Fig. 6.44 Thermal conductivity ratio as a function of nanoparticle size at different temperatures(concentration: 1.0 vol%)
이는 동일한 농도를 제작할 때 상대적으로 작은 입자의 양이 큰 입자의 양보다, 더 많기 때문에 더 많은 수의 나노입자가 들어간 나노유체가 물과 입자들 사이의 열전달이 커져 열전도도가 증가하기 때문이다 또한 나노입자의 미세운동과 관련하. 여 입자의 크기가 작은 나노유체는 입자가 큰 나노유체보다 입자와 물 사이의 미 세운동의 강도가 증가하여 열전달을 촉진시기 때문이다 즉 동일한 농도에서 작은. , 나노입자로 구성된 나노유체가 더 높은 열전도도를 가진다 선행연구에 따르면. 입자 크기가 감소함에 따라 나노입자의 브라운 운동이 커지고 나노유 (Jang, 2007)
체의 입자들 사이에 대류가 활발해진다 브라운 운동이란 액체나 기체 속에서 미소. 입자들이 불규칙하게 운동하는 현상을 의미한다 결과적으로 입자 크기가 작은 나. 노유체의 열전도도는 커지게 된다 또한 온도가 증가함에 따라 기본유체의 동점도. 가 감소하게 되고 나노입자의 브라운 운동이 증가된다 이러한 영향은 나노유체의. 대류 현상을 현저하게 증가시켜 주기 때문에 유체의 온도가 증가함에 따라 나노유 체 열전도도가 증가하게 된다 본 연구에서 평판형과. U-tube형 태양열 집열기에서 작동유체를 Al2O3 나노유체를 사용하였을 때의 성능향상 정도를 분석하기 위해 나 노입자 크기와 농도가 서로 다른 조건에서 각각 여러 번의 실험을 수행하였으며 이들의 평균적인 데이터를 분석하였다.
와 은 작동유체의 질량유량이 일 때 나노입자의 크기 Fig. 6.45 Fig. 6.46 0.047 kg/s
가 20 nm, 농도가 0.5 vol%의 나노유체와 기본유체인 물을 적용하여 실험을 수행 하였을 때 하루 동안에 대한 집열기의 입출구 온도 외기온도 일사량의 변화를 보, , 여주고 있다 두 집열기에 대하여 입구온도는 동일하며 외기 조건에 따라 효율차. , 이에 의하여 출구온도가 변하는 것을 확인할 수 있다.
실험결과, 20 nm 크기의 0.5 vol% Al2O3 나노유체를 적용한 평판형 태양열 집열 기의 출구온도는 물을 사용하였을 때보다 평균적으로 0.54℃ 상승하였으며 최대 상승하였다 또한 동일 조건에서 형 태양열 집열기의 출구온도는 물을
1.0℃ . U-tube
사용하였을 때보다 평균적으로 0.7℃ 상승하였으며 최대 1.1℃ 상승하였다 입구온. 도와 출구온도의 차는 전체적으로 평판형 태양열 집열기는 2.86~3.4℃ 상승하는 결 과를 보인반면 U-tube형 집열기는 3.2~3.9℃ 상승하는 결과를 가져왔다. 이는 형 태양열 집열기가 평판형 태양열 집열기보다 뛰어난 응답성을 보인 결과 U-tube
라 판단된다 특히 일사량이 높은 조건에서는 나노유체의 출구온도가 물보다 크게. , 향상됨을 확인할 수 있으며 반면에 일사량이 낮은 조건에서는 나노유체를 사용하 는 경우와 물을 사용하는 경우의 출구온도 차는 점점 줄어듦을 알 수 있다 이는. 일사량이 높은 조건일 때에 나노유체가 물보다 상대적으로 태양열 에너지 흡수력 이 우수하며 열용량이 크고 반면 열손실이 작기 때문이다 하지만 일사량이 낮을. 때는 나노유체의 열손실이 물보다 큼을 확인할 수 있다 또한 나노유체의 비열이. 물의 비열보다 작기 때문에 낮은 일사량에서는 출구 온도의 감소 정도가 더 급격 함을 알 수 있다 따라서 일사량이 점점 감소함에 따라 태양열 집열기에서 나노유. 체의 출구온도는 물의 출구온도와 거의 동일하게 됨을 확인하였다.
SCFP
m = 0.047 kg/s
To (Al2O3) To (Water) Ti (Al2O3 or Water)
Ta Solar radiation
0 4 8 12 16 20 24
Temperature (o C)
Time (h)
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 0 200 400 600 800 1000
Solar radiation (W/m2 )
Fig. 6.45 Variations of temperature and solar radiation in the flat plate solar collector for 1 day(nanoparticle size: 20 nm, concentration: 0.5 vol%)
ESCU
m = 0.047 kg/s
To (Al2O3) To (Water) Ti (Al2O3 or Water)
Ta Solar radiation
0 4 8 12 16 20 24
Temperature (o C)
Time (h)
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 0 200 400 600 800 1000
Solar radiation (W/m2 )
Fig. 6.46 Variations of temperature and solar radiation in the U-tube solar collector for 1 day(nanoparticle size: 20 nm, concentration: 0.5 vol%)
은 작동유체의 질량유량이 일 때 나노입자의 크기를 가 Fig. 6.47 0.047 kg/s 20 nm
지는 Al2O3 나노유체의 농도 변화에 따른 평판형 태양열 집열기와 U-tube형 태양열 집열기 효율의 변화를 보여주고 있다. Al2O3 나노유체를 사용한 집열기의 효율이 물을 사용한 집열기보다 우수함을 알 수 있다 여기서. Ti=Ta일 때 태양열 집열기의 효율은 최대값을 가지며 (Ti-Ta)/G가 증가할수록 효율이 감소함을 확인할 수 있다.
실험결과 Al2O3 나노유체를 적용한 태양열 집열기의 효율이 물을 적용한 태양열 집 열기의 효율에 비하여 모든 조건에서 크게 향상됨을 확인하였다 평판형 태양열 집. 열기의 효율은 Ti=Ta일 때 나노유체의 농도가 1.5 vol%인 집열기의 효율은 77.3%로 가장 높은 효율을 보였으며 U-tube형 태양열 집열기는 1.0 vol%에서 72.4%로 가장 높은 효율을 보였다 두 집열기의 집열효율은 평판형 태양열 집열기가. 4.9% 높은 결과를 보였다 가장 낮은 효율을 보인 조건은. Ti=Ta일 때 평판형, U-tube형 집열기 는 모두 나노유체의 농도 0.5 vol%에서 각각 70.5%, 65.9%로 나타났다.
형 태양열 집열기는 평판형 집열기와 달리 나노유체의 농도가 에
U-tube 1.0 vol%
서 가장 좋은 집열효율을 보였다 이는 나노유체의 열전도도는 농도가 증가함에 따. 라 증가하기 때문에 나노유체의 농도가 1.5 vol%일 때 열전도도는 나노유체의 농도 일 때보다 더 크지만 나노유체가 고농도로 갈수록 나노입자들의 분산안정 1.0 vol%
성이 낮아짐으로 입자 사이에 열에너지 전달 및 흡수력이 감소하고 농도가 증가할 수록 점성도 증가하여 경계층 두께의 증가로 열전도율은 감소하게 되기 때문이다.
또한 평판형 집열기가, U-tube형 집열기에 비하여 물 대비 나노유체를 적용했을 때 의 효율 상승률은 평균적으로 약 4.6% 더 높게 나타났다.
서로 다른 나노유체의 농도에 따른 효율의 향상에 관한 효과를 비교하기 위해서 얻어진 결과를 특성 매개 변수를 갖는 선형 방정식을 이용하여 Table 6.5와 같이 나타낼 수 있다 평판형 집열기의 열획득계수. 값은 나노유체의 농도가 1.5
에서 최대값 를 나타내었고 이때 열손실계수
vol% 0.774 값은 20.309이다.
형 태양열 집열기도
U-tube 값은 나노유체의 농도가 1.0 vol%에서 0.733으로 최대값을 보였고 값은 17.69를 나타내었다.
m = 0.047 kg/s
Nano particle size: 20 nm
Water 0.5 vol%
1.0 vol%
1.5 vol%
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0.9
SCFPE ff ic ie n c y
0.01
(T
i-T
a)/G (m
2K/W)
0 0.002 0.004 0.006 0.008
SCFP ESCU
Linear fiting results Experiment
results
Linear fiting results Experiment
results
Fig. 6.47 Variation of efficiency in the flat plate solar collector and U-tube solar collector for different nanofluid concentration(nanoparticle size:
20 nm, mass flow rate: 0.047 kg/s)
은 동일한 나노유체 농도가 에서 작동유체의 질량유량이
Fig. 6.48 1.0 vol% 0.047
일 때 나노입자의 크기에 따른 태양열 집열기의 효율 변화를 보여주고 있다
kg/s .
나노입자의 크기는 열전도도의 중요한 영향을 주기 때문에 나노입자의 크기에 따 라 평판형 태양열 집열기와 U-tube형 태양열 집열기의 효율에 대한 분석을 진행하 였다 모든 운전조건에서 나노입자의 크기가 가장 작은. 20 nm로 제작된 나노유체 를 사용하였을 때 가장 높은 집열기 효율을 나타냈다 나노입자의 크기가. 20 nm인 나노유체의 최대 효율은 평판형 태양열 집열기에서는 73.54%로 가장 낮은 효율을 보였던 100 nm의 효율에 비해 3.8% 높은 결과를 보였다. U-tube형 태양열 집열기 에서의 최대 효율은 72.4%로 50 nm와 100 nm을 사용한 집열기의 효율보다 각각 와 향상됨을 보였다 즉 입자의 크기가 상대적으로 작은 나노유체는 3.05% 5.32% . ,
열전도도가 우수하여 더 빠른 열전도를 발생시켜 태양열 집열기의 효율에 주요한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다 또한. 20 nm, 50 nm, 100 nm인 각각의 나노유 체를 작동유체로 사용한 태양열 집열기의 최대효율은 물을 작동유체로 사용한 태 양열 집열기의 최대 효율보다 각각 24.1%, 20.4%, 17.8% 향상됨을 확인할 수 있다.
에 세 가지 나노입자의 크기에 따른 특성 매개 변수의 값을 제시하였 Table 6.4
다 평판형 집열기의 열획득계수. 값은 나노입자의 크기가 20 nm일 때 최대 값 0.747을 나타내었고 이때 열손실계수 값은 21.31을 나타내었다. 50 nm와
의
100 nm 값은 0.718, 0.698로 나타났으며 값은 22.38, 21.87로 나타났 다. U-tube형 태양열 집열기도 마찬가지로 값은 나노입자의 크기가 20 nm 일 때 0.733으로 최대값을 보였고 값은 17.69를 나타내었다. 50 nm와 100 nm 의 값은 0.709, 0.688로 나타났으며 값은 17.16, 16.49로 나타났다 열획. 득계수는 평판형 집열기가 약간 높았지만 열손실계수는 U-tube형 집열기가 좋은 결과를 나타냈다 이는 모든 실험조건의 나노입자의 크기에서. U-tube형 집열기가 평판형 집열기보다 열손실이 적게 발생함을 확인하는 결과이다.
Concentration: 1.0 vol%
m = 0.047 kg/s
20 nm 50 nm 100 nm
0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80
0.01
E ff ic ie n c y
(T
i-T
a)/G (m
2K/W)
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008
SCFP ESCU
Linear fiting results Experiment
results
Linear fiting results Experiment
results
Fig. 6.48 Variation of efficiency in the flat plate solar collector and U-tube solar collector for different nanoparticle sizes(concentration: 1.0 vol%, mass flow rate: 0.047 kg/s)
는 나노입자의 크기가 이고 나노유체의 농도가 인
Fig. 6.49 20 nm 1.0 vol% Al2O3
나노유체의 유량조건에 따른 평판형과 U-tube형 태양열 집열기의 순간적인 효율 변화를 보여주는 그림이다 평판형 집열기의 순간적인 효율은 작동유체의 유량이.
에서 로 최대값을 나타내었고 이때 열획득계수
0.047 kg/s 73.54% 값은 0.747, 열손실계수 값은 21.31을 나타내었다 반면 유량이. 0.033 kg/s의 순간적인 효 율은 72.78%로 유량이 0.047 kg/s보다 1.9% 감소하는 결과를 나타내었다. U-tube형 집열기의 순간적인 효율은 작동유체의 유량이 0.047 kg/s에서 72.4%로 최대값을 나 타내었고 이때 열획득계수 값은 0.733, 열손실계수 값은 17.69을 나타 내었다 반면 유량이. 0.033 kg/s의 순간적인 효율은 69.9%로 유량이 0.047 kg/s보다
감소하는 결과를 나타내었다 집열기의 순간적인 효율은 작동유량이
2.5% . 0.047
에서 평판형과 형 집열기 모두 가장 높은 효율을 보였고 평판형 집열기 kg/s U-tube
가 U-tube형 집열기에 비해서 1.14% 더 높은 효율을 나타내었다.
태양열 집열기의 효율은 작동유체의 유량이 0.033 kg/s에서 0.047 kg/s로 증가함 에 따라 증가한다 이는 효율의 정의인 식. (5-1)을 기초로 하여 상대적으로 높은, 유량은 효율을 향상시킨다. 0.033 kg/s 유량에서는 집열기에서 유체가 머무는 시간 이 상대적으로 길어 입출구 온도차는 증가하였고 이러한 입출구 온도차의 증가는, 더 많은 열손실을 일으켜 낮은 효율을 보였다 하지만. 0.047 kg/s 유량에서는 집열 기에서 유체가 머무는 시간이 짧아져 에너지 흡수량이 감소되어 태양열 집열기의 입출구 온도차는 감소하나 열손실은 0.033 kg/s보다 작아 결과적으로 집열기의 효 율이 향상된다 따라서 태양열 집열기의 효율은 유량과 집열기의 입출구 온도차에. 의해 결정된다.