본 연구는 상변화물질이 고상에서 액상으로 변화되는 동안, 상변화 물질의 온도가 변하지 않는 특성을 이용하여, 고온환경에 한시적으로 사용되는 열차폐 구조물의 구현가능성을 수치해석적인 방법으로 평가하고, 이에 대해 개선사항을 도출하여 열차폐 구조물의 설계에 반영하기 위한 것이다. 이를 위해 시스템에 적용되는 환경조건을 단순화하여 내부에서 발열하는 구성품에 의한 내부발열면과, 외부의 고온환경을 모의하는 외부가열면으로 경계조건을 설정하였고, 해석형상은 해석의 용이성을 위하여 육면체 형상으로 고려하였으며, 상변화물질의 용융특성과 열차폐 구조물내 공기온도 변화를 연결기의 유무에 따라 비교하고 분석하였다. 이 결과, 내부 발열면의 열이 상변화 물질로 원활히 전달되지 않아 내부공간의 온도가 크게 상승하며, 연결기로 유입되는 열이 상당한 것으로 해석되었다.
본 연구는 상변화물질이 고상에서 액상으로 변화되는 동안, 상변화 물질의 온도가 변하지 않는 특성을 이용하여, 고온환경에 한시적으로 사용되는 열차폐 구조물의 구현가능성을 수치해석적인 방법으로 평가하고, 이에 대해 개선사항을 도출하여 열차폐 구조물의 설계에 반영하기 위한 것이다. 이를 위해 시스템에 적용되는 환경조건을 단순화하여 내부에서 발열하는 구성품에 의한 내부발열면과, 외부의 고온환경을 모의하는 외부가열면으로 경계조건을 설정하였고, 해석형상은 해석의 용이성을 위하여 육면체 형상으로 고려하였으며, 상변화물질의 용융특성과 열차폐 구조물내 공기온도 변화를 연결기의 유무에 따라 비교하고 분석하였다. 이 결과, 내부 발열면의 열이 상변화 물질로 원활히 전달되지 않아 내부공간의 온도가 크게 상승하며, 연결기로 유입되는 열이 상당한 것으로 해석되었다.
This study is for figuring out a possibility of realization of the thermal protection system(TPS) for temporary use under high temperature condition and improving a design of the future TPS. On this purpose, environmental condition of the system has been simplified: the boundary conditions consist o...
This study is for figuring out a possibility of realization of the thermal protection system(TPS) for temporary use under high temperature condition and improving a design of the future TPS. On this purpose, environmental condition of the system has been simplified: the boundary conditions consist of a internally heating surface and a externally heated surface which is simulating the external high temperature condition. Configuration of the system is simplified as a hexahedon. Melting characteristics of the phase change material(PCM) and air temperature variation of TPS with or without connector have been numerically analyzed and compared. As a result of numerical analysis, the heat from the internally heated surface could not be effectively transferred. Therefore, temperature of inner space has been increased.
This study is for figuring out a possibility of realization of the thermal protection system(TPS) for temporary use under high temperature condition and improving a design of the future TPS. On this purpose, environmental condition of the system has been simplified: the boundary conditions consist of a internally heating surface and a externally heated surface which is simulating the external high temperature condition. Configuration of the system is simplified as a hexahedon. Melting characteristics of the phase change material(PCM) and air temperature variation of TPS with or without connector have been numerically analyzed and compared. As a result of numerical analysis, the heat from the internally heated surface could not be effectively transferred. Therefore, temperature of inner space has been increased.
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문제 정의
본 연구에서는 비교적 체적변화가 적어 시스템에 적용이 간단한 용융(melting) 현상을 해석하였다. 본 연구를 토대로 상변화물질을 이용한 열차폐 구조물의 개발 가능성을 해석적인 방법으로 검토하였고 고려 사항들을 도출할 수 있었다.
상변화 현상은 고상에서 액상으로 변화하는 융해, 액상에서 고상으로 변화하는 응고, 액상에서 기상으로 변화하는 기화 및 기상에서 액상으로 변화하는 액화 등이 있다. 본 연구에서는 비교적 체적변화가 적어 시스템에 적용이 간단한 용융(melting) 현상을 해석하였다. 본 연구를 토대로 상변화물질을 이용한 열차폐 구조물의 개발 가능성을 해석적인 방법으로 검토하였고 고려 사항들을 도출할 수 있었다.
연결기를 통하여 외부가열면의 열이 상변화물질로 빠르게 전달될 수 있기 때문에 이의 확인을 위하여 본 해석을 수행하였다. Fig.
제안 방법
내부 공기는 밀폐된 공간에서 낮은 속도로 유동이 발생하므로 밀도는 일정하다고 볼 수 있어 비압축성 유체에 대한 질량보존식(Eq. 1)을 적용하였고, 중력이 고려된 밀폐공간의 유동에 대한 자연대류가 있는 운동량 보존 방정식(Eq. 2)을 적용하였다.
내부발열체의 영향을 평가하기 위하여 열차폐 구조물의 외부가열면(externally heated surface)에 고온이 형성될 때, 내부발열면(internally heating surface)이 단열조건인 경우(Case 1-1)와 발열조건인 경우(Case 1-2)로 구분하여 해석하고그 결과를 서로 비교하였다.
시스템에서 상변화물질 층은 매우 얇은 팩형태로 적용되고 상변화 물질의 용융특성의 분석이 본 연구의 연구대상이 아니고, 대류보다 전도에 의한 영향이 더 클 것으로 판단되어 상변화 물질이 녹은 후 발생하는 유동의 흐름은 무시하였다. 단, 상변화물질의 액상에서의 물성과 고상에서의 물성 중 비열이 달라 이를 고려하기 위하여 각각의 경우에 해당되는 비열값을 적용하였다.
또한, 연결기의 영향을 고려한 해석에서도 위 경우와 동일하게 내부발열면을 단열조건인 경우 (Case 2-1)와 발열조건인 경우(Case 2-2)로 구분하여 해석을 수행하였다.
본 연구는 전산해석 프로그램인 CFD-ACE+2009를 이용하여 해석모델을 바탕으로 다음 몇 가지 가정을 적용하여 수행하였다.
외부 고온 환경과 내부 발열 상황에서 상변화 물질 시스템의 적합성 및 개발 가능성을 알아보기 위해 전산해석을 수행하였다. 전산해석에서는 외부 고온 환경만 있을 경우와 내부에 추가적으로 발열이 있을 경우로 나눈 후 해석을 한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
1의 형상을 이용하여 추가적으로 검토하였다. 이 때, 연결기의 형상은 해석의 용이성과 신속성을 고려하여 정사각형모양으로 단순화하여 전산해석을 수행하였다. 즉, 가로와 세로가 모두 50 mm 정사각형 형상의 연결기를 고려하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 상변화물질을 열차폐구조물에 적용하기위한 가능성을 평가하기위한 목적으로 가로 117 mm, 세로 200 mm 및 높이 200 mm 인 육면체 공간을 해석형상으로 설정하였고, 내부구성은 100 mm의 공기층, 2 mm의 알루미늄 케이스, 5 mm의 상변화물질 팩 및 10 mm의 단열재로 단순화하였다. Fig.
성능/효과
7과 같이 하우징의 주변으로 열이 빠르게 전달된다. 연결기를 통한 열전달특성을 분석한 결과 핀과 고무 등으로 구성된 연결기 내부로의 열전달량은 연결기 하우징을 통한 열전달량에 비하여 상대적으로 작아, 연결기의 고려시 하우징의 단열방안을 고려하면, 열차폐효과를 얻을 것으로 판단되었다.
Figure 7은 연결기의 열전달 현상을 확인하기 위하여 상변화물질과 알루미늄 덮개 사이를 수직으로 자른 단면의 열분포도이다. 외부가열면에서 들어오는 열은 고무가 있는 컨넥터의 중심보다 하우징이 있는 연결기의 가장자리로 열이 더 집중되는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
상기 결과들로부터 내부 열원이 있는 열차폐 구조물의 설계시 내부열원을 효과적으로 상변화 물질로 전달하는 방법과 연결기의 열차폐 방안에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
열차폐 구조물 내부공기 온도가 상변화물질이 모두 녹는 동안 78℃ 이하로 유지될 것으로 기대하였으나 본 해석결과에서는 온도가 지속적으로 상승하는 경향이 확인되어 상변화물질을 이용한 열차폐 구조물 설계시 이에 대한 대책이 강구되어야 한다.
선진국에서는 상변화물질의 높은 에너지 저장밀도와 녹는점과 어는점 사이에서의 일정한 온도유지의 장점을 가지고 있어 태양열 에너지 저장과 빌딩 중앙 공조 시스템의 온도 저장 그리고 폐열 회수 (recovery) 시스템 등에 적용하는 연구가 진행되고 있으며[1-2], 국내에서는 유가가 상승함에 따라, 냉동기 소요를 대체하는 목적으로 상변화물질을 연구하고 있다[3-4]. 향후 동 분야의 발전은 화석연료의 생태계 파괴를 방지하는 목적과 에너지의 효율적인 관리라는 차원으로 지속적인 발전이 기대되는 분야이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
상변화물질의 장점은 무엇인가?
그 중 잠열에너지를 이용하는 상변화물질 시스템에 관련되어 연구가 활발히 진행되고 있다. 선진국에서는 상변화물질의 높은 에너지 저장밀도와 녹는점과 어는점 사이에서의 일정한 온도유지의 장점을 가지고 있어 태양열 에너지 저장과 빌딩 중앙 공조 시스템의 온도 저장 그리고 폐열 회수 (recovery) 시스템 등에 적용하는 연구가 진행되고 있으며[1-2], 국내에서는 유가가 상승함에 따라, 냉동기 소요를 대체하는 목적으로 상변화물질을 연구하고 있다[3-4]. 향후 동 분야의 발전은 화석연료의 생태계 파괴를 방지하는 목적과 에너지의 효율적인 관리라는 차원으로 지속적인 발전이 기대되는 분야이다.
상변화 현상에 포함되는 반응들로 무엇이 있는가?
상변화 현상은 고상에서 액상으로 변화하는 융해, 액상에서 고상으로 변화하는 응고, 액상에서 기상으로 변화하는 기화 및 기상에서 액상으로 변화하는 액화 등이 있다. 본 연구에서는 비교적 체적변화가 적어 시스템에 적용이 간단한 용융(melting) 현상을 해석하였다.
본 연구에서 외부 고온 환경과 내부 발열 상황에서 상변화 물질 시스템의 적합성 및 개발 가능성을 알아보기 위한 전산해석으로 부터 어떠한 결론을 도출하였는가?
외부에서 들어오는 고온의 열을 차단하기 위해 단열재, 상변화물질로 구성된 열차폐 구조물은 내부 온도 유지에는 적합하지만 내부에서 발생하는 열원이 있을 경우, 열이 상변화 물질로 효과적으로 외부로 전달이 되지 않으며 내부온도는 급격하게 상승하게 된다. 따라서 내부의 열을 상변화물질 쪽으로 효과적으로 전달시키는 기구물에 대한 연구가 필요하다.
외부 고온 환경에서 열차폐 구조물에 연결기를 적용할 경우 연결기 하우징의 열전도도가 높아 하우징 주변을 감싸고 있는 상변화물질을 빠르게 용융시킬 수 있으며, 그 결과 외부의 고온이 컨넥터 하우징을 통하여 빠르게 내부로 유입 되어 내부공간의 공기온도를 상승 시킬 수 있다.
참고문헌 (6)
Stritih, U., "Heat Transfer Enhancement in Latent Heat Thermal Storage System for Buildings," Energy and Buildings Vol. 35, 2003, pp.1097-1104
Regin, A. Felix, Solanki, S.C. and Saini, J.S., "Heat transfer characteristics of thermal energy storage system using PCM capsule: a review," Renewable and Sustainable Energy Reviews Vol. 12, 2008, pp.2438-2458
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