[논문]열교환기 온도차에 따른 새로운 LNG 액화사이클의 성능 특성

윤정인; 손창효

doi:10.9726/kspse.2014.18.1.051

열교환기 온도차에 따른 새로운 LNG 액화사이클의 성능 특성
Performance Characteristics of New LNG Liquefaction Cycles with Temperature Differences in the Heat Exchangers 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.18 no.1, 2014년, pp.51 - 56

윤정인 (부경대학교 냉동공조공학과) , 손창효 (부경대학교 냉동공조공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the performance of the $CO_2-C_2H_6-N_2$ cascade liquefaction cycle with respect to temperature differences in the LNG heat exchangers is analyzed theoretically using HYSYS software and then compared the COP(coefficient of performance) of the cascade liquefaction cycles using $C_3H_8-C_2H_4-C_1H_4$ and $CO_2-N_2O-N_2$. In comparison of COP of three cycles, the cascade liquefaction cycles using $C_3H_8-C_2H_4-C_1H_4$ showed the highest COP. And the liquefaction cycle using $CO_2-C_2H_6-N_2$ and $CO_2-N_2O-N_2$ presented the second and third highest COP, respectively. In case of COP, the $C_3H_8-C_2H_4-C_1H_4$ cascade liquefaction cycle yields better COP. But, in terms of the environment and maintain, it is confirmed that the cascade liquefaction cycle using $CO_2-C_2H_6-N_2$ provides favorable characteristics.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 CO₂- C₂H₆-N₂용 액화사이클의 LNG 열교환기 내 온도차가 성능 계수, 압축일량, 열교환기 열량에 어떻게 영향을 미치는지를 파악한 후, 그 결과를 기존 캐스케이드 액화사이클과 비교하였다. 이를 통해 액화사이클의 LNG 열교환기 개발에 대한 주요 지침을 제공하고자 한다.

제안 방법

이때 LNG의 액화율은 팽창밸브(⑨-⑩사이) 통과시 가스가 일부 발생하기 때문에 약 90%내외가 된다. C₃H₈-C₂H₄-C₁H₄ (Propane-Ethylene- Methane) 냉매용 캐스케이드 액화사이클을 기본으로 하여 새로운 액화사이클을 설계하였다.
그러므로 본 연구에서는 친환경적인 천연냉매인 CO₂, N₂O, N₂ 가스를 각각 액화사이클에 적용하고, 새로운 액화사이클의 고효율화를 위해 다단으로 구성할 뿐만 아니라 최적의 중간압력을 결정한 새로운 단일냉매용 캐스케이드 액화사이클을 제안하였다. 따라서 본 논문에서는 CO₂- C₂H₆-N₂용 액화사이클의 LNG 열교환기 내 온도차가 성능 계수, 압축일량, 열교환기 열량에 어떻게 영향을 미치는지를 파악한 후, 그 결과를 기존 캐스케이드 액화사이클과 비교하였다.
를 이용하여 초저온 액화사이클을 시뮬레이션할 경우, 천연가스의 조성비에 따라 그 결과값도 달라진다. 따라서 가장 많이 적용되는 나이지리아 가스전의 천연가스 조성비를 HYSYS에 적용하여 시뮬레이션 하였다.
가스를 각각 액화사이클에 적용하고, 새로운 액화사이클의 고효율화를 위해 다단으로 구성할 뿐만 아니라 최적의 중간압력을 결정한 새로운 단일냉매용 캐스케이드 액화사이클을 제안하였다. 따라서 본 논문에서는 CO₂- C₂H₆-N₂용 액화사이클의 LNG 열교환기 내 온도차가 성능 계수, 압축일량, 열교환기 열량에 어떻게 영향을 미치는지를 파악한 후, 그 결과를 기존 캐스케이드 액화사이클과 비교하였다. 이를 통해 액화사이클의 LNG 열교환기 개발에 대한 주요 지침을 제공하고자 한다.
본 논문에서 제안하는 새로운 단일냉매용 캐스케이드 액화사이클은 CO₂, C₂H₆, N₂를 냉매로 사용하는 CO₂-C₂H₆-N₂ (Carbon dioxide-EthaneNitrogen) 냉매용 캐스케이드 액화사이클이다.²⁾ 이 액화사이클은 CO₂ 사이클, C₂H₆ 사이클, N₂ 사이클로 구성되며, LNG 열교환기는 총 3개이다.
본 절에서는 CO₂-C₂H₆-N₂용 액화사이클의 LNG 열교환기 내 온도차 변화에 따른 성능계수(COP), 압축일량, 팽창일, 증발열량을 파악한 후, 그 성능을 C₃H₈-C₂H₄-C₁H₄용 액화사이클CO₂-N₂O-N₂용 액화사이클²⁾의 성능과 서로 비교하였다.
지금까지, LNG 열교환기의 온도차에 따라서 CO₂-C₂H₆-N₂ 액화사이클의 압축일량, 성능계수, 열교환기 열량, 팽창기 일량을 분석 및 파악한 후, 이 액화사이클의 COP를 C₃H₈-C₂H₄- C₁H₄ 액화사이클과 CO₂-N₂O-N₂ 액화사이클과 서로 비교하였다. 그 결과, 본 논문에서 제안하는 3가지 사이클 중에서 C₃H₈-C₂H₄-C₁H₄ 액화사이클이 COP 측면에서 가장 우수하다.

대상 데이터

본 논문에서 제안하는 또 하나의 새로운 단일냉매용 캐스케이드 액화사이클은 CO2, N2O, N2 냉매를 사용하는 CO2-N2O-N2 (Carbon dioxide -Nitrous oxide-Nitrogen)용 캐스케이드 액화사이클이다.

이론/모형

그리고 천연가스(메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등과 같은 혼합물)의 상태방정식은 단일성분 간의 상호 관계가 잘 포함되어 있는 Peng-Robinson 식을 적용하였다. 그리고 천연가스의 엔탈피와 엔트로피는 Lee-Kesler- Plocker 식을 적용하여 계산하였다.
그리고 천연가스(메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등과 같은 혼합물)의 상태방정식은 단일성분 간의 상호 관계가 잘 포함되어 있는 Peng-Robinson 식을 적용하였다. 그리고 천연가스의 엔탈피와 엔트로피는 Lee-Kesler- Plocker 식을 적용하여 계산하였다.⁸⁾

성능/효과

2 (a)와 (b), Fig. 3 (b)로부터, 압축일량, 증발열량, 팽창기 일량은 LNG 열교환기 내 온도차가 1~5℃인 영역에서는 조금 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 LNG 열교환기의 온도차가 1~5℃인 경우에는 N₂ 사이클의 냉매 순환량이 소폭 증가 하기 때문이다.
2) 혼합냉매 액화장치는 하나의 초저온 냉동사이클에 비등점이 서로 다른 다성분 혼합냉매를 사용하고, 이를 순차적으로 팽창 및 기액분리를 반복해서 -160℃이하의 저온을 얻는 것이다. 이 장치는 미량의 냉매 누설시에 냉매의 조성비가 달라지므로 액화 사이클의 효율이 저하된다.
액화사이클과 서로 비교하였다. 그 결과, 본 논문에서 제안하는 3가지 사이클 중에서 C₃H₈-C₂H₄-C₁H₄ 액화사이클이 COP 측면에서 가장 우수하다. 그러나 환경친화적인 측면에서는, CO₂-C₂H₆-N₂ 액화사이클이 유리하다.
7% 정도 증가하였다. 그 이유를 살펴보면, CO₂-N₂O-N₂용 액화사이클과 유사한 것으로, LNG 열교환기 내 온도차가 증가할수록 CO₂와 N₂O 사이클 내 냉매순환량이 감소하여 CO₂ 사이클 내 고단과 저단 압축기일량, N₂O 사이클내 고단과 중단 압축기 일량은 감소한다. 하지만 N₂O 사이클 내 고단 압축기의 경우는, CO₂용 LNG 열교환기 내 N₂O 사이클의 응축 온도가 증가하게 되어 응축압력이 높아진다.
따라서, 이들 액화사이클의 N₂ 냉동사이클을 다른 냉매로 대체할 경우, COP 가 향상될 것으로 판단된다. 위의 결과로부터, 액화사이클의 COP측면에서는 C₃H₈-C₂H₄-C₁H₄ 액화 사이클이 우수하다. 그러나 환경친화적인 측면과 유지 및 관리 측면을 고려해보면, CO₂-C₂H₆-N₂ 액화사이클이 유리하리라 판단된다.

후속연구

하지만, CO₂-C₂H₆-N₂와 CO₂-N₂O-N₂ 액화사이클을 구성하는 N₂ 냉동사이클의 압축기 일량이 상당히 증가한다. 따라서, 본 논문에서 제안하는 액화사이클의 N₂ 냉동사이클의 압축일량을 줄일 수 있다면, COP가 더욱더 향상될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	C₃H₈ 사이클 증발기와 C₂H₄ 사이클 증발기의 역할은 무엇인가?	동시에 3개의 독립된 사이클에서 C₃H₈ 사이클의 증발기는 C₂H₄ 사이클의 응축기 역할을 하며, C₂H₄ 사이클의 증발기는 C₁H₄ 사이클의 응축기 역할도 한다. 천연가스인 피드가스는 8개의 LNG 열교환기를 거치면서 단계적으로 온도가 낮아지게 된다.
	단일냉매 캐스케이드 액화장치는 무엇인가?	그리고 액화장치 운전시 정확한 온도와 압력조건을 설정해 주지 않으면 작동이 제대로 되지 않을 뿐만 아니라 유지 및 관리가 어려운 단점이 있다. 반면에 단일냉매 캐스케이드 액화장치는 3개의 독립된 초저온 냉동사이클에 단일냉매를 사용하여 각각의 증발기(LNG 열교환기)에서 천연가스의 온도를 단계적으로 -160℃이하까지 냉각 및 액화시키는 장치이다. 이 액화장치는 혼합냉매 액화사이클 보다 효율은 떨어지지만, 유지 및 관리가 용이한 편이어서 최근 들어 천연가스 액화장치로서 적용이 증가되는 추세이다.
	혼합냉매 액화장치의 단점은 무엇인가?	2) 혼합냉매 액화장치는 하나의 초저온 냉동사이클에 비등점이 서로 다른 다성분 혼합냉매를 사용하고, 이를 순차적으로 팽창 및 기액분리를 반복해서 -160℃이하의 저온을 얻는 것이다. 이 장치는 미량의 냉매 누설시에 냉매의 조성비가 달라지므로 액화 사이클의 효율이 저하된다. 그리고 액화장치 운전시 정확한 온도와 압력조건을 설정해 주지 않으면 작동이 제대로 되지 않을 뿐만 아니라 유지 및 관리가 어려운 단점이 있다. 반면에 단일냉매 캐스케이드 액화장치는 3개의 독립된 초저온 냉동사이클에 단일냉매를 사용하여 각각의 증발기(LNG 열교환기)에서 천연가스의 온도를 단계적으로 -160℃이하까지 냉각 및 액화시키는 장치이다.

참고문헌 (8)

HYSYS 2.2 Documentation. Customization Guide. AEA Technology-Hyprotech, Ltd: Calgary; Canada.
J. I. Yoon, 2013, "Effect on heat exchangers efficiency on performance of cryogenic refrigeration cycles", Journal of the Korea Society for Power System Engineering, Vol. 17. No. 4, pp. 58-63.
W. Qualls and P. Hunter, 2003, "A Novel approach taking the Phillips Optimized Cascasde LNG Process into the Future" AIChE Spring National Meeting 2003, pp. 1-29.
T. Morosuk, et. al., 2010, "Advanced Exergetic analysis of a Refrigeration system for liquefaction of Natural gas," Proceedings of the 23rd International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems (ECOS), pp. 1-40.
H. Pop, et. al., 2009, "Optimization of conventional irreversible cascade refrigeration systems," U.P.B. Sci. Bull., Vol. 71, No. 4, pp. 1-12.
J. I. Yoon, et. al., 2009, "Simulation of LNG liquefaction cycle using two stage intercooler," The Korean Institute of Gas, 2009 Spring annual conference, pp. 225-228.
J. I. Yoon, et. al., 2009, "Analysis of Cryogenic Refrigeration Cycle using Two Stage Intercooler," 5th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids, pp. 40-41.
S. T. Oh, et. al., 2009, "Simulation of LNG liquefaction cycle using two stage intercooler," The Korean Institute of Gas, 2009 Spring annual conference, pp. 225-228.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

열교환기 온도차에 따른 새로운 LNG 액화사이클의 성능 특성
Performance Characteristics of New LNG Liquefaction Cycles with Temperature Differences in the Heat Exchangers 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

열교환기 온도차에 따른 새로운 LNG 액화사이클의 성능 특성 Performance Characteristics of New LNG Liquefaction Cycles with Temperature Differences in the Heat Exchangers 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

윤정인 (135) 손창효 (112)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

열교환기 온도차에 따른 새로운 LNG 액화사이클의 성능 특성
Performance Characteristics of New LNG Liquefaction Cycles with Temperature Differences in the Heat Exchangers 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper