KR101345106B1 - Heat engine based on transcritical rankine cycle with improved exergy efficiency and method thereof - Google Patents

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Abstract

터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시키고, 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시키며, 압축된 작동유체를 저급열원과 열교환시키는 랭킨 사이클이 개시된다. 이로써, 엑서지 효율이 향상된다.A Rankine cycle is disclosed that condenses and cools the working fluid flowing out of the turbine, compresses the condensed and cooled working fluid, and heat exchanges the compressed working fluid with a lower heat source. As a result, exergy efficiency is improved.

Description

엑서지 효율이 향상된 초월임계 랭킨 사이클 열기관과 그 방법{HEAT ENGINE BASED ON TRANSCRITICAL RANKINE CYCLE WITH IMPROVED EXERGY EFFICIENCY AND METHOD THEREOF}HEAT ENGINE BASED ON TRANSCRITICAL RANKINE CYCLE WITH IMPROVED EXERGY EFFICIENCY AND METHOD THEREOF}

본 발명은 엑서지 효율이 향상된 초월임계 랭킨 사이클 열기관과 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a transcritical Rankine cycle heat engine having improved exergy efficiency and a method thereof.

최근 차세대 원자로, 태양열, 화석연로, 또는 바이오연료를 포함한 모든 가능한 열원을 활용한 열기관의 사이클에 대하여 관심이 높아지고 있다. 예를 들면, 초임계 CO2 사이클은 기존 스팀 이용 랭킨 사이클 또는 헬륨 이용 브레이튼 사이클에 비하여 높은 효율과 컴팩트한 장점을 가지고 있다.Recently, there has been a growing interest in cycles of heat engines utilizing all possible heat sources, including next-generation reactors, solar, fossil, or biofuels. Supercritical CO 2 cycles, for example, have high efficiency and compact advantages over conventional steam-based Rankine cycles or helium-based Brayton cycles.

도 1, 도 2, 및 도 5는 종래의 CO2를 이용한 랭킨 사이클 열기관을 설명하기 위한 도면이다.1, 2, and 5 are views for explaining a Rankine cycle heat engine using a conventional CO 2 .

이들 도면을 참조하여 종래의 CO2(이하, '이산화탄소'라고 함)를 이용한 랭킨 사이클 열기관을 설명하면, 종래 이산화탄소를 이용한 랭킨 사이클 열기관은 작동유체인 이산화탄소를 단열팽창시키면서 일을 하는 터빈, 레큐퍼레이터, 작동유체를 응축 및 냉각시키는 컨덴서, 작동유체를 압축시키는 펌프, 및 히터를 포함한다.Referring to these drawings, when describing a Rankine cycle heat engine using conventional CO 2 (hereinafter referred to as 'carbon dioxide'), a Rankine cycle heat engine using conventional carbon dioxide works while adiabaticly expanding carbon dioxide, which is a working fluid, and a recuperator. A condenser for condensing and cooling the working fluid, a pump for compressing the working fluid, and a heater.

레큐퍼레이터는 터빈으로부터 유출된 작동유체와, 펌프에 의해 압축되어 유출된 작동유체를 서로 열교환시키며, 히터는 레큐퍼레이터에 의해 열교환되어 유출된 작동유체와 고열원을 서로 열교환시킨 후 터빈으로 유출한다.The recuperator heat-exchanges the working fluid discharged from the turbine and the working fluid compressed and discharged by the pump, and the heater exchanges the working fluid and the high heat source which have exchanged heat by the recuperator, and then flows out to the turbine. do.

도 1에서의 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체는, 도 2 및 도 5에서 표시된 것과 같은 온도 및 압력 변화를 거치게 된다. 한편, 이해의 편의를 위해서 도 1에서 표시된 각 관로들(0, 1, 2, 3, 4, 5) 상의 온도는 도 2와 도 5에 표시되어 있다. The working fluid circulating in the Rankine cycle in FIG. 1 is subjected to temperature and pressure changes as indicated in FIGS. 2 and 5. On the other hand, for convenience of understanding the temperatures on each of the conduits (0, 1, 2, 3, 4, 5) shown in Figure 1 are shown in Figures 2 and 5.

즉, 터빈으로부터 유출된 작동유체는 T4의 온도를 가지며, 레큐퍼레이터를 통과하면서 작동유체가 가진 QR(449.0 kJ/kg)의 열량은, 펌프에 의해 유출되는 작동유체에게 전달된다. 이후, 레큐퍼레이터로부터 유출된 작동유체는 컨덴서에 의해 응축 및 냉각되어 TO(20℃)의 온도를 가진 작동유체가 된다. 이 과정에 QL+QC 만큼의 열(70.7 + 152.0 kJ/kg)이 버려진다. That is, the working fluid flowing out of the turbine has a temperature of T 4 , and the heat quantity of Q R (449.0 kJ / kg) of the working fluid is transmitted to the working fluid flowing out by the pump while passing through the recuperator. Thereafter, the working fluid discharged from the recuperator is condensed and cooled by the condenser to become a working fluid having a temperature of T 0 (20 ° C.). This process wastes as much as Q L + Q C (70.7 + 152.0 kJ / kg).

TO(20℃)의 온도를 가진 작동유체는 펌프에 의해 압축되어 T1(39℃)의 온도를 가지며, 이후 레큐퍼레이터에서 QR(449.0kJ/kg)의 열량을 공급받아, 온도가 T2(298℃)까지 올라가게 된다. 온도가 T2(298℃)까지 올라간 작동유체는, 다시, 히터에서 외부 열원으로부터 열을 공급받아 T3(600℃)까지 온도가 올라가게 된다. A working fluid with a temperature of T O (20 ° C) is compressed by a pump to have a temperature of T 1 (39 ° C), which is then supplied with a calorific value of Q R (449.0 kJ / kg) in the recuperator, It goes up to T2 (298 ° C). The working fluid whose temperature has risen to T2 (298 ° C.) again receives heat from an external heat source in the heater and rises to T3 (600 ° C.).

이상과 같이 종래의 CO2를 이용한 랭킨 사이클 열기관은 압축된 상태(T1)의 작동유체를 일을 할 수 있는 상태(T3)의 온도를 가지게 하기 위해서는 외부로부터 열(예를 들면, QH = 373.1 kJ/kg)을 후술하는 브레이튼 사이클 열기관보다 상대적으로 많이 공급해야 한다.As described above, the conventional Rankine cycle heat engine using CO 2 has a temperature T3 in which the working fluid in the compressed state T1 can work (eg, Q H = 373.1). kJ / kg) should be supplied relatively more than the Brayton cycle heat engine described later.

도 3, 도 4, 및 도 6은 종래의 브레이튼 사이클 모드에서 동작하는 열기관을 설명하기 위한 도면이다.3, 4, and 6 are views for explaining a heat engine operating in a conventional Brayton cycle mode.

이들 도면을 참조하면, 종래의 이산화탄소를 이용한 브레이튼 사이클 열기관을 설명하면, 종래 이산화탄소를 이용한 브레이튼 사이클 열기관은 작동유체인 이산화탄소를 단열팽창시키면서 일을 하는 터빈, 레큐퍼레이터, 작동유체를 냉각시키는 쿨러, 작동유체를 압축시키는 컴프레서, 및 히터를 포함한다.Referring to these drawings, a conventional Brayton cycle heat engine using carbon dioxide will be described. A conventional Brayton cycle heat engine using carbon dioxide cools a turbine, a recuperator, and a working fluid while adiabaticly expanding working fluid carbon dioxide. , A compressor for compressing the working fluid, and a heater.

레큐퍼레이터는 터빈으로부터 유출된 작동유체와, 컴프레서에 의해 압축되어 유출된 작동유체를 서로 열교환시키고, 히터는 레큐퍼레이터에 의해 열교환되어 유출된 작동유체와 고열원을 서로 열교환시킨 후 터빈으로 유출한다.The recuperator heat exchanges the working fluid discharged from the turbine and the working fluid compressed and discharged by the compressor, and the heater exchanges heat between the working fluid and the high heat source, which are exchanged by the recuperator, and then flows out to the turbine. do.

도 3에서의 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체는, 도 4 및 도 6에서 표시된 것과 같은 온도 및 압력 변화를 거치게 된다. 한편, 이해의 편의를 위해서 도 3에서 표시된 각 관로들(0, 1, 2, 3, 4, 5) 상의 온도는 도 4와 도 6에 표시되어 있다. The working fluid circulating in the Rankine cycle in FIG. 3 is subjected to temperature and pressure changes as indicated in FIGS. 4 and 6. On the other hand, for convenience of understanding the temperatures on each of the conduits (0, 1, 2, 3, 4, 5) shown in Figure 3 are shown in Figures 4 and 6.

즉, 터빈으로부터 유출된 작동유체는 T4(449℃)의 온도를 가지며, 레큐퍼레이터를 통과하면서 작동유체가 가진 QR(355.5kJ/kg)의 열량은, 펌프에 의해 유출되는 작동유체에게 전달된다. 이후, 레큐퍼레이터로부터 유출된 작동유체는 쿨러에 의해 냉각되어 TO(20℃)의 온도를 가진 작동유체가 된다. 이 과정에 QL 만큼의 열(164.2kJ/kg)이 버려지게 된다. That is, the working fluid flowing out of the turbine has a temperature of T 4 (449 ° C.), and the heat quantity of Q R (355.5 kJ / kg) of the working fluid flowing through the recuperator is transferred to the working fluid flowing out of the pump. Delivered. Thereafter, the working fluid flowing out of the recuperator is cooled by a cooler to become a working fluid having a temperature of T 0 (20 ° C.). In the process, Q L of heat (164.2 kJ / kg) is discarded.

TO(20℃)의 온도를 가진 작동유체는 컴프레서에 의해 압축되어 T1(115℃)의 온도를 가지며, 이후 레큐퍼레이터에서 QR(355kJ/kg)의 열량을 공급받아, 온도가 T2(370℃)까지 올라가게 된다. 온도가 T2(370℃)까지 올라간 작동유체는, 다시, 히터에서 외부 열원으로부터 열(283.6kJ/kg)을 공급받아 T3(600℃)까지 온도가 올라가게 된다. A working fluid with a temperature of T O (20 ° C.) is compressed by a compressor to have a temperature of T 1 (115 ° C.), which is then supplied with a calorific value of Q R (355 kJ / kg) in the recuperator, so that the temperature is T 2. It goes up to (370 ° C). The working fluid whose temperature has risen to T2 (370 ° C.) is again heated up to T3 (600 ° C.) by receiving heat (283.6 kJ / kg) from an external heat source in the heater.

이상과 같이 종래의 CO2를 이용한 브레이튼 사이클 열기관은 기체 상태에서 바로 압축하는 과정을 가지므로, 상술한 랭킨 사이클 열기관보다는 에너지 효율이 좋기는 하지만, 랭킨 사이클 열기관보다 압축동력이 더 들어가 출력이 떨어지는 단점이 있다. As described above, since the Brayton cycle heat engine using CO 2 has a process of compressing directly in a gas state, energy efficiency is better than that of the Rankine cycle heat engine described above, but the compression power is higher than that of the Rankine cycle heat engine. There are disadvantages.

본 발명적 개념의 일 실시예에 따르면, 엑서지 효율이 향상된 초월임계 랭킨 사이클이 제공된다.According to one embodiment of the inventive concept, a transcritical Rankine cycle with improved exergy efficiency is provided.

본 발명적 개념의 다른 실시예에 따르면, 엑서지 효율이 향상된 초월임계 랭킨 사이클 기반의 열기관이 제공된다.According to another embodiment of the inventive concept, a transcritical Rankine cycle based heat engine with improved exergy efficiency is provided.

본 발명적 개념의 다른 실시예에 따르면, 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법이 제공된다.According to another embodiment of the inventive concept, a method of increasing the exergy efficiency of a heat engine is provided.

본 발명적 개념의 다른 실시예에 따르면, 엑서지 효율이 향상된 열기관의 작동 방법이 제공된다.According to another embodiment of the inventive concept, a method of operating a heat engine with improved exergy efficiency is provided.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 열기관에 사용되는 랭킨 사이클에 있어서, 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시키는 단계; 응축 및 냉각된 상기 작동유체를 압축시키는 단계; 압축된 상기 작동유체를 저급열원과 열교환시키는 제1열교환단계; 및 상기 터빈으로부터 유출된 작동유체를 응축 및 냉각시키기 전에, 상기 제1열교환단계를 거친 작동유체와 열교환시키는 제2열교환단계; 를 포함하며, 상기 제1열교환단계와 제2열교환단계를 거친 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 랭킨 사이클이 제공된다.According to an exemplary embodiment of the inventive concept, a Rankine cycle for a heat engine, comprising: condensing and cooling a working fluid exiting a turbine; Compressing the condensed and cooled working fluid; A first heat exchange step of exchanging the compressed working fluid with a lower heat source; And a second heat exchange step of exchanging heat with the working fluid that has passed through the first heat exchange step before condensing and cooling the working fluid that flows out of the turbine. It includes, and the Rankine cycle is improved exergy efficiency, characterized in that the working fluid passed through the first heat exchange step and the second heat exchange step is introduced into the turbine.

작동유체는 이산화탄소일 수 있다.The working fluid may be carbon dioxide.

본 본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 랭킨 사이클은, 상기 제2열교환단계를 거친 작동유체를 응축 및 냉각시키기 전에, 상기 압축시키는 단계에 의해서 압축된 작동유체와 열교환시키는 제3열교환단계;를 더 포함하며, 상기 제1열교환단계, 제2열교환단계, 및 제3열교환단계를 거친 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 것일 수 있다.The Rankine cycle according to an exemplary embodiment of the present inventive concept may include: a third heat exchange step of exchanging heat with the working fluid compressed by the compressing step before condensing and cooling the working fluid passed through the second heat exchange step; Further comprising, the working fluid that has passed through the first heat exchange step, the second heat exchange step, and the third heat exchange step may be introduced into the turbine.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 증기 사이클 기반의 열기관에 있어서, 작동유체를 유출하는 터빈; 상기 터빈으로부터 유출된 작동유체를 응축 및 냉각시키는 컨덴서; 응축 및 냉각된 상기 작동유체를 압축시키는 펌프; 압축된 상기 작동유체를 저급열원과 열교환시키는 제1레큐퍼레이터; 및 상기 터빈으로부터 유출되고 컨덴서로 유입되기 전의 작동유체를, 상기 제1레큐퍼레이터에 의해 열교환된 작동유체와 열교환시키는 제2레큐퍼레이터; 를 포함하며, 상기 제1레큐퍼레이터 및 상기 제2레큐퍼레이터에 의해 열교환을 거친 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 것을 특징으로 하는 증기 사이클 기반의 열기관이 제공된다.According to an exemplary embodiment of the inventive concept, a steam cycle based heat engine, comprising: a turbine for outflow of a working fluid; A condenser for condensing and cooling the working fluid discharged from the turbine; A pump for compressing the condensed and cooled working fluid; A first recuperator for exchanging the compressed working fluid with a lower heat source; And a second recuperator for exchanging the working fluid from the turbine and before flowing into the condenser with the working fluid heat exchanged by the first recuperator. It includes, and is provided with a steam cycle-based heat engine, characterized in that the working fluid which has undergone heat exchange by the first and second recuperator flows into the turbine.

제1레큐레이터는, 또한, 상기 제2레큐퍼레이터에 의해 열교환되고 상기 컨덴서로 유입되기 전의 작동유체를, 상기 펌프에 의해서 압축된 작동유체와 열교환시키는 것일 수 있다.The first accumulator may also be configured to heat exchange the working fluid before the heat exchange by the second recuperator and flowing into the capacitor, with the working fluid compressed by the pump.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 작동유체에 의해 일을 하는 터빈; 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시키는 컨덴서; 상기 컨덴서에 의해 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시키는 펌프; 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체가 상기 컨덴서로 이동할 수 있는 경로를 제공하는 제1관로; 상기 펌프로부터 유출되는 작동유체가 상기 터빈으로 이동할 수 있는 경로를 제공하는 제2관로; 상기 제2관로를 통해서 이동하는 작동유체와 저급열원을 열교환시키는 제1레큐퍼레이터; 및 상기 제1레큐퍼레이터와 상기 터빈사이에 배치되며, 상기 제1관로를 통해서 흐르는 작동유체와, 상기 제2관로를 통해서 흐르는 작동유체를 열교환시키는 제2레큐퍼레이터;를 포함하는 것일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the inventive concept, a turbine is operated by a working fluid; A condenser for condensing and cooling the working fluid flowing out of the turbine; A pump for compressing the working fluid condensed and cooled by the condenser; A first conduit providing a path through which the working fluid flowing out of the turbine can move to the capacitor; A second conduit providing a path through which the working fluid flowing out of the pump can move to the turbine; A first recuperator heat-exchanging a working fluid and a low heat source moving through the second pipe; And a second recuperator disposed between the first recuperator and the turbine and exchanging a working fluid flowing through the first pipe line and a working fluid flowing through the second pipe line. .

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 브레이튼 사이클 모드와 랭킨 사이클 모드에서 동작하는 열기관으로서, 작동유체에 의해 일을 하는 터빈; 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를, 컨덴서 또는 컴프레서 중 어느 한쪽으로 흐르도록 하는 방향 전환부; 및 상기 컨덴서 또는 컴프레서로 흐르기 전의 작동유체와 열저장유체를 열교환시키는 제1레큐퍼레이터;를 포함하며, 상기 컨덴서 또는 상기 컴프레서로부터 유출되는 작동유체는 상기 터빈으로 유입되는 것일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the inventive concept, a heat engine operating in Brayton cycle mode and Rankine cycle mode, comprising: a turbine working by a working fluid; A direction changer for flowing the working fluid flowing out of the turbine to either the capacitor or the compressor; And a first recuperator for exchanging heat between the working fluid and the heat storage fluid before flowing to the condenser or the compressor. The working fluid flowing out of the condenser or the compressor may be introduced into the turbine.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관은, 상기 열저장유체를 저장하는 열저장부;를 더 포함하는 것일 수 있다.The heat engine according to an exemplary embodiment of the inventive concept may further include a heat storage unit for storing the heat storage fluid.

브레이튼 사이클 모드에서, 방향 전환부는, 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 상기 컴프레서로 흐르도록 전환하는 것일 수 있다.In the Brayton cycle mode, the direction switching unit may be to convert the working fluid flowing out of the turbine to flow to the compressor.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관은, 상기 방향전환부와 상기 컴프레서 사이에 배치되는 쿨러;를 더 포함하며, 상기 쿨러는 상기 방향 전환부로부터 작동유체를 유입받아 냉각시켜서 상기 컴프레서로 유출하는 것일 수 있다.A heat engine according to an exemplary embodiment of the present invention concept further includes a cooler disposed between the turning part and the compressor, wherein the cooler cools the working fluid by receiving the working fluid from the turning part. It may be leaking.

랭킨 사이클 모드에서, 방향 전환부는, 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 상기 컨덴서로 흐르도록 전환하는 것일 수 있다.In the Rankine cycle mode, the diverter may convert the working fluid flowing out of the turbine to flow to the capacitor.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관은 상기 컨덴서로부터 유출되는 작동유체를 압축하는 펌프;를 더 포함할 수 있다.The heat engine according to an exemplary embodiment of the present invention concept may further include a pump for compressing the working fluid flowing out of the condenser.

랭킨 사이클 모드에서, 제1레큐퍼레이터는, 상기 컨덴서 또는 상기 컴프레서로 흐르기 전의 작동유체, 상기 열저장부에 저장된 열저장유체, 및 상기 펌프로부터 유출되는 작동유체를 상호 열교환시키는 것일 수 있다.In the Rankine cycle mode, the first recuperator may exchange heat between the working fluid before flowing to the condenser or the compressor, the heat storage fluid stored in the heat storage unit, and the working fluid flowing out of the pump.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관은, 상기 제1레큐퍼레이터로 유입되기 전의 작동유체와, 상기 컨덴서 또는 상기 컴프레서로부터 유출되는 작동유체를 열교환시키는 제2레큐퍼레이터;를 더 포함하는 것일 수 있다.The heat engine according to an exemplary embodiment of the inventive concept may further include a second recuperator configured to exchange heat between the working fluid before flowing into the first recuperator and the working fluid flowing out of the condenser or the compressor. It may be.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 터빈, 컴프레서, 및 컨덴서를 포함한 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법에 있어서, 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를, 브레이튼 사이클 모드에서는 상기 컴프레서로 흐르도록 하고, 랭킨 사이클 모드에서는 상기 컨덴서로 흐르도록 하는 방향 전환단계; 상기 브레이튼 사이클 모드에서, 컴프레서로 흐르기 전의 작동유체와 열저장유체를 열교환시키는 단계; 및 상기 컨덴서 또는 컴프레서로부터 유출되는 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 단계;를 포함할 수 있다According to an exemplary embodiment of the present inventive concept, a method of increasing the exergy efficiency of a heat engine including a turbine, a compressor, and a condenser, wherein a working fluid flowing out of the turbine flows to the compressor in a Brayton cycle mode. Direction switching to flow to the capacitor in a Rankine cycle mode; In the Brayton cycle mode, heat exchanging the working fluid and the heat storage fluid before flowing to the compressor; And introducing a working fluid flowing out of the condenser or the compressor into the turbine.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법은, 상기 브레이튼 사이클 모드에서 상기 열저장유체를 저장하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.The method of increasing the exergy efficiency of a heat engine according to an exemplary embodiment of the present inventive concept may further include storing the heat storage fluid in the Brayton cycle mode.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법은, 브레이튼 사이클 모드에서, 상기 컴프레서로 유입되기전의 작동유체를 쿨링하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.A method of increasing the exergy efficiency of a heat engine according to an exemplary embodiment of the present inventive concept may include cooling the working fluid before entering the compressor in a Brayton cycle mode.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법은, 랭킨 사이클 모드에서, 상기 컨덴서로부터 유출되는 작동유체를 펌프로 압축하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.The method of increasing the exergy efficiency of a heat engine according to an exemplary embodiment of the inventive concept may further include compressing the working fluid flowing out of the condenser into a pump in a Rankine cycle mode.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법은, 랭킨 사이클 모드에서, 상기 브레이튼 사이클 모드에서 저장된 열저장유체와 상기 펌프에 의해 압축되어 유출되는 작동유체를 상호 열교환시키는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.A method of increasing the exergy efficiency of a heat engine according to an exemplary embodiment of the present invention includes a heat storage fluid stored in the Brayton cycle mode and a working fluid compressed and discharged by the pump in a Rankine cycle mode. Heat exchange step; may be to include more.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법은, 랭킨 사이클 모드에서, 상기 컨덴서로 흐르기 전의 작동유체와, 상기 펌프에 의해 압축되어 유출되는 작동유체를 상호 열교환시키는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.A method for increasing the exergy efficiency of a heat engine according to an exemplary embodiment of the present inventive concept, in a Rankine cycle mode, includes mutually heat-exchanging a working fluid before flowing to the condenser and a working fluid compressed and discharged by the pump. It may be to include a; more.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 작동유체를 순환시켜서 일을 하는 열기관을 브레이튼 사이클 모드 또는 랭킨 사이클 모드에서 동작시키는 단계; 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 냉각한 후 압축하는 브레이튼 사이클 모드에서, 열저장유체를 냉각시키기 전의 작동유체와 열교환시켜서 저장하는 단계; 및 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시킨 후에 압축하는 랭킨 사이클 모드에서, 상기 랭킨 사이클 모드에서 압축된 작동유체와 상기 브레이튼 사이클모드에서 저장된 열저장유체와 열교환시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 작동 방법이 제공될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present inventive concept, a heat engine operating by circulating a working fluid is operated in Brayton cycle mode or Rankine cycle mode; In a Brayton cycle mode of cooling and then compressing the working fluid flowing out of the turbine, storing the heat-exchanging fluid by heat exchange with the working fluid before cooling; And heat exchange with the working fluid compressed in the Rankine cycle mode and the heat storage fluid stored in the Brayton cycle mode in a Rankine cycle mode in which the working fluid discharged from the turbine is condensed and cooled and then compressed. A method of operating a heat engine may be provided.

본 발명적 개념의 하나 이상의 실시예에 따른 열기관은 엑서지 효율이 향상된다.Heat engines according to one or more embodiments of the present inventive concept have improved exergy efficiency.

도 1은 종래의 랭킨 사이클 모드에서 동작하는 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 2와 도 5는 도 1의 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 종래의 브레이튼 사이클 모드에서 동작하는 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 4와 도 6은 도 3의 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 8은 도 7의 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 9와 도 10은 발명적 개념의 다른 예시적 실시예에 따른 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 11과 도 12는 본 발명적 개념에 따른 효과를 설명하기 위한 도면이고,
도 13은 도 7의 실시예의 일 변형예를 나타낸 도면이고, 그리고
도 14, 도 15, 및 도 16은, 본 발명적 개념에 따른 열기관에서 구현될 수 있는 증기 사이클을 예시적으로 나타낸 것이다.
1 is a view for explaining a heat engine operating in a conventional Rankine cycle mode,
2 and 5 are views for explaining the heat engine of FIG.
3 is a view for explaining a heat engine operating in a conventional Brayton cycle mode,
4 and 6 are views for explaining the heat engine of FIG.
7 is a view for explaining a heat engine according to an exemplary embodiment of the inventive concept,
8 is a view for explaining the heat engine of FIG.
9 and 10 are views for explaining a heat engine according to another exemplary embodiment of the inventive concept,
11 and 12 are views for explaining the effect according to the inventive concept,
13 is a view showing a modification of the embodiment of FIG. 7, and
14, 15, and 16 exemplarily illustrate steam cycles that can be implemented in a heat engine according to the inventive concept.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms "comprises" and / or "comprising" used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In describing the specific embodiments below, various specific details have been set forth in order to explain the invention in greater detail and to assist in understanding it. However, it will be appreciated by those skilled in the art that the present invention may be understood by those skilled in the art without departing from such specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts of the invention which are commonly known in the description of the invention and which are not highly related to the invention are not described in order to prevent confusion in explaining the invention without cause.

용어의 정의Definition of Terms

본원 명세서에서 '증기 사이클'이라고 함은, 초월임계 랭킨 사이클과 초임계 브레이튼 사이클을 포함한다.
As used herein, the term "vapor cycle" includes the transcritical Rankine cycle and the supercritical Brayton cycle.

도 7은 본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 도 7의 열기관을 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining a heat engine according to an exemplary embodiment of the present invention concept, Figure 8 is a view for explaining the heat engine of FIG.

이들 도면을 참조하면, 본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관은 터빈(10), 제1 레큐퍼레이터(30), 제2 레큐퍼레이터(20), 컨덴서(40), 펌프(50), 고온 히터(60)를 포함할 수 있다. 한편, 본 발명적 개념의 설명의 목적을 위해서, 저급열원(LT Heat Source)과 관로들을 추가적으로 도시하였다.Referring to these figures, a heat engine according to an exemplary embodiment of the inventive concept may include a turbine 10, a first recuperator 30, a second recuperator 20, a capacitor 40, and a pump 50. ), The high temperature heater 60 may be included. Meanwhile, for the purpose of illustrating the inventive concept, the LT Heat Source and the conduits are additionally shown.

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관은 랭킨 사이클 모드에서 동작하되, 저급열원을 적절하게 활용함으로써 엑서지 효율이 향상시킬 수 있다.The heat engine according to the exemplary embodiment of the present inventive concept operates in the Rankine cycle mode, and the exergy efficiency may be improved by appropriately utilizing a lower heat source.

터빈(10)은 작동유체를 단열팽창시키면서 일을 한 후 제2 레큐퍼레이터(20)로 유출한다.The turbine 10 flows into the second recuperator 20 after working while adiabaticly expanding the working fluid.

제2 레큐퍼레이터(20)는, 제1 레큐퍼레이터(30)로부터 유출되는 작동유체와, 터빈(10)으로부터 유출되는 작동유체를 서로 열교환시킨다. 즉, 제5관로(5)를 통해서 흐르는 작동유체와 제2관로(2)를 통해서 흐르는 작동유체를 서로 열교환시킨다.The second recuperator 20 exchanges heat between the working fluid flowing out of the first recuperator 30 and the working fluid flowing out of the turbine 10. That is, the working fluid flowing through the fifth conduit 5 and the working fluid flowing through the second conduit 2 are exchanged with each other.

제1 레큐퍼레이터(30)는, 제2 레큐퍼레이터(20)로부터 유출되는 작동유체와, 펌프(50)에 의해 압축되어 유출되는 작동유체를 서로 열교환시킨다. 즉, 제6관로(6)를 통해서 흐르는 작동유체와 제1관로(1)를 통해서 흐르는 작동유체를 서로 열교환시킨다. The first recuperator 30 exchanges heat between the working fluid flowing out of the second recuperator 20 and the working fluid compressed and discharged by the pump 50. That is, the working fluid flowing through the sixth conduit 6 and the working fluid flowing through the first conduit 1 are exchanged with each other.

또한, 제1 레큐퍼레이터(30)는, 펌프(50)에 의해 압축되어 유출되는 작동유체와, 저급열원(LT Heat Source)과 열교환시킬 수 있다. 즉, 제1관로(1)를 통해서 흐르는 작동유체를 저급열원과 열교환시킨다.In addition, the first recuperator 30 may exchange heat with the working fluid compressed and discharged by the pump 50 and the low heat source (LT Heat Source). That is, the working fluid flowing through the first pipe line 1 is exchanged with the lower heat source.

도 7에서는, 제1 레큐퍼레이터(30)가, 제1관로(1)를 통해서 흐르는 작동유체를, 저급열원을 열교환시킴과 동시에 제6관로(6)를 통해서 흐르는 작동유체와도 열교환시키도록 구성하였으나, 이처럼 1개의 레큐퍼레이터를 사용하는 구성은 예시적인 구성으로서 이와 다르게 구성하는 것도 가능하다. In FIG. 7, the first recuperator 30 exchanges the working fluid flowing through the first conduit 1 with the working fluid flowing through the sixth conduit 6 while heat-exchanging the lower heat source. However, the configuration using one recuperator as described above may be configured differently as an exemplary configuration.

예를 들면, 레큐퍼레이터를 레큐퍼레이터 1개와 별도의 저온 히터 1개로 구성하는 것도 가능하다. 도 13을 참조하면, 제1관로(1)를 통해서 흐르는 작동유체를, 저급열원을 열교환시키는 저온 히터(34)와, 제1관로(1)를 통해서 흐르는 작동유체를, 제6관로(6)를 통해서 흐르는 작동유체와 열교환시키는 레큐퍼레이터(32)로 각각 별도로 구성할 수 있다.For example, it is also possible to comprise a recuperator with one recuperator and a separate low temperature heater. Referring to FIG. 13, the working fluid flowing through the first pipe line 1 includes a low temperature heater 34 for heat-exchanging a lower heat source, and a working fluid flowing through the first pipe line 1, and the sixth pipe line 6. Each of the recuperators 32 for exchanging heat with the working fluid flowing therethrough may be configured separately.

컨덴서(40)는 제1 레큐퍼레이터(30)로부터 유출되는 작동유체를 유입받아서 응축 및 냉각시킨 후 펌프(50)으로 유출한다. The capacitor 40 receives the working fluid flowing out of the first recuperator 30, condenses and cools it, and then flows out to the pump 50.

펌프(50)는 컨덴서(40)에 의해 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시킨 후 제1 레큐퍼레이터(30)쪽으로 유출한다. The pump 50 compresses the working fluid condensed and cooled by the condenser 40 and flows out toward the first recuperator 30.

펌프(50)에 의해 압축되어 유출된 작동유체는 상술한 바와 같이, 제1 레큐퍼레이터(30)와 제2 레큐퍼레이터(20)를 순차적으로 거친 후, 고온 히터(60)에 의해 고열원(HT Heat Source)과 열교환된 후 다시 터빈(10)으로 유입된다.As described above, the working fluid compressed and discharged by the pump 50 passes through the first and second recuperators 30 and 20, and then is heated by the high temperature heater 60. Heat exchanged with (HT Heat Source) and then flows back into the turbine (10).

본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 상술한 작동유체는 이산화탄소일 수 있으나 이는 예시적인 것으로서 본 발명적 개념이 이산화탄소에만 한정되는 것이 아님을 본 발명적 개념이 속한 기술분야의 자(이하, '당업자'라고 함)는 알아야 한다.According to an exemplary embodiment of the inventive concept, the working fluid described above may be carbon dioxide, but this is illustrative, and the inventive concept is not limited to carbon dioxide only. Known as "the party".

도 7에 도시된 본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 작동유체는 도 8과 같은 단계들을 거칠 수 있다.According to an exemplary embodiment of the inventive concept shown in FIG. 7, the working fluid may go through the same steps as in FIG. 8.

도 8을 참조하면, 터빈(10)에 유입된 작동유체는 일(169. 9kJ/kg)을 한 후, 열(T5)을 가진 상태로 제5관로(5)로 유출된다. 제5관로(5)로 유출된 작동유체는 제2 레큐퍼레이터(30)를 통과한 후 제6관로(6)로 배출된다.Referring to FIG. 8, the working fluid introduced into the turbine 10 is discharged into the fifth conduit 5 with the heat T 5 after the work 169.9 kJ / kg. The working fluid leaked into the fifth conduit 5 is discharged into the sixth conduit 6 after passing through the second recuperator 30.

제5관로(5)에서의 작동유체의 온도는 T5(449℃)이고, 제2 레큐퍼레이터(30)에 의해 열교환이 이루어진 후의 온도는 112℃이다. 도 8을 참조하면, 이 과정에 열 QR2 (358.1kJ/kg)가 제2관로(2)를 흐르는 작동유체로 전달되었음을 알 수 있다.The temperature of the working fluid in the fifth pipe line 5 is T5 (449 ° C), and the temperature after heat exchange by the second recuperator 30 is 112 ° C. Referring to FIG. 8, it can be seen that heat Q R2 (358.1 kJ / kg) was transferred to the working fluid flowing through the second conduit 2 in this process.

제6관로(6)로 배출된 작동유체는 다시 제2 레큐퍼레이터(20)에 의해서 열교환이 이루어진 후, 컨덴서(40)쪽으로 유출된다. 도 8을 참조하면, 이 과정에 열 QR1(91.0kJ/kg)가 제1관로(1)를 흐르는 작동유체로 전달되었음을 알 수 있다.The working fluid discharged into the sixth conduit 6 flows back to the capacitor 40 after heat exchange is performed by the second recuperator 20 again. Referring to FIG. 8, it can be seen that heat Q R1 (91.0 kJ / kg) is transferred to the working fluid flowing through the first conduit 1 in this process.

컨덴서(40)는 제2 레큐퍼레이터(20)로부터 유출된 작동유체를 유입받아서, 응축 및 냉각과정을 수행한다. 도 8을 참조하면, 컨덴서(40)에서의 응축 및 냉각과정이 이루어지는 구간을 도면번호 '8'로서 표시하였다. 이 구간에서는 열(QL)이 버려질 수 있다.The capacitor 40 receives the working fluid flowing out of the second recuperator 20 to perform a condensation and cooling process. Referring to FIG. 8, a section in which the condensation and cooling processes in the capacitor 40 are performed is indicated as reference numeral 8. In this interval, the column Q L may be discarded.

펌프(50)는 관로(0)을 통해서 유입받은 작동유체에 대하여 압축하는 일(WP)을 한 후에, 제1 레큐퍼레이터(30)로 방출한다. 즉, 펌프(50)에 의해 압축된 작동유체는 제1관로(1)를 통해서 제1 레큐퍼레이터(30)로 유입된다.Pump 50 after the work (W P) which compresses against the working fluid received through the inlet pipe (0), to emit a first rail Coober concentrator 30. The That is, the working fluid compressed by the pump 50 flows into the first recuperator 30 through the first pipe line 1.

제1 레큐퍼레이터(30)로 유입된 작동유체는, 저급 열원 및 제6관로(6)를 통해서 흐르는 작동유체와 열교환이 이루어진다. 즉, 제1 레큐퍼레이터(30)로 유입된 작동유체는 저급열원으로부터 열(QH1)을 전달받고, 또한 제6관로(6)를 통해서 흐르는 작동유체로부터 열(QR1)을 전달받는다. The working fluid introduced into the first recuperator 30 undergoes heat exchange with the working fluid flowing through the lower heat source and the sixth conduit 6. That is, the working fluid introduced into the first recuperator 30 receives heat Q H1 from the lower grade heat source, and receives heat Q R1 from the working fluid flowing through the sixth conduit 6.

제1 레큐퍼레이터(30)로부터 유출되는 작동유체는, 제2관로(2)를 통해서 다시 제2 레큐퍼레이터(10)로 유입되어 열교환동작이 이루어진다. 즉, 제2 레큐퍼레이터(10)로 유입된 작동유체는, 제5관로(5)를 통해서 흐르는 작동유체와 열교환이 이루어진다. 도 8을 참조하면, 제2 레큐퍼레이터(10)에 유입된 작동유체는 열(QR2)를 전달받는다.The working fluid flowing out of the first recuperator 30 flows back into the second recuperator 10 through the second conduit 2 to perform a heat exchange operation. That is, the working fluid introduced into the second recuperator 10 exchanges heat with the working fluid flowing through the fifth conduit 5. Referring to FIG. 8, the working fluid introduced into the second recuperator 10 receives heat Q R2 .

제2 레큐퍼레이터(10)로부터 유출되는 작동유체는 고온 히터(60)에서 고열원(QH)과 열교환이 이루어진 후 다시 터빈(10)으로 공급된다. 도 8을 참조하면, 작동유체는 고열원으로부터 열(QH2)를 전달받는다.The working fluid flowing out of the second recuperator 10 is supplied to the turbine 10 again after heat exchange with the high heat source Q H in the high temperature heater 60. Referring to FIG. 8, the working fluid receives heat Q H2 from a high heat source.

이상과 같이 도 8을 참조하여 설명한 수치들은 모두 예시적인 것으로서 본 발명적 개념이 그러한 수치들에 한정되는 것이 아님을 당업자는 알아야 한다. As described above, the numerical values described with reference to FIG. 8 are merely exemplary, and those skilled in the art should understand that the inventive concept is not limited to such numerical values.

도 9는 발명적 개념의 다른 예시적 실시예에 따른 열기관의 블레이튼 사이클 모드에서의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 랭킨 사이클 모드에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.9 is a view for explaining the operation in the blaton cycle mode of the heat engine according to another exemplary embodiment of the invention concept, Figure 10 is a view for explaining the operation in the Rankine cycle mode.

도 9 및 도 10에 예시된 본 발명적 개념에 따른 열기관은 브레이튼 사이클 모드 또는 랭킨 사이클 모드에서 교변적으로 동작할 수 있다. The heat engine according to the inventive concept illustrated in FIGS. 9 and 10 may operate symmetrically in Brayton cycle mode or Rankine cycle mode.

도 9와 도 10에 예시된 열기관은, 터빈(110), 제1 레큐퍼레이터(130), 제2 레큐퍼레이터(120), 컴프레서(125), 열저장부(135), 컨덴서(140), 쿨러(145), 펌프(150), 방향전환부(155, 165), 및 제3 레큐퍼레이터(160)를 포함한다.The heat engine illustrated in FIGS. 9 and 10 includes a turbine 110, a first recuperator 130, a second recuperator 120, a compressor 125, a heat storage unit 135, and a capacitor 140. , The cooler 145, the pump 150, the diverters 155 and 165, and the third recuperator 160.

도 9 및 도 10에 예시된 열기관은, 브레이튼 사이클 모드 또는 랭킨 사이클 모드에서 동작하며, 브레이튼 사이클 모드에서 동작할 때는 터빈(110)으로부터 유출되는 작동유체를, 쿨러로 냉각시키기 전의 작동유체와 열교환시켜서 저장한다. 또한, 열기관이 랭킨 사이클 모드에서 동작할 때는, 터빈(110)으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시킨 후에 압축하며, 압축한 작동유체와 브레이튼 사이클 모드에서 저장된 작동유체와 열교환시킨다.The heat engine illustrated in FIGS. 9 and 10 operates in the Brayton cycle mode or the Rankine cycle mode, and when operating in the Brayton cycle mode, the working fluid discharged from the turbine 110 before cooling with the cooler and Store by heat exchange. In addition, when the heat engine operates in the Rankine cycle mode, the working fluid flowing out of the turbine 110 is condensed and cooled, and then compressed, and the heat engine is exchanged with the compressed working fluid and the working fluid stored in the Brayton cycle mode.

이하에서는, 도 9를 참조하여 브레이튼 사이클 모드를 설명 한다. Hereinafter, the Brayton cycle mode will be described with reference to FIG. 9.

브레이튼 사이클 모드에서, 작동유체가 쿨러(145) 및 컴프레서(125)를 통과하여 이동한다. 즉, 방향전환부(155)는, 제1 레큐퍼레이터(130)로부터 유출되어 제7관로(7)를 흐르는 작동유체가 컨덴서(140)가 아닌 쿨러(145)쪽으로 흐르도록 절환동작을 수행한다. 또한, 방향전환부(165)는, 컴프레서(125)로부터 유출된 작동유체가 제2 레큐퍼레이터(120)쪽으로 흐르도록 절환동작을 수행한다.In the Brayton cycle mode, the working fluid moves through the cooler 145 and the compressor 125. That is, the direction change unit 155 performs a switching operation so that the working fluid flowing out of the first recuperator 130 and flowing through the seventh conduit 7 flows toward the cooler 145 instead of the condenser 140. . In addition, the direction switching unit 165 performs a switching operation so that the working fluid flowing out from the compressor 125 flows toward the second recuperator 120.

브레이튼 사이클 모드에서, 또한, 제1 레큐퍼레이터(130)는 열저장부(135)에 저장된 열저장유체와 제2 레큐퍼레이터(120)를 통과하여 제6관로(6)에 흐르는 작동유체를 서로 열교환시킨다. In the Brayton cycle mode, the first recuperator 130 also flows into the sixth conduit 6 through the heat storage fluid and the second recuperator 120 stored in the heat storage unit 135. Heat exchange with each other.

예를 들면, 열저장부(135)는 쿨 탱크(Cool Tank)와 핫 탱크(Cool Tank)를 포함하며, 쿨 탱크에 저장되어 있던 열저장유체(예를 들면, 물이 될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아님)가 펌프(175)에 의해 펌핑되어 제1 레큐퍼레이터(130)를 통과한 후 핫 탱크에 저장된다. 여기서, 펌프(175)는 양방향 펌프일 수 있으나, 이는 예시적인 것으로서 당업자는 펌프(175)를 일방향 펌프로 구성하는 것도 가능할 것이다.For example, the heat storage unit 135 includes a cool tank and a hot tank, and may be a heat storage fluid (eg, water) stored in the cool tank, but only But not limited to, is pumped by the pump 175 and passed through the first recuperator 130 and then stored in the hot tank. Here, the pump 175 may be a bidirectional pump, but this is exemplary and a person skilled in the art may configure the pump 175 as a one-way pump.

컨트롤러(미도시)는 펌프(175)의 펌핑 방향을 제어할 수 있으며, 브레이튼 사이클 모드에서는 쿨 탱크에서 핫 탱크로 열저장유체가 이동하도록 하고 랭킨 사이클 모드에서는 그 반대 방향으로 이동하도록 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(미도시)는 상술한 바와 같이 브레이튼 사이클 모드에서는 작동유체가 컴프레서(125)를 통과하여 이동되도록 방향전환부(155)를 제어할 수 있다.The controller (not shown) may control the pumping direction of the pump 175, and control the heat storage fluid to move from the cool tank to the hot tank in the Brayton cycle mode and to move in the opposite direction in the Rankine cycle mode. have. In addition, as described above, the controller (not shown) may control the turning unit 155 to move the working fluid through the compressor 125 in the Brayton cycle mode.

제2 레큐퍼레이터(120)는 컴프레서(125)를 통해서 유출된 작동유체와, 터빈으로부터 유출되는 제4관로(4)를 흐르는 작동유체를 서로 열교환시킨다. 이후, 고온 히터(160)는 제2 레큐퍼레이터(120)를 통해서 유출되어 제3관로(3)를 흐르는 작동유체를 유입받아서, 고압열원과 열교환 시킨 후 터빈(110)으로 유출한다.The second recuperator 120 heats the working fluid flowing out through the compressor 125 and the working fluid flowing through the fourth conduit 4 flowing out of the turbine. Thereafter, the high temperature heater 160 flows out through the second recuperator 120 and receives the working fluid flowing through the third conduit 3, heat exchanges with the high pressure heat source, and then flows out to the turbine 110.

브레이튼 사이클 모드에서, 저장부(135)에 저장된 열저장유체는 도 4에서의 QL에 해당하는 열을 저장할 수 있다. 이처럼 열저장유체에 저장된 열은, 후술하는 랭킨 사이클 모드에서 사용된다.In the Brayton cycle mode, the heat storage fluid stored in the storage unit 135 may store heat corresponding to Q L in FIG. 4. The heat stored in the heat storage fluid is used in the Rankine cycle mode described later.

이제, 도 10을 참조하여 랭킨 사이클 모드를 설명한다.The Rankine cycle mode will now be described with reference to FIG. 10.

랭킨 사이클 모드에서, 작동유체가 컨덴서(140) 및 펌프(150)를 통과하여 이동한다. 즉, 방향전환부(155)는, 제1 레큐퍼레이터(130)로부터 유출되는 작동유체가 쿨러(145)가 아닌 컨덴서(140) 쪽으로 흐르도록 절환동작을 수행한다. 또한, 방향전환부(165)는, 제1 레큐퍼레이터(130)로부터 유출된 작동유체가 제2 레큐퍼레이터(120)쪽으로 흐르도록 절환동작을 수행한다.In Rankine cycle mode, the working fluid moves through the condenser 140 and the pump 150. That is, the direction switching unit 155 performs a switching operation so that the working fluid flowing out of the first recuperator 130 flows toward the condenser 140 instead of the cooler 145. In addition, the direction change unit 165 performs a switching operation so that the working fluid flowing out of the first recuperator 130 flows to the second recuperator 120.

랭킨 사이클 모드에서, 제1 레큐퍼레이터(130)는 열저장부(135)의 핫 탱크에 저장된 열저장유체와 펌프(175)를 통해서 펌핑된 작동유체를 서로 열교환시킨다.In the Rankine cycle mode, the first recuperator 130 exchanges heat between the heat storage fluid stored in the hot tank of the heat storage unit 135 and the working fluid pumped through the pump 175.

랭킨 사이클 모드에서, 펌프(175)는, 컨트롤러(미도시)의 제어에 의해서, 핫 탱크에 저장된 열저장유체가 쿨 탱크쪽으로 이동하도록 펌핑동작을 수행한다.In the Rankine cycle mode, the pump 175 performs a pumping operation to move the heat storage fluid stored in the hot tank toward the cool tank under the control of a controller (not shown).

랭킨 사이클 모드에서, 제1 레큐퍼레이터(130)는, 또한, 제2 레큐퍼레이터(120)를 통과하여 제6관로(6)에 흐르는 작동유체와, 펌프(150)를 통해서 펌핑된 작동유체를 상호 열교환시킨다. 이후, 고온 히터(160)는 제2 레큐퍼레이터(120)를 통해서 유출되어 제3관로(3)를 흐르는 작동유체를 유입받아서, 고압열원과 열교환 시킨 후 터빈(110)으로 유출한다.In the Rankine cycle mode, the first recuperator 130 also includes a working fluid flowing through the second recuperator 120 in the sixth conduit 6, and a working fluid pumped through the pump 150. Heat exchange with each other. Thereafter, the high temperature heater 160 flows out through the second recuperator 120 and receives the working fluid flowing through the third conduit 3, heat exchanges with the high pressure heat source, and then flows out to the turbine 110.

이처럼, 랭킨 사이클 모드에서, 저장부(135)에 저장된 열저장유체는 저온열원으로서 기능을 할 수 있다.As such, in the Rankine cycle mode, the heat storage fluid stored in the storage unit 135 may function as a low temperature heat source.

도 11은, 도 9 및 도 10에서 도시한 본 발명적 개념의 예시적 실시예인 열기관의 효과를 설명하기 위한 것이다.FIG. 11 is for explaining the effect of a heat engine, which is an exemplary embodiment of the inventive concept shown in FIGS. 9 and 10.

도 11를 참조하면, 가로축은 온도를 나타내고 세로축은 작동유체의 비열을 나타낸 것으로서, (1)으로 표시한 곡선은 저압영역에서 비열을 나타낸 것이고, (2)로 표시한 곡선은 고압영역에서의 비열을 나타낸 것이며, (3)은 (1)의 곡선을 2배한 것이다.Referring to FIG. 11, the horizontal axis represents temperature and the vertical axis represents the specific heat of the working fluid. The curve indicated by (1) shows the specific heat in the low pressure region, and the curve indicated by (2) shows the specific heat in the high pressure region. (3) doubles the curve of (1).

도 11에서 (1)로 표시한 곡선이 나타내는 면적은, 도 9를 참조하여 설명한 브레이튼 사이클 모드에서 열저장유체가 저장하는 열일 수 있고, 도 11에서 (2)로 표시한 곡선이 나타내는 면적은 도 10에서 설명한 랭킨 사이클 모드에서 압축된 상태의 작동유체를 가열하는데 필요한 열을 나타낸 것일 수 있다. The area indicated by the curve indicated by (1) in FIG. 11 may be heat stored by the heat storage fluid in the Brayton cycle mode described with reference to FIG. 9, and the area indicated by the curve indicated by (2) in FIG. It may represent the heat required to heat the working fluid in the compressed state in the Rankine cycle mode described in FIG.

결과적으로, 도 9처럼 브레이튼 사이클 모드에서 동작하면서 열을 저장하고, 도 10처럼 랭킨 사이클 모드에서 동작하면서 브레이튼 사이클 모드에서 저장된 열을 사용하게 되면, 랭킨 사이클 모드에서의 제1 레큐퍼레이터(130)의 열교환 동작은, 도 11에서의 (2)로 표시한 비열 특성을 가진 유체와, 도 11에서의 (3)으로 표시한 비열 특성을 가진 유체가 서로 열교환이 이루어지는 것과 같은 효과를 발휘하게 된다.As a result, when the heat is stored while operating in the Brayton cycle mode as shown in FIG. 9, and the heat stored in the Brayton cycle mode is used while operating in the Rankine cycle mode as shown in FIG. 10, the first recuperator in the Rankine cycle mode ( The heat exchange operation of 130 is such that the fluid having the non-thermal characteristics indicated by (2) in FIG. 11 and the fluid having the non-thermal characteristics indicated by (3) in FIG. 11 exert an effect such that heat exchange occurs with each other. do.

이는, 도 10의 랭킨 사이클 모드에서, 펌프(150)를 통해서 유출된 작동유체는, 핫 탱크에 저장된 열저장유체 및 제6관로(6)를 흐르는 작동유체 모두와 열교환이 이루어지기 때문이다. This is because, in the Rankine cycle mode of FIG. 10, the working fluid flowing out through the pump 150 exchanges heat with both the heat storage fluid stored in the hot tank and the working fluid flowing through the sixth conduit 6.

즉, 열저장부(135)의 핫 탱크에 저장된 열저장유체(예를 들면, '물'일 수 있음)는 도 11에서의 (1)로 표시한 비열 특성과 거의 유사한 특성을 가지고 있고, 또한 제2 레큐퍼레이터(120)를 통과하여 제6관로(6)에 흐르는 작동유체(예를 들면, '이산화탄소'일 수 있음) 역시 도 11에서의 (1)로 표시한 비열 특성을 가지고 있으며, 따라서 이들의 합은 도 11의 (3)의 비열을 가진 유체와 유사한 특성을 가지게 된다. That is, the heat storage fluid (for example, may be 'water') stored in the hot tank of the heat storage unit 135 has characteristics similar to those of the non-heat characteristic indicated by (1) in FIG. The working fluid (for example, 'carbon dioxide') flowing through the second recuperator 120 and passing through the sixth conduit 6 also has a specific heat characteristic as indicated by (1) in FIG. 11, Therefore, the sum thereof has characteristics similar to those of the fluid having the specific heat of FIG.

따라서, 도 9 및 도 10에서 설명한 바와 같이 브레이튼 사이클 모드와 랭킨 사이클 모드에서 교번적으로 동작하는 본 발명적 개념에 따른 열기관은, 작동유체를 고압측에서 가열시키는데 필요한 열(도 11의 (2))을 저압측에서 얻은 것으로도 충분할 수 있다는 것을 나타낸다. Therefore, the heat engine according to the inventive concept of operating alternately in the Brayton cycle mode and the Rankine cycle mode as described with reference to FIGS. 9 and 10 is characterized in that the heat required for heating the working fluid on the high pressure side (see FIG. )) From the low pressure side may be sufficient.

도 12는 본 발명적 개념에 따른 효과를 설명하기 위한 다른 도면이다. 12 is another diagram for explaining an effect according to the inventive concept.

도 12를 참조하면, 종래 랭킨 사이클 모드에서 동작하는 열기관(R-CO2)의 엑서지 효율, 종래 브레이튼 사이클 모드에서 동작하는 열기관(B-CO2)의 엑서지 효율, 및 본 발명적 개념에 따른 저온 열원과 고온 열원을 동시 이용하는 랭킨 사이클 모드(LH T-CO2 LH R-CO2)에서 동작하는 열기관의 엑서지 효율을 비교한 것이다. 12, the exergy efficiency of the heat engine (R-CO2) operating in the conventional Rankine cycle mode, the exergy efficiency of the heat engine (B-CO2) operating in the conventional Brayton cycle mode, and according to the inventive concept It compares the exergy efficiency of heat engines operating in the Rankine cycle mode (LH T-CO2 LH R-CO2), which uses both low-temperature and high-temperature heat sources.

즉, 종래 랭킨 사이클 모드에서 동작하는 열기관(R-CO2)의 엑서지 효율은 0.614이고, 종래 브레이튼 사이클 모드에서 동작하는 열기관(B-CO2)의 엑서지 효율은 O.629 임에 비하여, 본 발명적 개념에 따른 저온 열원과 고온 열원을 동시 이용하는 랭킨 사이클 모드(LH R-CO2)에서 동작하는 열기관의 엑서지 효율은 0.723이며, 이로써 엑서지 효율이 개선되었음을 알 수 있다.That is, the exergy efficiency of the heat engine (R-CO2) operating in the conventional Rankine cycle mode is 0.614, the exergy efficiency of the heat engine (B-CO2) operating in the conventional Brayton cycle mode is O.629, Exergy efficiency of the heat engine operating in the Rankine cycle mode (LH R-CO2) using a low temperature heat source and a high temperature heat source according to the invention concept is 0.723, it can be seen that the exergy efficiency is improved.

상기 3가지 열기관에서 기존 랭킨 사이클(R-CO2)과 본 발명적 개념에 따른 랭킨 사이클(LH R-CO2)은 출력은 모두 동일(150.4)하나, 엑서지 효율에서는 본 발명적 개념이 우월함을 알 수 있다. 즉, 종래 열기관들(R-CO2, B-CO2)은 고급 열원만을 100% 사용하여 출력(각각 150.4와 119.4)을 달성하였지만, 본 발명적 개념에 따른 열기관(LH R-CO2)은 저급열원 25%와 고급열원 75%를 사용하여 150.4라는 출력을 달성하였다는 측면에서, 종래 열기관들에 비하여 우월한 효과를 가지고 있다고 할 수 있다. In the three heat engines, the existing Rankine cycle (R-CO2) and the Rankine cycle (LH R-CO2) according to the inventive concept have the same output (150.4), but it is found that the inventive concept is superior in exergy efficiency. Can be. That is, the conventional heat engines (R-CO2, B-CO2) achieved the output (150.4 and 119.4, respectively) using only 100% of the advanced heat source, the heat engine (LH R-CO2) according to the inventive concept is a low-grade heat source 25 In terms of achieving an output of 150.4 using% and a high-grade heat source 75%, it can be said to have a superior effect compared to conventional heat engines.

이는, 통상 저급열원의 열효율은 최대 10%이상을 넘지 못하는데, 본 발명적 개념에서 따른 열기관에서는 저급열원의 열효율을 약 25%까지 향상시켰음을 나타내며, 이는 저급열원을 아무 시점에서나 사용한 것이 아니고 적절한 구간에서 사용하였기 때문에 가능하다고 추측된다.This generally indicates that the thermal efficiency of the lower heat source does not exceed a maximum of 10% or more. In the heat engine according to the inventive concept, the thermal efficiency of the lower heat source is improved by about 25%, which means that the lower heat source is not used at any point in time and is suitable. It is assumed that this is possible because it is used in.

도 13은 도 7의 실시예의 일 변형예를 나타낸 도면이다.FIG. 13 is a diagram illustrating a modification of the embodiment of FIG. 7.

도 13에 예시적으로 도시된 열기관은, 터빈(10), 제1 레큐퍼레이터(32), 저온 히터(34), 제2 레큐퍼레이터(20), 컨덴서(40), 펌프(50), 및 고온 히터(60)를 포함할 수 있다. The heat engine illustrated in FIG. 13 exemplarily includes a turbine 10, a first recuperator 32, a low temperature heater 34, a second recuperator 20, a capacitor 40, a pump 50, And a high temperature heater 60.

제1 레큐퍼레이터(32)와 저온 히터(34)를 제외한 나머지 구성요소들은 동일한 도면번호가 부여된 도 8의 구성요소들과 동일 또는 유사한 동작을 수행한다.The other components except for the first recuperator 32 and the low temperature heater 34 perform the same or similar operations as the components of FIG. 8 having the same reference numerals.

저온 히터(34)는, 펌프(50)에 의해 압축된 작동유체와 저급 열원과 열교환시키며, 제1 레큐퍼레이터(32)는 저온 히터(34)로부터 유출되는 작동유체와, 고온 히터(20)를 통과하여 제6관로(60)를 흐르는 작동유체를 서로 열교환시킨다.The low temperature heater 34 exchanges heat between the working fluid compressed by the pump 50 and the lower heat source, and the first recuperator 32 flows out from the low temperature heater 34 and the high temperature heater 20. The working fluid flowing through the sixth pipe line 60 through the heat exchange.

한편, 도 13의 실시예에서는, 펌프(50)에 의해 압축된 작동유체를 저급 열원과 먼저 열교환시켰지만, 제6관로(60)를 흐르는 작동유체와 먼저 열교환시키는 것도 가능할 것이다. Meanwhile, in the embodiment of FIG. 13, the working fluid compressed by the pump 50 is first heat-exchanged with the lower heat source, but it may be possible to first heat-exchange the working fluid flowing through the sixth conduit 60.

상술한 바와 같이 본 발명적 개념에 따른 열기관은 엑서지 효율이 개선된 랭킨 사이클 모드를 가질 수 있으며, 변형예로서 브레이튼 사이클 모드에서 저급열원을 확보하여 랭킨 사이클 모드에서 사용할 수 있다.As described above, the heat engine according to the inventive concept may have a Rankine cycle mode in which exergy efficiency is improved, and as a modification, the heat engine may be used in the Rankine cycle mode by securing a lower heat source in the Brayton cycle mode.

도 14, 도 15, 및 도 16은, 상술한 실시예들에 따른 열기관에서 구현되는 증기 사이클을 예시적으로 나타낸 것이다. 14, 15, and 16 exemplarily illustrate steam cycles implemented in a heat engine according to the above-described embodiments.

도 14, 도 15, 및 도 16와 같이, 저압측 운전조건이 작동유체의 초임계 압력보다 높을 경우 작동유체는 응축과정에서 뚜렷한 상변화 과정을 거치지 않게 되는 특징이 있다. 이때 냉각되는 작동유체는 액체와 기체의 구분이 뚜렷하지 않게 되어 랭킨 사이클(상변화화 동반)과 브레이튼 사이클(가스 사이클)의 구분이 모호해 질 수 있다. 그러나 이때에도, 도 14와 같이 완전 냉각된 사이클을 본 발명에서 앞선 기술의 랭킨 사이클(도 5)로 볼 수 있고, 도 15와 같이 부분 냉각된 사이클을 본 발명에서 앞선 기술의 브레이튼 사이클(도 6)로 볼 수 있고, 본 발명의 개념이 적용된 도 16과 같이 완전 냉각된 사이클에서 저온 열원과 고온 열원을 동시에 사용하는 사이클을 본 발명에서 앞선 기술의 저온 열원과 고온 열원을 동시에 사용하는 랭킨 사이클(도 8)로 볼 수 있다. 이처럼, 증기 사이클이 랭킨 사이클 또는 브레이튼 사이클로 명백히 구분되지 않는 경우라도, 상술한 본 발명적 개념에 따른 구성이 적용될 수 있고, 같은 효과를 발휘할 수 있다. 즉, 본 발명적 개념은 저압측이 뚜렷한 상변화를 겪는 운전조건 뿐만 아니라 작동유체의 초임계 압력보다 높아 뚜렷한 상변화를 겪지 않는 운전영역에서도 그대로 적용가능하게 된다.14, 15, and 16, when the low pressure side operating conditions are higher than the supercritical pressure of the working fluid is characterized in that the working fluid does not undergo a distinct phase change process during the condensation process. In this case, the cooling fluid may not be clearly distinguished from the liquid and gas, and the distinction between the Rankine cycle (with phase change) and the Brayton cycle (gas cycle) may be blurred. However, even at this time, a completely cooled cycle as shown in FIG. 14 may be regarded as a Rankine cycle (FIG. 5) of the prior art in the present invention, and a partially cooled cycle as shown in FIG. 15 may be regarded as the Brayton cycle (FIG. 6), a cycle using both a low temperature heat source and a high temperature heat source simultaneously in a completely cooled cycle as shown in FIG. 16 to which the concept of the present invention is applied is a Rankine cycle in which a low temperature heat source and a high temperature heat source of the prior art are simultaneously used in the present invention. (Fig. 8). As such, even when the steam cycle is not clearly classified into a Rankine cycle or a Brayton cycle, the configuration according to the inventive concept described above can be applied, and the same effect can be achieved. In other words, the inventive concept can be applied to the operating region in which the low pressure side undergoes a distinct phase change, as well as in a driving region that does not experience a distinct phase change higher than the supercritical pressure of the working fluid.

본 발명적 개념의 일 측면에 따르면, 열기관에 사용되는 랭킨 사이클에 있어서, 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시키는 단계, 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시키는 단계, 압축된 작동유체를 저급열원과 열교환시키는 제1열교환단계, 및 터빈으로부터 유출된 작동유체를 응축 및 냉각시키기 전에, 제1열교환단계를 거친 작동유체와 열교환시키는 제2열교환단계를 포함하는 엑서지 효율이 향상된 랭킨 사이클 방법이 제공될 수 있다. 여기서, 제1열교환단계와 제2열교환단계를 거친 작동유체는 다시 터빈으로 유입되어 순환된다.According to one aspect of the inventive concept, in a Rankine cycle used in a heat engine, condensing and cooling the working fluid flowing out of the turbine, compressing the condensed and cooled working fluid, and compressing the compressed working fluid into a lower heat source. An exergy-efficient Rankine cycle method comprising a first heat exchange step of heat exchange with and a second heat exchange step of heat exchange with a working fluid that has undergone the first heat exchange step before condensing and cooling the working fluid which has flowed out of the turbine. Can be. Here, the working fluid passed through the first heat exchange step and the second heat exchange step is introduced into the turbine and circulated again.

또한 본 엑서지 효율이 향상된 랭킨 사이클 방법은, 제2열교환단계를 거친 작동유체를 응축 및 냉각시키기 전에, 압축시키는 단계에 의해서 압축된 작동유체와 열교환시키는 제3열교환단계를 더 포함하며, 제1열교환단계, 제2열교환단계, 및 제3열교환단계를 거친 작동유체가 터빈으로 유입되도록 한다.In addition, the Rankine cycle method with improved exergy efficiency further includes a third heat exchange step of exchanging heat with the compressed working fluid by the compressing step before condensing and cooling the working fluid that has undergone the second heat exchange step. The working fluid passed through the heat exchange step, the second heat exchange step, and the third heat exchange step is introduced into the turbine.

본 발명적 개념의 다른 측면에 따르면, 터빈, 컴프레서, 및 컨덴서를 포함한 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법이 제공될 수 있다. 예를 들면, 본 방법은, 터빈으로부터 유출되는 작동유체를, 브레이튼 사이클 모드에서는 상기 컴프레서로 흐르도록 하고, 랭킨 사이클 모드에서는 컨덴서로 흐르도록 하는 방향 전환단계, 브레이튼 사이클 모드에서, 컴프레서로 흐르기 전의 작동유체와 열저장유체를 열교환시키는 단계를 포함하며, 컨덴서 또는 컴프레서로부터 유출되는 작동유체가 터빈으로 유입되는 단계를 포함하도록 구현될 수 있다.According to another aspect of the inventive concept, a method for increasing the exergy efficiency of a heat engine including a turbine, a compressor, and a capacitor can be provided. For example, in the method, the working fluid flowing out of the turbine flows to the compressor in the Brayton cycle mode, and flows to the compressor in the Rankine cycle mode, and flows to the compressor in the Brayton cycle mode. And exchanging heat from the previous working fluid and the heat storage fluid, and may be implemented to include the working fluid flowing out of the condenser or the compressor into the turbine.

본 발명적 개념의 또 다른 측면에 따르면, 작동유체를 순환시켜서 일을 하는 열기관을 브레이튼 사이클 모드 또는 랭킨 사이클 모드에서 동작시키는 단계, 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 냉각한 후 압축하는 브레이튼 사이클 모드에서, 열저장유체를 냉각시키기 전의 작동유체와 열교환시켜서 저장하는 단계, 및 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시킨 후에 압축하는 랭킨 사이클 모드에서, 압축된 작동유체와 브레이튼 사이클모드에서 저장된 열저장유체와 열교환시키는 단계;를 포함하도록 구현될 수 있다.According to another aspect of the inventive concept, operating a heat engine working by circulating a working fluid in the Brayton cycle mode or the Rankine cycle mode, a Brayton cycle mode in which the working fluid flowing out of the turbine is cooled and then compressed In the heat storage fluid, the heat storage fluid is exchanged and stored with the working fluid before cooling, and in the Rankine cycle mode in which the working fluid flowing out of the turbine is condensed and cooled, and then compressed, the heat stored in the compressed working fluid and the Brayton cycle mode. Heat exchange with the storage fluid; it may be implemented to include.

상기와 같이 본 발명적 개념은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명적 개념은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명적 개념이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명적 개념의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Various modifications and variations are possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by equivalents to the scope of the appended claims, as well as the appended claims.

10, 110: 터빈 30, 130: 제1 레큐퍼레이터
20, 120: 제2 레큐퍼레이터 40, 140: 컨덴서
50, 150: 펌프 60: 고온 히터
125: 컴프레서 135: 열저장부
145: 쿨러 155, 165; 방향전환부
160: 고온 히터
10, 110: turbine 30, 130: first recuperator
20, 120: Second recuperator 40, 140: Condenser
50, 150: pump 60: high temperature heater
125: compressor 135: heat storage unit
145: coolers 155, 165; Redirection
160: high temperature heater

Claims (24)

열기관에 사용되는 초월 임계 랭킨 사이클에 있어서,
터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시키는 단계;
응축 및 냉각된 상기 작동유체를 압축시키는 단계;
압축된 상기 작동유체를 저급열원과 열교환시키는 제1열교환단계;
상기 터빈으로부터 유출된 작동유체를 응축 및 냉각시키기 전에, 상기 제1열교환단계를 거친 작동유체와 열교환시키는 제2열교환단계; 및
상기 제2열교환단계를 거친 작동유체를 응축 및 냉각시키기 전에, 상기 압축시키는 단계에 의해서 압축된 작동유체와 열교환시키는 제3열교환단계;를 포함하며,
상기 제1열교환단계와 상기 제3열교환단계는 동시에 수행되며,
상기 제1열교환단계, 제2열교환단계, 및 제3열교환단계를 거친 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 초월 임계 랭킨 사이클.
In the transcritical Rankine cycle used for heat engines,
Condensing and cooling the working fluid flowing out of the turbine;
Compressing the condensed and cooled working fluid;
A first heat exchange step of exchanging the compressed working fluid with a lower heat source;
A second heat exchange step of exchanging heat with the working fluid that has passed through the first heat exchange step before condensing and cooling the working fluid discharged from the turbine; And
And a third heat exchange step of exchanging heat with the working fluid compressed by the compressing step, before condensing and cooling the working fluid passed through the second heat exchange step.
The first heat exchange step and the third heat exchange step are performed at the same time,
A transcritical Rankine cycle with improved exergy efficiency, characterized in that the working fluid flowing through the first heat exchange step, the second heat exchange step, and the third heat exchange step flows into the turbine.
제1항에 있어서,
상기 작동유체는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 초월 임계 랭킨 사이클.
The method of claim 1,
The transcritical Rankine cycle with improved exergy efficiency, characterized in that the working fluid is carbon dioxide.
삭제delete 초월 임계 랭킨 사이클 기반의 열기관에 있어서,
작동유체를 유출하는 터빈;
상기 터빈으로부터 유출된 작동유체를 응축 및 냉각시키는 컨덴서;
응축 및 냉각된 상기 작동유체를 압축시키는 펌프;
압축된 상기 작동유체를 저급열원과 열교환시키는 제1레큐퍼레이터; 및
상기 터빈으로부터 유출되고 상기 컨덴서로 유입되기 전의 작동유체를, 상기 제1레큐퍼레이터에 의해 열교환된 작동유체와 열교환시키는 제2레큐퍼레이터; 를 포함하며,
상기 제1레큐레이터는, 상기 펌프에 의해 압축된 상기 작동유체를 저급열원과 열교환시킴과 동시에, 상기 제2레큐퍼레이터에 의해 열교환되고 상기 컨덴서로 유입되기 전의 작동유체와 열교환시키며,
상기 제1레큐퍼레이터 및 상기 제2레큐퍼레이터에 의해 열교환을 거친 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 것을 특징으로 하는 초월 임계 랭킨 사이클 기반의 열기관.
A heat engine based on a transcritical Rankine cycle,
A turbine outflow of the working fluid;
A condenser for condensing and cooling the working fluid discharged from the turbine;
A pump for compressing the condensed and cooled working fluid;
A first recuperator for exchanging the compressed working fluid with a lower heat source; And
A second recuperator for exchanging the working fluid before it flows out of the turbine and into the condenser, with the working fluid which is heat-exchanged by the first recuperator; Including;
The first accumulator heat-exchanges the working fluid compressed by the pump with a lower heat source, and at the same time, heat-exchanging with the working fluid before being heat-exchanged by the second recuperator and entering the condenser,
A trans-critical Rankine cycle-based heat engine, wherein the working fluid, which has undergone heat exchange by the first and second recuperators, is introduced into the turbine.
제4항에 있어서,
상기 작동유체는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 초월 임계 랭킨 사이클 기반의 열기관.
5. The method of claim 4,
The critical fluid Rankine cycle based heat engine, characterized in that the working fluid is carbon dioxide.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 브레이튼 사이클 모드 또는 랭킨 사이클 모드에서 동작하는 열기관으로서,
작동유체에 의해 일을 하는 터빈;
상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를, 컨덴서 또는 컴프레서 중 어느 한쪽으로 흐르도록 하는 방향 전환부;
상기 컨덴서 또는 상기 컴프레서로 흐르기 전의 작동유체와, 열저장부에 저장된 열저장유체를 열교환시키는 제1레큐퍼레이터; 및
상기 랭킨 사이클 모드에서, 상기 컨덴서로부터 작동유체를 유입받아 압축하여 유출하는 펌프;를 포함하며,
상기 컨덴서 또는 상기 펌프로부터 유출되는 작동유체는 상기 터빈으로 유입되며,
상기 랭킨 사이클 모드에서, 상기 제1레큐퍼레이터는,
상기 컨덴서 또는 상기 컴프레서로 흐르기 전의 작동유체, 상기 열저장부에 저장된 열저장유체, 및 상기 펌프로부터 유출되는 작동유체를 상호 열교환시키는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
A heat engine operating in Brayton cycle mode or Rankine cycle mode,
A turbine working by a working fluid;
A direction changer for flowing the working fluid flowing out of the turbine to either the capacitor or the compressor;
A first recuperator for exchanging heat between the working fluid before flowing to the capacitor or the compressor and the heat storage fluid stored in the heat storage unit; And
And, in the Rankine cycle mode, a pump that receives the working fluid from the condenser and compresses it to flow out.
The working fluid flowing out of the condenser or the pump flows into the turbine,
In the Rankine cycle mode, the first recuperator,
The exergy efficiency heat engine, characterized in that the heat exchange between the working fluid before the flow to the condenser or the compressor, the heat storage fluid stored in the heat storage unit, and the working fluid flowing out of the pump.
삭제delete 제10항에 있어서,
상기 브레이튼 사이클 모드에서, 상기 방향 전환부는,
상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 상기 컴프레서로 흐르도록 전환하는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
The method of claim 10,
In the Brayton cycle mode, the direction switching unit,
A heat engine with improved exergy efficiency, characterized in that for converting the working fluid flowing out of the turbine to flow to the compressor.
제12항에서,
상기 방향전환부와 상기 컴프레서 사이에 배치되는 쿨러;를 더 포함하며,
상기 쿨러는 상기 방향 전환부로부터 작동유체를 유입받아 냉각시켜서 상기 컴프레서로 유출하는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
The method of claim 12,
It further comprises a cooler disposed between the turning unit and the compressor,
The cooler is a heat engine with improved exergy efficiency, characterized in that the operating fluid flows from the direction change unit to cool the flow out to the compressor.
제10항에 있어서,
상기 랭킨 사이클 모드에서, 상기 방향 전환부는,
상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 상기 컨덴서로 흐르도록 전환하는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
The method of claim 10,
In the Rankine cycle mode, the direction switching unit,
A heat engine with improved exergy efficiency, characterized in that for converting the working fluid flowing out of the turbine to flow to the capacitor.
삭제delete 삭제delete 제10항에 있어서,
상기 제1레큐퍼레이터로 유입되기 전의 작동유체와, 상기 컨덴서 또는 상기 컴프레서로부터 유출되는 작동유체를 열교환시키는 제2레큐퍼레이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
The method of claim 10,
And a second recuperator for heat-exchanging the working fluid before flowing into the first recuperator and the working fluid flowing out of the condenser or the compressor.
터빈, 컴프레서, 컨덴서, 및 제1레큐퍼레이터를 포함한 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법에 있어서,
상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를, 브레이튼 사이클 모드에서는 상기 컴프레서로 흐르도록 하고, 랭킨 사이클 모드에서는 상기 컨덴서로 흐르도록 하는 방향 전환단계;
상기 브레이튼 사이클 모드에서, 상기 제1레큐퍼레이터는 상기 컴프레서로 흐르기 전의 작동유체와 열저장부에 저장된 열저장유체를 열교환시키는 단계;
상기 컨덴서 또는 상기 컴프레서로부터 유출되는 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 단계;
상기 랭킨 사이클 모드에서, 펌프가 상기 컨텐서로부터 작동유체를 제공받아 압축하는 단계; 및
상기 랭킨 사이클 모드에서, 상기 제1레큐퍼레이터는 상기 컴프레서로 흐르기 전의 작동유체, 상기 브레이튼 사이클 모드에서 작동유체와 열교환된 열저장유체, 및 상기 펌프로부터 유출되는 작동유체를 상호 열교환시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법.
In a method for increasing the exergy efficiency of a heat engine including a turbine, a compressor, a capacitor, and a first recuperator,
Redirecting the working fluid flowing out of the turbine to the compressor in Brayton cycle mode and to the condenser in Rankine cycle mode;
In the Brayton cycle mode, the first recuperator heat exchanges the working fluid before flowing to the compressor and the heat storage fluid stored in the heat storage unit;
Introducing a working fluid discharged from the condenser or the compressor into the turbine;
In the Rankine cycle mode, a pump receives and compresses a working fluid from the condenser; And
In the Rankine cycle mode, the first recuperator mutually exchanging a working fluid before flowing to the compressor, a heat storage fluid heat exchanged with the working fluid in the Brayton cycle mode, and a working fluid flowing out of the pump; Method for increasing the exergy efficiency of the heat engine comprising a.
삭제delete 제18항에 있어서,
상기 브레이튼 사이클 모드에서,
상기 컴프레서로 유입되기전의 작동유체를 쿨링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법.
19. The method of claim 18,
In the Brayton cycle mode,
Cooling the working fluid before entering the compressor; the method of increasing the exergy efficiency of a heat engine, characterized in that it comprises a.
삭제delete 삭제delete 제18항에 있어서,
상기 랭킨 사이클 모드에서, 제2레큐퍼레이터가,
상기 컨덴서로 흐르기 전의 작동유체와, 상기 펌프에 의해 압축되어 유출되는 작동유체를 상호 열교환시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법.
19. The method of claim 18,
In the Rankine cycle mode, the second recuperator,
And exchanging heat between the working fluid before flowing to the condenser and the working fluid compressed and discharged by the pump. 2.
작동유체를 순환시켜서 일을 하는 열기관을 브레이튼 사이클 모드 또는 랭킨 사이클 모드에서 동작시키는 단계;
터빈으로부터 유출되는 작동유체를 열저장유체와 열교환시켜서 냉각한 후 압축하는 브레이튼 사이클 모드에서, 상기 작동유체와 열교환한 열저장유체를 저장하는 단계; 및
상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 컨덴서가 응축 및 냉각시킨 후에 펌프가 압축하는 랭킨 사이클 모드에서, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 컨덴서로 유입되기전의 작동유체를 상기 브레이튼 사이클모드에서 저장된 열저장유체 및 상기 펌프에 의해 압축되어 유출되는 작동유체와 열교환시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 작동 방법.
Operating a heat engine circulating working fluid in Brayton cycle mode or Rankine cycle mode;
Storing the heat storage fluid heat-exchanged with the working fluid in a Brayton cycle mode in which the working fluid flowing out of the turbine is heat-exchanged with the heat storage fluid to be cooled and then compressed; And
In a Rankine cycle mode in which a pump compresses a working fluid flowing out of the turbine after the condenser condenses and cools the heat storage fluid stored in the Brayton cycle mode before the flowing out of the turbine and entering the condenser. Exchanging heat with a working fluid compressed and discharged by a pump.
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