KR20060031579A

KR20060031579A - 기체의 액화장치와 대기열을 이용한 열기관

Info

Publication number: KR20060031579A
Application number: KR1020040108317A
Authority: KR
Inventors: 강헌국
Original assignee: 강헌국
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-04-12

Abstract

본 발명 시스템은 열 사이클 기관에 있어서 저온열원으로 팽창기체를 액화시키는 방법과는 달리 고압의 저온 기체를 저압으로 단열팽창시 습분이 증가되어 극히 일부 액화되는 자연현상을 이용하여 저압에서 압축과 팽창을 반복함으로써 별도의 저온열원이 전혀 필요없거나 또는 필요시 초기 시동시만 소량의 저온열원이 필요하여 액화가 이루어 질 수 있도록 고안된 열 사이클 기관이다.

고압의 저온 기체를 저압으로 단열 팽창후 과열상태가 되지 않도록 약간의 압력을 가하였을 시에 팽창후 극히 일부 액화되는 포화수 보다는 약간의 압력을 가한 압축기체의 온도가 높은 현상을 이용하여 압축과 팽창을 낮은 압력에서 수회 반복함으로써 매우 적은 소요동력으로 액화를 하여 열사이클 기관이 구성되어 진다.

일정한 압력의 기체가 포화상태 에서는 저온 열원과 열교환을 하여도 온도가 강하하지 않음으로써 약간의 압력을 가한 미응축 팽창 기체는 일부 액화된 저온액체와 열교환이 가능하여 건도가 미소하게 낮아진 상태에서 재 팽창하여 일부의 액화량을 증가시키고 나머지 팽창 기체를 재차 압축하여 같은 과정을 반복 함으로써 포화온도 상태에서 건도가 계속 낮아져 전량을 액화시키는 것이 가능하여 본 고안이 이루어진다.

또한 경우에 따라 열기관 사이클을 구성함에 있어서 영구기체(대기압에서의 비점 -150 ℃ 이하)를 이용하여 대기 또는 해수 등이 지니고 있는 열량을 이용함으로써 동력 발생의 시도와 대기를 감온 시킬려는 대기열을 이용한 열기관 구성 방법 과 구조이다.

열역학 법칙에서는 이용하고자 하는 고온열원 보다 저온열원이 없으면 고온열원의 열량을 일로 변환할 수 없으며 고온열원을 감온시킬 수 없는 것으로 되어 있다.

하지만 본 고안에서는 필요시에 초기 시동시만 이의 현상이 적용되거나 또는 별도의 저온열원이 전혀 필요치 않으며 시동 이후에는 저온 열원이 전혀 필요치 않도록 고안되었다. 본 고안은 고온열원에서 기체를 팽창후 저온열원 없이 액화시킬 수 있는 방법을 찾은데서 연구된 것이며 고안의 내용은 그 방법과 그를 이용한 열기관의 구성, 압축팽창 반복액화시킬 수 있는 장치에 관한 것이다.

공기, 대기열, 동력, 해수열 ,압축, 응축, 단열팽창, 사이클, 원심분리

Description

기체의 액화장치와 대기열을 이용한 열기관{Liquefaction equipment of vapor and Air Heating Cycle System For Composition Power Plant.}

도 1은 기체의 액화장치와 대기열을 이용한 열기관의 시스템 구성도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 공기 정화기 2 : 최초 액체공기 생성기 3 : 액체공기 저장탱크

4 : 대기 또는 해수열 주입 열량 조절기 5 : 대기 또는 해수열 주입 열교환기

6 : 주 팽창기 7 : 액체공기 보충 line 8 : 응축공기 복수기

9 : 액화 시동 펌프 10 : 액화 시동 밸브 11 : 압축팽창 반복 액화기

12 : 액화기 복수기 13 : 액화기 복 급수 펌프 14 : 응축공기 복급수 펌프

도 2는 고안의 구성 사이클을 바탕으로 한 공기 T-S 선도

(각 지점의 a ~h는 도 1 의 시스템 구성에서의 각 지점을 표시)

도 3은 부품 11(압축팽창 반복 액화기)의 원리 설명도

도 4는 부품 11(압축팽창 반복 액화기)에 대한 원심력식 장치의 개략적인 구조도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

11-1 : 축 11-2 : 초저온 공기 11-3, 11-15 : 초저온 기체 흡입구

(유량이 적을 때는 11-15 쪽으로 만 유입) 11-4 : 임펠러 11-5 : 케이스

11-6 : 냉각핀 11-7 : 액화시동 액체공기 입구 11-8 : 액화시동 차단 밸브

11-9 : 압축 팽창 차단벽 11-10 : 액체공기 11-11 : 액화 응축 기체 출구

11-12 : 고압측 기체 냉각 케이스 11-13 : 액화 응축 기체 배출구

11-14 : 회전 케이스 11-16 , 11-17 : 저온 복수 액체공기 입출구 - 부품 11-6 , 11-9, 11-10 , 11-11 , 11-12 , 11-14 는 축과 같이 회전. - 사용유량에 따라 필요시 도면 C 점을 기준으로 축방향 압축팽창 반복 액화기와 원주방향 압축팽창 반복 액화기를 분리하여 제작함.

도 5는 도 4의 A-A' 단면 개략도(원심력식 축방향 압축팽창 반복 액화기)

도 6는 도 4의 B-B' 단면 개략도(원심력식 원주방향 압축팽창 반복 액화기)

도 7은 부품 11(압축팽창 반복 액화기)에 대한 용적식 장치의 개략적인 구조도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

11-21, 11-21-1 : 축 11-22 : 케이스 11-23 : 초저온 공기

11-24 : 초저온 공기 입구 11-25 : 열교환기 11-26 : 액체공기

11-27 : 기액 분리기 11-28 : 팽창공기 출입구 11-29 : 초저온 공기 파이프

11-30 : 액체공기 파이프 11-31 : 액체공기 출구 11-32 : 오리피스

11-33 , 11-33-1 : 압축팽창기어

도 8은 도 7의 d-d' 단면 개략도

〈도면에 대한 간단한 설명〉

도면은 대기열을 이용한 열기관 구성 방법에 대한 주요 구성도와 응축기(압축팽창 반복기)의 상세도이다. 도면은 시스템을 설명하기 위한 구성도이고 각각의 장치들은 일반적인 장치의 개념에 준한다. 각 장치들에 대한 효율 증대를 위해 용도에 따라 ,단열 또는 방열이 효과적으로 될 수 있도록 구성한다. 각각의 장치가 일반적인 장치들의 구성과 조합의 개념에 준하여 원리와 시스템을 크게 벗어나지 않는 범위에서 도면과 다르게 구성될 수도 있다. 압축기체와 액화된 기체의 흐름은 도면의 화살표의 진행과 같다.

시스템은 필수적 구성요소인 팽창기, 열교환기, 복수기, 압축기, 펌프, 등으로 조합된 구성도이고 본 시스템의 구성 방법에 따른 각 장치의 설치 목적과 역할은 도면의 주요 부분에 대한 부호의 명칭을 통하여 나열 되어진다.

기술분야 : 열 냉동공학.

종래의 기술 : 팽창된 냉매를 압축기로서 저속 압축하여 응축시키고 대기의 열량을 이용하여 냉매를 기화 시킨 다음, 팽창시 팽창기에서 발생되는 동력으로써 압축기의 소요 동력을 보충하도록 하여 저속 압축기와 팽창기의 차의 동력으로 대기의 열량을 이용하여 일을 발생시킬려는 시도가 있었음. 이의 경우는 팽창 기체를 저속 압축 할지라도 궁극적으로 저온열원으로써 냉각이 지속적으로 필요하며 또한 액화될 수 있다는 근거가 없다. 또한 냉매의 임계온도는 일반적으로 대기온도 보다 높으므로 임계온도 이상의 조건에서 대기의 열량을 주입할 수 없고 고압을 가할 수가 없으며 고속이든 저속이든 전체적인 소요일량은 같은 것이 자연현상이므로 이론적으로 시스템의 구성이 불가 했다.

대기의 열량을 이용하여 에너지의 창출과 저온 열원이 없이 팽창된 기체를 액화시키고 대기온도를 감온시키는 것은 학문적으로 불가능한 것으로 판명되어 있지만 예로부터 많은 연구가들이 감히 이에 도전해 온 것은 부인할 수 없는 사실이다. 많은 발명가들에 의해 대기열을 이용한 동력의 발생을 위한 여러가지 장치가 시도되고 구성된 적이 있으나 공학적 이론의 정립이 되지않아 사실상 불가능하였다. 현재까지의 공학 이론은 어떠한 장치를 만들어 구성하든지 상관없이 저온열원이 없으면 팽창된 기체를 액화시킬 수 없고 또한 대기의 열량을 이용하여 일을 창출한다는 것은 불가능하며 대기의 감온 효과를 가져올 수 있는 장치는 이론적으로 불가능 하였다.

그렇지만 본 고안은 열역학적 장치의 구성 여부에 따라 그렇지 않은 경우도 있다는 것을 입증하기 위해서이다. 또한 만약 대기열을 이용하여 에너지의 창출은 불가능 하다고 하더라도 아주 적은 소요동력으로써 대기를 감온시키는 것이 가능하다는 것을 나타내기 위한 이론이다. 대기는 태양으로부터 열량을 받아있는 상태이며 열은 일로 변환할 수 있는 것이 사실이다.

본 고안은 열을 일로 변환하는데 있어서 저온 열원이 반드시 필요하지 않은 경우도 있다는 것과 대기의 감온이 가능하다는 것을 입증하기 위한 연구 고안이다.

1) 원리

1〉본 시스템의 구성을 위한 기본적인 자연현상은 아래와 같다.

①압축 냉각된 기체의 단열팽창과 액화

압축 냉각된 기체를 단열팽창 시킬 경우 내부 에너지 감소에 의해서 온도가 강하한다. 또한 저압으로 급속 팽창시킬 경우는 주울-톰슨 효과에 의해서 더욱 온도가 강하할 수 있다. 초저온 또는 초고온의 조건을 가진 압축기체라 할지라도 만약 단열의 효과가 완벽하다면 같은 현상이 일어날 수 있고 초저온 상태에 있는 압축 기체를 단열 팽창하여 감온 효과로 인하여 온도가 비등점 이하로 되었을 시는 포화온도 이하가 되는 온도와 포화온도와의 차의 엔탈피 크기에 해당하는 량 만큼 비등점에서의 건도가 낮아지며 일부 액화가 일어날 수 있다.

② 기체의 압축과 임계온도

어떤 기체가 임계온도 이상에서는 어떠한 압력을 받아도 액화가 일어나지 않으며 기체의 종류나 혼합기체 등에 관계없이 적용된다. 또한 만약 액화된 상태에서 임계압력 이상의 압력을 받아 있는 경우 임계온도 이상의 열을 가하면 증발잠열의 수수없이 기화가 가능하다. 또한 반대로 임계압력 이상의 압력을 받고 있는 과열상태의 기체를 냉각하여 임계온도 이하가 되게 하면 응축잠열의 수수없이 액화된다.

③ 과냉상태와 상변화

어떤 기체나 액체가 포화온도 이하의 상태에서 상변화하지 않고 있는 상태를 과냉상태라 한다 이의 경우 불안정한 상태로써 약간의 압력이나 진동등을 가하였을 시 안정한 상태로 상변화 된다. 만약 기체가 단열팽창후 비등점 이하에서 액화되지 않고 과냉기체 상태일 경우 약간의 미소 압력을 가하였을시 압축후의 온도가 비등점 이하로 유지될시에는 즉시 상변화하여 액화되며 응축잠열이 낮은 기체 일수록 상변화 하기 쉽다.

④ 기체의 단열팽창과 액화

-기체가 일정한 압력에서 포화온도 상태에 있다면 이를 냉각할 경우 전량 액화가 일어나기 전 까지는 온도가 강하되지 않으며 건도만이 감소한다.

-기체를 고압 저온에서 단열 팽창시 포화온도가 낮은 상태에서 습분에 의하여 액화된 일부의 액체는 포화온도가 높은 상태의 습증기 보다 온도가 낮으며 비열이 높다.

- 상기의 두 현상에 의하여 포화상태의 기체와 온도가 낮은 상태의 포화수를 열교환시킬 경우 쉽게 열평형이 이루어지지 않으며 포화기체에서 포화수 쪽으로 열전달이 이루어진다.

위의 자연현상을 이용하여 아래와 같은 방법으로 고압 저온에서 단열팽창 되는 기체를 적은 소요동력으로 전량 액화시킬 수 있다.

a. 단열 팽창되는 압력에 의해 가능한한 팽창 기체를 건도가 낮은 포화증기가 되도록 팽창시킨 다음 습분에 의하여 극히 일부가 액화 되도록 한다.

b. 극히 일부 액화되는 포화수를 제외한 습증기 상태의 기체를 과열상태가 되지않도록 약간의 압력을 가하여 포화온도를 상승시킨다.

c. 약간의 압력이 가해져 상승된 온도의 포화상태의 기체와 극히 일부 액화 되어 있는 온도가 낮은 포화수를 서로 열 교환시킨다.

(열 교환되어 포화상태의 기체는 극히 미소한 수치일지라도 건도가 하강한다.)

d. 극히 미소한 수치로 건도가 하강된 포화기체를 약간의 압력을 가하기 전의 상태로 단열팽창 시킨다.

(미소하나마 건도가 낮아진 상태에서 팽창되므로 팽창후에는 초기 팽창시보다 습분이 약간증가 되어 극히 일부의 액화량이 늘어난다.)

e. 일부 액화된 액분은 분리하고 액화되지 않은 포화습증기를 재차 약간의 압력으로 과열상태가 되지 않도록 가압하여 온도를 상승시킨다.

f. 상승된 온도의 습증기를 일부 액과된 액분과 재차 열교환시킨다.

g. 열교환후 건도가 낮아진 상태에서 재차 초기압력으로 단열 팽창시켜 액화량이 증가되게 한다.

h. 같은 방법을 반복하여 건도를 계속하여 하강시켜 전량 액화를 얻어낸다..

(압축소요동력은 팽창시에 액화되는 량을 제외한 크기가 회수되므로 큰 동력이 소요되지 않는다. 또한 액화량이 많을 경우는 반복횟수가 줄어든다.

반복의 횟수가 많아질수록 건도의 하강률이 증가되어 액화량이 늘어나고 액화되는 비율이 높아지므로 최종적으로 전량이 액화되며 소요동력은 점점 줄어든다. 만약 팽창시 액화가 전혀 이루어지지 않을 경우에는 압축과 팽창의 동력은 같다. 또한 만약 한번의 팽창으로 모두 액화된다고 가정할 경우에는 한번의 압축 소요동력이 필요하다. 그러므로 압축과 팽창을 수차례 할 경우에도 한번의 압축 소요동력 이 요구되는 것과 같다.)

이상의 원리에서 저압의 포화온도까지 단열팽창된 저온의 기체를 액화시키기 위한 보다 더 저온열원이 반드시 필요하지 않아도 액화가 가능하며 압축과 팽창의 시동을 위한 초기에 한번 소량의 저온열원이 필요하거나 또는 단열 팽창된 기체의 건도가 낮을 경우는 초기 저온열원 없이도 액화시킬 수 있다.

⑤ 공기의 상변화와 활용

본 고안의 이론적 논리는 어떤 기체를 액화시켜 임계압력 이상으로 압력을 가한후 대기의 열량을 공급하여 임계온도 이상에서 기화시키며 단열팽창 하여 다시 액화를 얻어내어 대기의 열량을 일로 변환시키는 동시에 감온효과를 가져오게 한다. 단열팽창, 액화 상태가 연속적으로 반복되어 초기 한번의 액화로써 누설량 만을 보충하여 액화 소요동력을 줄이며 대기의 열량을 감온시키고 사이클이 형성되어 동력을 발생시킴으로써 액화된 기체를 가압하기 위한 소요동력과 기화후 단열팽창시의 차의 동력으로써 일의 창출을 시도하려는 열역학적 사이클 구성이다.

이와 같은 열 사이클을 구성하기 위하여서는 아래와 같이 사이클 구성에 유리하고 합당한 조건을 갖춘 기체가 필요하다.

(1)임계온도가 대기온도보다 훨씬 낮아야 한다.

(2)임계압력이 비교적 높아야 한다.

(단열 팽창의 압력 강하 범위를 크게 할 수 있어야 한다.)

(3)비등점이 비교적 높아야 한다.

(4)액화가 용이하여야 한다.(응축잠열이 낮아야 한다.)

(5)액화된 기체의 비중이 비교적 커야한다.

(6)액화된 기체의 비열이 높아야한다.

(7)액화된 기체를 이용하여 연속적으로 같은 사이클 구성이 이루어질 수 있어야 한다.

(8)누설시 악영향이 없어야 한다.

(9)구입이 용이해야 한다.

(10)폭발의 위험이 없어야 한다.

이상의 조건에 맞는 기체는 질소가 가장 적당하나 공기로써 대체하기로 한다.

( 공기의 임계온도 : -140 [℃], 임계압력 : 38 [kgf/cm^2]

대기압에서의 비등점 : - 192 [℃] )

2〉기본적 자연현상을 이용하여 구성되는 본 고안 시스템의 원리는 아래와 같다.

① 공기 액화장치와 사이클(도 1 , 도 2 , 도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7, 도 8 참조)

본 고안에서는 액화된 기체를 대기열을 이용하여 기화후 단열팽창 해야하므로 논리에 적합한 액체공기가 반드시 필요하고 최초 공기액화를 위한 장치가 있어야 한다. 최초 공기액화를 위한 장치에는 전통적으로 널리 일반화되어 가장 많이 사용되어지고 있는 공기액화 분리 장치에서의 단열 팽창식 공기액화 장치가 있다. 본 논리에서는 액화된 공기를 이용하여 사이클을 구성함에 있어서 액화과정에서 단 열팽창식 공기액화 장치의 원리를 이용하여 압축 팽창을 반복함으로써 매우 적은 소요동력으로써 전량 액화가 되도록 이루어지며 액체공기를 기화시키기 위한 열량은 대기 또는 해수가 태양으로부터 보유되어 있는 열을 이용한다.

② 압축팽창 반복 액화기의 원리 (도 3 , 도 4 , 도 5 , 도 6 , 도 7 , 도 8 참조)

- 액화의 원리(도 3 참조 : 실시 예의 사이클을 기본으로 구성)와 작동순서

a : 도 3에서 액화시동 밸브를 열어 저온 열원(80

K)을 탱크에 충진 시킨다.

b : 팽창된 기체를 약간의 압력을 가하여(95

K,건도0.9) 탱크를 통과시켜 열교환시킨다.

c : 열교환후 건도가 낮아진 상태에서(95

K,건도0.8) 약간의 압력을 가하기전의 상태로 팽창시킨다.(도 6은 정상상태를 표기한 경우이며 기동 초기는 열교환후 건도가 더욱 낮아진다)

d : 팽창후 저온이된 기체와 습분으로 인한 액화된 기체를 분리하여 액분은 탱크로 유입시킨다. (탱크의 온도는 점차로 85

K 에 가까워 진다. )

e : 팽창된 기체를 b,c,d 와 같은 방법으로 반복하여 진행한다.

(기체의 건도는 점점 낮아지며 탱크의 온도는 85

K 가 되고 약간의 압축기체 95

K 보다 낮으므로 열전달이 가능하고 기체의 량은 점점 줄어져 모두 액화된다.)

f : 액화가 시작되면 액화 시동 밸브를 잠근다.

(압축팽창반복 액화가 가능한 가장 기본적 자연현상의 원리는 기체의 포화온도구역 내에서는 냉각을 하더라도 온도가 떨어지지 않고 건도만이 낮아지게 되므로 팽창하여 액화된 액체로써 압축 기체로부터 열 흡수가 연속적으로 가능하기 때문에 이루어질 수 있다.)

- 구조의 원리

a. 원심력식 압축팽창 반복 액화기의 원리(도 4,5,6 참조)

기체를 용기에 넣고 회전시킬 경우 원주쪽이 중심쪽보다 원심력으로 인하여 압력이 높아지고 높아진 압력에서 냉각되도록 원주의 둘레에 회전 탱크를 설치하고 압력이 낮은 중심쪽으로 이동되어 팽창시 응축된 액분은 원심분리 되도록 한다. 액화되는 량에 의하여 기체의 량이 점점 줄어듬으로 체적을 순차적으로 작아지게 하고 압축쪽보다 팽창쪽의 부피가 커질 수 있도록 된다.

축류형 압축반복기를 구성할 경우 습분으로 인한 손상을 견딜 수 없으므로 원심형의 압축 반복기를 구성후 축방향 압축팽창 반복 액화기와 원주방향 압축팽창 반복 액화기를 구성하고 유량에 따라 필요시 두개를 분리하여 제작될 수 있도록 이루어 진다.

초저온에서 기체의 비중은 증가 하므로 원심력이 증가되어 가압에 필요한 압력이 형성되게 할 수 있다.

유체가 주 팽창기의 압력으로 축부근의 중심쪽으로 이동될시 원심력이 낮은 관계로 팽창되어 일부 액화가 되며 미액화량은 다음의 홀에서 재차 가압된다. 액화된 액체는 압축쪽 기체보다 온도가 낮으며 따라서 압축 기체를 냉각시킬 수 있다. 최초 냉각은 초기 최저압으로 단열팽창시 일부 액화되는 액체를 이용하여 아주 소량이나마 약간의 압력을 가한 기체의 건도를 낮춤으로써 이루어지고 또는 외부에서 약간의 초저온 액체를 주입시켜 액화가 발생되기 시작하면 외부 액화시동밸브를 차단 시킨다.

b. 용적식 압축팽창 반복 액화기의 원리(도 7, 도 8 참조)

기어 펌프와 같이 흡입구와 배출구가 장착되고 두개 이상의 잇수로써 한쌍으로 여러개의 기어를 병렬로 일축에 결합시켜 두께가 점점 얇아져 체적이 점차 줄어들도록 구성하여 흡입구와 배기구를 서로 연결시켜 압축과 팽창이 이루어진다.

2)구성

1〉 시스템의 구성

① 최초 공기액화장치를 이용하여 액체공기를 확보한다.(1)(2)(3)

② 액체공기를 Pump (14,13) 로써 임계압력 이상으로 가압한다.

(임계압력 이상으로 가압하는 이유는 단열팽창 범위를 넓히기 위해서이며 공기의 임계온도는 대기온도 보다 훨씬 낮기 때문에 임계온도 이상에서도 대기열 또는 해수열의 공급이 가능하여 기화가 가능하다)

③ 가압된 액체공기에 대기열 또는 해수열을 공급하여(5)기화시킨후 온도를 상승시킨다. 대기 또는 해수의 공급량을 조절(4)하여 단열팽창후 액화가 용이한 상태의 조건이 되도록 열량을 조절하여 공급한다.

④ 기화된 공기를 팽창기(6)에서 최저의 포화압력까지 단열팽창 시키면서 팽창동력을 얻어낸다. (단열팽창후의 압력으로 압축팽창 반복 액화기를 가압할 수 있는 압력까지 팽창시킨다.)

⑤ 최저의 포화온도까지 팽창되어 습분으로 인하여 일부 액화되는 포화수와 미응축되는 습증기를 응축공기 복수기(8)에서 분리한다.

⑥ 분리된 포화습증기를 압축팽창 반복액화기(11)로 유입시킨다.

⑦ 압축팽창 반복 액화기(11)에서 액화시동 밸브(10)를 열거나 팽창기(6)에서 일부 액화된 액분을 이용하여 초기 액화를 시동시켜 압축팽창을 반복 함으로써 전량 액화시키고 연속하여 액화가 발생될시 액화시동 밸브(10)를 개방하였을 경우 이를 닫아 시스템이 연속 작동하게 한다.

⑧ 같은 과정을 반복하여 사이클을 작동 시킨다.

2〉 압축팽창 반복 액화기의 구성

a. 원심력식 압축팽창 반복 액화기의 구성

① 원심력을 이용한 압축팽창의 반복이 가능 하도록 도 4와 같이 초저온 공기(11-2) 입구(11-3, 11-15)를 설치하고 축방향 압축 팽창 반복기(도 5)와 원주 방향 압축팽창 반복기(도 6)를 사용 유량의 크기에 따라 일체 또는 분리가 가능 하도록 구성한다.

② 축방향 압축팽창 반복 액화기의 압축팽창 차단벽(11-9)과 원주방향 압축 팽창 반복기의 회전 케이스(11-14)는 축에 고정되어 회전되고 기체의 유입부는 넓게 압축부는 좁게 되도록 구성한다.

③ 압축부인 원주의 둘레에는 압축기체의 냉각이 가능 하도록 냉각핀(11-6)과 고압측 기체 냉각 케이스(11-12)를 구성하여 축과 같이 회전하도록 한다.

④ 초기 냉각 및 응축되는 원주의 둘레에 둘러 쌓인 액체공기가 출입이 가능하도록 저온 복수 액체공기 출입구(11-16, 11-17) 와 액화 기체 배출구(11-13)를 케이스(11-5)에 구멍을 내어 설치하고 누설이 되지 않도록 적절한 보조 장치를 설치하고 원심력에 의하여 유체의 출입이 불가하지 않도록 하는것과 마찰열을 최소화 하기 위하여 냉각핀(11-6)과 압축팽창 차단벽(11-9)의 가공면을 매우 정밀하게 한다.

⑤ 초기 시동시 필요할 경우 외부 저온 액체가 유입이 가능 하도록 액화시동 차단밸브(11-8)과 액화시동 액체공기 입구(11-7)를 케이스에 부착한다.

b. 용적식 압축팽창 반복 액화기의 구성

① 기어펌프의 원리를 이용하여 압축팽창기어(11-33,11-33-1)를 축(11-21,11-21-1)에 여러개를 넓이가 순차적으로 작아지도록 병렬로 설치하고 흡입과 배출이 가능하도록 초저온공기 입구(11-24)와 초저온공기 출입구(11-28)를 설치후 압축과 팽창이 가능토록 압축쪽의 후단에 오리피스(11-32)를 부착한다.

② 압축된 공기가 액체공기(11-26)와 열교환이 가능 하도록 오리피스(11-32)의 전단에 열교환기(11-25)를 설치하고 오리피스를 지난 팽창공기가 기액분리 될 수 있도록 원심력식 또는 비중차식 기액분리기(11-27)를 설치하여 분리된 액체공기가 열교환기(11-25)를 지나도록 하여 모두 모아져서 마지막 압축단과 연결되도록 구성한다.

③ 기액분리기(11-27)를 지난 초저온 공기 파이프(11-29)는 다음의 흡입단 파이프(11-29)와 연결되어 점차 관의 굴기가 줄어들며 마지막으로 액체공기가 배출되도록 구성된다.

3) 원리에 따른 실시예.

사이클 구성의 형태를 워리로 하여 공기 T-S 선도(도 6)를 기초하여 대기의 열량을 받은 압축공기가 단열팽창후 대기의 감온과 함께 동력 발생의 여부를 나타내기 위하여 실현 가능한 예를 가상 설정하여 결과를 구해보면 다음과 같다.

(도 6의 사이클 구성도를 기본 ,

h: 엔탈피 [Kcal/Kgf], η : 팽창기 및 압축기 효율 , ε : 펌프 효율 )

○ 액체공기 펌프 출구압력 : 900,000 [KGF/m^2]-----------------------P1

(임계압력 이상, 임계압력 38 kgf/cm^2 )

○대기열을 받아 기화된 압축공기의 온도 : - 28 ℃(245 °K)

〈공기의 임계온도는 -140 ℃ 이므로 액체 공기가 대기열을 받아 기화된 상태〉

○ 액체공기의 비중량 : 1000 KGf/m^3 (액체공기의 비중은 약 1 )

○사이클에서의 유량 (임의 설정) : 10 [KGf/ sec]--------------------Q

○단열팽창압력 : 1.5 [KGf/cm^2]

(원심력식 압축팽창반복 액화기의 경우 액화기 내에서 유동이 가능하도록 가압할 수 있어야 하므로 표준 대기압보다 높게 설정)

○압축팽창반복 액화기 압축 압력 : 4 [KGf/cm^2]

(팽창시 액화되는 포화수를 펌프로써 가압시 약간의 온도상승(약 5℃)이 따르므로 온도 상승된 포화수보다 압축된 기체의 포화온도가 높게 되어 열전달이 가능 하도록 Air T-S에서 임의 설정, 초저온 기체는 비중이 높아지므로 원심력식 가압 형식의 경우에도 가압 가능 압력을 높힐 수 있다.)

○압축팽창반복 액화기 팽창압력 : 1.5 [KGf/cm^2]

○액체공기 펌프 소요동력 : P1 Q/

/ 102 = 88 [KW]-------------A

○압축공기 팽창발생동력 : Q { h(a) - h(b) } * 427 / 102

= 10 * (100-65)*427/102 = 1465 [KW]----------B

○압축팽창반복 액화기 소요동력 : Q { h(c) - h(b) }* 427/102

= 10 * (70-65)*427/102 = 209 [KW]-----------C

(팽창시 액화가 전혀 이루어지지 않을 경우에는 압축과 팽창의 동력은 같다. 또한 만약 한번의 팽창으로 모두 액화된다고 가정할 경우에는 한번의 압축 소요동력이 필요하다. 그러므로 압축과 팽창을 수차례 할 경우에도 한번의 압축 소요동력이 요구된다.)

○ 공급열량의 이송을 위한 보조 소요동력 :

〈공급열량은 장치에서의 온도상승을 무시하고 최대가 되는 경우를 가정〉

필요 공급열량 : Q { h(a) - h(h) }= 10 *(100-22) = 780 [Kcal/sec]

해수로써 열량을 공급할 경우 열량을 전달후 해수의 온도 강하를 10 ℃ 라고 가정하여 필요 해수의 이송량은

780 / 10 (해수의 비열 1 ) = 78 [Kgf/sec]

이송 펌프의 출구압력을 2 [KGf/cm^2] 펌프효율 60 % 해수의 비중량을 1000 [Kgf/m^3]라고 하면 소요동력은

(78/1000)*(20000/102) / 0.6 = 25 [KW] --------------------------------D

○사이클 구성에서 발생가능 동력 : (B-C)η -(A/ε) - D

= 330 [KW]

(펌프효율 60% , 압축기 및 팽창기 효율 40% 가정)

〈그러므로 10 [KGf/sec] 의 액체공기를 이용하여 해수의 열량만을 소비시켜 330 [KW] 의 동력 발생이 가능하고 연속적 작동으로 일을 행할시 그에 따른 공급열량 만큼의 해수 및 대기 온도가 감온 되는 효과를 가져 올 수 있다.

지금까지는 저온열원없이 액화의 불가능으로 인하여 시스템의 구성이 불가하였고 실제의 경우는 물론 대기의 감온효과를 가져올 수 있는 이론적 계산식을 산출할 수 없었다. 또한 냉매를 이용한 대기의 감온과 동력의 발생을 시도한 적이 있으나 이론적으로 불가했다. 만약 대기의 열량을 이용하여 본고안과 같은 대기열을 이용한 열사이클 기관의 구성에서 장치 마찰손실의 과대 또는 단열의 부실로 인한 열손실의 과대(진공단열방법을 사용)등의 이유로 극단적인 경우 이용 가능한 동력의 발생이 어려운 경우에 외부에서 작동에 필요한 소량의 연료를 추가 연소시켜 사이클을 형성시킬 수 있다. 이의 경우 사이클의 손실분은 팽창기에서 발생되는 일 에너지와 함께 대기의 열량에서 잃어지는 열에너지이다. 이때 외부 소요 되는 동력은 화석연료의 발열량으로 가하여 지지만 발열량의 대부분이 일에너지로 변환후 잔여 열량이 대기로 방출되고 또한 시스템을 작동시키기 위한 소요동력은 매우 작으므로 추가 필요 동력에 의해 발생 되어지는 화석 연료의 연소에 의한 대기의 증온 효과는 작을 수 밖에 없고 시스템 사이클의 작동에 의한 대기의 감온 열량이 훨씬 크게 된다.

그러므로 만약 시스템이 최저 효율의 상태일 경우 비록 대기의 열량을 이용 하여 동력의 창출은 불가능한 상태가 된다고 할지라도 대기온도가 감온되는 효과는 충분히 가져올 수 있다. 따라서 저온열원 없이 고온열원의 온도를 강하시키는 것은 불가하다는 것과 고온열원만을 이용하여 일에너지로의 변환이 불가하다고 규정한 열역학 제2법칙은 경우에 따라 그렇지 않을 수도 있다.〉

대기나 해수열을 이용한 동력의 발생과 대기의 감온 효과.

Claims

압축과 팽창의 반복으로 액화를 얻어내어 구성되는 대기 및 해수열을 이용한 열기관.
압축과 팽창의 반복으로 액화를 얻어내어 구성되는 증기 또는 기체의 액화 방법
압축과 팽창의 반복으로 액화를 얻어내어 구성되는 증기 또는 기체의 축방향의 원심력식 압축팽창 반복 액화기
압축과 팽창의 반복으로 액화를 얻어내어 구성되는 증기 또는 기체의 원주방향의 원심력식 압축팽창 반복 액화기
두개의 잇수 이상의 기어가 마주보게 각각 축에 병렬로 여러개가 결합된 형식으로 구성되어 증기 또는 기체를 압축과 팽창의 반복으로 액화를 얻어내어 구성되는 용적식 압축팽창 반복 액화기
압축과 팽창의 반복으로 기체의 액화를 얻어내어 구성되는 냉동기