In this thesis, No-vent fill (NVF) process is experimentally investigated to identify the dominant NVF parameters, such as, the receiver tank initial wall temperature (Twall), the incoming liquid temperature (Tin), the mass flow rate ( ), and the supply pressure (Psupply). The experimental apparatus has been fabricated to pre-cisely study the effect of each NVF parameter. It is a vacuum chamber composed of the following main components: supply tank, receiver tank, bellows valve, transfer line, cryocooler (CryoTel® GT, Sunpower). The role of the supply tank is to liquefy the working fluid and pre-condition it to the desired thermodynamic state. The receiver tank made of copper is conductively cooled by a cryocooler to the desired receiver tank initial wall temperature (Twall). The mass flow rate ( ) is controlled by the valve installed at the middle of the transfer line. The supply pressure (Psupply) is controlled by the supply tank pressure. Liquid tetrafluoromethane (LCF4) is selected as the working fluid due to its similar molecular structure with liquid methane (LCH4), which has been considered as an attractive future cryogenic propellant.
The experimental results show that the initial receiver tank wall temperature (Twall) and the incoming liquid temperature (Tin) are primary factors to cause thermodynamic non-equilibrium condition in the NVF process. The mass flow rate ( ) evidently affects the duration of the NVF process. The supply pressure (Psup-ply) is one of the important NVF parameters, which is related to condensation of the vapor. The non-dimensional map based on energy balance is proposed in this thesis to find an initial condition to achieve the desired filling volume in the receiver tank by the NVF process. The non-dimensional map has a good agree-ment with the NVF data in this thesis. Comparison with the experimental data provides the validity of the non-dimensional map which is expected to be useful for other NVF process with different storage size, its ma-terial and fluid conditions.
본 논문에서는 무배기 충진에 영향을 미치는 저장 탱크의 초기 벽면 온도, 극저온 유체의 주입 온도, 질량 유량, 공급 압력의 효과를 독립적으로 살펴보기 위한 실험장치가 제작되었다. 실험 장치는 우주 환경을 모사하기 위해서 진공 챔버 내부에 설치가 되어있다. 실험 장치는 공급 탱크, 저장 탱크, 질량 유량 조절 밸브, 이송배관, 극저온 냉동기로 구성되어있다. 공급 탱크는 작동 유체를 액화시키고 무배기 충진 실험 전, 작동 유체의 열역학적 상태를 제어하는 역할을 한다. 저장 탱크는 초기 벽면 온도를 균일하게 만들기 위해서 열 전도도가 좋은 구리 재질로 제작되었으며 극저온 냉동기를 이용한 전도 냉각 방식으로 저장 탱크 초기 벽면 온도를 제어하였다. 질량 유량은 이송배관에 위치한 질량 유량 조절 밸브의 개도를 바꾸는 방식으로 조절하였다. 극저온 유체의 공급 압력은 공급 탱크의 압력으로 조절 하였다. 본 논문에서는 차세대 액체 추진제로 각광 받고있는 액체 메탄(LCH4)를 모사하기 위해서 사불화탄소(CF4)를 작동 유체로 선정하였다. 선정 이유는 사불화탄소(CF4)의 분자 구조가 메탄(CH4)과 유사하고 끓는 점 및 어는점이 유사하기 때문이다.
실험 결과 저장 탱크의 초기 벽면 온도와 주입되는 극저온 유체의 온도가 무배기 충진 과정 중 열역학적 비 평형 상황을 만드는 중요한 요인이며, 질량 유량은 단지 무배기 충진의 지속 시간에만 영향을 미치는 것을 확인하였다. 공급 탱크의 압력이 무배기 충진 과정에서 저장 탱크 내부의 기체를 응축시키는 중요한 요소 중 하나임을 확인하였다. 목표한 충진률을 달성하기 위해서 에너지 평형식 기반의 무차원화 지도가 제안되었다. 본 논문에서 수행 된 무배기 충진 실험 결과 및 액체 질소를 이용한 선행 연구의 실험 결과와 비교를 통해 목표한 충진률 달성을 위한 무차원화 지도의 정확성을 검증하였다.
