[논문]R-245fa 및 NOVEC 649 작동유체에 따른 ORC 시스템 성능 변화

장홍순; 한영섭; 송영길; 김성현

doi:10.17664/ksgee.2016.12.3.017

문제 정의

다만, 임계압력이 R-245fa에 비하여 낮기 때문에 터빈의 팽창비가 상대적으로 적어지고 냉매의 질량유량이 커져야 할 필요가 있다. 본 고에서는 이러한 차이를 가지고 있는 두 가지의 작동유체를 동일한 시스템에서 동일한 조건으로 작동시켰을 때 충진량, 팽창기 입구 온도 등에 따른 축동력 변화량을 관찰하고 그 원인을 규명코자 한다. 본 연구를 통하여 ORC 작동유체로 가장 유명한 R245fa의 작동 범위 안에서 Novec 649가 작동상 어떠한 한계를 갖는가를 고찰하므로 향후 ORC 관련 연구에 보탬이 되고자 한다.
인버터 등을 통하여 정류될 수 있다. 본 시험에서는 발전기에서 발전된 교류전력을 직류로 변환하여 저항체인 Load Bank에서 소진할 때의 전압 및 전류를 측정하여 축동력이 측정될 수 있도록 하였다.
본 고에서는 이러한 차이를 가지고 있는 두 가지의 작동유체를 동일한 시스템에서 동일한 조건으로 작동시켰을 때 충진량, 팽창기 입구 온도 등에 따른 축동력 변화량을 관찰하고 그 원인을 규명코자 한다. 본 연구를 통하여 ORC 작동유체로 가장 유명한 R245fa의 작동 범위 안에서 Novec 649가 작동상 어떠한 한계를 갖는가를 고찰하므로 향후 ORC 관련 연구에 보탬이 되고자 한다.

가설 설정

R-245fa는 대기온도가 20℃ 이하일 경우 액체 상태 이므로 Novec 649 대비 증발온도가 낮다. 폐열을 열원으로 이용하여 ORC 발전 시스템을 구축할 경우 팽창기 입구 냉매 온도 및 압력을 각각 200℃/1.5 MPa라고 가정하고 Novec 649 및 R-245fa의 사이클 거동을 Fig. 2에서 살펴보면 아래 Table 2와 같다.

제안 방법

또한, 각 가스 유량에 대한 적정 공기 주입량을 시험을 통하여 정리한 후, 이를 데이터베이스화 하여 가스 제어와 함께 주입 공기량을 제어할 수 있도록 하였다. LPG의 저위발열량과 유량을 통하여 시스템에 가해진 열량을 계산하게 되고, 여기서 구해진 열량의 85%를 유효 가열량으로 삼았다.
Novec 649와 R-245fa 두 냉매를 ORC 발전 시스템의 작동유체로 사용하여 각각의 충진량 대비 성능 변화를 관찰을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
ORC 발전 시스템을 서로 지정된 요건에 따라 두 종류의 작동유체(R-245fa 와 Novec 649)에 의하여 Cycle을 구성하고 발전 시스템의 회전수를 측량하여 효율을 판단하였다. 본 시스템을 구성하고 있는 주요 부품들은 다음과 같다[4].
R-245fa 작동유체의 충진량 시험을 수행했던 ORC 시험기에 이번에는 Novec 649를 7.0 kg 충진한 상태에서 팽창기 입구 온도에 대한 팽창기 입구 압력의 변화 및 팽창기의 축동력 변화 정도를 측정하여 Fig. 6과 같이 나타내었다.
1에 나타내었다. 각 부위의 온도는 T-type Thermocouple을 이용하여 측정하였고, 압력은 5 mA~20 mA 출력을 내는 /Sensys사의 Pressure Transducer를 채택하였다. 냉매 유량을 측정하기 위하여 Tricor사의 Coriolis Mass Flow Meter가 사용되었다.
각 충진량 별 발전효율을 관찰하였다. 여기서 발전효율이란 팽창기에 부착된 토크메타에서 측정된 토크로부터 계산된 축동력을 LPG 가스의 저위발열량(12,000 kcal/kg)의 85% 값으로 나눈 것을 백분율화 한 것이다.
보일러에 유입되는 LPG 가스의 유량을 제어하기 위하여 가스 주입구에 솔레노이드 밸브를 설치하여 PID 제어로 가스 유량을 제어할 수 있도록 하였다. 또한, 각 가스 유량에 대한 적정 공기 주입량을 시험을 통하여 정리한 후, 이를 데이터베이스화 하여 가스 제어와 함께 주입 공기량을 제어할 수 있도록 하였다. LPG의 저위발열량과 유량을 통하여 시스템에 가해진 열량을 계산하게 되고, 여기서 구해진 열량의 85%를 유효 가열량으로 삼았다.
위에서 언급한 시험기에 두 종류의 냉매를 각각 충진하여 시험을 수행하였다. 먼저 R-245fa에 대한 충진량 대비 성능 변화를 시험을 통해 관찰하였다. Fig.
보일러에 유입되는 LPG 가스의 유량을 제어하기 위하여 가스 주입구에 솔레노이드 밸브를 설치하여 PID 제어로 가스 유량을 제어할 수 있도록 하였다. 또한, 각 가스 유량에 대한 적정 공기 주입량을 시험을 통하여 정리한 후, 이를 데이터베이스화 하여 가스 제어와 함께 주입 공기량을 제어할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 2,000 rpm에서 3 Ø, 200 VAC로 발전하는 발전기를 개발하여 장착하였다.
냉각기(Cooler)는 응축기 안에서 작동유체(냉매)로 획득한 에너지를 배출하기 위한 것이다. 실제 ORC 발전 시스템에서는 수냉식 Cooling Tower 혹은 공랭식 Air Fin Condenser 등이 일반적으로 사용되지만, 본 연구에 사용된 ORC 시험기에는 7.5RT의 냉각기를 설치하여 24℃의 냉각수가 응축기로 유입될 수 있도록 하였다. 냉각수 유량은 시험의 성격 및 필요에 따라 수동으로 조절할 수 있도록 하였다.
위에서 언급한 시험기에 두 종류의 냉매를 각각 충진하여 시험을 수행하였다. 먼저 R-245fa에 대한 충진량 대비 성능 변화를 시험을 통해 관찰하였다.
스팀 터빈과 다르게, ORC용 팽창기의 특징은 비교적 소형으로서 팽창기 효율은 약 80~85% 수준이다. 이번 연구에서는 아직까지 전 세계적으로 1 kW~3 kW 급의 터빈이 개발된 것이 없으므로, 자동차 에어컨 용 스크롤 압축기를 개조하여 팽창기로 활용하였다. 팽창기로서 66 cc, 86 cc, 106 cc 스크롤 압축기가 개조되었고, 이 중에서 본 연구와 관련된 시험에 사용된 팽창기는 66 cc 압축기를 개조한 것이다.
증발기 일체형 보일러(Evaporator)는 일반 가정용 온수 보일러(20,000 kcal/h or 23.5 kW)를 채용하여 물 대신에 작동유체가 흐르도록 하였다. 총 가열량이 2 kW 발전량의 10% 이상 될 수 있도록 당초의 열교환기 위에 온수-가스 열교환기를 하나 더 직렬로 연결하였고, R-245fa를 제조하는 Honeywell사의 지침에 따라 국부적으로 250℃를 넘지 않도록 하기 위하여 보일러 운전 전에 펌프를 먼저 가동시키고, 보일러 가동 종료 시 펌프를 제일 나중에 멈추어 유체의 유량을 관리하였다.
5 kW)를 채용하여 물 대신에 작동유체가 흐르도록 하였다. 총 가열량이 2 kW 발전량의 10% 이상 될 수 있도록 당초의 열교환기 위에 온수-가스 열교환기를 하나 더 직렬로 연결하였고, R-245fa를 제조하는 Honeywell사의 지침에 따라 국부적으로 250℃를 넘지 않도록 하기 위하여 보일러 운전 전에 펌프를 먼저 가동시키고, 보일러 가동 종료 시 펌프를 제일 나중에 멈추어 유체의 유량을 관리하였다.
스크롤 횟수(Turn)가 3회에 그쳐 좀 더 큰 팽창 비를 만들어 내지 못한 부분이 있으나, 이는 앞으로 압축기 제조사들과 계속 협의해 나갈 부분이다. 팽창기에 토크메터를 연결하여 실시간으로 팽창기의 축동력(Shaft Power)을 측정, 데이터화 하였다.

대상 데이터

각 부위의 온도는 T-type Thermocouple을 이용하여 측정하였고, 압력은 5 mA~20 mA 출력을 내는 /Sensys사의 Pressure Transducer를 채택하였다. 냉매 유량을 측정하기 위하여 Tricor사의 Coriolis Mass Flow Meter가 사용되었다.
본 실험에서 사용한 소규모 ORC 발전 시스템을 Fig. 1에 나타내었다. 각 부위의 온도는 T-type Thermocouple을 이용하여 측정하였고, 압력은 5 mA~20 mA 출력을 내는 /Sensys사의 Pressure Transducer를 채택하였다.
응축기에서의 열 교환량이 증발기에서보다 적으나, 응축기의 대수평균온도차(LMTD: Logarithmic Mean Temperature Difference) 값이 증발기보다 적기 때문에, 응축기의 크기가 증발기의 크기보다 크다. 본 연구에서 사용된 응축기는 두 개의 판형 열교환기를 직렬로 연결하여 사용하였으며, 열 전달량은 주어진 설계조건에서 25 kW이다.
그러므로 작동유체의 특성과 열원의 특성이 일치하는 작동유체를 사용하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 R-245fa와 Novec 649를 ORC 발전 System의 작동유체로 사용하였다. Novec 649는 3M 사에서 제조한 열전달 매체용 유기물질로서 화학식은 CF₃CF₂C(O)CF(CF₃)₂이다.
R-245fa 냉매의 경우 약 250 kPa의 압력을 2,500 kPa로 승압시켜야 한다. 작동유체를 승압시키기 위해 시간당 255 LPH의 유량을 이송할 수 있는 Walbro사의 Inline pump GSL392를 펌프를 선택하여 ORC 발전시스템에 설치하였다.
이번 연구에서는 아직까지 전 세계적으로 1 kW~3 kW 급의 터빈이 개발된 것이 없으므로, 자동차 에어컨 용 스크롤 압축기를 개조하여 팽창기로 활용하였다. 팽창기로서 66 cc, 86 cc, 106 cc 스크롤 압축기가 개조되었고, 이 중에서 본 연구와 관련된 시험에 사용된 팽창기는 66 cc 압축기를 개조한 것이다. 스크롤 횟수(Turn)가 3회에 그쳐 좀 더 큰 팽창 비를 만들어 내지 못한 부분이 있으나, 이는 앞으로 압축기 제조사들과 계속 협의해 나갈 부분이다.

성능/효과

(1) Novec 649 작동유체는 R-245fa에 비하여 잠열구간이 적어 기화시키는데 필요한 에너지양이 적고 운전 영역의 엔탈피가 R-245fa보다 낮기 때문에 보다 적은 에너지원으로도 발전이 가능할 수 있다.
(2) Novec 649의 잠열 에너지 량은 R-245fa의 그것보다 78% 정도로 적으나, 엔트로피 팽창을 가정한 이론 팽창기를 통해 얻는 발전량은 약 56% 정도로서, Novec 649의 발전효율은 R-245fa의 그것에 비하여 상대적으로 적다.
(3) 시스템 내 작동유체가 과 충진될 수록 시스템 운전 안정도가 미흡하게 충진된 경우보다 저하한다.
(4) 동일한 ORC System에 R-245fa 대신 Novec 649를 충진한다고 가정했을 경우, Novec 649의 충진량은 R-245fa의 그것에 비하여 적어야 한다.
(5) 작동유체의 팽창기 입구온도가 높을수록 발전량이 커지고, 입구온도가 낮을수록 적어진다.
예를 들면, 20 bar의 압력 하에서 Novec 649의 증발/응축 온도가 160℃ 이상 임계점을 지나서 존재하고, R-245fa의 그것은 약 120℃에 불과하다. 그러므로 동일한 조건에서 운전되는 두 종류의 ORC를 상상해 볼 때, Novec 649 작동유체를 사용하는 ORC의 작동 온도가 R-245fa 보다 전반적으로 높은 것을 알 수 있다. 따라서 Novec 649를 이용하여 ORC를 구축할 경우, 증발기 출구의 작동유체를 다시 한 번 가열하는 Reheater의 설치가 추천된다.
두 종류의 서로 다른 작동유체가 운전하는 조건에 따라 약간의 차이는 있겠으나, 하나의 시스템 개념에서 바라보면 R-245fa 작동유체가 Novec 649 보다 효율 면에서 더 좋은 것을 알 수 있다. 다만, R-245fa의 응축온도가 열병합을 통하여 온수를 사용코자할 경우 낮은 면이 있기 때문에[10-12], 온수 공급이 발전 못지않게 중요한 적용의 경우에는 효율이 조금 낮아도 Novec 649가 훌륭한 작동유체가 될 수 있음을 보여준다.
이 직류 전기는 최종적으로 47 Ω의 로드 뱅크(Load Bank)에 연결되어 열로 발산되며, 그 중간에 션트 저항을 통하여 전류를 측정하게 된다. 이 모든 과정을 거치면서 팽창기의 축동력으로부터 로드 뱅크에서 열로 발산되는 전력 간의 효율은 약 94% 이상으로 기대된다.
측정된 축동력 값과 투입에너지로 발전효율을 계산해 보면 팽창기 입구온도가 140 o C에서 R-245fa가 6.02%를 나타낸다. 이는 Zimbiani 등[10]이 주장하는 발전효율 7%에 근접한 것이기도 하다.
5에서 보듯이 R-245fa의 축동력 변화는 팽창기 입구 온도가 높을수록 증가하다가 140℃에서 최고의 발전 효율(축동력/투입 에너지)을 기록한 후 점차 감쇄하는 것을 볼 수 있다. 팽창기 입구 온도가 140℃ 이상으로 올라가도 축동력 증가율은 선형적 증가를 하고 있으나 투입되는 에너지량이 급격하게 늘어나는 현상을 볼 때, 본 시험에 사용된 펌프 양정이 약 1.5 MPa로서 이 압력에서 더 많은 에너지를 투입해도 과포화도만 높아질 뿐 실질적으로 시스템의 효율 향상에는 별 도움이 안된다는 결론에 도달하게 된다.

후속연구

실제로 얼마나 적으며, 그 정량적 한계 등에 따른 시스템 거동은 추가적 관찰을 통해 확인 될 수 있을 것으로 사료된다. 본 연구를 통하여 얻어진 데이터를 바탕으로 앞으로 임의의 작동유체에 대한 최적 충진량 결정 방법을 연구하여 발표할 수 있도록 준비할 예정이다.
이러한 방법 중의 하나가 시험기에서 R-245fa를 작동유체로 운전할 때는 7 kg의 충진량이 적절했지만, Novec 649를 작동유체로 운전할 경우에는 이보다 적게 작동유체를 충진하는 것이다. 실제로 얼마나 적으며, 그 정량적 한계 등에 따른 시스템 거동은 추가적 관찰을 통해 확인 될 수 있을 것으로 사료된다. 본 연구를 통하여 얻어진 데이터를 바탕으로 앞으로 임의의 작동유체에 대한 최적 충진량 결정 방법을 연구하여 발표할 수 있도록 준비할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 팽창기는 무슨 역할을 하는가?	팽창기(Expander)는 이 시스템에서 팽창기는 일반 화력 발전의 터빈과 같은 역할을 한다. 고압, 기체 상태의 작동유체가 저압의 기체 상태로 변하며 내어놓는 열에너지는 팽창기 로터를 회전시키는 운동에너지로 변환된다.
	R-245fa 냉매의 경우 펌프가 승압해야 할 압력범위는 얼마인가?	펌프(Pump)는 ORC 발전 시스템에 설치된 펌프는 저온, 저압인 작동유체를 고압으로 올려주는 역할을 한다. R-245fa 냉매의 경우 약 250 kPa의 압력을 2,500 kPa로 승압시켜야 한다. 작동유체를 승압시키기 위해 시간당 255 LPH의 유량을 이송할 수 있는 Walbro사의 Inline pump GSL392를 펌프를 선택하여 ORC 발전시스템에 설치하였다.
	발전기는 무엇에 따라 발전량이 변하게 되는가?	발전기(Generator)는 팽창기 회전축에 올댐 커플링(Oldham Coupling)을 통하여 연결된 발전기는 팽창기의 축 회전토크 및 회전수에 따라 발전량이 변하게 된다. 본 연구에서는 2,000 rpm에서 3 Ø, 200 VAC로 발전하는 발전기를 개발하여 장착하였다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

R-245fa 및 NOVEC 649 작동유체에 따른 ORC 시스템 성능 변화
ORC System Performance Analysis upon R-245fa and Novec 649 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

R-245fa 및 NOVEC 649 작동유체에 따른 ORC 시스템 성능 변화 ORC System Performance Analysis upon R-245fa and Novec 649 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

장홍순 (7) 한영섭 (3)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

R-245fa 및 NOVEC 649 작동유체에 따른 ORC 시스템 성능 변화
ORC System Performance Analysis upon R-245fa and Novec 649 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper