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[국내논문] 다구찌 방법을 이용한 지역난방시스템의 벤드형상 설계
Shape Design of Bends in District Heating Pipe System by Taguchi Method 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.3=no.294, 2010년, pp.307 - 313  

최문덕 (인하대학교 기계공학과) ,  김주용 (인하대학교 기계공학과) ,  고현일 (한국지역난방공사 지역난방기술연구소) ,  조종두 (인하대학교 기계공학과)

초록
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본 논문에서는 지역난방에 사용되는 이형관인 벤드(bend)의 형상설계에 대한 연구를 수행하였다. 지역난방관은 강관(내부)과 폴리우레탄 보온재(중앙부) 그리고 고밀도폴리에틸렌 외관(외부)의 3개의 중공관으로 구성되며 일반적으로 $10{\sim}120^{\circ}C$ 온도범위의 물이 $16kgf/cm^2$의 내압을 가지면서 수송된다. 이에 따라 작동 중 발생하는 반복적인 열적-기계적 하중을 지탱할 수 있어야 한다. 보통 지역난방관의 벤드부에는 폼패드라고 부르는 신축흡수재가 덧씌워지는데 이 폼패드의 노후에 따른 문제가 종종 발생한다. 본 논문에서는 벤드부에서의 폼패드 노후 문제를 경감시키기 위한 대안으로 폼패드를 없앤 이중보온관의 형상 설계를 제안하였다. 제안된 설계는 벤드부 강관에 전단고리(shear ring)를 적용하는 방법으로 이때 전단고리의 최적치수는 다구찌 방법과 유한요소법을 적용하여 접근하였다. 그 결과로 전단고리의 두께와 높이, 개수 순으로 최적화 효과가 있음을 확언하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, alternative designs for the bends used in district heating pipes are investigated. The district heating pipes, which are subjected to temperatures of 10 to $120^{\circ}C$ and a water pressure of $16\;kgf/cm^2$, have to withstand thermomechanical cyclic loads when...

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구의 목적은 PUR 폼에 작용하는 전단응력을 가장 작게 형성시키는 최적의 전단 고리 형상 및 크기를 결정하는 것이다. 연구방법으로 다구찌 방법(Taguchi method)을 응용하여 실험계획 모델을 도출하고 각 모델에 대한 유한요소해석을 수행하였다.
  • 본 연구에서 다구찌 방법의 목적함수는 손실의 최소화이다. 첫째 다구찌 방법을 이용하여 제품이나 공정의 최적 조건을 결정 하는데 있어서 손실을 줄일 수 있는 여러 인자를 선택하였다.
  • 본 논문은 지역난방시스템에 사용되는 이중보온관이 반복적인 열하중을 받을 때 벤드 부의 PUR 폼에 발생되는 높은 전단응력의 완화를 목적으로 제안된 전단 고리의 최적형상을 결정하기 위한 연구로써 다구찌 방법과 유한요소법을 이용하였다. 한국지역난방공사에서 시공하는 지중매설 열배관 중 관경 125A를 대상으로 선정하고 연구를 수행한 결과 최적의 전단 고리 형상 및 치수를 결정하기 위한 방법으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

  • Table 3에 배열된 실험조건에 따라 유한요소해석을 진행하였다. 본 연구에서는 단일인자에 관한 영향만을 고려하므로 각 인자간의 교호작용은 고려하지 않았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지중매설 열배관은 어떻게 제작된 파이프인가? 한국지역난방공사에서 시공하는 지중매설 열배관은 삼중동심관으로써 중심으로부터 철재 내관(steel carrier pipe), 폴리우레탄 보온용 폼(polyurethane insulation foam), 고밀도 폴리에틸렌 외관(high density polyethylene casing pipe)의 순서로 제작된 다중이종재료 파이프이다.
지역난방시스템에 사용되는 이중보온관이 반복적인 열하중을 받을 때 벤드 부의 PUR 폼에 발생되는 높은 전단응력의 완화를 목적으로하는 전단 고리의 최적형상을 결정하기 위한 연구 수행의 결과는? (1) 전단 고리의 형상 최적화를 위하여 고리의 개수, 높이 및 두께를 설계인자로 하여 다구찌 방법으로 결정한 9개의 실험모델을 선정하였다. (2) 각 실험모델을 대상으로 유한요소 구조해석을 수행하여 PUR 폼의 전단응력 저감에 대한 각 인자의 기여율을 검토한 결과 제안된 벤드에서는 전단 고리 개수, 두께, 높이의 순으로 높은 영향을 주는 것을 확인하였다. (3) 최적의 전단 고리 적용을 통해 폼패드를 함께 시공하지 않으면서도 기존의 사양에 비하여 PUR 폼에 작용하는 전단응력을 20% 이상 감소시킬 수 있었다. (4) 본 연구에서 다룬 125A 이외의 다른 관경에 대하여도 동일한 기법을 이용하여 전단 고리 형상의 최적화할 수 있다.
지역난방은 어떤 방식의 난방시스템인가? 지역난방은 아파트나 상업용 건물 등에 사용비용이 비싼 개별난방 및 온수공급 시설을 설치하는 대신에 저렴한 비용으로 열을 공급할 수 있는 방식이다. 또한 지역난방은 열에너지를 열병합발전소로부터 열배관 네트워크를 통해 공급하므로 에너지와 환경보존의 관점에서 효율적인 난방시스템이다. 국내에서는 1980년 초반 아파트와 같은 집단주거시설이 국내에 본격적으로 보급되기 시작하면서 지역난방시스템이 도입되어 현재까지 많은 지역에 시공되고 있다.
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참고문헌 (7)

  1. Jooyong Kim, Hobum Kim, Hyun Il Ko, Yong Mo An and Chongdu Cho, 2009, "Design Validation and Improvement of District Heating Pipe Using FE Simulation," Trans. of the KSME(A), Vol. 33, No. 4, pp. 337-345. 

  2. Sangbok Lee, 2003, "The Taguchi Technique from the Field to Apply," Sangjosa, pp. 15-268. 

  3. Sangbok Lee, 2006, "Taguchi Techniques for Use with Minitab," Eretec inc., pp. 18-70. 

  4. Korea District Heating Corporation, 2003, "A Construction Guidebook of District Heating Pipe Facilities," KDHC DH Pipe Network Division, Vol. 2, pp. 225-240. 

  5. ANSYS Workbench Release 11.0, 2007, ANSYS Inc. 

  6. Soil Material Property / Young's Soil Modulushttp://www.geotechnicalinfo.com 

  7. Peter Randlov, 1997, "District Heating Handbook," European District Heating Pipe Manufacturers Association, pp. 131-138. 

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