소개덕트

극저온 기술의 발전과 함께 극저온 액체 제품은 국가 경제, 국방, 과학 연구 등 여러 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 극저온 액체의 활용은 효율적이고 안전한 저장 및 운송에 기반하며, 극저온 액체의 파이프라인 수송은 저장 및 운송 전 과정에 필수적입니다. 따라서 극저온 액체 파이프라인 수송의 안전성과 효율성을 확보하는 것은 매우 중요합니다. 극저온 액체 수송 시에는 수송 전 파이프라인 내 가스를 교체해야 하며, 그렇지 않을 경우 운항에 차질이 발생할 수 있습니다. 예냉 과정은 극저온 액체 제품 수송 과정에서 필수적인 단계입니다. 이 과정은 강한 압력 충격 등 파이프라인에 부정적인 영향을 미칩니다. 또한, 수직 파이프라인에서의 분출 현상과 막힌 분기관 충전, 중간 배수 후 충전, 밸브 개방 후 공기실 충전 등 시스템 작동의 불안정한 현상은 장비와 파이프라인에 다양한 정도의 악영향을 미칩니다. 본 논문에서는 이러한 문제점들을 심층적으로 분석하고, 이를 통해 해결책을 제시하고자 합니다.

송전 전 라인 내 가스 변위

극저온 기술의 발전과 함께 극저온 액체 제품은 국가 경제, 국방, 과학 연구 등 여러 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 극저온 액체의 활용은 효율적이고 안전한 저장 및 운송에 기반하며, 극저온 액체의 파이프라인 수송은 저장 및 운송 전 과정에 필수적입니다. 따라서 극저온 액체 파이프라인 수송의 안전성과 효율성을 확보하는 것은 매우 중요합니다. 극저온 액체 수송 시에는 수송 전 파이프라인 내 가스를 교체해야 하며, 그렇지 않을 경우 운항에 차질이 발생할 수 있습니다. 예냉 과정은 극저온 액체 제품 수송 과정에서 필수적인 단계입니다. 이 과정은 강한 압력 충격 등 파이프라인에 부정적인 영향을 미칩니다. 또한, 수직 파이프라인에서의 분출 현상과 막힌 분기관 충전, 중간 배수 후 충전, 밸브 개방 후 공기실 충전 등 시스템 작동의 불안정한 현상은 장비와 파이프라인에 다양한 정도의 악영향을 미칩니다. 본 논문에서는 이러한 문제점들을 심층적으로 분석하고, 이를 통해 해결책을 제시하고자 합니다.

파이프라인의 예냉 과정

극저온 액체 파이프라인 이송 과정 전체에서 안정적인 이송 상태를 확립하기 전에 예냉 및 가열 배관 시스템과 수신 장비 과정이 필요합니다. 즉, 예냉 과정에서 파이프라인과 수신 장비는 상당한 수축 응력과 충격 압력을 견뎌야 하므로 제어가 필수적입니다.

먼저 그 과정을 분석해 보겠습니다.

예냉 과정은 격렬한 기화 작용으로 시작하여 이상 유동이 나타나고, 시스템이 완전히 냉각된 후에는 단상 유동이 나타납니다. 예냉 초기에는 벽면 온도가 극저온 액체의 포화 온도를 훨씬 초과하고, 심지어 극저온 액체의 상한 온도인 과열 한계 온도까지 올라갑니다. 열 전달로 인해 관 벽면 근처의 액체가 가열되어 순간적으로 기화되어 관 벽면을 완전히 둘러싸는 증기막을 형성하는데, 이를 막비등이라고 합니다. 이후 예냉 과정이 진행됨에 따라 관 벽면의 온도는 점차 한계 과열 온도 이하로 떨어지고, 천이비등 및 기포비등에 유리한 조건이 형성됩니다. 이 과정에서 큰 압력 변동이 발생합니다. 예냉이 일정 단계에 이르면 배관의 열용량과 주변 환경으로부터의 열 유입으로 인해 극저온 액체가 포화 온도까지 가열되지 않아 단상 유동 상태가 나타납니다.

격렬한 증발 과정에서 급격한 유동 및 압력 변동이 발생합니다. 이러한 압력 변동 과정 전체에서 극저온 액체가 고온 파이프에 직접 유입된 직후 처음 발생하는 최대 압력이 가장 큰 진폭을 가지며, 이 압력파를 통해 시스템의 내압 성능을 검증할 수 있습니다. 따라서 일반적으로는 첫 번째 압력파만을 분석 대상으로 삼습니다.

밸브가 열리면 압력 차이에 의해 극저온 액체가 파이프라인으로 빠르게 유입되고, 기화로 생성된 증기막이 액체와 파이프 벽을 분리하여 동심원형 축류를 형성합니다. 증기의 저항 계수가 매우 작기 때문에 극저온 액체의 유량이 매우 크고, 액체가 전진함에 따라 열 흡수로 인해 온도가 점차 상승하여 파이프라인 압력이 증가하고 충전 속도가 느려집니다. 파이프 길이가 충분히 길면 액체 온도는 어느 지점에서 포화 상태에 도달하게 되고, 이때 액체의 전진이 멈춥니다. 파이프 벽에서 극저온 액체로 전달되는 열은 모두 증발에 사용되므로 증발 속도가 크게 증가하고 파이프라인 내부 압력도 증가하여 입구 압력의 1.5~2배에 달할 수 있습니다. 압력 차이의 작용으로 액체의 일부가 극저온 액체 저장 탱크로 되돌아가면서 증기 발생 속도가 느려지고, 발생한 증기의 일부가 배관 출구를 통해 배출되면서 배관 내 압력이 떨어집니다. 일정 시간이 지나면 배관 내 액체가 다시 압력 차이 조건을 형성하게 되어 동일한 현상이 반복됩니다. 그러나 이후 과정에서는 배관 내에 일정 압력과 액체가 존재하기 때문에 새로운 액체로 인한 압력 상승이 작아져 압력 피크가 처음 피크보다 작아집니다.

예냉 과정 전체에서 시스템은 큰 압력파 충격뿐만 아니라 냉각으로 인한 큰 수축 응력도 견뎌야 합니다. 이 두 가지가 복합적으로 작용하면 시스템에 구조적 손상을 초래할 수 있으므로 이를 제어하기 위한 필요한 조치를 취해야 합니다.

예냉 유량은 예냉 과정과 냉간 수축 응력의 크기에 직접적인 영향을 미치므로, 예냉 유량을 조절함으로써 예냉 과정을 제어할 수 있습니다. 예냉 유량의 적절한 선택 원칙은 압력 변동과 냉간 수축 응력이 장비 및 배관의 허용 범위를 초과하지 않도록 하면서 예냉 시간을 단축하는 것입니다. 예냉 유량이 너무 작으면 배관의 단열 성능이 저하되어 배관이 냉각 상태에 도달하지 못할 수도 있습니다.

예냉 과정에서 이상 유동이 발생하기 때문에 일반 유량계로는 실제 유량을 측정할 수 없어 예냉 유량 제어에 활용할 수 없습니다. 그러나 수용 용기의 배압을 모니터링하여 유량을 간접적으로 가늠할 수 있습니다. 특정 조건 하에서, 수용 용기의 배압과 예냉 유량 간의 관계를 해석적 방법을 통해 규명할 수 있습니다. 예냉 과정이 단상 유동 상태로 진행되면, 유량계로 측정한 실제 유량을 기준으로 예냉 유량을 제어할 수 있습니다. 이 방법은 로켓용 극저온 액체 추진제 충전 제어에 흔히 사용됩니다.

수용 용기의 배압 변화는 다음과 같이 예냉 과정에 대응하며, 이를 통해 예냉 단계를 정성적으로 판단할 수 있습니다. 수용 용기의 배기 용량이 일정할 때, 극저온 액체의 격렬한 기화로 인해 배압이 처음에는 급격히 증가하다가, 수용 용기와 배관의 온도가 낮아짐에 따라 점차 감소합니다. 이때 예냉 용량이 증가합니다.

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HL 극저온 장비

1992년에 설립된 HL 극저온 장비는 HL 극저온 장비 유한회사(HL Cryogenic Equipment Co.,Ltd.)의 계열 브랜드입니다. HL 극저온 장비는 고객의 다양한 요구를 충족하기 위해 고진공 절연 극저온 배관 시스템 및 관련 지원 장비의 설계 및 제조에 전념하고 있습니다. 진공 절연 파이프와 연성 호스는 고진공 및 다층 다중 스크린 특수 절연 재료로 제작되며, 일련의 매우 엄격한 기술 처리 및 고진공 처리를 거쳐 액체 산소, 액체 질소, 액체 아르곤, 액체 수소, 액체 헬륨, 액화 에틸렌 가스(LEG) 및 액화 천연 가스(LNG) 이송에 사용됩니다.

HL 극저온 장비 회사의 진공 재킷 파이프, 진공 재킷 호스, 진공 재킷 밸브 및 상 분리기 제품군은 매우 엄격한 기술 처리를 거쳐 생산되며, 액체 산소, 액체 질소, 액체 아르곤, 액체 수소, 액체 헬륨, LEG 및 LNG 이송에 사용됩니다. 이러한 제품들은 공기 분리, 가스, 항공, 전자, 초전도체, 칩, 자동화 조립, 식품 및 음료, 제약, 병원, 바이오뱅크, 고무, 신소재 제조, 화학 공학, 철강 및 과학 연구 등 다양한 산업 분야의 극저온 장비(예: 극저온 탱크, 듀어, 콜드박스 등)에 사용됩니다.