An experimental study on the Joule-Thomson cryocooler with the mixed refrigerant (MR) is described in this paper, J-T refrigeration experiment was performed with a single stage regular air-conditioning compressor The mixed refrigerant in the experiment was composed of 75% mol fraction of $N_2$. 30% moi fraction of CH$_4$. 30% moi fraction of $C_2$H$_{6}$. 10% mot fraction of $C_3$H$_{8}$ and 15% mot fraction of iso-C$_4$H$_{10}$. Oil mist in the MR stream could be eliminated completely by the glass microfiber filter. Since a single stage compressor that had been designed thor R22 is not appropriate for high Pressure ratio of the mixed refrigerant especially during the transient period. two modifications were incorporated to regular J-T refrigeration cycle. First. a Portion of the MR was by-passed at the inlet of the heat exchanger and transferred directly to 7he suction of the compressor in the modified system. Second, a buffer volume was Prepared to change the mass flow rate of refrigerant. The pressure ratio in J-T expansion device was relieved at the beginning of the operation due to the by-Pass scheme. but it gradually decreased during the transient Process as some of the MR component condensed at low temperature. The buffer volume at the suction side was used to increase the MR gas density in the system after the transient cool-down period. Form the experiment with the modified system, the refrigerator could reach the lowest temperature of -152$^{\circ}C$ without cooling load. and about -15$0^{\circ}C$ with 5 W of cooling load . . . .
A cryogenic Mixed Refrigerant Joule-Thomson refrigeration cycle was designed to be applied to the semiconductor etching process with non-flammable constituents. 3-stage cascade refrigerator, single mixed refrigerant Joule-Thomson refrigerator, and 2-stage cascade type mixed refrigerant Joule-Thomson refrigerator are analyzed to figure out the coefficient of performance. Non-flammable mixture of argon(Ar), tetrafluoromethane(R14), trifluoromethane (R23) and octafluoropropane(R218) were utilized to analyze the refrigeration cycle efficiency. The designed refrigeration cycle was adapted to cool down the coolant of HFE7200(Ethoxy-nonafluorobutane, C4F9OC2H5) with certain constraints. Maximum coefficient of performance of the refrigeration system is obtained as 0.289 for the cooling temperature lower than -100℃. The detailed result of the coefficient of performance according to the mixture composition is discussed in this study.
As the importance of carbon capture and storage (CCS) technology increases for greenhouse gas reduction, CO2 transportation technology is also becoming crucial. Efficiently handling boil-off gas (BOG) generated during voyages is particularly important. This paper proposes a process incorporating two-stage separation and mixed refrigerants to reliquefy CO2 BOG containing nitrogen efficiently. This process was optimized based on specific power consumption (SPC) criteria and compared with the conventional single-stage separation using an ammonia refrigerant. The two-stage separation allows the removal of non-condensable gases, such as nitrogen, before expansion, and the use of mixed refrigerants enables more efficient heat exchange than ammonia refrigerants, improving the reliquefaction rate. As a result, the proposed process reduced SPC by up to 8.8 % with a nitrogen content of 5 mol% and up to 74.7 % with a nitrogen content of 15 mol%. In addition, the proposed process achieved a reliquefaction rate of over 74.2 % across all nitrogen content ranges of 5-15 mol%.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.49
no.1
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pp.33-44
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2012
In this study, the optimal operating conditions for the dual mixed refrigerant(DMR) cycle were determined by considering the power efficiency. The DMR cycle consists of compressors, heat exchangers, seawater coolers, valves, phase separators, tees, and common headers, and the operating conditions include the equipment's flow rate, pressure, temperature, and refrigerant composition per flow. First, a mathematical model of the DMR cycle was formulated in this study by referring to the results of a past study that formulated a mathematical model of the single mixed refrigerant(SMR) cycle, which consists of compressors, heat exchangers, seawater coolers, and valves, and by considering as well the tees, phase separators, and common headers. Finally, in this study, the optimal operating conditions from the formulated mathematical model was obtained using a hybrid optimization method that consists of the genetic algorithm(GA) and sequential quadratic programming(SQP). Moreover, the required power at the obtained conditions was decreased by 1.4% compared with the corresponding value from the past relevant study of Venkatarathnam.
Natural gas liquefaction process which spends a huge amount energy is operated under cryogenic conditions. Thus, many researchers have studied on minimizing energy consumption of LNG plant. However, a few studied for cost optimization have performed. This study focused on the cost analysis for the single mixed refrigerant (SMR) process, one of the simplest natural gas liquefaction process, which has different capacity. The process capacity is increased from 1 million ton per annum (MTPA) to 2.5 MTPA by 0.5 MTPA steps. According to the increase of plant size, only flow rate of natural gas and mixed refrigerant are increased and other operating conditions are fixed. Aspen Economic Evaluator(v.8.7) is used for the cost analysis and six tenths factor rule is applied to obtain multi stream heat exchanger cost data which is not supplied by Aspen Economic Evaluator. Moreover, the optimal plant sizes for different sizes of gas wells are found as the result of applying plant cost to small scale gas wells, 20 million ton (MT), 40 MT, and 80 MT. Through this cost analysis, the foundation is built to optimize LNG plant in terms of the cost.
Cha, Sang Won;Lee, Ho Saeng;Moon, Deok Soo;Kim, Hyeon Ju
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.38
no.4
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pp.502-507
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2014
In this paper, performance characteristics of cycles were studied when mixed working fluid was used for ocean thermal energy conversion (OTEC). Among the various mixed refrigerants for industrial heat-pump, R32/R152a used in ocean thermal energy conversion system. For simulations, R32/R152a were used in existing closed cycle and Kalina cycle which is used only ammonia and water as mixed refrigerant. Temperature of the warm heat source was 26 and 29 celsius degree, temperature of the cold heat source was 5 celsius degree. In results of simulation, Gross power of the closed cycle on R32 was 22kW, and efficiency of the cycle was 2.02%. When the mixed refrigerant of R32/R152a, in the ratio of 90 to 10, gross power of the closed cycle was 29.93kW, and efficiency of the cycle was 2.78%. Gross power and cycle efficiency of R32/R152a increased by 36% and 37% than those of existing single refrigerant. Additionally, the same simulations were conducted in Kalina cycle with the same various composition ratio of mixed refrigerant.
Because the expenditure of LNG liquefaction processes are high in a LNG project, it is very important to find a suitable liquefaction process model and optimal operating conditions for a project. Various configurations of LNG liquefaction processes have been suggested, and therefore it takes a lot of time and manpower to compare all of these models in order to select an appropriate liquefaction process for a project. A superstructure model can include multiple options in one model and can contribute to decide the best configuration and operating conditions at the same time. This study developed a superstructure model including multiple process options for SMR (Single Mixed Refrigerant) liquefaction process and optimized it. The results showed that the optimization results of the superstructure model have similar values with optimization results of the separate SMR model.
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.
An FLNG (floating liquefied natural gas) or LNG FPSO (floating production, storage and offloading) unit is a notable offshore unit with the increasing demand for LNG. The liquefaction process on an FLNG unit is the most important process because it determines the economic feasibility, but would be a hazard source because of the large quantity of hydrocarbons. While a high efficiency process such as C3MR has been preferred for onshore liquefaction processes, a relatively simple process such as the SMR (single mixed refrigerant) or DMR (dual mixed refrigerant) liquefaction process has been selected for offshore units because they require a more compact size, lighter weight, and higher safety due to their space limitation for facilities and long distance from shore. It is known that an SMR has the advantages of a simple configuration, small footprint, and lower risk. However, with an increased production rate, the inherent safety of SMR needs to be evaluated because of its small train capacity. In this study, the potential explosion risks of the SMR and DMR liquefaction processes were evaluated at the conceptual design stage. The results showed that an SMR has a lower overpressure than a DMR at the same frequency, only with a small production capacity of 0.9 MTPA. With increased capacity, the overpressure of the SMR was higher than that of the DMR. The increased number of trains increased the frequency in spite of the small amount of equipment per train. This showed that the inherent risk of an SMR is not always lower than that of a DMR, and an additional risk management strategy is recommended when an SMR is selected as the concept for an FLNG liquefaction process compared to the DMR liquefaction process.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.12
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pp.1656-1667
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1997
Condensing heat transfer characteristics of hydrocarbon refrigerants are experimentally investigated. Single component hydrocarbon refrigerants (propane, isobutane, butane and propylene) and binary mixtures of propane/isobutane and propane/butane are considered as test fluids. Local condensing heat transfer coefficients of selected refrigerants are obtained from overall conductance measurement. Average heat transfer coefficients at different mass fluxes and heat transfer rates are shown and compared with those of R22. Pure hydrocarbon refrigerants have higher values of heat transfer coefficient than R22. It is also found that there is a heat transfer degradation for hydrocarbon mixtures due to composition variation during condensation. Measured condensing heat transfer coefficients are compared with predicted values by available correlations. An empirical correlation for pure and mixed hydrocarbon is developed, and it shows good agreement with experimental data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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