[논문]양문형 냉장고 냉동실 결빙원인해석 및 최소화 방안

김윤규; 정호윤; 최윤환; 이연원

[국내논문] 양문형 냉장고 냉동실 결빙원인해석 및 최소화 방안
Investigation on Freezing in the Freezing Compartment of a Side by Side Refrigerator 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.14 no.1, 2010년, pp.34 - 39

김윤규 (부경대학교 대학원) , 정호윤 (부경대학교 대학원) , 최윤환 (부경대학교 BK21 스마트기계사업팀) , 이연원 (부경대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A side by side refrigerator is popularly used one among electric home appliances according to the rise of the customer's living standard. But the frost problem in freezing compartment comes out whenever we develop the high quality refrigerator. In this research, internal flow simulation and temperature measurement were carried out by using CFD and T-type thermocouple respectively in order to understand freezing mechanism. It was revealed that the amount of frost beneath the 1st and 2nd shelves is approximately 40% of total frost and the cause of frost generation is due to bad circulation of low speed cold flow. Using this analysis, the shapes of outlets under shelves are modified. So, the amount of frost in this modified model decreases 6% comparing to original one.

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AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 수치해석과 실험을 병행함 으로써 냉동실의 온도변화와 냉기의 유동간의 상관 관계를 파악하여 현재 시판중인 side by side 형의 대형 냉장고에 대한 착상과 결빙생성 원인을 파악하고 이를 최소화하는 것을 목표로 한다.
본 연구에서는 결빙 원인의 파악과 발생된 결빙의 정도를 알기 위하여 냉동실 벽면에서의 온도변화를 측정하고, 냉동실내에서 생성되는 결빙을 측정하고 정량화 하였다.
본 연구에서는 Side by side 형 냉장고의 냉동실에서 발생하는 결빙을 최소화하기 위하여 수치해석과 실험을 수행하였다. 이를 통하여 결빙의 생성 원인과 생성위치, 결빙의 정도를 파악하였고, 그 결과를 바탕으로 결빙생성을 최소화 하였다.

가설 설정

수치해석을 위해 작동유체는 비압축성이라고 가 정하고, 해석은 정상상태로 계산하였다. 또한 유동 현상 파악이 주목적이므로 온도변화에 따른 물성치의 변화는 고려하지 않는다.

제안 방법

본 연구의 목적에 맞게 수치해석 영역은 냉동실 내로 한정하였으며, 펜의 회전에 의한 효과를 확인 하기 위하여 Fig. 2와 같은 형태로 해석영역을 설정 하였다.
또한 유동 현상 파악이 주목적이므로 온도변화에 따른 물성치의 변화는 고려하지 않는다. 계산에 있어 팬의 회전을 고려하기 위하여 MRF 기법을 사용하여 팬이 회전하는 효과를 주었다. 그리고 출구 냉동실과 냉장실 모두 대기압 조건이다.
냉동실 상부에 위치하고 있는 최상부의 첫 번째 토출구에서 수치해석 결과와 실험 결과를 비교해 보았다.
이 결과는 수치해석과 실험을 통하여 육안으로 확인하여 본 결과와 일치하는 것을 알 수 있다, 따라서 이를 바탕으로 냉동실 내부의 결빙량을 감소 시키기는 방안으로써 토출구 주변과 내부 형상을 변경하였다.
따라서 선반 주변에서의 유동을 개선하기 위하여 기존의 토출구 가이드 형상을 Fig. 9에서와 같이 변경하여 토출구에서 나온 냉기가 선반에 직접적으로 영향을 줄 수 있도록 25°의 각도로 형상을 변형 하였다.
본 연구에서는 Side by side 형 냉장고의 냉동실에서 발생하는 결빙을 최소화하기 위하여 수치해석과 실험을 수행하였다. 이를 통하여 결빙의 생성 원인과 생성위치, 결빙의 정도를 파악하였고, 그 결과를 바탕으로 결빙생성을 최소화 하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
수치해석과 실험을 통하여 얻어진 결과를 비교 분석함으로써 결빙 생성의 원인을 파악하였으며 이를 토대로 결빙을 최소화하는 방안을 모색하였다.
Fig. 1에서 확인한 결빙의 감소를 위해서 결빙 생성의 원인을 파악하여, 이를 토대로 결빙을 최소화하는 방안을 모색하였다.

데이터처리

실험에 사용된 항온 항습실의 환경은 온도 30±rc 에 습도 80±5%를 기준으로 하였고, 냉장고 내부의 부하는 무시하였다. 결빙실험의 결과로 생성된 결빙의 양은 선정되어진 각각의 측정 부위에 대하여 3회 이상 측정하였고 이를 평균하여 정량화하였다.

이론/모형

위와 같은 계산조건으로 상용코드인 CFX H을 사용하여 계산하였다. 계산에 사용된 난류모델은 Standard k- e model 이다.
냉동실의 온도변화와 결빙실험은 KS규격 [KS C ISO 15502]를 기준으로 하여 실행하였다. 실험에 사용된 항온 항습실의 환경은 온도 30±rc 에 습도 80±5%를 기준으로 하였고, 냉장고 내부의 부하는 무시하였다.

성능/효과

내벽 뒤쪽의 형상은 팬에 의해서 형성된 유동 이 토출구의 하측부와 좌우로 나뉘어져 들어갈 수 있도록 유도를 위해 설치되어진 것으로 보이나, 수치해석을 통하여 볼 때 좌우 토출구의 하측부의 유동을 정체키고 토출구의 상측으로만 유동이 원활하도록 하고 있음을 볼 수 있다. 결과적으로 토출구의 하측에 형성된 결빙을 중부혀 승화시키지 못함으로 결빙이 쉽게 발생할 수 있을 것이라고 판단할 수 있다.
수치해석을 통하여 선반의 주변부에서 재순환영역의 발생으로 유동의 정체가 발생함을 확인할 수 있었고, Fig. 6의 은도 분포 그래프를 통하여 제상주기 시 마다 온도가 급격하게 상승하였다가 하강하는 것을 알 수 있었다. 결과를 종합하여 볼 때 제상 주기 시 마다 고온다습한 공기가 냉동실 내로 유입 되어지고 선반과 토출구 주변에서 유동이 정체함에 따라 선반의 표면에 착상이 발생됨을 확인할 수 있었다.
6의 은도 분포 그래프를 통하여 제상주기 시 마다 온도가 급격하게 상승하였다가 하강하는 것을 알 수 있었다. 결과를 종합하여 볼 때 제상 주기 시 마다 고온다습한 공기가 냉동실 내로 유입 되어지고 선반과 토출구 주변에서 유동이 정체함에 따라 선반의 표면에 착상이 발생됨을 확인할 수 있었다.
8은 상부의 첫 번째의 토출구의 형상을 변경하여 실혐한 결과이다. 유동을 방해하는 구조물을 제거하고 토출구에 맺힌 결빙이 제상주기 후 다시 착상되어지는 것을 방지하기 위하여 가로로 배치되 어진 살을 세로로 형상을 변경하였다, 그 결과 육안 으로도 확인이 가능할 정도로 결빙이 감소한 것을 볼 수 있었다.
수치해석 및 실험을 통하여 두 번째와 세 번째 선반 주변에서의 유동이 원활하지 못한 것과 다른 선반에서 보다 많은 양의 결빙이 발생하는 것을 알 수 있었다.
5%가 감소되었다. 결빙량의 변화는 전체적으로 약 2g 이상이 감소하였으며 특히 냉장고 냉동실의 문을 열었을 때 가장 시각적으로 눈에 띄는 부분인 선반 부분에 착상되어지는 결빙의 감소에 있어서 큰 효과를 볼 수 있었다.
결빙실험 결과 1, 2번 선반 아래쪽의 결빙량이 전체의 40%를 차지하였으며, 수치해석 결과 결빙이 많이 발생한 1, 2번 선반 아래쪽으로 냉기의 순환이 원활하지 못함을 확인할 수 있었다.
1, 2번 선반하부에서의 결빙발생을 줄이기 위하여 토출구 가이드형상을 변경하여 실험을 실시한 결과 결빙층의 두께가 감소하였고 각각 0.78, 0.53g의 결빙량 감소가 나타났다.
전등커버 안쪽에 위치한 냉기가이드 구조물 위로 많은 양의 얼음알갱이가 발생하였고 토출구에서 나 오는 냉기의 영향으로 이런 얼음 알갱이들이 3번 선반 위로 떨어져 내렸다. 냉기 유로에 영향을 주지 않는 조건하에 구조물을 제거하여 실험한 결과 3번 선반 위에서의 결빙량이 1.22g 감소하였다.
최상부에 위치한 토출구 주위에 발생하는 결빙을 줄이기 위하여 토출구 형상을 세로로 변경하여 실험을 한 결과 물방울들이 토줄구를 타고 흘러 내려 실제 토출구 주위로 발생하는 결빙은 감소한 것을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (8)

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양수영 외 3인, 2007, "B/F형 냉장고 냉동실 결빙 원인 추론", 한국동력기계공학회, 2007年度春季學術大會論文集 6, pp. 121-126.
박재성, 2008, "B/F형 냉장고 냉동실의 내부 유동 해석 및 결빙최소화", 부경대학교 석사학위 논문
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O. Laguerre, S. Ben Amara, J. Moureh, D. Flick, 2007, "Numerical simulation of air flow and heat transfer in domestic refrigerators", Journal of Food Engineering 81, pp. 144-156.

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A.D. Sommers, A.M. Jacobi, 2005, "Air-side heat transfer enhancement of a refrigerator evaporator using vortex generation", International Journal of Refrigeration 28, pp. 1006-1017.

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