농축 태양 에너지를 포착하여 태양열 화학적 과정을 통해 연료와 상품을 생산하는 것은 온실 가스를 줄일 수있는 중대한 잠재력을 가진 매력적이고 빠르게 튀는 연구 영역입니다. 이 공정의 주요 구성 요소는 공급 원료 가스를 연료 및/또는 산업 상품으로 변환하기 위해 농축 태양 복사를 포착하는 태양 반응기입니다. 예를 들어, 태양 에너지를 통해 천연 가스를 성분으로 균열하면 수소 연료와 탄소 검은 색이 귀중한 상품으로 생성됩니다.
균일 한 온도 분포의 유지 및 태양 반응기에서의 핫스팟 회피는 들어오는 태양 복사의 초점으로 인해 어려움이 있습니다. 불균일 한 온도는 시스템의 효율을 감소시키고 열 충격 및 변형으로 인해 시스템 안전을 감소시킵니다. Abedini Najafabadi와 Ozalp (2018)는 이러한 문제를 지적하고보다 균일 한 온도 분포를 달성하기 위해 원자로 내부의 열 전달을 향상시키는 설계 도구로 사용할 수있는 방법론을 제시했습니다.
7kW 태양 시뮬레이터에 의해 방사 된 원통형 공동 반응기가 Abedini Najafabadi and Ozalp (2018)의 연구에 사용되었다. 내부 공동 벽의 다른 지점에서의 실험 온도 측정은 태양 반응기의 후면 플레이트에서 핫스팟을 나타냈다. 복사 열 전달 분석은 백 플레이트에서의 열 플럭스가 다른 공동 벽보다 훨씬 높음을 확인했습니다 (그림 1).
태양 반응기의 온도 균일 성 측정으로서, 균일 성 지수는 평균 반응기 온도의 비율로 정의되었다. 온도 분포를 개선하기 위해 반응기의 몇몇 재 설계를 탐색 하였다. 각 설계 접근법은 태양 반응기의 2 차원 (2D) 유체 흐름 역학 및 열전달 시뮬레이션을 기반으로 상세한 수치 모델을 통해 평가되었습니다. 모델 정확도는 반응기의 다른 지점에서 수치 결과를 실험적으로 측정 된 온도와 비교하여 검증되었습니다.
첫 번째 접근법은 입구 및 출구 가스 포트를 교환하는 것이 었습니다. 원래 형상에서, 공급 원료 가스는 전면 플랜지 근처의 3 개의 접선 유입구를 통해 들어가서 뒷판의 포트를 통해 공동을 빠져 나갔다. 입구 및 출구 포트를 교환함으로써 가스는 뜨거운 표면에서 차가운 표면으로 에너지를 전달하고보다 균일 한 온도 분포를 촉진했습니다. 이 변형은 가스 온도를 약 20%증가시켰다. 그러나 태양 반응기 내의 총 열 전달에 대한 내부 대류의 작은 기여로 인해 반응기 벽 온도에 미미한 영향을 미쳤습니다.
두 번째 설계 접근법은 단열재 두께를 증가시키기 위해 주변 반응기로의 열 손실을 줄이는 것이 었습니다. 시뮬레이션 결과에 따르면, 절연 층 두께를 두 배로 늘리면 캐비티 실린더의 온도가 5%증가했습니다. 또한, 절연 두께를 증가시키는 것은 공동 실린더의 온도 균일 성을 향상시키지 못했다.
Abedini Najafabadi와 Ozalp (2018)의 에너지 분석에 따르면, 전면 플랜지는 넓은 표면적으로 인해 주변에 상당한 열 손실을 일으켰습니다. 따라서, 세 번째 재 설계의 경우, 전면 플랜지의 치수가 줄어들었다. 이 변형은 캐비티 실린더의 평균 온도를 7%, 균일 성 지수를 10% 증가시켰다.
최종 변형을 위해, 반응기의 길이와 반경은 반응기 부피를 일정하게 유지하면서 변경되었다. 반경을 감소시키고 길이 반응기를 증가 시키면 온도 균일 성 지수가 31%증가했습니다. 시뮬레이션 결과에 기초하여, 전면 플랜지 치수를 줄이고 공동 반응기의 내부 반경을 감소시키는 것은 태양 반응기 내에서 가장 균일 한 온도 분포를 산출했습니다. 두 변형을 모두 적용함으로써, 내부 캐비티 실린더 벽의 평균 온도는 27% 증가하고 온도 균일 성 지수는 58% 증가 하였다.
태양 반응기의 온도 분포를 향상시키기위한 제안 된 설계 수정에 대한 개요는 그림 2에 요약되어 있습니다. Abedini Najafabadi and Ozalp (2018)가 제시 한 방법론은 태양 원자로 내부의 열전달을 향상시키기위한 설계 도구로 사용될 수 있습니다. 독자는 해당 논문의 단계를 따라 상용 소프트웨어를 사용하여 불가능한 정도까지 자신감을 가지고 원자로 또는 원자로를 설계하고 프로세스의 물리학을 명확하게 이해할 수 있습니다.
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참조 :
- Abedini-Najafabadi, H., Ozalp, N. (2018). 태양 수신기의 온도 균일 성을 향상시키기위한 고급 모델링 및 실험 연구. 에너지, vol. 165, p. 984-998 .
