부산대학교 과학자들, 액체수소탱크의 열흐름 규명

부산대학교 과학자들이 액체수소탱크의 열흐름을 해명했습니다.

수소는 미래의 연료로 널리 간주됩니다. 그러나 대규모 상업용 운송 및 저장과 관련하여 액화수소연료의 저장 효율성을 향상시키는 데에는 여전히 과제와 안전 제한이 있습니다.

이제 한국의 연구원들은 안전하고 효율적인 설계에 대한 핵심 통찰력을 밝히기 위해 다상 열 흐름 시뮬레이션을 사용하여 극저온 연료 탱크 내의 열 흐름과 상 변화를 실험적, 수치적으로 조사했습니다.

기후 변화에 대한 우려가 높아지면서 화석 연료에서 대체 에너지원으로 전환해야 할 필요성이 강조되었습니다. 이 중 수소연료는 운송산업에서 가장 유망한 연료로 꼽힌다. 현재 수소연료는 특수탱크를 통해 고압가스로 운송된다. 그러나 이 기술은 비효율적이며 심각한 안전 문제를 야기합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 점점 더 액화 수소 연료의 사용을 검토하고 있습니다.

액화수소연료는 수소의 끓는점인 -253⁰C 이하의 온도를 유지하는 극저온 탱크(cryotanks)에서만 운송할 수 있습니다. 단열에도 불구하고 저온 탱크의 액화 연료는 어느 정도 기화됩니다.

기화 유량은 "BOG(Boil-Off Gas)"로 측정됩니다. BOG가 너무 높으면 탱크 내부의 과도한 내부 압력이 발생하여 균열과 균열이 발생할 수 있습니다. 이는 BOG를 이해하고 제어하는 ​​것이 크라이오탱크 설계의 핵심 요소가 됩니다.

이를 위해 한국 부산대학교 박종천 교수가 이끄는 연구팀은 탱크 충전비(FR)라는 또 다른 중요한 설계 매개변수에 따라 BOG가 어떻게 달라지는지 조사했습니다. 15⁰C에서 탱크 용량까지 탱크를 늘립니다.

박 교수,말했다:

본 연구에서는 탱크의 열역학적 특성을 분석하기 위해 실험과 시뮬레이션을 수행하였다.

이 연구는 2022년 6월 24일 온라인으로 공개되었으며 2022년 9월 15일 에너지 저널 255권에 게재되었습니다.

연구진은 실험을 통해 BOG가 FR에 따라 2차적으로 증가한다는 사실을 발견했습니다. 그들은 또한 액체상 내의 온도는 일정하게 유지되는 반면 증기상의 온도는 FR에 따라 비선형적으로 감소한다는 것을 발견했습니다.

그런 다음 연구원들은 전산 유체 역학을 사용하여 탱크의 다상 열 흐름 시뮬레이션을 수행했습니다. 이를 통해 진공 단열 탱크 내의 열 전달, 열 흐름 및 기화를 쉽게 시각화할 수 있었습니다.

박 교수는 “시뮬레이션을 위해 Rohosenow의 상변화 모델을 채택해 탱크 내 기화 과정을 재현할 수 있었다. 시뮬레이션을 통해 마침내 기화의 결과인 BOG의 메커니즘을 밝힐 수 있었다”고 설명했다.

연구진은 대우조선해양(DSME)과의 협력을 통해 수행된 실험 데이터를 사용하여 시뮬레이션을 검증했습니다.

여기에 사용된 다상-열 시뮬레이션 기술은 액화 수소를 위한 안전하고 효율적인 상업용 저온 탱크 설계를 가속화할 수 있습니다. 본 연구의 적용 범위는 자동차, 항공우주, 해양발전소 등 다양하며, 수소 중심 사회 구현을 위한 중요한 한걸음이 될 것입니다.

하이라이트:

연구진은 탱크 충전율에 따라 연료탱크 내부의 기화 및 열 흐름이 어떻게 달라지는지 조사했다.

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