KR101346124B1 - 냉매엔진 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열에너지를 운동에너지로 변환시키는 냉매엔진 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화력발전소 복수기의 폐열을 이용하여 터빈을 회전시켜 열에너지를 운동에너지로 변환시키는 냉매엔진 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명은 일측면에 의하면 신축가능하고 냉매를 수용하는 2개의 용기와; 상기 냉매가 이동할 수 있도록 상기 2개의 용기 사이에 연통설치된 연결파이프와; 상기 연결파이프에 설치되어 냉매의 흐름을 개폐하는 주밸브와; 상기 2개의 용기 사이에 설치되어 냉매를 드레인시키는 드레인 수단과; 상기 연결파이프에 설치되어 냉매의 흐름에 따라 회전하는 터빈과; 상기 2개의 용기에 독립적으로 열을 공급하는 폐열공급수단;을 포함하는 냉매엔진 및 그 제어방법을 제공한다.

Description

냉매엔진 및 그 제어방법{Working fluid engine and the controling method thereof}
본 발명은 열에너지를 운동에너지로 변환시키는 냉매엔진 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화력발전소 복수기의 폐열을 이용하여 터빈을 회전시켜 열에너지를 운동에너지로 변환시키는 냉매엔진 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 화력발전소의 증기동력 사이클은 랭킨사이클로서 중요한 구성요소는 펌프, 보일러, 터빈 및 복수기로 이루어진다.
여기서 펌프는 작동유체인 포화수를 단열압축하고, 보일러는 압축된 물을 포화온도까지 가열한다. 또한 보일러에서 포화온도까지 가열된 물은 등온상태에서 상변화 과정을 거쳐 포화증기가 되며 더 가열하면 결국 과열증기가 된다. 다음으로 터빈은 보일러에서 생산된 과열증기를 등엔트로피 팽창시키면서 날개를 회전시키고, 터빈에 연결된 발전기 회전하면서 전기를 생산하게 된다. 다음으로 터빈에서 일을 한 증기는 온도와 압력이 낮아져서 습증기가 되고, 이 습증기는 복수기로 이동하게 된다. 복수기는 등온등압 상태에서 습증기로부터 열을 빼앗아 습증기가 응축되도록 하여 결국 포화수가 되도록 한다. 이 포화수는 다시 가열하면서 상기의 사이클을 지속적으로 반복하면서 터빈을 회전시켜 발전을 하게 된다.
상기 랭킨사이클에서 복수기는 습증기를 포화수로 만들기 위해서 불가피하게 열을 외부로 방출해야 한다. 이 때 통상적으로 해수를 이용하여 습증기를 냉각시킨다.
여기서 일반적인 발전설비의 에너지 효율을 살펴보면 투입된 연료의 40% 내외만 전기에너지로 변환되고, 13%는 연소과정 및 발전기에서 손실되며 나머지 47% 정도는 복수기의 냉각수에 의해 손실되므로 에너지 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
아울러 복수기 출구의 냉각수는 입구의 냉각수보다 통상 7℃ 이상 차이가 나므로 열수에 의한 해양환경이 오염되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 복수기에서 배출되는 폐열을 운동에너지로 변환시켜 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 구비된 냉매엔진 및 그 제어방법을 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 복수기를 통하여 배출되는 냉각수의 온도와 해수의 온도 차이를 크게 줄여 열수로 인한 환경오염을 방지하도록 된 냉매엔진 및 그 제어방법을 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 상기 연결파이프가 용기 바닥까지 연장되도록 하므로 먼저 상변화한 기상의 냉매 압력을 이용할 수 있도록 된 냉매엔진 및 그 제어방법을 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 냉매가 디클로로메탄, 이산화탄소 또는 아세톤 중 하나이므로 상변화 뿐 만 아니라 온도에 따라 비체적의 변화가 크므로 더욱 용이하게 에너지를 변환시킬 수 있는 냉매엔진 및 그 제어방법을 제공하는 데 목적이 있다.
삭제
아울러 본 발명은 냉매의 이동 후 드레인 수단에 의해 나머지 냉매를 자중에 의해 흘러가도록 구비함에 따라 에너지효율을 향상시킬 수 있도록 된 냉매엔진 및 그 제어방법을 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 복수의 냉매가 혼합되어 이루어지도록 함으로서 상변화가 다양한 온도에서 발생하여 사용온도범위가 넓어지도록 된 냉매엔진 및 그 제어방법을 제공하는 데 목적이 있다.
아울러 본 발명은 혼합된 복수의 냉매가 서로 용해되지 않도록 구비되므로 포화증기온도가 낮은 냉매가 먼저 기화되어 포화증기온도가 높은 냉매를 가압하여 밀어내므로 액체상태의 냉매를 이용하여 에너지를 변환시킬 수 있도록 된 냉매엔진 및 그 제어방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 일측면에 의하면 신축가능하고 냉매를 수용하는 2개의 용기와; 상기 냉매가 이동할 수 있도록 상기 2개의 용기 사이에 연통설치된 2개의 연결파이프와; 상기 각각의 연결파이프에 설치되어 냉매의 흐름을 개폐하는 주밸브와; 상기 2개의 용기 사이에 설치되어 냉매를 드레인시키는 드레인 수단과; 상기 각각의 연결파이프에 설치되어 냉매의 흐름에 따라 회전하는 2개의 터빈과; 상기 2개의 용기에 독립적으로 열을 공급하는 폐열공급수단; 을 포함하는 냉매엔진을 제공한다.
여기서 상기 연결파이프는 상기 2개의 용기 바닥까지 연장되는 것이 바람직하다.
또한 상기 냉매는 디클로로메탄(CH2Cl2), 이산화탄소(CO2) 또는 아세톤 중 하나인 것이 바람직하다.
삭제
아울러 상기 냉매는 서로 용해되지 않도록 구비된 복수의 냉매가 혼합되어 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은 다른 측면에 의하면 신축가능한 일측 용기에 냉매를 주입하는 단계와; 폐열공급수단으로 상기 일측 용기를 가열하여 일측 용기의 냉매를 건포화증기 상태로 만드는 단계와; 상기 냉매가 건포화증기 상태가 되면 일측 연결파이프의 주밸브를 개방하여 냉매가 상기 일측 용기에서 신축가능한 타측 용기로 흘러가도록 하여 냉매에 의해 일측 연결파이프 상의 터빈이 회전되도록 하는 단계와; 상기 연결파이프의 주밸브를 폐쇄하는 단계와; 상기 폐열공급수단으로 상기 타측 용기를 가열하여 타측 용기의 냉매를 건포화증기 상태로 만드는 단계와; 상기 냉매가 건포화증기 상태가 되면 타측 연결파이프의 주밸브를 개방하여 냉매가 상기 타측 용기에서 상기 일측용기로 흘러가도록 하여 냉매에 의해 타측 연결파이프 상의 터빈이 회전되도록 하는 단계와; 상기 연결파이프의 주밸브를 폐쇄하는 단계;를 포함하는 냉매엔진의 제어방법을 제공한다.
상기와 같이 본 발명에 따른 복수기에서 배출되는 폐열을 운동에너지로 변환시켜 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 냉매엔진 및 그 제어방법은 복수기를 통하여 배출되는 냉각수의 온도와 해수의 온도 차이를 크게 줄여 열수로 인한 환경오염을 방지한다.
또한 본 발명에 따른 냉매엔진 및 그 제어방법은 상기 연결파이프가 상기 2개의 용기 바닥까지 연장되도록 하므로 먼저 상변화한 기상의 냉매 압력을 이용할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 냉매엔진 및 그 제어방법은 상온에서 상변화가 용이하게 일어나 잠열을 이용할 수 있음에 따라 에너지 효율이 획기적으로 향상된다.
또한 본 발명에 따른 냉매엔진 및 그 제어방법은 냉매가 디클로로메탄, 이산화탄소 또는 아세톤 중 하나이므로 상변화 뿐 만 아니라 온도에 따라 비체적의 변화가 크므로 더욱 용이하게 에너지를 변환시킬 수 있다.
아울러 본 발명에 따른 냉매엔진 및 그 제어방법은 냉매의 이동 후 드레인 수단에 의해 나머지 냉매를 자중에 의해 흘러가도록 구비함에 따라 에너지효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 냉매엔진 및 그 제어방법은 복수의 냉매가 혼합되어 이루어지므로 상변화가 다양한 온도에서 발생하여 사용온도범위가 넓어진다.
아울러 본 발명에 따른 냉매엔진 및 그 제어방법은 혼합된 복수의 냉매는 서로 용해되지 않도록 구비되므로 포화증기온도가 낮은 냉매가 먼저 기화되어 포화증기온도가 높은 냉매를 가압하여 밀어내므로 액체상태의 냉매를 이용하여 에너지를 변환시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 냉매엔진을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 냉매엔진을 나타내는 개념도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일실시예에 따른 냉매엔진의 제어방법을 순차적으로 나타내기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 냉매엔진을 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일실시예에 따른 냉매엔진은 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 신축가능한 2개의 용기(10a, 10b)와, 상기 2개의 용기(10a, 10b) 사이에 연통설치된 2개의 연결파이프(12a, 12b)와, 상기 각각의 연결파이프(12a, 12b)에 설치된 주밸브(14a, 14b)와, 상기 2개의 용기(10a, 10b) 사이에 설치되어 냉매를 드레인시키는 드레인 수단과, 상기 각각의 연결파이프(12a, 12b)에 설치되어 회전하는 2개의 터빈(18a, 18b)과, 상기 2개의 용기(10a, 10b)에 독립적으로 열을 공급하는 폐열공급수단(미도시)을 포함한다.
상기 신축가능한 용기(10a, 10b)는 벨로즈 실린더로서 복수개가 설치되며 연결파이프(12a, 12b)에 의해서 서로 연통되도록 설치된다. 상기 신축가능한 용기(10a, 10b)는 압력에 의해 신축 및 팽창할 수 있도록 구비되므로 용기(10a, 10b)의 내부에 수용되어 있는 냉매가 정압의 상태에서 변환이 이루어지도록 구비된다.
상기 연결파이프(12a, 12b)는 상기 신축가능한 2개의 용기(10a, 10b) 사이에 설치되며 본 실시예에서는 냉매의 흐름방향에 따라 별도로 흘러갈 수 있도록 복수개가 설치된다. 상기 연결파이프(12a, 12b)는 출입구가 상기 용기(10a, 10b)의 바닥까지 연장된다. 여기서 연결파이프(12a, 12b)의 출입구는 주로 액체상태의 냉매에 잠겨 있으므로 상부의 기체상태의 냉매가 팽창함에 따라 액체상태의 냉매를 상방으로 밀어 올릴 수 있도록 구비된다.
상기 주밸브(14a, 14b)는 상기 연결파이프(12a, 12b) 상에 설치되며, 주밸브(14a, 14b)가 개폐됨에 따라 연결파이프(12a, 12b)를 따라 흘러가는 냉매의 흐름이 개폐된다.
상기 터빈(18a, 18b)은 연결파이프(12a, 12b)를 따라 흘러가는 냉매의 흐름에 따라 회전된다. 여기서 상기 터빈(18a, 18b)의 냉매는 단열팽창하면서 일을 하기 때문에 냉매의 엔탈피를 떨어뜨린다. 여기서 터빈(18a, 18b)은 필요에 따라 기상 또는 액상의 냉매가 유입되므로 냉매에 의해서 피팅(pitting) 등이 발생하지 않도록 구비되는 것이 바람직하다.
상기 폐열공급수단은 화력발전소의 복수기에서 방출되는 폐열을 이용하여 신축가능한 용기에 열을 공급하는 수단으로서 각각의 신축가능한 용기(10a, 10b)에 개별적으로 열을 공급할 수 있도록 제어된다.
상기 드레인 수단은 상기 2개의 신축가능한 용기(10a, 10b) 사이에 연통된 드레인파이프(16)와 드레인파이프(16) 상에 설치된 드레인밸브(17)로 이루어진다. 상기 드레인 수단은 연결파이프(12a, 12b) 사이가 개방되어 냉매가 이동하면서 터빈을 회전시키고 냉매 더 이상 터빈을 돌릴 수 없을 정도로 압력이 떨어졌을 때 드레인밸브(17)를 개방하여 상대적으로 자중에 의한 압력이 높은 용기로부터 상대적으로 자중에 의한 압력이 낮은 용기 측으로 냉매가 드레인되도록 작동한다.
상기 냉매는 작동유체로서 상온에서 상변화가 용이하게 일어나므로 잠열을 이용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 상기 냉매는 디클로로메탄(dichloromethane), 이산화탄소 또는 아세톤 중 하나로 이루어지므로 상변화 뿐 만 아니라 온도에 따라 비체적의 변화가 커 더욱 용이하게 에너지를 변환시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 냉매엔진의 제어방법을 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일실시예에 따른 냉매엔진의 제어방법은 신축가능한 일측 용기(10a)에 냉매를 주입하는 단계와, 폐열공급수단으로 상기 일측 용기(10a)를 가열하여 일측 용기(10a)의 냉매를 과포화증기 상태로 만드는 단계와, 상기 냉매가 과포화증기 상태가 되면 연결파이프(12a)의 주밸브(14a)를 개방하여 냉매가 상기 일측 용기(10a)에서 신축가능한 타측 용기(10b)로 흘러가도록 하여 냉매에 의해 터빈(18a)이 회전되도록 하는 단계와, 상기 연결파이프(12a)의 주밸브(14a)를 폐쇄하는 단계와, 상기 폐열공급수단으로 상기 타측 용기(10b)를 가열하여 타측 용기(10b)의 냉매를 과포화증기 상태로 만드는 단계와, 상기 냉매가 과포화증기 상태가 되면 연결파이프(12b)의 주밸브(14b)를 개방하여 냉매가 상기 타측 용기(10b)에서 상기 일측 용기(10a)로 흘러가도록 하여 냉매에 의해 터빈(18b)이 회전되도록 하는 단계와, 상기 연결파이프(12b)의 주밸브(14b)를 폐쇄하는 단계를 포함한다.
먼저 냉매를 주입하는 단계는 도 3a에 도시된 바와 같이 내부가 비어 있는 신축가능한 일측 용기(10a)에 냉매를 주입한다. 본 실시예에서 냉매는 디크롤로메탄으로서 상온에서 기화가 용이하므로 잠열을 이용하여 에너지 효율을 최대로 향상시킬 수 있다. 본 실시예에서 냉매는 디클로로메탄을 사용하였지만 필요에 따라 이산화탄소 또는 아세톤을 사용할 수 있음은 물론이다. 또한 아울러 냉매는 포화증기온도가 낮은 냉매가 먼저 기화되어 포화증기온도가 높은 냉매를 가압하여 밀어낼 수 있도록 서로 용해되지 않는 복수의 냉매로 이루어지는 것이 바람직하다.
다음으로 일측 용기(10a)의 냉매를 건포화증기 상태로 만드는 단계는 도 3b에 도시된 바와 같이 신축가능한 일측 용기(10a)를 복수기와 연결된 폐열공급수단을 이용하여 가열한다. 이 때 신축가능한 일측 용기(10a)의 내부에 수용된 냉매는 폐열에 의해서 엔탈피가 상승되고 포화증기 상태가 되며 포화증기 상태 이후에 계속 가열하면 건포화증기기 상태가 되며 신축가능한 일측 용기(10a)는 더 이상 신장할 수 없을 정도에 도달하면서 압력이 급증한다.
다음으로 터빈(18a)이 회전되도록 하는 단계는 도 3c와 같이 주밸브(14a)를 개방하여 연결파이프(12a)가 신축가능한 타측 용기(10b) 측으로 개방되도록 한다. 이 때 가압되어 신축가능한 일측 용기(10a)에 수용되어 있던 냉매가 연결파이프(12a)를 통하여 배출되면서 일측의 터빈(18a)을 회전시키게 된다. 이 때 터빈(18a)과 연결된 발전기(미도시)를 통하여 전기를 생산한다. 상기 신축가능한 일측 용기(10a)는 냉매가 빠져나가면서 축소되고 동시에 엔탈피가 떨어진다.
다음으로 주밸브(14a)를 폐쇄하는 단계는 도 3d와 같이 주밸브(14a)를 폐쇄하여 연결파이프(12a)를 차단하는 단계이다. 신축가능한 일측 용기(10a)에 수용된 냉매의 엔탈피는 신축가능한 타측 용기(10b)에 수용된 냉매의 엔탈피보다 높아도 마찰손실로 인하여 터빈(18a)은 더 이상 일을 할 수 없게 된다. 따라서 터빈(18a)이 더 이상 일을 할 수 없는 상태에 도달하면 주밸브(14a)를 폐쇄한다. 동시에 드레인밸브(17)를 개방하여 드레인파이프(16)가 개방되도록 한다. 이 때 신축가능한 일측 용기(10a)의 수위가 신축가능한 타측 용기(10b)의 수위보다 높으므로 당연히 냉매는 신축가능한 일측 용기(10a)로부터 신축가능한 타측 용기(10b)로 흘러가 평형상태를 이룬다. 이와 같이 드레인 수단을 통하여 나머지 냉매를 드레인시킨 후 드레인밸브(17)를 잠근다.
다음으로 타측 용기(10b)의 냉매를 건포화증기 상태로 만드는 단계는 도 3e에 도시된 바와 같이 신축가능한 타측 용기(10b)를 복수기와 연결된 폐열공급수단을 이용하여 가열한다. 이 때 신축가능한 타측 용기(10b)의 내부에 수용된 냉매는 폐열에 의해서 엔탈피가 상승되고 포화상태에 도달하며 포화상태 이후 계속 가열하면 건포화증기 상태가 되며 신축가능한 타측 용기(10b)는 더 이상 신장할 수 없을 정도에 도달하면서 압력이 급증한다.
다음으로 터빈(18b)이 회전되도록 하는 단계는 도 3f와 같이 주밸브(14b)를 개방하여 연결파이프(12b)가 신축가능한 일측 용기(10a) 측으로 개방되도록 한다. 이 때 가압되어 신축가능한 타측 용기(10b)에 수용되어 있던 냉매가 연결파이프(10b)를 통하여 배출되면서 타측의 터빈(18b)을 회전시키게 된다. 이 때 터빈(18b)과 연결된 발전기(미도시)를 통하여 전기를 생산한다. 상기 신축가능한 타측 용기(10b)는 냉매가 빠져나가면서 축소되고 동시에 엔탈피가 떨어진다.
다음으로 주밸브(14b)를 폐쇄하는 단계는 도 3g와 같이 주밸브(14b)를 폐쇄하여 연결파이프(12b)를 차단하는 단계이다. 신축가능한 타측 용기(10b)에 수용된 냉매의 엔탈피는 신축가능한 일측 용기(10a)에 수용된 냉매의 엔탈피보다 높아도 마찰손실로 인하여 터빈(18b)은 더 이상 일을 할 수 없게 된다. 따라서 터빈(18b)이 더 이상 일을 할 수 없는 상태에 도달하면 주밸브(14b)를 폐쇄하고, 동시에 드레인밸브(17)를 개방하여 드레인파이프(16)가 개방되도록 한다. 이 때 신축가능한 타측 용기(10b)의 수위가 신축가능한 일측 용기(10a)의 수위보다 높으므로 냉매는 당연히 신축가능한 타측 용기(10b)로부터 신축가능한 일측 용기(10a)로 흘러가 평형상태를 이룬다. 이와 같이 드레인 수단을 통하여 나머지 냉매를 드레인시킨 후 드레인밸브(17)를 잠근다.
상기와 같은 방법을 반복하면서 지속적으로 폐열을 이용하여 터빈(18a, 18b)을 회전시키고, 터빈(18a, 18b)을 회전시키므로 발전기를 회전시켜 궁극적으로 전기에너지를 생산한다.
10a, 10b : 용기 12a, 12b : 연결파이프
14a, 14b : 주밸브 16 : 드레인파이프
17 : 드레인밸브 18a, 18b : 터빈

Claims (7)

  1. 신축가능하고 냉매를 수용하는 2개의 용기와;
    상기 냉매가 이동할 수 있도록 상기 2개의 용기 사이에 연통설치된 2개의 연결파이프와;
    상기 각각의 연결파이프에 설치되어 냉매의 흐름을 개폐하는 주밸브와;
    상기 2개의 용기 사이에 설치되어 냉매를 드레인시키는 드레인 수단과;
    상기 각각의 연결파이프에 설치되어 냉매의 흐름에 따라 회전하는 2개의 터빈과;
    상기 2개의 용기에 독립적으로 열을 공급하는 폐열공급수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결파이프는 상기 2개의 용기 바닥까지 연장된 것을 특징으로 하는 냉매엔진.
  3. 삭제
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 냉매는 디클로로메탄(CH2Cl2), 이산화탄소(CO2) 또는 아세톤 중 하나인 것을 특징으로 하는 냉매엔진.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 냉매는 서로 용해되지 않도록 구비된 복수의 냉매가 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉매엔진.
  6. 신축가능한 일측 용기에 냉매를 주입하는 단계와;
    폐열공급수단으로 상기 일측 용기를 가열하여 일측 용기의 냉매를 건포화증기 상태로 만드는 단계와;
    상기 냉매가 건포화증기 상태가 되면 일측 연결파이프의 주밸브를 개방하여 냉매가 상기 일측 용기에서 신축가능한 타측 용기로 흘러가도록 하여 냉매에 의해 일측 연결파이프 상의 터빈이 회전되도록 하는 단계와;
    상기 연결파이프의 주밸브를 폐쇄하는 단계와;
    상기 폐열공급수단으로 상기 타측 용기를 가열하여 타측 용기의 냉매를 건포화증기 상태로 만드는 단계와;
    상기 냉매가 건포화증기 상태가 되면 타측 연결파이프의 주밸브를 개방하여 냉매가 상기 타측 용기에서 상기 일측용기로 흘러가도록 하여 냉매에 의해 타측 연결파이프 상의 터빈이 회전되도록 하는 단계와;
    상기 연결파이프의 주밸브를 폐쇄하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매엔진의 제어방법.
  7. 삭제
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