[논문]유기랭킨사이클과 암모니아-물 랭킨사이클의 열역학적 성능의 비교 해석

김경훈; 김만회

doi:10.7316/khnes.2016.27.5.597

[국내논문] 유기랭킨사이클과 암모니아-물 랭킨사이클의 열역학적 성능의 비교 해석
Comparative Thermodynamic Analysis of Organic Rankine Cycle and Ammonia-Water Rankine Cycle 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.5, 2016년, pp.597 - 603

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper a comparative thermodynamics analysis is carried out for organic Rankine cycle (ORC) and ammonia-water Rankine cycle (AWRC) utilizing low-grade heat sources. Effects of the working fluid, ammonia concentration, and turbine inlet pressure are systematically investigated on the system performance such as mass flow rate, pressure ratio, turbine-exit volume flow, and net power production as well as the thermal efficiency. Results show that ORC with a proper working fluid shows higher thermal efficiency than AWRC, however, AWRC shows lower mass flow rate of working fluid and lower pressure ratio of expander than ORC.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 현열 형태의 저온 열원의 동력 변환을 위한 ORC와 AWRC의 열역학적 성능 특성을 비교 해석한다. ORC에서는 작동 유체가 AWRC에서 암모니아 농도와 터빈 입구 압력이 각각 ORC와 AWRC 의 열역학적 성능(질량유량, 시스템 출력, 열효율, 단위출력당 터빈출구 체적유량 및 압력비 등)에 미치는 영향을 체계적으로 비교 해석한다.

가설 설정

로 일정하다고 가정한다. 또한 열교환기 및 응축기에서는 고온 및 저온 유체 간 열전달 이외의 열손실은 무시하며, 고온 유체와 저온 유체의 최소 온도차는 핀치온도차 ΔT_pp로 운전된다고 가정한다.
본 연구에서는 펌프, 터빈 및 교축밸브를 제외한 요소에서 압력손실은 무시하며, 펌프와 터빈의 등엔트로피 효율은 각각 η_p와 η_t로 일정하다고 가정한다. 또한 열교환기 및 응축기에서는 고온 및 저온 유체 간 열전달 이외의 열손실은 무시하며, 고온 유체와 저온 유체의 최소 온도차는 핀치온도차 ΔT_pp로 운전된다고 가정한다.

제안 방법

본 연구에서는 현열 형태의 저온 열원의 동력 변환을 위한 ORC와 AWRC의 열역학적 성능 특성을 비교 해석한다. ORC에서는 작동 유체가 AWRC에서 암모니아 농도와 터빈 입구 압력이 각각 ORC와 AWRC 의 열역학적 성능(질량유량, 시스템 출력, 열효율, 단위출력당 터빈출구 체적유량 및 압력비 등)에 미치는 영향을 체계적으로 비교 해석한다.

대상 데이터

본 연구에서는 현열 에너지 형태의 200°C 저온 열원을 사용하는 ORC와 AWRC에서 작동유체나 암모니아 농도, 그리고 터빈입구압력의 변화에 따른 열역학적 성능을 비교 해석하였다. ORC에서는 R134a, R600a, R245fa 및 R123의 네 가지 작동유체를, AWRC에서는 50%, 60%, 70% 및 80%의 암모니아 농도를 고려하였다. ORC는 여러 가지 장점들을 가지고 있으나 열원온도나 운전조건에 따라 시스템의 열역학적 성능이 최대가 되는 작동유체가 변하고 작동유체에 따라서 터빈과 펌프의 설계와 생산이 따로되어야 하기 때문에 경제성을 확보하는 데에 어려움이 있다.

이론/모형

본 연구에서 ORC의 작동유체는 임계온도가 낮은 순으로 R134a, R600a(이소부탄), R245fa 및 R123의 네가지 물질을 고려하며 이들의 열역학 상태량들은 Patel-Teja의 상태방정식을 이용하여 계산한다^13-14). 작동유체에 대한 분자량 M, 임계온도 T_cr, 임계압력 P_cr, 이심인자 ω 등 기본적인 열역학적 성질들은 Table 1에 주어진다¹⁵⁾.

성능/효과

ORC는 여러 가지 장점들을 가지고 있으나 열원온도나 운전조건에 따라 시스템의 열역학적 성능이 최대가 되는 작동유체가 변하고 작동유체에 따라서 터빈과 펌프의 설계와 생산이 따로되어야 하기 때문에 경제성을 확보하는 데에 어려움이 있다. AWRC 는 암모니아-물 혼합물을 작동유체로 하기 때문에 독성물질을 관리해야 하는 어려움이 있고 주어진 열원유체 유량으로 생산할 수 있는 출력이나 열효율이 ORC 에 비해 감소할 수 있다. 그러나 암모니아의 농도에 따라 작동유체의 특성이 변화하며, 작동유체의 질량 유량, 터빈과 펌프의 압력비와 단위출력당 터빈출구에서의 체적유량이 ORC에 비해 작다.
AWRC 는 암모니아-물 혼합물을 작동유체로 하기 때문에 독성물질을 관리해야 하는 어려움이 있고 주어진 열원유체 유량으로 생산할 수 있는 출력이나 열효율이 ORC 에 비해 감소할 수 있다. 그러나 암모니아의 농도에 따라 작동유체의 특성이 변화하며, 작동유체의 질량 유량, 터빈과 펌프의 압력비와 단위출력당 터빈출구에서의 체적유량이 ORC에 비해 작다. 따라서 설비나 운전 경비가 절감될 수 있고 물 펌프나 스팀 터빈을 그대로 활용할 수 있어 저온 열원 활용을 위한 가능성이 있다.

후속연구

그러나 암모니아의 농도에 따라 작동유체의 특성이 변화하며, 작동유체의 질량 유량, 터빈과 펌프의 압력비와 단위출력당 터빈출구에서의 체적유량이 ORC에 비해 작다. 따라서 설비나 운전 경비가 절감될 수 있고 물 펌프나 스팀 터빈을 그대로 활용할 수 있어 저온 열원 활용을 위한 가능성이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물을 작동유체로 하는 기존의 스팀 랭킨사이클의 문제점은?	물을 작동유체로 하는 기존의 스팀 랭킨사이클은 열원의 온도가 낮아질수록 열효율이 낮아지다가 열원의 온도가 약 370°C 이하가 되면 경제성을 잃게 된다. 산업 폐열이나 지열 등 저온 열원을 효율적으로 변환하는 경쟁력 있는 동력 시스템으로서 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, ORC)과 비공비 혼합물을 작동유체로 이용하는 동력 사이클이 인정받고 있으며 활발히 연구되고 있다1).
	ORC의 작동유체로 쓰이는 비공비 혼합물을 물과 암모니아로 구성할 때의 장점은?	이렇게 온도가 변화하면서 열전달 되는 과정은 열교환기 내에서 고온과 저온 흐름에서의 불균형을 줄여주기 때문에 특히 현열 형태의 저등급 열원을 이용한 동력 사이클에 효율적이다. 특히 암모니아와 물의 혼합물을 작동유체로 하는 열동력 시스템은 비등점을 물보다 낮출 수 있기 때문에 수증기를 발생시킬 정도로 온도가 높지 않은 저온 열원도 효과적으로 활용할 수 있으며 터빈 입구 압력을 낮추고 작동 유체의 순환 유량도 줄일 수 있어 운전 경비를 절감할 수 있다. 게다가 혼합물은 순수 물과 분자량이 비슷하기 때문에 증기터빈을 그대로 사용할 수 있으며 산업체에서 쓰이는 다른 혼합물들에 비해 환경에 미치는 영향이 작은 등 많은 장점을 가지고 있기 때문에 최근 들어 다양한 분야로 응용범위를 넓혀가고 있다4-5).
	ORC가 경제성을 확보하기 어려운 이유는?	ORC에서는 R134a, R600a, R245fa 및 R123의 네 가지 작동유체를, AWRC에서는 50%, 60%, 70% 및 80%의 암모니아 농도를 고려하였다. ORC는 여러 가지 장점들을 가지고 있으나 열원온도나 운전조건에 따라 시스템의 열역학적 성능이 최대가 되는 작동유체가 변하고 작동유체에 따라서 터빈과 펌프의 설계와 생산이 따로되어야 하기 때문에 경제성을 확보하는 데에 어려움이 있다. AWRC 는 암모니아-물 혼합물을 작동유체로 하기 때문에 독성물질을 관리해야 하는 어려움이 있고 주어진 열원유체 유량으로 생산할 수 있는 출력이나 열효율이 ORC 에 비해 감소할 수 있다.

참고문헌 (16)

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K. H. Kim and K. C. Kim, "Thermodynamic performance analysis of a combined power cycle using low grade heat source and LNG cold energy", Appl. Therm. Eng., Vol. 70, 2014, pp. 50-60.

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