[논문]고압의 가압식 액체질소 공급 설비 구축

신민규; 오정화; 김석원; 고영성; 정용갑

doi:10.20910/jase.2020.14.5.26

고압의 가압식 액체질소 공급 설비 구축
Construction of High-Pressure Pressurized Liquid Nitrogen Supply Facilities 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.14 no.5, 2020년, pp.26 - 32

신민규 (충남대학교 항공우주공학과) , 오정화 (충남대학교 항공우주공학과) , 김석원 (충남대학교 항공우주공학과) , 고영성 (충남대학교 항공우주공학과) , 정용갑 (한국항공우주연구원 발사체추진제어팀)

초록
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본 연구에서는 액체로켓 연소기의 연소 불안정 모사를 위해 극저온 유체인 액체질소를 공급하는 설비를 구축하였다. 가압 및 공급 성능을 예측하였으며 실험을 통하여 검증하였다. 액체질소 공급 시스템은 가압식 공급 시스템으로 구성하였으며, 가압제 압력 조정은 돔 레귤레이터를 사용하였다. 액체질소 공급 유량 제어는 캐비테이션 벤추리를 사용하였으며, 액체 질소 공급 조건은 초당 유량 2.55 kg/s, 벤추리 입구 압력은 100 bar 이상이다. 초기 실험 결과 예측된 가압제의 양이 충분히 공급되지 못하여, 탱크압력 강하가 발생해 목표 유량을 공급하지 못하였다. 구축된 설비의 변경 및 보완을 통하여, 최종적으로 목표 유량 공급에 성공하여 극저온 액체질소 공급 설비를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a facility was constructed to supply liquid nitrogen to simulate combustion instability in a liquid rocket combustor. The pressurization and supply performances were predicted and verified through different experiments. The liquid nitrogen supply system was composed of a pressurized supply system, and a dome regulator was used to adjust the pressure of the pressurant. A cavitation venturi was used to control the mass flow rate of liquid nitrogen. The condition of liquid nitrogen supply was a mass flow rate of 2.55 kg/s and the venturi inlet pressure was above 100 bar. Based on the initial experiment, it was observed that the predicted amount of the pressurant was not sufficiently supplied and the target pressure was not supplied due to a drop in tank pressure. Through the modification of the established facilities, the target mass flow rate was successfully supplied and the cryogenic liquid nitrogen supply facility was verified.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1 LN₂ Supply Condition
표 Table 2 Pressure Loss Calculation of Pressurant Pipe
표 Table 3 Pressure Loss Calculation of LN₂ Pipe
그림 Fig. 1 Liquid Nitrogen Supply System P&ID
그림 Fig. 2 Liquid Nitrogen Supply Test
그림 Fig. 3 Modified Pressurant Line P&ID
그림 Fig. 4 Liquid Nitrogen Supply Test Using Modified Pressurant Pipe
표 Table 4 Design and Experimental Results

AI 본문요약
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문제 정의

또한 극저온 유체를 공급하기 위한 가압제 요구량 예측은 증기의 응축, 추진제로의 가압제 용해, 화학적 반응 등 매우 복잡한 과정이 진행되어 예측하기가 매우 힘들며 실험적으로 예측하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 높은 압력 조건의 가압식 시스템에서 목표 유량을 공급하기 위하여, 가압제 요구량을 예측하고 설비를 구축하여 최종적으로 공급 성능을 달성하는 것이 목표이다.
터빈 유량계의 특성상 압력손실이 작다는 점과 필터의 기공 크기(Pore size)가 비교적 큰 것을(150 μm) 고려하면, 압력손실이 크지 않을 것으로 예상된다. 따라서 유량계와 필터 등의 손실량은 실험을 통하여 확인하기로 하였다.
본 연구는 액체로켓 연소기의 연소 불안정 시험 평가 연구의 일환으로, 실물형 연소기의 연소 및 음향 공진 조건을 모사할 수 있는 축소형 모델 연소기의 추진제 공급과 관련되어 있다[1]. 연소실 내의 음향 주파수는 연소실의 음속과 형상의 함수이며, 음속은 연소실 온도와 관계가 있다.
본 연구에서는 극저온 유체인 액체질소를 안정적으로 설계 유량을 공급하기 위해 가압식 공급 설비를 구축하였다. 고압의 극저온 유체를 공급하기 위해, 운용 조건에서 사용 가능한 각종 보기류는 기성품 혹은 특수 제작한 제품으로 구성하였다.
따라서 실물형 연소기와 같은 특정 음향장을 모사하기 위해, 축소형 연소기의 연소실 내로 액체질소 분사하여 연소가스 온도를 낮추게 된다[1]. 이를 위해 고압의 가압식 액체질소 공급에 관한 연구를 수행하였다.

제안 방법

구축된 설비의 공급 특성을 확인하기 위해 액체질소 공급 실험을 진행하였다. 액체질소의 목표공급 유량은 2.
또한 탱크의 형상도 다르므로 더 많은 양의 가압제를 공급해야 한다고 판단하였다. 따라서 가압제 공급 능력을 단계적으로 높여 나갈 의향으로, 예측한 가압제 요구량의 4배를 원활하게 공급하기 위하여 기존의 레귤레이터 외에 C_v 2 의 레귤레이터를 추가하였다. 추가적으로 기존 레귤레이터의 반응성을 높이기 위하여 레귤레이터 후단 배관을 분기하여 가압제가 이송되는 면적을 크게 하였다.
마찬가지로 액체질소 이송라인에서도 불순물에 의해 분사기 또는 유량계가 손상될 위험성이 있으며, 액체질소가 아닌 다른 반응성 극저온 유체는 불순물의 마찰이나 충격에 의한 스파크에 의해 폭발의 가능성도 있다. 따라서 본 설비에서는 미세 불순물을 제거하기 위해 가압 및 액체질소 공급라인에 필터를 적용하였다. 본 설비는 고압 및 초저온의 특수한 조건으로 기성품이 아닌 특수 제작한 필터를 적용하였다.
Table 2는 가압제 라인의 압력손실, Table 3은 액체질소 라인의 압력손실이다. 마찰손실 및 이음쇠만 계산되어있으며, 밸브, 센서 등의 손실을 무시하였다.
따라서 본 설비에서는 미세 불순물을 제거하기 위해 가압 및 액체질소 공급라인에 필터를 적용하였다. 본 설비는 고압 및 초저온의 특수한 조건으로 기성품이 아닌 특수 제작한 필터를 적용하였다. 가압제가 이송되는 가압 배관의 권장 필터 기공 크기는 10~20 μm이며 본 설비에는 20 μm로 선정하였다.
이를 해결하기 위하여 가압 라인의 설비를 수정하였다. 참고문헌[3]에서는 해당 조건(탱크 압력 약 5 bar, 액체산소 가압)에서 상온 추진제로 가정하여 예측한 가압제 요구량에 비하여 극저온의 추진제일 경우 2~3배 더 많다고 하였다.
따라서 고압에서 견딜 수 있는 적정두께의 배관으로 선정하였다. 일반적으로 튜브와 패럴을 이용한 튜브 피팅과 유니온을 결합하는 방식으로 배관 이음새를 채결하지만, 본 설비는 매우 높은 압력으로 인해 피팅이 빠질 우려가 있어 튜브 피팅을 하지 않고 배관에 포트 커넥터를 직접 용접하는 방식으로 설비를 구축하였다. 액체질소 이송 배관의 경우 전부 단열 처리를 하였으며 운용 시에는 별도의 냉각 절차가 진행된다.
따라서 가압제 공급 능력을 단계적으로 높여 나갈 의향으로, 예측한 가압제 요구량의 4배를 원활하게 공급하기 위하여 기존의 레귤레이터 외에 C_v 2 의 레귤레이터를 추가하였다. 추가적으로 기존 레귤레이터의 반응성을 높이기 위하여 레귤레이터 후단 배관을 분기하여 가압제가 이송되는 면적을 크게 하였다. 결과적으로 기존 설비 Fig.

대상 데이터

가압제가 이송되는 가압 배관의 권장 필터 기공 크기는 10~20 μm이며 본 설비에는 20 μm로 선정하였다.
액체질소 유량 제어를 위한 캐비테이션 벤추리는 특수 제작하였다. 그 외에 언급되지 않은 수동밸브, 체크 밸브, 릴리프밸브, 각종 센서 등은 흔히 구할 수 있는 기성품을 사용하였다. 위와 같이 선정한 보기류 및 이송라인에 대한 P&ID (Piping & instrument diagram)은 Fig.
필터 외에는 전부 기성품을 사용하였다. 극저온 밸브의 경우 Habonim社의 고압용 극저온 밸브를 사용하였으며 유량계는 Hoffer社의 터빈 유량계를 사용하였다. 상온추진제로 계산된 가압제를 요구량을 가압하기 위해서는 유량계수(C_v) 2 이상의 레귤레이터가 필요하다.
본 설비의 가압라인의 경우 최대 400 bar로 운용될 수 있다. 따라서 고압에서 견딜 수 있는 적정두께의 배관으로 선정하였다. 일반적으로 튜브와 패럴을 이용한 튜브 피팅과 유니온을 결합하는 방식으로 배관 이음새를 채결하지만, 본 설비는 매우 높은 압력으로 인해 피팅이 빠질 우려가 있어 튜브 피팅을 하지 않고 배관에 포트 커넥터를 직접 용접하는 방식으로 설비를 구축하였다.
상온추진제로 계산된 가압제를 요구량을 가압하기 위해서는 유량계수(C_v) 2 이상의 레귤레이터가 필요하다. 따라서 탱크를 가압하기 위하여 탱크 압력 제어 장치는 Tescom社의 C_v 6.0 의 돔 레귤레이터를 사용하였다.
액체질소 공급라인의 필터의 총 유체 공급 면적은, 캐비테이션 벤추리나 인젝터의 유체 공급 면적에 따라 달라질 수 있으며, 본 설비에서는 150 μm로 선정하였다.
액체질소 충진 라인에도 역시 필터가 필요하며 권장 기공 크기는 40~80 μm이며, 본 설비에서는 기성품인 Spirax sarco社의 74 μm의 기공 크기를 갖는 스트레이너를 적용하였다[8].

이론/모형

액체질소는 대기압에서 끓는점이 –196 ℃ 로 매우 낮아 취급하기에 어려움이 있다. 액체질소를 연소실로 이송하기 위해서 여러 가지 방법이 있지만, 본 연구에서는 액체로켓 분야에서 가장 간단한 시스템인 가압식 시스템을 사용한다. 가압식 시스템이란 연소실의 압력 및 배관 내 압력손실 등을 고려하여, 높은 압력으로 추진제 탱크를 비활성 가스로 가압하여 공급하는 방식이다.

성능/효과

(1) 극저온 유체인 액체질소를 가스질소 가압제로 사용하여 고압으로 가압할 경우, 가압제의 응축, 용해 등으로 인하여 가압제 요구량이 급격히 증가할 수 있음을 확인하였다.
(2) 본 실험 조건에서 액체질소를 공급하기 위한 가압제 요구량은, 상온 추진제로 가정하고 예측한 가압제 요구량보다 더 많이 필요하다. 실험결과, 예측한 가압제 공급능력보다 약 4배 큰 공급능력을 갖추면, 액체질소를 가압하기 위한 충분한 가압제를 공급할 수 있는 것으로 확인되었다.
(3) 돔 레귤레이터의 반응성을 높이기 위해 레귤레이터 후단 배관의 공급 면적을 넓혔다. 이를 통하여 레귤레이터 후단 압력이 빠르게 변하여, 레귤레이터의 반응성이 빨라지는 효과가 있는 것으로 판단된다.
(4) 배관 내의 압력손실 고찰 결과, 압력손실은 마찰로 인한 압력손실이 이음쇠나 밸브 및 보기류에 의한 압력손실보다 훨씬 커질 수 있음을 확인하였다. 따라서 적절한 배관 직경 선정은 중요하다는 것을 확인하였다.
결과적으로 극저온 추진제를 운용하기 위한 설비 구축을 위해서는, 상온 추진제로 가정하고 설계한 설비의 가압제 공급 능력보다 커지면(C_v 4배, 레귤레이터 후단 면적 3배) 공급이 원활하게 되는 것을 확인하였다.
추가적으로 기존 레귤레이터의 반응성을 높이기 위하여 레귤레이터 후단 배관을 분기하여 가압제가 이송되는 면적을 크게 하였다. 결과적으로 기존 설비 Fig.1에서의 레귤레이터 후단의 면적보다 3배 커졌다. 수정된 가압 라인은 Fig.
4 bar 보다 큰 21 bar로 계측되었으며, 이론 계산 시 무시하였던 밸브 및 유량계, 필터에 의한 압력손실이 더해진 것으로 판단된다. 계산 결과 액체질소 유량은 설계 유량인 2.55 kg/s를 성공적으로 공급한 것으로 계산되었다.
한국항공우주연구원의 권오성 등은 극저온 추진제 탱크의 가압효율 계산을 위해, 추진제 배출 시험데이터와 해석 프로그램을 이용하여 극저온 추진제 탱크 얼리지와 관련된 에너지 흐름을 파악하여 추진제 탱크의 가압 효율을 계산하였고[2], 극저온 추진제 탱크 내에 저장된 추진제를 가압하여 배출하는 실험을 통하여 가압가스 온도 조건에 따른 가압가스 요구량과 얼리지 온도분포를 측정하였다[4]. 그 결과 가압가스의 온도가 높을수록 요구량은 감소하였지만, 이상적인 가압가스 요구량 대비 실제 필요량의 비율이 증가하였다.
(4) 배관 내의 압력손실 고찰 결과, 압력손실은 마찰로 인한 압력손실이 이음쇠나 밸브 및 보기류에 의한 압력손실보다 훨씬 커질 수 있음을 확인하였다. 따라서 적절한 배관 직경 선정은 중요하다는 것을 확인하였다.
액체질소 공급 밸브가 개방된 이후 탱크 압력은 급격히 강하되는 것을 알 수 있다. 또한 이후 안정화 되었을 때에도 원래의 압력을 회복하지 못하고 약 110 bar로 유지되었고, 벤추리 전단 압력은 목표 압력인 106 bar에 도달하지 못하고 93 bar로 유지되었다. 계산 결과 유량은 약 2.
39 kg/s로 역시 목표 유량을 달성하지 못하였다. 본 실험에서의 탱크 세팅 압력은 120 bar였으며, 예상된 가압라인 차압인 8 bar에 비하여 크게 계측되었다. 이는 상온 추진제로 가정하고 계산한 가압제 요구량 보다 요구되는 가압제가 실제로는 더 커, 압력손실이 더 크게 나타난 것으로 판단된다.
고압의 극저온 유체를 공급하기 위해, 운용 조건에서 사용 가능한 각종 보기류는 기성품 혹은 특수 제작한 제품으로 구성하였다. 실험 결과 유량계를 제외한 모든 보기류는 문제없이 작동하는 것을 확인하였다. 실험을 통하여 최종적으로 목표 공급 조건을 달성하였으며, 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
4에 나타내었다. 실험 결과 이전 실험과 같이 액체질소 탱크의 급격한 압력 강하는 발생하지 않았으며 안정적인 압력을 유지하였다. 탱크 압력은 128.
(2) 본 실험 조건에서 액체질소를 공급하기 위한 가압제 요구량은, 상온 추진제로 가정하고 예측한 가압제 요구량보다 더 많이 필요하다. 실험결과, 예측한 가압제 공급능력보다 약 4배 큰 공급능력을 갖추면, 액체질소를 가압하기 위한 충분한 가압제를 공급할 수 있는 것으로 확인되었다.
이는 가압라인을 병렬로 구성하여 배관 내 압력손실이 크게 줄었기 때문이다. 액체질소 공급 라인의 경우 예상된 압력손실인 17.4 bar 보다 큰 21 bar로 계측되었으며, 이론 계산 시 무시하였던 밸브 및 유량계, 필터에 의한 압력손실이 더해진 것으로 판단된다. 계산 결과 액체질소 유량은 설계 유량인 2.

후속연구

이를 통하여 레귤레이터 후단 압력이 빠르게 변하여, 레귤레이터의 반응성이 빨라지는 효과가 있는 것으로 판단된다. 다만 레귤레이터 후단 가압제 공급라인의 면적에 관한 정량적인 연구를 위해서는, 추후 면적에 관한 실험이 필요할 것으로 생각된다.
Equation 3은 시스템 운용 시간이 짧으며, 가압제의 온도가 추진제와 하드웨어 온도와 비슷하고, 열 및 물질전달이 무시될 때 사용 가능하다[7]. 따라서 본 절에서 예측한 가압제 요구량은 참고용이며, 추후 실험을 통해 다시 예측 및 검증할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가압식 시스템이란 무엇인가?	액체질소를 연소실로 이송하기 위해서 여러 가지 방법이 있지만, 본 연구에서는 액체로켓 분야에서 가장 간단한 시스템인 가압식 시스템을 사용한다. 가압식 시스템이란 연소실의 압력 및 배관 내 압력손실 등을 고려하여, 높은 압력으로 추진제 탱크를 비활성 가스로 가압하여 공급하는 방식이다. 보통 가압제는 가스헬륨이나 가스질소를 사용하지만, 비용이나 공급의 문제 때문에, 지상 설비에서는 일반적으로 가스질소를 많이 사용한다.
	액체질소가 취급하기 어려운 이유는?	액체질소는 대기압에서 끓는점이 –196 ℃ 로 매우 낮아 취급하기에 어려움이 있다. 액체질소를 연소실로 이송하기 위해서 여러 가지 방법이 있지만, 본 연구에서는 액체로켓 분야에서 가장 간단한 시스템인 가압식 시스템을 사용한다.
	가압식 시스템에서 가압제로 많이 사용하는 것은?	가압식 시스템이란 연소실의 압력 및 배관 내 압력손실 등을 고려하여, 높은 압력으로 추진제 탱크를 비활성 가스로 가압하여 공급하는 방식이다. 보통 가압제는 가스헬륨이나 가스질소를 사용하지만, 비용이나 공급의 문제 때문에, 지상 설비에서는 일반적으로 가스질소를 많이 사용한다. 가스질소를 가압제로 하여 극저온 탱크를 가압하는 방식은 상온의 추진제를 상온의 가스로 가압하는 경우와 달리, 극저온 유체 탱크 얼리지 내부에서는 복잡한 열전달 및 물질 전달 현상이 발생하게 된다.

참고문헌 (9)

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O. S. Kwon, B. H. Kim, G. S. Kil, S. Y. Han, "Calculation of pressurization efficiency of cryogenic propellant tank", Aerospace Engineering and Technology 12(2), pp. 83-90, Nov. 2013
O. S. Kwon, B. H. Kim, I. H. Cho, Y. S. Ko, "Required Pressurant Mass for Cryogenic Propellant Tank with Pressurant Temperature Variation", Journal of the Korean Aeronautical & Space Sciences 38(12), pp. 1202-1208, Dec. 2010
Y. G. Chung. O. S. Kim, N. K. Cho, S. Y. Han, I. H. Cho, "investigation on Temperature Drop during Pressurant Discharging from Pressurant Tank of Liquid Rocket Propulsion System", Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers 11(2), pp. 54-61, April 2007
Y. S. Jung, J. W. Kim, K. K. Park, S. H. Beak, K. J. Cho, "Modeling of Pressurization System for Cryogenic Propellant Tank and Comparison with the Results of Test", The Korean Society of Propulsion Engineers, pp. 1059-1061, Dec. 2016
홍용식, 우주추진공학, 청문각, pp.56-59, 1990
D. K. Huzel, D. H. Huang, "Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines", pp.136-137, 1992
Liquid Rocket Lines, Bellows, Flexible hoses, and Filters, NASA SP-8123, 1977
S. Greenfield, "Dilution of Cryogenic Liquid Rocket Propellants During Pressurized Transfer", K. D. Timmerhaus (Ed.), Advances in Cryogenic Engineering, New York, Vol 3, 1960

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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