[논문]CFD 시뮬레이션을 이용한 냉장컨테이너의 열유동 설계

윤홍선; 권진경; 정훈; 이현동; 김영근

doi:10.5307/jbe.2008.33.6.396

문제 정의

본 연구에서는 전산유체역학(CFD)를 기반으로 하여 적재물 배열 방법, 덕트 유무, 출구형상, 팬 풍속 등의 설계변수들에 대해 컨테이너 내부의 열유동장을 해석함으로써 냉장 컨테이너의 최적운용을 위한 적정 설계조건을 제시하고자 하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구의 목적은 냉장 컨테이너 내부의 열유동장을 CFD코드(FLUENT 6.2, ANSYS, USA)를 이용하여 해석하고 이를 통해 적재물배열방법, 덕트유-무, 출구형상, 팬 풍속 등의 설계변수들이 컨테이너 내부의 기류 및 열전달에 미치는 영향을 분석하여 최적의 설계변수를 설정하는 데 있다.

가설 설정

냉장컨테이너에.적재된 농산물은 복숭아로 가정하였으며, 본연구에서는 해석의 편의성을 위해 적재농산물을 팔레트 위에 벌크(bulk) 상태로 적재(l, 100(L) X l, 100(W) x 1,500(H) mm) 된 Porous media로 가정하였다.
컨테이너 내부의 유동은 정상 상태, 비압축성, 3차원 난류로가정하였으-며, 복사열 전달은 무시하고 전도 및 혼합대류 열전달만 고려하였다. 저속, 저온의 유동이므로 점성 소산 및 열 부력의 효괴는 무시하였다.

제안 방법

CFD 시뮬레이션 모델의 검증을 위한 비교 데이터를 획득하기 위해 슬롯형 공기 출구를 설치한 빈 컨테이너를 대상으로 그림 2에 나타낸 총 18개의 위치에 PT100 Q(DH-019-P-100, Daehyun Tech., Korea) 온도센서를 설치하였으며, 대칭성을 고려하여 중앙면을 중심으로 한쪽의 전/중/후단, 상/ 중/하층, 내/외측에 해당하는 위치의 온도만 측정하였다. 팬의 토출 풍속은 3.
계산격자는 비정렬 사면체격자를 적용하였으며 개수는 계산 시간 및 격자의존성을 고려하여 약 30만개로 하였다. 복숭아의 적재는 12개의 팔레트를 2열로 배치하는 것으로 하였으며 적재량은 설계조건에 관계없이 동일하다.
그림 1은 해석 대상 냉장 컨테이너와 계산시 적용한 경계조건에 대한개략도이다. 계산영역은 형상의 대칭성을 고려하여 전 영역의 1/2로 하였으며, 내부열원으로는 농산물의 호흡열과 외부로부터 벽면을 통해 침투하는 열유속을 고려하였다. 냉장컨테이너에.
2, 2005)에 잘 나타나 있으므로 생략하기로 한다. 벽면 유동은 표준 벽함수(standard wall function) 로 모델링하였으며, 농산물 적재 영역은 porous media로 모델링 하였다. 농산물 적재 영역의 내부 유동저항은 Ergun 방정식(1962)에 기초하여 점성 및 관성손실의 합으로 식 (2) 의손실항에 반영하였으며, Porous media내의 에너지방정식은 다음과 같이 수정되어 적용된다:
복숭아의 적재는 12개의 팔레트를 2열로 배치하는 것으로 하였으며 적재량은 설계조건에 관계없이 동일하다. 연속 방정식에 나타나는 압력수 정식에는 SIMPLE 알고리즘을 적용하였고, 압력항의 이산화에는 PRESTO! 스킴을, 나머지 항들의 이산화에는 QUICK 스킴을 적용하였다. 해의 수렴 기준은 반복 계산에 따른 유수의 합과 연속된 종속 변수들의 상대 오차가 에너지의 경우 10-7, 나머지 변수들은 10-4 이하가 될 때까지로 하였다.
산물적재.적재물 상부 커버의 종 5가지 조건에 대해 팬토출 유 속을 2.0, 4.0, 6.0, 8.0 m/s로 변화시키면서 내부 열유동장을 해석하였다. 냉장 컨테이너의 최적 설계 조건은 온도분포의 균일성과 아래 식 (7)과 같이 정의되는 농산물 적재 영역의 체적 평균온도를 기준으로 결정하였다.
또한 반복 계산의 진행에 따른 출구 평균유속과 입.출구의 질량유량 평형을 통해 해의 안정성과 보존칙의 만족 여부도 확인하였다.

대상 데이터

복숭아의 적재는 12개의 팔레트를 2열로 배치하는 것으로 하였으며 적재량은 설계조건에 관계없이 동일하다. 연속 방정식에 나타나는 압력수 정식에는 SIMPLE 알고리즘을 적용하였고, 압력항의 이산화에는 PRESTO! 스킴을, 나머지 항들의 이산화에는 QUICK 스킴을 적용하였다.
본 연구에서 CFD 해석에 적용한 냉장 컨테이너의 크기는 7, 620(L) X 2, 290(W) x 2, 250(H) mm이고, 벽체는 두께 70 mm의 우레탄으로 단열되어 있다. 전단부 벽체상층부에 송풍 팬((p300 mm) 4개, 하층부에는 공기 출구가 설치되어 있으며, 공기 출구는 슬롯형(2, 290(W) X 100(H) mm)과 벽면형 (2, 200(W) X 1,500(H) mm)의 두 가지 형태로 설치하였다.

이론/모형

저속, 저온의 유동이므로 점성 소산 및 열 부력의 효괴는 무시하였다. 난류 모델은 Moureh 등(2002, 2004) 과 Yun 등(2007)의 연구결과를 참고하여 RSM을 채택하였다. 위의 가정에 기초하여 본 수치 해석에 적용된 시간평균 Navier-Stokes방정식, 에너지방정식 및 레이놀즈 응력 수송방정식을 텐서 형식으로 나타내면 이래와 같다
9℃로 고정하였다. 난류강도는 냉동 컨테이너에 대한 Moureh 등(2002)의 연구결과를 참고로 하였으며, 출구에는 압력 경계조건을 적용하였다. 복숭아의 물성치는 ASHRAE 핸드북을 참조하였으며, 단열벽 침투 열유 속은 컨테이너 내.
난류강도는 냉동 컨테이너에 대한 Moureh 등(2002)의 연구결과를 참고로 하였으며, 출구에는 압력 경계조건을 적용하였다. 복숭아의 물성치는 ASHRAE 핸드북을 참조하였으며, 단열벽 침투 열유 속은 컨테이너 내.외벽의 온도를 측정하여 아래식 (6)의 Fourier 법칙으로부터 계산하였다.
복숭아의 물성치는 ASHRAE 핸드북을 참조하였으며, 단열벽 침투 열유 속은 컨테이너 내.외벽의 온도를 측정하여 아래식 (6)의 Fourier 법칙으로부터 계산하였다.
난류 모델은 Moureh 등(2002, 2004) 과 Yun 등(2007)의 연구결과를 참고하여 RSM을 채택하였다. 위의 가정에 기초하여 본 수치 해석에 적용된 시간평균 Navier-Stokes방정식, 에너지방정식 및 레이놀즈 응력 수송방정식을 텐서 형식으로 나타내면 이래와 같다

성능/효과

(1) 모든 설계조건에서 팬 토출유 속이 증가할수록 농산물적재영역의 평균 온도는 낮아졌으며, 동일한 팬 토출 유속에서 적재영역의 평균 온도는 무 덕트.벽면출구.
(2) 간격적재는 산물적재에 비해 평균 온도를 약간 감소시키나 후단부에서의 온도 불균일 현상을 발생시키며, 2.54 m 덕트와 5.08 m 덕트는 후 단부의 열적체 해소에 도움을 주었으나 각각 전.후 단부와 전.
중단 부 영역에서 상대적으로 큰 온도 편차를 발생시켰다. 150 mm 간격적재는 산물적재에 비해 적재물 내부 평균 온도는 0.1~0.2℃ 정도 낮은 것으로 나타났으나, 전단부에서 적재물 간격을 통과하는 유량이 증가함에 따라 후 단부에서 온도 불균일 현상이 컸다. 또한 벽면 출구는 슬롯 출구에 비해 컨테이너 내부에 균일한 속도분포를 발생시키며, 이로 인해 적재물 내부에도 균일한 온도분포가 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
2℃ 정도 낮은 것으로 나타났으나, 전단부에서 적재물 간격을 통과하는 유량이 증가함에 따라 후 단부에서 온도 불균일 현상이 컸다. 또한 벽면 출구는 슬롯 출구에 비해 컨테이너 내부에 균일한 속도분포를 발생시키며, 이로 인해 적재물 내부에도 균일한 온도분포가 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
모든 조건에서 팬 토출유 속이 증가할수록 적재물의 평균온도는 거의 선형적으로 낮아졌으나, 기울기는 유속이 증가할수록 약간 작아지는 경향을 나타내었다. 또한 동일한 팬 토출 유속에서 적재물의 평균 온도는 Case e, b, a, c, d의 순서로 낮게 나타났다.
벽면 출구.산물적재 조건에서 적재물상부에 커버를 씌운 상태가 가장 낮은 적재 영역 평균 온도와 가장 균일한 온도분포를 나타내어 최적의 설계 조건으로 판단되었으며, 이 경우 8.0 m/s의 팬토줄유속에서 대부분의 적재영역 온도가 팬토출온도에 접근하였다.
본 논문에 나타내지는 않았지만 벽면 쪽의 나머지 센서들에 대한 실측값과 예측값의 비교에서도 유사한 차이와 경향성이 나타났다. 속도벡터의 검증은 선행 논문(Yun 등, 2007)에서 보고한 바와 같이 1/5 축소모형에 대한 입자영상유속계(Ultra PIV, TSI, USA) 측정결과와 비교하여 검증하였으며, 내부 선회유동의 특성을 포함한 속도벡터는 전단/중단부 경계에 대해서 평균 0.087 m/s, 중/후 단부 경계에 대해서는 평균 0.12 m/s의 오차로 정확하게 예측되었다.
2℃이었다 그림 3 어는 중앙 면에 해당하는 센서 1~3번, 7~9번, 13~15번 위치의 온도실측 값과 CFD 예측값의 비교 결과를 나타내 었다. 실측값과 예측값의 차이는 후 단부로 갈수록 커지는 경향을 보였으나, 전단부인 1~3번 위치에서 약 0.05℃ 이내, 후 단부인 13~15번 위치에서 약 0.1℃ 이내로 정확하게 예측되었으며, 온도분포의 경향^ 역시 실측값과 유사하게 나타났다.본 논문에 나타내지는 않았지만 벽면 쪽의 나머지 센서들에 대한 실측값과 예측값의 비교에서도 유사한 차이와 경향성이 나타났다.
Case b의 150 mm 간격을 둔 적재의 경우, 전체적인 유동 특성은 Case a와 유사하나 내측 팬의 토출 유동은 적재물 사이의 간격으로 유입되는 유량이 증가함으로 인해 Case a에 비해 후단부로 충분히 전파되지 못한다. 이로 인해 적재물 내부의 평균 유속은 Case a에 비해 겉보기 유속 기준으로 약 0.02 m/s 정도 감소하나 ; 적재물 사이의 간격을 통과하는 유동에 의한 대류열전달의 향상으로 적재물 내부의 유속 감소에 따른 열전달율의 감소는 상쇄되어, 적재물 내부 평균온도는 Case a에 비해 약 0.02℃ 낮게 나타났다. Case c의 2.
이상의 결과를 종합할 때 덕트의 설치는 후단부 영역의 열적체 해소에는 어느 정도 효과가 있으나, 2.54 m 덕트는 전. 후단부에, 5.
Case e의 덕트가 없는 벽면 출구의 산물 적재의 경우 슬롯 출구를 가지는 Case a와 달리 내, 외측 팬의 토출 유동이 모두 컨테이너 상부 벽면과 적재물 상부의 커버 사이의 유로를 통해 후 단부까지 균일하게 전파되고 있으며, 후 단부 벽면에 충돌 후 농산물 적재 영역 내부를 거의 수평으로 통과하여 전단부의 벽면 출구로 유출됨을 볼 수 있다. 적재물 내부의 유동은 전, 후 단부에서 속도 차이는 보이나 전체적으로 균일한 유동 특성을 나타내고 있으며, 내부의 온도 분포 역시 Case a와 달리 전, 후 단부에 걸쳐 균일하게 분포하는 것으로 나타났다.
3 m/s의 상대적 저속유동이 관찰된다. 적재물 내부의 유동은 후 단부에서 전단부 방향으로 상층으로 향한 후 다시 하층부의 덕트 출구로 향하는 선 회유동이 발생하며, 이로 인해 적재물 내부의 유속도 Case c보다 후 단부에서 겉보기 유속 기준 약 1.0 m/s 크게, 중단 부에서 약 1.0 m/s 작게 나타났다. Case e의 덕트가 없는 벽면 출구의 산물 적재의 경우 슬롯 출구를 가지는 Case a와 달리 내, 외측 팬의 토출 유동이 모두 컨테이너 상부 벽면과 적재물 상부의 커버 사이의 유로를 통해 후 단부까지 균일하게 전파되고 있으며, 후 단부 벽면에 충돌 후 농산물 적재 영역 내부를 거의 수평으로 통과하여 전단부의 벽면 출구로 유출됨을 볼 수 있다.

후속연구

따라서 냉장 컨테이너의 적정 설계를 위해서는 위의 설계변수들이 컨테이너 내부의 기류 및 열전달에 미치는 영향을 분석하고, 균일한 온도장을 유지하기 위한 최적의 변수를 설정할 필요가 있다. 설계변수별로 냉장 컨테이너 내부의 열 유 동장을 분석하는데 있어서 반복 실험을 통한 방법은 비용과 시간적 측면에서 비경제적이므로 전산유체역 학(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 적용한다면 효율적인 열유동장 분석과 적정 설계가 가능할 것이다.

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