초록 ▼

본 연구에서는 평판형 태양열 집열기의 열전달 성능 향상을 위해, 실제 상용적으로 이용되고 있는 평판형 태양열 집열기의 형상 및 열적 경계조건에서 다양한 열전달 향상 기술을 적용한 실험적 연구를 수행하여 전체적으로 태양열시스템의 성능 향상을 도모하고자 하였다. 이를 위하여 1차년도에는 평판형 태양열 집열기 실험장치를 제작하고 이를 검증한 후, 수동적 열전달 향상 기구를 삽입하지 않은 관으로 강제대류 열전달에 대한 기본실험을 수행하였다. 2차년도에는 다양한 형상의 수동적 열전달 향상 기구를 삽입한 관으로 실험을 수행하고 열전달 향상에

본 연구에서는 평판형 태양열 집열기의 열전달 성능 향상을 위해, 실제 상용적으로 이용되고 있는 평판형 태양열 집열기의 형상 및 열적 경계조건에서 다양한 열전달 향상 기술을 적용한 실험적 연구를 수행하여 전체적으로 태양열시스템의 성능 향상을 도모하고자 하였다. 이를 위하여 1차년도에는 평판형 태양열 집열기 실험장치를 제작하고 이를 검증한 후, 수동적 열전달 향상 기구를 삽입하지 않은 관으로 강제대류 열전달에 대한 기본실험을 수행하였다. 2차년도에는 다양한 형상의 수동적 열전달 향상 기구를 삽입한 관으로 실험을 수행하고 열전달 향상에 미치는 영향을 비교 분석하여, 새로운 형태의 수동적 열전달 향상 기구를 도출하고자 하였다.
평판형 태양열 집열기의 효율을 높이기 위한 방법으로 열전달 향상 장치의 삽입, 표면 거칠기의 변화 등 다양한 방법들이 알려져 있다. 그 중에서 열전달 강화 장치로서 립(rib)의 삽입은 작동유체의 유동을 방해하여 유동교란을 일으켜 열전달 성능을 잘 향상시킨다고 알려져 있다. 본 연구에서는 총 4종의 립 형상으로 열전달 향상 장치를 제작하고, 이를 덕트에 삽입해 실험을 수행하여 형상에 따른 열전달 및 압력 강하 특성을 비교하였다. 실험은 기본적으로 덕트 윗 평판에 일정한 열유속을 가하였고, 삽입된 모델은
매끈한 덕트 형상(Base case)과 Chamfered rib 10°, Chamfered rib 20°, Rib & Groove, Rib & Dimple 모델이다. 실험은 Reynolds 수가 2,300 ～ 22,000의 범위에서 이루어졌으며 이는 난류영역에 해당한다.
실험결과의 타당성을 검토하기 위해 본 연구에서는 열전달 향상 장치가 삽입되지 않은 매끈한 덕트에서의 실험결과를 기존 연구자들이 실험을 통해 얻은 상관식과 비교하였다. Dittus-Boelter, Sieder-Tate, Gnielinski가 제시한 Nusselt 수 상관식과 Petukhov, Moody선도에서 나타낸 매끈한 표면조건에 대한 마찰인자를 비교해본 결과 본 실험결과는 타당하다고 판단되었다.
덕트에 열전달 향상 장치를 삽입하면 열전달 면적의 증가와 2차 유동으로 인하여 열전달이 증가하며, 유체의 유속이 증가할수록 열전달이 향상되며 동시에 압력강하도 증가하였다. Reynolds 수가 증가할수록 Nusselt 수는 증가하고, 열전달 향상 효과가 큰 순서는 Rib & Dimple, Chamfered rib 10°, Chamfered rib 20°, Rib & Groove 순으로 나타났다. 열전달 측면에서는 Rib & Dimple 모델이 열전달 향상 효과가 가장 좋았다. 이는 Rib & Dimple 모델이 다른 모델에 비해 표면적이 넓고 유동교란 때문에 가장 좋게 나타난 것으로 판단된다.
압력강하를 살펴보면 Reynolds 수가 증가할수록 마찰인자는 감소하는 경향을 보였으며, 실험에서는 모든 형상이 매끈한 덕트일 때 보다 마찰인자가 높게 나왔다. 압력강하는 Chamfered rib 10°모델이 가장 낮았으며, Rib & Dimple 모델이 가장 높게 나타났다. Rib & Dimple 모델이 열전달 향상 효과는 가장 높았으나 반대로 유동 교란으로 인해 압력강하가 커졌기 때문이다.
일정한 송풍력에서 압력손실에 대한 열전달 비를 나타내는 성능계수 측면에서는 Rib & Groove 모델이 가장 낮았으며, Chamfered rib 10°모델이 전반적으로 높게 나타났다. Rib & Dimple 모델은 열전달 측면에서 가장 높았지만 압력강하 역시 다른 모델에 비해 높은 편이었으므로 성능계수는 높게 나타나지 않았다. 열전달 성능이 향상하더라도 압력손실이 증가하면 그 만큼 동력이 많이 소요되므로, 압력손실에 대한 열전달 비인 성능계수를 계산하여 이 값이 높아졌는가를 확인하여야 한다.
열전달 향상 장치를 설계를 할 때 열전달이 가장 높거나 압력강하가 가장 낮은 모델을 선택하는 것이 아니라 성능계수를 파악하여 이득과 손실을 고려하여 가장 효율적인 형상을 선택해야 한다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목 차 ... 2
• I. 연구결과 요약문 ... 3
• II. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 11
• 5. 연구결과의 활용 계획 ... 12
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 12
• III. 연구성과 ... 13