[논문]저온열원의 특성에 따른 ORC 성능해석 최적화 연구

엄홍선; 윤천석; 김영민; 신동길; 김창기

doi:10.6110/kjacr.2012.24.1.051

저온열원의 특성에 따른 ORC 성능해석 최적화 연구
Optimization Study on the Performance Analysis of Organic Rankine Cycle for Characteristics of Low Temperature Heat Sources 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.24 no.1, 2012년, pp.51 - 60

엄홍선 (한남대학교 대학원) , 윤천석 (한남대학교 기계공학과) , 김영민 (한국기계연구원 그린동력연구실) , 신동길 (한국기계연구원 그린동력연구실) , 김창기 (한국기계연구원 그린동력연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Optimization procedures of performance analysis for ORC(Organic Rankine Cycle) system are established to the characteristics of low temperature heat sources such as open-type and closed-type. Effective heat recovery and heat extraction related to maximum power of the cycle as well as heat quality and thermal efficiency must be considered in the case of the open-type low temperature heat source. On the other hand, in the case of the closed-type low temperature heat source, only thermal efficiency is important due to constant heat input. In this study, thermal efficiency and exergy efficiency representing a level of close to Carnot cycle are studied, as useful index for the optimization of the ORC system. To validate the results of cycle analysis, those are compared with appropriate experimental data of ORC system as a thermal efficiency point of view.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

여기서 핀치점은 열원과 ORC 시스템 작동유체인 냉매의 열전달에 필요한 최소 온도 차이를 표현한 것이다. 본 연구의 목적은 저온열원의 종류에 따라 기본 사이클을 최적화하는 것으로, 사이클의 개념설계를 위하여 열교환기 및 각 배관에서의 열손실과 압력손실은 무시하였고, 작동유체의 운동에너지와 위치에너지 변화도 무시하였다. ORC 시스템에서 사용하는 펌프와 팽창기(터빈)의 등엔트로피 효율은 각각 80%로 가정하였다.

가설 설정

본 연구의 목적은 저온열원의 종류에 따라 기본 사이클을 최적화하는 것으로, 사이클의 개념설계를 위하여 열교환기 및 각 배관에서의 열손실과 압력손실은 무시하였고, 작동유체의 운동에너지와 위치에너지 변화도 무시하였다. ORC 시스템에서 사용하는 펌프와 팽창기(터빈)의 등엔트로피 효율은 각각 80%로 가정하였다. 선행연구 문헌조사에 의하면, Kane et al.
열원과 냉매의 열전달에 필요한 최소 온도 차인 핀치(Pinch) 온도차를 5℃로 가정하였고, 핀치 점은 냉매의 증발 시작점인 2’이며 이때 열원인 온 수는 ‘m’ 점으로 나타내었다.
⁽¹²⁾은 용적형 소형 스크롤 팽창기의 성능을 60～80%로, Kang⁽¹³⁾은 소형 터빈 성능을 70～80%로 발표하였다. 최적화 설계의 목표로 최대 효율을 선택하였으며, 공급되는 냉각수 입구온도는 대기온도와 같은 20℃로 가정하였다. 사용된 냉매의 물성치는 REFPROP-NIST⁽¹⁴⁾를 이용하였다.

제안 방법

개방형 저온열원과 같이 팽창기(터빈) 입구 과열도(∆T_e =T₃ - T_{sat, 3})가 증가할수록 ORC 발전 출력이 감소하므로, 과열도(∆T_e )를 최소치인 5℃로 동일하게 적용하였다. 핀치점을 기준으로한 에너지 평형식(8)과 식(9)로부터, 핀치점(냉매의 증발온도 T_2′)과 냉매의 유량(#)이 결정되어 최적 사이클의 성능이 계산된다.
개방형 저온열원의 경우, 지열원과 같이 100℃로 버려지는 온수와 1 kg/s의 질량유량을 선택하였고, 최대 출력 관점에서 ORC 시스템의 최적화를 수행하였다. 열원과 냉매의 열전달에 필요한 최소 온도 차인 핀치(Pinch) 온도차를 5℃로 가정하였고, 핀치 점은 냉매의 증발 시작점인 2’이며 이때 열원인 온 수는 ‘m’ 점으로 나타내었다.
본 연구에서는 이용되는 저온열원을 개방형(opentype)과 순환형(closed-type)으로 분류하였고, 이에 따른 사이클 최적화 방법의 차이를 비교하였다. 대표적으로 개방형 저온 열원인 100℃로 버려지는 온수와 순환형 저온열원인 100℃에서 80℃로 냉각되어 순환하는 온수에 대해 R-134a를 작동유체로 사용하는 유기랭킨 사이클 최적화 방법을 에너지 및 엑서지 분석을 통해 비교하였다. 본 연구로부터 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
개방형 저온 열원과는 달리 엔진 냉각수, 태양열, 난방열 등과 같이 발생 열원으로부터 일정한 열을 공급받으면서 순환하는 저온열원의 경우, 발생열량은 동일하므로 이용되는 저온 열원의 입출구 온도 차를 작게 하여 가능한 열원의 온도를 높게 유지하면서 발전을 하는 것이 효율 측면에서 유리하다. 먼저 순환형 저온열원으로 100℃에서 80℃로 냉각되어 순환하는 온수와 유량 1 kg/s을 선택하여 최대 출력을 얻기 위한 ORC 최적화 연구를 수행하였다.
사용된 냉매의 물성치는 REFPROP-NIST⁽¹⁴⁾를 이용하였다. 미국 Wisconsin 대학 Solar Energy Lab에서 개발한 비선형 대수 방정식을 수치적으로 풀 수 있는 프로그램인 EES⁽¹⁵⁾에 내장된 열물성 자료를 이용하여 ORC 사이클 해석과 사이클 최적화 연구를 수행하였다. ORC 시스템해석을 위하여 각 구성품에 관련된 방정식은 다음과 같다.
그러나 폐열원 순환 매체의 펌핑 에너지와 열교환 측면에서 어느 정도의 온도차를 유지하는 것이 바람직하다. 본 연구에서 개방형 저온열원으로는 100℃로 버려지는 온수를, 순환형 저온열원으로는 100℃에서 80℃로 냉각되어 순환하는 온수를 각각 선정하여 ORC 시스템의 최적화 방법을 기술하였으며, 에너지 및 엑서지 분석을 통해 비교하였다. ORC 시스템의 작동유체는 폭발성이 없고, 오존 파괴지수가 낮으며, 공조냉동시스템에 사용하는 HFC-134a를 사용하였다.
본 연구에서는 이용되는 저온열원을 개방형(opentype)과 순환형(closed-type)으로 분류하였고, 이에 따른 ORC 시스템 최적화 방법의 차이를 비교하였다. 개방형 저온열원은 배기가스, 증기, 온수, 지열수 등 외부로 버려지는 열원이며, 순환형 저온열원은 엔진냉각수, 태양열, 난방열과 같이 일정한 폐회로를 순환하는 열원이다.
본 연구에서는 이용되는 저온열원을 개방형(opentype)과 순환형(closed-type)으로 분류하였고, 이에 따른 사이클 최적화 방법의 차이를 비교하였다. 대표적으로 개방형 저온 열원인 100℃로 버려지는 온수와 순환형 저온열원인 100℃에서 80℃로 냉각되어 순환하는 온수에 대해 R-134a를 작동유체로 사용하는 유기랭킨 사이클 최적화 방법을 에너지 및 엑서지 분석을 통해 비교하였다.

대상 데이터

본 연구에서 개방형 저온열원으로는 100℃로 버려지는 온수를, 순환형 저온열원으로는 100℃에서 80℃로 냉각되어 순환하는 온수를 각각 선정하여 ORC 시스템의 최적화 방법을 기술하였으며, 에너지 및 엑서지 분석을 통해 비교하였다. ORC 시스템의 작동유체는 폭발성이 없고, 오존 파괴지수가 낮으며, 공조냉동시스템에 사용하는 HFC-134a를 사용하였다.
최적화 설계의 목표로 최대 효율을 선택하였으며, 공급되는 냉각수 입구온도는 대기온도와 같은 20℃로 가정하였다. 사용된 냉매의 물성치는 REFPROP-NIST⁽¹⁴⁾를 이용하였다. 미국 Wisconsin 대학 Solar Energy Lab에서 개발한 비선형 대수 방정식을 수치적으로 풀 수 있는 프로그램인 EES⁽¹⁵⁾에 내장된 열물성 자료를 이용하여 ORC 사이클 해석과 사이클 최적화 연구를 수행하였다.

성능/효과

(1) 개방형 저온 열원인 경우 ORC의 핀치점인 냉매의 증발 시작점의 온도가 증가할수록 열효율은 증가하지만 버리는 열이 많으므로 열원의 활용률은 감소한다.
(2) 개방형 저온열원인 경우 증발온도가 60℃ 근처에서 최대 출력을 발생한다. 이때 열역학 제 1법칙 (에너지)에 근거한 열원 활용율은 약 59.
(3) 열병합 발전용으로 증발온도가 70℃일 때가 60℃일 때 보다 저온열원인 온수 유량 1kg/s에 대해서 발전 출력은 약 0.6 kW 감소하지만, ORC 발전 후 이용할 수 있는 온수의 온도가 52.5℃에서 62.1℃로 상승하며, 사용될 수 있는 열량도 40 kW 로 매우 증가하게 되므로 단순한 발전용도 보다 증발 온도를 높게 운전하는 것이 이상적이다.
(4) 순환형 저온열원인 경우 가능한 고온으로 운전할수록 ORC 출력과 열효율이 증가한다.
(5) 온수 순환에 필요한 펌핑 에너지와 열교환 측면도 고려하여 ORC 운전 조건을 최적화하는 것이 바람직하다.
(6) 사이클 성능 해석결과와 실험 데이터를 열효율 관점에서 비교하면, 30%의 차이가 있다. 팽창기와 펌프의 등엔트로피 효율 차이 및 재생 열교환기 설치, 팽창비 감소, 마찰력 증가 등 복합적 요인으로 차이가 발생한 것으로 예상된다.
사이클 성능해석에서는 팽창기 및 펌프의 등엔트로피 효율을 80%로 고정 하였지만, 실험 결과에 의하면 등엔트로피 효율이 50∼60% 정도이다.
(2) 개방형 저온열원인 경우 증발온도가 60℃ 근처에서 최대 출력을 발생한다. 이때 열역학 제 1법칙 (에너지)에 근거한 열원 활용율은 약 59.3%, 사이클 열효율은 7.2%, 열원 활용율을 고려한 시스템 효율은 4.3%를 나타내며, 열역학 제 2법칙(엑서지)에 근거한 엑서지 활용율은 약 82.2%, 사이클 엑서지 효율은 45.1%, 시스템 엑서지 효율은 37.1%를 나타낸다.
이때 열역학 제 1법칙(에너지)에 근거한 열원 활용율(ε)은 59.3%, 사이클 열효율(ηth )은 7.2%, 시스템 효율(ηsys)은 4.3%, 열역학 제 2법칙(엑서지)에 근거한 엑서지 활용율(εII)은 82.2%, 사이클 엑서지 효율(ηII)은 45.1%, 시스템 엑서지 효율(ηsys,II)은 37.1%이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	개방형 저온열원의 특징은?	개방형 저온열원은 배기가스, 증기, 온수, 지열수등 외부로 버려지는 열원이며, 순환형 저온열원은 엔진냉각수, 태양열, 난방열과 같이 일정한 폐회로를 순환하는 열원이다. 개방형의 경우 열활용 측면에서는 이용되는 저온열원의 입출구 온도차를 크게 하여 폐열의 활용율(입력 열량)을 최대로 하는 것이 유리하지만, 사이클 효율 측면에서는 온도차를 작게 하여 고온의 열을 이용하는 것이 유리하므로 이러한 상관관계를 고려하여 사이클의 최적화가 필요하다. 순환형의 경우, 발생열량은 동일하므로 이용되는 저온열원의 입출구 온도차를 작게 하여 열원의 온도를 가능한 높게 유지하면서 발전을 하는 것이 효율 측면에서 유리하다.
	ORC 발전 시스템에 이용되는 저온열원에는 무엇이 있는가?	최근 다양한 저온 폐열원 및 태양열과 지열 등신재생 에너지를 이용한 발전효율 증가 방법에 대한 관심이 증가함에 따라 선진국에서는 대규모 유기랭킨사이클(ORC; Organic Rankine Cycle) 발전 시스템 뿐만 아니라 수 kW～수십 kW급의 소규모 ORC 발전 시스템 상용화 개발도 활발하게 진행되고 있다.(1) ORC 발전 시스템에 이용되는 저온열원으로는 지열,(2) 저온 태양열,(3) 산업용 폐열,(4) 배기 가스열,(5) 엔진 냉각수열 등 다양한 열원이 존재 한다. Roy and Mishara(6)는 140℃로 버려지는 연소가스로 부터 발전량을 최대로 하기 위한 ORC 최적화 연구를수행하였으며, Li and Pei(7)와 Delgado-Torres(8)는 저온 태양열 발전을 위한 ORC 최적화 연구를 각각 수행하였다.
	개방형(opentype)과 순환형(closed-type) 저온열원에는 각각 무엇이 있는가?	본 연구에서는 이용되는 저온열원을 개방형(opentype)과 순환형(closed-type)으로 분류하였고, 이에 따른 ORC 시스템 최적화 방법의 차이를 비교하였다. 개방형 저온열원은 배기가스, 증기, 온수, 지열수등 외부로 버려지는 열원이며, 순환형 저온열원은 엔진냉각수, 태양열, 난방열과 같이 일정한 폐회로를 순환하는 열원이다. 개방형의 경우 열활용 측면에서는 이용되는 저온열원의 입출구 온도차를 크게 하여 폐열의 활용율(입력 열량)을 최대로 하는 것이 유리하지만, 사이클 효율 측면에서는 온도차를 작게 하여 고온의 열을 이용하는 것이 유리하므로 이러한 상관관계를 고려하여 사이클의 최적화가 필요하다.

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