DOI:http://dx.doi.org/10.5407/jksv.2021.19.1.094 ISSN 2093-808X Online
† Department of Mechanical Engineering, Korea
Maritime & Ocean University, Research Professor E-mail: [email protected]
* Graduate School of Department of Mechanical
Engineering, Korea Maritime & Ocean University
** Research Institute of Maritime Industry,
Korea Maritime and Ocean University
*** Engineering, GOMOTEC Co. LTD **** Department of Mechanical Engineering,
Korea Maritime & Ocean University
가시화 기법을 이용한 열전소자 냉장고의 유동최적화에 관한 연구
김보라
*· 이창제
**· 정연호
***· 황광일
****· 조경래
†A Study on flow optimization of thermoelectric refrigerator using visualization
technique
Bo-ra Kim
***, Change-je Lee
**, Yeon-ho Jeong
***, Kwang-il Whang
****and
Gyeong-rae Cho
†Abstract In order to increase the efficiency of thermoelectric refrigerators using the Peltier effect, it
is necessary to optimize the distribution of the flow of cold air from the fan. In this study, the flow flowing upwards and downwards while changing the area of the flow path was visualized using the PIV technique for the control of cold air in a thermoelectric refrigerator. From these results, the flow rate according to the change in the area of the flow path was confirmed, and design criteria for optimizing the distribution of cold air flowing to the top and bottom of the refrigerator were suggested.
Key Words : Flow Visualization(유동가시화), Cross-Correlation PIV(상호상관 입자영상 유속계),
Peltier Refrigerator(열전소자 냉장고), Flowrate Measurement(유량계측)
1. 서 론 두 종류의 금속을 접속해서 전류를 흘리면 접점 에서 열의 발생 및 흡수가 일어나는데 이러한 현 상을 펠티에 효과(Peltier effect)라 한다(1). 즉 장치 에 전기에너지를 흘려보내면 펠티에 효과로 인하 여 장치의 한쪽에서 다른 한쪽으로 열이 전달되는 데 이러한 열전달을 이용하여 열전 히터, 열전 냉 장고, 열전 펌프 등의 열전 장치들이 개발되었으 며, 특히 열전 냉각 분야에서 펠티에 효과를 이용 한 장치들이 많이 개발되고 있다(2). 이러한 열전 냉각기는 다른 일반 냉각보다 순환 냉매를 사용하지 않으며, 수명이 매우 길고, 냉매 의 누출에 의한 피해나 손상이 존재하지 않으며, 크기가 작아 적용성이 매우 높다. 또 냉매 순환장 치인 압축기, 팽창 밸브, 증발기와 같은 장치 등에 서 발생하는 소음문제가 없어 쾌적한 환경을 제공 할 수 있는 장점이 있다. 하지만 냉각 용량이 작아 높은 열용량을 필요로
하는 적용분야에서는 비용이 높아지는 단점이 있 으며, 이러한 단점을 극복하고 펠티에 효과를 이용 한 냉각 능력을 향상하기 위한 많은 연구와 개발 이 진행되고 있다(2). 특히 공조 시스템의 냉방 및 난방 분야에서 높 은 성능을 가지기 위한 펠티에 시스템 개발에 관 한 연구(3~5), 공조 시스템을 위한 냉수 및 온수 생 산 펠티에 시스템에 적용에 관한 연구(6), 태양열 시스템과의 병합을 이용한 빌딩의 공조 성능 개선 (7) 등 냉방 및 난방과 같은 저 열용량 적용분야에 서 많은 발전을 이루고 있다. 최근 열전 현상을 이용한 소형 열전 냉장고가 개발되었으며, 이는 일반적인 주거환경에서 3~1 6℃의 온도까지 물품을 신선하게 보관할 수 있는 냉장고로 고내 상중하, 3단으로 분류하여 물품을 보관 할 수 있다. 이러한 열전 냉장고의 높은 성능 을 위해서는 냉기가 고내 전체를 순환할 수 있도 록 최적의 유동 분포를 가지는 유로 설계가 매우 중요한 요소이다. 개발된 냉장고는 팬을 이용하여 고내의 공기를 흡수하고 열전 소자를 이용하여 열교환된 저온의 공기를 상부 및 하부로 유로를 이용하여 고내로 분배하는 순환 구조로 되어 있다. 이때 일정한 온 도 분포를 얻기 위해 냉기의 상부 및 하부로 가는 유량을 결정하는 유로의 최적 설계가 중요하며, 이 를 위해서는 각 부분으로 가는 유량을 계측하고, 구조를 변경하여 최적의 유량을 결정하는 과정이 필요하다. 이러한 고내의 유동을 계측하고 분석하는 방법 에는 여러 가지가 있지만 그 중 PIV(Particle Image Velocimetry)는 비접촉 정량적 유동 가시화 방법으 로 많이 계측분야에서 적용되고 있다. PIV는 유동장에 입자를 투입하고, 유체와 같이 움직이는 입자의 거동을 레이저를 이용하여 가시 화한다. 가시화된 입자를 카메라를 이용하여 영상 으로 획득하고, 상호상관 방법에 의해 유동장 전체 의 속도 분포를 구하는 방법이다(8). 이러한 가시화 기법을 이용하여 냉장고 내부에 서의 유동 특성 및 개선에 관한 연구가 진행되었 으며(9,10), 이로부터 냉장고의 성능을 평가하기 위 해서는 열교환기 및 고내의 온도와 유동 특성 모 두를 파악하는 것이 중요하지만, PIV 가시화 기법 만으로도 냉장고 내부의 유동 특성을 확인하고, 개 선하는데 매우 유용한 방법임을 증명하였다. PIV 가시화 기법의 성능 향상을 위해 많은 연구 가 진행되었으며, 그중 PID(Particle Image Deformation) 방법(11, 12)은 초기의 속도 분포를 구 하고, 구해진 속도분포로부터 각 계산점에서 속도 변화량을 이용하여 영상 변환을 수행하고, 다시 상 호상관 기법을 적용함으로써 복잡한 유동에서의 가시화 계산 기법의 성능을 크게 향상시켰다. 본 연구에서는 PID 가시화 기법을 이용하여 열 전 냉장고의 하부 토출 면적의 변화에 따른 상부 및 하부 유동 특성을 파악하고 최적의 토출 면적 을 결정함으로써 열전 냉장고의 냉기 분포 성능을 개선하고자 한다. 2. 실험 장비 및 방법 Fig. 1은 최근 개발하여 생산 중인 직경 380mm, 높이 680mm, 용량 31L를 상온에서 최저 3℃까지 유지 할 수 있는 소형 열전 냉장고를 보여주고 있다. 냉장고는 원통형의 형상으로 상부 돔형 저장 공 간과 중부 및 하부 원통형 저장 공간으로 분리되 어 있다. 냉장고 내부의 고온 공기가 팬을 통하여 유입하고, 열전 소자와 열 교환 된 저온의 공기와 상부와 하부로 나누어져 공급되는 구조를 가지고 있다. 여기서 상부 및 하부에 고른 온도 분포를 위해 서는 같은 유량의 저온 공기를 상부 및 하부에 균 일하게 공급해주는 것이 하나의 중요한 요소가 된 다. 이를 위하여 본 연구에서는 PIV 방법을 이용하 380mm 680mm
Fig. 1. Schematic diagram of internal flow of
Fig. 2. Experimental apparatus for Particle Image Velocimetry 여 유동장 가시화를 수행하였으며 그 실험 장치의 개략도를 Fig. 2에서 보여주고 있다. 가시화를 위해 레이저는 8W 레이저(Blitz Pro)를 사용하였으며, 카메라는 고해상도의 고속카메라를 이용하였다. 실제 사용환경과 같은 조건으로 실험 을 수행하기 위해 냉장고 내부에 음료 캔을 적재 하고, 가시화 창을 제작하였으며, 냉장고 상부의 둠 형태의 내부 유동(A), 하부에서 팬의 유입 유동 (B)과 전면 순환 유동 부분(C) 등 내부 유동을 관 찰 할 수 있는 중요 3지점을 설정하여 가시화 실험 을 수행하였다. 상부 유동과 하부 유동의 유량을 제어하기 위하 여 Fig. 1의 하부에 빨간색 원으로 표현된 부분을 Fig. 3에 보이는 그림과 같이 전체 면적에 대한 개 방 영역의 비(이하 개방률, Opening rate)를 0, 10, 20, 30%로 설정하였다. 최종적으로 오일스모그 발생기를 이용하여 가 시화 입자를 투입하고, 고속카메라를 이용하여 고 밀도 입자 영상을 취득하고 하였다. 고속으로 회전하는 팬의 유동을 충분히 반영하 기 위하여, 본 연구에서는 모든 실험에서 1,000장 의 입자영상(200hz의 속도로 5초간 촬영)을 획득 하고, 이로부터 PID 기법을 이용하여 999장의 순 시 속도 분포 및 평균 속도 분포를 구하였다. 평균 속도 분포 결과들로부터 유량을 계산하기 위하여 유입 및 유출 영역을 정의하고, 유입 영역 에 수직 속도 성분에 면적을 곱하여 적분함으로써 유량을 산출하고 개방률에 따른 영향을 평가하였다. (a) (b) (c) (d) 120mm 20m m 100mm
Fig. 3. Opening rate of Lower flow path; (a) 0%,
(b) 10%, (c) 20% and (d) 30% area opening rate. 3. 실험 결과 및 고찰 3.1 상부 돔 형태의 내부 유동 가시화 하부 개방률을 변경하면서 상부 돔 형태의 냉장 고 내부 유동을 가시화하였으며 그 속도 분포를 Fig. 4에 보여 주고 있다. 그림에서 보이는 것처럼 팬으로부터 나오는 냉 공기는 돔의 형상에 따라 회전하게 된다. 따라서, 좌우에서 강한 회전 유동 을 관측할 수 있다. 즉, 우측에서 유입된 냉기는 돔 형태를 회전한 뒤 다시 좌측의 통로를 통하여 유출하는 유동 구 조를 보여주고 있다. 그림에서 (a - d)는 하부 개방 률에 대한 유동 변화로, 개방률이 높아질수록 상부
Fig. 4. Averaged velocity vector distribution of
upper dome type cap; (a) 0%, (b) 10%, (c) 20% and (d) 30% area opening rate.
Fig. 5. Flow rate of upper dome type cap. 의 돔의 외곽을 따라 흐르는 회전 유동의 벡터 크 기가 줄어들고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 상부 돔의 유입 및 유출 영 역(Fig. 4의 입구 및 출구)을 수직으로 통과하는 속 도 성분을 이용하여 유량을 계산하였으며, 결과를 Fig. 5에 보여주고 있다. 그림에서 막대그래프는 유입 및 유출 유량으로 하부의 유로가 완전히 막혀 있을 때(개방률 0%)와 비교하여 유로가 개방됨에 따라 유량이 조금씩 감 소하고 있음을 알 수 있다. 그림에서 검은색 선으로 표현된 유량비는 최대 유량 대비(개방률 0%) 상대 비율로, 개방률이 높아 질수록 상부로 가는 유량이 선형적으로 급격하게 감소하는 경향을 보인다. 이로부터, 하부 개방률을 변경하여 상부 유량을 제어 및 개선이 가능함을 알 수 있다. 3.2 팬 유입 유동 가시화 냉장고의 내부 유동을 분석하기 위하여 팬의 위 치를 중심으로 하여 팬에서 가장 가까운 팬의 유 입 유동의 가시화 실험에 대한 결과를 Fig. 6에 보 여주고 있다. Fig. 6은 각각의 개방률에 따른 팬 유입 유동의 평균 속도 분포 및 그 유량비이다. 개방률의 증가 에 따라 팬으로 유입되는 속도 성분이 점점 증가 함을 알 수 있다. 특히, 0%의 개방률에서는 유입부 의 수직 방향 속도 성분이 없이 팬에 수직으로 유 입 유동이 발생하고 있지만, 개방률이 증가하면서 수직 성분이 증가하여 경사진 유입 유동을 보인다. 이는 개방률의 증가에 따라 상하로 회전하는 회전 (a) (b) (c) (d) Fa n Objects
Fig. 6. Average velocity vector distribution of
in-let flow of fan; (a) 0%, (b) 10%, (c) 20% and (d) 30% area opening rate.
70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% 0.350 0.375 0.400 0.425 0.450 0.475 0.500 0% 10% 20% 30% Rati o to Maxi mum flow r a te Mea n v e lo ci ty [M/ s] Opening Rate 평균속도 유량비
Fig. 7. Mean velocity and flow rate ratio at in-let
of fan 유동이 증가한 결과로 상부의 유량보다 하부의 유 량이 높아 냉기가 하부에 집중됨을 알 수 있다. 실험 결과들로부터 팬의 입구에서 팬으로 유입 되는 수직 단면에 대하여 평균 속도와 유량을 구 하였으며 그 결과를 Fig. 7에서 보여주고 있다. 먼저 평균 속도는 개방률이 증가하면서 증가하 다가 30%에서 급격히 감소한다. 이는 비교적 넓은 유입 유동이 개방률이 높아 지면서 하부 유량의 증가로 유입 유동이 팬의 중심에서 상부로 이동하 였음을 보여준다. 개방률 0%일 때의 유량에 대한 유량비를 보면 0, 10, 20% 개방률에서는 비슷한 총
유량을 보이지만, 30%에서는 유량이 급격하게 감 소하고 있음을 알 수 있다. 이는 하부 유량의 증가 로 팬의 상부로 3차원 적인 유량 쏠림이 발생했을 것으로 예측된다. Fig. 5와 Fig. 7의 결과로부터 10~20% 사이에서 개방률을 선정하는 것이 고내 냉기를 고루 분포 시킬 수 있을 것으로 판단된다. 3.3 냉장고 전면 냉기 유동 가시화 Fig. 8은 팬의 입구로부터 떨어져 있는 냉장고 전면 부분의 유동을 가시화한 결과이다. 개방률이 0%일 경우 팬의 중심 위치보다 낮은 부분에서 평 형을 이루고 있음을 알 수 있다. 이는 상부 둠으로 흐르는 유량이 하부 유량보다 높음을 의미한다. 개방률 10%의 경우 거의 팬의 중심 부분에서 유동의 평형을 이루고 있으며, 개방률이 증가할수 록 하부에서의 순환 유동의 양이 급격하게 증가함 을 알 수 있다. Fig. 8의 유동 분포로부터 개방률 10%의 유동에 (a) (b) (c) (d) Fan Center
Fig. 8. Average velocity vector distribution of near
the door zone; (a) 0%, (b) 10%, (c) 20% and (d) 30% area opening rate.
서의 팬을 중심으로 상부와 하부 유량이 균일하게 분포하여 최적의 효과를 얻을 수 있을 것으로 판 단된다. 4. 결 론 본 연구에서는 열전소자 냉장고의 고내 유동 특 성을 파악하고 최적의 유동 분포를 가질 수 있도 록 유로의 하부 구조에서 최대 면적에 대한 개방 률을 정의하고, PIV 가시화 기법을 이용하여 고내 중요 부분에서 개방률에 따른 유동 변화를 가시화 하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다. 먼저, 상부 둠 형태의 구조를 가진 고내 유동 실 험을 통하여, 개방률에 따라 유량이 선형적으로 변 하는 것을 알 수 있었으며, 이로부터 개방률에 조 정하여 상부와 하부로 가는 유량을 제어가 가능함 을 보였다. 팬의 입구 유동 계측을 통하여 팬의 유입 유량 을 계측하였으며, 0~10%의 경우에는 유사한 유입 유동을 보였으나, 20~30% 개방률에서는 하부 유 량이 크게 증가했음을 알 수 있었다. 특히 30% 개방률에서는 유입 중심이 상부로 쏠 리는 현상을 관측할 수 있었으며, 이로부터 최적의 개방률을 10~20%임을 알 수 있었다. 마지막 도어 부분의 유동가시화를 통하여 상부와 하부의 유동 평형점을 확인하였으며, 개방률 10%에서 최적의 유동을 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 약 10% 정도의 개방률 로 설계하였을 때 최적의 유동을 보임으로써 냉장 고 고내에서 온도 분포의 성능이 개선될 것으로 기대 된다. 후 기 본 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업 (No. 2018R1A2B6009387, 2020R1I1A1A01052771)
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