[논문]접시형 태양열 집광시스템용 흡수기의 자연대류 열손실 수치해석 연구

강명철; 강용혁; 김종규; 김진수; 유성연

문제 정의

그러나 각 형태에 따라 정확한 열손실을 계산하는데 어려움이 있다. 본 논문에서는 집광형 시스템에 적용할 흡수기의 열손실을 예측하기 위해 기존 제시된 모델을 이용하여 열손실을 계산하였으며 전산해석을 통하여 얻어진 결과와 비교하였고 동공에서 외부로의 유동 흐름을 예측하였다.

가설 설정

0을 사용하였다. 외기영역은 넓은 범위의 영역을 설정하여 흡수기는 영역의 중심에 위치하도록 하였고영역조건을 pressure-inlet 경계 조건으로 가정하였다. 실제 흡수기는 무한한 외기영역에 노출되어 있기 때문에 수치해석에서는 외부영역의 크기에 따라서 해석의 차이가 발생할 수 있다.
실제 흡수기는 무한한 외기영역에 노출되어 있기 때문에 수치해석에서는 외부영역의 크기에 따라서 해석의 차이가 발생할 수 있다. 그러므로 외부영역은 외기온도 조건을 갖는 충분히 큰 wall에 의해 둘러 쌓여있다고 가정해야 한다. 따라서 외기 영역을 결정하기 위해 외기 input 조건과 홉수기의 input 조건을 동일하게 가정한 경우 홉수기와 인접한 부근에서 작동유체와 열 흐름에 의한 영향이 무시될 수 있도록 외부영역의 크기를 결정하였다.

제안 방법

Taumoefolautl] 등은 태양열 집광기의 동공홉수기에서의 자연대류 열 손실을 평가하기 위해 흡수기 각도를 증가시키면서 실험을 수행하였다. 동공 흡수기에서의 자연 대류 열손실을 측정하기 위한 전기 가열용 흡수기를 제작하여 450~650'C의 온도범위에서 실험하였고 동공의 직경과 개구부 직경의 비를 이용하여 동공의 개방유무에 따른 열손실을 측정하였다. 그리고 Synthetic Schlieren 기술을 이용하여 동공에서 외기로의 유동패턴을 가시화하였다.
동공 흡수기에서의 자연 대류 열손실을 측정하기 위한 전기 가열용 흡수기를 제작하여 450~650'C의 온도범위에서 실험하였고 동공의 직경과 개구부 직경의 비를 이용하여 동공의 개방유무에 따른 열손실을 측정하였다. 그리고 Synthetic Schlieren 기술을 이용하여 동공에서 외기로의 유동패턴을 가시화하였다. 또한 CFD 상용프로그램을 이용한 대류 열손실의 수치모델링을 수행하였다.
그리고 Synthetic Schlieren 기술을 이용하여 동공에서 외기로의 유동패턴을 가시화하였다. 또한 CFD 상용프로그램을 이용한 대류 열손실의 수치모델링을 수행하였다.
Reyno Ids [4] 등은 사다리꼴 형태의동공 흡수기의 최적 설계를 목적으로 열손실 특성을 실험과 수치해석적인 방법으로수행하였다. 그리고 동공내의 유동흐름을 유동가시화 기술을 이용하여 획득하였다.
흡수기 성능을 판단할 때 자연대류 열손실은 중요한 요소이고 흡수기 각도의 변화에 따라 많은 영향을 미친다. 그러므로 자연대류 열손실을 판단하기 위해 홉수기 각도와 동공표면의 온도를 변화시키면서 열손실을 예측하였다.
을적용하였다. 그리고 동공 흡수기의 외부 표면은단열조건(flux=0)을 적용하였다.
흡수기 경사 각도가 0°, 10°, 20° , 30°,50', 70’에 대하여 제시된 모델에 의한 계산과전산해석을 수행하여 결과를 비교하였다. 제시된모델을 이용한 계산은 온도를 300~700笆로 변하시키면서 수행하여 온도의 영향을 살펴 보았다.
흡수기 경사 각도가 0°, 10°, 20° , 30°,50', 70’에 대하여 제시된 모델에 의한 계산과전산해석을 수행하여 결과를 비교하였다. 제시된모델을 이용한 계산은 온도를 300~700笆로 변하시키면서 수행하여 온도의 영향을 살펴 보았다. 흡수기의 동공에서 발생되는 자연대류 열손실을예측하기 위해 온도를 400℃ , 500℃ , 600“C로 변화시켜 온도 변화에 의한 열전달계수와 총열 손실량을 계산하였다.
제시된모델을 이용한 계산은 온도를 300~700笆로 변하시키면서 수행하여 온도의 영향을 살펴 보았다. 흡수기의 동공에서 발생되는 자연대류 열손실을예측하기 위해 온도를 400℃ , 500℃ , 600“C로 변화시켜 온도 변화에 의한 열전달계수와 총열 손실량을 계산하였다. 그리고 얻어진 값들을 기존 제시된 모델을 이용하여 얻어진 결과와 비교하였다.
그리고 얻어진 값들을 기존 제시된 모델을 이용하여 얻어진 결과와 비교하였다. 그리고 흡수기 표면의 온도를 400℃~60(TC로 증가하면서 동공 내부에서 외부로의 유동 현상과 온도분포를 예측하였다.
1 과 2는 수치해석을 통하여 얻은 열 손실의 결과를 보여준다. 작동온도는 400~600℃로 증가하면서 각도에 따른 열손실의 영향을 살펴 보았다. 그림에서 보이는 것처럼 각도가 증가할수록 열손실은 감소하고 작동온도의 변화에서는 거의 유사한 경향을 보였다.

데이터처리

동공에서의 자연대류 열손실을 2-D로 수치해석하기 위해 상용프로그램인 Fluent 6.0을 사용하였다. 외기영역은 넓은 범위의 영역을 설정하여 흡수기는 영역의 중심에 위치하도록 하였고영역조건을 pressure-inlet 경계 조건으로 가정하였다.
흡수기의 동공에서 발생되는 자연대류 열손실을예측하기 위해 온도를 400℃ , 500℃ , 600“C로 변화시켜 온도 변화에 의한 열전달계수와 총열 손실량을 계산하였다. 그리고 얻어진 값들을 기존 제시된 모델을 이용하여 얻어진 결과와 비교하였다. 그리고 흡수기 표면의 온도를 400℃~60(TC로 증가하면서 동공 내부에서 외부로의 유동 현상과 온도분포를 예측하였다.
Dish형 집광시스템에 사용되고 있는 동공 홉수기에서 발생되는 대류열손실을 예측하기 위해 기존 제시된 모델을 이용하여 열손실을 계산하였으며 전산해석을 통하여 얻어진 결과와 비교하였다. 본 연구에서 수행된 내용은 다음과 같다.

이론/모형

laminar, steady-state, 2-D 지배방정식을 해석하였고 운동량 방정식을 풀기 위해 자연대류유동에 있어 수렴 속도가 빠른 Boussinesq 모델을 적용하였다. 나머지 공기의 물성값은 온도에 대한 함수로 계산하여 입력하였다.

성능/효과

5는 수치해석의 결과와 유사한 Stine & McDonald 모델의 대류 열전달 계수를 비교한 그림이다. 전체적으로 수치해석 결과보다 대류 열전달계수가 작게 나타났다.
온도와 각도에 따라 발생되는 열손실은 온도가 증가함에 따라 열손실이 증가하고 각도 증가에 따라서는 급격하게 감소하는 경향을 보였다.또한 각도가 작은 경우 동공에서는 convect ion zone만 존재하므로 열손실량이 많아지고 각도가증가하면서 stagnation zone이 커지므로써 열손실량이 감소하는 결과를 볼 수 있었다.
따라서는 급격하게 감소하는 경향을 보였다.또한 각도가 작은 경우 동공에서는 convect ion zone만 존재하므로 열손실량이 많아지고 각도가증가하면서 stagnation zone이 커지므로써 열손실량이 감소하는 결과를 볼 수 있었다. 기존 제시된 모델과 비교하여 Stine & McDonald 모델과 상당히 일치하는 경향을 보였으나 각도가 큰 경우에는 차이가 나타났다.
또한 각도가 작은 경우 동공에서는 convect ion zone만 존재하므로 열손실량이 많아지고 각도가증가하면서 stagnation zone이 커지므로써 열손실량이 감소하는 결과를 볼 수 있었다. 기존 제시된 모델과 비교하여 Stine & McDonald 모델과 상당히 일치하는 경향을 보였으나 각도가 큰 경우에는 차이가 나타났다. 이 결과를 이용하여 향후 새로운 홉수기의 열손실 해석을 위한 자료로 활용이 가능하다.

후속연구

기존 제시된 모델과 비교하여 Stine & McDonald 모델과 상당히 일치하는 경향을 보였으나 각도가 큰 경우에는 차이가 나타났다. 이 결과를 이용하여 향후 새로운 홉수기의 열손실 해석을 위한 자료로 활용이 가능하다.

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