[논문]수치해석을 통한 구들의 열 흐름 특성 연구

리신호; 리광훈

doi:10.5389/ksae.2007.49.1.017

수치해석을 통한 구들의 열 흐름 특성 연구
Heat Flow Characteristics of Traditional Ondol (Gudle) by Numerical Analysis 원문보기

The heat flow characteristics of the Gudle (traditional Ondol) used a lot at farm houses have been performed with variations of Bunengki (Fireridge) by numerical analysis and field experiment. The Doedon-Gorae (Return-Firetunnel) Gudle is analyzed among the structure of Gudle. The distribution of heat flow in Gorse (Firetunnel) and the temperature distribution in floor of 3 Buneomgi (Fire ridge) was more uniform than that of 1 Buneomgi. The heat efficiency of 3 Buneomgi was higher than that of 1 Bunengki. That is, the 3 Bunengk is more efficient and more uniform temperature.

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문제 정의

농촌주택에 많이 활용되고 있는 구들의 열 특성 연구로서, 실제 크기의 되돈고래 구들을 전산 해석하여 열 흐름 특성을 살펴보았고, 현장 실험에 의하여 검증하였다. 열효율을 높이기 위한 방법으로 부넘기 개수를 3개로 늘려서 그 효과에 대하여 알아보았다.
이 연구는 되돈고래 구들을 대상으로 구들의 열 흐름을 전산해석 하고 실험으로 검증하였다. 그리고 윗목과 아랫목간의 온도차를 해소하고, 열효율을 높이기 위한 방편으로 부넘기의 개수에 변화를 주어, 그에 따른 열 흐름 특성을 알아보았다.

가설 설정

1989, 1990, 1992, 1993). 또한 방안에서도 열 흐름이 나타나므로 실내온도를 20 °C로 가정하고 방바닥에 Convection Boundary를 적용하였다.

제안 방법

경계조건으로는, 아궁이 입구에서는 압력 경계조건을 적용하여 공기가 유입되도록 하였고, 아궁이에서 나무가 연소함으로써 발생되는 열량은 기존의 실험적 연구에서 사용한 값에서 길이를 상사하여 얻어진 일정 열 유속 19, 000 W/m2 을 적용하였다 (정기범, 1989, 1990, 1992, 1993). 또한 방안에서도 열 흐름이 나타나므로 실내온도를 20 °C로 가정하고 방바닥에 Convection Boundary를 적용하였다.
그리고 윗목과 아랫목간의 온도차를 해소하고, 열효율을 높이기 위한 방편으로 부넘기의 개수에 변화를 주어, 그에 따른 열 흐름 특성을 알아보았다.
되돈고래 구들을 해석 모델로 선정하여 먼저 전산 해석을 하여 고래 내부의 열 흐름과 방바닥의 온도를 파악하고 방바닥 온도 실측값과 비교하였다. 부넘기 하나인 기본 형상과 부넘기 3개인 경우에 대한 비교를 통하여 부넘기의 개수에 따른 영향을 평가하였다.
부넘기 하나인 기본 형상과 부넘기 3개인 경우에 대한 비교를 통하여 부넘기의 개수에 따른 영향을 평가하였다.
검증하였다. 열효율을 높이기 위한 방법으로 부넘기 개수를 3개로 늘려서 그 효과에 대하여 알아보았다. 상용 열 .
것이다. 즉, 열유량이 고르게 분포하고 방바닥의 온도 편차가 줄어지는지 부넘기 개수를 3개로 하여 연구를 수행하였다.
현장 실험은 구들개자리 (Fig. 2-b의 a지점) 와고래개자리 좌측 끝(Fig. 2-b의 8지점), 굴뚝 시점에서 300 mm 안쪽(Fig. 2-b의 , 지점)에서 방바닥 온도를 측정하였다.
현장 실험은 나무에서 발생하는 열량을 측정할 수 없어 측점 a 의 온도가 38 °C로 될 때까지 불을 땐 후 각 측점의 온도를 구들방의 방바닥에서 측정하였다. 그 결과 Table 1과 같이 구들개자리 측점 a는 36 °C-40 °C, 고래개자리 좌측 끝 측점 8는 29 °C~31 °C, 굴뚝 시점에서 300 mm 안쪽 측점7 는 30 °C 〜31 °C의 범위로 나타났다.

이론/모형

전산해석 방법에서 지배방정식의 차분화는 유한체 적법을 적용하였으며, 대류항 처리는 상류 차분도 식을 사용하였다. 압력 보간은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였으며 수렴 판정은 잔류량이 10-3 미만이 될 경우로 하였다.
전산해석을 수행하기 위해 상용 열 . 유체 해석프로그램인 STAR-CD를 사용하였다. 구들 고래 내부를 통과하는 비압축성 3차원 정상상태 흐름에 대한 연속방정식과 운동량방정식, 에너지방정식은 다음과 같다 (Alexandrou, 2001 과 Incropera and DeWitt, 2002).
3-a). 전산해석 방법에서 지배방정식의 차분화는 유한체 적법을 적용하였으며, 대류항 처리는 상류 차분도 식을 사용하였다. 압력 보간은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였으며 수렴 판정은 잔류량이 10-3 미만이 될 경우로 하였다.

성능/효과

2. 전 열유량을 비교해 본 결과, 기본형상이 부넘기 3개인 경우보다 유량이 더 많았는데 이에 따라 기본형상에서 흐름이 더 잘 일어나게 되므로 열 손실이 많아 열효율은 더욱 떨어지게 되는 것으로 판단된다.
3. 되돈고래 구들은 부넘기를 3개 설치하는 것이윗목과 아랫목의 온도를 균일하게 하는 효과를 볼 수 있었고, 열효율에서도 뛰어남을 알 수 있었다.
측점 Q 에서 온도가 38 °C 에서 40 °C 까지 올라갔다가 36 °C 로 내려오기 까지 측정한 결과, 측점 8와 7는 전산해석 결과 보다 1 °C에서 4 °C 까지 높게 나타났다. 실측값과 해석 결과의 평균 차이는 측점별 최대 온도 대비 약 11% 이내에 있으므로 전산해석모형은 신뢰할 수 있다.
때문이다. 전체 열유량의 약 40%가 중앙 고래로 지나가는 것을 볼 수 있었는데 많은 열유량이 한곳을 지나가는 현상이 온도를 불균일하게 만드는 것으로 판단된다.

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