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문제 정의
- Seong et al.[1]은 Honeycomb형상과 단순화한 형상을 가지는 방열기의 방열성능을 비교하고 방열기의 길이와 방열기 핀의 수량이 방열 성능에 미치는 영향에 대해 연구하였다. Shim et al.
- 본 연구에서는 변압기용 방열기의 냉각 성능에 영향을 미치는 다양한 변수의 영향에 관한 연구를 수행하였다. 영향을 미치는 변수로 유로의 면적, 유로의 패턴, 핀 간격, 오일의 유량, 유로의 형상을 선정하였다.
- 본 연구에서는 유입 자냉식에 의해 냉각되는 유입식 변압기용 방열기의 냉각 성능에 영향을 미치는 변수를 알아보기 위해 설계 변수를 선정하여 기준 모델 대비 수정 모델을 구성하고 이를 이용해 수치해석을 수행하였다. 방열 성능을 비교하기 위해 기준 모델에 대한 해석 결과와 수정된 모델들의 해석 결과를 비교하였으며 본 연구 결과는 변압기용 방열기의 설계를 위해 유용하게 사용되어질 것이다.
제안 방법
- (5) 유로의 형상을 X자 형상으로 변경했을 때, 격자 생성 시간과 해석 시간을 고려하여 단위 모델에 대해 해석을 수행하였고 기준 모델의 단위 모델의 해석 결과와 비교하였 다. 그 결과 X자 형상으로 유로를 변경했을 때 유로 내부에 복잡한 유동이 생겨 열전달 성능이 향상되었고 기준 모델보다 온도 강하가 약 2.
- 2(c)처럼 4개의 벌집 모양(Four-honeycomb shape)과 Fig. 2(d)처럼 2개의 벌집 모양(Two-honeycomb shape)을 가지는 모델에 대해서도 수치해석을 수행하였다. 4개의 벌집 모양[Fig.
- 해석을 위해 유량 조건과 공기 유동장의 벽 조건을 제외하고는 핀 하나에 대한 해석 조건과 동일한 조건을 주었다. 7개의 유로 중 하나의 유로에 대해 해석을 수행하므로 유량을 1/7로 줄인 0.002857 kg/s를 적용하였다. 그리고 공기 유동장의 양쪽 벽에 자유 미끄럼 벽조건 대신에 대칭 조건을 주었다.
- 1(b)에 표시]은 내부가 복잡한 형상을 가지기 때문에 사면체 격자를 이용해 복잡한 형상 내부로 격자가 형성 될 수 있도록 하였다. 격자수를 줄이기 위해 사면체 격자를 생성시킨 부분을 제외하고는 Sweep mesh기능을 이용하여 정렬 격자형을 만들었다. Sweep mesh는 모델의 위, 아래 형상이 같다면 효율적으로 육면체 격자를 생성 시킬 수 있기 때문에 높은 품질의 격자를 균일하고 빠르게 생성시킬 수 있다[7].
- 공기 유동장의 경계 조건으로 유동장의 위쪽과 아래쪽 벽은 오프닝 조건을 주었고 공기 유동장의 양쪽 벽은 자유 미끄럼 벽 조건을 적용하였다. 이웃하는 핀과 마주하는 면의 벽에는 대칭조건을 적용하였다.
- 따라서 앞의 모델들과 달리 하나의 유로(단위 모델)에 대해 해석을 수행하였다. 그리고 기준 모델의 결과 값과 비교하기 위해 기준 모델에 대해서도 단위 모델에 대해 해석을 수행하였다. Fig.
- 오일의 유량에 대한 영향을 알아보기 위해 앞에서와 같이 열, 유동해석을 수행하였다. 기준 모델과 동일한 해석 조건을 사용하였고 유량 값만 변화시켜 해석을 수행하였다. 기준 모델의 경우 0.
- 기준 모델을 기준치로 하여 수정된 모델들의 해석 결과와 비교하기 위해 수정된 모델들에 대해서도 열, 유동해석을 수행하였다. 해석 조건은 기준 모델과 모두 동일하게 주었고 입구 온도 역시 75℃로 동일하다.
- 형상을 변경한 경우에 내부 유로가 복잡한 형상을 형성하기 때문에 핀 하나에 대해 해석을 수행하는 데 어려움이 따랐다. 따라서 앞의 모델들과 달리 하나의 유로(단위 모델)에 대해 해석을 수행하였다. 그리고 기준 모델의 결과 값과 비교하기 위해 기준 모델에 대해서도 단위 모델에 대해 해석을 수행하였다.
- 영향을 미치는 변수로 유로의 면적, 유로의 패턴, 핀 간격, 오일의 유량, 유로의 형상을 선정하였다. 먼저, 냉각 성능의 비교를 위해 기준 모델에 대해 해석을 수행하였고 다음으로 각각의 변수에 따라 새롭게 모델링한 모델에 대해 수치해석을 수행하였다. 이를 기준 모델과 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 방열기의 냉각 성능에 영향을 미치는 변수를 알아보기 위해 설계 변수로 유로의 패턴, 유로의 면적, 핀 간격, 오일의 유량, 유로의 형상을 선정하였다.
- 본 논문에서 사용된 변압기용 방열기는 일반적으로 널리 사용되는 벌집 모양의 유로를 가지는 핀으로 구성되어 있다 [1,3,4]. Fig.
- 본 논문에서는 상용 소프트웨어인 CFX를 이용하여 열, 유동 해석을 수행하였다. 방열기 핀은 Fig.
- 수정된 모델의 냉각 성능의 향상 정도를 비교하기 위해 먼저 기준 모델에 대해 수치해석을 수행하였다. 오일의 온도 분포 결과인 Fig.
- 본 연구에서는 변압기용 방열기의 냉각 성능에 영향을 미치는 다양한 변수의 영향에 관한 연구를 수행하였다. 영향을 미치는 변수로 유로의 면적, 유로의 패턴, 핀 간격, 오일의 유량, 유로의 형상을 선정하였다. 먼저, 냉각 성능의 비교를 위해 기준 모델에 대해 해석을 수행하였고 다음으로 각각의 변수에 따라 새롭게 모델링한 모델에 대해 수치해석을 수행하였다.
- 오일의 유량에 대한 영향을 알아보기 위해 앞에서와 같이 열, 유동해석을 수행하였다. 기준 모델과 동일한 해석 조건을 사용하였고 유량 값만 변화시켜 해석을 수행하였다.
- 1(b)의 x, y축을 기준으로 상하좌우 완전 대칭을 이루기 때문에 1/4모델에 대해 격자를 생성하였고 약 1400만개의 격자가 사용되었다. 오일의 유입 부분과 유출 부분[Fig. 1(b)에 표시]은 내부가 복잡한 형상을 가지기 때문에 사면체 격자를 이용해 복잡한 형상 내부로 격자가 형성 될 수 있도록 하였다. 격자수를 줄이기 위해 사면체 격자를 생성시킨 부분을 제외하고는 Sweep mesh기능을 이용하여 정렬 격자형을 만들었다.
- 오일의 입구에서 출구까지의 길이는 3300 mm이고 이웃하는 핀과의 간격은 45 mm이다[5,6]. 원래는 이러한 핀이 20여개 이상 모여 하나의 조(set)를 구성하고 이러한 조들이 수개가 모여 하나의 방열기를 구성하지만 본 연구에서는 컴퓨터 용량의 한계로 핀 하나에 대해서만 수치 해석을 수행하였다.
- 유량에 따른 영향을 알아보기 위해 기준 모델에 대해 유량을 조금씩 늘려가며 해석을 수행하였다[5,6].
- 유로의 면적, 유로의 패턴에 대한 영향을 알아보기 위해 기준 모델을 기준으로 유로의 단면 형상을 변경하였다. Fig.
- 유로의 형상에 대한 영향을 알아보기 위해 단위 모델에 대해 열, 유동해석을 수행하였다. 해석을 위해 유량 조건과 공기 유동장의 벽 조건을 제외하고는 핀 하나에 대한 해석 조건과 동일한 조건을 주었다.
- 유로의 형상에 대한 영향을 알아보기 위해 벌집 모양의 일자 관을 가지는 유로가 아닌 X자 형상이 반복되는 관을 가지도록 유로 내부의 형상을 변경하였다. Fig.
- 핀 간격에 따른 영향을 알아보기 위해 핀 간격을 45 mm(기준 모델)에서 25 mm(I-25), 65 mm(I-65)로 변경하였고 입구와 출구 부분의 관 두께와 공기 유동장의 두께를 변경하여 모델을 구성하였다.
이론/모형
- 방열기 핀의 외기인 공기의 초기 온도는 20℃이고, 난류 모델로 SST(Shear stress transport)모델을 사용하였다. 방열기 핀은 공기의 자연대류에 의해 냉각되므로 공기 유동장에 부력조건을 설정해야 한다.
- 본 연구에서는 Full Buoyancy모델을 사용하였고 방열기 핀과 맞닿는 공기의 작동유체로 Air Ideal Gas를 사용하였다. 따라서 기준 밀도 값을 설정해야 하고 이 값 보다 가벼운 유체에 부력을 적용하므로 20℃의 공기 밀도 값인 1.
- 오일 유동장의 입구 조건으로 질량 유량을, 출구 조건으로 Out-flow조건을 적용하였고, 오일 유동장의 해석 조건은 Table 1에 나타내었다[5,6].
성능/효과
- (1) 유로의 면적이 약 21% 증가했을 때, 핀이 닿는 외기 접촉 면적의 감소 때문에 온도 강하도 약 1.65℃만큼 감소하였다. 유로의 단면적은 증가했지만, 공기와 닿는 핀의 면적이 감소했기 때문에 열전달 성능이 감소하였다.
- (2) 유로의 패턴을 변경하였을 때, 2개의 벌집 모양을 가지는 모델과 4개의 벌집 모양을 가지는 모델 모두 기준 모델과 비교했을 때 온도 강하 값의 변화가 없었다. 유로의 패턴은 방열기의 냉각 성능에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.
- (3) 핀 간격을 변경하였을 때, 25 mm로 줄였을 때는 온도 강하가 2.50℃만큼 감소하였고 핀 간격을 65 mm로 늘렸을 때는 온도 강하의 변화가 없었다. 핀 간격이 줄었을 때는 열전달 성능이 감소되었고, 핀 간격이 늘었을 때는 열전달 성능에 영향을 미치지 않았음을 확인할 수 있었다.
- (4) 오일의 유량을 0.02 kg/s부터 0.08 kg/s까지 0.01 kg/s 간격으로 증가시켰을 때, 온도 강하는 완만하게 감소하였고 유량이 증가할수록 온도 강하 값의 변화 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 냉각 용량을 계산해 본 결과, 유량이 작다고 해서 무조건적으로 냉각 성능이 우수한 것은 아님을 확인하였다.
- Fig. 7(b)는 속도의 변화를 나타내는데, 핀의 끝부분(z = 0)에서 약 500 mm 지점까지는 후류에서의 entrainment 효과 때문에 속도가 급격히 증가하고 그 이후로는 서서히 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- (5) 유로의 형상을 X자 형상으로 변경했을 때, 격자 생성 시간과 해석 시간을 고려하여 단위 모델에 대해 해석을 수행하였고 기준 모델의 단위 모델의 해석 결과와 비교하였 다. 그 결과 X자 형상으로 유로를 변경했을 때 유로 내부에 복잡한 유동이 생겨 열전달 성능이 향상되었고 기준 모델보다 온도 강하가 약 2.06℃만큼 증가하였다. 따라서 유로의 형상을 변경하였을 때, 냉각성능이 향상됐음을 확인할 수 있다.
- 기준 모델을 기준으로 온도 강하 값을 비교해 보면 유로의 면적을 기준 모델 대비 약 21% 넓힌 경우에 12.01℃만큼의 온도 강하가 발생하였고 기준 모델 보다 약 1.65℃만큼 감소하였다. 4개의 벌집모양과 2개의 벌집모양으로 유로의 패턴을 변경한 경우에는 각각 13.
- 06℃만큼 증가하였다. 따라서 X형상으로 관 내부 형상을 변경했을 때 열전달 성능이 향상됐음을 확인할 수 있다.
- 06℃만큼 증가하였다. 따라서 유로의 형상을 변경하였을 때, 냉각성능이 향상됐음을 확인할 수 있다.
- 오일의 유량이 증가할수록 온도 강하는 완만히 감소하고 유량이 증가할수록 온도 강하 값의 변화 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 반면에 전압력 강하는 유량이 증가할수록 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 본 해석 결과는 핀에서의 열전달 효과는 패턴의 변경에 따른 유로의 단면적보다는 그에 따른 공기와의 접촉 면적에 더 큰 영향을 받는다는 사실을 암시한다. 유로의 단면적과 공기와 닿는 핀의 접촉 면적에 따른 온도 강하 값의 영향을 알아보기 위해 Fig.
- 오일의 유량이 증가할수록 온도 강하는 완만히 감소하고 유량이 증가할수록 온도 강하 값의 변화 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 반면에 전압력 강하는 유량이 증가할수록 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- (2) 유로의 패턴을 변경하였을 때, 2개의 벌집 모양을 가지는 모델과 4개의 벌집 모양을 가지는 모델 모두 기준 모델과 비교했을 때 온도 강하 값의 변화가 없었다. 유로의 패턴은 방열기의 냉각 성능에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 대신 이것은 핀이 외기와 닿는 접촉 면적의 영향을 받는다.
- 10에 그래프로 나타내었다. 이론 유체 동력은 유량이 증가할수록 선형적으로 증가하였다. 하지만 냉각 용량은 유량의 증가에 따라 온도 강하 값은 감소하였지만 방열량은 비선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 50℃만큼 감소하였고 핀 간격을 65 mm로 늘렸을 때는 온도 강하의 변화가 없었다. 핀 간격이 줄었을 때는 열전달 성능이 감소되었고, 핀 간격이 늘었을 때는 열전달 성능에 영향을 미치지 않았음을 확인할 수 있었다. 따라서 핀 간격이 일정한 크기 이상일 때는 핀 간격이 열전달 성능에 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
후속연구
- 본 연구에서는 유입 자냉식에 의해 냉각되는 유입식 변압기용 방열기의 냉각 성능에 영향을 미치는 변수를 알아보기 위해 설계 변수를 선정하여 기준 모델 대비 수정 모델을 구성하고 이를 이용해 수치해석을 수행하였다. 방열 성능을 비교하기 위해 기준 모델에 대한 해석 결과와 수정된 모델들의 해석 결과를 비교하였으며 본 연구 결과는 변압기용 방열기의 설계를 위해 유용하게 사용되어질 것이다.
- 본 논문에서 얻어진 결과들은 변압기 방열기의 냉각 시스템 최적 설계를 위해 유용하게 사용될 것이라고 기대되어진다.
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