Heat transfer in the interstitial materials of vacuum insulation panel (VIP) occurs by conduction through the solid structure and radiation through the pore. This process is analyzed with the discrete ordinates interpolation method (DOIM) incorporated with the commercial code Fluent. This combined analysis is shown to yield an accurate reference solution. The interstitial material of VIP is modeled as a 1-D plane parallel medium with constant properties and the walls are assumed to be isothermal and diffuse. It is found that the effect of wall emissivity is reduced for a non-scattering medium. The effective thermal conductivity is significantly larger than that predicted by simple additive approximation for low emissivity boundaries in an intermediate optical thickness range. In contrast, simple additive approximation using Rosseland approximation for the radiative conductivity predicts well for optically thick medium with high emissivity boundaries. Additive solution also matches with the combined analysis for optically thin medium, but the effect of wall emissivity is more dominant in the other cases. When the contact resistance between the wall and the filler material is added to the analysis, the effect of conduction-radiation interaction near the wall is compensated with the contact resistance. Therefore the wall emissivity is more influential than expected and the effective thermal conductivity can be reduced. The effect of various scattering modes has also been investigated. It is found that backward scattering medium is more effective in reducing total heat transfer while isotropic scattering medium is almost identical with non-scattering medium. Thus combined analysis with the modeling of contact resistance is expected to be used in the optimization of insulation performance of VIP with artificial core structure and radiation shields.
본 논문에서는 진공단열재에서의 전도와 복사에 의한 복합열전달의 해석에 관한 연구가 이루어졌다. 일반적으로 다공성물질로 이루어진 진공단열재의 심재에서는 전도와 복사가 동시에 일어나므로 이 둘의 상호작용을 적절히 기술하기 위해서는 복합열전달에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 구분종좌표보간법을 상용프로그램인 FLUENT와 결합하여 진공단열재에서의 복합열전달에 관한 해석을 수행하였다.
먼저 구분종좌표보간법을 이용한 1차원 매질의 복합열전달 해석 결과를 참고결과와 비교하여 검증하였다. 주어진 조건에서 복합열전달의 정확해와 근접한 열전달량을 계산하는 것을 확인하였으며 얻어진 온도분포를 통하여 복합열전달의 특성을 분석하였다.
실제 진공단열재의 조건에서의 해석은 벽면방사율 및 광학두께를 변화시키며 이루어졌다. 이를 통해 복합열전달이 고려되었을 때에는 벽면방사율의 효과가 줄어들기 때문에 진공단열재에서의 복사차단막의 설치 및 내부 심재의 배치에 복합열전달을 고려한 최적화가 필요할 것임을 알 수 있었다. 복사차단막을 적용한 진공단열재에서 일어날 수 있는 현상을 분석하기 위하여 벽면과 심재 사이의 접촉열저항을 주어 해석을 수행하였다. 그 결과 접촉열저항의 추가는 전도와 복사의 상호작용에 의한 벽면방사율의 효과 감소를 상당부분 상쇄시켜 복사차단막의 효율을 증가시킬 것으로 예측되었다. 한편 등방성 및 후방성 산란이 존재할 때에 대하여 해석을 수행한 결과 등방성 산란의 경우 흡수 및 방사하는 매질과 유사한 효과를 가지나 후방성 산란의 경우 같은 광학두께에서 복사열전달을 줄이는 효과가 있는 것을 확인하였다. 이외의 산란함수들에 대해서도 후방산란의 양이 클수록 열전달량이 줄어드는 경향을 확인하였다.
이 연구에서 쓰인 복합열전달의 해석방법은 지지구조 및 복사차단막을 적용한 차세대 진공단열재에서의 열전달 최적화를 수행하는 데에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
