본 연구에서는 1 kW급 가정용 열병합 시스템의 원동기로 설계된 스털링 엔진의 고온 열교환기에 대하여 Fin 길이, 간격, 각도 등을 조정한 새로운 형상 및 기존 형상에 대하여 수치해석을 수행하여 형상 개선에 따른 성능 향상을 확인하였다. 형상을 개선하는 과정에서 고려하지 않았던 공기예열기를 포함하여 수치해석을 수행한 결과 실린더 헤드 부분에서 음의 열유속이 발생하는 현상이 관찰되었다. 배가스 온도 및 연소실 벽면 온도를 분석하여 이 현상을 규명하였다. 다음으로 이상적인 사이클을 가정하여 형상 개선에 의한 열전달량 증가가 열역학적 사이클 및 시스템 성능에 미치는 영향을 예측하였다.
본 연구에서는 1 kW급 가정용 열병합 시스템의 원동기로 설계된 스털링 엔진의 고온 열교환기에 대하여 Fin 길이, 간격, 각도 등을 조정한 새로운 형상 및 기존 형상에 대하여 수치해석을 수행하여 형상 개선에 따른 성능 향상을 확인하였다. 형상을 개선하는 과정에서 고려하지 않았던 공기예열기를 포함하여 수치해석을 수행한 결과 실린더 헤드 부분에서 음의 열유속이 발생하는 현상이 관찰되었다. 배가스 온도 및 연소실 벽면 온도를 분석하여 이 현상을 규명하였다. 다음으로 이상적인 사이클을 가정하여 형상 개선에 의한 열전달량 증가가 열역학적 사이클 및 시스템 성능에 미치는 영향을 예측하였다.
In this research, numerical analysis was carried out on novel and existing fins, adjusted in terms of factors such as length, spacing, and angle, of a high-temperature heat exchanger for a 1 kW class Stirling engine, designed as a prime mover for a domestic cogeneration system. The performance impro...
In this research, numerical analysis was carried out on novel and existing fins, adjusted in terms of factors such as length, spacing, and angle, of a high-temperature heat exchanger for a 1 kW class Stirling engine, designed as a prime mover for a domestic cogeneration system. The performance improvement as a result of shape optimization was confirmed with numerical analysis by including the air preheater, which was not considered during optimization. However, a negative heat flux was observed in the cylinder head portion. This phenomenon was clarified by analyzing the exhaust gas and wall surface temperature of the combustion chamber. Furthermore, assuming an ideal cycle, the effects of heat transfer enhancement on the thermodynamic cycle and system performance were predicted.
In this research, numerical analysis was carried out on novel and existing fins, adjusted in terms of factors such as length, spacing, and angle, of a high-temperature heat exchanger for a 1 kW class Stirling engine, designed as a prime mover for a domestic cogeneration system. The performance improvement as a result of shape optimization was confirmed with numerical analysis by including the air preheater, which was not considered during optimization. However, a negative heat flux was observed in the cylinder head portion. This phenomenon was clarified by analyzing the exhaust gas and wall surface temperature of the combustion chamber. Furthermore, assuming an ideal cycle, the effects of heat transfer enhancement on the thermodynamic cycle and system performance were predicted.
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문제 정의
(11) 이에 본 논문에서는 공기예열기 표면의 온도를 분석하여 음의 열유속이 발생하는 원인을 고찰하고 축열식 버너를 채택한 스털링 엔진의 연소실 설계방안을 제안한다 또한 이상적인 사이 .클을 가정한 사이클을 검토하여 스털링엔진의 고온 열교환기에 대하여 기존 형상과 개선된 형상의 성능을 타당하게 비교하고 개선된 형상에 대하여 적합한 설계 온도를 찾아보고자 한다
스털링 엔진의 사이클 효율을 높이기 위하여 작동 유체, 기구학적 메커니즘, 열교환기의 성능에 대한 연구가 진행되어 왔으며(7) 본 연구에서는 고온 열교환기의 성능 개선에 주목하였다. Fig.
(11) 이에 본 논문에서는 공기예열기 표면의 온도를 분석하여 음의 열유속이 발생하는 원인을 고찰하고 축열식 버너를 채택한 스털링 엔진의 연소실 설계방안을 제안한다 또한 이상적인 사이 .클을 가정한 사이클을 검토하여 스털링엔진의 고온 열교환기에 대하여 기존 형상과 개선된 형상의 성능을 타당하게 비교하고 개선된 형상에 대하여 적합한 설계 온도를 찾아보고자 한다
가설 설정
구에서는 형상최적화 Fin 과정에서 고려하지 않았던(9) [Fig. 2(b)] 공기예열부 를 계산영역에 포함하였다 격자는 육면체와 사면체 격자를 혼합하여 .작성하였다 격자수는 개의 격자를 사용 .
고온 열교환기의 설계 개선에 따른 사이클 효율 향상 및 사이클의 변화는 향후 정확한 사이클해석을 통해 예측해야 하겠지만 본 논문에서는 이상적인 사이클을 가정하여 변화의 범위를 추정해 보았다 재생기가 이상적일 경우 스털링 사이 .클은 에 보인 것과 같이 동일 온도 범 Fig.
제안 방법
온도에 따른 물성 변화는 부분선형 . (Piecewise linear) 함수로 고려하였고 복사물성은 회체가중합(Weighted Sum of Gray Gases)으로 고려하였다.
다음으로 구성품의 최적화와 사이클의 연계 문제가 제기되었다 본 연구에서는 고온 열교환기 .의 표면 온도를 사이클 해석에서 얻은 로 823 K 고정하였으나 형상개선에 의해 열전달량이 증가할 경우 고온부 온도가 상승할 가능성이 있다.
벽면 온도조건은 사이클 설계조건인 823 K의등온으로 부과되었고 연소실 출구에서 배가스의 유동 혼합 평균온도는 개선된 형상에서도 929 K로서 벽면 온도보다 높은 상태에서도 음의 열유속이 발생하여 연소실 벽면 온도를 추출하여 검토하였다 공기예열기를 고려하지 않으면 (Fig. 8).(Adiabatic in Fig.
본 연구에서는 1 kW급 스털링 엔진에 사용되는 고온 열교환기에서 연소 가스로부터의 열전달량을 극대화할 수 있는 새로운 형상을 제안하였고 제안된 형상에 대하여 수치해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
2(a)에 제시된 것처럼 Serrated Fin이 설치되어 있다. 원형 Fin에 비해 Serrated Fin은 다양한 기하학적인 변수를 포함하고 있어 이를 최적화함으로써 열전달을 촉진시킬수 있다 선행 연구로서의 높이 방향 개수,길이 부착 각도에 대하여 수치해석을 수행하여 각각의 변수에 대한 최적값을 제시하였다.(9) 본 연구에서는 이를 모두 반영하여 와 같이 Fig.
5 %가 되도록 설정하였다 공기예열기 입구에서 혼합기체 .의 온도는 300 K로 부과하였다 출구에는 압력출구 조건을 부과하였다 속도의 경우 벽면에는 점착조건을 부과하였다 엔진 고온측 수열부인 Head 부분은 사이클 해석(13) 및 실험(14) 결과를 참조하여 823 K의 등온 조건을 부과하였다 연소실 벽면의 경우 축열의 영향을 고려하여 복합 열전달 해석을 수행하였다.
태로 고온열교환기를 둘러싸도록 제작하여 효과적으로 열을 전달하게 한다 또한 연소실 후단에 .재생열교환기를 설치하여 배가스의 열을 회수하여 연소에 사용되는 공기를 예열함으로써 열효율을 높인다.
대상 데이터
작성하였다 격자수는 개의 격자를 사용 . 1,100,000하여 실험적으로 관찰되는 를 Radiant flame mode 찾아낸 선행연구 결과를 참조하여(12) 1,290,000 약 개의 격자를 사용하였다
본 연구에서 계산영역은 에 보인 것과 같 Fig. 3이 엔진의 고온 열교환기를 둘러싸고 있는 Stirling 연소실 및 연료공급부로 설정하였다 고온 열교 .환기는 을 형상에 포함시켰다 Serrated Fin .
연소계산에서 연료인 는 여러 성분으로 구 LNG성되어 있지만 약 90 %를 차지하는 메탄으로 단순화하였다 경계조건으로서 입구에서의 메탄 유량은 발열량 기준으로 6.5 kW가 되도록 하였고 공기의 유량은 배가스의 산소농도가 3.5 %가 되도록 설정하였다 공기예열기 입구에서 혼합기체 .의 온도는 300 K로 부과하였다 출구에는 압력출구 조건을 부과하였다 속도의 경우 벽면에는 점착조건을 부과하였다 엔진 고온측 수열부인 Head 부분은 사이클 해석(13) 및 실험(14) 결과를 참조하여 823 K의 등온 조건을 부과하였다 연소실 벽면의 경우 축열의 영향을 고려하여 복합 열전달 해석을 수행하였다.
이론/모형
지배방정식으로 연속방정식 비압축성 운동량 방정식, 에너지 방정식 그리고 메탄에 대한 화학종 방정식을 해석하였다 난류 모형으로는 Realizable k-ε 모형을 사용하였다 복사 모형으로는 선행연구를 통해 검증된(12) DO(Discrete Ordinate) Method 를 사용하였고 입력 값으로 theta, phi division 및 pixel을 각각 3과 2로 설정하였다 화학종 방정식에서는 메탄 공기 방법으로 - 2 Step 연소현상을 모사하였다 난류-화학반응 관계는 EDC(Eddy Diffusivity Concept)모형으로 고려하였다.
성능/효과
(1) 공기 예열기를 포함하여 고온 열교환기에 대한 수치해석을 수행한 결과 형상 개선으로 고온 열교환기로의 열전달량을 약 증가시킬 5.5% 수 있을 것으로 예측되었으나 수열부 윗면에서 음의 열유속이 관찰되었다.
(3) 가정용 열병합 발전은 마이크로 CHP(Combined Heat and Power)로 부르기도 하는데 기존의 공동 주택 규모의 열병합발전과 달리 소비자가 직접 선택하여 구매할 수 있고 소비자가 수요에 따라 에너지 생산을 조절할 수 있어 에너지 소비 형태를 합리적으로 이끌 것이라는 점을 보급 논리로 제시하고 있으며(4) 현재 영국 네덜란드 독일 등 서유럽국가들에서 가정용 보일러를 대체하는 기기로 보급되고 있다. (3) 가정용 열병합발전의 원동기(Prime mover)로는 내연기관이 가장 먼저 이용되었고(5) 최근 연료전지나 스털링엔진이 상용화되었다.(1,3,6) 2007년에 발표된 같은 조건에서 내연기관과 스털링 엔진 기반 시스템의 성능시험 결과에 따르면 열회수를 고려한 종합효율은 스털링엔진 시스템이 높았으나 발전효율은 내연기관에 미치지 못하여(3) 스털링 엔진 시스템의 약점으로 지적되었다.
(3) 배가스 온도와 연소실 벽면 온도를 분석한 결과 배가스 온도는 고온 열교환기 표면 온도를상회하였으나 연소실 벽면온도는 90 K까지 낮게 분포하여 복사 효과에 의해 음의 열유속이 나오는 것으로 해석되었다.
(3) 이상적인 사이클을 가정하여 고온부 온도와 출력을 예측한 결과 열교환기 형상 변경에 따라고온부 온도는 47 K까지 상승할 수 있고 출력은 6~9%까지 추가적으로 얻을 수 있을 것으로 예상되었다.
6 ).결과적으로 기존 형상에서는 음의 열유속이 관찰되지 않았으나 형상을 개선하면 을 지난 수열 Fin 부 윗면에서 음의 열유속이 발생하는 것이 예측되었다.
공기예열을 고려할 경우 연소실 벽면 온도가 감소하지만 공기가 예열되어 연소 가스의 온도가 상승하는 효과가 나타나게 되는데 종합적으로 고온 열교환기로의 열 전달량을 정도 높일 것으로 예측되었다.
45 kW로 구해진다. 이를 종합해보면 개선된 고온 열교환기를 채택할 경우 고온부 온도를 최대 47 K까지 높일 수 있고 출력은 6~9% 증가시킬 것으로 예측되었다.
후속연구
의 표면 온도를 사이클 해석에서 얻은 로 823 K 고정하였으나 형상개선에 의해 열전달량이 증가할 경우 고온부 온도가 상승할 가능성이 있다. 따라서 스털링 엔진 열교환기의 실질적인 설계개선을 위해서는 열전달 촉진을 위한 형상 도출뿐 아니라 연결된 요소와의 상호작용 및 열역학적 사이클에 대한 고려가 함께 이루어져야 할 것이다.
앞서 언급한 형상최적화(9)는 고온 열교환기를 독립적으로 분리하여 이루어졌는데 이후에 추가적인 연구를 통하여 공기예열기를 계산에 포함할 경우 성능에 영향을 줄 수 있다는 것이 확인되었다.(10) Fig.
9에 보인 것과 같이 버너에 가까운 상류에서는 고온 열교환기에 열을 전달하고 수열부를 지나서는 공기를 예열하는 것으로 파악할 수 있다 따라서 .효율적인 공기예열을 위해서는 출구 부분의 단열 두께를 줄이는 것을 설계 개선안으로 고려해 볼 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스털링 엔진의 고온 열교환기의 열전달을 촉진시키는 방법은 무엇인가?
2(a)에 제시된 것처럼 Serrated Fin이 설치되어 있다. 원형 Fin에 비해 Serrated Fin은 다양한 기하학적인 변수를 포함하고 있어 이를 최적화함으로써 열전달을 촉진시킬수 있다 선행 연구로서의 높이 방향 개수,길이 부착 각도에 대하여 수치해석을 수행하여 각각의 변수에 대한 최적값을 제시하였다.(9) 본 연구에서는 이를 모두 반영하여 와 같이 Fig.
가정용 열병합발전의 원동기에는 무엇이 사용되었는가?
(3) 가정용 열병합 발전은 마이크로 CHP(Combined Heat and Power)로 부르기도 하는데 기존의 공동 주택 규모의 열병합발전과 달리 소비자가 직접 선택하여 구매할 수 있고 소비자가 수요에 따라 에너지 생산을 조절할 수 있어 에너지 소비 형태를 합리적으로 이끌 것이라는 점을 보급 논리로 제시하고 있으며(4) 현재 영국 네덜란드 독일 등 서유럽국가들에서 가정용 보일러를 대체하는 기기로 보급되고 있다. (3) 가정용 열병합발전의 원동기(Prime mover)로는 내연기관이 가장 먼저 이용되었고(5) 최근 연료전지나 스털링엔진이 상용화되었다.(1,3,6) 2007년에 발표된 같은 조건에서 내연기관과 스털링 엔진 기반 시스템의 성능시험 결과에 따르면 열회수를 고려한 종합효율은 스털링엔진 시스템이 높았으나 발전효율은 내연기관에 미치지 못하여(3) 스털링 엔진 시스템의 약점으로 지적되었다.
고온 열교환기의 설계 개선으로 기대할 수 있는 효과는 무엇인가?
45 kW로 구해진다. 이를 종합해보면 개선된 고온 열교환기를 채택할 경우 고온부 온도를 최대 47 K까지 높일 수 있고 출력은 6~9% 증가시킬 것으로 예측되었다.
참고문헌 (14)
Kuhn V., Klemens, J. and Bulatov, I., 2008, "Micro CHP: Overview of Selected Technologies, Products and Field Test Results," Applied Thermal Eng., Vol. 28, pp. 2039-2048.
Kang, B. H., Yun, C. H. and Ahn, J., 2013, "Impact of Residential CHP Systems on Greenhouse Gas Emissions in Korea," Korean J. Air- Cond. Refrig., Vol. 25, pp. 555-561.
Thomas, B., 2008, "Benchmark Testing of Micro-CHP Units," Applied Thermal Eng., Vol. 28, pp. 2049-2054.
Peacock, A. D. and Newbrough, M., 2005, "Impact of Micro-CHP Systems on Domestic Sector $CO_2$ Emissions," Applied Thermal Energy, Vol. 25, pp. 2653-2676.
Voorspools, K. R. and D'haeseleer, W. D., 2002, "The Evaluation of Small Cogeneration for Residential Heating," Int. J. Energy Research, Vol. 26, pp. 1175-1190.
De Paepe, M., D'Herdt, P. and Mertens, D., 2006, "Micro-CHP Systems for Residential Applications," Energy Conversion and Management, Vol. 47, pp. 3435-3446.
Thombare, D. G. and Verma, S. K., 2008, "Technological Development in the Stirling Cycle Engines," Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 12, pp. 1-38.
Mujeebu, M. A., Abdullah, M. Z., Barkar, M. Z. A., Mohamad, A. A. and Abdullah, M. K., 2009, "Applications of Porous Media Combustion Technology: a Review," Applied Energy, Vol. 86, pp. 1365-1375.
Kang, S. H., Kim, H. J. and Chung, D. H., 2011, "Numerical Analysis to Design High Temperature Heat Exchanger of Beta Type Stirling Engine in 3-D Combustion Field," Trans. KSCFE, Vol. 16, pp. 55-61.
Kim, H. J., Lee, Y. S. and Ahn, J., 2013, "Combustion Simulation of 1kW Class LNG Stirling Engine CHP System Considering Heat Recovery," Int. J. Air-Cond. Refrig., Vol. 21, pp. 1350007.
Ahn, J. and Kim, S.Y., 2016, "Performance of Novel High Temperature Heat Exchanger for 1 kW Class Stirling Engine Considering Heat Recovery," Int. J. Air-Cond. Refrig., Vol. 24, No. 1, 1650007.
Ahn, J., Lee, Y. S. and Kim, H. J., 2011, "CFD Study on the Combustion Chamber of a 1 kW Class Stirling Engine," Trans. KSCFE, Vol. 16, pp. 88-94.
Hong, Y.-J., Ko, J.-S. and Park, S.-J., 2009, "The Cycle Analysis of the 1 kW Class Free- Piston Stirling Engine for Micro CHP," Proc. KSME Fall Annual Meeting, pp. 1872-1876.
Ahn, J., Lee, Y. S. and Kim, H. J., 2012, "Combustion Characteristics of a Premixed Burner in a Stirling Engine for a Domestic Cogeneration System," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 36, pp. 211-216.
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