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초록
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본 연구에서는 지열발전 등과 같은 저온 열원을 에너지원으로 하는 발전에 응용될 수 있는 흡수식 동력 사이클의 출력 최적화를 수행하였다. 이를 위해 정상상태 사이클 시뮬레이션을 수행하여 사이클의 성능을 고찰하였다. 시뮬레이션은 열원과 열침의 입구온도 및 유량을 고정한 상태에서 수행하였으며, 일반적인 발전소의 열원-열침 유량비를 고려하였다. 사이클의 성능은 두 개의 독립변수를 이용하여 나타내었는데, 이는 분리기 입구 암모니아 농도와 터빈 입구 압력이다. 시뮬레이션 결과, $100^{\circ}C$의 지열수와 $20^{\circ}C$의 냉각수(지열수 유량의 5배) 조건에서, 흡수식 동력 사이클을 이용하면 지열수 유량 1 kg/s 당 최대 약 14 kW의 출력을 얻을 수 있음을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, an absorption power cycle, which can be used for a low-temperature heat source driven power cycle such as geothermal power generation, was investigated and optimized in terms of power by the simulation method. A steady-state simulation model was adopted to analyze and optimize its per...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 국내 실정에 맞는 저온 지열발전 시스템의 개발을 위한 기초 연구로서, 암모니아-물 흡수식 동력 사이클을 해석하고, 주어진 조건하에서 두 설계 인자 값을 변화시켜가며 사이클의 성능 변화를 살폈으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 이와 관련하여 국내 실정에 맞는 저온 지열발전 시스템의 개발을 위한 기초 연구로서, 본 연구에서는 열원 및 열침의 입구온도가 각각 100℃ 및 20℃로 주어진 경우에 대하여, 흡수식 동력 사이클의 설계인자 값을 변화시켜가며 사이클의 출력 변화를 살핀 후, 단위 열원 유량(kg/s)당 얻을 수 있는 최대 출력(kW) 값을 제시하였다.

가설 설정

  • 다음, 펌프 출구 상태를 계산하고, 분리기의 에너지 보존식으로부터 포화액의 질량분율을 계산한다. 용액열교환기의 에너지 보존식과 주어진 유용도로부터 보일러 입구와 감압밸브 입구 상태가 결정되며, 등엔탈피 가정으로 부터 감압밸브 출구 상태를 결정할 수 있다. 터빈 효율로부터 터빈 출구상태를 계산하고, 혼합기의 에너지 보존식으로부터 흡수-응축기 입구 상태를 계산한다.
  • 이상과 같은 사이클을 해석하기 위하여, 정상 상태로 가정하고, 압력강하는 무시하며, 모든 열교환기는 대향류 흐름을 갖는다고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
흡수식 동력 사이클의 장점은? 흡수식 동력 사이클은 혼합 작동유체의 상변화 과정을 이용함으로써, 열교환 과정에서의 비가역성을 줄일 수 있는 장점이 있는데, 이는 비공비 혼합물을 작동유체로 이용함으로써 구현이 가능하다. 특히, 암모니아-물 혼합물은 흡수식 냉동사이클의 중요한 냉매로 사용되어 왔으며, 물에 대한 암모니아의 흡수성이 좋으며, 두 성분의 증기압이 크게 달라 흡수식 동력 사이클의 작동유체로 사용된다.
암모니아-물 혼합물의 특징은? 흡수식 동력 사이클은 혼합 작동유체의 상변화 과정을 이용함으로써, 열교환 과정에서의 비가역성을 줄일 수 있는 장점이 있는데, 이는 비공비 혼합물을 작동유체로 이용함으로써 구현이 가능하다. 특히, 암모니아-물 혼합물은 흡수식 냉동사이클의 중요한 냉매로 사용되어 왔으며, 물에 대한 암모니아의 흡수성이 좋으며, 두 성분의 증기압이 크게 달라 흡수식 동력 사이클의 작동유체로 사용된다. 이 혼합물을 작동유체로 하는 흡수식 동력 사이클에 관한 연구는 Maloney and Robertson(1)에 의해 최초로 시도 되었으며, 80년대에 Kalina(2)에 의해 복합 발전용 하부 사이클의 새로운 대안으로서 주목을 받은 이후 몇몇 열원 조건에 대한 개량이 이루어져 왔다.
Kalina가 제안한 것으로 지열분야에 적용 가능한 사이클 중 KCS 34의 특징은? KCS 34는 본 연구에서 고려하고 있는 흡수식 동력 사이클에 내부 열교환기를 추가한 형태인데, 이전의 Kalina 사이클과 달리 보일러 출구에 분리기를 도입함으로써, 보일러로 유입된 모든 유량을 증발시키지 않아도 사이클을 작동 시킬수 있도록 하여 열원의 온도가 120℃ 이하에서도 운전될 수 있도록 한 특징이 있다.(8)
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참고문헌 (13)

  1. Maloney, J. D. and R. C. Robertson, 1953, "Thermodynamic Study of Ammonia-Water Heat Power Cycles," ORNL Report CF-53-8-43, Oak Ridge, TN. 

  2. Kalina, A. I., 1984, "Combined Cycle System with Novel Bottoming Cycle," ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 106, pp. 737-742. 

  3. Mlcak, H. A., 2002, "Kalina Cycle Concepts for Low Temperature Geothermal," Transactions : "Geothermal Resources Council, Vol. 26, pp. 707-714. 

  4. Kalina, A. I., 2006, "New Thermodynamic Cycles and Power Systems for Geothermal Applications," Transactions : Geothermal Resources Council, Vol.30, pp. 747-750. 

  5. Desideri U. and Bidini G., 1997, "Study of Possible Optimization Criteria for Geothermal Power plants," Energy Conversion and Management, Vol. 38, No. 15, pp. 1681-1691. 

  6. Marston, C. H. and Sanyal, Y., 1994, "Optimization of Kalina Cycles for Geothermal Application," Thermodynamics and the Design, Analysis, and Improvement of Energy Systems, pp. 97-104. 

  7. Kalina, A. I. and Leibowitz, H. M., 1994, "Applying Kalina Cycle Technology to High Enthalphy Geothermal Resources," Transactions : Geothermal Resources Council, Vol. 18, pp. 531-536. 

  8. Leibowitz, H. M. and Micak, H. A., 1999, "Design of a 2MW Kalina Cycle Binary Module for Installation in Husavik, Iceland," Transactions : Geothermal Resources Council, Vol. 23, pp. 75-80. 

  9. Ibrahim, O. M. and Klein, S. A., 1996, "Absorption Power Cycles," Energy, Vol. 21, Issue 1, pp. 21-27. 

  10. Valdimarsson, P. and Eliasson, L., 2003, "Factors Influencing the Economics of the Kalina Power Cycle and Situations of Superior Performance," Proceedings of International Geothermal Conferences, pp. 32-40. 

  11. Madhawa Hettiarachchi, H. D., Golubovic, M.,Worek, W. M. and Ikegami, Y., 2007, "The Performance of the Kalina Cycle System 11(KCS-11) with Low-Temperature Heat Sources," ASME J. of Energy Resources Technology, Vol. 129, pp. 243-247. 

  12. Yoonho Song and Eunyoung Ahn, 2005, "Analysis on the Current Status of World Geothermal Energy Resources Utilization and the Future Prospect," Geosystem Engineering, Vol. 42, No. 4, pp. 287-296. 

  13. Ibrahim, O. M. and Klein, S. A., 1993, "Thermodynamic Properties of Ammonia-Water Mixtures," ASHRAE Transactions Symposia. CH-93-21-2, pp. 1495-1502. 

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