KR102153458B1 - 초임계 랭킨 사이클 시스템 - Google Patents

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강도원
최범석
임형수
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 임계압력 이상의 특정 압력 조건에서 비열이 급격히 증가되는 가상임계점 온도 구간을 회피할 수 있도록 작동유체의 질량유동을 분기하고, 분기된 질량유동에 대해 개별적인 변온 열전달 과정을 거침으로써, 액서지 손실을 줄여 열 회수율을 높일 수 있는 초임계 랭킨 사이클 시스템을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 제1 열교환기, 제2 열교환기, 제1 터빈, 제2 터빈, 열재생기를 포함하며, 펌프로부터 방출된 작동유체를 상기 제2 열교환기 측으로 공급되는 제1 질량유동과 상기 열재생기 측으로 공급되는 제2 질량유동으로 분기하는 분기부, 및 상기 제2 열교환기를 경유한 제1 질량유동과 상기 열재생기를 경유한 제2 질량유동이 합류되고 합류된 작동유체를 상기 제1 열교환기로 공급하는 합류부;를 포함하는 특징이 개시된다.

Description

초임계 랭킨 사이클 시스템{SUPERCRITICAL RANKINE CYCLE SYSTEM}
본 발명은 초임계 랭킨 사이클 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 임계조건 이상의 압력으로 압축된 작동유체를 임계조건보다 높은 온도로 가열하여 터빈을 구동하는 초임계 랭킨 사이클 시스템에 관한 것이다.
전통적인 방법으로는 온도가 낮은 열원으로부터 전기를 효과적으로 생산할 수 없기 때문에 이러한 열원 에너지의 대부분은 버려지고 있다. 따라서 저온의 열원으로부터 어떻게 전기를 효과적으로 생산하는가에 대한 연구는 대단히 중요하며, 대표적으로 연구되고 있는 것 중 물 대신 유기 물질을 작동유체로 하는 유기 랭킨 사이클(ORC: Organic Rankine cycle)이다.
물을 사용하는 단순 랭킨 사이클과 달리 유기 랭킨 사이클에서의 작동유체는 비등점이 물보다 낮은 유기물질을 사용하기 때문에 낮은 온도에서 구동될 수 있다.
나아가 임계조건 이상의 압력으로 압축된 작동유체를 임계조건보다 높은 온도의 초임계(Supercritical) 상태에서 사이클을 구동하면 시스템의 성능을 극대화시킬 수 있는데, 최근에는 이러한 초임계 랭킨 사이클에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 초임계 랭킨 사이클은 액체-기체의 상변화를 하는 일반적인 물질상태에서 특이점인 임계점(Critical point)을 넘는 온도, 압력 조건 즉, 초임계 조건에서 작동유체의 가열과정이 발생하며, 이러한 초임계 상태에서는 상변화 없는 변온 가열이 가능하므로, 유한한 열용량을 가진 열원과의 열전달 과정에서 발생하는 엑서지(Exergy) 손실을 줄일 수 있어, 결과적으로 사이클의 출력을 높일 수 있다.
도 1은 종래 초임계 랭킨 사이클 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 초임계 랭킨 사이클 시스템의 온도-엔탈피 선도를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 초임계 랭킨 사이클 시스템의 온도-열전달량 선도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
종래 초임계 랭킨 사이클 시스템은, 열교환기(10), 터빈(20), 냉각기(30), 펌프(40)으로 구성된다.
작동원리는 열원으로부터 열을 공급받아 열교환기(10)에서 가열되어 고온 고압의 작동유체가 되고, 상기 작동유체는 터빈(20)로 유입되어 저압 상태로 팽창되는 과정에서 발전기를 이용, 전기를 생산할 수 있다.
또한 터빈(20)을 거친 작동유체는 냉각기(30)로 들어가 냉각원과 열교환을 하여 응축되어 저온 저압의 액체 상태의 작동유체가 되고, 상기 작동유체는 펌프(40)를 거치면서 저온 고압의 상태가 된 후, 열교환기(10)로 유입되어 처음의 과정을 반복하게 된다.
도 2를 참고하여 보다 상세히 설명하면, 먼저 작동유체가 기체점(B)에서 냉각기(30)로 유입되어 냉각원과 열교환을 하여 저온 저압의 액체 상태로 응축되는 응축과정이 이루어진다. 선도에서 포화 액체선(SL)의 포화 액체점(C)까지 도달하는 상태이다.
또한 응축과정 거친 다음, 저온 저압의 작동유체가 펌프(40)에 의해 초임계 압력으로 가압하여 저온 고압 상태가 되는 가압과정으로 이루어진다. 선도가 포화 액체점(C)에서 포화선(SL)을 넘어서 액체점(D)까지 도달하는 상태이다.
또한 가압과정 거친 다음, 저온 고압의 작동유체가 열원에 의해 가열되어 고온 고압의 기체상태가 되는 증발과정으로 이루어진다. 선도에서 작동유체는 초기 열원에 의해 가열되어 포화 액체선(SL)의 상부 구역을 따라 이동되다가 상기 가압과정에서 초임계 압력으로 가압되었기 때문에 선도에서 임계점(CP)의 포화선 이상의 초임계(A) 구역으로 이동되면서 기체구간으로 도달하는 상태이다.
마지막으로, 증발과정 거친 다음, 고온 고압의 가스 작동유체가 터빈(20)으로 유입되어 기체점(B)까지 저압 상태로 팽창되는데, 이 과정에서 터빈(20)과 연결된 발전기를 이용하여, 전기를 생산하는 팽창과정으로 이루어진다.
또한 팽창과정을 거친 다음, 작동유체는 다시 냉각기(30)로 유입되어 처음의 과정을 반복한다.
이러한 초임계 랭킨 사이클 시스템은 임계점(CP)을 넘는 초임계 상태에서는 작동유체의 상변화 없는 변온 가열이 가능하므로, 유한한 열용량을 가진 열원과의 열전달 과정에서 발생하는 엑서지(Exergy) 손실을 얼마나 줄이는 것에 따라, 사이클의 출력이 결정될 수 있다.
다시 말해 초임계 랭킨 사이클은 동일한 열원 조건에서는 열원과 작동유체의 온도변화와, 열원과 작동유체 간의 최소온도차를 의미하는 핀치온도차(PPTD; Pinch Point Temperature Difference)의 설계 변수에 따라, 열교환기의 규모와 설계 사양이 결정될 수 있다. 예를 들어 핀치온도차가 작을수록 많은 양의 열 회수가 가능하여 열교환기의 출구 유량이 증가되지만, 핀치온도차를 너무 작게 설정하면 열교환기의 과도한 전열면적이 요구된다.
결국 동일한 열원조건에서의 시스템의 전체 규모나 사양이 결정된 상태에서는 요구되는 최적의 터빈 출력을 보일 수 있는 핀치온도차를 미리 설계하게 된다.
하지만 핀치온도차를 포함한 시스템의 설계가 완료되었다 하더라도, 실제 가동 시에는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 임계점(CP)에 도달하기 이전에 열원으로부터 회수되는 열회수율과 비교하여, 임계점(CP) 이상의 온도로 작동유체가 가열되는 과정에서는 초임계 조건에서의 열역학적 특성 상 비열(specific heat)이 증가하여 열원으로부터 회수되는 열회수율이 저하되는 현상이 발생된다.
특히 도 3에서와 같이 임계온도를 넘어서면서 비열이 급격히 증가되는 가상임계점(PCP: Pseudo-Critical Point)을 경유하게 되면서 변온 열전달과정에서 엑서지가 손실되어 열 회수율이 저하되고, 열교환기의 출구온도(T1)를 떨어트리게 된다.
상기 가상임계점(PCP: Pseudo-critical point)이란 임계압력 이상의 특정 압력조건에서 비열의 최대값에 상응하는 온도를 의미한다.
대한민국 등록특허공보 제10-1162660호 (2012.07.04.공고)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 임계압력 이상의 특정 압력 조건에서 비열이 급격히 증가되는 가상임계점 온도 구간에서 발생하는 엑서지 손실을 최소화할 수 있도록 작동유체의 질량유동을 분기하고, 분기된 질량유동에 대해 개별적인 변온 열전달 과정을 거침으로써, 엑서지 손실을 줄여 열 회수율을 높일 수 있는 초임계 랭킨 사이클 시스템을 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템은, 열원이 공급되는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기를 경유한 열원이 공급되는 제2 열교환기; 상기 제1 열교환기를 경유한 작동유체가 팽창되는 제1 터빈; 상기 제1 터빈에서 배출된 작동유체가 팽창되는 제2 터빈; 상기 제1 터빈과 상기 제2 터빈 사이에 설치되고, 상기 제1 터빈에서 배출된 작동유체가 공급되는 열재생기; 펌프로부터 방출된 작동유체를 상기 제2 열교환기 측으로 공급되는 제1 질량유동과 상기 열재생기 측으로 공급되는 제2 질량유동으로 분기하는 분기부; 및 상기 제2 열교환기를 경유한 제1 질량유동과 상기 열재생기를 경유한 제2 질량유동이 합류되고, 합류된 작동유체를 상기 제1 열교환기로 공급하는 합류부;를 포함하고, 작동유체는 상기 분기부에서 상기 제1 질량유동과 상기 제2 질량유동으로 분기되어, 상기 제2 열교환기 및 상기 열재생기에서 가상임계점 이상의 온도로 각각 가열되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템에 있어서, 상기 분기부는, 작동유체의 온도가 비열이 급격히 증가되는 가상임계점에 도달하기 이전에, 상기 제1 질량유동과 상기 제2 질량유동을 분기시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템에 있어서, 상기 펌프와 상기 분기부 사이에 설치되고, 상기 제2 열교환기를 경유한 열원이 공급되며, 상기 펌프에서 방출된 작동유체가 공급되는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템은, 열원이 공급되는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기를 경유한 열원이 공급되는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기를 경유한 열원이 공급되는 제3 열교환기; 상기 제3 열교환기를 경유한 열원이 공급되는 제4 열교환기; 상기 제1 열교환기를 경유한 작동유체가 팽창되는 제1 터빈; 상기 제1 터빈에서 배출된 작동유체가 팽창되는 제2 터빈; 상기 제1 터빈과 상기 제2 터빈 사이에 설치되고, 상기 제1 터빈에서 배출된 작동유체가 공급되는 제1 열재생기; 상기 제2 터빈에서 배출된 작동유체가 공급되는 제2 열재생기; 펌프로부터 방출된 작동유체를 상기 제4 열교환기 측으로 공급되는 제1 질량유동과 상기 제2 열재생기 측으로 공급되는 제2 질량유동으로 분기하는 제1 분기부; 상기 제4 열교환기를 경유한 제1 질량유동과 상기 제2 열재생기를 경유한 제2 질량유동이 합류되고, 합류된 작동유체를 상기 제3 열교환기로 공급하는 제1 합류부; 상기 제3 열교환기를 경유한 작동유체를 상기 제2 열교환기 측으로 공급되는 제3 질량유동과 상기 제1 열재생기 측으로 공급되는 제4 질량유동으로 분기하는 제2 분기부; 및 상기 제2 열교환기를 경유한 제3 질량유동과 상기 제1 열재생기를 경유한 제4 질량유동이 합류되고, 합류된 작동유체를 상기 제1 열교환기로 공급하는 제2 합류부;를 포함하고, 작동유체는 상기 제2 분기부에서 상기 제3 질량유동과 상기 제4 질량유동으로 분기되어, 상기 제2 열교환기 및 상기 제1 열재생기에서 가상임계점 이상의 온도로 각각 가열되는 것도 특징으로 한다.
이때 상기 제2 분기부는, 상기 제3 열교환기를 경유한 작동유체의 온도가 비열이 급격히 증가되는 가상임계점에 도달하기 이전에, 상기 제3 질량유동과 상기 제4 질량유동을 분기시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템에 있어서, 상기 제1 합류부에서 합류된 작동유체의 온도를 기초로 하여, 상기 제4 열교환기 측으로 공급되는 상기 제1 질량유동의 유량 또는 상기 제2 열재생기 측으로 공급되는 상기 제2 질량유동의 유량을 제어하는 제1 제어밸브를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템에 있어서, 상기 제2 합류부에서 합류된 작동유체의 온도를 기초로 하여, 상기 제2 열교환기 측으로 공급되는 상기 제3 질량유동의 유량 또는 상기 제1 열재생기 측으로 공급되는 상기 제4 질량유동의 유량을 제어하는 제2 제어밸브를 포함할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템에 있어서, 상기 제1 터빈의 상류에 설치되어, 상기 제1 터빈으로 공급되는 작동유체의 유량을 제어하는 제3 제어밸브를 더 포함하고, 상기 펌프의 상류 또는 하류에 설치되며, 상기 제1 터빈 측으로 공급되는 작동유체의 유량을 기초로 하여, 순환하는 작동유체의 유량을 증가시키거나 감소시키기 위한 작동유체 유량제어부를 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템은 작동유체의 전체 질량유동에 대하여, 열교환기 측으로 공급되는 질량유동과 열재생기 측으로 공급되는 질량유동으로 분기하여 열교환기와 열재생기에서 가상임계점 이상의 온도로 각각의 질량유동을 개별적으로 가열시키는 과정을 포함함으로서, 가열되는 작동유체의 변온 열전달 과정에서 엑서지 손실을 줄여 열 회수율을 높이고, 높은 터빈 입구온도를 유지할 수 있다.
또한 본 발명은 동일 조건의 열원 및 작동유체에 대하여 최종 열교환기에서 배출되는 작동유체의 출구온도를 높게 유지할 수 있기 때문에, 전체 사이클의 효율을 크게 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래 초임계 랭킨 사이클 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 초임계 랭킨 사이클 시스템의 온도-엔트로피 선도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 초임계 랭킨 사이클 시스템의 온도-열전달량 선도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 초임계 랭킨 사이클 시스템의 온도-엔트로피 선도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5의 초임계 랭킨 사이클 시스템의 온도-열전달량 선도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 본 발명에 따른 초임계 랭킨 시스템에 적용되는 작동유체는 이산화탄소(CO2) 및 하나 이상의 다른 혼화성 유체의 조합일 수도 있다. 예를 들어, 작동유체는 이산화탄소(CO2)와 프로판, 또는 이산화탄소(CO2)와 암모니아의 조합일 수 있다. 이러한 작동유체에 대해서 특별히 한정하지는 않는다.
도 4를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 발전 시스템은, 임계조건 이상의 압력으로 압축된 작동유체를 임계조건보다 높은 온도로 가열하여 터빈을 구동하는 것으로서, 열원부, 열교환기(100), 터빈(200), 열재생기(310), 냉각기(400), 펌프(500), 분기부(610) 및 합류부(620)를 포함한다.
열원부는, 작동유체(m)에 열에너지를 공급하는 것으로, 예를 들어 기체 터빈 배기, 공정 스트림 배기, 노(furnace) 또는 보일러 배기 스트림과 같은 다른 연소 생산 배기 스트림의 폐열 스트림으로부터 열에너지를 공급받을 수도 있고, 다른 한편으로 태양열원 또는 지열원 등과 같은 재생 가능한 열원으로부터 열에너지를 끌어낼 수 있다.
따라서 초임계 랭킨 사이클 시스템은 기체 터빈, 디젤 기관 발전 장치, 산업 폐열 회수 장치, 핵분열 및 핵융합 등의 핵반응을 일으키는 원자로에서 폐열을 전기로 변환하는 시스템에 적용될 수 있다.
열교환기(100)는, 제1 열교환기(110)와 제2 열교환기(120)를 포함할 수 있다.
제1 열교환기(110)는, 열원부로부터 열원이 유입되고, 후술되는 제2 열교환기(120)에서 배출된 작동유체가 유입되며, 열원의 열에너지를 작동유체(m)로 전달한다. 제1 열교환기(110)를 통해 열원과 최종 열교환된 작동유체(m)는 후술되는 제1 터빈(210) 측으로 유동된다.
제2 열교환기(120)는, 제1 열교환기(110)를 경유한 열원이 유입되고, 후술되는 펌프(500)로부터 방출된 작동유체(m)가 유입되며, 열원의 열에너지를 작동유체(m)로 전달한다. 제1 열교환기(110)에서 작동유체(m)와 열교환된 열원은 제2 열교환기(120)로 유동되고, 제2 열교환기(120)을 통해 열원과 최종 열교환된 작동유체(m)는 제1 열교환기(110) 측으로 유동된다.
결국 열원은 제1 열교환기(110)와 제2 열교환기(120)을 순차적으로 유동하고, 작동유체(m)는 제2 열교환기(120)와 제1 열교환기(110)를 순차적으로 유동한다. 따라서 열원과 작동유체(m)는 제2 열교환기(120)와 제1 열교환기(110)를 유동하면서 예열(Preheater), 증발(Evaporator),과열(Superheater) 과정을 거칠 수 있다.
제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(120)는 직접 접촉 열교환기, 트림 냉각 장치, 기계적 냉각 장치 또는 그들의 조합과 같이 작동유체(m) 간 서로 열교환 하기에 적합한 어떠한 장치가 적용될 수 있다. 또한 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(120) 각각에는 하나 이상의 인쇄회로 열교환 패널이 설치될 수도 있다. 이러한 열교환기 또는 패널들은 해당 기술 분야에서 널리 알려져 있는 사항이므로, 상세한 설명은 생략한다.
터빈(200)은, 제1 터빈(210)과 제2 터빈(220)을 포함할 수 있다.
제1 터빈(210)은, 제1 열교환기(110)와 유동 상 연결되고, 상기 제1 열교환기(110)에서 배출되는 작동유체(m)를 유입하고, 유입된 작동유체(m)를 팽창시켜 외부 발전기 등을 구동할 수 있다.
결국 제1 터빈(210)은 발전기 또는 축 일(shaft work)을 받아들이도록 구성된 다른 장치 또는 시스템에 작동 상 연결될 수 있으며, 발전기는 제1 터빈(210)에 의해 발생된 기계적 일을 유용한 전력으로 변환할 수 있다.
제2 터빈(220)은, 제1 터빈(210)과 유동 상 연결되고, 상기 제1 터빈(210)에서 배출되는 작동유체(m)를 유입하고, 유입된 작동유체(m)를 팽창시켜 외부 발전기 등을 구동할 수 있다.
제2 터빈(220) 역시 발전기 또는 축 일(shaft work)을 받아들이도록 구성된 다른 장치 또는 시스템에 작동 상 연결될 수 있으며, 발전기는 제2 터빈(220)에 의해 발생된 기계적 일을 유용한 전력으로 변환할 수 있다.
열재생기(310)는, 제1 터빈(210)과 제2 터빈(220) 사이에 배치되어, 제1 터빈(210) 및 제2 터빈(220)에 유동 상 연결된다. 상기 제1 터빈(210)에서 배출된 작동유체(m)를 유입하고, 후술되는 펌프(500)를 경유한 작동유체(m)의 일부인 제2 질량유동(m2)이 유입될 수 있다. 결국 제1 터빈(210)에서 배출되는 작동유체(m)의 열에너지를 펌프(500)를 경유한 일부의 제2 질량유동(m2)로 전달할 수 있다.
이러한 열재생기(310)는 직접 접촉 열교환기, 트림 냉각 장치, 기계적 냉각 장치 또는 그들의 조합과 같이 작동유체(m) 간 서로 열교환 하기에 적합한 어떠한 장치가 적용될 수 있다. 또한 열재생기(310)에는 하나 이상의 인쇄회로 열교환 패널이 설치될 수도 있다. 이러한 열재생기(310) 또는 패널들은 해당 기술 분야에서 널리 알려져 있는 사항이므로, 상세한 설명은 생략한다.
냉각기(400)는, 열재생기(310)에서 배출되는 작동유체(m)가 유입되며, 외부의 냉각수 등을 이용하여 열재생기(310)에서 배출되는 작동유체(m)를 저온으로 냉각시킨다. 이렇게 냉각된 작동유체(m)는 후술되는 펌프(500)로 유동된다.
펌프(500)는, 냉각기(400)에서 배출되는 작동유체(m)를 가압하여 제2 열교환기(120) 측으로 공급하며, 전체적으로 순환 사이클을 형성하게 된다.
분기부(610)는, 펌프(500)로부터 방출된 작동유체(m)를 제1 질량유동(m1)과 제2 질량유동(m2)으로 분기한다.
상기 제1 질량유동(m1)은 제2 열교환기(120) 측으로 유동되고, 상기 제2 질량유동(m2)은 열재생기(310) 측으로 유동될 수 있다.
결국 제1 질량유동(m1)은 제2 열교환기(120) 내부에서 열원과 열교환이 이루어지고, 제2 질량유동(m2)은 열재생기(310) 내부에서 터빈(210)에서 배출된 작동유체(m)와 열교환된다.
분기부(610)를 통해 작동유체(m)가 분기되는 시점은 작동유체(m)의 온도가 비열이 급격히 증가되는 가상임계점(Pseudo-Critical Point)에 도달하기 이전에 수행될 수 있다.
다시 말해 분기부(610)는 작동유체(m)의 온도가 가상임계점(PCP) 이하의 온도 구간에서 제1 질량유동(m1)과 제2 질량유동(m2)으로 분기시킨다.
합류부(620)는, 제2 열교환기(120)를 경유한 제1 질량유동(m1)과 열재생기(310)를 경유한 제2 질량유동(m2)으로 합류시키고, 합류된 작동유체(m)를 제1 열교환기(110) 측으로 유동시킬 수 있다.
도 2 및 도 3에서와 같이 종래 열교환기에서 가열되는 작동유체(m)는 임계온도를 지나면서 작동유체(m)의 비열이 증가되고, 특히 가상임계점(PCP)을 지나면서 비열이 급격히 증가하게 되어, 작동유체(m)의 열 회수율을 떨어트린다.
결국 비열이 급격히 증가되는 가상임계점(PCP) 진입 이전에 작동유체(m)를 제1 질량유동(m1)과 제2 질량유동(m2)으로 분기하고, 이렇게 분기된 제1 질량유동(m1)과 제2 질량유동(m2)을 제2 열교환기(120) 및 열재생기(310)에서 개별적으로 변온 가열 과정을 거치도록 함으로써, 열원과 작동유체(m), 또는 고온의 작동유체(m)와 저온의 작동유체(m) 간의 열 회수율을 높일 수 있다.
또한 제2 열교환기(120)에서 열원과 열교환된 제1 질량유동(m1)과, 열재생기(310)에서 터빈(210)에서 배출된 작동유체(m)와 열교환된 제2 질량유동(m2)이 합류된 작동유체(m)는, 비열의 급격히 증가되는 가상임계점(PCP) 이상의 온도로 각각 가열된 상태를 유지할 수 있다.
제1 질량유동(m1)과 제2 질량유동(m2)이 합류된 작동유체(m)는 제1 열교환기(110)를 경유하면서 열원으로부터 최종 열을 공급받아 가열(과열)되어 고온 고압의 작동유체(m)를 유지하게 되고, 제1 터빈(210)으로 유입되어 저압 상태로 팽창된다.
한편 도시되진 않았지만 일 실시예에 따른 열교환기에는, 상기 펌프(500)와 상기 분기부(610) 사이에 설치되고, 상기 제2 열교환기(120)를 경유한 열원이 공급되며, 상기 펌프(500)에서 방출된 작동유체(m)를 가열(예열)하는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기(120) 및 상기 열재생기(310)를 통하여 제1 질량유동(m1) 및 제2 질량유동(m2)이 가상임계점(PCP) 이상의 온도로 가열될 수 있도록, 상기 펌프(500)에서 방출된 저온 고압의 작동유체(m)를 소정 온도까지 예열시킨 다음 상기 분기부(610)로 공급할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 5의 초임계 랭킨 사이클 시스템의 온도-엔트로피 선도를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 7은 도 5의 초임계 랭킨 사이클 시스템의 온도-열전달량 선도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 초임계 발전 시스템은, 열원부, 열교환기(100), 터빈(200), 제1 열재생기(310), 제2 열재생기(320), 냉각기(400), 펌프(400), 제1 분기부(610), 제1 합류부(620), 제2 분기부(630) 및 제2 합류부(640)를 포함한다.
다른 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템은 도 4의 일 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템과 비교하여, 열교환기, 터빈, 열재생기, 분기부 및 합류부에서 차이가 있는 것으로, 서로 동일한 구성요소에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하거나 간략히 한다.
열교환기(100)는, 제1 열교환기(110), 제2 열교환기(120), 제3 열교환기(130), 제4 열교환기(140)를 포함할 수 있다.
제1 열교환기(110)는, 열원부로부터 열원이 유입되고, 후술되는 제2 열교환기(120)에서 배출된 작동유체가 유입되며, 열원의 열에너지를 작동유체로 전달한다. 제1 열교환기(110)를 통해 열원과 최종 열교환된 작동유체는 후술되는 제1 터빈(210) 측으로 유동된다.
제2 열교환기(120)는, 제1 열교환기(110)를 경유한 열원이 유입되고, 후술되는 제3 열교환기(130)에서 배출된 작동유체의 일부가 유입되며, 열원의 열에너지를 작동유체로 전달한다. 제1 열교환기(110)에서 작동유체(m)와 열교환된 열원은 제2 열교환기(120)로 유동되고, 제2 열교환기(120)를 통하여 열원과 열교환된 작동유체는 제1 열교환기(110) 측으로 유동된다.
제3 열교환기(130)는, 제2 열교환기(120)를 경유한 열원이 공급되고, 후술되는 제4 열교환기(140)에서 배출된 작동유체가 유입되며, 열원의 열에너지를 작동유체로 전달한다. 제3 열교환기(130)를 통하여 열원과 열교환된 작동유체는 제2 열교환기(120) 측으로 유동된다.
제4 열교환기(140)는, 제3 열교환기(130)를 경유한 열원이 공급되고, 펌프(500)에서 배출된 작동유체가 유입되며, 열원의 열에너지를 작동유체로 전달한다.
결국 열원은 제1 열교환기(110), 제2 열교환기(120), 제3 열교환기(130), 제4 열교환기(140)를 순차적으로 유동하고, 작동유체는 제4 열교환기(140), 제3 열교환기(130), 제2 열교환기(120), 제1 열교환기(110)를 순차적으로 유동하면서, 1차, 2차, 3차, 4차에 걸쳐 열교환된다.
터빈(200)은, 제1 터빈(210)과 제2 터빈(220)을 포함할 수 있다.
제1 터빈(210)은, 제1 열교환기(110)와 유동 상 연결되고, 제1 열교환기(110)에서 배출되는 작동유체(m)를 팽창시켜 외부 발전기 등을 구동할 수 있다.
결국 제1 터빈(210)은 발전기 또는 축 일(shaft work)을 받아들이도록 구성된 다른 장치 또는 시스템에 작동 상 연결될 수 있으며, 발전기는 제1 터빈(210)에 의해 발생된 기계적 일을 유용한 전력으로 변환할 수 있다.
제2 터빈(220)은, 제1 터빈(210)과 유동 상 연결되고, 상기 제1 터빈(210)에서 배출되는 작동유체(m)를 유입하고, 유입된 작동유체(m)를 팽창시켜 외부 발전기 등을 구동할 수 있다.
제2 터빈(220) 역시 발전기 또는 축 일(shaft work)을 받아들이도록 구성된 다른 장치 또는 시스템에 작동 상 연결될 수 있으며, 발전기는 제2 터빈(220)에 의해 발생된 기계적 일을 유용한 전력으로 변환할 수 있다.
제1 열재생기(310)는, 상기 제1 터빈(210)에서 배출되는 작동유체(m)가 공급되며, 상기 제3 열교환기(130)를 경유한 작동유체(m)의 일부가 유동될 수 있다. 즉, 제1 터빈(210)에서 배출되는 작동유체(m)의 열에너지를 상기 제3 열교환기(130)를 경유한 일부의 작동유체(m)로 전달할 수 있다.
상세하게 제1 열재생기(310)는 제1 터빈(210)에서 배출되는 작동유체(m)가 공급되며, 제3 열교환기(130)를 경유한 작동유체(m)의 일부인 제4 질량유동(m4)이 공급된다. 즉, 제1 터빈(210)에서 배출되는 작동유체(m)의 열에너지를 제4 질량유동(m4)으로 전달한다.
제2 열재생기(320)는, 제2 터빈(220)에서 배출되는 작동유체(m)가 공급되며, 펌프(500)를 경유한 작동유체(m)의 일부가 공급된다. 즉, 제2 터빈(220)에서 배출되는 작동유체(m)의 열에너지를 펌프(500)를 경유한 일부의 작동유체(m)로 전달할 수 있다.
상세하게 제2 열재생기(320)는 제2 터빈(220)에서 배출되는 작동유체(m)가 공급되며, 상기 펌프(500)를 경유한 작동유체(m)의 일부인 제2 질량유동(m2)을 공급받는다. 즉, 제2 터빈(210)에서 배출되는 작동유체(m)의 열에너지를 상기 제2 질량유동(m2)으로 전달한다.
냉각기(400)는, 제2 열재생기(320)에서 배출되는 작동유체(m)가 유입되며, 외부의 냉각수 등을 이용하여 제2 열재생기(320)에서 배출되는 작동유체(m)를 저온으로 냉각시킨다. 이렇게 냉각된 작동유체(m)는 펌프(500)로 유동된다.
펌프(500)는, 냉각기(400)에서 배출되는 작동유체(m)를 가압하여 제4 열교환기(140) 측으로 공급하며, 전체적으로 순환 사이클을 형성하게 된다.
제1 분기부(610)는, 펌프(500)로부터 방출된 작동유체(m)를 제1 질량유동(m1)과 제2 질량유동(m2)으로 분기한다.
상기 제1 질량유동(m1)은 제4 열교환기(140) 측으로 유동되고, 제2 질량유동(m2)은 제2 열재생기(320) 측으로 유동될 수 있다.
결국 제1 질량유동(m1)은 제4 열교환기(140) 내부에서 열원과 열교환이 이루어지고, 제2 질량유동(m2)은 제2 열재생기(320) 내부에서 제2 터빈(220)에서 배출된 작동유체(m)와 열교환된다.
제1 합류부(620)는, 제4 열교환기(140)를 경유한 제1 질량유동(m1)과 제2 열재생기(320)를 경유한 제2 질량유동(m2)으로 합류시키고, 합류된 작동유체(m)를 제3 열교환기(130) 측으로 유동시킬 수 있다.
제2 분기부(630)는, 제3 열교환기(130)를 경유한 작동유체(m)를 다시 제3 질량유동(m3)과 제4 질량유동(m4)으로 분기한다.
상기 제3 질량유동(m3)은 제2 열교환기(120) 측으로 유동되고, 상기 제4 질량유동(m4)은 제1 열재생기(310) 측으로 유동될 수 있다.
결국 제3 질량유동(m3)은 제2 열교환기(120) 내부에서 열원과 열교환이 이루어지고, 제4 질량유동(m4)은 제1 열재생기(310) 내부에서 제1 터빈(210)에서 배출된 작동유체(m)와 열교환된다.
제2 분기부(630)를 통해 작동유체(m)가 분기되는 시점은 작동유체(m)의 온도가 비열이 급격히 증가되는 가상임계점(Pseudo-critical point)에 도달하기 이전에 수행된다.
다시 말해 제2 분기부(620)는 작동유체(m)의 온도가 가상임계점(PCP) 이하의 온도 구간에서 제3 질량유동(m3)과 제4 질량유동(m4)으로 분기시킨다.
제2 합류부(640)는, 제2 열교환기(120)를 경유한 제3 질량유동(m3)과 제1 열재생기(310)를 경유한 제4 질량유동(m4)으로 합류시키고, 합류된 작동유체(m)를 제1 열교환기(110) 측으로 유동시킬 수 있다.
도 2 및 도 3에서와 같이 열교환기에서 가열되는 작동유체(m)는 임계온도를 지나면서 작동유체(m)의 비열이 증가되고, 특히 가상임계점을 지나면서 비열이 급격히 증가하게 되어, 작동유체(m)의 열 회수율을 떨어트린다.
결국 비열이 급격히 증가되는 가상임계점(PCP) 진입 이전에 작동유체(m)를 제3 질량유동(m3)과 제4 질량유동(m4)으로 분기하고, 이렇게 분기된 제3 질량유동(m3)과 제4 질량유동(m4)을 제2 열교환기(120) 및 제1 열재생기(310)에서 개별적으로 변온 가열 과정을 거치도록 함으로써, 열원과 작동유체(m), 또는 고온의 작동유체(m)와 저온의 작동유체(m) 간의 열 회수율을 높일 수 있다.
또한 제2 열교환기(120)에서 열원과 열교환된 제3 질량유동(m3)과, 제1 열재생기(310)에서 제1 터빈(210)에서 배출된 작동유체(m)와 열교환된 제4 질량유동(m4)이 합류된 작동유체(m)는 비열의 급격히 증가되는 가상임계점(PCP) 이상의 온도로 각각 가열된 상태를 유지할 수 있다.
제3 질량유동(m3)과 제4 질량유동(m4)이 합류된 작동유체(m)는 제1 열교환기(110)를 경유하면서 열원으로부터 최종 열을 공급받아 가열(과열)되어 고온 고압의 작동유체(m)를 유지하게 되고, 제1 터빈(210)으로 유입되어 저압 상태로 팽창된다.
도 5를 참조하여 작동유체(m)를 중심으로 보다 상세히 설명하면, 먼저 작동유체(m)가 기체점(B4)에서 냉각기(400)로 유입되어 냉각원과 열교환을 하여 포화 액체선(SL)의 포화 액체점(C)까지 저온 저압 상태로 응축되는 응축과정을 거친다. 선도에서와 같이 포화 액체선(SL)의 포화 액체점(C)에 도달될 수 있다.
또한 응축과정을 거친 저온 저압의 작동유체(m)는 펌프(500)에 의해 초임계 압력으로 가압되어 저온 고압 상태가 되는 가압과정을 거친다. 선도에서와 같이 포화 액체점(C)에서 액체 포화선(SL)을 넘어서 액체점(D)까지 도달될 수 있다.
또한 가압과정을 거친 저온 고압의 작동유체(m)는 제1 분기부(610)를 통하여 제1 질량유동(m1)과 제2 질량유동(m2)으로 분기되며, 제1 질량유동(m1)은 제4 열교환기(140)측으로 유동되고, 제2 질량유동(m2)은 제2 열재생기(320)측으로 유동된다.
제1 질량유동(m1)은 제4 열교환기(140)를 지나면서 열원에 의해 가열(예열) 과정을 거칠 수 있고, 제2 질량유동(m2)은 제2 열재생기(320)를 지나면서 제2 터빈(220)에서 배출된 작동유체(m)에 의해 가열(예열) 과정을 각각 거칠 수 있다.
또한 개별 가열(예열)과정을 거친 제1 질량유동(m1)과 제2 질량유동(m2)은 제1 합류부(620)를 통하여 합류되며, 선도에서와 같이 액체 포화선(SL)을 넘어서 액체점(A1)까지 도달할 수 있다.
제1 합류부(620)를 통하여 합류된 작동유체(m)는 제3 열교환기(130)측으로 유동되고, 제3 열교환기(130)를 지나면서 열원에 의해 재차 가열(예열) 과정을 거친다. 선도에서와 같이 액체 포화선(SL)을 넘어서 액체점(A2)까지 도달할 수 있다.
또한 2차 가열(예열)과정을 거친 작동유체(m)는 다시 제2 분기부(630)를 통하여 제3 질량유동(m3)과 제4 질량유동(m4)으로 분기되며, 제3 질량유동(m3)은 제2 열교환기(120)측으로 유동되고, 제4 질량유동(m4)은 제1 열재생기(310)측으로 유동된다.
제3 질량유동(m3)은 제2 열교환기(120)를 지나면서 열원에 의해 가열(증발) 과정을 거치고, 제4 질량유동(m4)은 제1 열재생기(310)를 지나면서 제1 터빈(210)에서 배출된 작동유체(m)에 의해 가열(증발) 과정을 각각 거칠 수 있다.
또한 개별 가열(증발) 과정을 거친 제3 질량유동(m3)과 제4 질량유동(m4)은 제2 합류부(640)를 통하여 합류되며, 선도에서와 같이 선도에서와 같이 포화 액체선(SL)의 상부 구역을 따라 이동되다가 상기 가압과정에서 초임계 압력으로 가압되었기 때문에 선도에서 임계점(CP)의 포화선 이상의 기체점(A3)까지 도달할 수 있다.
또한 제2 합류부(640)를 통하여 합류된 작동유체(m)는 제1 열교환기(110) 측으로 유동되고, 제1 열교환기(110)를 지나면서 열원에 의해 재차 가열(과열) 과정을 거친다. 선도에서와 같이 기체점(A4)까지 도달할 수 있다.
또한 가열(과열) 과정을 거친 고온 고압의 가스 작동유체(m)는 제1 터빈(210)으로 유입되어 기체점(B1)까지 저압 상태로 팽창 과정을 거친다.
또한 제1 터빈(210)을 지나면서 팽창된 작동유체(m)는 제1 열재생기(310)를 거치면서 기체점(B2)까지 저온 상태로 냉각 과정을 거친다.
또한 제1 열재생기(310)를 지나면서 냉각된 작동유체(m)는 제2 터빈(220)으로 유입되어 기체점(B3)까지 저압 상태로 재차 팽창 과정을 거친다.
마지막으로 제2 터빈(220)을 지나면서 팽창된 작동유체(m)는 제2 열재생기(320)를 거치면서 기체점(B4)까지 저온 상태로 재차 냉각 과정을 거친다.
또한 제2 열재생기(320)를 지나면서 냉각된 작동유체(m)는 다시 냉각기(400)로 유입되어 처음의 과정을 반복한다.
한편 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템은, 도 5에 도시된 실시예와 거의 동일한 시스템으로 이루어지되, 작동유체의 유량을 제어하여, 열교환기의 열회수율을 향상(최적화)시키도록 한 것에 차이가 있다. 이에 전술된 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
열원의 특정 유량과 온도 조건 하에서 열 회수를 최대화하기 위해서는 제1 열교환기(110)와 제3 열교환기(130)의 입구온도를 높여야 한다. 즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 열원의 특정 유량과 온도 조건 하에서 열 회수를 최대화하기 위하여, 전체 작동유체(m)의 유량뿐만 아니라 분기된 제1 질량유동(m1), 제2 질량유동(m2), 제3 질량유동(m3), 제4 질량유동(m4)의 유량을 제어할 수 있는 제1 제어밸브(710), 제2 제어밸브(720), 제3 제어밸브(730) 및 작동유체 유량제어부(750)를 더 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면 상기 제1 제어밸브(710)는 제1 합류부(620)에서 합류된 작동유체(m)의 온도변화를 기초로 하여, 제4 열교환기(140) 측으로 공급되는 제1 질량유동의 유량 또는 제2 열재생기(320) 측으로 공급되는 제2 질량유동(m2)의 유량을 제어할 수 있다. 상기 제1 제어밸브(710)는 제1 분기부(610)와 제2 열재생기(320) 사이에 배치될 수 있다.
제4 열교환기(140)를 거친 제1 질량유동(m1)의 온도가 제2 질량유동(m2)의 온도보다 낮아지는 경우, 제1 제어밸브(710)를 조절하여, 제1 질량유동(m1)의 유량을 상대적으로 증가시키고, 이와 동시에 제2 질량유동(m2)의 유량을 상대적으로 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 제1 합류부(620)에서 합류된 작동유체(m)의 온도를 가장 높게 유지할 수 있다.
또한 상기 제2 제어밸브(720)는 제2 합류부(640)에서 합류된 작동유체(m)의 온도변화를 기초로 하여, 제2 열교환기(120) 측으로 공급되는 제3 질량유동(m3)의 유량 또는 제1 열재생기(320) 측으로 공급되는 제4 질량유동(m4)의 유량을 제어할 수 있다. 상기 제2 제어밸브(720)는 제2 분기부(630)와 제1 열재생기(310) 사이에 배치될 수 있다.
제2 열교환기(120)를 거친 제3 질량유동(m3)의 온도가 제4 질량유동(m4)의 온도보다 낮아지는 경우, 제2 제어밸브(720)를 조절하여, 제3 질량유동(m3)의 유량을 상대적으로 증가시키고, 이와 동시에 제4 질량유동(m4)의 유량을 상대적으로 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 제2 합류부(640)에서 합류된 작동유체(m)의 온도를 가장 높게 유지할 수 있다.
한편 상기 제3 제어밸브(730)는 제1 터빈(210)의 상류에 설치되어, 상기 제1 터빈(210) 측으로 공급되는 작동유체의 유량을 제어할 수 있다. 즉, 제1 터빈(210) 측으로 공급되는 작동유체의 유량을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
이때 상기 작동유체 유량제어부(750)는 펌프(500)의 상류 또는 하류에 설치되며, 상기 제1 터빈(210) 측으로 공급되는 작동유체의 유량을 기초로 하여, 순환하는 작동유체의 유량을 증가시키거나 감소시키고, 이에 따라 사이클에서 순환하는 작동유체의 전체 유량을 항상 일정하게 유지시킬 수 있다.
이러한 작동유체 유량제어부(750)는, 회수펌프(751), 작동유체탱크(752), 공급펌프(753), 유량조절밸브(754)를 포함할 수 있다.
만약 상기 제3 제어밸브(730)를 조절하여 제1 터빈(210) 측으로 공급되는 유량을 감소시키는 중에는, 상기 작동유체 유량제어부(750)의 회수펌프(751)을 작동시켜 순환하는 작동유체의 일부 유량을 작동유체탱크(752) 측으로 회수한다. 이에 따라 순환되는 작동유체의 전체 유량을 감소시켜, 사이클에서 순환하는 작동유체의 전체 유량이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
반대로 상기 제3 제어밸브(730)를 조절하여 제1 터빈(210) 측으로 공급되는 유량을 증가시키는 중에는, 상기 작동유체 유량제어부(750)의 공급펌프(753)을 작동시켜 작동유체탱크(752)의 작동유체를 보충한다. 이에 따라 순환되는 작동유체의 전체 유량을 증가시켜, 사이클에서 순환하는 작동유체의 전체 유량이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템은, 임계압력 이상의 특정 압력 조건에서 비열이 급격히 증가되는 가상임계점(PCP)에 도달하기에 앞서, 작동유체(m)의 전체 질량유동에 대하여, 열교환기 측으로 공급되는 질량유동과 열재생기 측으로 공급되는 질량유동으로 분기하고, 열교환기와 열재생기에서 상기 가상임계점(PCP) 이상의 온도로 각각의 질량유동을 개별적으로 가열시킨 다음, 합류된 작동유체에 대하여 최종 과열(Superheater) 과정을 거치도록 하고 있다.
이를 통해 열교환기와 열재생기에서 각각 가열되는 작동유체의 개별적인 변온 열전달 과정에서 엑서지 손실을 줄여 열 회수율을 높일 수 있으며, 결국 터빈 입구온도에 해당하는 최종 열교환기의 출구온도(T2: 도 6 및 도 7 참조)가 종래 열교환기의 출구온도(T1: 도 2 및 도 3 참조) 보다 높은 온도를 유지할 수 있다.
이처럼 본 발명에 따른 초임계 랭킨 사이클 시스템은, 동일 조건(압력 및 온도)의 열원 및 작동유체 및 핀치온도차가 유지되는 사이클에 있어서, 열 회수율을 높일 수 있고, 전체 사이클의 효율을 크게 증가시킬 수 있다.
예를 들어 도 1에 도시된 종래 사이클과 도 5에 도시된 본 발명의 사이클을 비교해 볼 때, 열 회수율에서는 최대 10% 효율을 증가시킬 수 있으며, 전체 사이클 효율에서는 최대 25%의 효율을 증가를 보일 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
110: 제1 열교환기 120: 제2 열교환기
130: 제3 열교환기 140: 제4 열교환기
210: 제1 터빈 220: 제2 터빈
310: 제1 열재생기 320: 제2 열재생기
400: 냉각기 500: 펌프
610: 제1 분기부 620: 제1 합류부
630: 제2 분기부 640: 제2 합류부
710: 제1 제어밸브 720: 제2 제어밸브
730: 제3 제어밸브 750: 작동유체 유량제어부

Claims (8)

  1. 열원이 공급되는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기를 경유한 열원이 공급되는 제2 열교환기;
    상기 제1 열교환기를 경유한 작동유체가 팽창되는 제1 터빈;
    상기 제1 터빈에서 배출된 작동유체가 팽창되는 제2 터빈;
    상기 제1 터빈과 상기 제2 터빈 사이에 설치되고, 상기 제1 터빈에서 배출된 작동유체가 공급되는 열재생기;
    펌프로부터 방출된 작동유체를 상기 제2 열교환기 측으로 공급되는 제1 질량유동과 상기 열재생기 측으로 공급되는 제2 질량유동으로 분기하는 분기부; 및
    상기 제2 열교환기를 경유한 제1 질량유동과 상기 열재생기를 경유한 제2 질량유동이 합류되고, 합류된 작동유체를 상기 제1 열교환기로 공급하는 합류부;를 포함하고,
    작동유체는 상기 분기부에서 가상임계점(Pseudo-critical point)에 도달하기 전에 상기 제1 질량유동과 상기 제2 질량유동으로 분기되고, 상기 제2 열교환기 및 상기 열재생기에서 가상임계점 이상의 온도로 각각 가열되며, 상기 합류부에서 가상임계점 이상의 온도가 유지되는 상기 제1 질량유동과 상기 제2 질량유동이 합류된 상태로 상기 제1 열교환기로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펌프와 상기 분기부 사이에 설치되고, 상기 제2 열교환기를 경유한 열원이 공급되며, 상기 펌프에서 방출된 작동유체가 공급되는 제3 열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 시스템.
  4. 열원이 공급되는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기를 경유한 열원이 공급되는 제2 열교환기;
    상기 제2 열교환기를 경유한 열원이 공급되는 제3 열교환기;
    상기 제3 열교환기를 경유한 열원이 공급되는 제4 열교환기;
    상기 제1 열교환기를 경유한 작동유체가 팽창되는 제1 터빈;
    상기 제1 터빈에서 배출된 작동유체가 팽창되는 제2 터빈;
    상기 제1 터빈과 상기 제2 터빈 사이에 설치되고, 상기 제1 터빈에서 배출된 작동유체가 공급되는 제1 열재생기;
    상기 제2 터빈에서 배출된 작동유체가 공급되는 제2 열재생기;
    펌프로부터 방출된 작동유체를 상기 제4 열교환기 측으로 공급되는 제1 질량유동과 상기 제2 열재생기 측으로 공급되는 제2 질량유동으로 분기하는 제1 분기부;
    상기 제4 열교환기를 경유한 제1 질량유동과 상기 제2 열재생기를 경유한 제2 질량유동이 합류되고, 합류된 작동유체를 상기 제3 열교환기로 공급하는 제1 합류부;
    상기 제3 열교환기를 경유한 작동유체를 상기 제2 열교환기 측으로 공급되는 제3 질량유동과 상기 제1 열재생기 측으로 공급되는 제4 질량유동으로 분기하는 제2 분기부; 및
    상기 제2 열교환기를 경유한 제3 질량유동과 상기 제1 열재생기를 경유한 제4 질량유동이 합류되고, 합류된 작동유체를 상기 제1 열교환기로 공급하는 제2 합류부;를 포함하고,
    작동유체는 상기 제2 분기부에서 가상임계점(Pseudo-critical point)에 도달하기 전에 상기 제3 질량유동과 상기 제4 질량유동으로 분기되고, 상기 제2 열교환기 및 상기 제1 열재생기에서 가상임계점 이상의 온도로 각각 가열되며, 상기 제2 합류부에서 가상임계점 이상의 온도가 유지되는 상기 제3 질량유동과 상기 제4 질량유동이 합류된 상태로 상기 제1 열교환기로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 시스템.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 합류부에서 합류된 작동유체의 온도를 기초로 하여, 상기 제4 열교환기 측으로 공급되는 상기 제1 질량유동의 유량 또는 상기 제2 열재생기 측으로 공급되는 상기 제2 질량유동의 유량을 제어하는 제1 제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2 합류부에서 합류된 작동유체의 온도를 기초로 하여, 상기 제2 열교환기 측으로 공급되는 상기 제3 질량유동의 유량 또는 상기 제1 열재생기 측으로 공급되는 상기 제4 질량유동의 유량을 제어하는 제2 제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 터빈의 상류에 설치되어, 상기 제1 터빈으로 공급되는 작동유체의 유량을 제어하는 제3 제어밸브를 더 포함하고,
    상기 펌프의 상류 또는 하류에 설치되며, 상기 제1 터빈 측으로 공급되는 작동유체의 유량을 기초로 하여, 순환하는 작동유체의 유량을 증가시키거나 감소시키기 위한 작동유체 유량제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 랭킨 사이클 시스템.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11324711A (ja) * 1998-04-20 1999-11-26 General Electric Co <Ge> ガスタ―ビンに入る周囲空気を冷却する方法
KR101162660B1 (ko) 2010-03-29 2012-07-04 한국에너지기술연구원 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치
KR20140064704A (ko) * 2010-11-29 2014-05-28 에코진 파워 시스템스, 엘엘씨 병렬 사이클 열 기관
KR101638287B1 (ko) * 2015-04-22 2016-07-11 두산중공업 주식회사 초임계 이산화탄소 발전 시스템

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11324711A (ja) * 1998-04-20 1999-11-26 General Electric Co <Ge> ガスタ―ビンに入る周囲空気を冷却する方法
KR101162660B1 (ko) 2010-03-29 2012-07-04 한국에너지기술연구원 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치
KR20140064704A (ko) * 2010-11-29 2014-05-28 에코진 파워 시스템스, 엘엘씨 병렬 사이클 열 기관
KR101638287B1 (ko) * 2015-04-22 2016-07-11 두산중공업 주식회사 초임계 이산화탄소 발전 시스템

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