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CFD를 활용한 태양열 공기가열기 내 사각저항체 설치 조건에 따른 열전달 및 압력강하에 관한 연구

Research on the Heat Transfer and Pressure Drop by Installation Conditions of Rectangular Obstacle in a Solar Air Heater Based on CFD

윤정인|김영복|손창효|최광환|최휘웅
한국태양에너지학회 (The Korean Solar Energy Society)|2019.02|한국태양에너지학회 논문집 (Journal of The Korean Solar Energy Society)|제39권 제1호|pp. 77-89|DOI 10.7836/kses.2019.39.1.077

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Energy saving에너지절약Computational fluid dynamic태양열 집열기Solar collector태양열 시스템태양열 공기 가열기Solar thermal system전산유체력학Solar air heater
주제분류기타공학

초록

태양열 공기 가열기의 경우 덕트 내 저항체 설치에 따라 성능에 많은 차이를 보이게 된다. 따라서, 이와 관련된 많은 연구가 진행된 바 있으나 제작이 다소 어려운 흡수판에 저항체를 부착하는 방식을 주로 조사되어왔다. 따라서 본 연구에서는 제작이 용이하면서 상대적으로 설치가 쉬운 사각저항체가 태양열 공기 가열기 공기채널 내 설치된 경우 사각저항체 형상 조건에 따른 열전달 및 압력강하 성능을 전산열유체해석을 통해 확인해보고자 하였다. 그 결과, 열전달 성능은 사각저항체 설치 조건에 따라 최소 1.2배에서 최대 3.32배까지 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 열전달 성능 향상과 함께 압력강하 또한 증가하는 모습을 보였고, 최소 2.8배에서 최대 180배까지 그 값이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 압력강하 증가 대비 열전달 성능 향상 정도에 대한 평가가 필요하며, 이를 위해 본 연구에서는 성능계수를 이용하였다. 성능 계수의 경우 최대 값 0.828정도를 보였으며, 열전달 성능이 향상될수록 해당 값이 적어지는 것을 알 수 있었다. 즉, 사각저항체 설치 및 형상 변경을 통한 열전달 성능 향상에 이보다 더 큰 압력강하 증가가 수반된다는 것을 확인할 수 있었으며, 향후 실제 태양열 공기가열기 적용을 위한 사각저항체 형상 조건 선정 시 필요 열전달 성능 향상 정도와 허용 압력강하에 대한 추가적인 고려가 수반될 필요가 있을 것으로 사료되었다.

Abstract

The solar air heater has various performances according to an obstacle installed in the air duct. Many studies on thermal performance have been conducted. But many of these studies were using a kind of rib type obstacle attached at the bottom of absorbing plate, but they are so hard to be manufactured. In this study, characteristics of the heat transfer and pressure drop in the solar air heater with various horizontal rectangular obstacles was investigated by CFD(Computational Fluid Dynamics) analysis. As a result, the heat transfer performance was improved from 1.2 to 3.32 times depending on installation conditions of rectangular obstacle. The pressure drop, however, also increased with increment of heat transfer performance from 2.8 to 180 times only by changing installation conditions of rectangular obstacle. Thus, the performance factor presenting the thermal performance enhancement on the same pressure drop was also confirmed. As a result, the highest value of 0.828 as better performance factor was obtained at the lower height of rectangular obstacle and this value has started to decrease with increment of heat transfer performance. In the end, it could be confirmed that the pressure drop was carried higher than the quantity of improvement of the heat transfer performance when the heat transfer performance was increased by change of installation conditions of rectangular obstacle. Both heat transfer enhancement and pressure drop to be required for system need to be considered before the rectangular obstacles are applied to the solar air heater.

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