[논문]냉장고 가스켓 주위의 복사열전달 효과에 관한 연구

하지수

doi:10.5762/kais.2015.16.3.1605

냉장고 가스켓 주위의 복사열전달 효과에 관한 연구
A Study on the Radiation Heat Transfer Effect near a Refrigerator Gasket 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.3, 2015년, pp.1605 - 1610

초록
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본 논문은 냉장고의 열손실의 약 30%를 차지하고 있는 가스켓 주위의 열전달 해석시 복사열전달을 고려하지 않은 경우와 고려한 경우가 많은 차이가 있어서 가스켓 주위의 열전달 해석시 복사열전달 고려 여부에 따른 열손실 효과를 살펴보는 연구이다. 이를 위해 가스켓 주위를 단순화한 형상으로 모델링하여 열전달 전산해석을 수행하였다. 본 연구를 통해서 가스켓 내부의 공기층을 단순히 전도열전달만 고려한 경우 열손실이 $25.6W/m^2$이고 복사열전달을 함께 고려한 경우 $55.0W/m^2$로 약 2.2배 크게 나타남을 알 수 있었다. 가스켓 내부에 복사열전달 차단판을 0에서 7개로 변화하면서 복사열전달 저감 효과를 살펴본 결과 차단판 개수가 증가하여 7개 인 경우는 설치하지 않은 경우에 비하여 열손실이 $55.0W/m^2$에서 $36.7W/m^2$로 33% 감소함을 알 수 있었다. 또한 같은 개수의 복사 차단판일 경우는 냉장고 내부와 외부에 치우치는 쪽으로 설치하는 것이 가스켓의 가운데에 설치하는 것 보다 효과적임을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present study has been accomplished to elucidate the effect of radiation heat transfer in the heat transfer analysis of refrigerator gasket, which has near 30% of refrigerator heat loss. The numerical heat transfer analysis has been conducted with the simplified modeling of refrigerator gasket. From the present CFD analysis, heat loss at the gasket is $25.6W/m^2$ for the case without radiation effect and that for the case with radiation effect is $55.0W/m^2$, which is 2.2 times greater heat loss. The radiation protection layers were installed in the gasket from 0 to 7 and the case with 7 layers has 33% reduction effect of heat loss compared with the case without any radiation protection layer. Additionally, it is better effect of radiation heat loss reduction that the radiation protection layers would be placed to the outer or inner side of gasket rather than placing to the center of gasket.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 냉장고 가스켓 주위의 열전달 해석에서 지금까지 다른 연구들에서 가스켓 내부의 공기층의 열전달을 전도열전달만 고려하여 해석하였는데 이에 대한 것을 점검하고 복사열전달을 고려할 경우 복사열전달 효과가 가스켓 열전달에서 얼마만큼 중요한 역할을 하는지 검토하였다. 또한 복사열전달을 고려한 가스켓 주위 열손실 해석을 통해 복사열손실을 차단하는 차단판의 열손실 저감 효과를 살펴보고 아래와 같은 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 앞의 다른 연구들에서 보여준 것과 같이 가스켓 주위의 실제 온도 분포와 해석을 통한 온도 분포 결과의 차이가 많이 나는 이유를 분석한 결과 가스켓 내부의 공기층에서 열전달을 전도열전달만 고려한 결과로 나타남을 착안하여 이 부분에서 복사열전달을 고려할 경우 복사열전달 효과가 가스켓 열전달에서 얼마만큼 중요한 역할을 하는지 살펴보기로 한다. 이를 위해 냉장고의 가스켓 주위에 대하여 단순화한 2차원 단면에 대하여 열전달 해석을 위한 형상을 구현하여 가스켓 주위에서 가스켓 내부의 공기에 대하여 전도열전달만 고려한 경우와 복사열전달을 고려한 경우의 열전달량 차이를 분석하고 복사에 의한 열손실을 줄이기 위한 가스켓 형상 개선을 위해 전산해석을 수행하였다.

제안 방법

Fig. 1(a)의 사진에 있는 가스켓과 상하에 있는 PU Foam에 대한 형상을 단순화 하였다. PU Foam 두께는 0.
1(a) 에서 보는 바와 같은 복잡한 형상대신 Fig. 1(b)에 나타낸 것과 같이 가스켓과 PU Foam 그리고 가스켓 내부의 공기로만 구성된 것으로 가스켓 주위의 형상을 단순화하여 모델링하였다. Fig.
냉장고 외부는 상온으로 하여 32℃의 온도와 대류열전달 경계조건을 사용 하여 대류열전달계수를 6W/m2K로 하였고 냉장고 내부는 냉동실로 가정하여 –20℃의 온도와 대류열전달계수 15W/m2K로 하여 전산해석을 수행하였다.
본 연구는 냉장고 가스켓 주위의 열전달 해석에서 지금까지 다른 연구들에서 가스켓 내부의 공기층의 열전달을 전도열전달만 고려하여 해석하였는데 이에 대한 것을 점검하고 복사열전달을 고려할 경우 복사열전달 효과가 가스켓 열전달에서 얼마만큼 중요한 역할을 하는지 검토하였다. 또한 복사열전달을 고려한 가스켓 주위 열손실 해석을 통해 복사열손실을 차단하는 차단판의 열손실 저감 효과를 살펴보고 아래와 같은 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 앞의 다른 연구들에서 보여준 것과 같이 가스켓 주위의 실제 온도 분포와 해석을 통한 온도 분포 결과의 차이가 많이 나는 이유를 분석한 결과 가스켓 내부의 공기층에서 열전달을 전도열전달만 고려한 결과로 나타남을 착안하여 이 부분에서 복사열전달을 고려할 경우 복사열전달 효과가 가스켓 열전달에서 얼마만큼 중요한 역할을 하는지 살펴보기로 한다. 이를 위해 냉장고의 가스켓 주위에 대하여 단순화한 2차원 단면에 대하여 열전달 해석을 위한 형상을 구현하여 가스켓 주위에서 가스켓 내부의 공기에 대하여 전도열전달만 고려한 경우와 복사열전달을 고려한 경우의 열전달량 차이를 분석하고 복사에 의한 열손실을 줄이기 위한 가스켓 형상 개선을 위해 전산해석을 수행하였다.

이론/모형

냉장고 가스켓 주위에 대한 열전달 해석에 적용한 지배방정식은 정상상태 2차원 열전도 방정식을 이용하였다.
1에서 수평과 수직 방향 좌표이며 k는 열전도율, T는 온도를 나타낸다. 복사열전달을 고려한 계산의 경우에는 앞의 식과 함께 DO(Discrete Ordinate) 모델[8]을 사용하였다.
본 연구에서 열전달 해석에 사용한 전산해석 소프트웨어는 열유체 전산해석에 널리 사용되고 있는 상용코드인 Fluent 소프트웨어를 사용하였다. 냉장고 외부는 상온으로 하여 32℃의 온도와 대류열전달 경계조건을 사용 하여 대류열전달계수를 6W/m²K로 하였고 냉장고 내부는 냉동실로 가정하여 –20℃의 온도와 대류열전달계수 15W/m²K로 하여 전산해석을 수행하였다.

성능/효과

온도분포를 보면(Fig. 3(a)) 복사열전달을 고려하지 않은 경우는 가스켓 중심의 온도가 27.5℃이고 PU Foam 영역의 상단 온도는 29.3℃로 나타났다. 복사열전달을 고려한 경우는 가스켓 중심의 온도가 상대적으로 낮은 23.
열유속 분포를 살펴보면(Fig.3(b)) 가스켓 중심에서 열유속이 복사열전달을 고려하지 않은 경우는 25.6W/m²이고 복사열전달을 고려한 경우는 55.0W/m²임을 알 수 있고 복사열전달을 고려한 경우가약 2.2배 큼을 알 수 있다.
1) 가스켓 내부의 공기층에서 복사열전달을 고려하지 않은 경우는 가스켓 부분에서 평균 열손실이 25.6W/m²이고 복사열전달을 고려한 경우는 55.0W/m²임으로 복사열전달을 고려한 경우가 약 2.2배 크게 나타났다. 이러한 결과로부터 가스켓 내부에 공기층이 존재할 때 단순히 전도열전달만 고려하면 가스켓 부분에서 열손실 계산에서 많은 오차가 발생하기 때문에 냉장고 가스켓의 열전달 해석시에는 복사열전달을 고려하여야함을 알 수 있었다.
복사열전달 효과를 고려하지 않은 경우(Fig. 2(a))의 온도 분포를 보면 냉장고 외부에서 냉장고 내부로 갈수록 가스켓 영역의 온도 분포가 PU Foam 영역의 온도 분포와 거의 유사한 분포를 보여 주고 있다.
2) 냉장고 가스켓 내부에 복사열 차단판을 설치하여 냉장고 가스켓 복사열손실 저감 효과를 살펴보았는데 차단판의 개수를 0에서 7개로 증가하면 냉장고 외부 측의 가스켓 벽면 온도가 23℃에서 26℃로 증가하는 것을 확인하였으며 이로부터 가스켓 내부 차단판을 설치하면 복사열손실을 저감할 수 있음을 알 수 있었다.
3) 냉장고 가스켓 복사열 차단판의 개수를 증가하여 0 에서 7개로 변화하면 가스켓을 통한 열손실이 55.0W/m²에서 36.7W/m²로 33%감소함을 알 수 있었다.
4) 같은 개수의 복사열 차단판인 경우에는 냉장고 내부와 외부에 치우치는 쪽으로 설치하는 것이 가스켓 가운데에 설치하는 것 보다 효과적임을 알 수 있었다.
온도분포를 살펴보면(Fig. 6(a)) 차단판의 개수가 0에서 7개로 증가함에 따라 외부 벽면의 가스켓 중앙의 온도가 23.0℃에서 26.0℃로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 것으로부터 냉장고 외부의 상대적으로 고온의 온도가 냉장고 내부로 복사열전달로 전달되는 것을 차단판의 개수가 증가하면 더욱더 잘 차단하고 있음을 알 수 있다.
어떤 연구들은 냉장고 내부의 유동을 고려하여 열전달을 해석하고 이를 검증하기 위한 온도 측정 실험적 연구를 병행한 연구도 있다. 실험적 연구에서 냉장고 내부에 인접한 가스켓 주위의 온도를 보면 냉장고 내부의 온도에 근접하는 것 보다 냉장고 외부와 내부의 온도의 평균에 근접하는 것을 알 수 있었다.
3℃로 나타났다. 이것으로 보면 복사열전달을 고려하지 않은 경우의 냉장고 외부 벽면과 가스켓 영역 외부 벽면의 온도차이가 1.8℃이고 복사열전달을 고려한 경우는 6.3℃로서 복사열전달을 고려한 경우가 3.5배 큰 것을 알 수 있고 이로써 복사열전달을 고려한 경우의 열전달량이 상대적으로 크게 나타날 것으로 예측할 수 있다. 열유속 분포를 살펴보면(Fig.
2배 크게 나타났다. 이러한 결과로부터 가스켓 내부에 공기층이 존재할 때 단순히 전도열전달만 고려하면 가스켓 부분에서 열손실 계산에서 많은 오차가 발생하기 때문에 냉장고 가스켓의 열전달 해석시에는 복사열전달을 고려하여야함을 알 수 있었다.
7에서 가로축은 가스켓 내의 차단판 개수를 나타낸 것이고 세로축은 평균 열유속을 나타낸 것이다. 이미 앞 그림들에서 살펴보았듯이 차단판이 없을 때의 평균열유속이 약 55W/m²인 것이 차단판의 개수가 증가하면 복사열손실이 줄어들어 가스켓을 통한 열유속이 감소하는 것을 알 수 있고 차단판의 개수가 7개인 경우는 약 36W/m²인 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉장고의 열손실 중 큰 비율을 차지하는 냉장고 가스켓의 구성은 어떻게 이루어져있는가?	냉장고의 가스켓 주위에는 Fig. 1 (a)에 나타낸 것과 같이 가스켓 뿐만 아니라 가스켓이 냉장고에 부착하여 외부 공기를 차단하기 위한 고무자석, 냉장고 주 단열재인 PU Foam, 이것을 고정시키는 ABS 재질 외판, 냉장고 외부에 이슬 생성을 방지하기 위한 Hotline 등으로 구성 되어 있다.
	냉장고의 열손실의 종류는 무엇인가?	냉장고의 열손실을 줄이기 위해서는 냉장고 사이클을 최적화하는 방법과 냉장고 본체의 단열손실을 줄이는 방법 등이 있는데 많은 연구들이 냉장고 단열 손실을 줄이는데 노력을 기울이고 있다. 냉장고의 열손실은 크게 냉장고 벽면을 통하여 나가는 열손실, 냉장고 문에 있는 가스켓을 통한 열손실, 문의 개폐에 따른 냉기 유출에 따른 열손실등 여러 가지가 있다. 냉장고의 열손실은 냉장고 문에 있는 냉장고 가스켓을 통하여 냉장고 전체의 약 30%의 열손실이 발생하고 있으며 이를 개선하는 연구[1-7]도 많이 이루어지고 있다.
	냉장고 소비전력이란 무엇인가?	냉장고 소비전력은 냉장고의 열손실과 직결되어 있어서 냉장고의 열손실을 줄이는 것이 냉장고 제품의 경쟁 력을 향상시키는 가장 큰 요소 중의 하나이다. 냉장고의 열손실을 줄이기 위해서는 냉장고 사이클을 최적화하는 방법과 냉장고 본체의 단열손실을 줄이는 방법 등이 있는데 많은 연구들이 냉장고 단열 손실을 줄이는데 노력을 기울이고 있다.

참고문헌 (8)

Park, J. K., "Optimization of heat insulation system for a household refrigerator", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, pp. 95-102, 2003, Vol. 15, No. 2.
Jung, D. S., "Computer simulation of refrigeration cycle of domestic refrigerators combined with cabinet heat transfer", Proceedings of the SAREK 1993 Winter Annual Conference, pp. 88-94, 1993.
Lee, M. Y., Choi, S. J. and Kim, S. U., "Evaluation on the cycle and adiabatic performance of a small multi-refrigeration system", Proceeding of the KSME, Autumn Annual Conference, pp. 769-774, 2003.
Moon, J. H., Park, S. K., Oh, S. K. and Kim, Y. J., "Development of thermal-flow analysis program for refrigerator duct systems", Proceedings of the SAREK 2003 Winter Annual Conference, pp. 393-398. 2003.
Ha, J. S., Jung, K. S., Kim, T. K., Kim, K. H. and Kim, S. R., "The effect of gasket shape on heat loss reduction in a refrigeration", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, pp. 305-310, 2009, Vol. 21, No. 5.
Ha, J.S., "A study on the unsteady temperature characteristics at the refrigerator gasket", Journal of Energy Engineering, pp. 136-141, 2012, Vol. 21, No.2. DOI: http://dx.doi.org/10.5855/ENERGY.2012.21.2.138

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Ha, J.S., "A study on the heat loss effect of steel structure in a refrigerator mullion", Journal of Energy Engineering, pp. 35-41, 2014, Vol. 23, No.2.

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ANSYS FLUENT 12.0 User's Guide, ANSYS, Inc., 2012.

저자의 다른 논문 :

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].

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