열역학 평형 방법을 이용한 Type C LNG 연료탱크의 장기 BOG(Boil-Off Gas) 예측

초록

본 논문은 액화천연가스(LNG) Type-C 저장 탱크의 BOG를 예측 모델을 다루고 있다. LNG 연료추진선박용 급 탱크를 대상으로 약 2주 동안의 BOG 발생량과 압력을 해석하고 이를 실험결과와 비교하였다. 탱크 외부로부터 유입되는 대류 열 유속, 탱크 내부에서 발생하는 압력상승과 온도 변화와 그에 따른 액체의 증발 (boil-off)을 열 확산, 대류 열 유동 및 상변화가 동시에 일어나는 다상 열 유동 현상으로 가정하였다. Boil-off를 포함한 다상 열 유동 현상의 분석에서 CFD 방법이 높은 전산 성능 및 많은 해석 시간을 요구하는 반면에, 열역학적 평형 모델(TDM) 기법은 집중 용량법, 에너지보존, 경계 층을 네트워크로 반영하여 장시간 BOG를 예측할 수 있는 특징을 가지고 있다. TDM의 장시간 BOG 예측 가능성 및 계산 효율성을 고려하였다. 열역학적 평형 모델의 정의에 필요한 항목 (집중 질량, 열평형 네트워크구성, 액체-기체 상변화 특성, 탱크 내 경계층 두께, 탱크 내부 및 외부의 대류 열전달 계수)의 모델링 방안을 제시하고, SINDA/FLUINT를 이용하여 TDM의 해석 과정과 결과를 제시하였다. 또한 탱크의 Cool down과 Bunkering 과정에서 유입되는 열 유속 및 상별 질량 변화를 해석에 반영하였다. TDM 해석이 예측한 탱크 내부의 온도와 BOG의 값을 실험으로부터 계측한 값과 비교하여 BOG 예측 모델의 정확성을 제시하였다.