[논문]나선유로에 의한 태양열 축열조 성층화 촉진(제2보 시뮬레이션)

이성훈; 손효석; 홍희기

doi:10.6110/kjacr.2014.26.1.008

나선유로에 의한 태양열 축열조 성층화 촉진(제2보 시뮬레이션)
Enhancement of Stratification for Solar Water Storage Tank with Spiral Jacket and Coil(Part 2 Simulation) 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.1, 2014년, pp.8 - 14

이성훈 (경희대학교 기계공학과 대학원) , 손효석 (경희대학교 기계공학과 대학원) , 홍희기 (경희대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We have performed experiments to enhance the stratification in a storage tank in order to raise the collector efficiency and solar fraction in solar thermal systems. The storage tank with a spiral jacket in the side wall has a scroll-shaped heat exchanger coil added to the upper part. The performance was compared between only the side and upper-side heating part through simulation using TRNSYS under the same weather conditions and initial conditions. As a result, the upper-side heating has a 4.2% advantage in solar fraction, but almost no increase in collector efficiency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

실제 시스템의 정확한 성능 및 거동 파악을 위해 부하패턴에 대한 모델링은 대단히 중요하다. 본 연구에서는 Fig. 6에 나타낸 Cardinale⁽⁶⁾가 제시한 일일부하패턴을 적용하여 온수급탕 시스템의 시뮬레이션을 수행하고 시스템의 성능을 예측하고자 하였다.

가설 설정

기상데이터의 온도와 일사량 처리 모듈 Type 16a를 거친 기상조건이 집열기 모듈 Type 1b에 입력되며 이러한 조건을 바탕으로 시 뮬레이션이 이루어진다. 상부가열코일과 나선재킷 등 2개의 열교환기를 내장하고 있는 축열조 모듈 Type 60d는 동일한 체적을 갖는 실린더 형태로 단순화시켰으며, 10개의 노드로 구성된 성층화된 축열조로 가정하였다. 축열조 상부에 설치된 와선형 코일에는 외경 15.
반면에 유속 감소로 인해 축열조 내 열교환코일의 열전달계수가 감소함으로써 축열조 출구온도가 상승하고, 이는 집열기 입구온도의 상승으로 이어져 집열효율이 감소할 수 있다. 전자의 영향이 크다면 시스템의 효율이 상승할 것이고, 후자의 영향이 크다면 감소할 것이다.

제안 방법

Fig. 1의 축열조에서 본 연구에서 제안하는 상부 · 측면가열과 기존의 측면만 가열했을 때 집열효율 및 성층화정도를 비교하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 시뮬레이션을 통해 상부 · 측면가열과 측면가열의 동일 조건에서 성능변화 분석을 수행하였다.
하지만, 동일조건에서의 반복실험이 어려운 실험의 특성상 정확한 비교가 어려웠다. 본 연구에서는 TRNSYS를 이용한 시뮬레이션의 적합성을 검증하고, 가열방식 및 유량변화에 따른 비교와 더불어 부하가 적용된 시스템의 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 상부 · 측면가열 방식에 대하여 시뮬레이션을 통해 비교하기로 하며, 일사조건이 매우 양호한 2011년 9월 27일로 기상조건 및 시스템 초기 상태를 동일하게 설정하고, 유량 10.5 lpm을 기준으로 75%, 50%, 25%로 각각 조절하여 비교를 실시하였다.
5 m 지중온도의 월 평균 값을 사용하였다. 부하측 공급온도를 사용온도 42℃에 맞추기 위해 축열조 출구온도를 고려한 시수유량 및 월별 시수온도를 EES를 통해 식으로 구현하였으며, TRNSYS의 Calling external programs 모듈 Type 66b를 통해 나타내었다. 이 모듈은 Type 14h로부터 정해진 시간에 작동 신호를 전달받으며, Type 6으로부터 축열조 출구온도를 전달받아 시수유량을 결정한다.
앞서 무부하 상태에서 상부 · 측면가열과 측면가 열 성능비교 시뮬레이션 조건과 동일하게 4월 1일의 표준기상데이터를 사용하여 36초 간격으로 시뮬레이션을 수행하였다.
표준기상데이터에서 일사조건이 매우 양호한 4월 1일에 대하여 36초 간격으로 시뮬레이션을 실시하였다. 축열조 초기온도는 10℃, 집열기 순환유량은 10.

대상 데이터

TRNSYS를 이용한 시뮬레이션의 적합성을 확인하기 위하여 일사조건이 매우 양호한 2011년 9월 27일을 대상으로 실험과 시뮬레이션의 결과를 비교하였다. Fig.
상부가열코일과 나선재킷 등 2개의 열교환기를 내장하고 있는 축열조 모듈 Type 60d는 동일한 체적을 갖는 실린더 형태로 단순화시켰으며, 10개의 노드로 구성된 성층화된 축열조로 가정하였다. 축열조 상부에 설치된 와선형 코일에는 외경 15.88 mm, 길이 21 m의 동관(열전달 면적：1.05 m²)을 입력하였다. 폭 13 mm, 피치 100 mm의 사각형단면을 갖는 전체길이 18 m(열전달 면적：1.
05 m²)을 입력하였다. 폭 13 mm, 피치 100 mm의 사각형단면을 갖는 전체길이 18 m(열전달 면적：1.78 m²) 나선재킷 유로의 재질은 스테인 리스강(SUS304)이며, 시뮬레이션에는 같은 수력 직경을 갖는 원관으로 대체하였다. 이처럼 실제 축열조와 최대한 유사하게 형상을 모델링한 후 축열조 제작에 사용된 재료의 열전도도와 열전달 면적, 열 교환기의 위치를 반영하여 컴포넌트에 입력하면 내장된 식에 의해 열전달계수 등 결과값이 계산된다.

이론/모형

본 시뮬레이션은 Wisconsin 대학 SEL에서 개발한 TRNSYS를 사용하여 수행하였다. 수행한 시스템에 대한 개략도를 Fig.

성능/효과

3은 대상일의 경사면에 투사되는 일사량, 획득열량, 집열효율 및 축열조의 높이변화에 따른 온도분포를 나타낸 것이다.⁽⁴⁾ 실험의 경우 하루 동안 집열면에 투사된 일사량은 260.6 MJ, 획득열량은 119.8 MJ로 46.0%의 집열효율을 보인다. 반면, 시뮬레이션의 경우 일사량은 260.
매우 작지 않는 한 유량이 집열효율에 미치는 영향은 일반적으로 그다지 크지 않으며, 본 연구에서의 25∼100% 범위에서는 거의 차이가 없는 것으로 볼 수 있다.⁽⁵⁾다만 50%의 유량에서 다소 높은 집열효율을 보이는 것을 확인할 수 있는데, 이는 유속 감소로 인한 열전 달계수 감소 효과보다 성층화 촉진에 의한 상승 효과가 더욱 컸음을 추정할 수 있다.
부하를 적용한 시스템의 일간 시뮬레이션을 수행한 결과, 상부 · 측면가열 방식이 측면가열 방식에 비해 집열효율은 거의 차이가 없으나, 태양열 의존율은 4.1%p 높아 성층화 촉진을 통한 이득을 볼 수 있었다.
상부 · 측면가열 방식은 무부하 상태보다 11.9 MJ 많은 열량을 획득하였고, 4.4%p 높은 집열효율을 보였다.
시뮬레이션 결과 무부하의 경우 측면만을 가열하는 방식에 비해 상부 · 측면가열 방식의 집열효율이 0.4%p 증가로 거의 차이가 없었으나, 축열조 상 · 하부 온도차가 커지는 성층화 촉진으로 유효에너지의 증가를 확인하였다.
시뮬레이션에서의 집열효율이 실험에서의 집열효율보다 약 1.5%p 낮으며, 그래프로부터 온도분포의 경향은 상당히 일치하지만 약간의 온도차가 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 복잡한 실제의 축열조 구조가 모델링 및 시뮬레이션에 완전히 반영되지 않기 때문으로 판단된다.
실험과 시뮬레이션 결과의 비교를 통하여 시뮬레이션의 적합성을 확인할 수 있었다. Fig.
열교환코일 길이를 바꿔가면서 분석해본 결과 처음에는 집열효율이 급격히 증가하다 어느 이상이 되면 매우 완만해지는 것을 알 수 있으며, 본 연구에서의 60% 증가는 완만한 영역에 들어간 것으로 판단된다.
이를 위해 지난 연구에서 나선재킷 축열조⁽²⁾ 대신 축열조 상부에 와선형 열 교환코일을 추가로 설치하였다. 즉 상부를 집중적으로 가열한 후 측면 나선재킷을 통해 축열조 내의 물에 열을 전달하는 구조의 실증실험을 통하여 성층화 촉진을 통한 집열효율 상승과 작동유량의 변화에 대한 태양열시스템의 성능변화를 보였다.⁽³⁾ 그러나 동일 조건의 반복 및 재현이 힘든 실험의 특성상 정확한 비교가 불가능하였다.
최대유량인 10.5 lpm을 기준으로 75%, 50%, 25%로 변화시키며 시뮬레이션을 진행한 결과, 유량감소에 따라 집열효율의 차이는 미미하였으나 성층화는 현격히 촉진됨을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양열 시스템은 무엇이 높기 때문에 큰 경쟁력을 갖춘 분야인가?	신재생에너지 분야에서도 변환형태가 열에너지인 태양열 시스템은 경제성 및 활용도가 높아 큰 경쟁력을 갖춘 분야로 평가된다.(1)
	시뮬레이션에서의 집열효율은?	시뮬레이션에서의 집열효율이 실험에서의 집열효율보다 약 1.5%p 낮으며, 그래프로부터 온도분포의 경향은 상당히 일치하지만 약간의 온도차가 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 복잡한 실제의 축열조 구조가 모델링 및 시뮬레이션에 완전히 반영되 지 않기 때문으로 판단된다.
	태양열 시스템 보급의 확대를 위해 요구되는 것은?	태양열 시스템 보급의 확대를 위하여 많은 연구가 이루어지고 있으며, 이를 바탕으로 적용분야가 점차적으로 넓어지고 있는 추세이다. 분야의 활성화를 위해서는 무엇보다도 가정용 및 소형건물, 복지시설용의 소형 및 중형시스템이 집중적으로 보급되어야 하며, 이를 위해서는 기존의 문제점이 해결되고 획기적으로 기술혁신이 이루어진 시스템의 도입이 전제되어야 한다. 이를 위해 지난 연구에서 나선재킷 축열조(2) 대신 축열조 상부에 와선형 열 교환코일을 추가로 설치하였다.

참고문헌 (6)

Hong, H., 2004, 3% Use of alternative energy in 2006 and solar thermal system, Magazine of the SAREK, Vol. 33, No. 11, pp. 47-54.
Kim, J. H., Choi, B. S., Hong, H., and Kim, Y. S., 2005, Experimental verification for a spiral-jacketed storage tank applied to solar thermal system, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 17, No. 4, pp. 341-346.
Kwon, J. W. and Hong, H., 2012, Enhancement of stratification for solar water storage tank with spiral jacket and coil(Part 1 : Verification experiment), Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 24, No. 4, pp. 336-342.

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Duffie, J. A. and Beckman, W. A., 1991, Solar Engineering of Thermal Process, 2nd ed, John Wiley and Sons, New York., pp. 250-252.
Choi, B. S., Lee, B. J., Kang, C., and Hong, H., 2005, Verification experiment and analysis for 6 kW solar water heating system(Part 3 : Optimum design and economic evaluation), Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 17, No. 1, pp. 16-24.
Cardinale, N., Piccininni, F., and Stefanizzi, P., 2003, Economic optimization of low-flow solar domestic hot water plants, Journal of the Renewable Energy, Vol. 28, No. 12, pp. 1899-1914.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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