보고서 정보
주관연구기관 |
인하대학교 InHa University |
연구책임자 |
임장순
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참여연구자 |
노승탁
,
박이동
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발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 1993-08 |
주관부처 |
과학기술부 |
사업 관리 기관 |
인하대학교 InHa University |
등록번호 |
TRKO200200014213 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
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키워드 |
축열.잠열.현열.상변화.성층화.Energy Storage.Latent Heat.Sensible Heat.Phase Change.Stratification.
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초록
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부존 에너지자원이 빈약한 우리나라에 있어 열에너지를 효율적으로 이용하기 위한 방안의 하나로써 축열시스템의 열적특성과 설계에 관한 기초 연구가 절실히 요구되고 있다. 이에 본 연구에서는 아래와 같이 각각의 세부과제에서 축열조 설계와 운전시의 성능을 제시하여 축열조의 기초설게 자료를 구하고자 각 연구를 분담하여 수행하였다.
1) 잠열을 이용한 열에너지 저장에 관한 연구
2 )잠열 축열조에서 융해와 응고과정에서 열전달과 축열조의 설계자료에 관한 연구
3) 현열 축열조내의 혼합 특성에 관한 연구
부존 에너지자원이 빈약한 우리나라에 있어 열에너지를 효율적으로 이용하기 위한 방안의 하나로써 축열시스템의 열적특성과 설계에 관한 기초 연구가 절실히 요구되고 있다. 이에 본 연구에서는 아래와 같이 각각의 세부과제에서 축열조 설계와 운전시의 성능을 제시하여 축열조의 기초설게 자료를 구하고자 각 연구를 분담하여 수행하였다.
1) 잠열을 이용한 열에너지 저장에 관한 연구
2 )잠열 축열조에서 융해와 응고과정에서 열전달과 축열조의 설계자료에 관한 연구
3) 현열 축열조내의 혼합 특성에 관한 연구
제 1세부과제에서는 잠열을 이용한 열에너지 저장에 관한 기초연구를 수행하였다. 1 차년도에는 Shell & Tube 형 축열조내 상변화 물질로써 파라핀 (C??H??) 과 피로인산나트륨(Na?P?O?·1OH?O)을 사용하여 축열 및 방지과정 시 잠열축열조내에서 각 상변화물질의 시간경과에 따른 온도특성 및 열전달현상을 실험적으로 규명하고자 각 상변화물질의 온도분포와 축열량 및 방열량을 계산하고 비교, 검토하였다. 실험결과 상변화물질로써 피로인산나트륨의 축열 및 방열 성능이 파라핀보다 우수함을 알수있었다. 2차년도의 연구에서는 수직원통형 축열조에 상변화물질로써 파라핀(C??H??)을 사용하여 용융 및 응고과정 시 축열조의 경사각 변화에 따르는 축열조 내 상변화물질의 온도특성 및 열전달현상을 실험 및 해석적인 방법으로 규명하고자 상변화물질의 온도분포, 용융(응고)량, 용융(응고)에너지등을 측정, 계산하고 이를 비교, 검토하였다. 경사각이 없는 수직용기 내 상변화물질의 용융 열전달은 자연대류에 의한 영향이 큰 반면, 경사각이 커질수록 상변화 물질과 용기벽면의 직접접촉에 의한 열전도에 영향이 커짐을 알 수 있었다. 또한, 축열조 내 상변화물질의 응고량 및 방출되는 에너지를 축열조 경사각 변화에 크게 영향을 받지 않지만, 응고층 두께에 영향을 주는 것으로 나타났다. 특히, 응고 과정 시 평균 응고층 두께에 관한 관계식과 용융과정 시 용융에너지에 관한 관계식을 제시하였다. 3차년도의 연구는 1,2차년도의 연구 결과를 토대로 잠열량이 비교적 큰 무기염수화물계의 피로인산나트륨과 파라핀을 직육면체형 잠열축열조내에 장입한 후 축열 및 방열성능 비교실험을 수행하였다. 용융과정 시 상변화물질로써 피로인산나트륨을 사용하였을 경우는 gel 상태로 축열이 되므로 전도 열전달이 지배적인 전열특성임을 알 수 있었다.
제 2세부과제는 잠열축열조에서 융해와 응고과정의 열전달과 축열조의 설계자료에 관한 기초연구를 수행하였다. 1차년도에는 기존의 응고 및 융해현상을 새로운 개념들을 도입하여 해석 및 실험을 시도하였다. 이를 위해 머시존을 고려한 응고 과정의 해석 및 밀도차와 자연대류를 고려한 수직원과 주위에서 응고과정 해석, 구형용기내 융해과정에 대한 실험 등의 연구를 수행하였다. 연구결과에서 머시존 개념을 도입함으로써 응고율이 열전도만을 고려한 것 보다 컸으며, 실험한 결과와 잘 일치함을 보여주고 있다. 밀도차와 자연대류를 고려한 수직원관주위에서의 응고과정 해석에서는 초기 수온, 냉매 이북온도 및 원관과 동심원관의 반경비 및 동심원관의 종횡비 등 여러 가지 매개변수가 상변화에 미치는 영향을 정량적으로 조사하였고, 궁극적으로 빙축열 시스템의 기초설계 자료로 이용할 수 있도록 하였다. 구형용기내 융해과정의 실험에서는 용기의 부피 및 온도의 변화가 융해 과정에 미치는 영향을 관찰하였으며, 시간의 경과에 따른 용해 질량비의 예측식을 제시하였다. 2차년도의 연구에서는 1차년도의 연구결과를 바탕으로 잠열축열시스템에 영향을 주는 인자들에 대한 자료분석을 위하여 잠열축열시스템의 열전달 특성 및 성능실험을 하였으며, 잠열축열시스템에 많이 이용되는 수평원관내의 융해 과정에 대해서 연구하였다. 특히 수평원관내의 융해에 대한 해석결과에서 고상의 초기온도가 융해과정에 의 연많은 영향을 미치고 있음을 알았다. 3차년도구는 1. 2차년도의 연구를 보완하고??의 응용범위를 다양하게 하고자 하였다. 이를 위하여 1차년도에 행한 구형용기내의 융해 과정에 대한 실험을 바탕으로 이를 수치해석함으로써 여러가지 인자에 대한 연구를 통하여 융해과정에 대한보다 명확한 자료를 제공하고자 하였다. 또한 기존의 잠열축열조 개념을 실내잠열식 바닥 난방시스템에 응용하여 실험 및 수치해석을 수행함으로써 다양한 잠열 축열조의 설계를 위한 기초자료를 도출하였다.
제 3세부과제는 현열축열조내의 혼합 특성에 관한 기초연구를 수행하였다. 축열조내의 열 성충 향상은 궁극적으로 높은 축열효율을 얻음으로써 전제 축열시스템의 성능 향상을 도모하는데 있다. 그러므로 축열조 내의 열 성층을 지배하는 각종 동적, 기하학적 인자들로 구성된 무차원지배인자와 성층도의 관계를 확립하여 가장 안정된 열 성층을 얻을 수 있는 동적 임계조건과 유입구 형상을 결정하였다. 축열 효율은 축열조의 성능평가 뿐만 아니라 축열조의 최적설계를 위한 기초자료를 제시하는 데 중요한 지표로 이용된다. 그러므로 축열조의 열 성충을 지배하는 각종 동적, 기하학적 인자가 축열효율에 미치는 영향을 체계적으로 연구하여 성층도와 축열 효율을 향상시키기 위한 노력이 진행되어 왔으나 축열조에 대한 최적 설계조건을 제시하기 위한 자료는 아직 확립되지 못한 상태이다. 그러므로 축열과정 동안에 축열조 내의 열 성층 형성 및 진행 과정을 효과적으로 예측함으로써 축열효율을 향상시킬 수 있는 설계 조건을 보다 편리하게 제시할 수 있는 1차원 해석적 모델을 확립하였다.
이상과 같이 3개의 세부과제로 구성되어 있는 본 연구는 서로 밀접히 연관되어 있으며 이러한 연구결과들은 축열조 및 축열장치의 성능 향상을 위한 기초설계 자료로써 유용하게 이용될 것이라 사료된다.
Abstract
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A fundamental study was done to investigate characteristics and basic design data for thermal energy storage systems for efficient utilization of thermal energy. The system was devided into two : Latent heat storage and sensible heat storage system. This study included the heat transfer process
A fundamental study was done to investigate characteristics and basic design data for thermal energy storage systems for efficient utilization of thermal energy. The system was devided into two : Latent heat storage and sensible heat storage system. This study included the heat transfer process in energe storage and release, stratification mixing and heat transfer enhancement. The fundamental phenomena were also studied to explain naturla convection, melting and solifification processes.
The first sub-project is a study for heat storage system with phase change material. The first year, heat transfer phenomena and temperature characteristics at heat storage and release processing in the heat storage system using PCM are studied experimentally. Octacosane paraffin (C??H??) and sodium pyrophosphate decahydrate (Na?P?O?·1OH?O) are used for phase change materials. Experiments are performed in order to investigate temperature distributions, the heat storage quantity and the release quantity on paraffin and sodium pyrophoshate decahydrate for heat storage and release in the heat storage system. In the case of the paraffin, temperature slowly increases at early heat storage processing by natural convection, while temperature of Na?P?O?·1OH?O exhibits more by 16 percents than paraffin. The second year, the research was performed to investigate the characteristics of the heat transfer using paraffin (C??H??) that occurs inside of cylindrical tube during solidifying and melting process according to the inclination of the tube varied from vertical to horizontal. In case of melting process, when the tube is vertical, the dominant mode of energy transfer between the tube wall and the melting interface is natural convection. On the other hand, when the tube is inclined to the vertical, the melting solid is brought into direct contact with the tube wall by the action of gravity. And in case of solidifying process, it was found that the amount of solidified mass during a given solidifying period was insensitive to the inclination of the tube but the local layer thickness was affected on inclination of the tube. The third year, experiment was performed in order to investigate temperature distribution, the heat storage quantity and release quantity using C??H?? and Na?P?O?·1OH?O with PCM. Heat storage quantity of each PCM of identity mass in heat storage process was shown that Na?P?O?·1OH?O exhibited more than paraffin. Experimental results reveal that the time rate of charging and discharging becomes rapid as the flow rate increases. It is also found tha the initial charging / discharing rate increases as the magnitude of the difference between the initial temperature of the latent heat storage and the inlet temperature of the working fluid does.
The second sub-project is basic research for melting / solidification process and design data for latent heat storage tank. In the first year experimental and numerical analysis was performed applying the new concept to the melting and solidification phenomena. The research was carried out for solidification in a rectangular capsule considering mushy zone, for freezing around the vertical cylinder considering volume contraction due to density change and natural convection, and for melting within a sphere. As the mushy zone was applied to the interface, the frozen fraction agreed well with that of experiment in a rectangular enclosure. In an analysis of freezing around the vertical cylinder, comparison of the prediction with the experimental result included the effect of initial water temperature, inlet temperature of secondary fluid and the ratio of the inner diameter of cylinder to the outer as well as the aspect ratio of the region between two concentric tubes. The above results can be ultimately applied to the design of the latent heat storage tank. In the experiment of melting within a spherical capsule, it was studied that the variations of capsule size and wall temperature had an effect on the melting process. Herein, the correlation of timewise melting rate was suggested. In the second year, based on the first year research, the experimental study of the characteristic of heat transfer and performance of latent heat storage system was carried out to analyze the effect of various data on latent heat storage system. As a branch study, numerical analysis was made on the melting inside a horizontal cylinder which is usually used in latent heat storage system. The numerical result showed that the initial temperature of solid has much effect on the retardation of the progress of morphology. In the third year, the research is carried out to complete the first and second year results, provide the necessary data for the design of the latent heat storage tank and expend the application of latent heat storage tank. The result of this research was to provide a data for the melting process by analyzing various factors which can be simulated by numerical analysis based on the experimental result on melting process in spherical enclosure, which was done in 1st year. Basic data was obtained for the design of latent heat storage tank by applying the concept of latent heat storage tank to indoor latent floor heating system and performing experiment and numerical analysis of this system.
The third sub-project is a study on mixing characteristics in sensible heat storage tank. The effects of several dynamic and geometric factors on thermal stratification have been investigated through experiments and simulations in sensible heat storage tank by many investigators. The enhancement of the thermal stratification in sensible heat storage tank is important since it can significantly improve thermal storage efficiency and total system efficiency. Here, it might be obtained through enhancing a thin thermocline thickness. And two and three dimensional models account for various factors affecting the thermal storage efficiency of a sensible heat storage tank, one dimensional model that introduced emperically mixing coefficient renders it effective in the simulation in case of using the stratification enhancement mechanism and flow field governed by buoyancy force. The major objectives of the study were to decide the optimum design conditions of the sensible heat storage bank according to variations of the dynamic and geometric factors by measuring temperature for the vertical temperature profiles and characteristics of outlet temperature of the tank. And, the additional objective of the study were to establish the one dimensional model that can predict the formation and development process of thermal stratification in sensible heat storage tank by systematization of relation among mixing coefficient, dynamic and geometric factors. In order to decide the optimum conditions, the experiments were carried out during turnover time for flow rate ranging from 1.6LPM to 6.4LPM and reference temperature difference (temperature difference between the inflow water into the tank and the water which is initially in the tank) of 5℃ to 30℃. And also, one inlet port type and another five stratification enhancement were used as inlet geometries.
목차 Contents
- -총괄과제...10
- -제1세부과제...32
- -제2세부과제...152
- -제3세부과제...292
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