KR20230132945A - 액화수소 저장탱크 zbo 시스템 - Google Patents
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Abstract
적외선 센서를 이용한 탱크 외면의 heat flux 측정을 통해 지연 시간을 유추함으로써 냉동기를 신속하게 작동시켜 온도와 압력을 제어하는 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템에 관한 것으로서, 저장탱크(101)의 일면에 부착되도록 구성된 센서 패드(102), 센서 패드(102)로부터 방출된 적외선 에너지를 이용하여 히트 플럭스(heat flux) 값을 연산하도록 구성된 연산부(104), 냉동기(107)의 작동을 제어하도록 구성된 제어부(106)를 포함하는 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템을 제공한다.
Description
본 명세서에 개시된 기술은 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 저장탱크 일면의 heat flux 측정을 통해 지연 시간을 예측함으로써 냉동기를 신속하게 작동시켜 온도와 압력을 제어하는 시스템에 관한 것이다.
저장탱크의 저장 성능을 높이기 위해서는, 저장탱크의 단열 성능이 매우 중요하다. 외부로부터의 열 침입을 적절하게 차단하지 못하면 저장탱크 내부에 Boil-off Gas가 발생하여 저장탱크 내부의 압력을 상승시키게 되고, 따라서 저장탱크의 압력을 적절히 유지하기 위해서는 Boil-off Gas(BOG)를 방출해주어야 한다. 이에 따라, 종래에는 저장탱크 내부에 저장된 물질의 손실이 발생하게 되는 문제점이 있다. 이에, 저장탱크의 성능을 효율적으로 높이기 위해 유량을 효과적으로 제어하는 기술이 요구되고 있다.
기존의 액화수소 저장탱크 Zero Boil-off(ZBO) 시스템은, 탱크 내에서 유입된 열에 의해 발생한 가스(boil off gas)에 의한 탱크 내부 압력을 측정함으로써 냉동기를 on/off 하도록 작동시키거나, 상시 작동시키는 것을 통하여 내부 온도와 압력을 제어하였다. 따라서, 유입된 열로써 발생된 BOG에 의한 압력 상승을 냉동기 제어 변수로 이용하는 기존의 ZBO 시스템의 경우, 액화수소 저장탱크의 부피가 상당함에 따라, 외부에서 유입되는 열이 단열벽을 통과하는 기간의 시간 지연 또는 액체가 증발되기 전 잠열에 의한 온도 상승 기간의 시간 지연, 즉, 팽창된 액화수소 저장탱크의 온도와 압력을 제어하기까지 시간 지연이 발생한다는 단점이 있었다.
이에, 이러한 기존의 액화수소 저장탱크 내부를 냉각하는 기술의 문제점을 해결하기 위하여, heat flux가 저장탱크의 단열재를 통과하여 액화수소로 침투하는 시간과 양을 예측함으로써 신속하게 열량을 제어할 수 있는 기술의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템이 이루고자 하는 기술적 과제는 액화수소 저장탱크의 특정 영역에 부착된 센서 패드, 적외선 측정 장치 및 수신한 데이터를 이용해 저장탱크의 외면의 heat flux의 값을 연산하는 연산부를 이용하여, 액화수소 저장탱크의 냉각 개시 속도를 신속하게 제어할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템이 이루고자 하는 기술적 과제는 액화수소 저장탱크의 특정 영역에 부착된 센서 패드, 적외선 측정 장치 및 수신한 데이터를 이용해 저장탱크의 외면의 heat flux의 값을 연산하는 연산부를 이용하여, 액화수소 저장탱크의 hear flux 값을 제로로 유지할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
본 명세서에 개시된 기술의 기술적 사상에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템은, 저장탱크(101)의 일면에 부착되도록 구성된 센서 패드(102), 센서 패드(102)로부터 방출된 적외선 에너지를 이용하여 히트 플럭스(heat flux) 값을 연산하도록 구성된 연산부(104), 히트 플럭스 값으로부터 예측된 지연시간을 고려하여 저장탱크(101)에 유입된 열에너지를 상쇄시키도록 구성된 제어부(106)를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 제어부(106)의 작동 제어는 열에너지가 저장탱크(101)의 단열재 통과 시간 및 잠열에 의한 온도 상승 시간 중 적어도 하나 이상의 지연시간을 기초로 할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 제어부(106)의 작동 제어는 냉동기(107)의 전원 제어를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 제어부(106)의 작동 제어는 냉동기(107)의 냉매유량 제어를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 냉매 냉동 시스템(110)을 더 포함하고, 냉매 냉동 시스템(110)은, 팽창 터빈(113), 열교환기(111), 팽창 터빈(113)에서 발전된 에너지를 전력으로 이용하도록 구성된 압축기(112), 및 팽창기(114) 중 적어도 하나 이상을 제어하도록 구성할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 센서 패드(102)의 매질은 95% 이상의 적외선 투과도를 가지고, 20W/mK 이하의 열 전도도를 가질 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 센서 패드(102)의 제 1 면의 전체가 적외선 비투과 코팅되고, 센서 패드(102)의 제 2 면은 일부가 적외선 비투과 코팅될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 적외선 비투과 코팅은 5% 이하의 적외선 투과도를 가질 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 센서 패드(102)의 매질의 온도를 특정 값으로 가정하고, 적외선 에너지 양 및 가정한 매질의 온도를 이용하여 센서 패드(102)의 제 1 면의 온도를 계산하고, 계산된 제 1 면의 온도를 이용하여 계산된 매질의 온도가 가정한 매질의 온도와 같을 때까지 가정 및 계산 동작들을 반복하여 최종 제 1 면의 온도를 결정하고, 최종 제 1 면의 온도로부터 저장탱크 외부에서의 히트 플럭스 값을 연산하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 저장탱크(101) 일면에 부착된 센서 패드(102)로부터 방출된 적외선 에너지 양을 측정하는 단계, 측정된 적외선 에너지 양을 이용하여 저장탱크(101) 외면의 히트 플럭스(heat flux) 값을 연산하는 단계 및 히트 플럭스 값으로부터 예측된 지연시간을 고려하여 제어부(106)의 작동을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 제어부(106)의 작동 제어는 냉동기(107)의 전원 제어 및 냉동기(107)의 냉매유량 제어 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 제어부(106)의 작동 제어는 열에너지의 저장탱크(101)의 단열재를 통과 시간 및 잠열에 의한 온도 상승 시간 중 적어도 하나 이상의 지연시간을 기초로 할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 수행하도록 구성된 컴퓨터 판독가능 명령어를 포함하는 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램일 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템은 아래와 같은 효과를 가진다.
본 발명은 액화수소 저장탱크에서 히트 플럭스(heat flux)를 제어 변수로 이용함으로써 저장탱크의 단열벽을 지나 탱크 내부로 열이 유입되는 시간과 양을 예측하여 신속하게 저장탱크의 온도와 압력을 제어할 수 있는 효과를 가진다.
더불어, 본 발명은 액화수소 저장탱크뿐 아니라 다른 대상의 내부 압력을 조절하는 경우에도 간편하게 활용이 가능하다.
또한, 본 발명은, 적외선 측정 장치를 이용하여 외부로부터 액화수소 저장탱크의 외면의 히트 플럭스를 계산하는 방법을 제공할 수 있다.
다만, 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 종래 기술에 따른 BOG가 발생된 액화수소 저장탱크 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
도 2은 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템에서 시간 지연을 제어하기 위한 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템을 구현하는 시스템을 나타낸 것이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크를 간략하게 나타낸 것이다.
도 6는 본 명세서에 개시된 센서 패드의 상세 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 본 명세서에 개시된 heat flux를 분석하기 위한 센서 패드의 에너지 분포를 도시한 것이다.
도 8은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템 heat flux 분석방법의 각 단계를 순서대로 나타낸 것이다.
도 9은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 냉동기의 전원 제어 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
도 10는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 냉동기의 전원 제어 시스템의 순서도를 나타낸 것이다.
도 11는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 냉매 유량제어 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
도 12은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 냉매 유량제어 시스템의 순서도를 나타낸 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 BOG가 발생된 액화수소 저장탱크 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
도 2은 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템에서 시간 지연을 제어하기 위한 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템을 구현하는 시스템을 나타낸 것이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크를 간략하게 나타낸 것이다.
도 6는 본 명세서에 개시된 센서 패드의 상세 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 본 명세서에 개시된 heat flux를 분석하기 위한 센서 패드의 에너지 분포를 도시한 것이다.
도 8은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템 heat flux 분석방법의 각 단계를 순서대로 나타낸 것이다.
도 9은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 냉동기의 전원 제어 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
도 10는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 냉동기의 전원 제어 시스템의 순서도를 나타낸 것이다.
도 11는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 냉매 유량제어 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
도 12은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 냉매 유량제어 시스템의 순서도를 나타낸 것이다.
본 명세서에 개시된 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 명세서에 개시된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 명세서에 개시된 기술은 본 명세서에 개시된 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "결합된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결 또는 결합될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결 또는 결합될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 '~부'로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
다양한 실시예에서 사용된 "제 1", "제 2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 명세서에 개시된 기술의 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
이하, 상기 과제 해결하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들을 차례로 상세히 설명한다.
먼저, 도 1은 종래 기술에 따른 BOG가 발생된 액화수소 저장탱크 시스템을 나타낸 것이다.
저장탱크의 저장 성능을 높이기 위해서는 저장탱크의 단열성능이 매우 중요하게 작용한다. 만약, 저장탱크의 외부로부터 열침입을 적절하게 차단하지 못하면 도 1에 도시된 바와 같이 저장탱크 내부에 Boil-off gas(BOG)가 생기게 되고, 이러한 BOG는 저장탱크 내부의 압력을 상승시키게 되어 결국 저장탱크의 압력을 적절하게 유지시키기 위해 Boil-off gas를 외부로 방출하게 되는데, 이에 따라 저장탱크에 의한 에너지 손실이 발생하게 된다.
도 2은 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
이 후, 상기 전통적인 방식의 저장탱크의 문제를 해결하기 위하여 Zero boil-off(ZBO) 시스템이 사용되며, 해당 시스템은 BOG가 발생한 저장탱크 내부의 압력을 측정함으로써 임계 압력에 도달하는 경우 냉동기의 전원을 on/off 하거나, 냉동기를 상시 작동시키는 방식으로 작용한다. 해당 시스템은 냉각된 냉매 (He)가 순환하는 열교환기가 저장탱크의 내부에 설치되어, 냉동기의 전원을 작동시키는 경우, 저장탱크의 외부로부터 유입된 열에너지를 상쇄시킴으로써 외부로 방출될 Boil-off gas를 제거할 수 있다.
도 3은 본 명세서에 개시된 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템(100)에서 시간 지연을 제어하기 위한 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
종래 기술에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템의 경우에도, 유입된 열에 의해 발생된 boil off-gas에 의한 압력 상승을 냉동기 작동의 제어 변수로 사용하는 경우, 외부에서 유입되는 열이 저장탱크의 단열재를 통과하여 내벽에 도달하는 동안의 시간 지연이 발생하거나 액체가 증발되기 전 잠열에 의한 온도 상승 동안의 시간 지연이 발생하게 된다는 문제점이 있었다. 이로 인하여, 임계 압력에서 냉동기 작동 시기부터 저장탱크의 내부 압력과 온도를 낮추기까지의 냉동기 작동 종기까지 실질적으로 약 4 일 이상의 기간이 소요되었다. 이에 본 발명에 의한 액화수소 저장탱크의 ZBO 시스템은 단열재를 통과하는 열의 지연시간을 고려하여, 탱크 외면의 heat flux에 따른 단열재의 과도해석을 통해, 탱크 내부로 열이 유입되는 시간을 예측함으로써 외부로부터 유립된 열량만큼 탱크 내벽을 통해 유입된 열량을 상쇄하고자 한다.
도 4는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템을 구현하는 시스템을 나타낸 것이다.
본 발명에 의한 액화수소 저장탱크의 ZBO 시스템은, 크게 센서 패드(102), 연산부(104) 및 제어부(106)로 구성될 수 있다.
저장탱크(101)는 내부에 유체를 저장하도록 구성되며, 센서 패드(102)는 저장탱크(101)의 외면에 부착되어 적외선 에너지를 방출하도록 구성될 수 있으며, 에너지 측정 장치(103)는 적외선 측정 장치(103)로서, 센서 패드(102)로부터 방출되는 적외선 에너지 양을 측정하도록 구성될 수 있으며, 연산부(104)는 측정된 적외선 에너지 양을 이용하여 저장탱크(101) 외면의 히트 플럭스 (heat flux) 값을 연산하도록 구성될 수 있으며, 냉동기(107)는 저장탱크(101)에 유입된 열에너지를 상쇄시키도록 구성될 수 있고, 제어부(106)는 히트 플럭스 값으로부터 예측된 지연시간을 고려하여 상기 연산값을 기초로 냉동기(107)의 작동을 제어하도록 구성될 수 있다.
냉동기(107)의 작동 제어는 열에너지가 저장탱크(101)의 단열재 통과 시간 및 잠열에 의한 온도 상승 시간 중 적어도 하나 이상의 예측 값을 기초로 할 수 있다.
탱크 외벽을 통과하는 열이 단열재를 통과하여 내벽으로 도달하기까지 시간 지연을 고려하여, 외부로부터 유입된 열량만큼 탱크 내벽을 통해 유입된 열량을 상쇄할 수 있다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 ZB0 시스템(100)은, 아래 수학식 1를 따를 수 있다.
(
: 저장유체의 잠열; 저장유체가 끓기 위해 필요한 열량, 
: 냉동 열량; 냉매와의 열교환 열량)
위 식에 비추어 볼 때, 지연시간(t)은 열이 단열재를 통과하는 시간(
)에서 냉각수단, 예를 들어, 열교환 튜브 등으로 공급된 냉매의 원사이클 순환 시간으로 계산할 수 있다. 즉, 
이다.
한편, 탱크 외벽을 통과하는 열유속(heat flux)를 측정하지 않는 종래의 기술에서는 저장된 유체의 끓음(boiling) 및 대류에 의한 열전달을 고려한 3차원의 복잡한 수치 해석을 수행하여, 기화하는 유체의 BOG (Boil off Gas) 및 BOR (Boil off rate)을 산출하였으며, 이러한 계산에 약 30일에서 60일 갸량의 시간이 소요되었다.
다만, 본 발명에 따른 ZBO 시스템(100)의 경우, 하기 푸리에 수를 이용한 수학식 2에 따라 계산하여, 단열재의 열전도 문제를 수치적으로 계산하여 산출할 수 있으며, 이 때, 상용 중인 저장탱크의 경우, 단열재 및 저장탱크의 특성에 따라 기 계산된 데이터를 이용할 수 있으므로 추가적인 계산이 필요하지 않을 수 있다.
(
: 푸리에 수, 
: 열확산계수, 
: 단열재 두께)
도 5는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크를 간략하게 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 센서 패드(102)는 액화수소 저장탱크(101)의 특정 면에 부착될 수 있음을 나타내고, 센서 패드(102)가 탱크(101)의 특정 면에 부착됨에 따라 탱크(101)의 전체 평균적인 열유속을 측정하는 것이 아니라, 특정 면의 열유속을 측정할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다. 여기서, 적외선 측정 장치(103)는 센서 패드(102)로부터 발생하는 적외선 에너지를 측정하고, 상기 적외선 측정 장치(103)는 적외선 카메라일 수 있다. 상기 적외선 측정 장치(103)로부터 수신된 적외선 에너지 값을 이용하여, 연산부(104)는 열유속을 연산할 수 있다.
도 6는 본 명세서에 개시된 센서 패드(102)의 구조를 간략하게 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이 센서 패드(102)는 매질(201) 및 적외선 비투과 코팅(202)을 포함한다. 일 실시예로서의 센서 패드(102)는, 하나의 면(제 1 면)의 전체가 적외선 비투과 코팅(black coating)(202)되며, 다른 한 면(제 2 면)은 부분적으로 적외선 비투과 코팅(202)될 수 있다. 센서 패드(102)의 내부에는, 매질(substrate)(201)이 포함될 수 있다. 일 실시예로서의 상기 매질(201)은, 적외선 투과도가 0.95 (95%) 이상이며, 열 전도도는 20W/mK 이하일 수 있다. 또한, 적외선 비투과 코팅(202)은 0.05 (5%) 이하의 적외선 투과도를 가질 수 있다. 상기 매질(201)의 적외선 투과도, 열 전도도 및 적외선 비투과 코팅(202)의 적외선 투과도 수치 범위들은 하나의 실시예로서, 단열 성능 평가 방법의 효율을 극대화하기 위하여 설정되었으며, 상기 설정한 수치 외의 범위에서도 단열 성능 평가 방법은 구현될 수 있고, 따라서 상기 설정한 수치의 범위로 제한되는 것이 아니다. 더불어, 상기 매질(201) 및 적외선 비투과 코팅(202) 물질은 특정한 하나의 물질로 제한되지 않으며, 상기 조건들을 만족하는 어떠한 물질들 중 하나일 수 있다.
도 7은 본 명세서에 개시된 heat flux를 분석하기 위한 센서 패드(102)의 에너지 분포를 도시한 것이며, 도 8은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템(100) heat flux 분석방법의 각 단계를 순서대로 나타낸 것이다.
이하에서는, 도 7 및 8을 참고하여 본 명세서에 개시된 액화수소 저장탱크 시스템(100)의 heat flux 분석방법을 구체적으로 설명한다.
도 7을 참고하면, 매질(201)의 온도는 T(x, t)로, 센서 패드(102)의 면 중 부분적으로 적외선 비투과 코팅된 면의 온도는 T0(t)로 나타낼 수 있다. Ec(t)는 센서 패드(102)로부터 방출된 적외선 에너지 양을 나타낸다.
적외선 측정 장치(103)는, 센서 패드(102)로부터 방출된 적외선 에너지 양인 Ec(t)값을 측정할 수 있다. 적외선 측정 장치(103)에서 측정된 데이터는, 연산부(104)로 송신되고, 연산부(104)는 아래와 같은 세부적인 단계를 수행함에 따라 액화수소 저장탱크로 유입되는 열유속을 계산할 수 있다.
도 8의 단계 S401에서, 첫번째로 매질(201)의 온도(T(x, ti))를 특정 값으로 가정한다. 본 발명의 단열 성능 평가 방법에서 측정하고자 하는 열유속은 도 3의, 전체 부분이 적외선 비투과 코팅된 면(제 1 면)의 열유속이지만, 적외선 측정 장치(103)가 측정하는 데이터는 제 1 면에서 방출된 적외선만을 나타내는 것이 아니다. 적외선 측정 장치(103)에서 측정되는 데이터는, 제 1 면에서 방출한 적외선이 매질을 통과한 부분과, 매질에서 방출하는 적외선 에너지를 모두 포함한 값을 나타낸다. 따라서, 적외선 측정 장치(103)에서 측정되는 데이터는 아래 수학식 3과 같은 복사 에너지 관계식으로 나타낼 수 있다.
다음으로, 단계 S402에서, 단계 S401에서 가정하였던 매질의 온도(T(x, ti))를 상기 수학식 3에 대입하여 제 1 면의 온도인 Tb(ti)를 계산할 수 있다.
다음 단계 S403에서는, 상기 제 1 면의 온도(Tb(ti))를 경계 조건(boundary condition, B.C.)으로 하여, 하기 수학식 4를 연산할 수 있으며, 하기 수학식 4는 매질(201) 내부에서의 열전도와 관련한 지배방정식을 수치해석적으로 풀기 위한 것이다.
위 수학식 4를 경계 조건(B.C.)에 따라 연산한 결과, 매질(201)의 온도 분포를 얻을 수 있다.
단계 S404에서는, 단계 S403에서 얻은 매질(201)의 온도가 S401에서 가정한 매질(201)의 온도와 동일한지 판단하는 동작을 수행한다. 이 때, 양 데이터가 동일한 경우, 다음 단계 S405를 수행하나, 양 데이터가 동일하지 않은 경우, 다시 단계 S402로 되돌아가, 매질(201)의 온도 값을 새롭게 가정하여 동일한 세부 단계를 반복적으로 수행한다.
단계 S405에서, 연산부(104)는 최종적으로 상기 단계 S404에서 동일한 값으로 판단된 값을 매질(201)의 온도로 결정하고, 아래 수학식 5에 따라 열유속(heat flux)을 연산할 수 있다.
상기 각 단계로부터 산출한 열유속 값을 이용하여, 액화수소 저장탱크의 냉각 개시 속도를 신속하게 제어할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다.
도 9은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 냉동기의 전원 제어 시스템을 간략하게 나타낸 것이며, 도 10은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 냉동기 전원 제어 시스템의 순서도를 나타낸 것이다.
냉동기(107)의 작동 제어는 냉동기(107)의 전원 제어를 포함할 수 있다.
먼저, 탱크 외측면에서의 센서 패드(102)로부터 얻은 heat flux 값과 열 에너지 유입시기로부터 외부로부터 유입된 열량이 0 또는 저장유체의 잠열에 해당하는지 판단하는 동작을 수행한다. 이 때, 유입된 열량이 0 또는 저장유체의 잠열보다 작다면 다시 돌아가 판단 과정을 반복적으로 수행할 수 있다.
다만, 저장탱크(101)의 초기 열량에 비추어 상승한 경우, 에너지 유입시기에 예측된 지연시간을 더한 시간과 현재 시기를 비교하는 판단하는 동작을 수행하며, 크거나 같다면 냉동기(107)의 전원을 작동시킨다. 이 때, 예측된 지연 시기보다 현재 시기가 작다면 다시 돌아가 판단 과정을 반복적으로 수행할 수 있다.
냉동기의 전원을 작동시킨 후, 냉동 열량이 외부로 부터 유입된 열량과 비교하는 판단 과정을 수행하여 크거나 같다면 냉동기의 전원을 off시킬 수 있다. 이 때, 냉동 열량이 더 작다면 다시 돌아가 판단 과정을 반복적으로 수행할 수 있다.
도 11는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 냉매 유량제어 시스템을 간략하게 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크 ZBO시스템의 또 다른 실시예로서, 제어부(106)의 작동 제어는 냉동기(107)의 냉매유량 제어를 포함할 수 있는 냉매 냉동 시스템(110)을 더 포함할 수 있다. 이 때, 냉동기(107)는 상시 가동시킬 수 있다.
냉매 냉동 시스템(110)은, 팽창 터빈(113), 열교환기(111), 팽창 터빈(113)에서 발전된 에너지를 전력으로 이용하도록 구성된 압축기(112) 및 팽창기(114) 중 적어도 하나 이상을 제어하도록 구성될 수 있다.
냉매 (He)의 유량을 제어함으로써, 팽창 터빈(113)에서 발전된 에너지를 압축기(112)의 전력으로 이용하여 냉동기의 효율을 증가시킬 수 있다.
이러한 냉매 유량제어 시스템을 포함하는 냉매 냉동 시스템(110)은 저장탱크(101) 내벽에서의 heat flux를 0 또는 기존의 열량을 유지하도록 제어할 수 있다.
도 12은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 냉매 유량제어 시스템의 순서도를 나타낸 것이다.
순서도에 따르면 측정된 유입 열랑이 설정값보다 큰 경우 팽창 터빈(113)으로 유입되는 질량유량을 감소시켜 저장 탱크로 유입되는 냉매의 유량을 늘리는 과정을 수행하고, 유입 열량이 설정값과 같다면 다시 돌아가 판단 과정을 반복적으로 수행할 수 있다.
또한, 측정된 유입 열량이 설정값보다 작은 경우 팽창 터빈(113)으로 유입되는 질량유량을 증가시켜 저장 탱크로 유입되는 냉매의 유량을 감소시키는 과정을 수행하게 할 수 있다.
즉, 팽창 터빈(113)으로 유입되는 냉매의 질량 유량이 높아지면, 에너지를 생산함으로써 냉매 냉동 시스템(110)의 효율이 상승할 수 있다.
본 발명은 상기 설명한 방법들을 효과적으로 제어하기 위하여, 상기 방법의 실행에 관한 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램을 더 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 프로그램은 데이터 저장 매체에 저장되고, 상기 설명된 방법들을 수행하는 명령어들은 사용자가 입력하는 값 또는 설정된 환경에 따라 컴퓨터의 연산부를 통해 판독된다.
이상에서 설명된 방법 및 이에 대한 제어는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 방법 및 구성요소는, 연산부, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 연산부(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로연산부, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 연산부 또는 하나의 연산부 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 연산부(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소, 물리적 장치, 가상 장치, 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 액화수소 저장탱크 ZBO 시스템
101: 저장탱크
102: 센서 패드
103: 적외선 측정 장치
104: 연산부
105: 지연시간 예측 모듈
106: 제어부
107: 냉동기
110: 냉매 냉동 시스템
111: 열교환기
112: 압축기
113: 팽창 터빈
114: 팽창기
201: 매질
202: 비투과 코팅 물질
101: 저장탱크
102: 센서 패드
103: 적외선 측정 장치
104: 연산부
105: 지연시간 예측 모듈
106: 제어부
107: 냉동기
110: 냉매 냉동 시스템
111: 열교환기
112: 압축기
113: 팽창 터빈
114: 팽창기
201: 매질
202: 비투과 코팅 물질
Claims (13)
- 액화수소 저장탱크의 ZBO 시스템(100)으로서,
저장탱크(101)의 일면에 부착되도록 구성된 센서 패드(102);
센서 패드(102)로부터 방출된 적외선 에너지를 이용하여 히트 플럭스(heat flux) 값을 연산하도록 구성된 연산부(104);
히트 플럭스 값으로부터 예측된 지연시간을 고려하여 저장탱크(101)에 유입된 열에너지를 상쇄시키도록 구성된 제어부(106)를 포함하는,
액화수소 저장탱크 ZBO 시스템. - 제 1 항에 있어서,
제어부(106)의 작동 제어는 열에너지가 저장탱크(101)의 단열재 통과 시간 및 잠열에 의한 온도 상승 시간 중 적어도 하나 이상의 지연시간을 기초로 하는,
액화수소 저장탱크 ZBO 시스템. - 제 1 항에 있어서,
제어부(106)의 작동 제어는 냉동기(107)의 전원 제어를 포함하는,
액화수소 저장탱크 ZBO 시스템. - 제 1 항에 있어서,
제어부(106)의 작동 제어는 냉동기(107)의 냉매유량 제어를 포함하는,
액화수소 저장탱크 ZBO 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
냉매 냉동 시스템(110)을 더 포함하고,
냉매 냉동 시스템(110)은, 팽창 터빈(113); 열교환기(111); 팽창 터빈(113)에서 발전된 에너지를 전력으로 이용하도록 구성된 압축기(112); 및 팽창기(114) 중 적어도 하나 이상을 제어하도록 구성된,
액화수소 저장탱크 ZBO 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
센서 패드(102)의 매질은 95% 이상의 적외선 투과도를 가지고, 20W/mK 이하의 열 전도도를 갖는,
액화수소 저장탱크 ZBO 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
센서 패드(102)의 제 1 면의 전체가 적외선 비투과 코팅되고, 센서 패드(102)의 제 2 면은 일부가 적외선 비투과 코팅되는,
액화수소 저장탱크 ZBO 시스템. - 제 7 항에 있어서,
적외선 비투과 코팅은 5% 이하의 적외선 투과도를 갖는,
액화수소 저장탱크 ZBO 시스템. - 제 7 항에 있어서, 히트 플럭스 값의 연산은:
센서 패드(102)의 매질의 온도를 특정 값으로 가정하고;
적외선 에너지 양 및 가정한 매질의 온도를 이용하여 센서 패드(102)의 제 1 면의 온도를 계산하고;
계산된 제 1 면의 온도를 이용하여 계산된 매질의 온도가 가정한 매질의 온도와 같을 때까지 가정 및 계산 동작들을 반복하여 최종 제 1 면의 온도를 결정하고, 최종 제 1 면의 온도로부터 저장탱크 외부에서의 히트 플럭스 값을 연산하는 것을 포함하는,
액화수소 저장탱크 ZBO 시스템. - 액화수소 저장탱크의 ZBO 방법으로서,
저장탱크(101) 일면에 부착된 센서 패드(102)로부터 방출된 적외선 에너지 양을 측정하는 단계;
측정된 적외선 에너지 양을 이용하여 저장탱크(101) 외면의 히트 플럭스(heat flux) 값을 연산하는 단계; 및
히트 플럭스 값으로부터 예측된 지연시간을 고려하여 제어부(106)의 작동을 제어하는 단계를 포함하는,
액화수소 저장탱크 ZBO 방법. - 제 10 항에 있어서,
제어부(106)의 작동 제어는 냉동기(107)의 전원 제어 및 냉동기(107)의 냉매유량 제어 중 적어도 하나 이상을 포함하는,
액화수소 저장탱크 ZBO 방법. - 제 10 항에 있어서,
제어부(106)의 작동 제어는 열에너지가 저장탱크(101)의 단열재 통과 시간 및 잠열에 의한 온도 상승 시간 중 적어도 하나 이상의 지연시간을 기초로 하는,
액화수소 저장탱크 ZBO 방법. - 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로서, 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하도록 구성된 컴퓨터 판독가능 명령어를 포함하는 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220029829A KR102673181B1 (ko) | 2022-03-10 | 액화수소 저장탱크 zbo 시스템 | |
| PCT/KR2022/011840 WO2023171860A1 (ko) | 2022-03-10 | 2022-08-09 | 액화수소 저장탱크 zbo 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220029829A KR102673181B1 (ko) | 2022-03-10 | 액화수소 저장탱크 zbo 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230132945A true KR20230132945A (ko) | 2023-09-19 |
| KR102673181B1 KR102673181B1 (ko) | 2024-06-10 |
Family
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023171860A1 (ko) | 2023-09-14 |
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