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는 아래 조건 르는 경 에 한하여 게

l 저 물 복제 포 전송 전시 공연 송할 수 습니다

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저 시 하는 원저 를 시하여야 합니다

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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

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- 74 -

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- 75 -

결3

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- 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)

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계 여러 께 감사드립니다

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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

- 79 -

감사

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지도 수님 택 수님께 진심 감사 말 합니다 한 심

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말 드립니다

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습니다

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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
              • • 5 결 론

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

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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

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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)

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Qin 고 열원 (kJ)

R 체상수

s 엔탈피 (kJ)

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U 열 달계수 (Wm2K)

Win 프에 사 한 (kW)

Tlm 수평균 도차 ( )

- 1 -

1

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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

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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

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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

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우리나 는 다 러싸여 해 심 는 하 심 에는3 800m 4

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- 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

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[5]

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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

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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( ) ( ) ( )

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우에는 주어진 열원 상 낮다 그 랭킨사 클 사 할 경우에는

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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)

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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

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같다

∆ (22)

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리 는 식 식 같 다(23) (24)

(23)

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(24)

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- 7 -

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할 도 도 평균 도차 말한다 열

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(25)

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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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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
              • • 5 결 론

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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and

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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
              • • 5 결 론

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
              • • 5 결 론

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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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 -

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

[6] WANG Tong DING Liang GU Chuangang and YANG Bo Performance analysis and

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[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki

Ikegami Masatoshi Nakamura Construction of Simulation Model for OTEC Plant

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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

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- 77 -

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상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009

[18] Ulli Drescher Dieter Bruggemann Fluid selection for the Organic

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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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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- 77 -

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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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상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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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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
              • • 5 결 론

- 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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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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

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- 77 -

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and

본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012

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생 동 원 주 폐열 폐쇄 해 도차 사 클[4] ldquo

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생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo

마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011

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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and

본 특 마린엔지니어링학Regeneration Cycle rdquo 2012

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마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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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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
              • • 5 결 론

- 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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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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- 77 -

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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능 한 해 공학 지rdquo 25 1 pp 80~84 2011

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마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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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- 77 -

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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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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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
              • • 5 결 론

- 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 -

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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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

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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

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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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
              • • 5 결 론

- 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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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and

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마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

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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
              • • 5 결 론

- 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 -

참 고 헌

차상원 택 태우 해 도차[1] ldquo Closed and

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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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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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
              • • 5 결 론

- 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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- 77 -

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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
              • • 5 결 론

- 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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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
              • • 5 결 론

- 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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- 77 -

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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
              • • 5 결 론

- 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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- 77 -

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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
              • • 5 결 론

- 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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- 77 -

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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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

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

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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

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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

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Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010

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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

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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
              • • 5 결 론

- 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

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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18~24 2001

[9] Satoru Goto Yoshiki Motoshima Takenao Sugi Takeshi Yasunaga Yasutuki

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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
              • • 5 결 론

- 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

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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

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we

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)

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10

20

30

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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

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1

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icie

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)

00

05

10

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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

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)

0

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3

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)

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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

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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

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40

50

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power

efficiency

Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)

pressure(bar)

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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

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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

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4

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eff

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)

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power

efficiency

Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)

- 70 -

ammonia R22 R407C R410A

po

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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

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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

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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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improvement for CC-OTEC system Journal of Mechanical Science and Technology

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[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
              • • 5 결 론

- 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

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0

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25

power

efficiency

Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)

- 66 -

pressure(bar)

75 80 85 90 95 100 105

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0

1

2

3

4

5

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)

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

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0

1

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power

efficiency

Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)

- 67 -

pressure(bar)

10 11 12 13 14 15 16

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10

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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

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Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)

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efficiency

Fig4-28 The power and efficiency of the regeneration cycle(R22)

- 69 -

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efficiency

Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)

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Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)

- 70 -

ammonia R22 R407C R410A

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closed cycle

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Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle

ammonia R22 R407C R410A

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0

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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

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생 주 동 폐쇄 해 도차 사 클 향상[5] ldquo

마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011

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택 철 각도에 심 빈[11] ldquo 100kW

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- 77 -

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상곤 보고싶 냉동공학 건 원[17] ldquo( ) rdquo 2009

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Rankine Cycle(ORC) in biomass power and heat plants Applied Thermal

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seminar 2011

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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
              • • 5 결 론

- 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

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0

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25

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Fig4-23 The power and efficiency of the closed cycle(ammonia)

- 66 -

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Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)

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Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)

- 67 -

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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

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- 69 -

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Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle

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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

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어 움 많다는 단 다 그 가 실 는 사 클 는 재 폐사

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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

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결과 나타내었다

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비 했다 과 에 보 에 니 보다407C 410A R22

는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C

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보 다cycle

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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

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특 비 하 폐열 에 엔진 하에 시뮬 ORC

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시 보 에 상 엔진 하에 사 하는 시ORC 50

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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 었다

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결과 나타내었다

빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클 포-

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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

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참여 삼 공업 우 해양 한진 한 한 재연 TMS STX

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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
              • • 5 결 론

- 66 -

pressure(bar)

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Fig4-24 The power and efficiency of the closed cycle(R22)

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Fig 4-25 The power and efficiency of the closed cycle(R407C)

- 67 -

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power

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Fig4-26 The power and efficiency of the closed cycle(R410A)

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- 68 -

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Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)

- 70 -

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Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle

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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

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동사 클 재생사 클 과 에 것 고 동 체

는 고 했 에는 니 고 할 에는 가 합한 것 R410A

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도에 사 클435

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게 변하게 다 그 에 도 과 낮에 도가 변했 시뮬

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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

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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

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다 하지만 간 사 하 식 크고 체에 해 에 취 에 특

- 74 -

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동 체 생각 다

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었다

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에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10

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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

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

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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

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

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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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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
              • • 5 결 론

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pressure(bar)

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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

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- 68 -

pressure(bar)

75 80 85 90 95 100 105

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0

10

20

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40

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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

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0

2

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8

eff

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0

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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

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)

0

2

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eff

icie

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)

0

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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

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power

efficiency

Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)

- 70 -

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po

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)

0

20

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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

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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

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는 어지 가격도 직 고가 지만 가 가 근 한 과 보 R407C

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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

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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

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해 도차

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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
              • • 5 결 론

- 68 -

pressure(bar)

75 80 85 90 95 100 105

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0

10

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0

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power

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Fig4-27 The power and efficiency of the regeneration cycle(ammonia)

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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

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0

2

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6

8

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icie

ncy(

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0

1

2

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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

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power

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Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)

- 70 -

ammonia R22 R407C R410A

po

we

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0

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100

closed cycle

regeneration cycle

Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle

ammonia R22 R407C R410A

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0

1

2

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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

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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

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빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-

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폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-

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보 다cycle

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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

행하 다 한 해 도차 과 빈 에 시

뮬 행하여 다 과 같 결 얻었다

폐열

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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

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보 다

동 체에 시 결과 가 가 나타냈- OTEC R1234yf

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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

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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
              • • 5 결 론

- 69 -

pressure(bar)

85 90 95 100 105 110 115 120 125

po

we

r(kw

)

0

2

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0

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efficiency

Fig4-29 The power and efficiency of the regeneration cycle(R407C)

pressure(bar)

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power

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Fig4-30 The power and efficiency of the regeneration cycle(R410A)

- 70 -

ammonia R22 R407C R410A

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r(kW

)

0

20

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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

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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

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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

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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

- 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

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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

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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
              • • 5 결 론

- 70 -

ammonia R22 R407C R410A

po

we

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)

0

20

40

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100

closed cycle

regeneration cycle

Fig4-31 The power of the closed cycle and regeneration cycle

ammonia R22 R407C R410A

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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

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냉매에 비해 니 가 가 뛰어나 에 같 량에 가 큰 보

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- 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

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결과 나타내었다

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빈 에 사 클 과 비 하 폐사 클-

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폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-

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폐사 클보다 재생사 클 크고 에 도 도- 2

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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

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
              • • 5 결 론

- 71 -

보 폐사 클과 재생사 클 동 체에 보여 다Fig4-31

니 가 가 큰 것 다 같 량에 큰 얻7716kW

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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

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다 그것에 비해 간 복 하지만 생각한다 재생사 클 고 할

것 다

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- 74 -

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었다

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가 가 사 비가 가098002 096004 096~098

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에 해 규 상 었고 후에 퇴 에 그에 체 냉매 10

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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

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동 체 에 시뮬 해 에 동 체가- solkatherm 1577kW

가 결과 보 다146

주 엔진 하에 시뮬 해 행하 하- 50

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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

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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

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

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합니다

한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006

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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

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
              • • 5 결 론

- 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

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가 가 사 비가 가098002 096004 096~098

결과 나타내었다

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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-

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폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-

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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

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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

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보 다

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해 도 변 에 과 비 했 가지 도상승에- 4

가하지만 폐사 클과 재생사 클 도가 상승할 경우 지 함

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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

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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

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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
              • • 5 결 론

- 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
              • • 5 결 론

- 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)

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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

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폐사 클 포 보다 낮 에 과 고 재생사 클 포-

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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

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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
              • • 5 결 론

- 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

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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
              • • 5 결 론

- 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

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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

마린엔지니어링학 지rdquo 35 1 pp 46~52 2011

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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

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Transferrdquo WILEY Sixth edition 2010

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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

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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

[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
              • • 5 결 론

- 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

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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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다 아침에 나 실험실에 공 하고 늦게 집에 돌아가는 하루가 에게는 항

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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

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한 어 생님에 시 한 연에 지 에 항상 힘 2006

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나 지 아픈 없는지 공 는 는지 걱 해주시는 아 지

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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
              • • 5 결 론

- 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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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

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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
              • • 5 결 론

- 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

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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

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
              • • 5 결 론