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KR20060074227A - Liquid Gas Densification System - Google Patents

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KR20060074227A
KR20060074227A KR1020040112895A KR20040112895A KR20060074227A KR 20060074227 A KR20060074227 A KR 20060074227A KR 1020040112895 A KR1020040112895 A KR 1020040112895A KR 20040112895 A KR20040112895 A KR 20040112895A KR 20060074227 A KR20060074227 A KR 20060074227A
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liquid
gas
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heat exchanger
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조남경
길경섭
조인현
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한국항공우주연구원
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Abstract

본 발명은 액체가스를 고밀도화하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의한 액체가스 고밀도화 시스템은 액체가스 탱크; 액체가스 탱크에 연결되며, 그에 저장된 액체가스를 펌핑하는 펌프; 펌프 및 액체가스 탱크에 연결되며, 펌핑된 액체가스가 통과하면서 냉각제에 의한 냉각이 이루어지는 열교환기; 및 입구로 고압가스가 유입되어 내부에 저압이 형성되고, 이 저압에 의해 냉각제의 증발을 촉진시키는 이젝터를 포함한다. 본 발명은 설비를 단순화할 수 있고 그에 따라 비용이 절감되며, 추가적인 기술개발 없이 현존하는 기술을 활용하여 신뢰성 있는 극저온 액체가스 고밀도화 시스템을 구축하게 한다.The present invention relates to a system for densifying liquid gas. Liquid gas densification system according to the present invention is a liquid gas tank; A pump connected to the liquid gas tank and pumping the liquid gas stored therein; A heat exchanger connected to the pump and the liquid gas tank and configured to cool by the coolant while the pumped liquid gas passes; And an ejector in which a high pressure gas flows into the inlet to form a low pressure therein, and promotes evaporation of the coolant by the low pressure. The present invention can simplify the installation and thereby reduce the cost, allowing the construction of a reliable cryogenic liquid gas densification system utilizing existing techniques without further technical development.

액체가스, 고밀도화, 재순환, 열교환기, 이젝터Liquid Gas, Densification, Recirculation, Heat Exchanger, Ejector

Description

액체가스 고밀도화 시스템{Densification system of liquid gas}Densification system of liquid gas

도 1은 본 발명의 액체가스 고밀도화 시스템에 대한 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a liquid gas densification system of the present invention.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 의한 액체가스 고밀도화 시스템의 구성도이다.2 is a block diagram of a liquid gas densification system according to an embodiment of the present invention.

도 3은 도 2의 이젝터(ejector)의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of the ejector of FIG. 2.

도 4는 온도에 따른 액체산소의 밀도 및 증기압의 변화를 도시한 그래프이다.4 is a graph showing changes in density and vapor pressure of liquid oxygen with temperature.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10: 액체가스 탱크 20: 펌프10: liquid gas tank 20: pump

30: 열교환기 40: 이젝터 30: heat exchanger 40: ejector

본 발명은 액체가스를 고밀도화하는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for densifying liquid gas.

액체가스의 일종인 극저온 추진제의 전통적인 충전(充塡) 방식은 포화상태(추진제가 1기압에서 비등점의 온도에 있는 상태)의 극저온 추진제를 비행용 탱크에 충전시키는 것이다. 그 충전과정을 살펴보면, 초기에 추진제를 천천히 충전하면서 탱크를 냉각시키고(탱크의 구조적인 강도를 고려하여 냉각용 추진제를 충전한다), 탱크가 냉각된 후 충전시간을 줄이기 위해서 충전속도를 증가시킨다. 충전이 90% 정도 이루어진 후, 탱크내 압력을 조절하고 충전수위를 맞추기 위하여 충전속도를 다시 감소시킨다. 충전이 100% 이루어진 후에는 재충전과정(replenish phase)을 수행한다. 재충전과정에서는 극저온 추진제의 증발에 의해 수위가 낮아진 것을 보상하기 위해 포화상태의 추진제를 재공급하게 된다. The traditional method of filling cryogenic propellants, a kind of liquid gas, is to fill a flying tank with a cryogenic propellant in saturation (propellant at a boiling point temperature at 1 atm). Looking at the filling process, the tank is cooled initially (charging the propellant for cooling, taking into account the structural strength of the tank) while slowly filling the propellant, and the filling speed is increased to reduce the filling time after the tank is cooled. After 90% of filling is done, the filling rate is reduced again to adjust the pressure in the tank and set the filling level. After 100% charge is performed, a replenish phase is performed. In the refill process, the saturated propellant is resupplied to compensate for the low water level caused by the evaporation of the cryogenic propellant.

한편, 기존의 압력저감 열교환방식 고밀도화 설비는 탱크내의 상부의 기체상태공간인 얼리지(ullage)의 압력을 낮추어 추진제의 증발을 촉진시킴으로써, 그 증발잠열을 이용하여 추진제의 온도를 낮추는 것이다. 이 설비를 이용하려면 얼리지의 압력을 낮추기 위하여 다단의 압축장치를 필요로 하기 때문에, 설비가 복잡해지고 비용이 증대된다는 문제가 있다. On the other hand, the existing pressure reducing heat exchanger densification facility is to lower the pressure of the gaseous space of the upper portion of the tank (ullage) to promote the evaporation of the propellant, by using the latent heat of evaporation to lower the temperature of the propellant. The use of this facility requires a multi-stage compression device to lower the pressure of the ridge, which causes a problem that the facility is complicated and the cost is increased.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 설비를 단순화할 수 있고 그에 따라 비용이 절감되며, 추가적인 기술개발 없이 현존하는 기술을 활용하여 신뢰성 있는 극저온 액체가스 고밀도화 시스템을 구축하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above-described problems, it is possible to simplify the installation and thereby reduce the cost, and aims to build a reliable cryogenic liquid gas densification system utilizing existing technology without further technical development.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 액체가스 고밀도화 시스템은 액체가스 탱크; 액체가스 탱크에 연결되며, 그에 저장된 액체가스를 펌핑하는 펌프; 펌프 및 액체가스 탱크에 연결되며, 펌핑된 액체가스가 통과하면서 냉각제에 의한 냉각이 이루어지는 열교환기; 및 입구로 고압가스가 유입되어 내부에 저압이 형성되고, 이 저압에 의해 냉각제의 증발을 촉진시키는 이젝터를 포함한다. Liquid gas densification system according to the present invention to achieve the above object is a liquid gas tank; A pump connected to the liquid gas tank and pumping the liquid gas stored therein; A heat exchanger connected to the pump and the liquid gas tank and configured to cool by the coolant while the pumped liquid gas passes; And an ejector in which a high pressure gas flows into the inlet to form a low pressure therein, and promotes evaporation of the coolant by the low pressure.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 1은 본 발명의 액체가스 고밀도화 시스템에 대한 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a liquid gas densification system of the present invention.

이를 참조하면, 본 발명에 의한 액체가스 고밀도화 시스템은 재순환에 의한 액체가스 고밀도화 충전방식을 이용한 것이다. 고밀도화의 방법으로서 이젝터를 이용한 압력저감 열교환방식을 이용하였다. 이러한 방식에서는 탱크 상부의 액체가스를 뽑아내어 열교환기 및 이젝터로 이루어지는 고밀도화 유니트로 보낸 후, 과냉각액체(sub-cooled liquid) 상태로 만들어서 탱크로 재충전하게 된다. 이러한 과정은 탱크내에 충전된 액체가스의 온도가 소정온도에 도달할 때까지 반복된다. Referring to this, the liquid gas densification system according to the present invention uses a liquid gas densification filling method by recirculation. As a method of densification, a pressure reducing heat exchange method using an ejector was used. In this way, the liquid gas from the top of the tank is extracted and sent to a densification unit consisting of a heat exchanger and an ejector, and then made into a sub-cooled liquid and refilled with the tank. This process is repeated until the temperature of the liquid gas charged in the tank reaches a predetermined temperature.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 의한 액체가스 고밀도화 시스템의 구성도이다.2 is a block diagram of a liquid gas densification system according to an embodiment of the present invention.

이를 참조하면, 본 발명에 의한 액체가스 고밀도화 시스템은 액체가스 탱크(10), 펌프(20), 열교환기(30), 및 이젝터(40)를 포함한다. Referring to this, the liquid gas densification system according to the present invention includes a liquid gas tank 10, a pump 20, a heat exchanger 30, and an ejector 40.

액체가스 탱크(10)는 로켓의 극저온 추진제와 같은 액체가스가 충전되는 곳이다. 액체가스로서 이밖에도 액체질소, 액체메탄 등과 같은 극저온 액체가스도 이용가능하다. 펌프(20)는 액체가스 탱크(1)에 연결되며, 그에 저장된 액체가스를 펌핑한다. 열교환기(30)는 펌프(20) 및 액체가스 탱크(10)에 연결되며, 펌핑된 액체가스가 통과하면서 액체질소와 같은 냉각제에 의해 냉각이 이루어지는 곳이다. 이젝터(40)에서는 그 입구로 고압질소가스와 같은 고압가스가 유입되어 내부에 저압이 형성되고, 이에 의해 상기 냉각제의 증발이 촉진된다. The liquid gas tank 10 is where the liquid gas, such as the cryogenic propellant of the rocket, is filled. As the liquid gas, cryogenic liquid gas such as liquid nitrogen, liquid methane and the like can also be used. The pump 20 is connected to the liquid gas tank 1 and pumps the liquid gas stored therein. The heat exchanger 30 is connected to the pump 20 and the liquid gas tank 10, where the pumped liquid gas passes through and is cooled by a coolant such as liquid nitrogen. In the ejector 40, a high pressure gas, such as high pressure nitrogen gas, is introduced into the inlet to form a low pressure therein, thereby facilitating evaporation of the coolant.

액체가스 탱크(10)의 상부의 액체가스가 펌프(20)를 거쳐 열교환기(30)로 유입되어, 이젝터(40)와 열교환기(30)의 작용으로 냉각된 다음, 다시 액체가스 탱크(10)로 유입된다. 이러한 순환과정이 탱크(10)내의 액체가스의 온도가 소정온도에 이를 때까지 반복되어 액체가스가 고밀도화되는 것이다. The liquid gas of the upper portion of the liquid gas tank 10 flows into the heat exchanger 30 through the pump 20, cooled by the action of the ejector 40 and the heat exchanger 30, and then again the liquid gas tank 10. Flows into). This circulation process is repeated until the temperature of the liquid gas in the tank 10 reaches a predetermined temperature, thereby densifying the liquid gas.

이하에서, 본 발명의 한 실시예인 로켓의 극저온 추진제로 사용되는 액체산소의 고밀도화 시스템에 대해서 상세히 설명한다. Hereinafter, a system for densifying liquid oxygen used as a cryogenic propellant of a rocket, which is an embodiment of the present invention, will be described in detail.

도 2를 참조하면, 액체산소 탱크(10)내에는 그 상부의 액체산소를 흡입하는 흡입포트(suction port)(11)가 설치되어 있고 이 흡입포트(11)를 통해서 액체산소가 외부로 유출된다. 펌프(20)의 작동으로 액체산소가 흡입포트(11)로부터 열교환기(30)내로 유입된다. 열교환기(30)에는 액체산소가 이곳을 지나면서 액체질소와 열교환되어 과냉각될 수 있도록 냉각채널이 구성되어 있다. Referring to FIG. 2, a suction port 11 is installed in the liquid oxygen tank 10 to suck liquid oxygen thereon, and liquid oxygen flows out through the suction port 11. . By operation of the pump 20, liquid oxygen is introduced into the heat exchanger 30 from the suction port 11. The heat exchanger 30 is configured with a cooling channel so that the liquid oxygen can be heat-exchanged with the liquid nitrogen while passing therethrough.

한편, 고압질소가스가 압력조절기(44)를 통하여 소정압력으로 이젝터(40)로 공급된다. 이때 이젝터(40)로 공급되는 질소의 압력을 조절함으로써 열교환기(30) 내의 압력을 조절하게 된다. 이에 따라 냉각제인 액체질소의 온도를 조절함으로써 요구되는 액체산소의 과냉각 정도를 맞출 수 있게 한다. On the other hand, the high pressure nitrogen gas is supplied to the ejector 40 at a predetermined pressure through the pressure regulator 44. At this time, the pressure in the heat exchanger 30 is controlled by adjusting the pressure of nitrogen supplied to the ejector 40. Accordingly, by adjusting the temperature of the liquid nitrogen as the coolant, it is possible to match the degree of supercooling of the liquid oxygen required.

도 3은 이젝터(40)의 단면을 도시한 것이다. 이젝터 노즐은 축소-확대 형태로, 축소부에서 고압질소가스에 의해 저압을 형성시키며, 이에 의해 열교환기(30) 상단의 기체부의 압력을 감소시킨다. 이에 따라 액체질소의 증발을 촉진시킴으로써 증발열에 의해 액체질소의 온도를 낮추는 것이다. 구체적으로는 열교환기(30) 상단의 기체부의 압력을 0.1~0.2기압 정도 낮춤으로써 액체질소의 온도를 67K 정도로 낮추게 된다. 3 shows a cross section of the ejector 40. The ejector nozzle is in a shrink-enlarge form, which forms a low pressure by the high pressure nitrogen gas in the reduction part, thereby reducing the pressure of the gas part on the top of the heat exchanger 30. Accordingly, the temperature of liquid nitrogen is lowered by the heat of evaporation by promoting the evaporation of liquid nitrogen. Specifically, the temperature of the liquid nitrogen is lowered to about 67K by lowering the pressure of the gas unit at the upper end of the heat exchanger 30 by about 0.1 to 0.2 atm.

이러한 액체산소의 고밀도화 시스템의 운용과정을 살펴보면, 먼저 액체산소 충전밸브(16)를 열어 액체산소를 탱크(10)에 충전시킨다(도 2 참조). 이때 액체질소 충전밸브(32)를 열어서 액체질소를 열교환기(30)에 충전시킨다. 액체산소의 수위가 흡입포트(11)에 이르면 재순환 밸브(12, 14)를 열고 펌프(20)를 구동시켜, 액체산소가 열교환기(30)에서 과냉각되어 다시 탱크(10)로 충전되게 한다. 이때 액체산소 충전밸브(16)를 닫는다. Looking at the operation of the liquid oxygen densification system, first open the liquid oxygen filling valve 16 to fill the liquid oxygen in the tank 10 (see Fig. 2). At this time, the liquid nitrogen filling valve 32 is opened to fill the liquid nitrogen in the heat exchanger 30. When the liquid oxygen level reaches the suction port 11, the recirculation valves 12 and 14 are opened and the pump 20 is driven so that the liquid oxygen is supercooled in the heat exchanger 30 and filled again into the tank 10. At this time, the liquid oxygen filling valve 16 is closed.

액체산소의 온도가 포화상태의 액체질소와의 열교환을 통해 정상상태가 되면 고압질소가스 공급밸브(42)를 연다. 그러면 고압질소가스가 압력조절기(44)를 통해 압력이 조절되어 이젝터(40)로 유입된다. 이때 열교환기(30) 내부의 액체질소는 압력이 떨어지게 되므로 증발하게 된다. 증발시 증발잠열에 의해 액체질소의 온도가 떨어지게 되며, 이에 따라 액체산소를 보다 더 저온으로 과냉각시킬 수 있게 되는 것이다.When the temperature of the liquid oxygen reaches a steady state through heat exchange with the liquid nitrogen in a saturated state, the high pressure nitrogen gas supply valve 42 is opened. Then, the high pressure nitrogen gas is adjusted to the pressure through the pressure regulator 44 is introduced into the ejector 40. At this time, the liquid nitrogen inside the heat exchanger 30 is evaporated because the pressure drops. During evaporation, the temperature of the liquid nitrogen is lowered by the latent heat of evaporation, thereby allowing the liquid oxygen to be supercooled to a lower temperature.

도 4는 온도에 따른 액체산소의 밀도 및 증기압의 변화를 도시한 그래프이다. 4 is a graph showing changes in density and vapor pressure of liquid oxygen with temperature.

이를 보면, 극저온 추진제는 온도에 따라서 밀도 변화가 대단히 크다는 것을 알 수 있다. 예컨대, 액체산소가 90K에서 70K로 온도가 감소할 경우 약 10%의 밀도감소가 이루어지며, 증기압은 1/10 수준으로 감소하는 것을 알 수 있다. 이와같이, 극저온 추진제를 냉각시킬 경우 그 밀도가 커지고 증기압이 작아진다. This shows that the cryogenic propellant has a very large change in density with temperature. For example, when the liquid oxygen temperature decreases from 90K to 70K, the density decrease is about 10%, and the vapor pressure decreases to 1/10 level. As such, when the cryogenic propellant is cooled, its density increases and its vapor pressure decreases.

이러한 추진제의 고밀도화 시스템은 추진제의 온도를 포화온도(Normal Boiling Point; NBP) 이하로 낮춤으로써, 추진제의 밀도를 7~10% 정도 올리며 이에 의해 탱크(10)의 용적을 줄일 수 있다. 이와같은 고밀도화를 위한 과냉각은 또한 추진제의 증기압을 1기압에서 0.1~0.3기압으로 낮춘다. 추진제의 고밀도화와 증기압 감소는 추진제 탱크(10)의 용적과 운용압력을 줄이는 효과가 있다. The densification system of the propellant lowers the temperature of the propellant below the normal boiling point (NBP), thereby increasing the density of the propellant by about 7 to 10%, thereby reducing the volume of the tank 10. This subcooling also increases the vapor pressure of the propellant from 1 atm to 0.1 to 0.3 atm. Higher density and lower vapor pressure of the propellant have the effect of reducing the volume and operating pressure of the propellant tank 10.

본 발명은 설비를 단순화할 수 있고 그에 따라 비용이 절감되며, 추가적인 기술개발 없이 현존하는 기술을 활용하여 신뢰성 있는 극저온 액체가스 고밀도화 시스템을 구축하게 한다.The present invention can simplify the installation and thereby reduce the cost, allowing the construction of a reliable cryogenic liquid gas densification system utilizing existing techniques without further technical development.

이상에서 살펴본 본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the present invention described above has been described in detail only with respect to the specific examples described, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and changes are possible within the technical scope of the present invention, and such modifications and modifications belong to the appended claims. will be.

Claims (4)

액체가스 탱크;Liquid gas tanks; 상기 액체가스 탱크에 연결되며, 그에 저장된 액체가스를 펌핑하는 펌프;A pump connected to the liquid gas tank and pumping the liquid gas stored therein; 상기 펌프 및 상기 액체가스 탱크에 연결되며, 펌핑된 액체가스가 통과하면서 냉각제에 의한 냉각이 이루어지는 열교환기; 및A heat exchanger connected to the pump and the liquid gas tank and configured to cool by a coolant while the pumped liquid gas passes; And 입구로 고압가스가 유입되어 내부에 저압이 형성되고, 이 저압에 의해 상기 냉각제의 증발을 촉진시키는 이젝터를 포함하는 액체가스 고밀도화 시스템.High pressure gas is introduced into the inlet to form a low pressure therein, the low pressure liquid gas density system comprising an ejector for promoting the evaporation of the coolant. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 액체가스는 로켓의 극저온 추진제, 액체질소, 및 액체메탄으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 액체가스 고밀도화 시스템.Wherein said liquid gas is at least one selected from the group consisting of cryogenic propellants, liquid nitrogen, and liquid methane of the rocket. 제1항 또는 제2항에 있어서, The method according to claim 1 or 2, 상기 냉각제는 액체질소인 것을 특징으로 하는 액체가스 고밀도화 시스템.And the coolant is liquid nitrogen. 제1항 또는 제2항에 있어서, The method according to claim 1 or 2, 상기 고압가스는 고압질소가스인 것을 특징으로 하는 액체가스 고밀도화 시스템.The high pressure gas is a high pressure nitrogen gas liquid gas densification system, characterized in that.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117342515A (en) * 2023-09-25 2024-01-05 江苏天兵航天科技有限公司 Rocket circulation reflux supercooling liquid oxygen filling system and method

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