2.1 자기제어형 정온전선의 구조 및 동작 원리

가장 일반적으로 사용되는 열선 방식은 자기제어형 정온전선 방식으로 발열체는 플라스틱 레진(Plastic resin)과 탄소(Carbon)를 배합한 반도전성 폴리머(Polymer)에 방사선 등의 조사를 통해 분자구조의 가교 공정(Cross linking)을 거친 물질이다. 이는 두 가닥의 도체(Bus wire) 사이에 무수한 병렬 전기 회로의 구조를 형성하고 있어 외부의 온도가 낮을 시 탄소 결합상태가 조밀해지면 전류흐름이 많아지면서 발열량이 높아지고, 반면에 외부의 온도가 높아지면 발열체 분자구조의 팽창으로 부분적으로 탄소 결합을 끊음으로 전류의 흐름이 적어져 발열량이 줄어드는 특성을 가지고 있어 환경에 따라 변화되어 제어되는 방식이다.

실제 선박에 적용되어 주위 온도변화에 따라 발열량을 제어하여 전력소모를 조절하여 경제적이며, 무한 병렬체 저항이므로 발열체의 길이에 상관없이 발열온도분포는 항상 균일하다는 특징을 가지고 있다. 그리고 유연성이 뛰어나 설계가 용이하고 현장에서 임의로 절단하여 사용이 가능하다. 단, 통전된 상태에서 150 ℃ 이상의 증기에 노출되면 손상될 수 있으므로 주의가 필요하다.

온도조절기가 없어도 스스로 감지된 온도변화만큼 출력이 조절됨에 따라 동파방지용, 온도유지용으로 가장 적합하고, 일반전열선과 달리 겹쳐 설치할 경우에도 국부과열 및 소손이 발생하는 문제점을 극복하였으며, 외부 피복은 난연성재질로 구성되어 조사가교처리를 함으로써 외부의 전기적 충격 및 열충격에 강하며 내열성이 우수하고 수명이 반영구적이다. 그리고 최대 유지 온도와 최대 노출온도에 따라 구분되어 정격전압 120, 240 V에서 m당 10, 16, 20, 26, 33, 50, 65 W로 나뉘며, 열선의 외부에 NEMA 규격에 의한 출력과 전압을 표시하도록 되어있다.

자기제어형 정온전선의 구조는 도체(Bus wires), 발열체(Heating matrix), 1차 절연외피(Inner jacket), 내부절연체(Polyolefin jacket), 편조(Braid metallic shield), 2차 절연외피(Over jacket)로 이루어져 있으며, 열선의 발열메커니즘은 외부온도가 높을 경우와 외부온도가 낮을 경우로 구분되어 작용된다(THERMON, 2015).

2.2 풍속 측정 기술의 적용 범위 및 동작 원리

풍속 프로브를 선택하는 기준으로는 풍속 측정범위와 온도가 있다. 풍속의 측정 범위는 0 에서 100 m/s 까지 세 가지로 나뉘며, 저속은 0 m/s부터 5 m/s 의 풍속, 중속은 5 m/s 부터 40 m/s 의 풍속, 고속은 40 m/s 부터 100 m/s 로 구분된다. 그리고 온도에 대해서는 열선 프로브는 약 70 ℃까지 사용 가능하며, 베인(바람개비형) 프로브는 최대 350 ℃, 피토튜브 타입은 −70 ℃ ~ 600 ℃ 이상에서도 사용이 가능하다.

먼저 열선 프로브는 가열된 물체에 바람이 닿으면 그 물체는 냉각이 되는데 이때의 냉각 정도를 측정하여 풍속을 구하는 방식으로 백금선에 전류를 통하여 따듯하게 하여 냉각 정도를 백금선의 전류 저항으로 직접 측정하는 것이다. 난기류 측정 시에는 사방으로 퍼지는 풍향으로 인해 발생할 수 있는 위험을 제거하기 때문에 열선 프로브는 베인 프로브보다 훨씬 정확한 측정이 가능하다. 그리고 베인 프로브의 측정 원리는 베인의 회전수를 전기 신호로 바꾸는 원리를 기반으로 풍속을 측정한다. 반경이 큰 베인 프로브(60 mm, 100 mm)는 덕트 외부나 중/저 풍속의 난기류 측정에 적합하며, 베인 프로브 반경이 작은 경우에는 덕트 내 고속 측정과 단면적이 베인 프로브 보다 100 배 정도 큰 공간에서 측정하는 것이 이상적이다. 작지도 크지도 않은 적절한 크기의 16 mm 베인 프로브는 60 m/s의 고속까지 측정할 수 있어 다양하게 사용된다. 마지막으로 피토튜브 타입은 피토튜브 입구에 전압이 들어가서 두 가지 형태 의 슬롯(구멍)으로 압력 프로브가 연결된다. 한 쪽에는 정압으로 수평 슬롯 구멍으로 연결되고, 다른 쪽은 동압으로 추후 피토관 상수 값으로 분석할 수 있다.

본 연구에서는 저온과 고풍속 환경에 적합한 피토튜브 타입으로 풍속을 제어하여 균질성 검증 및 실험을 진행하였다.

3.1 발열 통행로

본 논문에서는 실제 빙해선박의 갑판 상부에 설치되는 통행로(Walk-way)를 사용하였다. 크기는 1,000 mm × 1,000 mm × 45 mm 에 6T 의 Steel Panel 로 19 mm 를 보온재를 통해 단열하고, 10XTV2-CT-T3의 열선을 포설하였다. 열선은 선박에서 실제 사용되고 있는 자기제어형 정온전선(Self-Regulating heating cable)을 이용하여 온도 및 풍속 조건별로 요구되는 전력량을 만족할 수 있도록 설계 내용을 반영하여 열선 간격을 각각 다르게 포설하였으며, 열선 포설 후에 알루미늄 테이프를 통해 위치를 고정하고 보온재로 단열, 커버를 볼트로 고정하여 마지막으로 전기를 결선하는 것으로 시편을 제작하였다.

그리고 시료는 Figure 2 와 Figure 3 과 같이 포설된 열선의 수에 따라 12 Line과 20 Line으로 제작하였다 (E-TEC, 2016).

Figure 2.

Composition and specification of Heating walk-way

Figure 3.

Comparison of heating cable installation (12 Line / 20 Line)

3.2 극저온 환경 구현 설비

극저온 환경 구현 설비는 선박이라는 소형부터 대형 시스템화 된 기자재에서 육상 기자재에 이르기까지 주어진 극한 환경에 의한 영향을 분석·평가하는 장비로, 최대 −70 ℃ 의 극저온과 강설, 결빙, 동결, 해동 환경을 구현하기 위해 아래 1 의 규격을 만족하는 사양으로 제작되었다 (International Electronical Commission, 2017).

Table 1.

Standards for Manufacturing of facility for implementation of cryogenic environment

극저온 환경 구현 설비는 내부 크기가 5,000(W) × 7,000(D) × 5,000(H)인 챔버 구조로, 수냉식 이원 냉동 시스템을 통해 최대 −70 ℃의 환경 구현이 가능하다. 그리고 Sirocco Circulation Fan 및 천정의 Wind Tunnel을 통해 챔버 내부의 공기순환이 이루어져 ±2.0 ℃ 이내의 온도분포도를 확보하였으며, 냉각수 분무 및 강설 시스템으로 저온의 환경에서 시료에 대해 결빙 및 제설을 수행할 수 있는 설비이다.

본 설비의 내부 온도에 대한 균질성을 확보하기 위해 내부에 13개의 지점에 온도센서를 설치하여 각 온도별 기준 값에 대한 지시 값 및 온도변동, 온도분포, 측정불확도를 산출하였고, 결과 분석을 통해 설비 내 온도의 균질성을 확보하였다 (International Electronical Commission, 2001).

3.3 풍동 환경 구현 설비

풍동 환경 구현 설비는 균질한 풍속 인가 조건에서 대기의 흐름에 대한 영향을 최소화하기 위한 목적으로 관련 규격을 참조하여 제작되었다. Fan, Transformation piece, Straightener, Duct로 구성되었고, 실험 재료 표면에 고른 풍동 분포를 구현하기 위해 덕트의 길이가 최소 직경의 6배 이상이 되도록 하였다(AMCA, 2016).

시료인 발열 통행로의 크기에 따라 시료 설치 지그의 크기를 일정한 풍량 구현이 가능하도록 풍동 구현 설비의 직경과 동일하게 1,000 mm × 250 mm으로 제작하여 지그에 의한 풍량 손실을 최소화하였다. 풍속을 인가하기 위해 팬을 설치하고, 풍동의 안정화를 위해 충분한 길이의 덕트를 연결하였으며, 풍속센서는 풍동이 안정화되는 구간 이후에 피토튜브를 설치하여 풍속량을 계속적으로 기록하였다. 풍속은 팬의 분당회전수(r/min)에 의해 결정된 풍동 내 공기속도에 따른 출력을 측정한다. 시료가 설치된 지그는 풍동 설비의 마지막에 설치되어 챔버의 저온 영향과 팬의 풍속 영향을 동시에 적용 가능하도록 설계 제작하였다 (SMACNA, 2002).

본 풍동 환경 구현 설비의 균질성을 평가하기 위해 극저온 환경 구현 설비 내에 풍동 환경 구현 설비를 넣고, 풍동 환경 구현 설비에 실험재료를 설치하였다. 그리고 풍속 측정을 위해 피토튜브 풍속센서를 이용하였으며, 측정 조건은 풍동 환경 구현 설비 끝부분의 중앙을 기준으로 120 mm 간격으로 하여 좌우측 3개 씩 총 7개 위치에서 각 온도별로 풍속량을 측정하였다. 풍동 환경 구현 설비 내부의 온도(내부 온도)와 극저온 환경 구현 설비의 온도(외부 온도)로 구분하여 안정화된 시점에서 풍속 및 온도를 측정하였다.

Figure 4 의 그래프는 풍속 센서를 풍동 환경 구현 설비 끝부분의 중앙 위치에서 온도 및 풍속을 측정한 결과로써, 초록색 선은 풍동 환경 구현 설비 외부의 온도이고, 빨간색 선은 설비 내의 온도를 측정한 것이다. 그리고 파란색 선은 주어진 환경에서의 풍속을 측정한 것이다. 풍속 센서의 위치별로 2 와 같이 중앙과 중앙으로부터 좌측을 Left#1, Left#2, Left#3으로 구분하였고, 중앙으로부터 우측을 Right#1, Right#2, Right#3으로 구분하여 측정하였다.

Figure 4.

Graph of wind speed and temperature (Center Position, 25 ℃, 5 m/s)

Table 2.

Wind speed measurement by position and temperature

실험을 통해 각 위치별 풍속과 온도별 풍속을 측정한 결과의 경우, 3 과 같이 전체 위치에서 풍속의 편차가 5 m/s에서는 4.7 % 이내, 20 m/s 에서는 6.4 % 이내로 확인되었으며, 개방형 풍동장치의 경우 편차 조건이 ±10 % 이하이므로 본 설비는 적합하다. 또한 위치별 균질성도 고르게 나타나는 것으로 확인되었으므로 풍동 환경 구현 설비의 균질성에 대한 충분한 결과를 확보하였다 (Korean Industrial Standards 2014; Korean Industrial Standards 2016). 하지만 온도별 풍속 편차의 결과를 보면 온도가 낮아질수록 같은 조건에서도 풍속이 더 크게 측정되었고, 그 편차도 조금씩 증가되었다. 이는 온도 및 압력 등에 따른 공기의 밀도의 변화에 의해 풍속 및 거리상수들이 영향을 받기 때문이다. 공기밀도에 미치는 환경 매개변수 및 그 측정오차는 4 와 같다 (International Organization for Standardization, 2017).

Table 3.

Variation of wind speed by temperature

Table 4.

Influence of environmental factors on air density calculation

실제 정확한 풍속을 측정하기 위해서는 공기밀도에 대해 고려하여야하나 그 영향이 크지 않으므로 본 연구에서는 매개변수에 의한 측정오차의 영향을 다구치 기법에서의 오차인자로 구분하였다.

그리고 극저온 환경 구현 설비 내부의 외기온도와 풍동 환경 구현 설비 내의 온도 차이가 25 ℃에서는 최대 0.6 ℃ 이내, −10 ℃에서는 최대 1.3 ℃ 이내, −50 ℃에서는 최대 2.0 ℃로 나왔다. 이는 팬 운전 시 발생하는 열이 가장 크게 작용한 것으로, 20 m/s 의 풍속을 제어하는 경우가 팬의 회전수가 더 많아져 그 차이가 더 크게 나타나는 것이다. 본 연구에서는 풍동의 균질성 및 내부와 외부의 온도차는 큰 편차가 없고, 시험결과에 큰 영향을 주지 않으므로 다구치 기법에서의 오차인자로 구분하였다.

3.4 발열 통행로에 대한 풍동 환경에서의 저온성능 열전달 해석

본 연구에서는 발열 통행로의 온도패턴과 유동특성을 파악하기 위해 열전달 해석이 수행되었다. 본 수치해석에 사용된 기본 설계 발열통행로 도면은 CATIA를 이용하여 3D 모델링 작업을 수행한 후, 상용코드 ANSYS I-CEM CFD를 이용하여 격자를 생성하였으며 ANSYS CFX 프로그램을 이용하여 열전달 해석이 수행되었다. 모델링 작업 및 초기조건은 5 와 같다 (Kim, Donghyun, 2016).

Table 5.

Initial conditions of heating walk-way

Figure 5 와 같이 3차원 모델을 바탕으로 유동해석에 필요한 유동영역을 생성하였다. 그리고 해석 Type은 Steady state, 작동유체는 Air(대기압 기준), 풍속 발생 조건은 0 m/s, 5 m/s 조건을 설정하였고, 생성한 격자의 수는 1,846,189개로 총 1,000회 반복계산이 수행되었다.

Figure 5.

Heating walk-way 3D modeling

열전달 해석의 결과로 외부 조건[0 m/s, −20 ℃, 20 Line]의 경우 Figure 6 처럼 발열 통행로의 상부 표면 최대 온도는 89.2 ℃, 최저 온도는 85 ℃를 나타내는 결과를 얻을 수 있었다. 표면의 최대온도 뿐 아니라 열전달 대류 현상을 통하여 공기 중으로 전달되는 온도를 확인 하였을 때 대략 발열통행로 상부의 측정 공기 온도는 80 ℃ 내외로 확인 할 수 있다. 이러한 결과는 케이블 사양 중 가장 최대 온도를 대상으로 열전달 평가를 진행한 사항이므로 비교적 높은 수치에 온도가 분포됨을 알 수 있었다.

Figure 6.

Temperature distribution for top of heating walk-way (0 m/s, −20 ℃, 20 Line)

그리고 외부 조건[5 m/s, −20 ℃, 20 Line]의 경우 발열 통행로의 상부 표면 최대 온도는 82 ℃, 최저 온도는 48 ℃를 나타내는 결과를 나타내었다. 표면의 최대온도 뿐 아니라 열전달 대류 현상을 통하여 공기 중으로 전달되는 온도를 확인 하였을 때 대략 발열통행로 상부의 측정 공기 온도는 55 ℃ 내외이며, 바람의 유무에 따라 열전달 분포가 달라지는 것을 볼 수 있다. 이러한 내용을 고려하여 볼 때 빙해선박 기자재의 바람에 대한 영향이 상당한 것으로 판단되며, 실제 실험에서는 상대 풍속이 적용되는 부분에 대해 발열부(열선포설 위치)와 발열부간의 사이에 온도센서를 설치하여 측정할 필요성이 있다.

3.5 다구치 기법에 의한 최적 설계

빙해역을 항행하는 선박들의 선원들의 안전을 위해 발열 통행로는 표면의 발열이 요구된다. 본 연구에서는 열전달 해석 결과를 반영하여 실험 재료의 표면에 온도센서를 설치하고 그 값을 기록하였다. Figure 7 은 본 연구에서 실험 재료의 표면에 온도센서를 설치한 위치를 나타낸 것이다. 온도센서는 교정된 T type 센서 및 데이터기록계를 사용하여 실험 범위 내의 모든 온도를 측정/기록하고 신뢰도를 유지하도록 하였다. 실험 재료는 실제 선박에 설치되는 형태와 동일한 구조에서 1,000 mm × 1,000 mm × 45 mm 로 제작하여 사용하였다.

Figure 7.

Installation position of temperature sensor

본 실험을 위해 다구치 기법을 활용하여 동특성에 따른 인자별 영향을 파악하였다. 발열 통행로에서 발열의 정도에 영향을 주는 인자로서는 열선의 포설 횟수와 열선의 포설방법, 테이핑방식, 그리고 추가 보완재의 종류 등이다. 그리고 특성치(y)는 발열 통행로에 전원을 인가하였을 때 전압과 주파수에 따른 표면의 온도로서 특성치는 동특성이며, 신호인자는 대표적으로 전압만 선정하였다. (주파수는 60 ㎐로 고정) 관련된 제어인자와 잡음인자는 아래 6 과 같으며 각 인자들은 모두 2수준으로 구분하였다.

Table 6.

Related factors

열선 포설 수는 기본 모델로 제작되어 활용되고 있는 12 Line과 20 Line의 2가지 모델을 반영하였으며, 열선 포설 방향은 설치 환경에서 가로 세로의 구분이 없으므로, 두 인자간의 영향을 파악하여 최악의 조건을 분석 결과로 반영하기 위해 제어인자로 선정하였다. 열선 테이핑 방식은 내열테이프로 주로 활용되는 테프론 테이프와 알루미늄 테이프를 선정하여 그 영향을 보고자 하였으며, 추가 보온재는 보온재가 추가될수록 보온의 효과로 발열 통행로의 표면 온도에 큰 영향을 줄 것이라는 가정 하에 기존 19 mm와 38 mm로 구분하여 선정하였다.

그리고 본 제어인자에서의 최저비용조건은 열선 포설 수 12 Line과 열선 포설 방향은 가로, 열선 테이핑 방식은 알루미늄, 추가 보온재는 19 mm로 A1B2C2D1이다.

제어인자가 4개이고, 모두 2수준이므로 내측배열은 직교배열표는 L8(27)을 사용하였으며 외측배열은 신호인자가 2개에 2수준이고, 잡음인자는 최선과 최악 2수준으로 나누었다. 즉, 최선 N1 = T1W1 (0 ℃, 0 m/s), 최악 N2 = T2W2 (−20 ℃, 5 m/s)로 놓았다.

본 실험은 포설 수에 따라 12 Line과 20 Line으로 구분하고, 열선 포설 방향 및 테이핑 방식, 추가 보온재 유무로 하여 제작된 실험 재료를 대상으로 내부에 열선을 설치하고, 표면온도 및 전압, 전류의 계측과 기록을 위한 장비를 준비하였다. 실험 재료를 극저온 환경 구현 설비(챔버) 내 풍동 환경 구현 설비 지그에 설치하고, 챔버의 온도 및 풍속을 조건별로 변화시켜 안정화하였다. 그리고 각 온도 및 풍속 조건에서 전압을 설정하여 특성치인 발열통행로의 표면온도 및 전류 값의 변화 추이를 기록하는 것으로 진행하였다.

잡음인자로 분류한 챔버의 온도와 풍속 조건은 0 ℃, 0 m/s 와 −20 ℃, 5 m/s 로 하고 신호인자인 전압은 220 V, 440 V 로 실험 조건을 세분화하여 여러 환경에서의 결과를 도출하였다.

4.1 실험 조건별 데이터 분석

본 실험 조건을 통해 특성치에 영향을 미치는 각각의 인자들에 대한 응답성과 인자들 간의 특성에 대한 결과를 실험적으로 얻었다. Figure 8 은 실험 절차에 따라 발열 통행로에 표면에 설치된 온도 센서를 통해 측정된 값을 기록한 그래프이다. CH11~CH17은 Figure 7 의 온도센서 설치 위치에 따라 7개의 위치에서 측정된 값이며, CH19는 극저온 환경 구현 설비 내의 온도 측정값이고, CH20은 풍동 환경 구현 설비의 끝에서 측정된 온도 값이다. 그래프를 보면 신호인자를 적용하기 위해 220 V를 인가하였을 때 온도가 상승하여 안정화되었으며, 440 V를 인가하였을 때 온도가 다시 상승하는 것을 볼 수 있다.

Figure 8.

Temperature graph of data recorder (Experimental number 1, N2 condition)

실험계획에 따라 총 8번의 실험을 실시하였으며, 발열 통행로의 표면온도에 대해 7 과 같은 실험결과를 얻었다.

Table 7.

Experimental result of L8(27) type

4.2 신호 대 잡음비(S/N비) 및 기울기를 통한 최적조건 선정

위의 결과를 토대로 S/N비와 기울기 를 다음의 8 와 같이 계산하였다.

Table 8.

S/N ratio and slope for experimental results

그리고 각 제어인자 수준별 S/N비와 기울기에 대한 반응표는 9, 10 와 같다.

Table 9.

Reaction table for Signal to Noise Ratio

Table 10.

Reaction table for Slopes

Figure 9 의 신호 대 잡음비와 기울기의 반응 표와 주효과도에 대한 결과를 통해 인자별로 기술적 해석을 하고, 영향 및 수준별 경향을 파악하였다. 이를 통해 신호 대 잡음비의 결과로 산포를 줄이고, 기울기를 맞춤과 함께 경제적인 요건을 포함하여 최적조건을 도출하였다.

Figure 9.

Main effects plot for Signal to Noise ratios and Slopes

따라서 최적조건은 A₂ B₁ C₂ D₁이며, 이를 최저비용조건인 A₁ B₂ C₂ D₁와 다구치 결과 예측을 통해 11 과 같이 비교하였다.

Table 11.

Estimate S/N ratios and Slopes at minimum and optimal conditions

신호 대 잡음비(S/N비) 개선은 제품 손실비용에 대한 직접적인 효과가 있다. 예를 들면, 최적조건일 때가 현재조건보다 신호 대 잡음비(S/N비)가 1만큼 개선되었다면, 이를 금액으로 환산할 경우, 10^0.1 = 1.25배 만큼 손실금액이 감소되었다고 해석할 수 있다. 이를 본 결과에 적용했을 때 최적조건일 때가 현재조건보다 S/N비로 −50.7508 – (−55.9473) = 5.1965이므로, 이를 금액으로 환산하면 10^0.51965 = 3.31로 3.31배 만큼 손실금액이 감소됨을 기대할 수 있다.