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[국내논문] 냉매(R245fa)를 이용한 유기랭킨 사이클에 관한 연구
A Study on the Organic Rankine Cycle Using R245fa 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.16 no.3, 2013년, pp.10 - 17  

조수용 (경상대학교 항공기부품기술연구센터) ,  조종현 (선테크(주) 기술연구소) ,  김진환 (한국항공우주연구원 터보펌프개발그룹)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The organic Rankine cycle has been widely used to convert the renewable energy such as the solar energy, the geothermal energy, or the waste energy etc., to the electric power. Some previous studies focused to find what kind of refrigerant would be a best working fluid for the organic Rankine cycle....

Keyword

#유기랭킨 사이클   #사이클해석   #냉매   #구심터빈   #부분분사  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 연구에서는 낮은 온도의 열원에서 에너지를 회수하는 장치에 대한 연구로써 설계점에서의 작동 상태뿐만 아니라 탈설계점에서도 작동하는 유기랭킨 사이클 해석을 수행하고자 한다. 여러 냉매 중에서 효율이 높은 R245fa를 사용하며, 터빈의 출력을 다양하게 얻기 위하여 질량유량을 조정하는 경우에 터빈은 부분분사를 하게 되므로 이에 대한 터빈의 효율을 고려하고, 또한 최적의 속도비를 얻어서 회전속도가 고려된 사이클에서의 열역학적 물성치(이하 물성치) 변화 및 시스템의 효율 변화에 대한 데이터를 얻고자 한다.
  • 본 연구에서는 낮은 온도의 열원에서 에너지를 회수하는 장치에 대한 연구로써 설계점에서의 작동 상태뿐만 아니라 탈설계점에서도 작동하는 유기랭킨 사이클 해석을 수행하고자 한다. 여러 냉매 중에서 효율이 높은 R245fa를 사용하며, 터빈의 출력을 다양하게 얻기 위하여 질량유량을 조정하는 경우에 터빈은 부분분사를 하게 되므로 이에 대한 터빈의 효율을 고려하고, 또한 최적의 속도비를 얻어서 회전속도가 고려된 사이클에서의 열역학적 물성치(이하 물성치) 변화 및 시스템의 효율 변화에 대한 데이터를 얻고자 한다.
  • 본 연구에서는 에너지 변환을 위한 유기랭킨 사이클의 작동유체로 R245fa를 사용하여 소형의 출력을 얻는 경우에 대한 사이클 해석을 수행하였다. 아울러 출력을 조정하는 탈설계점에서의 사이클 해석도 수행하였다.

가설 설정

  • 노즐출구에서 이와 같은 유동속도를 얻기 위한 압력(P2)을 가정하여 얻어진 전엔탈피가 입구의 전엔탈피와 같아지도록 반복하여 계산하여 노즐출구에서의 상태를 얻게 된다. 노즐에서의 효율(#)은 95%로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유기랭킨 사이클에 사용되는 냉매의 장점은? 반면에 태양열, 산업체에서 발생되는 폐열, 지열 등의 열원은 열로써 직접 이용하거나, 증기터빈이나 유기랭킨 사이클을 이용하여 전기를 생산한다. 유기랭킨 사이클에 사용되는 냉매는 증발온도가 수증기에 비하여 낮고, 응축온도가 높기 때문에 비교적 낮은 온도의 열원이 있는 경우에도 사이클 형성이 용이한 장점이 있다.
유기랭킨 사이클의 작동유체로 R245fa를 사용하여 소형의 출력을 얻는 경우에 대한 사이클 해석을 한 결과는? 아울러 출력을 조정하는 탈설계점에서의 사이클 해석도 수행하였다. 소형의 출력을 얻는 경우에는 터빈이 부분분사에 작동하므로 부분분사율이 출력의 감소에 따라서 줄어들기 때문에 터빈의 효율이 감소하게 되었다. 따라서 증발기의 높은 온도보다는 응축에 대한 문제가 없는 상태에서는 증발기의 온도를 낮추고 부분분사율을 높이는 것이 시스템 효율의 상승을 가져온다.
유기랭킨 사이클의 작동유체로써 물, 암모니아, 에탄올이 부적절한 이유는? Liu et.al(2)는 에너지의 회수를 위하여 작동유체로 물, 에 탄올, 벤젠, 톨루엔 등 10종의 작동유체에 대하여 사이클 해석을 수행하였으며, 폐열의 열원 온도가 높을수록 열회수의 효율은 증가한다고 보였으며, 물, 암모니아, 에탄올의 경우에는 증발에 많은 엔탈피를 요구하므로 유기랭킨 사이클의 작동유체로는 부적절하다고 하였다. 냉매의 작동성을 기준으로 포화증기선도가 ds/dT= 0, ds/dT[ 0, ds/dT] 0 이냐에 따라서 isentropic, wetted, dry 냉매로 분류한다.
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참고문헌 (14)

  1. Cong, C. E., 2005, "Solar Thermal Organic Rankine Cycle as a Renewable Energy Option," Jurnal Mekanikal, Dec., No. 20, pp. 68-77. 

  2. Liu B. T., Chie, K. H. and Wang, C. H., 2004, "Effect of Working Fluids on Organic Rankine Cycle for Waste Heat Recovery," Energy, Vol. 29, pp. 1207-1217. 

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  3. Hung T. C., Shai, T. Y. and Wang, S. K., 1997, "A Review of Organic Rankine Cycles for the Recovery of Low-Grade Waste Heat," Energy, Vol. 22, No. 7 pp. 661-667. 

  4. Hung, T. C., Wang, S. K, Kuo, C. H., Pei, B. S. and Tsai, K. F., 2010, "A Study of Organic Working Fluids on System Efficiency of an ORC Using Low-Grade Energy Sources," Vol. 35, pp. 1403-1411. 

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  5. Gang P., Jing, L. and Jie, J., 2010, "Analysis of Low Temperature Solar Thermal Electric Generation Using Regenerative Organic Rankine Cycle," Applied Thermal Engineering, Vol. 30, pp. 998-1004. 

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  6. Yamamoto, T., Furuhata, T., Arai, N. and Mori, K., 2001, "Design and Testing of the Organic Rankine Cycle," Energy, Vol. 26, pp. 239-251. 

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  7. Welch, P. and Boyle, P., 2009, "New Turbines to Enable Efficient Geothermal Power Plants," GRC Transactions, Vol. 33, pp. 765-772. 

  8. Kang, S. H., 2012, "Design and Experimental Study of ORC and Radial Turbine using R245fa Working Fluid," Energy, Vol. 41, pp. 514-524. 

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  9. Declaye, S., Quoilin, S. and Lemort, V., 2010, "Design of Experimental Investigation of a Scroll Scale Organic Rankine Cycle Using a Scroll Expander," Int. Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, 2512, pp. 1-7. 

  10. NIST, 2007, "Reference Fluid Thermodynamics and Transport Properties," Refprop version8.0. 

  11. Verneau, A., 1987, "Supersonic Turbines for Organic Fluid Rankine Cycles from 3kW to 1300kW," VKI Lecture Series 1987-09. 

  12. Cho. S. Y., Cho, C. H. and Kim, C., 2006, "Performance Prediction on a Partially Admitted Small Axial-type Turbine," JSME international J. Series B, Vol. 49, No. 4, pp. 1290-1297. 

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  13. Rohlik, H. E., "Radial-Inflow turbines," 1973, Turbine Design and Application, Vol. 2, NASA SP-290. 

  14. Cho. S. Y., Cho, C. H. and Kim, C., 2008, "Performance Characteristics of a Turbo Expander Substituted for Expansion Valve on Air-conditioner," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 32, pp. 1655-1665. 

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