강제순환 방식의 공기가열식 태양열 집열기의 성능분석에 관한 수치해석 연구 A Numerical Study on the Performance Analysis of a Solar Air Heating System with Forced Circulation Method원문보기
태양열 에너지를 이용하여 단순한 형태의 공기가열식 집열기를 이용하여 공기를 가열하고 이를 활용하여 생활공간의 난방문제를 해결하기 위한 장치를 개발하는데 목적을 두고 진행되고 있다. 현 시점에서 연구는 모델로 개발한 공기가열식 태양열에너지 집열기의 크기 변화에 따른 가용한 에너지의 량을 이론적으로 산출해 보고 이를 통해 개발 시스템의 가능성을 판단하고자 한다. 본 연구에서는 공기가열식 태양열 집열기의 공기가열성능을 판단하기 위하여, 특정 크기의 태양열 집열기에 일정한 일사량을 투하하였을 때, 모델 집열기 내부에서의 열전달 특성변화와 이를 통해 생산되는 공기의 온도($^{\circ}C$)와 생산량(kg/h)을, 유한체적법(Finite Volume Method)을 적용한 범용 열유동해석(CFD) 프로그램인 영국 CHAM사의 PHOENICS(1)를 이용하여, 분석한 결과를 구하였다. 분석한 결과에서 알 수 있듯이 집열기의 크기가 ($1.2m{\times}1.1m{\times}0.19m$)의 집열기에서 알루미늄으로 제작하는 내경 0.1m의 공기 가열관을 이용하여 가열할 수 있는 공기의 온도는 약 $40.5^{\circ}C$이며 이때 생산되는 공기의 생산량은 약 $161m^3/h$으로 산출되었다. 본 모델장치는 충분히 태양의 열에너지를 이용하여 실내공간의 온도를 인간이 활동하기에 적합한 활동의 환경을 유지하는데 활용할 수 있다고 판단된다.
태양열 에너지를 이용하여 단순한 형태의 공기가열식 집열기를 이용하여 공기를 가열하고 이를 활용하여 생활공간의 난방문제를 해결하기 위한 장치를 개발하는데 목적을 두고 진행되고 있다. 현 시점에서 연구는 모델로 개발한 공기가열식 태양열에너지 집열기의 크기 변화에 따른 가용한 에너지의 량을 이론적으로 산출해 보고 이를 통해 개발 시스템의 가능성을 판단하고자 한다. 본 연구에서는 공기가열식 태양열 집열기의 공기가열성능을 판단하기 위하여, 특정 크기의 태양열 집열기에 일정한 일사량을 투하하였을 때, 모델 집열기 내부에서의 열전달 특성변화와 이를 통해 생산되는 공기의 온도($^{\circ}C$)와 생산량(kg/h)을, 유한체적법(Finite Volume Method)을 적용한 범용 열유동해석(CFD) 프로그램인 영국 CHAM사의 PHOENICS(1)를 이용하여, 분석한 결과를 구하였다. 분석한 결과에서 알 수 있듯이 집열기의 크기가 ($1.2m{\times}1.1m{\times}0.19m$)의 집열기에서 알루미늄으로 제작하는 내경 0.1m의 공기 가열관을 이용하여 가열할 수 있는 공기의 온도는 약 $40.5^{\circ}C$이며 이때 생산되는 공기의 생산량은 약 $161m^3/h$으로 산출되었다. 본 모델장치는 충분히 태양의 열에너지를 이용하여 실내공간의 온도를 인간이 활동하기에 적합한 활동의 환경을 유지하는데 활용할 수 있다고 판단된다.
The aim of this study was to develop a device for solving the heating problem of living space using heated air, utilizing a simple air heater type collector for solar energy. At the present time, this study assessed the possibility of a development system through theoretical calculations for the amo...
The aim of this study was to develop a device for solving the heating problem of living space using heated air, utilizing a simple air heater type collector for solar energy. At the present time, this study assessed the possibility of a development system through theoretical calculations for the amount of available energy according to the size change of the air-heated solar energy collector. To produce and supply hot water using the heat energy of the sun, hot water at $100^{\circ}C$ or less was produced using a flat or vacuum tube type collector. The purpose of this study was to research the air heating type solar collector that utilizes heating energy with heating air above $75^{\circ}C$, by designing and manufacturing an air piping type solar collector that is a simpler type than a conventional solar collector system. The analysis results were obtained for the generated air temperature ($^{\circ}C$) and the production of air (kg/h) to determine the performance of air heating by an air-heated solar collector according to the heat transfer characteristics in the collector of the model when a specified amount of heat flux was dropped into a solar collector of a certain size using PHOENICS, which is a heat flow analysis program applying the Finite Volume Method. From the analysis result, the temperature of the air obtained was approximately $40.5^{\circ}C$, which could be heated using an air heating tube with an inner diameter of 0.1m made of aluminum in a collector with a size of $1.2m{\times}1.1m{\times}0.19m$. The production of air was approximately 161 m3/h. This device can be applied to maintain a suitable environment for human activity using the heat energy of the sun.
The aim of this study was to develop a device for solving the heating problem of living space using heated air, utilizing a simple air heater type collector for solar energy. At the present time, this study assessed the possibility of a development system through theoretical calculations for the amount of available energy according to the size change of the air-heated solar energy collector. To produce and supply hot water using the heat energy of the sun, hot water at $100^{\circ}C$ or less was produced using a flat or vacuum tube type collector. The purpose of this study was to research the air heating type solar collector that utilizes heating energy with heating air above $75^{\circ}C$, by designing and manufacturing an air piping type solar collector that is a simpler type than a conventional solar collector system. The analysis results were obtained for the generated air temperature ($^{\circ}C$) and the production of air (kg/h) to determine the performance of air heating by an air-heated solar collector according to the heat transfer characteristics in the collector of the model when a specified amount of heat flux was dropped into a solar collector of a certain size using PHOENICS, which is a heat flow analysis program applying the Finite Volume Method. From the analysis result, the temperature of the air obtained was approximately $40.5^{\circ}C$, which could be heated using an air heating tube with an inner diameter of 0.1m made of aluminum in a collector with a size of $1.2m{\times}1.1m{\times}0.19m$. The production of air was approximately 161 m3/h. This device can be applied to maintain a suitable environment for human activity using the heat energy of the sun.
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문제 정의
C이하의 온수를 생산하여왔다. 그러나 본 연구에서는 기존의 태양열 집열방식보다 단순한 형태의 공기 배관형 집열기를 설계, 제작하여 상온의 공기를 75oC 이상으로 가열하고 이를 생활공간의 난방에너지로 활용하는 공기가열식 태양열 집열기의 연구 개발을 목적으로 두고 있다.
본 연구는 태양열에너지를 이용하여 상온의 공기를 가열하고 이를 생활공간의 냉난방 및 온수공급을 위한 방안으로 태양열 공기가열식 집열기를 개발하는데 연구의 목적을 두고 있다.
본 연구에서는 태양열 에너지를 이용하여 단순한 형태의 공기가열식 집열기를 이용하여 공기를 가열하고 이를 활용하여 생활공간의 난방문제를 위한 장치를 개발하는데 목적을 두고 진행되고 있다. 현 단계의 연구에서는 모델로 개발한 공기가열식 태양열에너지 집열기의 크기 변화에 따른 가용한 에너지의 량을 이론적으로 산출해 보고 이를 통해 개발 시스템의 가능성을 판단하고자 하였다.
본 연구에서는 현재 개발하고자 하는 공기가열식 태양열 집열기의 공기가열성능을 판단하기 위한 기초 연구로 특정 크기의 태양열 집열기에 일정한 일사량(Heat Flux, kW/m2)을 투하하였을 때 모델 집열기 내부에서의 열전달 특성변화와 이를 통해 생산되는 공기의 온도(oC) 와 생산량(kg/h)을 범용 열유동해석 프로그램인 영국 CHAM사의 PHOENICS(1)를 이용하여 분석하였다.
본 연구에서는 태양열 에너지를 이용하여 단순한 형태의 공기가열식 집열기를 이용하여 공기를 가열하고 이를 활용하여 생활공간의 난방문제를 위한 장치를 개발하는데 목적을 두고 진행되고 있다. 현 단계의 연구에서는 모델로 개발한 공기가열식 태양열에너지 집열기의 크기 변화에 따른 가용한 에너지의 량을 이론적으로 산출해 보고 이를 통해 개발 시스템의 가능성을 판단하고자 하였다.
가설 설정
을 사용하였다. 공기의 가열관인 알루미늄 파이프는 표면 절대조도가 0.0015mm로 조도의 영향이 거의 없을 것으로 판단되어 관 내부의 유로 저항은 무시하였으며 Heat Flux가 평판형 집열기에 균일하게 유지된다고 가정하였다. 공기 가열관의 토출구에 송풍기를 이용하여 강제 송풍을 한다고 가정하여 풍속을 0 ~ 6m/s, 총 5단계로 나누어 변화를 시켰다.
2014)(2)를 사용하였다. 해석 경계조건의 단순화를 위해 집열기의 외부는 열에너지의 출입이 없는 단열 조건으로 가정하였으며, 관 내부 공기의 유동장은 다음과 같이 정의하였다.
제안 방법
검사체적 내의 비압축성 층류유동장 해석을 위해 3차원 Navier-stoke방정식(3)을 풀었으며 유동해석의 수렴성 판단을 위해 각 변수들의 계산 잉여율(Residual fraction)이 10-3%이하로 떨어질 때까지 충분히 반복적으로 계산하였다. 온도의 변화를 예측하기 위해서 에너지 방정식을 풀었으며, 비압축성, 난류 유동장의 해석을 위한 지배방정식은 다음과 같다.
0015mm로 조도의 영향이 거의 없을 것으로 판단되어 관 내부의 유로 저항은 무시하였으며 Heat Flux가 평판형 집열기에 균일하게 유지된다고 가정하였다. 공기 가열관의 토출구에 송풍기를 이용하여 강제 송풍을 한다고 가정하여 풍속을 0 ~ 6m/s, 총 5단계로 나누어 변화를 시켰다.
를 이용하였다. 범용CAD 프로그램인 Pro-Engineer(Ver. 5.0)를 이용하여 평판형 집열기 모델의 3차원 형상을 만들고 이 CAD파일을 해석 공간인 수치해석 도메인(Numerical Domain)으로 불러와 직각 좌표계 상에서 정방격자(Rectangular Grid)를 생성하여 해석을 위한 격자 파일을 생성하였다.
%이하로 떨어질 때까지 충분히 반복적으로 계산하였다. 온도의 변화를 예측하기 위해서 에너지 방정식을 풀었으며, 비압축성, 난류 유동장의 해석을 위한 지배방정식은 다음과 같다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 모델 공기가열식 태양열 집열기의 형상제원은 높이 1.1m, 폭 1.2m 그리고 두께 0.19m 이며 평판형 집열기로 내부에는 내경 100mm인 알루미늄 관으로 두께가 3mm이며 5개의 관이 직렬로 연결되어있다. 집열기의 밀폐된 내부는 상온의 공기로 채워져 있으며 전면은 태양열을 집열하기 위해 투명 유리로 되어있으며 후면과 측면은 단열 처리된 벽면으로 구성되어 있다.
이론/모형
유동장 내에서 속도와 압력의 값을 산출하기 위해 SIMPLE알고리즘(5)을 적용하였으며 난류운동방정식 (Standard turbulent model)의 대류항(Convection term) 계산을 위해 하이브리드(Hybrid scheme)(5)을 사용하였다. 공기의 가열관인 알루미늄 파이프는 표면 절대조도가 0.
공기가열식 평판형 집열기에 태양의 복사에너지가 입사되면 집열기 내부에 설치된 관의 표면과 내부의 공기 온도가 상승하게 되며 이로 인해 집열기 관 내부의 압력 상승으로 관 내부에 상승기류가 형성되어 공기의 자연대류 현상이 발생하게 된다. 이러한 집열기 내부에서의 공기의 자연대류 유동현상을 수치해석 적으로 묘사하기 위해 유한체적법(Finite Volume Method)을 적용한 범용 CFD코드인 영국 CHAM사의 PHOENICS (ver. 2014)(2)를 사용하였다. 해석 경계조건의 단순화를 위해 집열기의 외부는 열에너지의 출입이 없는 단열 조건으로 가정하였으며, 관 내부 공기의 유동장은 다음과 같이 정의하였다.
해석 공간에서의 격자생성을 위해 CAD-to-CFD 격자 생성법(Grid Generation Method)(4)를 이용하였다. 범용CAD 프로그램인 Pro-Engineer(Ver.
성능/효과
본 연구에서 개발하고자 하는 공기가열식 태양열 집열기의 에너지변환 효율은 60%이상으로 기대되며 집열기 효율이 최대 85%정도인 기존의 평판형 혹은 진공관형 장치에 비해 공학적 효율측면에서는 낮으나 집열장치의 생산원가 측면에서는 30%이하로 제작이 가능하므로 경제적인 측면에서는 약 3.5배의 효과가 있다고 판단된다. 또한 본 장치를 통해 생산가능한 공기의 온도는 75oC이상이며 생산되는 공기의 온도 역시 일상에서 사용가능한 40oC이상이므로 충분히 생활에 활용가치가 있다고 판단된다.
수치해석 결과에서 알 수 있듯이 집열기의 크기가 (1.2m x 1.1m x 0.19m)의 집열기에서 알루미늄으로 제작하는 내경 0.1m의 공기 가열관을 이용하여 가열할 수 있는 공기의 온도는 약 40.5oC이며 이때 생산되는 공기의 생산량은 약 161m3/h으로 산출되었다.
후속연구
5배의 효과가 있다고 판단된다. 또한 본 장치를 통해 생산가능한 공기의 온도는 75oC이상이며 생산되는 공기의 온도 역시 일상에서 사용가능한 40oC이상이므로 충분히 생활에 활용가치가 있다고 판단된다. 이러한 측면에서 공기가열식 태양열 집 열기는 에너지의 효율적 이용과 난방까지 동시에 해결 할 수 있는 경제적 에너지회수 장치라고 판단된다.
본 모델장치는 충분히 태양의 열에너지를 이용하여 실내공간의 온도를 인간이 활동하기에 적합한 활동의 환경을 유지하는데 활용할 수 있다고 판단되었다.
추후 진행연구는 모델 제작을 통해 본 해석연구의 결과를 검정하고 실형상 가열기를 개발하는데 활용하게 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
공기가열식 태양열 집열기의 특징은 무엇인가?
본 연구에서 개발하고자 하는 공기가열식 태양열 집열기의 에너지변환 효율은 60%이상으로 기대되며 집열기 효율이 최대 85%정도인 기존의 평판형 혹은 진공관형 장치에 비해 공학적 효율측면에서는 낮으나 집열장치의 생산원가 측면에서는 30%이하로 제작이 가능하므로 경제적인 측면에서는 약 3.5배의 효과가 있다고 판단된다. 또한 본 장치를 통해 생산가능한 공기의 온도는 75oC이상이며 생산되는 공기의 온도 역시 일상에서 사용가능한 40oC이상이므로 충분히 생활에 활용가치가 있다고 판단된다.
태양열 공기가열식 집열기는 어떻게 활용되는가?
본 연구는 태양열에너지를 이용하여 상온의 공기를 가열하고 이를 생활공간의 냉난방 및 온수공급을 위한 방안으로 태양열 공기가열식 집열기를 개발하는데 연구의 목적을 두고 있다.
기존의 태양열 집열방식에 대해 설명하라
현재까지는 태양의 열에너지를 활용하여 온수를 생산, 공급하기 위해 평판형 혹은 진공관형 집열기를 이용하여 100oC이하의 온수를 생산하여왔다. 그러나 본 연구에서는 기존의 태양열 집열방식보다 단순한 형태의 공기 배관형 집열기를 설계, 제작하여 상온의 공기를 75oC 이상으로 가열하고 이를 생활공간의 난방에너지로 활용하는 공기가열식 태양열 집열기의 연구 개발을 목적으로 두고 있다.
참고문헌 (5)
Weiss, Werner, Irene Bergmann, and R. Stelzer, "Solar heat worldwide," 2010.
Yakhot. V. and Smith. L.M., "The Renormalization Group, Three-Expansion and Derivation of Turbulence Models," J. of SCI. Computer, Vol. 1, No. 3, 1986.
Kim, Jae Hwi, "Vehicle Chassis," Jung Won Sa, p. 448, 1994.
Douglas, J. F., Fluid Mechanics, Prentice Hall, pp. 406-447, 2001.
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