[논문]LNG 연료 추진 선박용 크랭크실 릴리프 밸브 화염방지기의 유동해석 및 폭발시험

이효렬; 안중환; 김동건; 안병훈; 김화영

doi:10.7735/ksmte.2016.25.3.171

Abstract ▼ AI-Helper

Growing concerns about air pollution have led to increased demand for liquefied natural gas (LNG)-fuelled ships that have crankcases equipped with explosion relief valves to relieve excessive crankcase pressures and stop the flames emitted from the crankcase. The results of a computational fluid dyn...

Growing concerns about air pollution have led to increased demand for liquefied natural gas (LNG)-fuelled ships that have crankcases equipped with explosion relief valves to relieve excessive crankcase pressures and stop the flames emitted from the crankcase. The results of a computational fluid dynamics (CFD)-based feasibility analysis of the crankcase relief valve flame arrester design conducted using ANSYS CFX V14 showed that the inlet and outlet relief valve temperatures differed by $350-700^{\circ}C$. An explosion test was performed based on European standard EN14797 to evaluate the flame transmission and mechanical integrity of the valve. No flame transmission from the pressure vessel to the exterior was detected, and the mechanical integrity of the valve was confirmed. Thus, the relief valve components were found to be safe from the viewpoint of fracture.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

선박 엔진 연료를 LNG로 대체하려는 연구 개발이 진행됨에 따라 국제선급연합회의 규정에 의해 의무적으로 부착해야하는 크랭크실 릴리프 밸브의 개발이 필수적이다. 본 논문에서는 유동해석을 통해 LNG 연료 추진 선박용 크랭크실 릴리프 밸브의 주요 구성품인 화염 방지기의 유동 특성을 분석하고, 폭발시험을 통해 화염 방지 성능을 확인하였다.

가설 설정

LNG 연료 추진 선박용 크랭크실 릴리프 밸브의 시험인증 규격인 EN14797에 의하면 폭발시험 시 메탄을 이용하며, 메탄의 연소 가스는 대부분 CO₂이므로 작동유체는 CO₂ 이상 기체(ideal gas)를 적용하였다. 실제 폭발 시 화염의 온도는 메탄의 이론 연소 반응온도 1,953℃의 0.6~0.8배 정도이므로 1,700℃로 가정하였으며, 화염 방지기의 초기 온도는 상온인 20℃로 설정하였다^[3].

제안 방법

입·출구의 경계조건은 pressure inlet · outlet 조건으로 설정하고, 입구 압력은 폭발 압력인 6.62 bar로 설정하였으며 출구 압력은 대기압 상태에 노출되어 있으므로 대기압 조건을 설정하였다.
폭발에 의한 화염 방지기의 열적 영향을 해석하기 위해 작동 유체가 유동하는 유동장과 화염방지기 사이의 접촉면을 interface를 이용하여 전도에 의한 열전달이 발생하도록 하였다. Table 1은 화염 방지기의 열전도 계수 등의 물성치를 정리하여 나타낸 것이다.
과도(transient) 해석의 총 시간을 0.9초로 설정하였으며, 해석 격자는 화염 방지기에 육면체 격자를 이용하였고, 유동장은 내부 형상이 복잡하여 사면체 격자를 이용하였으며 해석에 사용된 노드 수와 격자 수를 Table 2에 정리하여 나타내었다.
1차 폭발시험 후 릴리프 밸브 구성품의 파단 유무를 확인한 후 재조립하여 개방 압력과 누설 시험을 진행한다. 그 다음 동일 조건으로 2차 폭발시험을 진행하며, 1차 폭발시험과 마찬가지로 파편 및 화염의 배출과 구성품의 파단이 발생하지 않아야 한다^[6].
따라서 개발된 크랭크실 릴리프 밸브가 LNG 연료 추진 선박 엔진에 적용되기 위해서는 화염 방지 성능뿐만 아니라 EN14797 규격에 명시된 구조 안전성, 동작 압력을 만족해야 하며, 실제 폭발시험을 통해 이를 확인하였다.
본 논문에서는 유동해석을 통하여 LNG 연료 추진 선박용 크랭크실 릴리프 밸브의 유동 특성을 분석하였으며, 폭발시험을 통하여 릴리프 밸브 성능을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
유동해석에서 얻은 화염 방지기와 유체 간의 열전달에 의한 화염 방지 가능성 검증과 LNG 연료 추진 선박 엔진에 크랭크 밸브의 적용을 위해 폭발시험을 실시하였다. 1, 2차에 걸친 폭발시험에서 폭발 시 화염 방출 및 폭발 후 구성품의 파단, 개방 압력, 누설을 검사하였으며, 시험결과 인증 시험 조건을 모두 만족하는 것을 확인하였다.

대상 데이터

해석에 사용되는 시간과 자원을 절약하기 위해 축대칭 조건을 적용하여 전체 릴리프 밸브 모델의 1°를 발췌하였으며, 화염 방지기의 높이방향에서도 규칙적인 구조를 가지고 있으므로 전체 높이 104 mm에서 5 mm만을 해석에 사용하였다.
0을 이용하여 유동해석을 수행하였다. LNG 연료 추진 선박용 크랭크실 릴리프 밸브의 시험인증 규격인 EN14797에 의하면 폭발시험 시 메탄을 이용하며, 메탄의 연소 가스는 대부분 CO₂이므로 작동유체는 CO₂ 이상 기체(ideal gas)를 적용하였다. 실제 폭발 시 화염의 온도는 메탄의 이론 연소 반응온도 1,953℃의 0.

데이터처리

이상 폭발에 의해 발생하는 화염이 화염 방지기에 미치는 열적 영향을 파악하기 위해 CFD 상용 코드인 ANSYS CFX V14.0을 이용하여 유동해석을 수행하였다. LNG 연료 추진 선박용 크랭크실 릴리프 밸브의 시험인증 규격인 EN14797에 의하면 폭발시험 시 메탄을 이용하며, 메탄의 연소 가스는 대부분 CO₂이므로 작동유체는 CO₂ 이상 기체(ideal gas)를 적용하였다.

이론/모형

입·출구를 제외한 절단면에서는 symmetry 조건을 주어 유체의 교류가 이루어지도록 하였으며, 난류 모델로는 k-ε모델을 이용하였다.

성능/효과

화염 방지기의 온도분포를 살펴보면, 초기에는 입 · 출구의 온도차가 610℃정도 차이가 나지만 시간이 지남에 따라 점점 온도차가 좁혀져서 0.9초에 이르면 50℃까지 감소하는 것을 확인하였다.
폭발시험이 진행됨에 따라 시험 시 발생하는 고온과 압력에 의해 디스크 스프링의 탄성력이 점차 감소하였으며, 최종 폭발시험 후 측정한 개방 압력이 2.6 bar로 3 bar±20% 범위를 만족하였다.
6 bar로 3 bar±20% 범위를 만족하였다. 또한 폭발 전과 1차 폭발시험 후 누설 시험에서 각각 2.97 bar와 2.7 bar의 압력에서 30초간 누설이 발생하지 않음을 확인하였다.
릴리프 밸브의 유동해석에서 시간에 따른 유체의 최고 압력은 6.62 bar, 최고 속도는 1,140 m/s, 화염 방지기의해 밸브 외부로 유출되는 유체의 온도는 입구 대비 1,700℃에서 1,379.52℃로 감소하였으며, 메탄의 소염 발생 온도인 1,490.85℃보다 낮음을 확인하였다. 하지만 실제 폭발 시 유동해석에서 가정한 것처럼 6.
유동해석에서 얻은 화염 방지기와 유체 간의 열전달에 의한 화염 방지 가능성 검증과 LNG 연료 추진 선박 엔진에 크랭크 밸브의 적용을 위해 폭발시험을 실시하였다. 1, 2차에 걸친 폭발시험에서 폭발 시 화염 방출 및 폭발 후 구성품의 파단, 개방 압력, 누설을 검사하였으며, 시험결과 인증 시험 조건을 모두 만족하는 것을 확인하였다. 그러나 1, 2차 폭발 후 고온과 압력에 의한 디스크 스프링의 탄성력 감소로 개방 압력이 3.

후속연구

1, 2차에 걸친 폭발시험에서 폭발 시 화염 방출 및 폭발 후 구성품의 파단, 개방 압력, 누설을 검사하였으며, 시험결과 인증 시험 조건을 모두 만족하는 것을 확인하였다. 그러나 1, 2차 폭발 후 고온과 압력에 의한 디스크 스프링의 탄성력 감소로 개방 압력이 3.05 bar에서 2.6 bar로 약 0.45 bar 정도 감소하였으며, 릴리프 밸브의 동작에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 디스크 스프링의 보완 설계가 필요하다고 사료된다.

참고문헌 (6)

Kim, H. S., Kim, K. P., Kim, D. H., 2013, A Status of LNG Fuelled Ship, Proceedings of the KOSOMES 2013 Autumn Annual Meeting. 247-249.
Lee, H. R., Ahn, J. H., Ahn, B. H., Kim, H. Y., 2015, Design and Evaluation of a Crankcase Relief Valve Spring for the LNG Fuelled Ship, KSMTE, 24:3 ,263-269.
Stephen, R. T., 2012, An Introduction to Combustion : Concepts and Applications 3/E, McGraw-Hill, New York.
Matweb, LLC., viewed 8 Feb. 2016, Material Property Data .
Oh., C. B., Lee, E. J., Hwang, C. H., 2011, An Investigation of the Extinction and Ignition Characteristics using a Flame-controlling Method, J. KOSOS, 26:1,21-26.
European Standard, 2006, Explosion Venting Devices, BS EN14797 - 1:32, European Committee for Standardization, European Union.

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] LNG 연료 추진 선박용 크랭크실 릴리프 밸브 화염방지기의 유동해석 및 폭발시험
CFD Analysis and Explosion Test of a Crankcase Relief Valve Flame Arrester for LNG-fuelled Ships 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] LNG 연료 추진 선박용 크랭크실 릴리프 밸브 화염방지기의 유동해석 및 폭발시험 CFD Analysis and Explosion Test of a Crankcase Relief Valve Flame Arrester for LNG-fuelled Ships 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이효렬 (7) 안중환 (65) 김화영 (42)

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문 더보기

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] LNG 연료 추진 선박용 크랭크실 릴리프 밸브 화염방지기의 유동해석 및 폭발시험
CFD Analysis and Explosion Test of a Crankcase Relief Valve Flame Arrester for LNG-fuelled Ships 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper

활용도 Top5 논문