[논문]글라스 비즈 - 고무 분말 혼합물의 열전달 특성 연구

이정훈; 윤태섭; 매튜 에반스

doi:10.7843/kgs.2011.27.11.039

글라스 비즈 - 고무 분말 혼합물의 열전달 특성 연구
Characterization of Thermal Properties for Glass Beads - Rubber Mixture 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.27 no.11, 2011년, pp.39 - 45

이정훈 (연세대학교 토목환경공학과) , 윤태섭 (연세대학교 토목환경공학과) , 매튜 에반스 (노스캐롤라이나대학교 토목환경공학과)

초록
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본 연구는 글라스 비드와 고무 혼합재의 부피비와 상대적인 크기 비에 따른 열적 거동에 관해 다루고 있다. 혼합 물질의 열전도도를 측정하기 위하여 비정상면열원법이 사용되었다. 개별요소법과 열 네트워크 모델을 결합하여 입상체 모사 시료에서 입자 단위의 열전달 매커니즘을 분석하였다. 실험 및 해석의 결과는 다음과 같다. 유효 열전도도는 고무의 부피비가 증가할수록 감소한다. 두 물질의 상대적인 크기는 열 전파경로의 대부분을 결정하는 입자간 접촉상태의 공간적 구성을 지배한다. 같은 부피비를 갖는 혼합물질 중에서, 열이 잘 흐르지 않는 물질(여기에서는 고무)의 입자 크기가 큰 경우 열전달이 더 원활하게 이루어진다. 이상의 실험결과와 입자 단위의 관찰은 물질의 열적 거동이 부피비 뿐 아니라 구성 성분의 공간적인 구성에도 영향을 받음을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents the thermal behaviors of glass beads-rubber mixtures depending on the volumetric fraction of each constituent and relative size between them. The transient plane source method is used to measure the effective thermal conductivity of mixtures. The discrete element method (DEM) and the thermal network model are integrated to investigate the particle-scale mechanism of heat transfer in granular packings. Results show that 1) the effective thermal conductivity decreases as the rubber fraction increases, and 2) the relative size between two solid particles dominates the spatial configuration of inter-particle contact condition that in tum determines the majority of heat propagation path through particle contacts. For the mixtures whose volumetric fraction of rubber is identical, the less conductive materials (e.g., rubber particles) with a large size facilitate heat transfer in granular materials. The experimental results and particle-scale observation highlight that the thermal conduction behavior is dominated not only by the volumetric fraction but also the spatial configuration of each constituent.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고무와 글라스비드(모래의 대체제) 혼합재료의 열전도 특성을 비정상면열원법을 사용하여 실험적으로 규명하였다. 이종재료간의 부피비와 크기 비율의 변화에 따른 실험을 수행하여 입자들의 공간적 분포에 따른 열 네트워크 양상 및 그에 따른 전도도를 획득하였다.

가설 설정

연결도 평가 곡선에서는 case 2, 3이 유사한 데 반해 열전도도는 case 1과 2가 유사한 경향을 갖는다. case 1과 2의 입자 수차이는 case 3과 case 2의 그것보다 훨씬 크기 때문에 연결도 평가에서 case 1과 2가 더 큰 차이를 보이게 되지만, 실제로는 글라스비드와 글라스비드 사이에 case 1의 고무와 같은 매우 작은 입자가 끼어 있는 경우는 열의 전달을 방해하는 정도가 작기 때문에 글라스비드의 연결도의 차이가 그대로 열전도도에 반영되지 않는다고 가정할 수 있다. 또한, 고무 입자 들이 작은 경우 간극을 채워 실제로 차단하는 역할을 하는 입자의 수는 감소하게 되며, 네트워크 모델에서도 입자 크기가 작을 경우 고무에 의해 직접 접촉이 차단되어도 글라스비드 간의 거리가 열이 전달되는 유효반경 내에 있게 되기 때문이다.

제안 방법

브리지 형태로 연결하여 수행한다(그림 3). 두 개의 RTD 센서 겹쳐 열원이 양방향으로 균일하게 전파되도록 하였다 시료가 위치하는 셀은 직경 30mm, 높이 30mtn의 아크릴 원통을 사용하였으며 각 시료를 절반가량 채운 후 RTD 센서를 넣고 나머지 부분을 채웠다. 직류 전압을 가하면 RTB 센서에서 열이 발생하며(식 1의 Pav) 온도에 따라 RTD 센서의 저항 값이 변하게 된다.
이종재료간의 부피비와 크기 비율의 변화에 따른 실험을 수행하여 입자들의 공간적 분포에 따른 열 네트워크 양상 및 그에 따른 전도도를 획득하였다. 또한 2차원 개별요소법과 열 네트워크 모델을 결합하여 입자간 열전달 경로를 수치적으로 모사하여 입자내 열전달 현상을 실험과 비교 분석하였다.
본 연구는 비정상면열원법을 이용하여 고무와 글라스비드 혼합 물질의 열전도도를 측정하였고, 부피비 뿐 아니라 입자 크기비에 따른 열전도도의 변화 양상을 관찰하였다. 고무의 부피비가 증가할수록 열전도도는 감소하는데, 열전도도가 낮은 고무 입자가 글라스비드의 연결로 이루어진 열전달 통로를 끊는 역할을 하기 때문이다.
본 연구에서는 균일한 입자 크기비율과 차후 수치 해석 간의 원활함을 위해 글라스 비드를 사용하였다. 실험에 사용된 글라스 비드와 폐타이어 고무의 비중은 각각 2.
재료간의 혼합비에 따라 달라지는 간극률은 주로 고무 재료의 형상에 의해 좌우되며, 고무의 부피비가 증가함에 따라 간극률이 증가한다. 시료에 따라 일정한 간극률을 얻기 위해 시료에 압력을 가할 경우 고무의 압축에 따라 입자간 접촉정도가 변하고 이것이 열전도도에 미치는 영향 역시 계측이 불가능하므로 글라스 비드와 고무를 일정비율로 균질하게 섞은 후 흐}중을 가하지 않은 상태에서 열전도도를 측정하였다. 혼합은 시료의 각 부분이 전체와 같은 부피비를 갖도록 관찰하며 혼합하였고, 같은 부피 비의 시료에 대해 반복 실험을 통해 대푯값을 선정하였다.
실내실험을 통해 획득한 열전도도의 양상을 분석하기 위해 상용프로그램인 PFC를 사용하여 글라스 비드와 고무 혼합재료의 2차원 및 3차원 모사시료를 생성하였다. 2차원 시료는 200mmx 150mm(case 2, 3) 또는 75mm><57mm(casel)의 셀을 준비하였고 입자 크기는 글라스비드 1mm, 고무는 0.
열전도 특성을 비정상면열원법을 사용하여 실험적으로 규명하였다. 이종재료간의 부피비와 크기 비율의 변화에 따른 실험을 수행하여 입자들의 공간적 분포에 따른 열 네트워크 양상 및 그에 따른 전도도를 획득하였다. 또한 2차원 개별요소법과 열 네트워크 모델을 결합하여 입자간 열전달 경로를 수치적으로 모사하여 입자내 열전달 현상을 실험과 비교 분석하였다.
25mm, lmm, 4mm를 사용하여 위 실험과 마찬가지로 4:1, 1:1, 1:4의 비율을 유지하였다. 입도 분포는 최소 및 최댓값이 위 크기로부터 土 5%가 되는 정규분포가 되도록 설정하였다. 입자를 먼저 생성한 생성된 시료를 이용하여 각 글라스비드 입자당 연결된 글라스비드 입자의 수를 관찰하였고 열 네트워크 모델을 적용해 정상상태에 도달한 2차원 공간 내에서 열이 전달되는 양상을 모사하였다.
입도 분포는 최소 및 최댓값이 위 크기로부터 土 5%가 되는 정규분포가 되도록 설정하였다. 입자를 먼저 생성한 생성된 시료를 이용하여 각 글라스비드 입자당 연결된 글라스비드 입자의 수를 관찰하였고 열 네트워크 모델을 적용해 정상상태에 도달한 2차원 공간 내에서 열이 전달되는 양상을 모사하였다.
전압은 Agilent Technology 사의 U8001A를 사용하여 1.5V 를 가하였으며 0.1 초 간격으로 20초간 Agilent Technolgy 사의 34972A 데이터로거와 34401A 멀티미터를 사용해 전압과 전류를 기록하였다 센서에 의해 영향을 받는 범위가 좁기 때문에 혼합이 균질하지 못 할 경우 비율이 왜곡될 수 있어 실제 실험에서는 동일 시료에 대하여 3회 혼합하였고 각 혼합에 대해 3회 측정하여 총 9번씩 측정하였다. 또한 실험 후 시료의 열이 충분히 소산될 수 있도록 각 실험 간에 5분의 대기 시간을 가졌다.
시료에 따라 일정한 간극률을 얻기 위해 시료에 압력을 가할 경우 고무의 압축에 따라 입자간 접촉정도가 변하고 이것이 열전도도에 미치는 영향 역시 계측이 불가능하므로 글라스 비드와 고무를 일정비율로 균질하게 섞은 후 흐}중을 가하지 않은 상태에서 열전도도를 측정하였다. 혼합은 시료의 각 부분이 전체와 같은 부피비를 갖도록 관찰하며 혼합하였고, 같은 부피 비의 시료에 대해 반복 실험을 통해 대푯값을 선정하였다.

대상 데이터

2차원 시료는 200mmx 150mm(case 2, 3) 또는 75mm><57mm(casel)의 셀을 준비하였고 입자 크기는 글라스비드 1mm, 고무는 0.25mm, lmm, 4mm를 사용하여 위 실험과 마찬가지로 4:1, 1:1, 1:4의 비율을 유지하였다. 입도 분포는 최소 및 최댓값이 위 크기로부터 土 5%가 되는 정규분포가 되도록 설정하였다.
3차원 시료는 높이 8.4mm, 직경 7.0mm의 원통형으로 제작되었으며 고무 및 글라스비드 입자의 최대 및 최소 입경은 실험과 동일하게 설정하였다. 모사 시료는 입자가 고무 또는 글라스비드인지 무작위로 결정되었으며 입자의 입경은 최소 및 최댓값 사이에서 균등하게 분포되었고 시료 내에서 각 입자의 위치 역시 무작위로 결정되었다.
5“m(case 1), 250~300㎛(case 2), 850-1150/zm(case 3) 크기의 시료를 사용하였다. 고무는 폐타이어 분말을 체분석을 통해 원하는 크기의 입자를 선택하였으며 형상은 글라스 비드와 달리 불규칙한 모양을 띈다. 글라스 비드와 고무의 입자 크기비가 각각 1:0.
05이다. 본 연구의 주된 목적인 혼합재료간의 크기 차이에 따른 열전달 양상 변화를 관찰하기 위하여 글라스 비드는 직경 212~300㎛ 크기의 시료를 사용하였고, 고무는 각각 0~ 112.5“m(case 1), 250~300㎛(case 2), 850-1150/zm(case 3) 크기의 시료를 사용하였다. 고무는 폐타이어 분말을 체분석을 통해 원하는 크기의 입자를 선택하였으며 형상은 글라스 비드와 달리 불규칙한 모양을 띈다.
실험에 사용된 글라스 비드와 폐타이어 고무의 비중은 각각 2.51, 1.05이다. 본 연구의 주된 목적인 혼합재료간의 크기 차이에 따른 열전달 양상 변화를 관찰하기 위하여 글라스 비드는 직경 212~300㎛ 크기의 시료를 사용하였고, 고무는 각각 0~ 112.
모사 시료는 입자가 고무 또는 글라스비드인지 무작위로 결정되었으며 입자의 입경은 최소 및 최댓값 사이에서 균등하게 분포되었고 시료 내에서 각 입자의 위치 역시 무작위로 결정되었다. 최초 간극률 0.5의 상태에서 중력과 5kPa의 낮은 수준 압력을 작용하여 간극률 0.433-0.419 사이 값에서 정적 평형상태로 시료를 조절하였다. 모사 시료는 실험 시료와 완전히 일치하지는 않는다.

성능/효과

개별요소법과 네트워크모델을 활용한 수치해석을 통하여 공간적 분포에 따른 열전달 현상을 분석하고 실험 결과와 비교하여, 네트워크 모델이 비균질한 혼합재료에서도 적용될 수 있는 방법임을 보였다. 고무의 부피비가 낮을수록, 고무 입자의 크기가 클수록 글라스비드 간 연결이 활발해지며 높은 열전도도를 갖게 된다.
큰 고무 입자가 글라스비드 내에 존재할 경우(case 3) 고무에 의한 차단 효과가 적게 나타나 글라스 비드 입자를 통한 대부분의 열전달은 원활하게 진행된다. 고무의 크기가 작아질수록 글라스 비드간의 접촉 수를 줄이는 효과가 우세하여 약간의 고무가 포함되어도 열전도도 감소폭이 case3에 비해 큼을 알 수 있다. 실선은 세 실험 결과에 대하여 가장 잘 맞도록 logistic function을 이용하여 표현한 것이다.
고무의 부피비가 낮을수록, 고무 입자의 크기가 클수록 글라스비드 간 연결이 활발해지며 높은 열전도도를 갖게 된다. 또한 글라스비드와 고무의 국소적인 배치에 따라 열의 전도가 불균질하게 나타나며, 이것은 부피비 뿐 아니라 입자 크기비와 공간적 배치가 열전도도에 직접적인 영향을 미치는 글라스비드의 연결도를 결정하는 인자임을 증명한다.
0mm의 원통형으로 제작되었으며 고무 및 글라스비드 입자의 최대 및 최소 입경은 실험과 동일하게 설정하였다. 모사 시료는 입자가 고무 또는 글라스비드인지 무작위로 결정되었으며 입자의 입경은 최소 및 최댓값 사이에서 균등하게 분포되었고 시료 내에서 각 입자의 위치 역시 무작위로 결정되었다. 최초 간극률 0.
수치해석 결과 실험결과와 마찬가지로 고무의 비율이 증가함에 따라 열전도도가 감소하게 된다. 열 네트워크 모델이 단일 입자상 물질에 기반하여 개발되었음에도 불구하고 각 입자 차원에서 열 흐름을 설명하는 모델이기 때문에 이종 혼합재료가 불균질하게 분포한 경우에도 각 물질에 따른 입자의 물성치를 입력하여 재료간 비율에 따른 열전도도 값의 변화를 실측값과 유사하게 평가할 수 있음을 실험과의 비교를 통해 확인하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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