• 대한기계학회논문집B
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• 제20권6호
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• pp.1959-1970
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• 1996

스터링 또는 VM 사이클 기긱의 열교환기의 구성요소 중 냉각부와 가열부만으로 이루어진 실험장치를 구성하고 벽온도분포와 열전달량을 측정하여 왕복유동주파수와 왕복유동거리비가 열전달에 미치는 영향을 실험하였다. 냉각부와 가열부와 온도차를 일정하게 유지하기 위해서는 왕복유동의 주파수와 왕복유동거리비가 증가함에 따라 열유속이 증가되어야 함을 보였다. 이는 왕복유동의 주파수와 왕복유동거리비가 중감함에 따라 가열부와 냉각부 사이의 열전달, 즉 열교환기 길이 방향으로의 열전달이 증가함을 의미한다. 또한 실험과 1차원 속도가정에 의한 해석이 매우 잘 일치함을 확인하였다. 가열부에서 반경방향응로의 유체온도분포를 측정하고 열전달계수를 구하였다. 반경방향 온도분포는 왕복유동주파수가 빨라질수록 포물선형태에서 벗어나 편평한 분포를 보이고 무차원 주파수가 커지고 열교환기 길이가 유체의 왕복거리에 비하여 짧아질수록 반경방향으로의 열전달이 향상되었다. 따라서 가열부에서의 평균 열전달 계수 역시 왕복유동주기와 열교환기가 짧을 때 더 크게 나타났다. 결론적으로 같은 전열면적을 가진다면 짧은 열교환기가 상대적으로 유리하나 왕복주파수가 빨라지는 것은 한주기당 열전달량의 측면에서 오히려 효율을 저하시키는 효과를 가져온다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제31권5호
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• pp.5-21
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• 2015

에너지파일이란 새로운 형식의 지중열교환기로서, 건물의 기초 구조물인 말뚝 내부에 열교환 파이프를 삽입하고 파이프 내부로 유체를 순환시켜 지반과 말뚝 매질사이의 열교환을 유도한다. 에너지파일은 기존의 기초 구조물을 활용하여, 구조물의 지지 기능과 지중열교환기로서의 기능을 동시에 수행하는 에너지 구조체이다. 본 연구에서는 에너지파일의 실증연구를 위하여 총 6가지 형태의 열교환 파이프가 삽입된 실규모 현장타설 에너지파일을 시험 시공하였다. 열교환 파이프의 형태는 다양한 형태별 성능 및 시공성 비교를 위해 병렬 U형 3본(5쌍, 8쌍, 10쌍), 코일형 2본(피치간격 200mm와 500mm), S형 1본으로 선정하였다. 총 6가지 형태의 열교환 파이프를 시공하면서 시공 소요시간, 인력 소요, 필요 부대시설, 특이사항 등을 정리하여 각 형태별 시공성을 평가하였다. 또한 시공된 현장타설 에너지파일에 대한 열교환 성능 평가시험을 수행하였다. 열교환 성능 평가시험은 실제 상업 건물의 냉방 부하를 모사하기 위하여 8시간 가동 16시간 휴지의 간헐적 가동을 통하여 수행하였다. 열교환 성능 평가시험 결과를 통하여 각 현장타설 에너지파일의 열교환량을 산정하였으며, 이를 에너지파일 근입 깊이 및 열교환 파이프 길이로 정규화하여 각 형태별 열교환 효율을 평가하였다. 마지막으로 현장타설 에너지파일의 경제성을 분석하기 위하여 각 형태별 에너지파일의 시공비와 에너지파일 단위 길이 당 열교환 성능을 통해 1W/m 당 소요 비용을 산정하였다.

• 한국초전도ㆍ저온공학회논문지
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• 제15권2호
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• pp.1-8
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• 2013

This paper reviews the development status of magnetic refrigeration system for hydrogen liquefaction. There is no doubt that hydrogen is one of most important energy sources in the near future. In particular, liquid hydrogen can be utilized for infrastructure construction consisting of storage and transportation. Liquid hydrogen is in cryogenic temperatures and therefore high efficient liquefaction method must be studied. Magnetic refrigeration which uses the magneto-caloric effect has potential to realize not only the higher liquefaction efficiency > 50 %, but also to be environmentally friendly and cost effective. Our hydrogen magnetic refrigeration system consists of Carnot cycle for liquefaction stage and AMR (active magnetic regenerator) cycle for precooling stages. For the Carnot cycle, we develop the high efficient system > 80 % liquefaction efficiency by using the heat pipe. For the AMR cycle, we studied two kinds of displacer systems, which transferred the working fluid. We confirmed the AMR effect with the cooling temperature span of 12 K for 1.8 T of the magnetic field and 6 second of the cycle. By using the simulation, we estimate the total efficiency of the hydrogen liquefaction plant for 10 kg/day. A FOM of 0.47 is obtained in the magnetic refrigeration system operation temperature between 20 K and 77 K including LN2 work input.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제14권2호
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• pp.578-584
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• 2013

아이스 슬러리는 유동성이 좋고 증발잠열이 커서 빙축열 시스템의 전열 유체로 선호되고 있다. 일반적으로 아이스 슬러리는 과냉각된 유체로부터 생성되는데, 동결이 과할 경우 배관을 막히게 하는 단점이 있다. 더욱이 아이스 슬러리 생성을 쉽게 하기 위해 과냉각온도를 낮출 경우 빙축열 시스템의 효율을 떨어뜨리기도 한다. 따라서 아이스 슬러리 생성을 효율적으로 제어할 수 있는 방법이 요구되고 있다. 본 논문에서는 초음파 진동에 의해 과냉각수에 캐비테이션 충격을 가하여 아이스 슬러리를 생성하는 새로운 방식의 빙축열 시스템에 관한 실험연구를 수행하여, 초음파 진동과 아이스 슬러리 생성과의 상관관계를 규명하고, 초음파 진동이 아이스 슬러리 생성을 성공적으로 촉진할 수 있음을 확인하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.69-69
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• 2011

태양열 발전 플랜트에 사용되는 중고온 범위의 축열조에 고체-액체간 상변화를 수행하는 용융염을 축열물질로 사용하면 액체상 또는 고체상만으로 된 열저장 매체에 비해 축열조의 규모를 축소함과 동시에 축열온도의 균일성 향상에 기여할 수 있다. 중온인 $250{\sim}400^{\circ}C$ 범위에서 이용 가능한 용융염으로는 질산칼륨($KNO_3$), 질산리튬($LiNO_3$)등이 있다. 그러나 이러한 용융염의 가장 큰 단점은 열전도율이 매우 낮다는 것이며, 이로 인해 요구되는 열전달률을 성취하기 위해서는 많은 열접촉면적이 필요하다는 것이다. 이러한 단점을 극복하는 방법을 도입하지 않고서는 축열시스템의 소규화를 성취하는데 큰 효과를 가져올 수 없다. 한편 열수송 성능이 탁월한 히트파이프를 사용하면 열원 및 열침과 축열물질 사이의 열전달 효율을 증가시켜 시스템의 성능 향상과 동시에 소규모화에 기여할 수 있다. 중온 범위 히트파이프의 작동유체로서 다우섬-A(Dowtherm-A)는 $150^{\circ}C$이상 $400^{\circ}C$까지의 범위에서 소수에 불과한 선택적 대안 중 하나이다. 따라서 본 연구에서는 용융염을 사용하는 중온 태양열축열조에 적용 가능한 다우섬-A 히트파이프의 성능을 파악하여 기술적 자료를 제시하고자 하였다. 열원으로는 고온 고압의 과열증기, 그리고 열침으로는 중온의 포화증기를 고려하였다. 용융염 축열조를 수직으로 관통하는 히트파이프는 하단부에서 열원 증기와 열교환 가능하며, 중앙부에서 축열물질과 열교환하고, 상단부에서는 중온 증기와 접촉할 수 있도록 배치하였다. 축열모드에서는 히트파이프의 하단부가 증발부로 작동하고, 중앙부가 응축부로 작동하여 용융염으로 열을 방출하면 용융염의 온도가 상승하고 용융점에 도달하면 액상으로의 상변화가 진행되면서 축열이 활성화된다. 축열모드에서 히트파이프의 상단부는 단열부로 작동한다. 방열과정에서는 히트파이프의 하단부가 단열된 상태이고, 중앙부는 용융염으로부터 열을 받아 증발부로 작동하며, 상단부는 중온 증기로 열을 방출하므로 응축부로 작동한다. 즉, 축열시스템의 작동모드에 따라 하나의 히트파이프에서 증발부, 응축부, 단열부의 위치가 변하게 된다. 특히, 히트파이프의 중앙 부분이 응축부에서 증발부로 전환될 때에도 작동이 보장되려면 내부 작동유체의 연속적인 재순환이 가능해야 하므로, 일반 히트파이프에서와는 달리 초기 작동액체의 충전량을 증발부 전체의 체적보다 더 많이 과충전해야 한다. 이러한 히트파이프의 성능 파악을 위한 실험에서 고려한 변수들은 열부하, 작동액체의 충전률, 작동온도 등이며, 열수송 성능의 지표로서는 유효열전도율과 열저항을 이용하였다. 중온범위에서 적정한 작동온도를 성취하기 위해 실험에서는 전압 조절기로 열부하를 조절하는 동시에 항온조로 응축부의 냉각수 입구 온도를 제어하였다. 하나의 히트파이프에 대해서 최대 1 kW까지의 열부하에서 냉각수 입구 온도를 $40^{\circ}C$에서 $80^{\circ}C$ 범위로 변화시키면 히트파이프 작동온도를 약 $250^{\circ}C$ 내외로 조절 가능하였다. 히트파이프 작동액체 충전률은 윅구조물의 공극 체적을 기준으로 372%에서 420%까지 변화 시켰다. 실험 결과를 토대로 열저항과 유효 열전도율을 각각 입력 열유속, 작동온도, 작동액체 충전률 등의 함수로 제시했다. 동일한 냉각수 온도에서는 충전률이 높을수록 히트파이프의 작동온도가 감소하였다. 열저항 값의 범위는 최소 $0.12^{\circ}C/W$에서 최대 $0.15^{\circ}C/W$까지로 나타났으며 유효 열전도율의 값은 최소 $7,703W/m{\cdot}K$에서 최대 $8,890W/m{\cdot}K$까지 변화했다. 최소 열저항은 충전률 420%인 경우에 나타났는데 이때의 작동온도는 약 $262^{\circ}C$이었다. 히트파이프의 작동한계로서 드라이아웃(dry-out)은 충전률 372%의 경우에 열부하 950 W에서 발생하였으나, 그 이상의 충전률에서는 열부하 1060 W까지 작동한계 발생이 관찰되지 않았다. 실험 결과 본 연구에서의 히트파이프는 중온 태양열 축열조에 적용되어 개당 약 1 kW의 열부하를 이송하면서 축열물질 및 축방열 대상 유동매체와 열교환을 하는데 사용하는데 충분할 것이라 판단된다.