[논문]Type C 연료탱크에 적용되는 분말형 단열 소재의 상온/극저온 기계적 특성에 관한 연구

김태욱; 오재원; 서영균; 한성종; 이제명

doi:10.21289/ksic.2021.24.6.787

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The global demand for Liquefied Natural Gas(LNG) continues to increase and is facing a big cycle. To keep pace with the increase in international demand for LNG, the demand for LNG fueled ships is also increasing. Since LNG fuel tanks are operated in a cryogenic environment, insulation technology is...

The global demand for Liquefied Natural Gas(LNG) continues to increase and is facing a big cycle. To keep pace with the increase in international demand for LNG, the demand for LNG fueled ships is also increasing. Since LNG fuel tanks are operated in a cryogenic environment, insulation technology is very important, and although there are various types of insulation applied to Type C tanks, multi-layer insulation and vacuum insulation are typically applied. Powder insulation materials are widely used for storage and transportation of cryogenic liquids in tanks with such a complex insulation structure. In this study, compression tests at room and cryogenic temperature were performed on closed perlite, glass bubble, and fumed silica, which are representative powder insulation material candidates. Finally, the applicability to the Type C fuel tank was reviewed by analyzing the experimental results of this study.

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그림 Fig. 1 Photograph of experimental apparatus for compression test at room and cryogenic temperature
표 Table 1. Types of power materials
그림 Fig. 2 Compression stress-strain curve for powder insulation materials at room temperature
그림 Fig. 3 Compression stress-strain curve for powder insulation materials at cryogenic temperature
표 Table 2. Compression test scenario for powder insulation materials
그림 Fig. 4 Compression stress-strain curve for glass bubble at room and cryogenic temperature
그림 Fig. 5 Compression stress-strain curve for closed perlite at room and cryogenic temperature
표 Table 3. Strain and slope at a stress level of 1 MPa in each test
표 Table 4. Strain and slope at a stress level of 2 MPa in each test
그림 Fig. 6 Compression stress-strain curve for fumed silica at room and cryogenic temperature

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문제 정의

이에 따라, 본 연구에서는 연료추진선의 Type C 탱크에 적용하기 위한 분말형 단열소재 후보군인 폐기공 펄라이트(Closed Cell Perlite), 글라스 버블(Glass Bubbles), 흄드 실리카(Fumed Silica) 에 대한 상온 및 극저온 환경에서의 재료 단위 성능평가를 수행하였고, 재료 시험 결과를 통해 소재별, 온도별 기계적 특성을 분석함으로써 Type C 연료탱크에 대한 적용성을 검토하였다.

제안 방법

본 연구에서는 분말형 단열소재 후보군에 대해 상온 및 극저온 환경 하에서의 재료 단위 성능평가를 수행하기 위해 특수 제작된 극저온 챔버와 만능재료시험기(KSU-5M)를 이용하여 압축시험을 수행하였다. LNG 연료추진선의 연료탱크 운용 온도인 영하 163도의 극저온 환경 구현을 위해 극저온 챔버 내에 질소가스를 분사하고 자동온도조 절 시스템을 통해 유지하여 압축시험을 수행하였으며, 분말형 단열 소재의 압축시험에 필요한 시험 보조 장비인 시험 지그에 대해서는 자체적으로 특수 제작하여 활용하였다.
본 연구에서는 분말형 단열소재 후보군에 대해 상온 및 극저온 환경 하에서의 재료 단위 성능평가를 수행하기 위해 특수 제작된 극저온 챔버와 만능재료시험기(KSU-5M)를 이용하여 압축시험을 수행하였다. LNG 연료추진선의 연료탱크 운용 온도인 영하 163도의 극저온 환경 구현을 위해 극저온 챔버 내에 질소가스를 분사하고 자동온도조 절 시스템을 통해 유지하여 압축시험을 수행하였으며, 분말형 단열 소재의 압축시험에 필요한 시험 보조 장비인 시험 지그에 대해서는 자체적으로 특수 제작하여 활용하였다. 극저온 시험 시 시험편의 열적 평형 후 시험을 수행하기 위해 1시간동안 예비 냉각을 수행한 후 모든 극저온 시험을 수행하였다.
LNG 연료추진선의 연료탱크 운용 온도인 영하 163도의 극저온 환경 구현을 위해 극저온 챔버 내에 질소가스를 분사하고 자동온도조 절 시스템을 통해 유지하여 압축시험을 수행하였으며, 분말형 단열 소재의 압축시험에 필요한 시험 보조 장비인 시험 지그에 대해서는 자체적으로 특수 제작하여 활용하였다. 극저온 시험 시 시험편의 열적 평형 후 시험을 수행하기 위해 1시간동안 예비 냉각을 수행한 후 모든 극저온 시험을 수행하였다. 본 연구의 상온 및 극저온 분말소재 압축시험을 위해 특수 제작한 지그를 장착한 만능재료시험기를 Fig.
극저온 시험 시 시험편의 열적 평형 후 시험을 수행하기 위해 1시간동안 예비 냉각을 수행한 후 모든 극저온 시험을 수행하였다. 본 연구의 상온 및 극저온 분말소재 압축시험을 위해 특수 제작한 지그를 장착한 만능재료시험기를 Fig. 1에 나타내었다.
본 연구에서는 LNG 연료추진선의 Type C 연료탱크에 적용하기 위한 분말형 단열 소재의 기계적 특성 검토를 위해, 대표적인 분말형 단열소재 후보군인 펄라이트, 글라스 버블, 흄드 실리카에 대해 상온 및 극저온 환경에서의 재료단위 성능평가를 수행하고 분석함으로써 Type C 연료탱크에 대한 적용성을 검토하였다.
분말형 단열 소재의 압축시험에 대한 규격은 정확하게 명시된 바가 없어서, 일반적인 복합소재 의 압축시험 속도를 참고하여 임의로 각 분말 소재의 높이를 30mm, 직경을 70mm로 설정한 후 5mm/min의 변형률 속도로 압축시험을 수행하였다. 또한, 실험 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 각 케이스 별로 5번의 반복시험을 수행하였고, 평균값과 가장 유사한 데이터를 채택하여 결과를 비교 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서 선정한 대상 재료는 Type C 연료 탱크에 진공단열의 충진재료 사용되는 대표적인 분말형 단열 소재 후보군인 폐기공 펄라이트, 글라스 버블, 흄드 실리카이다.

데이터처리

분말형 단열 소재의 압축시험에 대한 규격은 정확하게 명시된 바가 없어서, 일반적인 복합소재 의 압축시험 속도를 참고하여 임의로 각 분말 소재의 높이를 30mm, 직경을 70mm로 설정한 후 5mm/min의 변형률 속도로 압축시험을 수행하였다. 또한, 실험 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 각 케이스 별로 5번의 반복시험을 수행하였고, 평균값과 가장 유사한 데이터를 채택하여 결과를 비교 분석하였다. 최종적으로, 본 연구의 압축시험을 위한 실험 시나리오를 Table 2에 나타내었다.

성능/효과

더 정량적인 비교를 위해, 측 정된 변형률과 응력값을 기반으로 Type C 연료탱 크의 기본 운용 조건인 0∼1MPa와 최대 운용 조건인 0∼2MPa까지의 변형률 값과 선형 기울기 값을 각각 구하여 Table 3과 Table 4에 나타내었고, 이를 통해 Type C 연료탱크의 실제 운용 압력 조건에 대해 각 분말형 단열 소재가 얼마나 변형에 저항하는지를 수치적으로 비교하였다. 본 연구의 결과를 통해 Type C 연료탱크의 운용 조건 내의 같은 압력을 받을 때 글라스 버블, 흄드 실리카, 펄라이트 순으로 변형의 크기가 증가한다는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 진공 단열의 진공이 파괴되는 상황에서 분말형 단열소재가 온전히 단열 및 지지를 수행해야 할 때 펄라이트를 적용한 경우 더 변형에 유의하여 설계해야 한다고 판단된다.
본 연구의 결과를 통해 Type C 연료탱크의 운용 조건 내의 같은 압력을 받을 때 글라스 버블, 흄드 실리카, 펄라이트 순으로 변형의 크기가 증가한다는 것을 알 수 있으며, 진공 단열의 진공이 파괴되는 상황에서 분말형 단열소재가 온전히 단열 및 지지를 수행해야 할 때 펄라이트를 적용한 경우 더 변형에 유의하여 설계해야 한다고 판단된다. 추가로, 분말형 단열 소재의 상온 및 극저온에서의 기계적 특성에 대한 경향성은 알 수 있지만, 원인 분석을 위해서는 추가적인 연구가 필요하다고 판단되며, 추후에 이에 대한 추가적인 연구 또한 수행할 예정이다.

후속연구

이는 단순히 일반적인 단열 소재의 특성상 저온으로 갈수록 기울기인 탄성계수가 높아지는 경향과 같다고 생각할 수 있다. 하지만, 분말형 단열 소재의 경우 이러한 경향성에 대해 정확한 원인 분석은 추가로 수행해야 판단할 수 있을 것이라 생각된다.
본 연구의 결과를 통해 Type C 연료탱크의 운용 조건 내의 같은 압력을 받을 때 글라스 버블, 흄드 실리카, 펄라이트 순으로 변형의 크기가 증가한다는 것을 알 수 있으며, 진공 단열의 진공이 파괴되는 상황에서 분말형 단열소재가 온전히 단열 및 지지를 수행해야 할 때 펄라이트를 적용한 경우 더 변형에 유의하여 설계해야 한다고 판단된다. 추가로, 분말형 단열 소재의 상온 및 극저온에서의 기계적 특성에 대한 경향성은 알 수 있지만, 원인 분석을 위해서는 추가적인 연구가 필요하다고 판단되며, 추후에 이에 대한 추가적인 연구 또한 수행할 예정이다.

참고문헌 (11)

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H. Y. Jo, S. J. Oh, M. N. Kim, H. M. Lim, and S. H. Lee, "Effects of SiC particle size and inorganic binder on heat insulation of fumed silica-based heat insulation plates", Journal of the Korean Ceramic Society, vol. 53, no. 4, pp. 386-392, (2016).

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