[논문]중간 냉각기가 있는 고압 다단 왕복동식 압축기에 관한 열역학적 해석

이억수; 김명훈; 이승홍

doi:10.3795/ksme-b.2003.27.9.1238

[국내논문] 중간 냉각기가 있는 고압 다단 왕복동식 압축기에 관한 열역학적 해석
Thermodynamic Analysis of High Pressure Multi-stage Reciprocating Compressors with Inter-coolers 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.27 no.9 = no.216, 2003년, pp.1238 - 1247

이억수 (부경대학교 기계공학부) , 김명훈 (부산대학교 대학원 기계공학과) , 이승홍 (부산대학교 기계공학부)

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Simplified thermodynamic analysis of high pressure 4-stage reciprocating compressors with 4 inter-coolers has been investigated to predict a behavior of a compressor system for NGV(natural gas vehicles). A computer program has been developed to predict and estimate the performance of high pressure 4-stage reciprocating compressor system. Thermodynamic properties of compressed natural gas(CNG) were calculated by ideal gas theory and compression cycle was assumed as reversible adiabatic compression and expansion processes, and isobaric intake and discharge processes. Comparison between results predicted by calculation model and measured by experimental tests is presented.

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문제 정의

본 연구는 도시가스 배관으로 공급되는 저압의 천연가스(2.5~5bar)를 천연가스 자동차용 압축천연가스(CNG) 충전소에서 251 bar 의 고압으로 압축할 수 있는-, 국내에서 개발, 제작된 왕 복동식 고압 4단 가스 압축기와 중간 냉각용 열교환기의 간단한 해석을 통해서 운전 성능을 예측해 보고자 한다. 각 단의 압축과정에서 압르!, 온도, 유량, 동력, 압력손실 등을 계산하고, 가 단 사이에 중간냉각(inter-co cling)을 위하여 고밀도 열교환기룔 설치하여, 각 단에서 압축된 고온의 천연가스률 다음 단의 압축기에 들어가기 전에 냉각 열교환 하는 과정을 해석 하고자 한다.

가설 설정

국내에 사용중인 천연가스의 조성이 Table 1과 같이 메탄가스가 주를 이루는 천연가스의 물성치를 이상기체로 가정하여 해석하였다.
각 단의 압축비는 동일한 압축비로 설계, 제작되면 좋지만, 실제 제작된왕복동식 압축기의 압축비는 압축기의 선택에 의해서 사실상 정해진다. 모든 과정은 가역 폴리트로픽 과정(reversible polytropic process)으로 가정하고, 압축 및 팽창과정을 가역 단열과정 (PV』 const)이라고 생각한다. 압축비(r)가 주어졌을 때, 압축할 기체(천연가스)를 이상기체로 가정하면 토출 온도는 다음과 같이 표현된다.

제안 방법

5~5bar)를 천연가스 자동차용 압축천연가스(CNG) 충전소에서 251 bar 의 고압으로 압축할 수 있는-, 국내에서 개발, 제작된 왕 복동식 고압 4단 가스 압축기와 중간 냉각용 열교환기의 간단한 해석을 통해서 운전 성능을 예측해 보고자 한다. 각 단의 압축과정에서 압르!, 온도, 유량, 동력, 압력손실 등을 계산하고, 가 단 사이에 중간냉각(inter-co cling)을 위하여 고밀도 열교환기룔 설치하여, 각 단에서 압축된 고온의 천연가스률 다음 단의 압축기에 들어가기 전에 냉각 열교환 하는 과정을 해석 하고자 한다.
각 단의 공기의 유량은 제작된 CNG 압축기를 작동 시켜 직접 속도분포를 측정하여 구한 평균값, 14 kg/s(평균 공기의 속도 11.7m/s)를 각 단의 열교환기의 면적비로 나눈 값을 사용하였다. 엇갈림 배열의 휜이 있는 매끈한 관(smooth finned tubes) 에서 Colbun j 인자는 다음 식을 사용하여 평가하였다.
만약, 밸브 압릭손실 , Pv를 무시하게 되면 최종적으로 토출 압력이 276 bar로서 실제 작동값 228 bar 와는 약 50 bar 정도 차이가 나며 실제 작동값과 큰 차이를 보인다. 압축시스템의 해석 이론을 바탕으로 국내에서 제작된 CNG 압축기의 운전 조건의 변화에 따른 열역학적인 성능을 계산하기 위해 MS EXCEL 을- 이용하여 프로그램을 개발하였다.'応
국내에서 제작된 천연가스 자동차 충전용 고압 4단 왕복동식 압축기의 혜석올 통하여’ 압축기의 열역학적 성능 계산과 4단 압축과정에 필요한 중간 냉각용 열교환기에 대한 해석을 함께 수행하여 다음이 결과를 얻었다.

대상 데이터

다중패스, 직교류식, 고밀도, 열교환기이며, 압축기마다 열교환기가 1 개 씩 있다(Table 3 참조). 관(tube)의 재질은 A179(탄소강)이고, 휜의 재질은 알루미늄이다. 단수가 고압으로 증가 할 수록 관의 두께가 두꺼워 지고 열교환기의 통과 패스(pass) 수도 증가하고 있다.
하첨자 n는 노즐을 의미하며, . 입구 노즐에서 손실게수 Kn = 1.1, 노즐 줄구에서 Ks = 0.7을 사용하였다.⑺ 열교환기에서 압력손실은 천연가스(NG)의 밀도와 통과 패스(pass)수에 따른 관의 길이에 영향을 크게 받는다.

이론/모형

단수가 고압으로 증가 할 수록 관의 두께가 두꺼워 지고 열교환기의 통과 패스(pass) 수도 증가하고 있다. 열교환기 해석은 한 셀(cell)을 기준으로 sNTU법을 사용하였으며, 그 형상은 Fig. 2와같匸}..
. 매끄러운 관'내부를 흐르는 완전히 발달된 난류에 대해서는 Dittus와 Boelter⑴가 제안한 다음의 식을 이용하였다.
관 내부에서 마찰에 의한 압력손실 zlPf은 Darcy- Weisbach의 식을 사용하였다.

성능/효과

천연가스(CNG)가 잃은 열전달률(Heat duty)과 열교환기를 통과한 열전달률 Qlmtd의 값들이 거의 일치하고 있음을 알 수 있다. 압축 천연가스(CNG) 충전용 왕복동식 압죽기에 사용된 열교환기의 열저항은 관 내부 대류 열저항이 50%, 관 외부의 대류 열저항이 32%, 관내 부의 불결계수에 의한 저항이 15% 수준으로 평가되었다.
4bar, 압축기 회전속도는 H₈₀ rpm, 주변의 공기온도는 20P일 때의 실제 작동 값과 프로그램에 의한 계산 값을 보여주고 있다. 압축천연가스용 압축기의 작동 조건을 동일하게 주었올 때, 프로그램에 의한 계산은 실제 압축기의 작동 시 실험값과 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 압축기 각 단의 천연가스 토출 온도와 토출 압력이 대체로 잘 일치하는 편이다.
(1) 국내에서 개발, 제작된 압축기에 대해서 적용한 해석 programing으로 계산한 값과 실제 작동한 실험값들이 전반적으로 잘 일치하였다,
(2) 압축기의 입구에서 천연가스의 초기 흡입압력이 최종압력에 크게 영향을 주는 매우 중요한 요소임을 확인했다. 흡입압력이 낮으면 목표 토출 압력 달성이 어렵다.
(3) 회전속도를 증* 가시키면 작동유체의 양은중가하지만, 각 단 사이의 압력손실 증가로 토출압력은 감소할 것으로 예측된다.
(4) 열교한기 주변의 냉각용 공기의 온도가 증가하면 각 단의 압축기에 흡입, 토출되는 CNG 가스의 온도는 증가한다.
(5) 압축기의 흡입, 토출 밸브에 의한 압력손실이 전체 압력손실의 약 80%, 열교환기에서 압력손실이 20% 정도를 차지 한다.

참고문헌 (14)

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Brown, R. N., 1986, Compressors Selection and Sizing, Gulf Publishing Co., pp. 59-60
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Lee, S. H., Park, N. K., Kim, T. J., Kweon, B. S., 2003, Development of High Pressure Reciprocating Compressor Package for CNG Vehicle Gas Station, Ministry of Commerce, Industry and Energy
Kim, Y. S., Kil, Y. H., Park, H. Y., Youn, B., 1998,' Experimental Study of Air Side Pressure Drop and Heat Transfer Characteristics of Enhanced Fin-Tube Heat Exchangers,' Trans. of the KSME (B), Vol. 22, No. 11, pp. 1555-1563
Personal communications, 2001, Sam Chul Ri, Research Institution of Technology, and also http://www.kangv.org

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