[논문]선택적 환원촉매장치(SCR)에서 밸브의 열해석에 관한 연구

최재욱; 곽동기

doi:10.15207/jkcs.2019.10.8.153

초록
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현대사회에 이르며 발생한 환경오염으로 인해 산업 전반적인 환경규제가 강화되었다. 따라서 이러한 환경규제를 충족하기 위해 선택적 환원촉매장치(SCR)의 연구개발이 필요하다. 본 논문은 SCR 시스템의 핵심부품인 공압식 댐퍼 밸브(PDV)를 개발하기 위하여 열해석을 수행하였다. 열해석을 위해 우선적으로 재질의 물성치 검증을 실시하였다. 검증은 시편의 열물성시험과 열인장시험을 통해 하였으며 결과를 재질의 물성치에 보강하여 열해석의 신뢰성을 높이도록 하였다. 열해석은 유한 요소 프로그램(Ansys)를 사용하여 PDV가 갖는 사용 조건에 따라 적용된 총 3개 재질(SM400B, SS275, SB410)에서의 PDV가 보이는 열 특성을 확인하고자 하였으며, 이를 통해 PDV가 갖는 구조적 안정성을 확인하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The overall environmental regulations of the industry have been strengthened due to environmental pollution that occurred in modern society. Therefore, R&D of selective reduction catalyst (SCR) is needed to meet these environmental regulations. This paper carried out thermal analysis to develop the ...

The overall environmental regulations of the industry have been strengthened due to environmental pollution that occurred in modern society. Therefore, R&D of selective reduction catalyst (SCR) is needed to meet these environmental regulations. This paper carried out thermal analysis to develop the pneumatic damper valve (PDV), which is a key component of SCR system. For thermal analysis, verification of material properties was performed first. Verification was performed through the thermal properties test and the thermal tensile test of the specimen, and the results were reinforced with the material properties to enhance the reliability of the thermal analysis.The heat analysis was intended to identify thermal characteristics with PDV in total of three materials (SM400B, SS275, SB410) applied under the conditions of use of PDV, and to confirm the structural stability of the PDV.

Keyword

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. PDV Structure of SCR System
그림 Fig. 2. Specimen dimension for tensile test
그림 Fig. 3. Specimen tensile test setup
그림 Fig. 4. Comparison of experiment and results
그림 Fig. 5. Boundary condition of PDV
그림 Fig. 6. Thermal condition of PDV
표 Table 1. Material Property
그림 Fig. 7. Finite element mesh model of PDV
그림 Fig. 8. Deformation measurement point
그림 Fig. 9. Deformation of SS275 at 350°C
그림 Fig. 10. Deformation of SS275 at 450°C
그림 Fig. 11. Deformation of SS275 at 550°C
그림 Fig. 12. Deformation of SS275 at 650°C
그림 Fig. 13. Deformation graph of Blade
그림 Fig. 14. Deformation graph of Retainer
그림 Fig. 15. Deformation shape of Blade
그림 Fig. 16. Thermal stress of SM400B at 450℃
그림 Fig. 17. Thermal stress graph

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 이러한 문제를 방지하기 위한 PDV 모델 개발을 위해 열해석을 통해 열해석 모델의 열 변형 해석을 목표로 하고 있다. 그래서 SCR 시스템의 PDV 개발을 위해 사용조건에 따른 PDV의 열적 변형과 열응력을 확인 하고자 하였다.
본 연구는 이러한 문제를 방지하기 위한 PDV 모델 개발을 위해 열해석을 통해 열해석 모델의 열 변형 해석을 목표로 하고 있다. 그래서 SCR 시스템의 PDV 개발을 위해 사용조건에 따른 PDV의 열적 변형과 열응력을 확인 하고자 하였다. 이러한 결과를 확인하기 위해서는 우선 해석 모델에 적용될 재질의 검증이 필요하다.
이러한 온도 조건을 적용한 해석을 수행할 경우, 시중에서 제공되는 재질의 물성값을 바로 신뢰하는 건 어렵다. 따라서 시험 및 해석 결과에 오차율을 고려하여 열 해석모 델의 신뢰성을 높이고자 하였다. PDV 해석 재질의 신뢰성 확보를 위해 열해석을 실시할 온도조건인 350℃에서 650℃까지 100℃ 간격으로 시편의 열물성시험과 열인장 시험을 수행하여 재질의 물성값을 보강하고 검증하였다.
2절과 같이 3개 재질을 사용하였으며 Bolt 파트만 SUS316을 사용하였다. 본 연구에서는 유한요소해석에 필요한 가정과 경계조건에 대한 불확실성을 최대한 줄이기 위해 KOLAS 인증기관의 시편시험결과를 바탕으로 온도에 따른 비선형성을 최소화하고 선형 가정으로 결과를 도출하려고 노력하였다.
(6) 본 연구에서 확인한 데이터들에 대한 불확실성을 최소화하기 위해 실제 제품과 시험 모델의 상관관계를 통해 추가적인 재료 시험을 수행하고자 한다.

가설 설정

PDV는 배기가스의 열에 지속적으로 노출되어 정상상태를 이루며, 따라서 배기가스와 PDV가 정상상태 열전달 특성을 보이는 것으로 가정하였다. 해석에 적용한 온도조건은 PDV 전체의 온도가 해당온도(온도 조건인 350℃~650℃)에 도달한다고 가정하였다.
PDV는 배기가스의 열에 지속적으로 노출되어 정상상태를 이루며, 따라서 배기가스와 PDV가 정상상태 열전달 특성을 보이는 것으로 가정하였다. 해석에 적용한 온도조건은 PDV 전체의 온도가 해당온도(온도 조건인 350℃~650℃)에 도달한다고 가정하였다.

제안 방법

이러한 결과를 확인하기 위해서는 우선 해석 모델에 적용될 재질의 검증이 필요하다. 시중에 알려진 재질의 물성 값에 경우, 차이가 있을 수 있으므로 본 연구에서는 해석 이전에 재질의 신뢰성 검증을 실시하였으며, 검증 결과를 토대로 물성 값을 보강하여 열 해석을 실시하였다. 본 연구의 모델 해석을 위해 유한 요소 프로그램(Ansys)을 활용하였으며 구조적인 결함을 발생시킬 수 있는 PDV 구성품들을 중점적으로 확인하였다 [3,4].
시중에 알려진 재질의 물성 값에 경우, 차이가 있을 수 있으므로 본 연구에서는 해석 이전에 재질의 신뢰성 검증을 실시하였으며, 검증 결과를 토대로 물성 값을 보강하여 열 해석을 실시하였다. 본 연구의 모델 해석을 위해 유한 요소 프로그램(Ansys)을 활용하였으며 구조적인 결함을 발생시킬 수 있는 PDV 구성품들을 중점적으로 확인하였다 [3,4].
엔진에서 나오는 배기가스를 직접적으로 받기 때문에 열에 큰 영향을 받아 열적 변형에 취약할 수 있다. 본 연구 모델은 Fig. 1과 같으며, 상기 모델인 PDV에 재질을 달리하여 재질별 열적 변형을 해석을 통해 확인하였다.
따라서 시험 및 해석 결과에 오차율을 고려하여 열 해석모 델의 신뢰성을 높이고자 하였다. PDV 해석 재질의 신뢰성 확보를 위해 열해석을 실시할 온도조건인 350℃에서 650℃까지 100℃ 간격으로 시편의 열물성시험과 열인장 시험을 수행하여 재질의 물성값을 보강하고 검증하였다. 사용된 시편은 Fig.
해석은 Blade가 0° 로 닫혀있는 상태에서 해석을 수행하였다.
7는 PDV의 Mesh 형상이며 661,701개의 절점과 369,842개의 요소로 구성되었다. Mesh 분석을 통해 평균적인 요소 품질이 약 0.7(1에 가까울수록 좋음)이 되도록 형성하였고 mesh의 표준 편차는 약 0.17을 갖도록 최적화를 수행하였다. 최적화를 고려하지 않은 Mesh에 대한 열 해석 결과 값은 해석마다 오차를 발생시켰으며 10%이상 발생하는 경우도 있는 등 결과 값에 신뢰성이 현저히 떨어지는 것을 알 수 있었다.
열변형량과 열응력에 대해 확인하였으며, PDV의 열적 변형을 확인하기 위해 총 8개 지점의 열변형량을 확인하였다. Fig.
본 연구에서는 PDV가 배기가스로 인하여 열을 받아 발생하는 열적 변형에 대한 유한요소 해석(ANSYS)을 활용하여 진행하였다. SCR 시스템의 PDV 열 해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에서 확인하고자 하는 PDV는 SCR 시스템의 중요 부품으로서 디젤엔진에서 나오는 배기가스의 양을 조절하는 밸브이다. 엔진에서 나오는 배기가스를 직접적으로 받기 때문에 열에 큰 영향을 받아 열적 변형에 취약할 수 있다.
해석은 Blade가 0° 로 닫혀있는 상태에서 해석을 수행하였다. PDV의 재질은 2.2절과 같이 3개 재질을 사용하였으며 Bolt 파트만 SUS316을 사용하였다. 본 연구에서는 유한요소해석에 필요한 가정과 경계조건에 대한 불확실성을 최대한 줄이기 위해 KOLAS 인증기관의 시편시험결과를 바탕으로 온도에 따른 비선형성을 최소화하고 선형 가정으로 결과를 도출하려고 노력하였다.

이론/모형

PDV는 Blade, Casing, Retainer, Packing Holder 로 구성하였다. 해석 모델인 PDV는 전산설계 프로그램인 CATIA를 사용하여 모델링 하였다. 상기 모델은 정식 적으로 1400A라 불리며, Leakless Damper에서 가장 잘 팔리는 모델 중 하나이다.

성능/효과

17을 갖도록 최적화를 수행하였다. 최적화를 고려하지 않은 Mesh에 대한 열 해석 결과 값은 해석마다 오차를 발생시켰으며 10%이상 발생하는 경우도 있는 등 결과 값에 신뢰성이 현저히 떨어지는 것을 알 수 있었다.
열 변형량은 SB410 재질에서 가장 작은 것을 확인할 수 있었다. Blade의 변형량 그래프를 확인할 경우 온도가 증가할 경우 모든 재질이 공통적으로 가장 낮은 변형 량을 보이는 지점과 가장 높은 변형량을 보이는 지점과의 열변형량 차이가 약 1.7배 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 변형량의 차이는 Blade가 열변형에 의해 휘어짐을 말한다.
재질들의 열 변형량은 유사하지만 열응력의 경우 확연한 차이를 보이는 것을 확인하였다. Fig.
16는 SM400B 가 450℃일 때 보이는 열응력 해석결과이다. 재질과 온도에 따라 차이는 보이지만 Blade의 Shaft에서 가장 큰 열응력이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. Fig.
(1) SM400B, SS275, SB410의 3개 재질 모두 열적 변형에 있어 유사한 열변형량을 보였으며, 이는 온도 변화에 따라 확인된 결과가 비슷하다는 것을알 수 있었다.
(2) 재질 모두 온도가 550℃까지 증가하는 환경에서 재질 간의 간섭이 일어나지 않았으며, 열적 팽창에 의한 구조적 결함이 발견되지 않았다.
(3) Fig. 13과 같이 열에 의한 변형은 1번과 7번 지점의 Blade 파트에서 최대 17.77mm로 가장 큰 열변형을 나타냈다.
(5) 열응력은 PDV에서 Blade의 Shaft에서 최대 응력을 나타내기 때문에 이점을 고려한 설계 보강이 이루어질 경우 내구도 향상에 도움이 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PDV(Pneumatic Damper Valve)은 무엇인가?	우리나라의 경우 디젤엔진에서 배출되는 질소산화물을 감소시키는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템 기술 확보는 상당하지만 그와 연장 되는 PDV(Pneumatic Damper Valve) 등 주변 제품의 개발은 미흡하여 주로 수입하여 사용하고 있다. SCR 시스템에서 핵심기술인 PDV는 디젤엔진에서 나오는 배기 가스를 제어하는 제품으로서 장시간 높은 열에 노출되는 부품이다. 장시간 열에 노출될 경우 제품은 열적 변형으로 인해 배기가스 누출, 내구성 저하, 제품의 수명 저하등 문제를 발생시킨다.
	PDV의 열적 변형으로 발생하는 문제는?	SCR 시스템에서 핵심기술인 PDV는 디젤엔진에서 나오는 배기 가스를 제어하는 제품으로서 장시간 높은 열에 노출되는 부품이다. 장시간 열에 노출될 경우 제품은 열적 변형으로 인해 배기가스 누출, 내구성 저하, 제품의 수명 저하등 문제를 발생시킨다.
	까다로운 환경규제 속에서도 디젤기관이 사용되는 이유는?	기존의 환경규제인 Tier I과 Tier II에서는 기준 농도보다 NO X 를 이하로 배출하면 기준을 만족시키는 것이 가능했지만, Tier III 부터는 배기가스 후처리 장치를 무조건 장착해야 하는 강화된 기준을 가지고 있다. 까다로운 환경규제 속에서도 디젤기관이 사용되는 이유는 높은 압축비를 가지고 구동하기 때문에 열효율과 연비가 높다는 장점을 가지고 다양한 분야에서 활용되기 때문이다[1,2].

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