[논문]빙해선박 풍우밀문의 결빙방지 성능평가 및 설계기준에 관한 연구

서영교; 정영준

doi:10.3744/snak.2013.50.6.450

빙해선박 풍우밀문의 결빙방지 성능평가 및 설계기준에 관한 연구
A Study on the Anti-lcing Performance Evaluation and Design Guide for Weather-Tight Door of the Vessels Operating in Cold Region 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.50 no.6, 2013년, pp.450 - 457

서영교 (한국해양대학교 해양공학과) , 정영준 (한국해양대학교 해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

For the design guide of a vessel operating in cold region, numerical analysis was carried out to evaluate the weather-tight door which installed the heating cables by using ANSYS 13.0 Transient Thermal. The numerical analysis was performed by considering Advection-Diffusion equation. This study based on the experimental results of 'A study on Anti-Icing Technique for Weather-Tight Door of Ice-Strengthened Vessels'(Jeong, et al., 2011a) in KIOST. For validation of the numerical analysis results, the cold chamber experimental data measured by the heat sensors in certain location of the weather-tight door was used. The external environmental temperature which varies from $5^{\circ}C$ to $-55^{\circ}C$ was considered in numerical analysis. Also three different heating cables which have the heat capacity of 33W/m, 45W/m and 66W/m were adapted for the design parameters to be the most efficient and guidelines for anti-icing design of the weather tight door.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

[1] 본 연구는 선박에 사용되는 풍우밀 문을 극지역에서도 사용할 수 있도록 문틀에 열선을 시공하여 문틀과 문이 0℃ 이하로 내려가지 않도록 하여 문의 개폐성능에 이상이 없도록 하면서, 효율적인 열선 시공을 통해 경제적이고 효율적인 설계가 가능하게 하고자 수행되었다.
여기서, #14의 온도센서는 풍우밀 문의 문틀 부근에 위치하고 센서의 위치가 외부와 4mm 떨어져 있는 반면, 열선과의 거리가 상대적으로 떨어져있어 낮은 환경온도에서는 결빙방지 조건을 충족하기 어렵다. 그래서 본 연구는 #14를 제외한 나머지 센서에서의 온도가 결빙방지 조건을 충족하는지를 알아보았다.
본 논문에서는 ANSYS Transient Thermal을 이용하여 빙해선박의 풍우밀 문(weather-tight door)의 효과적인 열선용량을 도출하기 위해 수치적으로 모사하였고, 이를 KIOST에서 수행한 실내모형실험과 비교, 분석하였다. 본 논문의 결론은 아래와 같이 요약할 수 있다.
본 논문에서는 KIOST에서 선행 연구된 ‘극저온 설계 및 동결방지처리 평가 기술 개발’ (Ministry of Knowledge economy, 2013)의 일환으로 진행된 빙해선박용 풍우밀 문(weather-tight door)의 결빙방지를 위한 성능평가 실내실험을 바탕으로 이루어졌다.
본 논문은 지식경제부 산업원천기술개발사업인 “빙해선박의 극지항로 안전운항기술 및 극저온 빙성능 시험평가 기법 개발”중 “극지용 저온 설계 및 Winterization 평가기술(PNS133C)” 과제 및 산업자원통상부의 “해양플랜트 특성화대학 지원사업”의 지원으로 수행된 결과이다.
본 논문에서는 KIOST에서 선행 연구된 ‘극저온 설계 및 동결방지처리 평가 기술 개발’ (Ministry of Knowledge economy, 2013)의 일환으로 진행된 빙해선박용 풍우밀 문(weather-tight door)의 결빙방지를 위한 성능평가 실내실험을 바탕으로 이루어졌다. 풍우밀 문은 선박의 구획 사이에 설치되어 두 구획이 수밀 및 방열되게 해주는 것으로, 풍우밀 문의 문틀에 착빙방지(anti-icing) 및 해빙(de-icing)을 위해 사용되고 있는 열선(heating cable)을 시공하여 문틀과 문의 주변 온도가 0℃ 이하로 내려가지 않게 하여 문의 개폐성능에 영향을 미치지 않게 하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 열선을 이용한 공법의 시행기준은 저온챔버(cold-chamber)를 이용한 온도분포를 측정하는 제한적인 실험에 의존되어 왔다.

제안 방법

KIOST에서 수행된 실내실험에서 풍우밀 문과 문틀에 설치된 sensor의 높이가 동일하며, 열선의 발열에 의한 공기의 대류가 열선의 직접적인 열전달보다 센서(sensor)의 온도에 미치는 영향은 미미하므로 실제 풍우밀 문의 작동성능에 영향을 줄 수 있는 문과 문틀이 있는 부분만을 2차원 평면으로 수치해석을 수행하였다. Fig.
[2] 본 연구에서 대상으로 한 풍우밀문은 KIOST에서 실내모형실험으로 연구되었던 자료를 바탕으로 구현되었으며, 온도 측정을 위한 온도센서의 위치 및 본 연구의 열전달 특성상 공기의 대류에 의한 온도의 영향이 미비할 것이라 예상하고 2차원 평면으로 모델링하여 해석을 수행하였다. 실험 결과 값과 수치해석결과 값을 비교한 결과 강제시편의 온도는 발산하지 않고 특정온도로 수렴함.
실험환경을 그대로 구현하기 위해서 지속적인 외부환경온도를 유지해주었고, 2차원 평면 해석이므로 단면의 상하면과 Door와 Frame에서 Outdoor와 Indoor가 만나지 않는 부분은 온도에 의한 영향을 받지 않도록 완전단열(perfectly insulated)로 지정하였고, Coil 전체에 각각의 열선 용량에 따라 Table 3에 표기한 Internalheat generation을 적용하였다. 또한 풍우밀 문을 구성하는 각 재료마다의 열전도계수(thermal conductivity)가 다르기 때문에 공기와의 접촉면은 재료에 따라 각각의 다른 대류(convection) 값을 지정해주었다. 본 수치해석에서의 격자의 크기는 0.
, 2012). 본 논문에서는 선행 연구된 실내실험에서 확보한 실험 데이터와 수치해석 결과를 비교하여 신뢰성을 확보한 후, 효율적인 열선시공을 위해 열선의 전력용량을 변경하여 수치해석을 수행하였다.
본 수치해석의 타당성 검토를 위해 KIOST에서 수행된 ‘내빙선박용 풍우밀 문의 결빙방지 기법 연구’ (Jeong, et al., 2011b)의 실내모형실험결과(Table 5)를 토대로 타당성 검토를 실시하였다.
본 실내실험은 KIOST에서 선행 연구된 ‘극저온 설계 및 동결방지처리 평가 기술 개발’ (Ministry of Knowledge economy,2013)의 일환으로 진행된 빙해선박용 풍우밀 문의 결빙방지를 위한 성능평가 실내실험으로 실험방법은 아래와 같다.
설치된 풍우밀 문에 Fig. 2와 같이 온도센서(6개소)를 부착하여 각각의 온도조건에서의 온도변화를 측정하였다. 시험과정에서 콜드룸 내부의 온도가 시험 온도조건에 도달하더라도 시편에서 계측된 온도가 수렴할 때까지 일정시간동안 콜드룸의 내부온도를 유지시켰다 (Jeong, et al.
수치해석 결과 값과 –10℃의 결과 값을 제외하고 그린 그래프에서 –10℃에서의 결과 값을 분석한 결과 값과의 오차가 최대 0.4℃로, 수치해석의 결과가 선형적으로 나타나고 있고, 신뢰성이 있다고 판단하여 외부환경온도가 –10℃일 때의 실내모형실험 결과 값을 동일한 방법으로 추정하였다.
실험환경을 그대로 구현하기 위해서 지속적인 외부환경온도를 유지해주었고, 2차원 평면 해석이므로 단면의 상하면과 Door와 Frame에서 Outdoor와 Indoor가 만나지 않는 부분은 온도에 의한 영향을 받지 않도록 완전단열(perfectly insulated)로 지정하였고, Coil 전체에 각각의 열선 용량에 따라 Table 3에 표기한 Internalheat generation을 적용하였다. 또한 풍우밀 문을 구성하는 각 재료마다의 열전도계수(thermal conductivity)가 다르기 때문에 공기와의 접촉면은 재료에 따라 각각의 다른 대류(convection) 값을 지정해주었다.
외부환경온도가 5℃, -10℃, -20℃, -30℃일 때는 모든 온도센서에서는 모두 결빙방지 조건을 만족하기 때문에 본 결과에서는 이에 대한 분석을 생략하도록 한다.
저온챔버(4,700mm × 2,500mm × 3,300mm)에 내빙선박용 풍우밀문을 설치하여 다양한 온도조건(5℃, -10℃, -20℃, -30℃, -40℃)을 적용하여 결빙방지 기술을 평가하였다.
풍우밀 문과 문틀의 결빙방지 및 해빙의 기준을 검토하기 위한 해석은 총 18회(열선의 용량 3 Case × 외부 온도조건 6 Case)의 수치해석이 수행되었으며, 각각의 항목에 동일한 재료의 물성치 및 경계조건을 적용하고, 항목별로 동일한 센서의 위치를 적용하여 풍우밀 문과 문틀이 결빙방지 조건 즉, 0℃ 이상의 온도를 유지할 때의 열선의 용량을 선정하여 효율적인 열선의 용량을 도출하였다.
풍우밀 문과 문틀의 결빙방지 및 해빙의 기준을 만족하는 최적의 열선의 전력용량을 도출하기 위해 온도 센서의 위치, 재료의 물성치 등의 조건은 동일하게 적용하고, 열선의 전력용량만 변경하여 수치해석을 수행하였다.
저온챔버(4,700mm × 2,500mm × 3,300mm)에 내빙선박용 풍우밀문을 설치하여 다양한 온도조건(5℃, -10℃, -20℃, -30℃, -40℃)을 적용하여 결빙방지 기술을 평가하였다. 풍우밀문틀의 끝단에 두께 1mm의 강관을 설치한 후, 그 속에 33 W/m의 열선을 삽입한 후, 가열하여 문과 문틀에서의 온도를 계측하였다.

대상 데이터

또한 풍우밀 문을 구성하는 각 재료마다의 열전도계수(thermal conductivity)가 다르기 때문에 공기와의 접촉면은 재료에 따라 각각의 다른 대류(convection) 값을 지정해주었다. 본 수치해석에서의 격자의 크기는 0.5mm로 일정하게 주었으며, node의 개수는 909,498개이며, 격자의 개수는 161,896개로 수행되었다

이론/모형

본 수치해석 연구는 아래와 같이 이류-확산 방정식(AdvectionDiffusion Equation)을 지배방정식으로 적용하였다.

성능/효과

-40℃의 환경온도에서 결빙방지 조건을 만족하는 열선의 용량은 45, 66W/m이고, –55℃의 환경온도에서 결빙방지 조건을 만족하는 열선의 용량은 66W/m로, 본 연구에서는 고려되지 않은 선박의 상대적인 풍속과 물보라 같은 추가적인 환경조건까지 고려한다면 –40℃의 환경온도에서는 열선용량이 66W/m -55℃의 환경조건에서는 열선 용량이 66W/m 이상인 열선을 사용하여 시공하여야 풍우밀 문을 결빙방지 할 수 있다.
[3] 외부환경온도가 –10℃인 경우, 수치해석 결과와 실내모형실험 결과 값의 오차가 최대 11℃가 나는데 그 원인을 분석한 결과, 실내모형실험 결과 값이 외부환경온도가 -20℃로 변하기 직전의 온도가 아닌 –10℃에서의 실내모형실험 결과 값의 평균을 산출해 놓은 값이고, 수치해석 결과 값과 외부환경온도가 –20℃로 변하기 직전의 결과 값과는 유사하므로 수치해석의 오류는 없는 것으로 보인다.
[4] 외부환경온도가 10℃ 감소할 때, 센서의 온도는 약 9℃정도 감소하고, 열선의 용량이 10W/m 올라갈 때마다 약 8℃정도 올라가는 것을 확인할 수 있다.
먼저, Fig. 4~9의 왼쪽에 위치한 그래프의 분석결과를 보면 외부환경온도가 –10℃일 때를 제외한 다른 온도에서는 실내모형실험 결과 값과의 오차 범위가 최대 ±4.4℃이나, 외부환경온도가 –10℃에서의 수치해석 결과 값은 실내모형실험 결과 값과 차이가 최대 11℃가 난다.
[2] 본 연구에서 대상으로 한 풍우밀문은 KIOST에서 실내모형실험으로 연구되었던 자료를 바탕으로 구현되었으며, 온도 측정을 위한 온도센서의 위치 및 본 연구의 열전달 특성상 공기의 대류에 의한 온도의 영향이 미비할 것이라 예상하고 2차원 평면으로 모델링하여 해석을 수행하였다. 실험 결과 값과 수치해석결과 값을 비교한 결과 강제시편의 온도는 발산하지 않고 특정온도로 수렴함.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	빙해선박의 풍우밀 문의 결빙방지 성능평가 및 설계기준에 관한 연구 결과는?	[1] 본 연구는 선박에 사용되는 풍우밀 문을 극지역에서도 사용할 수 있도록 문틀에 열선을 시공하여 문틀과 문이 0℃ 이하로 내려가지 않도록 하여 문의 개폐성능에 이상이 없도록 하면서, 효율적인 열선 시공을 통해 경제적이고 효율적인 설계가 가능하게 하고자 수행되었다. [2] 본 연구에서 대상으로 한 풍우밀문은 KIOST에서 실내모형실험으로 연구되었던 자료를 바탕으로 구현되었으며, 온도 측정을 위한 온도센서의 위치 및 본 연구의 열전달 특성상 공기의 대류에 의한 온도의 영향이 미비할 것이라 예상하고 2차원 평면으로 모델링하여 해석을 수행하였다. 실험 결과 값과 수치해석결과 값을 비교한 결과 강제시편의 온도는 발산하지 않고 특정온도로 수렴함. [3] 외부환경온도가 –10℃인 경우, 수치해석 결과와 실내모형실험 결과 값의 오차가 최대 11℃가 나는데 그 원인을 분석한 결과, 실내모형실험 결과 값이 외부환경온도가 -20℃로 변하기 직전의 온도가 아닌 –10℃에서의 실내모형실험 결과 값의 평균을 산출해 놓은 값이고, 수치해석 결과 값과 외부환경온도가 –20℃로 변하기 직전의 결과 값과는 유사하므로 수치해석의 오류는 없는 것으로 보인다. [4] 외부환경온도가 10℃ 감소할 때, 센서의 온도는 약 9℃정도 감소하고, 열선의 용량이 10W/m 올라갈 때마다 약 8℃정도 올라가는 것을 확인할 수 있다. [5] Fig. 7과 같은 시공기준안 그래프를 작성하여 빙해선박의 항행 환경에 따라 효율적인 열선 시공이 가능하도록 하여 경제적이고 효율적인 시공으로 한국의 빙해선박 경쟁력 강화에 큰 도움이 될 것으로 생각된다.
	풍우밀 문의 이용 목적은?	본 논문에서는 KIOST에서 선행 연구된 ‘극저온 설계 및 동결방지처리 평가 기술 개발’ (Ministry of Knowledge economy, 2013)의 일환으로 진행된 빙해선박용 풍우밀 문(weather-tight door)의 결빙방지를 위한 성능평가 실내실험을 바탕으로 이루어졌다. 풍우밀 문은 선박의 구획 사이에 설치되어 두 구획이 수밀 및 방열되게 해주는 것으로, 풍우밀 문의 문틀에 착빙방지(anti-icing) 및 해빙(de-icing)을 위해 사용되고 있는 열선(heating cable)을 시공하여 문틀과 문의 주변 온도가 0℃ 이하로 내려가지 않게 하여 문의 개폐성능에 영향을 미치지 않게 하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 열선을 이용한 공법의 시행기준은 저온챔버(cold-chamber)를 이용한 온도분포를 측정하는 제한적인 실험에 의존되어 왔다.
	풍우밀 문은 무엇인가?	본 논문에서는 KIOST에서 선행 연구된 ‘극저온 설계 및 동결방지처리 평가 기술 개발’ (Ministry of Knowledge economy, 2013)의 일환으로 진행된 빙해선박용 풍우밀 문(weather-tight door)의 결빙방지를 위한 성능평가 실내실험을 바탕으로 이루어졌다. 풍우밀 문은 선박의 구획 사이에 설치되어 두 구획이 수밀 및 방열되게 해주는 것으로, 풍우밀 문의 문틀에 착빙방지(anti-icing) 및 해빙(de-icing)을 위해 사용되고 있는 열선(heating cable)을 시공하여 문틀과 문의 주변 온도가 0℃ 이하로 내려가지 않게 하여 문의 개폐성능에 영향을 미치지 않게 하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 열선을 이용한 공법의 시행기준은 저온챔버(cold-chamber)를 이용한 온도분포를 측정하는 제한적인 실험에 의존되어 왔다.

참고문헌 (5)

ANSYS Inc., 2010. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. RELEASE 13.0., ANSYS Inc.: USA(Canonsburg)
Jeong, S.Y. Chun, E.J. Cho, S.R. & Lee, C.J., 2011a. A Study on Anti-Icing Technique for Weather-Tight Door of Ice-Strengthened Vessels. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(6), pp.575-580.

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Jeong, S.Y. Lee, C.J. & Cho, S.R., 2011b. A Study on Anti-Icing Technique for Ballast Water of Icebreaking Vessels Operating in Ice-Covered Water. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(1), pp.93-97.

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Lee, J.C. Seo, Y.K. & Lee, C.J., 2012. A Study on the Anti-Icing Performance Evaluating and Design Guide by Heating Coil for Upper Deck of Icebreaking Vessels. Journal of Society of Naval Architects of Korea, 49(6), pp.541-549.

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Minisrty of Knowledge and Economy, 2013. A Development of theSafe Operation Methodology of Ice_Class Vessel at Artic Sea Route and the Cryogenic Evaluation Techniques for the Ice Performance, Gwacheon: Minisrty of Knowledge and Economy.

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