글라스울을 단열재로 활용한 멀티코어튜브의 단열 성능 분석 및 실험에 관한 연구

1. 멀티코어튜브(MCT)의 정의

선박 및 해양 플랜트 분야에서 협소한 공간의 효율적 활용 및 고압용 유·공압 제어라인에서 필수 부품으로 멀티코어튜브가 사용되고 있으며, 현재 유압라인에 사용되고 있는 작동유는 석유계 작동유, 합성 작동유 및 수성형 작동유 등으로 다양하게 분류되어 있다. 이러한 작동유의 저온 사용 한계는 작동유의 특성에 따라서 –30℃~-0℃이다(Chun, 2004).

멀티코어튜브는 다수의 금속제 튜브를 조합하여 케이블 형태로 제조한 것으로 각종 관을 한 번에 묶어 효율적으로 시공, 유지·관리하기 위한 장치이다. 이 멀티코어튜브가 산업계에서 각광을 받고 있는 주된 이유는 라인 설치비용 및 작업속도가 기존 방식에 비해 월등히 우수하며, 기계적 마모 및 손상에 강한 특성을 가지고 있으므로 유지 및 보수에 소요되는 비용을 절감할 수 있기 때문이다. 또한 여러 라인을 묶어서 하나의 튜브를 통한 설치가 가능하므로 공간을 효율적으로 활용하고 이로 인해 시공 원가의 상당부분을 절감하는 효과를 기대할 수 있다. 이러한 멀티코어튜브는 유체 압력을 이용하여 각종 배관 라인에 연결된 밸브를 원격으로 조정하는 VRC(Valve Remote Control) Line System과 여러 선박 기기의 압력 감지 라인(Pressure Sensing Line)에 주로 사용되며, 각종 탱크 내 액면 높이 측정 및 흘수선 높이 측정용도 등 사용범위가 매우 다양하다. [Fig. 1]은 MCT의 제조 및 형태를 나타낸 것이다(Daechen industrial, 2014).

[Fig. 1]

Schematic diagram of the form and cross section of multi core tube

2. 단열 멀티코어튜브(MCT)의 제조

멀티코어튜브의 기술은 독일에서 처음 개발되었으며, 현재는 한국과 중국을 비롯한 아시아 국가들 또한 그 기술을 개발하여 제품화 하고 있다. [Fig. 2(a)~(b)]는 이 멀티코어튜브에 단열재를 입힌 제조공정을 개략적으로 나타낸 것으로, 개별 관을 만드는 공정에서부터 다수의 관을 함께 꼬아서 결박시키는 공정, 전체 관의 주변을 코팅하는공정, 단열재로 글라스울을 사용하여 멀티코어튜브 외부를 보호하는 공정, 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC) 소제로 피막을 입히는 공정, 최종 압력검사 및 누설시험을 시험한 후 완성된 제품을 감아서 보관하는 공정 등 십 수개의 공정을 거쳐 완제품이 출고된다(Kim, 2009). 단열 MCT 제조과정에서 단열재로 사용된 글라스울(Glass wool)은 뛰어난 흡음 성능과 고온에서의 내구성 및 난연성이 우수하여 본 연구에 사용될 단열재로 적합하였다(Kim et al., 2013).

[Fig. 2a]

Photo of the process of multi core tube Continued wrapping glass wool and tapping process

[Fig. 2b]

Photo of the process of multi core tube Continued Outer sheath coating and hydraulic inspection and final condition

또한 관내 개별 튜브 식별 및 추가 보호를 위해 모두 다른 색으로 구별된 내피로 피복되어 있는 특징이 있으며, 용도에 맞는 사용 관리를 위해 튜브 재질, 사이즈, 식별 번호, 길이 등의 정보가 외피 표면의 1미터 간격으로 표기 되었다. 내부 관의 개수는 1-Core에서부터 최대 10-Core까지 상황과 용도에 따라 자유로운 생산이 가능하고, 관내를 흐르는 유체의 성분과 이동 경로 또한 각각 자유롭게 설계가 가능하다. 생산된 단열 멀티코어튜브는 목재 원형 드럼에 감겨 출고되며, 원형 드럼으로부터 풀기, 직선 작업, 설치, 절단 등의 사용과정은 전기케이블과 거의 흡사하다. 이 작업에 필요한 관련 공구 기기들은 모두 일정규격으로 단일화하여 전 세계 어디서라도 동일 규격으로 적용이 가능하므로 사용자의 편의성을 충분히 고려한 제품이라 할 수 있다.

1. 실험 장치

[Fig. 3]은 실험을 위해 제작된 단열 멀티코어튜브의 단면도이다. 관의 수는 4-Core로 구성되어 있으며 내부 코일은 제조 특성상 직관이 아닌 750mm 간격으로 360° 회전하는 Twisted tube 형태로 유지되어 있다. 또한 기존 MCT의 형태와 달리 외부 PVC피막과 관 사이에 글라스울 소재를 단열재로 사용하여 단열 효과를 높이고자 하였다. <Table 1과 2>는 온도 특성을 파악하기 위해 사용된 단열 MCT 각 재료부의 고체 물성치(Mat erial property)와 관 내부를 흐르는 유압유의 물성치를 나타내고 있다.

[Fig. 3]

Schematic diagram of insulated multi core tube section

<Table 1>

Properties of hydraulic oil material

<Table 2>

Properties of Insulated multi core tube solid material

실험 장치는 크게 유압유를 저장하는 오일 탱크, 유압유를 오일 탱크에서 단열 MCT로 공급, 순환하기 위한 기어펌프, 4-Core로 구성된 단열 MCT, MCT의 외기 온도 조절을 위한 냉동 챔버(Refrigerator chamber), 단열 MCT의 각 부위 온도를 측정하기 위한 열전대(Thermocouple), 측정된 온도를 기록하기 위한 데이터 수집 장치(Data Logger)와 컴퓨터로 구성되어 있다. 데이터 수집 장치 소프트웨어는 YOKOKAWA MX100 Standard를 사용하였고 실험 과정 도중 상시 모니터링을 통해 변화량을 관찰하였다(Korea Yokogawa, 2003). [Fig. 4]는 단열 MCT의 내부 코일 배치 상태와 전체 형상을 보여주고 있다. 내부형상은 수치 해석용 툴을 이용해 묘사한 것으로 실제 실험에서 사용한 MCT 형상(Geometry)과 동일하다.

[Fig. 4]

The sample of CFD simulation of MCT

[Fig. 5]는 본 연구에서 사용한 실험 장치의 개략도를 나타내고 있다. 개략도는 단열 MCT의 외기온도, 유압유의 공급 온도 및 유량에 따른 단열 MCT 관내 유압유의 온도 특성을 파악하기 위한 장치이다.

[Fig. 5]

Schematic diagram of apparatus

2. 실험 방법

본 실험에서는 관내를 흐르는 유압유 온도가 외기의 영향과 유량에 따른 변화를 살펴보기 위하여 외기 온도를 –10℃, -30℃, -50℃의 3가지 온도에 따른 실험을 수행하였다. 여기서 외기온도는 냉동 챔버 내부의 온도를 의미하며, 유압유의 공급온도는 실험 공간의 공기 조화기를 가동하여 30℃ 구간으로 최대한 일정하게 유지하였다.

유압유의 공급 유량은 설치된 펌프의 성능 범위 이내에서 3가지 유량으로 설정하여 최소 0.29ℓ/min, 1.01ℓ/min, 3.28ℓ/min으로 진행하였다. 외기에 노출된 단열 MCT의 길이는 0.75미터 이다. 이는 제작 공정시 750mm 간격으로 360° 반복 회전하는 Twisted tube 형태로 제작되어짐을 고려하였다.

열전대를 이용하여 오일 탱크로부터 펌프를 지나 실험 장치에 설치되어 있는 단열 MCT의 입구부, 냉동 챔버 내부, 외기 온도에 노출된 이후 흘러나오는 MCT 4-Core의 출구부 유압유의 온도 등을 데이터 로거를 통해 컴퓨터에 기록하였으며, 초기 설정된 유압유의 순환 시점으로부터 10분 간격으로 일정하게 기록하였다.

또한 본 실험에서는 오일 탱크에 유압유 공급 온도를 일정하게 유지할 수 있는 별도의 냉각·가열 시스템이 설치되지 않았으므로 냉동 챔버 내부를 통과하여 온도 변화가 발생된 유압유는 오일 탱크의 공급 온도와 섞이지 않도록 개방 순환 방식(Opened-loop)으로 실시하였다.

실험은 총 100일에 걸쳐 수행하였으며, 일일 실험시간은 냉동 챔버 내부 온도가 실험온도까지 도달하는데 걸리는 운전 딜레이 시간과 대기온도를 고려하여 09시부터 18시까지 9시간에 설쳐 실험을 수행하였다. 본 연구와 같은 유체의 열전달 특성에 관한 실험은 외기에 따른 순간 온도변화의 반응이 매우 민감하기 때문에 데이터 세이브에 주의가 필요하며, 일관성을 위하여 동일 조건에서 3회 실험을 실시하여 절사 평균값(Trimmed mean)을 데이터로 확보하였다. <Table 3>은 본 연구에서 수행한 실험조건을 보여주고 있다.

<Table 3>

Properties of Insulated multi core tube solid material

1. 외기 온도에 따른 영향

본 실험은 외기 온도가 각각 –10℃, -30℃, -50℃일 때 단열 MCT 내부를 흐르는 유압유의 유량은 0.29ℓ/min, 1.01ℓ/min, 3.28ℓ/min 로 설정하고 평균 온도 및 온도 분포를 측정한 실제 실험 데이터이다. 유압유의 출구 온도는 4-Core 타입의 단열 MCT 특성상 출구측에 4채널 방식을 각각의 관에 온도를 측정하여 합산한 평균값이며 온도차는 이 평균값과 공급 온도간의 변화량이다. [Fig. 6(a~c)]로부터 알 수 있듯이 외기 온도가 –10℃, -30℃, -50℃으로 낮아짐에 따라 유압유의 온도가 영향을 많이 받음을 알 수 있다. 외기 온도가 낮을수록 MCT 내를 유동하는 고온의 오일로부터 외기로의 열이동에 해당하는 열유속이 증가하기 때문이다.

[Fig. 6a]

Experiment results of oil temperature

[Fig. 6b]

Experiment results of oil temperature

[Fig. 6c]

Experiment results of oil temperature

또한 유량이 증가할수록 외기 온도에 따른 유압유의 온도 변화가 낮음을 알 수 있다. 이는 유량이 증가할수록 MCT내부를 유동하는 오일의 유속이 빠르다는 것을 의미하므로, 주어진 실험자이 내를 이동하는데 소요되는 시간인 정체 시간이 짧아져 충분한 열교환을 충족시킬 수 없기 때문이다. 본 연구의 실험 조건 내에서 유량이 0.29ℓ/min 이고 외기 온도가 –50℃ 일 때 유압유의 공급 온도와 온도차는 5.75℃로 가장 크게 나타났으며, 유량이 3.28ℓ/min 이고 외기 온도가 –10℃ 조건일 때 온도차는 0.05℃로 가장 적음을 알 수 있었다. 앞서 기술한 바와 같이 본 실험장비는 오일 탱크에 유압유 공급온도를 일정하게 유지할 수 있는 별도의 냉각・가열 시스템이 설치되지 않았으므로 실험 공간의 공기조화기를 가동하여 유압유의 공급 온도를 최대한 30℃와 가깝게 유지하였으나 실제 실험 공급 온도의 오차 범위는 29.8~35.4℃ 이내이며 이 온도변화 값은 순환 펌프의 발열 등에 따른 여러 요인에 의해 좌우된다.

2. 이론 해석 및 유효 열전도 계수

본 실험을 통하여 얻은 교환 열량 q을 이용해 이론적 해석을 통한 비교 검토를 실시하였다. 온도가 T₁인 단열 MCT 표면으로부터 온도가 T₂인 다른 표면(가장 바깥을 구성하는 PVC)으로 열이 전달되는 2차원 계에 있어서 단위 깊이당 열전달량은 오직 온도차 T₁-T₂ = ∆T, 열전도율 k, 그리고 해석을 위한 계의 형상비에 의존한다. 이 비는 계의 형태에 의존하므로 형상 계수(Shape factor)라고 정의한다. 따라서 열전달율은 다음과 같이 식(1)로 쓸 수 있다.

이 형상계수 S는 몇 가지 형태에 대한 값이 존재하는데 그 중 축이 표면하 z깊이에 묻힌 길이 L인 수평 원통, 원통과 등온 표면 사이의 열전도율이 k인 균질 매질을 통한 전도의 계와 본 실험 조건이 동일한 조건으로 가정하였다(Anthony F. 1992). 따라서 냉동 챔버와 MCT의 깊이는 z와 같은 외기 온도에 대한 관내 열손실을 구하기 위해서 형상계수 S를 구하면, 식(2)로 유도할 수 있고

여기서 L은 MCT의 길이, z는 외기로부터의 깊이, D는 관의 직경이다. 본 실험조건을 계상하면 형상계수 S는 다음 식(3)과 같다.

또한 일반적인 단유동 파이프의 등온 조건에서 유용성은 식(4)로 정의한다.

유용성을 계산하기 위해서는 Ntu값을 구해야 한다. Ntu는 식(5)로 유도되고 keff는 단열재 등을 포함한 모든 고체 벽의 유효 열전도 계수, S는 형상계수, mass는 질량유량, Cp는 관내를 흐르는 유압유의 비열이다(Frank K. et al. 2002).

여기서 유압유가 외기 온도에 노출되는 단열재 열전도율을 알기 위하여 열전도 계수를 구해야한다. 유압유와 외기 온도 사이에 단열재를 모두 포함한 재료는 총 5가지이다.

유압유와 각 재료의 물성치는 <Table 1>을 참조하여 대입하고 본 실험에 사용된 4-core 단열 MCT을 이론 해석에 용이할 수 있도록 총 파이프 면적비를 1-core형태로 가정하였다. [Fig. 7]과 같이 단열 재료부의 형상을 단면도와 같이 단순화 시켜 Maxwell 상관식에 의해 유효 열전도 계수를 식(6)을 통하여 정의하고, 여기서 Ψ는 두께, λ는 열전도율, Φ는 면적비이다(Anthony F. 1992). 이에 해당하는 값을 구하면 단열재의 총 열전도율은 약 keff = 0.647 W/m·K가 된다.

[Fig. 7]

The simplified cross section diagram of insulated multi core tube

따라서 유효 열전도 계수와 각 조건의 외기 온도에 따른 유압유의 온도차를 식(7)을 통해 이론 해석을 할 수 있으며 이를 실제 실험과 비교하여 [Fig. 8]의 오차 그래프로 나타내었다.

[Fig. 8]

Comparison of experimental and numerical analysis

본 연구에서 수행한 실제 실험데이터와 이론 해석과의 비교를 통해 살펴 본 온도차는 최대 0.6℃ 내외로 비교적 근접하게 나타났음을 알 수 있었다. 따라서 원통형으로 구성된 단열 MCT에 대해서도 Maxwell의 상관을 이용하여 유효 열전도 계수를 구하여 이론적인 해석을 수행할 수 있다는 것을 알 수 있다.