Forced Convection Modelling of a Solar Central Receiver using Nonisothermal Cylinders in Crossflow

비등온 실린더 모델을 이용한 태양로의 강제 대류에 의한 열 손실 분석

When nonuniform thermal boundary conditions are imposed on the surface of a circular cylinder in crossflow, the heat transfer characteristics can be quite different compared to what is found for isothermal or constant heat flux boundary conditions. In the present analysis, two kinds of nonuniform boundary conditions along the circumference of the cylinder are considered in a uniform stream of air: step changes and linear profiles. Step changes in temperature can arise on the surface of an external, cylindrical, solar central receiver. As the working fluid(water) flows through the vertical tubes that ring the circumference of Solar One(a solar central receiver in Barstow, California), the solar flux on the receiver heats the water from a liquid to a superheated state. In this process, portions of the receiver panels, and thus portions of the circumference of the cylinder, function as a preheater, boiler, or superheater. Hence the surface temperature can vary significantly around the cylinder. Common engineering practice has been to use an average wall temperature with an isothermal cylinder heat transfer coefficient when estimating the convective loss in these kinds of situations.

표면 온도가 균일하지 않은 원통을 균속도 유동장에 가로 놓았을 경우, 표면에서의 열전달 특성은 표면이 등온이거나 일정한 heat flux가 주어졌을 때와는 판이하게 다르다. 본 연구에서는 공기의 균속도 유동장내에서 두가지 경우(step형 및 선형변화)의 비등은 경제조건이 원통면을 따라 원주방향으로 주어졌을 때 표면에서의 열전달 특성을 고찰하였다. Step형 변화는 원통형 태양로의 표면에서 관찰될 수 있다. Solar One(Califomia주의 Barstow시에 있는 태양로)의 경우, 작동유체(물)는 표면을 따라 원주방향과 수직으로 설치된 튜브를 따라 흐르면서 액체상태로부터 고온고압의 증기로 변한다. 이 과정에서 태양로 표면의 receiver panel은 그 위치에 따라, preheater, boiler, 그리고 superheater의 역할을 수행하며 표면의 온도도 균일하지 않은 분포를 나타낸다. 이와 같은 경우 표면의 평균 온도를 가지고 대류에 의한 열 손실을 계산하면 큰 오류를 범할 가능성이 있다.