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초록
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본 연구에서는 캡슐형 빙축열시스템에 적용되는 다양한 형상들을 가지는 아이스 볼에 대한 복합열전달 해석들을 수행하였다. 형상은 구 형상과 열전달 표면적을 넓힐 수 있도록 설계한 3가지 다른 형상을 포함하여 총 4가지 형상을 고려하였다. 볼 주위의 유동은 레이놀즈 수 300의 층류 유동으로, 볼 외부와 내부의 강제대류자연대류를 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 상용해석 코드인 ANSYS- FLUENT를 사용하여 비정상 열유동 해석을 수행하였다. 볼의 형상이 열전달에 미치는 영향을 고찰하여, Bone, Dimple, Hole, Sphere 형태 순으로 열전달 효율이 좋음을 확인하였다. 전체해석 기간 동안에 캡슐 내부 유체의 평균온도 차이는 최대 $0.9^{\circ}C$정도였다. 대용량 시스템의 경우 축열조 내에 30만개 이상의 캡슐이 들어가므로 캡슐 형상이 시스템 효율에 미치는 영향이 중요함을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, numerical simulations were conducted for conjugate heat transfer around ice balls in an encapsulated ice thermal storage system. Four shapes of ice balls were modeled; the default one was a sphere, and the other three shapes were designed to enhance convective heat transfer through th...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 축열 매개체인 아이스 캡슐에 대해서 내부에 자연대류를 고려했을 때의 복합열전달 해석을 수행할 것이다. 4가지 기하학적 형상이 다른 캡슐의 온도분포를 비교하여 가장 열전달 효율이 좋은 형상에 대해서 연구하고자 한다.
  • 본 연구는 축열 매개체인 아이스 캡슐에 대해서 내부에 자연대류를 고려했을 때의 복합열전달 해석을 수행할 것이다. 4가지 기하학적 형상이 다른 캡슐의 온도분포를 비교하여 가장 열전달 효율이 좋은 형상에 대해서 연구하고자 한다.
  • 본 연구에서는 캡슐형 빙축열시스템에서 4가지 다른 형상의 캡슐에 대하여 복합열전달 성능문제를 수치해석 하였다. 축열조 내의 유속은 매우 작기 때문에 구 주위의 유동을 층류로 가정하고 해석한 결과 다음의 결론들을 도출하였다.

가설 설정

  • 실제 캡슐형 빙축열 시스템의 축열조 내에서는 캡슐의 배치가 무작위(random)로 존재하지만 해석을 위해서 Fig. 2에 나타낸 것처럼 캡슐들이 상대적으로 움직이지 않고 일렬로 정렬되어 있다고 가정하였다. 캡슐사이를 흐르는 브라인의 유동은 상부 디퓨져에 의하여 중력방향으로 유동단면에 고르게 형성되는 것으로 가정하였고 또한 하나의 열에 수직으로 나열되어 있는 캡슐로 흘러내리는 브라인의 유동형태는 각 형상별로 동일하다고 가정하고 계산은 중간에 위치한 하나의 캡슐에 대해서만 수행한다.
  • 2에 나타낸 것처럼 캡슐들이 상대적으로 움직이지 않고 일렬로 정렬되어 있다고 가정하였다. 캡슐사이를 흐르는 브라인의 유동은 상부 디퓨져에 의하여 중력방향으로 유동단면에 고르게 형성되는 것으로 가정하였고 또한 하나의 열에 수직으로 나열되어 있는 캡슐로 흘러내리는 브라인의 유동형태는 각 형상별로 동일하다고 가정하고 계산은 중간에 위치한 하나의 캡슐에 대해서만 수행한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
빙축열시스템의 가장 중요한 것은 무엇인가? 심야의 잉여전력을 이용하여 여름철 피크전력부하를 효율적으로 감소시키는 중앙집중식 축열 냉방시스템 중 빙축열시스템은 에너지 합리화 시스템으로서 1990년대 초반부터 보급되어 왔으며 지금까지 시스템 효율의 증대와 운전 시뮬레이션을 통하여 에너지 비용을 분석(1)하고 최적운전기법(2)을 이용한 비용절감에 대한 연구 등을 수행해왔다. 빙축열시스템에서 가장 핵심은 빙축열조 내에서 얼음과 물의 전체 용적에 대한 최대 얼음량으로 정의되는 빙충전율(Ice Packing Factor)의 향상과 축열조의 축열량에 대한 방열량으로 해빙능력과 축열조 단열성능의 정량적 값인 방냉 효율의 향상이다. 이를 위한 연구 또한 꾸준히 진행되어 왔다.
캡슐형 시스템이 가지는 형상과 특징들은 어떠한 것들이 있는가? 캡슐형 시스템은 기하학적 형상이 구형뿐만 아니라 여러 가지 형상이 있다. Choi(7)는 축열조 내에 벽돌같이 쌓을 수 있는 아이스렌즈(ice Lens) 형상의 시스템에 대해서 장단점 및 특성을 소개하였고, Kim(8)은 캡슐의 형상이 스크류형인 밀폐식 시스템에 대하여 한전에서 제시한 기준에 따라 성능시험(9)을 하여 축열밀도, 방냉효율 그리고 총괄에너지 이용효율 등을 연구하였다. Kim 등(10)은 효율을 위한 주요 인자로 캡슐의 용기 형상, 용기들의 배열구조, 브라인의 원활한 유동 확보에 착안하여 스크류형 캡슐에 도넛형 링 캡슐을 삽입하는 모듈형을 개발하여 수치해석을 통해 단일캡슐들 보다 열전달 효율이 높다는 것을 증명하였다. 또한 Yoo 등(11,12)은 큰 구형 캡슐 사이의 공극을 작은 캡슐로 채우는 방법으로 빙충전율 향상을 제시하였고 축열밀도의 향상으로 축열조의 크기를 줄일 수 있었으며 방열 성능도 향상시키는 결과를 확인하였다.
브라인(brine)과 캡슐의 열전도에 대한 전열량을 비교한 결과는 어떠한가? 구(sphere)형 캡슐(capsule)인 아이스 볼(ball) 시스템에서 Lee 등(3)은 실험을 통해 축열조로 유입되는 유량인 유입수와 축열조 내의 저장수와의 기준 온도차 그리고 아이스 볼의 크기를 달리 하면서 축열조 내의 온도분포와 무차원 출구 온도를 통해 열저장율을 비교하였다. Park 등(4)은 냉각유체인 브라인(brine)과 캡슐의 열전도에 대한 전열량을 비교하였는데, 그 결과 유입수가 저온일수록, 유량이 작을수록 축열 효율이 증가하며 또한 캡슐의 크기가 작을수록 급격한 해빙이 진행되어 방열효율이 감소함을 알았다. Heo 등(5)은 축열조 내에서 작동유체인 브라인의 유동형태와 방향에 중점을 두어 축열 시에는 빙충전율을 향상시킬 수 있는 Perforator의 Upward 방식이 좋으며, 방열 시에는 성층도에서 앞서는 Distributor의 Downward방식이 이상적인 것을 확인하였다.
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참고문헌 (15)

  1. Lee, K. H., Joo, Y. J., Choi, B. Y. and Kim, S. J., 1999, "Simulation and Energy Cost Calculation of Encapsulated Ice Storage System," Journal of the Korean Solar Energy Society., Vol. 19, No. 3, pp. 63-73. 

  2. Lee, K. H., Lee, S. R. and Choi, B. Y., 2000, "Laboratory Test of Optimal Control Algorithm for Ice Storage System," Proceedings of the SAREK 2000 Winter Annual Conference, pp. 451-455. 

  3. Lee, W. S. and Park, E. T., 1996, "A Study on Effect of Ice Ball Size on Heat Flow Characteristics and Ice Thermal Storage in Ice Storage Tank," Proceedings of The SAREK 1996 Winter Annual Conference., pp. 82-88. 

  4. Park, K. W., Park, E. T., Hwang, Y. G. and Kim, Y. J., 1996, "An Experimental Study on Thermal Characteristics between Cooling Fluid and Ice Ball during Charging and Discharging Processes," Proceedings of the KOSSE 1996 Fall Annual Conference, pp. 193-205. 

  5. Heo, E., Park, E. T., Kim, C. J. and Cho, K. N., 1995, "Characteristics of Charging and Discharging due to the Brine Flow Direction in the Ice Storage Tank with Ice Ball," Proceedings of The SAREK 1995 Winter Annual Conference., pp. 392-398. 

  6. Jang, Y. G., Lee, W. S. and Park, J. W., 1998, "An Experimental Study on Characteristics of Heat Flow in the Cylindrical Storage Tank with Ice Ball," Journal of the Korea Solar Energy Society., Vol. 18 No. 1 pp. 99-109. 

  7. Choi, D. Y., 1999, "Introduction of Ice Lens," Proceedings of the SAREK 1999 Summer Annual Conference., pp. 740-749. 

  8. Kim, K. H., 2006, "Study on the Performance Testing of the Closed Ice Thermal Energy Storage System using Screw Capsules," Journal of the Korean Solar Energy Society., Vol. 26, No. 4, pp. 39-45. 

  9. Choi, Y. M. and Baek, J. S., 1994, "A Performance Evaluation of the Ice Ball Type Storage System," Publication of The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea., pp. 17-31. 

  10. Kim, M. S., Choi, H. G. and Byon, S. K., 2008, "Heat Transfer Analysis of a Thermal Storage System using the Ice Capsule of Bar and Ring Module," Journal of the Korean Society of Marine Engineering., Vol. 32, No. 2, pp. 268-275. 

  11. Yoo, J. I. and Kang, H. G., 1999, "Strategy of Ice Packing Factor Improvement for TES Installation," Proceedings of the SAREK 1999 Summer Annual Conference, pp. 764-799. 

  12. Kang, H. K and Kim, H. C., 2003, "The Improvement Case of Capsule Type System," Proceedings of the SAREK 2003 Annual Conference, pp. 18-23. 

  13. Jeon, S. and Choi, H. C., 2007, "Linear Proportional Control of Flow Over a Sphere," Proceedings of the KSME 2007 Spring Annual Conference, pp. 1323-1326. 

  14. Kawg, S. H., 2010, "Analysis of Laminar Flows Around Submerged Spheres," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 34, No. 8, pp. 1094-1099. 

  15. Incropera F. P. and DeWitt, D. P., 2001, Introduction to Heat Transfer, 6th Ed., Wiley, p. 1091. 

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