오늘 다뤄볼 주제는 열유동해석을 통한 '열관리'에 대한 것입니다.
ESS, 데이터센터와 같은 대상들은 밀폐된 공간 안에 높은 발열량을 가진 배터리, 서버, 전자 장비 등이 밀집된 형태를 가집니다. 온도 상승에 따라 기능의 저하가 발생할 수 있으며, 대규모 화재나 폭발로 이어질 수 있는 위험성이 있어 열에 대한 관리가 필수적입니다.
광범위하게 열이 발생하고 있기 때문에 수냉, 냉각판 등에는 한계가 있어 HVAC 시스템을 통한 냉각 효과를 보편적으로 고려합니다. 이때 가장 중요한 것은 차가운 기체가 발열이 발생하는 지점에 원활하게 공급되는 가이며, 이에 대한 해석적인 검증이 필요합니다.
기체를 이용한 공조 시스템을 사용하는 이유는 무엇일까요?
다양한 방열 설계 접근 방식이 존재하지만, 펠티어 효과와 같은 특수한 경우를 제외하면 대부분의 방열 시스템은 액체나 기체와 같은 유체를 이용한 냉각 방식을 기반으로 설계됩니다.일반적으로 고체 부품에서 열이 발생하고, 이 열을 유체를 통해 외부로 방출하여 냉각하는 구조를 가집니다. 이는 일상 속에서도 쉽게 접할 수 있는 예시, 예를 들어 더운 날씨에 물에 들어가거나 선풍기, 에어컨을 통해 체온을 낮추는 현상으로도 쉽게 이해할 수 있습니다.
그러나 냉각 유체의 종류에 따라 해석적 접근은 상당히 달라질 수 있습니다. 액체는 기체에 비해 열전도율이 높아 높은 냉각 성능을 제공하지만, 밀도가 약 1,000 kg/m³ 수준으로 중력의 영향을 크게 받습니다. 이로 인해 수직 방향으로 흐름이 집중되며, 발열이 집중된 국소 부위를 효과적으로 냉각하기 위해서는 배관 형태의 유로 설계가 필요합니다. 이는 구조적 제약과 공간 확보 문제를 야기하므로 설계에 제한 요소로 작용할 수 있습니다. 따라서 액체 냉각은 일반적으로 고발열 부품이나 정밀 장비에 국한되어 사용됩니다.
반면, 기체는 밀도가 낮아 중력보다는 주변 흐름의 영향을 더 크게 받습니다. 이 특성으로 인해 공간의 제약 없이 유동 경로를 설계할 수 있으며, 쿨링팬이나 HVAC 시스템을 통해 원하는 위치로 유동을 유도하고 공급하는 방식으로 활용됩니다. 기체는 특정 부위에 집중적으로 냉각 유동을 공급하거나, 넓은 공간에 걸쳐 균일하게 공급하는 등 다양한 설계가 가능하며, 범용성 측면에서 매우 유리합니다. 이러한 이유로 공기 냉각 방식은 가장 보편적으로 사용되는 방열 설계 방식 중 하나입니다.
기체를 통한 열유동 해석에서 고려해야 할 사항은 어떤 것인가?
연구 사례에 따르면, 기체를 이용한 열전달에서 냉각 성능을 좌우하는 주요 인자는 공간의 크기보다는 유동 속도입니다. 다시 말해, 보다 높은 냉각 효과를 얻기 위해서는 기체의 속도를 증가 시키는 것이 효율적인 전략이라고 할 수 있습니다. 이러한 특성을 바탕으로 기체 유동은 일반적인 자연대류와 강제대류로 구분되며, 실무에서는 동력원을 이용한 강제대류 방식이 널리 활용됩니다. 자연대류는 온도 차에 의한 밀도 변화로 유동이 유도되지만, 강제대류는 팬이나 송풍기와 같은 장비를 통해 일정한 유속과 방향으로 기체를 공급함으로써 보다 적극적인 냉각 성능을 확보할 수 있습니다.
기체 유속은 주로 동력원의 성능에 의해 결정되지만, 냉각 효율을 높이기 위한 보다 근본적인 접근은 발열원에 기체가 얼마나 효과적으로 도달하느냐에 있습니다. 아무리 높은 속도의 기체를 공급하더라도, 유동이 발열원에 제대로 도달하지 못한다면 열전달은 기대에 못 미치게 됩니다. 따라서 해석 엔지니어의 입장에서는 단순히 유속을 높이는 것 외에도 유로 설계와 분포, 흐름의 균일성 등에 대한 면밀한 검토가 필수적입니다. 유로를 개선함으로써 기체가 발열원까지 원활하게 도달할 수 있도록 설계하는 것이 냉각 효율을 확보하는 핵심 전략 중 하나입니다.
이번 예제에서는 데이터센터 내에 다수의 서버랙이 존재하는 조건을 가정하고, HVAC 시스템에 의해 공급되는 기체 흐름이 서버랙을 효과적으로 냉각하고 있는지를 분석합니다. 유동이 서버랙 주변에 고르게 분포되고 있는지, 각 랙의 온도가 설계 기준치 이내에서 유지되고 있는지를 해석을 통해 검증하며, 이러한 분석을 통해 전체 냉각 시스템의 적정성 및 개선 필요 요소를 도출하는 것이 목적입니다. 전체적인 컨셉과 해석 방향성을 사전에 이해한 후 접근하는 것이 효과적인 분석 수행에 도움이 될 것입니다.
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