상전이 물질이 함침된 활성탄의 열적 특성 평가

배지열,김광수 대한환경공학회 2019 대한환경공학회지 Vol.41 No.10

목적: 열의 흡수 및 방출능력이 있는 상전이 물질을 에너지 매체로 사용하는 연구는 꾸준히 진행되어왔으며 캡슐형태로 주로 적용되었다. 하지만 제조공정이 복잡하고 환경오염물질이 발생되어 생산비의 대부분이 오염물질 제거에 사용되는 문제점이 있다. 본 연구에서는 활성탄을 상전이 물질의 충전매체로 사용하여 보다 간단하고 효과적인 열저장매체를 개발하고자 한다. 활성탄의 세공에 상전이 물질이 모세관 현상으로 흡착되는 원리를 이용하여 상전이 물질을 충전하는 방법을 개발하고 개발 소재의 열흡수 및 방출에 대한 특성을 알아보고자 한다. 방법: 본 실험에 사용한 상전이 물질은 지방산 물질인 Caprylic acid, 수화물 무기염으로는 Mn(NO3)2・4H2O, Mn(NO3)2・6H2O, Zn(NO3)2・6H2O, 그리고 알칸계 탄화수소류로는 n-hexadecane을 이용하였다. 활성탄 세공에 상전이 물질을 다음과 같이 충전하였다. 상전이 물질에 활성탄을 주입하여 혼합한 후 10기압의 고압반응기에서 약 10시간을 유지시킨다. 마지막으로 10℃에서 50℃ 범위 안에서 개발 소재의 열의 흡수/방출 능력을 알아보았다. 결과 및 토의: 온도에 따른 상전이 물질의 부피변화를 확인한 결과 유기산 및 수화물 염은 온도가 내려가면서 분자 간 평균거리가 감소하여 부피가 감소함을 알 수 있다. 각 상전이 물질의 열 흡수 방출특성을 평가한 결과 Caprylic acid는 약 17℃에서 근처에서 그리고 n-Hexadecane은 약 15℃ 근처에서 열흡수 및 방출이 일어남을 보여주고, Mn(NO3)2・4H2O 및 Zn(NO3)2・6H2O 은 약 35℃ 근처에서 그리고 Mn(NO3)2・6H2O 약 25℃ 근처에서 열의 흡수 및 방출 즉, 잠열이 있음을 보여주고 있다. 특히 열을 흡수하는 과정은 서서히 진행되는 반면 열을 방출하는 과정은 매우 급격하게 진행되었으며 Mn(NO3)2・4H2O 및 Zn(NO3)2・6H2O의 경우 열의 방출과정에서 두 번의 변곡점을 보여주고 있어 상전이 시 액체상태와 고체의 불안한 상태를 유지하는 과냉각(super cooling) 현상 때문인 것으로 사료되었다. 혼합 상전이 물질을 평가한 결과 Mn(NO3)2・4H2O/Mn(NO3)2・6H2O 혼합물과 Mn(NO3)2・4H2O/Zn(NO3)2・6H2O 혼합물의 경우 열 흡수와 방출 2개의 변곡점을 보여주었으며 반복실험에서도 비슷한 경향을 나타내었다. 반면에 Mn(NO3)2・6H2O과 Zn(NO3)2・6H2O을 혼합한 경우는 열흡수 및 방출실험을 반복할수록 재현성이 저하되었다. 충전된 상전이 충진된 활성탄의 열 흡수 및 방출특성을 평가한 결과 Caprylic acid, Mn(NO3)2・6H2O, Zn(NO3)2・6H2O 모두 열의 흡수 및 방출이 진행되었으며 각각의 녹는점 및 어는점은 원료물질 그대로의 온도에서 재현되었으며 특히 수화물 염의 가장 단점인 과냉각현상을 극복할 수 있었다. 활성탄 세공에 충전된 상전이 물질을 적층시켜 열흡수 및 방출특성을 평가한 결과 열의 흡수의 경우 하부에서부터 상부까지 점진적으로 진행되며 특히 상부에서 열의 흡수가 많음을 확인하였다. 반면에 열 방출의 경우 상부보다는 하부에서 많이 진행됨을 보여주고 있다. 각각의 상전이 물질을 균일하게 혼합하였을 경우 광범위 온도에서 균일한 분포로 일어났으며, 반복 실험에서도 비슷한 양상을 보여주어서 활성탄세공에 상전이 물질을 충진하여도 안정된 열 충전 매체로 사용할 수 있음을 확신할 수 있었다. 결론: 1) 상전이 물질중 acprylic acid, n-hexadecane은 과냉각 현상이 없었으나 무기성 상전이 물질은 과냉각 현상이 발생하였다. 2) 과냉각 현상은 열을 방출하는 냉각과정에 ... Objectives: The use of phase change materials (PCMs) with the ability to absorb and release heat as an energy medium has been extensively studied where encapsulated material was used. Though these heat storage systems seem efficient but practical application suffers due to their high manufacturing cost, complexity in the manufacturing process, and eco-unfriendly nature. In this study, we developed an affordable, simpler and more efficient heat storage media by using activated carbon as a filling medium for PCM. The purpose of this study is to develop a method for caging a PCM by using the adsorption phenomenon where the PCM is adsorbed by the capillary phenomenon in the pores of activated carbon. The heat absorption and releasing characteristics of PCM embedded-activated carbon composite was investigated to comment on the applicability of the composite. Methods: The PCM used in this experiment were caprylic acid (CH3(CH2)8COOH), Mn(NO3)2・4H2O, Mn(NO3)2・6H2O, Zn(NO3)2・6H2O, and n-hexadecane. The PCM embedded-activated carbon composites were prepared and studied by adopting a standard protocol. After adding and mixing the degassed activated carbon in a beaker containing a PCM, it was maintained in a high-pressure reactor of 10 atm to push the PCM into the pores of the activated carbon. The heat absorption/release capacity of the PCM embedded-activated carbon was examined within the range of 10℃ to 50℃. Results and Discussion: The organic acid and the hydrated salt decreased the volume by decreasing the average distance between molecules as the temperature decreased. The heat absorption and release temperature of caprylic acid and n-Hexadecane was ~17℃ and ~15℃, respectively. Also, for Mn(NO3)2・4H2O and Zn(NO3)2・6H2O, the absorption and release of heat, i.e., latent heat was ~35℃ and ~25℃, respectively. In particular, the process of absorbing heat proceeds slowly while the process of heat release proceeds very rapidly. Moreover, Mn(NO3)2・4H2O and Zn(NO3)2・6H2O showed two inflection points in the heat release process. It was probably due to the supercooling phenomenon where the liquid and solid phase coexisted during the phase transition. From the evaluation of the mixed PCM, the inflection point of heat absorption and emission was given for the mixture of Mn(NO3)2・4H2O/Mn(NO3)2・6H2O and Mn(NO3)2・4H2O/Zn(NO3)2・6H2O. Similar trends were observed in repeated experiments. On the other hand, when Mn(NO3)S・6H2O and Zn(NO3)2・6H2O with higher water molecules content were mixed, reproducibility decreased in the subsequent heat absorption and release cycles. The heat absorption and emission characteristics of caprylic acid, Mn(NO3)2・6H2O and Zn(NO3)2・6H2O embedded activated carbon was found reproducible in multiple melting and freezing cycles and the overcooling phenomenon was overcome. The heat absorption and release characteristics of laminated PCM embedded activated carbon showed that the absorption of heat proceeded gradually from the bottom to the top, and the absorption of heat was significantly high at the top. On the contrary, heat dissipation was observed to proceed more at the bottom than at the top. The homogeneous mixing of various PCM embedded activated carbon composites resulted in a uniform distribution over a wide range of temperatures. Dozens of repeated experiments showed a similar pattern, which ensured that the activated carbon can be used as a stable thermal charging medium even with a PCM. Conclusions: 1) Caprylic acid and n-hexadecane did not have the supercooling phenomena, but the hydrate-containing inorganic phase change material showed the supercooling phenomenon where both the liquid and solid phases coexisted. 2) The supercooling phenomena occurred during the cooling process that released the heat, especially when the hydrated water content was higher. On the other hand, when the phase change material is filled into the activated carbon pores, the supercooling ph...

히트파이프 열교환기의 열전달 성능해석 및 모사

권혁수,권정훈,정의국 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集B Vol.47 No.11

본 연구는 히트파이프 열교환기의 열교환 성능을 예측하기 위한 수학적 모델을 전개하고 열교환기 설계를 위한 알고리즘을 개발하기 위해 수행되었다. 해석모델에 의해 히트파이프 열교환기의 열성능이 예측되었으며, 열교환기의 고온부와 저온부의 입력조건들에 따라 요구되는 열교환 성능이 획득될 수 있는 히트파이프 열 수가 예측될 수 있도록 알고리즘이 구성되었다. 해석모델은 열저항 접근에 의해 개발되었으며, 각 열에 배열된 히트파이프와 열매체에 대한 열저항-온도 관계가 정의되었다. 해석모델의 신뢰성은 문헌에서 공급된 실험결과에 의해 검증되었으며, 온도에 대한 상대오차는 평균적으로 5% 이내에 있었으나, 유용도에 대한 오차의 평균은 11.9%로 평가되었다. 히트파이프 열교환기의 성능모사를 위한 변수들로서 저온측 입구속도와 공통 벽의 위치가 채택되었으며, 각 열의 온도 분포, 유용도 및 압력강하에 기여하는 이들 변수들의 영향이 조사되었다. This study aimed to develop a mathematical model for predicting the heat exchange performance of a heat pipe heat exchanger and establish an algorithm for effective heat exchanger design. The thermal performance of the heat pipe heat exchanger was assessed using the analytical model, and an algorithm was formulated to estimate the number of heat pipe rows required to achieve the desired heat exchange performance based on the input conditions of the hot and cold sides of the heat exchanger. The analytical model was developed using the thermal resistance approach, defining thermal resistance-temperature relationships between the heat pipes arranged in each row and the heat transfer fluid. The reliability of the analytical model was validated against experimental results found in the literature. The relative error in temperature generally remained within 5, but the error in effectiveness reached up to 17.5%. Inlet velocity on the cold side and the location of the common wall were selected as variables for simulating the performance of the heat pipe heat exchanger. This allowed for an investigation into the effects of these variables on temperature distribution, utility, and pressure drop in each row.

기술보고 : 금속재질 열교환기의 지중 열교환 효율에 관한 연구

송재용 ( Jae Yong Song ),김기준 ( Ki Joon Kim ),안상곤 ( Sang Gon An ),김진성 ( Jin Sung Kim ),정교철 ( Gyo Cheol Jeong ) 대한지질공학회 2015 지질공학 Vol.25 No.1

본 연구는 지열시스템 열교환 효율의 개선방안을 모색하기 위한 것으로 금속재질의 열교환기인 동관 및 스테인레스관과 기존 지열시스템에 많이 적용되는 PE관을 이용하여 지열열교환기의 재질에 따른 열전달 효율을 비교 분석하였다. 또한 지하매질의 지하수에 포함되어 있는 지하수열을 동시 활용할 경우의 열전달 효율 변화를 평가하고 그 적용성을 검토하였다. 열교환기 내의 유속, 유량 및 열교환기의 구경을 조절함으로써 열교환기의 재질에 따른 열전달 효율을 평가 후현장실증시험 설계인자를 도출하였다. 열교환 효율과 유효 열전도도는 현장 열전달 효율 시험 및 열응답 시험을 통해 변화양상을 분석하였다. 분석결과 금속재질이 PE관에 비해 높은 열전달 효율을 보였으며, 유량에서의 구경증대에 따른 열전달효율은 크지 않았으나 유속에서의 구경증대에 따른 열전달효율은 높아지는 것을 확인하였다. The purpose of this study is to analyze and compare the heat transfer efficiency of using copper pipe, stainless pipe and traditional PE pipe commonly used for geothermal heat exchanger, with aims at seeking improved methods. In addition, the varying efficiency of heat transfer from ground heat and groundwater heat was assessed and its applicability was discussed. Design parameters for empirical field study were derived by controlling flow rate, velocity and caliber of pipes of the heat exchanger after the thermal efficiency of the heat exchanger material was evaluated. The heat exchange efficiency and effective thermal conductivity were measured with changing pattern through field thermal efficiency and thermal response test. Experimental results show that the metal material showed higher heat transfer efficiency than the PE pipe. Although the heat transfer efficiency was not high with the increase of the pipe diameter in the flow rate, it was high with the increase of the pipe diameter in the velocity.

U-Type 세로핀을 이용한 잠열 에너지 저장 시스템의 총괄 열전달 계수 분석에 관한 연구

송정호(Jungho Song),황정호(Jungho Hwang),박동호(Dongho Park) 대한기계학회 2024 大韓機械學會論文集B Vol.48 No.7

상변화 물질(PCM: phase change material)을 이용한 잠열 에너지 저장(LHTES: latent heat thermal energy storage) 시스템의 총괄 열전달 계수를 축열과 방열 조건에서 각각 분석하였다. U-type 세로핀(fin)과 PCM은 열교환기 외부 쉘(shell) 구조 내부에 삽입된 형태로 제작되었으며, LHTES의 열전달 분석은 열매체(HTF: heat transfer fluid), 유량 조건(5, 10, 15 L/min)에 따라 평균 열전달률, 축열량, 방열량 및, PCM의 총괄 열전달 계수로 분석하였다. 평균 열전달률은 축열과 방열 조건에서 각각 0.6 - 0.73, 0.65 - 0.85 kW이며, 유량에 따라 증가하는 경향을 보였다. 축열량과 방열량은 유량에 따른 변화 없이 각각 458, 312 kcal로 나타났다. PCM의 총괄 열전달계수는 평균 열전달률 값을 이용하여 계산하였으며 HTF와 PCM의 온도차, 열저항 방법으로 분석하였다. 이때, PCM의 총괄 열전달 계수는 축열과 방열 조건에서 각각 42.1, 10.1 W · m<SUP>-2</SUP> · k<SUP>-1</SUP>로 방열보다 축열에서 약 4.1배 더 큰 값을 보였다. The overall heat transfer coefficient (U<SUB>PCM</SUB>) for a Latent Heat Thermal Energy Storage (LHTES) system using PCM was analyzed as heat storage and heat discharging process. The U-type longitudinal fin tube and PCM were modularized on the outer shell of the heat exchanger. The thermal performance of the LHTES system was determined using the average heat transfer rate (Q<SUB>avg</SUB>), quantity of heat storage (Q<SUB>c</SUB>) and release (Q<SUB>dc</SUB>), and U<SUB>PCM</SUB of the Heat Transfer Fluid (HTF). Q<SUB>avg</SUB> was 0.6-0.73 and 0.65-0.85 kW for the heat charging and discharging process, respectively, and increased slightly as the HTF flow rate increased. U<SUB>PCM</SUB was calculated using Q<SUB>avg</SUB> and analyzed using the temperature and thermal resistance of the HTF and PCM. U<SUB>PCM</SUB was 42.1 and 10.1 for the heat charging and discharging process, respectively, indicating that it was higher for the heat charging process than for the heat discharging process.

환경,경제의 상생 기반 구축 및 잠재력 활성화 : 폐자원 및 바이오에너지의 용도별적정 배분방안(2): 목질계 바이오매스를 중심으로

이희선,조지혜,주현수,강만옥,이창훈,이소라,서아람 한국환경정책평가연구원 2015 기후환경정책연구 Vol.2015 No.-

우리나라는 기후변화에 효과적으로 대응하기 위한 저탄소형 에너지 공급 및 높은 에너지해외의존도를 해결하기 위한 에너지 다변화 수단의 하나로 국내 에너지원인 신ㆍ재생에너지개발을 선택하고, 이의 확대를 위한 다양한 노력을 기울이고 있다. 전력 분야에서는 2012년부터「신ㆍ재생에너지 공급의무화제도(Renewable energy Portfolio Standards, RPS)」를, 수송 분야에서는 2015년부터 바이오디젤에 대해「신ㆍ재생에너지연료 혼합의무화제도(Renewable FuelStandard, RFS)」를 시행하고 있다. 그러나 아직 열 공급 분야에서는 전력 및 수송 분야와 같은 신ㆍ재생에너지 확대 제도가 마련되어 있지 못하다. 이에 한국 정부는 가까운 시일 내에 열에너지 분야에도 전력 분야와 유사한 구조를 지닌「신ㆍ재생열에너지 공급의무화제도 (Renewable Heat Obligation, RHO)」를 도입하기 위한 다양한 노력을 하고 있다. 특히 향후 열에너지에 대한 수요가 지속해서 증가할 것으로 전망되는 가운데, 신ㆍ재생열에너지 또한 확대해 나갈 필요가 있다. 그러나 현재까지 대표적인 열에너지원인 천연가스, 석탄 등의 생산단가에 비해 신ㆍ재생열에너지원의 생산단가가 높다. 따라서 단가하락을 위해 신ㆍ재생열원에 대한 지속적인 기술 개발 노력과 함께, 의무량 할당 등 규제나 인센티브에 의한 신ㆍ재생열에너지 시장확대를 통해 규모의 경제에 따른 단가하락 노력도 함께해야 한다. 신ㆍ재생열에너지는 기존의 석탄을 활용한 열에너지에 비해 이산화탄소 등 온실가스가 적게 배출되는 동시에, 국내에서 생산되는 열원을 사용하기 때문에 에너지 안보 차원에서도 도입이 필요한 에너지원이다. 또한 신ㆍ재생열에너지는 지역에서 생산되는 상대적으로 소형의 열 생산과 공급이 가능한 분산 발전원으로, 에너지 공급의 다변화 측면에서도 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 그뿐만 아니라 신ㆍ재생열에너지 원료의 공급과 관련된 다양한 산업 분야가 형성되어, 고용창출과 소득증대에도 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대되며 신기술과의 접목을 통해 국가 성장동력으로 성장할 잠재력을 지닌 분야도 있다. 특히, 바이오에너지를 이용한 신ㆍ재생열에너지 공급 분야는 국내 다양한 바이오매스를 활용함으로써 임업 및 농업 부산물의 활용도를 높이고, 산림자원의 효율적 이용을 촉진할 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 현재도 바이오에너지 중 우드칩은 집단에너지 전체 원료사용량(열량toe 기준)의 18.3%를 차지할 정도로 주요 열에너지원으로 활용되고 있다.1) 그러나 바이오매스의 경우 에너지화를 위해 활용되는 경로 이외에도 사료, 인공목재, 비료 등 다양한 분야에서 활용되고 있어, 향후 국내 바이오매스만으로 충족 가능한 국내 수급 잠재력이 어느 정도 되는지도 현시점에서 검토되어야 한다. 즉 향후에 바이오매스를 열에너지원으로 사용할 양을 전망하고, 이를 통해 필요한 경우 수입할 바이오에너지에 대해 미리 검토해야 할 것이다. 이를 위해 우선 신ㆍ재생열에너지의 RHO 적용 가능성을 검토하면, 「대체에너지 개발 및 이용ㆍ촉진법」 제2조에 따른 11개 신ㆍ재생에너지 분야 중 태양열, 바이오매스, 지열이 대상이 될수 있다. 현재 신ㆍ재생열에너지 전체 대비 태양열과 지열은 각각 약 5%와 16%로 공급되고있는 한편, 우드칩, 펠릿과 같은 목질계 바이오매스는 전체의 80%가량을 차지하고 있다. 이에 본 연구에서는 목질계 바이오매스를 대상으로 분석하였으며 이를 ‘폐목재(임목폐목재, 생활폐목재, 건설폐목재, 사업장폐목재)’, ‘부산물류(임목부산물, 농수산부산물)’, ‘순수목재(바이오순환림)’로 세분류하여 열에너지 분야에 활용될 때의 잠재량, 즉 가용에너지양을 산정하였다. 본 연구에서는 제2차 에너지 기본계획에서 제시한 방법론을 적용하여 이론적(Theoretical), 지리적(Geographical), 기술적(Technical), 시장(Market) 잠재량 단계별로 입지, 보급여건, 기술 수준, 정부의 정책 목표 등을 반영하여 실질적으로 공급 가능한 양을 산정하였다. 그 결과, 2013년 기준 국내 목질계 바이오매스의 가용에너지양(시장 잠재량에 해당)은 총 4,888천Gcal에 해당하는 것으로 나타났다. 하지만 현재 목질계 바이오매스는 RPS 제도가 시행된 이후 발전용으로 상당량 사용되며 그 사용량은 해마다 급격히 증가하고 있다. 이에, 앞서 제시한 총 가용에 너지양에서 발전으로 사용되는 양을 제외한 결과 2013년 기준으로 3,178천Gcal로 산정되었다. 이와 더불어, 현재 열에너지 생산량당 생산단가가 태양열, 지열 등 다른 신ㆍ재생열에너지에 비해 낮은 상황에서 RHO 제도를 도입할 경우 열에너지 생산 및 공급업자들은 대부분 바이오매스를 열 생산의 주요 원료로 사용할 가능성이 큰 만큼, 바이오에너지 수요에 대한 최대한의 수요량과 최소한의 수요량을 사전적으로 검토할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 향후 RHO제도에 대한 시나리오를 설정하고, 시나리오별로 얼마만큼의 바이오에너지에 대한 수요가 예상되는지를 전망하였다. 이를 위해 우선 의무부과 대상에 대해 시나리오를 설정하였으며 크게 두 가지 대안, 1) 신축건물주에게 부과하는 경우, 2) 열 생산 및 공급업자에게 부과하는 경우로 구분해볼 수 있다. 대안1은 일정 규모 이상의 대형 건물을 신축할 경우 해당 신축건축물의 소유자에 대해 냉ㆍ난방에 필요한 열에너지 소비의 일정 부분을 신ㆍ재생열에너지에서 소비하도록 의무화하는 것이며, 대안2는 열에너지 생산ㆍ공급자에 대해서 생산ㆍ공급량의 일정 부분을 신ㆍ재생에너지열로 생산ㆍ공급하도록 의무화하는 것이다. 위의 두 대안에 대한 각각의 시나리오를 바탕으로, 향후 2030년까지 예상되는 열에너지 소비량을 추정하였다. 또한 두 가지 대안에 대해 생산단가로 인해 바이오매스로 100% 수요를 충당할 경우와 정부가 규제 등을 통해 52%까지 바이오매스를 사용하는 경우로 나누어 향후 수요량을 전망하였다. 특히, 후자의 경우 대안 1에 대해서는 2016년 885천Gcal, 2020년 4,458천Gcal, 2030년에는 총 20,415천Gcal의 에너지 수요가 발생하며, 대안 2에 대해서는 2016년 3,110천Gcal, 2020년8,298천Gcal, 2030년에는 총 24,610천Gcal의 에너지 수요가 각각 발생할 것으로 예측된다. 이를 국내 가용에너지양(2013년 기준 공급가능량과 바이오순환림으로 인한 추가공급량 합산= 3,693천Gcal)과 비교하면, 향후 수요 전망치가 국내 공급량을 훨씬 초과함을 알 수 있다. 대안별 온실가스 대체효과는 국내의 현실과 가장 근접한 혼합(석탄 및 LNG) 연료 유형을 바이오매스(100%)로 대체할 경우, 2030년 대안 1 및 대안 2의 온실가스 저감량은 각각 9,915및 12,678 CO2-eq천 톤으로 나타났다. 대안 2인 집단에너지시설의 바이오매스 의무사용 정책을 통해 얻을 수 있는 온실가스 저감량은 2012년 국내 폐기물 부문의 온실가스 배출량(14,800 CO2-eq천 톤)의 86%에 해당한다. 결론적으로 대안 1 및 대안 2의 바이오매스 의무사용 확대정책은 온실가스 감축에 매우 효과적이라 할 수 있다. 또한 4개 대안에 대한 연료 유형별로 유해대기오염물질(크롬, 다환족 유기물질, 포름알데히드, 수은) 배출량을 산정한 결과, 대안 1 및 대안 2의 바이오매스 의무사용 확대정책은 유해대기오염물질 배출 측면에서 유리한 점과 불리한 점이 공존하고 있으며, 특히 다환족 유기물질과 포름알데히드 배출 면에서 현재의 에너지믹스보다 불리한 연료유형으로 분석된다. 특히, 인구밀집 지역에서의 바이오매스 확대는 신중하게 접근해야 할 필요성이 있다. 현재 RPS 제도가 운영되고 있는 상황에서, 향후 RHO 제도가 도입된다면 한정된 국내 바이오매스 공급량을 놓고 이를 수요하기 위해 RPS 제도에 포함된 전력생산업자와 RHO 제도에 포함된 열생산업자 간에 경쟁이 예상된다. 이러한 초과수요는 전력생산업자와 열생산업자 간에 심각한 경쟁구도를 야기할 가능성이 크며, 국내에서 신규 바이오매스원을 발굴하거나 해외에서 공급부족분에 대한 수입이 불가피할 것으로 전망된다. 이러한 상황에서 RHO 제도 도입에 앞서 원료의 안정적인 공급 및 신.재생열에너지의 보급 활성화 측면에서 사전 검토와 준비 사항들이 존재한다. 첫째, 향후 수요 증가 전망에 대비하여 국내 자원을 최대한 활용하기 위해서는 추가 공급가능량 발굴이 요구된다. 본 연구에서 대상으로 하는 목질계 바이오매스 가용에너지양(시장잠재량에 해당)은 이론적 잠재량 대비 약 10% 내외 수준인 것으로 나타났다. 향후 활용 잠재력이 높은 원료를 발굴해 나감으로써 시장 잠재량을 확대해 나가야 할 것이다. 특히, 임목부산물의 경우 발생량이 타 바이오매스보다 더 많으며 불순물의 함량도 적어 활용가치가 높을 것으로 기대된다. 비록 현재는 수집비용 문제나 제도적 문제로 인해 효율적 활용에 어려움이 있으나 향후 임목부산물의 활용을 높일 수 있다면 국내 원료 자급률은 크게 향상될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 현재 통계가 미흡하여 본 연구에서의 잠재량 산정에는 배제되었으나 향후 농수산부산물에 대해서도 더욱 체계적인 관리방안이 도출되고 유통현황이 더 명확해진다면 양질의 목질계 자원으로써 활용할 수 있을 것이다. 이를 위해 우선 목질계 외 타 바이오매스의 잠재량에 대한 파악 또한 필요하다. 두 번째로는 열부문 목질계 바이오매스 표준화와 수입 바이오매스 관리 측면을 검토할 수 있다. 앞서의 시나리오 분석대로 RHO 제도 도입에 따라 수요 전망치가 국내 공급가능량을 초과할 경우 부족분에 대해서는 수입이 불가피할 것으로 보인다. 이러한 국내 공급 부족량을 대체하기 위해 무분별한 수입이 이루어져 저급 혹은 유해물질이 함유된 원료가 국내에 공급될경우 심각한 환경오염 문제를 일으킬 수 있다. 그러므로 신·재생에너지열원으로 활용하기 위한 목질계 바이오매스의 표준화가 필요하며, 수입 원료에 대한 품질관리를 더 철저히 할 필요가 있다. 또한 가공 과정을 거쳐 생산된 폐목재 연료의 공급 과정에 대한 정보를 관리해야 할것이다. 이와 함께 해외 바이오에너지에 대한 수입을 고려할 경우, 생산단가나 국내 환경에 미치는 영향, 온실가스 감축 효과 산정과 관련된 다양한 분야에 대한 사전적인 준비 작업이필요할 것으로 판단된다. This study estimates the amount of domestically available energy from woody biomass in the future. In the power sector, the RPS (Renewable Portfolio Standards) have been implemented from 2012 and in the transport sector, the RFS (Renewable Fuel Standard) has been enforced from 2015. However, renewable energy policy in the heat sector has not provided a standard yet. Therefore, the RHO (Renewable Heat Obligation) that obligates the use of fixed amount of renewable energy such as biomass, solar heat and geothermal energy as heating fuel is going to be implemented soon. In particular, bioenergy has the potential to promote the efficient use of a variety of organic wastes and biomass resources. Among them, wood chip currently accounts for 18.3% of total community energy service (CES) energy sources as the major heat energy source. However, little research has been carried out regarding the domestic energy potential and contribution level of woody waste and biomass for RHO. The target sources of the RHO can include solar, biomass and geothermal heat. And solar energy accounts for about 5% and geothermal energy accounts for about 16% of total renewable heat energy supply. Meanwhile, woody biomass such as wood chips and pellets represents about 80% of the total. In this study, therefore, woody biomass was classified into wood wastes, by-product and unpolluted wood and the amount of woody biomass available for heat energy was estimated. A prediction model suggested by the 2nd master plan for national energy was selected. The amount of available energy that can be realistically supplied is predicted through the ``theoretical``, ``geographical``, ``technical`` and ``market potential`` stages and by considering location, dissemination, technical conditions, and national policy goals among others. Consequently, the market potential of domestic woody biomass in heat generation is estimated at 3,178,000Gcal in 2013. In addition, two scenarios for the RHO was established and projections were made on the future demand for bioenergy in each scenario. Scenario 1 imposes the obligation to the owner of new buildings while scenario 2 places the onus on heat producers and suppliers. In addition, there are two cases in each scenario. One assumes that the total renewable heat energy demand is covered by biomass due to production cost, and the other postulates that 52% of the demand is covered by biomass through government regulation. In the latter case (52%) in particular, it is expected that 20,415,000Gcal of energy demand will be generated in 2030 in scenario 1, and 24,610,000Gcal energy demand will be produced in 2030 in scenario 2. Compared with the fact that the potential of domestic woody biomass in heat generation in the future is 3,693,000Gcal (sum of the market potential in 2013 and expected amount of bioenergy harvested from wood), the estimated level of future demand far exceeds the amount of domestically available energy. Under the current circumstances, preliminary review and preparations must be made in order to stably supply energy resources and promote the propagation of renewable heat energy prior to the implementation of the RHO. Firstly, it is necessary to develop additionally available energy resources in anticipation of growth in future demand. In particular, as forest residues are generated in a much higher volume than other woody biomass and contain less impurities, they can be very useful. At present, it is difficult to use them effectively due to high collection cost and institutional problems. Once these issues are addressed, domestic self-sufficiency of fuel could be greatly improved by better utilizing forest residues. Secondly, ``standardization of national woody biomass`` and ``stringent import restriction`` need to be reviewed. If low quality materials or materials containing hazardous substances are supplied by indiscriminate import to make up for the shortage, they can cause serious environmental pollution. Therefore, the quality of imported materials needs to be controlled more strictly, and the information on the supply chain of waste wood fuel produced through processing must be managed. In addition, when considering the import of biomass, in-advance preparations in various aspects must be made such as estimations of production cost, impact on the environment and greenhouse gas reduction effect.

일중 피복온실의 관류열전달계수 산정

황영윤,이종원,이현우 (사) 한국생물환경조절학회 2013 생물환경조절학회지 Vol.22 No.2

This study was conducted to suggest a model to calculate the overall heat transfer coefficient of singlelayer covering for various greenhouse conditions. There was a strong correlation between cover surface temperatureand inside air temperature of greenhouse. The equations to calculate the convective and radiative heat transfer coefficientsproposed by Kittas were best fitted for calculation of the overall heat transfer coefficient. Because the coefficientof linear regression between the calculated and measured cover surface temperature was founded to 0.98, theslope of the straight line is 1.009 and the intercept is 0.001, the calculation model of overall heat transfer coefficientproposed by this study is acceptable. The convective heat transfer between the inner cover surface and the inside airwas greater than the radiative heat transfer, and the difference increased as the wind speed rose. The convective heattransfer between the outer cover surface and the outside air was less than the radiative heat transfer for the low windspeed, but greater than for the high wind speed. The outer cover convective heat flux increased proportion to theinner cover convective heat flux linearly. The overall heat transfer coefficient increased but the cover surface temperaturedecreased as the wind speed increased, and the regression function was founded to be logarithmic and powerfunction, respectively. 본 연구의 목적은 일중피복온실의 피복재에 대하여 우리나라 환경에 적합한 관류열전달계수를 산정하는 방법을 찾아내고 검증하여 다양한 온실조건 및 환경조건에서관류열전달계수를 산정할 수 있는 모델을 제시하는 것이다. 온실내부 및 외부온도와 피복재 표면온도와의 상관관계를 분석한 결과 주간 및 야간 온도를 모두 고려하였을 때보다 야간온도만을 고려하였을 경우가 상관성이훨씬 더 높은 것으로 나타났다. 피복재의 표면온도가 온실의 외부온도보다는 내부온도와 상관성이 더 높은 것으로 나타났다. 관류열전달계수를 산정하는데 사용된 5가지 종류의 대류 및 복사열전달계수 산정식을 비교한 결과 Kittas가 제안한 대류 및 복사열전달계수 산정식이가장 적합한 것으로 나타났다. 피복재 표면온도의 측정값과 계산값의 상관성을 분석한 결과 직선의 기울기는1.009이고 절편은 0.001이며 결정계수가 0.98로 나타나본 연구에서 제시된 관류열전달계수 산정모델이 신뢰성이 있음을 확인할 수 있었다. 온실내부로부터 피복재 내부표면으로 전달되는 열흐름량의 경우 모든 풍속구간에대해 대류열전달량이 복사열전달량보다 더 컸으며 풍속이 증가할수록 그 차이가 증가하였다. 외부표면에서 손실되는 열흐름량의 경우 풍속이 낮을 때에는 대류열전달량에 비해 복사열전달량이 더 컸으나 풍속이 증가함에따라 그 차이는 점점 줄어들어 풍속이 높을 때에는 대류열전달량이 더 커지는 것으로 나타났다. 피복재 외부표면의 대류열전달량은 내부표면의 대류열전달량에 직선적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 풍속이 증가함에 따라 관류열전달계수는 증가하고 피복재의 표면온도는 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 변화추세를 보면 관류열전달계수는 거듭제곱함수와 그리고 표면온도는로그함수와 잘 일치하였다.

형상변수에 따른 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 공기측 열전달 특성에 관한 실험적 연구

강태형(Taehyung Kang),이무연(Mooyeon Lee),김용찬(Yongchan Kim),윤성중(Sungjung Yun) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.5

본 연구의 목적은 무착상 조건에서 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 형상변수에 따른 열전달특성을 고찰하고 평판 사각핀-튜브 열교환기와 열전달성능을 비교하는 것이다. 나선형 원형핀-튜브 열교환기는 Lfoot 길이 2.7 ㎜ 에서 열전달계수가 최대로 나타났으며, 공기측 열전달계수는 튜브열수가 2 열에서 5 열로 증가하면서 평균 10% 감소하였고 핀피치가 5 ㎜ 에서 10 ㎜ 로 증가하면서 평균 17.5% 증가하였다. 모든 풍량조건에서 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 튜브피치 30 mm 가 35 ㎜ 보다 열전달량이 평균 5.1% 높게 나타났고 튜브두께 0.5 ㎜ 가 0.7 ㎜ 보다 열전달량이 평균 4.1% 높게 나타났다. 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 열전달계수가 평판 사각핀-튜브 열교환기에 비하여 평균 24.3% 정도 높게 나타났다. The objective of this study is to investigate the air-side heat transfer characteristics of a spirally-coiled circular fintube heat exchanger for various geometric parameters under non-frosting conditions. The heat transfer characteristics of the heat exchanger were analyzed with respect to heat exchanger geometries, and then, the characteristics were compared with those of rectangular-plate fin-tube heat exchangers with discrete fins. The heat transfer coefficient increased with a decrease in the number of tube rows and an increase in the fin pitch. The optimum length of the L-foot was 2.7 ㎜. In addition, the heat transfer rate increased with a decrease in the tube pitch and the tube thickness. The heat transfer coefficient of the spirallycoiled circular fin-tube heat exchanger was 24.3% higher than that of the rectangular-plate fin-tube heat exchanger.

원관 주위의 전도 열전달과 공기의 대류 열전달

이승홍,이억수 釜山大學校生産技術硏究所 1997 生産技術硏究所論文集 Vol.52 No.-

가열되는 원관에 대하여 수직방향에서 공기가 유동할 경우, 원관의 주위 온도를 측정, 분석함으로서, 원관 주위의 강제 대류 열전달에 대한 원주(θ)방향으로 전도 열전달의 영향을 연구하였다. 실린더의 내벽에서 일정한 열유속을 반경(r)방향으로 공급하면, 대류에 의한 원형 실린더 주위의 비대칭적인 온도분포 때문에, 열은 전도에 의해서 원관을 통하여 원주(θ)방향으로 전도 열전달이 존재하고, 실린더 주위로 대류에 의한 대류 열전달이 동시에 일어난다. 기하학적으로 유사한 표면과 경계조건에 대해서, 전도 열전달율은 원관의 열전도계수와 두께에 의존하고 그리고 고체 원관의 벽면을 통하여 발생하는 전도 열전달이 대류 열전달에 미치는 영향은 유체의 열전도계수와 반경의 크기에도 영향을 받는다. 복합 무차원 계수 가 원주방향의 전도 열전달의 대류 열전달에 관한 영향을 나타내는 계수로 사용되었다. 국소 열전달율과 국소 대류 열전달계수에 대한 원주방향의 전도 열전달의 영향은 복합 무차원계수 K*가 작을 경우에 매우 큰 영향을 주고 있음이 발견되었다. The influence of circumferential wall heat conduction on convection heat transfer is investigated for the case of forced convection around a circular tube in cross flow of air by measurements of surface temperature of circular tubes. Keeping uniform heat generation from the inner surface of the cylinder in radial direction, heat is transferred by wall conduction in the circumferential (θ) direction due to the asymmetric nature of the temperature distribution of the cylinder and by convection around the perimeter of the cylinder simultaneously. The wall heat conduction rate depends on conductivity of the tube and size of the tube thickness and the effect of wall conduction on convection heat transfer also depends on conductivity of the fluid and size of the tube radius for geometrically similar surfaces and cross flow conditions. A non-dimensional conjugation parameter has been used to express the effect of the circumferential wall heat conduction. The significant effects of wall conduction on the local convective heat transfer rate and local convective heat transfer coefficients around a circular tube is found when value of the conjugation parameter k* becomes smaller.

소규모 열네트워크기반 분산형 열 프로슈머 구현을 위한 직팽식 태양열 히트펌프 적용 가능성 분석

김민휘,김득원,이동원,허재혁 대한설비공학회 2020 설비공학 논문집 Vol.32 No.12

In this study, the feasibility of a direct-expansion solar heat pump for a distributed thermal prosumer in a small-scale thermal network was investigated. In this analysis, a small-scale thermal network for cooling, heating, and hot water established in Jincheon eco-friendly energy town was selected as the test site, and a daycare center in town was also selected as a target building for heat prosumer. The direct-expansion solar heat pump was selected to serve and generate excess heat, and control logic was developed to facilitate the production and delivery of excess heat. In order to simulate the operation of the direct-expansion solar heat pump, an operation model was developed via ANOVA based on the operation data derived from the literature. Simulations were based on the derived model and the operation parameters of the Jincheon eco-friendly energy town. As a result, the direct-expansion solar heat pump showed a COP of 3.5 annually. The amount of heat supplied for domestic hot water from the central management center in the town was 105 MWh/y, and the amount of electric energy consumed by the electric heater located in each building for domestic hot water supply was 37.4 MWh/y. It was predicted that 51.6% of the electric energy consumption for serving domestic hot water could be reduced using the direct-expansion solar heat pump in the daycare center as the thermal prosumer. 본 연구에서는 단일 건물에서의 신재생 열에너지 생산시스템의 적용 한계를 극복하기 위해, 소규모 중앙집중식 열 네트워크에서 직팽식 태양열 히트펌프기반 분산형 열 프로슈머 구현 방안을 모색하였다. 본 연구를 위해 소규모 4세대 소규모 열네트워크가 구성되어 있는 진천 친환경에너지타운을 실증장소로 선정하였으며, 열 프로슈머 건물로 어린이집을 선정하였다. 시뮬레이션을 위해 1년간의 진천 친환경에너지타운의 외기온도, 경사면 일사량, 타운 내 급탕부하, 급탕 공급 열네트워크 온도등 운영실험 결과를 기반으로 열 프로슈머로의 역할과 에너지절감 가능성을 분석하였다. 이후 직팽식 태양열 히트펌프에 대한 운영 모사를 위해 기존 실험논문의 결과를 바탕으로 ANOVA 분석을 통해 직팽식 태양열 히트펌프의 COP를 예측할 수 있는 모델을 도출하였다. 본 모델의 R2값은 91.1%로 적정한 운영 예측이 가능할 것으로 판단되었다. 본 모델을 활용하여, 기존 진천 친환경에너지타운의 전력소비량 측정데이터와 직팽식 태양열 히트펌프의 적용 시 전력소비량 및 각 건물의 급탕 전기히터의 전력소비량을 산정하여 비교분석하였다. 그 결과, 직팽식 태양열 히트펌프가 열 프로슈머로 운영될 경우, 전체 타운 급탕에너지의 51.6%를 담당할 수 있는 것으로 나타났으며, 건물별 급탕에너지 소비량의 37.7%를 절감할 수 있을 것으로 예측되었다. 본 연구는 선행연구를 통해 도출된 실험결과를 바탕으로 직팽식 태양열 히트펌프를 모사할 수 있는 모델을 도출하였으나, 기후대의 차이 등으로 국내에서의 운영에 따른 COP는 다소 차이가 있을 수 있다. 특히, 도출된 모델의 시스템 용량과 시뮬레이션 대상 시스템의 용량 차이로 인한 COP는 차이가 발생할 수 있다. 이에, 추후연구에서는 직팽식 태양열 히트펌프를 실제 설치하여 운영결과에 대한 검증을 진행할 예정이다. 또한, 본 연구의 실증단지인 진천 친환경에너지타운은 저온 열네트워크로 구성되어 있으며, 열공급 대상건물이 일반 지역난방과 많은 차이가 있으므로, 본 연구를 기존 고온 지역난방에 적용은 다소 무리가 있을 것으로 판단된다. 이에, 향후 연구에서는 제안된 구성방식에 대한 경제성 분석이 고려되어야 하며, 고온 지역난방대비 4세대 저온 지역난방이 가지는 배관증 증대와 같은 문제들도 고려되어야 할 것이다.

쉘-튜브 열교환기에서의 쉘쪽 유체의 특성에 따른 열교환기 성능 변화 예측 사례

백승환,정영석,조기주 한국추진공학회 2019 한국추진공학회지 Vol.23 No.2

The shell and tube heat exchangers installed in the propulsion system test complex (PSTC) at the Naro Space Center heats cryogenic helium to 500 K with a heat transfer oil. As the experimental helium outlet temperature was lower than expected (less than 100 K), the boundary layer effect of the heat transfer oil is predicted to be the cause of the performance deterioration. A computational fluid dynamics (CFD) analysis was performed to verify where the boundary layer effect exists; however, the boundary layer effect has no significant impact on the performance of the heat exchanger. An alternative method to improve the performance of the heat exchanger by changing the heat transfer oil has been discussed in this paper. The low viscosity and high thermal conductivity at high temperature (~500 K) of heat transfer oil at the shell-side are required to improve the thermal performance of the heat exchanger. The experimental performance of the heat exchanger, used to exchange heat between the cryogenic helium and hot heat transfer oil at the PSTC are summarized in this paper. 쉘-튜브 열교환기가 나로우주센터 추진기관종합시험장(PSTC)에 설치되었으며, 이 열교환기는 극저온의 헬륨을 고온의 열매유와 열교환하여 약 500 K 까지 가열시키는 역할을 한다. 열교환기에서 토출되는 헬륨의 온도가 설계보다 100 K 낮게 나옴에 따라, 성능저하의 원인으로 열매유의 격막효과가 지목되었다. CFD 해석을 통해 격막효과의 유무를 확인하였으며, 격막효과에 의한 열교환기 성능저하는 미미한 것으로 판단되었다. 추가적으로 열교환기의 성능을 증가시키기 위하여 열매유 교체에 따른 열교환기 성능 변화를 알아보았다. 열매유를 사용하는 열교환기의 성능향상을 위해서는 500 K 부근에서 점성이 낮아야 하고, 열전도도가 높아야 한다는 것을 확인할 수 있었다. 추진기관종합시험장에서 운용된 극저온 헬륨과 고온 열매유의 열교환 시스템의 시험 결과를 본 논문에서 확인할 수 있다.