KR20230135739A - 멀티스테이지캐스케이드 방식을 이용한 고효율 크라이오쿨러 시스템 - Google Patents

멀티스테이지캐스케이드 방식을 이용한 고효율 크라이오쿨러 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20230135739A
KR20230135739A KR1020220033066A KR20220033066A KR20230135739A KR 20230135739 A KR20230135739 A KR 20230135739A KR 1020220033066 A KR1020220033066 A KR 1020220033066A KR 20220033066 A KR20220033066 A KR 20220033066A KR 20230135739 A KR20230135739 A KR 20230135739A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
stage
temperature
refrigerant
compression
cooling
Prior art date
Application number
KR1020220033066A
Other languages
English (en)
Inventor
김재형
Original Assignee
김재형
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 김재형 filed Critical 김재형
Priority to KR1020220033066A priority Critical patent/KR20230135739A/ko
Publication of KR20230135739A publication Critical patent/KR20230135739A/ko

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B7/00—Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/0089—Ortho-para conversion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/04—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa
    • C09K5/041—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa for compression-type refrigeration systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/04—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of rotary type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/02—Subcoolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/006—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant containing more than one component
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0005—Light or noble gases
    • F25J1/001—Hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0012—Primary atmospheric gases, e.g. air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0012—Primary atmospheric gases, e.g. air
    • F25J1/0015—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0012—Primary atmospheric gases, e.g. air
    • F25J1/0017—Oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0012—Primary atmospheric gases, e.g. air
    • F25J1/002—Argon
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0022—Hydrocarbons, e.g. natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/0062—Light or noble gases, mixtures thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/007—Primary atmospheric gases, mixtures thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/007—Primary atmospheric gases, mixtures thereof
    • F25J1/0072—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/007—Primary atmospheric gases, mixtures thereof
    • F25J1/0077—Argon
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/008—Hydrocarbons
    • F25J1/0082—Methane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/008—Hydrocarbons
    • F25J1/0085—Ethane; Ethylene
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/0097—Others, e.g. F-, Cl-, HF-, HClF-, HCl-hydrocarbons etc. or mixtures thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0203—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0207—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle as at least a three level SCR refrigeration cascade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0217—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as at least a three level refrigeration cascade with at least one MCR cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0264—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams
    • F25J1/0265—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/05—Compression system with heat exchange between particular parts of the system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/02—Bath type boiler-condenser using thermo-siphon effect, e.g. with natural or forced circulation or pool boiling, i.e. core-in-kettle heat exchanger

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

본 발명은 산소, 질소, 공기, 아르곤을 냉각을 공정, 액화를 위한 공정에 활용할 수 있으며, 수소나 헬륨액화공정에서는 예냉공정에서 사용되는 냉각 공정에 활용될 수 있는 기술을 제공한다. 이러한 산업용 가스냉각, 액화 공정에서는 Expander를 사용하는 것이 일반적인데 초기투자비를 3배이상 절감 시킬 수 있으며 단위공정에 소요되는 전력비용을 200%에서 300%까지 절감시킬 수 있는 특징을 지닌다.

Description

멀티스테이지캐스케이드 방식을 이용한 고효율 크라이오쿨러 시스템{High-efficiency cryocooler system using multi-stage cascade method}
산업용가스 (산소, 질소, 아르곤)극저온액화, LNG액화, 재생에너지저장(수소액화를 위한 예냉 및 공기액화에너지 저장)
산업용 가스(공기, 질소, 산소, 수소)를 냉각, 액화할 수 있는 크라이오쿨러시스템은 -170℃ ~ -200℃의 온도사용대역에서l 적게는 수십kw와에서 크게는 수천kw까지의 용량이 필요한 라지스케일(Large Scale)급의 극저온 시스템을 요구하고 있다. 이러한 크라이오쿨러에 사용되는 기술은 크게 두 가지로 나뉘어진다.
첫 번째로 재생형(Regenerator)형식과 열교환형(Recuperative)형식으로 구 분되는데 이중 대용량급의 경우에는 열교환형이 사용된다. 열교환형 냉동시스템에 종류는 다음과 같다. 팽창기를 사용하는 역브레이튼 사이클, 혼합냉매의 비점차이를 이용한 혼합사이클, 서로 다른 냉동기를 직렬로 연결한 캐스케이드 사이클로 구분 극저온냉동기는 부하특성에 따라 고정형온도(Fixed Temperature), 분산형온도(Distribution Temperature)로 분류되는데 고정형온도는 온도이 하나의 온도이거나, 구현온도구간이 좁은 경우에 해당하며 일반 냉동냉장고나 칠러 등에 해당하며, 극저온 영역에서는 초전도체 냉각위한 액체질소 과냉각기, 고진공 장치에 해당하는 크라이오-트랩이 해당된다. 분산형운도는 가스액화나 냉각 같은 발명기술이 필요한 분야에 해당한다. 상온에서부터 액화 또는 과냉각까지 냉각해야하는 구간의 온도범위가 넓으므로 이에 맞는 온도구간별 냉각온도 구현시 각 구간별마다 효율적 구현이 가능한 특성을 필요로 하게 된다. 같은 극저온의 온도구간이 필요하다 하더라도 고정형온도형식이 분산형운도보다 더 많은 에너지를 사용하게 된다. 그 이유로써는 분산형온도에서는 극저온온도대역에서 열부하가 다른 온도대역보다 적으므로 카르노 효율이 높은 구간이 활용되므로 시스템 효율이 높아지게 된다. 이러한 내용은 가스액화공정이 가스의 종류나 가스 공급압력에 따라 최종온도가 같은 온도임에도 불구하고 공정설계로 다르게 설계해야하는 공정설계의 최적화가 필요하게 된다.
산업용 가스(공기, 질소, 산소, 수소)를 냉각, 액화할 수 있는 크라이오쿨러시스템은 -170℃ ~ -200℃의 온도사용대역에서l 적게는 수십kw와에서 크게는 수천kw까지의 용량이 필요한 라지스케일(Large Scale)급의 극저온 시스템을 요구하고 있다.
이러한 크라이오쿨러에 사용되는 기술은 크게 두 가지로 나뉘어진다.
첫 번째로 재생형(Regenerator)형식과 열교환형(Recuperative)형식으로 구분되는데 이중 대용량급의 경우에는 열교환형이 사용된다. 열교환형 냉동시스템에 관한 종류는 다음과 같다. 팽창기를 사용하는 역브레이튼 사이클, 혼합냉매의 비점차이를 이용한 혼합냉매 사이클, 서로 다른 냉동기를 직렬로 연결한 캐스케이드 사이클로 구분 되어진다. 극저온냉동기는 부하특성에 따라 고정형온도(Fixed Temperature
)과 분산형온도(Distribution Temperature)로 분류되는데 고정형온도는 온도구현이 하나의 온도이거나, 구현온도구간이 좁은 경우에 해당하며 일반 냉동장치에서는 냉장고나 칠러 등에 해당하며, 극저온 영역에서는 초전도체 냉각을 위한 액체질소 과냉각기, 고진공 장치에 해당하는 크라이오-트랩에 해당한다. 분산형운도는 가스액화나 냉각 같은 발명기술이 필요한 분이야 해당한다. 상온에서부터 액화 또는 과냉각까지 냉각해야하는 구간의 온도범위가 넓으므로 이에 맞는 온도구간별 냉각온도 구현시 각 구간별마다 효율적 구현이 가능한 특성을 필요로 하게 된다. 같은 극저온의 온도구간이 필요하다 하더라도 고정형온도형식이 분산형운도보다 더 많은 에너지를 사용하게 된다. 그 이유로써는 분산형온도에서는 극저온부하가 다른 온도대역보다 적으므로 카르노 효율이 높은 구간이 활용되므로 시스템 효율이 높아지게 된다. 이러한 내용은 가스액화공정이 가스의 종류나 가스 공급압력에 따라 최종온도가 같은 온도임에도 불구하고 공정설계로 다르게 설계해야하는 공정설계의 최적화가 필요하게 된다.
1)역브레이튼 크라이오쿨러 (Revers Brayton Cryocooler)
작동유체를 공기나, 질소, 네온, 수소, 헬륨을 주로 사용하게 되며 주요구성품은 압축기, 팽창기, 열교환기(Requperator)이다. 일반냉동장치와 다른 점은 스로틀형 팽창밸브를 사용하지 않고 팽창기(Eapander)를 사용한다는 점이다. 가스를 단열팽창을 하게 되면 온도가 내려가게 된다. 이러한 효 과를 팽창효과라고 한다. 하지만 임계점보다 높은 상태에서 팽창을 하게되면 팽창효과는 떨어지게 되고 어느 특정영역에서는 온도가 되려 상승하는 온도 역전현상이 발생하게 된다. 그래서 온도역전현상이 발생하는 온도를 역전온도(inversion Temperature)라고 하며 가스의 종류에 따라 고유의 온도가 존 재하게 된다. 가스의 종류에 따라 어떤 온도이상에서 압력을 아무리 가해도 응축하지 않는 고유의 임계온도 또는 임계압력이 존재하는 점과 같다. 역전온도는 임계온도가 낮을수록 낮아지는 경향을 보이게 된다. 결국 표준비점(Nomal Boiling Temperature)가 낮은 유체일수록 역전온도는 낮아지게 된다. 크라이오쿨러의 작동유체는 극저온가스가 대부분이므로 이러한 극저온가스를 사용하는 경우 일반적으로 사용되는 스로틀형 팽창밸브를 사용하게 되면 단열팽팡을 하게 되므로 예냉과정을 통하여 온도를 충분히 내린 후 팽창을 시켜야 하지만 팽창기를 사용하게 되면 등엔트로피 팽창을 하게 되는데 등엔트로피 팽창이 등엔탈피 팽창과 다른점은 팽창후 엔탈피가 감소하게 되 어 온도하강폭이 매우 커지게 된다. 이러한 특성으로 인하여 극저온가스를 상온에서 팽창시키더라도 온도가 매우 낮아지는 현상이 발생하게 되며 엔탈 피 감소분만큼 에너지가 발생하므로 이때 발생한 에너지로 압축기 구동에 필요한 에너지로 회수할 수 있는 부가적인 장점이 있다. 하지만 대부분의 팽창기는 가스상태의 흐름만을 위한 설계 및 제작방식이므로 이 사이클에서 순환은 기상(Vapor phase)으로만 순환하므로 단위 질량유량당 에너지 이송량은 적으므로 이송에너지당 필요한 질량유량은 높게 나타나며, 많은 질량유량을 압축시키기 위하여 큰 압축기와 소요전력은 높아지게 된다. 일반적인 냉동기 에서의 작동유체는 상변화(Phase Change)를 통해 잠열방식의 에너지 이송방식이기 때문에 효율이 높아 히트펌프와 같이 높은 효율을 가지게 되지만 역브레이튼 크라이오쿨러의 경우에는 이러한 점이 단점이다. 또한 기상형태의 유동은 열교환기의 효율을 떨어뜨리고, 압력강하폭이 이상(Two Phase)상태보다 매우 커지므로 효율감소 요인이 커지게되므로 이를 위해 열교환기의 전 열면적이 매우 커지게 되고 컴펙트한 사이즈로 제작에 들어가는 제작비용이 매우 커지는 문제점을 안고 있다. 작동유체과 설계조건에 따라 사용운전범위는 -60℃~-263℃를 보인다.
2)혼합 가스를 이용한 극저온방식 (MGJT: Mixed Gas Joule Thomson )
비점 차이가 큰 가스를 혼합한 혼합가스를 작동유체로 사용한다.같은 압력에서 다양한 비점이 존재하므로 이를 열교환기Recuperator)를 사용하여 순차 액화시켜 극저온을 구현하는 방식이다. 사이클 종류에 따라 단순한 형태의 SMR ( Single Mix
ed Refrigerant)방식, 1차 예냉과정을 통한 혼합가스냉각방식인 C3MR(Propane(C3) Mixed Refrigerant)방식 사이클을 2종으로 구분하고 별도의 혼합냉매를 작동유체를 사용하여 사이클을 연계시진 DMR(Dual Mixed Refrigerant)방식으로 나뉘어딘다.
혼합가스를 작동유체로 사용하게 되면 잠열을 일부 활용할 수 있는 구간이 발생하게 되지만 온도구간이 작은 (Fiexed Temperature) 경우에는 잠열활용구간이 매우 낮아지게 되어 효율이 낮아지며, 온도구간이 넓은 분산형온도에서는 잠열활용구간이 넓어져서 효율을 상승시킬 수 있는 요인이 발생하게 된다. 수소예냉장치와 같이 온도활용구간이 넓은 경우에는 같은 도달온도라 하더라도 효율이 높게 나타나며, 공기,산소, 질소액화시에는 극저온온도구간이 넓어지므로 수소예냉장치보다는 효율이 떨어지게 된다. 이러한 이유로 주로 소형장치에서만 활용되다가 대형급에서는 LNG액화와 수소의 예냉과 같은 온도구간이 넓은 시스템에서는 적용되고 있는 실정이다.
3)멀티캐스케이드 크라이오쿨러 (Multi Cascade Cryocooler )
비점이 다른 각각의 작동유체를 사용하는 사이클을 직렬로 연결하여 상호열교환을 통하여 극저온 작동유체사이클의 액화를 상위 사이클로 행하는 냉각 방식이다. 국내외적으로는 사이클을 2개로 구성하는 이원사이클로써 실험실용 Deep Freezer, 식품동결에 널리 행해지고 있으며 대형시스템으로써는 천연가스액화시스템에 사 용되어지는 미국의 Concono Philips사의 Optimize Cascade사이클 유명하다. 하지만 온도대역폭이 큰 운전조건에서는 혼합가스를 작동유체로 사용하는 MGJT방식보다 효율이 높은 것으로 알려져 있다. 한편 멀티캐스케이드 시스템에서 효율상승을 위한 방법으로 여러 특허가 공개되어 있지만 이중 시스템 개선을 통한 효율의 극대화가 가능한 특허는 미국특허 US4028079라고 볼 수 있다. 이 특허에서는 질소액화를 위하여 4단 캐스케이드 사이클을 개량한 내용을 보여주고 있다. 특허기술의 핵심은 일반적인 4단 캐스케이드 사이클에서 각 단의 사이클에서 증발된 차가운 기체상태의 작동유체를 캐스케이드응축기에 유입되는 고온고압의 기체상태인 작동유체를 사전 예냉시켜서 상단의 사이클의 응축액화 열부하를 저감시키는 방식으로 효율을 개선시켰다. 이러한 방식으로 각 단의 압축기 크기도 줄일 수가 있어 효율증대와 초기투자비 감소를 동시에 이뤄냈으나 현재는 사용되지 않는 것으로 알려져 있다. 하기그림1은 일반적인 개량된 4단 캐스케이드 사이클의 효과를 보여주고 있는데 전력소비량이 50%정도 감소된 결과를 보여주고 있다.
상기 그림에서 각 단의 소비동력을 보여주고 있는데 전체소요동력은 크게 절감되었으나 저온사이클에서는 많은 소비동력이 고온사이클일수록 소비동력이 저감되는 효과를 보여주고 있는데 이는 위세서 기술한데로 각 단의 응축열량이 고온사이클의 냉동부하로 이어지게 되는데 각단의 응축열량을 줄임으로써 고온측일수록 동력이 줄어드는 결과를 도출하게 된 것이다. 하지만 이 러한 사이클은 각 단의 압축기에 유입되는 작동유체 온도가 상온의 온도를 보여주는 바 저온측 압축기 토출온도의 상승이 비약적으로 상승하게 되므로 일반적인 냉매 압축기를 사용하지 못하고 냉각기가 별도로 부착된 고가의 가스압축기만 사용할 수밖에 없는 운전조건을 보여주고 있다. 또한 압축기 흡입가스의 상승은 등엔트로피 압축과정에서의 엔탈피 증가량이 동일 압력기준으로 높아지게 된다.
미국특허 US4028079
1) "Simulation and experriment of a hydrogen liquefaction test rigusing a multi-component refruferant refrigeration system" January 2011Fuel and Energy Abstracts 36(1):907-919 2) "Large-scale hydrogen liquefaction in Germany" 1993
극저온장치는 초기투자비와 전력소모량이 매우 높은 기기에 해당하므로 이를 절감시킬 수 있는 기술은 매우 중요하다. 본 발명기술은기존 가스액화를 위한 극저온 냉동기에서 시장 선도형 수준의 전력기술 절감을 구현하는 것을 목료로 하고 있다.발명기술의 특히 탄소중립시대를 구현하기 위한 소요되는 에너지저장분야에 서 극저온기 술 수요가 예측되는 분야는 수소액화용 예냉장치와 액화공기에너지저장분야에 해당하며, 발명기술의 높은 기술적 수준이 요구되는 분야이다. 재생에너지 활용분야에서 에너지 절감은 단순히 운영비 측면만 고려되는 것이 아니다. 고효율 장비는 재생에너지 인프라 구축비용도 크게 절감시킬 수 있는 후방적 효과도 매우 크기 때문이다.
가스액화를 위한 종래 극저온냉동기술을 분석한 특징은 다음과 같다
역브레이튼형 혼합냉매사이클 기존 캐스케이드
냉매 질량유량 낮다 중간 높다
잠열활용 없음 적음 100%
엑서지회수 활용 활용 미활용
최저도달온도 -270℃ -160℃ -196℃
표 1.은 가스액화에 사용되어지는 특히 LNG액화에 널리 사용되어지는 대표적인 기술을 분석한 자료이다. 표 1.에서 보는 바와 같은 적용기술에 대한 효율비교 및 효율상승에 대표적인 영향인자인 잠열활용 및 엑서지 회수가 효율이 미치는 내용을 분석하고 있다. 잠열활용이 고효율화에 영향을 줄 수 있는 이유는 단위 질량유량당 기체의 상변화시의 잠열이 수백배 높기 때문에 질량유량 감소가 가능하게 그에 따라 압축기 전력이 질량유량에 비례하고 감소하기 때문이다. 엑서지 회수는 같은 에너지라 하더라도 에너지 활용도는 극저온장치에서는 낮은 저온의 에너지가 활용도가 높기 ‹š문에 이를 활용할 수 있는 것이 소비전력절감에 매우 큰 영향인자가 된다. 역브레이튼형은 압축기, 팽창기, 열교환기로 대표적으로 구성되어지는데 팽 창기의 경우 압축기와 마찬가지로 기체상태로만 유동이 가능한 구조이다. 최근 이상유동이 가능한 팽창기가 개발중에 있지만 안정성 면에서는 아직 확인되지 않은 상태이다. ) 그러므로 잠열활용을 할 수가 없다. 대신 고압스트림과 저압스트림의 열교환이 있으므로 효율저하가 그리 크지 않다. 혼합냉매사이클은 저비점 냉매와 고비점냉매의 혼합을 통하여 같은 압력에서 다양한 온도구현이 가능한 사이클이므로 LNG액화분야에서 역브레인튼 사이클을 대처하기 위해 개발되었다. 이 사이클은 역브레이튼 사이클와 같이 엑서지 회수를 위한 열교환기가 있고, 극저온냉매의 잠열일부를 활용할 수가 있기 ‹š문에 역브레이튼 냉동기보다 효율이 높다.
캐스케이드 사이클은 각 스테이지마다의 냉매잠열을 100%활용할 수 있기 ‹š문에 효율이 높다고 할 수 있다.하지만 엑서지 회수를 위한 열교환기가 없기 때문에 기존 역브레이튼, 혼합냉매사이클보다 효율이 월등히 높지는 않다. 혼합냉매사이클에서 잠열활용을 극대화 한 C3MR, DMR, MFC사이클의 경우에는 캐스케이드 사이클보다 효율이 되려 높아지게 되는데 일반 혼합냉매사이클보다 잠열활용비율이 높아지기 때문에 일반 혼합냉매사이클보다 높아지며, 캐스케이드 사이클에서 활용되지 않은 엑서지 회수를 위한 열교환기가 포함되기 때문에 효율이 매우 높아지게 된다. 본 발명에서는 이러한 기술분석을 통하여 하기와 같은 기술적 해결수단을 수립하였다.
① 잠열활용이 가능한 멀티스테이지 캐스케이드 사이클에 엑서지 회수를 위 한 Recuperative 사이클을 기초로 추가 효율개선안을 고려한다.
② “①”에서 고려된 특허기술은 "US4028079" 이었으며 특허기술 분석결과 프로판, 에틸렌, 메단, 질소사이클로 4단계 캐스케이드 사이클 중 프로판,에틸렌 사이클에서의 엑서지 회수는 되려 효율저하의 요인으로 분석되었다. 분석된 원인은 다음과 같았다. 엑서지 회수를 위한 열교환기 사용시 압축기 흡입온도가 상온수준으로 상승하게 되는데 압축일당량이 기존 저온형태로 흡입하였을 경우보다 상승하게 되는데 압축기 전력소모량 증대가 엑서지 회수를 통한 효율상승분 보다 부족한 이유였고, 메탄, 질소 사이클에서는 효율증대가 상승하는 해석결과.
③“②”에서 확인된 사항을 바탕으로 표준비점이 에틸레보다 낮은 CF4 표준비점(-128℃) 이하의 표준비점을 사용하는 냉매 스테이지에서는 엑서지 회수를 위한 열교환기를 사용하도록 한다.
④ 특허기술 "US4028079"에 사용된 캐스케이드 응축기 입구측에 설치된 엑서지 회수용 열교환기보다 과열제거를 별도로 할 수 있는 상위 고단측 냉동 기로써 응축액화구간전짜기 예비냉각을 하는 것이 효율상승이 컸다. 또한 예비냉각을 활용하게되면 압축기 흡입온도가 (압축기가 허용할 수 있는 온도범위까지) 하강하게 되면 압축일당량이 감소하게 되므로 효율을 상승시킬 수 있는 것이 전산해석을 통하여 확인되었다.
⑤ 개별 스테이지마다 압축기를 복수로 설치하여 증발온도를 고온, 저온으로 나뉘어 설계를 하게 될 경우 가스 냉각시 냉동기 증발온도가 저온일때보다 고온일때가 효율이 높아지므로 이를 효율 상승방법이 될 수 있으며 상대적으로 고온측 냉동기를 저온냉동기에서 액화된 냉매를 과냉각(Sub cooling)을 하게 한다면 좀 더 높은 효율을 지닌 냉동기 회로 구성이 가능하게 됨을 추론적 방법과, 전산해석에서 확인되었다.
저비용화를 위한 방법으로써는
① 산업용 가스압축기 대비 냉매 압축기는 동일 토출량 기준 1/3 ~ 1/5 수준
② 열교환기는 멀티스트림이 가능한 플레이트핀 알루미늄 열교환기 대비 3스트림이 가능한 용접형 플레이트형 열교환기 적용으로 1/10 ~ 1/20 수준
③ 팽창기를 사용 않음으로 산업용가스압축기에 해당하는 팽창기 비용 절감
1) 수소액화플랜트에서 수소예냉공정 1kg/hr당 소비전력 분석 (실험결과를 통한 비교우위 분석)
혼합냉매기술에서 수소최종냉각온도는 -158℃, 단위유량당 전력소모는 : 1.72kw
역브레이튼기술에서 수소최종냉각온도는 -193℃, 단위유량당 전력소모는 : 4.86kw
발명기술에서 수소최종냉각온도는 -170℃, 단위유량당 전력소모는 : 0.57kw
①발명기술 실험결과(공인시험성적서)
② 혼합냉매 기술에 대한 실험자료
관련논문 "Simulation and experriment of a hydrogen liquefaction test
rigusing a multi-component refruferant refrigeration system" January 2011Fuel and Energy Abstracts 36(1):907-919 DOI: 10.1016/j.ijhydene.2010.09.005
③ 역브레이튼 기술에 관한 실험자료 : 관련논문 "Large-scale hydrogen liquefaction in Germany" 1993
2)질소 액화플랜트 적용시 (단위생산 소요전력 : kw.h/N㎥ )
생산량 N㎥/h 250 500 1,000 3,000 9,000
역브레이튼 1.18 1.05 0.84 0.64 0.58
발명기술 0.38 0.33 0.31 0.28 0.28
- 질소액화플랜트 성능 Date 자료 : Cosmodyne 브로슈어 발췌- 발명기술은 시뮬레이션 수행으로 발명효과를 기술.
* 시뮬레이션 수행조건
① 적용압축기효율 ( 0.45 ~ 0.75 )
② 고/저압 스트림 압력손실 = 3%
③ 냉매 물성 : Nist refprop 10.0
④ 수렴조건 개별스테이지 에너지 밸런스 10-3mw 미만
발명기술이 종래 역브레이튼 기술, 혼합냉매기술 대비 2배 ~ 3배이상의 전력소모량을 절감 할 수 있음을 실험적 접근과 전산해석을 통하여 확인되었다.
도 1. : 발명특허 시스템 도면
도 2. : Flash drum 형태의 중각냉각기 시스템 도면.
도 3. : 4스테이지 캐스케이드 사이클과 US4028079 시스템 도면
도 4. : 대표적인 역브레이튼 팽창사이클 (질소액화)
도 5. : 혼합냉매사이클 시스템 흐름도 (LNG액화)
도 1.은 본 발명에 관한 시스템구성이 표기되어 있다. 1001 사이클은 표준비점 +20 ~ -50℃를 가지는 가스를 냉매로 사용하며, 하위 1002. 2001. 2002, 3001. 3002, 4001, 4002 및 공급가스의 냉각 또는 액화를 위한 시스템이다.
1001, 1002 사이클의 흐름은 101에서 압축된 중압(0.1Mpa ~ 0.8Mpa)고온(70℃~110℃)의 냉매는 111에서로 가열된 냉매의 현열을 제거되어 102압축기로 흡입되며, 102 압축기에서 압축된 고압(0.8Mpa ~ 2.5Mpa), 고온 (70℃~110℃)의 냉매는 112에서 가열된 냉매의 현열 및 응축액화를 위한 잠열까지 제거되어 132 팽창변에서 중압(0.1Mpa ~ 0.8Mpa), (20℃~-30℃)상태로 팽창을 하게 되며, 공급된 가스의 1차 냉각과 도 1.에서처럼 132팽창변으로 유입되기전 일부 바이패스되어 131로 유입되는 중압상태의 냉매의 과냉각을 위하여 E1에서, 2001.2002, 3001.3002,4001.4002 고압스트림의 과열제거를 위한 142 열교환기에서 완전증발을 하여, 111에서 중압상온상태의 냉매가스와 혼합하여 102압축기로 연속적인 순환이 이뤄지게 된다. 한편 E1에서 과냉각된 냉매는 131 팽창변으로 유입되어 E1보다 더욱 낮은 압력, 온도로 팽창되어 공급가스는 E2에서 냉각을 2001 스트림의 액화와 3001.3002,4001.4002 고압스트림의 과열제거를 위한 142 열교환기에서 완전증발을 하여 101압축기로 유인되어 연속적인 순환을 하게 된다. 141, 142열교환기는 비용절감을 위하여 고가의 멀티스트림의 열교환기를 사용하지 않는 2~3스트림의 열교환기로 대처할 경우 다수의 직렬로 적용할 수 있다.
2001 , 2002 사이클은 표준비점 -70 ~ -110℃를 가지는 가스를 냉매로 사용하며, 하위 2002, 3001. 3002, 4001, 4002 및 공급가스의 냉각 또는 액화를 위한 시스템이다.
2001 사이클의 흐름은 201에서 압축된 중압(0.05Mpa ~ 0.8Mpa)고온(70℃~110℃)의 냉매는 211에서로 가열된 냉매의 현열을 제거되어 202압축기로 흡입되며, 202 압축기에서 압축된 고압(0.8Mpa ~ 2.5Mpa), 고온 (70℃~110℃)의 냉매는 212에서 가열된 냉매의 현열이 제거되어 142 열교환기에서 1차 과열이 제거된후 141 열교환기에서 액화되어 232 팽창변에서 중압(0.1Mpa ~ 0.8Mpa), (-40℃~-70℃)상태로 팽창을 하게 되며, 공급된 가스의 1차 냉각과 도 1.에서처럼 232팽창변으로 유입되기전 일부 바이 패스되어 231로 유입되는 중압상태의 냉매의 과냉각을 위하여 E3에서, 3001. 3002, 4001.4002 고압스트림의 과열제거를 위한 242 열교환기에서 완전증발 을 하여, 211에서 중압상온상태의 냉매가스와 혼합하여 202압축기로 연속적인 순환이 이뤄지게 된다. 한편 E3에서 과냉각된 냉매는 231 팽창변으로 유입되어 E3보다 더욱 낮은 압력, 온도로 팽창되어 공급가스는 E4에서 냉각을 3001 고압스트림의 액화와 4001.4002 고압스트림의 과열제거를 위한 241 열교환기에서 완전증발을 하여 201압축기로 유인되어 연속적인 순환을 하게 된다. 241, 242열교환기는 비용절감을 위하여 고가의 멀티스트림의 열교환기를 사용하지 않는 2~3스트림의 열교환기로 대처할 경우 다수의 직렬로 적용할 수 있다.
3001, 3002 사이클은 표준비점 -110 ~ -162℃를 가지는 가스를 냉매로 사용하며, 하위 3002,4001.4002 및 공급가스의 냉각 또는 액화를 위한 시스템이다.
3001 사이클의 흐름은 301에서 압축된 중압(0.04Mpa ~ 0.8Mpa)고온(70℃~110℃)의 냉매는 301에서로 가열된 냉매의 현열을 제거되어 312압축기로 흡입되며, 다만 운전조건에 따라 302압축기 토출온도가 매우 높을 것을 예상되는 경우에는 311에서 토출된 냉매를 141열교환기 및 142열교환기 그리고 242 열교환기까지 냉각시켜 302측 압축기 흡입온도를 낮춤으로써 발열을 억제시킬 수가 있다. 한편 302 압축기에서 압축된 고압(0.8Mpa ~ 2.5Mpa), 고온 (70℃~110℃)의 냉매는 302에서 가열된 냉매의 현열을 제거되어 142, 141, 241 열교환기에서 순차적으로 1차 과열 및 2차과열그리고 3차 과열제거를 통하여 242 열교환기에서 완전 액화된 냉매는 332 팽창변에서 중압(0.04Mpa ~ 0.8Mpa), (-110℃~-176℃)상태로 팽창을 하게 되며, 공급된 가스의 1차 냉각과 도 1.에서처럼 332팽창변으로 유입되기전 일부 바이패스되어 331로 유입되는 중압상태의 냉매의 과냉각을 위하여 E5에서, 4001 고압스트림의 액화를 위한 342 열교환기에서 완전증발을 하여, R300열교환기에서는 3001고압스트 림의 과열제거를 한 후 311에서 토출된 중압상온상태의 냉매가스와 혼합하여 312압축기로 연속적인 순환이 이뤄지게 된다. 한편 E5에서 과냉각된 냉매는 331 팽창변으로 유입되어 E5보다 더욱 낮은 압력, 온도(-110℃~-176℃)로 팽창되어 공급가스는 E6에서 냉각을 통하여, 공급가스의 냉각을 하게 된다. 301압축기로 유인되어 연속적인 순환을 하게 된다. R300 342열교환기는 비용절감을 위하여 고가의 멀티스트림의 열교환기를 사용하지 않는 2~3스트림의 열교환기로 대처할 경우 다수의 직렬로 적용할 수 있다.
4001, 4002 사이클은 표준비점 -161 ~ -196℃를 가지는 가스를 냉매로 사용하며, 하위 3002,4001.4002 및 공급가스의 냉각 또는 액화를 위한 시스템이다. 4001 사이클의 흐름은 401에서 압축된 중압(0.02Mpa ~ 0.8Mpa)고온(70℃~110℃)의 냉매는 401에서로 가열된 냉매의 현열을 제거되어 402압축기로 흡입되며, 다만 운전조건에 따라 402압축기 토출온도가 매우 높을 것을 예상되는 경우에는 401에서 토출된 냉매를 142열교환기 및 141열교환기, 242 열교환기, 241열교환기까지 냉각시켜 402측 압축기 흡입온도를 낮춤으로써 발열을 억제시킬 수가 있다. 한편 402 압축기에서 압축된 고압(0.8Mpa ~ 2.5Mpa), 고온 (70℃~110℃)의 냉매는 402에서 가열된 냉매의 현열을 제거되어 142열교환기 및 141열교환기, 242열교환기, 241열교환기까지 냉각시켜 R400 열교환기에서 4001 저압스티림과 추가 열교환후 341 열교환기에서 최종 액화가 된다.액화된 고압초저온상태인 냉매는 (0.1Mpa ~ 0.8Mpa), (-150℃~-180℃)상태로 팽창을 하게 되며, 공급된 가스의 1차 냉각과 도 1.에서처럼 332팽창변으로 유입되기전 일부 바이패스되어 431로 유입되는 중압상태의 냉매의 과냉각을 위하여 E7에서, 4001 고압스트림의 과열제거를 위한 342 열교환기에서 완전증발을 하여, R400열교환기에서는 4001고압스트림의 과열제거를 한 후 401에서 토출된 중압상온상태의 냉매가스와 혼합하여 402압축기로 연속적인 순환이 이뤄지게 된다. E7에서 과냉각된 냉매는 431 팽창변으로 유 입되어 E7보다 더욱 낮은 압온도(-150℃~-210℃)로 팽창되어 공급가스는 E8에서 냉각을 통하여, 공급가스의 최종냉각 또는 액화를 하게 된다.
본 발명기술은 시스템 효율증가를 위하여 제시된 4단 사이클 외에도 상기에 언급된 사이클을 추가할 수 있는 5단, 6단 캐스케이드 사이클로 변경할 수 있는것을 포
함한다.또한 온도구간에 부하량에 따라 2단으로 구성하지 않고 1단 또는 3단으로 구성하여 효율과 초기 투자비를 저감할 수 있는 변형될 수 있는 캐스케이드 사이클로 포함한다.특히 수소액화시 적용될 수 있는 예냉사이클에서는 E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E8 에 Ortho수소를 Para수소로 변환시킬 수 있는 촉매제 삽입을 포함할 수 있으며 E1,, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E8 에 촉매제가 삽입된 열교환기를 전후로 배열 할 수 있는 것을 포함한다.
1) 산업용 가스 (질소, 알곤, 산소)액화플랜트 종래기술보다 2배~ 3배 전력 비용 감소, 초기투자비 2배 절감.
2) LNG 액화 및 재액화 분이 마이크로 스케일 액화플랜트 전력비용 2배 절감, 초기투자비 2배 절감.
3) 수소액화용 예냉플랜트 3배 이상 전력비용 감소로 고효율 수소액화플랜트 구현
4) 액화공기에너지저장시스템(Liquid Air Energy Storage) 가장 고효율에너 지 절감방식 대안
도 1.
1001 1단계 저단측 사이클 1002 1단계 고단측 사이클
2001 2단계 저단측 사이클 2002 2단계 고단측 사이클
3001 3단계 저단측 사이클 3002 3단계 고단측 사이클
4001 4단계 저단측 사이클 4002 4단계 고단측 사이클
111 1단계 저단측 압축기 131 1단계 저단측 팽창변
112 1단계 고단측 압축기 132 1단계 고단측 팽창변
211 2단계 저단측 압축기 231 2단계 저단측 팽창변
212 2단계 고단측 압축기 232 2단계 고단측 팽창변
311 3단계 저단측 압축기 331 3단계 저단측 팽창변
312 3단계 고단측 압축기 332 3단계 고단측 팽창변
411 4단계 저단측 압축기 431 4단계 저단측 팽창변
412 4단계 고단측 압축기 432 4단계 고단측 팽창변
141 1단계 저단측 열교환기 142 4단계 고단측 열교환기
241 2단계 저단측 열교환기 242 4단계 고단측 열교환기
341 3단계 저단측 열교환기 342 4단계 고단측 열교환기
441 4단계 저단측 열교환기 442 4단계 고단측 열교환기
R300 3단계 회열형 열교환기 R400 4단계 회열형 열교환기
E1 가스 냉각을 위한 1단계 열교환기 E2 가스 냉각을 위한 2단계 열교환기
E3 가스 냉각을 위한 3단계 열교환기 E4 가스 냉각을 위한 4단계 열교환기
E5 가스 냉각을 위한 5단계 열교환기 E6 가스 냉각을 위한 6단계 열교환기
E7 가스 냉각을 위한 7단계 열교환기 E8 가스 냉각을 위한 8단계 열교환기
도 2
N01 저단측 압축기
N02 고단측 압축기
N32 고단측 팽창변
N31 저단측 팽창변
EN-1 고단측 증발기
EN 저단측 증발기

Claims (11)

  1. 상온에서 응축이 불가능한 초·극저온용 냉동시스템을 상위 고단측 냉동기로 액화를 시키는 다단냉각방식인 멀티스테이지 캐스케이드 크라이오쿨러 시스템에서 표준비점 온도가 -110℃이하의 작동유체를 사용하는 냉동장치에서는 열회수를 위한 고저압 열교환기를 사용하며, 표준지점 온도가 -110℃이상인 작동유체를 사용하는 냉동장치에서는 열회수를 위한 고저압 열교환기를 사용하지 않는 멀티스테이지 캐스케이드 냉동시스템.
  2. 청구항 1에서 각각의 스테이지를 응축된 고압의 냉매의 과냉각을 위한 회로가 구비된 시스템. 세부적으로는 2단 압축, 또는 에코노마이져 시스템장착이 가능한 스크류, 스크롤, 터어보 압축기를 사용하여 과냉각회로를 구성할 수 있는 시스템과 단단압축이라도 복수로 설치하여 증발온도를 다르게 하여 증발온도가 높은 냉동시스템으로 증발온도가 낮은 냉매회로의 응축액화된 냉매를 과냉각 시킬 수 있는 시스템이 구비된 멀티스테이지 캐스케이드 냉각시스템.
  3. 청구항 1에서 각 스테이지별 압축기에서 토출된 고온고압의 냉매를 응축액 화하기전 상위 각각의 스테이지 냉동기에서 현열형태로 순차적으로 냉각하는 시스템이 구비된 멀티스테이지 캐스케이드 냉각시스템
  4. 청구항 1에서 개별 냉동시스템의 냉매가 질소 또는 사용혼합냉매 #1 : 질소의 몰분율이 0.8이상, 네온 또는 ,수소 또는, 헬륨 의 몰분율이 0.2 이하인 혼합냉매, 사용혼합냉매 #2 : 산소의 몰분율이 0.7이상, 네온 또는 ,수소 또는, 헬륨 의 몰분율이 0.3 이하인 혼합냉매, 사용혼합냉매 #3 : 질소와 산소의 혼합물 몰분율이 0.8이상, 네온 또는 ,수소 또는, 헬륨 의 몰분율이 0.3 이하인 혼합냉매, 질소와 산소의 혼합물 몰분율은 (질소몰분율 0.5이상, 산소몰분율 0.5이하) 냉매를 이용하여, 증발기 온도가 -196℃이하를 구현하기 위해서 중간냉각기를 포함하는 다단압축방식 또는 에코노마이저가 장착된 회전형 압축(스크롤, 스크류, 터보) 방식의 시스템이 구비된 멀티스테이지 케 스캐이드 냉각시스템
  5. 청구항 1에서 메탄(CH4. R50)을 사용하는 스테이지 증발기 온도가 -161℃이하인 시스템에서 중간냉각기를 포함하는 다단압축방식 또는 에코노마이저가 장착된 회전형 압축(스크롤, 스크류, 터보) 방식의 시스템이 구비된 멀티스테이지 케스캐이드 냉각시스템.
  6. 청구항 1에서 사불화메탄(CF4. R14)을 사용하는 스테이지 증발기 온도가 -125℃이하인 시스템에서 중간냉각기를 포함하는 다단압축방식 또는 에코노마이저가 장착된 회전형 압축(스크롤, 스크류, 터보) 방식의 시스템이 구비된 멀티스테이지 케스캐이드 냉각시스템
  7. 청구항 1에서 트리플로우메탄(CFG3, R23), 에탄(C2H6, R170)을 사용하는 스테이지 증발기 온도가 -80℃이하인 시스템에서 중간냉각기를 포함하는 다단 압축방식 또는 에코노마이저가 장착된 회전형 압축(스크롤, 스크류, 터보)방식의 시스템이 구비된 멀티스테이지 케스캐이드 냉각시스템
  8. 청구항 1에서 에틸렌(C2H4. R1150)을 사용하는 스테이지 증발기 온도가 -100℃이하인 시스템에서 중간냉각기를 포함하는 다단압축방식 또는 에코노마이저가 장착된 회전형 압축(스크롤, 스크류, 터보) 방식의 시스템이 구비된 멀티스테이지 케스캐이드 냉각시스템.
  9. 청구항 1에서 아르곤(AR. R740)을 사용하는 스테이지 증발기 온도가 -180이하인 시스템에서 중간냉각기를 포함하는 다단압축방식 또는 에코노마이저가 장착된 회전형 압축(스크롤, 스크류, 터보) 방식의 시스템이 구비된 멀티스테이지 케스캐이드 냉각시스템.
  10. 청구항 1에서 수소액화를 위한 예냉플랜트 적용시 ORTHO수소를 PARA수소로 전환하기 위한 촉매재가 E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E8 증발기내에 삽입된 형태이거나, E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E8 전후로 촉매재가 내장된 열교환기를 사용하는 시스템이 구비된 멀티스테이지 케스캐이드 냉각시스템.
  11. 청구항 1, 청구항 2.에서 도 1에서 제시된 각 스테이지별 이단압축 또는 단단에코노마이져 방식에서 E1, E2. E3. E4. E5. E6. E7. E8 에 내장된 중간냉각기가 상호열교환하는 방식으로 표기 되어 있는데 이를 열교환 방식이 아닌 도 2.에서 제시된 플래쉬 드럼형태의 열교환방식으로 제작된 장치가 구비된 멀티스태이지 캐스케이든 다단압축 냉각시스템.
KR1020220033066A 2022-03-17 2022-03-17 멀티스테이지캐스케이드 방식을 이용한 고효율 크라이오쿨러 시스템 KR20230135739A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220033066A KR20230135739A (ko) 2022-03-17 2022-03-17 멀티스테이지캐스케이드 방식을 이용한 고효율 크라이오쿨러 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220033066A KR20230135739A (ko) 2022-03-17 2022-03-17 멀티스테이지캐스케이드 방식을 이용한 고효율 크라이오쿨러 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230135739A true KR20230135739A (ko) 2023-09-26

Family

ID=88191097

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220033066A KR20230135739A (ko) 2022-03-17 2022-03-17 멀티스테이지캐스케이드 방식을 이용한 고효율 크라이오쿨러 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230135739A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4028079A (en) 1976-02-23 1977-06-07 Suntech, Inc. Cascade refrigeration system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4028079A (en) 1976-02-23 1977-06-07 Suntech, Inc. Cascade refrigeration system

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1) "Simulation and experriment of a hydrogen liquefaction test
2) "Large-scale hydrogen liquefaction in Germany" 1993
rigusing a multi-component refruferant refrigeration system" January 2011Fuel and Energy Abstracts 36(1):907-919

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20100147024A1 (en) Alternative pre-cooling arrangement
KR101009853B1 (ko) 냉매 분리가 있는 천연가스 액화공정
KR101009892B1 (ko) 천연가스 액화공정
JP2013242138A (ja) 液化方法及び液化装置
KR101281914B1 (ko) 천연가스 액화공정
AU2011292831B2 (en) Natural gas liquefaction process
Wang et al. Performance comparison of single-stage mixed-refrigerant Joule–Thomson cycle and pure-gas reverse Brayton cycle at fixed-temperatures from 80 to 180 K
KR101056890B1 (ko) 천연가스 액화공정
JP7229230B2 (ja) 天然ガス液化装置および天然ガス液化方法
Wang et al. Thermodynamic analysis of low-temperature and high-pressure (cryo-compressed) hydrogen storage processes cooled by mixed-refrigerants
AU2011321145B2 (en) Natural gas liquefaction process
WO2018134846A1 (en) System and method for the liquefaction of feed fluid operating at high ambient temperatures
Boiarski et al. Retrospective of mixed-refrigerant technology and modern status of cryocoolers based on one-stage, oil-lubricated compressors
WO2020248328A1 (zh) 一种适用于超大规模的三循环天然气液化装置及方法
KR100991859B1 (ko) 유체 냉각 시스템 및 이를 이용한 유체 냉각 방법
KR101357720B1 (ko) 천연가스 액화용 냉동 시스템 및 방법
CN106595220B (zh) 一种用于液化天然气的液化系统及其液化方法
CN112524885A (zh) 氦制冷与液化系统与方法
Wang et al. Thermodynamic analysis of a dual reverse Brayton cycle (dual-RBC) hydrogen liquefaction process precooled by mixed-refrigerant
KR101107437B1 (ko) 천연가스 액화공정
AU2017202953A1 (en) Natural gas liquefaction process
KR20230135739A (ko) 멀티스테이지캐스케이드 방식을 이용한 고효율 크라이오쿨러 시스템
KR101037277B1 (ko) 천연가스 액화공정
CN113701388A (zh) 多元混合工质节流-超音速两相膨胀复合低温氢液化系统
KR20200130599A (ko) 천연가스액화시스템

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal