서랍식 김치냉장고의 최적 유로 설계를 위한 유동특성에 관한 연구 A study on flow characteristic of a stand type Kimchi
refrigerator for optimum design of air flow passage
한호윤․정호윤․박영규․최윤환․이연원
H. R. Han, H. Y. Jung, Y. K. Park, Y. H. Choi and Y. W. Lee
(접수일：2010년 10월 08일, 수정일 : 2011년 05월 27일, 채택확정：2011년 06월 13일)
Key Words：Kimchi Refrigerator(김치냉장고), Force Convection(강제대류), Evaporator(증발기), Cooling recycling system(냉기순환시스템), Pipe(파이프)
Abstract：The normal cooling system of a refrigerator is applied to indirect a cooling methods. But the Kimchi refrigerator is applied to direct the cooling method. Recently when the model was applied to both direct and indirect the cooling methods, the improvement was considerable. With the development of the living standards in Korea, there has been more sensitive dissatisfaction about the taste and the smell of Kimchi. In order to solve these kinds, there is a need to systematic and scientific approach. Based on these, the purpose of this study is to optimize design for improve the storage period of Kimchi refrigerator. In this research, we concentrate on the temperature change and heat transfer characteristics of interior parts of the Kimchi refrigerator due to control cycle of temperature and flow phenomenon of cooling air.
이연원(교신저자) : 부경대학교 기계자동차공학과 E-mail : [email protected], Tel : 051-629-6162 한호윤, 정호윤, 박영규 : 부경대학교 대학원 최윤환 : 부경대학교 BK21 사업단
1. 서 론
김치는 한국 고유의 발효식품으로서 무, 배추, 오 이 등을 절인 후 양념을 버무려 젖산 생성에 의해 저 온에서 발효된 식품1)이며 한국인의 밥상에 빠져서는 안 되는 음식이다. 김치에는 각종 천연물질과 젖산균 등의 유기산이 존재하여 주위온도와 염도로 김치의 산도와 pH의 변화에 영향을 주어 김치의 맛에 큰 영 향을 주게 된다.2) 주거양식의 추세가 단독주택보다는 아파트 등의 다세대 형태로 변함에 따라 동절기 땅 속에 독을 묻어 김치를 장기간 보관하는 재래의 방 식은 적용할 수 없게 되었다. 따라서 현대 도시인에 게 적합한 김치보관용 냉장고를 개발하게 되었으며 이런 김치냉장고3,4)는 냉장보관기능만을 가진 기존 냉장고와는 달리 김치를 맛있게 숙성시키고 그 맛을 장기간 유지시킬 수 있는 제품으로 개발된 새로운 가전기기이다.
현재에는 가정의 필수품으로 인식 할 정로로 보급 된 김치냉장고는 1995년에 첫 선을 보인 이후 시장에 서의 수요가 꾸준히 증가하고 있으며 최근에는 직접 냉각방식과 간접 냉각방식을 동시에 적용한 모델들도 선보이고 있고, 소비자의 요구에 따라서 점차 김치만 보관할 수 있을 뿐만 아니라 야채, 과일 등을 보관할 수 있도록 다기능화 및 대용량으로 개발해 왔다.5) 하 지만 소비자 생활수준의 상승과 동시에 소비자들이 김치의 보관시간 및 맛 등에 대한 감성적인 불만이 나오고 있는 실정에 맞추어 김치의 맛과 향 그리고 익힘 정도 등의 감성적인 부분에 대해 체계적이고 과 학적인 접근을 시도하려고 노력하고 있다.
따라서 본 연구에서는 새로운 접근 방법의 일환으 로 김치냉장고 중에서 선호도가 높은 서랍식(stand type)에 대한 해석을 수행하고자 한다. 서랍식 김치 냉장고는 뚜껑식(chest type)과는 달리 냉기를 전달 하는 방식이 순환 팬을 이용한 강제 순환 방식이다.
따라서 냉장고 내부 유로에 따라 냉기의 순환이 달 라지기 때문에 최적한 유로설계가 매우 중요한 사안 이다. 그러므로 본 연구에서는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법을 이용하여 냉장고 내부 유동 장을 해석하여 온도장을 예측하고자 한다. 그리고 계
산된 유동장은 유로 설계를 위한 기초 데이터로 적 용될 것이다.
2. 수치 해석
2.1 해석 모델 및 격자생성
본 연구에서는 계산영역을 서랍식 김치냉장고 상 단부를 해석영역으로 정하였다. 해석영역은 Fig. 1과 같은 형상이며 김치냉장고 상부는 좌우 대칭인 내부 구조를 가지고 있다. 냉기가 유입되는 입구는 위쪽과 아래쪽 각각 두 개, 좌우 각각 세 개가 있어 총 10개 가 있고 냉기가 유출되는 출구는 1개로 구성되었다.
그리고 냉장고의 크기나 구조에 따라 다소 다르게 구성될 수 있으나 본 연구에서는 김치상자가 총 6개 로 이루어져 있는 경우에 대한 해석을 수행하였다.
김치냉장고의 구성은 상단, 중단, 하단으로 나눌 수 있으며 각 칸에 김치상자 두 개가 들어 있다. 하 단과 중단 사이에는 서랍이 장착하여 있고 냉기흡입 구는 김치상자 하단 뒤쪽부위에 설치되어있으며 이 는 증발기와 연결이 되어 있어 흡입구로 통해 들어 오는 공기를 증발기를 거쳐 냉각 시킨 후에 증발기 위쪽부분에 장착한 시로코 팬으로 인해 각 토출구로 차가운 공기를 보내는 형태이다. 또 상단과 중단 앞 면에 패널이 장착되어 있어 김치냉장고문을 개폐 (on/off)시 냉기가 바로 빠져나오지 못하게 하는 구 조로 설계되어 있다.
해석에 사용되어진 격자계의 형성은 격자생성 전 용 프로그램인 ICEM-CFD(version 11.0)을 사용하여 생성을 하였으며 생성된 격자의 형태는 Fig. 2와 같 다. 형상이 비교적 단순한 유로와 김치상자는 육면체 격자를 사용하였으며 복잡한 유로와 팬 영역은 사면 체 격자와 프리즘 격자를 이용하였다.
2.2 경계조건
서랍식 김치냉장고 내부 유동장을 해석하기 위하 여 사용된 조건은 Table 1과 같다.
수치해석을 위해 냉장실 내부의 유체는 비압축성 이라고 가정을 하고 고체영역인 김치상자의 재료는 폴리스티렌, 그리고 김치상자의 내용물 즉 김치는 물 과 같은 물성치(열전도계수, 열용량 등)를 가지지만 고체형태인 물질로 가정을 하여 계산을 하였다. 수치 해석은 정상상태로 하였고 팬 주위의 유동장 해석을 위해서 MFR (Multiple Frames of Reference) 기법 을 사용하여 팬이 회전하는 효과를 주었다. 경계조건
을 입력 시 사용하는 증발기의 표면온도 값은 실험 을 통해 측정된 값을 입력하였고 계산에 사용된 난 류모델을 표준 k-ɛ 모델을 사용하였다.
Table 1 Analysis conditions
Part Specification Turbulence model k-ɛ
Time dependence steady state Working fluid Air (Ideal Gas) Box material Polystyrene Phase of Kimchi Solid type Circulation Fan RPM 1200
Computing time P4 2.4GHz 8CPU 6hour - 12hour
Fig. 1 The analysis domain of the inner space in a Stand type kimchi refrigerator
kimchi kimchi box
sirrocco fan evaporator
Fig. 2 The mesh system in a Stand type kimchi refrigerator
3. 결과 및 고찰
3.1 김치냉장고 표준시료 해석결과
본 수치해석에서는 Fig. 3과 같이 실험에 의해 얻 어진 증발기 각 위치에 대하여 시간에 대하여 변화 하는 온도를 평균하여 수치해석 시 증발기 표면온도 로 사용하여 서랍식 김치냉장고 상단에 대한 정상상 태 온도장 해석을 수행하였다.
Fig. 4는 서랍식 김치냉장고 상단에서 냉기의 유동 경로를 나타내는 유선(streamline)이다. Fig. 4의 좌 측 유선을 보면 냉기가 토출구 쪽으로 유입하는 곳 에서 냉기의 재순환영역이 발생하는 것을 확인할 수 있가. Fig. 4 우측 그림에서 유선을 살펴보면 상단과 중단 사이, 시로코 팬 위쪽 영역에서 유체의 정체영 역이 생긴 것을 확인할 수 있고 김치상자 중단 아래 부분에 위치한 서랍안쪽에서는 냉기의 유동이 원활 하지 못한 것을 확인할 수 있다.
Fig. 5는 서랍식 김치냉장고 상단 6개의 김치상자 내부단면에 대한 온도분포를 나타내었다. 그림에서 6 개 김치상자의 온도분포를 비교해 보면 좌측에 위하 는 3개의 김치상자의 온도가 우측에 있는 김치상자 보다 상대적으로 낮게 나타난 것을 알 수 있다. 그 리고 좌우 김치상자의 최대 온도차는 약 0.5℃ 차
(a) measuring point on a part of evaporator
(b) measuring result on a part of evaporator Fig. 3 The measurement on each points of evaporator
Fig. 4 The streamline in kimchi refrigerator
이가 있었고 김치냉장고 내부 최대 온도편차는 약 1.5℃이다. 이런 온도편차가 생기게 된 원인을 확인 한 결과 좌우 냉기 유입되는 입구에서 나오는 냉기 의 유량차이에 의한 것을 알 수 있다.
Fig. 6은 서랍식 김치냉장고 상단에서의 좌우 대칭 인 냉기 유입되는 입구에서의 유량을 비교한 것이다.
여기서 총 질량유량을 100%로 하여 각 입구마다 차 지한 질량유량을 퍼센트(%)로 나타내었다. 우측에 있는 1, 3, 5, 7, 9번 유입구의 체적유량과 좌측에 있 는 2, 4, 6, 8, 10번 유입구의 체적유량을 비교했을 때 우측 유입구를 기준으로 하여 우측유입구의 유량이 많으면 화살표방향이 위쪽을 향할 것이고 적으면 아 래쪽으로 향하게 된다. 그리고 화살표 옆의 %는 좌 우 유입구의 유량차를 의미한다.
Fig. 5 Temperature distribution of the center in kimchi box
Fig. 6을 보면 우측의 유입유량은 좌측 1, 3, 7번유 입구의 유량보다 각각 1.28%, 1.32%, 0.22% 적었고 5, 9번 유입구 6, 10번 유입구보다 0.98%, 2.12% 많 게 나타낸 것을 알 수 있다. 이런 좌우측 유입유량의 불균형으로 인하여 김치냉장고 내부에 Fig. 5에 나타
난 바와 같이 온도편차가 생기는 것이다. 좌우유량차 이가 생기게 된 원인은 본 연구의 연구대상인 서랍 식 김치냉장고의 냉각방식은 팬을 이용한 강제대류 냉각방식이 사용되었고 사용된 팬은 시로코 팬이다.
시로코 팬에서6～8) 유체의 흐름은 유체가 팬의 축 방 향으로 들어가서 접선 방향으로 빠져나가는 특성을 갖고 있으므로 토출되는 냉기의 방향이 각 유입구와 서로 다른 각도를 가지게 되고 따라서 2, 4, 5, 9번 유입구처럼 거의 수평방향으로 흘러가는 것도 있는 반면에 1, 3, 6, 10번 유입구처럼 수직 방향으로 흘러 나가는 경우도 있으므로 좌우유입구의 유량차이가 발생한다.
Fig. 7은 김치냉장고 내부 하단 김치상자 아래쪽에 위치한 받침대 주변에서의 속도장을 나타낸 그림이 다. 그림에서 보면 받침대 양쪽에서 비교적 큰 유체 의 순환 발생한 것을 확인할 수 있다. 순환영역의 발 생은 유동의 정체를 가져오므로 전체적인 냉기의 흐 름에 방해를 주는 요소라 할 수 있다.
Fig. 6 Comparison of mass flow of inlet in kimchi refrigerator
Fig. 7 The velocity vector for the lower of support in kimchi refrigerator
3.2 개선방안
김치냉장고의 좌우 유입구의 유량차이를 줄이기
위해 유로 개선 방안을 검토한 결과 시로코 팬 주변 에 설치된 8개의 지지용 파이프가 각 유입구의 유량 에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 따라서 개선 방안으로서 파이프의 개수를 4개, 6개, 8개, 12개로 변경하고 또한 각각의 파이프의 각도를 변경하여서 8개의 케이스에 대한 계산을 수행하였으며 Fig. 8에 결과를 도시하였다. Fig. 8의 파이프 4-1에서 4-1이 의미하는 것은 4는 파이프개수가 4개라는 것을 의미 하고 -1은 파이프가 4개인 경우의 1번째 모델을 표 시한다. 그리고 그림 옆에 있는 %와 화살표는 Fig. 6 과 같이 유량의 차이와 우측 유입구를 기준으로 해 서 우측유량이 많으면 화살표방향이 위쪽을 향하고 적으면 아래 쪽을 향하게 된다.(유입구순번은 Fig. 6 에 나타난 것과 같다.)
파이프 4-1과 4-2를 파이프 8-1 (Original)과 비교 했을 때 전체적인 유량차이가 줄어든 것을 확인할 수 있다.(Fig. 9 a) 그리고 파이프 4-1의 7,8번의 유 량차이가 표준시료(Original)의 유량차이보다 높은 값을 나타냈다.
파이프 8-2와 파이프 12를 파이프 8-1 (Original) 과 비교했을 때에도 전체적인 유량 차이가 줄어든 것을 확인할 수 있었고 특히 파이프 12의 경우 가장 낮은 유량차이를 나타냈지만 유로의 입장에서 파이 프는 저항이 되기 때문에 파이프개수의 증가함에 따 라 유체유동 속도에 영향을 줄 것이며 또한 제조단 가가 파이프 개수의 증가함에 따라 높아질 것으로 예상된다. 그리고 파이프 8-2의 경우 9, 10번의 경우 표준시료(Original)보다 높은 유량차이를 나타내었 다.(Fig. 9 b)
파이프 6-1, 파이프 6-2, 파이프 6-3을 파이프 8-1 (Original)과 비교했을 때 각각 좌우 유입구의 유량 차이가 표준시료(Original)보다 낮은 수치 값을 나타 났다. 파이프 6-1, 6-2, 6-3을 비교하였을 때 파이프 6-2 모델이 최적의 모델이라 판단된다. 그 이유는 이 세가지 모델을 비교해 봤을 때 6-2모델이 각 유입구 의 유량차이가 상대적으로 적은 값을 나타내었기 때 문이다. 9, 10번 유입구의 유량차이가 상대적으로 높 은 1.94%를 갖고 있지만 9, 10번 유입구에서 나온 냉 기는 김치냉장고 내부에 설치한 서랍의 안쪽을 냉각 시키기 위해 설치해 놓은 유입구이기 때문에 여기서 나온 냉기는 서랍내부에서만 순환하여 출구로 빠져 나가기 때문에 김치냉장고 내부의 전체 온도분포에 영향을 주지 않기 때문이다.
a. Pipe 4-1 b. Pipe 4-2
c. Pipe 8-1 (Original) d. Pipe 12
g. Pipe 8-2 h. Pipe 6-3
e. Pipe 6-1 f. Pipe 6-2
Fig. 8 Comparison of mass flow of inlet with the difference of the pipe position and quantities
Fig. 10은 김치냉장고 하단 받침대의 양쪽 형상을 변경하여 수치 해석한 결과를 나타낸 것이다. 여기서 는 받침대 양쪽 돌출부를 연장하여 뒤쪽에 있는 토 출구까지 유로를 연장하여 계산을 수행해 보았다. 그 결과 표준시료에서의 받침대 하단부 양측에 생겼던 순환영역이 많이 감소한 것을 확인할 수 있다. 따라 서 하단부의 유로는 Fig. 10의 b와 같이 수정하는 것
이 바람직하다.
a. Comparison of mass flow in Pipe 8-1 (Original), Pipe 4-1, Pipe 4-2
b. Comparison of mass flow in Pipe 8-1 (Original), Pipe 8, Pipe 12
c. Comparison of mass flow in Pipe 8-1 (Original), Pipe 6-1, Pipe 6-2, Pipe 6-3
Fig. 9 Comparison of mass flow in a graph
수치해석 시 격자의 의존성을 검토하기 위해서는 기존 120만개의 Node를 170만개 Node로 늘려서 격 자 의존성을 검토해 보았다. Fig. 11은 격자점의 수 가 120만 그리고 170만개인 경우의 각 냉기가 유입 되는 입구의 냉기 유량을 비교한 것이다. Fig.11을 보면 두 계산이 거의 동일한 결과를 얻었음을 알 수 있다.
a. before change b. after change
Fig. 10 Comparison of the velocity vector for the lower of support between before change and after change, separately, in Kimchi refrigerator
Fig. 11 Grid dependency
4. 결 론
본 연구에서 김치냉장고 내부 시로코 팬 주위 구 조에 의한 김치냉장고 내부의 냉기 출구의 유량차이, 냉기유동특성 및 온도분포를 파악할 수 있었고 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 수치해석 결과 김치냉장고 내부에서 좌측의 온도 가 우측보다 상대적으로 낮은 온도를 나타났고 좌 우 벽면에서의 온도편차는 약 0.5∼1℃, 상하 벽면 에서의 온도편차는 약 1∼2℃인 것을 확인하였다.
2. 시로코 팬의 특성으로 인하여 냉기는 팬의 축 방 향으로 들어가서 팬의 접선방향으로 나오게 되여 김치냉장고의 작은 공간에서 유체가 좌우 비대칭 인 형상으로 시로코 팬에서 불어 나오게 되었다.
이로 인하여 좌우 대칭면에 위치한 유입구의 유량 차이가 생기게 되었으며 좌측 유입구의 유량이 우 측 유입구의 유량보다 많게 나오게 된 것을 확인 하였다.
3. 시로코 팬 주변의 6개의 원기둥파이프와 15도 회 전한 정육각형 배치가 가장 균일한 유동을 형성한 다.
참고 문헌
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