이 연구에서는 고온의 축열재료로 사용하기 위한 알루미나 시멘트 복합재료의 역학적 및 열적 특성을 파악하고자 하였다. 알루미나 시멘트를 기본 바인더로 하고 플라이애시, 실리카퓸, CSA (calcium sulfo-aluminate) 및 그라파이트의 치환에 따른 고온에서의 물성을 파악하였다. 알루미나 시멘트 기반 복합재료의 역학적 특성으로서 열사이클 전과 후의 압축강도 및 인장강도를 측정하였다. 또한, 복합재료의 열적 특성으로서 열전도율과 비열을 측정하였다. 열사이클링 적용 이후의 잔류압축강도 측정결과, 알루미나 시멘트만을 사용한 배합과 알루미나 시멘트를 실리카퓸으로 치환한 배합의 압축강도가 크게 나타나며, 이 두 배합의 잔류강도 비는 65%를 상회한다. 그라파이트를 혼합한 복합재료의 비열이 가장 크고 이는 그라파이트의 비열이 크기 때문이다. 연구결과는 콘크리트를 고온조건에서의 축열매체로 활용하기 위한 실제적인 기초실험 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
이 연구에서는 고온의 축열재료로 사용하기 위한 알루미나 시멘트 복합재료의 역학적 및 열적 특성을 파악하고자 하였다. 알루미나 시멘트를 기본 바인더로 하고 플라이애시, 실리카퓸, CSA (calcium sulfo-aluminate) 및 그라파이트의 치환에 따른 고온에서의 물성을 파악하였다. 알루미나 시멘트 기반 복합재료의 역학적 특성으로서 열사이클 전과 후의 압축강도 및 인장강도를 측정하였다. 또한, 복합재료의 열적 특성으로서 열전도율과 비열을 측정하였다. 열사이클링 적용 이후의 잔류압축강도 측정결과, 알루미나 시멘트만을 사용한 배합과 알루미나 시멘트를 실리카퓸으로 치환한 배합의 압축강도가 크게 나타나며, 이 두 배합의 잔류강도 비는 65%를 상회한다. 그라파이트를 혼합한 복합재료의 비열이 가장 크고 이는 그라파이트의 비열이 크기 때문이다. 연구결과는 콘크리트를 고온조건에서의 축열매체로 활용하기 위한 실제적인 기초실험 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
The mechanical and thermal properties of high temperature aluminate cementitious thermal storage materials were investigated in this paper. Alumina cement was used as basic binder and the effect of the replacement of fly ash, silica fume, calcium sulfo-aluminate and graphite for alumina cement was i...
The mechanical and thermal properties of high temperature aluminate cementitious thermal storage materials were investigated in this paper. Alumina cement was used as basic binder and the effect of the replacement of fly ash, silica fume, calcium sulfo-aluminate and graphite for alumina cement was investigated. Experiments were performed to measure mechanical properties including compressive strength before and after thermal cycling, and split tensile strength, and to measure thermal properties including thermal conductivity and specific heat. Test results show that the residual compressive strengths of mixtures with alumina cement only, or alumina cement and silica fume were greater than those of the others. Additionally, the specific heat of mixture with graphite was largest in all the mixtures used in the study. The results of this study could be used to provide realistic information for material properties in thermal energy storage concrete in the future.
The mechanical and thermal properties of high temperature aluminate cementitious thermal storage materials were investigated in this paper. Alumina cement was used as basic binder and the effect of the replacement of fly ash, silica fume, calcium sulfo-aluminate and graphite for alumina cement was investigated. Experiments were performed to measure mechanical properties including compressive strength before and after thermal cycling, and split tensile strength, and to measure thermal properties including thermal conductivity and specific heat. Test results show that the residual compressive strengths of mixtures with alumina cement only, or alumina cement and silica fume were greater than those of the others. Additionally, the specific heat of mixture with graphite was largest in all the mixtures used in the study. The results of this study could be used to provide realistic information for material properties in thermal energy storage concrete in the future.
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문제 정의
따라서, 이 연구에서는 알루미나 시멘트를 활용한 복합재료의 고온 조건에서의 물성을 파악하였다. 알루미나 시멘트를 기본 바인더로 하여 플라이애시, 실리카퓸, CSA (calcium sulfo-aluminate) 및 그라파이트의 치환에 따른 고온에서의 물성을 파악하였다.
알루미나 시멘트의 일부분을 플라이애시로 40% 치환한 배합(B2), 실리카퓸으로 10% 치환한 배합(B3) 및 그라파이트로 10%로 치환한 배합(B4)을 고려하였다. 또한, 바인더를 4성분계로 혼합하여 복합 바인더의 영향을 평가하고자 하였다.
복합재료의 인장거동 특성을 파악하기 위하여 쪼갬인장강도 실험을 수행하였다. 쪼갬인장강도 시편은 100(지름) × 200(높이)mm인 원주형 공시체를 이용하였다.
이 실험연구에서는 고온의 열을 축열하기 위해 알루미나 시멘트를 기본 바인더로 사용한 복합재료의 역학적 및 열적특성을 파악하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
잔류압축강도는 고온에서의 열싸이클에 노출된 후의 콘크리트 압축강도이다. 이에 따라, 고온에서 복합재료의 압축강도 특성을 파악하고자 하였다. 고온에서 열사이클을 수행한 후 복합재료의 압축강도를 측정하였다.
가설 설정
3. 그라파이트를 혼합한 복합재료 배합의 비열이 가장 크며, 이는 그라파이트의 비열이 크기 때문이다.
태양열 발전소의 집열온도는 400∼500℃ 수준이다. 따라서 본 논문에서는 열싸이클의 최대온도를 450℃로 설정하였다. 또한, 기존연구결과(John and Selvam 2013)는 콘크리트가 고온에 노출후 3회 싸이클까지 압축강도저하가 뚜렷하고, 이후의 압축강도 저하는 미미한 것으로 나타나므로 열싸이클 횟수를 10회로 설정하였다.
제안 방법
각 배합별로 큐브 시편(50 × 50 × 50mm)을 제작하여 양생하였으며, 양생한 큐브시편에 10회의 열싸이클(thermal cycling)을 수행하였다.
시차주사열량법의 원리를 이용하는 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC)를 이용하여 복합재료의 비열을 측정하였다. 각 배합의 시편을 파우더로 분쇄한 후, DSC로 비열을 측정하였다.
이에 따라, 고온에서 복합재료의 압축강도 특성을 파악하고자 하였다. 고온에서 열사이클을 수행한 후 복합재료의 압축강도를 측정하였다.
복합재료의 압축강도는 길이 50mm의 큐브형 공시체의 압축실험을 수행하여 획득하였다(Fig. 3). Table 3 및 Fig.
알루미나 시멘트를 기본 바인더로 하여 플라이애시, 실리카퓸, CSA (calcium sulfo-aluminate) 및 그라파이트의 치환에 따른 고온에서의 물성을 파악하였다. 복합재료의 역학적 특성으로서 열사이클 적용전과 후의 압축강도 및 인장강도 특성을 조사하였으며, 열적 특성으로서 비열과 열전도율을 파악하였다.
복합재료의 제조는 바인더와 잔골재를 섞는 건비빔 단계, 배합수와 혼화제의 액상재료 투입단계, 1차 믹싱, 섬유 투입단계 및 2차 믹싱 단계로 순차적으로 진행하였다.
크기가 100×100×20mm인 콘크리트 시편을 제작하였다. 시편의 양면에 열그리스(thermal grease)를 고루 도포하여 열전대와 콘크리트 시편이 일체화 되도록 하였다. 이후 콘크리트 시편을 TLP 300 장비 챔버 안에 넣고 열전도율을 측정하였다.
쪼갬인장강도 시편은 100(지름) × 200(높이)mm인 원주형 공시체를 이용하였다. 시험은 만능시험기를 사용하여 변위제어방식으로 하중을 재하하였다.
따라서, 이 연구에서는 알루미나 시멘트를 활용한 복합재료의 고온 조건에서의 물성을 파악하였다. 알루미나 시멘트를 기본 바인더로 하여 플라이애시, 실리카퓸, CSA (calcium sulfo-aluminate) 및 그라파이트의 치환에 따른 고온에서의 물성을 파악하였다. 복합재료의 역학적 특성으로서 열사이클 적용전과 후의 압축강도 및 인장강도 특성을 조사하였으며, 열적 특성으로서 비열과 열전도율을 파악하였다.
알루미나시멘트를 기본 바인더로 사용하였다(B1). 알루미나 시멘트의 일부분을 플라이애시로 40% 치환한 배합(B2), 실리카퓸으로 10% 치환한 배합(B3) 및 그라파이트로 10%로 치환한 배합(B4)을 고려하였다. 또한, 바인더를 4성분계로 혼합하여 복합 바인더의 영향을 평가하고자 하였다.
이러한 열 사이클 절차를 10회 수행하였다.열사이클 수행 후에 콘크리트의 잔류압축강도를 측정하였다.
6과 같다. 이러한 열 사이클 절차를 10회 수행하였다.열사이클 수행 후에 콘크리트의 잔류압축강도를 측정하였다.
시편의 양면에 열그리스(thermal grease)를 고루 도포하여 열전대와 콘크리트 시편이 일체화 되도록 하였다. 이후 콘크리트 시편을 TLP 300 장비 챔버 안에 넣고 열전도율을 측정하였다.
대상 데이터
먼저 시멘트와 잔골재를 섞어 건비빔을 실시한다. 건비빔 후배합수와 고성능감수제등의 액상 재료를 투입한다. 믹서 내부의 재료들이 배합수와 충분히 혼합되어 재료 유동의 확보여부를 파악한다.
고온조건에서 콘크리트는 내부 증기압의 증가로 인해 폭렬현상이 발생할 수 있으며, 폭렬을 방지하기 위해 콘크리트에 섬유를 혼입하는 것이 유리하다(Hannant 1998; Suhaendiet 2008; Bilodeau 2004). 고온에서 콘크리트의 폭렬을 방지하기 위한 보강섬유로서 폴리프로펠렌(PP)섬유를 혼입하였다. 섬유의 지름은 21㎛, 비중은 0.
태양열발전을 위해서는 400℃ 이상의 고온에서 태양열 축열이 필요하며, 대표적인 기존의 축열시스템은 두 개의 용융염 탱크를 이용하는 기법이다(Faas 1983). 두 개의 탱크는 고온의 용융염 탱크(hot molten salt tank)와 저온의 용융염 탱크(cold molten salt tank)로 구성된다. 그러나, 두 개의 용융염 탱크를 이용한 축열기법은 용융염 탱크 운영에 따른 높은 비용과 탱크로부터 용융염 누출 시에 환경문제를 야기할 수 있다(Skinner et al.
고온에서 콘크리트의 폭렬을 방지하기 위한 보강섬유로서 폴리프로펠렌(PP)섬유를 혼입하였다. 섬유의 지름은 21㎛, 비중은 0.91, 길이는 12.7mm이다. 또한, PP섬유의 인장강도는 400MPa이다.
이 연구에서는 알루미나 시멘트를 기반으로 하는 복합재료의 역학적 특성과 열적 특성을 파악하기 위해 알루미나 시멘트, 플라이애시, 실리카퓸, 슬래그, 그라파이트 및 CSA (calcium sulfo-aluminate)를 바인더로 사용하였다. 실험에 사용된 바인더에 대한 화학성분을 XRF 기기를 이용하여 분석하였으며, 분석결과를 Table 1에 나타내었다.
쪼갬인장강도 시편은 100(지름) × 200(높이)mm인 원주형 공시체를 이용하였다.
크기가 100×100×20mm인 콘크리트 시편을 제작하였다.
이론/모형
시차주사열량법의 원리를 이용하는 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC)를 이용하여 복합재료의 비열을 측정하였다. 각 배합의 시편을 파우더로 분쇄한 후, DSC로 비열을 측정하였다.
콘크리트 시편의 열전도율을 측정하기 위하여 TLP 300 장비(독일 TAURUS Instruments 제품)를 이용하였다(Fig. 10). 크기가 100×100×20mm인 콘크리트 시편을 제작하였다.
성능/효과
1. 열사이클링을 적용한 이후의 잔류압축강도 측정결과, 알루미나 시멘트만을 사용한 배합과 알루미나 시멘트를 실리카퓸으로 치환한 배합의 압축강도가 크게 나타나며, 이 두 배합의 잔류강도 비는 65%를 상회한다.
2. 알루미나 시멘트를 단독으로 사용한 배합과 한 종류의 바인더로만 치환한 배합의 인장강도는 2MPa을 초과하며, 4성분계 바인더를 사용한 복합재료 배합의 인장강도에 비해 크게 나타난다.
4. 시차주사열량법에 의한 비열 측정결과, 복합재료의 비열은 1.28∼1.62J/gK이다.
후속연구
6. 이 실험연구에서 배합의 경우의 수로 인해 실험결과를 일반화하기에는 한계가 있으나, 본 실험연구결과는 고온의 콘크리트축열 특성을 파악하기 위한 기초 자료가 된다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
태양열 발전시스템에서 축열장치가 필수적인 이유는?
2010). 태양열은 흐린날씨나 밤에 발전을 제한받기 때문에 태양열 발전소시스템 구축을 위해서는 낮에 집열된 태양열을 저장하는 축열장치의 구성이 필수적이다.
태양열 발전시스템은 어떤 장치로 구성되어 있는가?
화석연료를 대신하는 다양한 대체에너지를 이용한 발전시스템의 개발이 이루어지고 있으며, 해외에서는 태양열을 이용한 대규모 발전시스템의 기술개발이 증가하고 있다. 태양열 발전시스템은 태양열을 모으는 집열장치, 집열장치로부터 전달된 태양열을 저장하는 축열장치 및 열에너지를 이용하여 전기를 생산하는 발전장치로 구성된다(Laing et al. 2006; Laing et al.
태양열발전 축열시스템에서 사용하는 기존의 용융염 탱크 축열기법은 무엇이며 문제점은?
태양열발전을 위해서는 400℃ 이상의 고온에서 태양열 축열이 필요하며, 대표적인 기존의 축열시스템은 두 개의 용융염 탱크를 이용하는 기법이다(Faas 1983). 두 개의 탱크는 고온의 용융염 탱크(hot molten salt tank)와 저온의 용융염 탱크(cold molten salt tank)로 구성된다. 그러나, 두 개의 용융염 탱크를 이용한 축열기법은 용융염 탱크 운영에 따른 높은 비용과 탱크로부터 용융염 누출 시에 환경문제를 야기할 수 있다(Skinner et al. 2011; Strasser and Selvam 2014).
참고문헌 (14)
Behloul, M., Chanvillard, G., Casanova, P., Orange, G. (2002). Fire resistance of Ductal ultra high performance concrete, Proceedings of the 1st fib Congress, Development of New Materials, Osaka, Japan, 421-430.
Bentz, D.P., Peltz, M.A., Duran-Herrera, A., Valdez, P., Juarez, C.A. (2010). Thermal properties of high-volume fly ash mortars and concretes, Journal of Building Physics, 34(3), 263-275.
Bilodeau, A., Kodur, V.R., Hoff, G.C. (2004). Optimization of the type and amount of polypropylene fibers for preventing the spalling of lightweight concrete subjected to hydrocarbon fire, Cement Concrete Composite Journal, 26(2), 163-175.
Faas, S.E. (1983). 10 MWe solar thermal central receiver pilot plant: Thermal storage subsystem evaluation, subsystem activation and controls testing phase, SAND 83-8015, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM.
Hannant, D.J. (1998). Durability of polypropylene fibers in portland cement-based composites: eighteen years of data, Cement and Concrete Research, 28(12), 1809-1817.
John, E., Hale. M., Selvam. P. (2013). Concrete as a thermal energy storage medium for thermocline solar energy storage systems, Solar Energy, 96, 194-204.
Kodur, V.K.R., Sultan, M.A., (2003). Effect of temperature on thermal properties of high-strength concrete, Journal of Materials in Civil Engineering, 15(2), 101-107.
Laing, D., Lehmann, D., Bahl, C. (2008). Concrete storage for solar thermal power plants and industrial process heat, Proceedings of the Third International Renewable Energy Storage Conference, Germany, Berlin, 1-6.
Laing, D., Steinmann, W.D., Tamme, Richter, C., (2006). Solid media thermal storage for parabolic trough power plants, Solar Energy, 80, 1283-1289.
Laing, D., Steinmann, W.D., Tamme, R., Worner, A., Zunft, S. (2012). Advances in thermal energy storage development at the German Aerospace Center (DLR), Energy Storage Science and Technology, 1(1), 13-25.
Laing, D., Steinmann, W.D., Viebahn, P., Grater, F., Bahl, C. (2010). Economic analysis and life cycle assessment of concrete thermal energy storage for parabolic trough power plants, Journal of Solar Energy Engineering, 132, 041013-1-6.
Skinner, J.E., Brown, B.M., Selvam, R.P. (2011). Testing of high performance concrete as a thermal energy storage medium at high temperatures, Proceedings of the ASME 2011 5th International Conference on Energy Sustainability, Washington, DC, USA, 1-6.
Strasser, M.N., Selvam, R.P. (2014). A cost and performance comparison of packed bed and structured thermocline thermal energy storage systems, Solar Energy, 108, 390-402.
Suhaendi, S.L., Horiguchi, T., Shimura, K. (2008). Effect of polypropylene fiber geometry on explosive spalling mitigation in high strength concrete under elevated temperature conditions, Proceedings of International Conference, Concrete for Fire Engineering, 08, 149-156.
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