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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 ORC 기술을 가스 엔진을 이용한 Tri-generation 시스템에 접목해 가스 엔진에서 발생하는 고온의 배기가스와 냉각수를 이용하여 전기 에너지와 고온수를 동시에 생산할 수 있는 ORC 시스템을 설계하고 열역학적인 분석을 수행하였다. 상용 엔진에서 폐열 정보를 획득하여 폐열조건(온도/유량)을 분석하고 이를 활용하는 복합발전 시스템을 구성하였다.
제안 방법
- ORC 발전 시스템의 정적 성능 해석을 위해 랭킨 사이클 해석 시 적용되는 열역학 수식과 물성값을 이용하였다. ORC 시스템은 열원과 냉각수의 온도 범위를 먼저 분석하여 허용 가능한 냉매의 증발온도와 응축온도를 확인한 다음 시스템 컴포넌트의 성능과 관계되는 스펙을 설계하였다. Tri-generation을 위한 ORC 시스템 설계에는 폐열 회수를 수행하는 증발기와 응축기의 온도변화, 질량유량, 과열도, 과냉도, 접근 온도 등을 설계한다.
- 가솔린 엔진을 개조한 가스 엔진의 온도 유량을 분석하여 가스 엔진에서 발생하는 두 가지 폐열인 엔진 냉각수와 엔진 배기가스의 양와 질을 확인하였다. 엔진 냉각수의 온도는 85.
- Table 4는 가스 엔진 냉각수를 직접 이용하는 경우와 별도의 열전달 루프를 적용하는 경우에 대하여 ORC 시스템의 성능을 비교하기 위한 사이클 해석 조건을 나타내고 있다. 가스 엔진 냉각수로부터 충분히 폐열을 회수하기 위하여 증발기에서 고온수 출구 온도를 72 ℃로 설정하였고 두 경우 모두 60 kW의 폐열을 회수하는 조건으로 비교하였으며, 그 계산 결과가 Table 5에 비교되어 있다. 별도의 열교환 루프를 설치하였을 경우 증발기 출구에서 고온수 온도가 낮으므로 핀치 온도에 의해 증발 압력과 온도가 낮아지게 되고 결과적으로 압력비가 낮아서 시스템 효율과 성능 측면에서 가스 엔진 냉각수를 직접 이용하는 경우보다 비효율적인 구성이 되는 것을 확인할 수 있다.
- 폐열의 온도, 유량, 변동폭은 ORC 발전시스템의 작동 조건과 출력, 효율을 결정하는 근본적인 변수이며 이 조건에 따라 ORC 발전시스템의 구성, 작동조건, 제어 방법이 달라진다. 가스 엔진에서 발생하는 폐열은 실린더를 냉각시키기 위한 냉각수와 고온의 배기가스에서 주로 발생하므로 가스 엔진의 작동 상태에 따른 배기가스와 냉각수의 유량, 온도, 압력, 변동폭 등에 대한 측정 자료를 바탕으로 폐열의 특성을 분석하였다.
- 가스엔진의 냉각수와 배출가스를 분석하여 얻은 폐열을 토대로 온도와 유량이 다른 두 폐열을 활용하기 위한 ORC 시스템을 설계하고 열역학적 분석을 수행하였다. ORC 단일 시스템, 온수 활용 ORC 시스템, 별도의 열전달 루프 ORC 분석 결과 저온열원의 양이 많고 시스템을 단순하게 구성하는 경우 ORC 단일 시스템이 유리한 것을 확인하였다.
- Table 2는 ORC 시스템의 증발기 입구에서 가스 엔진 냉각수의 온도가 변할 경우 시스템의 성능 변화를 알아보기 위한 해석 조건을 나타내고 있다. 객관적인 성능 비교를 위해 다른 모든 조건은 같게 유지한 상태에서 증발기 고온수의 온도가 70 ~ 90℃로 변할 때 시스템의 출력 및 효율 변화를 해석하였다. 이 때 적용한 작동 유체는 R245fa 이다.
- 본 연구에서는 이러한 ORC 기술을 가스 엔진을 이용한 Tri-generation 시스템에 접목해 가스 엔진에서 발생하는 고온의 배기가스와 냉각수를 이용하여 전기 에너지와 고온수를 동시에 생산할 수 있는 ORC 시스템을 설계하고 열역학적인 분석을 수행하였다. 상용 엔진에서 폐열 정보를 획득하여 폐열조건(온도/유량)을 분석하고 이를 활용하는 복합발전 시스템을 구성하였다.
- Tri-generation을 위한 ORC 시스템 설계에는 폐열 회수를 수행하는 증발기와 응축기의 온도변화, 질량유량, 과열도, 과냉도, 접근 온도 등을 설계한다. 열역학 사이클 해석 프로그램인 EES V9.698을 사용하여 ORC 시스템의 파라메트릭 분석을 수행하고 적합 냉매 및 사이클 조건을 설계하였다. 팽창기의 효율 ηexp은 팽창기 입출구 엔탈피 변화 hin,exp-hout,exp에 등엔트로피 변화에서 얻을 수 있는 엔탈피 변화 hin,exp-hout,exp,s의 비로 나타내며 식 (1)과 같다.
대상 데이터
- 1은 가스공사에서 개발하고 있는 가스엔진을 활용한 Tri-generation 시스템을 나타낸다. 가스엔진은 일본에서 개발된 M4R 가솔린 엔진을 가스 엔진으로 개조하였으며, 4개의 실린더에 배기량 1997cc, 최대 출력 142마력(6,000rpm), 최대 토크 20 kg․m(4,800 rpm)이며, 무게는 103 kg이다. 측정 지점 ②과 ③ 사이에 설치된 열교환기는 ORC 시스템의 증발기 역할로 폐열량 측정 실험에서는 별도의 냉각수를 사용해 엔진 냉각수를 냉각한다.
- 객관적인 성능 비교를 위해 다른 모든 조건은 같게 유지한 상태에서 증발기 고온수의 온도가 70 ~ 90℃로 변할 때 시스템의 출력 및 효율 변화를 해석하였다. 이 때 적용한 작동 유체는 R245fa 이다.
이론/모형
- ORC 발전 시스템의 정적 성능 해석을 위해 랭킨 사이클 해석 시 적용되는 열역학 수식과 물성값을 이용하였다. ORC 시스템은 열원과 냉각수의 온도 범위를 먼저 분석하여 허용 가능한 냉매의 증발온도와 응축온도를 확인한 다음 시스템 컴포넌트의 성능과 관계되는 스펙을 설계하였다.
성능/효과
- 등 엔트로피 효율은 팽창기의 설계단계에서 결정되는 요소로 비가역성이 최소화하도록 설계해야 한다. Fig. 6과 Fig. 7을 보면 팽창기의 등엔트로피 효율이 70%인 경우 팽창기 출력은 최대 2.8 kW 수준이며, 팽창기 등엔트로피 효율이 50%로 떨어지게 되면 팽창기 최대 출력은 2.0 kW로 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 그에 대응하여 시스템 효율도 대략 6.7%에서 4.7%로 감소함을 확인할 수 있다. 따라서 ORC 시스템의 효율을 향상하기 위해서는 가스 엔진 냉각수의 온도와 유량을 높이는 방향으로 시스템을 구성하고 작동 조건을 설정하는 것이 중요하다.
- 가스엔진의 냉각수와 배출가스를 분석하여 얻은 폐열을 토대로 온도와 유량이 다른 두 폐열을 활용하기 위한 ORC 시스템을 설계하고 열역학적 분석을 수행하였다. ORC 단일 시스템, 온수 활용 ORC 시스템, 별도의 열전달 루프 ORC 분석 결과 저온열원의 양이 많고 시스템을 단순하게 구성하는 경우 ORC 단일 시스템이 유리한 것을 확인하였다.
- 반대로 고온수의 유량을 높여 증발기 입출구에서 고온수의 온도 차이를 줄일 경우 가스 엔진의 냉각수 온도가 일정하게 정해져있으므로 가스엔진의 냉각수로부터 충분히 폐열을 회수할 수 없으므로 출력과 효율이 오히려 더 감소하는 상황을 가져올 수 있다. 결론적으로 별도의 열전달 루프를 설치하는 경우 시스템이 복잡해지고 설치비용이 상승하지만, 오히려 출력과 효율이 떨어지므로 적용 시 비효율적인 요인 발생할 것으로 판단된다.
- 가스 엔진 냉각수로부터 충분히 폐열을 회수하기 위하여 증발기에서 고온수 출구 온도를 72 ℃로 설정하였고 두 경우 모두 60 kW의 폐열을 회수하는 조건으로 비교하였으며, 그 계산 결과가 Table 5에 비교되어 있다. 별도의 열교환 루프를 설치하였을 경우 증발기 출구에서 고온수 온도가 낮으므로 핀치 온도에 의해 증발 압력과 온도가 낮아지게 되고 결과적으로 압력비가 낮아서 시스템 효율과 성능 측면에서 가스 엔진 냉각수를 직접 이용하는 경우보다 비효율적인 구성이 되는 것을 확인할 수 있다.
- 11은 ORC 발전시스템이 CHP 모드로 작동할 때, 응축 압력에 따른 응축 수의 온도와 유량 변화 및 그에 대응하는 시스템의 출력과 효율 변화를 보여 주는 그래프이다. 앞서 언급한 것처럼 응축 압력이 증가할수록 응축기 출구에서 응축수의 온도가 비례적으로 상승하고 응축수의 유량은 감소하는 것을 확인할 수 있다. 응축 압력이 2.
- 가솔린 엔진을 개조한 가스 엔진의 온도 유량을 분석하여 가스 엔진에서 발생하는 두 가지 폐열인 엔진 냉각수와 엔진 배기가스의 양와 질을 확인하였다. 엔진 냉각수의 온도는 85.7 ℃, 양은 42kW이고 엔진 배기가스의 온도는 573.8 ℃, 양은 21kW로 저온열원인 엔진 냉각수의 양이 두 배 많은 것으로 나타났다.
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