[논문]열원온도와 작동유체에 따른 초월임계 유기랭킨사이클의 열역학적 성능 특성

김경훈

doi:10.3795/ksme-b.2017.41.11.699

열원온도와 작동유체에 따른 초월임계 유기랭킨사이클의 열역학적 성능 특성
Thermodynamic Performance Characteristics of Transcritical Organic Rankine Cycle Depending on Source Temperature and Working Fluid 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.41 no.11 = no.386, 2017년, pp.699 - 707

김경훈 (금오공과대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 아홉 종류의 작동유체를 고려하여 저온 열원으로 구동되는 아임계 및 초월임계 유기 랭킨 사이클의 열역학적 성능 특성을 비교 해석한다. 터빈입구압력, 열원온도 및 작동유체가 열교환기 내 온도분포와 핀치포인트, 작동유체의 유량, 시스템 출력 및 열효율 등 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석한다. 해석 결과는 작동유체의 압력이 아임계 영역에서 초임계 영역으로 높아지면 열교환기에서 열원과 작동유체 사이의 온도 불균일 정도가 감소하면서 시스템 출력이나 열효율 등은 증가하나 시스템의 단위출력당 터빈 크기는 작아짐을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents a comparative thermodynamic analysis of subcritical and transcritical organic Rankine cycles for the recovery of low-temperature heat sources considering nine substances as the working fluids. The effects of the turbine inlet pressure, source temperature, and working fluid on system performance were all investigated with respect to metrics such as the temperature distribution of the fluids and pinch point in the heat exchanger, mass flow rate, and net power production, as well as the thermal efficiency. Results show that as the turbine inlet pressure increases from the subcritical to the supercritical range, the mismatch between hot and cold streams in the heat exchanger decreases, and the net power production and thermal efficiency increase; however, the turbine size per unit power production decreases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 온도 T_S의 저온 열원 유체를 사용하고, 응축기, 펌프, 열교환기, 그리고 터빈으로 구성된 초월임계 ORC의 열역학적 성능 특성에 대해 분석한다. 시스템에서 작동유체는 온도 T_C의 냉각수에 의해 냉각되어 온도 T_L의 포화액 상태로 응축기를 나온다 (상태 1).
본 연구에서는 열원유체와 아홉가지 작동유체에 따른 초월임계 유기랭킨사이클의 열역학적 성능 특성에 대해 비교 해석하였으며 주요 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 현열 형태의 저온 열원의 변환을 위한 초월임계 ORC의 열역학적 성능 특성을 해석한다. 다양한 작동 유체와 열원 온도에 대해 터빈 입구 압력이 아임계에서 초임계로 변화가 질량 유량, 시스템 출력, 열효율, 그리고 단위출력당 터빈출구에서의 유량 등 시스템의 성능에 미치는 영향을 해석한다.

가설 설정

또한 열교환기 및 응축기에서는 고온 및 저온 유체간 열전달 이외의 열손실은 무시하며, 고온 유체와 저온 유체의 최소 온도차는 핀치온도차 ΔTpp로 운전된다고 가정한다.
본 논문에서 열원유체는 질량유량이 ms = 1 kg/s 인물이라 가정하고 해석을 위한 시스템의 주요 변수 값들은 열원온도 Ts=200℃, 응축온도 TL = 40℃, 핀치온도차 ΔTpp = 8℃, 열원과 터빈입구 온도차 ΔTs = 15℃, 펌프효율 ηp = 80%, 터빈효율 ηt = 80% 를 사용한다.
본 연구에서 펌프에서의 압축과 터빈에서의 팽창 과정은 등엔트로피 효율이 각각 ηp와 ηt로 일정한 과정으로 가정하며, 펌프와 터빈을 제외한 각 요소에서의 압력 손실은 무시하고 압력이 일정하다고 가정한다.
여기에서 c_ps는 열원유체의 정압비열로서 일정하다고 가정하며 입출구 온도 범위의 산술평균 온도에서의 값을 사용한다. 열원에 의한 시스템의 유입열 Q_s, 순생산 출력 W_net, 시스템의 열효율 η_th, 그리고 단위출력당 터빈출구에서의 유량 V_e (m³/s∙MW) 다음과 같이 구할 수 있다.

제안 방법

본 연구에서는 현열 형태의 저온 열원의 변환을 위한 초월임계 ORC의 열역학적 성능 특성을 해석한다. 다양한 작동 유체와 열원 온도에 대해 터빈 입구 압력이 아임계에서 초임계로 변화가 질량 유량, 시스템 출력, 열효율, 그리고 단위출력당 터빈출구에서의 유량 등 시스템의 성능에 미치는 영향을 해석한다.
열교환기의 운전 상태를 결정하기 위한 또 하나의 조건으로 본 연구에서는 작동유체의 출구온도, 즉 터빈입구 온도와 열원 유체의 온도차 ΔTs 값을 입력 변수로 설정한다.

이론/모형

본 연구에서 작동유체는 임계온도가 낮은 순으로 R143a, R134a, R152a, 프로판, 이소부탄, 부탄, R245fa, R123 및 이소펜탄의 아홉 가지 물질을 고려하며 이들의 열역학 상태량들은 Patel-Teja의 상태방정식을 이용하여 계산한다.^(12,13)작동유체에 대한 분자량 M, 임계온도 T_cr, 임계압력 P_cr, 이심인자 ω 등 기본적인 열역학적 성질들은 Table 1에 주어진다.

성능/효과

(1) 열교환기에서 온도-엔탈피 선도를 통해 작동 유체 환산압력이 0.4에서 2까지 압력이 아임계에서 초임계 영역으로 증가함에 따라 열원과 작동유체의 온도분포의 변화를 보였다. 아임계 영역에서 는 작동유체가 포화액이 되는 지점에서 핀치포인트가 발생하며 압력 상승에 따라 열원유체 출구온도가 상승하고 시스템 유입열이 감소한다.
(2) 작동유체의 임계온도와 터빈입구온도의 차이가 작은 경우에는 터빈입구압력이 아임계 영역에서 초임계 영역으로 증가하는 과정에서 열원과 작동유체의 비선형 온도분포로 인해 핀치포인트 발생, 시스템 유입열 및 질량유량 등 시스템의 성능 변화가 크다.
(3) 작동유체의 압력이 아임계 영역에서 초임계 영역으로 높아지면 열교환기에서 열원과 작동유체 사이의 온도 불균일 정도가 감소하면서 시스템 출력이나 열효율 등은 증가하나 시스템의 단위출력당 터빈 크기는 작아진다.
(4) 열원온도가 200 ℃일 때 시스템 출력은 임계 온도가 높은 R123이나 이소펜탄의 경우에는 아임계 영역에서 최대가 되지만, 나머지 작동유체들은 초임계 영역에서 최대가 된다. 따라서 초월임계 ORC의 최적설계는 아임계 ORC에 비해 출력향상 포텐셜을 가지고 있다.

후속연구

Dai 등⁽³⁾은 ORC에서 작동유체에 따라 엑서지 효율을 최대로 하는 최적 조건에 대해 비교 분석하였으며, Aghahosseini와 Dincer⁽⁴⁾는 저온 열원을 사용하는 ORC에서 다양한 순수 물질과 비공비 혼합물질을 작동유체로 사용할 때 시스템의 열역학적 성능을 분석하였고, Lai 등⁽⁵⁾은 비교적 고온의 열원을 활용하는 ORC에 대해 연구하였다. 그러나 지금까지의 연구 결과에 의하면 어떠한 상황에서도 시스템의 열역학적 성능이 최고가 되는 절대적인 최적의 작동유체는 존재하지 않으며, 열원온도 등 주어진 상황에 따라 최적의 작동유체가 달라지기 때문에 ORC 설계 시 주어진 상황에서 최적의 작동유체를 찾는 연구가 필요하다.⁽⁶⁾

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ORC은 무엇인가?	ORC는 작동유체로 물 대신에 냉매나 탄화수소를 주로 쓰는 증기동력 시스템으로서 저온 열원에 의한 발전 방식 중 가장 적합한 방식 중의 하나로 인정받고 있다. ORC에서는 어떤 작동유체를 사용하는가와 어떤 조건으로 작동할 것인가가 시스템의 운전, 에너지 효율과 환경 문제에 큰 영향을 주며 최근 20여 년 동안 많은 연구들이 수행되어 왔다.
	아임계 영역에서 핀치포인트인 자동유체 포화액 상태에서 나타나는 특징은?	아임계 영역에서 핀치포인트는 대부분의 경우에 작동유체가 포화액 상태인 지점에서 발생한다. 작동유체의 압력이 증가하면 증발온도는 상승하는 반면에 증발잠열은 감소하며, 전자와 후자는 각각 출구에서의 열원온도의 상승과 하강 원인이 되고 또 시스템 유입열의 감소 및 증가 요인이 된다. 작동유체의 압력이 초임계 영역으로 상승하면 명시적인 상변화가 없어지면서 열교환기내 고온과 저온 유체의 온도차 불균일도 현저하게 감소한다.
	ORC 설계 시 주어진 상황에서 최적의 작동 유체를 찾는 연구가 필요한 이유는?	Dai 등(3)은 ORC에서 작동유체에 따라 엑서지 효율을 최대로 하는 최적 조건에 대해 비교 분석하였으며, Aghahosseini와 Dincer(4)는 저온 열원을 사용하는 ORC에서 다양한 순수 물질과 비공비 혼합물질을 작동유체로 사용할 때 시스템의 열역학적 성능을 분석하였고, Lai 등(5)은 비교적 고온의 열원을 활용하는 ORC에 대해 연구하였다. 그러나 지금까지의 연구 결과에 의하면 어떠한 상황에서도 시스템의 열역학적 성능이 최고가 되는 절대적인 최적의 작동유체는 존재하지 않으며, 열원온도 등 주어진 상황에 따라 최적의 작동유체가 달라지기 때문에 ORC 설계 시 주어진 상황에서 최적의 작동유체를 찾는 연구가 필요하다.(6)

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원문보기 상세보기
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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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