오늘 다뤄볼 주제는 구조물의 “열”에 대한 것입니다. 우리 일상생활에서 고온의 환경에서 사용하는 제품이 매우 많습니다. 건물 벽의 단열재부터 화로의 내화벽돌, 보일러, 발전소, 용광로 등 다양한 산업 분야에서 “열” 에 대하여 자연스럽게 사용되고 있습니다.
실제 설계 단계에서 열에 대한 보존과 차단, 그리고 열팽창에 대한 균열방지, 변형해소를 위해 다양한 방법을 적용합니다. 고온의 환경이 될수록 열의 “전달”과 “변형”에 대해서 영향이 커지기 때문에 설계의 주요 관점으로 작용하게 되며, 어떤 것들을 알고 접근해야 하는가 고민이 필요합니다.
구조물에서 열에 대해서 어떤 것들을 고려해야 하는가?
산업혁명 이후 사용하는 에너지의 양이 많아질수록 반대 급부적으로 열에 대한 고민을 항상 설계자에게 주어지게 되었습니다.작은 범위에서 내 집에서도 난방 효율을 위해 폼재질의 단열재를 사용하거나, 샷시 유리에 공기를 이용한 열 차폐 효과를 보기도 하고, 끓는 물에 대해 내열 유리를 쓰는 등 자연스럽게 안전하도록 설계되어 접하게 됩니다. 그렇다면 100도, 300도가 넘는 고온의 환경에서는 어떤 것들을 우리가 어떤 것들을 고려해야 될까요?
일반적으로 열은 에너지로 비유해서 이야기를 많이 합니다. 이때, 설계자는 열의 전달과 팽창 2가지를 반드시 고려하게 됩니다. 열의 전달이라고 함은 내부에 300도의 물질이 있다면 어떠한 사람도, 기계도 문제가 생기기 때문에 열(에너지)를 전달하는 능력이 떨어지는 공기, 세라믹, 벽돌 등의 재료들을 활용하여 열 차폐 효과를 이용합니다.
두 번째로는 에너지 공급된 만큼 운동에너지가 커지고 뜨거운 공기가 팽창하는 것처럼 구조물도 커지려는 성질을 가지게 됩니다. 한계 이상의 팽창이 발생하면 구조물이 파괴되어 위험물질에 의한 2차 폭발로 이어질 수 있기 때문에 주의가 필요합니다. 일반적으로 구조물을 보강하여 단단하게 만드는 것과 반대로 열에 대해서는 반드시 유연하게 열의 변형을 풀어 줄 수 있는 설계 보강안이 필요하게 됩니다.
초고온 환경 구조물의 열응력해석은 어떻게 할 수 있을까요?
초고온 환경에서는 실험이 불가능하기 때문에 CAE 해석으로 접근을 많이 합니다. 온도에 대한 정확한 입력이 중요하며, 고체형태 혹은 흐름이 거의 존재하지 않거나 유체, 온도변화가 없고 흐름이 일정한 유체의 경우 온도조건으로 치환해서 적용합니다. 대표적으로 용광로나 보일러 내부 배기가스 등이 해당합니다. 반대로 온도, 유체의 흐름의 변화가 큰 경우 정확한 온도값 확인을 위해 유동해석을 연계하여 수행하며, 배관, 밸브, 열교환기 등이 이에 해당합니다.
구조물의 형상, 고체재료의 열전도 성능, 비열 등과 함께 열변형을 풀어주기 위한 인접조건 모사 후 해석하게 되며, 해석상에서 구조물의 파괴가 예상된다면 열차폐 효과가 높은 재료를 사용하거나, 열변형을 풀어줄 수 있는 설계안을 도입, 균일한 팽창이 생기도록 유사 형상 및 재료를 적용하는 등 다양한 설계를 고려합니다. 기존 강성보강을 위해 구조물의 단면이나 두께 등을 상향시키는 것과는 다른 설계안이 요구되므로 주의해야 합니다.
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