[논문]저온열원 활용을 위한 암모니아-물 재생 랭킨사이클의 엑서지 해석

김경훈; 고형종; 김세웅

doi:10.7316/khnes.2012.23.1.65

저온열원 활용을 위한 암모니아-물 재생 랭킨사이클의 엑서지 해석
Exergy Analysis of Regenerative Ammonia-Water Rankine Cycle for Use of Low-Temperature Heat Source 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.23 no.1, 2012년, pp.65 - 72

김경훈 (금오공과대학교 기계공학과) , 고형종 (금오공과대학교 기계공학과) , 김세웅 (금오공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Rankine cycle using ammonia-water mixture as a working fluid has attracted much attention, since it may be a very useful device to extract power from low-temperature heat source. In this work, the thermodynamic performance of regenerative ammonia-water Rankine cycle is thoroughly investigated based on the second law of thermodynamics and exergy analysis, when the energy source is low-temperature heat source in the form of sensible energy. In analyzing the power cycle, several key system parameters such as ammonia mass concentration in the mixture and turbine inlet pressure are studied to examine their effects on the system performance including exergy destructions or anergies of system components, efficiencies based on the first and second laws of thermodynamics. The results show that as the ammonia concentration increases, exergy exhaust increases but exergy destruction at the heat exchanger increases. The second-law efficiency has an optimum value with respect to the ammonia concentration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 열교환기 내에서 고온과 저온 유체의 최소 온도차가 핀치 포인트에 도달하는 조건으로 해석하는데, 암모니아 농도가 낮은 경우에는 핀치 포인트 점이 저온 유체의 출구 쪽에 형성되지만 암모니아 농도가 증가하다가 73% 이상이 되면 핀치 포인트가 저온 유체의 기포점에서 형성되며 재생기 내의 열전달 패턴이 달라진다. 이에 따라 재생기 출구에서 고온 유체, 즉 열교환기 입구에서 작동유체의 온도는 암모니아 농도의 증가 시 거의 일정하다가 암모니아 농도가 73%를 넘게 되면 암모니아 농도에 따라 감소하게 되며, 열원 유체 배출에 의한 아너지도 73%를 기점으로 경향이 바뀌게 된다.
그러나 지금까지 암모니아-물 재생 랭킨사이클에 대한 체계적인 엑서지 해석이 보고되지 않고 있다. 본 연구에서는 저온의 열원을 활용하여 동력을 생산하는 암모니아-물 재생 랭킨사이클의 엑서지 특성에 대하여 조사한다. 시스템의 주요한 설계 변수인 암모니아물 혼합물의 암모니아 농도와 터빈입구 압력의 변화가 각 구성 요소에서 엑서지 파괴(exergy destruction 또는 anergy)에 미치는 영향에 대해 조사하고, 또한 열역학 제1법칙에 의한 열효율(thermal efficiency)과 제2법칙에 의한 엑서지 효율(exergy efficiency)에 대해서도 분석한다.
본 연구에서는 현열 형태의 온도 180℃의 저온 열원을 사용하는 암모니아-물 재생 랭킨사이클에 대한 엑서지 해석을 수행하였으며 주요 결론은 다음과 같다.

가설 설정

3) 열교환기에서의 열교환 외에 시스템의 열손실은 무시한다.

제안 방법

본 연구에서는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 현열 형태의 저온 폐열이 공급될 때 암모니아-물 혼합물을 작동유체로 사용하여 동력을 생산하는 재생 랭킨사이클에 대하여 엑서지 해석을 한다. 시스템에서 액체 상태의 작동유체는 펌프에 의해 상태 1에서 상태 2로 가압된다.
본 연구에서는 저온의 열원을 활용하여 동력을 생산하는 암모니아-물 재생 랭킨사이클의 엑서지 특성에 대하여 조사한다. 시스템의 주요한 설계 변수인 암모니아물 혼합물의 암모니아 농도와 터빈입구 압력의 변화가 각 구성 요소에서 엑서지 파괴(exergy destruction 또는 anergy)에 미치는 영향에 대해 조사하고, 또한 열역학 제1법칙에 의한 열효율(thermal efficiency)과 제2법칙에 의한 엑서지 효율(exergy efficiency)에 대해서도 분석한다. 특히 암모니아 농도의 변화에 따라 엑서지 파괴가 가장 큰 시스템의 구성요소가 변하는 사실을 보인다.

대상 데이터

본 연구에서 열원 유체는 표준 공기이며 사용한 시스템의 주요 변수들은 TH = 180℃, TL = 15℃, ΔTH = 20℃, ΔTL = 10℃, ΔTpp = 5℃, T0 = 288.15K, ηp =0.85, ηt=0.90이다.

이론/모형

본 연구에서 암모니아-물 혼합물의 열역학적 상태 량들의 계산은 Xu와 Goswami²¹⁾의 과잉깁스에너지 생성함수 방법을 주로 따른다.

성능/효과

1) 열원은 온도 TH의 표준공기이며 작동유체는 열교환기에 의해 TH-ΔTH까지 가열된다.
1) 주어진 터빈입구 압력에서 암모니아 농도가 증가 함에 따라 열원 유체 배출에 의한 아너지는 약간 감소하나 열교환기에서의 아너지는 급격하게 증가한다.
2) 시스템 구성 요소의 아너지는 암모니아 농도가 낮은 영역에서는 열원 유체 배출에 의한 아너지가 지배적이지만 암모니아 농도가 높은 영역에서는 열교환기에서의 아너지가 지배적이다.
2) 열싱크는 입구온도 TL의 냉각수이며 응축기에서 작동유체는 외부 냉각수에 의해 TL+ΔTL의 포화액으로 냉각된다.
3) 재생기에서의 아너지, 시스템의 열효율 그리고 엑서지 효율은 최대값이 존재한다.
4) 배출되는 열원 유체를 추가로 활용할 수 없는 현열 형태의 열원의 경우에는 열역학 제2법칙을 기반으로 하는 엑서지 해석이 중요하며, 시스템의 열적 특성은 암모니아 농도 및 터빈입구 압력의 변화에 따라 민감한 영향을 받는다.
4) 펌프와 터빈 이외에서의 압력변화는 무시하며, 펌프와 터빈의 거동은 일정한 등엔트로피 효율 ηp 와 ηt로 나타낼 수 있다.
5) 재생기와 열교환기 내에서 고온과 저온 유체의 최소 온도차는 지정한 최소온도차 ΔTpp에 도달한다.

후속연구

5) 본 연구는 암모니아-물 재생 랭킨사이클에서 운전 압력에 따라 엑서지 효율이 최대가 되는 최적 암모니아 농도를 제시하고 있으며, 상용 발전 시스템 설계시 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	암모니아-물 재생 랭킨사이클에 대한 엑서지 해석 수행의 결과는 무엇인가?	1) 주어진 터빈입구 압력에서 암모니아 농도가 증가 함에 따라 열원 유체 배출에 의한 아너지는 약간 감소하나 열교환기에서의 아너지는 급격하게 증가한다. 2) 시스템 구성 요소의 아너지는 암모니아 농도가 낮은 영역에서는 열원 유체 배출에 의한 아너지가 지배적이지만 암모니아 농도가 높은 영역에서는 열교환기에서의 아너지가 지배적이다. 3) 재생기에서의 아너지, 시스템의 열효율 그리고 엑서지 효율은 최대값이 존재한다. 4) 배출되는 열원 유체를 추가로 활용할 수 없는 현열 형태의 열원의 경우에는 열역학 제2법칙을 기반으로 하는 엑서지 해석이 중요하며, 시스템의 열적 특성은 암모니아 농도 및 터빈입구 압력의 변화에 따라 민감한 영향을 받는다. 5) 본 연구는 암모니아-물 재생 랭킨사이클에서 운전 압력에 따라 엑서지 효율이 최대가 되는 최적 암모니아 농도를 제시하고 있으며, 상용 발전 시스템 설계시 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
	엑서지란 무엇인가?	열역학 제2법칙은 열역학 제1법칙과 함께 시스템의 효율성을 진단하고 복잡한 열역학적 계를 최적화하는 데에 강력한 도구가 될 수 있다. 엑서지(exergy)는 특정한 외부 조건에서 주어진 상태에 있는 어떤 계로부터 얻을 수 있는 최대 유용일을 의미하며, 최근에는 열역학적 시스템에 대한 에너지 해석뿐만 아니라 엑서지 해석도 활발히 연구되고 있다1-8).
	저온 열원을 사용하여 동력을 생산하는 경우 경제성이 떨어지는 이유는 무엇인가?	현열 형태의 저온 열원을 활용하여 동력을 생산하는 경우 열원의 온도가 낮아질수록 시스템의 효율이 떨어지기 때문에 수증기를 사용하는 랭킨사이클과 같은 기존의 시스템은 경제성을 잃게 된다. 암모니아와 물의 혼합물을 작동유체로 사용하는 시스템에서는, 작동유체가 일정한 압력 하에서 온도가 변화하면서 상변화가 진행되므로 열교환기 내에서 고온과 저온 유체 사이의 온도 불균형과 엑서지 파괴를 줄여 준다.

참고문헌 (21)

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K. H. Kim, H. J. Ko and H. Perez-Blanco : "Exergy analysis of gas-turbine systems with high-fogging compression", Int. J. Exergy, Vol. 8, 2011, pp. 16-32.

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김경훈, 고형종, 김세웅 : "저온열원 활용을 위한 암모니아-물 혼합물을 작동유체로 하는 칼리나 사이클의 성능 해석", 한국수소 및 신에너지학회 논문집, Vol. 22, No. 1, 2011, pp. 109-117.
김경훈, 한철호 : "저온 열원 활용을 위한 암모니아-물 재생 랭킨사이클의 성능 해석", 한국태양에너지학회 논문집, Vol. 31, No. 1, 2011, pp. 15-22.

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김경훈 : "암모니아-물 작동유체의 부분증발유동을 적용한 재생 랭킨사이클에 관한 연구", 설비공학논문집, Vol. 23, No. 3, 2011, pp. 223-230.

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김경훈 : "저온 열원 활용을 위한 흡수 발전/냉각 복합사이클의 성능 해석", 설비공학논문집, Vol. 23, No. 6, 2011, pp. 413-420.
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K. H. Kim and C. H. Han : "Thermodynamic performance of ammonia-water cycle for power and refrigeration cogeneration", App. Math. Information Sciences, 2012, in press.
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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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