[논문]막온도 변화를 고려한 가는 열선주위 나노유체의 대류열전달계수 측정 실험

이신표

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.8.725

막온도 변화를 고려한 가는 열선주위 나노유체의 대류열전달계수 측정 실험
Measuring Convective Heat Transfer Coefficient of Nanofluids Considering Effect of Film Temperature Change over Heated Fine Wire 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.8 = no.335, 2013년, pp.725 - 732

초록
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본 논문에서는 가는 열선 주위를 흐르는 나노유체의 대류열전달 특성을 실험을 통하여 검토하였다. 입자 혼합 농도가 다른 4개의 나노엔진오일에 대하여 열선온도가 증가하는 경우, 유체온도가 증가하는 경우 그리고 막온도가 일정하게 유지되는 경우 등 세가지 온도경계조건에 대하여 대류열전달계수를 측정하였다. 내부유동에서 나노유체의 대류열전달계수 상승이 열전도율 상승을 초과한다는 결과가 최근 발표되기도 했지만 본 연구에서는 이 결과를 확인할 수 없었다. 온도조건에 따른 대류열전달계수의 변화 거동을 분석함으로써 나노유체의 열전도율과 경계층두께의 관계를 설명할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the convective heat transfer characteristics of nanofluids flowing over a heated fine wire. Convective heat transfer coefficients were measured for four different nano-engine-oil samples under three different temperature boundary conditions, i.e., both or either variation of wire and fluid temperature and constant film temperature. Experimental investigations that the increase in the convective heat transfer coefficients of nanofluids in the internal pipe flow often exceeded the increase in thermal conductivity were recently published; however, the current study did not confirm these results. Analyzing the behavior of the convective heat transfer coefficient under various temperature conditions was a useful tool to explain the relation between the thermal conductivity and the boundary layer thickness of nanofluids.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 가열된 열선 주위를 흐르는 나노유체의 대류열전달계수를 다양한 온도경계조건하에서 실험을 통하여 측정하고 그 결과를 분석하였다. 이를 통하여 나노유체의 열전도율과 경계층 변화가 대류열전달계수 변화에 미치는 영향을 설명하였다.
본 논문은 가열된 열선 주위를 나노유체가 흐를 때 온도조건의 변화가 대류열전달계수에 미치는 영향을 실험을 통하여 검토한 것이다.
본 논문에서는 가열된 열선 주위를 흐르는 나노유체의 대류열전달계수를 다양한 온도경계조건하에서 실험을 통하여 측정하고 그 결과를 분석하였다. 이를 통하여 나노유체의 열전도율과 경계층 변화가 대류열전달계수 변화에 미치는 영향을 설명하였다.

가설 설정

셋째, (a)-(d)를 보면 그래프의 형태가 거의 비슷하다. 그러나 입자 농도가 증가할수록 두 가지 변화율 크기가 커지는 것을 확인할 수 있다.
Das 등의 열전도율 측정결과는 물을 기반으로 한 나노유체에 대한 것으로 오일을 기반으로 한 본 연구의 결과와 직접 비교할 수는 없다. 일단은 나노입자들의 불규칙한 운동이 온도의 증가에 따라 더욱 활발해져서 열전도율이 대폭 증가하는 Das 등의 결과가 나노오일의 경우에도 정성적으로 적용된다고 가정하자. 그렇다면 동일한 속도의 직선 그룹에서 유체온도가 일정할 경우, 직선들 사이의 간격이 등간격이 아니고 열선의 온도가 상승할수록 넓어져야 한다.

제안 방법

본 연구에서는 나노유체 대류열전달 성능 평가 장치를 이용하여 다양한 온도조건하에서 대류열전달계수를 측정하였고 그 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
3에 도입해야 한다. 본 연구에서는 유체를 용기 속에 넣고 용기 속에 설치된 가열용 저항에 전류를 흘려서 유체와 용기를 직접 가열하는 방법을 사용하였다. 실험실 온도가 25ºC일 때 직류전원을 인가하면 30분 후 유체온도가 90ºC까지 도달하였다.
유속 측정에 사용되는 정온도형 열선유속계(CTA, Constant Temperature Anemometer) 회로⁽¹⁵⁾를 이용하여 본 연구자는 나노유체 대류열전달 특성을 평가할 수 있는 장치를 제안하였는데 Fig. 3은 그 개략도이다.⁽¹³⁾
유체온도 측정에 0.1ºC의 눈금을 가진 정밀온도계를 사용하였는데 이 눈금을 온도측정의 불확실도로 고려하였다.

대상 데이터

5wt%는 체적농도로 대략 1%에 해당하며 상온에서 열전도율 상승은 10%정도이다.⁽¹⁴⁾ 속도, 열선온도, 유체온도를 각각 3, 4, 4가지 경우에 대하여 실험하였고 따라서 모두 192개의 데이터를 획득하게 된다.
본 연구에서 수행한 실험조건을 Table 1에 정리하였다. 유체시료는 순수엔진오일을 포함하여 4종류로서 엔진오일에 0.6, 1.2, 2.5wt%로 graphite 입자(평균직경 55nm)를 혼합하여 제조한 것이다. 2.

성능/효과

(1) 열선온도가 일정할 때 유체온도가 증가하면 대류열전달계수는 증가하였다. 이 경우 대류열전달계수 상승의 주요 원인은 열전도율 증가가 아니고 유체온도 증가에 따른 점도감소이다.
(2) 유체온도가 일정할 때 열선온도가 증가하면 대류열전달계수는 증가하였다.
(3) (1)항과 (2)항의 경우에 공통적으로 입자혼합농도가 높고 속도가 높을수록 대류열전달계수는 크게 나타났다.
(4) (2)항의 경우 동일한 유동조건에서 열선온도 증가에 따른 대류열전달계수 증가는 비슷하였다. 이것은 나노유체의 열전도율이 온도증가에 따라 크게 증가하지 않음을 의미한다.
^(4~6) 농도가 일정할 때 열전도율은 온도가 증가할수록 증가한다.⁽⁴⁾ 점도는 혼합농도가 증가할수록 증가한다.^(7,8) 나노유체가 원형파이프 속을 흐르는 내부유동에서 대류열전달계수의 증가정도는 열전도율 증가보다 크다.
(5) 막온도가 일정한 경우에도 대류열전달계수의 급격한 변동은 없었다. 이것은 상온에서의 열전도율 상승이 대류열전달계수에 반영되고 온도상승에 따른 추가적 상승은 점도감소가 영향을 미쳤기 때문이다.
(a)와 (d)에서 ↓로 표시한 점은 같은 온도 및 속도조건에서 농도만 다른 경우의 h이다. 2.4wt% 나노오일이 순수엔진오일과 비교하여 약 7.6%의 증가된 대류열전달계수를 갖는다. 상온에서 순수오일 대비 2.
5wt%로 graphite 입자(평균직경 55nm)를 혼합하여 제조한 것이다. 2.5wt%는 체적농도로 대략 1%에 해당하며 상온에서 열전도율 상승은 10%정도이다.⁽¹⁴⁾ 속도, 열선온도, 유체온도를 각각 3, 4, 4가지 경우에 대하여 실험하였고 따라서 모두 192개의 데이터를 획득하게 된다.
그러나 첫 번째 논의에 의하면 열선온도의 증가도 결국 막온도를 증가시키므로 나노유체의 경우 δt가 감소할 수는 있어도 증가할 수는 없다.
⁽²⁾ 그런데 고체와 접한 유체막의 열전도율은 일정하거나 증가하므로 나노오일의 대류열전달계수는 증가하는 경향을 가지게 되며 감소되는 경우는 나타나지 않는다. 그리고 본 연구 결과에 의하면 대류열전달계수의 증가정도는 상온에서 농도에 따른 열전도율 증가 정도와 비슷하였다.
둘째, 유체온도가 일정할 때 열선온도가 증가하면 대류열전달계수는 증가한다. 그래프에 유체온도가 일정한 가상의 수직선을 따라가면 열선온도가 일정한 직선들과 만나는데 선들 사이에 간격이 거의 동일함을 알 수 있다.
따라서 중심에서 일정 거리만큼 떨어진 위치에서 일정한 유속을 얻을 수 있다. 이 장치를 이용하여 엔진오일과 글리세린을 실험한 결과 환산된 대류열전달계수는 Churchill과 Bernstein⁽¹⁶⁾의 관계식으로 구한 값과 잘 일치하였다. 대표적 실험 조건에서 열선센서 주위의 Re수를 계산해보면 0.
(a)-(d)의 결과비교를 통하여 다음 사항을 확인할 수 있다. 첫째, 열선온도가 일정할 때 유체온도가 증가하면 대류열전달계수는 증가한다. 같은 유체농도에서는 속도가 높을수록 Δh/ΔT_f가 큰 것을 확인할 수 있다.

후속연구

24로 기존 선행 연구들에서 다루었던 Re수 보다 많이 낮아서 동일한 유동조건에서 결과들의 직접 비교에 어려움이 있다. 장치를 개선하여 Re수를 높인다면 더욱 다양한 조건에서의 데이터 획득과 비교가 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노유체의 효과와 관련되어 일반적으로 받아들이고 있는 사항은?	나노유체의 효과와 관련하여 일반적으로 받아들여지고 있는 사항들은 다음과 같다. 나노유체의 열전도율은 혼합농도가 증가할수록 증가한다.(4~6) 농도가 일정할 때 열전도율은 온도가 증가할수록 증가한다.(4) 점도는 혼합농도가 증가할수록 증가한다.(7,8) 나노유체가 원형파이프 속을 흐르는 내부유동에서 대류열전달계수의 증가정도는 열전도율 증가보다 크다.(9,10) 본 연구자는 혼합농도에 따라 열전도율이 증가한다는 결과에 정성적으로 동의한다.
	나노유체란?	나노유체는 물, 엔진오일 등 기존 유체에 나노미터 크기의 금속입자를 혼합하여 제조한 유체를 말한다.(5,6) 금속은 유체와 비교하여 열전도율이 수백배 높기 때문에 나노유체는 순수한 유체와 비교하여 상승된 열전도율을 가지게 된다.
	입자 혼합 농도가 다른 4개의 나노엔진오일에 대해 어떤 경우를 고려하여 온도경계조건에 대한 대류열 전달계수를 측정하였나?	본 논문에서는 가는 열선 주위를 흐르는 나노유체의 대류열전달 특성을 실험을 통하여 검토하였다. 입자 혼합 농도가 다른 4개의 나노엔진오일에 대하여 열선온도가 증가하는 경우, 유체온도가 증가하는 경우 그리고 막온도가 일정하게 유지되는 경우 등 세가지 온도경계조건에 대하여 대류열전달계수를 측정하였다. 내부유동에서 나노유체의 대류열전달계수 상승이 열전도율 상승을 초과한다는 결과가 최근 발표되기도 했지만 본 연구에서는 이 결과를 확인할 수 없었다.

참고문헌 (17)

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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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