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문제 정의
- 공기유동이 상부 분리대에서 하부 건조실로 들어올 때 상부 분리대의 길이가 평균풍속 분포에 미치는 영향을 알아보았다. Fig.
- 본 연구는 대형 히트펌프 고효율 건조기 개발을 위해 베인, 상부 분리대, 공기 유입구 및 토출구 등의 변화에 따른 건조실 풍속분포를 수치해석을 통해 최적화하였다. 또한 건조기 시제품의 성능 실험을 통해 이를 검증하였다.
제안 방법
- Fig. 7의 각 구간 평균풍속에 해당하는 속도를 측정하기 위하여 Fig. 8에서와 같이 속도센서를 장착하였는데 종방향으로 0.4m 간격으로 총 5개, 횡방향으로 1.5m 간격으로 총 5회의 측정을 수행하여 각 구간에서 평균값을 구하였다. Fig.
- 5 에 상부 분리대의 길이를 고정시켜 가이드 베인의 개수를 조절한 모델들을 나타냈다. 가이드 베인의 개수에 따른 전면 풍속분 포를 예측하기 위해 모델 1, 4, 5는 각각 6, 10, 3개로 조절하여 예측하였다.
- 45로 예측 되었으며 모델 1과 3의 균일도가 우수하였다. 따라서 이러한 두 모델을 비교하기 위하여 Fig. 11에 두 가지 모델에 대해 건조실 입구로 들어오는 공기의 유선을 비교하여 보았다. 모델 1은 공기가 가이드 베인을 따라 건조실 입구로 비교적 균일하게 통과하는 반면 모델 3의 경우 전체적으로 유선이 매우 불규칙적인 경향을 보였다.
- 대형 히트펌프 건조기에서 유동의 균일도가 건조시간에 미치는 영향이 큼에도 불구하고 아직 많은 연구가 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 대형 히트펌프 건조기의 유동 최적화를 위해 공기 순환용팬, 가이드 베인, 공기 유입구, 토출구 및 상부 분리대 등의 형상, 위치, 개수 등을 최적화하였다. 또한, 이러한 결과를 12톤 건조기에 적용하여 실험으로 검증하였고 실제 냉동고추 건조 성능 실험을 수행하였다.
- 따라서, 추가적인 습증기 배출을 통한 건조시간 단축은 토출구 면적 증가를 통해서만 가능함을 알 수 있다. 따라서, 최종적으로 유입구 2개 및 토출구 2개인 모델 7을 최적안으로 도출하였다.
- 9의 속도센서는 Kanomax 열선 풍속계를 사용하였다. 또한 건조기 성능 실험을 위해 12톤의 냉동고추를 투입하여 건조기 가동 42시간 후 입구와 출구의 습도를 측정 하였다.
- 본 연구는 대형 히트펌프 고효율 건조기 개발을 위해 베인, 상부 분리대, 공기 유입구 및 토출구 등의 변화에 따른 건조실 풍속분포를 수치해석을 통해 최적화하였다. 또한 건조기 시제품의 성능 실험을 통해 이를 검증하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
- 따라서, 본 논문에서는 대형 히트펌프 건조기의 유동 최적화를 위해 공기 순환용팬, 가이드 베인, 공기 유입구, 토출구 및 상부 분리대 등의 형상, 위치, 개수 등을 최적화하였다. 또한, 이러한 결과를 12톤 건조기에 적용하여 실험으로 검증하였고 실제 냉동고추 건조 성능 실험을 수행하였다.
- 상부 분리대의 길이 조절에 따른 수치해석 결과 균일도와 건조실 입구로 유입되는 유선의 분포가 가장 우수한 모델 1을 기준으로 베인의 개수를 조절하여 베인 개수를 최적화하였다. Fig.
- Table 1은 건조기 내부의 응축기와 증발기를 단순화하기 위하여 다공성매질로 설정하여 각 부품별 손실계수를 입력하였다. 손실계수는 실제 압력강하를 측정하여 계산하였다.
- 17은 시제품 건조기의 각 위치별 속도분포를 보여준다. 실험 편의상 채반이 없는 상태에서 풍속 측정을 수행하였다. 측정된 최저풍속과 최고풍속은 각각 1.
대상 데이터
- 4는 상부 분리대의 길이에 따른 모델을 보여준다. 모델 1은 상부 분리대와 1.0m, 모델 2는 0.5m, 모델 3은 L5m로 상부 분리대의 길이에 따른 전면 풍속분포을 예측하였다. Fig.
- 6에 공기 유입구와 토출구 변경에 따른 모델들을 나타 냈다. 실험결과와의 비교를 위하여 Fig. 7은 건조실 y방향 단면을 z방향으로 5개 구간으로 나누어 평균풍속을 구하였는데 한 구간의 크기는 가로 7.5m, 세로 0.4m이다.
- 실험에 사용된 건조기의 제원은 L 11.9m X w 7.5m x H 3m이며 좌우 각각 3마력 팬 3개, 5마력 팬 4개를 장착하였다. 3 마력 팬의 경우 기계실에 위치하여 건조실 후면 부분의 공기 유동을 끌어올리며 5마력의 팬을 이용하여 다시 건조실 전면으로 공기유동을 이송시켰다.
이론/모형
- 건조기 해석에 사용된 격자수는 110만개를 사용하였고 3차원, 비압축성, 정상 유동에 대하여 난류모델은 k-c을 사용하였고 3차원 형상설계에는 Catia(10), 격자생성과 CFD해석에는 상용프로그램인 Ansys 12를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 상부 분리대의 길이를 조절하여 건조실 전면부의 풍속분포 를 최적화하는 경우 본 연구에서 고려된 건조기의 경우 상부 분리대가 첫 번째 베인의 위치까지 설치되었을 때 건조실로 유입되는 풍속분포 및 유입되는 공기의 유선이 가장 균일하였다.
- (2) 베인의 개수를 조절하여 풍속분포를 최적화하는 경우 베인의 개수가 많을수록 수직 방향으로는 더욱 균일해지나 전체 단면의 균일도는 모델 1이 최적인 것으로 나타났다.
- (3) 공기 유입구와 토출구의 개수를 조절하여 풍속분포를 최적화하는 경우 토출구가 두 개일 때가 한 개일 때보다 두 배 토출량이 증가하였고 유입구 개수는 두 개 이상인 경우 더 이상 토출량이 증가되지 않았다.
- (4) 건조기 시제품에 약 12톤의 냉동고추를 입고하여 약 42시간 동안 약 9.6톤의 수분을 균일하게 제거하여 건조기의 성능을 성공적으로 검증하였다.
- 이는 베인의 개수가 많을수록 수직방향으로의 풍속 분포가 균일하다는 것을 의미한다. 따라서, 베인 개수는 최대 및 최소 풍속차가 모델 4번에 비해 다소 높지만 균일도 성능이 가장 우수한 모델 1로 결정하였다.
- 12는 건조기 전면부, 즉 y 단면을 5구간으로 나누었을 때 각 구간에 대한 평균 통과풍속을 보여준다. 모델 1, 2 및 3의 최대풍속과 최소풍속의 차는 각각 29%, 73%, 43%이므로 모델 1이 가장 편차가 적고 모델 2의 경우가 가장 편차가 큰 것으로 예측되었다. 따라서, 상부분리대의 경우 전반적으로 모델 1이 가장 우수함을 알 수 있다.
- 15는 각 모델에 대하여 건조실 입구로 유입되는 공기의 위치에 따른 평균 풍속분포를 보여준다. 모델 1, 4 및 5의 최대 풍속과 최소풍속의 차는 각각 약 29, 20, 75%로 나타나 모델 4의 편차가 가장 작고 모델 5의 편차가 가장 심한 것으로 나타났다. 이는 베인의 개수가 많을수록 수직방향으로의 풍속 분포가 균일하다는 것을 의미한다.
- 11에 두 가지 모델에 대해 건조실 입구로 들어오는 공기의 유선을 비교하여 보았다. 모델 1은 공기가 가이드 베인을 따라 건조실 입구로 비교적 균일하게 통과하는 반면 모델 3의 경우 전체적으로 유선이 매우 불규칙적인 경향을 보였다. 이것은 상부분리대가 짧은 경우 유동이 코너를 진입할 때 회전을 너무 빨리 시작하여 유동의 90도 회전이 원활하지 않기 때문이다.
- 10은 상부 분리대의 길이에 따른 모델의 불균일도를 보여준다. 수치해석 결과 모델 1, 2, 3의 건조실 입구에서 불균일도는 각각 0.48, 0.55, 0.45로 예측 되었으며 모델 1과 3의 균일도가 우수하였다. 따라서 이러한 두 모델을 비교하기 위하여 Fig.
- 풍속은 바닥면에서 위로 갈수록 증가하다 H2를 지나 다시 감소하는 경향을 보여준다. 실험과 수치해석 풍속분포 비교시 실험값대비 수치해석의 평균오차가 약 8.7%의 오차율을 보여 수치해석의 정확도가 비교적 확보되었다. 하지만 이러한 오차는 [차원 팬 모델 다공성 매질, 형상 단순화, 난류 모델 등에 기인 하므로 향후 좀 더 정교한 모델이 필요하다.
- Sarkar 등⑴은 여러 냉매에 대하여 최적의 압축기 토출압력과 성능의 관계를 시뮬레이션을 통하여 고찰하였으며, Baek 등은 피스톤-실린더 형태의 팽창기를 적용한 사이클에 대하여 이론적 해석과 실험적 연구를 동시에 수행하였다. 특히 태양열 지원의 히트펌프를 사용할 경우 성적계수가 매우 높아짐을 보였고 혹한기에 보조열원으로 사용하면 효과적임을 확인하였다.
- 한편, 건조기 성능을 알아보기 위하여 냉동고추를 건조시켰는데 건조기 가동 후 약 42시간 경과시 상대습도가 채반 전면부 14.8%, 채반을 지나 후면부에서 25.3%로 나타났으며 건조 후 냉동 고추의 무게는 약 2.4톤으로 80% 건조가 완료되 었다.
후속연구
- 7%의 오차율을 보여 수치해석의 정확도가 비교적 확보되었다. 하지만 이러한 오차는 [차원 팬 모델 다공성 매질, 형상 단순화, 난류 모델 등에 기인 하므로 향후 좀 더 정교한 모델이 필요하다.
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