극저온 유체 배관냉각특성에 대한 수치해석 및 검증

Abstract

극저온 배관 냉각 과정(Line chill-down process)은, 긴 길이의 극저온 유체 이송 배관을 유체의 비등점에 가깝게 냉각시키는 과정으로, 극저온 액체가 이송 중에 기화되지 않고 안정적으로 공급될 수 있도록 하는 과정이다. 안정적이고 원활한 극저온 유체의 활용을 위하여, 냉각 시간 예측을 포함한 극저온 배관 냉각 과정의 파악은 중요하다. 이에 본 연구에서는 극저온 유체의 배관 냉각 특성에 관하여 계산할 수 있는 수치해석 모델을 정립하고 이에 대한 검증을 진행하였다. 본 논문에서는 작동유체로 액화천연가스(LNG), 액화 수소, 액화 헬륨을 선정하였다. 각 유체의 배관냉각 수치해석 모델링은 1차원 균질모델로 C++ 프로그램을 사용하여 수립되었으며, 질량, 모멘텀, 에너지 보존 방정식 및 적절한 열전달 관계식을 사용하여 냉각과정을 모사하였다. 이 과정에서 핵비등, 천이비등, 막비등, 단상기체대류 영역에서의 열전달 관계식을 제시하였다. 액화천연가스의 경우는 한국기계연구원의 LNG극저온기계기술시험인증센터에서 직접 LNG 배관냉각 실험을 진행하여 비교검증 절차를 거쳤고, 액화 수소의 경우는 기존 선행 논문들의 실험 데이터를 활용하여 검증 절차를 거쳤다. 액화 헬륨의 경우는, 기초과학연구원의 중이온가속기 SRF TF 헬륨 이용시설에서, 헬륨이송배관의 냉각 데이터를 활용하여 검증을 수행하였다.