제 4장 태양열 집열기의 성능 실험 결과 및 고찰
제 1 절 MWCNT 나노유체 적용 태양열 집열기의 성능 실험 결과
1. MWCNT 나노유체 농도 변화에 따른 태양열 집열기의 성능 고
0.005vol%에서 0.007vol%로 증가할 때 효율은 더 이상 증가하지 않음을 확인하였 다. 이는 나노유체의 농도가 증가할수록 열전도도는 증가하게 되지만 나노유체의 분산안정성이 낮아지게 되고 이에 나노입자들의 뭉침 현상이 발생하여 나노유체의 열전달 및 흡수력이 감소하기 때문이다.
Fig. 4.1(b)은 진공관형 태양열 집열기에 MWCNT 나노유체의 농도를 변화시켰을 때 효율을 보여준다. 진공관형 태양열 집열기에서도 물을 사용하였을 때보다 MWC NT 나노유체를 사용하였을 때 효율이 증가함을 확인하였다. 진공관형 태양열 집열기에 물을 사용하였을 때 최대효율은 54.9%로 나타났으며 0.001vol%-, 0.003vo l%-, 0.005vol%-, 0.007vol%-MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 최대효율은 각각 6 2.9%, 67.5%, 75.6%, 73.4%로 나타났다. 0.005vol%-MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 가장 높은 효율을 보였으며 이는 물을 사용하였을 때보다 효율이 약 37.7%
향상됨을 확인하였다. 그리고 0.001vol%-, 0.003vol%-, 0.007vol%-MWCNT 나노유체를 사용하였을 경우 물을 사용하였을 때보다 집열기의 효율이 각각 14.
6%, 22.9%, 33.7% 향상됨을 확인하였다. 진공관형 태양열 집열기에서도 0.005vol%-MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 가장 높은 75.6%의 효율을 보였으며 0.007vol%
-MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 효율이 감소하는 것을 확인하였다.
Table 4.1은 평판형 태양열 집열기 물과 MWCNT 나노유체의 농도 변화에 따른 효율과 관련된 매개변수를 보여준다. 이때 열획득계수, ()가 클수록 태양열 집열기에서 열에너지 전달 및 흡수력이 우수한 것을 나타내며, 열손실계수, () 가 작을수록 외부로의 열손실이 적음을 나타낸다. 평판형 태양열 집열기의 열획득 계수인 는 0.005vol%-MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 0.875로 가장 높았 으며 열손실계수인 은 50.24로 나타났다. 반면 평판형 태양열 집열기에 물을 사용하였을 때 열획득계수인 은 0.627로 가장 작게 나타났으며 열손실계수 인 은 21.64로 가장 작게 나타남을 확인하였다. 즉, 평판형 태양열 집열기에 0.005vol%-MWCNT 나노유체를 사용하게 되면 고온 영역에서 높은 효율을 얻을 수 있지만 저온 영역에서 열손실이 크다는 것을 확인할 수 있다. 물의 경우 고온 영 역에서는 낮은 효율을 보이지만 저온 영역에서는 열손실이 작기 때문에 상대적으 로 높은 효율을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 평판형 태양열 집열기에 물과
MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 온도 범위에 따라 더 높은 효율의 작동유체를 선택할 수 있게 됨으로써 태양열 집열기 시스템을 경제적으로 작동시킬 수 있을 것으로 판단된다.
Table 4.2는 진공관형 태양열 집열기 물과 MWCNT 나노유체의 농도 변화에 따 른 효율과 관련된 매개변수를 보여준다. 0.005vol%-MWCNT 나노유체를 사용하였 을 때 열획득계수인 는 0.756으로 가장 높았으며 열손실계수인 는 41.83으로 나타났다. 물을 사용하였을 때 열획득계수인 는 0.549이며 열손실 계수인 는 20.61로 가장 낮게 나타남을 확인하였다. 진공관형 태양열 집열기 에서 작동유체로 물과 MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 성능 특성의 경향은 평 판형 태양열 집열기와 비슷하게 나타나는 것을 확인하였다.
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 20
30 40 50 60 70 80
90 MWCNT nanofluid
0.001 vol%
0.003 vol%
0.005 vol%
0.007 vol%
Efficiency (%)
(Ti-Ta)/G (m2·K/W) MWCNT nanoparticle size: 20 nm
Mass flow rate: 0.047 kg/s
Water
(a) Flat plate solar collector
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008
20 30 40 50 60 70 80 90
MWCNT nanoparticle size : 20 nm Mass flow rate: 0.047 kg/s
MWCNT nanofluid 0.001 vol%
0.003 vol%
0.005 vol%
0.007 vol%
Efficiency (%)
(Ti-Ta)/G (m2·K/W)
Water
(b) Evacuated tube solar collector
Fig. 4.1 Efficiency of the solar collector depending on the concentration of the MWCNT nanofluid (MWCNT nanoparticle size: 20 nm, =0.047 kg/s)
Working fluid
(particle size, concentration) MWCNT nanofluid
(20 nm, 0.001vol%) 0.788 52.99 0.92 MWCNT nanofluid
(20 nm, 0.003vol%) 0.825 53.23 0.89 MWCNT nanofluid
(20 nm, 0.005vol%) 0.875 50.24 0.86 MWCNT nanofluid
(20 nm, 0.007vol%) 0.849 52.05 0.91
Water 0.627 21.64 0.88
Table 4.1 Efficiency parameters in the flat plate solar collector using MWCNT nanofluid and water
Working fluid
(particle size, concentration) MWCNT nanofluid
(20 nm, 0.001vol%) 0.629 43.35 0.91 MWCNT nanofluid
(20 nm, 0.003vol%) 0.675 42.99 0.93 MWCNT nanofluid
(20 nm, 0.005vol%) 0.756 41.83 0.93 MWCNT nanofluid
(20 nm, 0.007vol%) 0.734 43.98 0.96
Water 0.549 20.61 0.98
Table 4.2 Efficiency parameters in the evacuated tube solar collector using MWCNT nanofluid
2. MWCNT 나노입자 크기에 따른 태양열 집열기의 성능 고찰
Fig. 4.2는 평판형과 진공관형 태양열 집열기에 작동유체로 MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 나노입자 크기 변화에 따른 성능을 보여준다. 이때 MWCNT 나노유 체의 농도는 0.005vol%를 사용하였으며 작동유체의 질량유량은 0.047 kg/s를 사용 하여 실험을 진행하였다. Fig. 4.2(a)는 평판형 태양열 집열기에 작동유체로 MWCNT 나노입자의 크기가 20 nm, 50 nm, 80 nm인 0.005vol%-MWCNT 나노유체 를 사용하였을 때 집열기의 성능을 보여주고 있다. 평판형 태양열 집열기에 작동 유체로 크기가 각각 20 nm, 50 nm, 80 nm인 0.005vol%-MWCNT 나노유체를 사용 하였을 때 최대 효율은 각각 87.5%, 81.3%, 77.7%로 나타났다. 20 nm 크기의 MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 가장 효율이 높았으며 이는 50 nm와 80 nm 크기의 MWCNT 나노유체를 사용하였을 때보다 효율이 각각 7.6%와 12.6% 향상됨 을 확인하였다. 일반적으로 나노입자의 크기가 작을수록 나노유체의 열전도도가 증가하게 되고, 나노유체 내의 브라운 운동이 활발해져 열전달 성능이 증가하게 되어 태양열 집열기의 성능이 향상되는 것으로 판단된다. 따라서 크기가 가장 작 은 20 nm-0.005vol% MWCNT 나노유체에서 가장 높은 효율을 보인 것을 확인할 수 있다.
Fig. 4.2(b)는 진공관 태양열 집열기에 작동유체로 MWCNT 나노입자의 크기 변 화에 따른 성능을 보여주고 있다. 진공관형 태양열 집열기에 작동유체로 크기가 각각 20 nm, 50 nm, 80 nm인 0.005vol%-MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 최대 효율은 각각 75.6%, 65.6%, 61.6%로 나타났다. 진공관형 태양열 집열기에 20 nm 크기의 MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 효율이 가장 높았으며 50 nm와 80 nm 크기의 MWCNT 나노유체를 사용하였을 때보다 효율이 각각 15.2%와 22.7% 향상 됨을 확인하였다.
Table 4.3과 Table 4.4는 평판형과 진공관형 태양열 집열기의 MWCNT 나노입자 크기 변화에 따른 효율과 관련된 매개변수를 보여준다. 평판형 태양열 집열기의 경우 20 nm 크기의 MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 열획득계수인 가 0.875로 가장 높았으며 80 nm 크기의 MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 열획득
계수가 0.777로 가장 낮음을 확인하였다. 열손실계수인 는 80 nm-MWCNT 나 노유체를 사용하였을 때 44.03으로 가장 낮았으며 20 nm-MWCNT 나노유체를 사 용하였을 때 50.24로 가장 높은 것을 확인하였다. 진공관형 태양열 집열기에서도 평판형 태양열 집열기와 비슷한 경향을 보인 것을 확인하였으며 열획득계수는 20 nm-MWCNT 나노유체를 사용할 때 0.756으로 가장 높았으며 80 nm-MWCNT 나노 유체를 사용할 때 0.616으로 가장 낮은 값을 가지는 것을 확인하였다.
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 40
50 60 70 80 90
MWCNT nanoparticle size 20 nm 50 nm 80 nm
Efficiency (%)
(Ti-Ta)/G (m2·K/W) MWCNT nanofluid concentration: 0.005 vol%
Mass flow rate: 0.047 kg/s
(a) Flat plate solar collector
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008
20 30 40 50 60 70 80
90 MWCNT nanoparticle size
20 nm 50 nm 80 nm
Efficiency (%)
(Ti-Ta)/G (m2·K/W) MWCNT nanofluid concentration: 0.005 vol%
Mass flow rate: 0.047 kg/s
(b) Evacuated tube solar collector
Fig. 4.2 Variation of thermal efficiency in the solar collector for various MWCNT nanoparticle sizes (Concentration: 0.005vol%, = 0.047 kg/s)
Working fluid
(particle size, concentration) MWCNT nanofluid
(20 nm, 0.005vol%) 0.875 50.24 0.86 MWCNT nanofluid
(50 nm, 0.005vol%) 0.813 44.18 0.89 MWCNT nanofluid
(80 nm, 0.005vol%) 0.777 44.03 0.88 Table 4.3 Efficiency parameters in the flat plate solar collector according to
MWCNT nanoparticle sizes
Working fluid
(particle size, concentration) MWCNT nanofluid
(20 nm, 0.005vol%) 0.756 41.83 0.93 MWCNT nanofluid
(50 nm, 0.005vol%) 0.656 42.18 0.86 MWCNT nanofluid
(80 nm, 0.005vol%) 0.616 46.85 0.90 Table 4.4 Efficiency parameters in the evacuated tube solar collector according
to MWCNT nanoparticle sizes
3. MWCNT 나노유체의 질량유량 변화에 따른 태양열 집열기의 성능 고찰
Fig. 4.3은 평판형과 진공관형 태양열 집열기에 작동유체로 물과 20 nm-0.005vol% MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 작동유체의 질량유량 변화에 따 른 집열기의 성능을 보여주고 있다. Fig. 4.3(a)은 평판형 태양열 집열기에 물과 MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 작동유체의 질량유량 변화에 따른 성능을 보 여준다. 이때 작동유체의 질량유량은 0.033 kg/s와 0.047 kg/s를 사용하였으며, MWCNT 나노입자의 크기는 20 nm이고 농도는 0.005vol%를 사용하여 실험을 진행 하였다. 평판형 태양열 집열기의 작동유체의 질량유량이 0.047 kg/s일 때 물과 MWCNT 나노유체의 최대 효율은 각각 62.7%와 87.5%로 나타났다. 그리고 작동유 체의 질량유량이 0.033 kg/s일 때 물과 MWCNT 나노유체의 최대 효율은 각각 58.9%와 74.3%로 나타났다. 작동유체의 질량유량이 0.033 kg/s에서 0.047 kg/s로 증 가함에 따라 물과 MWCNT 나노유체의 효율은 각각 6.5%와 17.7% 향상됨을 확인 하였다. 작동유체의 질량유량이 증가하였을 때 평판형 태양열 집열기의 성능도 증 가함을 보였다. 이는 작동유체의 질량유량이 증가함에 따라 평판형 태양열 집열기 의 입구와 출구에서 작동유체의 온도 차이가 감소하지만, 집열기 전체에서 작동유 체와 집열판의 온도 차이가 증가하게 되고 이에 따라 작동유체로의 열전달량이 증 가하게 되어 많은 열량이 효과적으로 전달되기 때문에 성능이 향상된 것으로 판단 된다. 반면 평판형 태양열 집열기의 작동유체의 질량유량 증가는 집열기 출구에서 작동유체의 온도를 감소시킴으로써 작동유체의 출구측 태양열 집열기의 엑서지 및 유용도는 다소 감소하게 된다.
Fig. 4.3(b)은 진공관형 태양열 집열기에 물과 MWCNT 나노유체를 사용하였을 때 작동유체의 질량유량 변화에 따른 성능을 보여준다. 이때 작동유체의 질량유량 은 0.033 kg/s와 0.047 kg/s를 사용하였으며, MWCNT 나노입자의 크기는 20 nm이 고 농도는 0.005vol%를 사용하여 실험을 진행하였다. 작동유체의 질량유량이 0.047 kg/s일 때 물과 MWCNT 나노유체의 최대 효율은 각각 54.9%와 75.6%이며, 질량유 량이 0.033 kg/s일 때 물과 MWCNT 나노유체의 최대 효율은 각각 51.2%와 66.6%
로 나타났다. 진공관형 태양열 집열기에서 작동유체의 질량유량이 0.033 kg/s에서 0.047 kg/s로 증가함에 따라 물과 MWCNT 나노유체의 효율은 각각 7.2%와 13.5%
향상됨을 확인하였다.
Table 4.5와 Table 4.6은 평판형과 진공관형 태양열 집열기의 작동유체의 질량유 량 변화에 따른 효율과 관련된 매개변수를 보여준다. 평판형 태양열 집열기의 경 우 작동유체의 질량유량이 0.047 kg/s일 때 물과 MWCNT 나노유체의 열획득계수 인 가 각각 0.627와 0.875이며, 열손실계수인 은 각각 21.64와 50.24로 나타났다. 반면에 질량유량이 0.033 kg/s일 때 물과 MWCNT 나노유체의 열획득계 수인 은 각각 0.589와 0.743이며, 열손실변수인 은 22.36와 44.91로 나 타났다. 물과 MWCNT 나노유체의 열획득계수는 질량유량이 0.033 kg/s를 사용하였 을 때보다 0.047 kg/s를 사용하였을 때 더 큰 것을 확인하였다. 진공관형 태양열 집열기의 경우 작동유체의 질량유량이 0.047 kg/s일 때 물과 MWCNT 나노유체의 열획득계수인 가 각각 0.549와 0.756이며, 열손실변수인 은 각각 20.61 와 41.83으로 나타났다. 반면에 작동유체의 질량유량이 0.033 kg/s일 때 물과 MWCNT 나노유체의 열획득계수인 은 각각 0.512와 0.666이며, 열손실 변수 인 은 20.93와 40.71로 나타났다.