공학석사학위논문 GM 냉동기를이용한공기액화시스템의예냉이공기액화에미치는영향연구 A study on the precooling effect of air liquefaction system by using a GM refrigerator 지도교수 윤상국 2008 년 2월 한국해양대학교대학원 냉동공조공학과 박동훈
본논문을박동훈의공학석사학위논문으로인준함. 위원장공학박사김동혁 ( 인 ) 위원공학박사황광일 ( 인 ) 위원공학박사윤상국 ( 인 ) 2008 년 2월 한국해양대학교대학원 냉동공조공학과
A study on the precooling effect of air liquefaction system by using a GM refrigerator Dong-Hoon Park Department of Refrigeration and Air-Conditioning Engineering Graduate School, Korea Maritime University Abstract In this study, the experiments was carried out to investigate the effect of LN 2 precooling temperature of 288K, 243K, 213K, 173K at 1 ~ 4bar of air liquefaction system. Experimental appratus on the air liquefaction system by using the LN 2 precooling with direct cooling was designed and equiped. It was consisted of an air compressor, a GM refrigerator, liquefaction vessels, a liquid nitrogen precooler, and a vacuum pump. In case of the cooling without load, the temperature of GM refrigerator was decreased to 24K at 1st stage and 7K at 2nd stage, which meaned that the liquefaction vessel was well insulated and the cooling system was high performance. The experimental results showed that while increasing air pressure and decreasing the precooling temperature, the cool-down time was decreased significantly, and the cumulative liquefaction rate was increased about 22%. Also FOM was increased as increasing air pressure and decreasing the precooling temperature. - i -
목 차 Abstract List of symbols List of Figures List of Tables 제 1 장서론 1 1.1. 연구배경 1 1.2. 연구목적 3 제 2 장이론적배경 5 2.1. 액화천연가스의물리적특성 5 2.2. 공기의특성 7 2.3. 공기액화이론 9 2.3.1. 공기액화의기본원리 9 2.3.2. 일반공기액화사이클 11 2.3.2.1. Linde 사이클 12 2.3.2.2. Claude 사이클 13 2.3.2.3. 공기액화분리시스템 14 2.3.3. 본연구의공기액화공정 18 2.3.3.1. 이론적액화공정해석 18 2.3.3.2. GM 냉동기의작동원리 24 2.3.3.3. 본연구의액화공정 27 2.4. 선행연구고찰 28 - ii -
제 3 장공기액화실험장치및실험방법 34 3.1. 실험장치 34 3.2. 실험방법 45 제 4 장실험결과및고찰 46 4.1. 무부하성능특성 46 4.2. 압력변화에따른액화공기의유량특성 48 4.3. 액체질소 (LN 2 ) 예냉에따른액화량변화 55 4.4. 압력과예냉온도에따른압축일률산정 64 제 5 장결론 66 참고문헌 68 - iii -
사용기호 C 반응속도상수 C P 정압비열 [kj/kg k] C v 정적비열 [kj/kg k] FOM h 액화효율 엔탈피 [kj/kg] k 비열비 [ ]] ṁ P Q S T kw x 질량유량 [kg/s] 압력 [MPa] 열량 [kj/s] 엔트로피 [kj/kg K] 온도 [K] 일 [kj/s] 몰분율 - iv -
하첨자 A a c f hex i R r 흡수실제압축기액체열교환기이론제거냉매 그리스문자 밀도 [kg/m 3 ] 효율 - v -
표목차 Table 2.1 The components and materials value of LNG Table 2.2 Properties of LNG components at 1atm Table 2.3 Physical properties of air components Table 2.4 The history of air liquefying separation system Table 2.5 Components and functions of the air liquefied separation Table 2.6 Ideal-work requirement for liquefaction og gases beginning at 300K and 1atm Table 2.7 Performance of the Linde-Hampson system using different fluids Table 2.8 Optimal data of three cryogenic refrigerators for given parameters in the system Table 2.9 A comparison of the advantages and disadvantages of the insulations used in cryogenic system Table 2.10 The capacity of the air liquefaction plants Table 3.1 Data sheet of air compressor - vi -
Table 3.2 Design of the pond type exchanger Table 4.1 The average liquefaction rate at various pressure and precooling effectiveness - vii -
그림목차 Fig. 2.1 Fig. 2.2 Fig. 2.3 Fig. 2.4 Fig. 2.5 Fig. 2.6 Fig. 2.7 Fig. 3.1 Fig. 3.2 Fig. 3.3 Fig. 3.4 Fig. 3.5 Fig. 3.6 Fig. 4.1 Fig. 4.2 Liquid - Hapmpson liquefaction system The claude system Linde single-column gas-separation system Linde double-column gas-separation system Liquid nitrogen-precooled Linde-Hampson system for air Cycle path on the T-S diagram of the air Schematic of Gifford-McMahon refrigerator The schematic diagram of the air liquefaction system Schematic of the exchanger Mechanical drawing of GM refrigerator Performance curve of GM refrigerator Mechanical drawing of cylinder Photographs of equipment Cool down curve of GM refrigerator without load Liquefaction rate with time at 1bar. Fig. 4.3 The variation of liquefaction rates with time at variation pressures without the precooling effectiveness. - viii -
Fig. 4.4 Fig. 4.5 Fig. 4.6 Fig. 4.7 Fig. 4.8 Fig. 4.9 Fig. 4.10 Fig. 4.11 Fig. 4.12 Fig. 4.13 Fig. 4.14 Fig. 4.15 Fig. 4.16 Fig. 4.17 Fig. 4.18 Cumulative liquefied air mass at various pressure without the precooling effectiveness. Average and maximum liquefaction rate at various pressure without the precooling effectiveness. Liquefaction rates with precooling at 1bar Liquefaction rates with precooling at 2bar Liquefaction rates with precooling at 3bar Liquefaction rates with precooling at 4bar The average liquefaction rates at various pressure and precooling effectiveness The equation of average liquefaction rates with precooling at 4bar The equation of average liquefaction rates with various pressure at 173K precooling Cumulative liquefied air mass with various precooling temperatures at 1bar Cumulative liquefied air mass with various precooling temperatures at 2bar Cumulative liquefied air mass with various precooling temperatures at 3bar Cumulative liquefied air mass with various precooling temperatures at 4bar The last liquefied air mass to 85 minutes at various pressure and precooling effectiveness FOM at various pressure and precooling effectiveness - ix -
제 1 장서론 1.1 연구배경 현대산업의급속한성장에따른에너지소비의증가와한정된화석 에너지의매장량으로인한세계적인유가공급의불안정성때문에유가 는지속적인상승을하고있다. 1) 현상황에따라자원이부족한우리나 라의경우에는극심한경제난으로이어질우려가있다. 따라서전세계적으로에너지절약뿐만아니라제2의친환경적인대체에너지가필요하다. 최근친환경적인대체에너지로서수소에너지와액화천연가스 (Liquefied Natural Gas, LNG) 그리고풍력과태양열등이주목되고있다. 그중액화천연가스는공해요인이거의없는청정에너지로서공기보다가볍고누출이되어도발화온도가 595 로높아비교적폭발의위험이적어안정적인에너지원이된다. 또한발열량이 56.0 kj/kg으로높아그이용분야가다양하다. 2) 본연구는액화천연가스의잠재된냉열을개발하여한정된에너지자원의효과적인활용방안에중점을두었다. 이를이용하면전력소비를감소할수있고효과적인에너지사용을위한다양한기술을개발할수있다. 냉열을이용하여자연환경을보존하고제품들을생산하는데있어에너지소모를줄이는데기여하고자한다. 천연가스의주요성분은 80~ 85% 가메탄가스로되어있는반면에공해물질의함량이지극히적은이점이있기때문에에너지원으로서높은평가를받고있으며, 세계적인확인가채매장량은약 14조 로서가채년수는 66.4년인것으로추정되며, 이것은석유확인매장량의 95% 에상당한다. 3),4) 우리나라에서는 1986년인도네시아에서액화천연가스를수입하여도 - 1 -
시가스용으로사용하기시작하였고, 현재에는인천평택, 통영에액화천연가스인수기지가건설되어대부분인도네시아, 보르네오, 오만, 카타르등에서수입하고있으며, 그사용량은날로증가하는추세이다. 5) 액화천연가스의이용분야는도시가스로서가정용연료로사용되거나, 발전용또는산업용가스보일러의연료로사용되는것이외에새로운이 용기술로서액화천연가스의냉열을이용하는방법이있다. 2) 이는물질의 상태가변할때, 즉고체 액체 기체로변환하는과정의흡열반응을이용하는것이다. 액화천연가스는 -162 의극저온액체로인수기지에서해수에의해서재기화될때흡수하는열을냉열이라한다. 냉열은 1기압에서 1kg당 200kcal의냉열이발생되고, 이냉열을이용하는기술은액화천연가스냉열을이용하여발전을하거나공기를액화시켜액체산소, 액체질소생산또는 CO 2 액화나드라이아이스등을만들기도한다. 또냉열은식품의냉동및냉장에이용될수있으며고무, 플라스틱및금속을저온분쇄하여가공 처리하는데에이용되기도한다. 이렇게액화천연가스의냉열을이용하면 몬트리올의정서 규제에의한일반냉동기에사용되는프레온냉매를사용하지않고, 또한부가시설없이도냉동시스템을구축할수있기때문에소요동력및시설비를절감할수있다. 6) 이미미국, 일본등선진국에서는액화천연가스를이용하여초저온상태를만드는기술개발이오래전부터활발히진행되어상용화가되어있지만국내에서는초저온액체의냉열이용에관한연구가초기단계에있어초저온영역에대한물리적인현상의자료가미흡한실정이다. 초저온액체의냉열을다양하게이용하기위해서는우선열교환시스템의구축이필요하며적용가능한소형시스템을구축하여그특성을연구하고경제성및타당성의입증이요구된다. 따라서본논문에서는우리실정에적합한냉열시스템개발을위한일환으로액화천연가스의냉열이용산업중공기액화시스템에있어그냉열의활용방안에대해연구하였다. - 2 -
1.2 연구목적 공기의액화는 1877년 Cailletet와 Pictet에의해줄-톰슨 (Joule-Thomson) 효과를이용하여최초로성공되었다. 그후, 산업용으로는 1895년줄톰슨효과를이용한 Linde의공기액화방법과 1902년팽창엔진을이용한 Claude의공기액화방법이기초를이루고있다. 공기액화사이클에는린데사이클, 클러드사이클및캐스케이드사이클등이있으며, 소형으로는밀폐스털링사이클을이용한필립스냉동기도있다. 7) 지금까지공기액화는산업적으로사용하기위해대형액화시스템에대한연구가주를이루었다. 그러나소형액화시스템중비교적간단하게구성될수있는직접액화방식의성능에관한연구는거의이루어지지않고있다. 현재전세계액화천연가스인수기지의경우액화천연가스의대량소비에의해발생하는대량의냉열이미이용상태로즉, 기화를위 한가열원인해수에의한열교환을통해버려지고있는실정이다. 6) 이 폐열의유효이용의일환으로액화천연가스의냉열을이용한공기액화의기술적타당성을검토하기위하여실험적검증을수행하였다. 냉열이용산업의일환으로공기액화기술을연구하기위해서는공기의액화온도인 77K까지냉각하는기술과함께사전냉각을수행할수있는열교환기술, 공기를정제하는기술, 단열기술등이요구된다. 공기중에는산소, 질소, 아르곤및기타미량성분들이포함되어있다. 이성분중에서도산소, 질소, 아르곤은산업계에서매우광범위하게사용되고있으며용도도다양하다. 그제조방법은공업적으로대부분공기를정제, 냉각하여액화시킨다음정류, 분리하여만드는데이방법을일반적으로공기분리라고한다. 공기액화분리장치에는가스산소, 가스질소를제조하는것과액화된제품을제조하는장치의두가지형태가있다. 8) 공기를액화시키기위해서는초저온의냉열이필요하게되며이를얻는방법에는냉동기를이용한기존방법과액화천연가스냉열을일부이 - 3 -
용하는방식으로구분할수있다. 두방법모두원료공기를냉각시키기위해액체질소를순환시키는데기존방식의경우는생산량의 10배를순환시켜야하는데반해액화천연가스를이용할경우에는 3배의순환질소량만이필요하게되며순환질소압축기의흡입온도를떨어뜨림으로써소요동력을 50% 까지절감할수있게된다. 또한액화천연가스의이용온도는초저온으로가장효과적으로냉열을이용할수있는공정이라할수있겠다. 9) 본연구에서는액화천연가스의냉열을이용하는공정을선정하여예냉에필요한열교환기술과공기액화공정기술, 단열기술등에대한설계의기초기술확립과예냉을통한공기액화의거동및특성을분석하여냉열산업의타당성을확보하고자하였다. - 4 -
제 2 장이론적배경 2.1. 액화천연가스의물리적특성 천연가스는기체이기때문에지상에서대량저장이어렵고배관에의한수송수단이외는대량수송이어려우나액화하여저장, 수송하는기술이발달함으로써생산지에서멀리떨어진해외에서도천연가스의수송이가능하게되었다. 이와같이천연가스를액화한것이액화천연가스이며성분은경질의탄화수소로서보통메탄이 80~90 vol% 이고약간의중질탄화수소 ( ~ ) 및무기가스를함유하고있다. 10) 액화공정전에탈진, 탈황, 탈탄산, 및탈습등으로전처리과정을거치기때문에천연가스보다순도가좋고유황분등의유해물질을함유하지않으므로공해가없는양질의연료이며, 무독성이고폭발범위가좁으며누출가스는빠르게대기중에확산하므로위험성이적다. 또한액화천연가스는생산지에따라화학조성이다르고그조성에따라열역학적특성이변하게된다. 즉, 액화천연가스는탄화수소의혼합물로써그증발특성은단일성분의경우와달리정압하에서도증발온도, 엔탈피의변화과정이특이하게된다. 11) 산지에서천연가스를정제액화할때천연가스자체가가지고있는열량 (1kg 당 10,000 kcal ~ 12,000 kcal) 의 10 ~ 15% 정도를소비해서 -162 상압으로액화하며, 도입기지에서는이를다시상온의천연가스로만들기위하여 1kg 당약 200 kcal의열을가해서증발시켜야한다. 이러한증발과정전체를통해액화천연가스에서얻을수있는총냉열에너지는잠열 120 kcal와현열 80 kcal로서약 200 kcal/kg이다. 각산지에따른액화천연가스의성분을 Table 2.1에나타내었으며액화천연가스를구성하는탄화수소및질소의물성은 Table 2.2에나타내었다. 5) - 5 -
Table 2.1 The components and materials value of LNG 알래스카 부루나이 아부다비 인도네시아인도네시아 ( 키나이 ) ( 루므트 ) ( 다스 ) ( 바닥 ) ( 아룬 ) 메 탄 (CH 4) 99.81 89.83 82.07 89.91 86.58 에 탄 (C 2H 6) 0.07 5.89 15.86 5.44 8.27 프로판 (C 3H 8) 0 2.92 1.89 3.16 4.13 노말부탄 (n-c 4H 10) 0 0.74 0.07 0.75 0.41 이소부탄 (i-c 4 H 10 ) 0 0.56 0.06 0.67 0.53 펜 탄 (C 4 H 12 ) 0 0.04 0 0.03 0.03 질 소 (N 2) 0.12 0.02 0.05 0.04 0.05 Table 2.2 Properties of LNG components at 1atm 메탄 (CH 4) 에탄 (C 2H 6) 프로판 (C 3H 8) 이소부탄 (i-c 4H 10) 노말부탄 (n-c 4H 10) 펜탄 (C 4H 12) 질소 (N 2) 분자량 16.043 30.070 44.097 58.124 58.124 72.151 28.013 비등점 ( ) 융점 ( ) 증기압 (kg/cm 2 a) 임계온도 ( ) 임계압력 (kg/cm 2 a) 증발잠열 (kcal/kg) -161.5-88.6-42.1-11.7-0.5 36.1-195.8-182.5-183.3-187.7-149.6-138.4-129.7-209.86 - - 12.93 4.91 3.51 1.06 - -82.1 32.4 96.8 135.0 152.0 196.6-147.1 45.44 48.16 41.94 36.00 37.47 33.25 33.55 121.8 116.9 101.7 87.52 92.03 85.33 48.78-6 -
2.2 공기의특성 ( 가 ) 물리적성질 공기중에는질소, 산소, 이산화탄소와미량의알곤, 헬륨, 네온등이포함되어있다. 산소, 질소, 알곤은무색, 무취의기체로서온도를강하시켜액화시키면질소, 알곤은무색투명한액체로되는반면에산소는약간청담색의투명한액체로된다. 각가스의물리적성질은 Table 2.3 에나타내었다. 12) ( 나 ) 화학적성질 산소는다른가연성가스처럼매우위험한가스로여겨지고있지만산소가스자체는타지않고폭발하지않으며단지다른물질의연소를도와주는지연성가스이다. 산소는거의모든물질과반응하는매우활성적인기체로서다른물질과반응하는경우많은열과빛을발화한다. 이와같은반응을연소반응이라하며연소반응이일어나기위해서는가연성물질, 산소, 발화원등의세가지조건이만족되어야한다. 따라서산소를취급할경우주의할점은산소가까이에서가연성물질과발화원을제거하는것이다. 공기중에는산소가 21% 포함되어있어서가연성가스와공기가적당량혼합되면폭발적인연소가일어난다. 또한공기중에서타지않는물질도순수한산소중에놓이게되면잘타는경우가있고연소 / 폭발이일어날수있는가연성가스의농도를각각연소범위, 폭발범위라고한다. 12) 질소와알곤은불활성기체인데특히알곤은다른물질과전혀반응하지않는완전한불활성기체이다. 따라서질소와알곤은불활성비독성가스로취급이용이하지만공기중에농도가많아지게되면산소결핍이 - 7 -
생기기때문에이점을주의해야한다. 공기중산소농도가 18% 이하가 되면매우위험하다. 일반적으로는질소는상온에서불활성가스이지만 고온에서는다른물질과반응하여질화물을형성한다. 14) Table 2.3 Physical properties of air components 산소질소알곤탄산가스수소네온헬륨 화학식 O 2 N 2 Ar CO 2 H 2 Ne He 조성 (Vol %) 20.99 78.03 0.93 0.03 0.01 1.8 10 3 5 10 4 분자량 32.00 28.01 39.95 44.01 2.02 20.18 4.003 기체밀도 (kg/m 3 ) 액체밀도 (kg/l) 비열 (kj/kgk 끊는온도 ( ) 녹는온도 ( ) 임계온도 ( ) 임계압력 (MPa) 임계밀도 (kg/l) 1.429 1.251 1.783 1.977 0.090 0.900 0.179 1.141 0.808 1.398 1.030 0.071 1.204 0.125 0.888 1.038 0.523 0.833 14.193 1.047 5.225-183 -196-186 -78.5-253 -246-269 -219-210 -189-56.6-259 -249-272 -118-147 -123 31-240 -229-268 5.08 3.39 4.86 7.39 1.3 2.73 0.23 0.427 0.311 0.536 0.468 0.031 0.484 0.069-8 -
2.3 공기액화이론 2.3.1 공기액화의기본원리 기체의흐름중에밸브나노즐로통로를좁히게되면기체는외부에일을하지않으면서자신의압력이떨어지고이때, 온도가떨어지게된다. 이것을 J-T 효과 (Joule-Thomson Effect) 라고한다. 노즐전후에엔탈피와운동에너지의합은같으며통상엔탈피에비해운동에너지는무시할수있는크기이므로노즐에의한공정은등엔탈피공정이라고할수있다. 여기서압력변화에대한온도변화를 라고하면 (2) 식이된다. 13) (1) (2) 이상기체에서는 이므로 (3) 식이성립된다. (3) 이상기체의경우 (3) 식을 (2) 식에대입하면 = 0 즉, J-T 효과가 일어나지않는다. 모든기체는저온고압에서이상기체와의차이가커지 기때문에 J-T 효과도커지게된다. 그러나 (2) 식의 는어 느일정온도이상에서 < 0 이된다. 13) (4) - 9 -
(4) 식을 J-T 효과의방정식이라하며모든실존기체에공통된 Reduced equation 으로표시하면 (5) 식과같이표현된다. (5), ( : critical point) 공기의냉각에서는 <0 이되므로 J-T 효과를이용하여온도를저하 시켜공기를액화하게된다. - 10 -
2.3.2 일반공기액화사이클 공기의액화는 1877년 Cailletet와 Pictet에의해 J-T 효과를이용하여최초로성공되었다. 그후, 산업용으로는 1895년 J-T 효과를이용한 Linde의공기액화방법과 1902년팽창엔진을이용한 Claude의공기액화방법이기초를이루고있다. Table 2.4는공기액화분리의발달사를나태내고있다. 14) Table 2.4 The history of air liquefying separation system 1772 질소, 산소의발견 Rutherford, Priestley(England) 1872 산소의액화성공 Cailete(France), Pictet(Switzerland) 1886 BaO 2 이용최초의산소제조회사등장 Brin's Brother(England) 1894 Joule-Thomson 효과를이용한 공기액화장치개발 Linde(Germany) 1902 팽창엔진을사용한공기액화장치출연 Claude(France) 1906 팽창엔진과팽창밸브를이용한액화장치 개발 Heylandt(Germany) 1910 복식정류탑 (Double column) 등장 Linde(Germany) 1925 축열식재생열교환기개발 Frankl(Germany) 1936 저압식산소제조법개발 Kapitza(Russia) 1963 흡착식공기분리법 (PSA) 등장 UCC - 11 -
2.3.2.1 Linde 사이클 J-T 효과를이용하여공기액화를연속적으로수행할수있도록한사이클로서초기공기액화에사용하였다. Linde 사이클에서압축된상온의고압기체는저온저압의증기와대향류 (Count-flow) 열교환하여냉각된후팽창밸브에서 J-T 팽창하여액화된다. 그러나근본적으로 Linde 사이클은등엔탈피 (Isenthalpic) 과정이므로, 항상열역학적비가역성을동반하고매우높은압력 (20MPa) 으로압축을하더라도액화효율이매우낮다. 현재 Linde 사이클은비교적소용량의탄화수소가스의액화와탄화수소를포함한수소가스의정제및분리에사용되고있다. Linde 사이클의공정도는그림 Fig. 2.1 에나타내었다. 14) Fig 2.1 Linde - Hampson liquefaction system - 12 -
2.3.2.2 Claude 사이클 현재산업용공기액화설비의대부분이 Claude 사이클로운전되고있다. 이사이클에서는고압기체의일부가팽창엔진을통하여외부로일을수행하며팽창하고, 나머지기체만이열교환하여저온으로 J-T 팽창하며액화된다. 팽창엔진을통한팽창과정은이상적으로등엔트로피 (Isentropic) 과정이므로액화효율이 Linde 사이클보다상당히높다. 공기의압축압력을 Linde 사이클보다매우낮게 ( 약 700 kpa) 한공기액화장치로써 Kapitza 사이클을사용하고있지만, 열역학적으로저온열교환기를제외하고는 Claude 사이클과동일하다. 또한약 20 MPa의고압으로액화하는 Heylandt 사이클도 Claude 사이클의변형이다. 대부분의대형액체질소및액체산소생산장치는 3 ~ 5 MPa의압력으로작동되는 Claude 사이클을이용한것이다. Claude 사이클의공정도는그림 Fig. 2.2에나타내었다. 14) Fig 2.2 The Claude system - 13 -
2.3.2.3 공기액화분리사이클 1902년 Linde에의해서 Fig. 2.3의단정류방식분리기가제작되었고 1910년 Fig. 2.4의복정류방식이개발되었다. 이후대형화가진행되어다양한방식이개발되었다. 오늘날산소, 질소제조장치의주류를이루는저압장치는 1935년 Linde회사에의하여제작된 Linde-Frankl 방식이발전된것으로재생기와팽창터빈을채택하여대용량으로도개발되고있다. 13) 공기액화분리장치는크게압축부, 정화부, 열교환부, 정류부, 냉동발생부의 5가지로구성되어있다. 각부분의기능, 요소등을 Table 2.5에나타내었다. 공기액화분리장치의형식과종류는 (1) 저압식산소가스제조장치, (2) 보조사이클이있는저압액체산소 액체질소제조장치, (3) 중압식산소 질소제조장치, (4) 고압식액체산소 액체질소제조장치, (5) 질소제조장치, (6) 소형산소제조장치등이있다. 13) - 14 -
Fig. 2.3 Linde single-column gas-separation system - 15 -
Fig. 2.4 Linde double-column gas-separation system - 16 -
Table 2.5 Components and functions of the air liquefied separation 부분기능구성요소적용 압축부 원료공기의압축 보조사이클의압축 터보압축기 ( 원심압축 처리가스종류, 양및 기, 축류압축기등 ) 압력에의해형식, 윤 왕복동압축기 활방식등을선택 정화부 수분, 탄산가스등 불순물제거 장치규모, 원료공기, 압력, 제품종류, 생산청정, 흡착, 응축, 응고량등에의한선택또 는복합방식채용 대향류열교환기, 재생 원료공기, 보조사이기, 알루미늄판형핀수분, 탄산가스제거열교환부클의냉각및액화열교환기, Hampson 기등겸비 열교환기 정류부 원료공기의 정류분 선반식, 충전식정류 다공식, 탄산가스제 류 탑 거기등겸비 냉동 발생부 J-T 효과에의한저장치규모, 액체채취의열교환기손실열, 외온발생, 단열팽창기관유무등에의해냉동부침입열, 액화열의 ( 팽창터빈, 팽창기 ), 캐발생사이클형식선방지및냉동발생스케이드식냉동사이정클 - 17 -
2.3.3. 본연구의공기액화공정 2.3.3.1. 이론적액화공정해석 Fig. 2.5 은본연구의 GM 냉동기를이용한이론적공기액화의공정도 를나타내며작동순서에따른공기의 T-S 선도를 Fig. 2.6 에나타내었 다. Fig. 2.5 와 Fig. 2.6 를통해각과정별로살펴보면다음과같다. 15) 6-1 과정 : 등온압축을하는것으로대기공기가공기압축기를거쳐압축공기가되는과정 1-2 과정 : 압축된공기가필터를거친후, 액체질소와의열교환과정을통해예냉이되는등압냉각과정 2-3 과정 : 예냉과정을통해설정된온도까지떨어진공기가 GM냉동기 1단과열교환과정을통해액화온도까지냉각되는등압냉각과정 3-4 과정 : GM냉동기 2단에서일어나는과정으로두번의열교환과정을통과한공기가액화되는과정 4-5 과정 : 액화된공기중일부가기화되는과정 5-6 과정 : 기화된공기의일부가재순환하는등압과정 다음으로열역학적해석은아래와같다. 정상상태의열역학제 1 법칙 은식 (6) 과같다. (6) 이를압축기를제외한열교환기, 팽창장치, 액체저장조에대하여적용 - 18 -
시키면식 (7) 과같다. (7) 기체를작동유체로사용하여압축팽창시키는 system 은열역학제 2 법 칙으로식 (8) 과같다. (8) 특히사용되는냉동기와액화기사이의냉매질량유량비율 은식 (9) 와 같다. (9) 여기서기체공기에대한액화율은 로서식 (10) 과같이표현된다. (10) 이러한액화시스템의성능을평가하기위한지표로액화효율 (FOM: Figure of Merit) 을사용한다. 액화효율은이상적인경우의단위액화량당 ( ) 입력일 ( ) 을실제측정된단위액화량당 ( ) 입력일 ( ) 로나눈값으로이를정의하면식 (11) 와같다. - 19 -
(11) 실제로사용되는 Linde-Hampson 액화시스템의경우 200bar 정도로공기를압축, 팽창시키고 300K에서열교환의효과를 100%, 압축기총효율을 100% 로가정하여수행한결과액화효율은대체로약 0.1313의값을갖는다. Table 2.6은 1atm, 300K의경우주요기체의액화온도와액화시필요한단위액화량당이론적일을나타내고있다. Table 2.7는 Linde-Hampson system에서각각의유체들을사용하여 P 1 =101.3kPa, T 1 =300K에서 P 2 =20.265MPa, T 2 =300K로압축을하여열교환기를거친후 J-T 팽창을통해액화를할때나타나는압축일률이다. 13) - 20 -
Fig. 2.5 Liquid nitrogen-precooled Linde-Hampson system for air - 21 -
T = const 1 6 Temperature (T) P = const 2 P = const 3 f 4 T = const 5 Entropy (S) Fig. 2.6 Cycle path on the T-S diagram of the air - 22 -
Table. 2.6 Ideal-work requirements for liquefaction of gases (Initial condition at 300K and 1atm) Gas Normal Boiling point K Ideal Work of Liquefaction(-W i/m f) kj/kg Nitrogen, N 2 77.36 768.1 Air 78.8 738.9 Argon, Ar 87.28 478.6 Oxygen, O 2 90.18 635.6 Table. 2.7 Performance of the Linde-Hampson system using different fluids. (P 1 = 101.3 kpa, P 2 = 20.265 MPa, T 1, T 2 = 300K, Heat-exchanger effectiveness, compressor overall efficiency = 100%) Fluid Normal Boiling Liquid Yield point Work per Unit Mass compressed Work per Unit Mass Liquefied FOM (K) ( ) (kj/kg) (kj/kg) ( ) N 2 77.36 0.0708 472.5 6673 0.1151 Air 78.8 0.0808 454.1 5621 0.1313 Ar 87.28 0.1183 325.3 2750 0.1741 O 2 90.18 0.1065 405.0 3804 0.1671-23 -
2.3.3.2 GM 냉동기의작동원리 소형냉동기는대표적으로 GM refrigerator, Philips refrigerator (Stirling cycle), Pulse-tube cooler 등이있다. 이중 GM냉동기는 1959년 W. Gifford와 H. McMahon에의하여개발된냉동기이며, 1970 년대부터극저온고진공펌프 (cryopump) 로응용되면서대량생산하였다. Fig. 2.7는 GM냉동기의구성을나타내고있다. 15) 이냉동기의가장큰특징은두개의밸브를이용하여압축기를재생과팽창으로부터분리했다는점이다. 이분리는기하학적분리는물론, 압축기와팽창기가서로다른속도로운전할수있게함으로써압축기선택의폭을넓혔다는점에서중요하다. 보통일반공조용으로대량생산되는수천 rpm의압축기를사용할수있으며, 밸브와팽창부는수십또는수백 rpm으로운전된다. 16) GM냉동기의또다른특징은실린더양단의압력차가매우작다는점이다. 이압력차는단지재생기를통한유체의압력강하차이로그구동장치가크게간단해졌다. 실제로대부분의 GM냉동기에서는소형직류모터를사용하고있다. 반면에저온의고압냉매가외부로일을하지않고밸브와재생기에서소산 (dissipation) 되므로열역학적효율은낮은편이다. 구동장치의간편화와효율의감소는서로가교환효과 (trad-off) 로생각할수있는데, 현대의많은응용분야에서는냉동기의효율보다는신뢰도가더중요하다는면에서 GM냉동기가크게성공하였다. 15),16) GM냉동기는 1단으로약 30K까지도달할수있으며, 그이하의온도에는 2단형으로제작된다. 실제냉동기에서재생기는실린더외부에별도로제작하는경우도있고, 재생기내부나실린더벽에위치하기도한다. Fig. 2.7을통해각과정별로살펴보면다음과같다. - 24 -
1-2 과정 : 실린더가하단에위치한상태에서유입밸브가열리고헬륨이실린더의상단공간에채워지면서등온압축하게된다. 2-3 과정 : 피스톤이실린더의상부로이동하면서피스톤상부의헬륨가스는재생기를거쳐하부팽창공간으로이동된다. 헬륨가스는시스템내에서압력을일정하게유지하기위해재생기를통과하면서냉각되고부피는작아지게된다. 3-4 과정 : 피스톤이실린더의최상부로이동하면서유입밸브가닫히고방출밸브가개방되면서하부팽창공간내의헬륨이팽창하여저온을형성하게된다. 4-5 과정 : 저온의헬륨가스는실린더가상부에서하부로이동함에따라열교환기를통과하고이때열을흡수하여저온을제공한다. 5-1 과정 : 열교환기를통과한헬륨가스는재생기를거쳐다시저온을제공하고대기온도까지상승하게된다. 시스템에서필요한총일량은식 (12) 와같다. (12) 저온에서제거되는에너지에관한식은 (13) 과같다. (13) 여기서 는하부팽창 (3-4 과정 ) 에서헬륨가스의질량이며 은압축기 에서압축되는헬륨가스의총질량이다. 팽창공간의부피는일정하게유 지되므로질량비 는식 (14) 과같이쓰여질수있다. (14) - 25 -
Fig. 2.7 Schematic of Gifford-McMahon refrigerator - 26 -
2.3.3.3 본연구의액화공정 공기를이루고있는주성분인산소, 질소, 알곤은산업계에서매우광 범위하게사용되고있으며용도도다양하다. 그제조방법은공업적으로 대부분공기를정제, 냉각하여액화과정을거친후, 정류, 분리하여만드 는데이방법을일반적으로공기액화분리라고한다. 12) 따라서공기액화 분리장치에는크게공기를액화하는장치와액화된공기를분리하는장치로나눌수있다. 본연구는대기중의공기를고밀도 Filter의이용으로먼지와수분을제거하고압축기로약 35bar까지가압할수있는공기압축장치를구성하였고, 액화천연가스냉열을이용하기위해적절한열교환시스템을개발하였다. 또한시스템구성이간단하고저가이며유지보수가용이한 GM 냉동기를이용한직접냉각시스템을선정하여공기액화장치를설계, 제작하였고압력과예냉에따른공기액화의특성을수행함으로써액화장치에서공기충전압력과예냉이액화성능에미치는영향을실험적으로규명하였다. 그리고외부로부터열의유입에의한기화손실을최소화하고액화효율을향상시키기위해극저온단열기술인다층단열 (MLI; Multi Layer Insulation) 을통한복합단열시스템을구성하였다. 다층단열은복사에의한열손실을방지하기위한것으로본논문에서는 100겹을감아복사열손실을최소화하였고 Diffusion pump를이용하여 10-7 torr 로진공도를유지하였다. 이를통해예냉에필요한열교환기술과공기액화공정기술, 단열기술등에대한설계의기초기술확립과예냉을통한공기액화의거동및특성을분석하여냉열산업기술의경제성을검토하여냉열산업의타당성을확보하고자하였다. - 27 -
2.4 선행연구고찰 실제예냉을통한소형공기액화에관련된선행연구는극히적으며소형액화장치로 GM냉동기를이용하거나작동유체, 작동압력, 시험부등의실험조건이상이하므로그결과또한일치하지않음을알수있다. 본연구에서는액화장치, 열교환기그리고단열연구등을결합하여연구수행을행해야하므로선행연구들을고찰하기위해크게다음 3가지로분류할있다. 먼저 GM 냉동기에관한연구논문을살펴보면다음과같다. 현재 GM 냉동기를이용한연구는수소에관한액화시스템에대한실험이주를이루고있다. 이들연구결과를살펴보면대표적으로상용화된 3가지의 GM 냉동기를채택하여수소액화시스템의성능해석을수행하였다. KIST, 열유동제어연구센터에서발표한상용극저온냉동기를채택한수소액화시스템의성능해석을살펴보면다음과같다. 현재상용화되어있는 CTI 1020CP, CVI 회사의 1단냉동기인 CGR009, CGR011을선정하여압축기로유입되는압축유량, 압축압력및열교환기의유용도에대하여실제액화할수있는액화유량을계산하였고그결과를 Table 2.8에제시하였다. 액화유량은대체로압축압력이 80~120bar에서최적을보였으며각각의냉동기모델에대한시스템에대해모두같은경향을나타내고있다. 열교환기의유용도에따라그값은약간씩의차이가있으나냉동기자체의성능에는무관한것을알수있다. 대체적으로최대액화유량은열교환유용도가 0.95일최적의압축압력은 110bar이며이때에액화시킬수잇는최대의액화유량은 0.00623g/s로적합한예냉온도는 67K 가된다. 17) 같은냉동기를사용하여공기액화의적용한연구가적기 때문에동일성능을비교할수없으므로수소액화에서사용한성능을간 접적으로비교할수있다. 다음으로열교환기에대한연구를살펴보면다음과같다. 초저온영 - 28 -
역에서열교환기에대한연구는독일의 Linde가공기의액화에사용하기위해제작한이중관형열교환기로부터시작되었다. 이 Linde 열교환기는이중관형열교환기로서바로뒤이어등장한쉘앤튜브형식의 Hampson 열교환기와함께코일관형열교환기의주를이루게되었다. Linde 열교환기는확실한향류를만들어주는장점이있는반면에상대적으로 Hampson 열교환기에비해열전달이나쁘기때문에대부분의연구가 Hampson 열교환기에대해이루어져왔다. 그러나 Linde 열교환기는 Hampson 열교환기에비해가격이싸고제작하기쉬우며크기가작은장점을가지고있어지금도많은곳에이용이되고있다. Hampson 열교환기에대한연구를살펴보면, Eckert는 Hampson 열교환기의셸측막 (film) 열전달계수와압력강하를계산하여관계식을제시하였고, Schmidt은관측에생기는이차유동효과에의한열전달계수의향상을실험식으로제시하였다. 수소기체를사용한실험으로서 Geist 와 Lashmet은 JT 팽창을포함하고있는 Hampson형의열교환기의냉동성능을수소를사용해측정하였다. Meier은 para-ortho 수소변환을고려한 Hampson형의열교환기실험을통해, 촉매를담고있는열교환기의성능을예측할수있는관계식을제시하였다. Linde 열교환기에대한연구는초저온이아닌영역에서많이이루어졌는데, Heshizume은 R-22를사용하여응축기나증발기로사용되는수평이중관식열교환기의열전달계수를구하는실험을하였다. Janes와 Bellotty는이중관열교환기의온도와압력분포를유한차분법을사용하여일차원적으로해석하였다. 또한한창섭은이중관열교환기에서정상상태와과도상태에서의열전달을유한차분법으로해석하였다. 그러나상기의연구결과는초저온영역에서이용되어야하는열교환기의설계에적용하기에는한계가있다. 18) 초저온열교환기의유용도를정확히예측하는것이필요하지만일반적인열교환기에대한상관식으로부터초저온용열교환기의성능을예측하 - 29 -
는것은많은오차를야기시킨다. 이것은초저온영역에서는물성이일반영역에서와많이차이가나기때문이다. 또한상온에서는무시될수있을정도의복사열이초저온에서는중요하게나타나고, 열교환기를구성하고있는고체의열전도손실도크게증가하여열교환기의유용도에큰영향을미친다. 모든액체와고체의비열또한초저온영역에서는크게감소하게된다. 단열방법에대해살펴보면다음과같다. 초저온에사용되는단열방법에는다음 6가지를들수있다. Expanded foams, gas-filled powders, fibrous materials, vacuum alone, evacuated powders and fibrous materials, opacified powders 그리고 multilayer insulations 등이있다. 이중다층단열방법은 P. Peterson이처음개발하였고 Kropschot et al. Hnilicka, Black and Glaser, Matsch 그리고 Caren과 Cunningham에의해연구되었다. 현재초저온단열방법으로가장많이사용하고있으며열차폐효율에대한연구가진행중에있다. 각각단열방법의장점과단점을 Table 2.9에제시하였다. 11) 현재일본에서는액화천연가스를이용한수기의공기액화플랜트를운영하고있다. 각플랜트의운영조건과규모는비교할수없지만본논문의결과를비교하기위해 Table 2.10에각각의용량과기존방식의공기액화의용량과소모전력을나타내었다. 9) - 30 -
Table 2.8 Optimal data of three cryogenic refrigerators for given parameters in the system CTI 1020CP CVI CGR009 CVI CGR011 Heat exchanger effectiveness: ε 0.95 0.95 0.95 Compressor work (w) 270.4 604.5 1295.5 Precooling load (w) 30.34 51.13 102.2 Preccoling temperature (k) 66.98 77.58 80.20 Optimal high prssure (bar) 110 120 120 Optimal mass flow (g/s) 0.032 0.07 0.15 Maximum liquefied mass flow (g/s) 0.00623 0.00961 0.0187 Liquid yield : y 0.1948 0.1373 0.1247 Figure of merit : FOM 0.0143 0.0374 0.0332-31 -
Table 2.9 A comparison of the advantages and disadvantages of the insulations used in cryogenic system Expanded foams Gas-filled powders and fiberous materials Vacuum alone Evacuated powders and fibrous materials Opacified powders Multilayer insulations Advantages Disadvantages 낮은비용 rigid vacuum jacket 필요높은열수축없음시간에따라열전도가변함기계적효율이좋음낮은비용증기 barrier 필요불규칙구조에쉽게적용전도도증가화재성이없음복잡한구조물에쉽게적용높은진공도를필요 Cool down 이적음낮은방사율이필요내부와외부간격이적음상대적으로진공도작음진동부하와열적사이클링복잡한구조물에쉽게적용진공필터가필요진공이쉽게됨 Evacuated powder보다더 Evacuated powder 보다성능이좋음비용이비쌈복잡한구조물에쉽게적용알루미늄의폭발성이있음진공요구도가상대적으로금속물에문제가있음낮음최고의단열효과체적당비용이많음무게가적게들어감복잡한면에적용이어려움낮은 Cool down 고진공도가필요안정성이좋음 - 32 -
Table 2.10 The capacity of the air liquefaction plants Tokyo Liquefied Oxygen co.,ltd. Tokyo Oxygen and Nitrogen Co.,Ltd. Conventional Type Location Isogo, Yokohama Sodegaura, Chiba - Production Capacity (Nm 3 /h) Liquid Oxygen (Nm 3 /h) Liquid Nitrogen (Nm 3 /h) LNG Consumption (T/H) Electric Power Consumption (KWH/product Nm 3 ) 20,000 18,300 10,000 6,500 6,000 7,000 13,500 12,300 3,000 60 45-0.4 0.4 1.1~1.2-33 -
제 3장공기액화실험장치및실험방법 3.1 실험장치 본연구에서는시간당 1L 액화용량의설비를구축하여기체공기를액화할수있는시스템을제작하였다. 시스템은크게공기압축기, 실린더, 열교환기, GM냉동기, 액화포집용기그리고진공펌프로구성되어있으며, 시스템의실험장치도는 Fig. 3.1에나타내었다. 공기압축기는고압공기압축기로모델명은 LT-104이고저진동및저회전으로내구성이크며 1150rpm의속도로 2단으로구성이되어있으다. 정격부하 3.7kW로용량은 20Nm/hr 30bar로서소용량의유량을사용할때적당하다. 효율은 82.5% 이다. 2단공랭식으로 1단과 2단의압력계가설치되어있으며안전을위해압력지시계를설치하여 35bar 의압력에도달하면자동으로운전이정지되는구조로되어있다. Table 3.1에주요제원을표시하였다. 본논문에서는실린더에압축공기를저장하여사용하는것이므로 35bar의압력까지견딜수있는실린더 6개를설치하여공기를저장할수있게하였다. 각각의실린더에압력계를설치하였고압력조절밸브를설치하여공기의압력을조절하였다. 또한양질의공기를공급하고수분등을제거하기위해그입구와출구에 3개의필터를구성하였으며, 각각 5 micron(pre Filter), 1 micron(line Filter), 0.01 micron(coalescent Filter) 으로구성되어있어수분과탄산가스그리고먼지등을제거하게된다. 열교환기는액화천연가스대신그온도가비슷한액체질소를이용하여 pond-type 열교환기를제작하였다. 질소의잠열은 199.6kJ/kg이고액화천연가스의잠열은액체메탄을기준할때 511kJ/kg이된다. 이는 - 34 -
-196 의액체질소가훨씬빠르게기화되며전열효과가크게된다. 그러나본논문에서는일정한공기주입압력에대한최종액화량은액화장치의용량과예냉온도에의하여결정되므로예냉매체의종류에는무관하게되므로액체질소를사용하였다. 설계는크기선정을목적으로이루어졌으며실제작을하여성능실험을수행하였다. 열전달계수를구하기위해서원관에적용되는 Gnielinski 상관식에 Petukov and Roizen이제안한수정계수를곱한식을사용하였다. 이식은기본적으로운동량전달과열전달현상의상사성을이용하는것으로그정확성이매우좋다. 20),21) 열교환기의설계에서다음을가정하였다. 1 원관내에액체질소증발이일어나는경우도고려한다. 2 과내외측의불결계수는무시한다. 3 모든유동및열전달과정은정상상태이다. 4 유체의물성치는일정하며평균온도에서계산한다. 총괄열전달계수는 13.834 W/m 2 K 로설계하였으며총열전달면적은 0.1234m 2 으로설계하였다. 하나의열교환기를통해 243K, 213K, 173K 의온도가필요함으로그온도범위에따라관의길이를설정하여층을이루게하였다. 열교환기입구와출구에 Thermocouple을설치하여온도를체크하였고각층에도 Thermocouple을설치하여열교환기의성능을알수있게하였다. 설계결과는 Table 3.2에요약하였으며그구성은 Fig. 3.2에나타내었다. GM 냉동기는 Sumitomo 중공업사의 RDK 408S 모델로서헬륨을냉매로사용하고 2단으로구성되어있으며수냉식으로사용하였다. 전력부와냉동부로크게나누어져있으며 1단의온도는 33.3K에서 35W, 2단은 9.2K에서 6.3W의용량을가진다. 헬륨의압력을측정할수있게압력계가설치되어있으며사용시간을체크할수있는타이머가부착되어있다. 각각의단에서걸리는온도와매질에따라전력량은다르게나타나게된다. 각 1단과 2단에 Thermocouple을설치하여실험시작후종 - 35 -
료까지온도를체크하였다. Sumitomo 중공업사에서제공한제원및성능표를 Fig. 3.3, 3.4에제시하였다. 주요구성요소인액화포집용기는열전도성이낮으며압력과내부식성이강한스테인리스강으로제작하였으며단열을위해 2중실린더로설계하였다. 실험이시작되면액체질소와열교환을거친초저온의공기가유입이되므로밸브역시초저온용밸브를사용하여부착하였다. 액화포집용기는외부로부터의전도, 대류, 복사에의한열손실을최소화할수있도록진공챔버와복사쉴드를설치하였다. 액화포집용기의외부에는복합단열재인 MLI로 100겹을감아복사열손실을극소화하였으며, 액화포집용기와함께구성되어있는진공챔버에는진공펌프와 Diffusion 펌프를이용하여 10-7 torr로진공도를유지하였다. 액화포집용기의입구와출구에 Thermocouple을설치하였으며액화포집용기내부의바닥부터위로 1cm간격으로 10개의 Thermocouple을설치하여액화된공기의량을알수있게하였다. 또한액화포집용기외부의진공챔버입구에진공도 를파악하기위해고진공압력계를설치하였다. 19),20) 액화포집용기의재원 은 Fig. 3.5에나타내었다. 각장비의온도측정은극저온용온도센서인 Thermocouple을이용하여열교환기입구와출구, 냉동기 1단과 2단, 액화용기바닥면과그위로 1cm 간격으로 10개를부착하였다. 실험에앞서모든온도센서는액체질소를이용하여온도보정을수행하였다. Thermocouple에서측정된데이터는 DATA LOGGER MDL-MD를컴퓨터와연결하여 3초간격으로데이터를수집하게하였다. 실험장치에공기를공급하는관은 SUS(3/8in, O.D) 를사용하였고, 열교환기는열전도도가높은동관 (3/8in O.D) 를사용하여구성하였으며실제실험장비는 Fig. 3.6에제시하였다. - 36 -
Fig. 3.1. The schematic diagram of the air liquefaction system - 37 -
Table 3.1 Data sheet of air compressor MODEL TYPE LT-104 2-STAGE AIR COOLED NO. OF CYLINDER 2 CYLINDER BORE <1단 / 2단 > STROKE CAPACITY(F.A.D) REVOLUTION 100mm / 45mm 42 mm 15 m 3 /hr 1150 rpm NORMAL WORKING PRESSURE 30 kg/cm 2 AMBIENT AIR TEMPERATURE Max. 45 LUBRICATION SYSTEM VIBRATION LEVEL NOISE LEVEL REQUIRED POWER METHOD OF DRIVING ROTATION(FROM FAN) WEIGHT SPLASH Max. 0.2mm(PEAK TO PEAK) Max. 85 db(a) 3.5 kw DIRECT COUPLING C.W. ABOUT 75 kg PAINT COLOR 5Y 7/1-38 -
Fig. 3.2 Schematic of the exchanger - 39 -
Table. 3.2 Design of the pond type exchanger 설계조건 공기입구온도 = 30 공기출구온도 = -100 공기관 = 3/8 in ( 동관 k = 430W/m k) 공기유속 = 80 l/min 내부관내경 ( ) = 0.007350 m 외부관내경 (d o ) = 0.009525 m LN 2 온도 = -196 환상관내경 (D i ) = 0.02 m 관내부면적 = 4.243 10-5 m 2 총열량 259.2 W Re = 22488.1( 난류 ) 내부유동 Gnielinski-Petukov and Roizen 148.34 W/m 2 K 외부유동환상공간의이중관을가정 15.736 W/m 2 K 총괄열전달계수 13.834 W/m 2 K 열전달면적 0.1234 m 2-100 4.124 m 관길이 -80 " 3.160 m -60 " 2.406 m - 40 -
Fig. 3.3 Mechanical drawing of GM refrigerator Fig. 3.4 Performance curve of GM refrigerator - 41 -
Fig. 3.5 Mechanical drawing of cylinder - 42 -
a. Air compressor b. Air cylinder c. Filter(5micron, 1micron) d. Filter(0.01micron) e. LN 2 Exchanger - 43 -
f. Cyostat g. GM refrigerator head h. Liquefied Air vessel i. LN 2 Tank j. Diffusion pump Fig. 3.6 Photographs of equipment - 44 -
3.2 실험방법 본연구는액화천연가스의냉열을이용한공기액화의냉열이용핵심기술에대한실험적검증을통하여냉열이용기술의국산화와응용력확보가가능하도록하고자하는것이다. 공정은현공기액화공정과는달리액화천연가스냉열에의한냉각공정을갖추게되므로기존의공정과열교환공정등이차이가나게된다. 액화천연가스냉열의온도에따른연구수행에앞서실험실에는액화천연가스를구할수없으므로그물성이비슷한액체질소를사용하여주입되는공기온도를 173K, 193K, 213K 로예냉을수행한다. 본실험은예냉의정도에따른액화수율의변화를실험하는것으로공기액화수율의영향인자인액화천연가스와액체질소의매체차이, 열교환기종류에따라전열량이변화될것이다. 이를위한연구수행의구체적방법은다음과같다. 먼저고압의공기압축기를이용하여 35bar의압력까지 6개의실린더에공기를채운후필터를통하여수분과먼지를제거한다. 약 10분동안전체관의퍼지작업이끝나면진공펌프를가동하여 2중으로설계된액화포집용기의외 부용기를 10-6 torr 의고진공으로형성한후정제된고압공기를액화포 집용기에주입하고 GM 냉동기를가동하여실험을수행한다. GM 냉동기를가동시킨후액화포집용기내부에부착되어있는각센서의온도가공기액화온도에도달하면기체공기의액화가시작됨을알수있다. 액화가진행되는동안기체공기의온도가떨어지게되고그비체적이감소하게된다. 이비체적감소로인해액화포집용기의내부압력이떨어지게되므로압력을일정하게유지하기위하여기체공기를지속적으로보충해준다. 액화가시작되면액화포집용기의바닥온도는액체공기의온도로일정하게유지되며시스템은정상상태에도달하게된다. 정상상태에서액화가진행되면액화포집용기내부바닥에서부터위로 - 45 -
1cm 간격으로부착된열전대를통하여액체공기의수위를파악한다. 충전되는공기의압력변화에따른실험은 0.1~0.4 MPa의압력에서각각의경우에따른액화공기량, GM 냉동기소요전력, 액화포집용기내부의온도변화를측정한다. 액화가진행되면서생성되는액체공기가액화포집용기저장용량의한계인 2L에도달하면 GM냉동기를정지시킨후액화된공기는 Cylinder에남아있는기체의압력을이용하여초저온저장조에저장, 보관한다. - 46 -
제 4 장실험결과및고찰 4.1 무부하성능실험 본격적인공기액화실험을수행하기전, GM 냉동기의성능을측정하기위해대기온도에서무부하냉각성능실험을수행하였다. 먼저액화포집용기내부와외부사이를 10-6 torr의고진공으로만든후 GM냉동기를가동하여 GM냉동기 1단과 2단의온도변화를시간에따라측정하였고그결과를 Fig. 4.1에나타내었다. GM 냉동기의특성상 1단이먼저냉각된후 2단의온도가급격히냉각되어역전이된다. 15분후 173K에서 2단의온도가역전이되고 45 분이경과하면냉동기의 1단과 2단의온도가정상상태에도달한다. 정상상태에서냉동기 1단은 24K, 2단은 7K까지도달하였다. 이를냉동기제조사에서제공한성능표인 Fig. 3.4와비교한결과그성능이비슷함을알수있었다. 이를통해, 연구에사용된액화포집용기는적절한단열설계가이루어졌으며냉동기의성능또한우수함을알수있었다. - 47 -
Fig. 4.1 Cool down curve of GM refrigerator without load - 48 -
4.2 압력변화에따른액화공기의유량특성 본연구에서는예냉에따른실험을하기에앞서 1 ~ 4bar 사이에서예냉이없이시간에따른유량특성을알아보았다. 먼저 Fig. 4.2는 1bar에서시간에따른공기의액화량을나타낸다. 공기의유량은초기 GM 냉동기의냉각으로인한공기의비체적감소로액화가시작하기전까지서서히증가하게된다. 약 20분후 1단의온도가액화온도에도달하게되고약 33분후 2단의온도역시액화온도에도달하게된다. 45분후유량이급격하게변화하는데이는 GM 냉동기에서최초생성된액체공기가용기와의접촉으로액화용기를냉각시킨후다시기화하는것을반복하는것이다. 즉, 45 ~ 50분사이에공기는액화되기시작한다. 55 ~ 60분사이에최대유량이나타났다가약 70 분까지다시감소하는현상이일어나는데이는 GM 냉동기의표면에액체공기가생성되면서실제냉동장치표면에액체막이형성되어냉동장치에서생성되는열의전달이차단되어나타나는현상으로보인다. 약 80 분후냉동기의액화량이정상상태로유지됨을알수있다. Fig. 4.3은각각의압력에서시간에따라액화되는공기의액화량에대한결과이다. 기체공기가액화되기시작하는 40 ~ 50 분을기준으로액화량의현격한차이를보인다. 실험초기용기내주입되는공기의압력이높을수록유량은증가하며액화소요시간은압력이증가할수록감소한다. 이는압력이높을수록공기의포화온도상승과액화잠열의감소, 액화용기내상변화에따른공기의밀도증가등으로인해자연대류에의한냉각효과가증가되었기때문이다. Fig. 4.4는시간에따라생성되는액체공기의누적질량을압력에따라나타낸결과이다. 주입되는공기의압력이클수록누적질량은증가함을나타내었다. 특히, 3bar 와 4bar에서는단지약 3% 증가된누적질량을나타냄으로써이액화용기에서는 3bar에서의운전이효과적임을알수 - 49 -
있었다. Fig. 4.5는압력에따른공기의평균액화량및최대액화량에대한결과이다. 평균액화량은냉동기 1 2단의온도가일정하게유지되는정상상태에서공기의평균유량을압력에따른공기의밀도로나누어계산된값이다. 주입되는공기의압력이높을수록평균액화량과최대액화량이증가하였고최대액화량의경우 4bar에서 0.02306 kg/min 의값을나타내었다. 이결과로서예냉이없는기존의전기이용공기분리액화시스템에서는압력이높을수록액화량이증가함을알수있다. - 50 -
0.025 Liquefaction Rate (kg/min) 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (min) Fig. 4.2 Liquefaction rate with time at 1bar. - 51 -
0.040 Liquefaction Rate (kg/min) 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 1bar 2bar 3bar 4bar 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (min) Fig. 4.3 The variation of liquefaction rates with time at variation pressure without the precooling effectiveness. - 52 -
0.8 0.7 Cumulative Mass (kg) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1bar 2bar 3bar 4bar 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (min) Fig. 4.4 Cumulative liquefied air mass at various pressure without the precooling effectiveness. - 53 -
Liquefaction Rate (kg/min) 0.036 0.034 0.032 0.030 0.028 0.026 0.024 0.022 Average liquefaction rate Maximum liquefaction rate 0.020 0.018 1 2 3 4 Pressure (bar) Fig. 4.5 Average and maximum liquefaction rates at various pressure without the precooling effectiveness. - 54 -
4.3. 액체질소 (LN 2 ) 예냉에따른액화량변화 액체질소예냉이액화장치성능에미치는영향을살펴보기위한실험으로 288K, 243K, 213K, 173K의예냉온도에따른액화량을살펴보았다. 실험은열교환기를통과한저온의공기가액화된후기화되지않도록액화포집용기내부의표면온도를액체질소온도까지떨어트린후실험을수행하였다. Fig. 4.6 ~ Fig. 4.9는각압력에서예냉온도에따른액화량이다. 1bar에서 4bar까지의공통된특징은다음과같다. 예냉의온도에따라액화되는시점이단축되는것이다. 4bar를기준으로볼때, 예냉이없는경우액화가 48분에서시작이되지만본논문의 173K에서는 26분에시작이되었다. 이는실제액화공정에서공기를액화할경우, 같은양을생산하는데필요한시간이단축됨으로써냉동기를가동하는전력소모를크게감소할수있음을나타낸다. 또한예냉온도가낮을수록액화율이커지는데이것은액화포집용기내부에들어오는공기의온도가낮아져액화온도인 77K와의온도차가작아지기때문이다. GM냉동기에걸리는초기온도가 288K인경우와 173K의경우를비교하면약 29% 의초기부하감소효과가나타나는것이다. 그림에서알수있듯이공기의예냉으로인해액화량에미치는영향이큼을알수있었다. Fig. 4.10은실제액화되는시점에서압력과예냉온도에따른평균액화량을나타며표 4.1는 Fig. 4.10을수치로나타내었다. 이는전체액화량의평균을의미하는것이아니라예냉에따라액화가시작되는시간이틀리기때문에그값을보정하여평균을나타낸것이다. 1bar ~ 4bar에서 288K 기준 243K의경우액화량은평균 4.67% 의증가를나타내었고 213K의경우평균 8.95% 의증가를나타내었으며 173K의경우평균 13.62% 의증가를나타내었다. Fig. 4.11은 4bar의압력에서예냉온도에따른평균액화량을식으로 - 55 -
나타낸것이다. 식은 exponential decay 방법을사용하였으며오차범위는 ±0.5% 이다. Fig. 4.12은예냉온도 173K에서압력에따른평균액화량을식으로나타낸것이다. 식은 exponential growth 방법을사용하였으며오차범위는 ±4% 로나타났다. Fig. 4.13 ~ Fig. 4.16은각각의압력에서예냉온도에따른누적질량을나타내는것이다. 평균실험시간 85분을기준으로 288K에서 243K의경우평균 38% 의증가를나타내었고 213K의경우평균 64% 의증가를나타내었으며 173K의경우평균 87% 의증가율을나타내었다. Fig. 4.17는실험시작후 85분까지각각의압력과예냉온도에따른누적액화질량을나타내는것이다. 액화용기내부의공기는압력과그예냉온도에따라액화에필요한에너지가달라지기때문에액화시작시점이달라지며누적질량은액화유량과는달리큰차이를보이는것을알수있다. 공기액화시예냉으로인해액화포집용기내부의초기부하를줄임으로써액화시작시점이감소하여전체적인액화량의증가를가져왔다. 예냉을통한실험의결과는액화시작후냉동기부하를액체질소예냉을통해감소시킴으로서액화량은약 14% 증가하였다. 예냉이없을경우에비해예냉이있는경우약 87% 의질량증가율을나타냄으로서본실험장치의액화량증가에영향을주었다. 또한예냉공정에서공기의온도저하에소요된에너지는 4bar 기준 288K와 173K의공정을비교할때 18.03W의에너지가감소하였고, 이는전체공정에서약 33.3% 의전력감소효과를나타내었다. 이를통해감소되는에너지가큼을알수있다. - 56 -
0.040 Liquefaction Rate (kg/min) 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 288K 243K 213K 173K 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (min) Fig. 4.6 Liquefaction rates with precooling at 1bar 0.040 Liquefaction Rate (kg/min) 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 288K 243K 213K 173K 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (min) Fig. 4.7 Liquefaction rates with precooling at 2bar - 57 -
0.040 Liquefaction Rate (kg/min) 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 288K 243K 213K 173K 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time(min) Fig. 4.8 Liquefaction rates with precooling at 3bar 0.040 Liquefaction Rate (kg/min) 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 288K 243K 213K 173K 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (min) Fig. 4.9 Liquefaction rates with precooling at 4bar - 58 -
0.030 Average liquefaction rate (kg/min) 0.028 0.026 0.024 0.022 0.020 0.018 0.016 288K 243K 213K 173K 1 2 3 4 Pressure (bar) Fig. 4.10 The average liquefaction rates at various pressure and precooling effectiveness Tabale. 4.1 The average liquefaction rates at various pressure and precooling effectiveness 1 bar 2 bar 3 bar 4 bar 288K 19.191 g/min 19.631 g/min 22.257 g/min 23.061 g/min 243K 20.126 g/min 20.828 g/min 22.897 g/min 24.03 g/min 213K 20.643 g/min 21.58 g/min 24.16 g/min 25.314 g/min 173K 21.809 g/min 23.271 g/min 25.942 g/min 27.217 g/min - 59 -
Average liquefaction rate (kg/m in) 0.028 0.027 0.026 0.025 0.024 0.023 Data: Average liquefaction rate at 4bar Model: ExpDec1 Equation: y = A1*exp(-x/t1) + y0 y Average liqefaction rate y0 0.02101 A1 0.03399 t1 101.973 Average liquefaction rate at 4bar Fit exponential decay 160 180 200 220 240 260 280 300 Tem perature (K) Fig. 4.11 The equation of average liquefaction rates with precooling at 4bar Average liquefaction rate (kg/m in) 0.028 0.027 0.026 0.025 0.024 0.023 0.022 Average liquefaction rate at 173K precooling Fit exponential decay Data: Average liquefaction rate at 173K precooling Model: ExpGro1 Equation: y = A1*exp(x/t1) + y0 y Average liquefaction rate y0 0.06803 A1-0.04841 t1-22.99357 0.021 1 2 3 4 Pressure (bar) Fig. 4.12 The equation of average liquefaction rates with various pressure at 173K precooling - 60 -
Cumulative liquid mass (kg) 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 288K 243K 213K 173K 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (min) Fig. 4.13 Cumulative liquefied air mass with various precooling temperatures at 1bar Cumulative liquid mass (kg) 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 288K 243K 213K 173K 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (min) Fig. 4.14 Cumulative liquefied air mass with various precooling temperatures at 2bar - 61 -
Cumulative liquid mass (kg) 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 288K 243K 213K 173K 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (min) Fig. 4.15 Cumulative liquefied air mass with various precooling temperatures at 3bar Cumulative liquid mass (kg) 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 288K 243K 213K 173K 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (min) Fig. 4.16 Cumulative liquefied air mass with various precooling temperatures at 4bar - 62 -
Last liquefied air mass (kg) 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 1 2 3 4 Pressure (bar) 288K 243K 213K 173K Fig. 4.17 The last liquefied air mass to 85 minutes at various pressure and precooling effectiveness - 63 -
4.4. 압력과예냉온도에따른압축일률산정 Fig. 4.18는각압력당예냉온도에따른압축일률 (FOM) 로써액화질량당이론적으로필요한일을실제측정되는단위액화량당실제소요입력일로나눈값으로액화장치에서사용되는냉동기의성능지표를나타내는것이다. 즉압축일률이크면실제일이적게소요되는것으로시스템효율의향상을의미한다. 이론적필요일의경우초기온도에서압력에따른액화온도까지사용된기체공기의엔트로피와그포화온도에서의액체공기엔트로피의차이에온도를곱한값에서액화온도까지사용된기체공기의엔탈피와그포화온도에서의액체공기엔탈피의차이를뺀값이다. 실제사용된일의양은 GM 냉동기압축기에설치된전력량계를통해냉동기가동후실험종료까지사용된전력량에서생성된액체공기의질량을나누어구할수있다. 그결과실험의압력범위인 1~4bar에서압축일률은 0.0364~0.0516 의값을나타내었다. 압력이높을수록그리고예냉으로인해액화용기내부의부하가적어질수록압축일률은상승하였으며 3bar에서압축일률의증가율이커지는특성을보였다. 이는압력이높을수록액화시작시점이감소하여같은양을액화시키는데소요되는전력량은줄어들고액화용기의부하가적어질수록액화량은증가하기때문이다. 또한실험에사용된압축일률로미루어보아본시스템은 3bar에서의운전이효과적임을알수있었다. 본시스템의기본이되는 Precooled Linde-Hampson system에서는공기의경우압축일률이 0.1313 으로실험에의한효율보다약 3배이상높다. 이는대용량실험에의한결과로 200bar의압력으로운전하였고열교환기, 압축기등의기기효율을 100% 로가정하였기때문이다. - 64 -
0.054 0.052 0.050 0.048 FOM 0.046 0.044 0.042 0.040 0.038 0.036 288K 243K 213K 173K 1 2 3 4 Pressure (bar) Fig. 4.18 FOM at various pressure and precooling effectiveness - 65 -
제 5 장결론 공기액화를이용하기에앞서폐열로버려지는액화천연가스의냉열을이용하는것은급격하게증가되는에너지수요를대처하고국가경쟁력을위해필수적이다. 따라서실제액화천연가스의냉열을이용하여공기액화에적용하는기술을발전시키기위해 GM 냉동기를이용한직접냉각방식의소형액화시스템과액체질소를이용한열교환기를설계, 제작하고그성능특성에대한실험을수행하였다. 냉각용 GM 냉동기의무부하성능실험결과본액화장치의단열시스템의설계및제작이적절함을검증하였다. 또한액체질소이용열교환기의성능또한목표온도인 243K, 213K, 173K에도달함으로써열교환성능또한적절함을검증하였다. 특히, 예냉온도에따른액화량의증가를통해동일시간누적질량이최대 87% 증가함으로써공기액화시상당한량의에너지를감소할수있음을확인할수있었다. 액화장치의냉각특성및액화성능실험은초기온도 288K에서액화용기내공기충전압력을 1 ~ 4bar 까지변화시키고예냉온도 243K, 213K, 173K를통해수행한결과는다음과같이얻어졌다. 1) 본실험의규모는실제사용되는대형플렌트규모의생산량과비교할때매우적은량이지만, 실제정류탑에적용되고있는압력즉 4~6bar 에서의액화특성을파악함으로써시스템의 Scale-up을위한설계치를얻을수있었다. 2) 본실험의연구결과액화량은예냉온도 173K, 압력 4bar 일때 0.0264 kg/min 로체적으로는시간당 1.35m 3 /h 규모가된다. 예냉에의 한액화특성, 압력에의한액화특성을파악할수있었다. - 66 -
3) 본실험으로부터예냉온도가 243K에서 173K로저하됨에따라액화량은 16.6% 증가하였다. 이를액화천연가스의냉열온도인 111K까지적용할때 243K의액화량과비교하면 0.0324 kg/min으로 35.04% 가증가하게된다. 4bar의평균액화량을이용하여예냉에따른액화량을다음과같은식 (15) 으로얻어졌다. exponential decay 방법으로오차범위는 ±0.5% 이며 는액화량 (kg/min), 는예냉온도 (K) 이다. (15) 4) 압력에따른액화량의증가를보면, 압력이 1bar에서 4bar로증가될때공기의액화량은 22% 가증가된다. 본실험결과예냉온도가낮을수록압력이높을수록액체량이증가하여 FOM이증가하였다. 즉냉열이용공정에서는정류탑하부의압력인 5~6bar 이상으로주입되면액화분리가가능함을알수있으며, 액화수율을높이고자한다면 40~60bar의적용이적절함을알수있다. 압력에따른평균액화량의증가는예냉온도 173K를기준으로하여다음식 (16) 과같이나타났으며, exponential growth 방법으로오차범위는 ±4% 이며 는액화량 (kg/min), 는압력 bar를나타낸다. (16) 향후공기액화의효율적이용을위해서는소형공기분리기의제조를통 해실제산소와질소, 아르곤의분리를통한연구가필요하며열교환기 설계역시효율향상에대한지속적인연구가수행되어야할것이다. - 67 -
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감사의글 건강의악화로 1년을쉬면서남들보다힘들게대학원과정을마치게되었습니다. 어렵고힘들었던시간이었던만큼졸업을앞둔지금, 이젠아쉬움과그리움이남습니다. 부족하지만저의열정과시간이담긴한편의논문이완성되기까지도움이되어주신분들에게지면을통해서나마감사의마음을전합니다. 항상부족하기만한저를물심양면으로지도해주시며공학도로서의자세와세상을살아가는방법을가르쳐주신윤상국교수님의은혜는평생잊지않겠습니다. 그리고본논문의위원장으로써가르침을주신김동혁교수님, 위원이신황광일교수님에게감사드립니다. 학부시절부터대학원까지기초지식을쌓게도와주신방광현교수님, 도덕희교수님, 유삼상교수님, 최형식교수님, 왕지석교수님에게도깊은감사를드리며부끄럽지않은제자가되기위해열심히살아가겠습니다. 많은시간함께하며힘이되어준냉동공학실험실가족들에게도감사의뜻을전합니다. 지금은어엿한사회인이되신경식, 정훈선배님, 오랜시간함께한친구명국, 소연후배님, 많은냉동연구회선 후배에게도감사드립니다. 다른실험실이지만함께해온, 경규, 옥근, 성욱, 종진, 상우선배와먼저졸업한동기군의에게도감사드립니다. 그외많은냉동공조공학과선 후배님, 언제나곁에서힘이되어준든든한부산중앙고동창들과지기들, 제가사랑하는사람에게도감사의말을전합니다. 부족한저를믿어주시고학업에만전념하도록용기와믿음을주신어머 님과동생동국이, 오래전에돌아가신저의아버님에게도감사의마음으 로이논문을바칩니다.