Liquefied Natural Gas (LNG) is stored in a LNG fueled vessel which contains fuel at cryogenic temperatures (-160 $^\circ C$). The tank holds the fuel in both gas and liquid phases under various pressures, maintaining a pseudo-steady state. However, constant heat intake from the walls cause the LNG to evaporate, forming boil-off gas which increases the pressure of the tank. This process is amplified during the fueling process and the dynamic condition hinders the prediction of quantifying the amount of evaporation. As the evaporation of LNG or the condensation of boil-off gas is directly related to multiphase and multicomponent systems, it is essential to understand the mass and heat transfer theories along with the thermodynamics that occur between the two phases in order to optimize tank designs or operating conditions. This paper studies the guideline of designs and operating conditions of an LNG tank through 3D CFD process simulation. The modeling of evaporation and condensation include setting interfacial transport, mass transfer correlations and vapor-liquid equilibria across the surface. A fueling process of a 2-dimensional simplified tank is simulated to observe the boil-off effects. This is achieved by analyzing the mass transfer rates, mass and heat transfer coefficients across the liquid-gas interface. A 3-dimensional simplified tank is also designed to observe the effects of velocity of the surface on boil-off gas formation, and the mass transfer rates are observed with respect to time and location. For comparison, the fueling process is simulated with varying the flowrate of the inlet and the mass transfer rates are analyzed.
액화천연가스는 연료탱크에 극저온 온도로 (약 -160 $^\circ C$) 보관된다. 연료탱크는 다양한 압력 하에서도 pseudo-steady state를 유지하며 기체 혹은 액체 상태의 연료를 보관할 수 있다. 그러나 연료탱크 벽면으로부터 지속적으로 유입되는 열은 액화천연가스로부터 증발가스가 발생하도록 하며, 이는 연료탱크 내부의 압력이 올라가는 문제를 야기한다. 증발가스는 주유 시에 더욱 많은 양이 발생하는 것으로 알려져 있지만, 실제 발생하는 증발가스의 양을 측정하고 분석하는 것은 시스템이 역동적인 이유로 어려움이 있다. 액화천연가스의 증발가스의 발생은 다양한 물질의 증발 및 응축 현상과 직결되기 때문에 연료탱크의 디자인과 운전조건의 설계를 위해서는 물질전달, 열전달 및 열역학에 대한 이해가 선행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 삼차원적 전산유체역학 공정 모사를 통해 액화천연가스 연료탱크의 디자인과 운전조건 설계에 대한 지침을 제안하다. 증발 및 응축에 관한 모델은 계면 이동현상, 물질 이동 상관관계 및 기상-액상 간의 평형상태에 대한 개념을 포함한다. 사례연구로는 간소화한 2차원 탱크를 이용해 주유과정에서의 증발 및 응축 현상을 기상-액상 간의 계면에서의 물질 전달량과 물질 전달 계수 및 열 전달 계수를 분석함으로써 모사하였다. 또한 3차원 탱크의 주유과정을 모사하면서 물질전달 계수를 계면 위치와 시간에 대해서 분석하였다. 자료의 비교를 위해 주유입구의 주유량을 변화시키면서 계면에서의 유속과 물질 전달량의 상관관계를 분석하였다.
