KR20240043103A - 극저온 유체의 생산을 위한 설비 및 방법 - Google Patents

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에밀린 방드루
플로리앙 마르탱
뤼도빅 그라나도스
장-마르크 베른하르트
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레뜌드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

본 발명은 극저온 유체, 특히 액화 수소의 생산을 위한 설비 및 방법에 관한 것으로서, 적어도 하나의 저온 박스(3, 4)에 위치 설정되고 냉각될 수소용 회로(2)와 열 교환하는 열 교환기(5, 6, 7) 세트를 포함하고, 설비(1)는 냉각될 가스용 회로(2)를 제1 결정된 온도로 사전 냉각하도록 구성된 사전 냉각용 디바이스(8), 및 냉각될 가스용 회로(2)를 제1 온도보다 낮은 제2 결정된 온도로 냉각하도록 구성된 극저온 냉각용 디바이스(9)를 포함하고, 사이클 가스 냉각 유닛(15, 16, 7) 및/또는 사이클 가스 가열 유닛(7, 15)은 냉각될 가스용 회로(2)의 사전 냉각 열 교환기(5, 6)의 제1 부분과 별개인 하나 이상의 제1 사이클 열 교환기(15, 16)를 포함하고, 이들 제1 사이클 열 교환기(15, 16)는 또한 사전 냉각 디바이스(8)의 사전 냉각 유체 회로(18)와의 열 교환에 의해 냉각된다.

Description

극저온 유체의 생산을 위한 설비 및 방법{INSTALLATION AND PROCESS FOR PRODUCTION OF A CRYOGENIC FLUID}
본 발명은 극저온 유체의 생산을 위한 설비 및 방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 본 발명은 가스 소스에 연결되도록 설계된 상류 단부, 및 적어도 하나의 수용 시스템, 예를 들어 극저온 저장 유닛에 연결되도록 설계된 하류 단부를 갖는 냉각될 가스용 회로를 포함하는 극저온 유체, 특히 액화 수소의 생산을 위한 설비에 관한 것으로, 설비는, 적어도 하나의 저온 박스에 위치 설정되고 냉각될 수소용 회로와 열 교환하는 열 교환기 세트를 포함하고, 설비는 열 교환기 세트의 적어도 하나의 제1 부분과 열 교환하는 사전 냉각용 디바이스를 포함하며, 이 디바이스는 냉각될 가스용 회로를 제1 결정된 온도로 사전 냉각하도록 구성되며, 설비는 또한 열 교환기 세트의 적어도 하나의 제2 부분과 열 교환하는 극저온 냉각용 디바이스를 포함하고, 이 디바이스는 냉각될 가스용 회로를 제1 온도보다 낮은 제2 결정된 온도로 냉각하도록 구성되며, 사전 냉각 디바이스는 사전 냉각 유체 폐회로 냉장고를 포함하고, 회로는 사전 냉각 유체의 압축을 위한 디바이스, 사전 냉각 유체의 팽창을 위한 디바이스, 사전 냉각 유체를 위한 적어도 하나의 열사이펀을 포함하고, 상기 회로는 열 교환기 세트의 제1 부분 중 적어도 하나와의 열 교환을 위한 하나 이상의 부분을 포함하며, 극저온 냉각 디바이스는 작업 회로에서 사이클 가스의 냉장을 위한 사이클을 갖는 냉장고를 포함하고, 사이클 가스는 수소, 헬륨, 네온 중 적어도 하나를 포함하며, 냉장고의 작업 회로는 사이클 가스의 압축을 위한 유닛, 압축된 사이클 가스의 냉각을 위한 유닛, 압축 및 냉각된 사이클 가스의 팽창을 위한 유닛, 및 팽창된 사이클 가스의 가열을 위한 유닛을 포함한다.
수소 액화 프로세스는 1) 사전 냉각과 2) 액화를 보장하는 냉각의 2개의 연속 부분으로 분할된다. 사전 냉각은, 예를 들어 저온 박스에서 질소 사이클(또는 다른 사전 냉각 유체)을 사용하는 사전 냉각 디바이스를 이용하여 수행될 수 있다. 질소 사이클의 최적화는 저온 박스의 소형화와 성능(소비 전력) 사이의 절충안이다.
사전 냉각은 일반적으로 적절한 열역학적 사이클을 통해 냉기를 생성하는 폐쇄형 사전 냉각 유체 루프를 사용하는 사전 냉각 디바이스를 통해 수행된다. 예를 들어, 사전 냉각 유체의 유동을 팽창하기 위해 터빈에 의해 냉기가 생성된다. 냉각될 수소는 최종 사전 냉각 교환기에서 과냉각되며, 냉각 단부에서 그 온도는 사전 냉각 유체용 열사이펀 덕분에 효율적으로 제어된다. 액화를 보장하는 액화 사이클의 유체는 또한 사전 냉각 유닛의 메인 교환기에서 사전 냉각된다.
이 알려진 해결책은 사전 냉각 저온 박스에 대형 열 교환기를 제공할 필요가 있다. 대응 저온 박스는 아주 크다. 게다가, 에너지 효율도 최적이 아니다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 단점 중 일부 또는 전부를 제거하는 것이다.
이를 위해, 또한 상기 서문에 의해 주어진 일반적인 정의에 부합하는 본 발명에 따른 설비는, 사이클 가스 냉각 유닛 및/또는 사이클 가스 가열 회로가 냉각될 가스용 회로의 사전 냉각 열 교환기의 제1 부분과 별개인 하나 또는 복수의 제1 사이클 열 교환기를 포함하고, 이들 제1 사이클 열 교환기는 또한 사전 냉각 디바이스의 사전 냉각 유체 회로와의 열 교환에 의해 냉각되는 것을 실질적으로 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 다음과 같은 특징 중 하나 또는 복수를 포함할 수 있다:
- 제1 사이클 열 교환기(들)는 열사이펀으로부터 빠져나가는 회로의 사전 냉각 유체 유동과 열 교환하는 적어도 하나의 열 교환기를 포함하고;
- 냉각될 가스용 회로의 사전 냉각을 위한 열 교환기 세트의 제1 부분, 제1 사이클 열 교환기(들), 및 사전 냉각 디바이스의 적어도 일부는 단일의 제1 저온 박스에 위치 설정되며;
- 사전 냉각 유체 회로에서, 사전 냉각 디바이스는 사전 냉각 유체의 압축을 위한 디바이스를 포함하는 압축기 세트, 사전 냉각 유체 팽창 디바이스를 형성하는 팽창 터빈 세트, 및 냉각될 가스용 회로의 사전 냉각 교환기 세트의 제1 부분의 적어도 하나의 열 교환기와 열 교환하는 사전 냉각 유체 회로의 루프에 연결된 입력부 및 출력부를 포함하는, 사전 냉각 유체를 위한 적어도 하나의 열사이펀을 포함하고;
- 사전 냉각 디바이스는 적어도 하나의 제1 사이클 열 교환기와 열 교환하는 사전 냉각 유체 회로의 루프에 연결된 입력부 및 출력부를 갖는 사전 냉각 유체용 열사이펀을 포함하며;
- 사전 냉각 교환기 세트의 제1 부분의 적어도 하나의 열 교환기와 열 교환하는 사전 냉각 유체 회로의 루프에 연결된 입력부 및 출력부를 포함하는 열사이펀, 및 적어도 하나의 제1 사이클 열 교환기와 열 교환하는 사전 냉각 유체 회로의 다른 루프에 연결된 입력부 및 출력부를 갖는 사전 냉각 유체 열사이펀은, 사전 냉각 유체 회로에서 병렬로 위치 설정되는 2개의 별개의 열사이펀이고;
- 적어도 하나의 열사이펀은 적어도 하나의 입력부와 적어도 2개의 출력부를 포함하고, 2개의 출력부는 2개의 별개의 열 교환기와 각각 열 교환을 위한 사전 냉각 유체 회로의 2개의 별개의 부분에 연결되며;
- 열 교환기 세트의 제2 부분은 냉각될 수소용 회로와 극저온 냉각 디바이스의 작업 회로 사이의 열 교환을 보장하는 적어도 하나의 제2 사이클 열 교환기를 포함하고;
- 제2 사이클 열 교환기는 팽창 유닛으로 통과하기 전에 사이클 가스를 전달하는 디바이스의 작업 회로의 제1 부분과 열 교환하고, 상기 팽창 유닛으로 통과한 후 사이클 가스를 전달하는 디바이스의 작업 회로의 제2 부분과 열 교환하며;
- 제2 사이클 열 교환기는 제1 저온 박스와 별개인 제2 저온 박스에 위치되고;
- 사전 냉각 유체는 질소, 또는 "MRC" 유형의 혼합물 중 하나로 구성되거나 포함하며;
본 발명은 또한 위 또는 아래에서 설명되는 특징 중 어느 하나에 따른 설비를 사용하여 극저온 유체, 특히 액화 수소를 생산하는 방법에 관한 것으로, 냉각될 가스용 회로의 유동을 사전 냉각 디바이스에 의해 65 내지 100 K, 바람직하게는 77 내지 90 K의 제1 온도로 사전 냉각시키는 단계, 사이클 유체를 사전 냉각 디바이스를 통해 77 내지 90 K의 온도로 사전 냉각하는 단계, 및 냉각될 가스용 가스 회로를 극저온 냉각 디바이스를 통해 18 내지 25 K, 바람직하게는 20 내지 23 K의 제2 결정된 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다.
다른 가능한 구별 특징에 따르면:
- 냉각될 가스용 회로를 제1 결정된 온도로 사전 냉각하도록 구성된 적어도 하나의 사이클 열 교환기 및/또는 적어도 하나의 열 교환기는 열사이펀으로부터 빠져나가는 회로의 사전 냉각 유체 유동과 열 교환하며, 열사이펀은 1.5 내지 3.5 bar의 압력과 80.8 K 내지 89.6 K의 대응 온도에서 작동한다.
본 발명은 또한 청구범위의 맥락 내에서 위 또는 아래에 설명된 특징의 임의의 조합을 포함하는 임의의 대안적인 디바이스 또는 방법에 관한 것일 수도 있다.
추가 특정한 특징 및 이점은 도면을 참조하여 제공되는 다음 설명을 읽으면 명백해질 것이다:
본 발명은 단지 예로서 그리고 첨부 도면을 참조하여 제공되는 다음 설명을 읽으면 더 잘 이해될 것이고, 도면에서:
도 1은 설비의 제1 예의 구조 및 작동의 예를 예시하는 개략적인 부분도이다.
도 2는 설비의 제2 예의 구조 및 작동의 예를 예시하는 개략적인 부분도이다.
도면 전반에 걸쳐, 동일한 참조는 동일한 요소와 관련된다.
본 상세한 설명에서, 다음의 실시예는 예이다. 설명이 하나 또는 복수의 실시예를 참조하더라도, 이는 그 특징이 단일 실시예에만 적용된다는 것을 의미하지 않는다. 청구항의 문맥 내에서 다른 실시예를 제공하기 위해 다양한 실시예의 단순한 특징이 또한 조합 및/또는 상호 교환될 수 있다.
도 1에 개략적으로 예시된 극저온 유체의 생산을 위한 설비(1)는 냉각/액화될 가스, 특히 수소용 회로(2)를 포함한다. 냉각될 가스를 위한 이 회로(2)는 가스 소스에 연결되도록 설계된 상류 단부(21), 및 적어도 하나의 수용 시스템, 예를 들어 액화 가스 극저온 저장 유닛에 연결되도록 설계된 하류 단부(22)를 갖는다.
설비(1)는, 적어도 하나의 저온 박스(3, 4)에 위치 설정되고 냉각될 수소용 회로(2)와 열 교환하는 열 교환기(5, 6, 7) 세트를 포함한다.
설비(1)는 열 교환기 세트(또는 냉각될 가스용 회로(2)의 사전 냉각을 위한 교환기(5, 6))의 적어도 하나의 제1 부분(5, 6)과 열 교환하는 사전 냉각 디바이스(8)를 포함한다. 사전 냉각 디바이스(8)는 냉각될 가스용 회로(2)를 제1 결정된 온도, 예를 들어 65 내지 100 K, 바람직하게는 77 내지 90 K로 냉각하도록 구성된다.
설비(1)는 또한 열 교환기 세트의 적어도 하나의 제2 부분(7)(더 하류)과 열 교환하는 극저온 냉각용 디바이스(9)를 포함한다. 냉각 디바이스(9)는 냉각될 가스용 회로(2)를 제1 온도로부터 제1 온도보다 낮은 제2 결정된 온도, 예를 들어 18 내지 25 K, 바람직하게는 20 내지 23 K로 냉각하도록 구성된다.
예시된 바와 같이, 열 교환기 세트의 제2 부분(7)은 냉각될 수소용 회로(2)와 이하 설명되는 극저온 냉각 디바이스(9)의 작업 회로(19) 사이의 열 교환을 보장하는 적어도 하나의 제2 사이클 열 교환기(7)를 포함한다.
사전 냉각 디바이스(8)는, 사전 냉각 유체, 예를 들어 질소, 또는 예를 들어 Songwut Krasae-in의 박사 논문인 "Efficient Hydrogen Liquefaction Processes" ISBN978-82-471-1869-6.r, pages 43 and 44에서 제안된 성분으로 구성된 냉매 유체 혼합물(MRC)을 위한 폐회로 냉장고(18)를 포함한다. 회로(18)는, 직렬 및/또는 병렬로 위치 설정된, 사전 냉각 유체의 압축을 위한 디바이스(28)(직렬 및/또는 병렬로 된 하나 또는 복수의 압축기), 사전 냉각 유체의 팽창을 위한 디바이스(38)(직렬 및/또는 병렬로 된 하나 또는 복수의 터빈 또는 밸브), 및 사전 냉각 유체를 위한 적어도 하나의 열사이펀(48)을 포함한다.
회로(18)는 열 교환기 세트의 제1 부분(5, 6) 중 적어도 하나의 열 교환기와의 열 교환을 위한 하나 또는 복수의 부분을 포함한다.
따라서, 사전 냉각 유체는 회로(18)에서 압축-냉각-팽창-가열 사이클을 거치게 되며, 이는 냉각될 가스용 회로(2)와 열 교환되는 회로의 적어도 일 단부에서 냉열을 생성한다.
특히, 냉각될 가스용 회로(2)는 적어도 하나의 최종 교환기(6)(최종 교환기는 상류로부터 하류로 감)에서 사전 냉각되며, 냉각 단부에서 그 온도는 열사이펀(48)에 의해 생성된 사전 냉각 유체의 유동 덕분에 효율적으로 제어될 수 있다
열사이펀(48)은 팽창-수축 및 부력에 기초하여 유체(가스 및/또는 액체)를 순환시키는 시스템이며, 순환은 들어오고/빠져나가는 유체의 상이한 유동 사이의 온도 차이에 의해 보장된다.
열사이펀(48)은, 예를 들어 냉각될 가스용 회로(2)의 적어도 하나의 사전 냉각 열 교환기(6)와 열 교환하는 사전 냉각 유체 회로(18)의 루프에 연결된 적어도 하나의 입력부 및 하나의 출력부를 포함한다. 열사이펀(48)은, 예를 들어 하부 유체 입력부, 유체 가열을 위한 내부 챔버, 이 챔버의 상단에 위치 설정되는 수직 덕트(벤트), 입력부의 축에 대해 수직인 유체 출력부를 포함한다.
그 부분을 위한 극저온 냉각 디바이스(9)는 작업 회로(19)의 사이클 가스용 냉동 사이클 냉장고를 포함한다. 사이클 가스는 바람직하게는 수소, 헬륨, 네온 중 적어도 하나를 포함한다.
냉장고(9)의 작업 회로(19)는 바람직하게는 폐쇄되어 있고, 사이클 가스의 압축을 위한 유닛(29)(직렬 및/또는 병렬로 된 하나 또는 복수의 압축기), 압축된 사이클 가스의 냉각을 위한 유닛(15, 16, 7)(하나 또는 복수의 열 교환기), 압축 및 냉각된 사이클 가스의 팽창을 위한 유닛(39)(직렬 및/또는 병렬로 된 하나 또는 복수의 터빈 또는 밸브), 및 팽창된 사이클 가스의 가열을 위한 유닛(7, 15)(직렬 및/또는 병렬로 된 하나 또는 복수의 압축기)를 포함한다.
따라서, 작동 유체는 회로(19)의 적어도 일 단부에서 냉열을 생성하는 압축-냉각-팽창-가열 사이클을 거치며, 이는 액화시킬 목적으로 냉각될 가스용 회로(2)와 열 교환된다.
예시된 바와 같이, 사이클 가스의 냉각을 위한 유닛(15, 16, 7) 및 사이클 가스의 가열을 위한 유닛(7, 15)은 하나 또는 복수의 열 교환기, 바람직하게는 역류를 포함할 수 있어, 상대적으로 저온인 유동과 고온인 유동(각각 가열과 냉각을 보장하기 위해) 사이의 열 교환을 보장할 수 있다.
특히, 사이클 가스의 사전 냉각 및/또는 사이클 가스의 가열을 위해, 냉장고(9)는 냉각될 가스용 회로(2)를 사전 냉각하도록 구성된 열 교환기(5, 6)의 제1 부분과 별개인 하나 또는 복수의 제1 사이클 열 교환기(15, 16)를 포함한다.
또한, 이들 제1 사이클 열 교환기(15, 16)는 사전 냉각 디바이스(8)의 사전 냉각 유체의 회로(18)와의 열 교환에 의해 냉각된다.
달리 말하면, 냉각될 가스(예를 들어, 수소)용 회로(2)의 사전 냉각과 사이클 가스(예를 들어, 헬륨 기반)의 사전 냉각은 별개의 개별 교환기에서 사전 냉각 유체 회로(예를 들어, 질소 기반)에 의해 수행된다.
달리 말하면, 냉장고 사이클(9)의 작동 유체는 냉각될 유체의 회로(2)와 교환되지 않는 적어도 하나의 제1 전용 사이클 열 교환기(15, 16)에서 사전 냉각된다.
또한, 이 사이클 가스는 열 교환기(16)에서 사전 냉각될 수 있으며, 냉각 단부에서의 그 온도는 열사이펀(48)(바람직하게는, 가스 회로(2)의 사전 냉각을 보장하는 전술한 열사이펀(48)과 별개인 열사이펀(48))에 의해 생성된 사전 냉각 유체의 유동에 의해 효율적으로 제어될 수 있다.
따라서, 그리고 도시된 바와 같이, 제1 사이클 열 교환기(15, 16)와 관련된 열사이펀(48) 및 냉각될 가스용 회로(2)의 적어도 하나의 사전 냉각 교환기와 관련된 열사이펀(48)은 별개일 수 있으며, 예를 들어 사전 냉각 유체 회로(18)에서 병렬 및/또는 직렬로 위치 설정될 수 있다.
따라서, 전용 열 교환기에서 사전 냉각 유체에 의한 냉장고(9)의 사이클 가스의 사전 냉각(냉각될 회로(2)의 사전 냉각과 별개)은 냉각될 수소용 회로(2)의 사전 냉각 및 냉장고(9)의 사이클 가스의 사전 냉각을 최대화할 수 있게 한다.
예시된 바와 같이, 냉각될 가스의 회로(2)와의 팽창 및 열 교환 후에, 냉장고(9)의 사이클 가스는, 압축 유닛(29)을 향해 복귀함으로써, (압축 유닛(28)으로 복귀하기 전에) 열 교환기(15)의 사전 냉각 유체에 킬로그램 칼로리를 생성할 수 있다.
예시된 바와 같이, 열사이펀(들)(48)은 적어도 하나의 입력부 및 적어도 2개의 출력부를 포함할 수 있으며, 2개의 출력부는 관련된 열 교환기(들)(5, 6, 15, 16))와 열 교환하는 사전 냉각 유체 회로(18)의 2개의 개별 부분에 연결된다.
사전 냉각 유체용 열사이펀(48)은, 예를 들어 적어도 하나의 제1 사이클 열 교환기(15, 16)와 열 교환하는 사전 냉각 유체 회로(18)의 루프에 연결된 적어도 하나의 입력부 및 하나의 출력부를 갖는다.
달리 말하면, 제1 열 교환기(들)(15, 16)는 열사이펀(48)으로부터 빠져나가는 회로(18)의 사전 냉각 유체 유동과 열 교환하는 적어도 하나의 열 교환기를 포함한다.
적어도 하나의 교환기(16)에 연결된 열사이펀(48)은 냉장고(9)의 사이클 유체의 온도를 효율적으로 제어 가능하게 한다.
사전 냉각 액체는 사전 냉각 디바이스(8)에 의해 생성된다. 액체 사전 냉각 유체는 열사이펀(들)(48)으로 전송되기 전에 터빈(38) 또는 밸브에서 팽창될 수 있다. 설비가 복수의 열사이펀(48)을 포함하는 경우, 열사이펀(48) 내의 압력은 상이할 수 있다. 열사이펀(들)(48)과 팽창 디바이스(38)에 의해 생성된 저압 사전 냉각 유체는 열 교환기의 일부 또는 전부(한편으로는 회로(2)의 사전 냉각 열 교환기(5, 6), 및 다른 한편으로는 냉장고 회로(9)의 열 교환기(15, 16))와 열 교환될 수 있다. 상대적으로 저온인 냉각 유체의 이러한 유동 또는 이들 유동은 냉각될 가스(2)와 사이클 가스를 냉각시키기 위해 관련된 교환기에 각각 킬로그램 칼로리를 생성한다. 이렇게 가열된 냉각 유체는 사전 냉각 디바이스(8)의 동일한 압축기(들)(28)의 입력부로 전송되고, 새로운 사이클이 시작될 수 있다.
냉각될 가스용 회로(2)의 사전 냉각과 작업 가스용 회로(19)의 사전 냉각을 위한 각각의 해리된 교환기를 갖는 이 구성(각각의 해리된 사전 냉각 유동을 가짐)은 종래 기술보다 상대적으로 작은 크기를 갖는 저온 박스(3) 교환기에서 사용할 수 있게 한다. 또한, 냉각될 가스용 회로(2)의 사전 냉각과 냉장고(9)의 사이클 유체에 대한 디바이스(8)의 냉열의 이러한 별개의 분배는 설비의 전반적인 효율을 증가시킨다.
냉장고(9)의 사이클 가스를 사전 냉각하기 위해 열사이펀(48)을 사용하면 냉장고(9)의 사이클 가스를 더 낮은 온도로 사전 냉각할 수 있게 된다. 이는 저온 박스(4) 내 회로(2)의 냉각될 가스의 액화를 위한 에너지 소비를 감소시킬 수 있게 한다. 액체 사전 냉각 유체의 온도는 열사이펀(들)(48) 내의 압력에 의해 제어되기 때문에 온도는 더 낮을 수 있다. 또한, 열 교환은 전용 교환기(6, 16)에서 더 클 수 있다.
예시된 바와 같이, 냉각될 가스용 회로(2)의 사전 냉각을 위해 구성된 열 교환기(들)(5, 6), 제1 사이클 열 교환기(들)(15, 16), 및 사전 냉각 디바이스(8)의 적어도 부분(38, 48)(냉각 요소: 터빈(들), 열사이펀(들), 저온 덕트, 저온 밸브 등)는 단일의 제1 사전 냉각 저온 박스(3)에 위치 설정된다.
이러한 제1 저온 박스(3)는 바람직하게는 진공 하에서 열적으로 절연되거나, 펄라이트(또는 다른 절연체)에 의해 열적으로 절연되고, 예를 들어 질소와 같은 가스로 스윕된다.
냉각될 가스용 회로(2)의 가스를 액화하기 위해 제공되는 제2 사이클 열 교환기(들)(7)는 바람직하게는 제1 저온 박스(3)와 별개인 제2 저온 박스(4)(진공 하에 또는 다른 수단에 의해 열적으로 절연됨)에 위치된다. 이 제2 저온 박스(4)는 또한 관련된 극저온 구성요소(터빈, 밸브(들) 등)를 포함하는 것이 바람직하다.
예시된 바와 같이, 최종 제2 사이클 열 교환기(7)는, 팽창 유닛(39)(터빈(들)(39))으로 통과하기 전에 사이클 가스를 전달하는 디바이스(9)의 작업 회로(19)의 제1 부분과 열 교환하고, 상기 팽창 유닛(39)으로 통과한 후 사이클 가스를 전달하는 디바이스(9)의 작업 회로(19)의 제2 부분과 열 교환할 수 있다. 달리 말하면, 사이클 교환기(7)는 냉장고(9)의 작업 회로(19)의 다수의 통로를 포함할 수 있다.
병렬로 된 2개의 열사이펀(48)을 갖는 배열은 이들 2개의 열사이펀이 상이한 압력에서 작동 가능하게 할 수 있고, 그에 따라 사전 냉각 사이클(압축기(28)의 입력부까지)에서의 부하 손실은 회로의 양 분기부(냉각될 가스용 회로(2)가 있는 열 교환기(5, 6)의 사전 냉각 회로측 및 제1 사이클 교환기의 액화 사이클이 있는 열 교환기(15, 16)측)에서 동일하다.
또한, 이러한 배열에 따르면, 냉장고의 제1 사이클 교환기(15, 16)와 열 교환하는 열사이펀(48)측의 압력을 감소시킬 수 있다. 이는 사이클 가스를 상대적으로 약간 더 사전 냉각할 수 있게 한다. 이는 설비의 성능 및 전반적인 제어를 개선할 수 있게 한다.
사전 냉각 유체 회로(18)는 바람직하게는 2개의 열사이펀(48)의 작동 압력을 병렬로 제어할 수 있게 하는 밸브 세트를 포함한다. 예를 들어, 2개의 밸브(58)는 열사이펀(48), 예를 들어 줄 톰슨 유형의 밸브로의 유체 입력을 각각 제어한다.
변형 또는 조합으로서, 밸브/밸브들은 압축기(들)(28)의 상류에서 사전 냉각 유체 회로(18)에 제공되어, (회로의 2개의 루프의 유동이 공통 압축기(28)의 입력부에서 동일한 압력으로 복귀하는 것을 보장하도록) 압축 디바이스의 입력부에서의 압력을 조절할 수 있다.
변형 또는 조합으로서, (냉장고(9)의 제1 교환기(15)와 관련된) 제2 열사이펀(48)은 그 내부의 압력을 더욱 더 감소시키도록 구성된 대기압 이하의 압축기에 연결될 수 있다.
도 2는 제2 열사이펀(48)을 압축 기관(28)의 입구에 연결하는 도관에 대기압 이하의 압축기(68)가 있는 이러한 변형을 개시한다.
점선으로 예시된 바와 같이, 압축기(28)는 터빈(38)(터보압축기)에 결합될 수 있다.
변형 또는 조합으로서, (예시되지 않은) 제2 열사이펀(48)(사이클(16)의 열 교환기(들)와 관련됨)에 공급하는 유동은 제1 열사이펀(48)(사전 냉각 열 교환기와 관련됨)에 의해 사전 냉각될 수 있다. 즉, 제2 열사이펀(48)에 공급하는 도관은 이전에 적어도 하나의 사전 냉각 열 교환기와 열 교환된다. 이 구성에서, 2개의 사이클 사이의 냉기 분포를 변경할 수 있다. (사전 냉각에 연결된) 제1 열사이펀(48)은, 예를 들어 더 많은 유체 유동과 더 많은 사전 냉각 전력을 이용 가능하게 처리할 것이다.

Claims (10)

  1. 가스 소스에 연결되도록 설계된 상류 단부(21), 및 적어도 하나의 수용 시스템, 예를 들어 극저온 저장 유닛에 연결되도록 설계된 하류 단부(22)를 갖는 냉각될 가스용 회로(2)를 포함하는 극저온 유체, 특히 액화 수소의 생산을 위한 설비이며, 설비(1)는, 적어도 하나의 저온 박스(3, 4)에 위치 설정되고 냉각될 수소용 회로(2)와 열 교환하는 열 교환기(5, 6, 7) 세트를 포함하고, 설비(1)는 열 교환기 세트의 적어도 하나의 제1 부분(5, 6)과 열 교환하는 사전 냉각용 디바이스(8)를 포함하며, 이 디바이스는 냉각될 가스용 회로(2)를 제1 결정된 온도로 사전 냉각하도록 구성되며, 설비(1)는 또한 열 교환기 세트의 적어도 하나의 제2 부분(7)과 열 교환하는 극저온 냉각용 디바이스(9)를 포함하고, 이 디바이스는 냉각될 가스용 회로(2)를 제1 온도보다 낮은 제2 결정된 온도로 냉각하도록 구성되며, 사전 냉각 디바이스(8)는 사전 냉각 유체 폐회로(18) 냉장고를 포함하고, 회로(18)는 사전 냉각 유체의 압축을 위한 디바이스(28), 사전 냉각 유체의 팽창을 위한 디바이스(38), 사전 냉각 유체를 위한 적어도 하나의 열사이펀(48)을 포함하고, 상기 회로(18)는 열 교환기 세트의 제1 부분(5, 6) 중 적어도 하나와의 열 교환을 위한 하나 또는 복수의 부분을 포함하며, 극저온 냉각 디바이스(9)는 작업 회로(19)에서 사이클 가스의 냉장을 위한 사이클을 갖는 냉장고를 포함하고, 사이클 가스는 수소, 헬륨, 네온 중 적어도 하나를 포함하며, 냉장고(9)의 작업 회로(19)는 사이클 가스의 압축을 위한 유닛(29), 압축된 사이클 가스의 냉각을 위한 유닛(15, 16, 7), 압축 및 냉각된 사이클 가스의 팽창을 위한 유닛(39), 및 팽창된 사이클 가스의 가열을 위한 유닛(7, 15)을 포함하고, 사이클 가스 냉각 유닛(15, 16, 7) 및/또는 사이클 가스 가열 유닛(7, 15)은 냉각될 가스용 회로(2)의 사전 냉각 열 교환기(5, 6)의 제1 부분과 별개인 하나 또는 복수의 제1 사이클 열 교환기(15, 16)를 포함하고, 이들 제1 사이클 열 교환기(15, 16)는 또한 사전 냉각 디바이스(8)의 사전 냉각 유체 회로(18)와의 열 교환에 의해 냉각되며, 사전 냉각 유체 회로(18)에서, 사전 냉각 디바이스(8)는 사전 냉각 유체의 압축을 위한 디바이스(28)를 포함하는 압축기(28) 세트, 사전 냉각 유체 팽창 디바이스(38)를 형성하는 팽창 터빈(38) 세트, 및 냉각될 가스용 회로(2)의 사전 냉각 교환기 세트의 제1 부분의 적어도 하나의 열 교환기(6)와 열 교환하는 사전 냉각 유체 회로(18)의 루프에 연결된 입력부 및 출력부를 포함하는, 사전 냉각 유체를 위한 적어도 하나의 열사이펀(48)을 포함하고, 사전 냉각 디바이스(8)는 또한 적어도 하나의 제1 사이클 열 교환기(15, 16)와 열 교환하는 사전 냉각 유체 회로(18)의 루프에 연결된 입력부 및 출력부를 갖는, 사전 냉각 유체용 열사이펀(48)을 포함하고, 사전 냉각 교환기 세트의 제1 부분의 적어도 하나의 열 교환기(6)와 열 교환하는 사전 냉각 유체 회로(18)의 루프에 연결된 입력부 및 출력부를 포함하는 열사이펀(48), 및 적어도 하나의 제1 사이클 열 교환기(15, 16)와 열 교환하는 사전 냉각 유체 회로(18)의 다른 루프에 연결된 입력부 및 출력부를 갖는 사전 냉각 유체 열사이펀(48)은, 사전 냉각 유체 회로(18)에서 병렬로 위치 설정되는 2개의 별개의 열사이펀인, 설비.
  2. 제1항에 있어서, 냉각될 가스용 회로(2)의 사전 냉각을 위한 열 교환기 세트의 제1 부분(5, 6), 제1 사이클 열 교환기(들)(15, 16), 및 사전 냉각 디바이스(8)의 적어도 일부(38, 48)는 단일의 제1 저온 박스(3)에 위치 설정되는 것을 특징으로 하는 설비.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 열사이펀(48)은 적어도 하나의 입력부와 적어도 2개의 출력부를 포함하고, 2개의 출력부는 2개의 별개의 열 교환기(5, 6, 15, 16)와 각각 열 교환을 위한 사전 냉각 유체 회로(18)의 2개의 별개의 부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 설비.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 열 교환기 세트의 제2 부분(7)은 냉각될 수소용 회로(2)와 극저온 냉각 디바이스(9)의 작업 회로(19) 사이의 열 교환을 보장하는 적어도 하나의 제2 사이클 열 교환기(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
  5. 제4항에 있어서, 제2 사이클 열 교환기(7)는 팽창 유닛(39)으로 통과하기 전에 사이클 가스를 전달하는 디바이스(9)의 작업 회로(19)의 제1 부분과 열 교환하고, 상기 팽창 유닛(39)으로 통과한 후 사이클 가스를 전달하는 디바이스(9)의 작업 회로(19)의 제2 부분과 열 교환하는 것을 특징으로 하는 설비.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 제2 열 교환기(7)는 제1 저온 박스(3)와 별개인 제2 저온 박스(4)에 위치되는 것을 특징으로 하는 설비.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 사전 냉각 유체 회로(18)는, 2개의 열사이펀(48)의 작동 압력을 상이한 압력에서 병렬로 제어하고, 바람직하게는 또한 열사이펀에서 나오고 공통 압축 디바이스(28)로부터 복귀하는 회로의 2개의 루프의 유동 압력을 동일하게 하도록 구성된 압축기 및/또는 밸브(58) 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 사전 냉각 유체는 질소, 또는 MRC 유형의 혼합물(냉매 혼합물) 중 하나로 구성되거나 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 설비를 사용하여 극저온 유체, 특히 액화 수소를 생산하는 방법이며, 냉각될 가스용 회로(2)의 유동을 사전 냉각 디바이스(8)에 의해 65 내지 100 K, 바람직하게는 77 내지 90 K의 제1 온도로 사전 냉각시키는 단계, 사이클 유체를 사전 냉각 디바이스(8)를 통해 77 내지 90 K의 온도로 사전 냉각시키는 단계, 및 냉각될 가스용 가스 회로(2)를 극저온 냉각 디바이스(9)를 통해 18 내지 25 K, 바람직하게는 20 내지 23 K의 제2 결정된 온도로 냉각시키는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 냉각될 가스용 회로(2)를 제1 결정된 온도로 사전 냉각하도록 구성된 적어도 하나의 사이클 열 교환기(15, 16) 및/또는 적어도 하나의 열 교환기(5, 6)는 열사이펀(48)으로부터 빠져나가는 회로(18)의 사전 냉각 유체 유동과 열 교환하며, 열사이펀은 1.5 내지 3.5 bar의 압력과 80.8 K 내지 89.6 K의 대응 온도에서 작동하는 것을 특징으로 하는 방법.
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