[논문]냉동능력 2 kW 급 역브레이튼 극저온 냉각시스템 성능시험

고준석; 이근태; 박성제; 김종우; 추상윤; 홍용주; 인세환; 박지호; 김효봉; 염한길

doi:10.7316/khnes.2020.31.5.429

냉동능력 2 kW 급 역브레이튼 극저온 냉각시스템 성능시험
Performance Test of 2 kW Class Reverse Brayton Refrigeration System 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.5, 2020년, pp.429 - 435

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the experimental study of reverse-Brayton refrigeration system for application to high temperature superconductivity electric devices and LNG re-liquefaction. The reverse-Brayton refrigeration cycle is designed with operating pressure of 0.5 and 1.0 MPa, cooling capacity of 2 kW at 77 K, and neon as a working fluid. The refrigeration system is developed with multi scroll compressor, turbo expander and plate heat exchanger. From experiments, the performance characteristics of used components is measured and discussed for 77-120 K of operating temperature. The developed refrigeration system shows the cooling capacity of 1.23 kW at 77 K and 1.64 kW at 110 K.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. T-s diagram of reverse-Brayton refrigeration cycle
표 Table 1. Results of cycle design
그림 Fig. 2. Schematic diagram of developed system
그림 Fig. 3. Cold-box for reverse Brayton system
그림 Fig. 4. Neon reverse-Brayton refrigeration system
그림 Fig. 5. Measurement of system parameters (a) pressure and mass flow rate, (b) temperature
그림 Fig. 6. Measurement of cold part temperature and heating power during heat load test
그림 Fig. 7. Steady data of pressure and mass flow rate
그림 Fig. 8. Characteristics of cryogenic plate heat exchanger (a) pressure drop, (b) amount of heat transfer, (c) effectiveness.
그림 Fig. 9. Cooling capacity, shaft power and isentropic efficiency

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 액체질소 온도인 77 K에서 냉동능력 2 kW를 갖는 역브레이튼 극저온 냉각시스템을 구축하여 운전하는 것을 목표로 하고 있으며, 특히 넓은 온도 범위에 적용을 목적으로 77-120 K 작동 온도 범위에서 시스템 및 터보 팽창기와 극저온 열교환기의 동작 특성을 분석하고자 한다.

가설 설정

0 MPa로 기본으로 압력강하와 압축기, 팽창기, 열교환기의 효율을 고려하여 Table 1과 같이 사이클을 설계하였다. 작동 유체는 네온을 선정하였고, 스크류 압축기, 터보 팽창기, 판형 열교환기를 적용하였으며, 압축기와 팽창기의 등엔트로피 효율은 각각 65, 78%를, 열교환기 유용도는 0.98을 가정하였다. 사이클 설계 결과, 냉동능력 2 kW at 77 K을 달성하기 위하여 필요한 네온의 유량은 175 g/s이고, 압축기 소요 동력은 37 kW, 카르노 효율은 16.

제안 방법

시스템 구축 후 냉각성능 시험을 수행하였다. 시험은 상온에서 77 K까지 냉각을 진행한 후, 저온부의 온도를 85, 95, 110, 120 K으로 변화시키면서 정상상태의 온도, 압력, 유량, 히터 전열량 등을 측정하였다.
액체질소 온도인 77 K에서 냉동능력 2 kW를 갖는 역브레이튼 극저온 냉각 사이클 설계에서, 시스템 작동압력을 저압과 고압을 각각 0.5 MPa와 1.0 MPa로 기본으로 압력강하와 압축기, 팽창기, 열교환기의 효율을 고려하여 Table 1과 같이 사이클을 설계하였다. 작동 유체는 네온을 선정하였고, 스크류 압축기, 터보 팽창기, 판형 열교환기를 적용하였으며, 압축기와 팽창기의 등엔트로피 효율은 각각 65, 78%를, 열교환기 유용도는 0.

성능/효과

2) 판형 열교환기의 낮은 유용도로 인하여 시스템 냉각성능 저하를 실험 결과로부터 확인하였으며, 성능 개선을 위해서는 열교환기의 유용도 향상 혹은 용량 증대가 필요함을 알 수 있다.
1) 스크롤 압축기 패키지, 터보 팽창기, 판형 열교환기를 적용하여 시스템을 구성하였으며, 운전을 통해 적용된 기자재의 적합성을 확인하였다. 구축된 냉각시스템은 냉동능력 1.23 kW at 77 K, 1.64 kW at 110 K을 달성하였다.
3) 작동온도에 따른 열교환기, 터보 팽창기의 기자재 동작 특성과 시스템 운전 특성을 측정하였다. 작동온도가 증가할수록 터보팽창기의 질량 유량과 등 엔트로피 효율은 감소하는 경향이 나타났으나, 열교환기 유용도 향상과 작동온도에 따른 엔탈피 차의열역학적 특성으로 냉동능력은 향상되는 결과를 나타내었다.

후속연구

본 연구는 역브레이튼 극저온 냉각시스템을 실제로 구축하여 정상적으로 운전한 결과를 확보한 것과 다양한 작동 온도에서 시스템 및 적용된 기자재의 운전 특성을 실험적으로 측정한 것에서 의의를 찾을 수 있으며, 확보된 운전 자료는 향후 수소 액화 플랜트 개발 연구에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	역브레이튼 극저온 냉각시스템은 무엇인가?	역브레이튼 극저온 냉각시스템은 압축기, 팽창기, 열교환기의 구성품으로 구성되어 극저온 환경을 조성하는 가장 기본적인 시스템이다. 보다 복잡하게 구성되는 LNG, 수소, 헬륨 액화시스템의 기본적인 구성품 또한 압축기, 팽창기, 열교환기이기 때문에 역브레이튼 극저온 냉각시스템의 운전 결과는 매우 유용한 참고자료가 될 수 있다7).
	초전도 케이블의 장점 및 단점은 무엇인가?	전력 기기의 소형화 및 고효율화를 위해 초전도 케이블, 한류기, 모터, 변압기 등의 초전도 전력기기에 대한 연구개발이 2000년대 시작되어 현재는 초전도 케이블이 실증을 거쳐 상용화 단계에 이르렀다. 초전도 케이블의 경우 기존 상전도 케이블 대비 4-5배의 송전 용량을 갖고 송전 손실을 저감시킬 수 있어 전력계통의 대용량화 및 고효율화를 이룰 수 있으나, 초전도 현상을 이용하기 위해서는 액체질소로 냉각되어 77 K 이하의 온도를 유지해야 하고 이를 위해 서는 극저온 냉각시스템이 필수이다.
	2 kW 급 역브레이튼 극저온 냉각시스템의 냉각성능시험의 결과는 어떠한가?	1) 스크롤 압축기 패키지, 터보 팽창기, 판형 열교환기를 적용하여 시스템을 구성하였으며, 운전을 통해 적용된 기자재의 적합성을 확인하였다. 구축된 냉각시스템은 냉동능력 1.23 kW at 77 K, 1.64 kW at 110 K을 달성하였다. 2) 판형 열교환기의 낮은 유용도로 인하여 시스템 냉각성능 저하를 실험 결과로부터 확인하였으며, 성능 개선을 위해서는 열교환기의 유용도 향상 혹은 용량 증대가 필요함을 알 수 있다. 3) 작동온도에 따른 열교환기, 터보 팽창기의 기자재 동작 특성과 시스템 운전 특성을 측정하였다. 작동온도가 증가할수록 터보팽창기의 질량 유량과 등 엔트로피 효율은 감소하는 경향이 나타났으나, 열교환기 유용도 향상과 작동온도에 따른 엔탈피 차의열역학적 특성으로 냉동능력은 향상되는 결과를 나타내었다.

참고문헌 (7)

C. Gondrand, F. Durand, F. Delcayre, and S. Crispel, "Overview of air liquide refrigeration systems between 1.8 K and 200 K", Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 1573, No. 1, 2014, pp. 949-956, doi: https://doi.org/10.1063/1.4860807.
H. Hirai, M. Hirokawa, S, Yoshida, N. Nara, and S. Ozaki, "Neon turbo-Brayton cycle refrigerator for HTS power machines", Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 1434, No. 1, 2012, pp. 1672-1679, doi: https://doi.org/10.1063/1.4707100.
H. Hirai, M. Hirokawa, S. Yoshida, T. Sano, and S. Ozaki, "Development of a turbine-compressor for 10 kW class neon turbo-Brayton refrigerator", Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 1573, No. 1, 2014, pp. 1236-1241, doi: https://doi.org/10.1063/1.4860847.
J. Lee, C. Lee, H. Yang, and S. Kim, "Design of thermodynamic cycle and cryogenic turbo expander for 2 kW class Brayton refrigerator", KEPCO Journal on Electric Power and Energy, Vol. 2, No. 2, 2016, pp. 299-305, doi: https://doi.org/10.18770/KEPCO.2016.02.02.299.
C. H. Lee, D. M. Kim, H. S. Yang, and S. Kim, "Conceptual design of cryogenic turbo expander for 10 kW class reverse Brayton refrigerator", Progress in Superconductivity and Cryogenics, Vol. 17, No. 3, 2015, pp. 41-46, doi: https://doi.org/10.9714/psac.2015.17.3.041.

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H. M. Chang and C. W. Park, "Thermodynamic design of 10 kW Brayton cryocooler for HTS cable", Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 1434, No. 1, 2012, pp. 1664-1671, doi: https://doi.org/10.1063/1.4707099.
R. F. Barron, "Cryogenic systems", 2nd ed., Oxford University Press, USA, 1985, pp. 60-150.

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