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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 블록 내부의 도장 건조 시간을 예측할 수 있는 프로그램을 개발하는 과정을 설명하고 이의 실행을 예시하였다. 프로그램을 개발하는 과정에서 CFD를 이용하여 선체 블록용 도장 건조 설비의 열 공급 시스템을 설계하였고 공급 열풍의 분위기(풍속, 온도, 습도)에 따른 도장 건조 시간 예측식을 도출 하였다.
- 본 연구에서는 열풍 공급 및 배기 덕트의 구성에 따라 블록 내부의 유속 및 온도 분포가 변하게 되고 블록의 도장 건조 시간이 이러한 블록 내부의 유동장 및 온도장에 따라 변하는 것에 착안 하여 목표 온도(블록 내부 평균 온도 20℃) 도달 시간이 빠르며 블록 내부의 목표 온도 도달 면적(AR)이 넓고 온도 균일도(TSD)가 작은 경우를 최적 열풍 공급 및 배기 덕트 위치로 선정하였다.
- 이러한 한계를 극복하고 건조 시간 예측 프로그램을 개발하기 위해 본 연구에서는 선체 블록 내부의 열유동 해석을 통해 도장건조에 영향을 미치는 외기 분위기 특성(속도, 온도 등)을 파악하고 해당 외기 분위기에서의 도장 건조 시간은 실험을 통해 얻은 예측식으로 간접적으로 추정하는 간접 예측 방법을 고안하였다. Fig.
가설 설정
- 도장 건조 설비 외벽의 열 조건은 동절기 공장 내부의 대류 조건보다 가혹하다고 가정하여 외기 온도 5℃, 대류 열전달 계수는 30 W/m² ･℃를 적용하였다.
제안 방법
- 1) 블록 내부의 도장 건조 분위기와 실험을 통해 얻은 건조 시간 예측식을 결합하여 도장 건조 시간을 예측하는 간접 예측 방법을 고안하였다.
- 3절의 열 시스템 설계안과 4절의 도장 건조 시간 예측 방법을 이용하여 열풍기 운전 조건에 따른 선체 블록 도장 건조 시간 예측 프로그램을 구현하였으며 개괄적인 Flow chart를 Fig. 11에 나타내었다.
- 4) 선체 블록 도장 건조 설비에서 블록 내부의 도장 건조 시간을 예측할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 추가적으로, 실제 도장 건조 설비의 운전을 통해 얻어진 실험 결과와 개발 프로그램에서의 예측값 사이의 비교를 통한 검증이 필요하다고 판단되며 이러한 검증을 통해 미비한 점들이 발견될 경우 보완 작업을 통해 계속적으로 프로그램을 Upgrade할 예정이다.
- Double bottom 블록과 Side bottom 블록의 45개의 다른 열풍기 조건에 대한 열‧유동 해석결과를 바탕으로 블록내부 평균온도, 블록 표면 온도, 건조장 내부 평균 온도 및 Fig. 12와 같이 블록 내부에 75개 지점의 국부 온도를 추출하여 추출 위치에서의 시간 변화에 따른 온도변화 값들을 Curve fitting을 통하여 시간과 온도의 함수로 데이터베이스를 구축을 하였다. 구축된 데이터베이스를 바탕으로 본 연구를 통해 개발된 시뮬레이터는 외기온도에서 임계 도막 건조 온도까지의 도달시간 추정이 가능하게 된다.
- 열풍기 운전 조건 별 도장 건조 시간을 예측하는 기본 사항 이외에 도료에 따라 도장 건조 시간이 다르므로 도료 종류별로 다른 건조 시간 예측식을 입력하는 것이 가능하게 하였고 선체 블록 내부가 목표 분위기 온도에 도달하게 되면 그 분위기를 유지할 수 있는 열풍기 공급 열량을 계산할 수 있게 하여 건조 설비에 들어가는 에너지를 절약할 수 있도록 하였다. 각 단계에서 사용자가 입력해야 할 사항들을 붉은 색으로 나타나게 하여 보다 쉽게 프로그램을 사용할 수 있도록 하였다. 또한, 마지막 단계에서 열풍기 운전 조건과 그에 따른 최단·최장 도장 건조 시간이 보고서 형태로 정리되도록 하여 사용자가 원하는 도장 건조 시간에 맞춰 열풍기 운전 조건을 설정할 수 있게 하였다.
- 강제 열풍 공급 방식을 적용하는 선체 블록 도장 건조 설비에서 블록 내부의 도장 건조 시간을 예측할 수 있는 로직을 고안, 이를 제안하였다. 고안된 로직을 프로그램화 하기 위해 CFD를 이용하여 건조 설비의 열 공급 시스템을 설계하였고 도료 종류별 건조 성능 실험을 별도로 수행하여 최종적으로 사용자가 이용하기 편리한 선체 블록 도장 건조 시간 예측 프로그램을 개발하였다.
- 강제 열풍 공급 방식을 적용하는 선체 블록 도장 건조 설비에서 블록 내부의 도장 건조 시간을 예측할 수 있는 로직을 고안, 이를 제안하였다. 고안된 로직을 프로그램화 하기 위해 CFD를 이용하여 건조 설비의 열 공급 시스템을 설계하였고 도료 종류별 건조 성능 실험을 별도로 수행하여 최종적으로 사용자가 이용하기 편리한 선체 블록 도장 건조 시간 예측 프로그램을 개발하였다. 각 단계의 결론은 다음과 같다.
- 4에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 열풍을 블록의 측면에서 2개의 덕트를 통해 공급하고 배기구가 공급 덕트 반대면 중앙에 위치한 경우(CASE-3)가평가 기준에 가장 우수하여 본 선체 블록 도장 건조 시스템의 열풍 공급 및 배기 덕트 위치로 선정하였으며 이의 Lay-out을 아래 Fig. 5에 보여주었다.
- 하지만 프로그램에서 사용자가 입력한 열풍기 조건 설정값이 구축된 데이터베이스들의 열풍기 조건 설정값에 없는 경우 입력한 열풍기 조건에 맞는 특정 지점에서의 온도값을 얻어야 한다. 따라서, 구축된 데이터베이스를 이용하여 다양한 열풍기 조건에 대해서도 결과값을 도출할 수 있는 보간 프로그램 개발을 하였다. 개발된 보간 프로그램은 Fortran을 이용하였으며 보간 프로그램의 흐름도(flow chart)는 Fig.
- 또한, 마지막 단계에서 열풍기 운전 조건과 그에 따른 최단·최장 도장 건조 시간이 보고서 형태로 정리되도록 하여 사용자가 원하는 도장 건조 시간에 맞춰 열풍기 운전 조건을 설정할 수 있게 하였다.
- 0 m/s에서, 온도는 5~40℃ 범위에서 풍동에서 건조 실험을 수행하였다. 또한, 습도의 영향을 살펴보기 위해 25℃ 온도 분위기의 항온항습기에서 상대 습도 10%와 70%에 대해 실험을 수행하였다.
- 먼저 기존에 현업에서 유사 시스템에 적용한 열풍기의 용량을 바탕으로 열풍 공급·배기 덕트의 최적 위치를 설계한 후 건조 설비에 설치할 열풍기의 용량을 선정하였다.
- 선박 블록들은 그 위치에 따라 형상이 다양하지만 본 프로그램에서는 우선 선박 건조 시 가장 많이 소요되는 Double Bottom 블록과 Side Bottom 블록을 우선적으로 고려하였다. 먼저, 몇가지 열풍기 기본 운전 조건(풍량, 공급 온도, 외부 온도)을 선정하여 이들 조건에 대해 비정상 상태 열유동 해석을 수행하여 블록 내부 특정 위치에서의 온도값들을 데이터베이스화 한 후 그 외 열풍기 운전 조건에서는 기본 운전 조건의 결과를 내삽 또는 외삽 알고리즘을 이용하여 그 결과(선체 블록 내부의 국부 온도)를 추정하도록 하였다.
- 이러한 노력의 일환으로 당사는 국내 조선 산업의 도장 경쟁력 향상을 위한 지식경제부 국책 과제 중 “선체 블록 내부 도장 건조 자동화 System 개발” 과제를 2005년 7월부터 2010년 6월에 걸쳐 주관사 자격으로 수행, “쉘터형 하이브리드 도장 건조 설비”를 성공적으로 개발하였다. 본 개발 건조 설비에서 선체 블록 내부의 도장을 건조하는 주된 방법은 선체 블록 내부로 열풍을 공급하여 내부의 도장을 건조하는 강제 열풍 공급 방식이다.
- 본 연구의 실험 조건은 도장 건조 완료 시 도장 품질에 악영향을 미치지 않은 풍속과 온도 범위를 고려하여 풍속은 0.3~8.0 m/s에서, 온도는 5~40℃ 범위에서 풍동에서 건조 실험을 수행하였다. 또한, 습도의 영향을 살펴보기 위해 25℃ 온도 분위기의 항온항습기에서 상대 습도 10%와 70%에 대해 실험을 수행하였다.
- 선박 블록들은 그 위치에 따라 형상이 다양하지만 본 프로그램에서는 우선 선박 건조 시 가장 많이 소요되는 Double Bottom 블록과 Side Bottom 블록을 우선적으로 고려하였다. 먼저, 몇가지 열풍기 기본 운전 조건(풍량, 공급 온도, 외부 온도)을 선정하여 이들 조건에 대해 비정상 상태 열유동 해석을 수행하여 블록 내부 특정 위치에서의 온도값들을 데이터베이스화 한 후 그 외 열풍기 운전 조건에서는 기본 운전 조건의 결과를 내삽 또는 외삽 알고리즘을 이용하여 그 결과(선체 블록 내부의 국부 온도)를 추정하도록 하였다.
- 선체 블록 도장 건조 설비의 열 시스템(열풍 공급 및 배기 덕트, 열풍기 용량)을 설계하기 위해 CFD 해석을 수행하였다. 먼저 기존에 현업에서 유사 시스템에 적용한 열풍기의 용량을 바탕으로 열풍 공급·배기 덕트의 최적 위치를 설계한 후 건조 설비에 설치할 열풍기의 용량을 선정하였다.
- 선체 블록 도장 건조 시스템의 열풍 공급 및 배기 덕트 배치 설계를 위한 해석 Case는 열풍의 공급 위치, 공급 덕트의 개수, 배기구의 위치에 따라 총 5개의 Case를 선정하여 해석을 수행하였다.
- 사용한 도료는 당사에서 선박용 중방식 도료로 널리 사용되는 A사의 E 제품이며 당사에서 실제 도장할 때 적용하는 일반적인 시공 기준을 적용하였다. 시공을 완료한 시편은 풍동 내부에 설치된 도장 건조 시간 기록계 위에 놓아(Fig. 7) 해당 실험 조건에서 건조 시간이 측정되도록 하였다.
- 풍동의 크기는 단면 기준으로 40cm × 40cm, 길이는 3m이며 풍량은 최대 90 m³/min이다. 시편 건조실험 영역에 도장 건조 시간 기록계(Dry Time Recorder)가 설치될 수 있도록 별도의 공간을 추가하였다. 실험 시 풍속과 공기의 온도 조건은 제어 판넬에서 팬의 회전수와 히터의 전류를 조절하여 시편 건조 실험 영역에서 실험 조건에 도달하도록 하였다.
- 시편 건조실험 영역에 도장 건조 시간 기록계(Dry Time Recorder)가 설치될 수 있도록 별도의 공간을 추가하였다. 실험 시 풍속과 공기의 온도 조건은 제어 판넬에서 팬의 회전수와 히터의 전류를 조절하여 시편 건조 실험 영역에서 실험 조건에 도달하도록 하였다.
- 열풍기 운전 조건 별 도장 건조 시간을 예측하는 기본 사항 이외에 도료에 따라 도장 건조 시간이 다르므로 도료 종류별로 다른 건조 시간 예측식을 입력하는 것이 가능하게 하였고 선체 블록 내부가 목표 분위기 온도에 도달하게 되면 그 분위기를 유지할 수 있는 열풍기 공급 열량을 계산할 수 있게 하여 건조 설비에 들어가는 에너지를 절약할 수 있도록 하였다. 각 단계에서 사용자가 입력해야 할 사항들을 붉은 색으로 나타나게 하여 보다 쉽게 프로그램을 사용할 수 있도록 하였다.
- 외기 풍속과 온도가 도장 건조 시간에 미치는 영향을 평가하고 예측식을 도출하기 위해 Fig. 6과 같이 공기의 온도를 제어할 수 있는 히터(용량 50 kW)가 전면에 설치된 풍동을 설계, 제작, 설치하여 실험을 수행하였다. 풍동의 크기는 단면 기준으로 40cm × 40cm, 길이는 3m이며 풍량은 최대 90 m³/min이다.
- 위의 결과로부터 강제 송풍 도장 건조 시스템에 공급되는 외기의 인자 중에서 외기 온도가 도장 건조 시간에 지배적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있으므로 본 연구에서 예측식을 도출 할 때 선박용 중방식 도료의 도장 건조 시간은 외기 온도만의 함수로 보아 이를 Curve Fitting 식으로 도출하여 Fig. 10에 나타내었으며 본 예측식을 개발 프로그램에 제공하였다.
- 이러한 국부 온도 결과는 도장 건조 시간 예측식을 이용하여 최종적으로 선체 블록 내부의 특정 위치에서 도장 건조 시간이 예측되도록 구현하였다. 데이터베이스 구축과 보간에 대한 이론적 배경은 5.
- 8). 일반적으로 선체 블록의 재도장 및 후공정 작업이 가능한 도장 건조 시간은 Dry-Hard Time이므로 본 연구에서도 도장 건조 완료 시간은 Dry-Hard Time으로 정하였다.
- 풍동 및 실제 도장 건조 시스템에서 상대 습도를 일정하게 조절하는 것은 현실적으로 어려운 문제이기 때문에 상대 습도가 도장 건조에 미치는 영향은 도장연구실이 보유한 항온항습기를 이용하여 도장 건조 실험을 수행하였다.
- 따라서, 본 연구는 블록 내부의 도장 건조 시간을 예측할 수 있는 프로그램을 개발하는 과정을 설명하고 이의 실행을 예시하였다. 프로그램을 개발하는 과정에서 CFD를 이용하여 선체 블록용 도장 건조 설비의 열 공급 시스템을 설계하였고 공급 열풍의 분위기(풍속, 온도, 습도)에 따른 도장 건조 시간 예측식을 도출 하였다.
대상 데이터
- 도장 건조 실험용 시편은 ASTM D5895-032의 규정에 따라 준비하였다. 사용한 도료는 당사에서 선박용 중방식 도료로 널리 사용되는 A사의 E 제품이며 당사에서 실제 도장할 때 적용하는 일반적인 시공 기준을 적용하였다.
- 도장 건조 실험용 시편은 ASTM D5895-032의 규정에 따라 준비하였다. 사용한 도료는 당사에서 선박용 중방식 도료로 널리 사용되는 A사의 E 제품이며 당사에서 실제 도장할 때 적용하는 일반적인 시공 기준을 적용하였다. 시공을 완료한 시편은 풍동 내부에 설치된 도장 건조 시간 기록계 위에 놓아(Fig.
- 해석 대상 선체 블록 도장 건조 설비는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 표준 블록인 Double Bottom 블록의 크기(길이×폭×높이 : L×W×H)보다 각 방향으로 각각 4m 정도 길게 구성하였으며 Double Bottom 블록이 설비의 중앙에 위치한 경우이며 해석 격자는 약 2,100,000 cell의 격자계로 구성하였다.
이론/모형
- 3에 나타낸 바와 같이 표준 블록인 Double Bottom 블록의 크기(길이×폭×높이 : L×W×H)보다 각 방향으로 각각 4m 정도 길게 구성하였으며 Double Bottom 블록이 설비의 중앙에 위치한 경우이며 해석 격자는 약 2,100,000 cell의 격자계로 구성하였다. 해석 프로그램은 FLUENT를 사용하였고 난류 모델은 Standard k-e Model을 적용하여 열풍기 가동 후 30분까지 도장 건조 설비 내부의 유동 및 열전달에 대해 비정상 상태 해석을 수행하였다. 도장 건조 설비 외벽의 열 조건은 동절기 공장 내부의 대류 조건보다 가혹하다고 가정하여 외기 온도 5℃, 대류 열전달 계수는 30 W/m² ･℃를 적용하였다.
성능/효과
- 2) 개발된 도장 건조 설비의 열풍은 블록 측면에서 다수의 덕트를 통하여 공급하는 것이 도장 건조 성능 향상에 바람직하다.
- 3) 도장 건조 시간에 영향을 미치는 지배적 외기 인자는 온도이며 도료 별 건조 시간 예측식을 도출할 수 있는 방법을 정립 하였다.
- 14에 나타내었다. Fig. 14에서 확인되어지듯이 보간 프로그램에서의 보간 결과값과 CFD 열‧유동 해석 결과값이 블록내부 및 표면 평균온도와 건조장 평균온도, 국부온도에서 모두 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.
- 12와 같이 블록 내부에 75개 지점의 국부 온도를 추출하여 추출 위치에서의 시간 변화에 따른 온도변화 값들을 Curve fitting을 통하여 시간과 온도의 함수로 데이터베이스를 구축을 하였다. 구축된 데이터베이스를 바탕으로 본 연구를 통해 개발된 시뮬레이터는 외기온도에서 임계 도막 건조 온도까지의 도달시간 추정이 가능하게 된다. 하지만 프로그램에서 사용자가 입력한 열풍기 조건 설정값이 구축된 데이터베이스들의 열풍기 조건 설정값에 없는 경우 입력한 열풍기 조건에 맞는 특정 지점에서의 온도값을 얻어야 한다.
- 본 예측식을 적용할 때 블록 표면의 온도와 블록 내부의 환기 상태를 고려해야 하며 블록 표면의 온도가 이슬점 온도보다 낮을 경우 또는 블록 내부의 환기가 불량하여 휘발성 물질의 배출이 어려운 도장 건조 시스템에서는 실제 도장 건조 시간이 예측 결과보다 다소 길어질 수 있다.
- 해석 결과, 열풍의 상부 공급 방식(CASE-1)은 열풍기 가동 28분 후에 볼록 내부의 평균 온도가 20℃에 도달하였으나 열풍의 측면 공급 방식(CASE-2~5)은 모든 경우에서 5분 이내에 평균온도가 20℃에 도달하여 큰 차이가 없었다. 본 연구에서 또 다른 설계 기준으로 삼은 AR, TSD를 Fig.
후속연구
- 개발된 건조 설비는 도장 건조 완료 후 도장 건조 품질을 보증하기 위해 열 공급 시스템이 열･유동적 측면에서 최적 설계되어야 하며 더 나아가 도장 공정의 생산 효율성 증대를 위해 열 공급 시스템의 운전 상황에 따른 선체 블록 내부의 도장 건조 시간 예측이 요구된다. 이를 통해 개발 건조 설비의 운전 자동화 및 에너지 투입량의 절감에 기여하는 부차적 효과를 얻을 수 있다.
- 4) 선체 블록 도장 건조 설비에서 블록 내부의 도장 건조 시간을 예측할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 추가적으로, 실제 도장 건조 설비의 운전을 통해 얻어진 실험 결과와 개발 프로그램에서의 예측값 사이의 비교를 통한 검증이 필요하다고 판단되며 이러한 검증을 통해 미비한 점들이 발견될 경우 보완 작업을 통해 계속적으로 프로그램을 Upgrade할 예정이다.
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