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저온 열원 HFC-134a 유기랭킨사이클의 출력 극대화
백영진(Young-Jin Baik),김민성(Minsung Kim),장기창(Ki-Chang Chang),이영수(Young-Soo Lee),나호상(Ho-Sang Ra) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.1
본 연구에서는 지열발전 등과 같은 저온 열원을 에너지원으로 하는 발전에 응용될 수 있는 HFC-134a 유기랭킨사이클의 출력 극대화를 수행하였다. 기존의 연구와는 달리, 본 연구에서는 열교환기 해석에 유한체적법을 적용함으로써 작동유체의 열전달 및 압력강하 특성을 고려하였다. 또한, 열원과 냉각수의 입구온도 및 유량, 그리고 사이클을 구성하는 열교환기들의 총 전열면적을 구속 조건으로 함으로써, 기존 연구들에 비해 보다 현실적인 결과를 얻을 수 있도록 하였다. 사이클의 출력은 3 개의 설계인자를 이용하여 최적화 하였다. 시뮬레이션 결과, 출력을 극대화 시킬 수 있는 설계인자들의 최적조합이 존재함을 보였다. 또한, 출력 향상을 위해서는 증발과정의 개선이 우선적으로 필요함을 보였다. In this study, an organic Rankine-cycle system using HFC-134a, which is a power cycle corresponding to a lowtemperature heat source, such as that for geothermal power generation, was investigated from the view point of power optimization. In contrast to conventional approaches, the heat transfer and pressure drop characteristics of the working fluid within the heat exchangers were taken into account by using a discretized heat exchanger model. The inlet flow rates and temperatures of both the heat source and the heat sink were fixed. The total heat transfer area was fixed, whereas the heat-exchanger areas of the evaporator and the condenser were allocated to maximize the power output. The power was optimized on the basis of three design parameters. The optimal combination of parameters that can maximize power output was determined on the basis of the results of the study. The results also indicate that the evaporation process has to be optimized to increase the power output.
초월임계 운전에 의한 저온 열원 랭킨 동력 사이클의 출력 향상 가능성
백영진(Young-Jin Baik),김민성(Minsung Kim),장기창(Ki-Chang Chang),이영수(Young-Soo Lee),나호상(Ho-Sang Ra) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.12
본 연구에서는 100℃의 저온 열원을 이용하여 구동되는 랭킨 동력 사이클에 대하여, HFC-134a 를 이용한 아임계 운전을 할 경우의 출력과 HFC-125 를 이용한 초월임계 운전을 할 경우의 출력을 서로 비교함으로써, 초월임계 운전에 의한 출력 향상 가능성을 연구하였다. 서로 다른 두 사이클들의 출력을 공정하게 비교하기 위하여, 각 사이클들을 3 개의 설계인자를 이용하여 최적화 하였다. 이 때, 보다 현실적인 결과를 위하여 기존의 연구와는 달리, 열교환 과정에서 작동유체의 열전달 및 압력강하 특성을 고려하였다. 시뮬레이션 결과, HFC-125 초월임계 사이클의 출력이 HFC-134a 아임계 사이클의 출력에 비해 본 연구의 시뮬레이션 조건 하에서 9.4% 향상 될 수 있음을 보였다. In this study, the power enhancement potential of a Rankine power cycle by transcritical operation was investigated by comparing the power of an HFC-134a subcritical cycle with that of an HFC-125 transcritical cycle, for a low-grade heat source with a temperature of about 100°C. For a fair comparison using different working fluids, each cycle was optimized by three design parameters from the viewpoint of power. In contrast to conventional approaches, the working fluid’s heat transfer and pressure drop characteristics were considered in the present approach, with the aim of ensuring a more realistic comparison. The results showed that the HFC-125 transcritical cycle yields 9.4% more power than does the HFC-134a subcritical cycle under the simulation conditions considered in the present study.
저온 지열발전의 출력 극대화를 위한 흡수식 동력 사이클의 시뮬레이션
백영진(Young-Jin Baik),김민성(Minsung Kim),장기창(Ki-Chang Chang),이영수(Young-Soo Lee),윤형기(Hyung-Kee Yoon) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.2
본 연구에서는 지열발전 등과 같은 저온 열원을 에너지원으로 하는 발전에 응용될 수 있는 흡수식 동력 사이클의 출력 최적화를 수행하였다. 이를 위해 정상상태 사이클 시뮬레이션을 수행하여 사이클의 성능을 고찰하였다. 시뮬레이션은 열원과 열침의 입구온도 및 유량을 고정한 상태에서 수행하였으며, 일반적인 발전소의 열원-열침 유량비를 고려하였다. 사이클의 성능은 두 개의 독립변수를 이용하여 나타내었는데, 이는 분리기 입구 암모니아 농도와 터빈 입구 압력이다. 시뮬레이션 결과, 100℃의 지열수와 20℃의 냉각수(지열수 유량의 5배) 조건에서, 흡수식 동력 사이클을 이용하면 지열수 유량 1 ㎏/s 당 최대 약 14 ㎾의 출력을 얻을 수 있음을 보였다. In this study, an absorption power cycle, which can be used for a low-temperature heat source driven power cycle such as geothermal power generation, was investigated and optimized in terms of power by the simulation method. A steady-state simulation model was adopted to analyze and optimize its performance. Simulations were carried out for the given heat source and sink inlet temperatures, and the given flow rates were based on the typical power plant thermal-capacitance-rate ratio. The cycle performance was evaluated for two independent variables: the ammonia fraction at the separator inlet and the maximum cycle pressure. Results showed that the absorption power cycle can generate electricity up to about 14 ㎾ per 1 ㎏/s of heat source when the heat source temperature, heat sink temperature, and thermal-capacitance-rate ratio are 100℃, 20℃, and 5, respectively.
세계 최초 축류형 초임계 이산화탄소 터빈 발전기 예비 실험
백영진(Young-Jin BAIK),조준현(Junhyun CHO),신형기(Hyung-Ki SHIN),조종재(Jongjae CHO),노철우(Chul Woo ROH),이길봉(Gilbong LEE),이범준(Beomjoon LEE),나호상(Ho-Sang RA) 대한기계학회 2017 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2017 No.11
Although there has been no commercialization of supercritical carbon dioxide (S-CO2) power generation technology globally, lots of efforts are underway because of its potential enhancement in compactness and efficiency. Korea Institute of Energy Research (KIER) has been developing three S-CO2 turbines and two test loops, since 2013. KIER recently built and tested an axial S-CO2 turbine generator, which is the world`s first attempt as an axial type in the area of S-CO2 technology. S-CO2 turbines are characterized by miniaturization and high-speed rotation due to its high density. These increase the degree of technical difficulty significantly in the management of axial force and windage loss which are generated by the rotor and cause mechanical loss or damage of rotating parts in the turbine. In contrast to previous studies, KIER designed the turbine as an axial impulse type to reduce the axial force and introduced a mechanical seal and leakage management system to reduce windage loss. Initial test results showed that the turbine can be operated at the inlet conditions of 205℃/100 bar. The maximum power output of 11 kWe was obtained.