KR102018939B1 - 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템 - Google Patents

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Abstract

도시된 것은 압축 점화 또는 불꽃 점화 왕복 피스톤 엔진이, 판매가능한 CO2 생성물을 가압된 상태에서 생산하는 방식으로 반밀폐 사이클을 통해 비-방출식으로 이루어지는 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템이이다. 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템은, 다른 요소 중에서, 동력 및 배기 가스를 발생시키기 위한 피스톤 엔진; 배기 가스를 수취하고 배기 가스로부터 물을 냉각 및 제거하여 CO2 가스 공급물을 생성시키는 물 냉각 및 분리 유닛; 물 냉각 및 분리 유닛으로부터 CO2 가스 공급물의 적어도 일부를 수취하고 CO2 가스 공급물을 산소와 혼합하여 피스톤 엔진에 제공될 작동 유체를 생성시키는 혼합 압력 용기; 및 혼합 압력 용기에 산소를 제공하기 위한 산소 발생기를 포함할 수 있다.

Description

사이클 피스톤 엔진 동력 시스템{CYCLE PISTON ENGINE POWER SYSTEM}
본 출원은, 개시 내용 전체가 본원에 참조로 통합되는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템이라는 제목으로 2012년 8월 30일에 출원된 미국가특허출원 번호 제61/694,858호에 대한 우선권을 청구한다.
본 발명은 일반적으로 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 통합 산소 생성, SC CO2 열 회수 및 이산화탄소 포획 및 정화 서브시스템을 갖는 반밀폐 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템에 관한 것이다.
종래의 동력 시스템은, 내부 또는 외부 연소의 어느 쪽이든, 연료와 공기를 태우고 일반적으로 연소 생성물[배기/연도가스(flue gas)]을 대기로(또는 수중 계면을 거쳐 대기로) 배출한다. 이는 천연 가스, 가솔린, 및 디젤 피스톤 엔진, 및 또한 가스 터빈, 제트 엔진, 또는 나아가 증기 보일러 기반 동력 플랜트에 적용된다. 대기로의 미처리 연도가스의 배출은, 실행하기에 간단하지만, 환경적인 이유로 바람직하지 않다. SO2, NOx, CO, HC(미연소 탄화수소) 및 보다 최근에는 CO2와 같은 가스가 오염물질로 규정되어 규제되고 있다. 특별한 목적의 용도, 특히 해저 용도에서, 시스템 배기 압력을 주변 압력(상승된 배압)으로 맞추어야 하는 요건은 엔진 사이클 효율을 현저하게 저하시킬 수 있다. 다른 특별한 목적의 용도, 특히 보다 높은 고도에서는, 시스템 압력을 주변 압력(감소된 입구 압력)으로 맞추어야 하는 요건은 비출력을 현저하게 감소시킬 수 있고, 또한 효율에 영향을 줄 수 있다.
결과적으로, 비-방출식이며 그리고/또는 국지적 주변 압력으로부터의 부정적인 영향이 덜할 것이 요구되어 왔으며, 다양한 밀폐 또는 반밀폐 동력 시스템에 대한 종래 연구가 이루어져왔다. 역사적으로(1900년대 초반에), 이러한 연구는 주로 특별한 목적의 용도에 관한 것이 었다. 보다 최근에는, 이러한 연구는 주로 더 높은 효율성을 제공하고 그리고/또는 배출물 또는 나아가서는 포획 시스템 배출물, 특히 CO2를 효과적으로 제어하는 능력에 관한 것이다.
밀폐 및 반밀폐 동력 시스템을 개발하기 위한 가장 강력한 초기 동기는 해저에서의 동력의 생산에 관한 것이었다. 미국특허 제2,884,912호에는, 생성물을 응축시키기 위해 액체 증발열을 이용하면서, 액체 산소를 이용하여 피스톤 엔진을 작동시키는 간단한 방법이 개시되어 있다. 이것은 해저 용도이기 때문에, 생성물 정화 또는 산소의 생성에 관한 논의는 없다. 미국특허 제3,134,228호에는, 터빈을 이용하는 다른 명확한 반밀폐 동력 시스템이 개시되어 있다. 또한, 액체 산소(LOX)가 산화제로서 내장 보유된다. 응축된 물은 펌핑되고 온도를 제어하기 위해 연소 희석제로서 사용되며, 동일한 방식으로 US Mk 16(나중에 WWII로 소개됨) 등의 "스팀피쉬(steamfish)" 어뢰에서 물, 산소 및 탄화수소가 조합된다. 미국특허 제3,559,402호에는, CO2의 액화 및 저장장치가 개시되어 있다. 또한, 냉각을 제공하기 위해 내장 액체 산소의 증발이 사용된다. 중요하게는, 통상적인 대기 이외의 조건에서 엔진을 작동시키는 것에 대한 어떠한 노력도 이루어지지 않는다. 실제로, 14 psia가 CO2/O2 스트림에 대한 재순환 압력이다.
미국특허 제3,736,745호에는, "초임계" 밀폐 사이클 터빈 시스템이 소개되어 있다. 이 특허에는 일부 기술적인 문제가 있지만, 극저온 산소의 사용 없이, CO2 및 물 양자의 생성물이 액체로서 함께 응축되는 충분히 높은 배압 및 깊이에서 작동하도록 되어 있다.
미국특허 제3,980,064호에서, 닛산 자동차(Nissan motors)는 산화제로서 H2O2를 사용하는 피스톤 엔진 또는 로터리 피스톤 엔진에 대한 상세사항을 제공한다. 이 시스템은 배기 재순환을 포함하지만, 상기 특허는 주로 인젝터 설계 및 다수의 연료를 태우는 능력에 대한 것이다. 바람직하지 않은 사이클의 지점에서 분해가 발생할 수 있기 때문에, H2O2의 직접적인 사용을 위한 인젝터 설계는 중요하다.
미국특허 제4,434,613호에서, 제너럴일렉트릭 회사(General Electric Company)는 CO2를 포함하는 "화학" 생성물을 위한 반밀폐 사이클 가스 터빈[브레이턴 사이클(Brayton Cycle)]을 소개한다. 이 특허는 분명히 해저 용도는 아니며, 초저온 공기 분리 유닛을 갖는 시스템의 통합이 포함된다. 상기 시스템은 높은 배압 및 재순환된 배기 가스(O2, CO2 및 여기 언급되지 않은 다른 가스)에서 작동하지 않는다. 이 가스 혼합의 포인트는 공기의 열역학 특성을 모방하는 것이고, 그래서 기존의 14psia 입구 압력 분자량(29)(공기) 가스 터빈 기계 설계가 사용될 수 있다. 또한, GE에서 전형적인 바와 같이, 환열기가 아닌 열 회수 증기 발생기(Heat Recovery Steam Generator: HRSG)가 사용된다. 그러나, 미국특허 제3,134,228호는 생성물 가스 정화에 관련된 어떠한 상세사항 또는 방법론도 개시하지 않는다. 미국특허 제4,674,463호에서, 코스워스 엔진 회사(Cosworth Engine company)는 해저 용도를 위한 반밀폐 사이클 피스톤 엔진을 재도입한다. 직접 해수 응축 프로세스에서의 산소 손실을 제한하기 위해 산소 농도를 21% 미만의 값까지 변화시키는 능력이 사용되었다.
Dunn Brayton 특허, 미국특허 제7,926,275호, 제7,926,276호, 제7,937,930호, 제7,951,339호, 및 제8,156,726호에서, 밀폐(금속 연료) 및 반밀폐(탄화수소 연료) 브레이턴(가스 터빈) 사이클이 소개된다. 이 특허는 구체적으로는 대기압이 아니라 높은 밀폐 사이클 압력(준임계 또는 초임계)에 있다. 불활성 가스 작동 유체, 불활성 가스 작동 유체와 CO2의 혼합물, 및 CO2만이 논의되어 있다. 이 특허 중 2개는 가스 정화 방법론을 다루지만, 가스 생성물과 관련되지 않고, 터빈 또는 환열기 내부의 도금을 회피하기 위해 가스로부터 임의의 금속 증기(연료)를 제거하는 것과 관련된다. 이들 특허는 고압 용기에 든 또는 액체의 산소를 이용하는 해저 시스템을 목표로 한 것이었기 때문에, 산소 발생이 다루어지지 않는다.
미국특허 제8,205,455호에서, GE는 화학양론 (공기 기반) 연소 및 배기 가스 재순환을 이용하는 가스 터빈의 복잡한 배열을 제공한다. 이 시스템에서, N2 및 CO2는 재순환되고, 단지 충분히 고압의 공기만이 연소를 지원하기 위해 사용된다 - 초과 공기의 감축은 연도 가스가 다른 용도를 위해 보다 용이하게 정화될 수 있게 한다.
본 발명의 목적 및 이점이 이하의 설명에서 개진될 것이고 명확해질 것이다. 본 발명의 추가적인 이점은 특히 본원에 기재된 설명 및 청구항과, 첨부된 도면에 지적된 장치, 시스템 및 방법에 의해 실현 및 획득될 것이다.
본 발명의 목적에 따라 이러한 그리고 다른 이점을 달성하기 위해서, 구체화된 바와 같이, 본 발명은 일 양태에서 향상된 피스톤 엔진 반밀폐 사이클 동력 시스템을 포함한다. 본 발명의 추가의 양태는 시스템이 콤팩트하고, 주변 압력보다 높은 배기 압력에서 작동할 수 있으며, 엔진 작동, 열 회수, 산소 발생, 및 가스 정화가 효율을 향상시키고 자본비를 낮추는 형태로 통합된다는 것이다. 의도되는 결과는 엔진만의 동일하거나 더 나은 순 사이클 효율(비연료 소비)에서 비-방출식 동력을 산출하는 것이며, 또한 가압된 판매가능한(파이프라인 사양) CO2를 제공하는 것이다.
엔진 흡기 매니폴드에서의 희석비에 대한 산소 및 초과 산소의 양을 독립적으로 제어하는 능력이 또한 요구되며 설계의 일부이며, 구체적으로, 21%보다 훨씬 더 높은 산소에서 작동하는 능력은 매우 낮은 발열량 연료 또는 연료 물 슬러리의 사용을 가능케 하면서, 여전히 엔진에서 우수한 연소를 달성하게 한다.
본 발명은, 특히 피스톤 엔진, 물 분리 및 냉각 유닛, 혼합 압력 용기 및 산소 발생기를 포함하는 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템에 관한 것이다. 피스톤 엔진은 동력 및 배기 가스를 발생시킨다. 물 냉각 및 분리 유닛은 피스톤 엔진으로부터 배기 가스를 수취하고 배기 가스로부터 물을 냉각 및 제거하여 CO2 가스 공급물을 생성시킨다. CO2 가스 공급물의 적어도 일부가, CO2 가스 공급물을 산소와 혼합하여 피스톤 엔진에 제공될 작동 유체를 생성시키는 혼합 압력 용기에 제공된다. 산소 발생기는 혼합 압력 용기에 산소를 제공한다.
소정 실시형태에서, 시스템은 혼합 압력 용기로부터 작동 유체를 수취하고 작동 유체를 피스톤 엔진에 제공하는 송풍기를 더 포함한다. 송풍기로부터 작동 유체를 수취하고 그것을 피스톤 엔진에 제공하는 터보 차저가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템은 추가적인 동력을 발생시키기 위한 열 회수 유닛을 더 포함한다. 소정 구성에서, 열 회수 유닛은 초임계 브레이턴 CO2 사이클을 통해 추가적인 동력을 발생시킨다.
소정 구성에서, 산소 발생기는 제1 및 제2 압력 스윙 흡착 베드(Pressure Swing Adsorption bed)를 포함하는 것이 구상된다. 산소 발생기는 PSA 베드의 피스톤 엔진과의 기계적인 통합을 통해 산소를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 소정 구성에서, 산소 발생기는 통합형 분자체 기반 공기 분리 유닛이다. 대안적으로, 산소 발생기는 멤브레인 기반 공기 분리 유닛 또는 초저온 기반 공기 분리 유닛이다.
또한, 시스템은 물 냉각 및 분리 유닛으로부터 CO2 가스 공급물을 수취하고 조절된 CO2 가스를 원하는 압력에서 제공하는 가스 정화 서브시스템을 포함할 수 있는 것이 구상된다. 본 발명의 실시형태에서, 가스 정화 서브시스템은 적어도 2개의 온도 스윙 흡착(TSA) 베드를 포함하는 온도 스윙 흡착 시스템이다.
또한, 시스템은 폐열 회수 시스템 및/또는 흡착 칠러 냉각 시스템을 포함할 수 있는 것이 구상된다.
바람직하게는, 시스템은 반밀폐 시스템이다.
본 발명은 또한 다른 요소 중에서 피스톤 엔진, 물 냉각 및 분리 유닛, 혼합 압력 용기, 산소 발생기 및 가스 정화 서브시스템을 포함하는 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템에 관한 것이다.
피스톤 엔진은, 배기 가스를 수취하고 배기 가스로부터 물을 냉각 및 제거하여 CO2 가스 공급물을 생성시키는 물 냉각 및 분리 유닛에 제공되는 배기 가스 및 동력을 발생시킨다. 혼합 압력 용기는 물 냉각 및 분리 유닛으로부터 CO2 가스 공급물의 적어도 일부를 수취하고 CO2 가스 공급물을 산소와 혼합하여 피스톤 엔진에 제공될 작동 유체를 생성시킨다. 산소 발생기는 작동 유체의 생성에 사용될 혼합 압력 용기에 산소를 제공한다. 가스 정화 서브시스템은 물 냉각 및 분리 유닛으로부터 CO2 가스 공급물의 일부를 수취하고 조절된 CO2 가스를 다른 프로세스 또는 용도에서 사용될 수 있는 원하는 압력에서 제공한다.
이 시스템은 혼합 압력 용기로부터 작동 유체를 수취하고 작동 유체를 피스톤 엔진에 제공하는 송풍기를 포함할 수 있는 것이 구상된다.
시스템은 또한 송풍기로부터 작동 유체를 수취하고 그것을 피스톤 엔진에 제공하는 터보 차저를 포함할 수 있다. 추가적인 동력을 발생시키기 위해 시스템에 열 회수 유닛이 또한 제공될 수 있다.
본 발명의 소정 실시형태에서, 가스 정화 서브시스템은 적어도 2개의 온도 스윙 흡착(TSA) 베드, 또는 2 단계 오염물질 제거가 요구된다면 TSA와 압력 스윙 흡착 또는 VPSA 베드의 조합을 포함하는 온도 스윙 흡착 시스템이다.
본 발명은 또한 다른 요소 중에서 피스톤 엔진, 물 냉각 및 분리 유닛, 혼합 압력 용기, 및 송풍기를 포함하는 반밀폐 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템에 관한 것이다. 피스톤 엔진은 동력 및 배기 가스를 발생시킨다. 물 냉각 및 분리 유닛은 배기 가스를 수취하고 배기 가스로부터 물을 냉각 및 제거하여 CO2 가스 공급물을 생성시킨다. 혼합 압력 용기는 물 냉각 및 분리 유닛으로부터 CO2 가스 공급물의 적어도 일부를 수취하고 CO2 가스 공급물을 산소와 혼합하여 피스톤 엔진에 제공될 작동 유체를 생성시키며, 산소 발생기는 산소를 혼합 압력 용기에 제공한다. 송풍기는 혼합 압력 용기로부터 작동 유체를 수취하고 작동 유체를 피스톤 엔진에 제공한다.
통상의 기술자가 본 발명의 시스템 및 방법을 채용하는 방법을 쉽게 이해할 수 있도록, 상기 시스템 및 방법의 실시형태를 도면을 참조하여 이하에 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템의 실시형태를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 도 1의 시스템에서 사용되는 피스톤 엔진 서브시스템 및 주 공기 압축기를 나타낸다.
도 3은 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 열 회수 유닛 및 물 분리기를 나타낸다.
도 4는 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 혼합 압력 용기 흡기 조립체 및 산소 발생기를 나타낸다.
도 5는 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 가스 정화 시스템을 나타낸다.
본 발명의 이들 및 다른 양태는 도면과 관련하여 취한 본 발명의 이하의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자가 보다 쉽게 알 수 있을 것이다.
이제, 본 발명의 예시된 실시형태가 도시되어 있는, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 아래 기재된 예시된 실시형태는 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같이 단지 다양한 형태로 실시될 수 있는 본 발명은 예이므로, 본 발명은 어떤 방식으로든 예시된 실시형태로 제한되지 않는다. 그러므로, 본원에 개시된 임의의 구조적 및 기능적 상세사항은 제한으로서 해석되지 않으며, 단지 청구항의 기초로서 그리고 본 발명을 다양하게 채용하기 위해 통상의 기술자에게 교시하기 위한 표현으로서 해석되는 것으로 이해된다. 또한, 본원에 사용된 용어 및 구절은 제한하려는 것이 아니라 본 발명의 이해가능한 설명을 제공하기 위한 것이다.
소정 범위의 값이 제공되는 경우, 그 범위의 상한과 하한 사이의 각각의 사이 값과 그 정해진 범위의 임의의 다른 정해진 값이나 사이 값은, 문맥상 명확히 달리 지시되지 않는 한, 그 하한의 한 자리 수의 10분의 1까지 본 발명 내에 포함된다. 이러한 더 작은 범위들의 상한 및 하한들은 그 보다 작은 범위들에 독립적으로 포함될 수 있고 또한 본 발명 내에 포함되며, 상기 정해진 범위의 임의의 구체적으로 제외된 한계에 종속된다. 상기 정해진 범위가 상기 한계들 중 하나 또는 양쪽 모두를 포함하는 경우, 이들 포함된 한계의 양쪽을 제외하는 범위 또한 본 발명에 포함된다.
달리 규정되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에 기재된 것과 유사하거나 동등한 임의의 방법 및 재료 또한 본 발명의 실행 또는 시험에 사용될 수 있지만, 모범적인 방법 및 재료를 이제 설명한다. 본원에 언급된 모든 공보는 그 공보에서 인용하고 있는 방법 및/또는 재료를 개시 및 설명하기 위한 참조물로 본원에 통합된다.
본원 및 첨부된 청구항에서 사용될 때, 단수 형태의 기재는 문맥상 명확히 달리 지시되지 않는 한 복수의 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "자극"이라는 지칭은 복수의 자극을 포함하고, "신호"라는 지칭은 하나 이상의 신호 및 통상의 기술자에게 알려진 그 동등물 등을 지칭하는 것을 포함한다.
본 발명은 일반적으로 반밀폐 사이클의 압축 점화 또는 불꽃 점화 왕복 피스톤 엔진의 작동 시스템에 관한 것이며, 이 시스템은 어떤 의미로는 비-방출식이며 판매가능한 상품, 특히 가압된 CO2를 생산한다. 동력 시스템에는 산소를 제공하는 통합형 분자체 기반 공기 분리 유닛이 제공된다. [대안적으로, 동력 시스템에는 멤브레인 기반 공기 분리 유닛 또는 초저온 기반 공기 분리 유닛이 제공될 수 있다. 멤브레인 시스템은 낮은 산소 순도 및 증가된 질소 레벨을 가지며(엔진 작동에는 좋지만, 가스 정화 시스템에는 나쁨), 초저온 기반 시스템은 매우 높은 산소 순도를 산출하지만, 일반적으로 아르곤이 거의 존재하지 않거나 전혀 존재하지 않기 때문에(가스 정화에는 좋지만, 엔진 작동에는 나쁨), 분자체 접근법이 바람직하다.]
배기 가스(예를 들어, 주로 CO2)는 연소 희석제 및 작동 유체를 제공하기 위해 재순환된다. 배기가스를 냉각시키고(프로세스의 일부) 준/초 임계 CO2 브레이튼 사이클을 통해 추가적인 동력을 발생시키기 위해 시스템 고급(high grade) 폐열이 사용된다. 생성된 생성물, CO2는 압축되고, 정화되어, 사용자를 위해 가압된 상태로 그리고 또한 열 회수 시스템에서 작동 유체로서 제공된다. 또한, 열 회수 시스템은 가스 정화 열 스윙 흡착 분자체를 재생하는데 사용하기 위해 건조 고온 CO2를 제공한다. 마지막으로, 흡착 칠러 프로세스를 통해 CO2 액화를 위한 냉각을 제공하기 위해 저급 폐열이 사용된다.
이러한 본 발명의 시스템은, 동력 및 가압된 CO2의 양자 모두가 프로세스에 요구되는 특별한 용도를 위한 것으로 인식된다. 향상된 오일 회수가 이러한 프로세스의 예이다. 또한, 본 발명의 시스템은 2행정, 대향 피스톤 엔진, 및 종래의 2행정, 4행정, 및 로터리 피스톤 엔진에 적용가능한 것으로 인식된다. (연소 과정에 보다 큰 시간이 걸리는) 중속 엔진, 및 특히 높은 "부스트"(흡기 매니폴드) 압력에서 작동하는데 내성이 있는 엔진(중속 대향 피스톤 엔진 또는 헤비 듀티 저속 내지 중속 4행정 엔진)이 상기 사이클에 적합하지만, 본 발명은 이러한 중속 엔진으로 제한되는 것으로 이해되지 않는다.
아래 설명된 시스템은 가장 높은 효율을 갖는 실시형태를 위한 많은 구성요소를 갖지만, 그 시스템의 부분들은 선택적인 예를 들어 폐열 회수 시스템 또는 흡착 칠러 냉각 시스템이다. 상기 빌딩 블록의 다양한 조합을 갖는 수개의 대안적인 실시형태 또한 청구된다.
이제, 수개의 도면 전체에서 유사한 도면부호가 유사한 요소를 나타내는 도면에 대해 서술하면, 도 1은 도면 부호 100으로 지정된 본원의 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템의 실시형태를 나타낸다. 시스템(100)은 미변형 송풍기 소기(scavenging)식 터보 차저식 2행정 피스톤 엔진(1)을 포함한다. FME 8-1/8 38D 대향 피스톤 엔진이 이러한 기계의 예이다. 대부분의 보다 큰 2행정 피스톤 엔진에서, 소기는 송풍기를 통해 제공되며, FME OP의 중속, 연속 설계에서 송풍기 기류의 양은 연소를 위해 요구되는 산소를 지원하는데 요구되는 것의 2 내지 3배이고, 추가적인 공기는 기계의 작동 유체 및 희석제로서의 역할을 한다. 이러한 엔진의 터보 차저식 버전만이 제공되지만, 거의 모든(대형) 자연 흡입형 2행정 엔진이 송풍기를 포함한다. 터보 송풍기 버전이 묘사되어 있으며, 이러한 유형의 엔진은 비교적 높은 부스트 압력에서 그리고 2행정 엔진에 대해서는 비교적 높은 순 평균 유효 압력에서 작동한다. 구체적으로, 12 실린더 터보 송풍기 OP는 12,422 입방 인치(8.125''보어, 20'' 총 스트로크)로부터 4200hp를 생산하고, 이는 149psi의 NMEP를 초래하며, 송풍기 동력을 보정하면, 실제 엔진 NMEP는 156psi이다. 이 논의의 포인트는, 900rpm에서 1 입방당 1/2hp에 접근하는 수를 달성하려면 높은 부스트 압력이 요구된다는 것이다 - 이 엔진에서 터보 차저(및 송풍기)가 조합되어 25psig(40psia) 이상의 흡기 매니폴드 압력을 제공 - 터보 차저 상류의 배기 압력이 유사함. 이는 연속 듀티 엔진에 대한 높은 부스트 압력이다.
시스템(100)에서, 배기를 냉각하고 추가적인 동력을 회수하기 위해 사용되는 열 회수 유닛 서브시스템(2)을 갖는 반밀폐 사이클 구성에 엔진(1)이 연결된다. 서브시스템(3)은 추가적인 냉각을 제공하고 응축 및 기계적인 상 분리를 통해 배기로부터 물의 일부를 분리한다 - 이는 50-90+%일 수 있는 CO2의 혼합 압력 용기 서브시스템(4)으로의 재순환을 용이하게 한다. 서브시스템(4)은 온기가 있는 배기 재순환 유동을 수취하고 그것을 공기 분리 유닛 서브시스템(5)으로부터의 고순도 산소와 적당히 조합한다. 압력 스윙 흡착 기반 공기 분리 유닛 서브시스템(5)은 엔진에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 구동된다 - 이상적으로는 열 회수 프로세스로부터의 추가적인 동력에 의해 상쇄된 것보다 더 큰 공기 분리 프로세스로부터의 부하를 가짐. PSA 동작의 상세사항은 예시 실시형태에서 논의될 것이지만, 중요한 점은 산소가 큰 양압으로 서브시스템(5)으로부터 서브시스템(4)으로 제공될 수 있다는 것이다. 시스템(100)은 통상적으로 엔진에 대한 부스트 압력인 것과 유사한 또는 그보다 약간 높은 재순환 압력에서 작동한다 - 잠재적으로는, 비용이 드는 터보-차저 구성요소를 제거하고, 후냉각기 구성요소의 크기 및 비용을 제거 또는 현저히 감소시키며, 가스 분리 구성요소의 크기 및 복잡성을 크게 감소시킨다.
서브시스템(6)은 가스 정화 시스템의 간소화된 묘사이다. 가변 속도 구동장치가 배기 재순환 가스(주로 CO2)의 일부를 제거하는 고정 용량형 압축기를 작동시키고, 그것을 열 스윙 흡착 프로세스(Thermal Swing Adsorption Process)를 통해 건조시키며, 그 후 CO2를 액화 및 펌핑하며, 궁극적으로 소비자에게 건조 파이프라인 품질 CO2를 제공한다.
서브시스템(7)은, 서브시스템(5) PSA을 위한 비교적 건조하고 차가운 공기를 제공하는 수분 분리를 이용하는 풀 피터(full feature) 압축기이다. 바람직한 실시형태에서, 서브시스템(7)은 송풍기/슈퍼차저와 유사한 방식으로 엔진에 의해 직접적으로 구동된다. PSA 프로세스를 위해 요구되는 공기의 부피는 대향 피스톤(Opposed Piston:OP) 엔진을 통해 전형적으로 펌핑되는 총 공기의 양과 크게 다르지 않다.
이제 시스템(100)의 전체적인 배열에 대한 도 1, 피스톤 엔진 서브시스템(1) 및 주 공기 압축기 서브시스템(7)과 관련된 상세사항에 대한 도 2, 열 회수 SC 브레이턴 발생기 서브시스템(2) 및 주 물 분리기 서브시스템(3)과 관련된 상세사항에 대한 도 3, 흡기 조립체 서브 시스템(4) 및 산소 발생기 서브시스템(5)과 관련된 상세사항에 대한 도 4, 및 가스 정화 시스템 서브시스템(6)의 상세사항에 대한 도 5를 참고한다.
송풍기(8)가 (2-행정 엔진에서) 소기를 제공하기 위해 엔진 샤프트에 직접적으로 연결된다. 통상적으로, 송풍기/슈퍼차저는 엔진에서 부스트를 생성하는데 도움을 주기 위해 큰 압력 차이를 가질 수 있다. 시스템(100)에서, 엔진은 흡기 및 배기 측의 양쪽 모두가 15 내지 60psia(공칭 40psia)에서 운전되는 상태로 이미 상승된 압력에 있기 때문에, 이 송풍기는 가볍게 로드(load)되고 소기, 재순환 시스템 압력 강하를 위한 그리고 시동에 도움을 주는 충분한 압력 차이(1-2psi)를 제공한다. 대안적인 실시형태에서, 자가-소기형인 엔진(예를 들어 4행정 엔진)에서는, 송풍기는 요구되지 않을 것이다.
송풍기(8)는, 발생기(11) 또는 다른 부하에 직접적으로 연결되는 엔진(10)에 선택적인 터보 차저 압축기(9)를 통해 작동 유체(O2, CO2, 및 다른 가스의 혼합물)를 제공한다. 전형적으로, 터보 차저 터빈(12)은 터보 차저 압축기(9)에 직접적으로 연결된다. 논의된 바와 같이, 이 엔진은 터보 차저가 없는 상태에서도 큰 부스트 압력에서 작동할 수 있으며, 구성요소(9 및 12)는 생략될 수 있다 - 본 발명은 "자연 흡입형" 2행정 엔진에서의 시동과 동일하게 잘 작동할 것이다. 터보 차저가 존재하는지 아닌 지의 여부에 관계없이, 지점 13에서의 배기 온도는 종래의 터보 차저식 엔진에서 보다 본 설계에서 더 높다 - 터보 차저는 생략되거나 매우 작은 압력 차이에서 작동되기 때문에, 터빈에 걸쳐 또한 매우 작은 온도 차이가 있다. 유사하게, 압축기 배출 온도[엔진(10) 흡기 매니폴드 온도]는 보다 낮다. 구체적으로, 공칭 15psia 공기를 이용하는 40psia 엔진 작동(부스트) 압력에 대해, 85% 효율 압축기 및 터빈 단계를 이용하면, 압축기로부터의 공기는 200℉ 이상, 전형적으로는 100℉ 내지 300+℉(후냉각 없음) 까지 온도가 상승할 것이다. 동일한 엔진에 대해, 배기 온도는 하류보다 터보 차저 압축기의 상류에서 300℉ 이상 더 높을 것이다 - 이러한 부스트 레벨을 갖는 전형적인 중간 속도 엔진에서, 배기 매니폴드 온도는 최대 부하에서 1100℉ 일 것이고, 터보차저가 존재하는 경우 온도는 약 800℉이다. 시스템(100)은 후냉각의 사용 없이 엔진 흡기 매니폴드 온도를 낮출수 있기 때문에, 가치가 있고 동력 밀도를 증가시킨다. 이 엔진이 큰 부스트 압력에서 작동할 수 있지만, 배기, 지점 13에서 더 높은 온도를 전달한다는 사실은 큰 가치가 있다.
초/준임계 CO2 브레이턴 사이클 열 회수 발생기 서브시스템(2)은 지점 13으로부터 고온 엔진 배기를 수취하고, 그것을 고온측 열 교환기(14)를 통해 냉각한다. 이는 서브시스템(2) 터빈 입구인 지점 15에서 1050℉(배기 온도보다 약 50℉ 더 낮음) 및 공칭 6000psia인 초임계 압력의 조건을 초래한다. 서브시스템(2)은 작동 유체로서 순수한 CO2를 사용한다. 유체는 터빈(16)을 통해 1200psia(설계점)까지 팽창되고, 발생기(17) 및 압축기(18)를 구동시킨다. 저온측 열 교환기(19)는 초임계 CO2를 지점 20에서 대략 100℉까지 냉각시킨다. 작동 유체(CO2)는 압축기(18)에서 재압축되고, 대략 6000psia, 275℉에서 열 교환기(15)에 제공된다. 순 결과는 피스톤 엔진(10) 배기가 지점 13에서 1100℉로부터 지점 21에서 300℉까지 냉각되었다는 것이다. 이러한 압력 및 온도 모두는 설계점에서의 추정이며, 부하에 따라 변할 것이라는 것을 유의하라. 또한, 밀폐 초임계 CO2 브레이턴 사이클 열 회수 시스템은 발생기(17)(일정한 속도, 따라서 일정한 압력비에서 운전됨)에서 부하의 관리를 통해 그리고 사이클의 총 질량을 변화시킴으로써 제어된다. 1200psia 입구, 6000psia 출구가 풀 동력에서의 압축기 설계점이지만, 1/10 동력에서는 동일한 압축기 설계점에서 공칭 120psia 및 600psia일 것으로 예상된다 - 그리고 사이클 효율은 이론적으로 변하지 않을 것이다(실제로는, 사이클은 초임계 압력에서 최적에 더 가깝기 때문에, 사이클 효율은 약간 저하된다). 압력비 및 열 교환기 설계 압력에 있어서의 다른 선택이 물론 가능하다. 5의 압력비는 브레이턴 사이클만에 대해서는 최적이 아니지만, 상당히 낮은 압축기 배출 온도를 주어, 가용 엔진 배기 폐열의 우수한 이용을 가능하게 한다.
피스톤 엔진(10)이 높은 총 압력 및 높은 배기 압력에서 작동한다는 사실은 중요하며, 이 사이클을 더 실용적이게(HX 사이즈 감소) 하는 시스템(100)의 발명 양태의 중요한 부분이다. 85% 효율 기계류를 이용하여 대략 5의 압력비에서 작동하는 초임계 CO2 브레이턴 사이클은 1050℉의 높은 측 온도(지점 13에서 1100℉ 배기 온도 및 50℉ 열 교환기 접근 온도)에서 거의 21%의 사이클 효율에서 작동한다. 환열기를 이용하는 초임계 CO2 브레이턴 사이클은 30% 이상까지 훨씬 더 높은 효율에서 작동할 것이지만, 그만큼 배기를 냉각하지 않을 것이다. 냉매 작동 유체의 열 파괴를 방지하기 위한 열유 또는 다른 기술의 사용 없이 보다 종래의 폐열-동력 시스템(전형적으로 R134A 기반)이 보터밍 사이클(bottoming cycle)로서 사용될 수 있는 것이 배기를 충분히 냉각시킬 것이다. 예상 조건 하에서(터보 차저 없음, 높은 배기 온도, 환열기 없음), 서브시스템(2)은 총 시스템 출력에 10% 이상을 추가, 즉 전부하에서 3MW 발생기로부터 추가적인 300kW를 발생시킬 것이다. 800℉ 배기를 갖는 종래의 터보 차저식 엔진은 2포인트 이상까지 낮은 사이클 효율을 초래할 것이지만, 보다 중요하게는 낮은 가용 열량을 초래할 것이고, 서브시스템(2) 전달 동력을 40% 이상까지 감소시킬 것이다. 여전히 과열 수증기를 갖는 부분적으로 냉각된 엔진 배기는 지점 21(공칭 300℉에서)로부터 물 분리기 서브시스템(3)으로[또는 종래의 보터밍 사이클 폐열-동력 시스템을 통해 서브시스템(3)으로] 유동한다. 연소 프로세스로부터의 물의 대부분의 응축을 초래하는 추가적인 냉각이 제공된다. 액체 물은 물 분리기(3)의 바닥에 모이고, 물 인출의 양은 지점 22에서의 액체 레벨 제어를 통해 그리고 물 분리기 서브시스템(3)의 열 관리(냉각)를 통해 제어된다. 이 지점에서의 냉각의 양은 24에서의 재순환된 배기 스트림의 수증기의 포화 레벨(부분 압력)을 결정한다. 140℉에서, 수증기의 부분 압력은 지점 24에서 약 3psia일 것이다. 시스템 압력이 40psia인 경우, 재순환된 배기는 7.5부피%(3/40) 수증기일 것이다. 수증기 농도는 170℉까지만 냉각함으로써 그 두배로 증가될 수 있거나, 또는 110℉까지 냉각함으로써 그 절반이 될 수 있다. 이상적으로는, 재순환 라인(24), 및 혼합 용기 서브-시스템(4)은 물의 응축을 회피하기 위해 이 온도 위에서 유지된다[전형적으로, 170℉ 초과인 엔진(10)으로부터의 재킷 물을 이용하는 재킷 라인/용기]. 그렇지 않으면, 이 지점에서의 물의 응축은 부식(CO2에 의한 탄산의 형성)을 초래할 수 있다. 스브 시스템(3)은 또한 시스템 시동을 위한 배기 밸브를 갖는다. 서브시스템(4)은 엔진(10)을 위한 "대용" 공기 혼합물을 제공하기 위한 배기 재순환 가스(24)와 서브시스템(5) 산소의 우수한 혼합을 제공하기 위한 내부 칸막이를 갖는 소형 물 재킷 압력 용기에 지나지 않는다. 서브시스템(4)은 또한 시스템 시동을 위한 공기를 허용하기 위한 밸브/체크 밸브를 포함한다.
산소 발생기 또는 공기 분리 유닛 서브시스템(5)은 압력 스윙 흡착(PSA) 프로세스[그것의 서브세트인 진공 압력 스윙 흡착(VPSA) 프로세스]를 통해 작동한다. 서브시스템(7)은 냉각 건조를 포함하는 것을 의미하는 풀 피처 압축기이며, 결과적인 공기는 45℉ 이하의 이슬점을 갖는다. 용기/베드(28) 또는 용기/베드(29) 사이에서 교호하도록 공기 공급물을 포팅하도록 동시에 작동하는 공기 작동식 3-방 밸브(25, 26 및 27) 또는 한 세트의 솔레노이드에 공기가 가압된 상태에서 제공된다. 용기는 분자체, 유동 분배판, 여과기 매체, 및 칸막이로 충전되고, 일정한 베드 압력을 유지하도록 스프링 부하된다. 밸브들은 베드(28)로부터 베드(29)로 그리고 그 반대로 공기 유동을 전환하도록 동시에 작동한다. 사이클 시간은 단위 크기에 의존할 것이지만, 전형적으로 분으로 측정된다. 밸브(30)는 이행 동안 베드 압력을 동등화하기 위한 수단, 및 또한 산소 생성물을 갖는 사용 중이 아닌 베드를 퍼지하는 능력을 제공한다. 생성된 산소는 버퍼 탱크 및 제어 밸브 조절기(31)를 통해 서브시스템(4)으로 유동한다.
산소는 지점 32에서 95%까지의 순도로 생산될 수 있으며, 95%에서 작동될 때, 나머지 가스는 주로 아르곤(4.5%), 훨씬 더 적은 양의 질소(0.5%)이다. 전형적으로, 약간 더 낮은 순도가 바람직하고(증가된 O2 생산), 낮은 순도는 더 많은 양의 N2를 초래한다. 지점 32의 생산된 산소와 24로부터의 재순환 유동과의 혼합물은 지점 33에서 엔진 작동을 위한 대용 "공기"를 산출한다. 시스템 압력(논의 될 것임), 흡기 온도(비-후냉각 피스톤 엔진을 이용하여 달성할 수 있는 것보다 더 낮은 순 흡기 매니폴드 온도를 가짐), 가스 혼합물(백분율 O2), 및 연소 요건에 대한 가용 O2의 비를 변화시키는 능력은 더 높은 시스템 효율 및 시스템 배출물의 제어를 제공한다.
산소는 압력 스윙 흡착 프로세스를 통해, 또는 지점 34에서 진공 공급원의 연결을 거처 진공 압력 스윙 흡착 프로세스를 통해 발생될 수 있다. 후자가 일반적으로 보다 효율적인 것으로 생각되지만, PSA를 이용하는 경우에 가능한 보다 높은 시스템 압력에서의 작동은 허용하지 않을 것이다. 이 시스템의 설계에 친숙한 것들로서, 사용된 특정 분자체는 선택된 프로세스에 따라 달라질 것이다. 대안적으로, 멤브레인 공기 분리 접근법이 사용될 수 있고, 가압된 상태에서 산소 농후 혼합물을 확실히 제공할 것이고, 또는 보다 대형 시스템에서는, 보다 비용 효과적이 되는 경우, 초저온 산소 발생 접근법이 사용될 수 있다.
공기 유동의 50%보다 더 우수한 산소 회수는 강한 진공(1/2 기압 미만) 및 UOP VSA-10와 같은 LiX 흡착제의 사용에 의해 달성될 수 있다. 32에서의 시스템 압력은 여전히 양압(대기압 초과)일 것이지만, 추가적인 압축기의 사용 없이는, 엔진(10)의 완전 부스트 압력 레벨에 도달하지 않을 것이다. PSA 접근법은 O2 공급원으로서 독립적으로 고려될 때 아마도 보다 낮은 효율이지만(~40% 회수), 현저히 더 높은 작동 압력이 제공되고, 이는 모든 다른 서브시스템의 구성요소 크기(및 자본 비용)을 감소시키기 때문에, 시스템에 대해 바람직하다. 40psia 이상의 지점 32에서의 압력은 UOP PSA O2 HP 또는 O2 XP MOLSIVTM 중 어느 한 쪽을 사용하는 VPSA 시스템에 대해 유사한 순도 능력으로 용이하게 달성된다(60psig 공기 슬러리 이용, 그리고 100psig까지의 공기 슬러리가 사용될 수 있음).
천연 가스 연료에 대해, 산소 도입이 연소 요건의 100%이고 지점 32에서의 O2 순도가 95%일 때, CO2의 지점 24에서의 농도는 약 91.5%(건조 가스의 질량, 잔부는 주로 아르곤)까지 변할 것이다. 산소 순도가 더 낮을 때, 또는 산소가 (예를 들어 우수한 연소를 달성하기 위한) 연소 요건보다 의도적으로 더 많이 전달될 때, 지점 24에서의 혼합물은 변할 것이다. 지점 32에서의 90%(부피)의 산소 순도, 및 110%의 연소 요건은 11% O2, 7% Ar, 7% N2 및 75% CO2(모두 질량)를 산출할 것이다. 확실히, 훨씬 더 높은 초과 O2 레벨에서, 또는 더 낮은 순도로 작동하는 능력은, 정화 시스템 서브시스템(6)의 복잡성을 증가시키기 때문에 바람직하지 않지만, 존재한다.
서브시스템(6)은 용적형 압축기(35) 및 가변 속도 모터(36)를 통해 라인(24)으로부터 초과 재순환 가스를 인출한다. 모터(36)의 속도는 재순환 라인에서 그리고 간접적으로는 서브시스템(4)에서 원하는 압력을 유지시키기 위해 변화된다. 논의된 바와 같이, 인출된 가스는 주로 CO2이지만, 또한 O2, Ar, N2 일부 및 나아가서는 HC 또는 CO와 같은 불완전 연소 생성물 일부를 포함한다. 또한, 가스는 대게 7부피% 정도로 수증기에 포화된다. 풀 피처 압축기(35)는, 압축, 냉각 및 복합 필터 수분 분리의 조합에 의해 수증기의 많은 부분을 제거하지만, 이슬점은 45 내지 50℉ 정도에서 유지될 것으로 예상될 수 있고, 이는 물의 0.1 내지 0.2psia의 부분 압력이다.
열 스윙 흡착기(TSA) 베드(37 또는 38)가 사용되고, 3방 밸브(39 및 40)를 통해 제어되어, 건조 프로세스를 완료하며, 다른 바람직하지 않은 가스의 일부를 흡착한다. TSA는 PSA(그리고, TSA/PSA 및 VPSA의 조합과 같이, PSA 또는 VPSA의 사용은 대안적이다), 소정 분자 크기를 흡착하는 분자체 접근법(주로 물 제거에 집중되는 3A 흡착제 또는 알루미나, 및 예상 오염물질에 기초하여 조절되는 소량의 다른 흡착제 이용)과 기능적으로 유사하지만, 재생은 열적이다 - 베드를 갱신하기 위해 포트/밸브(41 내지 44)를 통해 사용되는 고온 건조 가스 이용(이후에 따라오는 방법론). 제거되는 재료(물)의 양은 이미 꽤 적고, 이 베드를 위한 사이클 시간은 수분이 아닌 수시간일 것이다. 이 용도에 대해 요구되지는 않지만, -80℉ 이하의 이슬점까지의 건조가 이 기술로 가능하다. 목표는 단지 수증기, 및 다른 비-CO2 오염물질의 일부를 프로세스의 반-초저온 부분에서 나중에 프로스팅(frosting)이 발생하지 않는 레벨까지 제거하는 것이다. -40℉ 이상의 이슬점이 지점 45에서 달성될 것이지만, 일부 "비-응축가능" 가스가 남아있을 것으로 예상된다. 소량의 N2 및 Ar가 존재할 수 있고, 시스템의 작동 조건에 따라 상당량의 O2가 존재할 수 있다. 후자는 파이프라인 사양 CO2에 대한 문제이다(원하는 O2 레벨은 10ppm). O2의 제거는 가스(비-응축가능) 오염물질로부터 액체 CO2의 물리적인 분리에 의해, 또는 대안적으로 상이한 분자체, 주로 13X를 사용하는 다른 PSA 프로세스를 통해 이루어진다. 산소의 제거에 대한 다른 대안은 물론 반밀폐 사이클 엔진을 연료 농후 모드에서 작동시키는 것, 또는 폐열 - 동력/열 회수 시스템 서브시스템(2) 앞에 올 수 있는 연소 또는 촉매에서 배기의 임의의 산소를 소기하는 것이다.
산소 및 다른 비-응축가능 가스 제거에 대한 반-초저온 상 분리 프로세스에서, 미리 액화된 CO2(47)의 증발열을 사용하는 역류 열 교환기(46)가 CO2 농후 혼합물의 초기 냉각을 제공하며, 그 후 CO2 농후 혼합물은 저온 칠러(48)까지 흐른다. CO2 액체는 분리기(49)를 통해 다른 가스로부터 물리적으로 분리되고, 펌프(50)를 통해 액체로서 2000+psig 까지 펌핑되며, 열 교환기에서 가스 상태로 다시 증발된다. 가스는, 지점 51에서 배출되거나, 또는 프로세스의 (응축되는 경향이 있는) 총 아르곤 레벨이 관리되어야 하지만 예를 들어 서브시스템(5) 안으로의 공기 공급을 포함할 수 있는 프로세스의 다른 부분으로 복귀된다. 기체 상태의 건조하고 비교적 순수한 CO2 생성물이 지점 52에 제공된다.
보다 상세화된 레벨에서, 이 TSA 건조 시스템[서브시스템(6)] 및 SC CO2 브레이턴 사이클[서브시스템(2)]의 추가적인 통합(도시 생략)이 여기서 논의된다. 논의된 바와 같이, 주기적으로 베드는 재생을 필요로할 것이다. 통상적으로, 생성물(건조 CO2)은 600℉ 이상으로 전기적으로 가열되고, 건조를 위해 베드를 통해 역으로 역류 송풍된다. 이는 생성물 및 동력을 낭비하고, 또한 추가적인 구성요소를 필요로한다. 본 발명에서, 15로부터의 터빈 입구 블리드(bleed) CO2는 지점 41 또는 43으로 포팅되고, 밸브(42 또는 44)에 의해 배출되어, 베드를 재생시킨다. 또한, 주기적으로, 추가적인 작동 유체 질량이 서브시스템(2)에서 요구될 수 있다. 건조 CO2가 지점 52로부터 압축기 입구, 지점 20까지 가압된 상태에서 제공되어 서브시스템(2)에서 질량을 증가시킨다. 마지막으로, 주기적으로, 서브시스템(2)에서의 질량은 감소되어야 하고, 재생을 위한 것과 동일한 라인이 사용되지만, 밸브(42 또는 44)를 개방시키지 않는다.
엔진 배출물 제어 경험을 갖는 사람들에게 친숙한 다른 부속물이 지역 배출물 요건을 충족하기 위해 이 시스템에 통합될 수 있다. 분명히, CO2의 배출물은 이 시스템에 의해 거의 제거되지만, HC 또는 CO는 지점 13에 존재할 수 있거나, 또는 대안적으로 O2의 높은 레벨이 지점 13에 존재할 수 있다 - 촉매 또는 유인식 반응기가 지점 13에 삽입되어 추가적인 산소 분사로 탄화수소/CO를 태워버리거나 또는 연료 분사를 통해 초과 산소를 소비/이용할 수 있다. 어느 쪽의 기술도 가능하며, 서브시스템(2)의 온도를 증가시켜 추가적인 동력의 발생을 가능하게 하는 바람직한 효과를 가질 것이다. 소정 촉매를 이용한 초과 O2의 사용은 또한 지점 13에 존재하는 온도에서 SO2를 SO3로 변환할 수 있다 - 이 변환은 서브시스템(3)을 통해 황 포획(H2SO4로서)을 가능하게 한다. 또한, 배출물을 이러한 비-방출식 사이클에 의해 이미 달성가능한 것보다 훨씬 더 낮게 제어하기 위해 지점 13 또는 지점 51에서의 반응기의 조합이 이용될 수 있다. N2 자체는 본질적으로 서브시스템(5)을 통해 제거될 수 있기 때문에, 피스톤 엔진의 효율의 감소(감소된 연소 온도, 보다 낮은 압축비 등)를 유발하는 특별히 성가신 배출물인 NOx는 이 시스템에서 거의 제거될 것으로 예상된다.
본원에서 논의된 것들에 더하여, 본 산업의 사람들에게 친숙한 추가적인 열 회수/열 이용 기술이 또한 적용될 수 있다. 작동 유체로서 특히 R134A를 사용하는 유기 랭킨 사이클은 본질적으로 알래스카 또는 캐나다와 같은 보다 차가운 기후에서 엔진 재킷 물 열을 이용할 수 있다. 50℉ 이하에서 냉각이 가용할 때, 165℉의 낮은 온도에서의 폐열이 지열 프로젝트에 이용될 수 있다. 흡착 칠러가 또한 재킷 물 폐열과 통합될 수 있고, 전기 저온 칠러(48) 대신에 사용될 수 있다. 열 회수 시스템 또는 발생기는, 그것이 R134A 또는 R245FA와 같은 SC CO2(초임계 이산화탄소) 시스템 또는 랭킨 사이클 시스템이든 아니든, 환열기를 포함할 수 있다.
본원에서 논의된 모든 압력은 본 발명의 유연성을 통해 상당히 변화될 수 있다는 것이 인식된다. 예를 들어, 60psia 이상의 매니폴드 압력에서의 엔진의 작동은 PSA 발생 O2에 의해 가능하며, 35에서의 훨씬 더 낮은 압축기 압력에서의 작동은 그것이 CO2의 3중점 위에서 잘 머무른다면 (지점 48에서의 보다 낮은 레벨의 냉각에 의해) 가능하다(대개는 75psia가 하한이다). 이는 36에서 부하를 현저히 낮추기 때문에 효율을 증가시키지만, 또한 CO2의 용해 산소의 레벨은 지점 50에서 증가할 수 있기 때문에 보다 불량한 가스 품질을 초래한다. 본원에서 논의된 압력 및 다른 가용한 상태는 모두 이 시점(일시적 느낌)에서 공칭이지만, 다가오는 년도에는 좁아지고/완벽해질 것이다.
본 발명의 선택적인 실시형태가 또한 본원에 언급 또는 나타낸 부품, 요소 및 특징부, 개별적으로 또는 집합적으로 2 이상의 부품, 요소 또는 특징부의 임의의 또는 모든 조합을 광범위하게 포함하는 것으로 말할 수 있으며, 본 발명이 관계되는 본 기술분야의 알려진 동등물을 갖는 특정 통합이 본원에서 언급되며, 이러한 알려진 동등물은 마치 개별적으로 설명된 것처럼 본원에 통합되는 것으로 생각된다.
상기 설명은 본 발명을 실행하기 위해 생각된 최선의 모드 및 통상의 기술자가 상기 장치 및 방법을 구성하고 이용할 수 있도록 하는 충분하고, 명확하고, 간결하며, 정확한 용어로 상기 모드를 구성하고 이용하는 방식 및 프로세스의 설명을 나타낸다. 그러나, 본 발명은, 위에 논의된 것들로부터, 충분히 동등한 변형 및 대안 방법 단계로 허용될 수 있다. 결과적으로, 본 발명은 개시된 특정 실시형태로 제한되지 않는다. 반대로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 모든 변형 및 대안적인 구성 및 방법을 포함한다.
위 설명 및 첨부의 도면은 예시로 그리고 제한적이지 않은 것으로 해석되어야 한다. 본 발명은 그 바람직한 실시형태 또는 실시형태들과 관련하여 개시되어 있지만, 이하의 청구항에 의해 규정되는 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 다른 실시형태가 있을 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 청구항이 특정 기능을 실행하기 위한 수단 또는 단계로 표현되는 경우, 이러한 청구항은 구조적인 동등물 및 동등한 구조, 재료-기반 동등물 및 동등한 재료, 및 동작-기반 동등물 및 동등한 동작의 양자 모두를 포함하여 명세서에 기재된 대응하는 구성, 재료, 또는 동작 및 그 동등물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (22)

  1. ⅰ) 동력 및 배기 가스를 발생시키기 위한 피스톤 엔진,
    ⅱ) 배기 가스를 수취하고 배기 가스로부터 물을 냉각 및 제거하여 CO2 가스 공급물을 생성시키는 물 냉각 및 분리 유닛,
    ⅲ) 물 냉각 및 분리 유닛으로부터 CO2 가스 공급물의 적어도 일부를 수취하고 상기 CO2 가스 공급물을 산소와 혼합하여 피스톤 엔진에 제공될 작동 유체를 생성시키는 혼합 압력 용기, 및
    ⅳ) 혼합 압력 용기에 산소를 제공하기 위한 산소 발생기
    를 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 혼합 압력 용기로부터 작동 유체를 수취하고 작동 유체를 피스톤 엔진에 제공하는 송풍기를 더 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 송풍기로부터 작동 유체를 수취하고 그것을 피스톤 엔진에 제공하는 터보 차저를 더 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 추가적인 동력을 발생시키기 위한 열 회수 유닛을 더 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 열 회수 유닛은 초임계 브레이턴 CO2 사이클을 통해 추가적인 동력을 발생시키는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 산소 발생기는 제1 및 제2 압력 스윙 흡착 베드 또는 진공 압력 스윙 흡착 베드를 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 산소 발생기는 흡착 베드의 피스톤 엔진과의 기계적인 통합을 통해 산소를 발생시키는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 산소 발생기는 통합형 분자체 기반 공기 분리 유닛인, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 산소 발생기는 멤브레인 기반 공기 분리 유닛 또는 초저온 기반 공기 분리 유닛인, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 물 냉각 및 분리 유닛으로부터 CO2 가스 공급물의 일부를 수취하고 조절된 CO2 가스를 원하는 압력에서 제공하는 가스 정화 서브시스템을 더 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 가스 정화 서브시스템은 적어도 2개의 온도 스윙 흡착(TSA) 베드를 포함하는 온도 스윙 흡착(TSA) 시스템인, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 가스 정화 서브시스템은 적어도 2개의 흡착 베드를 포함하는 진공 압력 스윙 흡착(VPSA) 또는 압력 스윙 흡착(PSA) 시스템인, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 가스 정화 서브시스템은, 온도 스윙 흡착(TSA) 베드와, 압력 스윙 흡착(PSA) 또는 진공 압력 스윙 흡착(VPSA) 베드의 양자 모두를 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 폐열 회수 시스템을 더 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 흡착 칠러 냉각 시스템을 더 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 시스템은 반밀폐 시스템인, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  17. ⅰ) 동력 및 배기 가스를 발생시키기 위한 피스톤 엔진,
    ⅱ) 배기 가스를 수취하고 배기 가스로부터 물을 냉각 및 제거하여 CO2 가스 공급물을 생성시키는 물 냉각 및 분리 유닛,
    ⅲ) 물 냉각 및 분리 유닛으로부터 CO2 가스 공급물의 적어도 일부를 수취하고 CO2 가스 공급물을 산소와 혼합하여 피스톤 엔진에 제공될 작동 유체를 생성시키는 혼합 압력 용기,
    ⅳ) 혼합 압력 용기에 산소를 제공하기 위한 산소 발생기, 및
    ⅴ) 물 냉각 및 분리 유닛으로부터 CO2 가스 공급물의 일부를 수취하고 조절된 CO2 가스를 원하는 압력에서 제공하는 가스 정화 서브시스템
    을 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 혼합 압력 용기로부터 작동 유체를 수취하고 작동 유체를 피스톤 엔진에 제공하는 송풍기를 더 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 송풍기로부터 작동 유체를 수취하고 그것을 피스톤 엔진에 제공하는 터보 차저를 더 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 추가적인 동력을 발생시키기 위한 열 회수 유닛을 더 포함하는, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  21. 제17항에 있어서, 가스 정화 서브시스템은 적어도 2개의 온도 스윙 흡착(TSA) 베드를 포함하는 온도 스윙 흡착 시스템인, 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
  22. ⅰ) 동력 및 배기 가스를 발생시키기 위한 피스톤 엔진,
    ⅱ) 배기 가스를 수취하고 배기 가스로부터 물을 냉각 및 제거하여 CO2 가스 공급물을 생성시키는 물 냉각 및 분리 유닛,
    ⅲ) 물 냉각 및 분리 유닛으로부터 CO2 가스 공급물의 적어도 일부를 수취하고 CO2 가스 공급물을 산소와 혼합하여 피스톤 엔진에 제공될 작동 유체를 생성시키는 혼합 압력 용기,
    ⅳ) 혼합 압력 용기에 산소를 제공하기 위한 산소 발생기, 및
    ⅴ) 혼합 압력 용기로부터 작동 유체를 수취하고 작동 유체를 피스톤 엔진에 제공하는 송풍기
    를 포함하는, 반밀폐 사이클 피스톤 엔진 동력 시스템.
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