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문제 정의
- 본 연구는 기존의 터보팽창기 관련 부품을 개선하였을 때 성능이 어떻게 향상되는지 평가하기 위하여 동일한 시험장치를 사용하여 수행되었다. 이를 위하여 열원의 열에너지 양에 적합한 발전기를 적용하였으며, 이에 따라 실 및 베어링의 구조를 개선하고, 최적의 출력을 얻기 위하여 부하기를 개선하였다.
- 하지만 ORC 시스템의 최종적인 성능은 생산 되는 전력을 바탕으로 효율을 평가하므로 세부부품의 적합한 선정이나 장치의 적절한 설계 및 구성이 성능에 많은 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 ORC의 적용에서 작동유체의 선정이나 팽창기의 선정이 올바르게 되었다 하더라도 세부부품의 변경이나 교환이 ORC 시스템의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 기존에 수행되었던 연구(19)에서 사용된 터보팽창기의 부품을 개선하고 동일한 실험장치를 사용하여 성능시험을 수행하였다.
가설 설정
- 따라서 작동유체를 냉각하는 온도에 따라 변동이 있을 수 있다. 본 실험에서는 냉각기를 냉동기를 사용하여 온도를 제어하였으므로 동일한 온도로 설정되었다. 이러한 이유로 팽창비는 첫 번째 모델의 실험 결과와 비슷한 결과를 얻게 되었다.
제안 방법
- ORC 구성품에서 손실에 영향이 있는 부품으로 베어링이나 발전기 등의 부품에서 손실이 발생된다고 판단되어 우선 발전기를 교체하였다. 낮은 탈설계 영역 얻어지는 출력은 1 kW 수준인데 비하여 적용된 발전기는 30 kW급 출력용량이므로 발생되는 출력과 발전기의 정격출력과의 차이가 크다.
- ORC를 적용할 사용처로 소규모 산업단지로 선정하였으며, 여기서 나오는 폐열을 활용하기 위한 목적으로 시스템을 구성하였다. 따라서 국내 산업단지를 기준으로 얻을 수 있는 폐열의 규모를 고려하여 30 kW 수준의 출력을 얻을 수 있는 ORC의 구성이 적절하다고 판단하였다.
- 9에서 보여주는 초기모델인 부하기의 경우는 30 kW 출력을 기준으로 제작하였으므로 적용할 저항의 크기가 제한된다. 가변저항을 만들기 위하여 저항 12개를 사용하여 부하를 조정하는데 30 kW의 출력을 기준으로 저항들을 설치하였다. 하지만 1 kW와 같은 상대적으로 낮은 출력이 얻어지는 경우에는 그것에 부합되는 최적의 출력이 얻어질 수 있도록 저항 값을 조정하여야 하는데 충분한 미세 조정이 이루어지지 못하였다.
- 실험장치에 사용된 유량계는 펌프에서 재생기를 들어가기 전에 설치하였으며, 터빈에서 얻어지는 출력은 파워메터를 사용하여 측정하였다. 각각의 온도 및 압력의 데이터는 DAQ 를 사용하여 PC에 취합하였다. Table 1은 본 실험에 사용된 측정장치의 모델과 정확도를 보여주고 있다.
- 개발된 ORC 장치를 정격출력 시험을 수행하기에 앞서 탈 설계 영역에서의 성능시험을 수행하였다. 이를 위한 실험을 장치를 Fig.
- 본 실험에서 첫 번째 모델을 시험한 동일한 시험장치를 사용하여 두 번째 모델의 실험을 수행하였다. 따라서 실험장치의 변경으로 인한 장치에서의 열손실이 다르게 발생되는 문제는 없도록 하였다.
- 새롭게 제작된 발전기는 소형화 되어서 발전기와 터빈을 일체형으로 할 수가 없으므로, 이를 위하여 베어링하우징을 사용하고 축과 축은 플렉스블 커플링을 사용하여 연결하였다. Fig.
- 시스템 효율의 불확도해석(27,28)은 시스템 효율(ηsys)과 관련 측정변수(xi)로 출력, 질량유량, 각 측정 위치에서의 4개 엔탈피(ht1, ht6a, ht6, ht5)를 사용하여 수행하였다.
- 실험에서 발전기에서 생산되는 전력은 부하기(로드뱅크) 를 사용하여 소멸하였는데, 부하기는 가변저항을 사용하여 발전기의 부하를 조정할 수 있도록 제작하였다. 하지만 Fig.
- 첫 번째 실험과 마찬가지로 탈설계 영역에서의 성능시험을 하였으며, 노즐은 3개까지만 사용하였다. 실험에서는 노즐 개수에 따라 질량유량이 변경되므로 이에 맞도록 공급 할 수 있는 열량에 따라 팽창기의 입구온도(Tt1)를 변경하면서 성능시험을 수행하였다. 이를 위하여 우선적으로 노즐의 개수를 정하고, ORC 시스템이 안정되는 상태까지 충분히 가동한 후에 물성치를 측정하였다.
- 실험장치를 구성하는 주요장치들의 입출구에 압력센서와 온도센서를 각각 9개씩 설치하여 압력과 온도를 측정하였다. 실험장치에 사용된 유량계는 펌프에서 재생기를 들어가기 전에 설치하였으며, 터빈에서 얻어지는 출력은 파워메터를 사용하여 측정하였다.
- 실험장치를 구성하는 주요장치들의 입출구에 압력센서와 온도센서를 각각 9개씩 설치하여 압력과 온도를 측정하였다. 실험장치에 사용된 유량계는 펌프에서 재생기를 들어가기 전에 설치하였으며, 터빈에서 얻어지는 출력은 파워메터를 사용하여 측정하였다. 각각의 온도 및 압력의 데이터는 DAQ 를 사용하여 PC에 취합하였다.
- 따라서 가용한 열원의 상태에 따라 적은 노즐 개수를 사용하면서 높은 입구온도를 유지하는 방법이 있을 수 있고, 반면에 노즐개수를 많이 사용하면서 낮은 온도에서의 운전하는 방법이 있을 수 있다. 이러한 점을 고려하여 실험에서 노즐의 개수와 온도를 변경하는 실험을 수행하였다. 이러한 실험에서 ORC 시스템은 안정화 되었어도 공급되는 질량유량과 열원의 용량에 따라 터보팽창기 입구의 상태는 습증기, 포화 증기, 과열증기 상태로 작동할 수 있으므로 첫 번째 실험과 마찬가지로 팽창기 입구에서의 작동유체 상태는 포화증기 상태에 가깝도록 하여 데이터를 획득하였다.
- 본 연구에서는 ORC의 적용에서 작동유체의 선정이나 팽창기의 선정이 올바르게 되었다 하더라도 세부부품의 변경이나 교환이 ORC 시스템의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 기존에 수행되었던 연구(19)에서 사용된 터보팽창기의 부품을 개선하고 동일한 실험장치를 사용하여 성능시험을 수행하였다.
- 본 연구는 기존의 터보팽창기 관련 부품을 개선하였을 때 성능이 어떻게 향상되는지 평가하기 위하여 동일한 시험장치를 사용하여 수행되었다. 이를 위하여 열원의 열에너지 양에 적합한 발전기를 적용하였으며, 이에 따라 실 및 베어링의 구조를 개선하고, 최적의 출력을 얻기 위하여 부하기를 개선하였다. 이에 따라 비출력 및 시스템 효율의 향상의 결과가 얻어졌다.
- 실험에서는 노즐 개수에 따라 질량유량이 변경되므로 이에 맞도록 공급 할 수 있는 열량에 따라 팽창기의 입구온도(Tt1)를 변경하면서 성능시험을 수행하였다. 이를 위하여 우선적으로 노즐의 개수를 정하고, ORC 시스템이 안정되는 상태까지 충분히 가동한 후에 물성치를 측정하였다. ORC 시스템이 안정된 상태에서는 열원에서 공급하는 열에너지와 작동유체가 흡수하는 열에너지가 일치하는 경우이다.
- 작동유체의 경우는 여러 선행 연구 결과들을 종합적으로 분석하여 보았다. 특히 산업체 폐열과 같이 낮은 열에너지에서 작동하여야 한다는 점을 고려하여 R245fa를 작동유체로 최종 선정하였다.
- 펌프의 경우는 터보원심펌프를 초기에 사용하였다. 터보 원심펌프의 경우 회전수를 가변으로 하게 되면 압력 변동이 발생되므로 이를 방지하고자 일정회전수에서 작동하도록 하고 공급라인에 바이패스밸브를 설치하여 공급되는 유량을 조정하였다. ORC 시스템의 출력이 일정한 경우에는 상당히 안정적으로 필요한 유량이 공급되는 장점이 있으나, 출력이 변동되면 바이패스밸브에서의 변동이 급격하게 발생되는 단점이 있었다.
대상 데이터
- 이러한 점을 고려하여 실험에서 노즐의 개수와 온도를 변경하는 실험을 수행하였다. 이러한 실험에서 ORC 시스템은 안정화 되었어도 공급되는 질량유량과 열원의 용량에 따라 터보팽창기 입구의 상태는 습증기, 포화 증기, 과열증기 상태로 작동할 수 있으므로 첫 번째 실험과 마찬가지로 팽창기 입구에서의 작동유체 상태는 포화증기 상태에 가깝도록 하여 데이터를 획득하였다.
- 따라서 터보팽창기의 부품 개선에 따른 성능변화를 정확히 확인 할 수 있었다. 첫 번째 실험과 마찬가지로 탈설계 영역에서의 성능시험을 하였으며, 노즐은 3개까지만 사용하였다. 실험에서는 노즐 개수에 따라 질량유량이 변경되므로 이에 맞도록 공급 할 수 있는 열량에 따라 팽창기의 입구온도(Tt1)를 변경하면서 성능시험을 수행하였다.
- 작동유체의 경우는 여러 선행 연구 결과들을 종합적으로 분석하여 보았다. 특히 산업체 폐열과 같이 낮은 열에너지에서 작동하여야 한다는 점을 고려하여 R245fa를 작동유체로 최종 선정하였다.(20)
이론/모형
- 우선 노즐목까지의 축소영역은 노즐설계기법(22)으로 설계하면서 작동유체인 R245fa의 물성치는 Refprop(23)을 사용하여 설계프로그램과 연동되도록 하였다. 노즐목에서의 물성치를 바탕으로 노즐출구에서 마하수가 1.6이 되도록 확산관을 설계할 때, 특성곡선법(24,25)이 적용되었다. 노즐의 단면은 원형 형상을 가지며 설계된 형상에서 난류경계층 두께(26)를 추가 하였다.
- 6을 얻는다. 우선 노즐목까지의 축소영역은 노즐설계기법(22)으로 설계하면서 작동유체인 R245fa의 물성치는 Refprop(23)을 사용하여 설계프로그램과 연동되도록 하였다. 노즐목에서의 물성치를 바탕으로 노즐출구에서 마하수가 1.
성능/효과
- 이에 따라 비출력 및 시스템 효율의 향상의 결과가 얻어졌다. 노즐 세 개를 사용하고 터보 팽창기 입구 전 온도를 80℃로 하였을 경우에 시스템 효율은 0.82%에서 1.85%로 증대하는 결과를 얻었다. 따라서 시스템 효율 향상을 위하여서는 장치에서의 열손실을 줄여야 하겠지만 가용한 열원에 적합한 시스템의 구축과 적용되는 부품의 손실을 최소화하는 것이 상당한 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
- 이러한 것은 터보팽창기와 관련한 손실들이 줄어들어서 나타난 현상으로 보여진다. 단순히 출력이 증가한 것으로 성능이 향상되었다고는 할 수 없지만, 다음에 보여줄 질량유량의 결과에서, 노즐의 개수에 따라 질량유량이 비슷한 수준을 나타내었으므로, 비출력의 비교결과로 부터 두 번째 모델에서 성능이 향상되었다고 할 수 있다. 이러한 것은 동일한 팽창기에서 출력에 적합한 발전기를 사용하므로 초기토크를 감소하였고, 실이나 베어링에서의 구조개선을 통하여 손실을 감소한 영향으로 보여진다.
- 14는 여러 운전점에서 얻어진 질량유량과 출력을 바탕으로 비출력의 비교결과를 보여주고 있다. 두 번째 모델에서 얻어진 비출력이 증대한 결과를 보이므로 상당히 향상된 결과를 얻게 되었음을 알 수 있다. 하지만 두 실험의 경우 동일하게 적용된 노즐의 개수를 증대하였을 때 비출력의 증가폭은 완화되고 있음을 알 수 있다.
- 12는 팽창기 입구에서의 전온도(Tt1) 변화에 대하여 노즐의 개수를 변경하면서 측정된 발전기 출력(Πout)의 결과를 보여주고 있다. 두번째 모델을 사용하여 측정된 출력이 전온도의 증가에 대하여 높은 증가율을 보여주고 있다. 이러한 것은 터보팽창기와 관련한 손실들이 줄어들어서 나타난 현상으로 보여진다.
- ORC를 적용할 사용처로 소규모 산업단지로 선정하였으며, 여기서 나오는 폐열을 활용하기 위한 목적으로 시스템을 구성하였다. 따라서 국내 산업단지를 기준으로 얻을 수 있는 폐열의 규모를 고려하여 30 kW 수준의 출력을 얻을 수 있는 ORC의 구성이 적절하다고 판단하였다. 하지만 산업체의 폐열은 일정하게 나오는 것이 아니므로 변동하는 열원에서 출력을 얻기 위하여 팽창기는 터보형으로 선정하였다.
- 하지만 팽창기의 효율이 변하게 되면 질량 유량의 증가에 비례하지 않게 된다. 따라서 노즐개수의 증가에 따라 팽창기의 효율 증가율과 같은 변화를 갖게 되는데 노즐개수가 적은 경우에 팽창기의 효율 증가율이 크므로 실험결과와 같이 두 경우 모두 비출력은 노즐개수가 적을 때 증가율이 크게 나타났다.
- 85%로 증대하는 결과를 얻었다. 따라서 시스템 효율 향상을 위하여서는 장치에서의 열손실을 줄여야 하겠지만 가용한 열원에 적합한 시스템의 구축과 적용되는 부품의 손실을 최소화하는 것이 상당한 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
- 출력선도에서 팽창기 입구에서의 전온도가 증가함에 따라 출력의 증가율이 증가됨을 보여주고 있다. 또한 노즐개수를 증가시켜 질량유량을 증대하는 경우에도 출력의 증가율은 더욱 더 증가하는 특징을 보여주었다. 또한 팽창기에서 온도 차가 20℃ 처럼 낮은 경우라도 출력을 얻을 수 있음을 보여 주고 있다.
- 초음속 노즐에서 쵸크가 발생되었으므로 유속은 같지만 밀도가 변화하면 질량유량은 변화하게 된다. 실험의 결과에서도 전온도의 증가에 따라 질량유량이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 전온도의 증가가 압력의 증가를 나타내므로 작동유체의 밀도가 상승하였기 때문이다.
- 5는 30 kW 발전기에 터보팽창기가 장착되어 있는 형상을 보여주고 있으며, 로터는 발전기의 축에 조립되어 일체형으로 제작된 첫 번째 모델을 보여주고 있다. 첫 번째 모델을 사용하여 설계점과는 많이 떨어진 탈설계 영역에서 수행된 실험(19)에서 ORC 시스템의 효율은 노즐 3개를 적용한 경우에 터빈입구온도가 80℃인 경우에 0.8%의 아주 낮은 효율을 얻었다. 이 값은 사이클 해석에서 예측하였던 2.
후속연구
- 하지만 이러한 결정을 하기 위하여서는 활용할 열에너지의 량과 온도가 결정되어야 한다. 이를 기준으로 사이클해석을 수행할 수 있을 것이고, 사이클 해석의 결과를 바탕으로 세부적인 설계를 수행하게 될 것이다. 하지만 ORC 시스템의 최종적인 성능은 생산 되는 전력을 바탕으로 효율을 평가하므로 세부부품의 적합한 선정이나 장치의 적절한 설계 및 구성이 성능에 많은 영향을 미치게 된다.
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