[논문]재생 유기플래시 사이클의 열역학적 성능 해석

김경훈; 김만회

doi:10.3795/ksme-b.2016.40.9.589

재생 유기플래시 사이클의 열역학적 성능 해석
Thermodynamic Performance Analysis of Regenerative Organic Flash Cycle 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.40 no.9 = no.372, 2016년, pp.589 - 596

초록
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최근 들어 작동유체가 액체 상태를 유지하며 흡열 과정이 일어나는 증기동력사이클인 유기플래시 사이클이 제안되었다. 본 연구에서는 재생을 이용한 수정 유기플래시 사이클을 제안하고 현열 형태의 저온 열원을 사용하는 시스템의 열역학적 성능 해석을 수행하였으며 작동유체나 플래시 온도가 순생산 동력이나 열효율 등 시스템의 성능에 미치는 영향을 체계적으로 분석하고 논의하였다. 해석 결과는 시스템의 순생산동력은 플래시 온도에 대해 최대값을 갖지만 열효율은 플래시 온도에 따라 상승함을 보여준다. 재생 사이클은 기존의 유기플래시 사이클에 비해 시스템 열효율이 높고 저온 열원의 동력 변환에 있어 성능 개선을 위한 잠재성을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently organic flash cycle (OFC) has been proposed which is a vapor power cycle where heat addition occurs with the working fluid remaining in the liquid state. This study proposes a modified OFC with regeneration and carries out thermodynamic performance analysis of the system utilizing low-temperature heat source in the form of sensible energy. Effects of working fluid and flash temperature are systemically investigated on the system performance such as net power production and thermal efficiency. Results show that the net power production has a peak value with respect to the flash temperature but the thermal efficiency increases with the flash temperature. The regenerative system shows higher thermal efficiency compared to the original OFC and improved potential for recovery of low-temperature heat sources.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 OFC에 대한 연구는 아직까지 매우 부족한 실정이다. 본 논문에서는 기본 OFC에서 플래시 증발기를 나온 액체 상태의 작동유체를 교축시켜 터빈 출구의 증기와 혼합하는 대신 작동유체를 예열하는 수정 OFC를 제안하고 현열 형태의 저온열원을 사용하는 시스템의 열역학적 성능을 해석하였다. 작동유체나 플래시 온도가 순생산 동력이나 열효율 등 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석하고 기본 OFC와 비교하여 논의하였다.
본 연구에서는 플래시 증발기의 액체를 이용한 재생 유기 플래시 사이클을 제안하고 저등급 현열열원을 사용하는 시스템의 열역학적 성능 특성에 대해 해석하였으며 주요 내용은 다음과 같다.

가설 설정

또한 가열기와 응축기에서는 고온 및 저온 유체간 열전달 이외의 열손실은 무시하며, 고온 유체와 저온 유체의 최소 온도차는 핀치포인트 ΔTpp로 운전된다고 가정한다.
본 논문에서 열원유체는 질량유량이 m_s = 1 kg/s인 물이라 가정하고 작동유체는 임계온도 순으로 R134a, R152a, 프로판, 이소부탄, 부탄, R245fa, 이소펜탄, R123 및 옥실렌의 아홉 종류를 고려한다. 작동유체의 분자량, 임계온도, 임계압력 및 이심인자 등 기본적인 열역학 데이터는 Table 1에 주어진다.
본 연구에서는 펌프, 터빈 및 교축밸브를 제외한 요소에서 압력손실은 무시하며, 펌프와 터빈의 등엔트로피 효율은 각각 ηp와 ηt로 일정하다고 가정한다.

제안 방법

본 논문에서는 기본 OFC에서 플래시 증발기를 나온 액체 상태의 작동유체를 교축시켜 터빈 출구의 증기와 혼합하는 대신 작동유체를 예열하는 수정 OFC를 제안하고 현열 형태의 저온열원을 사용하는 시스템의 열역학적 성능을 해석하였다. 작동유체나 플래시 온도가 순생산 동력이나 열효율 등 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석하고 기본 OFC와 비교하여 논의하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Patel-Teja의 상태방정식을 이용하여 작동유체의 열역학 상태량을 계산한다.^(17,18)

성능/효과

(1) 재생 OFC의 시스템 유입열, 터빈에서 작동유체의 유량, 펌프 동력 등은 플래시 온도에 따라감소한다.
(2) 기본OFC와 재생OFC 모두 시스템의 순생산동력은 플래시 온도에 대해 최고값을 가지며, 옥실렌과 이소부탄의 경우가 가장 큰 반면에 R134a과 R152a의 경우가 가장 작다.
(3) 기본OFC의 열효율은 플래시 온도에 대해 최대값을 가지며 R245fa와 부탄의 경우에 가장 높다. 반면에 재생OFC의 열효율은 플래시 온도의 상승에 따라 열효율이 높아지며, 옥실렌과 R123의 경우에 가장 높다.
(4) 재생 OFC는 기본 OFC에 비해 시스템의 유입열은 작으면서 순생산동력은 비슷하거나 크고 열효율이 더높다.
하지만 플래시 온도의 증가에 따라 플래시 압력도 상승하기 때문에 펌프 1에서의 압력차는 증가하고 펌프 2에서의 압력차는 감소하므로 단위질량당 펌프소요동력은 펌프 1에서는 증가하고 펌프 2에서는 감소한다. 결과적으로 펌프 1의 소요동력은 증가하고 펌프 2의 소요동력은 감소하는데 유량이 적은 펌프 1의 소요동력의 증가 정도보다 유량이 많은 펌프 2의 소요동력의 감소 정도가 커서 플래시 온도가 높아짐에 따라 전체 펌프 소요동력은 감소하게 된다. 동일한 플래시 온도 조건에서 펌프 소요 동력은 프로판, R152a, R134a의 경우에 크고 옥실렌의 경우 매우 작다.

후속연구

(5) 재생 OFC는 참고문헌⁽¹²⁾의 수정 OFC 사이클들에 비해 간단하고 저가의 사이클 수정을 통해 기본 OFC의 열역학적 성능을 개선시킬 수 있는 잠재성이 있으며 특히 열병합 생산에 유리할 것으로 기대된다.
not dumping)에 따라 시스템의 성능 관점이 매우 달라지게 되므로 OFC의 실용화를 위해서는 보다 세밀한 열역학적 해석이 필요하다. 본 논문에서 제안한 재생 OFC는 단지 저가의 이단 펌프를 사용하기 때문에 고가의 설비들이 추가적으로 필요한 Ho 등의 수정 OFC 사이클들⁽¹²⁾에 비해 매우 단순하지만 기본 OFC의 열역학적 성능 특성을 상당히 개선시킬 수 있으며, 특히 열병합 생산 등의경우에 유용할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유기랭킨사이클의 특징은?	유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle, ORC)은 기본적인 구성이 기존의 증기 랭킨 사이클과 같지만 작동유체로 비등점이 물보다 낮은 유기물질을 주로 사용하기 때문에 보다 낮은 열원 온도에서도 효과적으로 구동될 수 있다. 유기랭킨사이클은 또한 다양한 저등급의 열원을 사용할 수 있고 구조가 간단하며 신뢰성도 높으나, 작동유체와 운전조건의 선정이 시스템의 성능과 열효율은 물론 환경에도 큰 영향을 미치기 때문에 이에 대한 많은 연구가 수행되어 왔다.
	저등급 현열열원을 사용하는 시스템의 열역학적 성능 특성에 대해 해석한 결과는 어떠한가?	(1) 재생 OFC의 시스템 유입열, 터빈에서 작동유체의 유량, 펌프 동력 등은 플래시 온도에 따라감소한다. (2) 기본OFC와 재생OFC 모두 시스템의 순생산동력은 플래시 온도에 대해 최고값을 가지며, 옥실렌과 이소부탄의 경우가 가장 큰 반면에 R134a과 R152a의 경우가 가장 작다. (3) 기본OFC의 열효율은 플래시 온도에 대해 최대값을 가지며 R245fa와 부탄의 경우에 가장 높다. 반면에 재생OFC의 열효율은 플래시 온도의상승에 따라 열효율이 높아지며, 옥실렌과 R123의경우에 가장 높다. (4) 재생 OFC는 기본 OFC에 비해 시스템의 유입열은 작으면서 순생산동력은 비슷하거나 크고 열효율이 더높다. (5) 재생 OFC는 참고문헌 (12)의 수정 OFC 사이클들에 비해 간단하고 저가의 사이클 수정을 통해 기본 OFC의 열역학적 성능을 개선시킬 수 있는 잠재성이 있으며 특히 열병합 생산에 유리할 것으로 기대된다.
	유기랭킨사이클의 장단점은?	유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle, ORC)은 기본적인 구성이 기존의 증기 랭킨 사이클과 같지만 작동유체로 비등점이 물보다 낮은 유기물질을 주로 사용하기 때문에 보다 낮은 열원 온도에서도 효과적으로 구동될 수 있다. 유기랭킨사이클은 또한 다양한 저등급의 열원을 사용할 수 있고 구조가 간단하며 신뢰성도 높으나, 작동유체와 운전조건의 선정이 시스템의 성능과 열효율은 물론 환경에도 큰 영향을 미치기 때문에 이에 대한 많은 연구가 수행되어 왔다.

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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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