[논문]LNG 냉열을 열싱크로 이용하는 유기랭킨사이클(ORC)의 작동유체에 따른 성능 특성

김경훈; 하종만; 김경천

doi:10.7316/khnes.2014.25.2.200

LNG 냉열을 열싱크로 이용하는 유기랭킨사이클(ORC)의 작동유체에 따른 성능 특성
Effects of Working Fluids on the Performance Characteristics of Organic Rankine Cycle (ORC) Using LNG Cold Energy as Heat Sink 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.25 no.2, 2014년, pp.200 - 208

김경훈 (금오공과대학교 기계공학과) , 하종만 (한국가스공사 신에너지기술연구센터) , 김경천 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents thermodynamic performance analysis of organic Rankine cycle (ORC) using low temperature heat source in the form of sensible energy and using liquefied natural gas (LNG) as heat sink to recover the cryogenic energy of LNG. LNG is able to condense the working fluid at a very low condensing temperature in a heat exchanger, which leads to an increased power output. Based on the mathematical model, a parametric analysis is conducted to examine the effects of eight different working fluids, the turbine inlet pressure and the condensation temperature on the system performance. The results indicate that the thermodynamic performance of ORC such as net work production or thermal efficiency can be significantly improved by the LNG cold energy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 현열 형태의 저온 열원을 활용해서 효과적으로 동력을 생산하기 위하여 LNG 냉열을 열 싱크로 활용하는 ORC의 열역학적 성능 특성을 해석 하였다. 여덟 가지 서로 다른 작동유체를 ORC에서 사용할 때 시스템의 성능 특성을 비교 해석하였으며 터빈입구 압력의 변화가 시스템에 미치는 영향에 대해 조사하였다.
본 연구에서는 현열 형태의 저온 폐열을 유용한 일로 변환하기 위하여 LNG 냉열을 열싱크로 이용하는 ORC에 대한 열역학적 성능 해석을 수행한다. 작동유체는 임계온도가 낮은 순으로 R143a, R22, R134a, R152a, 이소부탄, 부탄, R245fa, R123의 여덟가지를 고려하며 작동유체의 분자량 M, 임계온도 T_cr, 임계압력 P_cr, 이심인자 ω 등 기본적인 열역학적 성질들은 Table 1에 나와 있다.
현열형태의 저온 열원을 이용하여 동력을 생산하는 경우에 공급되는 에너지로부터 최대의 동력을 생산하는 것이 중요하기 때문에 본 연구에서는 주어진 공급 열원으로부터 최대의 동력을 생산하기 위한 최대 작동유체 유량으로 운전하는 것으로 해석한다. 그러므로 열교환기와 응축기에서 고온과 저온 유체의 최소 온도차는 미리 설정한 핀치포인트에 도달하는 조건으로 해석을 수행 한다^2,3).

가설 설정

또한 펌프와 터빈에서의 등엔트로피 효율은 각각 ηp1, ηp2와 ηt로 일정하다고 가정한다.
. 또한 해석의 편의를 위해 LNG는 순수 메탄(CH₄) 으로 가정하며 열원은 입구온도 T_s로 유입되는 표준 공기로 가정한다. 터빈 입구에서 작동유체는 순수 증기인 경우로 제한하며 터빈 출구에서 작동유체의 건도는 y_te 이상이라고 가정한다.
또한 해석의 편의를 위해 LNG는 순수 메탄(CH₄) 으로 가정하며 열원은 입구온도 T_s로 유입되는 표준 공기로 가정한다. 터빈 입구에서 작동유체는 순수 증기인 경우로 제한하며 터빈 출구에서 작동유체의 건도는 y_te 이상이라고 가정한다. 시스템에서 열교환기를 제외한 열손실은 무시하며, 터빈과 펌프 이외에서의 압력변화 또한 무시한다.

제안 방법

LNG냉열을 열싱크로 이용하는 ORC 시스템에서 여덟가지 다른 작동유체에 대해 터빈입구압력과 응축온도에 따른 시스템의 열역학적 성능을 다양한 관점에서 해석하였으며 주요 결과는 다음과 같다.
였다. 여덟 가지 서로 다른 작동유체를 ORC에서 사용할 때 시스템의 성능 특성을 비교 해석하였으며 터빈입구 압력의 변화가 시스템에 미치는 영향에 대해 조사하였다.
지금까지 우리는 열원유체의 유량이나 온도 등 주어진 조건에서 터빈입구압력에 따른 순생산동력, 열효율, 그리고 열전달용량 등의 특성을 살펴보았다. Table 2에서는 응축온도가 -20℃와 30℃일 때 작동 유체별 응축압력을 보여준다.

대상 데이터

작동유체는 임계온도가 낮은 순으로 R143a, R22, R134a, R152a, 이소부탄, 부탄, R245fa, R123의 여덟가지를 고려하며 작동유체의 분자량 M, 임계온도 Tcr, 임계압력 Pcr, 이심인자 ω 등 기본적인 열역학적 성질들은 Table 1에 나와 있다.

이론/모형

한편 시스템의 작동유체와 LNG의 열역학적 상태량들은 Patel-Teja 상태방정식¹⁸⁾에 의해 계산한다.

성능/효과

1) 시스템의 열효율은 터빈입구압력이 높아짐에 따라 증가하며, 동일한 터빈입구압력에서 작동유체의 임계온도가 높을수록 대체로 높다.
2) 시스템의 순생산동력은 터빈입구압력이 높아짐에 따라 대체로 증가하며, 동일한 터빈입구압력에서는 작동유체의 임계온도에 따라 증가하다가 감소한다.
3) LNG 냉열을 이용하여 응축온도를 낮추면 동일 조건에서 순생산동력과 열효율이 현저하게 개선되며 응축온도에 따라 순생산동력이 최대가 되는 작동유체가 달라진다.
4) 작동유체에 따른 시스템의 성능은 시스템의 순생산동력이나 열효율 뿐 아니라 열전달용량이나 터빈의 압력비 등 다양한 관점에서 판단해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액화 천연가스는 기화 과정에서 얼마만큼의 냉열을 방출하는가?	액화 천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)는 천연가스에 비해 에너지 밀도가 약 600배가 높은 청정에너지원으로 각광을 받고 있으며 국내에서도 가정 및 산업용 연료로 널리 사용되고 있다. 메탄(CH4)이 주성분인 LNG는 대기압 하에서 약 -162°C의 극저온 액체 상태로 저장되며 기화 과정에서 약 840kJ/kg의 냉열을 방출한다. 이러한 LNG의 냉열을 효과적으로 활용하기 위한 연구들이 주목 받고 있다10).
	ORC의 특징은 어떠한가?	ORC는 수증기 랭킨 사이클과 같은 구조를 가지고 있으나 수증기 대신에 비등점이 낮은 유기물질을 작동유체로 사용하며, 구조가 간단하고 운전이 용이하며 신뢰도도 높고, 다양한 저등급의 열원을 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. ORC에서는 어떤 작동 유체를 사용하는가와 어떤 조건으로 작동할 것인가가 시스템의 운전과 에너지 효율, 그리고 환경 문제에 큰 영향을 준다.
	ORC에서 어떠한 것이 시스템의 운전과 에너지 효율, 그리고 환경 문제에 큰 영향을 주는가?	ORC는 수증기 랭킨 사이클과 같은 구조를 가지고 있으나 수증기 대신에 비등점이 낮은 유기물질을 작동유체로 사용하며, 구조가 간단하고 운전이 용이하며 신뢰도도 높고, 다양한 저등급의 열원을 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. ORC에서는 어떤 작동 유체를 사용하는가와 어떤 조건으로 작동할 것인가가 시스템의 운전과 에너지 효율, 그리고 환경 문제에 큰 영향을 준다.

참고문헌 (18)

V. A. Prisyazhniuk, "Alternative trends in development of thermal power plant", Applied Thermal Engineering, Vol. 28, 2008, pp. 190-194.

상세보기
K. H. Kim, C. H. Han, K. Kim, "Effects of ammonia concentration on the thermodynamic performances of ammonia-water based power cycles", Thermochimica Acta, Vol. 530, No. 20, 2012, pp. 7-16.

상세보기
K. H. Kim, H. J. Ko, K. Kim, "Assessment of pinch point characteristics in heat exchangers and condensers of ammonia-water based power cycles", Applied Energy, Vol. 113, 2014, pp. 970-981.

상세보기
T. C. Hung, S. K. Wang, C. H. Kuo, B. S. Pei, K. F. Tsai, "A study of organic working fluids on system efficiency of an ORC using low-grade energy sources," Energy, Vol. 35, 2010, pp. 1403-1411.

상세보기
N. A. Lai, M. Wendland, J. Fisher J, "Working fluids for high temperature organic Rankine cycle," Energy, Vol. 36, 2011, pp. 199-211.

상세보기
Y. Dai, J. Wang, L. Gao, "Parametric optimization and comparative study of organic Rankine cycle (ORC) for low grade waste heat recovery," Energy Convs. Mgmt., Vol. 50, 2009, pp. 576-582.

상세보기
A. Delgadotorres, L. Garciarodriguez, "Double cascade organic Rankine cycle for solar-driven reverse osmosis desalination", Desalination, Vol. 216, 2007, pp. 306-313.

상세보기
B. F. Tchanche, G. Papadakis, A. Frangoudakis, "Fluid selection for a low-temperature solar organic Rankine cycle", App. Therm. Eng., Vol. 29, 2009, pp. 2468-2476.

상세보기
K. H. Kim, C. H. Han, "Analysis of transcritical organic Rankine cycles for low-grade heat conversion," Adv. Sci. Lett., Vol. 8, 2012, pp. 216-221.

상세보기
S. Kumar, H. T. Kwon, K. H. Choi, W. S. Lim, J. H. Cho, K. J. Tak, I. Moon, "LNG: An ecofriendly cryogenic fuel for sustainable development," Applied Energy, Vol. 88, 2011, pp. 4264-4273.

상세보기
T. Miyazaki, Y. T. Kang, A. Akisawa, T. Kashiwagi, "A combined power cycle using refuse incineration and LNG cold energy", Energy, Vol. 25, 2000, pp. 639-655.

상세보기
K. I. Choi, H. M. Chang, "Thermodynamic analysis of power generation cycle utilizing LNG cold energy", Superconductivity and Cryogenics, Vol. 1, No. 1, 1999, pp. 48-55.
G. Bisio, L. Tagliafico, "On the recovery of LNG physical exergy by means of a simple cycle or a complex system", Exergy, Vol. 2, 2002, pp. 34-50.

상세보기
Q. Wang, Y. Z. Li, J. Wang, "Analysis of power cycle based on cold energy of liquefied natural gas and low-grade heat source", Applied Thermal Engineering, Vol. 24, 2004, pp. 539-548.

상세보기
G. S. Lee, "Design and exergy analysis for a combined cycle using LNG cold/hot energy", Korean Journal of Air-conditioning and Refrige-ration engineering, Vol. 17, No. 4, 2005, pp. 285-296.
X. Shi, X. Che, "A combined power cycle utilizing low-temperature waste heat and LNG cold energy", Energy, Vol. 50, 2009, pp. 567-575.
J. Wang, Z. Yan, M. Wang, "Thermodynamic analysis and optimization of an ammonia-water power system with LNG (liquefied natural gas) as its heat sink", Energy Vol. 50, 2013, pp. 13-522.
T. Yang, G. J. Chen, T. M. Guo, "Extension of the Wong-Sandler mixing rule to the three-parameter Patel-Teja equation of state: Application up to the near-critical region", Chem. Eng. J, Vol. 67, 1997, pp. 27-36.

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