[논문]LNG 냉열을 이용하는 암모니아-물 랭킨 사이클과 유기 랭킨 사이클의 열역학적 성능 특성 해석

김경훈

doi:10.7316/khnes.2020.31.4.363

LNG 냉열을 이용하는 암모니아-물 랭킨 사이클과 유기 랭킨 사이클의 열역학적 성능 특성 해석
Thermodynamic Performance Analysis of Ammonia-Water Rankine Cycle and Organic Rankine Cycle Using Cold Energy of LNG 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.4, 2020년, pp.363 - 371

김경훈 (금오공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the technologies to utilize the cold energy of liquefied natural gas (LNG) have attracted significant attention. In this paper, thermodynamic performance analysis of combined cycles consisting of ammonia Rankine cycle (AWR) and organic Rankine cycle (ORC) with LNG Rankine cycle to recover low-grade heat source and the cold energy of LNG. The mathematical models are developed and the effects of the important system parameters such as turbine inlet pressure, ammonia mass fraction, working fluid on the system performance are systematically investigated. The results show that the thermal efficiency of AWR-LNG cycle is higher but the total power production of ORC-LNG cycle is higher.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the system
표 Table 1. Basic thermodynamic data of working fluids
그림 Fig. 3. Effects of turbine inlet pressure on the mass flow rate of AWR/ORC
그림 Fig. 2. Effects of turbine inlet pressure on the mass flow rate of AWR/ORC
그림 Fig. 4. Effects of turbine inlet pressure on the mass flow rate of AWR/ORC
그림 Fig. 5. Effects of turbine inlet pressure on the mass flow rate of AWR/ORC
그림 Fig. 6. Effects of turbine inlet pressure on the mass flow rate of LNG
그림 Fig. 7. Effects of turbine inlet pressure on the heat transfer rate of evaporator
그림 Fig. 9. Effects of turbine inlet pressure on the total heat transfer capacity
그림 Fig. 8. Effects of turbine inlet pressure on the heat transfer rate of condenser
그림 Fig. 10. Effects of turbine inlet pressure on the power pro-duction of AWR/ORC
그림 Fig. 11. Effects of turbine inlet pressure on the power pro-duction of LNG cycle
그림 Fig. 12. Effects of turbine inlet pressure on the total power pro-duction of the combined cycle
그림 Fig. 13. Effects of turbine inlet pressure on the thermal effi-ciency of the combined cycle
그림 Fig. 14. Effects of turbine inlet pressure on the thermal effi-ciency and total power production of the combined cycle

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 현열 형태의 저등급 열원을 이용하고 LNG의 냉열 에너지를 이용하는 AWR-LNG 복합 사이클과 ORC-LNG 복합 사이클의 열역학적 성능 특성을 비교 해석한다. 터빈 입구 압력의 변화에 따라 AWR에서는 40%, 50%, 60%, 70%, 80%의 암모니아 농도를 그리고 ORC에서는 R123, R600, R290, R134a 및 R22의 다섯 가지 작동유체를 고려하여 AWR-LNG 복합 사이클과 ORC-LNG 복합 사이클의 성능 변화에 미치는 영향을 분석한다.

가설 설정

4) 터빈 입구에서 작동유체는 순수 증기 상태이다. 5) 시스템에서 열교환기를 제외한 열손실은 무시한다. 6) 터빈과 펌프 이외에서의 압력 변화는 무시한다.
5) 시스템에서 열교환기를 제외한 열손실은 무시한다. 6) 터빈과 펌프 이외에서의 압력 변화는 무시한다. 7) 펌프와 터빈에서의 등엔트로피 효율은 각각 η_p와 η_t로 일정하다.
7) 펌프와 터빈에서의 등엔트로피 효율은 각각 η_p와 η_t로 일정하다. 8) 열교환기에서는 고온과 저온 유체의 최소 온도차는 미리 설정한 핀치 포인트와 같다.

제안 방법

본 논문에서는 현열 형태의 저등급 열원을 이용하고 LNG의 냉열 에너지를 이용하는 AWR-LNG 복합 사이클과 ORC-LNG 복합 사이클의 열역학적 성능 특성을 비교 해석한다. 터빈 입구 압력의 변화에 따라 AWR에서는 40%, 50%, 60%, 70%, 80%의 암모니아 농도를 그리고 ORC에서는 R123, R600, R290, R134a 및 R22의 다섯 가지 작동유체를 고려하여 AWR-LNG 복합 사이클과 ORC-LNG 복합 사이클의 성능 변화에 미치는 영향을 분석한다.

대상 데이터

1과 같다. 저원 열원으로 동작하는 AWR이나 ORC의 동력 사이클은 증발기, 터빈 1, 펌프 1 및 응축기 등으로 구성되어 있고, LNG 사이클은 펌프 2와 터빈 2로 구성되어 있으며 동력 사이클에서 응축기는 LNG 사이클에서 증발기로 기능한다.

이론/모형

2에 보여준다. 본 논문에서 암모니아-물 혼합물의 열역학 상태량은 Xu와 Goswami²⁰⁾의 방법을 따랐으며, ORC 작동유체의 열역학 상태량은 Patel-Teja 방정식을 이용하여 계산하였다^21,22).

성능/효과

1) AWR-LNG 시스템은 ORC-LNG 시스템에 비해 작동유체의 질량유량은 현저하게 작지만 LNG의 질량유량은 같은 정도의 크기를 갖는다.
2) AWR-LNG 시스템과 ORC-LNG 시스템 모두 증발기와 응축기에서의 열전달은 터빈 입구 압력이 낮아질수록, 암모니아 질량분율이 높아질수록 그리고 작동유체의 임계온도가 낮아질수록 증가한다.
3) ORC-LNG 시스템에서 터빈 입구 압력이 증가함에 따라 총출력은 R22, R134a는 증가하고 R290은 일정하게 유지하며 R600, R123은 감소하는 반면에 열효율은 모든 경우에 증가한다. 작동유체의 임계온도가 높아질수록 총출력은 증가하고 열효율은 떨어진다.
4) AWR-LNG 시스템은 ORC-LNG 시스템에 비해 열효율은 높고 총출력은 낮다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액화천연가스의 공급은 어떠한 과정으로 구성되나?	액화천연가스(liquified natural gas, LNG)는 천연가스를 대기압에서 -162℃의 온도로 냉각시켜 얻어진다. 1 m3의 LNG는 625 m3의 천연가스를 담고 있기 때문에 수송성이 뛰어나며 LNG의 공급은 가스 생산, 액화, 수송, 저장 및 재기화 (regasification) 과정으로 구성된다. -162℃의 LNG는 25℃의 가스로 기화하는 과정에서 약 830 kJ/kg의 냉열 에너지(cold energy)가 발생한다2,3).
	천연가스의 장점은?	오늘날 천연가스(natural gas, NG)는 수송성, 연소 효율, 온실가스 배출 등에 있어서의 장점 때문에 수요가 급증하고 있으며, 전통적인 화석연료와 미래의 신재생 에너지를 이어주는 다리 역할을 하고 있는 것으로 평가받고 있다1). 액화천연가스(liquified natural gas, LNG)는 천연가스를 대기압에서 -162℃의 온도로 냉각시켜 얻어진다.
	액화천연가스는 어떻게 얻어지나?	오늘날 천연가스(natural gas, NG)는 수송성, 연소 효율, 온실가스 배출 등에 있어서의 장점 때문에 수요가 급증하고 있으며, 전통적인 화석연료와 미래의 신재생 에너지를 이어주는 다리 역할을 하고 있는 것으로 평가받고 있다1). 액화천연가스(liquified natural gas, LNG)는 천연가스를 대기압에서 -162℃의 온도로 냉각시켜 얻어진다. 1 m3의 LNG는 625 m3의 천연가스를 담고 있기 때문에 수송성이 뛰어나며 LNG의 공급은 가스 생산, 액화, 수송, 저장 및 재기화 (regasification) 과정으로 구성된다.

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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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