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문제 정의
- 본 연구는 유한차분법을 이용하여 원형철제빈에 저장 중인 벼의 곡온을 예측하기 위한 시뮬레이션 모델을 개발하고, 벼의 저장 실험을 통하여 모델의 예측 정도를 검증하였다. 모델의 검증을 위해 직경 2.
- 본 연구의 목적은 원형철제빈에 저장된 벼의 곡온 변화를 예측할 수 있는 단순 시뮬레이션 모델을 개발하고, 저장 실험 을 통하여 개발된 모델을 검증하는데 있다.
제안 방법
- (1) 저장벼의 곡온 변화는 비정상 1차원 열전도방정식을 이용하여 해석하였으며, 곡물의 호흡, 빈 벽체에 대한 태양복사와 대류 열전달을 포함하여 Crank-Nicolson 방업으로 수치해를 얻었다. 곡물층, 벽체, 단열층, 단열층 덮개의 경계에는 에너지 평형을 이용하여 절점방정식을 유도하였다.
- (1) 저장벼의 곡온 변화는 비정상 1차원 열전도방정식을 이용하여 해석하였으며, 곡물의 호흡, 빈 벽체에 대한 태양복사와 대류 열전달을 포함하여 Crank-Nicolson 방업으로 수치해를 얻었다. 곡물층, 벽체, 단열층, 단열층 덮개의 경계에는 에너지 평형을 이용하여 절점방정식을 유도하였다.
- 곡물층과 벽체의 경계면에 대하여 열평형을 고려하여 경계 1방정식을 유도하였다. 그림 2에서 q1과 q2를 각각 #및 #점에서의 열전달율로 하고 Q를 미소체적내의 에너지 변화율이라 하면 다음의 식 (8)과 같다.
- 곡온은 다공통기마루로부터 높이 1.5이의 위치에서 남향 및 북향 방향으로 빈의 중앙, 중앙에서 수평방향으로 0.65 m 및 벽체 부근 등 5개 지점에 열전대(T type, OMEGA, USA) 를 설치하고 자료수집장치(7327, Datascan, UK)를 이용하여 30분 간격으로 측정하였다. 일 최고 및 최저 온도 일적산 수 평면일사량, 풍속은 수원의 농업기상관측소의 자료를 이용하 였다.
- 본 연구는 유한차분법을 이용하여 원형철제빈에 저장 중인 벼의 곡온을 예측하기 위한 시뮬레이션 모델을 개발하고, 벼의 저장 실험을 통하여 모델의 예측 정도를 검증하였다. 모델의 검증을 위해 직경 2.7, 높이 4.8 및 두께 0.05 m의 비단열 원형철제빈에서 퇴적고 3 m, 시료량 9.8 ton을 약 7개월 간 저장 실험을 수행하였다.
- 빈의 중심과 반경을 5등분한 각 지점의 곡온, 함수율 및 건 물중량손실률의 변화가 1일 간격으로 출력되도록 프로그래밍 하였다.
- 시간증분은 0.05 hr로 하였으며, 곡물층 두께를 100등분, 벽체, 단열층 및 단열층 덮개의 두께를 각각 3등분하여 반경 방향의 거리증분으로 하였다.
- 프로그램은 Fortran 77로 작성하였다 저장빈과 관련된 입력자료는 저장빈의 직경.벽체 재료(벽체, 단열층, 단열층 덮개)의 두께.
대상 데이터
- 단열재 폴리우레탄폼의 열전도계수는 0.0198 W/m-K, 밀도는 50 kg/m3, 비열은 700 J7kg・K를 사용하였다. 빈 벽체 재료인 아연도금강판의 열전도계수는 45.
- 벼의 저장실험은 2000년 1월 19일부터 20()1년 8월 21일 까지 약 7개월 동안 성균관대학교(수원)에서 수행하였다. 실험에 사용된 벼는 1999년 10월 경기도 용인지역에서 수확한 추청벼로 함수율 14.
- 벼의 저장실험은 2000년 1월 19일부터 20()1년 8월 21일 까지 약 7개월 동안 성균관대학교(수원)에서 수행하였다. 실험에 사용된 벼는 1999년 10월 경기도 용인지역에서 수확한 추청벼로 함수율 14.4%(w.b.)까지 열풍건조하여 실험에 사용하였다. 실험에 사용한 원형철제빈은 직경 2.
- )까지 열풍건조하여 실험에 사용하였다. 실험에 사용한 원형철제빈은 직경 2.7 m, 높이 4.8 m 이며, 빈 바닥에서 0.8 m 높이에 다공통기마루를 설치하였다. 벼는 3 m 높이로 퇴적하였으며, 저장에 사용된 벼는 9.
- 65 m 및 벽체 부근 등 5개 지점에 열전대(T type, OMEGA, USA) 를 설치하고 자료수집장치(7327, Datascan, UK)를 이용하여 30분 간격으로 측정하였다. 일 최고 및 최저 온도 일적산 수 평면일사량, 풍속은 수원의 농업기상관측소의 자료를 이용하 였다.
이론/모형
- 벼의 열전도계수(ASAE Standards D243.3, 1996)는 다음식을 사용하였다.
- 시간별 수평면 일사량에서 법선면 직달일사량을 추정하기 위해 宇田川光弘(1978)의 직산분리법을 사용하였으며, 법선면직 면 직달일사량(V)은 다음식으로 표시된다.
- 일평균 풍속 등이다. 일 최고 및 최저 온도는 Degehnan(1970)의 방법을 수정한 宇田川光弘(1986)의 방법을 사용하여 일 최고 및 최저 온도로부터 1일중 시각별 기온을 계산하였다. 또한 공기의 밀도, 열전도계수 및 점성계수가 입력된다.
- 기상대의 일적산 수평면일사량의 관측치에서 각 시각의 수평면 일사량을 추정하고, 이를 다시 직산분리법에 의해 직달성분과 산란성분으로 분리한다. 일적산 수평면 일사량의 태양시별 변동곡선은 다음의 Munroe(1980)의 식을 이용하였다. "
성능/효과
- (2) 벽체 부근의 곡온은 외기온도의 변화에 민감하게 변하였으 나, 빈 중앙의 곡온은 외기의 영향이 완만하게 나타났다.
- (3) 곡온의 예측치와 실측치 간의 RMSE와 R2는 빈의 중앙 곡물의 경우 1.38°C 와 0.990, 중앙에서 0.65 m 위치의 곡물의 경우 2.1 °C 와 0.979, 벽체 부근의 곡물의 경우 4.5C 와 0.921 로 나타났다. 빈의 중앙 부위의 곡온이 가장 정확하게 예측되었으며, 벽체 부근의 곡온 예측이 가장 낮 은 정도를 나타내었다.
- (4) 그러나 전체적으로 예측정도는 저장곡물의 곡온예측관리, 외기의 영향 및 빈의 구조의 영향을 분석하는데 효율적으로 이용될 수 있는 것으로 판단되었다.
- 빈의 중앙 부위의 곡온이 가장 정확하게 예측되었으며, 벽체 부근의 곡온 예측이 가장 낮은 정도를 나타내었다. 그러나 전체적으 로 예측정도는 저장곡물의 곡온예측관리, 외기의 영향 및 빈 의 구조의 영향을 분석하는데 효율적으로 이용될 수 있는 것으로 판단되었다.
- 921 로 나타났다. 빈의 중앙 부위의 곡온이 가장 정확하게 예측되었으며, 벽체 부근의 곡온 예측이 가장 낮은 정도를 나타내었다. 그러나 전체적으 로 예측정도는 저장곡물의 곡온예측관리, 외기의 영향 및 빈 의 구조의 영향을 분석하는데 효율적으로 이용될 수 있는 것으로 판단되었다.
후속연구
- 곡물의 초기곡온빈의 직경단열재의 두께 등의 영향과 저장 벼의 품질 변화에 대한 분석은 후속 논문(II)에서 보고할 것이다.
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