KR20180089958A

KR20180089958A - Lng 냉열을 이용한 진공 동결 건조 시스템

Info

Publication number: KR20180089958A
Application number: KR1020170014752A
Authority: KR
Inventors: 이동건; 신재린
Original assignee: 유진초저온(주)
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2018-08-10

Abstract

본 발명은 미활용되고 있는 LNG의 냉열을 적극적으로 활용하여 진공 동결 건조 시스템의 운전비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 건조 시간의 단축 및 건조물의 품질이 우수하고 복원성이 우수한 다공질의 건조물을 얻을 수 있는 LNG 냉열을 이용한 진공 동결 건조 시스템을 제공하고자 한다.

Description

LNG 냉열을 이용한 진공 동결 건조 시스템{VACUUM FREEZING DRYING SYSTEM USING LNG}

기존 건조방식은 첨단제품 원료의 품질 및 생산성이 현저하게 떨어지므로 다양한 신소재를 효율적으로 건조할 수 있는 복합 건조기술이 필요한 실정이다.

일반적으로 물의 끓는 점은 100℃라고 알고 있지만 물의 끓는 점은 공급되어지는 열량과 기압에 따라 유동적이며 기압이 낮아지면 물의 끓는점도 낮아지게 되어 충분한 진공만 유지하면 -40℃ 이하의 온도에서도 동결된 채로 기체로 전환될 수 있으며, 이 원리를 이용하여 재료에 함유된 수분을 제거 건조시키는 방법이 진공 동결 건조이다.

진공 동결 건조에서는, 원료를 빙점이하의 온도로 동결시켜 얼음의 상태에서 승화에 의해 재료내의 수분이 제거되기 때문에 재료성상의 물리적, 화학적 변화 및 품질의 변화가 극도로 적고, 다시 수분을 가함으로써 복원성이 좋은 다공질의 건조 제품을 얻을 수 있다.

진공 동결 건조 장치는 고진공을 유지하기 위한 설비비 및 운전비가 비싸므로 매우 특수한 용도나 부가가치가 높은 제품의 건조에만 이용되는 실정이다.

대한민국 공개특허 특1997-0002230호 "진공동결건조기용 콜드 트랩 장치"(1997. 1.24. 공개)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 미활용되고 있는 LNG의 냉열을 적극적으로 활용하여 진공 동결 건조 시스템의 운전비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 건조 시간의 단축 및 건조물의 품질이 우수하고 복원성이 우수한 다공질의 건조물을 얻을 수 있는 LNG 냉열을 이용한 진공 동결 건조 시스템을 제공하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 예비 급속 동결실, 동결 건조실, 콜트 트랩 실에 냉열을 공급하는 진공 동결 건조 시스템에 있어서 : 상부에 진공 공간을 형성시키는 흡출관, LNG가 저장되는 저장탱크, 상기 진공 공간에 액상의 LNG를 공급하는 LNG 공급관, 상기 진공 공간에 마련되어 상기 LNG 공급관에서 공급되는 LNG의 압력차에 따른 팽창을 이용하여 발전하는 발전용 터빈, 상기 흡출관의 하단부에 마련되어 상기 저장탱크로 LNG를 가압 이송하는 펌프, LNG를 가열하기 위하여 상기 LNG 공급관에 마련되는 열교환기를 포함하여 이루어지는 LNG 발전부 ; 상기 LNG 발전부의 열교환기에서 열교환된 LNG의 냉열을 상기 예비 급속 동결실, 상기 동결 건조실, 상기 콜드 트랩 실에 공급하도록 마련되는 냉열 공급부 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 본 발명은, 미활용되고 있는 LNG의 냉열을 적극적으로 활용하여 운전비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 건조 시간의 단축 및 건조물의 품질이 우수하고 복원성이 우수한 다공질의 건조물을 얻을 수 있는 LNG 냉열을 이용한 진공 동결 건조 시스템을 제공하게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 LNG 냉열을 이용한 진공 동결 건조 시스템의 개념도,
도 2은 도 1의 LNG 발전부의 주요부 확대도,
도 3은 도 2에 물이 적용된 경우의 압력-엔탈피 선도.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 LNG 냉열을 이용한 진공 동결 건조 시스템을 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 LNG 냉열을 이용한 진공 동결 건조 시스템의 개념도이며, 도 2은 도 1의 LNG 발전부의 주요부 확대도이며, 도 3은 도 2에 물이 적용된 경우의 압력-엔탈피 선도이다.

LNG 냉열을 이용한 진공 동결 건조 시스템은 크게 예비 급속 동결실(10)과 동결 건조실(20)과 콜드 트랩(COLD TRAP) 실(30)로 구분될 수 있다.

예비 급속 동결실(10)과 동결 건조실(20)과 콜드 트랩(COLD TRAP) 실(30)의 일반적 기능은 종래와 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

예비 급속 동결실(10)과 동결 건조실(20)과 콜드 트랩(COLD TRAP) 실(30)에 냉열을 공급하기 위하여 냉열 공급부(200)가 마련된다.

냉열 공급부(200)는 냉매가 저장된 냉매 저장 탱크(210)와, 부하로서 냉열을 공급하기 위한 예비 급속 동결실용 냉매 순환 배관(220), 동결 건조실용 냉매 순환 배관(230), 콜드 트랩용 냉매 순환 배관(240)과, 냉열 공급원으로서 냉열을 공급받기 위한 열교환기(160)를 순환하는 열교환기용 냉매 순환 배관(250)를 포함하여 이루어진다.

아울러 동결 건조실용 냉매 순환 배관(230)은 냉각 및 가열 장치(300)에 냉열을 공급하며, 냉각 및 가열 장치(300)는 동결 건조실(20)의 각 냉각 가열 선반(21)을 냉각하거나 가열할 수 있도록 가열 기능을 더 구비하고 있다.

즉 냉각 및 가열 장치(300)는 동결 건조실용 냉매 순환 배관(230)을 유동하는 냉매의 냉열을 이용하여 냉각 가열 선반(21)을 냉각하며, 아울러 냉각 및 가열 장치(300)는 동결 건조실용 냉매 순환 배관(230)과 별개로 마련된 가열 모듈에 의하여 냉각 가열 선반(21)을 가열하게 된다.

이와 같은 냉열 공급부(200)의 구성은 실시예에 따라 매우 다양하게 변경될 수 있다.

콜드 트랩 실(30)에는 진공 펌프(31)가 마련된다.

따라서 진공 펌프(31)의 구동에 의하여 콜드 트랩 실(30)과 이에 연결된 동결 건조실(20)이 진공 분위기로 유지된다.

다음으로 LNG 발전부(100)를 설명한다.

상기 및 이하에서 "진공"이란 대기압보다 낮은 압력 상태를 말한다.

흡출관(110)이 마련되며, 흡출관(110)의 상단부에 진공 공간이 형성된다.

흡출관(110)의 상단부에 형성되는 진공 공간은, 흡출관(110)을 상하로 길게 형성하고 흡출관의 하단부에 펌프를 배치하여 펌프가 구동됨으로써 형성되는 것이다.

액상 LNG가 LNG 공급관(121)을 통하여 진공 공간에 공급된다.

진공 공간에는 발전용 터빈(130)이 마련되며, 발전용 터빈(130)은 LNG 공급관(121)에서 공급되는 LNG가 진공 공간과의 압력차에 따라 팽창되는 것을 이용하여 발전하게 된다.

즉 액상의 LNG가 진공 공간에 급속 노출되면서 급팽창(비등가속)하여 액상에서 기액 공존 상태로 변화되면서 터빈 블레이드와 부딪혀 일을 하고 전기에너지를 생산하게 된다.

아울러 발전용 터빈(130)을 회전시킨 LNG는 흡출관(110)을 따라 하부로 이동하면서 자연 가압되며 또한 기상 LNG는 액상 LNG로 전환된다.

흡출관(110)의 하단부에 펌프(140)가 마련된다.

펌프(140)는 흡출관(110) 내부의 LNG를 저장탱크(170)로 가압 이송하도록 하여 흡출관(110)의 상하 길이가 비교적 짧아짐에도 불구하고 흡출관(110)의 상부에 진공 공간을 형성할 수 있다.

즉 흡출관(110)의 상하 길이와 펌프(140)의 압력은 흡출관(110) 상부에 진공 공간을 형성할 수 있도록 설계되어야 한다.

저장탱크(170)에서 LNG는 LNG 공급관(121)으로 배출되며, LNG 공급관(121)에는 LNG를 가열하기 위한 열교환기(160)가 마련된다. 즉 열교환기(160)에서 LNG는 냉열을 방출하면서 가열되며, LNG와 열교환하는 냉매는 냉열을 흡수하면서 냉각된 후 열교환기용 냉매 순환 배관(250)을 매개하여 냉매 저장 탱크(210)에 저장된다.

이와 같은 본 실시예의 작동은 도 4와 같은 압력-엔탈피 선도를 이용하여 설명될 수 있다. 도 4의 압력-엔탈피 선도는 열매체가 물이라는 전제하에 작성된 것이다. 그러나 이 선도는 열매체가 LNG인 경우에도 거의 유사하게 적용될 수 있으므로 본 발명의 이해에 도움이 될 수 있다.

상태 ① : 펌프 가압 직전의 상태로서 대기압 상태(1bar)이며 25℃이다.

상태 ② : 펌프에 의하여 가압된 상태로서 3bar이다.

상태 ③ : 열교환기에 의하여 가열된 상태로서 32℃이다.

상태 ④ : 진공 상태로 변환되면서 터빈을 회전시켜 발전한 상태이며, 진공 상태로서 0.032bar이다.

상태 ① : 흡출관을 따라 하부로 이동하면서 자연 가압된 상태로서 대기압 상태이다.

이와 같은 압력-엔탈피 선도를 따라 엔탈피를 분석하면 다음과 같다.

상태 ① : 104.13 kJ/kg

상태 ② : 104.55 kJ/kg

상태 ③ : 133.66 kJ/kg

상태 ④ : 103.98 kJ/kg

상태 ① : 104.13 kJ/kg

따라서 효율을 계산하면 (③-④)/③ = 22.21 %이다.

발전용 터빈(130)에서 생산된 전기는 펌프(140) 등의 구동을 위하여 사용될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 예비 급속 동결실
20 : 동결 건조실
21 : 냉각 가열 선반
22 : 보조 발전용 터빈
30 : 콜드 트랩 실
31 : 진공 펌프
100 : LNG 발전부
110 : 흡출관
121 : LNG 공급관
130 : 발전용 터빈
140 : 펌프
160 : 열교환기
170 : 저장탱크
200 : 냉열 공급부
210 : 냉매 저장 탱크
220 : 예비 급속 동결실용 냉매 순환 배관
230 : 동결 건조실용 냉매 순환 배관
240 : 콜트 트랩용 냉매 순환 배관
300 : 냉각 및 가열 장치

Claims

예비 급속 동결실, 동결 건조실, 콜트 트랩 실에 냉열을 공급하는 진공 동결 건조 시스템에 있어서 :
상부에 진공 공간을 형성시키는 흡출관, LNG가 저장되는 저장탱크, 상기 진공 공간에 액상의 LNG를 공급하는 LNG 공급관, 상기 진공 공간에 마련되어 상기 LNG 공급관에서 공급되는 LNG의 압력차에 따른 팽창을 이용하여 발전하는 발전용 터빈, 상기 흡출관의 하단부에 마련되어 상기 저장탱크로 LNG를 가압 이송하는 펌프, LNG를 가열하기 위하여 상기 LNG 공급관에 마련되는 열교환기를 포함하여 이루어지는 LNG 발전부 ;
상기 LNG 발전부의 열교환기에서 열교환된 LNG의 냉열을 상기 예비 급속 동결실, 상기 동결 건조실, 상기 콜드 트랩 실에 공급하도록 마련되는 냉열 공급부 ;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 LNG를 이용한 진공 동결 건조 시스템