1. 서론
현재 군에서 운용하고 있는 대부분의 이동형 군용쉘터 는 2-1/2톤 카고 트럭에 쉘터를 탑재하여 운용한다. 군용 쉘터는 정비부대에 편제되어 운용목적에 따라 정비업무 가 수행되는 정비밴과 시험장비, 지원장비, 수리부속품, PCB(Printed Circuit Board)등의 전자부품과 기계부품등 이 보관되는 수리부속밴으로 구분된다. 운용특성상 대부 분 야전환경에서 임무가 수행되기 때문에 혹서기 및 혹
한기 등 극한 외부 환경에서도 운용하게 된다.
군용쉘터는 Fig. 1과 같은 형상으로 육면의 판넬조립 체로 구성된다. 각 단면의 구조는 Fig. 2에서 알 수 있듯 이 단열재인 우레탄 보온재와 내·외부스킨인 알루미늄으 로 구성되는 판넬구조체, 쉘터의 기본 골격을 지지하여 구조강도를 유지하는 프레임구조체로 구성되어 있다.
시험장비 및 수리부속품의 저장온도 및 운용 요구조건 의 온도는 –32℃ ~ 50℃로 쉘터 내부는 저장온도 및 운 용 요구조건을 충족할 수 있도록 설계되어야 하며 운용 자를 위한 운용환경도 고려되어야 한다.
이러한 이유로 군용쉘터의 재료 및 구조해석, 소음 분 석 등에 대한 연구가 다양하게 수행되고 있으나(Im 등, 2014; Kim 등, 2015) 열전달에 따른 군용쉘터 내부에 대 한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 최근 들어 열전달
쉘터의 태양열 복사에 의한 열전달 특성에 관한 연구
심동혁 ･ 노경호†･ 박진용 ･ 임영택
A Study on Heat-transfer Characteristics the Shelter by Solar-heat Radiant
Dong-Hyouk Shim ･ Kyung-Ho Noh
†･ Jin-Yong Park ･ Young-Taek LimABSTRACT
When developing military equipment, it should be designed considering the temperature condition so that the operator can operate in a stable environment. The shelter for storing various military equipments is operated in various environments. The storage temperature and operating requirements of the test equipment and repair accessories shall be -32℃ to 50℃ and the inside of the shelter shall be designed to meet the storage temperature and operating requirements. In this study, thermal analysis of a 2.5 ton military shelter operating under high temperature and solar heat conditions is performed considering MIL-STD-810G. The thermal analysis was applied by using the concept of heat resistance and heat circuit, and the solar thermal test was performed on the actually manufactured military shelter in order to verify the analysis results.
Key words : Military-Shelter, Thermal Analysis, Solar-radiation
요 약
군용 장비 개발 시 운용자가 안정적인 환경에서 운용할 수 있도록 온도조건을 고려하여 설계하여야 한다. 각종 군용 장비 를 보관하는 쉘터는 다양한 환경에서 운용되고 있다. 시험장비 및 수리부속품의 저장온도 및 운용 요구조건은 –32℃ ~ 50℃
로 쉘터 내부는 저장온도 및 운용 요구조건을 충족할 수 있도록 설계되어야 한다. 본 연구에서는 MIL-STD-810G의 기준을 고려하여 고온 및 태양열 조건에서 군에서 운용중인 2.5톤의 군용쉘터의 열해석을 수행하였다. 열해석은 열저항 및 열회로개 념을 활용하여 적용하였으며 해석결과를 검증하기 위해 실제 제작된 군용쉘터에 대한 태양열 시험을 실시하여 결과를 비교하 여 제시하였다.
주요어 : 군용쉘터, 열해석, 태양열 복사
Received: 20 February 2018, Revised: 24 April 2018, Accepted: 26 April 2018
†Corresponding Author: Kyung-Ho Noh E-mail: [email protected] LIG NEX1 Co. Ltd.
특성에 대한 연구는 전산유체해석을 통해 이루어지고 있 으나(Hwang 등, 2010; Ko 등, 2004) 해석결과와 비교할 수 있는 실제 시험결과가 없기 때문에 전산유체해석의 근본적인 한계를 벗어나지는 못하고 있다.
본 연구에서는 군용쉘터의 판넬 및 프레임구조체의 설 계를 바탕으로 모델링을 구현하고 이를 이용하여 전산유 체해석(CFD:Computational Fluid Dynamics)기법을 활 용한 열해석을 수행하였으며, 실제 제작된 군용쉘터에 대 한 태양열 시험을 실시하여 군용쉘터의 열전달 특성을 평가하여 그 결과를 비교, 제시하였다.
Fig. 1. Military Shelter
Fig. 2. Military Shelter Panel assembly cross-sectional structure
2. 열해석
군용쉘터의 판넬조립체의 열전도는 Fig. 2와 같이 복 잡한 구조로 되어 있기 때문에 열전도 모델을 단순화하 기 위해서는 열저항 및 열회로 개념을 활용하여 적용하 면 편리하게 단순화 할 수 있으며 본 연구에서도 이러한 개념을 적용하였다(Han, 2010).
2.1 전도, 열저항 및 열회로 개념
2.1.1 전도열전달
전도열전달은 한 물체 또는 완전히 접촉된 고체 물질 들의 내부 에너지 변화로서, 물체에 온도차가 있을 때 온
도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열에너지가 물체를 통하 여 이동되는 현상이다. 기본 관계식은 식(1)과 같이 물체 의 고유 물성치인 열전도도()와 외부에서 인가되는 에너 지 및 그에 대해 반응하는 물체의 온도차로서 나타낸다.
단위시간당 열에너지의 이동량
단위면적당 열에너지의 이동량
열전도도
면적
(1)
2.1.2 열저항 및 열회로
열에너지의 이동과 전류의 이동 사이의 유사성을 이용 하여 열저항을 전기저항과 같은 개념으로 표현하여 회로 를 구성해서 열저항을 구하는 것을 등가 열회로라고 하며 열저항을 수식으로 나타내면 다음과 같다(Yunus, 2003).
전기
열전달
∆
Fig. 3. The concept of thermal resistance in conduction
이러한 열저항 개념을 도입하면 두 개의 다른 물체가 직렬 또는 병렬로 접촉되어 있는 구조의 복합 열전도 문 제를 등가 열회로 방식으로 구성하여 계산할 수 있다.
직렬로 연결된 고체 구조물의 경우 전도 열전달의 영 향을 열저항 개념으로 전환하면 저항의 직렬 연산으로 계산하여 전체 구조물의 열전도 영향을 나타낼 수 있다.
두 개의 층으로 조합된 벽을 통한 정상상태의 열전도 률은 식(2), (3)과 같이 표현된다.
∞∞
(2)
여기서 tot는 전체 열저항이고 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.
∆
(3)
병렬로 연결된 고체 구조물의 전도 열전달의 영향을 열저항 개념으로 전환하여 병렬 연산으로 계산하면 식 (4), (5), (6)과 같이 표현된다.
(4)
(5)
→
(6)
2.1.3 판넬조립체 등가 열전도율
판넬조립체의 등가 열전도율 계산 및 모델링을 위한 군용쉘터의 주요 치수는 Table 1과 같다.
제원 [mm]
외부 내부
높이 폭 길이 높이 폭 길이
2,070 2,135 3,555 1,958.7 2,031.2 3,464.6 Table 1. The dimensions of Military Shelter
2.1.3.1 판넬구조체
앞에서 언급한 열저항 및 열회로 개념을 도입하여 판 넬구조체를 단순화하고 등가 열회로도로 나타내면 Fig. 4 과 같다.
Fig. 4. The Panel structure simplification and thermal circuit Fig. 4와 같은 판넬구조의 열저항의 합은 식(7)과 같이
표현된다.
(7)
위의 식(7)에서 전체 열저항이 구해지면 판넬구조체의 등가 열전도율 는 식(8)과 같이 구해진다.
×
(8)
식 (7)과 식 (8)을 이용하여 판넬구조체의 측면과 상부 및 하부의 열저항 값을 구하면 Table 2와 Table 3, Table 4와 같다.
구성 폭
(m) 높이
(m) 면적
(A)
열전도율 K[W/mK]
전도길이 (L)[m]
열저항 R[K/W]
Skin
AL1 0.5 1.9272 0.9636 138 0.0007 0.0000052640 Urethane 0.5 1.9272 0.9836 0.024423 0.0505 2.145831308
Skin
AL2 0.5 1.9272 0.9636 138 0.0007 0.0000052640 전체 합 0.0519 2.145841836 Table 2. The thermal resistance of the panel structure(side)
구성 폭
(m) 높이
(m) 면적
(A)
열전도율 K[W/mK]
전도길이 (L)[m]
열저항 R[K/W]
Skin
AL1 0.5 2.135 1.0675 138 0.0007 0.0000475172 Urethane 0.5 2.135 1.0675 0.024423 0.0505 1.936977094
Skin
AL2 0.5 2.135 1.0675 138 0.0007 0.0000475172 전체 합 0.0519 1.936986598 Table 3. The thermal resistance of the panel structure(top)
군용쉘터 바닥면은 단면형상이 Fig. 5와 같이 판넬부 분에서 강도를 보강하기 위해 합판이 존재하므로 다른 벽면과 달리 합판(wood)을 고려하여 계산해야 한다.
Fig. 5. The bottom panel structure
구성 폭 (m)
높이 (m)
면적 (A)
열전도율 K[W/mK]
전도길이 (L)[m]
열저항 R[K/W]
Skin
AL1 0.5 2.135 1.0675 138 0.0012 0.000004231 Wood 0.5 2.135 1.0675 0.17 0.005 0.014312294 Urethane 0.5 2.135 1.0675 0.024423 0.052 1.036078133
Skin
AL2 0.5 2.135 1.0675 138 0.0012 0.000004231
전체 합 0.0594 1.050398889
Table 4. The thermal resistance of the panel structure(bottom)
2.1.3.2 프레임구조체
판넬구조와 같이 프레임구조체를 단순화하고 등가 열 회로도로 나타내면 Fig. 6과 같다.
Fig. 6. The Frame structure simplification and thermal circuit
Fig. 6과 같은 프레임구조의 열저항의 합은 식(9)와 같 이 표현된다.
×××
××
(9)
식 (9)에서 전체 열 저항이 구해지면 프레임 구조의 등 가 열전도율 는 앞서 구한 식 (8)과 같이 구해진다. 식 (8)과 식(9)을 이용하여 프레임구조의 측면과 상부 및 하부 의 열저항 값을 구하면 Table 5, Table 6, Table 7과 같다.
바닥면은 Fig. 6과 같이 합판을 고려하여 계산해야 한다.
구성 폭
(m) 높이
(m) 면적
(A)
열전도율 K[W/mK]
전도길이 (L)[m]
열저항 R[K/W]
AL1 0.06 1.9272 0.115632 138 0.0007 0.0000438673 Urethane 0.06 1.9272 0.115632 0.17 0.005 0.25435662
AL2 0.06 1.9272 0.115632 167 0.002 0.00010357 AL3 0.004 1.9272 0.007709 167 0.0415 0.032236275 Urethane 0.052 1.9272 0.100214 0.024423 0.0415 16.95582621 AL3 0.004 1.9272 0.007709 167 0.0415 0.032236275 AL4 0.06 1.9272 0.115632 167 0.002 0.00006478 AL5 0.06 1.9272 0.115632 138 0.0007 0.0000438673
전체 합 0.0519 0.270715535 Table 5. The thermal resistance of the frame structure(side)
구성 폭
(m) 높이
(m) 면적
(A)
열전도율 K[W/mK]
전도길이 (L)[m]
열저항 R[K/W]
AL1 0.06 2.135 0.1281 138 0.0007 0.0000395977 Urethane 0.06 2.135 0.1281 0.17 0.005 0.229600037 AL2 0.06 2.135 0.1281 167 0.002 0.0000934898 AL3 0.004 2.135 0.00854 167 0.0415 0.029098711 Urethane 0.052 2.135 0.11102 0.024423 0.0415 15.30551207 AL3 0.004 2.135 0.00854 167 0.0415 0.029098711 AL4 0.06 2.135 0.1281 167 0.002 0.0000934898 AL5 0.06 2.135 0.1281 138 0.0007 0.0000395977 전체 합 0.0519 0.705182334 Table 6. The thermal resistance of the frame structure(top)
구성 폭
(m) 높이
(m) 면적
(A)
열전도율 K[W/mK]
전도길이 (L)[m]
열저항 R[K/W]
AL1 0.06 2.135 0.1281 138 0.0012 0.000034838 Wood 0.06 2.135 0.1281 0.17 0.005 0.119269118 AL2 0.06 2.135 0.1281 167 0.002 0.000048564 AL3 0.004 2.135 0.00854 167 0.048 0.001748328 Urethane 0.052 2.135 0.11102 0.024423 0.048 9.195960751 AL3 0.004 2.135 0.00854 167 0.048 0.001748328 AL4 0.06 2.135 0.1281 167 0.002 0.000048564 AL5 0.06 2.135 0.1281 138 0.0012 0.000034838
전체 합 0.0594 0.120309976
Table 7. The thermal resistance of the frame structure(bottom)
2.2 해석조건
태양열해석을 수행하기 위해 상용 해석 프로그램인
Ansys社의 ICEPACK 15.0을 이용하였다.(TSNE, 2004) 군용쉘터의 형상을 단순화화여 Fig. 7과 같이 해석모델을 구현하였고, Table 2 ~ Table 7까지 구해진 값을 해석 물 성치로 적용하였다.
군용쉘터는 야전에 배치되어 다양한 환경에서 운용되 기 때문에 혹한기, 혹서기등의 여러 환경을 고려하여 설 계되어야 한다. 혹한기에는 군용쉘터의 내부 온도가 외부 온도 이상으로 유지되므로 저온에서의 저장온도 조건은 배제하였고 혹서기 때의 영향을 확인하기 위한 해석을 수행하였다.
Fig. 7. Military shelter simplified structure
해석 경계조건은 쉘터의 외부를 둘러싼 대기의 온도 조건과 태양열 복사열량을 입력값으로 하였다.
해석조건은 군용쉘터 외부 환경 중 고온에 대한 적용 규격으로 Table 8과 같이 MIL-STD-810G의 501.4 High Temperature의 규격을 적용하였으며 태양광선에 의한 복 사열은 Fig. 8의 MIL-STD-810G의 505.4 Solar Radiation (Sunshine)의 규격을 적용하였다(MIL-STD-810G, 2008).
Fig. 8. MIL-STD-810G,505.5 Solar Radiation(Sunshine)
Time of Day Ambient Air Conditions Temperature Humidity 0100
0200 0300 0400 0500 0600 0700 0800 0900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400
32 32 32 31 30 30 31 34 37 39 41 42 43 43 43 43 43 42 40 38 36 35 34 33
36 38 41 44 44 44 41 34 29 24 21 18 16 15 14 14 14 15 17 20 22 25 28 33 Table 8. MIL-STD-810G, 501.5 High Temperature (A2)
기후대는 A2지역(Basic Hot)을 적용하였으며 A2지역 은 우리나라를 포함한 아시아, 아프리카(중부 및 서부), 남미, 멕시코, 호주, 서남아시아지역이며 최대 복사열량 은 1120이며, 43℃의 온도조건을 갖는다.
Table 8과 Fig. 8에 나타난 바와 같이 대기온도가 가 장 높은 시간대는 13:00 ~ 17:00시 이며 최고온도는 4 3℃이고 복사강도가 가장 강한 시간대는 복사열량이 1120인 오후 12:00시부터 13:00시까지이다.
해석은 시간대별로 고온(7일)과 태양열(1주기)이 7일 간 연속해서 동시에 가해지는 조건으로 24시간을 1주기 로 하여 7주기를 반복하여 수행하였다(Lee, 2014).
2.3 해석결과
태양 복사열 및 외부 대기환경조건에 의한 군용쉘터 내부 및 외부의 해석결과는 Fig. 9와 같다.
쉘터의 외부온도는 태양복사에 직접적으로 노출되기 때문에 태양복사열량의 변화와 같은 패턴으로 온도의 상 승과 하강이 반복되었다.
Fig. 9. Military shelter inside and outside temperature
Fig. 10. Military shelter inside the center and the outer surface temperature distribution(4 days)
Fig. 10는 4주기인 4일차 13:00시 경 군용쉘터 내부 및 외부에 온도분포를 나타내고 있다. 군용쉘터 내부 중 앙의 온도가 최고 42.15℃이며 외부 표면 온도는 최고 64.43℃을 나타내었으며 내부 및 외부의 온도는 계속 주 기적으로 반복되는 것을 확인할 수 있다.
쉘터내부는 대기온도와 복사열에 의해 가열된 쉘터외 부의 온도가 쉘터내부로 열전달이 이루어지는 것을 확인 할 수 있다.
해석결과로 판단하였을 때 설계된 군용쉘터는 내부의 최고온도가 42.15℃이므로 저장온도 및 운용요구조건인 –32℃ ~ 50℃을 만족하는 것으로 확인하였다.
3. 태양열 시험
열해석 결과 검증 및 혹서기 대기 온도 변화에 따른 군 용쉘터 외부 및 내부 온도변화를 측정하기 위해 태양열
시험을 실시하였다. MIL-STD-810G에서는 시험 절차에 대하여 군수품에 적용이 가능하며, 장기간 일광 노출이 미치는 영향을 확인하기 위해 시험 기간은 최소 4주기에 서 최대 56주기로 제안하고 있다.
따라서 실제 제작된 군용쉘터를 이용하여 시험하였으 며 평균기온이 높은 8월에 4일간 진행하여 데이터를 획 득하였으며 강우가 예보되지 않은 2010년 8월 17~18일, 21~22일에 수행하였다.
3.1 시험조건 및 장비
시험조건은 실제 군용쉘터가 운용되는 환경과 유사한 환경을 구현하기 위해 태양열 복사와 지열의 영향이 큰 아스팔트 포장도로에서 수행하였다. 시험조건은 Table 9 와 같으며 시험에 적용한 장비는 Table 10과 같다.
조건 군용쉘터
송풍기/환풍기 작동 OFF
도어 닫힘
최고기온 기상청 34℃
측정 38℃
Table 9. Test condition
시험 장비 구분
휴대용
데이터로거 센서
형상
제조업체 Graphtec(日) Omega(美)
제품번호 GL800 TT-K-40-SLE-200
특징 20개 채널 측정
온도 및 습도 측정
-267℃ ~ 316℃ 온도 대역 측정 가능 Table 10. Test equipment
본 시험에 사용된 센서의 위치는 Table 11과 같으며 설치된 형상은 Fig. 11과 같다.
계측할 센서의 위치는 열해석 수행 시 군용쉘터 내부 및 외부 표면 위치와 동일하게 하여 신뢰성을 확보하였 고, 추가적으로 천장 내부 표면 및 내부 후면부를 측정하 여 군용쉘터 내부 온도변화에 대해 확인하였다.
채널 위치 비고
Ch 1. 외부(대기온도) -
Ch 2. 군용쉘터 천장 외부 표면 -
Ch 3. 군용쉘터 천장 내부 표면 -
Ch 4. 군용쉘터 내부 전면부 전면에서 약 0.8m
천장에서 약 0.5m
Ch 5. 군용쉘터 내부 후면부 후면에서 약 0.8m
천장에서 약 0.5m Table 11. Position of sensors
(a) Outside of military shelter
(b) Inside of military shelter Fig. 11. Figuration of sensors
3.2 시험결과
혹서기 4일 동안 쉘터의 내·외부 온도 변화를 측정하 기 위한 시험을 수행하였고 그 결과는 다음과 같다.
Fig. 12는 4일간의 시험결과 중 대기온도가 가장 높았
던 8월 22일의 결과를 나타내고 있다. 대기온도가 가장 높은 시간대는 38℃인 14시이고 군용쉘터 외부 표면의 온도가 가장 높은 시간대는 63℃인 14시 이며 군용쉘터 내부의 온도가 가장 높은 시간대는 43℃인 16시로 나타 났다.
이러한 온도 변화는 4주기 동안 측정한 데이터가 비슷 한 경향을 나타내고 있으며 열해석 결과와도 유사한 경 향을 나타내고 있음을 확인하였다.
Fig. 12. Results of solar radiation test
Fig. 13. Comparison between analysis and test
Fig. 13은 열해석 결과와 태양열 시험결과를 비교하여 나타낸 그래프이다. 군용쉘터 내부 온도 분포는 열해석 결과와 태양열 시험결과가 일치하는 경향을 나타냈으며 군용쉘터 외부 표면의 온도 분포는 해석결과와 시험결과 의 온도 변화 기울기는 유사하지만 최고 온도에 도달하
기까지는 시간 차이가 발생하는 것을 확인하였다.
시간 차이가 발생하는 원인은 태양열 시험 시 해석의 경계조건과 완전히 일치하도록 통제되지 않았기 때문에 바람에 의한 자연대류와 아스팔트에 의해 태양복사열이 재복사(re-radiation)되어 반사된 열이 쉘터에 영향을 미 치면서 해석결과와 차이가 발생한 것으로 판단된다.
4. 결론
본 연구에서는 군용쉘터 내부 탑재품의 운용 요구조건 에 제시된 온도와 저장온도의 충족여부를 확인하기 위해 군용쉘터의 설계데이터와 복합재료로 구성된 판넬조립체 를 등가열회로의 개념을 이용하여 벽면의 물성치로 적용 하고 열해석을 수행하였다. 또한 제작이 완료된 군용쉘터 를 혹서기 조건에서 태양열 시험을 수행하여 측정된 결 과와 비교 분석하였다.
열해석 및 태양열 시험결과 쉘터내부의 최고 온도는 각각 41℃와 43℃로 수리부속품의 저장 온도와 운용요구 조건의 온도인 –32℃~50℃를 만족하는 것을 확인하였다.
기존에는 여러 층으로 적층된 복합재료의 열전달 해석 을 수행하기 위해 해석대상을 상세적으로 모델링하여 각 재료의 물성치를 입력하였으나 등가열회로의 개념을 적 용하여 열해석을 수행하면 복합재료로 구성된 면의 각각 의 물성치를 입력하는 대신 하나의 값으로 계산하여 입 력하기 때문에 해석모델을 구성하는데 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
열해석 결과와 시험데이터를 비교한 결과 군용쉘터 외 부 표면 최고 온도는 열해석 결과 64℃, 태양열 시험결과 63℃을 나타냈고, 또한 군용쉘터 내부 최고 온도는 열해 석 결과 42℃, 태양열 시험결과 43℃로 해석과 시험의 결과가 유사한 것을 확인하였다.
따라서 본 논문에서 제시한 군용쉘터와 유사한 형상의 컨테이너등과 같은 보관함의 경우 등가열회로의 개념을 적용하여 해석을 수행한다면 해석 시간과 비용 측면에서 효율적인 결과를 얻을 것으로 예상된다.
References
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235-236. 2014.
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5. Han, “Heat flow analysis of shelter system for operation conditions” Ansys Conference, 2010.
6. Yunus A.Cengel, “Heat Transfer” McGraw-Hill Inc.
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7. “ANSYS CFD Training Manual ICEPAK Basic”, TSNE, 2004
8. “Department of defense test method standard” MIL- STD-810G, Usa, pp 501.5-1~13, 505.5-1~5C-8 2008.
9. Lee, “A Study of applying cooling capacity of installed cooling equipment on the shelter” KSME Annual Conference Proceedings, 2014.
심 동 혁 ([email protected]) 2005 경희대학교 기계공학 학사
2007 경희대학교 기계공학 석사 2006~ 현재 LIG넥스원 재직 중 관심분야 : 진동역학, 음향공학
노 경 호 ([email protected]) 2006 건국대학교 항공우주공학 학사 2008 건국대학교 항공우주공학 석사 2008~ 현재 LIG넥스원 재직 중
관심분야 : 공력해석, 공력-구조 연계 시뮬레이션, 유도무기 체계설계
박 진 용 ([email protected]) 1995 명지대학교 기계공학과 학사 1997 명지대학교 기계공학과 석사 1997~ 현재 LIG넥스원 재직 중
관심분야 : 유도무기 체계설계, 기체구조 최적화 설계, 소음진동 시뮬레이션
임 영 택 ([email protected]) 1993 충남대학교 기계공학과 석사 1978~ 현재 국방과학연구소 재직 중
관심분야 : 기계설계, 최적설계
