[논문]수분 흡수가 단열재의 열전도계수에 미치는 영향에 관한 연구

유성연; 김태호

doi:10.6110/kjacr.2013.25.3.119

수분 흡수가 단열재의 열전도계수에 미치는 영향에 관한 연구
A Study on the Effects of Water Absorption on the Thermal Conductivity of Insulation Materials 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.25 no.3, 2013년, pp.119 - 125

Abstract ▼ AI-Helper

IInsulation material is generally used for preventing heat loss from heat transport fluids, and water absorption severely reduces the insulation property. The purpose of this study is to evaluate the amount of water absorption supplied by the pouring method and spraying method, to investigate the effects of water absorption on the thermal conductivity of an insulation material, and modeling the relation between water absorption and thermal conductivity. E-glass, a kind of glass fiber, and HYPERLITE, mainly composed of pearlite, are selected, to compare hygroscopic and insulation properties. E-glass is found to have much higher water absorptivity, compared to HYPERLITE. The thermal conductivity of the water-absorbed E-glass is increased by more than 150%, compared to that of no absorption, while variation of the thermal conductivity of HYPERLITE with water absorption is insignificant. A three-stage model of water absorption for thermal conductivity is developed, and the modeling results are found to be in good agreement with the experimental data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 단열재의 수분 흡수성을 분석하고 모델을 개발하여 수분 흡수량이 단열성능에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 이를 위해 수분 흡수가 잘되는 E-glass와 수분 흡수가 잘 되지 않는 HYPERLITE 단열재를 비교⋅평가하였다.

가설 설정

본 연구에서는 수분 흡수가 세 단계로 진행된다고 가정하여 모델링하였다. 열전도계수가 서서히 증가하는 첫 번째 단계(Step 1)에서는 수분이 상부 표면에서 흡수되어 하부와 측면으로 퍼져나간다고 가정하였다.
본 연구에서는 수분 흡수가 세 단계로 진행된다고 가정하여 모델링하였다. 열전도계수가 서서히 증가하는 첫 번째 단계(Step 1)에서는 수분이 상부 표면에서 흡수되어 하부와 측면으로 퍼져나간다고 가정하였다. Fig.

제안 방법

E-glass와 HYPERLITE 단열재에 수분을 공급하여 수분 흡수량을 측정하고, 수분 흡수량에 따른 열전도계수의 변화를 실험과 모델링으로 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이를 위해 수분 흡수가 잘되는 E-glass와 수분 흡수가 잘 되지 않는 HYPERLITE 단열재를 비교⋅평가하였다. 또한 수분 공급방법으로 단열재 중앙에 물을 직접 쏟아 붓는 Pouring 방법과 단열재 전체에 물을 골고루 분무시키는 Spraying 방법을 사용하여 결과를 비교하였다.
수분 흡수에 따른 시편의 열전도계수 변화를 분석하기 위하여 Pouring과 Spraying, 두 가지 방법으로 수분을 공급하였다. Pouring을 통한 수분 공급은 시편의 중앙에 물을 붓는 방법으로, 비가 올 때 빗물 등이 국부적으로 흡수되는 것을 모사하기 위해 수행하였다.
시편에 수분을 흡수시키기 전, 시편을 104℃에서 24시간 동안 항량건조시킨 후 열전도계수를 측정하였다. 이후 각 시편에 수분을 투입하였으며, Pouring의 경우는 5, 6, 7, 8, 9, 10, 50, 100, 150 g을 투입하고, Spraying의 경우에는 2, 4, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 50, 100, 150 g을 투입하여 실험하였다.
위에서 고찰한 특성을 보다 명확하게 규명하기 위하여 단열재 내에 수분이 흡수되는 과정을 열전도계수 변화와 연계하여 모델링하였으며, 모델링을 위해 열저항 개념을 도입하였다. 평판 형상의 단열재에서의 열전달율은 식(2)와 같이 양 표면의 온도차를 전도열저항으로 나누어 구하며, 이때 전도열저항은 식(3)과 같이 표현된다.
본 연구의 목적은 단열재의 수분 흡수성을 분석하고 모델을 개발하여 수분 흡수량이 단열성능에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 이를 위해 수분 흡수가 잘되는 E-glass와 수분 흡수가 잘 되지 않는 HYPERLITE 단열재를 비교⋅평가하였다. 또한 수분 공급방법으로 단열재 중앙에 물을 직접 쏟아 붓는 Pouring 방법과 단열재 전체에 물을 골고루 분무시키는 Spraying 방법을 사용하여 결과를 비교하였다.
시편에 수분을 흡수시키기 전, 시편을 104℃에서 24시간 동안 항량건조시킨 후 열전도계수를 측정하였다. 이후 각 시편에 수분을 투입하였으며, Pouring의 경우는 5, 6, 7, 8, 9, 10, 50, 100, 150 g을 투입하고, Spraying의 경우에는 2, 4, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 50, 100, 150 g을 투입하여 실험하였다. 수분을 공급한 뒤 30분간 방치하여 시편에 수분이 충분히 흡수되도록 하였으며, 이후 시편을 기울여 30분간 방치한 후 표면에 흡수되지 않은 수분을 제거하여 무게를 측정함으로써 흡수된 수분량을 계산하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 단열재 시편은 유리섬유의 일종인 E-glass와 닫힌셀 팽창 퍼라이트를 주재료로 한 산업용 단열재인 HYPERLITE이다. 두 단열재 모두 Pipe Cover, Round Board, Flat Board의 형태로 제작되며, 본 연구에서는 수분흡수 시험이 용이한 Flat Board 형태를 사용하였다. HYPER LITE는 고효율 보온 단열재로, 고온(650℃)에서도 사용가능하며 우수한 단열성능과 내 흡수성, 내구성을 가지는 특징이 있다.
본 연구에 사용된 단열재 시편은 유리섬유의 일종인 E-glass와 닫힌셀 팽창 퍼라이트를 주재료로 한 산업용 단열재인 HYPERLITE이다. 두 단열재 모두 Pipe Cover, Round Board, Flat Board의 형태로 제작되며, 본 연구에서는 수분흡수 시험이 용이한 Flat Board 형태를 사용하였다.
본 연구에서는 가열판과 냉각판을 사용해서 열흐름을 만들어 열전도계수를 측정하였으며, 실험장치(NETZSCH 사의 HFM 436)의 구조는 Fig. 1과 같다.
이때 3개의 열전대를 시편의 중앙과 중앙에서 좌우로 20 mm 떨어진 지점에 설치하였으며, 산술평균으로 평균 온도를 구하였다. 실험시 관련 규격인 ISO 8301, ASTM C518, KS L 9016를 준수하였으며, 시편 크기는 300×300×50 mm이다. 실험장치에 부착된 변위측정기인 LVDT (Linear Variable Differential Transformer)로 시편의 두께를 정밀하게 측정하였으며, 실험부 주위를 일정한 온도로 유지함으로써 측정의 정확도를 높였다.

이론/모형

Pouring 수분 공급의 특성상 수분 흡수가 물이 부어진 중앙에서 주로 일어나 가장자리로 번지는 형태이기 때문에 보다 균일한 수분 공급을 위해 단열재 표면에 수분을 분무시키는 Spraying 방법으로 실험을 반복하였다. Spraying 방법을 통한 수분 공급 전 항량건조상태인 시편의 열전도계수를 측정한 결과를 Fig.

성능/효과

(1) 수분 공급 방법과 관계없이 HYPELITE의 수분 흡수량은 E-glass에 비해서 훨씬 적으며, Spraying 방법으로 수분이 공급될 경우 Pouring 방법에 비해서 훨씬 더 많은 수분이 흡수된다.
(2) 수분을 흡수한 E-glass의 열전도계수는 수분 흡수가 없는 초기값의 150% 이상까지 증가하지만 HYPELITE 의 열전도계수 증가는 미미하다.
(3) 단열재의 열전도계수는 표면에서 수분이 흡수되어 하부와 옆으로 퍼지면서 서서히 증가하다가 수분이 단열재를 관통할 때 급격히 증가하며, 그 이후 단열재 내에 수분이 포화되면서 완만하게 증가한다.
(4) 단열재에 수분이 흡수되는 과정을 열전도계수와 연관하여 모델링하였으며, 측정 데이터와 모델링으로 구한 값은 매우 잘 일치한다. 무차원 변수를 이용하여 개발된 모델은 단열재의 종류에 상관없이 적용 가능하다.
(4) 단열재에 수분이 흡수되는 과정을 열전도계수와 연관하여 모델링하였으며, 측정 데이터와 모델링으로 구한 값은 매우 잘 일치한다. 무차원 변수를 이용하여 개발된 모델은 단열재의 종류에 상관없이 적용 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단열재 선정에 있어서 가장 중요한 요소는 무엇인가?	단열재 선정에 있어서 가장 중요한 요소는 열전도계수와 내구성이며, 사용 중 수분의 흡수는 단열재의 단열성과 내구성에 큰 영향을 미친다. 일반적으로 물의 열전도계수는 유리솜의 약 15배이며, 단열재에 수분이 흡수되면 단열성능이 저하되고 배관, 장치 혹은 마감재의 부식을 조장하거나 단열재 처짐 현상을 야기한다.
	단열재에 수분이 흡수되는 방법에는 어떤 것들이 있는가?	단열재에 수분이 흡수되는 방법에는 직접적인 수분과의 접촉, 대기 중의 수분과의 접촉, 수증기의 응축 등이 있으며 이때의 수분 분포는 흡수 또는 접촉된 수분과 단열재 내 수분 유동의 복합적인 현상에 의해 이루어진다.(3) 섬유계 단열재의 경우 90%의 상대습도에서 2% 혹은 그 미만(질량기준)의 수분 흡수가 이루어진다고 보고된 바 있다.
	수분 흡수량이 단열성능에 미치는 영향을 규명하기 위해 본 연구에서 수행한 방법은?	본 연구의 목적은 단열재의 수분 흡수성을 분석하고 모델을 개발하여 수분 흡수량이 단열성능에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 이를 위해 수분 흡수가 잘되는 E-glass와 수분 흡수가 잘 되지 않는 HYPERLITE 단열재를 비교⋅평가하였다. 또한 수분 공급방법으로 단열재 중앙에 물을 직접 쏟아 붓는 Pouring 방법과 단열재 전체에 물을 골고루 분무시키는 Spraying 방법을 사용하여 결과를 비교하였다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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상세보기
Kim, S. H., Park, J. I., Lee, M. W. and Hong, J. K., 2006, The estimation on the insulation performance of thermal insulation materials according to water vapor permeance, Proceedings of Summer Annual Meeting of SAREK, pp. 1012-1018.
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저자의 다른 논문 :

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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