KR100795375B1 - Apparatus for enhancing heat transfer by attached nano tube - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 유동방향에 따라 열전달용 기구 평판 벽면에서 발달되는 열경계층을 나타낸 개략도.1 is a schematic view showing a thermal boundary layer developed on the wall of the heat transfer apparatus plate along the flow direction.
도 2는 유동방향에 따라 열전달용 기구 내부관 벽면에서 발달되는 열경계층을 나타낸 개략도.Figure 2 is a schematic diagram showing a thermal boundary layer developed in the wall of the inner tube for heat transfer mechanism according to the flow direction.
도 3은 본 발명에 따른 열전달용 기구의 평판 벽면에 성장, 증착된 나노튜브가 장착된 열경계층을 나타낸 개략도. Figure 3 is a schematic diagram showing a thermal boundary layer equipped with nanotubes grown and deposited on the flat wall surface of the heat transfer mechanism according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 열전달 용 기구의 벽면에 성장, 증착된 나노튜브의 다른 형태를 보여주는 개략도.Figure 4 is a schematic diagram showing another form of nanotubes grown and deposited on the wall of the apparatus for heat transfer according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1: 판 2: 관1: plate 2: tube
3: 열경계층 4: 나노튜브3: thermal boundary layer 4: nanotubes
본 발명은 열전달용 기구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 내부관 내부 또는 평활판 상면에 열매체가 유동하며, 외부로 열을 전달시키는 열전달 용 기구에 있어서, 상기 관 또는 평판 벽면에 형성되는 온도 경계층범위이내에서, 나노튜브를 열매체 유동방향에 따라 코팅, 증착 형성하여, 동물의 털 또는 침모양의 형상으로 열전달을 촉진하도록 이루어진 나노튜브가 증착된 열전달용 기구에 관한 것이다. 참고로 열경계층과 유동경계층은 무차원수인 프란틀번호에 따라서 두께가 상대적으로 크고 작고하는 관계를 보인다.The present invention relates to a heat transfer mechanism, and more particularly, in a heat transfer mechanism in which a heat medium flows inside an inner tube or an upper surface of a smooth plate and transfers heat to the outside, a temperature boundary layer formed on the tube or plate wall surface. Within this range, the present invention relates to a nanotube-deposited heat transfer apparatus configured to coat and deposit nanotubes along a heating medium flow direction to promote heat transfer in the shape of an animal's hair or a needle. For reference, the thermal boundary layer and the flow boundary layer have a relatively large and small thickness depending on the dimension number of the plant.
일반적으로 공기조화시스템, 버스 쿨러, 열펌프, 히트파이프 등에는 유체 또는 냉매를 냉각/방열 등을 위한 열교환기가 설치되어 있다. 이 같은 열전달 용 기구는 외기와의 접촉면적을 증대시키기 위해 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 또한, 유속, 수력직경, 기체밀도에 따라 한정된 레이놀즈수 유동영역에서 열저항을 감소시킬 수 있는 다수의 핀을 구비한 증발기를 구비하고 있다.Generally, an air conditioning system, a bus cooler, a heat pump, a heat pipe, and the like are provided with a heat exchanger for cooling / heating a fluid or a refrigerant. Such a heat transfer mechanism can be formed in various shapes to increase the contact area with the outside air, and can also reduce the heat resistance in the Reynolds water flow region limited by the flow velocity, hydraulic diameter, and gas density. Evaporator provided with the.
따라서, 공기조화 시스템, 버스 쿨러, 냉동시스템, 열펌프, 히트파이프, 원자력발전계통의 증기발생기 등에서는 작동유체가 응축기를 거치는 동안 방열하여 냉각되며, 증발기를 거치는 동안 외부로부터 열을 흡수하여 작동유체가 증발하면서 외기를 냉각시키는 것이다.Therefore, in air conditioning systems, bus coolers, refrigeration systems, heat pumps, heat pipes, and steam generators in nuclear power plants, the working fluid cools by radiating heat while passing through the condenser and absorbing heat from the outside while passing through the evaporator. Is cooling the outside air while evaporating.
보통 열교환기의 평활판 또는 원통형의 파이프들은 금속 박판 또는 동관, 알루미늄 등으로 형성되며 원하는 구조로 압연(rolling) 또는 압인(stamping)될 수 있다. Normally, the smooth plate or cylindrical pipes of a heat exchanger are formed of metal sheet or copper tube, aluminum, etc. and can be rolled or stamped into a desired structure.
도 1은 유동방향에 따라 열전달용 기구 평판 벽면에서 발달되는 열경계층을 나타낸 개략도이며, 도 2는 유동방향에 따라 열전달용 기구 내부관 벽면에서 발달되는 열경계층을 나타낸 개략도로서, 이를 설명하면, 다음과 같다. 1 is a schematic diagram showing a thermal boundary layer developed on the wall of the heat transfer mechanism according to the flow direction, Figure 2 is a schematic diagram showing a thermal boundary layer developed on the wall of the inner tube for heat transfer according to the flow direction, Same as
상기 평판(1) 상면 또는 내부관(2)내부에 형성된 유체유동에 노출된 열전달 표면적에 있어서, 유동 통로의 벽면에는 유동 및 열경계층(3)이 성숙되어 점점 발달되며, 이 경계층 영역에서 매우 낮은 열전달을 초래한다.In the heat transfer surface area exposed to the fluid flow formed on the upper surface of the
이러한 판의 상면 또는 내부에서 발달된 열매체 유동은 외부의 다른 부품으로 열을 전달시키거나, 열을 흡수하는 특성을 포함하며, 모든 열전달은 벽면을 통하여 열이 전달되나. 벽면에서 발달되는 온도경계층으로 인하여 열전달효율이 감소되는 문제점이 있는 것이다. Thermal fluid developed on the top or inside of these plates includes the ability to transfer heat to or absorb heat from other parts of the plate. All heat transfer is through the wall. Due to the temperature boundary layer developed on the wall there is a problem that the heat transfer efficiency is reduced.
이와 같이, 열전달 용 기구에서의 열전달은 핀과 접하는 외기측의 열저항이 전체 열저항의 대부분을 차지하게 됨에 따라, 결국 핀의 성능이 열전달 용 기구의 성능을 좌우하게 되는 것이다. 이 같은, 종래의 열교환기에 널리 적용되고 있는 핀들 중 하나의 타입으로서 일명 LF핀 이라 칭하는 루버 핀(louver fin)이 있다.As described above, the heat transfer in the heat transfer mechanism is such that the heat resistance of the outside air contacting the fin occupies most of the total heat resistance, so that the performance of the fins ultimately determines the performance of the heat transfer mechanism. One such type of fins widely applied to conventional heat exchangers is a louver fin called a LF fin.
그러나, 종래의 이 같은 루버 핀은 공기의 충돌각이 90ㅀ로 한정되어 폭방향 및 축방향으로 와류가 생성되지 않으며, 저속에서는 경계층이 두꺼워져 덕트유동이 형성되므로 열전달 성능이 낮은 문제점이 있다.However, the conventional louver fin has a problem that low heat transfer performance is limited because the impact angle of air is limited to 90 ° and vortices are not generated in the width direction and the axial direction, and the boundary layer is thickened at low speed to form duct flow.
또한, 종래의 핀의 타입들 중 다른 하나의 타입으로서 일명 OSF 라 칭하는 오프셋 스트립 핀(offset strip fin)이 있다.There is also an offset strip fin, also called OSF, as one of the other types of conventional fins.
그러나, 이 같은 오프셋 스트립 핀은 단지 1차원적인 엇갈림 효과만을 제공하므로 이 역시 열전달 효과가 낮은 문제점이 있다.However, such an offset strip fin provides only a one-dimensional staggering effect, which also has a problem of low heat transfer effect.
상기와 같은 종래의 열교환기의 벽면에 장착되는 핀의 크기는 온도경계층보다 상대적으로 매우 큰 크기를 포함하고 있으므로, 열전달 촉진에 있어서, 효율적인 핀형상을 제공하지 못하는 문제점을 안고 있는 것이다. Since the size of the fin mounted on the wall surface of the conventional heat exchanger includes a relatively much larger size than the temperature boundary layer, there is a problem in that it does not provide an efficient fin shape in promoting heat transfer.
이에 본 발명은 상기 종래의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로,Accordingly, the present invention has been made to improve the above conventional problems,
본 발명은 열전달 용 기구의 유동 채널 벽면에 성장 발달된 온도경계층을 교란, 붕괴하기 위한 유동 붕괴 수단을 제공하며, 이 수단을 통하여 유동 저항을 최소로 증가시키며 교란과 혼합을 발생시키고, 경계층을 붕괴한다. 이로써 유동 붕괴 수단은 유동 채널벽면의 비열전달성(specific heat transfer performance)과 전체 열전달성(overall heat transfer performance)을 향상시킨다. The present invention provides a flow collapse means for disturbing and collapsing the thermally developed temperature boundary layer on the flow channel wall of the heat transfer apparatus, through which the flow resistance is minimized, disturbance and mixing occur, and the boundary layer collapses. do. This means that the flow collapse means improves the specific heat transfer performance and the overall heat transfer performance of the flow channel walls.
본 발명은 유동붕괴수단으로서, 최근에 개발이 활발한 나노튜브를 열전달 용 기구의 벽면에 성장, 코팅/증착시켜, 열전달 촉진 효과를 제공하고자 하는 것이다. 나노튜브는 대표적으로 탄소나노튜브를 고려하나, TiO2 등과 같은 유사한 재료를 사용하여 나노튜브나 나노섬유를 만들고 면에 코팅, 증착, 성장 시킬수있다.The present invention is intended to provide a heat transfer promoting effect by growing, coating / depositing nanotubes, which have been actively developed recently, on the wall surface of a heat transfer apparatus as a fluid collapse means. Nanotubes are typically considered carbon nanotubes, but can be made of similar materials, such as TiO2, to make nanotubes or nanofibers, coating, depositing, and growing them on cotton.
도 3은 본 발명에 따른 열전달용 기구의 평판 벽면에 성장, 증착된 나노튜브 가 장착된 열경계층을 나타낸 개략도이며, 본 발명은 판(1)상면 또는 관(2)내부에 열매체가 유동하는 외부로 열을 전달시키는 열전달용 기구에 있어서, 3 is a schematic view showing a thermal boundary layer equipped with nanotubes grown and deposited on a flat wall surface of a heat transfer apparatus according to the present invention, and the present invention is an outer surface in which a heat medium flows inside an upper surface of a plate (1) or a tube (2). In the heat transfer mechanism for transferring heat to the furnace,
상기 판(1)상면 또는 관(2)의 벽에 형성되는 열 경계층(3)범위이내에서 나노튜브(4)를 열매체 유동방향에 따라 성장 증착하여, 성장 증착된 침모양의 형상에 의하여 열전달 면적을 증가시키고, 열 경계층(3)의 발달을 교란 및 붕괴시켜, 열전달을 촉진하도록 이루어진 나노튜브가 증착된 열전달 용 기구에 관한 것이며, 상기 나노튜브(4)가 장착된 코팅 판은 박판으로 이루어진다. The
판(1) 또는 관(2)에 열매체가 유동하는 외부로 열을 전달시키는 열교환기의 위치 고정되어 있고, 또한 표면이 매끈하게 되어 있기 때문에 도 2에 도시된 바와 같이, 판(1) 또는 관(2)벽면의 매끈한 표면 위로 열매체의 흐름이 일어날 때에 자연 발생적으로 벽면 위에 열 경계층(3)이 상당한 두께로 형성되어, 열교환기로부터 열을 효과적으로 뺏을 수 없게 된다. As shown in FIG. 2, the
이는 열 경계층 내에서 정체된 유동층이 열전달의 저항역할을 하여, 열전달용 기구의 표면으로부터의 열전달을 저해하기 때문이다. 이 정체된 유동 층 내에서의 열저항은 표면 가까이로 갈수록 크며, 열전달 용 기구의 표면에서는 유체유동이 완전히 정지되어 확산에 의한 열전달 효과만 있고, 대류의 영향은 없게 된다. This is because the stagnant fluidized bed in the thermal boundary layer acts as a resistance to heat transfer, thereby inhibiting heat transfer from the surface of the heat transfer mechanism. The heat resistance in this stagnant fluidized bed is greater near the surface, and at the surface of the device for heat transfer, fluid flow is completely stopped, only the heat transfer effect by diffusion, and no convection effect.
즉, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 강제적으로 열매체가 유동평균속도, Vo로 벽면으로 진행하며, 벽면의 정체된 열 경계층(3)으로부터 먼 부분에서는 대략 진입한 속도 Vo로 진행하지만, 열 경계층(3)을 통과하는 공기는 Vo 보다 낮은 V1 의 속도로 진행하고, 그리고 그 아래의 정체된 경계층내에서는 V1 보다 낮은 V2의 속도로 진행하며, 그리고 열전달 용 기구의 표면에서는 사실상 열매체 유동이 완전히 정지된 상태가 된다. That is, as shown in Figs. 1 and 2, the heating medium forcibly proceeds to the wall at a flow average speed, Vo, and proceeds at a speed Vo approximately entered at a part far from the stagnant
이러한 열매체의 유동의 정지는 유체역학적인 측면에서 열매체와 핀(FIN) 간의 마찰 및 점성력의 작용에 기인한다. 따라서, 많은 양의 열을 배출하기 위해서는 큰 핀이 요구되는데, 핀의 크기가 커질 수로 열저항이 커지고 표면적이 넓어 지므로, 전체의 냉각장치가 커짐은 물론 단위 부피당 열전달율은 감소하게 되어 점차 소형화되는 열교환기의 형태에 역행하게 되는 것이다.This flow stoppage is due to the action of friction and viscous forces between the heat medium and the fin (FIN) in hydrodynamic terms. Therefore, large fins are required to discharge a large amount of heat, and as the fin size increases, the thermal resistance increases and the surface area becomes large, thereby increasing the overall cooling system and decreasing the heat transfer rate per unit volume. It goes against the form of the flag.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 나노튜브의 냉각핀에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전달 용 기구의 벽면에 난류 촉진형 돌출물들을 열매체의 흐름 주류 방향으로 일정간격으로 배열하여, 열매체의 유동에 따라 난류를 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유입되는 열매체가 난류촉진형 돌출물 상단에 박리되어 벽면에 재 부착되어 기존 열 경계층을 박막화하여, 마찰계수를 증가시키고 열전달률을 촉진시켜 냉각 또는 방열 효율을 향상시킬 수 있는 (탄소)나노튜브형 냉각핀에 관한 것이다. 나노튜브는 길이가 직경에 비하여 대단히 크므로 유연성을 갖는 관계로 유동에 따라서 흔들림도 있어서 유동, 열 경계층의 교란을 유발한다.As shown in FIG. 3, the present invention relates to a cooling fin of a nanotube, and more particularly, by arranging turbulent flow promoting protrusions on a wall surface of a heat transfer mechanism at regular intervals in the direction of the flow mainstream of a heat medium, the flow of heat medium In addition, it is possible to form turbulence, and the incoming heat medium is peeled off the top of the turbulent acceleration protrusion and reattached to the wall to thin the existing thermal boundary layer, thereby increasing the coefficient of friction and promoting the heat transfer rate to improve cooling or heat dissipation efficiency. It relates to a (carbon) nanotube type cooling fin that can be improved. Since the nanotubes are very large in length compared to their diameters, they have flexibility and thus shake due to flow, causing disturbance of the flow and thermal boundary layers.
이를 구현하기 위하여, 도 4는 본 발명에 따른 열전달 용 기구의 벽면에 성장, 증착된 나노튜브의 다른 형태를 보여주는 개략도를 보인 것이다.In order to implement this, Figure 4 shows a schematic view showing another form of nanotubes grown and deposited on the wall of the heat transfer mechanism according to the present invention.
나노튜브(Nano-tube)는 특이한 구조와 우수한 기계적, 전기적 물성으로 인해 많은 관심을 끌고 있으며, 특히 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)의 열전도도는 구 리나 은 혹은 금의 열전도도에 비해 10배 이상이나 크므로 열전달의 측면에서는 거의 초전도체로 볼 수 있다. Nano-tubes are attracting much attention due to their unusual structure and excellent mechanical and electrical properties. Especially, the thermal conductivity of carbon nanotubes is 10 times higher than that of copper, silver, or gold. It is so large that it is almost superconductor in terms of heat transfer.
도 4에 보인 바와 같이, 필요에 따라 2차원적으로 또는 일차원적으로 정렬시킨다. 이때, 2차원적인 정렬 방법은 스핀 코팅(spin coating)이나 딥 코팅(dip coating)을 응용하는 방법이 있다. 그리고, 일차원적인 정렬 방법은 extrusion이나 elongational flow를 이용하는 방법, 자기장을 이용하는 방법 또는 stretch drying 등의 방법이 있다. 또한, 나노튜브(4)가 형성되는 집합체의 모양에 따라 버키 블록(bucky block)으로 형성될 수도 있다.As shown in FIG. 4, two-dimensional or one-dimensional alignment is necessary. At this time, the two-dimensional alignment method is a method of applying spin coating (dip coating) or dip coating (dip coating). One-dimensional alignment methods include extrusion or elongational flow, magnetic fields, or stretch drying. In addition, it may be formed as a bucky block according to the shape of the aggregate in which the
이러한 나노튜브를 이상유동이 있는 판이나 관에 적용하면 나노튜브는 응축, 증발의 시작을 유발하는 핵으로 작용될 수 있고, 이상 유동 하의 관 내부에서 일반적으로 사용되는 나선형으로 유동을 유도하는 배열이 사용될 수 있다.When these nanotubes are applied to a plate or tube with an ideal flow, the nanotubes can act as a nucleus that causes condensation and evaporation to start. Can be used.
나노튜브의 재질을 이용하여 판이나 관에 코팅을 하면, 자유롭게 나노튜브가 표면에 코팅이 되어서 이 표면에서 털 모양이 일부분씩 무작위로 만들어지는 것도 고안된다. 이렇게 하면, 열전달 표면의 제작이 경제적이고 간편하면서도 열경계층 내부에 털 모양의 나노튜브가 다수로 존재하여 열전달 향상 효과를 볼수 있는 방식으로 사용된다. When coating a plate or tube using the material of the nanotube, the nanotube is freely coated on the surface, and a part of the hair is randomly created on the surface. In this way, the fabrication of the heat transfer surface is economical and simple, but a large number of hairy nanotubes are present in the thermal boundary layer, and thus the heat transfer surface is improved.
본 발명은 위 실시 예들을 참조로 하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 이는 단지 예시를 위하여 사용된 것이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가 진 자라면 첨부된 청구범위에서 정의된 것과 같이 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형을 할 수 있음이 이해되어야 할 것이다.While the invention has been particularly shown and described with reference to the above embodiments, it has been used only for the purpose of illustration and those of ordinary skill in the art to which the invention pertains have the invention as defined in the appended claims. It should be understood that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 열전달용 기구의 벽면에 성장 발달되는 열경계층 범위내에, 나노튜브를 일정 배열방향으로 성장 증착시켜, 발달되는 열경계층을 교란하고, 깨뜨리는 등, 경계층의 두께를 감소시켜 열전달을 촉진시키는 열전달 용 기구를 제공하고자 하는 것이다. 이런 열전달 촉진은 일반적인 산업에서 쓰이는 기구의 열효율을 높여서 경제성 향상은 물론 이산화탄소 배출을 줄이는 효과를 제공하게 된다.As described above, in the present invention, the thickness of the boundary layer is reduced by growing and depositing nanotubes in a predetermined arrangement direction within the range of the thermal boundary layer grown on the wall of the heat transfer mechanism, disturbing and breaking the developed thermal boundary layer. It is to provide a heat transfer apparatus that promotes heat transfer. This heat transfer promotion increases the thermal efficiency of the apparatus used in the general industry, thereby improving economic efficiency and reducing carbon dioxide emissions.
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KR1020060073559A KR100795375B1 (en) | 2006-08-04 | 2006-08-04 | Apparatus for enhancing heat transfer by attached nano tube |
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2006
- 2006-08-04 KR KR1020060073559A patent/KR100795375B1/en active IP Right Grant
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