KR101624081B1 - 열 회수 장치 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 열 회수 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 출원의 열 회수 장치 및 방법에 의하면, 산업 현장 또는 다양한 화학 공정, 예를 들면 석유 화학 제품의 제조 공정에서 배출되는 100℃ 미만의 저급 열원을 버리지 않고 이용하여 스팀을 생성할 수 있으며, 생성된 스팀을 다양한 공정에 사용할 수 있으므로, 반응기 또는 증류탑에 사용되기 위한 외부 열원인 고온 스팀의 사용량을 절감할 수 있어, 에너지 절감 효율을 극대화 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 압축기에서 소모되는 전력을 자체적으로 생산할 수 있으며, 압축기를 통과한 냉매 흐름의 일부 기화 현상을 감소시킬 수 있으므로, 우수한 효율로 열을 회수할 수 있다.

Description

열 회수 장치{HEAT RECOVERY APPARATUS}
본 출원은 열 회수 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적인 화학 공정에서는, 반응기 또는 증류탑을 거치는 다양한 루트에서 열교환이 이루어지며, 이러한 열교환 후 발생하는 폐열은, 재사용되거나 폐기될 수 있다. 예를 들면, 도 1 과 같이, 상기 폐열이 100℃ 미만, 예를 들어, 50 내지 90℃ 수준의 현열 상태의 저급 열원일 경우에는, 온도가 너무 낮아 실질적으로 재사용이 불가능하며, 따라서 응축수에 의하여 응축된 후 버려지고 있다.
한편, 저압 또는 고압의 스팀은 산업 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있으며, 특히, 화학 공정에서는, 고온 및 고압의 스팀이 주로 사용되고 있다. 상기 고온 및 고압의 스팀은 일반적으로 상압 및 상온의 물을 기화점까지 가열하고, 수증기로 변한 물에 고압의 압력을 가하여 내부 에너지를 증가시킴으로써 고온 및 고압의 스팀을 생산하고 있으며, 이 경우, 액체 상태의 물을 기화시키기 위하여, 많은 양의 에너지 소모를 필요로 한다.
본 출원은 열 회수 장치 및 방법을 제공한다.
본 출원은 열 회수 장치에 관한 것이다. 본 출원의 열 회수 장치에 의하면, 산업 현장 또는 다양한 화학 공정, 예를 들면 석유 화학 제품의 제조 공정에서 배출되는 100℃ 미만의 저급 열원을 버리지 않고 이용하여 스팀을 생성할 수 있으며, 생성된 스팀을 다양한 공정에 사용할 수 있으므로, 반응기 또는 증류탑에 사용되기 위한 외부 열원인 고온 스팀의 사용량을 절감할 수 있어, 에너지 절감 효율을 극대화시킬 수 있다. 나아가, 본 출원의 열 회수 장치는, 압축기에서 소모되는 전력을 자체적으로 생산할 수 있으며, 압축기를 통과한 냉매 흐름의 일부 기화 현상을 감소시킬 수 있으므로, 우수한 효율로 열을 회수할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 출원의 다양한 구현예들을 설명하나, 첨부된 도면은 예시적인 것으로, 본 출원에 의한 열 회수 장치의 권리 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 2는 본 출원의 예시적인 열 회수 장치(10)를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2와 같이 본 출원의 열 회수 장치(10)는, 제 1 순환 루프(R1) 및 제 2 순환 루프(R2)를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 순환 루프(R1, R2)는 냉매가 순환하도록 배관을 통해 연결된 순환 시스템일 수 있으며, 하나의 예시에서, 상기 제 1 순환 루프(R1)는 히트 펌프 사이클(Heat Pump Cycle)일 수 있고, 상기 제 2 순환 루프(R2)는 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, ORC)일 수 있다. 도 2에 나타나듯이, 상기 제 1 순환 루프(R1)는 증발기(100), 제 1 압축기(110), 제 1 응축기(111) 및 압력 강하 장치(112)를 포함하고, 예를 들어, 상기 증발기(100), 제 1 압축기(110), 제 1 응축기(111) 및 압력 강하 장치(112)는 배관을 통하여 연결될 수 있으며, 바람직하게는 상기 배관을 통하여 냉매 또는 유체가 흐를 수 있도록 유체 연결(fluidically connected)되어 있을 수 있다. 또한, 도 2와 같이, 상기 제 2 순환 루프(R2)는 또한, 증발기(100), 터빈(120), 제 2 응축기(121) 및 제 2 압축기(122)를 포함하고, 상기 증발기(100), 터빈(120), 제 2 응축기(121) 및 제 2 압축기(122)는 배관을 통하여 연결될 수 있으며, 바람직하게는 상기 배관을 통하여 냉매 또는 유체가 흐를 수 있도록 유체 연결(fluidically connected)되어 있을 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 순환 루프(R1) 및 제 2 순환 루프(R2)는 증발기(Evaporator)를 공유한다. 일반적인, 히트 펌프 사이클과 유기 랭킨 사이클의 경우, 각각 증발기를 포함하며, 예를 들어, 상기 히트 펌프 사이클과 유기 랭킨 사이클을 단순 결합시킬 경우에는, 2기의 증발기를 필요로 하여, 우수한 성능 계수를 얻기 위하여, 과량의 에너지를 소모하여야 한다. 하지만 본 출원의 열 회수 장치에서는 1 기의 증발기만을 사용함으로써, 에너지 소모를 최소화하면서도 우수한 성능 계수를 가지는 열 회수 장치를 구현할 수 있다. 또한, 본 출원의 열 회수 장치(10)는 두 개의 상반되는 목적을 가진 공정, 즉, 전기를 이용하여 열을 생산하는 히트 펌프 사이클과 열을 사용하여 전기를 생산하는 유기 랭킨 사이클을 결합함으로써, 전기의 소비 없이 저온의 열을 고온의 열로 만들 수 있다. 또한, 본 출원의 열 회수 장치(10)에 의하면, 상기 열 회수 장치가 후술할 유체 분배기(101)를 포함함으로써, 유체의 흐름을 히트 펌프 사이클과 유기 랭킨 사이클로 적절히 분배할 수 있어, 상황에 따라 전기를 덜 사용하더라도 열 또는 스팀을 추가적으로 더 생산할 수 있도록 조절하거나 또는 고온의 스팀을 덜 생산하더라도 전기를 추가적으로 생산할 수 있도록 조절할 수 있고, 이에 따라, 운용 탄력성을 가지는 하이브리드 공정을 구현할 수 있다.
예시적인 본 출원의 열 회수 장치에서는, 제 1 순환 루프(R1)와 제 2 순환 루프(R2)가 상기 증발기(100)를 공유하며, 이에 따라 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름은 분리된 후 제 1 순환 루프(R1)와 제 2 순환 루프(R2)를 각각 순환하며, 상기 제 1 순환 루프(R1)와 제 2 순환 루프(R2)를 순환한 냉매 흐름은 다시 합류된 후에 상기 증발기(100)로 유입될 수 있다.
예를 들어, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)은 유체 분배기(101)로 유입되고, 상기 유체 분배기로 유입된 냉매 흐름은 상기 유체 분배기에서 분리되어 유출될 수 있다. 이 경우, 상기 냉매 흐름의 일부(FA 1)는 제 1 순환 루프(R1)의 제 1 압축기(110)로 유입되고, 나머지 일부(FB 1)는 상기 제 2 순환 루프(R2)의 터빈(120)으로 유입될 수 있다.
상기 유체 분배기(101)는 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름의 유량을 적절한 비율로 분배시키기 위하여, 본 출원의 열 교환 장치(10)에 포함될 수 있다. 상기 유체 분배기(101)에서 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)을 적절하게 배분하여 상기 제 1 순환 루프(R1) 및 제 2 순환 루프(R2)로 적절히 분배시킴으로써 히트 펌프 사이클과 상기 유기 랭킨 사이클이 결합되어 있는 본 출원의 열 회수 장치(10)가 1 기의 증발기만을 사용하는 경우에도, 상기 열 회수 장치(10)가 우수한 성능 계수를 가질 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 상기 열 회수 장치(10)가 상기 유체 분배기(101)를 포함함으로써, 유체의 흐름을 히트 펌프 사이클과 유기 랭킨 사이클로 적절히 분배할 수 있어, 상황에 따라 전기를 덜 사용하더라도 열 또는 스팀을 추가적으로 더 생산할 수 있도록 조절하거나 또는 고온의 스팀을 덜 생산하더라도 전기를 추가적으로 생산할 수 있도록 조절할 수 있고, 이에 따라, 운용 탄력성을 가지는 하이브리드 공정을 구현할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량에 대한 유체 분배기(101)에서 분리되어 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 유량의 비는 하기 일반식 1을 만족할 수 있다.
[일반식 1]
0.3 ≤ Fc/Fe ≤ 0.5
상기 일반식 1에서, Fc는 유체 분배기(101)에서 분리되어 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 유량을 나타내고, Fe는 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량을 나타낸다.
즉, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량에 대한 유체 분배기(101)에서 분리되어 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 유량의 비 Fc/Fe는 0.3 내지 0.5, 예를 들어, 0.32 내지 0.45 또는 0.35 내지 0.4의 범위 내로 조절될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 하나의 예시에서, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량에 대한 상기 유체 분배기(101)에서 분리되어 터빈(120)으로 유입되는 냉매 흐름(FB 1)의 유량의 비는 하기 일반식 2를 만족할 수 있다.
[일반식 2]
0.5 ≤ Ft/Fe ≤ 0.7
상기 일반식 2에서, Ft는 유체 분배기(101)에서 분리되어 터빈(120)으로 유입되는 냉매 흐름(FB 1)의 유량을 나타내고, Fe는 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량을 나타낸다.
즉, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량에 대한 상기 유체 분배기(101)에서 분리되어 터빈(120)으로 유입되는 냉매 흐름(FB 1)의 유량의 비 Ft/Fe는 0.5 내지 0.7, 예를 들어, 0.55 내지 0.68 또는 0.6 내지 0.65의 범위 내로 조절될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량에 대한 유체 분배기(101)에서 분리되어 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 유량의 비가 상기 일반식 1을 만족하고, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량에 대한 상기 유체 분배기(101)에서 분리되어 터빈(120)으로 유입되는 냉매 흐름(FB 1)의 유량의 비가 상기 일반식 2를 만족 함으로써, 본 출원의 열 회수 장치(10)는 1 기의 증발기만을 사용하는 경우에도, 우수한 성능 계수를 가질 수 있다.
상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량, 유체 분배기(101)에서 분리되어 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 유량 및 유체 분배기(101)에서 분리되어 터빈(120)으로 유입되는 냉매 흐름(FB 1)의 유량은 상기 일반식 1 및 일반식 2를 만족한다면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 적용하고자 하는 공정의 종류 및 각 공정의 조건에 따라 다양하게 조절할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량은 10,000 kg/hr 내지 100,000 kg/hr, 예를 들어, 20,000 kg/hr 내지 90,000 kg/hr 또는 30,000 kg/hr 내지 80,000 kg/hr일 수 있으며, 바람직하게는, 45,000 kg/hr 내지 55,000 kg/hr일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 유체 분배기(101)에서 분리되어 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 유량은 5,000 kg/hr 내지 40,000 kg/hr, 예를 들어, 8,000 kg/hr 내지 35,000 kg/hr 또는 10,000 kg/hr 내지 30,000 kg/hr일 수 있으며, 바람직하게는, 15,000 kg/hr 내지 25,000 kg/hr일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 유체 분배기(101)에서 분리되어 터빈(120)으로 유입되는 냉매 흐름(FB 1)의 유량은 5,000 kg/hr 내지 60,000 kg/hr, 예를 들어, 10,000 kg/hr 내지 50,000 kg/hr 또는 20,000 kg/hr 내지 40,000 kg/hr일 수 있으며, 바람직하게는, 25,000 kg/hr 내지 35,000 kg/hr일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 증발기(100)는, 냉매 흐름과 외부에서 유입되는 제 1 유체 흐름을 열교환시키기 위하여, 본 출원의 열 회수 장치(10)에 포함되며, 상기 열교환을 통하여, 냉매는 기화된 후 상기 증발기(100)로 유입되는 흐름보다 상대적으로 고온의 기상 흐름으로 상기 증발기(100)로부터 유출될 수 있다. 상기에서 「기상」은 냉매 흐름 전체 성분 중 기체 성분 흐름이 농후(rich)한 상태를 의미하며, 예를 들어, 상기 냉매 흐름 전체 성분 중 기체 성분 흐름의 몰분율이 0.9 내지 1.0인 상태를 의미한다.
상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)은, 예를 들어, 폐열 흐름 또는 응축기를 통과한 응축수의 흐름일 수 있으며, 상기 폐열 흐름은, 예를 들어, 발열 반응기의 냉각수일 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다. 본 출원에서는 특히, 100℃ 미만, 예를 들어, 50 내지 90℃ 수준의 현열 상태의 저급 열원의 폐열 흐름을 바람직하게 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 증발기(100)로는 유체 연결된 배관을 통하여 냉매 흐름(F5) 및 폐열 흐름 등의 제 1 유체 흐름(W1)이 유입될 수 있으며, 유입된 상기 냉매 흐름(F5) 및 제 1 유체 흐름(W1)은 상기 증발기(100)에서 상호 열교환된 후에, 상기 유체 연결된 배관을 통하여 상기 증발기(100)에서 각각 유출될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 온도와 상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 온도는 하기 일반식 3을 만족할 수 있다.
[일반식 3]
1℃ ≤ TEin - TEout ≤ 20℃
상기 일반식 3에서, TEin는 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 온도를 나타내고, TEout은 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 온도를 나타낸다.
즉, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 온도와 상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 온도의 차 TEin - TEout는 1 내지 20℃, 예를 들어, 1 내지 15℃, 2 내지 20℃, 1 내지 10℃ 또는 2 내지 10℃의 범위로 조절될 수 있다.
상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 온도와 상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 온도가 상기 일반식 3을 만족함으로써, 저온의 폐열, 특히, 100℃ 미만, 예를 들어, 50 내지 90℃ 수준의 현열 상태의 저급 열원의 폐열을 이용하여, 고온의 스팀을 생산할 수 있다.
상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 온도와 상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 온도는 상기 일반식 3을 만족한다면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 적용하고자 하는 공정의 종류 및 각 공정의 조건에 따라 다양하게 조절할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 온도는 60℃ 내지 100℃, 예를 들어, 70℃ 내지 90℃, 80℃ 내지 95℃, 80℃ 내지 85℃ 또는 83℃ 내지 87℃일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 온도는, 60℃ 내지 100℃, 예를 들어, 60℃ 내지 95℃, 65℃ 내지 90℃, 65℃ 내지 95℃, 또는 70℃ 내지 85℃일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.
이 경우, 상기 증발기(100)에서 상기 냉매 흐름과 열교환된 후에 유출되는 상기 유체 흐름(W2)의 온도는 60℃ 내지 100℃, 예를 들어, 60℃ 내지 95℃, 65℃ 내지 90℃, 65℃ 내지 95℃, 또는 70℃ 내지 85℃일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 증발기(100)로 유입되는 냉매 흐름(F5)의 온도는, 상기 증발기(100)로 유입되는 유체 흐름(W1)의 온도보다는 낮은 온도, 예를 들어, 40℃ 내지 90℃, 40℃ 내지 80℃, 45℃ 내지 45℃ 또는 73℃ 내지 77℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 증발기(100)로 유입되고, 유출되는 냉매 흐름(F5, F1)의 압력은 냉매의 종류 및 운전 조건에 따라 달라질 수 있으며, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 증발기(100)로 유입되고, 유출되는 냉매 흐름(F5, F1)의 압력은 2.0 kgf/cm2g 내지 20.0 kgf/cm2g, 예를 들어, 2.0 kgf/cm2g 내지 10.0 kgf/cm2g 또는 2.1 kgf/cm2g 내지 7.0 kgf/cm2g일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 냉매 흐름의 압력을 2.0 kgf/cm2g 내지 20.0 kgf/cm2g로 조절함으로써, 상기 제 1 압축기(110)의 압축비를 용이하게 조절할 수 있다. 일반적으로, 압축기의 유출 압력은 온도에 따라 정해지나, 유입 압력이 높아지면, 압축비를 낮게 유지할 수 있다. 상기 압축비가 높아질수록, 저온의 열원으로부터 고온의 스팀을 생성할 수 있으나, 이 경우, 성능 계수가 감소하게 되며, 압축비가 낮아질수록, 성능 계수는 증가하나, 저온의 열원으로부터 고온의 스팀을 생성하기 어려운 문제가 발생한다. 상기에서, 압력 단위 kgf/cm2g는 계기 압력(gauge pressure)을 의미한다.
상기 증발기(100)로 유입되고, 유출되는 제 1 유체 흐름(W1, W2)의 압력은 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 0.5 kgf/cm2g 내지 2.0 kgf/cm2g, 예를 들어, 0.7 kgf/cm2g 내지 1.5 kgf/cm2g 또는 0.8 kgf/cm2g 내지 1.2 kgf/cm2g일 수 있다.
또한, 상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 유량은 50,000 kg/hr 이상, 예를 들어, 100,000 kg/hr 이상, 또는 200,000 kg/hr 이상일 수 있으며, 바람직하게는, 250,000 kg/hr 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 유량이 증가할수록, 동일한 열량을 냉매로 전달해도 열전달 후 유출되는 유체 흐름(W2)의 유출 온도가 높게 유지되어, 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 유출 온도도 높게 유지할 수 있다. 따라서, 상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 유량의 상한은 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기 장치의 효율성 및 경제성을 고려하여, 예를 들면, 500,000 kg/hr 이하, 또는 350,000 kg/hr 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 순환 루프(R1)에서, 상기 제 1 압축기(110)는, 상기 증발기(100)에서 유출되는 기상의 냉매 흐름(F1)을 압축시키고 온도 및 압력을 상승시키기 위하여, 본 출원의 열 회수 장치(10)에 포함되며, 상기 제 1 압축기(110)를 통과하여 압축되고, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)에 비하여 상대적으로 고온 및 고압의 기상의 냉매 흐름(FA 2)은 후술할 제 1 응축기(111)로 유입될 수 있다.
예를 들어, 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)은 상술한 유체 분배기(101)에서 분배된 후 유체 연결된 배관을 통하여 상기 제 1 압축기(110)로 유입될 수 있으며, 유입된 상기 냉매 흐름(FA 1)은 상기 제 1 압축기(110)에서 압축된 후에, 상기 유체 연결된 배관을 통하여 유출(FA 2)될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 유체 분배기(101)에서 분리되어 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 압력과 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)의 압력의 비는 하기 일반식 4를 만족할 수 있다.
[일반식 4]
2 ≤ PC1out/PCin ≤ 5
상기 일반 4에서, PC1out은 상기 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)의 압력(bar)을 나타내고, PC1in은 유체 분배기(101)에서 분리되어 상기 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 압력(bar)을 나타낸다.
즉, 상기 유체 분배기(101)에서 분리되어 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 압력과 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)의 압력의 비 PC1out/PCin는 2 내지 5, 예를 들어, 2 내지 4, 바람직하게는 3 내지 4의 범위로 조절될 수 있다. 상기 압력의 비 PC1out/PCin는 상기 유체 분배기(101)에서 분리되어 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 압력 및 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)의 압력의 단위가 bar인 경우를 기초로 하여 계산된 값이며, 측정되는 압력의 단위에 따라 환산되는 구체적인 압력의 값이 달라지는 경우, 상기 압력의 비가 일반식 4를 만족하지 않을 수 있는 것은 기술분야에서 자명하다. 따라서, 상기 일반식 4는 측정된 압력의 값을 bar의 압력 단위로 환산하여 만족하는 모든 경우를 포함할 수 있다.
상기 유체 분배기(101)에서 분리되어 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 압력과 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)의 압력의 비가 상기 일반식 4를 만족함으로써, 상기 증발기(100)에서 기화된 냉매는 후술할 제 1 응축기(111)를 통과하는 유체 흐름과 열교환되기에 충분한 열량을 가지도록 고온 및 고압 상태로 압축될 수 있다.
상기 유체 분배기(101)에서 분리되어 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 압력과 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)의 압력은 상기 일반식 4를 만족한다면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 적용하고자 하는 공정의 종류 및 각 공정의 조건에 따라 다양하게 조절할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 유체 분배기(101)에서 분리되어 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 압력은 2.0 kgf/cm2g 내지 20 kgf/cm2g, 예를 들어, 2.0 kgf/cm2g 내지 10.0 kgf/cm2g 또는 2.1 kgf/cm2g 내지 7.0 kgf/cm2g일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)의 압력은 15 내지 30 kgf/cm2g, 예를 들어, 18 내지 30 kgf/cm2g, 또는 20 내지 30 kgf/cm2g일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 제 1 압축기(110)에서 압축된 후에 유출되는 상기 냉매 흐름(FA 2)의 온도는 110℃ 내지 170℃, 예를 들어, 120℃ 내지 150℃, 또는 123℃ 내지 165℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 압축기(110)로는, 기상의 흐름을 압축시킬 수 있는 압축 장치라면, 기술 분야에서 알려진 다양한 압축 장치를 제한 없이 사용할 수 있으며, 하나의 예시에서, 상기 제 1 압축기(110)는 콤프레셔일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 순환 루프(R1)에서, 상기 제 1 응축기(111)는, 상기 제 1 압축기(110)에서 유출된 고온 및 고압의 냉매 흐름(FA 2)과 외부에서 유입되는 제 2 유체 흐름(W3)을 열교환시키기 위하여, 본 출원의 열 회수 장치(10)에 포함되며, 상기 열교환을 통하여, 냉매는 응축된 후 상기 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)에 비하여 상대적으로 저온의 액상 흐름으로 유출(FA 3)될 수 있으며, 상기 제 2 유체 흐름(W3)은 상기 냉매가 응축시에 발생하는 잠열을 흡수할 수 있다. 상기에서 「액상」은 냉매 흐름 전체 성분 중 액체 성분 흐름이 농후한 상태를 의미하며, 예를 들어, 상기 냉매 흐름 전체 성분 중 액체 성분 흐름의 몰분율이 0.9 내지 1.0인 상태를 의미한다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 응축기(111)로 유입되는 제 2 유체는 물(make-up water)일 수 있으며, 이 경우, 상기 제 1 응축기(111)에서 열교환된 물은 상기 냉매가 응축시에 발생하는 잠열을 흡수하여 기화되고, 스팀 형태로 배출될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 응축기(111)로는 유체 연결된 배관을 통하여 제 1 압축기로부터 유출된 냉매 흐름(FA 2) 및 상기 냉매 흐름을 열교환 시키기 위한 제 2 유체 흐름(W3)이 유입될 수 있으며, 유입된 상기 냉매 흐름(FA 2) 및 제 2 유체 흐름(W3)은 상기 제 1 응축기(111)에서 상호 열교환된 후에, 상기 유체 연결된 배관을 통하여 상기 제 1 응축기(111)에서 각각 유출될 수 있다.
상기 제 1 응축기(111)로 유입되는 제 2 유체 흐름(W3)의 온도 및 압력은 특별히 제한되지 않으며, 다양한 온도 및 압력의 유체 흐름을 상기 제 1 응축기로 유입시킬 수 있다. 예를 들어, 110℃ 내지 120℃, 예를 들어, 112℃ 내지 116℃, 또는 115℃ 내지 118℃의 온도 및 0.5 내지 0.9 kgf/cm2g, 예를 들어, 0.6 내지 0.8 kgf/cm2g의 압력으로 제 2 유체 흐름(W3)을 상기 제 1 응축기(111)로 유입될 수 있다.
또한, 상기 제 1 응축기(111)로 유입되는 제 2 유체 흐름(W3)의 유량은, 특별히 제한되는 것은 아니며, 300 kg/hr 내지 6,000 kg/hr, 예를 들어, 500 kg/hr 내지 1,000 kg/hr, 800 kg/hr 내지 2,000 kg/hr, 또는, 900 kg/hr 내지 1,100 kg/hr일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 압축기(110)에서 유출된 냉매(FA 2)와 상기 제 1 응축기에서 열교환된 물(W4)은 115℃ 내지 150℃, 예를 들어, 115℃ 내지 145℃ 120℃ 내지 140℃, 또는 115℃ 내지 137℃의 온도 및 0.5 내지 2.5 kgf/cm2g, 예를 들어, 0.7 내지 2.2 kgf/cm2g의 압력을 가지는 스팀으로 상기 제 1 응축기(111)에서 유출될 수 있다.
또한, 상기 제 1 응축기(111)에서 상기 제 2 유체 흐름(W3)과 열교환된 냉매 흐름(FA 3)은 115℃ 내지 150℃, 예를 들어, 115℃ 내지 145℃ 또는 120℃ 내지 145℃, 바람직하게는 124℃ 내지 143℃의 온도로 상기 제 1 응축기(111)에서 유출될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 응축기(111)에서 상기 제 2 유체 흐름(W3)과 열교환된 냉매 흐름(FA 3)의 압력은, 냉매의 종류 및 운전 조건에 따라 다양하게 변할 수 있으며, 예를 들어, 15 내지 30 kgf/cm2g, 18 내지 29.5 kgf/cm2g, 또는 20 내지 29.3 kgf/cm2g의 압력으로 상기 제 1 응축기(111)에서 유출(FA 3)될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 본 출원의 열 회수 장치(10)는 또한, 저장 탱크(300)를 추가로 포함할 수 있다. 도 2에 나타나듯이, 상기 저장 탱크(300)는 제 1 응축기(111)와 배관을 통해 유체 연결된 상태로 구비될 수 있다. 상기 저장 탱크(300)는 제 1 응축기(111)로 유입되는 유체 흐름을 공급하기 위한 장치로서, 상기 저장 탱크(300)에는, 제 1 응축기(111)로 유입되는 유체, 예를 들어, 물이 저장되어 있을 수 있다.
상기 저장 탱크(300)에서 유출된 제 2 유체 흐름(W3)은 배관을 따라 제 1 응축기(111)로 유입되며, 상기 제 1 응축기(111)로 유입된 냉매 흐름(FA 2)과 열교환될 수 있다. 이 경우, 상기 열교환된 유체 흐름(W4), 예를 들어, 고온 고압의 물은 상기 저장 탱크로 재유입 된 후, 감압 되어, 스팀 형태로 배출될 수 있다.
상기 압력 강하 장치(112)는, 상기 제 1 응축기(111)에서 유출되는 고온, 고압 및 액상의 냉매 흐름(FA 3)을 팽창시키고 온도 및 압력을 낮추기 위하여, 본 출원의 열 회수 장치(10)에 포함되며, 상기 압력 강하 장치(112)를 통과한, 냉매 흐름(FA 4)은 팽창된 후 상기 제 1 응축기(111)에서 유출되는 냉매 흐름(111)에 비하여 상대적으로 저온 및 저압 상태로 전술한 증발기(100)로 재유입될 수 있다.
예를 들어, 제 1 응축기(111)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 3)은 유체 연결된 배관을 통하여 상기 압력 강하 장치(112)로 유입될 수 있으며, 유입된 상기 냉매 흐름은 상기 압력 강하 장치(112)에서 팽창된 후에, 상기 제 1 응축기(111)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 3)에 비하여 상대적으로 저온 및 저압 상태로 상기 유체 연결된 배관을 통하여 유출(FA 4)될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 압력 강하 장치(112)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 4)은 40℃ 내지 90℃, 예를 들어, 40℃ 내지 80℃ 또는 45℃ 내지 85℃, 바람직하게는 45℃ 내지 77℃의 온도로 상기 압력 강하 장치(112)에서 유출될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 압력 강하 장치(112)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 4)의 압력은, 냉매의 종류 및 운전 조건에 따라 다양하게 변할 수 있으며, 예를 들어, 2.0 kgf/cm2g 내지 10 kgf/cm2g, 예를 들어, 2.5 kgf/cm2g 내지 8.0 kgf/cm2g 또는 2.2 kgf/cm2g 내지 7.0 kgf/cm2g일 수 있으며, 바람직하게는 2.0 kgf/cm2g 내지 6.5 kgf/cm2g의 압력으로 상기 압력 강하 장치(112)에서 유출될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 순환 루프에서, 상기 압력 강하 장치(112)는, 예를 들어 상기 제 1 응축기(111)에서 유출된 냉매 흐름(FA 3)이 흐르는 배관에 설치된 컨트롤 밸브 또는 터빈일 수 있다.
상기 압력 강하 장치(112)가 터빈일 경우, 상기 터빈은 발전 장치일 수 있으며, 예를 들어, 배관을 통해 흐르는 냉매, 즉 유체의 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 수차(hydraulic turbine)일 수 있으며, 상기 수차를 이용할 경우, 제 1 압축기(110)에서 소모되는 전력을 열 회수 장치(10) 자체적으로 생산할 수 있으므로, 상기 회수 장치의 성능 계수를 증가시킬 수 있다.
상기 제 2 순환 루프(R2)에서 터빈(120)은 제 1 압축기(110)에 사용되는 전기를 생산하기 위하여 본 출원의 열 회수 장치(10)에 포함되고, 상기 증발기(100)에서 유출되는 기상의 냉매 흐름(F1)이 상기 터빈(120)으로 유입되고, 상기 터빈(120)에서 팽창되면서 온도 및 압력이 낮아지게 될 경우, 엔탈피를 잃어버리게 되며, 상기 잃어버린 엔탈피 만큼 상기 터빈(120)에서는 일이 발생한다. 상기 터빈(120)에서 발생한 일은 전술한 제 1 압축기(110)에서 압축 시에 사용될 수 있다.
상기 터빈(120)을 통과하여 팽창되고, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)에 비하여 상대적으로 저온 및 저압의 기상의 냉매 흐름(FB 2)은 후술할 제 2 응축기(121)로 유입될 수 있다. 예를 들어, 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)은 상술한 유체 분배기(101)에서 분배된 후 유체 연결된 배관을 통하여 상기 터빈(120)으로 유입(FB 1)될 수 있으며, 유입된 상기 냉매 흐름(FB 1)은 상기 터빈(120)에서 팽창된 후에, 상기 유체 연결된 배관을 통하여 유출(FB 2)될 수 있다.
상기 제 2 순환 루프(R2)에서, 상기 제 2 응축기(121)는, 상기 터빈(120)에서 유출된 저온 및 저압의 냉매 흐름(FB 2)을 응축시키기 위하여, 본 출원의 열 회수 장치(10)에 포함되며, 상기 제 2 응축기(121)를 통하여, 냉매는 응축된 후 상기 터빈에서 유출되는 냉매 흐름(FB 2)에 비하여 상대적으로 저온 및 저압의 액상 흐름으로 유출(FB 3)될 수 있다.
상기 제 2 순환 루프(R2)에서, 상기 제 2 압축기(122)는, 상기 제 2 응축기(121)에서 유출되는 액상의 냉매 흐름(FB 3)을 압축시키고 온도 및 압력을 상승시키기 위하여, 본 출원의 열 회수 장치(10)에 포함되며, 상기 제 2 압축기(122)를 통과하여 압축된 후, 상기 제 2 응축기(121)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 3)에 비하여 상대적으로 고온 및 고압의 기상의 냉매 흐름(FB 4)은 유체 혼합기(102)로 유입된 후에 전술한 증발기(100)로 유입될 수 있다.
예를 들어, 제 2 응축기(121)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 3)은 유체 연결된 배관을 통하여 상기 제 2 압축기(122)로 유입될 수 있으며, 유입된 상기 냉매 흐름(FB 3)은 상기 제 2 압축기(122)에서 압축된 후에, 상기 유체 연결된 배관을 통하여 유출(FB 4)될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 2 응축기(121)에서 유출되어 제 2 압축기(122)로 유입되는 냉매 흐름(FB 3)의 압력과 상기 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4)의 압력의 비가 하기 일반식 5를 만족할 수 있다.
[일반식 5]
2 ≤ PC2out/PC2in ≤ 7
상기 일반식 5에서, PC2out는 상기 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4)의 압력(bar)을 나타내고, PC2in는 제 2 응축기(121)에서 유출되어 제 2 압축기(122)로 유입되는 냉매 흐름(FB 3)의 압력(bar)을 나타낸다.
즉, 상기 제 2 응축기(121)에서 유출되어 제 2 압축기(122)로 유입되는 냉매 흐름(FB 3)의 압력과 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4)의 압력의 비 PC2out/PC2in는 2 내지 7, 예를 들어, 2 내지 5, 바람직하게는 2.5 내지 4.5의 범위로 조절될 수 있다. 상기 압력의 비 PC2out/PC2in는 상기 제 2 응축기(121)에서 유출되어 제 2 압축기(122)로 유입되는 냉매 흐름(FB 3)의 압력 및 상기 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4)의 압력의 단위가 bar인 경우를 기초로 하여 계산된 값이며, 측정되는 압력의 단위에 따라 환산되는 구체적인 압력의 값이 달라지는 경우, 상기 압력의 비가 일반식 5를 만족하지 않을 수 있는 것은 기술분야에서 자명하다. 따라서, 상기 일반식 5는 측정된 압력의 값을 bar의 압력 단위로 환산하여 만족하는 모든 경우를 포함할 수 있다.
상기 제 2 응축기(121)에서 유출되어 제 2 압축기(122)로 유입되는 냉매 흐름(FB 3)의 압력과 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4)의 압력의 비가 상기 일반식 5를 만족함으로써, 상기 터빈(120)에서 전기를 발생시키고 떨어진 압력을 보충하기에 충분할 정도로 압축될 수 있다.
상기 제 2 응축기(121)에서 유출되어 제 2 압축기(122)로 유입되는 냉매 흐름(FB 3)의 압력과 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름의 압력(FB 4)은 상기 일반식 5를 만족한다면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 적용하고자 하는 공정의 종류 및 각 공정의 조건에 따라 다양하게 조절할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 제 2 응축기(121)에서 유출되어 제 2 압축기(122)로 유입되는 냉매 흐름(FB 3)의 압력은 0.5 kgf/cm2g 내지 3.0 kgf/cm2g, 예를 들어, 1.2 kgf/cm2g 내지 2.5 kgf/cm2g 또는 1.0 kgf/cm2g 내지 2.0 kgf/cm2g일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4)의 압력은 2.0 kgf/cm2g 내지 20.0 kgf/cm2g, 예를 들어, 2.0 kgf/cm2g 내지 10.0 kgf/cm2g 또는 2.2 kgf/cm2g 내지 7.0 kgf/cm2g일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 2 압축기(122)에서 압축된 후에 유출되는 상기 냉매 흐름(FB 4)은, 전술한 제 1 순환 루프(R1)의 압력 강하 장치(112)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 4)과 상기 유체 혼합기(102)에서 합쳐진 후에 상기 증발기(100)로 유입될 수 있다.
상기 제 2 압축기(122)로는, 액상의 흐름을 압축시킬 수 있는 압축 장치라면, 기술 분야에서 알려진 다양한 압축 장치를 제한 없이 사용할 수 있으며, 하나의 예시에서, 상기 제 2 압축기(122)는 펌프일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 열 회수 장치(10)에서는, 상기 제 1 순환 루프(R1)에 포함되는, 증발기(100), 제 1 압축기(110), 제 1 응축기(111) 및 압력 강하 장치(112)를 통과하는 냉매 흐름 및 제 2 순환 루프(R2)에 포함되는 증발기(100), 터빈(120), 제 2 응축기(121) 및 제 2 압축기(122)를 통과하는 냉매 흐름이 각각 상이한 온도 및 압력 특성을 가지며, 기상 및/또는 액상의 흐름으로 상기 증발기(100), 제 1 압축기(111), 제 1 응축기(111), 압력 강하 장치(112), 터빈(120), 제 2 응축기(121) 및 제 2 압축기(122)로 유입 또는 유출됨으로써, 상기 냉매 흐름의 온도, 압력 및 상태 변화에 따른 잠열을 스팀 생성을 위한 열원으로서 사용할 수 있다. 또한, 본 출원의 열 회수 장치(10)에서는, 100℃ 미만의 저온의 폐열을 이용하여 스팀을 생성하기 위한 최적의 온도 및 압력 조건을 설정함으로써, 우수한 효율로 스팀을 생성할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 증발기(100)로 유입되는 냉매 흐름(F5)은 액상의 흐름일 수 있으며, 상기 냉매 흐름 내의 액상 흐름의 부피 분율은 0.8 내지 1.0, 예를 들어, 0.9 내지 1.0, 바람직하게는 0.99 내지 1.0일 수 있다.
또한, 상기 제 1 압축기(110) 또는 터빈(120)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2, FB 2)은 기상의 흐름일 수 있으며, 상기 냉매 흐름 내의 기상 흐름의 부피 분율은 0.8 내지 1.0, 예를 들어, 0.9 내지 1.0, 바람직하게는 0.99 내지 1.0일 수 있다.
상기 제 1 응축기(111), 제 2 응축기(121) 또는 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 3, FB 3, FB 4)은 액상의 흐름일 수 있으며, 상기 냉매 흐름 내의 액상 흐름의 부피 분율은 0.8 내지 1.0, 예를 들어, 0.9 내지 1.0, 바람직하게는 0.99 내지 1.0일 수 있다.
또한, 상기 압력 강하 장치(112)에서 유출된 냉매 흐름(FA 4)은 액상의 흐름일 수 있으며, 상기 냉매 흐름 내의 기상 흐름의 분율은 0 내지 0.2, 예를 들어, 0 내지 0.15, 바람직하게는 0 내지 0.1일 수 있다.
상기에서, 부피 분율(volume fraction)은 상기 배관을 통하여 흐르는 냉매 흐름 전체의 체적 유량(volume flow rate)에 대한 액상 흐름 또는 기상 흐름의 체적 유량의 비율을 의미하며, 상기 체적 유량은 단위 시간당 흐르는 유체의 체적을 나타내며, 하기 일반식 7에 의하여 구할 수 있다.
[일반식 7]
체적 유량 = Av (m3/s)
상기 일반식 7에서, A는 배관의 단면적(m2)을 나타내고, v는 냉매 흐름의 유속(m/s)을 나타낸다.
본 출원의 열 회수 장치(10)의 또 하나의 구현예는, 제 1 열교환기(113)를 포함한다. 도 3은, 본 출원의 또 하나의 구현예에 의한 열 회수 장치(10)를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3에 나타나듯이, 본 출원의 열 회수 장치(10)는 상기 증발기(100)와 유체 분배기(101) 사이 및 제 1 응축기(111) 및 압력 강하 장치(112) 사이에 위치하는 제 1 열교환기(113)를 추가로 포함한다. 예를 들어, 상기 제 1 열교환기(113)는 상기 증발기(100)와 유체 분배기(101) 사이에 연결된 배관 및 제 1 응축기(111) 및 압력 강하 장치(112) 사이에 연결된 배관에 연결되어 있을 수 있으며, 하나의 예시에서, 상기 제 1 열교환기(113)는, 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1-1)이 상기 제 1 열교환기(113)를 통과한 후 제 1 압축기(110)로 유입(FA 1)되고, 제 1 응축기(111)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 3 -1)이 상기 제 1 열교환기(113)를 통과한 후 상기 압력 강하 장치(112)로 유입(FA 3 -2)되도록 상기 배관에 유체 연결되어 있을 수 있다. 본 출원의 열 회수 장치(10)가 상기 제 1 열교환기(113)를 포함함으로써, 냉매의 등엔트로피 압축시에 발생하는 냉매의 일부 기화 현상을 막을 수 있으며, 이에 따라, 상기 열 회수 장치(10)의 열교환 효율을 상승시킬 수 있다. 상기에서 「등엔트로피 압축」은 계의 엔트로피를 일정하게 유지하는 조건에서 압축시키는 것을 의미하며, 예를 들어, 계의 주변과 열교환이 없는 상태에서 압축시키는 단열 압축과정을 의미할 수 있다.
도 4는, 본 출원의 예시적인 냉매의 온도-엔트로피 선도를 도시한 그래프이다. 하나의 예시에서, 상기 열 회수 장치(10)를 순환하는 상기 냉매는, 도 4에 나타나듯이, 온도-엔트로피 선도의 포화증기곡선(saturated vapor curve)의 접선의 기울기가 양의 기울기를 가지는 냉매일 수 있으며, 예를 들어, 가로축은 엔트로피(J/kg·K), 세로축은 온도(℃)인 상기 냉매의 온도-엔트로피 선도의 포화증기곡선의 접선의 기울기는 50℃ 내지 130℃에서 1 내지 3일 수 있다. 상기 온도-엔트로피 선도에서 포화증기곡선은 선도의 임계점(critical point)을 기준으로 하여 선도 우측의 곡선 부분을 의미한다. 즉, 도 4에 나타나 듯이, 냉매의 온도-엔트로피 선도에서, 상기 냉매가 등-엔트로피 압축될 경우(도 4의 화살표 방향), 상기 냉매의 포화증기곡선의 접선의 기울기가 양의 기울기를 가지므로 기상에서 액상으로 상변화가 발생하는 구간이 존재하게 되며, 이에 따라, 제 1 압축기(110) 내에서 냉매 흐름의 일부가 기화되는 현상이 발생할 수 있다. 상기 냉매의 일부 기화 현상을 방지하기 위하여, 본 출원의 열 회수 장치(10)는 상기 제 1 열교환기(113)를 포함할 수 있으며, 이에 따라, 상기 열 회수 장치(10)의 열교환 효율을 상승시킬 수 있다.
상기 냉매로는, 온도-엔트로피 선도의 포화증기곡선의 접선의 기울기가 양의 값을 가지는 냉매라면, 기술 분야에서 공지된 다양한 냉매를 사용할 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, R245fa, R1234ze 및 R1234yf로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 냉매를 사용할 수 있다.
도 3과 같이, 본 출원의 구현예에 따른 열 회수 장치(10)의 제 1 순환 루프(R1)에서는, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1-1)은 상기 제 1 열교환기(113)로 유입된 후에, 상기 제 1 압축기로 유입(FA 1)되고, 상기 제 1 응축기(111)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 3 -1)은 상기 제 1 열교환기(113)로 유입된 후에 상기 압력 강하 장치(112)로 유입(FA 3 -2)되며, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1-1)과 상기 제 1 응축기(111)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 3 -1)은 상기 제 1 열교환기(113)에서 열교환될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 응축기(111)에서 유출되어 제 1 열교환기(113)로 유입되는 냉매 흐름(FA 3 -1)의 온도와 제 1 열교환기(113)에서 유출되어 상기 유체 분배기(101)로 유입되는 냉매 흐름(F1-2)의 온도가 하기 일반식 6을 만족할 수 있다.
[일반식 6]
1℃ ≤ TR1in - TR1out ≤ 50℃
상기 일반식 6에서, TR1in은 제 1 응축기(111)에서 유출되어 제 1 열교환기(113)로 유입되는 냉매 흐름(FA 3 -1)의 온도를 나타내고, TR1out은 상기 제 1 열교환기(113)에서 유출되어 상기 유체 분배기(101)로 유입되는 냉매 흐름(F1-2)의 온도를 나타낸다.
즉, 상기 제 1 응축기(111)에서 유출되어 제 1 열교환기(113)로 유입되는 냉매 흐름(FA 3-1)의 온도와 제 1 열교환기(113)에서 유출되어 상기 유체 분배기(101)로 유입되는 냉매 흐름(F1-2)의 온도의 차 TR3in - TR3out은 1 내지 50℃, 예를 들어, 5 내지 45℃, 5 내지 50℃, 10 내지 45℃, 1 내지 40℃ 또는 15 내지 35℃의 범위로 조절될 수 있다.
상기 제 1 응축기(111)에서 유출되어 제 1 열교환기(113)로 유입되는 냉매 흐름(FA 3 -1)의 온도와 제 1 열교환기(113)에서 유출되어 상기 유체 분배기(101)로 유입되는 냉매 흐름(F1-2)의 온도가 상기 일반식 6을 만족함으로써, 전술한 냉매의 일부 기화 현상을 막을 수 있을 정도로 상기 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름의 온도를 충분히 상승시킬 수 있으며, 이에 따라, 상기 열 회수 장치(10)의 열교환 효율을 상승시킬 수 있다.
상기 제 1 응축기(111)에서 유출되어 제 1 열교환기(113)로 유입되는 냉매 흐름(FA 3 -1)의 온도와 제 1 열교환기(113)에서 유출되어 상기 유체 분배기(101)로 유입되는 냉매 흐름(F1-2)의 온도는 상기 일반식 6을 만족한다면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 적용하고자 하는 공정의 종류 및 각 공정의 조건에 따라 다양하게 조절할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 제 1 응축기(111)에서 유출되어 상기 제 1 열교환기(113)로 유입되는 냉매 흐름(FA 3 -1)의 온도는, 115℃ 내지 150℃, 예를 들어, 118℃ 내지 145℃, 120℃ 내지 148℃ 또는 120℃ 내지 145℃일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1 열교환기(113)에서 유출되어 유체 분배기(101)로 유입되는 냉매 흐름(F1-2)은 90℃ 내지 150℃, 예를 들어, 90℃ 내지 130℃, 90℃ 내지 120℃, 100℃ 내지 130℃ 또는 90℃ 내지 128℃의 온도로 상기 유체 분배기(101)로 유입될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 열교환기(113)에서 유출되어 압력 강하 장치(112)로 유입되는 냉매 흐름(FA 3 -2)의 온도는 70℃ 내지 120℃, 예를 들어, 75℃ 내지 120℃, 또는 80℃ 내지 120℃일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)은, 110℃ 내지 170℃, 예를 들어, 130℃ 내지 150℃, 135℃ 내지 170℃ 또는 135℃ 내지 165℃의 온도로 상기 제 1 압축기(110)에서 유출되어 상기 제 1 응축기(111)로 유입될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 열 회수 장치(10)가 상기 제 1 열교환기(113)를 포함함에 따라, 상기 제 1 압축기(110) 내에서의 냉매의 일부 기화 현상을 막을 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)은 기상의 흐름일 수 있으며, 상기 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2) 내의 기상 흐름의 부피 분율은 0.95 내지 1.0, 예를 들어, 0.99 내지 1.0, 바람직하게는 1.0일 수 있다.
본 출원의 열 회수 장치(10)의 또 하나의 구현예는, 제 2 열교환기(123)를 포함한다. 도 5는, 본 출원의 또 하나의 구현예에 의한 열 회수 장치(10)를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5에 나타나듯이, 본 출원의 열 회수 장치(10)는 상기 터빈(120)과 제 2 응축기(121) 사이 및 제 2 압축기(122) 및 유체 혼합기(102) 사이에 위치하는 제 2 열교환기(123)를 추가로 포함한다. 예를 들어, 상기 제 2 열교환기(123)는 상기 터빈(120)과 제 2 응축기(121) 사이에 연결된 배관 및 제 2 압축기(122) 및 유체 혼합기(102) 사이에 연결된 배관에 연결되어 있을 수 있으며, 하나의 예시에서, 상기 제 2 열교환기(123)는, 터빈(120)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 2 -1)이 상기 제 2 열교환기(123)를 통과한 후 제 2 응축기(121)로 유입(FB 2-2)되고, 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4 -1)이 상기 제 2 열교환기(123)를 통과한 후 상기 유체 혼합기(102)로 유입(FB 4 -2)되도록 상기 배관에 유체 연결되어 있을 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 터빈(120)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 2 -1)은 90℃ 내지 120℃, 예를 들어, 90℃ 내지 115℃ 또는 95℃ 내지 112℃의 온도로 제 2 열교환기(123)로 유입될 수 있으며, 상기 터빈에서 유출되는 냉매 흐름(FB 2 -1)은 상기 제 2 열교환기(123)를 통과한 후에 50℃ 내지 75℃, 예를 들어, 55℃ 내지 70℃ 또는 50℃ 내지 70℃의 온도로 제 2 응축기(121)로 유입(FB 2-2)될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 제 2 응축기(121)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 3)은 30℃ 내지 50℃, 예를 들어, 35℃ 내지 45℃ 또는 35℃ 내지 40℃의 온도로 제 2 압축기(122)로 유입될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4 -1)은 30℃ 내지 50℃, 예를 들어, 35℃ 내지 45℃ 또는 35℃ 내지 40℃의 온도로 제 2 열교환기(123)로 유입(FB 4 -1)될 수 있으며, 상기 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4 -1)은 제 2 열교환기(123)를 통과한 후에 40℃ 내지 70℃, 예를 들어, 45℃ 내지 65℃ 또는 40℃ 내지 65℃의 온도로 유체 혼합기(102)로 유입된 후에 증발기(100)로 유입(FB 4 -2)될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 열 회수 장치(10)의 또 하나의 구현예는, 도 6과 같이, 제 1 열교환기(113) 및 제 2 열교환기(123)를 모두 포함할 수 있으며, 이에 따른 효과는 전술한 바와 동일하다. 도 6은, 본 출원의 또 하나의 구현예에 의한 열 회수 장치(10)를 모식적으로 나타낸 도면이다.
본 출원의 또 다른 구현예는, 열 회수 방법을 제공한다. 예시적인 상기 열 회수 방법은, 전술한 열 회수 장치(10)를 사용하여, 수행될 수 있으며, 이를 통하여, 전술한 바와 같이, 산업 현장 또는 다양한 화학 공정, 예를 들면 석유 화학 제품의 제조 공정에서 배출되는 100℃ 미만의 저급 열원을 버리지 않고 이용하여 스팀을 생성할 수 있으며, 생성된 스팀을 다양한 공정에 사용할 수 있으므로, 반응기 또는 증류탑에 사용되기 위한 외부 열원인 고온 스팀의 사용량을 절감할 수 있어, 에너지 절감 효율을 극대화 시킬 수 있다. 나아가, 본 출원의 열 회수 방법에 의하면, 압축기에서 소모되는 전력을 자체적으로 생산할 수 있으며, 압축기를 통과한 냉매 흐름의 일부 기화 현상을 감소시킬 수 있으므로, 우수한 효율로 열을 회수할 수 있다.
본 출원의 일 구현예에 의한 상기 열 회수 방법은 냉매 순환 단계, 제 1 열교환 단계 및 제 2 열교환 단계를 포함한다.
상기 냉매 순환 단계는, 제 1 순환 단계 및 제 2 순환 단계를 포함하며, 상기 제 1 순환 단계는 상술한 제 1 순환 루프(R1)를 통해 냉매가 순환하는 단계이고, 상기 제 2 순환 단계는 상기 제 2 순환 루프(R2)를 통하여 냉매가 순환하는 단계일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 순환 단계에서는, 냉매 흐름을 증발기(100), 제 1 압축기(110), 제 1 응축기(111) 및 압력 강하 장치(112)를 순차로 통과하도록 순환시키며, 예를 들어, 상기 제 1 순환 단계에서는, (a-i) 냉매 흐름을 증발기(100)로 유입시키고, (a-ii) 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 일부를 제 1 압축기(110)로 유입시키며, (a-iii) 상기 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)을 제 1 응축기(111)로 유입시키고, (a-iv) 상기 제 1 응축기(111)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 3)을 압력 강하 장치(112)로 유입시키며, (a-v) 상기 압력 강하 장치에서 유출되는 냉매 흐름(FA 4)을 상기 증발기(100)로 재유입 시킬 수 있다.
또한, 상기 제 2 순환 단계에서는, 냉매 흐름을 증발기(100), 터빈(120), 제 2 응축기(121) 및 제 2 압축기(122)를 순차로 통과하도록 순환시키며, 예를 들어, 상기 제 2 순환 단계에서는, (b-i) 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 나머지 일부를 터빈(120)으로 유입시키고, (b-ii) 상기 터빈(120)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 2)을 제 2 응축기(121)로 유입시키며, (b-iii) 상기 제 2 응축기(121)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 3)을 제 2 압축기(122)로 유입시키고, (b-iv) 상기 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4)을 상기 증발기(100)로 재유입 시킬 수 있다.
또한, 상기 열 회수 방법은, 상기 증발기(100)로 유입되는 냉매 흐름(F5)을 상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)과 열교환시는 제 1 열교환 단계 및 상기 제 1 압축기에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)을 상기 제 1 응축기로 유입되는 제 2 유체 흐름(W3)과 열교환시키는 제 2 열교환 단계를 포함한다.
상기 냉매 순환 단계, 제 1 열교환 단계 및 제 2 열교환 단계는 순차적으로 이루어지거나, 또는 순서에 관계없이 서로 독립적으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제 1 순환 단계의 (a-i) 내지 (a-v)의 과정 및 제 2 순환 단계의 (b-i) 내지 (b-iv)의 과정은 순환 과정이므로, 상기와 같이 냉매 흐름이 순환될 수만 있다면, 어느 과정이 먼저 수행되더라도 무방하다.
하나의 예시에서, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량에 대한 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 유량의 비는 하기 일반식 1을 만족할 수 있다.
[일반식 1]
0.3 ≤ Fc/Fe ≤ 0.5
상기 일반식 1에서, Fc는 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 유량을 나타내고, Fe는 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량을 나타낸다.
또한, 하나의 예시에서, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량에 대한 상기 터빈(120)으로 유입되는 냉매 흐름(FB 1)의 유량의 비는 하기 일반식 2를 만족할 수 있다.
[일반식 2]
0.5 ≤ Ft/Fe ≤ 0.7
상기 일반식 2에서, Ft는 유체 분배기(101)에서 분리되어 터빈(120)으로 유입되는 냉매 흐름(FB 1)의 유량을 나타내고, Fe는 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량을 나타낸다.
상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량에 대한 상기 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 유량의 비가 상기 일반식 1을 만족하고 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 전체 유량에 대한 상기 터빈(120)으로 유입되는 냉매 흐름(FB 1)의 유량의 비가 상기 일반식 2를 만족함으로써, 본 출원의 열 회수 장치(10)가 1 기의 증발기만을 사용하는 경우에도, 상기 열 회수 장치가 우수한 성능 계수를 가질 수 있다.
또한, 본 출원의 열 회수 방법에서, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름의 전체 유량, 상기 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 유량, 상기 터빈(120)으로 유입되는 냉매 흐름(FB 1)의 유량 조건에 대한 자세한 설명은 상기 열 회수 장치(10)에서 전술한 바와 동일한 바, 생략하기로 한다.
예시적인 본 출원의 열 회수 방법에서, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 온도와 상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 온도는 하기 일반식 3을 만족할 수 있다.
[일반식 3]
1℃ ≤ TEin - TEout ≤ 20℃
상기 일반식 3에서, TEin는 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 온도를 나타내고, TEout은 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 온도를 나타낸다.
상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 온도와 상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 온도가 상기 일반식 3을 만족함으로써, 저온의 폐열, 특히, 100℃ 미만, 예를 들어, 50 내지 90℃ 수준의 현열 상태의 저급 열원의 폐열을 이용하여, 고온의 스팀을 생산할 수 있으며, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1)의 온도와 상기 증발기(100)로 유입되는 제 1 유체 흐름(W1)의 온도에 관한 자세한 설명은, 전술한 열 회수 장치(10)에서 설명한 바와 동일한 바, 생략하기로 한다.
또한, 본 출원의 열 회수 방법에서는, 상기 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 압력과 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)의 압력의 비는 하기 일반식 4를 만족할 수 있다.
[일반식 4]
2 ≤ PC1out/PCin ≤ 5
상기 일반 4에서, PC1out은 상기 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)의 압력(bar)을 나타내고, PC1in은 상기 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 압력(bar)을 나타낸다.
상기 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 압력과 제 1 압축기(110)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)의 압력의 비가 상기 일반식 4를 만족함으로써, 상기 증발기(100)에서 기화된 냉매는 후술할 제 1 응축기(111)를 통과하는 제 2 유체 흐름(W3)과 열교환되기에 충분한 열량을 가지도록 고온 및 고압 상태로 압축될 수 있으며, 제 1 압축기(111)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 압력과 제 1 압축기에서 유출되는 냉매 흐름(FA 2)의 압력 조건에 관한 자세한 설명은, 전술한 열 회수 장치(10)에서 설명한 바와 동일한 바, 생략하기로 한다.
상기 제 2 응축기(121)에서 유출되어 제 2 압축기(122)로 유입되는 냉매 흐름(FB 3)의 압력과 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4)의 압력의 비가 하기 일반식 5를 만족할 수 있다.
[일반식 5]
2 ≤ PC2out/PC2in ≤ 7
상기 일반식 5에서, PC2out는 상기 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4)의 압력(bar)을 나타내고, PC2in는 제 2 응축기(121)에서 유출되어 제 2 압축기(122)로 유입되는 냉매 흐름(FB 3)의 압력(bar)을 나타낸다.
상기 제 2 응축기(121)에서 유출되어 제 2 압축기(122)로 유입되는 냉매 흐름(FB 3)의 압력과 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4)의 압력의 비가 상기 일반식 5를 만족함으로써, 상기 터빈(120)에서 전기를 발생시키고 떨어진 압력을 보충하기에 충분할 정도로 압축될 수 있으며, 상기 제 2 응축기(121)에서 유출되어 제 2 압축기(122)로 유입되는 냉매 흐름(FB 3)의 압력과 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4)의 압력 조건에 관한 자세한 설명은, 전술한 열 회수 장치(10)에서 설명한 바와 동일한 바, 생략하기로 한다.
또한, 본 출원의 열 회수 방법에서, 구체적인 온도, 압력 및 유량 조건은 상기 열 회수 장치(10)에서 전술한 바와 동일한 바, 생략하기로 한다.
본 출원의 열 회수 방법의 또 다른 구현예에서, 상기 냉매 순환 단계의 제 1 순환 단계 및 제 2 순환 단계에서 상기 냉매는, 전술한 바와 같이, 온도-엔트로피 선도의 포화증기곡선의 접선의 기울기가 양의 기울기를 가지는 냉매일 수 있으며, 예를 들어, 가로축은 엔트로피(J/kg·K), 세로축은 온도(℃)인 상기 온도-엔트로피 선도의 포화증기곡선의 접선의 기울기는 50℃ 내지 130℃에서 1 내지 3일 수 있다. 또한, 이 경우, 상기 제 1 순환 단계는, 상기 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1-1)을 제 1 열교환기(113)로 유입시킨 후에 제 1 압축기(110)로 유입(FA 1)시키고, 제 1 응축기(111)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 3 -1)을 제 1 열교환기(113)로 유입시킨 후에 압력 강하 장치(112)로 유입(FA 3 -2)시키는 것을 추가로 포함할 수 있다.
이와 같은 경우, 본 출원의 또 하나의 구현예의 열 회수 방법은, 증발기(100)에서 유출되는 냉매 흐름(F1-1)과 상기 제 1 응축기(111)에서 유출되는 냉매 흐름(FA 3 -1)을 제 1 열교환기(113)에서 열교환시키는 제 3 열교환 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 제 3 열교환 단계는 전술한 열 교환 장치(10)의 제 1 열교환기(113)를 통하여 이루어질 수 있으며, 이에 따라, 전술한 바와 같이, 냉매의 등엔트로피 압축시에 발생하는 냉매의 일부 기화 현상을 막을 수 있으며, 상기 열 회수 장치(10)의 열교환 효율을 상승시킬 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 응축기(111)에서 유출되어 제 1 열교환기(113)로 유입되는 냉매 흐름(FA 3 -1)의 온도와 제 1 열교환기(113)에서 유출되어 상기 유체 분배기(101)로 유입되는 냉매 흐름(F1-2)의 온도는 하기 일반식 6을 만족할 수 있다.
[일반식 6]
5℃ ≤ TR1in - TR1out ≤ 20℃
상기 일반식 6에서, TR1in은 제 1 응축기(111)에서 유출되어 제 1 열교환기(113)로 유입되는 냉매 흐름(FA 3 -1)의 온도를 나타내고, TR1out은 상기 제 1 열교환기(113)에서 유출되어 상기 유체 분배기(101)로 유입되는 냉매 흐름(F1-2)의 온도를 나타낸다.
상기 제 1 응축기(111)에서 유출되어 제 1 열교환기(113)로 유입되는 냉매 흐름(FA 3 -1)의 온도와 제 1 열교환기(113)에서 유출되어 상기 유체 분배기(101)로 유입되는 냉매 흐름(F1-2)의 온도가 상기 일반식 6을 만족함으로써, 전술한 냉매의 일부 기화 현상을 막을 수 있을 정도로 상기 제 1 압축기(110)로 유입되는 냉매 흐름(FA 1)의 온도를 충분히 상승시킬 수 있으며, 이에 따라, 상기 열 회수 장치(10)의 열교환 효율을 상승시킬 수 있다.
상기 제 3 열교환 단계에서, 냉매 흐름의 구체적인 온도, 압력 및 유량 조건은 상기 열 회수 장치(10)에서 전술한 바와 동일한 바, 생략하기로 한다.
본 출원의 열 회수 방법의 또 하나의 구현예에서, 상기 제 2 순환 단계는, 터빈(120)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 2 -1)을 제 2 열교환기(123)로 유입시킨 후에 제 2 응축기(121)로 유입(FB 2 -2)시키고, 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4 -1)을 제 2 열교환기(123)로 유입시킨 후에 증발기(100)로 유입(FB 4 -2)시키는 것을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 이와 같은 경우, 상기 열 회수 방법은, 상기 터빈(120)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 2-1)과 상기 제 2 압축기(122)에서 유출되는 냉매 흐름(FB 4 -1)을 상기 제 2 열교환기(123)에서 열교환시키는 제 4 열교환 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제 4 열교환 단계는 전술한 열 교환 장치(10)의 제 2 열교환기(123)를 통하여 이루어질 수 있으며, 상기 제 4 열교환 단계에서, 냉매 흐름의 구체적인 온도, 압력 및 유량 조건은 상기 열 회수 장치(10)에서 전술한 바와 동일한 바, 생략하기로 한다.
상기 열 회수 방법의 또 다른 구현예에서, 상기 제 1 응축기(111)로 유입되는 제 2 유체(W3)는 물일 수 있으며, 또한, 예시적인 본 출원의 열 회수 방법은 상기 제 1 응축기(111)로 유입되는 냉매 흐름과 열교환된 물을 스팀으로 배출시키는 스팀 생성 단계를 추가로 포함할 수 있다
또한, 상기 열 회수 방법의 다른 구현예는, 상기 증발기(100)에서 유출되는 유체 흐름을 응축시켜 배출하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 출원의 열 회수 장치(10) 및 방법은 다양한 석유 화학 공정에 적용될 수 있다.
예를 들어, n-부탄올 제조 시 옥소 반응 공정의 경우, 공정에서 발생하는 폐열의 온도는 약 85℃로, 이 경우, 약 7.6 Gcal/hr의 열량이 버려지므로, 상기 옥소 반응 공정에 적용될 수 있다. 또한, 알킬레이션 반응을 통한 큐멘의 제조 공정의 경우 약 6.8 Gcal/hr의 열량이 버려지고 있어, 상기 큐멘의 제조 공정에도 적용이 가능하다. 또한, 아크릴산의 제조 공정 시, 흡수기에서 발생하는 폐열의 온도는 약 75℃로, 이 경우, 약 1.6 내지 3.4 Gcal/hr의 열량이 버려지고 있어, 상기 아크릴산의 제조 공정에도 적용이 가능하다.
본 출원의 열 회수 장치 및 방법에 의하면, 산업 현장 또는 다양한 화학 공정, 예를 들면 석유 화학 제품의 제조 공정에서 배출되는 100℃ 미만의 저급 열원을 버리지 않고 이용하여 스팀을 생성할 수 있으며, 생성된 스팀을 다양한 공정에 사용할 수 있으므로, 반응기 또는 증류탑에 사용되기 위한 외부 열원인 고온 스팀의 사용량을 절감할 수 있어, 에너지 절감 효율을 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 압축기에서 소모되는 전력을 자체적으로 생산할 수 있으며, 압축기를 통과한 냉매 흐름의 일부 기화 현상을 감소시킬 수 있으므로, 우수한 효율로 열을 회수할 수 있다.
도 1은 종래의 폐열 처리 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 출원의 일 구현예의 열 회수 장치를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 출원의 다른 구현예에 의한 열 회수 장치를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 출원의 냉매의 온도-엔트로피 선도를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 출원의 또 다른 구현예에 따른 열 회수 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은, 본 출원의 또 하나의 구현예에 의한 열 회수 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 출원의 실시예에 따른 열 회수 장치를 나타낸 도면이다.
이하 본 출원에 따르는 실시예 및 본 출원에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 출원을 보다 상세히 설명하나, 본 출원의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
도 5의 열 회수 장치를 이용하여, 스팀을 생성하였다.
냉매(1,1,1,3,3-pentafluoropropane, R245fa)를 증발기로 유입시키고, 상기 증발기에서 분리된 냉매 흐름의 일부를 콤프레셔, 제 1 응축기 및 압력 강하 장치를 순차로 통과하도록, 상기 냉매를 순환시켰다. 구체적으로는, 69.6℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 냉매 흐름을 50,000 kg/hr의 유량으로 증발기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 증발기로 85.0℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 폐열 흐름을 300,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 폐열 흐름은 78.2℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 300,000 kg/hr의 유량으로 유출시켰으며, 냉매 흐름은 80.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 유출시킨 후 유체 분배기로 유입하였다. 상기 유체 분배기에서 분리된 냉매 흐름을 19,000 kg/hr의 유량으로 상기 콤프레셔로 유입시켰으며, 또한, 상기 콤프레셔에서 압축된 냉매 흐름은 125.0℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.82인 상태로 콤프레셔에서 유출시켰다. 이 경우, 상기 콤프레셔에서 사용된 일의 양은 135583.0 W이었다. 상기 콤프레셔로부터 유출된 냉매 흐름을 제 1 응축기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 제 1 응축기로 115.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 물을 1,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 상기 냉매 흐름과 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 물은 115.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 0.75인 상태의 스팀으로 배출되었으며, 냉매 흐름은 응축되어 125.0℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 유출시킨 후에 컨트롤 밸브로 유입되었다. 이 때, 상기 제 1 응축기에서 응축된 열량은 463422.8 W이었다. 또한, 상기 컨트롤 밸브를 통과한 냉매 흐름을 75.4℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 컨트롤 밸브에서 유출시킨 후 유체 혼합기로 유입시켰다.
한편, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름이 터빈, 제 2 열교환기, 제 2 응축기, 펌프, 상기 제 2 열교환기 및 유체 혼합기를 순차로 통과하도록 순환 시켰다. 구체적으로, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름을 31,000 kg/hr의 유량으로 상기 터빈으로 유입시켰으며, 상기 터빈에서 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 제 2 응축기로 유입시켰다. 또한, 상기 제 2 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 펌프로 유입시켰으며, 상기 펌프에서 압축된 냉매 흐름을 다시 제 2 열교환기로 유입시켜, 상기 터빈으로부터 유출되어 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 뒤에, 유체 혼합기로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 터빈에서 팽창된 냉매 흐름을 63.1℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 터빈에서 유출시킨 후 상기 제 2 열교환기로 유입시켰다. 이 경우, 상기 터빈에서 생성된 일의 양은 137713.0 W이었다. 상기 펌프로부터 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 2 열교환기에서 열교환된 냉매 흐름은, 51.6℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 2 열교환기로 부터 유출된 후, 상기 제 2 응축기로 유입되어 응축되었다. 상기 제 2 응축기에서 응축되어 39.6℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 유출되는 냉매 흐름은 펌프로 유입시켜 압축시켰다. 상기 펌프를 통과하여 압축된 냉매 흐름을, 40.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 펌프에서 유출시킨 후, 상기 제 2 열교환기로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시켰다. 상기 펌프로부터 유출되고, 제 2 열교환기로 유입되어 열교환 된 냉매 흐름은, 46.6℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 제 2 열교환기에서 유출시켰으며, 유체 혼합기로 유입시켰다. 상기 펌프로부터 유출된 냉매 흐름과 상기 컨트롤 밸브로부터 유출된 냉매 흐름을 상기 유체 혼합기에서 합류 시킨 후에, 50,000 kg/hr의 유량으로 상기 증발기로 재유입시켰다,
이 경우, 열 회수 장치의 성능 계수를 하기 일반식 8에 의하여 계산하였으며, 하기 표 1에 나타내었다. 상기 성능계수는, 상기 압축기에 투입된 에너지 대비 열교환 매체가 흡수한 열량을 나타내며, 즉, 에너지 투입량 대비 회수한 에너지의 비율을 의미한다. 예를 들어, 성능 계수가 3이라면, 투입한 전기의 3배의 열량을 얻은 것을 의미한다.
[일반식 8]
Figure 112015055818715-pat00001
상기 일반식 8에서, Q는 제 1 응축기에 의하여 응축된 열량을 나타내며, W는 콤프레셔가 한 일의 총 양(콤프레셔에서 사용된 일의 양 - 터빈에서 생산된 일의 양)을 나타낸다.
실시예 2
도 7의 열 회수 장치를 이용하여, 스팀을 생성하였다.
냉매(1,1,1,3,3-pentafluoropropane, R245fa)를 증발기로 유입시키고, 상기 증발기에서 분리된 냉매 흐름의 일부를 제 1 열교환기, 콤프레셔, 제 1 응축기, 제 1 열교환기 및 압력 강하 장치를 순차로 통과하도록, 상기 냉매를 순환시켰다. 구체적으로는, 69.6℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 냉매 흐름을 50,000 kg/hr의 유량으로 증발기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 증발기로 85.0℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 폐열 흐름을 300,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 폐열 흐름은 78.2℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 300,000 kg/hr의 유량으로 유출시켰으며, 냉매 흐름은 80.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 유출시킨 후 제 1 열교환기로 유입시켰다. 상기 증발기에서 유출되어 상기 제 1 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 유체 분배기로 유입시켜 일부를 콤프레셔로 유입시켰으며, 상기 콤프레셔에서 유출시킨 냉매 흐름은 제 1 응축기로 유입시켜, 제 1 응축기를 통과하는 유체 흐름과 열교환시켰다. 또한, 상기 제 1 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 다시 제 1 열교환기로 유입시켜, 상기 증발기로부터 유출되어 상기 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 후에, 컨트롤 밸브로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 증발기로부터 유출되고, 제 1 열교환기로 유입되어 열교환된 냉매 흐름을 115.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 1 열교환기에서 유출시킨 뒤에 상기 유체 분배기로 유입하였다. 상기 유체 분배기에서 냉매 흐름을 분리한 후에, 분리된 냉매 흐름을 19,000 kg/hr의 유량으로 상기 콤프레셔로 유입시켰으며, 또한, 상기 콤프레셔에서 압축된 냉매 흐름은 142.3℃, 20.6 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 콤프레셔에서 유출시켰다. 이 경우, 상기 콤프레셔에서 사용된 일의 양은 151682.0 W이었다. 상기 콤프레셔에서 유출된 냉매 흐름을 제 1 응축기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 제 1 응축기로 115.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 물을 1,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 상기 냉매 흐름과 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 물은 120.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태의 스팀으로 배출되었으며, 응축된 냉매 흐름을 124.9℃, 20.6 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.08인 상태로 유출시킨 후에 상기 제 1 열교환기로 유입시켰다. 이 때, 상기 제 1 응축기에서 응축된 열량은 620779.0 W이었다. 상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 증발기에서 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 1 열교환기에서 열교환 된 후에, 85.3℃, 20.6 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 제 1 열교환기에서 유출된 후에 컨트롤 밸브로 유입되었다. 또한, 상기 냉매 흐름을 75.4℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.11인 상태로 상기 컨트롤 밸브에서 유출시킨 후 유체 혼합기로 유입시켰다.
한편, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름이 터빈, 제 2 열교환기, 제 2 응축기, 펌프, 상기 제 2 열교환기 및 유체 혼합기를 순차로 통과하도록 순환 시켰다. 구체적으로, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름을 31,000 kg/hr의 유량으로 상기 터빈으로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 제 2 응축기로 유입시켰다. 또한, 상기 제 2 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 펌프로 유입시켰으며, 상기 펌프에서 압축된 냉매 흐름을 다시 제 2 열교환기로 유입시켜, 상기 터빈으로부터 유출되어 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 뒤에, 유체 혼합기로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 터빈에서 팽창된 냉매 흐름을 97.6℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 터빈에서 유출시킨 후 상기 제 2 열교환기로 유입시켰다. 이 경우, 상기 터빈에서 생성된 일의 양은 151682.0 W이었다. 상기 터빈에서 유출되어 제 2 열교환기로 유입되고, 상기 펌프로부터 유출되는 냉매 흐름과 열교환된 냉매 흐름은, 64.5℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 2 열교환기로부터 유출된 후, 상기 제 2 응축기로 유입되어 응축되었다. 상기 제 2 응축기에서 응축되어 39.6℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 유출되는 냉매 흐름은 펌프로 유입시켜 압축시켰다. 상기 펌프를 통과하여 압축된 냉매 흐름을, 40.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 펌프에서 유출시킨 후, 상기 제 2 열교환기로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시켰다. 상기 펌프로부터 유출되고, 제 2 열교환기로 유입되어 열교환된 냉매 흐름은, 59.5℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 제 2 열교환기에서 유출시켰으며, 유체 혼합기로 유입시켰다. 상기 펌프로부터 유출된 냉매 흐름과 상기 컨트롤 밸브로부터 유출된 냉매 흐름을 상기 유체 혼합기에서 합류 시킨 후에, 50,000 kg/hr의 유량으로 상기 증발기로 재유입시켰다,
이 경우, 열 회수 장치의 성능 계수를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 3
증발기에서 유출된 냉매 흐름을 유체 분배기로 유입하여 분리하되, 상기 유체 분배기에서 냉매 흐름을 분리한 후에, 상기 유체 분배기에서 분리된 냉매 흐름을 25,000 kg/hr의 유량으로 상기 콤프레셔로 유입시키고, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름을 25,000 kg/hr의 유량으로 상기 터빈으로 유입시켰다. 또한, 제 1 응축기로 유입되는 물의 유량을 3,000 kg/hr의 유량으로 유입시켰으며, 상기 제 1 응축기에서 열교환 된 물을 115.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 0.33인 상태의 스팀으로 배출시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 스팀을 생성하였다.
이 경우, 열 회수 장치의 성능 계수를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 4
증발기에서 유출된 냉매 흐름을 유체 분배기로 유입하여 분리하되, 상기 유체 분배기에서 냉매 흐름을 분리한 후에, 상기 유체 분배기에서 분리된 냉매 흐름을 40,000 kg/hr의 유량으로 상기 콤프레셔로 유입시키고, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름을 10,000 kg/hr의 유량으로 상기 터빈으로 유입시켰다. 또한, 제 1 응축기로 유입되는 물의 유량을 3,000 kg/hr의 유량으로 유입시켰으며, 상기 제 1 응축기에서 열교환 된 물을 115.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 0.53인 상태의 스팀으로 배출시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 스팀을 생성하였다.
이 경우, 열 회수 장치의 성능 계수를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 5
도 7의 열 회수 장치를 이용하여, 스팀을 생성하였다.
냉매(1,1,1,3,3-pentafluoropropane, R245fa)를 증발기로 유입시키고, 상기 증발기에서 분리된 냉매 흐름의 일부를 제 1 열교환기, 콤프레셔, 제 1 응축기, 제 1 열교환기 및 압력 강하 장치를 순차로 통과하도록, 상기 냉매를 순환시켰다. 구체적으로는, 69.6℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 냉매 흐름을 50,000 kg/hr의 유량으로 증발기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 증발기로 85.0℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 폐열 흐름을 300,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 폐열 흐름은 78.2℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 300,000 kg/hr의 유량으로 유출시켰으며, 냉매 흐름은 80.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 유출시킨 후 제 1 열교환기로 유입시켰다. 상기 증발기에서 유출되어 상기 제 1 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 유체 분배기로 유입시켜 일부를 콤프레셔로 유입시켰으며, 상기 콤프레셔에서 유출시킨 냉매 흐름은 제 1 응축기로 유입시켜, 제 1 응축기를 통과하는 유체 흐름과 열교환시켰다. 또한, 상기 제 1 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 다시 제 1 열교환기로 유입시켜, 상기 증발기로부터 유출되어 상기 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 후에, 컨트롤 밸브로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 증발기로부터 유출되고, 제 1 열교환기로 유입되어 열교환된 냉매 흐름을 110.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 1 열교환기에서 유출시킨 뒤에 상기 유체 분배기로 유입하였다. 상기 유체 분배기에서 냉매 흐름을 분리한 후에, 분리된 냉매 흐름을 19,000 kg/hr의 유량으로 상기 콤프레셔로 유입시켰으며, 또한, 상기 콤프레셔에서 압축된 냉매 흐름은 137.2℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 콤프레셔에서 유출시켰다. 이 경우, 상기 콤프레셔에서 사용된 일의 양은 149916.0 W이었다. 상기 콤프레셔에서 유출된 냉매 흐름을 제 1 응축기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 제 1 응축기로 115.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 물을 3,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 상기 냉매 흐름과 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 물은 115.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 0.34인 상태의 스팀으로 배출되었으며, 응축된 냉매 흐름을 125.0℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 유출시킨 후에 상기 제 1 열교환기로 유입시켰다. 이 때, 상기 제 1 응축기에서 응축된 열량은 634524.0 W이었다. 상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 증발기에서 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 1 열교환기에서 열교환 된 후에, 88.2℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 제 1 열교환기에서 유출된 후에 컨트롤 밸브로 유입되었다. 또한, 상기 냉매 흐름을 75.4℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.15인 상태로 상기 컨트롤 밸브에서 유출시킨 후 유체 혼합기로 유입시켰다.
한편, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름이 터빈, 제 2 열교환기, 제 2 응축기, 펌프, 상기 제 2 열교환기 및 유체 혼합기를 순차로 통과하도록 순환 시켰다. 구체적으로, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름을 31,000 kg/hr의 유량으로 상기 터빈으로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 제 2 응축기로 유입시켰다. 또한, 상기 제 2 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 펌프로 유입시켰으며, 상기 펌프에서 압축된 냉매 흐름을 다시 제 2 열교환기로 유입시켜, 상기 터빈으로부터 유출되어 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 뒤에, 유체 혼합기로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 터빈에서 팽창된 냉매 흐름을 92.6℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 터빈에서 유출시킨 후 상기 제 2 열교환기로 유입시켰다. 이 경우, 상기 터빈에서 생성된 일의 양은 149916.0 W이었다. 상기 터빈에서 유출되어 제 2 열교환기로 유입되고, 상기 펌프로부터 유출되는 냉매 흐름과 열교환된 냉매 흐름은, 62.6℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 2 열교환기로부터 유출된 후, 상기 제 2 응축기로 유입되어 응축되었다. 상기 제 2 응축기에서 응축되어 39.6℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 유출되는 냉매 흐름은 펌프로 유입시켜 압축시켰다. 상기 펌프를 통과하여 압축된 냉매 흐름을, 40.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 펌프에서 유출시킨 후, 상기 제 2 열교환기로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시켰다. 상기 펌프로부터 유출되고, 제 2 열교환기로 유입되어 열교환된 냉매 흐름은, 57.6℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 제 2 열교환기에서 유출시켰으며, 유체 혼합기로 유입시켰다. 상기 펌프로부터 유출된 냉매 흐름과 상기 컨트롤 밸브로부터 유출된 냉매 흐름을 상기 유체 혼합기에서 합류 시킨 후에, 50,000 kg/hr의 유량으로 상기 증발기로 재유입시켰다,
이 경우, 열 회수 장치의 성능 계수를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 6
도 7의 열 회수 장치를 이용하여, 스팀을 생성하였다.
냉매(1,1,1,3,3-pentafluoropropane, R245fa)를 증발기로 유입시키고, 상기 증발기에서 분리된 냉매 흐름의 일부를 제 1 열교환기, 콤프레셔, 제 1 응축기, 제 1 열교환기 및 압력 강하 장치를 순차로 통과하도록, 상기 냉매를 순환시켰다. 구체적으로는, 69.6℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 냉매 흐름을 50,000 kg/hr의 유량으로 증발기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 증발기로 85.0℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 폐열 흐름을 300,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 폐열 흐름은 78.2℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 300,000 kg/hr의 유량으로 유출시켰으며, 냉매 흐름은 80.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 유출시킨 후 제 1 열교환기로 유입시켰다. 상기 증발기에서 유출되어 상기 제 1 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 유체 분배기로 유입시켜 일부를 콤프레셔로 유입시켰으며, 상기 콤프레셔에서 유출시킨 냉매 흐름은 제 1 응축기로 유입시켜, 제 1 응축기를 통과하는 유체 흐름과 열교환시켰다. 또한, 상기 제 1 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 다시 제 1 열교환기로 유입시켜, 상기 증발기로부터 유출되어 상기 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 후에, 컨트롤 밸브로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 증발기로부터 유출되고, 제 1 열교환기로 유입되어 열교환된 냉매 흐름을 90.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 1 열교환기에서 유출시킨 뒤에 상기 유체 분배기로 유입하였다. 상기 유체 분배기에서 냉매 흐름을 분리한 후에, 분리된 냉매 흐름을 19,000 kg/hr의 유량으로 상기 콤프레셔로 유입시켰으며, 또한, 상기 콤프레셔에서 압축된 냉매 흐름은 125.0℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.92인 상태로 상기 콤프레셔에서 유출시켰다. 이 경우, 상기 콤프레셔에서 사용된 일의 양은 141596.0 W이었다. 상기 콤프레셔에서 유출된 냉매 흐름을 제 1 응축기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 제 1 응축기로 115.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 물을 3,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 상기 냉매 흐름과 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 물은 115.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 0.28인 상태의 스팀으로 배출되었으며, 응축된 냉매 흐름을 125.0℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 유출시킨 후에 상기 제 1 열교환기로 유입시켰다. 이 때, 상기 제 1 응축기에서 응축된 열량은 520590.8 W이었다. 상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 증발기에서 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 1 열교환기에서 열교환 된 후에, 114.0℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 제 1 열교환기에서 유출된 후에 컨트롤 밸브로 유입되었다. 또한, 상기 냉매 흐름을 75.4℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 컨트롤 밸브에서 유출시킨 후 유체 혼합기로 유입시켰다.
한편, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름이 터빈, 제 2 열교환기, 제 2 응축기, 펌프, 상기 제 2 열교환기 및 유체 혼합기를 순차로 통과하도록 순환 시켰다. 구체적으로, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름을 31,000 kg/hr의 유량으로 상기 터빈으로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 제 2 응축기로 유입시켰다. 또한, 상기 제 2 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 펌프로 유입시켰으며, 상기 펌프에서 압축된 냉매 흐름을 다시 제 2 열교환기로 유입시켜, 상기 터빈으로부터 유출되어 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 뒤에, 유체 혼합기로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 터빈에서 팽창된 냉매 흐름을 72.9℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 터빈에서 유출시킨 후 상기 제 2 열교환기로 유입시켰다. 이 경우, 상기 터빈에서 생성된 일의 양은 141686.0 W이었다. 상기 터빈에서 유출되어 제 2 열교환기로 유입되고, 상기 펌프로부터 유출되는 냉매 흐름과 열교환된 냉매 흐름은, 55.2℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 2 열교환기로부터 유출된 후, 상기 제 2 응축기로 유입되어 응축되었다. 상기 제 2 응축기에서 응축되어 39.6℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 유출되는 냉매 흐름은 펌프로 유입시켜 압축시켰다. 상기 펌프를 통과하여 압축된 냉매 흐름을, 40.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 펌프에서 유출시킨 후, 상기 제 2 열교환기로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시켰다. 상기 펌프로부터 유출되고, 제 2 열교환기로 유입되어 열교환된 냉매 흐름은, 50.2℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 제 2 열교환기에서 유출시켰으며, 유체 혼합기로 유입시켰다. 상기 펌프로부터 유출된 냉매 흐름과 상기 컨트롤 밸브로부터 유출된 냉매 흐름을 상기 유체 혼합기에서 합류 시킨 후에, 50,000 kg/hr의 유량으로 상기 증발기로 재유입시켰다,
이 경우, 열 회수 장치의 성능 계수를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 7
도 7의 열 회수 장치를 이용하여, 스팀을 생성하였다.
냉매(1,1,1,3,3-pentafluoropropane, R245fa)를 증발기로 유입시키고, 상기 증발기에서 분리된 냉매 흐름의 일부를 제 1 열교환기, 콤프레셔, 제 1 응축기, 제 1 열교환기 및 압력 강하 장치를 순차로 통과하도록, 상기 냉매를 순환시켰다. 구체적으로는, 69.6℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 냉매 흐름을 50,000 kg/hr의 유량으로 증발기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 증발기로 85.0℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 폐열 흐름을 300,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 폐열 흐름은 78.4℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 300,000 kg/hr의 유량으로 유출시켰으며, 냉매 흐름은 77.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 유출시킨 후 제 1 열교환기로 유입시켰다. 상기 증발기에서 유출되어 상기 제 1 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 유체 분배기로 유입시켜 일부를 콤프레셔로 유입시켰으며, 상기 콤프레셔에서 유출시킨 냉매 흐름은 제 1 응축기로 유입시켜, 제 1 응축기를 통과하는 유체 흐름과 열교환시켰다. 또한, 상기 제 1 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 다시 제 1 열교환기로 유입시켜, 상기 증발기로부터 유출되어 상기 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 후에, 컨트롤 밸브로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 증발기로부터 유출되고, 제 1 열교환기로 유입되어 열교환된 냉매 흐름을 108.2℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 1 열교환기에서 유출시킨 뒤에 상기 유체 분배기로 유입하였다. 상기 유체 분배기에서 냉매 흐름을 분리한 후에, 분리된 냉매 흐름을 19,000 kg/hr의 유량으로 상기 콤프레셔로 유입시켰으며, 또한, 상기 콤프레셔에서 압축된 냉매 흐름은 135.4℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 콤프레셔에서 유출시켰다. 이 경우, 상기 콤프레셔에서 사용된 일의 양은 149260.0 W이었다. 상기 콤프레셔에서 유출된 냉매 흐름을 제 1 응축기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 제 1 응축기로 115.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 물을 1,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 상기 냉매 흐름과 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 물은 120.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태의 스팀으로 배출되었으며, 응축된 냉매 흐름을 125.0℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.01인 상태로 유출시킨 후에 상기 제 1 열교환기로 유입시켰다. 이 때, 상기 제 1 응축기에서 응축된 열량은 620779.0 W이었다. 상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 증발기에서 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 1 열교환기에서 열교환 된 후에, 87.0℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 제 1 열교환기에서 유출된 후에 컨트롤 밸브로 유입되었다. 또한, 상기 냉매 흐름을 75.4℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 컨트롤 밸브에서 유출시킨 후 유체 혼합기로 유입시켰다.
한편, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름이 터빈, 제 2 열교환기, 제 2 응축기, 펌프, 상기 제 2 열교환기 및 유체 혼합기를 순차로 통과하도록 순환 시켰다. 구체적으로, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름을 31,000 kg/hr의 유량으로 상기 터빈으로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 제 2 응축기로 유입시켰다. 또한, 상기 제 2 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 펌프로 유입시켰으며, 상기 펌프에서 압축된 냉매 흐름을 다시 제 2 열교환기로 유입시켜, 상기 터빈으로부터 유출되어 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 뒤에, 유체 혼합기로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 터빈에서 팽창된 냉매 흐름을 90.9℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 터빈에서 유출시킨 후 상기 제 2 열교환기로 유입시켰다. 이 경우, 상기 터빈에서 생성된 일의 양은 148985.0 W이었다. 상기 터빈에서 유출되어 제 2 열교환기로 유입되고, 상기 펌프로부터 유출되는 냉매 흐름과 열교환된 냉매 흐름은, 62.0℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 2 열교환기로부터 유출된 후, 상기 제 2 응축기로 유입되어 응축되었다. 상기 제 2 응축기에서 응축되어 39.6℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 유출되는 냉매 흐름은 펌프로 유입시켜 압축시켰다. 상기 펌프를 통과하여 압축된 냉매 흐름을, 40.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 펌프에서 유출시킨 후, 상기 제 2 열교환기로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시켰다. 상기 펌프로부터 유출되고, 제 2 열교환기로 유입되어 열교환된 냉매 흐름은, 57.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 제 2 열교환기에서 유출시켰으며, 유체 혼합기로 유입시켰다. 상기 펌프로부터 유출된 냉매 흐름과 상기 컨트롤 밸브로부터 유출된 냉매 흐름을 상기 유체 혼합기에서 합류 시킨 후에, 50,000 kg/hr의 유량으로 상기 증발기로 재유입시켰다,
이 경우, 열 회수 장치의 성능 계수를 하기 표 3에 나타내었다.
실시예 8
도 7의 열 회수 장치를 이용하여, 스팀을 생성하였다.
냉매(1,1,1,3,3-pentafluoropropane, R245fa)를 증발기로 유입시키고, 상기 증발기에서 분리된 냉매 흐름의 일부를 제 1 열교환기, 콤프레셔, 제 1 응축기, 제 1 열교환기 및 압력 강하 장치를 순차로 통과하도록, 상기 냉매를 순환시켰다. 구체적으로는, 69.6℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 냉매 흐름을 50,000 kg/hr의 유량으로 증발기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 증발기로 85.0℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 폐열 흐름을 300,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 폐열 흐름은 78.2℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 300,000 kg/hr의 유량으로 유출시켰으며, 냉매 흐름은 80.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 유출시킨 후 제 1 열교환기로 유입시켰다. 상기 증발기에서 유출되어 상기 제 1 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 유체 분배기로 유입시켜 일부를 콤프레셔로 유입시켰으며, 상기 콤프레셔에서 유출시킨 냉매 흐름은 제 1 응축기로 유입시켜, 제 1 응축기를 통과하는 유체 흐름과 열교환시켰다. 또한, 상기 제 1 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 다시 제 1 열교환기로 유입시켜, 상기 증발기로부터 유출되어 상기 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 후에, 컨트롤 밸브로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 증발기로부터 유출되고, 제 1 열교환기로 유입되어 열교환된 냉매 흐름을 127.7℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 1 열교환기에서 유출시킨 뒤에 상기 유체 분배기로 유입하였다. 상기 유체 분배기에서 냉매 흐름을 분리한 후에, 분리된 냉매 흐름을 19,000 kg/hr의 유량으로 상기 콤프레셔로 유입시켰으며, 또한, 상기 콤프레셔에서 압축된 냉매 흐름은 163.9℃, 29.3 kgf/cm2g(29.7 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 콤프레셔에서 유출시켰다. 이 경우, 상기 콤프레셔에서 사용된 일의 양은 206685.2 W이었다. 상기 콤프레셔에서 유출된 냉매 흐름을 제 1 응축기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 제 1 응축기로 137.0℃, 2.3 kgf/cm2g(3.24 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 물을 3,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 상기 냉매 흐름과 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 물은 137.0℃, 2.3 kgf/cm2g(3.24 bar), 기체 부피 분율이 0.29인 상태의 스팀으로 배출되었으며, 응축된 냉매 흐름을 142.9℃, 29.3 kgf/cm2g(29.7 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 유출시킨 후에 상기 제 1 열교환기로 유입시켰다. 이 때, 상기 제 1 응축기에서 응축된 열량은 515418.0 W이었다. 상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 증발기에서 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 1 열교환기에서 열교환 된 후에, 90.0℃, 29.3 kgf/cm2g(29.7 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 제 1 열교환기에서 유출된 후에 컨트롤 밸브로 유입되었다. 또한, 상기 냉매 흐름을 75.4℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 컨트롤 밸브에서 유출시킨 후 유체 혼합기로 유입시켰다.
한편, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름이 터빈, 제 2 열교환기, 제 2 응축기, 펌프, 상기 제 2 열교환기 및 유체 혼합기를 순차로 통과하도록 순환 시켰다. 구체적으로, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름을 31,000 kg/hr의 유량으로 상기 터빈으로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 제 2 응축기로 유입시켰다. 또한, 상기 제 2 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 펌프로 유입시켰으며, 상기 펌프에서 압축된 냉매 흐름을 다시 제 2 열교환기로 유입시켜, 상기 터빈으로부터 유출되어 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 뒤에, 유체 혼합기로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 터빈에서 팽창된 냉매 흐름을 110.1℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 터빈에서 유출시킨 후 상기 제 2 열교환기로 유입시켰다. 이 경우, 상기 터빈에서 생성된 일의 양은 156742.0 W이었다. 상기 터빈에서 유출되어 제 2 열교환기로 유입되고, 상기 펌프로부터 유출되는 냉매 흐름과 열교환된 냉매 흐름은, 69.3℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 2 열교환기로부터 유출된 후, 상기 제 2 응축기로 유입되어 응축되었다. 상기 제 2 응축기에서 응축되어 39.6℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 유출되는 냉매 흐름은 펌프로 유입시켜 압축시켰다. 상기 펌프를 통과하여 압축된 냉매 흐름을, 40.0℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 펌프에서 유출시킨 후, 상기 제 2 열교환기로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시켰다. 상기 펌프로부터 유출되고, 제 2 열교환기로 유입되어 열교환된 냉매 흐름은, 64.3℃, 6.2 kgf/cm2g(7.1 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 제 2 열교환기에서 유출시켰으며, 유체 혼합기로 유입시켰다. 상기 펌프로부터 유출된 냉매 흐름과 상기 컨트롤 밸브로부터 유출된 냉매 흐름을 상기 유체 혼합기에서 합류 시킨 후에, 50,000 kg/hr의 유량으로 상기 증발기로 재유입시켰다,
이 경우, 열 회수 장치의 성능 계수를 하기 표 3에 나타내었다.
비교예 1
증발기에서 유출된 냉매 흐름을 유체 분배기로 유입시키지 않고, 모두 콤프레셔로 유입시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 스팀을 생성하였다.
구체적으로는, 75.4℃, 7.1 kgf/cm2g, 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 냉매 흐름을 증발기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 증발기로 85.0℃, 1.0 kgf/cm2g, 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 폐열 흐름을 300,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 폐열 흐름은 81.2℃, 1.0 kgf/cm2g, 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 300,000 kg/hr의 유량으로 유출시켰으며, 냉매 흐름은 80.0℃, 7.1 kgf/cm2g, 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 유출시킨 후 콤프레셔로 유입하였다. 또한, 상기 콤프레셔에서 압축된 냉매 흐름은 125.0℃, 21.3 kgf/cm2g, 기체 부피 분율이 0.82인 상태로 콤프레셔에서 유출시켰다. 이 경우, 상기 콤프레셔에서 사용된 일의 양은 214078.6 W이었다. 상기 콤프레셔에서 유출된 냉매 흐름을 제 1 응축기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 제 1 응축기로 115.0℃, 0.7 kgf/cm2g, 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 물을 1,800 kg/hr의 유량으로 유입시켜 상기 냉매 흐름과 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 물은 120.0℃, 0.7 kgf/cm2g, 기체 부피 분율이 1.0인 상태의 스팀으로 배출되었으며, 냉매 흐름은 응축되어 120.0℃, 21.3 kgf/cm2g, 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 유출시킨 후에 컨트롤 밸브로 유입되었다. 또한, 상기 컨트롤 밸브를 통과한 냉매 흐름을 75.4℃, 7.1 kgf/cm2g, 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 컨트롤 밸브에서 유출시킨 후 증발기로 재유입시켰다.
이 경우, 열 회수 장치의 성능 계수를 계산하였으며, 하기 표 4에 나타내었다.
비교예 2
도 7의 열 회수 장치를 이용하여, 스팀을 생성하였다.
냉매(1,1,1,3,3-pentafluoropropane, R245fa)를 증발기로 유입시키고, 상기 증발기에서 분리된 냉매 흐름의 일부를 제 1 열교환기, 콤프레셔, 제 1 응축기, 제 1 열교환기 및 압력 강하 장치를 순차로 통과하도록, 상기 냉매를 순환시켰다. 구체적으로는, 47.1℃, 2.2 kgf/cm2g(3.14 bar), 기체 부피 분율이 0.34인 상태의 냉매 흐름을 50,000 kg/hr의 유량으로 증발기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 증발기로 85.0℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 폐열 흐름을 300,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 폐열 흐름은 83.8℃, 1.0 kgf/cm2g(1.96 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 300,000 kg/hr의 유량으로 유출시켰으며, 냉매 흐름은 80.0℃, 2.2 kgf/cm2g(3.14 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 유출시킨 후 제 1 열교환기로 유입시켰다. 상기 증발기에서 유출되어 상기 제 1 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 유체 분배기로 유입시켜 일부를 콤프레셔로 유입시켰으며, 상기 콤프레셔에서 유출시킨 냉매 흐름은 제 1 응축기로 유입시켜, 제 1 응축기를 통과하는 유체 흐름과 열교환시켰다. 또한, 상기 제 1 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 다시 제 1 열교환기로 유입시켜, 상기 증발기로부터 유출되어 상기 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 후에, 컨트롤 밸브로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 증발기로부터 유출되고, 제 1 열교환기로 유입되어 열교환된 냉매 흐름을 101.8℃, 2.2 kgf/cm2g(3.14 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 1 열교환기에서 유출시킨 뒤에 상기 유체 분배기로 유입하였다. 상기 유체 분배기에서 냉매 흐름을 분리한 후에, 분리된 냉매 흐름을 19,000 kg/hr의 유량으로 상기 콤프레셔로 유입시켰으며, 또한, 상기 콤프레셔에서 압축된 냉매 흐름은 149.1℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 콤프레셔에서 유출시켰다. 이 경우, 상기 콤프레셔에서 사용된 일의 양은 260853.5 W이었다. 상기 콤프레셔에서 유출된 냉매 흐름을 제 1 응축기로 유입시키고, 이와 동시에 상기 제 1 응축기로 115.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태의 물을 1,000 kg/hr의 유량으로 유입시켜 상기 냉매 흐름과 열교환을 시켰다. 상기 열교환 후 물은 120.0℃, 0.7 kgf/cm2g(1.67 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태의 스팀으로 배출되었으며, 응축된 냉매 흐름을 125.0℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.14인 상태로 유출시킨 후에 상기 제 1 열교환기로 유입시켰다. 이 때, 상기 제 1 응축기에서 응축된 열량은 620778.6 W이었다. 상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 증발기에서 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 1 열교환기에서 열교환 된 후에, 106.8℃, 20.7 kgf/cm2g(21.3 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 제 1 열교환기에서 유출된 후에 컨트롤 밸브로 유입되었다. 또한, 상기 냉매 흐름을 47.1℃, 2.2 kgf/cm2g(3.14 bar), 기체 부피 분율이 0.60인 상태로 상기 컨트롤 밸브에서 유출시킨 후 유체 혼합기로 유입시켰다.
한편, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름이 터빈, 제 2 열교환기, 제 2 응축기, 펌프, 상기 제 2 열교환기 및 유체 혼합기를 순차로 통과하도록 순환 시켰다. 구체적으로, 상기 유체 분배기에서 분리된 나머지 냉매 흐름을 31,000 kg/hr의 유량으로 상기 터빈으로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입된 냉매 흐름을 제 2 응축기로 유입시켰다. 또한, 상기 제 2 응축기에서 유출시킨 냉매 흐름은 펌프로 유입시켰으며, 상기 펌프에서 압축된 냉매 흐름을 다시 제 2 열교환기로 유입시켜, 상기 터빈으로부터 유출되어 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시킨 뒤에, 유체 혼합기로 유입시켰다. 구체적으로, 상기 터빈에서 팽창된 냉매 흐름을 97.8℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 터빈에서 유출시킨 후 상기 제 2 열교환기로 유입시켰다. 이 경우, 상기 터빈에서 생성된 일의 양은 34916.2 W이었다. 상기 터빈에서 유출되어 제 2 열교환기로 유입되고, 상기 펌프로부터 유출되는 냉매 흐름과 열교환된 냉매 흐름은, 52.1℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 1.0인 상태로 상기 제 2 열교환기로부터 유출된 후, 상기 제 2 응축기로 유입되어 응축되었다. 상기 제 2 응축기에서 응축되어 39.6℃, 1.5 kgf/cm2g(2.45 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 유출되는 냉매 흐름은 펌프로 유입시켜 압축시켰다. 상기 펌프를 통과하여 압축된 냉매 흐름을, 39.6℃, 2.2 kgf/cm2g(3.14 bar), 기체 부피 분율이 0.0인 상태로 상기 펌프에서 유출시킨 후, 상기 제 2 열교환기로 유입시켰으며, 상기 터빈으로부터 유출되어 상기 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름과 열교환시켰다. 상기 펌프로부터 유출되고, 제 2 열교환기로 유입되어 열교환된 냉매 흐름은, 47.1℃, 2.2 kgf/cm2g(3.14 bar), 기체 부피 분율이 0.17인 상태로 상기 제 2 열교환기에서 유출시켰으며, 유체 혼합기로 유입시켰다. 상기 펌프로부터 유출된 냉매 흐름과 상기 컨트롤 밸브로부터 유출된 냉매 흐름을 상기 유체 혼합기에서 합류 시킨 후에, 50,000 kg/hr의 유량으로 상기 증발기로 재유입시켰다,
이 경우, 열 회수 장치의 성능 계수를 하기 표 4에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3
Fc/Fe 0.38 0.38 0.5
Ft/Fe 0.62 0.62 0.5
TEin(℃) TEout(℃) 85 80 85 80 85 80
TEin - TEout(℃) 5 5 5
PC1in(bar) PC1out(bar) 7.1 21.3 7.1 21.3 7.1 21.3
PC1out/PC1in 3 3 3
PC2in(bar) PC2in(bar) 2.45 7.1 2.45 7.1 2.45 7.1
PC2out/PC2in 2.9 2.9 2.9
TR1in(℃) TR1out(℃) n/a n/a 124.9 115 n/a n/a
TR1in - TR1out(℃) n/a 9.9 n/a
Q(W) 463,422.8 620,779.0 609,766.8
Total W(W) 0 0 67,340
COP ∞ ∞ 9
n/a: not available
실시예 4 실시예 5 실시예 6
Fc/Fe 0.8 0.38 0.38
Ft/Fe 0.2 0.62 0.62
TEin(℃) TEout(℃) 85 80 85 80 85 80
TEin - TEout(℃) 5 5 5
PC1in(bar) PC1out(bar) 7.1 21.3 7.1 21.3 7.1 21.3
PC1out/PC1in 3 3 3
PC2in(bar) PC2in(bar) 2.45 7.1 2.45 7.1 2.45 7.1
PC2out/PC2in 2.9 2.9 2.9
TR1in(℃) TR1out(℃) n/a n/a 125 110 125 90
TR1in - TR1out(℃) n/a 15 35
Q(W) 975,626.9 634,524.0 520,590.8
Total W(W) 241,014.5 0 0
COP 4.05 ∞ ∞
실시예 7 실시예 8
Fc/Fe 0.38 0.38
Ft/Fe 0.62 0.62
TEin(℃) TEout(℃) 85 77 85 80
TEin - TEout(℃) 8 5
PC1in(bar) PC1out(bar) 7.1 21.3 7.1 29.7
PC1out/PC1in 3 4.2
PC2in(bar) PC2in(bar) 2.45 7.1 2.45 7.1
PC2out/PC2in 2.9 2.9
TR1in(℃) TR1out(℃) 125 108.2 142.9 127.7
TR1in - TR1out(℃) 16.8 15.2
Q(W) 620,779.0 515,418.0
Total W(W) 275.0 49,943.2
COP 2257.4 10.32
비교예 1 비교예 2
Fc/Fe 1 0.38
Ft/Fe 0 0.62
TEin(℃) TEout(℃) 85 80 85 80
TEin - TEout(℃) 5 5
PC1in(bar) PC1out(bar) 7.1 21.3 3.14 21.3
PC1out/PC1in 3 6.78
PC2in(bar) PC2in(bar) n/a n/a 2.45 3.14
PC2out/PC2in n/a 1.28
TR1in(℃) TR1out(℃) n/a n/a 125 101.8
TR1in - TR1out(℃) n/a 23.2
Q(W) 830,573.0 620,778.6
Total W(W) 214,078.6 225,937.3
COP 3.88 2.75
n/a: not available
10: 열 회수 장치
100: 증발기
101: 유체 분배기
102: 유체 혼합기
110: 제 1 압축기
111: 제 1 응축기
112: 압력 강하 장치
120: 터빈
121: 제 2 응축기
122: 제 2 압축기
200: 폐열원
300: 저장 탱크
R1: 제 1 순환 루프
R2: 제 2 순환 루프
F1: 증발기에서 유출되는 냉매 흐름
F1-1: 증발기에서 유출되어 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름
F1-2: 제 1 열교환기에서 유출되어 유체 분배기로 유입되는 냉매 흐름
FA 1: 유체 분배기에서 분리되어 제 1 압축기로 유입되는 냉매 흐름
FA 2: 제 1 압축기에서 유출되는 냉매 흐름
FA 3: 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름
FA 3 -1: 제 1 응축기에서 유출되어 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름
FA 3 -2: 제 1 열교환기에서 유출되어 압력 강하 장치로 유입되는 냉매 흐름
FA 4: 압력 강하 장치에서 유출되는 냉매 흐름
FB 1: 유체 분배기에서 분리되어 터빈으로 유입되는 냉매 흐름
FB 2: 터빈에서 유출되는 냉매 흐름
FB 2 -1: 터빈에서 유출되어 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름
FB 2 -2: 제 2 열교환기에서 유출되어 제 2 응축기로 유입되는 냉매 흐름
FB 3: 제 2 응축기에서 유출되어 제 2 압축기로 유입되는 냉매 흐름
FB 4: 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름
FB 4 -1: 제 2 압축기에서 유출되어 제 2 열교환기로 유입되는 냉매 흐름
FB 4 -2: 제 2 열교환기에서 유출되어 유체 혼합기로 유입되는 냉매 흐름
F5: 증발기로 유입되는 냉매 흐름
W1: 증발기로 유입되는 제 1 유체 흐름
W2: 증발기에서 냉매 흐름과 열교환된 후에 유출되는 유체 흐름
W3: 제 1 응축기로 유입되는 제 2 유체 흐름
W4: 제 1 응축기에서 열교환된 유체 흐름

Claims (47)

  1. 냉매가 흐르는 배관을 통하여 유체 연결된 증발기, 제 1 압축기, 제 1 응축기 및 압력 강하 장치를 포함하는 제 1 순환 루프; 및 상기 제 1 순환 루프와 증발기를 공유하며, 냉매가 흐르는 배관을 통하여 유체 연결된 증발기, 터빈, 제 2 응축기 및 제 2 압축기를 포함하는 제 2 순환 루프를 포함하고,
    상기 증발기에서 유출되는 냉매 흐름은 유체 분배기로 유입되며, 상기 유체 분배기로 유입된 냉매 흐름은 상기 유체 분배기에서 분리되어 일부는 상기 제 1 압축기로 유입되고, 나머지 일부는 상기 터빈으로 유입되며,
    상기 제 1 압축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 1 응축기로 유입되어 상기 제 1 응축기로 유입되는 제 2 유체 흐름과 열교환되고,
    상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 압력 강하 장치로 유입되며,
    상기 터빈에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 2 응축기로 유입되고,
    상기 제 2 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 2 압축기로 유입되며,
    상기 압력 강하 장치에서 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름은 유체 혼합기로 유입되어 합쳐진 후에 상기 증발기로 유입되고,
    상기 증발기로 유입되는 냉매 흐름은 상기 증발기로 유입되는 제 1 유체 흐름과 열교환되는 열 회수 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 전체 유량에 대한 유체 분배기에서 분리되어 제 1 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 유량의 비는 하기 일반식 1을 만족하는 열 회수 장치:
    [일반식 1]
    0.3 ≤ Fc/Fe ≤ 0.5
    상기 일반식 1에서, Fc는 유체 분배기에서 분리되어 제 1 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 유량을 나타내고, Fe는 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 전체 유량을 나타낸다.
  3. 제 1 항에 있어서, 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 전체 유량에 대한 유체 분배기에서 분리되어 터빈으로 유입되는 냉매 흐름의 유량의 비는 하기 일반식 2를 만족하는 열 회수 장치:
    [일반식 2]
    0.5 ≤ Ft/Fe ≤ 0.7
    상기 일반식 2에서, Ft는 유체 분배기에서 분리되어 터빈으로 유입되는 냉매 흐름의 유량을 나타내고, Fe는 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 전체 유량을 나타낸다.
  4. 제 1 항에 있어서, 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 전체 유량은 10,000 kg/hr 내지 100,000 kg/hr인 열 회수 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 유체 분배기에서 분리되어 제 1 압축기로유입되는 냉매 흐름의 유량은 5,000 kg/hr 내지 40,000 kg/hr인 열 회수 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 유체 분배기에서 분리되어 터빈으로 유입되는 냉매 흐름의 유량은 5,000 kg/hr 내지 60,000 kg/hr인 열 회수 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 온도와 상기 증발기로 유입되는 제 1 유체 흐름의 온도가 하기 일반식 3을 만족하는 열 회수 장치:
    [일반식 3]
    1℃ ≤ TEin - TEout ≤ 20℃
    상기 일반식 3에서, TEin는 증발기로 유입되는 제 1 유체 흐름의 온도를 나타내고, TEout은 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 온도를 나타낸다.
  8. 제 1 항에 있어서, 유체 분배기에서 분리되어 제 1 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 압력과 상기 제 1 압축기에서 유출되는 냉매 흐름의 압력의 비가 하기 일반식 4를 만족하는 열 회수 장치:
    [일반식 4]
    2 ≤ PC1out/ PC1in ≤ 5
    상기 일반식 4에서, PC1out은 제 1 압축기에서 유출되는 냉매 흐름의 압력(bar)을 나타내고, PC1in은 유체 분배기에서 분리되어 제 1 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 압력(bar)을 나타낸다.
  9. 제 1 항에 있어서, 제 2 응축기에서 유출되어 제 2 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 압력과 상기 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름의 압력의 비가 하기 일반식 5를 만족하는 열 회수 장치:
    [일반식 5]
    2 ≤ PC2out/PC2in ≤ 7
    상기 일반식 5에서, PC2out은 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름의 압력(bar)을 나타내고, PC2in은 제 2 응축기에서 유출되어 제 2 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 압력(bar)을 나타낸다.
  10. 제 1 항에 있어서, 증발기로 유입되는 냉매 흐름의 온도는 40℃ 내지 90℃인 열 회수 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 증발기로 유입되는 제 1 유체 흐름은, 폐열 흐름 또는 응축기를 통과한 응축수의 흐름인 열 회수 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 증발기로 유입되는 제 1 유체 흐름의 유량은 50,000 kg/hr 내지 500,000 kg/hr인 열 회수 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 증발기로 유입되는 제 1 유체 흐름의 온도는 60℃ 내지 100℃인 열 회수 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 증발기에서 유출되는 유체 흐름의 온도는 60 내지 100℃인 열 회수 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 온도는 60℃ 내지 100℃인 열 회수 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 제 1 압축기에서 유출되는 냉매 흐름의 온도는 110℃ 내지 170℃인 열 회수 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 제 1 응축기로 유입되는 제 2 유체는 물이며, 상기 제 1 응축기에서 열교환된 물은 스팀으로 배출되는 열 회수 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은, 115℃ 내지 150℃의 온도로 압력 강하 장치로 유입되는 열 회수 장치.
  19. 제 17 항에 있어서, 스팀의 온도는 115℃ 내지 150℃이고, 상기 스팀의 압력은 0.5 내지 2.2 kgf/cm2g인는 열 회수 장치.
  20. 제 1 항에 있어서, 압력 강하 장치에서 유출되는 냉매 흐름은, 40℃ 내지 90℃의 온도로 유체 혼합기로 유입되는 열 회수 장치.
  21. 제 1 항에 있어서, 냉매는, 온도-엔트로피 선도의 포화증기곡선의 접선의 기울기가 양의 기울기를 가지는 냉매인 열 회수 장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 온도-엔트로피 선도의 포화증기곡선의 접선의 기울기는 50℃ 내지 130℃에서 1 내지 3인 열 회수 장치.
  23. 제 21 항에 있어서, 냉매는, R245fa, R1234ze 및 R1234yf로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 열 회수 장치.
  24. 제 21 항에 있어서, 증발기와 유체 분배기 사이의 배관 및 제 1 응축기 및 압력 강하 장치 사이의 배관에 유체 연결된 제 1 열교환기를 추가로 포함하며,
    상기 증발기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 1 열교환기로 유입된 후에 상기 유체 분배기로 유입되고,
    상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 1 열교환기로 유입된 후에 상기 압력 강하 장치로 유입되며,
    상기 증발기에서 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 1 열교환기에서 열교환되는 열 회수 장치.
  25. 제 24 항에 있어서, 제 1 응축기에서 유출되어 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름의 온도와 상기 제 1 열교환기에서 유출되어 유체 분배기로 유입되는 냉매 흐름의 온도가 하기 일반식 6을 만족하는 열 회수 장치:
    [일반식 6]
    1℃ ≤ TR1in - TR1out ≤ 50℃
    상기 일반식 6에서, TR1in은 제 1 응축기에서 유출되어 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름의 온도를 나타내고, TR1out은 제 1 열교환기에서 유출되어 상기 유체 분배기로 유입되는 냉매 흐름의 온도를 나타낸다.
  26. 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은, 115℃ 내지 130℃의 온도로 제 1 열교환기로 유입되는 열 회수 장치.
  27. 제 24 항에 있어서, 제 1 열교환기에서 유출되어 유체 분배기로 유입되는 냉매 흐름은 90℃ 내지 150℃의 온도로 상기 유체 분배기로 유입되는 열 회수 장치.
  28. 제 24 항에 있어서, 제 1 열교환기에서 유출되어 압력 강하 장치로 유입되는 냉매 흐름은 70℃ 내지 120℃의 온도로 상기 압력 강하 장치로 유입되는 열 회수 장치.
  29. 제 24 항에 있어서, 제 1 압축기에서 유출되는 냉매 흐름의 온도는 110℃ 내지 170℃인 열 회수 장치.
  30. 제 1 항에 있어서, 터빈과 제 2 응축기 사이의 배관 및 제 2 압축기 및 유체 혼합기 사이의 배관에 유체 연결된 제 2 열교환기를 추가로 포함하며,
    상기 터빈에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 2 열교환기로 유입된 후에 상기 제 2 응축기로 유입되고,
    상기 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 2 열교환기로 유입된 후에 상기 유체 혼합기로 유입되며,
    상기 터빈에서 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 2 열교환기에서 열교환되는 열 회수 장치.
  31. 제 30 항에 있어서, 터빈에서 유출되는 냉매 흐름은 90℃ 내지 120℃의 온도로 제 2 열교환기로 유입되는 열 회수 장치.
  32. 제 30 항에 있어서, 터빈에서 유출되는 냉매 흐름은 제 2 열교환기를 통과한 후에 50℃ 내지 75℃의 온도로 제 2 응축기로 유입되는 열 회수 장치.
  33. 제 1 항에 있어서, 제 2 응축기에서 유출되는 냉매 흐름은 30℃ 내지 50℃의 온도로 제 2 압축기로 유입되는 열 회수 장치.
  34. 제 1 항에 있어서, 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름은 30℃ 내지 50℃의 온도로 제 2 열교환기로 유입되는 열 회수 장치.
  35. 제 1 항에 있어서, 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름은 제 2 열교환기를 통과한 후에 40℃ 내지 70℃의 온도로 유체 혼합기로 유입되는 열 회수 장치.
  36. 냉매 흐름을 증발기로 유입시키고, 상기 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 일부를 제 1 압축기로 유입시키며, 상기 제 1 압축기에서 유출되는 냉매 흐름을 제 1 응축기로 유입시키고, 상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름을 압력 강하 장치로 유입시키며, 상기 압력 강하 장치에서 유출되는 냉매 흐름을 상기 증발기로 유입시키는 제 1 순환 단계; 및 상기 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 나머지 일부를 터빈으로 유입시키고, 상기 터빈에서 유출되는 냉매 흐름을 제 2 응축기로 유입시키며, 상기 제 2 응축기에서 유출되는 냉매 흐름을 제 2 압축기로 유입시키고, 상기 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름을 상기 증발기로 유입시키는 제 2 순환 단계를 포함하는 냉매 순환 단계;
    상기 증발기로 유입되는 냉매 흐름을 상기 증발기로 유입되는 제 1 유체 흐름과 열교환시키는 제 1 열교환 단계; 상기 제 1 압축기에서 유출되는 냉매 흐름을 상기 제 1 응축기로 유입되는 제 2 유체 흐름과 열교환시키는 제 2 열교환 단계를 포함하는 열 회수 방법.
  37. 제 36 항에 있어서, 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 전체 유량에 대하여, 제 1 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 유량의 비는 하기 일반식 1을 만족하는 열 회수 방법:
    [일반식 1]
    0.3 ≤ Fc/Fe ≤ 0.5
    상기 일반식 1에서, Fc는 제 1 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 유량을 나타내고, Fe는 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 전체 유량을 나타낸다.
  38. 제 36 항에 있어서, 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 전체 유량에 대하여, 터빈으로 유입되는 냉매 흐름의 유량의 비는 하기 일반식 2를 만족하는 열 회수 방법:
    [일반식 2]
    0.5 ≤ Ft/Fe ≤ 0.7
    상기 일반식 2에서, Ft는 터빈으로 유입되는 냉매 흐름의 유량을 나타내고, Fe는 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 전체 유량을 나타낸다.
  39. 제 36 항에 있어서, 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 온도와 상기 증발기로 유입되는 제 1 유체 흐름의 온도가 하기 일반식 3을 만족하는 열 회수 방법:
    [일반식 3]
    1℃ ≤ TEin - TEout ≤ 20℃
    상기 일반식 3에서, TEin는 증발기로 유입되는 제 1 유체 흐름의 온도를 나타내고, TEout은 증발기에서 유출되는 냉매 흐름의 온도를 나타낸다.
  40. 제 36 항에 있어서, 제 1 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 압력과 상기 제 1 압축기에서 유출되는 냉매 흐름의 압력의 비가 하기 일반식 4를 만족하는 열 회수 방법:
    [일반식 4]
    2 ≤ PC1out/ PC1out ≤ 5
    상기 일반식 4에서, PC1out은 제 1 압축기에서 유출되는 냉매 흐름의 압력(bar)을 나타내고, PC1in은 제 1 압축기로 유입되는 냉매 흐름(bar)의 압력을 나타낸다.
  41. 제 36 항에 있어서, 제 2 응축기에서 유출되어 제 2 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 압력과 상기 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름의 압력의 비가 하기 일반식 5를 만족하는 열 회수 방법:
    [일반식 5]
    2 ≤ PC2out/PC2in ≤ 7
    상기 일반식 5에서, PC2out는 상기 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름의 압력(bar)을 나타내고, PC2in는 제 2 응축기에서 유출되어 제 2 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 압력(bar)을 나타낸다.
  42. 제 36 항에 있어서, 냉매는, 온도-엔트로피 선도의 포화증기곡선의 접선의 기울기가 양의 기울기를 가지는 냉매인 열 회수 방법.
  43. 제 42 항에 있어서, 제 1 순환 단계는, 증발기에서 유출되는 냉매 흐름을 제 1 열교환기로 유입시킨 후에 제 1 압축기로 유입시키고, 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름을 제 1 열교환기로 유입시킨 후에 압력 강하 장치로 유입시키는 것을 추가로 포함하는 열 회수 방법.
  44. 제 43 항에 있어서, 증발기에서 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 1 응축기에서 유출되는 냉매 흐름을 상기 제 1 열교환기에서 열교환시키는 제 3 열교환 단계를 추가로 포함하는 열 회수 방법.
  45. 제 43 항에 있어서, 제 1 응축기에서 유출되어 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름의 온도와 상기 제 1 열교환기에서 유출되어 제 1 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 온도가 하기 일반식 6을 만족하는 열 회수 방법:
    [일반식 6]
    1℃ ≤ TR1in - TR1out ≤50℃
    상기 일반식 6에서, TR1in은 제 1 응축기에서 유출되어 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름의 온도를 나타내고, TR1out은 제 1 열교환기에서 유출되어 제 1 압축기로 유입되는 냉매 흐름의 온도를 나타낸다.
  46. 제 36 항에 있어서, 제 2 순환 단계는, 터빈에서 유출되는 냉매 흐름을 제 2 열교환기로 유입시킨 후에 제 2 응축기로 유입시키고, 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름을 제 2 열교환기로 유입시킨 후에 증발기로 유입시키는 것을 추가로 포함하는 열 회수 방법.
  47. 제 46 항에 있어서, 터빈에서 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 2 압축기에서 유출되는 냉매 흐름을 상기 제 2 열교환기에서 열교환시키는 제 4 열교환 단계를 추가로 포함하는 열 회수 방법.
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