[논문]저등급 열원의 변환을 위한 칼리나 사이클과 유기 랭킨 사이클의 엑서지 성능의 비교 해석

김경훈; 정영관; 고형종

doi:10.7316/khnes.2020.31.1.105

[국내논문] 저등급 열원의 변환을 위한 칼리나 사이클과 유기 랭킨 사이클의 엑서지 성능의 비교 해석
Comparative Exergy Analysis of Kalina and Organic Rankine Cycles for Conversion of Low-Grade Heat Source 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.1, 2020년, pp.105 - 111

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

Abstract ▼ AI-Helper

The organic Rankine cycle (ORC) and the Kalina cycle system (KCS) are being considered as the most feasible and promising ways to recover the low-grade finite heat sources. This paper presents a comparative exergetical performance analysis for ORC and Kalina cycle using ammonia-water mixture as the working fluid for the recovery of low-grade heat. Effects of the system parameters such as working fluid selection, turbine inlet pressure, and mass fraction of ammonia on the exergetical performance are parametrically investigated. KCS gives lower lower exergy destruction ratio at evaporator and higher second-law efficiency than ORC. The maximum exergy efficiency of ORC is higher than KCS.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the (a) ORC and (b) KCS
그림 Fig. 2. Effects of turbine inlet pressure on the exergy loss ratio of source exhaust, D_so
그림 Fig. 3. Effects of turbine inlet pressure on the exergy destruc-tion ratio of evaporator, D_h
그림 Fig. 4. Effects of turbine inlet pressure on the exergy loss ratio of coolant exhaust, D_co
그림 Fig. 5. Effects of turbine inlet pressure on the exergy destruc-tion ratio of condenser, D_c
그림 Fig. 6. Effects of turbine inlet pressure on the exergy efficiency
그림 Fig. 7. Effects of turbine inlet pressure on the second law effi-ciency

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 현열 형태의 저 등급 열원으로 구동되는ORC와 KCS에 대한 엑서지 성능을 비교해석하였다. ORC에서는 R134a, R600a, R600, R245fa, R123 및 R601a의 여섯 가지 물질을 작동 유체로 고려하였으며, KCS에서는 10%부터 60%까지의 암모니아 농도를 고려하였다.
. 본 논문에서는 현열 형태의 저 등급 열원을 사용하는 ORC와 KCS에 대하여 열역학 제2법칙에 기초하여 엑서지 성능을 비교 해석한다. ORC는 사용하는 작동 유체를, KCS는 암모니아 농도를 바꾸면서 터빈 입구 압력에 따라 주요 구성 요소에서 파괴되거나 손실되는 엑서지의 크기와 그 원인을 비교 분석하고, 이어서 시스템 전체 성능을 나타내는 엑서지 효율과 2법칙 효율의 변화에 대하여 조사한다.

가설 설정

: 1) 시스템은 정상상태로 운용된다. 2) 압력 강하는 펌프와 터빈에서만 생기고, 그에 따라 열교환기에서 유체의 압력은 일정하다.
2) 압력 강하는 펌프와 터빈에서만 생기고, 그에 따라 열교환기에서 유체의 압력은 일정하다. 3) 열교환기 내부 열전달을 제외한 열손실은 무시한다. 4) 펌프와 터빈의 등엔트로피 효율은 일정하다.
3) 열교환기 내부 열전달을 제외한 열손실은 무시한다. 4) 펌프와 터빈의 등엔트로피 효율은 일정하다. 5) 터빈 입구에서 작동 유체는 순수 증기이며, 터빈 출구에서 작동 유체의 건도는 기준값 90% 이상을 유지한다.
본 연구에서 열원 유체는 1 kg/s의 공기로 가정하며 시뮬레이션을 위한 기본적인 시스템 데이터는 다음과 같다. 열원 온도T_S = 200℃, 터빈 입구 온도 T_H= 185℃, 응축 온도 T_L = 30℃, 냉각수 온도 T_C = 15℃, 핀치포인트온도차 ΔT_pp = 8℃, 사장 상태 온도 T₀ = 15℃, 사장 상태 압력 P₀ = 1 atm, 펌프 효율 η_p = 0.
열교환기는 고온 유체와 저온 유체의 최소온도차가 주어진 핀치포인트온도차 ΔTpp가 되도록 운전된다고 가정한다18).

제안 방법

본 논문에서는 현열 형태의 저 등급 열원을 사용하는 ORC와 KCS에 대하여 열역학 제2법칙에 기초하여 엑서지 성능을 비교 해석한다. ORC는 사용하는 작동 유체를, KCS는 암모니아 농도를 바꾸면서 터빈 입구 압력에 따라 주요 구성 요소에서 파괴되거나 손실되는 엑서지의 크기와 그 원인을 비교 분석하고, 이어서 시스템 전체 성능을 나타내는 엑서지 효율과 2법칙 효율의 변화에 대하여 조사한다.
본 논문에서는 현열 형태의 저 등급 열원으로 구동되는ORC와 KCS에 대한 엑서지 성능을 비교해석하였다. ORC에서는 R134a, R600a, R600, R245fa, R123 및 R601a의 여섯 가지 물질을 작동 유체로 고려하였으며, KCS에서는 10%부터 60%까지의 암모니아 농도를 고려하였다.
본 논문에서는 KCS에서 암모니아-물 혼합물과, ORC에서 작동 유체에 대한 열역학적 상태량을 각각 문헌 20-21과 문헌 22-23의 방법을 사용하여 계산하였다.

성능/효과

: 1) 시스템은 정상상태로 운용된다. 2) 압력 강하는 펌프와 터빈에서만 생기고, 그에 따라 열교환기에서 유체의 압력은 일정하다. 3) 열교환기 내부 열전달을 제외한 열손실은 무시한다.
4) 펌프와 터빈의 등엔트로피 효율은 일정하다. 5) 터빈 입구에서 작동 유체는 순수 증기이며, 터빈 출구에서 작동 유체의 건도는 기준값 90% 이상을 유지한다.
KCS에서는 터빈 입구압력이 증가함에 따라 터빈 출구에서 작동 유체의 온도가 낮아지기 때문에 응축기의 엑서지 파괴율이 감소한다. 또한 응축기의 엑서지 파괴율은 암모니아 농도가 높아질수록 높아져서 암모니아 농도가 10%일 때 가장 낮고 60%일 때 가장 높다
주요 해석 결과는 다음과 같다. 열원 유체의 엑서지 손실률은 ORC의 경우에는 작동 유체의 임계온도가 높아질수록 증가하며, KCS에서는 암모니아 농도가 높아질수록 감소한다. 응축기 냉각수의 엑서지 손실률은 이와 반대로 ORC의 경우에는 작동 유체의 임계온도가 높아질수록 감소하며KCS에서는 암모니아 농도가 높아질수록 증가한다.
주어진 데이터 범위에서 최대 엑서지 효율은 ORC가 KCS에 비해 높지만 최대 2법칙 효율은 KCS가 ORC에 비해 높다.
증발기에서 엑서지 파괴율은 KCS가 ORC에 비해 훨씬 낮고, ORC와 KCS 모두 터빈 입구 압력이 높아짐에 따라 감소하며, ORC의 경우에는 작동 유체의 임계 온도가 높을수록 감소하고 KCS에서는 암모니아 농도가 높을수록 증가한다.
KCS에서는 터빈 입구 압력이 증가함에 따라 엑서지 효율은 먼저 증가하다가 극댓값에 도달한 후 다시 감소한다. 최대 엑서지 효율과 그에 상응하는 최적의 터빈 입구 압력은 암모니아 농도가 높아짐에 따라 증가하여 암모니아 농도가 10%일 때 13.9% 및 15 bar, 20%일 때 19.3% 및 18 bar, 30%일 때 23.3% 및 22 bar, 40%일 때 26.4% 및 28 bar, 50%일 때 29.3% 및 33 bar 그리고 60%일 때 30.8% 및 34 bar가 된다. 주어진 데이터 범위에서 엑서지 최대 효율은 ORC의 경우가 KCS에 비해 높다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저 등급 열원의 특징은 무엇인가?	저 등급 열원은 온도가 상대적으로 낮고 일반적으로 열이전달됨에 따라 온도가 변하는 현열 에너지 형태로 공급된다. 물을 작동 유체로 사용하는 전통적인 수증기 랭킨사이클(steam Rankine cycle, SRC)은 열원 온도가 370℃ 이하가 되면 일반적으로 경제성을 잃는 것으로 알려져 있다5).
	암모니아-물과 같은 비공비 혼합물의 단점은 무엇인가?	암모니아-물과 같은 비공비 혼합물(zeotropic mixture)은 등압 조건에서도 온도가 변하면서 상변화가 일어나기 때문에 열전달에 따라 온도가 변하는, 현열 형태의 저 등급 열원 유체와 작동유체 사이에 열이 전달되는 과정에서 온도차의 불균형과 엑서지 파괴를 줄일 수 있어서 에너지 변환효율을 높일 수 있다12,13). 그러나 암모니아-물의 혼합물을 작동 유체로 하는 랭킨 사이클은 팽창기에서의 고온 특성은 우수하나 작동 유체의 응축 압력을 낮추기 어려워 경제성이 떨어진다. KCS는 작동 유체의 기액분리를 통해 고농도의 기체로 팽창기에서 팽창하면서 동력을 생산한 다음 저농도의 액체와 혼합해 작동 유체의 농도를 낮추어 응축시키기 때문에 팽창기의 압력비를 높일 수 있어 시스템의 에너지 변환 효율이 우수하다14-16).
	암모니아-물과 같은 비공비 혼합물이 에너지 변환효율을 높일 수 있는 이유는 무엇인가?	KCS는 암모니아-물 혼합물을 작동 유체로 사용한다. 암모니아-물과 같은 비공비 혼합물(zeotropic mixture)은 등압 조건에서도 온도가 변하면서 상변화가 일어나기 때문에 열전달에 따라 온도가 변하는, 현열 형태의 저 등급 열원 유체와 작동유체 사이에 열이 전달되는 과정에서 온도차의 불균형과 엑서지 파괴를 줄일 수 있어서 에너지 변환효율을 높일 수 있다12,13). 그러나 암모니아-물의 혼합물을 작동 유체로 하는 랭킨 사이클은 팽창기에서의 고온 특성은 우수하나 작동 유체의 응축 압력을 낮추기 어려워 경제성이 떨어진다.

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원문보기 상세보기
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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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