[학위논문]이중단열 배관에서 진공도 변화에 따른 열전달 특성에 관한 연구 (A) Study on the Heat Transfer Characteristics According to the Degree of Vacuuum for a Double Insulating Pipe원문보기
최근 세계적으로 에너지 수요가 점차 석탄, 석유계 연료보다 청정연료인 천연가스계 연료의 필요성이 증가하는 추세이며 이로 인해 액화 천연가스 (LNG; Liquefied Natural Gas)와 관련된 연구가 활발하게 진행되고 있다. LNG는 초저온(-162 °C)에서 주로 배관을 통해 이송되며, 이때 배관 외부와의 단열 과정에서 LNG가 기화되는 현상인 BOG(Boil Off ...
최근 세계적으로 에너지 수요가 점차 석탄, 석유계 연료보다 청정연료인 천연가스계 연료의 필요성이 증가하는 추세이며 이로 인해 액화 천연가스 (LNG; Liquefied Natural Gas)와 관련된 연구가 활발하게 진행되고 있다. LNG는 초저온(-162 °C)에서 주로 배관을 통해 이송되며, 이때 배관 외부와의 단열 과정에서 LNG가 기화되는 현상인 BOG(Boil Off Gas) 발생이 불가피하고 이로 인해 LNG 공급에 많은 손실이 발생된다. BOG 발생을 최소화하기 위해 여러 가지 단열 방법이 존재하며 크게 진공단열, 다층 진공단열, 진공 분말단열 등으로 구분된다. 단열 방법 중 진공단열 방법은 밀폐공간에서 내부 압력을 낮추어 기체를 희박한 상태로 만든 후 전도 및 대류 열전달을 최소화하는 기술을 총칭하며 주로 이중관형으로 제작하여 사용된다. 이중단열 배관은 진공층 외곽 부분에 단열성능이 우수한 단열재를 통해 진공부에서 발생하는 열 손실을 2차로 막아주는 역할을 한다. 이러한 이중단열 배관의 열전달에 영향을 미치는 주요 설계 인자로는 진공 압력, 작동유체의 압력, 진공층 두께, 단열재 두께, 배관의 총 길이 등 다양한 설계 인자들이 존재하며, 이와 관련된 기초연구자료 및 실험 결과가 현재까지 명확하게 제시된 것이 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 초저온 환경에서 주로 사용되는 이중단열 배관의 주요 설계 변수인 진공 압력 변화 및 작동유체 압력차에 따른 온도 분포를 실험으로 측정하고 이를 통해 상관분석, 회귀분석을 시행하였다. 또한 실험과 동일 조건에서 수치해석을 진행하였으며, 실험결과와 비교 분석을 통하여 수치해석 결과의 신뢰성을 확보하고 이를 토대로 동심 축에서 환상 공간의 무차원수 상관관계를 분석하였다. 연구결과, 희박기체 열전도율, Knudsen 수, 희박기체에서 전달되는 열량과의 관계 등을 상관분석 및 회귀분석을 통해 통계적으로 처리하여 유효한 상관관계식을 제시하였다. 실험과 동일 조건에서 시행한 수치해석 결과, Knudsen 수가 1미만인 경우 오차 범위 약 10 % 내에서 유효한 결과를 나타내었으며 확보된 수치해석의 신뢰구간을 바탕으로 환상 공간에서의 Nusselt 수, Rayleigh 수, 유효 열전도율, 수정된 Rayleigh 수 등의 상관관계를 분석하였다. 또한 단열 배관에서 단열성능의 주요 지표인 BOG 및 BOR을 산출하였으며 제시된 변수간의 상관관계식을 제시하였다. 본 연구에 적용된 상관관계식의 유효함은 R-square 값이 통계적 유효함인 0.9 이상을 기준으로 판단하였으며, 제시된 모든 상관관계식은 0.9 이상의 값을 가진다. 진공 압력 변화 및 작동 유체의 입·출구 압력차에 따라 영향을 받으며 두 변수는 이중단열 배관 설계 시 주요 설계 변수로 요구되는 단열성능에 따라 적정 범위 선정이 요구된다.
최근 세계적으로 에너지 수요가 점차 석탄, 석유계 연료보다 청정연료인 천연가스계 연료의 필요성이 증가하는 추세이며 이로 인해 액화 천연가스 (LNG; Liquefied Natural Gas)와 관련된 연구가 활발하게 진행되고 있다. LNG는 초저온(-162 °C)에서 주로 배관을 통해 이송되며, 이때 배관 외부와의 단열 과정에서 LNG가 기화되는 현상인 BOG(Boil Off Gas) 발생이 불가피하고 이로 인해 LNG 공급에 많은 손실이 발생된다. BOG 발생을 최소화하기 위해 여러 가지 단열 방법이 존재하며 크게 진공단열, 다층 진공단열, 진공 분말단열 등으로 구분된다. 단열 방법 중 진공단열 방법은 밀폐공간에서 내부 압력을 낮추어 기체를 희박한 상태로 만든 후 전도 및 대류 열전달을 최소화하는 기술을 총칭하며 주로 이중관형으로 제작하여 사용된다. 이중단열 배관은 진공층 외곽 부분에 단열성능이 우수한 단열재를 통해 진공부에서 발생하는 열 손실을 2차로 막아주는 역할을 한다. 이러한 이중단열 배관의 열전달에 영향을 미치는 주요 설계 인자로는 진공 압력, 작동유체의 압력, 진공층 두께, 단열재 두께, 배관의 총 길이 등 다양한 설계 인자들이 존재하며, 이와 관련된 기초연구자료 및 실험 결과가 현재까지 명확하게 제시된 것이 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 초저온 환경에서 주로 사용되는 이중단열 배관의 주요 설계 변수인 진공 압력 변화 및 작동유체 압력차에 따른 온도 분포를 실험으로 측정하고 이를 통해 상관분석, 회귀분석을 시행하였다. 또한 실험과 동일 조건에서 수치해석을 진행하였으며, 실험결과와 비교 분석을 통하여 수치해석 결과의 신뢰성을 확보하고 이를 토대로 동심 축에서 환상 공간의 무차원수 상관관계를 분석하였다. 연구결과, 희박기체 열전도율, Knudsen 수, 희박기체에서 전달되는 열량과의 관계 등을 상관분석 및 회귀분석을 통해 통계적으로 처리하여 유효한 상관관계식을 제시하였다. 실험과 동일 조건에서 시행한 수치해석 결과, Knudsen 수가 1미만인 경우 오차 범위 약 10 % 내에서 유효한 결과를 나타내었으며 확보된 수치해석의 신뢰구간을 바탕으로 환상 공간에서의 Nusselt 수, Rayleigh 수, 유효 열전도율, 수정된 Rayleigh 수 등의 상관관계를 분석하였다. 또한 단열 배관에서 단열성능의 주요 지표인 BOG 및 BOR을 산출하였으며 제시된 변수간의 상관관계식을 제시하였다. 본 연구에 적용된 상관관계식의 유효함은 R-square 값이 통계적 유효함인 0.9 이상을 기준으로 판단하였으며, 제시된 모든 상관관계식은 0.9 이상의 값을 가진다. 진공 압력 변화 및 작동 유체의 입·출구 압력차에 따라 영향을 받으며 두 변수는 이중단열 배관 설계 시 주요 설계 변수로 요구되는 단열성능에 따라 적정 범위 선정이 요구된다.
주제어
#이중단열 배관(Double insulating pipe) 희박기체 열전달(Rarefied gas heat transfer) BOG(Boil off gas) BOR(Boil off rate)
학위논문 정보
저자
이재훈
학위수여기관
동아대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
기계공학과
지도교수
김시범
발행연도
2018
총페이지
xi, 122장
키워드
이중단열 배관(Double insulating pipe) 희박기체 열전달(Rarefied gas heat transfer) BOG(Boil off gas) BOR(Boil off rate)
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