 줄이기 위해 동일조건에서 실험을 10번씩 반복 수행하였으며, 얻어진 결과의 평균 값과 기본 유체인 순수 물과 에탄올의 열전도도와 비교하여 열전도도 증가량을 나타내었다. 또한 0.
- 3은 열전도도 측정 장치의 정확성을 알아보기 위하여 측정한 순수 물과 에탄올의 열전도도 값을 문헌 값과 비교한 그래프이다. 물과 에탄올의 물성치는 각각 CRC Handbook of Chemistry and Physics11)와 Chemical Engineering Research Information Center12)에서 제공하는 데이터를 이용하였으며, 온도에 따른 열전도도 측정값과 문헌값을 비교한 결과 1% 이내의 오차로 일치함을 확인하였다.
- 14% 증가하였다. 에탄올 산화탄소나노유체의 열전도도는 에탄올 대비 10℃일 때 33.72%로 가장 높게 증가하였으며, 25℃일 때 33.14%, 70℃일 때 32.25%의 향상 효과가 있음을 확인하였다.
- 64% 증가하였다. 에탄올 산화탄소나노유체의 점도는 에탄올 대비 10℃일 때 35.1%로 가장 높게 증가하였으며, 25℃일 때 32.01%, 70℃일 때 19.12%가 증가함을 확인하였다.
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