KR102162407B1 - 폐열 회수 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

폐열을 기계 및/또는 전기 에너지로 변환하도록 구성된 신규한 랭킨 사이클 시스템이 제공된다. 일 양태에서, 본 발명에 의해 제공된 시스템은 폐열 소스로부터 더 효율적인 에너지 회수를 제공하기 위해 종래의 랭킨 사이클 시스템의 구성요소; 도관, 덕트, 히터, 팽창기, 열교환기, 응축기 및 펌프의 신규한 구성을 포함한다. 일 양태에서, 랭킨 사이클 시스템은, 초기 폐열 함유 스트림이 제1 작동 유체 스트림을 증발하는 데 채용되고, 최종적인 열 고갈된 폐열 함유 스트림은 제2 증발된 작동 유체 스트림의 제조에 기여하는 데 채용되도록 구성된다. 랭킨 사이클 시스템은 작동 유체로서 초임계 이산화탄소의 사용을 위해 구성된다.

Description

폐열 회수 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD OF WASTE HEAT RECOVERY}
본 발명은 연료를 소비하는 인간 활동에서 생성된 폐열(waste heat)로부터 에너지를 회수하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 연소 터빈 배기 가스와 같은 충분히 활용되지 않은 폐열 소스로부터 열에너지의 회수에 관한 것이다.
수세기에 걸쳐 인간 연료 연소 활동은 인간 문명화의 개발 및 그 지속의 모두에 있어서 주요한 특징이 되어 왔다. 그러나, 연료가 연소될 때 발생된 많은 에너지가 유용한 일(useful work)이 되지 않을 수 있고, 폐에너지, 예를 들어 폐열로서 손실되기 때문에, 연료가 에너지로 변환될 수 있는 효율은 장기화된 문제점으로 남아 있다.
랭킨(Rankine) 및 다른 열 회수 사이클이 연료의 연소에 의해 생성된 폐열 내에 존재하는 에너지의 적어도 일부를 회수하기 위해 혁신적으로 사용되어 왔고, 많은 진보가 지금까지 성취되어 왔다. 과거의 성취에도 불구하고, 랭킨 사이클 폐열 회수 시스템 및 방법에 대한 추가의 향상이 요구된다.
일 실시예에서, 본 발명은 (a) 제1 폐열 함유 스트림으로부터 제1 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 제2 폐열 함유 스트림을 생성하도록 구성된 히터; (b) 제1 증발된 작동 유체 스트림을 수용하여 그로부터 기계 에너지 및 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제1 팽창기; (c) 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 제2 폐열 함유 스트림으로부터 제1 응축된 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 그로부터 제2 증발된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제1 열교환기; (d) 제2 증발된 작동 유체 스트림을 수용하여 그로부터 기계 에너지 및 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제2 팽창기; 및 (e) 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림으로부터 제2 응축된 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 그로부터 제2 응축된 작동 유체 스트림보다 큰 엔탈피를 갖는 작동 유체의 스트림을 생성하도록 구성된 제2 열교환기를 포함하는 랭킨 사이클 시스템을 제공한다.
대안 실시예에서, 본 발명은 (a) 제1 폐열 함유 스트림으로부터 제1 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 제2 폐열 함유 스트림을 생성하도록 구성된 히터; (b) 제1 증발된 작동 유체 스트림을 수용하여 그로부터 기계 에너지 및 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제1 팽창기; (c) 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 제2 폐열 함유 스트림으로부터 제1 응축된 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 그로부터 제2 증발된 작동 유체 스트림, 열 고갈된 폐열 함유 스트림, 및 제1 열 고갈된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제1 열교환기; (d) 제2 증발된 작동 유체 스트림을 수용하여 그로부터 기계 에너지 및 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제2 팽창기; (e) 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림으로부터 제2 응축된 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 그로부터 제2 응축된 작동 유체 스트림보다 큰 엔탈피를 갖는 작동 유체의 스트림, 및 제2 열 고갈된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제2 열교환기; (f) 제1 열 고갈된 작동 유체 스트림을 제2 열 고갈된 작동 유체 스트림과 조합하여 그로부터 통합된 열 고갈된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 작동 유체 스트림 조합기; (g) 통합된 열 고갈된 작동 유체 스트림을 수용하여 그로부터 제1 통합된 응축된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 응축기; (h) 제1 통합된 응축된 작동 유체 스트림을 압축하여 이에 의해 제2 통합된 응축된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 작동 유체 펌프; 및 (i) 제2 통합된 응축된 작동 유체 스트림을 적어도 2개의 응축된 작동 유체 스트림으로 분할하도록 구성된 적어도 하나의 작동 유체 스트림 분할기를 포함하는 랭킨 사이클 시스템을 제공한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 랭킨 사이클 시스템을 사용하여 열에너지를 회수하는 열에너지 회수 방법으로서, (a) 제1 폐열 함유 스트림으로부터 제1 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 이에 의해 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 제2 폐열 함유 스트림을 생성하는 단계; (b) 제1 증발된 작동 유체 스트림을 팽창시키고, 이에 의해 기계 에너지 및 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계; (c) 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 제2 폐열 함유 스트림으로부터 제1 응축된 작동 유체 스트림으로 열을 전달하고, 이에 의해 제2 증발된 작동 유체 스트림, 열 고갈된 제2 폐열 함유 스트림 및 제1 열 고갈된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계; (d) 제2 증발된 작동 유체 스트림을 팽창시키고, 이에 의해 기계 에너지 및 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계; 및 (e) 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림으로부터 제2 응축된 작동 유체 스트림으로 열을 전달하고, 이에 의해 제2 응축된 작동 유체 스트림보다 큰 엔탈피를 갖는 작동 유체의 스트림, 및 제2 열 고갈된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계를 포함하는 열에너지 회수 방법을 제공한다.
본 발명의 다양한 특징, 양태 및 장점은 유사한 도면 부호가 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 표현하고 있을 수도 있는 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명이 숙독될 때 더 양호하게 이해될 수 있을 것이다. 달리 지시되지 않으면, 본 명세서에 제공된 도면은 본 발명의 주요 발명적 특징을 예시하도록 의도된 것이다. 이들 주요 발명적 특징은 본 발명의 하나 이상의 실시예를 포함하는 광범위한 시스템에 적용 가능한 것으로 고려된다. 이와 같이, 도면은 본 발명의 실시를 위해 요구될 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 알려진 모든 통상의 특징을 포함하도록 의도된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예를 도시하고 있다.
도 7은 대안적으로 구성된 랭킨 사이클 시스템을 도시하고 있다.
이하의 상세한 설명 및 이어지는 청구범위에서, 이하의 의미를 갖도록 정의될 수 있는 다수의 용어를 참조할 것이다.
단수 형태의 용어는 문맥상 명백히 달리 지시되지 않으면 복수의 지시대상을 포함한다.
"선택적" 또는 "선택적으로"는 그 뒤에 설명되는 이벤트 또는 상황이 발생할 수도 있고 또는 발생하지 않을 수도 있다는 것과, 설명이 이벤트가 발생하는 경우 및 이벤트가 발생하지 않는 경우를 포함한다는 것을 의미한다.
근사 용어(approximating language)는, 상세한 설명 및 청구범위의 전체에 걸쳐 본 명세서에 사용될 때, 그가 관련된 기본 기능의 변화를 야기하지 않고 허용 가능하게 다양할 수 있는 임의의 정량적 표현을 수식하도록 적용될 수도 있다. 이에 따라, "약" 및 "실질적으로"와 같은 용어 또는 용어들에 의해 수식된 값은 지정된 정확한 값에 한정되는 것은 아니다. 적어도 몇몇 경우에, 근사 용어는 값을 측정하기 위한 기구의 정밀도에 대응할 수도 있다. 여기서 그리고 상세한 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐, 범위 한정은 조합될 수도 있고 그리고/또는 상호 교환될 수도 있고, 이러한 범위는 식별되고, 문맥 또는 언어가 달리 지시하지 않으면, 그 내에 포함된 모든 종속범위를 포함한다.
본 명세서에 사용될 때, 표현 "~하도록 구성된"은 특정 성과를 성취하도록 요구된 랭킨 사이클 시스템의 2개 이상의 구성요소의 물리적 배열을 설명한다. 따라서, 표현 "~하도록 구성된"은 표현 "~하도록 배열된"과 상호 교환적으로 사용될 수 있고, 당 기술 분야의 숙련자 및 본 명세서를 숙독한 자는 언급된 성과의 성질에 기초하여 의도된 랭킨 사이클 시스템 구성요소의 다양한 배열을 이해할 수 있을 것이다. 랭킨 사이클 시스템의 작동 유체와 관련하여 표현 "~을 수용하도록 구성된"은, 랭킨 사이클 시스템이 조합시에 작동 중에 작동 유체를 안전하게 수납할 수 있는 구성요소들로 구성된다는 것을 의미한다.
언급된 바와 같이, 일 실시예에서, 본 발명은 폐열 소스, 예를 들어 연소 터빈으로부터 열을 담지한(heat laden) 배기 가스 스트림으로부터 에너지를 회수하기 위해 유용한 랭킨 사이클 시스템을 제공한다. 랭킨 사이클 시스템은 폐열 소스 내에 존재하는 열에너지의 적어도 일부를 다양한 방식으로 사용될 수도 있는 기계 에너지로 변환한다. 예를 들어, 폐열로부터 생성된 기계 에너지는 발전기, 교류발전기, 또는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이 가능한 다른 적합한 장치를 구동하는 데 사용될 수도 있다. 하나 이상의 실시예에서, 본 발명에 의해 제공된 랭킨 사이클 시스템은 랭킨 사이클 시스템에 의해 생성된 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성된 복수의 장치를 포함하는데, 예를 들어 랭킨 사이클 시스템은 2개 이상의 발전기를 포함하고, 또는 랭킨 사이클 시스템은 발전기 및 교류발전기를 포함한다. 대안 실시예에서, 본 발명에 의해 제공된 랭킨 사이클 시스템은 작동 유체 내에 포함된 잠재 에너지(latent energy)를 기계 에너지로 변환하고, 시스템의 구성요소, 예를 들어 작동 유체를 압축하는 데 사용되는 펌프에 전력 공급하기 위해 생성된 기계 에너지의 적어도 일부를 이용한다.
하나 이상의 실시예에서, 본 발명에 의해 제공된 랭킨 사이클 시스템은 제1 폐열 함유 스트림으로부터 제1 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 제2 폐열 함유 스트림을 생성하도록 구성된 히터를 포함한다. 폐열 함유 스트림은 열이 그로부터 회수될 수도 있는 임의의 폐열 함유 가스, 액체, 유동화된 고체(fluidized solid), 또는 다상 유체일 수도 있다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "히터"는 폐열 함유 스트림과 같은 폐열 소스를 랭킨 사이클 시스템의 작동 유체와 열 접촉하게 하여, 폐열 소스가 작동 유체와 직접 접촉하게 하지 않고, 즉 폐열 소스가 작동 유체와 혼합하지 않고, 열이 폐열 소스로부터 작동 유체로 전달되게 하는 장치를 설명한다. 이러한 히터는 상업적으로 입수가능하고, 당 기술 분야의 숙련자들에게 공지되어 있다. 예를 들어, 히터는 2009년 11월 24일 출원되고 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 출원 공개 US2011-0120129 A1호에 개시되어 있는 것과 같은, 폐열 함유 스트림이 그를 통해 통과될 수도 있는 덕트(duct)일 수 있다. 작동 유체는 덕트 내에 배치되어 작동 유체가 폐열 함유 스트림과 직접 접촉하지 않고 그를 통해 통과되는 도관(conduit)을 제공하는 배관(tubing)에 의해 폐열 함유 스트림과 열 접촉하게 될 수도 있다. 유동하는 작동 유체는 제1 작동 유체 온도에서 덕트 내의 배관에 유입되고, 덕트를 통해 유동하는 폐열 함유 스트림으로부터 열을 수용하고, 제1 작동 유체 온도보다 높은 제2 작동 유체 온도에서 덕트 내의 배관으로부터 유출된다. 폐열 함유 스트림은 제1 폐열 함유 스트림 온도에서 덕트에 유입되고, 그 열에너지의 적어도 일부를 작동 유체에 전달한 후에, 제1 폐열 함유 스트림 온도보다 낮은 제2 폐열 함유 스트림 온도에서 덕트로부터 유출된다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "히터"는 폐열 함유 스트림과 같은 폐열 소스로부터 작동 유체로 열을 전달하도록 구성되고 제1 작동 유체 스트림과 제2 작동 유체 스트림 사이에 열을 교환하도록 구성되지 않는 장치를 위해 확보되어 있다. 히터는 본 명세서에서 제1 작동 유체 스트림과 제2 작동 유체 스트림 사이의 열교환을 허용하도록 구성된 열교환기와는 구별된다. 이 구별은 히터(32, 33)가 폐열 함유 스트림, 폐열 함유 스트림(16, 18) 각각으로부터 작동 유체 스트림(20, 72) 각각에 열을 전달하는 본 명세서의 도 5에 도시되어 있다. 당 기술 분야의 숙련자들은 도 5에 도시되어 있는 도면부호 표기된 시스템 구성요소(36, 37) 및 도 6에 도시되어 있는 도면부호 표기된 시스템 구성요소(38)가 제1 작동 유체 스트림과 제2 작동 유체 스트림 사이에 열을 교환하도록 구성되고 본 명세서에 정의된 바와 같이 열교환기로서 간주되지만 본 명세서에 정의된 바와 같이 "히터"로서 간주되지는 않는다는 것을 이해할 수 있을 것인데, 이는 열교환기(36)가 폐열 함유 스트림(19)(도 5 및 도 6) 및 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림(22)의 모두로부터 제1 응축된 작동 유체 스트림(24)으로 열을 전달하도록 구성된다는 사실에 기인한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 사용될 수도 있는 적합한 히터는 언급된 바와 같은 덕트 히터, 유동상 히터(fluidized bed heaters), 셸 및 튜브 히터(shell and tube heaters), 플레이트 히터(plate heaters), 핀 플레이트 히터(fin-plate heaters), 및 핀 튜브 히터(fin-tube heaters)를 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 사용될 수도 있는 적합한 열교환기는 셸 및 튜브형 열교환기(shell and tube type heat exchangers), 인쇄 회로 열교환기(printed circuit heat exchangers), 플레이트 핀 열교환기(plate-fin heat exchangers) 및 성형 플레이트 열교환기(formed-plate heat exchangers)를 포함한다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 랭킨 사이클 시스템은 인쇄 회로형의 적어도 하나의 열교환기를 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 사용된 작동 유체는 랭킨 사이클 시스템에 사용을 위해 적합한 임의의 작동 유체, 예를 들어 이산화탄소일 수도 있다. 부가의 적합한 작동 유체는 물, 질소, 사이클로펜탄과 같은 탄화수소, 유기 할로겐 화합물, 및 SF6과 같은 안정한 무기 유체를 포함한다. 일 실시예에서, 작동 유체는 랭킨 사이클 시스템 내의 하나 이상의 위치에서 초임계 상태에 있을 수도 있는 이산화탄소이다.
랭킨 사이클 시스템은 작동 유체가 다양하게 가열되고, 팽창되고, 응축되고, 압축되는 본질적으로 폐루프이지만, 랭킨 사이클 시스템의 전체 구성을 지정하는 수단으로서 다양한 작동 유체 스트림으로 구성되는 것으로서 작동 유체를 고려하는 것이 유용하다. 따라서, 제1 작동 유체 스트림은 히터에 유입되어 여기서 폐열 소스로부터 폐열을 취출하고, 제1 작동 유체 스트림으로부터 제1 증발된 작동 유체 스트림으로 변형된다.
표현 "증발된 작동 유체"는 518 kPa에서 -56℃의 비등점을 갖는 이산화탄소와 같은 매우 휘발성 작동 유체에 적용될 때, 단순히 히터 또는 열교환기를 통한 그 통과 전의 상태보다 더 고온인 기체 작동 유체를 의미한다. 이는 이어서 용어 증발된이라는 것이 본 명세서에 사용될 때 액체 상태로부터 기체 상태로 작동 유체의 변형을 암시할 필요는 없다는 것으로 이어진다. 증발된 작동 유체 스트림은 본 발명에 의해 제공된 랭킨 사이클 시스템의 히터 및/또는 열교환기를 통한 통과에 의해 생성될 때 초임계 상태에 있을 수도 있다.
유사하게, 용어 "응축된"은 작동 유체에 적용될 때, 액체 상태의 작동 유체를 암시할 필요는 없다. 이산화탄소와 같은 작동 유체에 있어서, 응축된 작동 유체는 단순히, 때때로 본 명세서에서 작동 유체 응축기라 칭하는, 응축기 유닛을 통해 통과되어 있는 작동 유체 스트림을 의미한다. 따라서, 용어 "응축된 작동 유체"는 몇몇 실시예에서, 기체 상태 또는 초임계 상태의 작동 유체를 실제로 칭한다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 사용될 수도 있는 적합한 응축 또는 냉각 유닛은 핀 튜브 응축기 및 플레이트 핀 응축기/냉각기를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 본 발명은 단일의 작동 유체 응축기를 포함하는 랭킨 사이클 시스템을 제공한다. 대안적인 실시예의 세트에서, 본 발명은 복수의 작동 유체 응축기를 포함하는 랭킨 사이클 시스템을 제공한다.
용어 "팽창된"은 작동 유체에 적용될 때, 팽창기를 통한 그 통과 후에 작동 유체 스트림의 조건을 설명한다. 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 증발된 작동 유체 내에 포함된 에너지의 일부는 팽창기를 통해 통과함에 따라 기계 에너지로 변환된다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 사용될 수도 있는 적합한 팽창기는 축형 및 래디얼형 팽창기를 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 본 발명에 의해 제공된 랭킨 사이클 시스템은 팽창기 내에 생성된 기계 에너지를 사용하여 구동될 수도 있는 발전기 또는 교류발전기와 같은, 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성된 장치를 더 포함한다. 하나 이상의 대안 실시예에서, 랭킨 사이클 시스템은 팽창기 내에 생성된 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성된 복수의 장치를 포함한다. 기어박스가 발전기/교류발전기와 팽창 장치를 연결하는 데 사용될 수도 있다. 부가적으로, 변압기 및 인버터가 발전기/교류발전기에 의해 생성된 전류를 조절하는 데 사용될 수도 있다.
이제, 도면을 참조하면, 도면은 본 발명에 의해 제공된 랭킨 사이클 시스템의 필수 특징부를 도시하고 있다. 다양한 유동 라인은 랭킨 사이클 시스템의 다양한 구성요소를 통한 폐열 함유 스트림 및 작동 유체 스트림의 유동 방향을 지시하고 있다. 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 폐열 함유 스트림 및 작동 유체 스트림은 랭킨 사이클 시스템에 적절하게 구속된다. 따라서, 예를 들어, 작동 유체의 유동 방향을 지시하는 각각의 라인은 랭킨 사이클 시스템 내에 일체화된 도관을 표현한다. 유사하게, 폐열 함유 스트림의 유동을 지시하는 큰 화살표는 적절한 도관(도시 생략) 내에서 유동하는 스트림을 지시하도록 의도된다. 작동 유체로서 이산화탄소를 사용하도록 구성된 랭킨 사이클 시스템에서, 도관 및 장비는 당 기술 분야에 공지된 랭킨 사이클 시스템 구성요소를 사용하여 초임계 이산화탄소를 안전하게 이용하도록 선택될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 이 도면은 본 발명에 의해 제공된 랭킨 사이클 시스템(10)의 주요 구성요소를 도시하고 있다. 도시되어 있는 실시예에서, 제1 작동 유체 스트림(20)이 히터(32) 내로 도입되고, 여기서 제1 폐열 함유 스트림(16)과 열 접촉하게 된다. 제1 작동 유체 스트림(20)은 더 고온의 제1 폐열 함유 스트림(16)으로부터 열을 얻고, 히터를 통한 그 통과 후에, 이후에 제1 팽창기(34)로 제공되는 제1 증발된 작동 유체 스트림(21)으로 변형된다. 제1 폐열 함유 스트림(16)은 더 저에너지 제2 폐열 함유 스트림(17)으로 유사하게 변형된다. 제1 증발된 작동 유체 스트림(21) 내에 포함된 에너지의 적어도 일부는 팽창기 내에서 기계 에너지로 변환된다. 제1 팽창기로부터 유출되는 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림(22) 및 제2 폐열 함유 스트림(17)은 이어서 제1 열교환기(36) 내로 개별적으로 도입되고(이들이 물리적으로 함께 혼합되지 않고), 여기서 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림(22) 및 제2 폐열 함유 스트림(17) 양자 모두로부터의 잔류 열이 랭킨 사이클 시스템(10)의 다른 위치에서 생성된 제1 응축된 작동 유체 스트림(14)으로 전달된다. 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림(22) 및 제2 폐열 함유 스트림(17)은 열교환기(36) 내에서 제1 열 고갈된 작동 유체 및 열 고갈된 제2 폐열 함유 스트림(18)으로 각각 변형된다.
도 1을 계속 참조하면, 제2 폐열 함유 스트림(17) 및 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림(22)으로부터 열을 취한 제1 응축된 작동 유체 스트림(24)은 열교환기(36) 내에서 제2 증발된 작동 유체 스트림(25)으로 변형된다. 하나 이상의 실시예에서, 제2 증발된 작동 유체 스트림(25)은 제1 증발된 작동 유체 스트림(21)보다 낮은 온도를 특징으로 한다. 제2 증발된 작동 유체 스트림(25)은 이어서 제2 팽창기(35)로 제공되어 기계 에너지를 생성하고, 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림(26)으로 변형된다. 제2 열교환기(37)가 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림(26)을 수용하도록 구성되고, 여기서 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림(26)에 포함된 나머지 열이 랭킨 사이클 시스템의 다른 위치에서 생성된 제2 응축된 작동 유체 스트림(28)에 전달된다. 제2 응축된 작동 유체 스트림(28)은 제2 응축된 작동 유체 스트림(28)보다 큰 엔탈피를 갖는 작동 유체 스트림(29)으로 변형된다. 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림(26)은 제2 열교환기(37) 내에서 제2 열 고갈된 작동 유체 스트림(56)으로 변형된다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 제1 응축된 작동 유체 스트림(24) 및 제2 응축된 작동 유체 스트림(28)은 랭킨 사이클 시스템 내에 생성된 공통 응축된 작동 유체 스트림으로부터 생성된다.
도 2를 참조하면, 이 도면은 본 발명에 의해 제공되고 도 1에서와 같이 구성되지만, 팽창기(34, 35) 중 하나 또는 모두에 의해 생성된 기계 에너지를 이용하도록 구성된 발전기(42)가 추가되어 있는 랭킨 사이클 시스템(10)을 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 이 도면은 본 발명에 의해 제공되고 도 1 및 도 2에서와 같이 구성되지만, 공통 구동 샤프트(46)를 거쳐 양 팽창기(34, 35)에 기계적으로 결합된 발전기(42)가 추가되어 있는 랭킨 사이클 시스템(10)을 도시하고 있다. 게다가, 도 3에 도시되어 있는 랭킨 사이클 시스템은 제2 배기 가스 스트림(17)의 온도를 증가시키도록 구성된 덕트 히터(44)를 포함한다. 따라서, 제2 배기 가스 스트림(17)은 덕트 히터(44) 내에서, 때때로 본 명세서에서 열적으로 향상된 제2 배기 가스 스트림(19)이라 칭하는 더 고온의 제2 배기 가스 스트림(19)으로 변형된다. 덕트 히터의 존재는 랭킨 사이클 시스템의 사용을 위한 부가의 융통성을 제공한다. 예를 들어, 덕트 히터는 히터의 하류측에 연결되어 있는 제2 스트림의 온도에 동일해질 때까지 스트림의 온도가 상승되게 한다. 이 방식으로 스트림 온도를 조정하는 것은 상이한 온도를 갖는 2개 이상의 스트림의 합류에 기인하는 에너지 손실을 최소화한다.
도 4를 참조하면, 이 도면은 본 발명에 의해 제공되고 도 1에서와 같이 구성된 랭킨 사이클 시스템(10)을 도시하고 있고, 제1 및 제2 응축된 작동 유체 스트림(24, 28)으로 변형된 통합된 열 고갈된 스트림(58)으로의 열 고갈된 스트림(57, 56)의 통합을 또한 도시하고 있다. 따라서, 열 고갈된 스트림(57, 56)은 작동 유체 스트림 조합기(49)에서 조합되어 응축기/냉각기(60)의 작용에 의해, 작동 유체 펌프(62)에 의해 압축되어 제2 통합된 작동 유체 스트림(64)을 제공하는 제1 통합된 응축된 작동 유체 스트림(61)으로 변형되는 통합된 작동 유체 스트림(58)을 제공한다. 작동 유체 스트림(64)은 이어서 스트림(64)을 제1 응축된 작동 유체 스트림(24) 및 제2 응축된 작동 유체 스트림(28)으로 변환하는 작동 유체 스트림 분할기(48)에 제공된다.
도 5를 참조하면, 이 도면은 본 발명에 의해 제공된 랭킨 사이클 시스템(10)을 도시하고 있다. 시스템은 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 실시예와 공통인 구성요소를 포함하지만, 제1 열교환기(36) 내에서 열적으로 향상된 제2 폐열 함유 스트림(19)과 제1 응축된 작동 유체 스트림(24) 사이의 열 접촉에 의해 포획되지 않은 부가의 열을 포획하는 데 사용되는 제2 히터(33)를 더 포함한다. 도시되어 있는 실시예에서, 제1 작동 유체 스트림(20)[작동 유체 스트림(29)과 동일하지만, 개입 활성 변형이 없음]이 히터(32) 내에서 제1 배기 가스 스트림(16)과 열 접촉되어 제1 증발된 작동 유체 스트림(21) 및 제2 배기 가스 스트림(17)을 생성한다. 덕트 히터(44)는 제1 열교환기(36) 내로 도입되기 전에, 제2 배기 가스 스트림(17)을 열적으로 향상된 제2 배기 가스 스트림(19)으로 변형한다. 제1 증발된 작동 유체 스트림(21)은 제2 팽창기(35) 및 발전기(42)의 모두에 공통 구동 샤프트(46)에 의해 연결된 제1 팽창기(34) 내에서 팽창된다. 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 실시예에서와 같이, 팽창된 작동 유체 스트림(22)은 제1 열교환기(36) 내로 도입되고, 제1 열교환기가 열을 제1 응축된 작동 유체 스트림(24)으로 버려, 제2 증발된 작동 유체 스트림(25) 및 제1 열 고갈된 작동 유체 스트림(57)을 생성한다. 도시되어 있는 실시예에서, 제1 응축된 작동 유체 스트림(24) 및 제2 응축된 작동 유체 스트림(28)은 이하와 같이 응축된 작동 유체 스트림(64)으로부터 생성된다. 응축된 작동 유체 스트림(64)은 스트림(64)을 응축된 작동 유체 스트림(28)과, 때때로 본 명세서에서 제3 응축된 작동 유체 스트림(70)이라 칭하는 중간 응축된 작동 유체 스트림(70)으로 변환하는 제1 작동 유체 스트림 분할기(48)에 제공되는 데, 이 유체 스트림(70)은 이후에 제2 작동 유체 스트림 분할기(48)에서 응축된 작동 유체 스트림(24)과 제4 응축된 작동 유체 스트림(72)으로 분할된다. 응축된 작동 유체 스트림(72)은 제2 히터(33) 내로 도입되고, 여기서 열 고갈된 제2 폐열 함유 스트림(18)으로부터 열을 취하고 제3 증발된 작동 유체 스트림(73)으로 변형된다. 열 고갈된 스트림(18)은 히터(33)를 통한 그 통과에 의해 더 냉각되고, 추가의 열 고갈된 스트림(18a)으로서 히터로부터 유출된다. 제2 증발된 작동 유체 스트림(25) 및 제3 증발된 작동 유체 스트림(73)은 작동 유체 스트림 조합기(49) 내에서 조합되어 이후에 제2 팽창기(35) 내로 도입되는 통합된 증발된 작동 유체 스트림(74)을 생성한다.
도 5를 계속 참조하면, 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림(26)은 제2 열교환기(37) 내로 도입되고, 여기서 자체로 작동 유체 스트림 분할기(48)에서 통합된 응축된 작동 유체 스트림(64)으로부터 생성된 제2 응축된 작동 유체 스트림(28)에 열을 전달한다. 도시되어 있는 실시예에서, 제2 응축된 작동 유체 스트림(28)은 제1 작동 유체 스트림(20)으로서 히터(32) 내로 재도입되기 전에 또한 활성 변형되지 않는 작동 유체 스트림(29)으로 변형된다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "활성 변형된다"라는 것은 2개 이상의 스트림으로 분할되어 있고, 하나 이상의 스트림과 조합되고, 가열되고, 증발되고, 팽창되고, 응축되고, 압축되고, 냉각되거나, 또는 상기 변형 동작의 2개 이상의 몇몇 조합을 경험하는 단계가 실시되어 있는 폐열 함유 스트림 또는 작동 유체 스트림을 칭한다.
도 6을 참조하면, 이 도면은 도 5에서와 같이 구성된 본 발명에 의해 제공되지만, 제1 열 고갈된 작동 유체 스트림(57) 내에 존재하는 잔류 열을 포획하는 데 사용되는 제3 열교환기(38)를 더 포함하는 랭킨 사이클 시스템을 도시하고 있다. 도시되어 있는 실시예에서, 열 고갈된 스트림(57)은 제3 열교환기(38)를 통한 전체 작동 유체 스트림(57), 작동 유체 스트림(57)의 부분의 통과를 허용하고, 또는 어떠한 작동 유체 스트림(57)도 통과하지 않도록 작동될 수도 있는 밸브(80)에 제공된다. 제2 밸브(82)는 다른 열 고갈된 작동 유체 스트림(57a)의 통과만을 허용하도록, 스트림(57, 57a)의 조합의 통과를 허용하도록, 또는 스트림(57)만의 통과를 허용하도록 작동될 수도 있다. 편의상, 밸브(82)의 하류측, 그러나 작동 유체 스트림 조합기(49)의 상류측의 작동 유체 스트림은 스트림(57/57a)이라 칭한다.
예를 들어, 작동 유체 스트림 분할기, 작동 유체 스트림 조합기, 작동 유체 펌프 및 작동 유체 응축기와 같은 다양한 시스템 구성요소가 당 기술 분야의 숙련자들에게 잘 알려져 있고, 상업적으로 입수가능하다.
랭킨 사이클 시스템을 제공하는 것에 추가하여, 본 발명은 랭킨 사이클 시스템을 사용하여 열에너지를 회수하는 방법을 제공한다. 방법의 하나 이상의 실시예가 도 1 내지 도 6에 도시되어 있다. 따라서, 일 실시예에서, 방법은 (a) 제1 폐열 함유 스트림(16)으로부터 제1 작동 유체 스트림(20)에 열을 전달하고, 이에 의해 제1 증발된 작동 유체 스트림(21)과 제2 폐열 함유 스트림(17)을 생성하는 단계; (b) 제1 증발된 작동 유체 스트림(21)을 팽창시키고, 이에 의해 기계 에너지 및 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림(22)을 생성하는 단계; (c) 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림(22) 및 제2 폐열 함유 스트림(17)으로부터 제1 응축된 작동 유체 스트림(24)으로 열을 전달하고, 이에 의해 제2 증발된 작동 유체 스트림(25), 열 고갈된 제2 폐열 함유 스트림(18) 및 제1 열 고갈된 작동 유체 스트림(57)을 생성하는 단계; (d) 제2 증발된 작동 유체 스트림(25)을 팽창시키고, 이에 의해 기계 에너지 및 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림(26)을 생성하는 단계; 및 (e) 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림(26)으로부터 제2 응축된 작동 유체 스트림(28)에 열을 전달하고, 이에 의해 제2 응축된 작동 유체 스트림(28)보다 큰 엔탈피를 갖는 작동 유체의 스트림(29), 및 제2 열 고갈된 작동 유체 스트림(56)을 생성하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 본 발명에 의해 제공된 방법은 단계 (f): 제1 열 고갈된 작동 유체 스트림(57)을 제2 열 고갈된 작동 유체 스트림(56)과 조합하여 이에 의해 통합된 열 고갈된 작동 유체 스트림(58)을 생성하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 본 발명에 의해 제공된 방법은 단계 (g): 통합된 열 고갈된 작동 유체 스트림(58)을 응축하여 이에 의해 제1 통합된 응축된 작동 유체 스트림(61)을 생성하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 본 발명에 의해 제공된 방법은 단계 (h): 제1 통합된 응축된 작동 유체 스트림(61)을 압축하여 이에 의해 제2 통합된 응축된 작동 유체 스트림(64)을 생성하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 본 발명에 의해 제공된 방법은 단계 (i): 제2 통합된 응축된 작동 유체 스트림(64)을 분할하여 이에 의해 적어도 2개의 응축된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 본 발명에 의해 제공된 방법은 작동 유체로서 이산화탄소를 이용하고, 이산화탄소는 적어도 하나의 방법 단계의 적어도 일부 동안 초임계 상태에 있다.
하나 이상의 실시예에서, 본 발명에 의해 제공된 방법 및 시스템은 연소 터빈에 의해 생성된 배기 가스 스트림인 폐열 함유 스트림으로부터 열을 포획하여 이용하는 데 사용될 수도 있다.
실험 부분
연구실 규모 랭킨 사이클 시스템이 초임계 이산화탄소 랭킨 사이클 시스템의 작동성을 증명하고 예를 들어 인쇄 회로 열교환기의 효용성과 같은, 이들의 제조업자에 의해 제안된 랭킨 사이클 시스템의 개별 구성요소의 성능 특성을 검증하기 위해 구성되어 시험되었다. 실험용 랭킨 사이클 시스템은, 제1 팽창기(34) 및 제2 팽창기(35)가 팽창 밸브로 교체되었고, 스트림(61)이 분할되어 제1 작동 유체 펌프 및 제2 작동 유체 펌프에 송출되어 제1 응축된 작동 유체 스트림(24) 및 제2 응축된 작동 유체 스트림(28)을 각각 제공한 것을 제외하고는, 도 4에서와 같이 구성되었다. 게다가, 랭킨 사이클 시스템은 제1 폐열 함유 스트림(16)을 이용하지 않았고, 대신에 제1 작동 유체 스트림(20)을 가열하기 위해 전기 가열 요소에 의존하였다. 작동 유체는 이산화탄소였다. 제2 폐열 함유 스트림(17) 또는 열적으로 향상된 제2 폐열 함유 스트림(19)으로부터 제1 열교환기(36)로 열을 전달하는 증분 효과가 가열 요소를 열교환기(36)에 추가함으로써 근사될 수도 있다. 시험 시스템은 이하에 설명되는 부가의 시뮬레이션 연구를 위한 프레임워크를 제공하였다. 특히, 실험적으로 얻어진 데이터는 본 발명의 실시예의 예측된 성능을 확인하고 그리고/또는 개량하는 데 사용될 수 있다.
2개의 소프트웨어 모델이 본 발명에 의해 제공된 랭킨 사이클 시스템의 성능을 예측하기 위해 채용되었다. 이들 소프트웨어 모델 중 첫번째인 F-Chart Software(미국 위스콘신주, 매디슨)로부터 입수가능한 "EES"(Engineering Equation Solver)는 최선의 전체 성능을 위한 시스템 상태점에서 명시되는 바와 같은 랭킨 사이클 시스템 작동 조건의 예측 최적화를 허용하는 수식 기반 연산 시스템이다. 랭킨 사이클 시스템을 어떻게 최선으로 작동하는지에 대한 추가의 식견은 AspenTech로부터 입수가능한 포괄적 프로세스 모델링 시스템인 Aspen HYSYS를 사용하여 얻어졌다.
본 발명에 의해 제공되고 도 4에서와 같이 구성된 랭킨 사이클 시스템이 이산화탄소에 대해 Spann-Wagner 상태식을 사용하는 ESS 소프트웨어 모델을 사용하여 평가되었다(예 1). 예 1의 랭킨 사이클 시스템은 3개의 다른 랭킨 사이클 시스템과 비교되었다. 제1 비교(비교예 1)는 단일의 팽창기 및 단일의 열교환기를 포함하지만, 예 1 및 비교예 2 내지 3과의 의미있는 비교가 이루어질 수 있도록 적절하게 규모화된 간단한 랭킨 사이클 시스템이었다. 제2 비교(비교예 2)는 도 7에서와 같이 구성된 랭킨 사이클 시스템과의 비교였다. 예 1의 랭킨 사이클 시스템과 비교예 2의 랭킨 사이클 시스템 사이의 주요 차이점은, 비교예 2에서, 제2 통합된 작동 유체 스트림(64)이 제2 열교환기(37)에 제공되었고, 그 후에 제2 열교환기(37)로부터 유출하는 작동 유체 스트림(29)이 작동 유체 스트림 분할기(48)에 의해 제1 작동 유체 스트림(20)과 제1 응축된 작동 유체 스트림(24)으로 변형되었다는 것이다. 제3 비교(비교예 3)는, 제2 폐열 함유 스트림(17)이 제1 열교환기(36)에 유도되지 않았고, 게다가 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림(26)의 제1 부분(14)이 제1 열교환기(36)에 유도되지 않았고, 제1 열 고갈된 작동 유체 스트림(57)이 단일의 분할되지 않은 스트림으로서 제1 열교환기(36)로부터 나왔고, 전체 작동 유체 스트림(26)이 제2 열교환기(37)로 유도되었다는 점을 제외하고는, 도 4에서와 같이 이루어졌다. 표 1에 제시되어 있는 데이터는 대안 랭킨 사이클 시스템 구성에 비한 본 발명에 의해 제공된 랭킨 사이클 시스템의 장점을 예시하고 있다.
예 1 및 비교예 1 내지 3의 랭킨 사이클 시스템은 16개의 상이한 정상 상태 조건의 세트 하에서 모델링되었고, 각각의 정상 상태는 제1 정상 상태에서 약 10℃로부터 제16 정상 상태에서 약 50℃로 변하는 최저 시스템 CO2 작동 유체 온도를 특징으로 한다. 랭킨 사이클 시스템의 예측된 성능은 주위 온도에 의존하였고, 약 130℃의 시스템으로부터 유출될 때의 폐열 함유 스트림에 대한 최소 허용 가능한 온도를 또한 받게되었다. 이 온도 하한치는 가스 터빈과 같은 연소 엔진의 배기 스트림으로부터 폐열 회수를 위한 전형적인 설계 가이드라인에 일치하여, 배기 덕트 내의 부식성 산 가스의 응축을 방지하는 역할을 한다. 모델 랭킨 사이클 시스템의 전력 출력이 또한 컴퓨터 시뮬레이션 도구를 위한 입력으로서 연구실 규모 랭킨 사이클 시스템을 사용하여 실험적으로 측정된 상태점을 사용하여 추정될 수 있다. 연구된 각각의 랭킨 사이클 시스템의 전력 출력은 최저 시스템 CO2 작동 유체 온도가 증가됨에 따라 착실하게 저하하였다.
본 발명에 의해 제공된 랭킨 사이클 시스템(예 1)과 종래의 랭킨 사이클 시스템(비교예 1)과 유사한 복잡성의 대안적으로 구성된 랭킨 사이클 시스템(비교예 2 내지 3)의 전력 출력을 비교하는 데이터가 이하의 표 1에 제시되어 있다.
최저 CO2 온도 ℃ 예 1
전력 출력 (kW)		 비교예 1
전력 출력
(kW)		 비교예 2
전력 출력
(kW)		 비교예 3
전력 출력 (kW)		 예 1
장점*
12.76 7083 6571 6651.5 7083 6.5%
14.14 7041 6438 6588 7041 6.9%
16.9 6955 6167 6456 6955 7.7%
19.66 6865 5889 6317 6865 8.7%
22.41 6773 5604 6171 6773 9.8%
25.17 6675 5309 6018 6675 10.9%
26.55 6624 5156 5938 6624 11.6%
29.31 6505 4827 5769 6420 12.8%
32.07 6372 4453 5566 6062 14.5%
34.83 6232 4113 5336 5713 16.8%
37.59 6091 3811 5044 5381 20.8%
38.97 6022 3674 4893 5222 23.1%
41.72 5890 3425 4610 4920 27.8%
44.48 5762 3208 4352 4641 32.4%
47.24 5638 3025 4119 4386 36.9%
50 5517 2877 3912 4156 41.0%
예 1 대 비교예 1 내지 3
예 1은 도 4에서와 같이 구성됨; 비교예 1 = 기본 랭킨 사이클 구성, 비교예 2는 예 7에서와 같이 구성됨, * 예 1은 비교예 2에 비해 유리함
표 1에 제시된 데이터는 기준선 표준 랭킨 사이클 구성(비교예 1) 및 유사한 복잡성의 대안적으로 구성된 랭킨 사이클 시스템(비교예 2 내지 3)에 비한 본 발명에 의해 제공된 랭킨 사이클 시스템의 전력 출력의 상당한 향상을 나타내고 있다.
상기 예들은 단지 예시적인 것이고, 본 발명의 특징의 단지 일부를 예시하는 역할을 한다. 첨부된 청구범위는 인식되는 바와 같이 광범위하게 본 발명을 청구하도록 의도되고, 제시된 본 명세서의 예는 여러 가지의 모든 가능한 실시예로부터 선택된 실시예를 예시하고 있다. 이에 따라, 출원인의 의도는 첨부된 청구범위가 본 발명의 특징을 예시하도록 이용된 예의 선택에 의해 한정되지 않는 것이다. 청구범위에 사용될 때, 용어 "포함한다" 및 그 문법적 변형은, 예를 들어 이들에 한정되는 것은 아니지만, "~으로 본질적으로 이루어지는" 및 "~으로 이루어지는"과 같은 다양한 상이한 범위의 구문을 논리적으로 또한 경계한정하고 포함한다. 필요한 경우에, 범위가 공급되고, 이들 범위는 그 사이의 모든 하위범위를 포함한다. 이들 범위의 변형이 자체로 당 기술 분야의 숙련자들에게 제안될 것이고, 공공에 이미 제공되어 있지 않으면, 이들 변형은 가능하면 첨부된 청구범위에 의해 커버되도록 해석되어야 한다는 것이 예측될 것이다. 과학 및 기술의 진보는 언어의 부정확의 이유에 의해 현재 고려되지 않는 등가물 및 치환을 가능하게 할 것이고, 이들 변형은 또한 가능하면 첨부된 청구범위에 의해 커버되도록 해석되어야 한다는 것이 또한 예상된다.

Claims (25)

  1. 랭킨 사이클 시스템에 있어서,
    (a) 제1 폐열 함유 스트림으로부터 제1 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 제2 폐열 함유 스트림을 생성하도록 구성된 히터;
    (b) 상기 제1 증발된 작동 유체 스트림을 수용하여 그로부터 기계 에너지 및 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제1 팽창기;
    (c) 상기 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 상기 제2 폐열 함유 스트림으로부터 제1 응축된 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 그로부터 제2 증발된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제1 열교환기;
    (d) 상기 제2 증발된 작동 유체 스트림을 수용하여 그로부터 기계 에너지 및 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제2 팽창기; 및
    (e) 상기 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림으로부터 제2 응축된 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 그로부터 상기 제2 응축된 작동 유체 스트림보다 큰 엔탈피를 갖는 작동 유체의 스트림을 생성하도록 구성된 제2 열교환기
    를 포함하고,
    상기 시스템은 공통 응축된 작동 유체 스트림으로부터 상기 제1 응축된 작동 유체 스트림 및 상기 제2 응축된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성되는 것인 랭킨 사이클 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 발전기를 더 포함하는 랭킨 사이클 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 발전기는 상기 제1 팽창기에 기계적으로 결합되는 것인 랭킨 사이클 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 발전기는 상기 제2 팽창기에 기계적으로 결합되는 것인 랭킨 사이클 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 팽창기 및 상기 제2 팽창기에 기계적으로 결합된 발전기를 더 포함하는 랭킨 사이클 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 팽창기 및 상기 제2 팽창기는 공통 구동 샤프트를 공유하는 것인 랭킨 사이클 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 단일의 작동 유체를 수용하도록 구성되는 것인 랭킨 사이클 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 작동 유체는 이산화탄소인 것인 랭킨 사이클 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 초임계 이산화탄소를 수용하도록 구성되는 것인 랭킨 사이클 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 폐열 함유 스트림을 가열하도록 구성된 적어도 하나의 덕트 히터를 더 포함하는 랭킨 사이클 시스템.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서, 작동 유체 응축기를 더 포함하는 랭킨 사이클 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 시스템은 단일의 작동 유체 응축기를 포함하는 것인 랭킨 사이클 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 제3 열교환기를 더 포함하는 랭킨 사이클 시스템.
  15. (a) 제1 폐열 함유 스트림으로부터 제1 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 제2 폐열 함유 스트림을 생성하도록 구성된 히터;
    (b) 상기 제1 증발된 작동 유체 스트림을 수용하여 그로부터 기계 에너지 및 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제1 팽창기;
    (c) 상기 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 상기 제2 폐열 함유 스트림으로부터 제1 응축된 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 그로부터 제2 증발된 작동 유체 스트림, 열 고갈된 폐열 함유 스트림 및 제1 열 고갈된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제1 열교환기;
    (d) 상기 제2 증발된 작동 유체 스트림을 수용하여 그로부터 기계 에너지 및 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제2 팽창기;
    (e) 상기 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림으로부터 제2 응축된 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 그로부터 상기 제2 응축된 작동 유체 스트림보다 큰 엔탈피를 갖는 작동 유체의 스트림 및 제2 열 고갈된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 제2 열교환기;
    (f) 상기 제1 열 고갈된 작동 유체 스트림을 상기 제2 열 고갈된 작동 유체 스트림과 조합하여 그로부터 통합된 열 고갈된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 작동 유체 스트림 조합기;
    (g) 상기 통합된 열 고갈된 작동 유체 스트림을 수용하여 그로부터 제1 통합된 응축된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 응축기;
    (h) 상기 제1 통합된 응축된 작동 유체 스트림을 압축하고 이에 의해 제2 통합된 응축된 작동 유체 스트림을 생성하도록 구성된 작동 유체 펌프; 및
    (i) 상기 제2 통합된 응축된 작동 유체 스트림을 적어도 2개의 응축된 작동 유체 스트림으로 분할하도록 구성된 적어도 하나의 작동 유체 스트림 분할기
    를 포함하는 랭킨 사이클 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 작동 유체 스트림 분할기는 상기 제1 응축된 작동 유체 스트림 및 상기 제2 응축된 작동 유체 스트림을 제공하는 것인 랭킨 사이클 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 2개의 응축된 작동 유체 스트림 중 적어도 하나는 열교환기 내로 도입되기 전에 더 세분되는 것인 랭킨 사이클 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제2 폐열 함유 스트림을 가열하도록 구성된 덕트 히터를 더 포함하는 랭킨 사이클 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 제3 열교환기를 더 포함하는 랭킨 사이클 시스템.
  20. 랭킨 사이클 시스템을 사용하여 열에너지를 회수하는 열에너지 회수 방법에 있어서,
    (a) 제1 폐열 함유 스트림으로부터 제1 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 이에 의해 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 제2 폐열 함유 스트림을 생성하는 단계;
    (b) 상기 제1 증발된 작동 유체 스트림을 팽창시켜 이에 의해 기계 에너지 및 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계;
    (c) 상기 팽창된 제1 증발된 작동 유체 스트림 및 상기 제2 폐열 함유 스트림으로부터 제1 응축된 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 이에 의해 제2 증발된 작동 유체 스트림, 열 고갈된 제2 폐열 함유 스트림 및 제1 열 고갈된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계;
    (d) 상기 제2 증발된 작동 유체 스트림을 팽창시켜 이에 의해 기계 에너지 및 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계;
    (e) 상기 팽창된 제2 증발된 작동 유체 스트림으로부터 제2 응축된 작동 유체 스트림으로 열을 전달하여 이에 의해 상기 제2 응축된 작동 유체 스트림보다 큰 엔탈피를 갖는 작동 유체의 스트림과, 제2 열 고갈된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계; 및
    (f) 상기 제1 열 고갈된 작동 유체 스트림을 상기 제2 열 고갈된 작동 유체 스트림과 조합하여 이에 의해 통합된 열 고갈된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계
    를 포함하는 열에너지 회수 방법.
  21. 삭제
  22. 제20항에 있어서,
    (g) 상기 통합된 열 고갈된 작동 유체 스트림을 응축하여 이에 의해 제1 통합된 응축된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계를 더 포함하는 열에너지 회수 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    (h) 상기 제1 통합된 응축된 작동 유체 스트림을 압축하여 이에 의해 제2 통합된 응축된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계를 더 포함하는 열에너지 회수 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    (i) 상기 제2 통합된 응축된 작동 유체 스트림을 분할하여 이에 의해 적어도 2개의 응축된 작동 유체 스트림을 생성하는 단계를 더 포함하는 열에너지 회수 방법.
  25. 제20항에 있어서, 상기 작동 유체는 적어도 하나의 방법 단계의 적어도 일부 동안에 초임계 상태에 있는 이산화탄소인 것인 열에너지 회수 방법.
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