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극한 환경 시험을 위한 극저온 챔버의 CFD 해석 및 에너지 효율 평가에 관한 연구
A Study on the CFD Analysis and Estimation of the Energy Efficiency of Cryogenic Chamber for Extreme Climate Test 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.28 no.2, 2016년, pp.81 - 88  

강율호 (부산대학교 기계공학부) ,  김민규 (부산대학교 기계공학부) ,  박원규 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

There are many types of national and international standards for low temperature tests depending on the products. This study conducted CFD analysis and estimation of the energy efficiency of the chamber both with and without a test object by considering variations of COP and specific volume accordin...

주제어

#전산 해석   #극저온챔버   #극한 환경   #혼합환기   #냉각성능   #에너지 효율 평가  

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

문제 정의

  • 저온 시험용 챔버의 목적이 시험체의 온도를 저온 환경에 모사하고, 시험체가 작동에 있어 만족할 만한 신뢰성을 가지는지 알아 보고자 하는 것이다. 이를 위해 시험체가 없는 경우와 시험체가 있는 경우에 대해 각각 6 Case의 급배기 조건에서 열유동 해석을 수행하였다.

가설 설정

  • 압축기 소용 동력이 증가할 때 증발기의 일량도 증가 하게 된다. 공기 측의 급기 풍량이 증발기 일량 만큼 증가하는 것으로 가정하였다.
  • 13는 급기 풍량 6,480 CMH 조건에서 시험체가 F Case의 챔버내 공기 온도와 시험체의 온도 변화를 나타내고 있다. 모든 Case의 극배기 조건에서 챔버내 공기의 온도는 시험체에 비해 아주 빠르게 목표 온도에 도달한다. 시험체의 온도가 높은 초기 구간에서는 On/ Off가 빈번하게 일어나며, 시험체의 온도가 낮아질수록 On/Off의 시간 주기가 길어진다.
  • 시험체가 없는 챔버에 대해 압축기 소용 동력은 Table 3와 같이 4~12 HP까지 고정한 조건에서 열유동 해석을 수행하였다. 압축기 소용 동력이 증가할 때 증발기의 일량도 증가 하게 된다. 공기 측의 급기 풍량이 증발기 일량 만큼 증가하는 것으로 가정하였다.
  • 2의 계산 과정을 통해 계산되어진 후 급기 조건에 반영된다. 챔버내부로 흐르는 유동을 비정상상태, 비압축성유동으로 가정 하였고, FSI(Fluid-Structure Interaction) 기법을 사용하여 시험체와 챔버내부 유동간의 열전달을 고려하였다. 시험체는 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
저온 시험이란? 일반적으로 저온 시험은 “시험품이 저장, 운송, 운용 중 노출되는 저온 환경조건에 있어서 만족할 신뢰성을 갖는지 평가하는 시험”으로 정의 할 수 있다. 저온 시험과 관련된 국내외 규격은 제품군에 따라 다양하게 존재하고 있다.
저온 시험은 대략 몇 ℃ 전후의 조건에서 이루어지는가? 자동차, 풍력, 철도, 항공, 군수산업 등에서는 독자적인 저온 시험 규격이 존재한다. 제품군에 따라 요구 되는 저온 시험의 온도 조건은 다르지만 대략 -40℃ 전후의 조건에서 저온 시험이 이루어진다.
고내의 기류 및 열유동을 평가하기 위한 선행연구에는 어떤 것들이 있는가? 고내의 기류 및 열유동을 평가하기 위한 다양한 선행 연구가 있었으며, 이를 정리하면 다음과 같다. Kolesnikov(1)은 상부 급기 하부 배기 형태의 고내 급기 조건에서 다양한 난류 모델에 활용하여 해석을 수행하고 이를 실험값과 비교하였다. Emmerich and McGrattan(2)는 상부 급기, 하부 배기의 직사각형 공간에 대해 LES(Large Eddy Simulation) 모델을 사용하여 고내 온도와 기류에 대해 해석 및 실험을 수행하였다. Gan(3)은 냉방 및 난방 조건에서 다양한 급기구와 배기구의 위치가 온도, 기류, CO2 농도에 미치는 영향에 대해 해석을 수행하였다. Gao et al.(4)은 사무 공간에 적용이 가능한 전형적인 Mixing Ventilation과 Displacement Ventilation 및 두 가지 방식이 혼합된 다양한 급배기 조건에 따른 다양한 연구 결과를 정리하고 비교하는 연구를 수행하였다. Posner et al.(5)은 고내 가운데 파티션이 설치된 상부 급기, 상부 배기 방식의 공간에 대해 기류(air flow)를 PIV로 측정하는 실험적 연구와 다양한 난류 모델을 적용한 해석적인 연구를 수행하였다. Horikiri et al.(6)은 상부 급기 하부 배기 방식의 고내에서 기류의 속도를 측정하고 다양한 난류 모델을 적용한 해석과 비교하는 연구를 수행하였다. Zhao et al.(7)은 상부 급기 하부 배기 형태의 고내에 대해 PIV를 이용하여 기류의 측정하고, 해석 결과와 비교 및 검증을 수행하였다. Liang et al.(8)은 자동차 시험용 챔버에서 가열 시험과 냉각 시험시 챔버내 열유동에 대해 실험 및 해석을 수행하였다. 이처럼 다양한 급배기 조건에서 고내의 기류와 온도에 대한 연구가 있었지만, 급배기의 형태에 따른 에너지 효율을 평가하는 연구는 미미한 실정이다.
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참고문헌 (11)

  1. Kolesnikov, A., 2006, Use of Computational Fluid Dynamics to Predict Airflow and Contamination Concentration Profiles within Laboratory Floor Plan Environment, Applied Biosafety, Vol. 11, No. 4, pp. 197-214. 

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  2. Emmerich, S. J. and McGrattan, K. B., 1998, Application of a Large Eddy Simulation Model to Study Room Airflow, ASHRAE Transactions, Vol. 104, No. 1, pp. 1-9. 

  3. Gan, G., 1995, Evaluation of room air distribution systems using computational fluid dynamics, Energy and Buildings, Vol. 23, No. 2, pp. 83-93. 

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  4. Cao, G. et al., 2014, A review of the performance of different ventilation and airflow distribution systems in buildings, Building and Environment, Vol. 73, No. 3, pp. 171-186. 

  5. Posner, J. D. et al., 2003, Measurement and prediction of indoor air flow in a model room, Energy and Buildings, Vol. 5, No. 5, 2003, pp. 515-526. 

  6. Horikiri, K. et al., 2011, Numerical Simulation of Convective Airflow in an Empty Room, International Journal of Energy and Environment, Vol. 5, No. 4, pp. 574-581. 

  7. Zhao, L. et al., 1999, Measurement of airflow patterns in ventilated spaces using particle image velocimetry, An ASAE Meeting Presentation, Paper No. 994156. 

  8. Liang, Y. Y. et al., 2014, A transient thermal model for full-size vehicle climate chamber, Energy and Buildings, Vol. 85, pp. 256-264 

    상세보기 crossref

  9. Lee, T.-S. et al., 2006, Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in $CO_2/NH_3$ cacade refrigeration systems, International Journal Refrigeration, Vol. 29, pp. 1100-1108. 

    상세보기 crossref

  10. Zuo, W. and Chen, Q., 2009, SReal time or fasterthan- real-time simulation of air flow in buildings, Indoor Air, Vol. 19, No. 1, pp. 33-44. 

    상세보기 crossref

  11. Nam, Y. et al., 2011, Study on Non-uniform Thermal Comfort in Hybrid Air-Conditioning System with CFD Analysis, Korean Journal Of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 23, No. 3, pp. 216-222. 

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