The process of separating oxygen and nitrogen from the air is mainly performed by electric liquefaction, which consumes a lot of electricity, resulting in higher operating costs. On the other hand, when used for cold energy of LNG, electric power can be reduced compared to the electric Linde cycle. Currently, LNG cold energy is used in the cold refrigeration warehouse, separation of air-liquefaction, and LNG cold energy generation in Japan. In this study, the system using LNG cold energy and the Linde cycle process system were simulated by PRO/II simulators, respectively, to cool the elevated air temperature from the compressor to about $-183^{\circ}C$ in the air liquefaction separation process. The required amount of electricity was compared with the latent heat utilization fraction of LNG, the LNG supply pressure, and the LNG cold energy usage. At the air flow rate of $17,600m^3/h$, the power source unit of the Linde cycle system was $0.77kWh/m^3$, compared with $0.3kWh/m^3$.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.9
no.3
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pp.284-291
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1997
A hydrogen liquefaction equipment by direct cooling has been designed and built at KIST. Cool-down characteristics and liquefaction performance of the equipment have been investigated. The hydrogen liquefaction equipment consists of a GM refrigerator, a liquefaction velssel, a radiation shield and a cryostat. It is found that the hydrogen starts to be liquefied in the liquefaction vessel after 40~50 minutes of cool-down from the gas state of 270K. The effect of natural convection phenomena of charged gas in liquefaction vessel on the cool-down characteristics is evaluated by comparing with those in vacuum of liquefaction vessel. It is seen that the cool-down time of a liquefaction vessel is substantially increased in vacuum environment of liquefaction vessel. The experiments have been performed for 1~5 atm of hydrogen pressure to investigate the influence of hydrogen pressure on the liquefaction rate and figure of merit(FOM). It is found that both liquefaction rate and FOM are increased as the charged hydrogen pressure is increased.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.12
no.2
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pp.131-139
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2000
A direct hydrogen liquefaction equipment has been developed and tested, which consists of a GM refrigerator, a liquefaction vessel, a radiation shield, a cryostat, and an ortho-para converter with catalyst. The effect of ortho-para hydrogen conversion on the performance of hydrogen liquefaction has been investigated. The time needed for the hydrogen liquefaction process with hydrogen pressure charge of 4 atm was delayed to around 75 minutes, and the liquefied mass flow rate of the hydrogen was about 0.0150∼ 0.0205 g/s when the hydrogen was liquefied with the direct hydrogen liquefaction system considering ortho-para conversion. With ortho-para conversion, the liquefied mass flow rate decreased up to 20%. Considering ortho-para conversion, there were up to 30% increase in the work input per unit liquefied mass flow rate. When the ortho-para conversion was considered, FOM decreased to be about 0.031∼0.045.
For the hydrogen liquefaction, the large amount of energy is consumed, due to precooling, liquefaction and o-p conversion processes. The aim of this work is to improve the performance of hydrogen liquefaction process by introducing the new energy saving processes, that are the liquid nitrogen precooling process by using LNG cold energy, and the new design of cold box insulation using cold air circulation. The results show that the indirect use of LNG cold energy in precooling process enables not only to get energy saving, but to make safer operation of liquefaction plant. In new cold box, the energy loss of equipments could be reduced by nearly 35%~50% compared to the present perlite insulation, if insulation structure is organised as 3mm steel wall/20cm PUF/5cm air/20cm PUF/equipment. Additionally the equipments installed in cold box can get cooling effect, if the temperature is higher than the temperature of cold air. The application of this results can gives to increase the liquid yield of about 50% substantially in industrial hydrogen liquefaction plant.
Growing interest in $CO_2$ capturing from industrial processes and storage in underground formations is emerging from commitments in reducing $CO_2$ emissions manifested in the Kyoto Protocol. In this paper, $CO_2$ liquefaction system is treated in focus of liquefaction efficiency & production rate. Presently $CO_2$ is transported in ships or trucks at a pressure of 14-20 bar. Considering this, the liquefaction pressures of 20, 15, 6.5 bar are selected. Compressor work and cooling capacity are calculated and compared. In order to investigate the effect of intercooling, the compressed gas after compressor work is cooled by ambient air or seawater. In case of applying the intercooling to the system, consuming energy can be saved larger than 20%. In the lower liquefaction pressure, the more $CO_2$ can be obtained due to higher density. In the liquefaction pressure of 6.5 bar, its $CO_2$ production is about 35% higher than that of the system with the liquefaction pressure, 20 bar.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration
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v.8
no.2
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pp.39-50
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2000
Thermodynamic cycle analysis is presented to estimate the maximum liquefaction rate of hydrogen for various systems using a Gifford-McMahon(GM) cryocooler. Since the present authors` previous experiments showed that the gaseous hydrogen was liquefied approximately at the rate of 5.1 mg/s from the direct contact with a commercial two-stage GM refrigerator, this study has been proposed to predict how much the liquefaction rate can be increased in different configurations using the GM cooler and with improved heat exchangers. The optimal operating conditions have been analytically sought with real properties of normal hydrogen for the Linde-Hampson(L-H) system precooled by single-stage GM, the direct-contact system with two-stage GM, the L-H system precooled by two-stage GM, and the direct-contact system with helium GM-JT (Joule-Thomson). The maximum liquefaction rate has been predicted to be only about 7 times greater than the previous experiment, even though the highly effective heat exchangers may be employed. It is concluded that the liquefaction rate is limited mainly because of the cooling capacity of the commercially available GM cryocoolers and a practical scale of hydrogen liquefaction is possible only if the GM cooler has a greater capacity at 70-100 K.
In this paper, the performance of the $CO_2-C_2H_6-N_2$ cascade liquefaction cycle with respect to temperature differences in the LNG heat exchangers is analyzed theoretically using HYSYS software and then compared the COP(coefficient of performance) of the cascade liquefaction cycles using $C_3H_8-C_2H_4-C_1H_4$ and $CO_2-N_2O-N_2$. In comparison of COP of three cycles, the cascade liquefaction cycles using $C_3H_8-C_2H_4-C_1H_4$ showed the highest COP. And the liquefaction cycle using $CO_2-C_2H_6-N_2$ and $CO_2-N_2O-N_2$ presented the second and third highest COP, respectively. In case of COP, the $C_3H_8-C_2H_4-C_1H_4$ cascade liquefaction cycle yields better COP. But, in terms of the environment and maintain, it is confirmed that the cascade liquefaction cycle using $CO_2-C_2H_6-N_2$ provides favorable characteristics.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.11
no.3
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pp.349-358
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1999
Thermodynamic cycle analysis has been performed to maximize the liquid amount for various hydrogen liquefaction systems using GM(Gifford-McMahon) refrigerator. Since the present authors' previous experiments showed that the liquefaction rate was approximately 5.1mg/s in a direct contact with a commercial GM refrigerator, the purpose of this study is to predict how much the liquefaction rate can be increased in different configurations and with improved heat exchanger performance. The optimal operating conditions have been analytically sought with real properties of normal hydrogen for the single-stage GM precooled L-H(Linde-Hampson) system, the two-stage GM direct contact system, the two-stage GM precooled L-H system and the two-stage helium GM-JT (Joule-Thomson) system. The maximum liquefaction rate has been predicted to be only about 7 times greater than the previous experiment, when the two-stage precooling is employed and the effectiveness of heat exchangers approaches to 99.0%. It is concluded that the liquefaction rate is limited mainly by the cooling capacity of the current GM refrigerators and a larger scale of hydrogen liquefaction is possible with a greater capacity of cryocooler at 60-70 K range.
The intermittent electric power supply of renewable energy can have extremely negative effect on power grid, so long-term and large-scale storage for energy released from renewable energy source is required for ensuring a stable supply of electric power. Power to gas which can convert and store the surplus electric power as hydrogen through water electrolysis is being actively studied in response to increasing supply of renewable energy. In this paper, we proposed the novel concept of hydrogen liquefaction process combined with pre-cooling process using the liquid air. It is that hydrogen converted from surplus electric power of renewable energy was liquefied through the hydrogen liquefaction process and vaporization heat of liquid hydrogen was conversely recovered to liquid air from ambient air. Moreover, Comparisons of specific energy consumption (kWh/kg) saved for using the liquid air pre-cooling was quantitatively conducted through the performance analysis. Consequently, about 12% of specific energy consumption of hydrogen liquefaction process was reduced with introducing liquid air for pre-cooling and optimal design point of helium Brayton cycle was identified by sensitivity analysis on change of compression/expansion ratio.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.22
no.7
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pp.442-447
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2010
FPSO (Floating Production Strorage and Offloading) method for LNG industry is efficient and facile compared to onshore NG (Natural Gas) treatment facility. Five simple natural gas liquefaction cycles for FPSO are presented and simulated in this paper. SMR (Single Mixed Refrigerant) cycle, SNE (Single Nitrogen Expander) cycle, DNE (Double Nitrogen Expander) cycle, PNE (Precooled Nitrogen Expander) cycle, and PDNE (Precooled Double Nitrogen Expander) cycle are compared. Simple analysis results in this paper show that precooling process and adding an expander in the liquefaction cycle is an effective way to increase liquefaction efficiency.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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