증기 냉각 쉴드를 고려한 액화수소 탱크의 열전달 특성 연구

Abstract

액화수소 탱크는 극저온 상태의 수소를 저장하는 장치로 외부로의 열 침입을 막는 것이 중요하며, 일반적으로 다층 단열재(multi-layer insulation, MLI)를 이용한다. 또한, 단열 성능을 향상시키기 위해 증기 냉각 쉴드(vapor cooled shield, VCS)를 사용하며, 액화 수소 탱크 내부에서 증발한 증기를 활용하여 외부에서 침입한 열량을 감소시킨다.) 최근에는 VCS의 단열 성능을 향상시키기 위해서 파이프의 배열 변화에 관한 수치해석 연구들이 보고되고 있으며, 이때 VCS로 입력한 증기의 질량 유량과 온도를 상수로 설정하고 있다. 하지만, VCS를 활용하여 액화수소 탱크를 단열하는 경우 증기의 배출 질량 유량과 온도가 시간에 따라 지속적으로 변화하게 되므로, 시간 변화에 따른 경계조건 변화를 고려하는 것이 필수적이다. 따라서, 본 연구에서는 액화수소 탱크의 VCS 파이프의 형상 변화에 따른 3차원 수치해석을 수행한다. 또한, MATLAB을 이용하여 액화 수소 증발 모델을 계산하였으며 이를 통해 시간 변화에 따른 증기 질량 유량과 온도를 VCS의 경계조건으로 고려하였다. 탱크 속 액화 기체는 시간에 따라서 증발되어 액체 부피가 줄어든다. 탱크 속에 저장하고 있던 액화 기체가 모두 증발한 시간은 각각 3,077 시간과 3,100 시간이며, 증발한 액화 기체 부피의 최대 오차는 약 9%로 잘 일치하는 것을 알 수 있다.