KR19980703351A - 스터링 원리에 따라 작동하는 열기관 - Google Patents

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KR19980703351A
KR19980703351A KR1019970706756A KR19970706756A KR19980703351A KR 19980703351 A KR19980703351 A KR 19980703351A KR 1019970706756 A KR1019970706756 A KR 1019970706756A KR 19970706756 A KR19970706756 A KR 19970706756A KR 19980703351 A KR19980703351 A KR 19980703351A
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귄터베.뤼쩨
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    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
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Abstract

본 발명에 따른 스터링 원리에 따라 작동하는 열기관(10)은 구동 유체를 구성하는 작동 기체를 제 1 열교환기에서 과열시켜 작동을 실행시키는 작동 기체 회로(12) 및 작동을 실행한 후에 작동 기체를 냉각시키는, 제 2 열교환기를 구비한 열 전달제 회로(14)를 포함하며, 제 1 및 제 2 열교환기 각각은, 제올라이트 축열기(16,18)로 구성되며, 가역 제어부(67)에 의하여 작동 기체 팽창기로부터 작동 기체는 축열기들에 교대로 공급되거나, 축열기들로부터 회수되며, 제올라이트 축열기(16,18)는 가역 제어부(67)에 의해 열 전달제 회로(14)와 접속하여 열을 전달시킬 수 있음을 특징으로 한다. 실제로 폐기되어야 하는 배기열은 열기관에 의해 발생되지 않으므로, 열기관(10)은 종래의 스터링 기관들보다 상당히 개선된 열평형을 가지고서 작동한다. 하나의 제올라이트 축열기에 작동 기체를 흡착하는 동안에, 열은 열 전달제로 전달되고, 다른 축열기의 제올라이트로부터 작동 기체를 탈착하는 동안에, 열 전달제로 전달된 열은 다시 이용된다. 이 열기관(10)은 폐색 열 동력 장치에 사용하기에 유용하다.

Description

스터링 원리에 따라 작동하는 열기관
스터링 기관들은, 예를 들어, 메이어(Meyer)의 과학 기술 및 정밀 자연 과학 사전(서지학 연구소, Mannheim/ Wien/ Zurich 공저, 1970년, 589쪽) 및 SOLO 클레인모토린(Kleinmotoren) 유한책임회사, Sindelfingen의 스터링 기관을 이용한 연구 결과(Development Work with the Striling Engine)라는 명칭을 갖는 회사 설립 취지서에 공지되어 있다. 후자는 1995년 3월 9일∼11일동안, 펠바크(Fellbach)에 있는 슈바벤(Schwaben) 강당에서의 새고안 품평회(Fair of Innovations)에 공지되었다.
그 구조에 기인하여, 통상적으로 1000℃ 온도를 초과하거나 300 bar 압력을 초과하는, 고온 고압의 구동 유체를 이용하여, 공지된 스터링 기관을 작동시켜야 한다. 또한, 작동 기체(working gas)로는 대체로 헬륨을 사용한다. 고온 및 고압으로 인하여, 온도저항 및 압력저항이 큰 정교하고 광대한 구조가 요구된다. 헬륨을 사용하는 경우, 헬륨의 확산 속도가 극히 빠르므로, 봉입시키는데 어려움이 수반된다. 요구되는 높은 온도를 얻기 위해서는, 대략적으로 고온인 배기 가스를 운반하는, 히터로 구성된 제 1 열교환기가 필요하며, 이것에 의하여, 구동 유체를 충분히 가열시킬 수 있게 된다. 게다가, 공지된 스터링 기관들에는 복사기로 구성된 제 2 열교환기가 필요하며, 이것에 의하여 구동 유체를 다시 냉각시킬 수 있게 된다. 복사기의 배기열(exhaust heat)은 스터링 기관이 열순환을 할 때에 손실된다. 이러한 모든 결과로, 공지된 스터링 기관의 열평형은 저하된다. 공지된 스터링 기관에 충분한 고압을 제공하기 위해서는 정교하고, 체적이 큰 기관이 요구되며, 또한, 이에 상응하여 보류 시간을 단축시키는 결과를 얻게 된다.
본 발명은 청구항 1의 전문에 기재된 일종의 열기관에 관한 것이다.
도면을 참조로 하여, 본 발명에 따른 실시예를 하기에서 상세하게 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 열기관의 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 열기관을 구비한 폐색 열 동력장치(block thermal power plant)의 도면이다.
본 발명의 목적은, 현저히 향상된 열평형을 가지며, 또한, 상당히 낮은 온도 및 압력에서 작동 기체를 작동시킬 수 있는, 청구항 1의 전문에 기재된 일종의 열기관을 구현하는 것이다.
이 목적은 청구항 1에 기재된 특성들에 의하여 달성된다.
본 발명에 따른 열기관에서, 고온을 발생시키는 히터 및 단지 배기열을 발생시키는 복사기(radiator) 둘다는 제올라이트 축열기(zeolite heat accumulator)로 대체되었다. 제올라이트는, 그것에 공급되며, 본 발명에 따른 열기관에서, 작동 기체 팽창기로부터 배기 가스로서 방출되는 작동 가스를 흡수한다는 점에서 이롭다. 제올라이트에 공급된 작동 기체를 가열시킴으로써, 제올라이트의 센 발열 반응이 제동되는 동안에, 제올라이트는, 그것의 분자격자내에 작동 기체를 정착시킨다. 환언하면, 이 과정에서, 이것이 가열되더라도, 작동 기체는 과냉각된 상태와 유사한 상태를 나타낸다. 따라서, 제올라이트 축열기에서의 압력은 극히 저하된다. 이 과정에서 발생한 공정들에 대하여 지금까지에서 알 수 있는 바에 따르면, 축열기가 그 체적의 대략 10배인 과량의 작동 기체를 흡수할 수 있게 하면, 제올라이트에서 중량 유량(mass flow)이 발생된다. 대안으로서, 이 축적 공정은 두 개의 제올라이트 축열기에서 교대로 발생된다. 또한, 제 2 제올라이트 축열기가 제올라이트내에 흡수된 작동 기체로 채워진 후에, 이전에 다른 제올라이트 축열기에 채워졌던 작동 기체는, 제올라이트의 탈착으로 인하여, 가열된 상태에서 제거되고, 구동 유체로서 열기관에 공급된다. 이로 인하여 열의 공급이 요구된다. 이를 위하여, 열전달 회로의 열전달제(heat transfer agent)는, 축적된 작동 기체가 제거된 축열기를 경유하여 지나간다. 작동 기체 팽창기에 및/또는 작동 기체가 흡수된 다른 축열기에 열을 흡수한 열전달제를 통과시킴으로써, 하나의 제올라이트 축열기를 통해, 후자에서 흡열 반응이 발생하여, 작동 기체는 다시 제올라이트로부터 밀려난다. 이 공정에서, 작동 기체 팽창기에서, 작동 기체는 구동 유체로서 작동하기에 충분할 정도로 가열된다. 흡열 반응은 열전달제로부터의 열에 의하여 실행된다. 이로 인하여, 본 발명에 따르면, 작동 기체 팽창기로부터의 열은 축적된 작동 기체를 복구시키기 위해 전적으로 사용된다. 따라서, 본 발명에 따른 열기관은 복사기를 경유하여 열이 제거되는 공지된 스터링 기관보다 월등히 향상된 열에너지 평형을 가지고서 작동한다. 본 발명에 따른 열기관의 두 개의 제올라이트 축열기는 교대로 작동하는데, 하나는 작동 기체 팽창기를 위하여, 구동 유체를 구성하는 가열된 작동 기체를 제공하며, 나머지 하나는 작동 기체를 축적한 후 냉각시키며, 양자의 용도를 바꾸어 사용하여 작동할 수도 있다. 작동 기체 팽창기로부터의 배기열(waste heat)을 축열기에 축적할 때에, 배기열은 이전에 열을 수용한 작동 기체를, 전달제를 경유하여, 다시 축열기의 외부로 구동하는데 사용된다. 이 정도에서, 스터링 원리에 따라 작동하는 어떤 열기관도 가질 수 없는, 열평형에 따른 순환이 완성된다.
본 발명의 구현예들은 종속항에 기재된 이점을 갖는다.
작동 기체로는 끓는점이 낮은 기체를 사용하는 것이 바람직하다. 이것은, 작동을 실행시키고자 하는 상태에서, 저온의 구동 유체를 사용할 수 있으므로 이롭다. 지금까지 공지된 작동 기체들 중에서, 본 발명에 따른 열기관에 사용하기에 적합한, 끓는점이 낮은 기체로는, CO2가 특히 적합하다고 공지되어 있다. CO2는 작동 기체를 흡수한 제올라이트 축열기에서 극히 강한 발열 반응을 나타내며, 작동 기체를 우수하게 냉각시키게 된다. 일반적으로, 열기관의 고온부측과 저온부측간의 온도차이가 큰 것이 바람직하다. 작동 기체로서 CO2를 사용하는 경우에 특히 유용하다. 이것은 소위 열정공(thermal hole)이라 불리는 것에 의해, 제올라이트의 축적 용량에서 가능하게 된다. 이 성질로 인하여, 제올라이트가 그 체적에 상응하는 것보다 상당히 과량의 기체를 흡수할 수 있게 된다. 제올라이트는 작동 기체를 이것의 분자격자 형태로 결합시킴으로써, 작동 기체의 브라운 분자 운동(예를 들어, 압착 또는 과냉각 공정)을 줄이며, 그렇지 않고서, 축열기가 제올라이트없이 표준 압력 및 온도 상태하에 있을 때보다 상당히 많은 양의 작동 기체를 흡수할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 추가의 구현예에서, 열기관이 예를 들어, 열 버너 등과 같은 버너 및/또는 태양열 장치(solar installation)에 의하여 추가의 열을 공급하는 경우에, 이것은 폐색 열 동력장치(block thermal power plant)에서 열-동력을 발생시키는데 바람직하게 사용될 수 있다. 이 경우에, 추가된 열은 열전달 회로에서 열전달제로 유용하게 공급된다. 이 경우에, 이것은 열기관으로부터의 배기열(waste heat)과 함께 작동하며, 또한, 추가적으로 버너의 배기열 또는 태양열 관로에 의하여 발생된 열과 함께 작동한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 스터링 원리에 따라 작동하는 열기관 10은 작동 기체 회로 12 및 열전달제 회로 14를 포함하며, 둘다는 작동 기체 팽창기 11에 접속된다. 작동 기체 회로 12는, 각각이 제올라이트 축열기 16 또는 18로 구성된 두 개의 열교환기를 포함한다. 열전달제 회로 14는 축열기 16 또는 18을 경유하여 병렬로 배치되며, 그것의 상류 및 하류에 공통 관로 24 또는 26을 접속한 두 개의 관로 분기 20, 22를 갖는다. 공통 관로 24는 작동 기체 팽창기 11의 열전달제 28에서 축열기 16, 18까지 이르며, 공통 관로 26은 작동 기체 팽창기 11의 열전달제 투입부 30까지 이른다. 또한, 제 3 열교환기 32는, 열전달제 회로 14에 열전달제를 재순환시키기 위한 펌프 34와 함께, 공통 관로 26에 배치된다. 여기에 기재된 실시예에서 열전달제로는 물이 사용된다. 솔레노이드 밸브(solenoid valve) 36 또는 38은, 각각의 관로내의 열전달제의 유동을 차단시킬 수 있으며, 축열기 16 또는 18을 경유하여 지나가는 관로 20, 22에 있는 각각의 축열기의 상류에 배치된다. 도 1의 저부에서 축열기 16에 끼워넣은 관로 20의 한 부분인 20a는, 축열기 16에 배치된 관상형의 열교환기에 이르며, 나타낸 바와 같이, 축열기 16의 출구는 관로 20의 연속부 20b와 접속된다. 축열기 18의 구조에도 동일하게 적용된다. 열전달제 회로 14의 관상형 열교환기에 의해 막히지 않은, 축열기 16 또는 18에 존재하는 내부 체임버 17, 19는 제올라이트로 채워진다.
작동 기체 회로 12는 작동 기체 팽창기 11의 출구 42에서 축열기 16 또는 18의 두 개의 입구 회로 44, 46까지 이르며, 나타낸 바와 같이, 입구 관로 44, 46에서 공통 출구 관로 48까지 더 이르며, 버퍼 체임버 50 및 관로 52도 경유하여 작동 기체 팽창기 11의 입구 54까지 이른다. 관로 48에 펌프 56이 추가로 배치된다. 솔레노이드 밸브 58 또는 60은 관로 44, 46에 이르는 관로 12에 각각 배치된다. 솔레노이드 밸브 62 또는 64는, 입구 관로 44, 46에서 벗어나며, 공통 관로 48에서 끝나는 관로들에 각각 배치된다. 최종적으로, 솔레노이드 밸브 66은 버퍼 체임버 50에서 벗어난 관로 52에 배치된다. 이전에 언급된 솔레노이드 밸브 58 내지 66도 또한 블로킹 밸브(blocking valve)로 사용되어, 관로 12를 관로 44 또는 46과 교대로 접속시키거나 차단하는데 사용되며, 반대로 접속 차단하는데도 사용될 수도 있다. 버퍼 체임버 50의 출구는, 버퍼 체임버가 충분한 고압 상태가 될 때까지, 솔레노이드 밸브 66에 의하여 차단될 수 있다.
상술한 열기관에 있어서, 사용된 작동 기체 팽창기 11은, 처음에 언급된 종래 기술에 공지된 바와 같은, 통상적인 스터링 기관일 수 있지만, 본 발명에 따른 스터링 기관의 열에너지 평형을 향상시키기 위하여, 종래 기술에 통상적으로 사용된, 히터 및 복사기의 형태를 갖는 두 개의 열교환기는 제올라이트 축열기로 구성되며, 열전달제 회로와 접속되어 모든 열손실을 최소화시키며, 특히, 배기열은 전혀 생성되지 않는다는 중요한 차이점을 갖는다.
열기관 10은 다음과 같이 작동한다:
대체적으로, 작동 기체 팽창기 11은 주기적으로 작동하는 왕복 기관(reciprocating engine)이며, 과열 및 과냉각된 작동 기체를 교대로 사용하며, 이 경우에는 구동 유체로서 CO2가 바람직하고, 두 개의 피스톤(도시하지 않았음)에 의해 앞뒤로 밀리며, 공급된 열에너지를 기계 에너지로 변환시켜, 도 1에 나타낸 바와 같이, 전기 발생기(electrical generator) 68을 구동시킨다. 필수열은 종래 기술에서는 작동 기체 팽창기 11의 실린더(도시하지 않음) 외측의 연소실(combustion chamber)에서 연료가 전횡적으로 연소하여 발생되고, 분리된 히터에 의해 실린더에서 작동 기체로 전달되며, 본 발명의 열기관에서는 잠열(latent heat)로만 공급되어, 열기관을 시동시키는데 사용된다. 발생기 68은 시동 공정에 사용되는 기관으로 작동하며, 작동 기체 팽창기 11을 구동시키며, 이번에는 열펌프로 작동하여, 하나의 또는 다른 하나의 축열기 16, 18에 CO2를 공급한다. CO2는 상술한 바와 같은 제올라이트에 흡수됨으로써 발열 반응에서 이 축열기에 저장된다. 축열기 둘다가 채워지는 경우에, 스터링 공정을 시행할 수 있다. 막을 수 없는 열기관에 의한 열손실은 주위로부터의 잠열에 의해, 공정에서 복원된다. 예를 들어, 열이 발생기 68을 경유하여 제거되었기 때문에 요구되는 추가의 열에너지는, 예를 들어 대기에서의 추가의 태양열 방사에 의해 또는 버너를 이용하여 열교환기 32를 가열시키는 등의 방법에 의하여 발생되며, 교환기 32를 경유하여 열기관에 공급될 수 있다. 종래 기술에서는 열전달제를 1000℃에 이르는 온도로 가열시켜야 한 것에 반하여, 본 발명에 따른 열기관은, 작동 기체 팽창기의 투입부 30과 축열기들(관로 44 또는 46)의 투입부와의 사이에서, 압력차가 델타 P일때, 대략 60℃의 작동 온도에서 실행되며, 10 bar의 압력은 버퍼 체임버(buffer chamber) 50에 도달된다. 이것에 대하여 하기에 더 상세히 설명할 것이다.
작동 기체 팽창기 11을 시동시키고 두 개의 축열기 16, 18에 작동 기체를 축적한 후에, 스터링 공정을 시작할 수 있다. 이전에 설명한 바와 같이, 하나의 축열기에 작동 기체를 축적한 경우에, 흡착 체적으로 인하여 압력은 저하된다. 발열 반응으로 인하여, 압력 에너지는, 열의 형태로, 이 공정에서 과열된 열 전달매체에 동시에 전달된다. 축열기 16에 작동 기체를 축적한 경우에, 솔레노이드 밸브 36은 폐쇄되고, 솔레노이드 밸브 58은 개방되며, 솔레노이드 밸브 62는 폐쇄되고, 솔레노이드 밸브 38은 개방된다. 축열기 18의 제올라이트를 탈착시킴으로써, 작동 기체가 동시에 제거되는 경우에, 솔레노이드 밸브 60은 폐쇄되고 솔레노이드 밸브 64는 개방된다. 탈착 공정은 축열기 18에서 시작되므로, 솔레노이드 밸브 38은 물론이고 선정된 기간 후에 솔레노이드 밸브 36이 개방되어서, 축열기 16에 있으며 탈착 단계동안 가열되었던 열전달제는, 축열기 18을 경유하여, 탈착 공정시에 요구되는 열을 제공시켜준다. 필요하다면, 펌프 56은 작동 기체 팽창기 11에 작동 기체를 공급하는 동안 작동될 수 있다. 탈착 공정시에, 축열기 18로부터 운반된 작동 기체는 충분히 가열되어, 작동 기체 팽창기 11에서 구동 유체로서 작동을 이행할 수 있게 된다. 열전달제가 축열기 18을 통하여 흐르는 동안, 제올라이트의 탈착에 의하여, 축열기에서 작동 기체가 제거되며, 탈착을 위한 열이 축열기 18에 추가로 요구되므로, 열전달제는 또한, 선정된 기간후에 다른 축열기 16을 통하여, 적어도 일시적으로 흐르게 된다. 탈착 공정은, 축열기 18에 존재하는 제올라이트가 여전히 열을 충분히 축적하고 있으므로, 축열기 16으로부터 추가의 열을 공급하지 않고도, 초기에 시행된다. 선정된 기간이 지난 후에, 이것이 감쇠되었다면, 이로 인하여, 탈착 공정은 더 이상 진행될 수 없고 솔레노이드 밸브 36은 개방되며, 이로 인하여, 축열기 16으로부터, 가열된 열전달제는 축열기 18을 경유하여 지나간다.
그러나, 축열기 16 및 18의 제올라이트에 축적된 열에너지로 인하여, 각각의 탈착 공정이 수월하게 발생될 수 있게 된다면, 다른 축열기에서 열전달제를 가져올 필요는 없게 된다. 이 경우에, 축열기 16, 17은 가역 제어부(reversing control)에 의해 교대로 열전달제 회로와 접속하여, 실제로 열을 전달시키는 작용을 한다.
상기한 솔레노이드 밸브들은 가역 제어부 67에 의하여 제어작용을 이행한다. 대안으로 이것은 또한 수동으로, 즉, 오퍼레이터에 의해 이행될 수 있다. 그러나, 가역 제어부 67은, 측정된 데이터를 이용하여, 자유롭게 열기관을 제어할 수 있는 컴퓨터 제어기인 것이 바람직하다. 도시하지 않은 온도 및 압력 센서들에 의하여 측정된 데이터들은 특히 다양한 온도 및 압력을 갖는다. 솔레노이드 밸브는 대시(dash)로 나타낸 선을 거쳐서 나타낸 역 제어기에 의하여 작동된다.
도 2는 폐색 열 동력장치(block thermal power plant)의 상술한 열기관 10에 따른 구현예를 나타낸다. 도 2에서, 도 1과 동일한 부품은 동일한 참조번호로 기재되므로, 여기에 반복하여 설명할 필요는 없다. 단지 추가된 부품만을 설명할 것이다. 도 2에 따라서, 오일 또는 기체 등과 같은 연료 73에 의하여 작동된 열 버너 74 및/또는 태양열 장치 76에 의하여, 추가의 열이 열기관 10에 공급된다. 과잉의 전기 에너지를 전력 그리드(power grid)로 전달하려면, 발생기 68은 전력 그리드 접속부 70을 경유하여 공전 전력 그리드(power public grid) N에 접속될 수 있다. 열 버너 74는 오일 또는 기체 버너일 수 있다. 이것의 배기열은 200℃ 온도를 초과하지 않아야 하며, 만약 그렇지 않으면, 여기에 상술된 열기관은 극고압 상태가 되어, 축열기 16, 18의 제올라이트는 위험하게 된다.
열 버너 74는, 고온수 회로 75에 폐색 열 동력장치에서 발생된 열을 부수적으로, 건물 난방 등에 공급한다. 열전달제 회로 14로부터 그것의 열을 수용한 가열 회로는 참조번호 15로 기재한다. 작동 회로 12에 사용된 작동 기체는 CO2이다.

Claims (4)

  1. 구동 유체(drive fluid)를 구성하는 작동 기체(working gas)를 제 1 열교환기에서 과열시켜 작동을 실행시키는 작동 기체 회로(12) 및 작동이 실행된 후에 작동 기체를 냉각시키는, 제 2 열교환기를 구비한 열전달제 회로(14; heat transfer agent circuit)를 포함하며, 스터링(Stirling) 원리에 따라 작동하는 열기관(10; thermal engine)으로서,
    상기한 제 1 및 제 2 열교환기 각각은 제올라이트 축열기(16,18; zeolite heat accumulator)로 구성되며, 가역 제어부(67; reversing control)에 의하여 작동 기체 팽창기(11; working gas expansion machine)로부터 작동 기체는 제올라이트 축열기(16,18)에 교대로 공급되거나, 축열기들로부터 회수되며,
    상기한 제올라이트 축열기(16, 18)는 가역 제어부(67)에 의해 열전달제 회로(14)와 접속하여 열을 전달시킬 수 있음을 특징으로 하는 열기관.
  2. 제 1항에 있어서, 작동 기체는 끓는점이 낮은 기체임을 특징으로 하는 열기관.
  3. 제 2항에 있어서, 작동 기체는 CO2임을 특징으로 하는 열기관.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 버너(74) 및/또는 태양열 장치(76; solar installation)에 의해 추가의 열 공급이 이루어짐을 특징으로 하는 열기관.
KR1019970706756A 1995-03-27 1996-03-27 스터링 원리에 따라 작동하는 열기관 KR19980703351A (ko)

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