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[오토저널] 폐열회수 랭킨 사이클 팽창기 기술개발 동향
내연기관의 배기 에너지 활용 기술

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2018-10-23 13:59:18

본문

팽창기는 폐열회수 랭킨 사이클에서 흡수된 폐열에너지를 동력이나 전기에너지로 전환하는 역할을 하는 사이클의 주요 핵심부품으로서 용적형 팽창기와 터빈 팽창기로 분류된다.


폐열회수 랭킨 사이클 팽창기 유형
폐열회수 랭킨 사이클에서 발생되는 추가동력은 랭킨 사이클의 효율에 의해 결정되는데, 팽창기는 효율에 가장 큰 영향을 주는 핵심 부품이다. 일반적으로 팽창기는 2가지 방식으로 구분되며, 터빈 팽창기와 같은 속도 방식(Velocity Type)과 스크류, 스크롤 및 피스톤 팽창기와 같은 용적식(Volume Type)이 있다.


용적식 팽창기는 팽창기 내부 공간에 갇힌 고온 고압상태의 작동유체의 부피가 팽창하고 압력은 감소되면서 팽창기 외부로 일을 함으로써 동력을 생산한다. 터빈 팽창기는 팽창기에 유입된 고속의 작동유체가 터빈을 통과하면서 터빈 블레이드에 유체가 가진 운동에너지를 전달함으로써 동력을 발생시킨다.


터빈 팽창기는 동일 출력기준에서 용적식 팽창기에 비해 크기가 콤팩트하고, 고효율이지만 가격이 비싸고 설계점에서 벗어나면 효율이 급격히 떨어지는 특징이 있다. 터빈 팽창기는 축류 방식(Axial Type)과 구심 방식(Radial Type)으로 분류되는데, 축류 터빈은 팽창 단(Expansion Stage)을 증가시킴으로써 팽창비 조절이 용이하다. 한편, 구심 터빈은 작동유체의 유량이 소량일 경우에 적합하고 축류 터빈보다 부피면에서 콤팩트한 장점이 있다.


용적식 팽창기는 운전특성상 작동유체가 팽창기 내부에서 기체와 액체 상태가 동시에 존재하는 2상(Phase)의 조건에서도 작동유체의 팽창이 가능하지만 터빈 팽창기는 액체상태의 유체가 통과하면 터빈 블레이드가 손상될 가능성이 커서 일반적으로 작동유체를 가스상태에서만 팽창시키도록 설계하고 운전해야한다.

 

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터빈 팽창기는 회전수가 높아 회수된 에너지를 주로 전기에너지로서만 이용이 가능하여 생산된 에너지 활용면에서 제한적이지만 용적식 팽창기는 회전수가 중저속이기 때문에 회수된 에너지를 전기에너지 뿐만 아니라 동력으로의 활용도 용이하기 때문에 최종 에너지 활용면에서 선택의 폭이 높다고 할 수 있다.


터빈 팽창기 개발 국내 현황
국내에서는 건설기계 엔진의 폐열회수를 위한 유기 랭킨 사이클이 연구개발 되고 있으며, 개발 대상 사이클 시스템에 적용되고 있는 팽창기는 최대 90,000rpm의 회전수에서 10kWe의 전기 출력을 생산하는 구심 터빈으로서 2극 영구자석 동기 발전기가 터빈 회전축과 연결되어 있으며, 10kWe의 출력 성능을 만족하는 시작품 제작 진행이 완료단계에 있다.


또한, 초임계 유기 랭킨 사이클에서 폐열을 회수하여 100 kWe의 전기출력을 생산하는 발전시스템의 기술개발이 국책과제로 진행되고 있다. 이 기술개발과제에서는 팽창비가 약 9정도인 2단 팽창 구심터빈의 개념 설계 및 제작이 진행되고 있으며, 터빈 회전수는 35,000~40,000rpm이고, 2극 영구자석 발전기가 적용될 계획이다. 발전기를 포함한 구심 터빈 발전기의 크기는 직경 16cm, 길이 25cm 정도로서 100kWe의 발전출력 규모에 비해 비교적 컴팩트하게 설계되었다. 

 

글 / 신동길 (한국기계연구원)
출처 / 오토저널 18년 4월호 (http://www.ksae.org) 
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