KR101289187B1 - 열에너지를 전환하는 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터빈 전단에서는 고압을 달성하면서도, 터빈 후단에서 저압을 달성하여 효율 상승이 가능한 열에너지를 전환하는 장치를 제공하는 것으로, 증발기, 에너지 전환 수단, 응축기 및 펌핑 수단이 연결되며, 2 이상의 비등점이 다른 두 유체가 혼합된 작동 유체를 사용하는 열에너지를 전환하는 장치로서, 상기 증발기와 에너지 전환 수단 사이에서 증발 작동 유체를 받아서 제 1 농후류와 제 1 희박류로 분리하는 제 1 분리기; 상기 증발기 전단에 위치되며, 응축 전의 작동 유체와 펌핑 수단을 통과한 작동 유체가 열교환하는 제 1 열교환기; 및 상기 열교환기와 상기 증발기 사이에 위치되어 열교환 작동 유체를 받아서 제 2 농후류와 제 2 희박류로 분리하는 제 2 분리기를 포함하며, 상기 제 2 희박류는 응축기 전단에서 소모 작동 유체와 합류되거나, 상기 제 2 농후류와 합류하도록 분기되는 열에너지를 전환하는 장치를 제공한다.

Description

열에너지를 전환하는 장치{Apparatus for Converting Thermal Energy}
본 발명은 팽창되어 재생되는 작동 유체를 사용하여 열원으로부터의 열에너지를 전환하는 장치에 대한 것으로, 구체적으로는, 2 이상의 혼합 작동 유체를 사용하여 저온의 열에너지를 전환하는 열역학 사이클로서 터빈 후단 측에서 저암모니아 농도를 가지게 함으로써, 발전 효율을 상승시키는 것이 가능한 열에너지를 전환하는 장치에 대한 것이다.
석탄, 오일 또는 가스를 연료로 하는 화력발전은 통상적으로 물을 작동 유체로 이용한다. LNG 복합발전의 경우에도 가스터빈에서 나온 배가스가 500~600℃로 상당히 높기 때문에 그 열로 물을 스팀으로 상전환시켜 스팀 터빈을 구동시켜 발전을 하게 된다.
100~500℃로 기존의 스팀발전보다 낮은 온도의 배열원을 이용하여 발전하기 위한 중저온 배열발전기술이 점차 개발, 확대되고 있다. 낮은 온도에서 발전하기 위해서는 낮은 온도에서 끓는 점(boiling point)을 갖는 작동 유체, 즉 냉매 또는 탄화수소계 연료가 이용된다. 작동 유체의 특성 또는 시스템 구성에 따라 유기랭킨사이클 시스템(organic rankine cycle system), 카리나 사이클시스템(kalina cycle), 그리고 우에하라 사이클 시스템(uehara cycle system) 등으로 크게 구별된다. 유기랭킨사이클은 하나의 작동 유체를 이용하고 카리나와 우에하라 사이클시스템은 암모니아와 물을 혼합한 혼합물을 이용한다.
유기랭킨사이클은 통상의 랭킨사이클인 도 1 과 같이 증발기(40), 터빈(50), 응축기(20), 펌프(30)의 기본 요소로 구성되어 있으며, 상기 터빈(50)에는 발전기(50)가 연결되어 터빈(50)에서 변환된 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환한다. 증발기(40)는 작동 유체가 열을 받아 기체로 상변화되는 곳이고 터빈(50)은 증발기(40)와 응축기(20) 간의 압력차이를 일로 바꾸어 주는 역할을 하며, 응축기(20)는 터빈(50)에서 나온 저온 저압의 작동 유체를 액체로 상변화해주는 역할을 한다. 펌프(30)는 응축기 내 저압의 작동 유체를 증발기로 공급하기 위한 역할을 한다.
이 랭킨 사이클에서 저온 저압의 작동 유체(1)는 펌프(30)를 통과하며 저온 고압의 작동 유체(2)가 되며, 증발기(40)를 통과하면서 고온고압의 작동 유체(3)가 되었다가, 터빈(50)을 통과한 후 저압의 작동 유체(4)가 된 후, 응축기(20)를 거치면서 다시 저온 저압의 작동 유체(1)가 되며, 이러한 사이클을 작동 유체가 순환함으로써 유용한 에너지를 생성한다.
유기랭킨사이클이 랭킨사이클과 다른 것은 물보다 끓는 점이 낮은 유기물질을 이용하여 저온에서 증발되는 작동 유체에 있다. 유기랭킨 사이클은 작동 유체가 하나의 성분으로 구성된 유기물질이 이용된다.
한편, 카리나 사이클은 순수물질을 작동 유체로 사용하는 유기랭킨사이클과 달리 물과 암모니아가 혼합된 암모니아수를 작동 유체로 사용한다. 구체적으로는 도 2 와 같이 저온 저압의 작동 유체(1)는 펌프(30)를 통해 고압의 작동 유체(2)로 토출되며, 예열기 혹은 재생기(45)에서 예열되어 중온의 작동 유체(5)가 된다. 이후 증발기(40)를 통해 증기화되어 고온고압의 작동 유체(3)가 되며, 이 작동 유체(3)는 기액분리기(60)에 유입된다. 이곳에서 물이 많이 포함된 포화액으로 암모니아가 적은 희박류(7)와 암모니아가 주성분인 포화증기인 농후류(6)로 분리되며, 농후류(6)는 터빈(50)으로 공급되어 소모된 농후류(11)로 변환되는데, 터빈(50)은 화학에너지를 기계적 에너지로 전환하고 그 기계적 에너지는 발전기(미도시)를 통해 전기를 생산한 후 농후류(6)는 소모된 농후류(11)가 된다.
고온상태인 희박류(7)는 예열기 혹은 재생기(45)로 보내져 작동 유체(2)를 예열하면서 열을 회수하여 열교환된 희박류(8)가 되며, 이 열교환된 희박류(8)는 스로틀 밸브와 같은 압력 제어기(70)를 통과하면서 압력이 터빈(50) 후단의 압력까지 낮아져 저압의 희박류(9)가 된다. 저압의 희박류(9)와 소모된 농후류(11)는 흡수기(80)에서 혼합되어 작동 유체(10)가 된다. 작동 유체(10)는 응축기(11)로 공급되고 여기에 저온의 냉각수에 의해 작동 유체(10)가 응축된 상태로 작동 유체(1)가 된다.
증발기(40)에는 고온의 열원을 갖는 가열 유체가 공급 및 배출되고, 응축기 (20)에는 냉각수가 공급 및 배출된다. 카리나 사이클은 기액분리기(60)의 레벨을 조절하면서 압력제어기(70)의 개도를 조절할 수 있다.
이러한 카리나 사이클 설계에 있어 터빈(50)에서 발전량을 늘리기 위하여는 터빈(50) 전단과 후단에서 압력차가 커야 한다. 그런데 물과 암모니아로 이루어진 작동 유체에서 암모니아는 증발온도가 낮아서, 암모니아의 농도가 높아지면 높아질수록 터빈 후단에서 압력이 높아지며, 터빈 후단에서 압력을 낮추기 위하여 낮은 암모니아 농도의 작동 유체를 사용하는 경우에는 증발기(40)에서 작동 유체의 증발량이 적어서 발전량이 적어진다는 문제가 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 터빈 전단에서는 고압을 달성하면서도, 터빈 후단에서 저압의 달성이 가능한 열에너지를 전환하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 외부 열원 또는 냉각 유체의 온도에 따라서, 균일한 출력을 제공할 수 있도록, 작동 유체의 농도를 조절하는 것이 가능한 열에너지를 전환하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 열원으로부터의 열에너지가 낮은 비등점을 가지는 유체를 가열하는 데 사용되게 하는 구조의 열에너지를 전환하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위한 것으로, 다음과 같은 열에너지를 전환하는 장치를 제공한다.
본 발명은 증발기, 에너지 전환 수단, 응축기 및 펌핑 수단이 연결되며, 2 이상의 비등점이 다른 두 유체가 혼합된 작동 유체를 사용하는 열에너지를 전환하는 장치로서, 상기 증발기와 에너지 전환 수단 사이에서 증발 작동 유체를 받아서 제 1 농후류와 제 1 희박류로 분리하는 제 1 분리기; 상기 증발기 전단에 위치되며, 응축 전의 작동 유체와 펌핑 수단을 통과한 가압 작동 유체가 열교환하는 제 1 열교환기; 및 상기 열교환기와 상기 증발기 사이에 위치되어 열교환 작동 유체를 받아서 제 2 농후류와 제 2 희박류로 분리하는 제 2 분리기를 포함하며, 상기 제 2 희박류는 응축기 전단에서 소모 작동 유체와 합류되거나, 상기 제 2 농후류와 합류하도록 분기되는 열에너지를 전환하는 장치를 제공한다.
이때, 상기 제 2 분리기의 제 2 희박류가 상기 제 2 농후류와 합류하는 유량을 조절하는 유량 조절 밸브를 더 포함할 수 있다.
또, 상기 제 2 분리기와 상기 증발기 사이에 위치되는 추가 펌핑 수단을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 추가 펌핑 수단과 상기 제 2 분리기 사이에 위치되며, 상기 제 2 농후류를 응축시키는 제 2 열교환기를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제 2 열교환기는 제 2 농후류와 냉각수가 열교환하거나, 제 2 농후류와 제 2 분리기와 응축기 사이의 작동 유체가 열교환하도록 구성될 수 있다.
또, 상기 제 1 열교환기는 상기 제 1 희박류와 펌핑 수단을 통과한 가압 작동 유체가 열교환할 수도 있다.
한편, 상기 제 1 열교환기는 펌핑 수단을 통과한 가압 작동 유체와 상기 제 1 희박류와 소모된 농후류가 합류된 작동 유체가 열교환할 수도 있다.
다르게, 본 발명은 2 이상의 비등점이 다른 두 유체가 혼합된 작동 유체를 가열 유체로 가열하여, 상기 작동 유체는 작동 유체의 적어도 일부가 증발된 증발 작동 유체로, 상기 가열 유체는 유입 온도보다 저온의 저온 가열 유체로 만드는 증발기; 상기 증발기에 연결되며, 증발 작동 유체를 받아 제 1 농후류와 제 1 희박류로 분리하는 제 1 분리기; 상기 분리기의 농후류 출구에 연결되며, 상기 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성하는 에너지 전환 수단; 상기 에너지 전환 수단에 연결되며, 상기 에너지 전환 수단을 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 상기 제 1 희박류가 혼합된 작동 유체를 외부의 냉각 유체와 열교환 시켜 상기 혼합된 작동 유체를 응축하는 응축기; 상기 응축기 및 상기 증발기 사이에 위치하며 상기 응축기를 통과한 작동 유체를 가압하는 펌핑 수단; 상기 펌핑 수단과 증발기 사이에 위치하여, 응축 전의 작동 유체와 펌핑 수단을 통과한 작동 유체가 열교환하는 열교환기; 및 상기 열교환기에 연결되어 열교환된 작동 유체를 제 2 농후류와 제 2 희박류로 분리하는 제 2 분리기를 포함하며, 상기 제 2 희박류는 응축기 전단에서 소모 작동 유체와 합류되거나, 상기 제 2 농후류와 합류하도록 분기되는 열에너지를 전환하는 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 2 분리기의 제 2 희박류가 상기 제 2 농후류와 합류하는 유량을 조절하는 유량 조절 밸브를 더 포함할 수 있으며, 상기 유량 조절 밸브는 상기 가열 유체 혹은 상기 냉각 유체의 온도에 따라서 조절될 수 있다.
이때, 상기 2 이상의 비등점이 다른 두 유체는 물과 암모니아이며, 상기 응축기를 통과한 작동 유체의 암모니아의 농도는 50% 미만일 수 있다.
본 발명은 위와 같은 구성을 통하여, 터빈 전단에서는 고압을 달성하면서도, 터빈 후단에서 저압을 달성하여 고효율이 가능한 열에너지를 전환하는 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 외부 열원 또는 냉각 유체의 온도에 따라서, 균일한 출력을 제공할 수 있도록, 작동 유체의 농도를 조절하는 것이 가능한 열에너지를 전환하는 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 열에너지가 낮은 비등점을 가지는 유체를 가열하는 데 사용되게 하는 구조의 열에너지를 전환하는 장치를 제공할 수 있다.
도 1 은 종래의 랭킨사이클의 구성도이다.
도 2 는 종래의 카리나사이클의 구성도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 열에너지를 전환하는 장치의 개략도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 열에너지를 전환하는 장치의 다른 개략도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에서는 물과 암모니아의 혼합물을 작동 유체로 사용하였으나, 본 발명은 비등점이 상이한 2 종 이상의 유체를 혼합하여 사용한다면, 본 발명의 작동 유체에 해당된다.
열에너지를 전환하는 사이클에서, 터빈과 같은 에너지 전환 수단에 연결된 발전기에서 전력이 생산되게 되는데, 터빈에서는 입력측의 압력, 출력측의 압력의 차이에 의해서 발생되는 에너지량이 정해지게 되므로, 동일 열원에서 입력측의 압력을 높이거나, 출력측의 압력을 낮출 수 있다면, 사이클의 효율은 향상될 수 있다.
일반적으로, 입력측의 압력은 펌프에 의해서 펌핑되는 압력으로 정해지는데, 이 압력은 증발되는 온도에 연결되어 있으므로, 중저온을 열원으로 사용하는 물과 암모니아를 작동 유체를 사용하는 사이클에서 압력을 상승시키는데 한계가 있다. 하지만, 물과 암모니아의 혼합물을 작동 유체로 사용하는 경우 암모니아의 농도가 낮아지면 동일 온도에서 더 낮은 압력에서 응축이 가능하며, 이는 터빈 후단, 출력측의 압력을 더 낮출 수 있다.
이렇게 터빈 후단의 압력이 낮아지더라도 터빈 전단의 압력이 변화되는 것은 아니므로, 터빈 전단과 후단의 압력 차가 커져, 터빈이 전환할 수 있는 에너지양이 증대되며, 따라서, 효율이 증대된다.
본 발명에서는 물과 암모니아를 작동 유체로 사용할 때, 물이 많은 경우에 더 낮은 압력에서 응축이 가능하므로, 분리기를 통하여 1차 가열된 작동 유체에서 물을 많이 포함하는 액상의 작동 유체의 일부 혹은 전부를 터빈 후단으로 순환시키고, 나머지는 증발기를 통해서 포화시킨 후 터빈으로 공급하여 발전시킴으로써, 터빈 후단에서의 압력을 낮추며, 그로 인하여 사이클 효율을 향상시킨다.
또, 펌핑을 2단계로 수행하여 1단 펌핑된 후 1차 가열시켜 물을 많이 포함하는 희박류를 터빈 후단으로 순환시키고, 나머지는 응축 후 2차 펌핑시키며, 증발기를 거쳐 터빈으로 제공한다. 증발기 후단에서 2차 분리하여, 과농류의 암모니아 기체 성분은 분리하여 터빈으로 공급하며, 액체 성분은 1차 가열의 열원으로 사용하도록 열교환기로 공급한다.
도 3 에는 이러한 본 발명의 열에너지를 전환하는 사이클의 구성도가 도시되어 있다.
물과 암모니아의 혼합물인 작동 유체는 합류부(180) 이후부터 응축기(120), 제 1 열교환기(125) 를 지나 제 2 분리기(165)에 유입되기 전(201, 202, 203)까지는 동일한 농도를 가진다.
응축기(120)에서 응축된 작동 유체(201)는 펌프(130)에 의해서 고압으로 펌핑되어 고압의 작동 유체(202)를 생성한다. 고압의 작동 유체(202)는 제 1 열교환기(125)에서 1 희박류(218)와 열교환하며, 일부는 기체로 상변화하여 승온 작동 유체(203)가 된다.
승온 작동 유체(203)는 제 2 분리기(165)에 유입되며, 제 2 분리기(165)에서 기체/액체가 분리된다. 기체측은 암모니아, 즉 저비등점의 유체의 농도가 높은 제 2 농후류(204)가 되며, 액체측은 물, 즉 고비등점의 유체의 농도가 높은 제 2 희박류(205)가 된다.
제 2 희박류(205)는 제 2 농후류(204)와 합류하는 제 2 희박류(206)와 제 1 희박류(218)와 합류하는 제 2 희박류(207)로 분기된다. 이때, 제 2 희박류(206)는 제 2 합류부(176)에서 제 2 농후류(204)와 합류하기 전에 유량 조절 밸브(174)에 의해서 합류량이 조절된다. 이는 증발기(140)로 가는 작동 유체(212)의 농도를 조절하기 위한 것으로 증발기(140)로 들어오는 고온 액체 혹은 응축기(120)로 들어오는 저온 액체의 온도에 연동하여 변경될 수 있다.
또한, 제 1 희박류(219)와 합류하는 제 2 희박류(207)는 제 2 스로틀 밸브(175)에서 저압으로 압력이 낮춰진 후(208) 합류부(180)에서 제 1 희박류(219) 및 소모 농후류(217)와 합류하게 된다. 이때, 제 2 스로틀 밸브(175)는 제 2 분리기(165)의 액면 높이를 감지하는 액체 레벨 제어기(195)에 연결되어서, 제 1 합류부(179)로 합류하는 제 2 희박류(207)의 양 역시 조절될 수 있다.
한편, 합류부(176)에서 제 2 농후류(204)와 합류한 작동 유체(209)는 증발기(140)를 통과하면서 열원 유체와 열교환하여 증발 작동 유체(213)가 된다. 증발 작동 유체(213)는 제 1 분리기(160)로 유입되며, 제 1 분리기(160)에서 제 1 농후류(214)와 제 1 희박류(215)로 분리된다. 제 1 분리기(160)는 터빈(150) 내로 액체가 유입되는 경우에, 터빈(150)이 손상되는 것을 방지하며, 합류부(176)에서 제 2 희박류(206)가 합류된 후 증발기(140)를 통과하면서도 기화되지 못한 작동 유체를 제 1 희박류(215)로 분리한다.
제 1 분리기(160)에서 분리된 제 1 농후류(214)는 터빈(150)과 같은 에너지 전환 수단으로 공급되며, 터빈(150)에서 제 1 농후류(214)는 압력이 하강하면서, 그로 인하여 화학적 에너지가 기계적 에너지로 전환된다. 터빈(150)과 같은 에너지 전환 수단은 발전기가 연결되어, 전환된 기계적 에너지로 전기를 생산할 수 있다. 또한, 제 1 농후류(214)는 터빈(150)을 통과하면서 에너지가 소모된 소모 농후류(217)가 된다.
한편, 제 1 분리기(160)에서 분리된 제 1 희박류(215)는 제 1 스로틀 밸브(170)를 통과하면서 저압으로 압력이 떨어져, 저압의 제 1 희박류(218)가 된다. 이때, 제 1 스로틀 밸브(170)는 제 1 분리기(160)의 액면 높이를 감지하는 액체 레벨 제어기(190)에 연결되어서, 제 1 희박류(216)의 양을 조절할 수 있다.
제 1 스로틀 밸브(170)를 통과한 저압의 제 1 희박류(218)는 제 1 열교환기(125)를 통과하면서 작동 유체(202)를 가열하며, 그 후에 합류부(180)에서 제 1 희박류(209) 및 소모 농후류(217)와 합류하여, 작동 유체(220)가 된다.
도 3 의 실시예에서는 제 2 분리기(165) 및 제 1 열교환기(125)를 포함하여, 상기 제 2 분리기(165)로 제 2 희박류(205) 및 제 2 농후류(204)를 분리하고, 제 2 희박류(205)와 제 2 농후류(204)의 일부(206)의 합류량을 조절하는 유량 조절 밸브(174)를 통하여, 증발기(140)로 공급되는 작동 유체의 농도를 조절할 수 있다.
또한, 응축기(120) 측에서 저농도의 작동 유체를 형성하게 하여, 터빈(150) 후단에서의 압력이 낮아지게 하며, 그로 인하여 동일한 열원에 대하여 고출력을 얻을 수 있다.
도 4 에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다.
물과 암모니아의 혼합물인 작동 유체는 제 3 합류부(180) 이후부터 제 1 열교환기(125), 응축기(120)를 지나 제 2 분리기(165)에 유입되기 전(201, 202, 203)까지는 동일한 농도를 가진다.
응축기(120)에서 응축된 작동 유체(201)는 펌프(130)에 의해서 중압으로 펌핑되어 중압 작동 유체(202)를 생성한다. 중압 작동 유체(202)는 제 1 열교환기(125)에서 제 1 희박류(218)와 열교환하며, 일부는 액체로 상변화하여 승온 중압 작동 유체(203)가 된다.
승온 중압 작동 유체(203)는 제 2 분리기(165)에 유입되며, 제 2 분리기(165)에서 기체/액체가 분리된다. 기체측은 암모니아, 즉 저비등점의 유체의 농도가 높은 제 2 농후류(204)가 되며, 액체측은 물, 즉 고비등점의 유체의 농도가 높은 제 2 희박류(205)가 된다.
제 2 희박류(205)는 제 2 농후류(204)와 합류하는 제 2 희박류(206)와 제 1 희박류(218)와 합류하는 제 2 희박류(207)로 분기된다. 이때, 제 2 희박류(206)는 제 2 합류부(176)에서 제 2 농후류(204)와 합류하기 전에 유량 조절 밸브(174)에 의해서 합류량이 조절된다. 이는 증발기(140)로 가는 작동 유체(212)의 농도를 조절하기 위한 것으로 증발기(140)로 들어오는 열원 액체 온도에 연동하여 변경될 수 있다.
또한, 제 1 희박류(218)와 합류하는 제 2 희박류(207)는 제 2 스로틀 밸브(175)에서 저압으로 압력이 낮춰진 후(208) 제 3 합류부(180)에서 제 1 희박류(218) 및 소모 농후류(217)와 합류하게 된다. 이때, 제 2 스로틀 밸브(175)는 제 2 분리기(165)의 액면 높이를 감지하는 액체 레벨 제어기(195)에 연결되어서, 제 1 합류부(179)로 합류하는 제 2 희박류(207)의 양 역시 조절될 수 있다.
한편, 제 2 합류부(176)에서 제 2 농후류(204)와 합류한 작동 유체(209)는 고압으로 펌핑되기 전에 제 2 열교환기(185)를 통과하면서, 액체로 모두 상변화된다. 이렇게 제 2 열교환기(185)를 통과하면서 모두 액체로 된 액상 작동 유체(210)는 추가 펌핑 수단인 펌프(135)에 의해서 원하는 고압으로 가압되어 고압 작동 유체(211)가 된다. 고압 작동 유체(211)는 제 3 열교환기(145)에서 제 1 희박류(215)와 열교환하면서 예열되어, 승온 고압 작동 유체(212)가 된다.
승온 고압 작동 유체(212)는 증발기(140)를 통과하면서 열원 유체와 열교환하여 증발 작동 유체(213)가 된다. 증발 작동 유체(213)는 제 1 분리기(160)로 유입되며, 제 1 분리기(160)에서 제 1 농후류(214)와 제 1 희박류(215)로 분리된다.
제 1 분리기(160)에서 분리된 제 1 농후류(214)는 터빈(150)과 같은 에너지 전환 수단으로 공급되며, 터빈(150)에서 제 1 농후류(214)는 압력이 하강하면서, 그로 인하여 화학적 에너지가 기계적 에너지로 전환된다. 터빈(150)과 같은 에너지 전환 수단은 발전기가 연결되어, 전환된 기계적 에너지로 전기를 생산할 수 있다. 또한, 제 1 농후류(214)는 터빈(150)을 통과하면서 에너지가 소모된 소모 농후류(217)가 된다.
한편, 제 1 분리기(160)에서 분리된 제 1 희박류(215)는 제 3 열교환기(145)를 통과하면서, 고압 작동 유체(211)를 승온시키며, 온도가 하강한 제 1 희박류(216)가 된다. 이러한 제 1 희박류(216)는 제 1 스로틀 밸브(170)를 통과하면서 저압으로 압력이 떨어져, 저압의 제 1 희박류(218)가 된다. 이때, 제 1 스로틀 밸브(170)는 제 1 분리기(160)의 액면 높이를 감지하는 액체 레벨 제어기(190)에 연결되어서, 제 1 희박류(216)의 양을 조절할 수 있다.
제 1 스로틀 밸브(170)를 통과한 저압의 제 1 희박류(218)는 제 1 열교환기(125)를 통과하게 되며, 중압 작동 유체(202)를 가열한 후 제 3 합류부(180)에서 제 1 희박류(208) 및 소모 농후류(217)와 합류하여, 작동 유체(220)가 된다.
도 4 의 실시예에서, 제 1 열교환기(125)는 제 3 열교환기(145)를 통과한 제 1 희박류(218)가 유입되는 것으로 구성되어 있으나, 제 1 열교환기(125)는 이와 다르게 소모 농후류(217)와 중압 작동 유체(202)가 열교환하도록 구성될 수도 있으며, 도 3 의 실시예와 같이 작동 유체(220)와 열교환할 수도 있다. 본 발명에서는 작동 유체(201)를 중압으로 가압한 후 제 1 열교환기(125)를 통과시킨 후 제 2 분리기(165)를 통과시켜 제 2 희박류(205)와 제 2 농후류(204)로 분리시킨다. 이렇게 하는 것은 터빈(150) 혹은 제 3 열교환기(145)를 통과한 작동 유체(220)의 열에너지로 중압 작동 유체(202)를 가열 후 분리함으로써, 제 2 농후류(204) 혹은 제 2 농후류(204)에 일부의 제 2 희박류(206)를 혼합시킨 고농도의 작동 유체(209)를 만들 수 있을 뿐만 아니라, 응축기(120)에서 상대적으로 저농도의 작동 유체(221)를 유지하는 것이 가능하다.
이렇게, 응축기(120)에서 저농도의 작동 유체(221)를 만드는 것은 응축기(120)에서의 압력을 낮게 하는 것이며, 이는 터빈(150)의 전단과 후단의 압력 차이를 크게 하는 것이다. 터빈(150)에서 전단과 후단의 압력차이가 크면 클수록 터빈(150)은 더 많은 일을 하게 되므로, 더 많은 양의 발전이 가능하다. 이는 터빈(150) 전단의 압력과 온도가 동일할 때, 터빈(150)은 등엔트로피 과정을 거치므로, 압력 하랑 폭에 따라서 비례적으로 출력 개선이 이루어지기 때문이다.
예를 들어, 50% 암모니아 농도에서 32℃ 때 3.8bar의 압력이 걸리게 되는데, 암모니아의 농도가 70% 정도가 되는 경우에 3.8 bar를 만들기 위하여는 온도를 8℃까지 낮춰야 한다. 만일 암모니아의 농도가 70% 정도일 때, 32℃로 응축된다면 8.1bar 의 압력이 걸리게 된다.
만일 터빈(150) 전단의 제 1 농후류(214)의 온도가 142℃이며, 압력이 30bar인 경우에, 터빈(150) 후단 압력이 8.1bar인 경우에는 10.21% 정도의 효율이 얻어지나, 터빈(150) 전단의 제 1 농후류(214)의 온도/압력이 동일할 때, 터빈(150) 후단 압력이 3.8bar 인 경우에는 15.49%로 효율이 상승할 수 있다.
터빈(150) 후단의 압력은 응축기(120)를 통과한 작동 유체의 압력이 좌우하게 되므로, 응축기(120)를 통과하여 온도가 떨어진 작동 유체의 농도가 50%인 경우에는 3.8bar의 압력이 터빈(150) 후단에 걸리게 되며, 작동 응축기(120)를 통과하여 온도가 떨어진 작동 유체의 농도가 70%인 경우 터빈(150) 후단에 8.1bar가 걸리게 된다(응축기를 통과한 작동 유체의 온도는 32℃로 가정함).
따라서, 응축기(120)를 통과한 작동 유체의 농도를 낮게 함으로써, 고효율의 달성이 가능하며, 이를 위하여, 응축기(120)를 통과한 작동 유체에서 저비등점 유체의 농도는 50%미만인 것이 바람직하다.
또, 본 발명에서는 압력을 중압/고압으로 구분하였으며, 중압에서는 저온에서도 암모니아가 증발될 수 있으므로, 증발기(140)가 아닌 제 1 열교환기(125)에서의 열교환으로도 증발이 가능하며, 제 2 분리기(165)를 통과시킴으로써, 고농도의 작동 유체를 증발기(140)로 제공할 수 있다. 또한, 작동 유체(201)의 농도가 낮더라도 증발기(140) 및 터빈(150)으로 유입되는 작동 유체의 농도는 높을 수 있다.
또한, 본 발명에서는 증발기(140)로 유입되는 열원 유체의 온도 및 유체량과, 냉각 유체의 온도에 따라서, 작동 유체에서 암모니아 농도를 조절할 수 있으며, 그로 인하여, 외적 요인에 의해서 사이클에 문제가 발생하거나, 효율의 변화가 최소화될 수 있다.
즉, 외부 열원의 온도가 낮은 경우에는 유량 조절 밸브(174)를 닫아서 암모니아의 농도를 높게 하고, 외부 열원의 온도가 높은 경우에는 유량 조절 밸브(174)를 개방하여, 제 2 희박류(206)와 제 2 농후류(204)를 혼합시켜 공급하여 암모니아의 농도를 낮게 하면 출력을 상향시켜 발전 출력 안정화에 유리하다.
이상에서는 본 발명의 구체적 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 가능함은 물론이다.
예를 들어, 물과 암모니아가 아닌 다른 2 유체 혹은 3 유체를 작동 유체로 사용할 수 있으며, 제 3 열교환기(145)의 위치도 제 1 희박류(215)의 에너지를 재생하는 관점에서는 다양한 위치에 배치될 수 있다.
마찬가지로, 제 1 열교환기(125) 역시 증발기(140) 전에서 작동 유체의 농도를 조절할 수 있다면, 재생열 혹은 증발기를 통과하여 버려지는 열원과 열교환하는 것으로 구성될 수 있다.
또한, 제 2 열교환기(185)는 펌프(135) 전에서 작동 유체를 응축시킨다면, 다양한 위치에 구현될 수 있다.
120: 응축기 125: 제 1 열교환기
130, 135: 펌프 140: 증발기
145: 제 3 열교환기 150: 터빈
160: 제 1 분리기 165: 제 2 분리기
170: 제 1 스로틀 밸브 174: 유량 조절 밸브
175: 제 2 스로틀 밸브 176: 제 2 합류부
179: 제 1 합류부 180: 제 3 합류부
190: 제 1 액체 레벨 제어기 195: 제 2 액체 레벨 제어기

Claims (12)

  1. 증발기, 에너지 전환 수단, 응축기 및 펌핑 수단이 연결되며, 2 이상의 비등점이 다른 두 유체가 혼합된 작동 유체를 사용하는 열에너지를 전환하는 장치로서,
    상기 증발기와 에너지 전환 수단 사이에서 증발 작동 유체를 받아서 제 1 농후류와 제 1 희박류로 분리하는 제 1 분리기;
    상기 증발기 전단에 위치되며, 응축 전의 작동 유체와 펌핑 수단을 통과한 작동 유체가 열교환하는 제 1 열교환기; 및
    상기 열교환기와 상기 증발기 사이에 위치되어 열교환 작동 유체를 받아서 제 2 농후류와 제 2 희박류로 분리하는 제 2 분리기를 포함하며,
    상기 제 2 희박류는 응축기 전단에서 소모 작동 유체와 합류되거나, 상기 제 2 농후류와 합류하도록 분기되는 열에너지를 전환하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 분리기의 제 2 희박류가 상기 제 2 농후류와 합류하는 유량을 조절하는 유량 조절 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 분리기와 상기 증발기 사이에 위치되는 추가 펌핑 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 추가 펌핑 수단과 상기 제 2 분리기 사이에 위치되며, 상기 제 2 농후류를 응축시키는 제 2 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 열교환기는 제 2 농후류와 냉각수가 열교환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 열교환기는 제 2 농후류와 제 2 분리기와 응축기 사이의 작동 유체가 열교환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환기는 상기 제 1 희박류와 펌핑 수단을 통과한 작동 유체가 열교환하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환기는 펌핑 수단을 통과한 가압 작동 유체와 상기 제 1 희박류와 소모된 농후류가 합류된 작동 유체가 열교환하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
  9. 2 이상의 비등점이 다른 두 유체가 혼합된 작동 유체를 가열 유체로 가열하여, 상기 작동 유체는 작동 유체의 적어도 일부가 증발된 증발 작동 유체로, 상기 가열 유체는 유입 온도보다 저온의 저온 가열 유체로 만드는 증발기;
    상기 증발기에 연결되며, 증발 작동 유체를 받아 제 1 농후류와 제 1 희박류로 분리하는 제 1 분리기;
    상기 분리기의 농후류 출구에 연결되며, 상기 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성하는 에너지 전환 수단;
    상기 에너지 전환 수단에 연결되며, 상기 에너지 전환 수단을 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 상기 제 1 희박류가 혼합된 작동 유체를 외부의 냉각 유체와 열교환 시켜 상기 혼합된 작동 유체를 응축하는 응축기;
    상기 응축기 및 상기 증발기 사이에 위치하며 상기 응축기를 통과한 작동 유체를 가압하는 펌핑 수단;
    상기 펌핑 수단과 증발기 사이에 위치하여, 응축 전의 작동 유체와 펌핑 수단을 통과한 작동 유체가 열교환하는 열교환기; 및
    상기 열교환기에 연결되어 열교환된 작동 유체를 제 2 농후류와 제 2 희박류로 분리하는 제 2 분리기를 포함하며,
    상기 제 2 희박류는 응축기 전단에서 소모 작동 유체와 합류되거나, 상기 제 2 농후류와 합류하도록 분기되는 열에너지를 전환하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 분리기의 제 2 희박류가 상기 제 2 농후류와 합류하는 유량을 조절하는 유량 조절 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 유량 조절 밸브는 상기 가열 유체 혹은 상기 냉각 유체의 온도에 따라서 조절되는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 2 이상의 비등점이 다른 두 유체는 물과 암모니아이며,
    상기 응축기를 통과한 작동 유체의 암모니아의 농도가 50% 미만인 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
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