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상변화물질 형상에 따른 잠열 축열 시스템의 열전달 특성에 관한 수치해석 연구

  • 김성훈 (아주대학교 공학대학원)

초록/요약

현재 전 세계적으로 지구 온난화로 인한 기후 변화와 자연 재해의 증가를 억제하기 위해 재생에너지의 활용을 확대하기 위한 노력이 진행되고 있다. 이에 한국 정부도 미래 에너지 패러다임으로 “저탄소 녹색 성장”을 제시하고 에너지 효율화 정책을 확정했다. 이러한 시대적 맥락에서 축열 시스템(Thermal energy storage system)은 열에너지를 효과적으로 저장하고 필요할 때 공급하여 재생에너지의 변동성 문제를 해결하여 에너지 사용의 효율성을 높이는 중요한 기술 중 하나이다. 기존 잠열 축열 시스템 설계 기술은 외국 기술에 의존하고 있으며 잠열 축열 시스템에 대한 구체적인 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 높은 에너지 저장 밀도를 갖는 잠열 축열 시스템의 열전달 특성을 조사하기 위한 수치해석 연구를 수행하였다. 잠열 축열 시스템은 상변화물질(Phase change material, PCM)의 고체상태에서의 낮은 열전도율에 따른 열저장 효율 문제를 해결하기 위한 방안을 모색하고자 한다. 잠열 축열 시스템의 열전달 특성을 파악하기 위해 PCM 저장용기의 형상에 따른 열전달 특성을 확인하였다. 가늘고 긴 판상형과 사인파 형태의 굴곡판 형상상에 따른 잠열 축열 시스템의 충전 특성 및 대류 열전달계수를 파악 후 Nu number를 조사하였다. 이를 위해 잠열 축열 시스템 내부에 10 mm 두께의 PCM 저장용기 10개를 규칙적으로 배열하여 잠열 축열 시스템을 구성하고 수치해석을 수행하였다. 또한 PCM 저장 용기의 재료에 따른 잠열 축열 시스템의 특성을 확인하기 위해 STEEL, CU, AL에 대해 연구를 수행하였다. 상변화물질의 곡률에 따른 충전시간 및 표면온도 변화, 압력강하, PCM 내부 충전시간, 저장용기의 Nu number 등 다양한 요인을 수치해석을 통해 분석하였다. 그 결과, 곡선형상과 소재선택의 변화가 저장용기의 충전속도와 열전달 특성에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. 굴곡 길이가 증가함에 따라 압력강하율, 표면온도 차이, 충전속도, Nu number 등이 증가하는 경향을 보이며, 특히 30mm의 경우에는 이러한 차이가 더욱 두드러지게 나타난다는 것을 알 수 있었다. AL 재질의 보관용기를 사용한 경우 PCM 충전시간을 단축할 수 있음을 확인하였다. 주제어: Heat Transfer(열전달), 잠열 축열(latent heat storage), 상변화물질(Phase change material), 수치해석(Numerical analysis), Heat exchanger (열교환기)

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목차

1 장 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구 동향 및 목적 5
2 장 수치해석 모델 7
2.1 잠열 축열 시스템 7
2.2 재료 물성 및 해석 변수 9
3장 해석 선정 및 방법 12
3.1 해석조건 선정 12
3.2 해석 포인트 선정 15
3.3 격자조건 선정 및 PCM의 전도 특성 17
4 장 시스템 수치해석 결과 및 고찰 20
4.1 상변화 효과를 제거한 강철(STEEL) 저장 용기 열전달 특성 20
4.2 PCM 저장용기 내부에 채워진 형상 실험 결과 24
4.2.1 PCM 저장용기(STEEL) 실험결과 24
4.2.2 PCM 저장용기(CU) 해석 결과 29
4.2.3 PCM 저장용기(AL) 실험결과 34
4.3 PCM 저장용기 내부에 채워진 형상 실험 결과 39
5 장 요약 및 결론 48
참 고 문 헌 50
Abstract 52

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