본 연구에서는 발전용량이 20kW인 폐열회수용 칼리나 발전시스템의 설계 자료를 확보하기 위하여 EES프로그램을 사용하여 해석하였으며, 암모니아농도, 증기압력, 열원온도 및 냉각수온도가 발전효율에 미치는 영향을 분석하였다. 연구결과에서, 암모니아 농도는 낮을수록, 증기압력은 높을수록 발전효율은 증가하였다. 하지만 암모니아 농도가 너무 낮으면 발전효율이 감소하는 영역이 있었다. 터빈입구의 증기압력이 높아지면 발전효율도 높아지며, 암모니아 농도가 높을수록 증기압력의 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다. 최대의 발전효율을 얻기 위한 암모니아 농도, 증기압력, 열원온도 및 냉각수온도 조건이 존재한다는 것을 알 수 있었다. 20kW의 발전시스템에서는 증기압력은 25bar, 열원온도는 $160^{\circ}C$, 냉각수온도가 $10^{\circ}C$일때 암모니아 농도가 0.4에서 발전효율은 최고로 15%까지 가능하였다.
본 연구에서는 발전용량이 20kW인 폐열회수용 칼리나 발전시스템의 설계 자료를 확보하기 위하여 EES프로그램을 사용하여 해석하였으며, 암모니아농도, 증기압력, 열원온도 및 냉각수온도가 발전효율에 미치는 영향을 분석하였다. 연구결과에서, 암모니아 농도는 낮을수록, 증기압력은 높을수록 발전효율은 증가하였다. 하지만 암모니아 농도가 너무 낮으면 발전효율이 감소하는 영역이 있었다. 터빈입구의 증기압력이 높아지면 발전효율도 높아지며, 암모니아 농도가 높을수록 증기압력의 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다. 최대의 발전효율을 얻기 위한 암모니아 농도, 증기압력, 열원온도 및 냉각수온도 조건이 존재한다는 것을 알 수 있었다. 20kW의 발전시스템에서는 증기압력은 25bar, 열원온도는 $160^{\circ}C$, 냉각수온도가 $10^{\circ}C$일때 암모니아 농도가 0.4에서 발전효율은 최고로 15%까지 가능하였다.
This study examined the effects of the key parameters on the power efficiency of the waste heat power plant using the EES program to obtain data for the design of the 20kW Kalina power plant. The parameters include the ammonia mass fraction, vapor pressure, heat source temperature, and the cooling w...
This study examined the effects of the key parameters on the power efficiency of the waste heat power plant using the EES program to obtain data for the design of the 20kW Kalina power plant. The parameters include the ammonia mass fraction, vapor pressure, heat source temperature, and the cooling water temperature. According to the analyses, a lower ammonia mass fraction and a higher vapor pressure increase the efficiency, in general. On the other hand, this study shows that there is a specific region with a very low ammonia mass fraction, where the efficiency decreases with ammonia mass fraction. Regarding the vapor pressure at the turbine inlet, the power efficiency increases with increasing vapor pressure. In addition, it was found that the influence of the vapor pressure on the efficiency increases with increasing ammonia mass fraction. Finally, the optimal condition for the maximum power efficiency is defined in this study, i.e., the maximum efficiency was 15% with a 25bar vapor pressure, $160^{\circ}C$ heat source temperature, $10^{\circ}C$ cooling water temperature, and 0.4 ammonia mass fraction.
This study examined the effects of the key parameters on the power efficiency of the waste heat power plant using the EES program to obtain data for the design of the 20kW Kalina power plant. The parameters include the ammonia mass fraction, vapor pressure, heat source temperature, and the cooling water temperature. According to the analyses, a lower ammonia mass fraction and a higher vapor pressure increase the efficiency, in general. On the other hand, this study shows that there is a specific region with a very low ammonia mass fraction, where the efficiency decreases with ammonia mass fraction. Regarding the vapor pressure at the turbine inlet, the power efficiency increases with increasing vapor pressure. In addition, it was found that the influence of the vapor pressure on the efficiency increases with increasing ammonia mass fraction. Finally, the optimal condition for the maximum power efficiency is defined in this study, i.e., the maximum efficiency was 15% with a 25bar vapor pressure, $160^{\circ}C$ heat source temperature, $10^{\circ}C$ cooling water temperature, and 0.4 ammonia mass fraction.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 발전용량이 20kW인 폐열회수용 칼리나 발전시스템을 개발하고자, 발전효율에 영향을 미치는 여러 요소들, 즉 암모니아 농도, 열원온도, 터빈입구의 증기압력 및 냉각온도에 따른 발전효율을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 발전용량이 20kW인 폐열회수용 칼리나 발전시스템을 개발하고자, 암모니아-물 혼합유체의암모니아 농도, 열원온도, 터빈입구의 증기압력 및 냉각 온도에 따른 발전효율을 분석하였다.
가설 설정
응축기를 통과한 혼합유체는 응축기에서 100%로 액체상태로 응축되었다고 가정하고, 암모니아농도 x2는 응축 전의 농도와 동일하므로 응축기에서의 열교환 유체사이의 최저온도차인 핀치온도, Tpcc=5℃로 하면 다음과 같다.
제안 방법
그리고 재생기와 팽창밸브를 통해 위치 9의 상태로 된 혼합액체는 터빈을 통과한 위치 10의 혼합증기와 흡수기에서 혼합하여 응축기로 유입된다. 본 설계에서는 EES프로그램을 사용하여 해석하였으며, 각 단계의 이론적 해석은 다음과 같다[1].
포화액체는 재생기로 이송되어 응축기에서 응축된 혼합유체와 열교환을 한 후 팽창밸브를 통해 감압되어 흡수기로 유입되어 터빈에서 배출된 증기와 혼합되어 응축기로 이송된다. 응축기에서 응축된 혼합유체는 펌프에 의해 가압하여 재생기에서 가열된 후에 증발기로 유입됨으로써 발전효율의 향상이 가능하도록 시스템을 구성하였다.
터빈에서의 발전용량은 20kW로 선정하고, 칼리나 사이클의 발전에 영향을 미치는 요소로써 작동유체인 암모니아-물 혼합유체에 대해 증발기입구에서 암모니아농도 Y, 열원온도 Tsou, 응축기에서의 냉각온도 Tsk 및 터빈 입구에서의 증기압력 Ptb 등을 변화시켜 발전효율 ηth, 응축압력 P2, 혼합물의 유량 mwf, 시스템의 각 위치에서 암모니아 농도의 변화 x와 구성요소인 증발기열량 Qe를 계산하였다.
성능/효과
1) 암모니아 농도가 낮을수록, 증기압력은 높을수록 발전효율은 증가하지만, 농도가 너무 낮으면 발전 효율이 감소할 수도 있으므로 최대의 발전효율을 얻기 위한 최적의 암모니아 농도가 존재한다.
2) 열원온도가 낮아질수록 발전효율은 미소한 범위에서 증가하지만, 암모니아 농도가 낮은 경우에는 열원온도가 낮아질수록 발전효율이 급강하하는 현상을 나타내므로 열원온도가 낮은 범위에서는 증발기입구에서의 암모니아 농도가 너무 낮지 않도록 하여야 한다.
3) 응축기의 냉각수온도가 낮을수록 발전효율은 높아 지며, 열원온도 160℃, 증기압력 25bar에서 냉각수 온도가 10℃일 때 농도 0.4에서 발전효율은 최고로 15%까지 가능까지 가능하다는 것을 알 수 있다.
4) 터빈입구의 증기압력이 증가하면 발전효율도 같이 높아지며, 암모니아 농도가 클수록 증기압력의 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다. 최대의 발전효율을 위한 암모니아 농도, 증기압력, 열원온도, 냉각수온도 조건이 존재한다는 것을 얻었다.
3은 터빈의 발전용량을 20kW로 하고, 열원온도와 냉각수온도를 각각 160℃와 25℃로 하여 증발기입구에서의 암모니아-물 혼합유체의 암모니아 농도와 터빈 입구에서의 증기압력변화에 따른 발전효율을 나타낸 것이다. 전반적인 경향은 암모니아 농도가 낮을수록 또한 증기압력이 높을수록 발전효율은 높은 것으로 나타났으나, 암모니아 농도가 0.4이하에서는 이러한 현상이 역전 되는 것으로 나타났다. 증기의 압력이 20, 25, 30bar로 변화하는 동안에 암모니아 농도도 각각 0.
4이하에서는 이러한 현상이 역전 되는 것으로 나타났다. 증기의 압력이 20, 25, 30bar로 변화하는 동안에 암모니아 농도도 각각 0.3, 0.35, 0.4에서 발전효율이 13.8, 13.5, 13.0%로 최대가 되었다가 그 이하의 암모니아 농도에서는 급격히 강하하는 경향을 보이고 있다. 따라서 시스템의 안정적인 운전과 최대의 발전효율을 얻기 위한 최적의 암모니아 농도가 존재함을 알 수 있다.
5이고 냉각수온도는 25℃로 할 때, 터빈입구의 증기압력과 증기온도를 변화시키는 경우의 발전효율을 나타낸 것이다. 증기의 압력이 증가할수록 열원온도와는 관계없이 발전 효율은 지속적으로 증가하지만, 열원온도가 낮은 140℃에서는 증기압력이 27bar를 정점으로 증기압력에 따른 발전효율이 낮아지는 현상을 보이고 있으므로 열원온도에 따른 최적의 압력이 존재한다는 것을 알 수 있다.
4) 터빈입구의 증기압력이 증가하면 발전효율도 같이 높아지며, 암모니아 농도가 클수록 증기압력의 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다. 최대의 발전효율을 위한 암모니아 농도, 증기압력, 열원온도, 냉각수온도 조건이 존재한다는 것을 얻었다.
5는 암모니아 농도와 터빈입구의 증기압력변화에 따른 혼합유체의 순환량의 변화를 나타내고 있다. 혼합 유체의 순환량은 암모니아의 농도가 낮아질수록, 또한 터빈입구의 증기압력이 커질수록 서서히 증가하다가 암모니아 농도가 0.4이하가 되면 급격히 증가하는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
발전효율과 암모니아 농도의 상관관계는?
1) 암모니아 농도가 낮을수록, 증기압력은 높을수록 발전효율은 증가하지만, 농도가 너무 낮으면 발전 효율이 감소할 수도 있으므로 최대의 발전효율을 얻기 위한 최적의 암모니아 농도가 존재한다.
칼리나 사이클의 발전 시스템는 어떻게 구성되는가?
칼리나 사이클의 발전 시스템은 Fig. 1과 같이 증발기, 분리기, 터빈, 흡수기, 응축기, 펌프, 재생기, 팽창밸브로 구성된다. 열원으로는 폐열원 대신에 수증기를 이용하여 증발기에서 암모니아-물 혼합유체를 가열하여 분리기로 보내어 포화증기와 포화액체로 분리한다.
칼리나 사이클의 발전 시스템의 원리는?
1과 같이 증발기, 분리기, 터빈, 흡수기, 응축기, 펌프, 재생기, 팽창밸브로 구성된다. 열원으로는 폐열원 대신에 수증기를 이용하여 증발기에서 암모니아-물 혼합유체를 가열하여 분리기로 보내어 포화증기와 포화액체로 분리한다. 포화증기는 터빈으로 보내어져서 발전을 하고 흡수기로 이송된다. 포화액체는 재생기로 이송되어 응축기에서 응축된 혼합유체와 열교환을 한 후 팽창밸브를 통해 감압되어 흡수기로 유입되어 터빈에서 배출된 증기와 혼합되어 응축기로 이송된다. 응축기에서 응축된 혼합유체는 펌프에 의해 가압하여 재생기에서 가열된 후에 증발기로 유입됨으로써 발전효율의 향상이 가능하도록 시스템을 구성하였다.
참고문헌 (11)
D. A. Jones, "A Study of the Kalina Cycle System 11 for the Recovery of Industrial Waste Heat with Heat Pump Augmentation", Thesis of Master, Auburn University, 2011.
US PAT 448963 Generation of Energy.
J. Maria, "Advanced Power Cycles with Mixtures as the Working Fluid", Doctoral Thesis, Royal Institute of Technology, 2003.
JP PAT S62-39660, 1987.
H. Ishii, "Kalina Power Generation System", Refrigeration(Japanese), vol.74, No.864, pp.856-860, Oct., 1999.
H. Uehara, Y. Ikegami, H. Fukugawa and M. Uto, "Performance Analysis of OTEC System using Kalina Cycle(Thermodynamic Characteristic of Cycle)", JSME(B)(Japanese), vol. 60, no.578, pp.3519-3525, 1994.
M. Kushibe and Y. Ikegami, "Performance Analysis on Ottimum Mass Feaction of Working Fluid for Kalina Cycle Using Warm Wastewater", JSME(B)(Japanese), vol. 71, no.706, pp.1686-1693, 2005.
Y Ikegami, "Prospect of Ocean Thermal Energy Conversion R&D-Towards One of Stable Renewable Energy", Refrigeration(Japanese), vol. 87, No. 1017, pp. 468-474, July, 2012.
T. Eva, "Power Cycles with Ammonia-Water Mixtures as Working Fluid", Doctoral Thesis, Royal Institute of Technology, 2000.
K. H. Kim, H. J. Ko and S. W. Kim, "Performance Analysis of Kalina Cycle using Ammonia-Water Mixture as Working Fluid for Use of Low-Temperature Energy Source", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, vol. 22, No 1, pp.109-117, 2011.
N. J. Kim, Y. H. Jeon and C. B. Kim, "Cycle Simulation on OTEC System using the Condenser Effluent from Nuclear Power Plant", J. of the Korean Solar Energy Society, vol. 27, No.3, 2007.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.