산업공정용 히트펌프/MVR 연계 시스템의 최적 중간 온도에 대한 사이클 분석

• Published in: 설비공학 논문집, 36(8) Vol. 36; no. 8; pp. 377 - 385
• Main Authors: 김학수(Hak Soo Kim), 정유준(Yujun Jung), 정융(Yoong Chung), 문선영(Sunyoung Moon), 송찬호(Chan Ho Song), 이공훈(Kong Hoon Lee), 김동호(Dong Ho Kim)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한설비공학회 01.08.2024
• Subjects: 기계공학; Intermediate Temperature(중간 온도); Cycle Optimization(사이클 최적화); Performance(성능); GWP(지구온난화지수); Industrial Heat Pump(산업공정용 히트펌프)
• ISSN: 1229-6422; 2465-7611
• DOI: 10.6110/KJACR.2024.36.8.377

본 연구에서는 히트펌프/MVR 연계 시스템의 사이클 분석을 통해 폐열 온도, 중간 온도, 생산 증기 온도에 따른 히트펌프/MVR 연계 시스템의 통합 COP를 분석하였다. 생산된 증기를 산업 공정에서 포화액까지 사용하는 경우와 Flash tank의 액체 상태 엔탈피 조건까지 사용하는 경우에 대해 각각 사이클 분석을 수행하였다. 우선 산업 공정에서 증기가 포화액 상태로 배출되는 경우에 대해 사이클 분석을 수행한 결과, 폐열 온도 40~100℃, 생산 증기 온도 165~210℃의 범위의 모든 폐열/생산 증기 온도 조합에 대해 히트펌프/MVR 통합 시스템의 COP가 최적이 되는 중간 온도가 존재함을 확인하였다. 이를 통해 이 온도 범위에서는 히트펌프 시스템 또는 MVR 시스템을 단독 적용하는 경우 대비 두 시스템을 연계할 때 더 높은 효율로 열에너지를 생산할 수 있음을 확인할 수 있었다. 폐열/생산 증기 온도 조건에 대해 최적 중간 온도는 변화하나, 대부분의 경우 히트펌프로 생산하는 중간 증기의 온도가 약 100~120℃일 때 히트펌프/MVR 시스템의 통합 COP가 최대가 되는 것을 확인할 수 있었다. 히트펌프/MVR 연계 시스템의 최적 COP는 1.69~3.27 범위 내에서 형성되는 것을 확인하였다. 산업 공정에서 증기를 Flash tank의 액체 상태 엔탈피 조건까지 사용하는 경우에 대해 사이클 분석을 수행한 결과, 폐열 온도 40~100℃, 생산 증기 온도 165~210℃의 범위의 모든 폐열/생산 증기 온도 조합에 대해 중간 온도가 높아질수록 통합 COP가 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 산업 공정 조건에서는 MVR을 단독으로 적용하는 것이 COP 관점에서는 유리하다. 위와 같은 해석 결과를 바탕으로 산업 공정에서 열에너지를 활용하는 특성에 따라 산업 공정의 전기화 시, 히트펌프/MVR 연계 시스템으로 설계할지 아니면 MVR 단독 시스템으로 설계할지 결정할 수 있다. In this paper, a cycle analysis was performed on a heat pump and MVR coupled system. Through a cycle analysis, the integrated COP of a heat pump/MVR coupled system was derived as a function of the temperature of the waste heat generated from the industrial process, the temperature of the steam used in the industrial process, and the intermediate temperature of the primary heating through the heat pump. Cycle analyses were performed for the use of steam in industrial process under saturation and subcooling conditions, respectively. When using steam under a saturation liquid state in an industrial process, it was found that there were optimal intermediate temperatures at which the combined COP of the heat pump/MVR system was maximized in the waste heat temperature range of 40 to 100℃ and the production steam temperature range of 165 to 210℃. On the other hand, when utilizing steam in industrial process to a subcooling region, it was found that the integrated COP decreased with increasing intermediate temperature for all waste heat and production steam temperature conditions. Based on results of this analysis, it was determined that depending on how the steam produced was utilized in the industrial process, it might be advantageous to design a heat pump/MVR combined system or o design a system with an MVR system alone. KCI Citation Count: 0