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문제 정의
- 이러한 부하는 정량적인 측정이 가능한 부하로 본 연구에서는 고려하지 않도록 하겠다. 본 연구에서는 냉장고 캐비닛 부하 중 그 중요도 및 비중에 비해 연구가 미비했던 에너지 노즈부의 열전달 매커니즘에 대한 이론 분석과 Ansys 8.1 해석 그리고 실험을 통한 검증 과 냉장고에서 에너지 효율 향상 등에 고찰하고자 한다.
- 그러나 뮬리온 (Mullion) 과 캐비닛 양 사이드의 가스켓과 접하는 부분으로 구성 된 에너지 노즈부 (Energy nose) 단열 부하에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 에너지 노즈부의 열전달 메커니즘을 분석하고 Ansys 8.1 을 이용한 전산 해석을 통해 열의 흐름 및 분포를 파악하고자 하며, 에너지 노즈부를 구성하는 부분의 열손실 비율을 고려하여, 이를 최소화하기 위한 아이디어를 도출하고, 이것을 실제 냉장고에 적용하여 개선 효과를 파악하고, 궁극적으로 냉장고의 에너지 효율을 향상시키는데 목적이 있다.
제안 방법
- (1) 에너지 노즈부를 구성하고 있는 뮬리온부그리고 F실과 R실 측면부에서 열 및 온도 흐름을 Ansys 8.1 를 통해 분석하였다.
- Fig. 3 과 Fig. 4에서 보는 것 처럼, 에너지 노즈부의 단면 도면을 이용하여 Ansys 8.1.를 이용하여 열전달 해석을 수행하였다. 해석 시 고려한 에너지 노즈부 경계 조건과 냉장고 온도 조건들은 Table 1과 Table 2에 나타내었다.
- 가정용 냉장고의 에너지 효율을 높이기 위한 방안으로 그동안 연구가 미진했던 에너지 노즈 부에 대한 열전달 메커니즘을 열전달 이론과 전산해석을 통하여 분석하였고, 에너지 노즈부의 열 손실을 개선할 수 있는 아이디어를 적용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 11 에서 보면, 냉장고의 운전율과 에너지 소비율은 뮬리온부의 두께 증가에 따라서 거의 선형적으로 감소하였다. 냉장고의 에너지 효율은 냉장고 성능 판단의 기준이 되는 에너지 소비량을 의미하며, WT-210 Digital power meter 를 이용하여 즉정 하였 고, 종 72 시간 동안 측정한 소비전력량의 평균치를 가지고 월간 소비전력량을 계산하였다. 또한, 운전율은 72 시간 동안 압축기 on-time 에 해당하는 시간을 의미한다.
- Table 1에 Air (modified)의 열전도 값은 Air의 열전도 값과 뮬리온부 내부와 접해있는 Hot line부의 온도를 고려한 값이다. 먼저, 경계 조건들은 냉장고에 사용되는 있는 재료들의 열전도 값을 입력 조건으로 하고, 냉장고 온도 조건은 KS C9305에 의거한 표준시험 조건인 항온 . 항습 챔버 온도 30±1笆, 냉장고의 냉동실 (F) 과 냉장실 (R) 기준 온도인 -18±0.
- 뮬리온부 두께 변경에 따른 효과를 파악하기 위한 핵심 인자로 냉장고 사이클운전률과 에너지 효율 두 가지를 고려하였다. 뮬리온부 개선 전 냉장고의 에너지 효율 시험 (Baseline test)과 뮬리온부 두께별 변경 시험을 진행하여, Fig. 10 및 Fig. 11 와 같은 결과를 얻었다. 실험 결과에 의하면, 뮬리온부 형상 및 두께 변경만으로도 냉장고 에너지 효율은 최대 6.
- 진행하였다. 뮬리온부 두께 변경에 따른 효과를 파악하기 위한 핵심 인자로 냉장고 사이클운전률과 에너지 효율 두 가지를 고려하였다. 뮬리온부 개선 전 냉장고의 에너지 효율 시험 (Baseline test)과 뮬리온부 두께별 변경 시험을 진행하여, Fig.
- 차지하는 부분이다. 에너지 노즈부의 뮬리온부 형상 개선 및 기밀 (Seal) 을 보완하기 위한 Gasket 개선아이 디 어를 제시하여 실험을 통해 검증하였다.
- 5℃ 5. 일정하게 유지하도록 하고, T-Type 열전대(Thermocouple) 을 이용하여 냉장고 기계실 및 고내 온도를 측정하였다. 냉장고 소비전력 측정 시 계측 장비의 신뢰성을 검증하기 위하여 60 통계 기법을 이용하여, Gage R&R을 실시하여 계측장비의 신뢰성을 확보하였다.
- 1과 같고, 에너지 노즈부에서열전달 메카니즘은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다. 첫째, 캐비닛과 도어가 접해있는 Steel flange 부분의 열 침입 둘째, 가스켓 부분에서의 열전도 셋째, 뮬리온부를 타고 들어오는 열전도 넷째, Hot-Une에 의한 사이클 On/Off 시 고내로 들어가는 열 침입(전도) 등으로 구분되며, Fig. 2에 열 흐름에 대한 모형을 제시하였다. 에너지 노즈부에서의 열전달량은 Table 1에 각 값들의 총괄 열전달 계수를 구하고 식 (2)를 이용하여 계산한다.
대상 데이터
- 가정용 냉장고는 크게 캐비닛이라고 불리는 냉장고 몸체, 도어 그리고 냉동사이클로 구성된다. 냉장고에서 캐비닛과 도어는 외부의 열이 냉장고 내부로 침입하는 것을 차단하기 위한 고성능 단열재로 구성되어 있고, 내부의 열을 외부로 효과적으로 방출하기 위한 냉동사이클로 구성되어 있다.
데이터처리
- 냉장고 소비전력 측정 시 계측 장비의 신뢰성을 검증하기 위하여 60 통계 기법을 이용하여, Gage R&R을 실시하여 계측장비의 신뢰성을 확보하였다. Gage R&R 은 One-sample T 방법을 이용하여 동일 시료에 대해 한 계측자가 5번 연속 실험하여 통계를 낸 후, 확률값을 계산하였다. 본 연구에서는 확률값이 0.
- 일정하게 유지하도록 하고, T-Type 열전대(Thermocouple) 을 이용하여 냉장고 기계실 및 고내 온도를 측정하였다. 냉장고 소비전력 측정 시 계측 장비의 신뢰성을 검증하기 위하여 60 통계 기법을 이용하여, Gage R&R을 실시하여 계측장비의 신뢰성을 확보하였다. Gage R&R 은 One-sample T 방법을 이용하여 동일 시료에 대해 한 계측자가 5번 연속 실험하여 통계를 낸 후, 확률값을 계산하였다.
이론/모형
- 항온 , 항습 챔버 및 측정 기기의 사양은 Table 4에 나타내었다. 에너지 노즈부 실험 방법은 실 사용 조건하에서 냉장고 표준 시험 조건인 KS C9305에 의거하여, 항온.항습 챔버의 내부 온도와 습도를 30+_l℃, 75+_5% 범위 내로 설정하고 냉장고의 냉동실과 냉蓦실 고내 l/3h 위치의 온도를 - 18+_0.
성능/효과
- (2) 에너지 노즈부가 냉장고에서 차지하는 단열 부하 중 뮬리온부가 차지하는 열손실량이 전체 에너지 노즈부 부하의 34%를 차지함을 알 수 있었으며, 뮬리온부가 에너지 노즈부의 열손실에 있어 취약한 부분임을 알 수 있었다.
- (3) 에너지 노즈부 중 뮬리온부의 취약한 열전달 구조를 개선할 수 있는 아이디어를 제시하였다. (4) 냉장고의 뮬리온부 개선 만으로 냉장고 에너지 효율은 최대 6.
- 제시하였다. (4) 냉장고의 뮬리온부 개선 만으로 냉장고 에너지 효율은 최대 6.4%, 운전률은 최대 6.2%를 각각 개선 하였다.
- 7에 나타내 었 다. Ansys 8.1 해석 결과로부터, 뮬리온부 그리고 냉동실과 냉장실 사이드를 통한 열의 흐름 (Heat paths & distributions)을알 수 있었고, 냉동실 측면 및 뮬리온부에서 고온의 열이 비교적 넓은 범위에 분포함을 알 수 있었다. 이는 에너지 노즈부 중 뮬리온부 및 냉동실 측면 부가 단열 부하에 있어 취약한 부분임을 의미한다.
- 이것은 뮬리온부 두께 증가가 Hot-line 에서 뮬리온부를 거쳐고내로 전도 되는 열전달량을 차단하는데 효과적이었음을 입증하는 결과이고, 도어 가스켓과 뮬리온부 사이의 유격이 줄어 들어 기밀 성능(Sealing) 이 좋아져 고내의 냉기 손실 저감에 &한 효과로 해석 할 수 있다. 또한, Fig. 10 및 Fig. 11 에서 보면, 냉장고의 운전율과 에너지 소비율은 뮬리온부의 두께 증가에 따라서 거의 선형적으로 감소하였다. 냉장고의 에너지 효율은 냉장고 성능 판단의 기준이 되는 에너지 소비량을 의미하며, WT-210 Digital power meter 를 이용하여 즉정 하였 고, 종 72 시간 동안 측정한 소비전력량의 평균치를 가지고 월간 소비전력량을 계산하였다.
- Gage R&R 은 One-sample T 방법을 이용하여 동일 시료에 대해 한 계측자가 5번 연속 실험하여 통계를 낸 후, 확률값을 계산하였다. 본 연구에서는 확률값이 0.621 로 (확률값이 0.5 이상이면 계측 장비의 신뢰성에 문제 없다), 신뢰성 확보에 문제가 없음을 확인하였다. 결과는 Table 5에 나타내었다.
- 11 와 같은 결과를 얻었다. 실험 결과에 의하면, 뮬리온부 형상 및 두께 변경만으로도 냉장고 에너지 효율은 최대 6.4%, 운전률은 최대 6.2%을 개선할 수 있었다. 이것은 뮬리온부 두께 증가가 Hot-line 에서 뮬리온부를 거쳐고내로 전도 되는 열전달량을 차단하는데 효과적이었음을 입증하는 결과이고, 도어 가스켓과 뮬리온부 사이의 유격이 줄어 들어 기밀 성능(Sealing) 이 좋아져 고내의 냉기 손실 저감에 &한 효과로 해석 할 수 있다.
- 특흐〕, 캐비닛 단열 부하는 다음의 3가지로 구성된다. 첫째, 캐비닛의 벽면과 도어를 통한 열전달이다. 이것은 1차원 열전달 모델로 해석할 수 있으며, Par")의 의해 열전달 모델이 제시되었다.
후속연구
- 위와 같은 결과는 냉동시스템 기술이 상당 수준 발전하여 냉장고 효율을 더 이상 높이기 힘든 현 기술 수준에서 냉장고 에너지 효율을 높일 수 있는 방법으로 에너지 노즈부에 대한 지속적이면서도 체계적인 연구가 필요함을 제시하였다. 또한, 가정용 냉장고와 같이 에너지 노즈부를 갖는 모든 냉동시스템, 예를 들면 김치냉장고음료수 저장고, 냉동 전용 냉장고 등과 같은 제품에 있어 에너지 노즈 부의 개선으로도 에너지 효율을 개선할 수 있음을 제시하는 연구 결과이다.
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