Design of gravity assisted heat exchanger and its application on enhanced waste heat recuperation utilizing organic Rankine and LNG system

1. 개요:

  • 제목: Design of gravity assisted heat exchanger and its application on enhanced waste heat recuperation utilizing organic Rankine and LNG system
  • 저자: Rizvi Arefin Rinik, Naimul Islam, M. Monjurul Ehsan, Yasin Khan
  • 발행 연도: 2024
  • 발행 학술지/학회: International Journal of Thermofluids
  • Keywords: Waste Heat, Gravity heat exchanger, Organic Rankine, Combined cycle, Parametric optimization

2. 연구 배경:

세계 에너지 수요는 2050년까지 33% 증가할 것으로 예상되며, 화석연료 고갈과 지속가능성 문제 해결을 위해 폐열회수 기술의 중요성이 커지고 있다. 기존 폐열회수 기술은 초기 투자비용이 높고, 폐열원의 온도 제약, 오염된 배기가스 처리의 어려움 등의 한계를 가지고 있다. 본 연구는 중저온 폐열을 효율적으로 회수하기 위해 중력을 이용한 새로운 열교환기 시스템을 제안하고, 유기랭킨사이클(ORC)과 액화천연가스(LNG) 사이클을 결합하여 에너지 회수 효율을 극대화하고자 한다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

  • 연구 목적: 중력 보조 열교환기 설계 및 ORC-LNG 결합 시스템을 통한 폐열 회수 효율 향상
  • 핵심 연구 질문:
    • 중력 보조 열교환기를 이용한 폐열 회수 효율은 어느 정도인가?
    • ORC 및 LNG 사이클의 최적 운전 조건은 무엇인가?
    • 결합 시스템의 에너지 효율 및 경제성은 어떠한가?
  • 연구 가설: 중력 보조 열교환기와 ORC-LNG 결합 시스템은 기존 기술 대비 향상된 폐열 회수 효율과 경제성을 제공할 것이다.

4. 연구 방법론:

  • 연구 설계: 중력 보조 열교환기, ORC, LNG 사이클을 포함하는 통합 에너지 회수 시스템 설계 및 성능 평가. 수치적 최적화 모델 개발 및 경제성 분석 수행.
  • 데이터 수집 방법: 열전달 해석, 에너지 효율 시험, 에너지 분석 및 경제성 분석을 통한 데이터 수집. 실험 데이터와의 검증을 통해 모델의 정확성을 확인.
  • 분석 방법: 열전달 해석, 에너지 효율 및 에너지 분석, 최적화 모델링 (수학적 모델 및 알고리즘), 경제성 분석
  • 연구 대상 및 범위: 섬유 산업의 열처리 공정에서 발생하는 폐열을 대상으로 연구 수행. 중력 보조 열교환기의 설계 매개변수 최적화 및 ORC, LNG 사이클 운전 조건 최적화

5. 주요 연구 결과:

  • 핵심 발견사항:
    • 중력 보조 열교환기는 최적 온도 275-280°C, 공기 유량 35 kg/s에서 약 52.3%의 효율을 보였다.
    • 펜테인을 작동유체로 사용하는 ORC 사이클은 응축기 압력 0.21 MPa에서 최대 280 kW의 출력과 36.8%의 효율을 달성했다.
    • 응축기 압력 증가에 따라 ORC 터빈 출력은 220 kW에서 240 kW로, LNG 터빈 출력은 25 kW에서 40 kW로 증가했다.
    • 핀치 온도가 7°C 증가하면 시스템의 에너지 효율은 4.94% 감소한다.
    • 경제성 분석 결과, 설계된 중력 보조 열교환기는 기존 열교환기 대비 경제적으로 타당성이 있는 것으로 나타났다.
  • 통계적/정성적 분석 결과: 표 8-12, 그림 5-14, 그림 16-17, 그림 19. (자세한 수치 및 그래프는 논문 참조)
  • 데이터 해석: 다양한 작동 유체(펜테인, 노벡-649, 이소부탄, R245fa, R123)에 대한 ORC 사이클의 최적 운전 조건을 분석하고, 중력 보조 열교환기의 설계 변수(튜브 개수, 핀치 온도, 응축기 압력 등)가 시스템 성능에 미치는 영향을 평가.
  • Figure Name:
    • 그림 1 (a): setting machine에서 중력 열파이프 열교환기 다이어그램, (b): 중력 열파이프 작동 메커니즘 (5)
    • 그림 2: 설계된 중력 파이프 열교환기 개략도 (5)
    • 그림 3: 유기 랭킨 및 LNG 시스템을 활용한 폐열 회수를 위한 제안된 복합 사이클의 개략도 및 T-s 다이어그램 (6)
    • 그림 4: 제안된 통합 시스템의 수학적 모델링 프레임워크 (8)
    • 그림 5 (a): 핀튜브 길이에 따른 공기 측 압력 강하, (b): 배기가스 유량에 따른 응축기 출구 온도 (9)
    • 그림 6 (a): 열전달 계수와 고온 공기 유량의 관계, (b): 고온 공기 입구에서 튜브 번들 수에 따른 압력 강하 (10)
    • 그림 7 (a): 다른 고온 공기 유량에서 열전달 속도, (b): 증발기 입구에서 다른 질량 유량에서 열교환기 효율 (11)
    • 그림 8 (a): 터빈 입구 압력이 시스템 질량 유량과 순출력에 미치는 영향, (b): 다른 작동 유체에 대한 ORC 터빈 입구 압력과 순출력의 관계 (11)
    • 그림 9 (a): ORC 터빈 입구 온도가 사이클 효율에 미치는 영향, (b): ORC 터빈 입구 온도가 순출력에 미치는 영향 (11)
    • 그림 10: ORC 응축기 압력이 순출력과 질량 유량에 미치는 영향 (12)
    • 그림 11: ORC 응축기 압력이 총 에너지 효율과 순출력에 미치는 영향 (13)
    • 그림 12: ORC 작동 유체가 ORC 열효율에 미치는 영향 (13)
    • 그림 13 (a): 열원 온도가 에너지 효율에 미치는 영향, (b): 열원 온도가 제2법칙 효율 및 사이클 순출력의 함수로서의 열원 온도 (14)
    • 그림 14 (a): 핀치 온도가 순출력과 에너지 효율에 미치는 영향, (b): 핀치 온도가 압력 강하에 미치는 영향 (14)
    • 그림 15: 다른 열원 온도에서 구성 요소별 에너지 파괴 (15)
    • 그림 16: ORC 터빈 입구 압력에 따른 에너지 효율 및 에너지 파괴 (15)
    • 그림 17: 다른 응축기 압력에서 구성 요소별 에너지 파괴 (15)
    • 그림 18: 기존 HE를 가진 제안된 GPHE 시스템의 경제 분석 모델링 프레임워크 (16)
    • 그림 19 (a): 열전달 면적을 기준으로 한 비용 연구, (b): 구성 요소별 고급 분석 (17)
Fig. 1. (a)Diagram of gravity heat pipe exchanger in setting machine, (b) Working mechanism of gravity heat pipe.
Fig. 1. (a)Diagram of gravity heat pipe exchanger in setting machine, (b) Working mechanism of gravity heat pipe.

6. 결론 및 논의:

본 연구는 중력 보조 열교환기와 ORC-LNG 결합 시스템을 이용한 폐열 회수 시스템의 설계 및 성능 평가를 수행했다. 연구 결과, 제안된 시스템은 기존 기술 대비 높은 폐열 회수 효율과 경제성을 확보할 수 있음을 보여주었다. 특히, 중력 보조 열교환기는 오염된 배기가스에서도 효과적인 열교환이 가능하며, ORC와 LNG 사이클의 최적 운전 조건을 통해 시스템 성능을 극대화할 수 있었다. 본 연구는 폐열 회수 기술 발전에 기여하며, 산업 현장의 에너지 효율 향상과 환경 개선에 중요한 시사점을 제공한다. 그러나, 실제 산업 현장 적용을 위한 추가 연구가 필요하다. 특히, 장기간 운전 안정성 및 내구성 검증, 다양한 폐열원에 대한 적용 가능성 확대, 시스템 통합 및 제어 기술 개발 등에 대한 후속 연구가 필요하다.

7. 향후 후속 연구:

  • 후속 연구 방향: 실제 산업 현장 적용을 위한 시험 및 검증, 다양한 폐열원 및 작동 유체에 대한 추가 연구, 장기 운전 안정성 및 내구성 평가, 시스템 제어 및 최적화 기술 개발, 경제성 분석 고도화, 다양한 국가 및 산업에 대한 적용 가능성 평가
  • 추가 탐구가 필요한 영역: 다양한 폐열원 조건(온도, 유량, 오염도 등)에 대한 시스템 성능 분석, 다양한 작동 유체의 비교 및 최적화, 시스템 안정성 및 제어 기술 개발, 장기 운전에 따른 마모 및 부식 등 내구성 평가, 시스템의 경제성 및 환경적 영향 평가, 다른 산업 분야(발전, 선박 등)에 대한 적용 가능성 연구

8. 참고문헌 요약:

본 요약문에는 70개 이상의 참고문헌이 포함되어 있으며, 각 참고문헌은 폐열 회수 기술, 유기랭킨사이클, 액화천연가스 사이클, 중력 보조 열교환기, 에너지 효율 및 경제성 분석 등과 관련된 선행 연구들을 다루고 있다.

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저작권 및 참고 자료

본 자료는 Rizvi Arefin Rinik 외 저자의 논문 "Design of gravity assisted heat exchanger and its application on enhanced waste heat recuperation utilizing organic Rankine and LNG system"을 기반으로 작성되었습니다.

논문 출처: https://doi.org/10.1016/j.ijft.2024.100822

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Tags: Air cooling; ,Applications; ,CAD; ,Die casting; ,Efficiency; ,IGES; ,Review; ,해석