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문제 정의
- 이 연구에서는 고부하 조건에서 사용되는 선박 디젤엔진의 수냉식 냉각장치에 대한 설계와 평가를 수행하였다.
제안 방법
- 8은 선박디젤엔진에 필요한 냉각장치를 개발하고 성능평가를 위한 시험장치의 사진이다. 각각의 부하조건에 따라 선박디젤엔진에서 발생하는 연소열이 다르므로, 부하조건 설정을 위하여 동력계(DT-3000, Go Power Systems)를 연결하였다.
- [8~9] 열교환기와 인터쿨러는 바닷물(해수)을 이용하여 냉각시키며, 바닷물은 해수펌프를 이용하여 공급된다. 고온 배기가스가 배출되는 배기관은 엔진냉각수를 이용하여 냉각시키도록 설계하였다. 또한, 냉각효율을 높일 수 있도록 각각의 냉각장치를 배치를 고려하여 설계하였고, 실제 디젤엔진에 적용하여 성능을 평가하였다.
- 냉각장치를 구성하는 열교환기, 인터쿨러, 배기관은 냉각성능 향상과 안전성을 위하여 바닷물 또는 엔진냉각수를 이용하는 수냉식 냉각장치로 개발하였다. 또한 냉각수의 통과순서에 따라 냉각성능의 차이가 발생하므로 통과경로와 정비 편의성을 고려하여 바닷물이 열교환기-인터쿨러 순서로 통과하도록 각 구성품을 최적화하여 배치하였다.
- 냉각장치를 구성하는 열교환기, 인터쿨러, 배기관은 냉각성능 향상과 안전성을 위하여 바닷물 또는 엔진냉각수를 이용하는 수냉식 냉각장치로 개발하였다. 또한 냉각수의 통과순서에 따라 냉각성능의 차이가 발생하므로 통과경로와 정비 편의성을 고려하여 바닷물이 열교환기-인터쿨러 순서로 통과하도록 각 구성품을 최적화하여 배치하였다.
- 열교환기는 냉각성능뿐만 아니라 바닷물을 사용하므로 이에 대한 부식성도 고려하여 충분한 냉각효과와 내구성을 유지할 수 있도록 설계할 필요가 있다. 또한, 냉각효과를 높이기 위하여 엔진냉각수와 바닷물은 서로 반대방향으로 흐르도록 대향류 방식을 선택하였다. 목표성능은 최대부하에서 열교환기 출구의 온도를 80°C이하로 유지하도록 설계하였다.
- 고온 배기가스가 배출되는 배기관은 엔진냉각수를 이용하여 냉각시키도록 설계하였다. 또한, 냉각효율을 높일 수 있도록 각각의 냉각장치를 배치를 고려하여 설계하였고, 실제 디젤엔진에 적용하여 성능을 평가하였다.
- 목표성능은 최대부하에서 열교환기 출구의 온도를 80°C이하로 유지하도록 설계하였다.
- 선박디젤엔진은 대부분 고부하 조건에서 운전되므로 다량의 연소열을 효과적으로 방출하기 위하여 바닷물을 이용하는 수냉식 열교환기로 설계하였다. 열교환기는 냉각성능뿐만 아니라 바닷물을 사용하므로 이에 대한 부식성도 고려하여 충분한 냉각효과와 내구성을 유지할 수 있도록 설계할 필요가 있다.
- 5는 냉각수(바닷물)의 출구의 위치가 하부(L-L), 상부(L-H)일 경우에 인터쿨러의 냉각성능을 확인하는 시험방법을 나타낸 것이다. 선박디젤엔진의 부하조건은 터보차저에 의한 압축공기의 온도가 최대로 상승하는 100% 출력조건으로 설정하고 실험하였다.
- 수냉식 냉각장치의 종합적인 성능평가를 위하여 각각의 구성품을 선박디젤엔진에 적용하였다. 또한, 냉각장치의 성능평가를 위한 성능시험에서는 이 연구에서 설계-개발된 수냉식 냉각장치의 냉각성능이 적절하다는 것을 확인하였다.
- 이 연구에서는 선박디젤엔진에서 발생하는 연소열을 효과적으로 방출·제어하기 수냉식 냉각장치를 설계하였다.
대상 데이터
- 선박용 추진기관인 750마력급 디젤엔진에 사용되는 냉각장치를 개발하기 위하여 Fig. 1과 같이 냉각장치로 설계-개발하였다. Table 1은 선박디젤엔진의 주요 특성을 나타낸 것이다.
성능/효과
- 인터쿨러의 공기입구와 출구의 온도차(ΔT)는 14°C로 나타났다.(100% 부하조건) 이 결과로부터, 바닷물을 이용한 수냉식 인터쿨러의 냉각성능이 충분히 효과가 있으며, 엔진으로 유입되는 공기의 온도를 적정하게 제어할 수 있음을 확인하였다.
- 대기온도(대기온도 A0=22~29°C)가 높고, 100% 부하조건에서 터보차져에 의하여 공기의 온도는 29°C(A0)에서 202°C(A1-인터쿨러 입구)로 상승하였으며 인터쿨러의 냉각효과에 의하여 출구에서의 공기온도는 58°C(A2)로 감소하였다.
- 이와 반대로 L-L에서 위쪽 냉각튜브는 바닷물이 없으므로(WL-1) 충분한 냉각효과를 얻기가 어렵다. 따라서 냉각수의 출구를 상부로 배치(L-H) 하여야 우수한 냉각효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 냉각장치에서 바닷물의 최초 온도(W1)와 최종 온도(W4) 온도차(ΔT)는 18°C로 나타났다. 따라서 수냉식 냉각장치의 냉각성능이 충분히 효과가 있음을 확인하였다.
- 엔진 냉각수온도가 높은 100% 부하조건에서 배기가스 온도(G1)는 445°C이었으나, 엔진 냉각수(온도C1=82°C)의 냉각효과에 의하여 배기관의 외부 온도(G2)는 87°C로 감소하였다. 따라서, 수냉식 배기관의 냉각효과가 우수한 것을 확인하였다.
- 수냉식 냉각장치의 종합적인 성능평가를 위하여 각각의 구성품을 선박디젤엔진에 적용하였다. 또한, 냉각장치의 성능평가를 위한 성능시험에서는 이 연구에서 설계-개발된 수냉식 냉각장치의 냉각성능이 적절하다는 것을 확인하였다.
- 엔진 냉각수온도가 높은 100% 부하조건에서 배기가스 온도(G1)는 445°C이었으나, 엔진 냉각수(온도C1=82°C)의 냉각효과에 의하여 배기관의 외부 온도(G2)는 87°C로 감소하였다.
- 열교환기 내부에서 엔진냉각수의 입구와 출구의 온도차(ΔT)는 5~9°C로 나타났다. 이 결과로부터 바닷물을 이용한 수냉식 열교환기의 냉각성능이 충분하며, 엔진 냉각수의 온도를 적정하게 제어할 수 있음을 확인하였다.
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