초임계 이산화탄소($S-CO_2$) 사이클은 소형화된 터보기계 및 열교환기를 통해서 작은 공간에서도 높은 열효율로 전력을 생산할 수 있는 잠재력을 가진 것으로 평가되고 있으며, 최근 이에 대한 관심이 증가하고 있다. 원자력 및 태양열(CSP) 분야에서 $S-CO_2$ 사이클에 대한 연구 결과가 다수 소개되어 온 반면, 폐열 분야에 대한 연구 결과는 상대적으로 많지 않다. 본 연구에서는 폐열 회수 응용 분야에 있어서, 예열에 의한 $S-CO_2$ 사이클의 성능 향상 가능성을 살피기 위하여, 재생 $S-CO_2$ 브레이튼 사이클과 예열기를 갖는 재생 $S-CO_2$ 브레이튼 사이클을 모델링하고 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과, 순출력을 극대화시키는 최적 $CO_2$분기율이 존재함을 확인하였다. 본 연구의 시뮬레이션 조건 하에서, 예열기에 의한 순출력 향상은 약 16-26%로 계산되었다.
초임계 이산화탄소($S-CO_2$) 사이클은 소형화된 터보기계 및 열교환기를 통해서 작은 공간에서도 높은 열효율로 전력을 생산할 수 있는 잠재력을 가진 것으로 평가되고 있으며, 최근 이에 대한 관심이 증가하고 있다. 원자력 및 태양열(CSP) 분야에서 $S-CO_2$ 사이클에 대한 연구 결과가 다수 소개되어 온 반면, 폐열 분야에 대한 연구 결과는 상대적으로 많지 않다. 본 연구에서는 폐열 회수 응용 분야에 있어서, 예열에 의한 $S-CO_2$ 사이클의 성능 향상 가능성을 살피기 위하여, 재생 $S-CO_2$ 브레이튼 사이클과 예열기를 갖는 재생 $S-CO_2$ 브레이튼 사이클을 모델링하고 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과, 순출력을 극대화시키는 최적 $CO_2$ 분기율이 존재함을 확인하였다. 본 연구의 시뮬레이션 조건 하에서, 예열기에 의한 순출력 향상은 약 16-26%로 계산되었다.
In response to the growing interest in supercritical carbon dioxide ($S-CO_2$) power cycle technology because of its potential enhancement in compactness and efficiency, the $S-CO_2$ cycles have been studied intensively in the fields of nuclear power, concentrated solar power (...
In response to the growing interest in supercritical carbon dioxide ($S-CO_2$) power cycle technology because of its potential enhancement in compactness and efficiency, the $S-CO_2$ cycles have been studied intensively in the fields of nuclear power, concentrated solar power (CSP), and fossil fuel power generation. Despite this interest, there are relatively few studies on waste heat recovery applications. In this study, the $S-CO_2$ cycle that has a split flow with preheating was modeled and simulated. The variation in the power was investigated with respect to the changes in the value of a design parameter. Under the simulation conditions considered in this study, it was confirmed that the design parameter has an optimal value that can maximize the power in the $S-CO_2$ power cycle that has a split flow with preheating.
In response to the growing interest in supercritical carbon dioxide ($S-CO_2$) power cycle technology because of its potential enhancement in compactness and efficiency, the $S-CO_2$ cycles have been studied intensively in the fields of nuclear power, concentrated solar power (CSP), and fossil fuel power generation. Despite this interest, there are relatively few studies on waste heat recovery applications. In this study, the $S-CO_2$ cycle that has a split flow with preheating was modeled and simulated. The variation in the power was investigated with respect to the changes in the value of a design parameter. Under the simulation conditions considered in this study, it was confirmed that the design parameter has an optimal value that can maximize the power in the $S-CO_2$ power cycle that has a split flow with preheating.
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문제 정의
본 연구는 예열기에 의한 S-CO2 브레이튼 동력 사이클의 출력 향상 여부를 살피기 위한 기초 연구로서, 폐열 응용 분야에 있어서 재생 S-CO2 브레이튼 사이클(이하 재생사이클)과 예열기를 갖는 재생 S-CO2 브레이튼 사이클(이하 예열-재생사이클)을 모델링하고 시뮬레이션 하였다.
본 연구에서는 예열에 의한 S-CO2 브레이튼 동력 사이클의 출력 향상 여부를 살피기 위하여, 재생 S-CO2 브레이튼 사이클과 예열-재생 S-CO2 브레이튼 사이클을 모델링하고 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과, 예열-재생사이클의 순출력은 본 연구의 설계변수인 CO2 분기율에 따라 변화함을 확인하였다.
가설 설정
사이클의 모든 과정을 정상상태(steady)로 가정하고, 압력 및 열손실은 무시하였다.
2 의 SP(state point) 표기를 따랐다. 우선, 히터 출구 열원온도(Ta2), 예열기 출구 열원온도(Ta3), CO2질량유량(#t )을 가정한다. 주어진 압축기 입구(SP 1)상태와 압축기 효율을 고려하여 압축기 출구(SP 2)의 상태가 결정된다.
작동유체의 물성치는 미국 NIST(National Institute of Standard and Technology)에서 제공하는 REFPROP 9.0 을 참고하였으며, 히터와 냉각기 내 2 차유체의 비열은 각각 1.012 및 4.187 kJ/kgK 으로 가정하였다.
제안 방법
사이클의 모든 과정을 정상상태(steady)로 가정하고, 압력 및 열손실은 무시하였다. 모든 열교환 과정은 대항류(countercurrent)로 두었으며, 각 열교환기는 동일 열교환량으로 20 등분하여 열교환기의 내부온도를 계산하였다. 작동유체의 물성치는 미국 NIST(National Institute of Standard and Technology)에서 제공하는 REFPROP 9.
본 연구에서는 재생-예열 사이클의 CO2 분기율(Φ)을 설계변수로 하여 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였다.
이를 설명하기 위하여, CO2 분기율(Φ)이 0(zero)으로부터 약 0.25 까지 증가함에 따라 순출력(# ) 과 재생열량(#) 그리고 예열열량(#)이 증가하는 첫째 구간, 이후, Φ가 약 0.25 로부터 약 0.45 까지 증가하여도 #과 #의 변화가 상대적으로 작은 둘째 구간, 마지막으로, Φ가 약 0.45 보다 큰 구간, 즉, Φ가 증가할수록 #와 #그리고 #가 감소하는 셋째 구간으로 나누었다.
성능/효과
시뮬레이션 결과, 예열-재생사이클의 순출력은 본 연구의 설계변수인 CO2 분기율에 따라 변화함을 확인하였다.
시뮬레이션 결과, 예열-재생사이클의 순출력은 본 연구의 설계변수인 CO2 분기율에 따라 변화함을 확인하였다. 또한, 순출력을 극대화시킬 수 있는 최적 CO2 분기율이 존재함을 확인하였다. 본 연구의 시뮬레이션 조건 하에서, 예열에 의한 순출력 향상은 약 16~26%로 계산되었다.
또한, 순출력을 극대화시킬 수 있는 최적 CO2 분기율이 존재함을 확인하였다. 본 연구의 시뮬레이션 조건 하에서, 예열에 의한 순출력 향상은 약 16~26%로 계산되었다.
본 연구의 시뮬레이션 조건하에서, 열교환기 내 최소 온도차가 40°C 인 경우, 예열이 없는 재생사이클(Φ=0)의 순출력에 비해 최적 CO2 분기율(Φ=Φopt)에서의 예열-재생사이클의 순출력이 약 16% 향상되었으며, 열교환기 내 최소온도차가 10°C 의 경우에는 최적 예열에 의한 순출력이 약 26% 향상되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
S-CO2 발전사이클은 무엇인가?
초임계 이산화탄소(Supercritical carbon dioxide, 이하 S-CO2) 발전사이클은 임계압력 이상으로 압축한 CO2 를 작동유체로 하며, 이를 고온으로 가열하여 터빈을 구동하여 발전하는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)이다. S-CO2 사이클은 높은 열효율과 단순한 레이아웃, 소형화된 터보기계 및 열교환기를 통해서 작은 공간에서도 높은 열효율로 전력을 생산할 수 있는 잠재력을 가진 것으로 평가되고 있다.
재생사이클의 중요 구성요소는 무엇인가?
1 및 2 는 본 연구에서 고려한 재생사이클과 예열-재생사이클을 각각 나타낸다. 재생사이클의 중요 구성요소는 압축기, 히터, 터빈, 냉각기(pre-cooler) 그리고 재생기(recuperator)이다. Fig.
재생사이클의 반복되는 작동과정을 설명하시오.
Fig.1 의 압축기에서 고압으로 압축(1-2 과정)된 CO2 는 재생기에서 터빈 출구의 고온 CO2 와 열교환(2-3 과정)을 하여 중온으로 승온된다. 재생기를 거친 CO2 는 히터에서 열량을 공급(3-4 과정)받아 터빈 입구 온도까지 승온된 후, 터빈에서 팽창(4-5 과정) 하면서 동력을 생산한다. 터빈을 통과한 CO2 는 재생기에서 압축기 토출 CO2 와 열교환(5-6 과정)하여 냉각된 뒤, 냉각기에서 냉각수와 열교환(6-1 과정)을 하여 최종적으로 냉각된다. 이 냉각된 CO2 는 다시 압축기 입구로 들어가, 위의 과정이 반복된다. Fig.
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