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.

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.

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.

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.

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.

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.

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%.

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.

원관 주위의 전도 열전달과 공기의 대류 열전달

이승홍,이억수 釜山大學校生産技術硏究所 1997 生産技術硏究所論文集 Vol.52 No.-

가열되는 원관에 대하여 수직방향에서 공기가 유동할 경우, 원관의 주위 온도를 측정, 분석함으로서, 원관 주위의 강제 대류 열전달에 대한 원주(θ)방향으로 전도 열전달의 영향을 연구하였다. 실린더의 내벽에서 일정한 열유속을 반경(r)방향으로 공급하면, 대류에 의한 원형 실린더 주위의 비대칭적인 온도분포 때문에, 열은 전도에 의해서 원관을 통하여 원주(θ)방향으로 전도 열전달이 존재하고, 실린더 주위로 대류에 의한 대류 열전달이 동시에 일어난다. 기하학적으로 유사한 표면과 경계조건에 대해서, 전도 열전달율은 원관의 열전도계수와 두께에 의존하고 그리고 고체 원관의 벽면을 통하여 발생하는 전도 열전달이 대류 열전달에 미치는 영향은 유체의 열전도계수와 반경의 크기에도 영향을 받는다. 복합 무차원 계수 가 원주방향의 전도 열전달의 대류 열전달에 관한 영향을 나타내는 계수로 사용되었다. 국소 열전달율과 국소 대류 열전달계수에 대한 원주방향의 전도 열전달의 영향은 복합 무차원계수 K*가 작을 경우에 매우 큰 영향을 주고 있음이 발견되었다. The influence of circumferential wall heat conduction on convection heat transfer is investigated for the case of forced convection around a circular tube in cross flow of air by measurements of surface temperature of circular tubes. Keeping uniform heat generation from the inner surface of the cylinder in radial direction, heat is transferred by wall conduction in the circumferential (θ) direction due to the asymmetric nature of the temperature distribution of the cylinder and by convection around the perimeter of the cylinder simultaneously. The wall heat conduction rate depends on conductivity of the tube and size of the tube thickness and the effect of wall conduction on convection heat transfer also depends on conductivity of the fluid and size of the tube radius for geometrically similar surfaces and cross flow conditions. A non-dimensional conjugation parameter has been used to express the effect of the circumferential wall heat conduction. The significant effects of wall conduction on the local convective heat transfer rate and local convective heat transfer coefficients around a circular tube is found when value of the conjugation parameter k* becomes smaller.

국산 압축벤토나이트 완충재의 첨가제 혼합을 통한 열전도도 향상

이종표,최희주,최종원,이민수 한국방사성폐기물학회 2013 방사성폐기물학회지 Vol.11 No.1

현재 고준위 방사성 폐기물 심층 처분 시스템에서 기본 완충재 물질로서 건조밀도 1.6 g/cm3의 경주산 칼슘 벤토나이트 를 사용하고 있으나, 열전도도가 낮은 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 기준 완충재의 열전도율을 0.8 W/mK에서 1.0 W/mK로 향상시키기 위한 목적으로 다양한 첨가제를 다양한 혼합 방법을 통해 배합하고 열전도도를 측정하였다. 첨가제는 CNT(Cabon Nano Tube), Graphite, Alumina, CuO 및 Fe2O3 등을 사용하였다. 혼합 방법의 경우, 핸드 믹서기를 통한 건식 혼합, 습식 Milling 혼합, 건식 Ball Mill 혼합 등을 실시하였다. Ball Mill 혼합의 경우가 가장 균일하게 혼합되었기 때문에, 값 의 편차가 가장 적었고 열전도도 증가율이 가장 좋았다. 지금까지 수행된 시험에서 소량의 고열전도 물질의 첨가로 경주산 칼슘 벤토나이트의 열전도도를 1.0 W/mK 수준으로 용 이하게 증가시킬 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다. 결론적으로, 본 연구에서 제시된 열전도 향상 방법은, 첨가제 혼합 이 벤토나이트의 기본 성질인 팽윤압과 수리전도도에 미치는 영향까지 제시된다면, 국내 고준위폐기물 처분장의 개념 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.