[논문]칼리나 사이클을 기반으로 하는 동력 및 냉동 복합 사이클의 에너지 및 엑서지 성능 해석

김경훈; 정영관; 고형종

doi:10.7316/khnes.2020.31.2.242

칼리나 사이클을 기반으로 하는 동력 및 냉동 복합 사이클의 에너지 및 엑서지 성능 해석
Energy and Exergy Analysis of Kalina Based Power and Cooling Combined Cycle 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.2, 2020년, pp.242 - 249

김경훈 (금오공과대학교 기계공학과) , 정영관 (금오공과대학교 기계공학과) , 고형종 (금오공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The Kalina cycle (KC) is considered as one of the most efficient systems for recovery of low grade heat. Recently, Kalina based power and cooling cogeneration cycles (KPCCCs) have been suggested and attracted much attention. This paper presents an energy and exergy analysis of a recently suggested KPCCC with flexible loads. The cycle consists of a KC (KCS-11) and an aqua-ammonia absorption refrigeration cycle. By adjusting the splitting ratios, the cycle can be operated with four modes of pure Kalina cycle, pure absorption cooling cycle, Kalina-cooling parallel cycle, and Kalina-cooling series cycle. The effects of system variables and the operating modes on the energetic and exergetic performances of the system are parametrically investigated. Results show that the system has great potential for efficient utilization of low-grade heat source by adjusting loads of power and cooling.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the system
$Fig. 2. Effects of ammonia fraction on the exergy ratios of source and condenser exhausts for varying values of PH$ 그림 Fig. 2. Effects of ammonia fraction on the exergy ratios of source and condenser exhausts for varying values of P_H
$Fig. 3. Effects of ammonia fraction on the exergy ratios for PH = 12 bar$ 그림 Fig. 3. Effects of ammonia fraction on the exergy ratios for P_H = 12 bar
$Fig. 4. Effects of ammonia fraction and turbine inlet pressure on the power and absorption efficiencies$ 그림 Fig. 4. Effects of ammonia fraction and turbine inlet pressure on the power and absorption efficiencies
$Fig. 5. Effects of ammonia fraction and turbine inlet pressure on the second-law power and absorption efficiencies$ 그림 Fig. 5. Effects of ammonia fraction and turbine inlet pressure on the second-law power and absorption efficiencies
$Fig. 6. Effects of ammonia fraction and turbine inlet pressure on the thermal and second-law efficiencies$ 그림 Fig. 6. Effects of ammonia fraction and turbine inlet pressure on the thermal and second-law efficiencies
$Fig. 7. Effects of operation mode and ammonia fraction on the power and refrigeration efficiencies for PH = 21 bar$ 그림 Fig. 7. Effects of operation mode and ammonia fraction on the power and refrigeration efficiencies for P_H = 21 bar
$Fig. 8. Effects of operation mode and ammonia fraction on the second-law power and refrigeration efficiencies for PH = 21 bar$ 그림 Fig. 8. Effects of operation mode and ammonia fraction on the second-law power and refrigeration efficiencies for P_H = 21 bar
$Fig. 9. Effects of operation mode and ammonia fraction on the thermal and second-law efficiencies for PH = 21 bar$ 그림 Fig. 9. Effects of operation mode and ammonia fraction on the thermal and second-law efficiencies for P_H = 21 bar

AI 본문요약
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문제 정의

열역학 제2법칙에 기초한 시스템의 엑서지 해석은 에너지 해석을 보완해서 시스템의 각 위치에서 파괴되거나 손실되는 유용 에너지의 크기와 원인에 대한 정보를 제공함으로써 열역학적 비효율성의 위치, 크기, 원인을 식별할 수 있으며 복잡한 시스템에서 에너지 변환 과정에 대한 이해를 높일 수 있다²⁰⁾. 본 논문에서는 KCS-11 칼리나 사이클을 기반으로 하는 가변 용량의 동력 및 흡수냉동 병합생산 사이클의 에너지 및 엑서지 성능 특성을 해석하고자 한다. 이를 위해 순수 칼리나 사이클(KCS-11), 순수 암모니아 흡수냉동 사이클, 칼리나-흡수냉동 직렬 사이클, 칼리나-흡수냉동 병렬 사이클 등 네 가지 운전모드와 암모니아 분율 및 터빈입구압력의 변화 에 따라 시스템의 에너지 및 엑서지 성능 특성이 어떻게 변하는지 비교 해석한다.

제안 방법

본 논문에서는 KCS-11 칼리나 사이클을 기반으로 하는 가변 용량의 동력 및 흡수냉동 병합생산 사이클의 에너지 및 엑서지 성능 특성을 해석하고자 한다. 이를 위해 순수 칼리나 사이클(KCS-11), 순수 암모니아 흡수냉동 사이클, 칼리나-흡수냉동 직렬 사이클, 칼리나-흡수냉동 병렬 사이클 등 네 가지 운전모드와 암모니아 분율 및 터빈입구압력의 변화 에 따라 시스템의 에너지 및 엑서지 성능 특성이 어떻게 변하는지 비교 해석한다.

대상 데이터

본 연구에서 열원 유체는 150℃의 물이며 흡수기, 응축기 및 증발기의 유체도 물이라고 가정한다. 시뮬레이션을 위한 기본적인 시스템 데이터는 다음과 같다.

성능/효과

1) 칼리나-흡수냉동 병렬 사이클(모드 2)에서 1법칙 관점에서는 동력 효율이 냉동 효율보다 낮고, 2법 칙 관점에서는 동력 효율이 냉동 효율보다 높다.
2) 1법칙 효율은 모든 모드에서 암모니아 분율에 대해 극대값을 갖지만, 2법칙 효율은 모드 1과 2에서 암모니아 분율에 대해 극대값을 갖고 모드 3과 4에서는 암모니아 분율이 높아짐에 따라 단순 증가한다.
3) 1법칙 효율은 모드 4가 가장 높고 모드 1이 가장 낮지만, 2법칙 효율은 모드 1이 가장 높고 모드 3이 가장 낮다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	엑서지란 무엇인가?	엑서지(exergy)는 시스템이 주어진 상태로부터 사장 상태까지 가역과정으로 이행하는 동안 얻을 수 있는 최대 일이다. 열역학 제2법칙에 기초한 시스템의 엑서지 해석은 에너지 해석을 보완해서 시스템의 각 위치에서 파괴되거나 손실되는 유용 에너지의 크기와 원인에 대한 정보를 제공함으로써 열역학적 비효율성의 위치, 크기, 원인을 식별할 수 있으며 복잡한 시스템에서 에너지 변환 과정에 대한 이해를 높일 수 있다20).
	Goswami 사이클의 단점은 무엇인가?	Goswami3), Sadrameli 와 Goswami4)는 암모니아-물 혼합물을 작동유체로 사용하면서 터빈과 흡수기 사이에 증발기를 배치한 동력 및 냉동 복합 사이클을 제안하고 분석하였는데, 이 사이클을 Goswami 사이클이라고 한다. 그러나 이 방식은 터빈 출구에서의 작동 유체의 건도가 높기 때문에 냉동 성능이 제한적인 문제를 안고 있다. Zheng 등5)은 정류기(rectifier)와 기액 분리를 위한 열을 공급하는 리보일러(reboiler)를 채용한 삼중 압력의 냉동 및 발전 복합 사이클을 제안하였다.
	Goswami 사이클이란 무엇인가?	Kim과 Perez-Blanco2)는 유기랭킨사이클(organic Rankine cycle, ORC)과 증기압축 냉동 사이클을 결합한 동력 및 냉동 병합생산 시스템의 성능 특성을 보고하였다. Goswami3), Sadrameli 와 Goswami4)는 암모니아-물 혼합물을 작동유체로 사용하면서 터빈과 흡수기 사이에 증발기를 배치한 동력 및 냉동 복합 사이클을 제안하고 분석하였는데, 이 사이클을 Goswami 사이클이라고 한다. 그러나 이 방식은 터빈 출구에서의 작동 유체의 건도가 높기 때문에 냉동 성능이 제한적인 문제를 안고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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