Nuclear powered icebreaker is possible to operate the ship faster or longer with limited fuel volume and maximize the torque of the propeller with higher power during icebreaking if a waste heat recovery of diesel engines is applied. In order to maximize the performance of the existing diesel power source in operating nuclear powered icebreakers, adding a waste heat recovery system for the redundancy power source is suggested for the first time in this thesis. In order to explore the possibility of the idea, a comparison of six supercritical carbon dioxide ($S-CO_2$) power cycle layouts recovering waste heat from a 17 MW redundancy diesel engine (RDE) was first presented. The diesel engine can supply two heat sources to the waste heat recovery system: one from exhaust gas and the other from scavenged air. The performance indicator of bottoming cycles was simply expressed by adopting the waste heat recovery index (WHRI). By utilizing this performance index, various bottoming cycle designs could be assessed with a unified framework especially for the waste heat recovery systems’ performance. This indicator matches to the concept of cycle net efficiency, except that it evaluates the performance replacing the cycle heat input with the maximum obtainable heat from the heat source for the bottoming cycle. Moreover, a sensitivity study of the cycles for different design parameters is performed, and the thermodynamic performances of the various cycles were evaluated. It was found that a partial heating cycle has relatively higher net produced work while enjoying the benefit of a simple layout and smaller number of components. This study also revealed that further waste heat can be recovered by adjusting the flow split merging point of the partial heating cycle.
The main components, including turbomachinery, heat exchangers and pipes, were designed with in-house codes which have been validated with experiment data. Based on the designed cycle and components, the bottoming S-$CO_2$ cycle performance optimization and establishment of control logic under part load operation of RDE was analyzed by using a quasi-steady state cycle analysis method. Quasi-steady state analysis code improvement was conducted with dual heat sources and with inventory, compressor speed, bypass and throttle methods and optimization of operation condition. In case of inventory control and compressor speed control provided the best result because compressor can operates near the peak efficiency region by minimizing the loss. However, the inventory tank over 9MPa is impractical due to the thickness over 90 mm as well as cost impact. To overcome limitations on inventory control system, constant mass operation was considered and its performance decrease is around 5%. $S-CO_2$ system could be more compact and simple when constant mass operation strategy is accepted due to minimized auxiliary components. Therefore, it was concluded that constant mass operation is more reliable for real ships.
원자력 추진 쇄빙선은 디젤 엔진의 폐열을 회수한다면 제한된 연료량으로 보다 빠르게 또는 보다 오랫동안 운전할 수 있을 뿐만 아니라 고출력으로 프로펠러의 토크를 최대화할 수 있다. 본 연구에서는 원자력 추진 쇄빙선 운전 시, 기존 디젤 동력원의 성능을 극대화하기 위하여 폐열 회수 시스템을 대체 예비 전력원에 추가하는 개념을 처음으로 제안하였다. 새로운 개념의 시스템 타당성을 평가하기 위해 17 MW 대체 예비 전력용 디젤 엔진(RDE)의 폐열을 회수하는 여섯 개의 초임계 이산화탄소($S-CO_2$) 동력 사이클 레이아웃을 우선적으로 비교하였다. 디젤 엔진은 폐열 회수 시스템에 배기가스, 그리고 소기 공기로부터의 두 가지 열원을 공급할 수 있다. 폐열 회수 지수 (WHRI)를 채택함으로써 기저 사이클들의 성능 지표를 보다 이해하기 쉽게 비교하였다. 특히 폐열 회수 시스템 성능 비교에 이러한 폐열 회수 지수를 활용함으로써, 다양한 기저 사이클 설계들을 통일된 체계로 평가할 수 있었다. 폐열 회수 지수는 사이클 순효율의 개념과 일치하지만, 기저 사이클 유입 열량을 최대 흡수 가능 열량으로 대체해주는 차이가 있다. 또한 각 사이클 별 설계 매개 변수들에 대한 민감도 분석을 수행하였으며, 여섯 개의 기저 사이클에 대한 열역학적 성능을 비교 분석하였다. 본 연구를 통해 partial heating cycle이 단순한 레이아웃과 적은 구성기기 개수를 가지고 비교적 높은 출력을 달성 가능함을 보였다. 또한 본 연구는 partial heating cycle의 유량 분기 합류점의 위치를 변경함으로써 추가 폐열 회수가 가능함을 밝혔다.
다음으로 실험 데이터와 비교 검증된 자체 개발 설계 코드들을 이용하여 터보기계, 열교환기, 그리고 파이프를 포함하는 주요 기기들에 대한 설계를 수행하였다. 주요 기기들의 설계 데이터와 준정상 상태 사이클 분석 방법론을 이용하여 RDE 부분 부하 조건 하에서의 초임계 이산화탄소 기저 사이클 성능을 최적화하고, 제어 논리를 정립하였다. 기존 준정상 상태 분석 코드를 이중 열원용으로 개선하였으며, 재고량 제어, 압축기 속도 제어, 분기 및 교축 제어 방법론을 적용하여 운전점 최적화를 수행하였다. 재고량 제어 및 압축기속도 제어 방법론은 효율 최대점 근처에서 운전하여 손실을 최소화함으로써 제어 방법론들 중 최고 성능을 보였다. 하지만 9MPa 이상 압력 조건에서의 이산화탄소 재고 탱크는 두께가 90 mm가 넘어가 비용 측면에서 현실성이 낮았다. 이러한 재고량 제어 방법론의 제한점을 극복하기 위해 질량 유지 운전 방법론을 고려하였으며, 기존 운전 방법론 대비 약 5% 성능 감소를 보였다. 초임계 이산화탄소 시스템은 질량 유지 운전 방법론을 적용할 경우 비록 약간의 성능 감소는 있으나, 보조 기기들을 최소화할 수 있어 시스템을 보다 간결하고 단순화할 수 있다. 따라서 본 연구는 질량 유지 운전 방법론이 실제 원자력 추진 선박 운전 제어를 위해서는 기존 제어 방법론들 중에서 가장 현실성이 높은 방법론임을 보였다.