Basic performance analysis of ocean thermal energy conversion using the refrigerant mixture R32/R152a

2.1 R32/R152a

혼합작동유체란, 기존의 단일작동유체를 일정비율로 혼합하여 만든 작동유체를 말한다. 현재 산업용 혼합작동유체로는 R410A(R32/R125), R407C (R32/R125/R134a)등과 같은 종류가 있다. 이 혼합작동유체의 특징으로는 ODP가 0이기 때문에 오존층을 파괴시키지 않으며, 친환경적인 비공비 혼합냉매를 사용하면 열효율을 10%정도 향상시킬 수 있으며, 기존의 시스템에 큰 변화 없이 적용가능하다는 장점이 있다. 이 중에 본 논문에서는 R32/R152a를 적용한 해양온도차발전의 특성에 대해 연구를 진행하였다.

Table 1:

Properties of the R32/R152a

Table 1은 R32/R152a의 조성비에 따른 냉매의 특성을 나타낸다. R32의 조성비가 클수록 증발압력이 높아지고, 증발온도는 낮아진다. R32가 R152a보다 증발압력이 크고, 증발온도가 낮기 때문에 R152a의 성분이 커질수록 증발압력이 낮아지고 끓는점이 높아지는 경향을 나타낸다.

Figure 1은 R32의 T/S 선도를 나타내고 있다. 단일 작동유체는 유체가 상변화를 할 때에 온도가 일정하게 유지되며 잠열에 의해 상변화를 하게 된다.

Figure 2는 R32/R152a를 70:30으로 혼합했을 때의 T/S 선도를 나타낸다. 혼합작동유체는 상변화를 할 때에 온도가 변하며 상변화를 하게 되고, 이런 특성은 단일작동유체보다 열교환기의 열효율이 상승할 수 있는 특성이 된다. 그리고 R32/R152a의 T/S선도는 R152a를 많이 섞을수록 Dew point곡선의 기울기가 커진다. 이런 특성은 터빈의 출구압력을 더 낮게 설정할 수 있기 때문에 터빈의 성능에 좋은 영향을 미칠 수 있다. 하지만 혼합작동유체의 경우 단점 중 하나가 배관의 누설이 생기면 냉매의 조성비가 변하기 때문에 시스템전체의 성능이 변하게 된다. 따라서 위의 특성을 바탕으로 본 연구를 진행하였다.

Figure 1:

T/S curve of the R32

Figure 2:

T/S curve of the R32/R152a(70:30)

2.2 시뮬레이션 해석조건

시뮬레이션 해석 방법으로는 유기랭킨사이클을 해석하기 위해 공정설계프로그램인 Aspentech HYSYS(V.8.0)프로그램을 이용하였다. HYSYS는 열역학적 사이클 모사에 필요한 상태값을 정확하게 계산할 수 있다는 장점이 있기 때문에 이번 논문에서 사용하였다. 시뮬레이션에 사용한 상태방정식으로는 Peng-Robinson방정식을 사용하였다. Peng-Robinson방정식은 열 해석에서 가장 널리 사용하는 상태 방정식이며 식 (1)과 같다.

다음은 작동사이클에 대해 소개하고자 한다.

Figure 3은 밀폐사이클을 보여주고 있다. 작동유체는 펌프를 통해 증발기로 보내어지게 되고, 증발기에서 작동유체가 증발하여 기체상태가 되며 터빈을 통과하여 전기를 생산한다. 그리고 터빈을 통과한 후 응축기를 통과하여 응축되고 다시 펌프로 공급하여 순환하는 밀폐사이클이다. 밀폐사이클은 해양온도차발전에서 구조가 간단하며 많이 사용되어지는 사이클 중 하나이다.

Figure 4는 칼리나 사이클을 나타내고 있다. 혼합작동유체 중 하나인 암모니아/물 혼합작동유체를 사용하기위해 만들어진 사이클이다. 증발기를 통과한 작동유체는 기액분리기에 의해 액체는 열교환기로 전해지고 기체는 터빈을 통과하여 전력을 생산한다. 터빈을 지난 작동유체는 응축기에 의해 응축이 되고 증발기에 공급하기 전 기액분리기에서 분리된 액체와 열교환을 하여 작동유체의 예열작용을 하여 증발기의 용량이 작아지게 된다. 하지만 예열을 많이 할수록 액체성분이 많이 분리되기 때문에 그만큼 터빈의 출력이 작아지는 단점이 있기 때문에 이에 따른 적절한 분배가 필요하다.

Table 2는 시뮬레이션 해석조건이다. R32를 적용하여 22kW의 전력을 생산할 때의 온열원과 냉열원의 유량을 기준으로 나머지 조성비에도 동일한 조건을 적용하여 해석을 진행하였다. 온열원 및 냉열원의 온도는 26℃, 5℃를 각 각 적용하였으며, 냉매의 유량은 3.7 kg/s를 주었다. 사이클의 효율은식 (2)와 같이 계산하여 결과를 도출하였으며 전체출력(Wt)에 펌프동력을 사이클효율에는 포함시키지 않았다. R32와 R152a의 조성비는 100:0에서 0:100까지 R32 조성을 10%씩 감소시키며 단계적으로 해석을 진행하였다.

Figure 3:

Schematic of the Closed cycle

Figure 4:

Schematic of the Kalina cycle

Table 2:

Simulation condition

3.1 밀폐사이클

첫 번째로 기존의 밀폐사이클에서 혼합작동유체의 특성에 대해 연구를 진행하였다. Figure 5는 R32/R152a의 조성비에 따른 사이클의 출력과 효율은 보여준다. R32/R152a의 조성비가 90:10일 경우에 가장 높은 출력과 효율값을 보여준다. 이는 터빈의 팽창비(터빈입출구 압력비)가 높을수록 출력이 높은 값을 나타내는데, 90:10의 조성비에서 가장 높은 1.34를 나타냈고, 이때의 출력 및 효율은 29.93kW, 2.78%를 나타내고 있다. 이는 기존의 R32 단일작동유체의 출력에 비해 36%, 효율은 37%상승한 결과를 확인 할 수 있었다. 그리고 조성비가 60:40일 때 까지 R32 단일작동유체보다 더 높은 성능을 보이는 것을 확인하였다.

Figure 5:

The characteristics of the gross power and efficiency according to composition ratio

3.2 칼리나사이클

R32/R152a를 칼리나사이클에 적용하여 사이클 성능특성에 대해 비교해보았다. 칼리나사이클은 Figure 4에서보면 알 수 있듯이 펌프에서 토출되는 펌프의 압력에 따라 증기를 생성할 수 있는 양이 결정되게 된다. 증기를 많이 만들수록 작동유체의 유량이 많아지고, 터빈 입구의 압력은 감소하게 된다. 그리고 재열기로 들어가는 냉매의 양이 작아지게 됨으로써 증발기의 용량은 커지게 되는 단점이 있다. 따라서 최적의 출력 및 효율 점을 구하기 위해 작동유체 증기생성량을 90%, 70%, 50%, 30%임으로 정하여 시뮬레이션 해석을 수행하였다.

Figure 6은 조성비에 따른 사이클의 출력을 나타낸다. 사이클 출력은 전체적으로 70%의 증기생성량이 높은 출력을 보였다. 일반적으로 터빈으로 유입되는 증기의 양이 많은 90%가 터빈의 출력이 가장 높다고 할 수 있다. 하지만 R32/R152a를 적용한 Kalina cycle에서는 90%가 터빈에 유입되는 유량은 많으나, 터빈의 입구측의 압력이 낮아지고, 팽창비가 작아지기 때문에 유량은 작지만 터빈의 팽창비가 큰 70%의 증기생성량이 가장 높은 출력을 나타냈다. 조성비는 90:10의 조성비가 가장 큰 출력을 나타냈으며, 이때의 출력은 26.04kW이다.

Figure 7은 조성비에 따른 사이클의 효율을 나타낸다. 증기생성량이 30%일 때에 가장 높은 사이클 효율을 나타내고 있다. 이는 터빈의 출력에 비해 증발기의 용량이 상대적으로 작아져 사이클의 효율이 높게 나타났다. 증발기의 용량이 작아지는 이유는, 기액분리기를 통해 기체 및 액체로 분리된 작동유체는 각 각 터빈, 예열기(열교환기)로 공급되는데, 터빈에 유입되는 유량이 작아지게 되면, 예열기로 공급되는 유량이 많아져 전체적인 증발기의 용량이 작아진다. 조성비의 겨우 90:10에서 가장 높은 효율을 나타내며 3.42%를 보였다.

Figure 6:

The characteristics of the gross power according to composition ratio

Figure 7:

The characteristics of the cycle efficiency according to composition ratio

3.3 밀폐사이클 및 칼리나사이클의 성능비교

밀폐사이클 및 칼리나사이클의 성능을 비교했다. 칼리나사이클의 효율은 성능이 가장 높은 증기생성량인 30%를 적용하였으며, 출력은 70%를 적용하여 그래프에 나타냈다. 또한 기존의 칼리나사이클의 경우 암모니아/물 혼합작동유체를 사용하기 위해 고안된 사이클인 암모니아/물 혼합물을 적용한 사이클을 해석하여 비교분석하였다.

Figure 8은 조성비에 따른 사이클 출력을 나타낸다. 사이클 출력에서는 밀폐사이클의 출력이 모든 조성비에서 높은 출력을 나타내었고, 사이클 조성비가 90:10일 때 가장 높은 출력 결과를 나타낸다. 이 또한 사이클 종류에 상관없이 터빈의 팽창비가 90:10일 때 가장 높은 팽창비를 나타냈다. 칼리나사이클 내에서 비교해보면 R32/R152a가 암모니아/물보다는 다소 낮은 출력을 나타냈으나, 90:10이하의 조성비에서는 R32/R152a가 높은 출력을 나타내는 것을 확인하였다. 90:10에서 밀폐사이클이 칼리나사이클보다 14.8%높은 성능을 보였다.

Figure 9는 조성비에 따른 사이클 효율을 나타내고 있다. 사이클 효율은 R32/R152a를 적용한 칼리나사이클이 모든 조성비에서 높은 성능을 나타내고 있다. 기존의 암모니아/물보다 높은 성능을 확인하였기 때문에 R32/R152a를 적용하는 것이 높은 성능을 낼 수 있다. 그 이유로는 R32/R152a가 낮은 출력에 비해 필요한 열교환기 용량이 작기 때문에 사이클효율이 상승하는 특성을 보였다. R32/152a, 암모니아/물 각각의 증발기 용량은 870kW, 1130kW로 R32/R152a가 암모니아/물에 비해 23%낮게 나타났다. 따라서, R32/152a는 암모니아/물 보다 8%의 성능향상을 보였다.

Figure 8:

Comparing the gross power of the closed and Kalina cycle

Figure 9:

Comparing the cycle efficiency of the closed and Kalina cycle