A Study on the Effect of the Shape of the Exhaust Port on the Flow and Temperature Distribution in the Drying Part of the MRG(Mechanical Rubber Goods) Reinforcing Yarn Manufacturing System

MRG(Mechanical Rubber Goods) 보강사 제조시스템의 건조부에서의 배기구 형상이 유동 및 온도 분포에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

Tire codes are made of materials such as hemp, cotton, rayon, nylon, steel, polyester, glass, and aramid are fiber reinforcement materials that go inside rubber to increase durability, driveability, and stability of vehicle tires. The reinforcement of the tire cord may construct a composite material using tires such as automobiles, trucks, aircraft, bicycles, and fibrous materials such as electric belts and hoses as reinforcement materials. Therefore, it is essential to ensure that the adhesive force between the rubber and the reinforced fiber exhibits the desired physical properties in the rubber composite material made of a rubber matrix with reinforced fibers. This study is a study on the heat treatment conditions for improving the adhesion strength of the tire cord and the reinforced fiber for tires. The core technology of the drying process is a uniform drying technology, which has a great influence on the quality of the reinforcement. Therefore, the uniform airflow distribution is determined by the geometry and operating conditions of the dryer. Therefore, this study carried out a numerical analysis of the shape of a drying nozzle for improving the performance of hot air drying in a dryer used for drying the coated reinforced fibers. In addition, the flow characteristics were examined through numerical analysis of the study on the change in the shape of the chamber affecting drying.

1. 서론

타이어코드(Tire cord)란 차량용 타이어의 내구성과 주행성, 안정성을 높이기 위해 고무 내부에 들어가는 섬유 재질의 보강재이다.

특히 타이어의 뼈대 역할을 하는 타이어코드는 안전과 직결된 소재로, 자동차 성능의 향상과 도로망의 확충과 정비에 따른 고속주행시대를 맞아 타이어코드는 타이어의 고무와 접합되어 고무의 신축을 막고 강력을 높이기 위한 수단으로 사용되는 것으로 타이어의 성능을 좌우하는 중요한 인자가 된다.

따라서 이러한 조건들을 만족하기 위하여 소재와 공정의 개발을 통해 타이어코드가 고기능화 되어가기 위한 노력이 꾸준히 연구되어지고 있다^1-3). 이러한 타이어코드는 최근 전기차와 수소차의 경우 배터리의 무게에 의해 타이어코드를 10%~20% 더 사용하는 점, 새차 구매가 줄어도 타이어 교체는 정기적인 점의 특성과 시장 진입장벽이 높은 점 등의 타이어코드 산업의 강점을 지니고 있다.

현재 타이어코드는 직물형태의 코드와 단일사(Single end yarn)형태의 코드로 제조되는데 본 연구에서는 단일사 형태의 코드에 관하여 연구하였다. 타이어코드를 포함한 고무의 물성 강화를 위해 사용되어지는 단일 보강사는 고무와의 접착을 원활히 하기 위하여 대부분 섬유표면에 접착용액을 코팅하여 사용되어진다. 이러한 보강사 제조에서 중요한 부분이 코팅된 용액과 사(Yarn)간의 접착성 확보를 위한 균일건조를 통한 제품의 안정성 확보이다.

타이어코드 보강사(Reinforcement yarn)를 위한 제조공정은 Figure 1과 같으며 타이어코드와 타이어 고무와의 접착력을 향상시키기 위하여 섬유원사 표면에 디핑액(Dipping solution)을코팅하는 공정이 요구된다. 디핑액 도포 후 다음 공정으로 건조기를 통한 건조공정을 거치게 된다^4-7).

Figure 1. Reinforcing yarn manufacturing process diagram.

건조 공정에서의 핵심기술은 균일 건조기술이며, 이것은 보강 사의 품질에 큰 영향을 미치게 되며 균일한 유동분포 설계를 통해 건조 품질을 크게 좌우한다.

균일한 유동 분포는 건조기(Chamber)의 기하학적 형상 및 운전 조건 등에 의해 결정되며, 이것은 유동이 균일하고 유동 방향이 수직한 분포를 가질 때 이상적인 균일 건조 상태를 기대할 수 있다^8-11).

따라서 본 연구는 디핑액 건조에 사용되고 있는 열풍 건조방식의 건조기에 대한 것이며, 성능향상을 위한 건조 노즐 형상에 대한 수치해석적 연구이다. 즉 열처리 챔버의 유동에 영향을 미치는 건조기의 기하학적 형상 변화에 대하여 수치적으로해석을 통해 유동 특성에 대하여 분석하였다^12-16).

열풍 건조 공정에서 핵심기술은 균일 건조기술이며, 타이어 코드 사의 코팅 품질을 크게 좌우한다. 균일건조에 직접적인 영향을 미치는 것은 챔버 내부에서 공기 유동의 유량 및 온도 분포이다. 특히 유동이 균일하고 유동 방향이 수직한 분포를 가질 때 이상적인 균일 건조 상태를 기대할 수 있다.

일반적으로 건조기 내부의 고온건조공기는 원단(fabric) 또는얀(yarn)의 수분을 균일 건조시킨다. 그리고 습윤 공기의 배출, 유입 공기의 혼합 및 순환되는 과정에서 유로형상의 설계와 노즐 형상이 상당히 중요한 요인으로 작용한다¹²⁾. 그래서 열풍 건조기의 최적 설계를 위하여 수치해석을 통한 유동을 분석하였으며, 유동 분포를 근거로 형상의 설계가 필요하게 되었다.

본 연구는 배기구와 대칭된 형상으로 설정하였고, 배기구의 덕트 형상은 배기구가 2개와 3개일 때의 유동 분포에 미치는 영향에 대하여 수치해석적으로 접근하였다¹³⁾.

2. 실험

2.1 해석모델

본 연구는 기존 건조기 형상의 유동 해석을 통하여 배기구의 위치에 의한 유동 분포의 편차 발생 및 흡기 홀(hole)의 면적(다공율)에 의한 유동 분포 편차 발생이 해결되어야 한다. 이를 위해 외기 유입을 최소화 할 형상 설계를 위해 해석 변수를 설정하였다.

해석 변수로는 배기구 부분의 홀 형상이며, 기존 홀 방식의 문제점 해결을 위하여 배기구와 동일한 슬릿 노즐 방식으로 적용하였다. 그리고 불균일 유동을 야기시키는 원인을 분석 후균일 유동이 가능한 건조기의 최적 설계를 위하여 노즐 형상, 배기 덕트 시스템에 대하여 해석 모델을 선정하였다(Figure 2). 또한 기존 형상에 대하여 수치적 해석을 통하여 유동분포를 확인하고 문제점을 분석하였다.

Figure 2. Analysis model according to the geometry of drying chamber.

Figure 2의 Type 1은 기존 건조기의 형상으로 건조기의 하부 열풍 공급 노즐의 형상은 슬릿 형태이며, 상부 열풍 흡입 노즐의 형상은 원형의 다공판 형태이다. 그리고 하부 공급 배관과 상부 배기 배관의 수는 각각 2개인 형상으로 되어 있다.

Figure 2의 Type 2는 상.하부의 노즐 형상이 동일한 슬릿형태이며, 공급과 배기 덕트의 수는 Type 1과 동일하게 각각 2개로 되어 있다.

Figure 2의 Type 3의 상.하부 노즐 형상은 Type 2와 같은슬릿 형태이며, 공급 배기의 덕트 수는 하부 공급 노즐의 경우 2개이나, 상부의 경우에는 3개로 설정하였다.

건조기의 기하학적 형상에 따른 해석 모델과 경계조건은 Figure 3, Table 1과 같으며, 그림의 건조 챔버 해석 모델은 대칭(symmetric) 구조로 설정하였다.

Figure 3. Flow condition of drying chamber.

Table 1. Drying chamber flow analysis - boundary condition setting

Note:

*Continuity-equation,  Turbulence model(standard)

*Wall condition : No-slip condition

*Heat transfer and mass transfer ignore

상.하부 노즐형상은 기존 홀에서 하부와 동일한 슬릿형태로설정하였다. 하부 공급부는 2개의 덕트로 열풍이 공급되며 배기구의 경우 덕트를 2개와 3개로 설정하여 균일 유동 분포에 대해서 해석을 수행하였다. 균일 유동분포에 의한 균일 건조가 가능한 형상 설계를 하는 것이 본 연구의 핵심적인 목적이라 할 수 있다.

섬유강화고무 복합재료인 타이어코드 생산에 있어 건조공정의 최적화를 위한 유한요소법에 의해 사용된 해석 소프트웨어 (Fluid Simulation Software, Ansys FLUENT, USA)를 사용하였다.

2.2 해석 조건

Figure 3과 같이 좌측면은 대칭구조이며 우측면은 대기 공간이다. 공기의 유입을 최소화하기 위한 구조로 되어있으며 해석적 조건에서는 면적비(1:6)를 고려한 Porous zone으로 설정하였다. 열풍 공급부는 Mass flow rate이며 폐열 배기부는 Pressure inlet으로 흡기 조건으로 설정하였다.

작동유체는 상온의 공기이고 비압축성으로 취급하였으며 Renolds No.를 고려하여 난류모델은 을 사용하였다. 대칭적 구조를 가진 건조기를 경제적 해석을 위해서 한쪽 부분만 해석을 대칭구조로 수행하였으며 격자수는 303만개이며, 격자 의존성 평가를 통하여 적절성을 규명하였다.

해석 모델의 격자 구성은 Figure 4와 같으며, 경계조건을 살펴보면, 벽면은 No slip condition으로 벽 조건을 주었으며 입구는 균일한 유량 분포가 적용되었다.

Figure 4. Mesh analysis of the geometry of the drying chamber.

3. 결과 및 고찰

3.1 해석결과

Figure 5 ~ Figure 7은 건조기의 노즐 형상 및 유량 변화에 따른 유동장 및 결과이다. 해석 결과 노즐의 출구 간격이 작아질수록 유량은 점차적으로 균일해졌다.

Figure 5. Flow field analysis of Type 1.

Figure 6. Flow field analysis of Type 2.

Figure 7. Flow field analysis of Type 3.

코드사의 유.출입구의 영향에 의해 분사방향이 내부로 향하고 있었으나 출구 간격이 약 10mm 이하에서부터 균일한 유동분포를 가지고 있었다. 유량은 10mm 간격을 기준으로 최적 입구 유량은 9(±1)m/s일 때 보다 균일한 유동 분포를 가지고 있었다.

전체적으로 코드사의 출입구 부분에서 낮은 유속을 나타내며 중심부 방향으로 갈수록 점차 높아지고 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 흡기부 위치의 영향으로 흡기부 부근에서 상대적으로 높은 유속을 가지고 있음을 알 수 있었다. 입구 유속은 현재 적용 중인 송풍기의 유량을 고려하여 12m/s에서 수행하였다.

해석결과를 바탕으로 흡기구의 설계 변경의 필요성이 있었다. 균일한 유동을 유도하기 위하여 기존 장비와의 호환성을 위하여 챔버의 제원인 흡기, 배기의 면적, 챔버 내부의 크기 및 공급 열풍 덕트의 공간은 고정된 상태에서 분사 또는 흡기 노즐 (hole)의 형상, 배기구의 위치 등을 변수로 설정을 하였다. 배기구 2개인 유동장를 보면 챔버의 중심부에서 배기구에 의한 영향에 의하여 집중적으로 빠른 유속이 관찰되었다(Figure 5, Figure 6).

하부 공급 노즐에서 기존 형상에 비하여 균일한 유동 분포를 가지고 있으며 코드사 롤러에 의해 방향이 전환되는 부위에서 상대적으로 낮은 유속 분포를 가지고 있었다. 또한 배기구와 공급 구에서 높은 유속 분포를 가지고 있으며 이는 분출 유량이 덕트 내의 배기구 부위 이외 부분에 비하여 상대적으로 높은 것을 나타낸다고 하겠다. Figure 5와 Figure 6에서 보듯이 상부의 유속이 집중되는 부위의 하단부에서 다른 부위에 비하여 높은 유속을 가짐을 알 수 있었다.

이에 비하여 배기구 3개인 유동장를 살펴보면 배기구 2개인 경우와 유동 양상은 유사한 경향을 보이며, 챔버의 중심부에서 배기구에 의한 영향에 의하여 집중적으로 빠른 유속이 관찰되었다(Figure 7). 그리고 배기구 3개인 경우에도 하부 공급 노즐에서 기존 형상에 비하여 균일한 유동 분포를 가지고 있으며코드사 롤러에 의해 방향이 전환되는 부위에서 상대적으로 낮은 유속 분포를 가지고 있었다.

기존 건조기와 배기구가 2개인 동일한 노즐 시스템의 chamber와 비교할 때 하부에서 공급되는 열풍의 유동 분포는 균일함을 알 수 있다.

배기 노즐 형상에 대한 측정 단면의 열풍 속도 결과 공급 열풍의 유속을 원활하게 줄이고 정압을 상승시키기 위해 사용되는 공급구의 변경은 다공판을 열풍 배출 노즐 모양으로 교체하는 것을 기반으로 한다. 배기 노즐 형상에 대한 측정 단면의 열풍 속도 결과 물리적 및 수치적 모델링을 위한 건조기의 단면에서 열풍 속도 분포에 약간의 차이가 보였다. 이러한 차이는 시뮬레이션을 위한 모델 형상의 단순화로 인해 발생할 수 있다.

Figure 8 ~ Figure 10은 건조기 유형에 따라 평균 열풍 속도에 대한 유속 분포와 유속 편차를 나타낸 그래프이다. 그래프를 살펴보면, 평균 유속은 3가지 유형 모두 약 5.5m/s로 나타났으며, 양 끝 부분이 상대적으로 낮은 유속을 나타내고 있었다.

Figure 8. Results of velocity measurements distribution on Type 1.

Figure 9. Results of velocity measurements distribution on Type 2.

Figure 10. Results of velocity measurements distribution on Type 3.

평균 유속에 대한 노즐 위치별 유속 편차는 배기구 2개의 건조 챔버의 경우 1.2m와 4.7m 부근에서 상대적으로 빠른 유속을 나타내고 있으며, 슬릿(slit) 형상에 비하여 홀 형상이 불균일 편차가 높은 것으로 보인다.

Type 1과 Type 2의 경우 6% 이상의 편차를 가지고 있어 불균일한 유동 분포를 가지고 있다고 판단된다. 또한 배기구 3 개인 Type 3 건조기의 경우 특정 위치에서 높은 유속 편차를 가지고 있으나 최대 편차율이 3.5%로 5% 이내의 편차를 가지고 있으므로 균일 유동 분포를 가지고 있다고 판단된다(Figure 11, Figure 12).

Figure 11. Flow rate variation according to the location of the hot air injection nozzle.

Figure 12. Velocity graph according to the location of the hot air injection nozzle.

4. 결론

본 연구를 통하여 기존 형상의 문제점을 진단 및 파악을 통하여 해결 방안으로 형상의 변화 통한 균일 유동을 유도하였다. 해석은 노즐의 형상을 원형의 홀 형상과 슬릿 형상에 대한 유동 분포에 대한 경향과 배기구의 수를 2, 3개일 때의 유동분포에 대한 경향을 관찰함으로써 최적 형상 선정의 기초 자료로 이용할 수 있었다.

해석 결과 홀 형상의 경우 불균일 유동분포를 야기시키는 원인으로 작용하였다. 이에 반하여 슬릿 형상의 경우 균일 유동에 근접하였다.

기존 원형의 홀 형상에 배기구 2개인 경우는 최대 유속 편차율이 6% 이상이며, 슬릿의 노즐 형상의 경우 홀 형상에 비하여 균일한 유동을 나타내고 있다. 배기구 3개인 경우 3.5% 이내로 배기구 3개인 Type 1의 형상이 균일한 유속으로 분사되며 균일한 건조가 이루어질 것으로 분석되었다.

따라서 본 연구는 MRG 보강사 제조시스템의 건조 공급 부에 대한 배기구의 형상이 유동 및 온도 분포에 미치는 영향에 대해서 수치 해석적으로 접근하여 최적화하였다.