HVAC 덕트 내에 설치된 광촉매코팅 모듈의 형상이 압력강하에 미치는 영향 논문자료

HVAC 덕트 내에 설치된 광촉매코팅 모듈의 형상이 압력강하에 미치는 영향
A Numerical Analysis of the Pressure Drop according to the Shape 
of TiO2 Photocatalyst-coated Module in a HVAC Duct

본 연구는 실내 환경오염물질 제거성능 향상을 목적으로 공조기 덕트 내에 착탈 가능한 광촉매코팅 모듈의 형상을 개발하는 것이다. 본 연구에서는 광촉매코팅 모듈로 적용 가능한 사각, 원, 마름모등 기둥형 세 가지와 마름모, 사각 등 휜부착형 두 가지 등 총 다섯 가지 형상의 모델을 개발하였다. 속도변화에 대한 수치해석결과, 대부분 모듈 전후 0.3m 범위 이내에서 속도변화가 발생하였지만, 마름모기둥형(Type A-3)의 경우에는 모듈 뒷부분 0.4m까지 속도가 변하였고 모듈 전후에서의 속도 변동 폭이 가장 컸다. 다섯 가지 형상 중 속도변화가 가장 안정적인 것은 마름모 휜부착형(Type B-1)으로 평가되었다. 또한 국부적인 압력강하에 대한 비교에서도 비슷한 결과가 도출되었다. 즉, 다른 형상에 비해 마름모기둥형(Type A-3)의 압력강하계수가 2.44로 가장 크게 나타났으며, 마름모 휜부착형(Type B-1)은 0.59로 가장 변화량이 적었다. 한편, 모듈 수 증가에 따른 덕트 내 유동해석에서는, 모듈 수 증가에 따라 기류 충돌이 발생하여 압력이 증가하였다. 특히 모듈 수가 3개 이상이 되면 모듈 뒷부분은 변화가 없지만 앞부분에서 압력이 상승함을 알 수 있었다.

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연구 주제

 

1. 문제 정의

이에 본 연구는, 공조설비 본체와 각 공간 사이를 연결하는 덕트 내부에 착탈 가능한 광촉매코팅 모듈을 삽입함으로써 환기와 화학반응을 모두 활용하여 오염물질 제거성능을 향상시키고 각 공간별 오염수준을 제어할 수 있는 시스템 개발을 위해, 형상이 다른 착탈형 광촉매코팅 모듈 설치에 따른 덕트 내 유동특성을 수치해석을 통해 비교분석한 것이다.

본 연구에서는 유사한 상황에 대응하기 위해 광촉매코팅 모듈 수 증가에 따른 압력강하 특성을 검토하였다.

본 연구는 실내 환경오염물질 제거를 위해 공조기 덕트 내에 착탈 가능한 광촉매코팅 모듈의 형상을 개발하는 것이다.

사업화 기술개발을 목적으로 수행된 본 연구는 기류의 원활한 흐름을 확보할 수 있는 형상을 개발하고자 다양한 형상의 모듈을 비교분석한 것이다.

2. 가설 설정

본 연구에서는 덕트 내 유동을 3차원 정상상태, 비압축성 난류유동이고 모든 물성치는 일정하다고 설정하였다.

 

연구 방법

 

1. 제안 방법

덕트 내 유동특성을 속도와 압력변화량을 이용하여 평가하였다.

속도는 덕트 내 광촉매코팅 모듈 주변의 전반적인 속도변화를 비교하였다.

광촉매코팅 모듈로 적용 가능한 사각, 원, 마름모 등 기둥형 세 가지와 마름모, 사각 등 휜부착형 두 가지 등 총 다섯 가지 형상의 모델을 개발하였다.

2. 대상 데이터

검토 모델은 전술한 결과를 근거로 속도변화가 가장 안정적이고 압력강하가 가장 적은 마름모 휜부착형(Type B-1)을 선정하였다.

3. 이론/모형

다양한 난류모델 중 본 연구에서는 가장 기본적인 표준 k-ε모델을 이용하여 해석을 수행하였고, k-ε모델의 기본방정식은 연속방정식, 운동량방정식, 난류운동에너지와 난류에너지감쇄율에 관한 2개의 전달방정식으로 구성된다.

각 광촉매코팅 모듈의 크기는 40㎜×40㎜×336㎜이고, 수치해석을 위한 덕트의 크기는 한국공기청정협회 PA인증기준의 풍량시험장치 구조를 참고하여 400㎜×400㎜×2000㎜로 정하였다.

덕트 입구측 공기의 유입속도는 2.5㎧을, 난류 모델은 전술한 바와 같이 표준 K-ε모델을 적용하였고, 정상상태의 해석방법으로 수치해석을 수행하였으며 반복계산을 통하여 잔여오차는 0.001% 이하가 되도록 설정하였다.

광촉매코팅 모듈이 삽입된 덕트 내 유동특성을 파악하기 위하여 본 연구에서는 상용 CFD 해석프로그램인 Fluent를 사용하였다.

연구 결과

 

1. 성능/효과

각 형상별 최대 국소 압력계수와 최저 국소 압력계수의 차이를 비교해 보면, Type A-1은 1.20, Type A-2는 0.69, Type A-3은 2.44, Type B-1은 0.59, Type B-2는 0.68로 나타남에 따라 Type B-1이 상대적으로 모듈 전후에서 가장 안정적인 압력 변화를 나타낸다고 판단할 수 있다.

속도변화에 대한 해석결과, 대부분 모듈 전후 0.3m 범위 이내에서 속도변화가 발생하였지만, 마름모 기둥형의 경우에는 모듈 뒷부분 0.4m까지 속도가 변하였고 모듈 전후에서의 속도 변동 폭이 가장 컸다.

다섯 가지 형상 중 속도변화가 가장 안정적인 것인 마름모 휜부착형으로 평가되었다.

즉, 다른 형상에 비해 마름모 기둥형의 압력강하가 가장 크게 나타났으며, 마름모 휜부착형이 가장 변화량이 적었다.

특히 모듈 수가 3개 이상이 되면 모듈 뒷부분은 변화가 없지만 유입구측인 앞부분에서 압력이 상승함 알 수 있었다.

2. 후속 연구

향후에는 현재 개발진행 중인 광촉매의 반응특성과 모듈형상과의 관계에 관한 연구를 수행할 계획이다.

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▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201101152699217

[논문]HVAC 덕트 내에 설치된 광촉매코팅 모듈의 형상이 압력강하에 미치는 영향