Hydrogen is considered as one of the most promising future energy carriers due to its noteworthy advantages of renewable and high calorific value. The long-term storage of liquid hydrogen with low heat leakage is essential for future deep space exploration. Because of low critical temperature and volatility, liquid hydrogen tank poses severe requirements to multi-layer insulation (MLI). In order to reduce heat leak into tank, vapor cooled shield (VCS) was set up to cool MLI by retrieving the heat of discharged cryogenic gas hydrogen. This paper presents an parametric study on insulation system in liquid hydrogen storage vessel with MLI and VCS. Thermal model was developed, and heat transfer analysis by varying VCS position was conducted. Temperature and heat flux distributions along time passing were derived, and effect of VCS position on insulation performance was investigated.

In this study, an accelerated weathering test was performed to examine the variation of thermal insulation performance according to the service life. A widely used class 1 thermal screen (matt georgette + polyethylene (PE) foam + chemical cotton + felt + matt georgette) was selected as the target thermal screen. The ultraviolet irradiation that reached the target thermal screen specimen (60 x 60cm) was 5mW/cm2. Thus, the ultraviolet irradiance was set to 5mW/cm2, and the exposure periods of accelerated weathering conditions on the specimens were set to 0, 282, 847, and 1412h. The radiation exposure periods of the weathering conditions for 0, 282, 847, and 1412h indicate the amount of ultraviolet accumulation for 0, 1, 3, and 5years, respectively. In the accelerated weathering test, the target specimens that completed each exposure phase were subjected to the hotbox test to analyze their thermal insulation performances. Consequently, the thermal insulation performance of the multi-layer thermal screen was estimated to degrade rapidly after approximately two years. In the accelerated weathering condition, a quadratic function model was used to calculate the expected service life, since it adequately described the variation in thermal insulation of the thermal screen according to time. The results showed that when the thermal insulation performance degraded by 5, 10, 20, and 30%, the expected service lives were 2.5, 3.3, 4.5, and 5.5years, respectively.

In this study, we conducted the hot box tests to compare the changes in thermal insulation for the four types of multi-layer thermal screens by the used period after collecting them from the greenhouses in the field when they were replaced at the end of their usage. The main materials for these four types of multi-layer thermal screens were matt georgette, non-woven fabrics, polyethylene (PE) foam, chemical cotton, etc. These materials were differently combined for each multi-layer thermal screen. We built specimens (70×70 cm) for each of these multi-layer thermal screens and measured the temperature descending rate, heat transmission coefficient, and thermal resistance for each specimen through the hot box tests. With regard to the material combinations of multi-layer thermal screens, thermal insulation can be increased by applying a multi-layered PE foam. However, it is considered that the multilayered PE foam significantly less contributes to heat-retaining than chemical wool that forms an air-insulating layer inside multi-layer thermal screens. For the suitable heat-retaining performance of multi-layer thermal screens, basically, materials with the function of forming an air-insulating layer such as chemical cotton should be contained in multi-layer thermal screens. The temperature descending rate, heat transmission coefficient, and thermal resistance of multi-layer thermal screens were appropriately measured through the hot box tests designed in this study. However, in this study, we took into consideration only the four kinds of multi-layer thermal screens due to difficulties in collecting used multi-layer thermal screens. This is the results obtained with relatively few examples and it is the limit of this study. In the future, more cases should be investigated and supplemented through related research.

본 연구는 수출과채류 시설원예 재배농가의 에너지 절감을 위한 보온자재의 개발을 목표로 수행되었으며 본 보에서는 시설 온실에 사용되어지는 단일 보온자재와 조합형 다겹보온자재에 대해 보온 특성을 조사하기 위하여 실험과 수치해석을 수행하였다. 실험해석의 경우, 실험모듈을 통해 내부 열원의 보온 효과를 조사하기 위해 내 외부의 온도는 K형 열전대와 데이터 획득 장치로 측정하였고, 측정된 온도를 통해 보온자재의 보온특성을 구명하였다. 수치해석은 상용코드인 CFX-11을 이용하였고 다겹보온자재의 내부 공기층은 고려하지 않고 해석하였으며 해석에서 필요한 다겹보온자재의 물성치인 열전도도는 과도 열선법에 의해 측정되는 QTM-500을 사용하였다. 실험 결과, 조합형 보온자재가 단겹 보온자재에 비해 약 45~55%까지 보온율이 높았고, 조합조건에 따라 보온 효과가 달라지기 때문에 보온성이 우수한 조합 조건을 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 수치해석 결과와 실험 결과와의 보온율을 비교해 보면 수치해석의 결과가 실험 결과의 보온율에 비해 다소 저하하는 경향을 나타내었는데 이는 다겹보온자재 내부의 공기층을 무시하여 나타난 오차로서 향후 보온자재 내부의 공기층을 고려할 경우 보다 정확한 수치해석 결과를 얻을 수 있을 것이다.

겨울철 난방연료가 많이 소모되는 대규모 연동형 온실의 보온성을 향상시키기 위해 터널용 보온자재로 많이 사용되는 다겹보온커튼을 이용하여 기존의 부직포, 알루미늄스크린 등과 보온성을 상대적으로 비교하였다. 또한 다겹보온자재는 보온성이 높으나 두께가 두꺼워 전동모터를 이용한 자동개폐장치를 구성하기 어려운 단점이 있으므로 연동형 온실에 적용할 수 있는 고장이 적고 작동이 원활한 커튼 개폐장치를 개발하여 작물재배 및 난방연료 절감효과를 검토하였다. 다겹보온자재와 부직포, 알루미늄스크린 등의 보온커튼용 자재의 열 관류량을 측정하여 상대적인 보온효과를 비교한 결과 부직포에 비해 알루미늄스크린의 열관류량이 적었고, 알루미늄 및 화학솜의 3겹보온자재와 다겹보온자재는 알루미늄스크린에 비해 열관류량이 각각 23.3%, 43.0% 적게 나타나 다겹보온자재의 보온성이 우수한 것으로 판단되었다. 다겹보온자재는 여러 겹으로 누빈 조합형 보온자재이므로 두께가 두껍고 화학솜, 폴리폼 등 연신되기 쉬운 자재를 이용하므로 장기간 사용시 커튼 개폐장치의 예인선이나 보온자재가 처지게 될 우려가 있으므로 예인식과 권취식 개폐방법을 동시에 적용하여 보온커튼 개페장치를 구성하였다. 시험용 온실 에 다겹보온커튼과 부직포커튼을 설치하고 풋고추를 재배한 결과 다겹보온커튼 설치 온실에서 풋고추의 생육이 유리하였고 초기수량도 27% 정도 증수되었으며, 경유온풍기의 난방연료 소모량은 46%정도 절감되었다.