Open-Cycles Closed-Cycles

2021년도 한국 초전도저온 학회 동계학술대회

Thermodynamic Design and Comparison of Open-Cycle and

Closed-Cycle Claude Systems for Hydrogen LiquefactionBo Hyun Kim, Ho-Myung Chang

Hong Ik University

서론 사이클 설계 및 모사

결과 및 토론

결론

CRP-6

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음 (과제번호 21IHTP-B151617-03).

몰 분율

Methane 91.0 %

Ethane 5.0 %

Propane 2.0 %

Nitrogen 1.0 %

n-butane 0.6 %

i-butane 0.4 %

고압

팽창 유량비

설계 변수

Acknowledgment

비교 대상 사이클

주변, 후냉각 온도 300 K

단열 효율압축기 75 %팽창기 70 %

개별 압축기 압력비 1.6~2.0열교환기 내 압력강하 10 kPa

열교환기 최소 온도차 고온 절대온도 1.5%

LN2 입구 조건건도 0압력 0.111 MPa

LNG 입구 조건온도 111 K압력 0.111 MPa

액화 수소 압력 1 atm (포화 액체 상태)

액체 수소 생산량 5 T/day

(Chang et al., Cryogenics, 108, 2020, pp. 103093.)

연구 목적

• 표준 Claude, LN2 예냉 Claude, LNG 예냉 Claude 사이클에 관하여 개방(open)

시스템과 밀폐(Closed) 시스템의 최적사이클 열역학적 설계 및 비교

사이클 모사 기준(공정 모사 프로그램: Aspen HYSYS)

HPP

LNG 조성

Exp

Comp

mx

m

소비 동력 최소화

Work per Liquid Mass Comp Exp

f

W W

m

설계변수에 따른 소비 동력 ( Cycle (I),(IV) )

T-s 선도 최적 고압 최적 팽창 유량비

소비 동력 압축 수소 질량유량

팽창 유량비에 따른 열교환기 “온도-전열량 분포”, “온도차/고온 – 전열량” 분포 ( Cycle (VI) )

과소 팽창 조건 최적 팽창 조건 과대 팽창 조건

constantHP opt

T

T

• Open-Claude과 Closed-Claude 사이클의 설계조건(최적 팽창 유량비, 온도 분포,

질량 유량)은 거의 동일.

• 밀폐 시스템의 액화 열교환기 LHX에서의 온도차 조건에 의해 밀폐 시스템의 저압은

개방 시스템의 저압에 비해 낮고 압력강하의 영향이 큼

• 밀폐 시스템은 개방 시스템에 비해 소비동력 소폭 큼

(표준: 5.17 %, LN2 예냉: 4.53 %, LNG 예냉: 5.41 %)

(Bejan, A. Advanced Engineering Thermodynamics, 2006, pp. 101-142)

(Chang et al., Cryogenics, 51, no. 6 2011, pp. 278-286.)

• 제한된 열교환기 크기에 대해 “온도차/고온(절대온도)” 분포가 일정할 때가 사이클의 최적점

연구 배경

• Open-Claude Cycle : 표준 수소 액화 사이클

대용량 수소 액화 사이클 (5~40 T/day)

수소를 작동유체로 하는 Open(개방) 시스템이 사용됨

• Closed-Claude 사이클 : 변형 사이클

Claude 냉동기와 연속적으로 열교환 하는 분리된 Feed 수소유동으로 구성

⇒ J-T Valve 의 막힘 방지를 위한 Feed 수소의 고순도 유지 필요X

⇒ Feed ~ 액화 수소 유동에만 Ortho-to-Para 변환 적용

∴ Open-Claude에 비해 간편한 수소 공급 및 O-P변환 적용이 가능

⇒ 열교환기 통과 유동수 증가

∴ Open-Claude에 비해 시스템의 복잡성 및 크기 증가

(I) Standard (II) LN2 pre-cooling (III) LNG pre-cooling (IV) No pre-cooling (V) LN2 pre-cooling (VI) LNG pre-cooling