KR100706046B1 - 환경 친화형 선박 열교환장치 및 방법 - Google Patents

환경 친화형 선박 열교환장치 및 방법 Download PDF

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삼성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 선박의 기계류 냉각용 청수(fresh water)와 열교환을 완료하여 청수/해수 열교환기로부터 빠져나온 고온의 해수(sea water)를 연결배관를 통해서 밸러스트 탱크에 저장 또는 재사용함에 따라서, 주변 해역 생태계 교란 및 파괴를 최소화하고, 각 나라의 자국 해역 해수 사용 및 선박 배출수 규제를 만족할 수 있는 환경 친화형 선박 열교환장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 환경 친화형 선박 열교환장치는 선박의 기계류(110)를 냉각시키기 위해 청수(fresh water)/해수(sea water) 열교환기(120)와 청수펌프(130)를 폐순환 구조의 청수라인(100)에 설치하되, 청수/해수 열교환기(120)에서 청수와 열교환을 수행하는 해수가 밸러스트 탱크(300)를 경유하여 청수/해수 열교환기(120)쪽으로 회송되게 배관된 해수라인(200)과; 해수라인(200) 상에 해수를 가압 이송시키도록 결합된 복수개의 해수펌프(220)와; 청수/해수 열교환기(120)와 밸러스트 탱크(300)의 사이에 배관된 회수관(310)과; 밸러스트 탱크(300)로부터 해수를 해수펌프(220)쪽으로 이송시킬 수 있게 결합된 회송관(320)을 포함한다.
열교환, 해수, 청수, 밸러스트 탱크, 해수함, 펌프

Description

환경 친화형 선박 열교환장치 및 방법{Environment friendly heat exchanger for ships and method thereof}
도 1은 종래기술에 따른 선박 열교환장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 환경 친화형 선박 열교환장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 환경 친화형 선박 열교환장치에서 밸러스트 탱크에 해수를 보관 및 재사용하는 응용예를 설명하기 위한 블록도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
100 : 청수라인 110 : 기계류
120 : 청수/해수 열교환기 140 : 제1삼방밸브
200 : 해수라인 201 : 해수함
210 : 제2삼방밸브 220 : 해수펌프
300 : 밸러스트 탱크 310 : 회수관
320 : 회송관 400 : 전자밸브제어부
본 발명은 환경 친화형 선박 열교환장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 엘엔지선, 대형선박 등에 설치된 엔진, 동력전달장치, 난방, 공기조화, 폐열회수 등과 같이 선박에서 냉각이 요구되거나 소비하는 기계류(이하, '기계류'라 칭함)를 위한 환경 친화형 선박 열교환장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 연료유(fuel oil), 해수(sea water)가 아닌 담수 등을 의미하는 청수(fresh water), 선박의 무게중심을 조절하기 위해 밸러스트 탱크(ballast tank)에 저장되어 된 해수, 윤활유(lubrication oil) 등과 같은 다양한 액상 물질을 격벽(bulkhead)으로 한정되는 선박의 내부의 구획된 공간에 배치 및 보관하고 있다.
이런 선박의 열교환기는 선박의 엔진 등과 같은 기계류에서 나오는 열을 차갑게 해주는 것으로서, 자동차의 라디에이터와 비슷한 역할을 한다. 열교환기는 수 미터의 에어 쿨러, 윤활유 쿨러 또는 청수 쿨러 등과 같이 수십 여종이 선박에 적용되어 사용되고 있다.
특히, 청수 쿨러는 선박의 기계류 냉각 시스템(machinery cooling system)의 일종으로서, 기계류의 냉각을 위해 청수를 폐순환 시키는 방법을 사용하고 있다.
예컨대, 종래 기술에 따른 선박 열교환장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 폐순환 구조로서 청수가 채워진 청수라인(1)과, 이런 청수라인(1) 및 청수 쿨러(4)에서 교차되는 해수유동라인을 갖는다. 여기서, 청수라인(1) 상에는 기계류(3)와 청수 쿨러(4)가 배관되어 있다.청수는 순환펌프(2)에 의해 청수라인(1)을 따라 폐순환을 하면서, 기계류(3)를 통과하면서 가열(heating)되고, 청수 쿨러(4)에서 냉각된다.
해수유동라인은, 선체의 흘수선(吃水線) 아래에 있는 해수 배출입 설비의 일종인 해수함(5, sea chest)과, 이런 해수함(5)으로부터 공급받은 해수를 가압시키는 해수순환펌프(6)를 갖는 해수유입관(7)과, 이런 해수유입관(7)에 연결되고 청수 쿨러(4)의 내부에 배치된 전열관(8)과; 이런 전열관(8)에 연결되어 청수 쿨러(4)의 출수측에 배관된 출수관(9)과; 이런 출수관(9)의 관연결부재(10)와 관통하게 결합되며 상기 청수 쿨러(4)에서 청수와 열교환을 완료함에 따라 고온이 된 해수를 주변 해역으로 방출시키는 배수관(11)을 포함한다.
즉, 종래 기술에 따른 선박 열교환장치는 기계류(3)를 냉각시킴에 따라 가열된 청수를 청수 쿨러(4)에서 주변 해역 해수와 열교환 과정을 통해 냉각시키고, 이때 열교환을 위해 사용한 해수는 별도의 처리과정 없이 다량의 열을 함유하고 있고, 그대로 주변 해역으로 방출된다. 이는 현재 강화되는 각 나라의 자국 해역 해수 사용 및 선박 배출수 규제에 반할 뿐 아니라 실재 생태계 교란 또는 파괴를 일으키는 원인으로 지적되고 있다.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 선박의 기계류 냉각용 청수와 열교환을 완료하여 청수/해수 열교환기로부터 빠져나온 고온의 해수를 연결배관를 통해서 밸러스트 탱크에 저장 또는 재사용함에 따라서, 주변 해역 생태계 교란 및 파괴를 최소화하고, 각 나라의 자국 해역 해수 사용 및 선박 배출수 규제를 만족할 수 있는 환경 친화형 선박 열교환장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 따르면, 청수라인과 해수라인을 통해서 열교환을 끝마친 고온의 해수를 주변 해역의 해수 온도에 맞게 저감시킨 후 방류시킴에 따라 생태계 파괴를 최소화 할 수 있는 환경 친화형 선박 열교환방법을 제공하고자 한다.
앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 목적은, 선박의 기계류를 냉각시키기 위해 청수(fresh water)/해수(sea water) 열교환기와 청수펌프를 폐순환 구조의 청수라인에 설치한 환경 친화형 선박 열교환장치에 있어서, 상기 청수/해수 열교환기에서 청수와 열교환을 수행하는 해수가 밸러스트 탱크를 경유하여 상기 청수/해수 열교환기쪽으로 회송되게 배관된 해수라인과; 상기 해수라인 상에 상기 해수를 가압 이송시키도록 결합된 복수개의 해수펌프와; 상기 청수/해수 열교환기와 상기 밸러스트 탱크의 사이에 배관된 회수관과; 상기 밸러스트 탱크로부터 해수를 상기 해수펌프쪽으로 이송시킬 수 있게 결합된 회송관을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경 친화형 선박 열교환장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 환경 친화형 선박 열교환장치는 청수 쿨러(fresh water cooler)와 같은 청수/해수 열교환기에서 열교환을 완료하여 가열된 고온의 해수를 주변 해역으로 직접 방출시키지 않는 대신 연결배관에 해당하는 회수관 및 회송관을 통해서 밸러스트 탱크에 보관시켜 재사용하는 기술적 방법을 구현한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 환경 친화형 선박 열교환장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이고, 도 3은 도 2에 도시된 환경 친화형 선박 열교환장치에서 밸러스트 탱크에 해수를 보관 및 재사용하는 응용예를 설명하기 위한 블록도이다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 환경 친화형 선박 열교환장치는 폐순환 구조의 청수라인(100)과 밸러스트 탱크(300)를 경유한 순환 구조의 해수라인(200)을 갖는다.
밸러스트 탱크(300)는 수백톤의 저수량을 갖고 있으므로, 상대적으로 작은 유량을 갖는 청수/해수 열교환기(120)를 빠져나온 고온의 해수를 밸러스트 탱크(300)에 미리 저장된 해수와 열교환시켜 주변 해역의 해수 온도와 비슷하게 냉각시킬 수 있다.
청수라인(100)과 해수라인(200)은 고효율 대용량 청수/해수 열교환기(120)를 기준으로 상호 연결된다. 먼저, 청수라인(100)에 대해서 설명하고자 한다.청수라인(100) 상에는 냉각을 요하는 기계류(110)가 결합되어 있다.
기계류(110)는 엔진, 동력전달장치, 난방, 공기조화, 폐열회수, 발전기 등을 의미하는 것으로서 냉각된 저온의 청수를 공급받아 기계류(110)에 존재하는 고열과 열교환을 수행하고, 가열된 고온의 청수를 배출한다. 기계류(110)는 그의 입수측 및 출수측에 제반적이고 일반적인 방식에 의한 기계류배관라인(도시 안됨)을 구비하고 있고, 이런 기계류배관라인에 청수라인(100)이 순환할 수 있도록 결합된다.
또한, 청수라인(100) 상에는 청수를 폐순환 구조로 유동시키기 위한 압력을 발생시키는 복수개의 중앙냉각 청수펌프(130, central cooling fresh water pump)(이하, '청수펌프'라 칭함)가 결합되어 있다.
청수펌프(130)는 청수펌프입수관(101)을 통해 청수를 공급받은 후, 기계류(110) 쪽으로 청수를 가압 이송시킨다.청수펌프입수관(101)은 제1삼방밸브(140)의 출구에 배관된다.제1삼방밸브(140)의 제1입구는 청수/해수 열교환기(120)의 출수측 분지관(104, 105)이 하나의 냉수관(102)과 연결되며, 제1삼방밸브(140)의 제2입구는 청수/해수 열교환기(120)의 바이패스관(103)과 연결된다.
제1삼방밸브(140)는 냉수관(102)과 바이패스관(103) 중 어느 하나를 선택적으로 개방시킬 때 다른 하나를 폐쇄시켜서, 결국 폐순환 구조 내에서 청수로 하여금 청수/해수 열교환기(120)를 통과하거나 또는 청수/해수 열교환기(120)를 바이패스 하여 청수펌프입수관(101) 쪽으로 유동하게 한다.
제1삼방밸브(140)는 통상의 전자밸브제어부에 연결되며, 제1삼방밸브(140)의 선택적 개폐는 전자밸브제어부의 메모리에 미리 설정된 일반적인 선택적 밸브개폐 제어 알고리즘을 프로세서(processor)로 액세스하여 수행된다.예컨대, 전자밸브제어부의 프로세서는 미리 정하여 메모리에 저장된 설계값과 각종 배관의 각종 계측기(예 : 온도센서, 유량계, 압력계)에서 측정한 측정값을 비교 체크하는 바와 같 이, 선택적 밸브개폐를 실행 및 조절하는 선택적 밸브개폐 제어 알고리즘에 상응하게, 제1삼방밸브(140)의 개방, 폐쇄 및 개방량(또는 폐쇄량)을 제어하도록 전자회로적으로 구성될 수 있다.
청수/해수 열교환기(120)의 입수측에는 청수라인(100)에서 병렬 형식으로 청수를 청수/해수 열교환기(120)에 입수시키도록 입수측 분지관(106, 107)이 결합되어 있다. 청수/해수 열교환기(120)는 다양한 열교환기형식, 예컨대 평판형, 이중관형, 원통다관형, 공냉형, 코일형 중 어느 하나의 형식을 갖는 열교환장치 내지 열교환시스템을 의미한다.
청수/해수 열교환기(120)는 입수측 분지관(106, 107)을 통해 상대적으로 대량의 청수를 받아드린 후, 청수/해수 열교환기(120)의 외관 몸체의 내부에서 해수와의 열교환을 위해 기계류(110)를 빠져나온 고온의 청수를 유동시킴에 따라 냉각된 저온의 청수를 배출시키는 열교환부(121)를 갖는다.
저온의 청수는 청수/해수 열교환기(120)의 열교환부(121)로부터 출수측 분지관(104, 105), 냉수관(102), 청수펌프입수관(101), 청수펌프(130) 및 그의 청수펌프출수관(108)을 통해 기계류(110)에 공급된다.
저온의 청수는 기계류(110)에서 열교환을 수행하면서 가열됨에 따라 다시 고온의 청수가 되며, 이후 입수측 분지관(106, 107)을 통해 청수/해수 열교환기(120)로 유입되거나, 청수/해수 열교환기(120)를 바이패스 하는 바와 같이, 폐순환 구조 내에서 순환하게 된다.
이하, 해수라인(200)에 대해서 설명하고자 한다.해수라인(200) 상에는 해수 를 해수라인(200) 쪽으로 유입시키는 해수함(201, sea chest)과; 이런 해수함(201)의 출수측 배관(202)에 제1입구를 관통하게 연결한 제2삼방밸브(210)가 설치되어 있다.
또한, 해수라인(200)에서 제2삼방밸브(210)의 출구에는 해수펌프입수관(203)이 배관된다.
해수펌프입수관(203)은 제2삼방밸브(210)의 출구로부터 복수개의 메인냉각 해수펌프(220, main cooling sea water pump)(이하, '해수펌프'라 칭함)까지 연장 및 관통하게 연결되어 있다.
해수펌프(220)는 해수라인(200)의 해수를 청수/해수 열교환기(120) 쪽으로 이송시키거나, 청수/해수 열교환기(120)를 통과한 해수를 밸러스트 탱크(300) 쪽으로 회송시키는 역할을 담당한다.
이때, 제2삼방밸브(210)는 그의 선택적 밸브개폐에 따라 해수함(201)에서 유입된 해수, 또는 선박의 무게중심을 조절하기 위해 밸러스트 탱크(300)에 미리 저장된 해수, 또는 청수/해수 열교환기(120)에서 열교환을 완료하여 밸러스트 탱크(300)로 유입 및 보관된 해수, 상기 해수들이 혼합된 해수 중 어느 하나의 해수의 유동을 제어하는 역할을 담당한다.
해수펌프(220)는 제2삼방밸브(210)와 청수/해수 열교환기(120)의 사이에서 매니폴더형 배관을 통해 복수개로 설치된다.
예컨대, 해수펌프(220)는 적어도 3개로 설치되어서 신속하게 대량의 해수를 이송시킬 수 있는 펌프 용량을 갖는 것이 바람직하다.
해수펌프(220)는 그의 출수측 배관을 청수/해수 열교환기(120)의 전열부(122)의 입구에 연결시키고 있다.
전열부(122)는 청수/해수 열교환기(120)의 해당 열교환기형식에 상응한 구조로 형성된 것으로서, 예컨대 열교환기형식이 평판형(Plate Type)인 경우, 유로 및 강도를 고려하여 요철(凹凸)형으로 프레스 성형된 복수개의 전열판을 포개서 교대로 각기 해수가 흐르게 한 구조를 갖는다.
전열부(122)의 출구에는 전열부출수관(204)이 관통하게 연결되어 있다.
전열부(122)의 반대쪽 부위에 해당하는 전열부출수관(204)의 반대쪽 단부는 관연결부재(205)의 일측과 관통하게 연결되어 있다.
관연결부재(205)의 타측에는 상기 청수/해수 열교환기(120)의 전열부(122)를 통과하여 고온이 된 해수를 밸러스트 탱크(300)로 이송할 수 있는 회수관(310)이 관통하게 결합되어 있다.
회수관(310)의 출구는 밸러스트 탱크(300)의 내부로 연장되어 고온의 해수를 밸러스트 탱크(300)로 유입시킬 수 있도록 되어 있다.
여기서, 회수관(310)의 출구에는 벨마우스(311, bellmouth) 또는 매니폴더형 출수구 등이 더 결합되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 밸러스트 탱크(300)는 그의 체적 공간 능력에 대응하게 복수개의 웨브(web, 미도시)로 구획된 복수개의 내부 공간을 기준으로, 해수를 충진시키는 위치 또는 해수 충진량에 따라 선박의 무게중심을 조절하는 목적과 용도를 갖고 미리 선박에 설치되어 있다.
이런 밸러스트 탱크(300)는 도시되어 있지는 않지만, 선박의 소정 위치에 설치된 복수개의 밸러스트 조절펌프, 이런 밸러스트 조절펌프로부터 선박외측까지 연결된 별도의 해수유입관, 일측이 상기 밸러스트 조절펌프에 연결되고 타측이 선체 내부에서 선수미방향으로 길게 연장되어 있는 주관, 일측이 상기 주관과 연결되고 타측이 밸러스트 탱크(300) 내부에 위치하는 별도의 분지관, 상기 분지관 상에 장착되어 있는 복수개의 밸러스트 조절밸브를 더 구비할 수 있다.
본 발명은 이런 밸러스트 탱크(300)를 열교환 목적으로 활용하는 것으로서, 회수관(310)을 통해서 밸러스트 탱크(300)에 고온의 해수를 저장케 하고, 이후 자연 냉각 방식에 의해 저온의 해수로 변환시키게 된다.
고온의 해수가 밸러스트 탱크(300)에서 자연 냉각 방식에 의해 저온의 해수로 변환될 수 있는 이유는 다음과 같다.
첫째, 청수/해수 열교환기(120)를 통과한 고온의 해수는 선박의 무게중심을 위해 채워져 있는 저온의 해수와 자연스럽게 혼합되기 때문에, 청수/해수 열교환기(120)를 빠져나올 때의 온도보다 상대적으로 낮은 온도로 냉각될 수 있다.
둘째, 상기 첫째 이유로 인해 상대적으로 낮은 온도를 갖는 해수는, 제2삼방밸브(210) 및 해수펌프입수관(203)에서, 주변 해역으로부터 해수함(201)을 통해 유입된 저온의 해수와 혼합됨에 따라, 온도 저하가 이루어지기 때문이다.
셋째, 청수/해수 열교환기(120)를 통과한 고온의 해수는 밸러스트 탱크(300)의 빈 공간에 채워지고, 밸러스트 탱크(300) 내에서 장시간 머물러 있게 됨에 따라 자연스럽게 냉각되기 때문이다.
넷째, 하기에 설명할 바와 같이, 밸러스트 탱크(300) 내부에 구획된 공간에 고온의 해수를 순차적으로 저장하고 순차적으로 배출시킴에 따라, 자연 냉각에 의해 온도가 내려간 저온의 해수를 다시 청수/해수 열교환기(120)로 이송하여 재사용할 수 있게 한다.
한편, 밸러스트 탱크(300)에는 냉각된 해수를 제2삼방밸브(210), 해수펌프(220)를 통해 다시 청수/해수 열교환기(120) 쪽으로 회송시키기 위한 회송관(320)이 관통하게 결합되어 있다.
여기서, 회송관(320)의 입구에는 벨마우스(321) 또는 매니폴더형 입수구 등이 더 결합되어 있는 것이 바람직하다.
벨마우스(321)의 반대쪽 부위에 해당하는 회송관(320)의 반대쪽 단부는 제2삼방밸브(210)의 제2입구와 연결된다.
제2삼방밸브(210)는 회송관(320)과 해수함(201)의 출수측 배관(202) 중 어느 하나를 선택적으로 개방시킬 때 다른 하나를 폐쇄시켜서, 결국 밸러스트 탱크(300)를 경유한 순환 구조의 해수 또는 주변 해역에서 입수된 해수 중 어느 하나로 하여금 해수펌프입수관(203) 쪽으로 유동하게 한다.
제2삼방밸브(210)는 앞서 설명한 전자밸브제어부에 연결되어서, 그의 선택적 개폐가 미리 정해진 선택적 밸브개폐 제어 알고리즘에 상응하게 제어되는 것이 바람직하다.
예컨대, 제2삼방밸브(210)용 밸브개폐 제어 알고리즘은 회송관(320) 및 해수함(201)의 출수측 배관(202)에 설치된 계측기(예 : 온도계)에서 측정한 측정값과 미리 정하여 메모리에 저장된 설계값을 비교하여, 적정 온도를 갖거나 상대적으로 낮은 온도를 갖는 해수가 존재하는 곳을 체크하고, 이후 체크 결과에 대응하게 회송관(320) 또는 해수함(201)의 출수측 배관(202) 중 어느 하나를 개방시키고 다른 하나를 폐쇄시키거나, 또는 개방 및 폐쇄시 그의 개방량 또는 폐쇄량을 조정하도록 제2상발밸브(210)의 선택적 밸브개폐 작동을 제어할 수 있다.
이런 본 발명은 종래 기술에서 고온의 해수를 직접 주변 해수로 방류할 때 발생하는 주변 해역 생태계 파괴를 최소화 할 수 있고, 자국 해역 해수 사용 및 선박 배출수 규제에 적극적으로 대응할 수 있는 환경 친화형 선박 열교환을 수행할 수 있게 된다.
예컨대, 청수라인(100)에서 청수는 청수/해수 열교환기(120)로부터 그의 출수측 분지관(104, 105), 냉수관(102), 제1삼방밸브(140), 청수펌프입수관(101), 청수펌프(130), 청수펌프출수관(108)을 지나 기계류(110)에 유입된 후, 기계류(110)를 냉각시킴에 따라 가열되어 고온의 청수가 된다.
청수라인(100)에서 고온의 청수는 입수측 분지관(106, 107)을 지나 청수/해수 열교환기(120)로 이송되거나, 청수/해수 열교환기(120)를 바이패스 하도록 바이패스관(103)을 통해 직접 제1삼방밸브(140)로 이송될 수 있다.
고온의 청수와 저온의 해수는 청수/해수 열교환기(120)의 열교환부(121)와 전열부(122)를 각각 통과하면서 상호 열교환을 수행한다.
열교환을 완료하여 가열된 고온의 해수는 해수라인(200)에서 전열부출수관(204), 관연결부재(205), 회수관(310)을 지나 밸러스트 탱크(300)에 저장되고, 앞 서 언급한 바와 같이 자연 냉각되어 저온의 해수가 된다.
제2삼방밸브(210)의 소정 작동 상황에 대응하게, 밸러스트 탱크(300)의 저온의 해수는 회송관(320), 제2삼방밸브(210), 해수펌프입수관(203), 해수펌프(220)를 지나 청수/해수 열교환기(120)의 전열부(122) 쪽으로 이송된다.
물론, 제2삼방밸브(210)의 다른 작동 상황에 대응하게, 주변 해역의 저온의 해수는 해수함(201) 및 그의 출수측 배관(202), 제2삼방밸브(210), 해수펌프입수관(203), 해수펌프(220)를 지나 청수/해수 열교환기(120)의 전열부(122) 쪽으로 유입되거나, 상기 밸러스트 탱크(300)의 저온의 해수와 혼합 및 이송 될 수 있음은 물론이다.
이하, 환경 친화형 선박 열교환방법에 대해서 설명하도록 하겠다.
본 발명의 환경 친화형 선박 열교환방법은, 청수가 입수측 분지관(106, 107)을 통해서 청수/해수 열교환기(120)를 통과하도록 제1삼방밸브(140)의 냉수관(102) 개방 작동 및 바이패스관(103) 폐쇄 작동을 하는 제1밸브작동단계와; 상기 제1밸브작동단계에서 계측기의 측정값을 기준으로 전자밸브제어부의 전택적 밸브개폐 제어가 수행될 때, 청수가 청수/해수 열교환기(120)를 바이패스하도록 제1삼방밸브(140)의 냉수관(102) 폐쇄 작동 및 바이패스관(103) 개방 작동을 하는 제2밸브작동단계를 갖는다.
이후, 본 발명의 열교환방법에서는, 상기 제1밸브작동단계와 상기 제2밸브작동단계시 청수가 폐순환 구조의 청수라인(100)을 따라 순환하게 하는 청수펌프(130)의 제1펌프작동단계와; 상기 제1펌프작동단계에 의해 청수가 상기 청수라인 (100)을 순환하는 도중 기계류(110)에서 1차열교환을 수행하는 제1열교환 단계와; 상기 제1열교환단계 이후 상기 청수/해수 열교환기(120)로 회귀한 청수가 해수와 2차열교환을 수행하는 제2열교환 단계가 수행된다.
또한, 본 발명의 열교환방법에서는, 해수가 밸러스트 탱크(300)를 갖는 해수라인(100)을 따라 순환하게 하는 해수펌프(220)의 제2펌프작동단계와; 상기 제2펌프작동단계에 의해 해수가 상기 청수/해수 열교환기(120)를 통과하는 도중 청수와 상기 제2열교환단계를 끝마친 다음 상기 밸러스트 탱크(300)의 내부로 유입되는 탱크유입단계와; 상기 밸러스트 탱크(300)에 유입된 해수가 자연 냉각되는 자연냉각단계와; 상기 자연냉각단계 후 온도가 저하된 해수가 제2삼방밸브(210)의 유로의 선택적 개폐에 대응하게 상기 청수/해수 열교환기(120)로 회귀하거나 주변 해역으로 방류되는 해수처리단계가 수행된다.
이하, 본 발명에서 앞서 언급한 회수관(310) 및 회송관(320)을 이용하여, 환경 친화형 선박 열교환장치에서 밸러스트 탱크에 해수를 보관 및 재사용하는 응용예를 설명하고자 한다.
도 3에 도시되고 앞서 설명한 바와 같이, 회수관(310)은 청수/해수 열교환기(120)에서 열교환을 완료하여 고온의 해수를 밸러스트 탱크(300)에 공급하는 역할을 담당한다.
이때, 밸러스트 탱크(300)는 대형 선박의 경우, 선수 및 선수를 연결하는 센터 라인(301)을 기준으로, 일측(예 : 좌측)에 위치한 복수개의 포트(port) 밸러스트 탱크(302, 305)(예 : 제1 내지 제6포트 밸러스트 탱크)와; 타측(예 : 우측)에 위치한 복수개의 스타보드(starboard) 밸러스트 탱크(303, 306)(예 : 제1 내지 제6스타보드 밸러스트 탱크)와; 각각 이들 탱크(302, 303, 305, 306)들을 구획하는 구조를 갖는 격벽 또는 웨브(304, web)로 이루어져 있다.
본 발명의 환경 친화형 선박 열교환장치는, 각각 고온의 해수를 선택적이거나 단계적으로 복수개의 포트 밸러스트 탱크(302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306)에 유입시키도록 회수관(310)의 끝단에 각각 배관된 복수개의 회수분지관(312, 313)과; 포트 밸러스트 탱크(302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306) 각각으로부터 저온의 해수를 선택적이거나 단계적으로 배출시키도록 회송관(320)의 끝단에 각각 배관된 복수개의 회송분지관(322, 323)을 더 갖는 것이 바람직하다.
여기서, 회수분지관(312, 313)과 회송분지관(322, 323)에는 각각 분지관개폐밸브(314, 324)가 설치된다.각각의 분지관개폐밸브(314, 324)는 밸브제어를 위한 연결전선 및 통상의 직렬통신 기술을 이용하여 전자밸브제어부(400)에 연결된다.
한편, 포트 밸러스트 탱크(302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306)에는 각각의 저수 공간에 채워질 해수의 저수량을 감지하기 위한 플로팅 센서, 전극봉 센서, 상기 회수분지관(312, 313) 및 회송분지관(322, 323)에 설치 가능한 유량 센서 중 어느 하나의 센서로 이루어진 통상의 저수량 감지센서(401)와, 보관된 해수의 온도를 측정하기 위한 온도센서(402)가 설치되어 있다.
저수량 감지센서(401) 및 온도센서(402)는 센서연결전선 및 통상의 센서네트워크 기술(예 : 직렬통신, 지그비 등)을 이용하여 전자밸브제어부(400)에 연결된 다.
전자밸브제어부(400)는 저수량 감지센서(401) 및 온도센서(402)로부터 읽어온 센서값을 전자밸브제어부(400)의 메모리에 미리 저장된 인덱스에 비교 및 체크하여, 포트 밸러스트 탱크(302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306)별 저수량 또는 온도가 인덱스의 해당 인덱스값에 일치 또는 허용범위 내에서 유사할 경우, 해당 회수분지관(312, 313) 및 회송분지관(322, 323)의 분지관개폐밸브(314, 324)를 선택적으로 개폐시키도록 전자회로적으로 구성되어 있다.
이런 경우, 청수/해수 열교환기(120)에서 열교환을 완료하여 가열된 고온의 해수는, 전자밸브제어부(400)의 제어에 의해서, 순차적 또는 단계적으로 포트 밸러스트 탱크(302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306) 중 어느 하나에 채워지고, 포트 밸러스트 탱크(302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306) 중 다른 하나로부터 청수/해수 열교환기(120)까지 이송될 수 있다.
예컨대, 전자밸브제어부(400)는 초기 상태에서 모든 포트 밸러스트 탱크(302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306)에 관련된 분지관개폐밸브(314, 324)를 폐쇄시킨다.
이후, 전자밸브제어부(400)는 첫 번째 포트 밸러스트 탱크(302) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303)에 배관된 첫 번째 회수분지관(312)의 분지관개폐밸브와, 두 번째 포트 밸러스트 탱크(305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(306)에 배관된 두 번째 회송분지관(324)의 분지관개폐밸브를 각각 개방시킨다.
이런 경우, 청수/해수 열교환기(120)의 작동 가운데 고온의 해수는 첫 번째 포트 밸러스트 탱크(302) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303)에 채워지고, 두 번째 포트 밸러스트 탱크(305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(306)에 미리 저장된 저온의 해수는 청수/해수 열교환기(120) 쪽으로 이송된다.
전자밸브제어부(400)는 저수량 감지센서(401) 및 온도센서(402)의 작동에 대응하게 저수량(예 : 만수량) 또는 온도값을 순차적으로 전달 받는다.
전자밸브제어부(400)는 전달 받은 저수량 또는 온도값을 메모리에 임시 기록하고, 메모리에 미리 저장된 인덱스에서 해당 첫 번째 포트 밸러스트 탱크(302) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303)의 해당 인덱스값을 독취한 후, 독취한 인덱스값과 상기 임시 기록된 저수량 및 온도값을 비교 체크한다.
전자밸브제어부(400)는 첫 번째 포트 밸러스트 탱크(302) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303)가 만조가 되거나 또는, 인덱스값의 온도보다 같거나 허용범위 내에서 유사한 시점을 판단한다.
이렇게 판단된 시점에서, 전자밸브제어부(400)는 두 번째 포트 밸러스트 탱크(305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(306)에 배관된 두 번째 회수분지관(313)의 분지관개폐밸브와, 세 번째 포트 밸러스트 탱크 및 스타보드 밸러스트 탱크에 배관된 세 번째 회송분지관의 분지관개폐밸브를 각각 개방시킨다.
이와 함께 전자밸브제어부(400)는, 앞서 개방시켰던 첫 번째 포트 밸러스트
탱크(302) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303)에 배관된 첫 번째 회수분지관(312)의 분지관개폐밸브와, 두 번째 포트 밸러스트 탱크(305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(306)에 배관된 두 번째 회송분지관(323)의 분지관개폐밸브를 각각 폐쇄시킨다.
이런 경우, 청수/해수 열교환기(120)의 작동 가운데 고온의 해수는 두 번째 포트 밸러스트 탱크(305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(305)에 채워지고, 세 번째 포트 밸러스트 탱크 및 스타보드 밸러스트 탱크에 미리 저장된 저온의 해수는 청수/해수 열교환기(120) 쪽으로 이송된다.
그리고, 첫 번째 포트 밸러스트 탱크(302) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303)에 채워진 고온의 해수는 자연 냉각을 통해 저온의 해수로 변환되어, 추후 청수/해수 열교환기(120)의 열교환에 사용되게 된다.
본 발명의 응용예에 따른 환경 친화형 선박 열교환방법을 살펴보면, 밸러스트 탱크(300) 내부로 유입된 해수를 전자밸브제어부(400)에 의해 단계적으로 저장관리하는 탱크저장단계를 제외하고는 앞서 설명한 열교환방법과 유사 내지 동일하다.
여기서, 탱크저장단계에서는 전자밸브제어부(400)가, 저수량 감지센서(401) 및 온도센서(402)로부터 읽어온 센서값을 전자밸브제어부(400)의 메모리에 미리 저장된 인덱스에 비교 및 체크하여, 포트 밸러스트 탱크(302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306)별 저수량 또는 온도가 인덱스의 해당 인덱스값에 일치 또는 허용범위 내에서 유사할 경우, 해당 회수분지관(312, 313) 및 회송분지관(322, 323)의 분지관개폐밸브(314, 324)를 선택적으로 개폐시키는 밸브제어단계를 수행하
는 것이 바람직하다.
이와 같은 방식에 의해, 고온의 해수가 복수개의 포트 밸러스트 탱크 및 스타보드 밸러스트 탱크 중 첫 번째부터 마지막까지 각각 단계적으로 저장, 자연 냉 각 및 재사용을 반복하게 된다.
상기 실시예에 관한 설명은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니고, 본 실시예에서 개시된 표면처리장치의 설계 변경을 통해서 다양한 방법들이 더 존재할 수 있음은 물론이다.
즉, 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
본 발명의 환경 친화형 선박 열교환장치 및 방법은 청수/해수 열교환기에서 열교환을 완료하여 가열되어 선박 주변 해역의 해수 온도보다 높은 온도를 갖는 고온의 해수를 선박 주변 해역으로 직접 방출시키지 않고 밸러스트 탱크에 저장 및 재사용함에 따라, 현재 강화되고 있는 각 나라의 자국 해역 해수 사용 및 선박 배출수 규제에 적극적으로 대응할 수 있으며, 생태계 교란 및 파괴를 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 환경 친화형 선박 열교환장치 및 방법은 밸러스트 탱크에 복수개로 구획된 포트 밸러스트 탱크 및 스타보드 밸러스트 탱크에 순차적이거나 단계적으로 인터벌을 갖게 고온의 해수를 저장함에 따라, 별도의 고온의 해수 처리과정 없이 해수의 열원을 분산 냉각시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

  1. 선박의 기계류(110)를 냉각시키기 위해 청수(fresh water)/해수(sea water) 열교환기(120)와 청수펌프(130)를 폐순환 구조의 청수라인(100)에 설치한 환경 친화형 선박 열교환장치로서,
    상기 청수/해수 열교환기(120)에서 청수와 열교환을 수행하는 해수가 밸러스트 탱크(300)를 경유하여 상기 청수/해수 열교환기(120)쪽으로 회송되게 배관된 해수라인(200)과;
    상기 해수라인(200) 상에 상기 해수를 가압 이송시키도록 결합된 복수개의 해수펌프(220)와;
    상기 청수/해수 열교환기(120)와 상기 밸러스트 탱크(300)의 사이에 배관된 회수관(310)과;
    상기 밸러스트 탱크로(300)부터 해수를 상기 해수펌프(220)쪽으로 이송시킬 수 있게 결합된 회송관(320)을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경 친화형 선박 열교환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 청수라인(200)은 청수 이송의 바이패스를 위하여, 상기 청수펌프(130)의 청수펌프입수관(101)과, 상기 청수/해수 열교환기(120)의 출수측 분지관(104, 105)이 하나로 연결된 냉수관(102) 및, 상기 청수/해수 열교환기(120)의 바이패스관(103)을 연결한 제1삼방밸브(140)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환경 친화형 선박 열교환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 해수라인(200)은 주변 해역 해수와 상기 밸러스트 탱크(300)의 해수의 선택적 사용을 위해서, 상기 회송관(320)과, 상기 선박의 해수함(201)의 출수측 배관(202) 및, 상기 청수펌프(130)의 청수펌프입수관(101)을 연결한 제2삼방밸브(210)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환경 친화형 선박 열교환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸러스트 탱크(300)의 구획된 내부 공간에 해당하는 복수개의 포트 밸러스트 탱크(302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306)에 각각 고온의 해수를 선택적이거나 단계적으로 유입시키도록 상기 회수관(310)의 끝단에 각각 배관된 복수개의 회수분지관(312, 313)과;
    상기 포트 밸러스트 탱크(302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306) 각각으로부터 저온의 해수를 선택적이거나 단계적으로 배출시키도록 상기 회송관(320)의 끝단에 각각 배관된 복수개의 회송분지관(322, 323)과;
    상기 회수분지관(312, 313) 및 회송분지관(322, 323)에 설치된 분지관개폐밸브(314, 324)와;
    상기 분지관개폐밸브(314, 324)의 밸브개폐를 제어하게 결합된 전자밸브제어부(400)와;
    상기 전자밸브제어부(400)와 전기적으로 연결되어 상기 포트 밸러스트 탱크 (302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306) 각각의 저수 공간에 채워질 해수의 저수량을 감지하기 위한 플로팅 센서, 전극봉 센서, 상기 회수분지관 및 회송분지관에 설치 가능한 유량 센서 중 어느 하나의 센서로 이루어진 저수량 감지센서(401) 및;
    상기 전자밸브제어부(400)와 전기적으로 연결되어 상기 포트 밸러스트 탱크(302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306) 각각의 저수 공간에 채워질 해수의 온도를 측정하기 위한 온도센서(402)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환경 친화형 선박 열교환장치.
  5. 선박의 기계류(110)를 냉각시키기 위한 환경 친화형 선박 열교환방법에 있어서,
    청수가 입수측 분지관(106, 107)을 통해서 청수/해수 열교환기(120)를 통과하도록 제1삼방밸브(140)의 냉수관(102) 개방 작동 및 바이패스관(103) 폐쇄 작동을 하는 제1밸브작동단계와;
    상기 제1밸브작동단계에서 계측기의 측정값을 기준으로 전자밸브제어부(400)의 전택적 밸브개폐 제어가 수행될 때, 청수가 청수/해수 열교환기(120)를 바이패스하도록 제1삼방밸브(140)의 냉수관(102) 폐쇄 작동 및 바이패스관(103) 개방 작동을 하는 제2밸브작동단계와;
    상기 제1밸브작동단계와 상기 제2밸브작동단계시 청수가 폐순환 구조의 청수라인(100)을 따라 순환하게 하는 청수펌프(130)의 제1펌프작동단계와;
    상기 제1펌프작동단계에 의해 청수가 상기 청수라인(100)을 순환하는 도중 기계류(110)에서 1차열교환을 수행하는 제1열교환 단계와;
    상기 제1열교환단계 이후 상기 청수/해수 열교환기(120)로 회귀한 청수가 해수와 2차열교환을 수행하는 제2열교환 단계와;
    해수가 밸러스트 탱크(300)를 갖는 해수라인(100)을 따라 순환하게 하는 해수펌프(220)의 제2펌프작동단계와;
    상기 제2펌프작동단계에 의해 해수가 상기 청수/해수 열교환기(120)를 통과하는 도중 청수와 상기 제2열교환단계를 끝마친 다음 상기 밸러스트 탱크(300)의 내부로 유입되는 탱크유입단계와;
    상기 밸러스트 탱크(300)에 유입된 해수가 자연 냉각되는 자연냉각단계와;
    상기 자연냉각단계 후 온도가 저하된 해수가 제2삼방밸브(210)의 유로의 선택적 개폐에 대응하게 상기 청수/해수 열교환기(120)로 회귀하거나 주변 해역으로 방류되는 해수처리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경 친화형 선박 열교환방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 밸러스트 탱크(300) 내부로 유입된 해수를 전자밸브제어부(400)에 의해 단계적으로 저장관리하는 탱크저장단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환경 친화형 선박 열교환방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탱크저장단계에서는 상기 전자밸브제어부(400)가, 저수량 감지센서(401) 및 온도센서(402)로부터 읽어온 센서값을 상기 전자밸브제어부(400)의 메모리에 미리 저장된 인덱스에 비교 및 체크하여, 포트 밸러스트 탱크(302, 305) 및 스타보드 밸러스트 탱크(303, 306)별 저수량 또는 온도가 인덱스의 해당 인덱스값에 일치 또는 허용범위 내에서 유사할 경우, 해당 회수분지관(312, 313) 및 회송분지관(322, 323)의 분지관개폐밸브(314, 324)를 선택적으로 개폐시키는 밸브제어단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 환형 친화형 선박 열교환방법.
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