Computer Simulation for the Thermal Analysis of the Energy Storage Board

에너지 축열보드 열해석을 위한 컴퓨터 수치해석

Latent heat storage system using micro-encapsuled phase change material is effective method for floor heating of house and building. The temperature profile in capsule block and flow rate of hot water are important parameters for the development of heat storage system. In the present study, a mathematical model based on 3-D, non-steady state, Navier-Stokes equations, scalar conservation equations and turbulence model ($\kappa$-$\varepsilon$), is used to predict the temperature profiles in capsule and the velocity vectors in hot water pipe. The multi-block grids and fine grids embedding are used to join the circle in hot water pipe and square in capsule block. The phase change process of the capsule is quite complex not only because the size of phase change material is very small, but also because phase change material is mixed with the cement to form thermal storage block. In calculation, it's assumed that the phenomena of phase change is limited only the thermal properties of phase change material and the change of boundary is not happened in capsule. The purpose of this study is to calculate the temperature profiles in capsule block and velocity vectors in hot water pipe using the numerical calculation. Two kinds of thermal boundary condition were considered, the first (case 1) is the adiabatic condition for the both outside surfaces of the wall, the second (case 2) is the case in which one surface is natural convection with atmosphere and another surface is adaibatic. Calculation results are shown that the temperature profile in capsule block for case 1 is higher than that for case 2 due to less heat loss in adaibatic surface. Specially, in the domain of near Y=0, the difference of temperature is greater in case 1 than in case 2. The detailed experimental data of capsule block on the temperature profile and the thermal properties such as specific heat and coefficient of heat transfer with the various temperature are required to predict more exact phenomena of heat transfer.

캡슐형 잠열재를 이용한 열저장 시스템은 바닥 난방 및 건물 난방에서 매우 효과적인 시스템이다. 이러한 시스템 개발에 필수적인 요소가 열유동 매체가 순환하는 파이프 주변의 캡슐내 온도 분포와 열유동 매체의 유량 등이다. 그러므로 본 연구에서는 3차원 비정상 상태에서 Navier-Stokes 방정식, 난류모델을 비롯한 스칼라 보존 방정식을 적용하여 캡슐 블록의 온도 분포 및 파이프 내의 유동장 해석을 수행하였다. 또한 본 연구와 같이 계산 영역이 특별한 기하학적 현상을 형상(circle+square)인 문제 해결하는데 적용할 수 있는 새로운 격자 생성 기술(MBFGE/CCM)을 개발하였다. 격자계는 파이프에서 원형 격자를 이용하였고, 캡슐 블록에서 사각 격자를 이용하여 다중격자와 미세격자를 결합하여 사용하였다. 본 연구의 목적은 컴퓨터를 이용한 수치해석적 방법을 미세 캡슐을 이용한 축열보드에 적용하여 2종류의 열경계 상태에 대하여 속도와 온도분포를 계산하여 비교분석을 하는 것이다. 온도는 축열 보드의 한 쪽면은 대류면이고 다른 한쪽면은 단열면인 경우(Case 2)보다 양면 모두 단열인 경우(Case 1)일 때 더 높게 상승하였다. 온수 파이프 중심선인 Y=0 에 가까운 영역에서 Case 1과 Case 2사이에 축열 보드 내에서 온도 차이는 확연하게 나타났다. 향후 수치해석의 정확도를 높이고 축열 보드의 열전달 현상을 보다 정확히 계산하기 위해서는 위치 및 시간에 따른 정밀한 온도 측정값이 필요하고 특히 잠열재인 미세 캡슐이 상변화를 하므로 온도 변화에 따른 물질의 비열(C$_{p}$)과 열전달율(λ)을 고려한 방정식이 요구된다.