[논문]엔진 폐열 회수를 위한 랭킨 스팀 사이클 설계 및 HT Boiler의 성능 평가

허형석; 배석정; 이동혁; 이헌균; 김태진

doi:10.7467/ksae.2012.20.2.021

엔진 폐열 회수를 위한 랭킨 스팀 사이클 설계 및 HT Boiler의 성능 평가
Design of Rankine Steam Cycle and Performance Evaluation of HT Boiler for Engine Waste Heat Recovery 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.20 no.2, 2012년, pp.21 - 29

허형석 (자동차부품연구원 고효율에너지시스템연구센터) , 배석정 (서울대학교 기계항공공학부) , 이동혁 (자동차부품연구원 고효율에너지시스템연구센터) , 이헌균 (자동차부품연구원 고효율에너지시스템연구센터) , 김태진 (코렌스 선행연구팀)

Abstract ▼ AI-Helper

A dual loop waste heat recovery system with Rankine steam cycles for the improvement of fuel efficiency of gasoline vehicles has been investigated. A high temperature loop (HT loop) only recovers the heat of the exhaust gas. A low temperature loop (LT loop) recovers the residual heat from the HT loop, the coolant heat and the remaining exhaust gas heat. The two separate loops are coupled with a heat exchanger. This paper has dealt with a layout of the dual loop system, the review of the working fluids, and the design of the cycle. The design point and the target heat recovery of the HT boiler, a core part of a HT loop, have been presented. The prototype of the HT boiler was evaluated by experiment. For the performance evaluation of the HT boiler, inlet temperature of the HT boiler working fluid was set equal to the temperature degree of sub-cool of $5^{\circ}C$ at the condensing pressure. The exit condition was the degree of super-heat set at $5^{\circ}C$. The characteristics of the HT boiler such as heat recovery and pressure drops of fluids were evaluated with varying flow rates and inlet temperatures of exhaust gas under various evaporating pressure conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는시스템의 고압을 35 bar로 제한하였고, 최고 온도는 300℃로 제한하였다. 또한 팽창 비는 우선 10으로 시작하여 향후 팽창기의 설계 진행 방향에 따라 그 이상으로 올리는 것을 목표로 하였다. 이러한 설계 제한 조건에서 이론 사이클 효율은 18.
본 연구에서는 가솔린 자동차의 연비 향상을 위하여 배기가스와 엔진 냉각수 측에서 폐열을 회수하는 dual loop 랭킨 스팀 사이클 방식의 폐열 회수 시스템에 대해서 고찰하였다.
본 연구에서는 배기가스와 엔진 냉각수 측의 폐열을 회수하기 위한 기술 중 현재의 시스템 가격, 연비 향상 효과 등에서 실용화 가능성이 가장 높은 것으로 판단되는 랭킨 스팀 사이클 방식의 엔진 폐열 회수 시스템을 3.3 L급 가솔린 차량에 적용하기 위하여 작동 유체(working fluid)의 검토 및 시스템 레이아웃과 사이클 설계를 수행하였다. 아울러 배기가스 측 폐열을 회수하기 위한 핵심부품인 보일러의 회수 열량과 압력 손실 등에 대한 성능 평가를 수행하였으며, 이를 통하여 향후 보일러의 설계 개선사항 및 슈퍼히터의 용량 설계에 활용하고자 한다.
3 L급 가솔린 차량에 적용하기 위하여 작동 유체(working fluid)의 검토 및 시스템 레이아웃과 사이클 설계를 수행하였다. 아울러 배기가스 측 폐열을 회수하기 위한 핵심부품인 보일러의 회수 열량과 압력 손실 등에 대한 성능 평가를 수행하였으며, 이를 통하여 향후 보일러의 설계 개선사항 및 슈퍼히터의 용량 설계에 활용하고자 한다.

제안 방법

1) 배기가스 측 작동 유체는 증발 엔탈피와 사이클 효율이 높고, 시스템 압력이 낮으면서 핵심 부품의 사이즈와 안전성 측면을 고려하여 물로 선정하였고, 엔진 냉각수 측은 제한 조건인 증발 온도와 응축 온도를 고려하면서 핵심 부품의 사이즈 측면과 환경 측면을 고려하여 R1234yf로 선정하였다.
따라서 HT 응축기는 LT loop에서 보면 이차 LT 보일러 또는 LT 슈퍼히터 역할을 하게 된다. 대부분의 운전구간에서 HT 응축기는 온도가 높아 LT 슈퍼히터 역할을 할 것으로 판단되나 방열량이 작은 일부 구간에서는 슈퍼히터로써의 역할을 수행하지 못할 수 있어 배기라인에 작은 열교환기 하나를 추가 장착하여 최종적인 LT 슈퍼히터 역할을 할 수 있도록 레이아웃을 설계하였다.
첫 번째 실험은 배기가스 유량을 설계 유량 118 kg/h로 고정하고, 배기가스 입구 온도를 350~500℃까지 50℃ 간격으로 변화시키면서 작동 유체 측 압력이10 bar, 25 bar, 35 bar 및 40 bar인 조건에서 수행하였다. 두 번째 실험에서는 작동 유체의 설계 압력인 35 bar에 대해서 배기가스의 입구 온도를 450℃로 고정하고, 배기가스 유량만 80 kg/h, 100 kg/h, 118 kg/h 및 150 kg/h로 변화시켰다.
HT 보일러의 성능 설계 조건에서 작동 유체의 출구 상태는 기·액상이 공존하는 이상(two phase) 영역이기 때문에 정확한 출구 상태를 알 수 없다. 따라서 실험에서는 HT 보일러의 출구 조건을 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 과열도 5℃로 설정하고, 이를 만족하는 작동 유체의 유량을 찾도록 하였다. 작동 유체의 입구 상태는 증발 압력 조건에서 팽창비 10에 해당하는 압력을 응축 압력으로 하고, 이 응축 압력 조건에서 과냉도 5℃로 설정하였다.
시료 전 후단에 절대압력 센서와 K-type의 열전대를 장착하여 작동 유체 측 입구와 출구의 온도와 압력을 측정하고, 유체의 물성치 계산 프로그램인 REFPROP과 연계하여 작동 유체의 상태를 예측할 수 있도록 하였다. 또한 절대압력 센서와 별도로 차압계를 장착하여 정확한 압력 손실을 측정할 수 있도록 하였다.
랭킨 스팀 사이클 방식의 엔진 폐열 회수 시스템을 가솔린 차량에 적용하기 위하여 작동 유체의 검토 및 시스템 레이아웃과 사이클 설계를 수행하였다. 아울러 배기가스의 폐열을 회수하기 위한 핵심 부품인 보일러의 회수 열량과 압력 손실 등에 대한 단품 성능 평가를 수행하였으며, 이를 통하여 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.
HT loop 라인은 배기가스 조건을 모사하는 배기가스 라인과 이로부터 폐열을 회수하기 위한 secondary line으로 구성된다. 배기가스의 모사를 위하여 압축기에 의해 실제 배기가스 압력으로 압축된 공기를 LPG gas furnace 내부의 열교환기로 보내어 가열하는 방식을 채택하였다. 배기가스의 유량은 제어밸브에 의해 조절된다.
팽창기 신뢰성 설계의 변수는 팽창기로 유입되는 작동 유체의 압력과 온도, 즉 시스템의 고압과 최고 온도이다. 본 연구에서는시스템의 고압을 35 bar로 제한하였고, 최고 온도는 300℃로 제한하였다. 또한 팽창 비는 우선 10으로 시작하여 향후 팽창기의 설계 진행 방향에 따라 그 이상으로 올리는 것을 목표로 하였다.
작동 유체의 압력과 유량은 압력 용기의 레귤레이터와 전기히터 전단에 장착된 미터링 밸브를 이용하여 조절하도록 하였으며, 유량 측정은 시료 전단에 유량계를 장착하여 액상에서 측정하도록 하였다. 시료 전 후단에 절대압력 센서와 K-type의 열전대를 장착하여 작동 유체 측 입구와 출구의 온도와 압력을 측정하고, 유체의 물성치 계산 프로그램인 REFPROP과 연계하여 작동 유체의 상태를 예측할 수 있도록 하였다. 또한 절대압력 센서와 별도로 차압계를 장착하여 정확한 압력 손실을 측정할 수 있도록 하였다.
랭킨 스팀 사이클 방식의 엔진 폐열 회수 시스템을 가솔린 차량에 적용하기 위하여 작동 유체의 검토 및 시스템 레이아웃과 사이클 설계를 수행하였다. 아울러 배기가스의 폐열을 회수하기 위한 핵심 부품인 보일러의 회수 열량과 압력 손실 등에 대한 단품 성능 평가를 수행하였으며, 이를 통하여 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.
엔진 폐열 회수 시스템의 성능 평가 장치는 크게 HT loop 라인과 LT loop 라인으로 구분되는데, 본 논문에서는 HT 보일러의 성능 평가를 위한 HT loop 라인(Fig. 4)만을 설명하도록 하겠다.
가압된 작동 유체는 전기히터에 의해 가열되어 고온의 액상 상태로 HT 보일러로 공급된다. 작동 유체의 압력과 유량은 압력 용기의 레귤레이터와 전기히터 전단에 장착된 미터링 밸브를 이용하여 조절하도록 하였으며, 유량 측정은 시료 전단에 유량계를 장착하여 액상에서 측정하도록 하였다. 시료 전 후단에 절대압력 센서와 K-type의 열전대를 장착하여 작동 유체 측 입구와 출구의 온도와 압력을 측정하고, 유체의 물성치 계산 프로그램인 REFPROP과 연계하여 작동 유체의 상태를 예측할 수 있도록 하였다.
첫 번째 실험은 배기가스 유량을 설계 유량 118 kg/h로 고정하고, 배기가스 입구 온도를 350~500℃까지 50℃ 간격으로 변화시키면서 작동 유체 측 압력이10 bar, 25 bar, 35 bar 및 40 bar인 조건에서 수행하였다. 두 번째 실험에서는 작동 유체의 설계 압력인 35 bar에 대해서 배기가스의 입구 온도를 450℃로 고정하고, 배기가스 유량만 80 kg/h, 100 kg/h, 118 kg/h 및 150 kg/h로 변화시켰다.

대상 데이터

실험에 사용된 HT 보일러의 시작품은 하우징 내부에 배기가스의 유로인 튜브를 적층한 적층식 열교환기로 사각 튜브 내측에는 wavy fin을 두었다.
작동 유체는 물로써 증류수를 사용하였다. 액상의 고온, 고압의 작동 유체는 질소가스의 충진 압력을 이용하여 가압해주게 된다(Max.
본 연구에서 적용된 작동 유체는 고온(high temperature, HT) loop의 배기가스 측은 앞서 설명한 바와 같이 다양한 장점을 지닌 물로 쉽게 결정할 수 있었다. 저온(low temperature, LT) loop의 엔진 냉각수 측은 증발 온도 조건, 응축 압력 조건 및 사이클 효율을 고려할 때 R1234yf, R245fa와 에탄올을 검토해 볼 수 있겠으나 친환경 냉매인 R1234yf로 선정하였다. 엔진 냉각수 측에서 폐열을 회수하기 위하여 가능한 증발 온도, 응축 온도를 고려하여 사이클을 설계하였을 때 팽창기로 유입되는 작동 유체의 비체적을 비교하면 에탄올은 R1234yf보다 118배 이상 높아 질량 유량을 고려하더라도 팽창기 사이즈가 매우 커져야 한다는 문제로 제외시켰다.

성능/효과

2) HT loop의 고압은 35 bar, 시스템 최고 온도는 300℃로 제한하였으며, 이 조건에서의 이론 사이클 효율은 약 18.6%로 예측되었다.
3) 작동 유체의 입구와 출구 조건을 과냉도와 과열도 조건으로 고정시킬 경우 배기 에너지가 증가할수록 작동 유체의 유량과 이에 따른 회수 열량은 선형적으로 증가함을알 수 있었다.
4) 배기가스의 설계 조건 및 증발 압력 35 bar 조건에서 과열도 5℃를 만족시키는 작동 유체의 유량은 4.22 g/s이며, 이때의 회수 열량과 회수율은 각각 9.6 kW, 65%임을 확인하였다.
5) 회수 열량은 증발 압력이 낮을수록 높고, 폐열 에너지의 유량 보다는 온도 레벨이 높을수록 회수율이 증가함을 알 수 있었다.
6) 배기가스의 유량이 동일하더라도 배기가스 측 압력 손실은 배기가스 온도가 높을수록 작동 유체의 증발 압력이 높을수록 배기가스 밀도 증가에 의해 압력 손실이 증가하는 경향을 보여주었다.
본 연구에서 적용된 작동 유체는 고온(high temperature, HT) loop의 배기가스 측은 앞서 설명한 바와 같이 다양한 장점을 지닌 물로 쉽게 결정할 수 있었다. 저온(low temperature, LT) loop의 엔진 냉각수 측은 증발 온도 조건, 응축 압력 조건 및 사이클 효율을 고려할 때 R1234yf, R245fa와 에탄올을 검토해 볼 수 있겠으나 친환경 냉매인 R1234yf로 선정하였다.
또한 팽창 비는 우선 10으로 시작하여 향후 팽창기의 설계 진행 방향에 따라 그 이상으로 올리는 것을 목표로 하였다. 이러한 설계 제한 조건에서 이론 사이클 효율은 18.6%로 계산되었다. 시스템의 T-s 선도를 Fig.

후속연구

수소연료전지자동차나 전기자동차의 인프라를 확충하기 위해서는 아직 많은 시간이 필요한데 반하여 엔진 폐열 회수 시스템은 하이브리드 자동차뿐만 아니라 기존 내연기관 차량에도 바로 적용이 가능하므로 향후 미래형 자동차의 인프라가 확충될 때까지 자동차 시장에서 각광 받을 수 있는 좋은 아이템이라 할수 있다.^1,3-8)

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	엔진 폐열 회수 시스템 기술은 폐 에너지의 형태와 회수 방식에 따라 어떻게 구분되는가?	엔진 폐열 회수 시스템 기술은 폐 에너지의 형태와 회수 방식에 따라 열전 발전(thermo-electric generator) 기술, 터보 컴파운드(turbo compound) 기술 및 랭킨 스팀 사이클(Rankine steam cycle) 기술로 크게 구분된다.1,3-8)
	엔진 폐열 회수 시스템은 무엇인가?	지금까지의 동력발생 단계에서의 연료 혼합 과정이나 연소 과정의 최적화 기술과는 달리 엔진 폐열 회수 시스템은 동력으로 변환되지 못하고 엔진 냉각수와 배기가스 등으로 버려지는 폐 에너지(waste energy)를 회수하여 다시 전기 에너지 또는 기계 에너지로 재생시키는시스템을 말한다.1,3-8)
	랭킨 스팀 사이클 작동 유체의 선정을 위해 고려해야 하는 것은 무엇인가?	랭킨 스팀 사이클에서 작동 유체의 선정은 시스템 설계의 첫 번째 단계로써 매우 중요하다. 즉, 폐열 회수율, 사이클 효율, 요소 부품의 크기 및 신뢰성 설계에 대한 기술성, 시스템 단가, 안전성과 환경 측면 등을 고려하는 것이 필요하다.

참고문헌 (8)

D. H. Lee, H. S. Heo, H. K. Lee, S. J. Bae, T. J. Kim and M. S. Moon, "The Performance Experimental Evaluation of the Boiler for the Engine Waste Heat Recovery System," Spring Conference Proceedings, KSAE, pp.79-85, 2010.
H. S. Heo and H. K. Lee, "Technology Trends of Exhaust Heat Recirculation System for Power-train Fast Warm-up," Auto Journal, KSAE, Vol.32, No.5, pp.14-22, 2010.
H. S. Heo and S. J. Bae, "Technology Trends of Rankine Steam Cycle for Engine Waste Heat Recovery," Auto Journal, KSAE, Vol.32, No.5, pp.23-32, 2010.
J. Ringler, M. Seifert, V. Guyotot and W. Hubner, "Rankine Cycle for Waste Heat Recovery of IC Engines," SAE 2009-01-0174, 2009.
T. Endo, S. Kawajiri, Y. Kojima, K. Takahashi, T. Baba, S. Ibaraki, T. Takahashi and M. Shinohara, "Study on Maximizing Exergy in Automotive Engines," SAE 2007-01-0257, 2007.
S. J. Bae, H. S. Heo, H. K. Lee, Y. D. Choung, J. S. Hwang, and C. B. Lee, "An Investigation on Working Fluids for an Exhaust Waste Heat Recovery System of a Gasoline Engine," Annual Conference Proceedings, KSAE, pp.151-158, 2009.
H. Teng, G. Regner and C. Cowland, "Waste Heat Recovery of Heavy-duty Diesel Engines by Organic Rankine Cycle Part I : Hybrid Energy System of Diesel and Rankine Engines," SAE 2007-01-0537, 2007.
H. Teng, G. Regner and C. Cowland, "Waste Heat Recovery of Heavy-duty Diesel Engines by Organic Rankine Cycle Part II : Working Fluids for WHR-ORC," SAE 2007-01-0543, 2007.

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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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