KR101920207B1 - Cfd 모델링 해석을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법 및 저장 용기 급냉자동창고 - Google Patents

Abstract

CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법은, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법으로서, 급냉자동창고의 내부를 이산화하는 단계, 급냉자동창고에 설치되는 냉각팬의 개수, 냉각팬의 배치 형태, 냉각팬과 냉각기의 상호 배치 관계, 냉각팬을 수용하는 덕트의 유무, 덕트의 형태 및 저장 용기의 배치 형태를 포함하는 구속 조건을 설정하는 단계, 구속 조건이 설정된 급냉자동창고 내부에서의 냉기의 흐름 및 저장 용기에 대한 냉동 효율을 획득하는 단계, 및 획득된 냉기의 흐름 및 냉동 효율을 근거로 급냉자동창고를 설계하기 위한 요소를 해석하는 단계를 포함한다.

Description

CFD 모델링 해석을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법 및 저장 용기 급냉자동창고 {DESIGNING METHOD OF RAPID FREEZING AUTOMATED WAREHOUSE USING CFD MODELING AND RAPID FREEZING AUTOMATED WAREHOUSE}

본 발명은 CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법 및 저장 용기 급냉자동창고로서, 보다 구체적으로는 CFD 모델링을 이용하여 냉동 효율이 향상된 급냉자동창고를 최적으로 설계할 수 있는 CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법 및 저장 용기 급냉자동창고에 관한 것이다.

일반적으로 급냉 냉동창고는 고체 상태로 출하할 필요가 있는 물질을 냉각시켜 고체 상태로 만들거나, 각종 농산물이나 수산물 및 수혈할 피 따위를 일정이하의 영하온도에 보관하여 내용물의 부패를 막고 보다 신선하게 얼리기 위하여 인공적으로 얼리는 기구이다.

이러한 냉동창고 중에서 대규모의 냉동 대상을 -30도 이하로 급냉할 때 사용되는 급냉자동창고가 있으며, 산업 현장에서 이러한 성능을 가지는 급냉자동창고가 필요함에도 불구하고, 대규모의 냉동 대상을 빠른 시간 안에 -30도 이하로 급냉하는 환경을 구현하기는 어려운 실정이다.

또한, 종래에는 냉동창고 내의 냉동 상태를 지속적으로 유지하기 위해 방열 효과를 개선하고자 하는 발명이 있었으나(공개실용신안 제20-2011-0004788호 참조), 대규모의 냉동 대상을 급냉시키는 자동 급냉 자동창고에 대한 개시는 없었다.

한편, 근래 들어 유체의 유동 해석을 위해 CFD(Computational Fluid Dynamics) 모델링이 사용되고 있으며, 여기서 CFD란 유체 현상을 기술한 비선형 편미분 방정식인 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes Equations)을 FDM (Finite Difference Method), FEM (Finite Element Method), FVM(Finite Volume Method) 등의 방법들을 사용하여 이산화하여 대수 방정식으로 변환하고, 이를 수치 기법(numerical methods)의 알고리즘을 사용하여 유체 유동 문제를 풀고 해석하는 것이다.

이렇게 CFD 모델링이 유체 유동 문제를 해석할 수 있다는 점을 고려하여 CFD 모델링을 이용하여 냉동 효율이 향상된 급냉자동창고를 최적으로 설계하는 것을 고려할 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, CFD 모델링을 이용하여 냉동 효율이 향상된 급냉자동창고를 최적으로 설계할 수 있는 CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법 및 저장 용기 급냉자동창고의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 다양한 구속 조건을 적용하여 CFD 모델링을 적용하여 순간적인 냉동 효율이 향상된 급냉자동창고를 최적으로 설계할 수 있는 CFD 모델링과 유한요소 해석법을 이용하여 한 결과를 사용하여 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법 및 저장 용기 급냉자동창고를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법은, 급냉 효율 향상을 위한 CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법으로서, 급냉자동창고의 내부를 이산화하는 단계, 급냉자동창고에 설치되는 냉각팬의 개수, 냉각팬의 배치 형태, 냉각팬과 냉각기의 상호 배치 관계, 냉각팬을 수용하는 덕트의 유무, 덕트의 형태 및 저장 용기의 배치 형태를 포함하는 구속 조건을 설정하는 단계, 구속 조건이 설정된 급냉자동창고 내부에서의 냉기의 흐름 및 저장 용기에 대한 냉동 효율을 획득하는 단계, 및 획득된 냉기의 흐름 및 냉동 효율을 근거로 급냉자동창고 내부에 화물을 자동적재 가능하도록 하는 프로그램을 설계하기 위한 요소를 해석하는 단계를 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 용기 급냉자동창고는, 일측면에 수평방향을 따라, 소정 개수의 냉각팬을 포함하는 일측면 냉각팬 세트가 서로 이격되어 복수개 설치되며, 일측면에 설치된 복수개의 일측면 냉각팬 세트 각각의 하부에 일측면 냉각기가 설치되며, 일측면과 마주보는 타측면에 수평방향을 따라, 덕트에 수용된 소정 개수의 냉각팬을 포함하는 타측면 냉각팬 세트가 서로 이격되어 복수개 설치되며, 타측면에 설치된 복수개의 타측면 냉각팬 세트 각각의 후방에 타측면 냉각기가 설치되며, 일측면 냉각팬 세트 및 일측면 냉각기를 포함하는 일측면 냉각 장비가 높이 방향을 따라 복수개 설치되고, 타측면 냉각팬 세트 및 타측면 냉각기를 포함하는 타측면 냉각 장비가 높이 방향을 따라 복수개 설치된다.

본 발명에 따르면, CFD 모델링을 이용하여 냉동 효율이 향상된 급냉자동창고를 최적으로 설계할 수 있는 CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법 및 저장 용기 급냉자동창고 모델을 제공할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법의 설계 대상인 급냉자동창고의 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법의 흐름도이다.
도 3 내지 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법에서 다양한 구속 조건이 적용된 급냉자동창고의 형태 및 저장 용기의 배치 형태를 나타낸 도면이다.
도 14 및 15 는 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법에 의해 도출된 최적의 급냉자동창고에서의 냉기 흐름 및 냉각 효율을 나타낸 도면이다.
도 16 은 본 발명의 일 실시예에 따른 급냉자동창고에서 결로 현상 및 냉기 유출이 발생할 수 있는 영역을 나타낸 도면이다.
도 17 내지 20 은 본 발명의 일 실시예에 따른 급냉자동창고에서 발생한 결로 현상 및 냉기 유출을 방지하기 위해 단열 처리를 취한 모습 및 그러한 조치를 취한 후의 열전달 해석을 통한 그 결과를 나타낸 도면이다. 이에 근거하여 냉각열 손실 또는 결로 발생이 발생할 수 있는 영역에 대해서 검증을 하여 설계시에 냉각 효율을 높일 수 있다.
도 21 은 본 발명의 일 실시예에 따른 급냉자동창고의 부속 건물에서 결로 현상 및 냉기 유출이 발생할 수 있는 영역을 나타낸 도면이다.
도 22 내지 24 는 본 발명의 일 실시예에 따른 급냉자동창고의 부속 건물에서 발생한 결로 현상 및 냉기 유출을 방지하기 위해 단열 처리를 취한 모습 및 그러한 조치를 취한 후의 열전달 해석을 통한 그 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 1 내지 24 를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법을 설명한다. 도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법의 설계 대상인 급냉자동창고의 개략도이다. 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법의 흐름도이다.

도 3 내지 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법에서 다양한 구속 조건이 적용된 급냉자동창고의 형태 및 저장 용기의 배치 형태를 나타낸 도면이다.

도 14 및 15 는 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법에 의해 도출된 최적의 급냉자동창고에서의 냉기 흐름 및 냉각 효율을 나타낸 도면이다.

도 16 은 본 발명의 일 실시예에 따른 급냉자동창고에서 결로 현상 및 냉기 유출이 발생할 수 있는 영역을 나타낸 도면이다. 도 17 내지 20 은 본 발명의 일 실시예에 따른 급냉자동창고에서 발생한 결로 현상 및 냉기 유출을 방지하기 위해 단열 처리를 취한 모습 및 그러한 조치를 취한 후의 열전달 해석을 통한 그 결과를 나타낸 도면이다.

도 21 은 본 발명의 일 실시예에 따른 급냉자동창고의 부속 건물에서 결로 현상 및 냉기 유출이 발생할 수 있는 영역을 나타낸 도면이다. 도 22 내지 24 는 본 발명의 일 실시예에 따른 급냉자동창고의 부속 건물에서 발생한 결로 현상 및 냉기 유출을 방지하기 위해 단열 처리를 취한 모습 및 그러한 조치를 취한 후의 열전달 해석을 통한 그 결과를 나타낸 도면이다.

도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법의 대상인 급냉자동창고(10)는 창고 내부를 -30도 이하로 자동 냉각시키는 급냉자동창고(10)에 관한 것일 수 있다. 한편, 냉각 온도는 이에 제한되는 것은 아니며 상황에 따라 다양한 냉각 온도가 설정될 수 있다.

이 급냉자동창고(10)는 창고 내부에 944개의 팔레트 및 3,776개의 드럼이 적재될 수 있으나, 창고 내부의 동결 온도 및 적재 규모는 전술한 사항에 제한되는 것은 아니며 상황에 맞게 변경될 수 있다. 즉 최선의 냉각효율에 대한 최선의 결과치가 나오면, 그에 따른 자동창고 관리 프로그램이 구현될 수 있다.

이러한 급냉자동창고(10)에는 창고 내부를 냉각시키기 위해 냉각팬(20) 및 냉각기(30)가 설치될 수 있으며, 설치되는 냉각팬(20) 및 냉각기(30)의 개수 및 용량은 다양할 수 있다.

도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법은, CFD(Computational Fluid Dynamics) 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법으로서, 여기서 CFD란 유체 현상을 기술한 비선형 편미분 방정식인 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes Equations)을 FDM (Finite Difference Method), FEM (Finite Element Method), FVM(Finite Volume Method) 등의 방법들을 사용하여 이산화하여 대수 방정식으로 변환하고, 이를 수치 기법(numerical methods)의 알고리즘을 사용하여 유체 유동 문제를 풀고 해석하는 것이다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법은, 급냉자동창고의 내부를 이산화하는 단계(S10), 급냉자동창고에 설치되는 냉각팬의 개수, 냉각팬의 배치 형태, 냉각팬과 냉각기의 상호 배치 관계, 냉각팬을 수용하는 덕트의 유무, 덕트의 형태 및 저장 용기의 배치 형태를 포함하는 구속 조건을 설정하는 단계(S20), 구속 조건이 설정된 급냉자동창고 내부에서의 냉기의 흐름 및 저장 용기에 대한 냉동 효율을 획득하는 단계(S30), 및 획득된 냉기의 흐름 및 냉동 효율을 근거로 급냉자동창고를 설계하기 위한 요소를 해석하는 단계(S40)를 포함한다.

이하. 도 3 내지 12 를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법을 좀 더 구체적으로 살펴본다.

우선, 급냉자동창고의 내부를 이산화하는 단계(S10)는, 급냉자동창고(10) 내에서 발생하는 냉기의 흐름과 같은 연속적인 자연현상을 컴퓨터 속에서 표현하기 위한 단계이다. 구체적으로, 컴퓨터는 디지털 기기이기 때문에 0과 1밖에 없어서 연속적인 자연현상, 즉 급냉자동창고(10) 내에서 발생하는 냉기의 흐름을 정확하게 표현할 수 없다. 그래서 연속적인 자연현상을 엄청나게 작게 쪼개서 그걸 순서대로 보여주거나 들려줌으로써 연속적이게 느끼도록 만드는 것이다.

이를 위해, 유한요소해석을 적용하여 급냉자동창고(10)의 내부에 대하여 격자계를 형성하거나, 아니면 격자계를 형성하지 않고 급냉자동창고(10)의 내부를 이산화할 수도 있다.

다음으로, 급냉자동창고에 설치되는 냉각팬의 개수, 냉각팬의 배치 형태, 냉각팬과 냉각기의 상호 배치 관계, 냉각팬을 수용하는 덕트의 유무, 덕트의 형태 및 저장 용기의 배치 형태를 포함하는 구속 조건을 설정하는 단계(S20)는, 최적의 냉각 효율을 달성하기 위해 급냉자동창고(10)를 설계할 시에 냉각 효율에 영향을 미치는 구속 조건을 다양하게 설정하는 단계이다.

이러한 구속 조건으로는, 급냉자동창고(10)에 설치되는 냉각팬(20)의 개수, 냉각팬(20)의 배치 형태, 냉각팬(20)과 냉각기(30)의 상호 배치 관계, 냉각팬(20)을 수용하는 덕트(60)의 유무, 덕트(60)의 형태 및 저장 용기(40)의 배치 형태를 포함할 수 있다.

도 3 을 보면, 구속 조건의 일 예로서, 급냉자동창고(10)의 일측면(90)에 수평방향을 따라, 2개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트, 4개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트 및 2개의 냉각팬을 포함하는 냉각팬 세트가 순서대로 설치되고, 이렇게 일측면(90)에 설치된 3개의 냉각팬 세트 각각의 하부에 냉각기(30)가 설치될 수 있다.

또한, 3개의 냉각팬 세트 및 그 하부에 설치된 냉각기(30)를 포함하는 냉각 장비가 일측면(90)의 높이방향을 따라 4개 설치될 수 있다.

또한, 일측면(90)과 마주보는 타측면(80)에 수평방향을 따라, 4개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트가 2세트 설치되고, 냉각팬 세트 각각의 하부에 냉각기(30)가 설치될 수 있다.

또한, 2개의 냉각팬 세트 및 그 하부에 설치된 냉각기(30)를 포함하는 냉각 장비가 타측면(80)의 높이방향을 따라 4개 설치될 수 있다.

도 4 및 5 를 보면, 구속 조건의 다른 예로서, 급냉자동창고(10)의 일측면(90)에는 전술한 도 3 의 경우와 동일하게 냉각팬(20) 및 냉각기(30)가 설치되고, 타측면(80)에는 4개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트가 단면이 사각형 형상인 덕트(60)에 수용되어 있으며, 이러한 냉각팬 세트가 2세트 있다.

또한, 각각의 냉각팬 세트의 하부에는 냉각기(30)가 설치되며, 2개의 냉각팬 세트 및 그 하부에 설치된 냉각기(30)를 포함하는 냉각 장비가 타측면의 높이방향을 따라 4개가 설치될 수 있다.

도 6 을 보면, 구속 조건의 또 다른 예로서, 급냉자동창고(10)의 일측면(90)에는 전술한 도 3 의 경우와 동일하게 냉각팬(20) 및 냉각기(30)가 설치되고, 타측면(80)에는 도 4 의 경우와 같이 4개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트가 2세트 이고, 이 2세트 각각은 단면이 사각형 형상인 덕트(60)에 수용되어 있을 수 있다.

그러나, 타측면(80)에서 냉각기(30)는 냉각팬(20)의 하부가 아니라 냉각팬(20)의 후방에 설치될 수 있으며, 그에 따라 냉각팬(20)에서 배출된 냉기가 창고 내부를 유동한 후에 냉각기(30)와 타측면(80)의 사이의 공간(A)으로 이동하면서 냉각기(30)로 유입될 수 있다.

도 7 을 보면, 구속 조건의 또 다른 예로서, 도 6 의 경우와 동일하나, 다만 타측면(80)에서 도 6 의 경우보다 최상층의 덕트(60)가 하부로 내려와 있으며, 도 6 의 경우보다 최하층의 덕트(60)가 상부로 올라와 있다((a): 도 6 의경우, (b): 도 7 의 경우).

도 8 을 보면, 구속 조건의 또 다른 예로서, 일측면(90)에 설치되는 냉각팬(20) 및 냉각기(30)의 개수 및 설치 형태는 도 3 의 경우와 동일하나, 타측면(80)의 경우는 수평방향을 따라 설치된 8개의 냉각팬(20)이 단면이 원형인 덕트(70)에 수용되어 있으며, 냉각팬(20)의 후방에 냉각기(30)가 설치될 수 있다.

또한, 이러한 덕트(70)에 수용된 냉각팬(20) 및 그 후방에 설치된 냉각기(30)를 포함하는 냉각 장비가 타측면(80)의 높이방향을 따라 4개 설치될 수 있다.

도 9 를 보면, 구속 조건의 또 다른 예로서, 일측면(90)에 설치되는 냉각팬(20) 및 냉각기(30)의 개수 및 설치 형태는 도 3 의 경우와 동일하나, 타측면(80)에는 2개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트, 4개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트 및 2개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트가 순서대로 설치되고, 8개의 냉각팬(20)은 각각 단면이 원형인 덕트(70)에 수용될 수 있다.

또한, 냉각팬 세트의 후방에 냉각기(30)가 설치될 수 있으며, 냉각팬 세트 및 그 후방에 설치된 냉각기를 포함하는 냉각 장비가 타측면(80)의 높이방향을 따라 4개 설치될 수 있다.

도 10 내지 12 를 보면, 구속 조건의 또 다른 예로서, 급냉자동창고(10)의 일측면(90)에 수평방향을 따라, 2개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트, 4개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트 및 2개의 냉각팬을 포함하는 냉각팬 세트가 순서대로 설치되고(도 11 의 C 부분 참조), 이렇게 일측면(90)에 설치된 3개의 냉각팬 세트 각각의 하부에 냉각기(30)가 설치될 수 있다(도 11 의 D 부분 참조).

또한, 3개의 냉각팬 세트 및 그 하부에 설치된 냉각기(30)를 포함하는 냉각 장비(도 11 의 D 부분 참조)가 일측면(90)의 높이방향을 따라 4개 설치될 수 있다.

다음으로, 타측면(80)의 경우 단면이 사각형인 덕트(60)에 수용된 2개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트가 수평방향으로 4세트가 있으며, 냉각팬 세트의 후방에 냉각기(30)가 설치될 수 있는데 2개의 세트씩 하나의 냉각기(30)를 공유할 수 있다(도 11 의 E 참조).

또한, 이러한 냉각팬 세트 및 냉각기(30)를 포함하는 냉각 장비가 타측면(80)의 높이 방향을 따라 4개 설치될 수 있으나(도 10 의 B 부분 참조), 최상층의 냉각 장비(도 11 의 E 부분 참조)의 경우는 냉각팬 세트와 냉각기(30)가 수평방향을 기준으로 중첩될 수 있으며, 나머지(도 11 의 F 부분 참조)는 중첩되어 있지 않을 수 있다.

추가적으로, 도 13 을 참조하여, 저장 용기의 배치 형태라는 구속 조건을 살펴본다.

급냉자동창고 내에 저장 용기를 적재할 때, 어떻게 저장 용기를 적재하느냐에 따라 드럼의 냉동 시간이 짧아져서 최적의 냉동 효율을 달성할 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 다양한 방식으로 저장 용기를 적재할 수 있으나, 그 일 예는 다음과 같다.

우선 처음으로 입고된 저장 용기의 경우 급냉자동창고의 타측면 부근(ZONE 1)에 위치시키고, 제 1 소정 시간이 흐른 후에 이 저장 용기를 일측면 부근(ZONE 2)으로 이동시키며, 제 2 소정 시간이 흐른 후에 일측면 부근과 타측면 부근의 사이인 중간 부근(ZONE 3)에 최종적으로 저장 용기를 위치시킬 수 있다.

또한, 타측면 부근(ZONE 1) 및 일측면 부근(ZONE 2) 각각에 저장 용기를 적층시킬 때, 타측면 및 일측면에 각각 설치된 냉각팬과 수평 방향으로 동일한 위치에는 맨 마지막에 저장 용기를 적층할 수 있다.

그 이유는, 저장 용기가 냉각팬과 수평 방향으로 동일 선상에 적층될 경우, 저장 용기는 냉각팬에서 나오는 냉기의 흐름을 방해할 수 있고, 그 결과 급냉자동창고의 중간 부근(ZONE 3) 등으로 냉기가 흐르지 못하여 저장 용기의 냉각이 효과적으로 수행될 수 없기 때문이다.

구체적으로, 도 13 을 보면, 타측면 부근(ZONE 1)에서 번호 54, 58, 62, 66, 77, 74 는 냉각팬과 수평 방향으로 동일 선상의 위치이며, 그에 따라 그 곳에는 맨 나중에 저장 용기를 적층시킬 수 있다.

또한, 일측면 부근(ZONE 2)에서 번호 65, 57, 49, 64, 56, 48, 41, 34, 29 는 는 냉각팬과 수평 방향으로 동일 선상의 위치이며, 그에 따라 그 곳에는 맨 나중에 저장 용기를 적층시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법에 사용되는 8가지 경우의 구속 조건을 살펴보았다.

다음으로, 구속 조건이 설정된 급냉자동창고 내부에서의 냉기의 흐름 및 저장 용기에 대한 냉동 효율을 획득하는 단계(S30)는, 전술한 구속 조건을 적용하여 CFD 모델링을 수행한 후 각 구속 조건에 따른 급냉자동창고(10) 내부에서의 냉기의 흐름 및 저장 용기(40)에 대한 냉동 효율을 획득할 수 있다.

일 예로서, 도 14 및 15 를 보면, 도 14 는 도 10 내지 12 에서 도시하는 구속 조건을 적용하여 CFD 모델링을 수행한 후 획득한 냉기의 흐름이다. 도 14 에서 알 수 있듯이, 양 측면에서 나온 냉기가 급냉자동창고(10)의 중간 지점까지 유동한 후 되돌아 가는 경향을 보이며, 양 측면에서 나온 냉기는 급냉자동창고(10)의 내부 전체를 유동하고 있음을 알 수 있다.

또한, 도 15 는 도 10 내지 13 에서 도시하는 구속 조건을 적용하여 CFD 모델링을 수행한 후 획득한 냉각된 드럼의 온도를 나타낸다. 특히, 도 13 에서 도시하는 적재 방식을 적용하여 드럼을 적재한 후의 온도 분포이다.

좌측의 경우(a)는 종래의 냉각에 따른 드럼의 온도를 나타내고, 우측의 경우(b)는 도 10 내지 13 에서 도시하는 구속 조건을 적용하여 도출된 드럼의 온도이다.

도 15 를 보면, 동일 위치에 적재된 드럼의 온도가 우측의 경우가 더 낮으며, 우측의 경우가 좀 더 적재된 드럼 전체에 걸쳐서 냉각이 이루어졌음을 알 수 있다.

다음으로, 획득된 냉기의 흐름 및 냉동 효율을 근거로 급냉자동창고를 설계하기 위한 요소를 해석하는 단계(S40)는, 다양한 구속 조건을 적용하여 CFD 모델링을 수행한 후 적용되 구속 조건 중에서 냉기의 흐름 분포 및 냉동 효율이 가장 우수한 결과를 낸 구속 조건을 찾아내는 단계이다.

전술한 8개의 구속 조건 중에서, 도 10 내지 12 에서 도시한 7번째 구속 조건을 적용할 때, 도 14 및 15 에서 알 수 있듯이 냉기의 흐름이 급냉자동창고(10)의 전영역에 골고루 퍼져있고, 냉각된 드럼의 온도가 가장 낮았다면, 7번째 구속 조건으로 급냉자동창고(10)를 설계할 필요가 있다는 점을 알 수 있다.

또한, 8번째 구속 조건의 적재 방식대로 드럼을 적재할 경우가 가장 급냉이 빠르게 이루어짐을 알 수 있는바, 7번째 및 8번째 구속 조건으로 급냉자동창고(10)를 설계할 필요가 있음을 알 수 있다.

한편, 급냉자동창고(10)는 내부 온도가 -20도 이하로 내려가는바 내부와 외부 온도차가 상당히 크며, 그에 따라 급냉자동창고(10) 및 그 부속 건물은 결로 현상이 발생하고, 외부로 냉기 유출이 일어날 가능성이 높다.

그럴 경우, 급냉자동창고(10)의 냉동 효율은 떨어지게 되고, 원하는 온도의 냉각을 달성하기 위해 냉각팬(20) 및 냉각기(30)에 좀 더 많은 동력을 제공해야 하는바 에너지 손실이 발생할 수 있다.

이러한 점을 고려하여, 추가적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법은, 급냉자동창고(10)의 결로 발생 및 냉기 손실을 차단하기 위해 열전달 해석을 수행하고, 해석 결과에 따라 단열 방식을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

도 16 내지 18 을 참조하면, 급냉자동창고(10)에서 결로 현상이 발생할 수 있는 영역은 지붕의 파라펫(parapet) 공간(T)일 수 있으며, 이 공간에서 냉각에 의한 결로 현상이 발생할 수 있다.

예를 들어, 여름에 지붕의 파라펫 공간(T)의 온도는 9도이고, 고온 다습한 공기(온도 30도, 습도 50%)가 파라펫 공간(T)으로 유입될 경우, 온도 30도, 습도 50%일 때의 노점 온도는 18.5도이므로, 파라펫 공간(T)에는 결로 현상이 발생할 수 있다.

따라서, 이러한 결로 현상을 방지하기 위해서 파라펫 공간(T)을 기밀하게 단열 충진을 할 필요가 있다. 파라펫 공간(T)을 기밀하게 단열 충진을 할 경우, 단열 충진을 한 영역(도 18 의 (b) 참조)은 기존의 경우(도 18 의 (a) 참조)보다 온도가 노점 온도 이상으로 올라가게 되어 결로가 발생하지 않을 수 있다.

도 16, 19 및 20 을 참조하면, 급냉자동창고(10)에서 결로 현상이 발생할 수 있는 다른 영역은 바닥 부근(W)이며, 결로 현상을 고려하여 바닥 부근(W)에는 단열 작업을 수행할 수 있다.

이러한 단열 작업으로 바닥에는 연속적인 단열 라인(L)을 형성할 필요가 있으나, 급냉자동창고(10)의 내측으로 단열 라인(K)을 연장할 필요는 없는바, 단열 작업 시에 내측으로 연장되는 단열 라인(K)은 생략할 수 있다.

도 20 에서도 알 수 있듯이, 내측으로 연장된 단열 라인(K)을 형성한 좌측((a) 참조)과 그렇지 않은 우측((b) 참조)의 경우 그 결과에 차이가 없음을 알 수 있다.

도 21 및 22 를 참조하면, 급냉자동창고(10)의 부속 건물인 연결 통로에서 결로 현상이 발생할 수 있는 영역은 지붕 구조체(H)이며, 이 공간에서 냉각에 의한 결로 현상이 발생할 수 있다.

지붕 구조체(H)를 통해 열교 현상이 발생하여 내부 온도가 노점 온도 이하로 하강하여 결로가 발생할 수 있다(도 22 의 (a) 참조). 이러한 점을 해결하기 위해 지붕의 수평 판넬 사이에 단열재를 충진하여 온도를 노점 온도 이상으로 높일 수 있고, 그 결과 결로 현상을 방지할 수 있다(도 22 의 (b) 참조).

도 21, 23 및 24 를 참조하면, 연결 통로의 바닥(G)을 통해 냉기(M)가 유출될 수 있으며, 그에 따라 바닥(G)에 띠로 형성된 우레탄스프레이 단열 라인(N)을 형성하여 냉기 유출을 차단할 필요가 있다.

도 24 를 통해 알 수 있듯이, 바닥에 단열 라인을 형성((b)참조)함에 따라 그렇지 않은 경우((a) 참조)보다 냉기 유출이 방지됨을 알 수 있다.

이상 본 발명의 일 실시예에 따른, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법을 설명하였다. 이하 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 용기 급냉자동창고를 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 저장 용기 급냉자동창고(10)는 전술한 CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법에 의해 설계된 저장 용기 급냉자동창고(10)이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 저장 용기 급냉자동창고(10)는 내부의 냉각을 위해 냉각팬(20) 및 냉각기(30)를 포함할 수 있으며, 그 설치 형태는 다음과 같을 수 있다.

급냉자동창고(10)의 일측면(90)에 수평방향을 따라, 소정 개수의 냉각팬(20)을 포함하는 일측면 냉각팬 세트가 서로 이격되어 복수개 설치되며, 일측면(90)에 설치된 복수개의 일측면 냉각팬 세트 각각의 하부에 일측면 냉각기(30)가 설치될 수 있다.

또한, 일측면 냉각팬 세트 및 일측면 냉각기(30)를 포함하는 일측면 냉각 장비가 높이방향을 따라 복수개 설치될 수 있다.

다음으로, 일측면(90)과 마주보는 타측면(80)에 수평방향을 따라, 덕트(60)에 수용된 소정 개수의 냉각팬(20)을 포함하는 타측면 냉각팬 세트가 서로 이격되어 복수개 설치되며, 타측면(80)에 설치된 복수개의 타측면 냉각팬 세트 각각의 후방에 타측면 냉각기(30)가 설치될 수 있다.

또한, 타측면 냉각팬 세트 및 타측면 냉각기(30)를 포함하는 타측면 냉각 장비가 높이방향을 따라 복수개 설치될 수 있다.

좀 더 구체적으로, 도 10 내지 12 에서 도시된 바와 같이, 냉각팬(20) 및 냉각기(30)가 설치되는 형태는 다음과 같다.

복수개의 일측면 냉각팬 세트는, 수평방향을 따라 순서대로 2개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트, 4개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트 및 2개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트를 포함하고, 각 냉각팬 세트의 하부에는 냉각기(30)가 설치될 수 있다.

또한, 3개의 일측면 냉각팬 세트 및 그 하부에 위치한 냉각기(30)를 포함하는 일측면 냉각 장비는 높이방향을 따라 4개 설치될 수 있다.

복수개의 타측면 냉각팬 세트의 경우, 2개의 냉각팬(20)을 포함하는 냉각팬 세트가 수평방향을 따라 4세트가 있으며, 각 냉각팬 세트의 2개의 냉각팬(20)은 단면이 사각형인 덕트(60)에 수용될 수 있어 수평방향을 따라 4개의 덕트(60)가 사용될 수 있다.

또한, 2개의 냉각팬 세트마다 후방에 위치한 냉각기(30)를 공유하여 수평방향을 따라 2개의 냉각기(30)가 사용될 수 있다.

또한, 4개의 타측면 냉각팬 세트 및 그 후방에 설치된 냉각기(30)를 포함하는 타측면 냉각 장비는 높이방향을 따라 4개 설치될 수 있고, 타측면 냉각 장치 중에서 최상층 타측면 냉각 장치의 경우 타측면 냉각팬 세트와 냉각기(30)가 수평방향을 기준으로 중첩될 수 있다. 그러나 나머지 타측면 냉각 장치의 경우는 중첩되지 않을 수 있다.

다음으로, 저장 용기 급냉자동창고(10)는, 저장 용기(40)를 운반하며, 온도센서가 설치된 스테커 크레인(stacker crane)을 포함할 수 있다.

스테커 크레인의 온도센서의 측정값을 통해 급냉자동창고(10) 내부의 온도를 파악하고, 측정값에 따라 일측면 냉각팬 세트의 냉각팬(20), 타측면 냉각팬 세트의 냉각팬(20), 일측면 냉각기(30) 및 타측면 냉각기(30)를 제어하여 내부를 전체적으로 또는 부분적으로 온도 제어를 할 수 있다.

이러한 부분적 온도 제어를 통해, 냉각이 추가적으로 더 필요한 곳만 냉각을 하면 되는바 냉각팬(20) 및 냉각기(30)를 가동하는데 필요한 전력 손실을 줄일 수 있다.

또한, 결로 현상 및 냉기 유출을 방지하기 위해, 지붕의 파라펫 부분은 단열 충진되어 있으며, 바닥 부분은 연속적인 단열 라인이 형성될 수 있다. 아울러, 부속 건물인 연결 통로의 지붕에도 단열 충진이 수행되고, 바닥에는 냉기 유출 방지를 위한 단열 라인이 형성될 수 있다.

추가적으로, 외부로 인출되는 전기 케이블 트레이의 인출 부분에 플라스틱 재질의 단열이 가능한 커플링을 사용하여 온도 전달을 최소화하여 열교 현상을 차단할 수 있다.

또한, 랙 빌딩(rack building)(50)의 경우, 철 구조물 접촉시 발생할 수 있는 열교(Heat Bridage)현상을 최소화하기 위해 열교방지용 차단재를 열손실이 발생 가능한 연결부위 판넬 또는 구조체에 사용할 수 있다.

이러한 구조를 가지는 급냉자동창고(10)에 드럼과 같은 저장 용기(40)를 내부에 배치 시에, 내부로 입고된 저장 용기(40)는 우선 타측면(80) 부근에 배치되고, 제 1 소정 시간이 지난 후에 저장 용기(40)는 일측면(90) 부근에 배치되고, 제 2 소정 시간이 지난 후에 저장 용기(40)는 일측면(90) 부근과 타측면(80) 부근 사이인 중간 지점에 배치될 수 있다.

최초 입고된 제품이 우선 타측면(80) 부근에 1차 배치되는 이유는 CFD 결과에 따라 냉기의 유로(Streamline)를 형성하여 냉각 효율을 극대화하기 위한 측면이 가장 크다.

이는 제품 특성에 따른 CFD 결과를 준용하여 최적의 제품 자동 배치 프로그램을 구현하는 것이며, 제품의 특성에 따라서 다르게 적용될 수 있다.

이러한 배치 방식을 통해 저장 용기(40)는 용기 전체에 걸쳐서 효과적으로 급냉이 이루어질 수 있다. 한편, 제 1 소정 시간 및 제 2 소정 시간은 24시간 이하일 수 있으나 경우에 따라 다양한 시간이 설정될 수 있다.

한편, 저장 용기(40)에는 우레탄 원액이 수용될 수 있고, 급냉자동창고(10)에 입고될 당시에는 40도의 액체 상태로 입고된 후 급냉 완료 후에는 고체 상태로 출고될 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 저장되는 제품의 특성을 고려하여 최소한의 자원을 투입하여 최적의 자동창고 급냉효율을 획득할 수 있는 복합적인 프로그램의 조화로운 결과물이다.

10: 급냉자동창고 20: 냉각팬
30: 냉각기 40: 저장 용기
50: 랙 빌딩 60, 70: 덕트
80: 타측면 90: 일측면

Claims (9)

1. CFD(Computational Fluid Dynamics) 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법으로서,
   상기 급냉자동창고의 내부를 이산화하는 단계;
   상기 급냉자동창고에 설치되는 냉각팬의 개수, 상기 냉각팬의 배치 형태, 상기 냉각팬과 냉각기의 상호 배치 관계, 상기 냉각팬을 수용하는 덕트의 유무, 상기 덕트의 형태 및 저장 용기의 배치 형태를 포함하는 구속 조건을 설정하는 단계;
   상기 구속 조건이 설정된 상기 급냉자동창고 내부에서의 냉기의 흐름 및 상기 저장 용기에 대한 냉동 효율을 획득하는 단계; 및
   상기 획득된 냉기의 흐름 및 냉동 효율을 근거로 상기 급냉자동창고를 설계하기 위한 요소를 해석하는 단계를 포함하고,
   상기 급냉자동창고의 결로 발생 및 냉기 손실을 차단하기 위해 열전달 해석을 수행하고, 해석 결과에 따라 단열 방식을 결정하는 단계를 더 포함하는 CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 구속 조건을 설정하는 단계에서,
   상기 급냉자동창고의 마주보는 양측면에, 상기 냉각팬의 개수, 상기 냉각팬의 배치 형태, 상기 냉각팬과 냉각기의 상호 배치 관계, 상기 냉각팬을 수용하는 덕트의 유무 및 상기 덕트의 형태를, 서로 다르게 설정하는 CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법.
4. 제 1 항에 기재된, CFD 모델링을 이용한 저장 용기 급냉자동창고 설계 방법에 의해 설계된 저장 용기 급냉자동창고로서,
   상기 저장 용기 급냉자동창고는,
   일측면에 수평방향을 따라, 소정 개수의 냉각팬을 포함하는 일측면 냉각팬 세트가 서로 이격되어 복수개 설치되며,
   상기 일측면에 설치된 복수개의 일측면 냉각팬 세트 각각의 하부에 일측면 냉각기가 설치되며,
   상기 일측면과 마주보는 타측면에 수평방향을 따라, 덕트에 수용된 소정 개수의 냉각팬을 포함하는 타측면 냉각팬 세트가 서로 이격되어 복수개 설치되며,
   상기 타측면에 설치된 복수개의 타측면 냉각팬 세트 각각의 후방에 타측면 냉각기가 설치되며,
   상기 일측면 냉각팬 세트 및 일측면 냉각기를 포함하는 일측면 냉각 장비가 높이 방향을 따라 복수개 설치되고,
   상기 타측면 냉각팬 세트 및 타측면 냉각기를 포함하는 타측면 냉각 장비가 높이 방향을 따라 복수개 설치되는 저장 용기 급냉자동창고.
5. 제 4 항에 있어서,
   복수개의 일측면 냉각팬 세트는, 수평방향을 따라 순서대로, 2개의 냉각팬을 포함하는 냉각팬 세트, 4개의 냉각팬을 포함하는 냉각팬 세트 및 2개의 냉각팬을 포함하는 냉각팬 세트를 포함하고,
   복수개의 타측면 냉각팬 세트는, 수평방향을 따라, 단면이 사각형인 덕트에 수용된 2개의 냉각팬을 포함하는 냉각팬 세트를 4세트 포함하는 저장 용기 급냉자동창고.
6. 제 4 항에 있어서,
   복수개의 타측면 냉각팬 세트 중에서 타측면 냉각기와 수평방향을 기준으로 중첩되는 타측면 냉각팬 세트가 존재하는 저장 용기 급냉자동창고.
7. 제 4 항에 있어서,
   저장 용기를 내부에 배치 시에,
   내부로 입고된 저장 용기는 우선 타측면 부근에 배치되고, 제 1 소정 시간이 지난 후에 상기 저장 용기는 일측면 부근에 배치되고, 제 2 소정 시간이 지난 후에 상기 저장 용기는 상기 일측면 부근과 타측면 부근 사이인 중간 지점에 배치되며,
   또한, 상기 타측면 부근 및 일측면 부근 각각에 저장 용기를 적층시킬 때, 타측면 및 일측면에 각각 설치된 냉각팬과 수평 방향으로 동일 선 상에는 마지막에 저장 용기를 적층하는 저장 용기 급냉자동창고.
8. 제 4 항에 있어서,
   저장 용기를 운반하며, 온도센서가 설치된 스테커 크레인(stacker crane)을 포함하고,
   상기 온도센서의 측정값을 통해 창고 내부의 온도를 파악하고, 상기 측정값에 따라 일측면 냉각팬 세트의 냉각팬, 타측면 냉각팬 세트의 냉각팬, 일측면 냉각기 및 타측면 냉각기를 제어하여 내부를 전체적으로 또는 부분적으로 온도 제어하는 저장 용기 급냉자동창고.
9. 제 4 항에 있어서,
   지붕의 파라펫(parapet) 부분은 단열 충진되어 있으며, 바닥 부분은 연속적인 단열 라인이 형성되는 저장 용기 급냉자동창고.

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