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오래 전부터 화석연료의 고갈과 연소가스에 의한 대기 오염에 대비하기 위하여 화석연료 의존성을 줄이기 위한 에너지 기술개발이 진행되어왔다. 태양광, 풍력, 조력, 소형원자로 등 많은 연구가 진행되어 왔으나 실용적으로 본다면 아직 화석연료를 대체할 수준의 기술 확보는 되지 않고 있다. 화석연료는 여전히 지구상에서 그 중요성 면에서 우위를 차지하고 있다. 더구나 기술발전과 선진화에 따라 전 세계 개발도상국들의 에너지 수요는 급증하고 있는 추세이고 향후 중국의 국민들이 에너지를 더 많이 소비하게 된다면 석유자원이 국가 안보를 위협할 수 있는 전략적 품목이 될 수도 있을 것이다.¹⁾ 이러한 사태에 대비하기 위하여 석유 자원의 절약 기술이나 열 시스템의 효율 개선이 필요하다. 아울러 온실가스 배출에 따른 지구 온난화에 대한 우려는 글로벌적으로 인식되고 있으므로 열기관 작동유체의 누설에 따른 오존층 파괴 등의 문제도 동시에 해결되어야할 과제가 되고 있다.

저온 열원으로부터 동력을 회수하기 위한 기술로서 ORC(Organic Rankine Cycle)가 있으나 기존의 연구들은 주로 작동유체로서 유기냉매를 사용하고 있다.^2-5) 이 경우에 작동유체가 누설되면 환경오염을 유발하는 문제가 있다. 증기를 작동유체로 적용한 사례도 있으나^6,7) 실용적 시스템을 위해서는 장기 연속운전 대책 등 추가적인 연구가 필요한 것으로 파악된다.

본 연구에서는 친환경 작동유체를 사용하여 열시스템의 효율을 개선하기 위하여 연속운전이 가능한 저온의 소형 1 kW급 폐열 회수 동력발생에 관점을 맞추었다. 증기를 작동유체로 하는 최적의 스크롤 팽창기를 설계·제작하여 원동기로 적용하였으며 스크롤 팽창기의 연속적인 운전이 가능하도록 오일 공급 및 유수분리 기능을 포함하여 시스템을 구성하였다. 증기를 작동유체로 사용할 경우, 부피가 큰 복수기가 필요하게 되어 이는 소형 열회수 시스템의 핸디캡이 되므로 본 연구에서는 소형 시스템의 경쟁력을 강화할 수 있도록 복수기 및 유수분리기의 크기를 줄이는 방안을 적용하였다.

실험과 비교평가를 위하여 먼저 사이클 해석을 수행하였다. Table 2와 Fig. 7은 정격 발전 출력, 1,000 W에 대한 사이클 해석결과이다.

Fig. 7 
P-V diagram for the expander cycle

Table 3에 실험 조건을 정리하였다. Test 1과 Test 2는 길들이기 전·후로 구분되며 실험 변수의 차이는 크지 않으나 실험결과, 출력의 변화를 보여주고 있다. Test 2의 결과는 여러 차례의 시험 후 연속운전이 가능한 안정된 상태의 실험결과이다.

Fig. 8과 9에서 실험과 해석결과를 비교하였다. 두 개의 실험결과 모두, 팽창기 입구의 증기 온도와 압력은 해석결과에 잘 부합하고 있다. 팽창기 출구의 증기 온도, 압력 데이터는 실험과 해석이 근소한 차이를 보이고 있으나 팽창기 입구에서 출구로의 천이는 그 추세선이 실험과 해석이 유사한 경향이므로 팽창기의 거동은 초기에 설계된 운전 경로를 잘 따르고 있다는 것을 알 수 있다.

Fig. 8 
T-P curve 1 through the expander

Fig. 9 
T-P curve 2 through the expander

Fig. 10에 출력에 대한 팽창기 입구 압력의 관계를, Fig. 11에 출력에 대한 팽창기 입구 온도의 관계를 실험과 해석결과를 각각 나타내었다. 초기단계의 Test 1은 출력은 낮은데 압력, 온도 모두 해석결과보다 높게 나왔지만 길들이기가 끝난 단계의 Test 2는 온도, 압력, 및 출력 모두 해석결과에 잘 부합하고 있다. 이는 초기 단계는 스크롤의 마찰이 높고 팽창 과정 중에 일부의 증기가 물로 응축되면서 에너지 손실이 크게 발생한 것이 그 원인으로 평가된다.

Fig. 10 
Expander inlet pressure vs. power

Fig. 11 
Expander inlet temperature vs. power

Table 4에 주요 성능 데이터를 실험 조건으로 해석한 결과와 비교하였다. 기존의 스크롤 팽창기는 주로 유기냉매 사이클에 적용되어 작동유체의 상변화에 따른 손실이 작아서 팽창기 효율은 70%에 달한다. 본 연구에서는 친환경 작동유체로서 증기를 채택하였고 증기는 유기냉매에 비하여 비체적이 크기 때문에 스크롤 체적이 증가하는 단점이 있고 체적에 비례하여 마찰 및 표면 열발산손실이 증가하므로 실험결과의 팽창기 효율이 해석결과에 비하여 낮게 나타난 것으로 평가된다. 사이클 효율은 증기 발생을 위하여 증기 발생기에 투입된 열량에 대한 팽창기가 생산한 일의 비율이다. 즉, 입력 에너지에 대한 출력 에너지의 비율로서 해석결과는 8.4%이나, 실험결과로는 7.3%를 달성하였다. 증기는 포화점 부근에서 온도나 압력의 미세한 변화에 의해서도 건도가 크게 영향을 받으므로 효율이 다소 낮게 나타난 것으로 평가된다.

시스템 효율은 사이클 효율에서 스크롤 팽창기의 기계적 손실, 축 커플링에서의 마찰 손실 및 발전기 효율에 따른 손실을 차감하고 전력으로 변환된 유효 동력에 관한 것으로서 실험결과, 5.7%이다. 하이브리드 효율은 복수기에서 응축열을 버리지 않고 온수로 재활용할 때의 효율로서 70%에 이른다. 따라서 개발된 시스템은 온수의 수요가 많은 지역에서 분산형 독립전원으로 적용되면 큰 경제적 효과가 기대된다.

160℃ 이하의 저온 열원을 친환경적으로 활용하기 위하여 증기를 작동유체로 사용하는 스크롤 팽창기 동력발생 시스템을 개발하여 성능특성을 조사한 바, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 개발된 스크롤 팽창기 동력발생 시스템의 발전 출력은 1,019 W, 팽창기 효율은 67.4%, 사이클 효율은 7.3%, 시스템 효율은 5.7%, 하이브리드 효율은 70%이다.

2) 스크롤 팽창기는 증기를 작동유체로 하는 Rankine 사이클로 운전이 가능하였고 사이클 해석과 실험결과가 잘 부합하였다.

3) 스크롤 팽창기에 오일 공급 및 복수기에서 유수분리 기능을 부가함으로써 동력발생 시스템의 연속운전이 가능하였다.

4) 직접 접촉 열교환 방식의 복수기를 적용하여 전체 시스템을 콤팩트하게 구성할 수 있었다.

5) 복수기에서 방출되는 열을 온수공급원으로 활용하면 실외 냉각기가 없어도 폐열회수 동력발생 시스템의 구현이 가능하다는 것을 확인하였다.

6) 증기를 작동유체로 사용하는 스크롤 팽창기 동력발생 시스템은 발전 유효 동력에 비하여 복수기에서의 열방출이 더 크므로 전력보다 온수의 수요가 많은 지역에 더욱 적합하다.