운하 보트용 킬 냉각 탱크 디자인

킬 냉각 방식은 Beta Marine의 모든 엔진에 옵션으로 적용이 가능합니다. 영국에서 대부분의 운하용 보트들은 킬 냉각 방식을 채택하고 있습니다 몇몇의 접안시설과 선착장은 아무 미세한 토사와 진흙들이 있어 일반적으로 사용하는 열교환 냉각방식을 시스템에 장애를 일으켜 킬 냉각방식을 이에 대한 대안으로 요구하고 있습니다: 작업용 보트와 그 외의 선박에서도 이와 같은 이유로 킬 냉각 방식을 필요로 하고 있습니다.

운하용 보트의 특성과 운항지역의 조건들 때문에, 지금까지 가장 흔한 디젤 엔진 냉각 방식은 킬 쿨러를 통해서 이루어 지고 있습니다. 킬 쿨러는 일반적으로 운하용 보트의 측면에 장착된 이중 판을 가진 강철 박스입니다. 이들 킬 쿨러의 디자인은 보트 밖으로 분산 시켜야 하는 온도가 상승한 엔진 냉각수의 열의 양과 직접 관련이 되어 아주 중요합니다. 전형적인 요즘의 디젤엔진의 효율의 대략 30% 인데, 다시 말하면, 엔진에서 연소된 열에서 단지 30% 만 엔진 출력으로 사용되고, 나머지에서 배기가스로 30%가 배출되고, 엔진 냉각수로도 30% 그리고 10% 는 엔진 주위의 공기 중으로 발산이 됩니다.

말하자면, Beta 43 엔진을 장착한 일반적인 50피트 또는 60피트의 운하용 보트는 2800 RPM의 최고 회전수에서 43마력 / 32kW를 냅니다.

동시에 이 엔진은 32kW의 열을 냉각 시스템으로 전달이 됩니다. 이들 열은 킬 냉각 탱크로 흘러가서 강철선체로 전달이 되고, 이들 도장이 된 두꺼운 선체를 통해서 운하나 강으로 전달이 됩니다. 이와 같은 많은 양의 열을 두꺼운 강철 표면으로 전달 시키기 위해서는 넓은 면적이 필요로 합니다 (하지만, 운하나 강을 운항 할때에, 운하용 보트들은 대개 1800 RPM의 엔진속도로 운항하며, 따라서 외부로 전달되어야 할 열량 보다 적은 열이 엔진에서 발생이 됩니다.

운하용 보트용으로 사용될 킬 냉각 탱크를 디자인 할 때에 고려 해야 할 가장 중요한 요소는:

- 보트 외부의 차가운 물과 접촉하고 있는 탱크의 표면적
- 탱크 내에서 흐르는 모든 물이 반드시 차가운 표면과 접촉해야 되며 또한 이동경로가 단축 되지 않아야-배플이 일반적으로 필요-하는 탱크 디자인 능력
- 냉각 시스템 볼륨 및 냉각 유체의 팽창 효과

계산과 Beta Marine의 경험을 토대로, 운하용 보트에 맞는 가장 체적의 킬 냉각 탱크는 수직으로 세워야 되며 선체에 부착되어야 합니다. 최대 100마력 까지의 엔진의 경우, 탱크 두께는 30-40 mm가 선호되며 (Beta 120 및 Beta 150 엔진의 경우 50-75 mm) 탱크 유입구는 상단 끝단부에 유출구는 같은쪽 바닥쪽에 있어야 하며, 탱크의 제일 높은 지점에는 블리드(bleed) 스크루가 반드시 있어야 합니다.

탱크는 2부분으로 양분하는 배플판(Baffle)이 있어, 내부 유체가 U-자형으로 흘러가게 해야 합니다. 이 배플판은 선체의 외측판에 연속적으로 용접이 되어서, 열 전도율이 좋도록 해야 하며, 탱크 내부쪽과도 가능한 한 단단히 부착되어야 합니다. 간단한 모양의 배플판이 선호하는데 엔진의 순환 펌프에 걸리는 부하가 최소화가 되도록 유지하여, 냉각 표면을 가로질러 흐르는 유체의 양을 최대로 해야 합니다.

수직 탱크

외부표면과 접촉하고 있는 면적을 최대로 유지 할 수 있는 수직 탱크가 선호가 됩니다. 배 밑 바닥에 설치되는 탱크는 뜨거운 냉각수가 차가운 선체외판에서 떨어진 탱크의 상단부분에 머물고 있어서 외부 유체와의 열교환 효율이 떨어지는데, 수직 탱크와 같은 배플판 시스템을 적용하고 두께를 30-40 mm 로 낮게 유지하면 효율을 더 높일 수 있습니다.

 
계산

킬 냉각 탱크의 한 측면을 형성하는 선체 외판의 표면적은 아래와 같이 계산되어야 합니다:

스틸 선체 - 선체가 스틸로 되어 있을 경우

엔진 출력(bhp) ÷ 4 = 면적 ft2

엔진 출력(kW) ÷ 32 = 면적 m2

알루미늄 선체 - 알루미늄 선체의 경우 알루미늄의 더 높은 연전달율로 인하여, 쿨러 크기는 더 작아 질 수 있으며, 아래의 계산식을 사용:

엔진 출력(bhp) ÷ 5 = 면적 ft2

엔진 출력(kW) ÷ 40 = 면적 m2

상기 계산식을 바탕으로 Beta Marine의 각 엔진 모델에 대한 냉각 외판 면적을 아래와 같습니다 :

Bete 엔진모델

스틸 ft2

스틸 ft2 - 유압식 드라이브

알루미늄 ft2

알루미늄 ft2 - 유압식 드라이브

Beta 14

3.5

4.5

2.5

3.2

Beta 16

4.0

5.2

3.2

4.1

Beta 20

5.0

6.5

4.0

5.2

Beta 25

6.3

9.4

5.0

6.5

Beta 30

7.0

9.1

5.5

7.1

Beta 38

9.5

12.3

7.5

8.2

Beta 43

10.8

14.0

8.5

9.3

Beta 50

12.5

16.2

10.5

13.6

Beta 60

15.5

20.1

12.4

16.1

Beta 75

18.8

24.4

15.0

19.5

Beta 90

22.5

29.2

18.0

23.4

Beta 105

25.0

32.5

20.0

26.0

Beta 150

37.5

48.7

30.0

39.0

발전기 세트

 

 

 

 

BetaGen 10

4.0 (twin)

-

3.5 (twin)

-

BetaGen 12

6.3 (twin)

-

4.5 (twin)

-

상기 냉각 외판 면적은 엔진이 최대 회전수에서 최대 출력을 내고 있을 경우를 기준으로 하고 있으며, Beta Marine에서 추천하는 계산치 입니다. 실제적으로, 엔진과열 없이 더욱더 적은 면적이 사용되어 오고 있으며, 이것은 엔진에 영향을 끼치는 많은 요소들 때문입니다. 이들 요소들에는:

- 운하에서 운항하고 있는 대부분의 보트에서 사용되는 엔진 출력은 최대출력보다 훨씬 적습니다.
- 많은 운하용 보트들에 장착된 프로펠러가 엔진보다 큰 사이즈이고, 특히 강에서는 최대 회전수/출력까지 낼 수가 없습니다.

주 유압식 드라이브 (유압식 선수 추력기 가 아님)

유압식 드라이브 시스템은 폭이 좁은 운하용 보트에 엔진/유압펌프 유닛 자유롭게 설치를 할 수 있는 큰 장점을 가지고 있습니다. 하지만, 유압식 드라이브는 기계식보다 훨씬 더 효율이 좋지 않습니다. 그래서, 유압식 드라이브가 장착이 될 경우에 ‘스킨 탱크’의 냉각 면적을 30% 가량 증가시키길 권장합니다.

아래의 예를 참조바랍니다:
50 피트의 보트에 설치된 그린라인 38 모델
최대 달성가능 회전수 2500 (프로펠러가 치수가 엔진출력보다 큰 사이즈)
최대 달성가능 회전수에서의 출력 = 25 HP
▶요구되는 냉각 면적 = 25 ÷ 4 = 6.25 ft2

일반 운항시의 엔진 회전수 = 1400
프로펠러-출력 곡선 참조 시, 엔진 출력을 대략 10/11 마력
▶일반 운항 시의 요구되는 냉각 면적 = 11 ÷ 4 = 2.75 ft2

이들 계산 결과는 엔진 속도가 느릴수록, 요구되는 냉각 면적을 더 줄어든다는 것을 보여 주고 있습니다. 엔진 과열 문제는 선주가 이들 보트를 처음으로 강에서 운항지역을 바꾸었을 때 흔히 발생이 되며, 엔진 출력이 증가하며 따라 냉각면적도 크게 증가함을 보여 줍니다.

팽창

두께가 얇은 탱크의 경우 위에서 설명한대로 외부 유체와 열교환이 더욱 잘되어 필요한 냉각 유체의 볼륨이 적어서 팽창이 더 적게 일어 납니다. 물은 온도가 상승하면 밀도가 작아져서 부피가 증가하는데, 일반적인 물과 30% 정도의 부동액 혼합액은 10°C 에서 1043 kg/m3 의 밀도를 가지는데 엔진 가동 시에 밀도는 대개 80°C에서 1005 kg/m3 낮아 집니다. 대략 4%의 부피가 증가하는데, 10 갤론의 냉각수 시스템의 경우 3 핀트 정도의 부피가 증가하여, 이에 대한 대비책이 요구 됩니다. 그렇지 않을 경우, 팽창된 만큼의 냉각 유체는 오버플로우 되어 시스템에서 사라져 버려, 엔진이 냉각이 될 때마다 계속해서 충전을 시켜줘야 합니다. 그래서 냉각 시스템의 커질수록, 냉각유체의 팽창량은 증가합니다. 그래서 얇은 냉각 탱크를 사용하여 냉각 시스템의 볼륨을 가능한 낮게 유지해야만 합니다.

발전기 세트

발전기 세트에 대한 냉각 면적 = 출력(kW) ÷ 1.75 = 면적 ft2
발전기 세트는 일반적으로 보트가 계류되어 있을 때 가동이 되는데, 이때 보트가 선착장 벽면이나 기대어 있어서 외부 유체가 선체의 외부 냉각 면적에 접촉을 막을 수 있으므로, 발전기 세트에 킬 냉각방식을 적용 할 때에는 보트의 양쪽으로 냉각 탱크를 설치하는 것이 좋습니다.

결론

- 킬 냉각 방식을 채택한 모든 보트들은 강에서 운항이 되어야 하며 또는 최대 엔진 회전수에서 최소한 1.5 시간 동안 묶여 고정되어 프로펠러/킬 냉각 탱크가 조합이 제대로 되었는지 반드시 확인 하셔야 합니다.
- 한 개의 배플판을 가진 두께가 얇은 탱크로 사용하세요
- 발전기 세트에 킬 냉각 방식을 적용 할 경우에, 보트 양쪽의 용량 100%의 탱크를 각각 설치 하세요.

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킬 냉각 계산 관련 자료 - 킬 냉각 탱크 계산시트 Keel Cooling Tanks Calculations Sheet

 
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