PCM 캡슐 기반 충전층 열저장 시스템의 수치해석 및 검증 :Numerical analysis and experiment validation of PCM capsule-based packed bed system

이치호

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이치호 (아주대학교 )

지도교수: 조병남

발행연도: 2023

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

파라핀-스테인리스 강 캡슐 기반 충전층 열저장 시스템의 수치해석 및 검증

이치호 , 조병남 대한기계학회 춘추학술대회 2023.04 학술대회자료

PCM 캡슐 기반 충전층 열저장 시스템의 수치해석 및 검증

이치호 기계공학과 2023.01 학위논문

2022

PCM 캡슐 기반 충전층 열저장 시스템의 수치해석 모델 개발

이치호 , 조병남 대한기계학회 춘추학술대회 2022.11 학술대회자료

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지구온난화로 인해 화석 연료를 대체할 여러 신재생 에너지의 사용이 증가하고 있으며 이런 신재생 에너지를 효과적으로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 대표적 신재생 에너지인 태양에너지는 날씨나 시간 등의 자연조건에 의존적이며 이에 따라 에너지 공급의 유연성 확보를 위한 보조 시스템이 필요하다.
충전층(Packed bed)을 이용한 열에너지 저장(Thermal energy storage, TES) 시스템은 태양에너지의 시간 의존적 문제에 대한 해결책으로 제시된다. 충전층 TES 시스템은 현열 에너지 저장 시스템과 잠열 에너지 저장(Latent thermal energy storage, LTES)으로 시스템 나눌 수 있는데, LTES 시스템은 상변화 물질을 사용하여 높은 에너지 저장 밀도와 좁은 작동 온도 범위의 장점이 있기 때문에 보다 높은 활용 가능성을 지닌다. 충전층 LTES 시스템은 충전층 내부에 상변화 물질을 코어로 하는 매크로 캡슐이 쌓여 층을 구성하는 형태로 구성되어 있으며 충전층 캡슐 사이를 공기와 같은 유체가 통과하며 열을 전달해 충전과 방전이 이루어지는 시스템이다. 이러한 충전층 LTES 시스템의 에너지 저장 과정은 상변화와 유체의 유동을 동반한 과도 열전달 과정이기 때문에 유동 및 열특성에 대한 분석이 필요하다.
이런 필요성에 의해 충전층 LTES 시스템의 유동 및 열특성을 분석하기 위한 많은 연구들이 수행되었다. 에너지 저장 시스템을 제작하는 것은 많은 비용이 요구되기 때문에 많은 연구에서 수치해석을 이용하는 방법을 채택하고 있다. 하지만 시스템의 핵심 열전달 특성인 Nu 수 상관식을 해석적으로 개발하고자 하는 시도가 부족하며 이에 대한 실험적 검증 또한 필요한 상황이다.
본 연구는 ANSYS Fluent를 이용하여 충전층 LTES 시스템의 유동 및 열특성을 분석할 수 있는 수치해석 모델을 구현 및 선정하기 위해 수행되었다. 충전층 LTES 시스템에서 사용되는 상변화 물질의 낮은 열전도도로 인해 다상(two phase) 모델을 이용한 해석이 요구된다. 다양한 다상 모델 중에서 충전물 내부 전도에 대한 계산을 포함하고 대류 열전달 특성을 분석할 수 있는 Concentric dispersion model 기반의 해석 모델인 Effective packed bed model을 해석 모델로 선정하였다.
이후 선정한 해석 모델에 기반하여 Re 수(Red)와 충전층 탱크와 충전물 지름의 비(D/d)를 핵심 변수로 해석을 수행하였다. 이에 대해 시스템의 유동 및 열특성을 확인하였으며 최종적으로 해석 결과에 기반하여 Nu 수 상관식을 Red와 D/d의 함수로 표현하였다
마지막으로 충전층 LTES 시스템의 실험 장치를 구축하여 실험을 수행하였으며 실험 결과와 해석 결과를 비교하여 해석 모델 및 Nu 수 상관식을 검증하였다.

The use of various renewable energy sources has been increased to replace fossil fuels due to global warming, and thus, related research has been intensively conducted for effective use of the renewable energy. Solar energy depends on weather conditions and time, so a supporting system is necessary to secure flexibility in energy supply.
Packed-bed thermal energy storage (TES) system is paid attention to solve the time-dependent issue of solar energy. The packed bed TES system can be categorized into sensible TES and latent TES (LTES) systems. The LTES system enables to increase the energy storage density and to decrease the working temperature range, and therefore it has a great potential in the TES applications. In the packed bed LTES system, macro-sized phase change material (PCM) capsules are piled up in the storage tank. Heat transfer fluid such as air flows between the PCM capsules and transfers thermal energy to charge or discharge. Since the energy storage process of the packed bed LTES system is a transient heat transfer including phase change of the PCM core in the capsules, the analysis of the flow and thermal characteristics is required.
Many studies have been conducted to analyze the flow and thermal characteristics of the packed bed LTES system. Previously, numerical studies are more actively performed comparing to experimental works due to expensive manufacturing cost. However, a numerical study that aims to develop a correlation of Nusselt number is required and the experimental validation is also required to understand the heat transfer characteristics of the Packed bed LTES system as well.
In this study, a numerical analysis was performed to understand the flow and thermal characteristics of the packed bed LTES system using ANSYS Fluent. Typically, a two-phase model is necessary for analyzing the packed bed LTES system because of low thermal conductivity of the PCM. Hence, the effective packed bed model based on the concentric dispersion model that calculates the internal conduction of the storage medium (PCM) was employed in the numerical analysis.
The numerical analysis was performed by varying Reynolds number (Red) and the ratio (D/d) of the packed bed
storage tank diameter (D) and storage medium diameter (d). The flow and thermal characteristics of the system were confirmed, and then based on the analysis results, the Nusselt number correlation was developed as functions of Red and D/d.
Finally, the packed bed LTES system was constructed and the validation experiment was conducted in various Red conditions. The numerical model and the Nusselt number correlation were verified by comparing the results between the numerical analysis and the experiments.

#충전층(Packed bed) #잠열 저장(Latent thermal energy storage) #상변화 물질(Phase change material) #수치해석(Numerical analysis) #대류 열전달(Convection heat transfer)

제1장 서론 1
제1절 연구 배경 1
제2절 연구 동향 및 목표 4
제3절 충전층 열저장 시스템 수치해석 모델 8
제2장 충전층 열저장 시스템 수치해석 11
제1절 충전층 해석 영역 및 조건 11
제2절 충전층 열저장 시스템 해석 모델링 17
1. Fluent–Porous media model 19
2. Effective packed bed model 20
제3절 해석 모델 비교 및 선정 22
제4절 해석 조건 분석 25
제3장 충전층 열저장 시스템 수치해석 결과 30
제1절 해석 결과 개요 30
제2절 유동 특성 분석 31
제3절 열특성 분석 34
제4절 Nu 수 상관식 개발 39
제4장 충전층 LTES 시스템 실험 47
제1절 실험 장치 구성 47
제2절 실험 장치 확인 및 충전물 제작 52
제3절 실험 결과 및 해석의 실험적 검증 56
제5장 요약 및 결론 64
참고 문헌 66

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