본 연구에서는 지역난방 공사에서 사용하고 있는 성층 축열조의 불가용 에너지를 줄이기 위해 단열층을 설계하였다. 단열층은 추가적인 장치 없이 고온수와 저온수의 밀도차이로 생기는 부력으로 운용된다. 축열조의 내부 온도분포를 모사할 수 있는 해석모델을 Matlab Simulink 를 이용하여 제작하고 해석 결과를 이용하여 단열층의 소재와 두께를 결정하였다. 또한 축열조의 축소실험을 통하여 단열층의 운용 가능성을 확인하였다. 실험 결과, 단열층이 축열 방열과정에서 고온수와 저온수의 혼합과 열전도로 인한 온도 경계층형성을 효과적으로 억제할 수 있다는 것을 확인하였다. 단열층을 설치한 축소실험에서는 단열층이 없는 축열조보다 약 1540 J 의 추가 가용에너지가 보존되었고 이를 실제 축열조에 적용할 경우 약 6%의 축열효율이 증가될 것으로 예상된다.
태양열 온수급탕 시스템에서는 태양열 에너지가 집열판에서 획득되고 열매체로 전달되어 최종적으로 온수의 형태로 축열조에 저장된다. 본 연구에서는 상부 코일히터를 갖춘 나선재킷형 축열조의 축열성능 특성을 정확하게 해석할 수 있는 전산유체역학 모델을 개발하였다. 본 연구에서 고려한 축열조는 벽면에 열매체의 나선유로가 형성된 맨틀형 축열조의 일종으로 시스템 설계 단순화, 저유량 운전, 성층화 촉진 등의 장점을 지닌다. 또한 축열조 내부에 추가적인 코일히터가 장착되어 축열성능과 성층화의 추가적인 향상을 도모할 수 있다. 본 연구에서 개발된 해석모델의 검증은 실제 태양열 온수급탕 시스템의 실증실험 결과와 비교를 통하여 수행되었으며, 온수의 온도변화, 열매체의 온도변화, 성층화 온도분포의 측면에서 잘 일치하는 결과를 얻었다.
The stratified effect was investigated with three different types of diffuser shape in a thermal storage tank with variation of diffuser diameter, velocity, Froude number etc. Its effect was estimated by the degree of stratification. No matter of diffuser diameter and shape, the degree of stratification was the best as the Froude number gets closer to 1. In the case of a curved diffuser, when its diameter is a quarter of tank diameter and ejection velocity in a diffuser is approximately 0.2 m/s, the Froude number was almost 1. In the case of a flatted diffuser, when ejection velocity was 0.05 m/s, the Froude number was 1.5. Both cases which Froude number were nearer 1, showed the good degree of stratification.
The stratification effect was investigated with four different types of diffuser shape in a thermal storage tank. For this study, experimental facility was constructed, which was composed of experimental thermal storage tank, hot and cold water storage tanks, boiler, chiller, data acquisition system, etc.. Visualization and lab scale experimental result showed that radial curved type diffuser was the highest degree of stratification among the four diffuser shapes.
We have performed experiments to enhance the stratification in a storage tank in order to raise the collector efficiency and solar fraction in solar thermal systems. The storage tank with a spiral jacket in the side wall has a scroll-shaped heat exchanger coil added to the upper part. The performance was compared between only the side and upper-side heating part through simulation using TRNSYS under the same weather conditions and initial conditions. As a result, the upper-side heating has a 4.2% advantage in solar fraction, but almost no increase in collector efficiency.
This paper deals with approximate integral solutions to the one-dimensional model describing the charging process of stratified thermal storage tanks. Temperature is assumed to be the form of Fermi-Dirac distribution function, which can be separated to two sets of cubic polynomials for each hot and cold side of thermal boundary layers. Proposed approximate integral solutions are compared to the previous works of the approximate analytic solutions and show reasonable agreement. The approach, however, has benefits in mathematical difficulties, complicated solution form and unstable convergence of series solution founded in the previous analytic solutions. Solutions for a semi-infinite region, which have simple closed form solutions, give close agreement to those for a finite region. Thermocline thickness is obtained in closed form and shows proportional behavior to the square root of time and inverse proportional behavior to the square root of flow rate.
In order to establish a theoretical basis for the analyses of transient behaviors in stratified thermal storage tanks, analytical approaches to an improved one-dimensional model are made. In the present model the storage tank is treated as a finite region with an adiabatic tank exit, whereas it has been considered as a simple semi-infinite region previously. Application of the Laplace transformation and the Inversion theorem to the governing equations makes it possible to obtain an exact infinite-series solution, which is convergent only at sufficiently large time. Accordingly a complementary solution which is available for short times, i.e., the time range of this study is sought by an approximate method. The approximate solution which is rigorously validated through the examination of neglected terms in the solution procedure agrees quite well with the exact one. Moreover, it is simpler to use and more convenient to interpret the physical meaning of the solution. Comparison of the present solution with the previous ones shows relatively large difference near the tank bottom, which results from the more realistic boundary condition adopted in the present model. Some representative results by the approximate solution including effects of the Peclet number on temperature distrbutions are illustrated to show the utility of this study. In consequence, it is expected that the present results based on the improved model replace the foregoing ones as a new theoretical reference for studies of thermal stratification fields.
Large-scale active solar heat systems are generally using heat exchanger between collector and storage tank loops to prevent damage by freezing. It is difficult to maintain stratification in a storage tank in the system owing to greater flow rate enhancing heat transfer. In the previous study, we introduced a spiral-jacketed storage tank and obtained good results to keep system performance of general level without better stratification. We added a scroll-shaped heat exchanger coil on the upper part in the spiral-jacketed storage tank. As a result of the experiment, it was verified that degree of stratification of the new type storage tank is higher than that of the previous one with a possibility of better collector efficiency and solar fraction.
축열조에 대한 연구에서 유입되는 유입수와 초기 저장수와의 사이에 필연적으로 일어나는 혼합 현상을 최대로 억제함으로서 열성층을 형성시켜야 한다. 열성층을 지배하는 인자로는 각종 동적, 기하학적 인자 등이 있다. 동적 인자는 유입 유동율이며 기하학적 인자로는 유출입구 형상이다. 출구 온도를 이용하여 축열조 내의 열성층 정도를 파악할 수 있는 새로운 개념의 성층도를 제시하였고 동적 인자와 더불어 열성층에 영향을 미치는 여러 지배 물성치들을 차원 해석하여 적절한 무차원 형태로 단순화 시켜 얻어진 Peclet수, Richardson수와 성층도의 관계를 확립함으로써 가장 안정된 열성층을 얻을 수 있는 동적 임계 조건을 밝혔다.
The purpose of this study is to compare the effect on the thermal stratification under various aspect ratios in the solar storage tank using FLUENT. Numerical calculations of three designs with different aspect ratio were carried out to show the behaviour of stratification in a solar storage tank. The calculation results show that the thermal stratification of the 2.5:1 aspect ratio solar storage tank can be 6.22% higher then that of the 1.5:1 aspect ratio solar storage tank and 2.68% higher then that of the 2:1 aspect ratio solar storage tank.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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