전기와 천연가스와 같이 안정적이며 신뢰할 수 있는 에너지를 현대 사회가 요구하기 때문에 재생에너지와 화석연료의 장점들을 모두 보유하고 있는 다양한 방식의 태양열 하이브리드 공정들이 세계 각국에서 개발되고 있다. 특히 고체 입자에 태양열을 저장하는 유동층 기반의 태양열 하이브리드 공정은 기존의 유동층 연소 및 가스화에 적용할 수 있을 것으로 기대받고 있다. 이에 본 연구에서는 ASTM D5757 반응기와 0.14 m의 직경과 2 m 높이의 유동층 반응기를 이용하여 태양열 하이브리드 공정의 유동층물질로서 검토되고 있는 실리콘 카바이드, 알루미나 입자들의 마모 및 열전달 특성을 고찰하였다. 특히 다양한 상업 유동층 반응기에서 유동층물질로 이용되는 모래와 비교하였다. 실리콘카바이드와 알루미나의 내마모성은 모래보다 우수하였으며 평균 열전달 계수도 125 ~ 152 W m-2K-1 범위를 가지는 것으로 고찰되었다.
전기와 천연가스와 같이 안정적이며 신뢰할 수 있는 에너지를 현대 사회가 요구하기 때문에 재생에너지와 화석연료의 장점들을 모두 보유하고 있는 다양한 방식의 태양열 하이브리드 공정들이 세계 각국에서 개발되고 있다. 특히 고체 입자에 태양열을 저장하는 유동층 기반의 태양열 하이브리드 공정은 기존의 유동층 연소 및 가스화에 적용할 수 있을 것으로 기대받고 있다. 이에 본 연구에서는 ASTM D5757 반응기와 0.14 m의 직경과 2 m 높이의 유동층 반응기를 이용하여 태양열 하이브리드 공정의 유동층물질로서 검토되고 있는 실리콘 카바이드, 알루미나 입자들의 마모 및 열전달 특성을 고찰하였다. 특히 다양한 상업 유동층 반응기에서 유동층물질로 이용되는 모래와 비교하였다. 실리콘카바이드와 알루미나의 내마모성은 모래보다 우수하였으며 평균 열전달 계수도 125 ~ 152 W m-2K-1 범위를 가지는 것으로 고찰되었다.
Various solar hybrid energy conversion processes, which have both the advantages of renewable energy sources and fossil energy sources, have been developed in the world because stable and predictable energy supplies, such as electricity and natural gas, are necessary for modern societies. In particu...
Various solar hybrid energy conversion processes, which have both the advantages of renewable energy sources and fossil energy sources, have been developed in the world because stable and predictable energy supplies, such as electricity and natural gas, are necessary for modern societies. In particular, a solar hybrid energy conversion process based on a dual fluidized bed process concept has been expected as the promising solution for sustainable energy supply via thermochemical conversions, such as pyrolysis, combustion, gasification, and so on, because solar thermal energy could be captured and stored in fluidized bed materials. Therefore, the attrition and heat transfer characteristics of silicon carbide and alumina particles used for fluidized bed materials for the solar hybrid energy conversion process were studied in an ASTM D5757 reactor and a bubbling fluidized bed reactor with 0.14m diameter and 2m height. These characteristics of novel fluidized bed materials were compared with those of sand particles which have widely been used as a fluidized bed material in various commercial fluidized bed reactors. The attrition resistances of silicon carbide and alumina particles were higher than those of sand particles while the average values of heat transfer coefficient in the bubbling fluidized bed reactor were in the range of 125 ~ 152 W m-2K-1.
Various solar hybrid energy conversion processes, which have both the advantages of renewable energy sources and fossil energy sources, have been developed in the world because stable and predictable energy supplies, such as electricity and natural gas, are necessary for modern societies. In particular, a solar hybrid energy conversion process based on a dual fluidized bed process concept has been expected as the promising solution for sustainable energy supply via thermochemical conversions, such as pyrolysis, combustion, gasification, and so on, because solar thermal energy could be captured and stored in fluidized bed materials. Therefore, the attrition and heat transfer characteristics of silicon carbide and alumina particles used for fluidized bed materials for the solar hybrid energy conversion process were studied in an ASTM D5757 reactor and a bubbling fluidized bed reactor with 0.14m diameter and 2m height. These characteristics of novel fluidized bed materials were compared with those of sand particles which have widely been used as a fluidized bed material in various commercial fluidized bed reactors. The attrition resistances of silicon carbide and alumina particles were higher than those of sand particles while the average values of heat transfer coefficient in the bubbling fluidized bed reactor were in the range of 125 ~ 152 W m-2K-1.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
고체 입자들의 입도 변화를 야기시키는 입자들의 충돌과 분쇄 영향을 고찰하기 위하여 본 연구에서는 상용 순환유동층의 모래와 동일한 입도(200 ~ 300 µm)를 가지는 실리콘카바이드와 알루미나 산화물을 이용하여 실험하였다.
이에 본 연구에서는 유동층 물질로서의 적합도를 평가하고 설계에 필요한 실리콘카바이드, 알루미나 산화물의 마모 및 열전달 계수를 ASTM D5757 반응기와 기포유동층 반응기를 이용하여 측정하였다. 또한 기존의 모래와의 비교를 통해 유동층 공정의 응용 가능성을 검토하였으며 신개념의 공정 설계에 필요한 설계 인자를 확보하였다.
제안 방법
각각의 실험에서 비산회재는 1시간 단위로 측정되었으며 실험이 끝난 후, 삼각 플라스크와 팀블 필터에 포집된 비산회재와 마모관에 남아있는 고체의 입도를 sieve shaker (0 ~ 75, 75 ~ 106, 106 ~ 212, 212 ~ 500, 500 ~ 1,000 µm)를 이용하여 입자의 마모에 따른 입도 변화를 측정하였으며 모래 입자와의 비교를 통해 실리콘카바이드와 알루미나 산화물의 내마모성을 확인하였다[17].
17 m s-1 (기체 유량 : 10 L min-1)로 고정하였다. 마모 특성을 고찰하기 위한 입자층의 무게는 50 g으로 하였으며, 반응기 하부에서 공기를 정해진 유속에 따라 수직으로 주입하여 5시간 동안 운전하며 마모 특성을 실험하였다. 각각의 실험에서 비산회재는 1시간 단위로 측정되었으며 실험이 끝난 후, 삼각 플라스크와 팀블 필터에 포집된 비산회재와 마모관에 남아있는 고체의 입도를 sieve shaker (0 ~ 75, 75 ~ 106, 106 ~ 212, 212 ~ 500, 500 ~ 1,000 µm)를 이용하여 입자의 마모에 따른 입도 변화를 측정하였으며 모래 입자와의 비교를 통해 실리콘카바이드와 알루미나 산화물의 내마모성을 확인하였다[17].
총괄열전달 계수 U, 전열관의 내부열전달 계수 hi, 전열관의 열전도도를 이용하여 유동층 내에서의 열전달 계수 ho를 구한다(Equation (2)). 본 연구에서는 반응기 하부에서부터 2번째(150 mm 높이) 전열관에서 열전달 계수를 측정하였다.
그림에서 보듯이 열전달 측정 프로브는 총 6개로 수평 열전달 측정 프로브 4개, 수직 열전달 측정 프로브 1개 그리고 bed-to-wall 열전달 측정 프로브로 1개로 이루어져있다. 수평 열전달 측정 프로브는 분산판을 기준으로 50 mm, 150 mm, 250 mm, 350 mm 높이에 설치하였고 각 프로브 하단 10 mm 지점에 온도계를 설치하여 반응기 부위별 온도 구배를 확인하고 또 열전달 계수를 구할때 베드 온도로 사용하였다. 또한 bed-to-wall 측정 프로브는 분산판 기점으로 450 mm 높이에 설치되었고 프로브 측정표면에서 1 cm 떨어진 곳에도 온도계를 설치하였다.
열전달 계수 측정을 위해 기포 유동층 반응기 내부에서 전열관으로 전달되는 열량(Q)을 열전달 계수 측정 전열관으로 들어가는 물의 입출구 온도와 냉각수의 유입량으로 계산한다. 우선 Tbed를 이용하여 총괄열전달 계수, U를 Equation (1) 을 이용하여 구한다.
유동층에서의 열전달 특성을 고찰하기 위하여 본 연구에서는 기포 유동층 반응기를 이용하였으며 이의 전체적인 개략도를 Figure 2에 나타내었다. 기포유동층 반응기(반응기 직경은 0.
순환유동층 또는 이중 유동층의 태양열 흡수 영역은 고체 입자들이 포집되어 상승관으로 주입되기 전인 싸이클론 하단부터 loop-seal 사이에 존재하게 되며 이들 영역은 기포 유동층 정도의 기체 유속에서 조업되고 있다. 이에 본 연구에서는 Figure 7에서 보듯이 2 ~ 4 Umf의 유속 범위에서 열전달 실험을 수행하였다. 실제 실험 유량은 최소유동화속도 차이 때문에 39.
그러나 실리콘카바이드, 알루미나 산화물의 유동층 공정 적용을 위한 입자의 마모, 열전달 특성 자료는 태양열 하이브리드 공정의 개발에 필요하다. 이에 본 연구에서는 유동층 물질로서의 적합도를 평가하고 설계에 필요한 실리콘카바이드, 알루미나 산화물의 마모 및 열전달 계수를 ASTM D5757 반응기와 기포유동층 반응기를 이용하여 측정하였다. 또한 기존의 모래와의 비교를 통해 유동층 공정의 응용 가능성을 검토하였으며 신개념의 공정 설계에 필요한 설계 인자를 확보하였다.
태양열 하이브리드 공정에서 사용할 입자들의 열전달 특성을 고찰하고 총괄열전달 계수를 측정하기 위하여 본 연구에서는 Figure 2와 같은 기포 유동층 반응기에 열전달을 측정할 수 있는 실험 설비를 구축하여 이용하였다. 순환유동층 또는 이중 유동층의 태양열 흡수 영역은 고체 입자들이 포집되어 상승관으로 주입되기 전인 싸이클론 하단부터 loop-seal 사이에 존재하게 되며 이들 영역은 기포 유동층 정도의 기체 유속에서 조업되고 있다.
태양열 하이브리드 공정에서 열저장 매체로서 검토되고 있는 실리콘카바이드와 알루미나 산화물의 입자의 마모 및 열전달 계수를 ASTM D5757 반응기와 기포 유동층 반응기를 통해서 고찰하였고 모래와의 비교를 통해서 유동층 공정의 이용가능성을 분석하였다. 실리콘카바이드와 알루미나 산화물의 내마모도는 모래보다 우수하여 입도 변화폭도 8% 이내로 나타나 유동층 공정에 적합한 것으로 나타났다.
이론/모형
017 m)로 3개가 설치되어있다. 반응기의 기체 유속은 ASTM D 5757-95의 규정에 따라 0.17 m s-1 (기체 유량 : 10 L min-1)로 고정하였다. 마모 특성을 고찰하기 위한 입자층의 무게는 50 g으로 하였으며, 반응기 하부에서 공기를 정해진 유속에 따라 수직으로 주입하여 5시간 동안 운전하며 마모 특성을 실험하였다.
유동층 기반의 태양열 하이브리드 공정에서 실리콘카바이드와 알루미나 산화물의 입도 변화를 고찰하고 상업 유동층 및 순환유동층 설비에서 이용되는 모래와의 비교를 위하여 본 연구에서는 입자 마모도 측정에 이용되는 ASTM D5757 반응기를 이용하였으며 설치된 반응기는 Figure 1과 같다. ASTM D 5757-95 반응기는 내경 0.
성능/효과
이에 기체 유속 변화에 따른 열전달 계수값의 변화를 고찰하여 Figure 8에 나타내었다. 기체 유속이 증가함에 따라서 모든 입자들에서 열전달 계수값이 증가하였으며 모래와 비교하여 큰 차이를 나타내지 않고 있어 태양열 하이브리드 공정 설계 시에 모래를 기반으로 설계하여도 열전달 측면에서는 큰 문제가 발생하지 않음을 알 수 있다. 즉 동일한 기체 유속비에서는 열전달 계수가 큰 차이를 나타내지는 않았으나 열용량이 큰 알루미나 입자의 경우 상대적으로 높은 132 ~ 152 W m-2K-1의 열전달 계수값을 가지고 있음을 확인하였다.
또한 이들 입자의 밀도가 모래보다 높아 최소 유동화 속도도 높음을 유추할 수 있다. 더불어 입자의 열용량이 크고 열전도도도 모래보다 우수하여 태양열 흡수에 보다 유리하다. 입자의 구형도는 Figure 3에서 보듯이 모래와 비슷하기 때문에 0.
모래의 평균입도는 257 µm에서 235 µm까지 변하였으나 실리콘카바이드, 알루미나 산화물은 모래보다 평균 입도 감소폭이 작았으며 알루미나 산화물의 입도 변화가 6%였으며 실리콘카바이드의 입도변화도 8% 내로 나타났다. 따라서 상용순환유동층에서 층물질로 사용되는 모래와 비교하여, 실리콘카바이드, 알루미나 산화물의 순환유동층 또는 이중 유동층 적용은 입자 마모 측면에서 큰 문제가 되지 않을 것으로 나타났다. 순환유동층 연소로에서 이용되는 석회석은 상대적으로 마모에 취약하여 미세한 입자를 많이 발생시키고 입도 변화폭도 높아 설계값과 동일한 유동층 상태를 유지하기 위해서는 큰 입도를 가진 입자들의 추가 주입과 같은 운전이 필요하다[17].
실리콘카바이드와 알루미나 산화물의 내마모도는 모래보다 우수하여 입도 변화폭도 8% 이내로 나타나 유동층 공정에 적합한 것으로 나타났다. 또한 기포 유동층 영역에서의 열전달 계수도 모래와 비슷하거나 우수하였고 열전달 계수값이 125 ~ 152 W m-2K-1였다. 따라서 순환 유동층 또는 이중 유동층 기반의 태양열 하이브리드 공정에서 태양열을 저장함과 동시에 유동층 매체로서 실리콘카바이드와 알루미나 산화물은 모래를 대체할 수 있으며 보다 우수한 성능을 가질 것으로 예상된다.
모래의 평균입도는 257 µm에서 235 µm까지 변하였으나 실리콘카바이드, 알루미나 산화물은 모래보다 평균 입도 감소폭이 작았으며 알루미나 산화물의 입도 변화가 6%였으며 실리콘카바이드의 입도변화도 8% 내로 나타났다.
태양열 하이브리드 공정에서 열저장 매체로서 검토되고 있는 실리콘카바이드와 알루미나 산화물의 입자의 마모 및 열전달 계수를 ASTM D5757 반응기와 기포 유동층 반응기를 통해서 고찰하였고 모래와의 비교를 통해서 유동층 공정의 이용가능성을 분석하였다. 실리콘카바이드와 알루미나 산화물의 내마모도는 모래보다 우수하여 입도 변화폭도 8% 이내로 나타나 유동층 공정에 적합한 것으로 나타났다. 또한 기포 유동층 영역에서의 열전달 계수도 모래와 비슷하거나 우수하였고 열전달 계수값이 125 ~ 152 W m-2K-1였다.
순환유동층 연소로에서 이용되는 석회석은 상대적으로 마모에 취약하여 미세한 입자를 많이 발생시키고 입도 변화폭도 높아 설계값과 동일한 유동층 상태를 유지하기 위해서는 큰 입도를 가진 입자들의 추가 주입과 같은 운전이 필요하다[17]. 이에 비해 실리콘카바이드나 알루미나 산화물은 높은 평균 입도를 가지는 입자들의 추가 주입 없이 태양열 하이브리드 공정에서 충분히 이용할 수 있을 것으로 예측되었다. 또한 평균 입도 감소폭도 낮아 설계값에서 예측한 운전 결과와 유사한 운전 결과를 태양열 하이브리드 반응기에서도 충분히 확보할 수 있을 것이다.
기체 유속이 증가함에 따라서 모든 입자들에서 열전달 계수값이 증가하였으며 모래와 비교하여 큰 차이를 나타내지 않고 있어 태양열 하이브리드 공정 설계 시에 모래를 기반으로 설계하여도 열전달 측면에서는 큰 문제가 발생하지 않음을 알 수 있다. 즉 동일한 기체 유속비에서는 열전달 계수가 큰 차이를 나타내지는 않았으나 열용량이 큰 알루미나 입자의 경우 상대적으로 높은 132 ~ 152 W m-2K-1의 열전달 계수값을 가지고 있음을 확인하였다. 결론적으로 상용 설비에서 많이 이용되는 모래를 태양열 저장을 위해 실리콘카바이드와 알루미나 산화물 입자들로 대체하여도 순환유동층 또는 이중 유동층 운전에 큰 문제가 없을
후속연구
이에 비해 실리콘카바이드나 알루미나 산화물은 높은 평균 입도를 가지는 입자들의 추가 주입 없이 태양열 하이브리드 공정에서 충분히 이용할 수 있을 것으로 예측되었다. 또한 평균 입도 감소폭도 낮아 설계값에서 예측한 운전 결과와 유사한 운전 결과를 태양열 하이브리드 반응기에서도 충분히 확보할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전력 시장에서 재생에너지의 확대를 가로막는 요인들은 무엇이 있는가?
또 다른 방법은 지속가능하며 환경에 거의 무해한 재생에너지 자원들을 기존의 화석 자원들의 에너지 전환 설비에서 이용하도록 연계하는 것이다. 전력 시장에서 재생에너지의 확대를 가로막는 요인들은 전력 생산 비용의 증가로 인한 전기 요금의 상승, 기후 조건의 의존에 따른 간헐적이며 단기간의 전력 생산, 전력 생산량의 변동 폭 증대 등이다. 이와 같은 단점들을 해결하는 방법으로 재생에너지와 대용량 전력 저장을 연계하고 있으나 아직까지 유틸리티 규모의 대용량 전력 저장은 불가능한 상황이다.
화석자원들을 주로 이용하는 방법은?
화석자원들을 주로 이용하는 방법은 연소를 통해 열을 이용하거나 전기로 전환하여 이용하는 것이다. 2000년대에 들어서 온실가스를 포함한 대기 오염 물질들의 배출 저감, 화석 자원들의 고갈에 대한 두려움 극복을 달성하는 현실적인 방법들 중의 하나로서 원자력에 대한 관심이 증가하였다.
태양열 하이브리드 공정에서 열저장 매체로서 검토되고 있는 실리콘카바이드와 알루미나 산화물의 입자의 마모 및 열전달 계수를 ASTM D5757 반응기와 기포 유동층 반응기를 통해서 고찰하였고 모래와의 비교를 통해서 유동층 공정의 이용가능성을 분석한 연구의 결과는?
태양열 하이브리드 공정에서 열저장 매체로서 검토되고 있는 실리콘카바이드와 알루미나 산화물의 입자의 마모 및 열전달 계수를 ASTM D5757 반응기와 기포 유동층 반응기를 통해서 고찰하였고 모래와의 비교를 통해서 유동층 공정의 이용가능성을 분석하였다. 실리콘카바이드와 알루미나 산화물의 내마모도는 모래보다 우수하여 입도 변화폭도 8% 이내로 나타나 유동층 공정에 적합한 것으로 나타났다. 또한 기포 유동층 영역에서의 열전달 계수도 모래와 비슷하거나 우수하였고 열전달 계수값이 125 ~ 152 W m-2K-1였다. 따라서 순환 유동층 또는 이중 유동층 기반의 태양열 하이브리드 공정에서 태양열을 저장함과 동시에 유동층 매체로서 실리콘카바이드와 알루미나 산화물은 모래를 대체할 수 있으며 보다 우수한 성능을 가질 것으로 예상된다.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.