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문제 정의
- 본 논문에서는 분말 단열재로서 가장 일반적으로 사용되어 온 펄라이트, 펄라이트의 대안제로서 제안된 마이크로스피어 , 그리고 실험적 연구가 부족하였던 폴리스티렌 발포립 및 튀밥의 충전 상태에 대한 다양한 압력에서의 단열 성능을 측정하고, 일련의 열전달 모델을 통해 예측한 값과 비교한 뒤 구형 입자형 분말 단열재의 열전달 성능 예측에 대해 고찰하고 검증하였다. 위와 같은 단열 성능 평가를 통해 마이크로스피어의 높은 단열 성능을 확인하였을 뿐 아니라, 폴리스티렌의 발포립 충전 상태에서의 높은 단열 성능을 발견하였고 충전 단열재로서의 가능성을 확인하였다.
가설 설정
- - 모든 입자의 크기는 균일하다.
- - 입자 사이의 기공에서 누센수 Kne 충분히 작다.
- Wawryk과 Rafalowicz가 수행한 열전달 모델 정립 및 유효 열전도도의 예측은 아래와 같은 내용을 가정하였다.
제안 방법
- 본연구에서 사용한 마이크로스피어는 위 연구자들이 사용한 것과 같은 제품이나 후 처리 과정에 차이가 있다. Fasmire와 Augustynowicz의 연구에서 사용된 마이크로스피어는 수분 제거, 밀도가 낮은 입자 제거 및 방수성의 성분이 입자 표면에 도포되었으나 본 연구에서는 수분 제거만 행하였다. 밀도가 낮은 입자는 큰 입자를 뜻하며 큰 입자를 제거함으로써 단위 부피 당 입자 간 접촉 횟수가 높아지고, 이것은 주로 고체를 통한 열전달의 유효 열전도도를 낮추는 원인이 된다.
- 왔다. 그러나 펄라이트가 비정형의 유리질 알갱이 이므로 분말 충전 뒤에도 입자의 깨짐 및 재배치로 인한 가라앉음 현상이 있으므로, 속이 빈 구의 구조를 한 마이크로스피어는 다음과 같은 연구 결과를 근거로 펄라이트의 대안으로 제안되었다. Fasmire와 Augustynowicz는 마이크로스피어의 단열 성능이 펄라이트에 비해 높음을 보였고〔1〕, Allen 등은 마이크로스피어의 내구성이 펄라이트에 비해 우수함을 실험적으로 확인한 바 있다〔2〕.
- 따라서 Fig. 1의 1번 부위에 열전대를 일정한 간격으로 부착하여 실험 중 파이프를 통한 전도 열 유입량을 구하여 실험 결과로부터 해당 값을 제하여 보정함으로써 실험 결과의 정확도를 높였다.
- 폴리스티렌은 오래 전부터 발포된 형태로 저온 단열에 사용되어 왔으나 발포립충전 단열 성능에 대한 연구가 미비하다. 또한 쌀, 옥수수 등 전분은 중합체를 대체할 친환경적인 폼의 모재로 모색된 바 있으나〔4〕튀밥 형태의 단열 성능에 대한 실험적 연구는 전무하므로, 본 논문에서 이에 대한 단열 성능을 정량적으로 측정하여 단열재로서의 가치를 평가하였다.
- 온도 경계 조건인 진공 용기의 겉면의 온도를 15 ℃로 일정하게 유지하기 위하여 용기 겉면에 실리콘 면상 발열 히터를 부착하고, 열전대로 그 온도를 측정하여 히터의 작동을 제어하는 릴레이식 온도 제어기를 사용하였다. 또한 용기의 전체 온도를 균일하게 유지하기 위하여 열전도도가 높은 동으로 제작하였다.
- 내부의 높은 기공률과 작은 특성 길이를 적용한 것이 오차의 원인 중 하나이다. 또한 튀밥의 실험결과와 두 가지 방법으로 예측한 결과를 비교하였다. 충전 기체의 압력이 낮아질수록 기존 모델에 의해 예측한 값과의 오차가 감소하므로 진공 상태에서 튀밥을 마이크로스피어로 가정하여 유효 열전도도의 예측 가능함을 확인하였다.
- 본 연구에서 측정 대상은 위와 같은 고찰에 의거하여 WawMyk과 Rafalowicz의 마이크로스피어에 대한 열전달 모델을 사용해 그 유효 열전도도를 예측하고, 실험 결과와 비교하였다. 특히 쌀 튀밥과 폴리스티렌발포립과 같이 입자가 다공성인 경우에는 위에서 언급한 바와 같이 기체 전도 열전달에 있어서 입자와 입자 간 기공의 특성 길이와 공극률을 사용한 경우와.
- 진공 용기 내벽과 액체 질소 저장 용기 외벽 사이의 공간에 분말 단열재가 충전된다. 분말 단열재 충전층을 통해 유입된 열에 의해 증발하는 액체질소의 양을 질량 유량 측정기(Mass flow meter) 로측정하여 분말 단열재의 단열 성능을 측정한다. 분말이 충전된 진공 용기에 진공 상태를 조성하기 위하여 로터리 펌프와 터보 펌프를 사용하였으며, 분말의 유입으로부터 펌프를 보호하기 위하여 연결 파이프의 중간에 Solberg(솔버그)사의 진공용 분말 필터를 연결하였다.
- 쌀 튀밥의 경우 쌀 전분이 타는 온도 밑인 120 ℃로 가열 온도를 산정하였다. 분말이 담긴 용기의 무게를 3시간 간격으로 측정하여 분말의 무게 변화량이 0.5 % 이하일 때 분말 내 수분이 모두 제거된 것으로 간주하였으며, 건조 전과 후의 무게 변화를 통해 각 분말의 함수율을 측정하였다. 그 결과 흡습성 이 좋은 쌀 전분이 21.
- 분말 단열재 충전층을 통해 유입된 열에 의해 증발하는 액체질소의 양을 질량 유량 측정기(Mass flow meter) 로측정하여 분말 단열재의 단열 성능을 측정한다. 분말이 충전된 진공 용기에 진공 상태를 조성하기 위하여 로터리 펌프와 터보 펌프를 사용하였으며, 분말의 유입으로부터 펌프를 보호하기 위하여 연결 파이프의 중간에 Solberg(솔버그)사의 진공용 분말 필터를 연결하였다. 필터의 재질은 종이이며, 크기가 2 um 이상인 분진에 대해 99 %를 걸러내는 모델로서 1 mTorr 이하의 진공도를 유지함이 확인되었다.
- 순수한 질소 기체를 이용하여 내부 압력을 목표로 하는 값으로 조절한 뒤, 액체 질소 용기 내부에 액체 질소를 충전한다. 액체 수위 측정기를 액체질소 유입구에 삽입하여 수위를 측정한 뒤, 액체 질소가 용기의 90% 이상 채워지면 액체 질소 유입구와 질량 유량 측정기를 연결하여 정상 상태에 도달했을 때 액체 질소 증발 질량 유량을 측정하였다. 정상 상태에도 달하는 시간은 각 분말 단열재의 단열 성능에 따라 상이하므로.
- 압력계는 분말에 영향을 적게 받는 열전대 압력계를 사용하였다. 온도 경계 조건인 진공 용기의 겉면의 온도를 15 ℃로 일정하게 유지하기 위하여 용기 겉면에 실리콘 면상 발열 히터를 부착하고, 열전대로 그 온도를 측정하여 히터의 작동을 제어하는 릴레이식 온도 제어기를 사용하였다. 또한 용기의 전체 온도를 균일하게 유지하기 위하여 열전도도가 높은 동으로 제작하였다.
- 위 식으로부터, 입자의 기체 전도에 대한 유효 열전도도를 구할 때 입자 내 공극률과 입자 내 공극의 특성 길이가 중요한 변수임을 알 수 있다. 이에 따라 폴리스티렌 발포립과 튀밥의 구조를 고려하여 계산에 반영하였다. 마이크로스피어는 속이 빈 구라는 구조 상 기체가 충전되어 전도의 매개체가 되는 공간은 마이크로스피어 입자 사이의 기공뿐이다.
- 특히 쌀 튀밥과 폴리스티렌발포립과 같이 입자가 다공성인 경우에는 위에서 언급한 바와 같이 기체 전도 열전달에 있어서 입자와 입자 간 기공의 특성 길이와 공극률을 사용한 경우와. 입자 내부의 기공의 것을 사용한 경우를 같이 계산하고 도시하여 그 차이를 확인하였다.
- 폴리스티렌 발포립의 입자는 균일한 편이므로 압력 변화에 따른 과도기에서 열전도도의 변화율의 변화가 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며 이와 같이 대기압에 가까운 압력에서는 일정하다가 특정 압력에서부터 급격히 하락하는 추이는 열전달 모델에 의해 예측된 추이와도 일치한다. 폴리스티렌 발포립과 같이 입자가 다공성인 경우에, 앞에서 언급한 바와 같이 입자 외부 공간의 기공률 대신 내부의 기공률 및 특성 길이를 적용한 수정된 계산 결과와 수정하지 않고 마이크로스피어의 모델을 그대로 사용하여 계산한 결과를 실험결과와 각각 비교하였다. 예상하였던 것과 같이 압력이 높을 때에는 수정된 모델이, 압력이 낮을 때에는 단순히 마이크로스피어로 가정한 모델이 각각 더 정확한 것을 확인하였다.
대상 데이터
- 1과 같다. 본 실험 장치는 진공 용기와 그 내부의 액체 질소 저장 용기로 구성되어 있다. 진공 용기 내벽과 액체 질소 저장 용기 외벽 사이의 공간에 분말 단열재가 충전된다.
- 실험 대상인 분말 단열재로는 서론에서 언급한 펄라이트, 마이크로스피어 , 폴리스티렌 발포립과 쌀 튀밥을 선정하였다. 상기 단열재의 분말 단열재로서의 특징을 Table, i에 정리하였다.
- 먼저 가열 용기에 분말을 넣고 무게를 측정해 가며 가열한다. 이때 가열 용기는 분말과의 접촉 면적이 최대화 되도록 가로, 세로 500 mm에 높이 30 mm의 넓은 알루미늄 용기를 사용하였다. 가열 온도는 각 분말 재료의 특성에 맞게 산정하였다.
데이터처리
- 그래프로 나타내었다. 각 결과에서 오차 분석은식 (3), (4)를 EES (Engineering Equation Solver) 프로그램에 입력하고, 실험에서 사용된 각종 계측 장비의 오차 범위를 사용하여 계산하고 그래프에 도시하였다. 각 압력에서의 정확한 측정 값은 Table.
이론/모형
- 분말 단열재의 단열 성능은 증발 열량법을 통해 측정되었다. 실험 장치의 구조는 Fig.
- 실험 대상인 분말 단열재의 유효 열전도도를 예상하기 위한 적합한 열전달 모델로, Wawryk과 Rafalowicz 에 의해 수행된 마이크로스피어에 期한 다음과 같은 열전달 모델을 사용하였다〔5〕. 단, 펄라이트는 다른 셋과 입자 구조가 매우 상이하므로 제외하였다.
성능/효과
- 5 % 이하일 때 분말 내 수분이 모두 제거된 것으로 간주하였으며, 건조 전과 후의 무게 변화를 통해 각 분말의 함수율을 측정하였다. 그 결과 흡습성 이 좋은 쌀 전분이 21.5 %로 가장 큰 함수율을 가지는 것을 확인하였으며, 재질은 비슷함에도 불구하고 마이크로스피어에 비해 외부로부터 수분이 달라붙기 쉬운 열린 기공을 많이 가진 펄라이트가 함수율이 보다 높음을 확인하였다. 함수율이 가장 낮은 단열재는 폴리스티렌 발포립으로 그 값이 1.
- 밀도가 낮은 입자는 큰 입자를 뜻하며 큰 입자를 제거함으로써 단위 부피 당 입자 간 접촉 횟수가 높아지고, 이것은 주로 고체를 통한 열전달의 유효 열전도도를 낮추는 원인이 된다. 또한 입자 외 공간이 협소해짐으로써 공극률이 작아져 기체를 통한 열전도 및 복사 열전달을 줄이는 결과를 가져온다. 이와 같은 차이로 인하여 Fasmire 와 Augustynowicz가 측정한 마이크로스피어의 유효 열전도도가 본 실험 결과에 비해 낮게 나타난 것으로 보인다.
- 3의 (d)에 펄라이트, 마이크로스피어, 폴리스티렌 발포립과 튀밥의 유효 열전도도를 함께 보인다. 마이크로스피어가 가장 좋은 단열 성능을, 그리고 튀밥이 가장 나쁜 단열 성능을 갖는 것으로 확인되었다. 폴리스티렌 발포립, 튀밥과 같은 다공성 입자는 압력에 대한 유효 열전도도가 마이크로스피어와 달리 압력이 낮아질수록 빠르게 감소하고 있다.
- 3의 (b)는 실험에 의해 측정된 폴리스티렌 발포립의 유효 열전도도를 예측한 값과 함께 나타낸 것이다. 밀도가 같은 폴리스티렌 폼에 비해 발포립 형태로 충전하는 것이 약 1.5배 이상 단열 성능이 좋은 것으로 나타났다. 폴리스티렌 발포립의 입자는 균일한 편이므로 압력 변화에 따른 과도기에서 열전도도의 변화율의 변화가 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며 이와 같이 대기압에 가까운 압력에서는 일정하다가 특정 압력에서부터 급격히 하락하는 추이는 열전달 모델에 의해 예측된 추이와도 일치한다.
- 3의 (b)에서 보인 바와 같이, 압력이 높을 때에는 내부의 작은 기공이 지배적이고, 압력이 낮아지면 입자 외부의 큰 기공이 지배적이게 되는 차이에서 기인한다. 본 결과에서 주목할 점은 폴리스티렌 발포립이 대기압과 낮은 압력에서 각각 마이크로스피어와 비슷한 수준의 단열 성능을 갖는다는 점이다. 폴리스티렌 발포립은 함수율이 낮고, 입자가 날리지 않아 보다 다루기 쉬우며 밀도도 낮다는 장점을 가지고 있으나 자중이 커지거나 충전된 상태에 가해지는 외력이 커지게 되면 쉽게 변형하고 접촉 열저항도 크게 감소한다는 단점이 있어 소규모 단열 장치에서만 경쟁력을 가진다.
- 폴리스티렌 발포립과 같이 입자가 다공성인 경우에, 앞에서 언급한 바와 같이 입자 외부 공간의 기공률 대신 내부의 기공률 및 특성 길이를 적용한 수정된 계산 결과와 수정하지 않고 마이크로스피어의 모델을 그대로 사용하여 계산한 결과를 실험결과와 각각 비교하였다. 예상하였던 것과 같이 압력이 높을 때에는 수정된 모델이, 압력이 낮을 때에는 단순히 마이크로스피어로 가정한 모델이 각각 더 정확한 것을 확인하였다.
- 위와 같은 단열 성능 평가를 통해 마이크로스피어의 높은 단열 성능을 확인하였을 뿐 아니라, 폴리스티렌의 발포립 충전 상태에서의 높은 단열 성능을 발견하였고 충전 단열재로서의 가능성을 확인하였다.
- 또한 튀밥의 실험결과와 두 가지 방법으로 예측한 결과를 비교하였다. 충전 기체의 압력이 낮아질수록 기존 모델에 의해 예측한 값과의 오차가 감소하므로 진공 상태에서 튀밥을 마이크로스피어로 가정하여 유효 열전도도의 예측 가능함을 확인하였다. 그러나 충전 기체의 압력이 높을 때에는 두 가지 예측 결과와는 모두 차이가 있다.
- 분말이 충전된 진공 용기에 진공 상태를 조성하기 위하여 로터리 펌프와 터보 펌프를 사용하였으며, 분말의 유입으로부터 펌프를 보호하기 위하여 연결 파이프의 중간에 Solberg(솔버그)사의 진공용 분말 필터를 연결하였다. 필터의 재질은 종이이며, 크기가 2 um 이상인 분진에 대해 99 %를 걸러내는 모델로서 1 mTorr 이하의 진공도를 유지함이 확인되었다. 압력계는 분말에 영향을 적게 받는 열전대 압력계를 사용하였다.
- 폴리스티렌 발포립은 함수율이 낮고, 입자가 날리지 않아 보다 다루기 쉬우며 밀도도 낮다는 장점을 가지고 있으나 자중이 커지거나 충전된 상태에 가해지는 외력이 커지게 되면 쉽게 변형하고 접촉 열저항도 크게 감소한다는 단점이 있어 소규모 단열 장치에서만 경쟁력을 가진다. 한편 마이크로스피어와 펄라이트를 비교하였을 때 마이크로스피어가 함수율이 낮고 단열 성능도 더 높다는 연구결과를 재차 확인하였다. 마이크로스피어는 기계적 신뢰도 측면에서도 펄라이트보다 우위에 있으며〔2〕튀밥.
후속연구
- 또한 Baumgartner 등은 극저온 액체 질소 저장 용기의 단열재로서 마이크로스피어를 사용했을 때 펄라이트에 비해 증발량이 약 80%로 줄어드는 것을 확인하였다〔3〕. 그러나 위 연구자들이 실험한 펄라이트와 마이크로스피어는 그 밀도가 다르고, 위 연구 이외에는 실험적 연구가 미비하므로 펄라이트와 마이크로스피어의 단열 성능에 대한 정량적인 측정 및 비교는 향후 마이크로스피어의 사용에 대해 좋은 지표가 될 것이다.
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