KR20200056823A - 극지용 선박의 폐열회수장치 및 이를 포함하는 극지용 선박 - Google Patents

극지용 선박의 폐열회수장치 및 이를 포함하는 극지용 선박 Download PDF

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KR20200056823A
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김진희
이영국
심상칠
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대우조선해양 주식회사
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Abstract

본 발명은, 극지용 선박의 폐열회수장치 및 이를 포함하는 극지용 선박에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 폐열을 회수하여 외부에서 유입되는 공기를 가열하는 극지용 선박의 폐열회수장치 및 이를 포함하는 극지용 선박에 관한 것이다.
본 발명에 따른 극지용 선박의 폐열회수장치는, 선내 공급 공기를 공급하기 위하여 외부 공기를 가열하는 공기 가열기;를 포함하고, 상기 공기 가열기는, 내부 공간으로 공기가 통과하면서 열교환에 의해 가열되는 공기 가열기 본체; 및 상기 공기 가열기 본체 내부에 구비되며 선내 고온의 배기가스가 유동하는 튜브 다발;을 포함하고, 상기 튜브 다발은, 파이프 튜브; 및 핀 부재가 부착되어 있는 핀 튜브;를 포함하여, 상기 파이프 튜브 및 핀 튜브를 혼합하여 배열함으로써, 상기 배기가스의 유속에 의한 압력 손실을 감소시킬 수 있다.

Description

극지용 선박의 폐열회수장치 및 이를 포함하는 극지용 선박 {Waste Heat Recovery Apparatus for Arctic Ship and Arctic Ship having the same}
본 발명은, 극지용 선박의 폐열회수장치 및 이를 포함하는 극지용 선박에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 폐열을 회수하여 외부에서 유입되는 공기를 가열하는 극지용 선박의 폐열회수장치 및 이를 포함하는 극지용 선박에 관한 것이다.
지구 온난화의 영향으로 북극해 해빙이 유실됨에 따라 러시아 부근의 북동항로와 캐나다 부근의 북서항로에 대한 관심이 증가하고 있다.
북극해 지역은 많은 자원이 있으며 새로 부각되는 관광지로서도 알려지고 있어 극지유전의 개발에 따른 수송, 보급 및 관광 목적으로 극지항로 개발에 관한 연구가 활발해지고 있다.
세계 지하자원의 약 25%가 매장되어 있고 기존항로에 비해 시간과 거리가 30% 이상 단축되는 북극해 항로 개발을 위해 북극해 인접국들인 미국, 캐나다, 러시아, 덴마크, 및 노르웨이 등은 관련 연구들을 주도적으로 수행하고 있다.
미국과 캐나다 연구진이 발표한 자료에 따르면 현재 북극해 항로의 통행량은 2030년까지 전 세계선박 통행량의 2%에 달하며, 2050년까지 5%에 이를 것으로 예상되나, 최근 지구온난화의 영향으로 북극해 항로의 개방시기가 점차 앞당겨질 가능성이 크다.
극지 해역은 일반 해역과는 달리 빙상환경이라는 특수성이 있기에 부품소재 측면의 연구개발과는 별도로 환경위험도(Environmental Risk)를 고려하여 접근이 필요한 상황이다. 특히, 북극해를 운항하는 선박은 일반해역 운항시보다 잠재적 위험요소가 많기 때문에 안전운항이라는 측면에서 접근이 필요하다.
극지의 환경조건은 평균 대기온도가 약 -52℃에 이르고, 극심한 태양 방사선 해역에 떠있는 빙산들로 인해서 개발에 상당한 어려움이 있다.
극지방과 같이 외부 기온이 낮은 지역의 항해 시에는 저온 외기에 노출된 구조물들이 얼지 않도록 하는 공기 가열 시스템이 필요하다. 특히, 선박에서 도어나 해치 커버와 같은 구조물들은 결빙되는 경우, 오작동 또는 동작 불능 상태가 될 수 있으므로, 이러한 구조물의 원활한 작동을 위해서도 공기 가열 시스템이 필요하다.
일반적으로, 극지방 등 저온 구역을 운행하는 선박의 경우, 장비 작동에 필요한 최저온도 이상을 유지하고자 선박 내 각 구역에 열매, 예를 들어 열유(Thermal Oil)나 스팀(Steam)을 이용하여 해당 구역의 공기 온도를 올리는 히터(Space Heater)를 설치한다.
외부 공급 공기의 가열에 열유 등을 사용하는 경우 관련 구성품 및 장비 용량이 크고, 설치 비용과 운용 비용이 많이 소모되므로 이에 대한 개선책이 요구된다.
전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연소 시 생성되는 폐열을 회수하여 외부에서 유입되는 공기를 가열하여 공급함으로써 선박의 에너지 효율을 증대시킬 수 있고, 공기 가열기의 용량을 감소시켜 관련 구성품 비용 및 설치 공간을 감소할 수 있는 극지용 선박의 폐열회수장치 및 이를 포함하는 극지용 선박을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 선내 공급 공기를 공급하기 위하여 외부 공기를 가열하는 공기 가열기;를 포함하고, 상기 공기 가열기는, 내부 공간으로 공기가 통과하면서 열교환에 의해 가열되는 공기 가열기 본체; 및 상기 공기 가열기 본체 내부에 구비되며 선내 고온의 배기가스가 유동하는 튜브 다발;을 포함하고, 상기 튜브 다발은, 파이프 튜브; 및 핀 부재가 부착되어 있는 핀 튜브;를 포함하여, 상기 파이프 튜브 및 핀 튜브를 혼합하여 배열함으로써, 상기 배기가스의 유속에 의한 압력 손실을 감소시키는, 극지용 선박의 폐열회수장치가 제공된다.
바람직하게는, 상기 파이프 튜브의 직경은 상기 핀 튜브의 직경보다 크다.
바람직하게는, 상기 튜브 다발은, 상기 공기의 흐름 방향과 상기 배기가스의 흐름 방향이 서로 수직 방향이 되도록 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 배기가스는, 상기 극지용 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스이고, 상기 폐열회수장치는, 상기 공기 가열기의 전단에 설치되며, 상기 엔진의 부하 및 가동 여부에 따라 공기 가열기로 유입되는 공기의 양이 제어되도록 하는 댐퍼;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 배기가스는, 상기 극지용 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스이고, 상기 폐열회수장치는, 상기 공기 가열기의 전단에 설치되며, 상기 엔진의 부하 및 가동 여부에 따라, 공기를 가열하기 위한 배기가스의 열량이 부족할 때 공기를 가열하기 위한 보조 수단인 전기 히터;를 더 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 선내 공급 공기를 공급하기 위하여, 엔진의 배기가스를 이용하여 외부 공기를 가열하는 공기 가열기; 상기 공기 가열기 내부에 설치되며, 배기가스가 유동하는 튜브; 및 상기 공기 가열기에서 가열된 공기를 선내 공기 수요처로 각각 공급하는 하나 이상의 팬;을 포함하고, 상기 튜브는 서로 다른 직경을 갖는 다수개의 튜브를 포함하여, 다수개의 튜브가 일정하게 배열되는, 극지용 선박이 제공된다.
본 발명의 실시예들은, 배기가스가 배출되는 영역에 복수의 파이프 튜브와 복수의 핀 튜브를 마련하여 외부에서 공급되는 극저온의 공기와 고온의 배기가스를 서로 열교환시킴으로써 열교환 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 폐열을 활용함으로써 선박의 에너지 효율을 증대시킬 수 있고, 공기 가열기의 용량을 감소시켜 관련 구성품 비용을 줄일 수 있으며, 설치 공간을 감소시켜 공간 활용도를 높일 수 있다.
또한, 극저온의 외기가 선체 내로 직접 공급되지 않도록 함으로써, 선체 내 각종 장비 및 장치의 파손을 방지할 수 있고, 공급 공기의 온도를 적절하게 가열함으로써 장비 및 장치의 작동을 원활하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 극지용 선박의 폐열회수장치가 배기가스 배출 덕트에 마련된 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예가 적용되는 극지용 선박의 주요부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예의 공기 가열기의 개략적인 내부 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 "A" 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 파이프 튜브와 핀 튜브를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 4의 개략적인 사시도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 극지용 선박의 폐열회수장치(1)는, 선내 공급 공기로서 공급하기 위하여 외부 공기를 가열하는 공기 가열기(610); 공기 가열기(610)에 결합되며 공기 가열기(610)로 유입되는 외기의 흐름을 완충시키기 위한 댐퍼(DP); 댐퍼(DP)에 결합되며 전력을 에너지원으로 하여 외기를 가열시키는 전기히터(EH); 및 연료의 연소에 의해 전력을 생산하는 발전기(미도시)나 연료의 연소에 의해 스팀을 생산하는 보조 보일러(미도시) 등 연소 장치로부터의 배기가스를 배출시키는 경로를 제공하는 배기가스 라인(EL);을 포함하고, 공기 가열기(610)는 배기가스 라인(EL)과 연결된다.
본 실시예에서 연소 장치는, 발전 엔진인 것을 예로 들어 설명한다. 따라서, 본 실시예의 공기 가열기(610)에서는 외기와 발전 엔진의 배기가스가 열교환하여 외기가 가열되고 배기가스는 냉각되어 배출된다.
댐퍼(DP)는, 본 실시예의 극지용 선박의 운항 중 발전 엔진의 부하 변동 및 극지용 선박이 정박하였을 때의 엔진의 불가동 등 운항 상태에 따라 외기 흡입을 제어하는 수단으로서, 공기 가열기(610)의 전단에 외기 유입부 측에 설치될 수 있다.
전기히터(EH)는, 본 실시예의 극지용 선박의 운항 중 발전 엔진의 부하 변동 및 극지용 선박이 정박하였을 때의 엔진의 불가동 등 운항 상태에 따라 가동 효율 저감이나 가열 열량(배기가스 열량) 부족 시 부족분을 보완하기 위한 장비로서, 비상발전기 전력을 에너지원으로 사용할 수 있다.
본 실시예의 폐열회수장치(1)는, 공기 가열기(610), 댐퍼(DP) 및 전기히터(EH)를 포함함으로써, 빈번하게 변화하는 발전 엔진의 가동 조건에도, 선내 공급 공기의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
배기가스 라인(EL)은 도 1에 도시된 바와 같이 덕트(duct)일 수 있으며, 공기 가열기(610)는 배기가스 덕트(EL)에 연통되도록 설치될 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 본 실시예의 폐열회수장치(1)를 포함하는 극지용 선박은, 공기 가열기(610)에 의해 가열된 고온의 공기는 공기 혼합실(600); 및 고온의 공기를 각종 공기 수요처로 공급하는 하나 이상의 팬(710);을 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 공기 가열기(610)는 공기 혼합실(600)과도 연통되도록 설치될 수 있고, 공기 혼합실(600)로 유입된 고온의 공기는, 팬(710)에 의해 공기 수요처로 공급된다.
배기가스 라인(EL)은, 공기 가열기(610)의 열원 유입부(도면부호 미부여) 및 열원 배출부(도면부호 미부여)와 연통되고, 공기 혼합실(600)은, 외기 배출부(도면부호 미부여)와 연통될 수 있다.
또한, 본 실시예의 공기 가열기(610)의 열원 유입부, 열원 배출부, 외기 유입부 및 외기 배출부는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 공기 가열기(610) 내에서 공기가 유동하는 방향과 배기가스가 유동하는 방향이 수직이 되도록 형성될 수 있다. 이와 같이, 공기가 유동하는 방향과 배기가스가 유동하는 방향이 수직이 되도록 형성함으로써, 열교환 효율을 높일 수 있다.
도 1 및 도 3 을 참조하면, 본 실시예의 공기 가열기(610)는, 배기가스가 유동하는 다수개의 튜브 다발(TB); 튜브 다발(TB)이 설치되며 튜브 다발(TB) 내부를 통과하는 고온의 배기가스의 열에 의해 튜브 다발(TB) 외부를 통과하는 극저온의 공기가 가열되는 공기 가열기 본체(611); 및 공기 가열기 본체(611)의 벽면에 설치되며 공기 가열기(610)를 단열하는 단열 부재(IS);를 포함한다.
예를 들어, 본 실시예에 따르면, 약 -52℃의 극지방의 저온의 외기가 공기 가열기(610)로 유입되고, 튜브 다발(TB) 외부 표면을 유동하면서, 튜브 다발(TB) 내부를 따라 유동하는 약 250℃ ~ 300℃의 고온의 배기가스에 의해 약 5℃까지 가열될 수 있고, 배기가스는 열교환에 의해 약 190℃까지 냉각되어 배출될 수 있다.
공기 가열기(610)의 재질은, 극지방의 극저온의 외기를 견딜 수 있고, 부식을 방지할 수 있는 재질로 적용될 수 있다. 예를 들어, 공기 가열기(610)의 재질은 SUS316L일 수 있다.
튜브 다발(TB)은, 약 -52℃에 달하는 극지방의 외부 공기가 튜브 다발(TB)로 구성된 공기 가열기의 본체(611) 내부를 통과하면서 충분히, 즉 선내 공기 수요처에서 필요로 하는 온도, 예를 들어 5℃까지 가열될 수 있도록, 공기 흐름 방향을 따라 충분한 수의 튜브를 포함하여 배치될 수 있다.
본 실시예의 튜브 다발(TB)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 다수개의 파이프 튜브(PT); 및 다수개의 핀 튜브(FT);를 혼합하여 구성할 수 있다.
핀 튜브(FT)는, 베이스 튜브(FTa);와 핀 부재(FTb);로 구성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 베이스 튜브로만 구성되는 파이프 튜브(PT)와 달리 핀 튜브(FT)는 베이스 튜브(FTa)에 다수의 핀 부재(FTb)가 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 베이스 튜브(FTa)에 핀 부재(FTb)를 부착함으로써, 전열 면적을 증가시켜 열교환 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 파이프 튜브(PT)의 직경은 핀 튜브(FT)의 베이스 튜브(FTa)의 직경보다 크게 구비될 수 있다.
본 실시예에서 다수의 파이프 튜브(PT)와 핀 튜브(FT)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 공기 가열기 본체(611) 내에, 배기가스의 흐름 방향과 공기의 흐름 방향이 수직이 되도록 하면서, 일정한 간격을 두고 일정하게 배열될 수 있다.
또한, 파이프 튜브(PT)의 개수와 핀 튜브(FT)의 개수는 동일하지 않을 수 있고, 파이프 튜브(PT)의 개수가 더 적을 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.
핀 튜브(FT)는 전열 면적이 넓다는 장점이 있지만, 튜브 다발(TB)을 핀 튜브(FT)만으로 구성한다면, 직경이 작은 핀 튜브(FT)를 배기가스가 통과하는 과정에서 배기가스의 높은 유속에 의해 압력 손실이 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 본 실시에에 따르면, 핀 튜브(FT)보다 직경이 큰 파이프 튜브(PT)를 핀 튜브(FT)와 혼합하여 일정하게 배열함으로써, 배기가스의 튜브 통과 속도 및 차압을 낮추어 엔진 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
핀 튜브(FT)와 파이프 튜브(PT)를 함께 배열함으로써, 열교환 효율은 높이되, 공기 가열기(610) 내 공기 흐름 및 배기가스 흐름에 대한 압력 손실(pressure loss)이 과도하게 일어나지 않도록 할 수 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시예에 따르면, 극지방에서 선내 공기 수요처로 공급할 극저온의 외기를 가열하는 공기 가열기를 구비하되, 복수의 파이프 튜브와 복수의 핀 튜브를 마련하여 외부에서 공급되는 공기와 고온의 배기가스를 서로 열교환 시킴으로써 압력 손실은 최소화하면서도 열교환 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 공기를 가열하는 데 있어 선내 폐열을 활용하므로, 선박의 에너지 효율을 증대시킬 수 있고, 공기 가열기의 용량을 감소시켜 관련 구성품 비용을 줄일 수 있으며, 설치 공간을 감소시켜 공간 활용도를 높일 수 있다.
보다 구체적으로, 열유(thermal oil)를 이용하여 공기를 가열하는 구성에 비해, 공기 가열 시스템 전체 용량을 약 30% 축소(7,500kW → 5,000kW)시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
1: 극지용 선박의 폐열회수장치
610 : 공기 가열기
611 : 공기 가열기 본체
TB : 튜브 다발
PT : 파이프 튜브
FT : 핀 튜브
FTa : 베이스 튜브
FTb : 핀 부재
IS : 단열 부재
710 : 팬
DP : 댐퍼
EH : 전기히터
EL : 배기가스 라인

Claims (6)

  1. 선내 공급 공기를 공급하기 위하여 외부 공기를 가열하는 공기 가열기;를 포함하고,
    상기 공기 가열기는,
    내부 공간으로 공기가 통과하면서 열교환에 의해 가열되는 공기 가열기 본체; 및
    상기 공기 가열기 본체 내부에 구비되며 선내 고온의 배기가스가 유동하는 튜브 다발;을 포함하고,
    상기 튜브 다발은,
    파이프 튜브; 및
    핀 부재가 부착되어 있는 핀 튜브;를 포함하여,
    상기 파이프 튜브 및 핀 튜브를 혼합하여 배열함으로써, 상기 배기가스의 유속에 의한 압력 손실을 감소시키는, 극지용 선박의 폐열회수장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 파이프 튜브의 직경은 상기 핀 튜브의 직경보다 큰, 극지용 선박의 폐열회수장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 튜브 다발은, 상기 공기의 흐름 방향과 상기 배기가스의 흐름 방향이 서로 수직 방향이 되도록 배치되는, 극지용 선박의 폐열회수장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기가스는, 상기 극지용 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스이고,
    상기 폐열회수장치는,
    상기 공기 가열기의 전단에 설치되며, 상기 엔진의 부하 및 가동 여부에 따라 공기 가열기로 유입되는 공기의 양이 제어되도록 하는 댐퍼;를 더 포함하는, 극지용 선박의 폐열회수장치.
  5. 청구항 1 또는 4에 있어서,
    상기 배기가스는, 상기 극지용 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스이고,
    상기 폐열회수장치는,
    상기 공기 가열기의 전단에 설치되며, 상기 엔진의 부하 및 가동 여부에 따라, 공기를 가열하기 위한 배기가스의 열량이 부족할 때 공기를 가열하기 위한 보조 수단인 전기 히터;를 더 포함하는, 극지용 선박의 폐열회수장치.
  6. 선내 공급 공기를 공급하기 위하여, 엔진의 배기가스를 이용하여 외부 공기를 가열하는 공기 가열기;
    상기 공기 가열기 내부에 설치되며, 배기가스가 유동하는 튜브; 및
    상기 공기 가열기에서 가열된 공기를 선내 공기 수요처로 각각 공급하는 하나 이상의 팬;을 포함하고,
    상기 튜브는 서로 다른 직경을 갖는 다수개의 튜브를 포함하여, 다수개의 튜브가 일정하게 배열되는, 극지용 선박.
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