열평형 모델을 이용한 극저온 저장 탱크의 증발량(Boil-off) 및 압력 상승 예측 모델

초록

본 논문은 극저온 액체 (LNG, 액체수소) 저장 탱크가 외부의 열 유입에 따라 발생되는 시간 별 증발량 (BOG: Boil-Off Gas) 및 탱크 내부의 압력 상승 (Self-Pressurization)을 예측하기 위한 해석 절차를 제시하였다. 특히, 본 연구는 실제 화물창의 크기 및 목업 수준의 크기를 가진 CCS (Cargo containment System)의 장기간 BOG 발생과 압력 예측을 목적으로 수행하였다. 다상 열 유동을 포함한 CFD 해석 모델이 열유속 계산에 적절하지만 수 시간 이상의 장기간의 액체-기체간 상 변화의 계산에 비효율적인 점을 감안하여, 본 논문은 열역학적 평형 모델을 이용하였다. 열역학 평형 모델은 액체와 기체를 균일 온도 (Iso-thermal)를 가진 집중 질량 (Lumped Mass)으로 치환하되, 열 용량 및 엔탈피로부터 온도 변화를 예측할 수 있게 한다. 이 과정에서 액체와 기체의 상태 방정식(EOS: Equation Of State)에 근거하여 외부 입열에 의한 시간 별 온도 상승과 상태 변화, 압력 변화를 구한다. 즉, 기체를 SHV (Superheated Vapor)로 단순화하여 입열에 의한 Evaporation을 계산하는 방법을 적용하였다. 열역학적 평형 및 EOS를 반영할 수 있는 Boilfast 코드를 해석에 이용하였으며, 대상 CCS의 초기 온도 조건, 대류 경계 조건 및 액체-기체 계면의 입열 및 열전달 조건 부여 절차를 제시하였다. 우선 본 연구는 미항공우주국(NASA)에서 수행한 구형(Sphere) 액화수소 저장 탱크의 장기간 BOG 및 압력 계측 실험을 대상으로 모델링을 수행하였으며, Self-Pressurization 과정과 BOG 결과 변화 결과를 비교 검증하였다. 또한, Type-C 실린더형의 액화수소 저장 탱크를 적용하여 Filling Ratio 별로 액화수소 증발량 예측 결과를 제시하였다.