부산대학교 도서관

축열조가 개방형 구조로 되어있는 캡슐형 빙축열시스템에서 축열조를 효율적으로 이용하기 위해서는 캡슐의 빙충전율(IPF) 향상과 디퓨져의 균등한 유량분배 특성이 있다. 이에 본 연구에서는 캡슐형 빙축열시스템에 적용되는 아이스 캡슐에 대한 복합열전달 문제와 개방형 축열조 상부에 설치되는 다양한 형상을 가진 디퓨져의 유량 분배 특성을 수치해석 하였다. 아이스 캡슐 복합열전달은 정수압을 받는 완전 구(Sphere) 형상과 열전달 표면적을 넓게 설계한 Bone, Hole, Dimple 3가지 다른 형상을 포함하여 총 4가지 형상에 대해서 수치해석 하였다. 디퓨져의 분배형태는 One-direction, Both-direction, Header type 그리고 H-symmetry 4가지 형상에 대해서 수치해석 하였다. 캡슐 주위의 유동은 Re 수 300의 층류이며 캡슐 내부에 자연대류를 고려하여 해석하였으며 디퓨져는 비압축성 유체의 정상유동 조건에서 층류와 난류로 수행하여 비교분석하였다. 디퓨져의 난류 계산에 적용되는 난류모델은 Standard , RNG , Realizable , SST를 비교 검토하였고 그 결과 Realizable Model을 사용하여 계산하였다. 캡슐의 복합열전달에서 물은 4℃에서 밀도가 가장 큰 특성이 있기 때문에 4℃를 넘어서는 Boussinesq Model과 같이 온도가 상승함에 따라 상승기류를 나타내지만 4℃까지는 상승할수록 하강기류를 보였다. 형상에 따른 열전달 성능은 Bone, Dimple, Hole, Sphere 순으로 열전달 효율이 뛰어났다. 이는 구(球) 형상을 기준으로 한 면적비와 표면 열전달계수를 적분한 값과 일치한다. 열전달 성능이 가장 뛰어난 Bone과 그렇지 않은 Sphere의 특정 시간대에서 캡슐 한 개의 최대 온도 차이는 정도였다. 대용량 시스템의 경우 축열조 내에 30만개 이상의 캡슐이 들어가므로 캡슐 형상이 시스템 효율에 미치는 영향이 중요함을 확인하였다.다음은 디퓨져의 결과이다. 먼저 층류유동에서 한 방향 또는 양 방향으로 분배되는 디퓨져는 유량이 일정하게 분배되지 않는 반면에 Header type이나 H Symmetry형의 디퓨져는 균등한 분배특성을 보였다. 한편, H Symmetry형 디퓨져는 유체의 흐름이 수직분기가 많아서 Header type 디퓨져보다 높은 펌프 소비동력을 요구하므로 유량분배도 일정하고 펌프 양정도 낮은 Header type 디퓨져가 최적임을 확인하였다. 난류유동은 층류유동과 다른 결과를 알 수 있었다. One-direction과 Both-direction 디퓨져의 경우 난류유동에서는 정반대로 입구에서 가장 먼 분기배관에서 유량이 가장 많이 토출되었다. 유량분배가 균등하지 않은 것은 층류유동과 비슷하였다. H Symmetry는 층류와 난류 유동 모두 같은 결과를 보였다. Header type은 좀 더 복잡하고 다른 양상을 보이는데 층류유동에서는 고른 유량분배 특성을 가지는 반면에 난류에서는 입구에서 가까운 두 개의 분기배관으로는 역류 현상이 있었으며 따라서 토출 유량도 많았다. 그렇지만 그 편차가 크지 않기 때문에 관경과 유량 조건을 적절히 선정한다면 유량분배도 균등하며 H Symmetry형 보다 펌프 소비동력도 감소시킬 수 있다. 최종 결과적으로 Bone형상의 캡슐과 유량조건을 잘 선정한 Header type의 디퓨져를 사용한다면 시스템 효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
In order to enhance efficient use of the thermal storage tank in encapsuled ice thermal storage system which had open structured thermal tank, there were increasing of Ice Packing Factor(IPF) of capsule and characteristics of a uniform flow rate distribution of diffuser. In this study, a numerical analyses were conducted for conjugate heat transfer problem on ice capsule in encapsuled ice thermal storage system and the flow rate distribution characteristics of diffusers with various shapes, which are installed at the upper portion of open-type thermal storage system.Ice capsule conjugate heat transfer was numerically analyzed for four different shapes; the first one was perfect sphere shape under hydrostatic pressure, and others were Bone, Hole, and Dimple which had wide heat transfer surface area. The distribution types of diffuser were divided into four shapes such as One-direction, Both-direction, Header type and H-symmetry and were analyzed. The flow around capsules was laminar flow with 300 Re number and natural convection condition was applied inside of capsules in all calculations. The analysis of the diffuser was conducted considering laminar and turbulent flow of non-compressible fluid with the steady state flow conditions. In turbulent model, standard , RNG , Realizable , and SST were compared and we applied Realizable model from the calculation results. In the conjugate heat transfer of the capsule, the water showed upward flow beyond 4 ℃ like in the Boussinesq Model, however it showed down-wash up to 4 ℃ as the temperature increased because the water had a maximum density at 4 ℃. Heat transfer efficiency due to the shape was higher in the order of Bone, Dimple, Hole, and Sphere. This corresponded to the integrated value of area ratio based on a sphere shape and surface heat transfer coefficients. The maximum temperature difference of one capsule at certain times for the Bone type and Sphere type was 1.1 ℃. Bone type was excellent for heat transfer performance, otherwise Sphere type was not. For large systems there were more than 300,000 capsules in the thermal storage tank, therefore we confirmed that capsule shape was important on the effect of the system efficiency.The following were results of the diffuser. In laminar flow, the flow rate was not evenly distributed in One-direction or Both-direction type diffuser, on the other hand, constant flow rate characteristic was investigated in Header type and H Symmetry type diffuser. However, H Symmetry type diffuser required higher pump power compare to the Header type diffuser due to a lot of the fluid cross flow. Therefore we confirmed that Header type, which had constant flow distribution and low pump head lift, was optimal option.Turbulent flow showed different results from laminar flow. In the case of One-direction and Both-direction diffuser, the flow rate was discharged most at the remote branch on the contrary in turbulent flow. The flow rate distribution is not uniform and was similar to laminar flow. H Symmetry showed the same results in both laminar and turbulent flows. Header type resulted in more complex and different phenomenon. It showed a uniform flow rate distribution in laminar flow, on the other hand, there was a reverse flow in the two branch pipes near the entrance and flow rate discharged a lot in turbulent flow. However, because the deviation was not significant, if the diameter and flow conditions were selected appropriately, the flow rate was evenly distributed and pump power consumption could be reduced even more rather than H Symmetry type pump.As a final result, we concluded that Bone shaped capsule and a Header type diffuser were confirmed that can enhance system efficiency.