MWCNT 및 TiO2 물의 열 전달 특성 최적화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15154(2022) 이 기사 인용

1028 액세스

19 인용

4 알트메트릭

측정항목 세부정보

본 연구의 목적은 파일럿 규모 직교류 냉각탑의 열 성능에 대한 이산화티타늄(TiO2) 나노 첨가제의 효과를 조사하는 것입니다. 또한 다중벽탄소나노튜브(MWCNT) 나노유체를 이용한 효과에 대한 이전 연구의 연속이며, 그 결과를 TiO2 및 이전 연구의 결과와 비교하였다. 두 가지 요인(농도 및 유속)을 갖는 중심 합성 설계(CCD)를 기반으로 한 반응 표면 방법론(RSM)에 의한 실험 설계를 사용하여 설정, 메르켈 수 및 냉각 범위의 효율성을 연구했습니다. 나노유체는 2단계 방법으로 제조되었다. 아라비아검, Triton X-100, 도데실황산나트륨 등 다양한 계면활성제를 고려하여 안정성 시험을 실시하였고, 아라비아검을 최적의 계면활성제로 결정하였다. 나노유체의 안정성을 보장하고 나노유체 내 나노입자의 크기 분포를 결정하기 위해 시각적 방법, 동적 광산란(DLS) 및 제타 전위 분석이 사용되었습니다. 연구 결과에 따르면 나노입자를 첨가하면 작동유체의 열전달 특성이 향상되는 것으로 나타났습니다. 또한, 나노입자의 효과를 비교함으로써 MWCNT가 TiO2보다 열 특성을 더 향상시킬 수 있음을 발견했습니다. 0.085wt%의 MWCNT를 함유한 나노유체는 메르켈 수, 효율성 및 냉각 범위를 각각 28, 10.2 및 15.8% 향상시키는 반면, TiO2 함유 나노유체의 경우 이러한 값은 각각 5, 4.1 및 7.4%입니다. 최적의 시스템 설정을 위해 0.069 중량% 농도와 2.092 kg/min 유속을 갖는 MWCNT 나노유체가 제안되었습니다. 이러한 조건에서 냉각 범위, 효율성 및 메르켈 수는 각각 약 23.5, 55.75% 및 0.64였습니다.

나노유체는 오일, 물, 에틸렌 글리콜과 같은 기본 유체에 1~100nm 범위의 낮은 나노입자 함량을 갖는 안정적인 현탁액으로 정의됩니다1. 최근 냉각 및 냉동 시스템, 공정 엔지니어링, 연소 엔진, HVAC(난방, 환기 및 공조), 발전 및 기계 도구와 같은 다양한 응용 분야에서 나노유체를 활용한 열 전달 향상을 연구하는 데 상당한 연구가 이루어졌습니다. 그 외 다수2,3,4. 점도5, 인화점, 열전도율, 유동점, 열 및 물질 전달 계수, 냉각 속도와 같은 열 전달 및 열물리적 특성은 나노유체6를 활용하여 향상될 수 있습니다. 금속 및 금속 산화물7,8, 탄소 기반 나노물질9,10과 같은 나노유체의 제조에 사용된 광범위한 유형의 나노 첨가제가 있습니다. 그러나 작은 크기, 큰 표면적, 우수한 열용량 등 놀라운 특성을 가지고 있음에도 불구하고 특히 고농도에서는 덩어리지는 경향이 있습니다. 안정적인 나노유체를 준비하는 것은 여전히 ​​어려운 일이며, 많은 솔루션이 나노입자와 관련된 일반적으로 관련된 문제를 해결합니다. 표면 개질 방법11, 초음파 교반12, 계면활성제 활용13 및 pH 처리14. TiO2 나노입자는 독특한 특성으로 인해 일반적으로 사용되는 다양한 나노 첨가제 중에서 널리 사용되어 왔습니다. 여기에는 탁월한 콜로이드 및 화학적 안정성, 환경 친화적15, 열 전달 강화 기능16 및 마찰 감소 동작이 포함됩니다.

냉각 시스템의 열 전달 특성을 평가할 때 MWCNT/나노유체는 CNT가 다른 기존 재료보다 거의 5배 더 높은 값을 갖기 때문에 열전도율과 같은 측정된 열물성 특성이 크게 향상되는 것으로 나타났습니다17. 결과적으로, MWCNT/나노유체의 더 높은 열 전도성은 적용된 시스템에서 더 나은 열 전달 속도를 보장합니다.