KR102353428B1 - 열역학적 엔진 - Google Patents

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Abstract

피스톤(2)과 실린더(3) 유형의 팽창기는 크랭크샤프트(4)를 최상으로 하고 실린더 "헤드"(5)를 최하로 하여 정상 배향에서 반전된다. 실린더 헤드는 각각의 액체 펜탄과 글리세린이 실린더의 바닥에서 서로 접촉하도록 박무로서 분사되도록 배향된 한 쌍의 액체 분사기(6, 7)를 갖는다. 펜탄은 글리세린으로부터 잠열을 전달하여 기화된다. 펌프(14, 15)에 의해 공급되는 고압 레일(11, 12)로부터의 각각의 분사기 밸브(9, 10)가 제공된다. 배기 밸브(16)는 체인 구동에 의해 크랭크샤프트 속도로 구동되는 캠(17)에 의해 개방된다. 배기 파이프(18)는 사이클론 분리기(19)로 이어지고, 여기서 배기 가스는 와류되어서, 글리세린의 박무 및 방울이 분리기의 벽(20)으로 날아 오르고 그 바닥(21)으로 흐르고, 플로트 밸브(22)의 제어하에 주기적으로 배출된다. 펜탄 증기는 분리기 상부의 중심부(23)로부터 배출된다. 엔진의 유체 경로가 폐쇄됨을 유의해야 한다. 펜탄 증기는 응축기(26)로 통과된다. 플로트 밸브(27)를 통해 이 바닥으로부터도 액체 펜탄이 배출된다. 각각의 액체는 탱크(28, 29) 내에 수집되도록 배관된다. 글리세린 탱크로부터, 이 액체는 저압 펌프(30)에 의해 히터(31)로 펌핑된다. 이것은 많은 유형, 일반적으로 폐열 열교환기 또는 태양열 집열기일 수 있다.

Description

열역학적 엔진
본 발명은 열역학적 엔진에 관한 것이다.
열역학적 엔진은 가스 또는 증기(이하 "작동 유체"라고 함)를 고압 및 저온에서 저압 및 저온으로 팽창시켜 공정에서 유용한 작업을 추출함으로써 작동한다. 일반적으로 이것은 피스톤 및 실린더 엔진 또는 터빈에서 수행된다.
압력과 온도를 높이는 것은 내연 기관에서처럼 내부적으로 또는 증기 터빈과 같이 외부적으로 수행할 수 있다.
통상적으로 단일 작동 유체가 사용되지만, 내부 연소의 경우 유체는 가스의 혼합물, 특히 연소 및 연소 생성물에 사용되는 공기, 주로 이산화탄소 및 수증기로부터의 질소일 가능성이 있다.
액체(예: 습한 증기의 물)가 엔진을 통과하는 것으로 알려져 있다.
본 발명은 상이한 유체로 작동 유체를 가열하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 개선된 열역학적 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서, 열역학적 엔진이 제공되고, 상기 열역학적 엔진은:
● 제 2 유체와 조합된 작동 유체를 팽창시키는 열역학적 팽창기;
● 상기 작동 유체로부터 제 2 유체를 분리하기 위해 상기 팽창기의 배기구에 연결된 분리기;
● 히터로 및 그후
● 기화 영역으로;
● 상기 제 2 유체를 통과시키기 위한 수단;
● 상기 작동 유체를 기체 형태로부터 휘발성 액체 형태로 응축시키기 위한 응축기; 및
● 상기 팽창기에서 팽창 생성 작업을 위해 상기 작동 유체를 휘발시키도록 재가열된 상기 제 2 유체와 접촉시키기 위한 기화 영역으로 액체 형태의 응축된 상기 작동 유체를 통과시키기 위한 수단을 포함한다.
상기 팽창기는 왕복운동 팽창기와 같은 포지티브 용량 팽창 장치 또는 터빈과 같은 가변 용량 팽창 장치일 수 있다.
상기 기화 영역은 내연기관의 연소 챔버와 유사한 왕복운동 피스톤 및 실린더 장치의 상사점 체적과 같은 상기 팽창기 내부 또는 터빈의 입구 영역에 있을 수 있다.
대안으로, 상기 기화 영역은 증기 엔진/터빈의 보일러와 유사하게, 그리고 열전달의 밀착 접촉을 위해 그리고 상기 작동 유체의 기화를 위해 상기 재가열된 제 2 유체가 상기 응축된 작동 유체와 함께 상기 보일러 안으로 통과되는 차이를 가지고, 상기 팽창기의 외부에 있다.
일반적으로, 상기 제 2 유체가 액체이다. 상기 분리기는 상기 응축기의 팽창기 측에 배열된 액체/증기 분리기 또는 상기 응축기의 다른 측면 상에 배열된 액체/액체 분리기일 수 있다.
양호한 실시예에서, 펜탄은 상 변화 매체로서 사용되고 프로판-1,2-디올의 선택형 혼합물과 함께 글리세롤(프로판-1,2,3- 트리올)은 열 운반 유체로서 사용된다.
상기 제 2 유체는 폐열 및 태양 에너지와 같이 다양한 방식으로 가열될 수 있다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 두 개의 특정 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 예로서 기술될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 제 1 열역학적 엔진의 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 제 2 열역학적 엔진의 블록도.
도 1을 참조하면, 도시된 열역학적 엔진(1)은 크랭크샤프트(4)가 최상위에 있고 실린더 "헤드(5)"가 최하위에 있는 상태에서, 일반 내연 엔진 배향에서 반전된 피스톤(2)과 실린더(3) 유형의 팽창기를 갖는다. 실린더 헤드는 각각의 액체 펜탄 및 글리세린이 실린더의 바닥에서 서로 접촉하여 피스톤의 "상사점" 위치("top" dead centre position)와 실린더 헤드 사이의 기화 영역(8) 안으로 박무로서 분사되도록 배향된 한 쌍의 액체 분사기(6, 7)를 가지며, - 실린더 헤드에 대한 피스톤의 가장 근접한 접근 위치인 "상사점" 위치는 통상적으로 배향된 엔진에서의 용어와 유추하여 "상사점" 위치로 지칭된다. 펜탄은 글리세린으로부터 잠열을 펜탄으로 전달함으로써 기화된다. 펌프(14, 15)에 의해 공급되는 고압 레일(11, 12)로부터 각각의 분사기 밸브(9, 10)가 제공된다.
또한 실린더 헤드에는 크랭크샤프트 속도로 체인 구동부(도시되지 않음)에 의해 구동되는 캠(17)에 의해 개방된 배기 밸브(16)가 장착된다. 배기 파이프(18)는 사이클론 분리기(19)로 안내된다. 여기서, 엔진으로부터의 배기 가스는 와류되도록 유발되어서, 글리세린의 박무 및 방울이 분리기의 벽(20)으로 날아오르고 그 바닥(21)으로 흘러가게 하고, 플로트 밸브(22)의 제어 상태에서 주기적으로 배출된다. 펜탄 증기는 분리기 상부의 중심부(23)에서 배출된다. 엔진의 유체 경로는 대기로 개방되는 것과 반대로 폐쇄되고, 분리기의 내부는 동일하게 폐쇄됨에 유의해야 한다. 이것은 주변 조건보다 높은 압력과 온도에서 일어날 것이다.
파이프(25)를 통해, 펜탄 증기는 응축기(26)로 전달된다. 또한, 이 바닥으로부터 플로트 밸브(27)를 통해 액체 펜탄이 배출된다. 각각의 액체는 탱크(28, 29) 내에 수집되도록 배관된다. 이들은 밀봉 덮개를 갖는다. 글리세린을 위한 배관은 배출구에서 분리기까지 기울어진 다음 중력 하에서 글리세린이 흐르도록 글리세린 탱크로 기울어지는 것이 바람직하다. 이러한 이유 때문에, 팽창기가 실린더 헤드를 아래로 하여 배열되기도 한다.
글리세린 탱크로부터, 이 액체는 저압 펌프(30)에 의해 히터(31)로 펌핑된다. 이는 많은 유형, 전형적으로 폐열 열교환기 또는 태양열 집열기일 수 있다.
사용 시에, 엔진은 사용 가능한 열에 비례하여 발전기를 가동할 가능성이 있다. 제어 시스템(32)은 히터로부터 상당히 높은 온도, 적절하게는 150 ℃에서 히터를 떠나도록 글리세린의 유동을 조절하기 위해 제공된다. 그 탱크로부터의 고온의 글리세린 및 그 탱크로부터의 액체 펜탄의 유동들은 분사기 펌프(14, 15)에 의해 펌핑되어 액체를 분사기 레일 압력으로 가압한다.
하나의 실린더에 대한 작동 사이클은 TDC로부터 시작하여 다음과 같이 진행된다: 제어 시스템에 의해 동적으로 결정된 2 개의 매체의 양은 서로 적절한 시간 관계로 그리고 엔진의 각도 위치에 분사된다. 두 매체가 충분히 분사되면(제어 시스템에 의해 동적으로 다시 계산됨), 분사가 중단된다. 이 지점에서 피스톤이 행정의 끝에 도달할 때까지, 기화된 상 변화 매체가 팽창하여 피스톤을 구동하고 에너지를 전달한다.
행정의 끝에서, 배출 밸브가 개방되며(복귀 행정 동안 개방상태로 유지됨) 혼합 매체를 엔진의 유체 회수 부분으로 배출한다.
이제 도 2를 참조하면, 도시된 열역학적 엔진(101)은 발전기(103)를 구동하는 터빈(102)을 갖는다. 터빈으로부터의 배기는 분리기(119)로 전달되고, 펜탄 증기는 응축기(124) 및 액체 펜탄 탱크(129)를 순차 통과한다. 이로부터, 고압에 대해 펌프(139)에 의해 보일러(140)로 펌핑된다.
보일러는 비등 펜탄의 상부층(142)을 갖는 고온의 글리세린(141)을 수용한다. 액체 펜탄은 비등 펜탄의 표면에 분무되고 보일러의 상부에서 펜탄 증기(143)로 기화한다. 글리세린은 저장조의 바닥에서 후퇴되어 펌프(144)에 의해 히터(131)로 펌핑되며, 이때 저장소로 다시 흐르고 열 전달을 최대화하기 위해 펜탄 증기로 분무된다.
펜탄 증기는 발전기의 부하에 의해 제어되는 터빈 속도에 의해 제어되는 속도로 보일러로부터 유동한다. 이 유동에는 글리세린 박무가 포함된다. 사이클론으로 분리된 것은 글리세린이다. 분리된 글리세린 유동은 추가의 펌프(145)에 의해 보일러로 복귀된다.
본 발명의 상술한 실시예는 입력측 상의 임의의 열교환기에 대한 필요성을 피하는 유기물 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle)의 새로운 변형예라는 것이 주목될 것이다. 이러한 열교환기는 유기물 랭킨 사이클의 상 변화를 수행하는 펜탄에 고온 글리세린을 직접 분사하는 것으로 대체된다.
열 유지 글리세린을 기존의 열교환기로 얻을 수 있는 것보다 큰 표면적에 걸쳐 상 변화 펜탄과 밀착 접촉한 극히 작은 방울로 분산시키는 것은 열 교환의 효율적이고 신속한 메커니즘으로서 작용한다. 이는 종래의 열교환기와 비교할 때 상당한 온도 차이 및 그에 따른 효율 손실을 방지한다.
팽창기 사이클이 완전히 닫혀 있으므로 배기 가스가 생성되지 않는다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 왕복운동 피스톤 및 실린더 팽창기는 다중 실린더 장치일 수 있다.

Claims (16)

  1. 열역학적 엔진에 있어서,
    ● 제 2 유체와 조합된 작동 유체를 팽창시키는 열역학적 팽창기;
    ● 상기 작동 유체로부터 상기 제 2 유체를 분리하기 위해 상기 팽창기의 배기구에 연결되는 분리기;
    ● 히터로 및 그 후
    ● 기화 영역으로;
    ● 상기 제 2 유체를 통과시키기 위한 수단;
    ● 상기 작동 유체를 기체 형태로부터 휘발성 액체 형태로 응축시키기 위한 응축기; 및
    ● 상기 팽창기에서 팽창이 생성되게 상기 작동 유체를 휘발시키기 위하여, 액체 형태의 응축된 상기 작동 유체를 상기 히터에 의해 재가열된 상기 제 2 유체와 접촉시키기 위한 기화 영역으로 통과시키는 수단을 구비하는, 열역학적 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 팽창기는 용량식 팽창기(positive displacement expander)인, 열역학적 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 팽창기는 가변 용량식 팽창기인, 열역학적 엔진.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기화 영역은 상기 팽창기의 내부에 있는, 열역학적 엔진.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 기화 영역은 왕복운동 피스톤 및 실린더 팽창기의 상사점 체적인, 열역학적 엔진.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 팽창기는 상기 팽창기의 실린더 "헤드"를 아래로 한 상태로 배열되는, 열역학적 엔진.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 팽창기는 터빈이고,
    상기 기화 영역은 상기 터빈의 입구 영역에 연결되는, 열역학적 엔진.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 기화 영역은 상기 터빈의 외부에 있는, 열역학적 엔진.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 기화 영역은 상기 터빈의 보일러 내에 있고, 상기 보일러는 열전달과 상기 작동 유체의 기화를 위한 상기 재가열된 제 2 유체와 응축된 작동 유체의 밀착 접촉을 위해 상기 재가열된 제 2 유체를 상기 응축된 작동 유체와 함께 상기 보일러 안으로 통과시키도록 조정되는, 열역학적 엔진.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 유체가 액체인 경우, 상기 분리기는 상기 팽창기에 연결되는 상기 응축기의 측면에 배열되는 액체/증기 분리기인, 열역학적 엔진.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 유체가 액체인 경우, 상기 분리기는 상기 팽창기에 연결되는 상기 응축기의 측면의 반대편 측면에 배열되는 액체/액체 분리기인, 열역학적 엔진.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기구로부터 상기 분리기로 그리고 상기 분리기로부터 수집 탱크로의 배관은 아래로 기울어지는, 열역학적 엔진.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 폐열에 의해 상기 제 2 유체를 가열하기 위한 수단을 포함하는, 열역학적 엔진.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 태양 에너지에 의해 상기 제 2 유체를 가열하기 위한 상기 히터를 포함하는, 열역학적 엔진.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 펜탄을 상기 작동 유체로서 사용하고 글리세롤(프로판-1,2,3- 트리올)을 프로판-1,2-디올의 선택형 혼합물과 함께 상기 제 2 유체로서 사용하도록 조정되고 배열되는, 열역학적 엔진.
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