[논문]알루미나 나노유체의 열전달 특성에 관한 실험적 연구

김영근; 조선형; 성용진; 정한식; 정효민

doi:10.5916/jkosme.2013.37.1.16

알루미나 나노유체의 열전달 특성에 관한 실험적 연구
Experimental investigation of heat transfer characteristics of alumina nanofluid 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.37 no.1, 2013년, pp.16 - 21

김영근 (경상대학교 대학원 정밀기계공학과) , 조선형 (한국폴리텍IV대학 녹색산업설비과) , 성용진 (경상대학교 대학원 정밀기계공학과) , 정한식 (경상대학교 에너지기계공학과, 해양산업연구소) , 정효민 (경상대학교 에너지기계공학과, 해양산업연구소)

초록
AI-Helper

나노유체란 유체 내에 금속 또는 비금속성 나노 크기의 입자를 분산시킨 것으로서 열전달율을 높이기 위해 다양한 곳에서 사용되어진다. 본 논문에서는 50 nm 크기의 알루미나를 증류수에 분산시켜 농도 및 유속에 따른 기본적인 열전달 특성을 알아보고자 하였다. 실험 결과 알루미나 나노유체의 농도가 증가할수록 평균 및 국소 열전달 계수가 증가하는 경향을 보였다. 또한 X/D=50~120 구간에서 6 Wt%의 나노유체의 국소 열전달 계수값이 증류수와 비교하였을 때 최대 37~46% 정도 높게 나타났다. 6 Wt% 농도에서 레이놀즈수가 1100~1300일 때 평균 열전달 계수가 증류수에 비해 큰 폭으로 증가함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nanofluids are suspensions of metallic or nonmetallic nano powders in base liquid and can be employed to increase heat transfer rate in various applications. In this research the heat transfer characteristics has been experimented by alumina(50 nm)/water nano-fluids. Experimental results showed that the increasing the concentration of alumina nanofluids local and average heat transfer coefficient increased. The local heat transfer coefficient of 6 Wt% nanofluid was increased 37~46% than water at X/D=50~120. The average heat transfer coefficient of 6 Wt% nanofluid was rapidly increased than water at Reynolds number 1100~1300.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 다양한 나노 입자들 중 산화알루미늄(Al₂O₃) 즉 알루미나 나노 입자를 사용하여 다양한 농도의 나노유체를 제조 하고 기본적 열전달 실험을 통해 순수한 물과 알루미나 나노유체의 열적특성을 파악하고자 한다.

가설 설정

첫 번째는 일반유체의 부피에 대한 1% 미만인 소량의 부피비의 나노입자를 일반유체에 첨가하더라도 나노유체의 유효 열전도도가 10% 정도 그리고 대류 열전달 특성이 최대 30%까지 향상된다는 것이다. 두 번째는 나노유체의 열전도도가 온도 변화에 따라 급격히 상승한다는 것이다. 이 특성은 나노유체를 냉각유체로 사용할 경우 나노유체의 온도가 증가할수록 열전도도가 증가되어 열전달율을 상승시킬 수 있음을 보여준다.

제안 방법

2mm인 동관을 사용하였으며, 길이는 1m로 하였다. 또한 입구 측에는 450mm 확장하여 발달된 유동이 테스트 구간으로 들어가도록 하였다. 테스트 구간 동관 외부에는 100mm 간격으로 T타입 열전대를 부착하였으며, 발열을 위해 열선을 감고 그 위에 단열를 감쌌다.
사용된 파티컬은 SIGMA-ALDRICH 사의 50nm 이하 크기의 알루미나 파티컬을 사용하였다. 또한 파티컬의 응집을 막고 분산성을 높이기 위해 8시간동안 초음파를 가진 하였다. 본 실험에서는 증류수와 2 Wt%, 4 Wt%, 6 Wt%의 나노유체를 사용하여 실험을 진행하였다.
본 실험에서는 알루미나 나노유체의 열전달 특성을 알아보기 위해 2 Wt%, 4 Wt%, 6 Wt% 농도의 나노유체를 제조하여 열전달 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

테스트 구간에서 열을 전달받은 유체는 저장탱크에 저장된 후 다시 펌프로 유입되는 과정을 거친다. 본 실험에 사용된 계측기는 온도 데이터를 저장하기위한 데이터 로그와 입력열량을 측정하기 위한 전력 파워메타가 사용되었다.
또한 파티컬의 응집을 막고 분산성을 높이기 위해 8시간동안 초음파를 가진 하였다. 본 실험에서는 증류수와 2 Wt%, 4 Wt%, 6 Wt%의 나노유체를 사용하여 실험을 진행하였다. Figure 3은 본 실험에 사용된 나노유체의실제 모습과 TEM(Transmission Electron Microscope) 사진을 나타내고 있다.
본 실험에서는 알루미나 나노유체의 열전달 특성을 알아보기 위해 Two step method 로 나노유체를 제작하였다. 사용된 파티컬은 SIGMA-ALDRICH 사의 50nm 이하 크기의 알루미나 파티컬을 사용하였다. 또한 파티컬의 응집을 막고 분산성을 높이기 위해 8시간동안 초음파를 가진 하였다.
본 실험에서는 증류수와 알루미나 나노유체의 대류 열전달 특성을 알아보기 위해 Figure 5와 같은 실험 장치를 구성하였다. 우선 대류 열전달 특성을 알아보기 위한 테스트 구간은 내경이 4.5mm 외경이 6.2mm인 동관을 사용하였으며, 길이는 1m로 하였다. 또한 입구 측에는 450mm 확장하여 발달된 유동이 테스트 구간으로 들어가도록 하였다.

데이터처리

본 실험에서는 실험결과의 검증을 위해 증류수를 사용한 결과값을 Shah[8]와 Seider-Tate[9]가 제안한 식과 비교하였다. 식 (1)과 (2)는 각각 Shah 가 제안한 식과 Seider-Tate 가 제안한 수식을 나타낸다.

이론/모형

본 실험에서는 알루미나 나노유체의 열전달 특성을 알아보기 위해 Two step method 로 나노유체를 제작하였다. 사용된 파티컬은 SIGMA-ALDRICH 사의 50nm 이하 크기의 알루미나 파티컬을 사용하였다.

성능/효과

나노 입자의 농도가 증가할수록 평균 열전달 계수가 증가 하는 것으로 나타났으며, 6 Wt% 농도에서 레이놀즈수가 1100~1300 일 때 평균 열전달 계수가 증류수에 비해 큰 폭으로 증가함을 확인하였다.
Figure 10은 각 실험에서 레이놀즈수에 따른 평균 열전달 계수를 나타내고 있다. 나노 입자의 농도가 증가할수록 평균 열전달 계수가 증가 하는 것으로 나타났으며, 6Wt% 나노유체가 레이놀즈수 1100~1300일 때 평균 열전달 계수가 증류수에 비해 큰 폭으로 증가함을 나타내고 있다. 이것을 제외한 다른 데이터 값은 유체의 밀도에 비례 하는 값을 보였다.
특히나 입구 부분에서의 나노유체 농도에 따른 국소 열전달 계수의 증가가 다른 부분보다 높게 나타났으며, 출구 쪽으로 갈수록 국소 열전달 계수의 증가가 줄어드는 것으로 나타났다. 또한 X/D=50 에서 120 구간에서 6 Wt%의 나노유체의 국소 열전달 계수값이 물과 비교하였을 때 최대 37~46% 정도 높게 나타남을 확인하였다. Figure 10은 각 실험에서 레이놀즈수에 따른 평균 열전달 계수를 나타내고 있다.
또한 X/D=50~120 구간에서 6 Wt% 의 나노유체의 국소 열전달 계수값이 물과 비교하였을 때 최대 37~46%정도 높게 나타났다.
본 현상은 기존의 나노크기를 가지는 박막의 열전도도가 박막의 두께가 작을수록 열전도도가 작아지는 현상과 반대되는 결과이며 나노유체의 열적특성이 독특한 현상임을 보여주는 결과이다. 마지막 현상은 나노유체의 임계 열유속이 일반유체의 임계열유속보다 3 배 정도 커진다는 것 이다. 이런 열적 현상을 설명하기 위해서 많은 이론들이 제시되고 있으며 그 중에서도 미시적 현상인 나노입자의 브라운 운동이 거시적 현상인 열전달 특성을 향상 시키는 원인으로 보고되고 있다.
세 번째는 나노입자의 크기가 작아질수록 열전도도가 상승한다는 것이다. 본 현상은 기존의 나노크기를 가지는 박막의 열전도도가 박막의 두께가 작을수록 열전도도가 작아지는 현상과 반대되는 결과이며 나노유체의 열적특성이 독특한 현상임을 보여주는 결과이다. 마지막 현상은 나노유체의 임계 열유속이 일반유체의 임계열유속보다 3 배 정도 커진다는 것 이다.
이 특성은 나노유체를 냉각유체로 사용할 경우 나노유체의 온도가 증가할수록 열전도도가 증가되어 열전달율을 상승시킬 수 있음을 보여준다. 세 번째는 나노입자의 크기가 작아질수록 열전도도가 상승한다는 것이다. 본 현상은 기존의 나노크기를 가지는 박막의 열전도도가 박막의 두께가 작을수록 열전도도가 작아지는 현상과 반대되는 결과이며 나노유체의 열적특성이 독특한 현상임을 보여주는 결과이다.
알루미나 나노유체의 농도가 증가할수록 국소 열전달 계수가 증가하는 경향을 보였으며, 특히나 입구 부분에서의 국소 열전달 계수의 증가가 다른 부분보다 높게 나타났고, 출구 쪽으로 갈수록 증가가 줄어드는 것을 확인 하였다.
Figure 8 과 Figure 9는 레이놀즈수가 900과 1100일 때 완전 발달 유동상태에서의 국소 열전달 계수를 나타내고 있다. 알루미나 나노유체의 농도가 증가할수록 축방향 전 영역에서 국소 열전달 계수가 증가하는 경향을 보였다. 특히나 입구 부분에서의 나노유체 농도에 따른 국소 열전달 계수의 증가가 다른 부분보다 높게 나타났으며, 출구 쪽으로 갈수록 국소 열전달 계수의 증가가 줄어드는 것으로 나타났다.
Figure 7은 Seider-Tate 상관 관계식과 증류수의 실험값을 비교한 것으로 축방향의 흐름에 대한 Shah 상관 관계식보다 더욱 일치하는 경향을 나타내고 있다. 이를 통해 본 실험장치의 결과값이 유효한 결과값을 나타내고 있음을 확인하였다. Figure 8 과 Figure 9는 레이놀즈수가 900과 1100일 때 완전 발달 유동상태에서의 국소 열전달 계수를 나타내고 있다.
나노유체의 열적 특성은 다음과 같다. 첫 번째는 일반유체의 부피에 대한 1% 미만인 소량의 부피비의 나노입자를 일반유체에 첨가하더라도 나노유체의 유효 열전도도가 10% 정도 그리고 대류 열전달 특성이 최대 30%까지 향상된다는 것이다. 두 번째는 나노유체의 열전도도가 온도 변화에 따라 급격히 상승한다는 것이다.
알루미나 나노유체의 농도가 증가할수록 축방향 전 영역에서 국소 열전달 계수가 증가하는 경향을 보였다. 특히나 입구 부분에서의 나노유체 농도에 따른 국소 열전달 계수의 증가가 다른 부분보다 높게 나타났으며, 출구 쪽으로 갈수록 국소 열전달 계수의 증가가 줄어드는 것으로 나타났다. 또한 X/D=50 에서 120 구간에서 6 Wt%의 나노유체의 국소 열전달 계수값이 물과 비교하였을 때 최대 37~46% 정도 높게 나타남을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 열교환용 유체로 많이 사용하는 것은?	Figure 1은 현재 열교환용 유체로 많이 사용되는물, 에틸렌글리콜, 엔진오일과 금속 또는 비금속성 고체물질의 열전도율을 나타낸 것이다. 열교환용 유체에 상대적으로 열전도도가 우수한 고체 입자를 분산시킨 상태의 유체를 이용하여 열전도도를 증가시킬 수 있다는 이론은 이미 맥스웰에 의해 제시 되었으나[1], 이전까지의 기술로는 수 mm 혹은 수 μm의 입자들로만 실험이 가능하였다.
	나노유체란?	나노유체란 유체 내에 금속 또는 비금속성 나노 크기의 입자를 분산시킨 것으로서 열전달율을 높이기 위해 다양한 곳에서 사용되어진다. 본 논문에서는 50 nm 크기의 알루미나를 증류수에 분산시켜 농도 및 유속에 따른 기본적인 열전달 특성을 알아보고자 하였다.
	Two step method에서 발생한 문제는?	Two step method의 장점은 나노입자 제조기술 발전에 따라 나노입자들의 제공이 용이하다는 점이다. 하지만, 나노입자를 유체에 분산(dispe rsion)함 있어서 입자 뭉침(agglomeration) 현상이 발생하여, 나노유체의 특성을 장시간 유지시킬 수 없다는 문제가 발생되었다[5]. 이는 입자간의 반데르 발스력(van der Waals force)에 의해서 발생되어짐으로 보고되어 지고 있다.

참고문헌 (9)

J. C. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, Clarendon Press, Oxford, 1873.
A. S. Ahuja, "Augmentation of heat transfer in laminar flow of polystyrene suspensions", Journal of Applied Physics, vol. 46, pp. 3408-3425, 1975.

상세보기
S. U. S. Choi, "Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticl- es", Developments and Applications of Non-Newtonian Flows, American Society of Mechanical Engineers Fluid Engineering Division, vol. 231, pp. 99-105, 1995.
S. P. Jang and S. U. S. Choi, "The role of Brownian motion in the enhanced thermal conductivity of nanofluids", Applied Physics Letters, vol. 84, pp. 4316-4318, 2004.

상세보기
H. Xie, J. Wang, T. Xi, Y. Liu. F. Ai, "Dependence of the thermal conductivity of nanoparticle-fluid mixture on the base fluid", Journal of Materials Science Letters, vol 21, pp. 1469-1471. 2002.

상세보기
J. A. Eastman, S. U. S. Choi, S. Li, W. Yu, and L. J. Thompson, "Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles", Applied Physics Letters, vol. 78, no. 6, pp. 718-720, 2001.

상세보기
S. P. Jang, "Technology Status and Future of nanofluids", Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, vol. 46 no. 7, pp. 34-36, 2006 (in Korean).
R. K. Shah, "Thermal entry length solutions for the circular tube and parallel plates", Proceedings of the 3rd National Heat and Mass Transfer Conference, pp. HTM-11-75, 1975.
E. N. Seider and G. E. Tate, "Heat transfer and pressure drop of liquid in tubes", Industrial and Engineering Chemistry, vol. 28, no. 12, pp. 1429-1435, 1936.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증