페블의 혼합 및 적층 조건에 따른 페블베드의 동적 거동과 열적 특성의 수치적 연구

Abstract

Pebble beds, composed of spherical pebbles, are used for heat storage or transfer in fields such solar and nuclear power generation. The pebble beds, which have typical porous structures, can improve the performance of heat storage, heat transfer, and energy conversion as their packing factors increase. It is important to understand the thermal properties of the pebble beds that change due to their dynamic behavior. The heat-transfer path of the pebble beds is complex owing to the simultaneous occurrences of heat conduction by mechanical contact and stagnant fluid, convection, and radiation. In particular, heat conduction by the stagnant fluid is dominant if the working fluid is a gas, which does not flow into or out of the pebble beds or does so at a low velocity. This study numerically considers the mechanical behavior of the individual pebbles and heat conduction from mechanical contact and stagnant fluid, using the discrete element method. Binary-size pebbles with diameters of 1.0 and 0.5 mm were used to improve the packing factor and heat-conduction performance of the pebble beds. Pebble beds were prepared in nine mixing ratios of pebbles, with the same total mass (volume). Square and circular cross-section containers were used to investigate the effect of the shape of the pebble beds and given periodic-motion conditions. The top surfaces of the pebble beds, which were uneven due to periodic motion, were flattened by calculating the effective height. The mixing ratios and periodic motion conditions that led to the highest packing factor and effective thermal conductivity were selected for the flattened pebble beds. Finally, the selected periodic motion was imposed on the pebble beds with the selected mixing ratio and with square and circular cross-sections. The effective elastic modulus was calculated by applying a cyclic load, until the strain rate of the pebble beds became 0.01 or less. In this case, the effective thermal conductivity was compared and analyzed according to the heat-conduction path, considering the heat conduction from mechanical contact and stagnant fluid. Consequently, the packing factor of the pebble beds could be increased using mono-sized pebbles, and the effective elastic modulus using binary-size pebbles, with the application of the appropriate periodic motion. The effective thermal conductivity considering the stagnant fluid was predominantly influenced by the mixing ratio, rather than the periodic motion and shape of the cross-section.|구형 입자인 페블로 구성된 페블베드는 태양열이나 원자로 및 핵융합 발전 등의 산업 분야에서 열저장 또는 열전달 장치로서 다양하게 사용되고 있다. 이러한 페블베드는 대표적인 다공성 구조로서 적층분율을 증가시켜 열저장 및 열전달 그리고 에너지 변환 등의 성능을 향상시킬 수 있으므로 동적 거동에 의한 열적 특성을 파악하는 것이 중요하다. 그리고 페블베드는 기계적 접촉 및 정체 유체에 의한 열전도와 대류열전달과 복사열전달의 복잡한 경로로 열전달이 발생한다. 특히, 작동유체가 기체이며 페블베드에 유·출입이 없거나 낮은 속도로 흐른다면 정체 유체에 의한 열전도가 지배적으로 나타난다. 그러므로 본 논문에서는 개별 페블의 동적 거동과 기계적 접촉 및 정체 유체에 의한 열전도를 이산요소법을 사용해 수치적으로 파악하였다. 적층분율과 열전달 성능을 향상시키기 위해 지름 1.0, 0.5 mm의 이진 크기 페블을 사용하였으며, 전체 질량(부피)이 동일한 9가지 혼합비율에 따라 구성하였다. 또한, 페블베드의 형상에 대한 영향을 파악하기 위해 정사각형과 원형 단면 용기를 사용하고 주기 운동 조건을 부여하였다. 그리고 주기 운동에 의해 균일하지 못한 페블베드의 윗면은 유효높이를 계산하여 고르게 만들었다. 유효높이가 계산된 페블베드의 적층분율과 유효열전도계수가 가장 높은 혼합비율과 주기 운동을 파악하였다. 최종적으로 파악한 혼합비율과 주기 운동 조건으로 정사각형과 원형 단면 페블베드를 구성하고 주기 운동을 부여하였다. 그리고 페블베드의 변형률이 0.01 이하가 될 때까지 반복하중을 부여해 유효탄성계수를 계산하였다. 이때, 기계적 접촉 및 정체 유체에 의한 열전도를 모두 고려해 경로에 따른 유효열전도계수를 계산하여 열전도 성능을 비교하였다. 결과적으로 적절한 주기 운동을 부여하면 단일 크기 페블은 적층분율을 증가시킬 수 있었으며, 이진 크기 페블은 유효탄성계수를 증가시킬 수 있었다. 그리고 정체 유체에 의한 열전도를 고려한 유효열전도계수는 주기 운동이나 형상에 대한 영향보다 혼합비율에 의한 영향이 지배적으로 나타났다.