의류건조기의 그릴 유로 면적에 따른 열·유동 특성에 관한 실험적 연구 = Experimental Investigation of Thermal and Flow Characteristics as a Function of Grill Flow Area in a Clothes Dryer

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 의류건조기 도어 그릴의 유로 면적(Flow path area) 변화가 건조기의 열적 및 유동 특성에 미치는 영향을 실험과 전산유체해석(CFD)을 통해 규명한 실험적 연구이다.
상업용 건조기에서는 보풀, 먼지, 의류 흡착 등에 의해 유로가 부분적으로 차단되며, 이는 압력손실 증가 → 풍량 감소 → 열 축적(Thermal accumulation) 으로 이어져 제품 과열 및 화재 위험을 유발할 수 있다. 이를 해결하기 위해, 본 연구에서는 도어 그릴 개구 면적을 단계적으로 차단(0~90%) 하여 온도, 압력, 풍량, 속도, 흡착력 변화를 계측하였다. 또한, 동일 조건을 기반으로 비압축성 정상상태 유동을 가정한 전산유체해석(CFD) 을 수행하여 실험 결과와 비교하였다.
실험 결과, 그릴 차단면적이 증가할수록 공기 유속과 압력차(𝛥𝑃)가 비선형적으로 증가 하였으며, 이에 따라 그릴 전·후 온도차(𝛥𝑇) 및 흡착력(𝐹=ΔP·𝐴𝑐)이 급격히 상승하였다. 특히 그릴 형상 Type #1에서는 차단면적 82.1 cm² 이상에서 RTI 기준(120 °C)을 초과하는 과열이 발생하였으나, Type #2는 유로 면적 확장 및 루버 형상 개선을 통해 온온도 상승을 최대 30% 억제하였다.
또한, CFD 해석 결과는 실험과 비교 시 10% 이내의 오차 범위를 보여 모델의 신뢰성을 입증하였으며, 유로 확장형 구조에서 내부 재순환(Recirculation) 이 감소하고 유효 유량(Effective flow rate)이 증가함을 확인하였다.
회귀 분석 결과, 차단면적(𝐴𝑏, cm²)과 최대 공기 온도(𝑇𝑚𝑎𝑥,°C)의 상관관계는 3차 회귀식으로 도출되었다. 이 식을 이용하여, RTI 120 °C를 초과하지 않기 위한 최소 개구면적 106 cm² 및 최소 총 그릴 면적 212 cm² (막힘율 50% 가정) 을 제시하였으며, 제조 편차 및 오염을 고려하여 권장 설계 면적 228 cm²를 도출하였다.
결과적으로, 도어 그릴의 유로 면적 확대는 단순한 유동 저항 개선을 넘어, 열적 안정성 향상, 의류 손상 억제, 제품 신뢰성 확보에 핵심적인 역할을 수행함을 확인하였다.
그러나 본 연구에서 제시한 회귀식과 상관모델은 분석에 사용된 특정 제품(Type #2)과 제한된 실험 조건을 기반으로 한 경험적 모델이므로, 현재 단계에서는 모든 유형의 건조기나 다양한 구조에 일반화하여 적용하기에는 한계가 존재한다.
또한, 건조기 내부의 압력차에 따른 흡착력 발생은 완전히 제거하기 어려운 물리적 특성을 가지므로, 향후에는 팬 제어 알고리즘 기반의 능동적 흡착력 완화 제어와 병행한 하이브리드 설계 접근(Hybrid approach) 이 필요함을 제안한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study experimentally and numerically investigates the effects of variations in the flow path area of a dryer door grille on the thermal and airflow characteristics of a commercial tumble dryer.
In commercial drying systems, partial blockage of the airflow path caused by lint accumulation, dust, and fabric adhesion is common. Such blockage leads to increased pressure loss, reduced airflow rate, and subsequent thermal accumulation, which may result in overheating and potential fire hazards.
To address this issue, the grille open area was systematically reduced in stages ranging from 0% to 90% blockage, and changes in temperature, pressure difference, airflow rate, velocity, and adhesion force were experimentally measured. In parallel, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations assuming incompressible steady-state flow were conducted under identical conditions and compared with the experimental results.
The experimental results showed that as the grille blocked area increased, both airflow velocity and pressure difference (𝛥𝑃) increased nonlinearly, resulting in a rapid rise in the temperature difference across the grille (𝛥𝑇) and the adhesion force, expressed as 𝐹 = ΔP · 𝐴𝑐 For the Type #1 grille geometry, overheating beyond the RTI limit of 120 °C occurred when the blocked area exceeded 82.1 cm². In contrast, the Type #2 grille geometry, incorporating an enlarged flow area and optimized louver design, reduced the temperature rise by up to 30% under equivalent blockage conditions.
The CFD results agreed with the experimental data within 10% error, confirming the reliability of the numerical model. Flow field analysis further revealed that the improved grille geometry significantly reduced internal recirculation zones and increased the effective flow rate.
Regression analysis revealed that the relationship between the blocked area (𝐴𝑏, cm²) and the maximum air temperature (𝑇𝑚𝑎𝑥, °C) can be accurately represented by a cubic regression model.
Using this regression model, a minimum open area of 106 cm² and a minimum total grille area of 212 cm² (assuming a maximum blockage ratio of 50%) were proposed to prevent the air temperature from exceeding 120 °C. Considering manufacturing tolerances and contamination, a recommended grille area of 228 cm² was determined.
Overall, the enlargement of the grille flow area was shown to play a critical role not only in reducing airflow resistance but also in enhancing thermal stability, suppressing fabric damage, and improving product reliability.
However, the proposed regression and correlation models are empirical and based on a specific dryer configuration (Type #2) and limited operating conditions, which restricts their direct 47
generalization to other dryer designs. Furthermore, since pressure-induced adhesion forces inside the dryer are fundamentally unavoidable, future studies should incorporate hybrid approaches combining structural optimization with active fan control algorithms for adhesion mitigation.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 기술 동향 5
• 2. 이론적 배경 7
• 2.1 건조기 구조 및 공기 흐름도 7
• 2.2 주요 구성 요소 및 역할 8
• 2.3 건조 메카니즘 9
• 2.4 건조 행정 구간 9
• 2.5 유동 해석 방정식 11
• 3. 실험 장치 구성 및 방법 14
• 3.1 실험 장치 14
• 3.2 실험 방법 19
• 4. 실험 결과 및 분석 23
• 4.1 압력 측정 결과 23
• 4.2 온도 측정 결과 25
• 4.3 풍량 측정 결과 27
• 4.4 속도 분석 28
• 4.5 흡착력 분석 29
• 4.6 회귀식 제안 31
• 4.7 최소 면적 설계 제안 32
• 5. 전산유체해석 34
• 5.1 지배 방정식 및 해선 조건 34
• 5.2 다공성 형상 모델링 35
• 5.3 전산해석 유효성 검증 36
• 5.4 그릴 형상에 따른 유동장 변화 37
• 5.5 CFD 결과 종합 고찰 38
• 6. 재현 및 검증 실험 39
• 7. 결론 40
• 참고문헌 42
• Abstract 43