유기 랭킨사이클

카르노사이클(Carnot Cycle)은 2개의 가역단열과정과 두 개의 가역등온과정으로 이루어진 열기관으로 기체를 등온팽창, 단열팽창, 등온압축, 단열압축의 순서로 처음의 상태로 복귀되는 가장 이상적인 사이클이다.

Fig. 9는 증기원동소의 일반적인 T-s선도로 보일러에서 수증기를 고온 고압으로 과열시켜 터빈에서 팽창과정을 통해 수증기의 에너지를 변환한 후 응축기를 통해 응축된다. 이상기체의 랭킨사이클에서는 팽창과정과 압축과정이 등엔트로피 과정 이며 증발기와 응축기에서는 정압과정으로 가정한다.

Fig. 10은 P-v선도로 선도내부의 면적은 변환된 에너지를 나타내며 사이클의 효 율은 내부면적의 형상이 직사각형에 가까울수록 카르노사이클에 근접해지며 높은 효율을 갖는다.

Fig. 9 T-s diagram of ideal rankine cycle.

Fig. 10 P-v diagram of ideal rankine cycle.

랭킨사이클의 열효율 증대 방법은 증발기에서 작동유체와 열교환 효율을 높이는 방법과 응축기에서 작동유체에서 방출되는 열을 감소시키는 방법이다.

Fig. 11은 응축기의 압력을 낮추어 응축기의 온도가 낮아진 경의의 T-s선도이 다. 응축기의 압력이 낮아짐에 따라 수증기의 온도가 낮아지게 되며 열의 방출되 는 온도 또한 낮아진다.

Fig. 12는 증발기에서의 열교환 효율을 증가시킬 경우의 T-s선도이다. 작동유체 인 수증기와 열교환 효율이 증가될수록 평균온도 상승 및 열용량이 증가하므로 열 효율이 상승된다.

Fig. 11 T-s diagram of water which lower condenser pressure of Rankine Cycle.

Fig. 12 T-s diagram of water which heating to high temperatures for steam of Rankine cycle.

Table 2는 미활용 열을 이용한 발전시스템의 종류와 특징을 나타내었다. HRSG (Heat recovery steam generator)는 500℃이상의 고온의 열원을 활용하여 발전하 는 시스템으로 발전효율은 30∼40%로 높게 나타나지만 수백 kW 이상의 대형플랜트 에서 활용된다. 또한 TEG(Thermoelectric generator)는 100∼400℃의 중고온 열원 을 활용하여 발전하는 시스템으로 소형 특수목적에 의한 발전을 목적으로 발전효 율은 4∼8%로 나타난다. 이에 다른 시스템에 비해 저온열원인 70∼350℃의 열원을 이용하여 발전하는 시스템으로 작동온도범위가 낮지만 발전효율이 높고 1 kW당 건 설비가 낮으며 검증이 된 실용기술이라는 장점이 있다.

종류 특성

ORC (Organic Rankine Cycle)

HRSG (Heat Recovery

Steam Generator)

TEG (Thermoelectric

Generator)

AMTEC (Alkali Metal

Thermal to Electric Converter) 적용 온도 70∼350℃ 500℃ 이상 100∼400℃ 600∼900℃

발전 효율 8∼22% 30∼40% 4∼8% 20∼30%

발전 용량 100 kW∼5

MW 수백 kW 이상 100 W∼10

kW 20 W∼∞

1 kW당

건설비 150∼250만원 - 800∼1,000만원

-설치 면적 넓음 넓음 적음 적음

Table 2 Power generation system utilizing the unused heat

2005년에 완공한 후 가동하고 있다.

유기랭킨사이클은 고온의 폐열을 활용하여 물의 상변화로 발전하는 증기원동소 (Rankine Cycle)에 비해 저온의 열원에서 보다 효과적으로 활용이 가능하며 산업 현장이나 발전소에서 버려지는 70℃ 이상의 폐열이나 냉각열을 회수하여 물보다 비등점이 낮은 유기물질을 작동유체로 하여 상변화 에너지를 발전장치를 이용하여 전기를 생산하는 시스템이다. 이미 선진국에서는 수 kW ∼수십 kW급의 유기랭킨사 이클 발전시스템의 상용화 개발이 활발하게 진행되고 있다.

유기랭킨사이클을 설계할 때 주의해야할 점은 공급열원의 조건에 따라 전력생산 시스템에 적합한 작동유체의 선정이 필요하며, 작동유체의 조건을 사이클의 성능 에 매우 큰 영향을 미친다. 또한 작동유체로는 물보다 비등점이 낮은 냉매들인 Propane, Pentane, Butane, Siloxane, Toluene, Cyclohexane, Benzene, P-xylene, HCFC-l23, R-134a, R-245fa등의 냉동공조시스템에서 사용되는 다양한 유체들이 유 기랭킨사이클의 작동유체로써 고려되어 왔으나, 최근 환경오염에 대한 관심과 규 제로 수소불화탄소(HFC: Hydro Fluoro Carbon)를 이용한 연구가 꾸준히 늘어가고 있다.

유기랭킨사이클의 응용분야는 제철, 제강 등 철강공장의 배출되는 미활용 열과 시멘트 및 제지 공장, 섬유 및 식품 가공공장, 쓰레기 소각장, 열병합발전소, 지 열발전 및 선박 배기가스 등의 미활용 열을 활용할 수 있는 장점이 있다.