Exhaust-Gas Heat-Recovery System of Marine Diesel Engine (I) - Energy Efficiency Comparison for Working Fluids of R245fa and Water -

<학술논문>

DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2012.36.3.293

선박용 디젤엔진의 배기가스 열회수 시스템 (I)

- R245fa 및 Water 의 작동유체에 대한 에너지효율 비교 -

최 병 철

^*†

^**

* (사)한국선급 환경플랜트팀, ** 한국기계연구원 그린동력연구실

Exhaust-Gas Heat-Recovery System of Marine Diesel Engine (I)

- Energy Efficiency Comparison for Working Fluids of R245fa and Water -

Byung Chul Choi

^*†

^**

* Environment & Plant Team, Korean Register of Shipping,

** Dept. of Engine Research, Korea Institute of Machinery & Materials

(Received September 20, 2011; Revised December 21, 2011; Accepted December 26, 2011)

1. 서 론

해운 분야에서 발생되는 주요 온실가스는 이산 화탄소(CO

₂

2

2

이는 전 세계 CO

₂

⁽¹⁾

국제연합(UN) 산하의 국제해사기구(IMO)의 해양 환경보호위원회(MEPC)는 신조선 및 운항선박에서 배출되는 CO

2

⁽²⁾

₂

선박의 에너지효율을 극대화하기 위하여 선형 Key Words: Rankine Cycle(랭킨사이클), R245fa(R245fa), Water(물), Efficiency(효율)

초록: 대형 선박의 추진용 디젤엔진에서 버려지는 배기가스의 열을 회수하기 위한 랭킨사이클이 적용된 발전시스템에 대하여 R245fa 및 water 의 작동유체들에 따른 열역학적 효율 특성을 분석하였다. 그 이론 적인 계산 결과로, 고정된 질량유량의 R245fa 에 대하여 터빈입구의 압력이 증가할수록 사이클, 시스템, 및 전체적 효율이 증가하였고, 사이클에 의해 발생되는 순동력도 증가하는 특성을 보였다. 반면, water 의 경우에는 R245fa 에 비하여 더 낮은 질량유량 및 터빈입구 압력의 비율에서 최대의 시스템 효율을 보였 다. 또한 water 에 대하여 최적화된 사이클의 순출력, 시스템 효율, 및 전체적 효율의 값들은 R245fa 의 경우보다 더 크게 나타났다.

Abstract: The thermodynamic efficiency characteristics of R245fa and water as working fluids have been analyzed for the electricity generation system applying the Rankine cycle to recover the waste heat of the exhaust gas from a diesel engine for the propulsion of a large ship. The theoretical calculation results showed that the cycle, system, and total efficiencies were improved as the turbine inlet pressure was increased for R245fa at a fixed mass flow rate. In addition, the net work rate generated by the Rankine cycle was elevated with increasing turbine inlet pressure. In the case of water, however, the maximum system efficiencies were demonstrated at relatively small ratios of mass flow rate and turbine inlet pressure, respectively, compared to those of R245fa. The optimized values of the net power of the cycle, system efficiency, and total efficiency for water had relatively large values compared to those of R245fa.

† Corresponding Author, [email protected]

Ⓒ 2012 The Korean Society of Mechanical Engineers

및 추진계통 개선 등의 다양한 기술들이 개발되고 있으며, 그 중에 선박엔진의 폐열을 이용한 발전 시스템은 동력당 CO

₂

엔진의 폐열을 회수하기 위해서 물보다 끓는점 이 낮은 유기 작동유체를 사용하는 랭킨사이클을 적용한 다양한 연구가 수행되고 있다. 주로 순수 또는 혼합된 작동유체들에 대한 그 시스템의 효율 및 출력을 비교하여 최적의 작동유체를 선정하는 연구가 수행되었다.

^(3,4)

^(5,6)

본 연구에서는 대형 선박 추진용 엔진의 배기가 스를 대상으로 랭킨사이클을 적용한 열회수 발전 시스템의 이론적 모델을 살펴보았다. 그리고 작동 유체 R245fa 및 water 에 대한 압력 및 질량유량의 변화에 대하여 열역학적 효율의 특성을 비교하고 자 한다.

2. 작동유체

랭킨사이클에서 R245fa(1,1,1,3,3-pentafluoroprpane) 및 water 의 작동유체에 대하여 대표적으로 고려되는 환경 및 안전적 특성을 Table 1 에 나타냈다. 우선 R11(trichlorofluoromethane, CCl

3

₂

^(7~9)

Water 는 비가연성이고 독성을 갖지 않는다. 그 러나 R245fa 는 자발화온도 T

_ig

working fluids of R245fa and water

R245fa water(R718) Chemical formula C

3

3

5

2

ODP 0 0

GWP 950 <1

Toxicity Low None

T

ig

성을 보이나 농후 및 희박의 가연한계에 대하여 유효한 데이터는 아직 없었고, 독성이 상대적으로 약하지만 장시간 노출되었을 경우에 유해한 특성 을 지닌다.

^(7~9)

작동유체 R245fa 및 water 에 대한 온도-엔트로 피(T-s) 선도를 Fig. 1 에 나타내었다. 일반적으로 작동유체는 내부에 삽입된 그림과 같이 포화증기 선의 기울기(dT/ds)에 따라 3 가지로 분류된다. 즉, dT/ds < 0 인 경우는 water 와 같이 습한 유체, dT/ds

> 0 인 경우는 R245fa 와 같은 건조한 유체, 그리고 dT/ds = 0 인 경우는 R134a 와 같은 등엔트로피 유 체로 구분된다.

⁽¹⁰⁾

3. 이론적 모델

3.1 기본 랭킨사이클

Fig. 2 는 기본 랭킨사이클을 구성하는 펌프, 증발 기, 터빈, 및 응축기의 개략도를 나타내는 것으로서, 이에 대한 열역학적 상태도를 Fig. 3 의 온도-엔트로 피(T-s) 선도에 나타내었다. 1-2 과정에서 펌프는 액 체의 작동유체를 상태 1 에서 2 로 가압시켜서 증 발기로 공급시키는 역할을 하고, 식 (1)과 같은

Fig. 1 T-s diagram of R245fa and water

Fig. 2 Schematics of basic Rankine cycle

-4 -2 0 2 4 6 8 10

150 300 450 600 750

T [K ]

s [kJ/kg·K]

Water

T

s Wet

Isentropic Dry

Saturated vapor line

R245fa

G Turbine Heat Source

Cooling

2 3

1 4

Pump ORC

Evaporator

Condenser

out in

Fig. 3 T-s diagram for the basic Rankine cycle

ܹሶ

_p

^(11,12)

ܹሶ

_p

o

2

1

_o

1

2s

^(11,12)

η

p

2s

1

2

1

2s

2

3

3′

_e

^(11,12)

ܳሶ

_e

o

3′

2

^′

^′

3

^′

_t

^(11,12)

ܹሶ

t

o

3′

4

3′

4s

^(11,12)

η

t

3′

4

3′

4s

4

4s

4′

1

기본 랭킨사이클에 대하여 터빈과 펌프의 축일 의 차이로 생산되는 순동력 ܹሶ

_net

^(11,12)

Fig. 4 T-q diagram of the evaporator η

cyc

net

e

= (ܹሶ

t

p

e

= {݉ሶ

o

3′

4

o

2

1

o

3′

2

= {(h

3′

4

2

1

3′

2

in

݉ሶ

_in

out

in

out

2

3

3′

_2′

pp

라고 하고, T

pp

2′

pp

라고 한다.

^(3,13)

한편, 위치/운동에너지가 무시되고 유입/유출되 는 질량유동이 일정한 정상상태의 대향류 열교환 과정은 두 가지로 구성된다. 첫째, 2-2

^′

^(3,13)

݉ሶ

_in

p,in

pp

out

o

2′

2

_p,in

2

^′

^(3,13)

݉ሶ

in

p,in

in

pp

o

3

2′

_max

3 2′

2s 2

4′

1

3′

Vapor Liquid/vapor

mixture Liquid

Saturated vapor Saturated liquid

Critical point

4s

T [K ] 4 T [ K ]

q [%]

3 T _in

T _out

2

2′

∆T _pp

T _pp 3′

Heat Source

Evaporating

Superheating

Preheating

율 ܳሶ

act

^(3,13)

ܳሶ

_max

in

p,in

in

2

ܳሶ

_act

in

p,in

in

out

^(3,13)

ε = ܳሶ

act

max

= (T

in

out

in

2

_sys

⁽³⁾

η

sys

cyc

_tot

η

tot

net

f

marine diesel engine

Power Speed ݉ሶ

_f

in

_in

25 17,170 63 64.3 3,094 568 130,633 50 34,336 79 81 6,072 600 250,771 75 51,498 91 92.7 9,002 541 391,358 100 68,639 100 102 12,366 560 503,205 Table 3 Assumptions used to calculate the system

efficiency

R245fa water(R718) T

c

c

min

1

min

1

X

1

∆T

pp

η

p

η

t

3.2 열원 및 가정

Table 2 는 대형 선박에서 주 추진기관으로 사용 되는 대표적인 2 행정 저속 디젤엔진에 대하여 출 력변화에 따른 스피드, 소비연료의 질량유량 ݉ሶ

f

_in

in

⁽¹⁴⁾

p,in

연료는 ISO 8217 에서 규정하는 DMC grade 의 Bunker-A 로서, 저위발열량(LHV)은 10,063 kcal/kg 로 가정하였다. 그리고 선박 운항의 효율성을 고 려하여 단위 동력당 연료소모량(SFOC)이 약 174.8 g/kWh 로서 최소가 되는 75 %의 고정된 부하조건 에 대한 배기가스를 열원으로 선택하였다. 또한, 선박 내의 난방 및 연료 예열용 스팀을 생산하는 이코노마이저(보일러) 등, 그 배기가스를 활용하는 다양한 환경 설비들이 엔진의 후단에 설치되는데, 본 연구에서는 그러한 영향들을 제외하고 배기가 스를 직접적으로 적용하였다.

Table 3 에서 R245fa 및 water 의 작동유체에 대 하여 랭킨사이클을 이용한 폐열회수 발전시스템의 효율을 계산하기 위해서 사용한 값들을 요약하였 다. 우선, 사이클 내에 각각의 작동유체에 대해서 허용되는 압력과 온도의 범위를 설정하였다. 최대 압력 P

max

max

c

c

min

_min

min

min

작동유체에 대한 터빈의 입구압력 및 질량유량 의 가변 비율을 각각 아래의 식 (14) 및 (15)과 같 이 정의하여 사용하였다. 즉,

R

p

2

min

max

min

m

o

in

1

1

pp

또한 작동유체의 열역학적 물성치는 NIST 에 의해 개발된 REFPROP ver. 9 를 통하여 얻었으며,

⁽¹⁵⁾

⁽¹⁶⁾

₄

1

in

3′

out

2

Fig. 5 η

_cyc

sys

p

4. 결과 및 토의

4.1 압력의 변화

우선 R

m

m

p

_cyc

sys

R245fa 의 경우, R

p

_cyc

sys

는 모두 감소하는 경향을 보였다. 특히, R

P

_cyc

sys

반면에 R

_p

_p

_p

cyc

sys

Fig. 5 의 R245fa (a) 및 water (b)에 대한 대표적인 R

p

값에 따른 상태 1-2-2

^′

^′

^′

p

^′

Fig. 5 에서 상대적으로 작은 R

m

p

cyc

_p

cyc

p

의 증가에 따라 꾸준히 감소하였으며, 이에 따라 R

p

sys

Fig. 6 의 water 에 대한 T-s 선도에서 나타낸 것 과 같이, R

p

Fig. 6 T-s diagram for R245fa (left) and water (right) with R

p

하는 특성을 보인다. 특히 R

_p

^′

^′

2′

_2′

in

pp

2′

pp

p

⁽¹⁷⁾

전반적으로 R

_p

^′

4.2 질량유량의 변화

Fig. 7 은 대표적인 R

p

_m

_sys

p

_m

sys

한편, R

m

_p

^′

m

= 0.50 의 경우보다 R

m

_m

cyc

sys

0.01 0.1 1

0.01 0.1 1

0.2 0.4 0.6 0.8 0.01 1

0.1 1

0.4 0.6 0.8 1

η

η

ε

η

η

η , η c y c s y s ε ε

R _p

(a) R245fa

(b) Water R

= 0.50

R

= 0.10

0 2 4 6 8 10

0 150 300 450 600

0.90 0.50 0.10

200 400 600 800 1000

0.30 0.10 0.03 0.01 R

= 0.50 R

= 0.10

T [K ] (R 2 4 5 fa )

s [kJ/kg·K]

Water R245fa

R

R

T [K ] (W a te r)

Fig. 7 η

_sys

m

p

Fig. 8 T-s diagram for R245fa (left) and water (right) with R

m

p

Fig. 7 의 작동유체 water (b)에 대하여 전반적으 로 유효한 R

_m

p

p

Fig. 7(b)에서 R

m

_m

m

p

sys

_m

p

Water 에 대한 R

m

p

m

p

Fig. 9 ܹሶ

net

p

로 더 작은 값을 갖는다. 따라서 시스템 효율이 η

sys

_p

반면, R

m

p

sys

4.3 순동력 특성

R245fa 와 water 에 대하여 R

p

ܹሶ

_net

p

_m

net

_m

p

net

_tot

sys

out

반면, water 의 경우에는 R

p

_m

_m

p

net

_m

p

net

p

_m

= 0.20 의 경우에 ܹሶ

net

p

p

0.01 0.1 1 0.01

0.1 1

0.30 0.20 0.10 0.01

0.01 0.1 1

0.90 0.50 0.10

η s y s

R _m

(a) R245fa

(b) Water

η s y s R

R

0 2 4 6 8 10

0 150 300 450 600

0.66 0.90 0.50 0.90 0.66 0.10 0.50 0.10

200 400 600 800 1000

0.20 0.30 0.05 0.30 0.20 0.10 0.05 0.10

s [kJ/kg·K]

Water R

R

R245fa R

R

T [K ] (R 2 4 5 fa ) T [K ] (W a te r)

0.01 0.1 1

1000 2000 3000 4000 5000 6000

0.20 0.10 0.05

0.70 0.60 0.50

R _p W n e t [k W ]

Water

R245fa R

R

히, (R

m

p

net

tot

= 0.04397 의 값을 갖고, 이때의 η

sys

out

결과적으로 기본 랭킨사이클의 R

p

m

한편, 가연성이 있는 R245fa 에 대한 폭발 및 화 재 위험성을 배제시키기 위해서 배기가스와 R245fa 사이에 비가연성의 열전달 매체가 요구된 다. 따라서 중간매체의 비가역성을 고려한다면, 그 열회수율이 더 감소될 수 있다. 또한 점차 강화되 고 있는 GWP 및 독성에 대한 규제를 고려한다면, R245fa 의 작동유체를 대형 디젤엔진의 배기가스 에 대하여 랭킨사이클을 이용한 열회수 발전시스 템에 적용하기 위해서는 향후 지속적인 연구가 필 요할 것이다.

5. 결 론

선박의 주 추진용 디젤엔진의 배기가스 열회수 시스템에 대하여 랭킨사이클의 열역학적 모델을 적용하였고, R245fa 및 water 의 작동유체에 대한 에너지효율 특성을 비교 분석하였다.

그 결과, 특정한 R

m

p

_cyc

sys

tot

_net

p

m

_sys

특정한 R

_p

_m

한편, 약 R

m

p

p

_m

p

= 0.10-0.30 의 변화에 따른 그 시스템 효율의 변동 은 상대적으로 작게 나타났다.

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