KR102516704B1 - 가스를 압축하기 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

가스를 압축하기 위한 방법 및 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스를 압축하기 위한 방법에 관한 것으로, 여기서, 가스는 압축되도록 압축 챔버(2) 안으로 도입되고, 액체(100)가 중간 컨테이너(4)로부터 적어도 부분적으로 가스로 채워진 압축 챔버(2) 안으로 펌핑된다. 액체(100)의 적어도 일부가 압축 챔버(2)로부터 살포 서킷(24)에 의하여 살포 시스템(42)으로 펌핑되고, 액체(100)는 살포 시스템(42)에 의하여 압축 챔버(2) 내에서 분배된다. 본 발명은 부가적으로, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 디바이스(1)에 관한 것이다.

Description

가스를 압축하기 위한 방법 및 디바이스
본 발명은 가스(gas)의 압축을 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 추가로, 본 발명에서 청구되는, 그리고/또는 본 발명의 실시예들 중 하나의 실시예의 방법의 구현을 위한 디바이스(device)에 관한 것이다.
가스의 압축 동안, 압축 에너지(energy)는 가스의 압력 및 온도를 증가시킨다. 등엔트로피 압축(isentropic compression)이 가정되면, 이상 가스(ideal gas)의 온도는 다음에 따라 증가하고
Figure 112021003368333-pct00001
여기서,
Figure 112021003368333-pct00002
는 압축 전의 온도를 나타내고,
Figure 112021003368333-pct00003
는 압축 전의 압력을 나타내고,
Figure 112021003368333-pct00004
는 압축 후의 온도를 나타내고,
Figure 112021003368333-pct00005
는 압축 후의 압력을 나타내며,
Figure 112021003368333-pct00006
는 가스의 등엔트로피 지수(isentropic exponent)(단열 지수)를 나타낸다. 그러므로, 온도 상승은 압축 전의 온도, 압력 비(ratio) 그리고 또한 등엔트로피 지수에 따라 좌우된다.
가스의 압축(압력 증가)은 예로서 압축 공기 저장 발전소들에서 사용된다. 여기서, 가스는 전기 에너지(전력)에 의하여 압축되고, 압축 가스는 가압 용기 또는 가압 지하 동굴(pressurized subterranean cavern)에 의하여 저장된다. 전기 에너지의 후속 공급을 위해, 압축 가스가 팽창되어 전력이 재생된다.
여기서, 가스의 압축 동안 가스에 사용되는 압축 에너지의 저장 비율(proportion)을 최대화하는 것이 유리하다. 선행 기술의 압축 공기 저장 발전소들에서는, 가스의 온도를 증가시키는 압축 에너지의 해당 비율이 손실된다. 그 이유는, 가압 용기들 내의 가스가 통상적으로 주위 온도로 냉각되기 때문이다. 따라서, 등엔트로피 압축 에너지의 약 50%가 열의 형태로 손실된다. 그러므로, 압축 공기 저장 발전소들의 효율은 50% 미만의 효율로 제한된다. 40%를 초과하는 효율들은 통상적으로, 어렵게만 달성된다.
게다가, 더 높은 효율을 갖는 단열 압축 공기 저장 발전소들이 알려져 있다. 그러나, 이러한 단열 압축 공기 저장 발전소들은 지금까지 상업적으로 사용되지 않았다. 단열 압축 공기 저장 발전소의 경우, 가스의 압축 동안 생성된 열은 개별적인 압축 스테이지(stage)들 사이에서 그리고/또는 가스의 압축 후에 압축 가스로부터 열 전달 매질로 전달된다. 가스의 후속 팽창 동안, 이 열은 가스에 다시 전달된다. 따라서, 상당히 더 높은 효율이 달성된다. 이 개념에 의해 제기되는 난제는 본질적으로 이 개념의 비용-효과(cost-effectiveness)에 있다. 그 이유는, 여기서 사용되는 간접적인 열 전달이 큰 열 전달 수단 및 큰 축열 수단을 필요로 하기 때문이다.
게다가, 액체 링(ring) 압축기가 가스의 압축에 사용될 수 있다. 여기서, 압축될 가스는 액체 링 압축기의 링 액체와 직접 접촉하고, 그러므로 열은 가스로부터 액체로 직접적으로 전달된다. 그러나, 액체 링 압축기들은 작은 열 전달 영역을 갖는다. 그러므로, 가스의 압축 동안 생성된 열의 작은 부분만이 실제로 링 액체(열 전달 매질)에 전달된다.
게다가, 작은 등엔트로피 지수(
Figure 112021003368333-pct00007
)를 갖는 가스들을 사용하는 것이 가능할 것이다. 이는, 압축 동안 생성되는 열을 상당히 감소시킬 수 있다. 그러나, 작은 등엔트로피 지수를 갖는 알려진 가스들의 대부분은 비싸고, 가연성이며, 그리고/또는 독성이 있다. 그러므로, 이러한 가스들의 사용은 의심스럽거나, 또는 상당한 제한을 받는다.
본 발명은, 가스의 압축 동안 생성된 열을 사용하는 능력을 개선시키는 목적에 기반한다.
이 목적은 독립 청구항 제1 항의 특징들을 갖는 방법을 통해, 그리고 또한 독립 청구항 제15 항의 특징들을 갖는 디바이스를 통해 달성된다. 종속 청구항들은 본 발명의 유리한 실시예들 및 추가적인 발전들을 제공한다.
가스의 압축을 위한 본 발명의 방법에서 가스는 상기 가스의 압축을 위한 압축 챔버(chamber) 안으로 도입된다. 여기서, 압축 챔버는 바람직하게는, 밀봉된 챔버일 수 있다. 게다가, 액체가 중간 컨테이너(container)로부터 적어도 부분적으로 가스로 채워진(filled) 압축 챔버 안으로 펌핑된다(pumped). 본 발명에서 액체의 적어도 일부가 압축 챔버로부터 살포 서킷(sprinkling circuit)에 의하여 살포 시스템(system)으로 펌핑되고, 여기서, 압축 챔버 내에서의 액체의 분배는 살포 시스템에 의하여 달성된다.
이하에서 열 전달이 언급될 때, 이는 열의 적어도 부분적인 전달을 의미한다. 특히, 열의 완전한 전달은 요구되지 않는다.
본 발명의 방법에서 가스는, 압축 챔버 안으로 펌핑되는 액체에 의하여 압축 챔버 내에서 압축된다. 그 이유는, 압축 챔버 내에서 가스에 이용가능한 부피(volume)가 액체의 펌핑식 도입(pumped introduction)에 의해 감소되기 때문이다. 액체는 특히, 액체가 비압축성 유체를 형성하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 본 발명에서, 액체는 중간 컨테이너로부터 취해진다. 다시 말해서, 중간 컨테이너는 액체를 포함한다.
본 발명의 방법에서 액체의 적어도 일부는 압축 챔버로부터 살포 서킷에 의하여 살포 시스템으로 펌핑되고, 압축 챔버 내의 살포 시스템에 의하여 분배되는데, 특히, 미립자들의 형태로, 예컨대, 액적(liquid droplet)들의 형태로 분무된다. 따라서, 유리하게는, 압축 챔버 내에서 가스와 액체 사이에 최대 크기의 열 전달 영역을 제공하는 것이 가능해진다. 다시 말해서, 특히 유리한 열 전달이 따라서, 가스의 압축 동안 상기 가스와 액체 사이에 제공된다. 여기서 제공되는 액체는 변위 매질(가스의 압축)로서의 역할 및 열 전달 매질로서의 역할을 한다. 다시 말해서, 본 발명에서, 동일한 액체가 가스의 압축을 위한 변위 매질로서, 그리고 압축 동안 생성된 열의 적어도 부분적인 흡수를 위한 열 전달 매질로서 사용된다. 특히 유리한 열 전달이 살포 서킷 및 살포 시스템에 의하여 가능해진다.
그러므로, 본 발명에서 가스는 가스에 이용가능한 부피의 감소로 인해 액체에 의하여 압축된다. 따라서, 압축 챔버 내의 가스의 압력이 증가한다. 그러므로, 압축 챔버는, 가스의 압력 증가(압축)가 허용된다는 의미로 밀봉되었다.
게다가, 본 발명에서 액체는 살포 서킷에 의하여 순환되는데, 즉, 압축 챔버로부터, 특히, 압축 챔버의 바닥(floor)으로부터 살포 시스템으로 펌핑되고, 이어서, 압축 챔버에서 살포 시스템에 의하여 분배된다. 분배된 액체는 살포 서킷에 의하여 살포 시스템으로 복귀된다. 따라서, 액체를 위한 살포 서킷이 형성되고, 여기서, 액체와 직접 접촉하는, 가스의 압축 동안 생성되는 열은 적어도 부분적으로 액체에 전달된다. 여기서, 살포 시스템에 의한 액체의 미세 분무가 특히 유리하다.
그러므로, 본 발명의 방법은 유리하게는, 압축 동안 생성된 열이, 재료들의 직접 접촉 동안, 가스의 압축을 위해 동시에 제공된 액체에 적어도 부분적으로 전달되는, 열적으로 효율적인 가스 압축을 허용한다.
본 발명의 다른 장점은, 원칙적으로 액체 및 가스의 사용량이 제한되지 않고, 그러므로 열 전달에 충분한 양의 액체를 사용하는 것이 가능하다는 점이다.
본 발명에서 청구되는, 그리고/또는 본 발명의 실시예들 중 하나의 실시예의 방법의 구현을 위한 본 발명의 디바이스는, 가스의 압축을 위한 적어도 하나의 압축 챔버, 액체를 수용하도록 의도된 하나의 중간 컨테이너, 중간 컨테이너로부터 압축 챔버 안으로의 액체의 펌핑(pumping)을 위한 하나의 제1 펌프(pump), 살포 시스템 및 제2 펌프를 갖는 하나의 살포 서킷을 포함하고, 액체의 적어도 일부가 압축 챔버로부터 제2 펌프에 의하여 살포 시스템으로 펌핑될 수 있으며, 살포 시스템으로 펌핑된 액체는 살포 시스템에 의하여 압축 챔버 내에서 분배될 수 있고, 특히 분무될 수 있으며, 특히 바람직하게는 미세 분무될 수 있다.
본 발명의 디바이스의 결과적인 장점들은, 본 발명 및/또는 본 발명의 실시예들 중 하나의 실시예의 방법의 장점들과 유사하고 동등하다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 중간 컨테이너로부터 압축 챔버 안으로의 액체의 펌핑은 제1 펌프에 의하여 달성되고, 압축 챔버로부터 살포 시스템으로의 액체의 펌핑은 제2 펌프에 의하여 달성된다.
여기서, 살포 서킷은 제2 펌프를 포함한다. 그러므로, 제1 펌프는 압축 펌프로서 구성되거나 또는 의도되고, 제2 펌프는 살포 서킷 내의 액체를 위한 순환 펌프로서 구성되거나 또는 의도된다. 다시 말해서, 액체는 중간 컨테이너로부터 제1 펌프에 의하여 압축 챔버 안으로 펌핑된다. 따라서, 액체 표면 레벨(surface level)이 압축 챔버 내에서 상승하여서, 압축 챔버 내의 가스가 압축된다. 다시 말해서, 제1 펌프는 적어도 압축 에너지를 제공한다. 여기서, 가스의 압축 동안, 열이 통상적으로 생성된다. 제2 펌프에 의하여, 압축 챔버 안으로 도입된 액체는, 예컨대 압축 챔버의 바닥으로부터, 살포 서킷에 의하여 살포 시스템으로 적어도 부분적으로 펌핑된다. 따라서 순환된 액체는 살포 시스템에 의하여 압축 챔버 내에서 분배되는데, 특히, 분무된다. 그러므로, 제2 펌프는 단지, 살포 시스템의 압력 손실을 극복해야 하며, 액체를 순환시킨다.
본 발명의 유리한 추가적인 발전에서, 임계 압력에 도달한 후에, 가스는 압축 챔버로부터 방출되고(discharged), 방출된 가스는 가압 가스 저장 수단에 의하여 저장된다.
다시 말해서, 임계 압력을 특징으로 하는 정의된 압력에 도달할 때, 압축 챔버로부터 압축된 가스가 압축 챔버로부터 방출되고, 가압 가스 저장 수단에 의하여 저장된다. 여기서, 압축 동안 생성된 열은 적어도 부분적으로 액체에 전달되었는데, 특히, 본질적으로는 완전히 액체에 전달되었다.
그러므로, 가스의 방출 후에, 제2 펌프에 의하여 다시 중간 컨테이너 안으로 액체를 펌핑(pump)하는 것이 유리하다.
다시 말해서, 가스의 압축 및 방출 후에, 액체는 제2 펌프에 의하여 다시 중간 컨테이너 안으로 펌핑된다. 대안적인 또는 보충적인 절차에서, 중간 컨테이너 안으로의 액체의 복귀는 압축 챔버와 중간 컨테이너 사이의 높이 차이를 통해 달성될 수 있다. 그러나, 이는 과도한 시간량을 필요로 할 수 있다. 그러므로, 살포 서킷에 포함된 제2 펌프에 의하여 다시 중간 컨테이너 안으로 액체를 펌핑하는 것이 유리하다. 이 목적을 위해 살포 서킷 내의 밸브(valve)가 전환될 수 있다. 유리하게는, 압축 챔버로부터 중간 컨테이너 안으로의 액체의 방출 동안, 압축 챔버를 위한 가스와 관련된 가스 공급부가 개방되면, 압축 챔버 내의 액체의 하강(falling) 액체 표면 레벨로 인해 새로운(fresh) 가스가 압축 챔버 안으로 흡인된다(sucked). 따라서, 원래의 시작 상황이 재현되고, 가스의 압축은 반복될 수 있다.
그러므로, 중간 컨테이너 내의 액체에 의해 도달되는 온도가 임계 값을 초과할 때까지, 새로운 양의 가스로 가스의 압축을 다수 회 반복하는 것이 유리하다.
여기서, 중간 컨테이너가 특히 유리한데, 그 이유는 액체들, 예컨대 물의 비열 용량이 통상적으로, 가스들, 예컨대 공기의 비열 용량보다 상당히 더 높기 때문이다. 그러므로, 가스의 압축에 단일 압축(단일 사이클(cycle))이 통상적으로 충분하지만, 액체는 여기서 작은 온도 증가를 나타낸다. 그러므로, 충분한 또는 유리한 온도를 갖는 열(압축 열)을 저장하기 위하여, 통상적으로 복수의 사이클들을 수행할 필요가 있다. 여기서, 적어도 섭씨 90 도의 액체 온도가 유리하다. 다시 말해서, 온도의 임계 값은 예컨대 섭씨 90 도로 설정된다. 약 10 회의 사이클들 후에, 즉, 10 회의 가스 압축들 및 중간 컨테이너 안으로의 액체의 복귀들 후에, 적어도 섭씨 90 도의 온도에 도달할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 여기서, 각각의 새 사이클에 대해, 새로운 가스, 즉, 새로운 양의 가스가 압축 챔버 안으로 도입된다. 사이클들의 수는 사용되는 가스 및 사용되는 액체, 즉, 재료들의 쌍(pairing)에 따라 좌우될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 액체의 온도의 임계 값에 도달한 후에, 액체는 중간 컨테이너로부터 축열 수단으로 펌핑되고, 축열 수단은, 가스의 압축의 결과로서 액체에 의해 흡수된 열에 의하여 적어도 부분적으로 충전된다(charged).
여기서, 액체가 축열 수단의 축열 매질로서 직접적으로 사용되고, 그러므로 액체 및 이 액체의 열이 축열 수단에 의하여 저장되는 것이 특히 바람직하다.
본 발명의 유리한 추가적인 발전에서, 축열 수단의 하류에서, 액체는 제3 펌프에 의하여 저장소 용기로 펌핑되고, 여기서, 액체의 중간 저장이 저장소 용기에 의하여 달성된다.
다시 말해서, 축열 수단에 의하여 열이 적어도 부분적으로, 특히 대부분, 특히 완전히 저장되어 있는 액체는 유리하게는, 저장소 용기로 펌핑되고, 저장소 용기에 의하여 중간 저장부 안으로 배치된다. 여기서, 저장소 용기는, 반복되는 가스의 압축 및 축열 수단에 의한 열의 저장부로부터 다시 중간 컨테이너 안으로의 액체의 펌핑을 디커플링(decouple)하기 위하여 제공된다. "반복되는 가스의 압축"이라는 표현은 새로운 양의 가스를 사용한 압축의 재개를 의미한다. 그러므로, 동일량의 가스의 압축이 반복되지 않는다. 다시 말해서, 동일한 가스가 아닌, 동일한 종류(description)의 가스에 대해 압축이 반복된다. 그러나, 동일한 가스의 압축을 반복하는 것이 가능하다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 저장소 용기 내의 액체의 적어도 일부는 저장소 용기로부터 살포 서킷을 통해 살포 시스템으로 제2 펌프 및/또는 제3 펌프에 의하여 펌핑된다.
다시 말해서, 저장소 용기에 유지되는 액체는 유리하게는, 살포 서킷으로 이동된다. 따라서, 축열 수단의 하류에 있는 액체에 존재할 수 있는 잔류 열이 유리하게는 손실되는 것이 아니라, 대신, 이어서, 살포 시스템을 통해 압축 챔버 내의 액체로 이동된다. 그러므로, 열은 액체의 서킷에 유지된다. 따라서, 압축 동안 생성된 열의 저장과 관련된 방법의 효율은 유리하게 개선된다. 살포 서킷에 대한 저장소 용기의 커플링(coupling)은 밸브, 특히, 3방향 밸브에 의하여 달성될 수 있다.
본 발명의 유리한 추가적인 발전에서, 압축 챔버로부터의 가스의 방출 후에 그리고 가압 가스 저장 수단에 의한 상기 가스의 저장 전에, 상기 가스는 제1 열 교환기로 이동되고, 여기서, 방출된 가스의 열의 적어도 일부는 제1 열 교환기에 의하여 살포 서킷 내의 액체에 전달된다.
따라서, 가스에 존재하고 압축 동안 액체에 전달되지 않은 잔류 열은, 상기 가스의 압축 후에 그리고 상기 가스의 저장 전에, 유리하게는, 가압 가스 저장 수단에 의하여 회수되어(withdrawn) 살포 서킷 내의 액체에 전달되며, 각각, 압축 챔버 내의 액체에 전달된다. 따라서, 이 잔류 열이 액체에 전달되어서, 방법의 효율이 상당히 개선된다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 가압 가스 저장 수단에 의하여 저장된 가스는, 저장된 가스의 팽창을 위해 팽창 터빈(turbine)으로 이동된다.
다시 말해서, 압력 하에 저장된 가스가 팽창 터빈에 의하여 팽창되어서, 예로서, 팽창 터빈에 커플링된(coupled) 발전기에 의하여 전력이 생성되거나 또는 제공된다. 여기서, 가압 가스 저장 수단으로 인해, 가스의 압축 그리고 제1 펌프 및/또는 제2 펌프로의 전력의 공급과는 독립적으로, 전력을 제공하는 것이 가능하다.
본 발명의 유리한 추가적인 발전에서, 팽창에 의하여 냉각된 가스는 냉매의 냉각을 위해 냉매 서킷의 제2 열 교환기로 이동된다.
팽창 터빈에 의하여 팽창된 가스의 온도는 통상적으로 낮은데, 특히, 섭씨 0 도 미만이다. 따라서, 유리하게는, 제2 열 교환기에 의하여, 냉매 서킷 내에서 순환하는 냉매에 전달될 수 있는 냉동(refrigeration)을 제공하는 것이 가능하다.
냉매에 의해 제공되는 냉동에 의하여 냉매 서킷의 냉매 저장 수단을 충전하는 것이 특히 바람직하다.
냉매에 전달된 냉동은 유리하게는, 냉매 저장 수단에 의하여 저장된다. 다시 말하면, 축열 수단에 의하여 제공될 수 있는 열과 함께, 유리하게는, 냉동이 마찬가지로 제공되거나 또는 제공될 수 있다. 따라서, 유리하게는, 후속 시점(juncture)에 대해, 그리고 특히 가스의 압축으로부터 연대순으로 디커플링된(decoupled) 방식으로, 냉동을 제공하는 것이 가능하다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 제1 펌프 및 제2 펌프는 압축 가스 형태의 전기 에너지의 저장에 사용되고, 여기서, 저장된 전기 에너지는 또한, 팽창 터빈에 커플링된 발전기에 의하여 적어도 부분적으로 재생된다.
다시 말해서, 이 방법은 전력 저장에 사용된다. 여기서, 전기 에너지는 제1 펌프 및 제2 펌프에 공급되고, 가스는 압축되고, 열은 저장되며, 압축 가스는 가압 가스 저장 수단에 의하여 저장된다. 후속 시점에서 전력이 요구되면, 가압 가스 저장 수단에 의하여 저장된 가스는 팽창 터빈으로 이동되고, 전력은 팽창 터빈에 커플링된 발전기에 의하여 생성된다. 여기서, 결과적으로 팽창된 가스가 냉각되고, 이어서, 냉매 저장 수단의 충전에 활용될 수 있다는 것이 특히 유리하다. 압축 동안 생성된 열은 마찬가지로, 축열 수단에 의하여 저장되고, 따라서 펌프들에 공급되는 전기 에너지는 열, 냉동 및/또는 전기 에너지의 형태로 제공되거나 또는 저장된다. 다시 말해서, 본 발명에서 그리고/또는 본 발명의 실시예들 중 하나의 실시예에서 가스의 본 발명에 따른 압축은, 전기 에너지의 저장을 위한 유리한 방법, 그리고 또한 열 및/또는 냉동의 제공을 위한 유리한 방법을 제공한다.
그러므로, 본 발명 및/또는 본 발명의 실시예들 중 하나의 실시예의 방법에 의하여 동작되는 디바이스는 전력 저장 수단, 축열 수단 및/또는 냉매 저장 수단으로서 사용될 수 있거나, 또는 전력 저장 수단, 축열 수단 및/또는 냉매 저장 수단으로서 구성된다.
본 발명의 추가적인 장점들, 특징들 및 세부사항들은 이하에 설명되는 작동 예들로부터, 그리고 또한 도식적인 형태로 도시된 도면들로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예를 도시하며; 그리고
도 2는 본 발명의 방법의 흐름 다이어그램(diagram)이다.
동일한 유형이거나 또는 동등하거나 또는 동일한 효과를 갖는 요소들은 도면들 중 하나에서 또는 둘 모두에서 동일한 참조 부호들을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명에서 그리고/또는 본 발명의 실시예들 중 하나의 실시예에서 방법의 구현을 위해 적절하거나 또는 의도되거나 또는 구성된, 본 발명의 실시예에서의 디바이스(1)의 다이어그램이다.
디바이스(1)는, 예로서 밀봉된 가압 컨테이너로서 구성되는 압축 챔버(2)를 포함한다. 게다가, 디바이스(1)는, 액체(100)를 수납하도록 구성되거나 또는 상기 액체를 포함하는 중간 컨테이너(4)(제1 컨테이너)를 포함한다. 게다가, 디바이스(1)는 살포 서킷(24), 살포 시스템(42), 제1 펌프(31) 및 제2 펌프(32), 중간 컨테이너(10)(제2 컨테이너), 그리고 또한 가압 가스 저장 수단(6)을 포함한다.
가스가 먼저, 가스 공급부(101)에 의하여 압축 챔버(2) 안으로 도입된다. 이는 밸브(71)에 의하여 달성 및 제어될 수 있다. 액체(100)는 중간 컨테이너(4)로부터 제1 펌프(31)에 의하여 압축기 챔버(2) 안으로 도입되거나 또는 펌핑된다. 중간 컨테이너(4)로부터 제1 펌프(31)에 의하여 압축 챔버(2) 안으로의 액체(100)의 펌핑식 도입은, 도입된 가스에 이용가능한 부피를 감소시킨다. 이러한 의미에서, 도입된 액체(100)는 도입된 가스와 관련된 변위 매질을 나타낸다. 다시 말해서, 압축 챔버(2) 안으로의 액체(100)의 펌핑식 도입은, 도입된 가스를 압축하고 이에 따라 가스의 압력을 증가시킨다.
가스의 압축 동안, 가스의 온도는 통상적으로 증가한다. 다시 말해서, 제1 펌프(31)에 의하여 공급된 압축 에너지는 열로 그리고 압축으로, 즉, 가스의 압력 증가로 변환된다. 본 발명에서 살포 서킷(24) 및 살포 시스템(42)의 제공은 가스의 압축 동안 생성된 열의 완전한 손실을 방지한다. 살포 시스템(42)에 의한 압축 챔버(2) 내에서의 액체(100)의 살포, 즉, 분배, 특히, 미세 분무는 압축 챔버(2) 내에서 가스와 액체(100) 사이의 확대된 열 전달 영역을 제공한다. 확대된 열 전달 영역은 가스로부터 액체(100)로의 열 전달을 상당히 개선시킨다.
액체(100)는 제2 펌프(32)에 의하여 압축 챔버(2) 내에서 순환되고, 이어서, 살포 시스템(42)에 의하여 압축 챔버(2) 내에 분배되는데, 특히, 미세 분무된다. 여기서, 살포 서킷(24)은 압축 챔버(2)의 바닥으로부터 액체(100)를 취하고, 제2 펌프(32)에 의하여 압축 챔버(2)의 최상부 부근에 배열된 살포 시스템(42)으로 상기 액체를 펌핑한다. 이 살포 시스템(42)으로부터, 액체(100)는 압축 챔버(2) 내에서 분배되는데, 특히, 미립자들의 형태로 분무된다. 따라서 생성된 액적들은 가스와 관련된 확대된 열 전달 영역을 갖고, 따라서 가스로부터 액체(100)로의 열 전달이 개선된다. 살포 시스템(42)으로의 액체(100)의 도입은 제4 밸브(74)에 의하여 제어될 수 있다. 여기서, 살포 서킷(24)은 제4 밸브(74)를 포함한다. 게다가, 살포 서킷(24)은 제3 밸브(73)를 가지며, 이 제3 밸브(73)는 가스의 압축(압축 절차) 동안 포지션(position) 또는 설정(A-A)을 갖는다.
일단 압축 챔버(2) 내에서 가스의 정의된 임계 압력에 도달했으면, 가스는 압축 챔버(2)로부터 제5 밸브(75)에 의하여 방출되고, 가압 가스 저장 수단(6)으로 이동된다. 가압 가스 저장 수단(6)에 의하여, 압축 가스가 후속 사용을 위해 중간 저장부에 배치되거나 또는 저장될 수 있다.
이어서, 새로운 양의 가스에 대해 압축을 반복하기 위하여, 압축 챔버(2)로부터 액체(100)를 방출하는 것이 유리하다. 이 목적을 위해, 제3 밸브(73)는 설정(A-B)으로 전환된다. 따라서, 압축 챔버(2)로부터, 특히, 압축 챔버(2)의 바닥으로부터 제2 펌프(32)에 의하여 다시 중간 컨테이너(4)로 액체(100)를 펌핑하는 것이 가능해진다. 대안적으로 또는 부가적으로, 압축 챔버(2) 내의 액체(100)는 예컨대 높이 차이로 인해 중력 하에서 다시 중간 컨테이너(4)로 유동할 수 있다. 그러나, 이 절차는 통상적으로 너무 느리고, 그러므로 펌프(32)에 의한 다시 중간 컨테이너(4)로의 액체(100)의 펌핑이 바람직하다.
이어서, 다시 중간 컨테이너(4)로의 액체(100)의 펌핑 동안 가스 공급부(101)의 제1 밸브(71)가 개방되면, 압축 챔버(2) 내의 하강 액체 표면 레벨은 새로운 양의 가스가 압축 챔버(2) 안으로 흡인되게 한다. 다시 말해서, 압축 챔버(2) 내에 가스가 있고 중간 컨테이너(4)에 액체(100)가 있으며 압축 챔버(2)에 액체(100)가 없는 시작 상황이 따라서 재현될 수 있다. 이어서, 새로운 양의 가스가 이제, 중간 컨테이너(4)로부터 제1 펌프(31)에 의하여 압축 챔버(2) 안으로 액체(100)의 펌핑식 도입에 의하여 압축될 수 있다.
유리하게는, 액체(100)의 고온은 통상적으로, 복수의 압축들 또는 복수의 반복들 또는 사이클들을 필요로 한다. 그 이유는, 액체들, 예컨대 물의 비열 용량이 가스들, 예컨대 공기의 비열 용량보다 상당히 더 높기 때문이다. 그러므로, 단일 압축(단일 사이클)이 가스로부터 열의 대부분을 추출하지만, 흔히, 액체(100)의 온도의 증가는 단지 작다. 예컨대 섭씨 90 도를 초과하는 충분히 높은 온도를 달성하기 위하여 요구되는 사이클들 또는 압축들의 수는 재료들의 쌍에 따라 좌우될 수 있고, 이러한 재료들의 쌍은 통상적으로 약 10 쌍이다.
일단 예컨대 섭씨 90 도를 초과하는, 액체(100)의 유리하게 정의된 높은 온도에 도달했으면, 액체(100)는 제6 밸브(76)의 개방에 의하여 중간 컨테이너(4)로부터 축열 수단(8)으로 이동된다. 액체(100)에 존재하고 가스(2)의 압축의 결과로 상기 액체가 흡수한 열은, 축열 수단(8)에 의하여, 적어도 부분적으로 저장되거나 또는 적어도 부분적으로 중간 저장부에 배치된다. 여기서, 액체(100)는 축열 수단(8)을 위한 저장 매질로서 직접적으로 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 액체(100)에 존재하는 열은 축열 수단(8)의 축열 매질에 적어도 부분적으로 전달될 수 있다. 액체(100)가 축열 수단(8) 내의 축열 매질로서 직접적으로 사용되면, 상기 액체는 예컨대 제7 밸브(77) 및 제3 펌프(33)에 의하여 제3 열 교환기(53)로 이동될 수 있고, 여기서, 압축 동안 생성되고 액체(100)에 의하여 저장된 열은, 제3 열 교환기(53)에 의하여 열 소비자에게 적어도 부분적으로 제공된다.
제3 열 교환기(53)의 하류에서, 액체(100)는 제3 펌프(33)에 의하여 저장소 용기(10)로 펌핑된다. 저장소 용기(10)에 의하여, 액체(100)는 살포 서킷(24) 내에서 추가적인 사용을 위해 유지된다. 예로서, 상기 액체는 제2 밸브(72)에 의하여 다시 살포 서킷(24) 안으로 이동된다. 따라서, 액체(100)에 존재하고 상기 액체가 축열 수단(8)의 하류에서 또는 제3 열 교환기(53)의 하류에서 유지하는 잔류 열은 유리하게는, 살포 서킷(24) 내에서 적어도 부분적으로 재사용되고, 적어도 부분적으로 다시 상기 서킷으로 이동된다.
제5 밸브(75)에 의하여, 압축 가스는 압축 챔버(2)로부터 방출되어 가압 가스 저장 수단(6)으로 이동된다. 압축 챔버(2)와 가압 가스 저장 수단(6) 사이에는 제1 열 교환기(51)가 제공된다. 제1 열 교환기(51)에 의하여, 방출된 가스에 존재하는 잔류 열을 다시 살포 서킷(24)으로 이동시키는 것이 가능하다. 여기서, 복귀는 제9 밸브(79)에 의하여 제어될 수 있다. 다시 말해서, 가스에 존재하는 잔류 열은 제1 열 교환기(51)에 의하여 다시 살포 서킷(24) 내의 액체(100)로 전달된다. 이 목적을 위해, 살포 서킷(24) 내의 액체(100)는 제9 밸브(79)를 통해 제1 열 교환기(51)로 이동될 수 있다. 따라서, 유리하게는, 압축 가스에 존재하는 잔류 열의 적어도 부분적인 복귀가 달성된다.
가압 가스 저장 수단(6)에 의하여 저장된 압축 가스는 제8 밸브(78)에 의하여 팽창 터빈(12), 특히, 예컨대 발전기가 부착된 압축 공기 터빈으로 이동될 수 있다. 팽창 터빈(12)에 의하여, 가압 가스 저장 수단(6)으로부터의 압축 가스가 팽창된다. 따라서, 팽창 터빈(12) 및 발전기에 의하여, 가스의 팽창 에너지를 사용하여 전기 에너지, 즉, 전력을 생성 및 제공하는 것이 가능하다. 가스의 팽창에 후속하는 가스의 온도는 통상적으로 낮은데, 예컨대, 섭씨 0 도 미만이다. 가스의 이 낮은 온도는, 냉동을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이에 따라서, 본 발명의 도시된 실시예는, 냉매 서킷(14)에 열적으로 커플링된 제2 열 교환기(52)를 제공한다. 냉매 서킷(14)은 냉매 저장 수단(16), 그리고 또한 제4 펌프(34)를 갖고, 여기서, 제4 펌프(34)는 냉매 서킷(14) 내에서의 냉매의 순환을 위해 의도된다. 팽창된 가스는 제2 열 교환기(52)로 이동되고, 여기서, 팽창된 가스에 의해 제공된 냉동은 제2 열 교환기(52)에 의하여 냉매 서킷(14) 내에서 순환하는 냉매에 전달된다. 전달된 냉동은 냉매 저장 수단(16)에 의하여 저장된다.
다시 말해서, 본 발명의 도시된 실시예에 의하여, 전력, 열 및/또는 냉동을 저장 및/또는 제공하는 것이 가능하다. 여기서, 디바이스(1)는 펌프들(31, 32)에 입력으로서 공급되는 전기 에너지와 관련하여 특히 50%를 초과하는 높은 효율을 갖는다. 전기 에너지의 대부분은 제1 펌프(31)와 관련되고, 이 제1 펌프(31)는 압축 챔버(2) 내의 가스의 압축 에너지를 제공한다. 마찬가지로, 전기 에너지는 제2 펌프(32)의 동작을 위해 제공되지만, 제2 펌프(32)는 단지, 살포 시스템(42)과 관련된 압력 손실을 보상해야 한다. 다시 말해서, 제2 펌프(32)는 단지, 액체(100)의 순환 에너지를 제공해야 한다.
본 발명의 실질적인 장점은, 압축될 가스로부터 액체(100)로의 특히 효과적인 열 전달이, 살포 시스템(42) 및 액체(100)의 분배, 특히, 미세 분무에 의해 허용된다는 점이다. 여기서, 액체(100)는 본 발명에서 적어도 2 개의 기술적 기능들을 충족시킨다. 상기 액체는 첫째로 압축 챔버(2) 내의 가스의 압축을 위해, 그리고 둘째로 흡수 및 필요하다면 압축 동안 생성된 열의 저장을 위해 사용된다. 적어도 이들 2 개의 기술적 기능들이 본 발명에서 시너지적으로(synergistically) 결합되어서, 가스와 액체(100) 사이의 열 전달의 최대 효과로 가스의 압축을 허용한다.
액체(100)는 바람직하게는 물이고, 여기서, 물은 추가적인 구성성분들 및/또는 불순물들을 포함할 수 있다. 가스는 바람직하게는 공기이다.
도 2는 본 발명의 방법의 흐름 다이어그램이다. 여기서, 도 1에서 도시된 요소들이 참조된다.
가스의 압축을 위한 본 발명의 방법의 제1 단계(S1)에서, 가스는 상기 가스의 압축을 위한 압축 챔버(2) 안으로 도입된다.
이는 가스 공급부(101)의 제1 밸브(71)를 통해 달성될 수 있다.
본 발명의 방법의 제2 단계(S2)에서, 액체(100)는 중간 컨테이너(4)로부터 적어도 부분적으로 가스로 채워진 압축 챔버(2) 안으로 펌핑된다.
액체(100)의 펌핑식 도입은 바람직하게는, 제1 펌프(31)에 의하여 달성된다.
본 발명의 방법의 제3 단계(S3)에서, 액체(100)의 적어도 일부는 압축 챔버(2)로부터 살포 서킷(24)에 의하여 살포 시스템(42)으로 펌핑된다.
이는, 특히 바람직하게는 제2 펌프(32)에 의하여 달성될 수 있다.
본 발명의 방법의 제4 단계(S4)에서, 액체(100)는 살포 시스템(42)에 의하여 압축 챔버(2) 내에서 분배되는데, 특히, 미세 분무된다.
본 발명의 실시예에서, 제5 단계(S5)(도시되지 않음)에서, 임계 압력에 도달한 후에, 가스는 압축 챔버(2)로부터 방출되고 가압 가스 저장 수단(6)에 의하여 저장될 수 있다.
여기서, 가스의 방출은 제5 밸브(75)에 의하여 달성될 수 있다.
본 발명의 추가적인 발전에서, 제6 단계(S6)(도시되지 않음)에서, 가스의 방출 후에, 액체(100)는 제2 펌프(32)에 의하여 다시 중간 컨테이너(4) 안으로 펌핑된다.
여기서, 제3 밸브(73)는 이 제3 밸브(73)의 초기 설정(A-A)으로부터 설정(A-B)으로 전환된다. 따라서, 액체(100)는 압축 챔버(2)로부터 제2 펌프(32)에 의하여 다시 중간 컨테이너(4)로 펌핑된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제7 단계(S7)에서, 다시 중간 컨테이너(4) 안으로의 액체(100)의 펌핑 동안, 새로운 양의 가스가 가스 공급부(101)에 의하여 압축 챔버(2) 안으로 흡인되거나 또는 도입된다.
따라서, 제1 단계(S1)에서와 같은 초기 상황이 재현된다. 다시 말해서, 단계들(S1 내지 S6)이 반복될 수 있다. 따라서, 새로운 가스의 압축이 달성된다(추가적인 사이클). 그러므로, 단계들(S1 내지 S6)은 임계 값을 초과하는, 중간 컨테이너(4) 내의 액체(100)의 온도에 도달할 때까지 1 회 이상 반복될 수 있다. 임계 값은 바람직하게는 섭씨 90 도를 초과한다.
바람직한 작동 예들이 본 발명의 추가적인 예시 및 설명을 상세히 제공했지만, 개시된 예들은 본 발명을 제한하지 않으며, 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않고, 이 개시된 예들로부터 당업자에 의해 다른 변형들이 도출될 수 있다.
1 디바이스
2 압축 챔버
4 중간 컨테이너
6 가압 가스 저장 수단
8 축열 수단
10 저장소 용기
12 팽창 터빈
14 냉매 서킷
16 냉매 저장 수단
24 살포 서킷
31 제1 펌프
32 제2 펌프
33 제3 펌프
34 제4 펌프
42 살포 시스템
51 제1 열 교환기
52 제2 열 교환기
53 제3 열 교환기
71 제1 밸브
72 제2 밸브
73 제3 밸브
74 제4 밸브
75 제5 밸브
76 제6 밸브
77 제7 밸브
78 제8 밸브
79 제9 밸브
100 액체
101 가스 공급부
S1 제1 단계
S2 제2 단계
S3 제3 단계
S4 제4 단계
S5 제5 단계
S6 제6 단계
S7 제7 단계

Claims (15)

  1. 가스(gas)의 압축을 위한 방법으로서,
    상기 가스가 상기 가스의 압축을 위한 압축 챔버(chamber)(2) 안으로 도입되고, 액체(100)가 중간 컨테이너(container)(4)로부터 적어도 부분적으로 상기 가스로 채워진(filled) 상기 압축 챔버(2) 안으로 펌핑되고(pumped), 상기 액체(100)의 적어도 일부가 상기 압축 챔버(2)로부터 살포 서킷(sprinkling circuit)(24)에 의하여 살포 시스템(system)(42)으로 펌핑되며, 그리고 상기 압축 챔버(2) 내에서의 상기 액체(100)의 분배는 상기 살포 시스템(42)에 의하여 달성되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 중간 컨테이너(4)로부터 상기 압축 챔버(2) 안으로의 상기 액체(100)의 펌핑(pumping)은 제1 펌프(pump)(31)에 의하여 달성되고, 상기 압축 챔버(2)로부터 상기 살포 시스템(42)으로의 상기 액체(100)의 펌핑은 상기 살포 서킷(24)의 제2 펌프(32)에 의하여 달성되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 가스는, 임계 압력에 도달한 후에, 상기 압축 챔버(2)로부터 방출되고(discharged), 상기 방출된 가스는 가압 가스 저장 수단(6)에 의하여 저장되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 가스의 방출 후에, 상기 액체(100)는 상기 제2 펌프(32)에 의하여 다시 상기 중간 컨테이너(4) 안으로 펌핑되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 중간 컨테이너(4) 내의 상기 액체(100)에 의해 도달되는 온도가 임계 값을 초과할 때까지, 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 따른 단계들이 일 회 이상 반복되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 임계 값은 섭씨 90도를 초과하게 설정되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 액체(100)의 온도의 상기 임계 값에 도달한 후에, 상기 액체(100)는 상기 중간 컨테이너(4)로부터 축열 수단(8)으로 펌핑되고, 상기 축열 수단(8)은, 상기 가스의 압축의 결과로서 상기 액체(100)에 의해 흡수된 열에 의하여 적어도 부분적으로 충전되는(charged),
    가스의 압축을 위한 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 축열 수단(8)의 하류에서, 상기 액체(100)는 제3 펌프(33)에 의하여 저장소 용기(10)로 펌핑되고, 상기 액체(100)의 중간 저장이 상기 저장소 용기(10)에 의하여 달성되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 저장소 용기(10) 내의 상기 액체(100)의 적어도 일부는 상기 저장소 용기(10)로부터 상기 살포 서킷(24)을 통해 상기 살포 시스템(42)으로 상기 제2 펌프(32)에 의하여 펌핑되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  10. 제3 항 또는 제4항에 있어서,
    상기 압축 챔버(2)로부터의 상기 가스의 방출 후에 그리고 상기 가압 가스 저장 수단(6)에 의한 상기 가스의 저장 전에, 상기 가스는 제1 열 교환기(51)로 이동되고, 상기 방출된 가스의 열의 적어도 일부는 상기 제1 열 교환기(51)에 의하여 상기 살포 서킷(24) 내의 상기 액체(100)에 전달되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  11. 제3 항 또는 제4항에 있어서,
    상기 가압 가스 저장 수단(6)에 의하여 저장된 상기 가스는 상기 저장된 가스의 팽창을 위해 팽창 터빈(turbine)(12)으로 이동되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 팽창에 의하여 냉각된 상기 가스는 냉매의 냉각을 위해 냉매 서킷(14)의 제2 열 교환기(52)로 이동되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 냉매 서킷(14)의 냉매 저장 수단(16)은 상기 제2 열 교환기(52)에서 냉각된 상기 냉매로 충전되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 펌프(31) 및 상기 제2 펌프(32)는 압축 가스 형태의 전기 에너지(energy)의 저장에 사용되고, 상기 저장된 전기 에너지는 상기 팽창 터빈(12)에 커플링된(coupled) 발전기에 의하여 적어도 부분적으로 재생되는,
    가스의 압축을 위한 방법.
  15. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 따른 방법의 구현을 위한 디바이스(device)(1)로서,
    가스의 압축을 위한 압축 챔버(2), 액체(100)를 수용하도록 의도된 중간 컨테이너(4), 상기 중간 컨테이너(4)로부터 상기 압축 챔버(2) 안으로의 상기 액체의 펌핑을 위한 제1 펌프(31), 살포 시스템(42) 및 제2 펌프(32)를 갖는 살포 서킷(24)을 포함하고, 상기 액체(100)의 적어도 일부가 상기 압축 챔버(2)로부터 상기 제2 펌프(32)에 의하여 상기 살포 시스템(42)으로 펌핑될 수 있으며, 상기 살포 시스템(42)으로 펌핑된 상기 액체(100)는 상기 살포 시스템(42)에 의하여 상기 압축 챔버(2) 내에서 분배될 수 있는,
    디바이스(1).
KR1020217000834A 2018-07-24 2019-07-17 가스를 압축하기 위한 방법 및 디바이스 KR102516704B1 (ko)

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