[논문]급액가열기, 재생기를 적용한 유기랭킨사이클(ORC)의 열역학적 효율에 관한 해석적 연구

박창용; 홍웅기; 김정민

doi:10.6110/kjacr.2011.23.10.662

급액가열기, 재생기를 적용한 유기랭킨사이클(ORC)의 열역학적 효율에 관한 해석적 연구
Thermodynamic Efficiencies of Organic Rankine Cycles with a Feed Liquid Heater or Regenerator 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.23 no.10, 2011년, pp.662 - 669

박창용 (서울과학기술대학교 기계설계자동화공학부) , 홍웅기 (서울과학기술대학교 기계설계자동화공학부) , 김정민 (서울과학기술대학교 기계설계자동화공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A numerical study was performed for thermodynamic efficiencies of a basic ORC (Organic Rankine Cycle), ORC with a FLH (Feed Liquid Heater), and ORC with a regenerator. The efficiencies of the basic ORC were higher in the order of R113, R123, R245ca, and R245fa for its working fluids. It was confirmed that an optimal FLH pressure existed to maximize efficiency of the ORC with a FLH. A correlation was developed to predict the optimal FLH pressure as a function of evaporation and condensation pressure and its average absolute deviation was 0.505%. The efficiency enhancement of the basic ORC with a FLH was higher than that with a regenerator. It was presented that the basic ORC efficiency could be improved more than 10% by a FLH with $30^{\circ}C$ condensation and over $110^{\circ}C$ evaporation temperatures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 급액가열기를 사용하는 경우 터빈에서 급액가열기로 공급되는 과열증기의 압력에 따라 시스템의 효율이 달라지지만, 이에 관한 연구도 미진하다. 따라서 본 논문에서는 기본 ORC, 급액가 열기 또는 재생기를 적용한 ORC의 효율을 비교하였으며, 급액가열기 압력변화에 따른 ORC의 효율 변화, 최적 급액가열기 압력에 대한 결과 및 최적압력을 계산하는 상관식을 제시하였다. 작동유체로는 R113, R123, R245fa, R245ca, isobutane, R227ea, 그리고 R134a를 고려하였다.
본 연구에서 기본 ORC, 급액가열기 적용 ORC, 재생기 적용 ORC에 대해 이상적인 작동조건에서 열역학적 효율을 비교, 분석하였다. 기본 ORC에서 저온의 열원을 활용하는 경우 작동유체 R113, R123, R245ca, R245fa 순서로 효율이 우수하였다.

가설 설정

가정된 효율은 기존의 ORC 효율예측을 위해 발표된 문헌(1, 3-6)에서 터빈과 펌프의 등 엔트로피 효율이 75∼85% 범위 값으로 주어져 있음에 근거하였다.
ORC 해석은 기본적인 열역학 1법칙 효율을 위주로 실시되었다. 시스템은 정상상태로 작동한다고 가정하였으며, 증발기와 응축기 내부에서의 압력강하는 무시하였다. 펌프와 터빈의 입구에서 작동유체는 각각 포화액체 및 포화증기 상태로 고려하였다.
이러한 영역에서 온도를 증가시키면 터빈 출구에서의 엔탈피 증가가 없기 때문에 재생 가능한 엔탈피의 증가가 없어 기본 ORC 효율에 비해 추가적인 향상을 갖지 못하게 된다. 이러한 영역보다 높은 온도의 증발조건을 갖는 ORC 작동은 포화증기 상태에서 터빈 내에서 팽창하며 액체-증기 2상 영역을 동반하고 터빈에 손상을 줄 우려가 존재하므로 본 연구에서 고려하지 않았다.
재생기의 효율을 이상적 상태인 100%에서 시작하여 85%, 70%까지 변화시키며 ORC 효율에 미치는 영향을 예측하였다. 작동유체의 응축온도는 공랭식의 2차 유체에 의해 냉각되는 시스템을 가정하여 30℃로 고정하였다. 80℃∼400℃ 영역의 열원을 사용하는 ORC의 특성을 고려하여 작동유체의 증발온도는 50℃에서 시작하여, 각 유체의 포화증기 엔트로피가 온도증가에 따라 감소하기 직전의 영역까지 변화시키며 시스템의 효율변화를 계산하였다.
펌프와 터빈의 입구에서 작동유체는 각각 포화액체 및 포화증기 상태로 고려하였다. 터빈과 펌프의 등엔트로피 효율은 각각 80%와 85%로 가정하였다. 가정된 효율은 기존의 ORC 효율예측을 위해 발표된 문헌^{(1, 3-6)}에서 터빈과 펌프의 등 엔트로피 효율이 75∼85% 범위 값으로 주어져 있음에 근거하였다.

제안 방법

80℃∼400℃ 영역의 열원을 사용하는 ORC의 특성을 고려하여 작동유체의 증발온도는 50℃에서 시작하여, 각 유체의 포화증기 엔트로피가 온도증가에 따라 감소하기 직전의 영역까지 변화시키며 시스템의 효율변화를 계산하였다.
가정된 효율은 기존의 ORC 효율예측을 위해 발표된 문헌^{(1, 3-6)}에서 터빈과 펌프의 등 엔트로피 효율이 75∼85% 범위 값으로 주어져 있음에 근거하였다. 재생기의 효율을 이상적 상태인 100%에서 시작하여 85%, 70%까지 변화시키며 ORC 효율에 미치는 영향을 예측하였다. 작동유체의 응축온도는 공랭식의 2차 유체에 의해 냉각되는 시스템을 가정하여 30℃로 고정하였다.

대상 데이터

따라서 본 논문에서는 기본 ORC, 급액가 열기 또는 재생기를 적용한 ORC의 효율을 비교하였으며, 급액가열기 압력변화에 따른 ORC의 효율 변화, 최적 급액가열기 압력에 대한 결과 및 최적압력을 계산하는 상관식을 제시하였다. 작동유체로는 R113, R123, R245fa, R245ca, isobutane, R227ea, 그리고 R134a를 고려하였다.

이론/모형

그밖에도 작동유체로 Isobutane과 R227ea를 적용한 연구,⁽⁶⁾ R134a를 적용한 연구⁽¹⁾가 있었다. 작동유체의 상태량은 REFPROP⁽⁸⁾을 이용하여 구하였으며, 본 연구에서 고려된 작동유체에 대한 간단한 상태량이 Table 1에 제시되었다.

성능/효과

(3)는 약 90℃의 온수를 열원으로 하는 경우 기본 ORC의 최적 작동유체는 R123이며 시스템 전체 효율은 6∼10%라 언급하였다.
2～Fig. 4를 통해 상대적으로 높은 효율을 갖는 작동유체가 존재함을 확인하였다. R113은 규제물질이므로, 본 연구에서 ORC 효율은 R123, R245ca, 그리고 R245fa를 위주로 분석되었다.
급액가열기와 다르게 재생기를 이용한 ORC의 효율증가는 작동유체에 따라 크게 달라짐을 알 수 있다. Fig. 10에서 R245ca 적용 기본 ORC는 재생기를 적용하는 경우 다른 작동유체를 적용하는 ORC에 비해 상대적으로 높은 성능향상을 기대할 수 있음을 보여주며, 특히 100% 효율의 이상적인 재생기 성능을 가정한 경우 급수가열기를 적용한 경우와 유사한 성능향상을 달성할 수 있음을 보여준다.
4를 통해 상대적으로 높은 효율을 갖는 작동유체가 존재함을 확인하였다. R113은 규제물질이므로, 본 연구에서 ORC 효율은 R123, R245ca, 그리고 R245fa를 위주로 분석되었다.
기본 ORC에서 저온의 열원을 활용하는 경우 작동유체 R113, R123, R245ca, R245fa 순서로 효율이 우수하였다. 급액가열기 적용 ORC의 경우 급액가열기의 압력에 따라 시스템의 효율이 달라지므로 작동 시 증발압력과 응축압력의 조건에 따라 효율을 최대화하는 최적의 압력이 존재함을 확인하였다. 수치적 분석을 통해 R123, R245ca, R245fa에 대해 증발 및 응축압력이 정해진 경우, 효율을 최대화 하는 최적압력을 계산하는 상관식을 제시하였으며 상관식은 0.
505%의 평균절대편차를 가졌다. 급액가열기를 적용하는 경우가 재생기를 사용하는 경우에 비해 기본 ORC의 효율을 높이는 효과가 우수하였고, 응축온도 30℃ 조건에서 증발온도가 110℃ 이상인 경우 10% 이상의 성능향상을 기대할 수 있음을 보였다. 재생기의 사용은 작동유체의 종류에 따라 성능향상의 효과가 달라짐을 확인하였으며, 본 연구에서는 R245ca를 적용한 기본 ORC가 재생기 적용 시 다른 작동유체에 비해 더 높은 성능향상을 가질 수 있음을 확인하였다.
증발압력이 증가함에 따라 급액가열기의 최적압력도 상승하고 있음을 보여준다. 동일 온도조건에서 증발압력은 R245fa, R245ca, R123의 순서로 높기 때문에 동일한 응축온도 조건에서 급액가열기의 최적압력 또한 같은 순서로 분포하고 있음을 확인할 수 있다.
급액가열기 적용 ORC의 경우 급액가열기의 압력에 따라 시스템의 효율이 달라지므로 작동 시 증발압력과 응축압력의 조건에 따라 효율을 최대화하는 최적의 압력이 존재함을 확인하였다. 수치적 분석을 통해 R123, R245ca, R245fa에 대해 증발 및 응축압력이 정해진 경우, 효율을 최대화 하는 최적압력을 계산하는 상관식을 제시하였으며 상관식은 0.505%의 평균절대편차를 가졌다. 급액가열기를 적용하는 경우가 재생기를 사용하는 경우에 비해 기본 ORC의 효율을 높이는 효과가 우수하였고, 응축온도 30℃ 조건에서 증발온도가 110℃ 이상인 경우 10% 이상의 성능향상을 기대할 수 있음을 보였다.
급액가열기를 적용하는 경우가 재생기를 사용하는 경우에 비해 기본 ORC의 효율을 높이는 효과가 우수하였고, 응축온도 30℃ 조건에서 증발온도가 110℃ 이상인 경우 10% 이상의 성능향상을 기대할 수 있음을 보였다. 재생기의 사용은 작동유체의 종류에 따라 성능향상의 효과가 달라짐을 확인하였으며, 본 연구에서는 R245ca를 적용한 기본 ORC가 재생기 적용 시 다른 작동유체에 비해 더 높은 성능향상을 가질 수 있음을 확인하였다.
9는 기본 ORC, 재생기 적용 ORC, 그리고 급액가열기 적용 ORC의 효율이 응축온도가 30℃로 고정된 경우 증발온도의 변화에 따라 달라지는 경향을 보여준다. 효율은 급액가열기를 적용한 ORC가 가장 높으며, 재생기의 효율이 높을수록 ORC의 효율도 높다는 것을 알 수 있다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다양한 신재생 및 폐열 에너지를 이용한 전력생산에 대한 관심이 증가하고 있는 이유는?	전 세계적으로 환경과 관련된 규제가 강화됨에 따라, 다양한 신재생 및 폐열 에너지를 이용한 전력생산에 대한 관심이 증가하고 있다. 이와 관련하여 최근 주목받는 전력생산 방법 중 하나가 유기랭킨사이클(ORC：Organic Rankine Cycle)을 활용한 발전시스템이다.
	근래 ORC에 관한 많은 연구가 이루어지고 있는 이유는?	저온의 열원으로 발전이 가능한 특성 때문에 근래 ORC에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다. Saleh et al.
	본 논문에서는 기본 ORC, 급액가 열기 또는 재생기를 적용한 ORC의 효율을 비교하였으며, 급액가열기 압력변화에 따른 ORC의 효율 변화, 최적 급액가열기 압력에 대한 결과 및 최적압력을 계산하는 상관식을 제시한 이유는?	하지만, ORC에 급액가열기 또는 재생기를 사용하는 경우 다양한 증발기 온도조건에서 시스템의 열역학적 효율 변화에 대한 정량적 비교 연구가 부족한 상황이다. 또한 급액가열기를 사용하는 경우 터빈에서 급액가열기로 공급되는 과열증기의 압력에 따라 시스템의 효율이 달라지지만, 이에 관한 연구도 미진하다. 따라서 본 논문에서는 기본 ORC, 급액가 열기 또는 재생기를 적용한 ORC의 효율을 비교하였으며, 급액가열기 압력변화에 따른 ORC의 효율 변화, 최적 급액가열기 압력에 대한 결과 및 최적압력을 계산하는 상관식을 제시하였다.

참고문헌 (8)

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상세보기
Saleh, B., Koglbauer, G., Wendland, M., and Fischer, J., 2007, Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles, Energy, Vol. 32, No. 7, pp. 1210-1221.

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Hettiarachchi, H. D. M., Golubovic, M., Worek, W. M., and Ikegami, Y., 2007, Optimum design criteria for and organic Rankine cycle using low-temperature geothermal heat sources, Energy, Vol. 32, No. 9, pp. 1698-1706.

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Heberle, F. and Bruggermann, D., 2010, Exergy based fluid selection for a geothermal organic Rankine cycle for combined heat and power generation, Applied Thermal Engineering, Vol. 30, No. 11, pp. 1326-1332.

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Bombarda, P., Invernizzi, C. M., and Pietra, C., 2010, Heat recovery from Diesel engines：A thermodynamic comparison between Kalina and ORC cycles, Applied Thermal Engineering, Vol. 30, No. 3, pp. 212-219.

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Lemmon, E. W., McLinden, M. O., and Huber, M. L., 2003, REFPROP, ver. 7.1, Physical and Chemical Properties Division, NIST, Gaithersburg, MD, U.S.A.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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