공정의 온도를 낮추는 방법은 첫째, 줄-톰슨(Joule-Thomson) 팽창 효과를 이용하는 방법과 둘째, 터보 팽창기를 사용하는 방법 및 셋째, 냉매를 이용한 냉동 사이클을 활용하는 방법으로 나눌 수 있다¹⁾. 터보 팽창기를 활용하는 방법은 외부에 동력을 생산하기 때문에 줄-톰슨 팽창의 경우보다 공정의 온도를 더욱 낮출 수 있다는 장점이 있지만 기상에만 적용할 수 있다는 단점이 있다. 그리고 두 공정 모두 공정의 압력이 높아야 충분히 낮은 온도를 얻게 된다는 제약조건이 있다.

냉매를 이용한 증기 재압축 냉동사이클을 활용하면 공정의 압력과는 무관하게 냉매의 공급 온도에 해당하는 만큼 공정상의 온도를 낮추는 것이 가능하다^2,3). Fig. 1에는 증기 재압축 냉동 사이클에 대한 개요도를 나타내었다. 증기 재압축 냉동 사이클은 압축-응축-팽창-증발의 4개의 사이클로 구성된다. 여기에서 팽창은 줄-톰슨 팽창밸브에 의해서 이루어지는데, 팽창밸브 후단의 압력은 대기압보다 약간 높게 설정해 주어야 한다. 만일 줄-톰슨 팽창밸브 후단의 압력이 대기압보다 낮다면 냉매의 공급온도는 더욱 낮아지겠지만 외부 공기가 냉동 사이클 내부로 유입될 수 있다. 외부 공기 중에 포함되어 있는 수분은 냉동 사이클 내부에서 얼게 되면 파이프라인을 막을 수 있으며, 공기는 액화되지 않기 때문에 냉동 성능을 저하시키는 원인이 된다. 즉, 주어진 냉매의 공급온도는 표준 끓는점보다 약간 높다고 할 수 있다.

Fig. 1. 
Schematic diagram for a vapor recompresson refrigeration cycle

Table 1에는 몇 가지 냉매에 대한 표준 끓는점과 임계온도를 나타내었다. Table 1에 나타낸 냉매 중에서 노말 부탄에서 프로필렌 냉매까지는 Fig. 1에 나타낸 단일 냉매 냉동사이클에 의한 구성이 가능하다. 하지만 에탄, 에틸렌, 메탄 및 질소 냉매는 단일 냉동 사이클의 구성이 불가능하다. 그 이유는 Fig. 1을 보면 냉매 냉각기에서 사용되는 2차 냉매는 통상적으로 냉각수이다. 냉각수의 공급온도가 32℃이고 회수온도가 40℃라고 하면 냉매 응축기 후단의 온도는 40℃보다 더 높다. 냉매의 임계온도가 92.42℃인 프로필렌 냉매까지는 냉각수를 이용해서 액화가 가능하다. 그러나 임계온도가 32.17℃인 에탄 냉매부터는 냉각수를 이용해서 액화시키는 것이 불가능하다. 즉, 임계온도가 낮은 냉매를 액화시키기 위해서는 냉각수가 아니라 또 다른 냉동 사이클을 이용한 냉매를 사용해서 액화시켜야 한다. Figs. 2, 3에는 2원 및 3원 캐스케이드 냉동 사이클에 대한 개요도를 나타내었다^4,5).

Fig. 2. 
Schematic diagram for a cascade refrigeration cycle using two refrigerants

Fig. 3. 
Schematic diagram for a cascade refrigeration cycle using three refrigerants

본 연구에서는 Fig. 3과 같은 캐스케이드 냉동 사이클을 공정을 사용해서 메탄, 에틸렌 및 프로판 냉매를 사용한 냉동 사이클에 대한 전산모사를 수행하여 캐스케이드 냉동 공정에서 소모되는 동력을 추산하였으며 이를 LNG의 냉열을 활용할 경우 절감되는 전력비용을 추산하였다.

-155℃로 공급되는 메탄 냉매의 heat duty가 1.0×10⁶ kcal/h인 경우에 메탄을 액화시키기 위해서 -95℃로 공급되는 에틸렌을 냉매로 에틸렌을 액화시키기 위해서 -40℃로 공급되는 프로판을 냉매로 사용한 3원 캐스케이드 냉동 사이클을 가동할 경우 각각의 냉동 사이클의 압축기에서 소모되는 총 동력은 Table 3-5 사이의 전산모사 결과로부터 9,116.7 kW임을 알 수 있었다. 1년 365일 하루 24시간을 기준으로 하고, 1 kWh 당 산업용 전기료를 100원이라고 하였을 때 연간 소모되는 전력비용은 다음의 식 (1)과 같다.

한편 LNG 냉열을 사용해서 에틸렌 및 프로판 냉동 사이클에서 소요되는 동력을 절감할 수 있기 때문에 3원 캐스케이드 냉동 사이클에서 절감되는 동력은 7,018.4 kW 가량임을 알 수 있다. 따라서 연간 절감되는 동력비용은 다음의 식 (2)와 같다.

시간당 필요한 LNG의 질량유량이 43,445 kg/h이므로 LNG 1톤 당 함유되어 있는 냉열 가격은 16,155원가량임을 알 수 있다.

본 연구에서는 메탄, 에틸렌 및 프로판으로 구성된 3원 캐스케이드 냉동 사이클에서 소요되는 동력 비용을 전산모사를 통해 구현하였으며, LNG 냉열을 사용해서 에틸렌 및 프로판 냉동 사이클에서 절감되는 동력을 산출하였다. 본 연구를 통해서 도출한 결론은 다음과 같다.

첫째, -155^oC로 공급되는 메탄 냉매 증발기의 heat duty가 1.0×10⁶ kcal/h인 경우, 각각의 압축기에서 소요되는 총 동력은 9,116.7 kW임을 알 수 있었다.

둘째, 9,116.7 kW의 소요 동력은 1년 365일, 하루 24시간을 가정하고 1 kWh 당 산업용 전력비용을 100원이라고 하였을 때, 연간 소요되는 전력비용은 약 80억가량이 되는 것을 알 수 있었다.

셋째, -163℃로 공급되는 LNG가 완전히 증발하였을 때, 프로판을 액화시킬 수 있는 온도인 –43^oC가 되도록 LNG의 공급 압력을 조절하였을 때, 필요한 LNG의 질량유량은 43,445 kg/h이며, 절감되는 전력량은 7,018.4 kW이고 절감되는 전력비용은 약 61억 이상이며, 이때 LNG 1 ton에 포함되어 있는 냉열 가격은 16,155원인 것을 알 수 있었다.