세계적으로 해양을 통한 화물운송이 활발하게 이루어지고 있으며 그 중 유해액체물질, 포장유해물질, 산적액화가스, 유류 등 6천여 종의 HNS(Hazardous & Noxious Substances)가 운송되어지고 있다. HNS란 인간·해양생물에 유해하거나 환경을 손상시켜 해양 환경을 저해하는 기름 이외의 위험유해물질로 암모니아, 불산 등 유해액체물질과 LPG, LNG와 같은 액화가스, 비료, 석회석 등의 고체 위험물을 말하며 유출사고 발생 시 폭발, 화재, 중독, 질식, 해양오염 등의 사고가 발생한다. 사고현장에 대한 방제작업을 위해 국내 해양 환경에 적합한 유해화학물질 전용 방제정을 건조하여 방제작업을 수행하고 있으나, 방제정 선박의 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스로 인해 2차 사고의 발생 위험이 있어 이를 예방하기 위해 방제정마다 배기가스의 온도를 200 ℃ 이하로 냉각 후 대기로 방출시키는 열교환기를 설치하고 있다.
방제정 선박에 주로 사용되는 열교환기는 관형 열교환기와 판형 열교환기인데 열전도율은 좋으나 복잡한 구조로 인해 유지·보수의 어려움이 많고 제작 단가가 높다는 단점이 있으며, 본 논문에서는 이러한 단점을 보완하기 위해 분무노즐을 이용한 가스 냉각기에 대한 연구를 수행하였다. 스프레이를 이용한 연구는 대부분 화재 진압에 관련된 연구와 산업 공정에서 사용되는 분무 건조기에 대한 연구 또는 살수탑에 사용되는 스프레이 냉각에 대한 연구로 분무노즐을 이용한 선박용 가스 냉각기에 대한 연구는 찾아보기 힘들다.
본 논문에서는 가스 냉각기에 사용될 미세 물 분무노즐에 대한 설계와 실험, 해석을 통해 노즐 내부 형상변화에 의한 특성을 비교하여 내부 Hole의 개수가 많아질수록 물 입자가 더 미세하게 부서지게 되어 고르게 분포된다는 결과를 얻었다. 미세 물 분무노즐의 실험과 해석을 통해 얻은 결과를 바탕으로 가스 냉각기에 대한 유동해석을 수행하였으며, 설계변수에 따른 냉각특성을 정리하였다. 노즐에 유입되는 물의 유량이 증가할수록, 노즐의 개수가 증가할수록 가스의 체류시간이 증가하고 물의 체적분포가 균일해져 냉각성능이 뛰어났으며, 물 입자의 크기가 작을수록 부피 대비 표면적이 넓어져 냉각성능이 뛰어다는 결과를 얻었으나 입자크기가 너무 작으면 제대로 섞이지 못하고 가스의 유동에 의해 빠져나가 냉각효율이 줄어든다는 결과를 얻었다. 또한 Gas cooler의 높이가 길어지거나 가스의 유량이 감소할 경우 가스의 체류시간이 증가하게 되어 냉각효과가 뛰어나다는 결과를 얻었고, 노즐의 분무각도가 커지면 더 넓은 범위에 물을 분무하게 되어 효율적인 냉각이 이루어진다는 결과를 얻었다.
여러 설계변수에 따른 냉각특성을 정리한 결과 150 μm이하의 입경에 2개의 노즐을 사용하여 13.2 L/min 이상의 물을 유입하면 목표 온도인 200 ℃이하로 냉각시킬 수 있었으며, 위의 변수에 따른 냉각특성을 바탕으로 가스 냉각기가 설치될 상황에 맞춰 제작하면 과하거나 불필요한 요소 없이 효율적인 가스 냉각기의 사용이 가능할 것으로 기대된다.