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열해석 전문툴 Thermal Desktop을 이용한 ‘배관 내의 결빙 모델링’ 소개 _에이블맥스㈜

관리자
2020-11-25
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1. Thermal Desktop을 사용한 배관 내의 결빙 모델링 소개
   ▷ 해석 대상
   ▷ “얼음”상태를 추가한 작동유체를 만들어 모델링 한 결빙 해석 결과 (Slush type Model)
   ▷ 파이프 내벽에 얼음이 쌓이는 것을 반영한 ICE Accretion model (또는 Wall-ice model)

1. Thermal Desktop을 사용한 배관 내의 결빙 모델링 소개

이번 뉴스레터에서는 Thermal Desktop을 사용하여 액체의 결빙을 모델링 하는 두 가지 방식에 대해 소개하고자 합니다

 ① 결빙을 계산할 수 있는 작동유체를 만들어 사용하는 방식 (슬러시 상태의 유체)

 ② ACCRETE 옵션을 사용하여 파이프 내벽에 얼음이 쌓이는 것을 모델링 하는 방식

▷ 해석 대상

  • 1.03cm 내경, 3m 길이의 구리 배관
  • 섭씨 3도의 물이 흘러 들어가며 배관은 영하 50도의 환경에 노출됨
  • 배관의 압력 차는 0.01 bar로 유지
  • 배관 외벽을 차갑게 하기 위해 영하 50도의 건조한 공기가 단열이 되지 않은 배관을 따라 10m/sec 속도로 흐르게 함
  • 공기온도는 10초 간 섭씨 3도에서 영하 50도까지 감소한 후 유지되도록 함



[ Simple Pipe 해석모델 ]

▷ “얼음”상태를 추가한 작동유체를 만들어 모델링 한 결빙 해석 결과

     (Slush type Model)



[ Simple Pipe 해석모델 ]

 


위의 초기 30초 동안의 입구 유량 결과를 보면 23초 정도에서 상이 바뀌면서 유량이 급격하게 감소하여 결국 멈추게 됨을 알 수 있습니다.



[ Simple Pipe 해석모델 ]



위의 그림과 같이 온도결과를 보면 입구에서 가장 먼 곳에서부터 얼음이 형성되고 그 뒤로 약 140초 간 온도 변화가 거의 없다가 얼음이 완전이 형성된 약 175초후에 냉각이 시작되는 것을 알 수 있습니다.


다음에 소개할 배관 내벽에 얼음이 형성되는 것을 추가로 고려한 “wall-ice model”이 좀더 실제 상황을 반영하는 모델이지만 녹는 현상 또는 감압 현상을 모델링 하기에는 얼음 형성이 균일하다고 가정하는 Slush type model도 적절할 것으로 판단됩니다.

▷ 파이프 내벽에 얼음이 쌓이는 것을 반영한 ICE Accretion model (또는 Wall-ice model)

※ 특징

  • ACCRETE 옵션으로 배관 벽에 쌓이는 얼음의 두께를 계산
  • 얼음두께로 유로 직경 및 단면적을 업데이트
  • 융해열 (Heat of Fusion) 효과 반영

Thermal Desktop에서는 아래와 같이 얼음에 대한 열 물성을 반영합니다.



Thermal Desktop 열물성 입력 창 ]

얼음 층은 아래와 같이 layer를 설정하고 초기 두께는 Log manager를 사용하여 “0”으로 초기화를 해 주어야 합니다.



Thermal Desktop에서의 layer 설정과 logic 입력 창 ]

 

※ 해석 결과



첫 번째 그림은 환경온도가 영하 50도로 유지되면서 배관이 충분히 차가워진 후에 출구부터 얼음이 형성되고 빠르게 두꺼워짐을 알 수 있습니다.



[ 상류에서 하류까지의 배관 내벽에 쌓인 얼음 두께 (MAIN.100101:상류, MAIN100109:하류) ]

 


아래 그림은 내부 유체 온도로 Slush type 모델과 달리 얼음이 단열 역할을 하여 약 100초 까지는 온도가 일정하다가 얼음 층이 최대 두께에 도달하는 시점에 급격하게 낮아짐을 보입니다. 이 이후에는 더 이상 얼음이 에너지를 흡수하지 않기 때문에 나머지 부분도 얼음으로 변할 것입니다.



[ 상류에서 하류까지 시간에 따른 유체 온도 (FLOW.102:상류, FLOW.110:하류) ]

 


Slush type 모델과 가장 차이가 있는 부분은 유량으로 이전 모델이 24초 후에 유체가 완전히 멈춘 것과 달리 유량이 점차적으로 줄어들면서 얼음 층이 더 이상 에너지를 흡수하지 못할 때 내부까지 얼어 배관을 완전히 막는 165정도에서 유량이 완전히 멈춤을 알 수 있습니다.



[ Ice Accretion 모델에서의 시간에 따른 유량 ]

 


아래 그림은 배관 출구 부분에서의 온도로 MAIN.T1019는 구리 벽면 온도, FLOW.TL110은 유체의 온도를 나타내며, 그 사이의 온도들은 얼음 층의 두께 별 온도입니다.



[ 배관 출구 벽면, 얼음층 및 유체의 온도 ]


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