극저온 저장 탱크는 어떻게 작동합니까?

소개

현대 산업은 산소, 질소, 아르곤, 천연 가스와 같은 산업용 가스에 크게 의존합니다. 그러나 이러한 가스를 자연 상태로 유지하려면 엄청난 양의 물리적 공간이 필요합니다. 효율적으로 보관하고 운송하기 위해 액체로 응축될 때까지 냉각합니다. 이 과정을 통해 볼륨이 최대 800배까지 감소합니다. 그러나 이러한 액체를 절대 어는점보다 훨씬 낮은 온도로 유지하는 것은 중요한 엔지니어링 과제를 제시합니다. 주변 환경으로부터 소량의 열이라도 흡수하면 끓어오르고 급속히 팽창하여 대기 중으로 빠져나갑니다.

이곳은 특수 극저온 저장 탱크가 필수적인 곳입니다. 이 용기는 단순히 액체를 담는 것이 아닙니다. 그들은 열역학 법칙에 적극적으로 맞서고 있습니다. 그들은 한 번에 몇 주 또는 몇 달 동안 섭씨 영하 150도(화씨 영하 238도) 미만의 온도에서 차가운 액체를 안정적으로 유지합니다. 이 포괄적인 가이드에서 우리는 금속 후드 아래에서 이러한 산업 거대 제품의 기능, 단열재 이면의 물리학 및 안전하게 작동하도록 유지하는 시스템을 정확히 살펴보겠습니다.

극저온 단열재의 열역학적 원리

극저온 저장 탱크의 작동 방식을 이해하려면 먼저 열이 이동하는 방식을 살펴봐야 합니다. 열역학은 열이 항상 더 따뜻한 곳에서 더 차가운 곳으로 이동한다는 것을 가르쳐줍니다. 주변 공기는 내부 액화 가스보다 수백도 더 따뜻하기 때문에 열은 지속적으로 용기 안으로 들어가려고 합니다. 이를 방지하기 위해 엔지니어는 열 전달의 세 가지 주요 형태인 전도, 대류 및 복사를 제거해야 합니다.

진공 재킷을 통한 전도 및 대류 제거

전도는 에너지를 전달하기 위해 분자 사이의 직접적인 물리적 접촉이 필요한 반면, 대류는 열을 전달하기 위해 유체 또는 기류의 이동에 의존합니다.

• 무의 힘: 전도와 대류를 모두 멈추려면 극저온 저장 탱크는 이중벽 구조 설계를 사용합니다. 우리는 더 큰 외부 탱크 안에 더 작은 내부 탱크를 배치하고 그 사이에 빈 공간을 남겨 둡니다.

• 진공청소기: 우리는 튼튼한 진공 펌프를 사용하여 이 빈 공간에서 거의 모든 공기 분자를 제거합니다. 이 환형 틈에 고진공을 생성함으로써 열이 이동하는 데 필요한 물리적 매체를 제거합니다.

• 분자 분리: 공기 분자가 서로 충돌하지 않으면 외부 금속 껍질에서 차가운 내부 탱크로 열이 전도될 수 없습니다. 공극 내에 순환할 공기가 없기 때문에 대류 전류도 완전히 차단됩니다.

펄라이트와 다층 단열재(MLI)를 이용한 복사열 산란

진공은 전도와 대류를 중지하지만 복사는 중지할 수 없습니다. 복사열은 햇빛이 진공 공간을 통과하는 것처럼 전자기파를 통해 이동합니다.

1. 확장형 펄라이트: 대규모 고정 산업용 극저온 저장 탱크의 경우 확장형 펄라이트라고 불리는 경량 화산 유리 분말로 진공 공간을 채웁니다. 이 흰색 분말은 물리적인 미로 역할을 합니다. 이는 들어오는 적외선 파장을 산란 및 반사하여 내부 용기에 도달하는 것을 방지합니다.

2. 다층 단열재(MLI): 더 작거나 이동성이 높은 선박의 경우 MLI를 사용합니다. MLI는 사람들이 흔히 '초단열재'라고 부릅니다. 이 시스템은 반사율이 높은 알루미늄 호일과 얇은 단열 유리 섬유 매트가 교대로 층으로 구성되어 있습니다. 호일 레이어는 복사열을 외부로 반사시키는 작은 거울 역할을 하는 반면, 유리 섬유는 호일 레이어가 직접 접촉하여 열을 전도하는 것을 방지합니다.

3. 증기 차폐 기술: 특수 액체 수소 설정에서 내부 용기에서 빠져나오는 차가운 증기는 단열층에 직조된 튜브를 통과합니다. 이 활성 냉각 쉴드는 복사열이 주 액체 코어에 도달하기 전에 차단합니다.

이중벽 용기가 구조적 및 열적 분리를 유지하는 방법

극저온 저장 탱크는 기본적으로 두 개의 서로 다른 탱크가 하나로 통합되어 있습니다. 각 쉘은 수행할 작업이 완전히 다르며 단열재를 손상시킬 수 있는 직접적인 구조적 접촉을 일으키지 않고 함께 작동해야 합니다.

내부 및 외부 쉘의 재료 선택

극저온 액체의 극저온은 금속의 거동을 변화시킵니다. 표준 구조용 강철은 -100°C 이하의 온도에 노출되면 깨지기 쉽고 유리처럼 깨질 수 있습니다.

• 연성 내부 용기: 내부 탱크는 실제 액화 가스를 담기 때문에 영하의 온도에서도 강하고 유연하게 유지되어야 합니다. 우리는 고급 오스테나이트계 스테인리스강(예: 304등급) 또는 특정 알루미늄 합금으로 이 용기를 제작합니다. 이 소재는 -196°C(액체 질소) 또는 -253°C(액체 수소)에서도 기계적 강도와 내충격성을 유지합니다.

• 보호 외부 쉘: 외부 탱크는 외부 대기에만 노출되므로 초저온 액체에 닿지 ​​않습니다. 우리는 강력하고 경제적인 탄소강을 사용하여 제작합니다. 주요 임무는 장벽 역할을 하여 내부 단열재를 보호하고 내부 진공에 대한 대기압의 분쇄 중량을 유지하는 것입니다.

• 부식 저항성: 외부 쉘은 내구성이 뛰어난 에폭시 코팅을 받았습니다. 이는 녹과 기후로 인한 손상을 방지하여 진공 봉투가 수십 년 동안 밀폐된 상태를 유지하도록 보장합니다.

단열 지원 시스템

내부 용기의 무게는 액체로 가득 차면 수천 킬로그램입니다. 그것은 외부 껍질 내부에 단단히 매달려 있어야 하지만 거대한 열교 역할을 하기 때문에 두꺼운 강철 빔을 사용하여 그것을 지탱할 수 없습니다.

1. 저전도성 막대: FRP(유리섬유 강화 플라스틱) 또는 G-10 에폭시 복합재로 만든 얇은 지지 막대나 스트랩을 사용하여 내부 용기를 걸어 놓습니다. 이 소재는 놀라운 인장 강도를 갖고 있지만 열을 거의 전달하지 않습니다.

2. 압축 블록: 운송이나 지진 발생 시 내부 탱크가 흔들리는 것을 방지하기 위해 환형 공간 바닥에 고강도 복합 블록을 설치합니다. 이는 움직임을 차단하지만 열 전달을 방지합니다.

3. 팽창 및 수축 루프: 내부 용기가 차가운 액체로 채워지면 열 수축으로 인해 크게 수축됩니다. 우리는 유연한 금속 벨로우즈와 확장 루프를 사용하여 내부 배관을 설계합니다. 밀폐된 씰이 깨지지 않고 안전하게 늘어납니다.

유체 기화 및 압력 관리 역학

극저온 저장탱크의 밸브를 모두 닫으면 내부의 액체는 시간이 지나면서 서서히 열을 흡수하게 됩니다. 이러한 열 누출로 인해 소량의 액체가 기화되어 BOG(보일오프 가스)가 생성됩니다. 이 가스를 관리하고 이를 유리하게 사용하는 것은 이 탱크가 작동하는 방식의 주요 부분입니다.

압력 형성 회로(PBC) 작동

시설이 극저온 저장 탱크에서 액체를 끌어내야 하는 경우 배관의 저항을 극복해야 합니다. 탱크 내부의 압력이 너무 낮으면 액체가 흐르지 않습니다. 추운 환경에서 열이 추가되고 고장날 수 있는 기계식 펌프를 사용하는 대신 압력 구축 회로를 사용합니다.

• 액체 중력 공급: 탱크 바닥에 있는 밸브를 열어 소량의 액체가 외부 압력 건물 기화기로 흘러 들어갈 수 있도록 합니다. 이 장치는 주변 공기로부터 열을 흡수하는 큰 핀이 있는 알루미늄 튜브로 구성됩니다.

• 플래시 팽창: 액체가 따뜻한 튜브를 통과하면서 액체가 끓고 급속히 팽창하여 다시 기체 상태로 돌아갑니다. 예를 들어, 액체 질소는 기체로 변하면서 694:1의 비율로 팽창합니다.

• 헤드 공간 가압: 새로 생성된 가스를 탱크 맨 위(증기 헤드 공간)로 다시 보냅니다. 이 가스는 아래의 액체 풀을 아래로 밀어내며 용기의 내부 압력을 원하는 작동 수준으로 높입니다.

이코노마이저 회로와 가스 보존

탱크가 며칠 동안 유휴 상태로 있으면 증기 헤드 공간의 압력이 너무 높아질 수 있습니다. 단순히 이 가스를 대기로 배출하는 것은 낭비적이고 비용이 많이 듭니다. 우리는 이코노마이저 회로를 사용하여 이 문제를 해결합니다.

1. 임계값 설정: 이코노마이저 라인에 조정 가능한 배압 조절 밸브를 설치합니다. 이 밸브는 주 안전 릴리프 설정보다 약간 낮은 압력에서 열리도록 설정되어 있습니다.

2. 가스 공급 우선순위: 작업자가 공장 가동을 위해 메인 가스 공급 밸브를 열면 시스템이 탱크 압력을 확인합니다. 압력이 높으면 이코노마이저 회로는 시스템이 먼저 상단 증기 공간에서 직접 가스를 흡입하도록 합니다.

3. 균형 복원: 액체 대신 증기 가스를 소비함으로써 시스템은 1입방미터의 제품을 공기 중으로 배출하지 않고도 자연스럽게 탱크 압력을 안전한 수준으로 다시 낮춥니다.

+------------------------------------------------+ | 증기 헤드 공간(이코노마이저) | | | | | v | | [ 이코노마이저 컨트롤 밸브 ] | | | | | v | | 액체 풀 =======> [ PBU 기화기 ] ====> 사용자 라인 | | (하단유출) | +--------------------------------------------------+ 

안전 시스템이 과압 및 치명적인 고장을 방지하는 방법

극저온 액체는 따뜻해지면 부피가 수백 배로 팽창할 수 있기 때문에 통풍이 되지 않는 탱크는 결국 터질 수 있습니다. 모든 산업용 극저온 저장 탱크는 이러한 일이 발생하지 않도록 다단계 안전 시스템을 사용합니다.

중복 안전 릴리프 밸브 및 전환 밸브

우리는 안전 밸브가 고장나도록 방치할 수 없습니다. 이러한 이유로 우리는 모든 선박에 이중 안전 릴리프 밸브를 설치하고 이를 관리하기 위해 특수한 3방향 전환 밸브를 사용합니다.

• 전환 메커니즘: 전환 밸브는 두 안전 릴리프 밸브를 모두 탱크에 연결하지만 한 번에 하나만 활성화할 수 있습니다. 이를 통해 하나의 안전 밸브를 분리, 제거 및 교정하는 동시에 다른 밸브는 완전히 작동하여 탱크를 연중무휴 24시간 보호할 수 있습니다.

• 스프링 장착 정밀도: 활성 안전 밸브는 보정된 스프링을 사용합니다. 극저온 저장 탱크 내부의 압력이 스프링의 힘을 초과하면 밸브가 올라가서 압력이 안전한 수준으로 떨어질 때까지 과도한 가스를 배출하며, 이 시점에서 밸브가 닫힙니다.

• 고유량 용량: 열이 탱크에 빠르게 유입되는 총 진공 손실이 발생하는 경우와 같이 가능한 최대 증발 속도를 처리할 수 있도록 이 밸브의 크기를 조정합니다.

최종 안전 장치 역할을 하는 파열판

1차 안전 릴리프 밸브가 열리지 않거나 갑작스러운 대규모 압력 서지를 따라잡을 수 없는 경우 절대적인 안전 장치가 필요합니다.

1. 희생막: 파열판은 특정 압력에서 파열되도록 설계된 얇고 정밀하게 제조된 금속막입니다. 우리는 이 파열점을 안전 릴리프 밸브 설정보다 약간 높게 설정했지만 탱크의 최대 설계 압력보다 훨씬 낮았습니다.

2. 움직이는 부품 없음: 파열판에는 움직이는 부품이 없기 때문에 달라붙거나 녹슬거나 작동하지 않을 수 없습니다. 압력이 한계에 도달하면 디스크가 터지면서 팽창하는 가스를 위한 대규모 탈출 경로가 생성됩니다.

3. 열 보호 레인 캡: 안전 통풍구의 배출구를 간단한 플라스틱 캡으로 덮습니다. 이는 비, 눈 및 둥지 곤충이 파이프를 막는 것을 방지하지만 가스가 배출되기 시작하면 쉽게 튀어 나옵니다.

극한의 추위에서 액체 레벨 및 시스템 압력을 측정하는 방법

기계식 플로트 또는 전자 프로브와 같은 표준 측정 도구는 극저온 저장 탱크 내부의 극심한 추위와 끓는 난류를 견딜 수 없습니다. 액체 수위를 정확하게 모니터링하려면 영리한 물리적 원리를 사용해야 합니다.

차압(DP) 레벨 측정의 물리학

탱크 내부에 움직이는 부품을 넣지 않고 액체 레벨을 측정하기 위해 차압 게이지를 사용합니다. 이 시스템은 액체 기둥의 무게를 측정합니다.

• 2점 판독: 두 개의 작은 모세관을 탱크에 연결합니다. 한 튜브는 내부 용기의 맨 아래(액체 라인 아래)에 연결되고, 다른 튜브는 상단(액체 라인 위)에 연결됩니다.

• 헤드 압력 취소: 탱크 바닥의 압력은 액체 기둥의 무게에 헤드 공간의 가스 압력을 더한 것과 같습니다(P_bottom = P_liquid + P_gas). 상단 튜브의 압력은 단순히 가스 압력입니다(P_top = P_gas).

• 실제 수학: 차압 게이지는 하단 판독값에서 상단 판독값을 뺍니다.

  델타 P = P_하단 - P_상단

  델타 P = (P_액체 + P_가스) - P_가스

  델타 P = P_액체

  이를 통해 액체 기둥의 무게만으로 가해지는 정확한 압력을 얻을 수 있으며, 이를 보정하여 유체 부피를 표시합니다.

진공 무결성 및 온도 모니터링

외부 재킷 내부의 진공은 탱크 열 성능의 핵심입니다. 미세한 누출이 없는지 확인하기 위해 이 진공 상태를 모니터링해야 합니다.

1. 열전대 진공 게이지: 외부 쉘에 영구 센서 포트를 설치합니다. 이 센서는 밀리토르 수준까지 진공을 측정합니다. 진공 압력이 상승하기 시작하면 액체가 끓기 시작하기 전에 절연 누출을 경고합니다.

2. 서리 라인 검사: 진공 상태가 실패하면 열이 내부 용기로 흘러 들어갑니다. 이로 인해 외부 탄소강 쉘의 온도가 급격히 떨어지며 탱크 외부에 두꺼운 성에나 얼음이 형성됩니다. 정기적인 육안 검사는 탱크 상태를 확인하는 쉬운 방법입니다.

3. 액체 온도 센서: 우리는 배관 라인에 저항 온도 감지기(RTD)를 장착합니다. 이는 작업자가 액체가 시스템에 들어오고 나갈 때 액체의 정확한 온도를 추적하는 데 도움이 됩니다.

작동 주기: 충전, 보관 및 액체 디캔팅 공정

산업용 극저온 저장 탱크는 세 가지 단계로 작동됩니다. 이러한 단계를 올바르게 제어하면 제품 손실을 최소화하고 안정적인 시스템 압력을 유지할 수 있습니다.

상단 및 하단 충전 메커니즘

극저온 저장 탱크를 채우기 위해 운송 트럭이 도착하면 작업자는 액체를 용기 상단, 하단 또는 두 가지 모두로 동시에 펌핑할 수 있습니다.

• 상단 채우기 효과: 액체를 탱크 상단으로 펌핑하면 링을 통해 증기 헤드 공간으로 액체가 분사됩니다. 이 콜드 스프레이는 따뜻한 가스를 다시 액체로 응축시켜 탱크 내부의 압력을 떨어뜨립니다. 이는 탱크 압력이 너무 높을 때 유용합니다.

• 바닥 채우기 효과: 액체를 용기 바닥으로 펌핑해도 증기 헤드 공간이 방해받지 않습니다. 대신 상단의 가스를 압축하여 탱크의 전체 압력을 높입니다.

• 흐름 균형 조정: 숙련된 작업자는 밸브를 조정하여 유입되는 액체를 상단 라인과 하단 라인 사이에 분배합니다. 이를 통해 전체 이송 과정 동안 용기 내부의 안정적이고 안전한 압력을 유지할 수 있습니다.

가압된 액체 디캔팅 및 외부 기화

가스를 공장에 공급하려면 액체를 빼낸 후 다시 가스로 바꾸고 실온까지 데워야 합니다.

1. 하단 유출: 탱크의 압력이 차가운 액체를 하단 추출 라인을 통해 밀어냅니다.

2. 진공 단열 파이프(VIP): 전달 파이프 내부에서 액체가 끓는 것을 방지하기 위해 진공 재킷 라인을 사용하여 액체를 탱크에서 적용 지점까지 운반합니다.

3. 주변 공기 기화기: 액체는 일련의 외부 열 교환기를 통과합니다. 이는 자연 기류를 사용하여 극저온 액체를 가열하여 산업 기계나 병원 파이프라인에서 사용하기에 안전한 따뜻한 가스로 다시 전환합니다.

결론

극저온 저장 탱크는 기계 공학의 놀라운 업적입니다. 이중벽 구조, 고진공 장벽, 압력 빌더 및 이코노마이저와 같은 영리한 열역학적 회로를 결합한 이 용기는 휘발성의 초저온 액체를 장기간 안전하게 보관합니다. 이러한 시스템의 작동 방식을 이해하면 산업 운영자는 시설을 안전하게 운영하고 제품 손실을 방지하며 꾸준하고 안정적인 가스 공급을 유지할 수 있습니다.

CryoNoblest 소개

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FAQ

1. 내부의 액체는 왜 초저온 저장탱크 고체로 얼지 않나요?

질소 및 산소와 같은 극저온 액체는 정상적인 어는 온도(각각 -196°C 및 -183°C)보다 훨씬 낮은 끓는점을 갖습니다. 외부 공기가 훨씬 더 따뜻하기 때문에 열이 지속적으로 탱크 안으로 들어가려고 합니다. 액체는 항상 끓는 평형 상태에 있습니다. 단단하게 얼릴 만큼 차가운 냉각원은 없습니다.

2. 어떻게 되나요 ? 극저온 저장탱크의 진공이 떨어지면

진공이 실패하면 공기가 환형 공간으로 들어가고 열이 내부 용기로 빠르게 전달됩니다. 내부의 액체가 격렬하게 끓기 시작합니다. 이런 일이 발생하면 안전 릴리프 밸브와 파열판이 열려 대량의 팽창 가스를 안전하게 배출하여 탱크의 폭발을 방지합니다.

3. 가스를 소모하지 않고 탱크에 액체를 얼마나 오랫동안 담을 수 있습니까?

현대적이고 잘 관리된 산업용 극저온 저장 탱크는 안전 릴리프 밸브를 작동시킬 수 있을 만큼 압력이 상승하기 전까지 몇 주 동안 액체를 보관할 수 있습니다. 큰 탱크는 표면적 대 부피 비율이 낮아 액체 1리터당 열 누출이 적기 때문에 작은 탱크보다 더 효율적입니다.

4. 표준 액체질소 탱크에 액체수소를 보관할 수 있나요?

아니요, 그럴 수 없습니다. 액체수소는 액체질소보다 훨씬 낮은 -253°C에 보관됩니다. 수소 탱크에는 고급 다층 단열재(MLI), 수소 취성을 겪지 않는 특수 스테인리스 스틸, 그리고 수소의 극도의 가연성으로 인해 훨씬 ​​더 민감한 압력 완화 장비가 필요합니다.

5. 사용 중인 탱크의 배관에 성에가 보이는 이유는 무엇입니까?

액체가 탱크에서 흡입되면 압력 구축 회로와 외부 기화기를 통과합니다. 이 파이프는 주변 공기로부터 열을 흡수하기 때문에 극도로 차가워집니다. 주변 공기의 수분이 차가운 금속 표면에 닿으면 즉시 얼어붙어 두꺼운 하얀 서리 층을 형성합니다. 이는 정상적인 현상이며 기화기가 제대로 작동하고 있음을 나타냅니다.