Thermal insulation plays an important role in energy conservation and cryogenic applications. Powder insulation method is widely used in structure and cryogenic systems, such as transportation and storage tank of cryogenic liquefied gases. Powder insulation presents high thermal insulation performance when applied in a vacuum condition. Evacuated powder insulation layer is constructed by small particle powder with light weight and some residual gas with high porosity. So far, many experiments have been done to test the thermal performance of different kinds of powder, such as expanded perlite, glass microsphere, expanded polystyrene (EPS) and so on. However, it is still difficult to predict the thermal performance of powder insulation by calculation due to the complicated geometries, including various particle shapes, wide range of powder diameter distribution and different pore sizes.
In this thesis, being based on the previously developed models for predicting the ETC of porous packed beds, an ETC prediction model for powder insulation is presented. The calculation methodology was applied to the insulation system with expanded perlite, glass microspheres and EPS beads at cryogenic temperature and various vacuum pressure. The components of heat transfer by solid conduction, fluid conduction, radiation and particle contacts are considered to calculate the ETC of powder insulation. The calculation results were further compared with the previous experimental data. Moreover, the additional experimental tests were carried out at cryogenic temperature in this research. The calculation results showed good agreement to the experimental results. Also, the fitting equation of the deformation factor in area-contact model are presented for powder insulation. Additionally, the thermal performance of powder insulation was analysed in dependence of gas pressure, powder species, particle size, bulk density and residual gas species.
단열은 에너지 절약과 극저온 응용에서 아주 중요한 역할을 한다. 파우더 단열법은 크고 복잡한 구조, 그리고 극저온 액체의 저장 및 운송 탱크와 같은 극저온 시스템에 널리 사용되고 있다. 파우더 단열법은 진공 단열법과 함께 사용할 경우 단열성능을 더욱 높일수 있다. 진공 파우더 단열법의 단열층에는 입자가 작고, 무게가 가볍고, 공극률이 큰 분말과 잔류가스가 충진되어 있다. 지금까지 발포 펄라이트, 유리 마이크로스피어, 발포 폴리스티렌 비드와 같은 파우더 단열재의 단열성능에 대해 주로 실험적 연구가 진행되어왔다. 하지만 파우더 단열재의 다양한 입자 형태, 입자 크기 분포, 기공크기등 특성으로 인해 파우더 단열법의 단열성능 예측은 아직도 많은 어려움이 있다.
본 연구에서는 기존에 개발된 다공성 매질의 유효 열전도도 예측 모델을 이용하여, 파우더 단열법의 유효 열전도도 계산 방법을 제시하였으며, 이러한 계산 모델은 다양한 극저온 온도와 다양한 진공 압력 범위에서 발포 펄라이트, 유리 마이크로스피어, 발포 폴리스티렌 비드를 이용한 단열시스템에 적용된다. 파우더 단열법의 유효 열전도도 계산을 위해 고체와 유체를 통한 열전달, 고체입자의 면접촉으로 인한 열전달 , 그리고 복사열전달을 고려하였다. 그리고 계산 결과를 기존의 실험적 연구에서 얻은 실험 데이터와 본 연구에서의 실험 데이터와 비교하였으며, 계산 결과와 실험 데이터가 잘 일치하는 것을 볼수 있다. 그리고, 파우더의 변형계수에 대한 경험식을 제시하였다. 또한, 파우더 단열법의 단열성능을 잔류 가스의 압력, 종류, 그리고 파우더의 종류, 입자크기, 밀도 등에 따라 분석하였다.
