KR101304727B1

KR101304727B1 - 열에너지를 전환하는 장치

Info

Publication number: KR101304727B1
Application number: KR1020120092196A
Authority: KR
Inventors: 오혁진; 조한창
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 포스코
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2013-09-05

Abstract

본 발명은 열에너지를 유용한 에너지로 전환하는 사이클에서 기액분리기를 통해 얻어진 희박류를 충분히 냉각시켜 응축기에서의 냉각수 사용량을 줄이는 것을 목적으로 하며, 이를 달성하기 위하여 2 이상의 비등점이 다른 두 유체가 혼합된 작동 유체와 가열 유체가 열교환 하여, 적어도 일부의 작동 유체가 증발된 증발 작동 유체와 유입된 가열 유체보다 온도가 낮은 저온 가열 유체를 만드는 증발기; 상기 증발기에 연결되며, 증발 작동 유체를 받아 농후류와 희박류로 분리하는 분리기; 상기 분리기의 농후류 출구에 연결되며, 상기 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성하는 에너지 전환 수단; 상기 에너지 전환 수단에 연결되며, 상기 에너지 전환 수단를 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 상기 희박류가 혼합된 작동 유체를 외부의 냉각 유체와 열교환 시켜 상기 혼합된 작동 유체를 응축하는 응축기; 상기 응축기를 통과한 작동 유체와 상기 응축기 통과 전의 작동 유체가 열교환하는 제 1 열교환기; 및 상기 제 1 열교환기와 상기 증발기 사이에 배치되는 펌핑 수단;을 포함하는 열에너지를 전환하는 장치를 제공한다.

Description

열에너지를 전환하는 장치{Method and Apparatus for Converting Thermal Energy}

본 발명은 팽창되어 재생되는 작동 유체를 사용하여 열원으로부터의 열에너지를 유용한 에너지로 전환하는 장치에 대한 것으로, 구체적으로는, 2 이상의 혼합 작동 유체를 사용하여 저온의 열에너지를 유용한 에너지로 전환하는 열역학 사이클로서 열 이용 효율 향상이 가능한 열을 유용한 에너지로 전환하는 장치에 대한 것이다.

석탄, 오일 또는 가스를 연료로 하는 화력발전은 통상적으로 물을 작동유체로 이용한다. LNG 복합발전의 경우에도 가스터빈에서 나온 배가스가 500~600℃로 상당히 높기 때문에 그 열로 물을 스팀으로 상전환시켜 스팀터빈을 구동시켜 발전을 한다.

100~500℃로 기존의 스팀발전보다 낮은 온도의 배열원을 이용하여 발전하기 위한 중저온 배열발전기술이 점차 개발, 확대되고 있다. 낮은 온도에서 발전하기 위해서는 낮은 온도에서 끓는점(boiling point)을 갖는 작동유체, 즉 냉매 또는 탄화수소계 연료가 이용된다. 작동유체의 특성 또는 시스템 구성에 따라 유기랭킨사이클(organic rankine cycle), 카리나사이클(kalina cycle), 그리고 우에하라사이클(uehara cycle) 등으로 크게 구별된다. 유기랭킨사이클은 하나의 작동유체를 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 기본요소로 구성되어 있으며, 상기 터빈(50)에는 발전기(50)가 연결되어 터빈(50)에서 변환된 기계적 에너지를 전기에너지로 전환한다. 증발기(40)는 작동유체가 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 작동유체를 액체로 상변화해주는 역할을 한다. 펌프(30)는 응축기 내 저압의 작동유체를 증발기로 공급하기 위한 역할을 한다.

이 랭킨사이클에서 저온 저압의 작동유체(1)는 펌프(30)를 통과하며 저온 고압의 작동유체(2)가 되며, 증발기(40)를 통과하면서 고온고압의 작동유체(3)가 되었다가, 터빈(50)을 통과한 후 저압의 작동유체(4)가 된 후, 응축기(20)를 거치면서 다시 저온 저압의 작동유체(1)가 되며, 이러한 사이클은 작동유체가 순환함으로써 유용한 에너지를 생성한다.

유기랭킨사이클이 랭킨사이클과 다른 것은 물보다 끓는점이 낮은 유기물질을 이용하여 저온에서 증발되는 작동유체에 이용하는 것이다. 유기랭킨사이클은 작동유체가 하나의 성분으로 구성된 유기물질이 이용된다.

한편, 카리나사이클은 순수물질을 작동유체로 사용하는 유기랭킨사이클과 달리 물과 암모니아가 혼합된 암모니아수를 작동유체로 사용한다. 구체적으로는 도 2 와 같이 저온 저압의 작동유체(1)는 펌프(30)를 통해 고압의 작동유체(2)로 토출되며, 예열기 혹은 재생기(45)에서 예열되어 중온의 작동유체(5)가 된다. 이후 증발기(40)를 통해 증기화되어 고온고압의 작동유체(3)가 되며, 이 작동유체(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 저압의 작동유체(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(4)가 된다.

고온상태인 희박류(7)는 예열기 혹은 재생기(45)로 보내져 작동유체(2)를 예열하면서 열을 회수하여 열교환된 작동유체(8)가 되며, 이 열교환된 작동유체(8)는 스로틀밸브와 같은 압력제어기(70)를 통과하면서 압력이 터빈(50) 후단의 압력까지 낮아져 저압의 희박류(9)가 된다. 저압의 희박류(9)와 소모된 농후류(4)는 흡수기(80)에서 혼합되어 작동유체(10)가 된다. 작동유체(10)는 응축기(11)로 공급되고 여기에 저온의 냉각수에 의해 작동유체(10)가 응축된 상태로 저온 저압의 작동유체(1)가 된다.

증발기(40)에는 고온의 열원을 갖는 가열유체가 공급 및 배출되고, 응축기 (20)에는 냉각수가 공급 및 배출된다. 카리나사이클은 기액분리기(60)의 레벨을 조절하면서 압력제어기(70)의 개도를 조절할 수 있다.

이러한 카리나사이클 설계에 있어 증발기(40)로 들어가는 작동유체(5)는 통상 작동압력에서 얻을 수 있는 포화액의 온도로 공급하게 된다. 이렇게 하면 증발기의 효율을 극대화할 수 있기 때문이다. 하지만, 작동유체(5)를 포화액의 온도로 공급하는 경우에, 기액분리기(60)에서 분리된 희박류(7)가 예열기(45)에서 펌프(30)를 통해 공급된 작동유체(2)를 예열하면서 열량(Q)을 소비하지만, 그 열량(Q)이 크지 않아서 작동유체(10)는 상대적으로 높은 온도를 유지하게 된다.

이에 따라 그 열은 응축기(20)에서 냉각수에 의해 모두 냉각을 시켜야 한다. 즉, 응축기(20)에 공급되는 냉각수량이 증가하여야 하며 응축기 자체도 커져야 한다. 이것은 공급열량(Qin)에 대한 발전출력(Qout)으로 정의되는 발전효율이 낮아지는 영향을 주게 된다.

본 발명은 열에너지를 유용한 에너지로 전환하는 사이클에서 기액분리기를 통해 얻어진 희박류를 충분히 냉각시켜 응축기에서의 냉각수 사용량을 줄이는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 공급열량(Qin)에 대한 발전출력(Qout)으로 정의되는 발전효율에서 발전출력에는 영향 없이 공급열량을 줄임으로써, 궁극적으로는 열효율을 높이는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 열에너지를 유용한 에너지로 전환하는 장치를 제공한다.

본 발명은 2 이상의 비등점이 다른 두 유체가 혼합된 작동유체와 가열유체가 열교환 하여, 적어도 일부의 작동유체가 증발된 증발 작동유체와 유입된 가열유체보다 온도가 낮은 저온 가열유체를 만드는 증발기; 상기 증발기에 연결되며, 증발 작동유체를 받아 농후류와 희박류로 분리하는 분리기; 상기 분리기의 농후류 출구에 연결되며, 상기 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성하는 에너지 전환수단; 상기 에너지 전환수단에 연결되며, 상기 에너지 전환수단을 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 상기 희박류가 혼합된 작동유체를 외부의 냉각유체와 열교환 시켜 상기 혼합된 작동유체를 응축하는 응축기; 상기 응축기를 통과한 작동유체와 상기 응축기 통과 전의 작동유체가 열교환하는 제 1 열교환기; 및 상기 제 1 열교환기와 상기 증발기 사이에 배치되는 펌핑수단;을 포함하는 열에너지를 전환하는 장치를 제공한다.

이때, 상기 증발기는 상기 저온 가열유체의 온도가 상기 증발 작동유체의 온도보다 낮도록 구성되며, 상기 증발기 및 상기 분리기에 연결되어 상기 분리기의 상기 희박류와 상기 증발기의 저온 가열유체를 열교환 시키는 제 2 열교환기를 포함할 수 있다.

또, 상기 가열유체가 외부 열원으로부터 열을 받는 열교환부, 상기 증발기 및 제 1 열교환기를 순환하도록 상기 가열유체가 순환하는 가열구조를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 1 열교환기에서는 에너지 전환수단을 통과한 소모 농후류와 응축기를 통과한 작동유체가 열교환할 수 있다.

나아가, 본 발명에서는 상기 응축기를 통과한 후 상기 제 1 열교환기를 통과한 작동유체는 포화액일 수 있다.

또, 상기 작동유체는 물과 암모니아의 혼합물일 수 있다.

본 발명은 열에너지를 유용한 에너지로 전환하는 사이클에서 기액분리기를 통해 얻어진 희박류를 충분히 냉각시켜 응축기에서의 냉각수 사용량을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명은 공급열량에 대한 발전출력으로 정의되는 발전효율에서 발전출력에는 영향 없이 공급열량을 줄임으로써, 궁극적으로는 열효율을 높이는 것이 가능하다.

도 1 은 종래의 랭킨사이클의 구성도이다.
도 2 는 종래의 카리나사이클의 구성도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 열에너지를 유용한 에너지로 전환하는 사이클의 구성도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 열에너지를 유용한 에너지로 전환하는 사이클의 다른 구성도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적 실시예에 대하여 살펴보도록 한다.

본 발명의 실시예에서는 물과 암모니아의 혼합물을 작동유체로 사용하였으나, 본 발명은 비등점이 상이한 2 종 이상의 유체를 혼합하여 사용한다면, 본 발명의 작동유체에 해당된다.

도 3 에는 본 발명의 열에너지를 유용한 에너지로 전환하는 사이클의 구성도 가 도시되어 있다.

물과 암모니아의 혼합물인 작동유체는 합류부(P13)이후부터 응축기(110)를 지나서 분리기(160)에 들어가기 전까지(P1~P5, P14, 15)는 동일한 농도를 가진다.

응축기(110)에서 과응축된 작동유체(P1)는 제 1 열교환기(120)를 통과하면서 포화액 상태의 작동유체(P2)가 되며, 그 후 펌프(110)에 의해서 고압으로 펌핑되어, 고압의 작동유체(P3)가 된다. 고압 작동유체(P2)는 제 3 열교환기(130)에서 합류된 합류 희박류(P8)과 열교환 하여, 승온 작동유체(P4)가 된다.

승온 작동유체(P3)는 증발기(150)로 유입되며, 이 증발기(150)에서 작동유체는 가열유체(H1)와 열교환 하면서 상변화하여 증발 작동유체(P5)가 된다. 이때, 열에너지가 화학적 에너지로 전환된다.

증발 작동유체(P5)는 분리기(160)로 공급되며, 분리기(160)에서 증기상태의 농후류(P11)와 액체상태의 희박류(P6)로 분리된다. 여기서, 농후류(P11)란 암모니아와 같은 저 비등점 유체의 농도가 높은 것을 의미하며, 희박류(P6)란 암모니아와 같은 저 비등점 유체의 농도가 낮은 것을 의미하는 것으로, 분리기(160)에서 기체는 암모니아와 같은 저 비등점 유체의 농도가 높으며, 액체는 암모니아와 같은 저 비등점 유체의 농도가 낮아서, 증기상태는 농후류(P11)가 되며, 액체상태는 희박류(P6)가 된다.

농후류(P10)는 터빈과 같은 에너지 전환수단(170)으로 공급되며, 이 에너지 전환수단(170)에서 농후류(P10)는 압력이 하강하며, 그로 인하여 화학적 에너지가 기계적 에너지로 전환된다. 터빈과 같은 에너지 전환수단(170)에는 발전기(180)가 연결되어 기계적 에너지로 전기를 생산할 수 있다. 농후류(P11)는 터빈과 같은 에너지 전환수단(170)을 통과하면서 에너지가 소모된 소모 농후류(P12)가 된다. 소모 농후류(P12)는 스로틀밸브와 같은 압력 조절수단(185)을 통과한 저압 희박류(P10)와 합류부(P13)에서 합류하여 작동유체(P14)가 된다.

한편, 희박류(P6)는 분기부에서 제 1 희박류(P7)와 제 2 희박류로 분기한다. 제 1 희박류(P7) 및 제 2 희박류는 분기부에서 분기한 후 다시 합류하여 희박류(P8)가 된다.

분기부에서 분기된 제 1 희박류(P7)는 제 2 열교환기(140)로 공급되며, 제 2열교환기(140)에서 가열유체(H2)와 열교환 한다. 이때, 증발기(150)를 통과한 후의 가열유체(H2)의 온도가 제 1 희박류(P7)보다 낮도록, 즉, 가열유체의 출구 온도가 작동유체의 출구 온도보다 낮도록 증발기(150)에서 열교환이 일어난다. 따라서, 제 1 희박류(P7)로부터 가열유체(H2)로 열에너지가 전달된다.

제 1 희박류(P7)는 제 2 열교환기(140)를 통과하면서 온도가 낮아지며, 반면에 가열유체(H2)는 제 2 열교환기(140)를 통과하면서 온도가 올라간 가열유체(H3)가 된다.

이렇게 온도가 낮아진 제 1 희박류(P7)는 제 2 희박류와 만나서 합류 희박류(P8)가 되며, 이 합류 희박류(P8)는 온도가 낮아진 제 1 희박류(P7)가 제 2 희박류에 합류하는 것이어서 분기 전의 희박류(P6)보다 온도가 낮다. 이러한 합류 희박류(P8)는 제 3 열교환기(130)에서 고압 작동유체(P3)를 승온시키면서 다시 한번 온도가 낮아진 희박류(P9)가 된다.

제 3 열교환기(130)를 통과한 희박류(P9)는 스로틀밸브와 같은 압력 조절수단(185)을 통과하면서 터빈 후단의 압력으로 떨어져 저압 희박류(P10)가 된다. 이때, 압력 조절수단(185)은 분리기(160)의 액면에 따라서 개도가 조절될 수 있으며, 그로 인하여 저압 희박류(P10)는 합류부(P13)에서 소모 농후류(P12)와 합류하여 작동유체(P14)가 된다.

작동유체(P14)는 제 1 열교환기(120)로 제공되어, 과응축된 작동유체(P1)를 가열하여 포화액 상태의 작동유체(P2)를 만들면서, 자신은 온도가 떨어진 작동유체(P15)가 된 후 응축기(1190)로 유입된다.

응축기(190)에서는 작동유체(P15)는 냉각수와 같은 냉각유체에 의해서 액상으로 모두 응축되며, 액상의 응축 작동유체(P1)가 된다. 이렇게 작동유체는 1 순환하면서 가열유체로부터 받은 열에너지를 전기에너지로 전환한다.

열역학사이클에서, 사이클 내부에서 주고 받는 열은 효율과는 관련이 없으나, 내부에서 주고 받는 열로 인하여 동력을 더 생산하거나, 동일한 동력을 생산하면서 입력 에너지를 감소시키는 경우에 내부에서 주고 받는 열로 인하여 효율이 향상된다고 할 수 있다. 또한, 공급된 열에너지 중에서 동력발생에 사용되지 않는 열에너지의 경우에 응축기(190)를 통하여 외부로 방출되어야 하며, 응축기(190) 에서 응축수를 구동시키는 펌프(미도시)는 생산된 동력으로 가동시키기 때문에, 응축수의 유량이 감소하는 경우에 결국 사용할 수 있는 에너지가 증가하여 효율이 증가되는 것으로 볼 수 있다.

본 발명과 같은 열에너지를 유용한 에너지(예를 들면, 전기 에너지)로 전환하는 장치에서는 분리기(160)에서 분리된 희박류(P6)의 경우에 에너지 전환수단(170)에 공급되지 않는다. 종래에서는 중간에 작동유체(2; 도 2 참고)와 희박류(7; 도 2 참고)가 예열기(45; 도 2 참고)를 통과한 후 응축기(20; 도 2 참고)로 들어가기에, 예열기에서 희박류의 온도가 충분히 낮아지지 않는 경우에 응축기(20)에서 응축부하가 크게 걸리며, 이는 응축기를 크게 하여 장치 전체 사이즈를 증대시킬 뿐만 아니라, 응축수를 많이 필요하게 된다.

이에 희박류(P6)가 합류부(P13)에서 소모 농후류(P12)와 합류하기 전의 제 3 열교환기(130)의 열교환 양을 증대시켜 통하여 응축기(190)의 부하를 낮추는 것도 고려하여 볼 수 있으나, 배경기술에서 언급한 바와 같이 증발기(150)의 열교환 효율을 상승시키기 위하여는 증발기(150)의 입구단에서 포화액으로 넣어야 하기 때문에, 제 3 열교환기(130)의 열교환 양은 제한될 수밖에 없다.

본 발명에서는 희박류(P6)의 일부는 분기하여 제 2 열교환기(140)로 공급되며, 제 2 열교환기(140)에서 열에너지의 일부를 다시 가열유체(H2)로 반환한다.

제 2 열교환기(140)는 에너지 전환수단(170)으로 공급되지 않아서 응축기(110)를 통하여 버려져야 하는 에너지의 일부를 다시 가열유체(H2)로 공급하는 것인데, 이는 에너지 전환수단(170)에서 전환되는 에너지량(Qout)에는 영향을 주지 않으면서, 시스템으로 유입되는 에너지양(Qin)을 감소시키는 것이다.

이는, 발전 효율 = 발전량(Qout)/유입 에너지량(Qin)이라는 점을 고려할 때, 발전량이 유지되면서, 유입 에너지량이 감소하는 것이므로, 사이클효율이 상승하는 것임을 알 수 있다.

특히, 2 이상의 작동유체를 사용하는 본 발명과 같은 장치에서는 배가스나 폐열원을 열원으로 사용하는 경우인데, 배가스로 바로 증발기(150)로 공급하는 것이 아니라, 배가스가 발생하는 배가스 발생부(200)에서 열을 뽑아서 열교환기(210)를 통하여 가열유체(H3)를 가열시키며, 가열유체(H3)는 증발기(150), 제 2 열교환기(140) 및 열교환기(210)를 순환하면서 배가스와 같은 폐열원으로부터의 열을 증발기(150)를 통하여 작동유체(P4)에 전달한다. 따라서, 가열유체(H2)를 가열하는 것은 가열유체(H3)가 열교환기를 통하여 받아들이는 열을 감소시키는 것이며, 가열유체를 포함하는 전체 사이클에서 유입 에너지량(Qin)을 감소시키는 것이다.

일실시예에서, 증발기(150)로 유입되는 가열유체(H1)의 온도는 150℃이며, 작동유체(P4)의 온도는 116℃이며, 증발기(150)를 빠져나가는 가열유체(H2)의 온도는 120℃이며, 작동유체(P4)의 온도는 142℃이다. 작동유체(P4)는 분리기(160)에서 온도변화 없이 희박류(P6)와 농후류(P11)로 분리되므로, 제 2 열교환기(140)로 공급되는 작동유체(P6)의 온도는 142℃이며, 제 2 열교환기(140)로 공급되는 가열유체(H2)의 온도는 120℃여서, 제 2 열교환기(140)에서는 증발기(150)와는 반대로 작동유체(P6)로부터 가열유체(H2)로 열이 전달된다.

제 2 열교환기(140)를 통과한 후 작동유체(P7)의 온도는 125℃로 떨어졌으며, 가열유체(H3)는 124℃로 상승하였다.

위 실시예와 같이 일부의 사용되지 않는 에너지를 다시 가열유체(H2)에 반환함으로써, 제 2 열교환기(140) 없이 증발기(150) 후단 가열유체(H2)를 증발기(150) 전단 가열유체(H1)로 가열해야했던 열교환기(210)를 통하여 유입되는 열량이 제 2 열교환기(140)를 통하여 대략 13.3%만큼 감소하는 것이 가능하며, 이를 통하여 사이클 전체의 효율향상이 가능하다.

또한, 희박류(P7)의 온도가 낮아짐으로써, 응축기(190)에서 냉각 부하가 감소할 수 있으며, 이는 발전 전력으로 구동시키는 응축기(190)의 펌프(미도시)에 공급전력이 감소할 뿐만 아니라, 응축기(190) 자체의 크기도 감소시키는 것이 가능하다.

한편, 본 발명에서는 희박류(P6)가 제 1 희박류(P7)와 제 2 희박류로 나뉘며, 제 2 희박류의 경우에 제 2 열교환기(140)를 안 거치고 바로 제 3 열교환기(130)로 공급되므로, 제 2 및 제 3 열교환기(130, 140)의 열교환 양을 조절하는 것이 가능하다. 구체적으로 제 1 희박류(P7) 또는 제 2 희박류로 보내지는 부분에 밸브를 설치하여 혹은 분기부에 유량 및 유로 조절밸브를 부가하는 방식으로 제 2 열교환기(140)와 제 3 열교환기(130)에 공급되는 제 2 희박류의 양 혹은 합류 희박류(P8)의 온도를 조절할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 작동유체(P14)가 응축기(190)로 유입되기 전에 제 1 열교환기(120)를 거치며, 그로 인하여, 온도가 내려가게 된다. 응축기(190)의 출구의 작동유체(P1)는 액체상태가 되어야 하므로 냉각될 수 있는 최대 온도는 해당 지점의 압력과 농도조건에서 포화액 온도로 결정된다. 즉, 암모니아 농도 50%인 시스템에서 해당지점이 344000Pa 압력으로 운전될 경우, 펌프 전단의 포화액 온도는 29℃이다. 제 1 열교환기(120)가 없는 경우에 작동유체의 입구 온도가 48℃이면 29℃까지 냉각하기 위하여 3760㎾가 필요하다.

하지만, 제 1 열교환기(120)가 장착되는 경우에 제 1 열교환기(120)에서 6℃의 열교환을 발생시키면, 응축기(190) 입구온도는 42℃로 떨어질 수 있다. 응축기(190) 및 제 1 열교환기(120)를 순차적으로 통과한 작동유체(P2)는 펌프(110)에서 포화액이 되어야 하므로, 응축온도 역시 29℃에서 6℃ 감소하여 23℃가 되어야 한다. 동일한 조건, 암모니아 농도 50%, 압력 344000Pa 에서 42℃의 작동유체를 23℃로 응축시킬 경우에, 응축용량을 2995㎾가 필요하다. 즉, 종래에 48℃를 29℃까지 냉각시키는 것에 비하여 대략 20%의 용량 감소가 가능하다.

제 1 열교환기(120)를 두어 작동유체(P14)의 온도를 감소시키는 경우에, 동일한 온도만큼 온도를 낮추기 위한 응축용량이 감소하며, 이는 응축기(190)의 부하를 감소시키는 것이며, 외부 냉각을 위한 에너지가 감소하게 된다. 따라서, 제 1 열교환기(120)를 구비함으로써, 에너지 손실량 및 에너지 소모량이 감소된다.

한편, 응축기 용량 감소효과는 작동유체의 암모니아 농도가 낮을수록 증가하며, 45% 의 암모니아 농도를 가지는 작동유체를 사용할 경우에 48℃를 29℃로 냉각시키는데 필요한 용량은 2513㎾ 이나, 42℃를 23℃로 냉각시키는데 필요한 용량은 1672㎾로 33%의 용량 감소효과가 있다.

도 4 에는 본 발명의 다른 실시예의 열에너지를 유용한 에너지로 전환하는 사이클이 도시되어 있다.

도 4 에서 보이듯이, 열에너지를 유용한 에너지로 전환하는 사이클은 도 3 의 실시예를 보다 단순화시킨 사이클로서, 기본적인 구성은 도 3 과 동일하다.

응축기(190)에서 응축된 작동유체(P1)는 제 1 열교환기(120)를 통과하면서 포화액의 작동유체(P2)가 되며, 펌프(110)에 의해서 고압으로 펌핑되어, 고압의 작동유체(P3)를 생성한다. 고압의 작동유체(P3)는 제 3 열교환기(130)에서 합류된 희박류(P7)와 열교환 하여, 승온 작동유체(P4)가 된다. 승온 작동유체(P4)는 증발기(150)로 유입되며, 이 증발기(150)에서 작동유체(P4)는 가열유체(H1)와 열교환 하면서 상변화하여 증발 작동유체(P5)가 된다. 이때, 열에너지가 화학적 에너지로 전환된다.

증발 작동유체(P5)는 분리기(160)로 공급되며, 분리기(160)에서 증기상태의 농후류(P11)와 액체상태의 희박류(P6)로 분리된다. 농후류(P11)는 터빈과 같은 에너지 전환수단(170)으로 공급되며, 이 에너지 전환수단(170)에서 농후류(P11)는 압력이 하강하며, 그로 인하여 화학적 에너지가 기계적 에너지로 전환된다. 농후류(P11)는 터빈과 같은 에너지 전환수단(170)을 통과하면서 에너지가 소모된 소모 농후류(P12)가 된다. 소모 농후류(P12)는 제 1 열교환기(120)를 통과하면서 한번 더 온도가 낮아진 소모 농후류(P16)가 되며, 그 후에 스로틀밸브와 같은 압력 조절수단(185)을 통과한 저압 희박류(P9)와 합류부(P13)에서 합류하여 작동유체(P15)가 된다.

한편, 희박류(P6)는 제 2 열교환기(140)로 공급되며, 제 2 열교환기(140)에서 가열유체(H2)와 열교환 한다. 이때, 증발기(150)를 통과한 후의 가열유체(H2)의 온도가 희박류(P6)보다 낮기 때문에, 희박류(P6)로부터 가열유체(H2)로 열에너지가 전달된다.

이렇게 제 2 열교환기(140)를 통과하면서 온도가 낮아진 희박류(P7)는 제 3 열교환기(130)에서 고압 작동유체(P3)를 승온시키면서 다시 한번 온도가 낮아진 희박류(P8)가 된다. 제 3 열교환기(130)를 통과한 희박류(P8)는 스로틀밸브와 같은 압력 조절수단(185)을 통과하면서 터빈 후단의 압력으로 떨어져 저압 희박류(P9)가 된다. 이때, 압력 조절수단(185)은 분리기(160)의 액면에 따라서 개도가 조절될 수 있으며, 그로 인하여 저압 희박류(P9)는 합류부(P13)에서 소모 농후류(P12)와 합류하여 작동유체(P15)가 되며, 작동유체(P15)는 응축기(190)로 제공된다.

110: 펌프 120: 제 1 열교환기
130: 제 3 열교환기 140: 제 2 열교환기
150: 증발기 160: 분리기
170: 에너지 전환수단 180: 발전기
185: 압력 조절수단 200: 배가스 발생부
210: 열교환기

Claims

2 이상의 비등점이 다른 두 유체가 혼합된 작동 유체와 가열 유체가 열교환 하여, 적어도 일부의 작동 유체가 증발된 증발 작동 유체와 유입된 가열 유체보다 온도가 낮은 저온 가열 유체를 만드는 증발기;
상기 증발기에 연결되며, 증발 작동 유체를 받아 농후류와 희박류로 분리하는 분리기;
상기 분리기의 농후류 출구에 연결되며, 상기 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성하는 에너지 전환 수단;
상기 에너지 전환 수단에 연결되며, 상기 에너지 전환 수단를 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 상기 희박류가 혼합된 작동 유체를 외부의 냉각 유체와 열교환 시켜 상기 혼합된 작동 유체를 응축하는 응축기;
상기 응축기를 통과한 작동 유체와 상기 응축기 통과 전의 작동 유체가 열교환하는 제 1 열교환기; 및
상기 제 1 열교환기와 상기 증발기 사이에 배치되는 펌핑 수단;을 포함하는 열에너지를 전환하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 증발기는 상기 저온 가열유체의 온도가 상기 증발 작동유체의 온도보다 낮도록 구성되며, 상기 증발기 및 상기 분리기에 연결되어 상기 분리기의 상기 희박류와 상기 증발기의 저온 가열유체를 열교환 시키는 제 2 열교환기를 포함하는 열에너지를 전환하는 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 가열 유체가 외부 열원으로부터 열을 받는 열교환부, 상기 증발기 및 제 1 열교환기를 순환하도록 상기 가열 유체가 순환하는 가열구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 열교환기에서는 에너지 전환 수단을 통과한 소모 농후류와 응축기를 통과한 작동 유체가 열교환하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 응축기를 통과한 후 상기 제 1 열교환기를 통과한 작동 유체는 포화액인 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작동유체는 물과 암모니아의 혼합물인 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.