탄소나노튜브 나노 유체의 초음파 처리 정도에 따른 점성 거동 특성

이종석(Jongsuk Lee),이세진(Sejin Lee),조충연(Chungyeon Cho),김승한(Sunghan Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.11

나노 유체는 기존 유체에 나노 입자를 특정 방법을 통해 분산시킨 것으로서, 입자의 우수한 고유 특성이 반영됨과 동시에 열 전달, 윤활 및 센서 등에서 다양한 활용 가능성을 보인다. 나노 유체의 활용성을 최대화하기 위해서는 사용 환경에 맞는 유동성과 그에 따른 효과적인 입자 분산 상태가 요구된다. 탄소나노튜브는 1 차원 튜브 형상의 길고 유연한 특성과 함께 우수한 열 및 전기 전도성과 높은 기계적 강성을 가지고 있어 나노 유체에 활용되는 대표적인 재료이다. 본 연구에서는 소니케이션을 이용한 초음파 분산 과정에서 유체에 가해지는 에너지를 통해 탄소나노튜브 나노 유체의 점성 거동 메커니즘을 유체의 교질 구조 변화와 함께 해석하였다. 동일 환경에서 소니케이션 에너지 증가에 따른 탄소나노튜브 나노 유체의 점성 변화는 분산 과정으로부터의 본 연구에서는 소니케이션을 이용한 초음파 분산 과정에서 유체에 가해지는 에너지를 통해 탄소나노튜브 나노 유체의 점성 거동 메커니즘을 유체의 교질 구조 변화와 함께 해석하였다. 동일 환경에서 소니케이션 에너지 증가에 따른 탄소나노튜브 나노 유체의 점성 변화는 분산 과정으로부터의 유체 내 입자의 교질 구조 변화를 의미한다. 탄소나노튜브 나노 유체의 점성 거동은 크게 두 가지의 탄소나노튜브 분산 상태로 나눌 수 있으며, 각 상태가 이루는 교질 구조에 따라 점성은 상대적으로 증가 또는 감소한다. 결과적으로 본 연구에서는 제작 및 공정 조건이 나노 유체 내 고체 입자의 분산 상태와 이에 따른 유동성을 민감히 결정하는 것을 확인하였다. 또한 소니케이션 에너지 조건을 변수로 하여 탄소나노튜브 나노 유체의 점성에 대한 관계식을 제시하였다. 본 연구는 관련 분야에서의 나노 유체 활용에 있어서 유동성 및 교질 구조의 관계와 간단 제작과정을 이용한 활용 제어에 대한 기초 연구가 될 것으로 예상한다. Nanofluids, specified as the suspension with nanoparticles, have been noted for their superb performance on various fields, such as heat-transfer, lubrication, and liquid sensor. These improvements are mainly attributed to the intrinsic properties of dispersed nanoparticles in fluids. To maximize the functions and capabilities of nanofluids, fluidity and colloidal structure should be carefully considered regarding the service environment. Carbon nanotubes, which have one-dimensionally long, tube-like and flexible structures, are typical materials in nanofluids due to their superior thermal conductivity, electrical conductivity, and mechanical stiffness. In this research, viscous behavior of nanofluids with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) was investigated depending on the sonication energy. The results showed that the viscosity of nanofluids with MWCNTs was changed with increasing sonication energy. This change indicates that, during the preparation process, nanotubes experienced a size-phase change from “debundling” to “nanocutting”. Each phase determines the colloidal structure of nanofluids and influences the fluidity. Finally, we established a well-predicted correlation model between sonication conditions and viscosity of nanofluids. This work is a fundamental study on the relationship between fluidity and colloidal structure of nanofluids and contributes on the utilization of nanofluids for various applicational fields.

탄소나노튜브 나노유체의 점성 거동 특성에 관한 실험적 연구

이세진(Sejin Lee),이종석(Jongsuk Lee),김승한(Sunghan Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

나노 유체에 분산된 나노 입자의 특성은 나노 유체의 열 전달 및 마찰 특성에 영향을 줄 수 있다. 나노 유체의 점성 역시 농도, 나노 입자의 형태적 특성과 크기 및 분산정도 온도 등 나노 입자의 특성 및 상태에 크게 영향을 받는다. 일부 나노 유체는 더 나은 분산 안정성을 위해 소니케이션(초음파 처리 분해)가 요구된다. 그러나 과도한 소니케이션은 나노 입자의 형태에 영향을 줄 수 있다. 따라서 적절한 소니케이션 실험조건을 결정하는 것은 나노 유체의 점성 거동을 특정하기 위해 매우 중요하다. 본 연구에서는 탄소나노튜브를 오일 윤활유에 분산시켜 탄소나노튜브 기반 나노 유체의 점성 거동 특성에 관한 실험적 연구를 진행하였다. 나노 입자를 유체에 분산하는 과정에서 윤활유의 부피나 소니케이션 지속 시간 등 실험조건을 다르게 적용하여 나노 유체의 점성 거동 특성에 대한 분석을 진행하였다. 결론적으로 탄소나노튜브 기반 나노 유체는 특정 에너지 밀도를 중심으로 두 가지 양상으로 나누어 점성 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. The properties of nanoparticles in nanofluids can affect the heat transfer and tribological performance of nanofluids. The viscosity of nanofluids is also greatly influenced by the concentration, nanoparticle morphology and size, temperature, dispersibility. Some nanoparticles, ultrasonication is required for better dispersion. However, nanoparticles can have defects by excessive ultrasonication. So, determining proper conditions of sonication is important concern. In this study, we conducted an experimental study on the viscous behavior of carbon nanotube-based nanofluids by dispersing carbon nanotubes into oil lubricants. Experimental conditions for dispersion of nanoparticles in base fluid, such as volume of base fluid and sonication duration, were decided differently. As a result, the viscosity of the nanofluid was changed by varying volume of base fluid having two-phase trend.

탄소 기반 나노 재료 나노유체의 유동학적 거동 특성 연구

이종석(Jongsuk Lee),김승한(Sunghan Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

고분자 나노 재료를 분산질로 한 나노 유체는 기존의 일반 유체에 비해 우수한 열 전달 및 윤활 특성을 보이며 활발히 연구되고 있다. 이러한 연구들의 배경에 있어 나노 유체의 유동 특성은 관련 메커니즘에 결정적인 영향을 미치며, 따라서 점성에 대한 기초적인 연구가 필요하다. 나노 유체의 점성은 입자의 크기 및 형태, 친화성, 그리고 유동 환경에 민감히 영향을 받으며 이에 대해 세밀한 메커니즘 연구를 필요로 한다. 본 연구에서는 이차원 층상 구조로 이루어지는 탄소 기반 나노 입자를 채택하여 특정 형태에서의 점성 거동을 온도에 대한 유동 환경 변수를 이용해 실험하였다. 탄소 기반 나노 입자인 산화 그래핀, 환원-산화 그래핀, 그리고 그라파이트를 미네랄 오일에 분산시키었으며, 분산된 입자는 다분산계를 이룸을 확인하였다. 결과적으로 해당 나노 유체의 상대 점성이 특정 온도를 기준으로 감소-증가 추세를 보였으며, 이러한 경향을 입자 크기 기반의 퍼콜레이션과 콜로이드 구조화를 통해 접근 및 해석하였다. 퍼콜레이션과 브라운 운동 참여 입자들 간의 상호 작용은 온도와 상관되며 이로 인해 특정 온도 구역에서 독특한 콜로이드 구조를 가지는 것을 메커니즘화 하였고, 동시에 나노 입자의 독특한 형태가 유동 내 전단 방향으로의 액정 형성을 강화하여 저점도 결과에 주요하는 것으로 확인하였다. 이외에도 동일 형태 나노 입자 내에서 분산매와 입자 간 친화성 및 다분산 크기 분포에 대한 점성 거동 특성을 확인하였다. 해당 연구는 열 및 동적 에너지 전달과 관련된 효율 측면에서 나노 유체의 활용에 대한 점성 이해를 높이며 다양한 활용 가능성을 확인하였다. Nanofluids, which is specified as the suspension with nanoparticles, have been noticed for their enhancement on various fields, such as heat transfer and tribological performance. With regard to the forementioned fields, rheological behavior of nanofluids has a decisive effect on the underlying mechanism and thus viscosity deserves fundamental study with experimental analysis. In this research, the community of carbon-based nanoparticles (CBNs) was dispersed in mineral oil. CBNs, having two-dimensional lamellar morphology, have been shown for their superiorities, such as mechanical, thermal, and electrical properties. Steady-shear viscosity of nanofluids with CBNs was experimentally investigated with variance of temperature. It was found that, in polydispersed system, the population of CBNs was separated into percolation and Brownian participants. The interaction between these two participants was depending on temperature and inducing temperature-dependent viscosity with specific colloidal structures. Furthermore, two-dimensional CBNs developed nematic ordering following shearing direction and reduced dynamic viscosity of nanofluids. The mechanism underlying this rheological behavior was explained by the size-dependent percolation and schematic visualization.

이중관 내부 나노유체의 강제대류에 관한 수치적 연구

임윤승,최훈기 중소기업융합학회 2019 융합정보논문지 Vol.9 No.12

Numerical study was performed to investigate the convective heat transfer of Al2O3/water nanofluid flowing through the concentric double pipe counterflow heat exchangers. Hot fluid flowing through the inner pipe transfers its heat to cooling fluid flowing in the outer pipe. Effects of important parameters such as hot and cold volume flow rates, fluid type in the outer and inner pipes, and nanoparticles concentration on the heat transfer and flow characteristics are investigated. The results indicated that the heat transfer performance increases with increasing the hot and cold volume flow rates, as well as the particle concentrations. When both outer and inner pipes are nanofluids with 8% nanoparticle volume concentration, nanofluids showed up to 17% better heat transfer rate than basic fluids. Also, the average heat transfer coefficient of the base fluid for annulus-side improved by 31%. Approximately 20% enhancement in the heat exchanger effectiveness can be achieved with the addition of 8% alumina particles in base fluid. But, addition of nanoparticles to the base fluid enhanced friction factor by about 196%. 동심 이중관에서 기본유체 물과 나노입자 산화알미늄의 혼합인 나노유체를 적용한 대향유동을 유한체적법의 수치적 방법으로 열전달 특성을 규명하였다. 고온유체는 내부 원형관으로 흐르며 열을 외부 환형관으로 흐르는 저온유체로 전달한다. 고온유체와 저온유체의 체적유량 및 나노입자의 체적농도를 변수로 두어 열전달 및 유동 특성을 조사했다. 결과는 나노입자의 체적농도와 체적유량의 증가함에 따라 열전달 성능이 증가함을 보였다. 외부와 내부 관 모두에서 나노유체인 경우가 기본유체보다 나노입자의 체적농도가 8%일 때 나노유체가 열전달 성능이 최대 17% 증가하는 것을 확인했다. 또한 기본유체에 비해 환형관의 대류열전달 계수는 최대 31% 증가함을 보였으며 열교환기의 유용도는 약 20%가 상승함을 확인하였다. 하지만 나노입자의 체적농도가 8%일때 마찰인자가 최대 136% 커지는 것을 확인하였다.

나노입자 형상 변화에 따른 알루미나 나노유체의 유동 특성

황교식(Kyo Sik Hwang),하효준(Hyo Jun Ha),장석필(Seok Pil Jang) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.3

본 연구에서는 다양한 형상의 나노입자를 분산시킨 알루미나 나노유체의 유동 특성을 실험적으로 조사하기 위하여 나노입자의 형상 변화에 따른 알루미나 나노유체의 압력강하를 층류영역에서 측정하였다. 이를 위해 Sphere, Rod, Platelet, 그리고 Brick 의 형태를 갖는 알루미나 나노입자를 물에 분산시켜 부피비 0.3%를 갖도록 Two-step 방법으로 제작하였다. 제작된 나노유체의 분산성을 파악하기 위하여 제타포텐셜을 조사하였으며, 나노입자의 형상을 파악하기 위하여 TEM 사진을 측정하였다. 다양한 형상의 나노입자를 분산시켜 0.3%의 부피비를 갖는 나노유체의 압력강하를 측정하였을 때, 입자형상이 나노유체의 유동특성에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 실험 결과를 바탕으로 나노입자의 단위질량당 표면적과 분산된 나노입자의 크기를 이용하여 나노유체의 압력강하 특성을 설명하였다. To study the flow characteristics of water-based Al₂O₃ nanofluids according to the shape of the nanoparticles, we measure the pressure drop in a fully developed laminar flow regime. Water-based Al₂O₃ nanofluids of 0.3 Vol.% with sphere-, rod-, platelet-, and brick-shaped nanoparticles are manufactured by the two-step method. Zeta potential is measured to examine the suspension and dispersion characteristics, and TEM image is considered to confirm the shape characteristics of the nanoparticles. The experimental results show that the pressure drop of Al₂O₃ nanofluids depends on the shape of the nanoparticles although the nanofluids has same volume fraction of nanoparticles. This is explained by the surface area per unit mass of the nanoparticles and the size of the nanoparticles suspended in the base fluids.

나노유체를 이용한 평판형 태양열 집열기의 효율에 관한 연구

이승현(Seung-Hyun Lee),장석필(Seok Pil Jang) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.9

본 논문에서는 나노유체를 사용한 평판형 집열기의 효율을 예측하기 위한 이론적인 연구를 수행하였다. 평판형 태양열 집열기 내부의 온도분포에 관한 해석적 해를 구하기 위해 무차원화된 2 차원 열확산방정식을 풀었으며, 이 과정에서 흡광계수와 복사강도는 파장에 독립적이라고 가정하였다. 이렇게 주어진 식을 바탕으로, 물-기반 단일벽 탄소나노혼 나노유체를 작동유체로 사용할 경우 나노입자의 부피비, 열손실의 크기, 집열기의 높이에 따른 무차원 온도분포를 파악해 보았다. 마지막으로 나노유체 기반 평판형 집열기의 효율을 예측해 본 결과 일정 형상조건 이내에서 나노유체 태양열 집열기가 기존 집열기 보다 높은 효율을 가질 수 있음을 파악하였다. An analytical study is conducted to assess the efficiency of a flat-plate solar collector using nanofluids. The nondimensionalized 2D heat diffusion equation is solved by assuming a wavelength-independent extinction coefficient and intensity to obtain the analytical solution of the temperature distribution in the flat-plate solar collector. The dimensionless temperature distribution is investigated as functions of the volume fraction of the nanofluids, magnitude of heat loss, and collector’s depth based on the analytical solution when using water-based single-walled carbon nanohorn (SWCNH) nanofluids as a working fluid. Finally, the efficiency of the flat-plate solar collector using the nanofluids is predicted and compared with that of the conventional solar collector. The results indicate that the efficiency of the nanofluid solar collector is better than that of the conventional solar collector under specific geometrical conditions.

큐어링 장치를 내장한 고구마 저온저장고의 개발

강민균 ( Min-kyun Kang ),박병문 ( Byung-moon Park ),김종민 ( Jong-min Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

고구마의 생산비 중에서 노동비는 52.6%로 절대적이고, 수확단계의 기계화율은 57.9% 수준으로 가장 낮다(농촌진흥청, 2020). 수확단계 기계화 추진의 가장 큰 장애물은 쉽게 상처가 발생하는 고구마의 표층 물성과 이로 인한 낮은 단계의 기계화 적용이다. 이는 수확단계에서 상처를 적게 주는 인력(농작업도구) 혹은 굴취(쟁기, 체인)형(사질토) 수준의 수확을 진행하는 것으로 고구마 기계화 추진의 한계이다. 수확한 고구마에 대한 큐어링(아물이처리로 통칭하며 수확시 발생하는 상처를 치료하여 저장성을 향상시킴) 작업 후에 방열작업을 거쳐 저장(12∼14℃)한다. 일반적으로 최적의 큐어링은 온도 32∼35℃, RH 85∼90%, 온풍장치 출구풍속 2.5∼3m/sec, 작업시간 3∼4일이고, 큐어링 후에 최적의 저장조건은 온도 12∼15℃, RH 85∼90% 수준으로 알려져 있다 고구마는 큐어링작업으로 자연감량이 적어지고, 단맛이 많아지며, 저장력이 강해지고, 발아능력도 좋아진다(농촌진흥청, 2021). 그러나 현재까지 큐어링 작업은 콘크리트 구조물에서 대량으로 진행되는데, 가구당 재배면적은 농림어업총조사에서 0.09ha(KOSIS, 2015) 수준으로 낮아, 수확단계에서 농가단위의 적절한 기계화 추진 및 대응에 한계가 있다. 따라서 농가단위로 보급되는 저온저장고에 큐어링과 저장의 개념을 통합하고, 품종별로 부패율, 감량률이 최적화된 큐어링 저온저장고 개발이 필요하다.

입자 크기에 따른 물/에틸렌글리콜 기반 알루미나 나노유체의 열전도도

최태종(Tae Jong Choi),김수빈(Soo Bin Kim),장석필(Seok Pil Jang),정대수(Dae Soo Jung),임형미(Hyung Mi Lim) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.3

본 논문에서는 입자 크기에 따른 물/에틸렌글리콜 기반 알루미나 나노유체의 열전도도 특성을 실험적으로 연구하였다. 이를 위해 물/에틸렌글리콜 기반 알루미나 나노유체를 Modified two-step method를 이용하여 제작하였다. 나노유체 속에 분산된 입자의 크기는 Particle Size Analyzer(PSA)로 분석하였으며, 나노유체의 열전도도는 비정상열선법(Transient Hot Wire Method)을 이용하여 측정하였다. 나노입자의 크기는 RCF×h가 증가할수록 감소하는 것을 확인하였으며, 입자의 크기가 감소할수록 온도에 따라 열전도도가 상승하는 온도 의존성이 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 단위부피당 열전도도 측정 결과, 입자의 크기가 작을수록 열전도도 향상 폭이 더 높은 것을 실험적으로 확인하였다. This paper experimentally reports the effect of particle size on the thermal conductivity of water/ethylene glycol-based alumina nanofluids. For this study, the water/ethylene glycol-based alumina nanofluids was manufactured using the modified two-step method. The particle size dispersed in nanofluids was measured by the particle size analyzer, and thermal conductivity of nanofluids was measured by the transient hot wire method. The particle size decreased with total RCF and the temperature dependence of nanofluids was observed as the particle size decreased. Moreover, it was experimentally confirmed that the nanofluids exhibit higher thermal conductivity as the particle size decreased.

나노유체를 이용한 써모사이폰의 열전달 성능 특성에 관한 실험적 연구

이무연(Moo Yeon Lee),조중원(Chung Won Cho),이호성(Ho Seong Lee),원종필(Jong Phil Won),임택규(Taek Kyu Lim) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.11

본 논문은 나노유체를 적용하여 써모사이폰 열전달 성능 특성 변화를 실험적으로 규명하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 위하여, 증발부 내부체적을 공유하는 3 개의 독립된 파이프를 가지는 써모사이폰을 제작하였으며 증류수, Ag 나노유체 그리고 TiO₂ 나노유체에 대하여 충진량, 증발부에 가해지는 입력열량 그리고 농도변화에 따른 써모사이폰 성능특성 변화를 고찰하였다. 증류수를 작동유체로 사용하는 경우 써모사이폰의 최적충진량은 30%로 결정되었고, TiO₂ 나노유체를 적용하는 써모사이폰 열저항이 Ag 나노유체를 적용한 경우에 비하여 평균 18.1% 감소하였다. 또한, 300W 입력열량 및 TiO₂ 나노유체 농도 1%에서 써모사이폰의 열전달 성능은 가장 우수하였다. This study aims to experimentally investigate the heat transfer characteristics of a thermosyphon using nanofluids. A thermosyphon with three individual pipes, which share the internal volume of the evaporator section, was designed, and its performance was tested for various charge amounts, input powers of the evaporator section’s heater, and concentrations of working fluids. The optimized charge amount of the thermosyphon using distilled water was 30%, and the thermal resistance of the thermosyphon with TiO₂ nanofluid was 18.1% lower than that with Ag nanofluid. In addition, the heat transfer performance of the thermosyphon with TiO₂-1% was optimized at an input power of 300 W at the evaporator section’s heater and a charge amount of 30%.

탄소나노튜브 적용 나노유체의 임계 열유속까지의 비등 열전달계수

박기정(Ki-Jung Park),이요한(Yohan Lee),정동수(Dongsoo Jung),심상은(Sang Eun Shim) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.7

본 연구에서는 순수 물에 탄소나노튜브를 분산시킨 나노유체를 작동유체로 하여 60℃에서 정사각형 구리평면 히터를 이용하여 핵 비등 열전달계수와 임계 열유속을 측정하였다. 탄소나노튜브의 체적비는 0.0001%, 0.001%, 0.01%까지 변화시켜 실험을 수행하였다. 탄소나노튜브는 고분자 물질을 사용하여 분산시키지 않고 탄소나노튜브에 직접 산화처리를 하여 분산시켰다. 실험 결과 나노유체의 열전달계수는 순수 물과 비교해 모든 체적비에서 증가하였다. 산화 처리를 한 탄소나노튜브는 비등이 일어나는 동안 열 경계층 안에서 열전도도가 큰 탄소나노튜브가 침착되지 않고 열전달 표면에 자주 접촉함으로써 열 경계층을 교란시켜 비등 열전달을 촉진시키는 것으로 사료된다. 임계 열유속은 체적비 0.001%에서 순수 물의 결과에 비해 150%까지 증가하였다. 이는 열전달 표면에서 탄소나노튜브가 매우 얇게 침착되어 생긴 나노 막으로 인해 거대한 기포막의 형성이 억제되고 핵 비등이 높은 열유속에서도 지속되어 임계 열유속이 증가하는 것으로 판단된다. In this study, the nucleate pool boiling heat transfer coefficients (HTCs) and critical heat flux (CHF) for a smooth and square flat heater in a pool of pure water with and without carbon nanotubes (CNTs) dispersed at 60℃ were measured. Tested aqueous nanofluids were prepared using CNTs with volume concentrations of 0.0001%, 0.001%, and 0.01%. The CNTs were dispersed by chemically treating them with an acid in the absence of any polymers. The results showed that the pool boiling HTCs of the nanofluids are higher than those of pure water in the entire nucleate boiling regime. The acid-treated CNTs led to the deposition of a small amount of CNTs on the surface, and the CNTs themselves acted as heat-transfer-enhancing particles, owing to their very high thermal conductivity. There was a significant increase in the CHF? up to 150%?when compared to that of pure water containing CNTs with a volume concentration of 0.001%. This is attributed to the change in surface characteristics due to the deposition of a very thin layer of CNTs on the surface. This layer delays nucleate boiling and causes a reduction in the size of the large vapor canopy around the CHF. This results in a significant increase in the CHF.