[논문]초저온 액화가스용 기화기의 열전달 수치해석

이용훈; 지명국; 박기태; 김필환; 정효민; 정한식

문제 정의

특히, LNG의 기화기는 초저온의 영역에 노출되므로 기화기 표면에서 수분의 응축 및 서리착상 등의 영형으로 인해 설계조건이 일반 고온의 열교환기 보다 까다롭다.^[5-6] 따라서 본 연구에서는 국내에서 주로 사용하는 핀의 개수가 8개이고 핀의 높이가 50 mm인 대기식 기화기 대신 실험을 통하여 얻어진 데이터를 이용하여 핀의 개수가 4개이고 핀의 높이가 75 mm인 기화기의 길이가 1000 mm인 경우에 대하여 초저온의 액화가스인 LN₂를 이용, 작동유체가 진행하는 방향에 대한 열전달 수치해석을 통하여 실험과 비교하고 기초 자료를 제시하고자 한다.
또한 선행된 실험에서 유입압력에 따른 온도분포는 정상상태가 되면 거의 유사한 경향을 나타내었고, 단지 기화되는 시간이 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 한 가지 모델에 국한하여 수치해석을 통해 실험과 온도분포를 비교하고, 수치해석 시 계산되어지는 열 유속과 열전달계수를 확인하고자 하였다.
여기서 본 연구에서 목적으로 하는 기화기에 대하여 살펴보기로 한다. 국내에서 사용되는 대기식 기화기의 형상은 튜브(tube)와 길이 방향의 핀(fin)의 조합으로 이루어져 있으며, 이는 일본에서 사용하고 있는 상용 모델로서 상세한 설계 자료의 정보가 국내에서는 부족하다고 할 수 있다.

가설 설정

공기식 초저온용 기화기 주위의 유체유동을 해석하기 위해 비압축성 정상상태로 가정하였고, 표준 난류모델을 사용하여 Navier-Stokes 방정식에 유한체적법을 적용하였다. 수치계산에 사용된 지배방정식은 아래의 식과 같다.
기체상태의 LN₂가 유입되면 순수 알루미늄으로 가정한 고체영역으로 열전달이 이루지게 된다. 또한 기화기 외부의 공기는 대기압 하에 280 K로 일정한 온도로 유지된다고 가정하였다. 이러한 근거는 기화기 핀 1개의 module에 대하여 실험을 통해 취득한 값을 사용하였다.
핀의 개수는 4개, 핀의 높이가 75 mm, 길이가 1000 mm인 이 모델은 현재 국내에 적용중인 상용 모델과는 다소 다르지만 선행연구에 각 각의 변수들에 대한 실험을 통하여 국내의 상용모델보다 열교환 성능 면에서 우수하다고 입증되었다. 실험에 사용된 기화기 모델의 재료는 알루미늄 합금(A6063S)이지만 수치해석상 순수 알루미늄(pure aluminum)으로 가정하였다.
지배방정식을 풀기 위해 사용된 경계조건은 기화기 관으로 저온의 LN₂ 기체가 입구로 유입되고, 출구로 유출된다는 가정을 하였다. 이때 유입 되는 LN₂의 압력은 절대압력으로 200 KPa로 유입되며, 유입온도는 101.

제안 방법

열전대는 K-type을 사용하였으며, 기화기 핀과 튜브 끝단에서 101 mm 등 간격으로 각각 설치하였으며, 핀 사이의 공기층 온도를 측정하기 위해 상·중·하로 총 3군데 500 mm 간격으로 기화기 튜브에서 100 mm 떨어진 곳에 설치하였다.
실험의 경우 총 250 mm 간격으로 총 5개의 열전대를 설치하여 기화기 내부의 LN₂ 온도를 측정한 결과이다. 측정 시간은 약 20분 경과된 후 거의 일정한 온도로 유지되었기 때문에 정상 상태로 판단하였고 그 시점의 결과를 취득하여 비교하였다. 실험과 수치해석 결과는 정성적으로 볼 때 다소 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

9는 열 유속과 열전달계수를 해석 결과로부터 취득하기 위한 지점을 표시한 그림이다. 기화기 내-외부 각각 3군데 지점을 선정하였다.
5는 LN₂가 지나가는 기화기 관 내부 중심에서의 온도분포를 실험과 수치해석을 비교한 것이다. 실험의 경우 총 250 mm 간격으로 총 5개의 열전대를 설치하여 기화기 내부의 LN₂ 온도를 측정한 결과이다. 측정 시간은 약 20분 경과된 후 거의 일정한 온도로 유지되었기 때문에 정상 상태로 판단하였고 그 시점의 결과를 취득하여 비교하였다.

이론/모형

본 연구에 사용된 난류모델은 비교적 계산이 간단하며, 격자수의 절약 등 여러 가지 측면에서 공학적으로 그 가치가 인정되어 폭넓게 사용되고 있는 표준 k-ε 모델을 사용하였으며, 대류항은 유동방향을 고려하고 상류쪽의 값을 반영하기 위해 풍상차분법(Upwind differencing scheme)을 사용하였다. 또한 압력항의 처리는 Patankar가 제시한 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다.
본 연구에 사용된 난류모델은 비교적 계산이 간단하며, 격자수의 절약 등 여러 가지 측면에서 공학적으로 그 가치가 인정되어 폭넓게 사용되고 있는 표준 k-ε 모델을 사용하였으며, 대류항은 유동방향을 고려하고 상류쪽의 값을 반영하기 위해 풍상차분법(Upwind differencing scheme)을 사용하였다.

성능/효과

(1) 실험과 수치해석 결과는 정성적으로 볼 때 다소 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 기화기 길이방향에 대한 온도분포 비교에서는 실험과 수치 해석에서 0.
(2) LN₂를 기준으로 한 열 유속 분포는 기화기 외부인 핀과 관에서는 기화기 내부에 비해 상대적으로 열 유속이 작은 것을 확인할 수 있었다. 기화기 내부의 경우 101.
(3) LN₂를 기준으로 한 열전달 계수는 열 유속이 큰 기화기 내부에서의 열전달 계수가 높게 나타났다. 다음으로 기화기 관과 LN₂ 유입구 부근의 기화기 핀에서 다소 높은 열전달 계수 분포를 보이고 있었다.
따라서 온도구배의 정 방향과 역 방향에 대한 기준으로부터 부호가 양(+)의 값과 음(-)값으로 표시된다. 그러나 본 연구에서는 열 유속의 방향은 무시하고 모두 양(+)의 값으로 취해 기화기 표면에서의 열 유속을 나타내었다.
(1) 실험과 수치해석 결과는 정성적으로 볼 때 다소 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 기화기 길이방향에 대한 온도분포 비교에서는 실험과 수치 해석에서 0.92 K, 대기 온도 비교에서는 약 0.55 K 정도, 전체적인 평균온도는 약 3.2 K의 온도 차가 미미하게 발생함을 알 수 있었다.
를 기준으로 한 열전달 계수는 열 유속이 큰 기화기 내부에서의 열전달 계수가 높게 나타났다. 다음으로 기화기 관과 LN₂ 유입구 부근의 기화기 핀에서 다소 높은 열전달 계수 분포를 보이고 있었다. 온도 차가 급격하게 이루어질 때는 공기층이 단열재의 역할을 하여 열전달을 방해한다고 할 수 있다.
기화기의 재질을 알루미늄인 관계로 열확산계수가 다른 금속에 비해 상대적으로 크기 때문에 기화기 관 외부까지 열전달이 잘 이루어지게 된다. 따라서 실험과 수치해석의 경우 정성적 및 정량적으로 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 실험의 경우 평균 온도는약 122.
여러 기하학적 변수 중에 핀의 개수가 4개인 모델을 수치해석 한이유는 이미 Yi와 Kong의^[7-8] 선행된 연구결과에서 가장 최적화된 모델로 제시하였기 때문에 추가적인 변수를 두지 않았다. 또한 선행된 실험에서 유입압력에 따른 온도분포는 정상상태가 되면 거의 유사한 경향을 나타내었고, 단지 기화되는 시간이 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 한 가지 모델에 국한하여 수치해석을 통해 실험과 온도분포를 비교하고, 수치해석 시 계산되어지는 열 유속과 열전달계수를 확인하고자 하였다.
측정 시간은 약 20분 경과된 후 거의 일정한 온도로 유지되었기 때문에 정상 상태로 판단하였고 그 시점의 결과를 취득하여 비교하였다. 실험과 수치해석 결과는 정성적으로 볼 때 다소 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 기화기 길이방향으로 평균 온도는 실험일 경우 약 102.
92 K로 거의 유사한 경향을 보이고 있었다. 실험과 수치해석에서 출구가 입구에 비해 다소 높은 온도분포를 나타내고 있었고, 이는 기화기 핀과의 열전달로 인해 온도가 상승한 것이다.
8은 기화기 핀 끝단의 중심에서의 온도분포를 나타내고 있다. 실험의 경우 200 mm 지점까지 수치해석에 비해 온도분포가 다르게 나타나는데 이는 수치해석 시 대기층을 기화기 핀까지만 격자를 생성시켰고 그 면에 대기조건과 대기 온도 280 K로 균일하다고 가정하였기 때문에 수치해석 결과가 다소 높게 나타났다. 그러나 기화기를 지나면서 실험값과 유사한 경향으로 계산됨을 확인할 수 있었다.
4는 중력방향은 -Z 방향으로 수직으로 세워진 기화기에 대한 온도분포를 정성적으로 나타내고 있다. 전반적인 온도분포를 확인해 보면 기화기 관부분이 관 내부의 냉열로 인해 온도가 낮은 것을 확인할 수 있으며, 핀 부분으로 이동할 수록 대기와의 열전달로 인해 온도가 상대적으로 높은 것을 볼 수 있다. 본 연구의 경우 앞서 설명된 바와 같이 단일 모듈로 출구는 대기로 방출되는 시스템이다.
그러나 기화기를 지나면서 실험값과 유사한 경향으로 계산됨을 확인할 수 있었다. 전체적인 평균온도는 실험의 경우 약 164.02 K이며 수치해석의 경우 약 167.22 K으로 약 3.2 K의 온도차가 발생함을 알 수 있었다.
10의 결과에서 우선 정성적으로 볼 때 입구 부분에서 가장 낮은 온도가 유입되기 때문에 기화기 내부에서 외부로 빠져나가는 열 유속이 가장 크게 나타났고 반면 출구로 향할수록 열 유속이 감소하는 경향을 나타내고 있다. 특히 point-2 지점의 경우 열전달이 가장 둔화되는 지점으로 열 유속이 가장 낮게 나타났으며 길이방향으로 진행할 수록 큰 폭의 기울기를 가지면서 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 반면 Fig.
수치 해석 시 사용된 경계조건은 기화기 핀의 온도가 어느 정도 정상상태에 도달한 지점에의 값을 사용하였고, 실험결과는 Table 1과 같이 평균값으로 정리할 수 있었다. 핀의 개수는 4개, 핀의 높이가 75 mm, 길이가 1000 mm인 이 모델은 현재 국내에 적용중인 상용 모델과는 다소 다르지만 선행연구에 각 각의 변수들에 대한 실험을 통하여 국내의 상용모델보다 열교환 성능 면에서 우수하다고 입증되었다. 실험에 사용된 기화기 모델의 재료는 알루미늄 합금(A6063S)이지만 수치해석상 순수 알루미늄(pure aluminum)으로 가정하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초저온이란?	일반적으로 초저온이라 함은 -50℃ ～ -200℃의 냉매를 말한다. 이에 해당하는 냉매로서는 LNG, LO2, LN2, LCO2 등을 들 수 있다.
	초저온에 해당되는 냉매로는 어떤 것이 있는가?	일반적으로 초저온이라 함은 -50℃ ～ -200℃의 냉매를 말한다. 이에 해당하는 냉매로서는 LNG, LO2, LN2, LCO2 등을 들 수 있다. 세계의 1차 에너지 수요 중 천연가스의 비중은 1982년도에 20.
	국내에서 사용되는 대기식 기화기의 형상은 어떤 것의 조합으로 이루어져 있는가?	여기서 본 연구에서 목적으로 하는 기화기에 대하여 살펴보기로 한다. 국내에서 사용되는 대기식 기화기의 형상은 튜브(tube)와 길이 방향의 핀(fin)의 조합으로 이루어져 있으며, 이는 일본에서 사용하고 있는 상용 모델로서 상세한 설계 자료의 정보가 국내에서는 부족하다고 할 수 있다. 특히, LNG의 기화기는 초저온의 영역에 노출되므로 기화기 표면에서 수분의 응축 및 서리착상 등의 영형으로 인해 설계조건이 일반 고온의 열교환기 보다 까다롭다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

초저온 액화가스용 기화기의 열전달 수치해석
Study on the Heat Transfer Numerical Analysis of Supper Low Temperature Liquefied Gas Vaporizer 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

초저온 액화가스용 기화기의 열전달 수치해석 Study on the Heat Transfer Numerical Analysis of Supper Low Temperature Liquefied Gas Vaporizer 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

초저온 액화가스용 기화기의 열전달 수치해석
Study on the Heat Transfer Numerical Analysis of Supper Low Temperature Liquefied Gas Vaporizer 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper