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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8471(2023) 이 기사 인용

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태양열 교환기 내부의 열 전달을 개선하는 것은 도시 지역의 태양 에너지 개발에 중요합니다. 본 연구에서는 태양열교환기의 유턴파이프 내부에 흐르는 나노유체(Fe3O4)의 열효율에 대한 불균일 자기장 활용을 검토하였다. 태양열교환기 내부의 나노유체 흐름을 시각화하기 위해 전산유체역학을 적용하였습니다. 열 효율에 대한 자기 강도와 레이놀즈 수의 역할이 완전히 조사되었습니다. 우리 연구에서는 단일 및 삼중 자기장 소스의 효과도 연구됩니다. 얻은 결과는 자기장의 사용으로 인해 기본 유체에 와류가 생성되고 영역 내부에서 열 전달이 향상된다는 것을 나타냅니다. 우리의 발견은 Mn = 25K인 자기장을 사용하면 태양열 교환기의 U턴 파이프를 따라 평균 열 전달을 약 21% 향상시킬 수 있음을 나타냅니다.

열교환기의 열적 발전은 환경과 비용을 절약하는 데 매우 중요합니다. 열교환기의 성능은 발전소, 석유화학 플랜트, 정유소는 물론 가정 사용자1,2,3 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되기 때문에 다양한 산업 분야에서 매우 중요합니다. 환경 보호를 위한 이 장치의 중요성은 에너지 생산을 위해 석유를 태워 CO2 배출을 감소시키기 때문에 이전 연구에서 언급되었습니다. 반면, 태양 에너지와 같은 새로운 유형의 에너지 자원은 열교환기의 성능이 충분히 높을 때 경제적이 됩니다4,5.

현재의 에너지원은 2세기 이상 지속되지 않기 때문에 새로운 에너지원의 개발은 매우 중요합니다6,7. 따라서 재생에너지는 원유를 대체할 수 있는 최선의 방법으로서 연구자들에게 주요 주제가 되었습니다8,9. 게다가, 원유 연소 시 CO2 생성이 불가피하기 때문에 고전적인 에너지원으로는 오염을 줄일 수 없습니다10,11. 이용 가능한 재생 에너지 중에서 태양 에너지는 접근성과 저렴한 비용으로 인해 특히 가정 사용자에게 신뢰할 수 있는 에너지원으로 간주되어 왔습니다12,13. 태양광 발전소는 대규모 에너지 생산 측면에서 다른 발전소(예: 원자력)와 비교할 수 없지만, 이 에너지원은 도시 지역에서 장거리에 거주하는 소규모 사용자에게 효율적으로 사용될 수 있습니다14,15,16,17. 따라서 유가 상승으로 인해 지난 3년 동안 가정 사용자를 위한 에너지원 생산을 위한 태양광 시스템의 사용이 증가했습니다18,19,20.

나노입자의 사용은 현재 열교환기의 효율성을 눈에 띄게 향상시켰습니다21,22. 실제로, 철 입자는 열 교환기의 기본 유체의 열 용량을 광범위하게 향상시키며 이는 가정 사용자에게 필요한 온수를 제공하기 위한 태양 전지 패널의 성능을 절약합니다23,24,25. 나노유체의 열용량은 자기장의 사용에 따라 상당히 증가합니다. 실제로, 나노유체 흐름이 있는 파이프 근처에 자기 소스를 적용하면 유체에 교란이 발생하고 나노유체 흐름에 소용돌이 구조가 생성됩니다. 따라서 열 교환기 내부에서 열 전달이 강화됩니다. 나노유체 흐름의 이러한 특성은 끓임과 용융이라는 또 다른 과정에서 포괄적으로 조사되었습니다. 왜냐하면 이것이 과정의 열적 특성을 변화시키기 때문입니다28,29,30. 현재 연구에서는 철 입자가 있는 나노유체 근처에서 균일하거나 불균일한 자기 소스를 사용하는 방법이 연구되었지만, 나노유체 흐름의 이러한 측면은 열 교환기의 여러 부분에서 포괄적으로 연구되지 않았습니다. 대부분의 연구에서 나노유체 흐름의 열해석을 위해 이론적인 접근법이 사용되었습니다. 전산유체역학의 수치 기법은 열 교환기의 열 전달을 조사하는데도 사용됩니다. 전산 조사 비용이 저렴하기 때문에 이 기술은 현재 연구 개발을 위한 새로운 혁신적인 접근법을 사전 평가하기 위한 초기 방법으로 간주됩니다. 열교환기의 개선을 위해 균일한 자기장에 대한 여러 연구가 집중되어 있지만, 불균일한 자기장은 전산유체역학을 통해 제한된 논문에서만 연구되었습니다.