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한상조(S. Han),김현주(Hyeon-Ju Kim),최범석(Bum-Seog Choi) 한국해양환경·에너지학회 2014 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5
해양 표층수와 심해수의 온도차는 약 20℃이다. 이 온도차는 기계동력으로 전환되고, 다시 발전기를 통해 전기로 전환된다. 그러나 기존의 증기 터빈에 비해 상대적으로 온도차가 작다. 증기 터빈 기술은 작은 온도차에서 적용되기 어렵다. 에너지를 만들어 내는 데에 온도차를 사용하기 위해서는, 낮은 온도에서 높은 포화압력을 가지는 적당한 작동 유체와 그에 최적화된 터빈 설계가 요구된다. 심층수는 오직 열원으로만 쓰이지 않기 때문에, 본 논문의 저자는 처음 설계된 터빈의 온도차보다 약간 더 높은 다른 열원으로 설계된 터빈 시스템의 성능을 평가하였다. 현재 진행되고 있는 연구는 실제 기체의 물성을 고려한 20kW OTEC 시스템 터빈에 초점을 맞추고 있다. 여기에는 작동유체의 정의, 자오면 설계, 터빈 레이아웃, 3D CFD 결과를 포함한다. 그리고 오프디자인 포인트 해석을 통해 20kW OTEC 터빈의 전체 성능이 그려진다. 이번 연구를 통해, R32를 작동 유체로 하는 1단 원심형 터빈이 성공적으로 개발되었고 다른 고온의 열원에도 적용될 수 있게 되었다. The temperature difference between the surface water and deep sea water is about 20℃. This temperature difference can be converted into mechanical power. The mechanical power can be converted to electricity through a generator. However, temperature difference is relatively small compared with that of traditional steam turbines. It is difficult to apply steam turbine technology for this small temperature difference. To use small temperature difference for making energy, proper working fluid with high saturation pressure at low temperature and optimized turbine design for the working fluid are needed. Since the deep ocean is not only heat source available authors evaluated the performance of the designed turbine system for other heat source which is slightly higher than the design temperature difference of the turbine. The present study focuses on the turbine for 20 kW OTEC system with the real gas property. It includes the determination of working fluids, meridional design, turbine layout and 3D CFD results. With off-design point analysis, the full performance of 20kW OTEC turbine is mapped. Through the research, one stage radial type turbine with R32 as working fluid is successfully developed and can be applied to other high temperature heat source.
서종범(Jongbeom Seo),한상조(S. Han) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集B Vol.38 No.12
본 연구에서는 등온 벽에서 가까이에 위치한 유동과 같이 온도 구배가 큰 곳에서 발생하는 전도오차를 줄이기 위해 새로운 열전대의 형상 설계 및 제작 방법을 제안하고자 한다. 전도오차를 줄이기 위하여 지름이 79.9 μm 인 열전대를 이용했으며, 아크 용접을 통해 제작된 상대적으로 접점이 큰 일반 열전대와 다른 butt-welded 열전대를 제작하기 위하여 용접용 5 축 장비가 고안됐다. 열전대의 단면을 맞닿게 하여 용접해 접합부위 크기를 최소화 했다. 온도 보정 실험을 통하여, 일반적인 형상의 열전대와 이 연구에서 제안하는 열전대의 온도 측정 결과가 동일함을 알 수 있었다. 접합부가 79.9 μm 지름을 가지는 butt-welded 열전대를 온도 경계층에 침투시켜서 전도에 의한 오차를 최소화하여 급격히 변하는 온도 경계층의 온도를 효과적으로 측정할 수 있게 되었다. 개발된 센서를 이용하여 선형 터빈 날개가 장착된 풍동에서 온도 경계층을 측정하였고, 측정된 결과를 Nusselt 수로 나타내었다. This research focused on designing an appropriate thermocouple sensor for a thermal boundary layer with a large temperature gradient. It was designed to minimize the conduction error from a constant temperature wall in a boundary layer. A 79.9-μm thermocouple was chosen, and a five-axis device jig was developed to fabricate a buttwelded thermocouple, which is different from arc-welded junction thermocouples. This was used to minimize the size of the thermocouple junction. In addition to fabricating butt-welded thermocouples, a thorough calibration was conducted to decrease the internal error of a multimeter to ensure that the data from the butt-welded and regular thermocouples were almost the same. Based on this method, a butt-welded thermocouple with a small junction was found to be suitable for measuring the temperature in a thermal boundary layer with very large thermal gradients. Using this thermal boundary layer probe, the thermal boundary layers in a turbine cascade were measured, and the Nusselt numbers were obtained for the turbine endwall.