회전 밀폐 공간 내 TiO₂-물 나노유체의 안정성과 자연 대류 열전달 특성: 실험적 연구

요약

본 연구는 -45°, 0°, 45°, 90°로 회전된 정사각형 밀폐 공간에서 TiO₂-물 나노유체의 안정성과 자연 대류 열전달 성능을 조사하였다. pH 8에서 6 wt% 분산제를 첨가하여 안정성을 최적화하였으며, 이는 최저 투과율과 최상의 분산 상태를 나타냈다. 실험은 나노입자 농도(0.1~0.5 wt%)와 가열 전력(1~20 W)을 변화시키며 수행되었다. 0° 방향에서 가장 높은 누셀트 수를 보였으며, 이어서 45°, 90° 순이었고, -45°가 가장 낮았다. 열전달은 입자 농도와 전력 증가에 따라 향상되었으나, 높은 전력에서는 점도 효과로 인해 상대적 향상률이 감소하였다.

배경

나노유체는 우수한 열전도성을 가지므로 자연 대류를 이용한 열전달 응용 분야에서 주목받고 있다. Al₂O₃-물, CuO-물, TiO₂-물 시스템에 대한 수치 연구는 다수 수행되었으나, 회전된 밀폐 공간에서의 실험적 데이터는 여전히 부족하다. 본 연구는 회전이 TiO₂-물 나노유체의 대류에 미치는 영향을 실증적으로 규명함으로써 이러한 공백을 메우고자 한다.

연구 방법

제조 및 안정성 평가

TiO₂ 나노입자(약 10 nm, 판상 형태)는 2단계 공정으로 탈염수에 분산시켰다: 기계적 교반(30분) 후 초음파 처리(40분). 6 wt% 분산제 첨가와 pH 8 조정이 가장 안정적인 현탁액을 생성하였으며, 72시간 후 침전 최소화와 투과율 τ ≈ 0.2의 최솟값으로 확인되었다. 입자 크기 분포는 SEM, TEM, XRD로 검증되었으며, 셔러 공식으로부터 6~9 nm의 결정립 크기가 도출되었다.

실험 장치

세 개의 직사각형 밀폐 공간(가로×세로: 10×20 cm, 5×20 cm, 20×20 cm)을 구리로 제작하였으며, 좌측 벽면은 실리콘 시트 히터로 가열하고 우측 벽면은 수조로 냉각하였다. 6개의 열전대로 벽면 온도를 측정하였고, 유량계로 열손실을 정량화하였다. 장치는 중력 방향에 대해 회전 가능하여 -45°, 0°, 45°, 90° 네 각도에서 실험하였다.

데이터 처리

주요 계산식:

• 열입력: Q = I
• 순전력: Qₙₑₜ = Q – Qₗₒₛₛ
• 고온측 평균 온도: Tₕ* = (T₁+…+T₆)/6
• 유효 고온측 온도: Tₕ = Tₕ* – Qₙₑₜ·δ/(A·λ_w)
• 대류 열전달 계수: h = Qₙₑₜ/[A(Tₕ–T₍C₎)]
• 누셀트 수: Nu = h·W/λ_f