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2 kW급 브레이튼 냉동기용 열역학 사이클 및 극저온 터보 팽창기 설계
Design of Thermodynamic Cycle and Cryogenic Turbo Expander for 2 kW Class Brayton Refrigerator 원문보기

KEPCO Journal on electric power and energy, v.2 no.2, 2016년, pp.299 - 305  

이진우 (Changwon National University) ,  이창형 (Changwon National University) ,  양형석 (KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation) ,  김석호 (Changwon National University)

초록
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초전도 전력 케이블의 상용화 노력에 따라 점차 장선화 되면서, 단위 냉각 시스템당 냉각용량이 큰 대용량 냉동기의 필요성이 증가하고 있다. 국내에서는 극저온 냉동기에 대한 기술 부족으로 인해 현재 극저온 냉동기는 해외 선진사로부터 고가의 비용으로 수입되고 있다. 초전도 전력 케이블의 상용화를 위해서는 대용량 브레이튼 냉동기의 국내 개발이 시급하다. 대용량 브레이튼 냉동기의 구성은 복열식 열교환기, 압축기, 극저온 터보 팽창기로 구성되어 있으며, 냉동기 효율과 가장 직접적인 연관이 있는 것은 극저온 터보 팽창기이다. 극저온 터보 팽창기는 극저온에서 고속으로 회전하면서 고압의 헬륨 혹은 네온 가스를 팽창시켜 온도를 낮추는 역할을 한다. 본 논문에서는 역브레이튼 냉동 사이클을 설계하고, 이에 적합한 극저온 터보 팽창기를 설계하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The High Temperature Superconducting power cables (HTS power cables) become increasingly longer to commercialize the HTS power cable system. Accordingly, demands on refrigerators of large cooling capacity per a unit system have been increased. In Korea, it is currently imported from abroad with the ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 최적의 효율을 가지는 2 kW급 역브레이튼 냉동기의 열역학적 사이클 설계를 바탕으로 이를 만족하는 극저온 터보 팽창기를 설계하였다. 해석결과 설계된 임펠러는 85.
  • 본 연구에서는 초전도 전력 케이블 냉각에 요구되는 2 kW급 역브레이튼 냉동기의 열역학적 사이클을 최적화 설계를 하고 이를 충족하는 고효율 극저온 터보 팽창기를 설계하여 향후 역브레이튼 냉동기 제작에 기여하고자 한다.
  • 앞서의 계산과정은 Re* ≥ 2×106 , La*= 0.65에서 성립하므로, Re*와 La*를 설계 결과로부터 역산하여 맞는지 검증하고자 한다.
  • 본 논문에서 기술하는 팽창기는 작동유체가 반경 방향으로 들어와 회전축으로 나가는 반경류형 터빈이다[5]. 이러한 반경류형 터빈 중, 고정단에 노즐을 배치하는 것으로 들어오는 유체의 정압력을 동압력으로 전환하여 임펠러로 보내는 충동식 터빈을 본 논문에서는 설계하고자 한다. 열역학적 사이클을 바탕으로 한 설계 기준은 다음 Table 2와 같다.

가설 설정

  • 그리고 파괴 등의 안정성을 고려하여 고속으로 유동하는 것 보다는 저속이 유리하므로, 움직이는 부피유량이 적은 쪽이 유리하다. 따라서 적은 유량에서 많은 냉각용량을 얻기 위해서는 고압의 냉매가 필요하며, 일본 안전에서 제안하는 무인운전 최대 압력인 10 bar를 사이클 최대 압력으로 가정하였다. 사이클 설계 시 냉각 목표 온도, 압축기 입구 온도, 팽창기 입구 온도 및 저압부, 고압부의 압력을 고정한 후 사이클 설계를 진행하였다.
  • 이것을 바탕으로 등엔트로피 압축 과정을 통해 2번 (압축기 출구)의 상태량을 결정하고 이와 마찬가지로 등엔트로피 팽창 과정을 5번 (팽창기 출구)의 상태량을 결정한다. 사이클 설계 시 압축기와 팽창기의 효율을 70%로 가정하였으며 이에 사용된 수식은 다음과 같다. 열량을 계산하기 위해서 Eq.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
등엔트로피 과정이란? 역브레이튼 사이클은 등엔트로피 과정을 이용하는 것에 해당된다. 등엔트로피 과정은 외부와 열교환을 하지 않는 단열 과정이며, 외부에 일을 함으로써 더 낮은 온도를 얻게 된다. 역브레이튼 사이클 과정은 먼저 고온-고압으로 압축된 냉매를 복열기를 통하여 1차 냉각 후 팽창기를 이용하여 단열팽창 시킨다.
대용량의 극저온 냉동기에는 어떠한 것들이 있는가? 초전도 전력 케이블 시스템이 상용화 되기 위해서는 초전도 현상이 일어날 수 있는 온도 (77 K)로 유지 가능한 대용량 고효율 고신뢰성의 극저온 냉각 시스템이 갖추어져야 한다. 대용량의 극저온 냉동기로는 역브레이튼 냉동기, Joule-Thomson 냉동기, Claude 냉동기 등이 있다. 이 중에서 시스템의 신뢰성과 효율, 유지보수 측면에서 가장 유리한 것이 역브레이튼 냉동기이다 [1].
사이클 설계에서 각 지점의 상태량은 어떠한 것들로 구성되는가? 사이클 설계는 각 지점의 상태량을 결정하는 것으로 이루어진다. 각 지점에서 상태는 여러 가지 상태량 (온도, 압력, 엔탈피, 엔트로피 등)들로 구성된다. 상태량 중 2가지 변수가 결정되면 나머지도 결정되는데 이를 바탕으로 역브레이튼 냉동기의 열역학적 사이클이 설계되었다.
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참고문헌 (11)

  1. Y. F. Bi, "Cooling and Cryocoolers for HTS Power Applications," Applied superconductivity and electromagnetics, Vol. 4, No. 1, pp. 97-108, November, 2013. 

  2. S. T. Dai, L. Z. Lin, Y. B. Lin, Z. Y. Gao, Y. F. Fang, L. H. Gong, Y. P. Teng, F. Y. Zhang, X. Xu, G. Li, L. F. Li, L. Y. Xiao, "The threephase 75 m long HTS power cable," Cryogenics, Vol. 47, pp. 402-405, July-August, 2007. 

  3. C. H. Lee, D. M. Kim, H. S. Yang, S. H. Kim, "Design and Analysis of Cryogenic Turbo Expander for HTS Power Cable Refrigeration System," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.14, No.3, pp.141-148, June, 2015. 

  4. H. M. Chang, M. J. Chung, M. J. Kim, S. B. Park, "Thermodynamic design of methane liquefaction system based on reversed-Brayton cycle," Cryogenics, No. 49, pp. 226-234, June, 2009. 

  5. A. T. Sayers, "Hydraulic and Compressible Flow Turbomachines," McGraw-Hill, pp.363-372, 1992. 

  6. D. G. Shepherd, "Principles of Turbomachinery," The Macmillan Company, pp. 86-94, 1964. 

  7. O. E. Balje, "Turbomachines : a guide to design, selection and theory," JOHN WILEY & SONS, pp. 3-328, 1981. 

  8. Hirokazu Hirai, Shinsuke Ozaki, Norihisa Nara, Masaki Hirokawa, Shigeru Yoshida, "Development of a Turbo-Brayton Cooling System for HTS Power Devices," J-STAGE, Vol.48, No.7, pp.352-357, August, 2013. 

  9. Frank M. White, "Fluid Mechanics 7th Edition in SI units," McGraw-Hill, pp.791-841, 2012. 

  10. R. K. Turton, "Principles of Turbomachinery 2nd Edition," Chapman & Hall, pp.183-192, 1995. 

  11. S. K. Ghosh, "Experimental and Computational Studies on Cryogenic Turboexpander," Ph.D. thesis, Mechanical Engineering Department, National Institute of Technology, 2008. 

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