[논문]0.5 TPD 급 수소액화 파일럿 플랜트의 콜드박스 열해석

김효봉; 홍용주; 염한길; 박지호; 고준석; 박성제; 인세환

doi:10.7316/khnes.2020.31.6.571

0.5 TPD 급 수소액화 파일럿 플랜트의 콜드박스 열해석
Thermal Analysis of a Cold Box for a Hydrogen Liquefaction Pilot Plant with 0.5 TPD Capacity 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.6, 2020년, pp.571 - 577

김효봉 (한국기계연구원 에너지기계연구본부) , 홍용주 (한국기계연구원 에너지기계연구본부) , 염한길 (한국기계연구원 에너지기계연구본부) , 박지호 (한국기계연구원 에너지기계연구본부) , 고준석 (한국기계연구원 에너지기계연구본부) , 박성제 (한국기계연구원 에너지기계연구본부) , 인세환 (한국기계연구원 에너지기계연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Thermal analysis was performed for a cold box of a hydrogen liquefaction pilot plant with 0.5 ton/day capacity. The pilot plant has adopted a hydrogen liquefaction process using two-stage helium Brayton cycle with precooling of liquid nitrogen. The cold box for hydrogen liquefaction has generally vacuum insulation but inevitable heat invasion by conduction and radiation exists. The heat loads were calculated for cold box internals according to multilayer insulation emissivity. Total heat load of 181.7 W is estimated for emissivity of 0.03 considered in field condition.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Hydrogen liquefaction process by 2-stage helium Brayton cycle with liquid nitrogen precooling
그림 Fig. 2. 3D drawing of cold box
표 Table 1. Boundary conditions for thermal analysis
그림 Fig. 3. Temperature distribution and radiation heat load in internals of cold box (a) temperature distribution, (b) radiative heat flux
표 Table 2. Total emissivity for selected materials
표 Table 3. Conduction heat load through cryogenic valves
그림 Fig. 4. Temperature distribution and radiation heat load (a) HX100, (b) HX101, (c) HX102, (d) HX103
그림 Fig. 5. Conduction and radiation heat load according to internals with MLI emissivity of 0.03
그림 Fig. 6. Variation of radiation heat load according to MLI emissivity and absence of MLI

AI 본문요약
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문제 정의

그럼에도 상온으로부터 전도 및 복사에 의한콜드박스 내부 기자재로의 열유입은 피할 수 없으며 이는 액화공정의 손실로 작용하기 때문에 콜드 박스의 열유입량 산정은 매우 중요하다. 본 연구에서는 0.5 TPD 급 수소액화 파일럿 플랜트의 콜드 박스에서 주요 기자재를 감싸는 다층박막단열재(multilayer in- sulation, MLI)의 방사율(emissivity)에 따른 복사 열 유입량의 변화를 살펴보았다. 또한 전도 열유입량 산정을 통하여 콜드박스 내 주요기자재로의 열 유입량을 예측하였다.

제안 방법

실제 콜드 박스에 설치되는 MLI의 방사율은 이 둘 사이의 값을 나타낼 것으로 예상된다. MLI의 방사율이 각각 0.001, 0.03인 경우와 MLI가 설치되지 않은 경우에 대해서 복사 열유입량을 계산하였다. Fig.
2에서와 같이 콜드박스 상판에 지지되는데, 이를 지지하는 지지부는 열전도도가 매우 낮은 glass fiber reinforced plastic 재질로 만들어졌기 때문에 상대적인 열유입량은 무시할 만하다. 따라서 본 연구에서 콜드박스에서 전도를 통한 열 유입은 극저온 밸브만을 고려하였다. 복사를 통한 열 유입의 경우 표면 방사율(emissivity)이 중요한 변수이다.
5 TPD 급 수소액화 파일럿 플랜트의 콜드 박스에서 주요 기자재를 감싸는 다층박막단열재(multilayer in- sulation, MLI)의 방사율(emissivity)에 따른 복사 열 유입량의 변화를 살펴보았다. 또한 전도 열유입량 산정을 통하여 콜드박스 내 주요기자재로의 열 유입량을 예측하였다.
따라서 콜드박스에 설치되는 극저온 밸브의 사양과 작동 온도로부터 밸브를 통한 전도열 유입량을 산정할 수 있다. 밸브 제조사의 데이터의 경우 상온(300 K)과 특정 온도(4.2 K, 20 K, 77 K) 사이에 대해서만 열유입량이 주어지기 때문에 현재의 작동 온도에 대해서 보간법을 사용하여 극저온 밸브를 통한 열유입량을 산정하였다. Table 3은 현재의 콜드박스에 설치되는 밸브의 사양과 이로부터 예상되는 열유입량을 나타낸다.
본 연구에서는 액체질소의 냉열을 활용하고 2단 헬륨 브레이튼 사이클을 적용한 0.5 TPD 급 수소 액화 파일럿 플랜트의 콜드박스 열해석을 수행하였다. 콜드박스는 액화의 주요 공정을 구성하는 열교환기, 팽창기, 흡착기 등의 기자재들이 공정에 따라서 내부에 연결/배치되어 있는 커다란 단열 용기이다.
03의 높은 값을 나타내는 것으로 알려져 있다10, 11). 본 연구에서는 이러한 측면을 고려하여 MLI가 설치되지 않았을 때와 MLI의 방사율이 각각 0.001, 0.03인 경우에 대해서 해석을 수행하였고 그 결과를 비교하였다. 복사 열전달 해석에는 콜드박스 내부가 매질이 없는 고진공이기 때문에 surface-to-surface radiation12)만을 고려하였고 배관들은 열교환기나 흡착기에 비해서 표면적이 상대적으로 매우 작아서 열전달에 미치는 영향이 작기 때문에서 해석에서 제외하였다.
수소액화 공정설계 있어서 콜드박스를 통한 추가적인 열 유입량을 산정하고 반영하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 콜드박스 상판에 설치되는 극저온 밸브를 통한 전도 열유입과 콜드박스 내벽으로부터 내부 기자재로의 복사 열유입을 고려하였다.
본 연구에서는 액체질소의 냉열을 활용하고 2단 헬륨 브레이튼 사이클을 적용한 0.5 TPD 급 수소 액화 파일럿 플랜트의 콜드박스 열해석을 수행하였다. 콜드박스는 액화의 주요 공정을 구성하는 열교환기, 팽창기, 흡착기 등의 기자재들이 공정에 따라서 내부에 연결/배치되어 있는 커다란 단열 용기이다.
03으로 보는 것이 설계 기준점이 될 수 있다. 이런 관점에서 표면 방사율 0.03에 대해서 복사 열유입 해석을 수행하였다. Figs.
의한 열유입만이 존재한다고 볼 수 있다. 전도 및 복사에 의한 열유입 계산에서 온도 경계조건으로 Fig. 1의 주요 기자재 입/출구 온도를 사용하였다. Table 1은 열해석에 사용된 경계조건을 나타낸다.
콜드박스 내벽과 내부 기자재에 설치되는 MLI의 방사율에 따른 복사 열유입량의 변화를 살펴보았다. 앞 장에서 언급한 바와 같이 MLI는 설치환경에 따라서 0.

대상 데이터

1의 점선은 콜드박스 경계를 나타낸다. 콜드 박스 내의 주요 기자재는 4개의 열교환기(HX-100~ HX-103), 2개의 헬륨 팽창기(T-201, T-202), 헬륨 흡착기(helium adsorber)로 구성된다. Fig.

이론/모형

복사 열전달 해석에는 콜드박스 내부가 매질이 없는 고진공이기 때문에 surface-to-surface radiation12)만을 고려하였고 배관들은 열교환기나 흡착기에 비해서 표면적이 상대적으로 매우 작아서 열전달에 미치는 영향이 작기 때문에서 해석에서 제외하였다. 상용 소프트웨어인 COMSOL MultiphysicsTM (COMSOL Inc., Stockholm, Sweden)13)를 복사 열전달 해석에 사용하였다. Table 2는 MLI 외에 해석에 사용된 주요 재질의 방사율14)을 나타낸다.

성능/효과

1) 콜드박스 설치환경을 고려하여 MLI의 방사율을 0.03으로 보수적으로 잡았을 경우 전도 및 복사에 의해서 콜드박스 내부 기자재로 유입되는 열량은 총 181.7 W로 계산되었고 내부 기자재에 따라서 각각의 열유입량이 산정되었다.
2) 전도 및 복사에 의한 열유입량은 열교환기 전 열량의 1% 미만으로 현재 공정에의 영향은 미미할 것으로 판단된다.
3) MLI의 방사율에 따른 콜드박스로의 복사 열 유입량 변화를 비교하였고 MLI의 설치환경에 따른 방사율의 변화가 복사 열유입량에 큰 영향을 줌을 알 수 있었다.
또한 상온의 헬륨과 수소가 처음 유입되는 열교환기 HX100 상부에서는 오히려 열유속이 음수를 나타내어 차가운 다른 내부 기자재들에게 열을 빼앗기고 있음을 알 수 있다. 전체적으로 MLI의 방사율이 0.03일 경우 기자재 표면이 받는 복사 열유속은 수 W/m2 정도의 크기를 나타내었다. Fig 5는 콜드박스 내부 각 기자재가 받는 전도와 복사를 포함한 전체 열 유입을 나타낸다.

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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].

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