[논문]20kW급 폐열회수 시스템 공정 설계에 관한 연구

김경수; 방세경; 정은익; 이중섭

doi:10.14775/ksmpe.2018.17.4.091

[국내논문] 20kW급 폐열회수 시스템 공정 설계에 관한 연구
A Study on the Engineering Design for 20kW-Grade Waste Gas Heat Recovery 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.17 no.4, 2018년, pp.91 - 96

김경수 ((주)영광 기술연구소) , 방세경 ((주)영광 기술연구소) , 정은익 ((주)티에스테크 기술연구소) , 이중섭 (경남과학기술대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is collects design data through the process design of the organic Rankine cycle, which can produce 20kW of electric power through the recovery of waste heat. In this study, the simulation was conducted by using APSEN HYSYS in order to make the model for the process design of the 20kW class waste heat recovery system. For the thermodynamic model, the test was conducted with hot water as the heat source, with the water steam used as the cooling water for the cooler and the refrigerant R245fa in the cycle. In Case 1 and Case 2, it was expected and found that the cycle efficiency was 10.6% and that 36.86kw was produced, considering the margin of 84% of 20kW. In Case 3 and Case 4, it was expected and found from the simulation that the cycle efficiency was 12% and that 30.0kw was produced, considering the margin of 84% of 20kW.

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문제 정의

본 연구는 폐열회수를 통해 20kW의 전력을 생산할 수 있는 유기랭킨발전시스템에 대한 공정설계를 통한 설계자료를 확보하고자 한다.
본 연구에서는 기존 폐열회수 시스템(400℃ 이상)보다 악조건인 중저온(70~350℃) 폐열회수시스템에 대한 효율적인 폐열회수 공정개발이 목표이며, 개발시스템의 공정에서 주요 결정 변수는 열원온도 범위를 고려한 작동유체를 150℃의 폐열회수를 위해 R245fa를 적용하여 공정을 시뮬레이션하고자 한다.

가설 설정

공급열원은 table 1과 같이 중저온 폐열로 150℃, 4.76bar Hot water 의 액상형태로 2.772kg/s의 유량이 공급되며, 공급열원은 작동유체의 Liquid phase로부터 Vapor phase의 상변화에 사용되며, 케이스별로 예열기, 증발기, 과열기의 각 장치에 유입된다고 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 증발부와 응축부의 장치 구성에 따라 시스템의 성능과 효율이 달라지게 됨에 따라 총 4가지의 케이스를 선정하여 비교분석을 수행하고자 하며, Table 4와 같이 총 4개의 case에 대하여 시뮬레이션을 수행하고자 한다.

대상 데이터

열역할 모델은 열원의 Hot Water와 냉각기의 냉각수에 사용되는 Water stream과 사이클 내의 R245fa 냉매로 나누어 진행하였다.

이론/모형

본 연구에서 20kW급 폐열회수 시스템에 대한 공정 설계에 대한 모델링은 APSEN HYSYS를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
우선 Water stream인 경우 물성치 모델은 넓은 온도, 압력범위에서 물성계산이 가능한 NBS Stream모델을 적용하였고, R245fa stream인 경우 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 DB를 이용하여 모델을 선정하였다.

성능/효과

폐열회수를 통해 20kW의 전력을 생산할 수 있는 유기랭킨발전시스템에 대한 공정설계에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과 Case-1과 Case-2의 경우 사이클 효율이 10.6%수준으로 결과가 예측되었고, 생산동력은 20kW의 마진 84%를 고려하여 36.86kW의 동력을 생산하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 산업에서 많이 사용하는 폐열회수 방식에는 어떤 것이 있는가?	기존 산업에서 많이 사용하는 폐열회수 방식으로는 대표적으로 HRSG(Heat Recovery Steam Generator)와 스팀발전 등을 주로 사용하고 있고, 일반적으로 스팀발전이 가능한 온도대인 400℃ 이상의 온도는 이미 활용을 하고 있어 현재 개발대상을 많이 버려지고 있는 중저온대의 페열 회수를 할 수 있는 폐열회수 시스템 개발이 필요한 시점이다.1-3)
	폐열을 회수하여 재이용 하는 기술 개발의 실정은 어떠한가?	2010년 전후를 기반으로 중 저온 폐열발전의 개발이 가속화되어 상용화단계까지 개발이 되었으나 투자대비 회수율(효율)이 떨어져 산업계에서는 직접적인 투자를 회피하고 있는 실정이다.
	중저온 폐열회수 기술에 필요한 것은 무엇인가?	중저온 폐열회수 기술은 현재 외국에서 개발을 완료하여 사업을 하고 있는 유기랭킨발전시스템(Organic Rankine Cycle)을 이용하여, 스마트 그리드 시대에 맞추어 차세대 다중전원을 선도할 대표적인 발전설비 개발이 필요하다. 또한 하이브리드 복합발전 시스템의 개발과 관련된 기술을 유관산업에 적용할 경우 국내외의 시장규모 및 수출 성을 고려할 때 국가에 미치는 경제적, 기술적 파급효과 기대할 수 있다.

참고문헌 (8)

Yamamo. T., Furuhata. T., N. Arai, and K. Mori, "Design and testing of the organic Rankine cycle," Journal of the Energy, vol. 26, no. 3, pp. 239-251, 2001.

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Yamada. N., Hoshi. A., and Ikegami. Y., "Performance simulation of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant," Journal of the Renewable Energy, Vol. 34, No. 7, pp. 1752-1758, 2009.

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Tchanche. B. F., Petrissans. M., and Papadakis. G., "Heat resources and organic Rankine cycle machines", Journal of the Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 39, pp. 1185-1199, 2014.

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Kim. J. S., Kim. D. Y., Kim. Y. T., Kang. H. K., "Performance analysis of an organic Rankine cycle for ocean thermal energy conversion system according to the working fluid and the cycle", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 39, No. 9 pp. 881-889, 2015.

원문보기 상세보기
Ryoo. Y. S., Kim. J. H., Jeong. S. H., "Performance Evaluation of Closed Co-axial Ground Heat Exchanger in the case of 2000m-Depth Single Well", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 15, No. 4, pp.83-92, 2016.
Han. M. S., Cho. J. U., "A Study on the Shape Design of a Radiator Panel for Effective Heat Release", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 15, No. 5, pp.25-30, 2016.

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