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문제 정의
- 본 연구에서는 개방형 무급유식 스크롤 압축기를 ORC용 스크롤 팽창기로 개조하고 작동유체를 R245fa로 하여 팽창기 성능특성에 관해 연구하였다. 팽창기 케이스 크기는 0.
제안 방법
- 하지만 기존에 제작된 팽창기의 경우 입구, 출구의 방향으로 인한 설치의 어려움이 있었고, 성능에 비해 크기가 너무 큰 문제점이 있었다.[10] 따라서 본 연구에서는 개방형 무급유식 스크롤 압축기를 이용하여 소형의 스크롤 팽창기를 설계 제작 하였으며, R245fa를 작동유체로 사용하는 유기랭킨 사이클을 구축하였다. 또한 팽창기의 작동 특성을 파악하고, 획득한 열역학적 물성값을 semi-empirical 모델에 적용, 파라미터를 계산하여 시뮬레이션 결과와 실험값을 비교하여 실증하고자 한다.
- 다음으로 압력비와 팽창기의 회전속도에 따라 스크롤 팽창기의 성능을 분석하였다. Fig.
- 팽창기 모듈 구성과정에서는 팽창기 아래 기저면을 추가 하고, 기저면에 축방향의 중심선을 만들어 중심선을 기준으로 전체모듈을 구성하였다. 또한 팽창기 출구 배관의 위치를 팽창기 입구와 같은 방향으로 설치하여 초기 작동 단계에서 배관 내에 잔류하고 있는 냉매로 인해 발생 할 수 있는 운전 불안정성을 개선하였다.
- [10] 따라서 본 연구에서는 개방형 무급유식 스크롤 압축기를 이용하여 소형의 스크롤 팽창기를 설계 제작 하였으며, R245fa를 작동유체로 사용하는 유기랭킨 사이클을 구축하였다. 또한 팽창기의 작동 특성을 파악하고, 획득한 열역학적 물성값을 semi-empirical 모델에 적용, 파라미터를 계산하여 시뮬레이션 결과와 실험값을 비교하여 실증하고자 한다.
- 성능 평가는 동일한 팽창기 입구압력 조건에서 팽창기의 회전속도를 변화시켜 실험을 수행하였다. 또한, 성능평가를 통해 측정된 42개의 정상상태 운전조건을 스크롤 팽창기 semi-empirical 시뮬레이션 모델에 적용하여 모델 파라미터를 계산하였다. 모델파라미터를 이용한 시뮬레이션값과 실험값을 비교한 결과, ORC 시스템 유량 및 팽창기 출구 온도 모두 10 % 오차 범위 내에 있음을 확인할 수 있다.
- 4와 비교하여 본 연구에서 개조한 팽창기 체적은 45 %, 모듈의 전체 체적은 70 % 축소시켰다. 모듈의 체적 감소에 따라 축계연결부의 길이가 줄어들어 축이 길어지며 발생했던 구조적인 불안정성을 개선하였다. 팽창기 모듈 구성과정에서는 팽창기 아래 기저면을 추가 하고, 기저면에 축방향의 중심선을 만들어 중심선을 기준으로 전체모듈을 구성하였다.
- 이 운전조건에서 팽창기의 축동력, 팽창기 등엔트로피 효율 및 시스템의 열 효율을 식 (1)-(5) 로 계산하였다. 모든 측정데이터는 측정오차를 포함하고 있으며, 본문 2.1과 2.2에 정리된 측정 장비의 정밀도와 측정변수를 이용해 계산된 값의 Uncertainty를 계산하였고, 그 식은 다음과 같다.
- 본 연구에서 개조된 스크롤 팽창기의 성능은 SCR에 연결된 전기히터 열원과 공랭식 칠러 히트 싱크로 구성된 ORC 성능 시험 루프를 이용하여 평가하였다. 스크롤 팽창기의 입출구 압력변화와 회전속도변화에 따른 성능평가를 수행하기 위해서 총 42개의 실험조건을 설계하고, 각 조건마다 1분에서 1분 30초간 팽창기를 구동하였다.
- 성능 분석을 위해 열역학적 물성값을 이용하였으며 사용한 방정식은 다음과 같다.
- 성능 평가는 동일한 팽창기 입구압력 조건에서 팽창기의 회전속도를 변화시켜 실험을 수행하였다. 또한, 성능평가를 통해 측정된 42개의 정상상태 운전조건을 스크롤 팽창기 semi-empirical 시뮬레이션 모델에 적용하여 모델 파라미터를 계산하였다.
- 스크롤 팽창기의 입출구 압력변화와 회전속도변화에 따른 성능평가를 수행하기 위해서 총 42개의 실험조건을 설계하고, 각 조건마다 1분에서 1분 30초간 팽창기를 구동하였다. 성능평가는 팽창기 입구 압력 8 bar, 10 bar의 두 가지 조건에 대해 팽창기 회전속도 2,000 rpm, 2,400 rpm 로 제어한 조건에서 진행하였으며, 팽창기 허용 최대압력을 초과한 범위에서 성능평가를 수행하기 위해 추가적으로 입구압력 11.8 bar, 회전속도 2,000 rpm 조건에서 실험을 수행하였다. 모든 실험 조건에서 팽창기의 구동 안정성을 위해 팽창기 입구에서의 과열도를 7 ℃ 이상 유지하였다.
- 본 연구에서 개조된 스크롤 팽창기의 성능은 SCR에 연결된 전기히터 열원과 공랭식 칠러 히트 싱크로 구성된 ORC 성능 시험 루프를 이용하여 평가하였다. 스크롤 팽창기의 입출구 압력변화와 회전속도변화에 따른 성능평가를 수행하기 위해서 총 42개의 실험조건을 설계하고, 각 조건마다 1분에서 1분 30초간 팽창기를 구동하였다. 성능평가는 팽창기 입구 압력 8 bar, 10 bar의 두 가지 조건에 대해 팽창기 회전속도 2,000 rpm, 2,400 rpm 로 제어한 조건에서 진행하였으며, 팽창기 허용 최대압력을 초과한 범위에서 성능평가를 수행하기 위해 추가적으로 입구압력 11.
- 시스템 각 구성요소의 입구 및 출구에서 온도, 압력을 측정하여 데이터를 획득하였으며, 작동유체 펌프 출구에서 유량을 측정하였다. 유량계는 TRICOR의 Coriolis식 유량계인 TCM 5500을 사용하였고, 정밀도는 ±0.
- 열원의 작동유체는 물이며, 50 kW급의 전기 히터의 출력은 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 이용하여 팽창기 입구 압력에 따라 100 ℃, 110 ℃, 115℃의 일정한 온도로 제어하여 증발기에 공급하였다. 히트 싱크의 작동유체는 물이며, 40 RT(140kW)급의 공랭식 칠러로 on/off 제어를 통해 냉각수의 온도를 조절하고 온도 범위는 7.
- 모듈의 체적 감소에 따라 축계연결부의 길이가 줄어들어 축이 길어지며 발생했던 구조적인 불안정성을 개선하였다. 팽창기 모듈 구성과정에서는 팽창기 아래 기저면을 추가 하고, 기저면에 축방향의 중심선을 만들어 중심선을 기준으로 전체모듈을 구성하였다. 또한 팽창기 출구 배관의 위치를 팽창기 입구와 같은 방향으로 설치하여 초기 작동 단계에서 배관 내에 잔류하고 있는 냉매로 인해 발생 할 수 있는 운전 불안정성을 개선하였다.
- 팽창기의 축은 기계적 커플링을 사용하여 토크미터와 서보모터를 연결해 축동력 측정 및 회전속도를 제어했다. 토크 측정기는 COZY 사의 스트레인게이지 타입의 토크센서 TCR-KM 제품을 사용하였고 정밀도는 ±0.
대상 데이터
- Fig. 3은 본 연구에서 제작한 직육면체 케이스로 크기는 가로, 세로, 높이 각각 0.41 m × 0.31 m × 0.31 m 로 총 체적은 0.0394 m3이다.
- 본 연구에서 사용된 스크롤 압축기는 경원콤프레샤(주)의 공기용 개방 형 무급유식 BC-KL 52H 제품이며 스크롤 내부 형상은 Fig. 1과 같다. 이 모델의 사양은 압축기 허용 최대압력 10 bar 수준이고, 압축기 입구 체적은 148 cm3 이며 내부 체적 비는 4 수준이다.
- 열교환기는 Alpalaval 사의 100 kW의 열교환 능력을 가지는 판형모델인 AC-120EQ 및 CB76-40H를 사용하였다. 본 연구에서는 다음과 같이 제작된 시스템에서 소형의 스크롤 팽창기 성능 시험에 적합한 용적형 펌프인 Cat pumps 사의 2SF35ES 모델을 선정하였으며, 펌프의 최대 유량은 13.2 lpm 이다.
- 1℃이다. 압력 측정은 Sensys 의 PSC 제품을 사용하였으며 정밀도는 0.25% FS 이다. 측정한 데이터는 National Instrument사의 DAQ 제품을 이용하여 디지털 값으로 변환했고, 데이터 모니터링은 LabVIEW 소프트웨어를 이용하였다.
- 5는 1-10 kW 급 팽창기 성능평가가 가능하도록 제작된 ORC 시스템의 개략도를 나타낸다. 열교환기는 Alpalaval 사의 100 kW의 열교환 능력을 가지는 판형모델인 AC-120EQ 및 CB76-40H를 사용하였다. 본 연구에서는 다음과 같이 제작된 시스템에서 소형의 스크롤 팽창기 성능 시험에 적합한 용적형 펌프인 Cat pumps 사의 2SF35ES 모델을 선정하였으며, 펌프의 최대 유량은 13.
- 온도 측정은 동양센서의 K-typeDS-1010을 사용하였고 정밀도는 ±1.1℃이다.
- 유량계는 TRICOR의 Coriolis식 유량계인 TCM 5500을 사용하였고, 정밀도는 ±0.1% RD 이다.
- 토크 측정기는 COZY 사의 스트레인게이지 타입의 토크센서 TCR-KM 제품을 사용하였고 정밀도는 ±0.5%이다.
- 5%FSD과 ±1이다. 팽창기 회전속도제어는 Higen motor 사의 동기식 서보 모터 FMA CN30-AB00 제품을 사용하여 PI 제어하였다.
데이터처리
- 스크롤 팽창기 모델은 semi-empirical 모델[9]로 팽창 과정 중 내부의 물리적인 유체유동 및 열전달에 영향을 주는 주요 인자를 선정하고, 실험 결과를 이용해 그 관계를 식으로 나타낸 모델이다. 이 모델에 Table 1에 정리된 42개의 정상상태 운전 조건에서 측정된 값을 적용하여 모델 파라미터를 계산하고, 실험값과 모델을 통해 계산된 값을 비교하여 실증하였다. Table 2에 팽창기 모델 파라미터를 정리하였다.
- 25% FS 이다. 측정한 데이터는 National Instrument사의 DAQ 제품을 이용하여 디지털 값으로 변환했고, 데이터 모니터링은 LabVIEW 소프트웨어를 이용하였다.
성능/효과
- 이는 압력비의 증가에 따라 축동력이 증가하게 되고, 증가한 축동력과 비례해 열효율은 증가한다. 6.5 이상의 압력비 범위에서는 인가되는 열량은 증가하지만 축동력은 감소하여 결과적으로 열효율은 감소하게 된다.
- 또한, 성능평가를 통해 측정된 42개의 정상상태 운전조건을 스크롤 팽창기 semi-empirical 시뮬레이션 모델에 적용하여 모델 파라미터를 계산하였다. 모델파라미터를 이용한 시뮬레이션값과 실험값을 비교한 결과, ORC 시스템 유량 및 팽창기 출구 온도 모두 10 % 오차 범위 내에 있음을 확인할 수 있다. 팽창기 축동력은 압력비 6.
- 본 연구에서 사용된 용적식 스크롤 팽창기는 내부 체적이 결정되어 있고, 팽창기 회전수에 따라 작동유체의 정해진 유량을 흡입하여 팽창시키고 토출하는 과정을 반복한다. 각 과정에서 기체와 팽창기, 팽창기와 외기온도 사이의 열전달로 열 손실이 발생하고, 팽창 과정에서 압력 손실과 팽창기 축을 통한 마찰력 손실이 발생한다.
- 0394 m3 로 선행연구에서 개조된 팽창기 모델과 비교하여 45% 축소 시켰다. 이를 통해 축계에서 발생했던 구조적인 문제점 및 배관에 남아있는 잔류 냉매로 인해 발생 했었던 운전 불안정성을 개선하였다.
- 10은 실험에서 측정된 42개의 정상상태 운전조건에서 측정된 값에 대한 팽창기 semiempirical 모델의 계산 결과를 나타낸다. 측정값과 계산 값의 온도차이는 최대 3.45 K이며, 유량은 0.00306 kg/s로 10 % 오차 범위 내에 있음을 보여준다. 모든 조건의 실험에서출구온도는 계산값이 측정값 보다 높은 향을 보인다.
- 모델파라미터를 이용한 시뮬레이션값과 실험값을 비교한 결과, ORC 시스템 유량 및 팽창기 출구 온도 모두 10 % 오차 범위 내에 있음을 확인할 수 있다. 팽창기 축동력은 압력비 6.5이상의 범위에서에서 팽창기 등엔트로피 효율 감소로 오차값이 커지는 것을 확인하였다.
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