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

김경훈; 김경진; 정영관

doi:10.7316/khnes.2021.32.1.77

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

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.32 no.1, 2021년, pp.77 - 85

김경훈 (금오공과대학교 기계공학과) , 김경진 (금오공과대학교 기계시스템공학과) , 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 an organic Rankine cycle (ORC) and an additional process heater in a parallel circuit. Special attention is paid to the effects of the source temperature, turbine inlet pressure, 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. Entrancy analysis showed the potential to complement the exergy analysis in the optimal design of the energy system.

주제어

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 source temperature and turbine inlet pressure on the 1st-kind work efficiency for R134a and R123
그림 Fig. 3. Effects of source temperature and turbine inlet pressure on the 1st-kind process-heat efficiency for R134a and R123
그림 Fig. 4. Effects of source temperature and turbine inlet pressure on the 1st-kind total efficiency for R134a and R123
그림 Fig. 5. Effects of source temperature and turbine inlet pressure on the 2nd-kind work efficiency for R134a and R123
그림 Fig. 6. Effects of source temperature and turbine inlet pressure on the 2nd-kind process-heat efficiency for R134a and R123
그림 Fig. 7. Effects of source temperature and turbine inlet pressure on the 2nd-kind total efficiency for R134a and R123

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 저등급 열원으로 구동되는 ORC 기반 병렬연결 열병합 발전 시스템의 에너지, 엑서지및 엔트랜시 성능을 비교 해석하였다. 일효율, 공정 열효율 및 총효율은 열원유체의 물리량을 기준으로 하는 1종 효율과 열원유체의 배출 물리량을 제외한물리량을 기준으로 하는 2종 효율로 정의하고 작동 유체, 열원온도 및 터빈입구압력의 변화에 따른 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 저등급 열원으로 구동되는 ORC 기반 병렬연결 열병합 발전시스템의 엔트랜시 성능 특성을 에너지 및 엑서지와 비교해서 해석한다. 작동 유체 R134a와 R123을 대상으로 열원온도와 터빈 입구 압력의 변화가 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석한다.

가설 설정

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 압력변화는 무시한다.
3) 시스템에서 열교환기를 제외한 열 손실은 무시한다. 4) 터빈과 펌프 이외에서의 압력변화는 무시한다. 5) 공정열은 75℃로 공급해서 50℃로 회수한다.
4) 터빈과 펌프 이외에서의 압력변화는 무시한다. 5) 공정열은 75℃로 공급해서 50℃로 회수한다. 6) 펌프와 터빈에서의 등 엔트로피효율은 각각 η_p와 η_t로 일정하다.
5) 공정열은 75℃로 공급해서 50℃로 회수한다. 6) 펌프와 터빈에서의 등 엔트로피효율은 각각 η_p와 η_t로 일정하다. 7) 열교환기에서는 고온과 저온 유체의 최소 온도차는 미리 설정한 핀치 포인트와 같다.
6) 펌프와 터빈에서의 등 엔트로피효율은 각각 η_p와 η_t로 일정하다. 7) 열교환기에서는 고온과 저온 유체의 최소 온도차는 미리 설정한 핀치 포인트와 같다.
본 연구에서 열원 유체는 1 kg/s의 표준 공기로 가정하며 시뮬레이션을 위한 기본적인 시스템 데이터는 다음과 같다^{24, 25)}: 열원 온도 T_S의 범위는 150℃부터 300℃까지이며 터빈입구온도 T_H는 열원온도와 15℃ 낮다고 설정하였다. 한편 터빈입구압력 P_H₂는 12, 24 및 36 bar를 고려한다.

제안 방법

본 논문에서는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 저온 열원으로 구동되어 전기를 생산하는 ORC와 공정 열이 병렬로 연결된 열병합 시스템을 고려한다. 온도 T_S의열원 유체 1 kg이 공급될 때 공정열에 β kg이 공급되고 나머지 1-β kge ORC에 공급된다.
엔트랜시 성능을 비교 해석하였다. 일효율, 공정 열효율 및 총효율은 열원유체의 물리량을 기준으로 하는 1종 효율과 열원유체의 배출 물리량을 제외한물리량을 기준으로 하는 2종 효율로 정의하고 작동 유체, 열원온도 및 터빈입구압력의 변화에 따른 영향을 분석하였다. 주요 결과는 다음과 같다.
작동 유체 R134a와 R123을 대상으로 열원온도와 터빈 입구 압력의 변화가 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석한다.

대상 데이터

ORC 시스템의 작동유체로 R134a와 R123을 고려하였다. 각 작동유체의 분자량 M, 임계온도 T_cr, 임계압력 P_cr, global warming potential (GWP), ozone depletion potential (ODP) 등 기본적인 데이터들은 Table 2에서 보여준다.

이론/모형

각 작동유체의 분자량 M, 임계온도 T_cr, 임계압력 P_cr, global warming potential (GWP), ozone depletion potential (ODP) 등 기본적인 데이터들은 Table 2에서 보여준다. 본 논문에서 ORC 작동 유체의 열역학 상태량은 Patel-Teja 방정식을 이용하여 계산하였다^{27, 28)}.

성능/효과

1) 1종과 2종의 에너지, 엑서지 및 엔트랜시 효율 특성은 작동유체, 열원온도 및 터빈입구압력 등 해석조건에 따라 큰 영향을 받는다.
: 1) 터빈 입구 압력은 작동유체의 임계압력보다 낮은아임계 사이클이다. 2) 터빈 입구에서 작동유체는 순수 증기 상태이다.
공정열효율은 두 가지 작동유체, 열원온도와 터빈 입구 압력 전체 범위에서 에너지, 엔트랜시 그리고엑서지 순으로 높다. 1종 공정열효율은 터빈 입구 압력의 변화에 영향을 받지 않았지만 2종 공정 열효율은 터빈입구압력의 변화에 영향을 받으며, 모든 영역에서 에너지, 엑서지 및 엔트랜시 공정열효율은 모두 터빈 입구 압력이 증가함에 따라 증가하며, 압력 차이에 따른 공정열효율의 차이는 열원온도가 높아질수록 감소한다. 또한 열원온도가 증가하면, 작동유체가 R134a이고 터빈입구압력이 12 bar인 에너지 공정 열의 경우에만 단조 증가하고, 이를 제외한 모든 경우에는 단조 감소한다.
2) 모든 계산 조건에서 1종과 2종 엔트랜시 일 효율은 에너지 경우보다 높고 엑서지 경우보다 낮으며, 엔트랜시 공정열효율은 반대로 에너지 경우보다 낮고 엑서지 경우보다 높다.
본 논문에서 정의한 2종 효율의 기준은 열원 유체의 물리량에서 배출되는 열원유체의 물리량을 제외한 시스템에의 유입량이기 때문에 같은 조건에서 2종 효율은 1종 효율보다 높다. 2종 일효율은 1종 일 효율과 정성적인 특성이 유사해서 전 영역에서 엑서지, 엔트랜시 그리고 에너지 순으로 높으며, 작동유체의종류, 열원온도나 터빈입구압력의 변화에 따른 영향도 유사하다. 단지 일효율이 최대가 되는 최적의 열원 온도가 2종 효율의 경우가 1종 효율의 경우보다 낮다.
3) 에너지, 엑서지 및 엔트랜시 1종 총효율은 작동 유체 및 해석 영역에 따라 거동 특성이 달라지고 에너지, 엑서지 및 엔트랜시 효율 간 크기 순서도 달라진다.
4) 작동유체가 R134a인 1종 총효율의 경우에 열원 온도의 증가에 따라 에너지 효율은 단조 증가하고엑서지 효율은 단조 감소하나 엔트랜시 효율은 극댓값을 가지며 열원온도 최적값이 존재한다.
5) 에너지 시스템의 최적설계에 있어서 엔트랜시해석은 에너지와 엑서지 해석을 보완할 수 있는 잠재성이 있다.
두 가지 작동유체에 대해 열원온도 전체 범위에서엔트랜시 효율은 에너지 효율보다는 낮고 엑서지 효율보다는 높아서, 공정열효율은 에너지, 엔트랜시 그리고 엑서지 순으로 높다. 공정열효율은 두 작동 유체 모두에서 열원온도가 증가함에 따라 에너지 효율은 단조 증가하고 엑서지 효율은 단조 감소하나, 엔트랜시 효율은 열원온도가 165℃ 이하에서는 증가하지만 그 이상에서는 감소하여 극댓값을 갖는다.
7에서는 작동유체가 R134a와 R123일 때 열원 온도와 터빈입구압력의 변화가 에너지, 엑서지 및엔트랜시의 2종 총효율에 미치는 영향을 보여준다. 열원온도의 증가에 따라 작동유체가 R134a인 에너지 효율과 작동유체가 R123이고 200℃에서 215℃ 사이 열원온도에서 엑서지 효율은 증가하나, 이들을 제외한 모든 경우의 에너지, 엑서지 및 엔트랜시 효율은 감소한다. 또한 작동유체가 R123이고 열원 온도가 200℃인 엑서지 효율을 제외한 모든 경우에 터빈 입구 압력의 증가에 따라 에너지, 엑서지 및 엔트랜시효율이 증가한다.
2에서는 작동유체가 R134a와 R123일 때 열원 온도와 터빈입구압력의 변화가 에너지, 엑서지 및엔트랜시의 1종 일효율에 미치는 영향을 보여준다. 일효율은 두 작동유체, 전 범위의 열원온도와 터빈 입구 압력에서 엔트랜시 효율이 에너지 효율보다는 낮고 엑서지 효율보다는 높아서, 일효율은 엑서지, 엔트랜시 그리고 에너지 순으로 높다. 터빈 입구 압력이 증가하면 작동유체가 R134a인 경우에는 에너지, 엑서지 및 엔트랜시 모두 일효율이 증가하지만, 작동 유체가 R123인 경우에는 낮은 열원온도에서는 감소하나 높은 열원온도에서는 증가한다.
그러나 엑서지효율은 열원온도가 증가함에 따라 R134a의 경우에는 단조 감소하지만 R123의 경우에는 증가하다 감소하여 극댓값을 갖는다. 터빈입구압력의 증가에 따라 에너지, 엑서지, 엔트랜시 효율 모두 R134a의 경우에는 증가하지만, R123의 경우에는 높은 열원 온도에서는 증가하지만 낮은 열원온도에서는 감소한다. 열원 온도가 증가함에 따라 R134a의 경우에는 엑서지-에너지-엔트랜시, 에너지-엑서지-엔트랜시, 에너지-엔트랜시-엑서지 순으로 높아지며, R123의 경우에는 에너지-엑서지-엔트랜시, 에너지-엔트랜시-엑서지 순으로 높아진다.

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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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