저온 유기랭킨사이클 발전시스템 적용을 위한 20 kW급 축류 터빈 설계

Abstract

지구 온난화와 같이 기후 위기를 해결하기 위한 탄소 중립 달성과 에너지 수요의 증가에 대응하여 세계적으로 에너지 효율 향상에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 기술 중에 유기랭킨사이클(ORC)을 활용한 발전시스템은 산업공정의 폐열과 같이 저온의 열원으로부터 열 회수를 하여 전기로 변환이 가능하여 전 세계적으로 산업현장에 설치되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 저온 열원에서 열에너지를 회수하여 전기로 변환하는 ORC 발전시스템의 핵심 장치인 터빈을 설계하였다. 먼저, 작동유체로 유기 냉매(R245fa)를 선정하였고, 본 냉매를 이용하여 열효율 3.9%의 유기랭킨사이클을 설계하였다. 다음으로 평균 반경선(mean-line) 설계 방법을 적용하여 터빈의 주요 무차원수 선정, 속도 삼각형 산출, 형상 주요 치수를 결정하였다. 상기 방법을 이용하여 회전 속도 12,000 rpm에서 22 kW급의 1단 축류 터빈을 설계하였으며, 터빈의 성능은 평균 반경선 기준 출력 22.28 kW, 전효율(Total to total efficiency) 80.2%로 예측되었다. 실제로 터빈은 산업현장에서 설계조건을 벗어난 조건에서 운전하는 경우가 많으므로 이를 위하여 터빈 설계시 탈설계를 진행하여야 한다. 본 연구에서는 터빈 성능의 주요 인자인 온도, 압력, 질량 유량, 회전 속도를 고려하여 터빈의 효율과 출력을 분석하는 탈설계를 하였다. 탈설계 결과 최적점에서 30% 벗어난 영역에서 4가지 인자 모두 전효율이 감소하는 경향을 보였다. 아울러 CFD 해석을 통하여 평균 반경선 성능 결과와 비교하여 터빈 성능을 검증하였다. 향후 설계한 터빈이 포함된 발전시스템을 제작하여 실증할 계획으로 저온폐열 산업현장에 적용되어 신재생에너지로서 국내 에너지 산업에 기여를 할 것으로 시사한다.|Global interest in improving energy efficiency is growing, driven by the increasing demand for energy and the imperative to achieve carbon neutrality in response to climate crises, such as global warming. Among these technologies, power generation systems utilizing the organic Rankine cycle (ORC) are being deployed in industrial sites worldwide because they can recover heat from low-temperature sources, such as waste heat from industrial processes, and convert it into electricity. In this study, we designed a turbine, a key device in the ORC power generation system responsible for recovering heat energy from low-temperature sources and converting it into electricity. Initially, an organic refrigerant (R245fa) was selected as the working fluid, and an organic Rankine cycle with a thermal efficiency of 3.9% was designed using this refrigerant. Next, the mean-line design method was applied to select the main dimensionless numbers of the turbine, calculate the velocity triangle, and determine the primary shape dimensions. Using this method, a 22 kW single-stage axial flow turbine was designed at a rotation speed of 12,000 rpm, and the turbine's performance was predicted to be 22.28 kW of output based on mean-line and a total-to-total efficiency of 80.2%. In reality, turbines are often operated under conditions outside the design parameters in industrial sites, so off-design must be carried out during the turbine design process. In this study, a off-design was conducted to analyze the efficiency and output of the turbine, considering the main factors of turbine performance: temperature, pressure, mass flow rate, and rotational speed. As a result of off-design, the total efficiency of all four factors tended to decrease in the region 30% away from the optimal point. Additionally, turbine performance was verified by comparing it with the performance results on mean-line through CFD analysis. Looking ahead, we plan to manufacture and demonstrate a power generation system, including the designed turbine. It is expected to be applied to industrial sites for low-temperature waste heat, contributing to the domestic energy industry as a new and renewable energy source.