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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 3 pp , ISSN / eissn 강제순환방식의공기가열식태양열집열기의성능분석에관한수치해석연구 박형수 1, 김철호 2* 1 서울과학기술대학교나노 IT 디자인융합대학원, 2 서울과학기술대학교공과대학기계자동차공학과 A Numerical Study on the Performance Analysis of a Solar Air Heating System with Forced Circulation Method Hyeong-Su Park 1, Chul-Ho Kim 2* 1 Nano.IT Fusion Program, Graduate School of Nano IT Design Fusion, Seoul National Univ. of Science & Technology, 2 Department of Mechanical & Automotive Engineering, Seoul National University of Science & Technology 요약태양열에너지를이용하여단순한형태의공기가열식집열기를이용하여공기를가열하고이를활용하여생활공간의난방문제를해결하기위한장치를개발하는데목적을두고진행되고있다. 현시점에서연구는모델로개발한공기가열식태양열에너지집열기의크기변화에따른가용한에너지의량을이론적으로산출해보고이를통해개발시스템의가능성을판단하고자한다. 본연구에서는공기가열식태양열집열기의공기가열성능을판단하기위하여, 특정크기의태양열집열기에일정한일사량을투하하였을때, 모델집열기내부에서의열전달특성변화와이를통해생산되는공기의온도 ( ) 와생산량 (kg/h) 을, 유한체적법 (Finite Volume Method) 을적용한범용열유동해석 (CFD) 프로그램인영국 CHAM 사의 PHOENICS(1) 를이용하여, 분석한결과를구하였다. 분석한결과에서알수있듯이집열기의크기가 (1.2m 1.1m 0.19m) 의집열기에서알루미늄으로제작하는내경 0.1m 의공기가열관을이용하여가열할수있는공기의온도는약 40.5 이며이때생산되는공기의생산량은약 161m 3 /h 으로산출되었다. 본모델장치는충분히태양의열에너지를이용하여실내공간의온도를인간이활동하기에적합한활동의환경을유지하는데활용할수있다고판단된다. Abstract The aim of this study was to develop a device for solving the heating problem of living space using heated air, utilizing a simple air heater type collector for solar energy. At the present time, this study assessed the possibility of a development system through theoretical calculations for the amount of available energy according to the size change of the air-heated solar energy collector. To produce and supply hot water using the heat energy of the sun, hot water at 100 or less was produced using a flat or vacuum tube type collector. The purpose of this study was to research the air heating type solar collector that utilizes heating energy with heating air above 75, by designing and manufacturing an air piping type solar collector that is a simpler type than a conventional solar collector system. The analysis results were obtained for the generated air temperature ( ) and the production of air (kg/h) to determine the performance of air heating by an air-heated solar collector according to the heat transfer characteristics in the collector of the model when a specified amount of heat flux was dropped into a solar collector of a certain size using PHOENICS, which is a heat flow analysis program applying the Finite Volume Method. From the analysis result, the temperature of the air obtained was approximately 40.5 C, which could be heated using an air heating tube with an inner diameter of 0.1m made of aluminum in a collector with a size of 1.2m 1.1m 0.19m. The production of air was approximately 161 m3/h. This device can be applied to maintain a suitable environment for human activity using the heat energy of the sun. Keywords : Natural Circulation, Numerical Study, Solar air Heating System, Finite Volume Method, Rectangular Grid 본논문은 2016년서울과학기술대학교교내연구비지원사업에의해수행된연구과제 * Corresponding Author : Chul-Ho Kim (Seoul National University of Science & Technology) Tel: Received December 5, 2016 Accepted March 10, 2017 Revised (1st January 4, 2017, 2nd February 3, 2017) Published March 31,

2 강제순환방식의공기가열식태양열집열기의성능분석에관한수치해석연구 1. 서론 지구온난화와더불어대기환경보존의문제는 21세기인류가해결해야될중요한과제로자리잡았다. 이러한문제의해결을위해친환경에너지의개발과확보는전세계적으로중요한부분이다. 본연구는태양열에너지를이용하여상온의공기를가열하고이를생활공간의냉난방및온수공급을위한방안으로태양열공기가열식집열기를개발하는데연구의목적을두고있다. 현재까지는태양의열에너지를활용하여온수를생산, 공급하기위해평판형혹은진공관형집열기를이용하여 100 o C이하의온수를생산하여왔다. 그러나본연구에서는기존의태양열집열방식보다단순한형태의공기배관형집열기를설계, 제작하여상온의공기를 75 o C 이상으로가열하고이를생활공간의난방에너지로활용하는공기가열식태양열집열기의연구개발을목적으로두고있다. 본연구에서개발하고자하는공기가열식태양열집열기의에너지변환효율은 60% 이상으로기대되며집열기효율이최대 85% 정도인기존의평판형혹은진공관형장치에비해공학적효율측면에서는낮으나집열장치의생산원가측면에서는 30% 이하로제작이가능하므로경제적인측면에서는약 3.5배의효과가있다고판단된다. 또한본장치를통해생산가능한공기의온도는 75 o C이상이며생산되는공기의온도역시일상에서사용가능한 40 o C이상이므로충분히생활에활용가치가있다고판단된다. 이러한측면에서공기가열식태양열집열기는에너지의효율적이용과난방까지동시에해결할수있는경제적에너지회수장치라고판단된다. 본연구에서는현재개발하고자하는공기가열식태양열집열기의공기가열성능을판단하기위한기초연구로특정크기의태양열집열기에일정한일사량 (Heat Flux, kw/m 2 ) 을투하하였을때모델집열기내부에서의열전달특성변화와이를통해생산되는공기의온도 ( o C) 와생산량 (kg/h) 을범용열유동해석프로그램인영국 CHAM사의 PHOENICS(1) 를이용하여분석하였다. Fig. 1. Geometry of the model solar heater collector. 본연구에서사용한모델공기가열식태양열집열기의형상제원은높이 1.1m, 폭 1.2m 그리고두께 0.19m 이며평판형집열기로내부에는내경 100mm인알루미늄관으로두께가 3mm이며 5개의관이직렬로연결되어있다. 집열기의밀폐된내부는상온의공기로채워져있으며전면은태양열을집열하기위해투명유리로되어있으며후면과측면은단열처리된벽면으로구성되어있다. 2.2 수치해석연구기법공기가열식평판형집열기에태양의복사에너지가입사되면집열기내부에설치된관의표면과내부의공기온도가상승하게되며이로인해집열기관내부의압력상승으로관내부에상승기류가형성되어공기의자연대류현상이발생하게된다. 이러한집열기내부에서의공기의자연대류유동현상을수치해석적으로묘사하기위해유한체적법 (Finite Volume Method) 을적용한범용 CFD 코드인영국 CHAM 사의 PHOENICS (ver. 2014) 를사용하였다. 해석경계조건의단순화를위해집열기의외부는열에너지의출입이없는단열조건으로가정하였으며, 관내부공기의유동장은다음과같이정의하였다. - 3차원층류유동 (3-dimensional Laminar Flow) - 비압축성정상유동 (Incompressible Steady Flow) 검사체적내의비압축성층류유동장해석을위해 3 차 2. 해석연구의조건 2.1 해석연구를위한모델집열기의제원 원 Navier-stoke방정식 을풀었으며유동해석의수렴성판단을위해각변수들의계산잉여율 (Residual fraction) 이 10-3 % 이하로떨어질때까지충분히반복적 123

3 한국산학기술학회논문지제 18 권제 3 호, 2017 으로계산하였다. 온도의변화를예측하기위해서에너지방정식을풀었으며, 비압축성, 난류유동장의해석을위한지배방정식은다음과같다. - 연속방정식 (Continuity Equation), (1) - 운동량방정식 (Momentum Equation), (2) 2.3 수치해석연구를위한격자생성 해석공간에서의격자생성을위해 CAD-to-CFD 격자 생성법 (Grid Generation Method) 를이용하였다. 범용CAD 프로그램인 Pro-Engineer(Ver. 5.0) 를이용하여평판형집열기모델의 3차원형상을만들고이 CAD파일을해석공간인수치해석도메인 (Numerical Domain) 으로불러와직각좌표계상에서정방격자 (Rectangular Grid) 를생성하여해석을위한격자파일을생성하였다. SIMPLE 알고리즘 을적용하였으며난류운동방정식 (Standard turbulent model) 의대류항 (Convection term) 계산을위해하이브리드 (Hybrid scheme) 을사용하였다. 공기의가열관인알루미늄파이프는표면절대조도가 mm로조도의영향이거의없을것으로판단되어관내부의유로저항은무시하였으며 Heat Flux가평판형집열기에균일하게유지된다고가정하였다. 공기가열관의토출구에송풍기를이용하여강제송풍을한다고가정하여풍속을 0 ~ 6m/s, 총 5단계로나누어변화를시켰다. 해석을위한경계및초기조건은, - outlet1 : 대기압조건 ( ) - outlet2 : 속도경계조건 ( ) - Solar air heater : 20 Aluminum Pipe - Working fluid : 20 Air - Heat flux : 845w/m 2 - Wall : adiabatic condition - Gravity : 해석결과의분석 3.1 입 출구유속의정성적분석 Fig. 3은 Heat flux의크기가 845w/m 2 에서토출구의강제풍속이 3m/s일때의관내풍속분포를보여준다. 출구의평균풍속이 2.73m/s이며입구평균풍속은 2.98m/s 로산출되었다. 이는관내부에서의마찰에의한유동손실이있음을의미한다. Fig. 2. A typical numerical grid of the model solar air heater, (180x54x77) Fig. 2는평판형집열기의수치격자계를보여준다. 검사체적내에서의해석격자의크기는격자시험을거쳐최종적으로결정된격자 (180 x 54 x 77) 로약 75만개의격자로형성하였다. 2.4 수치해석의초기및경계조건 유동장내에서속도와압력의값을산출하기위해 Fig. 3. Velocity distribution in a air tube of the model solar air heater. 124

4 강제순환방식의공기가열식태양열집열기의성능분석에관한수치해석연구 Fig. 4. Pressure distribution in a air tube of the model solar air heater. Fig. 4 는집열기관내부에서의압력분포를보여준다. 입구에서의평균압력은 10.67Pa이며출구에서의평균압력은 37.07Pa로차압이 26.40Pa정도로나타났다. 이는공기의유동을유도하는에너지원이된다. Fig. 6. Variation of the air volume flowrate with the exit air velocity. Fig. 7은공기관의토출속도변화에따른공기의온도변화를보여준다. 관의강제토출속도가 6m/s일때토출공기의온도는최대 40.5도까지상승함을알수있다. Fig. 5. Temperature distribution in a air tube of the model solar air heater. Fig. 5 는공기관내부에서의온도분포를보여준다. 관내부의공기온도는 20.1 o C ~ 51.9 o C 범위를보여준다. 즉출구에서의공기온도가약 26.4 o C 정도상승한다는사실을알수있다. 3.2 입 출구유속의정량적분석 Fig. 6은관토출구에서의강제공기토출속도의변화에따른공기유량의배출량변화를보여준다. 본장치를통해생산되는따뜻한공기의생산량은토출속도가 6m/s에서 161m 3 /h의온기가생산됨을알수있다. Fig. 7. Variation of the air temperature with the exit air velocity. 4. 해석결과의분석 본연구에서는태양열에너지를이용하여단순한형태의공기가열식집열기를이용하여공기를가열하고이를활용하여생활공간의난방문제를위한장치를개발하는데목적을두고진행되고있다. 현단계의연구에서는모델로개발한공기가열식태양열에너지집열기의크기변화에따른가용한에너지의량을이론적으로산출해보고이를통해개발시스템의가능성을판단하고자하였다. 125

5 한국산학기술학회논문지제 18 권제 3 호, 2017 수치해석결과에서알수있듯이집열기의크기가 (1.2m x 1.1m x 0.19m) 의집열기에서알루미늄으로제작하는내경 0.1m의공기가열관을이용하여가열할수있는공기의온도는약 40.5 o C이며이때생산되는공기의생산량은약 161m 3 /h으로산출되었다. 본모델장치는충분히태양의열에너지를이용하여실내공간의온도를인간이활동하기에적합한활동의환경을유지하는데활용할수있다고판단되었다. 추후진행연구는모델제작을통해본해석연구의결과를검정하고실형상가열기를개발하는데활용하게될것이다. 박형수 (Hyeong-Su Park) [ 정회원 ] 2012 년 2 월 : 서울과학기술대학자동차공학과 ( 공학석사 ) 2016 년 8 월 : 서울과학기술대학나노 IT 융합프로그램 ( 공학박사수료 ) 2000 년 2 월 ~ 2012 년 2 월 : 나래손해사정 ( 주 ) 2012 년 3 월 ~ 2015 년 12 월 : 서정대학교겸임교수 2016 년 3 월 ~ 현재 : 여주대학교겸임교수 < 관심분야 > 나노유체, 열유체학, 자동차공학, 자동차배출가스 References [1] Weiss, Werner, Irene Bergmann, and R. Stelzer, "Solar heat worldwide," [2] CHAM, PHOENICS Technical Report (TR/326), Concentration Heat And Momentum Limited, [3] Yakhot. V. and Smith. L.M., The Renormalization Group, Three-Expansion and Derivation of Turbulence Models, J. of SCI. Computer, Vol. 1, No. 3, [4] Kim, Jae Hwi, Vehicle Chassis, Jung Won Sa, p. 448, [5] Douglas, J. F., Fluid Mechanics, Prentice Hall, pp , 김철호 (Chul-Ho Kim) [ 정회원 ] 1982 년 2 월 : 인하대학교공과대학항공공학과 ( 공학석사 ) 1995 년 7 월 : The University of New South Wales, 기계생산공학부 ( 공학박사 ) 1996 년 3 월 ~ 현재 : 서울과학기술대학교공과대학기계자동차공학과 1986 년 9 월 ~ 1996 년 2 월 : LG 전자중앙연구소책임연구원 1983 년 2 월 ~ 1986 년 7 월 : 육군 3 사관학교공학부기계공학과전임강사 < 관심분야 > 내연기관설계, 전산유체공학, 가스터빈, 유체기계 126