KR102519041B1 - 연료공급 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료공급 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 본 발명의 연료공급 시스템은, 액화가스 공급라인 상에 마련되어 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 액화가스를 강제 기화시켜 생성되는 증발가스를 수요처로 전달하는 강제기화기가 구비되는 연료공급 시스템으로서, 상기 액화가스 공급라인에 병렬로 연결되는 액화가스 우회라인과, 냉각 시스템에 연결되는 냉각수 순환라인 상에 마련되는 열교환장치를 포함하고, 상기 열교환장치는, 상기 액화가스 우회라인 상에 마련되어 상기 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 액화가스를 임시로 저장하는 제1버퍼탱크; 상기 냉각수 순환라인 상에 마련되어 상기 냉각 시스템으로부터 공급되는 냉각수를 임시로 저장하는 제2버퍼탱크; 및 상기 제1버퍼탱크의 내부에 설치되는 응축부와 상기 제2버퍼탱크의 내부에 설치되는 증발부로 이루어지며, 작동유체가 상기 응축부와 상기 증발부 사이를 순환하는 순환파이프부를 포함할 수 있다.

Description

연료공급 시스템 및 이를 포함하는 선박{Fuel Supply System and Ship having the same}
본 발명은 연료공급 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
선박은 대량의 광물이나 원유, 천연가스, 또는 몇 천 개 이상의 컨테이너 등을 싣고 대양을 항해하는 운송수단으로서, 강철로 이루어져 있고 부력에 의해 수선면에 부유한 상태에서 프로펠러의 회전을 통해 발생되는 추력으로 이동한다.
이러한 선박은 엔진이나 가스 터빈 등을 구동함으로써 추력을 발생시키는데, 이때 엔진은 가솔린 또는 디젤 등의 오일 연료를 사용하고 있으며, 최근에는, 액화가스의 일종인 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 운반하는 LNG 운반선에서 LNG를 연료로 사용하여 엔진이나 터빈 등의 수요처를 구동하는 LNG 연료공급 방식이 사용되고 있다. LNG는 청정연료이고 매장량도 석유보다 풍부하기 때문에, 수요처의 연료로 LNG를 사용하는 방식은 LNG 운반선 외의 다른 선박에도 적용되고 있다.
선박은 LNG 연료를 주/보조기관에 공급하기 위한 연료공급 시스템이 구비되며, 연료공급 시스템에서는 액체 상태의 LNG를 강제기화기를 이용해 상온으로 가열하여 증발가스 상태로 주/보조기관에 연료로 공급하고 있다. 강제기화기는 일반적으로 보일러에서 생성되는 스팀을 열원으로 사용하여 LNG를 기화시키고 있으며, 이때 극저온 액체인 LNG의 안정적인 기화를 위한 강제기화기의 부하가 높아질 수 밖에 없는 등 해결해야 하는 문제들이 다수 존재하는 상황이어서, 청정연료인 LNG를 이용하여 선박 내의 수요처에 공급하는 기술에 대해 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다.
또한, LNG를 연료로 사용하는 선박은, LNG가 가진 냉열을 엔진 냉각 시스템과 연계하거나, 선실의 HVAC(heating, ventilation, & air conditioning) 및 냉동고를 위한 칠드워트 시스템(Chilled water system) 등 다양한 냉각 시스템에 활용하기 위한 기술이 개발되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 강제기화기의 부하를 감소시키면서 냉각 시스템의 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 연료공급 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료공급 시스템은, 액화가스 공급라인 상에 마련되어 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 액화가스를 강제 기화시켜 생성되는 증발가스를 수요처로 전달하는 강제기화기가 구비되는 연료공급 시스템으로서, 상기 액화가스 공급라인에 병렬로 연결되는 액화가스 우회라인과, 냉각 시스템에 연결되는 냉각수 순환라인 상에 마련되는 열교환장치를 포함하고, 상기 열교환장치는, 상기 액화가스 우회라인 상에 마련되어 상기 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 액화가스를 임시로 저장하는 제1버퍼탱크; 상기 냉각수 순환라인 상에 마련되어 상기 냉각 시스템으로부터 공급되는 냉각수를 임시로 저장하는 제2버퍼탱크; 및 상기 제1버퍼탱크의 내부에 설치되는 응축부와 상기 제2버퍼탱크의 내부에 설치되는 증발부로 이루어지며, 작동유체가 상기 응축부와 상기 증발부 사이를 순환하는 순환파이프부를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1버퍼탱크에 저장된 액화가스는, 상기 응축부를 유동하는 온열의 작동유체와의 열교환으로 기화되어 증발가스 상태로 상기 강제기화기로 공급되고, 상기 제2버퍼탱크에 저장된 냉각수는, 상기 증발부를 유동하는 냉열의 작동유체와의 열교환으로 냉각되어 상기 냉각 시스템으로 공급될 수 있다.
구체적으로, 상기 응축부는, 상기 제1버퍼탱크의 내부에 설치되며, 상기 증발부에서 냉각수에 의해 가열된 온열의 작동유체가 유동하는 제1유동관로와, 상기 제1유동관로의 일단 및 타단에 상기 제1버퍼탱크를 관통하는 제1입구 및 제1출구로 이루어지고, 상기 증발부는, 상기 제2버퍼탱크의 내부에 설치되며, 상기 응축부에서 액화가스에 의해 냉각된 냉열의 작동유체가 유동하는 제2유동관로와, 상기 제2유동관로의 일단 및 타단에 상기 제2버퍼탱크를 관통하는 제2입구 및 제2출구로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 증발부는, 상기 제2유동관로의 내부 표면에 윅 구조물이 형성되어 작동유체가 무동력으로 순환할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1유동관로 및 상기 제2유동관로는, 복수의 메탈 플레이트가 부착되거나, 메탈 폼으로 둘러싸여 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 순환파이프부는, 상기 제1입구와 제2출구가 직접 연결되고, 상기 제1출구와 상기 제2입구가 직접 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 순환파이프부는, 상기 제1,2버퍼탱크의 외부에 설치되어 상기 제1입구와 상기 제2출구를 연결하며, 상기 증발부에서 가열된 온열의 작동유체를 상기 응축부로 전달하는 통로를 제공하는 온열전달부; 및 상기 제1,2버퍼탱크의 외부에 설치되어 상기 제1출구와 상기 제2입구를 연결하며, 상기 응축부에서 냉각된 냉열의 작동유체를 상기 증발부로 전달하는 통로를 제공하는 냉열전달부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 냉열전달부는, 액화가스로 냉각된 작동유체의 냉열 손실을 방지하도록 단열파이프로 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 순환파이프부는, 상기 제1버퍼탱크에 마련되며, 상기 온열전달부의 일단과 상기 응축부의 상기 제1입구를 플랜지 결합시키고, 상기 냉열전달부의 일단과 상기 응축부의 상기 제1출구를 플랜지 결합시키는 제1결합부; 및 상기 제2버퍼탱크에 마련되며, 상기 온열전달부의 타단과 상기 증발부의 상기 제2출구를 플랜지 결합시키고, 상기 냉열전달부의 타단과 상기 증발부의 상기 제2입구를 플랜지 결합시키는 제2결합부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 순환파이프부는, 상기 증발부에서 상기 응축부로 작동유체를 전달하는 상기 온열전달부에 마련되는 보상챔버를 더 포함하고, 상기 보상챔버는, 상기 증발부의 상기 제2유동관로에서 액체와 기체가 혼합된 2-상(two-phase) 상태의 작동유체를 단상(액체) 상태의 작동유체로 전환시켜 상기 응축부로 전달할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 선박은, 상기에 기재된 연료공급 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료공급 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 액화가스와 냉각수를 열교환시키는 열교환장치를 강제기화기 전단에 구성함으로써, 강제기화기로 공급되는 액화가스를 예열함에 의해 강제기화기의 부하를 감소시킬 수 있고, 냉각 시스템에 공급되는 냉각수를 예냉함에 의해 냉각 시스템의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료공급 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 열교환장치를 무동력으로 작동유체를 순환시킬 수 있도록 구성함으로써, 작동유체를 순환시키기 위한 펌프 등의 별도의 전달 수단을 생략할 수 있어 전기 에너지 등을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료공급 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료공급 시스템의 열교환장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에서 열교환장치의 증발부 및 응축부의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에서 열교환장치의 증발부 및 응축부의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 명세서에서 가스는 LNG는 물론 비등점이 상온보다 낮아 저장을 위해 강제로 액화되며 발열량을 갖는 LPG, 에틸렌, 암모니아 등과 같이 일반적으로 액체 상태로 보관되는 모든 물질을 포괄하는 의미로 사용될 수 있다.
또한, 가스는 액화가스, 자연기화된 증발가스, 강제기화된 증발가스, 잉여 증발가스를 포괄할 수 있다.
다만, 증발가스는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스를 포함하는 의미일 수 있고, 액화가스는 액체 상태의 액화가스뿐만 아니라 기화된 액화가스를 포함하는 의미일 수 있다.
본 발명은 이하에서 설명하는 실시예에 따른 연료공급 시스템(1)이 구비되는 선박(S)을 포함하며, 이때 선박(S)은 가스 운반선, 가스가 아닌 화물이나 사람을 운반하는 상선, FSRU, FLNG, Bunkering vessel, 해양플랜트 등을 모두 포함하는 개념임을 알려둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료공급 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료공급 시스템의 열교환장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2에서 열교환장치의 증발부 및 응축부의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 2에서 열교환장치의 증발부 및 응축부의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료공급 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 수요처(20)의 연료로 사용하는 선박(S)에 구비될 수 있다. 이러한 선박(S)에는 선실의 HVAC(heating, ventilation, & air conditioning) 및 냉동고를 위한 칠드워트 시스템(Chilled water system) 등 다양한 냉각 시스템(2)이 구비될 수 있다.
연료공급 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10) 내부에 자연적으로 발생하는 자연기화증발가스 및/또는 액화가스를 강제기화시킨 강제기화증발가스를 처리하도록 구비될 수 있다.
연료공급 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 수요처(20), 펌프(30), 강제기화기(40), 열교환장치(50)을 포함할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 저장할 수 있다. 액화가스 저장탱크(10)의 내부에 저장된 액화가스와, 내부에 자연적으로 발생되는 자연기화증발가스는 수요처(20)의 연료로 사용될 수 있다.
액화가스 저장탱크(10) 내부에 자연기화된 증발가스는, 증발가스 공급라인(L1)을 통해 수요처(20)에 공급될 수 있다. 증발가스 공급라인(L1)은, 액화가스 저장탱크(10)로부터 수요처(20)까지 연결될 수 있다.
또한, 액화가스 저장탱크(10)에 저장되어 연료로 사용되는 액화가스는, 펌프(30), 강제기화기(40)가 마련되는 액화가스 공급라인(L2)을 통해 수요처(20)에 공급될 수 있다. 액화가스 공급라인(L2)은, 액화가스 저장탱크(10)의 내부에 마련되는 펌프(30)로부터 연장되어 증발가스 공급라인(L1)에 연결될 수 있으며, 강제기화기(40)에서 강제기화된 증발가스를 자연기화된 증발가스와 합류시킬 수 있다.
또한, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스가 수요처(20)에서 요구하는 연료량보다 많을 경우 펌프(30)와 강제기화기(40) 사이의 액화가스 공급라인(L2)으로부터 분지되는 액화가스 회수라인(L3)을 통해 액화가스 저장탱크(10)로 회수할 수 있다.
수요처(20)는, 선박(S)의 추진 혹은 발전을 위해 설치되는 엔진 등의 장치를 의미할 수 있으며, 예를 들어 MEGI 엔진, XDF 엔진, DFDE에 포함된 DF 엔진, DF 보일러 엔진, 터빈 엔진, 발전 엔진 등일 수 있다.
수요처(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 강제기화시켜 발생되는 강제기화된 증발가스나, 액화가스 저장탱크(10) 내에서 액화가스가 자연기화되어 발생되는 자연기화된 증발가스를 연료로 하여 동력을 발생시킬 수 있다.
펌프(30)는, 액화가스 저장탱크(10)의 내부에 설치되어 액화가스 공급라인(L2)을 통해 외부로 배출되는 액화가스를 가압할 수 있으며, 액화가스 저장탱크(10)의 저면까지 연장되는 액화가스 공급라인(L2)에 설치될 수 있다.
펌프(30)에 의해 압축된 액화가스는, 강제기화기(40)를 직접 거치거나, 열교환장치(50)를 거친 후 강제기화기(40)를 거쳐 수요처(20)의 연료로 공급될 수 있다.
강제기화기(40)는, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 강제 기화시켜 수요처(20)로 전달할 수 있다.
강제기화기(40)는, 액화가스 공급라인(L2)에 마련될 수 있으며, 펌프(30)로부터 이송되는 액화가스 또는 열교환장치(50)를 경유한 액화가스를 강제로 기화시킬 수 있다.
강제기화기(40)에서 액화가스를 강제 기화하여 얻어지는 강제기화된 증발가스는, 수요처(20)의 연료로 사용될 수 있다.
상기에서는 연료공급 시스템(1)의 구성을 간략하게 설명하였지만, 본 실시예의 연료공급 시스템(1)은 상기한 구성 이외에 수요처(20)에서 요구하는 연료의 온도, 압력, 유량 등을 조절하기 위한 압축기, 기액분리기, 히터, 각종 밸브 등이 구비될 수 있음은 물론이다. 즉, 본 실시예의 연료공급 시스템(1)은, 열교환장치(50)를 제외한 기본적인 구성이 기존의 연료공급 시스템의 구성과 유사 또는 동일할 수 있고, 이에 따라 구성에 대한 상세한 설명을 생략하였다.
상기에서, 강제기화기(40)는, 보일러에서 생성되는 스팀을 열원으로 사용하는 등 별도로 마련되는 열원공급부(도시하지 않음)로부터 열원을 공급받아 액화가스를 기화시키고 있는데, 극저온 액체인 LNG의 안정적인 기화를 위한 부하가 높아질 수 밖에 없는 등 해결해야 하는 문제들이 다수 존재하는 상황이다. 이에 본 실시예에서는 강제기화기(40)의 부하를 감소시키면서 스팀 사용량을 추가로 저감시킬 수 있도록 열교환장치(50)를 제공한다.
열교환장치(50)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 강제기화기(40)로 공급되는 액체 상태의 액화가스와 냉각 시스템(2)에 공급되는 냉각수를 열교환시킬 수 있으며, 강제기화기(40)로 공급되는 액화가스를 예열하고, 냉각 시스템(2)에 공급되는 냉각수를 예냉할 수 있다.
본 실시예에서, 액화가스는 영하의 냉열 예를 들어, 영하 162도의 냉열을 갖는 LNG일 수 있으며, 냉각수는 영상의 온열 예를 들어, 영상 7도의 칠드워터(chilled water)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 열교환장치(50)는, 액화가스 공급라인(L2)에 병렬로 연결되는 액화가스 우회라인(L4)과, 냉각 시스템(2)에 연결되는 냉각수 순환라인(L5) 상에 마련될 수 있으며, 제1버퍼탱크(51), 제2버퍼탱크(52), 순환파이프부(53), 보상챔버(54)를 포함할 수 있다.
상기에서, 액화가스 우회라인(L4)은, 일단이 액화가스 공급라인(L2)의 상류에 연결되고, 타단이 강제기화기(40)의 전단인 액화가스 공급라인(L2)의 하류에 연결되거나, 강제기화기(40)에 직접 연결될 수 있다.
또한, 냉각수 순환라인(L5)은, 일단이 냉각 시스템(2)에 구비되는 기존의 냉각수라인(도시하지 않음)의 상류에 연결되고, 타단이 기존의 냉각수라인의 하류에 연결될 수 있다.
제1버퍼탱크(51)는, 액화가스 공급라인(L2)에 병렬로 연결되는 액화가스 우회라인(L4) 상에 마련될 수 있으며, 액화가스 저장탱크(10)로부터 강제기화기(40)로 공급되는 액화가스의 일부 또는 전부를 임시로 저장할 수 있다.
제1버퍼탱크(51)는, 내부에 순환파이프부(53)의 응축부(53a)가 설치될 수 있으며, 강제기화된 증발가스의 압력을 견딜 수 있는 압력 탱크로 이루어질 수 있다.
제1버퍼탱크(51)에 임시 저장된 액화가스는, 순환파이프부(53)의 증발부(53b)에서 냉각수에 의해 가열되어 순환파이프부(53)의 응축부(53a)로 전달되는 온열의 작동유체와의 열교환으로 강제기화되어 증발가스 상태로 액화가스 우회라인(L4)을 통해 강제기화기(40)로 공급될 수 있다.
제1버퍼탱크(51)의 내부에서 강제기화된 증발가스는, 액화가스 우회라인(L4)의 타단이 강제기화기(40)의 전단인 액화가스 공급라인(L2)의 하류에 연결되는 경우 액화가스 공급라인(L2)을 통해 강제기화기(40)로 공급되는 액화가스와 합류되어 강제기화기(40)에 간접적으로 공급될 수 있고, 액화가스 우회라인(L4)의 타단이 강제기화기(40)에 직접 연결되는 경우 강제기화기(40)에 직접적으로 공급될 수 있다.
제1버퍼탱크(51)에는, 도시하지 않았지만, 액화가스의 저장량이 설정된 레벨 이상 또는 이하가 되지 않도록 하는 센서가 마련될 수 있으며, 이에 따라 제1버퍼탱크(51) 내부에는 액화가스가 일정량 채워진 상태를 유지할 수 있다.
제1버퍼탱크(51)에 저장되는 액화가스의 저장량이 설정된 레벨보다 높을 경우, 내부의 강제기화된 증발가스의 저장공간이 협소해져 강제기화기(40)로 공급되는 증발가스의 양이 부족해 질 수 있을 뿐만 아니라, 증발가스의 생성량이 과다할 경우 탱크 손상을 유발할 수 있다.
또한, 제1버퍼탱크(51)에 저장되는 액화가스의 저장량이 설정된 레벨보다 낮을 경우, 순환파이프부(53)의 응축부(53a)가 액화가스에 잠기지 않을 수 있고, 이로 인해 잠길 때 대비 제1버퍼탱크(51)에서 작동유체와 액화가스와의 열교환 효율이 저하될 뿐만 아니라, 제2버퍼탱크(52)에서 작동유체와 냉각수와의 열교환 효율 또한 저하될 수 있다.
제2버퍼탱크(52)는, 냉각 시스템(2)에 연결되는 냉각수 순환라인(L5) 상에 마련될 수 있으며, 냉각 시스템(2)의 냉열 수요처(도시하지 않음)에서 온도가 상승된 냉각수의 일부 또는 전부를 임시로 저장할 수 있다.
제2버퍼탱크(52)는, 내부에 순환파이프부(53)의 증발부(53b)가 설치될 수 있으며, 냉각수를 저장할 수 있는 일반 탱크로 이루어질 수 있다.
제2버퍼탱크(52)에 임시 저장된 냉각수는, 순환파이프부(53)의 응축부(53a)에서 액화가스에 의해 냉각되어 순환파이프부(53)의 증발부(53b)로 전달되는 냉열의 작동유체와의 열교환으로 냉각되어 냉각수 순환라인(L5)을 통해 냉각 시스템(2)으로 공급될 수 있다.
제2버퍼탱크(52)에는, 도시하지 않았지만, 냉각수의 저장량이 설정된 레벨 이하가 되지 않도록 하는 센서가 마련될 수 있으며, 이에 따라 제2버퍼탱크(52) 내부에는 냉각수가 일정량 채워진 상태를 유지할 수 있다.
제2버퍼탱크(52)에 저장되는 냉각수의 저장량이 설정된 레벨보다 낮을 경우 순환파이프부(53)의 증발부(53b)가 냉각수에 잠기지 않을 수 있고, 이로 인해 잠길 때 대비 제2버퍼탱크(52)에서 작동유체와 냉각수와의 열교환 효율이 저하될 뿐만 아니라, 제1버퍼탱크(51)에서 작동유체와 액화가스와의 열교환 효율 또한 저하될 수 있다.
상기한 제1,2버퍼탱크(51, 52)는, 후술하겠지만, 순환파이프부(53)의 내부를 유동하는 작동유체가 무동력으로 순환할 때 중력 및 가속도의 영향을 최소화할 수 있도록 선박(S)에 수평으로 배치하는 것이 바람직할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제1,2버퍼탱크(51, 52)는, 도면에 도시된 바와 같이, 상호 이격되도록 배치될 수 있으나, 2개의 탱크를 설치할 수 있는 공간이 충분할 경우 순환파이프부(53)의 응축부(53a)와 증발부(53b)가 연결되는 부분이 맞닿도록 배치될 수 있음은 물론이다.
순환파이프부(53)는, 제1버퍼탱크(51)와 제2버퍼탱크(52) 사이를 작동유체가 무동력으로 순환될 수 있도록 구성될 수 있으며, 응축부(53a), 증발부(53b), 온열전달부(53c), 냉열전달부(53d)를 포함할 수 있다.
응축부(53a)는, 제1버퍼탱크(51)의 내부에 설치되며, 증발부(53b)에서 냉각수에 의해 가열된 온열의 작동유체가 유동하는 제1유동관로와, 제1유동관로의 일단을 이루며, 온열의 작동유체가 증발부(53b)로부터 유입되는 제1입구와, 제1유동관로의 타단을 이루며, 액화가스에 의해 냉각된 냉열의 작동유체가 증발부(53b)로 유출되는 제1출구로 이루어질 수 있다. 응축부(53a)의 제1입구와 제1출구는 제1버퍼탱크(51)를 관통되도록 형성될 수 있다.
응축부(53a)에서는, 증발부(53b)에서 냉각수에 의해 가열된 온열의 작동유체가 제1입구로 공급되어 제1유동관로를 유동하면서 제1버퍼탱크(51)에 저장된 냉열의 액화가스와 열교환하도록 한다. 이로 인해 응축부(53a)의 제1유동관로를 유동하는 온열의 작동유체는 응축되어 냉열의 액체 상태로 제1출구를 통해 증발부(53b)로 전달되고, 제1버퍼탱크(51)에 임시 저장된 냉열의 액화가스는 기화되어 증발가스 상태로 강제기화기(40)로 전달될 수 있다.
이때, 제1버퍼탱크(51)는 액화가스가 강제 기화되면서 내부 압력이 상승하게 되어 강제기화된 증발가스가 제1버퍼탱크(51)의 자체 내부 압력에 의해 강제기화기(40)로 공급될 수 있다.
응축부(53a)는, 제1버퍼탱크(51)의 액화가스와 접촉면을 최대화하면서 열교환 효율을 극대화할 수 있도록, 지그재그 형태로 형성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
응축부(53a)는, 열교환 효율을 더욱 극대화할 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1유동관로에 복수의 메탈 플레이트(55)가 부착되어 형성될 수 있다. 복수의 메탈 플레이트(55)는, 액화가스의 냉열을 응축부(53a)의 제1유동관로에 전달할 수 있다.
또한, 응축부(53a)는, 열교환 효율을 더욱 극대화할 수 있도록, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1유동관로에 메탈 폼(56)이 둘러싸여 형성될 수 있다. 메탈 폼(56)은, 액화가스의 냉열을 응축부(53a)의 제1유동관로에 전달할 수 있다.
증발부(53b)는, 제2버퍼탱크(52)의 내부에 설치되며, 응축부(53a)에서 액화가스에 의해 냉각된 냉열의 작동유체가 유동하는 제2유동관로와, 제2유동관로의 일단을 이루며, 냉열의 작동유체가 응축부(53a)로부터 유입되는 제2입구와, 제2유동관로의 타단을 이루며, 온열의 작동유체가 응축부(53a)로 유출되는 제2출구로 이루어질 수 있다. 증발부(53b)의 제2입구와 제2출구는 제2버퍼탱크(52)를 관통되도록 형성될 수 있다.
증발부(53b)에서는, 응축부(53a)에서 액화가스에 의해 냉각된 냉열의 작동유체가 제2입구로 공급되어 제2유동관로를 유동하면서 제2버퍼탱크(52)에 저장된 온열의 냉각수와 열교환하도록 한다. 이로 인해 증발부(53b)의 제2유동관로를 유동하는 냉열의 작동유체는 증발되어 온열의 기체 상태로 제2출구를 통해 응축부(53a)로 전달되고, 제2버퍼탱크(52)에 임시 저장된 온열의 냉각수는 냉각되어 냉열의 액체 상태로 냉각 시스템(2)으로 전달될 수 있다.
상기한 증발부(53b)는, 제2유동관로에서 작동유체가 무동력으로 순환할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 증발부(53b)는, 작동유체의 증발 및 응축의 상변화에 따르는 잠열 및 윅(wick)의 모세관 현상을 이용하는 히트파이프와 동일 또는 유사한 구조로 형성될 수 있다. 즉, 증발부(53b)는, 내부 표면에 윅 구조물이 형성되고, 이러한 윅 구조물에 응축부(53a)로부터 전달된 액체 상태의 작동유체가 스며들어 있다가 냉각수의 온열에 의해 포화온도까지 가열되어 기체로 상변화하게 되면서 윅 구조물의 모세펌핑력에 의해 작동유체가 일방향으로 순환하게 된다.
증발부(53b)는, 제2버퍼탱크(52)의 냉각수와 접촉면을 최대화하면서 열교환 효율을 극대화할 수 있도록, 응축부(53a)와 동일 또는 유사하게 지그재그 형태로 형성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
증발부(53b)는, 열교환 효율을 더욱 극대화할 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2유동관로에 복수의 메탈 플레이트(55)가 부착되어 형성될 수 있다. 복수의 메탈 플레이트(55)는, 냉각수의 온열을 증발부(53b)의 제2유동관로에 전달할 수 있다.
또한, 증발부(53b)는, 열교환 효율을 더욱 극대화할 수 있도록, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2유동관로에 메탈 폼(56)이 둘러싸여 형성될 수 있다. 메탈 폼(56)은, 냉각수의 온열을 증발부(53b)의 제2유동관로에 전달할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 실시예의 순환파이프부(53)는, 응축부(53a)와 증발부(53b)에서 작동유체의 응축 및 증발의 상변화에 따르는 잠열 현상 및 작동유체의 압력차와, 증발부(53b)의 윅 구조물에 의한 모세펌핑력에 의해, 작동유체가 유동관로에서 무동력으로 순환할 수 있다.
이러한 순환파이프부(53)는, 내부를 유동하는 작동유체가 무동력으로 순환할 때 중력 및 가속도의 영향을 최소화할 수 있도록 응축부(53a)와 증발부(53b)를 수평이 되도록 설치하는 것이 바람직할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
순환파이프부(53)는, 응축부(53a)와 증발부(53b)가 연결되는 부분이 맞닿도록 제1,2버퍼탱크(51, 52)가 배치되는 경우, 응축부(53a)와 증발부(53b)로 구성될 수 있다. 즉, 순환파이프부(53)는, 응축부(53a)의 제1입구와 증발부(53b)의 제2출구가 직접 연결되고, 응축부(53a)의 제1출구와 증발부(53b)의 제2입구가 직접 연결되는 일체형일 수 있다.
순환파이프부(53)는, 제1,2버퍼탱크(51, 52)가 상호 이격되도록 배치될 경우, 온열전달부(53c), 냉열전달부(53d), 제1결합부(53e), 제2결합부(53f)를 더 포함하는 조립형일 수 있다.
온열전달부(53c)는, 제1,2버퍼탱크(51, 52)의 외부에 설치되어 응축부(53a)의 제1입구와 증발부(53b)의 제2출구를 연결할 수 있으며, 증발부(53b)에서 가열된 온열의 작동유체를 응축부(53a)로 전달할 수 있는 통로를 제공할 수 있다.
온열전달부(53c)는, 외기에 노출되므로, 온열의 손실을 최소화하는 단열파이프로 형성될 수 있다.
냉열전달부(53d)는, 제1,2버퍼탱크(51, 52)의 외부에 설치되어 응축부(53a)의 제1출구와 증발부(53b)의 제2입구를 연결할 수 있으며, 응축부(53a)에서 냉각된 냉열의 작동유체를 증발부(53b)로 전달할 수 있는 통로를 제공할 수 있다.
냉열전달부(53d)는, 외기에 노출되므로, 냉열의 손실을 최소화하는 단열파이프로 형성될 수 있다.
상기에서, 온열전달부(53c)와 냉열전달부(53d)는, 단열파이프로 형성되는 것으로 설명하였지만, 온열전달부(53c)의 경우 증발부(53b)에서 영상 7도의 칠드워터로 가열된 작동유체의 온도가 상온보다 낮을 수 있으므로, 단열파이프가 아닌 일반적인 파이프로 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 다만, 냉열전달부(53d)의 경우에는 응축부(53a)에서 영하 162도의 액화가스(LNG)로 냉각된 작동유체의 온도가 상온보다 매우 낮을 수 있으므로, 열 손실이 클 수 있어 단열파이프로 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
상기한 바와 같이, 온열전달부(53c)와 냉열전달부(53d)는, 응축부(53a)와 증발부(53b)를 연결하는 것으로, 제1,2버퍼탱크(51, 52)의 배치 거리에 대응되도록 용이하게 제작할 수 있다. 이때, 온열전달부(53c)와 냉열전달부(53d)는, 응축부(53a)와 증발부(53b)에 직접 연결될 수 있으나, 제1결합부(53e) 및 제2결합부(53f)를 이용하여 연결될 수 있다.
제1결합부(53e)는, 고압의 액화가스의 누출 위험을 방지하면서 제1버퍼탱크(51) 측에서 온열전달부(53c)와 냉열전달부(53d)를 응축부(53a)에 용이하게 연결할 수 있도록, 제1버퍼탱크(51)에 마련될 수 있으며, 플랜지로 구성될 수 있다.
제1결합부(53e)는, 온열전달부(53c)의 일단과 응축부(53a)의 제1입구를 플랜지 결합시키고, 냉열전달부(53d)의 일단과 응축부(53a)의 제1출구를 플랜지 결합시킬 수 있다.
제2결합부(53f)는, 냉각수의 누출 위험을 방지하면서 제2버퍼탱크(52) 측에서 온열전달부(53c)와 냉열전달부(53d)를 증발부(53b)에 용이하게 연결할 수 있도록, 제2버퍼탱크(52)에 마련될 수 있으며, 플랜지로 구성될 수 있다.
제2결합부(53f)는, 온열전달부(53c)의 타단과 증발부(53b)의 제2출구를 플랜지 결합시키고, 냉열전달부(53d)의 타단과 증발부(53b)의 제2입구를 플랜지 결합시킬 수 있다.
상기와 같이 구성되는 순환파이프부(53)는, 증발부(53b)의 제2유동관로에서 작동유체가 액체와 기체가 혼합된 2-상(two-phase) 상태가 될 수 있다. 즉, 응축부(53a)에서 액체 상태의 작동유체가 증발부(53b)로 전달되는 순간 냉각수의 온열과 열교환되면서 급격한 온도 차이로 인해 상변화가 일어나게 되어 액체와 기체가 혼합된 2-상 상태가 될 수 있다.
이와 같이 증발부(53b)에서 2-상 상태의 작동유체가 응축부(53a)로 전달되면, 응축부(53a)에서 작동유체의 유동이 원활하지 않게 되어 열교환 효율을 저하시키기 된다.
이에, 본 실시예에서는 증발부(53b)에서 응축부(53a)로 작동유체를 전달하는 온열전달부(53c)에 보상챔버(54)를 마련할 수 있다.
보상챔버(54)는, 2-상(액상과 기상) 상태의 작동유체를 단상(액체) 상태의 작동유체로 전환시켜 응축부(53a)로 전달할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 액화가스와 냉각수를 열교환시키는 열교환장치(50)를 강제기화기(40) 전단에 구성함으로써, 강제기화기(40)로 공급되는 액화가스를 예열함에 의해 강제기화기(40)의 부하를 감소시킬 수 있고, 냉각 시스템(2)에 공급되는 냉각수를 예냉함에 의해 냉각 시스템(2)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예는, 열교환장치(50)를 무동력으로 작동유체를 순환시킬 수 있도록 구성함으로써, 작동유체를 순환시키기 위한 펌프 등의 별도의 전달 수단을 생략할 수 있어 전기 에너지 등을 절감할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출 가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 연료공급 시스템 2: 냉각 시스템
10: 액화가스 저장탱크 20: 수요처
30: 펌프 40: 강제기화기
50: 열교환장치 51: 제1버퍼탱크
52: 제2버퍼탱크 53: 순환파이프부
53a: 응축부 53b: 증발부
53c: 온열전달부 53d: 냉열전달부
53e: 제1결합부 53f: 제2결합부
54: 보상챔버 55: 메탈 플레이트
56: 메탈 폼
L1: 증발가스 공급라인 L2: 액화가스 공급라인
L3: 액화가스 회수라인 L4: 액화가스 우회라인
L5: 냉각수 순환라인 S: 선박

Claims (11)

  1. 액화가스 공급라인 상에 마련되어 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 액화가스를 강제 기화시켜 생성되는 증발가스를 수요처로 전달하는 강제기화기가 구비되는 연료공급 시스템으로서,
    상기 액화가스 공급라인에서 분기되어 병렬로 연결되며 상기 강제기화기 전단에서 상기 액화가스 공급라인과 합쳐지는 액화가스 우회라인과, 냉각 시스템에 연결되는 냉각수 순환라인 상에 마련되는 열교환장치를 포함하고,
    상기 열교환장치는,
    상기 액화가스 우회라인 상에 마련되어 상기 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 액화가스를 임시로 저장하며 액화가스를 상기 강제기화기에 공급하는 제1버퍼탱크;
    상기 냉각수 순환라인 상에 마련되어 상기 냉각 시스템으로부터 공급되는 냉각수를 임시로 저장하는 제2버퍼탱크; 및
    상기 제1버퍼탱크의 내부에 설치되는 응축부와 상기 제2버퍼탱크의 내부에 설치되는 증발부로 이루어지며, 작동유체가 상기 응축부와 상기 증발부 사이를 순환하는 순환파이프부를 포함하는 연료공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1버퍼탱크에 저장된 액화가스는,
    상기 응축부를 유동하는 온열의 작동유체와의 열교환으로 기화되어 증발가스 상태로 상기 강제기화기로 공급되고,
    상기 제2버퍼탱크에 저장된 냉각수는,
    상기 증발부를 유동하는 냉열의 작동유체와의 열교환으로 냉각되어 상기 냉각 시스템으로 공급되는 연료공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 응축부는,
    상기 제1버퍼탱크의 내부에 설치되며, 상기 증발부에서 냉각수에 의해 가열된 온열의 작동유체가 유동하는 제1유동관로와, 상기 제1유동관로의 일단 및 타단에 상기 제1버퍼탱크를 관통하는 제1입구 및 제1출구로 이루어지고,
    상기 증발부는,
    상기 제2버퍼탱크의 내부에 설치되며, 상기 응축부에서 액화가스에 의해 냉각된 냉열의 작동유체가 유동하는 제2유동관로와, 상기 제2유동관로의 일단 및 타단에 상기 제2버퍼탱크를 관통하는 제2입구 및 제2출구로 이루어지는 연료공급 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 증발부는,
    상기 제2유동관로의 내부 표면에 윅 구조물이 형성되어 작동유체가 무동력으로 순환하는 연료공급 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1유동관로 및 상기 제2유동관로는,
    복수의 메탈 플레이트가 부착되거나, 메탈 폼으로 둘러싸여 형성되는 연료공급 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 순환파이프부는,
    상기 제1입구와 제2출구가 직접 연결되고, 상기 제1출구와 상기 제2입구가 직접 연결되는 일체형인 연료공급 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 순환파이프부는,
    상기 제1,2버퍼탱크의 외부에 설치되어 상기 제1입구와 상기 제2출구를 연결하며, 상기 증발부에서 가열된 온열의 작동유체를 상기 응축부로 전달하는 통로를 제공하는 온열전달부; 및
    상기 제1,2버퍼탱크의 외부에 설치되어 상기 제1출구와 상기 제2입구를 연결하며, 상기 응축부에서 냉각된 냉열의 작동유체를 상기 증발부로 전달하는 통로를 제공하는 냉열전달부를 더 포함하는 연료공급 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 냉열전달부는,
    액화가스로 냉각된 작동유체의 냉열 손실을 방지하도록 단열파이프로 형성하는 연료공급 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 순환파이프부는,
    상기 제1버퍼탱크에 마련되며, 상기 온열전달부의 일단과 상기 응축부의 상기 제1입구를 플랜지 결합시키고, 상기 냉열전달부의 일단과 상기 응축부의 상기 제1출구를 플랜지 결합시키는 제1결합부; 및
    상기 제2버퍼탱크에 마련되며, 상기 온열전달부의 타단과 상기 증발부의 상기 제2출구를 플랜지 결합시키고, 상기 냉열전달부의 타단과 상기 증발부의 상기 제2입구를 플랜지 결합시키는 제2결합부를 더 포함하는 연료공급 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 순환파이프부는,
    상기 증발부에서 상기 응축부로 작동유체를 전달하는 상기 온열전달부에 마련되는 보상챔버를 더 포함하고,
    상기 보상챔버는,
    상기 증발부의 상기 제2유동관로에서 액체와 기체가 혼합된 2-상(two-phase) 상태의 작동유체를 단상(액체) 상태의 작동유체로 전환시켜 상기 응축부로 전달하는 연료공급 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 상기 연료공급 시스템이 구비되는 것을 특징으로 하는 선박.
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