Sung-Hoon Seol

This study investigated a high-temperature heat pump for industrial steam production at 200 °C. Considering refrigerant thermal degradation at elevated temperatures, R1336mzz(Z) was selected because of its thermal stability. Two systems were analyzed: a flash tank (FT) cycle producing steam using a water valve and flash tank, and a steam generator (SG) cycle directly generating steam in the gas cooler. Unlike previous studies focusing primarily on cycle-level thermodynamic performance, this study systematically compares two steam production configurations for a 3 MW-class HTHP by considering heat pump–steam loop interactions and further evaluates their economic and environmental feasibility through LCC and LCCP analyses. Applying an internal heat exchanger reduced the operating pressure and increased the heat pump coefficient of performance (COP) by up to 13%, depending on the pressurized water temperature. In the FT cycle, lowering the valve outlet temperature from 180 °C to 150 °C increased the heat pump COP to a maximum of 3.06. However, the additional mechanical vapor recompression (MVR) power limited the overall system COP to 2.29–2.44. In the SG cycle, the system COP ranged from 1.94 to 2.54 according to the saturated water temperature at the gas cooler inlet, although operation at lower water temperatures approached the critical region, resulting in a narrower operating margin. LCC and LCCP analyses showed that replacing conventional boilers with heat pumps reduced operating costs by 26–59%, depending on regional energy prices, with payback periods of 2.27–8.76 years. Heat pump adoption also reduced life cycle climate impacts by 13–72%. These results demonstrate that high-temperature heat pumps can provide an economically and environmentally viable alternative for industrial steam production at 200 °C.

본 연구에서는 실내의 재실 인원의 변화에 따라 공간의 현열비가 달라지며, 그에 따라 요구되는 장치노점 온도(ADP) 변화의 필요성을 분석하기 위해 Rooftop Unit (RTU) 공조시스템의 성능분석 시뮬레이션 코드를 개발하여 분석하였다. 현열비 변화를 구현하기 위해 대상 공간은 영화관, 예식장 등과 같이 시간대에 따라 재실 인원이 크게 변동하는 것을 가정하였고, 증발온도 설정 범위는 5~15℃로 가정하여 실내 상대습도에 따라 제어되도록 코드를 구현하였다. 증발온도를 10℃로 일정하게 유지하였을 때와 증발온도를 제어하는 경우의 실내 상대습도 비교 및 소요동력 비교를 하였으며, 불필요하게 낮은 증발온도로의 운전을 지양하여 에너지 절감 효과를 확인할 수 있었다. 한편, 증발온도의 저하로 인해 취출 온도가 저하되는 문제가 발생하였으나, 재열코일을 통해 현열 가열시킴으로써 취출 풍량의 확보 및 국소적인 불쾌감을 완화할 수 있을 것으로 사료된다.

This study analyzes several design cases to identify the optimum geometric structure of the offset fin, determined by two design factors: the number of fins in the flow direction and the number of fins in the vertical direction. Increasing the number of fins in the vertical direction has relatively minor effects on the heat transfer rate and surface area. In contrast, adding more fins in the flow direction results in enhancement of thermal performance. Correlations for the Colburn j factor and the Fanning f factor, incorporating N_fin,v and N_fin,f, are established. The resistance curve of each case is yield based on the f factor correlation, and the heat transfer rate at the actual coolant flow rate is obtained the j factor correlation. A difference in the pressure drop resulted in a different coolant flow rate despite using the same circulation pump, showing a difference of 1.67 times between the minimum and maximum values. Although a different coolant circulates in each case, there was no reversal in the heat transfer rate compared to the situation in which a constant amount flows. The impact of the pump’s performance curve on the heat transfer rate becomes relatively pronounced with an increased pressure drop. When N_fin,f was 30, the ratio of maximum to minimum heat transfer rate was 8.73% with a constant coolant flow rate, but this ratio increased to 13.08% when considering the actual coolant flow rate facilitated by a pump.

물을 냉매로 사용하는 흡착식 냉동기(AHP)는 냉매 자체도 완전히 친환경적이며 구동하는 에너지가 증기압축식 냉동기에 비해 약 25% 수준으로 알려져 있지만, 흡착제의 제한적인 수분 흡착량 등의 이유로 시스템의 체적이 크다는 단점이 존재한다. 본 연구에서는 흡착용량이 상대적으로 큰 MOF의 일종인 Aluminium fumarate 흡착제 적용 AHP를 두 가지 기후 조건, 즉 Hot and humid 지역과 Moderate and dry 지역에 대해 시뮬레이션 분석을 하여 흡탈착 전환시간 및 흡착제의 질량에 따라 해당 기후조건에서는 어떠한 성능특성이 나타나는지를 파악하였다. 흡착기 개수가 적은 경우, 흡탈착 전환시간이 8분에서 16분으로 늘어남에 따라 AHP 냉방 에너지는 RD Silica-gel의 경우 29.19%, Aluminium fumarate의 경우 5.44% 감소하였으며, 흡착기 개수를 4EA에서 16EA로 증가시킴에 따라 Aluminium fumarte와 RD Silica-gel에서 각각 1.31배, 2.11배 증가한 AHP 냉방 에너지를 나타냈다.

본 논문은 IMO의 선박 환경오염 물질 배출규제에 대응하기 위해 다양한 출력의 선박용 디젤엔진 조사를 통해 열원 온도 및 유량 특성 분석 후 엔진을 선정하고, 엔진 배기가스를 회수하여 재활용 하는 유기랭킨사이클 성능해석을 수행하였다. 이때 작동유체는 R1233zd, R1234ze, R1336mzz(Z)를 적용하여 엔진 부하에 따른 발전출력 및 효율 변화를 도출하였다. 이후 임의의 선박 운항 및 운전 조건을 제시하고, 해당 항로 운항 시 얻을 수 있는 연료 절감량 및 CO₂ 감축량을 도출하였다. 해석 결과, 엔진 부하 변동에 따른 발전 사이클 순 출력은 70~302 kW, 11.22~12.12% 효율을 나타냈으며, 부하에 따라 배기가스 열량의 1.72~4.73% 수준의 폐열 회수율을 도출하였다. 이를 다양한 선박 운항 경로 적용 시 202~2,550 kg의 연료 소모량, 0.54-6.78 ton 이산화탄소 배출 저감이 가능함을 확인하였다.

본 연구는 첫째로 냉동장치의 장기 사용에 따라 발생할 수 있는 냉매의 오염에 의한 장치의 성능변화를 실험적으로 분석하는 것과, 둘째로 오염된 냉매를 재생하여 사용함으로써 얻을 수 있는 경제적 그리고 환경적 효과에 대해 다루고자 한다. 냉매의 오염 요인으로는 불응축가스와 압축기 오일의 과다 주입으로 정하였다. 냉매는 GWP 수치가 높아 냉매 재생의 수요가 예상되는 HFC계열의 R-134a를 적용하였다. 불응축가스는 압축기 일량을 증가시키며 COP 감소를 야기하였고, 냉동기 오일의 과다 주입은 증발열량의 감소를 초래하였지만, 냉각 및 윤활 성능의 개선도 이루어져 압축기 토출가스 온도는 감소하는 경향을 보였다. 재생된 냉매가 기준을 제대로 충족하면 신품 냉매와 비교해 성능에 차이가 없음을 실험적으로 확인하였다. 냉매의 재생에 수반되는 비용의 회수 기간은 오염정도에 따라 다르나 대체로 수개월 내로 분석되며, 온실가스 배출량은 신규냉매의 소비억제로 인해 1,256 kgCO₂eq/RT, 운전효율 저하 억제로 인해 연간 25.44 kgCO₂eq/RT의 효과를 보였다.

Offset fin 타입 열교환기는 우수한 열전달 성능으로 인해 소형화가 가능하다는 점 때문에 최근 활발하게 연구가 진행되고 있다. 하지만 동시에 비교적 큰 압력강하가 발생한다는 특징이 있어 설계 및 선정에 있어 면밀한 검토가 필요하다. 반면, 일반적인 Dimple 타입 열교환기는 Turbulator의 간단한 구조로 인해 이러한 압력강하는 줄이는데 상대적으로 유리하다. 열교환기를 평가함에 있어서는 열적(Thermal) 그리고 수력학적(Hydraulic) 특성을 함께 고려하는 것이 중요한데, 대표적인 방법이 Colburn j factor와 Fanning f factor이다. 본 연구에서는 상기의 두 가지 종류의 열교환기를 이러한 무차원수를 포함한 여러 가지 파라메터에 대하여 비교하였다. 주요한 결과로는 Dimple 타입의 j factor 값이 Offset fin 타입에 비해 작다는 점에서 열전달의 촉진을 위해 설치한 Dimple 타입의 Turbulator는 개선이 필요하며, 냉각수 유속을 과하게 증가시키는 Half-circuit 구조도 개선이 필요하다고 보여진다.

This study proposes the application of a precooler to the cascade mixed refrigerant Joule–Thomson (CMR J–T) cycle, herein referred to as the precooled CMR J–T (PCMR J–T) system. The purpose of the precooler is to utilize the temperature gradient characteristics within the two-phase region exhibited by the non-azeotropic mixed refrigerant. The precooler reduces the temperature of the high-temperature gas exiting the compressor by using cooling water from the condenser, thereby decreasing the capacity requirements of the high-temperature cycle (HTC). The working fluid comprises a nonflammable mixed refrigerant (R218, R23, R14, and Ar), and simulations were conducted by varying the HTC evaporation temperature and cooling water temperature for energy and exergy analysis. Under the analysis conditions, the capacity of each component in the HTC can be reduced by over 45%, leading to a maximum increase of 21.6% in the system’s coefficient of performance. Furthermore, the exergy destruction in the PCMR J–T system decreases along with the reduction in component capacity, with the most significant reduction occurring at the HTC expansion valve. The exergy efficiency of the system increases by up to 47.4%.