선박용공기조화기
(The Development of new technology for air handling unit in ship)
Û ¤ Ä / (주)삼화에이스 기술영업부, [email protected] 공기조화기에 새로운 개념의 송풍기(Multi Plug
Fan)적용 소개
최근 세계적으로 국내조선분야 기술의 우수성이 부각되면서 고부가가치 선박의 가시적인 성장을 보이고 있다. 그와 함께 선박용 공조기 산업도 큰 성장세를 보이고 있으며, 많은 국내외 업체들이 사 활을 걸고 이 분야에서 경쟁을 하고 있다. 일반적 으로 공기조화기는 인간이 생활을 영위하는 삶의 질을 향상시키기 위한 부수적인 역할을 하는 장비 이지만 선박 및 해양 시설물과 관련하여 인간의 삶 에 직결되는 중요한 요소로써 작용한다. 또한 공기 조화기는 지정된 장소에 고정되어 거치식으로 사 용되지만 선박용 공기조화기의 경우 선박 외부 환 경까지 고려되어야 한다. 선박용 공기조화기는 외 부 환경의 변화 즉 선박이 움직일 때의 영향을 충 분히 고려되어야 하며, 파고에도 구조적인 영향을 미치게 된다. 일반적으로 고려되어지는 외부환경 의 요인은 그림 1과 같다.
선박의 운송 및 기능에 따라서는 그림 2와 같이 여객선, 상선, 특수선 등으로 분류될 수 있다. 선박
의 기능 또한 다양해지면서 외부요인에 따른 흔들 림 즉 피칭, 요잉, 롤링 등에 대응 하는데 있어 일 반 공조기의 벨트구동 방식은 특성상 한계가 있다.
또한 흔들림 조건에 만족 할 수 없을 뿐만 아니라 가능하더라도 부가적인 장치가 필요하게 되어 본 연의 공조기 시스템의 구조가 복잡해진다. 벨트 구 동방식의 공기조화기는 많은 불안요소를 가지고 있으며, 불안요소를 상쇄시키기 위해서 벨트 이상 유무, 장력, 베어링 소손, 윤활유 주유 등의 주기적 인 관리가 필요하다. 이러한 관리부분은 선박의 장 기간 운행조건에서는 부담이 될 수 있는 부분이다.
특별한 거주구역일 경우 관리부분 소홀로 인하여 공조시스템이 가동되지 않을때 back-up시스템을 고려하지 않는 한 불편을 겪을 수밖에 없다. 또한 이러한 벨트구동형 송풍기는 그림 3의 b)에서 보 는바와 같이 벨트부와 풀리 간의 미끌림 현상 (Slip)이나 벨트부의 장력의 변화 등에 의해서 송 풍기의 성능이 저하되는 문제점이 발생되고 있다.
그래서 이런 문제점을 해결하고 구조적으로 안정 적이며, 즉각적인 제어 응답성을 가지고 있는 직결 구동을 사용하여 효율적인 측면을 고려하여 CFD 해석 및 실증시험을 통하여 새로운 기술을 검토 및
[그림 1] 선박용 공기조화기 설치시의 고려되는 외부 요인
a) VLCC
c) CRUISE
e) FPSO(Floating Production, Storage & Offloading)
g) Pure Car Carrier
b) CONTAINER
d) 항공모함
f) 쇄빙선
h) LNG SHIP
비교 분석해 보기로 한다.
공조기의 구조 및 원리
공기조화기는 크게 유동을 일으키는 송풍부, 공
기의 온습도를 조절하는 열교환부 및 공기중의 이 물질을 제거하는 필터부로 나눌 수 있는데 작업 및 생활환경 그리고 공기조화기 성능에 가장 큰 영향 을 미치는 인자는 송풍기이다. 본 공조기에 사용된 송풍기의 방식은 그림 3의 a)와 같이 멀티송풍기
a) 직결구동 방식 b) 벨트구동 방식
[그림 3] 직결구동 및 벨트구동 방식의 공조기
[그림 4] 벨트 구동 송풍기와 직결구동 송풍기
Less Opeating and maintenance costs
공조기로서 멀티 박스 내부에 장착되는 시스템이 다. 또한 그림 3의 b)는 벨트구동 송풍방식의 공 조기로서 단일 부품의 부피가 큰 구조로 되어있다.
공조기 방식의 세부 항목은 그림 3의 a)와 같이 흡입구와 토출구로 되어있으며, 공조시스템 내부 에 멀티 박스가 상·하부와 좌·우로 분할되어 있 으며, 그 내부에 직결구동 원심송풍기가 모터와 같 이 부착되어 성능을 발휘하게 된 구조이다. 따라서 설계 및 구조적인 적용이 다양하고 알루미늄 마운 트와 스틸 몰드 결합이 향상되고 모터와 프레임의 고정구조로 인한 방진 스프링이 불필요하다. 그리 고 그림 4와 같은 흡음구조로서 송풍기 박스의 흡
음(글라스 울 30T)구조로 인한 소음이 감소되며, 설계 풍량에 따른 공기조화기 설치 면적이 최소화 된다. 따라서 유지보수 및 교체가 편리하며, 응급 사항시 대처가 용이하다.
그림 5의 Balance ISO 1940 규격을 보면 구동 강성체의 평형특성 6.3 G, 2.5 G, 1.0 G순으로 구 분되어지며, 강성체의 평형특성이 낮을수록 구조 물의 회전체 즉 송풍기의 불평형이 작다는 것을 알 수 있다. 선박의 구조특성상 여러 판재를 격자 구 조로 용접한 접합구조이므로 송풍기 및 축의 회전 체 진동이 접합부위에 전달되어 구조물의 취약성 을 가져올 수 있다. 일반적인 벨트구동의 평형특성 은 6.3 G를 기준으로 제작하며 방진(Isolator)장치 를 설치하여 진동이 하부 구조물에 전달되는 것을 저감시킨다. 평형특성을 2.5 G 이하로 하더라도 벨트 및 부품의 슬립 손실로 인하여 2.5 G 특성을 오래 지닐 수 없다.
새로운 방식의 멀티 PLUG 송풍기 공조기는 직결 구동으로써 베어링 소손, 벨트 분진 및 소손, 장력 등의 문제점을 해결하면서 회전체의 평형특성을 2.5 G 이하로 선정하여 제작하므로 진동속도가 저 진폭의 진동이 하부 구조물에 전달되므로 방진이 필요하지 않다. 또한 송풍기의 구성 요소의 소손 으로 인하여 유지 및 보수기간의 문제점을 가져올 수 있으나, 멀티 PLUG 송풍기 공조기는 여러 개의 송풍기의 균등한 풍량 분배에 의해서 모터소손이 발생되더라도 나머지 송풍기의 회전수 조정을 통 하여 요구 풍량을 낼 수 있는 제어를 갖춘 시스템 이다.
공조기의 속도장 측정 실험
그림 6과 같이 직결구동 공조기와 벨트구동 공 조기의 열교환기 통과후 속도를 측정하였으며, 측 정은 바닥에서 상부 방향으로 측정 비교하였다. 이 측정값은 S전자의 설치된 공조기를 실제 측정한 값을 그림 6과 같이 나타내었다. 벨트구동 공조기 의 경우 속도장이 열교환기 후단의 속도장 고저가 위치별로 0.5 ∼ 4.5 m/s로 편차가 상당히 큰 것을 알 수 있다. 그러나 직결구동 공조기의 경우 속도 장의 고저가 위치별로 1.5 ∼ 3.2 m/s로 편차가 벨
[그림 5] 기계적 진동-강성회전체의 평형 특성 요구 조건 (ISO 1940-1:2001)
트구동에 비하여 작은 뿐만 아니라 속도편차 값도 50% 작다는 것을 확인 할 수 있으며, 설계 통과 풍 속치인 2.5 m/s를 유지하는 것을 볼 수 있다. 또한 속도장의 분포도를 검토한 결과 벨트구동 공조기 는 송풍기 토출 및 흡입위치에 따라 속도장의 표준 편차값이 0.122이고, 직결구동의 경우 표준 편차 값이 0.055이다. 이는 내부 유동장이 벨트 구동 방 식에 비해서 직결 구동 방식이 더 안정화 되었다는 것을 알 수 있다.
공조기의 CFD 성능분석
본 공조기의 성능분석을 위해 일차적으로 CFD
(전산 유체)를 통해서 유동 경향 및 분포를 확인하 였다. 유동 해석은 상용 CFD code인 Fluent를 사 용하였으며, 해석 모델은 그림 7과 같으며 유동 해석에 적용된 조건은 표 1과 같다. 유동 해석에 서 적용된 난류 이론은 일반적인 유동해석에서 많 이 사용되는 k-εmodel을 사용하였으며, 정상상 태 해석을 통해서 안정화된 유동의 결과를 얻을 수 있었다.
송풍 방식에 따른 내부 유동 분포는 그림 8과 같 이 직결구동 송풍기에서 더 균일한 유동이 형성되 는 것을 확인할 수 있었다. 직결 구동방식은 메인 유량이 하나의 토출 타입 송풍기에서 흡입 타입 송 풍기로 유동이 흘러가기 때문에 유동이 편중된 분
a) 벨트 구동방식 b) 직결 구동방식
[그림 6] 구동방식에 따른 송풍기의 속도편자
[그림 7] 유동 해석 모델
Analysis Condition Boundary
condition Inlet / Outlet : Patm
Material
property
Filter : Through flow 25%
Heating coil : Through flow 95%
- Inlet Fan
Flow rate : 4260 m3/h Rotation Number : 1757 RPM - Inlet Fan
Flow rate : 44400 m3/h Rotation Number : 1887 RPM
Mesh 475759
<표 1> 유동 해석 조건표
[그림 8] 내부 유동 분포 및 속도 분포
포를 보이는 반면 직결 구동방식은 전 후단의 병렬 로 구성된 여러 대의 직결 타입 송풍기에서 유동을 토출 / 흡입함으로써 보다 균일한 유동 분포를 보 이게 되기 때문이다.
내부 속도 분포 역시 그림 9와 같이 직결 구동방 식에서 더 균일한 결과를 얻을 수 있었다. 벨트 구 동방식은 주 유동 외의 공간에서는 극심한 재순환 영역이 형성되는 것을 확인 할 수 있었으며, 직결
구동방식에서는 송풍기사이에서만 재순환 영역을 확인할 수 있었다. 또한 이러한 속도의 균일성으로 인하여 토출되는 정압의 분포도 역시 직결 타입 송 풍기에서 더 균일한 결과를 얻을 수 있었다.
공조기의 성능분석(Field test)
본 공조기의 성능을 연구하기위해 그림 10과 같 은 한국생산기술연구원의 AMCA210-99 규격의 풍 동시험장치를 활용하여 다음과 같은 결과를 얻었 다. 그림 11은 멀티 송풍기와 벨트구동 원심송풍 기에 대한 풍량에 따른 정압을 나타내고 있다. 전 체적으로 유량이 증가할수록 정압이 감소함을 알 수 있으며, 특히 유량이 350 CMM보다 낮은 경우 에는 정압이 원심송풍기보다 평균적으로 50 Pa 정 도 높았고, 유량이 높은 350 CMM 이상에서는 멀
티송풍기의 정압이 평균적으로 약 20 Pa 정도 높 게 나타났으며, 멀티송풍기와 원심송풍기의 정압 이 350 CMM에서 역전되는 것을 확인하였다.
그림 12는 멀티 송풍기와 벨트구동 원심송풍기 에 대한 유량에 따른 회전수가 변화되는 것을 나타 내고 있다. 회전수에 따른 비교는 직결구동 350 CMM에서는 저유량 회전수보다 약 7 RPM 감소되 는 것을 알 수 있고, 벨트구동 방식은 350 CMM에 서 60 RPM이 감소되는 것을 알 수 있다. 이것은 고 유량일수록 벨트 미끄러짐(Slip)현상이 증가하여 송풍기의 회전수가 급격히 감소하여 풍량 및 효율 에 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있다.
그림 13은 멀티 송풍기와 벨트구동 원심송풍기 의 유량에 따른 전력소비량을 측정한 데이터이다.
저유량점인 100 CMM의 경우 멀티송풍기의 경우 전력소비량이 약 4500 W로 나타났으며, 원심송풍 기의 경우 약 5500 W로서 약 1000 W 높게 나타났 다. 설계유량점인 400 CMM의 경우 멀티송풍기의 경우 약 7200 W이고, 원심송풍기의 경우 9200 W 로서 약 2000 W 높은 소비량이 증가되었다. 따라 서 원심송풍기보다 멀티송풍기를 적용한 공조기 의 전력소비량이 최대 23% 낮게 소비전력이 감소 하였다.
그림 14는 유량에 따른 효율을 나타내고 있다.
저유량점인 100 CMM의 경우 원심송풍기의 효율 이 약 28% 이고, 멀티송풍기의 경우 약 33%로서 5% 정도가 멀티송풍기가 우수하였다. 설계유량점 인 400 CMM의 경우 원심송풍기의 경우 효율이 약
[그림 9] 내부 유동 벡타 분포
[그림 10] 한국생산기술연구원 풍동시험 TEST(AMCA210-99)
18 %로 나타났고, 멀티송풍기의 경우 약 28 %로서 10 % 향상된 성능을 보였다.
따라서 설계 유량점에서의 성능은 벨트구동의 원 심송풍기보다 멀티송풍기를 적용한 공조기의 효 율이 10 % 향상되었고, 소비전력의 경우 2000 W 이상의 소비전력이 감소되었다.
맺음말
현재의 선박공조 시스템의 벨트구동 간접 송풍방 식을 적용한 공조기의 단점을 보완한 신개념, 신기
술을 적용한 직결구동 송풍방식을 채택하여 다음 과 같은 결론을 내렸다.
(1) 선체의 롤링과 피칭을 고려하여 직결구동을 채택하였으며, 벨트구동의 슬립, 장력, 유지 보수의 단점을 보완하였다.
(2) 직결구동을 채택한 결과 기존방식의 소비전 력보다 약 1.8 kW 절감으로 효율이 10% 향상 되었다.
(3) 개별적 멀티 송풍기를 적용하여 설계적용이 다양하고, 유지보수 및 송풍기 박스의 진동과 기계소음을 최소화 하였다.
[그림 11] 유량에 따른 정압 성능곡선 [그림 12] 유량에 따른 회전수 성능곡선
[그림 13] 유량에 따른 전력소비량 곡선 [그림 14] 유량에 따른 효율 곡선
향후 직결구동에서 진동이 선박구조에 미치는 영향을 유동해석 후 구조해석을 할 수 있는 연성해 석기법을 사용하여 보다 정확한 진동 해석을 수행 할 필요가 있다.
참고문헌
1. AMCA210-99 Laboratory Methods of Testing
Fans for Aerodynamic Performance Rating pp. 27 ∼ 35
2. KS B 6311:2001 송풍기의 시험 및 검사 방법, pp. 6 ∼ 12
3. KS B ISO 1940 - 1 : 2001 기계적 진동-강성 회 전체의 평형 특성 요구조건 - 제1부 : 허용 잔류 불평량의 결정, pp. 6 ∼ 8
