열 유속법(HFM)에 적용한 LNG 단열박스 등가 열전도 계측 실험 장비와 단열 성능 예측

초록

본 연구는 열유속법(HFM) 방법을 이용한 LNG CCS(Cargo Containment System)의 단열 박스 Unit의 등가 열전도 및 열전도율 계측을 다루고 있다. 단열 박스 Unit는 Plywood, Perlite 또는 Glass wool 등의 단열 소재가 적층된 구조이므로 각 소재의 열전도 계수 및 소재 간의 접촉 저항이 열전도율에 영향을 끼친다. 기존 단열박스 전체의 열전도율은 단열 박스를 구성하는 개별 단열 소재의 열전도 계수를 계측하고 이상적인 적층을 가정하여 등가 열전도율을 추정하는 한계를 가지고 있다. 따라서, 본 연구는 단열박스 Unit을 구성하는 단열 재료들의 열전도 뿐만 아니라 접촉 저항을 모두 포함하는 등가 열전도 계수와 열전도율 계측을 위한 장비를 설계 및 제작하고, 실험하는 절차를 제시하고자 한다. 그 결과로서 실제 단열 박스를 대상으로 열전도율을 계측할 수 있는 HFM 기반의 계측 장비를 제작하였다. HFM 기반의 열전도율 계측 장비는 단열 박스의 상하면에 각각 상온과 저온을 제어하고 정상 상태에서의 열유속(Heat Flux)를 계측하여 열전도율을 계산한다. 단열 박스 내부의 대류 열전달에 의한 교란을 제거하기 위하여 진공 조성이 가능한 외부 케이스와 복사 열전달을 방지하기 위한 내부 챔버(Thermal Shield), 상하부의 온도차를 발생시키기 위한 극저온 냉동기 및 가열시스템, 온도 조절 장치 및 데이터 계측 시스템으로 구성하였다. 장비의 열전도율 계측 정확성 평가를 위해 GTT MARK III 시편을 대상으로 실험을 수행하였다. 시편의 상하부에 열유속 계와 극저온 온도 센서를 배치하여 정상상태 구간과 열유속 및 온도 변화를 실시간으로 계측하였으며, 열유속 계의 센서 민감도를 고려한 열전도율을 계산하였다. 실험적 방법을 이용한 열전도율은 기존 등가 열전도율 모델을 이용한 결과의 차이를 비교하였으며, 장비의 계측 정확성을 확인하였다. 이를 통하여 열유속법을 이용한 LNG CCS의 단열박스 Unit의 등가 열전도 계수 및 열전도율 계측 방법을 제시하고자 하였다.