[논문]선박용 중속엔진 오일냉각용 판형쿨러의 전열성능에 관한 연구

박재홍

doi:10.12925/jkocs.2020.37.1.83

선박용 중속엔진 오일냉각용 판형쿨러의 전열성능에 관한 연구
A Study on Thermal Performance of Plate Cooler for Cooling Medium Speed Engine Lubricant Oil 원문보기

Journal of the Korean Applied Science and Technology = 한국응용과학기술학회지, v.37 no.1, 2020년, pp.83 - 90

박재홍 (디에이치피이엔지)

초록
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판형 열교환기는 1920년대부터 본격적으로 상업화되었으며, 이후 판형 열교환기의 기본 컨셉은 지금까지도 거의 변화가 없었지만 고온, 고압 그리고 대용량 열교환에 적용되기 위해 설계 및 제작 방법들이 혁신적으로 발전하여 지금에 이르게 되었다. 판형 열교환기의 개발 트렌드는 전열 효율이 좋으면서 압력강하가 낮고 또한 유체 분배가 잘되는 전열판의 개발과 일치한다. 본 연구에서는 이러한 트렌드를 만족시키는 선박용 중속엔진 오일 냉각용 판형 쿨러 개발과 관련된 주요 과정들을 소개하고, 또한 개발된 판형 오일쿨러의 전열성능을 실험적으로 분석하여 이에 대한 결과를 제공하고자 한다. 본 연구에서 판형 쿨러는 구조적 특징으로 인해 직접 판벽 온도를 측정할 수 없어 수정된 Wilson Plot 방법을 응용하여 열전달계수를 구하였다. 오일-물 실험 전에 물-물 실험을 통해 우선 물측의 열전달계수와 압력강하량을 구하였고, 그 결과를 바탕으로 오일측의 열전달계수를 구하였다. 양측 모두 유량 증가에 따라 열전달 성능은 증가하였지만, 압력강하량도 동시에 증가하였다. 그리고 실험을 통해 본 연구에서 개발된 판형 오일쿨러가 개발목표치를 성공적으로 달성하였음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Plate heat exchangers(PHE) have been commercialized since the 1920s. Since then, although the basic concept of PHEs has changed little, its design and construction have progressed significantly to accommodate higher temperatures, higher pressures, and large heat exchanging capacities. The development trend of PHEs is consistent with heat plate developments with better thermal efficiency, lower pressure drop, and good flow distribution. The purpose of this paper is to introduce the main development processes of a plate cooler for medium-speed engine lubricant oil cooling in vessels which is in line with the development trend of PHEs and to provide its thermal performance data that were found out during experimental tests. The plate cooler in this study cannot measure the wall temperatures directly due to its structural characteristics, so the heat transfer coefficients were calculated using the modified Wilson Plot method. The water-to-water tests were first conducted experimentally to figure out the characteristics of heat transfer coefficients and pressure drops on the water side and then the water-to-oil tests followed to obtain the heat transfer coefficients on the oil side. The test results showed that heat transfer coefficients and pressure drops on both water and oil side increased with flow rates, and it was also found that all the development targets of the plate cooler in this study were achieved successfully.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Basic structure of plate heat exchanger.
그림 Fig. 2. Applications of plate heat exchanger in vessels.
그림 Fig. 3. Main engine and L.O Cooler for vessels.
그림 Fig. 4. Types of heat plates
그림 Fig. 5. Developed heat plates.
그림 Fig. 6. Engine mounted plate type L.O cooler.
표 Table 1. Design conditions for L.O Cooler
그림 Fig. 7. Plate type L.O cooler and vibrator for tests.
그림 Fig. 8. Heat transfer coefficient of water side.
그림 Fig. 9. Pressure drop of water side.
그림 Fig. 10. Heat transfer coefficient of oil side.
그림 Fig. 11. Pressure drop of oil side.
표 Table 2. Test results of developed L.O Cooler

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 선박용 중속엔진 오일 냉각용 판형 L.O 쿨러 개발과 관련된 주요 과정들을 소개하고, 또한 개발된 판형 L.O 쿨러의 전열성능을 실험적으로 파악하여 이에 대한 결과를 제공하고자 한다.
후속 연구에서는 본 연구결과를 바탕으로 열전달 효율은 상승시키되, 압력강하는 낮출 수 있는 방안에 대하여 연구하고자 한다. 이를 통해 본 연구결과와 비교분석하여 다른 타입의 L.O 쿨러 개발 시 활용하고자 한다.

가설 설정

O 쿨러의 물-물 실험에서의 물 유량에 따른 대류열전달계수를 나타내고 있다. 양측 물의 입구온도는 오일-물의 실험조건과 동일한 74.5℃, 40℃로 설정하였다. 일반적으로 대류 열전달계수는 유량이 증가할수록 커지는데, 본 실험결과도 동일한 결과를 나타내었다.

제안 방법

Table 1은 본 연구에서의 L.O 쿨러 개발목표치를 나타내고 있으며, 이를 달성하기 위하여 Fig. 5와 같이 High θ와 Low θ 두 종류의 전열판을 신규 개발하였다.
O 쿨러는 일반적인 판형 열교환기와 마찬가지로 직접적인 판벽 온도 측정이 불가능하기 때문에 Farrell 등[19]이 제안한 수정된 Wilson Plot 방법을 응용하여 전열판의 열전달계수를 구하였다. 각 유로의 형상이 동일하기 때문에 한 쪽 유로의 유량과 온도를 일정하게 유지하고, 다른 쪽 유로의 유량을 바꿔가며 실험을 수행하였다.
개발된 L.O 쿨러는 구조적 특징에 의한 직접 판벽의 온도를 측정할 수 없어 수정된 Wilson Plot 방법을 응용하여 열전달계수를 구하였으며, 오일-물(냉각수) 실험 전에 물(온수)-물(냉수) 실험을 통해 우선 물측의 열전달계수와 압력강하량 을 구하였고, 그 결과를 바탕으로 오일측의 열전 달계수를 구하였다. 양측 모두 유량 증가에 따라 열전달 성능은 증가하였지만, 압력강하량도 동시에 증가하였다.
또한 선박 진동에 의한 구조적 안정성을 확인하기 위하여 바이브레이터(vibrator)를 커버에 설치하여 700∼800 rpm으로 가변시키면서 진동을 발생시켰다.
O 쿨러의 열전달량은 열교환기 입구와 출구사이에 설치된 검교정된 RTD(Resistance Temperature Detectors)에 의한 온도 측정결과와 체적유량계(Volume flow meter)를 이용한 유량 측정결과로 계산하였다. 또한 열교환기 입구와 출구사이에 차압계를 설치하여 압력강하를 측정하였다. 각 센서의 데이터는 데이터로그를 통해서 PC로 실시간으로 획득 및 처리하였다.
본 연구에서 사용된 테스트용 L.O 쿨러는 일반적인 판형 열교환기와 마찬가지로 직접적인 판벽 온도 측정이 불가능하기 때문에 Farrell 등[19]이 제안한 수정된 Wilson Plot 방법을 응용하여 전열판의 열전달계수를 구하였다. 각 유로의 형상이 동일하기 때문에 한 쪽 유로의 유량과 온도를 일정하게 유지하고, 다른 쪽 유로의 유량을 바꿔가며 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 오일의 유량은 향후 열설계를 위하여 50∼130 m3/h로 하였으며, 오일의 입구 온도는 74.5℃(±0.3℃), 냉각수의 입구온도는 40.0℃(±0.3℃)로 하였다.
선박 엔진용 L.O 쿨러에서 가장 중요한 전열판의 설계는 전열성능 및 압력강하를 결정하는 주요 인자인 쉐브론각(chevron angle), 골깊이 (pate depth), 골과 골 사이 거리(channel spacing) 등을 결정하고, 이와 함께 소재별 성형 가능여부를 주름형상과 평면의 면적비를 이용하여 확인한 후 최적 형상을 선정한다.
실험장치에서 실험조건의 변화는 온도와 압력의 요동(fluctuation)을 야기한다. 유량조절밸브들을 이용하여 유량을 조절한 다음, 각 RTD와 압력센서들로부터 3초 간격으로 1분 동안 데이터를 읽은 후 평균을 취한다. 1분 후에 다시 데이터를 읽어서 유량 변화가 ±2.
는 물-물 테스트를 통해 구한 상관식으로 계산된다. 이를 위해 오일-물(냉각수) 테스트 전에 물(온수)-물(냉수) 테스트를 먼저 진행하여 물측의 열전달계수를 구하였다.
이는 물-물 실험에 비해 2배 이상의 시간이 다. 정상상태에 도달하면 15분 동안 3초 간격으로 데이터를 읽은 후 평균치를 취하여 데이터를 처리하였다.
본 논문에서는 별도로 언급하지는 않았지만 진동에 의한 안정성 및 내구성 테스트도 같이 진행하였다. 테스트 방법은 오일측 압력을 설계압력의 2배인 14 bar로 올리고, 오일 온도도 설계치보다 높은 80℃까지 올린 후 바이브레이터를 통해 인위적으로 진동을 발생시킨 후 1주일 연속 운전을 실시하였다. 테스트 결과 외부로의 누유는 발생하지 않았다.
테스트용 L.O 쿨러에서 대향류 채널사이의 열전달율은 냉각수의 유량은 고정시키고, 오일의 유량을 조절하여 변화시켰다. 실험장치에서 실험조건의 변화는 온도와 압력의 요동(fluctuation)을 야기한다.
테스트용 L.O 쿨러의 열전달량은 열교환기 입구와 출구사이에 설치된 검교정된 RTD(Resistance Temperature Detectors)에 의한 온도 측정결과와 체적유량계(Volume flow meter)를 이용한 유량 측정결과로 계산하였다. 또한 열교환기 입구와 출구사이에 차압계를 설치하여 압력강하를 측정하였다.

대상 데이터

L.O 쿨러 시제품은 개발된 전열판 중 Low θ 전열판으로만 제작하였다.
실험장치는 펌프를 이용한 강제 순환식 사이클이며, 오일이 순환되는 회로와 냉각수가 순환되는 회로로 구성되어 있다.
전열판의 크기는 500 × 1,000 mm2이고, 골깊이는 3.0 mm, 재질은 스테인리스 스틸 304, 성형 정밀도는 ±0.05 mm이다.

성능/효과

선박용 중속엔진 오일 냉각용 판형 L.O 쿨러를 개발하여 전열성능을 실험적으로 분석한 결과, 모든 개발목표치를 달성하였음을 알 수 있었다. 물론 각 L.
2 bar이다. 실험 결과 물유량 60 m³/h일 때 0.17 bar의 압력강하가 측정되어, 실제 53 m³/h일 때는 이보다 더 낮을 것으로 예상된다.
O 쿨러는 구조적 특징에 의한 직접 판벽의 온도를 측정할 수 없어 수정된 Wilson Plot 방법을 응용하여 열전달계수를 구하였으며, 오일-물(냉각수) 실험 전에 물(온수)-물(냉수) 실험을 통해 우선 물측의 열전달계수와 압력강하량 을 구하였고, 그 결과를 바탕으로 오일측의 열전 달계수를 구하였다. 양측 모두 유량 증가에 따라 열전달 성능은 증가하였지만, 압력강하량도 동시에 증가하였다.
각 파라미터들의 단위는 Table 1과 동일하며, Table 2에서 알 수 있듯이 개발목표치를 달성하였음을 알 수 있다. 여기에서 열전달량은 설계치에 비해 약 15% 정도 더 높고, 압력강하량은 물의 경우 15%, 오일의 경우 약 25% 더 낮은 것을 알 수 있다. 이는 사용되는 전열판 수를 더 줄일 수 있다는 것을 의미한다.
테스트용 L.O 쿨러의 열전달 실험에서 유체 물성치들은 입․출구온도의 체적평균온도에 의해 계산되어졌고, 모든 실험에서 에너지 밸런스는 ±5% 이내로 나타났다.

후속연구

지금까지 대부분의 판형 열교환기 연구는 CFD 연구 또는 Lab scale 규모의 테스트이거나[2-5], 소형 브레이징 판형 열교환기(brazed plate heat exchanger) 또는 소수의 전열판만 조립된(scaled down) 소형 판형 열교환기에 냉매를 적용한 연구가 대부분이었다[6-10]. 그러나 본 연구는 실제 현장에서 사용되는 실제품에 대한 Full scale 테스트를 바탕으로 하였기 때문에 보다 실질적인 정보를 제공할 수 있을 거라 사료된다.
후속 연구에서는 본 연구결과를 바탕으로 열전달 효율은 상승시키되, 압력강하는 낮출 수 있는 방안에 대하여 연구하고자 한다. 이를 통해 본 연구결과와 비교분석하여 다른 타입의 L.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	판형 열교환기는 무엇인가?	액체 대 액체 열교환기의 가장 대표적인 컴팩트 열교환기인 Fig. 1의 판형 열교환기(plate heat exchanger)는 이미 오래 전부터 그 열교환 성능의 우수성으로 많은 플랜트 산업과 각종 설비에 적용되고 있다.
	선박 엔진용 L.O 쿨러에 고려되어야 할 것은?	O 쿨러는 기존의 판형 열교환기와는 조금 다른 특성을 가진다. 요구되는 열성능 및 압력강하는 기본적으로 맞춰야 하고, 선박 및 엔진의 진동에 대해서 강한 구조를 가져야만 한다. 또한 온도에 따른 오일(윤활유)의 점도와 유동 특성이 충분히 고려되어야 하며, 선박 엔진의 갑작스러운 기동(start-up)과 정지(shutdown) 시의 상태도 고려되어야 한다. 그리고 전열판과 가스켓 조립 시에 나타나는 오일 침투에 따른 가스켓과 전열판 사이의 기밀성이 높아지도록 설계되어야 한다.
	선박은 사용목적에 따라 어떻게 나뉘는가?	판형 열교환기의 대표적인 적용처 중 하나는 선박(vessel)이다. 선박은 사용목적에 따라 상선, 특수작업선, 군함, 어선 등으로 나눠지고, 대표적인 상선으로는 유조선, LNG운반선, 컨테이너선, 벌크선, 자동차운반선 등이 있고, 특수작업선에는 드릴십, 쇄빙선 등이 있다. 특히 상선들은 화물을 나르는 거나 승객을 나르는 것이 목적으로, 보다 많은 화물과 승객이 싣기 위해서는 선박에 사용되는 기기들에 대해 콤팩트함을 요구한다.

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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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