Flow Safety Assessment by CFD Analysis in One-Touch Insertion Type Pipe Joint for Refrigerant

CFD 해석을 이용한 냉매용 원터치 삽입식 파이프 조인트의 유동 안전성 평가

Abstract

Purpose: Pipes are widely used as applied devices in many industrial fields such as machinery, electronics, electricity, and plants, and are also widely used in safety-related fields such as firefighting and chemistry. With the diversification of products, the importance of technology in the piping field is also increasing. In particular, when changing the existing copper pipe to stainless steel, it is necessary to evaluate safety and flow characteristics through structural analysis or flow analysis. Method: This study investigated the safety by flow analysis of the 6.35 inch socket model, which are integrated insert type connectors developed by a company, using CFD analysis technique. For CDF analysis, RAN model and LES model are used. Result: As results of the analysis, amplitude of the pressure fluctuation acting on the wall of the piping system is formed at a level of 3,780 Pa or less, which is a very small level of pressure compared with the operating pressure or design stress of the refrigerant piping. Conclusion: These results mean that the effect of vibration caused by turbulence on the structural safety of the pipe is negligible.

연구목적: 파이프는 기계, 전자, 전기, 플랜트 등 많은 산업 분야에서 응용기기로 널리 사용되고 있으며, 소방, 화학 등 안전 관련 분야에서도 널리 사용되고 있습니다. 제품의 다양화에 따라 배관 분야에서도 기술의 중요성이 높아지고 있습니다. 특히 기존 동관을 스테인리스강으로 변경하는 경우 구조해석이나 유동 해석을 통해 안전성과 유동특성을 평가할 필요가 있다. 연구방법: 자체 개발한 일체형 인서트형 커넥터인 6.35 소켓 모델의 유동 안전성은 CFD 해석을 이용하여 유동유발진동(FIV) 평가 과정의 4단계를 통해 진행하였다. 연구결과: 배관계 벽면에 작용하는 압력변동의 진폭은 3,780Pa이하의 수준으로 형성되며, 이는 냉매 배관의 운전압력이나 설계응력과 비교했을 때 매우 작은 수준의 압력으로, 난류에 의한 진동이 배관의 구조안전성에 미치는 영향은 미미한 수준인 것으로 나타났다. 결론: 유동 해석을 통하여 후크조인트 체결 시 발생하는 압력 및 진동 등을 검토한 결과 일반적인 배관계의 고유진동수가 50Hz 이하에서 형성되는 것을 고려했을 때, 난류유동에 의해 유발되는 진동이 배관계의 공진을 발생시킬 가능성은 희박한 것으로 판단된다.

서론

배관은 기계, 전자, 전기 및 플랜트 등 많은 산업 분야에서 응용기기로 널리 이용되고 있을 뿐만 아니라 소방이나 화학 등 안전과 관련된 영역에서도 폭넓게 사용되고 있으며 관련 제품의 기술개발과 발전에 따라 배관 분야의 중요성도 날로 커지고 있다. 기존 에어컨 실외기 배관은 제작 편리성과 높은 열전도성 때문에 구리로 제작을 하였다. 하지만 구리배관의 경우 부식에 취약하고 강도가 낮아 찌그러짐 변형 등의 문제가 많이 발생하였다. 또한 동관은 수입에 의존하는 구리 100%인 관으로 LME(London Metal Exchange:런던금속거래소)(Kharn Inside, 2021)에서 거래되는 투기성 광물이기도 하여 가격변동이 심하고 구매에 대한 안전성도 떨어진다.

하지만 최근에는 구리 대비 높은 강도를 가진 스테인레스 소재를 적용한 냉매 배관을 개발한 회사들도 나타나고 있으며, 시공 편의성의 불편 때문에 작업자의 힘에 의해서 변형이 될 수 있는 연질의 스테인리스강 개발과 열처리를 통한 연질 배관 제조기술을 개발하여 시공 시간 단축 및 시공 원가도 줄이고 있다. 또한, 원터치식의 간편한 작업으로 비숙련자도 쉽게 시공할 수 있도록 만든 배관 연결구도 개발되고 있는데 이는 기술적이고 경제적인 시공을 함으로써 원가절감을 도모하고 있다. 최근 국내 E사(Hookjoint Ever Tech Corporation, 2022)가 개발한 냉매용 원터치 삽입식 조인트의 재질은 연질의 스테인리스를 사용하였는데 이는 경질에 비하여 내부충격에 의한 파손의 위험이 적으며, 내압성과 기밀성 등의 구조적 안정성을 확보하였다(Steel & Metal News, 2021).

한편, 이러한 상황에서 다양한 형태로 개발되는 연결구의 경우 실제 사용 시 많은 문제점이 발생할 수 있음에도 불구하고 개발된 배관 연결구의 실용적 측면에서의 효용성이나 구조상의 문제가 없는지에 대한 수치해석 등의 연구결과는 지극히 미미한 실정이다. 따라서, 기존의 구리 배관을 스테인리스로 변경하여 설계할 때 변경된 재료에 대한 새로운 평가기준이 요구되며, 특히 구조해석이나 유동해석을 통하여 냉매 사용에 안전한지, 유동에 대해서는 문제가 없는지 등을 평가할 필요가 있다. 또한, 후크조인트 체결 시 배관과 후크조인트의 몸체 사이에 약간의 간격이 불가피하게 발생하게 되는데, 이러한 간격은 유체유동 측면에서 난류의 유발원이 될 수 있으므로 이에 대한 건전성 평가도 필요하다.

한편, CFD(Computational Fluid Dynamics)는 여러 화학장비의 유체역학적 예측, 설계, 확장 및 최적화에 유용한 도구로 널리 사용되어져 왔다(Gajbhiye et al., 2020; Moujaes et al., 2006; Ma et al. 2012; Kim et al., 2021; Lin et al., 2014; Lee et al. 2009; Kim et al. 2004). CFD는 각종 유동해석에 광범위하게 적용할 수 있고 의미 있는 결과 도출이 가능하여 그 중요성은 날로 커지고 있다. CFD는 주로 다음 5단계를 통해 화학 공정의 사전 평가를 용이하게 한다.

(i) 엔지니어링 설계 매개변수의 추정, (ii) 화학공정의 수송 현상 이해, (iii) 유체역학과 고려 중인 시스템의 설계목표 간의 관계 개발, (iv) 시스템의 설계 최적화 및 확장, (v) 장비가 작동하는 동안 관련될 수 있는 최악의 가상 시나리오에 대한 안전성 평가의 단계를 거친다.

한편, 배관 내에서 유체의 흐름으로 인해 시간변화에 따라 양력의 변동이 발생하는데 이로 인하여 유동유발진동(Flow Induced Vibration)이 발생한다. 유동유발진동은 배관의 파손을 야기할 수 있으므로 배관계의 구조적 안정성을 위해 유동유발진동의 정도에 대한 규명이 아주 중요하다(Hal et al., 2015).

본 연구에서는 국내 E사에서 개발한 후크조인트를 대상으로 CFD 해석기법을 이용하여 후크조인트를 통해 연결된 배관계 내부의 난류유동 및 유동유발진동 특성을 분석함으로써, 후크조인트가 배관 내부 유동에 미치는 영향을 규명하고, 배관계 내부에서 발생하는 난류유동에 의한 진동이 후크조인트 및 배관의 구조적 안전성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.

유동해석 제품 및 수치해석 조건

제품의 구조

해석 대상인 제품은 한국 E사의 냉매용 원터치 삽입식 조인트 로 의뢰자가 제공하였으며 제품의 형상을 Fig. 1에 나타내었다. 후크조인트는 스테인리스 또는 동 배관과 배관을 연결하는 기능을 담당한다. 후크 조인트는 원터치 삽입으로 배관을 시공하는 무용접 배관 연결구로 간단히 원터치 삽입만으로 배관의 시공이 완료되는 제품이며, 일반 배관용 스테인리스 강관(KS D 3595)에 사용하는 무용접 배관 연결구이다. 원터치 삽입식 후크 조인트는 배관 시공 시 전문 배관공이 필요가 없으며 단순한 삽입만으로 시공을 완료할 수 있기 때문에 최소한의 인력으로 배관 공사기간 단축과 인건비를 절감할 수 있는 장점을 가지고 있다.

Fig. 1. A sample of hook joint for refrigerant(Hookjoint Ever Tech Corporation, 2022)

수치해석 조건

해석대상은 6.35 인치 소켓 모델이며 이의 3D 모델링을 Fig. 2에 나타내었다. 해석 도메인은 후크조인트 및 배관 내부의 유체유동 영역이다. 배관계 내부유동에 의한 시간에 따른 배관 내벽의 압력변화를 평가하기 위하여 유한체적법(FVM) 기반의 상용 CFD Solver인 ANSYS FLUENT를 이용한 비정상상태(Unsteady) 2차원 축대칭(Axis symmetry) CFD 해석을 수행하였다. RAN모델과 LES모델을 이용하여 정상상태 해석을 진행하였는데, RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 난류모델은 요동속도 성분에 대한 시간평균을 취함으로써 평균화된 난류유동의 경향을 파악하는 난류 근사 방법으로 해석에 필요한 컴퓨터 리소스가 비교적 적어 경제적이며, 정상상태(Steady State)해석이 가능하기 때문에 해석에 소요되는 노력과 시간이 적다는 장점이 있다. LES(Large Eddy Simulation)난류모델은 평균을 적용하지 않고 직접 계산하기 때문에 유동유발진동 문제와같이 시간에 따른 유동의 변화가 급격한 비정상 유동에 대한 적용이 가능하다. 본연구의 해석에서는 LES난류모델을 적용하는 경우에 해석시간이 매우 많이 요구되므로, RANS모델을 적용하여 해석을 선행하고, LES해석의 초기조건을 취득함으로 해석에 필요한 시간과 리소스를 절감한 후 LES의 본 해석을 수행하였다. 유체는 Table 1에서 보는것과 같이 에어컨용 냉매 R410a 기준이며, 유량은 1.5LPM로 설정하였다. 작동유체(Gas)의 밀도는 30℃기준 1,038kg/㎥, 점성계수는 1.003×10^-3kg/m·s이다. 배관계 내부의 Reynolds 수는 6.35 인치 소켓 모델의 경우 약 18,320이다. 해석 도메인의 입구영역에 유속조건은 V=4.064m/s를 적용하였다.

Fig. 2. Analysis target piping relationship

Table 1. Conditions for CFD analysis

레이놀즈 수(Reynold’s number:Re)라는 무차원 상수는 유체의 균일성을 표현하며 이 상수는 다음과 같이 정의된다(Vennard et al., 1976).

레이놀즈 수 Re는 밀도, 관직경 및 유속의 곱에 점성계수(점도)를 나누어 계산할 수 있으므로 다음 식과 같다.

\(\begin{aligned}R e=\frac{V d}{v}=\frac{\rho V d}{\mu}\end{aligned}\)       식(1)

여기서, V는 유체의 평균속도, d는 관의 직경, v는 동점성계수 , ρ는 밀도, μ는 점성계수이다.

유동유발진동의 유동 해석에서 절대 압력이 아닌 시간에 따른 압력의 차이를 계산하면 되기 때문에 출구를 대기압으로 정의하여 대기압 대비 상승혹은 강하되는 압력 차이를 계산하였고, 배관 및 후크조인트 벽면에서는 점착조건(No-Slip Condition)을 적용하였으며, 배관계 내부의 온도 변화는 고려하지 않았다.

Fig. 3과 같은 육면체(Hexa) 격자시스템으로 축대칭(Axisymmetry)를 이용하여 절반 영역만을 고려하였고, 유동유발소음의 경우 벽면에서의 난류에 의한 차압 계산이 중요하여 벽면 근처 경계층 영역에서는 격자의 밀도를 높게 설정했으며, 격자 의존도에 문제가 되지 않을 수준의 격자수로 87,000개의 격자를 생성하였다.

Fig. 3. CFD analysis grid system

배관계의 내벽 인근에서 형성되는 난류 경계층과 유동박리 및 재부착 현상에 대한 해석 정확도를 도모하기 위하여, 벽면 인근 영역에 Layer 형태의 조밀한 격자계를 적용하였다.

LES 모델을 적용한 2차원 비정상(Transient) 해석을 수행하였으며, 배관계 내부에서 발생하는 난류 및 와류에 의한 배관 벽면의 압력변동(Pressure Fluctuation) 이력을 도출하고 이에 대한 주파수 분석을 수행하였다. 해석 시간 간격(time step size)은 Time interpolation의 오차를 최소화하기 위해 CFL number가 1 이하가 되도록 10^-5초로 설정하였으며 배관계 내부유동이 준정상상태에 도달하기에 충분한 0.1초까지의 해석을 수행하였다.

해석 결과

RAN 모델을 적용한 정상상태 해석 결과

내부 단면 및 배관계 벽면에서의 압력분포 해석결과를 Fig. 4 및 Fig. 5에 나타내었으며, Fig. 6에 축방향 길이에 따른 배관계 내부의 압력 변화를 그래프로 나타내었다. 위에서 기술한 바와같이 해석 시 출구 기준압력을 0Pa로 설정하였으며 해석결과 또한 이에 준하여 평가되었다. 따라서 후류배관의 출구지점의 압력은 대기압(0Pa)으로 설정했기 때문에, 상류배관의 입구지점 정압은 약 75.92mm 길이의 해석 도메인 내에 발생하는 유체의 마찰손실에 의한 압력강하와 같다.

Fig. 4. Pressure distribution in the inner central section of the piping system

Fig. 5. Pressure distribution on the inner wall of piping and hook joints

Fig. 6. Change of pressure along the internal axial length of the piping system

배관계 벽면에서의 마찰손실에 의한 압력강하는 약 0.38MPa로 나타났으며, 후크조인트의 구조적 특성에 의한 추가적인 압력강하는 매우 미미한 것으로 평가되었다.

Fig. 7에 배관계 내부 단면에서의 유속 분포를 나타내었으며, Fig. 8에 배관 내부의 유속 프로파일을 나타내었다. 배관계의 후류로 갈수록 경계층이 두꺼워지고 배관 중심부의 유속이 증가하는 경향이 나타났다.

Fig. 7. Flow velocity distribution in the inner central section of the piping system

Fig. 8. Flow velocity profile by position in the axial direction of the piping system

LES 모델을 적용한 비정상(Transient) 해석 결과

배관계 내부 단면에서의 0.02초 간격 유속 분포는 Fig. 9와 같이 나타내었다. 후크조인트를 통과한 이후에 벽면 인근에서 불규칙한 난류유동이 형성되는 것을 볼 수 있다. 후크조인트의 후류배관이 연결되는 지점에서 홈 형태의 간격이 존재하고, 해당 영역으로 유체의 간헐적인 유입/유출이 발생함에 따라 후류배관에서의 난류 발생을 촉진시키는 것으로 판단된다.

Fig. 9. Flow velocity distribution in the inner section of the piping system (0.02 sec interval)

배관 및 후크조인트 내벽에서의 압력 분포는 Fig. 10 와같이 나타났다. 후류배관과 후크조인트의 연결부에서 발생하는 난류에 의하여 유동박리 및 재부착이 지속적/반복적으로 발생함에 따라 후류배관의 입구영역에서 스팟 형태의 압력분포가 형성되는 것을 볼 수 있다.

Fig. 10. Pressure distribution on the inner wall of the pipe and hook joint (0.02 sec interval)​​​​​​​

Fig. 11은 27개 압력 검출 지점(Probe Point)에서의 시간에 따른 압력의 변화 그래프 중 일부를 나타낸것이다. Fig. 11 (a), (b)와같이 상류배관 및 후크조인트 내벽에서는 미소한 수준의 압력요동(Pressure Fluctuation)이 발생하지만, Fig. 11 (c)와 같이 후류배관과 후크조인트가 연결되는 지점(Probe 17)에서 압력의 변동 폭이 가장 크게 형성되고, Fig. 11 (d)와같이 이후 영역에서는 압력요동이 다시 감소하는 경향을 보인다.

Fig. 11. Graph of pressure change over time at pressure probe points​​​​​​​

Fig. 12는 27개 압력 검출 지점에서 나타나는 주파수 도메인에서의 최대 압력변동의 진폭을 나타낸것으로 지점 15, 16 및 17에서 비교적 큰600~700Pa 수준을 보이고 있다. 그러나, 기타 지점에서는 아주 낮은 진폭을 보여 주고 있는데 이는 냉매 배관의 운전압력이나 설계응력과 비교했을 때 매우 작은 수준의 압력이므로, 난류에 의한 진동이 배관의 구조안전성에 미치는 영향은 미미한 수준인 것으로 판단된다.

Fig. 12. Pressure fluctuation amplitude in the dominant frequency band of pressure fluctuation​​​​​​​

결론

본 연구는 기업에서 의뢰한 일체형 삽입식 연결구인 직경이 6.35 인치인 소켓 모델에 대한 CFD 해석을 통하여 실제 사용시 유동의 안정성을 규명하고자 하였다. 다음과 같이 CFD 해석을 이용한 유동유발진동(FIV) 평가의 4가지 단계를 거쳐서 유동의 안정성을 규명하였다.

첫째, 배관계의 2차원 Axis symmetry CAD 모델을 제작하고 유동영역에 대한 격자계(Grid System)를 구성하고,

둘째, 배관의 운전조건을 설정하고 RANS 난류모델을 이용한 사전해석을 수행하였다.

셋째, LES 난류모델을 적용하여 본해석을 수행한 후,

마지막 단계에서는 CFD 해석을 통해 얻어진 배관계 내벽의 압력변동 정보를 분석하는 과정을 거쳤다.

유동해석을 통하여 후크조인트 체결 시 발생하는 압력 및 진동 등을 검토한 결과 일반적인 배관계의 고유진동수가 50Hz 이하에서 형성되는 것을 감안했을 때, 난류유동에 의해 유발되는 진동이 배관계의 공진을 발생시킬 가능성은 희박한 것으로 판단된다. 또한, 배관계 벽면에 작용하는 압력변동의 진폭은 700Pa 이하의 수준으로 형성되며, 이는 냉매 배관의 운전압력이나 설계응력과 비교했을 때 매우 작은 수준의 압력이므로, 난류에 의한 진동이 배관의 구조안전성에 미치는 영향은 미미한 수준인 것으로 판단된다.

후크조인트는 냉매용 배관을 연결하는 원터치 삽입 방식으로 앞서 진행했던 구조해석과 이번 연구를 통하여 진행한 유동해석을 통해 후크조인트 체결 시 발생하는 응력과 압력, 진동 등 모두 안전한 결과를 확인하였다. 주어진 운용 조건과 도면 및 시방서에 따라 결함 없이 제작된다면 본 제품의 성능은 효율적일 것으로 예상된다.