새로운 CO₂ 오토 캐스케이드 열펌프 시스템의 성능특성 연구

윤상국,Yun, Sang-Kook 한국마린엔지니어링학회 2017 한국마린엔지니어링학회지 Vol.41 No.3

20세기에 대두된 HCFC나 CFC계의 냉매들의 환경에의 악영향을 극복하기 위하여 보다 환경 친화적인 이산화탄소와 같은 자연냉매에 대한 관심이 커지고 있다. 겨울철 대기의 열원을 이용하여 증발을 유도하는 이산화탄소 열펌프는 증발기의 온도가 높아 효율이 상대적으로 낮아지고, 130bar가 넘는 고압으로 인하여 열펌프 설비 부품들의 제작의 어려움이 따르게 된다. 본 연구는 보다 낮은 압력의 새로운 2단 팽창식 $CO_2$ 오토 캐스케이드 열펌프를 고안하여 이러한 단점들을 해소하고 보다 효율을 증가시키고자 하였다. 새로운 오토 캐스케이드 열펌프에 2단 팽창방식과 효과적인 냉각방식의 시스템 구성을 하여 혼합냉매인 $CO_2$ 와 R32를 적용하였다. 공정에 고압 70bar, 중간 팽창압은 25bar, 최종 저압은 10bar를 적용하여 해석한 결과, 현재의 오토 캐스케이드 열펌프 공정의 COP는 1.629이었으나, 개선된 중간 압력 25bar의 2단 팽창 오토 캐스케이드 공정은 2.332로 현재의 공정보다 43.15% 향상되었다. 또한 저압측 증발기의 온도도 $-10^{\circ}C$ 이하가 되어 찬 외기에도 증발이 용이하게 발생되는 공정이 되었다. 본 공정이 향후 $CO_2$ 열펌프의 성능계수를 보다 향상시키고 고압에 따른 부품 문제들의 해소에 기여할 수 있는 공정으로 분석되었다. Owing to the harmful environmental effects of HCFC and CFC refrigerants discovered in the late 20th century, the need for environmentally friendly refrigerants such as $CO_2$ in cooling systems has increased. Air-source $CO_2$ heat pumps that utilize ambient heat in cold winter are less efficient because of a higher evaporation temperature, and it is difficult to manufacture the components of the heat pump owing to a super critical pressure of over 130 bar. This research aims to overcome these disadvantages and improve energy efficiency by introducing a new lower-pressure $CO_2$ auto-cascade heat pump system. $CO_2$-R32 zeotropic refrigerants were considered for two-stage expansion and effective cooling heat exchanging system configurations of the new auto-cascade heat pump. The results indicated that the efficiency of the two-stage expansion system was higher than that of the original one-stage expansion system. Furthermore, the two-stage expansion system showed significant performance improvements when the two-stage expansion stage from highest pressure of 70bar, intermediate expansion pressure of 25bar, and final low pressure of 10bar is applied. The COP of the new two-stage auto-cascade system (2.332) was 43.15% higher than that of the present simple auto-cascade system (1.629). Refrigerants having an evaporation temperature of $-10^{\circ}C$ or lower can be obtained that can be easily evaporated in an evaporator even at a low temperature.

LNG 냉열 이용의 현황과 전망

윤상국,Yun, Sang-Guk 한국설비기술협회 1993 설비 : 공조ㆍ냉동ㆍ위생 Vol.10 No.4

한해를 보내며

윤상국,Yun, Sang-Guk 대한건축사협회 1995 建築士 Vol.1995 No.12

LNG내부탱크 Stiffener 판재 비용의 최소화 분석 연구

윤상국(Sang-Kook Yun) 한국가스학회 2014 한국가스학회지 Vol.18 No.2

대형 LNG 내부 탱크의 내측 벽체에 가설되는 스티프너의 제작에 있어 판재 비용을 최소화하기 위하여 다양한 스티프너 규격에 따른 원 판재의 소요 중량과 비용을 분석하였다. 이를 위하여 판재 물량 산정 프로그램을 개발하여 자동화함으로써 설계자가 수작업으로 수행하는 물량 산정을 작업시간의 단축과 함께, 다양한 중량과 비용의 분석이 가능하도록 하였다. 분석결과, 판재 폭이 큰 것을 사용할수록 스티프너를 제작하는데 사용되는 원 판재의 총 소요개수, 중량 및 비용이 감소하였으나, 최적의 LNG탱크용 스티프너 판재 폭을 결정하기 위해서는 소요 판재의 중량과 함께 비용의 분석이 필요하였다. The analysis of the cost optimization and the total demand weight of 9% Ni-steel plates for installing shell stiffeners in the side wall of the large capacity LNG storage tank are carried out in order to reduce the costs of the plates for stiffeners. This study can be possible for developing the calculation program which evaluates the bill-of-material for stiffeners to reduce the manual calculation time of tank designer, and to enable the estimation of weight and cost for various plate width. The results show that the demand weight and cost are reduced as the plate width is wider. Nevertheless, both the weight and the cost with plate width for stiffeners should be compared and evaluated to obtain the optimum cost time to time because of various cost incremental factors of plates such as transportation and handling cost, etc.

NGL 분리식 BOG 재액화 공정 고안 및 해석

윤상국(Sang-Kook Yun) 한국가스학회 2015 한국가스학회지 Vol.19 No.3

LNG는 극저온액체로 저장탱크의 열유입으로 인하여 지속적으로 BOG가 발생하고 있으며, 이의 효과적인 방법의 재액화가 요구되고 있다. 이 BOG의 재액화에는 공급되는 저압 펌프 후의 LNG의 냉열을 이용하는 데, 현재의 공정은 BOG 단위 발생량에 대하여 10배 이상의 LNG 흐름이 요구되고 있다. 본 연구에서는 NGL분리액화와 2차 고압펌프 후의 LNG 냉열을 이용하는 공정을 새롭게 고안하였으며, 이를 분석한 결과 LNG 소요유량이 3~4배에 불과한 매우 효과적인 재액화 시스템이 되었다. 본 고안에 의하면 하절기에도 원활한 BOG 재액화가 가능하므로, LNG기지의 안전성 향상과 공급 의 효율을 높일 수 있는 매우 효과적인 공정으로 분석되었다. The boil-off-gases(BOG) in cryogenic LNG storage tanks are generating continuously due to the heat leakage and need to be re-liquefied by the effective way. As the present method to reliquefy BOG is using LNG cold energy to be supplied after low pressure primary pump, the demand of LNG flow rate should be over 10 times of BOG produced rate to reliquefy it. This research invented new effective re-liquefaction system having only 3~4 times of LNG flow rate against unit BOG, that the pre-liquefaction process of NGL and the use of high pressure LNG cold energy after secondary pump. By the analysis, it could be high efficient reliquefying system for all amount of BOG treatment even during the summer time, and improvement of operation safety and efficiency of LNG terminal.

LNG선박용 BOG 부분재액화 시스템 특성 연구

윤상국(Sang-Kook Yun) 한국마린엔지니어링학회 2016 한국마린엔지니어링학회지 Vol.40 No.3

LNG내외탱크 사이의 압력흡수용 탄성 Blanket 설계 특성

윤상국(Sang-Kook Yun) 한국가스학회 2013 한국가스학회지 Vol.17 No.4

LNG의 수요 증가와 함께 LNG기지의 저장탱크의 건설도 증가하고 있다. 내부탱크는 9%Ni강재 그리고 외부 탱크는 콘크리트가 적용되는 형식의 LNG탱크의 단열은 내외부 탱크 사이에 펄라이트 분말이 충전되며, 이 펄라이트의 압력을 흡수하기 위하여 탄성이 있는 블랭킷을 사용한다. 본 연구에서는 이 블랭킷을 적용함에 있어 그 특성과 내부 탱크에 미치는 압력 등을 해석, 고찰하여 블랭킷의 적정 설계두께, 설계압력 등 설계기준을 얻고자 하였다. 연구결과, 블랭킷의 적정 두께설계 기준은 내외부 탱크 간격의 30~40%가 되었으며, 설계압력 기준은 블랭킷 두께에 따라 2,200~2,700Pa 이하가 적절한 것으로 얻어졌다. The construction of LNG storage tanks has been increased due to the expansion of LNG demand. LNG tanks which consist of an inner cylindrical 9%Ni metal tank and reinforced concrete, are insulated with perlite powder and resilient blanket for absorbing the perlite pressure in insulation annulus between two inner and outer tanks. This study tries to find out the design specifications and characteristics for blanket thickness and design pressure. The results show that the design basis for the blanket thickness should be approximately 30% to 40% of annulus width and the design pressure be applied below 2,200~2,700Pa with blanket thickness.

과냉각기와 팽창장치 후 액기분리기를 적용한 냉동시스템 성능특성 연구

윤상국(Sang-Kook Yun) 한국마린엔지니어링학회 2011 한국마린엔지니어링학회지 Vol.35 No.1

LNG선박 화물창의 펄라이트 단열재 적용성에 관한 설계 특성 연구

윤상국(Yun Sangkook) 한국마린엔지니어링학회 2013 한국마린엔지니어링학회지 Vol.37 No.8

LNG냉열이용 수소액화 공정해석 및 설계

윤상국(Sang-Kook Yun) 한국가스학회 2011 한국가스학회지 Vol.15 No.3

수소액화 공정은 수소 예냉 에너지, 액화에너지 그리고 Ortho/Para 변환열 제거 등 다량의 에너지가 요구되어진다. 본 논문은 기존의 수소액화 공정에 LNG냉열을 이용하여 에너지절약 효과를 얻고자 기본설계 및 열해석을 수행하였다. 액화 소요에너지에 LNG냉열을 적용하면 수소액화공정의 에너지절약효과와 함께, LNG기지의 해수에 버려지는 LNG냉열을 회수, 이용하는 일석이조의 에너지절약기술이 된다. 열해석에 의한 설계를 수행한 결과 현재의 액체질소 예냉식 수소액화 플랜트의 소요에너지에 비하여 LNG냉열을 이용할 경우 소요동력량은 75%가 절감되었다. 이는 예냉을 액체질소 대신에 냉열을 사용하기 때문이다. 또한 LNG냉열량은 수소액화량 1T/D기준할 때 15T/D 유량이 요구되었다. For the hydrogen liquefaction, the large amount of energy is consumed, because precooling, liquefaction and ortho/para conversion heats should be eliminated. In this paper the basic design and thermal analysis are carried out to reduce the energy consumption by using LNG cold energy for precooling process in hydrogen liquefaction processes. The LNG cold energy utilization for hydrogen precooling enables not only to get energy saving for liquefaction, but to recover the wasted cold energy to sea water at the LNG terminal. The results show that the energy saving rate for liquefaction using LNG cold energy is almost 75% of current industrial hydrogen liquefaction plant. The demand flow-rate of LNG is only 15T/D for 1T/D hydrogen liquefaction.