[Amesim] 극저온 스토리지 탐구

 

극저온에서 물질을 취급하는 극저온 저장 및 분배는 공상 과학 소설에서 나온 이야기처럼 들릴 수 있지만, 많은 엔지니어링 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 항공우주 로켓부터 의료 보존, 초전도 기술 또는 선박의 액화천연가스(LNG)에 이르기까지 극저온 시스템은 어디에나 존재합니다. 하지만 이러한 시스템을 최대한의 안전성으로 효율적으로 설계하려면 어떻게 해야 할까요? 열유체 시스템 시뮬레이션을 사용하면 이를 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 블로그 게시물에서는 최고 수준의 시뮬레이션 플랫폼인 Simcenter Amesim이 엔지니어와 애호가 모두 극저온 저장 시스템을 효율적으로 모델링하고 최적화할 수 있는 방법을 탐구할 것입니다 [1]이라는 잘 알려진 NASA 실험에서 영감을 받은 시뮬레이션 예제를 사용합니다.

극저온 저장의 과제

극저온 저장에는 주변 환경에서 기체 상태의 유체(수소, 질소, 천연가스)를 저장하는 것이 포함됩니다. 특정 온도 이하로 온도를 낮추면 특정 응용 분야에서 매우 차가운 액체로 변합니다. 이러한 극저온 액체를 저장하려면 저온을 유지하고 열 전달을 방지하며 안전을 보장하기 위해 듀어나 극저온 탱크와 같은 특수 단열 용기가 필요합니다. 그러나 저온에서는 열 관리, 압력 축적 및 증발과 같은 독특한 문제가 발생합니다. 문제를 해결하려면 제품 수명 주기 동안 발생할 수 있는 안전 문제를 미리 처리할 수 있는 고급 시뮬레이션 기능이 필요합니다.

극저온 탱크

Simcenter Amesim의 극저온 저장 시뮬레이션

Simcenter Amesim은 극저온 저장 시스템을 모델링하고 분석하는 포괄적인 도구를 제공합니다. 극저온 탱크와 같은 주요 구성 요소가 함께 제공되어 가스-액체 상호작용 및 열 교환과 같은 요소를 포함하여 실제 조건을 밀접하게 나타내는 시뮬레이션을 가능하게 합니다.

핵심 역량:

• 액체/가스 계면에서의 열 및 질량 교환
• 저장 탱크 내의 액체 및 기체 상태 시뮬레이션
• 채우기 및 비우기, 자가 압력 및 증발을 포함한 모델 시나리오

Simcenter Amesim을 극저온 저장에 사용하는 이유는 무엇입니까?

Simcenter Amesim에는 연료 전지 및 극저온 유체 저장 라이브러리 라이브러리가 함께 제공됩니다. 이러한 여러 열유체 라이브러리 간의 호환성과 상세한 집중 열 모델과의 결합 가능성은 시스템 전반의 통합을 촉진하여 엔지니어링 프로젝트에서 전체적인 평가를 향상시킵니다.

이러한 기능을 통해 설계 단계 초기부터 사용자는 극저온 탱크의 열 유입 가능성으로 인한 압력 증가와 온도의 영향을 쉽게 추정할 수 있습니다. 탱크의 자유 표면에 필름 층을 추가함으로써 압력과 온도를 정밀하게 포착하여 엔지니어가 단열 시스템의 크기를 더 잘 조절할 수 있도록 합니다. 그 결과 벌크, 필름, 울리지 등 3노드 극저온 탱크 모델이 탄생합니다.

Simcenter Amesim의 3노드 극저온 탱크

탱크 형상은 어떤 3D 형태로든 가능합니다. Simcenter Amesim에서 제공하는 CAD 매핑 도구 덕분에 탱크 액체 높이를 부피의 함수로 매핑할 수 있습니다.

탱크 부피 vs 높이 매핑

실용적인 예: 액체 수소 탱크에서 자가 압력을 측정하는 NASA의 실험

위에서 설명한 기능을 통해 극저온 탱크에서 증발 및 자가 압력에 초점을 맞춘 Simcenter Amesim 모델을 구축할 수 있습니다. 이 데모는 NASA의 루이스 연구 센터에서 진행된 실험을 기반으로 하며, 일정한 열 침투를 받는 4.89m3 구형 탱크에서 액체 수소(LH2) 저장을 탐구하고 있습니다 — Hasan et al. [1]이 발표한 연구 결과입니다

실험 설정과 관련하여 LH2 탱크는 원통형 크라이오슈라우드에 둘러싸여 있었습니다. 이 슈라우드는 액체 질소로 냉각되거나 전기 저항으로 주변을 가열하여 탱크 주변의 일정 온도를 유지할 수 있습니다.

증발 속도 이해하기

83K, 294K, 350K의 상온에서 세 가지 증발 테스트 케이스를 수행했습니다. 상부 섹션을 냉각하기 위해 탱크에 LH2 ~ 95% 용량을 채웁니다. 그런 다음 배기 압력을 배압 제어 시스템의 작동 압력인 117kPa로 점진적으로 감소시킵니다. 증발 속도는 안정화될 때까지 모니터링됩니다.

이 테스트 케이스를 수행하는 데 사용된 Simcenter Amesim 모델은 다음과 같습니다:

수소 증발 모델

위 모델에서 GH2는 릴리프 밸브를 통해 탱크에서 배출됩니다. 또한 열은 외부에서 한쪽의 증기로, 외부에서 다른 쪽의 액체로 전달됩니다. 각 경우에 대해 아래 표에 표시된 것처럼 흡수된 평균 열 유속 값에 맞게 가변 열전도율을 사용하여 열 전달 계수를 설정합니다. 열전도율은 습윤 및 건조한 영역으로 파일럿하여 열 흐름을 계산합니다.

Experiment	Ambient temperature [K]	Heat flux [W/m²]
Exp 1	83	0.35
Exp 2	294	2.0
Exp 3	350	3.5

50시간의 시뮬레이션 후 모델의 증발 속도(SCMH로 표현)의 최종 값은 실험의 정상 상태 증발 속도 옆에 표시된 것처럼 매우 가깝습니다.

증발 속도(시뮬레이션 vs 실험)

자기 압력 역학 탐구

극저온 탱크의 자가 압력은 기본적으로 탱크를 "더 더운" 환경에 두면 LH2가 증발하여 탱크 압력이 증가하여 어느 시점에서는 안전 문제가 발생할 수 있으므로 극저온 탱크의 압력 증가를 평가하는 것이 중요합니다.

자가 압력 테스트는 83K, 294K 및 350K의 다양한 주변 온도에서 수행되었으며, 탱크 초기 충전 수준은 84%, 초기 압력은 103kPa였습니다. 여기서 목표는 탱크 압력의 시계열 값과 일치하도록 모델을 설정하고 온도의 시계열 값이 올바른 범위 내에 있는지 확인하는 것입니다.

자기 압력 모델

위 모델에서는 환기 장치가 없습니다. LH2가 저장되고 가변 열전도율이 주변과 교환되는 평균 열 유속과 일치하도록 설정됩니다.

증발 테스트와 마찬가지로 각각 20시간, 18시간, 14시간 동안 지속되는 3가지 자가 압력 테스트가 있습니다. 압력 값은 아래에 나와 있습니다.

압력 값(시뮬레이션 vs 실험)

위에서 설명한 바와 같이, 가압 테스트의 경우 모델이 계산한 압력이 테스트와 유사한 패턴을 보인다는 것을 알 수 있습니다. 이들은 실험에서 절대 최대값 범위가 1.5%에서 6%까지 벗어납니다.

시사점

현재 데모에서 보았듯이 극저온 탱크 모델을 울리지, 필름, 벌크의 세 가지 노드로 나누면 증발 속도와 자압과 같은 중요한 현상을 포착할 수 있습니다. 다양한 온도층이 존재할 수 있는 울리지의 온도 예측을 강화하려면 상부를 추가로 이산화하는 것이 도움이 될 수 있습니다.

결론

아시다시피 극저온 스토리지는 수소 및 기타 저온 애플리케이션에 의존하는 산업의 미래를 좌우하는 중추적인 기술입니다. Simcenter Amesim은 플랫폼뿐만 아니라 이러한 시스템을 시각화, 모델링 및 최적화할 수 있는 포괄적인 도구 세트를 제공합니다. 이 기능을 활용하면 극저온 스토리지 솔루션에 대한 이해와 설계를 크게 향상시킬 수 있습니다.

지금이야말로 호기심을 행동으로 옮길 때입니다. 무료 온라인 체험에 참여하여 Simcenter Amesim의 정확성과 강력함을 직접 체험해 보세요. 극저온학의 세계에 더 깊이 빠져들어 프로젝트에 적용할 수 있는 잠재적 솔루션을 찾아보세요.

또한 지멘스의 팀은 여러분을 지원하고 안내할 준비가 되어 있습니다. 전문가에게 연락하여 특정 요구 사항에 맞는 솔루션을 맞춤화하고 극저온 공학의 매혹적인 풍경을 통해 여정을 개선하세요.

[1] M. M. 하산, C. S. 린, N. T. 반드레사르, "저열 유속을 받는 비행 중량 액체 수소 저장 탱크의 자압화", 1991년 7월 28일부터 31일까지 미니애폴리스에서 열린 ASME/AIChE 국가 열전달 회의를 위해 준비됨