본 논문은 R744용 해양온도차 발전 시스템의 운전변수에 대한 최적의 설계를 위해서 엑서지효율을 이론적으로 분석하였다. 본 연구에서 고려된 작동변수로는 과열도와 과냉각도, 증발온도와 응축온도, 터빈과 펌프 효율 등이다. 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다. R744용 해양온도차 발전 사이클의 증발온도, 과열도, 터빈효율, 펌프효율이 증가할수록 엑서지 효율은 증가한다. 그러나 응축온도와 과냉각도는 증가할수록 엑서지 효율이 감소한다. 이 중에서 증발온도의 변화가 R744용 해양온도차 발전 사이클의 엑서지 효율에 가장 크게 영향을 미치고, 펌프효율이 가장 적게 영향을 미친다. 따라서 R744용 해양온도차 발전 사이클의 엑서지 효율을 증가시키기 위해서는 증발온도를 표층수 온도에 가장 근접하게 증가시키는 것이 유리하다.
본 논문은 R744용 해양온도차 발전 시스템의 운전변수에 대한 최적의 설계를 위해서 엑서지효율을 이론적으로 분석하였다. 본 연구에서 고려된 작동변수로는 과열도와 과냉각도, 증발온도와 응축온도, 터빈과 펌프 효율 등이다. 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다. R744용 해양온도차 발전 사이클의 증발온도, 과열도, 터빈효율, 펌프효율이 증가할수록 엑서지 효율은 증가한다. 그러나 응축온도와 과냉각도는 증가할수록 엑서지 효율이 감소한다. 이 중에서 증발온도의 변화가 R744용 해양온도차 발전 사이클의 엑서지 효율에 가장 크게 영향을 미치고, 펌프효율이 가장 적게 영향을 미친다. 따라서 R744용 해양온도차 발전 사이클의 엑서지 효율을 증가시키기 위해서는 증발온도를 표층수 온도에 가장 근접하게 증가시키는 것이 유리하다.
This paper describes an analysis on exergy efficiency of R744 OTEC power system to optimize the design for the operating parameters of this system. The operating parameters considered in this study include subcooling and superheating degree, evaporation and condensation temperature, and turbine and ...
This paper describes an analysis on exergy efficiency of R744 OTEC power system to optimize the design for the operating parameters of this system. The operating parameters considered in this study include subcooling and superheating degree, evaporation and condensation temperature, and turbine and pump efficiency, respectively. The main results are summarized as follows : As the evaporation temperature, superheating degree, and turbine and pump efficiency of R744 OTEC power system increases, the exergy efficiency of this system increases, respectively. But condensation temperature and subcooling degree of R744 OTEC power system increases, the exergy efficiency of this system decreases, respectively. The effect of evaporation temperature and pump efficiency on R744 OTEC power system is the largest and the lowest among operation parameters, respectively. Therefore, the refrigerant temperature in the evaporator must be closely to the surface seawater temperature to enhance the exergy efficiency of R744 OTEC power system.
This paper describes an analysis on exergy efficiency of R744 OTEC power system to optimize the design for the operating parameters of this system. The operating parameters considered in this study include subcooling and superheating degree, evaporation and condensation temperature, and turbine and pump efficiency, respectively. The main results are summarized as follows : As the evaporation temperature, superheating degree, and turbine and pump efficiency of R744 OTEC power system increases, the exergy efficiency of this system increases, respectively. But condensation temperature and subcooling degree of R744 OTEC power system increases, the exergy efficiency of this system decreases, respectively. The effect of evaporation temperature and pump efficiency on R744 OTEC power system is the largest and the lowest among operation parameters, respectively. Therefore, the refrigerant temperature in the evaporator must be closely to the surface seawater temperature to enhance the exergy efficiency of R744 OTEC power system.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 EES(Engineering Equation Solver)[12] 프로그램을 이용하여 R744 냉매를 적용한 해양온도차 발전시스템을 모사하고 이를 통해 해양온도차 발전시스템에 대한 기초 설계 자료를 제공하고자 한다. 이를 위해 R744 냉매용 해양 온도차 발전시스템의 실제 성능 척도인 제 2법칙 효율(second law efficiency)을 이용하여 각각의 변수에 대한 영향을 분석하였다.
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치(엔탈피, 엔트로피, 압력, 온도 등)와 엑서지 분석은 EES 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. R744 냉매를 적용한 해양온도차 발전 사이클의 엑서지 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
제안 방법
Table 3에서 성능 분석범위는 R744용 해양온도차 발전 사이클의 일반적인 운전조건이다. R744용 해양온도차 발전 사이클의 개략도와 상태점을 나타낸 Figure 1과 운전조건을 나타낸 Table 3의 분석 범위로부터 Table 1과 2의 수식을 계산하고 이렇게 나온 결과값을 이용하여 R744A용 해양온도차 발전 사이클의 제 2법칙 효율에 영향을 미치는 인자들에 대해서 살펴보고자 한다.
본 논문에서 사용되는 냉매의 열역학적 물성치(엔탈피, 엔트로피, 압력, 온도 등)와 엑서지 분석은 EES 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. R744 냉매를 적용한 해양온도차 발전 사이클의 엑서지 분석을 위해 다음과 같이 가정하였다.
지금까지 R744용 해양온도차 발전 시스템의 엑서지 효율에 영향을 미치는 과열도(ΔTsuh), 과냉각도(ΔTsuc), 응축온도(Tc), 증발온도(Te), 터빈효율(ηt), 펌프효율(ηp) 등의 인자들에 대해서 Table 3의 운전조건에서 살펴보았다.
이론/모형
따라서 본 논문에서는 EES(Engineering Equation Solver)[12] 프로그램을 이용하여 R744 냉매를 적용한 해양온도차 발전시스템을 모사하고 이를 통해 해양온도차 발전시스템에 대한 기초 설계 자료를 제공하고자 한다. 이를 위해 R744 냉매용 해양 온도차 발전시스템의 실제 성능 척도인 제 2법칙 효율(second law efficiency)을 이용하여 각각의 변수에 대한 영향을 분석하였다.
성능/효과
(1) R744용 해양온도차 발전 사이클의 증발온도, 과열도, 터빈효율, 펌프효율이 증가할수록 엑서지 효율은 증가한다. 그러나 응축온도와 과냉각도는 증가할수록 엑서지 효율이 감소한다.
(2) 이러한 작동변수들 중에서 증발온도의 변화가 R744용 해양온도차 발전 사이클의 엑서지 효율에 가장 크게 영향을 미치고, 펌프효율이 가장 적게 영향을 미친다. 따라서 R744용 해양온도차 발전 사이클의 엑서지 효율을 증가시키기 위해서는 증발온도를 표층수 온도에 가장 근접하게 증가시키는 것이 가장 유리하다.
그러나 응축온도와 과냉각도는 증가할수록 엑서지 효율이 감소한다. 따라서 R744용 해양온도차 발전 사이클의 엑서지 효율은 증발온도, 과열도, 터빈효율, 펌프효율, 응축온도, 과냉각도에 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다.
그리고 Figure 3에서 최적화된 R744용 해양온도차 발전 사이클의 엑서지 효율은 수직 실선으로 표시된 것으로, 이는 Table 3의 운전조건에서 기준값(Reference value)을 근거로 계산한 값이다. 따라서 최적화된 사이클의 엑서지 효율(증발온도 20℃시의 효율)은 최소값(증발온도 15℃시의 효율)에 비해서 89.5% 정도 증가되는 것을 알 수 있다.
이는 식 (2)에서와 같이 각 구성기기의 EDF를 모두 합친 EDFtotal이 증가하기 때문이다. 즉, 응축온도가 증가할수록 펌프와 터빈의 EDF는 일정한 반면, 증발기와 응축기의 EDF는 증가하는데, 이 중에서 응축기의 EDF가 가장 큰 비율로 증가한다. 그 이유는 응축온도가 증가할수록 응축기의 비가역성이 증가하여 엑서지 파괴인자(EDFc)가 증가하기 때문이다.
이는 식 (2)에서와 같이 각 구성기기의 EDF를 모두 합친 EDFtotal이 감소하기 때문이다. 즉, 증발온도가 증가할수록 펌프와 터빈의 EDF는 일정한 반면, 증발기와 응축기의 EDF는 감소하는데, 이 중에서 증발기의 EDF가 가장 큰 비율로 감소한다. 그 이유는 증발온도가 증가할수록 증발기의 비가역성이 감소하여 엑서지 파괴인자(EDFe)가 감소하기 때문이다.
이는 식 (2)에서와 같이 각 구성기기의 EDF를 모두 합친 EDFtotal이 감소하기 때문이다. 즉, 터빈효율이 증가할수록 펌프의 EDF는 일정한 반면, 터빈, 증발기, 응축기의 비가역성 감소로 인해 모든 EDF가 감소한다. 이 중에서 터빈의 EDF가 가장 큰 비율로 감소한다.
후속연구
따라서 R744용 해양온도차 발전 사이클의 엑서지 효율을 증가시키기 위해서는 증발온도를 표층수 온도에 가장 근접하게 증가시키는 것이 가장 유리하다. 그리고 본 시스템의 엑서지 효율을 향상시키기 위해서는 반드시 각 구성품의 엑서지 손실을 파악해야 하며 이를 통해 엑서지 손실을 최소화하여 R744용 해양온도차 발전 사이클이 최대 효율을 나타낼 수 있도록 해야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해양온도차 발전이란 무엇인가?
최근 들어 지구환경 문제로 인해 해양온도차(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC) 발전에 대한 연구가 전세계적으로 다양하게 진행되고 있는 실정이다. 여기서, 해양온도차 발전이란 해양의 25℃ 표층수와 5℃의 심층수의 온도차(해양온도차), 즉, 이 온도차를 랭킨사이클에 적용하면 터빈으로부터 동력을 얻을 수 있고, 이 동력을 발전기 구동에 사용하면 전기를 생산할 수 있는 기술을 말한다. 이 기술을 적용한 시스템을 해양온도차 발전사이클 (OTEC power cycle)이라고 한다.
본 연구에서 응축기의 EDF가 가장 큰 비율로 증가한 이유는?
즉, 응축온도가 증가할수록 펌프와 터빈의 EDF는 일정한 반면, 증발기와 응축기의 EDF는 증가하는데, 이 중에서 응축기의 EDF가 가장 큰 비율로 증가한다. 그 이유는 응축온도가 증가할수록 응축기의 비가역성이 증가하여 엑서지 파괴인자(EDFc)가 증가하기 때문이다. 그리고 Figure 4에서 최적화된 사이클의 엑서지 효율(응축온도 10℃시의 효율)은 최소값(응축온도 15℃시의 효율)에 비해서 97.
프레온계 냉매를 더 이상 사용할 수 없는 이유는?
기존의 해양온도차 발전시스템에 적용되고 있는 프레온계 냉매는 지구온난화와 오존층 파괴로 인해 향후 더 이상 사용할 수가 없다. 그러므로 이를 대체할 수 있는 대체 냉매의 개발과 적용 가능성에 대한 연구가 절실한 실정이다[2].
참고문헌 (12)
H. S. Lee, H. J. Kim, D. H. Jung et al., "A study on the improvement for cycle efficiency of closed-type OTEC", Journal of the Korea Society of Marine Engineering, vol. 25, no. 1, pp. 80-84, 2011 (in Korean).
J. I. Yoon, C. H. Son, S. M. Baek et al., "Performance characteristic of R744 OTEC power cycle with operation parameters", Journal of the Korea Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 5, pp. 10-14, 2012 (in Korean).
C. H. Son, H. K. Oh, "Heat exchanger for heat pump using $CO_2$ ", Journal of the Korea Society of Marine Engineering, vol. 32, no. 1, pp. 10-14, 2008 (in Korean).
C. H. Tseng, K. Kao, Y. Yang, et al., "Optimal design of a pilot OTEC power plant in Taiwan", J. Energy Resour. Technology, vol. 113, pp. 294-299, 1991.
N. J. Kim, C. N. Kim, W. Chun, "Using the condenser effluent from a nuclear power plant for Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC)", International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 36, pp. 1008-1013, 2009.
T. J. Rabas, C. B. Panchal, H. C. Stevens, "Integration and optimization of the gas removal system for hybrid-cycle OTEC power plants", Journal of Solar Energy Engineering, vol. 112, pp. 19-28, 1990.
H. Uehara, A. Miyara, Y. Ikegami, T. Nakaoka, "Performance analysis of an OTEC plant and a desalination plant using an integrated hybrid cycle", Journal of Solar Energy Engineering, vol. 118, pp. 115-122, 1996.
Z. Shengjun, W. Huaixin, G. Tao, "Performance comparison and parametric optimization of subscritical organic rankine cycle(ORC) and transcritical power cycle system for low-temperature geothermal power generation", Applied Energy, vol. 88, pp. 2740-2754, 2011.
A. Kazim, "Hydrogen production through an ocean thermal energy conversion system operating at an optimum temperature drop", Applied Thermal Engineering, vol. 25, pp. 2236-2246, 2005.
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