[논문]해양 온도차발전 시스템의 열역학 사이클에 대한 연구

김남진; 신상호; 천원기

[국내논문] 해양 온도차발전 시스템의 열역학 사이클에 대한 연구
A Study on the Thermodynamic Cycle of OTEC system 원문보기

In this paper, the thermodynamic performance of OTEC cycle was examined. Computer simulation programs were developed for simple Rankine cycle, regenerative Rankine cycle, Kalina cycle, open cycle and hybrid cycle. For the simple Rankine cycle, the results show that newly developed fluids such as R410A and R32 that do not cause stratospheric ozone layer depletion perform as well as R22 and ammonia. Also, simple Rankine cycle OTEC power plant can practically generate electricity when the difference in warm and cold sea water inlet temperatures are greater than $14^{\circ}C$. The regenerative Rankine cycle showed a 1.5 to 2% increase in energy efficiency compared to the simple Rankine cycle while the Kalina cycle employing ammonia/water mixture showed a 2-to-3% increase in energy efficiency, and the overall cycle efficiencies of hybrid cycle and open cycle were 3.35% and 4.86%, respectively.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 표층수 대신 사계절 일정하게 배출되는 원자력 발전소의 온배수를 이용하는 OTEC 발전시스템의 다양한 열역학적 사이클에 대한 해석을 수행하고, R22를 대체할 수 있는 혼합냉매에 대한 성능예측을 수행하여 최적의 작동 유체를 제시하고자 한다.

가설 설정

2,3) 더욱이 작동유체로 연구되고 있는 암모니아의 독성문제 등으로 인하여 R22가 제안되고 있지만 이는 몬트리올 의정서에 의해서 사용금지 될 것이기 때문에 이를 대체할 수 있는 새로운 작동유체에 대한 연구가 선행되어야 한다. 또한 한국의 경우 포항근처의 동해안에서는 표층수와 해저 약 200m인 심층수의 온도차가 2 0℃인 것으로 밝혀져 OTEC 발전시스템의 가능성을 제시하고 있지만, 4) 겨울철에는 온도차가 작아 실효성이 떨어질 것으로 예상된다. .
이상적이다. 따라서 본 연구에서는 증발기의 용량을 150kW로 일정하다고 가정하였으며 , 이는 증발기에서 물의 질량유량과 증발기로 들어가고 나오는 물의 온도를 고정시킴으로써 가능하다. 또한, 증발기의 총괄열전달 계수와 전열면적의 곱(UA), 증발기와 응축기에서 해수측 질량유량, 터빈과 작동 유체 펌프의 효율, 표층수의 입 .
매우 중요한 요소이다. 본 연구에서는 증발기와 응죽기의 대수평균온도차(Log Mean Temperature Difference, LMTD)> 이용하여 열전달 방정식을 세웠으며 , 각각의 조건에 상관없이 증발 용량이 일정하다고 가정 하였으므로 UA 또한 상수로 줄 수 있다. 열전달 해석을 위해 증발기는 과냉영역, 2상 영역, 과열영역의 세 부분으로 나누었으며, 응축기는 과냉영역과 2상영역의 두 부분으로 나누었다.

제안 방법

fp의 값이 0인 경우 중간압은 Plow, fp의 값이 1인 경우 Phigh와 같게 된다. 따라서 본 연구에서는 fp의 값을 0.1 부터 0.9 까지 변화시켜가며 최적화 작업을 수행하였다. 그림 11 는 fp값에 따른 재생식 랜킨 사이클의 효율을 나타내고 있으며, 압력비가 0.
그리고 작동유체마다 증발잠열이 다르므로 동일한 증발용량을 내는 경우에도 질량 유량이 다르게 마련이다. 따라서 이 같은 점을 고려하기 위해서 터빈과 펌프의 체적유량은 변하는 것으로 간주하였으며, 모든 사이클 해석에 있어서 터빈과 펌프의 경우 등엔트로피 효율을 100%로 동일하게 적용하였다.
이렇게 본 연구와 효율의 차이를 보이는 이유는 Uehara and Ikega -mi'의 경우 심층수 입구온도를 단순 랜킨 사이클에서 6℃, 칼리나 사이클에서 4℃로 서로 다른 조건하에서 두 사이클을 비교하였기 때문이다. 본 연구에서도 표 1의 심층수 입구온도, 증발기 및 응축기의 LMTD 차이를 각각 6℃, 4.2℃, 2.5℃로 변화시켜 Uehara and Ikegami*가 제시한 동일한 조건하에서 모사를 수행하였다. 그 결과 표 5와 같이 열효율이 일치함을 확인하였다.
본 연구에서는 증발기와 응죽기의 대수평균온도차(Log Mean Temperature Difference, LMTD)> 이용하여 열전달 방정식을 세웠으며 , 각각의 조건에 상관없이 증발 용량이 일정하다고 가정 하였으므로 UA 또한 상수로 줄 수 있다. 열전달 해석을 위해 증발기는 과냉영역, 2상 영역, 과열영역의 세 부분으로 나누었으며, 응축기는 과냉영역과 2상영역의 두 부분으로 나누었다. 따라서 UA 값과 LMTD 값을 준 경우에 작동 유체와 해수사이의 열교환은 다음과 같은 식으로 계산될 수 있다.

이론/모형

5kPa) 로유지되는 기화기에서 순간적으로 기화되어 터빈을 통해 팽창한 후 응축된다. 본 연구에서 고려한 응축기는 담수생산을 고려하기 위해 간접 접촉 열교환 방식을 채택하였다.

성능/효과

(1) 단순 랜킨 사이클의 경우 초기 투자비용과 환경문제 등을 고려할 때 R410A와 R32가 작동 유체로서 가장 적합할 것으로 보였다.
(2) 단순 랜킨 사이클은 따뜻한 표층수와 차가운 심층수와의 온도차가 최소 14℃이상일 때 전기를 생산할 수 있음을 알 수 있었다.
(3) 증발기 출구에서의 과열도와 응축기 출구에서의 과냉도는 시스템 성능에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
(4) R22 재생식 랜킨 사이클을 사용하면 단순 랜킨 사이클의 효율보다 1.7 %정도 증가함을 알 수 있었다.
(5) R32/R134a를 작동유체로 사용하는 칼리나 사이클보다는 재생식 랜킨 사이클을 이용하는 것이 열역학 사이클 측면에서 유리함을 알 수 있었다.
(6) 개방형 사이클과 혼합형 사이클의 효율은 불 응축 가스를 배출시키기 위한 펌프동력을 고려할 경우 각각 3.35% 4.86%정도임을 알 수 있었다.
35%로 낮아진다.8) 그러나 개방형 사이클의 경우 증발기 용량이 150 kW가 되기 위해 필요한 표층수의 질량유량은 6.16 kg/s이지만, 개방형 사이클을 제외한 모든 사이클의 경우 표층수의 질량유량은 11.96 kg/s 이다. 이러한 해수측 질량유량의 감소는 상용화 가능성이 큰 사이클임을 암시해 준다.
그 결과 표 5와 같이 열효율이 일치함을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 개발한 프로그램에 문제가 없음을 확인하였으며, 칼리나 사이클보다는 재생식 랜킨 사이클을 사용하는 것이 열역학 사이클 측면에서 유리함을 알 수 있었다. 그러나 그림 8에 칼리나 사이클의 터빈 크기를 도시하였듯이 기존의 R22를 사용하는 시스템보다 터빈의 크기를 감소시킬 수 있음을 알았다.
86%가 된다. 이 수치는 기존의 계산 결과와 일치함으로 본 프로그램이 정확하게 만들어졌음을 확인하였다.

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