KR101999811B1 - 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 및 이 열기관의 동작방법 - Google Patents

초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 및 이 열기관의 동작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관을 동작시키는 방법을 포함하며, 일 실시예에 따르면, 연소장치에서 배출되는 배가스와 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제1 열교환 단계; 제1 열교환된 배가스와 폐경로 내를 순환하는 열매체 유체를 열교환하여 상기 열매체 유체에 열에너지를 공급하는 제2 열교환 단계; 및 제2 열교환된 열매체 유체와 상기 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제3 열교환 단계;를 포함하고, 상기 랭킨 사이클의 터빈에서 배출된 작동유체를 상기 제3 열교환 단계와 상기 제1 열교환 단계를 순차적으로 거친 후 상기 터빈으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법을 개시한다.

Description

초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 및 이 열기관의 동작방법 {Supercritical Rankine cycle-based heat engine and method for operating the same heat engine}
본 발명은 랭킨 사이클 기반의 열기관에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 초임계 유체를 이용한 랭킨 사이클 기반의 열기관 및 이 열기관의 동작 방법에 관한 것이다.
최근 차세대 원자로, 태양열, 화석연료, 또는 바이오 연료를 포함한 모든 가능한 열원을 활용한 열기관의 사이클에 대하여 관심이 높아지고 있다. 예를 들면, 초임계 이산화탄소(CO2) 사이클은 기존의 스팀 이용 랭킨 사이클에 비해 높은 효율과 컴팩트한 장점을 가지고 있다.
CO2의 임계점은 31℃, 7.37MPa이다. 유체는 임계점보다 높은 온도와 압력에서는 초임계 상태로 변화한다. 초임계는 하이브리드 상태로서 액체처럼 밀도가 높지만 가스처럼 팽창하여 공간을 차지한다. 임계점 근처에서 작은 온도 변화는 큰 밀도 변화를 유발하며, 온도를 약간 상승시키기 위해서는 많은 에너지가 필요하게 된다. 그리고 밀도가 높은 액체에서 증기로 변하며, 자유표면이 없어 버블 또는 방울(drop)이 생기지 않는다. 이러한 초임계 상태의 특징 때문에 초임계 CO2가 랭킨 사이클의 작동유체(working fluid)로 관심이 높아지고 있다.
도1은 종래의 랭킨 사이클 기반의 열기관의 일 예를 나타낸다. 종래의 랭킨 사이클 열기관은 작동유체를 단열팽창시키면서 일을 하는 터빈(10), 열교환기의 일종인 레큐퍼레이터(20), 작동유체를 응축 및 냉각시키는 컨덴서(30), 작동유체를 압축시키는 펌프(40), 및 외부 열원으로부터의 열에너지를 작동유체에 공급하는 고온 열교환기(50)를 포함한다. 외부의 연소장치에서 배출되는 고온의 배가스(exhaust gas)가 제7 관로(L7)를 따라 고온 열교환기(50)로 유입되고, 열교환기(50)에서 작동유체가 배가스의 열에너지를 공급받은 후 제4 관로(L4)를 통해 터빈(10)으로 공급되어 터빈(10)을 구동하고, 그 후 리큐퍼레이터(20)에서 열을 버린 후 컨덴서(30)에서 응축 및 냉각되고 펌프(40)에서 압축되어 다시 열교환기(50)로 이송되는 과정을 반복한다.
그러나 도1의 종래의 랭킨 사이클을 배가스 폐열회수에 적용하게 되면 리큐퍼레이터(20)를 통해 작동유체의 온도가 상당히 상승한 후 배가스 회수 열교환기(50)를 지나게 되므로 배가스의 열에너지를 작동유체에 전달한 후 외부로 배출될 때에도 여전히 높은 온도를 가지고 있으므로 배가스의 폐열을 효율적으로 회수하지 못하는 문제가 있다.
이러한 단점을 극복하기 위한 시스템이 도2의 분기형(Spilit) 랭킨 사이클로서, 펌프(40)를 통과한 고압 작동유체가 분기되어 일부는 리큐퍼레이터(20)를 통과하면서 열을 회수하고 일부는 추가로 설치된 배가스 회수 저온열교환기(60)를 통과하면서 열을 회수하게 된다. 특히, 일반적인 가스 사이클 또는 증기사이클과는 달리 초임계 사이클의 재생열교환 과정에서는 작동유체의 상변화과정이 내재되어 있기 때문에 작동유체의 비열이 매우 커서 온도 상승을 위해서 많은 열을 필요로 한다. 따라서 리규퍼레이터(20)를 통해 팽창 후 작동유체의 남은 열을 재활용 할 뿐만 아니라 배기가스의 남은 열을 동시에 활용하여 작동유체를 가열하는 것이 출력 향상에 매우 중요하다고 할 수 있다.
그러나 도2의 시스템에서 출력 향상을 위해서는 운전 조건에 따라 리규퍼레이터(20)에서 회수할 수 있는 열량과 배가스 열회수 저온열교환기(60)에서 회수 할 수 있는 열량이 달라지므로 펌프 후단에서 작동유체 분기율(x)은 최적제어가 되어야 한다. 또한 기존의 배가스 열회수 고온 열교환기(50)와 저온 열교환기의 경우 200bar 이상의 높은 고압의 작동유체와 상대적으로 압력과 밀도가 매우 낮은 배가스 사이의 열교환을 수행해야 하므로 열교환을 위한 전열면적이 매우 넓어야 하고 배가스로 인한 부식에 대해서도 내구성을 가져야 하므로 배기열 회수 고온 고압 열교환기(50)의 제작 및 유지 관리 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.
특허문헌1: 한국 공개특허공보 제2013-0071099호 (2013년 6월 28일 공개)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 배가스의 열에너지를 효과적으로 작동유체에 전달하여 배가스의 열에너지 회수율을 높이면서도 고온 고압의 열교환기를 종래보다 적게 설치함으로써 열기관 장치의 설치 및 운용 비용을 절감할 수 있는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 및 이 열기관의 동작 방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관을 동작시키는 방법으로서, 연소장치에서 배출되는 배가스와 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제1 열교환 단계; 제1 열교환된 배가스와 폐경로 내를 순환하는 열매체 유체를 열교환하여 상기 열매체 유체에 열에너지를 공급하는 제2 열교환 단계; 및 제2 열교환된 열매체 유체와 상기 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제3 열교환 단계;를 포함하고, 상기 랭킨 사이클의 터빈에서 배출된 작동유체를 상기 제3 열교환 단계와 상기 제1 열교환 단계를 순차적으로 거친 후 상기 터빈으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법을 제공한다.
이 때 일 실시예에서, 상기 제3 열교환 단계가, 상기 터빈에서 배출되는 작동유체와 상기 터빈으로 유입되는 작동유체를 열교환하여 상기 터빈으로 유입되는 작동유체에 열에너지를 공급하는 제4 열교환 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 일 실시예에서 상기 작동유체가 초임계 이산화탄소일 수 있고, 상기 열매체 유체가 열매체유 또는 물 중 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관으로서, 연소장치에서 배출되는 배가스와 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기를 통과한 배가스와 폐경로 내를 순환하는 열매체 유체를 열교환하여 상기 열매체 유체에 열에너지를 공급하는 제2 열교환기; 및 상기 제2 열교환기를 통과한 열매체 유체와 상기 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제3 열교환기;를 포함하고, 상기 랭킨 사이클의 터빈에서 배출된 작동유체가 상기 제3 열교환기와 상기 제1 열교환기를 순차적으로 통과한 후 상기 터빈으로 유입되도록 구성된 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관을 제공한다.
이 때 일 실시예에서, 상기 제3 열교환기가, 상기 터빈에서 배출되는 작동유체와 상기 터빈으로 유입되는 작동유체를 열교환하여 상기 터빈으로 유입되는 작동유체에 열에너지를 공급하는 제4 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관을 동작시키는 방법으로서, 연소장치에서 배출되는 배가스와 폐경로 내를 순환하는 열매체 유체를 열교환하여 상기 열매체 유체에 열에너지를 공급하는 제1 열교환 단계; 제1 열교환된 열매체 유체와 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 1차 공급하는 제2 열교환 단계; 및 제2 열교환된 열매체 유체와 상기 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 2차 공급하는 제3 열교환 단계;를 포함하고, 상기 랭킨 사이클의 터빈에서 배출된 작동유체를 상기 제3 열교환 단계와 상기 제1 열교환 단계를 순차적으로 거친 후 상기 터빈으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법을 제공한다.
이 때 일 실시예에서, 상기 제3 열교환 단계가, 상기 터빈에서 배출되는 작동유체와 상기 터빈으로 유입되는 작동유체를 열교환하여 상기 터빈으로 유입되는 작동유체에 열에너지를 공급하는 제4 열교환 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관으로서, 연소장치에서 배출되는 배가스와 폐경로 내를 순환하는 열매체 유체를 열교환하여 상기 열매체 유체에 열에너지를 공급하는 제1 열교환기; 제1 열교환된 열매체 유체와 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 1차 공급하는 제2 열교환기; 및 제2 열교환된 열매체 유체와 상기 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 2차 공급하는 제3 열교환기;를 포함하고, 상기 랭킨 사이클의 터빈에서 배출된 작동유체가 상기 제3 열교환기와 상기 제2 열교환기를 순차적으로 통과한 후 상기 터빈으로 유입되도록 구성된 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관을 제공한다.
이 때 일 실시예에서, 상기 제3 열교환기가 상기 터빈에서 배출되는 작동유체와 상기 터빈으로 유입되는 작동유체를 열교환하여 상기 터빈으로 유입되는 작동유체에 열에너지를 공급하는 제4 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배가스 폐열회수용 초임계 랭킨 사이클 열기관에서 열매체 유체가 순환하는 폐경로를 배가스 관로와 작동유체 관로 사이에 개재하고 펌프 후단의 비열이 높은 작동유체의 온도상승을 위해 팽창 후 작동유체의 남은 열과 배가스 회수열을 하나의 열교환기에서 동시에 이용하여 작동유체를 가열하는 3유체 열교환기를 포함하는 열기관을 구성함으로써 배가스의 열에너지를 효과적으로 작동유체에 전달하여 배가스의 열에너지 회수율을 높이고 열기관의 설치 및 운용 비용을 절감할 수 있는 기술적 효과를 달성할 수 있다.
본 발명의 열기관에서는 배가스 폐열회수용 기존 분배형 랭킨 사이클과 같이 운전조건에 따라 펌프 후단에서 작동유체를 리큐퍼레이터와 배가스 회수 열교환기로 최적 분배 제어할 필요성이 없으며, 고압 배기열 회수 열교환기를 저압 배기열 회수 열교환기로 대체함으로서 경제성을 향상 시킬 수 있다. 또한 본 발명의 열기관에서는 저압 배기열 회수 열교환기와 고압 작동유체 열교환기를 완전히 분리함으로서 기술적 난이도가 높은 폐열회수 초임계 작동유체 발전시스템 모듈만을 분리 양산하여 현장에서는 폐열원(저압 폐열회수 열교환기는 일반적 기술을 적용하여 자체구성 가능)만 연결하면 운전이 가능하도록 함으로서 생산비용 및 설치비용을 절감하고 설치기간도 단축할 수 있는 장점이 있다.
도1은 종래의 랭킨 사이클 기반의 열기관을 설명하기 위한 도면,
도2는 종래의 또 다른 랭킨 사이클 기반의 열기관을 설명하기 위한 도면,
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관을 설명하기 위한 도면,
도4는 도3의 리큐퍼레이터(120)의 예시적인 일 실시예를 설명하기 위한 도면,
도5는 도3의 리큐퍼레이터(120)의 대안적인 일 실시예를 설명하기 위한 도면,
도6은 도3의 제1 실시예에 따른 열기관의 예시적인 동작을 설명하기 위한 도면,
도7은 제2 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관을 설명하기 위한 도면,
도8은 도7의 제2 실시예에 따른 열기관의 예시적인 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서의 도면에 있어서, 구성요소들의 길이, 두께, 넓이 등의 수치는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장하여 표시될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관을 나타낸다. 도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관은 터빈(110), 리큐퍼레이터(recuperator)(120), 컨덴서(130), 제1 펌프(140), 고온 열교환기(150), 저온 열교환기(160), 및 제2 펌프(170)를 포함할 수 있다. 초임계 랭킨 사이클의 제1 펌프(140)조건에서 작동유체는 임계점 근처에서 운전 조건에 따라 액상과 기상의 경계가 분명하지 않기 때문에 제1 펌프는 펌프 또는 압축기라고도 할 수 있다.
도시한 실시예에서, 터빈(110), 리큐퍼레이터(120), 컨덴서(130), 및 제1 펌프(140)는 랭킨 사이클을 구성하며 제1 관로(L1) 내지 제6 관로(L6)에 의해 연결되어 있다. 제1 내지 제6 관로(L1 내지 L6)는 폐경로(closed loop)를 이루며 관로 내부에 작동유체가 흐르도록 구성된다. 일 실시예에서 작동유체는 초임계 이산화탄소(CO2)일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로 본 발명적 개념이 초임계 이산화탄소에만 한정되지 않으며 공지의 다른 작동유체가 사용될 수 있다.
터빈(110)은 제4 관로(L4)를 통해 유입된 고온의 작동유체에 의해 기계적 일(WT)을 하고 제5 관로(L5)를 통해 작동유체를 배출한다. 리큐퍼레이터(120)는 열교환기의 일종으로, 제5 관로(L5)를 통해 유입되는 작동유체와 제2 관로(L2)를 통해 유입되는 작동유체 사이를 열교환한다. 즉 터빈(110)에서 배출된 작동유체와 터빈(110)을 향해 유입될 작동유체 사이를 열교환 할 수 있다.
컨덴서(130)는 리큐퍼레이터(120)에서 배출되는 작동유체를 유입받아서 응축 및 냉각시키며, 펌프(140)는 컨덴서(130)에서 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시킨 후 제2 관로(L2)를 통해 터빈(110) 측으로 배출한다. 제2 내지 제4 관로(L2~L4)를 따라 터빈(110)을 향해 이송되는 작동유체는 리큐퍼레이터(120)와 고온 열교환기(150)를 순차적으로 통과하며 열에너지를 공급받은 후 터빈(110)으로 유입된다. 즉, 리큐퍼레이터(120)에서, 터빈(110)을 향하는 작동유체가 터빈(110)에서 배출되는 작동유체와 열교환하여 열에너지를 공급받고, 그 후 고온 열교환기(150)에서 제7 관로(L7)를 흐르는 배가스와 열교환하여 열에너지를 공급받을 수 있다.
한편 고온 열교환기(150)와 저온 열교환기(160)는 배가스가 흐르는 제7 관로(L7) 상에 배치된다. 배가스는 임의의 연소장치에서 배출되는 고온의 가스일 수 있고, 직접적 또는 간접적 열교환에 의해 열에너지를 작동유체에 전달한다. 일 실시예에서 연소장치는 예컨대 가스터빈, 가스엔진, 디젤엔진, 연소기, 소각로 등 임의의 연소장치 중 하나가 될 수 있다.
도시한 실시예에서, 고온 열교환기(150)는 연소장치에서 배출되는 배가스와 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 작동유체에 열에너지를 공급할 수 있다. 저온 열교환기(160)는 고온 열교환기(150)를 통과한 배가스와 제8 관로(L8) 내를 순환하는 열매체(heat transfer) 유체를 열교환하여 열매체 유체에 열에너지를 공급할 수 있다.
이 때 제8 관로(L8)는 폐경로로 형성되며 제2 펌프(170)의 동작에 의해 제8 관로(L8)의 내부에 열매체 유체가 순환하도록 구성된다. 열매체 유체는 예를 들어 열매체 오일(thermal oil) 또는 물(H2O)을 사용할 수 있고, 그 외에 공지의 다른 유체를 열매체 유체로서 사용할 수도 있다.
제8 관로(L8)는 리큐퍼레이터(120)를 통과하도록 구성된다. 리큐퍼레이터(120)는 내부에서 제8 관로(L8)의 열매체 유체와 제2 관로(L2)의 작동유체 사이에 열교환이 일어나도록 구성된다. 이에 따라, 제7 관로(L7)를 흐르는 배가스의 열에너지가 저온 열교환기(160)에서 제8 관로(L8)를 흐르는 열매체 유체로 전달되고, 이 열매체 유체의 열에너지가 리큐퍼레이터(120)에서 제2 관로(L2)를 흐르는 작동유체로 전달될 수 있다.
도시한 바와 같이 리큐퍼레이터(120) 내에서는 제5 관로(L5)의 작동유체의 열에너지와 제8 관로(L8)의 열매체 유체의 열에너지가 모두 제2 관로(L2)의 작동유체에 전달된다. 이를 위해, 리큐퍼레이터(120)를 작동유체간의 열교환 및 작동유체와 열매체 유체 사이의 열교환을 동시에 수행할 수 있는 3유체 열교환기로 구현할 수도 있고, 대안적 실시예에서, 작동유체간 열교환을 위한 열교환기와 열매체 유체와 작동유체간 열교환을 위한 열교환기를 직렬로 연결하여 구성할 수도 있다.
이와 관련하여 도4는 3유체 열교환기로 리큐퍼레이터(120)를 구현하는 경우의 예시적 구조를 나타낸다. 도시한 일 실시예에서와 같이 각 관로를 얇은 판상구조로 만들어 이를 교대로 적층한 구조로 리큐퍼레이터(120)를 구성할 수 있으며, 도4는 이 적층된 판상구조의 단면을 도식적으로 나타낸다. 제2 관로(L2)를 통해 작동유체가 리큐퍼레이터(120)로 유입되고, 그 위와 아래에 각각 제8 관로(L8)와 제5 관로(L5)를 통해 열매체 유체와 작동유체가 유입된다.
이 때 제2 관로(L2)의 작동유체는 저온("C"로 표시)이고 제8 관로(L8)의 열매체 유체와 제5 관로(L5)의 작동유체는 모두 고온(각각 "H1"와 "H2"로 표시)이므로, 제2 관로(L2)의 작동유체가 양쪽으로부터 열에너지를 흡수하며 열교환 할 수 있다.
한편 도면에서는 각 관로가 2개의 판상의 관로로 분기된 전체 6층의 판상구조를 도시하였지만 이는 설명의 편의를 위한 것이고, 실제 구현시에는 각 관로가 많은 수의 판상구조의 관로로 분기되어 서로 열교환하도록 구성됨을 이해할 것이다.
도5는 대안적 실시예로서 리큐퍼레이터(120)를 두개의 열교환기를 직렬로 연결하여 두 열교환을 순차적으로 수행하는 경우를 도시하였다. 도5(a)의 실시예에 따르면, 리큐퍼레이터(120)는 작동유체간 열교환을 수행하는 제1 열교환기(121)와 열매체 유체와 작동유체간 열교환을 수행하는 제2 열교환기(122)를 포함하며, 작동유체간 열교환을 먼저 수행한 후 작동유체와 열매체 유체간 열교환을 수행한다. 도5(b)의 실시예에 따르면, 리큐퍼레이터(120)가 작동유체간 열교환을 수행하는 제3 열교환기(123)와 열매체 유체와 작동유체간 열교환을 수행하는 제4 열교환기(124)를 포함하며, 작동유체와 열매체 유체간 열교환을 먼저 수행한 후 작동유체간 열교환을 수행한다.
다시 도3을 참조하면, 리큐퍼레이터(120)에서 열에너지를 공급받은 작동유체는 제3 관로(L3)로 배출되어 고온 열교환기(150)로 유입되고, 고온 열교환기(150)에서 고온의 배가스와 작동유체 사이에 열교환을 하여 배가스의 열에너지를 작동유체로 전달한다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 랭킨 사이클의 작동유체의 순환 경로에 따르면, 터빈(110)에서 배출된 작동유체가 리큐퍼레이터(120)와 고온 열교환기(150)를 순차적으로 통과하면서 배가스의 열에너지를 공급받을 수 있다.
이제 도6을 참조하여 제1 실시예에 따른 열기관의 예시적 동작을 온도와 압력의 구체적 수치를 예로 들면서 설명하기로 한다. 그러나 이하에서 언급되는 온도와 압력 수치들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적인 것으로서 본 발명적 개념이 이러한 수치들에 한정되는 것이 아님을 당업자는 이해할 것이다.
도6에서 터빈(110), 리큐퍼레이터(120), 컨덴서(130), 제1 펌프(140), 고온 열교환기(150), 저온 열교환기(160), 및 제2 펌프(170)로 구성된 열기관은 도3의 열기관과 동일하며 따라서 각 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도면을 참조하면, 제4 관로(L4)를 통해 대략 섭씨 398도의 작동유체가 터빈(110)으로 유입된다고 가정하면, 터빈(110)은 이 작동유체에 의해 기계적 일을 수행한 후 대략 268도 및 60bar의 작동유체를 제5 관로(L5)로 배출한다. 제5 관로(L5)를 따라 리큐퍼레이터(120)로 유입된 작동유체는 제2 관로(L2)의 작동유체와 열교환을 한 후 컨덴서(130)로 유입된다. 컨덴서(130)는 작동유체를 응축 및 냉각시키고, 냉각된 작동유체는 약 20도의 온도로 제1 관로(L1)로 배출된다.
펌프(140)는 작동유체를 압축시켜 대략 230bar의 고압 작동유체를 제2 관로(L2)로 배출하고, 이 작동유체는 리큐퍼레이터(120)로 유입된다. 리큐퍼레이터(120)에서는 제2 관로(L2)와 제5 관로(L5)의 작동유체간 열교환 및 제8 관로(L8)의 열매체 유체와 제2 관로(L2)의 작동유체간 열교환이 이루어진다. 이 때 작동유체간 열교환은 높은 압력하에 이루어지며, 예컨대 도면에 예시한 것처럼 제2 관로(L2)에서 유입된 작동유체는 대략 230bar의 압력이고 제5 관로(L5)에서 유입된 작동유체는 대략 60bar의 압력이다. 따라서 이러한 고압 하의 열교환을 위해 고압 열교환기를 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger) 등의 고압 열교환기를 사용할 수 있다.
제2 관로(L2)를 통해 리큐퍼레이터(120)에 유입된 작동유체는 제5 관로(L5)의 작동유체와 제8 관로(L8)의 열매체 유체로부터 각각 열에너지를 받아 대략 258도의 온도로 상승한 뒤 제3 관로(L3)로 배출된다. 그 후 작동유체는 고온 열교환기(150)로 유입된다. 가스터빈, 가스엔진, 디젤 엔진, 또는 각종 연소기나 소각로 등과 같은 임의의 연소장치(미도시)에서 배출되는 배가스(EG)가 대략 섭씨 538도의 온도로 제7 관로(L7)로 유입된다고 가정하면, 고온 열교환기(150)에서 작동유체가 고온의 배가스와 열교환하여 열에너지를 공급받아 대략 398도로 상승한 후 터빈(110)으로 공급될 수 있다. 이 때 고온 열교환기(150)에서, 제3 관로(L3)에서 유입된 작동유체는 대략 230bar의 압력이고 배가스는 대기압에 가까운 대략 1bar의 압력의 저밀도 유체이므로, 고온 열교환기(150)는 고압에 견딜 수 있어야 하고 또한 효율적인 열교환을 위한 전열면적이 넓은 구조를 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.
한편 고온 열교환기(150)에서 작동유체에 열에너지를 공급한 배가스는 온도가 대략 289도로 하강한 뒤 고온 열교환기(150)에서 배출된 후 저온 열교환기(160)로 유입된다. 저온 열교환기(160)에서 배가스는 열매체 유체와 열교환하여 열에너지를 열매체 유체로 전달한 후 대략 73도로 하강한 후 배출되고, 열매체 유체는 상술한 바와 같이 이 배가스로부터 공급받은 열에너지를 리큐퍼레이터(120)에서 제2 관로(L2)의 작동유체에 전달하게 된다.
이 때 저온 열교환기(160)에서, 제7 관로(L7)를 흐르는 배가스는 대기압에 가까운 대략 1bar의 압력이고 열매체 유체도 밀도가 높은 액체를 사용하기 때문에 예컨대 대기압에 가깝게 1bar를 유지해도 되므로 저온 열교환기(160)는 대략 배가스와 열매체 유체가 대략 1:1 내지 1:10의 압력비를 갖는 저압 열교환기를 사용해도 무방하고, 따라서 고압의 고온 열교환기(150)에 비해 설치 및 유지 비용이 훨씬 저렴한 열교환기를 사용해도 되는 이점이 있다.
또한 상술한 본 발명의 일 실시예에 따르면 고온 열교환기(150)를 통과한 후의 배가스도 대략 289도로서 아직도 충분한 열에너지를 갖고 있으므로 이를 그냥 버리지 않고 열매체 유체를 매개로 하여 저온 열교환기(160)와 리큐퍼레이터(120)를 통해 이 배가스의 남은 열에너지를 회수하여 작동유체에 전달할 수 있으므로 배가스의 열에너지의 회수율을 높이는 기술적 이점도 있다.
그리고 본 발명의 열기관에서는 도2의 종래 배가스 폐열회수용 분배형 랭킨 사이클과 같이 운전조건에 따라 펌프 후단에서 작동유체를 리큐퍼레이터와 배가스 회수 열교환기로 최적 분배 제어할 필요성이 없으며, 고압 배기열 회수 열교환기를 저압 배기열 회수 열교환기로 대체함으로서 경제성을 향상시킬 수 있다.
이제 도7을 참조하여 제2 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관을 설명하기로 한다. 도7을 참조하면, 제2 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관은 터빈(210), 리큐퍼레이터(220), 컨덴서(230), 제1 펌프(240), 고온 열교환기(250), 폐열회수용(WHR) 열교환기(260), 및 제2 펌프(270)를 포함할 수 있다.
도시한 실시예에서, 터빈(210), 리큐퍼레이터(220), 컨덴서(230), 및 제1 펌프(240)는 랭킨 사이클을 구성한다. 이들 각 구성요소는 도3을 참조하여 설명한 구성요소, 즉 도3의 터빈(110), 리큐퍼레이터(120), 컨덴서(130), 및 제1 펌프(140)의 각각과 동일 또는 유사한 구성과 기능을 가지므로 자세한 설명은 생략한다.
랭킨 사이클을 구성하는 터빈(210), 리큐퍼레이터(220), 컨덴서(230), 및 제1 펌프(240)는 제1 관로(L1) 내지 제6 관로(L6)에 의해 연결되어 있다. 제1 내지 제6 관로(L1 내지 L6)는 폐루프를 이루며 관로 내부에 작동유체가 흐르도록 구성된다. 일 실시예에서 작동유체는 초임계 이산화탄소(CO2)일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로 본 발명적 개념이 초임계 이산화탄소에만 한정되지 않으며 공지의 다른 작동유체가 사용될 수 있다.
도시한 실시예에서 고온 열교환기(250), WHR 열교환기(260), 및 리큐퍼레이터(220)는 열매체 유체가 흐르는 제8 관로(L8) 상에 배치된다. 열매체 유체는 예를 들어 열매체 오일 또는 물(H2O)이 사용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 제8 관로(L8)는 폐경로를 이루며 제2 펌프(270)에 의해 열매체 유체가 제8 관로(L8) 내를 순환하게 된다. 또한 도시한 실시예에서 배가스가 흐르는 제7 관로(L7)가 WHR 열교환기(260)를 통과한다. 제1 실시예와 마찬가지로 배가스는 예컨대 가스터빈, 가스엔진, 디젤엔진, 연소기, 소각로 등 임의의 연소장치(도시 생략)에서 배출되는 고온의 가스일 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 연소장치에서 배출되는 배가스가 폐열회수용 열교환기(260)에 의해 열에너지를 열매체 유체로 전달하고, 열에너지를 공급받은 열매체 유체는 제8 관로(L8)를 따라 고온 열교환기(250)과 리큐퍼레이터(220)를 순차적으로 통과하면서 터빈(210)에 공급될 작동유체에 열에너지를 공급하게 된다.
또한 도1과 도2와 같이 초임계 사이클에서 배가스 폐열을 고압 작동유체로 직접 회수를 하게 되면 전열면적이 매우 큰 고압 열교환기가 필요하기 때문에 제작 비용이 고가이며 부식으로 인해 잦은 교환시 유지보수에 따른 비용 증가가 매우 크다고 할 수 있으나, 본 발명의 실시예와 같이 배가스 폐열을 열매체 유체로 간접 열교환하게 되면 전열면적이 매우 큰 고압 열교환기를 저압 열교환기로 대체할 수 있고 제작 및 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있다. 도8은 도7의 제2 실시예에 따른 열기관의 예시적인 동작을 설명하기 위한 도면으로, 온도와 압력의 구체적 수치를 예로 들면서 설명하기로 한다. 그러나 이하에서 언급되는 온도와 압력 수치들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적인 것으로서 본 발명적 개념이 이러한 수치들에 한정되는 것이 아님을 이해할 것이다.
도면을 참조하면, 제4 관로(L4)를 통해 대략 섭씨 308도의 작동유체가 터빈(210)으로 유입된다고 가정하면, 터빈(210)은 이 작동유체에 의해 기계적 일을 수행한 후 대략 207도 및 63bar의 작동유체를 제5 관로(L5)로 배출한다. 제5 관로(L5)를 따라 리큐퍼레이터(220)로 유입된 작동유체는 제2 관로(L2)의 작동유체와 열교환을 한 후 컨덴서(230)로 유입된다. 컨덴서(230)는 작동유체를 응축 및 냉각시키고, 냉각된 작동유체는 제1 관로(L1)로 배출된다.
펌프(240)는 작동유체를 압축시켜 대략 200bar의 고압 작동유체를 제2 관로(L2)로 배출하고, 이 작동유체는 리큐퍼레이터(220)로 유입된다. 리큐퍼레이터(220)에서 제2 관로(L2)와 제5 관로(L5)의 작동유체간 열교환 및 제8 관로(L8)의 열매체 유체와 제2 관로(L2)의 작동유체간 열교환이 이루어진다. 이 때 작동유체간 열교환은 높은 압력하에 이루어지며, 예컨대 도면에 예시한 것처럼 제2 관로(L2)에서 유입된 작동유체는 대략 200bar의 압력이고 제5 관로(L5)에서 유입된 작동유체는 대략 63bar의 압력이다. 따라서 이러한 고압 하의 열교환을 위해 예를 들어 PCHE 등의 고압 열교환기를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
제2 관로(L2)를 통해 리큐퍼레이터(220)에 유입된 작동유체는 제5 관로(L5)의 작동유체와 제8 관로(L8)의 열매체 유체로부터 각각 열에너지를 받아 대략 197도의 온도로 상승한 뒤 제3 관로(L3)로 배출된다. 그 후 작동유체는 고온 열교환기(250)로 유입된다.
한편 연소장치(미도시)에서 배출되는 배가스(EG)가 대략 섭씨 400도의 온도로 제7 관로(L7)로 유입된다고 가정하면, WHR 열교환기(260)에서 배가스가 열에너지를 열매체 유체로 전달하여 온도가 대략 79도로 하강한 후 외부로 배출되고, 제2 펌프(270)에 의해 열매체 유체는 배가스로부터 열에너지를 공급받아 예컨대 대략 49도에서 320도로 온도가 상승하여 열교환기(260)에서 배출된다.
이 고온의 열매체 유체는 고온 열교환기(250)와 리큐퍼레이터(220)를 순차적으로 통과하면서 열에너지를 작동유체에 공급한다. 예를 들어, 고온 열교환기(250)에서, 197도의 온도로 유입된 작동유체가 열매체 유체로부터 열에너지를 공급받아 308도로 상승하여 배출된 후 터빈(210)으로 공급될 수 있다.
이 때 고온 열교환기(250)는 각각 제1 펌프(240)와 제2 펌프(270)에 의해 이송되는 고압의 작동유체와 열매체 유체가 통과하므로 예를 들어 PCHE 등의 고압 열교환기를 사용하는 것이 바람직하다.
그러나 WHR 열교환기(260)는, 제7 관로(L7)를 흐르는 배가스가 대기압에 가까운 대략 1bar의 압력이고 열매체 유체가 밀도가 높은 액체이기 때문에 열매체 유체를 예컨대 대기압에 가깝게 1bar를 유지해도 되므로 WHR 열교환기(260)는 배가스와 열매체 유체가 대략 1:1 내지 1:10의 압력비를 갖는 저압 열교환기를 사용해도 무방하고, 따라서 고압의 고온 열교환기에 비해 설치 및 유지 비용이 훨씬 저렴한 열교환기를 사용할 수 있는 이점이 있다.
또한 상술한 본 발명의 제2 실시예에 따르면 열매체 유체가 고온 열교환기(250)와 리큐퍼레이터(220)를 순차적으로 통과하면서 두번에 걸쳐 열에너지를 작동유체에 공급하기 때문에 결과적으로 배가스의 열에너지 회수율을 높이는 이점도 가진다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110, 210: 터빈
120, 220: 리큐퍼레이터
130,230: 컨덴서
140,240: 제1 펌프
150,250: 고온 열교환기
160: 저온 열교환기
170, 270: 제2 펌프
260: WHR 열교환기

Claims (20)

  1. 작동유체 폐열과 배가스 폐열의 회수율 향상을 위한 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관을 동작시키는 방법으로서,
    연소장치에서 배출되는 배가스와 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제1 열교환 단계;
    제1 열교환된 배가스와 폐경로 내를 순환하는 열매체(heat transfer) 유체를 열교환하여 상기 열매체 유체에 열에너지를 공급하는 제2 열교환 단계; 및
    제2 열교환된 열매체 유체와 상기 랭킨 사이클의 터빈으로 유입되는 작동유체 사이의 열교환 및 상기 터빈에서 배출되는 작동유체와 상기 터빈으로 유입되는 작동유체 사이의 재생열교환을 동시에 수행하여 상기 터빈으로 유입되는 작동유체에 열에너지를 공급하는 제3 열교환 단계;를 포함하고,
    상기 제3 열교환을 위한 열교환기는 초임계 상태의 고압의 작동유체와 액체 상태의 열매체 유체간 3유체 열교환용 리큐퍼레이터이고,
    상기 터빈에서 배출된 작동유체를 상기 제3 열교환 단계와 상기 제1 열교환 단계를 순차적으로 거친 후 상기 터빈으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 열교환 단계를 위한 열교환기가 상기 열매체 유체의 관로, 상기 터빈으로 유입되는 작동유체의 관로, 및 상기 터빈에서 배출되는 작동유체의 관로가 적층된 판상구조를 복수회 반복 적층하여 구성된 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 작동유체가 초임계 이산화탄소(CO2)인 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열매체 유체가 열매체유(thermal oil) 또는 물(H2O)인 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 열교환을 위한 열교환기 내에서 상기 배가스와 열매체 유체 사이의 압력비가 1:1 내지 1:10인 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  6. 작동유체 폐열과 배가스 폐열의 회수율 향상을 위한 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관으로서,
    연소장치에서 배출되는 배가스와 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제1 열교환기(150);
    상기 제1 열교환기(150)를 통과한 배가스와 폐경로(8) 내를 순환하는 열매체(heat transfer) 유체를 열교환하여 상기 열매체 유체에 열에너지를 공급하는 제2 열교환기(160); 및
    상기 제2 열교환기(160)를 통과한 열매체 유체와 상기 랭킨 사이클의 터빈으로 유입되는 작동유체 사이의 열교환 및 상기 터빈에서 배출되는 작동유체와 상기 터빈으로 유입되는 작동유체 사이의 재생열교환을 동시에 수행하여 상기 터빈으로 유입되는 작동유체에 열에너지를 공급하는 제3 열교환기(120);를 포함하고,
    상기 제3 열교환기가 초임계 상태의 고압의 작동유체와 액체 상태의 열매체 유체간 3유체 열교환용 리큐퍼레이터이고,
    상기 터빈에서 배출된 작동유체가 상기 제3 열교환기(120)와 상기 제1 열교환기(150)를 순차적으로 통과한 후 상기 터빈으로 유입되도록 구성된 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제3 열교환기(120)는 상기 열매체 유체의 관로, 상기 터빈으로 유입되는 작동유체의 관로, 및 상기 터빈에서 배출되는 작동유체의 관로가 적층된 판상구조를 복수회 반복하여 적층하여 구성된 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 작동유체가 초임계 이산화탄소(CO2)인 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 열매체 유체가 열매체유(thermal oil) 또는 물(H2O)인 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기(160) 내에서 상기 배가스와 열매체 유체 사이의 압력비가 1:1 내지 1:10인 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관.
  11. 작동유체 폐열과 배가스 폐열의 회수율 향상을 위한 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관을 동작시키는 방법으로서,
    연소장치에서 배출되는 배가스와 폐경로 내를 순환하는 열매체(heat transfer) 유체를 열교환하여 상기 열매체 유체에 열에너지를 공급하는 제1 열교환 단계;
    제1 열교환된 열매체 유체와 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제2 열교환 단계; 및
    제2 열교환된 열매체 유체와 상기 랭킨 사이클의 터빈으로 유입되는 작동유체 사이의 열교환 및 상기 터빈에서 배출되는 작동유체와 상기 터빈으로 유입되는 작동유체 사이의 재생열교환을 동시에 수행하여 상기 터빈으로 유입되는 작동유체에 열에너지를 공급하는 제3 열교환 단계;를 포함하고,
    상기 제3 열교환을 위한 열교환기는 초임계 상태의 고압의 작동유체와 액체 상태의 열매체 유체간 3유체 열교환용 리큐퍼레이터이고,
    상기 터빈에서 배출된 작동유체를 상기 제3 열교환 단계와 상기 제2 열교환 단계를 순차적으로 거친 후 상기 터빈으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제3 열교환을 위한 열교환기가 상기 열매체 유체의 관로, 상기 터빈으로 유입되는 작동유체의 관로, 및 상기 터빈에서 배출되는 작동유체의 관로가 적층된 판상구조를 복수회 반복 적층하여 구성된 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 작동유체가 초임계 이산화탄소(CO2)인 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 열매체 유체가 열매체유(thermal oil) 또는 물(H2O)인 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 열교환을 위한 열교환기 내에서 상기 배가스와 열매체 유체 사이의 압력비가 1:1 내지 1:10인 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  16. 작동유체 폐열과 배가스 폐열의 회수율 향상을 위한 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관으로서,
    연소장치에서 배출되는 배가스와 폐경로 내를 순환하는 열매체(heat transfer) 유체를 열교환하여 상기 열매체 유체에 열에너지를 공급하는 제1 열교환기(260);
    제1 열교환된 열매체 유체와 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제2 열교환기(250); 및
    제2 열교환된 열매체 유체와 상기 랭킨 사이클의 터빈으로 유입되는 작동유체 사이의 열교환 및 상기 터빈에서 배출되는 작동유체와 상기 터빈으로 유입되는 작동유체 사이의 재생열교환을 동시에 수행하여 상기 터빈으로 유입되는 작동유체에 열에너지를 공급하는 제3 열교환기(220);를 포함하고,
    상기 제3 열교환기가 초임계 상태의 고압의 작동유체와 액체 상태의 열매체 유체간 3유체 열교환 리큐퍼레이터이고,
    상기 터빈에서 배출된 작동유체가 상기 제3 열교환기(220)와 상기 제2 열교환기(250)를 순차적으로 통과한 후 상기 터빈으로 유입되도록 구성된 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제3 열교환기(220)는 상기 열매체 유체의 관로, 상기 터빈으로 유입되는 작동유체의 관로, 및 상기 터빈에서 배출되는 작동유체의 관로가 적층된 판상구조를 복수회 반복하여 적층하여 구성된 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 작동유체가 초임계 이산화탄소(CO2)인 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 열매체 유체가 열매체유(thermal oil) 또는 물(H2O)인 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기(260) 내에서 상기 배가스와 열매체 유체 사이의 압력비가 1:1 내지 1:10인 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023111776A1 (en) * 2021-12-15 2023-06-22 Triveni Turbine Limited Compact heat engines for waste heat recovery

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102288147B1 (ko) * 2018-03-29 2021-08-10 엑스와이지 에너지 그룹, 엘엘씨 주요 열 전달 루프, 동력 사이클 루프 및 중간의 열 전달 루프를 포함하는 다수의 폐 루프들을 이용한 동력 및 열의 생성을 위한 방법 및 시스템.
KR102410340B1 (ko) 2020-11-13 2022-06-21 한국기계연구원 고온 고압에서 동작가능한 초임계 이산화탄소 사이클 기반의 열기관 및 이 열기관의 동작 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002510011A (ja) 1998-03-27 2002-04-02 エクソンモービル アップストリーム リサーチ カンパニー 圧縮液化天然ガスからの動力生産

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4444015A (en) * 1981-01-27 1984-04-24 Chiyoda Chemical Engineering & Construction Co., Ltd. Method for recovering power according to a cascaded Rankine cycle by gasifying liquefied natural gas and utilizing the cold potential
KR101345106B1 (ko) 2011-12-20 2013-12-26 한국기계연구원 엑서지 효율이 향상된 초월임계 랭킨 사이클 열기관과 그 방법
KR101477741B1 (ko) * 2013-04-12 2014-12-30 한국기계연구원 엔진 폐열 회수 장치
KR102035891B1 (ko) * 2016-05-27 2019-10-24 한국조선해양 주식회사 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 포함하는 선박

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002510011A (ja) 1998-03-27 2002-04-02 エクソンモービル アップストリーム リサーチ カンパニー 圧縮液化天然ガスからの動力生産

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023111776A1 (en) * 2021-12-15 2023-06-22 Triveni Turbine Limited Compact heat engines for waste heat recovery

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