KR100303550B1 - 열재생장치 - Google Patents

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KR100303550B1
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미카엘 윌로우비 에섹스 코니
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캐써린 메리 스프링에트 ; 앤드류 존 론스 ; 앤드류 존 스완슨
내쇼날 파워 피엘씨
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Abstract

본 발명의 가스압축기는 압축될 가스를 수용하는 챔버(9)와, 챔버(9)내의 피스톤(12)과, 그리고 챔버(9) 안으로 피스톤을 구동시켜서 압축기를 압축시키는 수단을 포함하고 있다. 또한, 압축기는 챔버(9)내에 액체의 분무를 형성시켜서 압축단계에서 가스를 냉각시키는 수단(55)을 포함하고 있어서, 가스가 등온팽창 과정을 수행한다. 챔버로 부터 압축가스를 배출시키는 밸브수단(17)이 제공되어 있다. 피스톤(12)을 구동시키는 수단은 유체내에 저장된 구동에너지를 피스톤에 직접 전달하는 수단을 포함하고 있다. 일실시예에서, 구동에너지는 연소가스에 의해서 제공된다. 압축열이 최저온도에서 방출되고, 연소과정으로 부터 배출된 고온의 배출가스가 등온압축된 가스를 예열시키는데 사용된다.

Description

열 재생 장치
본 발명은 압축가스를 공급하기 위한 가스압축기에 관한 것이며, 특히 가스터어빈 발전설비에서 압축공기등의 가스를 공급하는데 사용되는 압축기에 관한 것이다.
가스터어빈의 연소실에 제공된 연료와 함께 연소되도록 공기와 같은 고온의 압축가스를 발생시키는 압축기는 널리 공지되어 있다. 압축기에 의해 발생된 가스는 압축싸이클의 단열과정에 의해서 압축되면서 가열된다. 가스가 압축되는 중에 가열되기 때문에, 그라한 압축과장에서의 가스의 온도가 일정하게 유지되는 경우에, 즉 가스가 등온압축되는 경우에, 소정의 압축을 얻기 위한 더 많은 에너지를 필요로 한다. 또한, 일반적으로 압축되는 가스의 몸체를 가열시키기 위해서 압축기의 기계적에너지를 사용하는 것으로는 불충분하다.
가스를 보다 효율적으로 압축시키기 위한 종래기술의 장치들 중에서 대표적인 것은 유압식 가스압축긴데, 이러한 유압식 가스압축기에서는 하향이동하는 액주 (column of liquid)내에서 가스가 압축된다. 기포형태의 가스는 압축과정중에 액체에 의해서 냉각된다. 그리고나서, 가스가 액주의 하부에서 액체로 부터 분리되는데, 그러한 액주의 하부에서는 다음 단계에서의 발전을 위해 사용되는 냉각된 압축가스의 공급을 제공하도록 가스를 용이하게 저장할 수가 있다.
카르노 싸이클에 근거하여 작동되는 열기관이 미합중국 특허 제 3,608,311호에 개시되어 있다. 싸이클 중에 작동유체의 등온압축은, 이러한 작동유체를 수용하고 있는 챔버내로 액체를 분무시켜서 가스의 온도를 압축과정중에 일정하게 유지시킴으로써 수행된다. 그러나, 이와같은 장치는 열기관에 관한 것이며, 작동유체의 체적이 각각의 챔버내에서 영구적으로 유지될 수 있는 폐싸이클의 열기관으로 이루어져 있다. 따라서, 이는 압축가스를 공급하는 가스압축기에 관한 것은 아니다.
종래의 가스터어빈 발전설비에서는, 가스터어빈으로 부터 배출되는 가스가 주위대기의 온도 보다 훨씬 높은 고온상태이며, 따라서 과잉의 배출가스의 열이 예를들어서 전기를 발생시키도록 유용한 에너지로 재생되지 않은 한, 그러한 과잉의 열은 소모되어 버리는 것이다. 대표적인 가스터어빈 발전설비의 형탱인 복합싸이클의 가스터어빈 및 증기발전설비(CCGT)에 있어서는, 가스터어빈으로 부터 배출되는 배출가스의 과잉의 열이 제 2 터어빈을 구동시키는 증기로 변환된다. 이와같은 복합 싸이클의 가스터어빈 및 증기발전설비가 만족스러운 결과를 제공한다 하여도, 이를 위해서는 열재생용증기발생기 및 이와 관련된 증기터어빈과 같은 부속설비가 필요하다.
본 발명의 일실시형태에 따르면, 압축되는 가스를 수용하기 위한 챔버와, 그러한 챔버내에 설치된 피스톤과, 가스를 압축시키기 위하여 챔버내에서 피스톤을 구동시키는 수단과, 압축과정중에 가스를 냉각시키기 위하여 챔버내에 액체분무를 형성시키는 수단과, 그리고 압축가스를 챔버내로 부터 배출시키기 위한 밸브수단을 포함하고 있는 가스압축기에 있어서, 피스톤을 구동시키는 상기 수단이 유체내에 저장된 구동에너지를 피스톤에 직접 전달하는 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로하는 가스압축기가 제공된다.
따라서, 본 발명은 액체분무에 의해서 가스온도가 제어되는 유용한 압축 가스원을 제공한다. 압축열이 분무내의 액적으로 전달되어서, 압축과 정중에 가스 온도가 일정하게 혹은 감소되도록 제어될 수 있다. 가스온도가 일정한 경우에는, 압축에 필요한 에너지가 가스온도가 상승되었을 때와 비교하여 훨씬 적어진다. 바람직하게, 피스톤이 액체내에 저장된 에너지에 의해서 직접적으로 구동되며, 이러한 에너지는 압축가스나 연소가능한 연료와 공기의 혼합물내에 저장된 에너지 또는 액체의 위치에너지 형태로 저장된다. 이는, 매우 고온의 열원으로 부터 직접적으로 등온압축이 수행될 수 있음을 의미하며, 동시에 시스템내의 열이 싸이클의 최저온도에서 방출될 수 있다. 유체로 부터 방출되는 다량의 에너지가 피스톤에 의해서 매우 효율적으로 가스의 압축에너지로 변환되는데, 이와같이 유체로 부터 방출되는 다량의 에너지가 피스톤으로 전달될 수 있으므로, 이는 다량의 에너지를 운동에너지로서 일시적으로 저장시킬 수 있다는 것을 의미하며, 따라서 다량의 가스가 압축될 수 있는 동시에 피스톤이 챔버에서 작동되는 속도는 피스톤의 관성에 의해서 제어될 수가 있으므로, 압축과정이 거의 등온에 가깝게 수행되는 것이다. 또한, 본 발명에 따르면 유체로 부터 방출된 과잉의 열이 등온압축되는 가스를 예열시키도록 재생될 수가 있다. 더욱이, 피스톤이 직접적으로 구동되기 때문에, 크랭축과 같은 회전 부품을 포함하는 다소 복잡한 기계장치들이 필요치 않다.
본 발명의 바람직한 일실시예에서, 압축기는 피스톤에 연결된 운동에너지 저장수단을 포함하고 있는데, 피스톤이 가스를 압축시킬 수가 있도록 이러한 저장수단으로 충분한 운동에너지가 제공된다. 바람직하게, 운동에너지 저장수단은 피스톤과 동일한 위상으로 작동하도록 배열된 질량체를 포함할 수 있으며, 바람직한 일실시예에서 이러한 질량체는 피스톤 자체에 제공될 수도 있다. 바람직하게, 운동 에너지 저장수단은 압축비를 제어하기 위한 큰 관성을 가지므로, 압축열이 분무로 전달되기에 충분한 시간이 제공되어서, 압축은 등온으로 수행된다. 또한, 운동에너지 저장수단이 예을 들어서 플라이휘일과 같이 회전가능하게 설치된 질량체를 포함할 수도 있는제, 이러한 질량체는 피스톤과 연결되어서, 질량체의 회전에너지가 피스톤에 의해서 가스의 압축에너지로 변환될 수 있다. 이러한 회전가능한 질량체는 피스톤의 운동방향과는 관계없이 한쪽 방향으로만 회전되도록 배열될 수도 있고, 또는 피스톤과 반대방향으로 배열될 수도 있다. 질량체가 피스톤과 반대방향으로 배열된 경우에는 피스톤이 회전가능한 디스크상에 설치될 수 있으며, 챔버내에서의 피스톤의 운동은 디스크의 회전에 의해서 형성되는 원호를 따라서 또는 선형경로를 따라서 이루어져서, 피스톤이 디스크에 대해서 상대적으로 회전작동될 수가 있다.
이와는 다르게, 피스톤을 구동시키는 랙(rack)이 피스톤에 연결될 수도 있는데, 랙이 회전질량체를 구성하거나 또는 회전질량체가 랙에 연결된다. 랙에 회전질량체가 연결된 경우에는, 피스톤이 크랭크축을 통해서 회전질량체에 연결될 수 있다. 바람직하게, 압축기는 피스톤에 연결된 연결수단을 포함할 수도 있는데, 이에 따라서 동력이 피스톤으로 부터 제공되거나 피스톤에 동력을 직접 공급할 수가 있다. 피스톤으로 부터 제공되는 출력구동은 예를 들어서 압축기에 관련된 밸브 및 액체분무분사용 펌프 그리고 기계식압축기를 구동시키는데 사용될 수 있으며, 이에따라서 고온의 압축가스의 공급에 의해서 압축기를 구동시킬 수가 있다. 피스톤으로 부터 제공되는 동력은 임의의 적절한 기계식 연결부재에 의해서 추출될 수가 있다.
바람직한 일실시예에서, 압축기는 운동에너지 저장수단으로 운동에너지를 제공하는 에너지 제공수단을 포함한다. 운동에너지 저장수단이 피스톤의 질량체에 의해서 제공된 경우에, 운동에너지를 제공하는 에너지 제공수단이 직접적으로 피스톤으로 운동에너지를 제공하도록 배열될 수 있다. 또한, 압축기는 피스톤을 한쪽 방향으로 작동시키는데 사용되는 운동에너지를 피스톤을 다른쪽 방향으로 작동시키는데 사용되는 운동에너지로 변환시키는 에너지 변환수단을 포함할 수 있다. 이러한 에너지 변환수단은 예를들어서 운동에너지가 운동에너지 저장수단에 제공되게 하는데, 이에 따라서 피스톤이 압축챔버로 부터 제거되었다가 다시 압축챔버 안으로 이동되어서 가스를 압축시키도록 구성될 수가 있다. 이와는 다르게, 에너지 변환수단이 가스를 압축시키도록 압축챔버 안으로 피스톤을 구동시키는데 사용되는 운동에너지의 일부를 피스톤이 챔버로 부터 빠져나가는데 사용되는 다른 방향의 에너지로 변환시킬 수가 있다. 이 에너지 변환수단은 피스톤을 작동시키는데 사용되는 운동에너지를 위치 에너지로 변환시키는 위치에너지 변환수단을 포함할 수 있다. 예를들어서, 피스톤의 작동중에 수직방향으로 이동하는 질량체를 배열함으로써 운동에너지가 위치에너지로 변환될 수 있다. 이는 별도의 질량체로 구성될 수도 있고, 이러한 질량체가 피스톤 자체로 구성될 수도 있다.
바람직한 일실시예에서, 압축기가 제 2 챔버 및 제 2 피스톤을 포함하고 있는데, 이들 각각은 피스톤이 챔버안으로 이동하는 중에 제 2 피스톤이 제 2 챔버로 부터 바깥쪽으로 이동하도록 배열된다. 제 1 및 제 2 피스톤은 예를들어서 크랭크축에 의해서 기계식으로 서로 간접적으로 연결될 수 있다. 이와같은 연결은 임의의 위상각에 대한 피스톤의 상대적인 위상을 설정하기에 적합하다. 이와는 다르게, 제 1 및 제 2 피스톤이 직접적으로 서로 연결 되어서 일체식 몸체, 즉 하나의 피스톤으로 구성될 수도 있다. 운동에너지 저장수단이 제 2 피스톤만의 질량에 의해서 제공될 수도 있고, 또는 제 1 피스톤과 결합된 제 2 피스톤의 질량에 의해서 제공될 수도 있다.
일실시예에서, 에너지 변환수단은 제 2 챔버내의 가스를 수용하는 몸체를 포함한다. 따라서, 예를들면, 제 1 및 제 2 피스톤의 질량체내에 저장된 운동에너지가 제 2 챔버내에서 가스의 단열압축에 의해 흡수될 수 있으며, 그리고나서 비교적 고온의 압축가스가 단일팽창하여서 피스톤의 다른쪽 방향으로 운동에너지를 제공함으로써, 제 1 피스톤을 제 1 챔버내로 구동시켜서 가스를 압축시키도록 한다.
일실시예에서, 가스압축기는 액체몸체를 수용하는 수용수단을 포함하며, 이 수용수단이 피스톤을 형성하는 도관을 포함한다. 수용수단은 대략 U자 형상의 도관으로 형성되어 있는제, 도관의 한쪽 아암내에 챔버가 형성되어 있고, 필요에 따라서는 도관의 다른쪽 아암에도 제 2 챔버가 형성될 수 있다. 바람직하게, 액체 피스톤내의 액체는 피스톤과 챔버의 벽 사이로 완벽한 밀봉을 제공한다. 이와같은 유형의 압축기는 액체피스톤과 챔버 사이의 도관내에 배열된 고체재료를 포함하는 피스톤을 갖출 수가 있다. 고체재료를 포함하는 다른 피스톤이 챔버와 멀리 떨어진 액체피스톤의 다른쪽 도관내에도 배열될 수 있다. 각각의 고체피스톤은 액체피스톤내의 액체 보다 높은 밀도를 가지며, 바람직하게 고체 및 액체 성분을 모두 포함하는 복합피스톤의 크기는 소정의 질량으로 감소될 수가 있다. 더욱이, 액체피스톤의 윗쪽으로 고체피스톤을 사용함으로써 액체와 가스가 비교적 고온인 챔버의 부품들과 직접적으로 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 고체피스톤은 액체 표면에서의 공유면적의 교란을 방지하며, 가스내로 액체가 유입되는 것을 방지한다.
다른 실시예에서, 피스톤은 고체재료를 포함하는데, 그 구성상으로 서로 다른 다수의 고체재료를 포함할 수도 있고, 그 질량체적의 일부로서 액체재료를 포함할 수도 있다. 피스톤 및 챔버는, 피스톤의 챔버안으로의 작동이 수직평면 또는 수평 평면상에서 이루어지도록 배열될 수 있다. 수평평면상에서 작동이 이루어지는 경우에는, 챔버에 대한 피스톤의 작동이 용이하게 이루어지도록 피스톤을 지지하기 위해서 저마찰 지지수단이 제공될 수 있다. 바람직하게, 피스톤이 수직방향 및 선형으로 작동하도록 배열된 경우에는, 어떠한 지지수단도 필요치 않다. 또 다른 배열로서, 피스톤이 서로 다른 평면으로 작동하도록 구성될 수도 있다.
일실시예에서, 구동에너지를 이동시키는 수단은 고온의 압축가스를 제 2 챔버로 유입시켜서 제 2 피스톤을 제 2 챔버로 부터 제거시키는 제 2 밸브수단을 포함한다. 따라서, 고온의 압축가스가 단열팽창하는 경우에 대부분의 가스에너지가 운동에너지 저장수단으로 전달되며, 이는 제 1 및 제 2 피스톤의 질량에 의해서 제공될 수 있는데, 저장된 운동에너지는 다음 단게에서 제 1 챔버내의 가스를 등온압축시키는데 사용된다. 고온의 압축가스의 팽창에 의해서 방출되는 에너지는 그러한가스의 등온압축을 제공하는데 필요한 에너지 보다 크기 때문에, 제 1 챔버내에서 압축된 가스의 질량은 제 2 챔버내에서 팽창된 고온가스의 질량 보다 크다. 운동에너지 저장수단이 공온의 압축 가스의 팽창에 의해서 방출되는 에너지를 가스의 등온압축에 열역학적으로 효율적인 방법으로 사용할 수 있도록 한다. 제 1 챔버 내에서의 가스의 압축이 수행된 후에, 제 2 챔버내에서 팽창된 가스가 제 2 챔버내의 제 2피스톤을 구동시킴으로써 계속해서 압축된다. 이는, 예를 들어서 피스톤을 그 자체의 중량에 의해서 하강시키는 수직배열에 의하여 이루어질 수가 있다.
압축기는, 제 2 챔버내의 가스의 압축후에 제 2 챔버내에서의 피스톤의 작동에 의해서 작동할 수 있는 제 3 밸브수단을 포함할 수 있으며, 이에 따라서 압축된 가스가 제 2 챔버로 부터 배출된다. 바람직하게, 이 실시예에서 압축기는 압축후에 가스를 냉각시키도록 제 2 챔버내에 액체의 분무를 형성시키는 수단을 포함한다. 따라서, 제 2 챔버내로 유입되어서 단열팽창된 고온의 압축가스가 계속해서 등온압축될 수 있다. 또한, 가스압축기는 제 2 밸브수단에 의해서 유입된 고온의 압축가스가 제 2 챔버내에서 팽창한 후에 작동되는 제 4 밸브수단을 포함하고 있어서, 제 2 챔버로 부터 배출되는 방향으로의 제 2 피스톤의 속도가 0이 되기 전에 추가의 저압가스를 유입시킬 수가 있다. 따라서, 고온의 압축가스로 부터 제공되는 운동에너지의 일부는 가스가 압축되기 진에 추가의 가스를 제 2 챔버안으로 유입시키는데 사용된다.
다른 실시예에서, 제 2 챔버가 있든 또는 없는 그에 관계없이, 구동에너지를 이동시키는 수단이 제 1 챔버로 부터 피스톤을 제거시키기 위해서 고온의 압축가스를 제 1 챔버 안으로 유입시키도록 작동하는 추가의 밸브수단을 포함한다. 이 실시예에서, 싸이클의 전반부 과정에서 피스톤을 챔버로부터 제거시키는데 사용되는 동일한 가스가 싸이클의 후반부 과정에서는 동일한 챔버내에서 압축된다. 이 실시예에서는, 피스톤이 챔버로 부터 제거되는 작동에 의해서 제공되는 운동에너지를 피스톤을 챔버 안으로 이동시켜서 가스를 압축시키게 하는 운동에너지로 변환시키는 수단을 포함할 수가 있다. 제 2 챔버 및 제 2 피스톤이 제공될 수도 있는데, 제 2 챔버내에 수용된 가스의 몸체가 제 1 챔버 안으로 유입된 고온의 압축가스에 의해 제공된 운동에너지를 가스를 압축시키도록 피스톤을 제 1 챔버로 귀환시키는 에너지로 변환시켜 준다. 따라서, 제 2 피스톤이 제 2 챔버 안으로 이동함에 따라서 제 2 챔버내의 가스가 단열 압축된 후에 다시 단열팽창하여서, 제 2피스톤을 제 2 챔버로 부터 제거시키고 제 1 피스톤을 제 1 챔버 안으로 이동시킨다. 이와는 다르게, 압축기가 앞서 설명한 바와같이 제 2, 제 3, 및 제 4 밸브수단을 포함할 수도 있다. 또한, 압축기는 추가의 밸브 수단에 의해서 유입된 고온의 압축가스가 제 1 챔버내에서 팽창하기 전에 작동하는 밸브수단을 더 포함하여서, 제 1 챔버로 부터 피스톤이 빠져나가는 속도가 0이 되기전에 추가의 저압가스를 유입시킬 수도 있다.
바람직하게, 제 1 챔버 및 제 2 챔버로 유입된 고온의 압축가스가 단열팽창하는 경우에, 가스의 열에너지가 용이하게 기계적 에너지, 예를들면 피스톤의 운동에너지로 변환되어서, 각각의 가스의 팽창후에 챔버의 체적의 증가에 따라서 추가의 가스가 각각의 챔버내로 유입될 수가 있다. 그리고나서, 순간적으로 피스톤이 어느 하나의 챔버내에 도달하여서 정지되고, 그 피스톤의 운동이 동일한 챔버내에서의 고온의 압축가스의 유입 및 팽창에 의해서 역전되어서, 피스톤을 다른 챔버 안으로 구동시키는데, 이러한 다른 챔버는 먼저 유입된 고온의 압축가스의 내부온도 보다 다소 낮은 온도를 갖는 가스를 압축시킨다. 따라서, 소정의 압축가스가 다소 많은 량의 압축가스로 변환되어서, 추가의 가스가 챔버안으로 유입된 고온의 압축가스의 열에너지에 의해서 효율적으로 제공된다.
다른 실시예에서, 구동에너지를 이동시키는 수단이 제 2 챔버에 연소가능한 연료혼합물을 제공하는 수단을 포함하여, 그리헌 연료의 연소에 의해서 피스톤 또는 다른 운동에너지 저장수단으로 운동에너지를 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 구동에너지를 이동시키는 수단이 압축가스를 제 2 챔버 안으로 유입시키는 수단, 및 제 2 챔버내의 가스를 가열시키기 위해서 고온의 액체의 분무를 형성하는 추가의 수단을 포함한다. 이와는 다르게, 구동에너지를 이동시키는 수단이 제 2 챔버 안으로 가스화된 반응가스와 함께 가스발생매체를 유입시키는 수단을 포함할 수도 있다. 이들 각각의 실시예에서, 구동에너지를 이동시키는 수단을 제 1 챔버로 부터 제 2 챔버로 압축가스를 공급하는 수단을 더 포함할 수도 있다. 바람직하게, 열교환수단이 배열되어서 제 2챔버로 부터의 고온의 팽창가스와 함께 제 1 챔버로 부터의 냉각된 압축가스를 예열시킬 수가 있다. 열교환기에서 배출되는 예열된 압축가스의 일부가 가스터어빈을 구동시키는데 사용될 수 있다. 이와같이 냉각된 압축가스의 일부를 터어빈을 구동시키는데 사용하는 것은 특히 바람직한데, 제 2 챔버로 부터 배출되는 고온의 팽창가스에서 보다 많은 열을 이용할 수 있는 경우에, 압축기를 구동시키는데 필요한 냉각된 압축가스의 체적을 예열시킬 필요가 있기 때문이다. 압축기가 추가의 냉각된 압축가스를 발생시켜서 이러한 방식으로, 잔류하는 열을 재생하여서 유용한 동력으로 변환시킬 수가 있다.
압축기가 압축된 가스를 수용하는 제 3 챔버와, 제 3 챔버 내에서 작동하여서 가스를 압축시키는 제 3 피스톤을 포함할 수도 있으며, 또한 압축된 가스를 제 3 챔버로 부터 배출시키는 추가의 밸브수단을 더 포함할 수도 있다. 제 3 챔버 및 제 3 피스톤은, 제 2 피스톤이 제 2 챔버내에서 제거될 때 제 3 피스톤이 제 3 챔버 안으로 이동하도록 구성된다. 따라서, 제 2 피스톤을 제 2 챔버로 부터 제거시키는 과정이 제 3 챔버내의 가스압축을 구동시키는데 사용될 수 있다. 압축기가 제 1 및 제 2 피스톤을 형성하는 액체피스톤을 수용하는 U자형 도관을 포함하는 경우에, 제 3 피스톤은 예를 들어서 제 1 피스톤과 마찬가지로 도관의 동일한 아암내에 제 3 정챔버 배열시킴으로써 형성될 수가 있다. 고체재료를 포함하는 피스톤이 제 3 피스톤과 제 3 챔버 사이로 배열될 수 있다. 고체피스톤이 제 1 챔버내에서 액체 피스톤 윗쪽으로 제공된 경우에, 고체 피스톤은 예를들어서 일체식 몸체로 구성될 수도 있고 또는 그에 연결된 다른 부재와 독립적으로 작동하도록 배열될 수도 있다. 제 1, 제 2, 및 제 3 피스톤 모두가 고체 재료를 포함하는 경우에는, 이들 고체 피스톤이 일체식 몸체로 형성되어서 효율적으로 작동하여 함께 운동에너지 저장수단을 제공할 수도 있다. 제 3 챔버내의 가스가 단열 압축되어서, 압축가스가 가스터어빈을 구동시키는데 사용될 수 있다. 제 2 챔버내의 과정으로 부터 팽창된 고온의 가스 내부의 과잉의 열을 재생하는데 별도의 가스터어빈을 사용하는 경우에는, 비교적고온인 별도의 터어빈으로 부터 배출되는 가스가 예를들어서 열교환기내에서 제 1 챔버로부터 압축된 냉각된 가스의 일부를 예열시키는데 사용될 수도 있으며, 이와 같이 예열된 압축가스는 제 3 챔버로 부터 단열압축된 가스에 의해서 구동되는 가스 터어빈을 구동시키는데 사용될 수도 있다. 이와는 다르게, 제 3 챔버내에서 단열 압축된 가스 및 배출가스로 부터 과잉의 열을 재생하는데 사용되는 예열된 가스 모두가 하나의 터어빈으로 제공되어서, 바람직하게 다른 하나의 터어빈을 사용하는 것을 피할 수도 있다.
또 다른 배열에서는, 제 2 챔버 및 제 2 피스톤을 제 1 및 제 3 피스톤이 각각의 챔버들 내에서 작동하는 중에 제 2 피스튼이 제 2 챔버 안으로 이동하도록 배열할 수도 있다. 그리고나서, 제 2 챔버가 제 1, 제 2, 및 제 3 피스톤을 각각의 챔버로 부터 제거시켜서 운동에너지 저장수단에 운동에너지를 제공하며, 이는 바람직하게 각각의 피스톤의 복합질량체로 될 수가 있다. 운동에너지를 각각의 챔버 안으로 피스톤을 구동시키는 운동에너지로 변환시키는 수단이 제공될 수 있으며, 이러한 운동 에너지 변환수단은 가스의 몸체를 수요하는 단열압축 및 단열팽창의 챔버와, 그리고 다른 피스톤들과 각각 연결된 추가의 피스톤을 포함하고 있어서, 제 2 피스톤이 제 2 챔버로 부터 제거되는 중에 추가의 피스톤이 단열팽창 챔버안으로 이동된다.
다른 실시예에서, 제 2 챔버 및 제 2 피스톤은 제 1 및 제 3 피스톤이 각각의 챔버 안으로 이동하는 중에 제 2 피스톤이 제 2 챔버로 부터 제거되도록 배열되어 있다. 가스압축기는 제 4 챔버 및 제 4 피스톤을 포함할 수도 있는데, 제 2 피스톤이 제 2 챔버 안으로 이동하는 중에 제 4 피스톤은 제 4 챔버로 부터 제거된다. 제 1 및 제 3 피스톤이 각각 가스를 압축시키도록 각각의 챔버안으로 이동되는 과정에 의해서 구동에너지가 이동되는 것 외에도, 제 2 챔버와 관련하여 앞에서 설명한 바와같이 과저어이 제 4 챔버내에서 배열되어서, 제 2 피시톤을 제 2 챔버 안으로 귀환시키며, 그 결과 제 1 및 제 3 피스톤이 각각의 챔버로 부터 제거된다.
또한, 가스압축기는 제 5 피스톤 및 제 5 챔버를 더 포함할 수 있는데, 제 5 챔버 안에서 제 5 피스톤이 작동함으로써 압축되는 가스를 제 5 챔버에서 수용할 수가 있으며, 제 2 피스톤이 제 2 챔버안으로 이동하는 중에 제 5 피스톤이 제 5 챔버 안으로 이동하도록 제 5 피스톤 및 제 5 챔버를 배열하였으며, 또한 압축기는 압축된 가스를 제 5 챔버로 부터 방출시키는 추가의 밸브수단을 더 포함하고 있다. 제 5 챔버는 가스를 단열압축시키는데 사용될 수 있으며, 이와같이 압축된 가스는 가스 터어비을 구동시키는데, 사용되고, 또한 제 3 챔버로 부터 단열압축된 가스에 의해서도 이 가스터어빈의 구동될 수 있다. 제 5 챔버내의 단열압축은 제 4 챔버내의 과정에 의해서 구동된다.
또한, 압축기는 제 6 피스톤 및 제 6 챔버를 포함할 수 있는데, 제 6 챔버 내에서 제 6 피스톤이 작동함으로써 압축되는 가스를 제 6 챔버내에 수용할 수 있으며, 제 2 피스톤이 제 2 챔버안으로 이동하는 중에 제 6 피스톤이 제 6 챔버 안으로 이동하도록 제 6 피스톤 및 제 6 챔버를 배열하였으며, 또한 압축기는 압축된 가스를 냉각시키기 위해서 제 6 챔버내에 액체의 분루를 형성시키는 수단, 및 제 6 챔버로 부터 압축된 가스를 배출시키는 배출수단을 더 포함하고 있다. 따라서, 제 6 챔버는 냉각된 압축가스를 발생시키도록 제 2의 등온압축을 제공한다. 제 6 챔버내에서의 등온압축도 제 4 챔버내에서의 과정에 의해서 구동된다. 따라서, 이와 같은 형태의 압축기는 제 1 및 제 3 챔버내의 등온압축 및 단열압축을 각각 구동시키도록 싸이클 전반부에 제 2 챔버내에서 이루어지는 과정과, 그리고 제 5 및 제 6 챔버내의 단열압축 및 등온압축을 각각 구동시키도록 싸이클 후반부에 제 4 챔버내에서 이루어지는 과정을 포함한다. 구동에너지를 이동시키는 수단이, 제 6 챔버로부터 제 2 또는 제 4 챔버 혹은 이들 두 챔버 모두에 압축가스를 공급하는 수단, 및 제 6 챔버로 부터 압축된 가스와 제 2 또는 제 4 챔버로 부터 압출된 가스를 함께 예열시키는 열교환수단을 더 포함할 수 있다. 열교환수단은 제 1 챔버로 부터 압축된 가스 및 제 2 챔버로 부터 압축된 가스를 함께 예열시키는 동일한 열교환수단을 포함하고 있다. 제 2 및 제 4 챔버내의 과정을 구동시키도록 제 6 챔버로 부터 압축된 냉각가스를 예열시키는데 사용되지 않는 열은 제 1 및 제 6챔버로 부터 압축된 추가의 냉각가스를 열교환 수단을 통해서 통과시킴으로써 재생될 수가 있으며, 그 결과 과잉의 열은 추가의 압축 가스를 예열시키는데 사용되고, 예열된 압축가스는 가스터어빈을 구동시키는데 사용될 수가 있다. 어느 실시예에서도, 2개 이상의 피스톤이 직렬로 배열될 수 있는데, 예를들면 하나의 챔버로 부터 다음의 챔버 까지 통과하는 하나 이상의 밀봉축에 의해서 이들 피스톤을 서로 연결시키면 된다. 이와는 다르게, 2개 이상의 피스톤이 각각의 챔버 안으로 그리고 챔버로 부터 배출되는 방향으로 서로 측방향으로 일정한 간격을 두고 이격되도록 배열될 수도 있다.
고온의 압축가스가 압축기를 구동시키는데 사용되는 경우에, 가스는 종래의기계식 압축기에 의해서 제공될 수도 있고, 또는 등온압축기 자체내에서 발생되는 냉각된 압축가스로 부터 제공될 수도 있는데, 이러한 압축가스는 다음 단계에서 열교환기에 의하여 제 2 및 제 4 챔버로 부터 팽창된 고온가스와 함께 예열된 후에, 예를들면 연료의 연소에 의해서 주가열기내에서 더 가열된다. 일반적으로, 최종의 압축된 고온가스는 기계식 압축기에 의해서 발생되는 가스에 비해서 훨씬 높은 온도를 갖는다. 이와같은 고온의 압축가스는 제 2 및 제 4 챔버 안으로 유입된 후에 팽창되어서 압축기를 구동시킨다. 바람직하게, 제 2 및 제 4 챔버 안으로 유입된 고온의 압축가스는 간단한 단열팽창에 의해서 압축기를 구동시키며, 따라서 연소나 기화등에 비해서 훨씬 깨끗한 과정이 수행된다.
다른 실시예에서, 압축기는 제 1 및 제 2 챔버 외에도 압축될 가스를 수용하는 다른 추가의 챔버가 제공된 경우에 이러한 가스를 압축시키도록 작동하는 추가의 피스톤을 포함할 수 있으며, 또한 추가의 챔버로 부터 압축된 가슬 배출시키는 수단, 및 추가의 챔버로 부터의 압축가스를 제 1 챔버 또는 제 2 챔버 혹은 이들 두 챔버 모두로 공급하는 수단을 더 포함할 수가 있다. 추가의 피스톤은 제 1 피스톤과는 독립적으로 작동하며, 압축기가 추가의 피스톤과 연결된 제 2 운동에너지 저장수단을 포함할 수도 있는데, 제 2 운동에너지 저장수단에는 충분한 운동에너지가 전달되어서 추가의 피스톤이 추가의 챔버내의 가스를 압축시킬 수가 있다. 제 2 운동에너지 저장수단은 추가의 피스톤과 동일한 위상으로 작동하도록 배열된 질량체를 포함할 수 있는데, 이 질량체는 추가의 피스톤에 의해서 용이하게 제공될 수도 있다. 추가의 챔버내에 수용된 가스는 단열압축되어서, 제 1 및 제 2 챔버(필요에 따라서는 이들 중 어느 하나) 내의 등온압축과정을 구동시키는데 사용될 수가 있다. 또한, 단열 압축된 가스가 가스터어빈을 구동시키는데 사용될 수도 있다.
이와같은 형태의 압축기는, 제 2 운동에너지 저장수단에 충분한 운동 에너를 제공하는 수단, 및 추가의 피스톤을 한쪽 방향으로 작동시키는데 사용되는 운동 에너지를 다른쪽 방향으로 이동시키는데 사용되는 운동에너지로 변환시키는 수단을 더 포함할 수 있다. 운동에너지 변환수단은, 예를들어서 추가의 피스톤의 작동중에 수직방향으로 이동하도록 배열된 질량체를 제공함으로써 또는 추가의 피스톤 자체에 의해서 질량체를 제공함으로써, 피스톤을 작동시키는데 사용되는 운동에너지를 위치 에너지로 변환시키는 수단을 포함할 수가 있다.
또한 압축기는 제 4 챔버 및 제 4 피스톤을 더 포함할 수가 있는데, 추가의 피스톤이 추가의 챔버로 부터 제거되는 중에 제 4 피스톤이 제 4 챔버로 부터 제거되도록 배열되어 있으며, 또는 추가의 피스톤과 제 4 피스톤이 함께 일체식 몸체를 구성할 수도 있다. 이 실시예에서, 제 2 챔버 및 제 2 피스톤이 필요치 않을 수도 있지만, 추가의 챔버 및 추가의 피스톤이라는 용어는 하나의 챔버 및 피스톤을 다른 챔버 및 피스톤과 구별하기 위해서 사용된 것이다. 추가의 피스톤을 구동시키는데 사용되는 운동에너지를 변환시키는 수단이 제 4 챔버내에 수용된 가스이 몸체를 포함할 수도 있는데, 이러한 가스는 번갈아서 단열압축되고 단열팽창되면서, 추가의 피스톤이 추가의 챔버내로 이동되어서 가스를 압축시키도록 작용한다. 이는, 특히 제 2 운동에너지 저장수단에 운동에너지를 제공하는 수단이 추가의 챔버내의 과정을 포함하는 경우에 바람직하다. 예를들면, 추가의 피스톤으로 구동에너지를 이동시키고 및 제 2 운동에너지 저장수단으로 운동에너지를 제공하는 수단이 추가의 챔버내의 연소성 연료 혼합물을 제공하는 수단을 포함하여서, 그러한 연료의 연소에 의하여 운동에너지가 제공된다. 또는, 제 2 운동에너지 저장수단에 운동에너지를 제공하는 수단이 추가의 챔버 안으로 압축가스를 유입시키는 수단, 및 추가의 챔버 내의 가스를 가열시키도록 고온의 액체분무를 형성하는 수단을 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서는 추가의 피스톤을 구동하는 에너지를 이동시키는 수단이 추가의 챔버안으로 기화되도록 반응가스와 함께 가스발생매체를 유입시키는 수단을 포함하며, 또 다른 실시예에서는 추가의 챔버 안으로 압축가스를 유입시키도록 작동하는 밸브수단을 포함한다. 따라서, 이들 실시예에서는 추가의 챔버 내에서 발생하는 단열압축이 동일한 챔버 내에서 수행되는 과정에 의해서 구동된다. 이러한 과정의 결과, 추가의 챔버 내의 고온가스는 추가의 챔버로 부터 추가의 피스톤을 제거시키도록 팽창된다. 추가의 챔버내에서의 가스의 팽창후에, 밸브수단이 챔버 안으로 가스를 유입시키도록 제공되어서, 이러한 가스가 다음 단게에서 단열압축된다. 밸브수단은 가스가 피스톤의 바로 뒷쪽으로 유입되도록 위치될 수 있다. 이 실시예에서, 압축기는 추가의 챔버안으로 이동될때 이러한 챔버로 부터 고온의 팽창가스를 배출시키는 밸브수단을 더 포함한다. 챔버로 부터 고온의 배출가스가 배출된 후에 밸브수단은 폐쇄되도록 작동하여서, 팽창과정후에 챔버 안으로 유입된 가스가 압축된다. 추가의 챔버 내에서의 과정에 의해서 제 2 운동에너지 저장수단에 제공된 운동에너지는 추가의 챔버 내의 가스의 단열압축 및 팽창에 의해서 추가의 챔버 안으로 추가의 피스톤을 이동시키는 운동 에너지로 변환된다.
다른 실시예에서는, 제 4 챔버가 추가의 챔버와 관련하여 앞서 설명된 바와같은 특징을 포함하여서, 제 4 챔버 내에서의 과정이 추가의 챔버 내의 단열압축을 구동시키고, 추가의 챔버 내에서의 과정이 제 4 챔버 내의 단열압축을 구동시킨다. 바람직하게, 이 실시예에서는 하나의 완전한 작동싸이클 중에 2개의 단열 압축된 가스가 발생된다. 추가의 챔버 및 제 4 챔버내의 단열압축될 가스와 프로세스 가스의 분리가 자연적인 열적성층화(thermal stratification)에 의해서 이루어진다.
다른 실시에서는, 단열압축 및 이러한 단열압축을 구동시키는 과정이 별도의 챔버 내에서 수행된다. 따라서, 추가의 챔버 내에서는 단열압축만이 발생하고, 단열 압축을 구동시키는 과정은 제 4 챔버 내에서 발생할 수가 있다.
다른 실시예에서는, 제 4 챔버 및 추가의 챔버를 각각 추가의 피스톤이 추가의 챔버 안으로 이동하는 중에 제 4 피스톤이 제 4 챔버 안으로 이동하도록 배열시킬 수가 있다. 이하, 본 명세서에서 추가의 피스톤 및 추가의 챔버라는 용어는 제 2 피스톤 및 제 2 챔버가 없을 경우에도 제 3 피스톤 및 제 3 챔버를 나타내는 것으로 한다. 마찬가지로, 제 4, 제 5, 및 제 6 피스톤 또는 챔버라는 용어가 제 2 챔버가 없을 경우에도 각각의 피스톤 및 챔버를 구분하기 위해서 사용된다. 또한, 압축기는 제 3 피스톤이 제 3 챔버 안으로 이동할때 제 5 피스톤이 제 5 챔버로 부터 제거되도록 배열된 제 5 피스톤 및 제 5 챔버를 더 포함할 수가 있다. 이 실시에에서, 제 2 운동에너지 저장수단에 운동에너지를 제공하는 수단이 제 5 피스톤을 제 5 챔버안으로 구동시키는 제 4 챔버 내에서의 과정을 포함할 수 있다. 제 5 챔버는 운동 에너지를 제 5 피스톤의 구동에 필요한 운동에너지로 변환시켜서 제 3피스톤을 제 3 챔버내의 가스를 압축시키도록 이동시키는 가스의 몸체를 포함할 수가 있다.
다른 실시예에서는, 가스압축기가 제 5 챔버내의 과정을 제 2 운동에너지 저장 수단으로 제공하는 수단을 포함할 수 있어서, 추가의 피스톤이 추가의 챔버내의 가스를 압축시키도록 구동된다. 따라서, 제 2 운동에너지 저장수단에 운동에너지를 제공하는 수단은 제 5 챔버 내의 연소성 연료혼합물을 제공하는 수단을 포함할 수 있어서, 그러한 연소에 의해 운동에너지가 제공된다. 이와는 다르게, 운동에너지 저장수단이 제 5 챔버 안으로 압축가스를 유입시키는 수단, 및 제 5 챔버 내의 가스를 가열시키도록 고온의 액체분무를 형성하는 수단을 포함할 수가 있다. 다른 실시예에서는, 제 2 운동에너지 저장수단에 운동에너지를 제공하는 수단이 제 5 챔버 안으로 기화되도록 반응가스와 함께 가스발생 매체를 유입시키는 수단을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 제 2 운동에너지 저장수단에 운동에너지르 제공하는 수단이 제 5 챔버안으로 고온의 압축가스를 유입시키도록 밸브수단을 포함할 수가 있다.
또한, 가스압축기는 압축되는 가스를 수용하는 제 6 챔버 및 제 6 챔버와 함께 배열된 제 6 피스톤을 더 포함할 수가 있으며, 제 5 피스톤이 제 5 챔버 안으로 이동하는 중에 제 6 피스톤이 제 6 챔버 안으로 이동하도록 배열되어 있으며, 압축기가 제 6 챔버로 부터 압축가스를 배출시키는 밸브수단을 더 포함할 수도 있다. 따라서, 이 실시예에서는 단열압축이 2개의 챔버내에서 수행되고, 단열압축을 구동시키는 과정이 2개의 다른 챔버내에서 수행된다. 제 5 챔버 내의 과정이 제 3 챔버내의 단열압축을 구동시키며, 제 4 챔버 내의 과정이 제 6 챔버 내의 단열압축을 구동시킨다. 따라서, 바람지하게 단열압축된 가스가 프로세스가스와는 완전히 분리된 상태로 유지된다. 더욱이, 이 실시예는 대칭구조이며, 매 싸이클당 2회의 단열압축된 가스를 발생시킨다. 제 3 챔버 및 제 5 챔버로 부터 각각 단열압축된 가스는 제 1 챔버 (필요에 따라서는 제 2 챔버) 내의 등온압축을 구동시키는데 사용될 수도 있고, 또한 가스터어빈을 구동 시키는데 사용될 수도 있다.
바람직한 일실시예에서, 제 2 운동에너지 저장수단으로 운동에너지를 제공하는 수단이 제 1 및 제 2 챔버로 부터 압축된 가스를 제 3, 제 4, 또는 제 5 챔버로, 필요에 따라서 그 내부의 과정을 구동시키도록 공급하는 수단을 더 포함한다. 바람직하게, 열교환수단이 제공되어서, 제 3, 제 4, 또는 제 5 챔버들 중 어느 한 챔버로부터 배출되는 고온의 팽창된 처리가스로 부터 공급되는 열에 의하여 제 1 및 제 2 챔버로 부터 배출되는 압축가스를 예열시킬 수가 있다.
압축기의 다른 실시예에서, 등온압축에 필요한 에너지는 액체의 저장에 의해서 제공될 수 있다. 액체로 구동되는 가스압축기의 한가지 형태는 도관, 및 이 도관내에서 도관을 따라 배열된 추가의 피스톤을 포함하는 것이며, 이러한 추가의 피스톤을 제 1 챔버 안으로 구동시켜서 제 1 챔버내의 가스를 압축시킨다. 액체를 수용하는 저장조가 도관의 일단부에 연결되며, 압축기는 도관을 따라서 추가의 피스톤을 구동시키도록 저장조로 부터 도관안으로 액체의 유동을 제어하는 주유동밸브, 및 제 1 챔버 내의 가스압축후에 도관으로 부터 액체를 방출시키도록 작동하는 방출배브수단을 더 포함한다. 추가의 피스톤이 액체 또는 고체 피스톤 혹은 이들이조합된 형태의 피스톤을 포함할 수가 있으며, 추가의 피스톤을 제 1 피스톤과 일체식으로 구성할 수도 있다. 압축기가 압축되는 가스를 수용하는 다수의 챔버, 및 이들 챔버내의 가스를 압축시키는 다수의 피스톤을 포함할 수 있으며, 각각의 피스톤이 추가의 피스톤에 의해서 서로 독립적으로 구동되고, 각각의 일단부가 공통의 저장조에 연결되어 있는 별도의 도관을 따라서 각각의 피스톤이 구동된다. 바람직하게, 압축기는 방출밸브수단을 통해서 방출된 액체를 저장조로 복귀시키는 수단을 포함하며, 이러한 복귀수단은 펌프로 구성될 수 있다. 압축기가 다수의 도관 및 이에 관련되어 다수의 챔버내에서의 압축과정을 구동시키는 다수의 피스톤을 포함하는 경우에, 주유동밸브 및 방출밸브는 서로 동시에 작동하도록 배열되어 있어서, 액체가 저장조로 복귀되는 동시에 그로 부터 방출되므로 저장조의 레벨이 일정하게 유지된다. 바람직한 일실예에에서, 압축기는 저장조 내의 액체를 압축시키는 수단을 더 포함하고 있다. 저장조는 액체의 윗쪽으로 압축가스의 몸체를 둘러싸는 챔버를 포함할 수가 있다. 액체를 저장조로 복귀시키는 수단이 펌프로 구성된 경우에, 각각의 도관내에 있는 주유동밸브수단이 피스톤을 서로 다른 위상으로 작동하도록 제어하여서, 펌프가 연속적으로 최적의 효율로 작동할 수가 있는데, 이는 저장조로 액체를 연속하여 공급할 필요가 있기 때문에 구성된 것이다.
편의적으로, 압축기가 액체 피스톤을 포함하는 경우에, 이러한 압축기에는 각각의 분무형성 수단에 액체 피스톤으로 부터 분무상태의 액체를 공급하기 위한 수단을 제공할 수도 있다.
바람직하게, 압축기는 분무형태로 사용되는 액체를 냉각시키는 냉각수단을포함한다. 또한, 압축기는 바람직하게 분무형태의 액적의 크기를 제어하는 수단을 포함한다. 분무를 형성하는 수단은 각각의 챔버 내의 가스가 압축되었을 때에만 작동하도록 배열된 펌프를 포함할 수가 있다. 이러한 분무형성수단은 바람직하게 일정한 유동속도의 분무를 제공하도록 배열되어 있고, 동시에 각각의 챔버 내의 가스가 압축되며, 분무형성 수단이 배수펌프를 포함할 수도 있다.
일실시예에서, 분무펌프에 피스톤을 기계식으로 연결하는 수단이 제공되어 있다. 바람직하게, 이러한 기계식 연결은 액체분무의 분사시기를 용이하게 하여서, 피스톤으로 부터 펌프로 혹은 그 역으로의 기계적 동역의 전달을 용이하게 한다. 기계적 연결은 예를들어서 피스톤에 의해 구동되는 크랭크 축이나 또는 피스톤에 연결되어서 피니언을 구동시키는 랙으로 구성될 수가 있다. 크랭크축이나 랙의 회전은 회전펌프를 구동시키는데 사용될 수 있으며, 왕복식 펌프를 구동하도록 왕복 운동으로 전달될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 압축가스에 의해서 압축챔버로 부터 분무액체가 배출된다. 이러한 분무액체는 비교적 압력이 높고, 싸이클의 일부에서는 챔버 안으로 분무액체를 분사시키는데 필요한 것보다 큰 압력상태로 될 수도 있다. 이러한 경우에, 펌프가 동력을 발생시키며, 이러한 동력이 피스톤을 구동시키는데 사용될 수 있다. 이와는 다르게, 압축기에 기계식 펌프가 없이 설계될 수도 있는데, 분무를 분사시키는 압력이 피스톤 자체에 의해서 제공된다. 또는, 펌프가 전기나 그 밖의 다른 수단에 의해서도 구동될 수 있다. 펌프가 정미출력을 제공하는 경우에, 펌프와 연결되어서 발전기를 구동시킬 수가 있다.
바람직한 일실시예에서, 압축기는 각각의 챔버로 부터 배출되는 압축가스로부터 액체를 배출시키는 수단을 포함할 수도 있으며, 필요에 따라서는 습기분리기를 포함할 수도 있다. 바람직하게, 압축기는 각각의 분무형성수단으로 액체를 배출 시키는 수단으로 부터 액체를 공급하는 수단을 포함할 수도 있다. 따라서, 바람직하게 등온압축과정 후에 (어떤 실시예에서는 등온팽창후에) 재생된 분무액체가 연속적으로 싸이클을 수행한다.
압축기는, 각각의 챔버내의 피스톤의 위치와, 또는 소정의 질량 혹은 체적의 가스가 챔버내에 남겨지거나 유입될 경우에 시간에 따른 각각의 챔버 내의 가스의 압력등과 같은 하나 이상의 소정의 변수에 따라서 개폐되도록 하나 이상의 밸브 수단을 제어하는 제어수단을 포함할 수 있다. 이들 변수는 센서에 의해서 측정되거나 검출될 수가 있는데, 그러한 매개변수의 값을 제어하기 위해서 센서가 상응하는 출력신호를 예를들어서 유압식, 전자기식, 또는 기계식으로 제공한다. 또한, 이러한 센서는 전기식, 유도식, 용량식, 접촉식, 자외선식, 또는 압적식으로 구성될 수도 있다. 마이크로 프로세서 또는 다른 유형의 콤퓨터를 배열하여서, 센서로 부터의 출력신호를 처리하고 해석할 수가 있다.
일실시예에서, 하나 이상의 밸브수단이 하나 이상의 피스톤에 기계적으로 연결되어 있어서, 피스톤이 밸브수단을 구동시켜서 밸브수단이 개폐된다. 예를들어서, 챔버의 벽이나 바닥에 설치된 피니언을 구동시키도록 배열된 피스톤과 연결된 랙에 의해서 적절한 기계식 연결이 제공될 수 있다. 피니언은 적절한 시기에 하나 이상의 밸브를 개폐시키는 캠을 회전시키거나 캠 샤프트를 구동되도록 배열될 수 있다.
압축기가 액체피스톤을 포함하는 경우에, 적어도 하나의 챔버에서 액체 피스톤의 표면상으로 부유하도록 고체재료의 플로우트가 배열될 수 있다. 플라우트는 강체구조 혹은 유연한 구조 어느 것으로도 구성될 수 있으며, 피스톤의 표면에서의 난류 및 액체피스톤 윗쪽에서의 가스 안으로 액체가 유입되는 것을 완화시켜 주며, 이러한 난류나 액체의 유입은 모두가 위칭너지를 떨어뜨리는 구성 요소들이다. 바람직하게, 플로우트가 다공성 재료로 구성되어서 분무액체가 액체 피스톤내의 액체와 용이하게 결합되도록 작용한다.
어떤 경우에는, 챔버 벽을 냉각시키는 것이 바람직한데, 이는 챔버 내에서 발생하는 여러 과정들에 의해서 생기는 열에 따라서 정해진다. 등온압축을 수행하는 하나 이상의 챔버로 부터 압축된 가스를 냉각시킴으로써 챔버 벽이 냉각될 수 있다. 챔버 벽에 다수의 구멍이 형성될 수 있으며, 이에 따라서 냉각가스가 챔버 벽으로 부터 열을 흡수한 후에 챔버 안으로 유입되어서 챔버 내의 다른 팽창가스와 함께 팽창하게 된다. 이와는 다르게, 가열압축된 냉각가스가 터어빈을 통과하면서 그 내부에서 팽창될 수도 있다. 바람직하게, 어느 방법에 의해서도 챔버 벽으로 부터 과잉의 열을 재생하여 유용한 기계적 동력을 변환시킬 수가 있다.
압축기가 등온압축 챔버로 부터 압축된 냉각가스에 의해서 어느 한 챔버 내에서의 과정으로 부터 배출되는 배출가스를 냉각시키기 위한 열교환수단을 포함하고 있는 경우에, 이러한 열교환수단을 빠져나가는 냉각배축가스로 부터 액체를 제거시키는 습기제거수단을 제공하는 것이 바람직하다. 이와같은 배열에 있어서, 제 1 열교환 수단으로 부터의 배출가스를 냉각시키기 위한 제 2 열교환수단과, 제 2열교환수단을 빠져나가는 냉각배출가스로부터 습기를 제거시키는 수단과, 습기제거 수단을 빠져나가는 냉각배출가스의 온도를 감소시키는 냉각기와, 냉각기를 빠져나가는 냉각배출가스의 온도를 감소시키는 냉각기와, 냉각기를 빠져나가는 냉각가스로부터 습기를 제거시키는 제 2 습기제거수단과, 그리고 제 2 습기제거수단으로 부터 배출되는 냉각배출가스를 제 2 열교환기 수단으로 공급하는 수단을 제공할 수가 있는데 제 2 열교환기 수단에서는 제 1 열교환기를 빠져나가는 냉각배출가스에 의한 가열이 이루어진다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 가스터어빈과, 냉각압축가스를 발생 시키는 등온압축기와, 냉각압축가스를 예열시키는 수단과, 예열된 압축가스로부터 고온고압의 가스를 발생시키는 주가열기와, 그리고 터어빈을 구동시키기 위한 고온 고압의 가스를 공급하는 수단을 포함하고 있는 가스터어빈 발전설비가 제공된다.
본 발명의 다른 실시형태의 일실시예에서, 주가열기는 예열된 압축가스내의 연료를 연소시켜서 고온고압의 가스로서의 연소가스를 발생시키는 연소챔버를 포함하고 있다.
본 발명의 다른 실시형태의 다른 실시예에서는, 주가열기가 외부의 열원을 포함한다. 이러한 외부열원은 예를들어서 석탄이나 석유를 사용하는 로, 화학적 과정, 핵반응기, 또는 태양로 등으로 구성될 수가 있다.
바람직하게, 가스터어빈 발전설비는 냉각을 위하여 냉각압축가스의 입부를 가스터어빈 블레이드에 공급하는 수단을 포함한다. 이는 터어빈 블레이드에 의해서 설정되는 터어빈의 내부온도의 상한을 증가시키는 것이다.
일실시예에서, 가스터어빈 발전설비는 추가의 가스터어빈과, 그리고 추가의 가스터어빈을 구동시키기 의해서 열교환기로 부터 고온의 압축가스의 일부를 공급하는 수단을 포함한다. 이는 특히, 열교환기가 높은 비열을 갖는 냉각가스와 낮은 비열을 갖는 고온가스 사이의 열을 교환시키는 경우에 매우 바람직하며, 이에 따라서 고온 가스내의 모든 열이 냉각가스의 온도를 상승시키는데 사용되지 않아도 된다. 따라서, 그러한 잔류열이 추가의 가스터어빈을 구동시키도록 압축기로 부터 제공되는 냉각가스의 일부를 가열시키는데 사용될 수 있다.
또한, 이들 실시예에서는 제 3 가스터어빈과, 추가의 가스터어빈을 빠져나오는 고온저압가스로 부터 냉각압축가스와 일부를 예열시키는 제 2 열교환기와, 그리고 제 3 가스터어빈을 구동시키도록 예열된 가스를 공급하는 수단을 더 포함한다. 바람직하게, 등온압축기는 여러 가스터어빈들 중 어느 하나에 의해서 구동된다. 등온압축기는 가스압축기 또는 앞에서 설명된 여러 실시예에 따른 압축기로 구성될 수가 있다.
본 발명의 다른 실시형태의 또 다른 실시예에서, 가스터어빈 발전서러비는 등온압축기로 부터 냉각압축된 가스를 저장하기 위한 용기, 및 필요에 따라서 터어빈을 구동시키도록 저장된 압축가스를 재생하기 위한 수단을 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 앞서 설명된 바와같은 등온가스 압축기와, 이러한 압축기로 부터 냉각압축된 가스를 저장하기 위한 저장용기와, 그리고 압축기로 부터 저장용기로 가스를 공급하는 수단을 포함하고 있는 에너지 저장장치가 제공된다.
바람직하게, 에너지 저장장치는 등온팽창기를 포함하고 있는데, 이러한 등온 팽창기는 팽창될 가스를 수용하는 챔버와, 상기 챔버내에서 제거됨으로써 가스를 팽창 시키는 피스톤과, 팽창된 가스를 가열시키도록 챔버내에 액체의 분무를 형성하는 수단과, 그리고 저장용기로 부터 챔버 안으로 압축가스를 유입시키는 밸브수단을 포함하고 있다. 또한, 등온팽창기는 내부에서 피스톤의 작동에 의하여 압축되는 가스를 수용하는 제 2 챔버와, 그리고 제 2 챔버로 부터 압축가스를 배출시키는 밸브수단을 더 포함한다. 바람직하게, 고온의 압축가스는 공기로 구성될 수 있으며, 가스 터어빈을 구동시키는데 사용될 수가 있다.
본 발명의 여러 실시형태에 따른 가스압축기는 역으로 구동될때 등온가스 팽창기로 작동될 수 있는데, 그 차이점은 냉각압축가스가 챔버로 부터 피스톤이 제거되는 작동에 의해서 챔버안으로 유입되는 점과, 챔버내에 액체의 분무를 형성하는 수단이 가스의 팽창중에 가스에 열을 전달하여서 팽창과정이 거의 등온으로 이루어진다는 점이다. 피스톤에 제공되거나 피스톤을 통해서 제공되는 에너지는 챔버내의 팽창가스를 단열압축시키는데 사용될 수 있으며, 제 2 챔버가 제공되어 있는 경우에는 제 2 챔버내의 가스를 단열압축시키는데 사용될 수도 있다. 단열 압축된 가스는 예를들어서 공기터어빈과 같은 가스터어빈을 구동시키는데 사용될 수 있다. 따라서, 가스압축기 혹은 팽창기가 저장용기내에 저장되어 있는 냉각 압축가스를 유용한 동력으로 변환시키는 수단을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 압축될 가스를 수용하는 챔버와 챔버 내로 이동함으로써 가스를 압축시키는 피스톤과, 그리고 챔버로 부터 압축된 가스를 배출시키기 위한 밸브수단을 포함하고 있는 가스압축기가 제공되는데, 피스톤의 부피는 가스를 압축시키는데 필요한 모든 에너지를 피스톤내에 저장시키기에 충분하다.
가스의 팽창을 포함한 여러 과정들에 의해서 운동에너지가 정상적으로 피스톤에 제공된다. 이러한 과정에서 방출되는 에너지는 연속적으로 시간에 따라서 변화한다. 바람직하게, 부피가 큰 피스톤을 제공함으로써 그러한 과정중에 방출되는 모든 에너지가 피스톤의 운동에너지로 변환된다. 더욱이, 피스톤이 과정중에 방출되는 운동에너지를 저장하기에 충분한 부피를 가지기 때문에, 기계적 연결부를 필요로 하는 플라이 휘일 및 마모가 생기는 연결부 등을 사용할 필요가 없다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 피스톤과, 챔버내에서의 피스톤의 작동에 의해서 가스를 압축시킨 후에 이와같이 압축된 가스를 수용하는 챔버를 형성하는 수단과, 챔버내의 압축가스를 냉가시키도록 챔버내에 액체의 분무를 형성하는 수단과, 그리고 챔버로 부터 압축가스를 배출시키는 밸브수단을 포함하고 있는 가스 압축기가 제공된다. 이러한 실시형태에서, 피스톤은 챔버의 작동에 대해서 고정된 상태를 유지하도록 배열된다. 본 발명의 기술분야에 숙련된 전문가라면, 가동식 피스톤과 고정식 챔버를 포함하는 압축기와 관련하여 앞에서 설명된 사항들을 변형시켜서 각각의 챔버에 운동을 제공하고 피스톤을 고정된 상태로 유지시키는 것에 대하여 충분히 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 "고온" 및 "냉각" 혹은 "냉각된" 이라는 용어를 사용하는 것은 저온에 대해서 상대적으로 고온을 구분시키기 위한 의도이며, 이러한 용어는 온도를 어느 특정값으로 제한하려는 것은 아니다. 따라서, 고온이라는 용어는 정상적으로는 냉랭한 온도로 인식되는 온도를 포함할 수도 있으며, 마찬가지로 냉각 이라는 용어도 정상적으로는 가열된 상태로 고려되는 온도를 포함할 수도 있다.
이제, 다음의 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들 보다 상세히 설명한다.
제 1도는 액체피스톤을 포함하고 있는 가스구동식 압축기의 제 1 실시예를 나타낸 개략도이다.
제 2도는 고체 및 액체피스톤 모두를 포함하고 있는 가스구동식 압축기의 제 2 실시예를 나타낸 개략도이다.
제 3도는 고체피스톤을 포함하고 있는 가스구동식 압축기의 제 3 실시예를 나타낸 개략도이다.
제 4도는 고체피스톤을 포함하고 있는 가스구동식 압축기의 제 4 실시예를 나타낸 개략도이다.
제 5도는 고체피스톤을 포함하고 있는 가스구동식 압축기의제 5 실시예를 나타낸 개략도이다.
제 6도는 고체피스톤을 포함하고 있는 가스구동식 압축기의 제 6실시예를 나타낸 개략도이다.
제 7도는 고체피스톤을 포함하고 있는 가스구동의 압축기의 제 7 실시예을 나타낸 개략도이다.
제 8도는 액체피스톤을 포함하고 있는 가스구동식 압축기의 제 8 실시예을나타낸 개략도이다.
제 9도는 등온압축기를 포함하고 있는 가스터어빈 발전설비의 일실시예를 나타낸 블록선도이다.
제 10도는 등온압축기를 포함하고 있는 가스터어빈 발전설비의 다른 실시예를 나타낸 블록선도이다.
제 11도는 등온압축기 및 공기터어빈을 포함하고 있으며 석탄등의 연료를 사용하는 발전설비의 실시예를 나타낸 블록선도이다.
제 12도는 가스터어빈 및 공기터어빈을 모두 포함하고 있는 가스터어빈 발전설비의 다른 실시예를 나타낸 블록선도이다.
제 13(a)도는 냉각압축가스를 저장하는 장치의 개략도이다.
제 13(b)도는 전력을 발생시키기 위해서 저장된 압축가스를 재생하는 장치를 나타낸 개략도이다.
제 14도는 2개의 에너지 저장장치를 나타낸 블록선도이다.
제 15도는 열동력식 압축기 및 발전을 위한 추가의 발전설비의 일실시예를 나타낸 개략도이다.
제 16도는 열동력식 압축기 및 발전을 위한 추가의 발전설비의 다른 실시예를 나타낸 개략도이다.
제 17도는 열동력식 압축기 및 발정를 위한 추가의 발전설비를 또다른 실시예를 나타낸 개략도이다.
제 18도는 열동력식 압축기 및 발전을 위한 추가의 발전설비의 또다른 실시예를 나타낸 개략도이다.
제 19도는 열동력식 압축기 및 발전을 위한 추가의 발전설비의 또다른 실시예를 나타낸 개략도이다.
제 20도는 배출가스로 부터 증기를 재생하는 장치의 블록선도이다.
제 21도는 열동력식 압축기를 포함하고 있는 폐싸이클 가스터어빈 발전설비의 일실시예를 나타낸 블록선도이다.
제 22도는 열동력식 압축기 및 배출가스를 재생하도록 배열된 제 2 공기터어빈을 포함하고 있는 발전설비의 일실시예를 나타낸 블록선도이다.
제 23도는 고온의 액체의 분사에 의해서 열이 공급되는 폐싸이클 및 개방싸이클의 열동력식 압축기들의 각각의 실시예를 나타낸 개략도이다.
제 24도는 전력발생 및 기화싸이클 내에 포함된 열동력식 압축기의 실시예를 나타낸 개략도이다.
제 25도는 전력발생 및 기화싸이클 내에 포함된 가스구동식 압축기의 실시예를 나타낸 개략도이다.
제 26도는 에너지 저장을 위한 2개의 서로 다른 장치를 포함하고 있는 열동력식 압축기의 실시예를 나타낸 개략도이다.
가스구동식 액체 피스톤 압축기 (대칭형)
제 1도를 참조하면, 액체 피스톤 등온압축기(1)는 U 자 형상의 기다란 도관 (2)을 포함하고 있으며, 도관(2)은 수평으로 배열된 기다란 선형의 중간부(3) 및 수직으로 배열된 2개의 아암(4 및 5)을 감추고 있다. 도관(2)이 부분적으로 물 등의 액체로 채워져서 액체 피스톤(7)을 형성한다. 도관(2)은 압축속도를 제어 하기에 충분한 부피를 갖춘 액체 피스톤(7)을 제공하도록 충분한 길이 및 직경을 갖는다. 수직으로 배열된 아암(4 및 5)내에는 챔버(9 및 11)가 형성되어 있다. 각각의 챔버에는 이들 챔버로 유입 또는 배출되는 가스를 제어하도록 다수의 유입구 및 유출구가 제공되어 있다. 유출구(13 및 15)에는 각각 밸브(17 및 19)가 제공되어 있는데, 이를 통해서 각각의 챔버로 부터 냉각압축가스가 배출된다. 유입구(21 및 23)에도 각각 밸브(25 및 27)가 제공되어서, 제어된 부피의 고온압축가스를 각각의 챔버안으로 유입시키며, 유입구(29 및 31)는 각각 밸브(33 및 35)에 의해서 제어되어서, 추가의 부피만큼의 가스가 각각의 챔버안으로 유입된다. 각각의 챔버(9 및 11)에는 추가의 유입구(37 및 39)가 제공되어서, 액체분무를 각각의 챔버안으로 분사시킨다. 분무분사용 펌프(43,44)가 각각의 분무분사 유입구(37,39)에 연결되어 있다. 도관(2)의 중간부(3)에 형성된 유출구(41)가 각각의 펌프(43,44)에 연결되어서, 액체의 분무를 위하여 액체 피스톤(7)으로 부터 유입구(37 및 39)로 액체를 공급한다. 이 실시예에서, 각각의 펌프는 정(+)의 배수펌프이며, 액체 피스톤(7)이 챔버(9,11)로 부터 제거되는 압축기의 작동싸이클중에 배수기(46,48)에 의해서 액체가 펌프챔버(40,42)안으로 유입되고, 이어서 액체 피스톤(7)이 각각의 챔버(9,11)안을 이동되어서 챔버(9,11)내에서 가스가 압축되는 싸이클중에는 배수기(46,48)에 의해서 액체가 펌프챔버(40,42)로 부터 강제로 배출된다. 유출구(41)와 펌프(43,44) 사이에 냉각기(45)가 연결되어 있어서, 액체가 분무상태로 각각의 챔버 (9 및 11) 안으로 분사되기 전에 액체 피스톤(7)으로 부터 배출되는 액체를냉각 시킨다.
액체분무로 사용되는 액체의 저장조(51)가 제공되어 있어서, 누출되는 액체를 습기분리기(47,49)로 복귀시킴으로써 압축기의 작동중에 액체 피스톤(7)의 레벨을 일정하게 유지시킨다. 습기분리기(47,49)에 의해서 수집되는 액체는 액체 피스톤(7)으로 복귀되거나, 또는 필요에 따라서 탱크(51)를 통하여 분무로 복귀된다. 또한, 액체의 저장조(51)는 압축기의 시동중에 필요한 분무를 위해서 액체를 제공하기도 한다.
각각의 챔버(9,11)내의 액체 피스톤의 표면상으로 부유되도록 플로우트(50 및 52)가 제공되어 있는데, 플로우트는 다공성이 섬유재료로 이루어져 있으며, 이러한 플로우트를 통해서 액체 피스톤내에서 사용되는 액체가 확산될 수 있다. 플로우트는 강체 또는 유연한 구조로 구성될 수가 있다. 플루우트는 피스톤의 표면에서의 파동을 완화시키며, 냉각압축가스가 배출되는 유출구 안으로 액체가 유입되는 것을 방지한다. 또한, 플로우트(50,52)의 다공성으로 인하여 액체분무로 부터의 액체가 피스톤 내의 액체와 재결합하는 것을 용이하게 해준다.
작동시, 종래의 회전압축기와 같은 외부의 동력원으로 부터 공급되는 일정 유량의 고온압축가스가 유입구(21)를 통해서 챔버(9)내로 분사된다. 이때, 밸브 (17 및 33)는 이미 폐쇄된 상태이고, 액체 피스톤(7)은 챔버(9)내에서 행정의 상사 점에 위치되어 있다. 챔버(9)내에서의 고온압축가스가 팽창하여서 액체 피스톤 (7)을 도관(2)의 반대쪽 단부로 가속이동시킨다. 가스는 팽창하면서 냉각되기 때문에, 가스의 열 및 압력 에너지가 액체 피스톤(7)의 운동에너지로 변환된다. 가스의 압력이 대기압(또는 비교적 압축되지 않은 추가의 가스가 사용될 수 있는 압력)까지 떨어지면, 밸브(33)가 개방되어서 유입구(29)를 통하여 추가의 가스를 공급한다. 액체 피스톤(7)이 계속 작동하여서 가스를 챔버(9)의 팽창체적 안으로 유입시킨다.
액체 피스톤(7)이 챔버(9)내의 상사점에 위치되어 잇을 때, 챔버(11)는 유입구(23)를 통해서 미리 유입된 고온압축가스의 량에 해당하는 냉각 팽창가스와 유입구(31)를 통해서 유입된 비교적 압축되지 않은 추가의 가스를 포함하는 체적을 갖는다. 액체 피스톤(7)이 챔버(9)를 빠져나와서 챔버(11)를 안으로 이동함에 따라서 챔버(11)내의 가스가 압축된다. 가스가 압축됨에 따라서, 액체가 챔버(11) 안으로 작은 액적의 형태로 분무되어서 가스를 거의 일정한 온도로 유지시킨다. 분무내의 액체는 가스공간을 통해서 하강하여 액체 피스톤(7)을 형성하고 있는 액체와 혼합된다. 이 실시예에서, 분무액체는 도관(2)내의 액체로 부터 배출되어서 펌프(43 및 44)에 의하여 냉각기(45)를 통해서 다시 분무액적의 유입구(37 및 39)로 펌핑된다.
압축단계에서, 챔버(11)내의 가스는 소정의 압력에 도달하면 액체의 분사는 중지되고, 밸브(19)가 개방되어서 챔버(11)로 부터 가스를 배출시킨다. 분리기(47 및 49)가 가스내에 포함되어 있는 액체를 제거시킨다.
챔버(11)내의 액체 피스톤(7)이 상사점에 도달함에 따라서, 배출밸브(19)는 폐쇄되고 밸브(27)가 개방되어 일정 체적의 고온압축가스를 챔버(11)안으로 분사시켜서, 액체 피스톤(7)을 도관(2)의 반대쪽 단부로 이동시킨다. 동시에, 밸브(33)가 폐쇄되고 유입구(21)를 통해 유입된 냉각 팽창가스와 유입구(29)를 통해 유입된 추가의 가스를 포함하고 있는 체적의 챔버(9)내에서 가스가 압축된다. 가스가 압축됨에 따라서, 액체가 챔버(9) 안으로 액적의 형태로 분무되어서 가스를 거의 일정한 온도로 유지시킨다. 분무내의 액체는 가스공간을 통하여 하강되어서, 액체 피스톤(7)을 형성하고 있는 액체와 혼합된다. 압축단계에서, 가스가 소정의 압력에 도달하면 밸브(17)가 개방되어서 챔버(9)로 부터 가스를 배출시킨다. 가스가 분리기(47)를 통과하면서 내부의 액체를 제거시킨다. 액체 피스톤이 챔버(9)내의 상사점에 도달하면, 배출밸브(13)가 폐쇄되고 챔버(9)내에 남아잇는 작은 체적안으로 고온의 압축가스가 분사된다. 이러한 가스가 액체 피스톤(7)을 도관(2)의 반대쪽 단부로 이동시키며, 이와같은 싸이클이 계속하여 반복된다.
정상상태에서, 고온압축가스의 유입밸브(25 밀 27)는 액체의 레벨이 각각의 챔버(9 및 11)내의 상사점에 도달할 때 개방되도록 구성되어 있다. 이들 밸브(25 및 27)는 일정량의 가스가 한쪽 챔버 안으로 유입되면 다시 폐쇄된다. 이는, 액체 피스톤이 소정의 거리만큼 하강했을 때 이루어진다.
냉각압축가스 유출밸브(17 및 19)는 싸이클의 작동중에 액체 피스톤이 각각이 챔버(9 및 11)중 어느 한쪽 챔버 안으로 이동되었을 때에만 개방된다. 이들 밸브(17 및 19)는 전체 시스템의 압력이 배출도관의 압력을 초과했을 때에는 개방되지만, 고온가스의 유입밸브(25 및 27)가 개방되기 전에 폐쇄된다. 고온가스의 유입밸브로서 일방향 밸브(첵 밸브)를 사용할 수가 있는데, 액체 피스톤이 어느 한쪽 챔버내에서 상향 이동할 때에만 이들 밸브가 작동하도록 제어된다. 저압가스 유입밸브(33 및 35)는 어느 한쪽 챔버내의 압력이 저압가스원의 압력보다 낮을 때 개방 된다. 마찬가지로, 이러한 저압가스 유입밸브로서 일방향 밸브가 사용될 수도 있다.
각각의 밸브의 작동은 압력 및 액체의 레벨의 변화에 의해서 결정될 수 있다. 압력에 대해서는, 일방향 밸브의 유출구와 같은 내부의 기계식 시스템이 사용될 수 있다. 또는, 압력센서를 사용하여서 밸브작동기를 작동시키는 전기신호를 제공하도록 할 수도 있다. 액체의 레벨에 대해서, 기계식 시스템을 사용하는 것도 가능하지만 전기신호를 발생시키는 센서를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 액체의 레벨을 감지하는 센서는 여러가지 방식으로 작동될 수가 있는데, 예를들면 도전율 또는 캐패시턴스를 측정하여 플로우트의 부력을 검출하거나 초음파를 이용한 방법 또는 광학적 방법 등이 있다. 측정치들은 전기적으로 혹은 압축공기에 의해서 작동될 수가 있다.
액체분무 시스템은 액체와 가스간의 열전달을 최대화시키는 동시에 분무를 발생시키는 동력소모를 최소화시키는 특정한 범위의 크기로 다량의 액적을 발생시키기 위한 것이다. 또한, 중력이나 분리기(47 및 49)의 작용에 의해서 액적을 가스로 부터 분리시킨다는 관점에서 볼 때, 액적이 너무 작아서는 안된다는 점이 중요하다. 분리기는 유출구(13 및 15)의 반대쪽에 있는 도관안으로 상향이동하는 액적을 제거시킨다. 이러한 분리기로서는 여러가지 종류가 사용될 수 있다. 예를 들면, 관성식 또는 원심식 분리기가 사용될 수 있고, 이들을 조합한 방식의 분리기를 사용할 수도 있다.
분무펌프(43 및 44)는 도관(2)으로 부터 외부의 냉각기(45)와 분무액적의 유입구(37 및 39)를 통해서 다시 도관(2)으로 액체를 순환시킨다. 이를 위해서 정(+)의 배수펌프가 사용될 수 있는데, 챔버(9 또는 11)내의 압력이 변하는 중에 유동속도를 일정하게 유지시킨다. 이러한 배수펌프는 피스톤식 펌프로 구성될 수 있으며, 액체 피스톤(7)의 작동과 동일한 위상으로 작동하여서 가스가 압축될 때에만 분사가 이루어지도록 구성되어 있다. 이 경우에는, 분무의 분사를 제어하는 밸브를 사용할 필요가 없다. 또는, 원심식이나 혼합유동식 펌프가 사용될 수도 있는데, 이러한 펌프는 연속적으로 작동되며, 마찬가지로 분무밸브를 사용할 필요가 없다. 외부의 냉각기(45)가 액체분무에 의해서 흡수된 열을 방출시킨다, 분무의 온도가 감소하면 소정의 부피의 가스를 압축시키는데 필요한 에너지도 감소된다. 분무의 가능한 최저온도를 제공하기 위해서, 분무액적이 분사되기 바로 전에 냉각기를 통과하게 한다. 이러한 냉각은 강제식으로 통풍공기를 통하여 냉각시키거나 또는 냉각탑을 사용하거나, 호수, 강, 또는 바다로 물을 재순환시킴으로써 이루어진다.
각각의 챔버내에서 액체 피스톤의 표면상으로 부유하는 플로우트(50 및 52)가 그러한 표면상의 파동을 완화시켜주고, 냉각압축가스가 유입되는 유입구들로 액체가 유입되는 것을 방지한다. 이러한 플로우트를 사용함으로써 액체의 유입을 방지할 수 있으므로, 소정의 시간동안에 액체 피스톤이 보다 많은 싸이클을 수행할 수가 있다. 그 결과, 소정의 크기의 장치로 부터의 냉각압축가스의 출력을 증대시킬 수가 있다.
액체/고체 피스톤을 사용한 가스구동식 압축기
큰 체적의 피스톤을 제공하는 것에 더해서, 고체재료에 의해서도 체적이 제공된다. 이러한 고체재료로서 액체보다 밀도가 큰 재료를 선택함으로써, 바람직하게 압축기의 칫수를 상당히 감소시킬 수가 있다. 피스톤을 전체적으로 고체재료로 구성할 수도 있고, 또는 고체 피스톤과 액체 피스톤을 조합한 형태로 구성할 수도 있다. 이와같이 고체 및 액체 피스톤을 모두 포함한 형태의 가스압축기의 실시예가 제 2도에 도시되어 있다.
제 2도를 참조하면, 가스압축기(1)는 액체 피스톤(7)을 형성하는 액체가 부분적으로 채워져 있는 대략 U 자 형상의 도관(2)을 포함한다. 고체 피스톤(55, 57)이 도관(2)의 각각이 아암(4,5)내에서 액체 피스톤(7)에 의해 지지되어 있다. 각각의 아암(4,5)은 선형으로 길게 배열되어 있으며, 고체 피스톤(55,57)이 각각의 챔버(,11)안으로 혹은 바깥쪽으로 수직방향의 선형이동을 수행할 수 있도록 배열되어 있다.
고체 피스톤(55,57)의 밀도가 액체 피스톤(7)내의 액체의 밀보보다 크기 때문에, 고체 및 액체 피스톤을 포함하는 방식의 복합 피스톤은 비교적 소형으로 구성될 수 있다. 고체 피스톤(55,57)과 도관(2)의 아암(4,5) 사이의 틈새를 밀봉시키는 밀봉부(56,58)가 고체 피스톤(55,57)의 하부에 제공되어 있다. 이러한 밀봉부(56,58)는 고체 피스톤(55,7)의 밑으로 액체가 빠져나오는 것을 방지하기 위한 것이지만, 어느 정도의 누설이 불가피하게 발생되며, 이럴 경우에 노출된 액체를 원래의 위치로 복귀시킬 필요가 있다. 이는, 액체 피스톤을 수용하고 있는 도관의 부분으로 직접 액체를 펌핑시킴으로써 이루어진다.
고체 피스톤(55,57)이 바람직하게 액체 피스톤(7)의 표면에서의 교란을 완화시키는 동시에 액체의 표면으로 부터 가스안으로 액체가 유입되는 것을 방지한다.그러나, 고체 피스톤(55,57) 및 그 각각이 밀봉부(56,58)는 액체분무내의 액체가 액체 피스톤 내부의 액체와 결합하는 것을 방지한다. 따라서, 앞에서 제 1도와 관련하여 설명된 것과는 달리, 분무용 액체는 액체피스톤 자체에 의해서가 아니라 별도의 공급원에 의해서 제공된다. 제 2도의 실시예에서는, 액체가 분무를 분사시키는 펌프(43 및 44)로 액체를 공급하는 저장조(51)내에 수용되어 있다. 등온 압축된 가스를 따라서 각각이 압축가스 유출구(13,15)를 통하여 액체를 간단히 밀어주는 고체 피스톤(55,57)의 작용에 의해 분무액체가 챔버(9,11)로 부터 제거된다. 그리고나서, 액체는 외부의 습기분리기(47)내에서 압축가스로 부터 분리 된다. 습기분리기(47)내에서 분리된 액체는 하나 이상의 냉각기(45)를 통해서 저장조(51)로 복귀되어서 재순환한다.
분무액체가 챔버로 부터 제거되는 방식을 제외하고는, 제 2도에 도시된 가스압축기의 작동은 제 1도를 참조하여 앞서 설명한 압축기와 동일한 방식으로 이루어진다.
지금까지 제 1도 및 제 2도와 관련하여 설명된 압축기들은 모두가 대칭형 구조이며, 2개의 챔버 사이로 왕복운동하는 피스톤을 갖추고 있고, 각각의 챔버 내에서는 동일한 과정인 가스의 팽창 및 압축이 수행된다. 그러나, 다른 실시예의 압축기에서는 피스톤의 한쪽 측면상에서만 그러한 과정이 수행되어서, 피스톤이 한쪽 방향으로만 이동함으로써 압축과정이 이루어지게 구성될 수도 있다. 또한, 가스의 압축을 위하여 피스톤에 운동에너지를 제공하는 고온압축가스의 팽창도 피스톤의 한쪽 측면에서만 이루어지도록 구성될 수 있으며, 즉 팽창이 압축과 동일하게 한쪽측면에서만 이루어지거나 반대쪽 측면에서만 이루어지게 구성될 수가 있다. 이제, 이와같은 비대칭 구조의 실시예에 대해서 설명한다.
액체 피스톤을 갖춘 비대칭형 압축기에 있어서, 도관은 제 1도 및 제 2도에 도시된 바와같이 U 자 형상으로 형성되거나 또는 J 자 형상으로 형성될 수가 있다. 도관의 한쪽 아암에는 압축챔버가 제공되는 반면에, 다른쪽 아암은 개방되어서 대기에 노출되거나 또는 폐쇄되어서 내부에 가스공간을 가지도록 구성된다. 작동시에, 고온의 압축가스가 챔버안으로 분사되어서 팽창된 후에, 냉각되면서 액체 피스톤을 도관의 반대쪽 단부로 밀어준다. 가스의 압력 및 열에너지는 액체 피스톤의 운동에너지로 변환되고, 피스톤이 이동하는 중에 비교적 저압의 가스가 챔버안으로 유입된다. 액체 피스톤이 도관의 반대쪽 단부에서 상승함에 따라서, 도관의 단부가 개방된 경우에는 운동에너지가 도관내의 피스톤의 높이로 인해서 위치에너지로 변환되며, 도관의 단부가 폐쇄된 경우에는 운동에너지가 액체 피스톤의 높이로 인한 위치에너지와 액체 피스톤의 윗쪽에서 압축된 가스의 압력 및 열에너지의 조합으로 변환된다. 후자의 경우가 바람직한데, 이는 도관의 아암이 별로 높지 않아도 되기때문이다. 그리고나서, 위치에너지는 압축챔버의 방향으로의 피스톤의 운동에너지로 변환된다. 도관의 폐쇄단부에서 가스가 단열압축되는 경우에, 가스의 위치에너지는 피스톤이 다시 가스를 압축시키기 위해서 압축챔버 안으로 역방향으로 이동함에 따라서 다시 운동에너지로 변환된다. 액체분무의 작동에 의해서 가스는 등온압축 된다.
가스구동식 고체 피스톤 압축기 (비대칭형)
앞서 언급된 바와같이, 밀도가 큰 재료로 제조된 고체 피스톤을 사용하면 압축기의 크기가 감소되므로 바람직하다. 제 3도는 하나의 고체 피스톤을 포함하고 있으며, 비대칭형으로 구성되어 있는 압축기의 실시예를 도시한 것이다.
제 3도를 참조하면, 가스압축기는 하부챔버(10)의 윗쪽으로 수직하게 배열 되어서 압축될 가스를 수용하는 상부챔버(8)를 포함하고 있다. 고체재료로 이루어진 피스톤(12)이 상하로 작동하여서 상하부 챔버(8,10)의 안팎으로 운동한다. 상부챔버(8)는 가스유입밸브(33)에 의해서 제어되는 가스유입구(29), 및 가스유출 밸브(17)에 의해서 제어되는 가스유출구(13)를 갖추고 있다. 액체분무분사용 유입구(37)가 제공되어서, 상부챔버(8) 안으로 액체분무를 분사시킨다. 하부챔버(10)는 가스유입밸브(27)에 의해서 제어되는 가스유입구(23) 및 가스유출밸브(26)에 의해서 제어되는 가스유출구(24)를 갖추고 있다.
이제, 압축기의 통상적인 작동 싸이클을 설명하는데, 먼저 고체 피스톤(12)이 정지된 상태에서 하부챔버(10)의 바로 윗쪽에 있는 압축가스의 쿠션에 의해서 지지 되어 있다.
이때, 상부챔버(8)는 압축될 신선한 가스를 수용하고 있으며, 가스의 유입 및 유출밸브(33 및 17)는 모두 폐쇄되어 있다.
예를 들어서 종래의 압축기에 사용되는 적절한 공급원으로 부터 고온의 압축가스가 가스유입구(23)를 통하여 하부챔버(10) 안으로 유입된다. 고온의 압축가스가 팽창하여서 피스톤(13)에 운동에너지를 제공하고, 피스톤을 윗쪽의 상부챔버(8)로 밀어준다. 피스톤(12)이 상부챔버(8) 안으로 이동함에 따라서, 상부챔버내의 가스가 압축된다. 압축과정중에 분무를 분사시키는 유입구(37)를 통해서 상부챔버(8) 안으로 액체가 분무되어서 가스를 냉각시키며, 이에 따라서 가스는 등온압축된다. 피스톤 (12)이 상향 이동하는 중에, 하부챔버(10)의 가스유입밸브(27)가 폐쇄되고 하부챔버 (10)내에서 가스가 단열팽창된다.
상부챔버(8)내의 가스가 소정의 압력에 도달하면, 가스유입밸브(17)가 개방 되어서 액체의 분무가 정지되고, 압축가스가 분무액체와 함께 가스유출구(13)를 통해서 상부챔버(8)로 부터 배출된다. 피스톤(12)이 상부챔버(13)내의 상사점에 도달하면 가스유출밸브(17)가 폐쇄되고, 고체 피스톤이 상부챔버(8)의 상부에서 정지되기 전에 상부챔버(8)내의 잔류가스가 고체 피스톤의 운동에너지를 흡수하도록 작용한다. 이러한 잔류가스가 단열압축되고, 이와같은 잔류가스내에 저장된 에너지가 가스의 단열팽창으로 인하여 방출되며, 이에 따라서 피스톤(12)에는 반대방향의 운동 에너지가 제공되어서 피스톤(12)이 상부챔버로 부터 제거된다.
피스톤(12)이 역방향으로 작동되면, 하부챔버(10)내의 가스유출밸브(26)가 개방되고, 하부챔버내의 비교적 냉각된 팽창가스가 가스유출구(24)를 통해서 배출된다. 상부챔버(8)내의 압력이 가스유입압력까지 떨어지면, 상부챔버(8)내의 가스 유입밸브(33)가 개방되어서, 피스톤(12)이 상부챔버(8)로 부터 아랫쪽으로 이동함에 따라서 비교적 저압의가스가 상부챔버(8) 안으로 유입된다.
피스톤(12)이 하부챔버(10)에 도달하면, 가스유출밸브(26)가 폐쇄되고 하부 챔버내의 잔류가스가 단열압축되어서, 피스톤을 하향 이동시키면서 피스톤(12)과 하부챔버 사이의 완충작용을 수행한다. 가스유출밸브(26)의 폐쇄시기는, 피스톤의역전운동이 이루어질 때 하부챔버내의 가스압력이 고온압축가스의 유입압력과 동일해지도록 정해질 수 있다. 피스톤이 하부챔버내에서 정지하면, 압축가스 유입구(27)가 개방되어서 신선한 고온압축가스가 하부챔버 안으로 유입되며, 이와같은 싸이클이 계속 반복된다.
제 3도의 실시예에서, 중력은 피스톤의 한쪽 방향의 운동에너지를 위치 에너지로 변환시켜서 피스톤의 다른쪽 방향의 운동에너지를 제공하는 수단으로서만 제공될 수 있다. 이 경우에, 압축기의 작동주파수는 중력을 저장하는 힘에 의해서 제한된다. 그러나, 예를들어서 피스톤의 윗쪽으로 앞서 언급된 바와같은 피스톤의 역전운동중에 상부챔버내에서 압축되고 팽창되는 가스의 포켓을 제공하는 방식으로, 중력에 의해서 제공되는 것보다 크게 피스톤의 운동에너지를 흡수하고 제공하는 수단을 제공함으로써, 이와같은 작동주파수를 증대시킬 수가 있다.
가스구동식 고체 피스톤 압축기 (대칭형)
고체 피스톤이 수직방향으로 선형으로 이동하도록 배열되어 있는 가스압축기의 다른 실시예에서는, 하부챔버와 마찬가지로 상부챔버 안으로 고온압축가스를 분사시키는 수단이 제공될 수 있으며, 이에 따라서 가스의 분사 및 팽창에 의해 피스톤의 양방향으로 에너지가 제공될 수 있다. 또한, 가스압축기는 등온압축가스가 상부챔버 뿐만 아니라 하부챔버에서도 발생하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 압축기는 고온압축 가스의 팽창후에 비교적 저압의 추가가스가 각각의 챔버내로 유입되도록 배열될 수도 있어서, 압축기를 구동시키는데 필요한 보다 많은 압축가스를 발생시킬 수가 있다. 이러한 압축기는, 피스톤의 양쪽으로 동일한 과정이 발생한다는 관점으로 볼때 대칭형이라 할 수 있지만, 중력에 의해서 구동력 및 복원력이 힘을 받는다는 관점에서는 비대칭형이라고 할 수 있다. 이러한 유형의 가스압축기의 한 실시예가 제 4도에 도시되어 있다.
제 4도를 참조하면, 가스압축기(1)는 하부챔버(11)의 윗쪽으로 수직으로 배열된 상부챔버(9), 및 상하부챔버들의 안팎으로 상하로 작동하는 고체피스톤(12)을 포함하고 있다. 피스톤(12)과 각각의 챔버벽 사이에는 밀봉수단(14)이 배열되어 있어서, 각각이 챔버로 부터 가스가 누출되는 것을 방지한다. 각각의 챔버(9,11)에는, 이들 챔버안으로 고온의 압축가스를 유입시키도록 압축가스 유입 밸브(25,27)에 의해서 제어되는 고온압축가스 유입구(21,23)와, 챔버에서 냉각 압축가스를 배출시키도록 압축가스 유입밸브(17,19)에 의해서 제어되는 압축가스 유출구(13,15)와, 챔버안으로 추가의 가스를 유입시키도록 가스유입밸브(33,35)에 의해서 제어되는 가스유입구(29,31)와, 그리고 압축과정중에 챔버안으로 액체의 분무를 유입시키는 액체분무분사용 유입구(37,39)가 각각 제공되어 있다.
각각의 압축챔버 안으로 분무되는 액체가 재생되어서 재순환된다. 이러한 액체재생 시스템은, 냉각압축가스로 부터 분무를 분리시키도록 각각의 압축가스 유입구(13,15)에 연결되어 있는 습기분리기(47,49)와, 분무액체를 냉각시키도록 각각의 습기분리기(47,49)에 연결되어 있는 냉각기(45)와, 그리고 습기분리기(47, 49)로 부터 냉각기(45)를 통하며 압축챔버(9,11) 안으로 액체를 펌핑시키도록 냉각기(45)와 각각의 분무분사용 유입구(37,39) 사이로 연결되어 있는 별도의 펌프(43,44)를 포함하고 있다. 바람직하게, 펌프는 압축과정중에 압축챔버내의 압력이 증가됨에따라서 일정한 속도로 각각의 챔버 안으로 분무액체를 펌핑시키도록 구성되어 있다. 해수되지 못하거나 재생 시스템으로 부터 유실되는 액체를 보충하기 위한 해더탱크(51)가 제공되어 있다.
제 4도에 도시된 가스압축기의 작동싸이클은 다음과 같다. 먼저, 고체 피스톤(12)이 하부챔버(11)의 바로 윗쪽에서 순간적으로 정지되어서 압축가스의 쿠션에 의해 지지된다. 이때, 상하부챔버(9,11)내의 모든 가스유입구 및 유출구는 폐쇄되어 있으며, 상부챔버(9)내에는 가스유입구(29)를 통해서 미리 유입된 추가의 가스와 함께 고온압축가스 유입구(21)를 통해서 미리 유입된 냉각 팽창가스가 수용되어 있다.
피스톤(12)이 하부챔버(11)내에서 정지되면, 고온압축가스 유입구(27)가 개방되어서 고온압축가스가 하부챔버 안으로 유입된다. 소정의 시간이 경과한 후에 가스유입밸브가 폐쇄된다. 그리고나서, 가스가 단열팽창하여서 피스톤(12)을 하부챔버(11)로 부터 상부챔버(9) 안으로 이동시킨다. 따라서, 고온압축가스의 팽창에너지가 고체 피스톤의 운동에너지로 변환되는데, 이러한 운동에너지는 윗쪽 으로 추력을 제공한 후에 다시 위치에너지로 변환된다. 또한, 피스톤의 운동에너지의 일부가 상부챔버(9)내의 압축가스의 압축에너지로 변환된다. 피스톤(12)이 상부챔버(9) 안으로 이동함에 따라서, 상부챔버(9)내의 가스가 압축되고, 냉각 액체분무가 상부챔버(9) 안으로 분사되어서 가스의 가열을 방지함으로써 등온압축이 수행된다.
하부챔버(11) 안으로 유입된 고온압축가스의 단열팽창으로 인하여피스톤(12)에는 상부챔버(9)의 방향으로 충분한 운동에너지가 제공되며, 이에 따라서 피스톤(12)에 작용하는 하부챔버(11)내의 팽창가스에 의한 상향의 추력이 피스톤에 작용하는 하향의 힘보다 작아지면(이는, 피스톤의 중량과 상부챔버내의 압력으로 인해서 발생됨), 피스톤(12)은 그 자체의 큰 관성에 의해서 상부챔버(9) 안으로 계속해서 상향이동한다. 하부챔버내의 가스압력이 추가의 가스의 공급압력 이하로 떨어지면, 하부챔버내의 가스유입밸브(35)가 개방되어서, 피스톤의 계속적인 상향 이동중에 하부챔버 안으로 추가의 가스가 유입된다.
상부챔버내의 가스압력이 소정의 값에 도달하면, 압축가스 유출밸브(17)가 개방되고 분무액체와 함께 냉각압축가스가 상부챔버로 부터 압축가스유출구(13)를 통해서 배출된다. 압축가스가 습기분리기(47)를 통과하면서 압축가스로 부터 분무 액체가 제거되며, 추출된 액체가 냉각기를 통과하여서 액체분무로 사용되기 전에 냉각된다.
피스톤(12)이 상부챔버(9)내의 상사점에 도달함에 따라서, 압축가스 유출밸브(17)가 폐쇄되고, 상부챔버내에 잔류하는 가스가 피스톤(12)을 정지시킨다. 바람직하게, 가스유출밸브(17)의 폐쇄시기는 상부챔버(9)내의피스톤이 역전운동이 시작되는 지점에서 상부챔버내의 가스압력이 고온압축가스의 유입압력과 동일해지도록 징해진다. 피스톤이 정지함에 따라서, 하부챔버내의 가스유입밸브(35)가 폐쇄되며, 이때 하부챔버(11)내의 모든 가스유입구 및 가스유출구가 폐쇄된다. 그리고나서, 고온압축가스 유입밸브(25)가 개방되어서 고온압축가스가 고온압축가스 유입구(21)를 통하여 상부챔버(9) 안으로 유입된다. 소정의 시간이 경과한 후에, 가스 유입밸브(25)는 폐쇄되고, 가스가 단열팽창하여서 피스톤(12)을 상부챔버(9)로부터 하부챔버(11) 안으로 이동시킨다. 따라서, 상부챔버내의 가스의 팽창에너지가 피스톤의 하부챔버방향으로의 운동에너지로 변환된다. 피스톤의 질량 및 그 위치로 인하여 피스톤의 위치에너지도 운동에너지로 변환된다. 하부챔버내의 가스(고온 압축가스 유입구(23)를 통해서 미리 유입된 냉각 팽창가스와 가스유입구(31)를 통해서 유입된 추가의 가스로 이루어져 있음)가 피스톤(12)에 의해서 압축되고, 액체의 분무가 하부챔버 안으로 분사되어 가스로 부터 압축열을 흡수하여서, 가스의 온도상승을 방지함으로써 등온압축과정이 수행된다. 따라서, 피스톤의 운동에너지가 하부챔버(11)내의 가스의 압축에너지로 변환된다.
상부챔버(9)내의 가스압력이 추가의 가스의 공급압력 이하로 떨어지면, 가스 유입밸브(33)가 개방되어서 피스톤(12)이 상부챔버(9)로 부터 제거되는 하향운동을 계속함에 따라 추가의 가스가 상부챔버(9) 안으로 유입된다.
하부챔버(11)내의 가스압력이 소정의 값에 도달하면, 압축가스 유출밸브(19)가 개방되어서 압축가스가 분무액체와 함께 하부챔버로 부터 압축가스 유출구(15)를 통하여 배출된다. 압축가스 및 분무액체가 습기분리기(49)를 통과하면서 분무액체가 압축가스로 부터 제거되고, 그리고나서 액체는 액체분무로 재사용되기 전에 냉각기(45)를 통과하면서 냉각된다.
피스톤(12)이 하부챔버(11)내의 상사점에 도달하기 바로 전에 압축가스 유출 밸브(19)가 폐쇄되며, 따라서 하부챔버내에 잔류하는 압축가스가 배출되지 못하고, 이러한 잔류압축가스에 의해서 피스톤이 정지된다. 바람직하게 가스유출밸브의 폐쇄시기는, 피스톤의 역전운동이 개시되는 시간에 하부챔버내의 가스압력이 고온 압축가스의 유입압력과 동일해지도록 설정되어 있다. 피스톤이 정지하면, 상부챔버 내의 가스유입밸브(33)가 폐쇄되어서 상부챔버내의 모두 가스유입구 및 유출구가 폐쇄된다. 고압압축가스 유출밸브(27)가 개방되어서, 하부챔버 안으로 신선한 고온압축가스가 유입된다. 그리고나서, 이와같은 싸이클이 반복된다.
앞서 설명한 바와같이, 제 4도에 도시된 수직방향의 선형 가스압축기는 복원력을 하부챔버쪽으로 밀어주는 피스톤의 중량으로 인하며 완전한 대칭이 아닌 대칭에 가까운 구조로 볼 수가 있다. 일반적으로, 상하부 챔버내에서의 압축가스의 유출 압력이 동일하여서, 압축가스가 전체 싸이클을 통해 일정한 압력으로 공급될 수 있다면 바람직할 것이다. 더욱이, 상하부챔버내의 고온압축가스의 유입압력도 서로 동일하다면 바람직한 것이다. 이와같은 의도에서, 상하부챔버에 각각 서로 다른 유량의 가스유동을 제공한다. 상하부챔버의 안으로 유입되는 가스는 유입 가스의 크기와 유출가스의 크기, 그리고 가스의 유입밸브 및 유출밸브가 개방되는 기간에 따라서 제어될 수가 있다.
피스톤이 정지했을 때 피스톤과 상부챔버의 상부 사이로 미세한 틈새가 남겨지기 때문에, 상부챔버내의 모든 분무액체가 배출될 수는 없으며, 약간의 액체가 그대로 상부챔버내에 잔류하게 된다. 그러나, 이러한 잔류액체는 압축기의 성능에 별다른 영향을 주지는 못한다. 또한, 각각의 압축사이클이 수행된 후에 하부챔버 내에도 약간의 액체가 잔류하게 되지만, 챔버로부터 액체가 잘 배출될 수 있도록, 예를들어서 챔버의 형상을 적절히 형성하는 동시에 가스유입구 및 유출구를 적절한위치에 배치함으로써 분무액체의 제거에 바람직한 영향을 줄 수가 있을 것이다.
가스구동식 고체 피스톤 압축기 (비대칭형)
선형으로 수직방향의 이동을 하는 피스톤을 갖춘 가스압축기의 다른 실시예가 가스터어빈 발전설비에 포함된 상태로 제 5도에 도시되어 있다. 제 5도의 실시예에서는, 냉각압축가스가 상부챔버내에서 발생되는데, 이에 대해서는 압축기가 제 3도 및 제 4도에 도시된 실시예들과 유사하다. 그러나, 앞에서 제시된 실시예들과는 달리, 하부챔버가 폐쇄되어 있고, 피스톤이 상부챔버로 부터 제거되어서 하향이동하는 중에 피스톤의 운동에너지를 흡수하는 스프링으로서 작용하는 가스를 하부챔버 내에 포함하고 있으며, 이러한 하부챔버내의 가스는 피스톤이 상부챔버 안으로 상향 이동하는 중에는 피스톤에 다시 운동에너지를 제공한다.
이제 제 5도를 참조하면, 가스압축기(1)는 하부챔버(11)의 윗쪽으로 수직하게 위치된 상부챔버(9)와, 상하부챔버 사이에서 자유롭게 작동하도록 배열된 고체 피스톤 (12)을 포함하고 있다. 또한, 압축기(1)는 챔버로 부터의 가스누출을 방지하도록 피스톤과 챔버벽 사이로 배열된 밀봉수단(14)을 포함하고 있다. 상부챔버(9)는 고온압축가스를 챔버 안으로 유입시키도록 밸브(25)에 의해서 제어되는 고온압축 가스 유입구(21)와, 챔버로 부터 냉각압축가스를 배출시키도록 밸브(17)에 의해서 제어되는 냉각압축가스 유출구(13)와, 그리고 챔버내의 가스압력이 임의의 값 이하로 떨어졌을 때 추가의 가스를 상부챔버(9) 안으로 유입시키도록 밸브(33)에 의해서 제어되는 가스유입구(29)를 포함하고 있다.
또한, 상부챔버내에는 압축과정중에 분무액체의 분사를 위한 분무분사용유입구(37)가 형성되어 있다. 또한, 압축과정후에 압축챔버로 부터 분무액체를 재생하여 냉각시키는 재생 시스템이 배열되어 있다. 이러한 재생 시스템은 챔버에서 유출되는 냉각압축가스로 부터 분무액체를 제거시키도록 상부챔버의 유출구(13)에 연결되어 있는 습기분리기(47)와, 분무액체를 냉각시키도록 습기분리기(47)에 연결되어 있는 냉각기(45)와, 그리고 습기분리기(47)로 부터 냉각기(45)를 통해서 스프레이 노즐(도시안됨)에 의해 상부챔버(9) 안으로 액체를 펌핑시키도록 냉각기(45)와 상부챔버(9)의 분무분사용 유입구(13)의 사이로 연결되어 있는 펌프(43)를 포함하고 있다. 분무액체를 수용하는 탱크가 배열되어 있어서, 재생되지 못하거나 재생 시스템으로 부터 유실되는 액체를 보충한다.
하부챔버(11)는 그 내부에서 가능한 한 영구적으로 밀봉된 일정한 체적의 가스를 수용하고 있다. 일부 가스가 이러한 고체 피스톤과 챔버벽 사이의 밀봉부(14)를 통해서 불가피하게 누설될 수 있으나, 적절하게 압축된 공급원으로부터 가스를 보충하도록, 예를들어서 밸브에 의해 제어되는 가스유입구를 하부챔버내에 제공함으로써, 하부챔버로 부터 유출되는 가스를 용이하게 보충할 수가 있다.
제 5도에 도시된 압축기의 작동싸이클은, 고체 피스톤(12)이 상부챔버(9)내의 상사점에 순간적으로 정지되어 있는 상태로 부터 다음과 같이 이루어진다. 이때, 압축가스 유출밸브(17) 및 가스유입밸브(25 및 33)는 모두 폐쇄되어 있으며, 챔버는 일정량의 압축가스를 수용하고 있다.
피스톤이 역방향으로 이동함에 따라서, 고온압축가스 유입밸브(25)가 개방되어서 상부챔버 안으로 고온압축가스를 유입시킨다. 소정의 시간이 경과한 후에, 고온압축가스 유입밸브(25)가 폐쇄되고, 고온압축가스가 팽창하여서 피스톤(12)을 상부챔버로 부터 하향으로 제거시킨다. 피스톤(12)이 하부챔버(11) 안으로 이동함에 따라서, 하부챔버내의 가스가 단열압축되어서 하부챔버방향으로 피스톤(12)에 가해지는 운동에너지가 가스에 의해서 압력에너지 및 열에너지로 흡수되는데, 에너지는 가스의 온도를 상승시킨다. 상부챔버(9)내의 팽창가스의 압력이 추가로 공급되는 가스의 유입압력까지 떨어지면, 가스유입밸브(33)가 개방되고, 피스톤의 계속적인 하향이동에 따라서 추가의 가스가 상부챔버 안으로 유입된다. 피스톤의 모든 운동 에너지가 하부챔버내의 가스에 의해서 흡수되면, 피스톤이 순간적으로 정지하게 되고 상부챔버내의 가스유입밸브(33)가 폐쇄된다. 그리고나서, 하부챔버내의 고온압축가스가 단열팽창되어서 상부챔버(9)의 방향으로 피스톤(12)에 운동에너지를 제공한다. 피스톤(12)이 다시 상부챔버(9) 안으로 이동함에 따라서, 가스유입구(13)를 통해서 이미 유입된 고온압축가스와 가스유입구(29)를 통해서 유입된 비교적 저압의 가스로 이루어져 있는 상부챔버(9)내의 가스가 압축된다. 가스가 압축됨에 따라서, 가스로 부터 압축열을 흡수하도록 작은 액정형태의 액체가 상부챔버 안으로 분사되어서, 등온압축과정이 이루어진다. 분무의 분사시키는, 상부챔버내의 가스온도가 분무액체의 온도에 도달할 때 개시되도록 설정된다. 상부챔버(9)내의 가스압력이 소정의 값에 도달했을 때, 압축가스 유출밸브(17)가 개방되어서 냉각압축가스가 분무액체와 함께 상부챔버로 부터 가스유출구(13)를 통해서 배출된다. 압축가스 및 분무액체가 습기분리기(47)를 통과하면서 가스로 부터 분무액체가 제거된다.
피스톤이 상부챔버내의 상사점에 도달하기 진에 압축가스 유출밸브(17)가 폐쇄되어서, 상부챔버내에 잔류하는 가스가 피스톤을 정지시킨다. 피스톤이 정지되면, 고온압축가스 유입밸브(25)가 개방되고 가스유입구(21)를 통해서 상부챔버(9) 안으로 고온압축가스가 유입되어서 싸이클이 반복된다.
제 5도의 실시예에서는, 하나의 챔버내에서만 냉각압축가스를 발생시키며, 이와같이 압축된 가스는 한 싸이클당 1회만 발생된다. 전체 싸이클중에 보다 일정한 속도로 가스를 발생시키기 위해서, 서로 다른 위상으로 작동하는 하나 이상의 추가의 가스압축기를 제공할 수도 있다. 예를들면, 하나의 가스압축기가 추가될 경우에는 2개의 압축기의 작동싸이클이 180°의 위상차를 갖는다. 압축기의 배열에 따라서, 각각의 고체 피스톤의 가속 및 감속에 의해 발생되는 기게적 진동을 방지하기 위해서 위상의 분리가 이용될 수 있다.
수직방향으로 선형 이동하는 고체 피스톤을 갖춘 가스압축기의 또다른 실시 예에서는, 피스톤에 상향의 이동방향으로 운동에너지를 제공하기 위해서 고온압축 가스를 유입시키도록 하부챔버가 등온압축되는 가스를 발생시킨다. 상부챔버는 피스톤의 상향이동행정에 의해서 단열압축되는 가스를 둘러싸서 피스톤의 운동 에너지를 흡수한 후에, 피스톤을 하부챔버 방향으로 이동시키는 운동에너지를 제공하도록 팽창된다. 이 실시예에서는, 제 5도의 실시예와는 반대의 과정이 수행되는데, 상부챔버의 방향으로의 피스톤의 운동에너지가 상부챔버내의 가스의 압력 및 열에너지, 그리고 중력으로 인한 위치에너지로 변환된다. 또는 상부챔버를 제거시켜서 하부챔버 안으로의 고온압축가스의 유입에 의해 피스톤에 가해지는 모든 운동에너지가 중력에 의한 위치에너지로 변환된 후에, 하부챔버 방향의 운동 에너지로 방출되어서 하부챔버내의 가스를 압축시키도록 구성할 수도 있다. 따라서, 바람직하게 오직 하나의 챔버만이 필요하면, 유실되는 가스를 보충하기 위한 단열 압축 및 팽창챔버와 관련된 부속설비들이 필요치 않다. 이와같이 하부챔버내에서 수행되는 등온압축을 제공함으로써, 분무액체의 제거시에 중력에 의해서 제공되는 위치에너지를 이용할 수 있다는 잇점이 생긴다.
가스구동식 고체 피스톤 압축기 (대칭형)
본 발명의 또다른 실시예에서는, 가스압축기가 수평방향으로 작동하도록 배열된 고체 피스톤을 포함할 수도 있다. 제 6도는 그러한 실시예에 해당하는데, 가스압축기가 수평방향으로 마주한 2개의 챔버, 및 각각의 챔버의 안팎으로 선형으로 이동하도록 배열된 고체 피스톤을 포함하고 있다.
즉, 제 6도를 참조하면, 가스압축기는 2개의 서로 마주하는 챔버(9,11)를 포함하고 있으며, 각각의 챔버에는 이들 챔버 안으로 고온압축가스를 유입시키도록 밸브(25,27)에 의해 제어되는 고온압축가스 유입구(21,23)와, 각각의 챔버로부터 압축가스를 배출시키도록 밸브(17,19)에 의해서 제어되는 압축가스 유입구(13,15)와, 각각의 챔버 안으로 추가의 가스를 유입시키도록 가스유입밸브(35,37)에 의해서 제어되는 가스유입구(31,33)와, 그리고 가스의 온도를 제어하도록 각각의 챔버 안으로 액체분무를 분사시키는 분무분사용 유입구(37,39)가 각각 설치되어 있다. 또한, 가스압축기는 마찰방지용 지지부(14,16)에 의해 지지되어서 2개의 챔버(9,11) 사이로 자유롭게 왕복운동하는 대용량의 고체 피스톤(12)을 포함하고 있다. 고체 피스톤(12)과 챔버의 벽들 사이의 틈새를 통해서 가스가 누출되는 것을방지하기 위하여, 그러한 각각의 챔버의 벽과 피스톤 사이로 미끄럼식 밀봉부(56,58)가 제공되어 있다. 제 6도의 실시예에서, 피스톤(12)의 양단부는 챔버(9,11)의 단부에 상응하는 형상으로 곡면을 이루고 있다.
각각의 챔버내에서의 등온압축이 수행된 후에 분무상태로 사용된 액체를 재생하여서 다시 분무상태로 사용할 수 있도록 재생 시스템이 배열되어 있다. 재생 시스템은, 압축가스로 부터 분무액체를 제거시키도록 각각의 압축가스 유출구(13,15)에 연결되어 있는 습기분리기(47,49)를 포함한다. 그러한 분무액체를 제거시키기 편리하도록 각각의 챔버의 하부에 유출구가 형성되어 있다. 습기분리기(47,49)는 분무액체를 냉각시키도록 냉각기(45)에 연결되어 있다. 각각의 챔버에 대한 펌프(43,44)가 냉각기(45)와 분무분사용유입구(37,39)의 사이로 연결되어 있어서, 습기분리기(47,49)로 부터 냉각기(45)를 통해서 각각의 챔버의 분무분사용 유입구(37,39)로 액체가 분사된다.
제 6도에 도시된 가스압축기의 작동싸이클은 다음과 같이 수행되는데, 먼저 피스톤(12)이 오른쪽 챔버(11)의 상사점에 놓여져 있고, 챔버(11)내의 모든 밸브는 닫혀있다. 오른쪽 챔버(11)는 피스톤을 정지시키는 소량의 단열압축가스를 수용하고 있다. 이때, 왼쪽 챔버(9)는 고온압축가스 유입구(21)를 통해서 고온압축 가스의 형태로 미리 유입되었던 냉각 팽창가스와 가스유입구(31)를 통해서 미리 유입된 비교적 저압의 추가의 가스를 수용하고 있다. 왼쪽 챔버(9)내의 모든 밸브들이 폐쇄된다.
피스톤이 정지한 후에, 오른쪽 챔버(11)내에 잔류하는 압축가스가 팽창하기시작하여서 피스톤(12)을 챔버(11)로 부터 밀어낸다. 동시에, 고온압축가스 유입 밸브(27)가 개방되어서 오른쪽 챔버 안으로 고온압축가스가 유입된다. 소정의 시간이 경과한 후에, 가스유입밸브(27)가 폐쇄된다. 그리고나서, 고온압축가스가 단열팽창 하여서 피스톤(12)를 오른쪽 챔버(11)로 부터 왼쪽 챔버(9)로 밀어준다. 따라서, 가스의 팽창에너지는 피스톤을 왼쪽 챔버(9)로 이동시키는 운동에너지로 변환된다. 피스톤(12)이 왼쪽 챔버(9) 안으로 이동함에 따라서, 가스가 압축되는 동시에 챔버 안으로 액체분무 형태로 액체가 유입되면서 압축과정중에 가스를 냉각시킨다.
오른쪽 챔버(11)내의 팽창가스의 압력이 소정의 값 이하로 떨어지면, 가스 유입밸브(37)가 개방되어서 비교적 저압의 추가의 가스가 가스유입구(33)를 통하여 오른쪽 챔버 안으로 유입된다.
왼쪽 챔버(9)내의 가스압력이 소정의 값에 도달하면, 유입구(37)를 통한 분무의 분사가 중지되고 압축가스 유출밸브(17)가 개방되어서, 압축가스가 분무 액체와 함께 압축가스 유출구(13)를 통하여 챔버로 부터 배출된다. 압축가스 및 분무액체가 습기분리기(47)를 통과하면서 가스로 부터 분무액체가 제거된다. 그리고나서, 분무액체는 분무상태로 재사용되기 전에 냉각기(45)를 통과하게 된다.
피스톤(12)이 왼쪽 챔버(9)내의 상사점에 도달하기 전에, 압축가스 유출밸브(17)가 폐쇄되고, 챔버(9)내에 잔류하는 가스가 단열압축되어서 피스톤을 순간적으로 정지 시킨다. 이때, 오른쪽 챔버(11)내의 가스유입밸브(37)가 폐쇄된다. 그리고나서, 피스톤이 잔류가스의 팽창에 의해 방향이 역전되면서 이동하는데,이때 고온압축 가스 유입밸브(25)가 왼쪽 챔버(9) 안으로 분사된다. 소정의 시간이 경과한 후에 밸브(25)가 폐쇄된다. 그리고나서 고온압축가스가 단열팽창하여서, 피스톤(12)을 왼쪽 챔버(9)로 부터 오른쪽 챔버(11) 안으로 밀어준다.
오른쪽 챔버(11)내의 모든 유입밸브 및 유출밸브는 폐쇄되고, 챔버(11)내에는 유입구(23)를 통해서 고온압축가스로 이미 유입되었던 냉각팽창가스와 유입구(33)를 통해서 이미 유입된 비교적 저압의 가스가 수용되어 있다. 피스톤(12)이 오른쪽 챔버(11) 안으로 이동함에 따라서, 가스가 압축되는 동시에 분무분사용 유입구(39)를 통해 챔버 안으로 액체의 분무가 분사되어서 압축과정중에 가스를 냉각시킨다.
왼쪽 챔버(9)내의 가스압력이 소정의 값으로 떨어지면, 가스유입밸브(17)가 개방되어서 비교적 저압의 추가의 가스가 가스유입구(13)를 통해 왼쪽 챔버(9) 안으로 유입된다.
오른쪽 챔버(11)내의 가스압력이 소정의 값에 도달하면, 압축가스가 분무 액체와 함께 유출구(15)를 통해서 챔버로 부터 배출된다. 그리고나서, 압축가스 및 분무액체가 습기분리기(49)를 통과하면서 분무액체가 압축가스로 부터 제거된다. 그리고나서, 액체는 분무형태로 재사용되기 전에 냉각기(45)를 통과하면서 냉각된다.
피스톤이 오른쪽 챔버(11)내에서 상사점에 도달하기 전에, 압축가스유출밸브(19)가 폐쇄되어서 분무의 분사가 중단되고, 잔류하는 가스가 단열압축되어서 피스톤(12)을 순간적으로 정지시킨다. 이때, 왼쪽 챔버(9)내의 모든밸브는 폐쇄되어 있으며, 고온압축가스 유입밸브(27)가 개방되어서 오른쪽 챔버(11) 안으로 고온압축 가스가 유입되고, 이들 가스가 팽창하여서 피스톤을 오른쪽 챔버로 부터 왼쪽 챔버 안으로 이동시키며, 이와같은 싸이클이 계속해서 반복된다.
수평방향으로 이동하는 고체 피스톤을 갖추고 있으나, 앞서 설명한 제 6도의 실시예와는 다른 형태로 작동하는 가스압축기를 제공할 수도 있다. 예를들어서, 한쪽 챔버만이 단열압축 및 단열팽창 챔버로서 사용될 수 있으며, 이러한 챔버가 밀봉된 가스를 수용하도록 구성되어서, 가스가 챔버내에서 번갈아서 압축되고 팽창 되면서, 챔버방향으로의 피스톤의 운동에너지를 챔버의 반대쪽 방향으로의 피스톤의 운동에너지로 변환시키면 된다. 따라서, 이러한 챔버는 제 5도의 실시예에서 설명된 하부챔버와 유사한 작용을 수행한다.
고체 피스톤이 수평방향으로 이동하도록 배열되기 때문에, 피스톤을 지지하는 수단이 제공되어야만 하는 동시에 바람직하게 피스톤의 수평방향 이동을 저지하는 마찰력을 최소화시키는 수단이 필요하다. 이러한 지지부는, 예를들어서 피스톤의 중량을 지지하도록 구성된 롤러 베어링과 같은 기계식 베어링으로 제공될 수 있다. 각각의 지지부에 의해서 지지되는 피스톤의중량은 이러한 지지부의 수를 증가시킴으로써 감소될 수 있다. 가능한 한 피스톤을 소형화시키는 것이 바람직하지만, 피스톤의 단위 길이당 및 단위 폭당의 중량은 피스톤의 크기에 따라서 변화될 수가 있다. 피스톤은 임의의 형상으로 제공될 수 있으며, 그 길이를 따라서 단면형상 및 크기도 다르다. 따라서, 피스톤의 질량은 그 길이를 따라서 다르며, 피스톤의 질량의 어느 한 부분에서 다른 부분에 비해 집중된다는 것을 알 수가 있다. 대부분의 경우에, 지지부는 피스톤의 전체 질량중에서 차지하는 비중이 큰 부분에 제공되는 것이 바람직하다. 다른 유형의 마찰방지용 지지부가 피스톤을 지지하도록 사용될 수도 있는데, 이러한 지지부의 작동은 강제 유체에 의한 자기부양의 원리에 근거한다.
대부분의 경우에, 압축챔버의 외부로 액체분무를 발생시켜서 압축과정중에 압축챔버내의 공기 또는 가스를 거의 등온상태로 유지시키는 것이 바람직하다. 공기 등이 가스를 수용하는 별도의 외부용기내에서 분무 또는 연무가 발생될 수도 있다. 그리고나서, 액체분무 또는 연무가 압축과정전에 공기 등의 가스와 함께 압축챔버 안으로 유입된다.
제 7도는 제 5도의 가스압축기와 유사한 선형의 수직방향 가스압축기의 실시 예를 도시한 것으로서, 제 5도의 가스압축기와 다른 점은 압축챔버의 바깥쪽으로 별도의 용기를 포함하고 있으며, 그러한 용기내에서는 압축과정중에 가스를 냉각시키는 연무가 발생되고, 이와같이 발생된 연무가 압축챔버 안으로 유입되기 전에 대기와 혼합된다는 점이다. 제 7도를 참조하면, 압축기(1)가 하부챔버(11)의 윗쪽으로 수직하게 배열된 상부챔버(9), 및 각각의 상하부 챔버의 안팎으로 수직방향으로 이동하는 고체 피스톤(12)을 포함하고 있다. 상부챔버(9)는 고온압축가스를 챔버(9) 안으로 유입시켜서 피스톤(12)을 하향 구동시키도록 밸브(25)에 의해 제어되는 고온압축가스 유입구(21)와, 챔버(9)로 부터 냉각압축가스를 배출시키도록 밸브(17)에 의해 제어되는 냉각압축가스 유출구(13)와, 그리고 비교적 저압의 추가의가스와 함께 액체분무를 챔버(9) 안으로 유입시키도록 밸브(33)에 의해 제어되는 가스유입구(29)를 갖추고 있다. 가스유입구(29)는 연무를 발생시키는 용기형태의 연무발생기(55)에 연결되어 있다. 연무발생기(55) 안으로 가스를 유입시키도록 가스유입구(57)가 제공되어 있다.
압축챔버를 빠져나온 냉각압축가스로 분리된 액체가 펌프(43)에 의해서 냉각기(45)를 통하여 재순환되어서 연무발생기(55)로 재생된다. 액체분무 혹은 연무는 종래의 수단에 의해서, 예를들면 액체를 하나 이상의 분무노즐을 통과시킴으로써 연무발생기(55)내에서 발생될 수 있다. 피스톤(12)이 하향으로 이동하는 중에, 가스유입밸브(33)가 개방되어서 가스유입구(57)를 통하여 연무발생기(55) 안으로 가스가 유입되며, 가스유입구(29)를 압축챔버 안으로 미세한 액적이 유입된다. 압축챔버 내부의 압력이 비교적 낮을 때 액체분무가 압축챔버 안으로 유입되기 때문에, 그리고 이러한 액체분무는 압축과정보다 다소 앞서 유입되기 때문에, 액체의 펌핑작업이 감소되고 압축챔버내부의 가스 안으로 액적이 보다 잘 분포된다, 또한, 압축챔버의 외부에서 분무를 형성시킴으로써, 미세한 분무가 제공될 수 있다. 예를들어서, 큰 액적을 분리시킨 후에, 이러한 큰 액적을 그대로 등온압축기 안으로 분사키기는 대신에 재순환시킨다면 매우 바람직할 것이다. 또한, 저압의 팬(fans)에 의해서 분무발생기 안으로 가스유동을 제공해주면 바람직할 것이다. 또한, 연무발생기는 미세한 연무 안으로 액적이 유입되는 것을 차단시키도록 회전식 디스크나 회전식 블레이드와 같은 기계식 장치를 포함할 수도 있다.
압축챔버 안으로 액체분무 및 대기가 유입되는 방식을 제외하고는, 제 7도의가스압축기는 제 5도의 가스압축기와 동일하게 작동된다.
액체 구동식 압축기 (액체 피스톤형)
지금까지 설명된 압축기는 모두가 고온의 압축가스에 의해서 구동되는 것에 대한 실시예들이다. 압축기를 구동시키는 다른 방법으로서 액체의 수두를 이용하는 방법이 있다. 액체의 에너지를 가스의 압축에너지로 변환시키도록 배열된 고체, 액체, 또는 이들 모두의 용적형 피스톤에 의해서 운동에너지 저장수단이 용이하게 제공될 수 있다. 이와같은 방식으로 작동하는 액체 피스톤 등온압축기의 실시예가 제 8도에 도시되어 있다.
제 8도를 참조하면, 등온압축기가 2개의 도관(102 및 103)을 포함하고 있으며, 이들 도관은 수평으로 배열된 중간부(105 및 107)를 각각 갖추고 있고, 액체 피스톤(109 및 111)을 각각 수용하고 있다. 각각의 도관(102 및 103)의 일단부(113 및 115)가 수직방향으로 상향 연장하여서, 각각의 내부에서 가스가 압축되는 챔버(117 및 119)를 형성하고 있다. 각각의 도관(102 및 103)의 타단부에는 하나의 큰 저장조(127)가 형성되어 있다.
도관(102 및 103)의 수평부(105 및 107)내에는 주유동밸브(129 및 131)가 배열되어서 저장조(127)로 부터의 액체의 유동을 제어한다. 도관(102 및 103)의 수직부(113 및 115)와 주유동밸브(129 및 131)의 사이로 수평부(105 및 107)내에 유출구(133 및 135)가 형성되어 있다. 유출구(133 및 135)내에 액체유출밸브(137 및 139)가 배열되어서, 도관(102 및 103)으로 부터 배출되는 액체의 유동을 제어한다. 유출구(133 및 135)와 저장조(127)의 사이로 주펌프(141)가 연결되어서,유출구(133 및 135)를 통해서 배출되는 액체를 저장기로 재충전시킨다.
앞의 실시예들에서와 마찬가지로, 압축가스를 냉각시키도록 각각의 챔버(117 및 119)에 액체분무가 제공된다. 각각의 챔버(117 및 119)에는 각각 밸브(151 및 153)를 갖춘 가스유입구(147 및 149)가 제공되어 있어서, 각각의 챔버(117 및 119)로 부터 냉각압축가스를 배출시킨다. 또한, 각각의 챔버에는 적절한 가스원으로 부터 이들 챔버 안으로 가스를 유입시키는 가스유입구(155 및 157)가 제공되어 있다.
작동시, 저장조는 급변하는 유동을 제공하는 압축액체의 공급원으로서 작용하여 액체 피스톤(109 및 111)을 구동시킨다. 이러한 급변하는 유동의 시기는 도관(102 및 103)내에 설치된 주유동밸브(129 및 131)에 의해서 제어된다. 주유동밸브가 개방되면, 급변하는 액체의 유동이 주유동밸브를 통과하여서 액체 피스톤을 챔버 안으로 미렁줌으로써 가스가 압축된다. 동시에, 챔버와 연관된 분무가 작용하여서 압축과정중에 가스를 냉각시킨다. 챔버내의 압력이 소정의 값에 도달하면, 압축가스 유출밸브가 개방된다.
액체 피스톤이 상사점에 도달하면, 주유동밸브가 폐쇄되고 액체유출밸브가 개방된다. 동시에, 가스유출밸브가 폐쇄되고 가스유입밸브는 개방되어서, 배출된 액체 대신에 저압의 가스가 유입된다. 배출된 액체는 주펌프(141)에 의해서 저장조까지 재순환된다.
바람직하게, 각각의 도관내의 액체 피스톤(109 및 111)의 작동시기는, 액체가 한쪽 도관으로 부터 저장조로 복귀되는 동시에 저장조로 부터 다른쪽 도관으로 액체의 유동이 이루어지도록 설정되어 있다. 따라서, 2개의 도관내에서는 각각의도관내의 액체 피스톤의 싸이클이 서로 다른 위상으로 진행된다. 일반적으로, 액체의 레벨 윗쪽의 가스는 유입량이 유출량보다 많은 경우에는 압축되고, 그 반대의 경우에는 팽창된다. 이는, 펌프(141)에 의해서 변화되는 수두 및 유량의 변화를 최소화시키며, 따라서 펌프가 줄곧 최대의 효율에 가깝게 작동될 수 있다. 바람직하게, 가스의 체적은 단열팽창 및 단열압축을 수행한다. 저장조는, 내부의 가스가 압축될 때의 열손실을 최소화시키기 위해서 단열식으로 배열된다. 축적된 가스가 압축가스와 연결되지 많으므로, 이들 가스의 조성이 동일해야 할 필요가 없다. 바람직하게, 저장조로 부터 유출되는 유출량은 피스톤의 관성에 의해서 제한되며, 이에따라서 저장조내의 가스압력의 변화가 작아진다.
주유동밸브(129 및 131)는 액체 피스톤의 작동을 개시시킨다. 이들 주유동 밸브는, 액체가 압축챔버로 부터 펌핑되어 나올 때 개방된다. 액체피스톤이 압축 챔버내의 상사점에 도달하면, 주유동밸브가 폐쇄된다. 주유동밸브는 액체구동식 등온압축기의 필수적인 구성요소이다. 도관의 직경은 다소 넓게 구성될 수 있지만, 밸브들이 신속하게 자주 개폐된다는 점이 중요하다. 각각의 밸브는 약 8 바아 정도의 압력을 유지할 필요가 있다. 또 다른 조건으로는, 밸브가 개방시 최소의 유도저항을 제공해야만 한다는 점이다. 액체의 유동이 역전되면서 순간적으로 영(0)의 속도를 가질 때, 밸브들은 개방되거나 폐쇄된다. 여러가지 유형의 밸브 형상이 사용가능하지만, 밸브는 도판의 횡단면을 가로지르는 다수의 봉상에 지지된 일련의 통풍구(louvres)를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 통풍구는, 유동방향으로 정렬되었을 때 유동저항을 최소화시키는 형상을 갖는다.
액체유출밸브(137 및 139)는, 액체 피스톤이 상사점에 도달했을 때 개방되고 압축챔버가 가스를 배출할 때 폐쇄되도록 배열되어 있다. 이는, 이들 유출밸브가 주유동밸브(129 및 131)와 180°의 위상차를 가지며 작동함을 의미하는 것이다. 바람직하게, 액체유출밸브는 주유동밸브와 동일한 유형으로 구성된다.
저장조(127)와 분사될 분무의 사이로 분무펌프(159 및 161)가 연결되어서, 분무용 액체를 공급한다. 바람직하게, 분무와 분무펌프(159 및 161)의 사이로 냉각기(163 및 165)가 연결되어서 분무용 액체를 냉각시킨다. 이들 분무펌프는 정(+)의 배수펌프로 구성될 수 있어서, 압축챔버내의 압력이 변화하는 중에도 일정한 유동을 제공한다.
이제, 가스구동식 등온압축기와 액체구동식 등온압축기의 주요 차이점을 설명한다. 이들 두가지 유형의 압축기는 모두 동일한 물리학적 원리, 그 등온압축을 수행하기 위한 용적형 액체 피스톤 또는 고체 피스톤을 사용한다는 것에 근거하고 있지만, 주동력이 서로 다른 수단에 의해서 제공된다는 점에서 다르다. 먼저 액체 피스톤 압축기를 비교하면, 가스구동식에서는 주도관내에서 액체에 잠겨지는 큰 밸브를 가질 필요가 없다. 따라서, 액체피스톤의 마찰의 소산이 가스구동식에서는 최소화된다. 제 1도에 도시된 가스구동식 액체 피스톤 압축기의 실시예는, 액체 구동식 압축기의 한 싸이클당 하나의 가스의 체적이 제공되는 것에 비해서, 액체 피스톤의 매 싸이클당 2개의 가스체적을 포함한다. 통상적으로, 액체 구동식 압축기는 주동력원으로서 큰 펌프를 필요로 하지만, 반면에 가스구동식 압축기는 통상적으로 가스터어빈에 부착될 수 있는 것과 같은 통상의 가스압축기를 필요로 한다.
제 1도, 제 2도, 및 제 8도를 참조하면, 액체 피스톤을 형성하는 아암들이 대체로 수직하고, 도관이 거의 수평상태의 중간부를 가지며, 따라서 도관은 'U'자 형상으로 형성되어 있고, 아암이 임의의 각도로 경사지게 배열될 수 있으며, 'U'자 형상을 넓거나 좁게, 또는 얕거나 깊게 구성될 수가 있다. 다수의 'U'자형 도관들이 연결될 수 있으므로, 제 8도에 도시된 바와같이 하나의 아암이 여러개의 도관들 사이로 분할될 수 있으며, 이는 제 1도 및 제 2도에 도시된 가스구동식 압축기에도 동일하게 적용될 수가 있다. 도관이 임의의 횡단면으로 형성될 수 있고, 특히 원형, 달걀모양. 타원형, 삼각형, 정방형, 장방형, 육각형, 다각형, 또는 불규칙한 형상으로도 형성될 수 있다. 도관이 그 길이를 따라서 일정한 횡단면으로 구성될수도 있고, 또는 횡단면이 길이방향으로 변하도록(즉, 그 면적이나 기하학적 형상이 변화되도록) 구성될 수도 있다. 따라서, 압축챔버의 횡단면적이 액체 피스톤을 형성하는 도관의 부분보다 크거나 작게 구성될 수가 있다. 바람직하게, 비교적 작은 횡단면 적을 갖는 도관은 비용이 적게 들고 구성상 제조가 용이하다. 도관의 길이는 10 내지 500 미터이고, 그 직경은 0.2 내지 10m 로 구성될 수 있다. 그러나, 이러한 크기는 예시적인 것이며, 그러한 범위 밖의 길이나 직경도 어떤 경우에는 사용될 수가 있다. 도관이 그 길이방향의 수평부를 위해서 땅속을 통과하는 터널로 형성 될 수도 있고, 또는 트랜치내에 놓여질 수도 있으며, 또는 단지 지면상에 지지될 수도 있다, 그러나, 부피가 큰 액체피스톤을 수용하도록 도관의 크기를 정하는 것이 바람직하며, 따라서 에너지가 피스톤의 운동에너지로서 저장될 수도 있고, 도관의 다음 표면으로의 액체의 유동으로 인한 마찰손실이 최소로 유지될 수가 있다.
2개의 도관 및 2개의 액체 피스톤을 갖는 액체 구동식 등온압축기 대신에, 하나 이상의 도관 및 액체 피스톤으로 작동시키는 것이 가능하다. 하나의 도관이 사용되면, 액체 피스톤의 한 싸이클 중에서 절반은 주펌프만을 작동시킬 필요가 있다. 이러한 현상은, 액체 피스톤과 동일한 위상으로 작동되는 기계식 피스톤을 포함하는 왕복동식 펌프에 의해서 수행된다. 또한, 액체구동식 압축기의 주펌프 내에 형성된 액체 유출구내의 액체유출밸브를 제거시킬 수도 있다.
이와는 다르게, 액체피스톤을 갖춘 압축기의 실시예들이 주도관내에 배열된 기계식 고체피스톤을 포함할 수도 있으며, 이러한 고체피스톤이 액체피스톤을 구동시키는 임의의 외부수단에 의해서 구동되게 구성할 수도 있다. 바람직하게, 고체 피스톤은 주도관의 수평부에서 와복동하도록 구성될 수 있으며, 고체피스톤의 양측으로 액체피스톤을 제공할 수 있다.
액체피스톤 압축기에 대해서는, 액체분무를 큰 도관으로부터 끌어내어서 제 1도, 제 2도, 및 제 8도에 도시된 바와같이 가스안으로 분사되기 전에 외부의 냉각기를 통해서 순환시킴으로써 액체분무가 연속적으로 재순환될 수 있지만, 액체 분무를 다른 넓은 공급원 또는 저장조로부터 끌어내도록 구성할 수도 있다. 이 경우에, 액체의 유량을 거의 일정하게 유지시키도록 큰 도관으로부터 동시에 액체를 끌어내면 된다.
분무와 가스사이로 전달되는 열이 증기의 증발을 포함하게 또는 포함하지 않게 구성할 수도 있다. 이는, 주로 분무내의 액적의 초기온도, 액적에 의해서 흡수되는 열량, 및 가스가 압축되는 시간 등에 따라서 달라진다.
연소챔버 및 등온압축기를 갖춘 가스터어빈 발전설비
등온 가스압축기의 주응용분야는 전기발전분야라고 할 수 있다. 예를들어서, 압축기가 가스터어빈과 연관하여 사용될 수 있다. 제 9도를 참조하면, 가스터어빈 발전설비(200)가 가스터어빈(201)과, 등온압축기(203)와, 가스터어빈(201)을 빠져나가는 고온의 저압가스를 이용하여 냉각압축가스를 예열시키는 열교환기(205)와, 그리고 가스터어빈(201)을 구동시키도록 예열된 압축가스로 부터 고온의 고압 가스를 발생시키는 주가열기(207)를 포함하고 있다. 가스터어빈(201)를 발전기(209)를 구동시키도록 배열되어 있다. 주가열기(207)는 예열된 압축가스내에서 연료를 연소시키기 위한 연소챔버를 포함하고 있으며, 고온의 고압가스는 연소 가스이다.
등온압축기가 본 발명에 따른 가스압축기로 구성된다면, 이러한 등온압축기는 가스터어빈에 의해서 구동될 것이다. 예를들면, 가스구동시 압축기에 잇어서 고온 압추가스는 종래의 압축기에 의해서 제공될 수가 있다. 앞에서 설명한 바와같이, 가스구동식 등옵압축기는 종래의 압축기와 비교하여 주어진 에너지 입력에 대해서 보다 많은 냉각압축가스를 발생시킨다. 그러나, 액체구동식 등온압축기에 있어서는 종래의 압축기와 동일한 양의 가스가 발생되지만, 반면에 소요되는 에너지는 다소 작다. 그러므로, 본 발명의 가스압축기를 사용하면 압축기를 구동시킴에 있어서 가스터어빈으로부터 보다 적은 동력이 소모되거나, 또는 등온압축기를 구동시키는 에너지가 종래의 압축기와 동일한 경우에는 가스터어빈을 구동하는데 사용되는 보다 많은 양의 가스가 발생된다.
가스터어빈으로 부터 배출되는 열이 통상적인 공기를 사용하는 유입가스를 예열시키는데 이용되므로, 열재생용 증기발생기 및 이와 관련하여 종래의 복합싸이클식 가스터어빈 및 증기 발전설비에 사용되는 부속 증기터어빈이 필요없다. 또한, 증기 발전설비가 필요없기 때문에, 증기 발전설비에 포함되는 가스터어빈 발전설비의 구성부품들이 제거될 수 있다. 그러므로, 가스터어빈으로 부터의 배출온도는 증기 싸이클에 적합한 온도 이상으로 증가될 수 있고, 가스터어빈의 최적성능을 제공하도록 최적화될 수 있다. 이와같은 가능성은 하나이상의 연소단계(즉, 가스터어빈의 재열)를 이용하게 해준다. 더욱이, 등온압축기로 부터 압축된 냉각가스의 일부가 가스터어빈의 블레이드를 냉각시키는데 사용되어서, 터어빈의 입구온도를 보다 높일 수가 있다.
어떠한 유형의 냉각시스템도 사용될 수 있는데, 예를들어서 건식, 습식, 또는 혼합식 냉각탑을 사용할 수도 있고, 또는 대기중이나 해수 또는 강과 같은 물로 직접 냉각시킬 수도 있다.
냉각압축가스가 공기이고 고온고압가스가 가스상태의 연소생성물일 경우에, (이들 두가지 가스흐름의 열용량의 차이로 인하여) 냉각압축공기를 예열시키기 위해서 필요한 만큼 이상의 많은 열을 연소가스로부터 얻을 수가 있다. 이와같은 과잉의 열은 냉각압축공기의 추가의 유량을 가열하는 것과 같은 다른 목적으로 이용될 수 있는데, 그와같은 추가의 유량은 다음단계에서 연료의 연소가 없이도 하나이상의 공기터어빈을 통해서 팽창되어, 보다 많은 동력을 발생시킬 수 있으며, 이를 위해서 하나이상의 보조 열교환기가 사용되는 것도 가능하다. 추가의 공기터어빈및 보조 열교환기는 전체 시스템의 주요부품들 보다는 다소 소형인데, 이는 순환회로상에서 이러한 부분을 통과 하는 유량이 주유동의 일부에 불과하기 때문이다. 대안적으로, 연소가스로 부터 제공되는 추가의 열이 처리열, 공간가열, 또는 다른 외부장치들의 가열등에 사용되도록 구성될 수도 있다. 제 10도는, 이러한 다른 목적으로 사용되는 예를 보여주는 가스터어빈 발전설비(300)의 블록선도이다.
가스터어빈 발전설비 및 보조 공기터어빈
제 10도의 가스터어빈 발전설비(300)는 제 1 발전기(309)를 구동시키는 가스 터어빈(301)과, 등온압축기(303)와, 그리고 압축기에서 공급되는 냉각압축공기를 가스 터어빈(301)으로부터 배출되는 가스에 의해서 가열시키기 위한 열교환기(305)를 포함하고 있다. 대부분의 예열된 압축공기가 연소챔버 안으로 공급되어 연료와 함께 연소되어서 가스터어빈(301)용 연소가스를 제공하며, 예열된 압축공기의 일부가 제 1 공기터어빈(313)의 입력부에 공급되어서 제 2 발전기(315)를 구동시키는데 이용된다. 공기터어빈(313)에서 배출된 공기는 공기 대 공기 열교환기(317)를 통과 하면서, 제 2 공기터어빈(319)을 구동시키도록 등온압축기로 부터 압축된 냉각공기의 일부를 예열시킨다. 이와같은 가스터어빈 발전설비의 실시예에서, 등온압축기는 가스터어빈(301)으로 구동되는 회전식 압축기(311)에 의해서 구동되는 가스구동식 압축기이다.
공기터어빈 발전설비 및 등온압축기
주가열기(307)가 연소챔버를 포함하는 대신에 외부열원을 포함할 수도 있으며, 그러한 외부열원은 석탄이나 석유등을 사용하는 로, 화학적인 또는 공업적인처리과정에서 발생되는 열, 핵반응기, 또는 태양로 등으로 구성될 수가 있다. 제 11도는 주가열기(407)가 석탄을 사용하는 로이며 공기터어빈(401)을 포함하고 있는 가스 터어빈 발전설비의 블록선도이다. 제 11도의 배열은 제 9도에 도시된 배열과 유사하지만, 등온압축기로 부터 압축된 냉각공기가 공기터어빈엣 배출되는 공기에 의해 예열되고, 열교환기로 부터 예열된 공기는 주가열기(407)에 의해 가열된 후에 공기 터어빈내에서 팽창된다는 점만이 차이가 있다. 이러한 배열은, 연소챔버로부터 발생되는 연소생성물이 터어빈을 통과하는 것이 바람직하지 않을 경우에 사용된다. 어떠한 연소생성물도 발생되지 않도록 다른 열원(즉, 공업적, 화학적, 태양열방식, 핵반응식, 지열식 등의)을 이용하는 유사한 회로과 사용될 수도 있다. 중요한 차이점은, 석탄을 이용하는 로가 다른 유형의 열교환기로 대체된다는 점이다.
제 9도에 도시된 가스터어빈 발전설비에서와 마찬가지로, 외부의 열싸이클이 터어빈 내부에서의 공기의 팽창중에 재열단계를 포함할 수가 있다. 작은 유체로서 연소생성물을 갖지 않는 개방 혹은 폐쇄된 외부의 열싸이클의 특징은, 터어빈으로 부터 배출된 가스의 열용량이 유입가스의 열용량과 동일하다는 점이다. 따라서, 2가지 가스흐름의 열용량의 차이로 인한 과잉의 열이 발생하지 않으며, 그 결과 이러한 회로내에서는 추가의 터어빈이 제공되지 않는다.
제 12도는 제 1 발전기(453)를 구동시키는 가스터어빈(451) 및 제 2 발전기(457)를 구동시키는 가스터어빈(455)을 포함하고 있는 가스터어빈 발전설비(450)의 다른 실시예를 보여준다. 가스터어빈(451)으로 부터 배출된 가스의 열이 재생되어서 냉각압축공기를 가열시켜주며, 가열된 압축공기가공기터어빈(455)을 통과하면서 팽창된다. 공기터어빈이 사이클의 최종저온단계에서 사용되기 때문에, 이러한 싸이클을 공기하부싸이클(air bottoming cycle)이라고 한다.
공기하부싸이클을 갖는 가스터어빈 발전설비
제 12도를 참조하면, 제 1 회전식 압축기(459)로 부터 압축된 고온공기가 연료의 연소를 위해서 연소챔버(461)에 공급된다. 그리고나서, 연소가스가 제 1 발전기(453)를 구동시키는 가스터어빈(451)의 입력부로 공급된다. 종래방식의 제 2 회전식 압축기(463)로부터 압축된 고온공기가, 제 1도 내지 제 7도에 관련하여 앞에서 설명된 바와같은 가스구동식 등온압축기(465)에 공급된다. 등온압축기(465)로부터 압축된 냉각공기는 열교환기(467)로 유입되는데, 이 열교환기(467)내에서는 가스터어빈(451)에서 배출되는 고온가스에 의해서 압축공기가 가열된다. 열교환기(467)로부터 고온압축공기가 공기터어빈(455)의 입력부로 공급되며, 공기터어빈(455)은 제 2 발전기 (457)를 구동시킨다.
등온압축기를 갖춘 공기하부싸이클이 제 9도 및 제 10도에 도시된 싸이클에 비해서 충분하지는 못하지만, 이러한 공기하부싸이클에서의 중요한 잇점은 싸이클 내에 사용되는 가스터어빈이 기존의 가스터어빈 발전설비에서 현재 사용되고 있는 가스터어빈으로 구성될 수 있다는 점이다. 따라서, 제 12도의 실시예는 새로운 가스터어빈의 개발에 드는 비용을 줄일 수가 있는 동시에 복합싸이클식 가스터어빈 및 증기발전설비(CCGT)에서 사용되는 증기발전설비의 추가비용을 부담하지 않아도 된다.
에너지 저장 및 재생방법
등온압축기가 공기와 같은 압축가스의 형태로 에너지를 저장하는데 사용될 수 있다. 압축가스의 형태로 에너지를 저장하는 장치는 이미 존재하고 있으나, 이러한 용도로 종래의 압축기를 사용하는 것은 에너지의 상당한 부분이 열로 소산되어서 재생될 수 없다는 것을 의미한다. 공기가 등온압축되면, 연소과정에서 보다 적은 에너지가 소모되고 원래의 에너지의 대부분을 재생할 수가 있다. 냉각압축공기는 별다른 누설이 없이 내부압력에 견딜 수 있는 적절한 용량으로 저장될 수가 있다. 예를들면, 이와같은 목적을 위해서 폐광이나 유정(oil well)을 사용할 수 있다. 고갈된 해변가의 유정은, 해수가 누설을 방지하는 자연적인 외부압력원을 제공한다는 잇점이 있다.
일반적으로, 등온압축기를 등온팽창기로 작동시키기 위해서는, 저장조로 부터 냉각 압축가스가 압축챔버안으로 유입되어 팽창하여서, 피스톤을 챔버밖으로 밀어주어야 한다. 가스가 팽창함에 따라서, 챔버안으로 액체가 분무되어서 가스 온도를 일정하게 유지시키거나 가스온도를 증가시킨다. 가스의 압력(및 열) 에너지가 운동에너지로 변환되며, 이러한 운동에너지는 제 2 챔버내의 가스를 압축시키는 제 2 피스톤이나, 또는 압축챔버안으로 복귀하여서 가스를 압축시키는 피스톤에 이용될 수가 있다. 가스가 단열압축되어서, 가스의 온도는 터어빈의 작동온도, 예를들어서 공기터어빈의 경우에는 약 300℃ 까지 상승한다.
제 13도는 등온압축를 역으로 등온팽창기로서 작동시켜서 저장된 에너지가 재생되는 에너지 저장장치를 보다 상세히 도시한 것이다. 제 13a도를 참조하면, 에너지 저장장치는 제 5도에 도시된 것과 유사한 등온압축기(501)를 포함하고 있는데, 이 등온압축기는 모터(505)에 의해서 자체적으로 구동되는 회전식 압축기(503)로 구동되는 것이다. 압축기(501)는 하부챔버(511)의 윗쪽으로 수직하게 배열된 상부 챔버(509)와, 그리고 각각의 챔버의 안팎으로 자유롭게 수직방향 상하로 작동되는 고체피스톤(512)을 포함하고 있다. 하부챔버(511)는 밀봉된 체적의 가스를 수용 하고 있으며, 단열적으로 탄성작용하는 챔버로서 피스톤을 압축챔버로서 작용하는 상부챔버(509)로 복귀시킨다. 상부챔버(509)는, 회전식 압축기로 부터 상부챔버 안으로 고온압축공기를 유입시키도록 밸브(525)에 의해서 제어되는 고온압축공기 유입구9521)를 갖추고 있다. 또한, 피스톤(512)의 하향 이동중에 상부챔버(509) 안으로 추가의 저압공기를 유입시키도록 밸브(533)에 의해서 제어되는 공기유입구 (529)가 제공되어 있다. 상부챔버 안으로 압축가스를 유입시키도록 밸브(517)에 의해 제어되는 압축가스 유출구(513)가 제공되어 있다. 압축가스유출구(513)는 습기분리기를 통해서, 예를들면 폐광등과 같은 대용량의 냉각압축가스저장부에 연결되어 있다. 또한, 상부챔버(509)는 액체분무분사용 유입구(537)를 갖추고 잇는데, 이 유입구(537)를 통해서 분무분사용 섬프(543)로부터 상부 챔버안으로 액체가 분무형태로 분사된다. 액체는, 저장조(544) 또는 예를들어서 강, 호수, 또는 저장탱크와 같이 적절한 공급원으로 부터 분무분사용 펌프로 공급되며, 습기 분리기로부터 저장탱크 또는 저장조(544)로 다시 복귀된다. 압축후에 압축챔버로 부터 추출된 분무액체는 대체로 대기온도 이상의 온도이며, 액체내의 열이 다음 단계의 에너지 재생에 사용하기 위하여 저장될 수 있다. 이 경우에, 저장된 물로 부터 주변으로의 열방출을 방지하기 위해서 저장조를 열적으로 단열시키는 것이 바람직하다.
제 13b도는 저장된 압축공기로부터 에너지를 재생하는 장치의 한 예를 도시한 것으로서, 등온팽창기(501)를 포함하고 있다.
등온팽창기(501)는 하부챔버(511) 윗쪽으로 수직하게 배열된 상부챔버(509) 및 각각의 챔버의 안팎으로 자유롭게 상하로 작동하는 고체피스톤(512)을 포함하고 있다. 상부챔버는 상부에 위치되어 밸브(525)에 의해서 제어되는 냉각압축가스 유입구(521)를 갖추고 있는데, 유입구(521)는 압축가스저장조(548)와 연결되어 있다. 또한, 상부챔버는 액체분무분사용 펌프(543)를 통해서 액체의 저장조(544)와 연결되어 있는 액체분무분사용 유입구(537)를 갖추고 있다. 상부챔버의 벽에는, 그 상부에 어느 정도의 거리를 두고서 밸브(517)에 의해 제어되는 가스유입구(513)가 형성되어 있으며, 가스유입구(513)는 습기분리기(547)에 연결되어 있다.
하부챔버(511)는 챔버 안으로 공기를 유입시키도록 밸브(519)에 의해서 제어되는 가스유입구(518), 및 공기터어빈(531)의 입력부에 연결된 밸브(529)에 의해 제어되는 압축가스 유출구(527)를 갖추고 있다. 가스유입구(517) 및 가스 유출구(527)는 하부챔버의 하부로 부터 어느 정도의 거리를 두고서 윗쪽으로 하부 챔버의 벽에 설치되어 있다. 발전기(533)를 구동시키도록 공기터어빈(531)이 배열되어 있다.
제 13b도에 도시된 에너지 재생장치는 다음과 같이 작동하는데, 먼저 피스톤 (512)이 상부챔버(509)의 상사점에 위치되어 있다. 이때, 하부챔버(511)는 압축된 신선한 공기를 수용하고 있고, 유입구(519) 및 유출구(529)는 모두 폐쇄되어 있다.
피스톤이 상사점에서 순간적으로 정지함에 따라서, 압축가스유입밸브(525)가 개방되어서 압축가스 저장조(548)로 부터 가스유입구(521)를 통하여 신선한 냉각 압축공기가 상부챔버(509) 안으로 유입된다. 그리고나서, 압축공기가 팽창하여 피스톤을 하향 이동시킨다. 동시에, 액체 저장조(544)로 부터 상부챔버 안으로 온수가 분무의 형태로 분사된다. 압축공기가 팽창함에 따라 액체분무가 압축공기에 열을 전달하여서 공기의 냉각을 방지하며, 이에따라서 등온팽창과정이 이루어진다. 피스톤이 하부챔버 안으로 이동함에 따라서 하부챔버내의 공기가 단열압축되며, 공기의 압력이 소정의 값에 도달했을때 가스유출밸브(529)가 개방되어서, 하부챔버로 부터 고온압축공기가 유출되어 공기터어빈(531)내에서 팽창된다. 피스톤(512)이 가스유입구(518) 및 가스유출구(519)를 통과함에 따라서, 이들 가스유입구 및 유출구 아랫쪽으로 챔버내에 잔류하는 공기가 단열압축되어서, 피스톤의 잔류에너지에 대한 임시 저장소로서 작용하여 피스톤을 상부챔버의 상사점으로 복귀시킨다.
피스톤이 하부챔버의 상사점에서 순간적으로 정지한 후에, 챔버내에 잔류 하는 고온압축공기의 팽창에 의해서 다시 상향이동된다, 피스톤의 운동이 역전 됨에 따라서, 상부챔버내의 가스유출밸브(517)가 개방되어서, 분무액체와 함께 팽창공기가 챔버로 부터 습기분릭(547)를 통하여 배출된다. 분무액체가 공기로 부터 분리되어 액체저장조(544)로 복귀되며, 공기는 습기분리기로 부터 대기중으로 배출된다. 피스톤이 하부챔버의 공기유입구(518)를 지나서 상향 이동함에 따라서, 공기유입밸브(519)가 개방되어서 신선한 고이가 다음 싸이클에서의 압축을 위해 챔버안으로 유입된다. 피스톤이 가스유출구(513)를 통과함에 따라서, 상부챔버내에 잔류하는공기에 의해 피스톤의 상향 운동이 정지된다. 최종적으로, 피스톤이 상부 챔버내의 상사점에 도달하면 싸이클이 완료된다.
제 13a도 및 제 13b도의 실시예들에서는 각각 하나의 물저장조가 제공된 것으로 도시되어 있으나, 최적의 저장방법은 등온팽창기를 통과하는 냉각수를 수용하는 하나이상의 단열된 저장조와, 그리고 등온압축기를 통과하는 온수를 수용하는 하나이상의 단열된 저장조를 제공하는 것이다. 다음의 저장 및 재생싸이클에서, 냉각수는 등온압축에 이용되고 온수는 등온팽창에 이용된다.
지금까지 설명된 제 13a도 및 제 13b도의 에너지 저장 및 재생장치들은, 에너지 재생과정중에 어떠한 연료나 외부열원을 필요로 하지 않는다. 등온 압축기 및 등온팽창기는, 이와같은 작동에 적합하게 변형된 하나의 동일한 장치(즉, 압축기 또는 팽창기 모두에 사용가능한 장치)로 구성될 수도 있고, 혹은 서로 별개의 2개의 장치를 사용하여 어느하나는 에너지 저장을 위한 가스의 등온압축을 수행하고 다른 하나는 에너지 재생을 위한 가스의 등온팽창을 수행하도록 구성될 수도 있다. 에너지 재생을 위한 등온팽창 과정은 공기가 팽창할때 공기의 냉각을 방지하는 열원을 필요로 하지만, 이러한 열은 대기온도 상태의 물을 공급함으로써 제공될 수가 있다. 이와같은 대기온도 상태의 열원을 사용하는 경우에 (예를들면, 공업적 과정에서 발생되는 열이나, 혹은 기존의 발전설비의 냉각시스템으로 부터 제공되는 열), 보다 많은 전기 에너지가 원래의 상태로 재생될 수 있다.
에너지 저장을 위한 다른 방법은, 제 9도 내지 제 11도와 관련하여 앞에서 설명된 바와같은 싸이클을 이용하되, 냉각압축공기를 저장하는 설비를 제공하도록구성하는 것이다. 필요한 동력이 작을 경우에, 과잉의 동력은 공동부(cavity)를 압축시키는데 사용된다. 동력이 많이 필요한 경우에는, 공동부로 부터 냉각공기가 배출되고 최대의 동력이 소비자에게 전달된다.
제 9도와 관련하여 앞에서 설명된 등온압축기 및 가스터어빈 발전설비를 에너지저장 및 재생장치에 사용하는 실시예가 제 14도에 도시되어 있다. 제 14도에 도시된 가스터어빈의 구성붑품은 제 9도에 도시된 구성부품들과 동일하며, 동일한 구성부품에 대해서는 동일한 참조부호를 사용한다. 제 14도에는 2개의 서로 다른 에너지 저장장치가 도시되어 있는데, 하나는 얼음형태의 열에너지 저장장치를 포함하고 있고, 다른 하나는 앞에서 설명된 바와같은 냉각압축공기 형태의 에너지 저장장치를 포함하고 있다. 후자의 에너지 저장장치에서는 등온압축기의 출력부가 커다란 공동부와 연결되어 있는데, 이러한 공동부내에 압축공기가 저장될 수 있다. 작은 동력이 필요한 경우에는, 가스터어빈 발전설비를 구동시키는데 필요한 것보다 많은 등온공기가 발생되며, 이러한 과잉의 공기가 저장된다. 많은 동력이 필요한 경우에는, 가스터어빈 발전설비로 부터 발생되는 등온공기의 양이 감소되며, 저장용 공도웁로 부터 공기를 끌어내면 된다. 종래의 압축공기 저장시스템에 비해서 등온 압축기를 사용한 에너지 저장시스템의 장점은, 공기가 저장된 상태에서와 동일한 온도로 압축되기 때문에, 소비될 수도 있는 과잉의 열을 발생시키는 에너지의 소모는 없다는 것이다.
제 14도에 도시된 제 2 에너지 저장장치는, 얼음 및 물 또는 이들 중 어느 하나를 저장하는 저장소에 연결되어 있는 냉동시스템(213)을 포함하고 있다. 압축과정중에 분무로 사용되는 물이 저장조(215)로 부터 등온압축기(203)로 공급될 수 있다. 이러한 얼음 또는 물의 열을 저장하는 냉동시스템은, 일교차 및 밤과 낮의 온도차가 큰 경우에 매우 바람직하다. 통상적으로 밤에는, 대기온도는 낮지만 필요한 동력도 낮으므로, 발전설비가 최대의 용량으로 작동될 수 있어서, 과잉의 동력이 냉동시스템(213)을 구동시키는데 사용되므로, 물을 얼음의 상태로 냉동시켜서 저장할 수가 있다. 이 경우에, 외부의 분무식 물 냉각시스템(217)이 사용될 수 있다. 낮에는 동력의 소모가 심하며, 따라서 분무식 물 냉각시스템(217)이 얼음의 용해에 의해서 제공되는 냉각방식으로 대체될 수 있다.
공기를 포함한 여러가지 압축가스를 사용하는 많은 공업적 과정(processes)이 있다. 예를들어서, 냉동 및 기화가 있다. 이러하 과정들은 흔히 가스를 분리 및 정화시키는데 사용되고 있다, 압축과정은 에너지가 집약되는 과정이다. 등온압축기는 동력소모를 감소시키므로, 여러가지 가스를 냉동시키거나 기화시키는데에도 사용될 수 있다.
열동력식 가스압축기(연소구동식 압축기)
제 15도는 발전설비의 한 구성요소로서 사용되는 열동력식 가스압축기의 일실시예를 도시한 것이다. 제 15도를 참조하면, 압축기(700)는 고온압축가스로 구동되는 가스압축기(701) 및 연료의 연소에 의해서 구동되는 연소압축기(703)를 포함하고 있다. 가스구동식 등온압축기(701)는 제 5도를 참조하여 앞에서 설명된 등온압축기와 매우 유사하며, 동일한 부품에 대해서는 맨앞의 700단위를 붙인 상응하는 참조부호를 표시하였다.
연소압축기(700)는 하부격벽(728)의 윗쪽으로 배열된 상부격벽(726)을 포함하고 있는데, 각각의 상부부격벽은 원통형 대칭구조를 가진다. 상부격벽(726)의 직경은 하부격격(728)의 직경보다 작으며, 각각의 격벽이 동심으로 정렬되어 있다. 상부격벽(726)에 형성된 연소챔버(730)는 밸브(738)에 의해서 제어되는 고온압축 가스 유이북(736), 연료유입구(744)와, 그리고 밸브(742)에 의해서 제어되는 배기 가스유출구(740)를 갖추고 있다. 고온압축가스 유입구(736)는 가스 대 공기식 열교환기(770)를 통해서 등온압축기(701)로 구동되는 값의 압축가스 유출구에 연결되어 있으며, 열교환기(770)가 연소챔버(726)에서 배출된 가스에 의해 냉각 압축가스 또는 공기를 예열시킨다.
또한, 연소압축기(703)는 하부격벽(728)의 상부에 형성되어 있는 단열압축 챔버(732)를 포함하고 있으며, 이 단열압축챔버(7S2)는 밸브(748)를 통해서 제어되는 가스유입구(746) 및 밸브(752)에 의해서 제어되는 압축가스 유출구(750)를 갖추고 있는데, 압축가스 유출구(750)는 발전기(782)를 구동시키는 공기터어빈(776)에 연결되어 있다. 단열압축 및 팽창챔버(734)가 하부격벽(728)의 하부에 형성되어 있다. 또한, 연소압축기(703)는 용적형 고체피스톤(759)을 포함하고 있는데, 이 고체피스톤(759)은 상부격벽(726)의 직경에 상응하는 크기의 상부(760) 및 하부격벽(728)의 직경에 상응하는 크기의 하부(762)로 이루어져 있다.
단열챔버(734)는 밀봉된 체적의 공기등의 가스를 수용하고 있어서, 피스톤의 하향 운동에너지를 상향 운동에너지로 변환시켜서 피스톤의 복귀행정을 구동시킨다.
연소챔버력의 둘레에 그리고 연소챔버의 상부 전체로 냉각자켓(758)이 형성되어 있으며, 연소챔버의 상부의 가스유입밸브와 가스유출밸브가 설치되어 있어서, 연소실 벽을 냉각시키는 냉각유체의 순환이 제공된다. 바람직하게, 등온압축기(701)에서 압축된 냉각공기의 일부가 냉각유체를 제공하며, 이러한 냉각유체가 습기분리기(749)에 의해서 압축가스로 부터 습기가 제거된 후에 냉각쟈켓(758)에 제공된다. 냉각자켓(758)은 단열압축챔버(732)내의 압축가스유출구(750)를 공기 터어빈(776)에 연결시키는 공급라인과 연결되어 있는 배출구(764)를 갖추고 있다. 따라서, 냉각쟈켓으로 제공된 냉각압축가스는 연소실 벽으로 부터 열을 재생하며, 이러한 열에너지가 공기터어빈(776)내의 냉각쟈켓을 빠져나오는 고온압축가스를 팽창시킴으로서 기계적인 에너지로 유용하게 변환된다.
등온가스압축기(701)는 단열압축챔버(732)내의 연소압축기(703)에 의해서 발생되는 고온압축가스의 일부에 의해서 구동된다. 가스압축기(701)의 작동에 의해서, 예를들면 40℃ 정도의 온도로 다량의 냉각압축공기 또는 다른 산화물이 제공된다. 압축기(701)는 그 구동에 필요한 만큼 이상의 상당한 양의 압축공기를 발생시킨다. 등온압축기(701)로 부터 압축된 냉각공기가 가열되어서 연소압축기(703)를 구동시키는데 사용된다. 연소압축기(703)의 작동에 의해서 다량의 고온 압축공기가 발생되며, 이러한 고온압축공기는 다음단계에서 발전을 목적으로 가스 터어빈을 구동시키는데 사용된다. 연소압축기(703)의 작동에 의해서 다량의 고온 압축공기가 발생되며, 이러한 고온압축공기는 다음단계에서 발전을 목적으로 가스 터어빈을 구동시키는데 사용된다. 앞서 설명한 바와같이, 연소압축기에 의해 발생된 고온압축공기의 일부가 등온압축기(701)를 구동시키는데 사용된다.
등온압축기(701)의 냉각압축공기 유출구(713)는 습기분리기(749) 및 가스 대 공기식 열교환기(770)를 통하여 연소압축기(703)의 고온압축가스 유입구(736)에 연결되어 있다. 연소압축기(703)의 배기가스 유출구(740)가 가스 대 공기식 열교환기(770)에 연결되어 있어서, 연소챔버를 빠져나온 고온의 배기가스로 부터 제공되는 열이 등온압축기(701)에서 압축된 냉각공기에 전달된다. 연소압축기의 고온압축 공기유출구(750)는 등온압축기(701)의 고온압축공기 유출구(721)에 연결되어 있다.
이제 제 15도에 도시된 압축기의 작동 싸이클을 설명하는데, 먼저 피스톤(712)의 등온압축기(701)의 등온압축챔버(709)내의 상사점에 위치했을때부터 시작한다. 연소압축챔버내의 모든 가스유입밸브 및 유출밸브는 폐쇄되어 있다.
피스톤(712)이 순간적으로 정지하면, 고온압축가스 유입밸브(725)가 개방 되어서 연소압축기(703)로 부터 고온압축가스 유입구(721)를 통해서 챔버(709) 안으로 고온압축공기가 유입된다. 이에 따라서, 피스톤(712)이 챔버(709)의 상사점으로부터 하향으로 구동된다. 피스톤이 소정의 위치에 도달하면, 압축가스 유입 밸브(725)가 폐쇄되고, 공기가 단열팽창하여서 피스톤을 계속해서 하향으로 구동 시킨다. 챔버(709)내의 공기의 압력이 소정의 값까지 떨어지면, 가스유입밸브(733)가 개방되고, 피스톤(712)이 챔버(709)로부터 빠져나옴에 따라서 비교적 저압의 추가의 공기(즉, 대기)가 챔버(709)안으로 유입된다. 이 단계에서, 피스톤(712)은 그 자체의 큰 관성에 의해 계속해서 하향 이동된다.
피스톤이 하향 이동함에 따라서 단열탄성챔버(711)내의 가스가 아랫쪽으로 압축되며, 이러한 압축은 단열과정으로 수행된다. 결국, 피스톤의 모든 운동에너지가 탄성챔버(711)내의 가스의 에너지로 변환되고, 피스톤은 순간적으로 정지된다. 이때, 등온압축챔버내의 가스유입밸브(733)가 폐쇄된다.
그리고나서, 탄성챔버(711)내의 가스가 팽창함에 따라 피스톤의 운동방향이 역전되어서 피스톤은 상향 구동된다. 피스톤(712)이 등온압축챔버안으로 복귀 하면서 챔버내에 수용된 가스를 압축시키는데, 챔버내의 가스는 연소압축기(703)로 부터 유입구(721)를 통해서 미리 유입된 냉각팽창공기와 유입구(729)를 통해서 유입된 비교적 저압의 공기로 이루어져 있다. 초기의 압축과정은 단열압축과정으로 수행되지만, 공기가 분무액체의 사용온도에 도달하면 분무분사용 유입구(737)를 통해서 압축챔버(709)안으로 액체가 분사된다. 액체분무를 형성하는 액적의 직경은 통상적으로 넓은 열전달 면적을 제공하는 약 0.4mm 정도이며, 이에 따라서 공기의 온도는 약 40℃ 이하로 유지된다. 분무가 없을 경우에는, 온도가 약 300℃ 이상에 도달한다.
압축챔버(709)내의 공기압력이 소정의 값에 도달하면, 압축가스 유출밸브(717)가 개방되어서 분무액체와 함께 냉각압축공기가 챔버로 부터 가스유출구(713)를 통하여 유출된다. 냉각압축공기와 분무액체의 혼합물이 습기분리기(749)를 통과하면서 분무액체가 분리되어서 복귀관로(753)를 통과하면서 분무액착 분리되어서 복귀관로(753)를 통하여 냉각시스템(745)으로 복귀된 후에, 이러한 분무액체가 분무형태로 재사용되기 전에, 냉각시스템내에서 냉각된다.
피스톤(712)의 상사점에 도달하기 진에, 압축가스 유출밸브(717)가 폐쇄되고, 챔버(709)의 상부에 잔류하는 가스의 압축에 의해서 피스톤의 나머지 운동에너지가 부분적으로 흡수된다. 피스톤(712)이 챔버(709)내에서 순간적으로 정지되면, 고온 압축가스 유입밸브(725)가 개방되어서 연소압축기(703)로부터 고온압축가스 유입구(721)를 통하여 신선한 고온압축공기가 챔버(709) 안으로 유입된다. 그리고나서, 피스톤은 압축공기의 팽창에 의해서 하향으로 구동되며, 이러한 싸이클이 계속 반복된다.
등온압축기(701)의 압축챔버(709)로 부터 압축된 냉각가스는, 습리분리기(749)를 통과한 후에 가스 대 공기식 열교환기(770)를 통과하면서 연소압축기로 부터 배출되는 가스의 열, 예를들면 약 40℃ 내지 850℃ 이상의 온도를 갖는 열에 의해서 가열된다. 이러한 온도는 열교환기(7700)에서의 재료의 제한조건 및 열교환기로 부터 연소압축기 까지의 관로손실 등에 따라서 결정된다.
이제 연소압축기(703)에 대해서 설명하면, 피스톤(759)이 연소챔버(730)의 사사점에서 순간적으로 정지했을때 고온압축가스 유입밸브(738)가 개방되어서 열교환기(770)로 부터 고온압축가스 유입부(736)를 통하여 챔버(730) 안으로 소정의 유량 만큼의 예열된 공기가 유입된다. 그리고나서, 공기유입밸브(738)가 폐쇄되고, 소정 유량의 연료가 연료분사구(744)를 통해 챔버(73) 안으로 분사된다. 연료가 연료되면서 피스톤(759)을 연소챔버(730)로부터 하향 구동시켜서, 피스톤에 운동에너지를 제공한다. 연료의 분사중에 가스압력이 거의 일정하게 유지되는 방식으로 연료가 공급된다. 소정량의 연료가 분사되면 연료분사가 중단되고, 연소가스는 약 20내지 30바아로 부터 거의 대기압 수준까지 단열팽창된다.
일정한 압력하에서의 연소중에, 냉각압축공기가 연소챔버(730)의 둘레로 냉각쟈켓(758)내에 분사되어서, 연소챔버의 벽을 냉각시킨다.
피스톤(759)이 상사점으로 부터 하향으로 이동함에 따라서, 가스유입구(746)를 통해서 단열압축챔버(732) 안으로 대기가 유입된다. 동시에, 피스톤이 단열탄성챔버(734) 안으로 이동하여서, 밀봉된 체적의 가스를 압축시키기 시작한다. 압축가스유입밸브(738)가 폐쇄되고, 연소챔버 안으로의 연료공급이 중단되면, 연소가스가 단열팽창 하면서 피스톤(712)에 계속해서 운동에너지를 제공한다. 이 운동에너지는 단열탄성챔버(734)내의 가스에 의해 흡수되고, 결국 피스톤은 순간적으로 정지하며, 이때 단열압축챔버(732)내의 가스유입밸브(748)를 폐쇄시킨다. 그리고나서, 단열탄성챔버(734)내의 가스가 단열팽창하여서 피스톤을 단열압축챔버(732) 및 연소챔버(730) 안으로 상향구동시킨다. 피스톤이 연소챔버(730) 안으로 이동함에 따라서, 배기가스 유출구(740)를 통하여 연소챔버로 부터 고온연소가스가 배출된다. 피스톤이 압축챔버(732) 안으로 상향 이동하면서 미리 압축챔버내에 유입되어 있던 공기를 압축시키며, 이에 따라서 압축열은 300℃ 이상의 온도로 증가된다. 단열압축챔버(732) 내의 공기가 소정의 압력, 예를들어서 공기터어빈의 작동공기유입압력인 20 내지 30 바아 정도의 압력에 도달하면, 고온압축가스 유출밸브(752)가 개방되어서, 고온 압축가스가 가스유출구(750)를 통하여 압축챔버(732)를 빠져나간다. 피스톤(759)은 계속하게 상사점까지 도달하며, 이에다라서 고온압축가스 유출구가 폐쇄된다.
대부분의 고온압축공기가 주공기터어빈(776)을 구동시키는데 사용되지만, 그러한 압축공기의 일부는 등온압축기(701)를 구동시키는데 사용된다.
연소압축기를 구동시키기 위해서 필요한 등온압축공기의 가열에 요구되는 만큼 이상의 열이 연소압축기(703)로 부터 배출되는 가스내에 존재하기 때문에, 과잉의 열이 등온압축기로 부터 제공되는 추가의 공기를 예열시키는데 사용되며, 이와같이 예열된 공기는 약 850℃이상의 온도를 가지며 직접 공기터어빈(776)을 통과하면서 팽창하여 추가의 동력을 발생시킨다.
고온의 배출가스로 부터 최대의 열재생을 위해서, 열동력식 압축기는 가스 대 공기식 열교환기(770)를 빠져나오는 압축공기의 온도 및 압력이 단열압축챔버(732)로 부터 압축된 공기의 온도 및 압력과 일치하거나 거의 일치하도록 구성되어야만 한다. 이는, 압축기를 고도의 압축기(예를들면, 25 내지 40)로 설계함으로써 가능하다. 최적의 단축비는, 절대 연소온도와 배출가스가 연소챔버를 빠져나올때의 절대온도의 비에 의해서 결정된다. 이 경우에, 가스 대 공기식 열교환기로부터 공기터어빈으로 유입되는 과잉의 공기를 부가시킴으로써 각각의 팽창과정에서 용이하게 과잉의 열을 추출해낼 수가 있다. 이러한 방식으로 과잉의 열을 재생함으로써, 바람직하게 별도의 작은 공기터어빈 및 그와 관련된 발전기를 사용할 필요가 없으며, 이는 곧 전체 발전설비의 비용을 감소시키는 것이다. 연소에 필요한 냉각압축가스를 예열시키는데 요구되는 배출가스내의 열은 통상적으로 배출가스내의 이용가능한 전체 열중에서 작은 비율(약 12% 정도)만을 차지한다. 그러나, 발전설비의 효율을 최대화 시키기 위해서는 어떠한 과정에서도 과잉의 열을 모두재생하는 것이 중요하다. 연소 챔버로 부터 배출되는 과잉의 열을 여러가지 방식으로 재생할 수가 있으며, 특정 압축기의 설계상의 변수(예를들어서 가스압축비, 연소챔버로의 공기유입온도, 및 연소온도 등)에 따라서 바람직한 방법이 결정된다. 예를들면, 어떤 경우에는 하나 이상의 보조공기터어빈이나 보조가스터어빈 및 그와 관련된 열교환기와 발전기를 포함하는 것이 바람직하다.
압축기(700)를 정지상태에서 작동시키기 위해서는 피스톤의 작동을 개시시키는 초기에너지를 제공하는 수단이 필요하며, 이는 등온압축기의 작동을 개시시키는 고온 압축공기를 발생시키도록 비교적 소형의 축선방향으로 작동하는 압축기를 제공함으로 충분하다. 등온압축기가 냉각압축공기를 발생시키면, 이는 연소압축기를 시동시키는데 사용될 수 있다.
등온압축기의 작동이 연소압축기에 의해서 좌우되고 또한 그 역으로도 그러하지만, 등온압축기의 작동싸이클과 연소압축기의 작동싸이클 사이의 상대적인 위상은 대체로 임의로 선택된다. 또한, 등온압축기의 작동주파수가 연소압축기의 작동 주파수와 다를 수도 있다. 일반적으로, 등온압축기로부터 압축되는 냉각공기의 유출과 연소압축기 안으로의 예열된 압축공기의 유입사이에는 미세한 시간간격이 존재한다. 마찬가지로, 연소압축기로 부터 압축된 고온공기의 유출과 등온압축기 안으로의 고온 압축공기의 유입사이에 미세한 시간간격이 존재한다. 다라서, 전체시스템내에서는 예를들면 각각의 압축기들 사이의 압축가스의 통로로 사용되는 도관의 길이와 같은 구성요소의 특성에 따라서 변화될 수 있는 미세한 시간상수가 존재한다. 등온압축기의 구성이 제 1도 내지 제 4도 및 제 6도와 관련하여 앞에서 설명된 것과는 다르게 변형될 수 있으며, 이는 이 기술분야의 양업자들에게는 당연하게 인식될 것이다.
더욱이, 연소압축기도 앞서 설명한 등온바축기와 마찬가지로 그 구성이 변형될 수 있고, 이러한 것도 당업자들에게는 용이하게 이해될 것이다. 예를들어서, 연소 압축기가 제 2도와 관련하여 앞에서 설명된 바와같이 U자형 도관내에 배열된 복합식 수체 및 유체피스톤을 포함할 수도 있으며, 연소압축기의 작동이 대칭으로 수행됨 으로써 한 싸이클당 2회의 고온압축공기를 시키도록 구성될 수도 있다.
연소구동식 압축기(고체피스톤식, 비대칭형) 열동력식 압축기의 다른 실시예에서는, 부피가 큰 하나의 피스톤을 통해서 이루어지는 연료의 연소에 의하며 직접적으로 단열압축 및 등온압축기 모두 수행되도록 구성될 수 있다.
피스톤의 한쪽 측면상의 챔버가 연소챔버로 작동되며, 연소챔버 내에서는 연료 및 공기나 산화물의 혼합물이 고온의 연소가스를 발생시키도록 점화되어서 피스톤에 운동에너지를 제공한다. 피스톤의 다른쪽 측면상의 챔버는 압출될 가스를 수용하며, 압축된 가스가 다음 단계에서 터어빈을 구동시키는데 사용될 수 있다.
연소가스는 회전식 압축기로 부터 배출되는 가스보다 대체로 높은 온도를 가지므로, 가스가 완전히 팽창한다면 보다 많은 에너지가 피스톤에 가해지며, 보다 많은 양의 가스가 압축챔버내에서 압축될 것이다. 연료의 연소에 사용되는 공기나 그밖의 다른 산화물은 그 자체가 압축챔버의 일부에서 압축될 수 있다. 이들 공기나 산화물은, 바축작동을 최소화시키기 위해서 액체분무에 의해 압축과정 중에 냉각될 수가 있다. 또는, 열교환기를 배열하여서 연소챔버에서 배출되는 고온가스와함께 냉각압축 가스의 적어도 일부를 예열시킬 수가 있으며, 이와같이 예열된 가스가 적절한 연료 와의 연소를 위해서 연소챔버 안으로 유입될 수 있다.
압축 챔버내의 가스의 일부가 단열압축되어서, 직접 가스터어빈을 구동 시키도록 공급될 수 있다. 예를들면, 압축가스가 공기터어빈을 구동시키는 공기로 구성되고, 공기터어빈이 비교적 저온으로 작동하며, 배출가스가 대기온도에 거의 근접한 온도가 되도록 구성할 수 있다. 따라서, 열에너지를 대유량의 압축곡기의 압축에너지로 변환시키도록 상당한 고온의 연소가스에 의해서 구동되는 가스 압축기와, 비교적 저온의 열을 방출시키는 압축공기에 의해서 구동되는 공기터어빈의 조합에 의한 구성을 하나의 열기관으로 고려할 수가 있는데, 이와같은 열기관의 작동은 이상적인 카르노 싸이클에 근접하며, 카르노 싸이클의 효율 η은, η=1-t1/t2 이고,
여기서 t1 은 방출열의 온도, t2는 흡수열의 온도이다.
피스톤은 수평면상으로 왕복이동하거나 또는 수직방향 상하로 왕복이동하게 배열될 수 있다. 고체 피스톤이 서로 인접한 상부의 압축챔버와 하부의 연소챔버 사이에서 수직방향으로 상하로 왕복이동하게 배열되는 실시예가 발전설비의 구성 요소로서 제 16도에 도시되어 있다.
제 16도를 참조하면, 열동력식 압축기(500)는 등온압축챔버(503) 및 단열 압축챔버(505)를 포함고 있으며, 이들 압축챔버는 모두 연소챔버(507) 윗쪽에 배열되어 있다. 이들 압축챔버(503,505)는 각각의 챔버의 상부로 부터 하향으로 연장한 수직배플(509)에 의해서 서로 분리되어 있다. 고체재료로 이루어진 피스톤(511)의 내부에는, 수직배플(509)을 수용하도록 피스톤(511)의 상부(512)로부터 하향으로연장한 슬롯(510)이 형성되어 있어서, 피스톤이 2개의 압축챔버(503,505)의 안팎으로 자유롭게 상하로 작동된다.
연소챔버(507)는 고온압축공기를 챔버 안으로 유입시키도록 고온압축공기 유입밸브(515)에 의해서 제어되는 고온압축공기 유입구(513)와, 연료분사구(517)와, 그리고 고온의 배출가스를 챔버로 부터 배출시키도록 배출가스유출밸브(521)에 의해서 제어되는 배출가스 유출구(521)를 갖추고 있다. 연소챔버(507)가 냉각쟈켓(523)을 통해서 냉각공기가 순환되면서 연소챔버의 벽(525)을 냉각시킨다. 각각의 압축챔버(503,505)는 공기를 각각의 압축챔버안으로 유입시키도록 밸브(531,533)에 의해서 제어되는 공기유입구(527,529)와, 그리고 각각의 챔버로 부터 압출공기를 배출시키도록 압축공기 유출밸브(539,541)에 의해서 제어되는 압축가스 유출구(535,537)를 갖추고 있다. 또한, 등온압축챔버(503)는 냉각액체분무를 분사시키는 액체 분무분사용 유입구(543)를 갖추고 있다. 펌프(545)에 의해서 분무가 분사되며, 이와같이 분사된 분무는 냉각시스템(547)으로 부터 분무액체를 추출시킨다.
등온압축챔버(503)의 압축공기 유출구(535)는 습기분리기(549)에 연결되어 있고, 습기분리기(549)에서는 압축된 공기내에 함유된 분무액체가 분리된다. 단열압축챔버(505)의 압축공기 유출구(537)는 주공기터어빈(551)의 입력부에 연결 되어 있는데, 주공기터어빈(551)은 제 2공기터어빈(553)과 함께 발전기(555)를 구동시킨다.
습기분리기(549)로 부터 냉각압축공기가 3방향으로 분리된다. 분리된 압축공기의 일부는 가스 대 공기식 열교환기(557)를 통과하면서, 연소챔버(507)로부터 배출되는 가스의 일에 의해서 가열된다. 습기분리기(549)로 부터 분리된 압축공기의 다른 일부는 연소챔버(507)의 냉각쟈켓(523)을 통과하면서, 연소챔버의 벽(525)을 냉각시킨다. 습기분리기(549)로 부터 분리된 압축공기의 또 다른 일부는 공기 대 공기식 열교환기(559)를 통과하면서, 제 2 공기터어빈(553)으로 부터 배출되는 공기에 의해서 예열된 후에, 단열압축챔버(505)에서 배출되는 고온압축공기의 주유동을 따라서 함께 주공기터어빈(551)의 입력부를 통과한다.
이제 압축기(500)의 작동싸이클을 설명하는데, 먼저 피스톤(511)이 연소챔버 (507)의 기부(508) 바로 윗쪽에서 순간적으로 정지되어서 연소챔버내의 압축공기에 의해 지지되어 있는 상태로 부터 시작한다. 각각의 압축챔버(503,505)는 그 전단계의 싸이클 과정에서 각각의 가스유입구(529,527)를 통하여 배출된 공기를 수용하고 있으며, 각각의 가스유입밸브(533,535) 및 가스유출밸브(539,541)는 폐쇄되어 있다.
피스톤이 연소챔버(507)내에서 정지한 후에, 연소챔버내의 공기가 단열팽창 함에 따라서 피스톤의 역전운동이 시작된다. 동시에, 고온압축가스유입밸브(515)가 개방되어서, 압축가스유입구(513)를 통해 챔버 안으로 고온압축공기가 유입된다. 연료분사구(517)를 통해서 챔버 안으로 분사된 연료가 고온의 유입공기와 혼합되어서, 약 2000℃ 이상의 온도로 연소가스르르 발생시킨다. 그리고나서, 연소가스가 일정한 압력하에서 팽창하여서, 피스톤을 연소챔버로 부터 상향으로 구동시킨다.
연료가 천연가스일 경우에는, 공기온도가 550℃ 이상이면 연료는 자연 발화된다. 공기가 저온으로 가열된 경우에는, 예를들어서 시동장치에 의해 외부 에서의 점화가 필요하다. 공기온도가 매우 높을 경우에도, 어떤 연료는 매 싸이클 마다 점화를 필요로 한다. 연료분사속도가 제어되어서, 연소챔버(507)내의 온도가 거의 일정하게 유지된다. 이러한 구성의 잇점은, 저장조내에 제공되는 최대 압력을 상당히 완화시킨다. 이에 따라서, 압력용기의 벽을 두껍게 제조하지 않아도 되며, 압축과정중에서 소음 및 진동을 제한한다, 단점은, 효율이 떨어진다는 점이다.
연소과정중에 연소챔버내의 압력은 거의 일정하게 유지된다. 동시에, 피스톤 (511)이 작동하여서 각각의 압축챔버(503,505)내에 수용된 공기를 압축시킨다. 등온 압축챔버내의 공기의 압축과정에서는, 챔버안으로 액체분무가 분사되어서 가스를 냉각 시키고 압축열을 흡수한다. 챔버안으로의 액체분무의 분사는 챔버내의 공 기온도가 분무액체의 온도에 도달했을때 중지된다. 분무액체가 일정한 속도로 분사될 수 있다.
피스톤(511)의 상향 이동중에, 임의의 지점에서 연소챔버내의 압축공기 유입밸브 (515)가 폐쇄되고 연료분사가 중단된다. 이는, 소정량의 연료가 분사된 시기이다. 그리고나서, 연소가스는 거의 대기압까지 단열팽창한다. 연소가스의 단열팽창은 피스톤(511)상에 일을 제공하며, 그 결과 운동에너지 및 위치에너지가 제공되 고, 피스톤의 이동이 각각의 압축챔버(503,505)내의 상사점 까지 계속된다.
단열압축챔버(505)내의 압축공기의 압력이 소정의 값에 도달하면, 압축가스 유출밸브(541)가 개방되어서 고온압축가스가 챔버로 부터 압축가스 유출구(537)를 통하여 배출된다. 그리고나서, 고온압축공기가 주공기터어빈(551)의 입력부를 통과하면서 팽창되고, 기계적 동력을 발생시켜서 발전기(555)를 구동시킨다. 바람직하게, 주공기 터어빈의 입구온도와 압축기로 부터 단열압축된 공기의 출구온도는 일치한다.
주공기터어빈의 배출공기의 온도는 대기온도에 가깝다.
단열압축챔버(503)내의 공기의 압력이 소정의 값에 도달하면, 압축가스 유입밸브(539)가 개방되어서 분무액체와 함께 냉각압축공기가 압축가스 유출구 (535)를 통해 챔버로 부터 배출된 후에, 습기분리기(549)를 통과하면서 압축공기로 부터 분무액체가 분리된다. 습기분리기에서 분리된 분무액체는, 분무형태로 재사용 되기 전에 냉각시스템(547)을 통해서 순환된다.
습기분리기(549)로 부터 배출된 냉각압축공기의 일부는 가스 대 공기식 열교환기(557)를 통과하면서, 그 전단계의 싸이클중에 연소챔버로 부터 배출된 배출 가스의 열에 의해서 예열된다. 가스 대 공기식 열교환기(557)를 빠져나온 예열된 압축공기의 일부는 연소챔버(507)로 유입되며, 다른 일부는 제 2공기터어빈(553)의 입력부로 유입된 후에 팽창되어서 발전기(555)를 구동시키는 기계적 동력을 발생 시킨다.
습기분리기(549)에서 배출된 압축공기의 다른 일부는 공기 대 공기식 열교환기 (549)를 통과하면서, 제 2공기터어빈(553)에서 배출된 가스에 의해서 가열된 후에, 이와같이 예열된 공기가 주공기터어빈(551) 안으로 유입되어서 단열압축챔버(505)로 부터 배출된 고온공기의 주유량을 보충시킨다.
습기분리기(549)에서 배출된 냉각압축공기의 또 다른 일부는 연소챔버를 둘러싸는 냉각쟈켓(523)으로 공급되어서, 연소챔버의 벽을 냉각시킨다. 이러한 냉각공기의 일부는 연소챔버내의 피스톤헤드(514)를 냉각시키는데에도 이용된다. 이는, 냉각쟈켓(523)으로 부터 유입된 공기가 통과하는 다수의 구멍을 연소챔버의 벽에 형성함으로써 이루어진다. 연소챔버의 벽에 형성되어 있는 구멍에 상응하는 위치에 있는 피스톤의 측면에 다수의 구멍혹은 슬롯이 형성되어 있다. 피스톤의 내부는, 이들 슬롯으로 부터 피스톤으로의 공기유동이 제공되어 피스톤을 냉각 시키도록 설계되어 있다. 이와는 다르게, 피스톤에는 한쪽 혹은 양쪽 압축챔버로 부터 피스톤헤드(514)로의 제한된 공기의 유동을 허용하는 통로들이 형성될 수 있다.
결국, 냉각공기는 냉각자켓(523)으로 부터 연소챔버의 벽에 형성된 다수의 구멍을 통해서 연소챔버로 유입된다. 또한, 냉각공기가 연소챔버(507)의 기부(508)에 형성된 공기통로를 통해 순환하면서 기부 및 밸브와 밸브시이트를 냉각 시킨다. 또는, 냉각공기가 연소챔버 안으로 유입되지는 않고 주공기터어빈으로 유동하는 공기에 부가되도록 작용하는 수단을 설치할 수도 있다. 이는, 냉 각공기에대한 열재생효율을 높여준다.
피스톤(511)이 상사점에 도달하면, 각각의 압축챔버(503,505)내의 압축가스 유출밸브(539,541)가 폐쇄되어서, 압축공기의 일부가 각각의 챔버안에 잔류하게 된다. 중력의 작용에 의해서 그리고 잔류하는 압축공기의 팽창에 의해서, 피스톤(511)의 운동이 역전되어 압축챔버로 부터 연소챔버(507)안으로 진행된다. 압축 챔버내의 압력이 유입공기의 압력에 도달하면, 각각의 가스유입밸브(527,533)가 개방되어서 각각의 가스유입구(535,537)를 통하여 챔버안으로 공기가 유입된다.
연소챔버내의 연소가스의 압력이 가스가 가스 대 공기식 열교환기(557)를 통과하여서 결국 대기중으로 방출되도록 가스를 밀어주기에 충분한 압력까지 도달 하면, 유출밸브(521)가 개방되어서 연소챔버로 부터 배출가스 유출구(519)를 통하여 배출가스가 배출된다. 이러한 과정에서, 저압의 냉각공기가 연소챔버의 쟈 켓 둘레로 그리고 연소챔버의 내부로 유입될 수 있다. 연소챔버 안으로 유입된 공기는 잔류 하는 배출가스를 확실하게 배출시키는 작용을 한다. 또한, 저압의 냉각공기가 대기중으로 직접 공기를 배출시키는 팬(fans)에 의해서 제공될 수도 있다.
피스톤(511)이 연소챔버(507)의 기부에 도달하기 전에 그리고 모든 냉각 공기가 연소챔버(507)로 부터 강제로 배출되기 전에, 유출밸브(521)가 폐쇄되고, 잔류하는 공기와 배출가스가 단열압축되어서 피스톤(511)을 연소챔버의 기부의 바로 윗쪽으로 정지시킨다. 유출밸브(521)의 폐쇄시기는, 피스톤의 운동이 역전되는 시점 에서 연소챔버내의 압력이 연소과정의 개시시점에 열교환기에 의해 유입되는 고온 압축공기의 압력과 거의 동일해지도록 설계되어 있다.
피스톤이 연소챔버내에서 정지되면, 압축챔버(503,505)내의 가스유입밸브 (527,529)가 폐쇄된다. 압축챔버내의 고온압축가스 유입밸브(515)가 개방고, 가스 대 공기식 열교환기(557)로 부터 소정량의 고온압축공기가 연소챔버안으로 유입된다. 연료분사구(517)를 통해 연소챔버안으로 연료가 분사되고 점화되어서, 연료와 고온압축공기의 혼합물의 연소에 의해 피스톤(511)이 사향 구동되면서, 그 다음 싸이클이 시작된다.
제 16도를 참조하면, 연소챔버(507)로 부터 배출되는 고온가스의 열재생을최대화하기 위해서, 추가의 공기터어빈(553) 및 공기 대 공기식 열교환기(559)가 제공되어 있다. 일반적으로, 유입되는 압축연소공기를 가열시키는데 필요한 만큼 이상의 열이 배출가스내에 존재한다. 이러한 과잉의 열은 소형의 제 2공기터어빈(553)으로 유입되는 보다 많은 압축공기를 가열시는데 사용되며, 제 2공기터어빈(553)은 주공기터어빈(551) 보다 높은 유입온도로 작동한다. 제 2공기터어빈(533)의 유출공기도 추가의 열재생이 충분할 정도로 고온이다. 이러한 열은, 소형의 열교환기(559)내에서 별도의 냉각압축공기의 유동으로 전달된다. 최종의 고온압축공기가 주공기터어빈의 팽창을 위한 적절한 온도 및 압력을 가지도록 시스템을 설계할 수도 있으며, 이 경우에 최종의 고온압축공기의 유동을 단열팽창공기의 주유동에 부가시킬 수가 있다.
여러가지 습기분리기가 사용가능하며, 발전용등으로 수년전부터 습기분리기의 사용이 널리 보급되었다. 그 대표적인 예는 사이클로식 분리기, 축류선회베인식 분리기, 및 파형플레이트식 분리기로 인한 압력손실은 최소화되어야 한다는 점이 중요한데, 이는 압축기의 효율에 영향을 주기 때문이다.
열교환기는 전체시스템에서 매우 중요한 구성부품인데, 이는 배출가스의 온도가 높기 때문이다. 실제로, 가스의 배출온도는 전체 시스템을 설계하는데 있어서 중요한 변수이다. 열교환기의 벽을 가로지르며 적어도 10바아 정도의 압력차가 존재한다. 이는, 회전식 열교환기가 그러한 압력차를 밀봉시키는 어려움 으로 인해 적절한 것이 아님을 의미한다. 밸브식 재열기를 사용할 수도 있지만, 큰 용적으로 인하여 고압에서 저압으로의 유동시 큰 노출이 발생할 가능성이 있다.
따라서, 아마도 대향류식 열교환기가 가장 바람직할 것이다. 비용을 최소화하기 위해서, 열교환기의 고온부와 저온부를 서로 다른 재료로 구성할 수도 있다.
열교환기의 주기적인 세척을 용이하게 수행할 필요가 있다. 이는, 시스템이 부하를 받지 않는 상태에서 수행되는 것이 통상적인 방법이지만, 부하중에 세척이 가능한 시스템도 고려할 수가 있다.
다시 제 16도를 참조하면, 가스 대 공기식 열교환기(557)는 고온의 배출가스로 부터 열을 저장하는 한편 압축가스로 부터의 열도 저장할 수 있는 용량을 가져야만 하는데, 이는 배출가스 및 압축가스의 생성이 동시에 발생하지 않지만 액체피스톤의 한 싸이클 중 절반부에 상응하는 시간 간격 만큼 분리되어 발생하기 때문이다.
더욱이, 공기터어빈을 통과하면서 단열팽창되는 대용량의 가스를 단열팽창 시킴으로써 동력이 추출되는 방식의, 제 16도에 도시된 열동력식 압축기는 불과 수 초정도의 시간간격으로 압축공기를 제공한다. 그러나, 가스터어빈은 거의 연속적인 압축가스의 유동을 필요로 한다. 이와같이 시스템의 서로 다른 구성요소 들내에서의 공기유동의 시기의 불일치는, 공기를 임시로 저장하는 저장조(도시안됨)를 제공함으로써 해결된다. 그러나, 대부분의 경우에 용이한 방식으로 매니폴드에 의해서 연결된 다수의 압축기 유닛(약 8개 또는 10개 정도의)을 제공함으로써, 이와 같은 임시 저장소는 필요치 않다. 가스 대 공기식 열교환기에 대해서도 유사한 방법이 적용될 수 있지만, 이 경우에는 매니폴드에 의해서 주열교환기중 어느 하나에 다소 작은 그롭의 압축기(약 4개정도)가 연결되는 것이 바람직하다.
저장조 대신에 매니폴드를 사용한다는 것은 압축기 유닛의 위상을 제어할 필요가 있다는 것을 의미한다. 이는, 공기밸브 및 연소가스 밸브를 제어하는 마이크로프로세서에 의해서 제공된다.
제 16도에 도시된 열동력식 압축기의 실시예에서는, 피스톤의 한쪽 측면상에 연소챔버가 제공되어 있고, 다른쪽 측면상에는 등온압축챔버 및 단열압축챔버가 제공 되어 있다. 연소가스의 연소 및 그 다음단계의 팽창에 의해 피스톤에 운동에너지가 제공되어서, 피스톤이 압축챔버 안으로 이동하여 가스를 압축시킨다. 가스가 압축된 후에 각각의 압축챔버로 부터 배출되고, 피스톤의 운동방향이 역전되어서 피스톤은 다시 연소챔버 안으로 복귀된다. 이와같은 피스톤의 복귀운동은 중력 및 연소챔버 내에 잔류하는 압축가스의 팽창에 의해서 구동된다. 피스톤의 옹복운동이 서로 다른 기구에 의해서 구동되며, 가스는 피스톤의 한쪽 방향으로의 운도에 의해서만 압축 된다. 따라서, 제 16도의 실시예는 비대칭형 구조이다.
여기서, 피스톤의 하향작동이 상당한 속도로 이루어진다는 점이 중요한데, 이는 전체 피스톤의 질량을 전체 복귀행정중에 중력에 의해서 작용되는 복원력의 방향으로 배열함으로써 제공되는 것이다. 따라서, 중력에 의한 최대의 복원력이 피스톤의 복귀행정 중에 제공되며, 이는 약 9.8m/s 정도의 최대가속이 하향으로 가해짐을 의미한다. 이러한 하향의 가속은 압축챔버들 중 적어도 하나의 챔버 내에서 잔류하는 공기나 다른 가스의 팽창에 의해서 보다 증가될 수 있다.
열동력식 압축기의 중요한 특징은, 피스톤이 그 운동에너지 또는 위치 에너지에 상응하는 연소가스의 팽창에너지를 임시로 저장하기에 충분한 질량을 갖는 다는 점이다. 고체 피스톤은 보다 소형의 조립체내에서 액체피스톤의 질량에 상응하는 질량을 제공할 수가 있다. 또한, 피스톤에 의한 마찰은 하나 이상의 굽힘 부분을 갖는 액체피스톤에 비해서 고체피스톤에서는 다소 작아진다는 점이 중요하다.
따라서, 연소과정에서의 피스톤의 가속은 액체피스톤 보다는 고체피스톤의 경우에 훨씬 크며, 결국에는 가속이 액체분무내의 액적과 등온압축챔버내의 가스사이의 열전달율에 의해서 제한되기는 하지만 고체피스톤이 보다 바람직하다는 것을 의미 한다.
배출가스의 이슬점은 가스 대 공기식 열교환기의 냉각단부에 도달하여서, 열교환기 자체내에서 혹은 굴뚝의 단부에서 응축된다. 필요한 경우에, 굴뚝의 단부 및 열교환기내에서의 응축은 2개의 공기터어빈에서 배출되는 따뜻한 공기의 일부를 배출가스와 혼합시킴으로써 제거될 수 있다. 발전설비가 한쌍의 공기터어 빈을 구동 시키도록 배열될 수도 있다. 이는, 고온압축공기를 연속적으로 터어빈에 공급되게 할 뿐만아니라 각각의 압축기의 작동을 용이하게 한다. 예를들면, 시스템내에서의 일정한 시간상수로 인하여, 한쪽 압축기내에서 발생된 냉각압축공기가 다른쪽 챔버 내의 연소과정을 구동시키는데 사용될 수 있다. 한쪽 압축기내에서의 배기행정중에 연소챔버의 벽을 냉각시키기 위한 냉각공기가 다른쪽 압축기의 등온압축챔버로부터 공급될 수도 있다. 또한, 서로 다른 위상으로 작동하도록 압축기들을 배열함으로써, 용적인 큰 피스톤의 가속 및 감속에 의해서 발생되는 진동을 감소시킬 수도 있다.
하나의 고체피스톤을 갖춘 열동력식 압축기의 또 다른 실시예에서는, 단열압축챔버 및 등온압축챔버가 제 16도에 도시된 바와같이 고체피스톤의 운동방향에 수직하게 배열되는 대신에 평행하게 배열될 수도 있다. 이러한 특징을 포함 하고 있는 실시예가 제 17도에서 발전설비의 한 구성요소로서 도시되어 있다.
제 17도를 참조하면, 열동력식 압축기(600)는 서로 수직으로 배열된 2개의 격벽을 포함하고 있다. 연소챔버(603)는 상부격벽(601)의 상부에 형성되어 있고, 단열압축챔버(605)는 상부격벽(601)의 하부에 형성되어 있다. 하부격벽(607)의 상부에는 등온압축챔버(609)가 형성되어 있으며, 하부격벽(607)의 하부에는 단열 압축 및 팽창챔버(613)가 형성되어 있다.
연소챔버(603)는 고온압축공기를 챔버 안으로 유입시키도록 밸브(625)에 의해서 제어되는 공기유입구(623)와, 챔버 안으로 연료를 분사시키기 위한 연료 분사구(627)와, 연소챔버(603)로 부터 배출가스를 배출시키도록 밸브(631)에 의해서 제어되는 배출가스 유출구(629)를 포함하고 있다. 압축공기 유입구(623) 및 배출가스 유출구(629)는 가스 대 공기식 열교환기(670)의 동일한 측면에 연결 되어 있다.
단열압축챔버(605) 및 등온압축챔버(609)는 각각의 챔버안으로 공기를 유입 시키도록 각각 밸브(637,639)에 의해서 제어되는 공기유입구(633,635), 및 각각의 챔버로 부터 압축공기를 배출시키도록 밸브(645,647)에 의해서 제어되는 압축가스 유출구(641,643)를 포함하고 있다.
온압축챔버(609)도 챔버 안으로 액체분무를 분사시키기 위한 다수의 액체 분무분사용 유입구(648)를 갖추고 있다. 바람직하게, 분무노즐은 환형의 체적을 통해서 균일한 분무를 제공하도록 배열되어 있다. 등온압축챔버(609)내의 압축공기 유출구(643)는 압축공기내의 분무책체를 분리시키는 습기분리기(680)에 연결되어 있다. 습기분리기(680)는 냉각시스템(682) 및 분무분사용 펌프(650)를 통해서 분무분사용 유입구(648)에 연결되어 있다. 냉각시스템(682)은 분무액체가 분무 형태로 재사용되기 저너에 습기분리기에서 배출된 분무액체를 냉각시킨다. 펌프(650)가 습기분리기(680)로부터 등온압축챔버로 액체를 계속 순환시킨다. 분무액체를 수용하는 헤더탱크(684)가 제공되어서, 회로상에서 유실되는 액체를 보충한다. 단열압축챔버(605)내의 압축공기 유출구(641)는 발전기(647)를 구동 시키는 주공기터어빈(672)의 입력부에 연결되어 있다. 압축기로 부터의 고온압축 공기가 터어빈(672)내에서 팽창되어서 발전을 위한 기계적 동력을 제공한다, 습기분리기에서 배출된 냉각압축공기의 일부가 가스 대 공기식 열교환기(670)를 통과하면서, 연소챔버로 부터 배출되는 배출가스의 열에 의해 예열된다. 그리고 나서, 예열된 공기의 일부가 연소를 위하여 연소챔버(603) 안으로 유입된다.
그러나, 연소에 필요한 냉각압축공기를 예열시키는데 필요한 만큼 이상의 열이 배출가스내에 존재하다. 이러한 과잉의 열을 재생하기 위해서, 압축기는 실제로 연소챔버를 구동시키는데 필요한 만큼 이상의 많은 압축공기를 발생시키도록 설계되어 있다. 이러한 과잉의 압축공기가 가스 대 공기식 열교환기(670)를 통과 하면서 배출가스내의 과잉의 열을 흡수한 후에 이를 제 2공기터어빈(676)으로 공급 하며, 제 2공기터어빈내에서 압축공기가 팽창되어서 유용한 기계적 동력을 발생 시킨다.
제 2공기터어빈(676)으로 부터 배출된 공기의 온도는 대기의 온도보다 훨씬높으며, 배출공기내의 열은 공기 대 공기식 습기분리기(678)내에서 습길분리기(680)를 빠져나온 냉각압축공기의 일부로 열을 전달함으로써 재생될 수가 있다. 그리고나서, 예열된 압축공기가 주공기터어빈(672)으로 공급되며, 주공기터어빈 내에서 단열압축챔버(605)로 부터 압축된 고온공기와 함께 팽창한다.
단열압축 및 팽창챔버(613)는 다량의 가스, 예를들면 공기를 포함하고 있는데, 압축기의 작동중에 이러한 가스가 번갈아서 압축 또는 팽창된다. 이 가스는, 피스톤의 한쪽 방향으로의 운동에너지를 다른쪽 방향으로의 운동에너지를 변환시키는 스프링 (탄성)작용을 한다. 즉, 가스가 피스톤을 상사점으로 복귀시키는 수단을 제공하여서, 압축기의 작동싸이클이 완성된다. 따라서, 이 챔버(613)는 압축기의 정상적인 작동 싸이클 중에 개폐되는 밸브에 의해서 제어되는 가스유입구 및 가스유출구를 필요로 하지 않는다. 그러나, 챔버로 부터 누설되는 가스를 보충하는 수단(도시안됨)은 필요하다.
고체재료로 구성된 피스톤(615)은 상부, 중간부, 및 하부를 갖추고 있으며, 수직방향으로 선형 이동한다. 피스톤(615)의 상부(617)는 상부격벽(601)의 직경에 상응하는 칫수이며, 연소챔버(603)와 단열압축챔버(605)의 안팎으로 각각의 격벽의 수직방향 말단부들 사이에서 상하로 자유롭게 이동한다. 피스톤(615)의 하부(619)는 하부격벽(607)의 직경에 상응하는 칫수이며, 등온압축챔버(609)와 단열압축 및 팽창 챔버(613)의 안팎으로 각각의 격벽의 수직방향 말단부들 사이에서 상하로 자유롭게 이동한다. 피스톤의 상하부(617,619)는 서로 연결되어 있으며 중간부(621)에 의해서 수직방향으로 이격되어 있는데, 중간부(621)는 상하부 격벽의 직경 보다작은 직경의 샤프트를 포함하고 있다. 샤프트는 상하부 격벽을 분리시키는 분할벽(611)내에 형성된 구멍을 관통한다. 샤프트에 대해서 밀봉된 미끄럼 밀봉부(612)가 분할벽(611)내에 제공되어 있어서, 단열압축챔버(605)과 등온압축챔버(609) 사이에서 분할벽(611)의 구멍을 통한 공기의 유입을 방지해 준다. 미끄럼 밀봉부(612)는 분할벽(611)의 구멍을 통해서 샤프트가 양방향으로 자유롭게 미끄럼식으로 이동할 수 있도록 제공된 것이다. 피스톤과 각각의 챔버의 벽 사이에 밀봉부(614,616)가 제공되어서 각각의 챔버를 통한 가스의 누출을 방지해준다.
제 17도의 실시예에서, 피스톤(615)의 상부(617)가 연소챔버내의 상사점에 도달하면, 단열압축챔버(605) 및 단열압축 및 팽창챔버(613) 안쪽의 자유체적이 최대가되는 반면에 등온압축챔버(609)내의 환형체적은 최소가 된다. 반대로, 피스톤(615)의 상부(617)가 하사점에 있을때에는, 연소챔버(603) 및 등 온압축챔버(609)내의 자유체적이 최대인 반면에 단열압축챔버(605) 및 단열압축 및 팽창챔버(613)의 체적은 최소가 된다. 따라서, 제 17도의 실시예에서는 연소과정이 단열압 축과정을 구동시켜서, 등온압축챔버내로의 공기의 유입과 단열압축 및 팽창챔버내에서의 가스의 단열압축이 제공된다. 또한, 단열압축 및 팽창챔버(613)내에서의 가스의 단열팽창으로 등온압축 과정을 구동시켜서, 단열압축챔버(605) 안으로의 공기의 유입과 연소챔버(603)내에서의 가스의 배출이 이루어진다.
이제 제 17도의 압축기(600)의 작동싸이클을 설명하는데, 먼저 피스톤(615)이 연소챔버(603)의 상사점에서 운동방향을 역전시키는 것에서 부터 시작한다. 이때, 압축챔버(605,609)내의 가스유출구(645,647)는 폐쇄되어 있다.단열압축챔버(605)는 그 전단계의 싸이클중에 가스유입구(633)를 통해서 유입된 공기를 수용하고 있으며, 가스유입밸브(637)가 닫혀진다. 피스톤(615)의 하부(619)가 등온압축챔버(609)내의 상사점에 놓여져서 압축챔버내의 자유체적은 최소이고, 가스유입밸브(639) 가 개방 되면 피스톤의 하향 행정중에 챔버안으로 공기가 유입된다. 피스톤(615)의 하부 (619)는 단열압축 및 팽창챔버(613)로 이동되며, 따라서 내부의 자유체적이 완전히 전개된다.
피스톤(615)이 연소챔버(603)내에서 순간적으로 정하여서 운동방향이 역전 되면, 고온압축가스 유입벨브(625)가 개방되어서 소정량의 고온압축공기가 연소 챔버로 유입된다. 연료분사구(627)를 통해서 연료가 분사되고 점화되어서, 고온압축 공기 및 연료의 혼합물이 연소된다. 연소가스가 일정한 압력으로 팽창하여서 피스톤(615)을 연소챔버(603)로 부터 단열압축챔버(605) 안으로 구동시키며, 피스톤 의 상부가 챔버내의 공기를 압축시키기 시작한다. 동시에, 피스톤(615)의 하부(619)가 등온압축챔버(609)로 부터 단열압축 및 팽창챔버(613) 안으로 이동한다. 피스톤이 하향 이동함에 따라서, 등온압축챔버(609)의 팽창되는 체적 안으로 가스유입밸브(635)를 통해서 공기가 유입된다. 동시에, 피스톤의 하부가 단열압축 및 팽 창챔버(613)내의 가스를 압축시킨다.
피스톤(615)의 소정의 레벨에 도달하면, 연료의 분사는 중단된다. 연소가스는 피스톤(615)이 하사점에 도달할 때까지 계속해서 단열팽창한다.
단열압축챔버(605)내의 공기의 압력이 소정의 값에 도달하면, 압축가스 유출 밸브(645)가 개방되어서, 단열압축챔버(605)로 부터 고온압축가스가 압축가스 유출구(641)를 통하여 유출된 후에 주공기터어빈(672)의 입력부로 공급된다. 고온압축 공기는 터어빈내에서 팽창되어서, 발전기(674)를 구동시키는 기계적 동력을 발생 시킨다.
피스톤(615)은 계속해서 하향 이동하면서 그 운동에너지를 단열압축 및 팽창 챔버(613)내의 가스의 압축에너지로 전달한다. 결국, 피스톤의 운동에너지가 영(0)이 되어서, 피스톤은 하사점에서 순간적으로 정지한다. 피스톤(615)이 순간적으로 정지 하여 그 운동방향이 역전됨에 따라서, 단열압축챔버(605)내의 압축가스 유출밸브(645)가 폐쇄되고 가스유입밸브(637)가 개방되어서, 피스톤(615)의 상향 이 동중에 챔버안으로 공기가 유입된다. 동시에, 등온압축챔버(609)내의 가스유입밸브(639)가 폐쇄된다.
단열압축 및 팽창챔버(613)내의 고온압축가스가 단열팽창하기 시작하여서 피스톤(615)을 상향으로 구동시키며, 피스톤의 하부는 이 챔버(613)로부터 등온 압축챔버(609)안으로 이동된다. 피스톤이 등온압축챔버(609)내의 공기를 압축시킴에 따라서, 분무분사용 유입구(648)를 통해서 챔버(609) 안으로 액체가 분사되어서 공기를 냉각시키며, 이에 따라서 거의 등온압축이 이루어진다. 동시에, 피스톤의 상부(617)는 단열압축챔버(605)로 부터 연소챔버(603) 안으로 이동하기 시작한다. 그 결과, 공기가 가스유입구(633)를 통해서 단열압축챔버(605) 안으로 유입된다. 연소가스의 압력이 가스 대 공기식 열교환(670)를 통해서 대기중으로 배출가스를 밀어내기에 층분한 압력에 도달하면, 배출가스 유출밸브(631)가 개방되어서 연소 챔버(603)로 부터 배출가스가 배출된다.
등온압축챔버(609)내의 공기의 압력이 소정의 값에 도달하면, 압축가스 유출밸브(647)가 개방되어서 액체분무와 함께 냉각압축공기가 등온압축챔버(609)로 부터 배출된다. 냉각압축공기 및 분무액체가 습기분리기(680)를 통과하면 서, 액체가 압축공기로 부터 분리된다. 분리된 액체가 냉각시스템(682)을 통과하면, 액체가 분무형태로 재사용되기 전에 냉각된다.
습기분리기(680)로 부터 배출된 냉각압축공기의 일부는 가스 대 공기식 열교환기(670)를 통과하면서, 연소챔버(603)로 부터 배출되는 배출가스의 열 에 의해서 예열된다. 예열된 압축공기의 일부가 그 다음과정의 연소를 위해서 연소챔버(603) 안으로 유입되며, 다른 일부는 발전기(674)를 구동시키는 제 2공기터어빈(676)의 입력부를 통과한다. 습기분리기(680)로 부터 배출된 냉각압축공기의 다른 일부는 공기 대 공기식 열교환기(678)를 통과하면서, 제 2공기터어빈(676)에 서 배출되는 고온의 배출공기에 의해 예열된다. 공기 대 공기식 열교환기(678)에서 예열된 압축공기는 주공기터어빈(672)을 통과하면서, 단열압축챔버(605)에서 배출된 고온압축공기와 함께 팽창한다.
피스톤(615)이 상사점에 도달하면, 연소챔버(603)내의 유출밸브(631), 단열 압축챔버(605)내의 유입밸브, 및 등온압축챔버(609)내의 압축가스 유출밸브(647)가 모두 폐쇄되고, 단열압축챔버(605)내의 가스유입밸브(637)가 개방된다. 그리고나서, 연소챔버(603)내의 압축가스 유입밸브(625)가 개방되어서 신선한 고온압축공 기가 가스 대 공기식 열교환기(670)를 통해서 연소챔버 안으로 연료가 분사되어서, 고온 압축가스를 점화시킨다. 그 결과, 연소에 의해서 피스톤이 하향으로 구동되며, 이러한 싸이클이 계속해서 반복된다.
피스톤의 하사점에서 고체피스톤의 운동을 저지시키고 역전시키도록 단열압축 및 팽창챔버를 제공함으로써, 가스를 챔버의 안팎으로 이동시키는 복잡한 방법이 필요치 않을 뿐만아니라 정확한 개폐시기를 가져야만 하는 밸브를 사용할 필요가 없다.
챔버의 벽을 냉각시키는 바람직한 방법으로서 앞에서 설명된 몇몇 실시예에서 채택된 바와같이, 냉각쟈켓이 제 17도의 실시예에서도 연소챔버의 벽 둘레로 배열 되어서, 냉각유체를 챔버 벽으로 순환시킴으로써 그러한 챔버 벽으로부터 열을 흡수 할 수가 있다. 냉각유체는 등온압축 챔버에서 발생되는 냉각압축가스의 일부로 구성 더젤엔진 내부의 압력을 측정하는 장치 및 그 제조 방법연소챔버의 벽에 형성된 다수의 구멍이 압축가스(혹은 다른 가스)를 연소챔버 안으로 통과시켜서, 이러한 압축가스가 연소가스와 함께 팽창된다. 그러나, 냉각가스는 연소챔버의 벽으로 부터 열을 흡수한 후에도, 연소가스의 온도에 비해서 비교적 냉랭한 상태이다. 따라서, 비교적 냉랭한 가스가 연소챔버 안으로 유입됨 으로써, 시스템의 효율이 떨어질 수가 있다(예르들면, 엔트로피의 변화가 커짐으로써). 따라서, 이와같은 냉각방법은 연소챔버의 벽으로 부터 열을 재생하는 효율적인 방법이 아니다.
이와는 다르게, 냉각유체가 연소챔버의 벽 둘레로 순환하며 열을 흡수한 후에, 이러한 열을 방출시키도록 시스템의 다른부분, 즉 그 온도가 가열된 냉각 유체의 온도와 거의 일치하는 부분으로 유입되도록 구성할 수도 있다. 예를들어서, 냉각유체가 등온팽창챔버로 부터 배출되는 등온압축공기라면, 그러한 압축공기의 일부가 연소챔버의 벽 둘레로 순환한 후에, 가열된 냉각공기가 그 온도와 일치하는 입구온도를 갖는 공기터어빈으로 유입되도록 구성할 수가 있다.
이와같은 방법으로 연소챔버의 벽에서 열손실을 재생하는 방식의 실시예가 제 18도에 도시되어 있다. 제 17도에 도시된 실시예는 제 17도의 실시예와 유사 하며, 동일한 부품들에 대해서 동일한 참조부호가 지정되어 있다. 제 18도를 참조 하면, 상부격벽(601)이 냉각쟈켓(620)으로 둘러싸여 있어서, 연소챔버(603)의 벽 및 단열압축챔버(605)의 벽을 냉각시킬 수가 있다. 습기분리기(680)가 냉각압축가스의 주공급관로(618)을 통해서 가스 대 공기식 열교환기(670)에 연결되어 있다. 냉각 유체 공급관로(622)가 냉각쟈켓(620)을 주공급관로(618)와 연결시킨다. 냉각 유체 공급관로(622)와 냉각쟈켓의 연결은 연소챔버 벽의 온도가 비교적 냉랭한 상부격벽 (601)의 하단부 근처에서 이루어진다. 냉각쟈켓(620)이 연소챔버 벽의 상부까지 연장하여서, 냉각공기가 연소챔버의 상부 둘레로 유동할 수 있도록 배열되어 있는데, 그러한 연소챔버의 상부에는 고온압축가스 유입밸브(625) 및 배출가스 유출밸브(631)가 설치되어 있다.
단열압축챔버(605)내의 고온압축가스 유출구(641)는 가스공급관로(626)를 통해서 공기터어빈(672)의 입력부에 연결되어 있다. 냉각쟈켓(620)내의 냉각유체 유출구가 공급관로(624)를 통해서 가스공급관로(626)에 연결되어 있다. 온도가 가장 높은 연소챔버(603)의 상부에는 냉각쟈켓으로 부터 냉각유체 유출구가 설치되어 있다. 냉각유체 배출구를 이와같이 배열함으로써, 냉각자켓으로 부터 빠져나온 압축공기가 충분한 열을 흡수하여서, 압축공기의 온도가 단열압축챔버(605)를 빠져나온고온 압축공기의 온도와 일치해진다.
제 18도의 실시예는 하나의 공기터어빈(672)을 구동시키도록 설계되어 있으며, 제 17도의 발전설비에 포함되어 있는 제 2공기터어빈 및 그와 관련된 열교환기는 사용되지 않았다. 또한, 제 18도의 실시예에서는 가스 대 공기식 열교환기(670)내의 배출가스로 부터 과잉의 열을 재생하는데 사용되는 냉각압축공기가 가스공급관로(628)를 통하며 공기터어빈(672)에 직접 공급된다. 이와같은 배열은, 제 15도에 도시된 실시예와 관련하여 앞에서 이미 설명되었다.
작동시, 등온압축챔버(609)로 부터 냉각압축공기가 습기분리기(609)를 통과 하며, 압축공기의 대부분이 가스 대 공기식 열교환기(670)로 유입된다. 냉각압축 공기는 열교환기(670)에서 예열되고, 예열된 압축가스의 일부가 연소챔버(603)로 유입된다, 한편, 배출가스로 부터 과잉의 열을 재생하는데 사용되도록 예열된 압축 가스의 일부는 직접 공기터어빈(672)으로 유입되어서, 단열압축챔버(605)에서 단열 압축된 가스와 함께 팽창하게 한다.
습기분리기로 부터 배출된 냉각압축가스의 다른 일부는 냉각쟈켓(620)을 통과하면서 연소챔버의 벽을 냉각시킨다. 압축가스가 냉각쟈켓을 순환하면서 연소 챔버의 벽으로 부터 열을 재생한 후에, 냉각유체 유출구를 통해서 배출되어 공기 터어빈으로 유입되는 단열압축된 가스의 주유동과 합쳐진다. 습기분리기로부터 냉각쟈켓을 통해서 공급관로(626) 안으로 유입되는 냉각유체의 유동을 제어하기 위해서 여러개의 밸브(도시안됨)가 필요하며, 공급관로(626)에서는 단열압축된 가스의 주유동이 흐른다.
제 19도에는 수직방향으로 분리된 챔버들을 포함하고 있는 대칭형 열동력식 압축기의 실시예가 발전설비와 연결된 상태로 도시되어 있는데, 그 배열은 제 16도 및 제 17도와 관련하여 앞에서 설명한 것과 유사하다. 제 19도를 참조하면, 압축기(900)는 액체피스톤(903)을 형성하는 액체를 부분적으로 수용하고 있는 니자 형상의 도관(901)을 포함하고 있다. 도관(901)의 아암(905 및 907)은 수직방향으로 선형으로 상향 연장한다. 각각의 아암(905,907)의 상부 근처에는 격벽(908,910)이 형성 되어 있는데, 격벽의 상부는 연소챔버(909,911)로서 작용하고 그 하부는 단 열압축 챔버(913,915)로서 작용한다. 하부격벽(912,914))이 각각의 아암(905,907)내에서 상부격벽(908,910)의 아랫쪽에 형성되어 있다. 하부격벽은 각각 등온압축챔버(917, 919)로서 작용한다. 각각의 아암내에서 단열압축챔버가 연소챔버와 등온압축챔버의 사이에 배열되어 있는데, 이는 열구배 및 아암의 길이를 가능한 한 감소시켜서 연소 챔버로 부터 등온압축챔버로의 열전달을 최소화시키기 위한 것이다.
액체피스톤(903) 보다 밀도가 큰 고체피스톤(921,923)이 도관(90)의 각각의 아암(905,907)내에 배열되어 있으며, 고체피스톤은 각각 상부, 중간부, 및 하부로 구성되어 있다. 고체피스톤의 하부는 도관(901)의 아암(905,907)의 직경에 상응하는 크기를 가지며 아랫쪽의 액체피스톤(903)에 의해서 지지되어 있어서, 등온압축챔버(917,919)의 안팎으로 자유롭게 상하로 작동한다. 피스톤의 하부 근처에 밀 봉부(984)가 제공되어 있어서, 피스톤과 챔버벽 사이의 유체의 누설을 방지한다.
고체피스톤(921 및 923)의 상부는 상부격벽(908,910)의 직경에 상응하는 크기를 가지며, 상부격벽(908,910)의 상사점과 하사점 사이에서 수직방향으로 자유롭게 이동한다. 고체피스톤(921,923)의 상하부가 샤프트형태의 중간부(930,932)에 의해서 서로 연결되면서 일정한 거리만큼 이격되어 있고, 중간부는 상하부의 직경보다 작은 직경을 갖는다. 중간부(930,932)는 상하부 격벽을 분리시키는 분할벽(937,939)에 형성되어 있는 구멍(933,935)을 통해서, 상부격벽으로 부터 하부격벽까지 연장하여 있다. 샤프트와 구멍(933,935)의 사이로 미끄럼식 밀봉부(941,943)가 제공되어서, 등온압축챔버와 단열압축챔버 사이의 가스누설을 방지한다.
각각의 고체 피스톤이 각각의 아암의 최저높이에 있을때, 연소챔버 및 등온 압축챔버의 내부의 자유체적은 완전히 팽창된 최대상태이다. 이때, 단열압축챔버의 내부의 자유체적은 최저이고, 피스톤의 상부는 상부격벽의 상사점에 놓여진다. 반대로, 고체피스톤이 아암내의 최고높이에 있을때 연소챔버 및 등온압축챔버의 내부의 체적은 최소이고, 반면에 단열압축챔버 내부의 자유체적은 최대이며, 피스톤의 상부가 상부격벽내의 상사점에 놓여진다.
각각의 연소챔버(909,911)는, 예열된 압축공기 또는 다른 산화성 가스를 챔버 안으로 유입시키도록 밸브(949,951)에 의해서 제어되는 고온압축가스 유입구(945, 947)와, 챔버 안으로 연료를 분사시키기 위한 연료분사구(953,955)와, 그리고 연소 챔버로 부터 배출가스를 배출시키도록 밸브(961,963)에 의해서 제어되는 배출가스 유출구(957,959)를 포함한다. 각각의 단열압축챔버는, 챔버 안으로 가스를 유입 시키도록 밸브(969,971)에 의해서 제어되는 가스유입구(965,967)와, 그리고 챔버로 부터 단열압축된 가스를 배출시키도록 밸브(977,979)에 의해서 제어되는 압축가스 유출구(973,975)를 갖추고 있다. 각각의 등온압축챔버(917,919)는, 챔버 안으로 가스를 유입시키도록 벨브(985,987)에 의해서 제어되는 가스유입구(981,983)와, 그리고 챔버로 부터 등온압축된 가스를 배출시키도록 밸브(993,995)에 의해서 제어 되는 압축가스 유출구(989,991)을 포함하고 있다. 또한, 각각의 등온챔버는 압축 과정중에 각각의 챔버의 환형체적을 통해서 균일한 액체의 분무를 제공하도록 배열된 다수의 분무분사용 유입구(918,920,922,924)를 갖추고 있다.
제 19도에 도시된 압축기의 작동싸이클에 있어서, 도관의 한쪽 아암내에서의 연소과정이 동시에 동일한 아암내에서의 단열압축과정 및 다른쪽 아암내에서의 등온 압축과정을 구동시킨다.
이제, 제 19도에 도시된 압축기의 작동싸이클을 설명하는데, 먼저 피스톤 (923)이 연소챔버(911)내의 상사점에 위치하고 피스톤(921)은 연소챔버(909)내의 하사점에 위치하고 있을때 부터 시작한다. 연소챔버(909)는 그 전단계의 연소과정에서 유입된 고온팽창 연소가스를 수용하고 있으며, 고온압축가스 유입밸브(949) 및 유출밸브(961)는 폐쇄되어 있다. 등온압축챔버(917)는 전단계의 싸이클 과정에서 가스유입구(981)를 통해 미리 유입된 공기를 수용하고 있다. 도관(901)의 다른쪽 아암(907)내의 단열압축챔버(915)도 가스유입구(967)를 통해서 미리 유입된 공기를 수용하고 있으며, 가스유입구(987) 및 유출구(995)는 폐쇄되어 있다.
고체 피스톤(923)이 상사점에서 순간적으로 정지하여 그 운동방향이 역전되면, 고온압축가스 유입밸브(951)가 개방되어서, 소정의 고온압축가스가 가스 대 공기식 열교환기(970)로 부터 연소챔버(911) 안으로 유입된다. 연료분사구(955)를 통해서 연소챔버(911) 안으로 연료가 분사된다. 연료가 점화되면, 공기와 연료의 혼합물이 연소하여서 피스톤(923)을 연소챔버(911) 및 등온압축챔버(911)의 바깥쪽으로 구동 시킨다. 초기에는, 연료가 연소챔버안으로 유입되어서, 거의 일정한 압력으로 연소가 발생된다. 등온압축챔버(919)내의 압축가스 유출밸브(995)가 폐쇄되고 가스 유입구(987)가 개방되어서, 피스톤이 챔버의 바깥쪽으로 이동함에 따라 압축챔버 (919) 안으로 공기가 유입된다.
피스톤(923)의 상부(931)가 연소챔버(911)의 바깥쪽으로 부터 단열압축챔버 (915)의 안으로 하향 이동하면서, 그 전단계의 싸이클 중에 미리 챔버(915) 안으로 유입되어 있던 공기를 압축시킨다.
고체피스톤(923)의 하향이동은 다른쪽 피스톤(921)의 상향이동에 의해서 이루어지는데, 이러한 작동은 반대쪽 아암(907)내의 연소과정에 의해 구동된다. 아암(905)내에서의 고체피스톤(921)의 상향 이동중에, 단열압축챔버(913)의 압축 가스 유출밸브(977)는 폐쇄되고 가스유입구(969)는 개방되어서 챔버(913) 안으로 공기가 유입된다. 등온압축챔버(917)내의 가스유입구 및 유출구는 모두 폐쇄되고, 피스톤(921)의 하부(925)가 등온압축챔버내의 가스를 압축시키기 시작한다. 압축과정 중에, 냉각액체분무가 분무분사용 유입구(918,924)를 통해서 챔버(917) 안으로 유입되어서, 공기를 냉각시킴으로써 거의 등온압축이 이루어진다. 압력이 연소가스를 연소챔버의 바깥쪽으로 그리고 가스 대 공기식 열교환기(970)를 통해서 대기중으로 방출시키기에 충분할 정도가 되면, 연소챔버(909)내의 유출밸브(961)가 개방된다.
고체피스톤(923)의 하향 이동중에 어느 지점에서, 연료의 분사는 중단된다. 피스톤(923)은 연소가스의 단열팽창에 의해서 계측해서 하사점까지 하향 이동된다.
등온압축챔버(917)내의 공기압력이 소정의 값에 도달하면, 압축가스 유출구(993)가 개방되어서, 분무액체와 함께 압축공기가 유출구(989)를 통하여 챔버로부터 배출된다. 압축가스 및 분무액체의 혼합물은 습기분리기(972)를 통과하며, 여기서 분무액체가 분리된다. 분무액체는 다시 냉각시스템(974)으로 복귀되며, 여기서 분무액체가 분무형태로 재사용되기 전에 냉각된다. 냉각압축공기의 일부가 습기 분리기로 부터 가스 대 공기식 열교환기(970)를 통과하면서, 연소과정에서 배출된 배출가스의 열에 의해서 예열된다. 예열된 압축공기의 일부는 열교환기(970)로 부터 연소챔버로 복귀되고, 다른 일부는 작은 공기터어빈(978)의 입력부로 유입된다.
단열압축챔버(915)내의 공기압력이 소정의 값에 도달하면, 압축가스유출밸브 (979)가 개방되어서, 압축가스 유출구(975)를 통하여 고온압축공기가 챔버로부터 출된 후에 주공기터어빈(976)을 통과하면서 팽창되어서, 발전기(980)를 구동시키는 기계적 동력을 발생시킨다. 제 2공기터어빈(978)의 배출가스로 부터 제공되는 열은, 이러한 열을 공기 대 공기식 열교환기(982)내에서 습기분리기(972)로 부터 배출되는 각압축 공기의 일부에 전달됨으로써 재생된다. 공기 대 공기식 열교환기에서 배출된 고온압축공기는 주공에 터어빈(97)을 통과하면서, 단열압축된 공기의 주유동과 함께 팽창된다. 고체피스톤(923)이 하사점에 도달하면, 고체피스톤(921)은상사점에 도달하며, 연소챔버(909)내의 배출가스 유출밸브(961)와, 단열압축챔버 (913)내의 가스유입밸브(969)와, 등온압축챔버(917)내의 압축가스 유출밸브(993)와, 단열압축챔버(915)내의 압축가스 유출밸브(979)와, 그리고 등온압축챔버(919)내의 가스유입밸브(987)가 모두 폐쇄된다. 그리고나서, 연소챔버(909)내의 압출가스유입밸브(949)가 개방되고, 챔버안으로 고온압축가스가 유입된 후에 즉시 폐쇄된다. 연료분사구(953)를 통해서 연소챔버 안으로 연료가 분사된다. 연료가 점화되어서, 예열된 압축공기 및 연료의 혼합물이 연소되면, 피스톤(921)이 연소챔버(909) 및 등온압축챔버(917)로 부터 제거되면서 복귀행정을 수행하는데, 여기서 작동싸이클의 전반부가 종료된다.
제 19도에 도시된 압축기의 실시예는 대칭구조이기 때문에, 작동싸이클의 후반부는 전반부와 유사하게 이루어지는데, 즉 단열압축챔버(913) 및 등온압축챔버 (919)내의 공기의 압축과정과, 단열압축챔버(915) 및 등온압축챔버(917)내에서의 공기의 유입과정과, 그리고 연소챔버(911)로 부터의 연소가스의 배출과정이다. 이들과정은 모두가 연소챔버(909)내에서의 연소과정에 의해서 구동된다. 연소챔버들 및 압축챔버들이 서로 수직방향으로 분리되어 있기 때문에, 압축기의 구조가 비료적 간단하고 견고하다.
다른 실시예에서는, 액체 및 고체 피스톤이 하나의 고체피스톤으로대체될 수도 있다. 이 경우에는, 액체를 수용하여서 피스톤의 한쪽의 하향이동을 다른쪽의 상향이동으로 변환시키는 동시에 그 역으로도 변환시키는 것이 주요기능인 니자형 도관이 필요치 않다. 피스톤을 선형작동하도록 구성할 수도 있고, 연소챔버들은 한쪽 연소챔버가 다른쪽 연소챔버의 아랫쪽으로 위치되도록 또는 동일한 수평면상 으로 2개의 연소챔버들이 취치되도록 배열될 수 있으며, 고체 피스톤이 이들 연소 챔버의 사이로 왕복동하도록 구성될 수가 있다. 압축챔버도 이와 유사하게 배열 될 수 있다.
고체피스톤을 갖춘 가스압축기의 어떤 실시예에서는, 피스톤이 과도하게 작동하여서 챔버의 단부에 충격을 줄 수가 있다. 이를 방지하기 위해서, 챔버 안으로 가스를 분사시키는 밸브를 갖춘 제어기구 및 센서가 제공될 수 있다. 또한, 고체피스톤의 그러한 충격효과를 완화시킬 수 있도록 고체피스톤을 구성 하면 보다 바람직하다. 예를들어서, 피스톤의 헤드 또는 단부가 접혀질 수 있게 (collapsible) 형성됨으로써, 충격 에너지가 흡수되도록 구성될 수 있다. 이는, 피스톤의 단부를 벨로우프식으로 구성하면 된다. 또는, 피스톤의 단부가 충격에 대해서 안쪽으로 접혀지도록 구성할 수도 있다. 벨로우즈식 단부는 가능한 한 가볍게 구성하여서, 이 부분에서의 피스톤의 운동에너지가 최소화되게 하여야 한다. 제 15도 내지 제 19도에 도시된 모든 실시예들에 있어서, 연료의 내부연소에 의해서 열구동식 압축기에 열이 공급된다. 그러나, 방사능, 태양열, 및 화학적 혹은 공업적 과정등에 의한 열도 사용될 수 있으며, 이제 이와같은 다른 열원을 이용한 구조의 실시예들에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다. 내부열원을 갖는 압축기와 외부열원을 갖는 압축기를 서로 구분하기 위해서, 내연압축기 및 외연압축기라는 용어를 사용하기로 한다. 제 15도 내지 제 19도의 내연압축기의 실시예들에서는, 적어도 하나의 공기터어빈을 포함하여 발전을 위한 적절한 회로의 구성요소들이 제공되었다. 이러한 시스템을 "내연압축기 및 공기터어빈(ICCAT; Internal combus-tion and Air Turbine)" 이라고 부르기로 한다.
이러한 "ICCAT"에 대한 연료는 가스, 액체, 또는 고체로 구성될 수 있다. 석탄과 같은 고체연료가 사용될 경우에는, 그러한 연료가 발전설비에서 사용되기 적합한 형태로 연료를 가스상태로 만들거나 또는 미세한 분말형태로 (즉, 가루형태로) 만들어야 할 필요가 있다. 또는, 종래에 사용되는 연소기나 현재 사용되고 있는 발전설비에 제공된 층상연소기를 사용하면 된다. 어떤 연료에 대해서는, 압축기 자체 또는 배출가스로 부터 과잉의 이산화탄소 및 입자를 제거시키는 수단을 제공해야 할 필요가 있다. 대부분의 연료에 대해서는, 이산화질소의 발층을 제어 하는 수단을 제공해야 하며, 이는 연소과정의 제어 또는 배출가스의 제어에 의해서 수행된다.
연소챔버에서 배출되는 가스는 일반적으로 상당한 양의 수증기를 함유한다. 수증기는 연료내의 수소의 존재로 인하여 연소과정 자체에서 발생된다. 발생되는 수증기의 양은 연소되는 연료에 따라서 다르다. 예를들면, 메탄(CH4)가스 또는 천연가스는 석탄보다 많은 수증기를 발생시킨다.
배출가스로 부터 물의 재생방법.
연소가스로 부터 불을 재생하는 것은 여러가지 중요한 이유가 있다. 물의 보존, 특히 물이 탈광물화되는 경우에 있어서 물의 보존이 가장 큰 이유이다. 또한, 수증기의 존재가 배기가스의 방출부분인 굴뚝의 맨 꼭대기에 바람직하지 않게 형성 되는 점이다. 물이 대기중으로 방출되기 전에 연소가스에서 제거될 수 있다면, 굴뚝의 꼭대기에 별다른 문제가 없을 것이다. 수증기의 응축도 배출가스로 부터 바람직하지 않은 오염물질을 방지하는 효과적인 방법이며, 이러한 방법은 그 자체로 또는 다른 제어수단의 보조에 의해서 사용된다. 연료의 형태에 따라서, 이러한 오염물질에는 산화황, 산화질소, 암모니아, 수은, 및 다른 중금속과 입자들이 포함될 수 있다. 수증기가 응축되면, 이러한 오염물질의 일부가 그러한 응축과정에서 분해됨으로써 배출가스로 부터 제거될 수 있다. 어떤 경우에는, 그러한 응축과정에 임의의 화학물질을 첨가시켜서 오염물질이 물속으로 용해되는 것을 돕는 것이 필요하다. 예를들어서, 산화황은 석회석이나 다른 알킬기의 물질을 첨가함으로써 기존의 연료가스 탈황장치에서와 같이 수집될 수가 있다. 마찬가지로, 여러가지 첨가제들이 다른 여러가지 오염물질의 수집을 위해서 사용될 수 있다.
암모니아와 같은 오염물질은 물속에서 잘 용해되며 별도의 첨가제를 사용할 필요가 없다. 암모니아는 연소챔버내로 또는 열교환기나 연결관로내로 분사될 수 있는데, 이는 고온에서 형성되는 산화질소를 감소시킨다. 분사되는 암모니아의 조건 및 그 양에 따라서,
연소가스에 과잉의 암모니아가 제공될 수도 있으며, 이러한 과잉량의 암모니아는 가스가 대기중으로 방출되기 전에 제거시키는 것이 바람직하다. 또한, 응축은 배축가스로 부터 회분과 같은 입자들을 제거시키는 데에도 매우 효과적인 방법이다. 많은 회분을 포함하고 있는 석탄과 같은 종래의 연료에 대해서는, 응축과 함께 정전학적 침전 (electrostatic kprecipitation)을 사용할 수도 있다.
배출가스로 부터 수증기를 응축시키는 장치가 제 20도에 도시되어 있다. 제20도에 도시된 장치는 제 15도 내지 제 19도에 도시된 고온의 가스 대 공기식 열교환기의 냉각배출가스유출구측에 직접 부가될 수가 있다. 그러나, 제 20도에 도시된 장치가 배출가스등으로 부터 물을 재생하기에 바람직한 다른 시스템에도 사용될 수 있음은 물론이다.
제 20도를 참조하면, 저온의 가스 대 가스식 열교환기(656)가 고온의 가스 대 공기식 열교환기(649)의 배출가스 유출측에 연결되어 있는데, 열교환기(649)는 압축기의 연소챔버로 부터 배출되는 가스에 의해서 등온압축된 가스를 가열시키기 위한 것이다. 냉각기(658)가 가스 대 가스식 열교환기(656)에 연결되어 있어서, 배출가스가 가스 대 가스식 열교환기(656)로 부터 냉각기(658)를 통하여 다시 열교환기(656)의 저온측에 재생된다. 배출가스를 냉각시키는 냉각기를 통해서 공기를 밍어넣기 위하여 팬(660)이 배열되어 있다. 팬은 냉각기의 상류 또는 하류 어디에도 배열될 수 있다.
물재생장치의 작동을 설명하기 전에, 장치의 여러 지점들에서의 여러가지 온도를 가정하는데, 물론 실제로는 이와같은 온도가 많은 차이가 있을 수도 있다. 연소챔버로 부터 배출된 가스가 고온의 가스 대 공기식 열교환기(649)를 통과 하면서, 등온압축챔버내에서의 등온압축된 약 40℃의 온도를 갖는 공기에 의해서 약 60℃로 냉각된다. 가스 대 공기식 열교환기(649)로부터 배출된 가스는 저온의 가스 대 가스식 열교환기(656)를 통과하면서, 냉각기(658)로 부터 재생된 냉각배출 가스에 의해서 약 35℃까지 더 냉각된다. 그리고나서, 배출가스는 냉각기로 유입 되어서, 약 15℃의 초기온도를 갖는 대개의 흐름에 의해서 약 25℃로 냉각된 후에 다시가스 대 가스식 열교환기(656)안으로 복귀된다. 가스 대 가스식 열교환기 (656)내에서의 냉각에 의해서 배출가스로 부터 응축된 물은 배출가스가 냉각기 (658)를 통과하기 전에 제거되며, 냉각기(658)내에서의 냉각에 의해서 더 응촉된 물은 배출가스가 가스 대 가스식 열교환기(656)로 복귀된 후에 제거된다. 냉각된 배출가스는 가스 대 가스식 열교환기(656)로 복귀되어서, 제거된 열의 약 50℃로 상승된 건조한 배출가스는 대기중으로 방출된다. 배출가스를 재가열시킴으로써, 굴뚝의 윗쪽으로 바람직하지 않은 수증기단부가 형성되는 것을 방지할 수 있는 동시에, 대기중으로의 배출가스의 확산을 돕도록 배출가스의 부력을 증가시킨다. 제 20도에 도신된 냉각기(658)는 연소가스를 냉각시키는데 공기를 사용하고 있지만, 호수, 강, 냉각탑, 또는 해수등에 의해서 그러한 냉각수단을 제공할 수도 있다. 연소연료가 자연가스일 경우에는, 물의 재생이 비교적 고온에서 이루어지는데, 이는 연소에 의해서 발생되는 화염가스가 약 60℃의 이 슬점을 가지기 때문이다. 내연압축기
"ICCAT" 시스템은 조합식 싸이클의 가스터어빈 시스템(CCGT) 및 종래의 석탄이나 석유를 사용하는 증기발전설비보다 우수한 여러가지 잇점을 제공한다. ICCAT 시스템은 별도의 연소챔버로 부터 배출되는 고온의 연소가스에 의해서 구동되는 가스 터어빈을 갖추지 않고 있다. CCGT 시스템에서는, 최대온도가 가스터어빈의 볼레이드가 견딜수 있는 약 1300℃로 제한된다. ICCAT 시스템에서는, 연소가스내의 열이 직접 피스톤의 운동에너지로(또는 피스톤에 연결된 다른 수단에 의해서 피스톤의 운동 에너지로) 전달되기 때문에, 최대온도가 2000℃ 이상까지 제한된다.
CCGT 시스템에서, 가스터어빈으로 부터의 배출가스의 온도는 약 500℃이며,이는 증기터어빈을 구동시키는 증기를 가열시키는데 사용된다. 그러나, ICCAT 시스템에서는 배출가스의 온도가 약 800℃ 정도이며, 이는 열교환기를 통해서 연소 챔버의 입구공기를 예열시키는데 사용된다. 따라서, ICCAT 시스템은 비용은 감소 시키는 증기발전설비를 구동시킬 필요가 없다.
또한, CCGT 시스템에서는 종래의 회전식 압축기가 약 350℃온도의 고온압축 유입공기를 제공한다. 이허한 온도는, 단열압축과정 중에 압축공기로 전달되는 열에 의해서 제공되는 것이다. 유입가스로 전달된 열은 회전식 압축기의 기계적 에너지에 의해서 제공된다. 그러나, ICCAT 시스템에서는 유입공기가 약 800℃의 온도이며, 이는 기계적 에너지에 의해서가 아니라 압축기로 부터 배출되는 배출가스에 의해서 가열된다. 따라서, CCGT 시스템은 온도가 350℃ 내지 1200℃ 까지 상승되는 반면에, ICCAT 시스템의 온도는 800℃ 내지 2000℃ 까지 상승되는 것이다. 그러므로, ICCAT 시스템은 CCGT 시스템에서 보다 높은 온도의 열이 시스템내에 부가된다. 이는, 앞에서 언급한 카르노 싸이클의 효율의 측면에서 매우 바람직한 것이다. 더욱이, 유입공기가 등온압축되기 때문에 CCGT 시스템의 회전식 찹축기에서 요구되는 만큼 이상의 많은 가스양의 가스를 압축시키는데 보다 적은 에너지만이 소요된다.
ICCAT 시스템에서는, 열동력식 압축기를 구동시키는데 사용되는 압축공기의 대부분이 연소과정에서 소모되며, 반면에 CCGT 시스템에서의 압축공기의 대부분은 터어빈의 구성요소들을 냉각시키고 연소가스를 희석시키는데 사용되어서 가스온도가 약 1300℃를 넘지 못한다.
CCGT 시스템에서는, 증기발전설비의 대기중으로의 유출온도가 약 80℃이다.ICCAT 시스템에서는, 공기 및 연소가스의 배출온도를 보다 낮출 수가 있으므로, 열소비를 줄이고 효율은 증가시킬 수가 있다. 더욱이, ICCAT 시스템에서는 비교적 저온으로 작동되고 출구온도가 대기에 가까운 공기터어빈을 사용해서 동력이 추출된다. 공기 터어빈은 비교적 저온으로 작동하기 때문에, 냉각이 필요없고 재료상의 문제가 발생 하지 않는다.
또한, ICCAT 시스템은 제 9도에 도시된 발전설비에서와 같이 고온이 제공되기 때문에 여러가지 잇점이 있으며, 비록 가스터어빈을 냉각공기에 의해 냉각시킴으로써 가스터어빈이 약 1200℃ 대신에 약 1500℃ 정도로 작동함에도 불구하고 바람직하디. 이와같이 설계된 ICCAT 시스템에서는, 폐열이 최소로 유지되며, 상당한 열이 방출되는 싸이클의 일부만이 이상적으로 등온압축중에 이루어진다. 앞에서 설명한 냉각단계외에도, 냉각의 형태가 습식, 건식, 또는 혼합식냉각탑과 같은 수단이나 대기중으로 또는 해수나 강과 같은 물에 의해서 제공된다.
외연압축기 및 공기터어빈 열동력식 압축기를 구동시키기 위해서 연소과정으로 부터의 열이외의 다른 열원이 사용될 수가 있다. 이러한 경우에, 열원은 대체로 열동력식 압축기의 외부에서 제공된다. 이와같은 열동력식 압축기가 공기터어빈을 구동시키는 발전설비의 구성 요소로서 유효한 시스템을 "외연 압축기 및 공기터어빈(EHCAT ; Extermally Heated Compressor and Air Turbine)"이라고 한다. 앞에서 설명된 바왁팅, 열은 화학적 또는 공업적과정에 의해서, 또는 태양에너지나 방사능열에 의해서 제공될 수가 있다. 어떤 연료의 연소에 대해서는 외부에 열교환기가 바람직한데, 이는 압축기 내부에서 연료가 용이하게 가스화되거나 연소되기 때문이다. 그 예로서는, 쓰레기의 소각이나 생물체 및 석탄이 있다.
제 21도는 EHCAT내에서 작동되는 외연압축기의 일실시예를 나타낸 블록선도이다. 압축기(701)는 냉각압축가스를 발생시키는 단열압축챔버 및 고온압축가스를 발생시키는 단열압축챔버를 포함하고 있다. 이런면에서, 외면압축기가 제 15도 내지 제 19도의 내연압축기와 유사하다. 그러나, 외연압축기에서는 내연압축기의 연소챔버가 팽창 챔버로 대체되었으며, 이러한 팽창챔버 안으로 상당한 고온의 압축가스가 연료없이 분사된다. 고온압축가스는 연소과정이 없이 팽창되고 냉각되어서, 피스톤 또는 다른 운동에너지 저장수단에 운동에너지를 제공한다. 팽창챔버로 부터 배출된 고온배출기는 가스 대 가스식 열교환기(703)로 공급되어서, 등온압축챔버로 부터 배출된 냉각압축 가스를 예열시킨다. 이와같이 예열된 가스가 처리열교환기(705)로 공급되어서, 가스가 열처리과저어에서 발생되는 열에 의해 최종온도로 가열된다. 처리열교환기 (705)로 부터 고온압축가스가 피스톤을 구동시키는 외연압축기의 팽창챔버 안으로 공급된다, 제 21도의 실시예에서, 동력은 외연압축기로 부터 추출되는데, 즉 일정량의 가스를 단열압축시킨 후에 이러한 가스를 발전기(709)를 구동시키는 가스터어빈(707)을 통해서 팽창시킴으로써 동력이 추출되는 것이다.
열동력식 압축기를 구동시키는 열이 외연압축기를 통해서 제공되는 경우에, 작동가스가 폐싸이클내에서 순환되도록 구성할 수가 있다. 이와같은 폐싸이클 시스템의 잇점은, 소정의 발전설비의 칫수에 대한 출력을 증가시키기 위해서 작동가스가 증가될 수 있으며, 열교환을 향상시키기 위해서 공기 이외의 다른 가스가 선택될 수 있다는 점이다.
폐싸이클 시스템이 제 213도에서 도시되어 있는데, 도시된 개방싸이클에서 변경된 부분들은 점선으로 표시되어 있다.
가스 대 가스식 열교환기(703)로 부터 방출된 냉각배출가스는 주가스터어빈 (707)에서 배출되는 냉각저압배출가스와 합쳐진 후에 압축기의 압축챔버로 유입외며, 가스의 일부가 주가스터어빈(707)을 구동시키도록 단열압축되고, 다른 일부는 등온 압축된 후에 가스 대 가스식 열교환기(703)에 의해서 예열되어 처리열교환기(705)로 공급되며, 이 처리열교환기(705)에서 외부의 열과정으로 부터 제공되는 열에 의해서 가열된 후에 고온압축가스의 형태로서 팽창챔버 안으로 유입되어서 압축기를 구동 시킨다.
외연압축기(701)에서 배출되는 배출가스의 열용량은 등온압축챔버로부터 배출되는 유입가스와 동일하다. 따라서, 내연압축기와는 달리 압축기의 비출가스내에서는 과잉의 열이 존재하지 않는다. 이 경우에, ICCAT시스템의 몇몇 실시예에서 바람직하게 사용되는 제 2 가스터어빈 및 제 2 열교환기가 EHCAT시스템에서는 제 21도에 도시된 바와같이 필요치가 않다. 그러나, 외연압축기는 상당한 온도범위에 걸쳐서 이용될 수 있으며, 2개 이상의 가스터어빈이 사용될 수도 있다. 예를들어서, 외부의 열교환기가 연료를 연소시키는 로로서 구성되어 있는 경우에는, 배출가스의 온도에 따라서 과잉의 열이 존재할 수도 있다. 제 22도는 외부연소식 로에서 배출되는 가스의 과잉의 열이 유용한 동력으로 변환되는 EHCAT 시스템의 외연압축의 일실시예를 도시한 블록선도 이다.
제 22도의 발전설비는 외연압축기(801)를 구동시키는 압축공기를 가열시키는 주가열기로서 작용하는 로(805)를 포함하고 있다. 팬(811)이 가스 대 공기식 주열교환기(813)를 통해서 로 (805)에 공기를 공급한다. 가스 대 공기식 열교환기 (813)는 로에서 배출된 배출가스의 일부에 의해서 로(805)의 유입공기를 예열시킨다. 또한, 발전설비에는 제 2 발전기(817)를 구동시키는 제 2 공기터어빈(815) 및 가스 대 공기식 제 2 열교환기(819)가 제공되어 있다. 외연압축기에서 등온압축된 공기의 일부가 제 2 열교환기(819)안으로 유입되는데, 제 2 열교환기는 로(805)에서 배출 되는 가스의 일부에 의해서 등온압축된 공기의 일부를 예열시키도록 배열된 것이다. 제 2 공기터어빈(807)의 작동온도에 비해서 휠씬 높아서, 제 2 공기터어빈에서 배출된 가스는 상당한 열을 포함한다. 이러한 과잉의 열을 재생하도록 공기 대 공기식 제 2 열교환기(821)가 제공되어 있는데, 외연압축기(801)로 부터 등온압축된 공기의 다른 일부를 가열시킨 후에 이러한 예열공기가 주공터어빈(807)을 구동시키는 단열압축공기에 부가되는 방식으로 열재생이 이루어진다. 로에서 배출되는 가스의 조성에 따라서, 배출가스가 대기중으로 방출되기 전에 배출가스를 정화시키는 수단 (823)이 부가될 수 있다.
제 2 공기터어빈은 외부의 열원이 연료의 연소가 아닐 경우에도 사용될 수 있으며, 즉 공업적 과정이나 폐열등의 다른 외부열원이 제공될 수도 있다. 열원에 따른 특정배열이나 외부열원이 압축기 회로와 조합되는 방법은 임의적으로 선택된다. 고온액체분사식 외연압축기
제 23도는 외연압축기내에서 열이 액체보다는 가스로 전달되는 방식의 외연압축기에 대한 일실시예를 도시한 것이다. 제 23도의 열동력식 압축기(900)는 제 17도와 관련하여 앞에서 설명된 연소압축기와 유사하며, 앞에 300 단위의 첨자가 붙여진 상응하는 참조부호로 표시되었다. 따라서, 열재생시스템, 연소압축기의 공기터어빈 및 발전기와 함께 고체피스톤, 단열압축챔버, 등온압축챔버, 및 하부의 탄성침버등을 포함하는 구성요소들이 제 23도에 도시된 열동력식 압축기에도 동일 하게 적용될 수가 있다. 내연압축기와 외연압축기의 주요 차이점은 상부챔버의 기능과 열이 상부챔버로 전달되는 방식이며, 이제 이를 상세히 설명하기로 한다.
외연압축기의 상부챔버(903)는 밸브(931)에 의해서 제어되는 압축가스 유입구(929)와, 밸브(925)에 의해서 제어되는 배출가스 유출구(923)와, 그리고 분무액체분사용 유입구(928)를 갖추고 있다. 고온압축가스 유입구(929)는 습기분리기(980) 및 가스 대 가스식 열교환기(970)에 연결되어 있다. 배출가스 유출구(923)는 제 2 습기분리기(982)를 통해서 가스 대 가스식 열교환기(970)에 연결되어 있다.
이제 이러한 압축기의 작동을 설명하는데, 먼저 피스톤(915)이 팽창챔버 (903)내의 상사점에 위치되어 있을때 부터 시작된다. 피스톤이 상사점에서 정지함에 따라서, 가스유입밸브(931)가 개방되어서 가스유입구(929)를 통하여 팽창챔버(903) 안으로 예열된 압축가스가 유입된다. 동시에, 처리열교환기(984)로 부터 분무분사용 펌프(986)에 의해서 고온액체가 팽창챔버(903)안으로 분사된다. 예열된 압축가스는 다시 액체분무에 의해서 가열된 후에 팽창되어서 액체피스톤을 하향으로 구동시킨다. 가스가 계속 팽창함에 따라서, 팽창과정 중에 가스온도가 일정하게 유지되도록 분사된 액적으로 부터 가스로 열이 전달된다.
피스톤이 팽창챔버(903)내의 하사점에 도달하여서 그 운동방향이 역전되면, 배출가스 유출구(925)가 개방되고, 저압의 배출가스가 분무액체와 함께 배출가스 유출구(923)를 통해 팽창챔버로 배출되어서 습기분리기(983)를 통과하며, 여기에서 분무액체가 제거된다. 그리고나서, 저압의 배출가스가 가스 대 가스식 열교환기 (970)를 통과하는데, 여기서는 등온압축챔버(909)에서 배출된 압축가스가 팽창챔버 (903) 안으로 유입되기 전에 예열된다. 습기분리기(983)내에서 분리된 분무액체는 처리열교환기(985)로 복귀되어서, 분무형태로 재사용되기 전에 재가열된다.
가스로서 공기가 사용되는 개방싸이클 시스템에서는, 열교환기(970)에서 배출된 공기가 대기중으로 방출된다. 폐싸이클 시스템에서는, 열교환기(970)에서 배출된 가스가 압축을 위해서 등온압축챔버(909)로 유입된다. 이러한 방식으로, 가스는 폐싸이클 회로내에서 연속적으로 재순환된다. 더욱이, 개방사이클 시스템에서는 터어빈 (972)으로 부터 배출되는 가스가 외부로 방출되지만, 폐싸이클 시스템에서는 가스가 다시 단열압축챔버(905)로 복귀된다. 후자의 경우에는, 터어빈(972)을 구동시키는데 사용되는 가스가 연속적으로 재순환된다. 따라서, 외연압축기는 제 23도에 점선으로 도시된 바와같이 개방사이클 또는 폐싸이클 어디에서도 작동될 수가 있다. 제 23도에서, 단열압축챔버 및 터어빈을 통과하는 가스는 시스템내에 잔류하는 가스와 혼합 되지 않는다. 따라서, 이들 두 회로내에서는 서로 다른 가스들이 존재하며, 실제로 하나는 개방싸이클에서 그리고 다른 하나는 폐사이클에서 존재한다.
열전달매체로서 분사액체를 사용하는 것은, 외부 열교환기(970)가 보다 소형 으로 그리고 보다 효율적으로 구성될 수 있다는 면에서 바람직하다. 또 다른 잇점은, 팽창과장에서 열이 계속하여 분사가스로 공급될 수 있어서 열역학적 효율이 향상된다는 점이다. 열전달매체로서 액체를 사용하는 것은, 적절한 액체에 의해서 수용될 수 있는 열원의 최대온도를 제한한다는 문제점도 있다. 바람직하게, 액체는 적절한 물리학적 및 화학적 특성을 가지며, 비독성이고, 환경학적으로 허용가능할 뿐만 아니라 비교적 저렴하다.
고온액체분사를 갖춘 외연압축기는 태양에너지, 지열네어지, 또는 저온의 폐열과 같은 저온의 열원으로 발전을 하는데 매우 적합하다.
폐싸이클의 작동에 있어서, 가스가 터어빈에서 배출된 후에 적절한 온도를 유지시키기 위해서 가스에 추가의 보조냉각을 제공할 필요가 있다.
바람직하게, 열돌력식 압축기는 천연가스, 경유, 중유, 석탄, 생물체또는 폐열등과 같은 광범위한 연료를 사용하여 작동될 수가 있다. 이제, 이와같은 연소성 연료를 이용한 여러가지 장치들에 대해서 설명한다.
천연가스 및 경유는 직접분사 및 가열시 연소챔버의 내부에서의 연소에 적절 하다. 또는, 이들 연료가 외부 연소식 연소챔버의 내부에서 가열식 챔버에 부착된 형태로 연소될 수도 있다. 바람직하게, 연료가 예를들어서 디젤기관에서와 같이 유입공기 및 챔버의 압력에 따라서 순간적으로 점화될 수 있다. 연소생성물은 어떠한 입자도 포함하지 않으며, 이산화황을 소량 포함하지만, 어느 정도의 산화질소(NOX)가 존재한다. 산화질소의 방출은 촉매식으로 혹은 암모니나에 의한 비촉매식으로감소 될 수가 있다. 중유나 석탄등을 연소시키니는 여러가지 장치들이 있다.
ICCAT 시스템에 대해서는, 가열에 의해서 중유가 미세한 액적형태로 미세화 되어서 소정의 시간간격으로 팽창챔버 안으로 분사된 후에, 내연기관에 의해서 연소다. 이러한 액적은 열교환기로 부터 공급되는 고온의 공기내에서 점화된 후에 빠르게 연소된다. 필요에 따라서, 점화시스템을 제공할 수도 있으며, 예를들어서 연소과정을 점화시키는 다른 연료를 분사시키면 된다. 석탄도 미분(분말화된 연료) 형태로 연소챔버 안으로 분사되어서, 공기나 다른 적절한 이송매체의 유동이 제공되는 관로를 따라서 팽창챔버 안으로 공급된다. 여기서, 이송매체 내에서의 석탄의 미분이 미리 폭발할 위험성이 없어야 한다는 점이 중요하다. 이는 미분을 이송시키는데 공기 이외의 유출을 선택하거나 선택하지 않도록 한다.
또 다른 실시예에서, 중유나 석탄이 적절한 기화장치내의 공기 또는 산소를 사용하여서 가스화될 수 있다. 액체연료, 즉 중유는 석탄에 비해서 기화과정에서의 취급이 간단한데, 이는 연료를 적절한 미분화시키는 수단이나 가스상태의 적절한 이송매체등이 필요치 않기 때문이다.
또 다른 실시예에서, 중유나 석탄 또는 가스화된 연료를 연소시키는 외부의 압축로를 사용하여서 고온의 연소가스를 발생시키고, 이러한 연소가스가 고온밸브의 제어하에 압축기의 압축챔버로 유입될 수가 있다.
EHCAT 시스템에 대해서는, 중유나 석탄이 열동력식 압축기에 사용되는 작동유체를 가열시키는 주가열기내에서 연소될 수가 있다. 주가열기는 예열된 대기내에서 연료를 연소시키도록 배열된 비압축식 로를 포함할 수가 있으며, 또한 열동력식압축기로부터 예열된 압축공기로 구성될 수 있는 작동유체가 통과하는 열교환기를 더 포함할 수도 있다. 예열된 압축공기는 로에서 제공되는 열에 의해 가열된 후에, 매우 고온의 압축공기 상태로서 팽창챔버 안으로 분사되어서 피스톤을 구동시킨다.
연료가 어떤 형태의 기화과정을 수행하는 경우에는, 바람직하게 연소단계 이전에 황이 제거될 수 있다. 기화단계 이후가 아닌 연소단계 이전에 황을 제거시키는 것은 매우 바람직한데, 이는 가스의 체적이 매우 작아질 수 있기 때문이다. 또한, 황이 석고형태 보다는 원소형태로 추출될 수가 있다. 이는, 생성물질의 질량이 매우 작다는 것을 의미한다. 반면에, 연료가 기화되지 않는 경우에는, 연소과정에서 생성되는 배출가스가 대기중으로 방출되기 전에 탈황과정을 수행해야만 한다.
가능하다면, 열동력식 압축기의 연소챔버내에서의 직접적인 연료의 연소가 바람직하며, 연료가 기화되건 되지않건 간에 외부의 로를 사용하는 것이 바람직하다. 기화된 연료에 의해서 발생되는 연소가스는 일반거으로 고체나 중유와 같은 무거운 액체연료의 직접적인 연소에 의해서 발생되는 연소가스에 비해 깨끗하다. 그러나, 이와같은 두가지 연소방법 중에서의 선택은 상대적인 비용 및 환경문제의 측면을 고려하여 주로 이루어진다.
폐열이나 생물체등의 연료도 적잘한 형태로 제공될 수만 있다면 얼마든지 사용가능하다. 일반적으로, 이들 재료를 1mm 이하의 입자형태로 세분화시키는 것은 실용적이지 못하지만, 이들 입자가 상당한 연소효과를 제공하기에 충분하다면 내연시스템에 적합할 것이다. 또는, 생물체의 연료가 기회될 수도 있다. 예를들어서, 일실시예에 따르면 생물체 연료는 기화가 연속적으로 수행될 수 있는 유동측상에서또는 고정층상에서 외부로 부터 기화될 수가 있다. 가스화된 연료의 화학적 에너지를 최대화시키고, 가스화(기화)단계에서의 열생성을 최소화시키는 것이 바람직하다. 기화된 열은 열교환기에 의해서 등온압축된 후에 시스템의 출력을 최대화시키도록 팽창 된다. 가스는 천연가스를 사용하는 것과 마찬가지로 ICCAT 시스템내에서 연소될 수가있다.
기화과정을 갖춘 열동력식 압축기
앞에서 설명한 바와같이, 연소압축기에 사용되는 석탄, 중유, 또는 생물체등의 기화된 연료는 매우 바람직하다. 제 24도는 기화과정과 동력싸이클에 내연압축기 및 공기터어빈이 적용된 일실시예를 나타낸 것이다. 제 24도를 참조하면, 분무액체 재생 및 냉각시스템과 함께 열동력식 압축기가 제 17도 및 제 18도와 관련하여 앞에서 설명되었으며, 수직방향으로 왕복운동하는 용적식 고체피스톤을 갖추고 있다. 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호가 지정되어 있다.
기화장치는, 연소압축기(600)에 의해서 발생된 냉각압축공기를 수용하도록 습기분리기(680)의 출력측에 연결된 공기분리장치(652)를 포함하고 있다. 이 공기분리장치는 압축질소 및 압축산소를 발생시킨다. 공기분리장치(652)는 기화기(654)에 압축산소를 공급하도록 배열되어 있으며, 기화기(654)내에서는 미분형태의 석탄(혹은 다른 연료)을 여러가스들 중에서도 일산화타소 및 수소를 함유하고 있는 미가공 연료가스로 변환시키는데 산소가 사용된다. 기화기(654)의 아래쪽으로는 용기(653)가 연결되어서, 기화과정에서 발생되는 슬래그(slag)가 수집된다. 기화기(654) 및 슬래그 수집용 용기(653)의 둘레로 냉각쟈켓(655)이 배열되어서,냉각유체를 기화기의 벽 둘레로 순환시킴으로써 기화과정에서 발생되는 열이 재생된다. 제 24도의 실시예에서, 공기분리장치(652)내어서 생성되는 압축질소는 냉각유체로 사용되며, 공기분리장치(652) 내에서 생성되는 질소의 유출구가 냉각쟈켓(655)의 하부에 연결되어 있다. 기화기의 상부근처에 고온압축질소 유출구가 제공되어서 직접 공기터어빈(672)의 입력부에 연결되어 있다. 따라서, 기화기로 부터 발생되는 열은 용이하게 유용한 동력으로 변환될 수 있는 형태로 재생된다.
기화기의 미가공 연료가스 유출구가 가스 대 공기식 열교환기(656)에 연결되어 있으며, 이 열교환기(656)내에서는 미가공가스가 공기분리장치(652)로 부터 공급되는 압축질소에 의해서 냉각된다. 가스 대 공기식 열교환기(656)를 빠져 나온 고압압축질소는 공기터어빈(672)으로 유입된 후에 팽창되어서 유용한 기계적 동력을 발생시 킨다. 가스 대 공기식 열교환기(656)의 미가공가스 유출구는 회분싸이클론(658)과 연결되어 있으며, 회분싸이클론(658)내에서 미가공가스는 회부이 제거되도록 처리된다. 회분싸이클론(658)에서 처리된 가스는 미가공가스 대 청정가스식 열교환기(660)를 통해서 탈황장치(662)로 유입되는데, 열교환기(660)내에서는 미가공가스가 탈황장치(662)내에서 배출되는 청정연료가스에 의해서 냉가된다. 그리고나서, 열교환기(660)에서 배출된 청정연료가스는 연소챔버(603)내에서의 연소를 위해서 연료분사구(627)를 통하여 연소압축기(600)의 연소챔버로 유입된다. 연소압축기내에서 발생되는 등온압축된 공기의 일부가, 필요에 따라서 기화과정으로 부터 발생되는 열을 재생하는 압축질수를 보조하는데 사용된다.
이와같은 기화장치는 다음과 같은 이유로 해서 현재 사용되는 기화장치보다더 높은 상당한 효율을 제공하는 것으로 볼수가 있다. 즉, 연소 및 냉각을 위해서 공기분리장치를 필요로 하는 압축공기가 등온압축되기 때문에, 압축일이 감소된다. 또한, 기화열이 기존의 집적식 기화발전설비에서 통상적으로 이루어지는 온도보다 높은 온도로 재생된다. 더욱이, ICCAT 연소 챔버내에서 기화된 연료를 사용하기 때문에 청정연료가스의 전력으로의 변환효율이 증가된다.
다른 실시예에서, 기화기(654)의 하류에 제공된 열교환기(656)내에서의 열을 제거하기 위해서 기화과정에서 등온압축된 공기를 사용함으로써, 기화싸이클이 공기분리장치를 사용치 않고서도 수행될 수가 있다. 그러나, 공기를 사용하면 연료 대 연료가스의 변환이 다소 효과적이지 못하며, 등온압축된 공기가 기화기내로 유입되기 전에 예열되어야 할 필요가 있다.
기화싸이클내에서 산소를 사용하는 주요잇점은, 보다 높은 기화온도로 인하여 연료내의 탄소를 보다 완벽하게 일산화탄소로 변환시킬 수 있다는 점이다. 기화온도가 높아짐에 따라서, 기화기로 부터 공기터어빈으로의 열재생과정을 통해서 보다 효율적 으로 열을 기계에너지 및 전기에너지로 변환시킬 수가 있다. 또 다른 실시예에서는, 연소과정에서 공기가 아닌 산소를 사용하는 것이 바람직하다. 이는, 연료내의 질소에 의해서 야기되는 산화질소(NOX)의 양을 제한한다. 공기중에서 연소된 석탄의 연소생성물의 경우에는, 물의 응축을 위한 이슬점이 약 38℃이며, 이는 물을 응축시킬 가능성이 전혀 없으므로 어떠한 잠열도 재생할 수가 없다. 산소중에서 석탄이 연소되는 경우에는 이슬점이 약 67℃정도이며, 따라서 공기분리장치에서 제공되는 압축질소의 일부를 예열시키기 위한 잠열을 예를들면 공기터어빈에서 사용할 수가 있다. 더욱이, 산소중에서 석탄이 연소되는 경우에는 제거된 황과 같은 오염물질과 함께 응축되는 물에 의해서 연소생성물이 거의 이산화탄소 이루어진다. 환경상의 문제로 인하여, 이산화탄소를 재생시킬 필요가 있는 경우에 가스는 적절한 형태가 된다.
또한, 연료의 기화는 등온압축기 및 공기터어빈 싸이클에서도 실시될 수가 있다. 제 25도는 집적적 기화장치 및 발전설비내에 가스구동식 등온압축기가 제공된 실시예를 도시한 것이다. 등온압축기에 대해서는 제 5도의 실시예에서 이미 설명 되었으며, 제 25도에서는 동일한 구성요소에 대해서 앞에 800단위의 첨자가 붙여진 상응하는 참조부호가 지정되어 있다. 특히, 등온압축기는 하부챔버(811)의 윗쪽으로 수직하게 배열된 상부챔버(809) 및 각각의 챔버의 안팎으로 자유롭게 상하로 작동하는 고체피스톤을 포함한다. 상부챔버는 밸브(825)에 의해서 제어되는 고온압축공기 유임구(821)와, 밸브(817)에 의해서 제어되는 압축공기 유출구(813)와, 그리고 분무분사용 유입구(837)를 갖추고 있다. 하부챔버는 피스톤의 하향 운동에너지를 상향 운동에너지로 변환시키는 수단을 제공하는 가스의 밀봉된 체적을 수용하고 있다. 물재생 및 냉각시스템을 제 5도와 관련하여 설명한 바와 동일하며, 압축가스 유출구에 연결된 냉각기(845)와, 그리고 냉각기(845)와 분무액체분사용 유입구(837)의 사이로 연결된 분사용 펌프(834)를 포함하고 있다. 등온압축챔버(809)내의 압축가스 유입구(821)는 등온압축기(801)를 구동시키는 고온압축공기를 제공하는 회전식 압축기(861)의 출력측에 연결되어 있다.
등온압축기내에서 발생된 냉각압축공기가 압축공기 유출구(813)에서 배출되어서 습기분리기(847)를 통하여 3방향으로 유동한다. 냉각압축공기의 일부는 기화과정에서 사용되도록 공기분리장치(869)를 통과하면서, 압축공기가 압축질소 및 산소를 분리 된다. 냉각압축공기의 다른 일부는 연소챔버(857)안으로 유입된 후에 연소되어서, 고온고압가스를 제공함으로써 가스터어빈(859)을 구동시킨다. 가스터어빈은 주발전기(863)를 구동시키도록 배열되어 있다. 등온압축이에서 배출되는 냉각압축공기가 연소챔버(857)로 유입되기 전에 가스 대 공기식 열교환기(855)를 통과하면서, 가스터어빈의 배출가스에 의해서 예열된다.
일반적으로, 가스터어빈에서 배출되는 배출가스내에는 연소챔버(857)내에서 연소되는 냉각압축공기를 예열시키는데 필요한 만큼 이상의 많은 열이 존재한다. 따라서, 등온압축기에서 배출되는 보다 많은 양의 냉각압축공기가 가스 대 공기식 열교환기(855)내에서 예열되어서, 이러한 과잉의 열을 재생할 수가 있으며, 예열된 압축공기가 공기터어빈(865)내로 유입된 후에 팽창되어서 제 2 발전기(867)를 구동 시킨다.
기화장치는 제 24도에 도시된 실시예와 관련하여 앞에서 설명한 것과 유사하며, 습기분리기(847)의 출력측에 연결되어 있는 공기분리장치(869)를 더 포함하고 있다. 공기분리장치(869)에서 발생된 압축산소가 기화기(871)안으로 유입되어서, 분화된 석탄 또는 다른 연료가 기화된다. 기화기 아랫쪽으로 기화과정에서 배출된 슬래그를 주집하도록 용기(873)가 연결되어 있다. 기화기(87l) 및 용기(873)는 냉각쟈켓(872) 으로 둘러 싸어져 있다. 기화기는 가스 대 공기식 열교환기(875)에 연결되어 있는 기화연료 유출구를 갖추고 있다. 공기분리장치(869)에서 배출되는 압축질소는, 기화기 (871)의 벽을 냉각시켜서 과잉의 열을 재생하도록 기화기를 두러싸고 있는 냉각쟈켓(872)를 통과하면서 기화기에서 배출되는 미가공 연료가스를 냉각시킨다. 냉각쟈켓(872) 및 열교환기(875)로 부터 제공되는 고온압축질소가 공기터어빈(865)의 압력부로 유입되어서, 가스 대 공기식 가열기(855)로 부터 유입된 고온압축공기와 함께 팽창 된다. 가스 대 공기식 열교환기(875)의 냉각 미가공가스 유출측은 연료가스청정시스템을 통해서 연소챔버(857)에 연결되어 있는데, 연료가스 청정시스템은 회분싸이클론(877)과, 미가공가스 대 청정가스식 열교환기(879)와, 그리고 탈황장치(881)로 구성되어 있다. 가스 대 공기식 열교환기(875)로 부터 미가공가스가 회분싸이클론(877)으로 유입되어서, 미가공가스에서 회분이 제거된다. 그리고나서, 미가공연료가스가 미가공가스 대 청정가스식 열교환기(879)를 통해서 탈황장치(881)로 유입되는데, 열교환기(879) 내에서는 연료가스가 탈황장치(881)로 부터 배출되는 청정연료가스에 의해서 냉각된다. 이러한 청정연료가스는 미가공 대 청정가스식 열교환기(879)를 통과한 후에 직접 연소침버(875)안으로 공급되어서, 가스 대 공기식 열교환기(855)로 부터 공급되는 예열된 압축공기와 함께 연소된다.
이와같은 ISOGT 집적식 기화싸이클은, 비용이 저렴한 경우에 ICCAT 집적식 기화싸이클 보다 바람직하다. ISOGT 집적식 기화싸이클에서 사용되는 공기터이빈(865) 및 그에 관련된 발전기(867)는 전체 동력중에서 많은 부분을 발생시키는데, 이는 기화열이 공기터어빈내에서 재생되기 때문이다. ICCAT 집적식 기화싸이클과 비교하여, ISOGT 집적식 기화싸이클에서는 공기분리장치가 생략될 수 있다.
열동력식 압축기를 사용한 에너지 저장 및 재생방법 가스구동식 및 액체구동식 등온압축기와 관련하여 앞에서 설명한 바와같이 열동력식 압축기를 포함하는 발전설비내에 에너지 저장수단을 제공하는 것이 바람직하다. 적은 동력이 요구되는 시간중에는, 페광이나 페기유정등과 같은 대용량의 저장조내에 등온압축된 공기(또는 공기가 아인 다른 가스일 수도 있음)를 저장할 수가 있다. 많은 동력이 소요될때, 그러한 저장조(공동보)로 부터 냉각고압가스가 방출됨 으로써 압축기에 의해서 발생되는 동력을 보조할 수가 있다. 에너지저장의 다른 방법은, 적은 동력이 소요되는 기간중에 물을 냉동시켜서, 많은 동력이 소요되는 경우에 동력의 출력을 증가시키는 것이다.
저 26도는 조합식 발전설비 및 에너지 저장장치의 실시예를 도시한 것으로서, 에너지 저장장치가 압축가스 또는 얼음의 형태로 에너지를 저장하는 수단을 포함하고 있다. 제 26도의 실시예에서, 압축가스는 공기이고 압축기는 내연압축기이다.
연소압축기(750)가 냉각압축공기를 방생시키는데, 냉각압축공기의 적어 일부가 가스 대 공기식 열교환기(751)를 통과하면서 연소챔버 안으로 분사되기 전에 압축기의 배출가스에 의해 예열된다. 대기상태의 공기를 단열압축시킨 후에 압축공기를 발전기(755)를 구동시키는 공기터어빈(753)을 통해서 팽창시킴으로써, 압축기로부터 동력이 추출된다. 연소압축기(750)는 단열압축 및 등온압축된 가스의 상대적인 비율을 제어하기 위한 수단을 포함하고 있다. 연소압축기가 제 17도 또는 제 18도에 관련하여 앞에서 설명된 바와같은 형태로 구성되어 있는 경우에는, 단열압축된 공기량이 공기유출밸브의 개폐시기를 조절함으로써 용이하게 제어될 수 있다. 공기유출밸브가 폐쇄된 경우에는, 소량의 공기만이 공기터어빈으로 유입되고 대부분의 이용가능한 에너지가 등온압축과정에서 사용될 수 있다. 공기터어빈으로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해서, 공기유출밸브를 반대로 조절하면 된다. 동일한 피스톤의 행정을 유지시키기 위해서, 탄성챔버내의 가스량을 감소시킬 필요가 있는데, 이는 예를들어서 탄성챔버 안팎으로 가스의 방출 및 유입을 제어하는 밸브를 챔버내에 설치함으로써 비교적 용이하게 이루어질 수 있다.
적은 동력이 요구되는 기간중에는, 연소압축기를 구동시키는데 필요한 만큼 이상의 많은 등온압축공기의 대부분이 발생하며, 따라서 과잉의 냉각압축공기가 대용량의 공동부(757)내에 유입되어서 저장된다. 그러나 많은 동력이 소모되는 경우에는, 연소압축기(750)내에서 발생되는 이용가능한 동력이 대부분이 공기터어빈(753)을 구동시키도록 공기를 단열압축시키는데 사용된다. 연소에 필요한 등온압축공기는 연소압축기 및 공동부(757) 모두에서 제공된다.
또한, 발전설비 및 에너지 저장장치가 물 또는 얼음저장용 탱크(761) 및 저장된 물을 냉각시키는 냉동시스템(763)을 포함한다. 앞에서 설명한 바와같이, 등온압축과정중에 분무액체로 전달되는 열은 냉각시스템(759)에 의해서 정상적으로 추출될 수가 있다. 적은 동력이 소모되는 기간중에는, 냉동시스템(763)이 열저장용 탱크(761)내의 물을 냉각시켜서, 바람직하게 물의 냉각온도 이하로 얼음이 형성된다. 맣능 동력이 소요되는 기간중에는 냉동시스템(763)를 차단시켜서 정미출력을최대화 시켜며, 외부의 냉각시스템(759) 및 부분적으로는 저장된 얼음을 용해시킴으로써 액체분무의 냉각을 제공한다. 통장적으로, 최대의 동력소모믄 주로 낮에 필요한데, 주위온도가 높은 경우에는 얼음을 용해시켜 등온압축을 위한 물을 제공할 수가 있다. 높은 주위대기온도로 열을 방출시키는 외부의 냉각시스템(759)이 사용되거나 또는 이러한 시간중에 감소된 용량으로 사용될 수 있다. 이러한 시스템의 장점은, 주위 온도가 낮고 동력의 소모가 적은 밤에 얼음의 저장이 가능하다는 점이다. 이 경우에, 압축기는 최대의 용량으로 작동될 수가 있으며, 과잉의 동력은 물을 냉동시켜서 얼음을 만드는데, 최대의 에너지가 소모되는 시간에 저장된 에너지를 방출시킬 수 있을 뿐만아니라, 시스템의 전체효율이 최대의 동력이 소모되는 시기에 냉각분무의 온도감소에 의해서 향상될 수 있다는 점이다.
제 26도에서, 점선은 에너지저장 및 냉가장치의 특정구성요소들이 일부시간에서만 사용되는 것을 나타낸 것이다. 압축공기의 저장방법 및 물과 얼음의 저장방법은 서로 다르다. 어떠한 저장시스템에서도 제 26도의 장치를 적용할 수가 있다.
지금까지 설명된 실시예들과 관련된 특징을 다른 실시예들에서도 적용할 수가 있다. 더욱이, 도시된 실시예와 관련하여 앞에서 설명된 가스압축기의 여러 가지 구동방법을 포함하는 작동싸이클의 원리도 다른 실시예에 적용시킬 수가 있다. 이와같은 실시예들 및 그 작동싸이클에 대한 변형은 이 기술분야의 당업자들에게는 용이하게 이해될 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 열원으로부터의 열을 재생하는 열 재생 장치로서,
    열 재생 터어빈과,
    압축될 가스를 포함하는 압축 챔버, 압축 피스톤 및 상기 가스를 압축하기 위해 상기 압축 피스톤을 상기 압축 챔버 내로 구동시키는 구동 수단을 포함하여 냉각 압축 가스를 생성하는 등온 가스 압축기와,
    압축 중의 가스를 냉각시키기 위해 상기 압축 챔버 내에 액체 분무를 형성하는 수단과,
    상기 압축 챔버로부터 압축 가스가 유출되도록 하는 밸브 수단과, 그리고
    상기 압축 피스톤에 전력이 공급되도록 하기 위해 상기 압축 피스톤에 연결된 연결 수단을 포함하여 이루어지며,
    상기 열원으로부터의 열을 이용하여 상기 냉각 압축 가스를 가열하기 위해 배열된 열교환 수단과, 그리고
    상기 열교환 수단으로부터 가열된 압축 가스를 상기 터어빈으로 직접 공급하기 위해 배열된 수단을 더 포함하여 이루어지며,
    상기 터어빈은 상기 가열된 압축 가스를 연소시킴 없이 팽창시키도록 배열되어, 이로써 상기 터어빈의 출구에서 상기 가스의 온도가 상기 터어빈의 입구에서 상기 가열된 압축 가스의 온도보다 낮도록 하는 열 재생 장치에 있어서,
    상기 장치가 상기 압축 챔버로부터 직접 유출된 냉각 압축 가스로부터 분무액체를 추출하도록 배열된 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 재생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는, 가스 터어빈을 구성하는 추가의 터어빈을 포함하는 가스 터어빈 플랜트에 통합되고, 상기 등온가스 압축기로부터의 냉각 압축 가스를 가열하기 위해 상기 가스 터어빈으로부터 상기 열 교환 수단으로 저압의 배기 가스를 공급하는 수단을 포함하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 열 재생 터어빈이 공기 터어빈을 포함하는 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분무 액체를 추출하는 수단이 수분 분리기인 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 등온 가스 압축기가 팽창 챔버와, 상기 압축 피스톤에 간접적이고 기계적으로 연결된 팽창 피스톤을 더 포함하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 장치가, 상기 압축 피스톤과 상기 팽창 피스톤을 서로 연결시키도록 배열된 크랭크축을 더 포함하는 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 구동 수단은 상기 팽창 챔버내에 연소가능한 연료혼합물을 제공하는 수단을 포함하여 이루어지고, 상기 연료 혼합물의 연소에 의하여 상기 팽창 피스톤이 상기 팽창 챔버 밖으로 구동되는 장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 장치는 상기 압축 챔버로부터 상기 팽창 챔버 내로 압축 가스를 공급하는 수단을 더 포함하여 이루어지는 장치.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 장치는 상기 팽창 챔버로부터의 가스를 이용하여 상기 압축 챔버로부터의 압축 가스를 가열하도록 배열된 열 교환기를 더 포함하는 장치.
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