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문제 정의
- 그러나 ORC 를 이용한 선박 폐열 회수 시스템에 대한 논문은 거의 없는 실정이다.(2) 이에 본 연구에서는 ORC 를 기반으로 한 선박 주기관의 중저온 폐열 회수 시스템에 대하여 그 효과를 열역학적으로 분석하고 특징을 파악하여 선박 폐열 회수 시스템으로서의 적용가능성을 타진하는 연구를 수행하였다.
가설 설정
- Table 5 는 각 계절 조건에 대하여 Fig. 13 과 같은 출력 곡선에서 획득한 최대 출력으로 LMTD 는 15℃로 가정하고 배기가스 온도는 165℃까지 낮추어 폐열을 회수하는 것으로 가정하였다.
- Tropical 조건의 경우에는 가정한 LMTD 를 이용하여 열회수루프 온도를 결정하면 TLoop,in 높아 열전달루프의 요구 압력이 과도하게 높아지므로 Tropical 조건에서도 ISO 조건과 TLoop,in 이 동일하도록 (167℃) 설정하였다. Table 5 의 결과에서 열량 비율은 연소 공기 폐열 회수량과 배기가스 회수량 비율이며 수치가 클수록 연소 공기의 폐열이 배기가스 폐열에 비하여 더 많이 사용된 것으로 볼 수 있다.
- ISO condition 에서 터보 차저를 통과한 배기가스 온도는 227℃이지만 선박 연료 가열 등에 필요한 서비스 스팀을 생성한 후에는 약 202℃ 정도로 낮아지게 된다. 본 연구의 계산에서는 서비스 스팀 생성에 사용된 이후의 배기가스로부터 폐열을 회수하는 것으로 가정하였다.
- 순환루프의 수두(h)는 10 m, 해수펌프의 수두(h)는 20 m 로 설정하였으며 펌프–모터 조합의 효율은 64% (ηp, sw)이고 물의 밀도(ρ)는 1000 kg/m3 으로 가정하였다.
- 통상 고온 열원에는 thermal oil 을 사용하지만 화재 위험성으로 인하여 연소 공기 폐열 회수에 적용하기에는 어려움이 있다. 열전달루프에서 순환하는 물의 압력은 루프 내 최고 온도 조건에서의 비등 압력보다 높도록 설정하여 순환 과정에서 상변화가 발생하지 않는 것으로 가정하였다. 이와 같은 개념으로 구성한 시스템의 예는 Fig.
- 터빈의 효율은 일반적인 반경 터빈의 효율인 82%로 가정하였고 펌프의 등엔트로피 효율은 선박에서 사용되는 펌프의 효율을 기준으로 68%로 가정하였다. 한편, 발전기와 모터의 효율은 통상적으로 사용하고 있는 제품을 기준으로 각각 95%, 80%로 가정하였다.
- 터빈의 효율은 일반적인 반경 터빈의 효율인 82%로 가정하였고 펌프의 등엔트로피 효율은 선박에서 사용되는 펌프의 효율을 기준으로 68%로 가정하였다. 한편, 발전기와 모터의 효율은 통상적으로 사용하고 있는 제품을 기준으로 각각 95%, 80%로 가정하였다. 전체 시스템은 Engineering Equation Solver(EES, F-chart)를 이용하여 분석하였으며 작동유체의 물성치는 Table 2 와 같다.
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