태양열 증류기의 성능에 영향을 미치는 수막 냉각 효과에 대한 변수별 수치해석 :Numerical analysis of effect of water film cooling on the solar still performance with different parametric conditions

여세동

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자료유형: 학위논문

저자정보: 여세동 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

발행연도: 2018

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2019

하이브리드 다중효용 확산 태양열 증류기의 열원에 따른 성능평가

여세동 , 임병주 , 이가람 외 1명 한국태양에너지학회 학술대회논문집 2019.04 학술대회자료

2018

태양열 증류기의 성능에 영향을 미치는 수막 냉각 효과에 대한 변수별 수치해석

여세동 2018.01 학위논문

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해수담수화 기술은 지구상에 존재하는 수자원 중 97.5%를 차지하는 해수에 포함된 염분과 불순물 등을 제거하여 담수화하여 청수를 얻기 위한 기술로 과거로부터 인류가 수자원을 확보하기 위해 이용하고 발전시켜 왔다. 과거의 담수화는 주로 열에너지를 직접 이용해서 해수를 증발시키고, 증발된 수증기 응축되어 얻어지는 물을 집수하는 증발방식을 이용하였다. 최근에는 가열 증발방식을 포함하여 막을 이용한 증류 방식, 역삼투를 이용한 여과 방식, 이온분리 방식, 가압분리 방식 등 다양한 방식의 담수화 방법이 이용되고 있다. 이 중 역삼투를 이용한 해수담수화 방식은 대용량의 플랜트시설에서 톤당 물 생산 비용이 저렴하며, 에너지가 적게 소모되기 때문에 최근 많이 이용되고 있다.
하지만 대규모의 설비를 이용한 해수담수화는 막대한 초기비용이 들고 유지/보수에 필요한 기술 수준이 높으며 많은 에너지가 필요하기 때문에 도서 지역, 오지, 저개발지역 등에서는 이용하기 어려운 한계가 있다. 이러한 지역에는 소규모 해수담수 기술이 적합하며 전력 공급 없이 독립적으로 운전이 가능한 재생에너지를 사용한 해수담수 기술이 고려되고 있으며, 단순 태양열 증류기 (Conventional Solar Still, CSS)는 구조가 간단하고 장치의 신뢰성이 높아 가장 오랫동안 연구되어 왔다. 하지만 CSS의 1일 담수 생산량은 4 ~ 5 kg/m2로 단위 면적당 생산량이 낮아 확대 보급에 한계를 가진다.
본 연구에서는 태양열 증류기의 생산량을 증가시키기 위한 방법으로 CSS의 전면유리 상부에 해수를 수막 형태로 공급하여 전면유리를 냉각시키는 수막 냉각형 태양열 증류기 (Water film cooling Solar Still, WSS)를 고려하였다. 이를 통해 증류기 내부의 습공기 응축을 촉진시켜 동일한 에너지 공급량 대비 추가적인 생산량 증대를 기대할 수 있다. 이러한 WSS의 생산성을 수막의 상태에 따라 수치해석을 통해 예측하였다. 그리고 수막 냉각형 태양열 증류기의 생산성에 영향을 주는 전면유리의 경사각과 면적, 태양열 증류기의 단열 여부, 베이진 해수의 초기수위, 외기풍속과 같은 변수조건에 따른 WSS의 생산량을 CSS의 생산량과 비교하여 WSS의 최적 설계조건 및 운전조건을 찾고자 하였다.
수치해석은 Mathwork사의 Matlab 2017a버전을 이용하여 수행하였다. 태양열 증류기의 생산량 예측을 위한 에너지방정식은 본 연구에서 개선된 방정식을 도입하여 생산량을 예측하였다. 또한 WSS의 효율적인 운전을 위해 최적 운전 시나리오를 개발하고 이용하였다.
개선된 방정식을 이용하여 계산한 CSS의 기준 생산량은 2.98 kg/m2, 최대 생산량은 하지일 때 전면유리의 경사도가 20°인 조건에서 3.47 kg/m2였다. 한편, WSS의 생산량은 수막의 Reynolds number, Re에 따라 상반된 결과를 보였다. 수막의 두께가 0.5 mm, Re가 841일 때 WSS의 생산량은 4.41 kg/m2였다. 그러나 수막 공급해수의 Re가 17,860이상으로 증가함에 따라 WSS의 생산량이 CSS의 생산량보다 낮아졌다.
CSS의 생산량은 춘분, 추분, 동지일 때 각각 최대 2.30, 2.66, 0.71 kg/m2로 예측되었다. 이때 전면유리의 경사각은 춘분과 추분일 때 45°, 동지일 때 60°로 최적화되었다. 그리고 WSS의 생산량은 춘분, 추분, 하지일 때 CSS보다 최대 27.4%, 23.1%, 22.6%만큼 각각 증가하였다. 동지에는 수막 냉각 운전이 적절하지 않았다. 연평균 생산량은 CSS에 비해 WSS가 최대 22.2%만큼 증가하였다.
태양열 증류기의 생산량은 베이진 해수 수위가 낮을수록, 풍속이 낮을수록, 일사량과 주변온도가 높을수록 증가하였다. 집열면적은 태양열 증류기의 단위면적당 생산량에 별다른 영향을 주지 않았다.

Seawater desalination is a technology to gain fresh water from saline water that accounts for 97.5% of the water existing on the earth. In these days, many kinds of desalination technology such as membrane distillation, reverse osmosis, ionic exchange, vapor compression, and etc. have been used. Among these technologies, desalination using reverse osmosis has recently been widely used due to low cost and low energy consumption of producing water especially in a large capacity desalination plant. However, such large plant needs a huge capital cost, high level of maintenance and repair technology, and a large amount of energy consumption. Therefore, the large plant is inadequate in remote areas where there is no electric grid. In this case, desalination technology using renewable energy that can operate independently without power supply is considered.
Conventional solar still (CSS) is simple structure, cost-efficiency, and reliable device. CSS has been studied for a long time, but its daily productivity is maximum 4 - 5 kg/m2, comparatively low.
In this study, water film cooling solar still (WSS) is considered to increase the daily productivity by cooling the glass cover with seawater fed as thin liquid film shape. This cooling on outer surface of glass cover expedites condensation on the inner surface of humid air evaporated from the basin seawater, resulting in increase of daily productivity. The productivity of WSS was estimated by numerical analysis according to the conditions of water film supplying. The parameters employed in the analysis are inclination angle of glass cover, solar collecting area, thermal insulation of the solar still, initial level of basin seawater, ambient condition, and wind speed.
Numerical analysis was performed using Mathwork’s Matlab 2017a version. New model of energy equation for the solar still has been developed and employed in this analysis, and estimated productivity is compared with the result of the previous works. Then the optimal operation methodology is developed to operate WSS effectively.
The estimated productivity of CSS with the modified energy equation model was 2.98 kg/m2 at reference conditions, and the maximum productivity was 3.47 kg/m2 at summer solstice. On the other hand, the productivity of WSS depended on the Reynolds number(Re) of supplied water film. The productivity of WSS was estimated by 4.41 kg/m2 at Re = 841. However, it was lower than the productivity of CSS at Re > 17,860.
The maximum productivity of CSS was estimated by 2.30, 2.66, and 0.71 kg/m2 at spring equinox, autumn equinox, and winter solstice, respectively. The inclination angle of the glass cover was optimized to be 45° for equinox, and 60° for solstice. The trend of the productivity confirmed that modified energy equation model is more appropriate to estimate the productivity of the solar still. The productivity of WSS was 27.4%, 23.1%, 22.6% higher than the that of CSS at spring equinox, autumn equinox, and winter solstice, respectively. However, water film cooling was inappropriate in winter condition. The maximum annual average productivity of WSS was estimated by 2.79 kg/m2, 22.2% higher than that of CSS, 2.22 kg/m2.
The productivity of the solar still increased at lower initial level of basin seawater, lower wind speed, higher solar radiation, and higher ambient temperatures. Solar collecting area of the solar still didn’t affect the productivity per unit area.

#담수화 #태양열 증류기 #박막 냉각 #수막 #수치해석

국문 초록
Abstract
Nomenclature
그림 목차
표 목차
Ⅰ.서 론 ································································· 1
1. 연구의 배경 ····················································· 1
2. 선행 연구동향 ·················································· 7
2.1. 국외 선행 연구동향 ····································· 7
2.1.1. 태양열 증류기 ······································· 7
2.1.2. 수막 냉각식 태양열 증류기 ···················· 10
2.1.3. 경사진 평판을 흐르는 수막의 유동특성 ··· 15
2.2. 국내 선행 연구동향 ···································· 15
2.3. 선행 연구 고찰 ··········································· 17
3.연구 목표 및 방향 ············································· 20
Ⅱ.수막 냉각형 태양열 증류기 ································· 23
1. 수막 냉각 ························································ 23
2. 수막 냉각형 태양열 증류기 ······························· 23
3. 최적운전 시나리오············································ 24
Ⅲ. 수치해석 조건 ·················································· 27
1.WSS의 검사체적 ·············································· 27
2. WSS의 에너지방정식 ······································· 27
2.1. 수막 ·························································· 30
2.2. 전면유리 ···················································· 32
2.3. 습공기 ······················································· 37
2.4. 베이진 해수 ················································ 39
2.5. 수직 벽 ······················································ 41
2.6. 베이진 평판 ·················································43
3. 초기 조건 ························································ 45
4. 해석 조건 ······················································· 47
4.1. 수막의 유동 ················································ 47
4.2. 변수 조건 ··················································· 48
4.2.1. 설계 변수 ·············································· 48
4.2.2. 운전 변수 ·············································· 50
4.2.3. 기후 변수 ·············································· 50
5. 기준 조건 ························································ 50
VI. 수치해석 결과 및 고찰 ······································· 52
1. 설계 변수에 따른 생산량 ··································· 52
1.1. 단열에 따른 생산량 ······································ 52
1.2. 전면유리의 경사도에 따른 생산량 ················· 52
1.3. 전면유리의 집열 면적에 따른 생산량 ············· 59
2. 운전 변수에 따른 생산량 ··································· 59
2.1. 수막의 유동 특성에 따른 생산량 ··················· 59
2.2. 열회수 운전에 따른 생산량 ··························· 64
2.3. 베이진 해수의 초기수위에 따른 생산량 ·········· 66
3. 기후 변수에 따른 생산량 ··································· 66
3.1. 계절별 일사량 및 온도에 따른 생산량 ············ 66
3.2. 풍속에 따른 생산량 ····································· 68
4. 결과 요약 및 고찰 ············································· 71
Ⅴ.결 론 ································································· 74
참고문헌 ································································ 77
사사 ······································································ 85

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