[논문]250kW급 폐열회수 시스템 공정설계에 관한 연구

김경수; 방세경; 서인호; 이상윤; 정은익; 이중섭

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.5.090

[국내논문] 250kW급 폐열회수 시스템 공정설계에 관한 연구
A Study on the Engineering Design for 250kW-Grade Waste Gas Heat Recovery 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.5, 2019년, pp.90 - 95

김경수 ((주) 영광 기술연구소) , 방세경 ((주) 영광 기술연구소) , 서인호 ((주) 영광 기술연구소) , 이상윤 ((주) 영광 기술연구소) , 정은익 ((주) 티에스테크 기술연구소) , 이중섭 (한국승강기대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to gain the design data through the process design of the organic Rankine cycle, which can produce 250kW of electric power through waste heat recovery. In this study, a simulation was conducted using APSEN HYSYS to make the model for the process design of the 250kW-class waste heat recovery system. For the thermodynamic model, the test was conducted with hot water as the heat source, the water steam as the cooling water for the cooler, and the refrigerant R245FA in the cycle. In the final design, it was expected and found from the simulation that the cycle efficiency was 12.62% and that 250kW of power was produced considering the margin of 80%.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 Fig. 1과 같은 개념으로 폐열회수를 통해 250kW의 전력을 생산할 수 있는 유기랭킨발전시스템에 대한 공정설계를 통한 Fig. 2와 같은 ORC 시스템을 개발하기 위한 설계자료를 확보하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서 250kW급 폐열회수 시스템에 대한 공정 설계에 대한 모델링은 APSEN HYSYS를 사용하여 시뮬레이션을 우선 수행하였다^[9].
열역할 모델은 열원인 Hot Water와 냉각기의 냉각수에 사용되는 Water stream과 사이클 내의 R245fa 냉매로 나누어 진행하였다.
본 시스템은 사이클 효율 12%와 생산출력 250kW성능을 발휘할 수 있도록 Heat balance를 통해 설계를 수행하였으며, 설계 조건으로 설계마진을 감안하여 출력 260kW, 터빈 효율 80%일 경우에 대하여 설계자료를 도출하였다.
또한 Table 14는 냉매라인에 대한 설계데이터를 나타내고 있다. 따라서 Fig. 4와 같이 설계된 데이터를 바탕으로 각각의 구성요소를 용량에 맞게 설계하여 최종적으로 3차원 모델링을 통해 250kW급 폐열회수 시스템에 적용할 수 있는 ORC 시스템을 최종 설계하였다.
62% 수준으로 예측되었다. 따라서 공정설계를 통해 최종적으로 시스템 제작을 위한 각각의 요소부품에 대한 설계자료를 확보하였고, 이를 통해 최종적으로3D 모델링을 통한 250kW급 폐열회수 시스템을 설계하였다.
본 연구에서 선정한 공정의 주요장치인 터빈의입-출구와 냉매펌프의 입-출구 운전온도, 압력조건은Table 4와 같으며 터빈에서 133℃, 약 20bar 포화증기상태(Saturated)에서 약 74℃, 약 1.6bar 과열증기상태(Superheated)로 팽창하며 압력비는 8:1로 설계하였다.

대상 데이터

본 연구에 적용되는 시스템의 각 구성요소에 대한 Heat balance를 통해 설계자료를 확보하였고,Table 5에서 Table 12는 열교환기 및 펌프, 터빈등의 구성요소에 대한 설계자료를 나타내고 있다.또한 본 연구에서 열교환기인 증발기, 예열기, 과열기, 냉각기의 최종 대수평균온도차(LMTD :Logarithmic mean temperature difference)는 아래의 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

성능/효과

폐열회수를 통해 250kW의 전력을 생산할 수 있는 유기랭킨발전시스템에 대한 공정설계에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과 사이클 효율이 12.62% 수준으로 예측되었다. 따라서 공정설계를 통해 최종적으로 시스템 제작을 위한 각각의 요소부품에 대한 설계자료를 확보하였고, 이를 통해 최종적으로3D 모델링을 통한 250kW급 폐열회수 시스템을 설계하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중저온 폐열회수 기술이 필요한 이유는 무엇인가	기존 산업에서 많이 사용하는 폐열회수 방식으로는 대표적으로 HRSG(Heat Recovery SteamGenerator)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]. 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.
	사이클 효율은 무엇인가	사이클 효율은 열원으로부터 유입되는 열에너지와 터빈의 기계에너지 그리고 발전의 생산 전기에너지 항으로 정의되며, 아래의 식(1)과 같이 나타낼 수있다. 펌프의 소요동력은 터빈의 생산동력에 비해 상대적으로 낮은 값을 가지기 때문에 생략한다.
	공정 간에 발생되는 폐열을 회수하여 재이용 하는 기술 개발이 중요 이슈로 부각되는 이유는 무엇인가	최근 연료 및 전력단가의 지속적인 상승과 온실가스 배출 규제 강화로 산업 전반적으로 이에 대한 대응방안으로 공정 간에 발생되는 폐열을 회수하여 재이용 하는 기술 개발이 중요 이슈로 부각되고 있다. 2010년 전후를 기반으로 중 저온 폐열발전의 개발이 가속화되어 상용화단계까지 개발이 되었으나 투자대비 회수율(효율)이 떨어져 산업계에서는직접적인 투자를 회피하고 있는 실정이다.

참고문헌 (8)

Yamamo, T., Furuhata, T., Arai, N. and Mori, K. "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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Wang, E., Zhang, H., Fan, B., Ouyang, M., Zhao, Y., and Mu, Q., "Study of working fluid selection of organic Rankine cycle(ORC) for engine waste heat recovery," Journal of the Energy, Vol. 36, No. 5, pp.3406-3418, 2011.

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Wang, D., Ling, X. and Peng, H., "Performance analysis of double organic Rankine cycle for discontinuous low temperature waste heat recovery," Journal of the Applied Thermal Engineering, Vol. 48, pp.63-71, 2012.

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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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