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  대기식 기화기 통과 이후, 기화된 유체의 압력에 관한 질의입니다.
  글쓴이 : 스기아빠   고유ID : cross7941     날짜 : 23-08-23 16:57     조회 : 1002    
대한민국에서는 이곳이 제일 공신력이 있어보여서 질문 드립니다.
예전에도 비슷한 질문을 드렸지만, 질문 자체가 좀 잘못되어서 다시 올립니다.
시스템 구성은 다음과 같습니다.
(액화가스탱크) - (고압펌프) - (대기식 기화기) - (고압가스용기)로 구성되어 있습니다.
펌프는 500bar까지 토출가능한 피스톤 타입이고, 액화가스는 LPG던 액화질소던 액화된 가스라고 가정해 주십시오.
액화가스탱크의 액화가스를 고압펌프가 승압하여 대기식 기화기로 공급하고, 대기식 기화기에서 외부의 열을 받아
액화가스를 기화시킵니다. 그리고, 최종 고압가스용기에 500bar로 충전하는 설비입니다.
의문사항은 고압펌프를 지나 대기식 기화기를 지날 때, 펌프로부터 받은 압력 외에 액상-->기상으로의 상변화로 인한 압력 상승이 있을까요?
출구가 열려있다면, 압력상승이 없다고 봅니다만 최종 단이 고압용기로 막혀있다보니 이걸 closed system으로 이해해야 할 지 헷갈립니다.
박사님들의 고견을 부탁 드립니다.

스테파노 Stefano   23-08-25 02:05
(A0) 액화가스탱크에 연결된 고압펌프는 원심식 펌프가 아니고 (피스톤, 다이아프램, 플라저, 기어식 등) 용적식 펌프로 연결되어 있고 기화기는 외부가열방식이고 기화기 장치에 기화기 설계압력에 해당하는 값으로 설정된 Relief Valve가 달려있다고 가정합니다.

(A1) 질문내용은 <고압펌프 후단에서 가열에 의한 상변화로 펌프공급압력보다 높은 압력으로 상승이 가능한가?>로 보입니다.
이에대한 답변으로 만일
  1)가열기 내에 기상공간이 전혀 없고 액상으로만  채워져 있다면 전혀 증발하지않고도 액의부피팽창만으로도 압력이 크게 상승할 수 있습니다.    액의 부피팽창에 의해 상승하는 압력은 (Relief Valve가 설치되어 있지 않으면)용기의 원주방향 응력과 용기내부압력과 평형을 이루는 값까지 상승하게 됩니다.    (P= 2*t*σ/D,    t=용기두께mm,  D=용기직경mm, σ=용기재료 Yield Stress bar/mm^2 ) 이 때 펌프 배출압력이 용기내 압력보다 낮다면 액의 연속공급이 불가능 하기 때문에 온도상승에 따른 부피증가에 의해 재료항복응력에 도달 할 때까지 상승하지만 액이 더이상 용기내로 유입될 수 없으므로 연속압력상승이나 연속운전이 가능하지 않습니다. 

  2)위와 동일 상황에서 Relief Valve가 설치되어 있다면 설정압력까지 상승할 수 있습니다.  더 이상의 압력상승은 없고 흐름 형성도 되지 않습니다.

  3) 만일 용기내에 액의 증기만으로 채워진 공간이 있을 경우에는 액이 가열되어 상승하는 액의 증기압에 해당하는 압력까지 상승할 수 있습니다.  만일 상승온도가 액의 임계온도 이상으로 올라갈 경우에는  용기내의 액이 모두 증발하여 전체 공간을 채울 수 있는 압력까지 상승할 수가 있습니다.    이때에는 기체법칙에 의해 계산되는 압력까지 상승합니다.  (P = n*R*T/V),  n=용기내 물질의 몰수)

(A2) 출구측 압력이 일정한 압력을 유지할 수 있도록 조절밸브가 있다면 그 설정된 압력까지 일정하게 유지되겠지만 그 압력이 펌프로 밀어줄 수 있는 압력을 초과하면 그 압력을 초과할 수 없고 연속운전이 되지않습니다. 

Closed System 이 아닌 Open Outlet인 경우라면 압력이 전혀상승하지 않습니다.
스기아빠 cross7941   23-08-25 11:36
답변 감사 드립니다. 일단 저 설비의 목적이 기화기 후단의 압력용기에 액화가스를 기화시켜 고압가스의 형태로 충전하는 것이 목적입니다. 스테파노 님의 가르침에 따르면 일단 가열에 의한 상변화에 의해 추가적인 압력을 기대할 수 있다고 이해하겠습니다. 최초 용적형 피스톤 펌프가 초당 일정 질량의 액화가스를 가압하면 기화기에서 기화되어 승압될 것이고, 펌프가 밀어주는 압력과 이 기화에 의해 생성되는 압력으로 고압용기에 충전된다고 보면 될런지요???

추가로 이런 말이 왜 나왔냐고 하면, 만약 저 설비가 운전하다가 멈춘 상황에서 문제를 예상했기 때문입니다. 만약 기화기 입구가 영하 190도이며 기화기 출구가 0도입니다. 고압용기가 완충되고 정지되면 기화기 내부에 영하 190도에서 0도까지 분포되어 있을텐데 나중에 이 설비를 24시간 방치하다보면 외기온도 수준까지 가열될 듯 합니다. 그러면 내부의 압력이 올라서 문제가 되지 않을까하는 지적이 있어서 먼저 저 질문을 드린겁니다. 아무튼 답변 감사 드립니다.
Stefano    23-08-25 13:52
(AA1) <가열에 의한 상변화에 의해 추가적인 압력을 기대할 수 있다고 이해하겠습니다. 최초 용적형 피스톤 펌프가 초당 일정 질량의 액화가스를 가압하면 기화기에서 기화되어 승압될 것이고, 펌프가 밀어주는 압력과 이 기화에 의해 생성되는 압력으로 고압용기에 충전된다고 보면 될런지요???>

==>아닙니다.  (정상운전 중에는 )Compressor가 기화기에 밀어넣어준 압력 이상으로는 압력을 높일 수 없습니다. 
Compressor가 액체를 밀어넣어 준 후 기화기 압력이 더 높아지면 더이상의 추가 액의 공급이 되지 않기 때문에 연속액상및 기상 공급 생태의 운전이 되지 않습니다.     

(AA2) <..만약 기화기 입구가 영하 190도이며 기화기 출구가 0도입니다. 고압용기가 완충되고 정지되면 기화기 내부에 영하 190도에서 0도까지 분포되어 있을텐데 나중에 이 설비를 24시간 방치하다보면 외기온도 수준까지 가열될 듯 합니다. 그러면 내부의 압력이 올라서 문제가 되지 않을까하는 지적이 있어서...>

==>컴프레서로 -190도의 온도, 500 barg로 기화기에 넣고 가열하여 가열>증발>승온되어 0도로 유지되는 상태에서  시스템이 정지(Compressor 정지, 가열기 차단) 된 상태에서 시간이 오래 경과하게 되면 기화기 내에 이미 투입된 액이 열침투에 의해 액이 상온까지 승온되면서 모두 증발되게 되고 압력이 상승하게 됩니다.    이때(시스템이 정지된 상태에서) 상승되는 압력은 투입된 액이 모두 증발되는 상태에서의  압력  P=n*R*T/V 까지 상승하게 됩니다.   

만일 압력이 상승하는 도중 안전밸브가 열리게 되면 증발된 가스는 대부분 배출되어 달아나게 됩니다.   

참고로... 액화가스의  임계온도가 상온보다 낮은 경우라면 안전밸브 설정압력에 해당하는 증기와  액이 함께 남아있게 되지만 임계온도가 상온보다 높은 물질의 경우라면 위에서 설명한 바와 같이 모두 증발되어 가스화 되며 배출되고 설정압력에 해당하는 가스만 용기내에 남게 됩니다.

따라서 시스템이 정지된 후  상승하는 압력으로 용기를 충전할 수는 없습니다.  시스템 정지후에는 안전밸브 작동여부만 달라    질 뿐입니다.
   

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