[논문]수평 급기가 레인지 후드 주위의 자연대류에 미치는 영향

김병국; 최형권; 용호택; 이명호

문제 정의

⁽⁷⁾은 기존의 배기 후드와 천장면의 급기노즐에서 수평으로 급기되는 기류의 코안다 효과를 이용하여 유인기류를 형성시키는 Capture Air Ventilation System 에서 풍량 변환에 따른 온도 및 오염물질의 포집 효율의 변화를 실험과 자연대류를 고려하지 않은 CFD를 통해 연구하였다. 같은 후드 배기량의 조건에서 기존 후드에 비해 CAV System의 포집 효율이 높은 것으로 나타났다 또한 급배기 방식 및 위치 선정에 대한 정밀실험 및 수치 해석과 효율 증대 방안에 대한 지속적인 연구의 필요성을 제시 하였다.
본 연구를 통해 급기가 자연대류에 미치는 영향에 대하여 정성적으로 알아보았다.
본 연구에서는 수평급기가 가스렌지에 의한 자연대류에 미치는 영향에 대하여 수치 해석으로 해석한다. 기존의 레인지 후두 시스템에서 후드팬이 작동할 경우 혹은 꺼져 있을 경우에 대하여 수평급기가 있을 때와 없을 때에 자연대류에 의해 생성되는 유동장과 오염공기 및 열원의 분포를 조사한다.

가설 설정

내부 초기 온도는 293 K로 설정하였다. 유동은 층류, 비압축성 2차원 유동이라고 가정하였고, 유동 및 열전달을 기술하는 지배방정식은 다음과 같다.

제안 방법

Kim et al.⁽¹⁾은 공동주택 주방에서 요리시가 스렌지에서 발생하는 이산화탄소에 의한 실내 오염 정도를 고찰하고 가스렌지 및 창문의 위치에 따른 실내 오염 정도를 비교하였다. 가스렌지와 창문이 너무 근접하면 기류 단락으로 인해 실내 오염이 증가될 수 있기 때문에 주방설계 시 위치 선정의 중요성을 제시하였다.
Yi et al.⁽⁷⁾은 기존의 배기 후드와 천장면의 급기노즐에서 수평으로 급기되는 기류의 코안다 효과를 이용하여 유인기류를 형성시키는 Capture Air Ventilation System 에서 풍량 변환에 따른 온도 및 오염물질의 포집 효율의 변화를 실험과 자연대류를 고려하지 않은 CFD를 통해 연구하였다. 같은 후드 배기량의 조건에서 기존 후드에 비해 CAV System의 포집 효율이 높은 것으로 나타났다 또한 급배기 방식 및 위치 선정에 대한 정밀실험 및 수치 해석과 효율 증대 방안에 대한 지속적인 연구의 필요성을 제시 하였다.
Case 1, 2, 3각각에 대하여 세 가지 Rayleigh 수(Ra=1.5×10⁶, 3×10⁷, 1.2×10⁸)에 대해 계산을 수행하였다. Case 3의 급기 속도는 레인지후드와 급기가 모두 없을 경우 자연대류에 의한 수평 최대 속도를 근거로 하여 계산하였다.
⁽¹⁾은 공동주택 주방에서 요리시가 스렌지에서 발생하는 이산화탄소에 의한 실내 오염 정도를 고찰하고 가스렌지 및 창문의 위치에 따른 실내 오염 정도를 비교하였다. 가스렌지와 창문이 너무 근접하면 기류 단락으로 인해 실내 오염이 증가될 수 있기 때문에 주방설계 시 위치 선정의 중요성을 제시하였다. Kang and Han⁽²⁾은 주방 팬 가동시 보조급기의 유무에 따라 주방과 거실 내의 CO 및 CO₂ 농도를 실측하고 자연대류를 고려하지 않은 CFD를 통하여 포집 효율을 예측하여 환기 성능을 분석하였다.
본 연구에서는 수평급기가 가스렌지에 의한 자연대류에 미치는 영향에 대하여 수치 해석으로 해석한다. 기존의 레인지 후두 시스템에서 후드팬이 작동할 경우 혹은 꺼져 있을 경우에 대하여 수평급기가 있을 때와 없을 때에 자연대류에 의해 생성되는 유동장과 오염공기 및 열원의 분포를 조사한다. 수치 해석 기법으로는 유한요소법을 이용한 PAT Flow⁽¹⁰⁾ 코드를 사용한다.
본 연구에서는 Fig. 1에서도 시한 레인지후드의 수평급기와 수직급기가 실내 온도 분포에 미치는 영향을 정성적으로 비교 분석하였고, 또한 수평급기의 경우에 대하여 다음 3가지 경우를 수치해석하였다. Case 1은 레인지 후드가 꺼져 있고 수평급기가 없는 자연대류에 의한 유동만이 존재할 경우, Case 2는 레인지후드만 작동할 경우, 그리고 Case 3은 레인지 후드가 작동하고 수평급기가 있을 경우이다.
사각 밀폐공간에서의 자연대류를 해석하여, Davis⁽⁸⁾의 표준해와 비교하였다. 사각 밀폐공간의 형상 및 경계조건은 Fig.
여기서 T_ref는 293K로 초기 온도이다. 수평 급기속도의 최적치를 찾기 위하여 급기 속도가 0m/s인 Case 2의 수렴된 해로부터 수평급기를 증가시키며, 또한 최대 급기 속도인 2m/s에서 수렴된 해를 얻은 후 급기 속도를 감소시키면서 수치 해석을 수행하여 수렴된 해를 얻었다. Fig.
수치 해석 기법으로는 유한요소법을 이용한 PAT Flow⁽¹⁰⁾ 코드를 사용한다. 해석 결과로부터 각각의 경우에 대하여 주방 내의 유동장 및 온도장을 비교 검토한 후 수평급기 효과가 실내 열원의 분포에 미치는 영향을 조사한다.

이론/모형

기존의 레인지 후두 시스템에서 후드팬이 작동할 경우 혹은 꺼져 있을 경우에 대하여 수평급기가 있을 때와 없을 때에 자연대류에 의해 생성되는 유동장과 오염공기 및 열원의 분포를 조사한다. 수치 해석 기법으로는 유한요소법을 이용한 PAT Flow⁽¹⁰⁾ 코드를 사용한다. 해석 결과로부터 각각의 경우에 대하여 주방 내의 유동장 및 온도장을 비교 검토한 후 수평급기 효과가 실내 열원의 분포에 미치는 영향을 조사한다.
수치 해석으로는 Yoo and Choi⁽¹⁰⁾에 의해 개발된 유한요소법에 근거한 비압축성 유동해석코드인 PAT Flow 코드를 사용하였다. 사용된 기법을 정리하면 다음과 같다.
전체 영역에서 구한다. 이산화 과정은 1단계에서와 같이 Galerkin 방법을 이용한다.

성능/효과

(3) 수평급기 속도가 필요 이상으로 커지면 수평급기에 비하여 부력 효과가 작아져 레인지 후드로 배출되어야 할 가열된 공기가 수평급기에 의해 차단되어 오히려 실내로 유입되는 현상을 보였다. 이는 수평급기의 속도에는 최적치가 존재함과 동시에 수평급기 속도의 크기가 주방 설계 시 중요 인자임을 보여준다.
(4) 수평급기와 수직급기의 오염원 차단 효과는 큰 차이가 없다. 하지만 수직급기가 증가할 경우 실내 공기에 교란을 증가시켜 수평급기가 더 효과적임을 알 수 있었다.
Park⁽⁴⁾은 배기 전용 후드와 동시급배기형 후드의 급기 방식, 급기풍속, 배기풍 속에 따른 국소 배기 효율, 실내 온도 분포를 실험을 통해 계측하여 배기 성능 개선 방안을 제시하였다. 국소 배기 효율과 실내 온도 분포 실험 결과 배기 전용 후드에 비해 동시급 배기형 후드의 우수함을 보였고 급기 방향보다는 급기 유무가 후드 성능에 미치는 영향이 큰 것을 보였다. Schrock⁽⁵⁾은 상업용 주방에서의 천장의 확산기(diffuser)의 보급 공기에 기존의 후드 시스템과 와 천장의 확산기와 싱크대 뒤 하향급기에 의한 Backdrop plenum hood를 BTM(breathing ther mal mannequin)으로 측정하여 열적 쾌적성을 비교하였으며 주방 설계 시 복사 부하에 대한 고려를 요구하였다.
Kang and Han⁽²⁾은 주방 팬 가동시 보조급기의 유무에 따라 주방과 거실 내의 CO 및 CO₂ 농도를 실측하고 자연대류를 고려하지 않은 CFD를 통하여 포집 효율을 예측하여 환기 성능을 분석하였다. 배기 후드에 보조급기를 가동할 경우 배기 후드만 가동할 경우에 비해 열포집 및 가스포집 효율은 전반적인 증가를 보였으며 보조급기에 의한 공기가 에어커튼 역할을 함으로써 오염물질 및 열확산 방지 효과를 보였다. Chiang et al⁽³⁾은 주방에서의 CFD 해석과 실험을 통해 가스렌지에 의한 대류열 전달 내에서 채광창, 내부 창이 각각 열린 경우와 후드가 작동된 경우에 대하여 유동장, 온도장 및 일산화탄소의 분포를 해석하였다.
본 연구의 수치해에서 얻은 Nusselt 수와 u_max는 Davis⁽⁸⁾의 표준해와 상당히 잘 일치함을 확인하였다.
2x10⁸일 경우 Case 3에서 수평급기 속도에 따른 온도장을 도시하였다. 수평 급기의 속도가 커질수록 열기 확산 방지효과가 커지는 것이 아니라 수평급기의 속도에는 최적치가 존재함을 알 수 있다. 수평급기의 속도가 최적치 이상으로 커지면 오히려 후드배기면과 가열된 공기 사이에 막을 형성시켜 가열된 공기가 후드로 배출되지 못하고 실내로 유입되어 실내 환경을 악화시키는 것을 볼 수 있었다.
7에서 온도장과 속도장을 통해 확인할 수 있다. 수평급기 효과로 인한 유인기류 형성과 에어커튼 현상에 의해 열 확산이 방지되는 것을 확인하였다. 또한 온도차가 커질수록 우측 벽면으로 온도장이 밀착되는 것을 볼 수 있다.
수평 급기의 속도가 커질수록 열기 확산 방지효과가 커지는 것이 아니라 수평급기의 속도에는 최적치가 존재함을 알 수 있다. 수평급기의 속도가 최적치 이상으로 커지면 오히려 후드배기면과 가열된 공기 사이에 막을 형성시켜 가열된 공기가 후드로 배출되지 못하고 실내로 유입되어 실내 환경을 악화시키는 것을 볼 수 있었다. Fig.
Chiang et al⁽³⁾은 주방에서의 CFD 해석과 실험을 통해 가스렌지에 의한 대류열 전달 내에서 채광창, 내부 창이 각각 열린 경우와 후드가 작동된 경우에 대하여 유동장, 온도장 및 일산화탄소의 분포를 해석하였다. 오염공기의 밀집 부위는 가스렌지의 위치에 의존하며 채광창이 오염 공기의 밀집 부위와 근접할 경우 배기능력이 뛰어난 것을 보였다. Park⁽⁴⁾은 배기 전용 후드와 동시급배기형 후드의 급기 방식, 급기풍속, 배기풍 속에 따른 국소 배기 효율, 실내 온도 분포를 실험을 통해 계측하여 배기 성능 개선 방안을 제시하였다.
(4) 수평급기와 수직급기의 오염원 차단 효과는 큰 차이가 없다. 하지만 수직급기가 증가할 경우 실내 공기에 교란을 증가시켜 수평급기가 더 효과적임을 알 수 있었다.

후속연구

(5) 향후 연구계획으로는 실제 레인지 모델에 대하여 다양한 수평급기의 속도에 따른 온도 분포 및 유동 특성에 대하여 정량적인 연구를 수행하고 아울러 3차원에서의 수평급기 최적 속도를 고찰하고자 한다.

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