[논문]선박용 디젤엔진의 배기가스 열회수 시스템 (II) - R245fa 및 Water 의 작동유체에 대한 엑서지 분석 -

최병철; 김영민

doi:10.3795/ksme-b.2012.36.6.593

선박용 디젤엔진의 배기가스 열회수 시스템 (II) - R245fa 및 Water 의 작동유체에 대한 엑서지 분석 -
Exhaust-Gas Heat-Recovery System of Marine Diesel Engine (II) - Exergy Analysis for Working Fluids of R245fa and Water - 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.6 = no.321, 2012년, pp.593 - 600

최병철 ((사)한국선급 환경플랜트팀) , 김영민 (한국기계연구원 그린동력연구실)

초록
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대형 선박의 추진용 디젤엔진에서 버려지는 배기가스의 열을 회수하기 위한 랭킨사이클이 적용된 발전시스템에 대하여 R245fa 및 water의 작동유체에 따른 그 엑서지 특성을 분석하였다. 그 이론적인 계산 결과로, R245fa에 대하여 터빈입구의 압력이 증가할수록 엑서지 효율 및 시스템의 엑서지 효율이 증가하였고, 엑서지 파괴율은 주로 응축기 및 증발기에서 상대적으로 높게 나타났다. 그리고 질량유량의 증가에 따라 시스템의 엑서지 효율이 증가하는 특성을 보였다. Water의 경우에, 증발기에서의 엑서지 파괴율은 R245fa의 경우와 유사하게 나타났지만, 터빈입구의 압력 및 질량유량 비율의 변동에 대하여 열원에 대한 엑서지 손실률이 가장 큰 폭으로 변동하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The exergy characteristics for R245fa and water working fluids have been analyzed for an electric generation system utilizing the Rankine cycle to recover heat from the wasted exhaust gas from a diesel engine used for the propulsion of a large ship. The theoretical calculation results showed that the efficiencies of exergy and system exergy improved as the turbine inlet pressure increased for R245fa at a fixed mass flow rate. Furthermore, the exergy destruction rates of the condenser and evaporator were relatively larger than those in other components. The exergy efficiency of the system increased with increasing mass flow rate. For a water working fluid, although the exergy destruction rate of the evaporator was similar to that for R245fa, the exergy loss rate varied significantly in response to variations in the pressure and mass flow rates at the turbine inlet.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

(13) 이때 배기가스의 비열은 c_p,in= 1.012 kJ/kgK 로 상온, 상압에서의 공기의 비열과 근사하다고 가정하였다.⁽¹⁴⁾ 배기가스의 온도를 고려하여 최대 3 % 의 c_p,in변동에 대하여 엑서지 효율은 1 % 미만의 오차범위를 보였다.
그리고 핀치점 온도와 T2′ 사이에 최소 온도차 ΔTpp는 10 K로 가정하였다.
는 작동유체의 질량유량 [kg/hr]이다. 또한 하첨자 0은 엑서지 값이 0 이 되는 기준상태(Dead state)를 의미하고, 상온 T₀ = 298.15 K 및 상압 P₀ = 101.3kPa 로 가정하였다.

제안 방법

Fig. 2 및 5 에서 Rm 및 Rp 의 변화에 따른 시스템의 엑서지 효율 ηsys,e 을 조사한 결과를 바탕으로,각 작동유체에 대하여 최대의 엑서지 효율이 나타나는 조건을 선택하여 엑서지의 특성을 비교하였다.
또한 디젤엔진의 배기가스에 포함된 NOx, SOx, 및 soot 등의 다양한 배출물을 저감하는장치가 응용되어 배기단에 설치될 수 있다. 그러나, 본 연구에서는 후단에 설치되는 다양한 설비의 영향을 제외하고 배기가스를 직접적으로 적용하였다.
85 로 고정하여 적용하였다. 또한 작동유체의 열역학적 물성치는 NIST 에 의해 개발된 REFPROP ver. 9 를 통하여 얻었으며,⁽¹⁶⁾ EES ver. 8을 이용하여 열역학적 계산을 수행하였다.⁽¹⁷⁾ 그 계산된 결과는 T₄ > T₁, T_in > T_3′, 및 T_out > T₂를 모두 만족하는 데이터만 유효하게 취급하였다.
본 연구에서는 에너지보존 법칙을 기반의 선행연구⁽⁷⁾에 대한 확장된 연구로서, 열역학 제 2 법칙에 대한 이론적 엑서지 모델을 적용하였고, 작동 유체 R245fa 및 water 에 대한 압력 및 질량유량의 변화에 대하여 엑서지 특성을 조사하였다.
선박의 주 추진용 디젤엔진의 배기가스 열회수 시스템에 대하여 랭킨사이클의 열역학적 모델을 적용하였고, R245fa 및 water 의 작동유체에 대한 엑서지 분석을 수행하였다.
최근에 대형 선박의 추진용 엔진을 대상으로 그 배기가스를 열원하는 랭킨사이클에 대한 열회수발전시스템의 에너지효율 특성을 R245fa 및 water의 작동유체에 대하여 이론적으로 살펴보았다.⁽⁷⁾

성능/효과

012 kJ/kgK 로 상온, 상압에서의 공기의 비열과 근사하다고 가정하였다.⁽¹⁴⁾ 배기가스의 온도를 고려하여 최대 3 % 의 c_p,in변동에 대하여 엑서지 효율은 1 % 미만의 오차범위를 보였다.⁽¹⁵⁾
(17) 그 계산된 결과는 T4 > T1, Tin > T3′, 및 Tout > T2를 모두 만족하는 데이터만 유효하게 취급하였다.
(7) 우선, 사이클 내에 각각의 작동유체에 대한 최대 압력 P_max과 최대 온도 T_max는 각 작동유체의 임계 압력 P_c과 임계 온도 T_c를 적용하였고, 초임계 사이클을 제외하였다. 또한 R245fa의 최소 온도 T_min는 305 K 로 설정하였으며, 이때의 포화증기 압력을 최소 압력 P_min으로 적용하였다.
그 결과, R245fa 의 경우에 고정된 Rm에 대하여, Rp 가 증가함에 따라 주로 O(1,000 kW)를 갖는 응축기 # 및 증발기 #에서의 엑서지 파괴율이 감소하는 특성을 보였다.
또한, 터빈 # 및 펌프 # 에서의 엑서지 파괴율은 각각 O(100 kW) 및 O(10 kW)의 값을 보였다. 그리고 R_m 이 증가함에 따라 열원의 엑서지 손실은 감소하였고, 사이클의 순출력 # 은 대략 O(10-100kW)로 증가하는 특성을 가졌다.
6387 갖는 water 의 경우가 R245fa 의 경우보다 다소 크게 나타났다. 그리고 엑서지 활용율은 R245fa 및 water의 경우에 대하여 각각 e = 0.9983 및 0.9486 로 R245fa 의 경우가 상대적으로 높은 값을 갖지만,두 작동유체에 대한 증발기에서의 엑서지 활용율은 거의 100 %에 가깝게 나타났다. 따라서, water의 경우에 대한 시스템의 엑서지 효율은 η_sys,e =0.
두 가지 작동유체의 경우에 대하여 펌프 #에서는 1 % 미만의 낮은 엑서지 파괴율을 보였고, 증발기 #에서는 13.69 %로 거의 동일한 엑서지 파괴율을 보였다. 그리고, 터빈에서의 엑서지 파괴율# 은 11.
따라서, water의 경우에 대한 시스템의 엑서지 효율은 ηsys,e =0.6059 로서 R245fa 의 ηsys,e = 0.5757 의 값보다 대략 3 % 정도 크게 나타났다.
또한 Rp 의 증가에 따라 터빈에서의 엑서지 파괴율 # 과 열원에 대한 엑서지 손실률 # 은 모두 O(10-100 kW)으로 증가하였고, 펌프에서의 엑서지 파괴율 # 은 계속적으로 증가하여 대략 O(10 kW)의 값을 갖지만 상대적으로 무시할 수 있는 수치를 보였다.
또한 고정된 Rp에 대하여, Rm의 증가에 따라 주로 응축기에서의 엑서지 파괴율 d,c 이 감소되면서 시스템의 엑서지 효율 ηsys,e 이 증가되는 특성을 보였다.
우선, 응축기 # 및 증발기 # 에서 각각의 엑서지 파괴율은 Rp 가 증가함에 따라 전체적으로 감소하는 경향을 보였지만, 대략적으로 O(1,000 kW)의 차수(Order)를 갖고, 다른 모듈에서의 엑서지 파괴율에 비하여 상대적으로 크게 나타났다.
이에 따라 엑서지 효율 # 및 시스템의 엑서지 효율 ηsys,e 이 증가하는 특성을 보였으며, 사이클에 의해 발생되는 순동력 #도 증가하는 경향이 나타났다.
6 에서 R245fa(a)에 나타내었다. 특히, 응축기 # 및 증발기 # 에서의 엑서지 파괴율은 O(1,000 kW)를 보였고, 총 엑서지 파괴율에 대하여 상대적으로 높은 비율을 차지하였다. 또한, 터빈 # 및 펌프 # 에서의 엑서지 파괴율은 각각 O(100 kW) 및 O(10 kW)의 값을 보였다.

후속연구

5 K 로서 손실이 거의 없었다. 따라서 R245fa 의 작동유체에 대하여, 열원의 엑서지 손실량과 응축기에서 파괴되는 엑서지의 회수량의 상반되는 관계를 고려한다면, 재생기 등을 적용하여 시스템의 엑서지 효율을 최적화될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지효율설계지수는 무엇을 나타내는가?	에너지효율설계지수(EEDI)는 새로 건조되는 선박의 종류 및 크기에 따른 CO2 배출 특성을 나타낸다. 이러한 각 선박의 에너지효율 수준은 요구되는 최대허용치를 만족해야 한다.
	엔진의 폐열을 회수하기 위해 유기 작동유체를 사용하는 랭킨사이클을 적용하여 주로 어떤 연구가 수행되었는가?	엔진의 폐열을 회수하기 위해서 유기 작동유체를 사용하는 랭킨사이클을 적용한 다양한 연구가 수행되고 있다. 주로 순수 또는 혼합된 작동유체들에 대한 그 시스템의 효율 및 출력을 비교하여 최적의 작동유체를 선정하는 연구가 수행되었다.(3,4) 한편으로 엔진의 배기가스뿐만 아니라 냉각수, 흡입공기 및 배기가스 재순환 장치를 통합한 열회수 시스템에 대한 연구도 수행되었다.
	선박의 에너지효율을 극대화하기 위하여 어떤 기술들이 개발되고 있는가?	선박의 에너지효율을 극대화하기 위하여 선형,추진계통 개선, 및 신재생에너지 적용 등의 다양한 기술들이 개발되고 있으며, 그 중에 선박 주엔진의 폐열을 이용한 발전시스템은 보조 추진동력원으로 활용되어 그 EEDI 상에서 CO2 배출량을 획기적으로 저감시키는 역할을 할 수 있다.(1,2)

참고문헌 (17)

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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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