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문제 정의
- 본 연구에서는 공기용 스크롤 압축기를 개조한 스크롤 팽창기를 사용하여 R245fa를 작동유체로 하는 소형 유기랭킨사이클 발전 시스템을 설계 및 제작하였으며, 시스템의 작동 및 성능특성을 파악하기 위하여 동일한 열원온도 및 작동유체 질량유량 변화에 대하여 팽창기 회전속도 제어 방식에 따른 실험을 수행하였고 결론을 다음과 같이 정리한다.
- 본 연구에서는 앞서 설명한 바와 같이 R-245fa를 작동유체로 사용하는 소형 유기랭킨사이클 시스템을 설계 및 제작 하였으며, 열원으로 고온의 물을 사용하여 열원온도 및 팽창기 회전속도 조건에 따른 실험적 연구를 통해서 그 작동특성을 파악하고 성능을 시험하였다.
제안 방법
- 응축기를 통과한 액상의 작동유체는 다시 수액기에 저장되는 과정으로 순환이 이루어진다. 각 주요 지점에서의 온도, 압력, 유량 등을 측정할 수 있도록 하였으며, 특히, 증발기 및 응축기 출구에서 작동유체의 상변화를 관찰하기 위하여 측정값을 NIST사에서 제공하는 REFPROP9의 물성치 데이터베이스 값과 비교하여 증발 및 응축의 유무를 판별하였다.
- 또한, 작동유체 질량유량의 경우 ATOZCELL KOREA사의 ±0.5% FSO의 정밀도를 가지는 터빈방식의 체적유량계를 펌프 출구단에 설치하여 측정부의 밀도를 실시간으로 계산하여 질량유량을 측정하였다.
- 팽창기 회전속도의 제어는 팽창기 축과 연결된 동기식 모터를 사용하여 로드뱅크 연결을 통한 제어 및 PI 제어방식을 통한 회전속도 제어가 가능하도록 구성하였다. 본 연구에서는 로드 뱅크를 이용한 부하실험(가변 회전속도) 및 회전 속도 고정조건에 대한 실험을 수행하였으며, 모니터링 및 데이터 획득이 가능하도록 구성하였다.
- 본 연구에서는 열원인 고온수 전기히터의 유입온도를 통해 팽창기 입구 온도를 제어하였다. 팽창기의 입구온도 조건은 110 ~ 140 ℃의 범위로 10 ℃ 간격으로 하여 각 온도조건에서 작동유체 질량유량을 순차적으로 증가시켜 부하에 따른 작동특성을 파악하였다.
- 열교환량은 상대적으로 온도 및 유량의 변동이 안정적인 고온수와 냉각수에서의 측정값으로 계산하였고, 팽창기의 출력은 토크와 회전수를 사용하여 계산하였다.
- 냉각수의 공급은 40 RT의 냉각능력을 가진 공랭식 칠러를 통해서 공급되도록 하였다. 열원 및 냉각수는 각각의 컨트롤러를 통해서 공급온도 및 유량을 제어할 수 있어 다양한 조건에서의 실험이 가능하도록 구성하였다. 팽창기 회전속도의 제어는 팽창기 축과 연결된 동기식 모터를 사용하여 로드뱅크 연결을 통한 제어 및 PI 제어방식을 통한 회전속도 제어가 가능하도록 구성하였다.
- 3은 소형 ORC 시스템의 실험장치를 나타낸다. 열원의 모사를 위해서 최대 150 ℃ 의 물을 공급할 수 있는 110 kW급의 고온수용 전기히터를 제작 및 설치하였다. 냉각수의 공급은 40 RT의 냉각능력을 가진 공랭식 칠러를 통해서 공급되도록 하였다.
- 하지만 다이어프램 펌프의 특성상 낮은 유량에서 맥동이 존재하며, 흡입조건에 매우 민감한 단점이 있어 시스템 구성 시 고려해야 한다. 증발기 및 응축기의 경우는 시스템의 소형화를 위해서 각각 단일의 판형 열교환기를 사용 하였다. 사용된 증발기 및 응축기는 각각 Alpa laval사의 AC-120EQ 및 CB76-40H 모델을 사용하였으며, 각 열교환기는 100 kW 이상의 충분한 열교환 능력을 가진다.
- 352 m3/min다. 토크측정의경우 COZY사의 스트레인게이지타입의 토크센서를 사용하였으며, ONO SOKKI사의 magneto-type의 RPM 센서를 사용하여 팽창기 회전속도를 측정하였다. 토크 및 RPM 센서는 ±0.
- 열원 및 냉각수는 각각의 컨트롤러를 통해서 공급온도 및 유량을 제어할 수 있어 다양한 조건에서의 실험이 가능하도록 구성하였다. 팽창기 회전속도의 제어는 팽창기 축과 연결된 동기식 모터를 사용하여 로드뱅크 연결을 통한 제어 및 PI 제어방식을 통한 회전속도 제어가 가능하도록 구성하였다. 본 연구에서는 로드 뱅크를 이용한 부하실험(가변 회전속도) 및 회전 속도 고정조건에 대한 실험을 수행하였으며, 모니터링 및 데이터 획득이 가능하도록 구성하였다.
- 사용된 증발기 및 응축기는 각각 Alpa laval사의 AC-120EQ 및 CB76-40H 모델을 사용하였으며, 각 열교환기는 100 kW 이상의 충분한 열교환 능력을 가진다. 팽창기는 공기용 스크를 압축기를 팽창기 모드로 개조하여 사용하였으며, 누설방지를 위한 외부 케이스를 제작하고 회전속도의 제어 및 출력 측정을 위하여 동기식 모터와 토크측정기를 동시에 직접 연결하였다. 팽창기에 사용된 스크롤 압축기는 경원콤푸레샤(주)의 공기용 스크롤 압축기로 3.
- 본 연구에서는 열원인 고온수 전기히터의 유입온도를 통해 팽창기 입구 온도를 제어하였다. 팽창기의 입구온도 조건은 110 ~ 140 ℃의 범위로 10 ℃ 간격으로 하여 각 온도조건에서 작동유체 질량유량을 순차적으로 증가시켜 부하에 따른 작동특성을 파악하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서는 보유하고 있는 열원의 공급가능 온도의 한계 및 작동압력 범위 등을 고려하여 다양한 작동유체 후보 중 상대적으로 낮은 압력에서 운전이 가능하고 수급이 용이하며 현재 ORC 시스템에 가장 널리 이용되고 있는 R245fa를 작동유체로 선정하였다. R245fa의 주요한 열역학적 상태량을 Table 1에 나타내었다.
- 이 연구는 본 연구와 매우 유사한 점이 많으나 가장 큰 차이점은 작동유체와 열원의 종류가 다르다는 점이다. 본 연구에서는 작동유체로 R245fa를 선정하였고, 열원으로 110 ~ 150 ℃의 고온의 물을 사용하였다. 본 연구를 통해 현재 ORC 시스템에서 가장 널리 이용되고 있는 R134a 및 R245fa의 성능특성에 관한 비교고찰은 ORC 분야의 연구발전에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
- 증발기 및 응축기의 경우는 시스템의 소형화를 위해서 각각 단일의 판형 열교환기를 사용 하였다. 사용된 증발기 및 응축기는 각각 Alpa laval사의 AC-120EQ 및 CB76-40H 모델을 사용하였으며, 각 열교환기는 100 kW 이상의 충분한 열교환 능력을 가진다. 팽창기는 공기용 스크를 압축기를 팽창기 모드로 개조하여 사용하였으며, 누설방지를 위한 외부 케이스를 제작하고 회전속도의 제어 및 출력 측정을 위하여 동기식 모터와 토크측정기를 동시에 직접 연결하였다.
- 2는 제작된 ORC 시스템의 3차원 형상을 나타낸다. 작동유체 펌프의 경우 충분한 유량과 넓은 양정범위의 장점을 가진 다이어프램 펌프를 사용하였다. 하지만 다이어프램 펌프의 특성상 낮은 유량에서 맥동이 존재하며, 흡입조건에 매우 민감한 단점이 있어 시스템 구성 시 고려해야 한다.
데이터처리
- 8 Ω으로 저항을 고정하였고, 그로 인해 작동조건에 따라서 팽창기의 회전속도는 변화한다. 모든 실험결과에 표시된 Error bar는 측정치의 표준편차로 나타내었다. Fig.
성능/효과
- (1) 로드뱅크를 이용한 실험은 보유 장비의 최대 저항인 4.8 Ω으로 고정하였으며, 그로 인해 작동유체 질량유량 증가에 따라 출력 및 회전속도가 동시에 증가하였고, 최대 출력은 열원온도140 ℃, 작동유체 질량유량 0.160 kg/s에서 3.14kW로 측정되었다.
- (2) 동일한 작동유체 유량조건에 대해서 팽창기 입구 온도의 상승은 팽창기 효율을 소폭 상승시키지만, 동일한 팽창기 입구온도 조건에서 작동 유체의 유량 증가에 대하여 팽창기의 단위질량당일 및 팽창기 효율은 오히려 감소하였다. 이것은 유량의 증가에 따라 팽창기의 회전속도가 동시에 상승함으로 발생하는 체적효율의 감소가 원인인 것으로 판단된다.
- (3) 회전속도를 1500 RPM으로 고정한 실험 결과, 가변 회전속도 실험과 동일한 운전조건에 대하여 상대적으로 출력과 팽창기 효율이 높은 것을 확인하였으며, 회전속도의 제한으로 인해 동일한 조건에 대하여 팽창기 입구의 압력이 더 높게 형성되었다. 최대 출력은 열원온도 140 ℃, 작동유체 질량유량 0.
- (4) 고정 회전속도 실험 결과 작동유체 질량유량의 증가에 따라 팽창기 효율이 증가하는 구간이 있으며, 팽창기 입구 온도 상승에 대해서는 팽창기 효율이 감소하는 경향을 보였다. 이는 고정된 회전속도 운전의 특성으로 최초에 공기용으로 설계된 스크롤 형상이 고온의 운전조건에 취약한 것이 원인으로 판단된다.
- (5) 결론적으로, 동일한 열원온도 및 작동유체질량유량 조건에서 적절한 회전속도의 제한은 본 연구에서 사용된 스크롤 팽창기의 출력 및 팽창기 효율 측면에서 매우 중요한 작동변수임을 확인하였고, 그 결과로 1500 RPM으로 회전수를 고정한 조건에서 가변속도 조건에 비해 총 출력 및 팽창기 효율이 높게 나타나는 것을 확인하였다. 다양한 고정 회전속도 조건에 따른 성능시험 및 특성분석을 통해 스크롤 팽창기의 최적 운전조건을 찾는 연구가 반드시 필요할 것으로 판단된다.
- 11에서 알 수 있듯이 1500 RPM 고정 회전속도 시험결과는 가변속도 실험과 비교하여 팽창기 효율이 매우 다른 경향을 보인다. 가변속도 실험결과 달리 각 온도조건에서 작동유체 질량유량 증가에 따라 팽창기 효율은 오히려 상승하며, 열원 온도 증가에 대해서 팽창기 효율은 감소하는 경향을 보였다. 이것은 고정된 회전속도 조건에서는 팽창기 입구의 온도의 영향을 크게 받는 것으로 판단된다.
- 13은 회전속도 제어 방식에 따라 동일한 열원온도인 130 ℃, 140 ℃ 조건에서 작동 유체 질량유량 조건에 따른 출력과 팽창기 효율을 동시에 나타내며, 표시된 숫자는 가변속도 실험 조건에서의 회전속도를 나타낸다. 결과에서 알 수 있듯이 동일한 조건에 대해서 회전속도가 1500 RPM 인 경우 출력 및 팽창기 효율이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이것은 앞서 설명한 바와 같이 팽창기의 회전속도 제어로 인해 팽창기 체적효율이 상승했기 때문으로 판단된다.
- 9는 열역학 2법칙에 의한 엑서지 효율을 나타낸다. 엑서지 효율은 열원의 활용도를 나타내는 지표로써, 결과와 같이 엑서지 효율이 동일 질량유량 조건에서 매우 근접한 값을 가지게 되는 것은 본 연구에서의 각 열원조건의 온도차가 크지 않은 것이 원인인 것으로 판단되며, 7.5 %내외에 분포하는 것을 확인할 수 있다.
- 이것은 팽창기 입구의 온도 상승에 따른 팽창기 효율의 상승 및 회전속도 증가에 따른 것으로 판단된다. 질량유량이 증가하면 팽창기 입구의 압력과 팽창기의 회전수가 증가하였고, 동시에 팽창기에서의 총 출력이 증가하였다. 하지만 팽창기 출구의 압력도 동시에 증가하여 압력비는 큰 변동 없이 약 5.
- 이것은 출력이 상승한 만큼 유입열량 또한 동시에 증가하고, 가변속도시험과 마찬가지로 압력비의 변화가 거의 없기 때문인 것으로 판단된다. 회전속도 제어에 따른 팽창기의 성능특성을 비교한 결과 1500 RPM 고정실험의 경우가 출력 및 팽창기 효율 면에서 이점을 가지는 것으로 확인되었다.
후속연구
- (5) 결론적으로, 동일한 열원온도 및 작동유체질량유량 조건에서 적절한 회전속도의 제한은 본 연구에서 사용된 스크롤 팽창기의 출력 및 팽창기 효율 측면에서 매우 중요한 작동변수임을 확인하였고, 그 결과로 1500 RPM으로 회전수를 고정한 조건에서 가변속도 조건에 비해 총 출력 및 팽창기 효율이 높게 나타나는 것을 확인하였다. 다양한 고정 회전속도 조건에 따른 성능시험 및 특성분석을 통해 스크롤 팽창기의 최적 운전조건을 찾는 연구가 반드시 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 작동유체로 R245fa를 선정하였고, 열원으로 110 ~ 150 ℃의 고온의 물을 사용하였다. 본 연구를 통해 현재 ORC 시스템에서 가장 널리 이용되고 있는 R134a 및 R245fa의 성능특성에 관한 비교고찰은 ORC 분야의 연구발전에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
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