[논문]공기청정기에 의한 실내기류 해석

김영생; 모진용; 이재권; 한재오

공기청정기에 의한 실내기류 해석
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김영생 ((주)삼성전자 생활가전총괄 시스템가전(사) 공조개발) , 모진용 ((주)삼성전자 생활가전총괄 시스템가전(사) 공조개발) , 이재권 ((주)삼성전자 생활가전총괄 시스템가전(사) 공조개발) , 한재오 ((주)삼성전자 생활가전총괄 시스템가전(사) 공조개발)

본 연구는 공기청정기의 성능에 영향을 미치는 인자로서 홉입구, 배기구의 위치 및 형상, 그리고 실내 공간상 배치 등에 대해 수치해석에 의한 모사를 통하여 평가하였다. 해석방법으로는 먼저 유동장을 해석한 후 고정된 유동장 내에서의 먼지 입자의 거동을 검토하였다. 배기구 위치에 의한 성능해석 결과는 배기구를 상면에 위치하게 할 경우 양 측면에 위치한 구조보다 우수한 성능을 나타내었으며, 설치위치에 대한 성능해석 결과는 제한적이나 현관 옆에 설치할 경우 해석된 두 가지 모델 모두 우수한 성능을 나타내었다.

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문제 정의

본 연구는 실내 공간에 설치될 공기청정기의 구조 및 형상, 공간상 배치 등의 설계 인자들을 검토하고, 수치해석을 통하여 실내 기류 및 오염물질의 거동을 해석하여 공기청정기의 성능을 향상시킬 수 있는 조건들을 찾고자 수행되었다.
본 연구에서는 먼저 공기청정기의 형상 및 구조, 특히 흡입구 및 배출구에 의한 영향을 살펴보았다. 다음 단계로 서로 다른 모델들을 대상으로 공기청정기의 설치 위치에 따른 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 범용 CFD 코드인 FLUENT를 사용하여 공기청정기가 설치된 실내 공간의 기류해석 및 먼지 입자 등의 오염물의 거동을 해석하고, 여러 결과들을 가시화하여 본 연구의 대상인 공기청정기의 설계에 도움이 되도록 하였다.

가설 설정

2m 높이이다. 그리고 담배연기로 가정하는 1μm의 먼지입자의 초기위치는, 사람 머리위치로서 소파중앙에서 1.4m 높이이다.

제안 방법

(b)에 보이는 바와 같이 일반적인 공기청정기 구조인 전면으로 흡입되어 상면으로 토출되는 stand type 모델과 바닥면으로 흡입되어 전면으로 토출되는 table type 모델을 대상으로 해석을 수행하였다. 해석영 역은 Fig.
각 경우에 대표되는 먼지입자의 거동을 토대로 청정기의 성능을 예측하였다. 다음은 새로운 모델을 대상으로 실거주 환경을 모사하여 유동장을 해석하고, 공기청정기의 설치위치에 따른 영향을 분석하였다.
다음 단계로 서로 다른 모델들을 대상으로 공기청정기의 설치 위치에 따른 영향을 분석하였다. 각각의 경우에 먼지 입자의 거동을 토대로 청정기의 성능을 예측하였다. 본 연구의 해석 결과로부터 아래의 결론을 얻을 수 있었으며,연구결과는 향후 공기청정기의 설계 시와 공간배치 등의 기준 설정 시에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
다음 단계로 서로 다른 모델들을 대상으로 공기청정기의 설치 위치에 따른 영향을 분석하였다. 각각의 경우에 먼지 입자의 거동을 토대로 청정기의 성능을 예측하였다.
각 경우에 대표되는 먼지입자의 거동을 토대로 청정기의 성능을 예측하였다. 다음은 새로운 모델을 대상으로 실거주 환경을 모사하여 유동장을 해석하고, 공기청정기의 설치위치에 따른 영향을 분석하였다.
먼저, 각 모델들의 경우를 해석하여 청정기의 흡입구 및 배출구에 의한 영향을 살펴보았다. 각 경우에 대표되는 먼지입자의 거동을 토대로 청정기의 성능을 예측하였다.
먼지입자의 경우는 먼저 유동장을 계산하고, 계산된 유동장내에서 운동방정식을 적용하여 거동을 해석하였다.
본 연구에서는 먼지크기 0.1, 1, 5, 10, 20 μm의 각각의 경우 먼지 입자 100를 추적하여 배출 및 점착되는 개수와 평균배출시간 등을 해석하였다. 이때 먼지 입자의 밀도는 8g/cm³ 이다.
공기청정기가 설치되어있는 실내 공간의 유동현상은 공기와 먼지 입자가 이동하는 이상유동이다. 하지만 먼지입자가 유동에 미치는 영향이 거의 없어, 먼저 유동장을 해석하고 고정된 유동장 내에서의 먼지 입자의 거동을 살펴 보았다.

대상 데이터

1에 비교하여 나타내었다. 대기환경기준이 되는 먼지는 크기가 10μm인 PMT0이다.
본 연구는 '공기청정기에 의한 실내기류 해석'이라는 과제로 ATES(주) CFD Engineering 사업부와 진행한 산학 결과자료임.
본 연구에서는 오염물로 먼지 입자를 대상으로 하였다. 공기청정기가 설치되어있는 실내 공간의 유동현상은 공기와 먼지 입자가 이동하는 이상유동이다.
해석 대상인 공기청정기의 형상은 Fig. 2에 보이는 model 1, 2와 같이 양 측면에 배출구가 있는 형식과 상면에 있는 두 가지 구조이다. 해석영역은 Fig.
해석 조건들을 살펴보면, 전체 유량은 7CMM로 동일하나 stand type의 배출구 면적은 0.023m², 배출구에서 속도는 5.02m/sec이고, table type의 배출구 면적은 0.037m², 배출구에서 속도는 3.13m/sec으로 형상과 배출유속에 다소 차이가 있으며, 설치 위치는 12평형 거실에서 현관 옆과 소파 옆, 2곳을 대상으로 해석을 수행하였다.
6 (a), (b)에 보이는 바와 같이 일반적인 공기청정기 구조인 전면으로 흡입되어 상면으로 토출되는 stand type 모델과 바닥면으로 흡입되어 전면으로 토출되는 table type 모델을 대상으로 해석을 수행하였다. 해석영 역은 Fig. 7의 40평형대의 아파트 거실과 같은 12평의 실거주 실내공간을 모사하여 계산하였다.
2에 보이는 model 1, 2와 같이 양 측면에 배출구가 있는 형식과 상면에 있는 두 가지 구조이다. 해석영역은 Fig. 3과 같이 공기청정기가 설치된 10평의 실내공간을 대상으로 하였으며, 초기 먼지입자의 위치를 나타내었다.

이론/모형

본 연구에서 난류모델은 Standard k-ε 모델을 사용하였고, 정상상태 비압축성 유동해석을 수행하였다. 본 연구에서는 유한체적법(FVM)을 사용하는 범용 CFD 코드인 FLUENT를 사용하여 수치계산을 수행하였다.
본 연구에서는 유한체적법(FVM)을 사용하는 범용 CFD 코드인 FLUENT를 사용하여 수치계산을 수행하였다.

성능/효과

(1) 배출구 형상에 대한 해석 결과, 먼지입자의 거동을 살펴볼 때, model 2의 경우가 먼지 제거성능이 우수할 것으로 사료된다. 그 원인은 먼지입자를 공기청정기 흡입구로 유도하는 와류를 잘 형성시키고 있기 때문으로 판단된다.
(2) Stand type 모델의 경우는, 10μm 이하의 부유 먼지가 공기청정기로 흡입되었다. 먼지 입자의 거동 해석결과로 판단해 볼 때 현관 옆에 설치하는 경우가 우수한 성능을 나타내었다.
(3) Table type 모델의 계산결과를 살펴보면, 5μm이하의 부유 먼지가 공기청정기로 흡입되었다. 현관 옆에 설치하는 경우가 전체적으로 먼지제거 효율이 좀 더 양호하게 나타났다.

후속연구

각각의 경우에 먼지 입자의 거동을 토대로 청정기의 성능을 예측하였다. 본 연구의 해석 결과로부터 아래의 결론을 얻을 수 있었으며,연구결과는 향후 공기청정기의 설계 시와 공간배치 등의 기준 설정 시에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

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