KR20200041066A - 초월임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

초월임계 이산화탄소 발전 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20200041066A
KR20200041066A KR1020180121017A KR20180121017A KR20200041066A KR 20200041066 A KR20200041066 A KR 20200041066A KR 1020180121017 A KR1020180121017 A KR 1020180121017A KR 20180121017 A KR20180121017 A KR 20180121017A KR 20200041066 A KR20200041066 A KR 20200041066A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon dioxide
power generation
generation system
working fluid
dioxide power
Prior art date
Application number
KR1020180121017A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102122945B1 (ko
Inventor
이정익
백승준
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020180121017A priority Critical patent/KR102122945B1/ko
Publication of KR20200041066A publication Critical patent/KR20200041066A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102122945B1 publication Critical patent/KR102122945B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/04—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa
    • C09K5/041—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa for compression-type refrigeration systems
    • C09K5/044—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa for compression-type refrigeration systems comprising halogenated compounds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/32—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines using steam of critical or overcritical pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K9/00—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines
    • F01K9/02—Arrangements or modifications of condensate or air pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K2205/00—Aspects relating to compounds used in compression type refrigeration systems
    • C09K2205/10—Components
    • C09K2205/12—Hydrocarbons
    • C09K2205/122—Halogenated hydrocarbons

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

열원; 펌프; 터빈; 및 냉각기;가 유로로 연결되어 폐회로를 구성하며, 상기 폐회로를, 이산화탄소; 및 유기냉매 및 유기용매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상;을 포함하는 혼합 작동 유체가 순환하는 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템이 개시된다.

Description

초월임계 이산화탄소 발전 시스템{Transcritical carbon dioxide power generation system}
초월임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것이다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템(supercritical carbon dioxide generation system)은 초임계 상태의 이산화탄소를 작동 유체로 하는 발전 시스템이다. 이산화탄소는 임계점(31℃ 및 7.377 MPa) 근처에서 높은 밀도와 낮은 압축성 계수를 가져, 임계점 근처에서 압축 시 소모되는 압축 일을 줄일 수 있다. 따라서 임계점 근처에서 압축과정을 구성하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 열효율 측면에서 이점을 가진다.
또한, 발전 시스템 전반에 걸쳐 비체적이 타 발전 시스템에 비해 낮게 유지되므로 주요 구성기기인 열교환기, 압축기, 터빈의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다. 이를 토대로 원자력발전 분야를 비롯하여 화력, 태양열, 지열, 연료전지, 산업 폐열 등 다양한 열원과 연계한 발전 시스템에 대한 연구가 진행 중이다.
그러나, 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 이산화탄소의 임계온도인 31℃ 이상에서 작동하는 시스템으로 시스템 설계나 운전시 작동최저온도에서 임계온도(31℃)의 제한을 가지고 있다. 이 작동최저온도는 최종 열제거원(ultimate heat sink)인 대기나 해수와의 작은 온도 차이로 인해 온난한 지역에서 폐열을 분산시키기 위해 많은 양의 냉각유량 또는 방대한 크기의 열교환기를 필요로 한다.
대한민국 등록특허 제10-1691908호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 작동 유체로 사용되는 이산화탄소와, 유기냉매 및 유기용매 중 1종 이상을 혼합하여 작동 유체의 특성을 바꾸어 이산화탄소의 임계온도(31℃) 이상에서도 액화가 가능하며, 액상 압축시 가스 압축이 아닌 액체 펌프 사용에 따른 장점으로 발전 시스템 효율 증가와 구성 장치의 기계적 단순화 및 유지보수의 간편화 등 시스템 성능 개선과 기술적 난이도를 낮추는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
열원; 펌프; 터빈; 및 냉각기;가 유로로 연결되어 폐회로를 구성하며,
상기 폐회로를,
이산화탄소; 및 유기냉매 및 유기용매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상;을 포함하는 혼합 작동 유체가 순환하는 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
열원; 펌프; 터빈; 냉각기; 및 복열기가 유로로 연결되어 폐회로를 구성하며,
상기 폐회로를,
이산화탄소; 및 유기냉매 및 유기용매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상;을 포함하는 혼합 작동 유체가 순환하는 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템은 일례로 제시된 톨루엔 및 R-32를 각각 질량분율 32%로 이산화탄소와 혼합 시(이산화탄소(68%):톨루엔(32%)), (이산화탄소(68%):R-32(32%)) 각각 190℃ 및 36℃에서부터 액화가 가능하기 때문에 고압가스 압축방식에서 가지는 기계적 한계 및 손실을 액체펌프방식으로 대체하여 효율적이고 단순한 작동이 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 최저 압력을 이산화탄소의 임계압력(7.4 MPa)에서 각각 5.53 MPa 및 5.37 MPa까지 낮추어 저압부 기기(펌프, 냉각기, 복열기 등) 제작 시 설계 고려압력을 낮추어 설계 난이도 및 제작 비용을 낮출 수 있으며, 이는 고압부의 압력을 기존 순수 이산화탄소 초임계 발전 시스템과 동일하게 유지할 발전 시스템의 압력비를 높여 발전량을 증가시킬 수 있다.
나아가, 단일 유체와 달리 혼합 유체는 상변화를 포함한 등압 냉각과정(응축과정)에서 온도가 일정하게 유지되지 않기 때문에 열전달에 유리하며, 열교환기 설계 시 손실이 적어 부피 및 제작 단가를 줄일 수 있다.
또한, 유기용매 및 유기냉매 중 1종 이상과 이산화탄소의 혼합을 통한 초월임계 이산화탄소 발전 시스템은 적용 열원에 따라 혼합 유체(이산화탄소 및 유기용매/유기냉매) 및 혼합 비율 조절이 가능하다. 이를 통해, 300℃ 이하의 소형 발전 시스템 구성, 대형 발전 시스템의 부하 조절용 하위 발전 시스템 구성이 가능하며 운전조건 변화에 따라(탈설계 운전) 혼합 비율을 조절함으로써 성능 개선에도 활용이 가능할 것으로 기대된다.
도 1 및 도 2는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 3 및 도 4는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템의 T-s 선도를 나타낸 그래프이고;
도 5 및 도 6은 이산화탄소 및 R-32 또는 이산화탄소 및 톨루엔의 혼합비율에 따른 효율 변화를 나타낸 그래프이고;
도 7은 실험적 검증에 사용한 KAIST-SCO2PE 발전 시스템 모사 실험장비를 나타낸 모식도이고;
도 8 및 도 9는 펌프 실험을 통해 발생한 펌프 입구와 출구의 압력비 또는 압력차를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 측면에서
열원; 펌프; 터빈; 및 냉각기;가 유로로 연결되어 폐회로를 구성하며,
상기 폐회로를,
이산화탄소; 및 유기냉매 및 유기용매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상;을 포함하는 혼합 작동 유체가 순환하는 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
열원; 펌프; 터빈; 냉각기; 및 복열기가 유로로 연결되어 폐회로를 구성하며,
상기 폐회로를,
이산화탄소; 및 유기냉매 및 유기용매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상;을 포함하는 혼합 작동 유체가 순환하는 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템이 제공된다.
이때, 도 1 및 도 2에 본 발명의 일 측면에서 제공되는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템의 일례를 모식도로 나타내었으며,
이하, 도 1 및 도 2의 모식도를 참조하여 본 발명의 일 측면에서 제공되는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에서는 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 사용되는 작동 유체에 있어서, 이산화탄소가 갖는 임계점(31℃ 및 7.377 MPa)으로 인해, 임계점 이상에서는 액화가 불가능한데, 작동 유체로 이산화탄소와 유기냉매 및 유기용매 중 1종 이상을 혼합하여 임계점을 높이고 기존의 발전 시스템의 최저 온도에서도 액화가 가능하도록 하여 발전 효율을 높일 수 있다.
이에, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템의 혼합 작동 유체를 사용하며, 상기 혼합 작동 유체는 이산화탄소와, 유기냉매, 유기용매 또는 유기냉매 및 유기용매가 혼합된 것이다.
또한, 상기 유기냉매는 R 시리즈의 유기냉매일 수 있고, 구체적인 일례로 R-32(CH2F2), R-123(CHCl2CF3), R-134a(CF3CH2F) 및 R22(CHClF2) 등일 수 있으며, 가장 바람직한 일례로 환경오염, 독성, 경제성 등을 고려하여 R-32일 수 있다.
나아가, 상기 유기용매는 톨루엔, 벤젠, 디메틸 에테르 및 프로판 등일 수 있고, 가장 바람직한 일례로 톨루엔일 수 있다.
또한, 상기 혼합 작동 유체는 이산화탄소 50 중량% 초과 내지 100 중량% 미만; 및 유기냉매 및 유기용매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 0 중량% 초과 내지 50 중량% 미만;으로 포함할 수 있으며, 이산화탄소 55 중량% 내지 100 중량% 미만; 및 유기냉매 및 유기용매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 0 중량% 초과 내지 45 중량%;로 포함할 수 있고, 이산화탄소 60 중량% 내지 75 중량%; 및 유기냉매 및 유기용매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 25 중량% 내지 40 중량%;로 포함할 수 있다.
나아가, 상기 혼합 작동 유체의 임계점은 31℃ 초과 내지 320℃ 미만 및 4 MPa 초과 내지 17 MPa 미만일 수 있으며, 임계온도는 32℃ 내지 200℃일 수 있고, 100℃ 내지 180℃일 수 있으며, 임계압력은 3 MPa 내지 5.8 MPa일 수 있고, 4 MPa 내지 5.5 MPa일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템의 모식도로, 상기 초월임계 이산화탄소 발전 시스템(100)은 이산화탄소를 포함하는 혼합 작동 유체를 가열하는 열원(10); 혼합 작동 유체를 가압하여 배출하는 펌프(20); 상기 열원에서 가열된 혼합 작동 유체가 유입되는 터빈(30); 및 상기 터빈에서 배출되는 이산화탄소를 냉각하는 냉각기(40);를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템(100)에서 펌프(20)로 유입되는 작동 유체의 유입 온도는 30℃ 내지 60℃일 수 있다.
또한, 상기 펌프(20)로 유입되는 작동 유체의 유입 압력은 4.5 MPa 초과 내지 7.5 MPa 미만일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템의 모식도로, 상기 초월임계 이산화탄소 발전 시스템(100)은 이산화탄소를 포함하는 혼합 작동 유체를 가열하는 열원(10); 혼합 작동 유체를 가압하여 배출하는 펌프(20); 상기 열원에서 가열된 혼합 작동 유체가 유입되는 터빈(30); 상기 터빈에서 배출되는 혼합 작동 유체와 상기 펌프에서 배출되는 혼합 작동 유체의 열 교환이 이루어지는 복열기(50); 및 상기 터빈에서 배출되고 상기 복열기를 거쳐 유입되는 혼합 작동 유체를 냉각하는 냉각기(40);를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템(100)에서 펌프(20)로 유입되는 혼합 작동 유체의 유입 온도는 30℃ 내지 60℃일 수 있다.
또한, 상기 펌프(20)로 유입되는 작동 유체의 유입 압력은 5 MPa 초과 내지 7.5 MPa 미만일 수 있다.
이하, 하기 실험예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기 실험예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실험예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
< 실험예 1> 열역학적 분석
초월임계 이산화탄소 발전 사이클을 설계하고 분석하기 위해 KAIST 연구팀에서 개발된 코드(KAIST_CCD)를 활용하여 본 발명에 따른 초월임계 이산화탄소 발전 사이클에서의 열역학적 해석을 수행하고 순수 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 성능을 비교하였다.
최저 온도를 30℃로 유지하면서 사이클을 계산하고 각 구성 요소의 효율을 아래 표 1에 요약된 것과 같이 동일하게 설정하였다. 구성 요소의 효율은 보수적인 값으로 선택되었으며, 단순화를 위해 압력 강하가 무시되었다.
System type Trans-critical cycle Recuperated Trans-critical cycl
Working Fluid CO2+R-32 CO2+Toluene
Thermal input 1 MWth 1 MWth
Mass flow rate 4-5 kg/s 4-5 kg/s
Maximum Pressure 20.0 MPa 20.0 MPa
Maximum Temperature 150 ℃ 300 ℃
Minimum Temperature 30 ℃ 30 ℃
Compressor Efficiency 80 % 80 %
Turbine Efficiency 90 % 90 %
Recuperator effectiveness - 90 %
Pressure Losses 0 % (Neglected) 0 % (Neglected)
본 발명에 따른 이산화탄소 및 R-32 또는 톨루엔의 혼합 작동 유체를 적용한 시스템의 최대 온도는 열 안정성을 보장하기 위해 150℃ 및 300℃로 설정하였다. 또한, 이산화탄소 및 R-32의 혼합 작동 유체를 적용한 시스템은 도 1의 모식도와 동일한 구성에서 수행하였으며, 이산화탄소 및 톨루엔의 혼합 작동 유체를 적용한 시스템은 시스템에서 높은 터빈 출구 온도를 활용하기 위해서는 복열기를 포함하는 도 2의 모식도와 동일한 구성에서 수행하였고, 각 발전 시스템의 T-s 선도를 도 3 및 도 4에 나타내었고, 이산화탄소 및 R-32 또는 이산화탄소 및 톨루엔의 혼합비율에 따른 효율 변화를 도 5 및 도 6에 나타내었다.
열역학적 계산으로부터, 상이한 작동 유체 조성에 대한 발전 시스템 효율의 변화를 분석한 것으로, 시스템의 효율은 식 1로 표현되는 제1 법칙 열효율이다.
<식 1>
Figure pat00001
도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이, R-32와 이산화탄소가 혼합된 작동 유체를 적용한 시스템은 최고 온도가 150℃일 때, 순수한 이산화탄소를 작동 유체로 적용한 시스템보다 효율이 증가한 것을 확인할 수 있다. 특히, 혼합된 작동 유체에서 R-32의 질량분율이 32%인 경우 효율이 0.46%p 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 4 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 톨루엔과 이산화탄소가 혼합된 작동 유체를 적용한 시스템은 최고 온도가 300℃일 때, 순수한 이산화탄소를 작동 유체로 적용한 시스템에 비해 효율이 월등히 우수한 것으로 확인되었다. 최대 혼합비(톨루엔의 질량분율이 32%)에서 시스템 효율은 30.02%로 순수한 이산화탄소 발전 시스템보다 5.2%p 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 보수적인 계산 결과로, 추후 구성기기의 성능 개선을 통해 시스템 효율 35%까지 도달 가능할 것으로 확인되었다.
< 실험예 2> 발전 시스템 분석
본 발명에 따른 초월임계 이산화탄소 발전 시스템의 실험 검증을 위해 도 7과 같은 발전 시스템을 구성하고, 이산화탄소 및 R-32가 88:12의 질량분율로 혼합된 작동 유체를 사용하여 압축성능 실험을 수행하였으며, 그 결과를 도 8, 도 9 및 하기 표 2에 나타내었다.
구체적으로, KAIST-S-CO2PE 설비를 이용하여 이산화탄소 및 R-32(88:12 질량분율) 혼합 작동 유체로 압축 성능 시험을 실시했다. 도 7과 같이, 장치 구성은 단순 브레이튼 사이클 레이아웃을 갖도록 구성되었으며 원심 펌프, PCHE(인쇄기판형 열교환기) 타입의 예냉기(pre-cooler)를 이용하였다. 26 kW 급 원심형 펌프는 작동 유체를 압축하고 순환하는 데 사용되었으며, 압축 성능 시험을 위해 직경 234 mm의 슈라우드 형 임펠러를 3600 rpm의 일정한 속도로 작동하였다.
Test case
# 		T
[℃]		 P [MPa] CO 2 CO 2 + R-32
( 0.88:0.12 )
Figure pat00002
Mass flow rate [kg/s] PR 1
Pressure ratio [-]		 Mass flow rate [kg/s] PR 2
Pressure ratio [-]
4-1 31 8.4 3.96 1.11 4.15 1.12 1.007
4-2 2.97 1.12 2.96 1.12 1.007
4-3 2.00 1.11 1.93 1.12 1.005
5-1 29.2 7.7 3.94 1.12 3.91 1.13 1.010
5-2 2.99 1.12 2.99 1.14 1.009
5-3 2.02 1.12 2.02 1.13 1.008
7-1 37 8.4 3.88 1.11 3.82 1.12 1.008
7-2 3.16 1.08 3.09 1.11 1.021
7-3 2.29 1.08 2.27 1.11 1.020
7-4 1.61 1.08 1.57 1.1 1.020
7-5 0.82 1.08 0.80 1.1 1.018
10-1 33 7.4 2.81 1.11 2.81 1.12 1.006
10-2 2.09 1.11 2.02 1.12 1.005
10-3 1.35 1.11 1.35 1.11 1.005
10-4 0.65 1.10 0.64 1.11 1.004
상기 표 2에서 볼 수 있듯이, 이산화탄소 및 R-32를 포함하는 작동 유체를 적용한 경우(CO2 + R-32)는 순수한 이산화탄소를 작동 유체로 적용한 경우(CO2)보다 0.5% 내지 2% 높은 압력비를 나타냄을 확인할 수 있다.
압력비의 증가를 명확히 하기 위해 펌프 입구와 출구의 압력비와 압력차를 나타낸 도 8 및 도 9를 살펴보면, 빨간색 표식은 혼합 작동 유체(CO2 + R-32, 0.88 : 0.12 질량분율)를 적용한 경우를 나타내며, 그 결과는 이전의 순수한 이산화탄소와 동일한 밀도의 실험 결과와 유사한 경향이 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 펌프 입구 밀도가 10% 내지 40% 증가함에 따라 압력비가 1% 내지 2% 증가하는 것으로 이해될 수 있다.
성능 향상의 양은 저속 원심 압축기의 한계로 인해 상대적으로 작은 것처럼 보일 수 있지만 그 차이는 고성능 고속 압축기에서 더 클 수 있다. 반대로, 이산화탄소 발전 시스템이 혼합 작동 유체로 설계되는 경우 동일한 압력을 높이기 위해 더 적은 일이나 적은 회전속도가 필요할 것이다.
결론적으로, 실험을 통해, 혼합 작동 유체는 31℃ 이상의 온도에서도 이산화탄소를 액화하여 압축이 가능하였고, 열역학적 분석, 물성치 사용에 불확실성이 적음을 확인하였다. 또한 실험장치 운전시 특이현상이나 문제점이 없는 것을 확인 할 수 있었다. 이산화탄소 기반 혼합 작동 유체를 적용한 본 발명의 초월임계 이산화탄소 발전 시스템은 시스템 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 압축기를 비교적 단순한 펌프로 교체함으로써 기존 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 가진 기계적 문제 또한 해결 될 수 있다.
100 : 초월임계 이산화탄소 발전 시스템
10 : 열원
20 : 펌프
30 : 터빈
40 : 냉각기
50 : 복열기

Claims (8)

  1. 열원; 펌프; 터빈; 및 냉각기;가 유로로 연결되어 폐회로를 구성하며,
    상기 폐회로를,
    이산화탄소; 및 유기냉매 및 유기용매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상;을 포함하는 혼합 작동 유체가 순환하는 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 열원; 펌프; 터빈; 냉각기; 및 복열기가 유로로 연결되어 폐회로를 구성하며,
    상기 폐회로를,
    이산화탄소; 및 유기냉매 및 유기용매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상;을 포함하는 혼합 작동 유체가 순환하는 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유기냉매는 R-32, R-123, R-134a 및 R22로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유기용매는 톨루엔, 벤젠, 디메틸 에테르 및 프로판으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 혼합 작동 유체는,
    이산화탄소 50 중량% 초과 내지 100 중량% 미만; 및
    유기냉매 및 유기용매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 0 중량% 초과 내지 50 중량% 미만;으로 포함하는 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 혼합 작동 유체의 임계점은 31℃ 초과 내지 320℃ 미만 및 1.5 MPa 초과 내지 17 MPa 미만인 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    펌프로 유입되는 작동 유체의 유입 온도는 30℃ 내지 60℃인 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    펌프로 유입되는 작동 유체의 유입 압력은 4.5 MPa 초과 내지 7.5 MPa 미만인 것을 특징으로 하는 초월임계 이산화탄소 발전 시스템.
KR1020180121017A 2018-10-11 2018-10-11 초월임계 이산화탄소 발전 시스템 KR102122945B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180121017A KR102122945B1 (ko) 2018-10-11 2018-10-11 초월임계 이산화탄소 발전 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180121017A KR102122945B1 (ko) 2018-10-11 2018-10-11 초월임계 이산화탄소 발전 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200041066A true KR20200041066A (ko) 2020-04-21
KR102122945B1 KR102122945B1 (ko) 2020-06-15

Family

ID=70456500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180121017A KR102122945B1 (ko) 2018-10-11 2018-10-11 초월임계 이산화탄소 발전 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102122945B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115566237A (zh) * 2022-10-21 2023-01-03 大连海事大学 一种固体氧化物燃料电池与co2超-跨临界动力循环的联合发电系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005248877A (ja) * 2004-03-05 2005-09-15 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd バイナリーサイクル発電方法及び装置
CN101914368A (zh) * 2010-07-09 2010-12-15 天津大学 一组跨临界动力循环混合工质
JP2013514450A (ja) * 2009-12-16 2013-04-25 ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド シス−１，１，１，４，４，４−ヘキサフルオロ−２−ブテンの組成物及び使用
KR20130099088A (ko) * 2010-10-06 2013-09-05 셰브런 유.에스.에이.인크. 전력 생산을 위하여 유기 랭킨 사이클로의 오버헤드 열 회수에 의한 공정 칼럼의 용량 및 성능 개선
KR101691908B1 (ko) 2015-12-22 2017-01-04 한국과학기술원 초임계 이산화탄소 발전 시스템 및 열원에서의 온도 차에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템 운전 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005248877A (ja) * 2004-03-05 2005-09-15 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd バイナリーサイクル発電方法及び装置
JP2013514450A (ja) * 2009-12-16 2013-04-25 ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド シス−１，１，１，４，４，４−ヘキサフルオロ−２−ブテンの組成物及び使用
CN101914368A (zh) * 2010-07-09 2010-12-15 天津大学 一组跨临界动力循环混合工质
KR20130099088A (ko) * 2010-10-06 2013-09-05 셰브런 유.에스.에이.인크. 전력 생산을 위하여 유기 랭킨 사이클로의 오버헤드 열 회수에 의한 공정 칼럼의 용량 및 성능 개선
KR101691908B1 (ko) 2015-12-22 2017-01-04 한국과학기술원 초임계 이산화탄소 발전 시스템 및 열원에서의 온도 차에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템 운전 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115566237A (zh) * 2022-10-21 2023-01-03 大连海事大学 一种固体氧化物燃料电池与co2超-跨临界动力循环的联合发电系统
CN115566237B (zh) * 2022-10-21 2023-09-08 大连海事大学 一种固体氧化物燃料电池与co2超-跨临界动力循环的联合发电系统

Also Published As

Publication number Publication date
KR102122945B1 (ko) 2020-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9752462B1 (en) Supercritical fluid heat engine
KR101189073B1 (ko) 랜킨 사이클 시스템을 이용하는 연료 전지로부터의 폐열의 열 에너지 전환에 대한 작동 유체
AU2017222606B2 (en) Use of perfluoroheptenes in power cycle systems
EP3212901B1 (en) Use of (2e)-1,1,1,4,5,5,5-heptafluoro-4-(trifluoromethyl)pent-2-ene in power cycles
US8991181B2 (en) Hybrid imbedded combined cycle
US9003797B2 (en) Use of compositions comprising 1,1,1,2,3-pentafluoropropane and optionally Z-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-butene in power cycles
Huck et al. Performance comparison of supercritical CO2 versus steam bottoming cycles for gas turbine combined cycle applications
AU2013240243B2 (en) System and method for recovery of waste heat from dual heat sources
CA2794150A1 (en) Heat engines with cascade cycles
Angelino et al. The potential role of organic bottoming Rankine cycles in steam power stations
KR102122945B1 (ko) 초월임계 이산화탄소 발전 시스템
EP2995668A1 (en) Use of compositions comprising e-1,1,1,4,4,5,5,5-octafluoro-2-pentene in power cycles
CN107923266A (zh) 1,3,3,4,4,4‑六氟‑1‑丁烯在动力循环中的用途
Zhao et al. Optimization of advanced high-temperature brayton cycles with multiple-reheat stages
Garg et al. Advanced low pressure cycle for concentrated solar power generation
Hacıpaşaoğlu et al. Thermodynamic and Environmental Analysis of Novel Cascade Refrigeration Cycles with Ejector and Intercooler for Ultralow Temperatures Using Eco‐Friendly Refrigerants

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant