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문제 정의
- 본 연구에서는 저온 폐열 또는 태양열 등 다양한 열원의 활용을 목적으로, 스크롤 팽창기를 적용한 ORC 발전시스템 개발을 위하여 운전조건에 따른 시스템 특성을 파악하였다. 실제 ORC 발전시스템은 열원의 특성에 따라 사이클의 최적 설계가 필요하지만, 이에 앞서 먼저 각 운전조건에 따른 시스템 특성을 파악하는 것은 향후 적용처 및 기술 개발 방향을 결정하는데 있어 중요하다.
가설 설정
- 작동유체의 질량유량(#), 팽창기 rpm, 팽창기 입․출구의 온도(T4, T5)와 압력(P4, P5)의 조건과 그에 따른 증발기에서 작동유체로 공급되는 열량(#), 팽창기출력(#), 팽창효율(ηE), 체적효율(ηv), 펌프 소모동력#), 열효율(ηth), 이상적인 등엔트로피 과정으로 가정한 이론 열효율(ηth,s)을 포함하였다.
제안 방법
- 작동유체로 사용된 R-134a는 370℃에서 열분해가 일어나지만, 작동유체의 경우 철, 동, 알루미늄 등의 금속이 존재하는 곳에서는 화학적 안정성이 저하되어 최고온도 150℃에서 장기간 사용이 가능하다.(16)하지만 본 연구에서는 온도변화에 따른 성능변화를 고찰하기 위하여, 190℃까지 온도를 높여 단기간 동안만 실험을 수행하였다. 또한 재현성의 확보를 위하여 3회 이상 동일한 실험을 통하여 결과를 나타내었다.
- 동력계로 기능을 하는 AC 모터를 이용하여 팽창기 rpm을 조절하였고, 제동저항을 설치하여 발전된 전기를 소비하였다. AC 모터와 팽창기 사이에서 토크센서를 사용하여 토크 및 회전수를 통하여 출력을 구하였고, 작동유체 펌프의 회전수를 조절하여 원하는 작동유체 질량유량을 제어하였다. Table 1～Table 3의 전반부에서는, 변수가 load이며, 팽창기 회전수를 2000 rpm으로 고정하고 작동유체의 질량유량(#)을 단계적으로 증가하여 부하에 따른 성능 변화를 나타내었다.
- Fig. 2는 본 연구를 통해 제작한 ORC 시스템의 실험 장치로, 저온 폐열원을 모사하기 위하여 열매체 보일러에서 가열된 열매체 오일과 사이클의 증발기가 열교환을 하며, 팽창기 입구 작동유체의 온도 조절을 위하여 증발기와 열교환 하는 열매체 오일의 온도를 제어하였다. 또한 재현성을 위한 반복실험에서 응축기를 적절히 냉각하기 위하여 냉각수의 유량을 볼밸브로 조절하여 응축온도를 동일하게 유지하였다.
- ORC 시스템의 작동유체로는 R-134a를 사용하였고, 100∼190℃의 온도 조건에서 팽창기 회전수와 작동유체의 질량유량 변화에 따른 출력 및 열효율, 팽창효율 등 ORC 시스템 운전 특성에 관한 실험연구를 수행하였다.
- 증발기와 열교환하는 열매체의 온도를 변화하여 팽창기의 입구 작동유체 온도를 유지하였다. 동력계로 기능을 하는 AC 모터를 이용하여 팽창기 rpm을 조절하였고, 제동저항을 설치하여 발전된 전기를 소비하였다. AC 모터와 팽창기 사이에서 토크센서를 사용하여 토크 및 회전수를 통하여 출력을 구하였고, 작동유체 펌프의 회전수를 조절하여 원하는 작동유체 질량유량을 제어하였다.
- 동력계로 기능을 하는 AC 모터와 팽창기 사이에서 TRC 모델(Dacell사)의 토크센서(정확도 ±0.5%)를 사용하여 토크 및 회전수를 통하여 출력을 구하였고, 작동유체 펌프의 회전수를 조절하여 원하는 작동유체 질량유량을 제어하였다.
- 그러나 터빈 또는 팽창기의 운전 회전수가 정해지지 않은 경우에는, 팽창기의 회전수를 변화해 가며 실험을 수행하여 최적의 회전속도를 선택한다. 따라서 실험조건으로 팽창기가 파손되지 않으며, 좋은 체적효율이 예상되는 고속회전 영역인 2000 rpm으로 팽창기 회전수를 고정하고, 작동 유체 펌프의 rpm을 조절하여 작동유체의 질량유량을 단계적으로 증가시켜 부하에 따른 성능 변화를 탐구하였다. 또한 작동유체의 질량유량을 0.
- 그러나 팽창기의 경우 저압의 작동유체를 고압으로 만드는 압축기와는 달리 오일순환이 어렵다. 따라서 오일을 공급해 주지 않아도 일반 압축기의 효율을 갖는 oil-free 타입을 선택하였다. 공기용으로 제작된 압축기의 실링을 위하여 하우징 가공과 입구와 출구를 서로 변경하였다.
- 따라서 실험조건으로 팽창기가 파손되지 않으며, 좋은 체적효율이 예상되는 고속회전 영역인 2000 rpm으로 팽창기 회전수를 고정하고, 작동 유체 펌프의 rpm을 조절하여 작동유체의 질량유량을 단계적으로 증가시켜 부하에 따른 성능 변화를 탐구하였다. 또한 작동유체의 질량유량을 0.2 kg/s로 고정하고, 팽창기 회전수를 1000 rpm, 1500 rpm, 2000 rpm으로 단계적으로 증가시켜 부하에 따른 성능 변화를 파악하였다. 작동유체로 사용된 R-134a는 370℃에서 열분해가 일어나지만, 작동유체의 경우 철, 동, 알루미늄 등의 금속이 존재하는 곳에서는 화학적 안정성이 저하되어 최고온도 150℃에서 장기간 사용이 가능하다.
- 2는 본 연구를 통해 제작한 ORC 시스템의 실험 장치로, 저온 폐열원을 모사하기 위하여 열매체 보일러에서 가열된 열매체 오일과 사이클의 증발기가 열교환을 하며, 팽창기 입구 작동유체의 온도 조절을 위하여 증발기와 열교환 하는 열매체 오일의 온도를 제어하였다. 또한 재현성을 위한 반복실험에서 응축기를 적절히 냉각하기 위하여 냉각수의 유량을 볼밸브로 조절하여 응축온도를 동일하게 유지하였다. 증발기, 응축기, 재생열교환기로 대향류의 용접형 판형열교환기(welded plate heat exchanger)를 사용하였다.
- 본 연구에서는 5 hp급 oil-free 상용 스크롤 공기압축기를 개조한 팽창기를 적용하여 ORC 발전시스템을 구성하였으며, 3가지 온도조건(100℃, 150℃, 190℃)에서 팽창기 회전수, 작동유체 질량유량 등의 변화에 따른 출력, 열효율, 팽창효율 등의 운전 특성을 파악하였으며, 결론을 요약하면 다음과 같다.
- 열원의 온도, 작동유체 질량유량에 따른 효율, 출력, 열효율 및 엑서지 개념을 도입하여 사이클과 시스템의 열역학적 계산을 수행하였다. 선행 성능해석 연구를 기본으로, 본 논문에서는 공기압축기를 개조한 프로토타입의 스크롤 팽창기를 적용하여 ORC 시스템을 구성하였다. ORC 시스템의 작동유체로는 R-134a를 사용하였고, 100∼190℃의 온도 조건에서 팽창기 회전수와 작동유체의 질량유량 변화에 따른 출력 및 열효율, 팽창효율 등 ORC 시스템 운전 특성에 관한 실험연구를 수행하였다.
- 실험조건으로는 증발기 공급 열매체의 온도를 변화하여 팽창기 입구 작동유체온도를 100℃, 150℃, 190℃ 로 선정하였으며, 그 이유는 다음과 같다. 태양열 온수기의 액체 폐열원은 약 100℃, 소각장의 기체 폐열원은 약 150℃, 또한 온도변화에 따른 성능 변화를 이해하기 위하여 190℃를 선택하였다.
- 압축과정과 팽창과정이 이상적인 등엔트로피 과정이라고 가정할 때, 이론적인 등엔트로피 열효율은 다음과 같이 정의하여 측정된 실제 사이클의 열효율과 비교하였다.
- 여기서 유량은 Vortex type의 Innova 유량계(Sierra사, 정확도 ±0.2%)로, 온도와 압력은 k-type 열전대와 PSH 압력센서(Sensys사, 정확도 ±0.15%)를 각각 사용하여 측정하였다.
- 은(12) ORC 저온열원의 특성에 따라 개방형과 순환형으로 분류하고, 이에 따른 ORC 시스템 최적화 방법의 차이를 성능해석 측면에서 비교하였다. 열원의 온도, 작동유체 질량유량에 따른 효율, 출력, 열효율 및 엑서지 개념을 도입하여 사이클과 시스템의 열역학적 계산을 수행하였다. 선행 성능해석 연구를 기본으로, 본 논문에서는 공기압축기를 개조한 프로토타입의 스크롤 팽창기를 적용하여 ORC 시스템을 구성하였다.
- Eom et al.은(12) ORC 저온열원의 특성에 따라 개방형과 순환형으로 분류하고, 이에 따른 ORC 시스템 최적화 방법의 차이를 성능해석 측면에서 비교하였다. 열원의 온도, 작동유체 질량유량에 따른 효율, 출력, 열효율 및 엑서지 개념을 도입하여 사이클과 시스템의 열역학적 계산을 수행하였다.
대상 데이터
- 작동유체는 끓는점이 낮고, 폭발성과 독성이 없고, 오존 파괴지수가 낮으며, 현재 공조냉동시스템에 널리 사용되고 있는 R-134a를 선정하였다. 또한 향후 지구 온난화 지수와 연관된 냉매규제에 대응하기 위해 신냉매로 개발되고 있는 R-1234yf와 물성이 유사하여(13-15) 시스템의 변화 없이 신냉매를 사용할 수 있다는 장점이 있다.
- 또한 재현성을 위한 반복실험에서 응축기를 적절히 냉각하기 위하여 냉각수의 유량을 볼밸브로 조절하여 응축온도를 동일하게 유지하였다. 증발기, 응축기, 재생열교환기로 대향류의 용접형 판형열교환기(welded plate heat exchanger)를 사용하였다. AC 모터를 이용하여 팽창기 rpm을 조절하였고, 제동저항을 설치하여 발전된 전기를 소비하였다.
성능/효과
- (1) 팽창기 회전수가 일정한 상태에서 작동유체 질량 유량이 증가하면 공급열량은 비례하여 증가하며 팽창기 입구 압력 증가로 팽창비 증가, 출력 증가가 발생한다. 작동유체 질량유량이 매우 작을 때는 팽창비가 매우 낮아 팽창효율 및 열효율이 매우 낮으며, 일정 부하 이상에서 안정된 팽창효율과 열효율을 보인다.
- (2) 작동유체 펌프 회전수(작동유체 질량유량)가 일정한 상태에서 팽창기 회전수를 증가하면 입력 열량은 거의 일정하나 팽창기 입구 압력 감소로 팽창비 감소, 누설량 감소에 따른 체적효율증가, 마찰력 증가 등의 요인으로 1500 rpm에서 출력, 팽창효율, 열효율이 최대가 된다.
- (3) 팽창기 입구의 온도와 압력이 높을수록 이론 열효율은 증가하지만, 팽창기 입구 온도가 증가할수록 팽창기 효율은 감소하게 되어 150℃에서 190℃로 팽창기 입구 온도가 증가 시 누설량 증가 및 팽창비 감소에 의해 실험으로 측정된 열효율은 감소하는 경향을 나타낸다.
- (8)은 증기로 작동되는 스크롤 팽창기를 설계/제작하여 34%의 팽창기 효율을 얻었으며, Saitoh et al.(9)은 태양열을 이용하는 ORC 시스템에 스크롤 팽창기를 적용하여 65%의 팽창기 효율과 11%의 사이클 효율을 달성하였다. Kane et.
- 2000 rpm의 경우 누설량 감소로 체적효율은 증가하지만 팽창비가 낮아진다. 두 조건을 종합하면 1500 rpm에서 가장 높은 팽창효율을 보이며 이때 가장 높은 열효율을 나타낸다. 또한 온도가 높아질수록 이론 열효율은 높아지지만 실험에서는 팽창기 출구 온도가 높아져 출구압력의 증가에 따른 팽창비 감소와 누설량 증가로 인한 체적효율 감소가 원인으로, 열효율은 150℃에서 가장 높게 나타난다.
- 또한 팽창기 출구 압력과 온도가 높아져 팽창비에 의한 변화가 미비하고, 체적효율은 거의 일정하지만 기계적 마찰 즉 트러스트 손실이 증가해 팽창효율이 낮아지는 것으로 생각된다. 따라서 100℃, 150℃에서는 작동유체 질량유량이 증가할수록 팽창효율이 증가하여 열효율이 높아지지만, 190℃에서는 팽창효율은 낮아지지만, 팽창비가 높아져 열효율이 조금 증가하는 경향을 보인다.
- 두 조건을 종합하면 1500 rpm에서 가장 높은 팽창효율을 보이며 이때 가장 높은 열효율을 나타낸다. 또한 온도가 높아질수록 이론 열효율은 높아지지만 실험에서는 팽창기 출구 온도가 높아져 출구압력의 증가에 따른 팽창비 감소와 누설량 증가로 인한 체적효율 감소가 원인으로, 열효율은 150℃에서 가장 높게 나타난다.
- 5 CC, 팽창용적 148 CC, 재질은 알루미늄이다. 이 압축기를 역으로, 즉 팽창기 대용으로 사용하면, 본 연구에서 대상으로 하는 출력, 팽창비, 체적이 적합하며, 역회전방지 장치와 체크벨브가 존재하지 않아 개조가 쉽다. 그러나 팽창기의 경우 저압의 작동유체를 고압으로 만드는 압축기와는 달리 오일순환이 어렵다.
- 2 kg/s로 동일한 상태에서 팽창기 입구의 작동유체 온도 변화에 따른 사이클의 실제 열효율과 이론 열효율, 팽창효율, 체적효율을 각각 나타낸다. 재생열교환기가 있는 ORC 시스템의 경우 팽창기 입구의 작동 온도와 압력이 높을수록 이론 열효율은 증가하지만, 실험 결과에 의하면 팽창기 입구 작동유체온도가 증가할수록 팽창기 효율과 체적효율은 감소한다. 따라서 팽창기 입구 작동유체 온도가 150℃에서 190℃로 증가 시 실제 열효율은 오히려 약간 감소하는 경향을 보인다.
- 2 kg/s로 고정한 후 팽창기 회전수에 따른 시스템의 열효율과 팽창효율을 각각 나타낸다. 팽창기 입구 작동유체 온도가 100℃일 때 최대 열효율은 8%이며 이때 팽창효율이 약 67.1%, 이론열효율은 대략 12～13%이고, 팽창기 입구 작동유체 온도가 150℃일 때 최대 열효율은 9.4%이며 팽창효율이 약 64%, 최대 이론 열효율은 대략 15.7%이다. 팽창기 작동유체 입구온도가 150℃일 경우, 팽창기 회전수와 작동유체 질량유량 변화에 따른 팽창효율과 열효율 변화를 살펴보면, 팽창기 입구온도가 100℃일 때와 같이 팽창효율이 가장 좋은 1500 rpm에서 출력, 팽창효율, 열효율이 최대가 된다.
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