캠핑 문화에서 주로 사용되던 부탄의 경우 증기압이 낮아 안전성의 확보가 쉽지만, 기화점이 높아 사용자의 부주의와 사고를 유발하는 계기가 되었다. 이와 같은 연유로 최근 부탄 연료의 불편함을 대체 할 캠핑용 연료로써 프로판 공급의 필요성이 대두 되었고, 프로판 용기의 개발이 진행되었다. 프로판은 연료 특성상 높은 증기압을 가지고 있어, 용기 제작에 있어 내압 성능이 가장 중요한 요소이다. 따라서 본 논문에서는 소형 프로판 용기의 내압 성능을 결정하는 하부 경판 변화에 따른 역학적 변화를 이론적으로 접근하였으며, 수압가압 실험을 통해 압력 용기의 변형 및 파열 특성을 관찰 하였다. 프로판 용기 하부 경판의 두께가 0.25 mm증가 시 2.5 MPa의 내압성능이 향상되고, 곡률반경이 62 mm 감소 시 내압성능이 1.5 MPa 향상 되었다. 이론과 실험 결과의 비교를 토대로 향후 소형 프로판 압력 용기의 개선 방안을 제시하였으며, 이는 추후 소형 프로판 압력 용기의 보급에 있어 기초 자료가 될 것으로 기대된다.
캠핑 문화에서 주로 사용되던 부탄의 경우 증기압이 낮아 안전성의 확보가 쉽지만, 기화점이 높아 사용자의 부주의와 사고를 유발하는 계기가 되었다. 이와 같은 연유로 최근 부탄 연료의 불편함을 대체 할 캠핑용 연료로써 프로판 공급의 필요성이 대두 되었고, 프로판 용기의 개발이 진행되었다. 프로판은 연료 특성상 높은 증기압을 가지고 있어, 용기 제작에 있어 내압 성능이 가장 중요한 요소이다. 따라서 본 논문에서는 소형 프로판 용기의 내압 성능을 결정하는 하부 경판 변화에 따른 역학적 변화를 이론적으로 접근하였으며, 수압가압 실험을 통해 압력 용기의 변형 및 파열 특성을 관찰 하였다. 프로판 용기 하부 경판의 두께가 0.25 mm증가 시 2.5 MPa의 내압성능이 향상되고, 곡률반경이 62 mm 감소 시 내압성능이 1.5 MPa 향상 되었다. 이론과 실험 결과의 비교를 토대로 향후 소형 프로판 압력 용기의 개선 방안을 제시하였으며, 이는 추후 소형 프로판 압력 용기의 보급에 있어 기초 자료가 될 것으로 기대된다.
Compared to Butane tank, the propane tank should have a higher compressive strength due to its higher vapor pressure. In this study, a theoretical analysis was performed to evaluate the effect of change in the geometry of bottom plate on the mechanical property of tank, and an experiment was also ca...
Compared to Butane tank, the propane tank should have a higher compressive strength due to its higher vapor pressure. In this study, a theoretical analysis was performed to evaluate the effect of change in the geometry of bottom plate on the mechanical property of tank, and an experiment was also carried out to observe the propensity of the deformation and failure of the vessel using hydraulic pressurizing device. The compressive strength of the vessel was observed to improve 1.5-2.5 MPa as the curvature of the bottom plate was decreased 62 mm and the thickness of the bottom plate was increased 0.25 mm. This study are expected to provide viable information conducive to achieve on-going development of a small vessel for the pressurized propane gas.
Compared to Butane tank, the propane tank should have a higher compressive strength due to its higher vapor pressure. In this study, a theoretical analysis was performed to evaluate the effect of change in the geometry of bottom plate on the mechanical property of tank, and an experiment was also carried out to observe the propensity of the deformation and failure of the vessel using hydraulic pressurizing device. The compressive strength of the vessel was observed to improve 1.5-2.5 MPa as the curvature of the bottom plate was decreased 62 mm and the thickness of the bottom plate was increased 0.25 mm. This study are expected to provide viable information conducive to achieve on-going development of a small vessel for the pressurized propane gas.
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문제 정의
결국 프로판용 소형 압력용기는 우수한 내압 성능을 가져야 하며, 변형 및 파열에 대한 안전성이 충분히 규명되어야 한다[4-5]. 따라서 본 논문에서는 프로판 용기로써 사용되기 위한 소형 압력 용기의 역학적 특성에 대해 규명 하였으며, 수압을 이용한 변형 및 파열 실험 결과와 이론적인 값을 비교하여 그 개선 방향을 제안하였다. 소형 프로판 용기의 공급을 위해 전 세계적으로 연구가 활발히 진행되는 만큼, 본 논문을 통해 제시된 결과는 향후 프로판용 용기 개발과 소형 압력용기 개발에 있어 중요한 기초자료가 될 것으로 사료된다.
본 연구에서는 하부 경판의 곡률반경 및 두께 변화에 따른 프로판용 소형 압력용기의 변형 및 파열 양상을 관찰 하였다. 이론적인 응력해석 결과와 실험결과를 비교하여 그 경향성을 확인하고자 하였으며, 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
제안 방법
소형 압력용기 설계의 초기 기준은 KGS CODE AC111에 의거하여 이뤄졌으며 용기는 상부 실린더와 하부 경판을 각각 소성 가공하여 불활성 기체 용접법을 선택하였다 그림 1은 본 연구의 소형 압력용기 개략도이다 소형 압력용기는 실린더 몸통(밸브 포함)과 하부 경판으로 이루어져 있으며, 내압 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 하부 경판이다. 따라서 실린더 몸통의 밸브와 그에 포함된 부분을 강체로 가정하여 이론적인 응력 해석이 이뤄지며, 하부경판은 그 형상의 변화 가능한 요소를 고려하여 응력 해석을 수행하였다.
변형 및 파열 양상을 관찰하기 위해 수압가압 시험을 하였으며, 비 수조식 형태의 수압시험을 수행하였다. 변화 및 파열 양상을 자세히 관찰하기 위하여, 자동 수압가압 장치가 아닌 수동 수압가압 장치(Aqua Booster)를 이용하여 용기를 가압하였다.
변형 및 파열 양상을 관찰하기 위해 수압가압 시험을 하였으며, 비 수조식 형태의 수압시험을 수행하였다. 변화 및 파열 양상을 자세히 관찰하기 위하여, 자동 수압가압 장치가 아닌 수동 수압가압 장치(Aqua Booster)를 이용하여 용기를 가압하였다.
표 1은 소형 압력용기의 재료 및 치수를 나타내며, 본 연구에서는 내압 성능을 결정하는 중요한 요소인 하부 경판의 두께와 곡률반경 변화에 따른 변형 및 파열 양상을 관찰하였다[6].
이론/모형
소형 압력용기 설계의 초기 기준은 KGS CODE AC111에 의거하여 이뤄졌으며 용기는 상부 실린더와 하부 경판을 각각 소성 가공하여 불활성 기체 용접법을 선택하였다 그림 1은 본 연구의 소형 압력용기 개략도이다 소형 압력용기는 실린더 몸통(밸브 포함)과 하부 경판으로 이루어져 있으며, 내압 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 하부 경판이다. 따라서 실린더 몸통의 밸브와 그에 포함된 부분을 강체로 가정하여 이론적인 응력 해석이 이뤄지며, 하부경판은 그 형상의 변화 가능한 요소를 고려하여 응력 해석을 수행하였다.
식(1)과 (2)는 실린더 몸통과 하부 경판의 응력을 계산하기 위한 식이며, 실린더와 하부 경판의 축방향과 원주방향 이론 응력식을 토대로 연성재료의 항복기준인 최대전단변형에너지이론(Von Mises Theory)을 적용하였다. 식 (1)과 (2)에서 P, r, t, r', t'은 각각 내압, 실린더 몸통의 반경, 실린더 몸통의 두께, 하부경판의 곡률반경, 하부경판의 두께를 나타낸다.
성능/효과
(1) 하부 경판의 두께가 0.25mm 증가하면, 내압이 0.8MPa 증가 하였을 때 항복점에 도달하며, 실험결과 2.5MPa의 내압성능이 향상되었다.
(2) 하부 경판의 곡률반경이 62mm 감소하면, 내압이 1.7MPa 증가 하였을 때 항복점에 도달하며, 실험결과 1.5MPa의 내압성능이 향상되었다.
(3) 두께가 얇을 경우 연신량에 의한 저항력이 감소하여, 이론값에 비해 큰 내압성능 변화를 보였으며, 이는 하부 경판의 두께가 얇은 용기는 초기 변형이 편심되어 용접부의 결함이 균일하게 일어나지 않기 때문이다.
후속연구
따라서 본 논문에서는 프로판 용기로써 사용되기 위한 소형 압력 용기의 역학적 특성에 대해 규명 하였으며, 수압을 이용한 변형 및 파열 실험 결과와 이론적인 값을 비교하여 그 개선 방향을 제안하였다. 소형 프로판 용기의 공급을 위해 전 세계적으로 연구가 활발히 진행되는 만큼, 본 논문을 통해 제시된 결과는 향후 프로판용 용기 개발과 소형 압력용기 개발에 있어 중요한 기초자료가 될 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
부탄이 쉽게 보급화된 이유는 무엇인가?
캠핑을 즐기는 사람들이 중요하게 생각하는 것이 취사 및 난방이며, 이를 위해 보편적으로 부탄 연료가 사용된다 [1]. 부탄은 비교적 큰 연소열을 가지고 있으며, 낮은 증기압 및 높은 기화열로 인해 잠재적인 위험성이 낮기 때문에 쉽게 보급화 되었다. 하지만 겨울철 또는 대는 온도가 낮아, 부탄의 높은 기화점(-0.
부탄의 공급을 저해하는 요소는 무엇인가?
부탄은 비교적 큰 연소열을 가지고 있으며, 낮은 증기압 및 높은 기화열로 인해 잠재적인 위험성이 낮기 때문에 쉽게 보급화 되었다. 하지만 겨울철 또는 대는 온도가 낮아, 부탄의 높은 기화점(-0.5 ) 은 연소기나 난방장치로 부탄의 공급을 저해하는 요소가 된다[2]. 이러한 사용상의 불편은 사용자의 부주의 및 과실을 유발하게 되고 결국 인명피해 등 사고 로까지 이어진다.
프로판용 소형 압력용기가 우수한 내압 성능을 가져야 하는 이유는 무엇인가?
1 ) 연료 보급의 필요성이 대두되었다. 하지만 상온(20 )에서 부탄의 증기압은 3.1bar인 반면, 프로 판의 증기압은 8.35bar로 약 2.5배 가량 높다[3]. 결국 프로판용 소형 압력용기는 우수한 내압 성능을 가져야 하며, 변형 및 파열에 대한 안전성이 충분히 규명 되어야 한다[4-5].
참고문헌 (6)
김홍일; 고종보, 오토캠핑 마니아의 동기에 관한 연구, 한국관광학회, 2012, Vol(36), No(5), 199-219
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