HRSG for a Cogeneration System


Energy Efficiency, 2010/05/~2012/4(MOST, NRF)


 

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. 
 

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.
 

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.

Hybrid Desiccant Cooling

Energy Efficiency, 2010/06~2013/5 (KETEP, MKE)


 

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.
 

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.
 

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.

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Stirling Engine CHP

Energy Efficiency, 2009/06~2012/05(KETEP, MKE)


 

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.
 

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.
 

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.  

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Renewable Fuel Combustion

Renewable Energy, 2011/01/01~2011/10/31(KIER, MKE)


 

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.
 

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.
 

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.
 

Oxy-fuel Combustion System

Climate Change, 2011/03/01~2012/02/28(KMU)


 

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.
 

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.
 

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.

Im Westen Nichts Neues

seit 2010


 

Remind!
제 방에 들어오면 위의 사진 같이 생긴 판이 여러분을 반겨줍니다. 프로젝트와 투고한 논문의 진행상황을 정리해 놓은 판이죠. 개인적으로 멀티 tasking이 잘 안되어서 순서를 잘 배치해서 일을 해야하는데 어떤 일을 하다 보면 마감이 임박한 다른 일을 놓치는 경우 들이 있어 결국 이런 판을 만들게 되었습니다. 이런 사정과 달리 제 사무실을 찾아 주시는 다른 교수님들은 보시고는 예쁘다고 해 주시더군요. '처음에는 이렇게 하지만 곧 업데이트 못하게 될 껄'이라는 덕담도 함께. 이 놈이 인테리어 소품이 되지 않도록 노력해 봐야죠.
 

상황판
논문을 내고 나면 접수가 되고 초심을 받고 수정 원고를 내서 재심을 받고 최종 원고를 송부하여 실리게 되는 데 각각 마감 날짜가 있어 잘 따라가야 합니다. 특히 여러 편을 내 놓았을 때는 더욱 그렇겠죠. 그래서 진도별로 진행상황을 포스트잇으로 붙이는 방식을 택했는데 정신없고 지저분해 보일 것 같다고 걱정했던 것에 비해서는 다행히 덜 지저분해 보이는 것 같습니다.
 

In Sight!
이 놈은 여러분이 잘 못보는 제 책상 앞에 있는 놈입니다. 과제를 하다보면 해야할 일도 중요하지만 제 때에 물건을 사는 것도 중요해서 그러한 것들은 따로 책상 머리에 정리를 해 놓았습니다. 대롱대롱 달려 있는 크리스탈 천사는 누군가 독일에 다녀온 기념품으로 준 것이라 달아 놓으면 예전에 잠시 독일에 있을 때가 생각날 것이라 기대했는데 불행히 별로 그렇지는 않네요. 차라리 제가 있던 동네의 맥주 마크가 달려 있으면 그 때 생각이 많이 날 지 모르겠습니다.
 

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Books

since 1993


 

교과서, 참고서
대학원에 가서 석사 때는 책장 반을 받았고 박사 때는 책장 하나. 연구소에 취직하고 나서는 책장 2개와 캐비넷 1개. 학교로 자리를 옮기니 책장이 6개가 나옵니다. 사무실 한쪽 벽면을 꽉 채우고 있습니다. 지금까지의 경험으로 책장은 늘 모자라고 넘쳐나서 생기는 책을 그때 그때 버리지 않으면 공간에 허덕이는 그런 것이었는데 이번에는 과연 몇 년을 버틸 수 있을 지 궁금합니다. 아직까지는 공간이 허전해서 학부 때 보았던 교과서, 노트, 참고서를 몽땅 옮겨 놓은 상태거든요. 
 

논문
책장 한 켠에는 논문이 자리하고 있습니다. 석사과정, 박사과정 대학원 생활을 하면서 선후배, 동료에가 논문을 참 많이도 받았는데 대부분은 아직도 저희 집 책장을 차지하고 있습니다. 이쪽의 빈 칸은 제가 이곳 국민대학교에서 지도한 학생들의 졸업논문으로 가득 채우고 싶은 욕심 때문인 것 같네요.
 

보고서
대학원에서 논문이 있었다면 연구소에서는 또 같은 팀에 계신 분들로부터 보고서를 많이 선물(?)받게 됩니다. 제가 직접 쓴 것들만 들고 오고 나머지는 전 직장에 남기고 왔는데 이쪽은 논문처럼 제가 쓴 것들로 꽉 채우고 싶다는 욕심은 안 나는군요.

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Research Note

since 1998
 

편집증?
석사과정 1년차 때 박사과정 선배 일을 도와 드리며 일을 배웠고 제가 2년차가 되면 그 선배는 졸업하고 외국에 Post Doc.으로 나갈 예정이라 저 혼자서도 실험을 진행할 수 있도록 자료를 모으고 제작을 했던 것이 이 노트의 시작이었습니다. 누군가는 정리를 잘 해 놓은 게 보기에는 좋은데 모양을 맞추어 정리해 놓은 게 꼭 편집증있는 사람 같다는 평을 하기도 했는 데 글쎄요....
 

감시 체계?
연구노트에도 노하우가 있는데 실험을 할 때는 기기 카탈로그나 견적서, 성적서 등을 함께 보관하기 좋은 바인더가 좋고 수치해석을 할 때는 코딩하는 셀을 그리기 쉬운 격자 형태의 노트가 좋고 경계조건이 바뀌거나 해서 코드의 특정 부분 만이 바뀌면서 반복이 되는 건 기존 코딩 노트를 복사해서 바뀐 부분만 다른 색으로 표시할 수 있어 낱장을 클립한 형태가 좋은 데요... 황우석 사태 이후 절대 찟지 못하고 더하고 빼지 못하는 노트에 일거수 일투족을 기록해 달라고 하시는 분들이 계신 데 그래도 시간 순으로 연구의 진행상황을 보는 용도로는 좋은 것 같아 잘 써보려고 합니다. 연구노트는 검사받으려고 쓰는 놈이어서는 안될 것 같은 데...('그래도 지구는 돈다' -코페르니쿠스-)
 

연구 노트
지금은 실험 중심의 연구를 하고 수치해석도 직접 코딩하는 일이 별로 없어 연구 노트는 실험을 할 때의 노트와 비슷한 모양이 되어 있습니다. 다만 바인더가 국민대학교의 바인더가 되었고 학교를 너무 사랑한 나머지 인덱스에도 학교 마크를 넣었네요.

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ETP Tour

since 2011


 

여행
위에 사진은 대학원에 들어와서 제주도에서 열린 기계학회에 가서 찍은 협재 해수욕장의 모습입니다. 수학여행 일정이 꼬이면서 제주도에 한 번도 못 가고 학부를 졸업했는 데 대학원에 진학해서 갈 기회를 잡은 거죠. 요즈즘은 학회 에서 '제주 불패'라는 말이 있어 제주도에서 학회를 자주 합니다. 그렇게 귀하던 제주도를 최근 3년간 10번 이상은 간 것 같으네요. 대학원 진학 이후에 학회로 전국 여기 저기를 다니게 되었고 (광주, 전주, 진주, 울산, 포항 등은 아마 제가 대학원에 진학 해서 처음 가 본 것 같습니다.)  학술적 교류도 중요하지만 낯선 곳과의 만남도 즐거운 일이라서 학회나 출장을 갈 때마다 학회장 근처에는 뭐가 있을까를 살피게 됩니다.  
 

아는만큼?
보통 여행은 아는 만큼 보인다고 합니다. 사실입니다. 그래서 제 방에는 교과서, 참고서, 논문 말고도 여행 관련 책들과 어학 관련된 책이 제법 있습니다. 게다가 여행은 준비할 때의 설레는 마음이 실제 여행을 할 때 느끼는 감동 못지 않게 즐거울 때가 많으니까요. 
 

BeSeTo Exp.
요즈음엔 '베세토 (베이징, 서울, 도쿄)'라는 이야기가 잘 안나오네요. 위의 제목은 베세토 특급, 내지는 베세토 탐험이라는 의미로 붙여 봤습니다. 얼마전 부산에서 열린 국제학회에서 일본 규슈 대학의 한 교수님을 만났는데 저보다 훨씬 부산을 자주 오고 부산에 대해서 잘 알고 계신 걸 보고 놀랐습니다. 2년에 한번씩 실험실에서 부산으로 엠티를 온다고 하시더군요. 저도 예산이 허락하는 범위에서 그렇게 해 보려고 합니다. 해마다 중국에서 열리는 제냉전에 실험실 신입생들과 함께 가고 2년에 한번은 실험실 학생들과 일본으로 엠티를 가볼까 합니다. 세상을 넓게 보는 시각을 가져주기를 기대하면서요.

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Kaffee Karlsruhe (I)

seit 2010


 


Karlsruhe
독일에 칼스루에라는 도시를 아시나요? 독일 남서부에 있고 인구는 30만 정도되는 중도시입니다. 독일 사람들은 이 도시를 독일 대법원이 있는 곳으로 알고 있고 열전달을 전공한 저에게는 열전달 계수를 담은 무차원수에 이름을 남긴 Nusselt (사진 왼쪽), 자연대류에 이름을 남긴 Grashof (사진 오른쪽)가 교수로 재직했던 곳으로 다가옵니다. 제가 2000년도에 방문연구원으로 몇 달을 보낸 곳이기도 하구요. 대학에는 이 두분의 이름을 딴 길도 있습니다.
 

Kaffee Pause
위의 독어 단어는 '커피 휴식'이라는 뜻입니다. 칼스루에 대학에 있을 때 오전 9시쯤과 오후 3시쯤에 제가 있던 사무실(보통 2명이 사무실을 공유하는 데 제가 받은 자리가 공석이어서 계속 다방으로 활용되고 있었다고 하더군요)에 열유체기계를 연구하는 박사과정 대학원생들이 모여 커피를 마시며 전공에 관한 이야기나 현황에 대한 이야기를 나누더군요. 인접한 분야의 연구를 하는 학생들이 서로 정보를 교환하는 것이 개인적으로 너무 부러웠습니다. 참고로 독일 커피는 너무 진했는데 독일은 흐린 날씨가 많아 대체로 저혈압이 많고 그래서 진한 커피를 마셔 혈압을 높여준다고 하네요.
 

Kaffee KARLsRuhe
국민대학교에서도 Kaffe Pause를 재현해 보려고 합니다. 우리는 저혈압 환자가 아니니까 그렇게 진하게 커피를 만들지는 않겠지만 자기 연구에만 갖혀 있는 것 보다 넓은 시각을 갖고 무엇보다 연구실 동료들과 깊은 인맥을 만들어 가는 것이 중요할 것 같아서요. 연구실과 실험실 카페 이름을 Kaffee Karlsruhe로 붙여 보았습니다. Kookmin Advanced Research Learders' Ruhe: 국민대학교의 앞서가는 연구자들의 휴식공간이라는 뜻으로요.

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