[논문]배관의 신축이음에서의 유동해석을 통한 융합기술연구

이정호; 조재웅

doi:10.15207/jkcs.2015.6.3.013

[국내논문] 배관의 신축이음에서의 유동해석을 통한 융합기술연구
Study on Convergence Technique through Flow Analysis at the Flexible Joint of the Pipe Laying 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.6 no.3, 2015년, pp.13 - 18

이정호 (공주대학교 대학원 기계공학과) , 조재웅 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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본 논문은 신축이음으로 배관과 배관사이에 연결되어 압력과 온도를 조절하는 이음의 안전설계에 관한 연구이다. 본 연구의 목적은 외기와 수송유체의 압력으로 인한 팽창과 수축에 의한 파이프 손상의 문제를 해결하고자 하여 파이프에 작용하는 과중한 압력을 감소시키고 사고발생을 예방하고자 하고자 한다. 3가지 유형의 신축이음을 적용하여 각각의 모델의 유동특성을 시뮬레이션 해석을 통하여 관찰한다. 각각의 모델의 형상에 따라 슬리브형, 벨로우즈형, 루프형의 신축이음 특성을 분류한다. 또한 수송 유체가 신축이음을 통과할 때, 배관에서의 열과 압력, 속도의 유동특성을 분석한다. 본 연구의 결과를 이용하면 신축이음 형상에 따른 안전설계에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 디자인 면에서 융합 기술로의 접목도 가능하여 미적인 감각을 나타낼 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is the study on the safe design of joint controling the pressure and temperature by connecting between pipes laying with the flexible joint. This study aims at decreasing the excessive pressure applied in the pipe and preventing the accident occurrence in order to solve the pipe damage by extraction and contraction due to the pressure of open air and transport gas. The flow properties of each model are investigated through the simulation analysis by applying three kinds of the flexible joints. When transport gas passes the flexible joint, the flow characteristics of heat, pressure and velocity at pipe laying are analyzed. It is thought to be contributed to the safe design due to the shape of the flexible joint by using the result of this study. And it is possible to be grafted onto the convergence technique at design and show the esthetic sense.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

신축이음은 외기와 수송유체의 온도변화에 따른 파이프 라인의 팽창과 수축의 문제 압력으로 인한 파이프의 손상으로부터 신축 및 진동에 대응하는 신축관을 설치하여 파이프라인에 가해지는 과중한 응력을 흡수하여 보호하여 사고발생을 예방하는데 그 목적을 가지고 있다[1,2,3].
신축이음이 없을 시, 파이프 라인이 고온과 고압에 의하여 틀어지거나 터지게 된다[4]. 본 연구에서는 파이프라인에 사용되는 3가지 신축이음의 내부 유체해석을 통하여 신축이음의 효과를 검토하고자 한다[5,6]. 파이프 라인에 사용되는 3가지 신축 이음은, 슬리브 타입(Sleeve type), 벨로우즈 타입 (Bellows type), 루프타입(Loop type)을 사용하여 각각의 신축이음의 형상을 동일한 조건의 유동환경을 가정한 후, 유동해석을 통하여 각각의 유동특성을 파악하고자 한다 [7,8,9,10].

가설 설정

[Table 1]과 같이 해석조건으로 입구 압력은 1.6MPa, 출구 평균압력은 0.1MPa, 220℃의 공업용 냉각수 유체를 가정하여 해석을 수행하였다. 고온 고압의 냉각수의 유출은 자칫 큰 인명피해로 이어질 수 있어, 형상별 유동특성을 파악하여 보강을 하여 사전예방을 하는 것이 중요하다.

제안 방법

본 연구에서는 파이프라인에 사용되는 3가지 신축이음의 내부 유체해석을 통하여 신축이음의 효과를 검토하고자 한다[5,6]. 파이프 라인에 사용되는 3가지 신축 이음은, 슬리브 타입(Sleeve type), 벨로우즈 타입 (Bellows type), 루프타입(Loop type)을 사용하여 각각의 신축이음의 형상을 동일한 조건의 유동환경을 가정한 후, 유동해석을 통하여 각각의 유동특성을 파악하고자 한다 [7,8,9,10]. 또한, 이는 디자인 면에서의 융합 기술로의 접목도 가능하여 미적인 감각을 나타낼 수 있다.
[Fig. 1]은 해석에 사용된 모델의 형상을 나타낸 것으로 신축이음의 종류 중 가장 많이 사용되는 3가지 타입을 Catia V5를 이용하여 3D모델링 하였으며, 이를 유한요소 해석프로그램인 Ansys를 유체해석을 수행하였다. [Fig .
본 연구에서는 신축이음 모델들의 내부에서의 유동 해석을 수행한 후, 각 Section별로 Pressure, Velocity, Temperature들을 비교 및 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

성능/효과

다만 압력강하가 크게 나타나기 위해서는 압력이 유동하는 면적이 커야하는데 이렇게 될 때, 압력이 낮아지는 부위에서 압력변화가 크게 일어나며 공동현상이나 워터해머 현상이 발생할 수 있어 추가적인 보강이 필요하다고 사료된다. 또한 압력과 온도와의 관계에서 슬리브 타입이 벨로우즈 타입에 비교하여 압력강하는 46%, 냉각은 2.2%, 더 좋았으며 루프 타입과 비교 했을 때는 압력강하는 76%, 1.86%, 더 개선됨을 알 수 있었다.
11]은 벨로우 타입에 관한 것으로 입구를 통해 들어온 고압의 유체는 잠시 감소하는 추세를 보이다, 출구 쪽에 들어서는 가속화 되는 형상을 보이고 있다. 이를 통해 벨로우즈 타입의 신축이음의 경우 들어온 유체속도에 비해 출구속도가 높아 저속으로 들어온 유체도 고속으로 토출이 가능함을 해석을 통해 확인할 수 있었다.
12]는 루프타입에 관한 것으로, 유체의 밀집도는 루프가 꺾이는 부분에 집중되고 있음을 볼 수 있다. 또한, 루프가 상승했다가 하강하는 부위에서 유체의 속도가 증가하는 추세를 보이고 있음을 알 수 있다. 유체의 속도를 통한 해석결과를 토대로 볼 때, 슬리브 타입과 루프타입은 각 관절의 꺾임에 따라 유체의 압력과 속도가 집중되고 있음을 볼 수 있다.
이러한 급격한 속도와 압력의 변화는 신축이음의 워터해머 현상을 발생시킬 수 있어, 신축이음의 균열로 이어질 수 있기 때문에 보강이 필요하다는 해석적 결과에 도달 할 수 있다. 입,출구에서의 유체 속도는 슬리브 타입에서 47%, 벨로우즈 타입에서 8.84%, 루프타입에서 85%더 높게 나타났다. 이러한 결과를 토대로 각 신축이음의 유체속도에 따른 보강을 고려할 수 있다.
1) 가장 낮은 압력분포를 보인 슬리브 타입과 비교 했을 때, 벨로우 타입과는 46%, 루프 타입과는 76%의 압력 차이가 낮게 나왔다
2) 가장 높은 냉각성능을 보인 슬리브 타입과 비교 했을 때, 슬리브 타입과는 2.2%, 루프 타입과는 1.86% 더 높은 냉각성능을 보였다.
3) 가장 높은 유체속도의 변화를 보인 루프타입의 속도비율은 85%의 높은 차이를 보였고, 뒤를 이어 슬리브 타입에서 47%, 벨로우즈 타입에서 8.8%의 속도차이를 보였다. 이를 통해 각 신축이음에서의 유체속도차를 볼 수 있으며 얻어진 기반데이터를 토대로 각 신축이음에서의 보강을 결정할 수 있다.
이를 통해 각 신축이음에서의 유체속도차를 볼 수 있으며 얻어진 기반데이터를 토대로 각 신축이음에서의 보강을 결정할 수 있다. 또한 이를 통해 별도의 장치없이도 구조적인 설계를 통해 유체의 토출 속도를 높일 수 있음을 해석적 결과를 통해 알 수 있었다

후속연구

4) 본 연구에서의 해석결과들을 통해, 유체유동에 사용되는 신축이음의 유동특성을 파악할 수 있으며 이를 통해 유체 유동의 특성에 따른 신축이음의 설계에 이바지 할 수 있다. 또한, 디자인 면에서의 융합 기술로의 접목도 가능하여 미적인 감각을 나타낼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파이프 라인에 사용되는 신축 이음의 종류는 무엇인가?	본 연구에서는 파이프라인에 사용되는 3가지 신축이음의 내부 유체해석을 통하여 신축이음의 효과를 검토하고자 한다[5,6]. 파이프 라인에 사용되는 3가지 신축 이음은, 슬리브 타입(Sleeve type), 벨로우즈 타입 (Bellows type), 루프타입(Loop type)을 사용하여 각각의 신축이음의 형상을 동일한 조건의 유동환경을 가정한 후, 유동해석을 통하여 각각의 유동특성을 파악하고자 한다 [7,8,9,10]. 또한, 이는 디자인 면에서의 융합 기술로의 접목도 가능하여 미적인 감각을 나타낼 수 있다.
	슬리브 타입의 신축이음 시공 시 주의해야 할 부분은 어디인가?	입구 측으로 들어오는 고압의 압력이 넓은 공간의 완충지대로 진입함에 따라 압력강하에 의해서 압력이 낮아지고 있음을 볼 수 있다. 좁은 면적의 유동면적에서 넓은 공간으로 이동할 때 입구의 둘레부분에서 압력차가 크게 발생하는 것을 볼 수 있는데, 이러한 부분에서의 보강이 필요할 것 ㄹ으로 사료된다.
	신축이음의 목적은 무엇인가?	각종 수송관의 배관을 설계함에 있어 신축이음의 역할은 아주 중요하다고 볼 수 있다. 신축이음은 외기와 수송유체의 온도변화에 따른 파이프 라인의 팽창과 수축의 문제 압력으로 인한 파이프의 손상으로부터 신축 및 진동에 대응하는 신축관을 설치하여 파이프라인에 가해지는 과중한 응력을 흡수하여 보호하여 사고발생을 예방하는데 그 목적을 가지고 있다[1,2,3]. 신축이음이 없을 시, 파이프 라인이 고온과 고압에 의하여 틀어지거나 터지게 된다[4].

참고문헌 (15)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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