Abstract
An end-line flame arrester allows free venting in combination with flame protection for vertical vent applications. End-line flame arresters are employed in various fields, especially in shipping. In flame arresters, springs are essential parts because the spring load and the spring's elasticity determine the hood opening moment. In addition, the spring has to work under a high-temperature condition because of the burning gas flame. Therefore, it is necessary to analyze the mechanical load and elasticity of the spring when the flame starts to appear. Based on simulations of the working process of a specific end-line flame arrester, a thermal and structural analysis of the spring is performed. A three-dimensional model of a burned spring is built using computational fluid dynamics (CFD) simulation. Results of the CFD analysis are input into a finite element method simulation to analyze the spring structure. The research team focused on three cases of spring loads: 43, 93, and 56 kg, correspondingly, at 150 mm of spring deflection. Consequently, the spring load was reduced by 10 kg after 5 min under a $1,000^{\circ}C$ heat condition. The simulation results can be used to predict and estimate the spring's load and elasticity at the burning time variation. Moreover, the obtained outcome can provide the industry with references to optimize the design of the spring as well as that of the flame arrester.
엔드라인 폭연방지기는 수직 환기장치에 폭연방지와 함께 대기방출을 하도록 한다. 엔드라인 폭연방지장치는 선박과 같은 산업현장의 다양한 분야에 적용된다. 폭연방지기에서 스프링은 스프링 부하와 스프링의 탄성이 후드 개방 모멘트를 결정하므로 필수 부품이다. 더욱이, 장치 내 스프링은 고온의 상태에서도 작동해야 한다. 따라서, 폭연이 나타나기 시작할 때 스프링의 기계적 하중과 탄성을 분석할 필요가 있다. 이 연구에서는 엔드라인 폭연방지기의 작동 프로세스의 시뮬레이션을 기반으로 열 및 구조해석을 수행하으며, 스프링의 3차원 모델은 CFD 시뮬레이션을 이용하였다. CFD 해석은 FEM 시뮬레이션 값을 입력하여 스프링 구조를 분석한다. 본 연구에서는 스프링 부하의 43 kg, 93 kg 및 56 kg 세 가지 경우 즉, 150 mm 스프링 디플렉션에 부합하도록 집중적으로 관찰하였다. 결과적으로, $1,000^{\circ}C$ 가열조건 하에서 5분 후에 스프링 부하가 10 kg 감소했다. 시뮬레이션 결과는 연소 시간 변화에 따라 스프링의 부하와 탄성을 예측하고 추정할 수 있었다. 또한, 연구의 결과는 폭연방지기의 제조자들에게 역화방지장치뿐만 아니라 스프링의 설계를 최적화하기 위한 참고 자료로 활용할 수 있다.