[논문]태양열 계간 축열조 내부 열성층화에 대한 탱크 종횡비 영향 연구

김성근; 정성용

doi:10.5407/jksv.2020.18.2.028

태양열 계간 축열조 내부 열성층화에 대한 탱크 종횡비 영향 연구
Effect of an aspect ratio on thermal stratification in a solar seasonal thermal storage tank 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.18 no.2, 2020년, pp.28 - 34

김성근 (Department of Mechanical Engineering, Chosun University) , 정성용 (Department of Mechanical Engineering, Chosun University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we numerically investigated the thermal stratification in solar seasonal thermal storage tanks. The vertical in/out flows were unsuitable for the thermal stratification in a large scale. The effect of an aspect ratio (AR) on the thermal stratification was investigated. When AR was less than 2, water adheres and flows along the upper wall due to buoyance and the surface effect. Thereafter, hot water flows down and a large scale vortex occurs in entire tank. For high AR, jet flows ejected from the inlet pipe impinges to the opposite wall and splits. The divided flows create two vortex flows in the upper and lower regions. These different flows strongly influence temperature and thermal stratification. The thermal stratification was evaluated in terms of the thermocline thickness and degree of stratification. Compared to ARs, the maximum degree of stratification was obtained with AR of 5 having the minimum thermocline thickness.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. The drawing of the simulated thermal storage tank
그림 Fig. 2. Comparison of temperature fields when in/out fluids flow along horizontal (left) and vertical (right) directions (H/D = 3)
그림 Fig. 3. Effect of aspect ratio on temperature contours
표 Table 1. Dimensions of the thermal storage tank
그림 Fig. 4. Velocity contours and vectors with various aspect ratios
그림 Fig. 5. Typical temperature profile in a stratified thermal storage tank
그림 Fig. 6. Normalized temperature profiles along the tank centerline height
그림 Fig. 7. Comparison of thermocline thickness and degree of stratification

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 종횡비 영향을 알아보기 위하여 태양열 계간 축열조 내 열성층화에 대하여 수치해석적 연구를 수행하였다. 소형 축열조와 달리 대형 축열조가 사용되는 계간 축열조에서는 수직방향 유/출입 유동은 성층화 형성에 적합하지 않음을 확인하였다.
본 연구에서는 계간 축열용 탱크의 효율성을 높이기 위하여 축열조 종횡비에 따른 열 성층화를 비교하였다. 축열조 내부 열 성층화 분석을 위하여 유동 해석 시뮬레이션을 수행하고 열 성층화도를 종횡비에 따라서 정량적으로 비교하였다.
앞에서 살펴본 바와 같이 다양한 연구들이 열 저장탱크의 효율을 높이기 위하여 수행되었다. 특히, 열 성층화는 탱크의 종횡비, 주변으로의 열 손실, 입구와 출구 유동에 의한 혼합 등과 같은 많은 요인에 의해 영향을 받는다는 것이 알려져 있다.
⁽⁶⁾ Sagh와 Lakzian는 엔트로피 생성 축소를 통해 슬로싱 현상에 사용되는 직사각형 저장 탱크를 최적화하였으며,⁽⁷⁾ 최근 Ali el al.은 태양 에너지 응용 분야에서 열 유체의 효과와 열 에너지 저장 탱크 설계를 연구했다.⁽⁸⁾
, USA)를 사용하였다. 형상변화에 의한 열 성층화 경향성 분석에는 2차원 유동 해석으로도 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있다고 알려져 있어,⁽⁹⁾ 본 연구에서는 계산 시간을 줄이기 위하여 2차원 해석을 수행하였다. 축열조 내부 유동 해석의 지배방정식은 아래의 연속방정식, 운동량 방정식 및 에너지 방정식이다.

제안 방법

종횡 비를 변경하면서 transient 해석을 진행하였으며 종횡 비 변화에 따른 탱크의 크기는 Table 1에 나타내었다. Base 모델과 부피가 같도록 하여 동일한 저장 용량을 가질 수 있도록 종횡비에 따른 저장 탱크의 폭과 높이를 결정하였다.
TH와 TC는 각각 고온과 저온 영역의 온도를 나타나며, ΔTref는 해석에 사용된 입구온도와 초기온도 차로 구하였다.
성층화로 인하여 탱크 내에 온수와 냉수의 서로 다른 온도 영역이 발생하며, 고온과 저온 영역의 사이에 중간 층인 천이 영역(thermocline)이 생긴다. 본 연구에서는 성층화 정도를 평가하기 위하여 일반적으로 성층화 정량화에 사용하는 두 가지 변수인 성층 두께와 성층도를 이용하였다. 무차원화 된 성층 두께 (h*)는 아래 식(4)을 사용하여 정량화 하였다.
입구와 출구 방향의 영향을 확인하기 위하여 Fig. 1에 파란 점선으로 표시된 탱크 상단과 하단의 가운데에 입구와 출구가 위치한 종횡 비 3을 가지는 탱크에 대하여 추가 해석을 진행하였다. Fig.
0503 m/s, 온도 343 K를 설정하였다. 초기 조건은 온도 298 K으로 설정하고 출구 경계조건은 2.57868 kg/s 질량 유속과 대기압력 조건을 설정하였다. 종횡 비를 변경하면서 transient 해석을 진행하였으며 종횡 비 변화에 따른 탱크의 크기는 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서는 계간 축열용 탱크의 효율성을 높이기 위하여 축열조 종횡비에 따른 열 성층화를 비교하였다. 축열조 내부 열 성층화 분석을 위하여 유동 해석 시뮬레이션을 수행하고 열 성층화도를 종횡비에 따라서 정량적으로 비교하였다.
측정점의 위치에 따라 온도 값이 다르기 때문에 측정점의 위치가 성층도 값의 차이를 유발 시킬 수 있지만, 일반적으로 평가에 사용되는 저장 탱크의 중앙부분 온도 분포를 이용하여 성층화를 비교 평가하였다. 탱크의 가운데 부분에서 높이에 따른 온도를 Fig.
해석은 전남 농업기술원에 파일럿 테스트 중인 계간 축열용 탱크를 base model로 하여 종횡비를 변화시키며 열 성층화를 비교하였다. Base model은 Fig.

대상 데이터

15H 거리에 위치하였다. 작동 유체는 물을 사용하였으며 입구 경계 조건으로 유속 0.0503 m/s, 온도 343 K를 설정하였다. 초기 조건은 온도 298 K으로 설정하고 출구 경계조건은 2.

이론/모형

와 k는 각각 정압 비열 및 열전도도이다. 난류 모델은 Spalart-Allmaras 모델을 사용하였으며, Momentum과 Turbulent Viscosity 및 에너지 방정식은 2차 상향식을 사용하였다.
열 저장탱크의 모델링 및 유동 해석은 Fluent(Ansys, Inc., USA)를 사용하였다. 형상변화에 의한 열 성층화 경향성 분석에는 2차원 유동 해석으로도 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있다고 알려져 있어,⁽⁹⁾ 본 연구에서는 계산 시간을 줄이기 위하여 2차원 해석을 수행하였다.

성능/효과

Bonanos와 Votyakov는 열 저장 탱크 높이와 주입구의 재료 특성이 열 성층화에 영향이 있음을 발견하였다.⁽³⁾ Erdemir와 Altuntop은 저장 탱크 내부에 장애물을 수직으로 설치하면 열 성층화의 개선에 도움이 되는 것을 확인하였다.⁽⁴⁾ Gandhi et al.
08을 보인다. 대형 탱크를 사용하는 계간 축열조는 온도 성층화에 의해서 이용가능한 유효 에너지를 크게 높일 수 있으며 Fig. 6과 Fig. 7의 결과로부터 역온도 구배가 발생하지 않도록 종횡비를 3보다 크게 설계하여야 하며, 본 연구에서 비교한 종횡비 범위에서는 종횡비 5에서 성층도를 최대로 만들 수 있다는 것을 알 수 있다. 다만, 종횡비가 커짐에 따라 축열조 설치에 들어가는 비용이 증가하기에 이에 대한 고려도 필요하다.
이러한 유동 구조의 차이로 인하여 종횡비에 따라서 온도 분포가 달라지며, 낮은 종횡비 조건에서는 바닥면에 역온도 구배가 발생하였다. 성층 두께와 성층도로부터 성층화를 정량적으로 비교하였으며, 성층 두께와 성층도는 종횡비의 영향을 크게 받는 것을 확인하였다. 성층도와 성층 두께는 종횡비에 따라 상반되는 경향성을 가지며, 종횡비가 5일 때 최대 성층도 값을 나타낸다.
본 논문에서는 종횡비 영향을 알아보기 위하여 태양열 계간 축열조 내 열성층화에 대하여 수치해석적 연구를 수행하였다. 소형 축열조와 달리 대형 축열조가 사용되는 계간 축열조에서는 수직방향 유/출입 유동은 성층화 형성에 적합하지 않음을 확인하였다. 낮은 종횡비와 높은 종횡비에서 탱크 내부의 전체 유동이 달라지며, 낮은 종횡비 탱크에서는 탱크 내부 전영역에서 와류가 발생하지만 높은 종횡비 탱크에서는 탱크 상부와 하부 각각에 와류가 발생되었다.

후속연구

본 연구에서 실질적인 설치비를 고려하여 종횡비를 5까지만 고려하였지만, 종횡비를 5보다 크게 증가시켜도 성층도는 계속 증가하지 않으며 추가 연구를 통하여 최대 성층도를 갖는 최적의 종횡비에 대한 검토가 필요하다. 또한 본 논문에서는 해석 시간을 고려하여 2차원 유동 해석을 수행하였지만 온도 분포와 성층화에 영향을 미치는 혼합이나 역류와 같은 자세한 유동 구조는 관찰이 어렵다는 한계가 있어 3차원 유동 해석이나 실험을 통한 보다 자세한 추후 연구가 필요하다.
본 연구에서 실질적인 설치비를 고려하여 종횡비를 5까지만 고려하였지만, 종횡비를 5보다 크게 증가시켜도 성층도는 계속 증가하지 않으며 추가 연구를 통하여 최대 성층도를 갖는 최적의 종횡비에 대한 검토가 필요하다. 또한 본 논문에서는 해석 시간을 고려하여 2차원 유동 해석을 수행하였지만 온도 분포와 성층화에 영향을 미치는 혼합이나 역류와 같은 자세한 유동 구조는 관찰이 어렵다는 한계가 있어 3차원 유동 해석이나 실험을 통한 보다 자세한 추후 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탱크 내부 열 성층화의 기본원리는 무엇인가?	특히, 에너지 생산과 수요 사이의 불균형 및 불규칙한 가용 에너지원이 존재하는 상황에서 열 성층화를 안정적으로 유지하는 것은 열저장 장치의 효율성을 향상시키기 위해 필수적이다. 탱크 내부 열 성층화의 기본원리는 고온으로 들어오는 물과 저온의 저장된 물의 혼합을 열적 부력을 이용하여 적절하게 감소시켜 온도의 성층화를 유지하도록 한다.
	태양열 축열조 내부 열성층화를 개선하여 장치의 효율을 높이기 위한 연구에는 어떠한 것들이 있는가?	(1,2) 태양열 축열조 내부 열성층화를 개선하여 열 저장 장치의 효율을 높이기 위하여 다양한 수치해석 연구가 수행되었다. Bonanos와 Votyakov는 열 저장 탱크 높이와 주입구의 재료 특성이 열 성층화에 영향이 있음을 발견하였다.(3) Erdemir와 Altuntop은 저장 탱크 내부에 장애물을 수직으로 설치하면 열 성층화의 개선에 도움이 되는 것을 확인하였다.(4) Gandhi et al.은 중앙 가열식 원통형 탱크의 유동 패턴과 온도를 평가하고 드래프트 튜브 핀의 크기 및 종횡비에 내부 유동의 혼합과 성층화가 크게 영향을 받는다고 보고하였다.(5) 또한, García-Marí et al.은 온수 유입구에 원추형 디퓨저를 사용하면 열 성층화를 촉진시킨다는 것을 보여주었다.(6) Sagh와 Lakzian는 엔트로피 생성 축소를 통해 슬로싱 현상에 사용되는 직사각형 저장 탱크를 최적화하였으며,(7) 최근 Ali el al.은 태양 에너지 응용 분야에서 열 유체의 효과와 열 에너지 저장 탱크 설계를 연구했다.(8)
	열 성층화는 어떠한 요인에 의해 영향을 받는가?	앞에서 살펴본 바와 같이 다양한 연구들이 열 저장탱크의 효율을 높이기 위하여 수행되었다. 특히, 열 성층화는 탱크의 종횡비, 주변으로의 열 손실, 입구와 출구 유동에 의한 혼합 등과 같은 많은 요인에 의해 영향을 받는다는 것이 알려져 있다. 하지만 기존의 연구들은 대부분 소형의 축열조를 대상으로 성층화를 연구한 결과로 대한민국과 같이 계절에 따라 에너지 생산과 수요 사이의 격차가 큰 지역에서 사용되는 계간 축열조에 적용하기에는 한계가 있다.

참고문헌 (10)

Loehrke, R.I., Holzer, J.C., Gari, H.N., Sharp, M.K., 1979, Stratification enhancement in liquid thermal storage tanks. J. of Energy, 3, 129-130.

상세보기
Pak, E.T., Hwang, S.I., Choi, Y.I., 1989, Experimental study on the thermal storage efficiency through variable porous mainfolds in a test storage tank. Solar energy, 9, 37-43.
Bonanos, A., Votyakov, E., 2016. Sensitivity analysis for thermocline thermal storage tank design. Renew. Energy 99, 764-771.

상세보기
Erdemir, D., Altuntop, N., 2016. Improved thermal stratification with obstacles placed inside the vertical mantled hot water tanks. Appl. Therm. Eng. 100, 20-29.

상세보기
Gandhi, M.S., Joshi, J.B., Nayak, A.K., Vijayan, P.K., 2013. Reduction in thermal stratification in two phase natural convection in rectangular tanks: {CFD} simulations and {PIV} measurements. Chem. Eng. Sci. 100, 300-325.

상세보기
Garcia-Mari, E., Gasque, M., Gutierrez-Colomer, R.P., Ibanez, F., Gonzalez-Altozano, P., 2013. A new inlet device that enhances thermal stratification during charging in a hot water storage tank. Appl. Therm. Eng. 61, 663-669.

상세보기
Saghi, H., Lakzian, E., 2017. Optimization of the rectangular storage tanks for the sloshing phenomena based on the entropy generation minimization. Energy 128, 564-574.

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Ali, T., Bakar, R.A., Sup, B.A., Zainudin, M.F., Ming, G.L., 2015. Study on thermal-fluid effect of thermal energy storage tank design in solar energy applications. Energy Proc. 68, 3-11.

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Bouhal, T., Fertahi, S., Agrouaz, Y., El Rhafiki, T., Kousksou, T., Jamil, A. 2017. Numerical modeling and optimization of thermal stratification in solar hot water storage tanks for domestic applications: CFD study. Solar Energy 157, 441-455.

상세보기
Pak, E.T., Seong, S.W., Jung, W.C., 1990, The extraction efficiency of hot water storage by thermal stratification enhancement, Proceeding of the KSES 1990 Autumn Annual Conference, 32-37.

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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