[논문]재생 유기랭킨사이클을 이용한 직렬 열병합 발전 시스템의 열역학적 성능 특성

김경훈; 박배덕; 김만회

doi:10.7316/khnes.2015.26.3.278

재생 유기랭킨사이클을 이용한 직렬 열병합 발전 시스템의 열역학적 성능 특성
Thermodynamic Performance Analysis of a Cogeneration System in Series Circuit Using Regenerative ORC 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.26 no.3, 2015년, pp.278 - 286

김경훈 (금오공과대학교 기계공학과) , 박배덕 (금오공과대학교 대학원) , 김만회 (경북대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the analytical results of the thermodynamic performance characteristics for a cogeneration system using regenerative organic Rankine cycle (ORC) driven by low-grade heat source. The combined heat and power cogeneration system consists of a regenerative superheated ORC and an additional process heater in a series circuit. Eight working fluids of R134a, R152a, propane, isobutane, butane, R245fa, R123, and isopentane are considered for the analysis. Special attention is paid to the effect of turbine inlet pressure on the system performance such as thermal input, net power and useful heat productions, electrical, thermal, and system efficiencies. The results show a significant effect of the turbine inlet pressure and selection of working fluid on the thermodynamic performance of the system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

에서는 터빈 입구에서 작동유체가 포화증기상태이며 터빈입구 압력을 작동유체 임계압력의 90%로 제한하였다. 본 논문에서는 재생과열증기 유기랭킨사이클을 이용한 직렬 열병합 발전 시스템의 성능 특성을 다양한 작동유체에 대해분석한다. 터빈입구 압력이 작동유체의 임계압력 이하의 범위에서 변할 때 생산 동력과 공정열 및 시스템 효율 등 다양한 시스템의 열역학적 특성을 분석 하고 여러 가지 작동유체에 따른 영향도 조사한다.

가설 설정

본 연구에서 고려하는 열원유체는 표준 공기로서 질량유량 m_s = 1 kg/s의 율로 공급된다고 가정한다. 시스템의 주요 변수들의 기본 값으로 T_s= 200℃, T_H= 180℃, T_L= 35℃, T_C= 15℃, T_PS= 75℃, T_PR=50℃, ∆T_pp= 8℃, η_p= 0.

제안 방법

본 연구에서는 Fig. 1에서 나타낸 바와 같이 저온 열원을 이용해 전기를 생산하는 ORC와 공정열이 직렬로 연결된 열병합 시스템을 분석한다. 시스템의 주요 구성 요소는 열원유체 열교환기, 응축기, 재생기, 공정열교환기, 펌프, 그리고 터빈 등이다.
저온 열원을 활용하는 재생 과열증기 유기랭킨사이클(ORC)을 이용하는 열병합 발전 시스템에서 여덟 가지 작동유체에 대해 터빈입구 압력에 따른 시스템의 열역학적 성능을 해석하였으며 주요 결론은다음과 같다.
본 논문에서는 재생과열증기 유기랭킨사이클을 이용한 직렬 열병합 발전 시스템의 성능 특성을 다양한 작동유체에 대해분석한다. 터빈입구 압력이 작동유체의 임계압력 이하의 범위에서 변할 때 생산 동력과 공정열 및 시스템 효율 등 다양한 시스템의 열역학적 특성을 분석 하고 여러 가지 작동유체에 따른 영향도 조사한다.

대상 데이터

본 연구에서 작동유체는 임계온도가 낮은 순으로 R134a, R152a, 프로판(propane), 이소부탄(isobutane), 부탄(butane), R245fa, R123, 이소펜탄(isopentane)의 여덟 가지를 대상으로 한다. 작동유체의 열역학적 상태량은 Patel-Teja의 상태방정식을 사용하여 계산하며^17-18), 작동유체의 분자량 M, 임계온도 T_cr, 임계압력 P_cr, 이심인자 ω 등 데이터는 Table 1에 주어진다¹⁹⁾.

이론/모형

작동유체의 열역학적 상태량은 Patel-Teja의 상태방정식을 사용하여 계산하며17-18), 작동유체의 분자량 M, 임계온도 Tcr, 임계압력 Pcr, 이심인자 ω 등 데이터는 Table 1에 주어진다19).

성능/효과

1) 열원은 온도 T_S, 질량유량 m_s의 현열 에너지 형태로 공급되며 온도 T_C의 냉각수가 응축기에 공급된다.
1) 저 등급 열원을 사용하는 재생 과열증기 ORC를 기반으로 하는 직렬 열병합 사이클의 열역학적 성능이 우수하다.
2) 터빈입구 압력이 높아짐에 따라 일반적으로 순생산동력과 ORC 열효율은 증가하고 공정열과 열병합사이클 열효율은 최적 값을 갖는다.
3) 작동유체의 임계온도가 높을수록 일반적으로 ORC와 열병합사이클의 열효율은 높아지나 시스템의 순생산일은 감소할 수 있다.
3) 펌프와 터빈 이외에서의 압력 변화는 무시하며 터빈입구 압력은 작동유체의 임계압력을 초과하지 않는다.
6) 터빈과 펌프의 등엔트로피 효율은 각각 ηt 및 ηp로 일정하게 유지된다.
순생산동력은 R152a와 프로판의 경우에 가장 크고 이소펜탄과 R123의 경우에 가장 작다. 또한 본 논문에서는 열원 온도가 200°로 일정한 경우에 대해 해석하고 있으므로 만일 ORC의 엑서지 효율을 열원유체의 입구엑서지에 대한 시스템의 순생산동력으로 정의하면 ORC의 엑서지 효율은 순생산동력과 비례하게 된다.
또한 15)에서 저등급 열원을 이용하는 ORC 기반 열병합 사이클에서 이소펜탄의 성능이 우수하다고 추천하였다. 본 논문에서도 이소펜탄이 ORC의 열효율이나 열병합 사이클의 열효율이 가장 뛰어난 결과를 보여주고 있다. 그러나 주어진 열원을 이용해서 생산이 가능한 동력은 작은데 ORC에 공급되는 열전달이 작고 또 공정열이 많아서 열효율이 높은 것이므로 열병합 사이클의 사용 목적에 따른 분석과 선택이 필요하다.
4는 터빈입구환산압력이 변화할 때 재생기열전달의 변화를 나타낸다. 재생기에서의 열전달은 터빈입구 환산압력이 증가할 때 모든 작동유체에 대해 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 터빈입구 압력이 상승하면 터빈에서의 압력비가 커져서 터빈 출구에서 작동유체의 엔탈피와 온도가 감소하게 되고 재생기에서의 고온과 저온 유체의 온도차가 감소하기 때문이다.

후속연구

4) 작동유체와 운전조건에 따른 ORC 기반 열병합 발전에 대한 보다 포괄적인 시스템 성능 해석과 경제성 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유기랭킨사이클에서 작동유체로 무엇을 사용하는가?	유기랭킨사이클은 기본적인 구성이 기존의 증기 랭킨사이클과 같지만 가장 주된 차이는 작동유체에 있다. 유기랭킨사이클에서는 작동유체로 비등점이 물보다 낮은 유기물질(냉매, 탄화수소 등) 을 주로 사용하기 때문에 보다 낮은 열원 온도에서도 효과적으로 구동될 수 있다. 유기랭킨사이클은 다양한 저 등급의 열원을 사용할 수 있고 구조가 간단하며 신뢰성도 높으나, 작동유체와 운전조건의 선정이 시스템의 성능과 열효율은 물론 환경에도 큰 영향을 미치기 때문에 이에 대한 많은 연구가 필요하다4-5).
	열병합 시스템의 주요 구성 요소는 무엇인가?	1에서 나타낸 바와 같이 저온 열원을 이용해 전기를 생산하는 ORC와 공정열이 직렬로 연결된 열병합 시스템을 분석한다. 시스템의 주요 구성 요소는 열원유체 열교환기, 응축기, 재생기, 공정열교환기, 펌프, 그리고 터빈 등이다. 본 연구에서는 해석의 편의를 위해 다음과 같은 가정을 한다.
	열병합(Combined Heat and Power, CHP) 발전은 무엇인가?	열병합(Combined Heat and Power, CHP) 발전은 하나의 프로세스에서 전기 또는 기계 에너지와 열에너지의 두 가지 형태를 동시에 생산하는 것으로 새로운 개념은 아니다. 그러나 최근 들어 화석연료의 고갈과 환경문제로 인하여 신재생 에너지를 보다 효율적으로 활용하기 위해서 유기랭킨사이클이 경제성을 획기적으로 올릴 수 있는 유망한 방안 중의 하나로 주목 받고 있다6-7).

참고문헌 (19)

E. Lanzi, E. Verdolini and I. Hascic, "Efficiency improving fossil fuel technologies for electricity generation: Data selection and trends", Energy Policy, Vol. 39, 2011, pp. 7000-7014.

상세보기
K. H. Kim, H. J. Ko and 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
K. H. Kim and K. C. Kim, "Thermo- dynamic performance analysis of a combined power cycle using low grade heat source and LNG cold energy", App. Therm. Eng., Vol. 70, 2014, pp. 50-60.

상세보기
V. A. Bao and L. Zhao, "A Review of Working Fluid and Expander Selections for Organic Rankine Cycle", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 24, 2013, pp. 325-342.

상세보기
S. Quoilin, M. V. D. Broek, S. Declaye, P. Dewallef and V. Lemort, "Techno-Economic Survey of Organic Rankine Cycle (ORC) Systems", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 22, 2013, pp. 164-186.
N. N. Desai and S. Bandyopadhyay, "Process integration of organic Rankine cycle", Energy, Vol. 34, 2009, pp. 1674-1686.

상세보기
W. T. Tsai, "Regulatory compliance and environmental benefit analysis of combined heat and power (CHP) systems in Taiwan", Energies, Vol. 6, 2013, pp. 557-565.

상세보기
N. T. Raj, S. Iniyan and R. Goic, "A review of renewable energy based cogeneration technologies", Ren. Sust. Energy Rev., Vol. 15, 2011, pp. 3640-3643.

상세보기
G. Qiu, "Selection of working fluids for micro-CHP systems with ORC", Renewable Energy, Vol. 48, 2012, pp. 565-570.

상세보기
U. Dresher and D. Brueggemann, "Fluid selection for the organic rankine cycle (ORC) in biomass power and heat plants", App. Therm. Eng, Vol. 27, 2007, pp. 223-228.

상세보기
J. Wang J, Y. Dai and L. Gao, "Exergy analysis and parametric optimization for different cogeneration power plants in cement industry", App. Energy, Vol. 86, 2009, pp. 941-948.

상세보기
T. Guo, H. X. Wang and S. J. Zhang, "Selection of working fluids for a novel low-temperature geothermally-powered ORC based cogeneration system", Energy Convs. Mgmt., Vol. 52, 2011, pp. 2384-2391.

상세보기
K. H. Kim, "Exergy Analysis of Vapor Compression Cycle Driven by Organic Rankine Cycle", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, 2013, pp. 1137-1145.

원문보기 상세보기
K. H. Kim and H. Perez-Blanco, "Performance Analysis of a Combined Organic Rankine Cycle and Vapor Compression Cycle for Power and Refrigeration Cogeneration", App. Therm. Eng., 2015, in press.
F. Heberle and D. Brueggemann, "Exergy based fluid selection for a geothermal organic Rankine cycle for combined heat and power generation", App. Therm. Eng, Vol. 30, 2010, pp. 1326-1332.

상세보기
K. H. Kim and Y. G. Jung, "Performance Characteristics of Combined Heat and Power Generation with Series Circuit Using Organic Rankine Cycle", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 22, 2011, pp. 699-705.
J. Gao, L. D. Li, Z. Y. Zhu and S. G. Ru, "Vapor-liquid equilibria calculation for asymmetric systems using Patel-Teja equation of state with a new mixing rule", Fluid Phase Equilibria, Vol. 224, 2004, pp. 213-219.

상세보기
T. Yang, G. J. Chen and 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.

상세보기
C. L. Yaws, "Chemical properties handbook", McGraw-Hill, 1997.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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