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문제 정의
- CFD를 이용하여 저온저장고의 가장 중요한 설 계요인인 내부 3차원 공기유동 및 온도분포를 알 아보고자 하였다. 저장물이 없을 경우와 산물저장 방법을 이용한 bulk 상태저장의 경우 그리고 저장 물내 공기 유동 통로가 있는 pallet 상태저 장의 경 우에 대한 저장실험을 통하여 온도를 측정하였고 개발된 시뮬레이션 모델과 비교하여 그 유의성을 검증하였다.
- 저장농산물의 품질 저하를 최소화하기 위해서는 저장고 내의 냉기의 흐름이 균일하게 분포되는 것이 중요하다. 그러기 위해서는 저장고 내의 냉기 흐름 분포를 분석하고 이를 바탕으로 저온저장고의 중요 설계 변수를 찾아야 하는 필요성에 의해 본 연구를 수행하게 되었다.
제안 방법
- 본 실험에서는 전남 무안에서 7월 초에 수확해서 약 2개월간 0℃에서 저장되었던 약 2톤의 양파를 사용하였으며 저장실험을 하기 전에 부패된 부분을 제거하였다. 양파가 일정한 품온을 갖도록 하기 위하여 저장실험 전저온저장고 내부의 온도를 약 12℃로 맞춘 후 35일 동안에 내부의 온도를 11 ℃, 10℃, 9℃, 8℃"0℃로 점차 변화시키면서 낮 추었다.
- 각 센서는 4 ch 또는 8 ch의 입력채널, 한 개의 출력 채널을 가진 데이터 수집기에 연결하였다. 그리고 RS-232 케이블과 컴퓨터를 연결하여 온도 및 풍속계 즉 장치를 구성하였다.
- 저장된 양파사이로 공기가 최대한 적게 통과하도록 하기 위하여 산물저장방법을 사 용한 bulk 상태저장의 경우 저장된 양파는 저온저 장고의 밑면과 접하게 하였다. 그리고 pallet 상태 저장은 저온저장고 내부에 일정한 공기유동통로를 제시하여 저장하였으며 pallet을 제작하여 저장물 이 저온저장고 밑면과 약 0.1m, 벽면과는 약 0.75m 공간을 갖도록 하였다. 좌우 저장물 사이는 약 0.
- 풍속센서를 설치하기 어려운 곳은 휴대용 풍속계를 유동방향에 맞게 위치시켰다. 그리고 내부 벽면에 heat flux계측을 위한 평판센서를 부착 후 단열 테이프를 이용하여 반대쪽에서의 열전달을 차단하였다.
- 노동력과 비용, 시간을 감소시키는 효율적인 설계를 위해 CFD(computational fluid dynamics)를 이용하여 저온저장고 내부의 압력과 공기 유동 분포 그에 따른 온도 분포 등을 시뮬레이션 하였다.
- 내부 강제순환 팬에서의 속도와 저장물의 호흡열. 벽체를 통한 heat flux, 적재방법에 따른 3 차원 시뮬레이션 모델을 개발하였다.
- 특히 압력이나 난류운동에너지, 난류소산률을 구하는 경우 합리적인 초기값의 설정이 매우 중요하다. 본 연구에서 초기 조건과 경계조건은 실험값을 기본으로 하여 설정하였다.
- 두 번째 단계는 적절 한 경계조건과 물성을 이용하여 지배방정식을 해 석한다. 여기서 연속적인 수치해석 방법과 지배 유동방정식 안에서 알지 못하는 유동 변수의 근사 를 통하여 구하고자 하는 값을 계산한다. 세 번째 는 이전의 단계에서 얻어진 격자와 계산 값을 graph나 table 등을 이용하여 나타내는 것이다.
- 그림 2는 설정온도 0℃, 4℃ 이고 편차는 1℃ 일 때 저장상태에 따른 저온저장고 내부의 온도분포 를 나타낸 것이다. 온도설정후 12시간 이후의 값 을 측정하였으며 설정온도 0℃일 경우 측정된 온 도를 비교온도로 하여 예측값과 비교하였다. 시뮬 레이션 모델은 입구조건에서 공기는 정해진 온도로 일정하게 나와 계속적으로 온도가 유지되나 실제 저온저장고의 경우 설정온도에 도달하면 냉동기의 작동이 중단된다.
- 실험장치의 전체적인 개략도는 그림 1과 같다. 저온저장고 벽면에 4개의 구멍을 뚫고 18개의 온도센서, 1개의 속도센서를 설치 후 실리콘으로 밀봉하였다. 각 센서는 4 ch 또는 8 ch의 입력채널, 한 개의 출력 채널을 가진 데이터 수집기에 연결하였다.
- 84 W/m‘을 시뮬레이션 모델에서 내부저장물의 열원으로 사용하였다. 저온저장고의 윗면을 제외한 벽에서의 경계조건으로는 유속과 heat flux 측정장치를 이용하여 계측한 값을 벽체에서의 침투 열량으로 하였다.
- 저장물을 bulk 상태저장과 pallet 상태저장으로 나누어 저장 후 정상상태에 도달했을 경우의 온도 를 측정하였다. 저장된 양파사이로 공기가 최대한 적게 통과하도록 하기 위하여 산물저장방법을 사 용한 bulk 상태저장의 경우 저장된 양파는 저온저 장고의 밑면과 접하게 하였다.
- 저장물이 없을 경우 내부의 온도를 파악하기 위 하여 구간별로 온도센서를 설치한 후 저온저장고 의 설정온도를 각각 4℃, 0℃로 하고 정상상태에 도달할 때까지 온도분포를 측정하였다. 측정된 온 도와 시뮬레이션 모델과 비교하여 그 유의성을 검 증하였고 이후 시뮬레이션 만을 통해 공기흐름 분 포를 분석하였다.
- CFD를 이용하여 저온저장고의 가장 중요한 설 계요인인 내부 3차원 공기유동 및 온도분포를 알 아보고자 하였다. 저장물이 없을 경우와 산물저장 방법을 이용한 bulk 상태저장의 경우 그리고 저장 물내 공기 유동 통로가 있는 pallet 상태저 장의 경 우에 대한 저장실험을 통하여 온도를 측정하였고 개발된 시뮬레이션 모델과 비교하여 그 유의성을 검증하였다. 또한 각 저장상태의 내부 공기유동은 검증된 시뮬레이션 모델을 이용하여 효율적으로 분석할 수 있었다.
- 저장물이 없을 경우 내부의 온도를 파악하기 위 하여 구간별로 온도센서를 설치한 후 저온저장고 의 설정온도를 각각 4℃, 0℃로 하고 정상상태에 도달할 때까지 온도분포를 측정하였다. 측정된 온 도와 시뮬레이션 모델과 비교하여 그 유의성을 검 증하였고 이후 시뮬레이션 만을 통해 공기흐름 분 포를 분석하였다.
- 저장물 사이사이에 있는 유 동통로를 통하여 공기가 이동함을 알 수 있다. 특 히 팬의 강제유동방향과 일치하게 형성된 유동통 로의 공기 이동은 팬 아래 부분에서 균일한 유선 이 형성되도록 하였다.
- 내부 열원으로는 팬 작동에 따른 발열량, 벽체 로부터의 흡입 열 량, 저장물의 호흡 열량을 고려하 였다. 팬을 둘러싸고 있는 부분을 유동의 통과는 없고 열전달만 발생하는 solid로 설정하여 팬 작동에 따른 발생 열량을 계산하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 전남 무안에서 7월 초에 수확해서 약 2개월간 0℃에서 저장되었던 약 2톤의 양파를 사용하였으며 저장실험을 하기 전에 부패된 부분을 제거하였다. 양파가 일정한 품온을 갖도록 하기 위하여 저장실험 전저온저장고 내부의 온도를 약 12℃로 맞춘 후 35일 동안에 내부의 온도를 11 ℃, 10℃, 9℃, 8℃"0℃로 점차 변화시키면서 낮 추었다.
- 본 연구에 사용된 컴퓨터는 CPU 450 Mhz, 내부 메모리 384 SDRAM, 64000 이상의 색상에서 1024 X768의 분해능을 갖는 그래픽카드와 모니터 등의 사양에 O/S는 Window NT 4.0이었으며 CFD- ACE+ 5.01 버전을 사용하였다.
- 양파의 물성은 ASHRAE Hand- book(1989)에서 제시된 값을 기본으로 사용하였다. 호흡 열량을 저장된 양파의 부피로나눈 단위 부피 당 열발생량 28.84 W/m‘을 시뮬레이션 모델에서 내부저장물의 열원으로 사용하였다. 저온저장고의 윗면을 제외한 벽에서의 경계조건으로는 유속과 heat flux 측정장치를 이용하여 계측한 값을 벽체에서의 침투 열량으로 하였다.
이론/모형
- 난류현상의 해석을 위해 사용된 CFD-ACE+ 패 키 지는 유한체적법에 기초를 둔 검사체적을 사용 하여 표준 k-e 난류모델을 사용한다. & 난 류모델에서 소산율의 경우는 second order upwind scheme을 사용하고, 유동속도는 first order upwind scheme-g- 사용하는 등 선택적으로 고차의 upwind scheme을 사용하였다.
- 난류현상의 해석을 위해 사용된 CFD-ACE+ 패 키 지는 유한체적법에 기초를 둔 검사체적을 사용 하여 표준 k-e 난류모델을 사용한다. & 난 류모델에서 소산율의 경우는 second order upwind scheme을 사용하고, 유동속도는 first order upwind scheme-g- 사용하는 등 선택적으로 고차의 upwind scheme을 사용하였다.
- 2이었다. 양파의 물성은 ASHRAE Hand- book(1989)에서 제시된 값을 기본으로 사용하였다. 호흡 열량을 저장된 양파의 부피로나눈 단위 부피 당 열발생량 28.
- 저온저장고 내부의 공기유동을 분석하기 위한 3차원 유체 해석기구로써 CFD-ACE+ 패키지를 사용하였고 난류 흐름 분석을 위해 표준형 k-£ 모델을 적용하였다.
성능/효과
- 라. Pallet 상태저 장의 경 우 저 장물 사이 의 공기 유동통로를 통해 강제순환된 냉기가 흐르면서 품 온 상승이 억제되었다. 특히 유동방향과 일치하여 X축을 따라 형성된 공기유동통로 팬 아래까지 냉 기가 순환되었다.
- 마. Pallet 상태저장이 bulk 상태저장보다 전체적 으로 약 0.6℃의 낮은 온도구배를 보여 저장기간 의 증가 및 품질저하의 감소에 효율적임을 알 수 있었다.
- 저장물이 없을 경우와 산물저장 방법을 이용한 bulk 상태저장의 경우 그리고 저장 물내 공기 유동 통로가 있는 pallet 상태저 장의 경 우에 대한 저장실험을 통하여 온도를 측정하였고 개발된 시뮬레이션 모델과 비교하여 그 유의성을 검증하였다. 또한 각 저장상태의 내부 공기유동은 검증된 시뮬레이션 모델을 이용하여 효율적으로 분석할 수 있었다.
- 나. 저온저장고 팬 앞쪽 영역에서의 공기유동은 저장물의 유무에 관계없이 z 방향으로 유동확산을 나타내었으며 온도분포는 벽체를 통한 heat flux보 다 강제순환된 공기유동에 지배되었다.
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