선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 3에서 살펴보았듯이 냉장고 형상에 대한 모델링을 하였으며 이러한 형상에 대한 열전달 해석을 하는 방법은 냉장고 외부와 내부 공간에서 온도를 측정하고 벽면부분에서의 대류열전달 계수를 가정하여 열전달량을 계산할 수도 있다. 그러나 이러한 방법은 대류열전달계수를 선정할 때 오차를 수반하기 때문에 본 연구에서는 냉장고 내 외부의 벽면온도를 측정하여 이렇게 측정한 온도를 경계조건으로 이용하여 전도열전달 해석을 수행하여 실제 열전달량과 오차를 줄여서 보다 정확한 열전달량을 예측 가능하도록 하였다.
- 지금까지의 많은 연구를 통해 냉장고 가스켓으로 빠져 나가는 열손실이 냉장고 단열 열손실의 10~30%를 차지한다고 알려져 있다. 본 연구에서 역열손실에 관한 수치해석을 수행 할 때 어느 정도의 열손실을 고려해야 하는지를 실험결과와 비교하면서 분석하였다.
- 본 연구에서는 냉장고의 역열손실 방법으로 냉장고의 단열성능을 평가할 때 단열재의 전도열전달율의 변화에 따른 단열 성능 개선 정도를 이러한 방법으로 할 경우 평가 가능한가를 실험과 수치해석적 방법으로 진단하고, 또한 수치해석적 방법을 사용할 경우 수치해석에 필히 고려해야 할 것에 대한 분석을 통해 냉장고 단열성능 평가 방법인 역열손실 방법의 타당성과 역열손실의 수치해석적 방법의 정립을 제시하는 것을 목적으로 한다.
제안 방법
- 4-2절에서 고찰한대로 가스켓 부분의 열전도율을 실제 실험을 통한 열손실량에 적합하도록 보정한 값인 0.15 W/mK를 사용하여 진공단열재의 열전도율을 변화하였을 때 역열손실 방법으로 단열 성능을 측정하였을 때의 열손실 특성을 살펴보기로 한다.
- 냉장고의 벽면 성분은 PU Foam이 대부분을 차지하고 있으며 냉장고 외부와 내부에 PU Foam을 고정하는 ABS 재질이 얇은 두께로 감싸고 있다. ABS의 열전도율이 0.19 W/mK이고 두께가 5 mm이며 PU Foam의 열전도율이 0.026 W/mK이고 두께가 평균 50 mm이므로 열저항 측면에서 ABS의 역할이 작기 때문에 본 연구에서는 PU Foam과 진공단열재만을 수치계산에 포함하여 계산을 수행하였다. 진공단열재의 열전도율은 0.
- 이러한 가열 열량에 대한 실험결과는 다음절에서 수치해석을 통한 해석 결과의 비교 자료로 활용하였다. Fig. 4에서 나타낸 첫 번째 시료의 실험에서 낮은 가열열량에서부터 높은 가열열량을 가면서의 실험 경우를 각각 Case1, Case2, Case 3, Case4, Case 5로 하여 비교하였다. Case3의 경우가 역열손실 방법에서 설명한 정격 냉장고 시험조건과 유사한 경우이다.
- 가스켓은 문과 냉장고 본체사이에 30 mm 두께로 영역을 설정하였으며 가스켓 효과를 고려하지 않은 경우에는 열전도율을 PU Foam 과 같은 0.026 W/mK로 하였고 가스켓의 열전도율을 변화시켜서 실험에서 나온 가열 전력량과 같은 열손실량이 되는 가스켓 열전도율을 도출하여 가스켓에서의 열손실 효과를 모사하는 것으로 하였다. 가스켓의 열전도율 변화는 0.
- 026 W/mK로 하였고 가스켓의 열전도율을 변화시켜서 실험에서 나온 가열 전력량과 같은 열손실량이 되는 가스켓 열전도율을 도출하여 가스켓에서의 열손실 효과를 모사하는 것으로 하였다. 가스켓의 열전도율 변화는 0.026에서 0.35 W/mK까지 변화시켰으며 열손실량은 냉장고 외부 벽면에서의 열전달량들의 합으로 계산하였다. 그 결과는 Fig.
- 온도 측정 데이터 개수는 냉장실의 경우 좌우 벽면, 뒷 벽면, 앞문에 각각 4개씩의 온도 측정을 하였고 상부와 바닥 면에는 2개씩의 온도를 측정 하였다. 냉동실의 경우는 냉장실 보다 작아서 좌우 벽면, 뒷 벽면, 앞문에 각각 3개씩의 온도를, 상부, 바닥 면은 2개씩의 온도를 측정하였다. 냉장고 외부에는 같은 위치에 같은 개수로 온도를 측정하였다.
- 이러한 온도 조건을 유지하면서 냉장실과 냉동실 내에 설치한 가열시스템으로 가열한 경우 온도가 정상상태로 도달하기까지 걸리는 시간을 측정한 결과 약 20시간 이후에 냉장고 내부의 온도가 거의 변하지 않는 정상상태에 도달하였다. 따라서 본 연구에서도 항온항습챔버 내에서 역열손실 방법으로 시험할 때 20시간 이후에서 1시간 동안 측정한 온도와 가열에 사용한 소비전력을 측정하여 평균값을 측정값으로 하였다.
- 또한, 내부의 온도 균일화를 위해 순환팬을 냉장실과 냉동실 각각 2개씩 설치하였다.
- 본 연구에서 수치해석을 통한 열전달율 계산을 위해 Fig. 2에서 볼 수 있는 것과 같이 냉장실과 냉동실 내부 벽면과 이에 해당하는 외부 벽면에 열전대를 부착하여 온도를 측정하였으며 이렇게 측정한 온도 값을 수치해석시의 온도 경계조건으로 이용하였다. 온도 측정 데이터 개수는 냉장실의 경우 좌우 벽면, 뒷 벽면, 앞문에 각각 4개씩의 온도 측정을 하였고 상부와 바닥 면에는 2개씩의 온도를 측정 하였다.
- 냉장고의 성능시험을 위해 일반적으로 외부온도를 32℃, 냉동실을 -16℃, 냉장실을 6℃로 유지하면서 시험한다. 본 연구에서의 역열손실 방법으로 단열성능을 시험하기 위해서 각 부분의 온도차를 일치시키기 위해 냉장고 외부의 온도를 -16℃, 냉장실을 32℃, 냉장실을 10℃로 유지하면서 시험하였다. 이러한 온도 조건을 유지하면서 냉장실과 냉동실 내에 설치한 가열시스템으로 가열한 경우 온도가 정상상태로 도달하기까지 걸리는 시간을 측정한 결과 약 20시간 이후에 냉장고 내부의 온도가 거의 변하지 않는 정상상태에 도달하였다.
- 역열손실 방법으로 냉장고를 시험하기 위한 온도 조건이 냉장고 외부 -16℃, 냉동실 32℃, 냉장실 10℃로 정하였다. 냉장고 외부온도는 변화시키지 않고 냉장고의 냉장실과 냉동실의 가열 열량을 변화하면서 냉장고 내부의 온도가 어떻게 변하는지를 Fig.
- 냉장고의 용량은 760 liter이다. 역열손실 방법으로 냉장고의 단열성능을 시험하기 위해 냉장고의 압축기를 비롯한 증발기 등의 주요 장치들을 가동하지 않고 냉장실과 냉동실 내에 Fig. 2와 같이 가열시스템을 설치하였다.
- 2에서 볼 수 있는 것과 같이 냉장실과 냉동실 내부 벽면과 이에 해당하는 외부 벽면에 열전대를 부착하여 온도를 측정하였으며 이렇게 측정한 온도 값을 수치해석시의 온도 경계조건으로 이용하였다. 온도 측정 데이터 개수는 냉장실의 경우 좌우 벽면, 뒷 벽면, 앞문에 각각 4개씩의 온도 측정을 하였고 상부와 바닥 면에는 2개씩의 온도를 측정 하였다. 냉동실의 경우는 냉장실 보다 작아서 좌우 벽면, 뒷 벽면, 앞문에 각각 3개씩의 온도를, 상부, 바닥 면은 2개씩의 온도를 측정하였다.
- 지금까지의 실험과 수치해석을 통하여 역열손실 방법에 대한 수치해석을 통한 예측 방법을 검토하였고 냉장고의 진공 단열재에 대한 단열성능 시험이 역열손실 방법으로 분석 가능함을 알아보았으며 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서 열전달 해석에 사용한 전산해석 소프트웨어는 열유체 전산해석에 널리 사용되고 있는 상용코드인 Fluent 소프트웨어를 사용하였다. 격자의 개수는 약 82만개를 사용하였다.
- 상부는 냉장실이고 하부는 냉동실이다. 그리고 각 벽면에 단열성능 향상을 위해 진공단열재를 사용하였다. 냉장고 내부와 문 사이에 냉기 차단을 위한 가스켓 영역이 존재한다.
- 본 연구에 사용한 냉장고 시료는 진공단열재를 사용한 냉장고이다. Fig.
- 본 연구에서 사용한 실험 장치는 항온항습챔버, 진공단열재 내장 냉장고 시료, 냉장고 내부 가열시스템, 온도 및 가열전력량 측정 시스템으로 구성되어 있으며 Fig. 1에 개략도를 나타내었다.
- 냉장고 외부에는 같은 위치에 같은 개수로 온도를 측정하였다. 수치해석에 사용할 경계조건을 위해 측정한 온도 측정점의 개수는 총 44개를 사용하였다.
- 실험에 사용한 냉장고 시료는 상부가 냉장실이고 하부가 냉동실로 구성되어 있다. 냉장고의 용량은 760 liter이다.
이론/모형
- 본 연구에서 열전달 해석에 사용한 전산해석 소프트웨어는 열유체 전산해석에 널리 사용되고 있는 상용코드인 Fluent 소프트웨어를 사용하였다. 격자의 개수는 약 82만개를 사용하였다.
- 위와 같은 열전달 해석에 적용한 지배방정식은 정상상태 3차원 열전도 방정식을 이용하였다.
성능/효과
- 1) 역열손실 방법으로 두 대의 같은 모델 진공단열재를 사용한 냉장고의 단열성능을 시험한 결과, 실험의 재현성을 확인 하였으며 냉장고 내부의 가열량에 따라 냉장고 내부 온도는 냉장실과 냉동실 모두 거의 선형적으로 변화하였다.
- 2) 가스켓의 물성치를 단열재인 PU Foam과 같다고 한 경우에 대한 열손실 수치해석 결과는 실험 결과와 15.6% 작게 나타났다. 따라서 가스켓을 통한 열손실을 그 부분의 열전도울을 변화하여 0.
- 3) 가스켓의 열손실을 고려하여 가스켓 부분의 열전도율을 0.15W/mK로 하고 진공단열재의 열전도율 변화를 살펴 본 결과 진공단열재 열전도율에 따라 열손실이 거의 선형적으로 변함을 알 수 있었고 또한 진공단열재의 단열성능을 평가할 때 역열손실 방법을 사용할 경우 단열성능을 측정 평가하는데 효과적임을 알 수 있었다.
- 가스켓 효과를 고려하지 않고 가스켓의 열전도율을 PU Foam과 같은 0.026 W/mK를 사용한 경우에는 냉장고를 통해 나가는 열손실이 67.51 W로 나타났으며 실험 결과는 80.01 W로 15.6% 적게 계산 되었다. 가스켓의 열전도율을 변화시켜 실험결과와 거의 일치하는 열전도율은 0.
- 6% 작게 나타났다. 따라서 가스켓을 통한 열손실을 그 부분의 열전도울을 변화하여 0.15W/mK로 할 경우 정격운전 조건에서는 실험결과와 0.1% 오차이었고 정격운전 조건 부근에서는 1% 내의 정밀도를 가지는 결과를 가져왔다.
- 75%의 범위임을 알 수 있다. 따라서 진공단열재의 단열성능을 향상 시키거나 진공단열재를 적용한 냉장고 벽면 면적을 넓히면 냉장고의 열손실을 효과적으로 줄일 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 이번 연구를 통해 진공단열재 열전도율 변화에 따른 열손실 저감 특성을 역열손실 방법을 통하여 규명할 수 있고 최적의 진공단열재 선정에 기여할 수 있음을 알 수 있었다.
- 따라서 진공단열재의 단열성능을 향상 시키거나 진공단열재를 적용한 냉장고 벽면 면적을 넓히면 냉장고의 열손실을 효과적으로 줄일 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 이번 연구를 통해 진공단열재 열전도율 변화에 따른 열손실 저감 특성을 역열손실 방법을 통하여 규명할 수 있고 최적의 진공단열재 선정에 기여할 수 있음을 알 수 있었다.
- 4에 나타내었다. 본 연구의 실험에서는 같은 모델 냉장고 2대에 대하여 재현성 실험을 병행하였으며 그림에서 보는 바와 같이 두 시료의 실험 재현성은 잘 이루어지고 있음을 알 수 있다. 또한 냉장실과 냉동실의 내부 온도는 가열열량에 따라 거의 선형적으로 변함을 알 수 있다.
후속연구
- 가정 내에서 이렇게 지속적으로 가동되고 있는 기기는 없다. 이것으로 판단할 때 냉장고의 소비전력, 즉 열손실을 줄이는 것이 전 세계 에너지소비를 줄이는 가장 직접적인 역할을 할 것으로 판단한다. 냉장고의 열손실은 바로 소비전력으로 나타나므로 냉장고의 열손실을 줄이는 연구와 냉장고 내부의 열전달에 관하여 많은 연구가 수행되어 왔다 [1-6].
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.