작동 유체 선택

Working fluid selection

열 엔진, 냉동 사이클 및 열 펌프는 열역학 사이클을 거치는 동안 열이 전달되는 유체를 포함한다. 이 액체를 작동 유체라고 한다.[1] 냉동과 열펌프 기술은 작동유체를 냉매라고 부르는 경우가 많다. 대부분의 열역학 주기는 작동 유체의 잠열(위상 변화의 장점)을 이용한다. 다른 사이클의 경우, 작동 유체는 사이클의 모든 과정을 거치면서 기체상 상태를 유지한다. 열 엔진에 관한 한, 작동 유체는 일반적으로 내연기관이나 가스 터빈과 같은 연소 과정을 거친다. 열펌프나 냉동 기술도 있는데, 역브레이턴이나 스털링 사이클처럼 작동 유체가 위상에 변하지 않는다.

이 기사는 지열 에너지, 폐열, 열 태양 에너지 또는 바이오매스, 열펌프 및 냉동 사이클을 위한 유기 랭킨 사이클(ORC)을 이용한 저급 열 회수를 포함한 열 엔진과 같은 열역학적 사이클에 대한 작동 유체 선택의 주요 기준을 요약한다. 이 기사는 작동 유체가 기술 적용에 어떻게 영향을 미치는지 다루는데, 작동 유체는 단계 전환을 거치며 열역학 주기의 모든 프로세스 동안 원래 (주로 기체) 단계에 머무르지 않는다.

에너지 변환 시스템에서 높은 에너지 효율을 달성하는 데 필수적인 특정 목적에 적합한 최적의 작동 유체를 찾는 것은 기술에 큰 영향을 미치며, 즉, 사이클의 작동 변수에 영향을 미칠 뿐만 아니라 레이아웃을 변경하고 장비의 설계를 수정한다. 작동 유체의 선택 기준은 일반적으로 경제적, 환경적 요인 외에 열역학적, 물리적 특성을 포함하지만 대부분 이러한 기준을 함께 사용한다.

작동 유체의 선택 기준

작동 유체의 선택은 사이클의 경제적 성능뿐만 아니라 열역학에도 상당한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 적절한 액체는 저특정 부피(고밀도), 점성, 독성, 인화성, 오존 파괴 가능성(ODP), 지구 온난화 잠재성(GWP) 및 비용 등 물리적, 화학적, 환경적, 안전 및 경제적 특성과 더불어 높은 열 및 배기 효율과 같은 양호한 공정 특성을 나타내야 한다.. 이러한 요구 조건은 순수(단일 성분) 및 혼합(다중 성분) 작업유체에 모두 적용된다. 기존 연구는 주로 순수 작동 유체의 선택에 초점이 맞춰져 있으며, 현재 방대한 수의 발표된 보고서를 이용할 수 있다. 순수 작동 유체의 중요한 제한사항은 상변화 중 상온 프로파일이 일정하다는 것이다. 작동 유체 혼합물은 증발 온도 프로파일이 가변적이기 때문에 순수 유체보다 더 매력적이다. 따라서 순수 유체의 평평한(일정한) 증발 프로파일과 반대로 열 발생원의 프로파일을 더 잘 따른다. 이를 통해 온도 글라이드(temperature glide)로 불리는 열교환기에서 증발하는 동안 대략적으로 안정된 온도차가 가능해져 외부손실을 크게 줄일 수 있다. 그것의 유용성에도 불구하고, 혼합 유체의 선택을 다루는 최근의 출판물은 상당히 적다.[2]
많은 작가들은 예를 들어 O. Badr 등 을 좋아한다.[3] 랭킨 사이클과 같은 열 엔진에 대해 작동 유체가 충족해야 하는 다음과 같은 열역학 및 물리적 기준을 제안했다. 열엔진, 냉동주기 또는 열펌프에 사용되는 작동유체에 관한 기준에는 다음과 같은 몇 가지 차이가 있다.

열 엔진과 냉동 사이클 모두에 대한 공통 기준

  1. 사이클의 최대 온도에서 포화 압력은 과도하지 않아야 한다. 매우 높은 압력은 기계적 응력 문제를 초래하므로 불필요하게 비싼 구성 요소가 필요할 수 있다.
  2. 사이클의 최소 온도에서 포화 압력(즉, 응축 압력)이 너무 낮아서 대기 중 공기가 시스템에 침투하지 못하도록 밀봉하는 문제가 발생해서는 안 된다.
  3. 3중 지점은 예상 최소 주변 온도보다 낮아야 한다. 이를 통해 오일이 사이클 도중이나 시스템 외부에서 취급되는 동안 어느 지점에서든 응고되지 않도록 한다.
  4. 작동 유체는 낮은 액체 점성, 높은 잠재적 기화 열, 높은 액체 열 전도성 및 양호한 습윤 능력을 가져야 한다. 이를 통해 열교환기와 보조배관을 통과할 때 작동유체압력이 떨어지고, 교환기의 열전달률이 높은 것을 보장한다.
  5. 작동 유체는 낮은 증기와 액체 특정 부피를 가져야 한다. 이러한 특성은 열교환기의 열전달율에 영향을 미친다. 증기 특정 부피는 사이클 구성 요소의 크기 및 원가와 직접 관련된다. 또한, 높은 증기의 특정 부피는 열 엔진이나 압축기에서 팽창기의 배기 단부를 냉각 사이클에서 여러 번 필요로 하는 더 큰 부피적 흐름으로 이어져 상당한 압력 손실을 초래한다. 필요한 급수 펌프 작업을 최소화하기 위해 콘덴서 압력에서 액체의 특정 부피는 가능한 한 작아야 한다.
  6. 비부식성과 공통 시스템 재료와의 호환성은 중요한 선택 기준이다.
  7. 유체는 전체 온도 및 압력 범위에서 화학적으로 안정되어야 한다. 윤활유와 용기 소재가 존재하는 상태에서 작동 유체의 열분해 저항성은 매우 중요한 기준이다. 작동 유체의 교체를 필요로 하는 것 외에도, 유체의 화학적 분해는 열 교환기의 열 전달률을 낮추는 비응축성 가스를 발생시킬 수 있으며, 화합물은 시스템 재료에 부식 효과가 있다.
  8. 무독성, 불화성, 비폭발성, 비방사성, 현재의 산업적 수용성 또한 바람직한 속성이다.
  9. 액은 저등급 오존 파괴 잠재력(ODP) 및 지구 온난화 잠재력(GWP)과 같은 환경 보호 요구 조건의 기준을 충족해야 한다.
  10. 유체는 상호 접촉 시 표면 간의 마찰을 줄이기 위해 윤활 특성이 우수해야 하며, 이는 표면이 이동할 때 발생하는 열을 감소시키고 궁극적으로 사이클 성능을 높인다.
  11. 그 물질은 저비용이어야 하며 대량으로 쉽게 구할 수 있어야 한다.
  12. 작동 유체에 대한 장기적(운영적) 경험과 가능한 유체 재활용도 이롭다.

열 엔진에 대한 특별 기준(랭킨 사이클 등)

  1. 액의 임계 온도는 제안된 사이클에 존재하는 최고 온도보다 훨씬 높아야 한다. 작동 유체의 증발, 따라서 상당한 열의 추가가 사이클의 최대 온도에서 뒤따를 수 있다. 이것은 비교적 높은 사이클 효율을 초래한다.
  2. T-s 다이어그램에서 포화 증기 라인의 기울기 ds/dT(순수(단일 구성 요소) 작동 유체의 분류 참조)는 팽창기의 적용 압력비에서 거의 0이어야 한다. 이것은 팽창하는 동안 상당한 수분(액체 방울) 형성이나 과도한 과열 현상을 방지한다. 또한 콘덴서의 모든 열제거가 최소 사이클 온도에서 발생하여 열효율을 높인다.
  3. 액체의 특정 열에 대한 낮은 값 또는 분자당 원자 수의 낮은 비율을 분자량으로 나눈 값과 액체의 특정 열에 대한 기화 잠열의 높은 비율을 적용해야 한다. 이것은 작동 유체의 과냉각 액체의 온도를 랭킨사이클의 증발기의 압력에 해당하는 포화 온도로 상승시키는 데 필요한 열의 양을 감소시킨다. 그래서 대부분의 열은 최대 사이클 온도에서 추가되며 랭킨 사이클은 카르노 사이클에 더 가깝게 접근할 수 있다.

냉동사이클 또는 열펌프의 특별기준

  1. T-s 다이어그램에서 포화 증기 라인의 기울기 ds/dT(순수(단일 구성품) 작동 유체의 분류 장 참조)는 거의 0이어야 하지만 컴프레서의 적용 압력 비율에서는 절대 양수여야 한다. 이는 상당한 수분(액체 방울) 형성이나 압축 중 과도한 과열 발생을 방지한다. 압축기는 액체 방울에 매우 민감하다.
  2. 증발 온도의 포화 압력은 대기압보다 낮아서는 안 된다. 이는 주로 개방형 압축기에 해당한다.
  3. 응축 온도에서의 포화 압력은 높아서는 안 된다.
  4. 응축 및 증발 압력 비율은 낮아야 한다.

순수(단일 구성 요소) 작동 유체의 분류

전통구분

순수 작동 유체의 전통적인 분류. 1→2는 포화 증기 상태에서 발생하는 등방성 팽창을 나타낸다.

전통적인 그리고 현재 가장 널리 퍼져있는 순수 작동 유체의 분류는 H에 의해 처음 사용되었다. 타보르 외,[4] 오 바드 외 60년대로 거슬러 올라간다.[3] 이 3종 분류 체계는 순수한 작업 유체를 3가지 범주로 분류한다. 분류의 기초는 온도-엔트로피 평면에 있는 유체의 포화 증기 곡선 형태다. 모든 상태에서 포화 증기 곡선의 기울기가 음수(ds/dT<0)이면 포화 온도가 낮아질수록 엔트로피 값이 증가하여 액을 습수라고 한다. 유체의 포화증기곡선의 기울기가 주로 양의 값(임계점보다 다소 낮은 짧은 음의 기울기와 무관함)이면 포화온도가 감소하면 엔트로피 값도 감소(dT/ds>0)하면 유체는 건조해진다. 세 번째 범주는 이등방성이라고 불리며, 이는 일정한 엔트로피를 의미하며 온도-엔트로피 다이어그램에서 수직 포화 증기 곡선(임계점보다 다소 낮은 짧은 음의 기울기와 무관하게)을 갖는 액체를 가리킨다. 수학적 접근법에 따르면 (음) 무한 경사(ds/dT=0)를 의미한다. 습식, 건조 및 등방성의 조건은 작동 유체가 포화 증기 상태에서 등방성(반복성 아디아바틱) 팽창 과정을 거친 후 증기의 품질을 의미한다. 등방성 팽창 과정 동안 작동 유체는 습식 유체일 경우 항상 2상(습식이라고도 함) 구역에서 끝난다. 액이 건식인 경우 등방성 팽창은 반드시 과열(건식이라고도 함) 증기 구역에서 끝난다. 작동 유체가 등방성형인 경우 등방성 팽창 프로세스 후 유체는 포화 증기 상태로 유지된다. 증기의 품질은 열엔진의 증기 터빈이나 팽창기를 선택하는 데 있어 중요한 요인이다. 더 잘 이해하려면 그림을 참조하십시오.

소설구분

순수 작동 유체의 새로운 분류.[5]

전통적인 분류는 몇 가지 이론적이고 실질적인 결함을 보여준다. 가장 중요한 것 중 하나는 완벽한 등방성 액체가 존재하지 않는다는 사실이다.[6][7] 등방성 유체는 포화 증기 곡선에 두 개의 극단(ds/dT=0)이 있다. 실제로, 이러한 행동에 매우 가깝거나 최소한 특정 온도 범위 내에서, 예를 들어 트리클로로플루오르메탄(CCLF3)과 같은 액체가 있다. 또 다른 문제는 유체가 얼마나 건조하거나 등방성적으로 작용하는지 여부인데, 이는 예를 들어 유기 랭킨 사이클 레이아웃을 설계하고 적절한 익스팬더를 선택할 때 상당한 실질적인 중요성을 갖는다. 기존의 3종류 분류체계의 문제점과 결함을 해결하기 위해 G. [5]Györke 등이 새로운 종류의 분류를 제안했다. 새로운 분류는 또한 전통적인 것과 유사한 온도-엔트로피 도표에서 유체의 포화 증기 곡선 형태에 기초한다. 이 분류는 유체를 구별하기 위해 특성 포인트 기반 방법을 사용한다. 이 방법은 세 개의 1차 특성 점과 두 개의 2차 특성 점을 정의한다. 온도-엔트로피 포화 곡선에서 이러한 점들의 상대적 위치는 범주를 정의한다. 모든 순액에는 1차 특성 포인트 A, C, Z가 있다.

순수 작동 유체의 전통적 분류와 새로운 분류의 호환성. 유체의 포화 증기 곡선 형태는 분자의 자유도(f)를 통해 해당 상태의 특정 이소 열 용량(cv)에 따라 달라진다.[6][7]
  • 1차 지점 A와 Z는 각각 포화 액체 및 포화 증기 곡선에서 가장 낮은 온도 지점이다. 이 온도는 용해점에 속하는데, 사실상 유체의 3중점과 같다. A와 Z의 선택은 시각적으로 포화곡선의 첫 번째와 마지막 점을 가리킨다.
  • 일차점 C는 임계점을 가리키는데, 이것은 이미 잘 정의된 유체의 열역학적 특성이다.

두 가지 이차 특성 지점, 즉 M과 N은 포화 증기 곡선에서 보다 정확하게 국부 엔트로피 극점으로 정의되며, 포화 온도 엔트로피의 감소와 함께 ds/dT=0이 일정하게 유지된다. 전통적인 분류법을 고려할 때 습식유체는 일차점(A,C,Z)만 있고 건식유체는 일차점(A,C,Z), 정확히 일차점(M)이 있고, 재정의 등방성유체는 일차점과 이차점(M,N)이 모두 있다는 것을 쉽게 알 수 있다. 더 잘 이해하려면 그림을 참조하십시오.

특성 점의 엔트로피 값의 오름차순은 범주를 정의하는 유용한 도구를 제공한다. 수학적으로 가능한 순서의 수는 3! (2차 지점이 없는 경우), 4! (2차 지점 M만 존재하는 경우), 5! (2차 지점이 모두 존재하는 경우)로 150이 된다. 2차 지점이 존재하여 가능한 범주의 수가 8개로 감소하는 등 물리적 제약이 있다. 범주는 특성 점의 엔트로피의 오름차순에서 이름을 따야 한다. 즉, 가능한 8개 범주는 ACZ, ACZM, AZCM, ANZCM, ANCZM, ANCMZ, ACNZM, ACNZM, ACNMZ이다. 범주(순서라고도 함)는 전통적인 3종 분류에 적합할 수 있으므로 두 분류 시스템이 호환된다. ACZM 또는 ACNZM 범주에 장착될 수 있는 작동 유체가 발견되지 않았다. 이론 연구는 이 두 범주가 존재하지 않을 수도 있다는 것을 확인했다. NIST의 데이터베이스를 바탕으로,[8] 증명된 6개의 소설 분류 순서 및 전통적인 분류와의 관계를 그림에서 볼 수 있다.

멀티콤포멘터 작동 유체

다중물질 작동유체는 순수한 (단일 성분) 유체에 비해 열역학적 이점이 크지만, 연구와 적용은 순수 작동유체에 계속 초점을 맞추고 있다. 그러나 물과 암모니아 혼합물을 사용하는 칼리나 사이클이나 물, 암모니아와 수소 외에 물과 암모니아 혼합물을 사용하는 흡수 냉장고, 브롬화 리튬이나 염화 리튬 혼합물을 대다수로 사용하는 대표적인 예가 있다. 일부 과학 논문은 유기 랭킨 사이클에서 다세포성 작용 유체의 적용을 다룬다. 이것들은 주로 탄화수소, 불화수소, 탄화수소, 실록산 및 무기 물질의 이항 혼합물이다.[9]

참고 항목

참조

  1. ^ 첸겔, 유누스 A, 볼레스, 마이클 A. 열역학 엔지니어링 접근법 제8판. 맥그로힐 교육, 2015
  2. ^ Linke, Patrick; Papadopulos, Athanasios I. 및 Seferlis, Panos (2015) "작업 유체 선택 및 유기 랭킨 사이클의 설계, 통합 및 제어를 위한 시스템 방법 - A Review" Energy 2015, 8, 4755-1; https://doi.org/10.3390/en8064755
  3. ^ a b 바드르, O.; 프로버트, SD.와 오칼라한, PW. (1985) "랭킨 사이클 엔진의 작동 유체 선택" 적용 에너지 1985;21:1-42.
  4. ^ Tabor, Harry and Bronicki, Lucien(1964) "소형 증기 터빈의 유체 기준 설정" SAE 기술 문서 640823.
  5. ^ a b 요르케, 가보르, 디리터스, 울리히 K., 그로니에프스키, 악셀, 라수, 임레와 임레, 아틸라 R. (2018) "유기 랭킨 사이클을 위한 순수 작동 유체의 노벨 분류" 에너지 145(2018) 288-300.
  6. ^ a b c Groniewsky, Axel, Gabor, Imre Attila R.(2017) "모델 ORC 작동 유체의 습식-건식 전환에 대한 설명" 적용 열공학 125(2017) 963-971.
  7. ^ a b c Groniewsky, Attila R. (2018) "Redlich-Kwong 방정식을 이용한 ORC 작업 유체의 온도 엔트로피 포화 경계 표시" 엔트로피 2018, 20(2), 93. https://doi.org/10.3390/e20020093
  8. ^ NIST 화학 웹북
  9. ^ 안젤리노, 지안프랑코, 콜론나 디 팔리아노, 피에로(1998) "유기 랭킨 사이클(ORCs)을 위한 다중물질 작동유체" 에너지 23(1998) 449-463.

외부 링크