동혜원
(Hye-Won Dong)
1
정재원
(Jae-Weon Jeong)
†
-
한양대학교 건축공학과 박사과정
(
Ph.D. Candidate, Department of Architectural Engineering, Hanyang University, Seoul,
07306, Korea
)
-
한양대학교 건축공학부 교수
(
Professor, Department of Architectural Engineering, Hanyang University, Seoul, 07306,
Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Organic Rankine cycle(유기 랭킨 사이클), Working fluid(작동유체), Liquid desiccant(액체식 제습시스템), District heating(지역난방)
기호설명
$h$：
엔탈피 [J/kg]
$\dot m$：
유체의 질량유량 [g/s]
$\eta$：
효율 [-]
$P$：
압력 [Pa]
$\dot Q$：
열량 [W]
$T$：
온도 [°C]
$s$：
엔트로피 [J/kgK]
$\dot W$：
일 [W]
cw：
냉각수(Cooling water)
hw：
온수(Hot water)
wf：
작동유체(Working fluid)
1. 연구배경 및 목적
최근 도심에서 공동주택 및 상업용/업무용 건물 단지단위로 열병합발전(Combined heat and power, CHP) 시스템을 이용한 분산발전시스템
적용 사례가 증가하고 있다. 하지만 일반적으로 여름철에 전력 수요는 피크를 나타내는 반면 열 수요가 감소하여 열병합발전 및 대규모 열 생산 시설에서
생산되는 열이 미활용되고 있는 실정이다. 또한, 그동안 경제성 확보가 어려워 이용되지 못하고 버려지던 350°C 이하의 중저온 폐열 이용기술에 대한
관심이 높아지며 열 수요 창출 및 효과적인 이용을 위한 냉방에 열을 이용하는 기술과 열병합발전시스템이 연계된 연구가 활발히 진행되고 있다.(1-3)
유기 랭킨 사이클(Organic Rankine cycle, ORC)은 CHP로 이용 가능한 시스템 중 하나로 미활용 또는 중저온의 열원을 이용하여
안정적인 발전 및 열 생산이 가능하다. ORC는 기존에 작동유체(Working fluid)로 물을 사용
하는 랭킨 사이클(Rankine cycle)과 달리 유기물을 이용하여 상대적으로 저온의 열원으로도 발전을 할 수 있기 때문에 세계적으로 주목받고 있으며,
다양한 저온 열원을 활용가능하다.
Darvish et al.(4)은 120℃의 열원에서 적절한 ORC 작동유체를 엑서지(Exergy) 측면에서 선정하고자 하였으며, 비용적인 측면까지 고려하였을 때 R134a를 적절한
작동유체로 선정하였다. Cho and Cho(5)는 60℃ 이하의 저온 열원에서 작동유체 선정을 하였으며, 사이클의 효율이나 발전량을 고려하였을 때 R245fa를 적절한 작동유체로 제시하였다. Tchanche
et al.(6)은 90℃ 이하의 태양열을 열원으로 하는 소형 ORC의 작동유체로 검토한 20개의 작동유체 중에 효율, 내부압력, 안정성, 친환경성 등을 고려하였을
때 R134a를 적합한 작동유체로 선정하였다. Gao et al.(7)은 산업폐열을 이용한 ORC의 작동유체로 최대 출력과 최소 비용을 나타내는 R152a와 R143a를 선정하였다. Jradi and Riffat(8)은 작동유체로 HFE7100를 사용한 바이오매스를 열원으로 하는 ORC CHP 시스템에 제습증발냉각시스템을 연계한 시스템의 성능을 실험적으로 분석하였으며,
약 85%의 효율을 가지는 CHP 시스템임을 확인하였다.
앞선 연구들에서는 태양열, 바이오매스, 산업폐열 등 저온 열원 활용측면에서 ORC의 운전특성 및 냉매 선정 등에 대해 연구를 수행하였으나, ORC에서
생산한 열을 이용하는 기술에 대한 연구는 상대적으로 적었고, 동일한 종류의 열원에서 ORC에서 생산된 열의 사용목적에 따라 다양한 냉매가 적용될 수도
있다. 따라서 최적의 ORC 운전을 위해서는 열 공급처, 생산된 열을 사용할 열 수요처, 요구되는 발전량 등을 고려하여 적절한 ORC 작동유체를 선정할
필요가 있으며, 온실가스 감축 로드맵에 의거하여 온실가스 배출이나 지구온난화 지수가 낮은 친환경적인 작동유체에 한정하여 검토할 필요가 있다. 본 연구에서는
도심지역에서 여름철에 미활용되고 있는 지역난방 중온수를 효과적으로 이용하며 열 이용 냉방기술(Heat-driven cooling system) 중
하나인 액체식 제습시스템(Liquid desiccant, LD)에 필요한 열도 공급할 수 있는 ORC CHP 시스템을 제안하고자 하며, 이때 적용
가능한 친환경 작동유체를 검토하고 실험을 통해 성능을 확인하여 제안한 시스템의 타당성을 검증하고자 한다.
2. 시스템 소개
2.1 ORCLD
본 연구에서는 공동주택 단지, 업무용 건물 밀집 지역 등에서 분산발전 시스템으로 활용가능성이 있는 소형 ORC(< 100 kW) CHP 시스템을 대상으로
하여, 대단위 지역에 일괄적으로 열 공급이 가능한 지역난방 중온수로부터 ORC 발전에 필요한 열을 공급받고, 응축기에서 방열된 열을 회수하여 건물에
설치된 액체식 제습시스템에 수용액 재생을 위한 열원으로 활용하는 통합시스템(ORCLD)을 제안하고자 한다(Fig. 1 참조).
Fig. 1과 같이 가장 기본적인 사이클로 구성된 ORC를 기반으로 하였으며, ORC는 증발기(Evaporator), 팽창기 (Expander), 응축기(Condenser)
및 펌프(Pump)로 구성된다. 본 연구에서는 도심지역에서 비교적 쉽게 적용 가능한 지역난방 중온수를 열원을 선정하였다. 약 120℃로 공급되는 지역난방
중온수는 공동주택과 같은 열 수요처에서 직접적으로 사용하기에 온도가 다소 높은 경향이 있어 단지 내 중앙에 위치한 열교환기를 통해 온도를 낮춰 공급하기도
하는데, 이 때 ORC를 적용한다면 추가적인 설비 없이 이미 구축된 지역난방 인프라를 이용하여 발전도 하고 여름철에 미활용되는 지역난방의 이용률도
높이면서, 열 수요처에서 요구되는 온도의 온수를 공급할 수도 있다. 따라서 Fig. 1과 같이 단지 내로 공급되는 지역난방 중온수를 직접 ORC 증발기에 공급하는 형태로 시스템을 구성하였다.
여름철 전력난을 극복하면서 CHP 시스템에서 생산된 열의 이용률을 높이기 위해 CHP 시스템과 열을 이용한 냉방 기술을 연계한 연구가 활발히 수행되었으며,
LD는 대표적인 열 이용 냉방기술이다. LD는 크게 제습기(Dehumidifier)와 재생기(Regenerator)로 구성되었으며, 제습기와 재생기
사이를 제습 수용액이 순환한다. 고농도의 제습 수용액은 제습기에서 공기와 만나 공기를 제습시키며, 효과적인 제습을 위해 제습 수용액을 냉각시킬 필요가
있다. 공기를 제습시킨 수용액은 농도가 묽어지기 때문에 재생기를 통해 다시 고농도의 수용액으로 재생이 되며, 이 때 가열열원이 필요하다. 따라서 ORC
응축기에서 회수한 열은 LD의 재생기에서 묽어진 제습 수용액을 재생할 때 필요한 열로 우선적으로 사용하며, 남은 열은 건물에서 소비한다고 가정하였다.
LD는 외기에 따라 부하변동이 있어 열 요구량이 변하기 때문에 LD에 맞춰 ORC가 운전된다면 ORC가 직접적으로 영향을 받아 발전 성능이 계속 변동할
수 있다. 따라서 안정적인 ORC 운전을 위해 응축기의 열 회수를 물을 사용한 폐루프 시스템을 이용하고 회수한 열을 LD와 건물에 공급하여 ORC로
응축기로 공급되는 물의 온도가 일정할 수 있도록 하였다. ORC에서 생산된 전기는 건물의 공용으로 소비되는 복도 및 지하주차장 조명, 엘리베이터 운전에너지로
사용가능하며, LD를 위한 팬, 펌프 등의 운전에 사용이 될 수도 있다.
Fig. 1 Schematic diagram of ORCLD.
2.2 ORC 작동유체
ORC의 작동유체로 사용할 수 있는 유기물은 매우 많으며, 계속해서 새로운 유체가 개발되고 있다. 유체 각각이 열역학적 및 환경적 특성이 다르기 때문에
어느 유기물을 작동유체로 사용할 것인가는 상당히 복잡한 문제이다. ORC 작동유체 선정과 관련된 많은 연구가 있음에도 연구자마다 추천하는 작동유체가
다르게 되는 이유가 여기에 있다. 따라서 주어진 설계 조건 및 ORC를 설치해야 할 상황에 맞는 작동유체 선정이 필요하며, 본 연구에서는 지역난방
중온수를 사용하면서 LD에 추가적인 열원설비 없이 제습 수용액 재생이 충분히 가능하게 하는 ORC의 친환경 작동유체를 선정하고자 한다. 작동유체 선정에
있어 우선적으로 고려해야 할 사항은 다음과 같다.
● 온도-엔트로피(T-s) 선도 상에서 등엔트로피(Isentropic) 또는 dry 형태의 포화증기선
● 온도에 따른 안정성, 높은 밀도, 낮은 어는점
● 친환경성, 안전성, 압력, 저렴한 비용
따라선 본 연구에서는 기존 연구들을 통해 저온 열원에서 적용할 수 있는 다수에 의해 공통적으로 검토되었던 ORC 작동유체 중 가장 널리 사용되는 HFC
계열의 R245fa와 온실가스 규제에 따라 앞으로 사용 가능성이 높은 4가지의 친환경 작동유체를 대표적으로 검토하고자 하였다. 또한, 저온에서 이용
가능한 여러 친환경 작동유체 중에 Engineering Equation Solver(EES) 프로그램에 물성치가 나와 있으면서 지역난방 중온수가 120℃로
공급된다는 가정 하에 임계점(Critical point)이 100℃ 이상인 비교적 유사한 열역학적 특징을 가지는 작동유체를 대상으로 하였으며, Table 1에 최종적으로 검토대상인 5가지 작동유체와 그 특성을 비교 하였다. 검토한 냉매 모두 오존층파괴지수(Ozone depletion potential,
ODP)가 0이며 R245fa를 제외하고는 지구온난화지수(Global warming potential, GWP)도 낮아 차세대 친환경 작동유체로 적절하다.
Table 1. Properties of working fluids
|
|
R245fa
|
R514A
|
n-Pentane
|
R1233zd(E)
|
Novec649
|
|
Boiling point [℃]
|
15.3
|
29.1
|
36
|
18
|
49
|
|
Molecular weight [g/mol]
|
134
|
139.6
|
72.15
|
130.5
|
316
|
|
Critical point [℃]
|
154
|
178
|
196.7
|
165.6
|
169
|
|
Critical pressure [MPa]
|
3.6
|
3.520
|
3.369
|
3.623
|
1.88
|
|
Heat of vaporization [kJ/kg]
|
190
|
189
|
366
|
192
|
95
|
|
Liquid density [kg/m3]
|
1,339
|
1,322.2
|
1,321.3
|
1,321.3
|
1,600
|
|
Specific heat [kJ/kgK]
|
0.92
|
1.14
|
2.32
|
0.82
|
1.10
|
|
Thermal conductivity [W/mK]
|
0.0139
|
0.129
|
0.117
|
0.0107
|
0.059
|
|
ODP
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
GWP
|
1030
|
2
|
11
|
1
|
1
|
Table 2. Design condition of ORCLD
|
|
Value
|
|
Expander power [W]
|
100
|
|
Expander efficiency [%]
|
70
|
|
ORC pump efficiency [%]
|
70
|
|
Heat source(water) inlet temperature [℃]
|
120
|
|
Cooling source(water) inlet temperature [℃]
|
40
|
|
Temperature difference of heat and cooling source [℃]
|
15
|
|
Expander inlet temperature [℃]
|
115
|
|
Pressure ratio [-]
|
3
|
|
Pinch point in condenser [℃]
|
5
|
Table 1의 작동유체 중에 주어진 설계조건에서 사용 가능한 작동유체를 선정하기 위해 제안된 시스템의 운전 범위를 검토해보면, 먼저 선행연구를 통해 염화리튬(Lithium
chloride, LiCl) 수용액을 사용하는 LD의 재생기에서 수용액을 충분히 재생하기 위해서는 최소 40℃ 이상의 온도의 수용액이 요구됨을 확인하였다.(9-10) 따라서 본 연구에서는 지역난방 중온수의 일반적인 최고 온도인 120℃의 열원이 ORC 증발기에 공급되고 40℃의 냉각수가 응축기로 공급된다고 가정하였으며,
그 외 Table 2에 나와 있는 설계조건에서 각각의 작동유체의 사이클 효율 및 시스템의 열역학적 특성을 분석하였다.
2.3 열역학적 해석방법
Table 2에 나와 있는 설계조건에서 ORC의 열역학적 사이클을 이용하여 EES 프로그램을 통해 모든 유체의 물성치를 계산하였다. 기본적으로 동일한 팽창기 동력,
팽창기 및 펌프효율, 지역난방 중온수 및 냉각수 공급 온도, 압력비(Pexp,in/Pexp,out), 핀치포인트(Pinch point)를 나타낼 때
각 작동유체별 요구되는 유량, 사이클 효율, 팽창기 입/출구 압력, 펌프 소요동력, 증발기 및 응축기 열량 등을 비교하여 에너지 성능을 평가하고자
하였다. 또한 작동유체에 따라 설계조건에서 해석이 불가능할 경우 압력비를 변경하였다. 위와 같은 ORC성능 해석을 사용한 열역학적 방정식은 다음과
같다.
ORC의 4가지 주요 구성요소에서 에너지 투입량 및 방출량은 각 구성요소의 입/출구 엔탈피 차($h_{out}-h_{"\in "}$)와 작동유체 유량($\dot
m_{wf}$)의 곱으로 구해지며, Table 2에 있는 팽창기와 펌프의 등엔트로피 효율 값과 식(1)과 식(2)를 이용해 엔탈피 값을 구할 수 있다. 팽창기에서 발생한 동력은 100 W라고 가정하였으므로 각 구성요소의 위치별 엔탈피를 계산하며 필요한 작동유체의
유량을 구할 수 있다.
증발기에서 열 공급량은 식(3)과 같으며, 지역난방 중온수의 입/출구 온도차를 15℃로 가정하였기 때문에 필요한 물의 유량을 구할 수 있다. 이는 응축기에서도 마찬가지로 적용되며,
최종적으로 사이클의 열효율은 식(4)를 통해 계산된다.
대표적으로 Table 2의 설계 조건에서 100W의 팽창기 동력을 가지기 위해서 R245fa는 Fig. 2의 T-s 선도에 나타난 특징을 가지고 있으며 1,460W의 열 에너지가 필요하였으며, 6.41%의 열효율을 나타냈다.
3. ORCLD 작동유체별 특성
앞서 Fig. 2에 나타난 R245fa를 제외한 4개의 친환경 작동유체의 T-s 선도 상의 열역학적 특성을 Fig. 3에 나타냈고 최종적으로 5개의 작동유체에서 ORCLD의 특징을 Table 3에 정리하였다. 그 결과 n-Pentane은 주어진 설계조건을 만족하기 위해서는 압력비 또는 냉각수 공급온도를 낮춰야 하였고, 따라서 냉각수 공급온도는
동일한 조건에서 압력비가 2일 때 결과 값을 Fig. 3와 Table 3에 나타냈다. n-Pentane은 임계온도가 가장 높아 작동유체의 순환량이 가장 작아 효율이 가장 낮음에도 순출력(Net power)은 가장 컸지만
인화성 유체이며 설계조건에서 운전하기가 어려워 최종 선정에서 제외되었다. 사이클 효율은 R1233zd(E)가 가장 높았지만 여름철에 미활용 에너지를
활용한다는 측면에서 효율보다 순출력 값이 더 의미가 있다고 판단하였다. 또한 LD 시스템에 열을 공급하기 위해서 R245fa와 R1233zd(E)는
상대적으로 고압에서 운전되어야 하며 더 높은 열을 회수하기에는 어려움이 있을 것으로 판단된다. Novec649는 분자량이 커 효율이 상대적으로 낮았지만,
순출력은 n-Pentane을 제외하고는 가장 높았으며, 압력을 높여 더 높은 고온수를 얻을 가능성도 있었으며 미활용 열원활용 측면이나 온수 공급이
중요한 본 시스템에서는 유리한 작동유체라고 볼 수 있다.
Fig. 2 T-s diagram of R245fa.
Fig. 3 T-s diagram of working fluids.
Table 3. Performance characteristics of working fluids
|
Characteristics
|
R245fa
|
R514A
|
n-Pentane
|
R1233zd(E)
|
Novec649
|
|
Efficiency [%]
|
6.41
|
6.47
|
4.22
|
6.74
|
4.78
|
|
Hot water flow rate [g/s]
|
23.01
|
23.41
|
36.47
|
22.04
|
31.92
|
|
Cooling water flow rate [g/s]
|
21.79
|
2.216
|
35.36
|
20.79
|
30.76
|
|
Working fluid flow rate [g/s]
|
6.577
|
6.506
|
5.023
|
6.4
|
14.07
|
|
High pressure [Pa]
|
1,298,000
|
782,000
|
394,000
|
1,115,000
|
373,000
|
|
Low pressure [Pa]
|
433,000
|
261,000
|
197,000
|
372,000
|
124,000
|
|
Pressure ratio[-]
|
3
|
3
|
2
|
3
|
3
|
|
Total net power [W]
|
93.54
|
96.1
|
97.62
|
94.3
|
96.72
|
|
Heat input [W]
|
1,460
|
1,486
|
2,315
|
1,398
|
2,026
|
|
Heat generation [W]
|
1,366
|
1,390
|
2,217
|
1,304
|
1,929
|
4. ORCLD 실험
본 연구에서는 앞서 ORC 고려한 작동유체 중에서 대표적으로 본 연구에서 제안한 지역난방 중온수 이용 ORCLD에 가장 유리하다고 판단된 Novec649를
작동유체로 하여 ORC 시스템을 설계 및 제작하여 제안한 시스템의 실증 실험을 수행하였다(Fig. 4 참조). 전기 히터를 통해 지역난방 중온수를 구현하였으며 기존 설치된 제습증발냉각시스템(LD-IDECOAS)의 LD부분에 ORC를 설치하여 최종적으로
재생기로 공급되는 수용액의 온도를 모니터링 하였다. 지역난방 중온수를 모사하는 유체의 경우 물 대신에 환경 및 인체에 유해하지 않으면서 300℃까지
올라갈 수 있는 열매체유인 Therminol55를 사용하였다. 500We까지 출력을 낼 수 있는 ORC가 설치되었으며, 실험 결과(Fig. 5 참조), Table 2와 유체의 유량 값은 다소 다르지만 제작된 ORC에서 최대 작동유체 유량과 열매체유가 공급되면서 Table 2 조건의 지역난방수, 냉각수 입/출구온도와 온도차(15℃)를 만족할 경우 재생부 수용액 온도는 약 51℃로 공급 가능한 것을 확인하였으며, 이때 압력비는
2.37이고 순출력은 67 W 정도로 나타났다. 열원 공급온도는 동일한 상태에서 열매체유와 작동유체의 유량을 감소시키면 압축비가 2.72로 상승하였기
때문에 순출력 또한 약 93W 정도로 상승하는 것을 확인할 수 있었지만, 두 케이스에서 팽창기의 입구 압력 및 온도가 유사하면서 압축비가 큰 케이스에서
팽창기 출구 온도 및 압력이 작아지면서 응축기의 열전달량은 감소하여 냉각수 출구온도가 50℃로 LD 재생기에서 재생을 위한 충분한 열 공급은 어려운
것으로 나타났다.
Fig. 5 Experimental result.
5. 결 론
본 연구에서는 여름철에 미활용되고 있는 지역난방 중온수를 효과적으로 이용하면서 액체식 제습시스템에 필요한 열도 공급할 수 있는 ORC CHP시스템에
적용 가능성이 높은 친환경 작동유체인 R514A, n-Pentane, R1233zd(E), 그리고 Nove649의 특성을 HFC 계열의 R245fa와
비교하여 검토하였다. 그 결과, 100W의 팽창기 동력을 가지는 ORC에 120℃의 지역난방 중온수와, 40℃의 냉각수가 ORC에 공급될 때 인화성
유체이면서 상대적으로 경향이 가장 상이한 n-Pentane을 제외하고 순출력 값이 가장 크면서 온수 공급측면이나 재생부에 많은 열 에너지를 전달할
수 있는 Novec649를 대표적으로 ORCLD에 적용하여 실제 시스템을 구성하여 성능평가를 하였을 때, 50℃ 이상의 수용액을 재생기에 공급 가능하여
추가 열원설비 없이 충분한 재생이 가능한 것을 확인하였다. 하지만, ORC 발전량을 증가시키면 회수할 수 있는 열량을 감소할 수도 있기에 추후 연구에서는
LD 시스템의 에너지 소비를 최소화하면서 ORC 효율 향상을 위한 ORCLD 최적운전에 대해서도 수행될 필요가 있다.
후 기
본 연구는 2019년도 국토교통과학기술진흥원의 재원으로 국토교통기술촉진연구사업의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No.19CTAP-C141826-02).
References
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