Horner plot을 이용한 열응답 실험 해석

한국지구시스템공학회 2008 한국지구시스템 공학회지 Vol.45 No.4

지중열교환기 시스템의 열교환율은 지반의 유효열전도도와 큰 연관성을 나타내므로 열응답 실험과 그 해석방법은 경제적인 지열 히트펌프 시스템 설계를 위하여 매우 중요하다. 2회의 열응답 실험이 200m심도의 수직밀 폐형 지중열교환기에서 실시되었으며, 일반적인 라인소스 모델과 Horner plot 방법을 이용하여 지반의 열전도도를 계산하였다. 본 연구에서는 일반적인 선형열원 방정식과 순환펌프 가동에 의한 회복되는 순환수 온도 자료를 이용한 Horner plot 방법 적용, 그리고 순환펌프 중지 후 광섬유온도 센서를 이용한 회복되는 지반의 온도를 이용한 Horner plot 방법을 적용하였다. 일반적인 선형열원 방정식에 의한 지중열교환기공의 평균 유효열전도도는 2.75 W/m/K이며, 그리고 히터를 중지 시킨 후 순환펌프만 계속 가동시켜 회복되는 자료의 Horner plot 방법을 적용하여 계산된 유효열전도도가 2.87 W/m/K이다. 광섬유 센서 온도 측정법을 이용한 Horner plot 방법 적용에서는 2.88 W/m/K의 평균유효 열전도도와 심도별 유효열전도도를 나타내었으며, 코어의 평균 열전도도는 2.90 W/m/K이다. 3가지 TRT 해석 결과를 코어 열전도도와 비교한 결과 각 해석 방법들이 적절한 신뢰성을 가지는 것으로 판단되었다. 지중열교환기 시스템의 열교환율은 유효열전도도에 따라 크게 달라지므로 지반의 특성 및 목적에 가장 적합한 열응답 실험 및 해석 방법을 선택하여 유효열전도도를 계산하는 것이 경제적인 시스템 설계에 중요하다고 판단된다.

수평형 지중열교환기용 되메움재의 열전도도 평가를 위한 개별요소법 적용 연구

한은선(Han, Eunseon),위지혜(Yi, Jihae),손병후(Shon, Byonghu),최항석(Choi, Hangseok) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

수평형 지중열교환기의 최적설계를 위해서는 되메움재의 광물특성 및 입자크기, 열전도도(thermal conductivity), 열용량(heat capacity)등과 같은 열적 특성을 파악 하는 것은 중요하다. 수평형 지중 열교환기용 되메움재의 열전도도를 파악하기 위해 비정상 열선법을 적용한 QTM-500을 사용하여 포화도에 따른 천연규사-물-공기 혼합물의 열전도도를 측정하였다. 측정된 열전도도를 개별요소법(Discrete Element Mothod)에 근거한 2차원 수치해석 프로그램인 PFC2D(Particle Flow Code in 2 Dimension)를 이용하여 비교 분석하였다. 수치해석에서는 혼합물의 건조밀도를 일정하게 유지한 상태에서 포화도에 따라 가상의 물 입자 개수를 변화시켰다. 개별요소법을 이용한 열전달 수치해석에서는 입자의 접촉을 통해 발생한 thermal pipe에 의해 열전달이 이루어진다. 이러한 thermal pipe의 열전도도는 접촉된 두 입자의 열전도도와 접촉면의 평균 열전도도를 고려하여 적용하였다.

온도 변화에 따른 La1-xSrxMnO3 (LSMO) 박막 열전도도와 LSMO와 SrTiO3 경계면 열저항

강준구,진형진,양임정 한국물리학회 2023 새물리 Vol.73 No.1

La0.88Sr0.12MnO3 (LSMO) thin films with different thicknesses were deposited using pulsed laser deposition. The thermal conductivity of the thin films was measured using the 3ω method from 100 K to 293 K. The thermal conductivity showed film thickness dependence. The interfacial resistance was separated from the measured thermal conductivity, resulting in the thermal conductivity of the LSMO film. The thermal conductivity of the LSMO film increased with temperature from 100 K to 293 K and showed a noticeable anomaly near 250 K. The interfacial thermal resistance between the LSMO thin film and the STO substrate decreased as temperature increased, particularly between 100 K and 150 K. The interfacial effect was found to be important in determining LSMO films up to 500 nm in thickness. 펄스 레이저 증착 방법을 이용하여 두께가 다른 La0.88Sr0.12MnO3 (LSMO) 박막을 증착하여 3ω법으로 100 K에서 293 K 영역에서 열전도도를 측정하였다. 측정한 열전도도는 박막 두께 의존성을 나타내었다. 박막과 기판 경계면 열저항을 측정한 결과에서 분리시키는 분석을 통하여 LSMO 박막의 열전도도와 경계면 열저항을 구하였다. LSMO 박막 열전도도를 나타내는 박막 내부 영역의 열전도도는 온도가 증가함에 따라 증가함을 나타내었고, 250 K에서 열전도도가 상대적으로 다르게 변하는 경향을 나타내었다. LSMO 박막과 STO 기판 사이 열저항은 온도가 증감함에 따라 감소하였고, 특히 100–150K 영역에서 급격히 감소하였다. 온도가 증감함에 따라 LSMO 박막과 STO 기판 경계면 열저항 효과는 줄어들지만 100–500 nm 두께의 LSMO 박막 열전도도에 경계면 열저항이 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

한국 중부 지역의 화강암 열물성

김종찬,이영민,구민호,Kim, Jongchan,Lee, Youngmin,Koo, Min-Ho 대한자원환경지질학회 2014 자원환경지질 Vol.47 No.4

대륙지각의 대표적인 암석이며 우리나라의 약 25%를 차지하는 쥬라기 화강암을 대상으로 상부지각의 열적 현상을 이해하는데 중요한 정보인 물성과 열물성을 측정하였다. 충남 연기군(2개 시추공, 149개)과 대전시 유성구(1개 시추공, 59개)의 총 3개 시추공으로부터 회수한 206개 화강암의 건조 상태의 열전도도 평균은 2.813 W/mK이고, 공극 보정을 한 평균 열전도도는 2.900 W/mK이다. 공극 내 물의 효과로 인해 공극 보정을 한 열전도도가 높게 나타난다. 건조 상태의 평균 열확산율은 $1.296{\times}10^{-6}m^2/sec$이며, 온도변화에 따른 열확산율 변화는 온도가 증가할수록 열확산율이 낮아지는 경향을 보인다. $200^{\circ}C$에서의 열확산율은 상온 $25^{\circ}C$에서 보다 30% 정도 더 낮게 나타나는 것을 확인하였다. 206개 화강암의 평균 공극은 0.010이며, 건조밀도와 포화밀도는 각각 $2.662g/cm^3$와 $2.673g/cm^3$이다. 열전도도와 공극의 상관관계로부터 화강암의 열전도도는 공극보다 구성광물에 의한 영향이 더 큰 것을 확인하였다. 열전도도와 열확산율의 상관관계에서는 결정계수가 0.898로 선형관계가 잘 나타나고, 공극과 밀도의 상관관계에서는 ${\rho}=-2.393{\times}{\phi}+2.705$라는 상관식을 산출하였다. XRD 분석과 XRF 분석 결과로부터 석영과 $SiO_2$ 함량이 증가하면 열전도도가 높아지고 조장석과 $Al_2O_3$가 증가하면 열전도도가 낮아지는 경향을 확인하였다. 또한 부피 함량비가 많은 광물과 화학성분을 이용해 회귀 분석을 수행하였다. 석영을 이용한 선형식은 $K=0.0294V_{Quartz}+1.93$으로 산출 되었다. 또한, $SiO_2$를 이용한 선형식은 $K=0.237W_{SiO_2}-14.09$로 산출 되었고, $SiO_2$와 $Al_2O_3$를 이용한 회귀식은 $K=0.053W_{SiO_2}-0.476W_{Al_2O_3}+6.52$로 산출 되었다. Felsic-marfic index를 이용하여 산출한 비중과 측정된 비중의 평균은 각각 2.645와 2.650이며, 평균 상대오차는 0.667%로 나타났다. Thermal and physical properties were measured on 206 Jurassic granite samples obtained from three boreholes in the central part of Korea. Thermal conductivity(${\lambda}$), thermal diffusivity(${\alpha}$), and specific heat(Cp) were measured in a laboratory; the average values are ${\lambda}$=2.813 W/mK, ${\alpha}=1.296mm^2/sec$, and Cp=0.816 J/gK, respectively. In addition, porosity(${\phi}$), and dry and saturated density(${\rho}$) were measured in the laboratory; the average values are ${\phi}$=0.01, ${\rho}(dry)=2.662g/cm^3$ and ${\rho}(saturated)=2.67g/cm^3$, respectively. Thermal diffusivity of 10 granite samples were measured with increasing temperature from $25^{\circ}C$ to $200^{\circ}C$. In this study, we found that thermal diffusivity at $200^{\circ}C$ is about 30% lower than thermal diffusivity at $25^{\circ}C$. In correlation analysis, thermal conductivity increases with increasing thermal diffusivity. However, thermal conductivity does not show good correlation with porosity and density. Consequently, we know that thermal conductivity of granite would be more influenced by mineral composition than by porosity. We also derived ${\rho}=-2.393{\times}{\phi}+2.705$ from density and porosity data. XRD and XRF analysis were performed to investigate effects of mineral and chemical composition on thermal conductivity. From those results, we found that thermal conductivity increases with increasing quartz and $SiO_2$, and decreases with increasing albite and $Al_2O_3$. Regression analysis using those mineral and chemical composition were carried out ; we found $K=0.0294V_{Quartz}+1.93$ for quartz, $K=0.237W_{SiO_2}-14.09$ for $SiO_2$, and $K=0.053W_{SiO_2}-0.476W_{Al_2O_3}+6.52$ for $SiO_2$ and $Al_2O_3$. Specific gravities were measured on 10 granite samples in the laboratory. The measured specific gravity depends on chemical compositions of granite. Therefore, specific gravity can be estimated by the felsic-mafic index(F) that is calculated from chemical composition. The estimated specific gravity ranges from 2.643 to 2.658. The average relative error between measured and estimated specific gravities is 0.677%.

구조모델을 이용한 암석의 유효열전도도 분석

차장환,구민호,김영석,이영민,Cha, Jang-Hwan,Koo, Min-Ho,Keehm, Young-Seuk,Lee, Young-Min 대한자원환경지질학회 2011 자원환경지질 Vol.44 No.2

For 21 rock samples consisting of granite, sandstone and the effective thermal conductivity (TC) was measured with the LFA-447 Nanoflash, and mineralogical compositions were also determined from XRD analysis. The structural models were used to examine the effects of quartz content and the size of minerals on TC of rocks. The experimental results showed that TC of rocks was strongly related to quartz content with $R^2$ value of 0.75. Therefore, the proposed regression model can be a useful tool for an approximate estimation of TC only from quartz content. Some samples with similar values of quartz content, however, illustrated great differences in TC, presumably caused by differences in the size of minerals. An analysis from structural models showed that TC of rocks with fine-grained minerals was likely to fall in the region between Series and EMT model, and it moved up to ME and Parallel model as the size of minerals increased. This progressive change of structural models implies that change of TC depending on the size of minerals is possibly related to the scale of experiments; TC was measured from a disk sample with a thickness of 3 mm. Therefore, in case of measurements with a thin sample, TC can be overestimated as compared to the real value in the field scale. The experimental data illustrated that the scale effect was more pronounced for rocks with bigger size of minerals. Thus, it is worthwhile to remember that using a measured TC as a representative value for the real field can be misleading when applied to many geothermal problems. 화강암, 사암, 편마암으로 구성된 21개 암석시료를 대상으로 열전도도를 측정하고, XRD 정량분석을 통해 구성광물의 조성을 파악하였으며, 구조모델 이용하여 석영 함량 및 광물입자의 크기가 암석의 유효열전도도에 미치는 영향을 분석하였다. 측정된 열전도도는 석영 함량과 높은 상관성을 보여 ($R^2=0.75$), 석영 함량으로부터 열전도도를 추정할 수 있는 선형회귀모형을 제시하였다. 화강암 및 변성암 일부 시료의 경우 유사한 석영 함량에도 불구하고 열전도도가 크게 다른 값을 보였는데, 이는 주로 광물업자의 크기 변화와 관련이 있는 것으로 나타났다. 구조모델을 통한 분석 결과 입자의 크기가 작은 경우 열전도도는 scries와 EMT모델의 중간 영역에 해당하는 값을 보이며, 입자가 커지면서 EMT모델, ME모델을 거쳐 Parallel모델에 근접하게 변화하였다. 이러한 열전달 구조모델의 변화는 입자의 크기에 따른 열전도도 변화가 3 mm 두께의 원반시편을 이용하는 실험 규모와 관련이 있음을 시사한다. 즉, 얇은 원반 시료를 이용하여 암석의 열전도도를 측정할 경우 규모효과에 의하여 실제 지반의 값보다 과대평가될 가능성이 높으며, 특히 광물 입자의 크기가 클수록 이러한 오차는 더 커질 것으로 예상된다. 따라서 지열과 관련된 다양한 해석 모델에서 실험실 측정값을 실제 현장규모에서의 대표값으로 사용할 경우 모델의 예측 신뢰도에 영향을 줄 수 있는 요인으로 작용할 수 있다.

열적 비정상상태의 일차원 온도분포 시간이력으로부터 열전도도를 추출하는 수치적 방법

김정중,염광수,임남형 한국방재학회 2015 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.14 No.-

화재로 인한 건축물 구조부재의 파괴는 추가적인 경제적 손실과 인명피해를 가져오기 때문에 화재에 대한 구조부재의 안전성은 매우 중요하다. 화재에 노출된 철근콘크리트 구조부재의 경우, 부재의 열전도도에 따라 내부 온도가 상승하고 부재의 하중저항강도와 강성이 저하된다. 철근콘크리트 부재의 화재에 대한 구조성능 확보 여부는 일반적으로 표준화재실험을 통하여 입증한다. 콘크리트의 열전도도는 온도에 따라 변하기 때문에 20℃, 100℃, 200℃, 300℃, 400℃, 500℃, 600℃ 700℃, 800℃ 열적 정상상태의 콘크리트 블록을 이용하여 측정한다. 본 연구에서는 철근콘크리트 기둥의 화재에 대한 구조성능 확보 여부를 확인하기 위한 표준화재실험으로부터 얻어지는 열적 비정상상태의 일차원 온도분포 시간이력으로부터 콘크리트의 열전도도를 추출하는 방법을 제안하였다. 표준화재실험으로부터, 기둥의 표면에서 중심까지의 온도분포 시간이력을 얻었다. 콘크리트의 온도에 따른 열전도도 k(T)=α{(T/120)²-T/60+200}에 대하여 다양한 α값으로 온도분포 시간이력을 수치해석 하였고, 실험결과와 가장 오차가 작게 발생하는 α값을 결정하였다. 결정된 콘크리트의 온도에 따른 열전도도는 20℃, 100℃, 200℃, 300℃, 400℃, 500℃, 600℃ 700℃, 800℃ 열적 정상상태의 콘크리트 블록에서 측정된 콘크리트의 열전도도와 비교하였고, 제안된 수치해석에 의한 열전도도 산출방법이 유효함을 입증하였다.

열전도도 향상을 위한 직물섬유 복합재의 최적구조 설계

김명수 ( Myungsoo Kim ),성대한 ( Dae Han Sung ),박영빈 ( Young Bin Park ),박기원 ( Kiwon Park ) 한국복합재료학회 2017 Composites research Vol.30 No.1

본 연구에서는 직물섬유 복합재의 열전도를 구하는데 있어 기존의 연구보다 개선된 방법을 제시하고, 직물섬유의 기하학적 구조가 복합재의 열전도도 향상에 미치는 영향, 그리고 유전 알고리즘(Genetic algorithm)을 이용하여 복합재의 열전도도 향상을 위한 최적구조 설계에 관한 연구를 하였다. 직물섬유의 구조를 토우의 물결무늬와 너비 및 두께를 이용하여 구현하였고, 열전도도는 열전기유사법(Thermal-electrical analogy)을 이용하여 구하였다. 유전 알고리즘에서 염색체 문자열은 fill과 warp tow의 두께와 너비로 하였고 복합재의 열전도도를 향상 시키는 방향으로 목적함수를 정하였다. 연구결과 직물섬유 복합재의 열전도도를 예측을 위한 향상된 방법이 제시되었고, 섬유토우 사이의 간격(inter-tow gap)이 넓어 질수록 복합재의 열전도도가 감소하는 것으로 나타났다. 직물섬유 복합재의 구조 최적화에서는 이론적 수치해석 결과가 제시되었는데, 전체적으로 섬유토우(tow)의 축의 수직 방향보다는 축 방향의 열전도도 성분이 복합재의 전체 열전도도 향상에 크게 기여를 하는 것으로 나타났다. This research presents studies on an improved method to predict the thermal conductivity of woven fabric composites, the effects of geometric structures of woven fabric composites on thermal conductivity, and structural optimization to improve the thermal conductivity using a genetic algorithm. The geometric structures of woven fabric composites were constructed numerically using the information generated on waviness, thickness, and width of fill and warp tows. Thermal conductivities of the composites were obtained using a thermal-electrical analogy. In the genetic algorithm, the chromosome string consisted of thickness and width of the fill and warp tows, and the objective function was the maximum thermal conductivity of woven fabric composites. The results confirmed that an improved method to predict the thermal conductivity was built successfully, and the inter-tow gap effect on the composite`s thermal conductivity was analyzed suggesting that thermal conductivity of woven fabric composites was reduced as the gap between tows increased. For structural design, optimized structures for improving the thermal conductivity were analyzed and proposed. Generally, axial thermal conductivity of the fiber tow contributed more to thermal conductivity of woven fabric composites than transverse thermal conductivity of the tows.

한국의 암석 열물성

박정민,김형찬,이영민,심병완,송무영,Park, Jeong-Min,Kim, Hyoung-Chan,Lee, Young-Min,Shim, Byoung-Ohan,Song, Moo-Young 대한자원환경지질학회 2009 자원환경지질 Vol.42 No.6

본 연구에서는 남한일대에서 화성암, 변성암, 퇴적암의 총 2511개의 암석을 채취하여 열물성을 측정하고 각 암종별로 일반적인 통계분석을 실시하였다. 화성암, 변성암, 퇴적암의 평균 열전도도는 각각 3.10W/m-K, 3.76W/m-K, 3.54W/m-K 이다. 화성암의 암석 분류에 따라 심성암, 반심성암, 화산암으로 분류하였으며, 각각의 평균 열전도도는 3.16 W/m-K, 3.26 W/m-K, 2.77 W/m-K이다. 퇴적암에서 쇄설성 퇴적암 보다 비쇄설성 퇴적암의 열전도도가 비교적 높은 분포를 보이고 있다. 측정된 암석의 시대별 열전도도는 고생대가 중생대 보다 높은 나타나며, 이는 높은 열전도도를 갖는 구성 광물에 의한 것으로 판단된다. 암석의 공극률은 열전도도에 영향을 미치는 요소이며 퇴적암의 경우 공극률이 증가할 수록 열전도도는 대체적으로 감소하는 경향을 보인다. 암석의 열전도도와 열확산율은 선형의 상관관계를 보이며, 화성암, 변성암, 퇴적암의 선형 회귀분석 상관계수는 각각 0.775, 0.855 0.876로 높은 값을 보인다. We made 2511 thermal property measurements on igneous, metamorphic, and sedimentary rock samples from Korea. The average thermal conductivities of igneous, metamorphic, and sedimentary rocks are 3.10 W/m-K, 3.76 W/m-K, and 3.54 W/m-K, respectively. Igneous rock can be classified into pluton, hypabyssal rock, and volconic rock; the average thermal conductivities of those rock types are 3.16 W/m-K, 3.26 W/m-K, and 2.77 W/m-K, respectively. Nonclastic sedimentary rock has higher thermal conductivity than clastic sedimentary rock. Thermal conductivity of Palezoic era rock is higher than Mesozoic era rock, because dominant mineral contents play an important role in the determination of thermal conductivity. Thermal conductivity of rocks is influenced by porosity. Therefore thermal conductivity of sedimentary rocks generally decreases with increasing porosity. Thermal conductivity and thermal diffusivity show linear correlation, its correlation coefficient of igneous, metamorphic, and sedimentary rocks are 0.775, 0.855, and 0.876, respectively.

그라우트 종류와 열교환 파이프 단면에 따른 수직 밀폐형 지중열교환기의 지중 유효열전도도 평가

이철호(Lee, Chulho),박문서(Park, Moonseo),민선홍(Min, Sunhong),강신형(Kang, Shin-Hyung),최항석(Choi, Hangseok) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

본 연구에서는 수직 밀폐형 지중열교환기 뒤채움용 그라우트의 종류와 첨가재 종류, 지중열교환기 파이프 단면에 따른 지중열교환기의 성능을 비교 평가하기 위해 현장 시험 시공과 현장 열응답 시험을 수행하였다. 뒤채움용 그라우트재는 벤토나이트와 시멘트를 사용하였으며 첨가제로는 천연규사와 흑연을 적용하였다. 지중열교환기 파이프 단면은 일반적으로 시공되는 U-loop 파이프 단면과 파이프 사이의 열간섭 효과를 최소화 한 3공형 파이프 단면이 적용되었다. 시멘트-천연규사 그라우트재가 벤토나이트-천연규사 그라우트재 보다 큰 지중 유효열전도도를 보이고 흑연을 첨가한 그라우트는 시멘트와 벤토나이트 모두에서 천연규사만 첨가하였을 때 보다 지중 유효열전도도가 높게 나타났다. 3공형 파이프 단면의 경우 단면에 따른 영향을 비교하기 위해 그라우트는 시멘트-천연규사와 벤토나이트-천연규사를 사용하였으며 지중 유효열전도도 측정결과 각각 3.64 W/mK, 3.40 W/mK으로 일반 U-loop 파이프 단면을 사용하였을 때 보다 높게 나타났다.

도계폐기물의 열가수분해 반응에 따른 열전달 특성 연구

송형운,정희숙,김충곤 유기성자원학회 2015 유기물자원화 Vol.23 No.4

The purpose of this study was performed to quantitatively measure the thermal conductivity of poultry slaughter waste with variation of reaction temperature for optimal design of thermal hydrolysis reactor. We continuously quantified the thermal conductivity of dehydrated sludge related to the reaction temperature. As the reaction temperature increased, the dehydrated sludge is thermally liquefied under high temperature and pressure by the thermal hydrolysis reaction. Therefore, the bond water in the sludge cells comes out as free water, which changes the dehydrated sludge from a solid phase to slurry of a liquid phase. As a result, the thermal conductivity of the its sludge was more than 2.11 times lower than that of the water at 20℃. However, the thermal conductivity of the sludge approached to 0.677 W/m․℃ of water at 200℃, experimentally substantiating liquefaction of the dehydrated sludge. Therefore, we confirmed that the change in physical properties due to thermal hydrolysis appears to be an important factor for heat transfer efficiency. And the thermal conductivity function related to reaction temperature was derived to give the boundary condition for the optimal design of the thermal hydrolysis reactor. The consistency of the calculated function was 99.69%. 본 연구에서 목적은 열가수분해 반응기에 최적설계를 위해 반응온도에 따른 도계폐기물의 열전도도를 정량하는 것이다. 이에 반응온도에 따른 탈수슬러지의 열전도도를 연속적으로 정량한 결과, 반응온도가 증가할수록 열가수분해 반응에 의한 고온, 고압에 의해 슬러지가 열적으로 가용화된다. 따라서, 슬러지 세포내에 결합수가 자유수로 용출되어 고상의 탈수슬러지가 액상에 슬러리로 상태가 변화된다. 그 결과 반응초기인 반응온도 20℃에서 도계슬러지에 열전도도가 물에 비해 2.11배정도 낮지만 200℃에서는 도계슬러지의 열전도도가 0.677 W/m·℃로 물과 유사하다. 따라서 열가수분해에 의한 슬러지 물리적 특성변화는 열전달 효율에 매우 중요한 인자임을 확인하였고, 열가수분해반응기 최적 설계를 위한 경계조건으로 실험 측정값과 일치도가 99.69%인 반응온도에 따른 열전도도 함수를 도출하였다.