KR20130055603A - 액체 안정 장치 - Google Patents

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KR20130055603A
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내셔널 유니버시티 오브 싱가포르
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Abstract

탱크(1)에 수용된 액체를 안정시키는 장치가 제공되며, 상기 장치는 액체의 자유 표면에 부유하도록 구성된 배플(10); 및 상기 배플(10)이 탱크(1)에 대하여 기울어지는 것을 억제하도록 배플(10)과 탱크(1)를 연결시키는 구속수단(20, 30)을 포함한다.

Description

액체 안정 장치{Liquid Stabilizing Device}
본 발명은 탱크, 특히 이것으로 한정되지는 않지만 액화 천연 가스(LNG) 탱크에 담긴 액체를 슬로싱(sloshing) 하지 않도록 안정시키는 장치에 관한 것이다.
화석연료 중에서 가장 청정하기 때문에, 세계적으로 중요한 에너지원으로서 천연 가스의 사용이 급증하고 있다. 액화 천연 가스(LNG)는 대략 -162℃의 액체 상태일 때 기체 상태일 때보다 운반 및 보관이 더 용이하다. 수요의 증가에 대처하기 위하여, 많은 LNG 운반선 및 터미널이 만들어져왔다. 예를 들어, 싱가폴은 대략 15억 싱가폴달러의 비용이 소요되는 LNG 터미널을 건설하고 있다. 독립 저장 시스템(self supporting storage system)을 대신하여 멤브레인 탱크를 사용하는 추세에 있는데, 이는 주로 멤브레인 탱크가 선체 형상을 보다 효율적으로 활용한다는 사실에 기인한다. 해상 선박에 있어 공간 활용도의 극대화는 중요한 설계 고려 사항이다.
일반적으로, 각주 형태인 멤브레인 타입 탱크는 구와 같은 여타의 형태보다 선체의 형태에 잘 맞는다. 멤브레인 타입 LNG 운반선의 건조 비용은 1억6천만 ~ 2억 US달러에 이른다. 보다 저렴한 비용의 해상 운송 및 재기화(re-gasification) 플랜트는 보다 큰 LNG 탱크를 구비한 보다 큰 LNG 운반선의 제작을 증대시키는데도 또한 기여해 왔다. 증발을 통한 LNG의 손실을 최소화하기 위해서는 우수한 단열이 요구된다. 탱크의 단열벽은 일반적으로 두 층의 멤브레인 및 두 층의 단열재로 이루어지며, 가장 내측의 층이 멤브레인 층이 된다.
LNG 탱크의 커다란 크기를 고려하면, 거친 바다의 동요가 있을 때 부분적으로 채워진 탱크 내에서는 슬로싱이 심하게 발생하여 얇은 멤브레인에 손상을 유발할 수 있다. 특히, 자유 표면의 격심한 슬로싱 운동과 압진동(pressure oscillation)은 피로를 증가시켜 멤브레인 탱크에 유해할 것이다. 억제되지 않는다면, 슬로싱은 또한 가혹한 바다 상태에서 선박을 불안정하게 하는 원인이 될 것이다. 더 큰 LNG 탱크 및 더 좋은 운용의 유연성에 대한 요구가 증대되고 있기 때문에, LNG 슬로싱 문제는, 특히 부분적으로 채워진 탱크에서, 탱크 벽을 손상시키고 선박 안정성에 불리하게 작용하는 것에 관하여 그 영향이 감소하도록 처리되어야 한다.
슬로싱 문제를 해결하기 위해 제시된 몇몇 특허출원들이 있으며, 예로서 WO/2009/072681 및 JP2009018608이 있다.
진(Jin)에 의해 2009년에 제출된 특허출원 WO/2009/072681에서, 슬로싱은 LNG 탱크의 전체 공간을 몇 개의 작은 구획으로 분할함으로써 감소된다. 그 사상은 각각의 작은 구획에서의 슬로싱이 큰 탱크에서 보다 덜 심하다는 것이다. 이러한 설계는 LNG 탱크의 내부에 분할 벽의 설치를 요하고, 부가적인 칸막이 및 스툴 부품(stool parts)을 필요로 한다. 각 칸막이는 LNG 탱크의 공간을 좌측 및 우측 공간으로 구획하여 슬로싱을 감소시킨다. 스툴 부품은 칸막이를 LNG 탱크의 첫번째 단열층에 고정시키는데 사용된다. 따라서, 이 설계는 탱크의 구조와 레이아웃에 상당한 변경을 필요로 한다. 더욱이, 선체 지지부(supporting ship hull)와 접하는 구획된 벽은 중대한 열적 누설 문제를 일으킬 수 있다(즉, 외부로부터 내부로의 열 이동).
신기치(Shinkichi)에 의해 2009년 제출된 JP2009018608은 각주형 탱크를 만재 상태로 유지시켜 LNG 슬로싱을 완화시키고자 한다. 즉, 멤브레인 타입 LNG 탱크의 충전 레벨이 항상 탱크 높이의 95%보다 높게 유지된다. 충전 레벨이 낮아지면, 탱크 높이의 95%보다 높게 레벨이 회복되도록 특별한 탱크에 저장된 LNG가 멤브레인 타입 탱크로 이동된다. 특별한 탱크는 구 형태이므로 슬로싱에 대처하기가 각주형 탱크보다 더 좋다. 그러나, 이러한 설계는 구형 탱크의 추가와 선박의 구조 또는 레이아웃의 상당한 변경을 필요로 한다. 더욱이, 각각의 장방형 탱크로부터 특별한 구형 탱크로 LNG를 이송하기 위하여 부가적인 배관 시스템이 요구된다.
본 발명은 전술한 문제들 중 적어도 하나를 해소하는 동시에 탱크에 수용된 액체를 안정시키는 해결안을 제시한다.
개괄적으로, 본 발명은 액체 자유 표면을 부유 배플(floating baffle) 및 구속수단(constraint) 하에 제한하여 배플이 통제할 수 없게 움직이는 것을 방지함으로써 슬로싱을 억제하는 액체 안정 장치를 제공한다.
첫번째 관점으로, 본 발명은 탱크 내의 액체를 안정시키는 장치를 제공하며, 상기 장치는 액체의 자유 표면에서 부유하도록 배치된 배플; 및 탱크에 대해 배플이 기울어지는 것을 억제하도록 배플과 탱크를 연결하는 구속수단을 포함한다.
액체의 자유 표면에서 부유할 때, 상기 배플은 부분적으로 또는 완전히 액체에 잠길 수 있다.
상기 구속수단에 의해, 상기 배플이 용기 내에서 통제할 수 없게 움직이는 것이 방지되거나 억제된다. 특히, 배플에 의해 액체의 측방 서징(lateral surging)이 억제되도록 배플의 기울어짐 운동이 제한된다.
또한, 배플의 측방 드리프팅(lateral drifting) 운동 역시 제한되고, 배플이 탱크의 측벽과 충돌하는 것이 방지될 것이다.
제1실시예에서, 구속수단은 배플과 연결되어 제1엔드에 대해 배플이 회전하는 것을 방지하는 제1엔드; 및 앵커와 연결된 제2엔드를 구비한 연결부재를 포함할 수 있으며, 상기 앵커 포인트(anchor point)는 탱크의 바닥 또는 탱크 벽 또는 탱크의 다른 내부 면, 또는 앵커 포인트에 대한 손상이나 파손을 방지할 수 있도록 편리하게 보강할 수 있는 곳에 위치할 수 있다.
제2실시예에서, 상기 연결부재는 실질적으로 수평면에 배플을 구속하도록 배플 상의 복수의 지점에 연결된 제1엔드를 구비한 복수의 케이블을 포함할 수 있다.
상기 구속수단은 액체의 다른 레벨에 배플이 맞춰지도록 케이블들의 길이를 조절하기 위한 높이 조절수단을 더 포함할 수 있다.
상기 높이 조절 수단은, 예를 들면, 앵커 포인트로부터 케이블의 제2엔드의 조절을 허용하는 장치를 포함할 수 있다. 이러한 장치는 블록과 풀리, 로프 클러치 터닝 블록(rope clutch turning block) 또는 케이블 텐셔너(cable tensioner)를 포함할 수 있다. 상기 앵커 포인트는 케이블들의 제2엔드를 배플 내의 구멍을 통해 탱크의 상부로 상향하게 하는 풀리; 및 탱크의 상부로부터 케이블들의 제2엔드를 당기기 위한 장치를 구비한 높이 조절수단을 포함할 수 있다.
제3실시예에서, 상기 구속수단은 배플을 자리에 고정하여 배플이 탱크의 내면을 가격하는 것을 제한하거나 방지하도록 탱크의 상부 또는 다른 탱크 벽에 결속(anchor)된 보조케이블들을 더 포함할 수 있다.
제4실시예에서, 상기 연결부재는 각 세트가 하나의 배플의 복수 지점들에 연결된 제1엔드를 구비한 두 세트의 고정 길이 케이블들을 포함할 수 있다. 제1세트의 케이블들의 타측 엔드는 탱크 바닥의 앵커 포인트에 연결되는 반면, 제2세트의 케이블들의 타측 엔드는 탱크 상부의 앵커 포인트에 연결된다. 이 실시예에서, 상기 배플은 탱크의 내부에 위치가 고정되고, 케이블 길이의 조절은 요구되지 않을 것이다. 두 세트의 케이블들은 극한 상황 하에서 요동이 큰 경우에도 배플이 내부 면을 가격하는 것을 방지한다. 고정 길이 케이블들의 대안으로, 필요하다면 동일 탱크의 내부에 둘 또는 그 이상의 배플들이 사용될 수 있다. 이러한 경우, 배플들은 평행하게 배열되어 상호 간에 미리 조절된 간격을 제공하는 케이블들로 연결될 수 있다.
상기 배플은 평평한 부재 형태일 수 있다. 이는 탱크의 수평 단면 면적을 상당 부분 덮는 치수를 가질 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 배플은 액체의 자유 표면의 대략 50%를 덮을 수 있다.
상기 평평한 부재는 금속 프레임을 포함할 수 있다. 프레임 내부의 개재 공간은 액체보다 낮은 밀도를 갖는 재료로 채워질 수 있다. 대안으로, 상기 평평한 부재는 액체가 흘러 에너지를 방산하는 구멍들이 배열된 프레임 메시(framed mesh), 또는 금속 프레임을 갖는 폴리스티렌 판일 수 있다.
또 다른 변형은 단일 배플과 대비적으로 몇 개의 배플을 포함한다. 효과적으로는, 탱크 영역이 몇 개의 부영역으로 분할되고, 각 부영역은 액체를 안정시키기 위한 배플을 구비할 것이다. 이는 케이블의 장력과 크기를 감소시킬 것이다. 이 실시예는 탱크가 매우 커서 유사하게 큰 배플을 제작해야 하는 어려움을 회피하는데 특히 유용하다.
본 발명의 가능한 구성(arrangement)을 도시한 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더 설명하는 것이 편리할 것이다. 본 발명의 다른 구성들이 가능하며, 따라서 첨부 도면의 특정 사항이 전술한 본 발명의 설명의 일반적 사항을 대체하는 것으로 이해되지 않아야 한다.
도 1은 전형적인 LNG 탱크 및 본 발명의 제1실시예에 따른 액체 안정 장치의 사시도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 장치 및 탱크의 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 A-A'선을 따른 장치 및 탱크의 단면도이다.
도 3은 배플의 구조의 일례를 나타낸다.
도 4a는 본 발명의 제2실시예에 따른 높이 조절수단의 구성을 나타낸다.
도 4b는 본 발명의 제3실시예에 따른 높이 조절수단과 함께 보조케이블들의 구성을 나타낸다.
도 4c는 본 발명의 제4실시예에 따른 고정 길이 케이블들이 구비된 배플 구성의 일례를 나타낸다. 이 도면에서, 예시적으로 두 개의 배플이 보여진다.
도 5는 도 1에 도시된 액체 안정 장치의 효과 하에서 액체의 유동을 도시한다.
도 6a 내지 6f는 다양한 실험 조건 하에서 자극된 액체의 스냅 사진이다.
도 7a 및 7b는 다양한 실험 조건 하에서 탱크 바닥에 대한 압력의 파형이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 구속된 부유 배플(CFB; constrained floating baffle)이 도 1에 도시되어 있다. 상기 부유 배플은 각주형의 전형적인 LNG 탱크(1)의 내부에 위치된다.
각주형 LNG 탱크(1)는 모두 단열 벽으로 이루어진 바닥(2), 측벽(4) 및 루프(roof)(6)를 포함한다. LNG 탱크의 폭과 높이는 대략 30m 정도가 될 것이다. 단열 벽은 제1멤브레인, 제1단열층, 제2멤브레인 및 제2단열층으로 이루어진다. 각 멤브레인은 1mm 또는 그 이하의 두께를 갖는 인바-스틸 시트(Invar-steel sheet)로 만들어질 수 있다. 단열 박스는 일반적으로 합판으로 만들어지고 펄라이트(perlite)로 채워진다. 예를 들어, 전체 두께는 대략 0.5m가 될 수 있다.
액체 안정 장치는 배플(10) 및 구속수단, 이 경우 상기 배플(10)을 앵커 포인트(30)에 연결하는 복수의 케이블(20)을 포함할 수 있다. 상기 케이블(20) 및 앵커 포인트(30)는 탱크(1)에 대한 바람직하지 않은 큰 동작 또는 배플의 기울어짐 운동에 대항하여 배플에 힘을 가하기 위한 구속수단의 연결부재를 형성한다. 상기 연결부재는 배플(10)을 탱크(1)에 연결한다. 상기 장치의 평면도가 도 2a에 도시되어 있으며, 도 2b는 도 2a의 A-A' 라인을 따르는 단면도이다.
상기 배플(10)은 충분한 강성 및 강도를 갖는 적합한 재료로 이루어질 수 있다. 이는 물보다 낮은 유효 밀도를 가질 수 있도록 솔리드(solid) 재료 또는 공기나 경량 재료가 충전된 셸(shell)로 이루어질 수 있다. 이것은 케이블(20)에 의해 제공된 구속수단와 함께 배플(10)을 액체에 부분적으로 잠기거나, 유익하게 여겨진다면 선택적으로, 액체의 자유 표면 아래에 완전히 잠길 수 있게 한다.
실시예에서 이용된 구조, 치수 및 재료는 설명을 목적으로 할 뿐이며, 실제의 적용에 따라 변경될 수 있다. 배플(10)은 평평한 부재의 형태이다. 자유 표면에 부유하는 판 모양의 배플(10)은 케이블(20)을 통해 배플(10)의 네 지점이 앵커 포인트(30)에 구속된다.
케이블이라는 용어는 와이어, 체인 또는 유사한 장력 줄을 지시할 수 있다. 앵커 포인트(30)는 탱크의 바닥, 아마도 바닥(2)의 케이블 홀더(cable holder), 또는 스터브(stub), 또는 필요하다면 그 이상의 것일 수 있다.
부유하는 배플(10)은 액체의 자유 표면을 그 평평한 형태에 맞춰지게 한다. 케이블(20)은 탱크 가장자리에서 액체의 상승으로 인해 배플(10)이 기울어지는 것을 방지하는데 필요한 구속수단을 제공한다. 한편, 배플(10)이 통제할 수 없게 측방으로 운동하여 탱크의 측벽(4)을 가격하는 것도 또한 방지한다.
배플의 일례가 도 3에 보여져 있다. 배플(10)의 설계에서, 하나의 고려사항은 슬로싱이 발생했을 때 배플(10)과 LNG 탱크(1)의 측벽(4) 간의 충돌을 피하는 것이다. 따라서, 부유 배플(10)의 치수는 탱크(1)의 수평 단면 면적보다 작다. 액체의 슬로싱을 효과적으로 억제할 수 있도록, 배플(10)은 액체의 자유 표면, 또는 탱크의 수평 단면 면적의 상당 부분을 덮기에 충분한 치수를 갖는다. 일례로서, 도 1에 보인 전형적인 각주형 LNG 탱크용의 부유 배플은 18m×24m 및 0.5m 두께의 장방형 판이다. 너무 클 것으로 예상되면 배플(10)의 운동을 제한하기 위하여, 선택적으로 케이블(20)이 교차 지지되어 하나 이상의 앵커 포인트(30)에 연결될 수 있다. 판은 표면 상에 부유하게 하기 위하여 LNG보다 낮은 전체 밀도를 갖도록 재료에 따라 내부가 빈 것일 수 있다.
액화천연가스(LNG)는 주로 약 -162℃의 비등점을 갖는 메탄(CH4)으로 구성된다. 이에 따라, 다른 설계 고려사항은 극저온 하에서 구속된 부유 배플에 충분한 강성 및 강도를 제공하는 재료이다. 일례로서, 극저온 환경에서 상대적으로 안정적인 물리적 특성을 갖기 때문에 알루미늄 합금이 사용되고 있다. 알루미늄 합금은 도 3에 도시된 바와 같은 배플(10)의 프레임 또는 외부 바운더리(boundary)(12)를 제작하는데 사용될 수 있다.
온도, 압력 및 조성에 따라 LNG의 밀도는 대략 0.41kg/L 내지 0.5kg/L 정도이다. 금속 프레임 또는 외부 바운더리(12)의 개재 공간(14)은 발포 폴리스티렌과 같은 액체보다 낮은 밀도를 갖는 경량 재료로 충전될 수 있다. 이러한 방법으로, 구속된 부유 배플의 전체 밀도는 그것이 LNG의 자유 표면 상에 부유하도록 LNG의 밀도보다 작게 설계될 수 있다.
탱크의 형태 및 치수를 기초로 하여, 부유 배플(10)의 다양한 다른 설계가 사용될 수 있고, 구속수단의 변경도 역시 가능하다. 부유 배플(10)의 실제 형태에 따라, 배플(10)의 세 지점만을, 또는 넷 이상의 지점을 케이블로 앵커 포인트(30)에 연결하는 것이 보다 적합하거나 필요할 수 있다.
다른 실시예로서, 배플(10)의 하나 또는 그 이상의 지점이 고정형(rigid) 연결부재의 제1엔드에 연결되는 한편 배플의 제1엔드에 대한 회전은 방지되며, 연결부재의 제2엔드는 앵커 포인트(30)에 연결될 수 있다. 고정형 연결부재는 앵커 포인트에 대해 회전이 가능할 수 있다.
또 다른 실시예로서, 구속수단은 탱크의 바닥(2)으로부터 직립하여 돌출된 로드 및 배플(10)이 액체의 자유 표면 상에 부유되는 동안 상기 로드가 그를 통해 연장될 수 있게 하는 구멍을 구비한 배플(10)을 포함할 수 있다. 상기 로드 및 구멍은 일단 배플(10)이 어떤 각도로 기울어지면 로드가 배플에 더 이상의 기울어짐 운동에 저항하는 힘을 가하도록 구성될 것이다. 한편, 배플(10)이 중앙으로부터 어떤 거리만큼 측방으로 드리프트(drift) 하게 되면, 구속수단은 또한 액체의 자유 표면 상에서 배플의 더 이상의 측방 운동에 저항하는 다른 힘을 가할 것이다.
실제로는, 탱크의 단열벽은 완벽한 단열을 제공할 수가 없고, 그래서 액화천연가스는 항해하는 동안 계속 비등하고 있다. 일반적으로, 단열 효율 및 항해의 거칠음에 따라, 추산적으로 선적물의 0.1% ~ 0.25%가 매일 기체로 변환된다. 따라서, 전형적인 20일간의 항해에서는 최초 선적된 LNG의 총량 중 2% ~ 6%가 손실될 것이다. 더욱이, 운용상의 유연성을 보다 우수하게 증진하기 위하여 LNG의 깊이는 달라질 수 있다.
따라서, 부유 배플이 탱크 내부의 액체의 다른 레벨에 대해 맞춰질 수 있게 하기 위하여 케이블의 길이는 조절되어야 할 것이다. 본 발명의 제2실시예에서, 주어진 LNG 깊이에서 케이블이 충분히 팽팽한 채로 유지되도록 케이블의 길이를 조절하는 높이 조절수단이 구비된다. 배플의 높이를 조절하는 두 방법은 아래와 같으며, 탱크 형태 및 다른 구속수단에 적합하게 하는 변경들이 가능하다.
첫 번째 방법으로, 케이블(20)의 제2엔드를 탱크(1)의 바닥에 있는 앵커 포인트(30)에서 당기는 수단이 구비된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 앵커 포인트 구역 아래의 탱크 바닥으로부터 조절이 있고, 윈치(winch)와 같은 기계적 수단에 의해 잠겨진다. 이는 유일한 열 누설 경로가 될 것이며, 이러한 열 누설은 스터브(stub) 및 윈치(winch) 부분을 감싸는 우수한 단열재를 사용함으로써 감소될 수 있다.
두 번째 방법으로, 공간의 제약으로 인해 탱크 바닥으로부터의 조절이 바람직하지 않다면, 이는 탱크 상부로부터 행해질 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 앵커 포인트는 케이블의 제2엔드를 배플(10) 내의 구멍(40)을 통해 탱크(1)의 상부로 상향하게 하는 풀리(32)를 포함할 수 있으며, 탱크(1)의 상부로부터 케이블(20)의 제2엔드를 당기기 위한 수단이 구비된다. 케이블(20)은 상부에서 잠겨질 것이다. 슬로싱 운동은 중앙보다 가장자리에서 더 크기 때문에 구속된 부유 배플(10)의 중앙부에 상대적으로 작은 구멍이 존재하는 것은 그 유효성을 손상시키지 않을 것이다.
배플이 탱크의 내면과 충돌하는 것을 방지하기 위하여 탱크의 상부 또는 다른 탱크 벽에 결속(anchor)된 보조 케이블이 사용될 수 있다. 일례의 구성이 도 4b에 보여진다. 탱크 상부의 앵커 포인트는, 케이블(20)과 유사하게, 보조 케이블(50)의 제2엔드를 상향하게 하는 풀리(33)를 포함할 수 있다. 만약 액체 깊이가 낮고(슬로싱이 중대하지 않음) 배플(10)이 탱크(10)의 바닥에 가까이 있으면, 배플이 탱크 바닥에 접하지 않도록 케이블(50)의 길이가 고정될 수 있다.
조절 가능한 배플 외에, 미리 조절된 위치의 고정된 배플은 케이블 길이 조절의 필요성을 회피하는 대안일 수 있다. 도 4c는 그 장치의 일례를 도시한 것이다. 동일한 길이의 케이블(60)을 사용함으로써 두 개의(필요하면 그 이상의) 배플이 중간에 소정의 간격을 가지면서 서로 평행하게 배치된다. 케이블(20) 및 케이블(50)은 탱크의 바닥 및 상면에 각각 결속된다. 두 배플의 수직 위치는 여하한 충전 깊이에서도 슬로싱 파동이 최적으로 완화될 수 있도록 미리 정해질 수 있다. 예를 들면, 로이드 레지스터 가이던스(Lloyd's Register guidance)에 따르면, 10%H 내지 70%H(H는 탱크 높이)의 깊이로 충전하는 것은 큰 슬로싱 현상으로 인해 금해지고 있다. 그러므로, 가능한 한 많은 다른 충전 깊이 하에서 슬로싱을 완화시킬 수 있도록 두 배플은 대략 20%H 및 60%H의 위치에 배치될 수 있다.
도 5는 탱크 내부의 구속된 부유 배플의 효과 하에서의 액체 유동을 도시한 것이다. 부분적으로 충전된 탱크를 운송하는 동안, 선박 또는 운송수단의 불안정은 액체에 횡력(lateral force)을 맞게 하고 탱크의 내부에서 액체가 유동하게 한다. 한 시점에서, 액체탱크의 일측으로부터 타측으로 유동하고, 타측에서 상승한다. 그러나, 구속된 부유 배플(10)의 표면은 화살표 곡선(5)에서 보여지는 바와 같이 액체 유동이 반사되게 한다.
액체 유동이 반사되는 동안, 화살표 곡선(5)에서 보여지는 유동은 배플(10)의 오른쪽에 가해져 배플(10)을 기울어지게 하는 수직방향 힘, 및 배플(10)에 가해져 배플(10)을 우측으로 드리프트 하게 하는 수평방향 힘으로 작용한다. 구속 케이블(20)은 배플(10)에 기울어짐 및 횡방향 드리프트에 저항하는 힘을 가하여, 배플(10)을 대체로 수평면에 유지되도록 하고 액체 표면의 중앙부에 가깝게 유지시킨다.
[실험 결과]
평면 치수 0.53m×0.4m 및 높이 0.6m의 장방형 탱크의 내부에서 부유 배플의 기본 원리를 실증하기 위하여 진동 테이블 상의 부분적으로 충전된 물 탱크를 사용한 소규모의 실험적 테스트가 수행되었다. 탱크는 부분적으로 충전된 물을 수용하였고, 물은 보다 나은 시각화를 위하여 염색되었다. 물의 깊이는 0.3m였다. 구속된 부유 배플은 스티로폼으로 만들어져 1.5mm의 직경을 갖는 스틸 와이어에 의해 컨스트레인 되었으며, 0.26m×0.335m의 치수를 가졌다.
케이블 또는 와이어는 후크에 의해 탱크 바닥 상의 퍼스펙스 스터브(Perspex stub)에 결속되었다. 후크 연결은 실험적 연구에서 단순화를 위해 채택되었다. 실제 LNG 탱크의 경우, 구속된 부유 배플 연결은 다를 수 있고 열 누설을 감소시키기 위해 탱크 벽에 요구되는 것과 동일한 단열재로 덮여질 수 있다.
한 실험 케이스에서는, 한 장의 퍼스펙스 판(Perspex plate)이 부가된 질량으로 배플의 상부에 부가되었고, 반면에 다른 실험 케이스에서는, 부가된 판이 없는 구속된 부유 배플이 구비되었다. 실험적 연구에서 배플의 질량은 향후 조절이 가능하다.
액체 슬로싱 및 구속된 부유 배플에 의한 그 완화를 실증하기 위하여, 탱크를 지지하는 진동 테이블로의 입력으로 사인파 가진(sinusoidal excitation)이 사용되었다. 두 개의 다른 가진 진폭(excitation amplitudes), 즉 2mm 및 4mm의 진폭이 사용되었다. 슬로싱 문제는 가진 진동수(excitation frequency)가 탱크 내의 액체의 고유 진동수에 가까워질수록 악화되었다.
상기의 설정을 기초로 하여, 일련의 실험들이 수행되었다. 비교를 목적으로, (배플이 없는) 탱크 내의 슬로싱의 제1고유진동수와 같은, 동일 가진 진동수 하에서 4개의 케이스가 연구되었다. 최대 파동 진폭 또는 슬로싱 진폭은 포착된 비디오 영상으로부터 추산되었다. 파동 운동의 스냅 사진들 몇 개가 도 6a 내지 6e에 보여져 있다.
케이스 1에서는 배플이 사용되지 않았다. 도 6a 및 6b는 각각 2mm 및 4mm의 가진 진폭 하에서 배플이 없는 액체의 스냅 사진이다. 액체 슬로싱 운동이 컸다.
케이스 2에서는 배플이 사용되었으나 구속되지는 않았다. 도 6c 및 6d는 각각 2mm 및 4mm의 가진 진폭 하에서, 구속되지 않은 부유 배플의 효과 하에서 액체의 스냅 사진이다. 배플은 액체의 유동에 따라 자유 운동이 가능하다. 완화 효과는 현저하지 않았다.
케이스 3에서는 부가된 중량 없이 구속된 부유 배플이 사용되었다. 도 6e 및 6f는 각각 2mm 및 4mm의 가진 진폭 하에서, 구속된 부유 배플의 효과 하에서 액체의 스냅 사진이다. 완화 효과는 두 가진 진폭 모두에 대해 현저했다. 슬로싱 진폭은 케이스 1에 비해 2.8 내지 9배 감소되었다.
케이스 4에서는 (질량을 증가시키는) 부가된 판이 있는 구속된 부유 배플이 사용되었으며, 그 완화 효과는 케이스 3과 비슷하였다. 슬로싱 진폭의 감소는 3.1 내지 14배였다.
실험 케이스 1 내지 4의 결과가 표 1에 요약되어 있다.
여러 실험 케이스에서의 물의 최대 파동 높이(wave elevation)


가진 진폭 = 2mm
가진 진폭 = 4mm

케이스
배플 타입
최대 파동 높이
최대 파동 높이

1
배플 없음
140mm
220mm

2
구속되지 않은 부유 배플(0.1kg)
140mm
160mm

3
 부가된 판 없는 구속된 부유 배플 (0.1kg)
15mm
80mm

4
 부가된 중량 있는 구속된 부유 배플 (1.2kg)
10mm
70mm
압력을 측정하기 위하여 탱크의 바닥 근처의 벽에 압력 센서가 설치되었다. 도 7a 및 7b는 각각 2mm 및 4mm의 가진 진폭 하에서 케이스 1부터 케이스 4까지 네 케이스의 압력 시간 기록(pressure time history)을 보여준다.
케이스 1 및 2에서, 도 7a 및 7b 모두 큰 압력 변동을 보이며, 이는 큰 슬로싱 운동에 기인한다. 케이스 3 및 4에서, 구속된 부유 배플의 사용은 압력 변동을 현저하게 감소시킨다. 압력 평균 및 변동이 표 2에 요약되어 있다.
실험 케이스들의 압력 변동



가진 진폭 = 2mm
가진 진폭 = 4mm

케이스
배플 타입
평균(Pa)
변동(Pa2)
평균(Pa)
변동(Pa2)

1
배플 없음
2849
25,980
2848
41,770

2
 구속되지 않은 부유 배플
2855
25,760
2858
41,690

3
 구속된 부유 배플
2893
1508
2881
3788

4
 부가된 중량 있는 구속된 부유 배플
2968
2077
2967
3562
평균 압력은 주로 평균 액체 깊이에 의존하므로 네 케이스 모두에서 거의 같았다. 압력 변동은 슬로싱 변동(sloshing fluctuation)에 의해 유발된 동적 요소를 반영하였고 구속된 부유 배플의 존재에 의해 분명하게 감소하였다. 더 작은 동적 요소는 멤브레인 탱크에 대한 피로 유발 손상의 위험이 더 작고 선박 불안정성에 대한 영향이 더 작음을 의미하기 때문에 이러한 감소는 중요하다.
본 발명은 억제되지 않은 자유 운동으로부터 구속된 부유 배플을 구비하는 사상을 기초로 한 것이다. 부유 배플을 구속함에 의해 그것이 탱크 내부의 액체의 슬로싱을 효과적으로 억제하는 것을 실험적 결과로부터 알 수 있다. 청구범위에서 정의된 본 발명의 사상의 범위 내에서 배플 및 구속수단의 실제 설계에 다양한 변경이 가능함이 이해되어야 한다.

Claims (10)

  1. 탱크 내부의 액체를 안정시키는 장치로서,
    액체의 자유 표면에 부유하도록 구성된 배플; 및
    상기 배플이 탱크에 대하여 기울어지는 것을 억제하도록 상기 배플과 탱크를 연결하는 구속수단(constraint)
    을 포함하는 액체 안정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구속수단은 연결부재를 포함하고, 상기 연결부재는 상기 배플을 실질적으로 수평면에 구속하도록 배플의 복수의 지점에 연결된 제1엔드를 구비한 복수의 케이블을 포함하는 액체 안정 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 구속수단은 상기 배플이 액체의 다른 레벨에 맞춰지도록 상기 케이블의 길이를 조절하는 높이 조절수단을 더 포함하는 액체 안정 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 높이 조절수단은 앵커 포인트(anchor point)에서 상기 케이블의 제2엔드의 조절을 가능하게 하는 장치를 더 포함하는 액체 안정 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    앵커 포인트는 상기 케이블의 제2엔드를 배플 내의 구멍을 통해 탱크의 상부로 상향하게 하는 풀리를 포함하고, 상기 높이 조절수단은 탱크의 상부에서 케이블의 제2엔드를 당기는 장치를 포함하는 액체 안정 장치.
  6. 청구항 2 내지 5 중 어느 하나에 있어서,
    상기 배플은 탱크의 수평 단면 면적의 상당 부분을 덮는 치수를 갖는 평평한 부재 형태인 액체 안정 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 평평한 부재는 금속 프레임을 포함하는 액체 안정 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 평평한 부재는 프레임 메시(framed mesh)인 액체 안정 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 평평한 부재는 금속 프레임을 가진 폴리스티렌 판인 액체 안정 장치.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 프레임의 개재 공간(interstitial space)에 액체보다 낮은 강도의 재료가 구비된 액체 안정 장치.
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