Abstract
In this study, alternative designs for the bends used in district heating pipes are investigated. The district heating pipes, which are subjected to temperatures of 10 to $120^{\circ}C$ and a water pressure of $16\;kgf/cm^2$, have to withstand thermomechanical cyclic loads when in use. These pipes comprise three concentric tubes: a steel pipe (internal), polyurethane (PUR) insulator (middle), and a high-density polyethylene (HDPE) case (external). In addition, the bends in the district heating pipe system are covered with foam pads that cause aging. In this study, an alternative bend design that does not involve the use of a foam pad is proposed to overcome the aging problem in the bends. In the proposed design, "shear rings" are added to the surface of a bend, and its dimensions are determined by a combination of the statistical (Taguchi) method and FEM. The geometrical parameters such as thickness, height, and number of the rings significantly affect the design optimization, and hence, they affect the results of the FEM.
본 논문에서는 지역난방에 사용되는 이형관인 벤드(bend)의 형상설계에 대한 연구를 수행하였다. 지역난방관은 강관(내부)과 폴리우레탄 보온재(중앙부) 그리고 고밀도폴리에틸렌 외관(외부)의 3개의 중공관으로 구성되며 일반적으로 $10{\sim}120^{\circ}C$ 온도범위의 물이 $16kgf/cm^2$의 내압을 가지면서 수송된다. 이에 따라 작동 중 발생하는 반복적인 열적-기계적 하중을 지탱할 수 있어야 한다. 보통 지역난방관의 벤드부에는 폼패드라고 부르는 신축흡수재가 덧씌워지는데 이 폼패드의 노후에 따른 문제가 종종 발생한다. 본 논문에서는 벤드부에서의 폼패드 노후 문제를 경감시키기 위한 대안으로 폼패드를 없앤 이중보온관의 형상 설계를 제안하였다. 제안된 설계는 벤드부 강관에 전단고리(shear ring)를 적용하는 방법으로 이때 전단고리의 최적치수는 다구찌 방법과 유한요소법을 적용하여 접근하였다. 그 결과로 전단고리의 두께와 높이, 개수 순으로 최적화 효과가 있음을 확언하였다.
