KR20200093815A - 화물창 내 lng bor 계산 방법 - Google Patents

Abstract

화물창 내 LNG BOR 계산 방법이 개시된다. 본 발명은 폴리우레탄 폼으로 이루어지는 단열부재를 포함하는 화물창 내 LNG BOR을 계산하는 방법에 있어서, 유한 요소법을 이용하여 화물창 내에 마련되는 단열부재의 열수축 변형량을 계산한 후, 상기 단열부재의 열수축 변형량이 반영된 화물창의 3D 모델링을 생성하고, CFD 해석을 통해 상기 화물창의 열유입량과 상기 화물창 및 상기 화물창 주변부의 온도 분포를 계산함으로써, 상기 화물창의 LNG BOR을 도출하는 것을 특징으로 하는, 화물창 내 LNG BOR 계산 방법을 제공한다.

Description

화물창 내 LNG BOR 계산 방법 {METHOD FOR CALCULATING LNG BOIL OFF RATE IN CARGO CONTAINMENT SYSTEM}

본 발명은 화물창 내 LNG BOR 계산 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화물창 내의 열하중에 의한 상기 복수의 단열부재의 변형량을 반영한 화물창 내 LNG BOR 계산 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 천연가스(NG, Natural Gas)는 생산지에서 극저온으로 액화된 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 'LNG')의 상태로 만들어진 후 LNG 운반선에 의해 목적지까지 원거리에 걸쳐 수송되고, LNG 부유식 저장 및 재기화 장치(FSRU, Floating Storage and Regasification Unit) 또는 육상의 하역 터미널을 거치면서 재기화되어 소비처로 공급된다.

또는, LNG 재기화선(RV, LNG Regasification Vessel)에 의해 LNG가 수송되는 경우에는, LNG가 LNG 부유식 저장 및 재기화 장치 또는 육상의 하역 터미널을 거치지 않고도 LNG 재기화선 자체에서 재기화되어 소비처로 직접 공급된다.

천연가스의 액화 온도는 상압에서 약 -163℃의 극저온을 가지므로, LNG는 그 온도가 상압 조건에서 -163℃ 보다 높아질 경우 증발되기 시작한다. 종래의 LNG 운반선을 예시로, LNG 운반선 내 화물창의 경우 이중의 단열처리가 되어 있으나, 외부의 열을 완전히 차단시키는 시스템은 아직 존재하지 않으므로 외부 열 유입은 열 평형 상태가 될 때까지 지속적으로 이뤄지며, LNG를 수송하는 도중 화물창 내 LNG의 기화 또한 지속적으로 진행되어 화물창 내 증발가스(Boil-Off Gas)가 발생한다.

이때, LNG 운반선을 이용한 LNG 수송 중 화물창 내에서 기화되어 자연 증발하는 LNG의 비율을 자연 기화율(BOR, boil off rate)이라 한다. 최근에는 LNG 스팟 마켓(LNG Spot Market)dml 성장, LNG 운반선의 경제성 확보를 위한 저속 운전으로 LNG 운반선의 운항 기간이 늘어나는 경우가 증가함에 따라 BOR 저감이 더욱 중요해지고 있다.

그런데, BOR 저감을 위한 효율적인 화물창의 단열 시스템 설계를 위해서는 정확한 LNG BOR 값을 계산하고 이를 설계에 반영할 수 있어야 한다. 정확한 BOR 계산은 화물창 내외로 유입되는 열량을 정확하게 추정하는 것이 중요하다.

종래 기술에 따르면, 화물창의 열전달 계산을 위해 미리 일반적인 LNG 운반선과 같이 고정된 형상에 대한 치수와 대표값으로 반영된 재료 물성치를 입력하여 열유입량을 계산하였다. 따라서 실제 LNG 화물창의 다양한 형상 및 항해시 운용 조건에 따라 선박이 잠기는 흘수 변화나 화물창의 부분 적재 등 열유입량 추정을 위한 경계조건을 고려하는 것이 매우 제한적이다.

그리고 화물창 내 온도분포는 시간에 따라 화물창 내외 부재간 온도 차이에 의애 유입 열유량이 달라지며, 이는 전도 및 대류 그리고 복사에 의해 변화하게 된다. 최근 개발중인 화물창 내 단열부재는 높은 단열 성능을 위해 폴리우레탄 폼 패널을 사용하였고, 그 효과를 검토 중에 패널 내 슬릿과 패널 간 갭 사이 공기층의 대류 현상으로 인한 열전달의 영향이 적지 않음을 확인하였기에, 이를 반영한 새로운 LNG BOR 계산방법이 요구된다.

전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.

한국등록특허공보 제10-1541311호(대우조선해양 주식회사) 2015. 07. 28.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 화물창의 단열시스템의 열변형에 따른 용적과 해당 용적의 대류로 인한 열전달을 고려한 화물창 내 LNG BOR 계산 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유한 요소법을 이용하여 화물창 내에 마련되는 단열부재의 열수축 변형량을 계산하는 제1 단계; 및 CFD 해석을 이용하여 상기 화물창의 LNG BOR을 계산하는 제2 단계를 포함하고, 상기 제2 단계는, 상기 제1 단계에서 계산된 단열부재의 수축 변형량이 반영된 화물창의 3D 모델링을 생성하는 단계; 상기 화물창을 모델링한 요소들의 온도 별 물성치를 입력하는 단계; CFD 해석을 통해 상기 요소들의 온도를 계산하는 단계; 및 계산된 상기 요소들의 온도를 이용하여 상기 화물창의 열유입량과 상기 화물창 및 상기 화물창 주변부의 온도 분포를 계산하는 단계; 및 상기 화물창의 LNG BOR을 계산하는 단계를 포함하고, 상기 화물창의 열유입량 계산시, 상기 단열부재의 변형량에 의해 확장된 공간을 통해 발생되는 대류 열전달이 반영되는 것을 특징으로 하는, 화물창 내 LNG BOR 계산 방법을 제공한다.

여기서 상기 제1 단계는, 실제 설계를 반영한 화물창의 3D 모델링을 생성하는 단계; 상기 화물창을 모델링한 요소들의 온도 별 물성치를 입력하는 단계; CFD 해석을 통해 상기 요소들의 온도를 계산하는 단계; 및 계산된 상기 요소들의 온도를 이용하여 상기 단열부재의 열수축 변형량을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 단열부재는, 상기 화물창의 단열벽을 구성하는 폴리우레탄 폼을 포함할 수 있으며, 상기 단열부재는, LNG를 1차적으로 단열시키는 1차 단열벽 및 LNG를 2차적으로 단열시키는 2차 단열벽 중 적어도 하나에 마련될 수 있다.

상기 CFD 해석은, 열전달 지배 방정식과 수치 해석적 근사 및 이산화를 이용하여 수행될 수 있다.

상기 열전달 지배 방정식은, 질량 및 운동량 보존의 법칙과 난류 모델 결정으로 이루어질 수 있다.

상기 난류 모델 결정은, 유체의 난류효과를 고려하는 점성 모델로 Realizable k-εmodel 또는 k-ω model을 사용하고, 벽면에서의 난류효과를 고려해주는 벽함수로 Enhanced wall treatment를 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 화물창 내 LNG BOR 계산 방법은, 폴리우레탄 폼으로 이루어지는 단열부재를 포함하는 화물창 내 LNG BOR을 계산하는 방법에 있어서, 유한 요소법을 이용하여 화물창 내에 마련되는 단열부재의 열수축 변형량을 계산한 후, 상기 단열부재의 열수축 변형량이 반영된 화물창의 3D 모델링을 생성하고, CFD 해석을 통해 상기 화물창의 열유입량과 상기 화물창 및 상기 화물창 주변부의 온도 분포를 계산함으로써, 상기 화물창의 LNG BOR을 도출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예들은, LNG BOR의 계산시 화물창 내 단열부재의 온도별 수축량에 따라 단열 시스템 내 변화되는 용적을 고려하고, 해당 용적의 대류로 인한 열 전달이 반영되므로, 과거 수계산 및 유한 요소법에 의한 열 전달 계산 결과 대비 보다 정확한 LNG BOR을 계산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 화물창 내 LNG BOR 계산 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예가 적용되는 화물창의 내외 설계 도면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예의 CFD 해석을 위한 3D 모델링을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예의 CFD 해석을 위한 화물창 내부에 설치되는 단열 시스템의 3D 모델링을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 일측 모서리 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 화물창 내 LNG BOR 계산 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 제2 실시예의 단열 시스템 내 열 하중으로 인한 단열부재의 수축에 의한 공간 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 제2 실시예의 단열 시스템 내 열 하중으로 인한 단열부재의 수축을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 화물창 내 LNG BOR 계산 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10의 (a)는 제3 실시예에서 화물창 내 LNG 작용에 의한 하중을, (b)는 제3 실시예에서 화물창 내 NG 작용에 의한 하중을 각각 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

제1 실시예

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 화물창 내 LNG BOR 계산 방법을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 실시예가 적용되는 화물창의 내외 설계 도면을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 실시예의 CFD 해석을 위한 3D 모델링을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 실시예의 CFD 해석을 위한 화물창 내부에 설치되는 단열 시스템의 3D 모델링을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 일측 모서리 영역을 확대 도시한 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 화물창 내 LNG BOR 계산 방법은, 실제 설계를 반영한 화물창의 3D 모델링을 생성하는 단계(S10)와, 화물창을 모델링한 요소들의 물성치를 입력하는 단계(S20)와, 경계 조건을 설정하는 단계(S30)와, 열전달 지배방정식과 수치 해석적 근사 및 이산화하는 단계(S40)와, 상기 S40 단계를 이용하여 요소들의 온도를 계산하는 단계(S50)와, 화물창으로 유입된 열유입량과 화물창 및 화물창 주변부의 온도 분포를 계산하는 단계(S60)와, 화물창의 LNG BOR을 계산하는 단계(S70)를 포함한다.

먼저 실제 설계를 반영한 화물창의 3D 모델링을 생성하는 단계(S10)에서, CFD(Caculational Fluid Dynamics) 해석을 위한 3D 모델링은 화물창과 화물창 주변부 설계의 최대 반영을 통해 실제 현상을 묘사할 수 있도록 생성된다.

본 실시예에서 화물창은 외벽으로 둘러싸인 밀폐된 공간으로 모델링되며, 화물창을 구성하는 복수의 요소들로 분할되어 모델링될 수 있다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 화물창은 선체 내판(10)에 의해 둘러싸여 있고, 선체 내판(10)은 선체 외판(20)에 의해 둘러싸여 있는 선체 구조(Double hull structure)로 마련된다. 화물창은 선체 내판(10)에 의해 지지되고 있다. 그리고 선체 내판(10)과 선체 외판(20)은 일정 공간을 두고 떨어져 있고, 선체 내판(10)과 선체 외판(20) 사이의 공간에는 보강재(30)들이 설치된다. 선박이 물에 잠겨 있는 정도에 따라 선체 외판(20)의 윗부분은 공기와 접하게 되고, 아랫부분은 물과 접하게 된다.

한편, 화물창에 저장된 LNG는 화물창의 내측으로부터 순차적으로 설치되는 1차 멤브레인(110, Primary Membrane) 및 2차 멤브레인(120, Secondary Membrane)에 의해 밀봉이 이루어진다. 1차 멤브레인(110) 및 2차 멤브레인(120)은 1차 밀봉벽 및 2차 밀봉벽이라고도 한다.

그리고 1차 멤브레인(110)과 2차 멤브레인(120)의 사이에는 LNG를 1차적으로 단열시킴과 아울러 그 하중을 지지하는 1차 단열벽(130)이 형성되고, 2차 멤브레인(120)과 선체 내판(10)의 사이에는 LNG를 2차적으로 단열시킴과 아울러 그 하중을 지지하는 2차 단열벽(140)이 형성된다.

본 실시예에서 1차 단열벽(130) 및 2차 단열벽(140)은, 플라이우드 박스 내부에 배치되거나 또는 플라이우드 합판으로 상면 및/또는 하면이 마감되는 복수의 단열부재(i)를 포함한다. 본 실시예에서 복수의 단열부재(i)는 폴리우레탄 폼(PUF)을 포함한다.

전술한 본 실시예의 화물창의 구조는 후술하는 제2 실시예 및 제3 실시예에도 그대로 적용될 수 있다.

다음으로 화물창을 모델링한 요소들의 물성치를 입력하는 단계(S20)에서는, 모델링된 각 요소들의 물성치를 입력받는다. 이때 화물창을 구성하고 있는 복수의 요소들이 지닌 각각의 물성치(예컨데, 열전도 계수 등)를 반영하는 것이 필요하다.

모델링된 요소들의 온도에 따른 복수의 물성치 값을 입력하고 화물창의 경계 조건을 설정한다(S30). 이때 화물창에서 LNG와 직접 접하는 부분은 -163℃, 화물창에서 외부 공기와 맞닿는 부위는 상온으로 경계 조건을 적용할 수 있다.

다음으로 '열전달 지배방정식'과 '수치 해석적 근사 및 이산화'를 이용한 CFD 해석을 수행함으로써 온도를 계산한다(S40).

여기서 온도의 계산이란, 모델링된 각 부재의 온도를 확인하는 것을 의미하며, 부재별 표면 온도와 함께 열유입량, 대류 열전달 계수를 확인한다.

본 실시예에서는 초기 열 전달 고려시, 실제 대류 현상을 알아보기 위하여 유한 체적법을 사용하며, 이는 CFD 프로그램을 통해 수행될 수 있다.

본 실시예의 S40 단계에서 사용하는 설계(scheme) 및 수식은 아래와 같다.

먼저 열전달 지배방정식은, '질량 및 운동량 보존 법칙'과 '난류 모델 결정'으로 이루어진다. 수치해석 방법에 대한 해를 찾기 위해 뉴턴 유체에 대해 다음과 같은 질량 및 운동량 보존 법칙이 기본 열전달 지배방정식으로 구성된다.

여기서, ρ는 유체의 밀도, v는 속도벡터를 나타낸다.

p 는 정압,

항은 중력에 의한 체적력을 의미하며,

는 응력 텐서를 나타내며, 다음의 기본적인 식으로 표현된다.

여기서 μ 는 유체의 점도, I 는 단위 텐서를 의미한다.

이 식은 에너지 보존의 많은 형태 중 한 가지를 나타내는데, 여기서 E는 단위 질량당 총 에너지이고, E는 내부에너지이며,

는 운동에너지이다. 그리고

는 점성력에 작용한 일을 나타낸다.

다음으로 난류 모델 결정의 경우, 유체의 난류효과를 고려하는 점성 모델은 Realizable k-ε model 또는 k-ω model을 사용한다. 이때 벽면에서의 난류효과를 고려해주는 벽함수는 Enhanced wall treatment를 고려하고, Thermal effects를 반영한다.

Solver type은 압력 기반으로 설정한다. Pressure-velocity coupling scheme은 SIMPLE(2nd-order) with PRESTO를 적용한다. 해석격자의 공간 이산화는 Least squares cell based 에서 압력은 Body force weighted, 에너지, 운동량은 2차 정확도로 계산한다.

상기와 같은 방법을 이용하여 계산되는 온도는 수렴할 때까지 반복 계산을 통하여 구하고(S50), 수렴된 온도값으로부터 화물창 및 화물창 주변부의 온도 분포와 화물창으로 유입되는 열유입량을 계산하며(S60), 이로부터 화물창의 LNG BOR을 도출할 수 있다(S70).

이때 수렴된 온도란 열평형 상태를 나타내는 것으로, 모델링된 모든 영역의 열 이동이 일어나지 않는 상태를 의미한다. 온도는 높은 영역에서 낮은 영역으로 흐르며 이는 열평형 상태가 될 때까지 지속된다. CFD 프로그램을 통해 특정 횟수만큼 반복 계산되는 온도 결과는 각 부재간 온도 편차를 고려하여 열평형 상태를 찾아가는 과정을 보여주는 것이다.

한편, 본 실시예는 S60 단계에서, 화물창 내에 마련되는 복수의 단열부재(i) 내 슬릿(slit) 또는 단열부재 간 갭(gap)의 공기층을 실제 설계와 동일한 부피를 갖도록 모델링(S10)하여 공기층의 대류 현상이 모사되어 화물창으로 유입되는 열유입량을 계산하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예는 CFD 프로그램 수행을 통해 복수의 단열부재(i) 사이에 형성되는 슬릿 또는 갭의 공간에 위치하는 공기층의 대류 현상으로 인한 열전달 영향을 반영하기 위한 것으로, 슬릿 또는 갭을 부피요소로 모델링하고 이 공간에 존재하는 기체(공기)의 온도에 따른 물성치를 경계조건으로 입력하는 방식으로 이루어질 수 있다.

즉, 본 실시예는 화물창의 열유입량에 영향을 주는 여러가지 요인 중의 하나로 단열부재(i) 내 슬릿 또는 단열부재(i) 간 갭을 통한 열대류 현상까지 더 고려하는 것이라 할 수 있다.

본 실시예의 온도 계산 단계(S50)부터 화물창의 온도 분포 및 열유입량을 계산하는 단계(S60)는, 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 등록특허공보 제10-1541311호에서 온도에 대한 행렬식을 이용하는 온도를 계산하는 내용과, 화물창과 화물창의 주변부에 대해 온도 분포 및 화물창으로의 유입 열량을 계산하는 내용이 그대로 적용될 수 있다.

본 실시예는 화물창 내 LNG BOR의 계산시, 화물창 내부에 마련되는 복수의 단열부재(i)의 내 슬릿 또는 단열부재(i) 간 갭 사이의 공기층을 통한 열전달을 고려함과 아울러 CFD 해석을 통해 LNG BOR을 계산함으로써, 대류로 인한 열전달을 실제 현상에 보다 가깝게 근사할 수 있고, 이에 따라 보다 정확한 LNG BOR 값에 대한 추정이 가능한 이점이 있다.

제2 실시예

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 화물창 내 LNG BOR 계산 방법을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 7은 제2 실시예의 단열 시스템 내 열 하중으로 인한 단열부재의 수축에 의한 공간 변화를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8은 제2 실시예의 단열 시스템 내 열 하중으로 인한 단열부재의 수축을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 화물창 내 LNG BOR 계산 방법은, 크게 유한 요소법을 이용하여 단열부재의 열수축 변형량을 계산하는 단계(S100)와, CFD 해석을 이용하여 화물창의 LNG BOR을 계산하는 단계(S200)으로 구분될 수 있다.

유한 요소법을 이용하여 단열부재의 열수축 변형량을 계산하는 단계(S100)는, 실제 설계를 반영한 화물창의 3D 모델링을 생성하는 단계(S110)와, 화물창을 모델링한 요소들의 물성치를 입력하는 단계(S120)와, 경계 조건을 설정하는 단계(S130)와, 열전달 지배방정식과 수치 해석적 근사 및 이산화를 이용하여 요소들의 온도를 계산하는 단계(S140)와, 화물창에 마련되는 단열부재의 열수축 변형량을 계산하는 단계(S150)를 포함한다.

본 실시예에서 S100 단계에 이용되는 유한 요소법은, 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 등록특허공보 제10-1541311호의 내용이 적용될 수 있다.

CFD 해석을 이용하여 화물창의 LNG BOR을 계산하는 단계(S200)는, 상기 S100 단계에서 구해진 단열부재의 수축 변형량이 반영된 화물창의 3D 모델링을 생성하는 단계(S210)와, 화물창을 모델링한 요소들의 물성치를 입력하는 단계(S220)와, 경계 조건을 설정하는 단계(S230)와, 열전달 지배방정식과 수치 해석적 근사 및 이산화를 이용하여 요소들의 온도를 계산하는 단계(S240)와, 화물창으로 유입된 열유입량과 화물창 및 화물창 주변부의 온도 분포를 계산하는 단계(S250)와, 화물창의 LNG BOR을 계산하는 단계(S260)를 포함한다.

본 실시예의 S200 단계는 제1 실시예에서와 같이 CFD 해석에 의해 이루어질 수 있으며, 전술한 제1 실시예의 설계 및 수식이 그대로 적용될 수 있다.

또한, 본 실시예는 화물창의 LNG BOR을 계산함에 있어서, 제1 실시예에서와 같이 단열부재(i) 사이에 형성되는 슬릿 또는 갭을 통한 열대류도 고려할 수 있음은 물론이다.

즉, 본 실시예의 S200 단계는 전술한 제1 실시예에 의한 LNG BOR 계산 방법이 그대로 적용될 수 있고, 본 실시예는 이에 더하여 단열부재(i)의 수축량을 더 고려하는 것으로서, 단열부재(i)의 수축량을 반영하기 위해 CFD 해석이 이루어지기 이전에 유한 요소법을 이용하여 단열부재(i)의 수축량을 구하는 단계(S100)를 더 포함하는 것이라 할 수 있다.

본 실시예는 화물창 내부의 단열부재(i)가 화물인 LNG에 의한 열수축으로 인해 10 ~ 20% 차이가 발생하고, 열수축으로 발생하는 공간 내 대류 현상에 따른 열 손실이 적지 않은 것을 고려한 것이다.

즉, 본 실시예는 화물창 내 단열부재(i)의 온도별 수축량에 따라 단열 시스템 내 변화되는 용적을 고려하고, 해당 용적의 대류로 인한 열전달을 CFD 해석을 통해 확인한다. 이는 실제 화물창의 운항 상태에 보다 가깝게 근사하므로 정확한 BOR 값의 추정이 가능한 이점이 있다.

도 7에는 LNG의 열 하중으로 인해 복수의 단열부재(i)가 수축되고, 이로 인해 단열부재(i)의 사이에 확장된 공간(s)이 마련된 것이 도시되어 있다.

구체적으로 도 8의 (a)에는 LNG를 1차적으로 단열시키는 1차 단열벽의 1차 단열부재의 상부에서 하부 방향으로 변형된 것이 도시되어 있고, 도 8의 (b)에는 1차 단열부재의 하부에서 상부 방향으로 변형된 것이 도시되어 있다. 또한, 도 8의 (c)에는 LNG를 2차적으로 단열시키는 2차 단열부재가 상부에서 하부 방향으로 변형된 것이 도시되어 있고, 도 8의 (d)에는 2차 단열부재가 하부에서 상부까지 전체적으로 변형된 것이 도시되어 있다.

다시 말해서, 본 실시예는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 화물창에 저장되는 LNG의 극저온에 의해 단열벽을 이루는 복수의 단열부재(i)가 수축되고, 그 결과 단열부재(i)가 서로 이웃하는 영역에 생성되는 확장된 공간(s)을 통해 열대류가 발생하는 현상까지 고려하는 것이다.

제3 실시예

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 화물창 내 LNG BOR 계산 방법을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 10의 (a)는 제3 실시예에서 화물창 내 LNG 작용에 의한 하중을, (b)는 제3 실시예에서 화물창 내 NG 작용에 의한 하중을 각각 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 화물창 내 LNG BOR 계산 방법은, 실제 설계를 반영한 화물창의 3D 모델링을 생성하는 단계(S1100)와, 화물창을 모델링한 요소들의 물성치를 입력하는 단계(S1200)와, 경계 조건을 설정하는 단계(S1300)와, 화물창 내 위치별 작용 하중에 따른 단열부재의 변형량을 계산하는 단계(S1400)와, 단열부재의 변형량이 특정값으로 수렴하는지 판단하는 단계(S1500)와, 단열벽의 두께 변화에 따른 온도 분포 및 열유입량을 계산하는 단계(S1600)와, 화물창의 LNG BOR을 계산하는 단계(S1700)를 포함한다.

일반적으로 초기 화물창의 컨셉에 따라 가압/상압의 화물창이 개발되나, 기본적으로 LNG의 온(on)/언(un)-로딩(loading)에 따른 정수압과 항로에 따른 외부 환경의 변화로 화물창 내 형성된 증기(vapour)에 의해 화물창 내부는 각각 위치별 다른 압력 변화를 겪게 된다.

이러한 압력 변화는 단열 공간에 마련된 단열부재(i)의 하중으로 작용하며, 지속적인 하중은 단열시스템의 두께 차이를 발생시킨다. LNG의 BOR은 화물창의 내/외부로 전달되는 열유량과 단열벽의 두께로 계산되어 짐에 따라 변경된 단열벽의 두께를 제대로 반영할수록 보다 정확하게 LNG BOR을 계산할 수 있다.

본 실시예는 LNG의 하중으로 인한 단열시스템의 두께 변화를 유한 요소법으로 반영하여 보다 정확한 LNG BOR를 계산할 수 있다.

실제 설계를 반영한 화물창의 3D 모델링을 생성하는 단계(S1100), 화물창을 모델링한 요소들의 물성치를 입력하는 단계(S1200), 및 경계 조건을 설정하는 단계는, 제1 실시예의 S10 내지 S30 단계와 동일하게 이루어질 수 있다.

다음으로 화물창 내 위치별 작용 하중에 따른 단열부재(i)의 변형량을 계산하는 단계(S1400)는 유한 요소법을 이용하여 수행될 수 있다. 이때 이용되는 유한 요소법 역시 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 등록특허공보 제10-1541311호의 내용이 적용될 수 있다.

또한, 본 실시예에서 화물창 내 위치별 작용 하중에 따른 단열부재(i)의 변형량을 계산하는 단계(S1400)는, 화물창 내 저장되는 LNG의 정수압과 상기 LNG가 기화되어 발생하는 BOG에 의한 압력변화를 모두 고려하여 수행될 수 있다.

이어서 유한 요소법에 의해 계산된 단열부재(i)의 변형량이 특정값으로 수렴하는지 판단하고(S1500), 수렴된 값에 의해 단열벽의 두께 변화에 따른 온도 분포 및 열유입량을 도출할 수 있으며(S1600), 이로부터 화물창의 LNG BOR을 도출할 수 있다(S1700).

이때 유한 요소법을 사용한 해석 프로그램을 통해 단열부재(i)의 변형량을 모니터링할 수 있으며, 반복 계산을 통해 변령향 변화 차이가 평형 상태에 이르는 경우를 수렴한 값, 즉 최종 변형량으로 판단한다.

도 10의 (a)에는 화물창 내에서 LNG에 의한 작용 하중, (b)에는 화물창 내에서 천연가스에 의한 작용 하중이 각각 표시되어 있다.

본 실시예에서 고려되는 단열시스템의 두께 변화는, LNG를 1차적으로 단열시키는 1차 단열벽의 두께 변화는 물론, LNG를 2차적으로 단열시키는 2차 단열벽의 두께 변화도 함께 고려될 수 있다.

또한, 본 실시예에서 1차 단열벽과 2차 단열벽은, 전술한 바와 같이 플라이우드 박스 내부에 배치되거나 또는 플라이우드 합판으로 상면 및/또는 하면이 마감되는 복수의 단열부재(i)를 포함한다. 1차 및 2차 단열벽이 폴리우레탄 폼으로 이루어지는 단열부재(i)의 상면 및/또는 하면에 플라이우드를 접착한 패널(panel) 형태로 마련되는 경우, 단열 시스템의 두께 변형이 더욱 쉽게 일어날 수 있다.

한편, 본 발명에 개시된 제1 내지 제3 실시예에 따른 화물창 내 LNG BOR 계산 방법은 2 이상의 방법이 복합적으로 고려될 수도 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100 : 화물창
110 : 1차 멤브레인 120 : 2차 멤브레인
130 : 1차 단열벽 140 : 2차 단열벽
i : 단열부재

Claims (8)

1. 유한 요소법을 이용하여 화물창 내에 마련되는 단열부재의 열수축 변형량을 계산하는 제1 단계; 및
   CFD 해석을 이용하여 상기 화물창의 LNG BOR을 계산하는 제2 단계를 포함하고,
   상기 제2 단계는,
   상기 제1 단계에서 계산된 단열부재의 수축 변형량이 반영된 화물창의 3D 모델링을 생성하는 단계;
   상기 화물창을 모델링한 요소들의 온도 별 물성치를 입력하는 단계;
   CFD 해석을 통해 상기 요소들의 온도를 계산하는 단계; 및
   계산된 상기 요소들의 온도를 이용하여 상기 화물창의 열유입량과 상기 화물창 및 상기 화물창 주변부의 온도 분포를 계산하는 단계; 및
   상기 화물창의 LNG BOR을 계산하는 단계를 포함하고,
   상기 화물창의 열유입량 계산시, 상기 단열부재의 변형량에 의해 확장된 공간을 통해 발생되는 대류 열전달이 반영되는 것을 특징으로 하는,
   화물창 내 LNG BOR 계산 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 단계는,
   실제 설계를 반영한 화물창의 3D 모델링을 생성하는 단계;
   상기 화물창을 모델링한 요소들의 온도 별 물성치를 입력하는 단계;
   CFD 해석을 통해 상기 요소들의 온도를 계산하는 단계; 및
   계산된 상기 요소들의 온도를 이용하여 상기 단열부재의 열수축 변형량을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   화물창 내 LNG BOR 계산 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 단열부재는, 상기 화물창의 단열벽을 구성하는 폴리우레탄 폼을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   화물창 내 LNG BOR 계산 방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 단열부재는, LNG를 1차적으로 단열시키는 1차 단열벽 및 LNG를 2차적으로 단열시키는 2차 단열벽 중 적어도 하나에 마련되는 것을 특징으로 하는,
   화물창 내 LNG BOR 계산 방법.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 CFD 해석은, 열전달 지배 방정식과 수치 해석적 근사 및 이산화를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는,
   화물창 내 LNG BOR 계산 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 열전달 지배 방정식은, 질량 및 운동량 보존의 법칙과 난류 모델 결정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
   화물창 내 LNG BOR 계산 방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 난류 모델 결정은, 유체의 난류효과를 고려하는 점성 모델로 Realizable k-εmodel 또는 k-ω model을 사용하고, 벽면에서의 난류효과를 고려해주는 벽함수로 Enhanced wall treatment를 사용하는 것을 특징으로 하는,
   화물창 내 LNG BOR 계산 방법.
8. 폴리우레탄 폼으로 이루어지는 단열부재를 포함하는 화물창 내 LNG BOR을 계산하는 방법에 있어서,
   유한 요소법을 이용하여 화물창 내에 마련되는 단열부재의 열수축 변형량을 계산한 후, 상기 단열부재의 열수축 변형량이 반영된 화물창의 3D 모델링을 생성하고, CFD 해석을 통해 상기 화물창의 열유입량과 상기 화물창 및 상기 화물창 주변부의 온도 분포를 계산함으로써, 상기 화물창의 LNG BOR을 도출하는 것을 특징으로 하는,
   화물창 내 LNG BOR 계산 방법.

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