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공기식 태양열 집열기의 닥트 내 인공 거칠기에 대한 고찰

전문가 제언: ○ 열전달 표면에 인공 거칠기(artificial roughness)를 사용하면 유체유동에 의한 열전달 효과를 개선할 수 있다. 유체유동에서 거칠기 요소로 난류를 발생시키면 대류 열전달을 높여준다. 예를 들면 공기 유동방향에 대해 가로지르는 철사를 표면에 고정시키는 거칠기 리브(ribs)를 사용하면 매끈한 표면에 비해 열전달률이 2배나 증가하며 기계 가공으로 만든 리브는 Stanton 수를 2배 증가시키고 철사망 리브를 사용하면 열전달 계수가 4배 증가한다.

○ 그러나 인공 거칠기의 사용은 마찰 손실을 증가시켜 팬 또는 송풍기의 부하를 증가시키며 더 큰 동력을 요구하게 되어 더 많은 에너지를 소비한다. 실험에 의하면 공기 유동방향을 가로지르는 고정된 철사를 리브로 할 경우는 마찰 손실이 열전달의 증진의 거의 2배가 된다. 또한 기계 가공된 리브의 경우는 Nusselt 수가 인공 거칠기가 없는 경우에 비해 2배 증가하지만 마찰 손실은 3배 증가한다.

○ 마찰 손실을 최소 수준으로 유지하기 위해서는 닥트(duct) 표면에 형성되는 층류 하부층의 매우 가까운 영역에서 난류를 발생시켜야 한다. 또한 인공 거칠기의 형식 및 배열을 적절히 선정하여 마찰 손실을 감소시킬 수 있다. 지금까지 개발된 인공 거칠기의 형식 중에서 V자형 및 오목/볼록형의 인공 거칠기에서 압력 손실이 적은 것으로 연구되고 있다. 닥트 내의 인공 거칠기의 형성 방법에는 이 글에서 소개된 것 이외에도 샌드 블래스팅(sand blasting), 볼피닝(ball peening) 등이 있다.

○ 닥트 내의 인공 거칠기에 관한 열전달 및 유체유동에 대한 연구는 세계적으로 많은 연구가 수행되고 있으며 매년 상당수의 논문이 발표되고 있다. 우리나라에서도 이 분야를 연구하는 연구자들이 많이 있으며 최근에는 연세대학교 및 한국항공우주연구원 등에서 인공 거칠기의 측정법 등에 관한 수편의 논문을 발표한 바 있다. 인공 거칠기에 대한 앞으로의 연구 방향은 압력 손실을 최소화하고 열전달을 향상시킬 수 있는 거칠기 구조를 경제적으로 형성시킬 수 있는 방법의 개발과 거칠기의 열전달 향상효과를 검증하는 연구에 집중될 것이다.

저자: Brij Bhushan, Ranjit Singh
자료유형: 학술정보