자성 나노유체의 강제 대류열전달에 미치는 자기장 효과

Abstract

In this study, the magnetic field effect on the forced convective heat transfer of water/EG(80:20) based Fe3O4 nanofluid, Fe3O4/MWCNT hybrid nanofluid, and Co0.5Zn0.5Fe2O4 nanofluid was investigated and compared. Magnetic nanofluids were manufactured by a two-step method, and the Fe3O4, Co0.5Zn0.5Fe2O4, and Fe3O4/MWCNT hybrid nanoparticles used in the experiment were prepared using a chemical co-precipitation method. In the Fe3O4/MWCNT hybrid nanofluid, Fe3O4 and Co0.5Zn0.5Fe2O4 nanoparticles were mixed in a 1:1 ratio. Besides, the experiment was conducted according to the concentration of nanofluid, Reynolds number, and magnetic field strength, As a result, the maximum convective heat transfer of Fe3O4 nanofluid was observed at the concentration of 0.2wt%. When the Re number was 1600, the convective heat transfer coefficients was 1617, 1643, 1661, 1676 W/m2K, respectively, and those were observed at the magnetic strength of 0, 250, 500, and 750 Gauss. Furthermore, the enhancement of convective heat transfer coefficient at the magnetic strength of 250, 500, and 750 Gauss was 1.63%, 2.74%, and 3.66%, respectively, compared to that without magnetic field. Only the Fe3O4/MWCNT hybrid nanofluid exhibited the maximum convective heat transfer characteristics at the concentration of 0.1wt% due to the dispersion stability. When the magnetic field strength was 0, 250, 500, and 750 Gauss at Re=1600, the convective heat transfer coefficient was 1647, 1668, 1677, and 1689 W/m2K, respectively. In addition, the enhancement of convective heat transfer coefficient at 250, 500, and 750 Gauss was 1.28%, 1.83%, and 2.55%, respectively, compared to the that without magnetic field. The Co0.5Zn0.5Fe2O4 nanofluid showed the maximum convective heat transfer performance at a concentration of 0.2wt% as the same with the Fe3O4 nanofluid. Similarly, when Re=1600 and the magnetic field strength was 0 Gauss, 250, 500, and 750 Gauss, the convective heat transfer coefficient was 1658, 1681, 1688, and 1701 W/m2K, respectively. Besides, the enhancement of convective heat transfer coefficient 250, 500, and 750 Gauss was 1.41%, 1.83%, and 2.63%, respectively, compared to that at 0 Gauss. When comparing the convective heat transfer characteristics of the three types of magnetic nanofluids, the Co0.5Zn0.5Fe2O4 nanofluid showed the highest convective heat transfer coefficient. Additionary, it was confirmed that the largest pressure drop was appeared in the Fe3O4/MWCNT hybrid nanofluid, which showed slightly low dispersion stability due to a dispersing two different nanoparticles. Through this study, it is predicted that the performance of the thermal system can improve when the magnetic nanofluid is used as the working fluid in various thermal systems by using the magnetic field. Besides, it can provide basic design data for high efficiency thermal system using various nanofluids.|본 논문에서는 물과 에틸렌글리콜을 80:20의 비율로 기본유체를 제작하였고, 자성 나노유체로 Fe3O4 나노유체 및 Fe3O4/MACNT 하이브리드 나노유체 그리고 Co0.5Zn0.5Fe2O4 나노유체를 0.025wt%, 0.05wt%, 0.1wt%, 0.2wt%의 농도로 제조하여 자기장의 세기 대한 대류열전달 특성을 실험적으로 고찰하였다. 본 연구에서 자기장의 세기에 따른 대류열전달 특성을 확인하기 위하여 적용한 자기장 세기는 각각 250 Gauss, 500 Gauss, 750 Gauss 이다. 제조된 나노유체는 약 1개월 동안 분산이 유지됨을 육안으로 확인하였으며, 제타 포텐셜을 측정하여 시각적과 수치적으로 자성 나노유체의 분산안정성을 확인하였다. 제작된 자성 나노유체를 이용하여 관 내 대류열전달 특성에 따른 자기장 효과에 관하여 실험을 진행하였으며, 각 자성 나노유체에 관한 대류열전달 특성에 관한 대류열전달계수, Nu수 그리고 압력강하를 측정하였다. 또한 각 자성 나노유체별 최대 대류열전달 성능을 나타내는 농도의 자성 나노유체의 성능 특성을 비교 분석 하였으며, 이를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다. (1) Fe3O4 나노유체는 화학적 공침법 (chemical co-precipitation method)을 통하여 나노입자를 제조하였다. 0.2wt%의 농도에서 최대 대류열전달 특성이 나타났으며, 특히 Re 수가 1600에서 자기장 세기가 각각 0, 250, 500, 750 Gauss 일 때 대류열전달계수는 각각 1617, 1643, 1661, 1676 W/m2K가 나타났으며, 자기장 세기가 0 Gauss 대비 자기장 세기가 증가함에 따라 대류열전달계수는 각각 1.63%, 2.74%, 3.66% 향상됨을 확인하였다. (2) Fe3O4/MWCNT 하이브리드 나노유체는 기본유체에(water:EG=80:20) 1 대 1 비율로 Fe3O4 나노입자와 MWCNT 나노입자를 첨가하여 제조하였다. 분산안정성의 원인으로 0.1wt%에서 최대 대류열전달 계수가 나타났으며, Re 수 1600 일 때에서 자기장 세기가 각각 0, 250, 500, 750 Gauss 일 때 대류열전달계수는 각각 1647, 1668, 1688 W/m2K로 나타났으며, 자기장 세기가 0 Gauss 대비 자기장 세기가 증가함에 따라 대류열전달계수는 각각 1.28%, 1.83%, 2.55%씩 향상됨을 확인하였다. (3) Co0.5Zn0.5Fe2O4 나노유체는 Fe3O4 나노유체와 동일하게 화학적 공침법 (chemical co-precipitation method)을 통하여 나노입자를 제조하였으며, 0.2wt%의 농도에서 최대 대류열전달 특성이 나타났다. Re 수 1600 일 때 자기장 세기가 각각 0, 250, 500, 750 Gauss인 경우 대류열전달계수는 각각 1658, 1681, 1688, 1701 W/m2K가 나타났으며, 자기장 세기가 0 Gauss 대비 자기장 세기가 증가함에 따라 대류열전달계수는 각각 1.41%, 1.83%, 2.63% 향상됨을 확인하였다. 그리고 최대 대류열전달계수가 나타난 농도의 자성 나노유체를 자기장 세기변화에 따라 대류열전달계수와 압력강하를 비교 분석하였다. 최대 대류열전달계수를 비교하였을 때, Fe3O4 나노유체와 Co0.5Zn0.5Fe2O4 나노유체는 0.2wt%에서 최대 대류열전달계수가 나타났으며, Fe3O4/MWCNT 하이브리드 나노유체는 0.1wt%에서 최대 대류열전달계수가 나타났다. 자기장 세기 변화에 따라 대류열전달계수를 비교한 결과, 750 Gauss에서 0.2wt% Co0.5Zn0.5Fe2O4 나노유체가 최대 대류열전달계수가 나타났으며 이를 통해 자기장 세기가 증가함에 따라 대류열전달계수가 증가하고 나노유체의 열전도도가 대류열전달계수에 직접적인 영향이 미치는 것을 확인할 수 있었다. 또한 자기장의 세기변화에 따른 압력강하를 비교하였을 때 3종류의 자성 나노유체 모두 0.2wt% 농도에서 최대 압력강하가 나타났으며, 대류열전달계수와 동일한 자기장 세기인 750 Gauss에서 0.2wt% Fe3O4/MWCNT 하이브리드 나노유체에서 3.60 kPa로 최대 압력강하가 나타났다. 외부 자기장의 영향이 없는 상태의 자성 나노유체의 압력강하는 외부 자기장의 영향이 받음에 따라 급격하게 증가하는 경향을 보이나 자기장의 세기가 증가할수록 압력강하의 증가율은 상대적으로 미미함을 확인하였다. 본 연구는 3 종류의 자성 나노유체를 적용하여 관 내 대류열전달 특성에 미치는 자기장 효과를 실험적으로 연구를 통하여 진행하였다. 이를 통해 관 내 강제대류열전달 특성에 미치는 자기장 효과를 확인함으로써 자성 나노유체가 열 시스템의 작동유체로 사용 될 때 열시스템의 성능이 향상될 것으로 예측되며, 향후 나노유체를 적용한 열 시스템 설계 시 필요한 기초 자료를 제공하고자 한다.