[논문]강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템에 관한 연구

황지현; 정찬세; 고주현; 양순용

doi:10.7839/ksfc.2013.10.2.023

[국내논문] 강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템에 관한 연구
A Study on Air-Conditioning System for Excavator using Forced Exhaust 원문보기

유공압건설기계학회지 = Journal of the Korean Society for Fluid Power and Construction Equipments, v.10 no.2, 2013년, pp.23 - 29

황지현 (Department Mechanical Automotive Engineering Graduate school of University of Ulsan) , 정찬세 (Department Mechanical Automotive Engineering Graduate school of University of Ulsan) , 고주현 (Institute of e-vehicle Technology, Graduate school of University of Ulsan) , 양순용 (Department of Mechanical Engineering, The University of Ulsan)

Abstract ▼ AI-Helper

The excavator is used in a variety of construction environments. There are many kinds of risk like falling rocks or harmful dust. The excavator cabin protects the operator not only from these harmful environments but also provides a comfortable working environment. By the way, the excavator cabin consumes a lot of energy for cabin air conditioner. For this reason, the research is required to reduce energy consumption. This study suggests the air conditioning system for excavator using forced exhaust. First, the forced exhaust system simulated by AMESim tool and surveyed the applicability. Using AMESim simulation, it was investigated the effect of cabin inside temperature by intake flow rate and intake air temperature. The experiment executed using the 1.5 ton excavator and field tested according to the intake flow rate. Finally, verified the applicability on the air conditioning system for excavator using forced exhaust.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 굴삭기에 강제배기를 이용하여 캐빈 내부의 공기를 배출시키고 이로 인하여 외기가 자연 유입되어 실내온도 조절이 가능한 시스템을 제안하였다.
따라서 본 연구에서는 굴삭기 캐빈의 상부 공기를 강제배기 시키고 상대적으로 태양복사에너지를 적게 받는 굴삭기 캐빈의 하부 공기를 자연흡기하는 방식의 시스템을 제안하였다.
본 연구에서는 시스템에 가장 영향을 미치는 인자 중 흡기온도와 배기유량에 따른 캐빈 내부온도에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.
실내실험은 일정한 온도 조건에서 강제배기 시스템의 효율성을 검토하기 위하여 실험하였다. 실험은 20℃로 일정한 온도 환경에서 캐빈 내부를 가열한 후 강제배기를 적용한 경우와 강제배기를 적용하지 않은 경우를 비교 실험하였다.
본 연구에서는 강제배기를 이용한 굴삭기 캐빈의 공기조화 시스템에 대한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 강제배기 시스템의 적용 가능성을 검증하기 위하여 개방형 캐빈을 자체적으로 밀폐형으로 변경하여 시스템을 구성, 실험하였다. 따라서 실제 밀폐형 캐빈 보다 열악한 환경에서 시험을 수행하여 실제 사용 환경에서의 성능은 실험에서 얻어진 결과보다 향상되리라 예상 된다 .

가설 설정

굴삭기 캐빈의 공기는 비압축성유체이며 물성치는 일정한 것으로 가정한다. 이러한 가정 하에 연속방정식, 운동량방정식 및 에너지방정식을 나타내면 다음과 같다.

제안 방법

또한 강제배기를 이용한 굴삭기 캐빈의 공기조화 시스템에 대한 1-D 시뮬레이션으로 배기 유량에 따른 시스템의 거동을 예측하고 실차 실험을 통하여 이를 검증하였다.
강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템의 적용가능성과 흡기 온도 및 배기 유량에 따른 시스템의 성능을 예측하고 그 경향을 파악하기 위하여 LMS imagine사의 공학 상용 시뮬레이션 툴인 AMESim을 기반으로 1-D 시뮬레이션을 실시하였다.
배기유량에 따른 캐빈 내부 온도는 캐빈 내부 초기 온도를 52℃로 설정하고 배기 유량을 각 각 0.01kg/s, 0.02kg/s, 0.03kg/s, 0.04kg/s, 0.05kg/s로 설정하여 캐빈 내부의 온도변화를 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 시간은 1000s 이며 배기 유량에 따른 캐빈 온도변화는 Fig.
흡기온도에 따른 캐빈의 온도 변화는 캐빈 내부의 초기 온도를 52℃로 설정하고 흡기 온도를 각각 1 5℃, 18℃, 20℃, 22℃, 25℃로 설정하여 캐빈 내부의 온도변화를 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 시간은 1000s, 유량은 0.
온도 측정 지점은 캐빈의 상부 9 지점, 중간부 9지점, 하단부 6 지점으로 총 24 지점을 측정할 수 있도록 하였고 외기가 흡입되는 흡입구 2 지점의 온도도 측정할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 1KΩ 의 저항을 연결하여 단자대 회로를 구성하였다.
캐빈 내부의 온도측정은 온도가 증가함에 따라 저항이 낮아지는 부특성 서미스터를 이용하여 온도를 측정하였다. 온도 측정 지점은 캐빈의 상부 9 지점, 중간부 9지점, 하단부 6 지점으로 총 24 지점을 측정할 수 있도록 하였고 외기가 흡입되는 흡입구 2 지점의 온도도 측정할 수 있도록 하였다.
강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템의 실험은 실내실험과 실외실험으로 실내실험은 일정한 온도조건을 유지한 공간에서 캐빈 내부를 가열하여 강제배기를 적용했을 때와 적용하지 않았을 때의 온도변화를 측정하였다. 실외실험은 실제 태양복사에너지를 이용하여 캐빈을 가열하고 강제배기를 통하여 내부 온도를 감소시키는 시스템의 적용가능성을 검증하도록 하였다.
강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템의 실험은 실내실험과 실외실험으로 실내실험은 일정한 온도조건을 유지한 공간에서 캐빈 내부를 가열하여 강제배기를 적용했을 때와 적용하지 않았을 때의 온도변화를 측정하였다. 실외실험은 실제 태양복사에너지를 이용하여 캐빈을 가열하고 강제배기를 통하여 내부 온도를 감소시키는 시스템의 적용가능성을 검증하도록 하였다.
실내실험은 일정한 온도 조건에서 강제배기 시스템의 효율성을 검토하기 위하여 실험하였다. 실험은 20℃로 일정한 온도 환경에서 캐빈 내부를 가열한 후 강제배기를 적용한 경우와 강제배기를 적용하지 않은 경우를 비교 실험하였다. 캐빈 내부 초기 온도는 52℃로 설정하여 시간에 따른 온도 변화를 1회/1s 주기로 데이터를 측정하였다.
실험은 20℃로 일정한 온도 환경에서 캐빈 내부를 가열한 후 강제배기를 적용한 경우와 강제배기를 적용하지 않은 경우를 비교 실험하였다. 캐빈 내부 초기 온도는 52℃로 설정하여 시간에 따른 온도 변화를 1회/1s 주기로 데이터를 측정하였다. 강제 배기유량은 0.
실외 실험은 실제 실험장치인 1.5톤 굴삭기를 태양열을 직접 받게 하고 강제배기를 시켜 실험을 하였다. 또한 강제배기 유량을 변경하고 태양열을 받는 면적을 변경하여 실험을 하였다.
5톤 굴삭기를 태양열을 직접 받게 하고 강제배기를 시켜 실험을 하였다. 또한 강제배기 유량을 변경하고 태양열을 받는 면적을 변경하여 실험을 하였다. 실외 온도는 19℃ 였으며 실험 결과는 Fig.
시간에 따라 굴삭기 캐빈의 온도 변화는 크지 않았으며 일사량에 따라 오히려 온도가 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 강제배기 유량을 0.038kg/s 로 증가시켜 실험을 수행하였다. 유량의 증가로 인하여 캐빈의 내부 온도는 낮아지는 경향을 보였으나 대류에 의한 열교환 효과 보다 태양복사에 의한 유입 열량이 증가한 이유로 다시 약간의 온도상승이 발생한 것으로 생각된다.
2) AMESim을 이용하여 강제배기를 이용한 공기조화 시스템의 모델을 개발하였으며 흡입공기온도와 배기유량에 따른 캐빈 내부 온도변화를 확인하였다.

대상 데이터

시스템은 굴삭기 캐빈의 상부에 블로어를 장착하여 내부 공기를 강제배기 시키는 배기구와 비교적 온도가 낮은 굴삭기 캐빈 하부의 공기가 이동할 수 있는 흡입구로 구성된다. 강제 배기를 이용한 굴삭기 캐빈의 공기조화 시스템의 구성은 Fi.
강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템의 실험 장치는 1.5톤 굴삭기를 이용하였고 본 연구에 사용된 1.5톤 굴삭기는 D 사의 굴삭기로 밀폐되지 않은 개방형 캐빈이 장착되어 있다. 따라서 투명비닐을 이용하여 굴삭기 캐빈을 밀폐시켰다.
측정 장비는 National instrument 사의 NI USB DAQ 6212 1개와 NI USB DAQ 6008 2개를 사용하였다. 사용된 NI USB DAQ 6008과 서미스터는 Fig.

이론/모형

강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템의 시뮬레이션 모델은 AMESim에서 제공하는 자동차 캐빈 라이브러리를 사용하였다. 캐빈 라이브러리는 입구공기와 출구공기의 온도, 압력, 습도, 유량을 결정할 수 있으며 모델 자체적으로 태양열에 의한 열전달을 제공한다.

성능/효과

배기 유량에 따른 캐빈 내부 온도는 유량이 많을수록 온도가 급격히 떨어지는 것으로 나타났다. 배기 유량이 많을수록 음압에 의하여 흡입되는 유량이 많기 때문에 열교환이 원활해져 온도변화가 빨리 일어난 것으로 판단된다.
흡기온도에 따른 캐빈의 내부온도 변화는 온도가 낮을수록 캐빈 내부의 온도가 더 많이 떨어지는 것으로 나타났다.
또한 실제 한 여름이 아닌 경우 실외 온도는 18℃~20℃ 정도가 되며 시뮬레이션 결과 캐빈 내부의 온도가 52℃에서 25℃ 까지 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 실제 시스템에 적용가능성이 타당한 것으로 판단된다.
태양열을 받는 면적을 축소하여 강제배기를 시킨 결과 캐빈 내부의 온도가 약 14.3% 감소되는 것을 확인하였다.
5) 실외실험을 통하여 실제 일사량이 적용된 동안 캐빈의 내부온도를 측정하였으며 배기유량을 변경하고 태양열을 받는 면적을 변경하여 강제배기 시스템의 적용 가능성을 검증하였다.
4) 실내실험을 통하여 자연대류를 이용한 캐빈 온도변화와 강제대류를 이용한 캐빈 온도변화를 비교하였으며 52℃에서 30℃까지 낮아지는 시간은 강제대류가 약 250s 빨리 낮아지는 것을 확인하였다.
실내실험은 자연대류 상태의 시스템보다 강제대류를 적용한 시스템이 온도가 더 급격히 떨어지는 것을 확인하였다. 초기 설정 온도(52℃)에서 30℃까지 감소하는 시간은 자연대류 상태는 690s 강제대류 상태는 390s로 강제대류를 적용 했을 경우 약 300s 정도 빠른 것을 확인하였다.
실내실험은 자연대류 상태의 시스템보다 강제대류를 적용한 시스템이 온도가 더 급격히 떨어지는 것을 확인하였다. 초기 설정 온도(52℃)에서 30℃까지 감소하는 시간은 자연대류 상태는 690s 강제대류 상태는 390s로 강제대류를 적용 했을 경우 약 300s 정도 빠른 것을 확인하였다.
021kg/s 로 설정하였다. 시간에 따라 굴삭기 캐빈의 온도 변화는 크지 않았으며 일사량에 따라 오히려 온도가 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 강제배기 유량을 0.
1) 강제배기를 이용한 굴삭기 캐빈 공기조화 시스템의 원리와 기초이론을 정립하였다.
3) AMESim 시뮬레이션을 통하여 흡입공기 온도가 낮고 배기유량이 많을수록 캐빈 내부 온도가 급격히 낮아지는 것을 확인하였다.

후속연구

따라서 실제 밀폐형 캐빈 보다 열악한 환경에서 시험을 수행하여 실제 사용 환경에서의 성능은 실험에서 얻어진 결과보다 향상되리라 예상 된다 . 향후 각 굴삭기 캐빈의 형태나 부피에 따른 시스템의 최적화를 위한 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	굴삭기란?	굴삭기는 다양한 건설 및 토목분야에서 폭넓게 사용되고 있는 장비로써 화석연료 에너지를 유압으로 변경하고 이를 다시 기계적 에너지로 변경하여 사용되는 장비이다.
	굴삭기에서 전체 공급 에너지 중 가장 많은 에너지 소모가 일어나는 곳은?	굴삭기의 경우 전체 공급 에너지 중 유압시스템에서 가장 많은 소모가 일어나지만 보조시스템에서도 일부 사용되며 특히, 굴삭기의 에어컨 시스템이 많은 에너지를 사용하게 된다.
	굴삭기에서 유해먼지가 많고 낙하 사고가 발생할 수 있는 위험한 작업환경으로부터 운전자를 보호하고 쾌적한 작업환경 공간을 제공하기 위한 필수적인 구성품은?	굴삭기의 에어컨 시스템은 쾌적한 작업환경을 구축하기 위하여 장착되었다. 즉, 굴삭기 캐빈은 유해먼지가 많고 낙하 사고가 발생할 수 있는 위험한 작업환경으로부터 운전자를 보호하고 쾌적한 공간을 제공하기 때문에 굴삭기에서 필수적으로 요구되는 구성품이다. 하지만 연료소모량이 높은 이유로 운전자들은 굴삭기 캐빈의 에어컨을 잘 사용하지 않고 캐빈 창문을 열거나 하여 자연통풍을 이용하여 온도를 조절하고 있는 실정이다.

참고문헌 (10)

B. S. Yoo, C. M. Hwang, and J. S. Joh, "A Study on the Energy Management Control of Hybrid Excavator", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 29, No. 12, pp. 1304-1312, 2012

원문보기 상세보기
H. G. Kim, J. W. Choi, S. J. Yoo and K. S. Yi, "Development of Power Management Strategies for a Compound Hybrid Excavator," KSME-A, Vol. 35, No. 12, pp. 1537-1542, 2011

원문보기 상세보기
K. K. Ahn, J. I. Yoon, H. T. Do, "Introduction of Energy Regenerative Hybrid Hydraulic System Technologies", KSFC, Vol. 9, No. 3, pp.67-76, 2012

원문보기 상세보기
K. K. Ahn and J. I. Yoon, "Development of Hybrid Excavator for Regeneration of Boom Potential Energy", KSFC, Vol. 7, No. 2, pp.25-32, 2010
S.Y Hong, M. S. Han, S. J. Park, "Research of 2.5KW Electric Scroll Compressor Using PMSM", KIPE conference, pp.600-603, 2012
J. M. Choi, S. W. Cho, "The Characteristic of Convective Heat Transfer Coefficient by Natural Heat Transfer Coefficient and Forced Heat Transfer Coefficient", AIK, Vol. 27, No. 6, pp.205-212, 2011
M. H. Kim, J. H. Hwang, " A Study on the Thermal/Airflow Characteristics of an Apartment House with a Natural Supply and Mechanical Exhaust System", AIK, Vol. 28, No. 4, pp.223-232, 2012
J. H. Hwang, C. Y. Oh, M. H. Kim, "A Prediction of Hybrid Ventilation System Performance in Apartment House", SAREK, Vol. 18, No. 7, pp.541-548, 2006
J. H. Moh, S. H. Lee, "Flow and Heat Transfer Analysis for the Ventilating System in Automobile Interior with a Forced Exhaust", KSME-B, Vol. 29, No. 4, pp.469-476, 2005

원문보기 상세보기
Y. H. Yoon, "Introduction to AMESim Software", KSFC, Vol. 2, No. 1, pp.3-9, 2005

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증