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개발동향

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개발동향 상세정보 게시판
분류 [친환경소재제품] 대체물질(소재)개발
과제명 냉동기 효율 30% 향상을 위한 신개념 이상류 터빈 (Ⅲ)
연구기관 한국에너지기술연구원
연구기간 2019.01.01. ~ 2019.12.31.
연구비 50.00 백만원
핵심키워드 이상류 터빈, CO2 사이클, 히트펌프, 냉동기, 냉매, 지구온난화, GWP, 테스트루프
요약

연구목적 및 필요성

 O 냉동기, 히트펌프 설비의 경량화를 위항 저압 냉매에서 고압 냉매의 사용을 기술 추세가 변하고 있으며, 지구온난화 문제로 GWP가 높은 기존의 냉매가 아닌 CO2 등의 GWP가 상대적으로 낮은 냉매로 기술 및 시장이 이동하고 있음

 O 고압 냉매의 경우 팽창변에서 등엔트로피 팽창을 이용한 에너지 회수 빛 냉방용량 증가, COP 개선이 가능하며 구현을 위해서는 기존의 단상 상태에서 동작하는 팽창기(터빈)이 아닌 이상(two-phase) 유체 상태에서 동작이 가능한 팽창기의 개발이 요구됨

 O 이상(two-phase) 터빈 개발에서 가장 큰 난점은 기기 내부에서 작동 유체의 상변화로 인하여 설계 단계에서 성능 예측이 힘들어 정확한 설계를 불가능하게 함

 O 본 연구과제에서는 이를 위하여 이상 터빈이 적용되는 냉동 사이클을 구현하고 이 조건에서 터빈 노즐의 성능을 시험하며 이를 바탕으로 설계 단계에 적용을 위한 정확한 수치 모델 확립과 이상 터빈의 설계를 목표로 함
  

연구 내용 및 범위

 O 액체 상태의 CO2를 이상(two-phase) 상태로 만드는 노즐에 대한 성능 시험

 O 시험 결과를 바탕으로 형상 개선 후 재시험

 O 수치 해석 결과와 시험 결과의 비교 분석

 O 설계 결과를 보정할 수 있는 인자 분석

연구성과

연구결과

 O 이상류 터빈 적용 사이클 설계

  - 이상류 터빈 적용으로 시스템 효율이 향상되는 효과는 CO2 사이클의 극한상황에서 운전될수록 크게 나타남

  - 열동력 사이클 관점에서 transcritical CO2 냉동 사이클은 상당한 고압의 냉매를 노즐을 통해 고속 흐름으로 전환하는데 있어 이상류 터빈 개발을 통한 시스템 성능 향상을 목적으로 한 기술적 잠재성이 높은 사이클로 판단됨

  - 탈설계점에서 이상류 터빈이 시스템 전체 효율에 기여하는 효과는 25% 이상이며, 압축기에 투입되는 work input 대비 터빈에서 획득되는 work output은 최대 33% 수준에 육박함

 O 이상류 터빈 적용 노즐 설계

  - CASE3개로 나누어 사이클의 성능향상 결과를 예측함

  - 이상류 터빈 구성품에 대한 해석결과 및 설계 프로그램에 대한 정합도 검증을 위해 이상류 노즐에 대한 설계를 수행함

 O 이상류 터빈 적용 노즐 실험

  - 밀폐형 발전사이클 테스트 루프에서 사이클의 저압부는 작동유체의 냉각 및 포화온도, 충진량 등에 의해 결정됨

  - 노즐 시제품의 안정성 및 누설 확인을 위한 내압시험을 수행함

  - 노즐 시제품 초임계 CO2 테스트 루프에 노즐 시험부를 설치하여 성능시험을 수행함 (Warm&Cool)

  - 이상류 터빈의 성능예측 및 설계 프로그램의 수정/보완을 위해 전삭해석을 수행함

 O 이상류 터빈 설계 및 해석

  - 터빈 단수가 증가할수록 각 단에 걸리는 하중계수 감소로 효율이 증가하는 경향을 보이지만, 적정 하중계수를 벗어나면서 터빈의 단수 및 기타 손실의 증가로 3단 터빈으로 설계하는 것이 최적임

  - 관통 유로 형상 설계 및 이에 따른 해석결과, 터빈의 저효율은 74.6%, 파워는 133.3kW, 질량유량은 6.36kg/sec으로 나타남
  

활용계획

 O 빌딩용 멀티에어컨, 히트펌프, 냉동기 등에 GWP 지수가 높은 불소계 냉매를 대체함으로써 지구온난화 영향 저감 가능

 O 충돌식 터빈 로터에서 이상(two-phase) 유체의 흐름에서 밀도 차에 의한 액적과 기체의 분리 흐름 유도 가능
  

주요성과

 O 보고서 1


※ 첨부파일 업로드 용량 초과, 관련자료는 출처를 통해 확인 가능

출처 http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/report/reportSearchResultDetail.do?cn=TRKO202000005683
등록일 2021-04-08

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