KR101835915B1 - 병렬 사이클 열 기관 - Google Patents

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타오 시에
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에코진 파워 시스템스, 엘엘씨
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Abstract

작동 유체에 의한 폐열 스트림으로부터의 열 에너지 추출을 최대화하기 위해, 폐열 에너지 변환 사이클, 시스템 및 장치가, 폐열 스트림에 직렬로 배열된 다수의 폐열 교환기 및 폐열 교환기들로 병렬로 실행되는 다수의 열역학 사이클을 이용한다. 병렬 사이클들은 작동 유체 펌프를 구동하기 위해 이용되는 더 낮은 온도 일 출력으로 상이한 온도 범위들에서 작동한다. 작동 유체 질량 관리 시스템은 사이클 속에 통합되거나 또는 연결된다.

Description

병렬 사이클 열 기관{PARALLEL CYCLE HEAT ENGINES}
관련출원에 대한 교차 참조
이 출원은, 2010년 11월 29일 출원된 미국 가 특허출원 61/417,789호에 대해 우선권을 주장하는, 2011년 8월 18일 출원된 미국 특허출원 13/212,631호에 대해 우선권을 주장하며, 둘 다의 내용의 전부가 이 문서에 의해 이 출원에 참고로 포함된다.
산업 공정 장비의 작동 온도를 유지하기 위한 활동에 있어서, 열을 가진 액체, 고체 또는 기체의 유동 스트림이 환경으로 배출되거나 또는 다른 방식으로 공정으로부터 제거되어야 하는 산업 공정의 부산물로서 흔히 열이 생성된다. 때때로, 산업 공정은 다른 공정 스트림들을 거쳐 열을 포획하고 재생시켜 공정 속으로 되돌리기 위해, 열 교환기 장치들을 이용할 수 있다. 다른 경우에는, 온도가 너무 낮거나 또는 직접적으로 열로서 이용하기 위해 쉽게 입수할 수 있는 수단이 없기 때문에, 이 열을 포획하고 재생하는 것이 실현 불가능하다. 이 유형의 열은 일반적으로 "폐(waste)" 열이라고 지칭되고, 전형적으로, 예를 들어 굴뚝(stack)을 통해 직접적으로 또는 물과 같은 냉매를 통해 간접적으로 환경에 방출된다. 다른 설정에서는, 그러한 열이, 태양(집중시키거나 또는 다른 방식으로 조작될 수 있을 것인)으로부터의 열 또는 지열원과 같은, 재생 가능한 열 에너지 소스로부터 쉽게 얻을 수 있다. 이러한 열 에너지 소스 및 다른 열 에너지 소스들은 여기에서 이용되는 용어로서의 "폐열"의 정의 내에 들 것이 의도된다.
폐열은, 랭킨 사이클(Rankine cycle)과 같은 열역학적 방법을 채택하는, 터빈 발전기 시스템에 의해 열을 일로 변환될 수 있다. 터빈을 구동하기 위해 보일러 속의 증기 스트림을 발생시키도록 폐열이 이용되는 이러한 열역학적 방법은 전형적으로 증기에 기반한 것이다. 그러나, 증기 기반 랭킨 사이클의 주요 단점들 중 적어도 하나는 그것의 고온 요구이며, 그것은 일반적으로 상대적으로 고온(예를 들어, 600°F 이상)인 폐열 스트림 또는 매우 큰 전체 열 함량을 요구하므로, 항상 실현 가능한 것이 아니다. 또한, 열원 스트림이 냉각됨에 따라, 다수의 온도 수준에서 열을 포획하기 위해 다수의 압력/온도들에서 물을 끓이는 복잡성은 장비 비용 및 작업 노동 양자 모두에 있어서 비용이 많이 든다. 또한, 증기 기반 랭킨 사이클은 적은 유량 및/또는 저온의 스트림에 대한 현실적인 옵션이 아니다.
유기 랭킨 사이클(ORC)(organic Rankine cycle)은 물을, 프로판 또는 부탄처럼 가벼운 탄화수소, 또는 HCFC (예를 들어, R245fa) 유체와 같은 저 비등점 작동 유체로 교체함으로써 증기 기반 랭킨 사이클의 단점을 처리한다. 그러나, 비등 열 전달 제한들이 남아 있고, 유체의 열적 불안정성, 유독성 또는 인화성과 같은 새로운 문제들이 추가된다.
이러한 단점을 처리하기 위해, 초임계 CO2 동력 사이클이 이용되었다. CO2의 초임계 상태는 다수의 열원들과의 향상된 열 커플링(thermal coupling)을 제공한다. 예를 들어, 초임계 유체를 이용함으로써, 공정 열 교환기의 온도 활주(temperature glide)가 더 쉽게 맞추어질 수 있다. 그러나, 단일 사이클 초임계 CO2 동력 사이클들이 제한된 압력비에 걸쳐 작동하고, 그럼으로써, 동력 변환 장치[전형적으로, 터빈 또는 양변위 팽창기(positive displacement expander)]를 통한 온도 저감, 즉 에너지 추출의 양을 제한한다. 주로, 전형적으로 이용 가능한 응축 온도(예를 들어, 대기)에서의 유체의 고 증기 압력으로 인해 압력비가 제한된다. 결과적으로, 단일의 팽창 스테이지로부터 달성될 수 있는 최대 출력 동력이 제한되고, 팽창된 유체는 상당한 양의 잠재적으로 유용한 에너지를 보유한다. 이 잔류 에너지 부분이 레큐퍼레이터로(recuperator)서의 열 교환기(heat exchanger)를 이용하여 사이클 내에서 회수될 수 있고, 그래서 펌프와 폐열 교환기 사이의 유체를 예열할 수 있지만, 이 접근방식은 단일의 사이클에서 폐열원으로부터 추출될 수 있는 열의 양을 제한한다.
따라서, 이 기술분야에서, 폐열 뿐만 아니라, 광범위한 열원으로부터 동력을 효율적이고 효과적으로 생산할 수 있는 시스템에 대한 요구가 있다.
이 개시 내용의 실시예들은, 열 에너지를 일로 변환하는 시스템을 제공할 수 있을 것이다. 시스템은, 작동 유체 회로(working fluid circuit)의 전반에 걸쳐 작동 유체(working fluid)를 순환시키도록 구성된 펌프(pump) - 작동 유체는 펌프로부터의 하류에서 제1 질량 유동(mass flow) 및 제2 질량 유동으로 분리됨 -, 및 펌프와 유동상 연결되고 열원(heat source)과 열 소통하는 제1 열 교환기(heat exchanger) - 제1 열 교환기는 제1 질량 유동을 받아들이고 열원으로부터 제1 질량 유동으로 열을 전달하도록 구성됨 - 를 포함할 수 있을 것이다. 시스템은, 제1 열 교환기에 유동상 연결되고 제1 질량 유동을 팽창시키도록 구성된 제1 터빈(turbine), 및 제1 터빈에 유동상 연결되고 제1 터빈으로부터 방출되는 제1 질량 유동으로부터 제1 열 교환기로 안내되는 제1 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성된 제1 레큐퍼레이터(recuperator)를 포함할 수도 있을 것이다. 시스템은, 펌프와 유동상 연결되고 열원과 열 소통하는 제2 열 교환기 - 제2 열 교환기는 제2 질량 유동을 받아들이고 열원으로부터 제2 질량 유동으로 열을 전달하도록 구성됨 -, 및 제2 열 교환기에 유동상 연결되고 제2 질량 유동을 팽창시키도록 구성된 제2 터빈을 더 포함할 수 있을 것이다.
이 개시 내용의 실시예들은, 열 에너지를 일로 변환하는 다른 시스템을 더 제공할 수 있을 것이다. 추가적 시스템은, 작동 유체 회로의 전반에 걸쳐 작동 유체를 순환시키도록 구성된 펌프 - 작동 유체는 펌프로부터의 하류에서 제1 질량 유동 및 제2 질량 유동으로 분리됨 - 펌프와 유동상 연결되고 열원과 열 소통하는 제1 열 교환기 - 제1 열 교환기는 제1 질량 유동을 받아들이고 열원으로부터 제1 질량 유동으로 열을 전달하도록 구성됨 -, 및 제1 열 교환기에 유동상 연결되고 제1 질량 유동을 팽창시키도록 구성된 제1 터빈을 포함할 수 있을 것이다. 시스템은, 제1 터빈에 유동상 연결되고 제1 터빈으로부터 방출되는 제1 질량 유동으로부터 제1 열 교환기로 안내되는 제1 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성된 제1 레큐퍼레이터, 펌프와 유동상 연결되고 열원과 열 소통하는 제2 열 교환기 - 제2 열 교환기는 제2 질량 유동을 받아들이고 열원으로부터 제2 질량 유동으로 열을 전달하도록 구성됨 -, 및 제2 열 교환기에 유동상 연결되고 제2 질량 유동을 팽창시키도록 구성된 제2 터빈 - 제2 질량 유동은 제2 터빈으로부터 방출되고 제1 질량 유동과 재조합 되어 조합된 질량 유동을 발생시킴 - 을 포함할 수도 있을 것이다. 시스템은, 제2 터빈에 유동상 연결되고 조합된 질량 유동으로부터 제2 열 교환기로 안내되는 제2 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성된 제2 레큐퍼레이터, 및 열원과 열 소통하고 펌프와 제1 열 교환기 사이에 배열된 제3 열 교환기 - 제3 열 교환기는 열을 받아들이고 제1 열 교환기를 통과하기 전의 제1 질량 유동으로 열을 전달하도록 구성됨 - 를 포함할 수 있을 것이다.
이 개시 내용의 실시예들은, 열 에너지를 일로 변환하는 방법을 더 제공할 수 있을 것이다. 상기 방법은, 작동 유체 회로의 전반에 걸쳐 펌프로 작동 유체를 순환시키는 단계, 작동 유체 회로에서 작동 유체를 제1 질량 유동과 제2 질량 유동으로 분리하는 단계, 및 제1 열 교환기에서 열원으로부터 제1 질량 유동으로 열 에너지를 전달하는 단계 - 제1 열 교환기는 열원과 열 소통함 - 를 포함할 수 있을 것이다. 상기 방법은, 제1 열 교환기에 유동상 연결된 제1 터빈에서 제1 질량 유동을 팽창시키는 단계, 제1 레큐퍼레이터에서 제1 터빈으로부터 방출되는 제1 질량 유동으로부터 제1 열 교환기로 안내되는 제1 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하는 단계 - 제1 레큐퍼레이터는 제1 터빈에 유동상 연결됨 -, 및 제2 열 교환기에서 열원으로부터 제2 질량 유동으로 열 에너지를 전달하는 단계 - 제2 열 교환기는 열원과 열 소통함 - 를 포함할 수도 있을 것이다. 상기 방법은, 제2 열 교환기에 유동상 연결된 제2 터빈에서 제2 질량 유동을 팽창시키는 단계를 더 포함할 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 폐열 뿐만 아니라, 광범위한 열원으로부터 동력을 효율적이고 효과적으로 생산할 수 있는 시스템이 제공된다.
이 개시 내용은 첨부 도면을 읽으면 다음의 상세한 기술로부터 잘 이해된다. 업계의 표준 관행에 따라, 다양한 요소들이 축척대로 도시된 것이 아님을 밝힌다. 사실은, 설명의 명료함을 위해 다양한 요소들의 크기를 임의로 증대시키거나 또는 저감시킬 수 있을 것이다.
도 1은 개시된 하나 이상의 실시예에 따른 병렬 열 기관 사이클의 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 2는 개시된 하나 이상의 실시예에 따른 병렬 열 기관 사이클의 다른 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 3은 개시된 하나 이상의 실시예에 따른 병렬 열 기관 사이클의 다른 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 4는 개시된 하나 이상의 실시예에 따른 병렬 열 기관 사이클의 다른 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 5는 개시된 하나 이상의 실시예에 따른 병렬 열 기관 사이클의 다른 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 6은 개시된 하나 이상의 실시예에 따른 병렬 열 기관 사이클의 다른 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 7은 개시된 하나 이상의 실시예에 따른 병렬 열 기관 사이클에서 구현될 수 있는 질량 관리 시스템(MMS)의 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 8은 개시된 하나 이상의 실시예에 따른 병렬 열 기관 사이클에서 구현될 수 있는 질량 관리 시스템(MMS)의 다른 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 9 및 도 10은 여기에 개시된 병렬 열 기관 사이클에서 이용될 수 있는 작동 유체의 활용에 의해 별도의 스트림의 유체(예를 들어, 공기)의 입구 냉각을 위한 상이한 시스템 배열들을 개략적으로 예시한다.
다음의 개시 내용은 이 발명의 상이한 요소, 구조, 또는 기능을 구현하기 위한 몇몇 예시적인 실시예들을 기술함을 이해하여야 한다 . 이 개시 내용을 단순화 하기 위해, 아래에서는, 구성요소, 배열, 및 구조들의 예시적인 실시예들이 기술되지만, 이러한 예시적인 실시예들은 단지 예로서 제공되며 이 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 또한, 이 개시 내용은, 다양한 예시적인 실시예에서, 그리고 여기에 제공된 도면의 전반에 걸쳐, 인용 숫자 및/또는 문자들을 반복할 수 있을 것이다. 이 반복은 단순 명료함을 위한 것이며, 그 자체가 다양한 도면에서 설명되는 다양한 예시적인 실시예들 및/또는 구조들 사이의 관계에 영향을 주는 것은 아니다. 또한, 다음의 기술에서 제2 요소 위에 또는 제2 요소 상에 제1 요소를 형성하는 것은, 제1 요소 및 제2 요소가 직접 접촉으로 형성되는 실시예들을 포함할 수 있을 것이고, 제1 요소와 제2 요소가 직접 접촉하지 않을 수 있도록 제1 요소와 제2 요소를 개입하는 추가적 요소들이 형성될 수 있을 것인 실시예들을 포함할 수 있을 것이다. 마지막으로, 이 개시 내용의 범위로부터 벗어남이 없이, 아래에 제시된 예시적인 실시예들은 어떤 조합 방식으로든 조합될 수 있을 것이고, 즉, 하나의 예시적인 실시예로부터의 어떤 요소가 어떤 다른 예시적인 실시예에서든 이용될 수 있을 것이다.
또한, 다음의 기술 및 청구범위의 전반에 걸쳐 특정한 구성요소를 지칭하기 위해 특정한 용어들이 이용된다. 이 기술분야에서 숙련된 자가 알 수 있듯이, 다양한 개체들이, 여기에 기술된 요소들에 대한 관습적 호칭과 같이, 동일한 구성요소를 상이한 이름으로 지칭할 수 있을 것이고, 이 문서에서 명확하게 달리 정의되지 않는 한, 이 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 또한, 여기에서 이용되는 관습적 호칭은 기능이 상이한 것이 아니라 이름이 상이한 구성요소들을 구별하려는 것이 아니다. 또한, 다음의 설명 및 청구범위에서, 용어"포함하다(including)" 및 "구성하다(comprising)"는 개방 종결형으로 이용되며, 그래서 "포함하지만 한정되지는 않음"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 이 개시 내용에서 모든 수치는 명확하게 달리 말하지 않는 한 정확하거나 또는 대략적인 값일 수 있을 것이다. 따라서, 여기에 개시된 의도된 범위로부터 벗어남이 없이, 숫자, 값, 및 범위로부터 이 개시 내용의 다양한 실시예들이 파생할 수 있을 것이다. 또한, 청구범위 또는 명세서에서 이용되는 바로서, 용어 "또는"은 배타적인 경우 및 포괄적인 경우 둘 다를 망라하려는 것이며, 즉, "A 또는 B"는, 이 문서에서 명시적으로 달리 지정되지 않는 한, "A와 B 중 적어도 하나"와 동의어일 것이 의도된다.
도 1은, 작동 유체의 열 팽창에 의해 열 에너지를 일로 변환하기 위해 이용될 수 있을 것인, 이 개시 내용의 하나 이상의 실시예에 따른 예시적인 열역학 사이클(100)을 예시한다. 사이클(100)은 랭킨 사이클을 특징으로 하며, 폐열원, 동력 발생 및/또는 펌프 구동 동력을 위한 다수의 터빈, 및 터빈의 하류에 배치된 다수의 레큐퍼레이터와 유체 소통하는 다수의 열 교환기를 포함하는, 열 기관 장치로 구현될 수 있을 것이다.
명확하게, 열역학 사이클(100)은, 직렬로 배열된 제1 열 교환기(102) 및 제2 열 교환기(104)를 거쳐 열원(106)과 열 소통하는 작동 유체 회로(110)를 포함할 수 있을 것이다. 어떤 숫자의 열 교환기든 하나 이상의 열원과 함께 활용될 수 있을 것임을 알 것이다. 한 예시적인 실시예에서는, 제1 열 교환기(102) 및 제2 열 교환기(104)가 폐열 교환기일 수 있을 것이다. 다른 예시적인 실시예에서, 제1 열 교환기(102) 및 제2 열 교환기(104)는, 제각기, 단일의 또는 조합된 폐열 교환기의 제1 스테이지 및 제2 스테이지를 포함할 수 있을 것이다.
열원(106)은 다양한 고온 소스로부터 열 에너지를 끌어낼 수 있을 것이다. 예를 들어, 열원(106)은, 기체 터빈 배기, 공정 스트림 배기, 또는 노(furnace) 또는 보일러 배기 스트림과 같은 다른 연소 생산 배기 스트림과 같지만, 한정하는 것은 아니지만, 폐열 스트림일 수 있을 것이다. 따라서, 열역학 사이클(100)은, 기체 터빈, 고정식 디젤 기관 발전 장치, 산업 폐열 회수(예를 들어, 정유 공장 및 압축 공장에서), 및 내연 기관에 대한 하이브리드 대체 장치에서, 최하위 사이클링으로부터의 범위에 미치는 애플리케이션을 위해 폐열을 전기로 변환하도록 구성될 수 있을 것이다. 다른 예시적인 실시예에서, 열원(106)은, 태양열원 및 지열원과 같지만, 그러나 한정되지는 않는, 재생 가능한 열 에너지 원으로부터 열 에너지를 끌어낼 수 있을 것이다.
열원(106)이 고온 소스 자체의 유체 스트림일 수 있을 것이지만, 다른 예시적인 실시예에서는 열원(106)이 고온 소스와 접촉하는 열 유체일 수 있을 것이다. 열 유체는, 회로(100)에서 작동 유체에 에너지를 전달하도록, 폐열 교환기(102, 104)로 열 에너지를 전달할 수 있을 것이다.
예시된 바와 같이, 제1 열 교환기(102)는, 열원(106)의 초기 또는 1차 유동을 받아들이기에 적합한, 고온, 또는 상대적으로 더 높은 온도의 열 교환기로서 작용할 수 있을 것이다. 이 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예에서, 사이클(100)로 들어가는 열원(106)의 초기 온도는 약 650 ℃ 내지 이보다 약 204°C 더 높은(약 1,200°F 내지 이보다 약 400°F 더 높은) 온도까지의 범위일 수 있을 것이다. 예시된 예시적인 실시예에서는, 열원(106)의 초기 유동은 약 500 ℃ 이상의 온도를 가질 수 있을 것이다. 그 후, 제2 열 교환기(104)는 제1 열 교환기(102)로부터 하류에서의 직렬 연결(108)을 통해 열원(106)을 받아들일 수 있을 것이다. 한 예시적인 실시예에서는, 제2 열 교환기(104)에 제공되는 열원(106)의 온도는 약 250°C 내지 300°C일 수 있을 것이다. 도면에 나타낸 바와 같은 대표적 작동 온도, 압력, 및 유속은 예시적인 것이며, 어떤 식으로든 이 개시 내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 함을 알아야 한다.
알 수 있는 바와 같이, 제1 열 교환기(102) 및 제2 열 교환기(104)의 직렬 배열을 거쳐 열원(106)으로부터 더 많은 양의 열 에너지가 전달됨으로써, 제1 열 교환기(102)는 제2 열 교환기(104)보다 상대적으로 더 높은 온도 스펙트럼으로 폐열 스트림(106)에서 열을 전달한다. 그 결과로서, 아래에서 더 상세하게 기술되듯이, 관련 터빈 또는 팽창 장치로부터 더 큰 동력 발생이 이루어진다.
작동 유체 회로(110), 및 여기에서 아래에 개시되는 다른 예시적인 회로들에서 순환되는 작동 유체는 이산화탄소(CO2)일 수 있을 것이다. 동력 발생 사이클을 위한 작동 유체로서의 이산화탄소는 많은 이점을 가진다. 그것은 무독성, 비인화성, 입수 용이성, 저가, 및 재생 불요와 같은 이점들을 제공하는 온실 친화적이고 중성인 작동 유체이다. 그것의 비교적 높은 작동 압력에 부분적으로 기인하여, 다른 작동 유체를 이용하는 시스템들보다 훨씬 더 간소한 CO2 시스템이 구축될 수 있다. 다른 작동 유체들에 비해 CO2의 고밀도 용적성 열 용량은 그것을 더 "에너지 조밀(energy dense)"하게 만들고, 이는, 성능 손실 없이, 모든 시스템 구성요소들의 크기가 상당히 저감될 수 있음을 의미한다. 여기에서 이용되는 바로서, "이산화탄소"라는 용어를 이용하는 것은 어떤 특정한 유형, 순도, 또는 등급의 CO2로 제한되려는 것이 아님을 알아야 한다. 예를 들어, 적어도 하나의 예시적인 실시예에서는, 이 개시 내용의 범위로부터 벗어남이 없이, 산업 등급 CO2가 이용될 수 있을 것이다.
다른 예시적인 실시예에서는, 회로(110)에서의 작동 유체가 2원 작동 유체 혼합, 3원 작동 유체 혼합, 또는 다른 작동 유체 혼합일 수 있을 것이다. 작동 유체 혼합 또는 조합은, 여기에 기술된 바와 같이, 열 회수 시스템 내의 유체 조합에 의해 갖추어지는 독특한 속성들을 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 한 그러한 유체 조합은, 조합된 유체가 CO2를 압축하기 위해 요구되는 것보다 더 작은 에너지 입력으로 고압으로 액체 상태로 펌핑될 수 있게 하는 액체 흡수제 및 CO2 혼합물을 포함한다. 다른 한 예시적인 실시예에서는, 작동 유체는 CO2 또는 초임계 이산화탄소 (ScCO2)와 하나 이상의 다른 혼화성 유체 또는 화학적 화합물들의 조합일 수 있을 것이다. 또 다른 예시적인 실시예에서는, 이 개시 내용의 범위로부터 벗어남이 없이, 작동 유체가 CO2와 프로판, 또는 CO2와 암모니아의 조합일 수 있을 것이다.
용어 "작동 유체"를 이용하는 것은, 작동 유체가 이루고 있는 물질의 상태(state) 또는 상(phase)을 제한하려는 것이 아니다. 다시 말해서, 작동 유체는, 유체 사이클 내의 어떤 하나 이상의 점에서든 유체 상, 기상, 초임계 상, 준임계 상태 또는 어떤 다른 상 또는 상태에든 있을 수 있을 것이다. 작동 유체는 회로(110)의 특정한 부분("고압측")에 걸쳐 초임계 상태, 그리고 회로(110)의 다른 부분("저압측")에 걸쳐 준임계 상태에 있을 수 있을 것이다. 다른 예시적인 실시예에서는, 회로(110)의 전체 실행 동안에 작동 유체가 초임계 또는 준임계 상태에 있도록, 전체 작동 유체 회로(110)가 작동되고 제어될 수 있을 것이다.
열 교환기(102, 104)에서는 열원(106)과 직렬로 배열되지만, 그러나 작동 유체 회로(110)에서는 병렬로 배열된다. 제1 열 교환기(102)는 제1 터빈(112)에 유동상 연결될 수 있을 것이고, 제2 열 교환기(104)는 제2 터빈(114)에 유동상 연결될 수 있을 것이다. 결국, 제1 터빈(112)은 제1 레큐퍼레이터(116)에 유동상 연결될 수 있을 것이고, 제2 터빈(114)은 제2 레큐퍼레이터(118)에 유동상 연결될 수 있을 것이다. 터빈(112, 114) 중 어느 하나 또는 양자 모두는 보조 시스템 또는 공정들에 전력을 제공하게 구성된 동력 터빈일 수 있을 것이다. 레큐퍼레이터(116, 118)는 회로(110)의 저온측에서 병렬로, 그리고 회로(110)의 고온측에서 병렬로 배열될 수 있을 것이다. 레큐퍼레이터(116, 118)는 회로(110)를 고온측 및 저온측으로 나눈다. 예를 들어, 회로(110)의 고온측은, 작동 유체가 열 교환기(102, 104)로 안내되는, 각각의 레큐퍼레이터(116, 118)로부터의 하류에 배열된 부분의 회로(110)를 포함한다. 회로(110)의 저온측은, 작동 유체가 열 교환기(102, 104)로부터 멀어지게 안내되는, 각각의 레큐퍼레이터(116, 118)로부터의 하류에 있는 부분의 회로를 포함한다.
작동 유체 회로(110)는 유체 회로(110)의 구성요소들과 유체 소통하며 작동 유체를 순환시키도록 구성된 제1 펌프(120) 및 제2 펌프(122)를 더 포함할 수 있을 것이다. 제1 펌프(120) 및 제2 펌프(122)는 터보펌프이거나, 또는 모터와 같은 하나 이상의 외부 기계 또는 장치에 의해 독립적으로 구동될 수 있을 것이다. 한 예시적인 실시예에서는, 제1 펌프(120)는 사이클(100)의 정상 작동 중에 작동 유체를 순환시키도록 이용될 수 있을 것이지만, 제2 펌프(122)는 사이클(100)을 시동시키기 위해서만 명목상 구동되고 이용될 수 있을 것이다. 적어도 하나의 예시적인 실시예에서는, 제2 터빈(114)이 제1 펌프(120)를 구동하도록 이용될 수 있을 것이지만, 다른 예시적인 실시예에서는, 제1 터빈(112)이 제1 펌프(120)를 구동하도록 이용될 수 있거나, 또는 제1 펌프(120)가 모터(도시 안 됨)에 의해 명목상 구동될 수 있을 것이다.
제1 터빈(112)은, 제1 열 교환기(102)의 전반에 걸쳐 겪는 열원(106)의 온도 강하로 인해 제2 터빈(114)에서보다 더 높은 상대 온도(예를 들어, 더 높은 터빈 입구 온도)에서 작동할 수 있을 것이다. 그러나, 하나 이상의 예시적인 실시예에서는, 각각의 터빈(112, 114)이 동일한 또는 사실상 동일한 입구 압력에서 작동하도록 구성될 수 있을 것이다. 이는, 회로(110)의 대응하는 입구 온도를 위해 각각의 터빈(112, 114)의 입구 압력을 최적화하도록 제1 펌프(120) 및 제2 펌프(122)의 제어 및/또는 다단 펌프의 이용을 포함하지만, 한정하는 것은 아니지만 회로(110)의 설계 및 제어에 의해 수행될 수 있을 것이다.
하나 이상의 예시적인 실시예에서는, 제1 펌프(120)에서의 입구 압력은, 저압 및/또는 고속의 국소적 영역들에서의 작동 유체의 증발을 방지하기에 충분한 여유만큼 작동 유체의 증기 압력을 초과할 수 있을 것이다. 이는, 여기에 개시된 다양한 예시적인 실시예에서 이용될 수 있을 것인, 터보펌프와 같은 고속 펌프인 경우에 특히 중요하다. 그 결과로서, 유체 증기 압력에 비례하여 중력의 증분적 압력만을 제공하는 서지 탱크(surge tank)를 채택하는 것과 같은, 전통적인 수동적 가압 시스템이 여기에 개시된 예시적인 실시예들을 위해 불충분하다는 것을 드러낼 수 있을 것이다.
작동 유체 회로(110)는 제1 레큐퍼레이터(116) 및 제2 레큐퍼레이터(118)의 하나 또는 둘 다와 유체 소통하는 응축기(124)를 더 포함할 수 있을 것이다. 각각의 레큐퍼레이터(116, 118)를 빠져나가는 저압 방출 질량 유동은, 회로(110)의 저온측 및 제1 펌프(120) 또는 제2 펌프(122)로의 복귀를 위해 냉각되도록, 응축기(124)를 통해 안내될 수 있을 것이다.
작동 시, 작동 유체는 작동 유체 회로(110)에서의 점(126)에서 제1 질량 유동(m1) 및 제2 질량 유동(m2)으로 분리된다. 제1 질량 유동(m1)은 제1 열 교환기(102)를 통해 안내되고, 그 후에 제1 터빈(112)에서 팽창된다. 제1 질량 유동(m1)이 제1 열 교환기(102)를 향해 안내됨에 따라, 제1 터빈(112)에 이어서, 잔류 열을 제1 질량 유동(m1)으로 되돌리게 전달하기 위해 제1 질량 유동(m1)은 제1 레큐퍼레이터(116)를 통과한다. 제2 질량 유동(m2)은 제2 열 교환기(104)를 통해 안내될 수 있을 것이고, 그 후에 제2 터빈(114)에서 팽창된다. 제2 질량 유동(m2)이 제2 열 교환기(104)를 향해 안내됨에 따라, 제2 터빈(114)에 이어서, 잔류 열을 제2 질량 유동(m2)으로 되돌리게 전달하기 위해 제2 질량 유동(m2)은 제2 레큐퍼레이터(118)를 통과한다. 그 후, 제2 질량 유동(m2)은 작동 유체 회로(110)에서의 점(128)에서 제1 질량 유동(m1)과 재조합 되어 조합된 질량 유동(m1+m2)을 발생시킨다. 조합된 질량 유동은 응축기(124)를 통해 펌프(120)로 되돌려져 루프를 또 다시 시작하도록 안내될 수 있을 것이다. 적어도 하나의 실시예에서, 펌프(120)의 입구에서의 작동 유체는 초임계적이다.
알 수 있는 바와 같이, 열원(106)과 열 교환하는 각각의 스테이지는, 그것이 완전한 열역학 사이클(100) 내에서 가장 효과적으로 활용되는, 작동 유체 회로(110)에 통합될 수 있다. 예를 들어, 별도의 열 교환기(예를 들어, 제1 열 교환기(102) 및 제2 열 교환기(104))들을 갖든 또는 다수의 스테이지에서 단일의 또는 다수의 열 교환기를 갖든, 열 교환을 다수의 스테이지로 분리함으로써, 팽창을 더 효율적으로 이용하기 위해, 그리고 주로 열원(106)으로부터 다수의 팽창을 얻기 위해, 열원(106)으로부터 추가적 열이 추출될 수 있다.
또한, 유사하거나 또는 사실상 유사한 압력비로 다수의 터빈(112, 114)을 이용함으로써, 잔류 열이 손실 또는 저하되지 않도록, 레큐퍼레이터(116, 118)에 의해 각각의 터빈(112, 114)으로부터 잔류 열을 이용함으로써, 이용 가능한 열원(106)의 더 큰 분율이 효율적으로 활용될 수 있을 것이다. 작동 유체 회로(110)에서의 레큐퍼레이터(116, 118)의 배열은, 터빈(112, 114)에서의 다수의 온도 팽창의 동력 출력을 최대화하도록 열원(106)과 함께 최적화될 수 있다. 병렬 작동 유체 유동을 선택적으로 통합함으로써, 각각의 레큐퍼레이터(116, 118)의 양측이, 예를 들어, 열 용량율, C = mㆍcp 를 맞춤으로써 균형이 이루어질 수 있을 것이며, 여기에서 C는 열 용량율이고, m은 작동 유체의 질량 유량이며, cp는 일정한 압력 비열이다.
도 2는 개시된 하나 이상의 실시예에 따른 열역학 사이클(200)의 다른 한 예시적인 실시예를 예시한다. 사이클(200)은 어떤 점에서는 도 1을 참고하여 위에서 기술된 열역학 사이클(100)과 유사할 수 있을 것이다. 따라서, 열역학 사이클(200)은, 유사한 숫자들이 유사한 요소들에 대응하고, 그러므로, 다시 상세하게 기술되지 않을 것인, 도 1을 참조하여, 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 사이클(200)은 열원(106)과 열 소통하게 직렬로 다시 배열되지만, 작동 유체 회로(210)에서는 병렬로 배열되는 제1 열 교환기(102) 및 제2 열 교환기(104)를 포함한다. 제1 레큐퍼레이터(116) 및 제2 레큐퍼레이터(118)는 회로(210)의 저온측에서 직렬로, 그리고 회로(210)의 고온측에서 병렬로 배열된다.
회로(210)에서, 작동 유체는 점(202)에서 제1 질량 유동(m1) 및 제2 질량 유동(m2)으로 분리된다. 제1 질량 유동(m1)은 결국 제1 열 교환기(102)를 통해 안내되고, 그 후에 제1 터빈(112)에서 팽창된다. 그 후, 제1 질량 유동(m1)은 잔류 열을 상태 25를 거쳐 다시 제1 레큐퍼레이터(116)로 제1 질량 유동(m1)으로 전달하도록 제1 레큐퍼레이터(116)를 통과한다. 제2 질량 유동(m2)은 제2 열 교환기(104)를 통해 안내될 수 있을 것이고, 그 후에 제2 터빈(114)에서 팽창된다. 제2 터빈(114)에 이어서, 제2 질량 유동(m2)은 점(204)에서 제1 질량 유동(m1)과 재조합되어 조합된 질량 유동(m1+m2)을 발생시킨다. 조합된 질량 유동은, 제2 레큐퍼레이터(118)를 통과하는 제1 질량 유동(m1)에 잔류 열을 전달하도록 제2 레큐퍼레이터(118)를 통해 안내될 수 있을 것이다.
레큐퍼레이터(116, 118)의 배열은, 응축기(124)에 도달하기 전의 제2 레큐퍼레이터(118)에 조합된 질량 유동(m1+m2)을 제공한다. 알 수 있는 바와 같이, 이는, 위에서 정의된 바와 같이, 열 용량율을 더 잘 맞출 수 있게 함으로써 작동 유체 회로(210)의 열 효율을 증대시킬 수 있을 것이다.
예시된 바와 같이, 제2 터빈(114)은 제1 또는 메인 작동 유체 펌프(120)를 구동하기 위해 이용될 수 있을 것이다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서는, 이 개시 내용의 범위로부터 벗어남이 없이, 제1 터빈(112)이 펌프(120)를 구동하기 위해 이용될 수 있을 것이다. 아래에서 더 상세하게 설명하듯이, 제1 터빈(112) 및 제2 터빈(114)은, 상태 41 및 상태 42에 대응하는 제각각의 질량 유량의 관리에 의해 일치된 터빈 입구 압력 또는 상이한 터빈 입구 압력에서 작동될 수 있을 것이다.
도 3은 이 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 열역학 사이클(300)의 다른 한 예시적인 실시예를 예시한다. 사이클(300)은 어떤 점에서는 열역학 사이클(100) 및/또는 열역학 사이클(200)과 유사할 수 있을 것이고, 그럼으로써 사이클(300)은, 유사한 숫자들이 유사한 요소들에 대응하고, 그러므로, 다시 상세하게 기술되지 않을 것인, 도 1 및 도 2를 참조하여, 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 열역학 사이클(300)은, 열원(106)과 열 소통하는 제3 열 교환기(302)를 활용하는 작동 유체 회로(310)를 포함할 수 있을 것이다. 제3 열 교환기(302)는, 위에 기술된 바와 같이, 제1 열 교환기(102) 및 제2 열 교환기(104)와 유사한 유형의 열 교환기일 수 있을 것이다.
열 교환기(102, 104, 302)는 열원(106) 스트림과 열 소통하게 직렬로 배열되고, 작동 유체 회로(310)에서는 병렬로 배열될 수 있을 것이다. 대응하는 제1 레큐퍼레이터(116) 및 제2 레큐퍼레이터(118)는 회로(310)의 저온측에서 응축기(124)와 직렬로, 그리고 회로(310)의 고온측에서 병렬로 배열된다. 점(304)에서 작동 유체가 제1 질량 유동(m1) 및 제2 질량 유동(m2)으로 분리된 후, 제3 열 교환기(302)는 제1 질량 유동(m1)을 받아들이고 팽창을 위해 제1 터빈(112)에 도달하기 전에 열원(106)으로부터 제1 질량 유동(m1)으로 열을 전달하도록 구성될 수 있을 것이다. 제1 터빈(112)에서의 팽창에 이어서, 제1 질량 유동(m1)은 제3 열 교환기(302)로부터 방출되는 제1 질량 유동(m1)에 잔류 열을 전달하도록 제1 레큐퍼레이터(116)를 통해 안내된다.
제2 질량 유동(m2)은 제2 열 교환기(104)를 통해 안내되고, 그 후에 제2 터빈(114)에서 팽창된다. 제2 터빈(114)에 이어서, 제2 질량 유동(m2)은 점(306)에서 제1 질량 유동(m1)과 재조합 되어, 제2 레큐퍼레이터(118)에서 제2 질량 유동(m2)에 잔류 열을 제공하는, 조합된 질량 유동을 발생시킨다.
제2 터빈(114)은 제1 또는 1차 펌프(120)를 구동하기 위해 다시 이용될 수 있거나, 또는 여기에 기술된 바와 같이, 그것이 다른 수단에 의해 구동될 수 있을 것이다. 제2 또는 시동 펌프(122)는 회로(310)의 저온측에 제공될 수 있을 것이며 제2 열 교환기(104) 및 제3 열 교환기(302)를 포함하는 병렬 열 교환기 경로를 통해 작동 유체를 순환시키게 할 수 있다. 한 예시적인 실시예에서는, 제1 열 교환기(102) 및 제3 열 교환기(302)는, 사이클(300)의 시동 중에, 본질적으로 제로 유동(zero flow)을 가질 수 있을 것이다. 작동 유체 회로(310)는 작동 유체의 유동을 관리하기 위해 펌프 구동 스로틀 밸브 및 차단 밸브(312)와 같은 스로틀 밸브(308)를 포함할 수도 있을 것이다.
도 4는 개시된 하나 이상의 예시적인 실시예에 따른 열역학 사이클(400)의 다른 예시적인 실시예를 예시한다. 사이클(400)은 어떤 점에서는 열역학 사이클(100), 열역학 사이클(200) 및/또는 열역학 사이클(300)과 유사할 수 있을 것이고, 그러므로, 사이클(400)은, 유사한 숫자들이 유사한 요소들에 대응하고, 다시 상세하게 기술되지 않을 것인, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 열역학 사이클(400)은, 제1 레큐퍼레이터(116) 및 제2 레큐퍼레이터(118)가 조합되거나 또는 다른 방식으로 단일의 레큐퍼레이터(402)로 교체되는, 작동 유체 회로(410)를 포함할 수 있을 것이다. 레큐퍼레이터(402)는 여기에 기술된 레큐퍼레이터(116, 118)와 유사한 유형으로 될 수 있거나, 또는 이 기술분야에서 숙련된 자에게 알려진 다른 한 유형의 레큐퍼레이터 또는 열 교환기일 수 있을 것이다.
예시된 바와 같이, 레큐퍼레이터(402)는, 제1 질량 유동(m1)이 제1 열 교환기(102)로 들어감에 따라 그것에 열을 전달하고, 제1 질량 유동(m1)이 제1 터빈(112)을 빠져나감에 따라 그것으로부터 열을 받아들이게 구성될 수 있을 것이다. 레큐퍼레이터(402)는, 제2 질량 유동(m2)이 제2 열 교환기(104)로 들어감에 따라 그것에 열을 전달하고, 제2 질량 유동(m2)이 제2 터빈(114)을 빠져나감에 따라 그것으로부터 열을 받아들일 수도 있을 것이다. 조합된 질량 유동은 레큐퍼레이터(402)의 밖으로 및 응축기(124)로 흐른다.
다른 예시적인 실시예에서는, 레큐퍼레이터(402)는 도 4에 예시된 쇄선으로 된 연장선으로 나타낸 바와 같이, 또는 제3 열 교환기(302)로 들어가고 빠져나가는 제1 질량 유동(m1)을 받아들이기에 다른 방식으로 적합하게 확대될 수 있을 것이다. 그 결과로서, 제1 질량 유동(m1)의 온도를 상승시키기 위해 추가적 열 에너지가 레큐퍼레이터(304)로부터 추출되고 제3 열 교환기(302)로 안내될 수 있을 것이다.
도 5는 이 개시 내용에 따른 열역학 사이클(500)의 다른 한 예시적인 실시예를 예시한다. 사이클(500)은 어떤 점에서는 열역학 사이클(100)과 유사할 수 있을 것이고, 그러므로, 유사한 숫자들이 유사한 요소들에 대응하고, 다시 상세하게 기술되지 않을 것인, 도 1을 참조하여, 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 열역학 사이클(500)은 도 1의 작동 유체 회로(110)와 사실상 유사하지만 제1 펌프(120) 및 제2 펌프(122)의 상이한 배열을 가진 작동 유체 회로(510)를 가질 수 있을 것이다. 도 1에 예시된 바와 같이, 병렬 사이클의 각각은 정상 작동 중에 작동 유체 유동을 공급하기 위해 하나의 독립적인 펌프 (고온 사이클을 위한 펌프(120) 및 저온 사이클을 위한 펌프(122))를 갖는다. 대조적으로, 도 5에서의 열역학 사이클(500)은 병렬 사이클 둘 다를 위한 작동 유체 유동을 제공하기 위해 제2 터빈(114)에 의해 구동될 수 있을 것인 메인 펌프(120)를 이용한다. 도 5에서의 시동 펌프(122)는 열 기관의 시동 공정 중에만 작동하며, 그러므로 정상 작동 중에는 아무런 전동 펌프도 요구되지 않는다.
도 6은 이 개시 내용에 따른 열역학 사이클(600)의 다른 한 예시적인 실시예를 예시한다. 사이클(600)은 어떤 점에서는 열역학 사이클(300)과 유사할 수 있을 것이고, 그러므로, 유사한 숫자들이 유사한 요소들에 대응하고, 다시 상세하게 기술되지 않을 것인, 도 3을 참조하여, 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 열역학 사이클(600)은 도 3의 작동 유체 회로(310)와 사실상 유사하지만, 제2 레큐퍼레이터(118)로부터 방출되는 조합된 질량 유동(m1+m2)으로부터 추가적 열 에너지를 추출하는 제3 레큐퍼레이터(602)의 추가를 가진 작동 유체 회로(610)를 가질 수 있을 것이다. 따라서, 제3 열 교환기(302)로 들어가는 제1 질량 유동(m1)의 온도는 열원(106)으로부터 전달되는 잔류 열을 받아들이기 전에 상승될 수 있을 것이다.
예시된 바와 같이, 레큐퍼레이터(116, 118, 602)는 별도의 열 교환 장치로서 작동할 수 있을 것이다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서는, 레큐퍼레이터(116, 118, 602)가 도 4를 참고하여 위에서 기술된 레큐퍼레이터(406)와 유사한 단일의 레큐퍼레이터로 조합될 수 있을 것이다.
여기에 기술된 각각의 예시적인 열역학 사이클(100 내지 600)(사이클(100), 사이클(200), 사이클(300), 사이클(400), 사이클(500), 및 사이클(600)을 의미함)에 의해 예시된 바와 같이, 각각의 작동 유체 회로(110 내지 610)(회로(110), 회로(210), 회로(310), 회로(410), 회로(510), 및 회로(610)를 의미함) 속에 통합되는 병렬 열 교환 사이클 및 배열은 단일의 사이클에서 얻을 수 없는 수준으로 동력 터빈 입구 온도를 상승시킴으로써 주어진 열원(106)으로부터 더 많은 동력 발생이 가능하게 하고, 그럼으로써, 각각의 예시적인 사이클(100 내지 600)을 위한 더 높은 열 효율로 귀결된다. 제2 열 교환기(104) 및 제3 열 교환기(302)에 의한 더 낮은 온도의 열 교환 사이클을 추가하는 것은 열원(106)으로부터 이용 가능한 에너지의 더 높은 분율의 회수가 가능하게 한다. 또한, 각각의 개별적 열 교환 사이클을 위한 압력비는 열 효율의 추가적 향상을 위해 최적화 될 수 있다.
개시된 예시적인 실시예들 중 어느 것에서든 구현될 수 있을 것인 다른 변화예는 각각의 터빈(112, 114)의 어떤 특정한 대응 입구 온도를 위해서든 터빈(112, 114)을 위한 입구 압력을 최적화 하기 위해 2단 또는 다단 펌프(120, 122)의 이용을 포함하지만, 한정되는 것은 아니다. 다른 예시적인 실시예에서, 터빈(112, 114)들은, 공유된 동력 터빈 축 상에서 병렬로 추가적 터빈 스테이지를 이용하는 것 등에 의해 서로 연결될 수 있을 것이다. 여기에서 고려되는 다른 변화예들은, 터빈 구동 펌프 축 상에서 병렬로 추가적 터빈 스테이지들을 이용하는 것; 기어 박스를 통해 터빈들을 연결하는 것; 전반적인 효율을 최적화 하기 위해 상이한 레큐퍼레이터 배열을 이용하는 것; 및 터보 기계류의 대신에 왕복 팽창기 및 펌프들을 이용하는 것이 있지만, 한정되는 것은 아니다. 제2 터빈(114)의 출력을 제1 터빈(112)에 의해 구동되는 발전기 또는 전기 생산 장치와 연결하는 것, 또는 공동 축 상의 별도의 블레이드/디스크들을 이용하는 다단 터빈, 또는 각각의 레이디얼 터빈을 위한 별도의 피니언들을 이용하여 불 기어(bull gear)를 구동하는 레이디얼 터빈의 별도의 단과 같은 단일 피스(single piece)의 터보 기계류로 제1 터빈(112) 및 제2 터빈(114)을 통합시키는 것도 가능하다. 제1 터빈(112) 및/또는 제2 터빈(114)이 메인 펌프(120) 및, 시동 모터와 발전기 둘 다로서 작용하는, 모터-발전기(도시 안 됨)에 연결되는, 또 다른 예시적인 변화예가 고려된다.
기술된 시스템(100 내지 600)의 각각은, 고정형 또는 통합형 설비, 또는 포터블 폐열 기관 "스키드(skid)"와 같은 자립적 장치를 포함하지만 제한되지는 않는, 다양한 물리적 실시예로 구현될 수 있을 것이다. 예시적인 폐열 기관 스키드는, 터빈(112, 114), 레큐퍼레이터(116, 118), 응축기(124), 펌프(120, 122), 밸브, 작동 유체 공급 및 제어 시스템, 및 단일의 유닛으로 통합되는 기계적 및 전자적 제어와 같은 각각의 작동 유체 회로(110 내지 610) 및 관련 구성요소들을 배열할 수 있을 것이다. 예시적인 폐열 기관 스키드는, 발명의 명칭이 "열 에너지 변환 장치"이고 2009년 12월 9일 출원되었으며, 이 개시 내용과 일치하는 범위 내에서 그 내용이 이 문서에 참고로 포함되는, 함께 계류중인 미국 특허출원 12/631,412호에 기술되고 예시된다.
여기에 개시된 예시적인 실시예들은, 기술된 열역학 사이클(100 내지 600)과의 연결 또는 통합으로 질량 관리 시스템 (MMS)을 통합 및 이용하는 것을 더 포함할 수 있을 것이다. MMS는, 작동 유체 회로(100 내지 600)로부터의 질량(즉, 작동 유체)를 추가 및 제거함으로써 제1 펌프(120)에서의 입구 압력을 제어하기 위해 제공될 수 있을 것이며, 그럼으로써, 사이클(100 내지 600)의 효율을 증대시킨다. 한 예시적인 실시예에서는, MMS는, 사이클(100 내지 600)과 함께 반-수동적으로 작동하며, 회로(110 내지 610)의 고압측(펌프(120) 출구로부터 팽창기(116, 118) 입구까지) 및 저압측(팽창기(112, 114) 출구로부터 펌프(120) 입구까지)에서 압력 및 온도를 감시하기 위한 센서들을 이용한다. MMS는, 작동 유체 회로(110 내지 610) 및 작동 유체의 저장을 위한 질량 제어 탱크의 속으로 및 밖으로의 이동이 가능하게 하기 위해, 밸브, 탱크 가열기 또는 다른 장비를 포함할 수도 있을 것이다. MMS의 예시적인 실시예들은, 2009년 12월 4일에 출원되고 함께 계류중인 미국 특허출원 12/631,412호; 12/631,400호; 및 12/631,379호; 2010년 9월 13일에 출원된 미국 특허출원 12/880,428호, 및 2011년 3월 22일에 출원된 국제특허출원 US2011/29486호에 예시되고 기술되어 있다. 위 출원들의 각각의 내용은, 이 개시 내용에 모순되지 않는 범위에서, 이 문서에 의해 참고로 포함된다.
이제 도 7 및 도 8을 보면, 하나 이상의 예시적인 실시예에서 여기에 기술된 열역학 사이클(100 내지 600)과 함께 이용될 수 있을 것인 예시적인 질량 관리 시스템(700 및 800)이 예시되어 있다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 시스템 결부 점 A, B, 및 C(도 8에도시된 점 A 및 점 C만)는 도 1 내지 도 6에 도시된 시스템 결부 점 A, B, 및 C에 대응한다. 따라서, MMS(700 및 800)는 대응하는 시스템 결부 점 A, B, 및 C에서 도 1 내지 도 6의 열역학 사이클(100 내지 600)에 제각기 유동상 연결될 수 있을 것이다(적용 가능하다면). 예시적인 MMS(800)는 저온(환경보다 낮은) 및 그러므로 저압에서 작동 유체를 저장하며, 예시적인 MMS(700)는 대기 온도 또는 대기 온도에 가깝게 작동 유체를 저장한다. 위에서 설명한 바와 같이, 작동 유체는 CO2일 수 있을 것이지만, 이 개시 내용의 범위로부터 벗어남이 없이, 다른 작동 유체일 수도 있을 것이다.
MMS(700)의 예시적인 작동에서, 작동 유체 저장 탱크(702)는 결부 점 A에서 제1 밸브(704)를 통해 작동 유체 회로(110 내지 610)로부터 작동 유체를 끌어들임으로써 가압된다. 필요하다면, 추가적 작동 유체가 펌프(120)(도 1 내지 도 6)로부터 상류에 배열된 결부 점 C를 통해 흐르도록 허용하기 위해 저장 탱크(702)의 바닥 근처에 배열된 제2 밸브(706)를 개방함으로써, 추가적 작동 유체가 작동 유체 회로(110 내지 610)에 추가될 수 있을 것이다. 결부 점 C에서 회로(110 내지 610)에 작동 유체를 추가하는 것은 제1 펌프(120)의 입구 압력을 상승시키는 작용을 할 수 있을 것이다. 작동 유체 회로(110 내지 610)로부터 유체를 추출하고, 그럼으로써 제1 펌프(120)의 입구 압력을 감소시키기 위해, 가압된 저온 유체가 결부 점 B를 거쳐 저장 탱크로 들어가는 것을 허용하도록, 제3 밸브(708)가 개방될 수 있을 것이다. 모든 응용에서 필수적인 것은 아니지만, MMS(700)는 탱크(702)로부터 작동 유체를 제거하고 그것을 작동 유체 회로(110 내지 610) 속에 주입하도록 구성된 전달 펌프(710)를 포함할 수도 있을 것이다.
도 8의 MMS(800)는 단지 두개의 시스템 결부 또는 경계면 점 A 및 C만을 이용한다. 밸브 제어되는 경계면 A는 제어 단계(예를 들어, 유닛의 정상 작동) 동안에는 이용되지 않으며, 채우는 동안 회로(110 내지 610)의 온도가 최소 한계를 초과하게 유지하도록, 작동 유체 회로(110 내지 610)를 증기로 예압하기 위해서만 제공된다. 액상 작동 유체를 대략적으로 환경 온도인 기상 작동 유체로 변환하기 위해 환경 열을 이용하도록, 기화기가 포함될 수 있을 것이다. 기화기 없이는, 채우는 동안에, 시스템이 온도가 극단적으로 감소할 수 있다. 기화기는 추출되었던 액체의 손실 체적을 보상하기 위해 증기가 저장 탱크(702)로 되돌아가게 할 수 있고, 그럼으로써, 압력 형성기로서 작동한다. 적어도 하나의 실시예에서, 기화기는 전기적으로 가열되거나 또는 2차 유체에 의해 가열될 수 있다. 작동에서, 제1 펌프(120)(도 1 내지 도 6)의 흡입 압력을 증대시키기를 원하면, 결부 C 또는 그 근처에 제공된 전달 펌프(802)로 작동 유체를 펌핑함으로써, 작동 유체가 선택적으로 작동 유체 회로(110 내지 610)에 추가될 수 있을 것이다. 펌프(120)의 흡입 압력을 저감시키기를 원하면, 경계면 C에서 작동 유체가 시스템으로부터 선택적으로 추출되고, 하나 이상의 밸브(804 및 806)를 통해 팽창되어 저장 탱크(702)의 상대적으로 낮은 저장 압력으로 강하된다.
대부분의 상태 하에서, 밸브(804, 806)의 뒤에서 팽창된 유체는 두개의 상(즉, 증기+액체)일 것이다. 저장 탱크(702) 속의 압력이 그것의 정상 작동 한계를 초과하는 것을 방지하기 위해, 증기 압축기(808) 및 수반하는 응축기(810)를 포함하는 작은 증기 압축 냉각 사이클이 제공될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 응축기가 기화기로서 이용될 수 있을 것이며, 여기에서 응축기 물은 열 싱크의 대신에 열원으로서 이용된다. 냉각 사이클은, 작동 유체의 온도를 강하시키고 저장 탱크(702)의 압력을 그것의 설계 상태로 유지하기에 충분하게 증기를 응축시키도록 구성될 수 있을 것이다. 알 수 있듯이, 증기 압축 냉각 사이클은 MMS(800) 내에서 통합될 수 있거나, 또는 독립적인 냉매 루프를 갖는 독립적 증기 압축 사이클일 수 있을 것이다.
저장 탱크(702) 내에 있는 작동 유체는 탱크(702)의 하부에서 고밀도 작동 유체이고 탱크(702)의 상부에서 저밀도 작동 유체인 채로 계층화 하는 경향이 있을 것이다. 작동 유체는 액상, 기상 또는 둘 다, 또는 초임계 상태일 수 있을 것이며; 작동 유체가 기상 및 액상의 둘 다에 있으면, 밀도가 더 높은 작동 유체가 저장 탱크(702)의 하부에 있는 채로, 작동 유체의 한 상을 다른 상으로부터 분리하는 상 계면이 있을 것이다. 이렇게 해서, MMS(700, 800)는 저장 탱크(702) 내의 최대 밀도의 작동 유체를 회로(110 내지 610)에 전달하는 것이 가능해질 수 있을 것이다.
기술된 다양한 작동 유체 환경에 대한 제어 또는 변화 및 작동 유체 회로(110 내지 610)의 전반에 걸친 상태, 온도, 압력, 유동 방향 및 유동율, 및 펌프(120, 122) 및 터빈(112, 114)과 같은 구성요소 작동의 모두는, 도 7 및 도 8에서 일반적으로 도시된 제어 시스템(712)에 의해 감시 및/또는 제어될 수 있을 것이다. 이 개시 내용의 실시예들과 양립될 수 있는 예시적인 제어 시스템은 발명의 명칭이 "작동 유체 충전 시스템을 갖는 열 기관 및 열/전기 시스템 및 방법(Heat Engine and Heat to Electricity Systems and Methods with Working Fluid Fill System)"이고, 2010년 9월 13일에 출원되었으며, 위에서 나타낸 바와 같이 참고로 포함되는 함께 계류중인 미국 특허출원 12/880,428호에 기술되고 예시되어 있다.
한 예시적인 실시예에서는, 제어 시스템(712)이 제어 루프 피드백 시스템으로서의 하나 이상의 비례 적분 미분 (PID)(proportional-integral-derivative) 제어기를 포함할 수 있을 것이다. 다른 한 예시적인 실시예에서는, 제어 시스템(712)이, 센서 입력을 받고 예정된 알고리즘 또는 표에 따른 제어 신호를 발생시키기 위해 제어 프로그램을 저장하고 제어 프로그램을 실행할 수 있는, 어떤 마이크로프로세서 기반 시스템이든 될 수 있을 것이다. 예를 들어, 제어 시스템(712)은 컴퓨터 판독 가능한 매체 상에 저장된 제어 소프트웨어 프로그램을 실행하는 마이크로프로세서 기반 컴퓨터일 수 있을 것이다. 소프트웨어 프로그램은 작동 유체 회로(110 내지 610)의 전반에 걸쳐 배치된 다양한 압력, 온도, 유속 등 센서로부터 센서 입력을 받고 그로부터 제어 신호를 발생시키도록 구성될 수 있을 것이며, 제어 신호는 회로(110 내지 610)의 작동을 최적화 하거나 및/또는 선택적으로 제어하도록 구성된다.
각각의 MMS(700, 800)는, 여기에 기술된 다양한 밸브 및 다른 장비의 제어가 자동화 되거나 또는 반자동화 되고, 회로(110 내지 610)의 전반에 걸쳐 배치된 다양한 센서에 의해 얻어지는 시스템 성능 데이터에 반응하며, 환경 및 환경적 상태에 반응하기도 하도록, 그러한 제어 시스템(712)에 통신 가능하게 연결될 수 있을 것이다. 다시 말해서, 제어 시스템(712)은 MMS(700, 800)의 구성요소들의 각각과 소통하고 열역학 사이클(100 내지 600)의 기능을 더 효율적으로 수행하기 위해 그 작동을 제어하도록 구성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 제어 시스템(712)은 시스템에서의 밸브, 펌프, 센서 등의 각각과 소통(유선, RF 신호 등에 의해) 하고, 제어 소프트웨어, 알고리즘, 또는 다른 예정된 제어 메커니즘에 따라 구성요소들의 각각의 작동을 제어하도록 구성될 수 있을 것이다. 이는, 작동 유체의 압축성을 감소시킴으로써 제1 펌프(120)의 흡입 압력을 활발히 증대시키도록 제1 펌프(120)의 입구에서의 작동 유체의 온도 및 압력을 제어하기에 유리하다는 것을 드러낼 수 있을 것이다. 그렇게 하는 것은, 제1 펌프(120)에 대한 손상을 회피할 뿐만 아니라, 열역학 사이클(100 내지 600)의 전반적인 압력비를 증대시키고, 그럼으로써 효율 및 동력 출력을 향상시킬 수 있을 것이다.
하나 이상의 예시적인 실시예에서, 펌프(120)의 입구에서의 작동 유체의 비등 압력을 초과하게 펌프(120)의 흡입 압력을 유지하는 것이 유리하다는 것을 드러낼 수 있을 것이다. 작동 유체 회로(110 내지 610)의 저온측에서의 작동 유체의 압력을 제어하는 한 방법은 도 7의 저장 탱크(702)에서의 작동 유체의 온도를 제어하는 것이다. 이는 펌프(120)의 입구에서의 온도보다 더 높은 수준으로 저장 탱크(702)의 온도를 유지함으로써 수행될 수 있을 것이다. 이를 수행하기 위해, MMS(700)는 탱크(702) 내에서의 가열기 및/또는 코일(714)의 이용을 포함할 수 있을 것이다. 가열기/코일(714)은 탱크(702) 내에서의 유체/증기로부터 열을 추가하거나 또는 제거하도록 구성될 수 있을 것이다. 한 예시적인 실시예에서는, 저장 탱크(702)의 온도가 직접적 전열을 이용하여 제어될 수 있을 것이다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서는, 펌프 방출 유체(펌프 입구에서보다 더 높은 온도임)를 갖는 열 교환기 코일, 냉각기/응축기로부터 소비되는 냉각수(펌프 입구에서보다 더 높은 온도임)를 갖는 열 교환기 코일, 또는 그 조합과 같지만, 한정되는 것은 아닌, 다른 장치를 이용하여 저장 탱크(702)의 온도가 제어될 수 있을 것이다.
이제 도 9 및 도 10을 보면, 냉각 시스템(900 및 1000)은, 가스 터빈 또는 다른 공기 흡입 기관의 입구 공기의 예비 냉각을 포함하지만 한정되지는 않는, 산업 공정의 다른 영역에 대한 냉각을 제공하고, 그럼으로써, 더 높은 기관 동력 출력을 제공하기 위해, 위에서 기술된 사이클 중 어느 것과 관련해서든 제각기 채택될 수도 있을 것이다. 도 9 및 도 10에서의 시스템 결부 점 B와 D 또는 C와 D)는 도 1 내지 도 6에서의 시스템 결부 점 B, C, 및 D에 대응할 수 있을 것이다. 따라서, 냉각 시스템(900, 1000)은 대응하는 시스템 결부 점 B, C, 및/또는 D에서 도 1 내지 도 6의 작동 유체 회로(110 내지 610) 중 하나 이상에 제각기 유동상 연결될 수 있을 것이다(적용 가능하다면).
도 9의 냉각 시스템(900)에서, 작동 유체의 부분은 시스템 결부 점 C에서 작동 유체 회로(110 내지 610)로부터 추출될 수 있을 것이다. 그 부분의 유체의 압력은, 밸브, 오리피스, 또는 터빈 또는 양변위 팽창기(positive displacement expander)와 같은 유체 팽창기일 수 있을 것인, 팽창 장치(902)를 통해 저감된다. 이 팽창 공정은 작동 유체의 온도를 강하시킨다. 그 후, 외부 공정 유체(예를 들어, 공기, 물 등)의 온도를 강하시키는, 기화기 열 교환기(904)에서 작동 유체에 열이 추가된다. 그 후, 작동 유체 압력은 압축기(906)의 이용을 통해 다시 증대되고, 그 후, 그것은 시스템 결부 점 D를 거쳐 작동 유체 회로(110 내지 610)에 재도입된다.
압축기(906)는 전동 또는 터빈 구동되는 전용 터빈 또는 시스템의 1차 터빈에 추가된 추가적 휠일 수 있을 것이다. 다른 예시적인 실시예에서는, 압축기(906)는 메인 작동 유체 회로(110 내지 610)와 통합될 수 있을 것이다. 또 다른 예시적인 실시예에서는, 압축기(906)는 응축기(124)(도 1 내지 도 6)로부터의 상류에서 시스템 결부 점 A로부터 공급받고, 시스템 결부 점 D로 방출하는 기동 유체로 유체 방출기를 형성할 수 있을 것이다.
도 10의 냉각 시스템(1000)은 위에서 기술된 압축기(906)와 사실상 유사한 압축기(1002)를 포함할 수도 있을 것이다. 압축기(1002)는, 결부 점 A(도시되지 않았지만, 도 1 내지 도 6에서의 점 A에 대응함)를 거쳐 작동 유체 사이클(110 내지 610)로부터 공급되고, 결부 점 D를 거쳐 사이클(110 내지 610)로 방출하는 기동 유체로 유체 방출기를 형성할 수 있을 것이다. 예시된 예시적인 실시예에서는, 작동 유체가 결부 점 B를 거쳐 회로(110 내지 610)로부터 추출되고, 위에서 기술된 팽창 장치(902)와 유사한 팽창 장치(1006)에서 팽창되기 전에 열 교환기(1004)에 의해 예비 냉각된다. 한 예시적인 실시예에서는, 열 교환기(1004)는 물-CO2, 또는 공기-CO2 열 교환기를 포함할 수 있을 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 열 교환기(1004)의 추가는 도 9에 도시된 냉각 시스템(900)으로 가능한 것을 초과하는 추가적 냉각 용량을 제공할 수 있을 것이다.
여기에서 이용되는 바로서, 용어 "상류" 및 "하류"는 이 개시 내용의 다양한 예시적인 실시예 및 구조를 더 명료하게 기술하려는 것이다. 예를 들어, "상류"는 일반적으로 정상 작동 중 작동 유체의 유동의 방향을 향하거나 또는 맞서는 것을 의미하며, "하류"는 일반적으로 정상 작동 중 작동 유체의 유동의 방향인 것을 의미한다.
이 기술분야에서 숙련된 자가 이 개시 내용을 더 잘 이해할 수 있도록, 앞에서 몇몇 실시예들의 개요를 설명하였다. 이 기술분야에서 숙련된 자는, 자신들이, 여기에서 도입된 실시예들과 동일한 목적을 성취하거나 및/또는 동일한 이점을 얻기 위해 다른 공정 및 구조를 설계 또는 수정하기 위한 근거로서, 이 개시 내용을 쉽게 이용할 수 있을 것임을 알 것이다. 이 기술분야에서 숙련된 자는, 그러한 동등한 구성들이 이 개시 내용의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않으며, 이 개시 내용의 정신 및 범위로부터 벗어남이 없이, 여기에 대한 다양한 변화, 대체 및 변경을 만들 수 있을 것임을 알 것이다.

Claims (59)

  1. 열 에너지를 일로 변환하는 변환 시스템으로서:
    작동 유체 회로의 전반에 걸쳐, 펌프로부터의 하류에서 제1 질량 유동 및 제2 질량 유동으로 분리되는 작동 유체 - 이산화탄소를 포함하며 작동 유체 회로의 적어도 일부에 있어서 초임계 상태에 있음 - 를 순환시키도록 구성된 펌프는 ;
    펌프와 유동상 연결되고 열원과 열 소통하는 제1 열 교환기로서, 제1 질량 유동을 받아들이고 열원으로부터 제1 질량 유동으로 열을 전달하도록 구성되는 제1 열 교환기;
    제1 열 교환기에 유동상 연결되고 제1 질량 유동을 팽창시키도록 구성된 제1 터빈;
    제1 터빈에 유동상 연결되고 제1 터빈으로부터 방출되는 제1 질량 유동으로부터 제1 열 교환기로 안내되는 제1 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성된 제1 레큐퍼레이터(recuperator);
    펌프와 유동상 연결되고 열원과 열 소통하는 제2 열 교환기로서, 제2 질량 유동을 받아들이고 열원으로부터 제2 질량 유동으로 열을 전달하도록 구성되는 제2 열 교환기; 및
    제2 열 교환기에 유동상 연결되고 제2 질량 유동을 팽창시키도록 구성된 제2 터빈을 포함하는 변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 열원은 폐열 스트림인 것인 변환 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 작동 유체는 작동 유체 회로의 고압측에서 초임계 상태에 있고, 작동 유체 회로의 저압측에서 준임계 상태에 있는 것인 변환 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 작동 유체는 펌프로의 입구에서 초임계 상태에 있는 것인 변환 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 제1 열 교환기와 제2 열 교환기는 열원에서 직렬로 배열되는 것인 변환 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 제1 질량 유동은 제2 질량 유동과 병렬로 순환하는 것인 변환 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 제2 터빈에 유동상 연결되고 제2 터빈으로부터 방출되는 제2 질량 유동으로부터 제2 열 교환기로 안내되는 제2 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성된 제2 레큐퍼레이터를 더 포함하는 변환 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 제1 레큐퍼레이터 및 제2 레큐퍼레이터는 작동 유체 회로의 저온측에서 병렬로 배열되고, 제1 레큐퍼레이터 및 제2 레큐퍼레이터는 작동 유체 회로의 고온측에서 병렬로 배열되는 것인 변환 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 제2 터빈에 유동상 연결되고 조합된 제1 질량 유동과 제2 질량 유동으로부터 제1 열 교환기로 안내되는 제1 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성된 제2 레큐퍼레이터를 더 포함하는 변환 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 제1 터빈에서의 입구 압력이 제2 터빈에서의 입구 압력과 동등한 것인 변환 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 제1 터빈에서의 방출 압력이 제2 터빈에서의 방출 압력과 상이한 것인 변환 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 적어도 두개의 결부 점을 거쳐 작동 유체 회로에 작동상 연결된 질량 관리 시스템을 더 포함하고, 질량 관리 시스템은 작동 유체 회로 내의 작동 유체의 양을 제어하도록 구성되는 것인 변환 시스템.
  13. 열 에너지를 일로 변환하는 변환 시스템으로서:
    작동 유체 회로의 전반에 걸쳐, 펌프로부터의 하류에서 제1 질량 유동 및 제2 질량 유동으로 분리되는 작동 유체 - 이산화탄소를 포함하며 작동 유체 회로의 적어도 일부에 있어서 초임계 상태에 있음 - 를 순환시키도록 구성된 펌프;
    펌프와 유동상 연결되고 열원과 열 소통하는 제1 열 교환기로서, 제1 질량 유동을 받아들이고 열원으로부터 제1 질량 유동으로 열을 전달하도록 구성되는 제1 열 교환기;
    제1 열 교환기에 유동상 연결되고 제1 질량 유동을 팽창시키도록 구성된 제1 터빈;
    제1 터빈에 유동상 연결되고 제1 터빈으로부터 방출되는 제1 질량 유동으로부터 제1 열 교환기로 안내되는 제1 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성된 제1 레큐퍼레이터;
    펌프에 유동상 연결되고 열원과 열 소통하는 제2 열 교환기로서, 제2 질량 유동을 받아들이고 열원으로부터 제2 질량 유동으로 열을 전달하도록 구성되는 제2 열 교환기;
    제2 열 교환기에 유동상 연결되고, 제2 터빈으로부터 방출되고 제1 질량 유동과 재조합되어 조합된 질량 유동을 발생시키는 제2 질량 유동을 팽창시키도록 구성된 제2 터빈;
    제2 터빈에 유동상 연결되고 조합된 질량 유동으로부터 제2 열 교환기로 안내되는 제2 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성된 제2 레큐퍼레이터; 및
    열원과 열 소통하고 펌프와 제1 열 교환기 사이에 배열된 제3 열 교환기로서, 열을 받아들이고 제1 열 교환기를 통과하기 전의 제1 질량 유동으로 열을 전달하도록 구성되는 제3 열 교환기를 포함하는 변환 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 열원은 폐열 스트림인 것인 변환 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 작동 유체는 작동 유체 회로의 고압측에서 초임계 상태에 있고, 작동 유체 회로의 저압측에서 준임계 상태에 있는 것인 변환 시스템
  16. 제13항에 있어서, 작동 유체는 펌프로의 입구에서 초임계 상태에 있는 것인 변환 시스템.
  17. 제13항에 있어서, 제1 열 교환기, 제2 열 교환기 및 제3 열 교환기는 폐열 스트림에서 직렬로 배열되고, 제1 질량 유동은 제2 질량 유동과 병렬로 순환하는 것인 변환 시스템.
  18. 제13항에 있어서, 제1 레큐퍼레이터 및 제2 레큐퍼레이터는 단일의 레큐퍼레이터 구성요소를 포함하는 것인 변환 시스템.
  19. 제13항에 있어서, 제1 레큐퍼레이터 및 제2 레큐퍼레이터는 작동 유체 회로의 저온측에서는 직렬로 배열되고, 제1 레큐퍼레이터 및 제2 레큐퍼레이터는 작동 유체 회로의 고온측에서는 병렬로 배열되는 것인 변환 시스템.
  20. 제13항에 있어서, 펌프와 제3 열 교환기 사이에 배열된 제3 레큐퍼레이터를 더 포함하는 변환 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 제3 레큐퍼레이터는 제1 질량 유동이 제3 열 교환기 속으로 도입되기 전에 제2 레큐퍼레이터로부터 방출되는 조합된 질량 유동으로부터 제1 질량 유동으로 잔류 열을 전달하도록 구성되는 것인 변환 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 제1 레큐퍼레이터, 제2 레큐퍼레이터 및 제3 레큐퍼레이터는 작동 유체 회로의 저온측에서는 직렬로, 그리고 작동 유체 회로의 고온측에서는 병렬로 배열되는 것인 변환 시스템.
  23. 제20항에 있어서, 제1 레큐퍼레이터, 제2 레큐퍼레이터 및 제3 레큐퍼레이터는 단일의 레큐퍼레이터 구성요소를 포함하는 것인 변환 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 단일의 레큐퍼레이터 구성요소는, 제3 열 교환기로부터 방출되는 제1 질량 유동을 받아들여, 제1 질량 유동이 제1 열 교환기를 통과하기 전에 제1 질량 유동에 조합된 질량 유동으로부터 추가적 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성되는 것인 변환 시스템.
  25. 제13항에 있어서, 제1 터빈에서의 입구 압력이 제2 터빈에서의 입구 압력과 동등한 것인 변환 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 제1 터빈에서의 방출 압력이 제2 터빈에서의 방출 압력과 상이한 것인 변환 시스템.
  27. 열 에너지를 일로 변환하는 변환 방법으로서:
    작동 유체 회로의 전반에 걸쳐 펌프로 작동 유체 - 이산화탄소를 포함하며 작동 유체 회로의 적어도 일부에 있어서 초임계 상태에 있음 - 를 순환시키는 단계;
    작동 유체 회로에서 작동 유체를 제1 질량 유동과 제2 질량 유동으로 분리하는 단계;
    열원과 열 소통하는 제1 열 교환기에서 열원으로부터 제1 질량 유동으로 열 에너지를 전달하는 단계;
    제1 열 교환기에 유동상 연결된 제1 터빈에서 제1 질량 유동을 팽창시키는 단계;
    제1 터빈에 유동상 연결되는 제1 레큐퍼레이터에서 제1 터빈으로부터 방출되는 제1 질량 유동으로부터 제1 열 교환기로 안내되는 제1 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하는 단계;
    열원과 열 소통하는 제2 열 교환기에서 열원으로부터 제2 질량 유동으로 열 에너지를 전달하는 단계; 및
    제2 열 교환기에 유동상 연결된 제2 터빈에서 제2 질량 유동을 팽창시키는 단계를 포함하는 변환 방법.
  28. 제27항에 있어서, 제2 레큐퍼레이터에서 제2 터빈으로부터 방출되는 제2 질량 유동으로부터 제2 열 교환기에 안내되는 제2 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하는 단계를 더 포함하고, 제2 레큐퍼레이터는 제2 터빈에 유동상 연결되는 변환 방법.
  29. 제28항에 있어서, 제3 열 교환기에서 열원으로부터 제1 열 교환기를 통과하기 전에 제1 질량 유동에 열 에너지를 전달하는 단계를 더 포함하고, 제3 열 교환기는 열원과 열 소통하고 펌프와 제1 열 교환기 사이에 배열되는 것인 변환 방법.
  30. 제29항에 있어서, 제1 질량 유동이 제3 열 교환기 속에 도입되기 전에, 제3 레큐퍼레이터에서 제2 레큐퍼레이터로부터 방출되는 조합된 제1 질량 유동 및 제2 질량 유동으로부터 제1 질량 유동으로 잔류 열을 전달하는 단계를 더 포함하고, 제3 레큐퍼레이터는 펌프와 제3 열 교환기 사이에 배열되는 것인 변환 방법.
  31. 제27항에 있어서, 제2 레큐퍼레이터에서 조합된 제1 및 제2 질량 유동으로부터 제1 열 교환기에 안내되는 제1 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하는 단계를 더 포함하고, 제2 레큐퍼레이터는 제2 터빈에 유동상 연결되는 것인 변환 방법.
  32. 제3항 내지 제12항, 제15항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 열원은 폐열 스트림인 것인 변환 시스템.
  33. 제2항, 제4항 내지 제12항, 제14항, 제16항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 유체는 작동 유체 회로의 고압측에서 초임계 상태에 있고, 작동 유체 회로의 저압측에서 준임계 상태에 있는 것인 변환 시스템.
  34. 제2항, 제3항, 제5항 내지 제12항, 제14항, 제15항, 제17항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 유체는 펌프로의 입구에서 초임계 상태에 있는 것인 변환 시스템.
  35. 제2항 내지 제4항, 제6항 내지 제12항, 제14항 내지 제16항, 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열 교환기와 제2 열 교환기는 열원에서 직렬로 배열되는 것인 변환 시스템.
  36. 제2항 내지 제5항, 제7항 내지 제12항, 제14항 내지 제16항, 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 질량 유동은 제2 질량 유동과 병렬로 순환하는 것인 변환 시스템.
  37. 제2항 내지 제6항, 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 터빈에 유동상 연결되고 제2 터빈으로부터 방출되는 제2 질량 유동으로부터 제2 열 교환기로 안내되는 제2 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성된 제2 레큐퍼레이터를 더 포함하는 변환 시스템.
  38. 제37항에 있어서, 제1 레큐퍼레이터 및 제2 레큐퍼레이터는 작동 유체 회로의 저온측에서 병렬로 배열되고, 제1 레큐퍼레이터 및 제2 레큐퍼레이터는 작동 유체 회로의 고온측에서 병렬로 배열되는 것인 변환 시스템.
  39. 제2항 내지 제6항, 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 터빈에 유동상 연결되고 조합된 제1 질량 유동과 제2 질량 유동으로부터 제1 열 교환기로 안내되는 제1 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성된 제2 레큐퍼레이터를 더 포함하는 변환 시스템.
  40. 제2항 내지 제9항, 제11항, 제12항, 제14항 내지 제24항, 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 터빈에서의 입구 압력이 제2 터빈에서의 입구 압력과 동등한 것인 변환 시스템.
  41. 제40항에 있어서, 제1 터빈에서의 방출 압력이 제2 터빈에서의 방출 압력과 상이한 것인 변환 시스템.
  42. 제2항 내지 제11항, 제13항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 두개의 결부 점을 거쳐 작동 유체 회로에 작동상 연결된 질량 관리 시스템을 더 포함하고, 질량 관리 시스템은 작동 유체 회로 내의 작동 유체의 양을 제어하도록 구성되는 것인 변환 시스템.
  43. 제14항 내지 제16항, 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열 교환기, 제2 열 교환기 및 제3 열 교환기는 폐열 스트림에서 직렬로 배열되고, 제1 질량 유동은 제2 질량 유동과 병렬로 순환하는 것인 변환 시스템.
  44. 제14항 내지 제17항, 제25항, 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 레큐퍼레이터 및 제2 레큐퍼레이터는 단일의 레큐퍼레이터 구성요소를 포함하는 것인 변환 시스템.
  45. 제14항 내지 제19항, 제25항, 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 펌프와 제3 열 교환기 사이에 배열된 제3 레큐퍼레이터를 더 포함하는 변환 시스템.
  46. 제45항에 있어서, 제3 레큐퍼레이터는 제1 질량 유동이 제3 열 교환기 속으로 도입되기 전에 제2 레큐퍼레이터로부터 방출되는 조합된 질량 유동으로부터 제1 질량 유동으로 잔류 열을 전달하도록 구성되는 것인 변환 시스템.
  47. 제46항에 있어서, 제1 레큐퍼레이터, 제2 레큐퍼레이터 및 제3 레큐퍼레이터는 작동 유체 회로의 저온측에서는 직렬로, 그리고 작동 유체 회로의 고온측에서는 병렬로 배열되는 것인 변환 시스템.
  48. 제45항에 있어서, 제1 레큐퍼레이터, 제2 레큐퍼레이터 및 제3 레큐퍼레이터는 단일의 레큐퍼레이터 구성요소를 포함하는 것인 변환 시스템.
  49. 제48항에 있어서, 단일의 레큐퍼레이터 구성요소는, 제3 열 교환기로부터 방출되는 제1 질량 유동을 받아들이고, 제1 질량 유동이 제1 열 교환기를 통과하기 전의 제1 질량 유동으로 조합된 질량 유동으로부터 추가적 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성되는 것인 변환 시스템.
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