[논문]극저온에서 풍속의 영향에 따른 발열기자재의 최적설계

조현준; 윤원영

doi:10.7469/jksqm.2020.48.3.463

[국내논문] 극저온에서 풍속의 영향에 따른 발열기자재의 최적설계
Optimum Design of the Heating Equipment by Influence of Wind Speed at Cryogenic Temperature 원문보기

品質經營學會誌 = Journal of Korean society for quality management, v.48 no.3, 2020년, pp.463 - 479

조현준 ((재)한국조선해양기자재연구원) , 윤원영 (부산대학교 산업공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: The purpose of this study is to evaluate the performance of heating equipments by implementing the extreme environment in which ships navigating the ice zone are exposed and to study and apply the experimental method to infer the optimized design for each factors. Methods: It is required to verify by analysis and experiment how the environment with low temperature and wind speed implemented through the test facility affects the heating walk-way and The optimum design of the heating walk-way in that extreme environment is derived using the Taguchi technique. Results: The results of this study are as follows; It was found the effect on the condition of each factor and derive optimized conditions that satisfy the performance condition of the heating walk-way in extreme use environment. Conclusion: Ships operating in Polar waters require reliable and durable facilities for all environments during sailing.

Keyword

표/그림 (20)

그림 Figure 1. Comparison of the northern sea route and the existing route
그림 Figure 2. Composition and specification of Heating walk-way
그림 Figure 3. Comparison of heating cable installation (12 Line / 20 Line)
표 Table 1. Standards for Manufacturing of facility for implementation of cryogenic environment
그림 Figure 4. Graph of wind speed and temperature (Center Position, 25 ℃, 5 m/s)
표 Table 2. Wind speed measurement by position and temperature
표 Table 3. Variation of wind speed by temperature
표 Table 4. Influence of environmental factors on air density calculation
그림 Figure 5. Heating walk-way 3D modeling
표 Table 5. Initial conditions of heating walk-way
그림 Figure 6. Temperature distribution for top of heating walk-way (0 m/s, -20 ℃, 20 Line)
그림 Figure 7. Installation position of temperature sensor
표 Table 6. Related factors
그림 Figure 8. Temperature graph of data recorder (Experimental number 1, N2 condition)
표 Table 7. Experimental result of L8(27) type
표 Table 8. S/N ratio and slope for experimental results
표 Table 9. Reaction table for Signal to Noise Ratio
그림 Figure 9. Main effects plot for Signal to Noise ratios and Slopes
표 Table 10. Reaction table for Slopes
표 Table 11. Estimate S/N ratios and Slopes at minimum and optimal conditions

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 저온과 상대풍속이 함께 작용하는 조건에서의 영향에 대해서는 아직 연구되지 못한 사항이다. 그러므로 저온과 풍속의 조건이 결합되었을 때의 환경이 열선에 대해 어떠한 영향을 미치는 지에 대해 알아보고, 보다 면밀히 극지 환경에 요구되는 열선의 사양을 실험 및 연구를 통해 찾아보고자 한다.
실제 빙해역 환경에서 극저온과 풍속이 온도에 미치는 영향은 상당할 것으로 예상됨에 따라 먼저 온도와 풍속의 관계를 파악하기 위해 국제표준에 근거하여 극저온 환경을 재현하는 챔버와 균질한 풍속을 재현하는 풍동설비를 접목시켜 실제 빙해역 환경을 구현하는 것을 목표로 하고, 성능 검증은 관련 규격을 참고하여 실제 실험의 결과 값을 통한 편차로 분석하고자 한다.
발열 용량이 부족하면 결빙방지에 대한 제 기능을 발휘하지 못하여 안전사고가 발생할 수 있으며, 반대로 발열 용량이 너무 크면 유지보수에 대한 비용이 커져서 선주에게 부담이 된다. 본 논문에서 열선의 설치와 관련하여 최적의 설계를 위해 다구치 방법을 이용한 실험설계, 분석을 통하여 최적의 열선 사양을 결정하는 것을 연구하고 자 한다.
본 연구에서는 발열 통행로의 온도패턴과 유동특성을 파악하기 위해 열전달 해석이 수행되었다. 본 수치해석에 사용된 기본 설계 발열통행로 도면은 CATIA를 이용하여 3D 모델링 작업을 수행한 후, 상용코드 ANSYS I-CEM CFD를 이용하여 격자를 생성하였으며 ANSYS CFX 프로그램을 이용하여 열전달 해석이 수행되었다.
본 실험 조건을 통해 특성치에 영향을 미치는 각각의 인자들에 대한 응답성과 인자들 간의 특성에 대한 결과를 실험적으로 얻었다. Figure 8 은 실험 절차에 따라 발열 통행로에 표면에 설치된 온도 센서를 통해 측정된 값을 기록한 그래프이다.
본 논문에서는 실제 빙해선박의 갑판 상부에 설치되는 발열 통행로를 대상으로 하여 극저온의 환경과 풍속의 환경이 접목된 복합 환경에서의 영향을 비교평가 후 최적화된 실험방법을 확보할 수 있도록 인자별 특성을 연구하였다. 실제 환경을 구현하기 위한 극저온 환경 구현 설비와 풍동 환경 구현 설비를 제작하여 실험을 통해 균질성을 확보하였으며, 발열 통행로의 발열 특성에 따라 인자를 구분하여 다구치 기법의 직교배열표로 실험을 실시하였다.
이를 위해 극저온 및 풍속 환경을 구현할 수 있는 설비를 국제 규격에 따라 제작하여 온도 및 풍속 값의 위치에 따른 균질성을 확보하였으며, 복합 환경 구현 설비로서 실제 빙해역 환경을 구현한 실험이 가능하게 되었다. 이로서 통행로, 핸드레일, 계단 등의 빙해 선박용 발열 기자재에 대해 복합 스트레스 평가로 도출되는 영향을 파악할 수 있게 되었다.

가설 설정

열선 포설 수는 기본 모델로 제작되어 활용되고 있는 12 Line과 20 Line의 2가지 모델을 반영하였으며, 열선 포설 방향은 설치 환경에서 가로 세로의 구분이 없으므로, 두 인자간의 영향을 파악하여 최악의 조건을 분석 결과로 반영하기 위해 제어인자로 선정하였다. 열선 테이핑 방식은 내열테이프로 주로 활용되는 테프론 테이프와 알루미늄 테이프를 선정하여 그 영향을 보고자 하였으며, 추가 보온재는 보온재가 추가될수록 보온의 효과로 발열 통행로의 표면 온도에 큰 영향을 줄 것이라는 가정 하에 기존 19 mm와 38 mm로 구분하여 선정하였다.

제안 방법

아래의 논문의 구성은 2절에서는 문헌조사를 통한 열선에 대한 기본 이론과 풍속 적용 기술을 열거하였고, 다구치 기법을 이용한 영향인자 분석 방법에 대하여 서술하였다. 3절은 실험 재료인 발열 통행로 및 실제 실험에 사용된 극저온 환경 구현 설비와 풍동 환경 구현 설비에 대한 설계, 제작, 기능을 서술하였으며, 각 설비가 구현하는 환경에 대한 균질성 평가, 저온성능에 대한 열전달 해석을 통한 발열부의 유동 파악, 다구치 기법을 활용한 인자별 실험 조건을 제시하였다. 그리고 4절에서는 각 실험조건별 온도 및 풍속에 대한 발열 통행로의 표면온도 변화를 분석하고 그 결과를 검증하기 위한 분석 내용을 서술하였고, 다구치 기법을 이용하여 주어진 환경에서의 최적조건의 열선 사양을 도출하였다.
3절은 실험 재료인 발열 통행로 및 실제 실험에 사용된 극저온 환경 구현 설비와 풍동 환경 구현 설비에 대한 설계, 제작, 기능을 서술하였으며, 각 설비가 구현하는 환경에 대한 균질성 평가, 저온성능에 대한 열전달 해석을 통한 발열부의 유동 파악, 다구치 기법을 활용한 인자별 실험 조건을 제시하였다. 그리고 4절에서는 각 실험조건별 온도 및 풍속에 대한 발열 통행로의 표면온도 변화를 분석하고 그 결과를 검증하기 위한 분석 내용을 서술하였고, 다구치 기법을 이용하여 주어진 환경에서의 최적조건의 열선 사양을 도출하였다. 마지막으로 5절에서는 본 논문의 연구결과를 정리하고 결론을 언급하고자 한다.
본 연구에서는 저온과 고풍속 환경에 적합한 피토튜브 타입으로 풍속을 제어하여 균질성 검증 및 실험을 진행하였다.
크기는 1,000 mm × 1,000 mm × 45 mm 에 6T 의 Steel Panel 로 19 mm 를 보온재를 통해 단열하고, 10XTV2-CT-T3의 열선을 포설하였다. 열선은 선박에서 실제 사용되고 있는 자기제어형 정온전선(Self-Regulating heating cable)을 이용하여 온도 및 풍속 조건별로 요구되는 전력량을 만족할 수 있도록 설계 내용을 반영하여 열선 간격을 각각 다르게 포설하였으며, 열선 포설 후에 알루미늄 테이프를 통해 위치를 고정하고 보온재로 단열, 커버를 볼트로 고정하여 마지막으로 전기를 결선하는 것으로 시편을 제작하였다.
본 설비의 내부 온도에 대한 균질성을 확보하기 위해 내부에 13개의 지점에 온도센서를 설치하여 각 온도별 기준 값에 대한 지시 값 및 온도변동, 온도분포, 측정불확도를 산출하였고, 결과 분석을 통해 설비 내 온도의 균질성을 확보하였다 (International Electronical Commission, 2001).
시료인 발열 통행로의 크기에 따라 시료 설치 지그의 크기를 일정한 풍량 구현이 가능하도록 풍동 구현 설비의 직경과 동일하게 1,000 mm × 250 mm으로 제작하여 지그에 의한 풍량 손실을 최소화하였다.
풍동 환경 구현 설비는 균질한 풍속 인가 조건에서 대기의 흐름에 대한 영향을 최소화하기 위한 목적으로 관련 규격을 참조하여 제작되었다. Fan, Transformation piece, Straightener, Duct로 구성되었고, 실험재료 표면에 고른 풍동 분포를 구현하기 위해 덕트의 길이가 최소 직경의 6배 이상이 되도록 하였다(AMCA, 2016).
풍동 환경 구현 설비는 균질한 풍속 인가 조건에서 대기의 흐름에 대한 영향을 최소화하기 위한 목적으로 관련 규격을 참조하여 제작되었다. Fan, Transformation piece, Straightener, Duct로 구성되었고, 실험재료 표면에 고른 풍동 분포를 구현하기 위해 덕트의 길이가 최소 직경의 6배 이상이 되도록 하였다(AMCA, 2016).
시료인 발열 통행로의 크기에 따라 시료 설치 지그의 크기를 일정한 풍량 구현이 가능하도록 풍동 구현 설비의 직경과 동일하게 1,000 mm × 250 mm으로 제작하여 지그에 의한 풍량 손실을 최소화하였다. 풍속을 인가하기 위해 팬을 설치하고, 풍동의 안정화를 위해 충분한 길이의 덕트를 연결하였으며, 풍속센서는 풍동이 안정화되는 구간 이후에 피토튜브를 설치하여 풍속량을 계속적으로 기록하였다. 풍속은 팬의 분당회전수(r/min)에 의해 결정된 풍동 내 공기속도에 따른 출력을 측정한다.
풍속은 팬의 분당회전수(r/min)에 의해 결정된 풍동 내 공기속도에 따른 출력을 측정한다. 시료가 설치된 지그는 풍동 설비의 마지막에 설치되어 챔버의 저온 영향과 팬의 풍속 영향을 동시에 적용 가능하도록 설계 제작하였다 (SMACNA, 2002).
본 풍동 환경 구현 설비의 균질성을 평가하기 위해 극저온 환경 구현 설비 내에 풍동 환경 구현 설비를 넣고, 풍동 환경 구현 설비에 실험재료를 설치하였다. 그리고 풍속 측정을 위해 피토튜브 풍속센서를 이용하였으며, 측정 조건은 풍동 환경 구현 설비 끝부분의 중앙을 기준으로 120 mm 간격으로 하여 좌우측 3개 씩 총 7개 위치에서 각 온도별로 풍속량을 측정하였다.
본 풍동 환경 구현 설비의 균질성을 평가하기 위해 극저온 환경 구현 설비 내에 풍동 환경 구현 설비를 넣고, 풍동 환경 구현 설비에 실험재료를 설치하였다. 그리고 풍속 측정을 위해 피토튜브 풍속센서를 이용하였으며, 측정 조건은 풍동 환경 구현 설비 끝부분의 중앙을 기준으로 120 mm 간격으로 하여 좌우측 3개 씩 총 7개 위치에서 각 온도별로 풍속량을 측정하였다. 풍동 환경 구현 설비 내부의 온도(내부 온도)와 극저온 환경 구현 설비의 온도(외부 온도)로 구분하여 안정화된 시점에서 풍속 및 온도를 측정하였다.
그리고 풍속 측정을 위해 피토튜브 풍속센서를 이용하였으며, 측정 조건은 풍동 환경 구현 설비 끝부분의 중앙을 기준으로 120 mm 간격으로 하여 좌우측 3개 씩 총 7개 위치에서 각 온도별로 풍속량을 측정하였다. 풍동 환경 구현 설비 내부의 온도(내부 온도)와 극저온 환경 구현 설비의 온도(외부 온도)로 구분하여 안정화된 시점에서 풍속 및 온도를 측정하였다.
그리고 파란색 선은 주어진 환경에서의 풍속을 측정한 것이다. 풍속 센서의 위치별로 Table 2와 같이 중앙과 중앙으로부터 좌측을 Left#1, Left#2, Left#3으로 구분하였고, 중앙으로부터 우측을 Right#1, Right#2, Right#3으로 구분하여 측정하였다.
실제 정확한 풍속을 측정하기 위해서는 공기밀도에 대해 고려하여야하나 그 영향이 크지 않으므로 본 연구에서는 매개변수에 의한 측정오차의 영향을 다구치 기법에서의 오차인자로 구분하였다.
이는 팬 운전 시 발생하는 열이 가장 크게 작용한 것으로, 20 m/s 의 풍속을 제어하는 경우가 팬의 회전수가 더 많아져 그 차이가 더 크게 나타나는 것이다. 본 연구에서는 풍동의 균질성 및 내부와 외부의 온도차는 큰 편차가 없고, 시험결과에 큰 영향을 주지 않으므로 다구치 기법에서의 오차인자로 구분하였다.
본 연구에서는 발열 통행로의 온도패턴과 유동특성을 파악하기 위해 열전달 해석이 수행되었다. 본 수치해석에 사용된 기본 설계 발열통행로 도면은 CATIA를 이용하여 3D 모델링 작업을 수행한 후, 상용코드 ANSYS I-CEM CFD를 이용하여 격자를 생성하였으며 ANSYS CFX 프로그램을 이용하여 열전달 해석이 수행되었다. 모델링 작업 및 초기조건은 Table 5와 같다 (Kim, Donghyun, 2016).
Figure 5 와 같이 3차원 모델을 바탕으로 유동해석에 필요한 유동영역을 생성하였다. 그리고 해석 Type은 Steady state, 작동유체는 Air(대기압 기준), 풍속 발생 조건은 0 m/s, 5 m/s 조건을 설정하였고, 생성한 격자의 수는 1,846,189개로 총 1,000회 반복계산이 수행되었다.
빙해역을 항행하는 선박들의 선원들의 안전을 위해 발열 통행로는 표면의 발열이 요구된다. 본 연구에서는 열전달 해석 결과를 반영하여 실험 재료의 표면에 온도센서를 설치하고 그 값을 기록하였다. Figure 7 은 본 연구에서 실험 재료의 표면에 온도센서를 설치한 위치를 나타낸 것이다.
Figure 7 은 본 연구에서 실험 재료의 표면에 온도센서를 설치한 위치를 나타낸 것이다. 온도센서는 교정된 T type 센서 및 데이터기록계를 사용하여 실험 범위 내의 모든 온도를 측정/기록하고 신뢰도를 유지하도록 하였다. 실험 재료는 실제 선박에 설치되는 형태와 동일한 구조에서 1,000 mm × 1,000 mm × 45 mm 로 제작하여 사용하였다.
본 실험을 위해 다구치 기법을 활용하여 동특성에 따른 인자별 영향을 파악하였다. 발열 통행로에서 발열의 정도에 영향을 주는 인자로서는 열선의 포설 횟수와 열선의 포설방법, 테이핑방식, 그리고 추가 보완재의 종류 등이다.
제어인자가 4개이고, 모두 2수준이므로 내측배열은 직교배열표는 L8(27)을 사용하였으며 외측배열은 신호인자가 2개에 2수준이고, 잡음인자는 최선과 최악 2수준으로 나누었다. 즉, 최선 N1 = T1W1 (0 ℃, 0 m/s), 최악 N2 = T2W2 (-20 ℃, 5 m/s)로 놓았다.
본 실험은 포설 수에 따라 12 Line과 20 Line으로 구분하고, 열선 포설 방향 및 테이핑 방식, 추가 보온재 유무로 하여 제작된 실험 재료를 대상으로 내부에 열선을 설치하고, 표면온도 및 전압, 전류의 계측과 기록을 위한 장비를 준비하였다. 실험 재료를 극저온 환경 구현 설비(챔버) 내 풍동 환경 구현 설비 지그에 설치하고, 챔버의 온도 및 풍속을 조건별로 변화시켜 안정화하였다. 그리고 각 온도 및 풍속 조건에서 전압을 설정하여 특성치인 발열통행로의 표면온도 및 전류 값의 변화 추이를 기록하는 것으로 진행하였다.
실험 재료를 극저온 환경 구현 설비(챔버) 내 풍동 환경 구현 설비 지그에 설치하고, 챔버의 온도 및 풍속을 조건별로 변화시켜 안정화하였다. 그리고 각 온도 및 풍속 조건에서 전압을 설정하여 특성치인 발열통행로의 표면온도 및 전류 값의 변화 추이를 기록하는 것으로 진행하였다.
잡음인자로 분류한 챔버의 온도와 풍속 조건은 0 ℃, 0 m/s 와 -20 ℃, 5 m/s 로 하고 신호인자인 전압은 220 V, 440 V 로 실험 조건을 세분화하여 여러 환경에서의 결과를 도출하였다.
Figure 9 의 신호 대 잡음비와 기울기의 반응 표와 주효과도에 대한 결과를 통해 인자별로 기술적 해석을 하고, 영향 및 수준별 경향을 파악하였다. 이를 통해 신호 대 잡음비의 결과로 산포를 줄이고, 기울기를 맞춤과 함께 경제적인 요건을 포함하여 최적조건을 도출하였다.
② 열선 포설 방향 : 성능에 크게 영향을 미치는 않으나, 결과로는 세로 방향이 가로보다 실험 결과가 좋았으므로 세로 방향으로 선정하였다.
③ 열선 테이핑 방식 : 테이핑 방식별로 결과의 차이는 크게 나타났다. 알루미늄 테이핑 방식이 테프론 테이핑 방식보다 표면온도 상승에 효과적으로 나타나 알루미늄 테이핑 방식을 선정하였다.
본 논문에서는 실제 빙해선박의 갑판 상부에 설치되는 발열 통행로를 대상으로 하여 극저온의 환경과 풍속의 환경이 접목된 복합 환경에서의 영향을 비교평가 후 최적화된 실험방법을 확보할 수 있도록 인자별 특성을 연구하였다. 실제 환경을 구현하기 위한 극저온 환경 구현 설비와 풍동 환경 구현 설비를 제작하여 실험을 통해 균질성을 확보하였으며, 발열 통행로의 발열 특성에 따라 인자를 구분하여 다구치 기법의 직교배열표로 실험을 실시하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
1) 극저온 환경 및 결빙, 착설 등의 악조건 하에서 통행로가 제 기능을 발휘하기 위해서 저온상태의 운전을 고려한 내구성이 있는 제품의 개발의 필요성이 지속적으로 요구되어 왔다. 이를 위해 극저온 및 풍속 환경을 구현할 수 있는 설비를 국제 규격에 따라 제작하여 온도 및 풍속 값의 위치에 따른 균질성을 확보하였으며, 복합 환경 구현 설비로서 실제 빙해역 환경을 구현한 실험이 가능하게 되었다. 이로서 통행로, 핸드레일, 계단 등의 빙해 선박용 발열 기자재에 대해 복합 스트레스 평가로 도출되는 영향을 파악할 수 있게 되었다.
2) 실험재료인 발열 통행로를 통해 온도 및 풍속의 조건별 실험에 따른 최적화된 열선 포설 방법을 찾았으며, 이를 통해 사용 환경에 따른 열선 포설로서 선원의 안전을 확보할 수 있는 기능적인 부분과 비용적인 부분을 고려한 최적설계를 제시하였다.

대상 데이터

실험 대상은 빙해선박에 실제 적용되는 통행로(Walk-way)이며, 선박의 운항 중에 가장 중요한 안전장치 중 하나이다. 영하의 환경에서 운용되어 표면 전체에 3 ℃ 이상의 발열을 통해 통행로의 결빙을 방지한다.
크기는 1,000 mm × 1,000 mm × 45 mm 에 6T 의 Steel Panel 로 19 mm 를 보온재를 통해 단열하고, 10XTV2-CT-T3의 열선을 포설하였다.
그리고 시료는 Figure 2와 Figure 3과 같이 포설된 열선의 수에 따라 12 Line과 20 Line으로 제작하였다(E-TEC, 2016).
실험 재료는 실제 선박에 설치되는 형태와 동일한 구조에서 1,000 mm × 1,000 mm × 45 mm 로 제작하여 사용하였다.
열선 포설 수는 기본 모델로 제작되어 활용되고 있는 12 Line과 20 Line의 2가지 모델을 반영하였으며, 열선 포설 방향은 설치 환경에서 가로 세로의 구분이 없으므로, 두 인자간의 영향을 파악하여 최악의 조건을 분석 결과로 반영하기 위해 제어인자로 선정하였다. 열선 테이핑 방식은 내열테이프로 주로 활용되는 테프론 테이프와 알루미늄 테이프를 선정하여 그 영향을 보고자 하였으며, 추가 보온재는 보온재가 추가될수록 보온의 효과로 발열 통행로의 표면 온도에 큰 영향을 줄 것이라는 가정 하에 기존 19 mm와 38 mm로 구분하여 선정하였다.
그리고 본 제어인자에서의 최저비용조건은 열선 포설 수 12 Line과 열선 포설 방향은 가로, 열선 테이핑 방식은 알루미늄, 추가 보온재는 19 mm로 A1B2C2D1이다.
본 실험은 포설 수에 따라 12 Line과 20 Line으로 구분하고, 열선 포설 방향 및 테이핑 방식, 추가 보온재 유무로 하여 제작된 실험 재료를 대상으로 내부에 열선을 설치하고, 표면온도 및 전압, 전류의 계측과 기록을 위한 장비를 준비하였다.
④ 추가 보온재 : 추가된 보온재는 표면온도 상승의 효과는 미비하였으며, 경제적인 측면을 고려하였을 때 최소 보온재로도 충분한 성능 구현이 가능하였으므로 기존의 19 mm 보온재로 선정하였다.

이론/모형

본 논문에서는 실제 빙해선박의 갑판 상부에 설치되는 통행로(Walk-way)를 사용하였다. 크기는 1,000 mm × 1,000 mm × 45 mm 에 6T 의 Steel Panel 로 19 mm 를 보온재를 통해 단열하고, 10XTV2-CT-T3의 열선을 포설하였다.

성능/효과

온도조절기가 없어도 스스로 감지된 온도변화만큼 출력이 조절됨에 따라 동파방지용, 온도유지용으로 가장 적합하고, 일반전열선과 달리 겹쳐 설치할 경우에도 국부과열 및 소손이 발생하는 문제점을 극복하였으며, 외부 피복은 난연성재질로 구성되어 조사가교처리를 함으로써 외부의 전기적 충격 및 열충격에 강하며 내열성이 우수하고 수명이 반영구적이다. 그리고 최대 유지 온도와 최대 노출온도에 따라 구분되어 정격전압 120, 240 V에서 m당 10, 16, 20, 26, 33, 50, 65 W로 나뉘며, 열선의 외부에 NEMA 규격에 의한 출력과 전압을 표시하도록 되어있다.
실험을 통해 각 위치별 풍속과 온도별 풍속을 측정한 결과의 경우, Table 3 과 같이 전체 위치에서 풍속의 편차가 5 m/s에서는 4.7 % 이내, 20 m/s 에서는 6.4 % 이내로 확인되었으며, 개방형 풍동장치의 경우 편차 조건이 ±10 % 이하이므로 본 설비는 적합하다.
또한 위치별 균질성도 고르게 나타나는 것으로 확인되었으므로 풍동 환경 구현 설비의 균질성에 대한 충분한 결과를 확보하였다 (Korean Industrial Standards 2014; Korean Industrial Standards 2016). 하지만 온도별 풍속 편차의 결과를 보면 온도가 낮아질수록 같은 조건에서도 풍속이 더 크게 측정되었고, 그 편차도 조금씩 증가되었다. 이는 온도 및 압력 등에 따른 공기의 밀도의 변화에 의해 풍속 및 거리상수들이 영향을 받기 때문이다.
표면의 최대온도 뿐 아니라 열전달 대류 현상을 통하여 공기 중으로 전달되는 온도를 확인하였을 때 대략 발열통행로 상부의 측정 공기 온도는 80 ℃ 내외로 확인할 수 있다. 이러한 결과는 케이블 사양 중 가장 최대 온도를 대상으로 열전달 평가를 진행한 사항이므로 비교적 높은 수치에 온도가 분포됨을 알 수 있었다.
CH11~CH17은 Figure 7 의 온도센서 설치 위치에 따라 7개의 위치에서 측정된 값이며, CH19는 극저온 환경 구현 설비 내의 온도 측정값이고, CH20은 풍동 환경 구현 설비의 끝에서 측정된 온도 값이다. 그래프를 보면 신호인자를 적용하기 위해 220 V를 인가하였을 때 온도가 상승하여 안정화되었으며, 440 V를 인가하였을 때 온도가 다시 상승하는 것을 볼 수 있다.
이를 본 결과에 적용했을 때 최적조건일 때가 현재조건보다 S/N비로 –50.7508 - (-55.9473) = 5.1965이므로, 이를 금액으로 환산하면 100.51965 = 3.31로 3.31배 만큼 손실금액이 감소됨을 기대할 수 있다.
개별인자의 효과는 신호 대 잡음비(S/N비)를 계산하여 합산한다. 최적조건에서의 손실함수와 현재조건에서의 손실함수를 통해 얼마만큼 개선되었는지 확인할 수 있으며, 이러한 개선효과는 절대적인 효과로 나타내지 않고 현재조건과 비교한 상대적인 차이로 효과를 파악한다.

후속연구

향후 이 항로의 이용에 따른 경제성과 기술적 가능성만 구체화된다면 수에즈나 파나마운하를 통과하지 않는 신수송로로 개발될 수 있을 것이며, 항로뿐만 아니라 전 세계의 1/3으로 광물자연 가치가 1.5 ~ 2조 달러로 추산되는 북극해의 천연자원(OIL & GAS) 개발이 용이하게 된다.
표면의 최대온도 뿐 아니라 열전달 대류 현상을 통하여 공기 중으로 전달되는 온도를 확인하였을 때 대략 발열통행로 상부의 측정 공기 온도는 55 ℃ 내외이며, 바람의 유무에 따라 열전달 분포가 달라지는 것을 볼 수 있다. 이러한 내용을 고려하여 볼 때 빙해선박 기자재의 바람에 대한 영향이 상당한 것으로 판단되며, 실제 실험에서는 상대 풍속이 적용되는 부분에 대해 발열부(열선포설 위치)와 발열부간의 사이에 온도센서를 설치하여 측정할 필요성이 있다.
2) 실험재료인 발열 통행로를 통해 온도 및 풍속의 조건별 실험에 따른 최적화된 열선 포설 방법을 찾았으며, 이를 통해 사용 환경에 따른 열선 포설로서 선원의 안전을 확보할 수 있는 기능적인 부분과 비용적인 부분을 고려한 최적설계를 제시하였다. 이를 활용한다면 빙해선박용 발열 기자재에 대해 설계단계에서부터 최적화된 설계방법을 반영할 수 있도록 응용이 가능할 것으로 판단된다.
3) 본 연구에서는 실험의 영향인자로 잡음인자에 온도, 풍속, 신호인자에 전압, 제어인자에 열선 포설 수, 열선 포설 방향, 열선 테이핑 방식, 추가 보온재로 구분하여 실험하였으며, 실제 빙해역 환경과 발열 기자재에 대한 제작 설계 등을 보다 충분히 고려하여 인자를 선정한다면 보다 구체적인 실험 결과를 얻을 수 있을 것이다. 그리고 실험 조건별로 사용되는 전력량을 파악한다면 최적화된 열선 사양으로 유지보수에 대한 비용적인 측면의 절감 효과도 얻을 수 있을 것이다.
3) 본 연구에서는 실험의 영향인자로 잡음인자에 온도, 풍속, 신호인자에 전압, 제어인자에 열선 포설 수, 열선 포설 방향, 열선 테이핑 방식, 추가 보온재로 구분하여 실험하였으며, 실제 빙해역 환경과 발열 기자재에 대한 제작 설계 등을 보다 충분히 고려하여 인자를 선정한다면 보다 구체적인 실험 결과를 얻을 수 있을 것이다. 그리고 실험 조건별로 사용되는 전력량을 파악한다면 최적화된 열선 사양으로 유지보수에 대한 비용적인 측면의 절감 효과도 얻을 수 있을 것이다.
4) 정확한 검증을 위해서는 실제 선박에 해당 실험의 결과를 토대로 최적 설계조건의 발열기자재를 적용시켜 얻은 필드데이터와 실험데이터를 비교하여 영향을 미치는 인자와 개선 효과 등을 확인해볼 필요가 있을 것이다.
향후 연구로써 빙해선박 기자재를 대상으로 신뢰성 측면에서 온도와 풍속이 접목된 환경 조건에서 초기에 발생될 수 있는 고장과 수명 주기 동안 발생될 수 있는 고장 등에 대한 고장모드 및 고장메커니즘을 고장분석을 통해 규명하고, 수명과 스트레스 간의 가속성 성립을 확인하여 수명을 예측하는 평가방법에도 활용될 수 있을 것이다. 그리고 극지운항 선박의 특성상 다양한 항로에 따른 환경 기후 조건을 내재하고 있으므로, 향후 온도와 풍속 등의 여러 조건을 고려한 실험을 진행한다면 구매자의 요구 조건에 맞춘 최적의 제품 설계가 가능할 것으로 판단된다.
향후 연구로써 빙해선박 기자재를 대상으로 신뢰성 측면에서 온도와 풍속이 접목된 환경 조건에서 초기에 발생될 수 있는 고장과 수명 주기 동안 발생될 수 있는 고장 등에 대한 고장모드 및 고장메커니즘을 고장분석을 통해 규명하고, 수명과 스트레스 간의 가속성 성립을 확인하여 수명을 예측하는 평가방법에도 활용될 수 있을 것이다. 그리고 극지운항 선박의 특성상 다양한 항로에 따른 환경 기후 조건을 내재하고 있으므로, 향후 온도와 풍속 등의 여러 조건을 고려한 실험을 진행한다면 구매자의 요구 조건에 맞춘 최적의 제품 설계가 가능할 것으로 판단된다.

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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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