1. 서 론

소형선박은 작업성, 유지보수 용이성 등을 고려하여 선체 재료로 주로 FRP(유리섬유강화플라스틱), 알루미늄 등을 적 용중이나 환경오염 문제, 높은 건조비용 등으로 인해 재활 용성, 내부식성, 가공성 등의 장점을 갖는 차세대 친환경 재 료인 HDPE(High-Density Poly-Ethylene, 고밀도폴리에틸렌)의 도 입이 전 세계적인 추세로서 진행중이다(Saputra et al., 2021;Xiong et al., 2025;Kharis et al., 2025).

HDPE는 ‘열가소성’ 재료로서 가공성, 재활용성이 우수하 고 플라스틱 용접을 적용하여 재료간 결합이 용이하다는 장 점이 있으나 고온에서의 기계적 물성치 저하, 열팽창 등을 고려하여 직사광선 및 고온 노출 환경에서 사용하는 경우 구조적 거동에 대한 검토가 필요하다(Merah et al., 2006).

국내 혹서기의 태양복사, 외기 온도, 운용 환경을 고려하 여 9.77톤급 HDPE 소형어선을 모의설계하고 고온하 열·기계 적 물성치와 동일 규모 현존 어선의 혹서기 구획별 내기온도 를 고려한 열-구조 연성해석을 통해 국내 혹서기 온도환경 하에서 HDPE 선체의 온도분포 및 온도변화, 응력 및 변위 구 배 등의 응답을 도출·분석하여 국내 운용 온도환경을 고려한 HDPE의 소형선박 적용가능성을 살펴보았다(Ryu et al., 2024).

그 후속 연구로서, 본 연구에서는 혹서기의 강한 태양복 사와 높은 기관실 내기 온도의 영향을 받는 선체 구조의 변 형 양상과 변형 제어를 위한 방열재의 효과를 해석적으로 도출·분석하였다.

열-구조 연성해석을 통해 조선·해양분야에 통용되는 방열 재의 물성치와 두께를 기관실 구획 내부 구조부재들에 적용 하여 선체 온도와 변형 응답을 도출함으로써 방열 효과를 확인하고 기술적 시사점을 도출하고자 하였다.

2. 연구 방법 및 내용

2.1 재료 물성치

선체 재료인 HDPE는 선행연구 결과와 같이 실용 온도 범 위 내에서 온도 변화에 따른 열·기계적 물성치의 변화가 확인 되었고 본 연구에 적용한 HDPE 및 방열재(Rockwool SeaRox^® series)의 열·기계적 물성치는 Table 2과 같다.

2.2 검토 대상 선박

본 연구의 검토 대상 선박은 선행연구에서 폴리에틸렌선 의 구조 잠정기준을 기반으로 모의설계한 9.77톤급 선내기 탑재 HDPE 소형어선이며 일반배치도 및 주요목은 각각 Fig. 1, Table 3와 같다.

2.3 혹서기 선박운용 온도환경 정보

본 연구에서 고려한 HDPE 소형어선의 온도환경은 선행연 구에서 혹서기에 9.77톤급 FRP 소형어선을 대상으로 Fig. 2 및 Table 3의 계측 정보를 활용하였고 열-구조 연성해석에 외기온도, 해수온도, 구획별 대기온도로 반영하였다.

2.4 기관실 구획의 방열

선행연구를 통해 혹서기의 강한 태양복사와 높은 외기 온 도를 받고 선체 내부에 주요 열원인 엔진을 탑재하여 구획 내·외부에서 동시에 열이 작용하는 HDPE 선박의 기관실 구 획은 재료의 열팽창, 연화 등으로 인해 변형 및 열응력이 발 생함을 알 수 있었다.

본 연구에서는 기관실 구획에 방열재를 고려하여 구조부 재에 가해지는 기관실 내기의 열 차폐 효과를 구현함으로써 선체 변형 및 열응력 발생 억제 효과를 확인하고자 하였다. 방열재료는 조선·해양, 건설 등 주요 산업 분야에서 방화구 역 방열·방음재로 통용되는 스톤울(Stonewool) 매트를 두께 50mm 및 100mm로 고려하였다.

방열재는 HDPE 선체 구조부재에 물리적으로 접착되어 방 열재 양면의 온도구배에 대한 전도 열전달을 억제하며 방열 효과는 식(1) 및 Fig. 3과 같이 열역학 제 1법칙에 따른 정상 상태(Steady-state) 조건에서의 열저항과 열손실의 산정을 통 해 파악할 수 있다.

기관실 구획은 Fig. 4와 같이 기관실 선수격벽(FR6), 기관 실 선미격벽(FR3), 갑판, 기관실 정부갑판, 갑판실 측벽, 선 측·선저외판, 용골로 폐위되며 방열재는 갑판, 0외판, 격벽 의 내측에 단면으로 적용하고 거더, 보강재 등 구조부재의 양면에 적용하였다. 방열재의 방열 효과를 검토하기 위해 Fig. 5와 같이 Abaqus의 Composite layup 기능을 활용하였고 Table 6와 같이 방열재 두께는 50mm 및 100mm로 적용하여 선체 온도 및 변형 거동을 비교하였다.

2.5 태양복사에너지

선체에 작용하는 태양복사에너지는 Table 7과 같이 선행연 구에서 도출한 보령지역의 하절기 최대 직달복사에너지 및 산란복사에너지를 동일하게 적용하였다(Duffie and Beckman, 2013).

2.6 열-구조 연성해석(Coupled Temp.-Disp. Analysis)

본 연구에서는 HDPE 소형어선을 대상으로 고온환경에 대 한 기관실 구획 방열 조치의 효과를 해석적으로 검토하기 위하여 국내 혹서기 온도환경과 방열재 모델을 적용하여 선 체 온도와 변형 양상을 도출하고자 하였다.

열전달 해석은 선행연구와 동일하게 완전 연동 열-구조 연성해석(Fully-Coupled Temp.-Disp. analysis) 방법을 적용하 여 주요 선체부위의 온도가 일정수준으로 유지되는 시간(6 시간) 동안의 시계열 온도 및 변위 결과를 도출하고자 하 였다.

방열재를 적용한 기관실 내부 구조부재의 면적은 약 60m² 로 방열재의 중량은 해석 Case 별 방열재 두께(50mm, 100mm) 에 따라 각각 180kg, 360kg으로 반영되었고 흘수 조정을 통 해 선체중량과 부력의 수직방향 하중평형을 고려하였다.

본 해석에 적용한 태양복사에너지, 외기온도, 해수온도, 대류열전달계수, 흘수 등은 Table 8과 같고 각 구획의 내기 온도는 Table 5와 같이 적용하였으며 선체의 비대칭 열팽창 효과를 고려하기 위하여 직달복사에너지는 선행연구와 동 일하게 Fig. 6과 같이 선박 좌현 북위 약 75도로 적용하였다.

과도 열전달 해석(Transient heat transfer analysis)을 통해 해 석시간 동안 매 시점에서의 선체 온도를 파악할 수 있고 시 계열 온도변화 양상을 확인하여 선체가 일정 온도로 유지되 며 열 평형상태에 도달하는 6시간 동안의 선체 온도 및 구 조적 거동을 검토하였다.

실제 하절기 낮 시간 동안의 태양 위치 및 외기 온도의 변화를 고려하면 해석 시간인 6시간 동안 직달복사에너지와 외기 온도가 일정하게 유지된다는 가정이 가혹할 수 있으나 이상기후 발생 추이와 가혹한 운용 환경을 고려한 보수적인 관점에서 접근하여 하절기에 선체 구조가 경험할 수 있는 가장 가혹한 환경조건이 반영된 응답을 도출하고자 하였다.

3. 열-구조 연성해석 결과

온도변화에 대한 HDPE의 열·기계적 물성치, 혹서기의 선 박 온도환경 및 태양복사, 기관실 구획 방열재 적용 등을 고 려한 열-구조 연성 시뮬레이션을 통해 기관실 구획의 선체 온도 및 변형 응답을 도출하였고, 방열재 적용 조건에 따른 주요 선체 부위의 온도 및 변위 변화 양상을 기준으로 방열 효과를 확인하였다.

HDPE의 열·기계적 특성에 따라 재료의 연성과 열팽창 성 질이 두드러지므로 선박의 적재 상태, 열원의 작용 여부 등 외력 및 환경변화에 따라 선체 변형 등 구조적 응답의 수준 이 강, 알루미늄 등 금속계 선질 선박에 비해 크게 나타난 다. 따라서, 선박에 부여된 고유 기능을 수행하기 위한 선체 의 구조적 응답은 설계단계에서 면밀하게 검토되어야 하며 설계자가 의도한 수준 이하로 제어 가능하도록 설계 및 조 치되어야 한다.

해석 Case 별 주요 선체 부위의 최대 온도 및 선박의 길 이, 폭, 높이 방향 변위를 Table 9 ~ Table 11에 정리하였다. 기관실 정부갑판의 횡늑골 및 종통부재들은 Table 5와 같이 기관실 내기온도 80℃를 상회하는 높은 온도에 노출되는 부 위로서 가장 높은 선체 온도와 가장 큰 변형을 보였고 방열 재를 부재 양면에 고려하여 선체 외판 등 방열재를 단면에 고려한 부위 대비 향상된 방열효과를 확인할 수 있었다.

주갑판, 기관실 정부갑판, 현측외판은 방열재를 구획 내 부 방향으로 단면 적용하였고 태양복사와 기관실 내기온도 영향을 동시에 받기 때문에 방열재를 양면 적용한 기관실 상부 횡늑골 및 종통부재 대비 방열 효과가 낮음을 알 수 있다.

기관실 구획 내부의 주 열원인 엔진의 열은 대류 열전달 을 통해 내기 온도를 상승시키고 가열된 내기는 기관실 상 부 방향으로 상승하는 현상을 보이므로 해수에 의해 냉각되 고 태양복사를 받지 않는 수면하부 선체는 방열의 필요성이 크지 않으므로 방열재 시공 대상에서 제외할 수 있을 것으 로 사료된다.

기관실 구획의 주갑판, 기관실 정부갑판 등 선체 주요부 위별로 최고 온도를 보인 요소의 시계열 온도변화를 Fig. 7 ~ Fig. 10에 나타내었다.

주요 선체부위의 방열재 두께별 시계열 최고온도 변화를 Fig. 11 ~ 13에 나타내었다. 방열재 두께가 증가함에 따라 모 든 주요부위의 시계열 온도변화는 선형성을 갖는 경향을 보 였고, 방열재를 고려하지 않은 Case 1과 방열재 두께 100mm 를 고려한 Case 3의 기관실 구획 선체 최고 온도를 비교하면 최저 7%, 최고 22% 감소하는 결과를 보였다.

주요 선체부위의 방열재 두께별 방향별 시계열 최대변위 변화를 Fig. 14 ~ 22에 보였다. 선체 구조 중 태양복사와 기관 실 내기의 영향을 양면에서 동시에 받아 가장 가혹한 고온환 경이 조성되는 갑판실 좌현 측벽(1000 Off CL Elev.(P))은 Case 3의 결과와 같이 선체 최고온도 16%, X방향 변위 20%, Y방 향 변위 16%, Z방향 변위 24%가 감소하는 결과를 보였다.

또한 가장 높은 내기온도의 영향을 받는 기관실 정부갑판 횡늑골 및 종통부재는 Case 3 결과와 같이 선체 최고온도 22%, X방향 변위 17%, Y방향 변위 6%, Z방향 변위 30%가 감소하는 결과를 보였다.

4. 결 론

본 연구에서는 선체 온도변화를 야기하는 환경적 요인들 과 선체 온도변화를 제어하기 위한 구획 내 방열조치를 고 려한 열전달 시뮬레이션을 통해 HDPE 선체의 구조거동을 모사하고 선체 온도 및 변형 응답을 분석하였다.

기관실 구획 내부에 조선·해양 분야 등에서 통용되는 방 열재인 스톤울(Stonewool) 매트를 두께 50mm 및 100mm로 고 려하였다. 방열재 시공을 통해 기관실 구획 선체 온도의 상 승을 일정 수준 방지할 수 있고 그에 따른 선체 변형이 감소 하는 결과를 확인할 수 있으나 그 수준은 제한적이며, 내부 공간이 협소한 소형어선 기관실 구획 내부 전체에 방열만을 목적으로 100mm 두께의 방열재를 적용하는 것은 장비 간섭, 작업성 확보 등 방열재 시공에 따른 문제점도 검토되어야 한다.

선체 온도 및 변형 관리를 위한 수동적 조치로서의 방열 재 시공과 더불어 능동적 조치로써 기관실 구획 내부 열기 배출 및 통풍을 위한 강제 통풍장치 설치의 실질적인 효과 에 대하여 전산유체역학 등을 활용한 기술적 타당성 검토를 수행하여 수동·능동적 조치의 병행 적용이 필요할 것으로 판단된다.

또한, 해석 결과를 통해 파악한 바와 같이 태양복사에너 지 중 직달복사에너지가 선체 온도 및 변형에 가장 큰 인자 로 작용하므로 향후 추가연구를 통해 태양 궤적 변화에 따 른 직달복사에너지를 시계열로 반영하여 선체의 온도 및 변 형 양상에 대한 보다 면밀한 검토가 필요하다.