R-134a 랭킨사이클의 성능 해석 결과

Fig. 18은 연중 태양열 집열기의 작동유체의 토출온도, 집열기의 집열용량, 외 기온도, 그리고 일사량을 나타내고 있다. 외기온도의 경우 8월이 가장 높게 나타 난 반면 일사량과 집열기 출구온도는 10월이 769.95 W/m²와 118.4℃로 가장 높게 나타났다. 이는 8월의 경우 외기온도는 가장 높으나 잦은 소나기나 장마철의 영향 으로 일사량이 상대적으로 적기 때문이다. 또한 일사량이 증가함에 따라 집열기 출구온도와 집열열량이 함께 증가하였으며, 최대일사량을 가지는 10월에 가장 큰 집열열량인 20.4 kW를 나타냈으며 12월이 가장 작은 13.6 kW를 보였다.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -10

0 10 20 30 80 100 120 140

Mass flow rate of water = 0.03 kg/s 2 Energy (kW) or Radiation(w/m) Temperature (o C)

Month

Outlet temp. of water(SC) Solar radiation Ambient temp. Solar collector capacity

0 10 20 30 40 50 60 600 700 800 900 1000

Fig. 18 Variation of outlet temperature and heat gain of solar collector, ambient temperature, and solar radiation with different months in a year.

Fig. 19는 연중 월평균일사량과 외기온도에 따른 R-134a의 팽창기 입・출구온 도, 팽창기 토출압력, 발생동력의 변화를 보여주고 있다. 본 연구에서 해석을 위 한 기본조건으로 R-134a의 질량유량은 0.05 kg/s, 펌프 효율과 팽창기 효율은 각 각 90%, 80%로 가정하였다. Fig. 18에서 태양열 집열기에서 공급되는 열용량이 10 월이 가장 높기 때문에 10월의 R134a의 팽창기 입구온도가 76.1℃로 가장 높은 값 을 보였다. 이에 따라 10월의 팽창기 발생동력이 0.91 kW로 가장 크게 나타났다.

반면 12월의 팽창기 입구의 온도는 68.6℃로 10월에 비하여 7.5℃ 낮게 나타났으 며, 12월의 발생동력은 10월에 비하여 약 6.1% 감소하는 것을 확인하였다. 이는 집열열량의 감소로 팽창기의 입구온도가 낮아져 팽창기에서의 엔탈피 차의 감소로 인하여 팽창기의 발생동력이 작아지기 때문이다.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0

20 40 60 80

100 R134a inlet temp. of expander R134a outlet temp. of expander Expander work

m_R134a=0.05 kg/s, h_Pump=90%, h_Expander=80%

W o rk ( k W )

T e m p e ra tu re (

C )

Month

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Fig. 20은 연중 월평균일사량과 외기온도에 따라 팽창기 발생동력, 열역학1・2 법칙에 따른 효율, 증발기에서의 획득열량의 변화를 나타내고 있다. 증발기에서의 태양열 집열기로부터 전달되는 열량이 증가함에 따라 팽창기 입구로 유입되는 냉 매의 온도가 상승하여 팽창기 발생동력이 증가하는 것으로 나타났다. 집열기에서 R-134a 랭킨사이클의 집열열량이 가장 큰 10월에서의 열역학 1법칙 효율은 12.2%

로 나타났으며, 집열열량이 가장 작은 12월의 경우 11.8%로 감소하였다. 또한 열 역학 2법칙에 의한 엑서지 효율은 8월이 18.2%로 가장 낮은 1월에 비해 6.6% 높게 나타났다. 이는 엑서지 효율 식에 분모에 영향을 미치는 외기온도와 집열기의 온 도비가 1월이 가장 작기 때문이다.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0

1 2 6 8 10

E ff ic ie n c y ( % )

W o rk o r h e a t (k W )

m_R134a=0.05 kg/s, h_Pump=90%, h_Expander=80%

Month

Expander work 1^st-law efficiency Heat gain from solar collector 2^nd-law efficiency

0 5 10 15 20 25 30

Fig. 20 Variation of expander work, heat gain from solar collector, 1^st-law and 2^nd-law efficiency with different months in a year.

Fig. 21은 R-134a의 질량유량에 따른 팽창기의 발생동력, 입구온도, 그리고 열 역학 1・2법칙에 따른 효율, 증발기에서 획득열량의 변화를 나타내고 있다. 운전 조건은 열용량이 가장 높은 10월을 기준으로 하였으며, 이때 펌프 효율, 팽창기 효율은 각각 90%, 80%로 가정하였다. R-134a의 질량유량이 0.05 kg/s이상 증가할 경우 태양열 집열기에서 공급되는 작동유체와의 열 교환되는 열용량은 증가하나 R-134a의 입구조건이 상변화에 필요한 온도에 미치지 못하여 이상상태가 되며 팽 창기 발생일이 급격하게 감소하였다. 따라서 본 연구에서 설계한 시스템에서 경우 R-134a의 질량유량이 0.05 kg/s이하로 설계하여야 한다. R-134a의 질량유량이 0.03 kg/s일 때 팽창기 발생동력과 입구온도는 0.63 kW와 98.3℃, 0.05 kg/s일 때 0.87 kW와 76.1℃로 팽창기 발생동력은 약 39.4% 증가하였으며 입구온도는 22.2℃

의 차이를 보였다. 팽창기의 발생동력이 증가한 이유는 R-134a의 질량유량의 증가 로 시스템 내의 팽창기 입구에서의 온도증가와 작동유체의 질량증가로 발생동력이 증가하기 때문이다. 또한 입구온도가 감소된 이유는 R-134a의 질량유량이 증가할 수록 증발기의 단면적에 대한 R-134a의 열전달속도가 증가하기 때문이다. R-134a 의 질량유량이 증가할수록 열역학 1법칙효율은 질량유량이 0.03 kg/s에서 0.05 kg/s로 증가할수록 10.8%에서 11.2%로 0.4%증가하는 것으로 나타났으며, 열역학 2 법칙에 의한 엑서지 효율은 최대 2.1%증가하는 것으로 나타났다.

0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.0

0.5 1.05 6 7 8 9

Operating condition : October, h_pump=90%, h_expander= 80%

Expander work 1^st-law efficiency Heat from solar collecter 2^nd-law efficiency R134a inlet temp. of expander

W o rk o r h e a t (k W ) E ff ic ie n c y ( % ) o r T e m p e ra tu re (

C )

Mass flow rate (kg/s)

-5 0 5 10 15 20 60 80 100 120 140

Fig. 21 Variation of expander work, heat gain from solar collector, expander R-134a inlet temperature, 1^st-law and 2^nd-law efficiency with mass flow rate of R-134a.

Fig. 22는 팽창기 효율에 따른 팽창기의 발생동력, 출구온도, 그리고 열역학1・

2법칙에 따른 효율, 증발기에서의 획득열량의 변화를 보여주고 있다. 본 연구에서 10월의 운전조건을 기준으로 펌프효율 90%, 작동유체의 질량유량을 0.05 kg/s로 고정한 후 팽창기 효율을 70%∼90%까지 변화시켜 가며 해석을 수행하였다. 해석결 과 팽창기 효율이 70%일 때 팽창기의 출구온도와 발생동력은 각각 37.6℃와 0.79 kW, 90%일 때 각각 33.1℃와 1.1 kW로 출구온도는 4.5℃ 감소하며, 발생동력은 39.2% 증가하였다. 팽창기의 효율이 증가할수록 토출온도가 감소하는 이유는 효율 의 증가로 인하여 팽창기에서 엔탈피차가 증가하고, 이에 따라 팽창기 출구에서의 냉매의 엔탈피 감소로 이어지기 때문이다. 또한 팽창기 효율이 70%에서 90%로 증 가할수록 열역학 1법칙에 의한 효율은 팽창기 효율이 증가함에 따라 4.8%에서 6.3%까지 1.5% 증가하는 것으로 나타났다. 이는 증발기에서 얻어진 열량은 일정하 나 팽창기의 발생동력이 증가하기 때문이다. 또한 열역학 2법칙에 의한 엑서지 효 율도 팽창기 효율이 증가할수록 2.2% 증가하며, 이는 열역학 1법칙 효율의 상승과 발생동력의 증가로 팽창기의 토출온도가 감소하기 때문이다.

0.5 1.0 1.5 6.5 7.0 7.5

8.0 Expander work 1^st-law efficiency

Heat from solar collecter 2^nd-law efficiency R134a outlet temp. of expander

n c y ( % ) o r T e m p e ra tu re (

C )

W o rk o r h e a t (k W )

10 20 30 40 50