열방어구조의 다공성 단열재 유효 열전도율 예측 모델링

황경민(Kyung-Min Hwang),김용하(Yong-Ha Kim),김명준(Myung-Jun Kim),이희수(Hee-Soo Lee),박정선(Jung-Sun Park) 한국항공우주학회 2017 韓國航空宇宙學會誌 Vol.45 No.3

다공성 단열재는 탁월한 단열 효과로 단열공간을 최소화하여, 기존 단열재 대비 내부 공간을 활용할 수 있어 여러 산업 분야에서 사용되고 있다. 특히 높은 단열 효과뿐만 아니라 경량화가 요구되는 항공우주 산업분야에서는 이와 같은 다공성 단열재의 수요가 증가하고 있다. 본 논문에서는 다공성 단열재의 정확도가 높은 유효 열전도율 예측 모델을 새롭게 제안하고, 기존 예측 모델 및 시험 결과와 비교 검증하였다. 이를 위해, 기존 유효 열전도율 예측모델에 대하여 문헌조사를 수행하였고, 다공성 단열재의 고체 부피율에 따른 열전도율 시험결과 값과 비교하였다. 또한 유효 열전도율 시험 결과와 비교하여 가장 높은 정확도를 가진 Zehner-Schlunder 모델 및 시험 결과 데이터를 기반으로 새로운 유효 열전도율 예측 모델을 정의하였으며, 시험 결과 데이터와 비교하여 기존 유효 열전도율 예측 모델보다 유사한 정확도를 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 개선된 유효 열전도율 예측 모델을 적용하여 초고속비행체 열방어구조의 과도 열전달 해석을 수행하였으며, 열전달 시험 결과와의 비교를 통해 예측 모델의 유효성을 확인하였다. Porous insulation have been frequently used in a number of industries by minimizing thermal insulation space because of excellent performance of their thermal insulation. This paper devices an effective thermal conductivity prediction model. First of all, we perform literature survey on traditional effective thermal conductivity prediction models and compare each other model with heat transfer experimental results. Furthermore this research defines advanced effective thermal conductivity prediction models model based on heat transfer experimental results, the Zehner-Schlunder model. Finally we verify that the newly defined effective thermal conductivity prediction model has better performance prediction than other models. Finally, this research performs a transient heat transfer analysis of thermal protection system with a porous insulation using the finite element method and confirms validity of the effective thermal conductivity prediction model.

펄라이트를 사용한 무기단열재의 열전도율 측정 연구

박종필,전찬기,김주호,이재성,심재영 한국재난정보학회 2015 한국재난정보학회 학술대회 Vol.2015 No.11

건축물에서 단열재는 일정한 온도를 유지하도록 하려는 부분의 바깥쪽을 피복하여 외부로의 열손실이 나 열의 유입을 적게 하기 위한 재료이다. 단열재는 소재(素材) 자체의 열전도율(熱傳導率)이 작은 것이 바람직하나, 대부분 열전도율이 그다지 작지 않다. 그러므로 대개의 경우 열전도율을 작게 하기 위해서 다공질(多孔質)이 되도록 만들어 기공(氣孔) 속의 공기의 단열성을 이용한다. 일반적으로 재료의 밀도가 크면 열전도율 값이 크게 되는 경향이 있다. 이에 본 연구에서는 경량골재인 펄라이트의 입자 크기별 열 전도율을 측정하여 단열재로서 사용여부를 판단하고자 한다.

바인더 종류에 따른 무기단열재의 열전도 특성에 관한 연구

Chanki Jeon,Jaeseong Lee,Hoon Chung,Jongpil Park,Jaeyeong Shim 한국재난정보학회 2016 한국재난정보학회 논문집 Vol.12 No.3

본 연구에서는 불연성 무기단열재를 제조하기 위해 바인더 종류를 대체하여 열전도율을 충족시키고 경량 무기단열재 개발을 위해 연구하였다. 열전도율 측정은 열전도 측정기인 HFM-436을 이용하여 열전도율을 측정하였다. 무기단열재를 바인더 SH-1(액체), SH-2(고 체)와 펄라이트를 배합하여 단열재 샘플1을 만들었고, SH-3(액체)와 펄라이트를 배합하여 단열재 샘플 2를 제조했다. 총 4개의 샘플을 제조했다. 각각 바인더와 펄라이트를 틀에 넣 어 성형하였으며 완전건조 후 HFM-435을 이용하여 열전도율을 측정하였다. 두 가지 다른 바인더를 사용하여 열전도율을 측정하였고 바인더에 따른 열전도율의 영향을 분석하였다. In this study, we conducted about the manufacture of a non-combustible inorganic insulation by replacing the binder type for satisfaction of thermal conductivity for developing a lightweight inorganic insulation. Thermal conductivity was measured using a machine of HFM-436. We made samples are inorganic insulation by using SH-1(liquid) of S company and SH-2(solids). By Mixing Pearlite and SH-4(Liquid) was produced as insulation sample 2. Each was shaped into a binder and pearlite in the frame. After complete drying, thermal conductivity was measured by using HFM-435. The thermal conductivity was determined using two different binder. We analyzed the effect on thermal conductivity in binder.

바인더 종류에 따른 무기단열재의 열전도 특성에 관한 연구

전찬기,박종필,심재영,정훈,이재성 한국재난정보학회 2016 한국재난정보학회 논문집 Vol.12 No.3

In this study, we conducted about the manufacture of a non-combustible inorganic insulation by replacing the binder type for satisfaction of thermal conductivity for developing a lightweight inorganic insulation. Thermal conductivity was measured using a machine of HFM-436. We made samples are inorganic insulation by using SH-1(liquid) of S company and SH-2(solids). By Mixing Pearlite and SH-4(Liquid) was produced as insulation sample 2. Each was shaped into a binder and pearlite in the frame. After complete drying, thermal conductivity was measured by using HFM-435. The thermal conductivity was determined using two different binder. We analyzed the effect on thermal conductivity in binder. 본 연구에서는 불연성 무기단열재를 제조하기 위해 바인더 종류를 대체하여 열전도율을 충족시키고 경량 무기단열재 개발을 위해 연구하였다. 열전도율 측정은 열전도 측정기인 HFM-436을 이용하여 열전도율을 측정하였다. 무기단열재를 바인더 SH-1(액상), SH-2(고체)와 펄라이트를 배합하여 단열재 샘플1을 만들었고, SH-3(액상)와 펄라이트를 배합하여 단열재 샘플 2를 제조했다. 총 4개의 샘플을 제조했다. 각각 바인더와 펄라이트를 틀에 넣어 성형하였으며 완전건조 후 HFM-435을 이용하여 열전도율을 측정하였다. 두 가지 다른 바인더를 사용하여 열전도율을 측정하였고 바인더에 따른 열전도율의 영향을 분석하였다.

다공성 단열재를 포함한 열방어구조의 열 특성 분석

황경민,김용하,이정진,박정선 항공우주시스템공학회 2016 항공우주시스템공학회지 Vol.10 No.4

In a number of industries, porous insulations have been frequently used, reducing thermal insulation space through excellent performance of the thermal insulation’s characteristics. This paper suggests an effective thermal conductivity prediction model. Firstly, we perform a literature review of traditional effective thermal conductivity prediction models and compare each model with experimental heat transfer results. Furthermore, this research defines the effectiveness of thermal conductivity prediction models using experimental heat transfer results and the Zehner-Schlunder model. The newly defined effective thermal conductivity prediction model has been verified to better predict performance than other models. Finally, this research performs a transient heat transfer analysis of a thermal protection system with a porous insulation in a high speed vehicle using the finite element method and confirms the validity of the effective thermal conductivity prediction model. 본 논문에서는 다공성 단열재의 정확도가 높은 유효 열전도율 예측 모델을 새롭게 제안하고, 기존 예측 모델 및 시험 결과와 비교 검증하였다. 이를 위해 기존 유효 예측 모델들을 다공성 단열재의 고체 부피율에 따른 열전도율 시험 결과 값과 비교하였다. 그리고 고체의 부피율에 따른 유효 열전도율 시험 결과와 비교하여 가장 높은 정확도를 가진 Zehner-Schlunder 모델 및 시험 결과 데이터를 기반으로 고체-유체의 부피율과 열전도율 비로 구성된 다항식을 추가하여, 새로운 유효 열전도율 예측 모델을 정의하였다. 예측 모델을 시험 결과와 비교하여 검증하였다. 또한, 예측 모델을 적용하여 열방어구조의 과도 열전달 해석을 수행하였으며, 열전달 시험 결과와의 비교를 통해 유효 열전도율 예측 모델의 유효성을 확인하였다.

열매체에 따른 태양광-열 복합시스템(PVT)의 효율 분석

조재민 ( Jae Min Cho ),이주희 ( Joo Hee Lee ),이귀현 ( Gwi Hyun Lee ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

에너지원이 무한한 태양에너지는 태양열을 흡수, 저장하여 난방 및 급탕에 활용 가능하며 태양전지를 통해 전기형태의 에너지 또한 생산 가능하다. 태양에너지를 더 효율적으로 이용하기 위해 태양광을 집광시키기 위한 구조 개선, 시스템의 설치 방식 등 구조적인 최적화 설계에 관한 많은 연구가 진행되어왔다. 하지만 일반적인 태양열 시스템은 열을 흡수, 저장하는 열매체로 물을 많이 사용하고 있으나, 최대 효율을 얻는데는 다소 제한이 있다. 따라서 본 연구에서는 열매체의 열 회수를 극대화하기 위해 나노유체를 제조 및 적용하여 태양광-열 복합시스템(PVT)의 효율 개선에 이용하고자 하였다. 나노유체는 유체 내에 열전도도가 높은 나노크기의 금속 또는 비금속성 입자를 분산시킨 유체로 일반적인 기저유체보다 높은 열전달 효과를 가진다. 본 연구에서 제조된 나노유체는 나노입자 CuO와 Al2O3를 증류수 기준 0.05 wt.% 농도로 분산시켰다. 또한 나노입자의 분산안정을 위해 계면활성제인 CTAB와 AG를 첨가하였다. CTAB는 CMC 농도를 기준으로 1/10배, 1배, 10배를 첨가하였고, AG는 나노입자를 기준으로 1/4배, 1/2배, 1배를 첨가하였다. 열특성 분석기를 이용해 제조된 나노유체의 열전도율과 열확산율을 측정하였고, 가장 높은 열전도율을 가진 나노유체(Al2O3 + CTAB 1/10배, CuO + AG 1/2배)를 태양광-열 복합시스템(PVT)에 적용하여 효율을 분석하였다. 연구 결과, 나노유체는 모두 물에 비해 높은 효율을 보였으나, 특히 CuO 나노유체가 더 큰 효율 상승을 나타냈다.

태양열 에너지 저장시스템 적용을 위한 시멘트 기반 복합재료의 역학 및 열적 특성

양인환,김경철 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.4

The thermal and mechanical properties of fiber-reinforced cement-based composite for solar thermal energy storage were investigated in this paper. The effect of the addition of different cement-based materials to Ordinary Portland cement on the thermal and mechanical characteristics of fiber-reinforced composite was investigated. Experiments were performed to measure mechanical properties including compressive strength before and after thermal cycling and split tensile strength, and to measure thermal properties including thermal conductivity and specific heat. Test results showed that the residual compressive strength of mixtures with OPC and slag was greatest among cement-based composite. Thermal conductivity of mixtures including graphite was greater than that of any other mixtures, indicating favor of graphite for improving thermal transfer in terms of charging and discharging in thermal energy storage system. The addition of CSA or zirconium increased specific heat of fiber-reinforced cement-based composite. Test results of this study could be actually used for the design of thermal energy storage system in concentrating solar power plants. 이 연구에서는 태양열 에너지 저장용도로 사용하기 위한 시멘트 기반 복합재료의 열적 및 역학적 특성을 파악하였다. 다양한 시멘트 재료의 배합이 섬유보강 시멘트 기반 복합재료의 열적 및 역학적 특성에 미치는 영향을 파악하기 위한 실험연구를 수행하였다. 시멘트 기반 복합재료의 역학적 특성으로써 열싸이클 전과 후의 압축강도 및 인장강도를 측정하였다. 또한, 섬유보강 시멘트 기반 복합재료의 열적 특성으로써 열전도율과 비열을 측정하였다. OPC와 슬래그를 포함한 배합의 잔류압축강도가 가장 크게 나타난다. 그라파이트를 혼합한 배합의 열전도율이 크게 나타나며, 이는 그라파이트가 열저장 시스템의 효율적인 축열과 방열에 유리함을 의미한다. 또한, CSA 또는 지르코늄의 첨가는 섬유보강 복합재료의 비열을 증가시킨다. 실험연구결과는 잡광형 태양열 발전소에서 고성능 복합재료를 사용하는 열저장 시스템 설계에 기초자료로 활용될 수 있다.

나노유체의 열확산율 측정을 위한 비정상열선법 센서모듈 실험

이신표(Shin Pyo Lee) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.2

본 논문은 나노유체의 열확산율을 측정하는 센서와 주변회로 그리고 데이터의 처리방법을 제시한것이다. 기존 비정상열선법을 이용하면 이론상 유체의 열전도율과 열확산율을 동시에 측정할 수 있으나 열전도율과 비교하여 열확산율은 많은 오차가 발생한다. 본 연구에서 제시한 방법은 측정변수가 단순하고 복잡한 센서의 교정과정을 생략할 수 있는 실용적 측면의 장점이 있다. 먼저 열확산율이 잘 알려진 유체들에 대한 검증실험을 실시하였고 나노유체의 열확산율을 측정하여 기본유체와 비교하는 과정을 예시적으로 설명하였다. 본 연구는 기존 열전도율측정에 한정되어 왔던 나노유체 연구의 범위를 열확산율 또는 비열의 개념으로 확장하였다는 관점에서 중요성을 갖는다. A technique for measuring the thermal diffusivity of nanofluids is proposed in this study. In theory, it has been well known that the transient hot-wire method can be used to measure the thermal conductivity and diffusivity of fluids simultaneously. However, when traditional methods were employed, the accuracy of the calculated thermal conductivity was considerably higher than that of diffusivity. The proposed method has two advantages for practical use: it only needs a simple data-conversion process for calculating the diffusivity, and it can skip the tedious calibration process involved in the case of a wire sensor. A validation experiment for the new system has been performed with the basic fluids, and the comparison experiment to compare the change in diffusivity of the base oil and the change in diffusivity of the nano oil has been carried out. It is expected that the present system will provide numerous methods for investigating the variation in the thermal properties other than thermal conductivity.

초고속 레이저 열반사 기법을 이용한 Er<SUB>0.2</SUB>Y<SUB>2.8</SUB>Fe<SUB>5</SUB>O<SUB>12</SUB> 박막의 열전도율 측정

김윤영(Yun Young Kim) 한국비파괴검사학회 2017 한국비파괴검사학회지 Vol.37 No.6

본 연구에서는 펨토초 레이저 시스템으로 구현된 열반사 측정법을 이용하여 어븀(erbium) 치환된 YIG (yttrium iron garnet) 박막의 열전도율을 측정하였다. 졸-겔(sol-gel) 공정을 이용하여 두께 400 nm의 Er0.2Y2.8Fe5O12 박막을 석영 웨이퍼 위에 스핀코팅(spin-coating) 하였으며, 원자간력 현미경과 X선 회절 분석기를 이용하여 박막의 마이크로 구조를 관찰하였다. 재료의 표면에 알루미늄 박막을 증착하여 펨토초 펄스의 입사에 따른 열반사율의 변화를 측정하였으며, 이를 1차원 열전도 방정식의 해와 비교함으로써 열전도율을 추정하였다. 본 실험으로부터 8.0 W/m·K의 열전도율을 얻었으며, Y3Fe5O12와 비교하여 어븀 치환에 따른 상온에서의 열전도율 변화는 미미함을 확인하였다. 본 연구는 나노스케일 강자성 재료의 열물성을 비접촉/비파괴식으로 측정하는 방법을 제시한다. The thermal conductivity (κ) of erbium-substituted yttrium iron garnet (YIG) thin-film was evaluated by the laser thermoreflectance technique using a femtosecond laser system in this study. A 400 nm thick Er0.2Y2.8Fe5O12 film was spin-coated on a quartz wafer using the sol-gel method, and its microstructure was characterized using atomic force microscopy and X-ray diffraction. The thermoreflectance change upon absorption of femtosecond laser pulses on an aluminum-coated surface of the material was measured and κ was estimated by curve fitting a numerical solution of the one-dimensional heat conduction equation. κ = 8.0 W/mK was obtained, showing that the effect of erbium substitution at room temperature was not significant compared to that of Y3Fe5O12. This study proposes a non-contact and nondestructive evaluation technique that can effectively measure thermal properties of nanoscale ferromagnetic materials.

역해석에 의한 열전도율 및 확산율 예측

나재정(Jae Jeong Na),이정민(Jung Min Lee),강경택(Kyung Taik Kang) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

본 논문에서는 미지의 두 열물성 값인 열전도율과 열확산율을 구하기 위하여 Levenberg-Marquardt 방법에 의한 역해석 기법을 도입하였다. 일차원 열전도 문제에 대하여 연산식을 유도하였으며, 시편에 대하여 두 지점의 온도 및 입력유동의 열유속 측정값을 적용하였다. 예측된 열전도율 및 열확산율은 알려진 그라파이트 시편에 대한 열물성 값과 비교하였으며 그 결과 본 논문에서 제시된 역해석 예측 기법 실험의 유효성이 파악되었다. The objective of this study is the estimation of the two unknown thermal conductivity and thermal diffusivity by an inverse heat conduction analysis using the Levenberg-Marguardt method. One dimensional formulation of heat conduction problem in the model was applied. Two point transient temperature of test pieces and heat flux of inflow were measured under the high enthalpy flow environment. Estimated thermal conductivity and thermal diffusivity by an inverse analysis were compared with the known values of graphite test piece. It showed the effectiveness of proposed experimental inverse analysis.