KR101215477B1 - 선박 엔진의 연소공기 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

선박 엔진의 연소공기 냉각 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 엔진의 연소공기 냉각 시스템은, 메인 엔진으로 연소를 위한 공기를 도입시키는 관로에 냉각수가 흐르는 열 교환기가 장치되고; 열 교환기는 흡수식 냉동기로부터 연장된 냉각수 라인의 일부를 포함하며; 흡수식 냉동기에서 냉매증기를 발생시키기 위한 열원으로서 메인 엔진의 폐열을 이용할 수 있도록 된 것을 구성의 요지로 한다.

Description

선박 엔진의 연소공기 냉각 시스템{Combustion air cooling systemm of engine for vessel}

본 발명은 선박 엔진의 연소공기 냉각 시스템에 관한 것이다.

선박에 적용되는 디젤엔진의 경우, 운항지역에 따른 다양한 온도 조건(여름에서 겨울, 극지방에서 열대지방)하에서 운행이 가능하도록 설계되어 있다. 하지만 도 1의 그래프와 같이 외기온도 변화에 따른 엔진의 연소공기의 온도 변화는 디젤엔진의 SFOC(Specific Fuel Oil Consumption; 단위 일당 연료소모량)에 영향을 미치게 된다.

도 1에 도시된 그래프를 통해 알 수 있듯이, 일반적으로 디젤엔진 구동을 위해 도입되는 연소공기의 온도가 낮을수록 공기의 밀도는 증가하고 폭발압력은 증가함으로써 상기 SFOC는 낮아지는 경향을 보이게 된다(저온 부식등을 고려한 약 5℃ 정도까지).

그럼에도 불구하고 기존의 선박들은 특별한 제어 없이 엔진 룸 공기 또는 외기를 엔진의 연소공기로 사용하고 있다. 이에 따라, 선박 엔진의 경우 고온의 연소공기 유입으로 인해 상대적으로 많은 양의 연료가 소모되며, 전반적으로 연비 효율이 떨어지는 단점이 있다.

특히, 열대지역 예컨대, 열대외기 온도조건 35℃, 선박의 엔진 룸 온도조건이 45℃인 항로를 주항로(主航路)로 하여 운항하는 선박의 경우에는, 엔진으로 도입되는 외기의 온도가 높아 엔진의 연료 소비율(SFOC)은 더 크게 나타나는 문제가 있다.

본 발명의 실시예들은, 흡수식 냉동기를 이용하여 엔진의 흡기온도(연소공기 온도)를 제어함으로써, 엔진의 연료 소모량 즉, SFOC를 낮추고자 한다.

또한, 상기 흡수식 냉동기는 선박 배기 관로 상의 이코노마이저를 통해 회수된 폐열을 열원으로 하여 구동 가능하도록 시스템을 구현함으로써, 엔진 구동 중 발생하는 폐열에 포함된 재생 가능한 에너지를 보다 효과적으로 활용하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 메인 엔진으로 연소를 위한 공기를 도입시키는 관로에 냉각수가 흐르는 열 교환기가 장치되고; 상기 열 교환기는 흡수식 냉동기로부터 연장된 냉각수 라인의 일부를 포함하며; 상기 흡수식 냉동기에서 냉매증기를 발생시키기 위한 열원으로서 메인 엔진의 폐열을 이용하는 선박 엔진의 연소공기 냉각 시스템이 제공될 수 있다.

이때, 상기 냉각수 라인은 상기 흡수식 냉동기의 증발기 내부를 경유하도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 연소공기가 도입되는 관로에 온도감지센서가 장치되고, 상기 온도감지센서에 의한 감지 신호에 의해 흡수식 냉동기의 증발기로부터 살포되는 냉매의 양이 조절되고 냉각수 라인을 흐르는 냉각수의 온도가 제어되어, 엔진으로 도입되는 연소공기의 온도가 제어될 수 있다.

또한, 상기 엔진의 폐열을 이용하기 위한 수단으로서, 배기가스 관로 상에 장치되며, 상기 메인 엔진으로부터의 폐기 가스에 포함된 폐열을 이용해 급수를 가열하는 이코노마이저(Economizer); 상기 이코노마이저 내부를 경유하는 급수라인에 연결되는 스팀 분리기; 및 상기 스팀 분리기와 흡수식 냉동기를 구성하는 재생기를 연결하며, 상기 스팀 분리기에서 생성된 스팀을 상기 재생기 내부로 경유시키는 스팀라인;을 포함하는 구성의 폐열회수장치가 적용될 수 있다.

또한, 상기 이코노마이저는, 고압측 이코노마이저와 저압측 이코노마이저로 분리 형성되며, 상기 스팀 분리기와 연결되는 상기 급수라인은 상기 저압측 이코노마이저 내부를 경유하도록 구성할 수 있다.

다르게, 상기 이코노마이저는, 단일의 고압측 이코노마이저이며, 상기 스팀 분리기와 연결되는 상기 급수라인은 상기 고압측 이코노마이저 내부를 경유하도록 구성할 수 있다.

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본 발명의 실시예에 의하면, 흡수식 냉동기를 이용하여 엔진의 흡기온도(연소공기 온도)를 제어할 수 있는 시스템을 구현하고 있다. 이에 따라, 온도 조건(여름에서 겨울, 극지방에서 열대지방)이 다양하게 변화 되더라도 그에 맞게 엔진으로 도입되는 연소공기의 온도를 최적으로 유지시킬 수 있으며, 결국 엔진의 연료 소모량 즉, SFOC를 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 시스템에 따르면, 상기 흡수식 냉동기는 선박 배기 관로 상의 이코노마이저를 통해 회수된 폐열을 열원으로 하여 구동 가능하도록 시스템을 구현하고 있다. 따라서, 엔진 구동 중 발생하는 폐열에 포함된 재생 가능한 에너지를 보다 효과적으로 활용할 수 있게 된다. 결과적으로, 선박 전체의 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 다른 효과가 발현된다.

도 1은 엔진으로 도입되는 연소공기 온도 변화에 따른 연료 소모량을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 엔진의 연소공기 냉각 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 개략 구성도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박 엔진의 연소공기 냉각 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 개략 구성도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 엔진의 연소공기 냉각 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 개략 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 선박 엔진(1)의 연소공기 냉각시스템은, 흡수식 냉동기(8)를 이용하여 엔진(1)의 흡기온도(연소공기 온도)를 제어할 수 있도록 된 구성을 채택하고 있다. 특히 본 실시예에 적용된 상기 흡수식 냉동기(8)는 선박 배기 관로 상의 이코노마이저(2)를 통해 회수된 폐열을 열원으로 하여 구동 가능한 것이 특징이다.

이하 본 발명의 구성을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2를 다시 참조하면, 메인 엔진(1)으로 연소를 위한 공기를 도입시키는 관로(10) 예컨대, 스로틀(Throttle)에 저온의 냉각수(冷却水)가 흐르는 열 교환기(6)가 장치된다. 상기 열 교환기(6)는 흡수식 냉동기(8)로부터 연장된 냉각수 라인(7)의 일부를 포함하며, 상기 냉각수 라인(7)은 흡수식 냉동기(8)의 증발기(86) 내부를 경유한다.

상기 증발기(86)에서는 저온의 냉매가 살포되며, 냉매는 상기 냉각수 라인(7)을 흐르는 냉각수로부터 열을 빼앗아 증발한다. 이에 따라, 상기 냉각수 라인(7)을 흐르는 냉각수는 상기 증발기(86)를 통과하면서 적절한 수준으로 냉각되며, 펌프(부호생략)에 의해 상기 연소공기 도입을 위한 관로(10)의 열 교환기(6)를 강제 순환한다.

본 실시예에 적용된 상기 흡수식 냉동기(8)는 흡수기(80), 재생기(82), 응축기(84), 증발기(86), 열 교환기(88)와 같이 흡수식 냉동 사이클을 구현하는 기본 구성요소를 포함한다.

위와 같이 구성된 흡수식 냉동기(8)는 냉매로서 물을 이용하며, 압축기와 같은 구동기기를 사용하지 않고 직접 재생기(82)에서 고열원을 이용하여 냉동을 구현하는 일반적으로 공지된 흡수식 냉동기(8)와 동일하다. 따라서 이에 대한 구체적인 구성 및 역할, 동작에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

흡수식 냉동기(8)에서 냉매증기를 발생시키기 위한 열원으로서 본 실시예에서는 선박 추진력을 발생시키는 메인 엔진(1)의 폐열을 이용한다. 이처럼 메인 엔진(1)의 폐열을 이용하기 위한 수단으로서는, 대한민국 공개특허 제2010-0067247호 또는 대한민국 공개특허 제2010-0035196호를 통해 공지된 폐열회수시스템의 일부 구성이 이용될 수 있다.

상기 폐열회수시스템은 메인 엔진(1) 폐기 가스에 포함된 에너지를 회수하여 이를 다시 엔진(1)의 추진력으로 활용하거나, 또 다른 에너지원 예컨대, 전기를 생산하거나 난방 용수를 생산하는 데에 필요한 에너지로 사용하기 위한 것이다. 이는 에너지의 보다 효율적인 활용을 위해 최근 대형 선박 등에 일반적으로 채택되고 있는 기술에 해당된다.

따라서 본 실시예에서는, 상기한 종래 폐열회수시스템을 활용하여 상기한 흡수식 냉동기(8)에서 냉매증기를 발생시키기 위한 열원을 확보할 수 있도록 한 것이다. 구체적으로는, 상기한 종래 폐열회수시스템을 구성하는 구성요소 중, 이코노마이저(2)와 스팀 분리기(3)를 포함하는 폐열회수장치를 이용하여 냉매증기를 발생을 위한 열원을 확보한다.

상기 이코노마이저(Economizer, 2)는 엔진(1)으로부터 연장된 배기가스 관로(부호생략) 상에 장치되며, 상기 메인 엔진(1)으로부터의 폐기 가스에 포함된 폐열을 이용해 그 내부를 경유하는 급수를 가열시키는 역할을 한다. 또한 스팀 분리기(3)로부터는 급수라인(5)이 연장되며, 이 급수라인(5)은 상기 이코노마이저(2)를 경유하며 다시 스팀 분리기(3)로 리턴되는 경로를 포함한다.

이에 따라, 상기 스팀 분리기(3)로부터 나와 상기 급수라인(5)을 흐르는 급수는, 상기 이코노마이저(2)를 경유하면서 배기가스에 포함된 폐열로서 열 교환 방식으로 가열된 후 다시 스팀 분리기(3)로 리턴되며, 이 과정을 통해 고온으로 가열된 급수는, 상기 스팀 분리기(3)로 리턴되는 과정에서 스팀 분리기(3)의 큰 용적에 의해 압력이 강하되면서 스팀으로 변환된다.

위와 같은 과정에 의해 상기 스팀 분리기(3)에서 생성된 스팀은, 스팀 분리기(3)와 흡수식 냉동기(8)의 재생기(82)를 연결하는 스팀라인(4)을 통해 상기 재생기(82)로 제공된다. 이때 상기 스팀라인(4)은 스팀 분리기(3)에서 생성된 스팀이 재생기(82) 내부를 경유하도록 연장된다. 따라서 재생기(82) 내부에 수용된 회용액(흡수제+냉매)이 스팀라인(4)을 흐르는 스팀에 의해 가열되고, 이와 같은 과정에 의해 냉동 시스템이 가동된다.

급수가열을 위한 상기 이코노마이저(2)는, 도 2의 도시에서와 같이 고압측 이코노마이저(2a)와 저압측 이코노마이저(2b)로 분리 형성될 수 있으며, 이때 상기 스팀 분리기(3)와 연결되는 상기 급수라인(5)은 상기 저압측 이코노마이저(2b) 내부를 경유하도록 구성할 수 있다.

이처럼, 이코노마이저(2)를 고압측과 저압측으로 분리 형성하고, 저압측 이코노마이저(2b)에 스팀 분리기(3)를 연결하여 냉매증기 발생을 위한 스팀을 생산하는 경우, 저압의 스팀 생산으로 고압의 스팀 생성량에 비해 비교적 많은 스팀을 생성할 수 있어, 흡수식 냉동기(8) 구동을 위한 보다 많은 열원을 확보할 수 있다.

다르게, 상기 이코노마이저(2)는 도 3의 다른 실시예의 도시와 같이, 단일의 고압측 이코노마이저(2a)일 수 있으며, 상기 스팀 분리기(3)와 연결되는 상기 급수라인(5)은 상기 고압측 이코노마이저(2a) 내부를 경유하도록 구성할 수 있다. 이 경우에는, 흡수식 냉동기(8)에 필요한 스팀의 용량만큼 기존 이코노마이저의 용량을 증가시키는 방법만으로, 별도의 저압측 이코노마이저(2b, 도 2)의 추가설치 없이도 흡수식 냉동기(8) 구동에 필요한 열원(스팀)을 확보할 수 있다.

한편, 도면에는 도시하지 않았으나 본 실시예에서는, 엔진(1)으로 도입되는 연소공기의 온도를 제어할 수 있는 구성이 채택될 수도 있다. 예를 들면 상기 온도를 제어하기 위한 수단으로서 연소공기가 도입되는 관로에 온도감지센서를 장치하고, 이 온도감지센서에 의한 감지 신호는 제어부를 통해 증발기(86)로부터 살포되는 냉매의 양을 조절하는 명령신호로 변환될 수 있는 구성이 채택될 수 있다.

이 경우, 상기 온도감지센서에 의한 감지 신호로서 흡수식 냉동기(8)의 증발기(86)로부터 살포되는 냉매의 양이 조절될 수 있고, 따라서 냉각수 라인(7)을 흐르는 냉각수의 온도가 제어될 수 있게 됨에 따라, 메인 엔진(1)으로 도입되는 연소공기의 온도를 제어할 수 있다.

다음은 상기한 구성의 연소공기 냉각 시스템을 통해 수행되는 연소공기 냉각과정을 본 발명의 동작과 연계하여 간단하게 살펴보기로 한다.

도 2 내지 도 3을 다시 참조하면, 메인 엔진(1) 구동에 의한 폐기 가스는 배기관을 따라 이코노마이저(2)에 제공되고 있는 상황에서, 스팀 분리기(3)에 수용된 고온의 순환수를 상기 이코노마이저(2)를 경유하는 급수라인(5)을 통해 순환시켜 스팀(Steam)을 생성한다.

다음, 상기 스팀 분리기(3)에서 생성된 스팀을 스팀라인(4)을 이용해 흡수식 냉동기(8)의 재생기(82)에 이 흡수식 냉동기(8) 가동을 위한 열원으로 제공한다. 구체적으로, 스팀 분리기(3)에서 생성된 스팀을 스팀라인(4)을 통해 상기 흡수식 냉동기(8)를 구성하는 재생기(82) 내부를 경유시킴으로써, 재생기(82) 내부의 회용액(흡수제+냉매)에 열을 가하여 냉매증기와 흡수제를 분리시킨다.

재생기(82)에서 흡수제와 분리된 냉매증기는 응축기(84)에서 냉각수와 열교환하여 응축 액화되며, 응축기(84)에서 증발기(86)로 제공된 냉매는 본 실시예에 적용된 냉각수 라인(7) 상부에 살포되어 냉각수 라인(7)을 따라 순환하는 냉각수로부터 열을 빼앗아 증발한다. 이 과정을 통해 상기 냉각수 라인(7)을 흐르는 냉각수는 적정수준으로 냉각된다.

위와 같은 과정을 통해 흡수식 냉동기(8) 가동으로 증발기(86)를 경유하면서 차갑게 냉각된 냉각수를 메인 엔진(1)으로 연소공기를 도입시키는 관로에 순환시키면, 메인 엔진(1)으로 도입되는 연소공기를 적절히 냉각시킬 수 있게 된다.

상기한 본 발명의 실시예에 따르면, 흡수식 냉동기를 이용하여 엔진의 흡기온도(연소공기 온도)를 제어할 수 있는 시스템을 구현하고 있다. 이에 따라, 온도 조건(여름에서 겨울, 극지방에서 열대지방)이 다양하게 변화 되더라도 그에 맞게 엔진으로 도입되는 연소공기의 온도를 최적으로 유지시킬 수 있으며, 결국 엔진의 연료 소모량 즉, SFOC를 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 흡수식 냉동기는 선박 배기 관로 상의 이코노마이저를 통해 회수된 폐열을 열원으로 하여 구동 가능하도록 시스템을 구현하고 있다. 따라서, 엔진 구동 중 발생하는 폐열에 포함된 재생 가능한 에너지를 보다 효과적으로 활용할 수 있으며, 결과적으로, 선박 전체의 에너지 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

1 : 메인 엔진 2 : 이코노마이저(Economizer)
3 : 스팀 분리기 4 : 스팀라인
5 : 급수라인 6, 88 : 열 교환기
7 : 냉각수 라인 8 : 흡수식 냉동기
80 : 흡수기 82 : 재생기
84 : 응축기 86 : 증발기

Claims (8)

1. 메인 엔진으로 연소를 위한 공기를 도입시키는 관로에 냉각수가 흐르는 열 교환기가 장치되고, 상기 열 교환기는 흡수식 냉동기로부터 연장된 냉각수 라인의 일부를 포함하며, 상기 흡수식 냉동기에서 냉매증기를 발생시키기 위한 열원으로서 메인 엔진의 폐열을 이용하기 위한 폐열회수장치를 구비하는 선박 메인 엔진의 연소공기 온도를 제어하기 위한 시스템이며,
   상기 폐열회수장치는, 배기가스 관로 상에 장치되며 상기 메인 엔진으로부터의 폐기 가스에 포함된 폐열을 이용해 급수를 가열하는 이코노마이저(Economizer)와, 상기 이코노마이저 내부를 경유하는 급수라인에 연결되는 스팀 분리기와, 상기 스팀 분리기와 흡수식 냉동기를 구성하는 재생기를 연결하며 상기 스팀 분리기에서 생성된 스팀을 상기 재생기 내부로 경유시키는 스팀라인을 포함하는 구성을 갖고,
   상기 이코노마이저는 고압측 이코노마이저와 저압측 이코노마이저로 분리 형성되되, 스팀 분리기와 연결되는 상기 급수라인이 상기 저압측 이코노마이저 내부를 경유하도록 된 것을 특징으로 하는 선박 엔진의 연소공기 냉각 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각수 라인은 상기 흡수식 냉동기의 증발기 내부를 경유하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진의 연소공기 냉각 시스템.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 연소공기가 도입되는 관로에 온도감지센서가 장치되고,
   상기 온도감지센서에 의한 감지 신호에 의해 흡수식 냉동기의 증발기로부터 살포되는 냉매의 양이 조절되고 냉각수 라인을 흐르는 냉각수의 온도가 제어되어,
   엔진으로 도입되는 연소공기의 온도가 제어되는 것을 특징으로 하는 선박 엔진의 연소공기 냉각 시스템.
   
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