본 연구에서는 배관의 동파방지를 위해 열선을 설치하는 경우 최적의 열선 시공 기법을 확인하기 위하여 에너지 방정식과 비정상 비압축성 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 수치해석를 수행하였다. 배관 내 물의 자연대류와 배관의 열전도 방정식이 상호작용을 하므로 복합열전달 해석을 상용코드 ANSYS-FLUENT에서 제공하는 압력-속도 연성기법들 중의 하나인 ...
본 연구에서는 배관의 동파방지를 위해 열선을 설치하는 경우 최적의 열선 시공 기법을 확인하기 위하여 에너지 방정식과 비정상 비압축성 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 수치해석를 수행하였다. 배관 내 물의 자연대류와 배관의 열전도 방정식이 상호작용을 하므로 복합열전달 해석을 상용코드 ANSYS-FLUENT에서 제공하는 압력-속도 연성기법들 중의 하나인 SIMPLE알고리즘을 이용하여 수행하였다. 2장에서는 선행연구로 수행되었던 Steel 배관에서 동파방지용 열선을 설치하기 위한 최적의 열선의 위치에 대한 연구를 간단히 요약하였다. 복합 열전달 배관 내 물의 비정상적인 유동과 온도분포를 확인하였다. 2차원 수치해석을 수행하여 등온선과 벡터장을 살펴보았다. 물의 열팽창계수를 일정하다고 가정할 때 소방 배관 단면의 하부에 열선을 설치하는 것이 다른 위치에 설치하는 것보다 시간에 따른 물의 최저온도가 가장 높아서 동파방지에 가장 효과적인 것을 확인할 수 있었다. 3장에서는 CPVC 배관의 동파방지를 위하여 최적의 열선위치를 에너지방정식과 비정상 비압축성 Navier-stokes 방정식을 사용하여 수치해석을 수행하였다. CPVC 배관은 탄소강관과 열용량 등 주요 물성에 큰 차이가 있어 배관 내 물의 유동에 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. CPVC 배관의 동파방지에 가장 효과적인 열선의 위치를 고찰하고자 배관 내부의 2차원 비정상 열전달 수치해석을 수행하였다. 열선의 위치는 배관 단면 12시 방향을 기준으로 θ = 0°, 45°, 90°, 135°, 180° 에 시공한 경우를 각각 모델링하여 해석을 수행하여 배관 단면을 기준으로 θ = 180°에 열선을 시공하는 것이 가장 효과적으로 확인되었으나, θ = 135° 인 경우와 그 차이가 미비하였다. 배관 보온재 하부에 빗물이나 결로 등의 체류로 인한 열선의 오동작과 같은 잠재적인 설비의 오용(Potential mechanical abuse)을 방지하기 위해서는 열선을 배관 단면을 기준으로 θ = 135° 부근에 설치하는 것이 가장 타당함을 확인할 수 있었다. 4장에서는 동파방지용 열선이 설치된 Steel 배관과 PVC 배관의 2차원 비정상 수치해석을 수행하여 내부 물의 유동 등을 비교하였다. Steel 배관과 PVC 배관은 밀도, 비열 및 열확산계수 등 물성에 큰 차이가 있다. 배관 내부 물의 유동장을 비교한 결과 서로 상반된 형태의 유동장을 갖고 있었으며, 배관의 물성차에 의한 배관 온도 분포에 있어서도 큰 차이가 있었다. 배관의 물성차이에 의한 Steel 배관과 PVC 배관 내부의 온도장 및 속도장을 서로 비교하였고 물에 전달되는 열 유속 등을 자세히 살펴보았다. 그 결과 PVC는 적은 열용량으로 인해 내부 물이 Steel 배관에 비해 더 높은 온도데 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 그 결과 PVC 배관의 경우에 내부 물에서 더 강한 소용돌이(vortex)가 생성되는 것 등을 확인할 수 있었다. 5장에서는 Steel 배관의 동파방지를 위하여 열선이 다양한 위치에 설치된 경우 내부 물의 밀도변화를 고려하여 2차원 수치해석을 수행하였다. 2~4장의 경우 Boussinesq 방정식을 사용하였지만 이 장에서는 277K에서 최대 밀도를 갖는 물의 특성을 고려하기 위하여 온도에 따른 밀도 변화를 함수 형태로 입력하였다. 그 결과 관의 동파와 밀접한 관련이 있는 배관 내 최소온도를 살펴보면, 물의 온도가 상승할수록 밀도가 증가하는 273~277K 범위에서는 θ = 0°, 45°, 90°, 135°, 180° 순으로 온도가 빠르게 상승하는 것을 확인할 수 있었고, 온도가 상승할수록 물의 밀도가 감소하는, 277K 보다 높은 온도에서는 θ = 180°, 135°, 90°, 45°, 0° 순으로 온도가 빠르게 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 6장에서는 Steel 배관의 동파방지를 위하여 열선을 직선 시공한 것과 감기 시공한 것을 비교하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 2~5장의 경우 배관에 열선을 직선으로 시공하여 축방향 유동이 발생하지 않아서 2차원 해석을 수행하였지만, 본 장에서는 열선을 배관의 축방향으로 감아서 시공한 것과 열선을θ = 135°위치에 직선으로 시공한 것을 3차원 수치해석을 수행하여 상호 비교하였다. 감기 시공한 것과 배관의 하부에 직선으로 시공한의 경우에 자연대류에 의한 유동장은 상이하고 특히 감기 시공의 경우 X축 방향 유동이 발생하는 것을 확인하였으나 시간에 따른 배관 내 물의 최소 및 최대 온도 이력은 거의 동일함을 확인하였다.
본 연구에서는 배관의 동파방지를 위해 열선을 설치하는 경우 최적의 열선 시공 기법을 확인하기 위하여 에너지 방정식과 비정상 비압축성 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 수치해석를 수행하였다. 배관 내 물의 자연대류와 배관의 열전도 방정식이 상호작용을 하므로 복합열전달 해석을 상용코드 ANSYS-FLUENT에서 제공하는 압력-속도 연성기법들 중의 하나인 SIMPLE 알고리즘을 이용하여 수행하였다. 2장에서는 선행연구로 수행되었던 Steel 배관에서 동파방지용 열선을 설치하기 위한 최적의 열선의 위치에 대한 연구를 간단히 요약하였다. 복합 열전달 배관 내 물의 비정상적인 유동과 온도분포를 확인하였다. 2차원 수치해석을 수행하여 등온선과 벡터장을 살펴보았다. 물의 열팽창계수를 일정하다고 가정할 때 소방 배관 단면의 하부에 열선을 설치하는 것이 다른 위치에 설치하는 것보다 시간에 따른 물의 최저온도가 가장 높아서 동파방지에 가장 효과적인 것을 확인할 수 있었다. 3장에서는 CPVC 배관의 동파방지를 위하여 최적의 열선위치를 에너지방정식과 비정상 비압축성 Navier-stokes 방정식을 사용하여 수치해석을 수행하였다. CPVC 배관은 탄소강관과 열용량 등 주요 물성에 큰 차이가 있어 배관 내 물의 유동에 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. CPVC 배관의 동파방지에 가장 효과적인 열선의 위치를 고찰하고자 배관 내부의 2차원 비정상 열전달 수치해석을 수행하였다. 열선의 위치는 배관 단면 12시 방향을 기준으로 θ = 0°, 45°, 90°, 135°, 180° 에 시공한 경우를 각각 모델링하여 해석을 수행하여 배관 단면을 기준으로 θ = 180°에 열선을 시공하는 것이 가장 효과적으로 확인되었으나, θ = 135° 인 경우와 그 차이가 미비하였다. 배관 보온재 하부에 빗물이나 결로 등의 체류로 인한 열선의 오동작과 같은 잠재적인 설비의 오용(Potential mechanical abuse)을 방지하기 위해서는 열선을 배관 단면을 기준으로 θ = 135° 부근에 설치하는 것이 가장 타당함을 확인할 수 있었다. 4장에서는 동파방지용 열선이 설치된 Steel 배관과 PVC 배관의 2차원 비정상 수치해석을 수행하여 내부 물의 유동 등을 비교하였다. Steel 배관과 PVC 배관은 밀도, 비열 및 열확산계수 등 물성에 큰 차이가 있다. 배관 내부 물의 유동장을 비교한 결과 서로 상반된 형태의 유동장을 갖고 있었으며, 배관의 물성차에 의한 배관 온도 분포에 있어서도 큰 차이가 있었다. 배관의 물성차이에 의한 Steel 배관과 PVC 배관 내부의 온도장 및 속도장을 서로 비교하였고 물에 전달되는 열 유속 등을 자세히 살펴보았다. 그 결과 PVC는 적은 열용량으로 인해 내부 물이 Steel 배관에 비해 더 높은 온도데 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 그 결과 PVC 배관의 경우에 내부 물에서 더 강한 소용돌이(vortex)가 생성되는 것 등을 확인할 수 있었다. 5장에서는 Steel 배관의 동파방지를 위하여 열선이 다양한 위치에 설치된 경우 내부 물의 밀도변화를 고려하여 2차원 수치해석을 수행하였다. 2~4장의 경우 Boussinesq 방정식을 사용하였지만 이 장에서는 277K에서 최대 밀도를 갖는 물의 특성을 고려하기 위하여 온도에 따른 밀도 변화를 함수 형태로 입력하였다. 그 결과 관의 동파와 밀접한 관련이 있는 배관 내 최소온도를 살펴보면, 물의 온도가 상승할수록 밀도가 증가하는 273~277K 범위에서는 θ = 0°, 45°, 90°, 135°, 180° 순으로 온도가 빠르게 상승하는 것을 확인할 수 있었고, 온도가 상승할수록 물의 밀도가 감소하는, 277K 보다 높은 온도에서는 θ = 180°, 135°, 90°, 45°, 0° 순으로 온도가 빠르게 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 6장에서는 Steel 배관의 동파방지를 위하여 열선을 직선 시공한 것과 감기 시공한 것을 비교하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 2~5장의 경우 배관에 열선을 직선으로 시공하여 축방향 유동이 발생하지 않아서 2차원 해석을 수행하였지만, 본 장에서는 열선을 배관의 축방향으로 감아서 시공한 것과 열선을θ = 135°위치에 직선으로 시공한 것을 3차원 수치해석을 수행하여 상호 비교하였다. 감기 시공한 것과 배관의 하부에 직선으로 시공한의 경우에 자연대류에 의한 유동장은 상이하고 특히 감기 시공의 경우 X축 방향 유동이 발생하는 것을 확인하였으나 시간에 따른 배관 내 물의 최소 및 최대 온도 이력은 거의 동일함을 확인하였다.
In this paper, the unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved to find out the optimal location of electrical heat trace for anti-freeze of water inside the pipe for fire protection. Since the conduction equation of pipe was coupled with the natural conve...
In this paper, the unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved to find out the optimal location of electrical heat trace for anti-freeze of water inside the pipe for fire protection. Since the conduction equation of pipe was coupled with the natural convection of water, the analysis of conjugate heat transfer was conducted. A commercial code (ANSYS-FLUENT) based on SIMPLE-type algorithm was used for investigating the unsteady flows and temperature distributions in water region. In the second chapter, the previous study which is relevant to finding an optimal position of electrical heat trace of steel pipe is summarized. In the third chapter, a numerical experiment was conducted to find out the optimal location of electrical heat trace for anti-freeze of water inside the CPVC pipe for fire protection. The unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved. From the present numerical experiment, it has been found that the vector field of water inside the PVC pipe is opposite to the case of steel because of the huge difference of material properties of the two pipes. Furthermore, it was found that the lowest part of the pipe was an optimal position for electrical heat trace since the minimum water temperature of the case was higher than those of the other cases. In the fourth chapter, the effect of material property of pipe on the conjugate heat transfer of a pipe containing water was investigated by solving the unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equations of water and pipe. Natural convection and conduction of water inside the pipe was coupled with the conduction of the pipe whose bottom was subject to uniform heat flux. From the present grid resolution and time-step independent solutions, it has been found that the water temperature inside the PVC pipe was higher than that inside the steel pipe because the temperature of PVC is higher than the steel due to the smaller heat capacity of PVC. The streamline patterns of the two cases due to the natural convection of water were found to be opposite because the thermal diffusivity of steel (PVC) is larger (smaller) than that of water such that steel (PVC) pipe is heated up faster (slower) than water. The distributions of the heat flux along the inside walls of steel/PVC were also examined in detail. In the fifth chapter, the unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved to find out the optimal location of electrical heat trace for anti-freeze of water inside the pipe for fire protection. This study considers convection of water near its density maximum. From the numerical experiments, the temperature profile, isotherms and the vector fields in water region were obtained. Furthermore, it was found that in a range of 273 ~ 277K, the highest part of the pipe cross-section was an optimal position of electrical heat trace since the minimum temperature of the water with the position. While at a temperature higher than 277K, the lowest part of the pipe cross-section was an optimal position. Lastly, the effects of the straight and twisted installations of electrical heat trace on anti-freeze of water inside the pipe were numerically examined. The unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved to compare the two installation methods. Since the heat conduction of pipe with heat source interacted with the natural convection of water, conjugate heat transfer was considered by using a commercial code (ANSYS-FLUENT) based on SIMPLE-type algorithm. From the numerical experiments, the isotherms and the vector fields in water region were investigated to extract the evolutions of minimum and maximum temperatures of water inside pipe. It was found that there is no substantial difference between the straight and twisted installations of electrical heat trace in terms of anti-freeze effect. Therefore, it can be concluded that the straight installation is recommended considering the damage and short circuit of electrical heat trace.
In this paper, the unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved to find out the optimal location of electrical heat trace for anti-freeze of water inside the pipe for fire protection. Since the conduction equation of pipe was coupled with the natural convection of water, the analysis of conjugate heat transfer was conducted. A commercial code (ANSYS-FLUENT) based on SIMPLE-type algorithm was used for investigating the unsteady flows and temperature distributions in water region. In the second chapter, the previous study which is relevant to finding an optimal position of electrical heat trace of steel pipe is summarized. In the third chapter, a numerical experiment was conducted to find out the optimal location of electrical heat trace for anti-freeze of water inside the CPVC pipe for fire protection. The unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved. From the present numerical experiment, it has been found that the vector field of water inside the PVC pipe is opposite to the case of steel because of the huge difference of material properties of the two pipes. Furthermore, it was found that the lowest part of the pipe was an optimal position for electrical heat trace since the minimum water temperature of the case was higher than those of the other cases. In the fourth chapter, the effect of material property of pipe on the conjugate heat transfer of a pipe containing water was investigated by solving the unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equations of water and pipe. Natural convection and conduction of water inside the pipe was coupled with the conduction of the pipe whose bottom was subject to uniform heat flux. From the present grid resolution and time-step independent solutions, it has been found that the water temperature inside the PVC pipe was higher than that inside the steel pipe because the temperature of PVC is higher than the steel due to the smaller heat capacity of PVC. The streamline patterns of the two cases due to the natural convection of water were found to be opposite because the thermal diffusivity of steel (PVC) is larger (smaller) than that of water such that steel (PVC) pipe is heated up faster (slower) than water. The distributions of the heat flux along the inside walls of steel/PVC were also examined in detail. In the fifth chapter, the unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved to find out the optimal location of electrical heat trace for anti-freeze of water inside the pipe for fire protection. This study considers convection of water near its density maximum. From the numerical experiments, the temperature profile, isotherms and the vector fields in water region were obtained. Furthermore, it was found that in a range of 273 ~ 277K, the highest part of the pipe cross-section was an optimal position of electrical heat trace since the minimum temperature of the water with the position. While at a temperature higher than 277K, the lowest part of the pipe cross-section was an optimal position. Lastly, the effects of the straight and twisted installations of electrical heat trace on anti-freeze of water inside the pipe were numerically examined. The unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved to compare the two installation methods. Since the heat conduction of pipe with heat source interacted with the natural convection of water, conjugate heat transfer was considered by using a commercial code (ANSYS-FLUENT) based on SIMPLE-type algorithm. From the numerical experiments, the isotherms and the vector fields in water region were investigated to extract the evolutions of minimum and maximum temperatures of water inside pipe. It was found that there is no substantial difference between the straight and twisted installations of electrical heat trace in terms of anti-freeze effect. Therefore, it can be concluded that the straight installation is recommended considering the damage and short circuit of electrical heat trace.
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