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.

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.

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.

2상 모델을 이용한 나노유체의 고온 열전도도 측정 연구

박상일(Sang-il Park),이욱현(Wook-Hyun Lee) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.2

나노유체로 기공이 채워진 규사와 같은 2상 물질의 고온에서의 유효 열전도도를 비정상열침법을 사용하여 측정하였다. 본 연구의 나노유체는 물과 0.1% 체적률의 입경이 45 ㎚ 인 알루미나 나노입자의 혼합유체이다. 본 연구의 측정방법은 액체가 모래의 미세한 기공 내에 존재하므로, 열전도도의 측정에서의 액체의 대류에 의한 문제가 적다. 본 연구의 모래에 대한 예측모델을 사용하여 나노유체와 모래입자의 2상 물질의 유효 열전도도의 측정결과로부터, 고온의 나노유체의 열전도도를 결정하였다. 실험결과, 30℃ ~ 80℃의 온도범위에서 순수한 물에 대한 본 연구의 나노유체의 열전도도의 증가율은 4.87% ~ 5.48% 의 범위에서 변화하는 것으로 나타났다. The effective thermal conductivity of two-phase materials such as unbonded silica sands saturated with a nanofluid was measured at high temperature using the transient thermal probe method. The nanofluid used in this study was a water-based mixture of 0.1 vol% Al₂O₃ nanoparticles with a diameter of 45 ㎚. The convection problem for fluids was prevented with this measurement method because the fluid was confined to within very small pore spaces. Based on the prediction model for unbonded sands, the thermal conductivities of the saturating nanofluid at high temperatures could be determined with the measured effective thermal conductivities for the two-phase material. In the results, increases in the thermal conductivity ratios of the nanofluid to pure water when temperatures were varied from 30° to 80℃ were within the range of 4.87%~5.48%.

나노 유체(Nanofluids)의 열전도도

장석필(Seok Pil Jang) 대한기계학회 2004 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2004 No.4

Investigators have been perplexed with the thermal phenomena behind the recently discovered nanofluids, fluids with unprecedented stability of suspended nanoparticles although huge difference in the density of nanoparticles and fluid. For example, nanofluids have anomalously high thermal conductivities at very low fraction, strongly temperature-dependent and size-dependent conductivities, and three-fold higher critical heat flux than that of base fluids. Traditional conductivity theories such as the Maxwell or other macroscale approaches cannot explain why nanofluids have these intriguing features. So in this paper, we devise a theoretical model that accounts for the fundamental role of dynamic nanoparticles in nanofluids. The proposed model not only captures the concentration and temperature-dependent conductivity, but also predicts strongly size-dependent conductivity. Furthermore, we physically explain the new phenomena for nanofluids. In addition, based on a proposed model, the effects of various parameters such as the ratio of thermal conductivity of nanofluids to that of a base fluid, volume fraction, nanoparticle size, and temperature on the thermal conductivities of nanofluids are investigated.

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.

일반화된 자기일치모델과 수정된 에쉘비 모델을 이용한 나노유체의 등가열전도계수 예측에 대한 연구

이재곤(Jae-Kon Lee),김진곤(Jin Gon Kim) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.10

복합재의 물성치 해석에 일반적으로 사용되는 일반화된 자기일치모델(Generalized Self-Consistent Model)과 수정된 에쉘비모델(Modified Eshelby Model)을 이용하여 나노유체의 열전도계수를 예측할 수 있음을 보였다. 이 유체의 열전달효과를 대폭 향상시키는 대표적인 메카니즘 중 하나인 나노입자와 기본유체 사이에 존재하는 나노층의 영향을 고려하여 나노유체의 열전도계수를 예측하였다. 본 연구는 나노층의 열전도계수가 일정한 값을 가질 때 기존 대표적인 모델과 동일한 결과를 보였으며, 선형적으로 변할 때 역시 문헌에 있는 모델과 동등한 수준의 예측 값을 보였다. 알루미나와 산화구리를 나노입자로물과 에틸렌글리콜을 기본유체로 한 나노유체의 열전도계수에 대한 실험결과와 본 모델의 예측결과를 비교함으로써 본 모델의 타당성을 입증하였다. Effective thermal conductivity of nanofluids has been predicted by using generalized self-consistent model and modified Eshelby model, which have been used for analysis of material properties of composites. A nanolayer between base fluid and nanoparticle, one of key factors for abrupt enhancement of thermal conductivity of nanofluids, is included in the analysis. The effective thermal conductivities of the nanofluid predicted by the present study show good agreement with those by models in the literature for the nanolayer with a constant or linear thermal conductivity. The predicted results by the present approach have been confirmed to be consistent with experiments for representative nanofluids such as base fluids of water or ethyleneglycol and nanoparticles of Al₂O₃ or CuO to be validated.

2차 전지용 다공체 전극과 나노 유체의 상관 관계

김정명(Jungmyung Kim),조승환(Seunghwan Cho),김두수(Dusu Kim),박희성(Heesung Park) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集B Vol.45 No.9

바나듐 산화/환원 유동 전지의 시스템 효율 향상을 위한 나노 유체 전해액의 동점도, 차압 및 전기화학적 특성 정량화에 관한 연구를 수행하였다. 네 가지 나노 입자와 세 가지 유체에 대한 동점도 측정은 이론식과 비교되었으며, 친수성 특성을 가지는 나노 입자의 경우 상대적으로 낮은 함량비에서 기존 유체 대비 동점도 특성이 개선되었다. VRFB 활성 영역으로 사용된 다공체 탄소 펠트에 대한 나노유체의 차압 특성은 나노 입자 함량의 증가에 비례하는 결과를 보였다. 나노 유체 전해액의 전기화학적 성능 측정은 MWCNT 나노 입자에 대하여 수행되었으며, 산화/환원 피크 전류의 경우 양극/음극 전해액 모두에서 입자 함량에 비례하여 증가하였다. 음극 전해액의 경우 나노 입자 함량에 비례하는 가역성을 확인하였다. A study was conducted on the quantification of kinematic viscosity, differential pressure, and electrochemical properties of nanofluid electrolytes to improve the efficiency of the vanadium redox flow cell system. The kinematic viscosity measurements for four nanoparticles and three fluids were compared with the theoretical equations, and the kinematic viscosity characteristics of nanoparticles with hydrophilic properties improved compared to conventional fluids at a relatively low content. The differential pressure characteristics of the nanofluid with respect to the porous carbon felt used as the VRFB active region showed a result proportional to the increase in the nanoparticle content. The electrochemical performance measurement of the nanofluidic electrolyte was performed on MWCNT nanoparticles, and the oxidation/reduction peak current increased in proportion to the particle content in both the anode/cathode electrolyte. In the case of the negative electrolyte, the reversibility was confirmed in proportion to the nanoparticle content.