천연가스용으로 개조된 가스엔진에서 방출되는 폐열을 활용하기 위한 유기 랭킨사이클 (Organic Rankine Cycle: ORC) 발전시스템을 설계 및 제작하였다. 이 연구에서는 개조된 가스엔진의 폐열을 실험적으로 분석한 데이터를 바탕으로 구성한 ORC 시스템의 컴포넌트를 설계하고 제작하였다. ORC 시스템에는 2개의 판형 열교환기와 5kW급 팽창기, 다단 펌프가 사용되었으며, 전기 히터를 이용하여 ORC 시스템의 열역학적 성능을 분석하였다. 또한, 실제로 가스엔진과 연동하여 작동 특성을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. ORC 시스템에 열량을 공급해주는 2대의 가스엔진을 사용하였다. 열원모사실험 결과, 열원온도 $110^{\circ}C$에서 축동력 5.22kW가 발생, 압력비 7.41, 열효율 9.09%가 계산되어졌으며, 엔진연동실험에서는 고온수 온도 $86^{\circ}C$에서 축동력 2kW가 발생, 이 때의 압력비는 3.75, 열효율 6.45%가 계산되었다.
천연가스용으로 개조된 가스엔진에서 방출되는 폐열을 활용하기 위한 유기 랭킨사이클 (Organic Rankine Cycle: ORC) 발전시스템을 설계 및 제작하였다. 이 연구에서는 개조된 가스엔진의 폐열을 실험적으로 분석한 데이터를 바탕으로 구성한 ORC 시스템의 컴포넌트를 설계하고 제작하였다. ORC 시스템에는 2개의 판형 열교환기와 5kW급 팽창기, 다단 펌프가 사용되었으며, 전기 히터를 이용하여 ORC 시스템의 열역학적 성능을 분석하였다. 또한, 실제로 가스엔진과 연동하여 작동 특성을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. ORC 시스템에 열량을 공급해주는 2대의 가스엔진을 사용하였다. 열원모사실험 결과, 열원온도 $110^{\circ}C$에서 축동력 5.22kW가 발생, 압력비 7.41, 열효율 9.09%가 계산되어졌으며, 엔진연동실험에서는 고온수 온도 $86^{\circ}C$에서 축동력 2kW가 발생, 이 때의 압력비는 3.75, 열효율 6.45%가 계산되었다.
ORC system was designed and constructed for utilizing the heat of the exhaust gas and coolant released from the gas engine which was modified to use natural gas as a fuel. In this paper the components of the ORC system were designed and manufactured based on measured data of the gas engine. The comp...
ORC system was designed and constructed for utilizing the heat of the exhaust gas and coolant released from the gas engine which was modified to use natural gas as a fuel. In this paper the components of the ORC system were designed and manufactured based on measured data of the gas engine. The components are composed of two plate heat exchanger, the 5kW-class expander and multi stage centrifugal pump. The thermodynamic performance of the ORC system was analyzed by using the electric heater. Also, the developed ORC system was implemented to modified natural gas engine. Two gas engines were used to supply heat to the ORC system. As a result of test bench, when the heat source temperature is $110^{\circ}C$ expander shaft power, the pressure ratio and cycle efficiency is 5.22kW, 7.41, 9.09%. As a result of field test, when the heat source temperature is $86^{\circ}C$ expander shaft power, the pressure ratio and cycle efficiency is 2kW, 3.75, 6.45%.
ORC system was designed and constructed for utilizing the heat of the exhaust gas and coolant released from the gas engine which was modified to use natural gas as a fuel. In this paper the components of the ORC system were designed and manufactured based on measured data of the gas engine. The components are composed of two plate heat exchanger, the 5kW-class expander and multi stage centrifugal pump. The thermodynamic performance of the ORC system was analyzed by using the electric heater. Also, the developed ORC system was implemented to modified natural gas engine. Two gas engines were used to supply heat to the ORC system. As a result of test bench, when the heat source temperature is $110^{\circ}C$ expander shaft power, the pressure ratio and cycle efficiency is 5.22kW, 7.41, 9.09%. As a result of field test, when the heat source temperature is $86^{\circ}C$ expander shaft power, the pressure ratio and cycle efficiency is 2kW, 3.75, 6.45%.
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문제 정의
본 논문은 실제 가스엔진과 ORC 발전 시스템을 연동하여 실증실험을 진행하였다는데 그 의의가 있다. 실증실험 결과에서 고온부 열원온도가 강하하는 등의 문제가 발생하였는데, 열해리 온도가 높은 고분자 냉매로 바꾸어서 엔진 배기가스를 직접 이용할 수 있는 시스템을 설계하여 이 문제를 해결해나갈 계획이다.
본 연구에서는 엔진에서 버려지는 폐열을 활용하기 위하여 ORC 발전시스템을 설계 및 제작하였다. 개조된 가스엔진의 폐열을 실험적으로 분석한 데이터를 바탕으로 구성한 ORC 시스템의 컴포넌트를 설계하고 제작하였다.
가설 설정
이 유체는 독성이지만, 비인화성, 저온에서 안정하고 환경에 악영향을 주지 않는 특징이 있다.[12] 대기 온도를 20℃로, 응축온도는 그보다 10℃ 높은 30℃로 가정하였다. 이러한 조건에서 압력비 7.
제안 방법
이후, 배기가스는 대기로 방출되고 엔진 냉각수는 고온수로 열을 전달한다. ORC 시스템에 충분한 양의 열량을 공급하기 위해 2개의 가스 엔진과 연결하였다. 이 시스템은 주어진 내연기관 엔진을 바꾸지 않도록 하였고, 고온의 배기가스로 인해 작동 유체가 열해리가 일어나지 않도록 폐루프 시스템을 통해 온도를 낮출 수 있도록 하였다.
ORC 시스템을 가스엔진에 연결하기 전, Fig. 3에 보이는 것처럼 ORC 시스템의 성능을 분석하기 위해 전기 히터를 이용하여 열원 모사실험을 하였다. 가압된 고온의 물을 만들기 위해 150kW급 전기 히터를 사용하였고, 고온수는 Grundfos사의 CRN20-10펌프를 사용하여 순환되었다.
본 연구에서는 엔진에서 버려지는 폐열을 활용하기 위하여 ORC 발전시스템을 설계 및 제작하였다. 개조된 가스엔진의 폐열을 실험적으로 분석한 데이터를 바탕으로 구성한 ORC 시스템의 컴포넌트를 설계하고 제작하였다. 열원 온도 및 열침 온도의 변화에 따라 ORC 시스템의 작동 및 성능특성을 파악하였고, ORC 시스템을 가스엔진에 연결하여 실제 폐열회수 시스템을 작동하였다.
Shu 등[10]은 고온루프와 저온루프로 이루어진 새로운 방식의 엔진 폐열 회수용 이중 루프 ORC 시스템을 제안했다. 고온루프는 물을 작동 유체로 사용하여 고온의 배기가스 열을 회수하고, 저온루프는 유기 냉매를 작동 유체로 사용하여 저온의 폐열, 엔진 냉각수의 열, 고온루프의 잔열을 회수하는 시스템으로 이루어졌다. Zhou 등[11]은 이중 루프 ORC 시스템을 사용했는데, 저온루프에서 유기 냉매 혼합물을 사용하여 시스템을 구성하였다.
또한, 다양한 압력비와 넓은 작동 범위를 가지고 있으며 안정성이 뛰어나서 설계조건에 부합한다. 동기식 발전기처럼 작동하기 위해 영구 자석 모터를 팽창기의 축과 연결하였다. 또한, 영구자석 모터는 기계마찰을 감소시키는 역할을 한다.
두 번째로 시스템에 대한 열침 온도의 영향을 비교하기 위해 고온수 온도를 90℃로 고정하고, 냉각수의 온도를 국내 4계절 변화를 고려하여 20, 25, 30, 35℃ 4가지 경우를 고려하였다. 이때 팽창기 입구의 압력은 약 9.
엔진 냉각수를 주 열원으로 사용하고 있으며, 엔진 냉각수의 온도를 올리기 위해 배기가스와 2번 열교환 한다. 매니폴드에서 한 번, 열교환기에서 한번 더 열교환 하여 엔진 냉각수의 온도를 높일 수 있도록 하였다. 이후, 배기가스는 대기로 방출되고 엔진 냉각수는 고온수로 열을 전달한다.
본 연구에서는 엔진 폐열을 이용하기 위한 새로운 유형의 ORC 발전시스템의 제작과 전기 히터를 이용한 엔진 폐열원 모사실험을 하였으며, 추가로 가스엔진에 연결하여 엔진의 폐열을 이용한 ORC 실증실험을 하였다.
shell-and-tube 열 교환기와 비교해서 가격이 싸고 성능이 좋으며, 세계적으로 널리 사용되고 있는 SWEP사의 B200T 유형의 brazed 판형 열교환기를 사용하였다. 설계점에서 증발기의 최대 열전달량은 49kW이지만, 열교환기가 설치장소에서 장시간 작동할 것을 고려하여 44% 더 크게 여유를 주어 총 88kW로 만들었으며, 응축기의 최대 열전달량은 44kW이지만 응축기 또한 30kW를 추가해 74kW로 만들었다.
압력 측정을 위해 Sensys사의 PSC 압력 트랜스미터를 사용했고, 온도계는 동양센서사의 T-type 열전 대인 DS-1010을 시스템 컴포넌트의 입, 출구에 설치하였다. 유량계는 KEM사의 ZHA형 용적식 유량계를 사용했으며, 축동력은 Cozy사의 TCR 제품으로 측정한 토크와 회전속도를 이용하여 계산하였다.
개조된 가스엔진의 폐열을 실험적으로 분석한 데이터를 바탕으로 구성한 ORC 시스템의 컴포넌트를 설계하고 제작하였다. 열원 온도 및 열침 온도의 변화에 따라 ORC 시스템의 작동 및 성능특성을 파악하였고, ORC 시스템을 가스엔진에 연결하여 실제 폐열회수 시스템을 작동하였다.
이 시스템은 110℃의 열원 온도와 20℃의 대기 온도, 최대 입구압력과 최대 회전수 조건에서 5kW의 축동력, 10.2%의 열효율이 계산되도록 설계되었다. 성능실험결과 압력비가 증가함에 따라 축동력과 열효율이 증가하는 경향을 보이며, 열원 온도 110℃, 질량 유량 0.
ORC 시스템에 충분한 양의 열량을 공급하기 위해 2개의 가스 엔진과 연결하였다. 이 시스템은 주어진 내연기관 엔진을 바꾸지 않도록 하였고, 고온의 배기가스로 인해 작동 유체가 열해리가 일어나지 않도록 폐루프 시스템을 통해 온도를 낮출 수 있도록 하였다.
2017kg/s의 질량 유량이 나타났다. 이때의 증발압력과 응축 압력은 각각 12.69bar, 1.772bar 였으며, 팽창기와 펌프가 잘 작동할 수 있도록 과열 도와 과냉도를 10℃, 3℃로 설정하였다. 설계된 조건에서 가스엔진-ORC 시스템의 T-s 선도를 Fig.
가압된 고온의 물을 만들기 위해 150kW급 전기 히터를 사용하였고, 고온수는 Grundfos사의 CRN20-10펌프를 사용하여 순환되었다. 질량유량은 펌프 구동모터의 회전수를 제어하여 조절하였고, 열원온도는 Silicon Controller Rectifier (SCR)을 이용하여 110℃ 로 일정하게 유지하였다. 실험결과의 해석을 위해 다음과 같은 열역학적 방정식을 사용하였다.
첫 번째로 시스템에 대한 고온부 열원의 영향을 확인하기 위해 냉각수의 온도를 20℃로 고정한 채로, 고온수의 온도를 90, 100, 110℃로 조절하였다. 이때 컨덴서의 압력은 약 1.
또한, 영구자석 모터는 기계마찰을 감소시키는 역할을 한다. 팽창기 입구와 출구에서 온도, 압력 강하를 줄이기 위해 배관 길이를 최소화하였다. 5kW급 팽창기의 사양이 Table 3에 나타나 있다.
대상 데이터
ORC 시스템에 증발기, 응축기용으로 2개의 열교환기가 사용되었다. shell-and-tube 열 교환기와 비교해서 가격이 싸고 성능이 좋으며, 세계적으로 널리 사용되고 있는 SWEP사의 B200T 유형의 brazed 판형 열교환기를 사용하였다. 설계점에서 증발기의 최대 열전달량은 49kW이지만, 열교환기가 설치장소에서 장시간 작동할 것을 고려하여 44% 더 크게 여유를 주어 총 88kW로 만들었으며, 응축기의 최대 열전달량은 44kW이지만 응축기 또한 30kW를 추가해 74kW로 만들었다.
유량계는 KEM사의 ZHA형 용적식 유량계를 사용했으며, 축동력은 Cozy사의 TCR 제품으로 측정한 토크와 회전속도를 이용하여 계산하였다. 각각의 측정 데이터들은 National Instruments사의 cDAQ-9174를 이용하여 전류 신호를 디지털 신호로 바꾸어 수집하였다. 센서들의 상세한 사양이 Table 4에 나타나 있으며, Fig.
본 연구에서 사용된 가스엔진은 SM5 자동차에 사용되는 가솔린 엔진을 천연가스용으로 개조한 것이다. 가스엔진에 대한 사양 및 특징은 Table 2에 나타나 있다.
ORC 시스템은 엔진에서 방출되는 약 110~120℃의 폐열원에 대해서 설계되었다. 이러한 열원 온도에서 가장 널리 사용되는 R245fa를 작동 유체로 선정하였다. 이 유체는 독성이지만, 비인화성, 저온에서 안정하고 환경에 악영향을 주지 않는 특징이 있다.
직경이 200A, 높이 1m이며, 충진용량이 약 30L인 냉매탱크를 제작하였으며, 레벨 게이지를 설치하여 냉매의 양을 확인할 수 있게 하였다.
이론/모형
63bar였다. 시스템이 정상상태에 도달 후, 1분 동안 60개의 데이터를 평균하였으며, 모든 실험결과에 표시된 Error bar는 Table 4에 정리된 정밀도를 참고하여 Uncertainty Propagation Theory[14]을 적용하였다.
질량유량은 펌프 구동모터의 회전수를 제어하여 조절하였고, 열원온도는 Silicon Controller Rectifier (SCR)을 이용하여 110℃ 로 일정하게 유지하였다. 실험결과의 해석을 위해 다음과 같은 열역학적 방정식을 사용하였다. Table 5에 설계점과 성능실험결과를 표로 정리하였다.
5는 한국가스공사에 설치된 가스엔진-ORC 시스템의 사진을 보여준다. 열역학적 시뮬레이션/분석과 열역학적 물성값은 Engineering Equations Solver[13]를 사용하여 계산되었다.
압력 측정을 위해 Sensys사의 PSC 압력 트랜스미터를 사용했고, 온도계는 동양센서사의 T-type 열전 대인 DS-1010을 시스템 컴포넌트의 입, 출구에 설치하였다. 유량계는 KEM사의 ZHA형 용적식 유량계를 사용했으며, 축동력은 Cozy사의 TCR 제품으로 측정한 토크와 회전속도를 이용하여 계산하였다. 각각의 측정 데이터들은 National Instruments사의 cDAQ-9174를 이용하여 전류 신호를 디지털 신호로 바꾸어 수집하였다.
성능/효과
연동실험에서 발생한 문제점은 다음과 같다. (1) 엔진 개조과정에서 성능과 안전문제(엔진과열)로 인해 엔진 냉각수의 온도가 100℃로 제한되었다. 엔진 냉각수 온도가 100℃ 가 되면 엔진이 중지되도록 장치가 되어있어 최대온도가 제한되어 있다.
엔진 냉각수 온도가 100℃ 가 되면 엔진이 중지되도록 장치가 되어있어 최대온도가 제한되어 있다. (2) 엔진 냉각수와 ORC로 들어가는 고온수사이에 10℃의 배관으로 인해 온도 강하가 발생하였으며, (3) 공랭식 fin-tube 열교환기의 문제로 응축온도가 상승하는 문제가 발생하였다. 위의 문제점들은 연동실험의 시스템은 (1) 고온수 루프의 제거, (2) 배관단순화 및 단열 처리, (3) 냉각수측의 개선을 통해 성능향상이 가능할 것으로 보인다.
가스엔진 연동실험의 결과를 성능실험의 결과에 overplot하면 연동실험의 결과가 동일한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 따라서 공냉식 Fin-tube 열교환기를 개선하여 응축수의 온도를 20℃ 수준으로 떨어뜨리면 출력을 1.
또한 엔진 냉각수와 고온수 사이의 배관에서 10℃의 온도 강하가 발생했다. 냉각수의 최대온도 제한과 배관에서 발생하는 온도 강하의 결과로 증발기로 유입되는 고온수의 온도는 최고 86℃였다.
2%의 열효율이 계산되도록 설계되었다. 성능실험결과 압력비가 증가함에 따라 축동력과 열효율이 증가하는 경향을 보이며, 열원 온도 110℃, 질량 유량 0.2174kg/s에서 최대 축동력 5.22kW, 열효율 9.09%가 계산되었다. 또한 열원온도에 따라 최대 팽창기 효율이 나타나는 최적 압력비(4.
5)가 조금씩 변하는데 이것은 팽창기의 마찰에 의한 기계 손실, 팽창기 입/출구에서의 압력강하, 팽창기 내부 누설 등에 의해 영향을 받기 때문이다. 열원온도와 열침 온도에 대한 결과를 보면 열원 온도가 높을수록, 열침 온도가 낮을수록 압력 차이에 의한 팽창일 증가와 엔탈피 차이에 의한 엔탈피 일이 증가하여 팽창기 전체 축동력이 증가하는 것을 확인하였다.
8을 보면 이미 Zanelly and Favrat[15]가 언급한 것처럼, 압력비가 낮을 때는 over-expansion 손실로 인해 팽창기 효율이 급격히 감소하며, 반대로 압력비가 높을 때는 under-expansion 손실로 인해 팽창기 효율이 감소한다. 이 실험에서는 열원 온도 110℃, 압력비 7.41에서 최대 팽창기 효율 68.2%에 도달하였다. 최대 팽창기 효율 구간의 압력비(약 4.
후속연구
본 논문은 실제 가스엔진과 ORC 발전 시스템을 연동하여 실증실험을 진행하였다는데 그 의의가 있다. 실증실험 결과에서 고온부 열원온도가 강하하는 등의 문제가 발생하였는데, 열해리 온도가 높은 고분자 냉매로 바꾸어서 엔진 배기가스를 직접 이용할 수 있는 시스템을 설계하여 이 문제를 해결해나갈 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
엔진 폐열을 회수하기 위한 시스템에는 무엇이 있는가?
내연기관으로부터 발생하는 폐열을 활용하는 기술 중에서 유기 랭킨사이클(ORC) 시스템은 엔진 폐열 회수를 위한 가장 적절한 해결책이다.[2-5] 엔진 폐열을 회수하기 위한 시스템으로 기본 ORC 시스템[6,7], 재생 ORC 시스템[8], preheated ORC 시스템[9] 등 다양한 방법들이 있다. 최근에는 엔진 냉각수와 배기가스를 동시에 활용할 수 있는 이중 루프 ORC 시스템이 활발히 연구되고 있다.
유기 랭킨사이클 발전시스템을 설계 및 제작한 이유는?
천연가스용으로 개조된 가스엔진에서 방출되는 폐열을 활용하기 위한 유기 랭킨사이클 (Organic Rankine Cycle: ORC) 발전시스템을 설계 및 제작하였다. 이 연구에서는 개조된 가스엔진의 폐열을 실험적으로 분석한 데이터를 바탕으로 구성한 ORC 시스템의 컴포넌트를 설계하고 제작하였다.
이중 루프 ORC 시스템은 고온루프와 저온루프로 이루어져있는데, 각각 무엇인가?
Shu 등[10]은 고온루프와 저온루프로 이루어진 새로운 방식의 엔진 폐열 회수용 이중 루프 ORC 시스템을 제안했다. 고온루프는 물을 작동 유체로 사용하여 고온의 배기가스 열을 회수하고, 저온루프는 유기 냉매를 작동 유체로 사용하여 저온의 폐열, 엔진 냉각수의 열, 고온루프의 잔열을 회수하는 시스템으로 이루어졌다. Zhou 등[11]은 이중 루프 ORC 시스템을 사용했는데, 저온루프에서 유기 냉매 혼합물을 사용하여 시스템을 구성하였다.
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