[논문]저온 열원으로부터 최대 동력을 생산하기 위한 유기랭킨사이클(ORC)에 관한 연구

김경훈; 한철호; 김기만

doi:10.7836/kses.2011.31.3.073

저온 열원으로부터 최대 동력을 생산하기 위한 유기랭킨사이클(ORC)에 관한 연구
Study on Organic Rankine Cycle (ORC) for Maximum Power Extraction from Low-Temperature Energy Source 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.31 no.3, 2011년, pp.73 - 79

김경훈 (금오공과대학교 기계공학과) , 한철호 (금오공과대학교 지능기계공학과) , 김기만 (금오공과대학교 기계시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

ORC(organic Rankine cycle) has potential of reducing consumption of fossil fuels and has many favorable characteristics to exploit low-temperature heat sources. This work analyzes performance of ORC with superheating using low-temperature energy sources in the form of sensible energy. Maximum mass flow rate of a working fluid relative to that of a source fluid is considerd to extract maximum power from the sources. Working fluids of R134a, $iC_4H_{10}$ and $C_6C_6$, and source temperatures of $120^{\circ}C$, $200^{\circ}C$ and $300^{\circ}C$ are considered in this work. Results show that for a fixed source temperature thermal efficiency increases with evaporating temperaure, however net work per unit mass of source fluid has a maximum with respect to the evaporating temperature in the range of low source temperature. Results also show that the maximum power extraction is possible with R134a for the source temperature of $120^{\circ}C$, with $iC_4H_{10}$ for $200^{\circ}C$, and with $C_6C_6$ for $300^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현열 형태의 저온 열원을 이용하여 동력을 생산하는 경우에는 공급되는 에너지로부터 최대의 동력을 생산하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 주어진 공급 열원에서 최대 동력 생산을 위한 최대 작동유체 유량으로 운전하는 것으로 해석한다. 그림 2에서는 열교환기 내에서 열원공기와 작동유체 R134a의 온도분포의 변화를 보여준다(T_S=100℃, T_E =70℃, T_L =20℃).
그런데 저등급의 열원은 대부분 현열 형태로 주어지기 때문에 기존의 랭킨 사이클과는 달리 내부 열역학적인 특성뿐만 아니라 열원 유체와의 열전달 특성이 중요하며, 열효율보다 주어진 열원으로부터 최대의 동력을 생산하는 것이 중요할 수 있다. 본 연구에서는 주어진 열원으로부터 동력을 최대로 생산할 수 있도록 열원유체에 대한 작동유체의 질량유량비가 최대가 되는 조건에서 ORC의 성능특성을 해석한다. 또한 열원온도에 따라 주어진 열원으로부터 최대의 동력을 생산할 수 있는 작동유체의 변화를 분석한다.

가설 설정

(5) 펌프와 터빈 이외에서의 압력변화는 무시한다.

제안 방법

본 연구에서는 주어진 열원으로부터 동력을 최대로 생산할 수 있도록 열원유체에 대한 작동유체의 질량유량비가 최대가 되는 조건에서 ORC의 성능특성을 해석한다. 또한 열원온도에 따라 주어진 열원으로부터 최대의 동력을 생산할 수 있는 작동유체의 변화를 분석한다.
80을 사용한다. 열원의 온도는 저온, 중온 그리고 고온의 경우로서 120℃, 200℃, 300℃의 세 경우에 대해 해석한다.

대상 데이터

본 연구에서는 작동유체로서 R134a (1,1,1,2-tetrafluoroethane), iC4H10 (isobutane), C6H6 (benzene)를 대상으로 하며 이들의 열역학적 기본적인 데이터는 표1에 주어진다.
본 연구에서의 시스템은 그림 1에서 보는 바와 같이 온도 T_S의 저온 열원 유체가 s0에서 들어와 s3로 나가며, 펌프, 예열기, 증발기, 과열기, 터빈 그리고 응축기로 구성된다. 본 연구에서 기본적인 가정은 다음과 같다.

이론/모형

또한 본 연구에서는 소수의 기초 데이터를 사용하여 다양한 물질들의 열역학적 상태량 계산에 신뢰성이 인정된 Patel-Teja의 상태 방정식을 이용하여 ORC의 열역학 상태량들을 계산하며11), 표2에 계산 예를 보여준다. 작동유체들의 온도-엔트로피 선도는 그림 3과 같으며 작동유체의 엔트로피는 -30℃에서의 값을 0으로 하여 비교하였다.

성능/효과

(1) 고정된 열원온도에서 증발온도가 증가할 수록 작동유체 단위질량당 순생산일이나 열효율이 높아진다.
(2) 터빈입구압력이 작동유체의 임계압력보다 낮으며 터빈 출구에서 작동유체는 액적이 없는 순수 증기이다.
(2) 현열 형태의 저온 열원을 사용하는 유기 랭킨사이클에서는 열효율보다 열원유체 단위질량당 순생산일이 중요할 수 있는데, 열원온도가 낮은 영역에서는 최고값을 가지는 증발온도(또는 터빈입구압력)가 존재하고, 높은 열원온도 영역에서는 증발온도에 따라 증가한다.
(3) 증발기 입구와 출구에서 작동유체는 온도 T_E의 포화액 및 포화증기이다.
그림에서 보는 바와 같이 열원 온도와 증발온도가 동일하면 터빈 출구에서 엔탈피비는 iC₄H₁₀, R134a, C₆H₆순으로 높다. 또한 동일한 증발온도에서는 열원 온도가 높아지거나, 동일한 열원 온도에서 증발온도가 낮아질수록, 터빈 입구에서 작동유체의 엔탈피비가 높아지고 터빈 출구에서의 엔탈피비도 높아진다. 그림에서 작동유체에 따라 증발온도가 증가하면 그래프가 잘리는 것은 증발온도가 임계온도를 초과하거나 또는 터빈 출구에서 건도가 1보다 밑으로 떨어지기 때문이다.
그림 6에서는 작동유체, 열원온도, 증발온도에 따른 작동유체 단위질량당 순생산일의 변화를 보여준다. 작동유체 기준 순생산일은 열원온도가 높아질수록 증가하며, 고정된 열원온도에서 증발온도가 증가할수록, 즉 증발 압력 또는 터빈입구압력이 증가할수록 증가한다. 그리고 동일 조건이라면 C₆H₆, iC₄H₁₀, R134a 순으로 크다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유기 랭킨사이클(ORC)에 관련된 연구에는 어떤 것이 있는가?	Rayegan과 Tao1)는 태양 유기 랭킨사이클에서 태양집열 효율을 70%에서 100%로 향상시키면 시스템의 엑서지 효율은 최고 5% 향상되지만 작동유체의 선정과 시스템의 비가역성 감소를 통해 엑서지 효율을 35%까지도 향상시킬 수 있음을 보였다. Dai등2)은 작동 유체에 따라 엑서지 효율을 최대로 하는 ORC의 최적조건에 대해 비교 검토하였고 Hung등3)은 열원의 온도가 매우 낮을 때 ORC의 특성을 조사하였다. Delgado-Torres등4)은 ORC를 채용한 태양열 해수 담수화 플랜트에서 장치에서의 최적운전조건에 대해서 Heberle등5)은 ORC를 채용한 지열원 열병합 플랜트에서 엑서지 효율을 기준으로 하는 최적 조건에 대해 연구하였다. Jing등6)은 ORC를 채용한 태양열 플랜트에서 연간 최고 효율을 올릴 수 있는 최적 운전 조건에 대해 조사하였으며, Lai등7)는 비교적 고온의 열원을 활용하는 ORC에 대해 연구하였다. Tchanche등8)는 SORC에서 어떤 작동유체의 열효율이 높다 하더라도 터빈 출구에서 체적 유량이 매우 커지면 플랜트 건설비용이 크게 늘어나기 때문에 작동유체로서 적합하지 않다는 사실을 지적하였다. Kim9)은 친환경적인 아홉가지 작동유체를 대상으로 다양한 관점에서 열역학적 성질들을 비교 분석하고,특히 터빈입구온도가 매우 낮아질 때의 거동을 분석하였다.
	ORC에서 작동유체로 사용하는 것은?	최근 들어 저등급 에너지를 효과적으로 활용할 수 있는 방법으로서 유기 랭킨사이클(ORC)이 세계적으로 크게 주목받고 있다. ORC에서는 작동유체로 물 대신에 냉매나 탄화수소를 주로 쓰게 되는데, 어떤 작동유체를 사용하는가와 어떤 조건으로 작동할 것인가가 시스템의 운전과 에너지 효율과 환경 문제에 큰 영향을 준다.
	열효율이란?	그림 7에서는 작동유체, 열원온도, 증발온도에 따른 시스템의 열효율의 변화를 보여준다. 열효율은 외부 열원으로부터 흡수한 열량 중 순생산일의 비율로 정의되며, 주어진 열원 온도에서 증발온도가 높아질수록 증가한다. 하지만 고정된 증발온도, 즉 터빈입구압력에서는 복잡한 경향을 보여 낮은 증발온도에서는 열원온도가 낮을수록 열효율이 높다가 열원온도가 높아지면 열원온도에 대해 최대값을 가질 수 있다.

참고문헌 (12)

Rayegan R, Tao Y.X, A procedure to select working fluids for Solar Organic Rankine Cycles (ORCs), Renewable Energy, Vol.36, 2011, pp.659-670

상세보기
Dai Y, Wang J, Gao L, Parametric optimization and comparative study of organic Rankine cycle (ORC) for low grade waste heat recovery, Energy Convs. Mgmt., Vol.50, 2009, pp.576-582.

상세보기
Hung T.C, Wang S.K, Kuo C.H, Pei B.S, Tsai K.F, A study of organic working fluids on system efficiency of an ORC using low-grade energy sources, Energy, Vol.35, 2010, pp.1403-1411

상세보기
Delgado-Torres A.M, Garcia-Rodriguez, Analysis and optimization of the lowtemperature solar organic Rankine cycle (ORC), Energy Convs. Mgmt, Vol.51, 2010, pp.2846-2856.

상세보기
Heberle F,Brueggemann D,Exergy based fluid selection for a geothermal organic Rankine cycle for combined heat and power generation, Applied Thermal Eng., Vol.30, 2010, pp.1326-1332.

상세보기
Jing L,Gang P,Jie J,Optimization of low temperature solar thermal electric generation with organic Rankine cyclein different areas, Applied Energy, Vol.87, 2010, pp. 3355-3365

상세보기
Lai N.A, Wendland M, Fisher J, Working fluids for high temperature organic Rankine cycle, Energy, Vol.36, 2011, pp.199-211

상세보기
Tchanche B.F, Papadakis G, Frangoudakis A, Fluidselection for a low-temperature solar organic Rankine cycle, Applied Thermal Eng., Vol.29, 2009, pp.2468-2476.

상세보기
김경훈, 작동유체에 따른 유기랭킨사이클 (ORC)의 열역학적 성능에 관한 연구,수소및신에너지학회논문집, Vol.22, 2011, pp. 223-231.
Gao J, LiL. D, Zhu Z.Y, Ru S.G, Vapor liquid equilibria calculation for a symmetric systemsusing Patel-Tejaequation of state with a new mixingrule, Fluid Phase Equilibria, Vol.224, 2004, pp.213-219

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

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