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문제 정의
- 본 연구에서는 접촉 경계 및 바이메탈 적층부의 열 변형 운동 조건을 고려한 비선형 유한요소해석을 성공적으로 수행하였다. 본 연구의 결과로 거의 전량 수입에 의존하고 있는 발전소 바이메탈 밸브 및 스팀 트랩 장비의 국산화 설계 및 개발에 선행적으로 중요한 정밀 해석 기술을 확보할 수 있었다.
- 또한, 고온, 고압의 증기에 의해 작동되는 장치인 만큼 충분한 안전율을 고려하여 설계된 하우징의 열응력/구조 해석을 수행하였다. 실제 장착하여 실험할 수 없는 장치인 만큼 첨단화된 CAE 기법으로 설계의 안전성을 검토하고, 작동성을 확인해 보았다.
제안 방법
- 경계 조건은 레귤레이터에 부착되어 바이메탈의 변형을 제한하게 되는 가이드 홀의 모서리에 3자유도 구속 조건을 가하여 열 변형에 따른 접촉 경계 조건을 모사하였다.
- 고온, 고압 환경의 스팀 트랩 하우징 구조에 대한 열 해석 또한 수행하였다. Fig.
- (2) 반대로 생증기가 유출될 때는 증기의 잠열을 충분히 이용하지 못하므로 에너지 손실이 발생하고, 회수관 내의 압력이 높아져 효율적인 응축수 회수가 어려워진다. 다양한 스팀 트랩 모델 중 온도 조절식 스팀 트랩, 그중에서 바이메탈 스팀 트랩(bimetallic steam trap)의 국산화 개발과 관련되어, 역 설계된 국산화 제품을 열-구조 해석을 수행하여 안정성 평가 및 성능 평가를 시행하였다.
- 단일 바이메탈의 열 변형 정도를 알아보기 위해 93, 200, 316, 482, 593℃일 때의 조건을 부가하여 해석을 수행하였다. 유한요소 모델링에 사용된 총 절점(node)의 수는 7,785개 이며, 총 solid 요소 수는 28,580개 이다.
- 또한, 증기 포화 온도 곡선에 근접하여 작동해야 하므로 이단 접촉 형태를 사용하여 온도 변화에 따른 시차를 두고 단계적 변형을 일으키게끔 하였다. 따라서 적층 순서에 따라 접촉 경계 조건이 달라지므로 이를 고려한 바이메탈의 열변형 해석을 수행하였다. 또한, 고온, 고압의 증기에 의해 작동되는 장치인 만큼 충분한 안전율을 고려하여 설계된 하우징의 열응력/구조 해석을 수행하였다.
- 따라서 적층 순서에 따라 접촉 경계 조건이 달라지므로 이를 고려한 바이메탈의 열변형 해석을 수행하였다. 또한, 고온, 고압의 증기에 의해 작동되는 장치인 만큼 충분한 안전율을 고려하여 설계된 하우징의 열응력/구조 해석을 수행하였다. 실제 장착하여 실험할 수 없는 장치인 만큼 첨단화된 CAE 기법으로 설계의 안전성을 검토하고, 작동성을 확인해 보았다.
- 바이메탈은 그 특성상 각각의 변형량이 크지 않기 때문에 여러 개를 적층하여 사용하게 된다. 또한, 증기 포화 온도 곡선에 근접하여 작동해야 하므로 이단 접촉 형태를 사용하여 온도 변화에 따른 시차를 두고 단계적 변형을 일으키게끔 하였다. 따라서 적층 순서에 따라 접촉 경계 조건이 달라지므로 이를 고려한 바이메탈의 열변형 해석을 수행하였다.
- 3)를 활용하였다. 바이메탈의 독특하게 설계된 두께 분포 형상 때문에 모든 구성 요소들은 3차원 tetrahedron parabolic second order mesh 요소에 기반을 두어 모델링 하였으며, 복합재 평판 요소에 대해 상호평가 및 검증을 수행하였다.
- 본 연구에서는 이종 재질 간의 접합은 두 개의 solid 모델을 glue 요소로 묶어 하나의 solid 모델로 인식하도록 하였다. 본 연구에서 고려한 바이메탈은 표면에 미세한 원형의 단차가 형성되어 있는데, 이를 정밀하게 고려하기 위해 solid 요소를 적용하였다.
- 유한요소 모델링에 사용된 총 절점(node)의 수는 7,785개 이며, 총 solid 요소 수는 28,580개 이다. 본 연구에서는 이종 재질 간의 접합은 두 개의 solid 모델을 glue 요소로 묶어 하나의 solid 모델로 인식하도록 하였다. 본 연구에서 고려한 바이메탈은 표면에 미세한 원형의 단차가 형성되어 있는데, 이를 정밀하게 고려하기 위해 solid 요소를 적용하였다.
- 선형 해석으로 단일 바이메탈에 대한 열 변형 해석을 수행한 후, 각각의 모델에 맞는 적층 방법과 밸브 부품들을 모두 모델링하여 실제와 유사하게 접촉 경계 조건을 고려한 열 구조 해석을 수행하였다. 레귤레이터는 하우징에 볼트 체결 구조로 결합되므로 하단부는 자유도를 모두 구속하였고, 조절 링 또한 스템과 나사산으로 체결되므로 fix 결합 조건으로 상호 고정하였다.
- 또한, 온도, 압력 조건을 부가하기 위해 레귤레이터가 나사산으로 결합하는 지점을 경계로 삼아, 입구 조건과 출구 조건으로 나누어 부가하였으며 각각 열 해석 경계 조건은 Table 5에 제시하였다. 설치된 스팀 트랩의 외부 환경에 대한 측정 데이터가 부족하여 본 해석에서는 극한 조건에 해당하는 환경으로 가정하여 표면 온도 및 압력 조건으로 0℃와 1 atm을 부가하였으며, 먼저 열 해석을 수행하여 하우징 구조 자체의 온도 분포 특성이 열 구조 해석에 고려될 수 있도록 하였다.
- 연구에서는 저온, 저압 용도의 BK-28 모델과 상대적으로 고온, 고압 용도의 BK-212 모델 각각의 바이메탈 밸브와 하우징의 구조 및 열 해석을 수행하였다. 바이메탈은 그 특성상 각각의 변형량이 크지 않기 때문에 여러 개를 적층하여 사용하게 된다.
- 1 mm 더 조여져야 함을 알 수 있었다. 이를 통해 실험이 거의 불가능한 고온, 고압 조건의 실제적인 스팀 트랩 모델에 대해 설계 단계에서 작동성 및 구조 건전성을 예측할 수 있는 정밀 해석 체계를 구축하였다.
- 9는 각각의 모델에 대한 유한요소 열 해석 격자를 보여주고 있으며, BK-28, BK-212 모델의 하우징 구조는 같은 경계 조건을 갖고 있다. 즉 양단의 파이프 연결부는 각각 냉각관과 응축수 회수 관으로 연결되어 있으므로 clamp 요소로 6자유도 모두 구속하였으며, 커버와 몸체는 볼트로 체결되어 있으므로 fix 요소로 고정하였다. 또한, 온도, 압력 조건을 부가하기 위해 레귤레이터가 나사산으로 결합하는 지점을 경계로 삼아, 입구 조건과 출구 조건으로 나누어 부가하였으며 각각 열 해석 경계 조건은 Table 5에 제시하였다.
대상 데이터
- 단일 바이메탈의 열 변형 정도를 알아보기 위해 93, 200, 316, 482, 593℃일 때의 조건을 부가하여 해석을 수행하였다. 유한요소 모델링에 사용된 총 절점(node)의 수는 7,785개 이며, 총 solid 요소 수는 28,580개 이다. 본 연구에서는 이종 재질 간의 접합은 두 개의 solid 모델을 glue 요소로 묶어 하나의 solid 모델로 인식하도록 하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 유한요소 열 구조 해석을 위해 상용 FEM 프로그램인 SAMCEF(Ver. 6.3)를 활용하였다. 바이메탈의 독특하게 설계된 두께 분포 형상 때문에 모든 구성 요소들은 3차원 tetrahedron parabolic second order mesh 요소에 기반을 두어 모델링 하였으며, 복합재 평판 요소에 대해 상호평가 및 검증을 수행하였다.
성능/효과
- 9 mm 변형됨과 동시에 최대 843 MPa 응력이 발생하였다. 따라서 최대 변형 시 발생하는 응력 발생 수준이 티타늄의 항복 강도 이내에 있음을 확인하였다. 또한, 해석 결과로 BK28 모델은 초기 조립 시 조절 링이 최소 1.
- 따라서 최대 변형 시 발생하는 응력 발생 수준이 티타늄의 항복 강도 이내에 있음을 확인하였다. 또한, 해석 결과로 BK28 모델은 초기 조립 시 조절 링이 최소 1.127 mm 더 조여져야 하고, BK-212 모델은 최소 0.1 mm 더 조여져야 완벽히 밀폐될 것으로 예상한다.
- 본 연구에서는 접촉 경계 및 바이메탈 적층부의 열 변형 운동 조건을 고려한 비선형 유한요소해석을 성공적으로 수행하였다. 본 연구의 결과로 거의 전량 수입에 의존하고 있는 발전소 바이메탈 밸브 및 스팀 트랩 장비의 국산화 설계 및 개발에 선행적으로 중요한 정밀 해석 기술을 확보할 수 있었다. 특히 개발된 국산 바이메탈 밸브를 요구 환경에 맞춰 조절 링의 조립 정도를 조율할 수 있었다.
- 3는 단일 바이메탈의 온도 변화에 따른 열변형량 비교 결과를 보여주고 있다. 선형 해석 결과보다 비선형 해석 결과의 경우 stiffening 효과로 변위 수준이 좀 더 낮게 나오는 것을 확인할 수 있다.
- 특히 개발된 국산 바이메탈 밸브를 요구 환경에 맞춰 조절 링의 조립 정도를 조율할 수 있었다. 저온 저압 모델인 BK-28 모델은 조절 링의 위치가 초기 설계된 위치보다 1.127 mm 더 조여져야 하고, 고온, 고압 모델인 BK-212 모델은 0.1 mm 더 조여져야 함을 알 수 있었다. 이를 통해 실험이 거의 불가능한 고온, 고압 조건의 실제적인 스팀 트랩 모델에 대해 설계 단계에서 작동성 및 구조 건전성을 예측할 수 있는 정밀 해석 체계를 구축하였다.
- 6는 각각의 바이메탈 밸브 열 변형 해석 결과이다. 접촉 조건을 고려한 해석 값으로 각각 BK-28 모델은 바이메탈이 만곡되며 스템을 최대 1.873 mm 끌어올려 국부적으로 최대 709 MPa 응력이 발생하였으며, BK212 모델 역시 스템이 최대 2.9 mm 변형됨과 동시에 최대 843 MPa 응력이 발생하였다. 따라서 최대 변형 시 발생하는 응력 발생 수준이 티타늄의 항복 강도 이내에 있음을 확인하였다.
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