기본개념 설계

Mobile Water Monitor는 분사(Jet)와 분무(Spray)가 가능하여야 하기 때문에 일반적으로 Fig. 24에 나타낸 분사ㆍ분무 겸용노즐을 사용하고 있다. 하지만, 이러한 형태의 노즐은 분사 시에 강력한 와류가 생성되어, 분사거리 측면에서 비효율적이기 때문에 본 논문에서는 Fig. 25에 나타낸 관통형 노즐을 적용하는 것으로 결정하였다.

Mobile Water Monitor는 선박의 기관실에 설치되는 소화펌프(Fire Pump)로 부터 소화수인 해수(Sea Water)를 공급받게 되는데, Mobile Water Monitor의 기본 용량이 60 ㎥/h이고, 선박마다 4 sets를 비치하여야 하므로, Fire Pump 용량이 기본적으로 240 ㎥/h의 용량이 추가되어야 한다. 하지만, Table 6에서 나타낸 바와 같이, 기존의 단일형 노즐을 적용할 경우, 240 ㎥/h에 추가하여 10~30 % 정도의 추가용량이 필요하지만, 관통형 노즐을 적용할 경우, 요구되는 펌프의 용량을 240 ㎥/h에 고정시킬 수 있기 때문에 상당한 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 판단된다.

노즐은 관통형 노즐로서 기존에 개발되어 판매되고 있는 해적퇴치용 Water Cannon(삼성중공업, Unifire(스웨덴) 등)의 노즐 등에 적용되는 관통형 노즐에 대한 자료를 검토하고, Fig. 26과 같은 기본 모델을 설계 하였다.

노즐의 성능은 K-factor, 분사속도, 분사각 등으로 규정할 수 있다. K-factor는 노즐의 설계 시에 중요한 인자로 식 (3.49)와 같이 유량(Q)과 압력(P)의 관계를 나타내며, K-Factor는 노즐의 유량계수이다.

min  ^ (3.49) 예를 들어, Mobile Water Monitor를 4 bar를 기준으로 개발한다고 가정할 때, K-Factor가 500인 노즐을 적용하면 유량이 1,000 ℓ/min(60 ㎥/h)인 Mobile Water Monitor를 개발할 수 있다.

유량계수와 관련된 이론은 관로 내에 단면적이 다른 노즐과 같은 장치를 설 치하고 입구(A1, V1), 출구(A2, V2)에 대해 베르누이 정리를 적용하면 비압축성 유체의 경우 다음 식이 성립한다.



_

 

_^

 

_

 

_^

(3.50)

__ __ (3.51) 여기서, P, A, V 는 노즐 입ㆍ출구의 압력, 단면적, 유속이고, ^ 는 유체의 밀도 이다. 식 (3.50)에서 V 를 구해 식 (3.51)에 대입하면 유량 Q는 다음 식과 같이

구해진다.

____



^

여기서, m 은 단면적 _

_

의 비이다.

축소된 단면적 A2는 유체의 관성 때문에 실제의 노즐 구경보다 조금 하류쪽 에서 최소로 되어 노즐 출구의 단면적보다 적게 된다. 이것을 축류(Vena -Contracta)라고 하는데 A2는 유체의 밀도나 기구의 형상에 의해서도 변하므로 실제 측정하는 것은 곤란하여 보통 단면 A0로 대신하는 것이 일반적이다. 이러한 조건들을 고려하여 실제의 단면적에 유출계수(Discharge Coefficient)라고 하는데 유출계수를 도입하면 다음 식으로 주어진다.

___ ___



__

_



∆

(3.53) 식 (3.29)의 의해 이론적으로 계산된 유량은 실제 유체에서는 유체의 점도, 밀 도, 온도 및 기타 팽창계수 등에 의해 실제의 유량과는 다소 차이가 있다. 따라 서, 이러한 조건을 고려하여 여러 가지 계수를 곱해 수정하여야 한다.

이때 유출계수 C와 유량계수 K 사이에는

_{ }

^  ^

 (3.54)

가 된다. 유량계수 K는 실측에 의해 정해진다[김동화, 2003].

본 연구에서 연구하고자 하는 Mobile Water Monitor 유량계수 K 측정에 관 한 사항은 5.3.1.1.에서 자세히 설명하였다.

Fig. 26에서 노즐의 출구부 직경 D의 범위는 15 mm ~ 35 mm로 설정하였으며, 이는 Mobile Water Monitor가 작동압력 범위 4 bar ~ 9 bar에서 60 ㎥/h의 유량 을 가져야 한다는 것을 고려한 것이다.

Fig. 24 Schematic Diagram of Spray & Jet Nozzle

Fig. 25 Schematic Diagram of Through Type

Nozzle

K

Req.

Height (m)

Req.

Press.

(bar)

Req. Q’ty (㎥/h)

Total Req. Q’ty (㎥/h, 4 sets)

Additional Capacity

(㎥/h)

Remark

707.1 10 2 60.00 240.0 0.0

기존제품 (단일형노즐)

707.1 20 4 84.85 339.4 99.4

707.1 30 6 103.92 415.7 175.7

707.1 10 2 60.00 240.0 0.0

실험노즐 (관통형노즐)

500.0 20 4 60.00 240.0 0.0

408.2 30 6 60.00 240.0 0.0

Table 6 Performance comparison of Single nozzle and through nozzle

Fig. 26 Schematic Diagram of Basic Nozzle Model