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문제 정의
- 소형 ORC 시스템에 사용되는 스크롤 팽창기는 기존의 무급유식 공기압축기나 가정용 또는 자동차용 에어컨의 냉매 압축기로 사용되던 스크롤 압축기를 개조하여 만들어진 것이 대부분이다. 본 연구에 서는 최초로 상용화된 Air-Squared사의 ORC용 스크롤 팽창기인 E15H22N4.25를 이용한 성능실험을 통해 스크롤 팽창기의 성능특성을 파악하고자 한다.
- 본 연구에서는 최초로 상용화된 Air-Squared사의 ORC용 스크롤 팽창기를 이용한 성능실험을 통해 스크롤 팽창기의 성능특성을 파악하였다.
제안 방법
- National Instruments의 DAQ 제품을 이용하여 측정 장치에 의해 측정된 압력, 온도, 유량 등의 전류 신호를 컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환 시켜주는 DAQ 시스템을 구성하였으며, 데이터의 분석은 LabVIEW 소프트웨어를 사용하였다. 시스템은 NI 모듈을 통합하는 NI cDAQ-9174, 열전대로 측정된 온도 신호를 위한 NI 9213, 압력센서 및 유량계로 측정된 전류 신호를 위한 NI 9203으로 구성하였다.
- 실험결과는 2400 RPM, 3000 RPM, 3600 RPM의 세 가지 조건에 대하여 분류하였으며, Table 2에 정리된 정상상태 운전 조건에서의 측정값을 이용해 팽창기의 축동력, 시스템의 열효율, 팽창기의 등 엔트로피 효율, 시스템의 열역학 2법칙 효율을 계산했다.
- 본 연구에서는 넓은 범위의 팽창기 성능을 평가하기 위해 총 138개의 정상상태 운전 조건에 대한 측정이 실시되었으며, 측정 조건은 Table 2와 같이 정리되어 있다. 실험은 2400-3600 RPM의 세 가지 팽창기 회전속도 조건과 6-13.6 bar의 세 가지 팽창기 입구 압력 조건에 대하여 진행되었으며, 팽창기 출구 압력은 냉각수의 온도에 의하여 조절되었다.
- 6 bar의 팽창기 입구 압력 조건에 대하여 진행되었으며, 138개의 정상상태 운전 조건에 대한 측정이 실시되었다. 측정값을 이용해 축동력, 열효율, 팽창기 등엔트로피 효율, 열역학 2법칙 효율, 충전율을 계산하였고, 각 회전수에 대한 실험결과를 Table 3에 요약하였다.
- 실험을 통해 측정되는 값에는 측정 장치에 의한 측정 오차가 포함되어 있으며, 계산에 포함되는 각각의 측정 오차들이 결합되어 Uncertainty가 전파된다. 측정변수는 유량, 압력, RPM, 온도, Torque이며, 각각에 대한 측정 정밀도는 2.1과 2.3에 나타내었다. 이 때, 계산된 값 Y의 Uncertainty는 측정 변수인 X, 계산된 값인 Y, Uncertainty인 U에 대하여
- 2는 스크롤 팽창기의 축동력 측정을 위한 팽창기 모듈의 외관을 나타낸다. 토크 측정을 위하여 코지인터내셔널의 스트레인게이지 타입의 토크센서인 TCR-2KM 제품을 사용하였으며, ONO SOKKI 의 Magneto-type의 RPM센서인 MP-981 제품을 사용하여 팽창기 회전속도를 측정하였다. 토크센서와 RPM센서의 정밀도는 각각 ±0.
- 5% FSD과 ±1이다. 팽창기 회전속도의 제어는 팽창기의 마그네틱 커플링과 연결된 하이젠 모터의 동기식 서보 모터인 FMA CN30-AB00 제품을 사용하여 PI 제어방식을 통한 회전속도 제어가 가능하도록 구성하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 넓은 범위의 팽창기 성능을 평가하기 위해 총 138개의 정상상태 운전 조건에 대한 측정이 실시되었으며, 측정 조건은 Table 2와 같이 정리되어 있다. 실험은 2400-3600 RPM의 세 가지 팽창기 회전속도 조건과 6-13.
- 성능실험에 사용된 스크롤 팽창기는 Air-Squared 의 E15H22N4.25 제품이며, Fig. 1에 나타내었다. Table 1에는 성능실험 대상인 스크롤 팽창기의 주요 사양을 나타낸다.
- National Instruments의 DAQ 제품을 이용하여 측정 장치에 의해 측정된 압력, 온도, 유량 등의 전류 신호를 컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환 시켜주는 DAQ 시스템을 구성하였으며, 데이터의 분석은 LabVIEW 소프트웨어를 사용하였다. 시스템은 NI 모듈을 통합하는 NI cDAQ-9174, 열전대로 측정된 온도 신호를 위한 NI 9213, 압력센서 및 유량계로 측정된 전류 신호를 위한 NI 9203으로 구성하였다.
- 실험은 2400-3600 RPM의 팽창기 회전속도 조건과 6-13.6 bar의 팽창기 입구 압력 조건에 대하여 진행되었으며, 138개의 정상상태 운전 조건에 대한 측정이 실시되었다. 측정값을 이용해 축동력, 열효율, 팽창기 등엔트로피 효율, 열역학 2법칙 효율, 충전율을 계산하였고, 각 회전수에 대한 실험결과를 Table 3에 요약하였다.
- 온도 측정을 위한 열전대는 동양센서의 K-type 열전대인 DS-1010을 이용하였고, 유량계는 KEM의 Gear-type 용적식 유량계인 ZHA 04를 사용하였다. 압력 트랜스미터는 Sensys의 PSC 제품을 사용하였다. 측정 장치의 정밀도는 각각 ±1.
- 온도 측정을 위한 열전대는 동양센서의 K-type 열전대인 DS-1010을 이용하였고, 유량계는 KEM의 Gear-type 용적식 유량계인 ZHA 04를 사용하였다. 압력 트랜스미터는 Sensys의 PSC 제품을 사용하였다.
- 팽창기에서 토출된 작동유체는 응축기를 통과하며 액상으로 상변화를 한 후 다시 수액기에 저장되는 과정으로 순환이 이루어진다. 작동유체로는 R245fa를 사용하였다.
- ORC 시스템의 구성에 사용된 구성품들은 상용의 제품을 이용하였다. 증발기 및 응축기는 각각 Alfa Laval의 판형 열교환기 제품인 AC120EQ-70H와 CB76-40H를 사용하였으며, 작동유체 펌프는 HydraCell의 다이어프램 펌프인 D/G-10-E를 사용하였다.
성능/효과
- 팽창기의 등엔트로피 효율 및 열역학 2법칙 효율은 압력비가 클수록 감소하며 최적의 압력비보다 압력비가 작아지면 급격히 감소하는 경향을 보인다. 2400 RPM에서의 최적의 압력비는 2.75이며, 이 경우 최대 75.3 %의 팽창기 등엔트로피 효율과 56.8%의 열역학 2법칙 효율이 계산되었다.
- 38 %의 열효율이 계산되었다. 3000 RPM에서의 최적의 압력비는 3이며, 최대 76.0 %의 팽창기 등엔트로피 효율과 56.6%의 열역학 2법칙 효율이 계산되었다.
- 80 %의 열효율이 계산되었다. 3600 RPM에서의 최적의 압력비는 3.25이며, 최대 77.1 %의 팽창기 등엔트로피 효율과 56.8%의 열역학 2법칙 효율이 계산되었다.
- 열효율은 압력비가 증가함에 따라서 지속적으로 증가하는 경향을 보이며, 최대 압력비에서 최대 열효율이 계산되었다.
- 축동력 및 열효율, 최적 압력비, 팽창기 등엔트로피 효율은 팽창기의 회전속도가 증가함에 따라 커지지만, 열역학 2법칙 효율은 팽창기의 회전수의 변화에도 일정한 값이 계산되었다.
- 충전율은 회전속도의 증가에 따라 감소하고, 압력비가 커질수록 증가하였다. 충전율의 증가는 작동유체의 누설이 많은 것을 의미하며 축동력의 발생에 기여하지 못하기 때문에 각종 효율이 감소하게 된다.
- 16 %의 열효율이 계산되었다. 팽창기의 등엔트로피 효율 및 열역학 2법칙 효율은 압력비가 클수록 감소하며 최적의 압력비보다 압력비가 작아지면 급격히 감소하는 경향을 보인다. 2400 RPM에서의 최적의 압력비는 2.
- 8은 2400 RPM에 대한 실험의 결과를 나타낸다. 팽창기의 축동력 및 시스템의 열효율은 팽창기 입구와 출구의 압력비가 클수록 증가하는 경향을 보이며, 팽창기의 축동력은 팽창기 입구 압력이 증가함에 따라 커진다. 최대 1.
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