강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템에 관한 연구 논문자료

 

강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템에 관한 연구
A Study on Air-Conditioning System 
for Excavator using Forced Exhaust

굴삭기는 다양한 건설 환경에서 사용됩니다. 낙석이나 유해한 먼지 등 다양한 위험이 있습니다. 굴삭기 캐빈은 이러한 유해한 환경으로부터 운전자를 보호할 뿐만 아니라 편안한 작업 환경을 제공합니다. 그건 그렇고, 굴삭기 캐빈은 캐빈 에어컨에 많은 에너지를 소비합니다. 따라서 에너지 소비를 줄이기 위한 연구가 요구된다. 본 연구에서는 강제배기를 이용한 굴삭기의 공조시스템을 제안한다. 먼저 AMESim 툴을 이용하여 강제 배기 시스템을 시뮬레이션하고 적용 가능성을 조사하였다. AMESim 시뮬레이션을 이용하여 흡기유량과 흡기온도에 따른 객실 내부 온도의 영향을 조사하였다. 1.5톤 굴삭기를 이용하여 실험을 진행하였고 흡입유량에 따라 현장시험을 진행하였다. 마지막으로 강제배기를 이용한 굴삭기 공조시스템에 대한 적용성을 검증하였습니다.

[연구 주제]

1. 문제 정의

본 연구에서는 굴삭기 캐빈의 상부 공기를 강제배기 시키고 상대적으로 태양복사에너지를 적게 받는 굴삭기 캐빈의 하부 공기를 자연흡기하는 방식의 시스템을 제안하였다.

본 논문에서는 굴삭기에 강제배기를 이용하여 캐빈 내부의 공기를 배출시키고 이로 인하여 외기가 자연 유입되어 실내온도 조절이 가능한 시스템을 제안하였다.

강제배기 시스템의 적용 가능성을 검증하기 위하여 개방형 캐빈을 자체적으로 밀폐형으로 변경하여 시스템을 구성, 실험하였다.

강제배기를 이용한 굴삭기 캐빈의 공기조화 시스템에 대한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

시스템에 가장 영향을 미치는 인자 중 흡기온도와 배기유량에 따른 캐빈 내부온도에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.

실내실험은 일정한 온도 조건에서 강제배기 시스템의 효율성을 검토하기 위하여 실험하였다.

2. 가설 설정

굴삭기 캐빈의 공기는 비압축성유체이며 물성치는 일정한 것으로 가정한다.

[연구 방법]

1. 제안 방법

AMESim을 이용하여 강제배기를 이용한 공기조화 시스템의 모델을 개발하였으며 흡입공기온도와 배기유량에 따른 캐빈 내부 온도변화를 확인하였다.

강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템의 실험은 실내실험과 실외실험으로 실내실험은 일정한 온도조건을 유지한 공간에서 캐빈 내부를 가열하여 강제배기를 적용했을 때와 적용하지 않았을 때의 온도변화를 측정하였다.

강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템의 적용가능성과 흡기 온도 및 배기 유량에 따른 시스템의 성능을 예측하고 그 경향을 파악하기 위하여 LMS imagine사의 공학 상용 시뮬레이션 툴인 AMESim을 기반으로 1-D 시뮬레이션을 실시하였다.

따라서 강제배기 유량을 0.038kg/s 로 증가시켜 실험을 수행하였다.

또한 강제배기 유량을 변경하고 태양열을 받는 면적을 변경하여 실험을 하였다.

강제배기를 이용한 굴삭기 캐빈의 공기조화 시스템에 대한 1-D 시뮬레이션으로 배기 유량에 따른 시스템의 거동을 예측하고 실차 실험을 통하여 이를 검증하였다.

배기유량에 따른 캐빈 내부 온도는 캐빈 내부 초기 온도를 52℃로 설정하고 배기 유량을 각 각 0.01kg/s, 0.02kg/s, 0.03kg/s, 0.04kg/s, 0.05kg/s로 설정하여 캐빈 내부의 온도변화를 시뮬레이션 하였다.

본 연구에서는 1KΩ 의 저항을 연결하여 단자대 회로를 구성하였다.

실외 실험은 실제 실험장치인 1.5톤 굴삭기를 태양열을 직접 받게 하고 강제배기를 시켜 실험을 하였다.

실외실험은 실제 태양복사에너지를 이용하여 캐빈을 가열하고 강제배기를 통하여 내부 온도를 감소시키는 시스템의 적용가능성을 검증하도록 하였다.

실험은 20℃로 일정한 온도 환경에서 캐빈 내부를 가열한 후 강제배기를 적용한 경우와 강제배기를 적용하지 않은 경우를 비교 실험하였다.

온도 측정 지점은  캐빈의 상부 9 지점, 중간부 9지점, 하단부 6 지점으로 총 24 지점을 측정할 수 있도록 하였고 외기가 흡입되는 흡입구 2 지점의 온도도 측정할 수 있도록 하였다.

캐빈 내부 초기 온도는 52℃로 설정하여 시간에 따른 온도 변화를 1회/1s 주기로 데이터를 측정하였다.

캐빈 내부의 온도측정은 온도가 증가함에 따라 저항이 낮아지는 부특성 서미스터를 이용하여 온도를 측정하였다.

흡기온도에 따른 캐빈의 온도 변화는 캐빈 내부의 초기 온도를 52℃로 설정하고 흡기 온도를 각각 1 5℃, 18℃, 20℃, 22℃, 25℃로 설정하여 캐빈 내부의 온도변화를 시뮬레이션 하였다.

2. 대상 데이터

강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템의 실험 장치는 1.5톤 굴삭기를 이용하였고 본 연구에 사용된 1.5톤 굴삭기는 D 사의 굴삭기로 밀폐되지 않은 개방형 캐빈이 장착되어 있다.

시스템은 굴삭기 캐빈의 상부에 블로어를 장착하여 내부 공기를 강제배기 시키는 배기구와 비교적 온도가 낮은 굴삭기 캐빈 하부의 공기가 이동할 수 있는 흡입구로 구성된다.

측정 장비는 National instrument 사의 NI USB DAQ 6212 1개와 NI USB DAQ 6008 2개를 사용하였다.

3. 이론/모형

강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템의 시뮬레이션 모델은 AMESim에서 제공하는 자동차 캐빈 라이브러리를 사용하였다.

[연구 결과]

1. 성능/효과

강제배기를 이용한 굴삭기 캐빈 공기조화 시스템의 원리와 기초이론을 정립하였다.

AMESim 시뮬레이션을 통하여 흡입공기 온도가 낮고 배기유량이 많을수록 캐빈 내부 온도가 급격히 낮아지는 것을 확인하였다.

실내실험을 통하여 자연대류를 이용한 캐빈 온도변화와 강제대류를 이용한 캐빈 온도변화를 비교하였으며 52℃에서 30℃까지 낮아지는 시간은 강제대류가 약 250s 빨리 낮아지는 것을 확인하였다.

실외실험을 통하여 실제 일사량이 적용된 동안 캐빈의 내부온도를 측정하였으며 배기유량을 변경하고 태양열을 받는 면적을 변경하여 강제배기 시스템의 적용 가능성을 검증하였다.

또한 실제 한 여름이 아닌 경우 실외 온도는 18℃~20℃ 정도가 되며 시뮬레이션 결과 캐빈 내부의 온도가 52℃에서 25℃ 까지 떨어지는 것으로 나타났다.

배기 유량에 따른 캐빈 내부 온도는 유량이 많을수록 온도가 급격히 떨어지는 것으로 나타났다.

시간에 따라 굴삭기 캐빈의 온도 변화는 크지 않았으며 일사량에 따라 오히려 온도가 증가하는 것을 확인하였다.

실내실험은 자연대류 상태의 시스템보다 강제대류를 적용한 시스템이 온도가 더 급격히 떨어지는 것을 확인하였다.

초기 설정 온도(52℃)에서 30℃까지 감소하는 시간은 자연대류 상태는 690s 강제대류 상태는 390s로 강제대류를 적용 했을 경우 약 300s 정도 빠른 것을 확인하였다.

태양열을 받는 면적을 축소하여 강제배기를 시킨 결과 캐빈 내부의 온도가 약 14.3% 감소되는 것을 확인하였다.

흡기온도에 따른 캐빈의 내부온도 변화는 온도가 낮을수록 캐빈 내부의 온도가 더 많이 떨어지는 것으로 나타났다.

2. 후속 연구

향후 각 굴삭기 캐빈의 형태나 부피에 따른 시스템의 최적화를 위한 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.

▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201326940561643

[논문]강제배기를 이용한 굴삭기 공기조화 시스템에 관한 연구