한국지반공학회논문집 제30권 9호 2014년 9월 pp. 57 ～ 66 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY
Vol.30, No.9, September 2014 pp. 57 ～ 66
ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) http://dx.doi.org/10.7843/kgs.2014.30.9.57
열사이펀의 열성능 산정을 위한 수치해석 연구
Evaluation on Thermal Performance of Thermosyphon by Numerical Analysis
장 창 규1 Jang, Changkyu 최 창 호2 Choi, Changho 이 장 근3 Lee, Jangguen 이 철 호4 Lee, Chulho
Abstract
The ground in cold region consists of active and permafrost layers. The active layer at the unstable state may cause ground corrosion and uplift, when the temperature of frozen ground increases due to seasonal changes. The thermosyphon is one of the stabilization methods to maintain the ground stability in the frozen ground. The thermosyphon is a closed two-phase convection device that extracts heat from the ground and discharges it into the atmosphere. In this study, ground freezing experiment using a thermosyphon and simulated ground with the isolation material was conducted to evaluate the thermal performance of the thermosyphon. In order to consider the thermal performance of the thermosyphon, commercial numerical program (TEMP/W) was adopted. Likewise, the thermal performance of thermosyphon and thermal properties of ground were applied in the numerical model. In a series of comparisons with experiment results and numerical study, thermal performance of thermosyphon can be evaluated.
요 지
동토지역에서는 계절변화에 상관없이 항시 영하상태로 동결되어 있는 영구동토층과, 그 위로 동결융해가 반복되는 활동층으로 구성되어있다. 일반적으로 대기온도 변화에 따라 동결융해가 반복되는 활동층은 얼음과 물의 상변화 작용이 반복되기 때문에 지반의 융기현상과 침하현상, 그리고 영구동토층의 온도상승을 초래할 수 있다. 열사이펀이란 구조체 내부에 충전된 냉매의 자가적인 열순환을 이용하여 지반의 온도를 영하상태로 제어하는 지반 안정화 공법 중 하나이다. 열사이펀은 대기중에 냉매의 열을 방출하는 응축부와 지중에 열을 흡수하는 증발부로 구성되어 있으며 대기의 온도가 영하의 상태일 때 지반의 온도를 영하상태로 제어한다. 본 연구에서는 열사이펀의 지반 열전달성능을 분석하기 위해 모형지반에 단열재를 배치하여 열사이펀을 통한 지반동결실험을 수행하였다. 단열재의 열차단성 및 열사이펀 길이를 고려하여 단열재 및 열사이펀의 성능실험을 수행하였으며, 실험에서 얻어진 물성치를 상용수치해석 프로그램인 TEMP/W에 반영하였다. 본 연구에서 제시된 실내실험과 수치해석 방법을 통해 열사이펀의 열성능을 산정할 수 있었다.
Keywords : Thermosyphon, Thermal performance, Frozen ground, Numerical analysis, Permafrost layer
1 비회원, 과학기술연합대학원대학교 석사과정 (Graduate Student, Univ. of Science and Technology)
2 정회원, 한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실 연구위원 (Member, Research Fellow, Geotechnical Engineering Research Division, SOC Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology)
3 정회원, 한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실 수석연구원 (Member, Senior Researcher, Geotechnical Engineering Research Division, SOC Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology)
4 정회원, 한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실 전임연구원 (Member, Research Specialist, Geotechnical Engineering Research Division, SOC Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Tel: +82-31-910-0437, Fax: +82-31-910-0561, [email protected], Corresponding author, 교신저자)
* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2015년 3월 31일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
Copyright © 2014 by the Korean Geotechnical Society
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
1. 서 론
동토지역에서 지반구조는 계절에 상관없이 토사와 물이 상시 동결상태로 존재하는 영구동토층과 그 위로 물과 흙이 융해상태로 존재하는 활동층으로 구성되어 있다. 토사의 동결이란 0oC이하에서 장시간 노출된 간 극수가 냉각되어 토사 내 빙정(ice lens)이 형성되고, 모 세관현상에 의해 수분을 지속적으로 흡수함에 따라 토 사와 물이 얼어버리는 현상을 말한다(Shin et al., 2010).
지반 공학적 측면에서 토사의 동착현상이란 수분을 함유한 토사가 동결하면서 구조물의 기초에 접착하는 현상을 의미한다. 동착강도는 간극수의 동결로 접착된 기초구조물과 토사의 접촉면에서 발현되는 응력으로 정의되며, 온도가 저하할수록 강도는 증대되는 것으로 알려져 있다. 반면, 지반의 온도가 영상으로 접근할수록 영하의 상태로 동결된 토사와 물은 융해상태로 전환되 면서 동착강도는 소산 되고 그에 따라 지반의 침식현상 을 동반한다(Ko, 2012). 따라서 본래 지반의 동착강도를 유지하기 위해서는 대기온도 변화에 상관없이 영구동 토층의 온도를 영하로 유지할 수 있는 지반 안정화 공법 이 필요하다(Wolfe, 1998).
열사이펀(thermosyphon)은 전열성능이 우수한 구조 체 내부에 냉매를 충전하고 냉매의 열순환에 의해 지반 의 온도를 항시 영하 상태로 유지시킬 수 있는 대표적인 지반 안정화 방법 중 하나이다. 열사이펀은 끓는점이 낮 은 액체상태의 냉매가 지중의 열을 흡수하여 기화되는 증발부, 그리고 상대적으로 낮은 온도의 대기에 의해 기 체상태의 냉매가 액화 하면서 열을 방출하는 응축부로 구성되어 있다. 따라서 열사이펀은 지중과 대기의 온도 차에 의해서 지반의 온도를 영하의 온도로 제어하는 구 조체로 정의 될 수 있다(Holubec, 2008).
본 연구에서는 열사이펀의 성능을 산정하기 위해 열 사이펀이 포함된 지반 동결실험 및 수치해석을 수행하 였다. 실험에 사용된 열사이펀은 일반 크기보다 작은 소 형을 사용하였다. 모형지반의 열전달 거동을 고려하기 위해 모형지반 주변에 단열재만 배치된 지반의 동결실 험과 단열재와 열사이펀이 설치된 동결실험을 수행하 였으며 실험이 진행되는 동안 모형지반의 깊이와 위치 별 온도변화를 측정하였다. 동결실험에서 측정한 대기 온도 및 지반의 열물성을 상용 수치해석 프로그램인 TEMP/W에 반영하여 모형지반을 적절히 모사할 수 있 는 지반 물성과 경계조건을 산정하였다. 단열재만 설치
된 지반의 동결해석을 통해 지반의 열물성과 경계조건 을 동결실험 측정 결과와 비교하여 해석모델을 검증하 고 열사이펀이 설치된 지반 동결실험을 추가로 모사하 여 실험 결과에서 나타난 지중온도 변화와 가장 잘 일치 하는 열사이펀의 열성능을 수치해석 방법을 통해 산정 하였다.
2. 열사이편의 열전달 성능
열사이펀은 구조체 내부에 충전된 냉매의 자가적인 열순환(자연대류)에 의해서, 상대적으로 높은 지중의 열 에너지를 구조체 내부로 흡수한다. 따라서, 열사이펀은 지중에서 추가적인 열에너지원으로 간주되고 이 때 열 사이펀의 열전달률은 다음 식 (1)과 같이 표현된다.
(1)
여기서, P는 열사이펀의 전체 길이에 대한 열성능 또 는 전도도(conductance, W/K), Tg는 지반의 온도(K), Tair
는 대기온도(K), Q는 열전달률(heat transfer rate, W)이 다. Haynes et al.(1992)은 열사이편의 지반 열전달 성능 을 수치화 하기 위해서 준정상 해석(quasi-steady analysis) 을 활용하여 증발부 길이당 지반의 흡수하는 열량인 단위길이당 전도도(unit conductance)로 열사이펀의 성 능을 수치화하였다. 준정상 해석(quasi-steady analysis) 에서 외기로부터 지표에 투입되는 열유속을 고려하지 않고 증발부 주변에서 발생되는 얼음의 반경과 온도, 열전도도, 응축부 주변의 대기온도 관계로 열사이펀의 단위 길이당 전도도를 산정한다. 따라서 준정상 해석 (quasi-steady analysis)을 바탕으로 열사이펀의 열전도율 을 산정하기 위해서는 외기로부터 표면에 전달되는 열 유속을 지연 시킬 수 있는 단열재가 필요하다. 준정상 해석을(quasi-steady analysis)바탕으로 열사이편의 지반 열전달 성능을 단위길이당 전도도로 정리하여 나타내 면 식 (2)와 같다.
ln
(2)
여기서 FDH은 동결 지속시간(s), r은 지반의 동결반 경(m), rt는 열사이편의 외경(m), k는 지반의 열전도도
Table 1. Physical properties of Jumunjin sand
Physical properties GS rdmax
(t/m3)
rdmin
(t/m3) USCS Relative density
(%)
2.67 1.70 1.36 SP 77
Fig. 1. Grading curve of Jumoonjin sand
(W/m･K), c는 얼음의 체적 융해 잠열(kJ/m3･K), C는 열 사이편의 단위길이당 전도도(W/m･K)이다. 열사이펀의 열성능은 각각의 연구마다 해당 열사이펀에 대해 저항 의 단위로 표시하거나 필요에 따라 단위 길이 또는 단위 면적당 전도도(conductance)로 표시한다(Haynes et al., 1995; Ong and Haider-E-Alalhi, 1999; Noie, 2005; Jouhara and Robinson, 2010; Huminic et al., 2011). 이는 열사이 펀 구조체의 재질과 냉매의 종류가 같더라도 냉매의 충 전율에 따라 열성능이 다르게 나타나고 해당 열사이펀 의 열성능을 산정한 방법에 따라 열성능을 다른 방식으 로 표현하기 때문이다. 하지만 열성능의 표현의 차이가 있음에도 불구하고 열사이펀은 지반 내에서 설치된 길 이와 면적이 고려되어 결과적으로 식 (1)과 같이 해석에 서는 열전달률로 고려된다. 본 연구에서 사용한 해석프 로그램인 TEMP/W에서는 열사이펀의 열성능은 열저항 의 역수 또는 전도도 단위를 사용하며(W/K), 열사이펀 은 해석 프로그램에서 경계조건 형태로 고려된다. 따라 서, 해석에서는 입력된 대기온도와 열사이펀 경계면의 온도차를 고려하여 열유속(heat flux)으로 환산하고 열 사이펀이 적용된 경계면의 온도가 계산된다.
3. 실내실험
열사이편의 설치에 따른 지반 동결실험을 수행하기 위해 길이 50cm, 직경 3.3cm, 내경 2.5cm로 제작된 강관 형태의 수직형 소형 열사이펀을 제작하였다. 열사이펀 구조체 내부에 충전하는 냉매로는 프레온 가스, 플러니 너트(Fluorinert) 용액(Jouhara and Robinson, 2010), 이산 화탄소(Haynes and Zarling, 1988), 에탄올(Kiatsiriroat et al., 2000) 등이 사용되는데 본 연구에서 사용된 냉매는 프레온계의 물질인 R-134a이며 구조체 전체 체적의 절 반(높이25cm)에 해당되는 50%로 충전하였다. 실험에 활 용된 토사는 Table 1과 같이 주문진 표준사를 사용하였 으며 비중 2.67, 최대/최소 건조 단위중량은 각각 1.70t/m3 과 1.36t/m3 이다. 주문진 표준사의 열전도도를 경험식 으로 산정하기 위해서 X선 회절분석(X-ray diffraction) 을 실험을 수행 하였으며 분석결과 주문진 표준사의 석
영(Quartz)함유량은 76.4%, 사장석은 23.6%로 나타났다 (Jang et al., 2013). Fig. 1은 실험에 사용된 주문진 표준 사의 입도분포이다.
열사이편의 지반 동결제어 성능을 분석하기 위해, 아 크릴로 제작된 토조(600mm × 600mm × 500mm)를 2개 제작하였다. 1개의 토조 중앙에는 열사이펀이 배치되어 있으며, 나머지 한 개의 토조에는 비교를 위해 열사이펀 이 배치되지 않았다. 대기로부터 토조의 바닥과 측면 경 계에서 대기로부터 전달되는 열흐름을 최소화 하기 위 해 실험에 사용된 토조에는 열전도성이 낮은 아크릴 토 조로 제작하였으며 두께 5cm 스티로폼 단열재(열전도 도=0.04W/m･K)를 이용하여 아크릴 토조의 내벽과 바 닥을 이중 마감하였다(단열재 총 두께 10cm). 토조에 구 성된 지반 모형은 4개 층으로 나누어 다짐작업을 수행 하여 상대밀도 59%로 조성 하였다. 증발부에서 기화된 냉매는 대기에 노출된 응축부에 의해서 액체 상태로 변 화 되기 때문에 열사이펀의 지반 열전달 성능을 증대 시키기 위해서는 응축부 길이 및 면적을 고려해야 한다 (Sabharwall, 2009). 따라서 Fig. 2와 같이 응축부의 길이 를 최대한 대기에 노출되게 하기 위해, 지표에 설치된 단열재의 두께는 내벽과 바닥면과는 달리 5cm로 하여 응축부 길이를 20cm 확보 하도록 하였다.
열사이펀에 의해서 지반이 동결되는 시기를 분석하 기 위해서, 온도센서가 부착된 총 3개의 플라스틱 봉을 열사이펀 주변으로부터 이격(2cm, 7cm, 12cm)하여 각 각 배치하였다. 대기온도에 의한 냉매의 상변화(기체→
(a) Ground using thermosyphon
(b) Normal ground
Fig. 2. Sketch of a design using thermsyphon and normal ground under the ground screen area
Fig. 3. Air temperature in constant chamber during experiments
Table 2. Physical properties of Jumunjin ground
Material properties Ground
Degree of saturation (%) 100
Gs 2.67
USCS SP
Relaitve density (%) 59
Water contents (%) 27.4
Total volume, Vt (cm3) 58,400 Volume of solid, Vs (cm3) 33,708 Volume of void, Vv (cm3) 24,692
Void ratio (e) 0.73
액체)가 일정하게 발현 될 수 있도록 Fig. 3과 같이, 항 온챔버의 온도는 영하의 상태인 약 -13.4oC로 일정하게 제어하였다. 실험은 -13.4oC로 제어된 항온챔버에서 열 사이펀이 배치된 모형지반과 단열재만 배치된 모형지 반을 배치하고 약 27일 동안 실험을 동시에 진행하였다.
실험을 진행하는 동안 대기 온도변화와 모형지반의 깊 이와 위치별 온도를 1시간 간격으로 측정하였다. 동결 실험은 대기온도와 지중의 온도가 동일하게 유지되는 시기까지 수행하였으며 Table 2는 열사이펀 및 단열재 가 배치된 지반의 물성치를 나타낸다.
4. 수치해석
열사이편의 지반 온도제어 성능을 가상으로 구현 할 수 있도록 Geo-Studio사에서 개발된 유한요소 해석 프 로그램인 TEMP/W를 사용하였다. TEMP/W에서는 지 반의 규모, 대기의 경계조건, 지반 및 열사이편의 물성 치를 필요로 하며, 지표 경계조건 및 열사이편의 증발부 에 의해서 지반의 동결현상을 수치적으로 모사할 수 있 는 유한요소망을 필요로 한다. 이 유한요소망들은 실제 지반의 동결현상을 수치화할 수 있는 방법이기 때문에 재료의 열전도도, 비동결된 물의 함수비, 토사의 비열, 체적당 토사의 함수비, 열사이편의 전도도 등을 해석에 반영한다. 해석에서는 지반의 열물성과 경계조건을 열 사이펀이 설치되지 않은 실험결과로부터 해석 모델을 검증하는 과정을 거쳐 열사이펀이 설치된 지반의 열전 달을 모사하고자 하였다. 해석 프로그램에서는 지표면 에서의 수분증발 현상은 따로 고려되지 않는다(Chapin et al., 2012).
대기로부터 지표에 투입되는 열은 토립자와 물의 열전도 및 대류현상으로 지표에서 지중으로 확산된다
Table 3. Input parameter of Jumunjin sand for numerical analysis (Jang et al., 2013)
Properties Relative density (59%) Unfrozen Heat Capacity (kJ/m3/℃) 2249.0
Frozen Heat Capacity (kJ/m3/℃) 1364.0 Latent Heat Water (kJ/m3/℃) 3.34×105 Frozen thermal conductivity (W/m･K) 4.67 Unfrozen thermal conductivity (W/m･K) 2.45 Water Contents (m3/m3) 0.42
Fig. 4. TEMP/W numerical model for the freezing test of normal ground (Dr=55%)
(Brandl, 2006; Lee, 2011). 열사이펀 응축부의 길이를 최 대한 확보하기 위한 방안으로 설치된 상부 단열재가 상 대적으로 두께가 얇아(5cm) 지반 상부에서 대기와의 열 교환이 예상되었기 때문에, 해석에서는 모형 지반 상부 에 대류 경계면 조건으로 이를 고려하였다. 대류 경계 조건은 대류 열전달 계수를 사용하여 고려된다. 대류 열 전달 계수란 지표에 투입되는 열유속을 산출하기 위해 필요한 보정계수로써, 지표의 수분증발과 대기의 접촉 으로 인하여 형성되는 일련의 현상을 바탕으로 지반의 열유속에 상응하는 일정계수를 도출하여 사용하는 방 법이다(Freitag, 1997; Jang et al., 2013).
실내 실험에서 획득한 열물성은 단열재가 배치된 토 조의 제원을 기준으로 산정하였으며 지반입력조건에 필 요로 하는 표준사의 열물성치(토립자의 열전도도 및 열 용량, 온도저하에 따른 토사의 부동수분량) 등을 Table 3과 같이 선행 연구를 토대로 산정되었다(Jang et al., 2013). 본 연구에서 입력된 토사의 열용량 과 온도저하 에 따른 토사의 부동수분은 재료의 열물성 자료와 토조
의 용적률(volumetric)을 바탕으로 산출했다(Osterkamp and Burn, 2003).
상부 지반 경계면을 통해 지중으로 투입된 열에너지 는 동일한 토사에서도 수분 포화도에 따라 지반으로 출 입되는 열에너지의 크기가 변화하는데 이는 지반의 열 전도도와 비열을 통해 수치화할 수 있다. 따라서 주문진 표준사의 포화도에 따른 열전도도는 Fig. 4와 같이 열전 도도 측정 장비(QTM, Kyoto Electronics)와 Côté and Konard (2005)의 포화도에 따른 열전도도 경험식을 적 용하여 주문진 표준사의 포화도에 따른 열전도도를 선 행 연구에서 사용한 방법으로 산정하고(Jang et al., 2013) 비열은 포화도에 따른 물의 체적비를 고려하여 산정하 였다. 본 연구에서는 모형지반이 포화된 상태이기 때문 에 포화상태의 열전도도와 비열이 해석에 반영되었다.
수치해석 프로그램에서 열사이펀 열성능을 산출하 는 과정은 증발부 주변 온도 및 대기온도 관계로 열사 이펀의 열성능에 상응하는 수치를 산정하므로 준정상 해석의 방법(Haynes et al., 1992)과 동일하다. 하지만 TEMP/W에서 입력된 열사이펀의 열성능은 프로그램 에 입력된 증발부 길이를 바탕으로 해석을 수행하기 때 문에 동일한 성능 단위로 변환하기 위해서는 입력된 수 치에 증발부 길이를 고려해야 한다(Geo-Studio, 2007).
TEMP/W에서 열사이펀의 열전달률을 산정하는 과정은 식 (3)과 같다.
and × (3)
여기서, Q는 열사이펀의 열전달률(W), CHP는 열사이 편의 전도도(W/K), C*HP는 단위 길이당 열사이편의 전 도도 (W/m･K), Tevp는 증발부 주변지반의 온도, Tair는 응축기 주변의 대기온도, Levp는 지중에 매설된 증발부 길이(m)이다. 증발부의 길이는 수치해석에 구성된 열사 이펀의 경계조건에 따라 해석에서 고려된다.
5. 실험 결과 및 해석 결과 비교
실험결과 열사이펀이 배치된 지반 및 일반 지반의 온 도변화는 Fig. 5와 같이 지표(0.5cm) 및 지중(18.5cm, 36.5cm)에 상관없이 동일하게 변화하는 것을 관측할 수 있었다. 하지만 열사이펀이 배치된 지반의 경우 온도가 0oC 이하로 저하되는 시기가 단열재만 배치된 지반 보 다 약 100시간 단축되는 것을 지중에 설치된 온도 데이
(a) Normal ground
(b) Ground with theromsyphon
Fig. 5. Temperature distribution in tested specimens
(a) Ground depth (0.5 cm)
(b) Ground depth (36.5 cm)
Fig. 6. Temperature comparison with normal ground and thermosyphon (0.5 cm and 36.5 cm)
터를 통해 확인할 수 있었다. 이는 지중에 설치된 열사 이펀이 대기온도와 지중온도 차에 의해 열순환이 발생 하였기 때문에 지반의 동결이 가속된 것으로 판단된다. 반면 항온챔버에서 실험을 장시간 동안 진행함에 따라 단열재만 설치된 모형 지반에서도 동결현상이 발현 되 었다. 따라서 실험에서 설치한 단열재를 통해서도 열교 환이 발생한 것을 확인할 수 있었으며 상부에 설치된 단열재의 두께가 측면과 바닥면 보다 상대적으로 작기 때문에 해석에서는 상부에만 대류 경계조건을 적용하 여 이를 고려하였다. Fig. 6은 열사이펀 및 단열재만 설 치된 지반의 동결 실험결과를 비교한 그림으로 열사이
편의 동결시기는 지표 및 지중에서 동일하게 약 100시 간 단축되는 것을 확인할 수 있다.
대류 조건으로 모형지반 지표에 경계조건을 적용하 여 해석한 결과, 모형지반 지표의 대류 열전달 계수가 4W/m2･K일 때 수치해석과 실내실험의 온도분포가 전 반적으로 유사한 거동을 보였다. 하지만, Fig. 7에서 보 이는 바와 같이 지표층(0.5cm)에서는 실내실험의 온도 분포와 다소 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이 는 해석에서 고려한 대류 경계조건에 비해 모형지반 상 부에서는 균질하게 열교환이 발생하지 않기 때문에 나 타난 결과로 판단된다. 또한 수치해석에서는 수분증발
(a) Ground depth (0.5 cm)
(b) Ground depth (18.5 cm)
(c) Ground depth (36.5 cm)
Fig. 7. Measured and predicted time using convective coefficient (4 W/m2･K)
(a) Ground depth (0.5 cm)
(b) Ground depth (18.5 cm)
(c) Ground depth (36.5 cm)
Fig. 8. Measured and predicted time using thermal conductance (0.046W/K)
(a) Width : 2 cm, Depth : 18.5 cm (b) Width : 7 cm, Depth : 18.5 cm
(c) Width : 12 cm, Depth : 18.5 cm (d) Width : 2 cm, Depth : 36.5 cm
(e) Width : 7 cm, Depth : 36.5 cm (f) Width : 12 cm, Depth : 36.5 cm Fig. 9. Measured and predicted temperature variation dependent thermal conductance
을 포함한 대류 및 전도가 복합적으로 발생하는 지표 경계조건의 영향을 고려하지 않기 때문에 실내 실험과 비교할 때 오차가 발생할 수 있는 여지가 있다. 하지만 깊이 18.5cm와 36.5cm에 접근할수록 전체적인 지중의 온도분포와 수치해석의 온도분포는 일치하는 결과를 보 이므로 지표면 경계조건에 사용된 대류 열전달 계수 4W/m2･K는 해석에서 합리적인 수치라고 판단된다. Fig.
7은 수치해석을 이용한 온도분포와 실내실험에서 측 정된 온도분포를 나타내며 지표(0.5cm)를 제외한 지중 에서는 수치해석의 온도분포와 유사한 것을 확인할 수 있다.
열사이편이 설치된 지반의 열거동을 수치해석으로 산정하기 위해 앞서 해석한 지반 조건에 열사이펀을 추 가하고 열사이펀의 열성능을 변화시키며 실내실험에서 측정된 지중 온도분포와 비교 하였다. 반영된 열사이펀 의 열성능은 0.011W/K를 기준으로 점차 증가시키는 방 법으로 실험결과와 비교하였다. 이는 실험에 사용된 열 사이펀 증발부 단위 길이당 전도도로 환산하면 0.044 W/m･K과 같다. 해석결과, 열사이펀의 열성능 변화에 따라 온도가 저하되는 시기는 약 1일정도 단축되는 것 을 확인할 수 있었으며 0.046 W/K(0.19 W/m･K)를 해석 에 반영한 결과 실내실험과 가장 유사한 경향을 얻을 수 있었다. 특히 실내 실험에서 지표로부터 18.5cm와 36.5.cm에서 설치된 온도 측정 결과로부터 토조의 반경 에 상관없이 수치해석과 거의 일치하는 경향을 보였지 만 지표(0.5cm)에서는 수치해석과 실내실험이 최대 4℃
까지 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 앞 선 해석에서와 마찬가지로 이론적인 열해석으로 열사 이편의 열성능을 수치화하기 어렵고(Gross, 1992) 지표 에서의 열교환을 대류 경계조건으로 단순화 했기 때문 에 나타난 결과로 보인다. Fig. 8은 열사이편의 열성능 을 수치해석으로 해석한 내용과 실내실험에서 측정된 온도를 비교한 그림이며 지표를 제외한 지중의 온도분 포는 수치해석과 실내실험이 유사하게 나타났다. Fig. 9 는 열사이펀의 열성능을 변화 시키면서 실내실험에서 측정된 지중온도분포와 비교한 그림이다. 열사이펀의 열성능이 증가할수록 지반의 온도가 0oC 이하로 저하되 는 시기가 조금씩 단축되며 열성능이 0.046W/K일 때 실내실험에서 측정된 지중 온도분포와 가장 유사하다 는 것을 확인 할 수 있다.
6. 결 론
열사이펀이란 대기온도보다 높은 지중의 열을 지상 으로 배출시켜 지반의 온도를 영하상태로 유지하게 하 는 대표적인 지반 안정화 공법 중 하나이다. 본 연구에 서는 열사이편 및 단열재가 배치된 지반의 동결실험 결 과를 바탕으로 수치해석 프로그램인 TEMP/W를 이용 하여 열사이편의 열성능을 수치해석 방법을 통해 산정 하였다. 실내실험 및 수치해석으로 도출된 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 열사이펀 및 단열재가 배치된 지반 동결 제어 시기 를 측정한 결과 열사이펀의 배치된 토조의 온도가 대기온도와 동일해지는 시기는 단열재만 설치된 토 조보다 약 100시간 단축되었다. 하지만 단열재만 설 치된 모형 토조 실험결과에서도 일정 시간이 흐른 뒤에 지반의 동결현상이 발현되었기 때문에 이를 배 제하고 열사이편의 열성능을 산정하였을 때 열성능 이 과대산정될 수 있다.
(2) 수치해석 방법을 사용하여 열사이편의 지반 동결실 험을 모사하기 위해 상용 해석프로그램으로 TEMP/W 를 이용하였으며 해석단계는 ① 스티로폼 단열재가 배치된 동결지반 수치해석 ② ①에서 해석된 지반 모 델을 사용하여 열사이펀이 설치된 모형 토조의 열해 석 단계로 나누어 진행하였다. 대기로부터 단열재를 통해 상부에 투입되는 열유속을 보정하기 위해, 지표 면 경계조건에 대류 열전달 계수(convection coefficient) 를 이용하였으며, 해석결과 경계면의 대류 열전달 계수가 4W/m2･K일 때 실내실험 결과와 가장 유사 한 결과를 얻을 수 있었다.
(3) 수치해석을 통해, 본 연구에서 사용한 소형 열사이 펀의 열성능 또는 전도도가 0.046W/K일 때 실내실 험과 가장 유사한 경향을 보였다. 산정된 소형 열사 이펀의 열성능은 단위 길이당 전도도로 표기하였을 때 0.19W/m･K와 같았다. 열사이펀의 열성능은 모 형 토조 시험과 수치해석을 통해 산정할 수 있었으 며 이때에는 모형 지반에 대한 적절한 지반 열물성 과 경계조건에 대한 고려가 필요하다.
감사의 글
본 연구는 한국건설기술연구원 기관고유사업인 “극
한지 하부구조 급속시공 플랫폼 기술개발”과제의 지원 으로 이루어진 것으로 이에 감사를 드립니다.
참고문헌 (References)
1. Brandl, H. (2006), “Energy foundations and other thermo-active ground structures”, Geotechnique, Vol.56, No.2, pp.81-122.
2. Cote, J. and Konrad, J. M. (2005), “A Generalized Thermal Conductivity Model for Soils and Construction Materials”, Canadian Geotechnical Journal, Vol.42, No.2, pp.443-458
3. Chapin, J., Kjartanson, B. H., and Pernia, J. (2012), “Comparison of two methods for applying spring load restrictions on low volume roads”, Canadian Journal of Civil Engineering, Vol.39, No.6, pp.
599-609.
4. Freitag, D. R. and McFadden, T. (1997), Introduction to cold regions engineering, New York: ASCE Press, pp.47-78.
5. Geo-Studio (2007), Thermal modeling with TEMP/W: an engineering methodology 3rd Ed, GEO-SLOPE International Ltd, Calgary, Alta, pp.121-123.
6. Gross, U. (1992), “Reflux condensation heat transfer inside a closed thermosyphon”, International journal of heat and mass transfer, Vol.35, No.2, pp.279-294.
7. Haynes, F. D. and Zarling, J. P. (1988), “Thermosyphons and foundation design in cold regions”, Cold Regions Science and Technology, Vol.15, Issue 3, pp.251-259.
8. Haynes, F. D., Zarling, J. P., and Gooch, G. E. (1992), “Performance of a thermosyphon with a 37-meter-long, horizontal evaporator”, Cold regions science and technology, Vol.20, No.3, pp.261-269.
9. Holubec, I. (2008), Flat loop thermosyphon foundations in warm permafrost. Prepared for the Government of the Northwest Territories Asset Management Division of Public Works and Services and the Climate Change Vulnerability Assessment of the Canadian Council of Professional Engineers.
10. Huminic, G., Huminic, A., Morjan, I., and Dumitrache, F. (2011),
“Experimental study of the thermal performance of thermosyphon heat pipe using iron oxide nanoparticles”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.54, No.1-3, pp.656-661.
11. Jang, C.K., Choi, C.H., Lee, C.H., and Lee, J.K. (2013), “Assessment of Surface Boundary Conditions for Predicting Ground Temperature Distribution”, Journal of the Korean Geotechnical society, Vol.29, No.8, pp.75-84 (in Korean).
12. Jouhara, H. and Robinson, A.J. (2010), “Experimental investigation of small diameter two-phase closed thermosyphons charged with water, FC-84, FC-77 and FC-3283”, Applied Thermal Engineering, Vol.30, No.2-3, pp.201-211.
13. Kiatsiriroat, T., Nuntaphan, A. and Tiansuwan, J. (2000), “Thermal Performance Enhancement of Thermosyphon Heat Pipe with Binary Working Fluids”, Experimental Heat Transfer, Vol.13, Issue 2, pp.137-152
14. Ko, S.K. (2012), A Study on Proportional Coefficient for Estimating Adfreeze Bond Strength using Direct Shear Test, Master Thesis, Univ. of Science & Technology, pp.6-15 (in Korean).
15. Lee, C. (2011), Performance of Ground Heat Exchangers for Civil Infrastructures, PhD. Thesis, Korea University, pp.4-5.
16. Noie, S.H. (2005), “Heat transfer characteristics of a two-phase closed thermosyphon”, Applied Thermal Engineering, Vol.25, No.4, pp.495-506.
17. Ong, K.S., Haider-E-Alalhi, Md. (1999), “Experimental investigation on the hysteresis effect in vertical two-phase closed thermosyphons”, Applied Thermal Engineering, Vol.19, No.4, pp.399-408.
18. Osterkamp, T. E. and Burn, C. R. (2003), Permafrost, in Encyclopedia of Atmospheric Sciences, edited by J. R. Holton, pp.1717-1729.
19. Sabharwall, P. (2009), Engineering design elements of a two-phase thermosyphon for the purpose of transferring NGNP thermal energy to a hydrogen plant, Nuclear Engineering and Design, pp.1-6-3-3.
20. Shin, E.C., Ryu, B.H., and Park, J.J. (2010), “The Frost Heaving Characteristics of Subgrade Soils Using Laboratory Freezing System”, Journal of the Korean Society of Road Engineers, Vol.12, No.2, pp. 71-79 (in Korean).
21. Wolfe, S. A. (1998), Living with frozen ground, ottawa (Ont.):[Б.
и.], pp.27-28.
Received : August 29th, 2014 Revised : October 1st, 2014 Accepted : October 1st, 2014
