KR101490591B1 - 관류열전달계수 측정 장치 및 방법 - Google Patents

관류열전달계수 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치는, 단열재질로 마련되며 내부 공간을 포함하는 외부 챔버, 상기 외부 챔버 내에 배치되며 상부가 개방되어 있는 내부 챔버, 상기 내부 챔버의 내부로 열을 공급하는 열원 공급부, 상기 내부 챔버의 상부에 배치되어 상기 내부 챔버를 밀폐시키며 상기 열원 공급부로부터 발산되는 열이 외부로 나가는 것을 방지하는 차단부 및 상기 내부 챔버의 내부 및 외부의 온도를 측정할 수 있도록 상기 내부 챔버의 내부 및 외부에 배치되는 온도 측정부를 포함하고, 상기 차단부의 상부에는 천공 복사를 구현하는 천공 복사 구현부가 더 마련되어, 상기 차단부는 피복재 또는 보온재의 조합을 통해 실내에서 다양한 피복 조건을 구현할 수 있고, 상기 내부 챔버의 외부 온도를 조절할 수 있다.

Description

관류열전달계수 측정 장치 및 방법{MEASURING APPARATUS OF OVERALL HEAT TRANSFER COEFFICIENT AND METHOD}
본 발명은 관류열전달계수 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피복재 또는 보온재의 조합에 따른 다양한 피복 조건을 구현하여 피복재 또는 보온재의 열전달 특성을 실내에서 측정할 수 있는 관류열전달계수 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
온실이란 유리나 플라스틱 필름 등으로 피복하여 외부기상으로부터 격리된 재배공간을 만들고, 여러 가지 부대설비를 이용해서 공간 내부의 미기상 조건이나 배지조건 등의 환경을 인위적으로 조절하여 작물은 생산하는 시설을 말한다.
실제 온실에는 외부 피복재와 내부의 보온커튼으로 피복된 경우가 대부분이다. 이는 온실로부터 외부로 손실되는 열을 최대한 줄이고, 원하는 온실의 온도 및 습도 등의 생육환경 조건들을 작물생육에 적절한 상태로 유지시키기 위함이다.
이러한 온실로부터 외부로 손실되는 열은 크게 대류열, 복사열, 전도열로 구성된다.
구체적으로 대류열은 고체 표면과 유체 간의 온도차에 의해 열이 이동하는 현상을 의미하고, 복사열은 고온의 물체가 열원을 방사하여 공간을 거친 후 다른 저온의 물체에 흡수되어 일어나는 열을 의미하며, 전도열은 고체에서 열에너지가 고온 쪽에서 저온 쪽으로 전달되는 현상을 의미한다.
그러나 실질적으로 농업용으로 사용되는 온실의 경우 천공 복사에 의한 열손실 비중이 크다.
따라서, 이러한 천공 복사에 의한 영향을 고려하여 온실에 적합한 피복재 또는 보온재를 선택할 필요가 있다.
예를 들어, 2004년 9월 6일에 출원된 선행 문헌 JP2004-257898에서는 단열재의 단열 성능 검사 방법 및 검사 장치에 대하여 개시된다.
일 실시예에 따른 목적은 피복재 또는 보온재의 관류열전달계수를 측정함으로써, 피복재 또는 보온재의 단열 성능을 정량적으로 제시할 수 있는 관류열전달계수 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 온실용 피복재 또는 보온재의 규격화 및 표준화를 확립시킬 수 있는 관류열전달계수 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 실제 온실의 난방 부하를 정확하게 계산할 수 있는 관류열전달계수 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 다양한 온실의 피복 조건을 간단하게 구현할 수 있는 관류열전달계수 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치는 단열재질로 마련되며 내부 공간을 포함하는 외부 챔버, 상기 외부 챔버 내에 배치되며 상부가 개방되어 있는 내부 챔버, 상기 내부 챔버의 내부로 열을 공급하는 열원 공급부, 상기 내부 챔버의 상부에 배치되어 상기 내부 챔버를 밀폐시키며 상기 열원 공급부로부터 발산되는 열이 외부로 나가는 것을 방지하는 차단부 및 상기 내부 챔버의 내부 및 외부의 온도를 측정할 수 있도록 상기 내부 챔버의 내부 및 외부에 배치되는 온도 측정부를 포함하고, 상기 차단부는 피복재 또는 보온재의 조합을 통해 실내에서 피복 조건을 구현할 수 있고, 상기 내부 챔버의 외부 온도를 조절할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 차단부의 상부에는 천공 복사를 구현하는 천공 복사 구현부가 마련되고, 상기 천공 복사 구현부 내에는 열 교환을 위한 파이프가 구비되며, 상기 파이프를 순환하는 작동유체를 통해 상기 천공 온도를 구현할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 외부 챔버의 내부 온도를 조절할 수 있는 온도 조절부가 상기 외부 챔버에 더 포함될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 피복재는 폴리에틸렌 필름을 포함할 수 있고, 상기 보온재는 다겹보온재, 백색 폴리에스테르 또는 백색 직물 폴리에스테르를 포함할 수 있으며, 상기 천공 복사 구현부는 스테인리스 스틸 재질로 마련될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 내부 챔버의 내측에는 복수 개의 스페이서가 마련되어 상기 피복재 또는 상기 보온재가 상기 내부 챔버에 탈착 가능하게 높이 방향으로 이격되어 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 온도 측정부는 복수 개의 센서를 포함하고, 상기 복수 개의 센서는 상기 내부 챔버의 측벽들 및 바닥 면의 각각 내측 및 외측에 배치되며, 상기 내부 챔버의 내측에서 측정된 값들의 평균값을 계산하여 상기 내부 챔버의 내부 온도를 결정하고, 상기 내부 챔버의 외측에서 측정된 값들의 평균값을 계산하여 상기 내부 챔버의 외부 온도를 결정할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 방법은 단열재질로 마련되는 외부 챔버 및 상기 외부 챔버 내에 배치되는 내부 챔버를 포함하는 관류열전달계수 측정 장치가 제공되는 단계, 상기 내부 챔버의 상부에 배치될 피복재 또는 보온재의 조합이 선택되는 단계, 상기 내부 챔버의 내부에 열이 공급되는 단계, 상기 내부 챔버의 내부 온도 및 외부 온도가 측정되는 단계 및 측정된 값으로부터 상기 관류열전달계수가 산출되는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 피복재 또는 보온재의 조합이 선택되는 단계 이후에, 천공 온도를 구현할 수 있는 천공 복사 구현부가 상기 피복재 또는 보온재의 상부에 배치되는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 관류열전달계수가 산출되는 단계는, 상기 내부 챔버에 공급된 열량과 상기 내부 챔버에 의한 열손실의 차이를 상기 내부 챔버의 내부 온도와 외부 온도의 차이 그리고 상기 피복재 또는 보온재의 면적으로 나눠 값을 얻을 수 있다.
일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치 및 방법에 의하면 피복재 또는 보온재의 관류열전달계수를 측정함으로써, 피복재 또는 보온재의 단열 성능을 정량적으로 제시할 수 있다.
일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치 및 방법에 의하면 온실용 피복재 또는 보온재의 규격화 및 표준화를 확립시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치 및 방법에 의하면 실제 온실의 난방 부하를 정확하게 계산할 수 있다.
일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치 및 방법에 의하면 다양한 온실의 피복 조건을 간단하게 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치의 배치도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치의 차단부 상의 천공 온도의 분포를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치의 내부 챔버의 내부 및 외부 사이의 온도 차이에 따른 관류열전달계수의 변화를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치에서 시험 조건에 따른 관류열전달계수의 값을 도시한 막대그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치에서 천공 복사가 고려되지 않을 경우 관류열전달계수의 값을 도시한 막대그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치에서 천공 복사가 고려되는 경우 관류열전달계수의 값을 도시한 막대그래프이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치의 배치도이다.
도 1을 참조하여, 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치(10)는 외부 챔버(100), 내부 챔버(200) 및 온도 조절부(300)를 포함할 수 있다.
상기 외부 챔버(100)는 단열 재질로 마련될 수 있다.
구체적으로 외부 챔버(100)는 네 개의 측벽들, 바닥 면 및 천장 면으로 구성된 상자 형상으로 이루어지며 폴리스티렌 폼으로 제작될 수 있다.
또한, 외부 챔버(100) 내에는 내부 공간이 형성되어 외부 챔버(100) 내에 다른 구성요소들이 배치될 수 있다.
이를 위해 외부 챔버(100)에는 내부로의 접근을 위해 개구(미도시)가 형성될 수 있으며, 이 개구를 통해 다른 구성요소들이 외부 챔버(100) 안으로 이동될 수 있다.
또한, 개구에는 공기 기밀의(airtight) 도어가 장착되어, 이에 의해 외부 챔버(100)의 내부와 외부 간의 열 교환을 차단시킬 수 있다.
상기 외부 챔버(100) 내에는 내부 챔버(200)가 배치될 수 있다.
상기 내부 챔버(200)는 ASTM 표준(American Society for Testing and Materials Standard)에 기초하여 부분적으로 제작되고 설계된 핫 박스(hot box)일 수 있다.
구체적으로, 내부 챔버(200)는 바닥 면 및 네 개의 측면으로 구성되어 상부가 개방된 상자 형상을 가지며, 예를 들어 우레탄을 포함하는 단열재질로 마련될 수 있다.
또한, 내부 챔버(200)의 측벽에는 스페이서(202)가 구비될 수 있다.
상기 스페이서(202)는 나란히 조립되는 구성요소 사이의 간격을 고르게 유지하기 위하여 그 틈새에 끼우는 라이너를 일컬으며, 후술할 차단부(220)가 높이 방향으로 이격되게 장착하기 위해 마련될 수 있다.
구체적으로 스페이서(202)는 복수 개로 마련되어, 마주보는 양 측벽 상에서 동일한 높이에 배치될 수 있으며, 스페이서(202)의 개방된 공간에 차단부(220)가 장착될 수 있도록, 양 측벽 상에 구비된 스페이서(202)의 개방된 공간이 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
이러한 스페이서(202)에 의해, 차단부(220)를 구성하는 피복재(222) 또는 보온재(224)가 높이 방향으로 등간격으로 이격되게 내부 챔버(200)에 장착될 수 있으며, 피복재(222) 또는 보온재(224)가 스페이서(202)에 탈착 가능하여 시험 조건에 따라 다양하게 피복재(222) 또는 피복재(224)의 조합을 구현할 수 있다.
상기 내부 챔버(200)에는 열원 공급부(210), 차단부(220), 천공 복사 구현부(230) 및 온도 측정부(240)가 구비될 수 있다.
상기 열원 공급부(210)는 내부 챔버(200)의 내부에 배치될 수 있으며, 예를 들어 내부 챔버(200)의 바닥 면 위에 배치될 수 있다.
또한, 열원 공급부(210)는 전원 공급부(미도시)로부터 전기를 인가받아 열을 발생하는 발열 코일로 구성될 수 있다.
구체적으로, 열원 공급부(210)에 의해 내부 챔버(200) 내부에 열을 가함으로써 내부 챔버(200) 내부의 온도를 상승시킬 수 있다. 이러한 경우에, 전원 공급부(미도시)에 연결된 전압 조정기(미도시)에 의해 전력이 0 내지 500W 사이에서 조절되며 내부 챔버(200) 내부의 온도가 미리 결정될 수 있다.
게다가, 열원 공급부(210)에 의해 소실된 전력은 매초 측정되며 데스크 탑 컴퓨터와 같은 처리기(미도시)로 전송될 수 있다.
상기 차단부(220)는 내부 챔버(200)의 상부에 밀폐되게 배치될 수 있다.
상기 차단부(220)는 피복재(222) 및 보온재(224)를 포함할 수 있다.
상기 피복재(222)는 내부 챔버(200) 또는 내부 챔버(200)의 스페이서(202)에 탈착 가능하게 배치될 수 있으며, 폴리에틸렌 필름을 포함할 수 있다. 구체적으로 피복재(222)는 폴리에틸렌 필름의 단일 층 또는 이중 층으로 이루어질 수 있으며, 이에 의해 내부 챔버(200)는 일중 피복 또는 이중 피복될 수 있다.
또한, 피복재(222)는 열원 공급부(210)에 의해 발산되는 열이 내부 챔버(200)의 외부로 나가는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
상기 보온재(224) 또한 내부 챔버(200) 또는 내부 챔버(200)의 스페이서(202)에 탈착 가능하게 배치될 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 피복재(222)의 하부에 높이 방향으로 이격되게 배치될 수 있다.
또한, 피복재(222)와 마찬가지로 열원 공급부(210)에 의해 발산되는 열이 내부 챔버(200)의 외부로 나가는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
구체적으로 상기 보온재(224)는 다겹보온재(multilayers), 백색 폴리에스테르(white polyester) 및 백색 직물 폴리에스테르(white fabric polyester)를 포함할 수 있다.
상기 다겹보온재는 백색 폴리에스테르, 폴리에틸렌 폼 및 백색 직물 폴리에스테르로 이루어지며, 구체적으로 두께 0.4mm의 백색 폴리에스테르, 두께 1mm의 폴리에틸렌 폼, 두께 0.25mm의 백색 직물 폴리에스테르, 두께 1mm 폴리에틸렌 폼 및 두께 0.4mm의 백색 폴리에스테르가 겹겹이 층을 이루도록 형성될 수 있다. 이러한 다겹보온재는 관류열전단계수의 측정 장치에 단일 층 또는 이중 층으로 마련될 수 있다.
상기 백색 폴리에스테르 또한 관류열전단계수의 측정 장치에 단일 층 또는 이중 층으로 마련될 수 있다.
뿐만 아니라, 백색 폴리에스테르와 백색 직물 폴리에스테르가 층을 이루도록 형성될 수 있다.
이와 같이 차단부(220)의 피복재(222) 또는 보온재(224)가 다양하게 조합될 수 있어, 피복재(222) 또는 보온재(224)의 조합에 따른 관류열전달계수를 측정할 수 있다.
또한, 천공 복사 구현부(230)가 내부 챔버(200)의 상부에 배치될 수 있다. 구체적으로 천공 복사 구현부(230)는 내부 챔버(200)에 장착된 차단부(220)의 상부에 배치될 수 있다.
상기 천공 복사 구현부(230)는 내부 챔버(200)를 모두 덮을 수 있는 크기를 구비하여 내부 챔버(200)의 상부에 배치되며, 스테인리스 스틸 재질로 마련될 수 있다. 이때 천공 복사 구현부(230)는 알루미늄 포일로 피복될 수 있다. 이는 차단부(220)의 피복재(222) 또는 보온재(224)의 복사 열 전달을 효율적으로 하기 위함이다.
여기에서, 천공 복사 구현부(230)는 천공 복사의 고려 유무를 구현하기 위해 사용될 수 있다. 더 나아가, 천공 복사 구현부(230)는 천공 온도를 구현할 수 있다.
또한, 천공 복사 구현부(230) 내에는 파이프(232)가 구비되며, 파이프(232)를 통해 작동유체가 순환할 수 있다.
예를 들어, 작동유체로서 R22를 포함하는 냉매가 주입되는 경우, 이러한 냉매에 의해 천공 복사 구현부(230)의 표면 온도가 -30℃까지 낮춰질 수 있다.
이는 야간에 외부에서 공기 및 천공 온도 사이의 차이는 평균 -20℃이고, 외부 챔버(100)의 내부 설정 온도가 0℃인 경우, 내부 챔버(200)의 차단부(220) 표면이 -20℃로 유지되도록 제어될 필요가 있으므로 유용하다.
도 1에는 천공 복사 구현부(230) 내에 파이프(232)만 구비되는 것으로 도시되었으나, 파이프(232)에 냉매의 보관을 위한 냉매 저장소 또는 냉매의 전달을 위한 호스가 더 포함될 수 있음은 당연하다.
이와 같이 천공 복사 구현부(230)에 의해 실내에서도 실외와 같은 환경을 구현할 수 있어, 실내에서 측정 가능한 관류열전달계수 측정 장치(10)가 제공될 수 있다.
일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치(10)에서 다양한 피복 조건을 구현하기 위해 피복재(222) 및 보온재(224)는 여러 가지의 조합으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 피복재(222) 및 보온재(224)는 일중 피복, 이중 피복, 다겹보온, 백색 폴리에스테르 및 백색 직물 폴리에스테르 중에 선택될 수 있다. 또한 천공 복사 구현부(230)가 선택적으로 적용 또는 비적용될 수 있다.
아래 [표 1]은 이러한 피복재(222), 보온재(224) 및 천공 복사 구현부(230)의 조합의 일 예를 나타낸다.
조건 피복재 보온재 천공 복사 구현부
1L 일중 무 무
1LS 일중 무 유
2L 이중 무 무
2LS 이중 무 유
3LM 이중 일중 다겹보온 무
3LMS 이중 일중 다겹보온 유
4LW 이중 이중 백색 폴리에스테르 무
4LWS 이중 이중 백색 폴리에스테르 유
4LFW 이중 일중 백색 직물 폴리에스테르
+ 일중 백색 폴리에스테르		 무
4LFWS 이중 일중 백색 직물 폴리에스테르
+ 일중 백색 폴리에스테르		 유
4LM 이중 이중 다겹보온 무
4LMS 이중 이중 다겹보온 유
구체적으로 차단부(220) 및 천공 복사 구현부(230)의 조합은 다음과 같이 구성될 수 있다. 제1 조건(1L)은 일중 피복재, 보온재 무, 천공 복사 구현 무로 조합되고, 제2 조건(1LS)은 일중 피복재, 보온재 무, 천공 복사 구현 유로 조합되고, 제3 조건(2L)은 이중 피복재, 보온재 무, 천공 복사 구현 무로 조합되고, 제4 조건(2LS)은 이중 피복재, 보온재 무, 천공 복사 구현 유로 조합되고, 제5 조건(3LM)은 이중 피복재, 일중 다겹보온재, 천공 복사 구현 무로 조합되고, 제6 조건(3LMS)은 이중 피복재, 일중 다겹보온재, 천공 복사 구현 유로 조합되고, 제7 조건(4LW)은 이중 피복재, 이중 백색 폴리에스테르, 천공 복사 구현 무로 조합되고, 제8 조건(4LWS)은 이중 피복재, 이중 폴리에스테르, 천공 복사 구현 유로 조합되고, 제9 조건(4LFW)은 이중 피복재, 일중 백색 직물 폴리에스테르와 일중 백색 폴리에스테르, 천공 복사 구현 무로 조합되고, 제10 조건(4LFWS)은 이중 피복재, 일중 백색 직물 폴리에스테르와 일중 백색 폴리에스테르, 천공 복사 구현 유로 조합되고, 제11 조건(4LM)은 이중 피복재, 이중 다겹보온재, 천공 복사 구현 무로 조합되고, 제12 조건(4LMS)은 이중 피복재, 이중 다겹보온재, 천공 복사 구현 유로 조합된다.
상기 내부 챔버(200)의 내부 및 외부에는 내부 챔버(200)의 내부 및 외부 온도를 측정할 수 있는 온도 측정부(240)가 배치될 수 있다.
구체적으로 내부 챔버(200)의 측벽 및 바닥 면의 내측 및 외측에 각각 온도 센서가 장착될 수 있으며, 각각의 측정된 온도의 평균값으로 내부 온도(200)의 내부 및 외부 온도를 결정할 수 있다.
또한, 온도의 측정은 온도가 평형상태에 도달한 이후에 실행되어야 한다는 것은 당연하다. 이렇게 측정된 내부 챔버(200)의 내부 및 외부 온도를 비교하여 내부 온도(200)를 통한 열손실량을 계산할 수 있다. 따라서, 복수 개의 측정된 온도의 평균값으로 계산하는 방법은 열관류전달계수 계산 시 오차를 줄이는 데 효율적일 수 있다.
상기 외부 챔버(100)의 내부에는 외부 챔버(100)의 내부 온도를 조절할 수 있는 온도 조절부(300)가 더 포함될 수 있다.
상기 온도 조절부(300)를 통해 구현하고자 하는 외부 조건에 상응하도록 외부 챔버(100)의 내부 온도를 조절할 수 있다. 예를 들어 겨울의 경우를 구현하는 경우 외부 챔버(100)의 내부 온도를 높게 설정하고, 여름의 경우를 구현하는 경우 외부 챔버(100)의 내부 온도를 낮게 설정할 수 있다.
이러한 구성에 의하여 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치(10)는 피복재(122) 또는 보온재(124)의 다양한 조합을 구현하여 관류열전달계수를 측정함으로써 피복재 또는 단열재의 단열 성능을 정량적으로 제시할 수 있으며, 게다가 천공 복사를 구현할 수 있어 측정된 관류열전달계수의 정확성을 향상시킬 수 있다. 특히, 이러한 관류열전달계수의 측정을 실내에서 할 수 있어 이롭다.
도 2는 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 방법을 도시한 순서도이며, 도 2를 참조하여 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 방법은 아래와 같이 이루어진다.
우선, 실내에 전술한 관류열전달계수 측정 장치가 제공된다(S11). 이때 외부 챔버 내의 온도는 온도 조절부에 의해 제어될 수 있으며, 외부 챔버가 단열 재질로 제작되어 외부 챔버 내의 온도가 설정된 온도로 유지될 수 있다.
이어서, 내부 챔버의 상부에 배치될 피복재 또는 보온재의 조합이 선택된다(S12). 피복재 또는 보온재의 조합은 표 1을 참조하여 구성될 수 있으며, 측정하고자 하는 조건에 맞도록 조합될 수 있다.
이어서, 천공 온도를 구현할 수 있는 천공 복사 구현부가 피복재 또는 보온재의 상부에 배치된다(S13).
이때, 천공 복사에 의한 열손실을 고려한다면, 천공 복사 구현이 제공되고, 천공 복사에 의한 열손실을 고려하지 않는다면, 천공 복사 구현이 제공되지 않을 것이다. 이와 같이 천공 복사 구현의 제공 유무는 선택적이다.
이하에서는 천공 복사 구현부의 적용에 의한 천공 온도의 분포에 대하여 설명된다. 이때 천공 온도는 차단부와 천공 복사 구현부 사이의 온도를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치의 차단부 표면 상에서 측정되는 천공 온도의 분포를 도시한다.
도 3을 참조하여, 천공 온도가 -20℃를 유지하도록 제어될 때 내부 챔버의 차단부 상에서 측정되는 천공 온도의 분포를 알 수 있다. 이때 천공 온도의 제어는 천공 복사 구현부 내에 구비된 파이프를 통해 냉매를 주입시킴으로써 이루어질 수 있다.
천공 복사의 구현 결과, 60cm × 60cm인 차단부 상의 시험 구역은 -18℃ 내지 -22℃의 범위(평균 -20℃)를 나타냈으며, 이는 제어된 값과 유사하다.
이와 같이 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치에서 관류열전달계수는 천공 온도 조건을 구현하여 측정될 수 있다.
이와 같이 측정을 위한 준비가 다 갖춰지면, 내부 챔버의 내부에 배치된 열원 공급부에 의해 내부 챔버 내부에 열이 공급된다(S14).
구체적으로 열원 공급부에 연결된 전원 공급부로부터 전기를 인가받으면 열원 공급부에서 열이 발산되어 케이스 내부의 온도를 상승시킨다. 이에 의해 내부 챔버의 내부 온도와 외부 온도 사이에 차이가 생기게 된다. 이후 온도 변화가 거의 일어나지 않는 평형상태에 이르게 되고, 이러한 평형상태를 유지하도록 지속적으로 열이 공급된다.
이러한 평형상태에서 내부 챔버의 내부 온도 및 외부 온도가 측정된다(S15). 내부 챔버의 내부 및 외부에 배치된 복수 개의 센서에 의해서 온도가 측정될 수 있다.
각각의 센서로부터 측정된 온도로부터, 내부 챔버의 내부에 배치된 센서들로부터 얻은 온도의 평균값이 내부 챔버의 내부 온도로 결정되고, 내부 챔버의 외부에 배치된 센서들로부터 얻은 온도의 평균값이 내부 챔버의 외부 온도로 결정될 수 있다.
마지막으로, 측정된 값으로부터 관류열전달계수가 계산된다(S16).
구체적으로, 관류열전달계수는 일반적으로 다음의 등식에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112013040681401-pat00001
(1)
이때, U는 열전달계수, Q는 공급된 에너지, A는 샘플의 단면적, Ti는 샘플 아래의 내부 온도 및 To는 외부 온도를 가리킨다.
식 (1)은 열 손실을 고려하지 않는 경우이며 식 (1)을 통해 열전달계수는 열량을 단면적과 온도 차이로 나눔으로써 계산될 수 있다는 것을 알 수 있다.
그러나, 실질적으로 열 손실을 고려할 경우, 피복재 또는 보온재의 단열 성능을 측정하기 위한 관류열전달계수는 다음의 등식에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112013040681401-pat00002
(2)
이때, Qr은 열원 공급부에 의해 공급된 열량, Qw는 내부 챔버의 벽을 통해 손실된 열량, A는 피복재 또는 보온재의 단면적, Ti는 피복재 또는 보온재 아래의 내부 챔버 내부 온도 및 To는 내부 챔버 외부 온도를 가리킨다.
구체적으로, 피복재 또는 보온재의 관류열전달계수는 열원 공급부로부터 공급된 열량과 내부 챔버에 의한 열손실의 차이, 즉 피복재 또는 보온재에 의한 열손실을 내부 챔버의 내부 온도와 외부 온도의 차이, 그리고 피복재 또는 보온재의 단면적으로 나눠 계산될 수 있다.
또한, 이때 내부 챔버의 벽을 통해 손실된 열량(Qw)은 다음의 등식을 통해 알 수 있다.
Figure 112013040681401-pat00003
(3)
이때, λ는 내부 챔버를 구성하는 단열 물질의 열전도율, Sw는 내부 챔버의 벽들의 표면적, Tp는 내부 챔버의 벽들의 내측 표면 온도, Tx는 내부 챔버의 벽들의 외측 표면 온도, Lw는 내부 챔버의 두께를 가리킨다.
이와 같이 간단한 수식을 통해 관류열전달계수가 비교적 쉽게 얻어질 수 있다. 게다가, 계산된 관류열전달계수가 크다는 것은 피복재 또는 보온재로 이루어지는 조합의 단열 성능이 열악하다는 것을 의미하고, 계산된 관류열전달계수가 작다는 것은 피복재 또는 보온재로 이루어지는 조합의 단열 성능이 우수하다는 것을 의미할 수 있어, 내부 챔버에 장착된 피복재 또는 보온재의 단열 성능을 정량적으로 제시할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 방법에 의하면, 다양한 온실의 피복 조건을 구현하여, 온실용 피복재 또는 보온재의 규격과 및 표준화를 확립시킬 수 있으며, 실제 온실의 난방 부하를 비교적 정확하게 계산할 수 있다.
이상에서는 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치 및 방법에 대하여 설명하였으며, 이제는 이를 통하여 얻은 실험 데이터들에 대하여 설명될 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치의 내부 챔버의 내부 및 외부 사이의 온도 차이에 따른 관류열전달계수의 변화를 도시한다.
도 4를 참조하여, 내부 챔버의 내부 및 외부 사이의 온도 차이가 증가함에 따라 관류열전달계수의 값이 증가한다는 것을 알 수 있다. 이러한 온도 차이에 따른 관류열전달계수의 값의 증가는 증가된 대류 열전달계수에 기인한다.
이와 같이 내부 챔버의 내부 및 외부 사이의 온도 차이에 따라 관류열전달계수가 다르므로, 피복재 또는 보온재의 관류열전달계수를 얻기 위해 내부 챔버의 온도 차이를 구체적으로 결정하는 것이 요구된다.
또한, 도 4(a)와 같이 천공 복사가 구현되는 경우와 도 4(b)와 같이 천공 복사가 구현되지 않는 경우, 10℃, 20℃, 30℃, 40℃ 및 50℃의 온도 차이에 따른 일중 피복재(1L) 및 이중 피복재(2L)의 관류열전달계수의 기울기는 이중 피복재 및 일중 다겹보온재의 조합(3LM), 이중 피복재 및 이중 백색 폴리에스테르의 조합(4LW), 이중 피복재, 일중 백색 직물 폴리에스테르 및 일중 백색 폴리에스테르의 조합(4LFW), 및 이중 피복재 및 이중 다겹보온재의 조합(4LM)의 경우보다 상당이 크다.
그러나 보온재를 구비된 실험들에서 관류열전달계수의 기울기는 거의 평행하다. 특히, 4LM의 경우 4LFW, 4LW 및 3LM 다음으로 관류열전달계수의 값이 가장 작다. 이에 의해 보온재를 구비하는 조합들이 보온재를 구비하지 않는 조합들에 비해 온실 효과 면에서 우수하다는 것을 알 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치에서 시험 조건에 따른 관류열전달계수의 값을 도시한 막대그래프이다.
도 5를 참조하여, 천공 복사를 구현하여 측정된 관류열전달계수는 천공 복사를 구현하지 않을 때보다 대략적으로 1L의 경우 17%, 2L의 경우 21%, 3LM의 경우 10%, 4LW의 경우 5%, 4LFW 의 경우 11% 및 4LM의 경우 17% 크다는 것을 알 수 있다.
또한, 천공 복사에 의한 보온재와 결합된 피복재의 열 손실율은 보온재와 피복재의 조합에 따라 달라질 수 있는데, 보온재가 구비된 피복재의 경우가 보온재가 구비되지 않은 피복재의 경우보다 훨씬 적다. 이는 보온재와 결합된 피복재를 통한 열 손실이 비교적 적으며, 이 경우에 단열 성능이 우수하다는 것을 할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치에서 천공 복사가 고려되지 않을 경우 관류열전달계수의 값을 도시한 막대그래프이다.
도 6을 참조하여, 천공 복사가 고려되지 않을 경우, 실내 실험과 실외 실험을 통해 얻은 관류열전달계수를 비교할 수 있다.
각각의 경우 관류열전달계수를 비교한 결과 실내 실험과 실외 실험에서 관류열전달계수가 거의 유사하다는 것을 알 수 있다.
따라서 일 실시예에 따른 관류열전달장치를 이용하여 천공 복사를 고려하지 않고 실내 실험을 실시할 경우, 신뢰할 수 있는 피복재 및 보온재의 관류열전달계수를 획득할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치에서 천공 복사가 고려되는 경우 관류열전달계수의 값을 도시한 막대그래프이다.
도 7을 참조하여, 천공 복사가 고려되는 경우, 실내 실험과 실외 실험을 통해 얻은 관류열전달계수를 비교할 수 있다.
각각의 경우 관류열전달계수를 비교한 결과 실내 실험과 실외 실험에서 관류열전달계수가 약간 차이가 있다는 것을 알 수 있다. 그러나 그 차이는 미미하여, 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치의 천공 복사 구현부를 조절함에 의해 그 차이는 충분히 감소될 수 있다.
이러한 실험들은 다른 종류의 피복재들 또는 다른 종류의 보온재들의 단열 성능을 비교할 때 또한 수행될 수 있어, 비교적 간단하게 피복재들 또는 보온재들의 열전달 효율을 비교할 수 있다. 게다가 천공 복사 구현부를 조절함으로써 실내에서도 실외의 조건을 만족시킴으로써 편리하게 실험을 수행할 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따른 관류열전달계수 측정 장치 및 방법에 의하여 피복재 또는 보온재의 관류열전달 특성을 정량적으로 비교할 수 있으며, 역으로 실제 상황에서 어떠한 온실 환경을 조성하기 위해 적절한 피복재 또는 보온재를 선택할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 관류열전달계수 측정 장치
100: 외부 챔버
200: 내부 챔버
202: 스페이서
210: 열원 공급부
220: 차단부
222: 피복재
224: 보온재
230: 천공 복사 구현부
232: 파이프
240: 온도 측정부
300: 온도 조절부

Claims (9)

  1. 단열재질로 마련되며 내부 공간을 포함하는 외부 챔버;
    상기 외부 챔버 내에 배치되며 상부가 개방되어 있는 내부 챔버;
    상기 내부 챔버의 내부로 열을 공급하는 열원 공급부;
    상기 내부 챔버의 상부에 배치되어 상기 내부 챔버를 밀폐시키며 상기 열원 공급부로부터 발산되는 열이 외부로 나가는 것을 방지하는 차단부; 및
    상기 내부 챔버의 내부 및 외부의 온도를 측정할 수 있도록 상기 내부 챔버의 내부 및 외부에 배치되는 온도 측정부;
    를 포함하고,
    상기 차단부는 피복재 또는 보온재의 조합을 통해 실내에서 피복 조건을 구현할 수 있고, 상기 내부 챔버의 외부 온도를 조절할 수 있고,
    상기 차단부의 상부에는 천공 복사를 구현하는 천공 복사 구현부가 마련되고, 상기 천공 복사 구현부 내에는 열 교환을 위한 파이프가 구비되며 상기 파이프를 순환하는 작동 유체를 통해 상기 천공 온도를 구현할 수 있고,
    상기 천공 복사 구현부는 와이어에 의해 상기 외부 챔버에 장착되어, 상기 천공 복사 구현부의 일면이 상기 차단부의 상부를 향해 마주보도록 배치되고,
    상기 외부 챔버 내에는 상기 외부 챔버의 내부 온도를 조절할 수 있는 온도 조절부가 더 포함되고,
    상기 온도 조절부는 상기 외부 챔버 내에서 상기 내부 챔버와 나란히, 상기 천공 복사 구현부 및 상기 차단부의 사이 공간을 향하여 온도를 조절하도록 배치될 수 있는 관류열전달계수 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피복재는 폴리에틸렌 필름을 포함할 수 있고, 상기 보온재는 다겹보온재, 백색 폴리에스테르 또는 백색 직물 폴리에스테르를 포함할 수 있으며, 상기 천공 복사 구현부는 스테인리스 스틸 재질로 마련될 수 있는 관류열전달계수 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내부 챔버의 내측에는 복수 개의 스페이서가 마련되어 상기 피복재 또는 상기 보온재가 상기 내부 챔버에 탈착 가능하게 높이 방향으로 이격되어 배치될 수 있는 관류열전달계수 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 온도 측정부는 복수 개의 센서를 포함하고, 상기 복수 개의 센서는 상기 내부 챔버의 측벽들 및 바닥면의 각각 내측 및 외측에 배치되며, 상기 내부 챔버의 내측에서 측정된 값들의 평균값을 계산하여 상기 내부 챔버의 내부 온도를 결정하고, 상기 내부 챔버의 외측에서 측정된 값들의 평균값을 계산하여 상기 내부 챔버의 외부 온도를 결정하는 관류열전달계수 측정 장치.
  7. 단열재질로 마련되는 외부 챔버 및 상기 외부 챔버 내에 배치되는 내부 챔버를 포함하는 관류열전달계수 측정 장치가 제공되는 단계;
    상기 내부 챔버의 상부에 배치될 피복재 또는 보온재의 조합이 선택되는 단계;
    상기 내부 챔버의 내부에 열이 공급되는 단계;
    상기 내부 챔버의 내부 온도 및 외부 온도가 측정되는 단계; 및
    측정된 값으로부터 상기 관류열전달계수가 산출되는 단계;
    를 포함하고,
    상기 피복재 또는 보온재의 조합이 선택되는 단계 이후에, 천공 온도를 구현할 수 있는 천공 복사 구현부가 상기 피복재 또는 보온재의 상부에 배치되는 단계를 더 포함하고,
    상기 천공 복사 구현부는 와이어에 의해 상기 외부 챔버에 장착되어, 상기 천공 복사 구현부의 일면이 상기 차단부의 상부를 향해 마주보도록 배치되고,
    상기 외부 챔버 내에는 상기 외부 챔버의 내부 온도를 조절할 수 있는 온도 조절부가 더 포함되고,
    상기 온도 조절부는 상기 외부 챔버 내에서 상기 내부 챔버와 나란히, 상기 천공 복사 구현부 및 상기 차단부의 사이 공간을 향하여 온도를 조절하도록 배치될 수 있는 관류열전달계수 측정 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 관류열전달계수가 산출되는 단계는, 상기 내부 챔버에 공급된 열량과 상기 내부 챔버에 의한 열손실의 차이를 상기 내부 챔버의 내부 온도와 외부 온도의 차이 그리고 상기 피복재 또는 보온재의 면적으로 나눠 값을 얻는 관류열전달계수 측정 방법.
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