1
Thermodynamic Optimization of LNG Pre-cooled Dual-Pressure Claude Cycle for 5 T/day Hydrogen Liquefaction “본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음 (과제번호 KAIA21IHTP-B151603-03).” 상용급 중형(5~10 T/day) 수소액화기 • 사이클 모사 기준(공정 모사 프로그램: Aspen HYSYS) 사이클 설계 및 모사 결과 및 토론 결론 • LNG 예냉을 활용한 Dual-pressure 액화 사이클: 표준 사이클 대비 팽창 압력비 21.3 % 감소 • Dual-turbine dual-pressure 사이클이 가장 효율적인 사이클 (37.6 MJ/kg) Bo Hyun Kim , Ho-Myung Chang Byungil Choi Hong Ik University, Seoul, Korea Korea Institute of Machinery and Materials CRP-5 2021년도 한국 초전도저온학회 하계학술대회 • 표준 사이클 : LN2 예냉 (77 K)을 활용한 Claude 사이클 • LNG 예냉 (111 K)을 활용한 Dual-pressure Claude 사이클 - 수소액화에 LNG 냉열을 활용 - LN2 예냉을 활용한 Claude 사이클 보다 최고압 높음 - Dual-pressure 시스템은 팽창 압력비 감소에 이점 주변, 후냉각 온도 300 K 열교환기 최소 온도차 고온 절대온도 1.5% 단열 효율 압축기 75 % LNG 입구 조건 온도 111 K 팽창기 70 % 압력 1 atm 개별 압축기 압력비 1.6~2.0 액화 수소 압력 1.2 bar (포화 액체 상태) 열교환기 내 압력강하 0 kPa 액체 수소 생산량 5 T/day • LNG 조성 • 소비 동력 최소화 Work per liquid mass IP P HP P • 설계 변수 몰 분율 Methane 91.0 % Ethane 5.0 % Propane 2.0 % Nitrogen 1.0 % n-butane 0.6 % i-butane 0.4 % (Chang et al., Cryogenics, 108,2020, pp. 103093.) 고압 중간압 팽창유량비 • 제안 사이클 • 열교환기 “온도-전열량”, “온도차/고온절대온도-전열량” • T-s 선도 2 Comp Exp LN or LNG f W W W m Exp Comp x m m • 예냉 엑서지 효율 25 % 2 2 0 0 0 4 LN or LNG f f LN or LNG W m h h T s s • 설계 변수에 따른 소비동력 (1-Stage Dual-pressure) • 질량 유량 • 팽창 압력비 • 소비 동력 • 최적 고압 constant HP optimal T T (Bejan, A. Advanced Engineering Thermodynamics, 2006, pp. 101-142) (Chang et al., Cryogenics, 51, no. 6 2011, pp. 278-286.) Acknowledgment 1-Stage Dual-pressure
