[논문]저등급 열원으로 구동되는 직렬 열병합 발전시스템의 엑서지와 엔트랜시 성능 특성

김경훈; 정영관

doi:10.7316/khnes.2020.31.6.637

[국내논문] 저등급 열원으로 구동되는 직렬 열병합 발전시스템의 엑서지와 엔트랜시 성능 특성
Exergy and Entransy Performance Characteristics of Cogeneration System in Series Circuit Using Low-Grade Heat Source 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.6, 2020년, pp.637 - 645

김경훈 (금오공과대학교 기계공학과) , 정영관 (금오공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, entransy analysis is carried out for combined heat and power (CHP) generation system driven by low-grade heat source compared with energy and exergy analyses. The system consists of a regenerative organic rankine cycle (ORC) and an additional process heater in a series circuit. Special attention is paid to the effects of the turbine inlet pressure, source temperature, and the working fluid on the thermodynamic performance of the system. Results showed that the work efficiency of entransy is higher than that of energy but lower than that of exergy, wheress the process heat efficiency of entransy is lower than that of energy but higher than that of exergy. Entrance analysis showed the potential to complement the exergy analysis in the optimal design of the energy system.

Keyword

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the system
표 Table 1. Definitions of first and second kinds efficiencies
표 Table 2. Basic thermodynamic data of working fluids
그림 Fig. 2. Effects of turbine inlet pressure on the work efficiencies for various working fluids
그림 Fig. 3. Effects of turbine inlet pressure on the process-heat efficiencies for various working fluids
그림 Fig. 4. Effects of turbine inlet pressure on the total efficiencies for various working fluids
그림 Fig. 5. Effects of source temperature on the work efficiencies for various working fluids
그림 Fig. 6. Effects of source temperature on the process-heat efficiencies for various working fluids
그림 Fig. 7. Effects of source temperature on the total efficiencies for various working fluids

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 저등급 열원으로 구동되는 ORC 기반 직렬연결 열병합 발전시스템의 엔트랜시 성능 특성을 에너지 및 엑서지와 비교해서 해석한다. 여덟 가지 작동유체를 대상으로 열원온도와 터빈 입구 압력의 변화가 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석한다.
본 논문에서는 저등급 열원으로 구동되는 ORC 기반 직렬연결 열병합 발전 시스템의 에너지, 엑서지및 엔트랜시 성능을 비교 해석하였다. 일효율, 공정 열효율 및 총효율을 터빈입구압력, 열원온도 및 작동 유체의 변화에 따른 영향을 분석하였다.

가설 설정

본 연구에서 기본적인 가정은 다음과 같다^{11, 15, 16)}: 1) 터빈 입구 압력은 작동유체의 임계압력보다 낮은 아임계 사이클이다. 2) 터빈 입구에서 작동유체는 순수 증기 상태이다. 3) 시스템에서 열교환기를 제외한 열 손실은 무시한다.
2) 터빈 입구에서 작동유체는 순수 증기 상태이다. 3) 시스템에서 열교환기를 제외한 열 손실은 무시한다. 4) 터빈과 펌프 이외에서의 압력 변화는 무시한다.
3) 시스템에서 열교환기를 제외한 열 손실은 무시한다. 4) 터빈과 펌프 이외에서의 압력 변화는 무시한다. 5) 공정열은 75℃로 공급해서 50℃로 회수한다.
4) 터빈과 펌프 이외에서의 압력 변화는 무시한다. 5) 공정열은 75℃로 공급해서 50℃로 회수한다. 6) 펌프와 터빈에서의 등엔트로피 효율은 각각 η_p와 η_t로 일정하다.
5) 공정열은 75℃로 공급해서 50℃로 회수한다. 6) 펌프와 터빈에서의 등엔트로피 효율은 각각 η_p와 η_t로 일정하다. 7) 열교환기에서는 고온과 저온 유체의 최소 온도차는 미리 설정한 핀치 포인트와 같다.
6) 펌프와 터빈에서의 등엔트로피 효율은 각각 η_p와 η_t로 일정하다. 7) 열교환기에서는 고온과 저온 유체의 최소 온도차는 미리 설정한 핀치 포인트와 같다. 엑서지 X와 엔트랜시 G는 다음과 같이 정의한다^{24, 25)}.
본 연구에서 열원 유체는 1 kg/s의 표준 공기로 가정하며 시뮬레이션을 위한 기본적인 시스템 데이터는 다음과 같다^{24, 25)}: 열원 온도 T_S=200℃, 응축 온도 TL=35℃, 냉각수 온도 T_C=25℃, 핀치 포인트 온도차 ΔTpp=8℃, 터빈입구압력 P_H=25 bar, 펌프 효율 ηp=0.8, 터빈 효율 η_t=0.8¹⁹⁾ 그리고 열원 온도 T_S는 150℃부터 300℃까지, 터빈입구 압력 P_H₂는 10 bar부터 40 bar까지 고려하며, 터빈입구 온도 T_H는 열원온도와 15℃ 낮다고 설정한다.

제안 방법

여덟 가지 작동유체를 대상으로 열원온도와 터빈 입구 압력의 변화가 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석한다.
본 논문에서는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 저온 열원으로 구동되어 전기를 생산하는 ORC와 공정 열이 병렬로 연결된 열병합 시스템을 고려한다. 본 연구에서 기본적인 가정은 다음과 같다^{11, 15, 16)}: 1) 터빈 입구 압력은 작동유체의 임계압력보다 낮은 아임계 사이클이다.
본 논문에서 에너지, 엑서지 및 엔트랜시에 대한일 효율 EWE, EWX 및 EWG는 열원의 물리량에 대한 일 물리량의 비로 각각 정의하며, 공정열 효율 EPE, EPX 및 EPG는 열원의 물리량에 대한 공정 열 물리량의 비로 각각 정의되고, 총효율 ETE, ETX 및 ETG는 열원 물리량에 대한 일물리량과 열 물리량을 합한 총 물리량의 비로 각각 정의되며 Table 1에 정리되어 있다.
엔트랜시 성능을 비교 해석하였다. 일효율, 공정 열효율 및 총효율을 터빈입구압력, 열원온도 및 작동 유체의 변화에 따른 영향을 분석하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

이론/모형

본 논문에서 ORC의 작동유체는 R134a, R152a, R290, R600a, R600, R245fa, R123 그리고 R 601a의 여덟 가지를 고려하며, 작동유체의 열역학 상태량은 Patel-Teja 방정식을 이용하여 계산하였다^{27, 28)}.

성능/효과

1에서 보는 바와 같이 저온 열원으로 구동되어 전기를 생산하는 ORC와 공정 열이 병렬로 연결된 열병합 시스템을 고려한다. 본 연구에서 기본적인 가정은 다음과 같다^{11, 15, 16)}: 1) 터빈 입구 압력은 작동유체의 임계압력보다 낮은 아임계 사이클이다. 2) 터빈 입구에서 작동유체는 순수 증기 상태이다.
2에서는 터빈입구압력 및 작동유체의 변화가 (a) 에너지, (b) 엑서지 및 (c) 엔트랜시의 일 효율에 미치는 영향을 보여준다. 전체 작동유체, 전 범위의 열원 온도에서 일효율은 엔트랜시 효율 EWG가 에너지 효율 EWE보다는 높고 엑서지 효율 EWX보다는낮아서, 일효율은 엑서지, 엔트랜시 그리고 에너지 순으로 높다. 터빈입구압력이 증가함에 따라 임계온도가 낮은 편인 R134a, R152a 및 R290의 경우에는 단조 증가하나, 나머지 임계온도가 높은 편인 R600a, R600, R245fa, R123 및 R601a의 경우에는 증가 및 감소하다 다시 증가하여 극대값과 극소값을 갖는다.
2에서는 터빈입구압력 및 작동유체의 변화가 (a) 에너지, (b) 엑서지 및 (c) 엔트랜시의 일 효율에 미치는 영향을 보여준다. 전체 작동유체, 전 범위의 열원 온도에서 일효율은 엔트랜시 효율 EWG가 에너지 효율 EWE보다는 높고 엑서지 효율 EWX보다는낮아서, 일효율은 엑서지, 엔트랜시 그리고 에너지 순으로 높다. 터빈입구압력이 증가함에 따라 임계온도가 낮은 편인 R134a, R152a 및 R290의 경우에는 단조 증가하나, 나머지 임계온도가 높은 편인 R600a, R600, R245fa, R123 및 R601a의 경우에는 증가 및 감소하다 다시 증가하여 극대값과 극소값을 갖는다.
3에서는 터빈입구압력 및 작동유체의 변화가 (a) 에너지, (b) 엑서지 및 (c) 엔트랜시의 공정열 효율에 미치는 영향을 보여준다. 전체 작동유체, 전 범위의 터빈입구압력에서 공정열 효율은 일효율의 경우와는 반대로 엔트랜시 효율 EPG가 에너지 효율 EPE보다는 낮고 엑서지 효율 EPX보다는 높아서, 공정열 효율은 에너지, 엔트랜시 그리고 엑서지 순으로 높다. 또한 에너지, 엑서지 및 엔트랜시 공정열 효율은 모든 작동유체의 경우에 터빈입구압력이 증가함에 따라 증가하다 감소하여 극대값을 갖는다.
또한 에너지, 엑서지 및 엔트랜시 공정열 효율은 모든 작동유체의 경우에 터빈입구압력이 증가함에 따라 증가하다 감소하여 극대값을 갖는다. 그리 고공 정열 효율은 에너지, 엑서지 및 엔트랜시 모두 R134a와 R152a의 경우만 순서가 바뀌고 나머지는 모두 동일 압력 조건에서 작동유체의 임계온도가 높을수록 높아져 R601의 경우가 가장 효율이 높고 R152a의 경우가 가장 효율이 낮다.
1) 에너지, 엑서지 및 엔트랜시 효율 특성은 터빈 입구 압력, 열원온도 및 작동유체의 변화에 따라 큰 영향을 받는다.
2) 모든 해석 범위에서 엔트랜시 일효율은 에너지 경우보다 높고 엑서지 경우보다 낮으며, 엔트랜시 공정열 효율은 반대로 에너지 경우보다 낮고 엑서지경우보다 높다.
3) 일효율과 공정열 효율의 합으로 정의되는 총효율은 터빈입구압력, 열원온도 및 작동유체에 따라 거동 특성이 복잡하게 변화하고, 엑서지 및 엔트랜시효율간 크기 순서도 달라지며, 최고 효율과 최저 효율을 보이는 작동유체도 달라진다.
4) 에너지 시스템의 최적설계에 있어서 엔트랜시해석은 에너지와 엑서지 해석을 보완할 수 있는 잠재성이 있다.

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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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