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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 태양열 집열기의 효율 향상을 위해 에탄올 기반의 탄소나노유체를 제조하고 온도(10℃, 25℃, 70℃)에 따른 열전도도 및 점도를 측정하여 히트파이프 작동유체로서의 적용 가능성을 비교 분석하였다.
- 태양열 집열기의 효율 향상을 위해, 히트파이프의 작동유체로 적용시킬 에탄올-산화탄소나노유체의 열전도도 및 점도 특성을 측정한 본 실험의 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 온도평형이 된 나노유체에 백금선을 완전히 잠기게 한 후,가변저항을 조절하여 검류계에 걸리는 전압을 0으로 만들고 파워 서플라이를 이용하여 15V의 전압을 인가시킨다. 그러면 백금선의 표면온도가 변하면서 저항도 변하게 되는데, 이 데이터를 수집하여 Bently9)가 제안한 전기저항과 온도의 선형식에 적용하여 나노유체의 온도 변화를 계산하였다.
- 5는 시간에 따른 에탄올-산화탄소나노유체의 열전도도 변화를 관찰한 그래프이다. 기본유체인 에탄올의 열전도도 대비 증가율로 나노유체의 열전도도 변화를 측정하였다. 여기서 K0는 기본유체인 에탄올의 열전도도이며, ΔK는 나노유체와 에탄올 열전도도의 차이다.
- 나노유체의 열전도도 측정실험은 실험온도(10℃, 25℃, 70℃)를 일정하게 유지하였고, 실험의 오차를 줄이기 위해 동일조건에서 실험을 10번씩 반복 수행하여 평균값을 구하였고, 기본 유체인 순수 에탄올과 비교하여 열전도도 증가량을 나타내었다.
- 나노유체는 비교적 점도가 낮기 때문에 저점도용 회전추 LV-1를 사용하였다. 나노유체의 점도특성은 스핀들(spindle)의 최대 회전수인 200rpm, 전단율 0.496(1/sec)의 조건에서 측정하였다.
- 회전형 디지털 점도계인 DV-II+pro는 점도를 연속적으로 측정하도록 되어 있다. 따라서 본 실험에서의 점도 값은 실험온도를 일정하게 유지하면서 회전추를 유체 내에서 3분간 회전시켜 나온 최저 값을 점도 값으로 하였다.
- 따라서 본 연구에서 화학적 개질에 의한 분산법과 초음파에 의한 기계적 분산법을 함께 적용하여 나노유체를 제조하였다. 다중벽 탄소나노튜브를 황산(H2SO4, 98%)과 질산(HNO3, 63%)을 이용하여 산화 처리하여 나노유체를 제조하였으며, 에탄올 50㎖에 혼합비율을 0.
- 본 실험에서는 열전도도 측정실험과 같이 10℃, 25℃, 70℃의 실험 온도 조건을 유지하면서 점도를 측정하였다. 실험장치의 구성은 점도를 측정하기 위한 점도계(Brookfield DV-II+pro)와 실험온도를 일정하게 유지시켜 줄 항온수조(TC-502),데이터의 모니터링과 저장을 위한 컴퓨터로 구성되어 있다.
- 실험은 항온수조를 이용하여 나노유체를 실험온도와 평형이 되게 한 후, 다음의 방법으로 실험하였다. 온도평형이 된 나노유체에 백금선을 완전히 잠기게 한 후,가변저항을 조절하여 검류계에 걸리는 전압을 0으로 만들고 파워 서플라이를 이용하여 15V의 전압을 인가시킨다.
- 점도 측정실험은 점도계와 연결되어 있는 항온수조로 나노유체를 실험온도로 평형시킨 후에 점도계의 회전추를 충분히 담그고 추를 회전시켜 측정하였다. 나노유체는 비교적 점도가 낮기 때문에 저점도용 회전추 LV-1를 사용하였다.
대상 데이터
- 점도 측정실험은 점도계와 연결되어 있는 항온수조로 나노유체를 실험온도로 평형시킨 후에 점도계의 회전추를 충분히 담그고 추를 회전시켜 측정하였다. 나노유체는 비교적 점도가 낮기 때문에 저점도용 회전추 LV-1를 사용하였다. 나노유체의 점도특성은 스핀들(spindle)의 최대 회전수인 200rpm, 전단율 0.
- 다중벽 탄소나노튜브를 황산(H2SO4, 98%)과 질산(HNO3, 63%)을 이용하여 산화 처리하여 나노유체를 제조하였으며, 에탄올 50㎖에 혼합비율을 0.0005∼ 0.1vol%로 변화시키고, 2시간 초음파 분산하여 산화나노유체를 제조하였다.
- 본 연구에 사용된 산화 CM-100 탄소나노튜브의 물성치는 Table1에 나타내었다. 그리고 다중벽 탄소나노튜브 CM-100과 산화 CM-100의 SEM 사진을 Fig.
- 이 장치는 측정 유체 내에서 대류효과가 일어나지 않고, 사용자가 기초적인 전기지식만 있으면 쉽게 구성할 수 있다. 비정상 열선법 측정 장치는 Fig. 3과 같이 백금선의 저항변화를 검출하는 휘트스톤 브릿지(Wheatstone Bridge), 데이터 수집과 저장을 위한 데이터 로거(Agilent 34079A)와 컴퓨터, 전원 공급을 위한 파워 서플라이(Agilent E3648A)로 구성된다. 휘트스톤 브릿지는 테프론을 코팅한 직경 76㎛,길이 130㎜의 백금선과 10Ω,10㏀의 저항과 10㏀의 가변저항을 사용하여 제작하였다.
- 본 실험에서는 열전도도 측정실험과 같이 10℃, 25℃, 70℃의 실험 온도 조건을 유지하면서 점도를 측정하였다. 실험장치의 구성은 점도를 측정하기 위한 점도계(Brookfield DV-II+pro)와 실험온도를 일정하게 유지시켜 줄 항온수조(TC-502),데이터의 모니터링과 저장을 위한 컴퓨터로 구성되어 있다.
- 3과 같이 백금선의 저항변화를 검출하는 휘트스톤 브릿지(Wheatstone Bridge), 데이터 수집과 저장을 위한 데이터 로거(Agilent 34079A)와 컴퓨터, 전원 공급을 위한 파워 서플라이(Agilent E3648A)로 구성된다. 휘트스톤 브릿지는 테프론을 코팅한 직경 76㎛,길이 130㎜의 백금선과 10Ω,10㏀의 저항과 10㏀의 가변저항을 사용하여 제작하였다.
이론/모형
- 나노유체의 열전도도는 전기·전도성 유체의 비정상 열선법(Transient Hot-wire Method)을 이용하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 한화 나노텍에서 화학 증기 증착법에 의해 제조된 다중벽 탄소나노튜브 CM-100을 화학적 개질에 의한 분산법을 이용하여 산화 처리하여 실험에 사용하였다. 산화 다중벽 탄소나노튜브와 다중벽 탄소나노튜브의 가장 큰 차이점은 산화처리에 의해 탄소 기본 구조에 –C=O, -COOH, -OH 등의 기능기가 부착된다는 점이며, 이 기능기를 통해 유체와의 인력이 증가하게 된다.
- 위 (1)의 전기저항과 온도의 선형식을 이용하여 계산된 온도 데이터를 Nagasaka10)가 제안한 시간에 따른 열선의 온도 변화식을 이용하여 나노유체의 열전도도를 계산하였다.
성능/효과
- (1) 에탄올-산화탄소나노유체의 열전도도 측정에서, 0.1 vol% 비율의 에탄올-산화탄소나노유체의 경우 열전도도는 순수 에탄올보다 10℃에서 33.74%, 25℃에서 33.14%, 70℃에서는 32.36%가 증가하였다.
- (2) 온도가 증가함에 따라 열전도도가 감소하는 에탄올의 특성과 같이, 에탄올-산화탄소나노유체 역시 온도가 증가함에 따라 열전도도가 감소함을 확인하였고, 체적분율이 증가함에 따라 열전도도의 감소폭이 줄어드는 것을 확인하였다.
- (3) 에탄올-산화탄소나노유체의 점도는 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 0.1 vol% 비율의 에탄올-산화탄소나노유체의 점도는 10℃에서 35.1%, 25℃에서 32.14%, 70℃에서는 19.02%가 증가하였다.
- 14%가 증가하였다. 10℃ 나노유체의 경우 25℃보다 0.58% 증가하여 기본유체 대비 33.72%의 열전도도 향상효과를 보였으며, 70℃의 경우에는 25℃보다 0.88% 감소한 32.26%의 열전도도가 향상되었다.
- 마찬가지로 체적분율이 증가함에 따라 에탄올-산화탄소나노유체의 점도가 비선형적으로 증가함을 알 수 있었다. 10℃의 체적분율 0.1 vol% 에탄올-산화탄소나노유체의 점도는 에탄올 대비 35.1%로 가장 높게 증가하였으며, 25℃일 때 32.14%, 70℃일 때 19.02%로 각각 증가하였다. 에탄올-산화탄소나노유체의 점도는 온도별로 평균 33% 증가하였으나, 이는 순수 에탄올의 점도가 1.
- 마찬가지로 체적분율이 증가함에 따라 에탄올-산화탄소나노유체의 열전도도도 비선형적으로 증가함을 알 수 있다. 25℃일 때, 0.1 vol% 에탄올 산화탄소나노유체의 열전도도는 기본유체 대비 33.14%가 증가하였다. 10℃ 나노유체의 경우 25℃보다 0.
- 여기서 K0는 기본유체인 에탄올의 열전도도이며, ΔK는 나노유체와 에탄올 열전도도의 차이다. 나노유체를 제조한 2시간 후, 12시간 후의 열전도도를 측정하였고, 시간이 지남에 따라 나노유체의 열전도도 변화는 거의 없음을 확인하였다.
- 309×10-3이었다. 따라서 본 실험에 사용된 열전도도 측정 장치는 정확하게 만들어졌다고 할 수 있다.
- 그림을 보면 알 수 있듯이, 각각의 온도에서 나노유체의 체적분율이 증가함에 따라 열전도도가 비선형적으로 증가함을 알 수 있다. 또한 동일한 온도의 에탄올 대비 열전도도의 증가폭은 10℃, 25℃, 70℃ 순으로 10℃일 때 열전도도가 가장 높게 증가하였다. 특히, 에탄올-산화탄소나노유체의 열전도도는 체적분율 0.
- 그림을 보면 알 수 있듯이,각각의 온도에서 나노유체의 체적분율이 증가함에 따라 점도가 비선형적으로 증가함을 알 수 있다. 또한 동일한 온도의 에탄올 대비 점도의 증가폭은 10℃, 25℃, 70℃ 순으로 10℃일 때 점도가 가장 높게 증가하였다. 특히, 점도는 체적분율 0.
- 1 vol% 까지 확장하여 점도를 측정한 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 마찬가지로 체적분율이 증가함에 따라 에탄올-산화탄소나노유체의 점도가 비선형적으로 증가함을 알 수 있었다. 10℃의 체적분율 0.
- 02%로 각각 증가하였다. 에탄올-산화탄소나노유체의 점도는 온도별로 평균 33% 증가하였으나, 이는 순수 에탄올의 점도가 1.074 cP임을 감안한다면 이는 그다지 큰 증가율이 아니며, 에탄올-산화탄소나노유체가 히트파이프의 작동유체로 사용하는데 있어 아무런 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.
- 4는 열전도도 실험 장치의 정확성을 알아보기 위하여 온도에 따른 에탄올의 열전도도 값을 문헌 값과 비교하여 나타낸 그래프이다. 에탄올의 물성치는 Chemical Engineering Research Information Center11)에서 제공하는 데이터를 이용하였으며, 순수 에탄올의 온도에 따른 열전도도 값을 측정하여 문헌 값과 비교한 결과 실험 결과 0.6% 이내의 오차로 열전도도가 일치함을 확인하였다. 또한 25℃의 경우 측정한 데이터의 분산은 4.
- 또한 동일한 온도의 에탄올 대비 점도의 증가폭은 10℃, 25℃, 70℃ 순으로 10℃일 때 점도가 가장 높게 증가하였다. 특히, 점도는 체적분율 0.02 vol% 일 때, 10℃의 나노유체는 에탄올 대비 9.74% 증가 하였으며, 25℃일 때는 8.18%, 70℃일 때는 3.23%가 각각 증가하였다. Fig.
후속연구
- 증가하는 에너지의 수요를 충족시키기 위하여 석유, 석탄, 가스 등 화석에너지의 소비 또한 증가하고 있다.1) 화석에너지의 소비가 늘면서 CO 및 CO2와 같은 온실가스 배출이 증가하고 있어 온실가스를 줄이기 위한 대책 마련이 시급하다. 태양열에너지는 온실가스를 발생시키지 않는 대표적인 친환경에너지 중에 하나이며, 태양을 에너지원으로 이용하기 때문에 자원 고갈의 우려가 없어 이를 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
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