[논문]소형 선박용 디젤엔진의 수냉식 인터쿨러 해석 연구

양영준; 심한섭

doi:10.14775/ksmpe.2014.13.5.043

소형 선박용 디젤엔진의 수냉식 인터쿨러 해석 연구
A Study on Simulation of an Water Cooling Intercooler for a Small Marine Diesel Engine 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.13 no.5, 2014년, pp.43 - 49

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This study was carried out to improve the design of an intercooler for a small marine diesel engine. Diesel engines for small marine ships have mainly been developed by changing the structure of the vehicle engine. Sea water was most commonly used in the intercooler of small marine diesel engines to cool the hot air compressed by the turbocharger. In this study, the intercooler is modeled and simulated using STAR-CCM+ in order to find optimal data for the design of an intercooler. In the results, the temperature differences between the data from a numerical analysis and experimental data were $0.38^{\circ}C$ in the hot air outlet and $3.63^{\circ}C$ in the cooling water outlet. Therefore, it was confirmed that both analysis and experimental results need to be considered when designing an intercooler. A closer degree of similarity in the two datasets can improve the confidence in the design of these intercoolers.

주제어

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문제 정의

따라서 엔진부하가 100%로 운전되고 있는 경우, 이때 실험을 얻어진 인터쿨러의 고온공기의 입·출구 온도와 냉각용 해수의 입·출구 온도를 수치 해석하여 실험값과 비교함으로써 인터쿨러의 최적 설계값을 얻고자 하였다.
본 연구는 소형선박용 디젤엔진의 주요 부품 중 하나인 인터쿨러의 수치해석에 관한 것이다. 육상용 차량의 디젤엔진을 선박용 디젤엔진으로 설계변경하기 위하여 해수를 이용하여 엔진을 냉각하는 소형선박용 디젤엔진용의 수냉식 인터쿨러를 해석하고 실제의 디젤엔진 실험값과 비교하고자 한다.
인터쿨러에 대한 해석을 수행하기 위한 소형선박용 디젤엔진(Fig. 1)에 대해 알아보고자 한다. 디젤엔진을 소형선박에 적용하기 위하여 선박기관 기준 및 IMO NOx 규제기준에 적합하도록 주요부품을 규정하였으며, 세부사양은 Table 1과 같다.

가설 설정

인터쿨러 내부를 흐르는 유동을 3차원 정상 상태의 난류유동으로 가정하였으며, 인터쿨러에서의 속도분포 및 압력을 계산하기 위해서 사용된 지배방정식은 연속방정식과 운동량방정식이며, 난류모델은 이미 공학적으로 타당성을 검증받은 표준 k-ε모델 및 에너지 방정식을 적용하였다.

제안 방법

1. 소형 선박용 디젤엔진에 적합한 인터쿨러를 설계하기 위하여 고온의 압축공기와 냉각수로서 해수를 사용한 열유동 해석을 수행하였다.
1)에 대해 알아보고자 한다. 디젤엔진을 소형선박에 적용하기 위하여 선박기관 기준 및 IMO NOx 규제기준에 적합하도록 주요부품을 규정하였으며, 세부사양은 Table 1과 같다.^[7-9]디젤엔진은 6기통 4행정으로 배기량은 11,150cc이며 출력은 335Ps급이다.
수치해석 기법으로 지배방정식의 대류항 차분은 2차 정확도를 가지는 MARS (Monotone Advection and Reconstruction Scheme) 기법을, 또한 압력과 속도의 연결은 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였으며, 이 연구에서는 상용 열유동 해석 프로그램인 STAR-CCM+를 사용하여 계산을 수행하였다. 본 연구에서는 고온공기가 통과하는 냉각핀 사이의 유체에 대한 압력분포를 다공성물질로 상사되어 모델링되고 있으며, 스크린에 의한 배압의 증가를 구현하기 위해서 일반적으로 다음 식(1)과 같은 압력 증가 항이 사용되었다.
9와 같은 형상을 모델링하였다. 사용된 지배방정식은 전술한 방법과 동일하며, 고온공기가 통과하는 냉각핀 채널에 대한 압력투과계수를 적용하여 열유동 해석을 수행하였다. 본 연구의 열유동해석에 사용된 형상과 경계조건은 다음과 같다.
소형 선박용 디젤엔진의 인터쿨러 설계를 위하여 수치해석과 엔진실험을 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
Table 2에 선박용 디젤엔진의 동력측정을 위한주기관(추진기관)의 시험방법을 나타내었다. 엔진회전속도, 부하 및 가중값이 다른 4개의 mode를 시험하였으며^[1], 본 수치해석에서는 엔진의 최대 가혹 운전상태(최대부하)를 가정하여 엔진의 최대출력 상태인 mode 1의 상태와 비교하였다.
본 연구는 소형선박용 디젤엔진의 주요 부품 중 하나인 인터쿨러의 수치해석에 관한 것이다. 육상용 차량의 디젤엔진을 선박용 디젤엔진으로 설계변경하기 위하여 해수를 이용하여 엔진을 냉각하는 소형선박용 디젤엔진용의 수냉식 인터쿨러를 해석하고 실제의 디젤엔진 실험값과 비교하고자 한다. 디젤엔진의 동력측정에는 당일의 온도, 습도, 동력계의 상태 등 여러 예기치 못한 많은 변수들이 존재하기 때문에 실험조건을 엄격하게 통제하기 어려우므로 정확한 실험값을 얻기가 쉽지 않다.

대상 데이터

인터쿨러의 외형은 270×240×210mm이며, 핀의 재질은 구리, 크기는 168×170mm, 두께 1mm, 수량 166개이다.
인터쿨러의 외형은 270×240×210mm이며, 핀의 재질은 구리, 크기는 168×170mm, 두께 1mm, 수량 166개이다. 튜브의 재질은 황동, 외경 12mm, 내경 10mm, 두께 1mm, 길이 204mm, 수량은 78개이다. Fig.
해석에 사용된 격자는 다면체(polyhedral) 격자를 사용하였으며 압축공기 입·출구는 유동안정성을 위해 연장(extrude)시켰다.

이론/모형

수치해석 기법으로 지배방정식의 대류항 차분은 2차 정확도를 가지는 MARS (Monotone Advection and Reconstruction Scheme) 기법을, 또한 압력과 속도의 연결은 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였으며, 이 연구에서는 상용 열유동 해석 프로그램인 STAR-CCM+를 사용하여 계산을 수행하였다. 본 연구에서는 고온공기가 통과하는 냉각핀 사이의 유체에 대한 압력분포를 다공성물질로 상사되어 모델링되고 있으며, 스크린에 의한 배압의 증가를 구현하기 위해서 일반적으로 다음 식(1)과 같은 압력 증가 항이 사용되었다.

성능/효과

2. 냉각수 배관이 설치된 영역에서 배관의 저항으로 인한 유속감소 및 와류(vortex)의 영향으로 열전달이 촉진되어 압축공기의 냉각이 더 크다.
3. 수치해석값과 실험값의 온도차로서 각각 압축공기 출구온도는 0.38℃, 냉각수의 출구온도는 3.63℃를 보였으며 서로 거의 유사한 값을 나타내었다.
4. 인터쿨러 설계 시 수치해석값과 실험값 모두를 고려할 필요가 있으며, 두 값의 유사성은 인터쿨러 설계 데이터의 신뢰성을 향상시켜준다.
그러나 전술한 바와 같이, 실험값이 더 정확하다는 명확한 이유가 없기 때문에 수치해석값과 실험값 모두를 고려하여 인터쿨러의 설계에 적용할 필요가 있는 것으로 판단된다. 또한 본 연구의 수치해석에서 엔진부하가 100%인 상태에서의 실험값과 이를 모사한 수치해석값과의 차이가 크지 않은 것으로부터 인터쿨러 설계 데이터의 신뢰성을 향상시켜 주는 것에 의미가 있는 것으로 판단된다.
12와 같이 와류(vortex)가 발생하여 열전달을 촉진시켜 주기 때문에 압축 공기 온도가 더 냉각됨을 확인할 수 있다. 본 해석에서 고온 압축공기의 평균유출 온도는 43.2℃로 비교적 양호한 값을 나타내었다. 위의 결과는 부하 100%를 가정하였을 때 이므로, 수치해석 결과로 판단할 경우 인터쿨러의 설계에서 냉각성능이 양호한 것으로 판단된다.
2℃로 비교적 양호한 값을 나타내었다. 위의 결과는 부하 100%를 가정하였을 때 이므로, 수치해석 결과로 판단할 경우 인터쿨러의 설계에서 냉각성능이 양호한 것으로 판단된다.

후속연구

그러나 해수온도의 변화로 해수의 입구 평균온도가 24.9℃이 아닌 곳에서 선박이 운전될 때를 가정한 경우의 입·출구 온도차가 어떻게 변화할 것인가에 대한 추가 수치해석도 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저 NOx가 가능한 소형 선박용 디젤엔진을 제작하기 위해서 어떤 설계가 이루어져야 하는가?	디젤엔진에 있어서는 NOx를 저감시킬 수 있는 문제도 중요하다. 저 NOx가 가능한 소형 선박용 디젤엔진을 제작하기 위해서는 엔진의 주요 부품 즉 흡기 매니폴드, 인터쿨러, 엔진 동력/속도 제어장치, 연료분사량 제어장치, 열교환기, 배기 매니폴드 등과 같은 모든 부품들의 최적설계가 이루어져야 한다. 이와 같은 최적 설계를 위해 디젤엔진의 구성품인 열교환기와 더불어 인터쿨러에 관한 수치해석도 병행되어져 왔다[2,6].
	선박디젤엔진에서 고온 흡입공기를 냉각시키기 위하여 무엇을 사용하는 것이 효과적인가?	이를 해결하기 위해 통상 인터쿨러 (intercooler)를 사용하여 흡기공기를 냉각시켜, 즉 흡기공기의 밀도를 높여 엔진 출력을 향상시키고 있다[2]. 차량용 디젤엔진에서 고온 흡입공기를 냉각시키기 위하여 대기중의 차가운 공기를 이용하지만 선박디젤엔진에서는 해수(sea water)를 사용하는 것이 더 효과적이다.[3-4] 따라서, 해수를 이용하는 인터쿨러를 최적화하여 선박용 디젤엔진의 성능향상을 위한 연구가 필요하다.
	흡기공기를 압축하는 터보챠져를 지난 후에 압축공기의 고온 화로 출력이 감소하는 문제점을 해결하기 위해 무엇이 사용되고 있는가?	[1] 그러나 흡기공기를 압축하는 터보챠져(turbocharger)를 지난 후에 압축공기의 고온 화(즉 공기 밀도의 저하)로 출력이 감소하는 문제점이 발생한다. 이를 해결하기 위해 통상 인터쿨러 (intercooler)를 사용하여 흡기공기를 냉각시켜, 즉 흡기공기의 밀도를 높여 엔진 출력을 향상시키고 있다[2]. 차량용 디젤엔진에서 고온 흡입공기를 냉각시키기 위하여 대기중의 차가운 공기를 이용하지만 선박디젤엔진에서는 해수(sea water)를 사용하는 것이 더 효과적이다.

참고문헌 (10)

H.S. Sim, "A Study for Development of a Marine Diesel Engine from a 500Ps Commercial Vehicle Diesel Engine", KSMPE, Vol. 12, No. 6, pp. 125-131, 2013.

원문보기 상세보기
H.M. Lee, S.C. Heo, W.J. Song, T.W. Ku, B.S. Kang and J. Kim, "Finite Element Analysis and Validation for Dimpled Tube Type Intercooler using Homogenization Method", KSME A, Vol. 33, No. 2, pp. 153-161, 2009.

원문보기 상세보기
J.W. Nam, W.S. Kim, J.H. Lee and D.H. Chu, "An Optimation of Intercooler Performance by Air Flow Control", KSAE Annual Conference, pp. 805-810, 2013.
H.J. Kim, H.K. Lee and C.B. Oh, "Study on the Emission Characteristics of Passenger Diesel Engine in according to Coolant and Intercooler Temperature", KSAE Annual Conference, pp. 195-199, 2013.
Y.C. Han, B.D. Sung, K.H. Ryu, Y.S. Oh and M.J. Park, "A Simulation Study of Diesel Engine with Turbocharger and Intercooler", Journal of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 9, No. 4, pp. 123-130, 2000.
J. H. Moh, "Numerical Simulation of the Fully Developed Flow and Heat Transfer of a Plate Heat Exchanger Taking into Account Variation in the Corrugation Height", KSME B, Vol. 36, No. 1, pp. 1-8, 2012.

원문보기 상세보기
Ministry of Oceans and Fisheries, Marine engine standard, Korea, 2013.
IMO, Revision of MARPOL Annex VI and the NOx Technical Code.
Ministry of Oceans and Fisheries, A Provisional Test Standard for NOx Exhaust control of Marine Diesel engine. Korea, 2013.
Y.J. Yang and H.S. Sim, "Study on Simulation of Water Cooling Heat Exchanger for Small Marine Diesel Engine", KSMPE, Vol. 11, No. 6, pp. 201-207, 2012.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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