Performance Characteristics of Cooling-Thermal Energy Conversion Dual System Applying Ejector

Abstract

세계 공통적으로 겪고 있는 에너지의 수요와 공급의 문제, 그리고 이에 수반되는 환경적인 문제들의 해결안으로써 신재생 에너지 분야의 연구와 사업이 활발하게 이루어지고 있다. 이것의 일환으로써, 해양 표층수와 해양 심층수의 온도차를 이용하여 전력을 생산하는 해양온도차 발전 시스템(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC)은 친환경적 발전방식으로 미국, 일본 그리고 많은 유럽국가에서 각광받고 있다. 하지만, 해양온도차 발전 시스템의 상용화 노력에도 불구하고, 표층수와 심층수간의 약 20∼24℃의 작은 온도차를 이용한 발전방식이기 때문에 시스템효율이 다른 발전방식에 비해 상대적으로 낮다는 단점과 심층수 추출 전력소모 그리고 고가의 해수용 열교환기 등은 상용화를 방해하는 요소로 작용하고 있다. 이에 시스템효율 개선을 위한 다단터빈, 재열기, 케스케이드 시스템 적용 등의 다양한 연구가 세계적으로 진행되어왔으며, 이젝터(Ejector)의 적용은 이것의 일환으로써 터빈 출구의 압력을 응축압력 이하로 감소시켜 시스템 효율을 증가시키는 효과가 있다. 본 논문에서는 이젝터를 적용하여 온도차발전 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 방안에 대해 제시하고자 한다. 또한, 기존의 해양온도차 발전시스템의 상용화를 방해하던 낮은 시스템효율과 높은 초기투자 비용 그리고 심층수 추출과정의 큰 전력소모에 대해 시스템효율의 향상을 도모하고 심층수를 포함한 해수를 열원으로 사용하지 않는 ‘이젝터 적용 냉방-온도차발전 듀얼시스템’에 대한 연구를 수행하고자 한다. ‘이젝터 적용 냉방-온도차발전 듀얼시스템’의 이젝터 유량비를 변수로 한 시뮬레이션 성능분석 결과는 다음과 같다. 이젝터의 유량비 증가에 따라 증발기 출구 건도 감소에 의해 냉방시스템의 증발열량이 감소하였으며, R134a 냉매 적용 시 가장 높은 증발열량 및 COP를 보였다. 반면, 동일한 조건에서 온도차발전 시스템의 터빈을 통과하는 유량 증가에 따라 터빈 전력생산량은 증가하였다. 하지만, 이젝터의 압력회복 성능(Pd/Ps)의 감소로 인해 온도차발전 시스템효율은 감소하였다. 이젝터의 성능은 본 연구에서 제안하는 ‘이젝터 적용 냉방-온도차발전 듀얼시스템’의 성능에 직접적으로 영향을 미치는 요소이다. 따라서 이젝터의 유량비, 작동압력 그리고 토출압력을 변수로 한 실험적 연구를 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다. R507 냉매는 3종의 냉매 중 비체적이 가장 작은 냉매이므로 모든 유량비 구간에서 가장 큰 차압을 발생시켰다. 한편, R134a 냉매는 낮은 토출압력으로 인해 비교적 작은 차압에도 불구하고 높은 압력회복 성능(Pd/Ps)을 나타냈다. 작동부 압력 상승에 따른 이젝터의 성능분석 결과, 구동압력차(Pm/Pd) 증가로 인해 토출부와 흡입부 사이의 압력차가 증가하였으며 R507 냉매 적용 시 가장 큰 압력차이를 보였다. 토출부 압력의 감소에 따라 구동압력차(Pm/Pd)가 증가하였으나, 발생 차압은 오히려 감소하였다. 토출압력이 감소하며 흡입압력의 수준 또한 감소하며, 이로 인해 흡입 유체의 비체적이 증가하기 때문으로 분석된다. 이젝터의 성능실험 결과를 ‘이젝터 적용 냉방-온도차발전 듀얼시스템’에 대입 시, R507 냉매의 경우 분석조건에서 약 1070kW의 터빈 전력생산량이 획득 가능하며 이는 이젝터 적용 전 대비 약 10.25% 향상된 수치이다. R32와 R134a 냉매의 경우 각각 691kW와 461kW로써, 이젝터 적용 전 대비 각각 약 6.53%, 7.25% 개선된 결과를 확인할 수 있었다.