KR20140056890A - 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템 - Google Patents

Abstract

전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템이 개시된다. 본 발명의 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템은, 냉매 사이클 시스템에 있어서, 냉매가 순환되는 냉매 순환부; 및 상기 냉매가 열 교환하는 열교환기를 포함하되, 상기 냉매 순환부에서 상기 냉매는 맥동유동을 생성하여 상기 열교환기로 도입시키는 것을 특징으로 한다.

Description

전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템{Coolant Cycle System Having Advanced Thermal Conductivity}

본 발명은 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉매의 맥동유동을 생성하여 열교환기로 도입시키는 것을 특징으로 하는 냉매 순환부를 포함하는 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템에 관한 것이다.

천연가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는 액화된 액화천연가스(LNG)의 상태로 LNG 수송선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. 액화천연가스는 천연가스를 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

종래 사용되고 있는 천연가스의 액화방법은, 천연가스를 하나 이상의 열교환기 내부를 통과시켜 냉각함으로써 이루어지는 것이다. 미국특허 제 3,735,600 호 및 제 3,433,026 호 등에는 천연가스를 하나 내지 수 개의 열 교환기에 공급하여 액화하는 액화방법이 개시되어 있다.

작동 중에 있으면서도 가장 널리 보급된 액화공정 중의 하나가 'Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant Process(또는 C3/MR Process)'이다. C3/MR 공정에서 공급가스는 다단(multi-stage)의 프로판(C3) 줄-톰슨(Joule-Thomson, JT) 사이클에 의해 대략 238 K까지 예냉(pre-cooled)된다. 예냉된 공급가스는 열교환기에서 혼합 냉매(mixed refrigerant, MR)와의 열교환을 통해 123 K까지 액화(liquefied)되고 과냉(sub-cooled)된다. 이러한 C3/MR 공정의 경우에는 단일 냉매를 채용한 냉동 사이클과 혼합 냉매를 채용한 냉동 사이클을 사용하기 때문에 액화공정이 복잡하고 액화시스템의 운영이 어렵다는 단점이 있다.

작동 중에 있는 다른 성공적인 액화공정 중의 하나는 'Conoco Phillips'에 의한 것으로서 캐스케이드 공정(Cascade process)에 기초하고 있다. 'Conoco Phillips'의 액화공정은 순수 냉매(pure-component refrigerant)인 메탄(C1), 에틸렌(C2), 및 프로판(C3)을 사용하는 3개의 줄-톰슨 사이클로 구성된다. 이러한 액화공정은 혼합 냉매를 사용하지 않기 때문에 액화공정의 작동에 있어 안전하고 단순하며 신뢰할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 3개의 사이클 각각에 개별적인 압축기, 열교환기 등이 필요하기 때문에 액화시스템의 규모가 커질 수밖에 없다는 단점이 있다.

작동 중에 있는 또 다른 액화공정 중의 하나는 'Single Mixed Refrigerant Process(SMR 공정)'이다. SMR 공정에서 공급가스는 열교환 영역에서의 혼합 냉매와의 열교환을 통해 액화된다. 이를 위해 SMR 공정에서는 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 사용한다. 이러한 냉동 사이클에서는 혼합 냉매를 압축하고 예냉한 다음, 열교환 영역에서의 열교환을 통해 혼합 냉매를 응축한 후에 팽창시킨다. 팽창된 냉매는 다시 열교환 영역으로 유입되어 예냉된 혼합 냉매를 응축시키고 공급가스를 액화시킨다. 이러한 SMR 공정은 구조가 단순하여 시스템이 컴팩트하다는 장점이 있으나 액화공정의 효율이 좋지 않다는 단점이 있다.

도 1은 열교환 영역에서 열교환을 통해 혼합 냉매를 응축한 후에 저온 팽창 밸브를 통해 냉매를 팽창시키면서 열교환 영역으로 다시 유입시킬 때 시간에 따른 저온 팽창 밸브의 개도와 밸브 유량, 밸브 후단 압력 변화를 그래프에 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 시간의 경과에 무관하게 밸브의 개도와 밸브의 유량, 밸브 후단의 압력은 일정하게 유지되고, 저압 팽창 밸브를 거쳐 팽창된 냉매는 일정한 유량으로 열교환 영역으로 유입된다.

본 발명은 저압 팽창 밸브의 개도를 변화시킴으로써 냉매의 전열 성능을 향상시켜 액화공정을 원활히 이루어지도록 하고, 열교환기의 크기를 줄일 수 있는 냉매 사이클 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 냉매 사이클 시스템에 있어서,

냉매가 순환되는 냉매 순환부; 및

상기 냉매가 열 교환하는 열교환기를 포함하되,

상기 냉매 순환부에서 상기 냉매는 맥동유동을 생성하여 상기 열교환기로 도입시키는 것을 특징으로 하는 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템이 제공된다.

상기 냉매 순환부는 상기 냉매를 압축하는 압축부와, 상기 열교환기에 배치되어 압축된 상기 냉매가 지나며 열 교환하는 냉각 배관과, 상기 냉각 배관에 마련되는 저온 팽창 밸브를 포함하되, 상기 저온 팽창 밸브의 개도를 조절하여 상기 냉매의 맥동유동을 생성할 수 있다.

상기 냉매 순환부는 상기 저온 팽창 밸브의 후단에 마련되어 상기 냉매의 압력을 측정하는 압력 측정기를 더 포함할 수 있다.

상기 압력 측정기에서 측정된 상기 냉매의 압력이 상한에 도달하면 상기 저온 팽창 밸브의 개도를 감소시키고, 상기 냉매의 압력이 하한에 도달하면 상기 저온 팽창 밸브의 개도를 증가시켜 상기 냉매의 맥동유동을 생성할 수 있다.

상기 냉매 순환부는 상기 냉각 배관의 후단에 마련되어 상기 냉각 배관을 지나며 열 교환된 상기 냉매를 저장하여 상기 압축부로 도입시키는 석션 드럼을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 냉매 순환 방법에 있어서,

1) 냉매를 압축하여 열교환기에 도입하여 열 교환시키는 단계;

2) 열 교환된 상기 냉매를 저압으로 팽창시키며 상기 열교환기로 도입시켜 열 교환시키는 단계; 및

3) 열 교환된 상기 냉매를 열교환기에서 배출시켜 상기 단계 1)로 순환시키는 단계를 포함하되,

상기 단계 2)에서 상기 냉매는 맥동유동을 생성하여 상기 열교환기로 도입시키는 것을 특징으로 하는 전열 성능이 향상된 냉매 순환 방법이 제공된다.

상기 단계 2)에서, 상기 열 교환된 상기 냉매를 저압으로 팽창시키며 상기 열교환기로 도입시키는 배관에는 저압 팽창 밸브가 마련되되, 상기 저압 팽창 밸브 후단에서 상기 냉매의 압력을 측정하여 상기 냉매의 압력이 상한에 도달하면 상기 저온 팽창 밸브의 개도를 감소시키고, 상기 냉매의 압력이 하한에 도달하면 상기 저온 팽창 밸브의 개도를 증가시켜 상기 냉매의 맥동유동을 생성할 수 있다.

본 발명의 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템은 냉매 순환부에서 밸브 후단 압력에 따라 저온 팽창 밸브의 개도를 조절하여 냉매의 맥동유동을 생성하여 열교환기로 도입시킴으로써 냉매의 전열 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 액화공정의 열교환기에서 저온 팽창 밸브를 통해 냉매를 팽창시키면서 열교환 영역으로 다시 유입시킬 때 시간에 따른 저온 팽창 밸브의 개도와 밸브 유량, 밸브 후단 압력 변화를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 실시예에 따른 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템에서 시간에 따른 밸브 후단 압력과, 밸브 개도 및 밸브 유량의 변화를 도시한 그래프이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템을 개략적으로 도시하며, 도 3은 본 실시예에서 시간에 따른 밸브 후단 압력, 밸브 개도 및 밸브 유량의 변화를 그래프로 도시한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템은, 냉매 사이클 시스템에 있어서, 냉매가 순환되는 냉매 순환부(100)와, 냉매가 열 교환하는 열교환기(200)를 포함하되, 냉매 순환부(100)에서 냉매는 맥동유동을 생성하여 열교환기(200)로 도입시킨다.

본 실시예에서 냉매 사이클 시스템으로 냉각되는 대상물은 천연가스일 수 있으며, 천연가스는 열교환기(200)에서 냉매에 의해 액화됨으로써 LNG가 생성된다.

본 실시예의 냉매 순환부(100)는 냉매를 압축하는 압축부(110)와, 열교환기(200)에 배치되어 압축된 냉매가 지나며 열 교환하는 냉각 배관(120)과, 냉각 배관(120)에 마련되는 저온 팽창 밸브(130)를 포함하되, 저온 팽창 밸브(130)의 개도를 조절하여 냉매의 맥동유동을 생성할 수 있다.

압축부(110)는 통상의 컴프레서(compressor)와 같은 압축 수단(111, 112), 냉각 수단, 세퍼레이터(separator)와 같은 혼합 냉매의 분리 수단(113, 115), 펌프(114, 116) 등을 포함할 수 있다. 압축부(110)는 냉매의 냉각이 효과적으로 이루어질 수 있도록, 이와 같은 압축 수단(111, 112), 냉각 수단, 분리 수단(113, 115), 펌프(114, 116) 등이 도 2에 도시된 것과 같이 다단으로 연결된 형태로 이루어질 수 있다.

압축부(110)를 거쳐 냉각된 냉매는 냉각 배관(120)을 통해 열교환기(200)로 도입된다. 열교환기(200)에서 천연가스와 1차적으로 열 교환된 냉매는 냉각 배관(120)을 따라 열교환기(200) 외부로 배출되고, 냉각 배관(120)에 마련된 저온 팽창 밸브(130)를 통해 팽창되면서 냉각된다. 팽창으로 냉각된 냉매는 냉각 배관(120)을 따라 열교환기(200)로 다시 도입되어 천연가스와 열 교환함으로써 LNG를 생성시킨다.

이때 본 실시예는 저온 팽창 밸브(130)의 개도 조절을 통해 냉매의 맥동유동을 생성함으로써 냉매의 전열성능을 향상시켜, 효과적으로 천연가스의 액화공정이 이루어지도록 하는 것이다.

맥동(surging)이란 유체의 유량 변화에 따라 관로나 수조 등의 압력과 수위가 주기적인 변동을 지속하는 현상을 말하는데, 본 실시예는 저온 팽창 밸브(130)의 개도 조절을 통해 냉매의 의도적인 맥동유동을 형성시켜 냉매 사이클 시스템의 전열성능 향상을 도모한다.

이를 위해 냉매 순환부(100)는 저온 팽창 밸브(130)의 후단에 마련되어 냉매의 압력을 측정하는 압력 측정기(140)를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에서는, 압력 측정기(140)에서 측정된 냉매의 압력이 상한에 도달하면 저온 팽창 밸브(130)의 개도를 감소시키고, 냉매의 압력이 하한에 도달하면 저온 팽창 밸브(130)의 개도를 증가시켜 냉매의 맥동유동을 생성할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 압력 측정기(140)에서 측정된 저온 팽창 밸브(130) 후단의 냉매의 압력을 기준으로 밸브의 개도를 조절한다. 즉 압력 측정기(140)에서 측정된 냉매의 압력이 상한에 도달하면 밸브의 개도를 낮게 하여 열교환기(200)로 유입되는 냉매의 유량을 낮추고, 냉매의 유량이 하한에 도달하면 다시 저온 팽창 밸브(130)의 개도를 높여 열교환기(200)로 도입되는 냉매의 유량을 높임으로써, 열교환기(200)의 냉각 배관(120)을 통과하는 냉매의 맥동유동을 유도한다.

본 실시예는 압력 측정기(140)에서 측정된 저온 팽창 밸브(130) 후단의 냉매 압력에 따라 저온 팽창 밸브(130)의 개도를 조절하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

냉매 순환부(100)는 냉각 배관(120)의 후단에 마련되어 냉각 배관(120)을 지나며 열 교환된 냉매를 저장하여 압축부(110)로 도입시키는 석션 드럼(150)을 더 포함할 수 있다.

맥동유동을 생성시킨 냉매가 그대로 압축부(110)로 도입될 경우 기기손상을 초래할 우려가 있으므로, 냉각 배관(120)을 통과한 냉매는 석션 드럼(150)을 거쳐 압축부(110)로 도입시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 냉매 순환 방법에 있어서,

1) 냉매를 압축하여 열교환기(200)에 도입하여 열 교환시키는 단계;

2) 열 교환된 냉매를 저압으로 팽창시키며 열교환기(200)로 도입시켜 열 교환시키는 단계; 및

3) 열 교환된 냉매를 열교환기(200)에서 배출시켜 단계 1)로 순환시키는 단계를 포함하되,

단계 2)에서 냉매는 맥동유동을 생성하여 열교환기(200)로 도입시키는 것을 특징으로 하는 전열 성능이 향상된 냉매 순환 방법이 제공된다.

전술한 단계 2)에서, 열 교환된 냉매를 저압으로 팽창시키며 열교환기(200)로 도입시키는 배관에는 저압 팽창 밸브가 마련되되, 저압 팽창 밸브 후단에서 냉매의 압력을 측정하여 냉매의 압력이 상한에 도달하면 저온 팽창 밸브(130)의 개도를 감소시키고, 냉매의 압력이 하한에 도달하면 저온 팽창 밸브(130)의 개도를 증가시켜 냉매의 맥동유동을 생성할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예의 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템은 냉매 순환부(100)에서 밸브 후단 압력을 측정하여 이에 따라 저온 팽창 밸브(130)의 개도를 조절하여 냉매의 맥동유동을 생성하여 열교환기(200)로 도입시킨다. 냉매의 정상유동에 비해 맥동유동 시에 전열 성능이 높으므로, 밸브의 개도 조절을 통해 맥동유동을 생성하여 열교환기(200)로 도입시킴으로써 전열성능을 높일 수 있다.

이를 통해 본 실시예의 냉매 사이클 시스템이 적용되는 천연가스의 액화공정을 원활히 이루어지도록 할 수 있으며, 나아가 액화공정에 필요한 열교환기(200)의 크기를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100: 냉매 순환부
110: 압축부
111, 112: 압축 수단
113, 115: 분리 수단
114, 116: 펌프
120: 냉각 배관
130: 저온 팽창 밸브
140: 압력 측정기
150: 석션 드럼
200: 열교환기

Claims (7)

1. 냉매 사이클 시스템에 있어서,
   냉매가 순환되는 냉매 순환부; 및
   상기 냉매가 열 교환하는 열교환기를 포함하되,
   상기 냉매 순환부에서 상기 냉매는 맥동유동을 생성하여 상기 열교환기로 도입시키는 것을 특징으로 하는 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 냉매 순환부는
   상기 냉매를 압축하는 압축부;
   상기 열교환기에 배치되어 압축된 상기 냉매가 지나며 열 교환하는 냉각 배관; 및
   상기 냉각 배관에 마련되는 저온 팽창 밸브를 포함하되,
   상기 저온 팽창 밸브의 개도를 조절하여 상기 냉매의 맥동유동을 생성하는 것을 특징으로 하는 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템.
3. 제 2항에 있어서, 상기 냉매 순환부는
   상기 저온 팽창 밸브의 후단에 마련되어 상기 냉매의 압력을 측정하는 압력 측정기를 더 포함하는 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 압력 측정기에서 측정된 상기 냉매의 압력이 상한에 도달하면 상기 저온 팽창 밸브의 개도를 감소시키고, 상기 냉매의 압력이 하한에 도달하면 상기 저온 팽창 밸브의 개도를 증가시켜 상기 냉매의 맥동유동을 생성하는 것을 특징으로 하는 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템.
5. 제 2항에 있어서, 상기 냉매 순환부는
   상기 냉각 배관의 후단에 마련되어 상기 냉각 배관을 지나며 열 교환된 상기 냉매를 저장하여 상기 압축부로 도입시키는 석션 드럼을 더 포함하는 전열 성능이 향상된 냉매 사이클 시스템.
6. 냉매 순환 방법에 있어서,
   1) 냉매를 압축하여 열교환기에 도입하여 열 교환시키는 단계;
   2) 열 교환된 상기 냉매를 저압으로 팽창시키며 상기 열교환기로 도입시켜 열 교환시키는 단계; 및
   3) 열 교환된 상기 냉매를 열교환기에서 배출시켜 상기 단계 1)로 순환시키는 단계를 포함하되,
   상기 단계 2)에서 상기 냉매는 맥동유동을 생성하여 상기 열교환기로 도입시키는 것을 특징으로 하는 전열 성능이 향상된 냉매 순환 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 단계 2)에서
   상기 열 교환된 상기 냉매를 저압으로 팽창시키며 상기 열교환기로 도입시키는 배관에는 저압 팽창 밸브가 마련되되, 상기 저압 팽창 밸브 후단에서 상기 냉매의 압력을 측정하여 상기 냉매의 압력이 상한에 도달하면 상기 저온 팽창 밸브의 개도를 감소시키고, 상기 냉매의 압력이 하한에 도달하면 상기 저온 팽창 밸브의 개도를 증가시켜 상기 냉매의 맥동유동을 생성하는 것을 특징으로 하는 전열 성능이 향상된 냉매 순환 방법.

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