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저 시-비 리- 경 지 20 한민
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공학 사 학
폐열 해 도차(WHRS)
랭킨사 클(OTEC) (ORC)
향상 한 연
A Study on the Efficiency Improvement of the Organic Rankine
Cycle for Waste Heat Recovery System(WHRS) of Ship and Ocean
Thermal Energy Conversion
지도 택
월2013 2
한 해 학 학원
시 공학과
차 상 원
本 論文 車相元 工學博士 함學位論文 認准
원 공학 사 태우 ( )
원 공학 사 ( )
원 공학 사 택 ( )
2012 월12 12
한 해 학 학 원
시 공 학 과
차 상 원
차
1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
연 경11 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
연12 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 2
동 체2 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4
본개21 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4
식22 Cycle Peng-Robinson middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5
23 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12
동 체24 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15
사25 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21
폐열 수 시스3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24
폐열 수 시스 본개31 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24
폐열 수 시스 사 클 동 체32 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 25
사 클 동 체 에 열 해 결과33 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 26
시뮬 결과34 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 46
해양 도차4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48
해양 도차 본41 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48
해양 도차 동 체42 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 49
사 클 동 체 에 열 해 결과43 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 54
시뮬 결과44 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 72
결5 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 74
- 4 -
A Study on the Efficiency Improvement of the Organic Rankine
Cycle for Waste Heat Recovery System(WHRS) of Ship and Ocean
Thermal Energy Conversion
Cha Sang Won
Department of Marine Engineering System
Graduate School of
Korea Maritime University
Abstract
Waste heat recovery system is one of ORC applied technologies Waste heat recovery
system refers to the technology that generates power by withdrawing waste heat of
industrial use or vessel and applying ORC In case of vessels this technology can generate
1MW of power with only 10 of waste heat withdrawal In addition since ORC cycle shows
10~12 efficiency in waste heat withdrawal generation if applied to industrial waste heat
withdrawal considerable amount of power can be generated
Ocean thermal energy conversion was first suggested by France JDArsonval in 1881 The
basic idea is that warm surface seawater is used to generate steam and this steam again
rotates turbine to generate power He also designed technology that condensed steam to a
liquid by drawing up deep cold water to surface This is called closed cycle Open cycle is
the opposite concept with closed cycle and for this to work warm sea water itself is
evaporated by spray flash in low pressure and produces steam This steam rotates turbine
and generate power If it is condensed wit deep water there is the advantage of producing
additional plain water However since lots of water is required to generate meaningful scale
of power and technical feasibility is not met focus is only on closed cycle yet
Distinction of these two ORC properties is a different temperature scope Waste heat power
generation uses about 160~200 degree of heat source and makes about 130~170 degree of
temperature difference to condensate water Ocean thermal energy conversion makes about
20 degree of difference Cycle efficiency according to this is currently showing about
10~12 4 Common ground of these two technology is the use of ORC and most of all
it is required to have technology that can increase cycle efficiency
Selecting working fluid is important to increase cycle efficiency Currently used working fluid
includes ammonia R22 R134a R245fa and recently known refrigerants are R1234yf and
R1234ze(E) According to this working fluid proper working fluid selection through specific
interpretation is important To enhance regeneration cycle from existing closed cycle
currently there are Kalina cycle and Uehara cycle Also turbine design technology and heat
exchanger design technology are among the important elements
For the purpose of this thesis through ORC cycle efficiency enhancement generation
efficiency can be improved To increase generation efficiency comparison analysis was
performed in terms of various specific interpretations of ORC based on working fluid specific
interpretation of ORC based on operation cycle and specific interpretation when applying
medium temperature ORC and low temperature ORC
For this interpretation through simulation was performed This is done by comparing with
experiment result to ensure the reliability of simulation result
Nomenclature
A 열 (m3)
cycle efficiency 사 클 ()
Ft 보 계수LMTD
h 엔탈피 (kJ)
m 질량 량 (kgs)
Pc 계압 (bar)
Pt 계 도 ( )
power (kW)
pressure 압 (bar)
Qin 고 열원 (kJ)
R 체상수
s 엔탈피 (kJ)
t 도 ( )
Wout 빈에 얻 (kW)
U 열 달계수 (Wm2K)
Win 프에 사 한 (kW)
Tlm 수평균 도차 ( )
- 1 -
1
연 경1
근 연료 고갈 나 경 가 심각하게 진행 는 가운 에 지 가 가
한 과 하나 다 한 후 변 에 지 공감하
에 하 한 공동 규 만들어지고 산 탄
감 고 다 우리나 는 산 탄 량 2020
망 비 상 감 하는 립하고 다 러한 에 지 해결하30
한 하나가 신재생에 지 사 에 다 신재생에 지는 엇보다도
경 고 지 가능한 고 할 다 신재생에 지
에는 태 열 지열 해 에 지 등 다 지열에 지 한
해 도차 그리고 에 지는 열원 하여 생산하는 에
하는 것 다 는 동 체 닌Organic Rankine Cycle(ORC) ORC
사 하여 사 클 하 폐사 클 에 비해(organic) (closed cycle)
낮 도차 하여 생산할 는 다[1]
는 지열 폐열 해 도차 에 는 도차가 만큼 사ORC
클 폐사 클에 비해 낮 단 빈 열
동 체가 달 지 에 새 운 계가 필 하다
하는 하나 폐열 다 폐열 산업 는ORC
지는 폐열 다시 하여 함 생산하는 말ORC
한다 경우는 지는 열원 만 하여도 할 10 1MW
는 다 한 폐열 경우 나타내고 ORC 10~12
어 산업 폐열 에 할 에 상당한 얻 것 사료 다
[2]
우리나 는 신재생에 지 보 지 할 계 다 그 신재생에2030 11
지 비 량 가 어 하 그 해 에 지는 담당하게8399MW 3081MW
다 해 에 지에는 해 도차 다 해 는
태 에 지 하여 생산하는 해 도차 한 해 도차
다[3]
해 는 태 에 지는 551x1012 그 에 만 해 도차kW 2
에 할 다 가 가 한 것 할 다 가 량 1 kW
한 계 에 지 에 달하는 것 다 특2000 100
우리나 는 다 러싸여 해 심 는 하 심 에는3 800m 4
하 지하고 고 심 차 가 상 날 연간 20
도가 어 한 경 가지고 다260 [4]
- 2 -
해 도차 프 에 해 었다 본 생각1881 JDArsonval
한 해 가 생시키는 사 고 그 는 빈 시
생산할 다 그리고 차가운 심 끌어 다시 체
시키는 고 해 냈다 폐사 클 한다 에 해 개 사 클
는 한 해 체가 에 어 생산한다(open cycle)
가 빈 시 생산하고 심 하여 시키 담 도
가 생산할 는 다 그러나 큰 규 생산하 해 는
많 어 타당 직 하여 폐사 클에 집 어 다
[5]
연2
폐열 열원 하여 도차 가160~200 130~17
도가 는 해 도차 경우에는 차 가 난다 에0 20
사 클 재 나타내고 다 공통 는10~12 4 ORC
사 한다는 엇보다 사 클 는 어 지고
다[6][7]
핵심 는 크게 나눠진다 첫 째는 동 체 다 동ORC 4
체는 에 큰 향 미 다 에 사 어지는 동 체 는 니ORC R22
가 근에 지는 냉매 는 가 다R134a R245fa R1234yf R1234ze(E)
동 체 어떻게 사 하느냐에 사 클에 크게 향 미 다 째 는 빈
계 다 폐사 클에 사 하는 빈에 비해 에 사 하는 동 체는 ORC
상 하다 빈 계에 얻 는 한 크게 우 다
과 등 가 사 클 규 에radial turbine axial turbine
한 계가 필 하다 째 열 계 다 열 는 shell amp tube
열 가 다 하지만 열 는 피도 클 뿐만 니 열 도 plate
에 비해 낮다 열 에 하 한 엇보type plate type ORC
다 필 하다 마지막 사 클 다 본 진 사 클 는 폐사
클 다 한 폐사 클 한 재생사 클 (regeneration cycle)
는 는 빈에 들어간 동 체 재 하여 열 통과시킴
열 과 통한 사 클 보고 다 한 사 클 에도 니
동 체 한 리나사 클 우에하 사 클 (Kalina cycle)
다 역시 사 클 낮 해 고 것 다(Uehara cycle)
[8][9]
본 연 에 는 향상 통해 는 본ORC ORC
개 식 사 클 동 체 사 에 해Peng-Robineson ORC
- 3 -
연 하 폐열 해 도차 에 하는 사 클과 동 체
동 체에 다 한 특 해 동사 클에 특 해 에 ORC ORC
해 하 다 재 사 하고 는 시뮬 Aspentech HYSYS 73
하여 시뮬 시행하 시뮬 타당 검 하 해
실험결과 비 하여 타당 하 다
- 4 -
동 체2 ORC
본개21 ORC
Fig2-1 A kind of the thermodynamic power cycle
Fig2-2 Diagram of the Rankine Cycle
계 상태가 여러과 거쳐 변 하는 과 상태 돌 는 것 한 사 클
거쳤다고 한다 열역학에 는(cycle) Fig2-1 thermodynamic power cycle
나타낸다 것 열원 도에 사 클 보여 다 Rankine
- 5 -
우리가Brayton Stirling Otto Diesel central station steam rankine
고 는 역 역 는 것rankine cycle steam and organic rankine
다[10]
는 랭킨사 클 개 단열변 개 등 변 는 사 클Fig2-2 2 2
동 체가 체 상변 하여 한 사 클 하는 사 클 다 는
사 클 고 리 도 하는 에 프 단열 보 러 ( )
는 과열 등 가열 빈 단열 창 복 등 열 각 에 랭킨 사 클( ) ( ) ( )
어 다
랭킨사 클 동 체 는 사 한다 끓는(working fluid) (water)
에 에 끓는 체 다 프 통해 상승하여 보 러 통과100
하여 변하고 는 빈 시 열에 지에 운동에 지 변한다
얻게 고 다시 는 통과하여 체상태 변하는 사 클
갖게 다 건 포 상 만들 해 는 고 열원
필 하게 다 사 하는 보 러 경우는 고 열원 만들 에는
하다 하지만 늘날 주 고 는 지열에 지 폐열 에 지 해 에 지 경
우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는
한 건 포 상태 가 없다 여 만들어진 사 클 다 는 ORC ORC
태 열연 과 에 해 만들어 진 사 클1961 Harry Zvi Tabor Lucien Bronicki
다 랭킨사 클과 같 사 하는 동 체가 에 체 뀐
것 다 체는 보다 비등 낮 에 상 낮 도에 도
가능하여 낮 도 에 리한 사 클 다 [11]
식22 Cycle Peng-Robinson
본 에 사 한 사 클 에 한 식들 개하고 한다 가 Fig2-3
본 는 랭킨사 클 도 나타낸다 동 체 프 에 해 동 체TS (pump)
는 상태 변하게 다 그리고 과열 에 해1-gt2 Qin 열량 얻어 2-gt3
도가 상승하여 엔트 피가 가한다 건 포 가 동 체는 엔트 피가 감 하
하여 변하게 고 빈 통과한 동 체는 지나W 3-gt4
엔트 피가 다시 감 하게 는 과 한 사 클 한다4-gt1
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
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가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
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가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 2
공학 사 학
폐열 해 도차(WHRS)
랭킨사 클(OTEC) (ORC)
향상 한 연
A Study on the Efficiency Improvement of the Organic Rankine
Cycle for Waste Heat Recovery System(WHRS) of Ship and Ocean
Thermal Energy Conversion
지도 택
월2013 2
한 해 학 학원
시 공학과
차 상 원
本 論文 車相元 工學博士 함學位論文 認准
원 공학 사 태우 ( )
원 공학 사 ( )
원 공학 사 택 ( )
2012 월12 12
한 해 학 학 원
시 공 학 과
차 상 원
차
1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
연 경11 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
연12 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 2
동 체2 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4
본개21 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4
식22 Cycle Peng-Robinson middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5
23 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12
동 체24 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15
사25 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21
폐열 수 시스3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24
폐열 수 시스 본개31 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24
폐열 수 시스 사 클 동 체32 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 25
사 클 동 체 에 열 해 결과33 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 26
시뮬 결과34 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 46
해양 도차4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48
해양 도차 본41 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48
해양 도차 동 체42 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 49
사 클 동 체 에 열 해 결과43 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 54
시뮬 결과44 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 72
결5 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 74
- 4 -
A Study on the Efficiency Improvement of the Organic Rankine
Cycle for Waste Heat Recovery System(WHRS) of Ship and Ocean
Thermal Energy Conversion
Cha Sang Won
Department of Marine Engineering System
Graduate School of
Korea Maritime University
Abstract
Waste heat recovery system is one of ORC applied technologies Waste heat recovery
system refers to the technology that generates power by withdrawing waste heat of
industrial use or vessel and applying ORC In case of vessels this technology can generate
1MW of power with only 10 of waste heat withdrawal In addition since ORC cycle shows
10~12 efficiency in waste heat withdrawal generation if applied to industrial waste heat
withdrawal considerable amount of power can be generated
Ocean thermal energy conversion was first suggested by France JDArsonval in 1881 The
basic idea is that warm surface seawater is used to generate steam and this steam again
rotates turbine to generate power He also designed technology that condensed steam to a
liquid by drawing up deep cold water to surface This is called closed cycle Open cycle is
the opposite concept with closed cycle and for this to work warm sea water itself is
evaporated by spray flash in low pressure and produces steam This steam rotates turbine
and generate power If it is condensed wit deep water there is the advantage of producing
additional plain water However since lots of water is required to generate meaningful scale
of power and technical feasibility is not met focus is only on closed cycle yet
Distinction of these two ORC properties is a different temperature scope Waste heat power
generation uses about 160~200 degree of heat source and makes about 130~170 degree of
temperature difference to condensate water Ocean thermal energy conversion makes about
20 degree of difference Cycle efficiency according to this is currently showing about
10~12 4 Common ground of these two technology is the use of ORC and most of all
it is required to have technology that can increase cycle efficiency
Selecting working fluid is important to increase cycle efficiency Currently used working fluid
includes ammonia R22 R134a R245fa and recently known refrigerants are R1234yf and
R1234ze(E) According to this working fluid proper working fluid selection through specific
interpretation is important To enhance regeneration cycle from existing closed cycle
currently there are Kalina cycle and Uehara cycle Also turbine design technology and heat
exchanger design technology are among the important elements
For the purpose of this thesis through ORC cycle efficiency enhancement generation
efficiency can be improved To increase generation efficiency comparison analysis was
performed in terms of various specific interpretations of ORC based on working fluid specific
interpretation of ORC based on operation cycle and specific interpretation when applying
medium temperature ORC and low temperature ORC
For this interpretation through simulation was performed This is done by comparing with
experiment result to ensure the reliability of simulation result
Nomenclature
A 열 (m3)
cycle efficiency 사 클 ()
Ft 보 계수LMTD
h 엔탈피 (kJ)
m 질량 량 (kgs)
Pc 계압 (bar)
Pt 계 도 ( )
power (kW)
pressure 압 (bar)
Qin 고 열원 (kJ)
R 체상수
s 엔탈피 (kJ)
t 도 ( )
Wout 빈에 얻 (kW)
U 열 달계수 (Wm2K)
Win 프에 사 한 (kW)
Tlm 수평균 도차 ( )
- 1 -
1
연 경1
근 연료 고갈 나 경 가 심각하게 진행 는 가운 에 지 가 가
한 과 하나 다 한 후 변 에 지 공감하
에 하 한 공동 규 만들어지고 산 탄
감 고 다 우리나 는 산 탄 량 2020
망 비 상 감 하는 립하고 다 러한 에 지 해결하30
한 하나가 신재생에 지 사 에 다 신재생에 지는 엇보다도
경 고 지 가능한 고 할 다 신재생에 지
에는 태 열 지열 해 에 지 등 다 지열에 지 한
해 도차 그리고 에 지는 열원 하여 생산하는 에
하는 것 다 는 동 체 닌Organic Rankine Cycle(ORC) ORC
사 하여 사 클 하 폐사 클 에 비해(organic) (closed cycle)
낮 도차 하여 생산할 는 다[1]
는 지열 폐열 해 도차 에 는 도차가 만큼 사ORC
클 폐사 클에 비해 낮 단 빈 열
동 체가 달 지 에 새 운 계가 필 하다
하는 하나 폐열 다 폐열 산업 는ORC
지는 폐열 다시 하여 함 생산하는 말ORC
한다 경우는 지는 열원 만 하여도 할 10 1MW
는 다 한 폐열 경우 나타내고 ORC 10~12
어 산업 폐열 에 할 에 상당한 얻 것 사료 다
[2]
우리나 는 신재생에 지 보 지 할 계 다 그 신재생에2030 11
지 비 량 가 어 하 그 해 에 지는 담당하게8399MW 3081MW
다 해 에 지에는 해 도차 다 해 는
태 에 지 하여 생산하는 해 도차 한 해 도차
다[3]
해 는 태 에 지는 551x1012 그 에 만 해 도차kW 2
에 할 다 가 가 한 것 할 다 가 량 1 kW
한 계 에 지 에 달하는 것 다 특2000 100
우리나 는 다 러싸여 해 심 는 하 심 에는3 800m 4
하 지하고 고 심 차 가 상 날 연간 20
도가 어 한 경 가지고 다260 [4]
- 2 -
해 도차 프 에 해 었다 본 생각1881 JDArsonval
한 해 가 생시키는 사 고 그 는 빈 시
생산할 다 그리고 차가운 심 끌어 다시 체
시키는 고 해 냈다 폐사 클 한다 에 해 개 사 클
는 한 해 체가 에 어 생산한다(open cycle)
가 빈 시 생산하고 심 하여 시키 담 도
가 생산할 는 다 그러나 큰 규 생산하 해 는
많 어 타당 직 하여 폐사 클에 집 어 다
[5]
연2
폐열 열원 하여 도차 가160~200 130~17
도가 는 해 도차 경우에는 차 가 난다 에0 20
사 클 재 나타내고 다 공통 는10~12 4 ORC
사 한다는 엇보다 사 클 는 어 지고
다[6][7]
핵심 는 크게 나눠진다 첫 째는 동 체 다 동ORC 4
체는 에 큰 향 미 다 에 사 어지는 동 체 는 니ORC R22
가 근에 지는 냉매 는 가 다R134a R245fa R1234yf R1234ze(E)
동 체 어떻게 사 하느냐에 사 클에 크게 향 미 다 째 는 빈
계 다 폐사 클에 사 하는 빈에 비해 에 사 하는 동 체는 ORC
상 하다 빈 계에 얻 는 한 크게 우 다
과 등 가 사 클 규 에radial turbine axial turbine
한 계가 필 하다 째 열 계 다 열 는 shell amp tube
열 가 다 하지만 열 는 피도 클 뿐만 니 열 도 plate
에 비해 낮다 열 에 하 한 엇보type plate type ORC
다 필 하다 마지막 사 클 다 본 진 사 클 는 폐사
클 다 한 폐사 클 한 재생사 클 (regeneration cycle)
는 는 빈에 들어간 동 체 재 하여 열 통과시킴
열 과 통한 사 클 보고 다 한 사 클 에도 니
동 체 한 리나사 클 우에하 사 클 (Kalina cycle)
다 역시 사 클 낮 해 고 것 다(Uehara cycle)
[8][9]
본 연 에 는 향상 통해 는 본ORC ORC
개 식 사 클 동 체 사 에 해Peng-Robineson ORC
- 3 -
연 하 폐열 해 도차 에 하는 사 클과 동 체
동 체에 다 한 특 해 동사 클에 특 해 에 ORC ORC
해 하 다 재 사 하고 는 시뮬 Aspentech HYSYS 73
하여 시뮬 시행하 시뮬 타당 검 하 해
실험결과 비 하여 타당 하 다
- 4 -
동 체2 ORC
본개21 ORC
Fig2-1 A kind of the thermodynamic power cycle
Fig2-2 Diagram of the Rankine Cycle
계 상태가 여러과 거쳐 변 하는 과 상태 돌 는 것 한 사 클
거쳤다고 한다 열역학에 는(cycle) Fig2-1 thermodynamic power cycle
나타낸다 것 열원 도에 사 클 보여 다 Rankine
- 5 -
우리가Brayton Stirling Otto Diesel central station steam rankine
고 는 역 역 는 것rankine cycle steam and organic rankine
다[10]
는 랭킨사 클 개 단열변 개 등 변 는 사 클Fig2-2 2 2
동 체가 체 상변 하여 한 사 클 하는 사 클 다 는
사 클 고 리 도 하는 에 프 단열 보 러 ( )
는 과열 등 가열 빈 단열 창 복 등 열 각 에 랭킨 사 클( ) ( ) ( )
어 다
랭킨사 클 동 체 는 사 한다 끓는(working fluid) (water)
에 에 끓는 체 다 프 통해 상승하여 보 러 통과100
하여 변하고 는 빈 시 열에 지에 운동에 지 변한다
얻게 고 다시 는 통과하여 체상태 변하는 사 클
갖게 다 건 포 상 만들 해 는 고 열원
필 하게 다 사 하는 보 러 경우는 고 열원 만들 에는
하다 하지만 늘날 주 고 는 지열에 지 폐열 에 지 해 에 지 경
우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는
한 건 포 상태 가 없다 여 만들어진 사 클 다 는 ORC ORC
태 열연 과 에 해 만들어 진 사 클1961 Harry Zvi Tabor Lucien Bronicki
다 랭킨사 클과 같 사 하는 동 체가 에 체 뀐
것 다 체는 보다 비등 낮 에 상 낮 도에 도
가능하여 낮 도 에 리한 사 클 다 [11]
식22 Cycle Peng-Robinson
본 에 사 한 사 클 에 한 식들 개하고 한다 가 Fig2-3
본 는 랭킨사 클 도 나타낸다 동 체 프 에 해 동 체TS (pump)
는 상태 변하게 다 그리고 과열 에 해1-gt2 Qin 열량 얻어 2-gt3
도가 상승하여 엔트 피가 가한다 건 포 가 동 체는 엔트 피가 감 하
하여 변하게 고 빈 통과한 동 체는 지나W 3-gt4
엔트 피가 다시 감 하게 는 과 한 사 클 한다4-gt1
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 3
本 論文 車相元 工學博士 함學位論文 認准
원 공학 사 태우 ( )
원 공학 사 ( )
원 공학 사 택 ( )
2012 월12 12
한 해 학 학 원
시 공 학 과
차 상 원
차
1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
연 경11 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
연12 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 2
동 체2 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4
본개21 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4
식22 Cycle Peng-Robinson middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5
23 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12
동 체24 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15
사25 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21
폐열 수 시스3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24
폐열 수 시스 본개31 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24
폐열 수 시스 사 클 동 체32 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 25
사 클 동 체 에 열 해 결과33 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 26
시뮬 결과34 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 46
해양 도차4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48
해양 도차 본41 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48
해양 도차 동 체42 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 49
사 클 동 체 에 열 해 결과43 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 54
시뮬 결과44 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 72
결5 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 74
- 4 -
A Study on the Efficiency Improvement of the Organic Rankine
Cycle for Waste Heat Recovery System(WHRS) of Ship and Ocean
Thermal Energy Conversion
Cha Sang Won
Department of Marine Engineering System
Graduate School of
Korea Maritime University
Abstract
Waste heat recovery system is one of ORC applied technologies Waste heat recovery
system refers to the technology that generates power by withdrawing waste heat of
industrial use or vessel and applying ORC In case of vessels this technology can generate
1MW of power with only 10 of waste heat withdrawal In addition since ORC cycle shows
10~12 efficiency in waste heat withdrawal generation if applied to industrial waste heat
withdrawal considerable amount of power can be generated
Ocean thermal energy conversion was first suggested by France JDArsonval in 1881 The
basic idea is that warm surface seawater is used to generate steam and this steam again
rotates turbine to generate power He also designed technology that condensed steam to a
liquid by drawing up deep cold water to surface This is called closed cycle Open cycle is
the opposite concept with closed cycle and for this to work warm sea water itself is
evaporated by spray flash in low pressure and produces steam This steam rotates turbine
and generate power If it is condensed wit deep water there is the advantage of producing
additional plain water However since lots of water is required to generate meaningful scale
of power and technical feasibility is not met focus is only on closed cycle yet
Distinction of these two ORC properties is a different temperature scope Waste heat power
generation uses about 160~200 degree of heat source and makes about 130~170 degree of
temperature difference to condensate water Ocean thermal energy conversion makes about
20 degree of difference Cycle efficiency according to this is currently showing about
10~12 4 Common ground of these two technology is the use of ORC and most of all
it is required to have technology that can increase cycle efficiency
Selecting working fluid is important to increase cycle efficiency Currently used working fluid
includes ammonia R22 R134a R245fa and recently known refrigerants are R1234yf and
R1234ze(E) According to this working fluid proper working fluid selection through specific
interpretation is important To enhance regeneration cycle from existing closed cycle
currently there are Kalina cycle and Uehara cycle Also turbine design technology and heat
exchanger design technology are among the important elements
For the purpose of this thesis through ORC cycle efficiency enhancement generation
efficiency can be improved To increase generation efficiency comparison analysis was
performed in terms of various specific interpretations of ORC based on working fluid specific
interpretation of ORC based on operation cycle and specific interpretation when applying
medium temperature ORC and low temperature ORC
For this interpretation through simulation was performed This is done by comparing with
experiment result to ensure the reliability of simulation result
Nomenclature
A 열 (m3)
cycle efficiency 사 클 ()
Ft 보 계수LMTD
h 엔탈피 (kJ)
m 질량 량 (kgs)
Pc 계압 (bar)
Pt 계 도 ( )
power (kW)
pressure 압 (bar)
Qin 고 열원 (kJ)
R 체상수
s 엔탈피 (kJ)
t 도 ( )
Wout 빈에 얻 (kW)
U 열 달계수 (Wm2K)
Win 프에 사 한 (kW)
Tlm 수평균 도차 ( )
- 1 -
1
연 경1
근 연료 고갈 나 경 가 심각하게 진행 는 가운 에 지 가 가
한 과 하나 다 한 후 변 에 지 공감하
에 하 한 공동 규 만들어지고 산 탄
감 고 다 우리나 는 산 탄 량 2020
망 비 상 감 하는 립하고 다 러한 에 지 해결하30
한 하나가 신재생에 지 사 에 다 신재생에 지는 엇보다도
경 고 지 가능한 고 할 다 신재생에 지
에는 태 열 지열 해 에 지 등 다 지열에 지 한
해 도차 그리고 에 지는 열원 하여 생산하는 에
하는 것 다 는 동 체 닌Organic Rankine Cycle(ORC) ORC
사 하여 사 클 하 폐사 클 에 비해(organic) (closed cycle)
낮 도차 하여 생산할 는 다[1]
는 지열 폐열 해 도차 에 는 도차가 만큼 사ORC
클 폐사 클에 비해 낮 단 빈 열
동 체가 달 지 에 새 운 계가 필 하다
하는 하나 폐열 다 폐열 산업 는ORC
지는 폐열 다시 하여 함 생산하는 말ORC
한다 경우는 지는 열원 만 하여도 할 10 1MW
는 다 한 폐열 경우 나타내고 ORC 10~12
어 산업 폐열 에 할 에 상당한 얻 것 사료 다
[2]
우리나 는 신재생에 지 보 지 할 계 다 그 신재생에2030 11
지 비 량 가 어 하 그 해 에 지는 담당하게8399MW 3081MW
다 해 에 지에는 해 도차 다 해 는
태 에 지 하여 생산하는 해 도차 한 해 도차
다[3]
해 는 태 에 지는 551x1012 그 에 만 해 도차kW 2
에 할 다 가 가 한 것 할 다 가 량 1 kW
한 계 에 지 에 달하는 것 다 특2000 100
우리나 는 다 러싸여 해 심 는 하 심 에는3 800m 4
하 지하고 고 심 차 가 상 날 연간 20
도가 어 한 경 가지고 다260 [4]
- 2 -
해 도차 프 에 해 었다 본 생각1881 JDArsonval
한 해 가 생시키는 사 고 그 는 빈 시
생산할 다 그리고 차가운 심 끌어 다시 체
시키는 고 해 냈다 폐사 클 한다 에 해 개 사 클
는 한 해 체가 에 어 생산한다(open cycle)
가 빈 시 생산하고 심 하여 시키 담 도
가 생산할 는 다 그러나 큰 규 생산하 해 는
많 어 타당 직 하여 폐사 클에 집 어 다
[5]
연2
폐열 열원 하여 도차 가160~200 130~17
도가 는 해 도차 경우에는 차 가 난다 에0 20
사 클 재 나타내고 다 공통 는10~12 4 ORC
사 한다는 엇보다 사 클 는 어 지고
다[6][7]
핵심 는 크게 나눠진다 첫 째는 동 체 다 동ORC 4
체는 에 큰 향 미 다 에 사 어지는 동 체 는 니ORC R22
가 근에 지는 냉매 는 가 다R134a R245fa R1234yf R1234ze(E)
동 체 어떻게 사 하느냐에 사 클에 크게 향 미 다 째 는 빈
계 다 폐사 클에 사 하는 빈에 비해 에 사 하는 동 체는 ORC
상 하다 빈 계에 얻 는 한 크게 우 다
과 등 가 사 클 규 에radial turbine axial turbine
한 계가 필 하다 째 열 계 다 열 는 shell amp tube
열 가 다 하지만 열 는 피도 클 뿐만 니 열 도 plate
에 비해 낮다 열 에 하 한 엇보type plate type ORC
다 필 하다 마지막 사 클 다 본 진 사 클 는 폐사
클 다 한 폐사 클 한 재생사 클 (regeneration cycle)
는 는 빈에 들어간 동 체 재 하여 열 통과시킴
열 과 통한 사 클 보고 다 한 사 클 에도 니
동 체 한 리나사 클 우에하 사 클 (Kalina cycle)
다 역시 사 클 낮 해 고 것 다(Uehara cycle)
[8][9]
본 연 에 는 향상 통해 는 본ORC ORC
개 식 사 클 동 체 사 에 해Peng-Robineson ORC
- 3 -
연 하 폐열 해 도차 에 하는 사 클과 동 체
동 체에 다 한 특 해 동사 클에 특 해 에 ORC ORC
해 하 다 재 사 하고 는 시뮬 Aspentech HYSYS 73
하여 시뮬 시행하 시뮬 타당 검 하 해
실험결과 비 하여 타당 하 다
- 4 -
동 체2 ORC
본개21 ORC
Fig2-1 A kind of the thermodynamic power cycle
Fig2-2 Diagram of the Rankine Cycle
계 상태가 여러과 거쳐 변 하는 과 상태 돌 는 것 한 사 클
거쳤다고 한다 열역학에 는(cycle) Fig2-1 thermodynamic power cycle
나타낸다 것 열원 도에 사 클 보여 다 Rankine
- 5 -
우리가Brayton Stirling Otto Diesel central station steam rankine
고 는 역 역 는 것rankine cycle steam and organic rankine
다[10]
는 랭킨사 클 개 단열변 개 등 변 는 사 클Fig2-2 2 2
동 체가 체 상변 하여 한 사 클 하는 사 클 다 는
사 클 고 리 도 하는 에 프 단열 보 러 ( )
는 과열 등 가열 빈 단열 창 복 등 열 각 에 랭킨 사 클( ) ( ) ( )
어 다
랭킨사 클 동 체 는 사 한다 끓는(working fluid) (water)
에 에 끓는 체 다 프 통해 상승하여 보 러 통과100
하여 변하고 는 빈 시 열에 지에 운동에 지 변한다
얻게 고 다시 는 통과하여 체상태 변하는 사 클
갖게 다 건 포 상 만들 해 는 고 열원
필 하게 다 사 하는 보 러 경우는 고 열원 만들 에는
하다 하지만 늘날 주 고 는 지열에 지 폐열 에 지 해 에 지 경
우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는
한 건 포 상태 가 없다 여 만들어진 사 클 다 는 ORC ORC
태 열연 과 에 해 만들어 진 사 클1961 Harry Zvi Tabor Lucien Bronicki
다 랭킨사 클과 같 사 하는 동 체가 에 체 뀐
것 다 체는 보다 비등 낮 에 상 낮 도에 도
가능하여 낮 도 에 리한 사 클 다 [11]
식22 Cycle Peng-Robinson
본 에 사 한 사 클 에 한 식들 개하고 한다 가 Fig2-3
본 는 랭킨사 클 도 나타낸다 동 체 프 에 해 동 체TS (pump)
는 상태 변하게 다 그리고 과열 에 해1-gt2 Qin 열량 얻어 2-gt3
도가 상승하여 엔트 피가 가한다 건 포 가 동 체는 엔트 피가 감 하
하여 변하게 고 빈 통과한 동 체는 지나W 3-gt4
엔트 피가 다시 감 하게 는 과 한 사 클 한다4-gt1
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 4
차
1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
연 경11 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
연12 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 2
동 체2 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4
본개21 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4
식22 Cycle Peng-Robinson middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5
23 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12
동 체24 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15
사25 ORC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21
폐열 수 시스3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24
폐열 수 시스 본개31 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24
폐열 수 시스 사 클 동 체32 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 25
사 클 동 체 에 열 해 결과33 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 26
시뮬 결과34 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 46
해양 도차4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48
해양 도차 본41 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48
해양 도차 동 체42 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 49
사 클 동 체 에 열 해 결과43 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 54
시뮬 결과44 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 72
결5 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 74
- 4 -
A Study on the Efficiency Improvement of the Organic Rankine
Cycle for Waste Heat Recovery System(WHRS) of Ship and Ocean
Thermal Energy Conversion
Cha Sang Won
Department of Marine Engineering System
Graduate School of
Korea Maritime University
Abstract
Waste heat recovery system is one of ORC applied technologies Waste heat recovery
system refers to the technology that generates power by withdrawing waste heat of
industrial use or vessel and applying ORC In case of vessels this technology can generate
1MW of power with only 10 of waste heat withdrawal In addition since ORC cycle shows
10~12 efficiency in waste heat withdrawal generation if applied to industrial waste heat
withdrawal considerable amount of power can be generated
Ocean thermal energy conversion was first suggested by France JDArsonval in 1881 The
basic idea is that warm surface seawater is used to generate steam and this steam again
rotates turbine to generate power He also designed technology that condensed steam to a
liquid by drawing up deep cold water to surface This is called closed cycle Open cycle is
the opposite concept with closed cycle and for this to work warm sea water itself is
evaporated by spray flash in low pressure and produces steam This steam rotates turbine
and generate power If it is condensed wit deep water there is the advantage of producing
additional plain water However since lots of water is required to generate meaningful scale
of power and technical feasibility is not met focus is only on closed cycle yet
Distinction of these two ORC properties is a different temperature scope Waste heat power
generation uses about 160~200 degree of heat source and makes about 130~170 degree of
temperature difference to condensate water Ocean thermal energy conversion makes about
20 degree of difference Cycle efficiency according to this is currently showing about
10~12 4 Common ground of these two technology is the use of ORC and most of all
it is required to have technology that can increase cycle efficiency
Selecting working fluid is important to increase cycle efficiency Currently used working fluid
includes ammonia R22 R134a R245fa and recently known refrigerants are R1234yf and
R1234ze(E) According to this working fluid proper working fluid selection through specific
interpretation is important To enhance regeneration cycle from existing closed cycle
currently there are Kalina cycle and Uehara cycle Also turbine design technology and heat
exchanger design technology are among the important elements
For the purpose of this thesis through ORC cycle efficiency enhancement generation
efficiency can be improved To increase generation efficiency comparison analysis was
performed in terms of various specific interpretations of ORC based on working fluid specific
interpretation of ORC based on operation cycle and specific interpretation when applying
medium temperature ORC and low temperature ORC
For this interpretation through simulation was performed This is done by comparing with
experiment result to ensure the reliability of simulation result
Nomenclature
A 열 (m3)
cycle efficiency 사 클 ()
Ft 보 계수LMTD
h 엔탈피 (kJ)
m 질량 량 (kgs)
Pc 계압 (bar)
Pt 계 도 ( )
power (kW)
pressure 압 (bar)
Qin 고 열원 (kJ)
R 체상수
s 엔탈피 (kJ)
t 도 ( )
Wout 빈에 얻 (kW)
U 열 달계수 (Wm2K)
Win 프에 사 한 (kW)
Tlm 수평균 도차 ( )
- 1 -
1
연 경1
근 연료 고갈 나 경 가 심각하게 진행 는 가운 에 지 가 가
한 과 하나 다 한 후 변 에 지 공감하
에 하 한 공동 규 만들어지고 산 탄
감 고 다 우리나 는 산 탄 량 2020
망 비 상 감 하는 립하고 다 러한 에 지 해결하30
한 하나가 신재생에 지 사 에 다 신재생에 지는 엇보다도
경 고 지 가능한 고 할 다 신재생에 지
에는 태 열 지열 해 에 지 등 다 지열에 지 한
해 도차 그리고 에 지는 열원 하여 생산하는 에
하는 것 다 는 동 체 닌Organic Rankine Cycle(ORC) ORC
사 하여 사 클 하 폐사 클 에 비해(organic) (closed cycle)
낮 도차 하여 생산할 는 다[1]
는 지열 폐열 해 도차 에 는 도차가 만큼 사ORC
클 폐사 클에 비해 낮 단 빈 열
동 체가 달 지 에 새 운 계가 필 하다
하는 하나 폐열 다 폐열 산업 는ORC
지는 폐열 다시 하여 함 생산하는 말ORC
한다 경우는 지는 열원 만 하여도 할 10 1MW
는 다 한 폐열 경우 나타내고 ORC 10~12
어 산업 폐열 에 할 에 상당한 얻 것 사료 다
[2]
우리나 는 신재생에 지 보 지 할 계 다 그 신재생에2030 11
지 비 량 가 어 하 그 해 에 지는 담당하게8399MW 3081MW
다 해 에 지에는 해 도차 다 해 는
태 에 지 하여 생산하는 해 도차 한 해 도차
다[3]
해 는 태 에 지는 551x1012 그 에 만 해 도차kW 2
에 할 다 가 가 한 것 할 다 가 량 1 kW
한 계 에 지 에 달하는 것 다 특2000 100
우리나 는 다 러싸여 해 심 는 하 심 에는3 800m 4
하 지하고 고 심 차 가 상 날 연간 20
도가 어 한 경 가지고 다260 [4]
- 2 -
해 도차 프 에 해 었다 본 생각1881 JDArsonval
한 해 가 생시키는 사 고 그 는 빈 시
생산할 다 그리고 차가운 심 끌어 다시 체
시키는 고 해 냈다 폐사 클 한다 에 해 개 사 클
는 한 해 체가 에 어 생산한다(open cycle)
가 빈 시 생산하고 심 하여 시키 담 도
가 생산할 는 다 그러나 큰 규 생산하 해 는
많 어 타당 직 하여 폐사 클에 집 어 다
[5]
연2
폐열 열원 하여 도차 가160~200 130~17
도가 는 해 도차 경우에는 차 가 난다 에0 20
사 클 재 나타내고 다 공통 는10~12 4 ORC
사 한다는 엇보다 사 클 는 어 지고
다[6][7]
핵심 는 크게 나눠진다 첫 째는 동 체 다 동ORC 4
체는 에 큰 향 미 다 에 사 어지는 동 체 는 니ORC R22
가 근에 지는 냉매 는 가 다R134a R245fa R1234yf R1234ze(E)
동 체 어떻게 사 하느냐에 사 클에 크게 향 미 다 째 는 빈
계 다 폐사 클에 사 하는 빈에 비해 에 사 하는 동 체는 ORC
상 하다 빈 계에 얻 는 한 크게 우 다
과 등 가 사 클 규 에radial turbine axial turbine
한 계가 필 하다 째 열 계 다 열 는 shell amp tube
열 가 다 하지만 열 는 피도 클 뿐만 니 열 도 plate
에 비해 낮다 열 에 하 한 엇보type plate type ORC
다 필 하다 마지막 사 클 다 본 진 사 클 는 폐사
클 다 한 폐사 클 한 재생사 클 (regeneration cycle)
는 는 빈에 들어간 동 체 재 하여 열 통과시킴
열 과 통한 사 클 보고 다 한 사 클 에도 니
동 체 한 리나사 클 우에하 사 클 (Kalina cycle)
다 역시 사 클 낮 해 고 것 다(Uehara cycle)
[8][9]
본 연 에 는 향상 통해 는 본ORC ORC
개 식 사 클 동 체 사 에 해Peng-Robineson ORC
- 3 -
연 하 폐열 해 도차 에 하는 사 클과 동 체
동 체에 다 한 특 해 동사 클에 특 해 에 ORC ORC
해 하 다 재 사 하고 는 시뮬 Aspentech HYSYS 73
하여 시뮬 시행하 시뮬 타당 검 하 해
실험결과 비 하여 타당 하 다
- 4 -
동 체2 ORC
본개21 ORC
Fig2-1 A kind of the thermodynamic power cycle
Fig2-2 Diagram of the Rankine Cycle
계 상태가 여러과 거쳐 변 하는 과 상태 돌 는 것 한 사 클
거쳤다고 한다 열역학에 는(cycle) Fig2-1 thermodynamic power cycle
나타낸다 것 열원 도에 사 클 보여 다 Rankine
- 5 -
우리가Brayton Stirling Otto Diesel central station steam rankine
고 는 역 역 는 것rankine cycle steam and organic rankine
다[10]
는 랭킨사 클 개 단열변 개 등 변 는 사 클Fig2-2 2 2
동 체가 체 상변 하여 한 사 클 하는 사 클 다 는
사 클 고 리 도 하는 에 프 단열 보 러 ( )
는 과열 등 가열 빈 단열 창 복 등 열 각 에 랭킨 사 클( ) ( ) ( )
어 다
랭킨사 클 동 체 는 사 한다 끓는(working fluid) (water)
에 에 끓는 체 다 프 통해 상승하여 보 러 통과100
하여 변하고 는 빈 시 열에 지에 운동에 지 변한다
얻게 고 다시 는 통과하여 체상태 변하는 사 클
갖게 다 건 포 상 만들 해 는 고 열원
필 하게 다 사 하는 보 러 경우는 고 열원 만들 에는
하다 하지만 늘날 주 고 는 지열에 지 폐열 에 지 해 에 지 경
우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는
한 건 포 상태 가 없다 여 만들어진 사 클 다 는 ORC ORC
태 열연 과 에 해 만들어 진 사 클1961 Harry Zvi Tabor Lucien Bronicki
다 랭킨사 클과 같 사 하는 동 체가 에 체 뀐
것 다 체는 보다 비등 낮 에 상 낮 도에 도
가능하여 낮 도 에 리한 사 클 다 [11]
식22 Cycle Peng-Robinson
본 에 사 한 사 클 에 한 식들 개하고 한다 가 Fig2-3
본 는 랭킨사 클 도 나타낸다 동 체 프 에 해 동 체TS (pump)
는 상태 변하게 다 그리고 과열 에 해1-gt2 Qin 열량 얻어 2-gt3
도가 상승하여 엔트 피가 가한다 건 포 가 동 체는 엔트 피가 감 하
하여 변하게 고 빈 통과한 동 체는 지나W 3-gt4
엔트 피가 다시 감 하게 는 과 한 사 클 한다4-gt1
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 5
- 4 -
A Study on the Efficiency Improvement of the Organic Rankine
Cycle for Waste Heat Recovery System(WHRS) of Ship and Ocean
Thermal Energy Conversion
Cha Sang Won
Department of Marine Engineering System
Graduate School of
Korea Maritime University
Abstract
Waste heat recovery system is one of ORC applied technologies Waste heat recovery
system refers to the technology that generates power by withdrawing waste heat of
industrial use or vessel and applying ORC In case of vessels this technology can generate
1MW of power with only 10 of waste heat withdrawal In addition since ORC cycle shows
10~12 efficiency in waste heat withdrawal generation if applied to industrial waste heat
withdrawal considerable amount of power can be generated
Ocean thermal energy conversion was first suggested by France JDArsonval in 1881 The
basic idea is that warm surface seawater is used to generate steam and this steam again
rotates turbine to generate power He also designed technology that condensed steam to a
liquid by drawing up deep cold water to surface This is called closed cycle Open cycle is
the opposite concept with closed cycle and for this to work warm sea water itself is
evaporated by spray flash in low pressure and produces steam This steam rotates turbine
and generate power If it is condensed wit deep water there is the advantage of producing
additional plain water However since lots of water is required to generate meaningful scale
of power and technical feasibility is not met focus is only on closed cycle yet
Distinction of these two ORC properties is a different temperature scope Waste heat power
generation uses about 160~200 degree of heat source and makes about 130~170 degree of
temperature difference to condensate water Ocean thermal energy conversion makes about
20 degree of difference Cycle efficiency according to this is currently showing about
10~12 4 Common ground of these two technology is the use of ORC and most of all
it is required to have technology that can increase cycle efficiency
Selecting working fluid is important to increase cycle efficiency Currently used working fluid
includes ammonia R22 R134a R245fa and recently known refrigerants are R1234yf and
R1234ze(E) According to this working fluid proper working fluid selection through specific
interpretation is important To enhance regeneration cycle from existing closed cycle
currently there are Kalina cycle and Uehara cycle Also turbine design technology and heat
exchanger design technology are among the important elements
For the purpose of this thesis through ORC cycle efficiency enhancement generation
efficiency can be improved To increase generation efficiency comparison analysis was
performed in terms of various specific interpretations of ORC based on working fluid specific
interpretation of ORC based on operation cycle and specific interpretation when applying
medium temperature ORC and low temperature ORC
For this interpretation through simulation was performed This is done by comparing with
experiment result to ensure the reliability of simulation result
Nomenclature
A 열 (m3)
cycle efficiency 사 클 ()
Ft 보 계수LMTD
h 엔탈피 (kJ)
m 질량 량 (kgs)
Pc 계압 (bar)
Pt 계 도 ( )
power (kW)
pressure 압 (bar)
Qin 고 열원 (kJ)
R 체상수
s 엔탈피 (kJ)
t 도 ( )
Wout 빈에 얻 (kW)
U 열 달계수 (Wm2K)
Win 프에 사 한 (kW)
Tlm 수평균 도차 ( )
- 1 -
1
연 경1
근 연료 고갈 나 경 가 심각하게 진행 는 가운 에 지 가 가
한 과 하나 다 한 후 변 에 지 공감하
에 하 한 공동 규 만들어지고 산 탄
감 고 다 우리나 는 산 탄 량 2020
망 비 상 감 하는 립하고 다 러한 에 지 해결하30
한 하나가 신재생에 지 사 에 다 신재생에 지는 엇보다도
경 고 지 가능한 고 할 다 신재생에 지
에는 태 열 지열 해 에 지 등 다 지열에 지 한
해 도차 그리고 에 지는 열원 하여 생산하는 에
하는 것 다 는 동 체 닌Organic Rankine Cycle(ORC) ORC
사 하여 사 클 하 폐사 클 에 비해(organic) (closed cycle)
낮 도차 하여 생산할 는 다[1]
는 지열 폐열 해 도차 에 는 도차가 만큼 사ORC
클 폐사 클에 비해 낮 단 빈 열
동 체가 달 지 에 새 운 계가 필 하다
하는 하나 폐열 다 폐열 산업 는ORC
지는 폐열 다시 하여 함 생산하는 말ORC
한다 경우는 지는 열원 만 하여도 할 10 1MW
는 다 한 폐열 경우 나타내고 ORC 10~12
어 산업 폐열 에 할 에 상당한 얻 것 사료 다
[2]
우리나 는 신재생에 지 보 지 할 계 다 그 신재생에2030 11
지 비 량 가 어 하 그 해 에 지는 담당하게8399MW 3081MW
다 해 에 지에는 해 도차 다 해 는
태 에 지 하여 생산하는 해 도차 한 해 도차
다[3]
해 는 태 에 지는 551x1012 그 에 만 해 도차kW 2
에 할 다 가 가 한 것 할 다 가 량 1 kW
한 계 에 지 에 달하는 것 다 특2000 100
우리나 는 다 러싸여 해 심 는 하 심 에는3 800m 4
하 지하고 고 심 차 가 상 날 연간 20
도가 어 한 경 가지고 다260 [4]
- 2 -
해 도차 프 에 해 었다 본 생각1881 JDArsonval
한 해 가 생시키는 사 고 그 는 빈 시
생산할 다 그리고 차가운 심 끌어 다시 체
시키는 고 해 냈다 폐사 클 한다 에 해 개 사 클
는 한 해 체가 에 어 생산한다(open cycle)
가 빈 시 생산하고 심 하여 시키 담 도
가 생산할 는 다 그러나 큰 규 생산하 해 는
많 어 타당 직 하여 폐사 클에 집 어 다
[5]
연2
폐열 열원 하여 도차 가160~200 130~17
도가 는 해 도차 경우에는 차 가 난다 에0 20
사 클 재 나타내고 다 공통 는10~12 4 ORC
사 한다는 엇보다 사 클 는 어 지고
다[6][7]
핵심 는 크게 나눠진다 첫 째는 동 체 다 동ORC 4
체는 에 큰 향 미 다 에 사 어지는 동 체 는 니ORC R22
가 근에 지는 냉매 는 가 다R134a R245fa R1234yf R1234ze(E)
동 체 어떻게 사 하느냐에 사 클에 크게 향 미 다 째 는 빈
계 다 폐사 클에 사 하는 빈에 비해 에 사 하는 동 체는 ORC
상 하다 빈 계에 얻 는 한 크게 우 다
과 등 가 사 클 규 에radial turbine axial turbine
한 계가 필 하다 째 열 계 다 열 는 shell amp tube
열 가 다 하지만 열 는 피도 클 뿐만 니 열 도 plate
에 비해 낮다 열 에 하 한 엇보type plate type ORC
다 필 하다 마지막 사 클 다 본 진 사 클 는 폐사
클 다 한 폐사 클 한 재생사 클 (regeneration cycle)
는 는 빈에 들어간 동 체 재 하여 열 통과시킴
열 과 통한 사 클 보고 다 한 사 클 에도 니
동 체 한 리나사 클 우에하 사 클 (Kalina cycle)
다 역시 사 클 낮 해 고 것 다(Uehara cycle)
[8][9]
본 연 에 는 향상 통해 는 본ORC ORC
개 식 사 클 동 체 사 에 해Peng-Robineson ORC
- 3 -
연 하 폐열 해 도차 에 하는 사 클과 동 체
동 체에 다 한 특 해 동사 클에 특 해 에 ORC ORC
해 하 다 재 사 하고 는 시뮬 Aspentech HYSYS 73
하여 시뮬 시행하 시뮬 타당 검 하 해
실험결과 비 하여 타당 하 다
- 4 -
동 체2 ORC
본개21 ORC
Fig2-1 A kind of the thermodynamic power cycle
Fig2-2 Diagram of the Rankine Cycle
계 상태가 여러과 거쳐 변 하는 과 상태 돌 는 것 한 사 클
거쳤다고 한다 열역학에 는(cycle) Fig2-1 thermodynamic power cycle
나타낸다 것 열원 도에 사 클 보여 다 Rankine
- 5 -
우리가Brayton Stirling Otto Diesel central station steam rankine
고 는 역 역 는 것rankine cycle steam and organic rankine
다[10]
는 랭킨사 클 개 단열변 개 등 변 는 사 클Fig2-2 2 2
동 체가 체 상변 하여 한 사 클 하는 사 클 다 는
사 클 고 리 도 하는 에 프 단열 보 러 ( )
는 과열 등 가열 빈 단열 창 복 등 열 각 에 랭킨 사 클( ) ( ) ( )
어 다
랭킨사 클 동 체 는 사 한다 끓는(working fluid) (water)
에 에 끓는 체 다 프 통해 상승하여 보 러 통과100
하여 변하고 는 빈 시 열에 지에 운동에 지 변한다
얻게 고 다시 는 통과하여 체상태 변하는 사 클
갖게 다 건 포 상 만들 해 는 고 열원
필 하게 다 사 하는 보 러 경우는 고 열원 만들 에는
하다 하지만 늘날 주 고 는 지열에 지 폐열 에 지 해 에 지 경
우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는
한 건 포 상태 가 없다 여 만들어진 사 클 다 는 ORC ORC
태 열연 과 에 해 만들어 진 사 클1961 Harry Zvi Tabor Lucien Bronicki
다 랭킨사 클과 같 사 하는 동 체가 에 체 뀐
것 다 체는 보다 비등 낮 에 상 낮 도에 도
가능하여 낮 도 에 리한 사 클 다 [11]
식22 Cycle Peng-Robinson
본 에 사 한 사 클 에 한 식들 개하고 한다 가 Fig2-3
본 는 랭킨사 클 도 나타낸다 동 체 프 에 해 동 체TS (pump)
는 상태 변하게 다 그리고 과열 에 해1-gt2 Qin 열량 얻어 2-gt3
도가 상승하여 엔트 피가 가한다 건 포 가 동 체는 엔트 피가 감 하
하여 변하게 고 빈 통과한 동 체는 지나W 3-gt4
엔트 피가 다시 감 하게 는 과 한 사 클 한다4-gt1
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 6
10~12 4 Common ground of these two technology is the use of ORC and most of all
it is required to have technology that can increase cycle efficiency
Selecting working fluid is important to increase cycle efficiency Currently used working fluid
includes ammonia R22 R134a R245fa and recently known refrigerants are R1234yf and
R1234ze(E) According to this working fluid proper working fluid selection through specific
interpretation is important To enhance regeneration cycle from existing closed cycle
currently there are Kalina cycle and Uehara cycle Also turbine design technology and heat
exchanger design technology are among the important elements
For the purpose of this thesis through ORC cycle efficiency enhancement generation
efficiency can be improved To increase generation efficiency comparison analysis was
performed in terms of various specific interpretations of ORC based on working fluid specific
interpretation of ORC based on operation cycle and specific interpretation when applying
medium temperature ORC and low temperature ORC
For this interpretation through simulation was performed This is done by comparing with
experiment result to ensure the reliability of simulation result
Nomenclature
A 열 (m3)
cycle efficiency 사 클 ()
Ft 보 계수LMTD
h 엔탈피 (kJ)
m 질량 량 (kgs)
Pc 계압 (bar)
Pt 계 도 ( )
power (kW)
pressure 압 (bar)
Qin 고 열원 (kJ)
R 체상수
s 엔탈피 (kJ)
t 도 ( )
Wout 빈에 얻 (kW)
U 열 달계수 (Wm2K)
Win 프에 사 한 (kW)
Tlm 수평균 도차 ( )
- 1 -
1
연 경1
근 연료 고갈 나 경 가 심각하게 진행 는 가운 에 지 가 가
한 과 하나 다 한 후 변 에 지 공감하
에 하 한 공동 규 만들어지고 산 탄
감 고 다 우리나 는 산 탄 량 2020
망 비 상 감 하는 립하고 다 러한 에 지 해결하30
한 하나가 신재생에 지 사 에 다 신재생에 지는 엇보다도
경 고 지 가능한 고 할 다 신재생에 지
에는 태 열 지열 해 에 지 등 다 지열에 지 한
해 도차 그리고 에 지는 열원 하여 생산하는 에
하는 것 다 는 동 체 닌Organic Rankine Cycle(ORC) ORC
사 하여 사 클 하 폐사 클 에 비해(organic) (closed cycle)
낮 도차 하여 생산할 는 다[1]
는 지열 폐열 해 도차 에 는 도차가 만큼 사ORC
클 폐사 클에 비해 낮 단 빈 열
동 체가 달 지 에 새 운 계가 필 하다
하는 하나 폐열 다 폐열 산업 는ORC
지는 폐열 다시 하여 함 생산하는 말ORC
한다 경우는 지는 열원 만 하여도 할 10 1MW
는 다 한 폐열 경우 나타내고 ORC 10~12
어 산업 폐열 에 할 에 상당한 얻 것 사료 다
[2]
우리나 는 신재생에 지 보 지 할 계 다 그 신재생에2030 11
지 비 량 가 어 하 그 해 에 지는 담당하게8399MW 3081MW
다 해 에 지에는 해 도차 다 해 는
태 에 지 하여 생산하는 해 도차 한 해 도차
다[3]
해 는 태 에 지는 551x1012 그 에 만 해 도차kW 2
에 할 다 가 가 한 것 할 다 가 량 1 kW
한 계 에 지 에 달하는 것 다 특2000 100
우리나 는 다 러싸여 해 심 는 하 심 에는3 800m 4
하 지하고 고 심 차 가 상 날 연간 20
도가 어 한 경 가지고 다260 [4]
- 2 -
해 도차 프 에 해 었다 본 생각1881 JDArsonval
한 해 가 생시키는 사 고 그 는 빈 시
생산할 다 그리고 차가운 심 끌어 다시 체
시키는 고 해 냈다 폐사 클 한다 에 해 개 사 클
는 한 해 체가 에 어 생산한다(open cycle)
가 빈 시 생산하고 심 하여 시키 담 도
가 생산할 는 다 그러나 큰 규 생산하 해 는
많 어 타당 직 하여 폐사 클에 집 어 다
[5]
연2
폐열 열원 하여 도차 가160~200 130~17
도가 는 해 도차 경우에는 차 가 난다 에0 20
사 클 재 나타내고 다 공통 는10~12 4 ORC
사 한다는 엇보다 사 클 는 어 지고
다[6][7]
핵심 는 크게 나눠진다 첫 째는 동 체 다 동ORC 4
체는 에 큰 향 미 다 에 사 어지는 동 체 는 니ORC R22
가 근에 지는 냉매 는 가 다R134a R245fa R1234yf R1234ze(E)
동 체 어떻게 사 하느냐에 사 클에 크게 향 미 다 째 는 빈
계 다 폐사 클에 사 하는 빈에 비해 에 사 하는 동 체는 ORC
상 하다 빈 계에 얻 는 한 크게 우 다
과 등 가 사 클 규 에radial turbine axial turbine
한 계가 필 하다 째 열 계 다 열 는 shell amp tube
열 가 다 하지만 열 는 피도 클 뿐만 니 열 도 plate
에 비해 낮다 열 에 하 한 엇보type plate type ORC
다 필 하다 마지막 사 클 다 본 진 사 클 는 폐사
클 다 한 폐사 클 한 재생사 클 (regeneration cycle)
는 는 빈에 들어간 동 체 재 하여 열 통과시킴
열 과 통한 사 클 보고 다 한 사 클 에도 니
동 체 한 리나사 클 우에하 사 클 (Kalina cycle)
다 역시 사 클 낮 해 고 것 다(Uehara cycle)
[8][9]
본 연 에 는 향상 통해 는 본ORC ORC
개 식 사 클 동 체 사 에 해Peng-Robineson ORC
- 3 -
연 하 폐열 해 도차 에 하는 사 클과 동 체
동 체에 다 한 특 해 동사 클에 특 해 에 ORC ORC
해 하 다 재 사 하고 는 시뮬 Aspentech HYSYS 73
하여 시뮬 시행하 시뮬 타당 검 하 해
실험결과 비 하여 타당 하 다
- 4 -
동 체2 ORC
본개21 ORC
Fig2-1 A kind of the thermodynamic power cycle
Fig2-2 Diagram of the Rankine Cycle
계 상태가 여러과 거쳐 변 하는 과 상태 돌 는 것 한 사 클
거쳤다고 한다 열역학에 는(cycle) Fig2-1 thermodynamic power cycle
나타낸다 것 열원 도에 사 클 보여 다 Rankine
- 5 -
우리가Brayton Stirling Otto Diesel central station steam rankine
고 는 역 역 는 것rankine cycle steam and organic rankine
다[10]
는 랭킨사 클 개 단열변 개 등 변 는 사 클Fig2-2 2 2
동 체가 체 상변 하여 한 사 클 하는 사 클 다 는
사 클 고 리 도 하는 에 프 단열 보 러 ( )
는 과열 등 가열 빈 단열 창 복 등 열 각 에 랭킨 사 클( ) ( ) ( )
어 다
랭킨사 클 동 체 는 사 한다 끓는(working fluid) (water)
에 에 끓는 체 다 프 통해 상승하여 보 러 통과100
하여 변하고 는 빈 시 열에 지에 운동에 지 변한다
얻게 고 다시 는 통과하여 체상태 변하는 사 클
갖게 다 건 포 상 만들 해 는 고 열원
필 하게 다 사 하는 보 러 경우는 고 열원 만들 에는
하다 하지만 늘날 주 고 는 지열에 지 폐열 에 지 해 에 지 경
우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는
한 건 포 상태 가 없다 여 만들어진 사 클 다 는 ORC ORC
태 열연 과 에 해 만들어 진 사 클1961 Harry Zvi Tabor Lucien Bronicki
다 랭킨사 클과 같 사 하는 동 체가 에 체 뀐
것 다 체는 보다 비등 낮 에 상 낮 도에 도
가능하여 낮 도 에 리한 사 클 다 [11]
식22 Cycle Peng-Robinson
본 에 사 한 사 클 에 한 식들 개하고 한다 가 Fig2-3
본 는 랭킨사 클 도 나타낸다 동 체 프 에 해 동 체TS (pump)
는 상태 변하게 다 그리고 과열 에 해1-gt2 Qin 열량 얻어 2-gt3
도가 상승하여 엔트 피가 가한다 건 포 가 동 체는 엔트 피가 감 하
하여 변하게 고 빈 통과한 동 체는 지나W 3-gt4
엔트 피가 다시 감 하게 는 과 한 사 클 한다4-gt1
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 7
Nomenclature
A 열 (m3)
cycle efficiency 사 클 ()
Ft 보 계수LMTD
h 엔탈피 (kJ)
m 질량 량 (kgs)
Pc 계압 (bar)
Pt 계 도 ( )
power (kW)
pressure 압 (bar)
Qin 고 열원 (kJ)
R 체상수
s 엔탈피 (kJ)
t 도 ( )
Wout 빈에 얻 (kW)
U 열 달계수 (Wm2K)
Win 프에 사 한 (kW)
Tlm 수평균 도차 ( )
- 1 -
1
연 경1
근 연료 고갈 나 경 가 심각하게 진행 는 가운 에 지 가 가
한 과 하나 다 한 후 변 에 지 공감하
에 하 한 공동 규 만들어지고 산 탄
감 고 다 우리나 는 산 탄 량 2020
망 비 상 감 하는 립하고 다 러한 에 지 해결하30
한 하나가 신재생에 지 사 에 다 신재생에 지는 엇보다도
경 고 지 가능한 고 할 다 신재생에 지
에는 태 열 지열 해 에 지 등 다 지열에 지 한
해 도차 그리고 에 지는 열원 하여 생산하는 에
하는 것 다 는 동 체 닌Organic Rankine Cycle(ORC) ORC
사 하여 사 클 하 폐사 클 에 비해(organic) (closed cycle)
낮 도차 하여 생산할 는 다[1]
는 지열 폐열 해 도차 에 는 도차가 만큼 사ORC
클 폐사 클에 비해 낮 단 빈 열
동 체가 달 지 에 새 운 계가 필 하다
하는 하나 폐열 다 폐열 산업 는ORC
지는 폐열 다시 하여 함 생산하는 말ORC
한다 경우는 지는 열원 만 하여도 할 10 1MW
는 다 한 폐열 경우 나타내고 ORC 10~12
어 산업 폐열 에 할 에 상당한 얻 것 사료 다
[2]
우리나 는 신재생에 지 보 지 할 계 다 그 신재생에2030 11
지 비 량 가 어 하 그 해 에 지는 담당하게8399MW 3081MW
다 해 에 지에는 해 도차 다 해 는
태 에 지 하여 생산하는 해 도차 한 해 도차
다[3]
해 는 태 에 지는 551x1012 그 에 만 해 도차kW 2
에 할 다 가 가 한 것 할 다 가 량 1 kW
한 계 에 지 에 달하는 것 다 특2000 100
우리나 는 다 러싸여 해 심 는 하 심 에는3 800m 4
하 지하고 고 심 차 가 상 날 연간 20
도가 어 한 경 가지고 다260 [4]
- 2 -
해 도차 프 에 해 었다 본 생각1881 JDArsonval
한 해 가 생시키는 사 고 그 는 빈 시
생산할 다 그리고 차가운 심 끌어 다시 체
시키는 고 해 냈다 폐사 클 한다 에 해 개 사 클
는 한 해 체가 에 어 생산한다(open cycle)
가 빈 시 생산하고 심 하여 시키 담 도
가 생산할 는 다 그러나 큰 규 생산하 해 는
많 어 타당 직 하여 폐사 클에 집 어 다
[5]
연2
폐열 열원 하여 도차 가160~200 130~17
도가 는 해 도차 경우에는 차 가 난다 에0 20
사 클 재 나타내고 다 공통 는10~12 4 ORC
사 한다는 엇보다 사 클 는 어 지고
다[6][7]
핵심 는 크게 나눠진다 첫 째는 동 체 다 동ORC 4
체는 에 큰 향 미 다 에 사 어지는 동 체 는 니ORC R22
가 근에 지는 냉매 는 가 다R134a R245fa R1234yf R1234ze(E)
동 체 어떻게 사 하느냐에 사 클에 크게 향 미 다 째 는 빈
계 다 폐사 클에 사 하는 빈에 비해 에 사 하는 동 체는 ORC
상 하다 빈 계에 얻 는 한 크게 우 다
과 등 가 사 클 규 에radial turbine axial turbine
한 계가 필 하다 째 열 계 다 열 는 shell amp tube
열 가 다 하지만 열 는 피도 클 뿐만 니 열 도 plate
에 비해 낮다 열 에 하 한 엇보type plate type ORC
다 필 하다 마지막 사 클 다 본 진 사 클 는 폐사
클 다 한 폐사 클 한 재생사 클 (regeneration cycle)
는 는 빈에 들어간 동 체 재 하여 열 통과시킴
열 과 통한 사 클 보고 다 한 사 클 에도 니
동 체 한 리나사 클 우에하 사 클 (Kalina cycle)
다 역시 사 클 낮 해 고 것 다(Uehara cycle)
[8][9]
본 연 에 는 향상 통해 는 본ORC ORC
개 식 사 클 동 체 사 에 해Peng-Robineson ORC
- 3 -
연 하 폐열 해 도차 에 하는 사 클과 동 체
동 체에 다 한 특 해 동사 클에 특 해 에 ORC ORC
해 하 다 재 사 하고 는 시뮬 Aspentech HYSYS 73
하여 시뮬 시행하 시뮬 타당 검 하 해
실험결과 비 하여 타당 하 다
- 4 -
동 체2 ORC
본개21 ORC
Fig2-1 A kind of the thermodynamic power cycle
Fig2-2 Diagram of the Rankine Cycle
계 상태가 여러과 거쳐 변 하는 과 상태 돌 는 것 한 사 클
거쳤다고 한다 열역학에 는(cycle) Fig2-1 thermodynamic power cycle
나타낸다 것 열원 도에 사 클 보여 다 Rankine
- 5 -
우리가Brayton Stirling Otto Diesel central station steam rankine
고 는 역 역 는 것rankine cycle steam and organic rankine
다[10]
는 랭킨사 클 개 단열변 개 등 변 는 사 클Fig2-2 2 2
동 체가 체 상변 하여 한 사 클 하는 사 클 다 는
사 클 고 리 도 하는 에 프 단열 보 러 ( )
는 과열 등 가열 빈 단열 창 복 등 열 각 에 랭킨 사 클( ) ( ) ( )
어 다
랭킨사 클 동 체 는 사 한다 끓는(working fluid) (water)
에 에 끓는 체 다 프 통해 상승하여 보 러 통과100
하여 변하고 는 빈 시 열에 지에 운동에 지 변한다
얻게 고 다시 는 통과하여 체상태 변하는 사 클
갖게 다 건 포 상 만들 해 는 고 열원
필 하게 다 사 하는 보 러 경우는 고 열원 만들 에는
하다 하지만 늘날 주 고 는 지열에 지 폐열 에 지 해 에 지 경
우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는
한 건 포 상태 가 없다 여 만들어진 사 클 다 는 ORC ORC
태 열연 과 에 해 만들어 진 사 클1961 Harry Zvi Tabor Lucien Bronicki
다 랭킨사 클과 같 사 하는 동 체가 에 체 뀐
것 다 체는 보다 비등 낮 에 상 낮 도에 도
가능하여 낮 도 에 리한 사 클 다 [11]
식22 Cycle Peng-Robinson
본 에 사 한 사 클 에 한 식들 개하고 한다 가 Fig2-3
본 는 랭킨사 클 도 나타낸다 동 체 프 에 해 동 체TS (pump)
는 상태 변하게 다 그리고 과열 에 해1-gt2 Qin 열량 얻어 2-gt3
도가 상승하여 엔트 피가 가한다 건 포 가 동 체는 엔트 피가 감 하
하여 변하게 고 빈 통과한 동 체는 지나W 3-gt4
엔트 피가 다시 감 하게 는 과 한 사 클 한다4-gt1
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 8
- 1 -
1
연 경1
근 연료 고갈 나 경 가 심각하게 진행 는 가운 에 지 가 가
한 과 하나 다 한 후 변 에 지 공감하
에 하 한 공동 규 만들어지고 산 탄
감 고 다 우리나 는 산 탄 량 2020
망 비 상 감 하는 립하고 다 러한 에 지 해결하30
한 하나가 신재생에 지 사 에 다 신재생에 지는 엇보다도
경 고 지 가능한 고 할 다 신재생에 지
에는 태 열 지열 해 에 지 등 다 지열에 지 한
해 도차 그리고 에 지는 열원 하여 생산하는 에
하는 것 다 는 동 체 닌Organic Rankine Cycle(ORC) ORC
사 하여 사 클 하 폐사 클 에 비해(organic) (closed cycle)
낮 도차 하여 생산할 는 다[1]
는 지열 폐열 해 도차 에 는 도차가 만큼 사ORC
클 폐사 클에 비해 낮 단 빈 열
동 체가 달 지 에 새 운 계가 필 하다
하는 하나 폐열 다 폐열 산업 는ORC
지는 폐열 다시 하여 함 생산하는 말ORC
한다 경우는 지는 열원 만 하여도 할 10 1MW
는 다 한 폐열 경우 나타내고 ORC 10~12
어 산업 폐열 에 할 에 상당한 얻 것 사료 다
[2]
우리나 는 신재생에 지 보 지 할 계 다 그 신재생에2030 11
지 비 량 가 어 하 그 해 에 지는 담당하게8399MW 3081MW
다 해 에 지에는 해 도차 다 해 는
태 에 지 하여 생산하는 해 도차 한 해 도차
다[3]
해 는 태 에 지는 551x1012 그 에 만 해 도차kW 2
에 할 다 가 가 한 것 할 다 가 량 1 kW
한 계 에 지 에 달하는 것 다 특2000 100
우리나 는 다 러싸여 해 심 는 하 심 에는3 800m 4
하 지하고 고 심 차 가 상 날 연간 20
도가 어 한 경 가지고 다260 [4]
- 2 -
해 도차 프 에 해 었다 본 생각1881 JDArsonval
한 해 가 생시키는 사 고 그 는 빈 시
생산할 다 그리고 차가운 심 끌어 다시 체
시키는 고 해 냈다 폐사 클 한다 에 해 개 사 클
는 한 해 체가 에 어 생산한다(open cycle)
가 빈 시 생산하고 심 하여 시키 담 도
가 생산할 는 다 그러나 큰 규 생산하 해 는
많 어 타당 직 하여 폐사 클에 집 어 다
[5]
연2
폐열 열원 하여 도차 가160~200 130~17
도가 는 해 도차 경우에는 차 가 난다 에0 20
사 클 재 나타내고 다 공통 는10~12 4 ORC
사 한다는 엇보다 사 클 는 어 지고
다[6][7]
핵심 는 크게 나눠진다 첫 째는 동 체 다 동ORC 4
체는 에 큰 향 미 다 에 사 어지는 동 체 는 니ORC R22
가 근에 지는 냉매 는 가 다R134a R245fa R1234yf R1234ze(E)
동 체 어떻게 사 하느냐에 사 클에 크게 향 미 다 째 는 빈
계 다 폐사 클에 사 하는 빈에 비해 에 사 하는 동 체는 ORC
상 하다 빈 계에 얻 는 한 크게 우 다
과 등 가 사 클 규 에radial turbine axial turbine
한 계가 필 하다 째 열 계 다 열 는 shell amp tube
열 가 다 하지만 열 는 피도 클 뿐만 니 열 도 plate
에 비해 낮다 열 에 하 한 엇보type plate type ORC
다 필 하다 마지막 사 클 다 본 진 사 클 는 폐사
클 다 한 폐사 클 한 재생사 클 (regeneration cycle)
는 는 빈에 들어간 동 체 재 하여 열 통과시킴
열 과 통한 사 클 보고 다 한 사 클 에도 니
동 체 한 리나사 클 우에하 사 클 (Kalina cycle)
다 역시 사 클 낮 해 고 것 다(Uehara cycle)
[8][9]
본 연 에 는 향상 통해 는 본ORC ORC
개 식 사 클 동 체 사 에 해Peng-Robineson ORC
- 3 -
연 하 폐열 해 도차 에 하는 사 클과 동 체
동 체에 다 한 특 해 동사 클에 특 해 에 ORC ORC
해 하 다 재 사 하고 는 시뮬 Aspentech HYSYS 73
하여 시뮬 시행하 시뮬 타당 검 하 해
실험결과 비 하여 타당 하 다
- 4 -
동 체2 ORC
본개21 ORC
Fig2-1 A kind of the thermodynamic power cycle
Fig2-2 Diagram of the Rankine Cycle
계 상태가 여러과 거쳐 변 하는 과 상태 돌 는 것 한 사 클
거쳤다고 한다 열역학에 는(cycle) Fig2-1 thermodynamic power cycle
나타낸다 것 열원 도에 사 클 보여 다 Rankine
- 5 -
우리가Brayton Stirling Otto Diesel central station steam rankine
고 는 역 역 는 것rankine cycle steam and organic rankine
다[10]
는 랭킨사 클 개 단열변 개 등 변 는 사 클Fig2-2 2 2
동 체가 체 상변 하여 한 사 클 하는 사 클 다 는
사 클 고 리 도 하는 에 프 단열 보 러 ( )
는 과열 등 가열 빈 단열 창 복 등 열 각 에 랭킨 사 클( ) ( ) ( )
어 다
랭킨사 클 동 체 는 사 한다 끓는(working fluid) (water)
에 에 끓는 체 다 프 통해 상승하여 보 러 통과100
하여 변하고 는 빈 시 열에 지에 운동에 지 변한다
얻게 고 다시 는 통과하여 체상태 변하는 사 클
갖게 다 건 포 상 만들 해 는 고 열원
필 하게 다 사 하는 보 러 경우는 고 열원 만들 에는
하다 하지만 늘날 주 고 는 지열에 지 폐열 에 지 해 에 지 경
우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는
한 건 포 상태 가 없다 여 만들어진 사 클 다 는 ORC ORC
태 열연 과 에 해 만들어 진 사 클1961 Harry Zvi Tabor Lucien Bronicki
다 랭킨사 클과 같 사 하는 동 체가 에 체 뀐
것 다 체는 보다 비등 낮 에 상 낮 도에 도
가능하여 낮 도 에 리한 사 클 다 [11]
식22 Cycle Peng-Robinson
본 에 사 한 사 클 에 한 식들 개하고 한다 가 Fig2-3
본 는 랭킨사 클 도 나타낸다 동 체 프 에 해 동 체TS (pump)
는 상태 변하게 다 그리고 과열 에 해1-gt2 Qin 열량 얻어 2-gt3
도가 상승하여 엔트 피가 가한다 건 포 가 동 체는 엔트 피가 감 하
하여 변하게 고 빈 통과한 동 체는 지나W 3-gt4
엔트 피가 다시 감 하게 는 과 한 사 클 한다4-gt1
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 9
- 2 -
해 도차 프 에 해 었다 본 생각1881 JDArsonval
한 해 가 생시키는 사 고 그 는 빈 시
생산할 다 그리고 차가운 심 끌어 다시 체
시키는 고 해 냈다 폐사 클 한다 에 해 개 사 클
는 한 해 체가 에 어 생산한다(open cycle)
가 빈 시 생산하고 심 하여 시키 담 도
가 생산할 는 다 그러나 큰 규 생산하 해 는
많 어 타당 직 하여 폐사 클에 집 어 다
[5]
연2
폐열 열원 하여 도차 가160~200 130~17
도가 는 해 도차 경우에는 차 가 난다 에0 20
사 클 재 나타내고 다 공통 는10~12 4 ORC
사 한다는 엇보다 사 클 는 어 지고
다[6][7]
핵심 는 크게 나눠진다 첫 째는 동 체 다 동ORC 4
체는 에 큰 향 미 다 에 사 어지는 동 체 는 니ORC R22
가 근에 지는 냉매 는 가 다R134a R245fa R1234yf R1234ze(E)
동 체 어떻게 사 하느냐에 사 클에 크게 향 미 다 째 는 빈
계 다 폐사 클에 사 하는 빈에 비해 에 사 하는 동 체는 ORC
상 하다 빈 계에 얻 는 한 크게 우 다
과 등 가 사 클 규 에radial turbine axial turbine
한 계가 필 하다 째 열 계 다 열 는 shell amp tube
열 가 다 하지만 열 는 피도 클 뿐만 니 열 도 plate
에 비해 낮다 열 에 하 한 엇보type plate type ORC
다 필 하다 마지막 사 클 다 본 진 사 클 는 폐사
클 다 한 폐사 클 한 재생사 클 (regeneration cycle)
는 는 빈에 들어간 동 체 재 하여 열 통과시킴
열 과 통한 사 클 보고 다 한 사 클 에도 니
동 체 한 리나사 클 우에하 사 클 (Kalina cycle)
다 역시 사 클 낮 해 고 것 다(Uehara cycle)
[8][9]
본 연 에 는 향상 통해 는 본ORC ORC
개 식 사 클 동 체 사 에 해Peng-Robineson ORC
- 3 -
연 하 폐열 해 도차 에 하는 사 클과 동 체
동 체에 다 한 특 해 동사 클에 특 해 에 ORC ORC
해 하 다 재 사 하고 는 시뮬 Aspentech HYSYS 73
하여 시뮬 시행하 시뮬 타당 검 하 해
실험결과 비 하여 타당 하 다
- 4 -
동 체2 ORC
본개21 ORC
Fig2-1 A kind of the thermodynamic power cycle
Fig2-2 Diagram of the Rankine Cycle
계 상태가 여러과 거쳐 변 하는 과 상태 돌 는 것 한 사 클
거쳤다고 한다 열역학에 는(cycle) Fig2-1 thermodynamic power cycle
나타낸다 것 열원 도에 사 클 보여 다 Rankine
- 5 -
우리가Brayton Stirling Otto Diesel central station steam rankine
고 는 역 역 는 것rankine cycle steam and organic rankine
다[10]
는 랭킨사 클 개 단열변 개 등 변 는 사 클Fig2-2 2 2
동 체가 체 상변 하여 한 사 클 하는 사 클 다 는
사 클 고 리 도 하는 에 프 단열 보 러 ( )
는 과열 등 가열 빈 단열 창 복 등 열 각 에 랭킨 사 클( ) ( ) ( )
어 다
랭킨사 클 동 체 는 사 한다 끓는(working fluid) (water)
에 에 끓는 체 다 프 통해 상승하여 보 러 통과100
하여 변하고 는 빈 시 열에 지에 운동에 지 변한다
얻게 고 다시 는 통과하여 체상태 변하는 사 클
갖게 다 건 포 상 만들 해 는 고 열원
필 하게 다 사 하는 보 러 경우는 고 열원 만들 에는
하다 하지만 늘날 주 고 는 지열에 지 폐열 에 지 해 에 지 경
우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는
한 건 포 상태 가 없다 여 만들어진 사 클 다 는 ORC ORC
태 열연 과 에 해 만들어 진 사 클1961 Harry Zvi Tabor Lucien Bronicki
다 랭킨사 클과 같 사 하는 동 체가 에 체 뀐
것 다 체는 보다 비등 낮 에 상 낮 도에 도
가능하여 낮 도 에 리한 사 클 다 [11]
식22 Cycle Peng-Robinson
본 에 사 한 사 클 에 한 식들 개하고 한다 가 Fig2-3
본 는 랭킨사 클 도 나타낸다 동 체 프 에 해 동 체TS (pump)
는 상태 변하게 다 그리고 과열 에 해1-gt2 Qin 열량 얻어 2-gt3
도가 상승하여 엔트 피가 가한다 건 포 가 동 체는 엔트 피가 감 하
하여 변하게 고 빈 통과한 동 체는 지나W 3-gt4
엔트 피가 다시 감 하게 는 과 한 사 클 한다4-gt1
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 10
- 3 -
연 하 폐열 해 도차 에 하는 사 클과 동 체
동 체에 다 한 특 해 동사 클에 특 해 에 ORC ORC
해 하 다 재 사 하고 는 시뮬 Aspentech HYSYS 73
하여 시뮬 시행하 시뮬 타당 검 하 해
실험결과 비 하여 타당 하 다
- 4 -
동 체2 ORC
본개21 ORC
Fig2-1 A kind of the thermodynamic power cycle
Fig2-2 Diagram of the Rankine Cycle
계 상태가 여러과 거쳐 변 하는 과 상태 돌 는 것 한 사 클
거쳤다고 한다 열역학에 는(cycle) Fig2-1 thermodynamic power cycle
나타낸다 것 열원 도에 사 클 보여 다 Rankine
- 5 -
우리가Brayton Stirling Otto Diesel central station steam rankine
고 는 역 역 는 것rankine cycle steam and organic rankine
다[10]
는 랭킨사 클 개 단열변 개 등 변 는 사 클Fig2-2 2 2
동 체가 체 상변 하여 한 사 클 하는 사 클 다 는
사 클 고 리 도 하는 에 프 단열 보 러 ( )
는 과열 등 가열 빈 단열 창 복 등 열 각 에 랭킨 사 클( ) ( ) ( )
어 다
랭킨사 클 동 체 는 사 한다 끓는(working fluid) (water)
에 에 끓는 체 다 프 통해 상승하여 보 러 통과100
하여 변하고 는 빈 시 열에 지에 운동에 지 변한다
얻게 고 다시 는 통과하여 체상태 변하는 사 클
갖게 다 건 포 상 만들 해 는 고 열원
필 하게 다 사 하는 보 러 경우는 고 열원 만들 에는
하다 하지만 늘날 주 고 는 지열에 지 폐열 에 지 해 에 지 경
우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는
한 건 포 상태 가 없다 여 만들어진 사 클 다 는 ORC ORC
태 열연 과 에 해 만들어 진 사 클1961 Harry Zvi Tabor Lucien Bronicki
다 랭킨사 클과 같 사 하는 동 체가 에 체 뀐
것 다 체는 보다 비등 낮 에 상 낮 도에 도
가능하여 낮 도 에 리한 사 클 다 [11]
식22 Cycle Peng-Robinson
본 에 사 한 사 클 에 한 식들 개하고 한다 가 Fig2-3
본 는 랭킨사 클 도 나타낸다 동 체 프 에 해 동 체TS (pump)
는 상태 변하게 다 그리고 과열 에 해1-gt2 Qin 열량 얻어 2-gt3
도가 상승하여 엔트 피가 가한다 건 포 가 동 체는 엔트 피가 감 하
하여 변하게 고 빈 통과한 동 체는 지나W 3-gt4
엔트 피가 다시 감 하게 는 과 한 사 클 한다4-gt1
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 11
- 4 -
동 체2 ORC
본개21 ORC
Fig2-1 A kind of the thermodynamic power cycle
Fig2-2 Diagram of the Rankine Cycle
계 상태가 여러과 거쳐 변 하는 과 상태 돌 는 것 한 사 클
거쳤다고 한다 열역학에 는(cycle) Fig2-1 thermodynamic power cycle
나타낸다 것 열원 도에 사 클 보여 다 Rankine
- 5 -
우리가Brayton Stirling Otto Diesel central station steam rankine
고 는 역 역 는 것rankine cycle steam and organic rankine
다[10]
는 랭킨사 클 개 단열변 개 등 변 는 사 클Fig2-2 2 2
동 체가 체 상변 하여 한 사 클 하는 사 클 다 는
사 클 고 리 도 하는 에 프 단열 보 러 ( )
는 과열 등 가열 빈 단열 창 복 등 열 각 에 랭킨 사 클( ) ( ) ( )
어 다
랭킨사 클 동 체 는 사 한다 끓는(working fluid) (water)
에 에 끓는 체 다 프 통해 상승하여 보 러 통과100
하여 변하고 는 빈 시 열에 지에 운동에 지 변한다
얻게 고 다시 는 통과하여 체상태 변하는 사 클
갖게 다 건 포 상 만들 해 는 고 열원
필 하게 다 사 하는 보 러 경우는 고 열원 만들 에는
하다 하지만 늘날 주 고 는 지열에 지 폐열 에 지 해 에 지 경
우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는
한 건 포 상태 가 없다 여 만들어진 사 클 다 는 ORC ORC
태 열연 과 에 해 만들어 진 사 클1961 Harry Zvi Tabor Lucien Bronicki
다 랭킨사 클과 같 사 하는 동 체가 에 체 뀐
것 다 체는 보다 비등 낮 에 상 낮 도에 도
가능하여 낮 도 에 리한 사 클 다 [11]
식22 Cycle Peng-Robinson
본 에 사 한 사 클 에 한 식들 개하고 한다 가 Fig2-3
본 는 랭킨사 클 도 나타낸다 동 체 프 에 해 동 체TS (pump)
는 상태 변하게 다 그리고 과열 에 해1-gt2 Qin 열량 얻어 2-gt3
도가 상승하여 엔트 피가 가한다 건 포 가 동 체는 엔트 피가 감 하
하여 변하게 고 빈 통과한 동 체는 지나W 3-gt4
엔트 피가 다시 감 하게 는 과 한 사 클 한다4-gt1
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 12
- 5 -
우리가Brayton Stirling Otto Diesel central station steam rankine
고 는 역 역 는 것rankine cycle steam and organic rankine
다[10]
는 랭킨사 클 개 단열변 개 등 변 는 사 클Fig2-2 2 2
동 체가 체 상변 하여 한 사 클 하는 사 클 다 는
사 클 고 리 도 하는 에 프 단열 보 러 ( )
는 과열 등 가열 빈 단열 창 복 등 열 각 에 랭킨 사 클( ) ( ) ( )
어 다
랭킨사 클 동 체 는 사 한다 끓는(working fluid) (water)
에 에 끓는 체 다 프 통해 상승하여 보 러 통과100
하여 변하고 는 빈 시 열에 지에 운동에 지 변한다
얻게 고 다시 는 통과하여 체상태 변하는 사 클
갖게 다 건 포 상 만들 해 는 고 열원
필 하게 다 사 하는 보 러 경우는 고 열원 만들 에는
하다 하지만 늘날 주 고 는 지열에 지 폐열 에 지 해 에 지 경
우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는
한 건 포 상태 가 없다 여 만들어진 사 클 다 는 ORC ORC
태 열연 과 에 해 만들어 진 사 클1961 Harry Zvi Tabor Lucien Bronicki
다 랭킨사 클과 같 사 하는 동 체가 에 체 뀐
것 다 체는 보다 비등 낮 에 상 낮 도에 도
가능하여 낮 도 에 리한 사 클 다 [11]
식22 Cycle Peng-Robinson
본 에 사 한 사 클 에 한 식들 개하고 한다 가 Fig2-3
본 는 랭킨사 클 도 나타낸다 동 체 프 에 해 동 체TS (pump)
는 상태 변하게 다 그리고 과열 에 해1-gt2 Qin 열량 얻어 2-gt3
도가 상승하여 엔트 피가 가한다 건 포 가 동 체는 엔트 피가 감 하
하여 변하게 고 빈 통과한 동 체는 지나W 3-gt4
엔트 피가 다시 감 하게 는 과 한 사 클 한다4-gt1
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 13
- 6 -
Fig2-3 Rankine cycle TS curve
과열 가 없는 가 본 는 랭킨사 클 시 열 ηth 본 는
다 과 같 식 나타낼 다
(21)
식 에 는 같 사 클 해 는 엔탈피 차(21)
크게하여 빈 는 과 보 러에 주는 열원 게하는
는 것 할 다 그 해 는 가지 고 해
할 것 다
사 클에 열 는 한 하나 다 열 통하여 동 체는 열
얻고 열 뺏 빈에 하게 다 열 계산하는 식
같다
∆ (22)
는 열 달계 고 체 체 열 동 루어질 열 달U
리 는 식 식 같 다(23) (24)
(23)
∆
(24)
는 열 열 내 프 다A T lm는 평균 도차
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 14
- 7 -
열 내 에 생 는 열 달 매우 복 하여 열 달 보다 하게 해
할 도 도 평균 도차 말한다 열
든 에 도값들 고 열 달량 열 하는 많
사 는 다 것 식 같 나타난다 (25)
∆
(25)
여 에 는 고 도 는 도 나타낸다h c
는 열 식 식 열 다 경우 나타나는Ft ∆값
차 보 하 한 계 나타낸다 식 열(05 lt Ft lt 10)
경우 는 식 다 한 체 상변 가 에도Ft=1
해당 체 도가 하게 지 에도 보 계 는 다1 [12]
에 많 체 식 지만 상 체 식 사 하지 고 시뮬 프
그 에 사 실 체 식 식 사 하여 해 진행하Peng-Robinson
다
식 과 같다Peng-Robinson (26)
(26)
(27)
(28)
(29)
(210)
(211)
(212)
=critical pressure
=critical temperature
체상=
식 에 나다에 는 학 학 과Peng-Robinson 1976 Alberta Robinson
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 15
- 8 -
사 에 해 만들어진 실 가 시 식 한 식 에 하나Peng
다 식 하는 사 하는 식 다 식 (27) a (28) 하는 식
과R 다 식 는 하는 식 식 그에 (29) b (210)
할 다 한 식 에 할 식 는(111) (212) 할
다 식 하여 시뮬 내 체 상태에 한 계산 행하 계 (26)
산에 필 한 식들 식 하여 계산 행하 다(27)~(212) [13]
본 에 는 식 탕 상 프 그 사 하여 시Aspentech HYSYS
뮬 행하 다 는 시 공 계에 하 다 한 도 HYSYS
량변 등에 시 특 동특 하게 할 는 시뮬
다 상 프 그 타당 합 단하 해 월 하 학 2000 11
에 연 행한 해 도차 플 트 능해 연 실험ldquo (OTEC) rdquo
료 탕 같 건 하여 시뮬 행하 다[14]
는 사 클 특 다 쪽에 첫Fig2-4 Fig25 middot
째는 실험 비 계 건 째는 실험결과 째는 시뮬 결과
다 그림에 듯 가 한 값 보여 다 는 Fig2-6
에 는 값 다 계 건 시뮬 값과 다 차 가
나 실험결과 값과 비슷한 값 나타낸다 빈 Fig2-7 Fig2-8 middot
사 클 해 다 실험결과 값 비슷한 나타내 273kW 2605kW
과 도가 근사한 값 볼 다middot Fig2-9 Fig2-10 Fig2-11
동 프 결과 값 다 량과 근사값 나타내고 나 에 다 (head)
상 한 값 나타낸다 실험 비 통하여 상 프 그
가 어느 도 신뢰 다는 사실 하 근거 하여 본HYSYS
연 진행 하 다
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 16
- 9 -
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
5
10
15
20
25
30
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-4 Simulation results of evaporator
design condition experiment simulation
ma
ss
flow
(kg
s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
tem
pe
ratu
re(
)
0
2
4
6
8
10
working fluid Mwarm seawater Mcold side inlet T
cold side outlet T
hot side inlet T
hot side outlet T
Fig2-5 Simulation results of condenser
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 17
- 10 -
design condition experiment simulation
he
at
ca
pa
city
(kW
)
0
200
400
600
800
1000
1200
evaporatorcondenser
Fig2-6 Simulation results of heat exchanger power
design condition experiment simulation
tem
pe
ratu
re(
)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
pre
ssu
re(b
ar)
5
6
7
8
9
10
11
TG outlet TTG outlet TTG inlet PTG outlet P
Fig2-7 Simulation results of turbine
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 18
- 11 -
design condition experiment simulation
pow
er(
kW
)
0
10
20
30
40
50
TG power
Fig2-8 Simulation results of TG power
design condition experiment simulation
he
ad
(m)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
evaporator pump
condenser pumpworkingfluid pump
Fig2-9 Simulation results of pump head
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 19
- 12 -
design condition experiment simulation
flo
w r
ate
(kgs
)
0
20
40
60
80
100
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-10 Simulation results of pump flow rate
design condition experiment simulation
po
we
r(kW
)
0
2
4
6
8
evaporator pumpcondenser pump
workingfluid pump
Fig2-11 Simulation results of pump power
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 20
- 13 -
23 ORC
는 랭킨사 클에 그 하여 사 하고 다 재 나타나 는 사ORC
클 는 폐사 클 재생사 클 사 클 해 만들어진 사 ORC
클 리나사 클 우에하 사 클 다 는 폐사 클 나타낸 것 Fig2-12
다 프 지난 동 체는 상승하 보 러 지나 체에 체 변 가
생한다 보 러 지난 체는 빈 시 생산하고 생산한
체는 지나 다시 하여 체에 체 변 한다 체는 다시 프
통과하 한 사 클 한다 것 가 본 폐사 클 다 폐사
클 시 간단하다는 가지고 다 하지만 상 낮
보 하 해 다 한 연 가 진행 에 다[15]
는 재생사 클 다 폐사 클 과 비슷하 빈Fig2-13
지난 체 열하는 도 사 하여 열 에 미 는 하 여 사
클 향상시킨다
Fig2-12 Diagram of closed cycle
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 21
- 14 -
Fig2-13 Diagram of regeneration cycle
는 리나사 클 사 클 나타낸다 폐사 클 경우는Fig2-14
단 동 체 사 하고 다 하지만 리나사 클 니 같 R32R134
합 동 체 사 한다 합 동 체 특징 상 끓는 낮
체는 비등하여 고 도 어 빈 시키고 체는 리
에 리 어 도 어 동 체 열하 낮(separator)
고 빈 낮 는 역할 한다 동 체는 프 통해 승 어 리
에 나 체 열 하여 도가 상승하고 거쳐 다
리 지나간 고 도 동 체는 빈 시 얻고 다시 합
에 여 거쳐 하게 다 것 다시 프 통해(mixer)
게 는 사 클 루고 다[16]
는 우에하 사 클 다 우에하 사 클 리나사 클Fig2-15
해 만든 사 클 다 복 해 보 나 리나사 클과 재생사 클
어 사 클 나타낸다
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 22
- 15 -
Fig2-14 Diagram of Kalina cycle
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 23
- 16 -
Fig2-15 Diagram of Uehara Cycle
동 체는 리나사 클과 같 합 동 체 사 하 동 체 경우는
프 통하여 승 고 빈에 나 한 동 체 열 하여 1
단 열 하고 다시 프 통해 동 체는 리 에 나 체 2
단 열 한다 그리고 통과하여 체 변하고 빈 통하여 한
에 다 는 리나사 클보다 해 고 사
클 다
동 체24 ORC
동 체 본 골격 탄 수 염 가지 원 루어C( ) H( ) F( ) Cl( )
진다 본 는 탄 가 본 수 염 가지 원 가 어떻게 결
합하느냐에 라 동 체가 결 짓게 다
(213)
(214)
(215)
(216)
(217)
(218)
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 24
- 17 -
Fig2-16 Refrigerants nomenclature
식 탄 수 염 보여 다 상수 다(213)~(217) k i m n R22
만들어지는 들어 식에 해 해 보겠다 학 는 R22
HCF2 다 에 어 식 에 하게Cl k=1 i=1 m=2 n=1 (214)
어 만 한다 그리하여 가 므 식4=1+2+1 X=1-1=0 Y=1+1=2 Z=2 (215)
에 하 가 다 과 도식 하 다R-022 R-22 Fig2-16
하지만 는 순수 합 과 치 합 할 카본계 동 체에
는 그 합 과 치 합 에 할 카본계 동 체에는
만들어진 순 에 라 하게 다 들 비공비 합 R4
만들어진 순 등 만들어 진다 그래 시 는R401 R402 400
동 체는 비공비 합 것 알 수 공비 합 것 할 500
수 다[17]
동 체는 특 결 짓는 해 다ORC Fig 동 체 보2-17
여 다 동 체 는 크게 합 과 합 나눌 다 합
본골격 탄 원 갖는 합 하는 것(organic compounds)
다 는 산 탄 산 탄 등 합 하게 다 합
탄 골격 나 다 에 한 없어 합 보다 복 한
가질 다 그 다 보여 다 합 (inorganic compounds)
합 과 탄 포함하지 는 합 다 그 그림과 같
헬 니 등 합 다
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 25
- 18 -
Fig 2-17 A kind of the Working fluid
합 다시 합 합 합 나눠진다
합 합 상태에 어 나 합 등 없 한 상태
합 다 런 질 탄 에탄 등과 같 학
탄 만 루어진 질 다 그 다 런 합 능(H) (C)
해 신에 염 시 만든 질(F) (Cl)
합 다 들 등 냉매가 에 한다 HCFC-22(HCF2Cl) R134a(CH2FCF3)
런 냉매도 능 우 하여 사 하 하고 가격도 싸 에 많 사 하나
등 가ODP(Ozone Depletion Potential) GWP(Global Warming Potential)
경 가 었다
개 하 하여 나 것 합 다 합 에 는
합 에 도 할 본계 냉매 비 합하여 만든 질 다
동 체 특징 는 합 보다는 열역학 능 어지나 지ODP
는 에 시키지 는다 하지만 지 는 남 어 지0 GWP
난 에는 향 미 지만 합 에 비해 는 크지 다 합 도 공비
합 과 비공비 합 나눠진다
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 26
- 19 -
Fig2-18 composition amp temperature curve
Fig2-19 composition amp temperature curve
공비 합 비에 도곡 다 공비 합 경우에는Fig2-18
한 비 질 합하게 도가 변하여도 그 비가 변하지 고 하
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
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상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 27
- 20 -
게 지 다 그 거 냉매 사한 특 지니게 다 게 특 한
비에 슬 과 포 만나게 어 상과 상에 같
냉매 같 행동하는 냉매 등 냉매가 여 에 한다R500 R501 R502
는 비공비 합 비에 도 곡 다 한비Fig2-19
합 합하 들 에 비 보 다가 도A 55
상 도가 게 비가 변한다 들어 에 도달했B C
에는 도 비 보여 다 다시 에 다다 에는 다시 변하게2575 D 55
고 지나쳤 체상태가 다 도가 변함에 비가 변한 E
다 같 비공비 합 특징 개 상 냉매가 합 어 각각 개별 2
격 가진다 그리고 등 과 에 비가 변하고 도가 가
는 감 다 하지만 단 상 상태에 냉매가 누 경우 시 든 냉매 2
한 후 다시 냉매 주 해 는 단 다 재 체냉매 주 R22
고 는 등 러한 냉매에 한다R404A R407C R410A
동 체 하 해 는 많 건들 다 그 에 도 가지에 해 4
하고 한다 첫 째 포 곡 다
Fig2-20 Saturation vapor curve
포 곡 한 보여 다 게 동 체 상태는Fig2-20 wet fluid
그리고 나눠진다 여 상태는dry fluid isentropic fluid isentropic fluid
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 28
- 21 -
만 가능한 상태 는 나눠진다wet fluid dry fluid wet
곡 경우는 빈 창하 체 과 체 공 하게 다fluid
그 곡 경우는 사 해 것 다expander machine dry fluid
경우는 빈에 얻게 그 과열 상태 남는다 그
곡 경우는 빈 사 할 다 게 포 곡 에 시
에 고 는 가 달 진다expansion machine
째 열역학 질 고 해 다 당한지 condenser
등 열역학pressure critical temperature thermal conductivity specific heat
고 해 다 지 많 얻 는
는 에 빈 재질과 크 재질과 크 등 뀌어
에 가격 비싸질 다 다 가 낮게 상변 critical temperature
사 클 어 하는 그런 상변 도 하 곤 해
진다 그 에 에 사 는 도 역 사 도 역에 OTEC 4~26
하여 다 경우에는critical temperature thermal conductivity
게 열 크 가 커 고 량도 많 원하는 얻
다 그 에 한 가 필 하다 런 다 한 thermal conductivity
고 해 동 체 해 다thermodynamic parameter [18][19]
째는 경 고 해 다 경우 ODP(Ozone Depletion Potential)
는 재 몬트리 에 하여 지는 에 향 미 는 든 동 체2020 ODP
들 사 지가 어 개 도상 우리나 경우에는 직 2030
지 시간 는 하지만 사 못한다 그 재 사 고2030
는 등 냉매는 차량 가 에어컨에 많 쓰 고 나 후에는R22 R134a
다 냉매 체 것 다 그리고 한 도 고 해 GWP(Global Warming Potential)
사항 다 는 지 난 에 향 미 는 지 직 지는 크게 규
는 지 고 나 것도 규 상 것 보고 다
그 런 경 에 는 후에는 비공비 합 는 공비 합 에 심
가지고 연 해 것 생각 다
째는 고 해 한다 동 체 각 Fig2-21
가 것 험한 것 다 경우는 사 는 Health
신체에 었 험도 나타낸다 그리고 가연 가연 가
재 험 질 나 게 다 그리고 만 에 재
가 나 런 산 보는 것 가연 과 같 게 재가 생하
큰 사고가 날 다 런 열역학 도 하지만 도 고 해 할
것 다
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 29
- 22 -
Fig2-21 A standard table of the safety
에 언 한 동 체 saturation vapor curve thermodynamic
그리고 게 가지에 해 하 다 언 한parameter environment safety 4 4
가지가 가 한 다 가지가 하게 고 어 한 동 체 4
할 가 다 본 연 상 폐열 과 해 도차 도
역 다 다 도 역 다 에 사 하게 동 체 한 달 지게
그에 특 곡 과 경 다 다 그 게 에 주어진
경에 맞는 한 동 체 하는 것 가 것 다[20]
사25 ORC
는 도 에 나눠진다 도는 주 하 도에 사ORC 320 ORC
하게 다 상 열원에 는 보다는 랭킨사 클 사 한다 는 320 ORC Fig2-22
도 에 역 나타낸다 내 고 도가ORC 10kW 200~320
역 경우는 하는 역 다 내micro cogeneration ORC 10MW
도 역 는 에 하게 다 그리고 역20~30 OTEC ORC main ORC
는 도가 사 역 주 역 볼 가 다 역100~200 ORC Main ORC
재 는 는 폐열 다 폐열 지는
폐열 에 하여 생산하는 다 상 에 지는 열원ORC
하여 만드는 도 재 연 에 다[21]
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
Engineering Vol27 pp223~228 2007
[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
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[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
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[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
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[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 30
- 23 -
Fig2-22 Application of the ORC
Fig2-23 Waste heat recovery system for the ship
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 31
- 24 -
Fig2-24 Ocean thermal energy conversion
폐열 시 나타낸다 주 에 한 폐열Fig 2-23
과 지나게 다 과 지난 폐열 마 지나 한 열
원 뺏 게 고 여 지게 는 열원 다시 하여 열 통해
동 체는 열원 얻어 하는 시 폐열 시 다
지는 열원 도는 주 하에 차 가 나 통상 160~200
고 열원 다 열원 통하여 에 사 하는 만들 에
에 비도 가능하고 경에도 향 미 게 다 한 에
해 는 에 하고 한다3
다 는 낮 도 역에 사 하는 해 도차 다 해 도차 해
심 도차 하여 하는 식 낮 도차 는
상변 할 없 나 동 체 체 사 하는 는 상변 가 가 ORC
능하여 하여 하는 것 해 도차 고 할 다ORC
는 해 도차 시 나타낸다 가 주 가 하고 심Fig2-24 26
도는 에 동 체는 프 통하여 열 통해 열원4
얻어 생산하고 심 통하여 하는 식 다 는 낮 도차
에 열 다 사 클에 비해 낮 단 다 보 하 해 경
보하 량 시 계하여 한다 해 도차 미
신재생에 지 주 고 계 도 연 가 진행 에 다
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 32
- 25 -
폐열 시3
폐열 시 본개31
사 하는 고 열원 사 에는 랭킨사 클 사 하 에는 열100 ~200
원 다 그 에 사 하여 한 만들 다 도 ORC
역 는 폐열 지열 등에 할 다 특 폐열 경ORC
우에는 다 한 산업 에 가능하다 철강공 에 는 폐열 쓰
각 그리고 가 폐열 등 다 한 에 하여 지는 열원
다시 하여 얻는다는 다[22]
폐열 에 지는 열원 하여(Waste Heat Recovery System)
생산하는 말한다 에 시 에 지는 열원
에 하여 만든다 다시 에 사 하여 연료 감하는ORC
과 얻 는 다 에 시키 에는 상에 비해 많 재 ORC
가 다 특 고 해 하 운 경 특 건 등 고
해 할 사항 다 하다
폐열 나타낸다 주 통과한 폐열Fig3-1 gas flow 38
도 가지 과 지나고 난 어진다 그리고 마0 270
통과하여 열원 에 지게 는 하여200 ORC
생산하여 폐열 하는 시 보여 다
Fig3-1 Gas flow of the waste heat recovery system
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 33
- 26 -
폐열 사 클 동 체32
폐열 에 할 는 사 클 는 폐사 클과 재생사 클
할 다 폐사 클 에 하게 간단하여 에 하
다 하지만 재생사 클에 비해 낮 에 고
하 재생사 클 사 하는 것 직 할 것 다 한 특 고 했
에 리나사 클과 우에하 사 클 경우에는 합 동 체 사 하 에
에 하 에는 과 리에 어 움 에 고 하지 다 에
할 에는 능 하 하겠지만 엇보다도 보하는 것 우
어 할 것 다 그 에 할 에도 단 체 사 하는 ORC
사 클 폐사 클과 재생사 클에 한 연 진행 하 다
폐열 수 에 하는 동 체에는 도 역 약 도 생각 할160 ~220
수 다 열원 내 연 등 참고 하여 니 R134a
냉매들 특 에 해 연 하 다R245fa solkatherm
니321 (NH3)
니 는 리 질 개 개 루어진 결합 질 다1 3
질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하지만 단
는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에 해 워
리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리가 필
하다
322 R-134a
는 리 탄 개 개 그리고 개 루어진 할R-134a(CH2FCF3) 2 2 4
본계 냉매 다 는 내 냉동 동차 에어 에 많 쓰 는 냉매 다 하지만
후 생산 는 동차에는 냉매 사 하지 못하게 하고 다 그리고2011
에 사 는 냉동컨 경우에도 재 새 게 만들어지고 는 냉동컨 에
는 못쓰게 하고 는 상 다 에 만들어진 계 는 체냉매134a R-12
만들어진 냉매 다 비등 몬트리 에 해 퇴 상에 는 -263
냉매 하나 다
323 R-245fa
는 체 냉매 고 냉매 다 경우도 염 포함한R245fa R123 R123 HCFCs
계열 다 는 보다 낮지만 열 달 특 매우 뛰어난 것 COP R-11R-123
다
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 34
- 27 -
324 Solkatherm
학 어 어 학 과 룬다 특징 는
색 고 경에 비 낮 도에 빨리 끓고 나 다 냉매들과 같
비슷한 경향 보 에 체 냉매 견주어 진다
사 클 동 체 에 열 해 결과33
시뮬 상 프 그 하여 열 해 행하 다 시aspentech HYSYS
뮬 할 건 는 과 같다table3-1
table3-1 calculation condition
Heat loss
폐사 클 니331 ( )
Fig3-2 Closed cycle(ammonia)
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 35
- 28 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 시뮬 행할 에Fig3-2 180
도 열원 하여 미 가 게 행하 다 동 체는100kW
니 보여 다
재생사 클 니332 ( )
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 그에Fig3-3
과 계산하 다 는 사 클 에 미 과 Fig3-4 Fig3-5
다 미 재생사 클 폐사 클 재생사 클 10237kW 10056kW
폐사 클에 비해 미 었다 한 재생사 클
폐사 클 재생사 클 다 그 는 들어97 933
가는 냉매가 재생 에 해 열 어 들어가 에 같 도 량
도 많 얻 다 결과 에 는 재
생사 클 합하다는 것 할 었다
연 결과 탕 나 지 동 체 그리고R134a R245fa solkatherm
하여 폐사 클과 재생사 클에 동 한 해 행하 다
Fig3-3 Diagram of the regeneration cycle
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 36
- 29 -
closed cycle regeneration cycle
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
net-power
Fig3-4 A power of the closed cycle and regeneration cycle
closed cycle regeneration cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
efficiency
Fig3-5 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 37
- 30 -
폐사 클333 ( )
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-6 Table3-2
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-2
에 가 과 보 고 다 보 낮 지79bar Fig3-7
낮 지는 것 볼 다 결과 보 에 폐사 클에 동
체 사 하 에는 빈 에 나 뛰어난
것 다
폐사 클334 (R134a)
과 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-8 Table3-3 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 빈 가 Table3-3
포 에 가 과 보 고 다 보40bar Fig3-9
낮 지 낮 지는 것 볼 다 한 는 하에 는 R134a 30bar
과 격 어지는 것 다 결과 보 에 폐사 클에
동 체 사 하 에는 빈 에 나R134a
뛰어나 상 지해 한다 30bar
폐사 클335 (R245fa)
과 는 폐사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-10 Table3-4 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 빈 Table3-4
가 가 고 에 가 것 볼 다30bar 36bar Fig 3-11
보 포 에 가 게 나 에 미 게 나 30bar
다 폐사 클에 동 체 사 하 에는 빈 R245fa
에 사 할 에 과 결과 보 고 다30~40bar
폐사 클336 (solkatherm)
는 폐사 클에 사 하여 빈 변Fig3-12 Table3-5 solkatherm
에 과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
포 에 가 결과 볼 다 에25bar Fig3-13
과 곡 포 에 가 결과 보 다
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 38
- 31 -
Fig3-6 Simulation results of the closed cycle(water)
Table3-2 Simulation data of the closed cycle(water)
closed
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
evaQ
(kW)
netPower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
610675281495017501465313
7115557054940170175739
75119258884940230185929
79122060294940230196071
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 39
- 32 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
70
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14power
efficiency
Fig3-7 The power and efficiency of the closed cycle(water)
Fig3-8 Simulation results of the closed cycle(R134a)
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 40
- 33 -
Table2-3 Simulation data of the closed cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-9 The power and efficiency of the closed cycle(R134a)
closed
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1719 1536 7034 1107 862 078 10
8441 7449 6682 1110 7028 633 20
1143 1317 6448 1103 9468 858 30
1285 2127 6448 1099 10078 917 40
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 41
- 34 -
Fig3-10 Simulation results of the closed cycle(R245fa)
Table3-4 Simulation data of the closed cycle(R245fa)
closed
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
8901 9789 328 8551 7594 888 20
9896 1255 328 8988 8313 925 25
1061 1524 328 9273 8758 944 30
1089 1834 328 9171 8728 952 35
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 42
- 35 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
po
we
r(kW
)
60
70
80
90
100
eff
icie
ncy(
)
8
9
10
11
12
power
efficiency
Fig3-11 The power and efficiency of the closed cycle(R245fa)
Fig3-12 Simulation results of the closed cycle(solkatherm)
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 43
- 36 -
Table35 Simulation data of the closed cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
8
10
12
14
power
efficiency
Fig3-13 The power and efficiency of the closed cycle(solkatherm)
closed
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
10261 5215 2579 998 10261 1028 10
12466 7759 2579 1032 12466 1208 15
13837 1045 2579 1049 13837 1319 20
1592 1326 2579 1039 14336 1380 25
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 44
- 37 -
재생사 클337 ( )
재생사 클 폐사 클 향상 해 만든 사 클 다 폐사 클에 비해 다
복 한 사 클 보 나 에 리한 것 나타낸다 재생사 클에 도
폐사 클과 같 가 합한 동 체 하 해 동 체에 시뮬
행하 다
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-14 Table3-5
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-5
가 값 보 고 다 보 하에79bar Fig3-15 79bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
리한 것 다
재생사 클338 (R134a)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-16 Table3-6 R134a
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-6
가 값 보 고 다 보 하에40bar Fig3-17 40bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 한 하 간에 30bar
는 과 격 어진다 통해 는 폐사 클과 재생사 클에 R134a
상 지해 한 과 얻 다30bar
재생사 클339 (R245fa)
과 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-18 Table3-7 R245fa
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-7
가 값 보 고 다 보 하에35bar Fig3-19 35bar
는 과 계 해 어지는 것 볼 다 그 경우에는 빈
과 값 나타낸다
재생사 클3310 (solkatherm)
는 재생사 클에 사 하여 빈 변 에Fig3-20 solkatherm
과 해 한 결과 다 에 보 과 빈 Table3-9
가 값 보 고 다 보 하에 는25bar Fig3-21 25bar
과 계 해 어지는 것 볼 다 동 체 경우에도 빈
포 지 한 리는 것 과 에 리하 다
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 45
- 38 -
Fig3-14 Simulation results of the regeneration cycle(water)
Table3-6 Simulation data of the regeneration cycle(water)
regenera
tion
cycle
( )
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1328 189 293 1237 12798 1035 6
1435 189 293 1235 13868 1123 7
1482 189 293 1234 14338 1162 75
1518 189 29 1234 14701 1191 79
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 46
- 39 -
pressure(bar)
55 60 65 70 75 80
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-15 The power and efficiency of the regeneration cycle(water)
Fig3-16 Simulation results of the regeneration cycle(R134a)
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 47
- 40 -
Table3-7 Simulation data of the regeneration cycle(R134a)
pressure(bar)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
po
we
r(kW
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
0
5
10
15
power
efficiency
Fig3-17 The power and efficiency of the regeneration cycle(R134a)
regenera
tion
cycle
(R134a)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficienc
y()
pressure
(bar)
1006 1437 4572 1088 -888 -082 10
7891 137 4337 1099 6087 554 20
1096 137 4103 1098 9180 836 30
1197 1485 3986 1059 10086 952 40
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 48
- 41 -
Fig3-18 Simulation results of the regeneration cycle(R245fa)
Table3-8 Simulation data of the regeneration cycle(R245fa)
regenerati
on
cycle
(R245fa)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1113 1943 2336 1062 8953 843 20
1247 1943 2336 1124 10293 916 25
1334 1943 2336 1162 11163 961 30
1373 1943 2336 1169 11553 988 35
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 49
- 42 -
pressure(bar)
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
eff
icie
ncy(
)
6
8
10
12
power
efficiency
Fig3-19 The power and efficiency of the regeneration cycle(R245fa)
Fig3-20 Simulation results of the regeneration cycle(solkatherm)
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 50
- 43 -
Table3-9 Simulation data of the regeneration cycle(solkatherm)
pressure(bar)
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
power
efficiency
Fig3-21 The power and efficiency of the regeneration cycle(solkatherm)
regenera
tion
cycle
(solkath
erm)
power
(kW)
WFP
(kW)
CSP
(kW)
EvaQ
(kW)
netpower
(kW)
efficiency
()
pressure
(bar)
1295 1654 2462 1033 1105 107 10
1552 1654 2462 1071 1362 127 15
1701 1654 2462 1087 1511 139 20
1767 1654 2462 1080 1577 146 25
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 51
- 44 -
폐사 클과 재생사 클 비3311
탕 가 빈 에 사 클 과 리하여 결과
비 해 보 다
Table3-10 A power of the closed cycle and regeneration cycle
Table3-11 A efficiency of the closed cycle amp regenertation cycle
폐사 클과 재생사 클 리한 것Table3-10 Table3-11
고 폐사 클과 재생사 클 도식 한 것 다 Fig3-22 Fig3-23
결과 보 에 는 재생사 클 가 값 보solkatherm 15770kW
고 고 그 다 는 재생사 클 과 각각 보 solkathrem 147kW 14336kW
고 다 보 에는 재생사 클 가 값 solkatherm 1460
보 고 고 그 다 는 폐사 클 과 폐사 클 각각 solkatherm
나타내고 다138 122
결과 고 했 에 가 합한 동사 클 는 재생사 클 가 과
크게 나 다 합 고 해보 재생사 클 동 체 사 solkatherm
하 에 가 한 것 생각 다 연 결과 탕 각 엔진 에
다 한 시뮬 연 하 다
net power(kW)
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 6029 10078 8758 14336
regeneration
cycle147 10086 11553 15770
efficiency
water R134a R245fa solkatherm
closed cycle 122 917 952 138
regeneration
cycle1191 952 988 1460
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 52
- 45 -
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
closed cycleregeneration cycle
Fig3-22 A power of the closed cycle and regeneration cycle
working fluids
water R134a R245fa solkatherm
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
closed cycleregeneration cycle
Fig3-23 A efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
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Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 53
- 46 -
주 하에 특 해3312 ORC
특 고 하 동 체 하여 엔진 변 에R245fa
사 클 특 해 하 다 엔진 항한다는 가 하에 엔진 하 middot
가 지 상승한다고 가 하거나 는 엔진 하에 항하40~90 90
해 지 하강한다고 가 하여 본 시뮬 행하 다40
engine load()
30 40 50 60 70 80 90 100
pre
ssu
re(b
ar)
0
5
10
15
20
25
30
ma
ss f
low
(kg
s)
0
5
10
15
20
turbine inlet
turbine outlet
cycle massflow
Fig 3-24 Characteristics of the cycle according to the engine load
engine()
30 40 50 60 70 80 90 100
tem
pera
ture
()
60
80
100
120
140
160
180
200
220
turbine inletturbine outlet
Fig3-25 Characteristics of the cycle according to the engine load
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 54
- 47 -
pressure(bar)
30 40 50 60 70 80 90 100
po
we
r(kW
)
0
100
200
300
400
500
600
700
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
power
efficiency
Fig3-26 A power and efficiency of the cycle according to the engine load
는 엔진 에 사 클 특 변 다 빈에 들어가는Fig3-24 Fig3-25
동 체 엔진 하 시 어들 시 한다는 것50
할 다 그리고 시 내 량 엔진 드 변 에 하게 감 하는 것
다 한 엔진 에 엔진 는 동 체 도도 하게
감 하는 것 할 다 엔진 에 사 클 과 Fig3-26
나타낸 것 다 사 클 당연 감 할 사 클 도 감 하는
것 할 다 하지만 사 클 상 에 는 크게 변 가 없 50
었 나 하 어들 경우 사 클 격하게 감 하는 것 할 50
었다 결과 보 엔진 상에 사 하 가 50 WHRS
보 다는 것 다
시뮬 결과34
폐열 에 사 클 에 어 는 재생사 클-
에 폐사 클 보다 할 었다 하지만 재 한 공간 에
하 에는 복 한 사 클 다 어 울 에 폐사 클 상
통하여 에 한 다 후에는 재생사 클 에 할 는 연
가 행 어 할 것 다
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 55
- 48 -
폐열 동 체 에 어 는 냉매- solkatherm
에 비해 뛰어남 었다 하지만 는 에R134a R245fa
해 재 에 가능한지에 한 연 가 가 필 하다고 생solkatherm
각 다 재는 하 들 에 냉매 는 solkatherm R134a
하여 에 하는 연 가 할 것 고 후에는R245fa solkatherm
폐열 에 는 연 가 할 것 보 다
경우 주 엔진 하에 생 는 폐열 열원 한 달 진다-
경우는 상 산업폐열과는 다 경 다 에 주 하변동에
시 지시키는 한 어 하 엔진 하 경우에ORC
하 내 갈 경우 시 많 보 에 폐열50 ORC
경우는 엔진 하 상에 계 항해 할 에 사 하는 시50
어 할 것 다
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010
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- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
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Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 56
- 49 -
해 도차4
해 도차 본41
해 도차 심 도차 하여 생산하는 다
해 도차 경우에 심 도차 가 에 시ORC
생산하게 다 경우에 우리나 는 도가 계 에 변하 18~28
고 다 하지만 심 경우에는 하에 지하고 다 800m 4~5
해 심 거리에 도 포 다 하 내 갈 경우Fig4-1 800m
지함 볼 가 다 는 해 도차 나타낸다4~5 Fig4-2
Fig4-1 Temperature profile of the deep seawater
Fig4-2 Advantage of the OTEC
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 57
- 50 -
Fig4-3 Intergrated utillization of the OTEC
해 도차 복합 에 한 내 다 에 만 만드는 것Fig4-3
니 만든 후 그 해하여 만들어 연료 지 사
할 고 한 개 사 클 하 담 생 도 가능하 심 에 끌어
해 상에 식업 나 식 등 재 가능하 에 생산뿐만 니
경 가가 도 뛰어나다 런 에 한 연 가 재 진행 OTEC
재 미 본 그리고 동남 시 럽에 계 연 가 진행 에
내에 도 연 가 진행 에 다 본 에 는 해 도차 단 하
나 낮 향상에 한 연 진행 하 다
해 도차 동 체42
해 도차 사 클 크게 가지 나눠볼 다 첫 째 는 폐사 클3
다 가 본 는 사 클 보 고 다 는 생산 하 에3~4
어 는 사 클 재 낮 극복하 한 연 가 진행 에
다 째 는 개 사 클 다 개 사 클 에 폐사 클과는 달리 담
만들 는 는 사 클 다
는 개 사 클 습 다 는 들어가고 진공 프에 해 진Fig4-4
공 어 어 낮 도에 도 는 끓는다 비등한 는 빈 시
키고 들어간다 에 들어간 는 심 에 해 어 담
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 58
- 51 -
Fig4-4 Diagram of the open cycle
Fig4-5 Diagram of the hybrid cycle
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 59
- 52 -
만드는 사 클 다 재 미 에 연 가 진행
한 도시 는 나 에 사 하거나 는 에 사 하 생산과
동시에 해결할 는 다
는 하 브리드사 클 보여 다 는 진공 프에 해 어 폐사Fig4-5
클 하는 동 체 열 통해 동 체는 비등하여 빈
생산하 는 상 도가 낮 담 만드는 시 보여 다
폐사 클과 개 사 클 복합 한 시 고 볼 다
도 만들 고 담 도 생산할 는 사 클 나 재 가 직 해결
지 고 에 재 연 진행 폐사 클과 개 사 클 향
상 어 러한 들 극복 후에 하 브리드사 클 연 가 진행 어
할 것 다
다 한 동 체 에 에 합한 동 체 하 다 경우는 도OTEC OTEC
역 도 생각할 다 도 내 연4~28
등 참고 하여 다 가지 도 하 다6 [23]
니421
니 (NH3 는 리 질 개 개 루어진 결합 질) 1 3
다 질 특징 에 는 특징과 열역학 질 우 한 것 보 다 하
지만 단 는 식 강하여 철과 만나 강한 식 킨다 그리고 체에
해 워 리 동 다 게 고 상 에 가연 상 강하여 리
가 필 하다
422 R22
R-22(HCF2 는 리 탄 개 개 개 염 개 루어Cl) 1 1 2 1
진 할 본계 냉매 다 는 에 한 식 도 니 에 비해 R12
큰 식 없고 체에 큰 향 없다 하지만 니 에 비해 는 열역학
질 어지 몬트리 에 해 재 퇴 상 어 다
423 R407C
는 그리고 비공비 합 다 는 도R407C R-32 23 R-125 25 R-134a 52
가 상 변 시 도변 가 도가 어 향 식 냉각 사 하7
과 다 그리고 상 변 시 열원 체 도 냉매 도 하게 지할
므 에 지 실 감할 다 재 체 냉매 주 고 R22
다
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 60
- 53 -
424 R410A
는 비 합한 질 비공비 합 에 한다R410A R-32 50 R-134a 50
질 상 상변 시 도변 가 어 공비 합 과 거 사하여 근 공비
합 냉매 고도 한다 그리고 도가 보다 도 포 R22 40
가지고 계 는 보다는 간 낮다 는 신하여 사 했 (COP) R22 R410A R22
에 나 에 거 향 미 지 는 어 상업
냉동 냉매 고 다
동 체에 다 동 체 에 변 가 비슷Fig4-6
한 상 보 다 는 다 냉매에 비해 도 것 R410A 30~40
할 다 사항과 열역학 질 경 그리고
고 해 그리고 에 한 시뮬 행하여 합Ammonia R22 R407C R410A
연 하 다
temperature( )
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
ammonia
R22
R407C
R410A
Fig4-6 Boiling pressure of the working fluids
니 합 동 체425
단 동 체 는 달리 합 동 체가 다 니 는 에 는 질
에 과 합하여 사 하게 다 동 체 사 하는 사 클 는 리
나사 클과 우에하 사 클 등 다 동 체는 비 질 열량
많 얻 는 특징 그 비 에 다 한 특 보 고 다
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
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Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 61
- 54 -
composition rate(ammoniawater)
0901 0802 0703
tem
pe
ratu
re(
)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
pre
ssu
re(b
ar)
0
2
4
6
8
10vapor pressure
boiling temperature
Fig4-7 Characteristics according to the amount of mixed ammonia
Fig4-8 TS curve according to the amount of mixed ammonia
니 비에 특 곡 다 니 비가Fig4-7
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 62
- 55 -
각각 결과 다 많 끓는0901 0802 0703
지는 향 보 낮 지는 경향 보 다 니 Fig4-8
비에 도 보여 다 많 얻 는 열 량 커TS
진 다는 것 다 한 단 동 체 경우 열 통해 상태변
할 에 엔트 피만 상승하나 합 동 체는 도 엔트 피가 동시에 상승하는
볼 다 런 경에 맞는 비 택하여 동 체 비 택하게
동 체가 것 생각 다
사 클 동 체 에 열 해 결과43
과 상승시키 해 는 사 클 동 체 빈OTEC
열 등 하다 그 에 도 우 사 클 에
과 특 에 해 연 하 다 시뮬 하여 행하 Aspen HYSYS
사 클 내 열 실 없다는 가 에 행하 다
사 클 에 시뮬 해431
Fig4-9 A result of the closed cycle simulation
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 63
- 56 -
Fig4-10 A result of the regeneration cycle simulation
Fig4-11 A result of the Kalina cycle simulation
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 64
- 57 -
Fig4-12 A result of the Uehara cycle simulation
closd cycle regeneration cycle Kalina cycle Uehara cycle
eff
icie
ncy(
)
0
2
4
6
8
10
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
efficiency
power
Fig4-13 Comparing the efficiency of the working cycles at the 50kW output
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 65
- 58 -
는 폐사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 하Fig4-9
심 건 같 건하에 하게 맞췄 에 50kW
나타난 결과 나타낸다
재생사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니 사 하Fig4-10
그에 계산하 다
리나사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-11 +
하 고 니 비는 비 합하 고 그에 91
계산하 다
는 우에하 사 클에 한 시뮬 결과 다 동 체는 니Fig4-12 +
하 고 그 비는 니 비 비 합하 고 그에 91
계산하 다
결과 탕 하게 했 사 클 비Fig4-13 50kW
한 것 다 보 폐사 클 경우는 가 간단하 실험하 Fig4-13
하 리하 가 상 다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다
재생사 클 고 할 것 다 리나사 클 재생사 클에 비해 는 같
에 낮 었다 는 폐사 클과 재생사 클 경우는 동
체가 단 냉매 나 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니 합
에 비 하 에 어 운 었고 하게 고 하여 런
결과가 나 것 사료 다 에 는 같 에 비 했 에 우에하 사
클 가 다 는 열시키는 열 가 많 지고 한 얻 한
사 클 했 에 러한 결과가 나 것 다 재 상 하 에는 사 클
복 하고 만들 어 에 내 도 시뮬 연 는 루어지고
나 실 실험 해 검 하는 단계는 크게 지지 고 다 가
실 는 사 클 는 재 폐사 클과 재생사 클 합한 것
다
동 체에 사 클432
에 사 클 과 에 미 는 한 동 체가 다 동 체OTEC
에 해 시 결 빈 계 에도 큰 향 끼 게
다 런 한 동 체에 사 클 과 에 맞춰 시뮬
실시하 다
는 동 체에 나타낸 그 프 다 여Fig4-14 Fig4-15
사 클 내 에 진행 고 는 폐사 클 하 다 동 체는 니
그리고 에 해 시뮬 하 다 니 가 단연 R22 R407C R410A
컸다 그 는 열 량 다 냉매에 비해 가 뛰어나 에 같 량
에 가 큰 보 다 그 에도 실 실험 행할 에 니
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
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Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 66
- 59 -
가 많 사 하고 다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해
에 취 에 특 주 하는 동 체 다 그 리만 고 식
만 해결 다 동 체 생각 다
에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리Cycle R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후 퇴 에 그에 체 냉매 10 407C
비 했다 과 보 에 니 보다는 어지410A R22
가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보여주고 R407C
다
동 체에 열 량 나타낸 것 다 니 경우에는 그Fig4-16
만큼 많 내 에 가 량 큰 열 가 필 하다 하지만 나 지
경우는 비슷한 량 볼 다 러한 결과R22 R407C R410A R407C R410A
도 한 체냉매 고 할 다
동 체 에 가 근에 주 고 다 것R1234ze(E) R1234yf R407C
같 지 가 동 체 합한 것 닌 새 운 냉매R410A ODP 0
다 냉매 는 가 낮고 비슷한 질 나타내 ODP GWP R134a
고 어 에도 큰 변 없 그 할 다는 다 단cycle
는 시 보다 비 비싸다는 과 간 가연 보 다는 다
도에 포 곡 나타낸다 니 보다는 포Fig4-17
낮 경향 보 다 그리고 는 사한 곡 나타내고 R1234yf R134a
가 가 낮 포 보여 다 결과 탕 니 R1234ze(E)
하 에 도 변 에 사 클 과R1234ze(E) R1234yf
비 하 다
과 는 도 변 에 사 클 과 나타낸다Fig4-18 Fig4-19
보 가 가 큰 볼 다 한 하Fig4-18 R1234yf 21
간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 에 Fig4-19
가 가 니 가 가 낮 보 고 다 결과R1234ze(E)
보 신 냉매 주 고 는 가 고 해 볼 만한 동R1234ze(E) R1234yf
체 는 것 었다
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
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태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
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[13] Aspen HYSYS Operation Guide Aspentech 2011
보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
해양 pp 1~83
[15] Noboru Yamada Akira Hoshi Yasuyuki Ikegami Performance simulation
of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
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[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 67
- 60 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
10
20
30
40
50
60
net-power
Fig4-14 Comparing a power of the working fluids
ammonia R22 R407C R410A
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
efficiency
Fig4-15 Comparing a efficiency of the working fluids
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
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한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
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마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 68
- 61 -
ammonia R22 R407C R410A
hea
t ca
pa
city
(kW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
heat capacity
Fig4-16 Comparing the heat capacity of the working fluids
temperature( )
0 5 10 15 20 25 30 35
pre
ssure
(ba
r)
0
2
4
6
8
10
12
ammonia
R22
R1234ze(E)
R1234yf
Fig4-17 Boiling pressure of the working fluids
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 69
- 62 -
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
po
we
r(kW
)
0
50
100
150
200
250
300
350
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-18 Net-power of the cycle according to the surface seawater
temperature( )
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
5
ammonia
R1234ze(E)R1234yf
Fig4-19 Efficiency of the cycle according to the surface seawater
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
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ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
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빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 70
- 63 -
우에하 사 클 니 비에 사 클 특433
시 에 리나사 클과 우에하 사 클 경우는 니OTEC
합 동 체 사 한다 는 니 비에 사 클 특
에 큰 향 미 다 그 본 에 는 우에하
사 클에 니 동 체 비에 사 클특 비 해 보 다
비는 하여 그에 해 행하 다088~10
Fig4-20 니 비에 체생 량 나타낸다 그림에 보
니 비 커질 체 생 량 많 진다 것 같 열원에 니 가
끓는 보다 낮 에 니 가 많 하여 량 가하는 것 볼
다 니 비에 보여 다 빈 Fig4-21 No1
가하는 습 보 는 시뮬 에 하게 하middot
에 가하는 습 다 는 니 비 에 가 No2 098
큰 할 다 니 가 생 는 니 량에 비해 10
합하여 낮게 하여 빈 낮 에( )
습 보 다 는 니 비에 사 클 Fig4-22
보 다 사 클 가 보 고 다 것 과 096 098 096
차 보다 필 하는 열 낮 에 사 클 096
게 나 것 다 그 니 합 동 체 사 하는 사 클
우에하 사 클 비가 가 한 합비가 다는 할096~098
었다
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
mass
flo
w(k
gs
)
13
14
15
16
17
18
19
20
21
mass flow
Fig4-20 Mass flow according to the mass fraction of the ammonia
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
택 만 철 폐열 한[2] ldquo 100kW
심 빈 공 계 에 한 능해 마린엔지니어링학 지CFD rdquo 35 2
2011
[3] Rong-Hua Yeh Tar-Zen Su Min-Shong Yang Maximum output of an OTEC power
plant Ocean engineering Vol32 pp685-700 2005
생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011
[6] WANG Tong DING Liang GU Chuangang and YANG Bo Performance analysis and
improvement for CC-OTEC system Journal of Mechanical Science and Technology
Vol22 pp 1977~1983 2008
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태 해 도차 시 개 한 비공학 지[8] ldquo rdquo 30 1 pp
18~24 2001
[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki
Ikegami Masatoshi Nakamura Construction of Simulation Model for OTEC Plant
Using Uehara Cycle Electrical Engineering in Japan Vol176 No2 pp 272~282
2011
태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010
[13] Aspen HYSYS Operation Guide Aspentech 2011
보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
해양 pp 1~83
[15] Noboru Yamada Akira Hoshi Yasuyuki Ikegami Performance simulation
of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
Engineering Vol27 pp223~228 2007
[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery journal of Energy
Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
seminar 2011
[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 71
- 64 -
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
po
we
r(kW
)
20
30
40
50
60
70
no1 turbineno2 turbine
Fig4-21 Power of the turbine according to mass fraction of the ammonia
ammonia water(mass fraction)
086 088 090 092 094 096 098 100
eff
icie
ncy(
)
15
20
25
30
35
40
45
cycle efficiencynet efficiency
Fig4-22 Efficiency of the cycle according to mass fraction of the ammonia
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
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결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
택 만 철 폐열 한[2] ldquo 100kW
심 빈 공 계 에 한 능해 마린엔지니어링학 지CFD rdquo 35 2
2011
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생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
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18~24 2001
[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki
Ikegami Masatoshi Nakamura Construction of Simulation Model for OTEC Plant
Using Uehara Cycle Electrical Engineering in Japan Vol176 No2 pp 272~282
2011
태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010
[13] Aspen HYSYS Operation Guide Aspentech 2011
보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
해양 pp 1~83
[15] Noboru Yamada Akira Hoshi Yasuyuki Ikegami Performance simulation
of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
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[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery journal of Energy
Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
seminar 2011
[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 72
- 65 -
빈 에 사 클434
시 에 빈 에 사 클 과 달 질 다OTEC
도 경우는 가 다고 단 는 하여 폐사 클과 재28
생사 클에 해 행 하 각 각 동 체 빈 에 사
클 과 비 해보 다
동 체는 암 니아 사 하여 빈 압 에 사 클Fig4-23
과 보여주고 다 빈 압 에 가 89bar 2834
kW 167 보 고 다
동 체는 사 한 그래프 다 경우에는 빈 압Fig4-24 R22 R22
과 나타낸다95bar 415kW 153
는 동 체는 사 했 그래프 다 빈Fig4-25 R407C R407C
압 과 보 고 다11bar 396kW 153
는 동 체는 사 하 능 그래프 다 는 빈Fig4-26 R410A R410A
압 에 그리고 나타내었다 상14bar 513kW 171
결과 폐사 클에 동 체 사 할 빈 압 포 압 사 하
는 것 보다는 포 압 보다 낮 압 에 사 하는 것 과 에05~10bar
리함 알 수 다 한 체 냉매 가 과 에 R22 R407C R410A
히 사 가능한 할 수 다
pressure(bar)
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
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ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
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30
40
50
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ncy(
)
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2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
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eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
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pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
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참 고 헌
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- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
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감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 73
- 66 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
eff
icie
ncy(
)
00
05
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20
25
power
efficiency
Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120
po
we
r(kw
)
0
1
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3
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icie
ncy(
)
00
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15
20
25
power
efficiency
Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
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eff
icie
ncy(
)
00
05
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20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
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pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
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)
0
10
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30
40
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ncy(
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0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
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eff
icie
ncy(
)
0
1
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power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
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pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
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ncy(
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power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
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)
0
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eff
icie
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power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
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ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
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closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
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closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
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보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
택 만 철 폐열 한[2] ldquo 100kW
심 빈 공 계 에 한 능해 마린엔지니어링학 지CFD rdquo 35 2
2011
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생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011
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태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
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Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010
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보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
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of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
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[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
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[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
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[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 74
- 67 -
pressure(bar)
10 11 12 13 14 15 16
po
we
r(kw
)
0
1
2
3
4
5
6
eff
icie
ncy(
)
00
05
10
15
20
25
power
efficiency
Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)
동 체 니 사 하여 빈 에 사 클Fig4-27
과 보여주고 다 빈 에 가 102bar 5163kW
보 고 다305
동 체 사 한 그 프 다 경우에는 빈Fig4-28 R22 R22
과 나타낸다105bar 75kW 278
는 동 체 사 했 결과 다 는 빈Fig4-29 R407C R407C
과 보 고 다121bar 761kW 293
는 동 체 사 하 능 그 프 다 는 빈Fig4-29 R410A R410A
에 그리고 나타내었다 상 결16bar 939kW 314
과 재생사 클에 는 동 체 사 할 빈 포 에
과 가 게 나타나는 것 볼 었다 그리고 재생사 클에 도 R22
체냉매 에 한 과 보 사 가능하다는407C R410A
것 다
- 68 -
pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
we
r(kw
)
0
10
20
30
40
50
60
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
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)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
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)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
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power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
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주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
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가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
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참 고 헌
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본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
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능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
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택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
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- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
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[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
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Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
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[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
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후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
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감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 75
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pressure(bar)
75 80 85 90 95 100 105
po
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power
efficiency
Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)
pressure(bar)
80 85 90 95 100 105 110
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
택 만 철 폐열 한[2] ldquo 100kW
심 빈 공 계 에 한 능해 마린엔지니어링학 지CFD rdquo 35 2
2011
[3] Rong-Hua Yeh Tar-Zen Su Min-Shong Yang Maximum output of an OTEC power
plant Ocean engineering Vol32 pp685-700 2005
생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011
[6] WANG Tong DING Liang GU Chuangang and YANG Bo Performance analysis and
improvement for CC-OTEC system Journal of Mechanical Science and Technology
Vol22 pp 1977~1983 2008
[7]Nam Jin Kim Kim Choon Ng Wongee Chun Using the condenser effluent from a
nuclear power plant for Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) International
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태 해 도차 시 개 한 비공학 지[8] ldquo rdquo 30 1 pp
18~24 2001
[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki
Ikegami Masatoshi Nakamura Construction of Simulation Model for OTEC Plant
Using Uehara Cycle Electrical Engineering in Japan Vol176 No2 pp 272~282
2011
태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010
[13] Aspen HYSYS Operation Guide Aspentech 2011
보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
해양 pp 1~83
[15] Noboru Yamada Akira Hoshi Yasuyuki Ikegami Performance simulation
of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
Engineering Vol27 pp223~228 2007
[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery journal of Energy
Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
seminar 2011
[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 76
- 69 -
pressure(bar)
85 90 95 100 105 110 115 120 125
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
eff
icie
ncy(
)
0
1
2
3
4
power
efficiency
Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)
pressure(bar)
125 130 135 140 145 150 155 160 165
po
we
r(kw
)
0
2
4
6
8
10
eff
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)
0
1
2
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power
efficiency
Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
택 만 철 폐열 한[2] ldquo 100kW
심 빈 공 계 에 한 능해 마린엔지니어링학 지CFD rdquo 35 2
2011
[3] Rong-Hua Yeh Tar-Zen Su Min-Shong Yang Maximum output of an OTEC power
plant Ocean engineering Vol32 pp685-700 2005
생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011
[6] WANG Tong DING Liang GU Chuangang and YANG Bo Performance analysis and
improvement for CC-OTEC system Journal of Mechanical Science and Technology
Vol22 pp 1977~1983 2008
[7]Nam Jin Kim Kim Choon Ng Wongee Chun Using the condenser effluent from a
nuclear power plant for Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) International
Communications in Heat and Mass Transfer Vol36 pp1008~1013 2009
태 해 도차 시 개 한 비공학 지[8] ldquo rdquo 30 1 pp
18~24 2001
[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki
Ikegami Masatoshi Nakamura Construction of Simulation Model for OTEC Plant
Using Uehara Cycle Electrical Engineering in Japan Vol176 No2 pp 272~282
2011
태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010
[13] Aspen HYSYS Operation Guide Aspentech 2011
보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
해양 pp 1~83
[15] Noboru Yamada Akira Hoshi Yasuyuki Ikegami Performance simulation
of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
Engineering Vol27 pp223~228 2007
[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery journal of Energy
Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
seminar 2011
[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 77
- 70 -
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
20
40
60
80
100
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle
ammonia R22 R407C R410A
po
we
r(kW
)
0
1
2
3
4
closed cycle
regeneration cycle
Fig4-32 The efficiency of the closed cycle and regeneration cycle
- 71 -
보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
택 만 철 폐열 한[2] ldquo 100kW
심 빈 공 계 에 한 능해 마린엔지니어링학 지CFD rdquo 35 2
2011
[3] Rong-Hua Yeh Tar-Zen Su Min-Shong Yang Maximum output of an OTEC power
plant Ocean engineering Vol32 pp685-700 2005
생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011
[6] WANG Tong DING Liang GU Chuangang and YANG Bo Performance analysis and
improvement for CC-OTEC system Journal of Mechanical Science and Technology
Vol22 pp 1977~1983 2008
[7]Nam Jin Kim Kim Choon Ng Wongee Chun Using the condenser effluent from a
nuclear power plant for Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) International
Communications in Heat and Mass Transfer Vol36 pp1008~1013 2009
태 해 도차 시 개 한 비공학 지[8] ldquo rdquo 30 1 pp
18~24 2001
[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki
Ikegami Masatoshi Nakamura Construction of Simulation Model for OTEC Plant
Using Uehara Cycle Electrical Engineering in Japan Vol176 No2 pp 272~282
2011
태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010
[13] Aspen HYSYS Operation Guide Aspentech 2011
보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
해양 pp 1~83
[15] Noboru Yamada Akira Hoshi Yasuyuki Ikegami Performance simulation
of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
Engineering Vol27 pp223~228 2007
[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery journal of Energy
Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
seminar 2011
[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 78
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보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31
니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW
사 클에 상 없 니 가 리하다 그리고 폐사 클보다는 재생사 클
체 것 다
는 폐사 클과 재생사 클 동 체에 사 클 보여 다Fig4-32
보 동 체 가 가 나타내고 다 경R410A 314 R410A
우는 체냉매 고 고 는 냉매 많 연 가 진행 어 할 것 다R22
그리고 폐사 클보다는 재생사 클 에 것 다 상 결과
동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체
는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A
다
도에 사 클435
경우에는 에 언 했 가지 사 클 동 체 에도OTEC
도에 도 달 진다 도는 계 에 과 낮에 다 하
게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬
행하 다
Fig 4-33 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(closed cycle)
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
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참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
택 만 철 폐열 한[2] ldquo 100kW
심 빈 공 계 에 한 능해 마린엔지니어링학 지CFD rdquo 35 2
2011
[3] Rong-Hua Yeh Tar-Zen Su Min-Shong Yang Maximum output of an OTEC power
plant Ocean engineering Vol32 pp685-700 2005
생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011
[6] WANG Tong DING Liang GU Chuangang and YANG Bo Performance analysis and
improvement for CC-OTEC system Journal of Mechanical Science and Technology
Vol22 pp 1977~1983 2008
[7]Nam Jin Kim Kim Choon Ng Wongee Chun Using the condenser effluent from a
nuclear power plant for Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) International
Communications in Heat and Mass Transfer Vol36 pp1008~1013 2009
태 해 도차 시 개 한 비공학 지[8] ldquo rdquo 30 1 pp
18~24 2001
[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki
Ikegami Masatoshi Nakamura Construction of Simulation Model for OTEC Plant
Using Uehara Cycle Electrical Engineering in Japan Vol176 No2 pp 272~282
2011
태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010
[13] Aspen HYSYS Operation Guide Aspentech 2011
보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
해양 pp 1~83
[15] Noboru Yamada Akira Hoshi Yasuyuki Ikegami Performance simulation
of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
Engineering Vol27 pp223~228 2007
[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery journal of Energy
Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
seminar 2011
[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
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감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 79
- 72 -
Fig 4-34 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(regeneration cycle)
Fig 4-35 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Kalina cycle)
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
도가 상승할 경우 지 함 가하지만 리나사 클과 우에하 사 클
그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
시뮬 결과44
같 에 우에하 사 클 가 크다 상 하 에는 직-
어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사
클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
하 간에 는 니 가 가 낮 보 고 다 cycle
고 한다 가 가 니 가 가 낮 보 고 다R1234ze(E)
결과 가 고 해 볼 만한 동 체 는 것R1234ze(E) R1234yf
었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
사 클 에 는 가 가 다 하지만 경우는 몬트리- R22 205 R22
에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10
비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22
는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C
여주고 다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-
재생사 클 니 가 가 가 가 다 R410A
폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-
에 과 가 다
폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2
보 다cycle
해 도 변 에 과 에 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시
뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다
폐열
사 클 에 시뮬 해 에 재생사 클 폐사- 97
클보다 다
동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW
가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
보 다
동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf
가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
택 만 철 폐열 한[2] ldquo 100kW
심 빈 공 계 에 한 능해 마린엔지니어링학 지CFD rdquo 35 2
2011
[3] Rong-Hua Yeh Tar-Zen Su Min-Shong Yang Maximum output of an OTEC power
plant Ocean engineering Vol32 pp685-700 2005
생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011
[6] WANG Tong DING Liang GU Chuangang and YANG Bo Performance analysis and
improvement for CC-OTEC system Journal of Mechanical Science and Technology
Vol22 pp 1977~1983 2008
[7]Nam Jin Kim Kim Choon Ng Wongee Chun Using the condenser effluent from a
nuclear power plant for Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) International
Communications in Heat and Mass Transfer Vol36 pp1008~1013 2009
태 해 도차 시 개 한 비공학 지[8] ldquo rdquo 30 1 pp
18~24 2001
[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki
Ikegami Masatoshi Nakamura Construction of Simulation Model for OTEC Plant
Using Uehara Cycle Electrical Engineering in Japan Vol176 No2 pp 272~282
2011
태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010
[13] Aspen HYSYS Operation Guide Aspentech 2011
보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
해양 pp 1~83
[15] Noboru Yamada Akira Hoshi Yasuyuki Ikegami Performance simulation
of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
Engineering Vol27 pp223~228 2007
[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery journal of Energy
Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
seminar 2011
[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 80
- 73 -
Fig 4-36 Power and efficiency of the cycle according to surface seawater
temperature(Uehara cycle)
도에 사 클Fig4-33 Fig4-34 Fig4-35 Fig4-36
다 가지 도상승에 가하지만 폐사 클과 재생사 클 4
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그 가 도가 느리게 가하는 그함 가함 다
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클과 재생사 클 합한 것 사료 다
폐사 클 경우는 가 간단할 뿐만 니 실험하 하 리하 가 상-
다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할
것 다
동 체에 는 에 보 니 가 다 그 는 열 량 다-
냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보
다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특
- 74 -
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동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
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결과 나타내었다
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가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는 그함
가함 다
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC
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주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
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사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
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보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
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참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
택 만 철 폐열 한[2] ldquo 100kW
심 빈 공 계 에 한 능해 마린엔지니어링학 지CFD rdquo 35 2
2011
[3] Rong-Hua Yeh Tar-Zen Su Min-Shong Yang Maximum output of an OTEC power
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생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011
[6] WANG Tong DING Liang GU Chuangang and YANG Bo Performance analysis and
improvement for CC-OTEC system Journal of Mechanical Science and Technology
Vol22 pp 1977~1983 2008
[7]Nam Jin Kim Kim Choon Ng Wongee Chun Using the condenser effluent from a
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Communications in Heat and Mass Transfer Vol36 pp1008~1013 2009
태 해 도차 시 개 한 비공학 지[8] ldquo rdquo 30 1 pp
18~24 2001
[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki
Ikegami Masatoshi Nakamura Construction of Simulation Model for OTEC Plant
Using Uehara Cycle Electrical Engineering in Japan Vol176 No2 pp 272~282
2011
태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010
[13] Aspen HYSYS Operation Guide Aspentech 2011
보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
해양 pp 1~83
[15] Noboru Yamada Akira Hoshi Yasuyuki Ikegami Performance simulation
of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
Engineering Vol27 pp223~228 2007
[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery journal of Energy
Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
seminar 2011
[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
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후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
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걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
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원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
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한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
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고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
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목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 81
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주 하는 동 체 다 그 리만 고 식 만 해결 다
동 체 생각 다
고 역에 가 가 큰 볼 다 한- R1234yf 21
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가 결과 보 다146
주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50
시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50
어 한다
해 도차
사 클 에 시뮬 해 에 우에하 사 클 가- 643
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가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
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참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
택 만 철 폐열 한[2] ldquo 100kW
심 빈 공 계 에 한 능해 마린엔지니어링학 지CFD rdquo 35 2
2011
[3] Rong-Hua Yeh Tar-Zen Su Min-Shong Yang Maximum output of an OTEC power
plant Ocean engineering Vol32 pp685-700 2005
생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011
[6] WANG Tong DING Liang GU Chuangang and YANG Bo Performance analysis and
improvement for CC-OTEC system Journal of Mechanical Science and Technology
Vol22 pp 1977~1983 2008
[7]Nam Jin Kim Kim Choon Ng Wongee Chun Using the condenser effluent from a
nuclear power plant for Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) International
Communications in Heat and Mass Transfer Vol36 pp1008~1013 2009
태 해 도차 시 개 한 비공학 지[8] ldquo rdquo 30 1 pp
18~24 2001
[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki
Ikegami Masatoshi Nakamura Construction of Simulation Model for OTEC Plant
Using Uehara Cycle Electrical Engineering in Japan Vol176 No2 pp 272~282
2011
태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
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능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
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[13] Aspen HYSYS Operation Guide Aspentech 2011
보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
해양 pp 1~83
[15] Noboru Yamada Akira Hoshi Yasuyuki Ikegami Performance simulation
of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
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상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
Engineering Vol27 pp223~228 2007
[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery journal of Energy
Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
seminar 2011
[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
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후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 82
- 75 -
결3
본 에 는 폐열 과 해 도차 에 하는 사 클 과ORC
고 함에 어 하여 실험결과aspentech HYSYS 73
비 하여 타당 한 후 시뮬 행하 다 통하여 본 ORC
개 식 사 하여 사 클 동 체 에Peng-Robineson ORC
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가 사 클 가 다R1234ze(E) 462
해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4
가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함
가하지만 리나사 클과 우에하 사 클 그 가 도가 느리게 가하는
그함 가함 었다
우에하 사 클에 니 비에 해 행하-
가 가 사 비가 가098002 096004 096~098
결과 나타내었다
빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-
보다 낮 에 결과 나타냈 재생사 클 포 에 가
결과 보 다
- 76 -
참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
택 만 철 폐열 한[2] ldquo 100kW
심 빈 공 계 에 한 능해 마린엔지니어링학 지CFD rdquo 35 2
2011
[3] Rong-Hua Yeh Tar-Zen Su Min-Shong Yang Maximum output of an OTEC power
plant Ocean engineering Vol32 pp685-700 2005
생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011
[6] WANG Tong DING Liang GU Chuangang and YANG Bo Performance analysis and
improvement for CC-OTEC system Journal of Mechanical Science and Technology
Vol22 pp 1977~1983 2008
[7]Nam Jin Kim Kim Choon Ng Wongee Chun Using the condenser effluent from a
nuclear power plant for Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) International
Communications in Heat and Mass Transfer Vol36 pp1008~1013 2009
태 해 도차 시 개 한 비공학 지[8] ldquo rdquo 30 1 pp
18~24 2001
[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki
Ikegami Masatoshi Nakamura Construction of Simulation Model for OTEC Plant
Using Uehara Cycle Electrical Engineering in Japan Vol176 No2 pp 272~282
2011
태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010
[13] Aspen HYSYS Operation Guide Aspentech 2011
보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
해양 pp 1~83
[15] Noboru Yamada Akira Hoshi Yasuyuki Ikegami Performance simulation
of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
Engineering Vol27 pp223~228 2007
[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery journal of Energy
Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
seminar 2011
[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
것 같습니다
참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
말 드립니다
동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
습니다
그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
합니다
한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 83
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참 고 헌
차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and
본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012
택 만 철 폐열 한[2] ldquo 100kW
심 빈 공 계 에 한 능해 마린엔지니어링학 지CFD rdquo 35 2
2011
[3] Rong-Hua Yeh Tar-Zen Su Min-Shong Yang Maximum output of an OTEC power
plant Ocean engineering Vol32 pp685-700 2005
생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo
능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011
생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo
마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011
[6] WANG Tong DING Liang GU Chuangang and YANG Bo Performance analysis and
improvement for CC-OTEC system Journal of Mechanical Science and Technology
Vol22 pp 1977~1983 2008
[7]Nam Jin Kim Kim Choon Ng Wongee Chun Using the condenser effluent from a
nuclear power plant for Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) International
Communications in Heat and Mass Transfer Vol36 pp1008~1013 2009
태 해 도차 시 개 한 비공학 지[8] ldquo rdquo 30 1 pp
18~24 2001
[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki
Ikegami Masatoshi Nakamura Construction of Simulation Model for OTEC Plant
Using Uehara Cycle Electrical Engineering in Japan Vol176 No2 pp 272~282
2011
태 열시 계 시뮬 비[10] ldquo rdquo 2004
택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW
능 내 동 향 한 마린엔지니어링학 지rdquo 35 6 pp 757~764
2011
[12] Incropera DeWitt Bergman Lavine ldquoFundamentals of Heat and Mass
Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010
[13] Aspen HYSYS Operation Guide Aspentech 2011
보 태 해양 도차 플랜트 능해 연[14] ldquo (OTEC) rdquo
해양 pp 1~83
[15] Noboru Yamada Akira Hoshi Yasuyuki Ikegami Performance simulation
of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant Journal of Renewable
energy Vol34 pp1752~1758 2009
- 77 -
상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
Engineering Vol27 pp223~228 2007
[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery journal of Energy
Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
seminar 2011
[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
는 폐열 수 시스 술개 과 해양(10040099)
지원 수행한 해양에 지 양 사업 연 수행 었 에
계 여러 께 감사드립니다
해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
- 79 -
감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
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지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
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지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
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걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
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시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
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목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 84
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상 본 폐열 수 시스 누리미 어[16] ldquo rdquo pp 86~88 2003
상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009
[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic
Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal
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[19] Bo-Tau Liu Kuo-Hsiang Chien Chi-Chunan Wang Effect of working
fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery journal of Energy
Vol29 pp1207~1217 2004
[20] National Fire Protection Association wwwnfpaorg
[21] Mario Gaia 30 Years of Organic Rankine Cycle Development 2011 ORC
seminar 2011
[22] Tzu-Chen Hung Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry
fluids Energy Conversion and Management Vol42 pp539-553 2001
[23] Bahaa Saleh Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles Journal of Enery
Vol32 pp1210~1221 2007
- 78 -
후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
도차 향상 한 동 체 과 술 개(OTEC) )
지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
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주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
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참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
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감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
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참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
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동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항
상 짧았 것 같습니다 가끔 공 가 하 힘들고 지칠 에게 힘 어 친 들
원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
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그리고 에 갈 마다 에게 힘 주고 같 아주고 생에 는 빼
수 없는 가 친한 친 들 신 순철 근 친 에게 감사 마
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한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
어주시는 수 누나에게 진심 감사 말 하고 싶습니다
나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지
고 다니는지 항상 건강 챙겨주시는 어 니 가 없는 빈 리 신 님
시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 85
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후
본 도 지식경 재원 한 에 지 술평가원 해수2010 (KETEP
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지식경 지원 산업원천 술개 사업 진(No2010T100101102)
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해수 도차 향상 한 동 체 과 술개( (OTEC) )
주 한 해양 학
폐열 수 시스 술개( )
주 진지 택
참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX
원 한 해양 학
해양 해양에 지 양 사업( )
주 한 해양 학 해양 양 사업단
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감사
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지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
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헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
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걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
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동에 지실험실에 었 간 억들 생에 참 큰 미 것 같습니2
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원 건 우 진 진 동 님들께 고맙다는 말 해주고 싶
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한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006
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시고 는 여동생 지 우리 가 들에게 치고 싶습니다
마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
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목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과 Page 86
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감사
한 해양 학 해사 학 업하고 간 승 생 마친 학 시 하3
가 쉽지 않았는 돌 켜보 많 것 우고 경험한 학원 사과 생
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참 한 학 러 들여 늘 가 게 해주신 평생 스승
지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심
히 수 해주신 태우 수님 수님께 감사 말씀 드립니다
지 에게 도움 주신 많습니다 그 에 도 해사 학
에 간 동고동락하 처 학원에 들어 엇 해야 지 하161 2
헤매고 에 많 힘 도엽 님 수 님 님께 감사
하다는 말 하고 싶습니다 한 지 도 같 걸 열심히 학
걷고 는 동에 지 실험실 동료 님 학근 보 에게 감사
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마지막 지 통해 언 하지 못했지만 그 동안 아끼고 사랑
해주신 든 들께 다시 한 진심 감사 드립니다
목 차 1 서 론 11 연구배경 12 연구목적 2 ORC 및 작동유체 21 ORC의 기본개념 22 Cycle 이론 및 Peng-Robinson 방정식 23 ORC의 종류 24 ORC의 작동유체 25 ORC의 적용사례 3 선박용 폐열회수발전시스템 31 선박용 폐열회수발전시스템의 기본개념 32 선박용 폐열회수발전시스템의 사이클 및 작동유체의 종류 33 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 34 시뮬레이션결과 4 해양온도차발전 41 해양온도차발전의 기본정의 42 해양온도차발전의 작동유체의 종류 43 사이클 및 작동유체의 종류에 따른 열 해석 결과 44 시뮬레이션결과