다공성 물질, Porous media

다공성 물질이란 비유동성 고체 물질 사이에 유체가 흐를 수 있는 구멍이 존재하여 고체와 유체의 결합으로서 이루어진 물질을 말합니다.

 

다공성 물질은 입자 틈 사이를 유체가 지나갈 수 있어 물질의 열전도율(Thermal conductivity) 값을 그대로 사용하기에는 유체 열전도율의 영향을 받는다는 특징이 있습니다.

 

 

기공률, 공극률, 다공성 Porosity

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여러 명칭을 가지는 porosity, 기공률 혹은 공극률 혹은 다공성은 문자로는 'ε'을 사용합니다. 다공성 물질이 갖는 성질을 나타내는 상수로 전체 부피에 대한 유체의 부피를 말합니다.

‘비어있는 부피/전체 부피‘로 나타냅니다. 즉, 기공률이 큰 물질은 유체가 지나가는 양이 많다, 다공성이 작으면 지나가는 유체의 양이 적다는 의미이다.

 

 

다공성 물질의 열전도율, Porous media thermal condutivity

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다공성 물질의 열전도율은 직렬(series), 병렬(parallel), 맥스웰(Maxwell) 세 가지의 방법으로 표현할 수 있다.

 

 

다공성 물질 직렬 열전도율, Porous media series thermal condutivity

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고체(Solid)의 부피는 ’(1-기공률)*전체부피’로 나타낼 수 있다.

다공성 물질의 부피는 ‘기공률*전체 부피’로 나타낼 수 있다.

길이가 기공률에 의해 나뉜다. 고체의 길이와 다공성 물질의 길이로 나뉜다. 따라서, 푸리에 열전도 법칙(Fourier’s law)에 의해서 각각의 열저항(Thermal resistance)는 다음과 같다.

직렬연결이므로 전체 저항은 고체의 저항과 다공성 물질의 저항을 더하면 된다.

 

 

다공성 물질 병렬 열전도율, Porous media parallel thermal condutivity

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앞서, 직렬 연결에서는 길이 L을 나누었던 것처럼 두께(Thickness), A를 나눈다. 따라서, 푸리에 열전도 법칙에 의해 각 저항을 나타내면 다음과 같다.

병렬연결이므로 전체 저항은 고체 저항의 역수와 다공성 물질 저항의 역수를 더하여 역수를 취한다.

 

다공성 물질 맥스웰 열전도율, Porous media Maxwell thermal condutivity

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맥스웰이 평균적인 데이터들을 이용하여 다공성 물질의 열전도율을 나타낸 방법입니다.

 

 

다공성 물질의 종류

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Open-Cell Metal Foams

물질 사이로 유체가 흐를 수 있는 구멍이 있습니다.

 

 

Sintered Metal

물질 사이를 조금 녹여서 틈을 줄인다.

 

 

Packed bed

입자들을 차곡차곡 쌓은 형태입니다.