열유속법(HFM)에 기반한 LNG 단열박스 유닛의 열전도율 계측 장비 상세 설계

초록

본 연구는 LNG CCS(Cargo Containment System)의 단열 박스 Unit의 열전도율 계측을 위한 시험 장비의 상세 설계를 다루고 있다. 단열 층을 이루는 개별 재료와 더불어 단열 박스 Unit 전체의 열전도율은 LNG CCS의 BOR(Boil Off Rate) 성능의 척도이다. 단열 박스의 양 끝단에서 계측한 온도 차 및 시간 변화에 따라 정상상태를 유지할 때 계측한 열 유속(Heat flux)으로부터 열전도율을 계측하여야 한다. 따라서, 본 연구는 열유속법 (HFM: Heat Flow Meter)을 기반으로 열전도율 계측 장비 상세설계 후 장비를 제작하고자 한다. 진공 조성이 가능한 외부 단열 공간 및 열 손실 방지 목적의 내부 챔버(Thermal Shield), 저온 냉각 및 가열시스템, 열 유속계 및 온도센서, 온도 조절장치, 데이터 계측 시스템 등을 가진 저온 챔버 형 장비로 설계하였다. 층상형 열 유속계(Layared heat flux meter)를 정상 상태에서 균일한 열 유속이 계측될 수 있도록 해야 한다. 단열박스의 상하면에 LNG 운용환경인 극저온(-160℃)에서 상온까지 설계 온도 조건을 제어하기 위한 방법으로 극저온 냉동기(Cryo-cooler)를 부착하였다. 극저온 냉동기는 헬륨(Helium)을 작동 유체(냉매)로 사용하여 극저온 환경을 조성하는 장치로 전열 제어를 통한 온도 조절이 가능하다. 외부 단열 공간은 대기의 열 침입 방지 및 내부 결로 현상을 방지하기 위해 내압 구조를 적용하였으며, 단열 박스의 정상 상태 조성 및 퍼징(Purging) 효과를 고려하여 순수 질소의 투입이 가능하도록 질소 순환 구조 및 내부 챔버 구조를 제시하였다. 가열 시스템의 경우 단열 박스의 계측 영역으로 열 손실을 방지하기 위해 열판(Hot plate) 및 보호 열판(Guarded hot plate)으로 구성된 이중 구조를 설계하였다. CCS 단열 구조의 종류와 크기에 따른 단열 박스에 대응할 수 있도록 챔버의 구조를 설계하였다. 본 연구는 열전도율 계측 및 온도 제어를 포함한 계측 장비의 상세 설계 결과를 제시하였다.