상부 코일히터를 갖춘 나선재킷형 태양열 축열조의 성능예측을 위한 CFD 해석모델 개발 및 검증 Computational Fluid Dynamics Model for Solar Thermal Storage Tanks with Helical Jacket Heater and Upper Spiral Coil Heater원문보기
태양열 온수급탕 시스템에서는 태양열 에너지가 집열판에서 획득되고 열매체로 전달되어 최종적으로 온수의 형태로 축열조에 저장된다. 본 연구에서는 상부 코일히터를 갖춘 나선재킷형 축열조의 축열성능 특성을 정확하게 해석할 수 있는 전산유체역학 모델을 개발하였다. 본 연구에서 고려한 축열조는 벽면에 열매체의 나선유로가 형성된 맨틀형 축열조의 일종으로 시스템 설계 단순화, 저유량 운전, 성층화 촉진 등의 장점을 지닌다. 또한 축열조 내부에 추가적인 코일히터가 장착되어 축열성능과 성층화의 추가적인 향상을 도모할 수 있다. 본 연구에서 개발된 해석모델의 검증은 실제 태양열 온수급탕 시스템의 실증실험 결과와 비교를 통하여 수행되었으며, 온수의 온도변화, 열매체의 온도변화, 성층화 온도분포의 측면에서 잘 일치하는 결과를 얻었다.
태양열 온수급탕 시스템에서는 태양열 에너지가 집열판에서 획득되고 열매체로 전달되어 최종적으로 온수의 형태로 축열조에 저장된다. 본 연구에서는 상부 코일히터를 갖춘 나선재킷형 축열조의 축열성능 특성을 정확하게 해석할 수 있는 전산유체역학 모델을 개발하였다. 본 연구에서 고려한 축열조는 벽면에 열매체의 나선유로가 형성된 맨틀형 축열조의 일종으로 시스템 설계 단순화, 저유량 운전, 성층화 촉진 등의 장점을 지닌다. 또한 축열조 내부에 추가적인 코일히터가 장착되어 축열성능과 성층화의 추가적인 향상을 도모할 수 있다. 본 연구에서 개발된 해석모델의 검증은 실제 태양열 온수급탕 시스템의 실증실험 결과와 비교를 통하여 수행되었으며, 온수의 온도변화, 열매체의 온도변화, 성층화 온도분포의 측면에서 잘 일치하는 결과를 얻었다.
In a solar domestic hot water (SDHW) system, solar energy is collected using collector panels, transferred to a circulating heat transfer fluid (brine), and eventually stored in a thermal storage tank (TST) as hot water. In this study, a computational fluid dynamics (CFD) model was developed to pred...
In a solar domestic hot water (SDHW) system, solar energy is collected using collector panels, transferred to a circulating heat transfer fluid (brine), and eventually stored in a thermal storage tank (TST) as hot water. In this study, a computational fluid dynamics (CFD) model was developed to predict the solar thermal energy storage in a hybrid-type TST equipped with a helical jacket heater (mantle heat exchanger) and an immersed spiral coil heater. The helical jacket heater, which is the brine flow path attached to the side wall of a TST, has advantages including simple system design, low brine flow rate, and enhanced thermal stratification. In addition, the spiral coil heater further enhances the thermal performance and thermal stratification of the TST. The developed model was validated by the good agreement between the CFD results and the experimental results performed with the hybrid-type TST in SDHW settings.
In a solar domestic hot water (SDHW) system, solar energy is collected using collector panels, transferred to a circulating heat transfer fluid (brine), and eventually stored in a thermal storage tank (TST) as hot water. In this study, a computational fluid dynamics (CFD) model was developed to predict the solar thermal energy storage in a hybrid-type TST equipped with a helical jacket heater (mantle heat exchanger) and an immersed spiral coil heater. The helical jacket heater, which is the brine flow path attached to the side wall of a TST, has advantages including simple system design, low brine flow rate, and enhanced thermal stratification. In addition, the spiral coil heater further enhances the thermal performance and thermal stratification of the TST. The developed model was validated by the good agreement between the CFD results and the experimental results performed with the hybrid-type TST in SDHW settings.
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문제 정의
열매체는 집열판과 축열조 사이를 유동하면서 집열판에서 태양열 에너지를 흡수하여 축열조 내부의 온수로 전달하는 중요한 역할을 수행한다. 따라서 태양열 시스템의 각 부분에서의 열매체의 온도 비교를 통해 본 해석의 정확도를 검토할 수 있다.
본 CFD 해석은 나선재킷에서의 열매체의 유동을 난류 모델을 통해 계산하는 것을 기본으로 하였다. 반면에 나선재킷에서의 유동을 층류 해석하는 경우 대략 1/4 정도의 계산 시간 단축 효과가 있는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 기존에 연구되었던 나선재킷형 축열조 내 상부에 코일 히터(coil heater)가 추가적으로 설치된 경우에 대하여 축열 성능과 내부 유동, 열전달 특성을 평가하기 위한 해석 모델을 개발하였다. 상부 코일 히터를 장착한 나선 재킷형 축열조는 실증 실험을 통해 실제 제작, 실험되어 효율 향상 및 온도 성층화 촉진의 가능성이 확인된 바 있다.
본 연구에서는 집열판과 축열조를 연결하는 열매체의 배관에서의 열손실을 무시하였다. 따라서 집열판의 입구에서의 열매체의 온도 Tc,in은 축열조의 나선재킷 유로 출구에서의 온도 Tj,out과 동일하며, 또한 집열판 출구에서의 열매체의 온도 Tc,out은 축열조 내부에 설치된 스파이럴 코일 히터의 입구에서의 온도 Ts,in과 동일한 것으로 가정되었다.
본 연구에서는 태양열 온수급탕 시스템에 적용된 나선재킷형 축열조 내부의 유동 및 열전달 특성을 해석하고 축열 효율을 평가하기 위한 CFD 해석 모델을 개발하였다. 이 해석 모델에서는 원통형 축열조의 형상, 샤워 탱크, 급수관과 분배기 형상을 고려하였으며, 축열조 벽면에 장착된 나선 재킷 유로에서의 열매체의 유동에 따른 열전달을 상세하게 고려하였다.
그러나 전산해석은 스파이럴 코일 히터를 통한 열매체 온도 강하 보다는 나선재킷 히터를 통한 열매체의 온도 강하를 더욱 정확히 예측하는 것으로 보인다. 이러한 예측은 본 연구에서는 격자 구성의 어려움 및 계산 시간의 단축을 위해 스파이럴 코일 히터 부분을 다공성 영역으로 설정하였고, 적절한 모델링을 통해 생성항으로 열전달을 처리하는 간접적인 해석 방식을 취하였기 때문이다. 따라서 코일 히터 형상에 따른 복잡한 유동 패턴 등이 고려되지 못하여 정확도가 낮아지게 된 것으로 판단된다.
가설 설정
본 연구에서는 집열판과 축열조를 연결하는 열매체의 배관에서의 열손실을 무시하였다. 따라서 집열판의 입구에서의 열매체의 온도 Tc,in은 축열조의 나선재킷 유로 출구에서의 온도 Tj,out과 동일하며, 또한 집열판 출구에서의 열매체의 온도 Tc,out은 축열조 내부에 설치된 스파이럴 코일 히터의 입구에서의 온도 Ts,in과 동일한 것으로 가정되었다. 실제 CFD 해석에서는 매 시간 간격(time step)의 계산에서 얻어진 나선재킷 유로의 출구에서의 온도 Tj,out에 집열판 입출구 온도차인 ∆Tc를 더하여, 다음 시간 간격에서의 스파이럴 코일 히터 입구에서의 온도 Ts,in을 결정하였다.
본 연구에서 고려한 나선재킷형 축열조는 실증 실험에서 사용된 550 L 용량의 상하부 돔(dome) 형상의 끝단을 가진 원통형 구조이다. 본 연구에서는 복잡한 형상을 단순화하여 Fig. 2와 같이 수직 원통 형상의 축열조로 가정하였다. 수직 원통형 축열조의 직경은 710 mm, 높이는 1389 mm로, 물 550 L를 저장할 수 있도록 설정되었다.
축열조 내부는 물로 가득 채워져 있으며, 축열이 시작되는 초기에는 내부 유동은 거의 없는 상태(uj=0)로 온도도 실증 실험과 부합하게 T0 = 27.5°C의 균일한 상태로 가정하였다.
제안 방법
상부 코일 히터를 장착한 나선 재킷형 축열조는 실증 실험을 통해 실제 제작, 실험되어 효율 향상 및 온도 성층화 촉진의 가능성이 확인된 바 있다.(12) 이러한 해석을 위하여 이전의 연구(6,7)에서 개발되었던 나선재킷형 축열조에 대한 모델을 확장하여 스파이럴 코일 히터를 통한 열전달까지 고려하도록 CFD 해석 모델을 구성하였으며, 실증 실험의 결과와의 비교를 통해 본 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 본 연구에서 개발된 해석 모델은 향후 성능 향상을 위한 축열조 형상 설계와 시스템의 운전 조건의 최적화를 위한 해석에 사용될 것이다.
샤워 탱크와 축열조 내부 온수 영역 사이에는 배플(baffle)이 설정되어 서로 간의 유동 간섭은 없으며 단지 SUS 304 격벽의 열저항을 대입하여 열교환만을 고려하게 된다. 나선재킷 유로의 격자는 축열조 둘레를 회전하면서 흐르는 열매체의 유동을 효율적으로 해석하기 위하여, 유로의 폭 방향으로 13개, 높이 방향으로 10개의 체적셀을 사각형 단면에 배치하고, 이를 유동 방향으로 진행시킨 정렬 격자(structured grid)로 구성하였다.
따라서 k − ε 난류 모델을 이용하여 재킷 유로에서의 열매체의 유동과 열전달 해석을 수행하였다.
스파이럴 코일 히터의 형상은 매우 복잡하여 이를 모두 CFD를 통해 고려하기에는 격자 구성의 어려움 및 해석 시간 상의 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 스파이럴 코일 히터를 통한 유동과 열전달을 CFD 해석의 일부로 직접 포함하는 대신에 적절한 모델링을 통하여 고려하는 방식을 취하였다. 즉, 중간이 비어있는 디스크(disk) 형상의 스파이럴 코일 히터 영역을 다공성 영역(porous zone)으로 설정하여 유동 투과율을 통해 형상에 의한 유동 저항을 고려하였다.
즉, 중간이 비어있는 디스크(disk) 형상의 스파이럴 코일 히터 영역을 다공성 영역(porous zone)으로 설정하여 유동 투과율을 통해 형상에 의한 유동 저항을 고려하였다. 또한 스파이럴 코일 히터를 통한 열전달은 대류 열전달 계수 상관식을 통해 이 영역에서의 열 소스/싱크로 처리하였다.
이 해석 모델에서는 원통형 축열조의 형상, 샤워 탱크, 급수관과 분배기 형상을 고려하였으며, 축열조 벽면에 장착된 나선 재킷 유로에서의 열매체의 유동에 따른 열전달을 상세하게 고려하였다. 또한 축열조 내부 상단에 설치된 스파이럴 코일 히터를 통한 온수의 가열을 열전달 모델링을 통해 포함시켜 그 효과를 검토하였다. 해석 결과는 실험 결과와 비교하여 매우 잘 일치하는 것으로 확인되었으며 이로써 본 CFD 해석 모델의 타당성을 검증할 수 있었다.
마지막으로 스파이럴 코일 히터를 통한 열매체의 온도 강하, ∆Tb,sc ≡ Ts,in − Tj,in과 나선재킷 히터를 통한 열매체의 온도 강하, ∆Tb,hj ≡ Tj,in − Tj,out를 Fig. 9에서 검토하였다.
본 연구에서는 원통형 축열조 내부 물의 자연대류 유동을 층류 모델로 해석하였고 반면에 나선재킷을 따라 흐르는 열매체의 강제대류 유동은 난류 모델로 해석하였다. 전체 해석 시간은 열매체 유동의 난류 해석의 영향으로 단일 프로세서 계산(Intel Xeon CPU X5355 @ 2.
본 해석에서는 원통형 축열조 내부의 물의 자연 대류 유동과 나선재킷을 따라 흐르는 열매체의 유동 특성에 따라 서로 다른 지배방정식을 도입하였다. 축열조 내부 물의 유동은 이전의 연구(6,7)에서와 같이 층류 해석을 수행하였으며, 반면에 일정한 곡률을 가진 나선재킷 유로에서의 열매체의 유동은 2000 이상의 레이놀즈 수와 곡선 유로에서 나타나는 2차 유동(secondary flow)를 고려하여 난류 해석을 수행하였다.
스파이럴 코일 영역에서 물로 전달되는 열전달량은 적절한 대류 열전달 상관식을 이용하여 총합 열전달계수 UA를 계산하고, 이를 통해 식 (3)에 포함된 체적 기준 열생성항 qsc을 다음과 같이 계산하여 스파이럴 코일 영역에 적용하였다.
스파이럴 코일 히터 영역은 Fig. 3의 복잡한 동관의 형상을 CFD 내에서 직접 해석하는 대신, 이를 다공성 영역으로 설정하여 적절한 유동 저항과 열전달 모델링을 통해 고려하였다. 스파이럴 코일 영역에서는 반경(r) 방향의 유동은 거의 불가능하며, 반면에 원주(θ) 방향 및 높이(z) 방향으로는 비교적 자유로운 유동이 가능하다.
따라서 집열판의 입구에서의 열매체의 온도 Tc,in은 축열조의 나선재킷 유로 출구에서의 온도 Tj,out과 동일하며, 또한 집열판 출구에서의 열매체의 온도 Tc,out은 축열조 내부에 설치된 스파이럴 코일 히터의 입구에서의 온도 Ts,in과 동일한 것으로 가정되었다. 실제 CFD 해석에서는 매 시간 간격(time step)의 계산에서 얻어진 나선재킷 유로의 출구에서의 온도 Tj,out에 집열판 입출구 온도차인 ∆Tc를 더하여, 다음 시간 간격에서의 스파이럴 코일 히터 입구에서의 온도 Ts,in을 결정하였다.
본 연구에서 고려된 실증 실험은 2011년 7월 20일 오전 8시 46분부터 오후 4시 46분(6시간)까지의 수원지역에서 수행되었던 실험 결과이다. 실증 실험에서는 36초 간격으로 집열기에 투사된 일사량(Gt)과 대기온도(Ta)를 측정하였다. 측정된 일사량과 대기온도로부터 다음과 같이 시간 t(hr)에 대한 3차 다항식 형태의 상관식을 구하여 사용하 였으며 Gt에 대한 식 (11)의 상관계수( R2 )는 0.
코일 내측, 벽면, 코일 외측의 열저항을 모두 더하여 총합 열전달 계수 hA를 계산할 수 있다. 여기에 축열조 내부의 물의 온도는 고정된 것으로 가정하고 코일 히터를 통한 열매체의 온도 강하를 고려하여, 최종적으로 다음과 같이 스파이럴 코일 입구 온도(Ts,in) 기준 총합 열전달 계수 UA를 결정하였다.
원주(θ) 방향으는 (µ/K)θ= 104 N⋅s/m4를 적용하여 조금 더 큰 저항을 설정하였으며, 반면에 반경(r) 방향으로는 (µ/K)r= 108 N⋅s/m4를 적용하여 이 방향으로의 유동을 억제하도록 하였다.
본 연구에서는 태양열 온수급탕 시스템에 적용된 나선재킷형 축열조 내부의 유동 및 열전달 특성을 해석하고 축열 효율을 평가하기 위한 CFD 해석 모델을 개발하였다. 이 해석 모델에서는 원통형 축열조의 형상, 샤워 탱크, 급수관과 분배기 형상을 고려하였으며, 축열조 벽면에 장착된 나선 재킷 유로에서의 열매체의 유동에 따른 열전달을 상세하게 고려하였다. 또한 축열조 내부 상단에 설치된 스파이럴 코일 히터를 통한 온수의 가열을 열전달 모델링을 통해 포함시켜 그 효과를 검토하였다.
따라서 본 연구에서는 스파이럴 코일 히터를 통한 유동과 열전달을 CFD 해석의 일부로 직접 포함하는 대신에 적절한 모델링을 통하여 고려하는 방식을 취하였다. 즉, 중간이 비어있는 디스크(disk) 형상의 스파이럴 코일 히터 영역을 다공성 영역(porous zone)으로 설정하여 유동 투과율을 통해 형상에 의한 유동 저항을 고려하였다. 또한 스파이럴 코일 히터를 통한 열전달은 대류 열전달 계수 상관식을 통해 이 영역에서의 열 소스/싱크로 처리하였다.
본 해석에서는 원통형 축열조 내부의 물의 자연 대류 유동과 나선재킷을 따라 흐르는 열매체의 유동 특성에 따라 서로 다른 지배방정식을 도입하였다. 축열조 내부 물의 유동은 이전의 연구(6,7)에서와 같이 층류 해석을 수행하였으며, 반면에 일정한 곡률을 가진 나선재킷 유로에서의 열매체의 유동은 2000 이상의 레이놀즈 수와 곡선 유로에서 나타나는 2차 유동(secondary flow)를 고려하여 난류 해석을 수행하였다.
해석을 위한 격자는 축열조 내부, 나선재킷 유로 그리고 이들을 분리하는 축열조 격벽의 세 부분으로 나누어 생성되었다. 또한 축열조 내부에는 샤워 탱크, 중심부의 급수관 및 분배기, 스파이럴 코일과 같은 부분을 포함하고 있다.
대상 데이터
일반적으로 이러한 형태는 맨틀형 열교환기라 지칭되며, 열매체로부터 축열조 내부의 온수로 태양열 에너지를 전달하는 열교환기의 역할을 수행한다. 본 연구에서 고려된 나선재킷의 유로는 높이가 낮은 직사각형 단면으로, 실제 실증 실험의 축열조 치수에 따라 폭 100.47 mm, 높이 12.25 mm, 유로간 간격 12.7 mm로 원통형 축열조를 나선으로 10회 감는 형상으로 설정되었다.
본 연구에서 고려된 실증 실험은 2011년 7월 20일 오전 8시 46분부터 오후 4시 46분(6시간)까지의 수원지역에서 수행되었던 실험 결과이다. 실증 실험에서는 36초 간격으로 집열기에 투사된 일사량(Gt)과 대기온도(Ta)를 측정하였다.
본 연구에서 고려한 나선재킷형 축열조는 실증 실험에서 사용된 550 L 용량의 상하부 돔(dome) 형상의 끝단을 가진 원통형 구조이다. 본 연구에서는 복잡한 형상을 단순화하여 Fig.
본 연구에서는 총 집열판 면적은 흡수면적을 기준으로 4×2.57 = 10.28 m2으로 설정하였다.
실증 실험에서는 가로×세로×높이가 1,180 mm×2,400 mm×90 mm 규격의 태양열 집열판 4장을 직렬 연결하여 사용하였다.
태양열 시스템의 실제 작동 온도 범위인 20~90°C에서의 물과 열매체의 물성치가 Table 1에 정리되어 있다. 축열조의 구조를 담당하는 금속의 물성은 실증 실험과 동일하게 SUS 304 재질을 선정하여, 밀도 8030 kg/m3, 비열 503 J/kg-K, 열전도도 16.27 W/m-K로 설정되었다. 이 열전도도는 해석을 위해 샤워 탱크와 축열조 사이에 설정된 배플(baffle)의 열저항 산정(두께 1.
해석에 사용된 격자수는 축열조 내부에 196,200개, 나선재킷 유로에 54,600개 및 축열조 격벽에 4,360개의 체적셀이 배치되어 총 255,160개의 체적셀이 사용되었다.
데이터처리
CFD 해석에서는 식 (26)와 같이 체적 셀에 대한 평균을 통해 Tw,mix를 결정하였다. 또한 5개의 센서 위치에서의 해석된 온도를 평균한 센서 평균 온도 Tsen,avg의 계산 값도 함께 Fig. 4에서 비교하였다.
이론/모형
지배방정식의 공간차분에는 2차 정확도의 MARS(monotone advection and reconstruction scheme)도 식이, 시간차분에는 1차 정확도의 암시도식(implicit Euler method)이 사용되었다. 또한 비정상상태 해석을 위한 유동장 및 압력장의 커플링은 PISO(pressure implicit with splitting of operators) 알고리즘을 사용하여 계산되었다.
본 연구에서는 Darcy 법칙에 기초하여 유동 투과율을 간단히 산정하여 스파이럴 코일 히터의 유동 저항을 적용하였다.
스파이럴 코일 관외측의 자연 대류 열전달 계수는 다음의 Churchill and Chu 상관식 (17)을 통해 계산되었다.
우선 코일 내측에서의 열저항을 계산하기 위하여 일정 곡률을 가진 관내에서의 누셀 수(Nusselt number)를 다음과 같이 표현되는 Kalb and Seader 상관식(16)을 사용하여 계산하였다.
이상의 지배방정식은 유한체적법에 기초한 상용 CFD 코드 Star-CD(CD-Adapco Inc.) (15)를 사용하여 해석되었다. 지배방정식의 공간차분에는 2차 정확도의 MARS(monotone advection and reconstruction scheme)도 식이, 시간차분에는 1차 정확도의 암시도식(implicit Euler method)이 사용되었다.
) (15)를 사용하여 해석되었다. 지배방정식의 공간차분에는 2차 정확도의 MARS(monotone advection and reconstruction scheme)도 식이, 시간차분에는 1차 정확도의 암시도식(implicit Euler method)이 사용되었다. 또한 비정상상태 해석을 위한 유동장 및 압력장의 커플링은 PISO(pressure implicit with splitting of operators) 알고리즘을 사용하여 계산되었다.
성능/효과
Fig. 4에서 센서의 평균 온도 Tsen,avg를 비교하여 살펴보면, 축열 시작 3시간까지는 해석 결과와 실험 결과가 매우 잘 일치하는 경향을 보이지만 최종 6시간에 도달하면 그 온도차가 최대 1.4 °C까지 증가하는 것으로 나타났다.
물의 평균 온도에 대한 오차 발생의 원인으로는 식 (13)에서 제시된 집열판 효율 관계식이 열매체의 온도가 너무 높아지는 경우에 오차가 커지기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 전반적으로 해석 결과는 실험 결과와 비교하여 상당히 만족스러운 결과를 도출하고 있으며, 따라서 본 연구에서 개발된 스파이럴 코일 히터와 나선재킷 히터를 장착한 축열조에 대한 전산유체역학 모델링의 타당성을 일정 부분 검증할 수 있다.
따라서 이 정도의 오차(6시간 동안의 축열조 내 물의 평균 온도 상승을 42°C와 비교할 때 대략 0.7% 차이)를 무시할 수 있다면 층류 모델을 이용한 CFD 해석을 통해 축열조의 성능을 평가하여도 큰 무리가 없을 것을 판단된다.
물의 혼합 온도 Tw,mix의 해석 결과를 실험에서 얻어진 Tsen,avg와 비교하면, Tw,mix가 축열 시작 4시간까지는 최대 1.5 °C 만큼 더 높게 예측되지만 이후 최종 6시간에 도달하면 약 0.6 °C 정도 더 낮게 예측됨을 보여준다.
본 CFD 해석은 나선재킷에서의 열매체의 유동을 난류 모델을 통해 계산하는 것을 기본으로 하였다. 반면에 나선재킷에서의 유동을 층류 해석하는 경우 대략 1/4 정도의 계산 시간 단축 효과가 있는 것으로 나타났다. Fig.
본 연구에서는 원통형 축열조 내부 물의 자연대류 유동을 층류 모델로 해석하였고 반면에 나선재킷을 따라 흐르는 열매체의 강제대류 유동은 난류 모델로 해석하였다. 전체 해석 시간은 열매체 유동의 난류 해석의 영향으로 단일 프로세서 계산(Intel Xeon CPU X5355 @ 2.66GHz 4.00GB RAM)에 대략 100.5 hr가 소요되었다. 추가적으로 수행한 열매체 유동을 층류로 해석하는 경우, 계산 시간이 대략 27.
5 hr가 소요되었다. 추가적으로 수행한 열매체 유동을 층류로 해석하는 경우, 계산 시간이 대략 27.3 hr까지 감소하는 것으로 나타났다.
또한 축열조 내부 상단에 설치된 스파이럴 코일 히터를 통한 온수의 가열을 열전달 모델링을 통해 포함시켜 그 효과를 검토하였다. 해석 결과는 실험 결과와 비교하여 매우 잘 일치하는 것으로 확인되었으며 이로써 본 CFD 해석 모델의 타당성을 검증할 수 있었다. 향후 개발된 해석 모델을 기본으로 상부 코일 히터를 장착한 나선재킷형 축열조의 형상 설계 및 운전 조건 최적화에 활용할 것이다.
후속연구
9에서 검토하였다. 각각의 히터를 통한 온도 강하는 태양열 에너지가 축열조로의 전달되는 양에 비례하여 증가하게 되므로, 열전달량의 시간적 변화나 어떤 히터를 통한 열전달이 지배적인가 등의 정보를 확인하는 데 사용될 수 있다.
8에서 Tj,out이 거의 정확한 상황에서 Ts,in이 실험과 비교하여 3시간이 지나면서 눈에 띄게 작아진다는 의미는 열매체의 온도가 높아짐에 따라 식 (13)의 태양열 집열판의 효율 산정식의 오차가 커지기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 열매체의 온도에 따라서 보다 정확한 집열판 효율식을 사용한다면 본 수치해석의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 판단되며, 향후 추가적인 연구가 필요할 것이다.
그 외의 다른 결과들은 평균 온도와 비슷하게 1°C 이내의 오차만을 나타낼 뿐, 그 경향에 있어서는 동일한 결과를 나타내는 것으로 확인되었다. 따라서, 향후 여러번의 CFD 해석을 통해 형상 설계나 작동 조건을 변경하는 최적화 연구에서는 층류 해석을 통해 수행하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
(12) 이러한 해석을 위하여 이전의 연구(6,7)에서 개발되었던 나선재킷형 축열조에 대한 모델을 확장하여 스파이럴 코일 히터를 통한 열전달까지 고려하도록 CFD 해석 모델을 구성하였으며, 실증 실험의 결과와의 비교를 통해 본 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 본 연구에서 개발된 해석 모델은 향후 성능 향상을 위한 축열조 형상 설계와 시스템의 운전 조건의 최적화를 위한 해석에 사용될 것이다.
해석 결과는 실험 결과와 비교하여 매우 잘 일치하는 것으로 확인되었으며 이로써 본 CFD 해석 모델의 타당성을 검증할 수 있었다. 향후 개발된 해석 모델을 기본으로 상부 코일 히터를 장착한 나선재킷형 축열조의 형상 설계 및 운전 조건 최적화에 활용할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
맨틀형 열교환기의 장점은 무엇인가?
해외에서도 나선재킷형 축열조와 유사한 구조의 맨틀형(mantle type or tank-in-tank type) 열교환기가 설치된 축열조에 대한 연구가 진행되어 왔다.(8~11) 맨틀형 열교환기는 열전달 면적이 넓어 저유량 운전조건에 적합하며, 따라서 열매체 유동을 위한 부가적인 전력 소모가 매우 낮다. 또한 축열조 내부의 온도 성층화를 촉진하고 유지하는 장점도 가지고 있다. 나선재킷형 축열조는 이러한 맨틀형 축열조의 장점을 유지하면서 기존의 맨틀형보다 열전달 효율을 크게 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
태양열 온수급탕 시스템의 단점은 무엇인가?
현재 국내에는 보급되고 있는 태양열 온수급탕 시스템은 비교적 간단한 구조의 자연순환형이 다수를 차지하지만 겨울철 동파의 위험성이 큰 취약점을 가지고 있다. 반면에 강제순환형 시스템의 경우에는 복잡한 배관 계통으로 인해 시공비 상승의 문제점을 가지고 있다.
나선재킷 히터의 역할은 무엇인가?
축열조의 외벽에는 열매체의 유로로 구성된 나선재킷 히터(helical jacket heater)가 설치되어 있다. 일반적으로 이러한 형태는 맨틀형 열교환기라 지칭되며, 열매체로부터 축열조 내부의 온수로 태양열 에너지를 전달하는 열교환기의 역할을 수행한다. 본 연구에서 고려된 나선재킷의 유로는 높이가 낮은 직사각형 단면으로, 실제 실증 실험의 축열조 치수에 따라 폭 100.
참고문헌 (17)
2011, Overview of New and Renewable Energy in Korea 2010, Korea Energy Management Corporation.
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