KR20130043255A - Efficient lng storage tank using waste heat - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An ultralow-temperature liquid storage tank is provided to reduce the evaporation quantity of liquid fuel like LNG even through a waste heat recovery cycle device using a refrigerant and an existing insulation method in which pearlite powder is charged between an inner tank and an outer tank to maintain a low-vacuum state are combined. CONSTITUTION: An ultralow-temperature liquid storage tank comprises an inner tank(10) and an outer tank(12). An insulation material(30) is charged between the inner and outer tanks in a vacuum state. A waste heat recovery cycle device using a refrigerant is embedded between the inner and outer tanks so that heat infiltrated from the outside can be blocked by the insulation material. The refrigerant is vaporized by absorbing the infiltrated heat to prevent the evaporation of ultra-low temperature liquid stored in the inner tank. [Reference numerals] (AA) Used pipe;

Description

초저온 액체 저장용 탱크{Efficient LNG Storage Tank Using Waste Heat}Cryogenic LNG Storage Tank Using Waste Heat

본 발명은 초저온 액체 저장용 탱크에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 LNG 등과 같은 초저온 액체 연료 등을 안전성 및 단열 효과를 극대화시키며 오랫동안 저장할 수 있도록 한 폐열회수 고효율의 초저온 액체 저장용 탱크에 관한 것이다.
The present invention relates to a cryogenic liquid storage tank, and more particularly, to a cryogenic liquid storage tank having high efficiency of waste heat recovery for long-term storage of a cryogenic liquid fuel such as LNG and the like with maximum safety and thermal insulation effect.

일반적으로, LNG와 같은 초저온 액화가스는 약 90%정도가 메탄이며, 기타 에탄, 프로판, n-부탄, iso-부탄, 질소 등이 일부 포함된 탄화수소계 혼합물질을 말하며, 생산지에 따라 그 성분 및 물리화학적 특성도 조금씩 다르지만, 대부분이 메탄이기 때문에 -160℃ 부근에서 액화가 가능한 것으로 알려져 있다.Generally, cryogenic liquefied gas such as LNG is about 90% methane, and refers to a hydrocarbon-based mixture containing some ethane, propane, n-butane, iso-butane, nitrogen, etc. Although the physical and chemical properties are slightly different, it is known that liquefaction is possible around -160 ° C because most of them are methane.

이에, LNG는 천연가스(NG, Natural Gas)산지에서 이산화탄소, 물, 황화물 등 제반 불순물이 제거된 후, 대량 수송, 저장을 편리하게 하기 위하여 압축, 팽창 및 열교환을 거쳐 -162℃(대기압 기준)에서 액화되어 선박으로 수송, LNG 생산 기지에 저장되고 있다.Therefore, after removing impurities such as carbon dioxide, water, and sulfide from natural gas (NG), LNG is compressed, expanded, and heat exchanged at -162 ° C (at atmospheric pressure) to facilitate mass transportation and storage. It is liquefied and transported to ships and stored at LNG production bases.

이러한 LNG는 -160℃의 극저온 액체이므로, LNG 저장용 탱크의 단열을 충분히 하지 않으면, 외부의 열유입으로 인하여 액체상태의 LNG가 지속적으로 기화될 수 있다.Since the LNG is a cryogenic liquid of -160 ° C, if the LNG storage tank is not sufficiently insulated, liquid LNG may be continuously vaporized due to external heat inflow.

최근에는, 버스, 대형 컨테이너 트럭 등의 연료로 사용하기 위하여 고속도로 등에 차량용 LNG충전소가 신설되고 있고, 이에 LNG 저장을 위한 탱크의 보급량이 매년 증가 추세에 있지만, LNG와 같은 천연가스의 저장을 위한 대형탱크 및 중소형 탱크의 성능 개선은 전혀 이루어지지 않고 있다.Recently, LNG charging stations for vehicles have been newly established for use in fuels such as buses and large container trucks, and the supply of tanks for storing LNG is increasing every year, but large-scale for storing natural gas such as LNG. There is no improvement in the performance of tanks and small and medium tanks.

따라서, LNG와 같은 초저온 액화가스를 저장하기 위한 탱크의 단열 효과를 증대시켜 보다 오랫동안 액화가스를 저장할 수 있고, 안전하게 액화가스를 이용할 수 있도록 한 고효율의 초저온 액체(액화가스) 저장탱크의 개발이 시급히 요구되고 있다.Therefore, it is urgent to develop a highly efficient cryogenic liquid (liquefied gas) storage tank capable of storing liquefied gas for a longer period of time by increasing the thermal insulation effect of the tank for storing cryogenic liquefied gas such as LNG and enabling the use of liquefied gas safely. It is required.

기존의 액체질소 등과 같은 초저온 액체 저장탱크의 구조를 첨부한 도 6을 참조로 살펴보면, 내부탱크(10) 및 외부탱크(12)와, 2중의 내외탱크 사이에 채워지는 저진공 단일재인 260mm 두께의 펄라이트(Perlite) 분말로 구성되고, 펄라이트가 채워진 내부 및 외부탱크 사이공간은 10-2Torr 의 진공도로 유지된다.Referring to Figure 6 attached to the structure of the cryogenic liquid storage tank, such as the conventional liquid nitrogen, a low-vacuum single material filled between the inner tank 10 and the outer tank 12, and the double inner and outer tank of 260mm thick Consists of perlite powder, the space between the perlite filled inner and outer tanks is maintained at a vacuum of 10 -2 Torr.

즉, -160℃의 LNG를 저장하는 탱크는 외부 대기로부터 열유입을 차단하기 위하여 기존 액체질소, 액체산소 등 초저온 액체 저장탱크와 동일하게 펄라이트분말에 10-2Torr 의 진공도를 유지하고 있다.In other words, the tank storing LNG at -160 ° C maintains a vacuum degree of 10 -2 Torr in the pearlite powder in the same way as the existing cryogenic liquid storage tanks such as liquid nitrogen and liquid oxygen to block heat inflow from the outside atmosphere.

이때, 상기 펄라이트는 고체 분말로 밀가루와 같은 고운 입자로 되어 있으며, 이 펄라이트의 저진공 상태에서의 열전도도는 밀도가 210kg/㎥일 때 0.044W/mK이 되고, 만약 밀도가 커지면 열전도도 값이 커지게 된다.At this time, the pearlite is a solid powder, fine particles such as wheat flour, the thermal conductivity of the pearlite in a low vacuum state is 0.044W / mK when the density is 210kg / ㎥, if the density is high thermal conductivity It becomes bigger.

특히, 상기와 같은 초저온 액체 저장탱크의 배관은 초저온 액체(LNG)의 입출, 승압, 감압 등을 위하여 내부탱크의 상하부에 다수개가 연결 설치되어, 외부탱크 밖으로 연장된다.In particular, the pipe of the cryogenic liquid storage tank as described above is connected to a plurality of upper and lower portions of the inner tank for the inlet, out, pressure, decompression of the cryogenic liquid (LNG), and extends out of the outer tank.

이와 같은 기존의 초저온 액화가스 저장탱크에는 벽체를 통한 열유입, 배관을 통한 열유입, 그리고 지지시스템을 통한 열유입 등과 같이 여러 열유입 경로가 존재하게 된다.In the existing cryogenic liquefied gas storage tank, there are various heat inflow paths such as heat inflow through a wall, heat inflow through a pipe, and heat inflow through a support system.

다시 말해서, 초저온 액체 저장탱크에 연결되는 배관 등의 단열이 충분하다고 전제할 때, 탱크의 주된 전열은 벽체를 통하여 유입되고, 또한 배관을 통한 열유입 그리고 지지시스템을 통한 열유입이 존재하게 되며, 일례로서 단열재인 두께 193mm 의 펄라이트 분말과 10-2Torr의 저진공을 적용할 경우, 기존 저장탱크의 총 열유입량은 1)벽체 열유입량: 1146.3W, 2)배관의 열유입량: 1.8402W, 3)지지시스템의 열유입량: 7.9294W로 분석되고 있다.In other words, on the premise that sufficient insulation such as piping connected to the cryogenic liquid storage tank is sufficient, the main heat transfer of the tank is introduced through the wall, and also heat inflow through the pipe and heat inflow through the support system exist. For example, when 193 mm thick pearlite powder and 10 -2 Torr of low vacuum are used, the total heat flow in the existing storage tank is 1) wall heat flow: 1146.3W, 2) heat flow in the pipe: 1.8402W, 3 Heat inflow of the support system: 7.9294W.

그러나, 상기한 종래의 초저온 액체 저장탱크는 2중 탱크인 내부탱크 및 외부탱크 사이에 열전도도가 0.033W/mK인 펄라이트 분말 및 진공단열(진공도 10-2 Torr)을 적용하고 있어 탱크 내부에 저장된 액체가 상당량 빠르게 기화되고 있다.However, the conventional cryogenic liquid storage tank is a pearlite powder having a thermal conductivity of 0.033 W / mK and a vacuum insulation (vacuumity of 10 -2 Torr) between the inner tank and the outer tank, which is a double tank, and stored in the tank. The liquid is evaporating considerably faster.

이때, 액체의 기화량은 가스안전공사의 탱크 인증값을 기준하면, 일 2.5%이하로 되어 있으나, 통상 1.5~2% 내외로 알려져 있고, 대개 상기와 같은 펄라이트 분말 진공단열탱크는 일 1~2%의 기화가 발생하는 것으로 알려져 있다.At this time, the amount of vaporization of the liquid is less than 2.5% a day, based on the tank certification value of the Gas Safety Corporation, but is usually known as about 1.5 ~ 2%, and usually the pearlite powder vacuum insulation tank as described above is 1 ~ 2 It is known that% vaporization occurs.

그러나, 상기 LNG는 -162℃의 초저온 액체이므로, 저장탱크에 저장 중 외부로부터 열이 지속적으로 유입되어 저장된 액체가 가스로 기화되고, 기화된 가스는 안전을 위하여 안전밸브 설정압력인 10kg/㎠ 이상이 되면 대기로 방출된다.However, since the LNG is a cryogenic liquid at -162 ° C, heat is continuously introduced from the outside during storage in the storage tank, and the stored liquid is vaporized into gas, and the vaporized gas is set to a safety valve set pressure of 10kg / cm2 or more for safety. It is then released to the atmosphere.

따라서, 기화된 천연가스는 폭발성을 지닌 물질이므로 안전을 위하여 가능한 저장탱크내에 장기간 액체 상태로 저장되는 것이 필수적으로 요구되고 있고, 이에 따라 단열 효율이 초저온 액체(LNG 등) 저장탱크의 개발이 절실히 요구되고 있다.
Therefore, since vaporized natural gas is an explosive substance, it is essential to be stored in a liquid state for a long time in a storage tank for safety. Therefore, it is urgently required to develop a cryogenic liquid (LNG, etc.) storage tank with adiabatic efficiency. It is becoming.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, -160℃의 극저온 액체 연료를 저장하는 저장탱크의 단열을 충분히 하지 않으면 외부의 열유입으로 지속적으로 기화가 발생하는 점을 해결하고자, 단열 효과를 증대시켜 보다 오래동안 초저온 액체(LNG)를 저장할 수 있고, 또한 안전하게 초저온 액체를 이용할 수 있도록 한 초저온 액체 저장용 탱크를 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been made in view of the above point, in order to solve the problem that the evaporation is continuously generated by the external heat inflow unless the thermal insulation of the storage tank for storing cryogenic liquid fuel of -160 ℃, the insulation effect It is an object of the present invention to provide a cryogenic liquid storage tank capable of storing cryogenic liquid (LNG) for a longer period of time and increasing the use of cryogenic liquid safely.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 내부탱크 및 외부탱크를 포함하는 초저온 액체 저장용 탱크에 있어서, 상기 내부탱크 및 외부탱크 사이에 수퍼 인슐레이션용 단열재를 진공상태로 내재시키는 동시에 내부탱크 및 외부탱크 사이에 냉매를 이용한 폐열회수 사이클 장치를 내설하여, 외부에서 침입하는 열을 수퍼 인슐레이션용 단열재가 차단하는 동시에 폐열회수 냉매 폐사이클 장치의 냉매가 흡입하여 기화되도록 함으로써, 내부탱크내에 저장된 초저온 액체가 기화되는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 초저온 액체 저장용 탱크를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a cryogenic liquid storage tank including an inner tank and an outer tank, wherein the inner and outer tanks have a super insulation insulation in a vacuum state between the inner tank and the outer tank. By installing a waste heat recovery cycle device using a refrigerant between them, the super insulation insulation blocks the heat invading from the outside, and the refrigerant of the waste heat recovery refrigerant waste cycle device is sucked in and vaporized, thereby vaporizing the cryogenic liquid stored in the inner tank. It provides a cryogenic liquid storage tank, characterized in that to prevent it from being.

본 발명에 따르면, 상기 폐열회수 사이클 장치는: 내부 및 외부 탱크 사이 공간에 나사 또는 나선형으로 배열되는 폐순환식 냉매 배관과; 상기 냉매 배관의 양끝단이 연통 가능하게 연결되는 동시에 상기 내부탱크로부터 연장된 액화가스(액체) 배출배관이 통과하도록 내부 및 외부탱크 사이 공간중 최상단 공간에 내설되는 열교환기; 로 구성된 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the waste heat recovery cycle apparatus comprises: a closed circulation refrigerant pipe arranged in a screw or spiral in a space between an inner and an outer tank; A heat exchanger which is connected to both ends of the refrigerant pipe so as to communicate with each other and at the top of the space between the inner and outer tanks so that the liquefied gas (liquid) discharge pipe extending from the inner tank passes; Characterized in that consisting of.

특히, 상기 수퍼 인슐레이션용 단열재는 고반사 물질인 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar) 또는 알루미늄 필름을 내부탱크의 외표면에 수십겹으로 감아주되, 그 사이에 간지로서 유리섬유, 종이, 나일론 섬유 중 선택된 하나를 삽입하여, 진공도 1×10-5Torr 이하로 유지시킨 것임을 특징으로 한다.In particular, the insulating material for super insulation is wrapped around the outer surface of the inner tank of polyethylene terephthalate (Mylar) or aluminum film, which is a highly reflective material, in between, one selected from glass fiber, paper, nylon fiber as interlayer By inserting, it is characterized in that the vacuum is maintained at 1 × 10 -5 Torr or less.

바람직하게는, 상기 내부탱크는 극저온을 견딜수 있는 STS304, STS316 계열의 재질로 제작되고, 상기 외부탱크는 SS400 재질로 제작된 것임을 특징으로 한다.Preferably, the inner tank is made of STS304, STS316-based material that can withstand cryogenic temperatures, and the outer tank is made of SS400 material.

또한, 상기 외부탱크의 외부에서 열교환기의 내부까지 R22, R134a 중 선택된 어느 하나의 냉매를 충전할 수 있도록 냉매 충전관이 더 연결되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the refrigerant charge tube is further connected to the outside of the outer tank to the inside of the heat exchanger to charge any one of the refrigerant selected from R22, R134a.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above-mentioned means for solving the problems, the present invention provides the following effects.

본 발명에 따르면, 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar)과 같은 단열재를 내부 및 외부탱크 사이에 배열하는 동시에 고진공으로 유지하는 수퍼 인슐레이션 단열 방식을 채택하는 동시에 냉매를 이용한 폐열회수 사이클 장치를 함께 적용함으로써, 액화산소(LO2), 액화질소(LN2), 액화알곤(LAR), 앨엔지(LNG) 등과 같은 액체 연료의 기화량을 크게 감소시킬 수 있고, 결국 LNG와 같은 초저온 액체를 장기간 저장하면서 안전하게 사용할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.According to the present invention, by adopting a super-insulation insulation method for arranging insulation such as polyethylene terephthalate (Mylar) between the inner and outer tanks and maintaining the high vacuum, the waste heat recovery cycle apparatus using a refrigerant is applied together to liquefy. The amount of vaporization of liquid fuels such as oxygen (LO 2 ), liquefied nitrogen (LN 2 ), liquefied argon (LAR), and LNG (LNG) can be greatly reduced, resulting in safe use for long-term storage of cryogenic liquids such as LNG. Can provide the effect.

또는, 내부탱크 및 외부탱크 사이에 펄라이트(Perlite) 분말을 채워서 저진공을 유지하는 기존의 단열 방식과, 냉매를 이용한 폐열회수 사이클 장치를 결합하여도 LNG와 같은 액체 연료의 기화량을 크게 감소시킬 수 있다.Alternatively, by combining perlite powder between the inner tank and the outer tank to maintain low vacuum, a combination of a waste heat recovery cycle system using a refrigerant can greatly reduce the amount of vaporization of liquid fuels such as LNG. Can be.

또한, 냉매를 이용한 폐열회수 사이클 기술 및 수퍼 인슐레이션 단열 방식을 채택함에 따라, 일 0.2% 이하의 기화율을 갖는 고효율 액체 저장탱크에 대한 보급화 및 상용화에 기여할 수 있다.
In addition, by adopting the waste heat recovery cycle technology and the super insulation insulation method using the refrigerant, it can contribute to the diffusion and commercialization of the high efficiency liquid storage tank having a vaporization rate of less than 0.2%.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 초저온 액체 저장용 탱크를 나타내는 다이어그램,
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 초저온 액체 저장용 탱크의 수퍼 인슐레이션을 설치하여 단열 실험을 실시한 결과 그래프,
도 6은 기존의 초저온 액체 저장용 탱크를 나타내는 다이어그램,
1 and 2 is a diagram showing a cryogenic liquid storage tank according to the present invention,
3 to 5 is a graph showing the results of performing adiabatic experiment by installing the super insulation of the cryogenic liquid storage tank according to the present invention,
6 is a diagram showing a conventional cryogenic liquid storage tank,

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 초저온 액체 저장용 탱크는 액체 연료(액화산소(LO2), 액화질소(LN2), 액화알곤(LAR), 앨엔지(LNG) 등)를 저장하는 내부탱크(10)와, 내부탱크(10)를 감싸면서 이격 배치되는 외부탱크(12)로 구성되고, 내부 및 외부탱크(10,12) 사이 공간에 수퍼 인슐레이션용 단열재(30) 및 폐열회수 사이클 장치(20)가 내설된 점에 특징이 있다.The cryogenic liquid storage tank according to the present invention includes an internal tank 10 for storing liquid fuel (liquefied oxygen (LO 2 ), liquefied nitrogen (LN 2 ), liquefied argon (LAR), LNG (LNG), etc.), It consists of an outer tank 12 that is spaced apart while wrapping the inner tank 10, the insulation for the super insulation 30 and the waste heat recovery cycle device 20 is installed in the space between the inner and outer tanks (10, 12) There is a characteristic in point.

이를 위해, 상기 초저온 액체 저장용 탱크는 내부탱크 및 외부탱크 설계, 냉매 열교환기 설계, 배관 설계 등을 통하여 제작된다.To this end, the cryogenic liquid storage tank is manufactured through the design of the inner tank and the outer tank, the refrigerant heat exchanger design, piping design.

상기 내부탱크(10)는 온도 -162 ℃, 압력 10kg/㎠ 을 갖는 액체 연료(예를 들어, LNG)를 저장할 수 있도록 극저온을 견딜수 있는 SUS304, STS304, STS316 계열의 재질 등을 이용하여 탱크 용량 : 10N㎥ 이 되도록 제작된다.The inner tank 10 is a tank capacity using a material of SUS304, STS304, STS316 series that can withstand cryogenic temperatures to store liquid fuel (for example, LNG) having a temperature of -162 ℃, pressure 10kg / ㎠: It is manufactured to be 10N㎥.

이때, 내부탱크의 두께는 설계 압력과 재료 특성치에 따라 적정 두께를 산정하여 정하게 된다.At this time, the thickness of the inner tank is determined by calculating the appropriate thickness in accordance with the design pressure and the material properties.

상기 외부탱크(12)는 내부탱크(10)와의 사이공간에 충진되는 수퍼 인슐레이션 단열재의 두께를 고려하여 설계하되, 외부탱크의 외측은 대기압이 적용되고 내측은 1×10-2Torr 등의 진공이 걸리게 되므로, 외부탱크의 경우는 외부 대기압에 의한 압착(Collapsing)으로 파손되지 않게 설계되어야 하고, 극저온의 액체질소나 LNG와 같은 초저온 액체가 직접 접촉되지 않으므로 SS400 재질로 제작된다.The outer tank 12 is designed in consideration of the thickness of the super insulation insulation filled in the space between the inner tank 10, the outside of the outer tank is applied with atmospheric pressure and the inside of the vacuum such as 1 × 10 -2 Torr Since it is caught, the external tank should be designed so as not to be damaged by the compression by external atmospheric pressure, and it is made of SS400 material because cryogenic liquid such as cryogenic liquid nitrogen or LNG does not directly contact.

이때, 상기 내부탱크(10)에는 다수개의 배관류가 연결되며, 이 배관들을 통하여 외부 열이 내부탱크(10)내의 액체 연료에 전달될 수 있다.In this case, a plurality of pipes are connected to the inner tank 10, and external heat may be transferred to the liquid fuel in the inner tank 10 through the pipes.

상기 배관류의 종류는 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 액체 공급원(Liquid inlet)으로부터 내부탱크(10)의 상단 및 하단에 연결되어 내부탱크내에 액체 연료를 주입하는 액체 상부 주입 배관(N1) 및 액체 하부 주입 배관(N2)와; 기화된 액체 연료를 안전상 배출하기 위하여 내부탱크(10)의 상단에 연결되는 기체배출관(N4)과; 내부탱크(10)내의 액체 연료를 사용처로 배출시키기 위하여 내부탱크(10)의 하단에 연결되는 액체 배출관(N3)과; 내부탱크(10)내의 액체 충전이 완료된 것을 시험하기 위하여 내부탱크(10)의 상단에서 그 내부의 만충전 수위까지 연장되는 액충전 완료 시험관(N5)과; 내부탱크(10)의 상단 내부 및 하단 내부의 압력을 측정하기 위하여 내부탱크(10)의 상하단에 각각 연결되는 압력측정용 상부 배관(N6) 및 압력측정용 하부 배관(N7)과; 내부탱크(10)내의 액체를 펌핑하여 배출하기 위한 액펌프 배출관(N8)과; 내부탱크(10)내에 액체를 펌핑하여 리턴시키기 위한 액펌프 회수관(N9)을 포함한다.As shown in FIG. 1, the pipe type is connected to the upper and lower ends of the inner tank 10 from a liquid inlet to inject liquid fuel into the inner tank N1. And liquid lower injection pipe N2; A gas discharge pipe N4 connected to an upper end of the inner tank 10 to discharge the vaporized liquid fuel for safety; A liquid discharge pipe N3 connected to a lower end of the inner tank 10 to discharge the liquid fuel in the inner tank 10 to a place of use; A liquid filled test tube (N5) extending from the upper end of the inner tank (10) to the level of full charge therein to test that the liquid filling in the inner tank (10) is completed; Pressure measuring upper pipe (N6) and pressure measuring lower pipe (N7) connected to the upper and lower ends of the inner tank (10), respectively, to measure the pressure inside the upper and lower ends of the inner tank (10); A liquid pump discharge pipe N8 for pumping and discharging the liquid in the inner tank 10; A liquid pump recovery pipe N9 for pumping and returning liquid in the inner tank 10 is included.

특히, 상기 외부탱크(12)의 상단에는 후술하는 열교환기(24)내로 냉매를 주입하기 위한 냉매 충전관(N10)가 연결된다.In particular, the upper end of the outer tank 12 is connected to the refrigerant filling tube (N10) for injecting the refrigerant into the heat exchanger 24 to be described later.

이와 같이, 내부탱크(10) 및 외부탱크(12), 그리고 각종 배관류가 연결된 상태에서, 외부의 열이 내부탱크(10)내의 초저온 액체쪽으로 전달될 수 있는데, 열 전달 인자의 종류 살펴보면 외부탱크(12) 및 내부탱크(10)의 벽체, 각종 배관류, 내부탱크와 외부탱크 사이에 상호 연결을 위하여 설치되는 지지체(미도시됨) 등을 포함하며, 일례로서 벽체 열유입량 820W, 배관류의 열유입량 : 1.84W, 지지체의 열유입량 7.9294W 등 총 829.77W 의 열이 유입될 수 있다.As such, in the state in which the inner tank 10 and the outer tank 12 and various pipes are connected, the external heat may be transferred to the cryogenic liquid in the inner tank 10. (12) and the wall of the inner tank 10, various pipes, supports (not shown) installed for interconnection between the inner tank and the outer tank, and the like, as an example, the wall heat flow rate 820 W, Heat inflow: 1.84W, heat inflow of support 7.9294W, etc. A total of 829.77W of heat can be introduced.

이때, 총 열유입량 829.77W를 LNG 증발량으로 산정하면, LNG 1kg 당 잠열이 135 kcal/kg이므로 일 127kg의 LNG가 증발하게 되고, 10㎥ 탱크의 0.5%를 기화량으로 하면 LNG 량은 22.8kg이 된다.At this time, if the total heat inflow amount of 829.77W is calculated as the LNG evaporation amount, the latent heat per 1kg of LNG is 135 kcal / kg, so 127kg of LNG is evaporated per day. do.

본 발명은 위와 같이 LNG와 같은 액체 연료가 기화되는 량을 극소화시키기 위하여, 내부 및 외부탱크(10,12)의 사이공간에 고진공의 수퍼 인슐레이션 단열 방식을 채택하는 동시에 냉매를 이용한 폐열회수 사이클 장치를 함께 적용시킨 점에 특징이 있다. The present invention adopts a high vacuum super-insulation insulation method in the space between the inner and outer tanks 10 and 12 to minimize the amount of liquid fuel such as LNG vaporized as described above, and uses a waste heat recovery cycle apparatus using a refrigerant. It is characteristic in that they are applied together.

즉, 상기 내부탱크(10) 및 외부탱크(12) 사이에 수퍼 인슐레이션용 단열재(30)를 진공상태로 내재시키는 동시에 내부탱크(10) 및 외부탱크(12) 사이에 냉매를 이용한 폐열회수 사이클 장치(20)를 내설함으로써, 외부탱크(12) 및 내부탱크(10)의 벽체, 각종 배관류(N1~N9), 지지체 등을 통하여 침입하는 외부 열(예를 들어, 태양광)을 수퍼 인슐레이션용 단열재(30)가 1차적으로 차단하고, 2차적으로 냉매 폐사이클의 냉매가 외부 열을 미리 흡입하여 기화되도록 함으로써, 내부탱크(10)내에 저장된 초저온 액체가 외부 열에 의하여 기화되는 현상을 방지할 수 있게 된다.That is, a waste heat recovery cycle apparatus using a refrigerant between the inner tank 10 and the outer tank 12 while incorporating the super insulation insulation 30 in a vacuum state between the inner tank 10 and the outer tank 12. By internally forming the super-insulation, external heat (for example, sunlight) penetrating through the walls of the outer tank 12 and the inner tank 10, various pipes N1 to N9, a support body, and the like can be superposed. By blocking the heat insulating material 30 firstly and allowing the refrigerant of the refrigerant waste cycle to suck external heat in advance, vaporization of the cryogenic liquid stored in the inner tank 10 may be prevented by external heat. Will be.

상기 수퍼 인슐레이션용 단열재(30)는 고반사 물질인 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar) 또는 알루미늄 필름을 내부탱크(10)의 외표면에 수십겹으로 감아주되, 수십겹 감아지는 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar) 또는 알루미늄 필름 사이에 간지로서 유리섬유, 종이, 나일론 섬유 중 선택된 하나를 삽입하여 감아준 것이고, 이때 수퍼 인슐레이션용 단열재(30)가 충진되는 내부탱크(10) 및 외부탱크(12)의 사이공간을 진공도 1×10-5Torr 이하로 유지시킨다.The insulation material for super insulation 30 is wound around the outer surface of the inner tank 10, polyethylene terephthalate (Mylar) or aluminum film of a high reflection material, dozens of layers of polyethylene teleterrate (Mylar) wound Or it is wrapped between the aluminum film by inserting one selected from glass fiber, paper, nylon fiber as interlayer paper, wherein the space between the inner tank 10 and the outer tank 12 is filled with the insulating material for super insulation (30). The degree of vacuum is maintained at 1 × 10 -5 Torr or less.

따라서, 진공도 1×10-5Torr 이하로 유지되는 내부탱크(10) 및 외부탱크(12)의 사이공간에 충진되는 수퍼 인슐레이션 단열재(30)에 의하여 외부 열이 내부탱크(10)로 전달되는 것을 1차적으로 차단할 수 있다.Therefore, the external heat is transferred to the inner tank 10 by the super insulation insulation 30 filled in the space between the inner tank 10 and the outer tank 12 maintained at a vacuum degree of 1 × 10 −5 Torr or less. It can be blocked first.

상기 폐열회수 사이클 장치(20)는 외부 열을 흡수하여 내부탱크(10)내의 초저온 액체가 기화되는 것을 2차적으로 방지하는 장치로서, 내부 및 외부 탱크(10,12) 사이 공간에 배열되는 폐순환식 냉매 배관(22)과, 이 냉매 배관(22)의 양끝단이 연통 가능하게 연결되는 동시에 내부탱크(10)로부터 연장된 액화가스(액체) 배출배관(N3)이 통과하도록 내부 및 외부탱크(10,12) 사이 공간에 내설되는 열교환기(24)를 포함하여 구성된다.The waste heat recovery cycle apparatus 20 is a device for secondarily preventing the cryogenic liquid in the inner tank 10 from vaporizing by absorbing external heat, and being disposed in a space between the inner and outer tanks 10 and 12. The internal and external tanks 10 allow the refrigerant pipe 22 and both ends of the refrigerant pipe 22 to communicate with each other, and also allow the liquefied gas (liquid) discharge pipe N3 extending from the internal tank 10 to pass therethrough. And 12) a heat exchanger 24 embedded in the space therebetween.

보다 상세하게는, 상기 폐순환식 냉매 배관(22)은 내부 및 외부 탱크(10,12) 사이 공간에 배열되되 내부탱크(10)의 상단에서부터 하단까지 나사 또는 나선형으로 배열되고, 폐순환식 냉매 배관(22)의 입구단(22a) 및 출구단(22b)은 열교환기(24)의 일측 및 타측에 연통 가능하게 연결된다.In more detail, the closed circulation refrigerant pipe 22 is arranged in the space between the inner and outer tanks 10 and 12, but is arranged in a screw or spiral from the upper end to the lower end of the inner tank 10, the closed circulation refrigerant pipe ( The inlet end 22a and the outlet end 22b of the 22 are communicatively connected to one side and the other side of the heat exchanger 24.

또한, 상기 열교환기(24)는 소형탱크로 제작되거나, 내부탱크(10)를 감싸면서 이격 배치되는 중간탱크식으로 제작될 수 있으며, 열교환기(24)의 내부에는 내부탱크(10)로부터 초저온 액체가 배출되는 액체 배출관(N3)이 지나가게 된다.In addition, the heat exchanger 24 may be manufactured in a small tank, or may be manufactured in an intermediate tank type spaced apart while surrounding the inner tank 10, and the inside of the heat exchanger 24 may be cryogenic from the inner tank 10. The liquid discharge pipe N3 through which the liquid is discharged passes.

따라서, 외부 열이 내부탱크(10)쪽으로 전달되더라도, 폐열회수 사이클 장치(20)의 폐순환식 냉매 배관(22)을 흐르는 액체 상태의 냉매에서 외부 열을 흡수하게 되고, 외부 열을 흡수함에 따라 냉매가 기화되면서 입구단(22a)을 통하여 열교환기(24)내로 들어가게 되며, 이때 열교환기(24)의 내부를 지나는 액체 배출관(N3)내에는 초저온의 액체가 흐르는 상태이므로 초저온 액체의 온도로 인하여 기화된 냉매가 다시 액화되어 출구단(22b)으로 배출되어 재순환된다.Therefore, even though the external heat is transferred to the inner tank 10, the liquid in the liquid state flowing through the closed circulation refrigerant pipe 22 of the waste heat recovery cycle apparatus 20 absorbs the external heat and the refrigerant as the external heat is absorbed. Is vaporized and enters the heat exchanger 24 through the inlet end 22a. At this time, since the cryogenic liquid flows in the liquid discharge pipe N3 passing through the heat exchanger 24, the vaporization is caused by the temperature of the cryogenic liquid. The refrigerant is liquefied again, discharged to the outlet end 22b, and recycled.

이때, 상기 열교환기(24)내를 지나가는 액체 배출관(N3)내의 초저온 액체가 냉매에 의하여 열을 뺏겨 일부가 기화될 수 있고, 기화된 액체가스가 내부탱크(10)쪽으로 역화되어 내부탱크(10)의 압력이 상승할 수 있으므로, 첨부한 도 2에서 보듯이 열교환기(24)를 지나가기 전의 액체 배출관(N3) 위치에 체크밸브(40)를 장착하여 초저온 액체로부터 기화된 일부의 액체가스가 내부탱크(10)쪽으로 역화되는 것을 방지할 수 있도록 한다.At this time, the cryogenic liquid in the liquid discharge pipe (N3) passing through the heat exchanger (24) can be vaporized due to the heat is taken away by the refrigerant, the vaporized liquid gas is backfired toward the inner tank (10) inner tank (10) As the pressure of Nm may increase, some of the liquid gas vaporized from the cryogenic liquid may be installed by mounting the check valve 40 at the position of the liquid discharge pipe N3 before passing through the heat exchanger 24 as shown in FIG. It is to prevent the back to the inner tank (10).

이와 같이, 냉매의 외부 열 흡수에 따른 기화 단계 및 액체 배출관내의 초저온 액체와의 열교환을 통한 액화 단계(예를 들어, 초저온 LNG 냉열에 의하여 기화되었던 냉매가 액화됨)를 반복함에 따라, 내부탱크내의 초저온 액체가 기화되는 현상을 용이하게 방지할 수 있다.In this way, the internal tank by repeating the vaporization step according to the external heat absorption of the refrigerant and the liquefaction step through heat exchange with the cryogenic liquid in the liquid discharge pipe (for example, the refrigerant vaporized by cryogenic LNG cold heat is liquefied). The phenomenon that the cryogenic liquid in the inside is vaporized can be easily prevented.

한편, 상기 폐열회수 사이클 장치(20)에서 사용되는 냉매는 증발잠열이 큰 것, 액화와 증발이 용이한 것, 오존층 파괴와 무관할 것, 임계온도(임계점)가 높은 것, 증기의 비체적 및 비열비가 작은 것, 증기와 액체의 비열이 적절한 것 등과 같은 조건을 고려하여야 하고, 이러한 조건에 적합한 냉매로는 R134a, R141, r123 등이 있으나, 가격, 구매의 용이성 등을 고려하여 널리 쓰이는 R134a를 사용하는 것이 바람직하다.On the other hand, the refrigerant used in the waste heat recovery cycle device 20 is a latent latent heat of evaporation, liquefaction and evaporation is easy, irrespective of ozone layer destruction, high critical temperature (critical point), specific volume of steam and Considering conditions such as a low specific heat ratio and proper heat of vapor and liquid, and suitable refrigerants such as R134a, R141, r123, but R134a which is widely used in consideration of price and ease of purchase It is preferable to use.

여기서, 본 발명의 실험예로서 수퍼 인슐레이션용 단열재(30)에 의한 액체질소 증발 시험을 실시한 예를 설명하면 다음과 같다.Here, an example of conducting a liquid nitrogen evaporation test by the insulating material for super insulation 30 as an experimental example of the present invention will be described.

즉, 내부 및 외부탱크(10,12) 사이에 10-5Torr의 고진공을 적용하고, 내부탱크(10)내에는 액체질소를 충전한 후, 내부탱크(10)에 감하지는 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar) 필름의 장수 및 진공도를 변화시키면서 시간에 따른 액체질소의 감소량을 측정하는 시험을 실시하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같다.That is, after applying a high vacuum of 10 -5 Torr between the inner and outer tanks (10, 12), filling the liquid nitrogen into the inner tank (10), the polyethylene teleterrate that is not sensitive to the inner tank ( Mylar) was tested to determine the amount of reduction of liquid nitrogen over time while changing the longevity and vacuum degree of the film, the results are as shown in Figures 3 to 5 attached.

첨부한 도 3은 수퍼 인슐레이션 단열의 진공압력에 따른 열전도도 실험 결과로서, 상온과 액체질소 온도 각각 진공압력을 낮추었을 때 0.1Torr 이하에서 급격히 열전도도가 저하되었지만, 1×10-5Torr이하에서 매우 낮은 열전도도 값으로 14~78W/mK를 나타냄을 알 수 있었고, 결국 내부 및 외부탱크(10,12) 사이에 수퍼 인슐레이션 단열재를 충진하면서 10-5Torr의 고진공을 적용하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.FIG. 3 is a thermal conductivity test result according to the vacuum pressure of the super insulation insulation. When the vacuum pressure was lowered at room temperature and liquid nitrogen temperature, the thermal conductivity rapidly decreased at 0.1 Torr or less, but at 1 × 10 -5 Torr or less. Very low thermal conductivity value of 14 ~ 78W / mK was found, and finally it is preferable to apply high vacuum of 10 -5 Torr while filling super insulation insulation between inner and outer tanks (10, 12). Could.

첨부한 도 4는 수퍼 인슐레이션 단열재의 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar) 필름의 장수와 간지(종이)의 장수에 따른 단열효과를 실험한 결과 그래프로서, 진공도 1×10-5Torr, 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar) 필름 + 간지(종이) 40겹 에서 0.8kg의 액체질소가 증발하는 시간이 500분으로 제일 좋은 것으로 나타났다.4 is a graph showing the results of experiments on the insulation effect of the longevity of the polyethylene teleterrate (Mylar) film and the longevity of the paper (paper) of the super insulation insulation material, and the degree of vacuum 1 × 10 -5 Torr, polyethylene telephthalate ( The best time for evaporating 0.8 kg of liquid nitrogen from 40 layers of Mylar) film + paper (paper) was 500 minutes.

첨부한 도 5는 수퍼 인슐레이션 단열재의 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar) 필름의 장수와 간지(PE: polyester)의 장수에 따른 단열효과를 실험한 결과 그래프로서, 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar) 필름 + 간지(PE) 40겹일 때 진공도에 따른 액체질소의 증발시간을 보여주며, 그 결과를 보면 액체질소 0.8kg 증발시간이 480분으로 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar) 필름 + 간지(종이)에 비하여 단열효과가 보다 낮은 값을 나타냄을 알 수 있었다.FIG. 5 is a graph illustrating the results of experiments of the longevity of polyethylene terephthalate (Mylar) film and the longevity of PE (polyester) film of super insulation insulation, and a graph of polyethylene terephthalate (Mylar) film + liver paper ( PE) It shows the evaporation time of liquid nitrogen according to the degree of vacuum when it is 40 layers, and the result shows that the evaporation time of 0.8 kg of liquid nitrogen is 480 minutes, and the thermal insulation effect is higher than that of polyethylene terephthalate (Mylar) film + paper. Low value was found.

이러한 실험 결과, 수퍼 인슐레이션 단열재는 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar) 필름에 간지로서 종이 및 PE를 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar) 필름에 간지로서 종이를 사용하는 것이 좋은 것을 알 수 있었다.
As a result of this experiment, it can be seen that the super insulation insulation material can use paper and PE as interlayer paper for polyethylene terephthalate (Mylar) film, and preferably use paper as interlayer paper for polyethylene terephthalate (Mylar) film. there was.

10 : 내부탱크
12 : 외부탱크
20 : 폐열회수 사이클 장치
22 : 폐순환식 냉매 배관
22a : 입구단
22b : 출구단
24 : 열교환기
30 : 수퍼 인슐레이션용 단열재
N1 : 액체 상부 주입 배관
N2 : 액체 하부 주입 배관
N3 : 액체 배출관
N4 : 기체 배출관
N5 : 액충전 완료 시험관
N6 : 압력측정용 상부 배관
N7 : 압력측정용 하부 배관
N8 : 액펌프 배출관
N9 : 액펌프 회수관
N10 : 냉매 충전관
10: inner tank
12: outer tank
20: waste heat recovery cycle device
22: closed circulation refrigerant pipe
22a: entrance
22b: exit
24: Heat exchanger
30: insulation for super insulation
N1: liquid upper injection pipe
N2: liquid bottom injection pipe
N3: liquid discharge pipe
N4: gas discharge pipe
N5: Liquid filling test tube
N6: Upper pipe for pressure measurement
N7: bottom pipe for pressure measurement
N8: liquid pump discharge pipe
N9: liquid pump return pipe
N10: Refrigerant Filling Tube

Claims (5)

내부탱크(10) 및 외부탱크(12)를 포함하는 초저온 액체 저장용 탱크에 있어서,
상기 내부탱크(10) 및 외부탱크(12) 사이에 수퍼 인슐레이션용 단열재(30)를 진공상태로 내재시키는 동시에 내부탱크(10) 및 외부탱크(12) 사이에 냉매를 이용한 폐열회수 사이클 장치(20)를 내설하여, 외부에서 침입하는 열을 수퍼 인슐레이션용 단열재(30)가 차단하는 동시에 폐열회수 냉매 폐사이클 장치(20)의 냉매가 흡입하여 기화되도록 함으로써, 내부탱크(10)내에 저장된 초저온 액체가 기화되는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 초저온 액체 저장용 탱크.
In the cryogenic liquid storage tank comprising an inner tank 10 and an outer tank 12,
A waste heat recovery cycle apparatus 20 using a refrigerant between the inner tank 10 and the outer tank 12 while internally embedding the super insulation insulation 30 in a vacuum state between the inner tank 10 and the outer tank 12. ), The super-insulation insulation 30 blocks the heat invading from the outside, and the cryogenic liquid stored in the internal tank 10 A cryogenic liquid storage tank, characterized in that to prevent vaporization.
청구항 1에 있어서,
상기 폐열회수 사이클 장치(20)는:
내부 및 외부 탱크(10,12) 사이 공간에 나사 또는 나선형으로 배열되는 폐순환식 냉매 배관(22)과;
상기 냉매 배관(22)의 양끝단이 연통 가능하게 연결되는 동시에 상기 내부탱크(10)로부터 연장되어 체크밸브(40)를 갖는 액화가스(액체) 배출배관(N3)이 통과하도록 내부 및 외부탱크(10,12) 사이 공간중 최상단 공간에 내설되는 열교환기(24);
로 구성된 것을 특징으로 하는 초저온 액체 저장용 탱크.
The method according to claim 1,
The waste heat recovery cycle device 20 is:
A closed circulation refrigerant pipe (22) arranged in a screw or spiral manner in a space between the inner and outer tanks (10, 12);
Both ends of the refrigerant pipe 22 are connected in communication with each other and extend from the inner tank 10 to allow the liquefied gas (liquid) discharge pipe N3 having the check valve 40 to pass through the inner and outer tanks ( A heat exchanger (24) installed in the uppermost space of the space between 10 and 12;
Cryogenic liquid storage tank, characterized in that consisting of.
청구항 1에 있어서,
상기 수퍼 인슐레이션용 단열재(30)는 고반사 물질인 폴리에틸렌 텔레프터레이트(Mylar) 또는 알루미늄 필름을 내부탱크의 외표면에 수십겹으로 감아주되, 그 사이에 간지로서 유리섬유, 종이, 나일론 섬유 중 선택된 하나를 삽입하여, 진공도 1×10-5Torr 이하로 유지시킨 것임을 특징으로 하는 초저온 액체 저장용 탱크.
The method according to claim 1,
The insulating material for super insulation 30 is wound around the outer surface of the inner tank of polyethylene terephthalate (Mylar) or aluminum film, which is a highly reflective material, in between, selected between glass fiber, paper, nylon fiber as interlayer A cryogenic liquid storage tank, wherein one is inserted and maintained at a vacuum degree of 1 × 10 −5 Torr or less.
청구항 1에 있어서,
상기 내부탱크(10)는 극저온을 견딜수 있는 STS304, STS316 계열의 재질로 제작되고, 상기 외부탱크(12)는 SS400 재질로 제작된 것임을 특징으로 하는 초저온 액체 저장용 탱크.
The method according to claim 1,
The inner tank 10 is made of a material of STS304, STS316 series that can withstand cryogenic temperatures, the outer tank 12 is a cryogenic liquid storage tank, characterized in that made of SS400 material.
청구항 1에 있어서,
상기 외부탱크(12)의 외부에서 열교환기(24)의 내부까지 R22, R134a, R141, r123 중 선택된 어느 하나의 냉매를 충전할 수 있도록 냉매 충전관(N10)이 더 연결되는 것을 특징으로 하는 초저온 액체 저장용 탱크.
The method according to claim 1,
Ultra-low temperature, characterized in that the refrigerant filling tube (N10) is further connected to the charge of any one selected from the R22, R134a, R141, r123 from the outside of the outer tank 12 to the inside of the heat exchanger (24) Tank for liquid storage.
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