KR20010074445A

KR20010074445A - 고효율 저오염의 혼합 브레이튼 사이클 연소기

Info

Publication number: KR20010074445A
Application number: KR1020007011025A
Authority: KR
Inventors: 제이 라이엘 진터
Original assignee: 진터, 제이, 라이엘; 진터-배스트-코포레이션
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2001-08-04
Also published as: IL138380A; CN1299435A; EP1496220A2; SG141211A1; AU771937B2; EP1496220A3; AU771937C; RU2000125743A; ATE270748T1; US6289666B1; CA2323541A1; IL138380A0; EP1062409B1; DE69918538D1; BR9908710A; ES2224625T3; JP2002538345A; DE69918538T2; EP1062409A1; WO1999046484A1

Abstract

고압에서 작동하고 최소한의 과잉 압축 공기와 함께 증기와 연료의 연소생성물의 혼합물을 작동유체로 이용하는 증기-공기 증기기관(vapor-air steam engine)이 게시되어 있다. 이를 위해 a) 연소실 ; b) 상기 연소실로 연료를 전달하기 위한 연료 공급 수단 ; c) 압축공기의 양은 연료와 함께 연소되었을 때 적어도 공기중 산소의 약 90%가 소모되도록 선택되고, 상기 연료와 공기는 상기 연소실 내에서 혼합되도록 상승된 온도와 일정한 압력에서 압축공기를 상기 연소실로 전달하기 위한 공기 공급 수단, d) 상기 연소실로 공급되는 공기의 양을 변화시키고 상기 연소실로 공급되는 공기의 양을 조절하여 연공비가 일정하도록 하는 제어수단 ; e) 연소증기를 생산하기 위해 연료와 공기의 혼합물을 점화시키기 위한 연료 점화장치 ; f) 상기 연소실로 진입하는 것과 실질적으로 동시에 수증기로 변환되며, 수증기의 전달과 형성은 난류를 생성하고 상기 연소실내에서의 혼합은 상기 공기와 연료내의 수증기, 연소생성물, 불연성물질롤 구성되는 작동유체로 귀결되며, 상기 작동유체는 장치의 외측부에 의해 요구되는 제어된 압력으로 장치의 외측부로 전달 가능한 고온의 수증기 흐름이 되는, 압력을 받고 있는 과열된 물을 상기 연소실로 전달하기 위한 액체 공급 수단, g) 작동유체의 온도를 요구되는 수준으로 유지하기에 충분하도록 과열된 물을 연소실로 전달하고, 상기 연소실내의 모든 온도 제어는 실질적으로 상기 연소실로 유입되는 물의 증발잠열에 기인하는 연소실 온도 제어기 ; 그리고 h) 상기 물의 온도를 공급 온도로부터 상기 연소실로 전달하기 위해 요구되어지는 온도까지 상승시키면서 상기 작동기관을 떠나는 상기 작동유체로부터 상기 물로 열을 전달하기 위한 열 교환 수단으로 구성된 동력발생 시스템을 제공한다.

Description

고효율 저오염의 혼합 브레이튼 사이클 연소기 {HIGH EFFICIENCY LOW POLLUTION HYBRID BRAYTON CYCLE COMBUSTOR}

일반적으로 내연기관은 정적기관과 정압기관으로 분류된다. 오토 사이클 기관은 압축공기가 채워진 정적상태에서 휘발성 연료를 폭발시킴으로써 작동되는 한편, 디젤 사이클 기관은 연소가 거의 정압상태에서 이루어지는 개량화된 사이클 내에서 연료를 태운다.

외연기관은 증기기관, 증기터빈, 가스터빈 등이 있다. 압축공기와 함께 연료를 연소시켜 발생되는 기체상태의 작동유체를 가스 터빈에 공급하여 고압의 기체흐름에 저장된 에너지로서 다양한 전동장치를 작동하는 것은 널리 알려져 있다.

또한 어떤 방에서 연료를 연소시켜 그 연소생성물을, 때로는 소량의 물 또는 증기를 주입하면서, 작동 실린더나 작동실로 배출하는 것도 널리 알려져 있다. 이러한 것들도 또한 외연기관으로 분류된다.

내부적 또는 외부적으로 공급되는 물 또는 증기의 부가에 의해 냉각되는 다른 몇몇 장치(device)들도 제안되어 있다. 온도가 떨어짐에 따라 연소 실린더 내로 주입되는 연료에 의해 작동되고, 압력이 원하는 값에 도달하면 연료주입을 종료시키는 수단을 구비하는 또 다른 형태의 장치도 제안되어 있다.

기존의 상기와 같은 각 기관들은 일반적인 동력원으로서 발동기(prime mover) 구동의 채택으로 제한하는 어려움이 있다. 이러한 어려움들 중, 그러한 기관의 효율적인 작동을 위해서는 필요할 수도 있는 갑작스런 필요에 대한 충족 그리고/또는 작동온도나 압력을 일정성 유지의 불능이 가장 중요한 어려움이었다.

게다가, 그러한 기관의 제어는 비효율적이며, 가스 생성기를 늘 대기상태로 유지하는 능력은 전적으로 부적당한 것이다. 실제로 응용된 모든 기관의 구성에 있어서, 작동 실린더의 경계면(confining walls) 냉각에 대한 필요성으로 말미암아효율감소와 기타 이전부터 있어 왔던 내연기관 고유의 상당수 불리한 점들이 발생한다.

본 발명은 위에서 기술한 선행기술의 한계를 극복하고 있다. 첫째로, 대량의 과잉 압축공기나 외부 액체 냉각에 대한 필요는 물을 연소실로 직접 주입하여 작동유체(the resulting working fluid)의 온도를 제어함으로써 제거할 수 있다. 물이 주입되면 연소실내에서 즉각 증기로 변화되어 작동유체의 일부가 되고, 기계적 압축 없이도 작동유체의 부피와 질량을 증가시킨다.

본 발명에서는, a) 연소실 화염온도 b) 액상 물의 주입에 의한 연소실 온도 프로파일 c) 연공비의 독립적 제어는 작동유체의 물리적 성질이 고효율의 작동을 위해 최적화 되도록 한다. 과잉공기의 감소 또는 제거와 이로 인한 과잉산소의 유용성(availability) 제한, 화염온도와 연소실 온도 분포에 대한 제어는 또한 NO_x의 생성을 방지하고, 연소되는 연료가 완전히 CO_2로 변화되게 함으로써 CO의 생성을 최소화시킨다.

본 발명은 또한 효율과 마력을 높이면서 동시에 연료소비율(SFC)을 줄이는 수단으로서 높은 압력비를 이용한다. 물이 공급되어 본 발명에 의한 연소실내에서 증기로 변환되면, 그 증기는 연소실의 압력을 얻게 된다. 연소실 압력은 엔진의 압력비와 무관하게 증기에 의해 얻어진다는 것을 유의해야 한다. 그래서, 높은 압력비는 새로운 증기나 물을 주입하기 위한 압축에 필요한 추가적인 일의 소모 없이 엔진 내에서 얻어 질 수 있다. 본 발명에서는 대량의 물을 투입하기 때문에, 연소에 필요한 양 이상으로 공기를 압축할 필요가 없다. 종래기술에서는 이러한 여분의공기를 대체로 냉각용으로 이용하였다. 이러한 조건의 제거는 추가적인 연료소모 없이 시스템에 상당한 양의 에너지를 저장하게 하고 터빈 속도를 증가시키지 않고 유용한 축마력을 증가시킨다.

물의 투입은, 본 발명에서 밝혀진 바와 같이, 선행기술에 비해 몇가지 장점을 제공한다. 첫째로, 연소실 압력 이상으로 물을 가압하기 위해서는 최소한의 추가일(additional work)만 있으면 된다. 증기 주입 시스템에서는 연소실 압력 이상으로 증기압력을 높이는데 상당한 양의 일이 소모되어야 한다. 이와 비슷하게, 과잉공기(excess air)도 공급공기를 보다 높은 압력으로 상승시켜 추가적인 작동유체의 질량을 생산하기 위해 추가일이 소모될 것을 요구한다. 게다가, 본 발명에서 물이 공급되고 증기로 변환되는 경우, 그 증기는 추가일 없이 연소실 압력을 얻게 된다. 이 증기는 또한 엔트로피와 엔탈피가 일정하게 된다.

본 발명에서, 연소실 과잉(폐기)열량은 주입된 물을 증기로 변환하는데 이용되고, 이는 과잉공기에 대한 기계적 압축 없이도 작동유체의 압력과 질량을 증가시킨다. 대조적으로, 전형적인 브레이튼 사이클 터빈에서 기계적으로 압축된 공기의 66%~75%는 요구되는 터빈 입구 온도(TIT)까지 작동유체의 온도를 낮추기 위해 연소생성물을 희석하는데 이용된다.

주입된 물의 증발로 생성된 수증기는 연소에 의해 생성된 작동유체 질량의 적어도 2배가 될 수 있으며, 순출력마력을 15%이상 증가시킨다. 그러므로, 물은 이와 같은 새로운 열역학 시스템에서 시스템에 압력, 질량, 에너지를 공급하고 시스템의 효율을 증가시키므로 연료로 기능하는 것으로 볼 수 있다.

본 발명의 사이클은 물에 대해서는 개방사이클일수도 있고 밀폐사이클일수도 있다. 이는 공기와 물이 배출되거나(개방) 복구되어 재사이클됨(밀폐)을 의미한다. 탈염이나 물의 정화는 정지 시설물이나 수상선박으로부터 전력을 생산하는 경우의 부산물일 수 있는데, 여기서 상기 사이클은 공기에 대해서는 개방형이지만, 탈염수의 회수에 대해서는 밀폐형이 된다. 해양 발전소, 산업 시설물, 가정용수(drinking water)와 농업용 관개용수(irrigation water)의 정화와 회수 시스템은 또한 실행 가능한 응용예들이다.

본 사이클은 또한 승용차, 버스, 트럭, 기관차, 해양 선박, 소형 비행기 (commuter aircraft), 일반 항공기(general aviation) 등과 같은 이동환경에서 밀폐 사이클 상태로 채택되어 질 수 있다.

본 출원은 1993년 미국 국제출원 PCT/US93/10280으로서 1994년 4월 26일 08/232,047로 미국에 특허출원 되고 1998년 4월 28일 미국특허 제 5,743,080으로 등록된 미국특허의 일부계속 출원이며, 1992년 10월 27일 출원된 미국특허 제 5,617,719의 일부계속 출원으로서, 상기 모든 특허는 참조에 의해 일체화되어 있다. 이곳의 본 발명에서는 위의 선행출원과 특허에 개시되어 있지 않은 새로운 사항을 포함한다.

본 발명은 고압에서 작동하고 최소한의 과잉 압축 공기와 함께 증기와 연료의 연소생성물의 혼합물을 작동유체로 이용하는 증기-공기 증기기관(vapor-air steam engine)에 관한 것이다. 나아가 본 발명은 연소 시스템에서 경미한 양의 환경오염물질(NO_x,CO,미립자, 불연소 연료)을 생성하면서 고효율, 저연료소비율로 전기에너지, 유용한 축 마력 그리고/또는 대량의 증기를 생산하는 방법에 관련된다. 더 나아가 본 발명은 환경오염이나 심한 효율저하 또는 연료 소비량의 증가 없이 전기에너지를 생성하면서 운반성 물을 생산하는 것에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 증기-공기 증기터빈 기관의 블록 다이어그램이다.

도 2는 바람직한 연소실의 개략도이다.

도 3은 도 2의 3-3선을 따른 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 운반성 물의 회수수단을 포함하는 증기-공기 증기터빈 기관의 블록 다이어그램이다.

도 5는 도 4의 블록 다이어그램에 나타난 증기-공기 증기터빈 기관의 일 실시예에 의한 개략도이다.

도 6은 본 발명의 특징에 포함된 portable wate 회수능력을 구비한 증기-공기 증기터빈 기관에 대한 제2실시예의 개략도이다.

도 7은 도 1의 증기-공기 증기터빈 기관의 열효율에 대한 압력비의 영향을 나타내는 그래프이다.

도 8은 도 1의 증기-공기 증기터빈 기관의 연료소비율에 대한 압력비의 영향을 나타내는 그래프이다.

도 9는 도 1의 증기-공기 증기터빈 기관의 터빈출력에 대한 압력비의 영향을 나타내는 그래프이다.

도 10은 도 1의 증기-공기 증기터빈 기관의 순출력에 대한 압력비의 영향을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 목적중 하나는, 새로운 열역학 동력 사이클을 제공하는 것으로서, 이 사이클은 개방 모드 또는 밀폐 모드에서 작동하고, 효율적이고 깨끗하며 오염이 없는 동력을 얻기 위해 화학양론적인 공기를 압축하고 상기 공기와 함께 연료를 연소한다.

또한 본 발명의 목적은 냉각을 위해 기계적으로 과잉(희석)공기를 압축할 필요없이 물의 증발잠열을 이용하여 연소기내에서 연소온도를 완전히 제어하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 엔진 내에서 이용되는 동력터빈과 관련하여 공기압축기 부하를 감소하여 보다 작은 압축기가 이용되고 공회전을 줄이며 가속을 촉진하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 필요에 따라 터빈 입구 온도(TIT)를 개별적으로 제어하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 필요에 따라 작동유체의 조성과 온도를 변화시키는 것이다.

연소실내의 반응물들에 대해 충분한 잔류시간을 허용함으로써 화학양론적인 연소, 화학결합, 완전한 반응과 냉각에 필요한 시간을 허용하여 화학평형으로 귀착시키는 것도 본 발명의 목적이다.

N0_x~,~ CO~,~CO_2, 연소되지 않은 연료, 미립자, 연소생성물의 해리와 같은 성분을 야기하는 스모그의 형성을 방지하는 방법으로 연소생성물을 연소하고 냉각하는 것도 또한 본 발명의 목적이다.

1파운드의 화학에너지를 1파운드의 열에너지로 100% 변환하는 연소 시스템을 제공하는 것도 또한 본 발명의 목적이다.

여전히 좋은 열효율을 가지고 전체 동력 시스템을 가능하면 차갑게 작동하는 것도 본 발명의 목적이다.

응축된 운반성 물로서 증기를 냉각시키고, 응축시키고, 분리시키고, 재생시키기 위해서 응축 과정을 제공하는 것도 또한 본 발명의 목적이다.

냉각제로서 비운반성 물을 이용하고 전력생산의 부산물로서 운반성 물을 생산하는 전력 발생 시스템을 제공하는 것도 본 발명의 목적이다.

엔진 작동의 일 형태동안 선택적으로 변형된 브레이튼 사이클을 제공하고,엔진 작동의 제2형태동안 증기-공기 스팀 사이클을 제공하고, 제3모드 동안 조합 사이클을 제공하는 새로운 사이클을 제공하는 것도 또한 본 발명의 목적이다.

현재 이용 가능한 연소기를 사용한 현재의 이용가능한 시스템과 비교하여 보다 높은 효율로 전기에너지를 생산하고 연료소모율을 감소하는 그러한 모든 터빈 동력 발생 시스템과 사용할 수 있는 연소기를 제공하는 것도 또한 본 발명의 목적이다.

작동효율을 증가시키고 배출흐름의 오염을 감소시키는 동시에 현재 이용되는 연소기를 대체하고 오염 감소장치(촉매 변환자, 재연소, 세정 시스템)에 대한 필요성을 제거하면서 현재의 탄화수소 연료 연소 시스템으로 개조될 수 있는 연소기를 제공하는 것도 또한 본 발명의 목적이다.

전체 효율이 40%를 훨씬 넘게 전기 에너지를 생산하는 동력발생 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

CO_2를 덜 배출하는 좀 더 효율적인 방법으로 탄화수소 연료를 연소하는 동력발생 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

필요한 모든 온도와 압력에서 대용량의 증기를 효율적으로 제공하는 것도 또한 목적이다.

VAST 사이클로 일컬어지는 본 발명이 일실시예에 따르면, 내연기관이 기술되어 있다. 이 기관은 대기를 6기압 이상으로 상승된 온도를 가지는 압축공기로 압축하도록 구성되는 압축기를 포함하고 있다. 상기 압축기와 연결된 연소실은 상기 압축공기를 압축기에서 연소실로 단계적으로 전달하도록 구성되어 있다. 분리된 연료와 액체 주입 제어부는 연료와 액상의 물을 필요한 때, 필요한 곳에서 상기 연소실로 각각 주입하는데 이용된다. 주입되는 압축공기와 연료, 물의 양과 주입된 물의 온도, 연소기로 주입되는 위치는 독립적으로 제어된다. 결과적으로, 평균 연소온도와 연공비는 또한 독립적으로 제어된다. 주입된 연료와 압축공기의 제어된 부분은 연소되고, 발생된 열은 주입된 물을 증기로 변환한다. 주입된 물이 증기로 변환될 때, 물의 증발잠열은 연소기를 떠나는 연소가스의 온도를 낮춘다.연소가스의 중량 보다 훨씬 많은 양의 물이 이용된다. 그러나, 시스템으로 공급되는 공기의 질량은 훨씬 줄어든다. 결과적으로, 작동유체에 의해 생성된 연소유량은 대부분의 운전조건에서 동일한 양의 연료를 사용하는 현 시스템 유량의 50%에서 200%이상 변화될 수 있다.

수증기, 연소생성물, 압축공기의 79%인 비산소, 비연소 성분의 소량으로 구성된 작동유체는 소정의 연소온도와 연소온도 프로파일에서 연소과정동안 연소실에서 생성된다. 실질적으로 모든 온도 제어는 수증기의 증발잠열에 의해 제공된다. 모든 초과량은 오직 완전연소를 보장하기 위해서만 제공되는 것이고 냉각목적으로는 제공되는 것이 아니다. 그런 다음, 작동유체는 유용한 일을 수행하는 하나 이상의 작동기관으로 공급된다. 대안적으로, 고온 고압의 증기인 작동유체는 유정에서의 주입처럼 증류탑이나 작동을 위해 증기를 이용하는 다른 장치의 열원으로써 유량을 증가시키는 경우와 같이 직접적으로 이용된다.

본 발명의 보다 상세한 실시예에서, 엔진을 시동하기 위해 점화 스파크가 이용된다. 상기 엔진은 또한 밀폐사이클이나 개방 사이클로 작동될 수 있다. 밀폐사이클의 경우, 배출되는 작동유체의 일부가 회복될 수 있다. 화염온도와 연소실 온도 프로파일은 연소기에 산재해 있는 써모스탯이나 온도감지기 등을 이용하여 감시된다.

게다가, 컴퓨터화된 피이드 백 제어 시스템이 배출흐름의 가스성분과 운전조건을 감시하기 위해 이용되고, 공급율은 배출가스에서 NO_x와 CO의 성분을 최소화 하도록 자동으로 조절될 수 있다.

본 발명이 이용되는 경우, 연소온도는 연소제어수단에 의해 떨어져서 화학양론적인 연소와 화학반응 평형이 작동유체 내에서 이루어진다. 주입된 연료의 모든 화학에너지는 연소과정에서 열에너지로 변환되고 물의 증기로의 증발은 연료와 공기의 분자적 혼합을 도와서 보다 완전한 연소를 가능케 하는 격렬한 난류를 생성한다. 주입된 물은 모든 여분의 열에너지를 흡수하고 작동유체의 온도를 작동기관의 최대 희망 작동온도까지 감소시킨다. 주입된 물이 증기로 변환되면, 증기는 압축을 위한 추가적인 일이나 추가적인 엔트로피나 엔탈피 없이 연소실 압력을 나타낸다. 연소온도의 조심스런 제어는 대기 스모그를 야기하거나 이에 도움을 주는 가스나 성분의 형성을 방지하고 증가된 작동효율에 의해 생성되는 유용에너지 당 발생하는 온실가스의 양을 줄인다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 냉각제로서 논 포터블 워터(nonportable water)을 이용하여 전력을 생산하고, 동력 또는 증기 발생의 부산물로서 운반성 물이 생산된다.

본 발명이 제3실시예에서, (새로운 사이클이)엔진은 3가지의 서로 다른 모드에서 작동할 수 있다. 상기 엔진이 제1예정 rpm을 초과하여 작동되는 경우(즉, 높은 rpm으로), 물주입과 연소되는 압축공기의 양은 엔진 rpm이 증가함에 따라 일정하게 유지된다. 중간 rpm에서 즉, 제1(높은)예정 rpm과 제2(낮은) 예정 rpm 사이에 있는 경우, 연료에 대한 물의 비율은 과잉공기의 양이 감소함에 따라 증가한다. 상기 엔진이 제2예정 rpm(즉 낮은 rpm)보다 낮은 속도로 작동되는 경우, 주입된 물과 연료의 비율은 일정하게 되고, 연소되는 압축공기의 양도 일정하게 고정되고, 과잉공기는 실질적으로 제거된다.

이러한 새로운 사이클의 사용은 보다 낮은 rpm에서의 증가된 마력, 느린 공회전, 빠른 가속과 낮은 rpm에서 압축공기의 95%까지의 연소 등의 결과를 유발한다.

본 발명의 보다 완전한 이해와 그로인한 다른 목표와 장점들은 수반되는 도면과 상세한 설명을 숙고하면 명백해 질 것이다. 본 발명의 영역은 수반되는 특허청구범위에서 상세하게 설명될 것이다.

A. 본 시스템의 기본구성

도 1을 참조하면, 본 발명의 가르침을 실현하는 가스 터빈 기관이 제시되어 있다. 대기 공기(5)는 원하는 압력까지 압축기(10)에 의해 압축되어 압축공기(11)기 된다. 바람직한 실시예에서, 압축기(10)는 전형적인 2단 내지 3단 압축기로 알려져 있으며, 대기 공기(5)는 4 기압 이상으로 가압되며, 바람직하게는 10기압 내지 30기압으로 가압 된다. 압축공기의 온도는 압축비에 따라 결정된다. 30:1의 압축비에서, 압축공기의 온도는 약 1424°R(964°F)이다.

압축공기(11)의 유동은 공기 유동 제어부(27)에 의해 연소실로 제어된다. 연소실은 선행기술에서 잘 알려져 있다. 그러나, 본 발명에서 상기 압축공기(11)는 공기 유동 제어부(27)에 의해 단계적이고 주변적인 방법으로 도 2에 게시되고 이하에서 좀 더 충분히 기술될 연소기(200)로 공급된다. 상기 공기의 단계적인 공급은 연소실(25) 전체에서 연소온도(화염온도)를 제한하고 제어할 수 있게 한다. 통상의 정점온도(high peak temperature)는 상기 연소로부터 동일한 총에너지를 생성하면서 감소된다.

연료(31)는 연료 주입 제어부(30)에 의해 압력이 걸린 상태에서 주입된다. 연료 주입 조절기는 숙달된 기술자에게는 잘 알려져 있다. 본 발명에서 이용되는 상기 연료 주입 제어부(30)는 1개 또는 다수개로 된 일련의 통상적인 연료 공급 노즐로 구성된다. 가압된 연료 공급부(미도시)는 연료 공급을 위해 이용되는데, 상기 연료는 통상적인 탄화수소, 예를 들면, 디젤 연료 #2, 히팅 오일(heating oil), 바람직하게는 황이 제거된 히팅 오일(heating oil), 웰 헤드 오일(well head oil), 프로판, 천연가스, 가솔린, 에탄올과 같은 알코올류 등의 어느 것이나 가능하다. 어떤 경우에 있어서는 에탄올이 더 선호되는데, 이는 에탄올이 연소 생성물의 냉각에 이용될 수 있는 물을 포함하거나 혹은 적어도 물과 섞일 수 있어 물의 주입에 대한 필요를 줄일 수 있기 때문이다. 또한 에탄올과 물의 혼합물은 어는점이 좀더 낮기 때문에 32°F 이하의 온도를 갖는 기후에서 상기 기관을 이용할 수 있는 가능성을 높일 수 있다.

물(41)은 물 주입 제어부(40)에 의해 조절되는 펌프에 의해 미리 정해져 있지만 조절 가능한 비율로 가압 상태에서 주입되며, 하나 또는 그 이상의 노즐을 통하여 공급 공기흐름, 연소실(25) 또는 필요하다면 하기에서 자세하게 설명될 상기 화염으로 향하는 연소의 하류로 분무된다.

연소기(25)내의 온도는 위에서 언급된 본 발명의 다른 요소들과 연동되어 작동하는 연소 제어부(100)에 의해 제어된다. 연소 제어부(100)는 보조 디지털 로직 (digital logic)이나 마이크로 컴퓨터 기타 널리 알려진 장치를 구비하고 통상적으로 프로그램 된 마이크로프로세서로서, 연소실(25), 배출 흐름(51)(연장된 작동유체(21))에 위치하거나 또는 본 발명의 다른 구성 부분과 관련된 모니터에서 발생한 피이드백 신호에 따라 제어를 모니터하고 실행한다.

예를 들면, 연소기(25)내의 압력은 엔진 rpm의 변화에 따라 공기 압축기(10)에 의해 유지될 수 있다. 연소기(25)내의 온도 감지기와 자동 온도 조절장치(260, 명확성을 위해 오직 하나만 도시)는 연소 제어부(100)에 온도 정보를 제공하고, 상기 연소 제어부(100)는 물 주입 제어부(40)로 하여금 다소간의 필요한 액상의 물을 주입하게 한다. 비슷하게, 작동유량은 연소기(25)내에서 연소되는 연료, 물, 공기의 혼합물이 변함에 따라 연소 제어부(100)에 의해 제어된다.

허용 가능한 최대 연소 온도를 조절하는 실질적인 한계로서 잘 알려진 것들이 있다. 이러한 고려사항 중 첫 번째는 모든 시스템에 적용될 수 있는 최대 터빈입구 온도(TIT)이다. 요구되는 최대 TIT를 얻기 위해, 물 주입 제어부(40)는 필요한 물을 작동유체(21)로 주입하여 연소온도를 허용할 수 있는 한계내로 유지한다. 상기 주입된 물은 연소기(25) 압력하에서 증기로 변환되면서 물의 증발 잠열을 통해 연소열 중의 상당한 양을 흡수한다.

연소기(25)내로 주입된 연료 점화의 경우, 자가 압축점화를 할 수 있기 위해서는 12:1이상의 압축비가 필요하다. 그러나, 표준적인 점화 스파커(262)는 저 압축비에서 사용되어 질 수 있다.

위에서 언급하였듯이, 주입된 연료와 압축공기내의 거의 모든 산소를 연소하기 위해 연소 제어부(100)는 연소된 압축공기의 양을 공기 유동 제어부(27), 연료 주입 제어부(30), 물 주입 제어부(40)로부터 독립적으로 제어한다. 압축공기내의 적어도 95%의 산소는 연소된다. 100%보다 적게 산소가 연소된다면, 완전한 화학량론적 결합과 촉진을 위해 충분한 산소가 필요하다. 연소과정에서 공기가 100% 소모되어 CO_2를 형성한다면, NO_x를 형성하는데 사용할 수 있는 산소는 없다. 연소열은 또한 주입된 물을 증기로 변환하고, 결과적으로 작동유체(21)는 압축공기의 불연성 성분과 연료 연소 생성물, 연소실에서 발생하는 증기로 구성된다. 약 4:1에서 약 100:1까지의 압축비가 압축기(10)에 공급될 수 있다. TIT 온도는 재료적인 고려사항에 의해 요구되는 고도의 제한을 받으면서 750°F 에서 200°F 까지 변화할 수 있다. 그러나, 터빈이 고온에 견딜 수 있는 세라믹 기타 내화성 재료로 제작된다면 보다 높은 TIT는 얻어질 수 있다.

전형적으로 터빈인 작동기관(50)은 연소실(25)과 연결되어 연소실로부터 작동유체(21)를 받아 유용한 일(예를 들면 축(54)을 회전시키는 것과 같은)을 수행하고, 연이어 전기 에너지(58)를 생산하는 발전기(56)나 공기 압축기(10) 등과 같은 부하를 구동한다. 본 발명은 작동기관으로서 터빈의 용도를 논하고 있지만, 숙련된 기술자들은 왕복기관, 방켈(Wankel)기관, 캠(cam) 기타 다른 형태의 작동기관도 본발명에 의해 생성되는 작동유체에 의해 구동될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

상기 연소기(25)내부와 터빈 배출구 사이의 압력 차이 때문에, 작동유체는 작동기관(50)을 경유하면서 팽창한다. 상기 팽창된 작동유체(51)는 배출 제어부 (60)에 의해 일반적으로 진공펌프를 구비한 밀폐 사이클이 이용되는지 혹은 개방 사이클이 이용되는지에 따라 0.1기압에서 약 1기압 사이의 다양한 압력으로 배출된다. 그러나, 보다 높은 배출압력도 가능하다. 배출 제어부(60)는 또한 팽창된 작동유체(51)를 배출하기 위한 재압축기(64)뿐만 아니라, 팽창된 작동유체(51)로부터 증기(61)를 응축하기 위한 열교환기(63)와/또는 응축기(62)를 구비한다. 응축기 (62)에서 응축된 증기는 포터블 워터(운반성 물)(65)로서 배출된다.

도 2는 본 발명의 특징을 포함하는 바람직한 연소기(200)의 개략도로서, 입구단(inlet end)(198)과 배출단(exhaust end)(196)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 상기 연소기는 3개의 동심 스테인레스 스틸 튜브(202,206,210)와 공기, 물, 연료를 위한 입구로 구성된다. 내측 튜브(202)는 가장 길고, 중간 튜브(206)는 가장 짧으며, 외측튜브(210)는 중간길이를 갖는다. 상기 내측 혹은 중심측 튜브(202)는 일실시예로, 5인치의 내경과 약 ½인치의 벽두께를 가진다. 상기 내측 튜브(202), 상기 중간 튜브(206) 및 상기 외측튜브(210)의 각 사이에 공기유동을 위한 약 1인치의 공간이 있다.(각각 내측 공기 유동 공간(204)과 외측 공기 유동 공간(208)) 상기 중간 튜브(206)와 상기 외측튜브(210)의 각 입구단은 각 튜브의 원주와 연결된 반구형의 헤드(224, 226)를 구비하여, 상기 튜브 사이의 공간(204, 208)에 인접한 밀폐공간(228, 230)을 각각 형성함으로써, 하기에 기술하는 바와 같이 상기 연소기(200)의 외부로부터 외측튜브(210)와 중간 튜브(206)사이의 공간(상기 외측 공기 유동 공간(208))과 중간 튜브(206)와 내측 튜브(202)사이의 공간(상기 내측 공기 유동 공간(204))과 버너(214)를 경유하는 유동경로를 형성한다.

도 3에서 보이는 바와 같이, 상기 입구단의 덮개나 상기 내측 튜브(202)의 헤드(212)부는 버너(214)를 구성하는 중첩된 튜브가 부착되는 공기 공급판(232)이다. 버너(214)는 3개의 동심 튜브로 구성되는데, 내측 화염 튜브(216)는 직경이 2인치이며, 중앙 화염 튜브(218)는 직경이 약 3인치이고, 외측 화염 튜브(220)는 직경이 약 4인치이다. 상기 화염 튜브들(216,218,220)은 길이가 점차적으로 길어져서 내부 끝단들을 연결하는 직선은 원추각이 약 50°에서 90°에 걸치는 화염 억제 원추(222)를 형성한다.

상기 중앙 화염 튜브(216)의 입구단은 상기 중간 튜브(206)의 반구형 헤드 (224)와 상기 중심측 튜브(202)의 입구단 사이에 형성된 공기 공급실(228)로 연장된다. 도 3에 개시된 바와 같이, 다수의 홀(234)을 포함하는 제2 공기 공급판(236)은 상기 내측 화염 튜브(216)의 입구단을 덮는다. 게다가, 홀(234)은 상기 공기 공급실(228)로 연장되는 내측 화염 튜브(216)의 외측면 주변부를 관통하며 산재하여 분포되어 있다. 연료주입 노즐(218)은 상기 반구형 헤드(224,226)와 제2 공기 공급판(236)의 중심부에 위치하여 관통하고, 상기 연소기(200)의 외부로부터 내측 화염 튜브(216)의 입구단으로 연료를 전달하며, 이곳에서 연료는 상기 내측 화염 튜브 (216)를 통과한 공기와 혼합된다. 연소에 필요한 공기는 외측 반구형 헤드(226)에있는 하나 이상의 공기 유입구(240)를 통하여 바람직한 압력에서 공급된다. 공급된 공기는 상기 입구단(198)으로부터 외측 공기 유동 공간(208)을 따라 상기 배출단 (196)으로 흐르며, 상기 배출단(196)은 누출을 방지하는 방법으로 상기 외측 튜브 (210)의 배출단(196)을 상기 내측 튜브(202)의 외측면에 결합하는 배출단 평판 (242)을 침범한다. 그 후 공기는, 상기 내측 공기 유동 공간(204)을 통하여 거꾸로 상기 입구단(198)으로 흐르고, 내측 튜브(202)의 외측면에서 발산하는 복사열에 의해 더욱 가열되어, 상기 홀(234)을 통하여 상기 버너(214)속으로 더욱 확산되기 위해, 공기 공급실(228)로 진입한다.

상기 버너의 각 영역으로 유입되어 관통하는 공기의 비율은 상기 홀(234)의 각 면적에 따라 결정된다. 도 3에 잘 개시된 바와 같이, 홀(234)의 갯수와 각 구멍의 단면적은 일실시예로서 하기와 같이 선택된다. 제2 공기 공급판(236)과 내측 화염 튜브(216)의 측벽에 있는 홀(234)이 홀 면적의 50%를 구성하도록 하여 제1 화염역(250)에 공기를 공급하고, 상기 중심측 튜브(202)의 상기 입구단과 내측 화염 튜브(216)사이의 공간에 공기를 공급하는 상기 공기 공급판의 홀이 나머지 50%를 구성하도록 하되, 상기 개방면적의 25%는 상기 내측 화염 튜브(216)와 중앙 또는 중심측 화염 튜브(218) 사이의 공간상에서 공기 공급판의 홀(234)에 존재하면서 제2 화염역(252)에 공기를 공급하고, 상기 개방면적의 12.5%는 홀(234)을 통하여 중앙화염 튜브(218)와 외측 화염 튜브(220) 사이의 공간으로 통하면서 제3 화염역(254)에 공기를 공급하고, 상기 개방면적의 나머지 12.5%는 상기 홀(234)을 통하여 상기 외측 화염 튜브(220)와 상기 내측 튜브(202) 사이의 공간으로 통하면서 제4 화염역(256)에 공기를 공급한다.

따라서, 정해진 양의 연료는 연료 노즐(218)을 통하여 제1 화염역(250)으로 직접 공급된다. 화학양론적으로 계산된 양 혹은 이를 약간 초과하는 공기가 적정한 (desired) 연소압력과 압축에 의해 생성된 열에 의해 온도가 상승된 상태에서, 그리고 바람직스럽게는, 연소기에서 배출되는 뜨거운 가스와 역열교환 (countercurrent heat exchange)을 하면서 밀폐된 공간(230)으로 공급된다. 공기는 상기 외측 공기 유동 공간(208)과 상기 내측 공기 유동 공간(204)을 경유하여 흐르는데, 일단 연소가 시작되면, 공기는 상기 내측 공기 유동 공간(208)에서 상기 내측 튜브(202)에서 복사되는 열을 더 취한다. 이렇게 더 가열된 공기는 상기 홀을 통해 분배되고 연료는 상기 제1 화염역(250)에 진입하는 공급 공기의 50%내의 산소와 결합하여 연소한다. 산소를 필요로 하는 화염이 상기 제2 화염역(252)으로 진입함에 따라, 공기의 나머지 25%에 있는 산소가 추가적으로 소모된다. 이와 비슷하게, 공기의 나머지 12.5%에 있는 산소가 제3 영역(254)의 화염에 의해 소모되고, 잔여공기 12.5%의 산소는 제4 화염 영역(256)에서 소모됨으로써 결과적으로 평형실 (258)로 유입하는 공기는 완전한 화학양론적 결합을 하게 된다.

화염온도와 연소실 온도 프로파일은 연소기의 도처에 위치한 열전대, 기타 온도센서(260)를 통해 감시된다. 도 2에서 온도센서(260)의 위치는 단순히 예시에 불과하고 필요하다면, 튜브의 벽면이나 중심에서 서로 다른 다양한 위치에 있을 수 있다.

연소실내의 온도 프로파일이나 화염온도를 제어하기 위해, 액상의 물(증기가아닌)이 다양한 위치에서 물 노즐(201)을 통하여 연소기내로 주입된다. 도 2와 도 3은 액상의 물을 연소기 외부로부터 연소기의 평형실(258)로 액상의 물을 전달하는데 사용되는 몇 개의 물 노즐들(201)을 개시하고 있다. 도 2에 가장 잘 개시된 바와 같이, 몇개의 물 노즐(201) 세트들이 연소기의 길이 방향을 따라 위치하고 있다. 바람직한 하나의 실시예에서, 3셋트의 노즐들(270,272,274)이 이용되고 각 세트는 3개의 노즐을 구비하고, 오직 원주의 약 180°보다 작은 범위 내에서 상기 3개의 노즐(201)이 존재하며, 적어도 2셋트는 원주의 다른 180°내에 존재하여 평형실(258)의 길이 방향을 따라 흐르는 작동유체내에 가능한한 소용돌이 형태의 혼합유동을 야기한다. 상기 노즐들은 물이 평형실내로 유입되어 곧 증기로 바뀌고 팽창하는 동안 좀 더 많은 난류를 생성하기 위해 상기 연소기 내측 튜브(202)에 방사상으로 위치하도록 개시되는 한편, 상기 노즐들은 좀 더 많은 접선류(tangential flow)를 생성하거나, 주입된 물질을 하류(down stream)로 유도하기 위해 연소기 중심축에 대하여 상이한 어떠한 각도로 위치할 수 있다. 물 제어기(40)는, 각 노즐들(201)의 제어밸브(미도시)나 노즐들의 각 세트(270,272,274)와 함께, 각 노즐들 (201)을 통하여 상기 평형실(258)로 유입되는 물의 양과 위치를 제어하고, 이어 평형실(258)내 특정위치의 온도와 그곳의 온도 프로파일을 제어한다. 통상의 작동조건에서 항상 상기 노즐들(201)의 모든 노즐들이 물을 주입하는 것은 아니다. 도 2는 또한 연료와 반응하는 상기 공기의 이전 단계의 공기에 증기를 공급하기 위해 공기 공급실(228)로 물을 공급하기 위한 적어도 하나의 물 노즐(201)을 개시하고 있다. 게다가, 여분의 노즐들은 외측 또는 내측 공기 유동 공간(204,208)으로 물을공급할 수 있다. 상기 연소기를 실제 작동함으로써 설명할 수 있는 궁극적인 목적은, 연소연료가 CO_2로 완전히 변환하도록 약 1800°F 이상의 온도에서 충분한 잔류시간을 제공하는 한편, 평형실(258)과 상기 화염역들(250,252,254,256) 내의 온도를 약 2200°F 에서 2600°F 이하로 제한하여 NO_x의 형성을 방지하거나 실질적으로 줄이는 것이다. 게다가, 예를 들어 만약 가스 터빈 보다는 증기 터빈을 제공하는 것이 바람직한 경우 또는 궁극적인 목적이 고온, 고압의 증기를 대량으로 제공하는 것이라면, 필요에 따라 더 많은 물 노즐들이 추가적인 물을 더하기 위해 후류에 부가될 수 있다. 그러한 경우에 있어서, 화염 안정성이나 오염물질을 생성하지 않고서도 16:1 만큼의 높은 물과 연료의 비율이 개시되어져 오고 있다.

일단 연소기 내부 구성부분이 뜨거워지면 연소기로 주입된 연료는 자발적으로 점화하지만, 차가운 연소기를 시동하는 경우 화염을 일으키는 점화 스파크를 제공하는 것이 초기에는 필요하다. 이러한 작용은 제1 화염역(250)에 존재하는 점화기(262)에 의해 제공된다. 도 3은 2개의 점화기(262)를 보여주고 있다. 그러나, 1개의 점화기로도 충분하다는 것이 알려져 있다. 상기 점화기(262)는 대개는 고온의 항공기 엔진에 이용되는 것과 같은 스파크 플러그이다. 그러나, 백열 프러그(glow plug), 고온 저항열 금속봉(resistance heated high temperature metal rod), 수소화염에 의해 점화되는 스파크 등도 점화장치를 구성하는데 적합하다. 기술에 숙련된 사람은 쉽게 각 점화기를 구별할 수 있을 것이다.

상기 연소기의 복수 튜브 구성은 운전중 상기 중심측 튜브(202)에 걸쳐서 작용하는 기계적 응력에 대하여 특유의 장점이 있다. 위에서 언급된 바람직한 실시예에서, 상기 내측 튜브(202)내 공간(평형실 258)의 작동유체는 온도와 압력이 상승된 상태이며, 온도는 2600°F 까지 가능하고 압력은 약 4기압에서 30기압 이상까지 가능하다. 일반적으로 내측 튜브(202) 벽면의 온도를 낮추거나 내측 튜브(202)에 그 벽면을 통하여 심각한 차등 압력이 걸리는 것을 방지할 수 있는 수단이 제공되지 않는다면, 이러한 운전조건은 튜브 구성에 이용되는 물질을 해치게 된다. 그러나, 도 2에 제시된 바와 같이, 압축기(10)를 떠나는 공기는 상기 내측 튜브(202)내의 압력과 실질적으로 동일한 압력으로 상기 외측 공기 유동 공간(208)으로 진입한다. 실질적으로 동일한 압력이 상기 내측 공기 유동 공간(204)내에 배출된다. 결과적으로 상기 중심측 튜브(202)에는, 배출단(196)에서는 예외지만, 실제의 모든 경우에 있어서 차등압력이 걸리지 않는다. 나아가, 내측 공기 유동 공간(204)을 통하여 흐르는 압축 공기는 상기 내측 튜브(202)의 외측 전 표면을 계속해서 덮치고 지나가기 때문에, 내측 튜브의 외측 반경을 평형실(258)을 흐르는 작동유체의 온도보다 작은 온도로 유지할 수 있다. 완전한 차등압력 즉, 연소기 내부 압력과 대기압 사이의 압력차에 노출되는 유일한 튜브는 3개 튜브중 온도가 가장 낮고 차등압력에 가장 잘 견디는 외측튜브(210)이다. 이러한 설계는 허용 가능한 가장 저온으로 외측튜브(210)를 유지하는데 효과적이어서 상온의 압축공기가 TIT 2100°F에서 작동되는 연소기로 공급된다면 상기 외측튜브(210)는 운전 중 만져보면 차갑다.

압축비, 터빈 입구 온도, 물 입구 온도는 VAST 사이클이 이용되는 장치에 의해 필요에 따라 변화될 수 있다. 게다가, 상기 연공비(fuel/air ratio)는 화학양론적인 양을 보장하기 위해 사용되는 연료의 형태에 따라 변화되고, 연소기를 사용하는 시스템의 효율은 보다 효율적인 압축기와 터빈설계를 이용함으로써 증가될 수 있다. 연공비를 일정하게 유지한 채 공급공기를 증가시키면 이에 비례하여 출력(power output)이 증가한다.

상기 VAST 사이클은 작동유체로서 공기와 증기가 모두 존재하기 때문에 압축 공기 작동 사이클과 증기 사이클의 혼합이다. 증기와 공기 각각은 연소기 내에서 발현되는 전체압력의 부분을 구성한다. 본 논의에서, 작동유체라는 용어는 주입된 물에서 생성된 증기와, 입구 압축공기의 산소와 연소되는 연료의 생성물, 공기의 불연성 성분 및 존재 할 수도 있는 압축공기의 과잉성분을 모두 포함할 의도로 즉, 모든 연소생성물과 공기의 불활성 성분과 증기를 포함하는 것으로 이해될 것이다. "증기"라는 용어는 액체상태로 주입되어 과잉증기화 하는 물을 의미한다. 상기 기술된 과정은 작동유체로서 연소생성물과 공기의 혼합증기를 이용한다.

상기 VAST 사이클내의 열역학적 과정에 대한 간략한 논의가 이어진다. 공기는 보통 2단계 내지 3단계의 압축기(10)에서 압축된다. 압축기(10) 출구에서의 배출상태는 압축에서의 엔트로피 관계식을 이용하여 계산되고 실제상태는 압축기 효율 85%를 이용하여 계산된다.

위에서 설명한 바와 같이, 압축공기는 공기 유동 제어부(27)를 통해 연소실 (25)로 진입한다.

상기 연소실(25)은 연소온도가 대체로 일정하게 되는 조건으로 정압하에 연료를 연소한다. 독립적인 연료, 공기, 물 제어부가 있으므로 상기 온도는 완전히 제어할 수 있다. 시동후, 연소기 입력 압축공기는 정압하에 있다. 그래서, 정압하의 공기공급과 고정된 연공비의 조합은 물 주입에 의한 TIT 제어와 협력하여 연소실내의 압력을 일정하게 한다. 고압하의 연료주입후 곧바로 연소실에서 연소가 시작되고 공기오염물질의 회피와 효율을 위한 이상적인 연소상태가 제공되는데, 처음에는 완전연소에 필요한 혼합연료의 양보다 더 많은 혼합연료가 존재하여 연소가 진행되면서 추가적인 공기가 첨가된다. 이러한 공기는 최소값으로서 완전연소에 필요한 필요한 양(화학양론적인 양)이지만 궁극적으로는 연료성분의 완전연소에 필요한 양을 초과하는 양을 연소되는 연료의 주위에 원주상으로 첨가된다. 화학양론적인 양이 유입되는 동안 5% 초과는 완전연소를 강제하는 것처럼 보이고 필요한 경우 촉진을 위한 초과 산소를 제공한다.

4000 psi 이상의 고압 상태에서 물은 물 주입 제어부(40)에 의해 주입된다. 압력은 연소기 전에 증발을 방지하는 수준에서 유지된다. 상기 연소실(25)내의 고온과 상대적 저압으로 인해 주입된 물은 즉시 증기로 변하고 연소가스와 혼합된다. 연소실(25)내로 첨가되는 물의 양은 요구되는 터빈 입구 온도(TIT)와 주입 직전의 물의 온도에 따라 결정된다. 연료가 연소되는 동안 방출되는 열량의 일부는 3단계 압축기(10)의 압축공기의 불연성(비활성)부분의 온도를 TIT까지 상승시키는데 이용된다. 연소열의 나머지 부분은 주입된 물을 증기로 변환하는데 이용된다.

표 1은 디젤 #2 연료를 사용하는 시스템의 여러 가지 묶음을 설명하고 있다. 예를 들어 보기 30에 대해 설명하면, 30/1의 압축비, 터빈 입구 온도 2050°F, 0.5기압의 터빈 출구 압력, 598°F 의 물 입구 온도가 표시되어 있다. 본 시스템을 모델링한 컴퓨터 모의실험에 의해 예측된 결과는 압축기와 상당한 표준으로 공인된터빈 효율 92%를 사용한 작동기관의 효율을 반영한다. 이는 760의 순마력과 0.31의 SFC, 0.431의 효율로 나타난다. 모의실험 과정중의 표 1에 계산되고 데이터 표에 열거된 보기들은 물 입구 온도와 터빈 입구 온도가 고정된 채 압력비가 변화하는 경우의 결과를 보여주고 있다.

비슷한 방식으로, 다른 운전조건들도 변화될 수 있다. 예를 들면, 물의 온도는 그 최대값이 원하는(desired) TIT보다 크지 않다면 증가될 수 있다. 우선적으로, 물의 온도는 원하는 TIT 아래 약 50°F 이상의 온도까지는 증가되지 않는다. 그러나, 실질적인 이유로, 터빈을 떠나는 작동유체는 공급수를 가열하는데 이용되기 때문에 입구의 물은 보통 터빈 출구 온도보다 기껏해야 50°F 낮은 곳에서 고정된다. 물의 온도가 높으면 높을수록 연소온도를 TIT까지 낮추는데 필요한 물의 양도 많아져서 터빈으로 흐르는 가스의 유량도 많아지고 출력도 커지는 결과가 된다. 비슷하게 상기 TIT도 상승도거나 하강될 수 있다. 데이터 표의 보기 1-7은 TIT가 1800°F 일 때 계산되었다. 이것은 고온합금이나 오목 블레이드를 이용하지 않고 공기나 증기를 이용해 냉각하는 터빈에서 일반적으로 받아들여지는 최대값이다. 그러나, 고온이나/또는 부식에 강한 합금, 고온 복합물, 세라믹 기타 터보 제트 엔진에서와 같이 고온 작동을 위해 설계된 물질은 2300°F 이상의 온도에서 작동될 것이다. 보기 8-13, 15-31과 14는 각각 2000°F, 2050°F, 2175°F와 같은 보다 높은 온도에서의 작동을 예시하고 있다.

표 1의 보기 1-5는 공기압축비의 증가에 의한 마력과 효율및 SFC에 대한 영향을 보여주고 있다. 배출압력(85%의 터빈 효율과 압축기 효율로 계산된)을 낮추는효과는 보기2, 6,7에 나타나 있다. 보기 8-13은 TIT 2000°F, 터빈 출구 압력 0.5기압, 약 595°F에서 약 700°F의 물 입구 온도를 가진 시스템에 대해 터빈 효율을 90%로 가정하고 계산했을 경우의 공기압축비의 영향을 보여주고 있다. 터빈효율 93%는 현재 이용중인 공기 압축 축형 터빈이나 동력 터빈 익스팬더 트레인(power turbine expander train)에 의해 주장되어지고 있음을 유의해야 한다.

보기 15-24와 25-31은 두 개의 서로 다른 터빈 효율에서 공기압력을 증가하는 경우의 효과를 예시하고 있다.

보기 1에서 31까지 연료는 디젤#2이고 연공비는 디젤#2에 대한 화학양론적인 비율인 0.066이다. 다른 연료에 대해서는 화학양론적인 조건을 유지하기 위해서는 다른 연공비가 요구된다. 보기 32는 메탄을 사용하고 연공비는 0.058이다. 메탄은 디젤보다 좀 더 효율적으로 연소하기 때문에, 좀 더 낮은 연공비가 요구되고 따라서 물도 적게 필요하다.보기 32는 또한 공업용 터빈(청구되는 발명을 이용하지 않음)의 작동 변수로서 모두 요구되는 터빈 효율 93%, 터빈 입구 온도 2175°F에서 계산된 것이다.

보기 8-13, 15-20, 25-30에 열거된 상기 시스템의 밀폐 사이클 구현에 대한 공기 압축비 변화의 영향은 도 7-10에 나타나 있다. 특히 도 6은 열효율을 나타내고, 도 7은 SFC를 개시하고, 도 8은 터빈 출력을 보여주며, 도 9는 순출력을 나타낸다.

본 발명에 의한 연소기는 작동유량이 등압이나 등온하에서 또는 등압과 등온하에서 증가될 수 있기 때문에 근본적인 점에서 이전 장치와 상이하다. 등온은 연소기(25)의 온도 감시기(자동온도조절장치)에 따라 물 주입 제어부(40)에 의해 제어되는 물 주입을 통하여 연소 제업부(100)에 의해 유지된다. 화학양론적인 양이나 이를 약간 초과한 양의 압축 공기가 압축기(10)에 의해 공급되는 경우, 연소기(25)내에서 전형적인 액체 탄화수소의 연소 온도는 약 3000°F에서 3800°F에 달한다. 과잉공기의 양이 많을수록 그에 따른 터빈 입구 온도는 감소하지만, 실제 연소온도나 점화 온도에는 큰 영향을 미치지 않는다.

연소기(25)로부터의 배출온도에 대한 실질적인 제한은 결국 배출온도에서의 함유벽면(containing walls)의 재료강도 즉, 연소기 벽면의 고온 내구력과 출력터빈의 구성물질, 터빈 블레이드가 외적 또는 내적으로 별도로 냉각되는지의 여부에 의해 결정된다. 이러한 배출온도는 곧 증기로 변화하는 고압수의 주입, 증발열, 연소중인 연료의 연소열에 상응하는 과열 등에 의한 변화를 통해 적절한 한계사이에서 제어된다. (연소중인 연료의 온도는 전적인 것은 아니지만 주로 물이 증발해서 TIT까지 뜨거워질 때의 증발열과 과열에 의해서 바람직한(desired) TIT까지 줄어든다.) 그래서 주입되는 물의 양은 희망하는 작동온도에 의해 결정되며, 높은 과열상태에서는 약간 줄지만 고정된 작동온도 상태에서는 일정하다. 모든 바람직한 (desired) 엔진 rpm에 의해 요구되어지는 바와 같이 작동압력(working pressure)은 압축기(10)에 의해 일정하게 유지된다.

공기의 비반응 성분(즉 N_2,CO_2)과 증기, 연소 가스의 결과적인 혼합작동유체는 작동기관(50 위에서 설명한 것처럼 보통은 터빈)으로 유입되고 상기 작동기관에서 상기 증기-가스 혼합물의 팽창이 일어난다. 작동기관(50) 출구에서의 배출조건은 터빈 효율과 등엔트로피 관계식을 이용하여 계산된다.

작동기관(50)에서의 배출가스와 증기는 배출제어부(60)를 경유하여 흐른다. 배출 제어부(60)는 배출당시 증기의 분압에 상응하는 포화온도까지 온도가 감소되는 응축기를 구비한다. 터빈 출구에서의 증기는 이와 같이 응축되고 물 주입 제어부(40)에 의해 상기 연소실(25)로 다시 펌핑 된다. 잔여 연소가스는 제2 압축기를 통하여 흐르고 진공상태가 터빈 출구까지 연장되어 대기로 배출된다면 압력은 제2 압축기에서 대기압으로 다시 상승된다. 이와 달리, 본 기술분야의 전문가에게 인식될 수 있는 바와 같이, 과열 증기의 흐름인 터빈 배출가스가 직접 이용될 수 있다.

본 발명은 물의 증발 잠열을 실질적으로 이용하고 있음을 알 수 있다. 물이 연소실로 주입되고 수증기가 생성되면, 몇가지 유용한 결과가 발생한다 : (1) 수증기는 자신의 고유한 분압을 나타낸다. (2) 연소기 내의 전압은 공기 압축기에 의해 유지되는 연소실 압력이 될 것이다 (3) 수증기 압력은 압력을 받고 있는 물속에서 펌핑할 소량을 제외하고 기계적 비용이 발생하지 않는다. (4) 고수준의 증기 압력은 물을 제외하고 기계적 압축 없이 등엔트로피와 등엔탈피에서 증기와 함께 얻어진다. 물의 증기로의 변환은 또한 연소가스를 냉각시켜 오염을 제어할 수 있다.

B. 오염과 효율 제어

모든 형태의 연소는 기관이든, 산업용 용광로이든 종류를 불문하고 공기 중에서 반응하여 스모그를 형성하는 생성물을 만들어 내는 경향이 있다. 본 발명은 하기에서 기술할 여러 가지 방법으로 오염물질의 형성을 줄이거나 감소한다.

먼저, 냉각되는 실린더 벽과 헤드를 가지고 작동되는 내연기관은 연료-공기 혼합물의 냉각을 위한 경계층이 있어서 연소되지 않은 탄화수소의 조그만 양이라도 배기행정동안 방출할 수 있게 된다. 본 발명은 연소실 벽을 피하고, 2가지 별개의 방법으로 냉각하여 연료를 위한 연소온도를 적정한 수준에서 유지하는데, 2가지 모두 미국 특허 제3,651,641에 개시되어 있다. 먼저, 뜨거운 압축 공기가 상기 공기 유동 제어부(27)에 의해 연소기(25) 외측벽 둘레를 유동하도록 하여 연소가 점화온도 이상으로 가열되는 작은 공간내에서만 발생하도록 한다. 둘째, 상기 연소 화염이 연료와 혼합되지 않은 공기로 보호되도록 한다. 그래서, 바람직스럽게는 2000°F 이상인 뜨거운 연소실 벽이 본 사이클을 작동하는 엔진에서 이용된다.

다음으로, 스모그 생성물은 한정된 온도 범위내에서 연소기를 작동하는 것으로 방지될 수 있다. 예를 들면, CO 기타 다른 부분연소의 생성물은고온 연소, 바람직하게는 2000°F 이상의 연소나 연소후 상당한 잔류시간 동안 그러한 생성물들을 보유하는 것에 의해 잘 감소한다. 그러나, 너무 고온에서는 더 많은 질소 함유물과 질소 산화물(NO_x)이 생성된다. 따라서, 너무 높거나 낮은 온도는 스모그 생성물을 감소하는데 허용되지 않는다. 본 발명에서의 연소 제어기(100)는 상기 버너(214)의 단계적인 연소로 제어되는 저온으로 연료와 공기에 대한 연소를 시작하고, 상당한 잔류시간동안 서서히 증가한 다음, 물 공급을 이용하여 미리 설정된 스모그 방지 온도(TIT)까지 냉각(연소를 완료한 후) 된다. 그래서, 연소는 처음에 혼합연료가 충분한 상태에서 시작된 다음, 최소한의 과잉산소를 보유한 연료의 완전연소를 허용하고 약 2500°F 이하에서 연소실(25) 잔존시간의 약 반 동안 냉각시키기 위해충분한 압축공기가 추가된다. 물 주입은 물 주입 제어부(40)에 의해 직접적으로 상기 버너, 연소실 혹은 상류(upstream)에 추가되어 바람직하게는 상기 요구되는 (desired) TIT까지 냉각되기 전에 모든 탄화수소의 완전한 연소를 보장하는 약 2500°F의 영역에서 허용할 수 있는 온도를 유지한다.

전형적인 엔진에서, 탄화수소 연료는 효율 향상을 위해서 종종 연료보다 약간 많은 공기와 즉, 화학양론적인 비율보다 약간 적게, 혼합되어 연소된다. 그러나, 이는 과도한 CO와 보다 복잡한 불완전 연소 생성물로 귀결된다. 그러나, 본 발명은 공기 유동 제어부(27)를 통하여 공기를 점진적으로 공급하기 때문에 연소를 희석시키고 나아가 그러한 스모그 생성물을 줄인다.

또한 질소 산화물은 위에서 언급하였듯이 고온에서 더 빠르게 형성되지만, 추가적인 압축공기로 제어된 연소생성물의 희석에 의해 또한 감소될 수 있다.

본 연소 사이클은 완전하고 효율적인 연료 연소와 양립하고 불완전 연소 생성물을 제거하며 질소 산화물과 같은 기타 연소 생성물을 줄인다. 연소 제어부 (100)는 상당한 초기 잔류시간에서 연소 생성물의 연소를 허용하고 그 후 연소 생성물과 과잉공기는 허용할 수 있는 엔진 작동 온도까지 냉각된다. 상기 엔진 작동 온도는 1000°F 에서 1800°F 의 범위에 놓이고, 적당한 구성물질이 터빈에 이용된다면 심지어 2300°F까지 가능하든지 혹은 700°F 내지 800°F의 낮은 범위에 놓일 수 있다.

평형조건은 연소실(25)을 연소실(25)내의 연소영역 길이의 적어도 약 2배 내지 4배로 함으로써 만들어 질 수 있다. 그러나, 적절하게 설계된 연소실은 어느 것이나 사용할 수 있다.

기술한 바와 같은 연소는 스모그를 형성하는 요소를 줄이는 방법을 제공하면서 동시에 연료에너지의 유동에너지로의 완전한 변환을 제공한다.

상기 VAST 사이클은 연공비와 화염온도가 독립적으로 제어되기 때문에 저오염 연소 시스템이다. 연공비와 특히 압축공기내의 모든 산소를 연소하는(필요하면 대용량 압축공기로 희석하는) 기회에 대한 제어는 불완전연소에 기인하는 일산화탄소나 불연소 탄화수소의 발생을 억제한다. 공기보다는 불활성 희석제(물)의 사용은 질소산화물의 형성에 대한 제어를 가능하게 하고 고온에서 이산화탄소의 분리에 의해 형성되는 일산화탄소의 형성을 억제한다. 위에서 설명한 대로, 증기나 물과 같은 높은 비열을 가진 희석제의 사용은 온도 조절에 필요한 희석제의 양을 감소시킨다. 질소 산화물의 경우, 상기 VAST 사이클은, 어떤 시스템에 대해서는 적용되고 있는, 질소산화물 형성을 허용하고 그것들을 제거하는 어려운 작업을 하는 것보다는 질소 산화물의 생성을 억제한다는 점에 유의해야 한다. 이러한 모든 요소들의 순 결과는 상기 VAST 사이클은 무시할 수 있는 오염수준으로, 가끔씩은 질량분광 기법을 이용하는 탄화수소나 질소 산화물의 검출의 한계보다도 낮은 정도의 오염수준으로, 넓은 범위의 조건하에서 작동한다는 것이다.

다른 사람들은 소량의 물을 주입하는 것을 시도하였지만 오염도 0에서의 작동과 양립할 수 없거나 이에 도움이 되지 않는 조건하의 시도였고, 효율감소로 귀결되었다.

Kidd의 미국특허 제 4,733,527은 상대적으로 소량인 물을, 연료와 명백하게화염 자체 속으로 동시에, 연소실내로 주입하여 NO_x의 형성을 줄이려는 노력으로 화염의 온도를 감소시킨다. 그러나, 키드는 업계의 다른 숙련가와 마찬가지로 NO_x형성을 저지한다거나 의미있는 NO_x의 감소를 이루지 못했다. 연소기 상에 촉매 변환자 없이 다른 사람들에 의해 시연되어 왔던 최고의 NO_x 수준은 약 25 내지 30 ppm 이다. Kidd는 제어부를 구비하고 연료의 양보다 작거나 같은 물을 첨가함으로써, 즉 WFR = 1.0으로 하여 NO_x의 수준을 30ppm 씩이나 감소시킨 가장 널리 알려진 선행기술을 예시하고 있다.

이와 대조적으로, 출원인은 압축공기의 입구 온도가 약 400°F인 경우, 실제로 5.57의 WFR에서 4ppm 만큼이나 낮은 NO_x수준을 예시하고 있다. 이느 아래에서 좀 더 자세히 설명된다. 만약 공기 온도가 30:1의 2단 압축기의 표준 배출온도인 964°F 이었더라면, WFR은 8.27이었을 것이다. 그정도의 대용량의 물을 운반할 수 있는 능력은 특별한 연소기를, 과거에는 누구나 작동할 수 없다고 얘기하고, 그 분야의 숙련가들도 얻을 수 없는 저온이 생성되고, 연소 화염이 꺼져 버리며, 작동효율은 작동기관을 동력 공급원으로서는 무용한 장치로 만들어 버릴 것이라는 조건에서 작동한 결과이다. 화염온도를 낮추기 위해 온도제어를 위해 이미 대용량의 공기를 사용하고 있는 시스템에 작동하는 선행기술과 달리, 출원인은 화학양론적인 공기의 양을 구비한 제어된 뜨거운 화염을 생성한 다음, 연소생성물을 급히 냉각시켜 원하는 배출성분을 만든다.

실질적으로 작동유체의 냉각, 그리고/또는 연소온도와 배출온도(연소기로부터의 배출 혹은 터빈 입구 온도) 등의 냉각은 액상의 물과 같이 주입된 액체의 증발잠열에 의해 제공된다. 결과는 연료/공기의 혼합이 연소, 연소 생성물, 열의 생성이라는 관점에서 보아 가장 효율적인 화염이 선택되고 운전이 선행기술에 의한 장치에서와 같이 연소생성물의 냉각을 위해 상당한 양의 초과공기를 공급할 필요성에 의해 구속되지 않도록 선택될 수 있다는 것이다. 게다가, 선행기술에 의한 장치는 화염온도를 제한함으로써 오염물질을 제어하였다. 이와 대조적으로 본 발명은 화학양론적인 공기와 연료의 혼합이 이용되도록 함으로써 연소생성물을 바람직한 (desired) TIT까지 냉각하고 NO_x의 형성을 억제하는 조합으로 혼합하는 제어에 의한 CO잔류량을 제거하는 완전연소를 수반하는 뜨거운 단계의 화염을 생성한다.

나아가, 이 분야의 숙련가는 출력 터빈에 의해 생산되는 출력의 크기는 터빈으로 유입되는 작동유체의 질량과 온도 및 터빈을 통한 압력차이에 의해 결정된다는 것을 알고 있다. 연료와 공기의 화학양론적인 혼합의 제공에 의해 고온의 효율적인 화염(일반적으로 2300°F 이상)이 만들어지고 실질적으로 모든 냉각이 연소실로 주입되는 액체상태인 물의 증발잠열에 의해 제공되는 경우, 상기 주입된 액체는 작동유체의 배출온도를 상기 가스터빈의 임의의 상태에 있어서(1850°F 에서 약 2100°F) 최대 TIT까지 떨어 뜨리기 때문에 물의 양은 상기 화염온도, 연소기로 진입하는 물과 압축공기의 온도에 따라 사용되는 연료 중량의 약 5배 내지 8배이다. 특정한 화염, 물, 공기 입구 온도에 대해 공급되는 물의 양은 바람직한 TIT에 대해 정확하게 결정될 수 있다. 작동유체의 TIT가 1850 - 2100°의 범위인 때 효율이 높은 방식으로 가스터빈이 작동되는 경우, 효율은 보다 높은 TIT를 이용함으로써 개선될 수 있다. 현재의 제한요소는 터빈 상태의 구성물질이다. 바람직한 TIT를 얻기위해 많은 양의 물을 주입하여 온도를 낮추는 한편 터빈으로 유입되는 작동유체의 질량을 증가시키는 것은 터빈에 의한 전기에너지 생산효율을 확연히 높인다. 이것은 출원인의 발명을 이용함으로써 실현되는데 여기서 과잉공기는 결국 고온 화염 속에서 실질적으로 제거된다. 물 주입에 의한 바람직한 TIT까지의 급속한 냉각은 유용한 에너지의 생산효율을 개선시키는 동시에 질소 산화에 필요한 과잉산소의 거의 완벽한 제거에 기인하는 NO,~NO_2와 같은 원하지 않는 오염물질의 형성을 방지한다.

표 1의 내역은 선택된 운전조건과 32개의 다른 운전조건하에서 발생된 결과를 나타내고 있다. 모든 경우에 있어서, 같은 양의 연료로 운전되는 선행기술에 의한 엔진보다 효율은 더 높고 연료 소모율은 더 적다. 표 2의 보기 33-40은 A/F=0.02020에서 동일한 양의 공기로 운전되는 브레이튼 사이클의 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과에 의하면 특허청구범위에 기재된 기관이 특허청구범위에 기재된 발명이 없이 작동하는 기관보다 10% 이상 더 효율적으로 작동하고, 연료소모는 10% 덜 소모할 것이다.

조건들 아래에서의 연소기의 실제 작동은 연소되지 않은 연료(HC)는 없고 NO_x와 CO는 1ppm 이하인 작동유체를 산출했다. 99-100%의 연소효율이 얻어 졌다. 상기 연소기는 표 3에서 설명된 보기를 위해 이용되는 공기/연료 비율로서 안정한 방법(화염 불안정성 혹은 온도 유동의 증거는 없음)으로 작동되었다.

표 3은 연료로서 디젤#2를 이용하고 여기서 기술된 방법으로 제작되고 배출압력이 1기압이라는 사실을 제외하고는 보기 3, 13, 20 그리고 30에서 설명된 조건하에서 작동되는 VAST 연소기에 대해 얻어진 데이터를 설명하고 있다.

배출가스는 Energy Efficient Systems에 의해 제공되고 공급자에 의해 O_2~, NO_x~, CO 기타 가연물들(연소되지 않은 연료)을 위한 눈금이 매겨져 있는 Enerac 2000을 사용하여 분석되었다. 상기 Enerac 2000은 구리관에 의해 연소기내의 TIT위치에 자리한 테스트 포트로 연결되어 졌다.

다양한 작동변수와 가스 성분의 목록이 표 3에 열거되어 있다. 연료와 공기 및 물에 대해 주어진 값은 초당 파운드이다. TIT는 터빈 입구온도에 해당한다. 공기/연료의 비율과 물/연료의 비율의 계산도 포함되었다.

표 3의 바닥으로부터 7개의 줄은 Enerac 2000에 의해 측정된 값(NO_x~, ~CO~,~O_2, 가연물)과 연소효율, CO_2 및 과잉공기에 대한 계산된 값을 반영한다. Enerac 2000의 제작자는 연소효율은 사용되는 특정 유닛이 추천온도인 200°F 보다는 대기온도에서의 측정 알고리즘에 보정부가 없어 가짜짜의 낮은 것이라 밝히고 있다. 연소효율은 94.4에서 96.4 라기 보다는 거의 100%에 가깝다. 상기 테스트 장치 제작자는 측정된 값은 훨씬 더 신뢰성이 있으며, 연소되지 않은 연료의 자료 (readings)는 99-100%의 연소효율을 나타낸다고 밝히고 있다.

각 테스트 수행의 작동조건에 따라, NO_x는 9ppm 보다 낮았으며, 4ppm까지나 떨어지는 기록된 NO_x 수준에서는 CO는 검출되지 않았으며 3ppm까지나 떨어지는 다른 데이터 값들에 대해 테스트 유닛의 디지털 판독장치의 자료들(readings)을 관찰했다.

예시된 테스트의 수행에서 물/연료의 비율은 4.75에서 6.88의 범위이지만,9.36의 높은 물/연료 비율이 안정적인 연소기 작동에 영향을 주지 않고 기록되었다. 게다가, 입력공기의 온도는 대략 400-500°F 사이였다. 입력 온도가 배출압력 30기압 이상인 2단 압축기에서는 전형적인 온도인 900°F 이상이라면, 화염온도를 원하는 범위에 유지하기 위해서는 1파운드의 연료에 대해 2 파운드의 물이 추가적으로 필요하다.

연소기를 떠나는 배출가스는, 0ppm의 CO 와 함께 이곳의 표 3에 나열된 조건으로 작동되고 육안으로 관찰하면, 눈에 보이는 연기, 증기 또는 특별한 물질 없이 완전히 깨끗하고 투명하다. 배출기류의 열로 인한 시각적 왜곡은 차치하고, 디젤#2 연료가 연소되는 중의 시각적 표시는 전혀 없다.

상기 연소기(25)는 증기를 얻기 위해 열이 열교환기를 통하여 순간 증발기나 보일러로 전달될 때 발생하는 효율감소 없이 고온의 작동유체를 생성하기 위해 물과 열을 이용하는 구조를 나타낸다. 연소생성물에 단순히 가열된 가스 보다 물을 공급한다는 것은 가스 생성을 위한 유체원과 곧 증기화하는 물을 이용하는 수단을 의미하는 것으로서, 온도, 압력, 기타 독립적인 제어가 가능한 요소의 시각에서 상당한 유연성을 제공하는 동시에 매우 효율적인 질량과 압력원을 제공한다. 게다가, 주입된 물은, 연소실로 직접 첨가되어 연소과정을 억제하게 되면, 대부분의 연소과정에서 유발되는 오염물질을 줄인다.

나아가, NO_x의 형성에 필요한 질소의 양은 굉장히 줄어든다. 냉각을 위해 과잉공기 보다는 물을 이용하고 시스템에 공급되는 공기의 양이 상당히 줄어들기 때문에 모든 형태나 모델의 공기 희박 개방 사이클 브레이튼 엔진과 비교하여 약30%정도의 질소만이 연소실(25)의 연소 가스내에 존재한다. 특히 약 1/3정도의 공기가 연소실내로 공급된다. 이하에서 논의되는 바와 같이, 이것은 또한 공급공기의 압축에 소모되는 에너지를 상당히 줄인다.

나아가, 주입된 물이 순식간에 증기로 변환될 때 급속하게 팽창하여 부피는 30기압에서 50/1 이상 증가한다.

C. 물 주입

물 주입 제어부(40)는, 미세한 물안개를 연소실에 분사하기 위해 배열된 노즐(201)을 통해, 주입되는 물(41)의 압력과 부피를 제어한다. 물은 압축기(10)앞의 흡입공기로 분무되는 경우, 압축기(10)에 의해 생성되는 압축공기흐름으로 분사되는 경우, 연료노즐이나 다수의 연료노즐 내부 또는 둘레로 분무되는 경우, 모든 원하는 위치에서 연소실(25)내의 연소 화염이나 연소 가스로 분무되는 경우나 작동기관(50)으로 유입되기 전의 연소가스의 후류로 분무되는 경우를 포함하여 하나 이상의 영역을 통하여 연소기 내부로 주입될 수 있다. 다른 주입영역은 숙련된 기술자에 의해 쉽게 상상될 수 있다. 초기에 기술한 대로, 주입되는 물의 양은 연소 생성물의 온도와 바람직한(desired) 최대온도 및 연소기(25)내의 온도 감지기(260)에 의해 모니터 되는 평형역(258) 내의 온도 프로파일에 기반을 두고 있다. 또한 주입되는 물의 양은 상기 VAST 사이클을 이용하는 시스템에 달려 있다. 예를 들면, 자동차에서 이용되는 경우처럼 물이 재순환 한다면, 출력과 이용되는 전체 물 사이의 유용한 균형을 얻기 위해 물은 최대한 많이 냉각된다. 즉, 물 유입 온도가 낮고TIT가 높다면, 연소온도를 TIT까지 낮추는 데는 소량의 물이 이용된다. 한편, 상기 시스템의 주요 목적이 전기 에너지를 발생시키면서 오염된 물이나 해수로부터 포트블 워터(potable water)를 생산하는 것이라면, TIT는 떨어지면서 물 유입 온도는 가능한 높게 상승되어야 한다.

D. 증가된 유용 출력

물의 주입과 함께 상기 VAST 시스템을 이용하기 위해서는, 화학양론적인 공기의 양 또는 약간의 과잉공기가 공급된다. 공급되는 공기의 양은 동일한 양의 연료를 연소하여 브레이튼 사이클(물 주입과 과잉공기에 의한 냉각은 없음)에 따라 작동하는 시스템과 비교하면 상당히 감소된다. 그러므로, 상기 VAST 시스템은 브레이튼 사이클의 연소기에서 보다 훨씬 작은 압축기를 요구하고, 결과적으로 압축기 구동에 이용되는 터빈에서 생성된 에너지 부분은 상당히 감소된다. 예를 들면, 브레이튼 사이클 공기양의 약 1/3이 이용된다면, 약 1/3의 출력조건을 갖는 보다 작은 압축기가 이용될 수 있다. 대형 압축기에 동력을 공급하기 위해 써버렸던 에너지는 이제 고객에게 공급되거나 부가적인 장치를 운영하기 위한 추가에너지로서 이용될 수 있다.

보기 33-40은 브레이튼 사이클에서 작동하는 동력 시스템에 대해 계산된 값을 열거하고 있다. 이 데이터는 상기 VAST 시스템에 따라 같은 조건에서 작동하는 (1#/초 공기에서) 보기 25-31과 비교될 수 있다. 유용한 터빈마력의 상당한 차이는 특별한 관련 없고, 상당한 추가량은 상기 VAST 연소기와 함께 작동하는 시스템으로부터 유용하다.

좀 더 구체적으로, 디젤#2에 대한 NACA 테이블로부터의 연료조건을 이용하면, 상기 브레이튼 사이클은 공기 1파운드 당 디젤#2의 0.0202 파운드/초가 필요하다. 그러나, 화학양론적(과잉공기는 없고, 모든 연료와 산소는 소모되는 경우)으로는 공기 1파운드당 디젤 0.066 파운드가 필요하다. 다른 말로 하면, 디젤 0.0202 파운드가 연소될 때, 단지 공기 0.306 파운드내의 산소만이 소모된다. 동일한 연료양에 대해, 즉 0.066 파운드의 디젤에 대해, VAST는 1파운드의 공기가 필요한 반면 브레이튼 사이클 시스템은 3.27 파운드의 공기를 이용한다. 그러나, 상기 VAST 연소기는 TIT 2050°에서 터빈으로 흐르는 1.6123 파운드의 총 유량 - 브레이튼 사이클의 3.336 파운드에 비교되는 - 에 대해 작동하는 경우 0.5463 파운드의 물이 필요하다. 터빈의 출력은 터빈에 공급되는 질량에 의존하므로, 터빈이 동일한 양의 에너지를 생성하기 위해서 상기 VAST 연소기는 약 2배(2.07배)의 총 질량을 필요로 하고, 모든 성분에 대한 공급도 비례적으로 증가하며 공기의 양도 2.07 파운드가 될 필요가 있다. 이것을 3.27 파운드가 필요한 브레이튼 사이클과 비교하면, 1.2 파운드의 공기가 덜 필요하게 되고, 브레이튼 사이클 크기의 63.3%의 압축기가 이용되며, 필요한 공기를 공급하기 위한 압축기 구동에 필요한 에너지도 36.7% 감소된다. 디젤#2는 완전히 연소되면 1936 BTU/파운드를 방출한다. 그러므로 0.066 파운드의 디젤#2가 연소되면 1808 연소마력을 생산한다는 것이 계산된다. 보기 30은 43.1%의 효율에서 작동하여 766마력이 생산된다. 브레이튼 사이클이 좀 더 낮은 효율에서 작동하지만, 동일한 효율에서 작동하는 것으로 가정한 경우 연소마력의 차이는 압축기 구동을 위해 요구된다. 그러므로, 3.27 파운드의 공기를 수송하는 압축기는 1042마력 혹은 공기 1파운드당 318.65마력을 필요로 한다. 그러므로, 동일한 연료량에 대해 추가적이 유용 축 에너지로서 추가적으로 약 723마력을 더 이용할 수 있다는 것이 계산된다.

상기 시스템들을 비교하는 다른 방법으로서, 현재의 단축 압축 터빈이 작동되고 상기 VAST 연소기가 브레이튼 사이클하에서 작동하는 연소기를 대체하여 이용된다면, 과거와 같은 방법으로 터빈구동을 위한 충분한 질량이 생성된다. 그러나, 전달된 모든 산소를 소모하기 위해 추가적인 연료가 연소되어야 하고 추가적으로 연소된 연료의 온도를 제어하기 위해 부가되는 추가적인 물 때문에, 상기 바람직한 (desired) TIT에서 제1터빈 크기의 적어도 약 50%인 제2터빈을 구동하기 위해 충분한 초과유량이 생성되거나 상당한 양의 고온, 고압의 추가증기가 다른 동력 응용에서는 가능하다.

D. 본 발명의 다른 실시예

1. 물의 정화를 포함하는 발전소.

냉각제로서 해수나 염분이 있는 물, 오염된 지하수나 우물의 물을 이용하는 전력생산에 있어서, 도 4 및 도 5에 개시된 바와 같이 전력과 이용된 물에 대해서는 사이클은 개방형이 될 수 있다. 펌프(42)에 의해 이동되는 공급수(41)는 응축기 (62)와 열교환기(63)를 경유하여 고온의 배출 작동유체(51)에 역류하여 흐르면서 가열되고, 위에서 기술한 바와 같이 연소기(25 또는 200)에서 즉시 증발된다. 연소실의 직경 증가에 의해 작동유체의 유속은 감소될 수 있고 water bourn materials 또는 용질은 쉽게 제거된다.

연소기의 전형적인 작동온도는 1500°F에서 2300°F까지 이다. 해수나 염분이 있는 물이 공급원인 경우, 이 온도는 해수(해수의 85%는 NaCl이며 나머지 14%는 MgCl_2~,~ MgSO_4~,~ CaCl_2와 KCl로 구성되어 있다)내 염분의 녹는점 이상이기는 하지만 끓는점보다는 훨씬 낮다. 물이 곧바로 증기로 변하면 용해된 무기 불순물은 액체의 형태로 흘러 나오고(rain out) 유기 불순물은 연소된다. 예를 들면, NaCl은 1473°F에서 녹고 2575°F에서 끓으며, 기타 다른 염분들은 이보다 낮은 녹는점과 높은 끓는점을 갖는다. 결과적으로 용해된 염분들은 연소실 바닥벽을 따라 쉽게 수집되고 상기 액체상태의 염분은 연소기 바닥의 나사 조합부(screw assembly)에 의해 제거되거나, 봉 또는 환으로 만들어지는 압출기(extruder) 또는 금형(die)을 통해 냉각실(cooling chamber)로 공급되거나, 구동력으로 연소기내의 압력을 이용하는 노즐을 통해 냉각실(cooling chamber)로 분사될 수 있고, 상기 냉각실에서 폐기물은 적절한 분사 노즐의 크기와 구성을 선택하는 것에 의해 박편, 가루, 환 등의 모든 원하는 크기와 형태로서 폐기물 수집 컨테이너(80)로 배출된다. 염분이 있는 물은 연소실내에서 굉장한 고온에 노출되기 때문에 회수된 염은 살균된 상태이며 유기체가 존재하지 않는다.

중량으로 연료의 약 6배 내지 12배의 물이 연소화염으로 분무되고 1/1000초내로 증발된다. 증기에 포함된(entrained) 염과 불순물들은 증기로부터 분리되고 결정화되어 침전되거나 걸러져서 깨끗한 증기를 남기게 된다.

염이나 폐기물의 수집과 제거 기구(80)는 회전식의 세형 나사송곳(rotary longitudinal auger)과 같은 연소실(25)로부터의 잘 알려진 다수의 수단 중 어느것에 의해서도 수행될 수 있다. 이 나사송곳은 회전하면서 침전된 염을 제거할 때, 압축 작동유체를 누설하지 않도록 밀봉되어 있다. 위에서 언급한대로, 다른 방법은 용해된 폐기물이나 염을 분사 노즐을 통하여 수집대(collecting tower)로 분사하거나 상기 염(81)을 꼬인 가닥이나 막대형상으로 압출시켜 원하는 크기로 자르는 것이다. 좀 더 개선된 방법은 용해된 염을 주형으로 직접 배출시켜 염 덩어리(81)를 형성한 다음 이동시켜 회수를 위한 재생 화학공정에 이용하거나 그렇지 않다면 제거한다.

이러한 결과, 이제 깨끗한 수증기를 포함하는 작동유체는 하나 이상의 표준 증기 또는 가스 터빈으로 공급될 수 있다. 증기-가스 혼합물의 팽창에 의해 일을 생산한 후 응축기(62)는 증기(61)를 응축하여 유용한 운반성 물(65)의 원천 (source)이 된다. 압력비 10:1 내지 50:1에서 이러한 개방 사이클을 이용하면, 보다 높은 전력이 좋은 효율과 연료 소모율로 생산될 수 있다.

도 6은 상기 VAST 사이클을 이용하는 유닛의 제2 실시예를 보여주고 있다. 본 실시예에서, 시스템의 효율은 연소실(25)로부터 추가적인 폐열을 획득함으로써 훨씬 증가될 수 있다. 상기 연소실(25)은 두겹의 열교환기(90)로 둘러싸여 있다. 개시된 변형에서, 압축기(10)를 떠나는 고온 압축공기(11)는 연소기(25)로 진입하기 전에 연소실(25)을 에워싸고 있는 껍질(92)을 즉시 경유하여 흐른다. 차가운 물(41)이 제1껍질(92)을 에워싸고 있는 제2껍질(94)로 공급된다. 이런 방식으로 상기 공기(11)는 상기 연소기(25)로부터 통상 손실되는 열을 추가적으로 흡수하고 진입하는 물(41)은 상기 압축공기(11)로부터 어느 정도의 열을 흡수한다. 또 다른 장점은 상기 공기(11)의 압력이 상승된 상태이므로 상기 연소실(25) 벽면에 걸친 압력차(즉, 도 5에서의 연소기 내부와 대기 조건과의 차이 혹은 연소기 내부와 압축공기(11)와의 차이)가 상당히 감소되어 연소기 벽면의 고온 고압의 조합에 의한 응력을 줄인다는 것이다. 상기 물(41)은 상기 연소기 외곽껍질(94)을 통과한 후, 응축기(62)와 열교환기(73)를 지나고 요망되는 주입온도를 얻는다. 상기 물을 4000psi 만큼의 높은 압력으로 유지되도록 주의하여 상기 물이 가열되는 경우 연소실(25)로 주입되기 전에 증기로 변환되지 않도록 한다. 상기 연소실(25)은 고온상태이며, 대부분의 경우 상기 과열된 물(41)보다는 저압이다.

상업적 처리에 의해 동력생산과 함께 부산물로서 유용한 제품을 얻게되는 오염 폐기물의 정화나 고체, 액체, 기체 상태 폐기물의 처리는 또한 VAST 사이클을 채택하는 엔진의 잠재적인 응용예 들이다. 건조된 고체 폐기물에서의 폐수는 본 발명에서 이용될 수 있는데, 한 부산물로서 걸러지고 사용 가능한 물이 된다. 가연성 물질은 상기 연소실(25)에서 연소하는 부가적인 연료이고 무기물의 건조 폐기물은 비료을 생성하는데 이용될 수 있다. 명백하게, 다른 화학제품들이 본 발명을 이용하는 고체 및 액체 물품에서 추출될 수 있다. 오물처리도 또한 한 응용이다. 다른 응용예는 유전에서의 드릴작동이나 유정채굴과 관련한 증기원(steam source) 연화용 물이나 토양이나 도시의 고체형 폐기물로부터 여과되는 비료나 광물을 따르는 관개용수의 회수나 재생을 포함한다.

2. 항공기 엔진

특히 재생된 물과 함께 작동되는 경우에 관해 기술된 상기 VAST 사이클은,통상 30,000 내지 40,000 피트에서 작동되는 상업용 항공기에 이용되는 경우 특히 효율적이며 상대적으로 적은 연료를 소모한다. 그 정도의 상공에서 대기의 압력은 0.1 내지 0.25 기압 이하이며 대기온도는 0°F 이하이다. 보기 5-7의 개방 사이클 데이터는 터빈 출구압력을 낮추는 경우의 장점을 보여주고 있다. 상기 시스템을 해수면(sea level)에서 작동하는 경우와 같이 대기압 보다 낮은 터빈 출구 압력을 생성하기 위해서는 터빈 출구상에 진공펌프가 필요하다. 시스템에서 생성되는 에너지를 소비하는 상기 펌프는 시스템의 효율과 가용에너지를 줄인다.

약 30,000피트 이상의 상공에서와 같이 대기압 보다 낮은 압력 환경에서의 작동으로 터빈 출구의 진공펌프를 제거하는 것은 시스템의 가용출력을 증대시키고 연료소모를 줄인다. 나아가, 시스템내의 물이 재생된다면 대기 공기 온도는 배출가스를 냉각하고 응축하는데 이용될 수 있고, 재생을 위해 물을 분리하는 것은 열을 복원하기 위해 사용되는 에너지의 양을 줄인다.

3. 증기생성과 증기/동력 폐열 발전

적당한 압축기와 함께 연소기 및 그 제어 시스템이 오직 고온, 고압의 증기생성을 위해서, 운반성 물의 생성을 위해서, 물에 녹아 있는 유용한 무기물을 회수하기 위해서 동력 터빈 없이 이용될 수 있다는 것이 또한 고려되어야 한다. 대신에, 요구되는 전기에너지의 생산에 맞게 규격화 된 하나 이상의 가스 그리고/또는 증기 터빈이 연소기에 연결되어 전기에너지뿐 아니라 고온, 고온의 혼합물도 연소기에서 직접 유래하는 측류로서 전달한다.

본 발명의 다양한 실시예들은 예시의 목적으로 개시되었으며, 본 발명의 보호범위는 오직 이어지는 특허청구범위에 의해서만 제한되고 추가되는 특허청구범위의 영역과 그 취지는 여기서 담고있는 바람직한 변형들에 의해 제한되어서는 안된다.

Claims

a) 연소실 ;

b) 상기 연소실에 연결된 작동기관 ;

c) 상기 연소실로 연료를 전달하기 위한 연료 공급 수단 ;

d) 상승된 온도와 일정한 압력에서 압축공기를 상기 연소실로 전달하기 위한 공기 공급 수단, 공기의 양은 연료와 함께 연소되었을 때 적어도 공기중 산소의 약 90%가 소모되도록 선택되고, 상기 연료와 공기는 상기 연소실 내에서 혼합된다.

e) 상기 연소실로 공급되는 공기의 양을 변화시키고 상기 연소실로 공급되는 공기의 양을 조절하여 연공비가 일정하도록 하는 제어수단 ;

f) 연소증기를 생산하기 위해 연료와 공기의 혼합물을 점화시키기 위한 연료점화장치 ;

g) 상기 연소실로 진입하는 것과 실질적으로 동시에 증기로 변환되며, 증기의 전달과 형성은 난류를 생성하고 상기 연소실내에서의 혼합은 작동유체로 귀결되며, 상기 작동유체는 상기 작동기관으로 전달되는, 압력을 받고 있는 불연성 가열액체를 상기 연소실로 전달하기 위한 액체 공급 수단 ;

h) 작동유체의 온도를 요구되는 수준으로 유지하기에 충분하도록 과열된 비가연성 액체를 연소실로 전달하고, 상기 연소실내의 모든 온도 제어는 실질적으로 상기 연소실로 유입되는 비가연성 액체의 증발잠열에 기인하는 연소실 온도 제어기 ; 그리고

i) 상기 비가연성 액체의 온도를 공급온도로부터 상기 연소실로 전달하기 위해 요구되어지는 온도까지 상승시키면서 상기 작동기관을 떠나는 상기 작동유체로 부터 상기 비가연성 유체로 열을 전달하기 위한 열 교환 수단

으로 구성된 동력발생 시스템.
제 1항에 의한 방법에 있어서, 상기 압축공기의 상기 연소실로의 유입 이전에 추가적인 비가연성 액체를 상기 압축공기에 전달하는 단계도 또한 포함하는 동력발생 시스템
제 1항에 의한 방법에 있어서, 상기 압축공기는 상기 공기의 일부분은 상기 연료와 혼합되고, 상기 연료는 점화되며 상기 공기의 잔여부분은 상기 점화장치의 하류의 한 점에서 상기 연료에 추가되는 것과 같은 적어도 2단계에서 상기 연료와 혼합되는 것을 특징으로 하는 동력발생 시스템.
제 3항에 의한 방법에 있어서, 상기 압축공기의 약 50%는 상기 연소실의 일단에 있는 버너의 제1영역에서 상기 연료와 혼합되고, 상기 공기와 연료의 혼합물은 화염이 풍부한 연료를 생산하기 위해 점화되고, 상기 공기의 약 25%는 상기 제1영역으로부터 하류에 위치한 상기 버너의 제2영역에서 화염이 풍부한 연료에 첨가되며, 상기 공기의 약 12.5%는 상기 제2영역의 하류에 위치한 상기 버너의 제3영역에서 상기 화염에 첨가되고, 상기 공기의 나머지는 상기 제3영역의 하류에 위치한상기 버너의 제4영역에서 상기 화염에 첨가되는 것을 특징으로 하는 동력 발생 시스템.
제 4항에 의한 방법에 있어서, 제어되는 비가연성 물질의 양은 상기 버너의 제4영역으로부터 하류로 상기 연소실내의 다수 위치에서 상기 연소실로 주입되는 것을 특징으로 하는 동력 발생 시스템.
제 4항에 의한 방법에 있어서, 제어되는 비가연성 액체의 양은 또한 상기 연료와 공기의 혼합전에 상기 압축공기로 주입되는 것을 특징으로 하는 동력 발생 시스템.
제 3항에 의한 방법에 있어서, 상기 공기와 상기 연료의 혼합 이전에, 상기 압축공기를 도관을 통하여 상기 연소실 외부로 흐르게 함으로써 상기 연소실에서 발산하는 열에 의해 가열되며, 상기 도관의 적어도 하나의 벽은 상기 연소실의 외측벽인 것을 특징으로 하는 동력 발생 시스템.
제 4항에 의한 방법에 있어서, 상기 공기와 상기 연료의 혼합 이전에, 상기 압축공기를 도관을 통하여 상기 연소실 외부로 흐르게 함으로써 상기 연소실에서 발산하는 열에 의해 가열되며, 상기 도관의 적어도 하나의 벽은 상기 연소실의 외측벽인 것을 특징으로 하는 동력 발생 시스템.
제 9항에 의한 방법에 있어서, 작동기관을 떠나는 상기 작동유체는 3ppm 이하의 NO_x를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 발생 시스템.
제 8항에 의한 방법에 있어서, 작동기관을 떠나는 상기 작동유체는 3ppm 이하의 CO를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 발생 시스템.
제 8항에 의한 방법에 있어서, 작동기관을 떠나는 상기 작동유체는 3ppm 이하의 CO와 3ppm 이하의NO_x를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 발생 시스템.
a) 연소실 ;

b) 상기 연소실로 연료를 전달하기 위한 연료 공급 수단 ;

c) 압축공기의 양은 연료와 함께 연소되었을 때 적어도 공기중 산소의 약 90%가 소모되도록 선택되고, 상기 연료와 공기는 상기 연소실 내에서 혼합되도록 상승된 온도와 일정한 압력에서 압축공기를 상기 연소실로 전달하기 위한 공기 공급 수단,

d) 상기 연소실로 공급되는 공기의 양을 변화시키고 상기 연소실로 공급되는 공기의 양을 조절하여 연공비가 일정하도록 하는 제어수단 ;

e) 연소증기를 생산하기 위해 연료와 공기의 혼합물을 점화시키기 위한 연료점화장치 ;

f) 상기 연소실로 진입하는 것과 실질적으로 동시에 수증기로 변환되며, 수증기의 전달과 형성은 난류를 생성하고 상기 연소실내에서의 혼합은 상기 공기와 연료내의 수증기, 연소생성물, 불연성물질롤 구성되는 작동유체로 귀결되며, 상기 작동유체는 장치의 외측부에 의해 요구되는 제어된 압력으로 장치의 외측부로 전달가능한 고온의 수증기 흐름이 되는, 압력을 받고 있는 과열된 물을 상기 연소실로 전달하기 위한 액체 공급 수단,

g) 작동유체의 온도를 요구되는 수준으로 유지하기에 충분하도록 과열된 물을 연소실로 전달하고, 상기 연소실내의 모든 온도 제어는 실질적으로 상기 연소실로 유입되는 물의 증발잠열에 기인하는 연소실 온도 제어기 ; 그리고

h) 상기 물의 온도를 공급 온도로부터 상기 연소실로 전달하기 위해 요구되어지는 온도까지 상승시키면서 상기 작동기관을 떠나는 상기 작동유체로부터 상기 물로 열을 전달하기 위한 열 교환 수단,

으로 구성된 동력발생 시스템.
제 12항에 있어서, 상기 물은 비운반성 물이며, 상기 과정은 상기 연소실의 비운반성 물에 용해된 무기물의 수집을 포함하며 상기 무기물의 고체 형태로의 변환과 그곳에 용해된 유기물의 연소가 실행되는 것을 특징으로 하는 동력 발생 장치.
제 12항에 있어서, 상기 압축공기가 상기 연소실에 진입하기 전에 상기 연소실의 외부 표면을 흐르고, 상기 압축공기의 온도가 상기 외부표면으로부터 발산된 열에 의해 상승되도록 상기 연소실의 외부와 주변부에 위치하고 상기 연소실 길이의 실질적인 일부분을 따라 연장된 적어도 하나의 열 교환수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 발생 장치
제 12항에 있어서, 상기 열교환 수단은 적어도 2개의 서로 인접하는 원주형방으로 구성되는 것을 특징으로 하는 동력 발생 장치.
제 12항에 있어서, 상기 압축공기에 상기 연소실로 압축공기가 유입되기 전에 추가적인 물을 전달하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 발생 장치.