KR102562651B1 - 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 엔진(11)에서 배출되는 배기가스가 공급되어 구동되고 상기 엔진(11)에 압축 공기를 공급하는 터빈(12) 및 제1 압축기(13)와, 이산화탄소가 순환하는 순환배관(21)과, 상기 순환배관(21)을 순환하는 이산화탄소를 상기 배기가스와 열교환을 통해 가열하는 제1 가열기(22)와 상기 제1 가열기(22)를 통과한 이산화탄소가 공급되어 구동되는 이산화탄소 터빈(23)과 상기 이산화탄소 터빈(23)을 통과한 이산화탄소를 냉각시키는 냉각기(24)와 상기 냉각기(24)를 통과한 이산화탄소를 압축하는 펌프 또는 제2 압축기(25)와, 상기 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소와 열교환을 통해 상기 엔진(11)을 냉각시키는 엔진냉각열교환기(26)와 상기 엔진냉각열교환기(26)를 통과한 이산화탄소와 열교환을 통해 상기 엔진(11)에 공급되는 압축 공기를 냉각하는 소기 열교환기(27)를 포함한다. 본 발명은 이산화탄소 발전 설비를 육상 또는 선박 등의 엔진에 연계하고, 이산화탄소 발전 설비에 급탕 또는 난방을 위한 히트펌프를 연계하여 에너지 효율을 높이므로 친환경적이면서 효율적인 발전이 가능한 이점이 있다.

Description

엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템{CARBON DIOXIDE POWER SYSTEM CONNECTED TO ENGINE}
본 발명은 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전 및 에너지 효율을 높이고 온실가스 감축이 가능한 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것이다.
우리나라는 온실가스 중 39%가 발전 분야에서 배출되고 있으며, 2030년까지 국가온실가스 감축 목표 달성에 기여하고, 선박의 경우 국제해사기구의 온실가스 규제를 충족시켜야 한다.
따라서 발전 및 에너지 효율 향상을 통한 온실가스 감축이 절실한 상황이다.
특허문헌 1: 공개특허공보 제2017-0050383호(2017.05.11 공개)
본 발명의 목적은 이산화탄소 발전 설비를 육상 또는 선박 등의 엔진에 연계하고, 이산화탄소 발전 설비에 급탕 또는 난방을 위한 히트펌프를 연계하여 에너지 효율을 높이고 친환경적이면서 효율적인 발전이 가능하도록 한 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 엔진과 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 공급되어 구동되고 상기 엔진에 압축 공기를 공급하는 터빈 및 제1 압축기와 이산화탄소가 순환하는 순환배관과 상기 순환배관을 순환하는 이산화탄소를 상기 배기가스와 열교환을 통해 가열하는 제1 가열기와 상기 제1 가열기를 통과한 이산화탄소가 공급되어 구동되는 이산화탄소 터빈과 상기 이산화탄소 터빈을 통과한 이산화탄소를 냉각시키는 냉각기와 상기 냉각기를 통과한 이산화탄소를 압축하는 펌프 또는 제2 압축기와 상기 제2 압축기를 통과한 이산화탄소와 열교환을 통해 상기 엔진을 냉각시키는 엔진냉각열교환기와 상기 엔진냉각열교환기를 통과한 이산화탄소와 열교환을 통해 상기 엔진에 공급되는 압축 공기를 냉각하는 소기 열교환기를 포함한다.
상기 소기 열교환기를 통과하여 상기 제1 가열기로 공급하는 이산화탄소와 상기 이산화탄소 터빈을 통과하여 상기 냉각기로 공급하는 이산화탄소의 열교환을 수행하는 재열기를 더 포함한다.
상기 펌프 또는 제2 압축기를 통과한 이산화탄소를 공급받아 급탕 또는 난방을 위한 유체와 열교환시키는 히트펌프를 더 포함한다.
상기 펌프 또는 제2 압축기를 통과한 이산화탄소를 상기 엔진냉각열교환기와 상기 히트펌프로 분기하여 공급하기 위한 3방향 밸브를 포함할 수 있다.
상기 히트펌프를 통과한 이산화탄소는 상기 냉각기로 공급할 수 있다.
상기 히트펌프와 상기 냉각기를 연결하는 순환배관에 상기 히트펌프를 통과한 이산화탄소의 압력을 낮추어 상기 냉각기로 공급하기 위한 팽창밸브를 포함할 수 있다.
상기 펌프 또는 제2 압축기를 통과한 이산화탄소를 상기 히트펌프로 공급하기 전, 상기 이산화탄소를 가열하기 위한 제2 가열기와 상기 제2 가열기를 통과한 이산화탄소를 압축시키기 위한 펌프 또는 제3 압축기를 더 포함할 수 있다.
상기 엔진에서 배출되는 배기가스 중의 이산화탄소를 포집하여 상기 순환배관에 공급하는 이산화탄소 포집기를 더 포함할 수 있다.
상기 소기 열교환기를 통과하여 상기 제1 가열기로 공급하는 이산화탄소와 상기 이산화탄소 터빈을 통과하여 상기 냉각기로 공급하는 이산화탄소의 열교환을 수행하는 재열기를 더 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 포집기에서 포집된 이산화탄소를 상기 재열기를 통과한 이산화탄소 혼합하기 위해 상기 재열기와 상기 냉각기 사이의 순환배관에 설치되는 이젝터를 포함할 수 있다.
상기 제2 압축기를 통과한 이산화탄소를 공급받아 급탕 또는 난방을 위한 유체와 열교환시키는 히트펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 압축기를 통과한 이산화탄소를 상기 엔진냉각열교환기와 상기 히트펌프로 분기하여 공급하고, 일부는 배출 가능도록 하는 4방향 밸브를 포함할 수 있다.
상기 히트펌프를 통과한 이산화탄소는 상기 이젝터를 통해 상기 냉각기로 공급할 수 있다.
상기 히트펌프와 상기 이젝터를 연결하는 순환배관에 상기 히트펌프를 통과한 이산화탄소의 압력을 낮추어 상기 냉각기로 공급하기 위한 팽창밸브를 포함할 수 있다.
본 발명은 이산화탄소 발전 사이클의 작동 유체인 이산화탄소가 엔진의 배기가스와 열교환을 통해 가열되므로 이산화탄소를 가열하기 위한 에너지 투입량을 줄여 발전 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 냉각기를 1개만 활용하여 이산화탄소를 냉각하고 냉각된 이산화탄소가 엔진의 냉각에 활용되도록 이산화탄소 발전 사이클을 구성하며, 히트펌프와 연계하여 이산화탄소를 히트펌프의 작동유체로 활용하므로 냉각기에 차지하는 공간적, 경제적 비용을 줄일 수 있고 설비를 컴팩터하게 구성할 수 있는 효과가 있다.
따라서 본 발명은 설비가 단순해지고 설비 원가가 절감되며 운전이 용이한 효과를 가지며, 더욱이 단순한 설비로 인해 유지보수에 필요한 비용을 줄일 수 있는 효과가 있으며, 발전 효율 향상을 통한 온실가스 저감 효과도 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 구성도.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 의한 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 구성도.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 의한 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 구성도.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템(이하, '이산화탄소 발전 시스템'이라 함)은 이산화탄소를 작동유체로 동작하며 열을 원료로 전력을 생산하고, 엔진과 연계하여 열은 엔진의 배기가스로부터 공급받는다.
또한, 이산화탄소 발전 시스템은 히트펌프와 연계하여 이산화탄소를 히트펌프의 작동유체로 활용한다.
또한, 이산화탄소 발전 시스템은 이산화탄소가 엔진의 냉각에 활용되도록 이산화탄소 발전 사이클을 구성한다.
엔진(11)은 육상 또는 선박의 엔진일 수 있다.
본 발명은 제1 내지 제4 실시예로 구분하여 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 이산화탄소 발전 시스템(10)은 엔진(11), 터빈(12), 제1 압축기(13), 순환배관(21), 제1 가열기(22), 이산화탄소 터빈(23), 냉각기(24), 펌프 또는 제2 압축기(25), 엔진냉각열교환기(26), 소기 열교환기(27) 및 재열기(28)를 포함한다.
엔진(11)에서 배출되는 배기가스가 터빈(12)을 구동시킨다. 터빈(12)의 구동에 의해 제1 압축기(13)가 동작하여 공기를 유입하고 압축시키며, 압축된 공기를 엔진(11)에 공급한다. 압축된 공기는 엔진(11)에 공급되어 연료와 혼합되고 연소되어 동력을 발생한다. 즉, 터빈(12) 및 제1 압축기(13)는 엔진(11)에서 배출되는 배기가스에 의해 구동하고 엔진(11)에 공기를 공급한다. 엔진(11)의 배기가스는 과급기(미도시)를 거치면서 터빈(12)으로 이동하여 제1 압축기(13)를 구동시킨다. 엔진(11)의 배기가스 중에 과급기 전단에서 일부 배기가스를 파워 터빈으로 보내어서 발전 용량을 증대시킬 경우, 파워 터빈 배기의 열을 활용하여 이산화탄소를 가열할 수 있다.
터빈(12)을 거친 배기가스는 제1 가열기(22)를 거친 후 배기될 수 있다.
순환배관(21)은 이산화탄소 발전 사이클을 형성하기 위해 이산화탄소가 순환하는 폐회로를 구성하는 배관이다.
제1 가열기(22)는 순환배관(21)을 순환하는 이산화탄소를 배기가스와 열교환을 통해 가열한다. 제1 가열기(22)에서 배기가스의 열에 의해 가열된 이산화탄소는 이산화탄소 터빈(23)에 공급된다.
이산화탄소 터빈(23)은 제1 가열기(22)를 통과한 이산화탄소가 공급되어 구동된다. 제1 가열기(22)를 통과한 이산화탄소는 고온고압의 이산화탄소로, 터빈 날개를 고속으로 회전시켜 전력을 생산한다.
이산화탄소의 임계점은 31℃, 7.37MPa인데, 유체는 임계점보다 높은 온도와 압력에서는 초임계 상태로 변화한다. 초임계 상태는 액체도 기체도 아닌 상태로 액체처럼 밀도가 높지만 기체처럼 팽창하여 공간을 차지하며 임계점 근처에서 작은 온도 변화는 큰 밀도 변화를 유발하므로 발전 효율이 높다. 이산화탄소 발전 사이클은 압축, 가열, 팽창, 냉각 과정을 거치면서 초임계 상태를 유지한다. 이산화탄소는 제1 가열기(22)를 통과하면서 가열되고 이산화탄소 터빈(23)에서 팽창 과정을 거치게 된다.
냉각 과정은 냉각기(24)에서 수행된다. 냉각기(24)는 이산화탄소 터빈을 통과한 이산화탄소를 냉각시킨다. 냉각기(24)는 공기 또는 물을 이용하여 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다.
펌프 또는 제2 압축기(25)는 냉각기(24)를 통과한 이산화탄소를 압축한다.
엔진냉각열교환기(26)는 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소와 열교환을 통해 엔진을 냉각시킨다. 냉각기(24)를 통과한 이산화탄소는 저온저압의 이산화탄소이고, 저온저압의 이산화탄소가 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과하면서 저온고압의 이산화탄소가 된다.
엔진 성능을 개선하기 위해 엔진의 열을 식히는 역할을 엔진냉각열교환기(26)가 수행하며, 엔진냉각열교환기(26)는 냉매를 사용하여 엔진을 냉각시킬 수 있다. 엔진냉각열교환기(26)의 냉매는 엔진(11)과 열교환을 하면서 온도가 상승하므로, 온도가 상승한 냉매의 냉각을 위해 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 저온고압의 이산화탄소가 엔진냉각열교환기(26)를 통과하면서 냉매와 열교환 되도록 한다. 즉, 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 저온의 이산화탄소를 엔진냉각열교환기(26)의 냉매를 냉각시키는데 사용할 수 있다.
엔진냉각열교환기(26)에서 냉매와 열교환한 이산화탄소는 소기 열교환기(27)에서 엔진(11)에 공급되는 압축 공기와 열교환한다.
엔진냉각열교환기(26)는 냉매가 엔진을 순환하고, 엔진을 순환하여 온도가 상승한 냉매를 엔진냉각열교환기(26)를 통과하는 이산화탄소가 냉각하도록 구성할 수도 있고, 이산화탄소가 엔진냉각열교환기(26)를 통과하는 과정에서 엔진(11)을 직접 냉각하도록 구성할 수 있다. 엔진냉각열교환기(26)를 통과하는 과정에서 이산화탄소는 엔진(11)을 냉각함과 동시에 자신은 예열된다.
소기 열교환기(27)는 엔진냉각열교환기(26)를 통과한 이산화탄소와 열교환을 통해 엔진(11)에 공급되는 압축 공기를 냉각시킨다. 압축 공기는 압축으로 인해 고온으로 상승된 상태이므로, 이산화탄소로 냉각시켜 공기밀도를 더 높임으로써 엔진(11)의 효율을 더 높이도록 한다.
재열기(28)는 소기 열교환기(27)를 통과하여 제1 가열기(22)로 공급되는 이산화탄소와 이산화탄소 터빈(23)을 통과하여 냉각기(24)로 공급되는 이산화탄소의 열교환을 수행한다.
펌프 또는 제2 압축기(25)를 통해 고압으로 압축된 저온의 이산화탄소는 엔진냉각열교환기(26)를 통해 엔진(11)을 냉각시키는데 활용하고, 엔진(11)을 냉각시킨 이산화탄소는 소기 열교환기(27)와 재열기(28)를 거치면서 예열되어 제1 가열기(22)로 유입된다.
그리고, 이산화탄소 터빈(23)을 통과한 이산화탄소는 재열기(28)에서 소기 열교환기(27)를 통과한 고압의 이산화탄소 예열에 활용된 후, 냉각기(24)를 거쳐서 펌프 또는 제2 압축기(25)로 공급된다.
또한, 이산화탄소 발전 시스템(10)은 히트펌프(31)와 3방향 밸브(32)를 더 포함한다.
히트펌프(31)는 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소를 공급받아 급탕 또는 난방을 위한 유체와 열교환시킨다. 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소는 저온이지만 약 50~60℃ 정도이므로 급탕 또는 난방을 위한 유체와 열교환 가능하다. 바람직하게는 난방을 위한 유체와 열교환 가능하다.
3방향 밸브(32)는 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소를 엔진냉각열교환기(26)와 히트펌프(31)로 분기하여 공급하기 위한 것이다. 3방향 밸브(32)는 이산화탄소의 유로 전환과 동시에 유량을 조절하는 기능을 수행할 수 있다.
히트펌프(31)에서 유체와 열교환이 수행된 이산화탄소는 냉각기(24)로 공급된다.
히트펌프(31)와 냉각기(24)를 연결하는 순환배관(21)에는 히트펌프(31)를 통과한 이산화탄소의 압력을 낮추어 냉각기(24)로 공급하기 위한 팽창밸브(33)가 설치된다. 팽창밸브(33)는 히트펌프(31)를 통과한 고압의 이산화탄소를 냉각기(24)로 공급하기 전 저압으로 감압하는 역할과 유량을 조절하는 역할을 한다.
한편, 도시하지 않아지만 순환배관(21)은 순환배관(21)을 순환하는 이산화탄소의 누설이 발생하면 외부 이산화탄소 탱크 또는 이산화탄소 포집설비로부터 이산화탄소를 보충 받을 수 있다.
제1 실시예의 동작을 설명하기로 한다.
엔진(11)에서 배출되는 배기가스는 과급기를 거치면서 터빈(12)으로 이동하여 제1 압축기(13)를 구동시킨다. 제1 압축기(13)는 외부 공기를 유입하여 공기를 압축시키며, 제1 압축기(13)에서 압축되어 고온으로 상승된 공기는 소기 열교환기(27)를 통과하면서 냉각되어 엔진(11)으로 공급된다. 엔진(11)은 엔진냉각열교환기(26)를 통해 냉각된다.
그리고 터빈(12)을 거친 과급기 후단의 배기가스는 제1 가열기(22)를 거치면서 이산화탄소 발전 사이클의 이산화탄소를 가열하고 배기된다.
이산화탄소 발전 사이클은 이산화탄소가 순환배관(21)을 순환하면서 압축, 가열, 팽창, 냉각 과정을 반복하게 된다.
압축은 펌프 및 제2 압축기(25)에서 수행된다. 가열은 펌프 및 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소가 엔진냉각열교환기(26)와 소기 열교환기(27)와 재열기(28)와 제1 가열기(22)를 거치면서 수행된다. 팽창은 이산화탄소 터빈(23)에서 수행되고, 냉각은 냉각기(24)에서 수행된다.
펌프 및 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소는 저온고압의 이산화탄소가 되고, 엔진냉각열교환기(26)를 통과하면서 엔진(11)을 냉각하고 자신은 1차 예열되며, 소기 열교환기(27)와 재열기(28)를 거치면서 2차 예열되어 제1 가열기(22)로 유입된다. 제1 가열기(22)로 유입된 이산화탄소는 배기가스와 열교환을 통해 약 300℃ 정도의 고온으로 가열된다. 제1 가열기(22)를 통과한 이산화탄소는 고온고압의 이산화탄소가 되며, 이산화탄소 터빈(23)에서 팽창하며 전력을 생산한다. 이산화탄소 터빈(23)을 통과한 이산화탄소는 고온저압의 이산화탄소로 재열기(28)를 거치면서 1차 냉각된 후 냉각기(24)에서 냉각된다.
냉각기(24)에서 냉각된 이산화탄소는 저온저압의 이산화탄소가 되며 다시 펌프 및 제2 압축기(25)에서 압축되어 저온고압의 이산화탄소가 된다. 도시하지는 않았지만 펌프 및 제2 압축기(25)의 입구에 예열이 필요할 경우 히터를 이용하여 압축기 입구 온도를 임계온도 이상으로 유지할 수 있다.
3방향 밸브(32)의 조절에 의해 히트펌프(31)로 공급된 저온고압의 이산화탄소는 급탕 및 난방을 위한 유체와 열교환하고 팽창밸브(33)를 통과하면서 팽창되어 냉각기(24)로 공급된다.
상술한 제1 실시예는 엔진(11)에서 배출되는 배기가스가 터빈(12) 및 제1 압축기(13)를 구동하여 엔진(11)에 압축 공기를 공급함과 더불어 이산화탄소 발전 사이클의 이산화탄소를 가열하는 가열원으로 활용된다.
또한, 이산화탄소 발전 사이클의 이산화탄소는 엔진(11)을 냉각하고 엔진(11)에 공급되는 압축 공기를 냉각하는 역할을 수행함과 더불어 히트펌프(31)와 연계하여 급탕 및 난방을 위한 유체를 가열하는 가열원으로 활용된다.
또한, 이산화탄소 발전 사이클은 재열기(28)에서 소기 열교환기(27)를 통과하여 제1 가열기(22)로 공급하는 이산화탄소와 이산화탄소 터빈(23)을 통과하여 냉각기(24)로 공급하는 이산화탄소의 열교환을 수행하여, 소기 열교환기(27)를 통과한 이산화탄소가 제1 가열기(22)로 공급되기 전 예열하여 가열 효율을 높이고 이산화탄소 터빈을 통과한 이산화탄소가 냉각기(24)로 공급되기 전 1차 냉각하여 냉각기(24)의 부하를 감소시킬 수 있다.
제1 실시예의 이산화탄소 발전 시스템은 냉각기 1개를 이용하고, 엔진의 배기가스와 이산화탄소 발전 사이클의 열을 이용하는 일체형 발전 시스템으로 구성되므로 에너지 투입량이 최소화되고 이를 통해 발전 효율을 높이면서 발전 단가를 낮출 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제2 실시예의 이산화탄소 발전 시스템(10a)은 엔진(11), 터빈(12), 제1 압축기(13), 순환배관(21), 제1 가열기(22), 이산화탄소 터빈(23), 냉각기(24), 펌프 또는 제2 압축기(25), 엔진냉각열교환기(26), 소기 열교환기(27) 및 재열기(28)를 포함한다.
또한, 제2 실시예의 이산화탄소 발전 시스템(10)은 히트펌프(31)와 3방향 밸브(32), 팽창밸브(33), 제2 가열기(34), 펌프 또는 제3 압축기(35)를 더 포함한다.
제2 실시예는 제1 실시예와 비교시 다른 구성은 모두 동일하고 제2 가열기(34), 펌프 또는 제3 압축기(35)가 더 포함되는 것에 차이가 있다.
펌프 및 제2 압축기(25)에서 압축된 저온고압의 이산화탄소는 3방향 밸브(32)의 조절에 의해 엔진냉각열교환기(26) 또는 히트펌프(31)로 공급될 수 있다.
3방향 밸브(32)의 조절에 의해 히트펌프(31)로 공급되는 저온고압의 이산화탄소는 급탕 및 난방을 위한 유체와 열교환하고 팽창밸브(33)를 통과하면서 팽창되어 냉각기(24)로 공급된다.
제2 가열기(34)는 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소를 히트펌프(31)로 공급하기 전, 이산화탄소를 가열하기 위한 것이다. 펌프 또는 제3 압축기(35)는 제2 가열기(34)를 통과한 이산화탄소를 압축시킨다. 이산화탄소의 압축은 이산화탄소가 초임계 상태를 유지하도록 하기 위한 것이다.
펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소는 약 50~60℃ 정도이므로 히트펌프(31)에서 난방을 위한 유체와 열교환이 가능하다. 하지만 급탕은 난방에 비해 보다 높은 온도를 요구하므로 히트펌프(31)에서 급탕을 위한 유체와 열교환이 용이하도록 제2 가열기(34)로 가열한다.
제2 가열기(34)는 히터일 수 있다. 제2 가열기(34)는 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소를 약80~100℃ 정도로 가열할 수 있다. 제2 가열기(34)에서 가열된 이산화탄소는 초임계 상태 유지를 위해 펌프 또는 제3 압축기(35)를 통해 압축된 후 히트펌프(31)로 보내질 수 있다.
제1 실시예와 제2 실시예는 이산화탄소를 포집하는 구성이 없고, 순환배관(21)을 순환하는 이산화탄소의 누설이 있는 경우에만 순환배관(21)에 이산화탄소를 보충할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제3 실시예의 이산화탄소 발전 시스템(10b)은 엔진(11), 터빈(12), 제1 압축기(13), 순환배관(21), 제1 가열기(22), 이산화탄소 터빈(23), 냉각기(24), 펌프 또는 제2 압축기(25), 엔진냉각열교환기(26), 소기 열교환기(27), 재열기(28) 및 이산화탄소 포집기(41)를 포함한다.
터빈(12)은 엔진(11)에서 배출되는 배기가스에 의해 구동되고, 터빈(12)의 구동에 의해 제1 압축기(13)가 동작하여 공기를 압축하며, 제1 압축기(13)에서 압축된 공기가 엔진(11)에 공급된다.
터빈(12)을 거친 배기가스는 제1 가열기(22)를 거치면서 제1 가열기(22)를 통과하는 이산화탄소를 가열하는 열원으로 사용된다. 엔진(11)의 배기가스 중에 과급기 전단에서 일부 배기가스를 파워 터빈으로 보내어서 발전 용량을 증대시킬 경우, 파워 터빈 배기의 열을 활용하여 이산화탄소를 가열할 수 있다.
순환배관(21)은 이산화탄소 발전 사이클을 형성하기 위해 이산화탄소가 순환하는 배관이다. 제1 가열기(22)는 순환배관(21)을 순환하는 이산화탄소를 배기가스와 열교환을 통해 가열한다. 이산화탄소 터빈(23)은 제1 가열기(22)를 통과한 이산화탄소가 공급되어 구동된다. 이산화탄소 터빈(23)은 제1 가열기(22)에서 가열된 고온고압의 이산화탄소를 팽창시켜 전력을 생산한다.
냉각기(24)는 이산화탄소 터빈(23)을 통과한 이산화탄소를 냉각시킨다. 펌프 또는 제2 압축기(25)는 냉각기(24)를 통과한 이산화탄소를 압축한다.
엔진냉각열교환기(26)는 펌프 및 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소와 열교환을 통해 엔진을 냉각시켜 엔진 효율을 높인다. 소기 열교환기(27)는 엔진냉각열교환기(26)를 통과한 이산화탄소와 열교환을 통해 엔진(11)에 공급되는 압축 공기를 냉각하여 엔진 효율을 높인다. 재열기(28)는 소기 열교환기(27)를 통과하여 제1 가열기(22)로 공급되는 이산화탄소와 이산화탄소 터빈(23)을 통과하여 냉각기(24)로 공급되는 이산화탄소의 열교환을 수행한다.
이산화탄소 포집기(41)는 엔진(11)에서 배출되는 배기가스 중의 이산화탄소를 포집하여 순환배관(21)에 공급한다. 이산화탄소 포집기(41)는 배기가스 중의 이산화탄소는 포집하고 나머지는 배기시킨다.
제3 실시예는 제1 실시예와 비교시 이산화탄소를 포집하는 구성이 있는 것에 차이가 있으므로, 차이가 있는 구성을 중심으로 자세히 설명하기로 한다.
이산화탄소 포집기(41)에서 포집한 이산화탄소를 이산화탄소 발전 사이클의 작동 유체로 공급한다.
이산화탄소 포집기(41)에서 포집한 이산화탄소는 재열기(28)를 통과하여 냉각기(24)로 보내기 전 이산화탄소와 혼합한다. 이를 위해, 재열기(28)와 냉각기(24) 사이의 순환배관(21)에 이젝터(42)를 설치한다. 포집된 이산화탄소는 재열기(28)를 거친 이산화탄소보다 압력이 낮으므로 이젝터(42)를 사용하여 효율적으로 순환배관 내를 순환하는 이산화탄소와 혼합할 수 있다.
이젝터(42)는 재열기(28)를 지난 고압의 이산화탄소를 제1 유체로 활용하여 포집된 이산화탄소와 혼합한 후 냉각기(24)로 공급한다.
이산화탄소 포집기(41)에서 포집한 이산화탄소를 순환배관(21)에 공급시 공급 유량을 제어하기 위한 체크밸브(43)를 포함한다. 체크밸브(43)는 순환배관(21)을 순환하는 이산화탄소의 유량을 체크하여 누설이 발생하였다고 확인되는 경우 작동되어 부족한 이산화탄소를 보충할 수 있다.
또한, 제3 실시예의 이산화탄소 발전 시스템은 히트펌프(31)와 4방향 밸브(32a)를 더 포함한다.
히트펌프(31)는 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소를 공급받아 급탕 또는 난방을 위한 유체와 열교환시킨다. 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소는 저온이지만 약 50~60℃ 정도이므로 급탕 또는 난방을 위한 유체와 열교환 가능하다. 바람직하게는 난방을 위한 유체와 열교환 가능하다.
4방향 밸브(32a)는 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소를 엔진냉각열교환기(26)와 히트펌프(31)로 분기하여 공급하고, 일부는 배출하기 위한 것이다. 4방향 밸브(32a)는 이산화탄소의 유로 전환과 동시에 유량을 조절하고 이산화탄소를 배출하는 기능을 수행할 수 있다. 펌프 또는 제2 압축기(25)의 후단에서 4방향 밸브(32a)를 이용하여 이산화탄소를 격리 또는 활용할 수 있다.
히트펌프(31)에서 유체와 열교환이 수행된 이산화탄소는 이젝터(42)를 통해 냉각기(24)로 공급된다.
히트펌프(31)와 이젝터(42)를 연결하는 순환배관(21)에는 히트펌프(31)를 통과한 이산화탄소를 팽창시켜 냉각기(24)로 공급하기 위한 팽창밸브(33)가 설치된다. 팽창밸브(33)는 히트펌프(31)를 통과한 고압의 이산화탄소를 냉각기(24)로 공급하기 전 팽창시키는 역할과 유량을 조절하는 역할을 한다.
한편, 이산화탄소 포집기(41)의 이산화탄소는 히트펌프(31)로 보내져 급탕 또는 난방을 위한 유체와 열교환한 후 순환배관(21)에 공급될 수 있다. 이산화탄소 포집기(41)의 이산화탄소는 고온이므로 급탕 또는 난방을 위한 유체와 열교환하기 용이하다. 그러나, 이산화탄소 포집기(41)의 이산화탄소를 히트펌프(31)로 공급하여 급탕 또는 난방을 위한 유체와 열교환에 사용하는 경우 4방향 밸브(32a)가 이산화탄소를 배기하도록 동작할 수 있다.
제3 실시예의 동작을 설명하기로 한다.
엔진(11)에서 배출되는 배기가스는 과급기를 거치면서 터빈(12)으로 이동하여 제1 압축기(13)를 구동시킨다. 제1 압축기(13)는 외부 공기를 유입하여 공기를 압축시키며, 제1 압축기(13)에서 압축되어 고온으로 상승된 공기는 소기 열교환기(27)를 통과하면서 냉각되어 엔진(11)으로 공급된다. 엔진(11)은 엔진냉각열교환기(26)를 통해 냉각된다.
그리고 터빈(12)을 거친 과급기 후단의 배기가스는 제1 가열기(22)를 거치면서 이산화탄소 발전 사이클의 이산화탄소를 가열한다. 제1 가열기(22)를 거친 배기가스는 이산화탄소 포집기(41)를 거치면서 이산화탄소가 포집되고 나머지는 배기된다.
이산화탄소 발전 사이클은 이산화탄소가 순환배관(21)을 순환하면서 압축, 가열, 팽창, 냉각 과정을 반복하게 된다.
저온고압의 이산화탄소가 엔진냉각열교환기(26), 소기 열교환기(27), 재열기(28), 제1 가열기(22)를 거치면서 고온고압의 이산화탄소가 되어 이산화탄소 터빈(23)으로 유입되고, 이산화탄소 터빈(23)에서 팽창하여 전력을 생산한다. 이산화탄소 터빈(23)을 지난 이산화탄소는 재열기(28), 냉각기(24)를 거치면서 저온저압의 이산화탄소가 되고, 펌프 또는 제2 압축기(25)를 거치면서 저온고압의 이산화탄소가 된다. 펌프 또는 제2 압축기(25)를 지난 저온고압의 이산화탄소는 엔진냉각열교환기(26)를 거치면서 엔진(11)을 냉각시키고 소기 열교환기(27)를 거치면서 엔진(11)으로 유입되는 압축 공기를 냉각시키며, 재열기(28)를 거치면서 이산화탄소 터빈(23)을 지난 이산화탄소를 냉각시키는 역할을 수행한다.
4방향 밸브(32a)의 조절에 의해 히트펌프(31)로 공급되는 저온고압의 이산화탄소는 히트펌프(31)에서 급탕 및 난방을 위한 유체와 열교환하고 팽창밸브(33)를 통과하면서 팽창되고 이젝터(42)를 통해 냉각기(24)로 공급된다.
체크밸브(43)의 조절에 의해 이산화탄소 포집기(41)에서 포집된 이산화탄소가 히트펌프(31)로 공급되어 급탕 및 난방을 위한 유체와 열교환하고 팽창밸브(33)를 통과하면서 팽창되며 이젝터(42)를 통해 순환배관(21)으로 공급될 수 있다. 체크밸브(43)의 조절에 의해 이산화탄소가 순환배관(21)에 공급될 때에는 4방향 밸브(32a)를 조절하여 이산화탄소를 배기함으로써 순환배관(21)을 순환하는 이산화탄소의 유량이 일정하게 유지되도록 한다.
상술한 제3 실시예는 엔진(11)에서 배출되는 배기가스가 터빈(12) 및 제1 압축기(13)를 구동하여 엔진(11)에 압축 공기를 공급함과 더불어 이산화탄소 발전 사이클의 이산화탄소를 가열하는 가열원으로 활용된다.
또한, 이산화탄소 발전 사이클의 이산화탄소는 엔진(11)을 냉각하고 엔진(11)에 공급되는 압축 공기를 냉각하는 역할을 수행함과 더불어 히트펌프(31)와 연계하여 급탕 및 난방을 위한 유체를 가열하는 가열원으로 활용된다.
또한, 이산화탄소 발전 사이클은 소기 열교환기(27)를 통과하여 제1 가열기(22)로 공급하는 이산화탄소와 이산화탄소 터빈(23)을 통과하여 냉각기(24)로 공급하는 이산화탄소의 열교환을 수행하여, 제1 가열기(22)로 공급되기 전 이산화탄소를 예열하여 가열 효율을 높이고 냉각기(24)로 공급되기 전 이산화탄소를 냉각하여 냉각기(24)의 부하를 감소시킬 수 있다.
또한, 이산화탄소 발전 사이클은 엔진(11)의 배기가스에서 이산화탄소를 포집하고 이젝터(42)를 사용하여 이산화탄소 발전 사이클에 작동 유체로 공급하므로 저압의 이산화탄소를 이산화탄소 발전 사이클에 효율적으로 공급할 수 있다.
제3 실시예의 이산화탄소 발전 시스템(10b)은 냉각기 1개를 이용하고, 엔진(11)의 배기가스와 이산화탄소 발전 사이클의 열을 이용하고 엔진(11)의 배기가스에서 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 발전 사이클에 작동 유체로 공급하는 일체형 발전 시스템으로 구성되므로 에너지 투입량이 최소화되고 이를 통해 발전 효율을 높이면서 발전 단가를 낮출 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제4 실시예의 이산화탄소 발전 시스템(10c)은 엔진(11), 터빈(12), 제1 압축기(13), 순환배관(21), 제1 가열기(22), 이산화탄소 터빈(23), 냉각기(24), 펌프 또는 제2 압축기(25), 엔진냉각열교환기(26), 소기 열교환기(27), 재열기(28) 및 이산화탄소 포집기(41)를 포함한다.
또한, 제4 실시예의 이산화탄소 발전 시스템(10c)은 히트펌프(31)와 4방향 밸브(32a), 팽창밸브(33), 제2 가열기(34), 펌프 또는 제3 압축기(35)를 더 포함한다.
제4 실시예는 제3 실시예와 비교시 다른 구성은 모두 동일하고 제2 가열기(34), 펌프 또는 제3 압축기(35)가 더 포함되는 것에 차이가 있다.
펌프 및 제2 압축기(25)에서 압축된 저온고압의 이산화탄소는 4방향 밸브(32)의 조절에 의해 엔진냉각열교환기(26) 또는 히트펌프(31)로 공급될 수 있다.
4방향 밸브(32)의 조절에 의해 히트펌프(31)로 공급되는 저온고압의 이산화탄소는 급탕 및 난방을 위한 유체와 열교환하고 팽창밸브(33)를 통과하면서 팽창되며, 이젝터(42)에서 재열기(28)를 지난 이산화탄소와 혼합된 후 냉각기(24)로 공급된다.
제2 가열기(34)는 펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소를 히트펌프(31)로 공급하기 전, 이산화탄소를 가열하기 위한 것이다. 펌프 또는 제3 압축기(35)는 제2 가열기(34)를 통과한 이산화탄소를 압축시킨다. 이산화탄소의 압축은 이산화탄소가 초임계 상태를 유지하도록 하기 위한 것이다.
펌프 또는 제2 압축기(25)를 통과한 이산화탄소는 약 50~60℃ 정도이므로 히트펌프(31)에서 난방을 위한 유체와 열교환이 가능하다. 하지만 급탕은 난방에 비해 보다 높은 온도를 요구하므로 히트펌프(31)에서 급탕을 위한 유체와 열교환이 용이하도록 제2 가열기(34)로 가열한다. 제2 가열기(34)는 히터일 수 있다. 제2 가열기(34)에서 가열된 이산화탄소는 초임계 상태 유지를 위해 펌프 또는 제3 압축기(35)를 통해 압축된 후 히트펌프(31)로 보내질 수 있다.
제3 실시예와 제4 실시예는 이산화탄소를 포집하는 구성이 있고, 순환배관(21)을 순환하는 이산화탄소의 누설이 있는 경우에는 순환배관(21)에 이산화탄소를 보충할 수 있다. 이산화탄소의 보충은 재열기(28)와 냉각기(24)를 연결하는 순환배관에 설치된 이젝터(42)를 이용하여 수행할 수 있다.
상술한 이산화탄소 발전 시스템은 엔진과 연계된 것으로 육상 또는 선박의 엔진에 상술한 이산화탄소 발전 시스템을 장착하여 구현할 수 있으며, 1개의 냉각기를 사용하여 이산화탄소 발전 사이클의 냉각과 엔진의 냉각에 이용하므로 발전 효율이 향상되고 설비가 단순해져 원가 절감이 가능하고 온실 가스 저감도 가능하다.
또한, 이산화탄소는 오존층 파괴지수(ODP)와 지구온난화지수(GWP)가 낮으며, 가연성과 독성이 없는 친환경 유체이므로 친환경적이다.
상술한 본 발명은 제1 내지 제4 실시예를 혼용하여 적용 가능하다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10,10a,10b,10c: 이산화탄소 발전 시스템
11: 엔진 12: 터빈
13: 제1 압축기 21: 순환배관
22: 제1 가열기 23: 이산화탄소 터빈
24: 냉각기 25: 제2 압축기
26: 엔진냉각열교환기 27: 소기 열교환기
28: 재열기 31: 히트펌프
32: 3방향 밸브 33: 팽창밸브
34: 제2 가열기 35: 제3 압축기
32a: 4방향 밸브 41: 이산화탄소 포집기
42: 이젝터 43: 체크밸브

Claims (15)

  1. 엔진;
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 공급되어 구동되고 상기 엔진에 압축 공기를 공급하는 터빈 및 제1 압축기;
    이산화탄소가 순환하는 순환배관;
    상기 순환배관을 순환하는 이산화탄소를 상기 배기가스와 열교환을 통해 가열하는 제1 가열기;
    상기 제1 가열기를 통과한 이산화탄소가 공급되어 구동되는 이산화탄소 터빈;
    상기 이산화탄소 터빈을 통과한 이산화탄소를 냉각시키는 냉각기;
    상기 냉각기를 통과한 이산화탄소를 압축하는 펌프 또는 제2 압축기;
    상기 제2 압축기를 통과한 이산화탄소와 열교환을 통해 상기 엔진을 냉각시키는 엔진냉각열교환기;
    상기 엔진냉각열교환기를 통과한 이산화탄소와 열교환을 통해 상기 엔진에 공급되는 압축 공기를 냉각하는 소기 열교환기;
    상기 소기 열교환기를 통과하여 상기 제1 가열기로 공급하는 이산화탄소와 상기 이산화탄소 터빈을 통과하여 상기 냉각기로 공급하는 이산화탄소의 열교환을 수행하는 재열기;
    상기 펌프 또는 제2 압축기를 통과한 이산화탄소를 공급받아 급탕 또는 난방을 위한 유체와 열교환시키는 히트펌프; 및
    상기 펌프 또는 제2 압축기를 통과한 이산화탄소를 상기 엔진냉각열교환기와 상기 히트펌프로 분기하여 공급하기 위한 3방향 밸브;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트펌프를 통과한 이산화탄소는 상기 냉각기로 공급하는 것을 특징으로 하는 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 히트펌프와 상기 냉각기를 연결하는 순환배관에 상기 히트펌프를 통과한 이산화탄소의 압력을 낮추어 상기 냉각기로 공급하기 위한 팽창밸브를 포함하는 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 펌프 또는 제2 압축기를 통과한 이산화탄소를 상기 히트펌프로 공급하기 전,
    상기 이산화탄소를 가열하기 위한 제2 가열기;
    상기 제2 가열기를 통과한 이산화탄소를 압축시키기 위한 펌프 또는 제3 압축기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템.
  8. 엔진;
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 공급되어 구동되고 상기 엔진에 공기를 공급하는 터빈 및 제1 압축기;
    이산화탄소가 순환하는 순환배관;
    상기 순환배관을 순환하는 이산화탄소를 상기 배기가스와 열교환을 통해 가열하는 제1 가열기;
    상기 제1 가열기를 통과한 이산화탄소가 공급되어 구동되는 이산화탄소 터빈;
    상기 이산화탄소 터빈을 통과한 이산화탄소를 냉각시키는 냉각기;
    상기 냉각기를 통과한 이산화탄소를 가압하는 펌프 또는 제2 압축기;
    상기 펌프 및 제2 압축기를 통과한 이산화탄소와 열교환을 통해 상기 엔진을 냉각시키는 엔진냉각열교환기;
    상기 엔진냉각열교환기를 통과한 이산화탄소와 열교환을 통해 상기 엔진에 공급되는 공기를 냉각하는 소기 열교환기;
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스 중의 이산화탄소를 포집하여 상기 순환배관에 공급하는 이산화탄소 포집기;
    상기 소기 열교환기를 통과하여 상기 제1 가열기로 공급하는 이산화탄소와 상기 이산화탄소 터빈을 통과하여 상기 냉각기로 공급하는 이산화탄소의 열교환을 수행하는 재열기;
    상기 이산화탄소 포집기에서 포집된 이산화탄소를 상기 재열기를 통과한 이산화탄소 혼합하기 위해 상기 재열기와 상기 냉각기 사이의 순환배관에 설치되는 이젝터;
    상기 제2 압축기를 통과한 이산화탄소를 공급받아 급탕 또는 난방을 위한 유체와 열교환시키는 히트펌프;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 압축기를 통과한 이산화탄소를 상기 엔진냉각열교환기와 상기 히트펌프로 분기하여 공급하고, 일부는 배출 가능도록 하는 4방향 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 히트펌프를 통과한 이산화탄소는 상기 이젝터를 통해 상기 냉각기로 공급하는 것을 특징으로 하는 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 히트펌프와 상기 이젝터를 연결하는 순환배관에 상기 히트펌프를 통과한 이산화탄소의 압력을 낮추어 상기 냉각기로 공급하기 위한 팽창밸브를 포함하는 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템.
  15. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 압축기를 통과한 이산화탄소를 상기 히트펌프로 공급하기 전,
    상기 이산화탄소를 가열하기 위한 제2 가열기;
    상기 가열기를 통과한 이산화탄소를 압축시키기 위한 펌프 및 제3 압축기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진과 연계된 이산화탄소 발전 시스템.
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