KR20230147308A

KR20230147308A - 단열성능 평가 설비 및 방법

Info

Publication number: KR20230147308A
Application number: KR1020220046146A
Authority: KR
Inventors: 박성우; 지혜련; 이종현; 황윤식; 박성건
Original assignee: 한화오션 주식회사
Priority date: 2022-04-14
Filing date: 2022-04-14
Publication date: 2023-10-23

Abstract

단열성능 평가 설비 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 단열성능 평가 설비는, 액화가스를 저장할 수 있는 내조; 내조의 외부에 일정 거리 이격되게 설치되며 내조와의 사이에 폐공간을 형성하는 외조; 내조와 외조 사이를 지지하는 2 이상의 내부지지체; 폐공간을 진공으로 형성하여 마련되는 진공 단열층; 진공 단열층의 공간 내에 충전되며 진공 단열층의 진공도에 따라 단열성능이 가변되는 가루 형태의 단열재; 내조와 외조 중 적어도 하나의 표면 상에 부착되어 열류를 측정하는 열류센서; 내조로부터 액화가스가 기화되어 발생하는 증발가스를 배출하기 위한 증발가스 배출배관; 및 증발가스 배출배관 상에 설치되어 배출되는 증발가스의 양을 측정하는 유량계를 포함하고, 진공 단열층의 진공도를 조절하여 실제로 단열성능을 측정하고자 하는 평가 대상 설비의 열관류율과 동일한 단열성능을 구현하고, 유량계를 이용하여 내조의 내부 공간에 액화가스가 적재된 후 일정 기간 동안 발생하는 증발가스의 양을 측정함으로써, 내조에 저장되는 액화가스의 증발률(boil-off rate, BOR)을 산출하고 평가 대상 설비의 단열성능을 평가한다.

Description

단열성능 평가 설비 및 방법 {Insulation performance evaluation equipment and method}

본 발명은 단열성능 평가 설비 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공도를 이용하여 평가하고자 하는 평가 대상 설비에 구축되는 특정 단열시스템과 동일한 수준의 열관류율을 유지한 상태에서 시간 변화에 따른 증발가스의 발생량을 측정함으로써, 평가 대상 설비의 단열성능을 간접적으로 실측하고 그 능력을 검증할 수 있는 단열성능 평가 설비 및 방법에 관한 것이다.

에너지원으로 사용 가능한 다양한 물질 중에는 저장 및 운송의 효율성을 높이기 위해 저온의 액체 상태로 변환이 필요한 경우가 있다. 이러한 물질의 대표적인 예로는 액화천연가스(liquefied natural gas)나 수소(hydrogen) 등을 예로 들 수 있다.

액화 상태로 운송되는 에너지원은 비교적 인근의 경우에는 배관을 이용하여 이송될 수 있지만, 통상 수요지가 생산지로부터 먼 거리에 위치하는 경우가 많기 때문에 대부분 선박을 이용한 해상 운송 방식으로 이송되고 있다.

또한, 수요지에 공급이 이루어지더라도 다시 터미널 등 공급기지로부터 실제 수요처까지의 이송이 더 요구되며, 이송 배관 등의 인프라가 구축된 경우에는 해당 인프라를 이용할 수 있겠으나, 인프라가 구축되지 않았거나 구축되기 어려운 장소의 경우에는 별도의 저장설비를 포함한 육상 운송을 필요로 하게 된다.

해상 및 육상 운송을 위해 반드시 필요한 것이 이동수단(carrier)과 저장설비(storage)이다. 해상에서의 대표적인 이동수단은 선박이고, 육상의 경우에는 전용 차량이나 기차 등을 대표적인 이동수단이라 할 수 있겠다. 저장설비를 포함하는 이동수단은 기준에 부합되도록 설계/제작되어야 함은 물론 저온으로 액화된 상태의 에너지원을 일정 기간동안 저장할 것이 요구되므로 안정성도 함께 고려되어야 한다.

또한, 액체 상태의 에너지원을 저온의 액체 상태로 저장 및 운송하기 위한 저장설비는 기술적으로 완전한 단열이 불가능하므로, 액체 상태의 에너지원의 운송 과정에서는 외부로부터의 열침입에 의해 에너지원 일부가 증발(boil-off)되는 현상이 발생한다.

따라서, 액체 상태의 에너지원을 효율적으로 운송하기 위해서는, 적정 수준 내에서 증발가스(boil-off gas)를 보유할 수 있도록 단열설계를 갖춘 저장설비를 구비할 것이 요구되고, 저장설비 내에서 발생하는 증발가스를 적절하게 운용/관리할 수 있는 방안이 모색되어야 한다.

본 발명은 액화천연가스, 액화수소 등과 같은 액화가스를 저장하는 저장설비에 있어 중요한 단열성능을 평가할 수 있는 평가 설비 구성 및 평가 방법을 제안하기 위한 것으로서, 보다 구체적으로는 적용 기술 및 설계자의 설계에 따라 고유의 단열성능치가 달라지는 다양한 단열시스템에 대하여 그 성능을 평가할 수 있는 평가 설비 구성 및 평가 방법을 제공함에 목적이 있다.

특히, 본 발명은 진공도를 이용하여 평가하고자 하는 평가 대상 설비에 구축되는 특정 단열시스템과 동일한 수준의 열관류율을 유지한 상태에서 시간 변화에 따른 증발가스의 발생량을 측정함으로써, 평가 대상 설비의 단열성능을 간접적으로 실측하고 검증할 수 있는 단열성능 평가 설비 및 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스를 저장할 수 있는 내조; 상기 내조의 외부에 일정 거리 이격되게 설치되며 상기 내조와의 사이에 폐공간을 형성하는 외조; 상기 내조와 상기 외조 사이를 지지하는 2 이상의 내부지지체; 상기 폐공간을 진공으로 형성하여 마련되는 진공 단열층; 상기 진공 단열층의 공간 내에 충전되며 상기 진공 단열층의 진공도에 따라 단열성능이 가변되는 가루 형태의 단열재; 상기 내조와 상기 외조 중 적어도 하나의 표면 상에 부착되어 열류를 측정하는 열류센서; 상기 내조로부터 상 액화가스가 기화되어 발생하는 증발가스를 배출하기 위한 증발가스 배출배관; 및 상기 증발가스 배출배관 상에 설치되어 배출되는 상기 증발가스의 양을 측정하는 유량계를 포함하고, 상기 진공 단열층의 진공도를 조절하여 실제로 단열성능을 평가하고자 하는 평가 대상 설비의 열관류율과 동일한 단열성능을 구현하고, 상기 유량계를 이용하여 상기 내조의 내부 공간에 액화가스가 적재된 후 일정 기간 동안 발생하는 증발가스의 양을 측정함으로써, 상기 내조에 저장되는 액화가스의 증발률(boil-off rate, BOR)을 산출하고 상기 평가 대상 설비의 단열성능을 평가하는 것을 특징으로 하는, 단열성능 평가 설비가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 단열성능 평가 설비는, 상기 폐공간의 공기를 빨아들여 진공을 형성하는 진공펌프; 상기 진공펌프와 연결되며 상기 폐공간의 공기를 흡입하는 진공배관; 및 상기 진공 단열층의 진공도를 확인할 수 있도록 상기 진공배관 상에 설치되는 진공도 압력게이지를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 단열성능 평가 설비는, 상기 외조의 외부 표면에 설치되어 상기 외조의 외부 온도 조건을 제어하는 온도제어장치를 더 포함할 수 있다.

상기 진공도의 조절에 의해 구현되는 상기 평가 설비의 열류값이 상기 평가 대상 설비의 열관류율에 부합되는 수준을 형성하고 있는지를 상기 열류센서를 통해 확인할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 단열성능 평가 설비는, 상기 내조와 상기 외조 중 적어도 하나의 표면 상에 부착되는 온도센서를 더 포함할 수 있고, 상기 열류센서에 의해 측정되는 열류 데이터 및 상기 온도센서에 의해 측정되는 온도 데이터를 단열성능 평가의 주요 데이터로 활용할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 단열성능 평가 설비는, 상기 증발가스 배출배관 상에 설치되어 상기 증발가스의 배출을 제어하는 증기압 배출밸브를 더 포함할 수 있고, 상기 증기압 배출밸브는 상기 내조의 내부 압력이 허용 압력을 넘어서는 경우 자동 개방될 수 있다.

한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 액화가스를 저장할 수 있는 내조; 상기 내조의 외부에 일정 거리 이격되게 설치되며 상기 내조와의 사이에 진공 단열층이 형성되는 외조; 상기 진공 단열층에 충전되며 상기 진공 단열층의 진공도에 따라 단열성능이 가변되는 가루 형태의 단열재를 포함하는 평가 설비를 이용한 단열성능 평가 방법에 있어서, 실제로 단열성능을 측정하고자 하는 평가 대상 설비의 열관류율을 산출하는 열관류율 산출 단계; 상기 열관류율 산출 단계에서 산출된 평가 대상 설비의 열관류율에 대한 상기 평가 설비의 목표 등가 열류를 산출하는 목표 등가 열류 산출 단계; 상기 내조의 액화가스를 적재하기 위한 공정을 진행하는 적재 준비 단계; 상기 진공 단열층의 진공도를 상기 목표 등가 열류에 부합되는 값으로 조절하는 진공 조절 단계; 상기 내조에 액화가스를 적재하고 온도를 안정화하는 적재 및 안정화 단계; 상기 내조가 안정화된 시점에서 상기 내조로부터 배출되는 증발가스의 양을 측정하여 초기 측정치로 구하는 초기 측정 단계; 일정 기간으로 설정된 평가 기간 종료시점에서 상기 내조로부터 배출되는 증발가스의 양을 측정하여 최종 측정치로 구하는 최종 측정 단계; 및 상기 초기 측정치와 상기 최종 측정치로부터 상기 액화가스의 증발률(boil-off rate, BOR)을 산출하고 상기 평가 대상 설비의 단열성능을 평가하는 평가 단계를 포함하는, 단열성능 평가 방법이 제공될 수 있다.

상기 진공 단열층의 진공도는 상기 평가 설비가 열평형 상태에 이른 시점에서의 열류가 상기 목표 등가 열류에 부합될 수 있는 값으로 사전 계산되어 설정될 수 있다.

상기 적재 및 안정화 단계 이후 상기 평가 설비의 실제 열류값이 상기 목표 등가 열류 산출 단계에서 산출된 상기 목표 등가 열류와 일치하는지 확인하는 과정이 수행될 수 있다.

상기 평가 설비의 실제 열류값은 상기 내조 및 상기 외조 중 적어도 하나 이상의 위치에 부착되는 열류센서에 의해 계측될 수 있다.

상기 평가 설비의 실제 열류값이 상기 목표 등가 열류와 일치하지 않는 경우 다시 상기 진공 단열층의 진공도를 조절하고 온도 안정화를 기다리는 보정이 수행될 수 있다.

상기 적재 준비 단계는, 상기 내조의 내부 공기를 불활성가스로 치환하는 과정; 및 상기 내조의 내부에 소량의 냉각매질을 분사하여 상기 내조의 온도를 미리 냉각시키는 쿨다운 과정을 포함할 수 있다.

상기 적재 및 안정화 단계에서 상기 외조의 온도는 일정하게 유지될 수 있다.

상기 초기 측정 단계에서는 상기 평가 설비가 열평형 상태에 이른 후 상기 내조의 내부 압력이 허용 압력을 넘어서는 시점부터 일정 시간 동안 증발가스를 배출하면서 증발가스의 배출량을 측정 및 기록하고, 상기 최종 측정 단계에서는 상기 초기 측정 단계가 완료된 이후부터 일정 기간 동이 경과한 후 상기 내조의 내부 압력이 허용 압력을 넘어서는 시점부터 상기 초기 측정 단계에서와 동일하게 설정된 일정 시간 동안 증발가스를 배출하면서 증발가스의 배출량을 측정 및 기록할 수 있다.

상기 평가 단계에서는 상기 최종 측정치에서 상기 초기 측정치를 감산하여 상기 평가 기간 동안 발생한 증발가스량을 계산하고, 상기 증발가스량을 평가 기간으로 나누어 상기 액화가스의 증발률을 계산할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 진공도를 이용하여 평가하고자 하는 저장설비에 구축되는 특정 단열시스템과 동일한 수준의 열관류율을 유지한 상태에서 시간 변화에 따른 증발가스의 발생량을 측정함으로써, 평가 대상 설비의 단열성능을 실측하여 평가하고 검증할 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명은 액화가스가 수용되는 공간 외부에 조성되는 진공 환경의 진공도를 조절하여 평가 설비의 열관류율을 가변시킬 수 있도록 구성됨으로써, 적용 기술이나 설계 방식에 구애받지 않고 다양한 평가 대상 설비에 구축되는 단열시스템과 동일한 수준의 단열성능을 구현하여 그 능력을 평가할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 본 발명은 하나의 장치로 다양한 단열시스템에 대한 단열성능을 평가/검증이 가능하다는 점에서 유용성이 매우 뛰어나다.

더불어, 본 발명은 실제로 평가하고자 하는 평가 대상 설비와 동일한 수준의 열관류율을 유지할 수 있도록 목표 등가 열류값을 정량적 수치로서 산출하고, 산출된 수치를 기반으로 목표 등가 열류에 부합되는 진공도 값을 사전에 확인 및 선정하여 평가에 반영함으로써, 보다 정확하고 신속한 단열성능의 측정 및 평가가 가능한 효과가 있다.

본 발명의 효과들은 상술된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 단열성능 평가 설비를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 단열성능 평가 방법을 나타낸 흐름도이다.

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

본 명세서에 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와는 다소 상이할 수 있으며, 도면에 도시된 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장되거나 축소될 수 있고 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 예컨대, 본 명세서에서 어떤 구성요소를 '포함'한다고 하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결'된다고 하는 것은 직접적인 연결은 물론 간접적인 연결을 포함하는 것이며, 두 구성요소 사이에 다른 구성요소가 존재할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 의미로 해석될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로서 이에 의하여 본 발명이 한정되지는 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 단열성능 평가 설비를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 단열성능 평가 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 단열성능 평가 설비는, 액화가스를 저장할 수 있는 내조(inner tank, 10); 내조(10)의 외부에 일정 거리 이격되게 설치되며 내조(10)와의 사이에 폐공간을 형성하는 외조(outer tank, 20); 내조(10)와 외조(20) 사이를 지지하고 외조(20)와의 사이 공간을 구분할 수 있는 2개 이상의 위치에 구비되는 내부지지체(30); 내조(10)와 외조(20) 사이에서 내부지지체(30)를 제외한 나머지 공간에 구비되는 단열재(40); 및 외조(20)의 외부에서 2개 이상의 위치에 구비되어 전체 설비를 지지하는 외부지지체(50)를 포함하여 구성될 수 있다.

내조(10)는 액화가스가 수용되는 공간을 구획하는 구성이다. 내조(10)는 내부에 적재되는 액화가스와 직접 접하게 되므로, 극저온의 액화가스를 안전하게 저장할 수 있도록 스테인리스강(stainless steel)이나 인바강(invar steel) 등과 같이 저온취성이 강한 금속 소재로 구성될 수 있다.

내조(10)는 가압탱크로 구비될 수 있다. 이는 상압탱크(atmospheric tank)나 가압탱크(pressurized tank)의 구분 없이 모두 본 발명의 평가 대상 설비에 포함될 수 있도록 하기 위함이다. 예컨대, 내조(10)는 허용 압력이 10 barg 이내로 설계될 수 있다.

외조(20)는 내조(10)의 외부 환경을 진공으로 조성할 수 있도록 내조(10)와의 사이에 제한된 공간, 즉 폐공간을 구획하기 위한 구성이다.

내부지지체(30)는 내조(10)와 외조(20) 사이를 지지하고 공간을 확보하는 역할을 하며 해당 공간의 구획이 일정하게 유지될 수 있도록 설비 내부에 적어도 2개 이상의 위치에 구비될 수 있다. 내부지지체(30)는 내조(10)와 외조(20) 사이의 열전달에 의한 손실을 최소화할 수 있도록 극저온에서 사용 가능한 플라스틱 소재, 예컨대 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene), PCTFE(PolyChloroTriFluoroEthylene), UHMWPE(Ultra-High-Molecular-Weight PolyEthylene) 등으로 구성될 수 있다.

내조(10)와 외조(20) 사이의 공간은 진공을 형성하여 줄 수 있다. 해당 공간은 내조(10)의 내부에 저장되는 액화가스를 단열시키는 진공 단열층으로서 기능한다.

내조(10)와 외조(20) 사이의 공간에는 진공 환경의 진공도에 따라 단열성능이 변하는 가루 형태(분말, 과립, 파우더, 비드 등)의 단열재(40)가 충전될 수 있다. 또한, 단열성능 측정 범위에 따라 내조(10)의 외부 표면에 설치되는 다층박막단열재(MLI;Multi-Layer Insulation, 41)가 조합되는 형태로 단열층이 구성될 수 있다.

가루 형태의 단열재(40)로는 중공미소유리구(hollow glass microspheres), 펄라이트(pelite), 에어로겔(aerogel) 등이 이용될 수 있다.

가루 형태의 단열재(40)는 상압 상태에서의 열전도도가 0.0XX W/mK 수준이나 진공 환경 하에서는 0.00X W/mK로 낮아진다. 본 발명은 이렇게 진공도에 따라 단열성능이 가변되는 가루 형태의 단열재(40)의 특성을 이용하여 평가 설비의 단열성능을 조절 가능하게끔 구현하고자 한다. 예컨대, 열전도도가 0.03 W/mK 수준의 단열시스템을 갖춘 평가 대상 설비와 열전도도가 0.05 W/mK 수준의 단열시스템을 갖춘 평가 대상 설비가 있다고 할 때, 본 발명에 따른 평가 설비는 내조(10)와 외조(20) 사이에 형성되는 진공 단열층의 진공압을 조절하여 평가 설비의 열류값을 등가 열전도도인 0.03 W/mK 혹은 0.05 W/mK이 되도록 제어함으로써 각 평가 대상 설비와 동일한 수준의 단열성능을 구현할 수 있으며, 이를 통해 서로 다른 열전도도를 가지는 두 평가 대상 설비의 단열성능 평가를 모두 수행할 수 있게 되는 것이다.

또한, 필요에 따라 다층박막단열재(41)를 조합하여 더 낮은 열전도도(더 높은 단열성능)를 가지는 단열시스템에 대한 단열성능 평가가 가능하도록, 즉 단열성능의 평가 영역을 크게 가져갈 수도 있다.

다층박막단열재(41)는 내조(10)의 외측 표면을 둘러싸도록 설치된다. 다층박막단열재(41)는 설계치에 따라 내조(10)의 외측 표면을 수십에서 수백겹으로 감도록 설치될 수 있다.

내조(10)와 외조(20) 사이 공간에 대한 진공 형성 작업은 설비 외부에 설치되는 진공펌프(64)를 가동하여 내조(10)와 외조(20) 사이 공간의 공기를 빨아들임으로써 수행될 수 있다. 보다 구체적으로는, 내조(10)와 외조(20) 사이의 공간에 상술한 가루 형태의 단열재(40)를 채운 후, 해당 공간에 대한 진공 형성 작업을 수행하여 진공 단열층을 형성할 수 있다.

진공펌프(64)와 연결되어 공기를 흡입하는 진공배관(65)은 외조(20)를 관통하여 내조(10)와 외조(20) 사이의 공간과 연통된다. 진공배관(65) 상에는 진공 형성시 진공도를 확인할 수 있도록 진공도 압력게이지(66)가 설치될 수 있다.

외부지지체(50)는 외조(20)에 의해 둘러싸여지는 본 발명에 따른 평가 설비 전체를 지지하는 구조물로서, 외조(20)의 외부에 적어도 2개 이상의 위치에 구비될 수 있다. 외부지지체(50)는 외조(20)와 해당 설비가 설치되는 구조물 간의 열전달에 의한 손실을 최소화할 수 있도록 PTFE, PCTFE, UHMWPE 등과 같이 극저온에서 사용 가능한 플라스틱 소재 또는 목재(wood)를 사용하여 구성될 수 있다.

계속 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 단열성능 평가 설비는, 외조(20)의 외부 표면에 설치되어 외조(20)의 외부 온도 조건을 제어하는 온도제어장치(61); 내조(10)와 외조(20) 중 적어도 하나의 표면 상에 부착되는 열류센서(62) 및 온도센서(63); 내조(10)와 외조(20) 사이 공간의 진공을 형성하고 진공도를 조절하기 위하여 설비 외부에 배치되는 진공펌프(64); 진공펌프(64)와 연결되는 진공배관(65); 내조(10)와 외조(20) 사이 공간의 진공도를 확인하기 위한 진공도 압력게이지(66); 내조(10)의 액화가스를 선적/하역하기 위한 로딩/언로딩 배관(67); 액화가스를 적재하기 전에 미리 내조(10)를 냉각시키기 위한 냉각매질 분사배관(68); 내조(10)의 내부에서 발생하는 증발가스를 배출하기 위한 증발가스 배출배관(69); 그리고 증발가스 배출배관(69) 상에 설치되어 내조(10)의 압력을 확인하기 위한 증기압 압력게이지(70), 증발가스의 배출을 제어하는 증기압 배출밸브(71), 배출되는 증발가스의 양을 측정하는 유량계(72)를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 단열성능 평가 설비는, 내조(10)의 상태를 확인하기 위한 센서(예컨대, 온도, 압력, 액화가스 수위 확인용 센서 등)를 구비하는 각종 배관(미도시); 및 해당 배관이 내조(10)의 내부로 투입될 수 있도록 하는 배관 인입부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

온도제어장치(61)는 온도 제어가 가능하도록 열선 등을 포함하는 패드 형태로 마련될 수 있으며, 외조(20)의 외부에 부착되어 평가가 진행되는 동안 일정한 온도를 유지하게 할 수 있다. 또한, 외조(20)의 표면에 별도의 온도제어장치(61)를 부착하는 대신 본 평가 설비를 항온 환경 설비 내에 위치시키는 방법도 가능할 것이다. 이는 본 발명에 따른 평가 설비가 일반적인 외기 환경에 놓일 경우 평가 시점에 따라 혹은 일교차에 따라 외기 환경이 일정하게 유지되기 어렵고, 이는 곧 평가 결과에 영향을 미치기 때문이다.

열류센서(62)는 내조(10)와 외조(20) 중 적어도 하나의 표면 상에 부착되어 평가 설비의 내/외부 간에 이동한 열에너지의 열류(heat flow)를 측정한다. 이때, 열류센서(62)는 내조(10)의 외부 표면 혹은 외조(20)의 내/외부 표면 중 어느 하나의 위치에 부착될 수 있으며, 통상 얇은 금속판 형태로 구성되는 열류센서(62)의 부착 및 설치 특성을 고려하였을 때 외부 표면 상에 부착되는 것이 효과적이다.

본 발명에 따른 평가 설비가 열평형 상태가 되면 내측이나 외측 모두 동일한 열류로 수렴하게 되므로, 열류센서(62)는 내조(10)나 외조(20) 중 어느 하나 이상의 위치에만 설치되면 된다. 다만, 열평형 상태에 이르는 동안의 과도(transient) 응답을 확인하기 위한 목적을 포함하는 경우에는 내조(10)와 외조(20)에 각각 열류센서(62)를 부착할 수도 있다.

뒤에서 보다 자세히 설명하겠지만, 본 발명에 따른 평가 설비는 진공 단열층의 진공도를 조절하여 평가 대상 설비의 열관류율과 동일한 수준의 열류를 형성함에 그 특징이 있는데, 열류센서(62)는 평가 대상 설비의 열관류율과 동일한 수준의 열류(뒤에서는 '목표 등가 열류'로 설명함)가 형성되었는지 확인하는 역할을 할 수 있다.

한편, 평가 대상 설비의 단열성능은 시뮬레이션 모사를 통해 산정한 열류값으로 추정될 수 있는데, 평가 설비에서 열류센서(62)에 의해 측정되는 열류값은 실측치이므로 상기한 모사치와 차이가 있을 수 있다. 이러한 차이로 실제 평가 설비에서 확인되는 추가적인 물리량(온도 등)으로 인해 본 평가 설비에서 구현된 단열성능이 모사치와는 다를 수 있다. 따라서, 본 발명은 열류센서(62)에서 측정되는 열류 데이터와 후술하는 온도센서(63)에서 측정되는 온도 데이터를 단열성능을 평가하는 데이터로 활용함으로써 보다 정확한 평가를 수행할 수 있다.

즉, 본 발명에서 열류센서(62)는 평가 설비가 목표 등가 열류에 도달하였는지를 확인하는 목적을 가지는 동시에 실측되는 열류를 통해 단열성능을 평가하는 데이터를 수집하는 역할도 할 수 있다.

온도센서(63)는 설치되는 각 위치에서의 과도 상태와 열평형 상태의 온도를 확인하는 것이 주 목적이며, 해당 온도 확인을 통해 궁극적으로는 단열시스템을 구성하는 단열층의 온도 구배를 비롯하여 단열층이 경험하고 있는 온도 차이를 확인하고 이를 단열성능 평가의 주요 데이터로 활용한다. 또한, 온도센서(63)에 의해 수집되는 정보가 열평형 상태에 도달할 때까지의 시간 추정 정보로도 활용될 수 있다.

진공펌프(64), 진공배관(65) 및 진공도 압력게이지(66)에 대해서는 앞에서 내조(10)와 외조(20) 사이 공간에 대한 진공 형성 작업과 함께 설명한 바 있다.

로딩/언로딩 배관(67)은 내조(10)의 내부로 액화가스를 선적/하역하는데 이용된다.

냉각매질 분사배관(68)은 액화가스를 적재하기 이전에 내조(10)를 미리 냉각(쿨다운)시키는 작업을 위해 마련되는 구성으로서, 소량의 냉각매질을 내조(10)의 상부에서 스프레이 방식으로 분사하여 온도를 낮춘다. 이때 냉각매질으로는 적재될 액화가스가 소량 이용될 수 있다.

내조(10)의 내부에서는 액화가스가 일부 기화하여 증발가스가 발생하며 이로 인해 내조(10)의 압력이 상승한다. 내조(10)의 사전 설정된 압력까지는 증발가스를 배출하지 않지만, 설정된 압력치에 도달하면 증발가스 배출배관(69) 상에 설치된 증기압 배출밸브(71)를 개방하여 증발가스를 배출한다. 이때, 증발가스 배출배관(69) 상에 구비되는 유량계(72)를 통과하는 증발가스의 양을 계측하여 확인/기록할 수 있다. 증기압 압력게이지(70)는 내조(10)의 내부 압력을 모니터링하기 위한 장치이다.

이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 단열성능 평가 방법을 설명한다. 본 발명에 따른 단열성능 평가 방법은 도 1을 참조하여 설명된 본 발명에 따른 평가 설비를 이용하는 것으로서, 평가 대상 설비의 단열시스템의 열관류율을 산출하는 열관류율 산출 단계(S10); 산출된 열관류율에 대한 평가 설비의 목표 등가 열류를 산출하는 목표 등가 열류 산출 단계(S20); 내조(10)에 액화가스를 적재하기 위한 공정을 진행하는 적재 준비 단계(S30); 내조(10)와 외조(20) 사이의 공간에 진공을 형성하고 진공도를 조절하는 진공 조절 단계(S40); 내조(10)에 액화가스를 적재하고 온도를 안정화하는 적재 및 안정화 단계(S50); 내조(10)가 안정화된 시점의 상태를 확인하여 초기 측정치를 구하는 초기 측정 단계(S60); 평가 기간 종료시 상태를 확인하여 최종 측정치를 구하는 최종 측정 단계(S70); 및 초기 측정치와 최종 측정치로부터 액화가스의 증발률(boil-off rate, BOR)을 산출하고 평가 대상 설비의 단열성능을 평가하는 평가 단계(S80)를 포함할 수 있다.

열관류율 산출 단계(S10)에서는 평가 대상 설비의 열관류율(W/m²K)을 산출한다. 평가 대상 설비의 열관류율은 평가 대상 설비의 단열시스템을 구성하는 단열층의 최내측과 최외측 간의 관류 열량의 계수를 의미하는 것으로서, 평가 대상 설비의 모사 결과에서 열평형 상태의 열류값을 확인하고, 동일한 모사 결과에서 단열층의 최내측과 최외측 간의 온도차를 확인하며, 확인된 열류값을 온도차로 나누어 줌으로써 평가 대상 설비의 열관류율을 산출할 수 있다.

목표 등가 열류 산출 단계(S20)에서는 열관류율 산출 단계(S10)에서 산출된 열관류율을 평가 설비의 기준치로 적용하기 위해 목표 등가 열류를 산출한다. 예컨대 평가 대상 설비의 단열 두께는 500mm인데 반해 평가 설비의 단열 두께가 200mm라면 동일한 조건이 아니므로 이를 등가의 환경으로 구현하는 과정이 필요하며, 본 단계(S20)가 해당 과정을 수행하는 단계로 볼 수 있다. '목표 등가 열류'는 평가 대상 설비의 "열관류율×단열층의 내외측 온도차"이므로, 평가 대상 설비의 "등가열전도도×단열층의 내외측 온도차÷단열두께"의 계산을 통해 산출해 낼 수 있다.

적재 준비 단계(S30)는 내조(10)를 액화가스를 적재하기에 적합한 상태로 만드는 사전 공정이 진행되는 단계로 이해될 수 있다. 이러한 사전 공정에는 각 구역의 치환 공정 및 내조(10)의 냉각 공정이 포함될 수 있다. 구체적으로는, 내조(10)의 내부에 존재하는 공기가 폭발 위험이 없는 불활성가스로 치환될 수 있다. 또한, 내조(10)와 외조(20) 사이의 단열 공간이 진공 환경으로 구현되는 경우에는 진공 조성에 의해 내부의 공기 및 수분이 제거되지만 평가 조건이 진공압이 거의 없는 상압의 환경에서 진행되는 경우에는 내조(10)와 외조(20) 사이의 단열 공간에 대한 치환도 필요로 할 수 있다. 그리고 내조(10)의 내부에 소량의 냉각매질을 분사함으로써 온도를 미리 낮추는 쿨다운 작업이 수행될 수 있다. 냉각매질으로는 적재될 액화가스가 소량 이용될 수 있으며, 전술한 냉각매질 분사배관(68)을 통해 내조(10)의 내부로 분사될 수 있다.

진공 조절 단계(S40)에서는 내조(10)와 외조(20) 사이의 공간에 형성되는 진공 단열층의 진공도를 조절하는 작업이 수행될 수 있다. 즉, 진공 단열층의 진공도(진공 압력)를 조절함으로써 본 평가 설비의 열류가 목표 등가 열류 산출 단계(S20)에서 산출된 목표 등가 열류에 부합되도록 조절할 수 있다.

이때, 전술한 바와 같이 내조(10)와 외조(20) 사이에 충전되는 가루 형태의 단열재(40)는 진공도에 따라 단열성능이 가변될 수 있고, 진공도에 따른 가루 형태의 단열재(40)의 단열성능은 사전에 알 수 있는 정보이므로, 목표 등가 열류에 부합되는 진공도의 초기 설정치도 사전예 예측 가능하다.

본 단계(S40)에서는 상기와 같이 사전 예측된 초기 설정치로 진공 단열층의 진공도를 설정하며, 이후 평가 설비가 열평형 상태에서 실제 계측값(열류값)이 목표 등가 열류와 차이가 있는 경우에는 추가적인 보정이 이루어질 수 있다.

평가 설비 내부에 액화가스를 적재하기 위한 사전 준비 작업 및 진공도 조절 작업이 완료되면, 내조(10)의 내부 공간에 실제로 액화가스를 적재하고 온도가 안정화될 때까지 기다리는 적재 및 안정화 단계(S50)가 진행된다. 본 단계(S50)가 진행되는 동안 외조(20)의 온도는 평가 대상 설비의 모사 조건과 동일한 수준으로 일정하게 유지되어야 한다.

본 단계(S50)에서 액화가스가 적재된 내조(10)의 온도 안정화(열평형 상태)가 이루어지면 열류센서(63)를 통해 실제로 계측된 평가 설비의 열류값이 목표 등가 열류 산출 단계(S20)에서 산출된 목표 등가 열류에 부합되는지 확인한다. 전술한 바와 같이, 실제 계측값이 설정된 목표 등가 열류값과 차이가 있다면, 이를 보정하기 위해 다시 진공도를 조절하여 목표 등가 열류값과 일치하도록 재설정하는 과정이 반복적으로 이루어질 수 있다. 또한, 보정 후 추가적인 안정화 과정이 수반될 수 있다.

초기 측정 단계(S60)에서는 내조(10)의 온도 안정화가 이루어진 시점에서의 상태를 측정하여 초기 측정치로서 데이터를 수집한다. 그리고 일정한 평가 기간을 유지한 이후, 최종 측정 단계(S70)에서 평가 기간 종료 시점에서의 상태를 측정하여 최종 측정치로서 데이터를 수집한다.

보다 구체적으로, 초기 측정 단계(S60)에서는 온도 안정화가 이루어진 시점, 즉 열평형 상태가 이루어진 시점에서 내조(10)로부터 증발가스 배출배관(69)을 통해 배출되는 증발가스의 양을 유량계(72)를 이용하여 측정한다. 이때 내조(10)의 내부 압력이 설정된 허용 압력까지 도달한 이후 증발가스의 배출을 개시할 수 있다. 내조(10)의 설정된 허용 압력까지는 내부의 물리적 현상이 연쇄적으로 발생하는 점을 고려하여 온도 안정화가 이루어졌다 하더라도 증발가스를 임의로 배출하지 않으며, 내조(10)의 허용 압력을 넘어서면 증기압 배출밸브(71)가 자동으로 개방되어 증발가스를 배출시킨다. 또한, 측정 결과의 정확도(accuracy)를 담보할 수 있도록 수초나 수분의 짧은 시간이 아닌 최소 수시간에서 수일 동안의 증발가스 배출량을 측정할 수 있다. 즉, 수시간에서 수일이라는 '일정 시간' 동안 배출되는 증발가스의 양을 계측하여 평균적인 증발가스율을 산출하는 것이다.

초기 증발가스의 배출이 이루어지는 일정 시간이 경과된 이후에는 증발가스 배출배관(69) 상에 설치된 증기압 배출밸브(71)를 차단하고 일정한 기간으로 설정된 '평가 기간'이 도래하기를 기다린다. 그리고 평가 기간이 도래한 시점에서 다시 한 번 증발가스 배출배관(69)을 개방하고 증발가스 배출배관(69)을 통해 배출되는 증발가스의 양을 유량계(72)를 이용하여 측정하는 최종 측정 단계(S70)가 수행된다.

최종 측정 단계(S70)에서도 내조(10)의 내부 압력이 설정된 허용 압력까지 도달한 이후 증발가스의 배출을 개시할 수 있음은 초기 측정 단계(S60)에서와 동일하다. 또한, 본 단계(S70)에서도 전 단계(S60)와 동일하게 설정되는 '일정 시간(수시간에서 수일)' 동안 증발가스의 배출량을 측정함으로써 평균적인 증발가스율을 산출한다.

평가 단계(S80)에서는 초기 측정 단계(S60)에서 측정된 초기 측정치와 최종 측정 단계(S70)에서 측정된 최종 측정치를 이용하여 액화가스의 증발률을 산출하고 평가 대상 설비의 단열성능을 평가한다. 구체적으로, 평가 기간 동안의 증발가스량(최종 측정치-초기 측정치)을 평가 기간으로 나누어 액화가스의 증발률을 계산할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 실제로 평가하고자 하는 평가 대상 설비와 동일한 수준의 열관류율을 유지할 수 있도록 목표 등가 열류값을 정량적 수치로서 산출하고, 산출된 수치를 기반으로 목표 등가 열류에 부합되는 진공도 값을 사전에 확인 및 선정하여 평가에 반영함으로써, 보다 정확하고 신속한 단열성능의 측정 및 평가가 가능한 효과가 있다.

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 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10: 내조
20: 외조
30: 내부지지체
40: 가루 단열재
41: 다층박막단열재
50: 외부지지체
61: 온도제어장치
62: 열류센서
63: 온도센서
64: 진공펌프
65: 진공배관
66: 진공도 압력게이지
67: 로딩/언로딩 배관
68: 냉각매질 분사배관
69: 증발가스 배출배관
70: 증기압 압력게이지
71: 증기압 배출밸브
72: 유량계

Claims

액화가스를 저장할 수 있는 내조;
상기 내조의 외부에 일정 거리 이격되게 설치되며 상기 내조와의 사이에 폐공간을 형성하는 외조;
상기 내조와 상기 외조 사이를 지지하는 2 이상의 내부지지체;
상기 폐공간을 진공으로 형성하여 마련되는 진공 단열층;
상기 진공 단열층의 공간 내에 충전되며 상기 진공 단열층의 진공도에 따라 단열성능이 가변되는 가루 형태의 단열재;
상기 내조와 상기 외조 중 적어도 하나의 표면 상에 부착되어 열류를 측정하는 열류센서;
상기 내조로부터 상기 액화가스가 기화되어 발생하는 증발가스를 배출하기 위한 증발가스 배출배관; 및
상기 증발가스 배출배관 상에 설치되어 배출되는 상기 증발가스의 양을 측정하는 유량계를 포함하고,
상기 진공 단열층의 진공도를 조절하여 실제로 단열성능을 평가하고자 하는 평가 대상 설비의 열관류율과 동일한 단열성능을 구현하고,
상기 유량계를 이용하여 상기 내조의 내부 공간에 액화가스가 적재된 후 일정 기간 동안 발생하는 증발가스의 양을 측정함으로써, 상기 내조에 저장되는 액화가스의 증발률(boil-off rate, BOR)을 산출하고 상기 평가 대상 설비의 단열성능을 평가하는 것을 특징으로 하는,
단열성능 평가 설비.
청구항 1에 있어서,
상기 폐공간의 공기를 빨아들여 진공을 형성하는 진공펌프;
상기 진공펌프와 연결되며 상기 폐공간의 공기를 흡입하는 진공배관; 및
상기 진공 단열층의 진공도를 확인할 수 있도록 상기 진공배관 상에 설치되는 진공도 압력게이지를 더 포함하는,
단열성능 평가 설비.
청구항 2에 있어서,
상기 외조의 외부 표면에 설치되어 상기 외조의 외부 온도 조건을 제어하는 온도제어장치를 더 포함하는,
단열성능 평가 설비.
청구항 2에 있어서,
상기 진공도의 조절에 의해 구현되는 상기 평가 설비의 열류값이 상기 평가 대상 설비의 열관류율에 부합되는 수준을 형성하고 있는지를 상기 열류센서를 통해 확인하는 것을 특징으로 하는,
단열성능 평가 설비.
청구항 4에 있어서,
상기 내조와 상기 외조 중 적어도 하나의 표면 상에 부착되는 온도센서를 더 포함하고,
상기 열류센서에 의해 측정되는 열류 데이터 및 상기 온도센서에 의해 측정되는 온도 데이터를 단열성능 평가의 주요 데이터로 활용하는 것을 특징으로 하는,
단열성능 평가 설비.
청구항 5에 있어서,
상기 증발가스 배출배관 상에 설치되어 상기 증발가스의 배출을 제어하는 증기압 배출밸브를 더 포함하고,
상기 증기압 배출밸브는 상기 내조의 내부 압력이 허용 압력을 넘어서는 경우 자동 개방되는 것을 특징으로 하는,
단열성능 평가 설비.
액화가스를 저장할 수 있는 내조; 상기 내조의 외부에 일정 거리 이격되게 설치되며 상기 내조와의 사이에 진공 단열층이 형성되는 외조; 상기 진공 단열층에 충전되며 상기 진공 단열층의 진공도에 따라 단열성능이 가변되는 가루 형태의 단열재를 포함하는 평가 설비를 이용한 단열성능 평가 방법에 있어서,
실제로 단열성능을 측정하고자 하는 평가 대상 설비의 열관류율을 산출하는 열관류율 산출 단계;
상기 열관류율 산출 단계에서 산출된 평가 대상 설비의 열관류율에 대한 상기 평가 설비의 목표 등가 열류를 산출하는 목표 등가 열류 산출 단계;
상기 내조의 액화가스를 적재하기 위한 공정을 진행하는 적재 준비 단계;
상기 진공 단열층의 진공도를 상기 목표 등가 열류에 부합되는 값으로 조절하는 진공 조절 단계;
상기 내조에 액화가스를 적재하고 온도를 안정화하는 적재 및 안정화 단계;
상기 내조가 안정화된 시점에서 상기 내조로부터 배출되는 증발가스의 양을 측정하여 초기 측정치로 구하는 초기 측정 단계;
일정 기간으로 설정된 평가 기간 종료시점에서 상기 내조로부터 배출되는 증발가스의 양을 측정하여 최종 측정치로 구하는 최종 측정 단계; 및
상기 초기 측정치와 상기 최종 측정치로부터 상기 액화가스의 증발률(boil-off rate, BOR)을 산출하고 상기 평가 대상 설비의 단열성능을 평가하는 평가 단계를 포함하는,
단열성능 평가 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 진공 단열층의 진공도는 상기 평가 설비가 열평형 상태에 이른 시점에서의 열류가 상기 목표 등가 열류에 부합될 수 있는 값으로 사전 계산되어 설정되는 것을 특징으로 하는,
단열성능 평가 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 적재 및 안정화 단계 이후 상기 평가 설비의 실제 열류값이 상기 목표 등가 열류 산출 단계에서 산출된 상기 목표 등가 열류와 일치하는지 확인하는 과정이 수행되는 것을 특징으로 하는,
단열성능 평가 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 평가 설비의 실제 열류값은 상기 내조 및 상기 외조 중 적어도 하나 이상의 위치에 부착되는 열류센서에 의해 계측되는 것을 특징으로 하는,
단열성능 평가 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 평가 설비의 실제 열류값이 상기 목표 등가 열류와 일치하지 않는 경우 다시 상기 진공 단열층의 진공도를 조절하고 온도 안정화를 기다리는 보정이 수행되는 것을 특징으로 하는,
단열성능 평가 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 적재 준비 단계는,
상기 내조의 내부 공기를 불활성가스로 치환하는 과정; 및
상기 내조의 내부에 소량의 냉각매질을 분사하여 상기 내조의 온도를 미리 냉각시키는 쿨다운 과정을 포함하는,
단열성능 평가 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 적재 및 안정화 단계에서 상기 외조의 온도는 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는,
단열성능 평가 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 초기 측정 단계 및 상기 최종 측정 단계에서 상기 내조로부터 증발가스를 배출시키는 증발가스 배출배관 상에 설치된 유량계에 의해 증발가스의 배출량을 측정하는 것을 특징으로 하는,
단열성능 평가 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 초기 측정 단계에서는 상기 평가 설비가 열평형 상태에 이른 후 상기 내조의 내부 압력이 허용 압력을 넘어서는 시점부터 일정 시간 동안 증발가스를 배출하면서 증발가스의 배출량을 측정 및 기록하고,
상기 최종 측정 단계에서는 상기 초기 측정 단계가 완료된 이후부터 일정 기간 동이 경과한 후 상기 내조의 내부 압력이 허용 압력을 넘어서는 시점부터 상기 초기 측정 단계에서와 동일하게 설정된 일정 시간 동안 증발가스를 배출하면서 증발가스의 배출량을 측정 및 기록하는 것을 특징으로 하는,
단열성능 평가 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 평가 단계에서는 상기 최종 측정치에서 상기 초기 측정치를 감산하여 상기 평가 기간 동안 발생한 증발가스량을 계산하고, 상기 증발가스량을 평가 기간으로 나누어 상기 액화가스의 증발률을 계산하는 것을 특징으로 하는,
단열성능 평가 방법.