This research investigated the thermodynamic behavior of cryogenic tanks operating at high pressure, which are used as liquefied natural gas (LNG) fuel tanks, pressurized LNG (PLNG) tanks, etc. The experiment was performed with liquid nitrogen under 0.024 W/mK using vacuum insulation characterized by a heat transfer coefficient similar to that of the polyurethane foam that is commonly installed in LNG storage tanks. The experimental conditions were similar to those of a commonly used type-B (membrane type) LNG storage tank, based on calculations of the thermal aspect ratio. In general, cryogenic liquid stored in tank shows various thermodynamic behaviors due to heat ingress from outside. Especially, owing to thermal stratification, the experimental results indicate different behaviors compared with those predicted by the homogeneous model. First, the results showed that thermal stratification is highly correlated with the thermal aspect ratio, and also that the higher thermal aspect ratio results in faster pressure increases. In addition, this research was experimentally confirmed the process of thermal de-stratification when the boil-off gas is discharged to decrease the pressure to the target pressure. The amount of boil-off gas discharged during the decrease of pressure down to the target pressure was less than that predicted by a homogeneous model in that the internal energy to be removed is significantly lower than that in the homogeneous model. This research analyzed that the amount of boil-off gas emitted during the same time is compared between the cases of continuous discharge of boil-off gas and discrete discharge of boil-off gas. Consequently, this research experimentally confirmed that the discrete venting method causes the emission of a smaller amount of boil-off gas. This experimental results provide useful information for the design and operation of the equipment by analyzing various thermodynamic behaviors involved in the formation and removal of the thermal stratification.
본 연구는 연료 액화천연가스 저장탱크, 압력액화천연가스 탱크 및 액화천연가스 연료탱크와 같이 고압의 운전압력범위를 가지고 있는 극저온 저장탱크 내부의 열역학적 거동을 알아보기 위한 실험적 연구이다. 실험은 액화천연가스를 모사하기 위하여 액체질소로 수행하였고 진공단열을 통해 일반 액화천연가스 저장탱크의 단열재인 폴리우레탄 폼의 열 전달계수와 유사한 0.024 W/mK 수준으로 진행하였다. 일반적으로 탱크에 저장되는 극저온 유체는 외부로부터의 열 침입으로 인하여 다양한 열역학적 거동이 일어나게 된다. 특히 온도성층화 현상으로 인하여 평형모델로 예측되는 거동과 실제 계측되는 거동은 큰 차이를 나타낸다. 우선 온도성층화 현상은 열 종횡 비가 클수록 크게 나타나고 압력상승이 빠르게 이루어진다. 또한 탱크 내부의 압력을 조절하기 위해 증발가스를 배출할 시 온도성층화가 소멸되는 현상을 확인하였다. 그 결과 목표압력까지 도달하는데 배출해야 되는 증발가스의 양은 평형모델의 예측보다 낮았는데, 온도성층화 현상으로 인하여 목표압력까지 도달하는데 제거해야 할 엔탈피가 평형모델로 예측되는 엔탈피보다 현저히 낮은 수준이기 때문이다. 이러한 현상들을 바탕으로 효율적인 장비 운용방안을 제시하기 위해 증발가스를 연속적으로 배출하는 방법과 분별적으로 배출하는 방법을 적용하여 동일한 시간에 배출되는 증발가스의 양을 비교하였다. 결론적으로, 분별적으로 배출하는 방법이 증발가스의 배출 양을 줄일 수 있다는 결과를 얻어내었다. 본 연구는 온도성층화의 형성과 소멸현상으로 일어나는 다양한 열역학적 거동을 분석함으로써 장비의 설계 및 운용에 대해 유용한 정보를 제공한다.
