[논문]유기랭킨사이클을 이용한 병렬 열병합 발전시스템의 열역학적 이론 성능 특성

김경훈

doi:10.7836/kses.2011.31.6.049

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In this study a novel cogeneration system driven by low-temperature sources at a temperature level below $190^{\circ}C$ is investigated by first and second laws of thermodynamics. The system consists of Organic Rankine Cycle(ORC) and an additional heat generation as a parallel circuit. Se...

In this study a novel cogeneration system driven by low-temperature sources at a temperature level below $190^{\circ}C$ is investigated by first and second laws of thermodynamics. The system consists of Organic Rankine Cycle(ORC) and an additional heat generation as a parallel circuit. Seven working fluids of R143a, R22, R134a, R152a, $iC_4H_{10}$(isobutane), $C_4H_{10}$(butane), and R123a are considered in this work. Maximum mass flow rate of a working fluid relative to that of the source fluid and optimum turbine inlet pressure are considered to extract maximum power from the source. Results show that due to a combined heat and power generation, both the efficiencies by first and second laws can be significantly increased in comparison to a power generation, however, the second law efficiency is more resonable in the investigation of cogeneration systems. Results also show that the working fluid for the maximum system efficiency depends on the source temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 태양에너지나 지열 등의 저등급 열원을 이용한 열병합 ORC에서 작동유체에 따른 시스템의 성능 특성에 대해 분석한다. 주어진 열원으로부터 최대 동력을 생산하기 위한 터빈입구압력 조건에 대해 조사하고, 동력 생산과 공정열이 병렬로 연결되었을 때 엑서지 해석을 기초로 하여 ORC 및 열병합 전체 시스템에서 공정열비와 열원온도의 변화에 따른 시스템의 성능 특성의 변화에 대해 분석한다.

가설 설정

(4) 펌프와 터빈 이외 압력변화는 무시한다.
저온 열원을 활용하는 ORC에서 작동유체의 과열은 열교환기에서 비가역성의 증가를 초래하고 이는 엑서지 효율의 감소로 이어질 수 있기 때문에13) 본 연구에서는 터빈 입구에서의 작동유체는 포화증기로 가정한다12). 또한 최근들어 터빈입구압력이 작동유체의 임계 압력을 초과하는 초임계 (supercritical) 또는 천이임계 (transcritical) ORC 시스템3-4)에 대한 관심이 높아지고 있으나 아직 이들에 대한 연구는 초기 단계라 할 수 있다.

제안 방법

본 연구에서 시스템 주요 변수들의 기본값으로 Ts0= 120℃, TL = 25℃, ηp = 0.75, ηt = 0.75, Tsupply = 75℃, Treturn = 50℃, ΔTpp = 5℃, T0 = 288.15K를 사용한다.
본 연구에서는 그림 1에서 보는 바와 같이 저온 열원을 이용하여 전기를 생산하는 ORC와 공정열이 병렬로 연결된 열병합 시스템을 고려한다. 온도 T_S0의 열원 유체 1kg이 공급될 때 공정열에 β kg이 공급되고 나머지 1-β kg은 ORC에 공급하며 ORC는 펌프, 예열기, 증발기, 터빈 그리고 응축기로 구성된다.
본 연구에서는 태양에너지나 지열 등의 저등급 열원을 이용한 열병합 ORC에서 작동유체에 따른 시스템의 성능 특성에 대해 분석한다. 주어진 열원으로부터 최대 동력을 생산하기 위한 터빈입구압력 조건에 대해 조사하고, 동력 생산과 공정열이 병렬로 연결되었을 때 엑서지 해석을 기초로 하여 ORC 및 열병합 전체 시스템에서 공정열비와 열원온도의 변화에 따른 시스템의 성능 특성의 변화에 대해 분석한다. 특히 열원 온도에 따라 최적의 엑서지 효율을 보이는 작동유체가 달라지는 사실을 보인다.

대상 데이터

본 연구에서는 작동유체로서 R143a, R22, R134a, R152a, iC₄H₁₀(isobutane), C₄H₁₀(butane), R123 등 일곱가지 물질을 대상으로 하는데 여기에서 작동유체는 임계온도가 낮은 순이다. 또한 본 연구에서는 소수의 기초 데이터를 사용하여 다양한 물질들의 열역학적 상태량 계산에 신뢰성이 인정된 Patel-Teja의 상태방정식을 이용하여 ORC의 열역학 상태량들을 계산한다^1,14).
또한 최근들어 터빈입구압력이 작동유체의 임계 압력을 초과하는 초임계 (supercritical) 또는 천이임계 (transcritical) ORC 시스템3-4)에 대한 관심이 높아지고 있으나 아직 이들에 대한 연구는 초기 단계라 할 수 있다. 본 연구에서는 터빈입구압력이 작동유체의 임계압력에 비해 낮게 유지되는 아임계 (subcritical) 사이클을 대상으로 하며, 임계압 근방에서 열교환기의 운전 특성 때문에 터빈입구압력 PH는 임계압력의 90% 이내로 제한한다12). 기타 기본적인 가정은 다음과 같다.

이론/모형

(butane), R123 등 일곱가지 물질을 대상으로 하는데 여기에서 작동유체는 임계온도가 낮은 순이다. 또한 본 연구에서는 소수의 기초 데이터를 사용하여 다양한 물질들의 열역학적 상태량 계산에 신뢰성이 인정된 Patel-Teja의 상태방정식을 이용하여 ORC의 열역학 상태량들을 계산한다^1,14).

성능/효과

(1)고정된 열원온도에서 시스템의 열효율은 터빈입구압력에 따라 증가하지만 엑서지 효율은 터빈입구압력에 대해 최적값을 가지며, 최적 터빈입구압력 조건에서 엑서지 효율은 열원온도에 대해 최적값을 갖는다.
(2) 예열기, 증발기, 공정열교환기 등의 열교환기에서 고온 유체와 저온 유체의 최소 온도차는 핀치포인트 ΔTpp로 운전된다.
(2)열원온도가 182℃, 165℃, 145℃, 135, 125℃, 95℃로 낮아지면 엑서지 효율이 최대가 되는 작동유체는 각각 C₄H₁₀, iC₄H₁₀, R152a, R134a, R22 및 R143a로서 작동유체의 임계온도가 낮아지며 최고 엑서지 효율은 각각 62%, 60%, 55%, 53%, 50%, 40%가 된다.
(3) 공정열은 공급온도 T_supply로 공급돼서 회수온도 T_return으로 회수된다.
(3)공정열비가 높아질수록 시스템의 엑서지 효율이 높아지나 임계온도가 높은 작동 유체의 경우 열원온도가 높아질수록 공정열비에 따른 차이는 감소한다.
이는 ORC시스템의 엑서지 효율이 순생산일에 대한 열원유체에 의한 엑서지 공급량의 비로 정의되는데, 열원 온도가 상승함에 따라 시스템의 공급도 증가하지만 순생산일도 증가하며, 순생산일은 그림 5에서 보는 바와 같이 그 상승률이 열원온도가 높아지면 낮아지기 때문이다. 또한 순생산일이나 엑서지 효율은 낮은 열원온도에서는 임계온도가 낮은 작동유체가 크고 높은 열원온도에서는 그 반대가 되어, 열원온도에 따라 가장 큰 출력이나 높은 엑서지 효율을 내는 작동유체가 달라짐을 알 수 있다.

후속연구

현재 에너지에 관련된 가장 주된 문제의 하나가 미래의 전기 수요에 어떻게 대처할 것인가인데, 태양에너지나 지열 등 신재생 에너지 활용의 확대가 이 수요를 대처하는 데에 큰 역할을 할 것으로 기대하고 있다. 하지만 지금까지 많은 종류의 신재생 에너지가 개발되고 있으나 경제성 확보가 쉽지 않으며 환경문제 등 많은 문제들이 산적해 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지에 관련된 주된 문제 중 하나는 무엇인가?	현재 에너지에 관련된 가장 주된 문제의 하나가 미래의 전기 수요에 어떻게 대처할 것인가인데, 태양에너지나 지열 등 신재생 에너지 활용의 확대가 이 수요를 대처하는 데에 큰 역할을 할 것으로 기대하고 있다. 하지만 지금까지 많은 종류의 신재생 에너지가 개발되고 있으나 경제성 확보가 쉽지 않으며 환경문제 등 많은 문제들이 산적해 있다.
	신재생 에너지들의 문제는 무엇인가?	현재 에너지에 관련된 가장 주된 문제의 하나가 미래의 전기 수요에 어떻게 대처할 것인가인데, 태양에너지나 지열 등 신재생 에너지 활용의 확대가 이 수요를 대처하는 데에 큰 역할을 할 것으로 기대하고 있다. 하지만 지금까지 많은 종류의 신재생 에너지가 개발되고 있으나 경제성 확보가 쉽지 않으며 환경문제 등 많은 문제들이 산적해 있다. 저등급 열원을 사용하는 신재생 에너지 시스템의 경제성을 획기적으로 올릴 수 있는 방법 중의 하나가 유기랭킨사이클을 이용한 열병합 발전이다.

참고문헌 (16)

김경훈, 한철호, 김기만, 저온열원으로부터 최대 동력을 생산하기 위한 유기랭킨사이클(ORC)에 관한 연구, 한국태양에너지학회논문집, Vol. 31, 2011, pp.73-79.
Kim K. H,Thermodynamic performance of regenerative organic Rankine cycles, WASET, 2011, in printing.
Kim K. H, Effects of superheating on thermodynamic performance of organic Rankine cycles, WASET, Vol. 78, 2011, pp. 422-425.
Kim K. H, Han C.H, Analysis of transcritical organic Rankine cycles for low-grade heat conversion, Advanced Science Letters, 2011, in printing.
Dresher U, Brueggemann D, Fluid selection for the organic Rankine cycle (ORC) in biomass power and heat plants, App. Therm. Eng., Vol. 27, 2007, pp. 223-228

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Desai N. B, Bandyopadhyay S, Process integration of organic Rankine cycle, Energy, Vol. 34, 2009, pp. 1674-1686.

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Wang J, Dai Y,Gao L, Exergy analysis and parametric optimization for different cogeneration power plants in cement industry, App.Energy, Vol. 86, 2009, pp. 941-948.

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Mago P. J, Hueffed A, Chamra L.M, Analysis and optimization of the use of CHP-ORC systems for small commercial buildings, Energy and Buildings, Vol. 42, 2010, pp. 1491-1498.

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Guo T, Wang H. X, Zhang S. J, Fluids and parameters optimization for a novel cogeneration system driven by low-temperature geothermal sources, Energy, Vol. 36, 2011, pp. 2639-2649.

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Guo T, Wang H. X, Zhang S. J, Selection of working fluids for a novel low-temperature geothermally- powered ORC based cogeneration system, Energy Convs. Mgmt., Vol. 52, 2011, pp. 2384-2391.

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Raj N.T, Iniyan S, Goic R, A review of renewable energy based co-generation technologies, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 15, 2011, pp. 3640-3648.
Heberle F, Brueggemann D, Exergy based fluid selection for a geothermal organic Rankine cycle for combined heat and power generation, App. Therm. Eng., Vol. 30, 2010, pp. 1326-1332.

상세보기
Mago P. J, Chamra L. M, Srinivasan K, Somayaji, An examination of regenerative organic Rankine cycles using dry fluids, App. Therm. Eng., Vol. 28, 2008, pp. 998-1007.

상세보기
Gao J, Li L. D, Zhu Z. Y, Ru S.G, Vapor-liquid equilibria calculation for asymmetric systems using Patel-Teja equation of state with a new mixing rule, Fluid Phase Equilibria, Vol. 224, 2004, pp. 213-219.

상세보기
Cengel Y. A, Boles M.A, Thermo-dynamics, an engineering approach, 7th., McGraw-Hill, 2008
Yaws C. L, Chemical properties handbook, McGraw-Hill, 1999.

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