Boiling Heat Transfer Coefficients of Nanofluids Using Carbon Nanotubes

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탄소나노튜브를 적용한 나노유체의 비등 열전달계수

이요한*, 정동수**

*인하대학교 기계공학과 대학원([email protected]),

**인하대학교 기계공학과 교수([email protected])

Boiling Heat Transfer Coefficients of Nanofluids Using Carbon Nanotubes

Lee, Yo-han* Jung, Dong-soo**

*Graduate School, Dept. of Mechanical Engineering, Inha University([email protected]),

**Professor, Dept. of Mechanical Engineering, Inha University([email protected])

Abstract

In this study, boiling heat transfer coefficients(HTCs) and critical heat flux(CHF) are measured on a smooth square flat copper heater in a pool of pure water with and without carbon nano tubes(CNTs) dispersed at 60℃. Tested aqueous nanofluids are prepared using multi-walled CNTs whose volume concentrations are 0.0001, 0.001, 0.01, and 0.05%. For dispersion of CNTs, polyvinyl pyrrolidone(PVP) is used in distilled water. Pool boiling HTCs are taken from 10 kW/m²to critical heat flux for all nanofluids. Test results show that the pool boiling HTCs of the nanofluids are lower than those of pure water in entire nucleate boiling regime. On the other hand, critical heat flux is enhanced greatly showing up to 200% increase at volume concentration of 0.001% CNTs as compared to that of pure water. This is related to the change of surface characteristics by the deposition of CNTs. This deposition makes a thin CNT layer on the surface and the active nucleation sites of heat transfer surface are decreased due to this layer. The thin layer acts as the thermal resistance and also decreases the bubble generation rate resulting in a decrease in pool boiling HTCs. The same layer, however, maintains the nucleate boiling even at very high heat fluxes and reduces the formation of large vapor canopy at near CHF resulting in a significant increase in CHF.

Keywords : 핵 비등(Nucleate pool boiling), 나노유체(Nanofluids), 탄소나노튜브(Carbon nanotubes), 임계 열유속(Critical heat flux), 열전달계수(Heat transfer coefficients)

기 호 설 명

h : 열전달계수(W/m²K)

Q : 열량(W)

A : 열전달 면적(m²)

Twall : 열전달시험부 표면온도(℃) Tsat : 실험유체의 포화온도(℃) q'' : 열유속(kW/m²)

hfg : 증발 잠열(kJ/kg) g : 중력 가속도(m/s²)

투고일자 : 2009년 8월 28일, 심사일자 : 2009년 8월 30일, 게재확정일자 : 2009년 10월 12일 교신저자 : 정동수([email protected])

[논문] 한국태양에너지학회 논문집 Journal of the Korean Solar Energy Society

Vol. 29, No. 5, 2009 IS S N 1 5 9 8 - 6 4 1 1

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g : 포화기체의 밀도(kg/m³)

 : 표면 장력(N/m)

f : 포화액체의 밀도(kg/m³)

1. 서 론

현재 전 세계는 화석 연료의 무리한 사용으 로 인한 지구 온난화 문제로 인해 에너지 효 율 증대와 환경 및 에너지 보존에 관심을 기 울이고 있다. 지구 온난화를 줄일 수 있는 근 본적인 방안 중 하나는 대규모 발전소의 보일 러, 냉동/공조기의 증발기, 각종 산업용 및 가 정용 열교환기의 효율을 높이는 것이다. 특히 이와 같은 열교환기에서는 비등 열전달이 많 이 발생하므로 비등 열전달을 향상시키는 것 은 지구 환경 보호를 위해 매우 중요하다. 비 등 열전달은 효율이 높기 때문에 지금까지 여 러 종류의 열방출 시스템에 적용되어 왔고 이 에 대한 연구도 많이 수행되어 왔다.

최근 들어 에너지 문제를 해결하기 위한 방편으로 원자력 발전이 다시 거론되기 시작 하면서 원자력 발전소 안전에 대한 관심이 커지고 있다. 실제로 원자력 발전소의 안전 을 확보하기 위해 임계 열유속(Critical heat flux, CHF)을 증대시킬 수 있는 방안에 대한 연구가 진행되고 있다. 원자력 발전소에서는 핵 연료봉의 핵분열에 의해 내부에서 에너지 가 발생하며 이것을 냉각수 시스템이 제거하 는데 이때 연료봉과 맞닿은 표면의 열유속이 임계 열유속을 초과하게 되면 순식간에 비등 현상이 막 비등 영역으로 넘어가면서 시스템 의 물리적 파괴 현상이 발생한다. 이는 열전 달 표면에 형성된 기체 막을 통한 열전달 과 정이 원활하지 않아 열전달 표면의 온도가 급속히 상승하기 때문이다. 따라서 원자력 발전소 시스템을 보호하면서 성능을 극대화 시키기 위해서는 임계 열유속을 향상시키는 것이 필수적이다.

최근 들어 에너지 효율 증대를 위한 비등

열전달 및 임계 열유속 향상에 관한 연구가 활발하게 진행되면서 나노 입자를 이용하는 새로운 방법들이 제안되었고^1),2) 그런 목적으 로 주로 열전도도가 높은 구리나 알루미늄을 기반으로 하는 나노 입자들이 개발되었다. 나 노 입자들을 분산시킨 이런 나노유체들은 우 수한 열전도도를 갖는다는 것이 밝혀졌다.^3),4) 최근 몇몇 연구자들은 이러한 나노유체를 이 용한 풀 비등 실험을 통해 임계 열유속이 증 가함을 확인하였다. You 등⁵⁾은 물에 알루미 나(Al2O3) 입자를 섞은 나노유체를 사용하여 풀 비등 실험을 수행한 결과 나노유체의 임 계 열유속이 물의 임계 열유속보다 약 200%

정도 향상되는 것을 확인하였다. Bang 등⁶⁾ 도 역시 물에 알루미나를 섞은 나노유체를 이 용해 대기압에서 풀 비등 실험을 수행하고 나 노유체의 임계 열유속이 순수 물에 비해 32%

정도 증가되는 것을 확인하였다. Kim 등⁷⁾은 Alumina, Zirconia, Silica를 이용하여 실험을 수행하고 나노유체의 임계 열유속 향상의 원 인을 보다 구체적으로 제시했다. 그들은 핵 비등 시 나노 입자들이 히터 표면에 침착이 되는 원인과 이러한 나노 입자의 표면 침착 이 임계 열유속 향상이나 열전달계수 저하에 미치는 영향을 실험 결과와 여러 가지 이론 식을 이용하여 해석하였다.

Kim 등⁸⁾은 TiO2, Al2O3 나노 입자를 분산 시킨 나노유체를 이용하여 직경이 0.2 mm인 니크롬 와이어 히터에서 나노 입자의 체적비 를 10^-5에서 10^-1%까지 변화시켜가며 풀 비 등 실험을 수행하여 임계 열유속을 측정하였 다. 실험 결과 그들은 순수 물과 비교해 나노 유체의 임계 열유속이 100%까지 증가한다는 것을 확인하였고 이러한 향상의 원인으로 표 면 조도의 변화와 열전달 표면에서의 접촉각 감소와 모세관 현상 등을 제시하였다.

본 연구에서는 기존의 연구자들이 사용한 나 노 입자 대신 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNTs)를 물에 적용하여 탄소나노튜브의 체

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적비를 변화시켜 가며 임계 열유속까지의 풀 비등 열전달계수를 살펴보려 한다. 탄소원자 들이 육각형 벌집 모양의 원통형 분자구조를 가지고 있는 탄소나노튜브는 특이한 분자 구 조로 인하여 탁월한 기계적, 전기적, 열적, 광 학적 성질을 보유하고 이러한 성질로 인해 미래 소재로서 주목을 받고 있다.^9),10) 열전달 과 관련하여 탄소나노튜브의 중요한 특성 중 하나는 열전도도가 금의 열전도도의 10배나 되어 열적으로 초전도체라는 점이다.^9),10) 이 러한 탄소나노튜브의 우수한 특성으로 인하 여 최근 비등 열전달 최돼 비등 도 비등 고 있다. 최근 최Park 등¹¹⁾은 산으로 산화 처 리를 한 탄소나노튜브를 순수 물과 R22 냉매 최체적비로 1%를 혼합시킨 뒤 길이 152 mm 의 원형 평관에서 풀 비등 실험을 수행하여 열전달계수가 향상되는 것을 확인하였다. 그 들은 임계 열유속보다 훨씬 낮은 100 kW/m² 이하의 낮은 열유속 구간에서 열전달계수를 측정하였고 탄소나노튜브를 사용하는 경우 비등 열전달계수가 최대 30% 정도 향상되는 것을 보았다. 그러나 탄소나노튜브를 이용하 여 임계 열유속까지의 비등 열전달계수를 측 정하고 탄소나노튜브의 영향을 살펴본 연구 는 아직까지 문헌에 보고되지 않았다.

이에 본 연구에서는 탄소나노튜브를 입자 체적비 0.0001%에서 0.05%까지 변화시켜가며 순수 물에 분산시켜 임계 열유속까지의 풀 비 등 열전달계수를 측정하고 그 결과를 분석하 여 나노유체에서의 탄소나노튜브의 체적비에 따른 비등 열전달계수의 변화를 살펴보려 한 다. 본 연구의 결과는 태양열을 이용하는 신 재생 에너지 및 원자력 에너지 관련 열교환기 설계에 유용하게 이용될 수 있다.

2. 실험장치 및 방법

2.1 실험장치

그림 1은 사각 평면 히터를 이용하여 임계

열유속까지 데이터를 안전하게 측정할 수 있 는 풀 비등 실험 장치의 개략도이다. 실험 장 치와 열전달 시험부 제작방법, 실험방법 등 이 Park 등¹²⁾의 연구에서 사용한 것과 동일 하므로 여기에서는 간단하게 실험장치의 개 략도와 열전달 시험부만 소개하려 한다. 자 세한 내용은 Park 등¹²⁾의 논문을 참조하기 바란다.

그림 1. Schematic of pool boiling test facility using a flat copper heater

실험 장치는 크게 비등 용기와 외부 응축기 로 구성되어 있는데 비등 용기는 직경 120 mm, 길이 170 mm의 스테인리스 스틸 파이프와 양 끝단의 플랜지를 사용하여 밀폐형으로 제 작하였다. 비등 용기에서 열을 받아 증발된 증기는 외부 응축기에 의해 액체로 응축된 뒤 중력에 의해 다시 비등 용기로 순환되도록 하 였다. 증기의 응축에 필요한 냉각수는 독립된 정밀 항온조에 의해 정밀하게 온도가 제어되 어 외부 응축기의 열교환기로 순환된다. 본 실 험에서 요구되는 높은 열유속을 얻기 위해 열 전달 시험부 내에 삽입된 열전달 히터에 전원 을 공급할 수 있는 직류 전원 공급기(Agilent 6030A, 200V, 17A)를 사용하였다.

본 연구에서는 임계점 부근의 높은 열유속 에서도 비등 열전달계수를 측정할 수 있도록 작은 크기의 평면 열전달 시험부를 제작하였 다. 그림 2는 본 연구에서 제작한 열전달 시 험부를 나타낸다. 열전달 시험부는 크게 비

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등이 일어나는 구리 판과 그 판에 열을 공급 하는 히터로 구성되어 있다. 열전달 히터는 안에 20옴의 니크롬선이 삽입되어 있어 약 3800 kW/m² 정도의 열유속까지 낼 수 있는 것으로 선정했다(CGI사, CCR-375-1 모델).

그림 2. Flat heater specifications

그림 2에서 볼 수 있듯이 본 연구에서는 열 전달 표면에 변화를 주지 않고 표면 온도를 정확하게 측정하기 위해서 열전달 히터 위에 부착한 구리 판에 드릴을 이용하여 직경 1.0 mm, 깊이 5.0 mm의 구멍 네 개를 동일한 간 격으로 냈고 그 안에 T-type 열전대가 들어 갈 수 있도록 하였다. 이렇게 4개의 열전대를 각각 구멍 안에 넣고 구멍을 은 납으로 채워 넣어 빈 공간이 생기지 않게 하였다.

2.2 실험방법 및 조건

비등 실험에서 무엇보다 중요한 것은 비등 용기의 밀폐성 확보와 증발온도 유지이다.

본 실험에서는 질소와 고압가스로 비등 용기 를 20기압까지 충전한 뒤에 누출 검사기로 가스의 누출을 확인하였다. 가스 누출에 문 제가 없음이 확인되면 약 두 시간 동안 진공 펌프를 구동한 뒤 작동 유체를 충전하였다.

충전이 다 된 후 카트리지 히터와 정밀온도 제어 항온조를 사용하여 풀 온도를 60℃로

유지하고 열유속 10 kW/m²에서부터 실험을 수행하였다. 주어진 열유속에서 정상 상태가 유지되면 풀 비등 열전달계수를 측정하고 다 시 열유속을 원하는 만큼 증가시키면서 임계 열유속까지 데이터를 측정하였다.

시스템이 임계 열유속 부근에 도달하면 유 동이 안정적이지 못하고 순식간에 막 비등으 로 넘어가서 히터가 망가지게 되므로 본 연 구에서는 히터 표면의 온도를 매초 실시간으 로 측정하여 온도가 150℃도 이상이 되면 자 동으로 히터의 전원이 차단되도록 하였다.

따라서 본 실험에서 유체의 임계 열유속은 히터 표면의 온도가 급격하게 증가하여 히터 의 전원이 차단되는 시점으로 결정하였다.

2.3 탄소나노튜브 분산

본 연구에서 사용된 탄소나노튜브는 CVD (chemical vapor deposition) 제조법으로 만들어진 순도 97%의 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotubes, MWNTs)로서 길이는 10 ∼ 50 μm, 직경은 10 ∼ 20 nm이다. 탄소나노튜브 를 물에 적용하려면 무엇보다 중요한 것이 탄 소나노튜브의 분산이다. 본 연구에서는 탄소나 노튜브의 분산을 위해 입체 안정제 중 하나인 PVP(polyvinyl pyrrolidone, Wako Chemical) 라는 고분자 물질을 사용했는데 이것의 분자 량은 40,000 kg/kmol이다. PVP는 물 또는 다른 극성 용매에 잘 녹으며 녹은 상태에서는 표면 을 적시는 성질(wettability)이 좋아 손쉽게 필 름화 된다. 이러한 성질로 인해 PVP는 나노유 체의 코팅이나 코팅 재료의 첨가제로 잘 사 용되며 특히 탄소나노튜브를 물에 분산시킬 때 잘 사용된다.¹³⁾ 본 연구에서는 PVP의 체 적을 탄소나노튜브 대비 3배로 하여 탄소나 노튜브를 물에 분산하였다.

2.4 실험 데이터의 처리

열전대가 설치된 열전달 표면에서의 국부 열전달계수는 식 (1)에 의해서 결정된다.

(5)

   

 (1)

여기서 h, A, Twall, Tsat는 각각 열전달 계수(W/m²K), 열전달 면적(m²), 열전달 시 험부 표면 온도 그리고 실험 유체의 포화온 도(℃)이다. 본 실험에서 발생하는 실험 데이 터의 불확실성을 결정하기 위해 Kline 등¹⁴⁾ 이 제안한 방법을 적용하였으며 모든 작동 유체에 대하여 임계 열유속과 열전달계수의 불확실성은 각각 ±2.1%, ±7.3% 정도로 나타 났다. 또한, 한 유체에 대해 여러 차례 반복 실험을 한 결과 실험 데이터의 재현율은 5%

이내로 나타났다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 실험 데이터의 신뢰성

먼저 실험 장치 및 방법의 신뢰성을 확인 하기 위해 순수 물을 이용하여 취한 실험 데 이터를 타 연구자의 실험 결과와 잘 알려진 상관식을 이용하여 비교하여 보았다. 그림 3 은 본 연구에서 취한 순수 물의 데이터와 본 연구의 실험 조건과 동일한 온도 조건에서 실험을 수행한 You 등⁵⁾의 실험 결과와 풀 비등 열전달계수의 예측식들에 의한 데이터 를 보여 준다. 먼저 본 연구의 실험 열전달계 수를 You 등⁵⁾의 실험 결과와 비교하면 200 kW/m² 이상의 범위에서는 차이가 있었으나 전체 열유속 범위에서 절대 오차 10% 이내 에서 결과가 일치하였다.

또한 풀 비등 열전달계수의 예측식으로 잘 알려진 Rohsenow¹⁵⁾의 상관식과 Stephan 등

16)의 상관식을 본 실험의 열전달계수를 비교 하였다. Rohsenow¹⁵⁾의 상관식과 실험 데이터 를 비교한 결과 이 둘이 절대 오차 5% 이내 에서 비교적 정확하게 잘 맞았으며 Stephan 등¹⁶⁾의 상관식과 실험 데이터를 비교한 결과 이 둘은 21%의 오차를 보였다. 그러나 풀 비

등 열전달계수 예측식이 대개 20% 정도의 오차를 보임을 고려할 때 이 정도의 오차는 수용할 만한 것으로 판단된다.

본 연구에서 측정한 임계 열유속은 560 kW/m²로 나타났다. 이 결과를 기존의 임계 열유속 예측식의 결과와 비교하여 본 실험의 신뢰도를 확인하였다. 순수유체 풀 비등 실 험의 경우 임계 열유속을 예측하기 위하여 다음과 같이 Zuber¹⁷⁾가 제시한 예측식이 가 장 많이 사용된다.

″_{   }  

 ^    ^ (2)

Zuber¹⁷⁾가 제시한 임계 열유속 예측 식을 이 용하여 계산한 임계 열유속은 560.5 kW/m²로 실험 결과를 매우 정확하게 예측하였다. 한 편 You 등⁵⁾의 임계 열유속 실험치는 540 kW/m²로 본 연구에서 얻은 값과 비슷했다.

이런 비교를 통해 본 실험 장치의 신뢰도를 확인 할 수 있었다.

0 10 20 30

T

wall

-T

sat.

0 200 400 600 800 1000

H eat f lu x (k W /m

2

)

Present data (CHF=560) You et al.'s data (CHF=540) Rohsenow's correlation

Stephan and Abdelsalam's correlation Zuber's CHF(560.5)

그림 3. Comparison of pure water data with You et al.' data and some well-known correlations

3.2 탄소나노튜브 분산 나노유체의 풀 비등 열전달계수

그림 4는 본 실험에서 적용한 탄소나노튜

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브의 여러 체적비에 대해 열유속 변화에 따 른 평면 히터에서의 풀 비등 열전달계수를 임계 열유속까지 보여 준다. 나노유체의 풀 비등 열전달계수는 열유속이 증가할수록 증 가하는 전형적인 경향을 보였다. 탄소나노튜 브의 체적비가 0.001%일 경우 열유속이 500 kW/m² 이하에서는 순수 물과 비교해서 열 전달계수가 크게 차이를 보이지 않았지만 탄 소나노튜브의 체적비가 더 증가하면 풀 비등 열전달계수가 감소하는 것으로 나타났다. 탄 소나노튜브를 분산시키면 열전달 히터의 표 면에 탄소나노튜브가 침착되어 얇은 나노 입 자 막을 형성하는데 이 막은 표면 불결 효과 와 비슷해서 열전달 표면에서의 활성 핵 기 공(active nucleation site)을 감소시킨다. 이 러한 활성 핵 기공의 감소는 비등 열전달을 촉진시키는 기포 형성을 방해하기 때문에 비 등 열전달계수가 감소하는 것으로 사료된다.

실제로 대부분의 열교환기는 200 kW/m² 이하의 낮은 열유속에서 사용되기 때문에 낮 은 열유속 범위에서의 열전달계수 변화를 살 펴보는 것도 중요하다. 그림 5는 200 kW/m² 이하의 낮은 열유속에서의 풀 비등 열전달계 수를 보여 준다. 높은 열유속에서와 마찬가 지로 낮은 열유속에서도 탄소나노튜브의 체 적비가 증가할수록 열전달계수가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 탄소나노튜브의 체 적비가 0.0001%, 0.001%, 0.01%, 0.05%인 경 우 열유속이 10 ∼ 200 kW/m²에서 열전달계 수는 각각 7.4%, 22.3%, 34.0% 38.2%정도 평 균적으로 감소하였다. 이러한 결과는 동일한 탄소나노튜브를 적용해 풀 비등 실험을 수행 한 Park 등¹¹⁾의 결과와는 상반되는 것이다.

그들은 문헌 상 처음으로 낮은 열유속에서도 풀 비등 열전달계수가 증가하는 것을 보았 다. 이처럼 상이한 결과는 탄소나노튜브를 분산하는 방법의 차이에 의해 생기는 것으로 사료된다. 본 연구에서는 고분자 입체안정제 (PVP)를 혼합하여 탄소나노튜브를 분산시켰

지만 Park 등¹¹⁾은 탄소나노튜브에 직접 화학 적인 산 처리를 하여 추가적인 고분자 물질 의 혼합 없이 탄소나노튜브를 분산시켰다.

그 결과 Park 등¹¹⁾의 연구에서는 탄소나노튜 브로 인한 열전달 표면에서의 침착이나 불결 효과 등을 확인할 수 없었고 100 kW/m² 이 하의 낮은 열유속에서 열전달계수가 30%까 지 증가하였다.

0 400 800 1200 1600 2000

Heat flux (kW/m

²

)

0 20000 40000 60000

h (W/ m

2

K)

Pure water Pure water + PVP 0.0001% + CNT 0.001%

0.01%

0.05%

그림 4. Heat transfer coefficients of CNT nanofluids up to critical heat fluxes

0 40 80 120 160 200

Heat flux (kW/m

²

)

0 4000 8000 12000 16000 20000

h (W /m

2

K)

Pure water Pure water + PVP 0.0001% + CNT 0.001%

0.01%

0.05%

그림 5. Heat transfer coefficients of CNT nanofluids up to 200 kW/m²

(7)

이러한 결과로 미루어 볼 때 탄소나노튜브 의 분산을 위해 사용한 고분자 물질이 금속 표면에 탄소나노튜브를 침착시키며 이로 인 해 낮은 열유속에서는 탄소나노튜브를 첨가 함에도 불구하고 오히려 풀 비등 열전달계수 가 감소하는 것으로 사료된다. 이것을 좀 더 확실히 규명하려면 탄소나노튜브를 산 처리 하여 표면에 침착이 생기지 않게 한 뒤 임계 열유속까지 풀 비등 실험을 하는 것이 필요 하다.

한편 분산제의 영향을 확인하기 위해 분산 제만을 순수 물에 분산시켜 실험을 수행한 결과 그림 4와 그림 5에서 확인할 수 있듯이 풀 비등 열전달계수는 낮은 열유속에서 임계 열유속에 이르기까지 순수 물과 비교해 큰 변화가 없었다. 따라서 탄소나노튜브의 효과 적인 분산을 위해 첨가한 고분자 분산제는 풀 비등 영역 전체에서 나노유체의 열전달계 수에 영향을 주지 않음을 알 수 있었다.

결론적으로 탄소나노튜브의 분산을 위해 사용한 고분자 물질은 탄소나노튜브가 없는 상태에서는 풀 비등 열전달에 영향을 주지 않지만 탄소나노튜브가 분산된 경우에는 열 전달 표면에 탄소나노튜브의 침착을 유도하 는 것으로 판단된다. 또한 탄소나노튜브의 체적비가 증가하게 되면 표면에 침착되는 양 이 증가하여 열전달 표면의 나노 입자 막을 계속 두껍게 만들어 풀 비등 열전달계수를 감소시키는 것으로 사료된다.

3.3 탄소나노튜브 사용 나노유체의 임계 열유속

그림 6은 평면 히터를 이용한 탄소나노튜 브 적용 나노유체의 임계 열유속까지의 풀 비등 실험 결과를 보여 준다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 본 연구에서는 순수 물을 포함하 여 6개 조성의 유체에서 실험을 수행하였다.

먼저 탄소나노튜브를 적용한 실험 결과를 보 면 실험에 사용한 모든 체적비에서 순수 물

에 비해 임계 열유속이 증가하였다. 나노 입자의 체적비가 0.0001%에서는 순수 물에 비해 168%

정도 임계 열유속의 향상을 보이고, 0.001%와 0.01%에서는 순수 물과 비교해 각각 200%, 150% 정도 임계 열유속의 향상을 보였다. 임계 열유속은 나노 입자의 체적비가 0.0001%에서 0.001%까지 증가하면 이에 비례해서 증가하다 가 0.01%까지 체적비를 늘리면 0.001%의 임계 열유속보다 16.6% 감소하였다. 탄소나노튜브의 체적비 증가에 따른 임계 열유속의 증감에 대 한 경향을 더 알아보기 위해 탄소나노튜브의 체적비를 0.05%로 증가시킨 후 추가 실험을 수 행하였다. 실험 결과 0.05%의 체적비에서 임계 열유속이 90.05%의 ^체로 순수 물에 비해서는 60.7% 증가하였지만 체적비가 0.01%일 때보다 는 크게 감소하였다. 따라서 본 실험에서 이용 한 다중벽 탄소나노튜브의 경우 임계 열유속의 최대치는 탄소나노튜브의 체적비가 0.001%가 될 때 발생하는 것으로 보인다. 나노 입자의 체 적비가 0.001%보다 크게 되면 임계 열유속이 순수 물의 임계 열유속에 비해서는 높지만 이 보다 적은 체적비에서의 임계 열유속보다는 낮 은 것으로 나타났다.

0 20 40 60

T

wall

-T

sat.

0 500 1000 1500 2000 2500

He a t flu x (k W/ m

2

)

Pure water (CHF=560) Pure water+PVP (CHF=600) 0.0001% + CNT (CHF=1500) 0.001% (CHF=1680) 0.01% (CHF=1400) 0.05% (CHF=900 )

그림 6. Pool boiling data up to critical heat fluxes for all tested fluids

(8)

Kim 등⁸⁾은 나노 입자를 물에 분산시켰을 때 열전달 표면에 나노 입자가 침착되어 표면이 개질되면서 임계 열유속이 크게 증가한다고 보고하였다. 그러나 탄소나노튜브를 사용하는 경우에도 이런 현상이 발생하는지 살펴본 사 례가 없으므로 탄소나노튜브와 열전달 표면과 의 상호 작용을 살펴보기 위해 직경이 0.25mm 인 티타늄 와이어(Ti wire)를 이용해 대기압에 서 임계 열유속까지의 풀 비등 실험을 수행하 였다. 이를 위해 사용한 실험 장치는 Kim 등⁸⁾ 의 것과 유사하므로 실험 전반에 관하여 관심 있는 독자는 Kim 등⁸⁾을 참고하기 바란다. 티 타늄 와이어를 사용하게 되면 일단 직경이 작 으므로 탄소나노튜브의 표면 침착 여부를 전 자현미경으로 쉽게 관측할 수 있고 히터가 끊 어질 때까지 열을 가해 임계 열유속을 측정할 수 있다. 그러나 히터의 형상이 평면이 아니므 로 이를 통해 얻은 데이터는 대부분의 평면 열 전달 히터 사례에 일반적으로 적용할 수 없 다.⁷⁾ 따라서 여기서는 질적인 데이터를 얻는 데 초점을 두고 실험을 수행하였다.

0.0001 0.001 0.01 0.1

CNT concentration (%vol.)

0 500 1000 1500 2000 2500

C ritical heat flu x (W /m

2

)

Wire heater

Flat heater

Pure water (Wire heater )

Pure water (Flat heater )

그림 7. Critical heat fluxes obtained from wire and flat heaters as a function of CNT concentration

티타늄 와이어 실험에서도 평판 실험에서

사용한 동일한 탄소나노튜브 분산 나노유체 를 사용해 임계 열유속을 측정하고 실험이 끝난 뒤 와이어 히터의 열전달 표면을 전자 현미경으로 촬영하였다. 그림 7은 와이어 히 터와 평면 히터를 사용하여 얻은 임계 열유 속을 탄소나노튜브의 체적비의 함수로 보여 준다. 와이어 히터를 이용한 경우에도 평면 히터의 경우와 마찬가지로 탄소나노튜브의 체적비가 증가함에 따라 임계 열유속이 증가 하지만 일정 수준의 체적비에 도달하면 임계 열유속이 더 이상 증가하지 않거나 증가율이 매우 작아짐을 확인할 수 있었다. 와이어 히 터 실험에서도 탄소나노튜브가 분산되면 탄 소나노튜브의 체적비에 상관없이 순수 물에 비해 임계 열유속이 증가하였다. 구체적으로 살펴보면 탄소나노튜브의 체적비가 0.0001%

에서는 순수 물에 비해 임계 열유속이 40%

정도 향상되었고 0.001%와 0.01%에서는 순 수 물에 비해 임계 열유속이 140% 정도 향 상되었다.

그림 8은 비등 실험이 끝난 직후 티타늄 와이어의 표면을 전자현미경(SEM)을 이용 하여 촬영한 결과를 보여 준다. 그림 8에서 볼 수 있듯이 실험에 사용한 티타늄 와이어 는 실험을 수행하기 전에 이미 길이 방향으 로 홈이 나 있었다. 순수한 물에서 비등 실험 을 수행한 후에 촬영한 티타늄 와이어는 실 험을 수행하기 전과 같은 형태로 큰 변화가 없었다. 그러나 탄소나노튜브를 분산시켜 실 험을 수행한 결과 탄소나노튜브의 체적비가 증가할수록 히터 표면에 침착되는 탄소나노 튜브의 양이 증가하는 것을 알 수 있었다. 탄 소나노튜브의 체적비가 0.0001%와 0.001%의 경우 탄소나노튜브는 비교적 균일한 형태로 표면에 침착되었지만 체적비가 0.01%가 되 면 침착의 정도가 심해져서 탄소나노튜브들 이 서로 뭉치는 것을 알 수 있었다.

이런 결과들을 종합하면 탄소나노튜브의 체적비가 일정 수준 이상이 되면 탄소나노튜

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브들이 서로 뭉쳐서 와이어의 표면이 두꺼워 지게 되고 이에 따라 탄소나노튜브 첨가로 인한 임계 열유속 향상은 점점 줄어듦을 확 인할 수 있었다. 이는 나노 입자의 양이 일정 수준 이상이 되면 나노유체의 임계 열유속 향상이 미미해진다는 것을 밝힌 You 등⁵⁾의 연구 결과와도 일치한다.

그림 8. SEM images of deposition of CNTs on heat transfer wire for various concentrations of CNTs(×300)

4. 결 론

본 연구에서는 탄소나노튜브를 순수 물에 분 산시켜 풀 비등 열전달계수와 임계 열유속을 측 정할 수 있는 평판 형태의 열전달 시험부를 제 작하여 탄소나노튜브의 체적비를 0.0001-0.05%

로 변화시켜 60℃에서 풀 비등 열전달 실험을 수행하였다. 탄소나노튜브를 분산시키기 위

해 고분자 물질인 PVP를 사용하였고 실험을 통해 얻은 데이터를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻게 되었다.

(1) 탄소나노튜브를 물에 분산시키면 모든 체 적비에서 임계 열유속은 순수 물에 비해 증가하였다. 임계 열유속은 탄소나노튜 브의 체적비에 따라 크게 변하며 체적비 가 0.001%일 때 순수 물에 비해 200%나 증가하면서 최대치를 보였다.

(2) 와이어 히터를 이용하여 임계 열유속 실험 을 한 뒤 와이어의 표면을 전자 현미경으 로 촬영한 결과 탄소나노튜브의 체적비가 증가함에 따라 표면에 탄소나노튜브가 침 착되는 정도가 증가함을 알 수 있었다.

(3) 탄소나노튜브를 물에 분산시킨 경우 풀 비 등 열전달계수는 열유속이 증가할수록 증 가하는 전형적인 경향을 보였지만 탄소나 노튜브의 체적비가 증가할수록 열전달계수 가 감소하였다. 비등이 진행될수록 열전달 히터의 표면 침착이 진행되어 기포가 뭉쳐 서 증기 막을 형성하는 비율이 줄어들어 임계 열유속은 향상되었지만 이 같은 표면 침착은 열전달 표면에서의 기포 발생을 억 제하여 풀 비등 영역 전체에서 열전달계수 는 오히려 순수 물에 비해 감소하였다.

후 기

본 연구는 2007년도 정부(과학기술부)의 재원 으로 한국과학재단의 특정기초연구사업 지원을 받아 수행되었다(No. R01-2007-000 -20055-0).

참 고 문 헌

1. Eastman, J.A., Choi, S.U.S., Li, S., Thompson, L.J. and Lee, S., Enhanced Thermal Conductivity through the Development of Nano-fluids, Proc., Symposium on Nanophase and Nanocomposite materials II, Materials

(10)

Research Society, Boston, Vol. 457, pp. 3∼

11, 1997.

2. Lee, S., Choi, S.U.S., Li, S. and Eastman, J.A., Measuring Thermal Conductivity of Fluids Containing Oxide Nanoparticles, ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 121, pp. 280∼289, 1999.

3. Eastman, J.A., Choi, S.U.S. and Yu, W., Anomalously Increased Effective Thermal Conductivity of Ethylene Glycol-based Nanofluids Containing Copper Nanoparticles, Applied Physics Letters, Vol. 78, pp. 718∼

720, 2001.

4. Das, S.K., Putra, N., Thiesem, P. and Roetzel, W., Temperature Dependence of Thermal Conductivity Enhancement for Nanofluids, ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 125, pp. 567∼574, 2003.

5. You, S.M., Kim, J.H. and Kim, K.H., Effect of Nanoparticles on Critical Heat Flux of Water in Pool Boiling Heat Transfer, Applied Physics Letters, Vol. 83, pp. 3374∼3376, 2003.

6. Bang, I.C. and Chang, S.H., Boiling Heat Transfer Performance and Phenomena of Al2O3-water Nano Fluids from a Plain Surface in a Pool, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 48, pp. 2407∼

2419, 2005.

7. Kim, S.J., Bang, I.C., Buongiorno, J. and Hu, L.W., Surface Wettability Chan- ge during Pool Boiling of Nanofluids and its Effect on Critical Heat Flux, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 50, pp.

4105∼4116, 2007.

8. Kim, H.D., Kim, J. and Kim, M.H., Experimental Studies on CHF Charac- teristics of Nanofluids at Pool Boiling, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 33, pp. 691∼706, 2007.

9. Ajayan, P.M., Nanotubes from Carbon,

Chemical Reviews, Vol. 99, pp. 1787∼1799, 1999.

10. Dresselhaus, M.S., Dresselhaus, G. and Avouris, P., Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, Properties and Applications, Eds.; Springer, New York, Vol. 80, 2001.

11. Park, K.J. and Jung, D., Enhancement of Nucleate Boiling Heat Transfer Using Carbon Nanotubes, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 50, pp.

4499∼4502, 2007.

12. Park, K.J., Jung, D. and Shim S.E., Nucleate Boiling Heat Transfer Coefficients of Halogenated Refrigerants Up to Critical Heat Fluxes, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, Vol.

223, pp. 1415∼1424, 2009.

13. O'Connell, M.J., Boul, P., Ericson, L.M., Huffman, C., Wang, Y., Haroz, E., Kuper, C., Tour, J., Ausman, K.D. and Smalley, R.E., Reversible Water- solubilization of Single-walled Carbon Nanotubes by Polymer Wrapping, Chemical Physics Letters, Vol.

342, pp. 265∼271, 2001

14. Kline, S.J. and McClintock, F.A., Des- cribing Uncertainties in Single-sample Experiments, Mechanical Engineer, Vol. 75, pp 3∼8, 1953.

15. Rohsenow, W.M., A Method of Correlation Heat-Transfer Data for Surface Boiling of Liquids, ASME Trans., Vol. 74, pp. 969∼

976, 1952.

16. Stephan, K. and Abdelsalam, M., Heat Transfer Correlations for Natural Convection Boiling, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 23, pp. 73∼87, 1980.

17. Zuber, N., Hydrodynamic Aspects of Boiling Heat Transfer, AEC Report no. AECU- 4439, Physics and Mathematics, 1959.