[논문]냉매(R245fa)를 이용한 유기랭킨 사이클에 관한 연구

조수용; 조종현; 김진환

doi:10.5293/kfma.2013.16.3.010

[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

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. In this study, R245fa was chosen to the working fluid, and the cycle analysis was conducted for the output power of 30kW or less. In addition, properties (temperature, pressure, entropy, and enthalpy etc.) of the working fluid on the cycle were predicted when the turbine output power was controlled by adjusting the mass flowrate. The configuration of the turbine was a radial-type and the supersonic nozzles were applied as the stator. So, the turbine was operated in partial admission. The turbine efficiency and the optimum velocity ratio were considered in the cycle analysis for the low partial admission rate. The computed results show that the system efficiency is affected by the partial admission rate more than the temperature of the evaporator.

주제어

AI 본문요약
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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 에너지 변환을 위한 유기랭킨 사이클의 작동유체로 R245fa를 사용하여 소형의 출력을 얻는 경우에 대한 사이클 해석을 수행하였다. 아울러 출력을 조정하는 탈설계점에서의 사이클 해석도 수행하였다.
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.

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.

제안 방법

사용되는 노즐의 출구 직경을 일정하게 정하여 사용하게 되면 노즐의 개수에 따라서 출력은 단계별로 변화하게 된다. 따라서 30kW급의 출력을 얻는 경우에 대하여 작동유체의 포화증기 온도변화에 따라서 사이클의 차이를 확인하였다. 포화증기의 온도는 °80C에서 120℃까지 10℃간격으로 변경하였다.
5절의 사이클에서 낮은 출력은 동일한 터빈입구온도에 대하여 터빈출구에서의 온도가 높으므로 시스템의 작동에 문제가 없다면 터빈 입구의 온도를 낮추는 것이 에너지 회수에 유리하다. 따라서 본 절에서는 동일한 터빈과 노즐에서, 터빈의 입구온도를 조정하였을 경우에 사이클의 차이를 확인한다. 적용된 노즐의 개수는 3개로 동일하다.
본 연구에서는 소규모의 폐열단지 및 풍력발전으로 부터의 변환 등을 고려하여 터빈의 출력(Π)을 30kW로 설정하였다. 또한, 출력을 필요에 따라서 30kW이하로 사용하게 되는 경우에도 작동유체의 물성치 변화를 예측하였다. 본 연구에 적용될 터빈은 소형터빈이지만 출력이 적기 때문에 질량유량(#)이 적다.
본 연구에서는 소규모의 폐열단지 및 풍력발전으로 부터의 변환 등을 고려하여 터빈의 출력(Π)을 30kW로 설정하였다.
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. 소형의 출력을 얻는 경우에는 터빈이 부분분사에 작동하므로 부분분사율이 출력의 감소에 따라서 줄어들기 때문에 터빈의 효율이 감소하게 되었다.
4도가 된다. 이를 기준으로 로터의 익형이 형상화되므로 30kW 이하의 출력을 얻는 경우에 동일한 터빈을 적용하여 낮은 출력을 얻는 사이클 해석을 수행한다.
)를 구하게 된다. 이를 위하여 NIST의 Refprop⁽¹⁰⁾의 라이브리를 소규모의 출력을 얻는 경우에도 해석이 가능하도록 작성한 사이클 해석프로그램에 연동하였으며, 입구에서의 유동속도는 0.1의 마하수를 갖도록 설정하였다.

대상 데이터

포화증기의 온도는 °80C에서 120℃까지 10℃간격으로 변경하였다. 로터의 외경은 100mm이며, 내경은 60mm이다. 노즐 출구의 직경은 8mm이며 분사각도는 자오면과 65도의 각도를 갖는다.
그림에서의 가열기(C)는 일반적으로 산업체에서 발생되는 100℃ 전후의 낮은 온도를 가진 폐열, 태양열, 지열 등을 활용할 수 있다. 본 연구에서는 여러 종류의 냉매 중에서 증기상태에서 터빈의 작동에 유리한 R245fa를 작동유체로 선정하였다. 가열기에 사용되는 열매체로는 실리콘오일, 고압수 등이 사용되는데, 가열된 열매체는 열교환기(D:증발기)에서 작동유체를 가열하여 액체상태에서 증기상태로 만든다.
아울러 축류형으로도 터빈의 형상을 선정할 수 있다. 하지만 본 연구에서는 30kW 이하의 출력도 얻고자 하므로 질량유량의 조정이 용이한 구심형 터빈으로 형상을 선정하였다.

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.

참고문헌 (14)

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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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