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엔진 배기열 회수 증발기 설계를 위한 유기랭킨사이클 분석
Analysis of organic rankine cycle for designing evaporator of engine exhaust heat recovery system 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.37 no.5, 2013년, pp.446 - 452  

고제현 (Department of Mechanical Engineering Graduate School, Korea Maritime University) ,  최병철 (Ship & Plant Research Team Korean Register) ,  박권하 (Division of Mechanical & Energy Systems Engineering, Korea Maritime University)

초록
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탄소저감 기술과 함께 에너지 효율 향상에 대한 관심이 증가하고 있다. 엔진에서 대기로 방출되는 배기에너지는 전체에너지의 30%가 넘는 많은 양이며 배기열을 회수하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 선행연구를 통하여 제시한 디젤엔진에서의 최적 열 회수 조건에 대한 랭킨사이클을 분석하였다. 그 결과 질량유량비와 압력비가 각각 0.6, 0.7 일 때 엑서지 효율과 출력은 0.53, 1.43 kW을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Interest in the energy efficiency and carbon reduction technology is increasing. Many studies have done on the technologies of heat recovery systems, because over 30% of the total energy is released into the atmosphere with the exhaust gas flow. In this study, the Rankine cycle is analyzed in the op...

주제어

#배기열 회수   #유기랭킨사이클   #엑서지  

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

문제 정의

  • 이처럼 열 회수를 통하여 에너지를 회수하는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 엔진의 배기 조건을 상세히 분석하여 열 회수 조건을 결정하고 이때의 조건에 알맞은 열 회수 시스템을 제시하는 연구는 거의 없다. 본 연구에서는 선행연구의 열회수 조건에 적합한 증발기 설계를 위하여 유기랭킨 사이클을 분석하고자 한다.

가설 설정

  • 5MPa 정도가 된다. 가정한 증발기의 운전압력과 증발기 자체에서발생되는 압력강하를 고려하면 위의 조건은 냉매누설 및 안전과 직격될 가능성이 높다. 가정한 증발기의 압력강하를 0.
  • 6 kW의 값을 가진다. 가정한 증발기의 운전압력을 고려한다면 이보다 더 낮은 출력을 얻을 것이라 판단된다.
  • 출구 온도를 373K 이하로 설정하면 배기 중 수증기가 응결하여 배기관을 부식시키는 우려가 있지만 최근 배기관 재질의 발달로 인해 부식시키지 않는다고 가정 하여 출구온도를 330K으로 설정하였다. 증발기의 최대운전압력은 3 MPa 로 가정하였다. 펌프와 터빈효율을 0.
  • 출구 온도를 373K 이하로 설정하면 배기 중 수증기가 응결하여 배기관을 부식시키는 우려가 있지만 최근 배기관 재질의 발달로 인해 부식시키지 않는다고 가정 하여 출구온도를 330K으로 설정하였다. 증발기의 최대운전압력은 3 MPa 로 가정하였다.
  • 증발기의 최대운전압력은 3 MPa 로 가정하였다. 펌프와 터빈효율을 0.85로 설정하였으며 핀치온도차(∆TPP)는 10 K으로 가정하였다. 응축온도를 303K으로 고정하였고 열역학적 물성치는 REFPROP ver.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Rankine Steam Cycle 기술은? 이러한 준비를 위해 디젤 기관에서 배출되는 배기열을 회수하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 상용화 되어 있는 기술은 Rankine Steam Cycle 기술로써 물을 냉매로 사용하여 열을 회수하고 팽창기에 의해서 동력을 발생시키는 것이다[2]. 최근 유기랭킨 사이클 설계및 제작 연구를 수행하여 30 kW의 사이클 출력을 얻은 연구가 수행되었으며[3] 또한 배기 열 회수 장치를 적용하여 SI엔진의 웜 업 시간을 단축하는 연비향상의 연구도 수행되었다[4].
배기열회수를 통해 예열시간을 단축함으로써 얻을 수 있는 효과는? 최근 유기랭킨 사이클 설계및 제작 연구를 수행하여 30 kW의 사이클 출력을 얻은 연구가 수행되었으며[3] 또한 배기 열 회수 장치를 적용하여 SI엔진의 웜 업 시간을 단축하는 연비향상의 연구도 수행되었다[4]. 배기열회수를 통해 예열시간을 단축함으로써 웜 업 시간에 다량 발생되는 오염 물질을 저감할 수 있으며 가열된 냉각수의 영향으로 마찰저감 효과까지 얻을 수 있다[5][6]. 이처럼 열 회수를 통하여 에너지를 회수 하는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 엔진의 배기 조건을 상세히 분석하여 열 회수 조건을 결정하고 이때의 조건에 알맞은 열 회수 시스템을 제시하는 연구는 거의 없다.
엔진 배기열 회수 증발기 설계를 위한 유기랭킨사이클 분석연구 결과는? (1) 사이클의 최적 효율과 출력에 해당하는 증발압력 및 질량유량을 선정하기 위해 압력비(Rp)와질량유량비(Rm)를 정의하였다. (2) 압력비는 0.4에서 0.8의 범위가, 질량유량비는 0.5에서 0.7의 범위가 증발기 설계의 적정영역으로 판단되었다. (3) 최대운전압력과 내부압력강하를 각각 3 MPa, 0.5 MPa로 가정할 경우 2.5 MPa의 운전압력이 적절하였다. (4) 상기 운전압력에 해당하는 사이클의 압력비와질량유량비는 각각 0.6, 0.7 이며, 이때의 엑서지효율과 출력은 각각 0.53와 1.43 kW을 나타내었다.
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참고문헌 (11)

  1. H.-H. Lee, I.-O. Lee, and D.-C Lee, "Feasibility study for application of waste heat recovery system on the marine ship," Proceedings of the 36th KOSME Spring Conference, p. 109, 2012 (in Korean). 

  2. J.-O. Mo, M.-E. Kim, Y.-T. Kim ,C. Oh, J.-H. Kim, "Performance analysis by CFD and aerodynamic design of 100kW class radial turbine using waste heat from ship," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 35, no. 2, pp.175-181, 2011 (in Korean). 

    원문보기 상세보기 crossref

  3. S.-H. Kang and D.-H. Chung, "Design and experimental study of ORC system," Journal of the Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers, vol. 2010, no. 6, pp. 1299-1303, 2010 (in Korean). 

  4. K.-S. Park, H.-C. Suh, S.-H. Park, I.-T Kim, S.-W. Jang, "Effects of warm-up performance on SI engine with exhaust recovery system," Journal of the Korea Society of Automotive Engineers, vol. 19, no. 6, pp. 53-60, 2011 (in Korean). 

  5. J. Ringler, M. Seifert, V. Guyotot, W. Hubner, "Rankine cycle for waste heat recovery of IC engines," Society of Automotive Engineers, paper no. 2009-01-0174. 

  6. T. Endo, S. Kawajiri, Y. Kojima, K. Takahashi, "Study on maximizing exergy IN automotive engines," Society of Automotive Engineers, paper no. 2007-01-0257. 

  7. Y. A. Cengel and M. A. Boles, "Thermodynamics an engineering approach 5th Ed," Mc Graw-Hill, pp. 406-461, 2006 (in Korean). 

  8. Vaja, I. and Gambarotta, A, "Internal combustion engine bottoming with organic rankine cycles," Journal of the Energy, vol. 35, no. 2, pp. 1084-1093, 2010. 

    상세보기 crossref

  9. B.-C. Choi and Y.-M. Kim, "Exhaust-gas-recovery system of marine disel engin (I)," Journal of the Korean Society of Mechnical Engineers, vol. 36, no. 3, pp. 293-299, 2012 (in Korean). 

    원문보기 상세보기 crossref

  10. B.-C. Choi and Y.-M. Kim, "Exhaust-gas-recovery system of marine disel engin (II)," Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, vol. 36, no. 6, pp. 593-600, 2012 (in Korean). 

    원문보기 상세보기 crossref

  11. C.-J. Kim, J.-H. Ko, B.-C. Choi, K.-W. Chun, K.-H. Park, "The analysis of the engine performance on exhaust gas pressure variation adjusted with tail pipe opening," Proceedings of the 36th KOSME Fall Conference, pp. 188-191, 2012 (in Korean). 

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