해양온도차발전용 초월임계 이산화탄소 랭킨사이클의 열역학적 분석 및 최적화

김준성(Jun-Seong Kim),이진학(Jin-Hak Yi),김유택(You-Taek Kim) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.11

해양온도차발전은 해양의 표층수와 심층수의 온도차를 이용하여 발전하는 동력 사이클이다. 본 연구에서는 해양온도차발전용 초월임계 이산화탄소 랭킨사이클의 성능을 분석하고, 유전자 알고리즘을 이용한 최적화를 수행하였다. 단순 랭킨사이클과 개방형 재생 랭킨사이클을 고려하였으며, 초월임계 사이클로 구성하기 위하여 태양열을 이용한 해양온도차발전 시스템을 적용하였다. 분석결과, 초월임계 사이클에서 터빈입구온도가 높고, 열원출구온도가 낮을수록 엑서지 효율이 상승하였다. 터빈입구압력 및 개방형 재생 랭킨사이클의 중간압력에 따라 엑서지 효율은 비선형적이며, 최적화 지점이 존재하였다. 유전자 알고리즘을 이용하여 초월임계 사이클에서 다수의 독립변수를 모두 반영하여 최적 값을 산출하였다. 최적 값 분석결과, 단순 랭킨 사이클과 비교하여 개방형 재생 랭킨사이클의 엑서지 효율이 향상됨을 알 수 있었다. Ocean thermal energy conversion is a power cycle that generates power using the temperature difference between the surface water and deep water of the ocean. In this study, the performance analysis of a transcritical carbon dioxide Rankine cycle for ocean thermal energy conversion and optimization using genetic algorithms are conducted. A simple Rankine cycle and a Rankine cycle with a feed-liquid heater are considered, and a solar-boosted ocean thermal energy conversion system is applied to construct a transcritical cycle. From the results of the analysis, the exergy efficiency increased as the turbine inlet temperature increased, and the heat source outlet temperature was lower in the transcritical cycle. The exergy efficiency due to the turbine inlet pressure and the intermediate pressure of a Rankine cycle with a feed-liquid heater were nonlinear, and there was an optimization point. Then, the genetic algorithm calculated the optimal values by reflecting all of the independent variables in the transcritical cycle. From the results of the optimal value analysis, it was found that the exergy efficiency of a Rankine cycle with a feed-liquid heater was improved compared to that of a simple Rankine cycle.

해양지열발전용 다단재열랭킨사이클의 출력 및 효율 최적화 해석

차상원(S. W. Cha),이호생(H. S. Lee),김현주(H. J. Kim),문덕수(D. S. Mun) 한국해양환경·에너지학회 2013 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.11

지열수를 온열원으로 사용하고, 해양심층수를 냉열원으로 사용하는 바이너리 지열 발전시스템은 기존 지열 발전시스템의 효율을 증대하기 위한 재열과정과 터빈출력을 향상시키기 위한 다단과정을 각각 또는 복합적으로 적용하여 다단재열랭킨사이클의 성능개선을 검토하였다. 다단재열랭킨 사이클의 종류로는 다단 사이클, 다단 재생사이클, 다단 재열사이클이 있다. 작동유체는 R134a, R245fa를 적용하였으며 온배수의 온도가 65℃, 75℃, 85℃ 응축수는 5℃를 적용하였다. 본 논문에서는 온열원변화, 작동유체의 종류, 사이클의 종류에 따른 해양지열발전용 다단재열랭킨사이클의 출력 및 효율을 높이기 위한 최적화 해석을 수행하였다. 이를 열역학적 사이클로 모사하기 위한 Aspen HYSYS를 이용하여 해석을 진행 하였다. 작동유체는 R245fa가 R134a보다 우수한 성능을 보였으며, 밀폐사이클에서 온열원이 85℃일때에 출력은 236.9kW, 효율은 13.06%로 R134a보다 각 각 11.2%, 20.3% 높은 성능을 보였다. 다음으로 사이클의 종류 및 온열원의 변화에 따른 다양한 해석을 수행하였다. Binary geothermal generation system which utilizes the warm water in geothermal water for vaporization and the cold water in deep ocean water for condensation. The regeneration process increased the efficiency more than the existing geothermal generation system ,and the multi stage process also increased the power of the turbine. Improvement of the multi stage regeneration cycles study on these process respectively or together applied to the cycles. A kind of the cycles has multi stage cycle(MS), multi stage regeneration cycle(MSR), and multi two stage cycle(MTS). Working fluid was R134a and R245fa. Temperature of the warm water was the 65℃, 75℃, and 85℃. Temperature of the cold water was the 5℃. Optimization simulation was conducted for improving the gross power and efficiency with multi stage regeneration rankine cycle for ocean thermal energy conversion(OTEC) according to changing of a warm heat source, kind of the wokring fluid, and type of the cycle. Performance analysis of the various components was simulated by using the Aspen HYSYS for analysis of the thermodynamic cycle. R245fa shows great performance than R134a. The gross power of the R245fa was the 236.9kW, and the cycle efficiency was the 13.06% at 85 degree. Gross power and cycle efficiency of R245fa increased by 11.2%, 20.3% more than R134a. Various simulation was conducted about kind of the cycles and changing of the heat source.

액화공기를 이용한 랭킨 사이클의 최적운전 조건

신동길,김영민 한국에너지학회 2023 에너지공학 Vol.32 No.4

액화공기 랭킨사이클은 대기가 고온부이며, 전 사이클이 저온에서 작동하는 개방형 랭킨사이클로서, 기존의 대 기온도보다 높은 온도를 고온부에서 열을 공급받아 작동하는 랭킨사이클과의 차이는 추가적인 고온의 열을 필요 로 하지 않고, 대기중 공기에서 열을 공급받아 팽창과정에서 동력을 생산한다. 따라서, 액화공기 랭킨사이클의 최적운전 조건에서 대기에서 공급받는 열량과 열효율은 중요한 요소가 아니며, 단지 최대의 순출력을 생산할 수 있는 최적의 펌핑압력과 팽창조건에 의해 최적운전조건이 결정된다. 본 논문에서 액화공기의 펌핑 압력을 10bar 에서 900bar까지 변화시키면서 액화공기 사이클의 단열팽창과 등온팽창조건에서의 출력 성능을 비교 분석하였 으며, 본 연구를 통해 액화공기 랭킨사이클에서 최대 순출력을 생산하기 위한 최적운전조건은 팽창기에서의 팽창과정이 등온과정으로 이루어져야 하고, 또한 액화공기의 펌핑압력을 최대한 고압으로 높여야 함을 알 수 있 었다. The liquid air Rankine cycle is an open Rankine cycle in which the atmosphere is a high-temperature source, and the entire cycle operates at a low temperature, and the difference from the Rankine cycle, which operates by receiving heat from a high temperature part above the existing atmospheric temperature, does not require additional high-temperature heat and only receives heat from atmospheric air to produce power during the expansion process. Therefore, the heat and thermal efficiency supplied from the atmosphere are not important factors in the optimal operating conditions of the liquefied air Rankine cycle, and the optimal operating conditions are determined only by the optimal pumping pressure and expansion conditions that can produce the maximum net power. In this paper, the adiabatic expansion of the liquefied air cycle and the output performance under isothermal expansion conditions were compared and analyzed while changing the pumping pressure of liquefied air from 10 bar to 900 bar. This study shows that the optimal operating conditions for producing the maximum net power in the liquefied air Rankine cycle are that the expansion process in the expander should be an isothermal process and that the pumping pressure of liquefied air should be increased to the highest pressure.

유기랭킨사이클로 구동되는 증기압축냉동사이클의 엑서지 해석

김경훈(Kyoung Hoon Kim) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.12

본 연구에서는 열 구동 냉동사이클로서 유기 랭킨사이클 (ORC)과 증기 압축 냉동사이클(VCC)의 복합 사이클에 대한 엑서지 해석을 수행하였다. 시스템의 열원으로는 다양한 재생 에너지 열원이나 산업체에서의 폐열 등 현열 형태의 저온 열원을 고려하였으며 작동유체로서 R143a, R22, R134a, 프로판, 이소부탄, 부탄, R245fa 및 R123 등 여덟가지 작동유체들을 고려하였다. 터빈 입구 압력의 변화나 작동유체의 종류에 따라 시스템의 COP 나 엑서지 효율은 물론 시스템의 각 요소에서의 엑서지 파괴 (아너지)에 미치는 다양한 영향에 대해 분석하고 논의하였다. 해석 결과는 주어진 열원 온도에 대해 시스템에서 가장 엑서지 파괴가 큰 구성 요소는 터빈 입구 압력과 작동유체에 따라 민감하게 변화하는 사실을 보여준다. In this study, exergy analysis of a thermally activated refrigeration cycle, a combined organic Rankine cycle (ORC), and a vapor compression cycle (VCC) were conducted. It is considered that a system uses a low-temperature heat source in the form of sensible heat, such as various renewable energy sources or waste heat from industries, and one of eight working fluids: R143a, R22, R134a, propane, isobutane, butane, R245fa, or R123. The effects of turbine inlet pressure and the working fluid selected on the exergy destructions (anergies) at various system components as well as the COP and exergy efficiency of the system were analyzed and discussed. The results show that the component of the greatest exergy destruction in the system varies sensitively with the turbine inlet pressure and/or working fluid.

복합 사이클의 배기가스 열회수 시스템에 의한 선박용 디젤엔진의 연료 절약에 관한 이론적 연구

최병철(Byung Chul Choi),김영민(Young Min Kim) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.2

선박의 주 추진용 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스의 열을 회수하는 폐열회수 발전시스템에 대하여, 상대적으로 고온에 상부의 3 변 사이클과 상대적으로 저온부에 하부의 유기 랭킨 사이클이 적용되는 복합 사이클에 대한 열역학적 특성을 조사하였다. 그 결과, 상부와 하부 사이클 사이에 경계온도의 증가에 따라, 총 파괴된 엑서지율(ΣEd) 및 엑서지 손실율(Eout2)이 각각 감소되었기 때문에, 시스템의 에너지 및 엑서지 효율이 모두 최대화되었다. 그리고 상부의 체적 팽창비가 크게 감소되었다. 그 경우에 대하여, 부가적인 추진동력으로써 활용되는 폐열회수 발전시스템이 적용된 선박용 디젤엔진의 경우에, 추진 효율은 엔진부하 변동에 따라 기본 엔진에 대비하여 평균적으로 9.17 %가 향상되었다. 이에 대하여, 디젤엔진의 연료 소비율과 이산화탄소 배출률은 각각 평균 8.4 및 8.37 %가 저감되었다. The thermodynamic characteristics of a combined cycle applied with a topping cycle such as a trilateral cycle at relatively high temperatures and a bottoming cycle such as an organic Rankine cycle at relatively low temperatures have been theoretically investigated. This is an electric generation system used to recover the waste heat of the exhaust gas from a diesel engine used for the propulsion of a large ship. As a result, when the boundary temperature between the topping and the bottoming cycles increased, the system efficiencies of energy and exergy were simultaneously maximized because the total exergy destruction rate (ΣEd) and exergy loss (Eout2) decreased, respectively. In the case of a marine diesel engine, the waste heat recovery electric generation system can be utilized for additional propulsion power, and the propulsion efficiency was found to be improved by an average of 9.17 % according to the engine load variation, as compared to the case with only the base engine. In this case, the specific fuel consumption and specific CO2 emission of the diesel engine were reduced by an average of 8.4% and 8.37%, respectively.

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

김경훈 한국수소및신에너지학회 2020 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.31 No.4

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.

ASPEN PLUS<SUP>®</SUP>를 이용한 태양열 유기랭킨사이클 열병합 발전시스템의 공동주택 적합도 분석

임석연(Seokyeon Im),김형근(Hyung-Geun Kim),유상석(Sangseok Yu) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.4

본 연구에서는 아파트단지에 적용되는 태양열 급탕 시스템의 에너지 활용도를 높이기 위해 유기랭킨사이클을 적용하여 해석적 연구를 수행하였다. 시스템 해석은 Aspen Plus<SUP>®</SUP> 을 활용하였으며 태양열 집열기는 급탕 온도와 유기랭킨 사이클의 운전 조건을 고려하여 진공관형 집열기를 적용하였다. R134a, R141a, R245fa 등의 냉매를 작동유체로 선정하였으며, 시스템 성능해석을 통하여 R245fa 냉매가 적용가능성이 가장 높게 나타났다. 비가역성 해석과 민감도 해석을 통해 유기랭킨 사이클 시스템의 효율 및 성능 확보를 위해서는 증발기와 터빈에 대한 기술 개발이 매우 중요하다는 것을 밝혀냈으며, 순수 급탕으로만 활용하는 시스템에 전기 생산 설비를 추가하게 되면 약 50%의 추가적인 경제성이 확보됨을 확인하였다. In this study, a solar thermal system is designed to provide hot water and electricity for improvement of solar thermal energy availability in an apartment complex. The electricity is generated with Organic Rankine Cycle (ORC) by the solar thermal energy. R134a, R141b and R245fa are selected for operating fluid of the solar thermal ORC system. ORC with R245fa shows the best performance based on the variation of pressure. The irreversibility of component showed that the technology advance of the evaporator ensures a performance improvement. The sensitivity study results indicate that the turbine performance is most effective way to improve the performance of ORC system. An economic analysis showed that approximately 50% more income could be achieved by a solar thermal ORC system with a hot water supply.

연료전지 연계 초임계 이산화탄소 발전 사이클 최적 설계 도출

류주열,박성호,윤문규,임동렬,염충섭,박회식 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集B Vol.43 No.1

High efficiency fuel cells are among next generation energy system to provide stable electric power in accordance with national energy policy, and it is required to enhance power efficiency to reduce electricity costs. This study introduces various supercritical carbon dioxide power cycle by using Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) exhaust gas, and compares their power efficiency. Furthermore, sensitivity analysis was carried out in both turbine inlet pressure and main equipment efficiency for recompression, the reheat-recompression cycle, and Brayton-Rankine hybrid cycle. Under the specified conditions in this study, it was confirmed that the optimum design parameter exist for maximizing the net power in respective integrated systems. 연료전지는 에너지 효율을 바탕으로 국가의 안정적인 전력 공급에 일조하는 차세대 에너지원으로 타 신재생 에너지 수준의 경제성 확보를 위해서는 발전효율 향상이 수반되어야 한다. 이와 관련하여 본 논문은 고온형 연료전지인 용융탄산염 연료전지의 배기가스 열원을 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클과 연계하여 발전 효율 향상을 가져오는 다양한 하부 사이클을 비교하였다. 또한 MCFC와 연계된 재압축 사이클, 재열-재압축 사이클 및 브레이튼-랭킨 연계 사이클 각각의 성능을 예측하고, 발전 효율에 가장 큰 영향을 미치는 터빈 및 압축기의 효율 변화에 따른 민감도 분석을 수행함과 동시에 최대 순출력을 생산하는 최적 설계점 도출을 수행하였다.

유기랭킨사이클의 작동유체 물성치가 사이클에 미치는 영향에 관한 연구

조수용(Soo-Yong Cho),조종현(Chong-Hyun Cho) 한국유체기계학회 2015 한국유체기계학회 논문집 Vol.18 No.4

유기랭킨사이클과 암모니아 - 물 랭킨사이클의 열역학적 성능의 비교 해석

김경훈,김만회 한국수소및신에너지학회 2016 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.27 No.5

In this paper a comparative thermodynamics analysis is carried out for organic Rankine cycle (ORC)and ammonia-water Rankine cycle (AWRC) utilizing low-grade heat sources. Effects of the working fluid, ammoniaconcentration, and turbine inlet pressure are systematically investigated on the system performance such as massflow rate, pressure ratio, turbine-exit volume flow, and net power production as well as the thermal efficiency. Results show that ORC with a proper working fluid shows higher thermal efficiency than AWRC, however, AWRCshows lower mass flow rate of working fluid and lower pressure ratio of expander than ORC.