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문제 정의
- 515에 따르면 배관에 열선을 시공하는 경우 배관의 하부에 설치하라고 되어 있으나, 여기에 관련된 기술적인 근거 자료는 제공하고 있지 않다. 본 논문에서는 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 다음의 결론들을 유도하였다.
- 소방 배관의 동파방지대책으로 현장에서 주로 사용되고 있는 방법 중 하나가 배관에 열선을 시공하는 것이다. 본 논문에서는 소방 배관의 동파방지를 위한 최적의 열선위치를 CFD 해석을 이용하여 살펴보았다.
- 밀폐계 내부에 열원 또는 온도차가 존재하는 경우의 자연대류 현상에 대한 연구가 수행되어 왔는데 그 중에서도 수평 방향 온도 구배를 갖는 사각(1-3) 또는 환형(4) 밀폐계 내부에 존재하는 물체의 열경계 조건에 따른 선행 연구가 많이 존재하고 있다. 본 연구는 원형 밀폐계 경계의 일부가 일정한 열 유속을 갖고 그 내부에 물이 들어있는 2차원 밀폐계 유동의 응용 연구이다. 배관의 동파사고는 배관 내 물이 동결하면서 체적이 증가하는데 이 때 발생하는 압력이 배관의 최대 내압력보다 커서 배관이 파손되는 현상이다.
- 본 연구에서는 소방 배관의 동파방지에 가장 효과적인 열선의 위치에 확인하기 위하여 열선의 위치를 달리하여 배관 내 물의 온도 상승 결과를 상호 비교하였다. 열선의 위치는 배관 단면을 기준으로 θ = 0°, 45°, 90°, 135°, 180°에 시공한 경우를 각각 모델링하였으며, 열선이 설치된 부분은 단위 m 당 16 W의 열유속 경계조건을 입력하였고 그 이외에 배관 보온재가 설치된 부분은 단열 경계 조건을 적용하여 20,000s 동안 시간에 따른 배관 내 평균, 최대, 최소 온도 데이터를 각각 비교해 보았다.
- 본 절에서는 열선의 위치에 따른 소방 배관과 배관 내부 유체의 수치해석에 사용될 격자계를 결정하기 위하여, 배관 외경(D)을 기준으로 D/40, D/60, D/80의 다양한 격자 계를 사용하여 그 결과치를 상호 비교하였다. D/40의 격자개수는 1392개, D/60의 격자개수는 2657개, D/80의 격자개수는 4731개 였다.
가설 설정
- 보온재의 열전도율 측정방법 KS 기준인 KS L 9016을 살펴보면 배관보온재가 시공된 상태에서의 열전도율을 측정하는 것이 아니라 배관보온재의 시편에 대한 열전도율을 측정하는 시험으로 현장에서 시공할 때 배관보온재 접합부 등에서 발생할 수 있는 손실이 반영되지 않으므로 실제 시공 상태에서의 열전도율과는 차이가 있어 업체에서 제시한 열전도율이 아닌 단열조건을 입력 하였다. 열선이 설치된 배관의 바깥쪽 경계에 단위 m 당 16 W의 열유속을 갖도록 설정하였으며, 이는 열선 자체가 충분히 가열되어 있는 상태를 가정하여 열선이 가열되는 시간은 없다는 가정 하에 수치해석을 수행하였다.
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