진공단열재 번역(한국어 원본)본 연구에서는 Optimization Method을 적용하여 Vacuum Super Insulator Support의 Optimal Design을 수행하였다. 이를 위하여 다양한 형태의 구조체 형상을 제안하고 이들의 응력 분포, 열전달 특성 및 Buckling 안정성을 고려하였다. 제안된 구조체는 진공 상태의 특성상 상∙하 면에 작용하는 대기압을 견디면서 동시에 열 저항이 높은 구조물 설계에 목표를 두었다. 따라서 열 저항을 목적함수, 안전율을 구조물의 구속조건으로 산정하였다. 열은 고온 면에 닿은 외부기둥을 따라 중앙기둥의 하단에 전달이 되고 다시 중앙기둥의 상단으로 흐른 뒤 저온 면에 닿은 외부기둥의 상단에서부터 저온 면에 흐르는 열전달 경로가 왕복이 되는 구조이다. 본 연구에서는 총 두 가지case의 구조물을 모델링하고 이에 대한 최적화를 수행하였다. 재료의 기계적 특성을 고려하여 1.0의 안전율을 적용하였다. 또한 열 경로, 재료의 물성, convex hull, 구조체의 패턴과 개수, 등에 대한 분석 및 연구를 함께 수행하여 최적의 구조물을 설계하였다.
현재 인류가 소비하는 에너지 총량의 절반은 주거 및 상업용 건물의 냉난방에 소비되고 있으며 (Fig. 1), 이러한 비율은 국내의 경우에도 동일하다. 또한 대체 에너지의 수급량이 현재 총 에너지 소비량의 1%에 불과하고 지구온난화를 예방하기 위하여 이산화탄소의 총 배출량을 억제해야 되는 상황이지만 향후 2배까지 늘어날 것이라고 예측되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 현재보다 획기적으로 에너지를 절약하는 기술이 개발되거나 이산화탄소가 배출되지 않는 대체에너지가 대량으로 개발되어야 한다. 그러나 장기적인 대체에너지 수급계획도 총 에너지 수요의 10%를 넘지 못함을 생각해보면, 냉난방 에너지의 절감이야말로 그 무엇보다 현재의 에너지 위기를 타개할 수 있는 가장 효과적인 방안이라고 할 수 있다. 현재의 단열재로 난방비를 컨트롤 한다면 두께가 두꺼워지기 때문에 경제적으로 타당성을 찾기 어렵고, 더욱이 기존의 건물의 경우에는 벽을 허물어야 하는 단점이 있다. 따라서 냉난방에서의 에너지 손실을 1/4정도로 줄이면 에너지 부족과 이산화탄소 문제를 동시에 해결 할 수 있다. 그러므로 진공 단열재 개발이 에너지 손실을 줄일 수 있는 기본적이지만 가장 혁신적인 방법이라고 할 수 있다.
본 연구 에서는 최적화 기법을 적용하여 진공슈퍼 단열체를 지지하는 구조체의 모델링 및 최적설계를 수행하였다. 이를 위하여 다양한 형태의 구조체 형상을 제안하고 이들의 응력분포, 열 전달 특성, Bucking 안성성을 고려하였다. 제시된 구조체는 진공 상태의 특성상 상, 하 면에 작용하는 대기압을 견디면서 동시에 열저항이 높은 구조물 설계에 중점을 두었다. 따라서 열저항을 구조물의 최적 설계 목표로 결정하였다.
본 연구에서는 Fig. 2 에 표현된 총 2개의 구조물을 제안하였다. 상∙하면에 작용하는 대기압을 견디며 내부 진공 간극을 보호하는 지지체이다. Fig. 2 에서와 같이 열은 고온면에 닿은 외부기둥을 따라 중앙기둥의 하단에 전달이 되고 다시 중앙기둥의 상단으로 흐른 뒤, 저온면에 닿은 외부기둥의 상단에서부터 저온면에 흐르는, 열전달경로가 왕복이 되는 구조이다. 이 두 가지의 구조는 공통적으로 일반적인 형상의 원기둥에 비해 열전달 경로가 길 뿐 아니라 열전달 면적이 작기 때문에 열전도저항이 훨씬 커지게 되는 특징을 가지고 있다. 하지만 대기압을 견디면서 형상에 따라 응력의 분포와 열전달 면적이 다르기 때문에 총 열저항 값도 매우 큰 폭으로 변하게 된다. 따라서 두 가지 구조물의 형상 최적화를 통해 열저항이 가장 극대화된 구조물을 제안하였다. |
진공단열재 번역(영어 번역본)In this research, optimization method was applied for optimal design of vacuum super insulator support. For this goal, various forms of structure shape were suggested and their stress distribution, properties of thermal conductivity, and buckling stability were examined. The presented structure was designed to withstand atmospheric pressure applied at the top and bottom surfaces considering the properties of vacuum state, and have high thermal resistance at the same time. Therefore, thermal resistance was calculated as an objective function and safety factor as a constraining factor of the structure. Heat flowed from external column in contact with high temperature surface to lower part of the central column, then to upper part of the central column, and finally from upper part of the external column in contact with low temperature surface to low temperature surface. The thermal conduction path repeated in a cycle. Two cases of structure were modeled in this research, and the required optimization was carried out. Safety factor of 1.0 was applied considering the mechanical properties. Also, thermal path, material properties, convex hull, pattern and quantity of the structure, etc. were analyzed and researched at the same time for design of optimal structure.
In the present, half of total energy consumed by human is spent on heating and cooling of residential and industrial buildings (Fig. 1), and this ratio is the same in Korea. Also, the supply of alternative energy is only 1% of total energy consumption, and total carbon dioxide emission needs to be suppressed in order to prevent global warming, but carbon dioxide emission is expected to double in the future. To solve such a problem, a technology that drastically saves energy must be developed or alternative energy without carbon dioxide emission must be supplied in large quantities. However, plans for supply of alternative energy does not exceed 10% of total energy demand. Considering such situation, reduction in heating and cooling energy is the most efficient method to overcome the present energy crisis. Using the existing insulator to control heating and cooling cost is not economically justifiable because the width increases, and in the case of existing buildings, walls must be torn down. Therefore, if energy loss in heating and cooling is reduced to ¼, energy deficiency and carbon dioxide problem can be solved at the same time. It follows that development of vacuum insulator is an elementary but the most innovative way to reduce energy loss.
In this research, optimization method was used for modeling and optimal design of support structure for vacuum super insulator. This was achieved by suggesting various shapes for the structure and considering stress distribution, thermal conducting properties, and buckling stability. Design of the presented structure was focused on withstanding atmospheric pressure applied at the top and bottom surfaces and have high thermal resistance at the same time, considering the properties of vacuum state. As a result, thermal resistance was set as the design goal of structure optimization.
Total of two structures shown in Fig. 2 was suggested in this research. These supports withstand atmospheric pressure applied at the top and bottom surfaces and protect the internal vacuum gap. As shown in Fig. 2, heat flows from the external column in contact with the high temperature surface to the lower part of the central column, then to the upper part of the central column, and finally from the upper part of the external column in contact with the low temperature surface to the low temperature surface. The thermal conduction path repeats in a cycle. These two structures have thermal conduction paths that are longer than a normal cylinder and have small thermal conducting surfaces, which make their thermal resistances very high. But total thermal resistance varies by large amount as they withstand atmospheric pressure and varies in stress distribution and thermal conducting area depending on the shape. Therefore, optimization of shape of the two structures was performed to present a structure with maximal thermal resistance. |
