KR20120127963A

KR20120127963A - 선박의 흡입공기 냉각시스템

Info

Publication number: KR20120127963A
Application number: KR1020110045785A
Authority: KR
Inventors: 진정근; 최재웅; 김은경; 박건일; 손문호; 이호기
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2012-11-26
Also published as: KR101271189B1

Abstract

본 발명은 과급기가 설치된 선박의 흡입공기 냉각시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 선박의 흡입공기 냉각시스템은, 엔진에서 생성되는 배기가스의 일부를 이용하여 외부로부터 유입된 흡입공기를 압축하며, 흡입공기가 유입되는 전단 및 압축된 흡입공기를 엔진으로 공급하기 위한 후단을 포함하는 과급기; 과급기를 거친 흡입공기의 흐름에 따라 배치되어 흡입공기를 냉각시키는 제1 냉각기; 제1 냉각기를 순환하는 제1 작동유체를 냉각시키는 흡수식 냉동기; 및 흡수식 냉동기와 별도로 마련되어 제1 작동유체의 온도보다 더 낮은 온도를 갖는 제2 작동유체가 순환하는 제2 냉각기를 포함한다.

Description

선박의 흡입공기 냉각시스템{INTAKE AIR COOLING SYSTEM FOR SHIP}

본 발명은, 선박의 흡입공기 냉각시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 과급기가 설치된 선박의 흡입공기 냉각시스템에 관한 것이다.

일반적인 선박에는, 선박의 추진동력 및 선박에서 사용되는 전력생산과 같은 다수의 목적을 위하여, 디젤엔진(Diesel Engine)과 같은 내연기관이 설치된다.

이러한 내연기관의 경우, 일반적으로 연료의 흡입, 압축, 폭발 및 배기의 행정을 이용하여, 동력을 생성하게 된다. 이때, 연료의 흡입과정에 있어서, 연료와 함께 내연기관 내부로 흡입공기(Intake Air)가 유입되는데, 이러한 흡입공기의 압력을 상승시킴으로써, 내연기관의 효율이 상승될 수 있다.

따라서, 근래에 들어서는, 흡입공기의 압력을 상승시켜 내연기관에 많은 양의 흡입공기를 공급하기 위한 과급기가 설치된 선박이 다수 제안되고 있다.

과급기에 의한 흡입공기 압축방식은 내연기관의 크랭크축에 톱니바퀴를 물려서 기계적으로 구동하는 슈퍼차저(Supercharger) 방식 및 연소기관에서 발생되는 배기가스를 이용한 배기터빈으로 구동되는 터보차저(Turbocharger) 방식이 있다.

도 1에는 터보차저 방식에 의하여 흡입공기를 압축시키는 과급기가 설치된 선박의 일례가 도시된다.

선박의 내연기관, 즉 엔진(20)으로부터 일정 압력 및 일정 온도의 배기가스(E)가 배출되면, 배기가스(E)는 과급기(10)로 공급된다.

이때, 과급기(10)에 공급된 배기가스(E)의 에너지에 의하여, 과급기(10)의 배기터빈(11)에서는 회전력이 발생되며, 이 회전력은 배기터빈(11)과 연결된 압축터빈(12)으로 전달된다. 그리고, 압축터빈(12)은 이 회전력을 이용하여, 외부 흡입공기(a)를 압축하여, 엔진(20)으로 공급하게 된다.

한편, 과급기(10)에서의 흡입공기(a) 압축과정에서, 흡입공기(a)는 단열압축 과정에 따라서 압축된다. 따라서, 압축 후의 흡입공기(a)의 온도, 즉 과급기(10)의 후단측 흡입공기(a)의 온도는, 압축 전의 흡입공기(a)의 온도, 즉 과급기(10)의 전단측 흡입공기(a)의 온도보다 상승하게 된다.

이때, 일반적으로 내연기관인 엔진(20)에 공급되는 흡입공기(a)의 온도가 높아질수록, 엔진(20)의 효율은 감소되는 관계에 있는바, 과급기(10)를 거친 후단측 흡입공기(a) 온도의 상승으로 인하여, 엔진(20)의 효율이 감소되는 문제가 발생하게 된다.

특히, 선박이 열대지방과 같은 고온의 환경에서 운항하는 경우, 흡입공기(a)는 과급기(10)의 전단측부터 온도가 상승된 상태로 과급기(10)로 유입되어 압축됨으로써, 엔진(20)의 효율이 더욱 저하되는 문제가 발생하게 된다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 과급기를 거친 흡입공기를 냉각시켜 엔진으로 공급함으로써 엔진의 효율을 상승시킬 수 있는 선박의 흡입공기 냉각시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예들의 일 측면에 따르면, 엔진에서 생성되는 배기가스의 일부를 이용하여 외부로부터 유입된 흡입공기를 압축하며, 상기 흡입공기가 유입되는 전단 및 압축된 상기 흡입공기를 상기 엔진으로 공급하기 위한 후단을 포함하는 과급기; 상기 과급기를 거친 상기 흡입공기의 흐름에 따라 배치되어 상기 흡입공기를 냉각시키는 제1 냉각기; 상기 제1 냉각기를 순환하는 제1 작동유체를 냉각시키는 흡수식 냉동기; 및 상기 흡수식 냉동기와 별도로 마련되어 상기 제1 작동유체의 온도보다 더 낮은 온도를 갖는 제2 작동유체가 순환하는 제2 냉각기를 포함하는 선박의 흡입공기 냉각시스템이 제공된다.

상기 제2 냉각기의 제2 작동유체를 냉각시키기 위한 저온냉각기를 더 포함하며, 상기 저온냉각기는 LNG 기화열에 의하여 상기 제2 작동유체를 냉각시키는 LNG 기화기일 수 있다.

상기 제2 작동유체는 브라인(brine)수 및 글리콜 워터(glycol water) 중 어느 하나일 수 있다.

상기 제2 냉각기는 상기 제2 작동유체를 통하여 상기 제1 작동유체를 냉각시킬 수 있다.

상기 제2 냉각기는 상기 흡입공기의 흐름에 따라 상기 제1 냉각기와 상기 엔진 사이에 배치되어 상기 제2 작동유체를 통하여 상기 흡입공기를 냉각시킬 수 있다.

제3 작동유체가 순환되는 제3 냉각기를 더 포함하며, 상기 흡수식 냉동기는 상기 제3 냉각기를 통하여 순환되는 상기 제3 작동유체로부터 열원을 공급받을 수 있다.

상기 제3 냉각기는 상기 흡입공기의 흐름에 따라 상기 제1 냉각기와 상기 과급기 사이에 배치되어 상기 제3 작동유체를 통하여 상기 흡입공기를 냉각시킬 수 있다.

상기 제3 냉각기와 상기 제1 냉각기 사이에 배치되어 상기 과급기에서 압축된 상기 흡입공기를 냉각시키며, 상기 선박 외부의 해수와 열교환을 하되 상기 제1 작동유체보다 온도가 높은 제4 작동유체가 순환하는 제4 냉각기를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 과급기와 상기 제1 냉각기 사이에 배치되어 상기 과급기에서 압축된 상기 흡입공기를 냉각시키며, 상기 선박 외부의 해수와 열교환을 하되 상기 제1 작동유체보다 온도가 높은 제4 작동유체가 순환하는 제4 냉각기를 더 포함할 수도 있다.

상기 제4 작동유체와 해수의 열교환을 수행하기 위한 보조냉각기를 더 포함하며, 상기 제4 냉각기에 의한 상기 흡입공기의 냉각은, 상기 제1 냉각기 내지 상기 제3 냉각기에 의한 냉각과 독립적으로 수행될 수 있다.

상기 흡수식 냉동기는, 냉매의 증발 잠열을 이용하여 상기 제1 작동유체를 냉각시키는 증발기; 상기 증발기에서의 증발된 냉매를 흡수하는 흡수액이 수용된 흡수기; 상기 냉매의 흡수를 통하여 묽어진 상기 흡수기의 흡수액을 가열시켜 재생시키는 재생기; 및 상기 재생기에서 증발한 냉매를 응축시키는 응축기를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 과급기를 거친 흡입공기를 냉각시켜 엔진으로 공급함으로써 엔진의 효율을 상승시킬 수 있다.

도 1은 종래의 과급기가 설치된 선박의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 내연기관에 공급되는 흡입공기의 온도에 따른 연료소비율의 관계를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 선박의 흡입공기 냉각시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 흡입공기 냉각시스템의 흡수식 냉동기의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 흡입공기 냉각시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 흡입공기 냉각시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 흡입공기 냉각시스템의 구성을 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 2는 내연기관에 공급되는 흡입공기의 온도에 따른 연료소비율의 관계를 도시한 도면이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 디젤엔진(Diesel Engine)과 같은 내연기관에 공급되는 흡입공기의 온도가 감소할수록 내연기관의 연료효율에 관계된 연료소비율(SFOC) 또한 감소된다. 보다 정확하게 도 2는 흡입공기를 냉각시키기 위한 냉각수의 온도가 감소할수록 연료소비율(SFOC) 또한 감소됨을 도시하고 있는데, 흡입공기를 냉각시키기 위한 냉각수의 온도가 감소되면 내연기관에 공급되는 흡입공기의 온도가 감소하며 이에 의하여 연료소비율(SFOC)도 감소된다.

이때, 연료소비율은 연료소비량의 일당량을 의미하는 것으로서, 연료소비율이 감소될수록, 내연기관에서 동일한 일량을 생성하는 연료의 소비량이 감소되므로, 내연기관의 효율은 증가된다.

다시 말해서, 내연기관에 공급되는 흡입공기의 온도와 내연기관의 열효율도 반비례 관계에 있고 흡입공기를 냉각시키기 위한 냉각수의 온도와 내연기관의 열효율도 반비례 관계에 있으므로, 내연기관의 열효율을 증가시키기 위해서는, 내연기관에 공급되는 흡입공기의 온도를 감소시키거나 흡입공기의 온도를 감소시키기 위한 냉각수의 온도를 감소시킬 필요가 있다.

이하에서는, 내연기관에 공급되는 흡입공기의 온도 또는 흡입공기의 온도를 감소시키기 위한 냉각수의 온도를 종래보다 효율적으로 감소시킬 수 있는 다양한 실시예에 따른 선박의 흡입공기 냉각시스템의 구성을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 흡입공기 냉각시스템의 구성을 도시한 도면이며, 도 4는 도 3의 흡입공기 냉각시스템의 흡수식 냉동기의 구성을 도시한 도면이다.

도 3에 자세히 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 선박의 흡입공기 냉각시스템(1)은, 과급기(100)와, 흡수식 냉동기(200)와, 제1 냉각기(300)와, 제2 냉각기(400)와, 제3 냉각기(600)와, 제4 냉각기(700)와, 저온냉각기(500)와, 보조냉각기(800)를 포함한다.

본 실시 예에서 과급기(100)는 엔진(300)에서 생성되는 배기가스의 일부(E)를 이용하여 흡입공기(a)를 압축하는 터보차저(Turbocharger) 방식의 과급기(100)로 마련된다. 이러한 과급기(100)는, 배기가스의 일부(E)가 공급되어 회전력을 발생시키는 배기터빈(101)과, 배기터빈(101)과 연결되어 이로부터 회전력을 전달받아, 외부의 흡입공기(a)를 압축하여 엔진으로 공급하는 압축터빈(102)을 포함한다.

그리고, 과급기(100)에는 압축터빈(102)을 기준으로, 외부로부터 흡입공기(a)가 유입되는 전단 및 압축터빈(102)에서 압축된 흡입공기(a)가 엔진(300)을 향하여 유출되는 후단이 형성된다.

과급기(100)에서 압축된 흡입공기(a)는 엔진(300)으로 공급되며, 압축된 흡입공기(a)를 공급받은 엔진(300)은, 대기압 상태의 흡입공기(a)가 공급되는 경우에 비하여, 과량의 압축공기(a)를 공급받게 됨에 따라서, 그 효율이 상승될 수 있다.

그러나, 과급기(100)에서 흡입공기(a)의 압축시에, 흡입공기(a)는 단열압축과정에 따라서 압축됨에 따라서, 그 온도가 상승하게 되며, 온도가 상승된 흡입공기(a)가 그대로 엔진(300)에 공급되는 경우, 앞서 설명한 바와 같이 엔진효율의 저하가 발생될 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는, 과급기(100)와 엔진(103) 사이에, 과급기(100)에서 압축된 흡입공기(a)를 냉각시키기 위한 복수의 냉각기가 설치된다.

본 실시 예에서 복수의 냉각기는, 흡입공기(a)의 흐름을 따라서 배치되는 제3 냉각기(600), 제4 냉각기(700), 제1 냉각기(300)와, 흡수식 냉동기(200)로부터 냉각되어 흡입공기(a)와 열교환을 하는 제1 작동유체(w1)를 흡수식 냉동기(200) 외에 추가적으로 냉각시키기 위한 제2 냉각기(400)를 포함한다.

제3 냉각기(600), 제4 냉각기(700), 제1 냉각기(300)에는, 흡수식 냉동기(200) 및 보조냉각기(800)로부터 냉각된 작동유체들(w3,w4,w1)이 순환되어, 흡입공기(a)가 엔진(200)으로 유동되는 과정에서 냉각될 수 있도록 하고, 제2 냉각기(400)에는 저온냉각기(500)로부터 냉각되되 제1 작동유체(w1)의 온도보다 더 낮은 온도를 갖는 제2 작동유체(w2)가 순환되는데, 제2 작동유체(w2)는 흡입공기(a)를 냉각시키기 위한 제1 작동유체(w1)와 열교환을 하여 제1 작동유체(w1)를 냉각시킨다.

여기서 흡수식 냉동기(200)는, 흡입공기(a)를 냉각시키는 제3 냉각기(600)를 통하여 순환되는 제3 작동유체(w3)로부터 열원을 공급받으며, 제1 냉각기(300)를 통하여 순환되는 제1 작동유체(w1)로부터 저온열원을 공급받음과 동시에 제1 작동유체(w1)를 냉각시켜 제1 냉각기(300)로 순환시킨다. 따라서 제3 냉각기(600) 및 제1 냉각기(300)의 설명에 앞서 흡수식 냉동기(200)에 대하여 우선 설명하기로 한다.

도 4에 자세히 도시된 바와 같이, 흡수식 냉동기(200)는, 냉매를 이용하여 제3 작동유체(w3) 및 제1 작동유체(w1)를 냉각시키기 위해 마련된 것으로, 증발기(210), 흡수기(220), 재생기(230) 및 응축기(240)를 포함한다.

증발기(210)는 냉매의 증발 잠열을 이용하여 흡입공기(a)를 냉각시킬 제1 작동유체(w1)를 냉각시키기 위해 마련된 것이다. 본 실시예에서는 냉매(R)로서 청수(fresh water)가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 증발기(210) 내에는 제1 작동유체 순환유로(251)가 마련된다. 제1 작동유체 순환유로(251)를 통하여 증발기(210) 내부를 통과하게 되는 제1 작동유체(w1)는 증발기(210) 내에서의 냉매(R)의 증발 잠열에 의해 냉각된다. 제1 작동유체(W1)로는 청수(淸水)와 같은 다양한 냉각매개체가 사용될 수 있다.

또한, 증발기(210)의 하부에는 냉매 펌프(261)가 마련되어, 증발기(210) 내의 하부에 응결되는 액체상태의 냉매(R)를 냉매 파이프(212)를 통하여 증발기(210)의 상부로 공급하게 된다. 증발기(210)의 상부로 공급된 냉매(R), 즉 청수는 증발기(210) 내에서 노즐을 통하여 제1 작동유체 순환유로(251)를 향하여 분사되는 동시에 증발하게 된다.

그리고, 냉매(R)의 증발과정에서 냉매(R)로 흡수되는 증발 잠열에 의하여, 제1 작동유체 순환유로(251) 내에서 유동되는 제1 작동유체(w1)가 냉각될 수 있다.

이때, 증발기(210)의 내부압력이 일례로 6.5 mmHg의 압력으로 형성될 수 있도록, 증발기(210)의 내부압력을 조절할 수 있으며, 이때 청수로 마련되는 냉매(R)는 약 5℃의 온도에서 증발될 수 있다.

한편, 흡수기(220)는, 증발기(210)에서 증발된 냉매(R), 본 실시예에서는 청수를 흡수하기 위해 마련된 것으로서, 증발기(210) 및 흡수기(220)는 냉매 공급유로(211)에 의하여 연통될 수 있다.

보다 상세하게는, 증발기(210)에서 증발이 계속되면 수증기 분압이 점점 높아지게 되므로 증발 온도도 상승하게 되어, 적절한 냉각효과를 얻을 수 없게 된다. 따라서, 증발된 냉매(R)를 흡수기(220) 내에 저장된 흡수액(A)에 흡수시키면 증발기(210) 내에서의 냉매(R)의 증발 압력 및 온도를 일정하게 유지될 수 있다.

본 실시예에서는 흡수기(220)의 흡수액(A)으로서, 리튬브로마이드(LiBr) 수용액이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

그리고, 흡수기(220) 내에서의 흡수액(A)이 증발된 냉매(R)를 흡수할 때 발생하는 흡수열을 제거하기 위해 흡수기(220) 내에는 보조작동유체(w5)가 유동되는 보조작동유체 파이프(252)가 마련된다. 본 실시 예에서 보조작동유체(w5)는 외부의 해수(海水)일 수 있다.

한편, 흡수액(A)인 리튬브로마이드 수용액이 흡수작용을 계속하게 됨에 따라서, 리튬브로마이드 수용액의 농도가 점점 묽어지면, 리튬브로마이드 수용액이 냉매(R)인 청수를 흡수하는 흡수작용의 효율이 점진적으로 감소된다.

따라서, 본 실시예에 따른 흡수식 냉동기(200)에는 흡수액(A)의 재생을 위한 재생기(230)가 마련된다.

그리고, 흡수기(220)의 하부에는 흡수액 펌프(224)가 마련되며, 흡수액 펌프(224)는 흡수기(220) 내의 하부에 응축된 리튬브로마이드 수용액을 제1 흡수액 순환파이프(221)를 통하여 재생기(230)로 공급한다.

재생기(230)는 냉매 즉, 청수를 흡수함으로써 묽어진 리튬브로마이드수용액을 가열시켜, 흡수액(A), 즉 리튬브로마이드 수용액으로부터 청수를 증발시킴으로써 리튬브로마이드 수용액 내의 리튬브로마이드의 농도를 증가시키는 과정, 즉 흡수액 재생과정을 수행하기 위하여 마련된다. 이때, 재생기(230)의 상부에는 흡수기(220)로부터 묽어진 리튬브로마이드 수용액을 전달하기 위한 제1 흡수액 순환파이프(221)가 연통된다.

재생기(230) 내의 흡수액(A)은 가열수단에 의해 가열되게 되는데, 가열수단, 즉 열원으로서, 제3 냉각기(600)에서 압축된 흡입공기(a)를 냉각하면서 자신은 가열된 제3 작동유체(w3)가 사용된다. 이때, 재생기(230)에는 제3 작동유체(w3)가 유동되는 제3 작동유체 순환유로(261)가 관통되며, 재생기(230) 내부에 수용된 흡수액(A)이 제3 작동유체 순환유로(261)로부터 열을 전달받아, 흡수액 재생과정이 수행될 수 있다.

한편, 재생기(230) 내에서 재생과정을 거쳐 농축된 흡수액(A)은 제2 흡수액 순환파이프(231)를 통하여, 흡수기(220)로 순환된다.

이때, 재생기(230)와 흡수기(220) 사이에는 흡수액 열교환기(260)가 설치될 수 있다. 흡수액 열교환기(260)에는 제1 흡수액 순환파이프(221) 및 제2 흡수액 순환파이프(231)의 일부가 관통하며, 제1 흡수액 순환파이프(221) 내에서 유동되는 저온 및 저농도의 흡수액(A)과 제2 흡수액 순환파이프(231) 내에서 유동되는 고온 및 고농도의 흡수액(A)의 열교환이 수행된다. 따라서, 흡수액 열교환기(260)는 재생기(230)에서의 가열량과 흡수기(220)에서의 냉각열량을 대폭 절감함으로써 열효율을 개선하는 역할을 할 수 있다.

흡수기(220)로 들어온 농축된 리튬브로마이드 수용액은 다시 증기 상태의 냉매(R)를 흡수하여 저농도가 된 후, 다시 재생기(230)로 순환되어 가열 및 농축 과정을 연속적으로 반복한다.

그리고, 흡수액(A)의 재생과정에서, 흡수액(A)으로부터 증기상태의 냉매(R), 즉 수증기는 재생기(230)와 응축기(240)를 연결하는 연결 파이프(232)를 통하여 응축기(240)로 공급된다.

한편, 응축기(240)는 재생기(230)에서 증발한 냉매(R) 즉, 수증기를 응축시키기 위하여 마련된다. 응축기(240) 내에는 증발된 냉매(R) 즉, 수증기를 응축시키기 위하여 열교환부로서 흡수기(220) 내부를 지나가는 보조작동유체 파이프(252)가 연장되어 설치되어 있다. 따라서, 흡수기(220)를 통과한 보조작동유체(w5)는, 응축기(240) 내부에서의 증기 상태의 냉매(R)로부터 열을 흡수하여, 증기상태의 냉매(R)가 액체 상태로 응축될 수 있도록 한다.

그리고, 액체상태로 응축된 냉매(R), 즉 청수는, 냉매 파이프(241)를 통하여, 증발기(210)로 재공급될 수 있다. 그리고, 증발기(210)로 재공급된 액체 상태의 냉매(R)는 흡수식 냉동기(200) 내에서의 순환을 되풀이하게 된다. 이때, 냉매 파이프(241)에는 팽창밸브(242)가 마련되어, 내부에 유동되는 냉매(R)의 압력이 감압되도록 할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 흡입공기 냉각시스템의 흡수식 냉동기(200)에 있어서, 냉매(R)의 흐름에 대하여 설명하기로 한다. 이 경우, 흡수식 냉동기(200)의 세부적인 구성요소의 작동에 대해서는 상술하였는바, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

흡수식 냉동기(200)의 증발기(210)에서 증발 잠열에 의해 제1 작동유체(w1)를 냉각시킨 냉매(R, 본 실시예에서는 청수)는 흡수기(220) 내의 흡수액(A)인 리튬브로마이드 수용액에 의해 흡수되기 시작한다. 이후, 냉매(R)를 흡수하여 농도가 저하된 흡수액(A)은 재생기(230)로 전달된다.

재생기(230)에서는, 제3 작동유체 순환유로(261)를 통하여 재생기(230) 내부를 순환하는 가열된 제3 작동유체(w3)에 의하여, 냉매(R)가 과량 흡수된 흡수액(A)으로부터 냉매(R)가 증발된다.

냉매(R)가 증발 분리되어, 농축된 흡수액(A)은 다시 흡수기(220)로 들어가 흡수작용을 재수행하게 된다. 그리고, 재생기(230)에서 나온 증기 상태의 냉매(R)는 응축기(240)로 공급되어 보조작동유체(w5)에 의해 냉각 및 응축되어, 증발기(210)로 순환되어, 한 사이클의 냉매 순환 과정을 마치게 된다. 전술한 바와 같이 본 실시 예에서 보조작동유체(w5)는 외부의 해수(海水)일 수 있다.

이러한 순환과정을 반복적으로 수행함으로써, 증발기(210) 내에서 제1 작동유체 순환유로(251)를 통하여 흐르는 제1 작동유체(w1)를 냉각시키게 된다.

이제 엔진(103)에 공급되는 흡입공기(a)의 온도를 감소시키기 위한 복수의 냉각기에 대하여 다시 도 3을 참조하여 자세히 설명하기로 한다.

우선 본 실시 예에서 제3 냉각기(600)는 흡입공기(a)의 흐름에 따라 과급기(100)에 인접하게 배치되어 과급기(100)에서 압축된 흡입공기(a)를 냉각시킨다. 그리고 흡수식 냉동기(200)는, 전술한 바와 같이, 흡입공기(a)로부터 열원을 회수하여 사용하기 위하여 제3 냉각기(600)를 통하여 순환되는 제3 작동유체(w3)로부터 열원을 공급받는다.

제1 냉각기(300)는 흡입공기(a)의 흐름에 따라 제3 냉각기(600)와 엔진(103) 사이에 배치되어 흡입공기(a)를 냉각시키며, 제1 냉각기(300)에는 흡수식 냉동기(200)를 유동하는 제1 작동유체(w1)가 순환하여 흡입공기(a)와 열교환을 수행한다.

한편 제2 냉각기(400)는 제1 작동유체(w1)의 온도보다 더 낮은 온도를 갖는 제2 작동유체(w2)가 순환하며, 본 실시 예에서 제2 냉각기(400)는 흡수식 냉동기(200)로부터 냉각되되 흡입공기(a)의 냉각에 사용되는 제1 작동유체(w1)를 흡수식 냉동기(200)와 별도로 냉각시킴으로써 흡입공기(a)의 온도를 더욱 감소시키는 역할을 한다.

따라서 본 실시예에서는 제2 냉각기(400)의 제2 작동유체(w2)를 냉각시키기 위한 저온냉각기(500)가 마련된다. 본 실시 예에서 저온냉각기(500)로 LNG 기화열에 의하여 제2 작동유체(w2)를 냉각시키는 LNG 기화기가 적용된다. 그리고 제2 작동유체(w2)로는 브라인(brine)수 또는 글리콜 워터(glycol water)와 같이 어는 점이 낮은 열매체가 적용될 수 있다.

제2 냉각기(400)에 대하여 보다 상세히 설명하면, 제2 냉각기(400)는 본 실시 예와 같이 LNG 추진 선박에 있어서 흡수식 냉동기(200)를 이용한 제1 냉각기(300)와 함께 엔진(103)에 공급되는 LNG 기화열을 이용하여 흡입공기(a)를 한번 더 냉각시키기 위하여 마련된다. LNG 추진 선박에 있어 선내 저장된 LNG의 온도는 -162℃로서 흡수식 냉동기(200)의 냉각수(chilled water) 즉 제1 작동유체(w1) 또는 이에 의하여 냉각된 흡입공기(a)의 온도에 비하여 월등히 낮기 때문에 흡수식 냉동기(200)의 냉각수 즉 제1 작동유체(w1) 또는 흡입공기(a) 온도를 더 감소시킬 수 있다.

이와 같이 흡수식 냉동기(200)와 별도로 흡입공기(a)를 더 냉각시킬 수 있도록 구성함으로써 흡입공기(a) 온도 감소에 따른 연료소비율(SFOC)의 감소 효과는 더욱 증대된다.

한편, 제4 냉각기(700)는 제3 냉각기(600)와 제1 냉각기(300) 사이에 배치되어 과급기(100)에서 압축되고 제3 냉각기(600)에 의해 일차적으로 냉각된 흡입공기(a)를 냉각시킨다. 제4 냉각기(700)는 선박 외부의 해수와 열교환을 하되 제1 작동유체(w1)보다 온도가 높은 제4 작동유체(w4)가 순환하며, 보조냉각기(800)는 제4 작동유체(w4)와 보조작동유체(w5)의 열교환을 수행한다. 전술한 바와 같이 본 실시 예에서 보조작동유체(w5)는 해수일 수 있다.

보조냉각기(800)는, 흡수식 냉동기(200)와 별도로 마련되며, 보조 작동유체(w5) 즉 본 실시 예의 해수가 순환되는 해수 순환유로(820) 및 해수 순환유로(820)와 열교환 가능하게 설치되며 제4 작동유체(w4)가 순환되는 제4 작동유체 순환유로(810)를 포함한다.

즉, 보조냉각기(800)에서는, 해수 순환유로(820)를 순환하는 보조작동유체(w5)에 의하여 제4 냉각기(700)를 거쳐 가열된 제4 작동유체(w4)가 냉각될 수 있다.

그리고 제4 냉각기(700)에 의한 흡입공기(a)의 냉각은, 제1 냉각기(300) 내지 제3 냉각기(600)에 의한 냉각과 독립적으로 수행될 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.

이하에서는 본 실시예에 따른 선박의 흡입공기 냉각시스템에서 흡입공기(a)가 냉각되어 엔진(300)으로 공급되도록 하는 제1 냉각기(300)와, 제2 냉각기(400)와, 제3 냉각기(600)와, 제4 냉각기(700)와, 보조냉각기(800)와 저온냉각기(500)의 작동에 대하여 상세하게 설명한다.

제3 냉각기(600), 제1 냉각기(300) 및 제4 냉각기(700)에는 각각 이들로 유동하는 제3 작동유체(w3), 제1 작동유체(w1) 및 제4 작동유체(w4)가, 제3 냉각기(600), 제1 냉각기(300) 및 제4 냉각기(700)를 거쳐 엔진(200)으로 공급되는 흡입공기(a)와 열교환을 수행함으로써 흡입공기(a)가 냉각된다.

본 실시예에서 설명의 편의를 위하여, 과급기(100)의 후단에서 제3 냉각기(600) 측으로 유동되는 흡입공기(a)를 제1 상태 흡입공기(a), 제3 냉각기(600)에서 제4 냉각기(700)로 유동되는 흡입공기(a)를 제2 상태 흡입공기(a), 제4 냉각기(700)에서 제1 냉각기(300)로 유동되는 흡입공기(a)를 제3 상태 흡입공기(a), 제1 냉각기(300)에서 엔진(200)을 향하여 유동되는 흡입공기(a)를 제4 상태 흡입공기(a)라고 한다.

먼저, 제1 상태 흡입공기(a)는 과급기(100)에서 압축된 흡입공기(a)로서, 약 180℃의 온도로 제3 냉각기(600)에 유입된다.

이때, 제3 작동유체(w3)는 흡수식 냉동기(200)의 재생기(230)에서 약 85℃의 온도로 냉각되어 제3 냉각기(600)로 공급되며, 제3 냉각기(600)에서 제1 상태흡입공기(a1)와 열교환되어, 약 95℃의 온도로 가열되어, 다시 흡수식 냉동기(200)로 순환된다.

제3 냉각기(600)를 통하여 유동되는 과정에서, 약 90℃의 온도로 냉각된 제2 상태 흡입공기(a)는 제4 냉각기(700)로 유입된다.

이때, 제4 냉각기(700)에는, 보조냉각기(800)에서 해수와 열교환되어 약 35℃의 온도로 냉각된 제4 작동유체(w4)가 공급되며, 제4 작동유체(w4)는 제2 상태흡입공기(a)와 열교환된 다음, 약 40℃ 내지 50 ℃의 온도로 가열되어, 보조냉각기(800)로 순환된다.

그리고, 제4 냉각기(700)를 통하여 유동되는 과정에서, 약 40℃의 온도로 냉각된 제3 상태 흡입공기(a)는 제1 냉각기(300)로 유입된다.

제2 냉각기(400)에는, 흡수식 냉동기(200)의 증발기(210)에서 약 7℃의 온도로 냉각된 제1 작동유체(w1)가 공급되며, 제1 작동유체(w1)는 제2 냉각기(400)에서 제1 작동유체(w1)보다 온도가 낮은 제2 작동유체(w2)와 열교환하여 7℃ 미만의 온도로 냉각되어 제1 냉각기(300)로 공급된다.

제1 냉각기(300)로 공급된 제1 작동유체(w1)는 제1 냉각기(300)에서 제3 상태 흡입공기(a)와 열교환하여 가열된 다음, 다시 흡수식 냉동기(200)의 증발기(210)로 순환된다.

한편, 제1 냉각기(300)를 통하여 유동되는 과정에서, 10℃ 이하의 온도로 냉각된 제4 상태 흡입공기(a4)는 엔진으로 공급된다.

이때, 각 상태의 흡입공기(a)의 온도 및 제3 작동유체(w3), 제1 작동유체(w1), 제4 작동유체(w4) 및 제2 작동유체(w2)의 온도는 예시적인 수치로서, 이러한 각각의 온도는 흡수식 냉동기(200)를 가동시키는 것이 가능한 온도의 범위 내에서, 압축률 및 압축용량과 같은 다양한 요인에 의하여 본 실시예와 다르게 설정될 수 있다.

또한, 본 실시예에서 제3 냉각기(600), 제1 냉각기(300), 제4 냉각기(700)를 순환하는 제3 작동유체(w3), 제1 작동유체(w1) 및 제4 작동유체(w4)는 각각 청수(淸水)로 마련될 수 있으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 제3 냉각기(600) 및 제1 냉각기(300)는 흡수식 냉동기(200)에 대하여 각각 열원으로서 작동되어, 흡입공기(a)를 냉각하며, 제4 냉각기(700)는 보조냉각기(800)로부터 냉각된 작동유체를 공급받음으로써, 제3 냉각기(600) 및 제1 냉각기(300)와, 제4 냉각기(700)의 냉각은 서로 독립적으로 수행될 수 있다. 즉, 각각의 냉각기들이 서로 독립적으로 냉각을 수행하게 됨에 따라서, 흡수식 냉동기(200) 및 보조냉각기(800) 중 어느 하나의 냉각기에 이상이 발생되는 경우에도, 흡입공기(a)에 대한 최소한의 냉각이 수행될 수 있다.

또한 본 실시예에 의하면, 과급기(100)에서 압축된 고온의 흡입공기(a)를 냉각시키기 위한 흡수식 냉동기(200)가, 흡입공기(a)로부터 열원을 얻어 구동됨으로써, 흡수식 냉동기(200)의 구동을 위한 별도의 열원이 요구되지 아니함으로써, 흡입공기(a)를 냉각시키기 위한 냉각 시스템의 에너지 효율이 상승되는 장점이 있다.

그리고, 과급기(100)에서 압축된 고온의 흡입공기(a)가 엔진(103)으로 공급되는 과정에서, 복수의 단계를 거쳐 냉각됨으로써, 한 번에 흡입공기(a)를 냉각시키는 경우에 비하여, 흡입공기(a)의 냉각효율이 상승되는 이점이 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 흡입공기 냉각시스템의 구성을 도시한 도면이다.

본 실시예는 제1 실시예와 비교할 때에 제3 냉각기(600)의 구성에 있어서 차이가 있을 뿐, 다른 구성에 있어서는 도 3 내지 도 4의 제1 실시예의 구성과 동일하므로, 이하에서는 본 실시예의 제3 냉각기(600a)의 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 제3 냉각기(600a)의 제3 작동유체(w3)는 과급기(100)에서 압축된 흡입공기(a)로부터 열을 공급받는 제1 실시예와 달리 선내의 기타 폐열 혹은 잉여 스팀으로부터 열을 공급받도록 구성된다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 흡입공기 냉각시스템의 구성을 도시한 도면이다.

본 실시예는 제1 실시예와 비교할 때에 제2 냉각기(400b)의 구성에 있어서 차이가 있을 뿐, 다른 구성에 있어서는 도 3 내지 도 4의 제1 실시예의 구성과 동일하므로, 이하에서는 본 실시예의 제2 냉각기(400b)의 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 제2 냉각기(400b)의 제2 작동유체(w2)는, 흡수식 냉동기(200)로부터 냉각되되 흡입공기(a)의 냉각에 사용되는 제1 작동유체(w1)를 추가적으로 냉각시키는 제 1실시예와 달리 제1 냉각기(300)에서 냉각된 흡입공기(a)를 추가적으로 냉각시킨다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 흡입공기 냉각시스템의 구성을 도시한 도면이다.

본 실시예는 제1 실시예와 비교할 때에 제2 냉각기(400c)와 제3 냉각기(600c)의 구성에 있어서 차이가 있을 뿐, 다른 구성에 있어서는 도 3 내지 도 4의 제1 실시예의 구성과 동일하므로, 이하에서는 본 실시예의 제2 냉각기(400c)와 제3 냉각기(600c)의 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 제3 냉각기(600c)의 제3 작동유체(w3)는 과급기(100)에서 압축된 흡입공기(a)로부터 열을 공급받는 제1 실시예와 달리 선내의 기타 폐열 혹은 잉여 스팀으로부터 열을 공급받도록 구성된다.

또한 본 실시예에서 제2 냉각기(400c)의 제2 작동유체(w2)는, 흡수식 냉동기(200)로부터 냉각되되 흡입공기(a)의 냉각에 사용되는 제1 작동유체(w1)를 추가로 냉각시키는 제 1실시예와 달리 제1 냉각기(300)에서 냉각된 흡입공기(a)를 추가로 냉각시킨다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100 : 과급기 200 : 흡수식 냉동기
210 : 증발기 220 : 흡수기
230 : 재생기 240 : 응축기
300 : 제1 냉각기 400 : 제2 냉각기
500 : 저온냉각기 600 : 제3 냉각기
700 : 제4 냉각기 800 : 보조냉각기

Claims

엔진에서 생성되는 배기가스의 일부를 이용하여 외부로부터 유입된 흡입공기를 압축하며, 상기 흡입공기가 유입되는 전단 및 압축된 상기 흡입공기를 상기 엔진으로 공급하기 위한 후단을 포함하는 과급기;
상기 과급기를 거친 상기 흡입공기의 흐름에 따라 배치되어 상기 흡입공기를 냉각시키는 제1 냉각기;
상기 제1 냉각기를 순환하는 제1 작동유체를 냉각시키는 흡수식 냉동기; 및
상기 흡수식 냉동기와 별도로 마련되어 상기 제1 작동유체의 온도보다 더 낮은 온도를 갖는 제2 작동유체가 순환하는 제2 냉각기를 포함하는 선박의 흡입공기 냉각시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 냉각기의 제2 작동유체를 냉각시키기 위한 저온냉각기를 더 포함하며,
상기 저온냉각기는 LNG 기화열에 의하여 상기 제2 작동유체를 냉각시키는 LNG 기화기인 것을 특징으로 하는 선박의 흡입공기 냉각시스템.
제2항에 있어서,
상기 제2 작동유체는 브라인(brine)수 및 글리콜 워터(glycol water) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 선박의 흡입공기 냉각시스템.
제2항에 있어서,
상기 제2 냉각기는 상기 제2 작동유체를 통하여 상기 제1 작동유체를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 선박의 흡입공기 냉각시스템.
제2항에 있어서,
상기 제2 냉각기는 상기 흡입공기의 흐름에 따라 상기 제1 냉각기와 상기 엔진 사이에 배치되어 상기 제2 작동유체를 통하여 상기 흡입공기를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 선박의 흡입공기 냉각시스템.
제1항에 있어서,
제3 작동유체가 순환되는 제3 냉각기를 더 포함하며,
상기 흡수식 냉동기는 상기 제3 냉각기를 통하여 순환되는 상기 제3 작동유체로부터 열원을 공급받는 것을 특징으로 하는 선박의 흡입공기 냉각시스템.
제6항에 있어서,
상기 제3 냉각기는 상기 흡입공기의 흐름에 따라 상기 제1 냉각기와 상기 과급기 사이에 배치되어 상기 제3 작동유체를 통하여 상기 흡입공기를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 선박의 흡입공기 냉각시스템.
제7항에 있어서,
상기 제3 냉각기와 상기 제1 냉각기 사이에 배치되어 상기 과급기에서 압축된 상기 흡입공기를 냉각시키며, 상기 선박 외부의 해수와 열교환을 하되 상기 제1 작동유체보다 온도가 높은 제4 작동유체가 순환하는 제4 냉각기를 더 포함하는 선박의 흡입공기 냉각시스템.
제6항에 있어서,
상기 과급기와 상기 제1 냉각기 사이에 배치되어 상기 과급기에서 압축된 상기 흡입공기를 냉각시키며, 상기 선박 외부의 해수와 열교환을 하되 상기 제1 작동유체보다 온도가 높은 제4 작동유체가 순환하는 제4 냉각기를 더 포함하는 선박의 흡입공기 냉각시스템.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 제4 작동유체와 해수의 열교환을 수행하기 위한 보조냉각기를 더 포함하며,
상기 제4 냉각기에 의한 상기 흡입공기의 냉각은, 상기 제1 냉각기 내지 상기 제3 냉각기에 의한 냉각과 독립적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 선박의 흡입공기 냉각시스템.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 흡수식 냉동기는,
냉매의 증발 잠열을 이용하여 상기 제1 작동유체를 냉각시키는 증발기;
상기 증발기에서의 증발된 냉매를 흡수하는 흡수액이 수용된 흡수기;
상기 냉매의 흡수를 통하여 묽어진 상기 흡수기의 흡수액을 가열시켜 재생시키는 재생기; 및
상기 재생기에서 증발한 냉매를 응축시키는 응축기를 포함하는 선박의 흡입공기 냉각시스템.