HVAC 덕트 내에 설치된 광촉매코팅 모듈의 형상이 압력강하에 미치는 영향 A Numerical Analysis of the Pressure Drop according to the Shape of TiO2 Photocatalyst-coated Module in a HVAC Duct원문보기
본 연구는 실내 환경오염물질 제거성능 향상을 목적으로 공조기 덕트 내에 착탈 가능한 광촉매코팅 모듈의 형상을 개발하는 것이다. 본 연구에서는 광촉매코팅 모듈로 적용 가능한 사각, 원, 마름모등 기둥형 세 가지와 마름모, 사각 등 휜부착형 두 가지 등 총 다섯 가지 형상의 모델을 개발하였다. 속도변화에 대한 수치해석결과, 대부분 모듈 전후 0.3m 범위 이내에서 속도변화가 발생하였지만, 마름모기둥형(Type A-3)의 경우에는 모듈 뒷부분 0.4m까지 속도가 변하였고 모듈 전후에서의 속도 변동 폭이 가장 컸다. 다섯 가지 형상 중 속도변화가 가장 안정적인 것은 마름모 휜부착형(Type B-1)으로 평가되었다. 또한 국부적인 압력강하에 대한 비교에서도 비슷한 결과가 도출되었다. 즉, 다른 형상에 비해 마름모기둥형(Type A-3)의 압력강하계수가 2.44로 가장 크게 나타났으며, 마름모 휜부착형(Type B-1)은 0.59로 가장 변화량이 적었다. 한편, 모듈 수 증가에 따른 덕트 내 유동해석에서는, 모듈 수 증가에 따라 기류 충돌이 발생하여 압력이 증가하였다. 특히 모듈 수가 3개 이상이 되면 모듈 뒷부분은 변화가 없지만 앞부분에서 압력이 상승함을 알 수 있었다.
본 연구는 실내 환경오염물질 제거성능 향상을 목적으로 공조기 덕트 내에 착탈 가능한 광촉매코팅 모듈의 형상을 개발하는 것이다. 본 연구에서는 광촉매코팅 모듈로 적용 가능한 사각, 원, 마름모등 기둥형 세 가지와 마름모, 사각 등 휜부착형 두 가지 등 총 다섯 가지 형상의 모델을 개발하였다. 속도변화에 대한 수치해석결과, 대부분 모듈 전후 0.3m 범위 이내에서 속도변화가 발생하였지만, 마름모기둥형(Type A-3)의 경우에는 모듈 뒷부분 0.4m까지 속도가 변하였고 모듈 전후에서의 속도 변동 폭이 가장 컸다. 다섯 가지 형상 중 속도변화가 가장 안정적인 것은 마름모 휜부착형(Type B-1)으로 평가되었다. 또한 국부적인 압력강하에 대한 비교에서도 비슷한 결과가 도출되었다. 즉, 다른 형상에 비해 마름모기둥형(Type A-3)의 압력강하계수가 2.44로 가장 크게 나타났으며, 마름모 휜부착형(Type B-1)은 0.59로 가장 변화량이 적었다. 한편, 모듈 수 증가에 따른 덕트 내 유동해석에서는, 모듈 수 증가에 따라 기류 충돌이 발생하여 압력이 증가하였다. 특히 모듈 수가 3개 이상이 되면 모듈 뒷부분은 변화가 없지만 앞부분에서 압력이 상승함을 알 수 있었다.
The purpose of this study is to develop the shape of photocatalyst-coated module for improve the IAQ, which is installed at inside of ductwork and detachable. Including 3 column types(square, circle, diamond) and 2 fin types(diamond and square), totally 5 types are previously declared for numerical ...
The purpose of this study is to develop the shape of photocatalyst-coated module for improve the IAQ, which is installed at inside of ductwork and detachable. Including 3 column types(square, circle, diamond) and 2 fin types(diamond and square), totally 5 types are previously declared for numerical analysis and comparison, 5 types are. As the results of numerical analysis, almost the velocity varied at the range of ${\pm}0.3m$ from the module, except the Type A-3(diamond column type) which is affected to ${\pm}0.4m$ range and shows the biggest velocity differences. Among the 5 types, the diamond fin type(Type B-1) is analyzed as the most stable in velocity. And the results of local pressure drop show that the difference of pressure coefficient of Type B-1 is computed as 0.59, and that of Type A-3 is 2.44. Meanwhile, from the effect analysis of the number of module, the flow conflict happens and the pressure difference between before and after the module increases if there are over 3 modules inserted.
The purpose of this study is to develop the shape of photocatalyst-coated module for improve the IAQ, which is installed at inside of ductwork and detachable. Including 3 column types(square, circle, diamond) and 2 fin types(diamond and square), totally 5 types are previously declared for numerical analysis and comparison, 5 types are. As the results of numerical analysis, almost the velocity varied at the range of ${\pm}0.3m$ from the module, except the Type A-3(diamond column type) which is affected to ${\pm}0.4m$ range and shows the biggest velocity differences. Among the 5 types, the diamond fin type(Type B-1) is analyzed as the most stable in velocity. And the results of local pressure drop show that the difference of pressure coefficient of Type B-1 is computed as 0.59, and that of Type A-3 is 2.44. Meanwhile, from the effect analysis of the number of module, the flow conflict happens and the pressure difference between before and after the module increases if there are over 3 modules inserted.
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문제 정의
본 연구는 실내 환경오염물질 제거를 위해 공조기 덕트 내에 착탈 가능한 광촉매코팅 모듈의 형상을 개발하는 것이다. 연구성과를 정리하면 다음과 같다.
일반적인 공기정화장치에서는 공간 내 환경오염 물질 발생량이 급증할 경우 환경오염물질 제거성능 향상을 위해 필터 개수를 증가시킨다. 본 연구에서는 유사한 상황에 대응하기 위해 광촉매코팅 모듈 수 증가에 따른 압력강하 특성을 검토하였다. 검토 모델은 전술한 결과를 근거로 속도변화가 가장 안정적이고 압력강하가 가장 적은 마름모 휜부착형(Type B-1)을 선정하였다.
사업화 기술개발을 목적으로 수행된 본 연구는 기류의 원활한 흐름을 확보할 수 있는 형상을 개발하고자 다양한 형상의 모듈을 비교분석한 것이다. 향후에는 현재 개발진행 중인 광촉매의 반응특성과 모듈형상과의 관계에 관한 연구를 수행할 계획이다.
이에 본 연구는, 공조설비 본체와 각 공간 사이를 연결하는 덕트 내부에 착탈 가능한 광촉매코팅 모듈을 삽입함으로써 환기와 화학반응을 모두 활용하여 오염물질 제거성능을 향상시키고 각 공간별 오염수준을 제어할 수 있는 시스템 개발을 위해, 형상이 다른 착탈형 광촉매코팅 모듈 설치에 따른 덕트 내 유동특성을 수치해석을 통해 비교분석한 것이다.
가설 설정
본 연구에서는 덕트 내 유동을 3차원 정상상태, 비압축성 난류유동이고 모든 물성치는 일정하다고 설정하였다. 다양한 난류모델 중 본 연구에서는 가장 기본적인 표준 k-ε모델을 이용하여 해석을 수행하였고, k-ε모델의 기본방정식은 연속방정식, 운동량방정식, 난류운동에너지와 난류에너지감쇄율에 관한 2개의 전달방정식으로 구성된다.
제안 방법
(1)광촉매코팅 모듈로 적용 가능한 사각, 원, 마름모 등 기둥형 세 가지와 마름모, 사각 등 휜부착형 두 가지 등 총 다섯 가지 형상의 모델을 개발하였다.
덕트 내 유동특성을 속도와 압력변화량을 이용하여 평가하였다. 속도는 덕트 내 광촉매코팅 모듈 주변의 전반적인 속도변화를 비교하였다.
덕트 내 유동특성을 속도와 압력변화량을 이용하여 평가하였다. 속도는 덕트 내 광촉매코팅 모듈 주변의 전반적인 속도변화를 비교하였다. 덕트 내 특정 위치에서의 국부적인 압력강하는 덕트 바깥면의 기준압력(Pstd)과 특정 지점의 차압을 주유동(Main stream)의 동압으로 무차원화한 식 (3)을 이용하여, 또한 마찰계수는 시험부 입구측과 출구측 사이의 국부차압(ΔP)을 식 (4)에 대입하여 계산하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 유사한 상황에 대응하기 위해 광촉매코팅 모듈 수 증가에 따른 압력강하 특성을 검토하였다. 검토 모델은 전술한 결과를 근거로 속도변화가 가장 안정적이고 압력강하가 가장 적은 마름모 휜부착형(Type B-1)을 선정하였다. 예측결과인 Figure 5의 속도 벡터 그림으로부터 모듈수가 증가함에 따라 기류가 충돌하는 영역이 증가하고, 이는 등압력선(Pressure contour) 그림에서 압력저항으로 나타남을 알 수 있다.
이론/모형
각 광촉매코팅 모듈의 크기는 40㎜×40㎜×336㎜이고, 수치해석을 위한 덕트의 크기는 한국공기청정협회 PA인증기준[8]의 풍량시험장치 구조를 참고하여 400㎜×400㎜×2000㎜로 정하였다.
광촉매코팅 모듈이 삽입된 덕트 내 유동특성을 파악하기 위하여 본 연구에서는 상용 CFD 해석프로그램인 Fluent를 사용하였다[9]. 모델링 메시는 형상에 따라 조금 차이가 있지만 220만개 내외이다.
다양한 난류모델 중 본 연구에서는 가장 기본적인 표준 k-ε모델을 이용하여 해석을 수행하였고, k-ε모델의 기본방정식은 연속방정식, 운동량방정식, 난류운동에너지와 난류에너지감쇄율에 관한 2개의 전달방정식으로 구성된다.
덕트 입구측 공기의 유입속도는 2.5㎧을, 난류 모델은 전술한 바와 같이 표준 K-ε모델을 적용하였고, 정상상태의 해석방법으로 수치해석을 수행하였으며 반복계산을 통하여 잔여오차는 0.001% 이하가 되도록 설정하였다.
성능/효과
(2)속도변화에 대한 해석결과, 대부분 모듈 전후 0.3m 범위 이내에서 속도변화가 발생하였지만, 마름모 기둥형의 경우에는 모듈 뒷부분 0.4m까지 속도가 변하였고 모듈 전후에서의 속도 변동 폭이 가장 컸다. 다섯 가지 형상 중 속도변화가 가장 안정적인 것인 마름모 휜부착형으로 평가되었다.
24로 나타났다. 각 형상별 최대 국소 압력계수와 최저 국소 압력계수의 차이를 비교해 보면, Type A-1은 1.20, Type A-2는 0.69, Type A-3은 2.44, Type B-1은 0.59, Type B-2는 0.68로 나타남에 따라 Type B-1이 상대적으로 모듈 전후에서 가장 안정적인 압력 변화를 나타낸다고 판단할 수 있다.
4m까지 속도가 변하였고 모듈 전후에서의 속도 변동 폭이 가장 컸다. 다섯 가지 형상 중 속도변화가 가장 안정적인 것인 마름모 휜부착형으로 평가되었다.
(3)국부적인 압력강하에 대한 비교에서도 비슷한 결과가 도출되었다. 즉, 다른 형상에 비해 마름모 기둥형의 압력강하가 가장 크게 나타났으며, 마름모 휜부착형이 가장 변화량이 적었다.
(4)한편, 모듈 수 증가에 따른 덕트 내 유동해석에서는, 모듈 수 증가에 따라 기류 충돌이 발생하여 압력이 증가하였다. 특히 모듈 수가 3개 이상이 되면 모듈 뒷부분은 변화가 없지만 유입구측인 앞부분에서 압력이 상승함 알 수 있었다.
후속연구
사업화 기술개발을 목적으로 수행된 본 연구는 기류의 원활한 흐름을 확보할 수 있는 형상을 개발하고자 다양한 형상의 모듈을 비교분석한 것이다. 향후에는 현재 개발진행 중인 광촉매의 반응특성과 모듈형상과의 관계에 관한 연구를 수행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
오염물질 제거방법은 일반적으로 무슨 방법으로 구분할 수 있는가?
오염물질 제거방법은 일반적으로 자연식 혹은 기계식 환기에 의한 방법과 화학반응에 의한 방법으로 구분할 수 있는데, 화학반응방법 중 VOC를 분해시키는 가장 최신기술은 빛(光)을 받으면 촉매반응을 일으키는 광촉매를 응용하는 것이다. 그러나 아직까지 광촉매 활용기술은 소형 유닛 적용에 초점을 맞추고 있기 때문에 중대형 공조설비(Heating, Ventilation and Air Conditioning System, HVAC)가 도입된 공간에서는 필요에 따라 별도로 설치해야하는 경제적, 공간적 부담이 발생한다.
실내공간에는 어떤 것들이 포함되는가?
산업화, 도시화의 영향으로 일반인들의 하루 중 80% 이상의 시간을 실내에 거주하게 됨에 따라 쾌적하고 건강한 실내환경에 많은 관심을 갖게 되었다. 실내공간이란, 일반가정, 사무실뿐만 아니라 공공건물, 병원, 지하상가, 교통수단, 실내작업장 등 외부와 구분되는 모든 활동공간이 광범위하게 포함된다. 이처럼 다양한 실내공간이 오염될 경우 그 실내에서 장시간 생활하는 사람은 인체에 위해한 영향을 받게 된다.
참고문헌 (9)
환경부, 다중이용시설 등의 실내공기질관리법, 법률 제10312호, 2010.05.25(일부개정)
社團法人日本建築學會, 室內空氣質環境設計法, 技報堂出版, 2005.
環境科學Forum, 空氣淸淨化のしくみ,Ohmsha, 1999.
김경환, 윤영환, "사각덕트 내에서 원형실린더를 지나는 유체유동의 측정 및 수치해석에 관한 연구", 설비공학논문집, 제15권, 제12호, pp. 1095-1102, 2003.
정수진, 류수열, 김태훈, "HVAC 덕트내의 3차원 난류유동에 관한 수치해석적 연구", 한국자동차공학회논문집, 제4권, 제4호, pp. 118-129, 1996.
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