1.머리말

최근 기후변화에 따른 이상기후 현상이 크게 증가하고 있는데 그 중 하나가 이상 한파이다. 최근 한 언론사의 보도에 따르면 때 이른 한파의 원인으로 아이러니하게도 지구온난화현상을 꼽고 있다.1) 여러 매스컴이나 연구 자료를 통해 알 수 있듯이 지구온난화로 북극 바다의 얼음 면적이 해마다 줄고 있으며, 특히 최근에 특히 얼음이 눈에 띄게 줄어들었다. 얼음은 햇빛을 반사시키지만, 바닷물은 햇빛을 흡수하면서 데워지게 되는데 이로 인해 북극이 상대적으로 기온이 오르게 되고 북극 한기를 가둬뒀던 제트기류를 약화시키게 되며, 약화된 제트기류 사이로 북극한기가 내려오게 된다. 결국 지구가 더워졌기 때문에 역설적으로 국부적인 한파 현상이 생기게 되는 것이다. 또한 지구온난화로 인해 데워진 바닷물이 수증기가 되면서 시베리아 부근에 많은 눈을 발생시켰다. 이렇게 내린 눈이 햇빛을 반사시키면서 기온이 내려가게 되며, 그렇기 때문에 한기도 좀 더 강해지는 영향을 끼치게 되는 것이다.

기습적인 한파 또는 혹한기가 장기 지속될수록 쉽게 배관의 동파사고를 접할 수 있다. 특히 소방 배관의 경우 대부분 배관 내 물의 유동이 없기 때문에 동파 가능성이 더 크다. 소방 배관의 동파방지대책에는 여러 가지 종류가 있으나 현장에서 가장 잘 쓰이는 대책중의 하나가 배관에 열선과 배관보온재를 시공하는 것이다. 배관에 열선을 시공하게 되면 열선의 열로 인해 온도차가 발생하여 배관 및 배관 내부의 유체로 열전달이 발생하게 된다. 대류에 의한 유체의 유동은 자연계에서 흔하고 중요한 현상이다.

이번 연구에서는 현장에서 동절기 배관의 동파방지대책으로 주로 사용되고 있는 대책 가운데 하나인 배관에 열선과 배관보온재를 시공하는 경우 배관의 동파방지대책을 위한 가장 효과적인 열선의 위치를 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 이용하여 알아보고자 한다.

2. 물의 특징

어는점 근처에서의 물의 특징은 다음과 같다. 그림 1과 같이 물은 4℃에서 1.00 cm³/g 으로 부피가 가장 작으며, 0℃의 물에서 얼음으로 상변화를 일으킬 때 약 9%의 부피 팽창을 하게 된다. 부피가 팽창하는 이유는 물의 결정이 변하기 때문인데 몰이 얼음으로 변할 때 [그림 2]와 같이 육각형 모양의 결정이 생기게 된다. 이는 물분자 간에 수소결합이 형성되기 때문인데, 액체 상태의 물분자들이 어는점에 근접해감에 따라 정사면체 구조를 갖게 된다. 이러한 정사면체 구조가 얼음이 되면서 분자 전체로 확산되면 육각형 모양의 구조가 되고, 비교적 무질서한 액체상태일 때보다 빈 공간이 늘어나게 된다. 따라서 물이 얼게 될 때 부피가 늘어나게 된다. 배관의 동파사고는 배관 내 물이 동결하면서 체적이 증가하는데 이 때 발생하는 압력이 배관의 최대 내압력 보다 커서 [그림 3]과 같이 배관이 파손되는 현상이다.

3. 동파방지대책

배관의 동파사고는 [그림 4]와 같이 배관에 열선 및 단열재를 이용한 대책을 사용하여 감소하는 듯하였으나, 최근 들어 이상 한파(예상 밖의 시점 또는 온도)로 인해 배관 동파사고는 동절기마다 지속적으로 발생되고 있다. 특히 옥외 노출 시공된 배관이 있는 경우 배관의 동파 사고는 동절기에 가장 신경이 쓰이는 문제들 중의 하나이다. 배관이 옥외에 시공되어 있더라도 공정용 배관처럼 동절기에도 배관 내 물이 유동하고 있는 경우 상대적으로 동파될 우려가 적으나, 소방용 배관의 경우 대부분 물이 배관 내 정지하고 있기 때문에 동파 우려가 더 크다. 배관의 동파방지대책으로 현장에서 주로 사용되고 있는 방법 중 하나가 배관에 열선을 시공하는 것이다. 열선의 원리는 니켈도금선에 전류를 흘려주면 전류와 저항의 크기에 따라 줄열이 발생하는데, 이 줄열을 열원으로 하여 동절기에 배관의 동파를 방지하는 원리이다.

4. 수치해석

이 연구에서 자연대류를 포함한 복합열전달을 고려한 배관의 열전달 특성을 파악하기 위해 사용한 지배방정식은 2차원 연속방정식, 비정상 비압축성 Navier-Stokes 방정식 및 에너지방정식이며 다음과 같다.

물리적인 현상을 나타내는 지배 방정식들을 다음과 같은 가정들을 적용함으로써 단순화하였다.

1. · 배관 내 유체는 비정상 상태 2차원 유동이다.
2. · 부력항 내의 유체의 밀도에 대해서는 Boussinesq approximation을 적용하였고, 그 이외 유체 및 배관의 모든 물성치는 일정하다.
3. · 유체의 압축성 효과, 점성 소산 및 복사 열전달을 무시한다.
4. · 중력가속도는 –y 방향으로 작용한다.

현장에서는 배관의 동파를 방지하기 위해 열선을 [그림 4]와 같이 시공하고 있으며, 여기에 대한 단면은 [그림 5]와 같다. 이것을 보다 효율적으로 CFD 해석을 수행하기 위해 [그림 5]를 [그림 6]과 같이 단순화하였다. 수평하게 설치된 배관의 동파방지를 위한 가장 효과적인 열선의 위치를 확인하기 위해 열선(Heat source)을 배관 단면의 12시 방향을 기준으로 θ = 0°, 45°, 90°, 135°, 180°에 시공한 경우를 각각 모델링하여 온도 분포 및 벡터장 등을 분석하였다.

이 수치해석에서의 초기조건은 배관과 배관 내부의 초기온도는 물의 어는점인 273 K로 설정하였으며, 배관의 규격은 배관용 탄소강관 규격인 KSD 3507 중 호칭지름 50A의 배관을 참고하여 모델링하였다. 열선이 설치된 배관의 바깥쪽 경계에 단위 m당 16W의 열유속을 갖도록 설정하였고 그 외의 경계는 단열조건으로 설정하였다. 또한 열선 자체가 충분히 가열되어 있는 상태를 가정하여 열선이 가열되는 시간은 별도로 고려하지 않고 수치해석을 수행하였다.

5. 수치해석 결과

열선의 설치 위치에 따라 해석 모델링을 각각 구현하여 CFD 해석을 통해 온도 분포 및 물의 유동장을 분석하였다. [그림 7]은 초기조건으로부터 5,000초가 경과된 이후의 온도 분포인데 θ = 135°, 180° 인 경우가 배관 내 물의 최저 온도가 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다. [그림 8]은 5,000초가 경과된 이후의 물의 유동장인데 여기서도 θ = 135°, 180° 인 경우 배관 내부 물의 유동이 상대적으로 더욱 큰 것을 알 수 있다. 물의 유동이 크다는 것은 대류를 통한 열전달이 더욱 활발하다는 것을 의미한다. 배관의 동파와 가장 관련이 깊은 그림 9의 배관 내 최소온도 변화를 살펴보면 시간이 경과함에 따라 θ = 180°, 135°, 90°, 45°, 0° 순으로 온도가 빠르게 상승하는 것을 확인할 수 있었다.

[그림 7] 5,000초 경과 후 열선의 위치에 따른 온도분포

[그림 8] 5,000초 경과 후 열선의 위치에 따른 물의 유동장

[그림 9] 열선의 위치에 따른 배관 내 물의 최소온도 변화

6. 맺음말

이번 연구에서는 동파방지에 가장 효과적인 열선의 위치를 고찰하고자 배관 내부의 2차원 비정상 열전달 수치해석을 수행하였다. 열선의 위치는 배관 단면 12시 방향을 기준으로 θ = 0°, 45°, 90°, 135°, 180°에 시공한 경우를 각각 모델링하여 해석을 수행하여 다음의 결론들을 유도하였다.

1. 가. 배관의 동파와 밀접한 관련이 있는 배관 내 최소온도의 시간에 따른 변화를 살펴보면 θ = 180°, 135°, 90°, 45°, 0° 순으로 온도가 빠르게 상승하는 것을 확인할 수 있었다. θ = 180°인 경우와 θ = 135°인 경우가 거의 차이가 나지 않지만 θ = 180°인 경우가 미세하게 높은 것을 확인할 수 있었다.
2. 나. 이와 관련하여 해외 기준7)을 살펴보면 잠재적인 설비의 오용(Potential mechanical abuse)을 방지하기 위해서는 열선을 배관 단면을 기준으로 θ = 135° 방향에 설치하는 것을 권장하고 있다.
3. 다. 잠재적인 설비의 오용이라 함은 열선이 배관의 최하단부(θ = 180°)에 위치하게 되면 배관보온재 내부에 비 또는 눈의 침투 또는 결로 현상 등으로 인해 보온재 하부 열선이 설치된 위치에 물이 고이게 되어 전기적인 오작동을 일으킬 확률이 높아지는 것 등이 될 수 있다.
4. 라. θ = 180°인 경우와 θ = 135°인 경우의 차이가 미비하므로 유지관리의 편의성을 고려한다면 열선을 배관 단면을 기준으로 θ = 135° 방향에 설치하는 것이 타당하다고 볼 수 있다.

추가로 우리가 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 수도계량기의 동파 예방방법에 대한 정보를 공유해 보고자 한다. 수도계량기의 동파를 예방하기 위해서는 계량기 보호통 내부를 헌옷 등의 보온재로 채우고, 외부의 차가운 공기가 유입되지 않도록 뚜껑부분은 비닐 등으로 넓게 밀폐해야한다. 노출된 수도관과 수도꼭지는 보온재로 감싸주고 수돗물을 사용하지 않을 때에는 수도꼭지를 조금 열어 놓으면 동파예방에 큰 효과가 있다. 수도계량기나 수도관이 얼었을 때는 수도꼭지를 열어놓고 양쪽 연결배관을 헤어드라이어나 미지근한 물로 서서히 녹여주면 되고 특히, 너무 뜨거운 물을 사용하면 수도계량기가 파손될 수 있으니 반드시 미지근한 물을 사용해야 한다. 수도계량기가 동파되었을 경우, 계량기 밸브를 잠그고 관할 지역 수도과로 신고하면 된다.

참고문헌

• 1) JTBC 뉴스 “11월 때 이른 한파, 지구 온난화 때문?…한파 원인”3가지” (http://news.jtbc.joins.com/html/054/NB11552054.html)
• 2) ZUM 학습백과 (http://study.zum.com/book/12222)
• 3) ZUM 학습백과 (http://study.zum.com/book/15083)
• 4) 원주시 공식 블로그 (http://blog.naver.com/wonju_city/70152875590)
• 5) E&S TEC 홈페이지 (https://www.ens-tec.com/blank-f7qi8)
• 6) 최명영 외, “소방배관 동파방지용 열선의 위치선정을 위한 비정상 열전달 수치해석”, 한국화재소방학회 논문지 28(1), 2014.2, 52-57
• 7) ANSI/IEEE Std. 515, “Standard for the Testing, Design, Installation and Maintenance of Electrical Resistance Heat Tracing for Industrial Applications”(2005).
• 8) 귀농인 지역소식 “수도계량기 동파, 사전예방 집중 홍보” (http://www.thekpm.com/news/articleView.html?idxno=12814)
• 9) Myoung-Young Choi, “A numerical study on the conjugate natural convection in a circular pipe containing water“, Journal of Mechanical Science and Technology 31 (7) (2017) 3261~3269