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문제 정의
- 또한, 기존의 상용 ORC 제품들은 하나의 열원을 이용하도록 구성되어 있으나 선박의 경우에는 다양한 온도의 폐열원이 존재하기 때문에 출력 최적화를 위해서는 ORC의 예열, 증발 등의 열교환기 구성이 선박 엔진 조건에 맞게 구성되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 관점에서 ORC의 증발기 구성 변경에 따른 출력 변화 또한 확인하여 최적화 방안을 제안하고자 한다.
- ORC는 중․ 저온 폐열이 발생하는 선박 주 기관의 폐열회수에 적용하기에 적합한 방식으로 볼 수 있다(8). 이에 본 연구에서는 이러한 ORC를 선박 주 기관의 중․ 저온 폐열 회수 시스템으로 구성된 ORC 시스템의 효과와 특징을 이론적으로 분석하고 적용 가능성을 타진해 보고자 한다. 또한, 기존의 상용 ORC 제품들은 하나의 열원을 이용하도록 구성되어 있으나 선박의 경우에는 다양한 온도의 폐열원이 존재하기 때문에 출력 최적화를 위해서는 ORC의 예열, 증발 등의 열교환기 구성이 선박 엔진 조건에 맞게 구성되어야 한다.
- 중저온 폐열 회수 발전 시스템으로 널리 사용되고 있는 ORC를 이용한 선박 폐열 회수 시스템을 개발하기 위하여 선박 조건에 맞는 작동 유체를 선정하였으며 ORC 구성에 대한 검토를 수행하였다. 그 결과 하나의 증발기로 구성한 경우 9～13%의 시스템 효율을 보여주었다.
가설 설정
- 1) 작동유체는 포화증기 (saturated vapor) 상태로 터빈/팽창기에 유입.
- 2) 터빈 배출 증기는 과열 상태로 응축기에서 냉각/응축되며 복열기(recuperator)는 없음.
- 4) 열교환기, 배관에서의 압력 강하 무시.
- 2MW이다. ISO condition에서 터보 차저를 통과한 배기가스 온도는 227℃이지만 선박 연료 가열 등에 필요한 서비스 스팀을 생성한 후에는 약 202℃ 정도로 낮아지며 본 연구의 계산에서는 이 온도에서 폐열을 회수하는 것으로 가정하였다. 또한, 기본적으로는 배기가스에서 회수되는 폐열량을 증가시키기 위해서는 배출온도를 가능한 낮게 설정해야 하지만 배관 내 부식 등을 고려하여 165℃로 가정하였다.
- ISO condition에서 터보 차저를 통과한 배기가스 온도는 227℃이지만 선박 연료 가열 등에 필요한 서비스 스팀을 생성한 후에는 약 202℃ 정도로 낮아지며 본 연구의 계산에서는 이 온도에서 폐열을 회수하는 것으로 가정하였다. 또한, 기본적으로는 배기가스에서 회수되는 폐열량을 증가시키기 위해서는 배출온도를 가능한 낮게 설정해야 하지만 배관 내 부식 등을 고려하여 165℃로 가정하였다.
- 이러한 방식을 통하여 열교환기 파손에 따른 선박 주 기관에 대한 직접적인 피해를 최소화 할 수 있다. 본 연구에서는 선박에서 쉽게 사용 가능한 물을 연전달 매체로 사용하며 순환하는 물의 압력이 열 전달 루프의 최고 온도의 비등 압력 보다 높아 순환 과정에서 상 변화가 발생하지 않는 것으로 가정하였다. 이와 같은 개념으로 구성한 시스템의 예는 Fig.
- 터빈과 펌프의 등엔트로피 효율은 각각 82%, 75%로 가정하였다. 터빈용 발전기와 펌프용 모터의 효율은 각각 95%, 80%로 가정하였다.
- 터빈과 펌프의 등엔트로피 효율은 각각 82%, 75%로 가정하였다. 터빈용 발전기와 펌프용 모터의 효율은 각각 95%, 80%로 가정하였다. 전체 시스템은 HYSYS를 이용하여 분석 하였으며 작동유체의 물성치는 소프트웨어에 포함된 데이터를 이용하였으며 그 특성은 Table 4와 같다.
- 이는 회수 열량을 검토해 보면 배기 폐열보다 연소 공기 폐열 측이 2배 정도 많고 온도는 상대적으로 낮기 때문에 일부는 예열에 사용하고 일부를 증발 에 사용하도록 하는 것이 좋다. 해당 시스템에 대한 공정 시뮬레이션에서는 A 지점에서 작동 유체가 포화 액체(saturated liquid)가 되도록 예열되는 것으로 가정하였다.
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