극저온 액체 상태의 LNG는 주거용과 산업용으로 공급되기 전에 가스 상태로 변환된다. 이러한 재가스화 과정 중에 LNG는 $83.7{\times}10^4$ kJ/kg 정도의 많은 냉열에너지를 제공한다. 이 냉열에너지를 일부 선진국들에서는 질소, 수소, 헬륨과 같은 극저온 유체들의 액화, 제빙 및 냉방시스템에 이용하고 있다. 따라서 우리나라에서도 인천, 평택 및 통영 LNG 인수기지 주변에 LNG의 냉열에너지를 이용한 냉열에너지 회수시스템을 설립할 필요가 있다. 여기서는 저열유속상태에서 상변화를 동반하는 LNG의 유동거동 특성을 파악하기 위해 LNG의 85 %를 차지하는 메탄을 작동유체로 사용하였다. 또한 본 논문은 극저온 열교환기 내부를 흐르는 메탄과 질소, 프로판, R11 및 R134a의 유동경계에 영향을 주는 관 직경, 관의 경사각도 및 포화압력의 효과를 보여준다. 또한 여기서 얻어진 이론적 연구결과와 기존의 실험 데이터와도 비교 되었다. 그리고 메탄의 유동경계에 주는 파이프의 경사각도의 영향은 매우 큼을 알 수 있었다.
극저온 액체 상태의 LNG는 주거용과 산업용으로 공급되기 전에 가스 상태로 변환된다. 이러한 재가스화 과정 중에 LNG는 $83.7{\times}10^4$ kJ/kg 정도의 많은 냉열에너지를 제공한다. 이 냉열에너지를 일부 선진국들에서는 질소, 수소, 헬륨과 같은 극저온 유체들의 액화, 제빙 및 냉방시스템에 이용하고 있다. 따라서 우리나라에서도 인천, 평택 및 통영 LNG 인수기지 주변에 LNG의 냉열에너지를 이용한 냉열에너지 회수시스템을 설립할 필요가 있다. 여기서는 저열유속상태에서 상변화를 동반하는 LNG의 유동거동 특성을 파악하기 위해 LNG의 85 %를 차지하는 메탄을 작동유체로 사용하였다. 또한 본 논문은 극저온 열교환기 내부를 흐르는 메탄과 질소, 프로판, R11 및 R134a의 유동경계에 영향을 주는 관 직경, 관의 경사각도 및 포화압력의 효과를 보여준다. 또한 여기서 얻어진 이론적 연구결과와 기존의 실험 데이터와도 비교 되었다. 그리고 메탄의 유동경계에 주는 파이프의 경사각도의 영향은 매우 큼을 알 수 있었다.
A liquefied natural gas(LNG) in cryogenic liquid is converted back into gaseous form for distribution to residential and industrial consumers. In this re-gasification process, LNG supplies a plenty of cold thermal energy about $83.7{\times}10^4kJ/kg$. The LNG cold thermal energy is utiliz...
A liquefied natural gas(LNG) in cryogenic liquid is converted back into gaseous form for distribution to residential and industrial consumers. In this re-gasification process, LNG supplies a plenty of cold thermal energy about $83.7{\times}10^4kJ/kg$. The LNG cold thermal energy is utilized for the re-liquefaction process of cryogenic fluids such as Nitrogen, Hydrogen and Helium, and ice manufacturing process and air-conditioning system in some advanced countries. Therefore, it is also necessary to establish the recovery systems of the LNG cold thermal energy around Incheon, Pyungtaek and Tongyung LNG import terminals in our country. Methane is used as working fluid in this paper, which is the major component of LNG over 85 % by volume, in order to investigate the flow behavior characteristics of LNG with phase change at low heat flux. This paper presents the effects of pipe diameters, pipe inclinations and saturation pressures on the flow boundaries of methane flowing in a cryogenic heat exchanger tube, together with those of nitrogen, propane, R11 and R134a. The outcomes obtained from this theoretical researches are also compared with previous experimental data. It was also found that the effect of pipe inclination on the methane flow boundaries was significant.
A liquefied natural gas(LNG) in cryogenic liquid is converted back into gaseous form for distribution to residential and industrial consumers. In this re-gasification process, LNG supplies a plenty of cold thermal energy about $83.7{\times}10^4kJ/kg$. The LNG cold thermal energy is utilized for the re-liquefaction process of cryogenic fluids such as Nitrogen, Hydrogen and Helium, and ice manufacturing process and air-conditioning system in some advanced countries. Therefore, it is also necessary to establish the recovery systems of the LNG cold thermal energy around Incheon, Pyungtaek and Tongyung LNG import terminals in our country. Methane is used as working fluid in this paper, which is the major component of LNG over 85 % by volume, in order to investigate the flow behavior characteristics of LNG with phase change at low heat flux. This paper presents the effects of pipe diameters, pipe inclinations and saturation pressures on the flow boundaries of methane flowing in a cryogenic heat exchanger tube, together with those of nitrogen, propane, R11 and R134a. The outcomes obtained from this theoretical researches are also compared with previous experimental data. It was also found that the effect of pipe inclination on the methane flow boundaries was significant.
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문제 정의
LNG의 냉열에너지를 질소, 수소 및 헬륨 등과 같은 극저온 유체의 액화, 제빙 및 냉방시스템 등에 확대 이용할 수 있는 극저온 열교환장치를 설계하기 위한 이론적 연구가 여기서 실시되었다. 이러한 극저온 열교환기를 설계하는데 있어서 가장 중요한 요소는 전열특성과 펌프 동력 산정에 큰 영향을 주는 유동거동특성이다.
따라서 여기서는 LNG와 같은 극저온 열교환 설비들의 설계에 있어, 저열유속 조건에서 상변화에 따른 열전달율 및 펌프 동력 산정에 가장 핵심요소인 유동거동(flow behavior) 변화에 영향을 주는 관경, 관의 경사각도 및 포화압력의 효과들에 대해서 우선 검토되었다. 또한 LNG의 주성분인 메탄에 대한 유동경계 선도와, LNG 냉열을 회수할 시 직접 혹은 간접적 열교환 매체로 사용될 수 있는 질소, 프로판 및 일부 프레온 냉매들에 대한 것도 여기에 제시되어 있다.
이러한 극저온 열교환기를 설계하는데 있어서 가장 중요한 요소는 전열특성과 펌프 동력 산정에 큰 영향을 주는 유동거동특성이다. 따라서 유동거동 변화에 영향을 주는 관 직경의 크기, 관의 경사각도 및 포화압력의 변화에 대한 효과가 여기서 검토 되었고, 본 이론적 연구를 통해 얻은 몇 가지 결과를 요약하면 다음과 같다.
또한 냉매 R134a는 에탄계 냉매 중 하나이다. 여기서 메탄, R11 및 R134a 상호간의 유동경계를 비교하는 것은, LNG의 냉열을 기존 냉방 또는 제빙시스템에 응용할 수 있는 가능성을 검토해 보기 위해서이다. 그림으로부터 알 수 있듯이, 기포류-중간류와 분산기포류-중간류의 유동경계는 R11, R134a, 메탄 순으로 약간 씩 높은 건도에서 일어나지만 그다지 차이는 없다.
제안 방법
이 유동경계 모델은, 앞에서 기술한 두 개의 물리적 모델과는 달리 실험적 연구에 의해 주어진 것이다. 즉, 관의 단면적에 기체상이 차지할 수 있는 최대 비율인, MBPD(maximum bubble packing density)값을 이용한 것이다. 이는 어떠한 유량 조건에서도 MBPD 값이 0.
성능/효과
1. 메탄의 기포류, 분산기포류 및 중간류 상호간의 유동경계는 관 직경의 영향을 크게 받지 않는다.
2. 메탄의 기포류, 분산기포류와 중간류 상호간의 유동경계에 영향을 주는 관의 경사각도의 효과는 매우 크다. 하지만 경사각도가 커져 수직흐름에 가까워질수록 경사각도의 영향은 점차 줄어든다.
3. 메탄의 포화압력이 증가함에 따라 기포류의 영역이 약간 씩 감소한다. 이는 포화압력 변할지라도 메탄의 물성이 크게 바뀌지 않기 때문이다.
4. 중간류-환상류의 유동경계는 관 직경의 크기가 증가할수록 보다 높은 기체상의 유속에서 발생한다.
5. 기체상과 액체상의 유속이 각각, jgs ≥15m/s, jls ≥1.2m/s인 조건에서는 중간류-환상류의 유동경계는 경사각도의 영향을 거의 받지 않다.
6. 중간류-환상류의 유동경계는 밀도, 점성계수, 표면장력 등과 같은 물성 변화의 영향을 크게 받는다.
7. 메탄, 프로판, 질소 순으로 점차 높은 건도와 전질량유속에서 유동경계가 일어난다. 이는 유체간의 밀도 차이 때문이다.
8. 본 연구로부터 얻은 R11에 대한 상변화 유동경계 선도는 기존의 일부 실험 데이터를 건도 x = 0.1인 유동경계선으로 잘 예측한다.
1 MPa, 경사각도 Θ = 10인 조건에서 얻어진 결과를 보여준다. 동일한 조건에서 얻어진 결과이지만 메탄, 프로판, 질소 순으로 점차 높은 건도와 전질량유속에서 유동경계가 일어나는 것을 알 수 있다. 이를 달리 말하자면, 동일한 전질량유속에서 질소의 경우가 가장 높은 건도에서 유동경계가 일어난다는 의미이다.
이는 앞에서 기술한 기포류-중간류의 유동경계에 대한 경사각도의 효과와 마찬가지로, 이 유동경계도 역시 경사각도의 영향을 비교적 크게 받는다는 것을 알 수 있다. 또한 수평상태에서 단지 경사각도가 1도 증가되었지만, 중간류의 영역은 매우 크게 확대됨을 알 수 있다. 이는 경사각도가 증가될수록 환상 액막에 작용하는 중력의 효과가 커지게 됨에 따라 관 입구측 환상 액막의 두께가 다른 위치보다 상대적으로 두껍게 된다.
그리고 분산기포류-중간류의 유동경계는 포화압력의 변화에 무관함을 알 수 있다. 이러한 결과들로부터, 포화압력의 변화가 이 유동경계에 주는 영향은 그다지 크지 않지만, 포화압력의 증가에 따라 기포류의 영역이 약간 씩 감소한다는 것을 알 수 있다. 이는 포화압력 변화에 따른 메탄의 밀도, 점성계수, 표면장력 등과 같은 물성 값들이 크게 변하지 않기 때문이다.
후속연구
즉, 극저온 유체들의 열전달과 유동거동 특성은 스팀, 프레온 냉매 등과 같은 일반적인 사용범위에 있는 유체들과 매우 다르고, 그 저장 및 취급이 매우 까다로워, 이에 대한 기술력을 일부 국가들만이 확보하고 있기 때문이다. 따라서 우리나라에서도 LNG 수입량의 증가추세에 맞춰, 앞으로 LNG의 냉열에너지를 더욱 확대 이용하기 위해서는 극저온 유체들의 상변화에 따른 전열 및 유동거동 특성에 대한 연구가 활발히 이뤄져야 할 것이다.
하지만 이는 적은 수의 한정된 실험으로부터 얻은 데이터와 비교한 결과이다. 앞으로 보다 많은 실험적 연구를 통해 그 유효성을 검증할 필요가 있다. 특히, LNG의 냉열을 액화설비나 냉방 및 제빙설비에 적극적으로 이용하기 위해서는, 앞으로 LNG와 메탄과 같은 극저온 유체들에 대한 실험적 연구가 실시되어야 하며, 또한 본 연구 결과와 비교 검토되어 그 유효성이 확보되어야 한다.
앞으로 보다 많은 실험적 연구를 통해 그 유효성을 검증할 필요가 있다. 특히, LNG의 냉열을 액화설비나 냉방 및 제빙설비에 적극적으로 이용하기 위해서는, 앞으로 LNG와 메탄과 같은 극저온 유체들에 대한 실험적 연구가 실시되어야 하며, 또한 본 연구 결과와 비교 검토되어 그 유효성이 확보되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유동거동의 변화를 보이게 되는 요인은 무엇인가?
1은 저열유속 부하에서 원과 내를 흐르는 LNG와 같은 극저온 유체의 전형적인 유동거동 변화를 보여준다. 그림으로부터 알 수 있듯이, 관 입구 측에서는 관 표면에서 발생한 매우 작은 기포들(Dispersed bubble)이 부력에 의해 관상부로 모여 기포거품(bubble creaming)을 형성하거나, 기포간의 충돌로 인해 관 직경 보다 큰 플러그(Plug flow) 또는 슬러그류(Slug flow)와 같은 중간류(Intermittent flow)로 유동거동이 변한다. 더욱이 관 출구로 갈수록 메탄의 포화 증기량은 증가하고 유동양상 또한 중간류에서 환상류(Annular flow) 흐름으로 바뀌게 된다.
선진국에서 LNG의 냉열에너지를 어떻게 활용하고 있는가?
이러한 LNG의 냉열에너지를 선진국들은 질소, 수소 및 헬륨 등과 같은 극저온 유체들의 액화, 냉열발전, 고무들의 저온 분쇄가공, 얼음 생산 및 냉방시스템 등에 적극 활용하고 있다. 그러나 현재 우리나라에서는 공기 액화 및 저온 고무 분쇄가공과 같은 극히 한정된 분야에만 응용하고 있을 뿐 그 활용이 그다지 많지 않다.
국내에서 LNG의 냉열에너지를 활용하고 있는 현실은 어떠한가?
이러한 LNG의 냉열에너지를 선진국들은 질소, 수소 및 헬륨 등과 같은 극저온 유체들의 액화, 냉열발전, 고무들의 저온 분쇄가공, 얼음 생산 및 냉방시스템 등에 적극 활용하고 있다. 그러나 현재 우리나라에서는 공기 액화 및 저온 고무 분쇄가공과 같은 극히 한정된 분야에만 응용하고 있을 뿐 그 활용이 그다지 많지 않다. 더욱이 현재 가동되고 있는 우리나라 대부분의 LNG 냉열 응용 설비들마저도 외국기술력에 의해 설치되었다.
참고문헌 (7)
Barnea, D.(1986), Transition from Annular Flow and from Dispersed Bubble Flow-Unified Models for the Whole Range of Pipe Inclination, Int. Journal of Multiphase Flow, Vol. 12, No. 5, pp. 733-744.
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Harmathy, T. Z.(1960), Velocity of Large Drops and Bubbles in Media of Infinite or Restricted Extent, AIChE, Vol. 6, pp. 281-288.
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Levich, V. G.(1962), Flow Regime Transitions and Criteria for Two Phase Flow in Vertical Tubes, Int. Journal of Heat Mass Transfer, Vol. 27, No. 5, pp. 723-736.
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