열저항 네트워크와 집중질량의 상변화를 이용한 극저온 탱크의 증발 현상 해석과 실험 검증

초록

본 연구는 정적 상태에 놓인 극저온 액체 저장 탱크의 장시간 동안 증발을 해석적으로 모사하는 것을 목표로 하였다. 열저항 네트워크 모델 (TRM, Thermal Resistance Network Model)과 집중 질량 및 상변화 모델을 결합한 BOG (Boil-Off Gas) 예측 모델을 제시하였다. 열저항 네트워크 모델에 자연 대류 계수 및 탱크 단열 소재의 열전도율을 반영하여 입열을 계산하고 이를 집중 질량의 상변화 계산에 적용한 해석 절차를 제시하였다. Type-C 탱크를 구성하는 중앙 실린더와 좌우 반구형(Hemi-Sphere)을 분리하여 열저항 모델을 제시하고 각 위치로부터 유입되는 입열을 예측하였으며, 탱크 내부의 액상 및 기상 영역으로 분할하여 자연 대류 열전달계수와 열저항 모델을 반영하여 액상과 기상으로 투입되는 입열을 예측하였다. 또한, 증발로 인해 감소하는 적재 높이 (Filling Height)를 반영하여, 증발의 진전에 따른 액상과 기상의 부피 변화를 예측하고 BOG 시계열을 얻을 수 있었다. 열저항 네트워크 모델에 대응하는 열역학적 평형 모델에 액체 및 기체의 상변화에 따른 물성의 변화, 탱크 내 벽의 경계층 두께, 탱크 내부 및 외부의 대류 열전달 계수)의 계산 절차를 제시하였다. 이를 통하여, TRM으로 예측한 BOG 및 입열 값을 TDM(Thermo-Dynamic equilibrium Model) 및 실험으로 계측한 값과 비교하여 타당성을 검토하였다.