연구 주제
romantiker
2011. 10. 5. 15:20
2011. 10. 5. 15:20
Nature Inspired Oil Separator
Energy Efficiency
2010/12/01~2015/02/28 (KISTEP)
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유분리기
위 사진은 우리나라 기업이 동남아에 초고층 빌딩에 들어가는 시스템 에어컨을 수주하여 설치하게 되었다는 기사의 배경사진입니다. 이런 건물에 들어가는 에어컨은 냉매 배관이 매우 길어지게 되고 그래서 냉매에 포함된 오일이 회수되지 않는 것이 큰 문제가 되고 있습니다. 물론 냉방과 관계 없는 윤활유를 함께 이송하려면 전력 낭비도 생기겠죠. 그래서 왼쪽 사진과 같은 유분리기를 압축기에 설치하여 압축기의 윤활유를 냉매 배관에 들어가기 전에 회수하고 있고 회수율을 높이려는 연구가 진행되고 있답니다. |
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자연모사
자연모사 공학은 날아다니는 새를 본떠 비행기를 만들 듯이 생물체에서 공학적인 아이디어를 얻는 공학 분야 입니다. 사진 속의 곤충은 나미브 사막에 사는 딱정벌레라고 합니다. 등판에 특이한 문양이 있는데 친수성과 소수성이 엇갈려 배열된 형태라고 합니다. 이러한 형태로 물이 부족한 사막에서 안개가 낀 날에 등에 물을 모아 필요할 때 먹는다고 하는데 이러한 형태를 물이나 용제를 분리 회수하는 데 활용해 보자는 것이 지금 진행하는 과제의 주요 컨셉입니다. |
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오일회수표면
왼쪽 사진은 위의 딱정벌레처럼 대신 기름에 대한 친유성과 친수성이 바둑판처럼 분포된 면의 사진과 그 위에 기름 방울을 떨어 뜨렸을 때의 이미지인데요, 이번 과제에서는 이런 표면을 활용하여 공조기기의 압축기에 사용되는 오일 분리장치의 분리 효율을 극대화 해 보려고 합니다. |
romantiker
2011. 8. 31. 18:38
2011. 8. 31. 18:38
HRSG for a Cogeneration System
Energy Efficiency, 2010/05/~2012/4(MOST, NRF)
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소형열병합
위의 그림은 가스엔진 기반의 소형 열병합 시스템을 설명한 그림입니다. 열병합 발전은 가스터빈, 가스엔진 같은 발전 원동기의 배가스나 냉각수로부터 배열을 회수하여 냉난방에 활용하는 시스템을 의미합니다. 소형열병합 시스템은 현재 아파트 단지에도 공급이 되고 있지만 롯데월드, 삼성의료원, GS타워, 수원역과 같은 복합 건물에 많이 적용되고 있습니다. |
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HRSG
소형 열병합 시스템에서 발전을 하는 원동기의 배열을 난방이나 급탕에만 활용할 경우에는 온수 열교환으로 충분하겠지만 증기를 생산하여 병원 같은 곳에서 소독 또는 자립형 공장에서 생산 공정에 활용하거나 또는 증기 터빈에 공급하여 추가적인 전기를 만들기 위해서는 배열을 이용하여 증기를 만드는 장치가 필요한데 이를 HRSG(Heat Recovery Steam Generator)라고 합니다. |
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연구 주제
제가 연구하는 분야는 미니 보일러의 개념을 응용한 모듈형의 HRSG입니다. 열병합 시스템의 목적과 원동기에 따라 HRSG를 모듈 형태로 연결하면 성능을 확보하기도 쉽고 여러 원동기에 같은 원리로 대응할 수 있어 하나의 기술을 널리 활용할 수 있습니다. 그를 위해 실험식 및 설계식 개발, 수치해석 등의 연구를 진행하고 있습니다. |
romantiker
2011. 8. 31. 18:36
2011. 8. 31. 18:36
Hybrid Desiccant Cooling
Energy Efficiency, 2010/06~2013/5 (KETEP, MKE)
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지역냉난방
지역냉난방은 화력발전의 배열 (열병합 발전)이나 폐기물의 소각열을 이용하여 지역 단위의 냉난방을 공급하는 것을 의미합니다. 우리나라에는 1980년대에 도입이 되었고 도입 초기에는 반신 반의 했지만 지금은 정착이 되어 같은 지역에서 지역 난방이 설치된 아파트가 조금 더 시세가 높게 형성된다는 이야기도 들은 것 같습니다. 지금까지는 지역 난방을 중심을 보급이 되었는데 여름에도 전기는 만들고 쓰레기는 소각해야 되지만 난방을 할 필요는 없다는 문제점이 있었습니다. 이러한 계절적인 에너지 수요, 공급의 불일치 문제를 해결하고 여름에 버려지는 배열을 활용하기 위해 배열을 이용한 냉방에 대한 연구가 진행되어 왔습니다. |
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제습냉방
열을 이용한 냉방 방식 중에 지역 난방과의 연계 면에서 가장 적합하다고 판명된 것이 왼쪽 사진에 보이는 제습냉방입니다. 냉매 대신에 물이 증발하면서 열을 빼앗아 가게 만드는 냉방 방식입니다. 물을 증발 시키기 위해서는 고온 건조한 공기가 필요한데 외부에서 공기를 받아 들여 습기를 실리카 겔과 같은 제습제로 제거하고 가열하여 증발을 일으키게 합니다. 이 과정에서 공기를 가열하고 물을 머금은 제습제에서 물을 제거하여 다시 물을 흡수할 수 있게 해 주어야 하는 데 그 과정에서 여름에는 사용하지 않는 지역 난방열을 활용할 수 있는 것이죠. |
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연구주제
저희 연구실에서는 강병하 교수님 연구실과 공동으로 이와 같은 시스템을 실제 아파트에 설치하여 (왼쪽은 용인 구성지구 LIG에 이 시스템을 설치하기 위해 양해각서를 체결하는 모습입니다. 저도 자리에 있었는 데 사진 왼쪽에서 잘린 듯 하네요.) 실시간으로 모니터링하고 설계 자료 및 사이클 시뮬레이션 자료와 비교, 분석하고 이와 같은 시스템을 보급, 확산하기 위한 전략을 마련하고 표준화를 위한 기준을 검토하는 연구를 진행하고 있습니다. |
romantiker
2011. 8. 31. 18:31
2011. 8. 31. 18:31
Stirling Engine CHP
Energy Efficiency, 2009/06~2012/05(KETEP, MKE)
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가정용 열병합
전기는 보통 발전소에서 대량으로 만들어 송전하는 방식으로 공급해 왔는데 송전 손실, 안전성, 전력 수요-공급 불균형 등의 문제가 있어 필요한 곳에서 필요할 때 전기를 만들어 쓰는 쪽으로 전력 공급의 방향이 변화하고 있습니다. 이를 '분산전원'이라고 하고 우리가 살고 있는 집이 그 분산 전원의 최소 단위가 되겠죠. 가정용 수준의 발전 시스템을 꾸미기 위해서 몇 가지 원동기가 제안되고 있는 데 Stirling 엔진은 가정용 기기에서 매우 중요한 소음, 공해 면에서 유리하여 유럽을 중심으로 보급이 되고 있습니다. |
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Stirling E/G
Stirling 엔진은 응용열역학 시간에 잠깐 들어보신 경험이 있으시겠지만 외연기관입니다. 그래서 바이오 매스나 태양열 같은 신재생 열원을 쉽게 이용할 수 있고 기존 연료를 사용해도 소음과 공해 면에서 유리합니다. 게다가 잘~ 만 만들면 (그런데 그게 굉장히 어렵습니다.) 이론적으로 카르노 사이클의 효율에 접근하니 기술의 무한한 진보를 믿는 엔지니어들의 도전정신을 자극하겠죠. |
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연구주제
제가 하고 있는 연구는 가정용 열병합 발전에 사용되는 Stirling엔진에 들어가는 재생기 - 일종의 열교환기인데 이 놈 덕분에 Stirling 엔진의 효율이 카르노 사이클에 접근합니다. - 와 연소기 - 가정에 설치되기 위한 저소음, 저공해는 주로 이 놈에 의해 결정 되겠죠. -에 관한 연구를 진행하고 있습니다. 좀더 복잡하게는 다공체 열교환기에서 다공체의 구조와 열교환 성능의 관계, 그리고 축열 방식의 표면 연소 문제를 연구하고 있습니다. |
romantiker
2011. 8. 29. 09:02
2011. 8. 29. 09:02
Renewable Fuel Combustion
Renewable Energy, 2011/01/01~2011/10/31(KIER, MKE)
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PE & PP
우리나라의 에너지 소비량 중에서 신재생 에너지가 차지하는 비율은 어느 정도 될까요? 2009년 통계로1.4%, 세계최저수준이라고 합니다. 우리나라에서 사용되는 신재생에너지의 60%이상은 폐기물의 소각열입니다. 그렇게 생각하면 풍력, 태양광, 수력등은 참 비율이 작은 상태이죠. 저는 그 중에 폐플라스틱에 주목했었고 (석유 제품이라 열량이 높기도 하고 폐기물 중에 많은 비율을 차지하기도 하구요) 그 중에서도 탄소랑 수소로만 이루어진 폴리에틸렌과 폴리프로필렌에 주목했고 이러한 플라스틱들을 열분해 가스화 및 그러한 기능의 예연소기가 포함된 버너, 그 버너를 장착한 보일러 등을 이전에 근무했던 한국에너지기술연구원에서 연구했었습니다. |
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Bio Mass
최근에는 폐플라스틱보다 목재 펠릿에 조금 더 주목하고 있습니다. 일단 광합성을 통해 생성되는 신재생 연료입니다. 게다가 지구온난화예방에도 유리하다고 합니다. 신기하죠? 나무를 태우면 당연히 이산화탄소가 나올텐데. 그런데 나무를 썩게 놓아 두어서 발생하는 메탄이 이산화탄소보다 훨씬 강한 온실가스라 태우는 것이 유리하다고 합니다. 목재가 연소되는 과정은 의외로 복잡해서 해석하기가 매우 힘든데 현재는 목재의 연소 과정을 해석하기 위한 수치해석 기법 개발에 관한 연구를 진행하고 있습니다. |
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연소 시스템
폐기물이나 목재같은 고체연료는 기름이나 가스와는 다른 형태로 태우게 됩니다. 석탄 난로처럼 석쇠위에 올려 놓고 태우는 화격자 방식, 모래와 섞고 바람을 불어넣어 태우는 유동층 방식, 원통을 회전하면서 태우는 Kiln방식 등이 있는데 모두 해석이 까다롭고 기기 자체도 잘 설계되어야 오염물질의 발생도 줄일 수 있습니다. 연소를 통해 발생한 열을 효과적으로 활용하기 위한 열전달도 매우 중요하구요. 제가 연구하는 내용은 연소의 안정성, 원하는 부하로의 연소 제어 그리고 시스템을 구축하였을 때의 열전달 등에 초점이 맞추어져 있습니다. |
romantiker
2011. 8. 29. 09:00
2011. 8. 29. 09:00
Oxy-fuel Combustion System
Climate Change, 2011/03/01~2012/02/28(KMU)
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CCS
요즘 기후 변화 문제로 주목을 받고 있는 키워드 중 하나가 CCS입니다. Carbon Capturing & Sequestration의 약자이고 번역하면 '탄소 분리 고정화'정도가 될 것 같으네요. 화석 연료를 연소하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 해양 또는 지중 저장을 하거나 하이드레이트 같은 물질로 변환하여 지구온난화를 막아보자는 기술입니다. 자동차나 가정집의 가스렌지, 보일러와 같은 모든 연소 기기에 이러한 기술을 적용하기는 어렵고 국가적으로 관리가 가능하고 이산화탄소 배출량이 집중적으로 많은 화력발전 설비에 이러한 기술을 적용하려고 하고 있습니다. |
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순산소연소
이산화탄소 발생이 없는 화력 발전 방식 중에 순산소 연소와 석탄 가스화 복합 화력 발전이 전 세계적으로 큰 사업으로 진행되고 있는데 둘 중에서 순산소 연소 쪽이 조금 더 연구비도 많이 투자되고 있고 실증 플랜트도 많이 건설되고 있다고 합니다. 왼쪽 사진은 제가 잠시 방문했던 독일 Cottbus부근에 Schwarz Pumpe의 실증 플랜트 이고 위쪽 사진이 시스템의 개요도 입니다. 기본적인 아이디어는 산소를 공급하여 석탄과 같은 연료를 연소시키고 발생한 이산화탄소를 따로 모아 저장하는 것입니다. |
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연구주제
제가 관심있는 분야는 순산소 연소에서 연소와 열전달 특성입니다. 공기대신 산소를 이용하여 연소를 시킬 때 질소 부분이 배제되어 연소 가스의 유량이 감소하게 되고 그때 일반적인 연소가 이루어 질 때와 열전달 특성이 어떻게 변화하냐 하는 것이죠. 기본적으로 모든 화력발전소를 철거하고 새로 지을 수는 없을 것이고 버너와 산소 공급장치, 후처리 설비 정도를 추가하여 개조하는 방식으로 사업을 진행하려고 할텐데 그러기 위해서는 열전달 특성을 맞추어 주는 것이 중요하겠죠. |
romantiker
2011. 8. 23. 13:52
2011. 8. 23. 13:52
Gas Turbine | Film Cooling
Energy Efficiency
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가스터빈
위에 날아가는 비행기 날개 밑에 달려 있는 놈이 엔진이고 그걸 썰어 보면 왼쪽 그림 같이 생겼습니다. 비행기의 엔진은 가스터빈이고, 왼쪽부터 압축기, 버너, 터빈입니다. 원리는 간단해서 공기를 압축해서 연료를 연소시키고 그렇게 얻은 고온, 고압의 기체로 터빈을 돌리는 것이죠. 응용 열역학에서 배우신 것 처럼 Brayton 사이클이고 터빈 입구온도를 높일수록 열역학적 효율은 좋아집니다. 비행기는 날아야 하니 효율이 조금만 좋아져도 연료를 조금 실어도 되고 승객을 많이 태울 수 있고 그 Merit은 여러분이 상상하는 이상이지만 재료의 녹는점 때문에 온도를 높이는 데 한계가 있고 그걸 극복하기 위해서 터빈 블레이드를 냉각하게 됩니다. |
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Film Cooling
가스 터빈 블레이드는 속이 비어 있습니다. 압축기 공기의 일부를 빼와서 블레이드 내부를 1차적으로 식혀주고 구멍을 통해 배출해서 블레이드 표면에 단열막을 형성하여 터빈 블레이드를 고온의 기체로부터 보호해 줍니다. 이를 Film Cooling이라고 하는데 최소의 유량으로 최대한 표면을 잘 덮고 지나가면서도 열전달을 키우지 않아 단열 효과를 유지시켜 주는 게 관건이겠죠. 그러한 목적에 부합하는 분사 각도와 분사하는 구멍의 배치를 찾아보는 것이 제가 석사 과정동안 그리고 박사 과정에 진행해서 후배들의 연구를 도와주며 진행한 일이었습니다. |
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감온성 액정
지금은 아주 널리 활용되는 방법이지만 제가 석사 과정을 밟던 1990년대에는 아주 최신의 열전달 측정 기법이 바로 감온성 액정(Thermochromic liquid crystal)을 이용한 측정법입니다. 온도에 따라 색깔이 변하는 물질을 표면에 바르고 카메라로 이미지를 찍어 온도를 얻어내는 방법이죠. 물론 장점은 복잡한 표면 열전달 현상을 구석구석 잘 파악할 수 있다는 겁니다. 처음 연구를 시작할 때는 많은 선배님들이 반신반의해서 저도 좀 우울했는데 결과적으로 쉽게 예상하기 어려운 결과들을 얻어냈고 박사 과정에 진학해서 정리한 것이기는 하지만 한편의 석사논문으로 학진 등재지에 2편, SCI급 국제 학술지에 2편의 논문을 게재했으면 만족스러운 결과를 얻은 거죠. |
가스터빈은 이제 복합 화력발전 및 열병합 발전의 원동기로 많이 주목을 받고 있습니다. 게다가 지구 온난화 문제와 더불어 석탄을 가스화하여 수소를 생산하고 이를 연료로 복합화력발전을 구성하는 IGCC플랜트나 바이오 가스나 매립지 가스와 같은 신재생 연료를 사용하는 가스터빈에 대한 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되면서 항공시장의 포화로 주춤했던 가스터빈이 최근에 르네상스를 맡고 있는 것 같습니다. 에너지 플랜트에 관심이 있는 분이라면 이 쪽 분야에 도전해 보셔도 좋을 것 같습니다.
