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.
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.
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 ...
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 high price due to insufficient domestic technologies. In order to commercialize the HTS power cables, it is necessary to develop the refrigerators with large cooling capacity. The Brayton refrigerators are composed of recuperative heat exchangers, compressors and cryogenic turbo expanders. The most directly considering the efficiency of the Brayton refrigerator, it depends on performance of the cryogenic turbo expander. Rotating at high speed in cryogenic temperature, the cryogenic turbo expanders lower temperature by expanding high pressure of a helium or neon gas. In this paper, the reverse Brayton cycle is designed and the cryogenic turbo expander is designed in accordance with the thermodynamic cycle.
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 high price due to insufficient domestic technologies. In order to commercialize the HTS power cables, it is necessary to develop the refrigerators with large cooling capacity. The Brayton refrigerators are composed of recuperative heat exchangers, compressors and cryogenic turbo expanders. The most directly considering the efficiency of the Brayton refrigerator, it depends on performance of the cryogenic turbo expander. Rotating at high speed in cryogenic temperature, the cryogenic turbo expanders lower temperature by expanding high pressure of a helium or neon gas. In this paper, the reverse Brayton cycle is designed and the cryogenic turbo expander is designed in accordance with the thermodynamic cycle.
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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.
제안 방법
네온은 헬륨에 비해 밀도가 5배 크므로 부피유량은 20% 수준으로 줄어드나, 단열과정의 엔탈피 차이는 미미하다. 따라서 열역학적 사이클 설계 시 극저온 냉각 시스템의 안정성을 고려하여 작동유체를 네온으로 선정하였다.
구성된 메시의 형상은 질량유량 및 에너지평형이 잘 유지되도록 6면체의 격자구조로 구성하였다. 메시를 작성하는데 있어, 프로그램의 도움을 받아 유동해석이 쉽게 수렴할수 있도록 유동형상에 맞게 일그러진 격자 구조를 만들었다. Fig.
본 논문에서는 임의로 비틀림 각을 10°로 결정하였다.
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. Table 1은 열역학적 설계 기준을 나타내며, 역브레이튼 냉동 사이클의 T-s 선도는 Fig.
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.
고정자로써 노즐부를 선택하였으며, 회전자 조건을 임펠러에 주었다. 서로 이어지는 인접한 면의 경우에는 계산 결과가 동일하도록 연속조건을 주었으며, 접촉면에는 질량 및 에너지, 운동량이 이어질 수 있도록 단순 단 조건으로 설정하였다. 그리고 해석하는 모델의 부분을 제외한 나머지 부분에서도 반복적인 유동이 일어나므로 주기적인 조건으로 설정하였다.
8은 기체 터빈에서의 비속도-효율비 선도이다. 이 선도는 실험적으로 검증된 선도로써 본 논문에서는 이 선도를 바탕으로 면적비를 결정하였다. Fig.
자오면은 임펠러에서 깃을 비틀기 전의 2차원 형상 및 그 형상이 배치된 면을 말한다. 일반적으로 임펠러에서 입구와 출구의 종단 속도비는 0.6에서 최대 효율을 갖는 것이 알려져 있으며 [7], 본 논문에서도 이를 바탕으로 설계하였다. 임펠러로의 유체 유입 속도는 입구측 종단 속도와의 상대속도로 결정된다.
4와 같다. 입출구 조건으로 노즐의 외곽 반경부를 입구로 설정하였으며, 출구로 임펠러의 축 방향면을 설정하였다. 1/7 모델으로 해석이 진행되었으므로 질량유량은 1/7인 28.
터보 팽창기의 성능을 평가하기 위해서 유한요소해석을 수행하였다. 해석에 사용된 툴은 ANSYS 15.
터보 팽창기 임펠러 설계 변수에 따른 대략적인 등 엔트로피 효율은 다음과 같다. 터보 팽창기의 팽창비는 2로 고정된 상태에서 경향을 예측하였다. 반경류형 터보 팽창기의 효율은 비속도-효율 선도 Fig.
대상 데이터
6 g/s 이며, 임펠러의 회전속도는 78,000 rpm이다. 고정자로써 노즐부를 선택하였으며, 회전자 조건을 임펠러에 주었다. 서로 이어지는 인접한 면의 경우에는 계산 결과가 동일하도록 연속조건을 주었으며, 접촉면에는 질량 및 에너지, 운동량이 이어질 수 있도록 단순 단 조건으로 설정하였다.
해석에 소요되는 시간을 줄이기 위하여 기본모델을 깃수로 나눈 분할모델을 사용하였으며, 임펠러의 경우 1/7 모델을, 노즐은 1/11 모델을 사용하였다. 구성된 메시의 형상은 질량유량 및 에너지평형이 잘 유지되도록 6면체의 격자구조로 구성하였다. 메시를 작성하는데 있어, 프로그램의 도움을 받아 유동해석이 쉽게 수렴할수 있도록 유동형상에 맞게 일그러진 격자 구조를 만들었다.
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].
가공성을 고려하면, 깃 사이 간격이 1 mm이상 되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 깃 수를 7개로 선정하였다.
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.
본 논문에서 서술하는 극저온 터보 팽창기의 회전 속도는 78,000 RPM으로 선정하였다. 이는 Taiyo Nippon Sanso사에서 개발한 2 kW급 역브레이튼 냉동기의 팽창부 회전속도이다 [8].
0 CFX이다. 해석에 소요되는 시간을 줄이기 위하여 기본모델을 깃수로 나눈 분할모델을 사용하였으며, 임펠러의 경우 1/7 모델을, 노즐은 1/11 모델을 사용하였다. 구성된 메시의 형상은 질량유량 및 에너지평형이 잘 유지되도록 6면체의 격자구조로 구성하였다.
성능/효과
본 논문에서는 최적의 효율을 가지는 2 kW급 역브레이튼 냉동기의 열역학적 사이클 설계를 바탕으로 이를 만족하는 극저온 터보 팽창기를 설계하였다. 해석결과 설계된 임펠러는 85.8%의 등엔트로피 효율을 가지며, 노즐은 93.2%의 효율을 가진다. 이로부터 최종적인 터보 팽창기의 효율은 80%로 추정 할 수 있다.
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.
참고문헌 (11)
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