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문제 정의
- 높아졌다. 본 연구는 공조 산업의 중요한 한 축인 공기 질의 개선에 관한 장치인 공기정화 시스템의 개발에 관한 연구이며, 구체적으로는 공기 정화 장치에 채택되는 공기 정화용 필터 박스와 그 정화 장치에 연결된 송풍기에 관련된 공기 역학적 현상에 대하여 논하고자 한다. 이 연구 대상은 기존의 원심형 송풍기와는 매우 다르게 입구 측에서 공기 정화 장치에 의해 매우 큰 정압이 대두되므로 그 요구 성능과 소음을 모두 만족시키는 송풍기의 개발이 매우 곤란한 경우이다.
- 따라서 본 연구에서 고려하는 실험 대상의 송풍기는 공기 정화를 위한 필터로 인해 흡입 압력이 대기압 보다 큰 원심형 송풍기를 대상으로 그 설계 목적을 달성하기 위해 준비되었다. 특히, 날개의 형상은 익현의 길이가 연속적으로 변화하는 테이퍼 형상으로 고정하였고, 케이싱은 경사 설부의 정도(V)와, 설부의 시작 위치 (P), 그리고 토출 관로의 형상 (a)에 따른 성능을 비교하여 최적의 성능을 발휘하는 송풍기 구조를 찾는 것이 본 연구의 목적이다. 물론 다른 운전조건 (회전수나 임펠러 직경 등)은 모두 동일한 경우 이다.
제안 방법
- 결과적으로 본 연구에서는 홴의 날개는 에어포일 (airfoil)의 형상을 채택하였고, 홴의 허브(Hub) 방향과 팁 (Tip) 방향의 코드길이 (Code len也th)를 일정비율로 감소시키는 경사 날개 길이를 갖는 송풍기를 고안하였다. 구체적으로 그 날개는 두 원호의 조합으로 이루어지는 형상이다.
- Fig. 10은 10。경사 설부를 가진 송풍기와 직선 형태의 설부를 가진 송풍기의 소음 스펙트럼 분석이다. 두 자료의 비교를 위해 동일한 운전 조건에서 단지 설부 형상에 따른 차이만을 관찰하였다.
- 필터로부터 발생된다. 공기정화기에서 공기의 질의 개선은 화학적 방법을 이용하는 것과 물리적 필터를 이용하는 방법으로 구분될 수 있는데 본 시스템의 경우는 광 촉매를 이용한 화학적 방법과 물리적 기법인 필터들을 사용하여 여과하는 방법 두 가지 모두를 채택하고 있다. 광 촉매 장치는 몇 개의 광원을 지나는 단순한 구조로 여기에서 발생하는 정압 손실은 극히 미소하며 대략 1.
- 10은 10。경사 설부를 가진 송풍기와 직선 형태의 설부를 가진 송풍기의 소음 스펙트럼 분석이다. 두 자료의 비교를 위해 동일한 운전 조건에서 단지 설부 형상에 따른 차이만을 관찰하였다. 그 결과 경사 설부에서는 날개 통과 주파수에서의 소음 (BPF Noise)가 현저히 감소되었음을 알 수 있었고 그 결과 전체적인 소음의 준위도 감소함을 알 수 있었다.
- 이는 설부와 송풍기의 날개가 상호 작용하여 발생시키는 소음을 완화시키기 위한 것으로 바람직한 효과가 확인되었다. 또한 그 설부는 유체의 유입에서부터 홴의 통과시까지 그 경로가 전체 유동의 입장에서 노즐 형상이 되게 구상하여 유량의 경우 25CMM (cubic meter per minute), 완제품 장착 시의 소음 4&1B의 성능을 갖는 송풍기를 개발하였다.
- 성능 시험 장치로부터 획득되는 공학적 자료는 홴에서 발생되는 유량과 그 토출 정압, 소음 준위, 온도 등이다. 또한 필터로 인해 발생하는 저항을 정량적으로 가늠하기 위해 필터박스 내부 정압 (国)을 측정하였다.
- 구체적으로 그 날개는 두 원호의 조합으로 이루어지는 형상이다. 또한 홴의 케이싱의 설부 (Cut-off)의 형상은 둥근형 (Convex)으로 설계하였고 그 회전 반경은 일반적인 설계 방법에 따라 홴 외경의 1.2배로 설계하였으며, 설부 전체에 경사 형상을 인가하였다. 이는 설부와 송풍기의 날개가 상호 작용하여 발생시키는 소음을 완화시키기 위한 것으로 바람직한 효과가 확인되었다.
- 익현의 길이를 짧게 조정하였다. 또한, 그 축소된 익현의 길이는 원래의 길이보다 5%, 10%, 15%, 20%의 네 가지 경우에 대해 소음 실험을 수행한 후 소음 측면에서 가장 유리한 조건인 15%의 경사를 갖는 형상으로 준비하여 임펠러를 선택하였다. 임페러와 날개의 상세한 형상은 Fig.
- 스크롤 케이싱의 토출구에서의 유속을 열선 유속계를 사용하여 측정하였다. 열선 유속계는 Tsi 사의 IFA300의 모델이고 유속의 측정은 토출구의 단면적에 걸쳐 2차원으로 이루어졌다.
- 사용하여 측정하였다. 열선 유속계는 Tsi 사의 IFA300의 모델이고 유속의 측정은 토출구의 단면적에 걸쳐 2차원으로 이루어졌다. Fig.
- 9는 그 케이싱의 토출 관로에서의 유동을 표시하고 있다. 유속의 측정은 송풍기의 출구에서부터 토출 방향으로 홴의 직경과 같은 거리 (Non-dimensional distance 늬.0)까지 등 간격으로 측정되었다. 유속의 비교는 가장 성능이 우수한 Type 1과 Type 1에 비해 설부의 경사각도가 반대인 Type 3를 준비하였다.
- 고려한 공력학적 성능 모두를 포함한다. 이를 본 논문에 반영하기 위해 설부의 형상에 따른 소음의 비교 분석도 실시하였다. Fig.
- 그러나, 앞서 언급한 바와 같이 공기 정화의 목적상 불가피하게 피할 수 없는 부분이므로 원심 홴의 풍량 증대 및 소음 저감이 주요 연구대상이 되었다. 이를 위하여 몇 가지 스크롤 케이싱을 고안 및 제작하여 그 성능을 평가하여 최적의 설계 조건을 찾기 위해 노력하였다. Fig.
- 추가로 유동의 형상을 정확히 파악하기 위한 영상 유속계(Particle Image Velocimetry)를 사용하여 원하는 영역에서의 유속을 정량적으로 관찰하였다. 이 유속 측정 시스템은 레이저로부터 발광된 광원을 렌즈를 통하여 평면을 발생시켜 관찰 대상 영역에 투사하고 이 레이저 평면과 수직된 방향에서 영상 획득 장치(주로 디지털 카메라)를 이용하여 촬영한 후 입자를 추적, 분석하는 2차원 유동분석 실험 장치이다.
- 또한 초기 반경 ro에 의해서는 설부 간격이 결정되므로 이 식 (1)의 여러 표현에 대한 결정이 송풍기 전체의 성능에 매우 중요한 영향을 미친다. 특히, 스크롤의 팽창지수는 임펠러 출구의 절대유동각과 같은 값을 갖도록 설계한다. 따라서 선행 연구 자료(2)에서 지정한 n의 값에 대한 범위 내에서 선정하여 모델의 제작한 후 이에 대한 검증은 실험을 통해 확인할 수 있다.
대상 데이터
- 즉, 유체가 유입 후 그 유동의 경로가 확대관의 형상을 갖는 경우가 (-)각도를 갖는 설부이다. 따라서 본 연구에서 고려하는 실험 대상의 송풍기는 공기 정화를 위한 필터로 인해 흡입 압력이 대기압 보다 큰 원심형 송풍기를 대상으로 그 설계 목적을 달성하기 위해 준비되었다. 특히, 날개의 형상은 익현의 길이가 연속적으로 변화하는 테이퍼 형상으로 고정하였고, 케이싱은 경사 설부의 정도(V)와, 설부의 시작 위치 (P), 그리고 토출 관로의 형상 (a)에 따른 성능을 비교하여 최적의 성능을 발휘하는 송풍기 구조를 찾는 것이 본 연구의 목적이다.
- 본 논문에서는 이와 같은 불리한 유체역학적 조건에 적용될 수 있는 송풍 시스템의 개발에 관련된 설계개선의 대상은 원심 송풍기의 핵심 구성품인 홴과 설부 (cut-off) 형상을 포함한 그 케이싱 (casing)이다. 결과적으로 본 연구에서는 홴의 날개는 에어포일 (airfoil)의 형상을 채택하였고, 홴의 허브(Hub) 방향과 팁 (Tip) 방향의 코드길이 (Code len也th)를 일정비율로 감소시키는 경사 날개 길이를 갖는 송풍기를 고안하였다.
- 기본적으로 본 연구에서 사용된 PIV 시스템은 최소 2 장의 이미지를 획득하여 두 장의 영상 사이의 입자의 이동 간격, 이동시간을 추적함으로 순간 속도를 구할 수 있다. 본 연구에 사용된 주요 장비는 레이저는 ND-YAG Dual Pulse laser이고, 그 레이저의 power는 5QmJ이며 발광 주파수는 최대 15 Hz 이다. 아울러 영상의 획득은 CCD 카메라를 이용하였고 그 해상도는 Ik(pixel)시k(pixel)이었다.
- PIV를 이용한 속도 측정에서는 산란 입자를 첨가한 유동장에서 측정하고자 하는 단면을 레이저 빛을 이용하여 가시화 시키고 이와 수직인 방향에서 CCD 카메라로 유동을 따르는 입자들의 움직임을 촬영한다. 본 연구에서 사용된 입자는 올리브 오일(Olive Oil)을 사용하여 분사하였다. 이때 짧은 시간 간격을 가지는 한 쌍의 영상을 얻기 위하여 펄스레이저를 사용하였다.
- 또한 이 풍동은 암소음 17dB의 완전 무향실에 연결되어 유체역학적 성능과 공기 역학적 소음을 동시에 즉정할 수 있도록 준비하였다. 성능 시험 장치로부터 획득되는 공학적 자료는 홴에서 발생되는 유량과 그 토출 정압, 소음 준위, 온도 등이다. 또한 필터로 인해 발생하는 저항을 정량적으로 가늠하기 위해 필터박스 내부 정압 (国)을 측정하였다.
- 실험대상의 원심 홴은 일반적인 형상의 임펠러와 그 스크롤 케이싱의 구조이다. 맹주성"'', Konieczny1121 의 실험에서 임펠러의 날개는 그 역할에 있어 날개의 팁 부분이 거의 기능을 발휘하지 못함이 판명되었다.
- 본 연구에 사용된 주요 장비는 레이저는 ND-YAG Dual Pulse laser이고, 그 레이저의 power는 5QmJ이며 발광 주파수는 최대 15 Hz 이다. 아울러 영상의 획득은 CCD 카메라를 이용하였고 그 해상도는 Ik(pixel)시k(pixel)이었다. PIV를 이용한 속도 측정에서는 산란 입자를 첨가한 유동장에서 측정하고자 하는 단면을 레이저 빛을 이용하여 가시화 시키고 이와 수직인 방향에서 CCD 카메라로 유동을 따르는 입자들의 움직임을 촬영한다.
- 0)까지 등 간격으로 측정되었다. 유속의 비교는 가장 성능이 우수한 Type 1과 Type 1에 비해 설부의 경사각도가 반대인 Type 3를 준비하였다. 또한 Type 1의 경우에서도 필터 박스의 장착 유무에 따른 유속을 비교하여 필터 박스의 존재가 유동에 미치는 영향을 알 수 있게 준비하였다.
이론/모형
- 2는 성능실험을 위한 홴 성능 시험 장치인 무향 풍동이다. 본 성능 시험 장치는 미국 공조학회 (ASHRAE) 규* 격9에 의하여 설계하였으며, 실험 방법은 KS 6311 송풍기 성능시험에 관한 규격®에 의거하여 실험하였다. 또한 이 풍동은 암소음 17dB의 완전 무향실에 연결되어 유체역학적 성능과 공기 역학적 소음을 동시에 즉정할 수 있도록 준비하였다.
- 카메라로 획득한 영상은 컴퓨터로 저장된 후, 두 장의 영상으로부터 입자의 변위를 결정하기 위하여 상호 상관법 (cross correlation method)을 이용하였다. 이와 관련된 자세한 기법은 A* drian 1® 의 결과를 활용하였다.
- 이때 짧은 시간 간격을 가지는 한 쌍의 영상을 얻기 위하여 펄스레이저를 사용하였다. 카메라로 획득한 영상은 컴퓨터로 저장된 후, 두 장의 영상으로부터 입자의 변위를 결정하기 위하여 상호 상관법 (cross correlation method)을 이용하였다. 이와 관련된 자세한 기법은 A* drian 1® 의 결과를 활용하였다.
성능/효과
- 구체적으로는 홴의 날개를 경사 형상으로 설계하여 불필요한 소음원과 무게를 배제하였고, 케이싱의 설계 개선에서는 스크롤의 설부에 기울기를 주어 홴의 날개 통과주파수에서의 소음을 확산시켰으며 아울러 이 개선을 통해 풍량 증대의 효과도 얻을 수 있었다. 구체적으로는 설부 기울기의 방향은 흡입구와 근접한 방향을 넓게 해 주는 것이 풍량에 유리하다는 것이 확인되었다. 마지막으로 케이싱의 출구 단면적 증대는 풍량에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
- 이러한 손실은 제품 목적상 필요한 부분임으로 스크롤 형상을 최적으로 설계하여 그 요인을 극복하였다. 구체적으로는 홴의 날개를 경사 형상으로 설계하여 불필요한 소음원과 무게를 배제하였고, 케이싱의 설계 개선에서는 스크롤의 설부에 기울기를 주어 홴의 날개 통과주파수에서의 소음을 확산시켰으며 아울러 이 개선을 통해 풍량 증대의 효과도 얻을 수 있었다. 구체적으로는 설부 기울기의 방향은 흡입구와 근접한 방향을 넓게 해 주는 것이 풍량에 유리하다는 것이 확인되었다.
- 두 자료의 비교를 위해 동일한 운전 조건에서 단지 설부 형상에 따른 차이만을 관찰하였다. 그 결과 경사 설부에서는 날개 통과 주파수에서의 소음 (BPF Noise)가 현저히 감소되었음을 알 수 있었고 그 결과 전체적인 소음의 준위도 감소함을 알 수 있었다.
- 마지막으로 케이싱의 출구 단면적 증대는 풍량에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다. 또한 소음 및 정압 특성이 우수한 모델에서 소비전력도 유리하게 관찰되었다.
- 구체적으로는 설부 기울기의 방향은 흡입구와 근접한 방향을 넓게 해 주는 것이 풍량에 유리하다는 것이 확인되었다. 마지막으로 케이싱의 출구 단면적 증대는 풍량에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다. 또한 소음 및 정압 특성이 우수한 모델에서 소비전력도 유리하게 관찰되었다.
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