[논문]단열층 사용을 통한 성층 축열조 성능개선

임세화; 이태규; 신승원

doi:10.3795/ksme-c.2014.2.1.065

단열층 사용을 통한 성층 축열조 성능개선
Performance Improvement of Stratified Thermal Storage Tank Using Heat Insulator 원문보기

대한기계학회 논문집. C, 산업기술과 혁신, v.2 no.1, 2014년, pp.65 - 72

임세화 (홍익대학교 기계공학과) , 이태규 (홍익대학교 기계공학과) , 신승원 (홍익대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 지역난방 공사에서 사용하고 있는 성층 축열조의 불가용 에너지를 줄이기 위해 단열층을 설계하였다. 단열층은 추가적인 장치 없이 고온수와 저온수의 밀도차이로 생기는 부력으로 운용된다. 축열조의 내부 온도분포를 모사할 수 있는 해석모델을 Matlab Simulink 를 이용하여 제작하고 해석 결과를 이용하여 단열층의 소재와 두께를 결정하였다. 또한 축열조의 축소실험을 통하여 단열층의 운용 가능성을 확인하였다. 실험 결과, 단열층이 축열 방열과정에서 고온수와 저온수의 혼합과 열전도로 인한 온도 경계층형성을 효과적으로 억제할 수 있다는 것을 확인하였다. 단열층을 설치한 축소실험에서는 단열층이 없는 축열조보다 약 1540 J 의 추가 가용에너지가 보존되었고 이를 실제 축열조에 적용할 경우 약 6%의 축열효율이 증가될 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to design a heat insulator for reducing available energy loss in stratified thermal storage tank. Heat insulator is operated by buoyancy effect from density difference between hot and cold water without extra equipment. Analysis model using the Matlab Simulink was developed to estimate the internal temperature distribution in thermal storage tank and also used to select proper material and thickness of the heat insulator. Operational feasibility was confirmed through reduced scale experiment. As a result, heat insulator can effectively delay the formation of thermal boundary layer between hot and cold water. In reduced scale experiment, heat insulator can preserve additional 1540J of available energy. When applied to the real thermal storage tank, increase of 6% thermal storage efficiency can be expected.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고온수와 저온수를 같은 수조에 보관하기 때문에 발생하는 온도 경계층의 근본적인 억제 방안으로 고온수와 저온수 사이에 단열층을 삽입하는 방식을 제안하고자 한다. 이 단열층은 고온수와 저온수 사이의 밀도차이를 이용하여 추가적인 장치가 없어도 고온수와 저온수 사이에 위치할 수 있도록 적절한 밀도를 갖도록 설계되었다.
실험결과를 통해 해석모델의 정확성이 검증되었고 다양한 물질의 단열층 적용가능성을 해석적으로 분석하였다. 해석에 사용된 소재는 열확산계수가 물보다 작은 Poly Benzimidazole, Cellulose, Liquid Crystaline Polymer, Strene-butadiene block copolymer 을 이용하여 진행하였다.
이 단열층은 고온수와 저온수 사이의 밀도차이를 이용하여 추가적인 장치가 없어도 고온수와 저온수 사이에 위치할 수 있도록 적절한 밀도를 갖도록 설계되었다. 이를 이용하여 와류에 의한 온도 경계층 형성 및 열확산을 억제하고 성층 축열조의 열저장효율을 개선하고자 한다.
따라서 추가적인 장치 없이 단열층을 운용할 수 있어야 한다. 이에 본 연구에서는 온도에 따른 물의 밀도차이를 이용하여 단열층을 운용할 수 있도록 설계하였다. 성층 축열조에는 98 ℃의 고온수와 40 ℃의 저온수가 저장된다.
또한 단열층의 소재는 물보다 열 확산계수가 작은 물질을 이용해야 한다. 하지만 물보다 열확산계수가 작은 물질들은 물보다 밀도가 크기 때문에 단열층의 부력을 증가시키기 위해서 본 연구에서는 단열층 중간에 공기층을 삽입하여 단열층 전체의 밀도를 조절하였다. 공기층의 두께는 단열층의 두께와 소재에 비례하여 증가한다.

가설 설정

이러한 열에너지의 공급과 수요를 맞추기 위하여 당인리 지역난방공사에서는 축열 1 기를 운용 중이다. 따라서 본 연구에서는 성층 축열조의 패턴을 축열과정이 11 시간동안 운용되고 방열과정이 13 시간동안 운용된다고 가정을 하여 단열층을 설계하였다. 즉, 단열층은 최소 11 시간동안 열확산을 지연시킬 수 있어야 한다.

제안 방법

3 cm, 높이 1 m 로 제작을 하였으며 일정 간격으로 온도계를 설치하였으며 축열조의 상부에 내부의 고압으로 인한 축열조의 파손을 방지하기 위하여 Relief Valve 를 설치하였다. 고온수는 1.5 kW 급탕기에 해당하는 설정온도를 유지하도록 하였으며 저온수는 상온을 유지할 수 있도록 하였다. 축소실험에 사용된 단열층은 제작이 용이한 아크릴을 이용하였으며 밀도는 1200 kg/m³ 이고 비열은 1500 J/kg-K, 열전도 도는 0.
4 참조). 고온수와 저온수의 공급 및 회수는 고온수의 수면과 저온수의 수면 사이 높이 차이를 만들어 유량을 조절하였다. 따라서 고온수와 저온수를 보관하는 수조를 제외하고 모두 밀폐시스템이다.
성층 축열조에는 98 ℃의 고온수와 40 ℃의 저온수가 저장된다. 고온수의 밀도는 959.78 kg/m³이고 저온수의 밀도는 988.93 kg/m³으로 단열층의 밀도를 중간 밀도를 갖도록 설계하였다. 따라서 고온수의 양과 저온수의 양이 주기적으로 변하는 성층 축열조 내부에서 단열층은 항상 고온수와 저온수의 사이에 위치할 수 있게 된다.
단열층 운용 가능성을 확인하기 위하여 단열층이 없는 경우와 동일한 축소실험을 수행하였다(Fig. 4 참조). 고온수와 저온수의 공급 및 회수는 고온수의 수면과 저온수의 수면 사이 높이 차이를 만들어 유량을 조절하였다.
또한 단열층의 무게중심이 단열층 중심에 있기 때문에 쉽게 기울어질 수 있다. 따라서 단열층의 안전성을 증가하기 위하여 Fig. 2 와 같이 상하에 롤러 6 개를 부착하여 모멘트를 견딜 수 있도록 설계하였다. 6 개의 롤러는 상하에 3 개씩 120 도의 각도로 부착하였다.
본 연구에서는 성층 축열조 내부에 단열층을 삽입하여 축열효율을 증가시켰다. 이론해석을 통해 적절한 단열층의 두께를 선정하였으며 실험을 통해 해석결과를 검증하였다.
이 과정에서 고온수와 저온수 사이에서 열전달로 인해 발생하는 온도 경계층의 생성 위치를 보였다. 본 연구의 단열층은 고온수와 저온수의 중간 밀도가 되도록 설계되었으며 이로 인해 단열층은 항상 온도 경계층의 중간에 위치하게 된다. 이를 통해 와류에 의한 고온수와 저온수의 혼합을 방지할 수 있다.
0082 L/s 이다. 온도 측정은 1 시간 간격으로 측정을 하였으며 축열 2 시간, 방열 2 시간으로 총 4 시간의 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 성층 축열조 내부에 단열층을 삽입하여 축열효율을 증가시켰다. 이론해석을 통해 적절한 단열층의 두께를 선정하였으며 실험을 통해 해석결과를 검증하였다. 실험에서 높이 1 m, 지름 0.
따라서 고온수와 저온수를 보관하는 수조를 제외하고 모두 밀폐시스템이다. 축열조는 직경 0.3 cm, 높이 1 m 로 제작을 하였으며 일정 간격으로 온도계를 설치하였으며 축열조의 상부에 내부의 고압으로 인한 축열조의 파손을 방지하기 위하여 Relief Valve 를 설치하였다. 고온수는 1.
격자의 수는 150 개이며 Δt 는 1 초로 설정하였다. 해석모델을 이용하여 단열층의 소재와 두께를 변화시켜가며 목표 시간 동안 해석을 진행하였다. 해석모델을 검증하기 위하여 Fig.

대상 데이터

Matlab Simulink 를 이용하여 식 (4)에 대한 해석모델을 구성하였다. 높이 30 m, 지름 24 m 의 성층 축열조의 절반을 1 차원으로 해석하였다. 격자의 수는 150 개이며 Δt 는 1 초로 설정하였다.
해석 결과 Poly Benzimidazole 은 단열층의 두께가 15 cm 일 때 최대 효율을 낼 수 있으며, Strene-butadiene block copolymer 는 단열층의 두께가 30 cm 일 때 최대 효율을 낼 수 있다. 본 연구에서는 효율이 가장 높고 내열성과 기계적 강도가 우수한 Poly Benzimidazole 를 단열층의 소재로 선정하였다.
수치해석을 통하여 단열층의 소재를 선정하였다. 축열조 내부는 유동이 거의 없기 때문에 대부분의 열전달이 전도로 일어난다고 가정할 수 있다.
5 kW 급탕기에 해당하는 설정온도를 유지하도록 하였으며 저온수는 상온을 유지할 수 있도록 하였다. 축소실험에 사용된 단열층은 제작이 용이한 아크릴을 이용하였으며 밀도는 1200 kg/m³ 이고 비열은 1500 J/kg-K, 열전도 도는 0.19 W/m-K 으로 물보다 열확산계수가 작다.
실험결과를 통해 해석모델의 정확성이 검증되었고 다양한 물질의 단열층 적용가능성을 해석적으로 분석하였다. 해석에 사용된 소재는 열확산계수가 물보다 작은 Poly Benzimidazole, Cellulose, Liquid Crystaline Polymer, Strene-butadiene block copolymer 을 이용하여 진행하였다. 그 결과를 Fig.

이론/모형

은 자연대류에 따른 물질확산을 고려하기 위한 상수이다. Matlab Simulink 를 이용하여 식 (4)에 대한 해석모델을 구성하였다. 높이 30 m, 지름 24 m 의 성층 축열조의 절반을 1 차원으로 해석하였다.
축열조 내부는 유동이 거의 없기 때문에 대부분의 열전달이 전도로 일어난다고 가정할 수 있다. 따라서 식 (2)의 원통좌표계의 푸리에 열전도 방정식을 이용하여 해석을 진행하였다.

성능/효과

1 시간이 지난 후에 단열층이 고온수와 저온수의 혼합을 차단하기 때문에 효율이 기존의 축열조보다 높게 나타나며 2 시간 뒤 효율은 축열조의 대부분이 고온수로 저장되어 효율의 차이가 거의 없다. 방열과정 중에는 효율이 기존 축열조보다 크고, 시간이 지날수록 그 차이가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
2 J 의가용에너지를 보존하였다. 실험에서 가정한 축열조 패턴인 4 시간이 지난 후에는 1542 J 의 가용에너지를 보존하여 고온수와 저온수의 혼합과 열전달로 인한 열확산을 지연시킬 수 있었다. 또한 열확산은 높이 방향으로 열전달이 지배적이므로 축열조 운용에 있어 고온수와 저온수의 온도와 최대 운용시간이 결정되면 단열층의 두께도 정해지게 된다.
이론해석을 통해 적절한 단열층의 두께를 선정하였으며 실험을 통해 해석결과를 검증하였다. 실험에서 높이 1 m, 지름 0.3 m 인 축열조를 이용해 축열과정에서 879.7 J 의 가용에너지를 보존할 수 있었으며 방열과정 중 794.2 J 의가용에너지를 보존하였다. 실험에서 가정한 축열조 패턴인 4 시간이 지난 후에는 1542 J 의 가용에너지를 보존하여 고온수와 저온수의 혼합과 열전달로 인한 열확산을 지연시킬 수 있었다.
결국 각 물질마다 목표 시간 동안 최고 효율을 갖는 단열층의 두께는 서로 다르게 된다. 해석 결과 Poly Benzimidazole 은 단열층의 두께가 15 cm 일 때 최대 효율을 낼 수 있으며, Strene-butadiene block copolymer 는 단열층의 두께가 30 cm 일 때 최대 효율을 낼 수 있다. 본 연구에서는 효율이 가장 높고 내열성과 기계적 강도가 우수한 Poly Benzimidazole 를 단열층의 소재로 선정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단열층의 운용에 대한 특징은 무엇인가?	본 연구에서는 지역난방 공사에서 사용하고 있는 성층 축열조의 불가용 에너지를 줄이기 위해 단열층을 설계하였다. 단열층은 추가적인 장치 없이 고온수와 저온수의 밀도차이로 생기는 부력으로 운용된다. 축열조의 내부 온도분포를 모사할 수 있는 해석모델을 Matlab Simulink 를 이용하여 제작하고 해석 결과를 이용하여 단열층의 소재와 두께를 결정하였다.
	성층 축열조는 어떤 장치인가?	다양한 에너지 저장 매체 중에서 성층 축열조는 낮은 초기 설치비와 유지비에 비해 높은 효율을 갖기 때문에 지역난방이나 대규모 열에너지를 저장하기 위한 장치로 많이 사용되고 있다. 성층 축열조는 온도에 따른 물의 밀도차이를 이용하여 고온수와 저온수를 함께 보관하는 장치로 축열조의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 성층 축열조는 고온수와 저온수를 함께 보관하기 때문에 고온수와 저온수 사이에 열 확산이 일어나 온도가 섞이게 되며 이렇게 온도가 섞여있는 층을 온도 경계층이라고 부른다.
	성층 축열조의 성능을 높이기 위해 온도 경계층 형성의 최소화가 필요한 이유는 무엇인가?	성층 축열조는 온도에 따른 물의 밀도차이를 이용하여 고온수와 저온수를 함께 보관하는 장치로 축열조의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 성층 축열조는 고온수와 저온수를 함께 보관하기 때문에 고온수와 저온수 사이에 열 확산이 일어나 온도가 섞이게 되며 이렇게 온도가 섞여있는 층을 온도 경계층이라고 부른다. 온도 경계층은 시간이 지날수록 확산되며 가용 열에너지 손실이 발생한다. 현재 한국지역난방공사에서 사용하고 있는 대부분의 성층 축열조는 가용용량이 약 2763 GJ 이며 전국에 25 기를 운용 중이다.

참고문헌 (9)

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신미수, 김혜숙, 송혜영, 장동순, 이영수, 이상남, 2002, "성층축열조 최적설계를 위한 연구", 한국전산유체공학회 2002 년 추계학술대회 논문집, pp. 127-132.
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이동혁, 장종훈, 2002, "축열 시스템의 열적 성층화 효과에 관한 해석적 연구", 대한기계학회 2002 년도 춘계학술대회 논문집, pp. 2131-2136.
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원문보기 상세보기
F. J. Oppel, A. J. Ghajar and P. M. Moretti, 1986, "Computer simulation of stratified heat storage", Applied Energy, Vol 23, No. 3, pp. 205-224.

상세보기
Ghanim Kadhem Abdulsada and Mohammed Hamed Mahmoud, 2008, "Enhancing Thermal Stratification in Liquid Storage Tanks During Relaxation Periods", Journal of Engineering and Development, Vol. 12, No. 1, pp. 161-175
J. Van Berkel, 1996, "Mixing in Thermally Stratified Energy Stores", Solar Energy, Vol. 58, No. 4, pp. 203-211.

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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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