저온 열원을 활용한 27kW급 유기냉매발전시스템의 최적화 설계

Abstract

최근 국제사회에서 이상기후 문제로 인한 에너지 생산 기술에 관한 수요가 증가하고 있다. 이중 유기냉매발전시스템은 기존에 미활용되어 자연계로 회수되었던 중·저온 폐열원의 열에너지를 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있다. 본 연구에서는 100℃ 미만의 저온 폐열원을 회수하여 27kW의 전기에너지를 생산하는 유기냉매 발전시스템을 개발하였다. 시스템의 회수 열원과 환경적 특성을 고려하여 작동 유체를 선정하였으며, 선정한 작동 유체의 상태량에 의거 하여 폐루프 상변화 사이클을 설계하였다. ORC의 특성을 고려하여 본 발전시스템의 핵심 부품 중 하나인 터빈의 타입을 결정하였으며, 터빈은 평균 반경법으로 설계하였다. 터빈의 성능평가는 3개의 서로 다른 작동 유체에서의 CFD 분석을 통해 진행하였다. 성능평가 결과, 유기 냉매인 R245fa가 작동 유체로 가용 될 시, 정미 출력 27.2 kW 터빈 전효율 88.9 %, 발전 효율 5.7 %로 높은 성능 결과를 보였으며, 3개의 서로 다른 작동 유체(R245fa, R134a, R1233zd)에 대하여 질량유량 1.3-2.5 kg/s의 작동 조건에서의 전기에너지 생산이 가능함을 보여주었다. 이는 기존에 활용되지 못하던 100℃ 미만의 저온 폐열원을 회수하여 추가적인 연료 소모 없이 에너지 생산이 가능한 친환경 소규모 미활용 에너지 발전의 기술적 가능성을 시사한다. |Recently, the demand for energy production technologies due to abnormal climate problems is increasing in the international community. Among these technologies, ORC can produce electrical energy by using the thermal energy of medium and low-temperature wasted heat sources that have not been utilized in the past. In this study, 27kW ORC that produces electrical energy by recovering low-temperature(<100℃) wasted heat was developed. The working fluid was selected considering the recovered heat energy and environmental characteristics of the system, and the closed-loop cycle was designed based on properties of the working fluid. The ORC turbine was designed using the mean-line method. Turbine performance evaluation was conducted through CFD analysis in three different working fluids(R245fa, R134a, R1233zd). As a result, when the R245fa was used as the working fluid, the total efficiency of the turbine with a net output of 27.2 kW was 88.9% and the cycle efficiency was 5.7%. This suggests the technical possibility of eco-friendly small-scale unused energy generation method that can produce energy without additional fuel consumption by recovering low-temperature waste heat sources below 100°C that have not been utilized before.