Computational Thermal Flow Analysis of a Cabin Cooler for a Commercial Vehicle

상용차용 캐빈냉방기의 전산 열유동 해석

Computational Thermal Flow Analysis of a Cabin Cooler for a Commercial Vehicle

김장권․오석형 J. K. Kim and S. H. Oh

(접수일 : 2011년 07월 03일, 수정일 : 2011년 11월 14일, 채택확정 : 2011년 11월 17일)

Key Words：Cabin Cooler(캐빈냉방기), Commercial Vehicle(상용차), Computational Thermal Flow Analysis(전 산열유동해석), Heat Sink(열흡수장치), Heat Transfer(열전달), Standard k-ε Turbulence Model(표 준 k-ε난류모델), Thermoelectric Module(열전모듈), Water Jacket(물재킷)

Abstract：The steady three-dimensional computational thermal flow analysis using standard k-ε turbulence model was carried out to investigate the heat transfer characteristics of a cabin cooler for a commercial vehicle. The heat exchanging method of this cabin cooler is to use the cooling effect of a thermoelectric module. In view of the results so far achieved, the air system resistance of a cabin cooler is about 12.4 Pa as a static pressure, and then the operating point of a cross-flow fan considering in this study is formed in the comparatively low flowrate region. The air temperature difference obtained from the cold part of an thermoelectric module is about 26℃, and the cooling water temperature difference obtained from the hot part of an thermoelectric module is about 3.5℃.

J. K. Kim(corresponding author) : Department of Power System Engineering, KunSan National University.

E-mail : [email protected], Tel : 063-469-1848 S. H. Oh : School of Mechanical and Automative Engineering, KunSan National University.

1. 서 론

지금까지 상용차 내 캐빈(cabin)의 공기조화방법은 일반 승용차량과 마찬가지로 엔진(engine) 시동에 의 한 콤프레서(compressor)의 가동으로 냉매를 응축기 (condenser), 팽창밸브(expansion valve) 및 증발기 (evaporator) 내를 순환시키는 증기 압축식 냉동방식 을 취하고 있다. 이 방법은 차량이 운전 중에 있을 때에는 엔진에 의해 콤프레서가 가동되기 때문에, 캐 빈 내에서 냉방운전을 행하여도 별 문제가 없지만, 차량 시동을 끈 채로 냉방운전을 하려한다면, 그것은 불가능하게 된다. 특히 상용차용 운전자는 장거리를 운전하므로, 때로는 차량 캐빈에서 휴식을 취하거나 수면을 취하게 되어 여름철에는 그 어느 때보다도 냉방의 필요성이 매우 높다고 본다. 그러나 기존의 방식으로는 냉방 중에 엔진을 계속 켜 놓아야 하므 로, 연료소모가 커 경제성이 매우 떨어지고, 동시에

소음측면에서도 크게 문제가 된다.

따라서 본 연구에서는 위의 문제점들을 해결하고 자 차량엔진에 의한 콤프레서의 가동 없이 주행 중 에 자동으로 충전되는 별도의 축전지(battery) 직류 전원을 가지고 열전모듈(thermoelectric module)로부 터 냉방효과를 얻는 무시동 개념의 캐빈냉방기(cabin cooler)를 개발하고자 한다.

열전모듈은 서로 다른 두 종의 반도체 물질을 접 합한 회로에 직류전류를 흐르게 하면, 한쪽 접합부에 서는 발열(고온부)이 발생하고, 다른 한쪽에서는 흡 열(저온부)이 발생하는 펠티어(Peltier) 효과를 이용 한 것이다. 일반적으로 열전모듈을 이용하는 냉방기 는 소형화, 경량화, 저소음, 저진동 및 신재생, 친환 경 효과들을 두루 갖지만, 대형화로 하기에는 가격이 비싸기 때문에 현재에는 차량용, 의료용, 화장품 및 와인저장용 냉장고 등에 소규모로 응용되고 있는 실 정이다.

열전모듈은 필연적으로 고온부와 저온부가 동시에 발생하므로, 저온부의 흡열을 이용하는 냉방기를 목 적으로 응용한다 해도 고온부의 방열을 동시에 고려 하지 않으면 안 된다. 참고로 Attey

¹⁾

으며, Kang 등

²⁾

³⁾

⁴⁾

^1-8)

1-8)

^9,10)

그러나 지금까지 난류모델을 이용한 전산유체역학 (computational fluid dynamics, CFD)으로 해석한 결 과는 찾아보기 어렵다.

따라서 본 연구에서는 주어진 캐빈냉방기의 설계 내역(specification)에 대한 특징 등을 파악하기 위해 실제 캐빈냉방기의 크기를 정상상태, 3차원유동으로 표준 k-ε난류모델을 사용하여 열전달 및 유동분포 특성들을 해석하고자 한다. 여기서 본 연구에 사용한 열유체 상용소프트웨어는 유한체적법(finite volume method)에 기초한 SC/Tetra(ver. 8)

¹¹⁾

한편, 본 연구에서 검토한 캐빈냉방기는 모 중소업 체에서 하나의 본(prototype)으로 개발한 것으로서, Fig. 1과 같이 열전모듈의 고온부는 물재킷(water jacket)으로 방열을 추구하고, 저온부는 휜(fin)이 달 린 열흡수장치(heat sink)를 부착하여 공기로 열교환 하는 방식이다.

2. 수치해석

2.1 해석모델

Fig. 1은 상용차용 캐빈냉방기의 기하학적 상세치 수를 나타내고 있다. 참고로 본 캐빈냉방기의 외곽크 기는 폭, 깊이, 높이가 각각 637.5 mm, 240 mm, 193.6 mm이다. 또 SC/Tetra에서는 실제 홴의 유량대 정 압성능곡선을 가지고 가상홴(virtual fan)을 동작시킬 수 있는 기능이 있으므로, 일단 공기측 열전달해석에 필요한 관류홴(cross-flow fan)은 설계내역이 확정되 지 않아 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 생략하였다.

Fig. 2는 본 연구에서 해석한 전체모델의 격자 (mesh) 형상을 나타내고 있다. 본 해석모델은 상용 소프트웨어인 CATIA(V5R18)로 3차원형상의 모델을 만들어 "stl" 파일을 출력한 후, 이것을 전처리 소프

트웨어인 SC/Tetra-pre(ver. 8)를 이용하여 경계조건 을 부여한 다음 모델파일을 만들어 격자크기를 제어 할 수 있는 "Octree"기능으로 격자파일을 만들었다.

Fig. 1 Geometry configuration of a cabin cooler

(a) View in the X-Z plane

(b) View in the Y-Z plane

Fig. 2 Mesh configuration of a cabin cooler 본 연구에서 기본 격자는 4면체와 피라미드를 조 합한 비정형격자(unstructured mesh)기법으로 만들 어졌으며, 두께 0.8 mm인 휜(fin)까지도 해석 가능한

Materials Temp.

(℃)

Density (

^

Thermal expansion

coefficient ( ) Viscosity

( ∙  ) Specific heat

{ ∙  } Thermal conductivity { ∙  }

Air 40 1.127 0.0032 1.9125×10

^-5

Water 30 995.7 - 0.0008007 4178.3 0.6155

Polyethylene 27 950 - - 2100 0.41

Aluminum 27 2688.7 - - 898.7 236.72

Semi-conductor

(ZnTe) 27 6340 - - 258 18

Table 3 Material properties used in this study 격자를 만들기 위해 Fig. 2와 같이 약 2446만개의 요 소(element)들을 생성하였다. 이때, 해의 수렴성을 높 이기 위해 유체와 접하는 경계면에는 각각 프리즘층 (prism layer)을 삽입하였다.

Table 1 Boundary condition of operating fluids Item Specification Virtual fan DF60429(cross-flow fan) Air inlet grille 

_

Air outlet duct 

_

Water inlet pipe 0.3319 , t=30℃ Water outlet pipe 

_

Table 2 Wall boundary condition of a cabin cooler Surface Item Wall boundary condition

Shear stress Heat transfer Cooler case No-slip Adiabatic

Louver No-slip Adiabatic Heat sink No-slip No thermal

resistance Water jacket No-slip No thermal

resistance Thermoelectric

module(hot) Free-slip 55℃

Thermoelectric

module(cold) Free-slip 12℃

Water pipe Free-slip Adiabatic

2.2 수치기법

본 연구에서 적용한 경계조건은 Table 1과 같이 공기 입출구에 모두 정압(



¹²⁾

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

0 4 8 12 16 20

Ps (Pa)

Q (m

/s)

System resistance Static pressure(1400rpm)

Fig. 3 Performance curve of a DF60429 fan

Fig. 4 Cycle histories of each residual value

홴(DF60429)에 대한 성능곡선을 이용하였다. 한편, 냉각수가 순환하는 원관의 입구측에는 30℃인 물의 유량 20 min에 해당하는 질량유량( ) 조건을 적 용하였으며, 관 출구측은 대기압을 설정하였다. 캐빈 냉방기를 구성하는 그 밖의 벽(wall) 경계조건들은 Table 2와 같다. 여기서 점성 벽 경계처리는 대수법 칙(log-law)을 이용한 벽함수로 하였으며, 벽에 대한 열전달조건은 대수온도법칙을 사용하는 부드러운 벽 조건으로 설정하였다. 특히 열전모듈의 고온부와 저

Table 4 Average velocity of air-passage parts Item Area

(

^

Flowrate (

^

Average velocity () Inlet grille 24058.9 0.0253733 1.05463

Heat sink

area 19179.0 0.0253733 1.32297 Outlet duct 21500.0 0.0253733 1.18015

(a) Vector plot

(b) Velocity plot

Fig. 5 Vector and velocity profiles

온부는 각각 55℃, 12℃로 설정하였다. 이것은 열전 모듈을 정격상태에서 동작 시 얻을 수 있는 값들이 다. 한편, 해의 제어를 위해 운동량 및 에너지방정식 그리고 k-ε방정식들의 대류항들은 모두 2차 풍상기

법(upwind scheme)으로 이산화 하였으며, 확산항들 은 초기조건인 Accuracy weighted 기법을 적용하였 다

¹¹⁾

^{ }

한편, 본 연구에서 사용된 각종 물성치들은 모두 Table 3에 요약하였다. 여기서 캐빈냉방기 케이스 및 루버(louver) 재질은 폴리에틸렌으로, 열흡수장치와 물재킷의 금속은 알루미늄으로, 그리고 반도체소자인 열전모듈의 소재는 아연-텔루라이드 화합물(Zinc- telluride, ZnTe)로 각각 설정하였다. 특히 공기측에 는 온도에 의한 부력의 영향을 고려하였으며, 수직인 Z방향에도 중력의 영향을 고려하였다.

(a) In the Y-Z plane(X=0 m)

(b) In the X-Y plane(Z=0.0511 m) Fig. 6 Velocity profiles

3. 계산결과 및 고찰

3.1 속도 및 벡터분포

Fig. 5는 캐빈냉방기의 X-Z평면 내에서 중앙부 단 면에 해당하는 Y=0인 위치에서 해석한 속도 및 벡터 분포를 각각 나타낸 그림이다. 여기서 캐빈냉방기의 공기측 시스템저항을 결정하는 공기가 관통하는 입 구부그릴, 열흡수장치의 휜들 사이 통로 및 출구부 덕트의 면적들은 Table 4에 나타내었다. 특히 본 연 구에서는 표준 k-ε 난류모델로 해석한 결과 가상홴

으로부터 유량()이 Table 4와 같이 얻어지므로, Fig. 3과 같이 캐빈냉방기의 시스템저항을 나타낼 수 있다. 따라서 본 캐빈냉방기의 운전점은 시스템저항 이 약 

_

Fig. 5에서 캐빈냉방기로 유입하는 공기는 열흡수 장치에 가까운 그릴부를 통해서 주로 이루어지며, 열 흡수장치 내에서는 좁은 틈새들로 인해 비교적 넓은 범위에 걸쳐서 균일속도를 나타내며, Table 4에 나타 낸 평균속도(1.32297 m/s)보다 다소 큰 값을 보이고 있다. 또 토출되는 공기는 가상홴이 위치한 좁은 공 간에서 가장 큰 속도분포를 형성하고, 또 국부적으로 속도분포 차이를 보이고 있어, 속도분포가 비교적 균 일하게 공기를 내보내기 위해서는 가상홴의 공간크 기 및 토출구 덕트의 형상 등을 부드러운 곡률을 이 용하여 지금보다 더 잘 설계해야 함을 알 수 있다.

이것은 실제 홴을 적용할 때에도 같은 개념을 적용 해야 한다.

(a) In the X-Z plane(Y=0 m)

(b) In the X-Y plane(Z=0.12 m) Fig. 7 Temperature profiles

(a) In the X-Z plane(Y=0 m)

(b) In the X-Y plane(Z=0.12 m)

Fig. 8 Temperature profiles(   

^

(a) In the Y-Z plane(X=0 m)

(b) In the X-Y plane(Z=0.0511 m) Fig. 9 Temperature profiles

Fig. 6(a)는 캐빈냉방기의 X-Y평면 내에서 물재 킷을 2등분하는 X=0 m인 Y-Z평면 내의 위치에서 해석한 속도분포이며, Fig. 6(b)는 Y-Z평면 내에 있 는 Fig. 6(a)의 상부측 물재킷 높이를 2등분하는 Z=

0.0511 m인 X-Y평면 내의 위치에서 해석한 속도분

포이다. Fig. 6(a)로부터 좌측의 관을 통해 냉각수는 2개의 관로로 나누어져 각각의 물재킷으로 유입되며, 배플(baffle)을 거쳐 우측의 관을 통해 빠져나간다.

이때, 첫 번째 배플을 맞이하는 물재킷 공간에서는 배플의 막힘으로 인해 저항이 증가하여 유속이 관내 부를 제외하고는 가장 크게 분포되나 이후 공간부터 는 열려져 있는 배플 통로를 통해 냉각수가 흐르는 모습을 뚜렷이 볼 수 있다. 다만, 배플 후류영역에 해당하는 주 흐름 주변에는 재순환유동을 나타내는 정체구역도 잘 나타나 있다.

3.2 온도분포

Fig. 7(a)는 캐빈냉방기의 X-Z평면 내의 Y=0 m인 위치에서 해석한 온도분포이다. 열흡수장치를 통과하 는 40℃인 고온공기는 저온측 열전모듈의 휜 사이 공간을 지나면서 점차 냉각되어 Z=0.12 m인 출구면 에서는 Fig. 7(b)로부터 알 수 있듯이 평균적으로 약 14℃까지 냉각되므로, 본 캐빈냉방기의 냉방성능은 온도차로 약 26℃가 됨을 알 수 있다. 특히, 고온공 기가 열흡수장치를 통과하면서 휜 사이 공간에서의 온도분포는 비교적 초기에는 편평하게 나타나나 고 온공기가 열흡수장치를 거쳐 나가면서 점차 포물선 형상으로 변함을 알 수 있다. 한편, 풍량이 약 2.73배 증가할 경우에는 열흡수장치를 통과하는 고온공기의 속도가 약 2.73배 더 빨라져 열을 덜 방출하게 되므 로, Fig. 8로부터 알 수 있듯이 본 캐빈냉방기는 약 21℃의 냉각공기를 얻게 된다.

Fig. 9는 30℃인 냉각수가 물재킷을 통과하면서 5 5℃인 열전모듈의 고온부를 냉각시킨 온도분포를 나 타내고 있다. 물재킷 내부의 온도분포는 배플통로를 지나는 주 흐름유동에서는 비교적 낮은 온도가 분포 되며, 배플 후류영역에 해당하는 재순환유동을 나타 내는 정체구역에서는 다소 높은 온도분포를 보이고 있다. 전체적으로 30℃ 냉각수가 열전모듈로부터 얻 는 온도차는 약 3.5℃가 됨을 알 수 있다.

4. 결 론

상용차용 캐빈냉방기의 유동장 특성을 표준 k-ε 난류모델을 적용하여 해석한 결과, 다음과 같은 결론 을 얻었다.

(1) 본 캐빈냉방기의 공기측 시스템저항(



유량역에서 얻어진다.

(2) 제시된 가상 관류홴에서 공기가 열전모듈로부 터 얻는 온도차는 약 26℃가 되며, 풍량이 약 2.73배 증가하면, 냉각성능은 온도차로 19℃가 얻어진다.

(3) 냉각수가 열전모듈로부터 얻는 온도차는 약 3.5℃가 된다.

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