In this dissertation, in order to compare the power output of the transcritical cycle and subcritical Rankine cycle for a low-grade heat source of about 100℃, both cycles were optimized for the power output. In contrast to conventional approaches, each working fluid`s heat transfer and pressure drop characteristics within the heat exchangers were taken into account. To fairly compare the power output of the cycles by using different working fluids, the inlet temperatures and the flow rates of both the heat source and the heat sink were fixed. The optimization results show that the R125 transcritical cycle has a potential of power enhancement compared to subcritical cycles. When an enough heat exchange surface is available, the R125 transcritical cycle yields 13% more power than the best subcritical cycle. In addition to this, the R125-based binary HFC mixtures were found to increase the power of the transcritical cycle. However, the impact was small in the present study. The results also show that the condition of a large value of the thermal capacitance-rate ratio is proper to the R125 transcritical cycle rather than subcritical cycles. In summary, the R125 transcritical cycle is recommended for the utilization of low-grade heat source of about 100℃.
세계적인 에너지 및 환경 문제에 대처하기 위하여, 지열, 태양열, 연료전지 배열 및 산업폐열 등 저온 열원 활용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 저온 열원을 이용하기 위하여 몇몇의 동력 사이클이 제안되었는데, 이 중 유기냉매 이용 아임계 랭킨 동력 사이클(Organic Rankine Cycle)이 지열발전 및 태양열발전 분야에 적용되고 있다.
그러나, 현재 쓰이고 있는 아임계(subcritical) 랭킨 동력 사이클은 열교환기 내에서의 핀치 문제로 인하여, 유한한 열용량을 가진 열원 및 열침 조건하에서 출력을 극대화 시키는 것에 한계가 있다. 이를 극복하기 위하여 본 연구에서는 초월임계(transcritical) 랭킨 동력 사이클을 고려하였다. 아임계 사이클과는 달리, 초월임계 사이클의 증기 발생기 내에서는 임계압력 이상의 압력하에서 작동유체의 가열과정이 발생한다. 초임계 상태에서는 상변화 없는 변온 가열이 가능하므로, 유한한 열용량을 가진 열원과의 열전달 과정에서 발생하는 엑서지 손실을 줄일 수 있어, 결과적으로 사이클의 출력을 향상 시킬 수 있는 잠재력을 갖는다.
그럼에도 불구하고, 현재까지 초월임계 사이클에 관한 연구는 매우 드물다. 특히, 최근 관심이 급증하고 있는 100℃ 근처의 저온 열원 이용을 이용한 초월임계 사이클의 최적화 및 아임계 사이클과의 성능비교 연구는 보고된 바 없다.
이런 이유로, 본 연구에서는 100℃의 저온 열원을 이용한 초월임계 및 아임계 동력 사이클의 출력을 각각 최적화 하고, 서로 비교하였다. 이를 위하여, 순수 작동유체 아임계 및 초월임계 사이클에 대해 각각 3 개의 설계변수를 최적화하여 출력을 극대화 시켰다. 작동유체로서, 아임계 사이클(ORC)의 경우 오존파괴 우려가 없는(HFC; Hydrofluorocarbon) R134a, R152a, R227ea, R236ea 및 R245fa를 고려하였으며, 초월임계 사이클의 경우 R125 및 이산화탄소를 고려하였다.
서로 다른 작동유체를 이용한 사이클들의 공정한 비교를 위해 열원 및 열침의 입구 유량 및 온도 조건을 고정하였다. 설계변수 최적화는 일반적인 열원-열침 열용량비(thermal capacitance-rate ratio) 범위 및 다양한 전열면적 조건에서 수행되었으며, 이 때, 기존의 연구들과는 달리, 작동유체의 가열 및 냉각 과정에서의 열전달 및 압력강하 특성을 고려하였다.
최적화 결과, 전열면적이 충분한 경우, R125 초월임계 사이클의 출력이 아임계 사이클 중 최고 성능인 R134a 사이클의 출력에 비해 13% 크게 나타났으며, 이는 초월임계 사이클의 가열과정에서 발생하는 엑서지 파괴 및 손실이 아임계 사이클에서 발생하는 그것들에 비해 크게 작기 때문임을 알았다. 또한, R125 초월임계 사이클은 열원-열침 열용량비가 큰 경우에 아임계 사이클에 비해 특히 유리함을 발견하였다. 아울러, 이산화탄소가 저온 열원 초월임계 사이클의 작동유체로 고려되어 왔음에도 불구하고, R125 초월임계 사이클이 이산화탄소 초월임계 사이클에 비해 출력면에서 우위에 있음을 밝혔다.
한편, R125 기반의 이성분(binary) HFC 혼합물 4 종을 이용한 초월임계 사이클의 출력 극대화를 위해 각 혼합물에 대해 각각 4 개의 설계변수를 최적화하였다. 그 결과, 초월임계 사이클에 혼합물을 사용하면 순수 R125를 사용한 것에 비해 출력을 향상시킬 수 있음을 알았다. 그러나, 본 연구의 계산 조건하에서 그 양은 크지 않은 것으로 나타났다.
본 연구에서는 출력을 극대화하는 목적에 부합하도록 열교환기로서 대향류 이중관 열교환기를 고려하였다. 그러므로, 대향류 열교환기 외의 열교환기를 고려할 경우, 본 연구 결과의 직접적인 적용은 제한적일 수 있다. 또한, 본 연구에서는 열원이 저온일 때 열교환기의 비용이 상대적으로 증가하게 됨에 주목하여, 열교환기의 총 전열면적을 구속조건으로 하여 사이클들의 우열을 평가하였다. 그러므로, 열교환기 비용이 높지 않은 응용분야의 경우, 각 사이클들의 우열은 본 연구 결과와 다를 수 있다.
결론적으로, R125 초월임계 동력 사이클은 100℃의 저온 열원을 위한 동력 사이클로서 추천된다. 특히, 전체 발전 플랜트 건설 비용 중 열교환기 비용의 비율이 낮은 경우에 추천된다. 또한, 플랜트의 가동률이 높은 경우에 추천된다. 이용 가능한 냉각수의 양이 많은 경우에도 초월임계 동력 사이클이 추천된다. 예를 들면, 연중 가동률이 높고, 천공(drilling)에 많은 비용이 필요한 것으로 알려져 있는 지열발전 분야가 초월임계 동력 사이클의 좋은 응용분야 중 하나가 될 것으로 사료된다.
