With the advent of shale gas exploitation, demands of LNG tanks for vehicles is increasing. However, insulation performance of current LNG tanks is limited due to the primitive structure of the tank. To solve this problem, this study presents an LNG tank with pillar-supported vacuum insulation structure and estimates its cryogenic insulation performance.
The proposed LNG tank is a double-shell vacuum insulation tank, which applies separate structure-supporting pillars in side section to reduce the heat transfer. The main heat transfer path of the pillar-supported LNG tank is divided into two: one through filler materials and the other through the pillars. The effective thermal conductivity of filler materials and that of pillars must be measured to predict the insulation performance of the pillar-supported LNG tank. The effective thermal conductivity of filler materials are measured in vacuum/cryogenic environment, from which a cryogenic insulation performance prediction model is suggested to predict the effective thermal conductivity at various temperatures. Also, multi-pass support (MPS) is introduced to enhance insulation performance of the pillar-supported LNG tank. The thermal conductivity of Nylon comprising MPS is measured at various temperatures. And the effective thermal conductivity of MPS is obtained numerically based on the measurement.
Based on the previously obtained effective thermal conductivity of filler materials and that of MPS, the cryogenic insulation performance of the pillar-supported LNG tank is estimated through a numerical analysis. In the case of analysis using the cryogenic insulation performance prediction model, a difference of 57.8 % exists in the heat input quantity compared to the case that the cryogenic insulation performance prediction model is not applied. In addition, the BOR (Boil-Off Rate) of the pillar-supported LNG tank is reduced by 63.5 % compared to the BOR of the current LNG tank.
최근 셰일가스 개발이 본격화 되면서 수송 수단용 LNG 탱크의 수요가 증가하고 있다. 하지만 기존 LNG 탱크는 구조적인 문제로 단열성능의 한계를 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 진공단열구조를 가지는 기둥 지지형 LNG 탱크를 제안하고 극저온 단열성능을 예측하였다.
기둥 지지형 LNG 탱크는 이중 진공단열구조로 측면부에 지지기둥을 설치해 열전달을 줄인 단열탱크이다. 주된 열전달 경로는 심재와 지지기둥으로 구분할 수 있고 단열성능을 예측하기 위해서 심재와 지지기둥의 유효열전도계수 측정이 필수적이다. 이에 따라 본 연구에서는 진공/극저온 환경에서 심재의 온도에 따른 유효열전도계수 변화를 측정하고 그 결과를 바탕으로 저온단열성능 예측모델을 도출하였다. 또한 지지기둥의 단열성능을 향상시키기 위하여 다중 왕복 지지체를 적용하였다. 다중 왕복 지지기둥의 유효열전도계수를 계산하기 위해 다중 왕복 지지체를 구성하는 나일론의 온도에 따른 열전도계수 변화를 측정하고, 측정 결과를 기반으로 다중 왕복 지지체의 유효열전도계수를 수치해석을 통해 구하였다.
앞서 구한 심재와 지지기둥의 유효열전도계수를 바탕으로 기둥 지지형 LNG 탱크의 극저온 단열성능을 수치해석을 통해 예측하였다. 저온단열성능 예측모델을 적용하여 해석한 경우, 저온단열성능 예측모델을 적용하지 않은 경우와 비교하여 열유입량에서 57.8 % 의 큰 차이를 보였다. 또한 기둥 지지형 LNG 탱크의 BOR (Boil-Off Rate)이 기존 LNG 탱크의 BOR 대비 63.5 % 감소하여 단열성능이 향상되었음을 확인하였다.
