KR20060067827A - 초고효율 증기 사이클과 대기열을 이용한 열기관 - Google Patents

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 압축 냉각과 팽창을 반복함으로써 별도의 저온열원이 전혀 필요 없거나 또는 필요시 초기 시동시만 소량의 저온열원이 필요하여 액화가 이루어 질 수 있도록 창안된 열 사이클 기관이다.

그러므로 저온열원에 방출되는 열량이 작음으로 인하여 초고효율의 증기 사이클 및 대기의 열량을 이용한 초저온 작동 매체가 이용된 열 사이클을 창안한 것이다.

팽창 증기를 포화수와 건포화증기로 분리하여 압축과 냉각 혼합 팽장 과정을 반복 함으로써 포화온도 상태에서 건도가 계속 낮아져 전량을 액화시키는 것이 가능하여 본 발명이 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 방법과 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 저온 열원이 전혀 필요치 않으며 시동 이후에는 저온 열원이 전혀 필요치 않도록 창안되었다.

본 발명은 고온열원에서 기체를 팽창후 저온열원 없이 액화시킬 수 있는 방법을 찾은 데서 연구된 것이다. . 열역학 제2법칙의 AW=Q1-Q2 는 열기관에 대한 규정이 잘못된 관계식이며 열기관에서의 저온열원의 규정에 문제가 있다.

그러므로 열역학 제2법칙은 재고되어야 한다.(발명의 원리 참조)

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

Description

초고효율 증기 사이클과 대기열을 이용한 열기관{Super efficiency steam cycle and Air Heating Cycle System For Composition Power Plant.}

도 1은 단열 팽창식 공기 액화장치의 원리 구성도

도 2는 구성 사이클의 시스템 개략 구성도

(각 지점의 a ～Z 는 도 3 의 각 지점을 표시)

1: 주팽창기 1-2,3,4,... : 보조 팽창기 2-1,2,3,4,... : 압축 냉각기

3-1,2,3,4,... : 증기 혼합기 4-1,2,3,4,... : 증기 분리기 5-1,2,3,4,... : 복수펌프

6: 급수펌프 7: 액체공기 생성기 8: 액체공기 보충펌프

9: 액체공기 저장탱크 10: 보충펌프 11: 공급열량 조절밸브

12 : 저온열원 팽창기 13: 저온열원 생성 압축기 14: 여유 저온열 이용 열교환기 15: 대기열원 이용 드압 냉각기

도 3은 구성 사이클의 공기 T-S 선도

〈도면에 대한 간단한 설명〉

도면은 대기열을 이용한 열기관 구성 방법에 대한 주요 구성도와 상세도이다.

도면은 시스템을 설명하기 위한 구성도이고 각각의 장치들은 일반적인 장치 의 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 : 대기의 열량을 이용한 열사이클의 구성이 불가했다.

수증기 랭킨 사이클은 증기의 압축과정을 고려하지 않은 단순한 사이클이며 열효율이 낮다. 열역학 제2법칙의 열기관에 대한 정의에서 AW = Q1-A2 의 관계식이 문제가 많음을 몰랐다.

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 사실이 다. 많은 발명가들에 의해 대기열을 이용한 동력의 발생을 위한 여러가지 장치가 시도되고 구성된 적이 있으나 공학적 이론의 정립이 되지않아 사실상 불가능 하였다. 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 발명은 열역학적 장치의 구성 여부에 따라 그렇지 않은 경우도 있다는 것을 입증하기 위해서이다.

본 발명은 열을 일로 변환하는데 있어서 저온 열원이 반드시 필요하지 않은 경우도 있다는 것과 대기의 감온이 가능하다는 것을 입증하기 위한 연구창안이다. 또한 같은 시스템을 이용하여 매우 열효율이 높은 증기 사이클을 구성하기 위함이다.

1) 원리

1〉본 시스템의 구성에 따른 열역학 제2 법칙의 모순은 다음과 같다.

열 사이클 기관의 구성은 고온의 열원으로부터 열 에너지를 공급 받아 일정량의 열 에너지를 일 에너지로 변환하고 나머지를 저온열원에 방출함으로써 열 에너지를 일 에너지로의 변환을 기한다. (AW = Q1-Q2 , W : 발생 일 에너지 , Q1 : 고온열원으로부터 공급받은 열량, Q2 : 저온열원에 전달한 열량 , A : 일의 열당량 ) 이의 의미에서 열효율 = (Q1-Q2)/Q1 = (T1-T2) / T2

( T1 : 고온열원의 온도, T2 : 저온열원의 온도)

이므로 저온열원에 방출되는 열량은 손실 열량의 개념이 된다. 즉, 저온열원에 방출한 열량이 적을수록 사이클에서의 열효율이 높게 된다.

그러므로 이러한 개념에 의하여 저온열원이 없는 상태가 될 경우 AW= Q1 의 성립이 되어 열효율 100％ 가 되므로 저온열원이 없는 열 사이클의 구성은 현재까지의 학문적 이론으로는 불가하다.

그렇지만 본 고찰에서는 열기관의 구성에 있어서 AW = Q1-Q2 의 관계를 일반적인 논리의 경우와는 달리 해석하고자 하며 다음과 같이 논리성에 의문점을 제기하고자 한다.

(1) 열효율의 개념과 유효일

열기관을 비롯하여 모든 에너지 변환 장치의 근본적 구성 논리는 "높은 에너지 준위 - 낮은 에너지 준위" 에 의하여 손실을 제외한 출력의 효과에 기인한다. 그렇지만 AW = Q1-Q2 의 개념은 산출 방법에서 문제가 있다.

어떤 에너지 변환 장치에서

"높은 에너지 준위의 공급 에너지의 크기를 K

낮은 에너지 준위의 배출 에너지의 크기를 H

에너지 변환 장치의 이론 출력을 G " 라고 하면

장치의 이론 효율은 G / (K-H) 가 된다. 장치의 배출 에너지의 주위 환경에 따라 조성된 장치의 주위 에너지 준위의 세기(이하 주위 에너지 준위라 칭함)를 Z 라 하면 H 가 커질 경우는 G 가 감소되고 H 는 더 일을 할 수 있는 상태가 된다. 즉, H-Z 가 커지게 된다. 만약 장치의 이론 효율을 계산함에 있어서{((K-H)-(H-Z)) /(K-H)} 로 산출하는 방법에 따른다면 장치의 효율은 통상적으로 매우 높아질 것이다. 그렇지만 이는 적당하지 않은 효율의 계산 방식이다. 장치의 효율은 공급 에너지 대비 출력과의 비로써 계산 되어져야 하기 때문이다. 열역학 제2법칙에서의 열기관에 대한 이론 열효율의 산출은 이와 유사한 방법으로 계산한다. 그러므로 증기 사이클을 제외한 일반적인 열기관의 형태인 내연기관에서 주위 온도가 높을 경우 열효율 = (Q1-Q2)/Q1 의 방법에 의하면 열효율은 Q2 가 작아짐으로 인하여 매우 증가될 수밖에 없다. 실린더가 외부와 단열되어 있다면 가솔린 기관이 만약 흡입 조건이 같은 경우 적도에서 작동되든 북극에서 작동되든 열효율은 같아야 한다.(실린더 내부에서의 연소 가스 온도 강하는 단열팽창에 의한 열이 일로 변환되는 과정이다. 즉, 저온열원으로의 전달과정으로 해석해서는 안된다. 냉각수는 장치를 과열로부터 보호하기 위한 수단일 뿐이다.)

그러므로 AW = Q1-Q2에서 W는 공급량 대비 출력의 개념이 될 수 없으며 유효일이 될 수 없다.

(2) 열기관의 정의

열기관의 정의에 있어서 열역학 제2법칙은 " 고온열원으로부터 열에너지를 공급 받아 일정량을 일 에너지로 바꾸고 나머지를 저온열원에 방출 한다" 로 규정하고 있다.

상기의 표현에서 만약 열기관이 공급받는 열 에너지 량을 Q 라 하면 열기관은 절대로 Q 의 열에너지 량을 공급 받을 수 없다. 왜냐하면 열기관의 입장에서 보 면 공급받은 량 Q 중 "나머지"의 량을 저온열원에 방출해야 하기 때문이다. 즉, 열기관의 입장에서는 항상(Q - 나머지)의 량 밖에 공급 받을 수 없다. 그러므로 열기관의 입장에서는 Q 는 절대로 Q 가 될 수 없다.

A------열기관-----B -----C

위에서 A-C 를 Q 라고 하면 B-C 는 "나머지"가 된다. 열기관의 입장에서는 항상 A-B 의 량 만을 공급받을 수 있다. 왜냐하면 열기관은 B-C 를 항상 저온열원에 방출해야 하므로 절대로 Q 을 공급받을 수 없다. 만약 A-B 를 Q 라 하면 열기관은 저온열원에 방출할 열량이 없어진다. 열기관은 반드시 일정량을 저온열원에 방출해야 하므로 Q 는 Q 가 될 수 없게 되는 것이다.

즉, 이상과 같이 열역학 제2법칙은 열기관에 대해 모순적 정의를 하고 있다.

이는 AW = Q1 - Q2 가 잘못되었음을 뜻한다.

열기관에 대한 올바른 해석은 일정 열량을 저온열원에 전달하는 것이 아니라 공급 받은 열을 일로 변환시키고 자신이 설계된 조건에 맞는 에너지 준위의 크기에 해당되는 량 만큼을 일 에너지로 변환 후 나머지를 배출하는 것으로 되어야 한다. 즉 Q 는 A-B 가 되어야 한다. 이는 원천적으로 저온열원이 필요 없음을 뜻한다. 그러므로 Q2 는 저온열원에 전달한 열량이 아니라 배출한 열에너지의 크기가 되는 개념으로 되어야 한다. (T1-T2) / T2 에서 T2 는 저온열원의 온도가 아니라 열기관에서 배출되는 온도의 개념으로 바뀌고 재고찰이 필요하다. 현재 열역학 이론에서 T2를 열기관의 배출온도와 저온열원의 온도 등으로 혼동되어 사용되어지는 경우가 많다.

(3) 저온열원의 개념

만약 어떤 내연기관이 작동됨에 있어서 실린더가 외부와 완전 단열이 된 상태에서 작동 된다면 연소 가스는 주위 온도의 영향을 전혀 받지 않을 것이다. 외부의 조건이 실린더 내부 보다 온도가 높던 낮던 연소 가스는 배기압력에 의해서 배출될 것이고 배출된 이후의 사항은 열기관과 관계없다. (외부는 항상 대기압으로 가정) 만약 외부의 조건이 실린더 내부의 최고 온도보다도 높고 장치가 고온에 견딘다면 내연기관이 저온열원에 열량을 전달할 방법이 없을 것이다. 이러한 저온열원에 열량을 전달할 방법이 없는 상태에서도 내연기관은 작동이 가능하다. 연소 가스를 배기압력으로 밀어내고 이후의 사항은 단열이 된 내연기관과 관계없기 때문이다. 실린더 내부에서의 연소 가스가 감온되는 현상은 단열팽창에 의한 결과이다. 즉, 열이 일로 바뀌는 과정이 되며 저온열원에 열이 전달되는 과정으로 해석할 수없다. 또한 만약 완전한 단열이 되지 않았을 경우에도 기관의 출력은 상승될 것이며 작동이 될 수 있다. 이러한 상태이면 저온열원에 전달한 열량이 없으므로 Q2 = 0 이 된다. Q2 = 0 이 된 상태에서 Q1 만으로 AW 의 일을 발생하면서 작동된다. 즉, AW = Q1 이 되는 상태가 되어 현재의 이론대로라면 열효율 100 ％ 가 된다. 하지만 내연기관은 AW = Q1 의 상태에서 작동되지 않으며 열효율 = AW / Q1 의 상태를 유지하면서 작동하고 100 ％ 의 효율이 되지 않는다.

그러므로 열기관에서는 Q1 만이 고려되어 W 가 유효일로 해석되어져야 한다. 열효율 = (Q1-Q2)/Q1 와 AW = Q1-Q2 의 상태에서 W 가 유효일로 해석되는 개념은 모순이 있다. 따라서 저온열원이 없어도 열기관은 작동이 가능하다. 다만 증기 사 이클에서 저온열원이 없을 경우 사이클의 구성이 이루지지 않는 것은 작동 매체가 폐회로로 이루어지는 특성에 의해 지금까지 배기 증기의 액화 방법을 찾지 못한 데서 있다. (증기 사이클의 경우에도 보일러에서의 입열과 출열을 기준하여 저온열원에 전달한 열량을 개념으로 해석하면 맞지 않다.)

(4) 저온열원으로의 전달 열

저온열원에 전달되는 열량 Q2 은 열기관에서 배출되는 열 에너지 준위에 의하여 주위의 저온열원과의 에너지 준위 차에 따라 자연적으로 발생되어지는 현상이다. 이러한 자연현상적인 발생을 기준하여 열기관의 출력과 효율을 계산하는 것은 열기관의 특성에 의해 경우에 따라 맞을 수도 있겠지만 근본적 개념에 모순이 있다.

이는 에너지 변환 장치의 근본적 구성 논리인 "높은 에너지 준위 - 낮은 에너지 준위" 의 개념에도 맞지 않는다.

이러한 개념에 따라 열을 일로 바꾸는데 있어서 저온열원은 원천적으로 반드시 필요한 존재가 아니다. 그것은 열기관의 이론 출력을 학문적으로 규정짓기 위한 방편에서 모순적으로 탄생시킨 개념이라 생각된다. 열기관은 공급된 열량을 장치의 구성에 따른 설정 여건에 따라 필요한량 만큼 자신의 에너지 준위에 맞추어 일로 변환하고 자신에게 맞지 않는 에너지 준위에 해당하는 량을 배출하는 것 뿐이다. 이는 수차의 경우를 예를 들면 수차의 설계 여건에 따라 수차가 일정량의 유체 에너지를 일로 변환하고 나머지 더 일을 할 수 있는 유체 에너지는 낮은 에너지 준위에 배출되는 것과 같다. 따라서 비록 개념은 다르지만 수차의 배출 에너지와 낮은 에너지 준위와의 차에 의한 방식으로써 수차의 효율을 계산하는 방법은 잘못된 것이며 열기관이 저온열원에 열을 전달하는 것이 아니라 열기관이 배출하는 열과 주위 열 에너지 준위와 차에 의한 자연적으로 발생되는 열전달일 뿐이다.

(5) 저온열원이 없는 열 에너지 변환의 예

열을 일로 바꿈에 있어서 저온열원이 필요치 않는 간단한 비교의 예로써 생체의 경우 섭취한 에너지원에 의한 발생 열량을 일로 바꾸는데 있어 저온열원이 필요치 않는 것을 볼 수 있다. 만약 열을 일로 바꾸는데 있어서 반드시 저온열원이 필요하다면 비록 공급의 형태와 변환의 방법이 다르다고 하더라도 생체에 있어서도 에너지원에 의한 발생 열원보다 낮은 저온열원이 반드시 있어야 활동이 가능할 것이고 죽지 않을 것이다. 그렇지만 일반적으로 에너지원을 섭취하여 발생되는 열원보다 저온열원이 없이도 생체는 살 수가 있다. 생체라고 해서 열 에너지를 일 에너지로의 변환을 기함에 있어 열역학 제2법칙이 적용되지 않아도 된다고는 볼 수 없는 것이며 자연법칙의 의미라는 것는 모든 경우의 자연현상에서 맞아야 하다. 이는 열역학 제2법칙에서 제시한 "외부에 아무런 변화를 남기지 않고 열을 이용하여 작동되는 열기관의 구성은 불가하다"라는 규정에서 아무런 변화의 의미를 저온열원에 방출한 열량의 개념으로 해석 한다면 정면으로 대치되는 결과이다. 그러므로 열기관의 구성에 있어서 AW = Q1-Ax ( x: 각종 손실일 ) 로 이루어지는 열기관의 형태가 원천적으로 가능함이 제시되어진다.

이상의 결과에 의하여 현재 정의된 열역학 제2 에서의 열기관에 대한 정의는 논리성에 처음부터 문제를 내포하고 있었다. 일반적으로 공학 이론뿐만 아니라 현 실 세계에서의 대부분의 경우 효율의 개념은 들어간 량에 대비하여 나타나는 효과의 비로써 나타낸다. 그렇지만 오직 열역학 제2법칙에서만 저온열원에 방출된 열량의 크기에 의한 개념으로써 나타내고 있다. 이는 열기관의 이론 출력과 열효율을 학문적으로 규정짓기 위한 방편에서 모순적으로 탄생시킨 결과로 생각되어지며 증기 사이클에서 지금까지는 고온열원 만으로 열기관을 구성할 수 있는 방법을 찾을 수 없었던 이유에서 정의된 법칙이라고 느껴진다.

이러한 개념과 원인에 따라 본 고찰은 증기 사이클의 구성에서 저온열원이 없거나 매우 작은 크기가 되도록 구성할 수 있는 방법을 찾은 데 있다. 그러므로 AW = Q1-Ax ( x: 각종 손실일 ) 형태의 열기관을 이루기 위한 이유에서이다.

2〉 본 시스템의 구성을 위한 증기에 관한 기본적 자연현상을 다음과 같다.

(1) 습증기의 정의와 상태

모든 물질은 상변화가 가능하고. 대부분의 물질은 고체 ,액체, 기체 등의 세 가지 형태로 존재 한다. 물질의 상변화는 구성 분자간의 거리와 결합 형태에 따라 발생되는 현상으로써 상변화가 될지라도 물질의 성질은 변하지 않는다. 물질의 형태 구성상 특이한 경우를 제외하고는 대부분의 경우 고체, 액체, 기체의 중간 경계 형태의 물질이 되는 경우는 거의 없다. 그러므로 액체 상태인 분자 구성상태에서 일정량의 열어너지를 공급받은 물질은 기화되어 건포화증기가 되고 분자 구성의 특성상 증기와 액의 중간 형태의 분자 구성 상태에서 존재하는 일은 거의 일어나지 않는다. 따라서 기화된 증기에서의 습증기(습포화증기)의 상태는 액과 증기의 혼합체이다. 그러므로 습증기는 액과 증기로 분리가 가능하고 액체를 기화시킴에 있어 서 열량의 공급량에 따라 기화된 성분과 그렇지 않은 성분이 혼재되어 습증기의 형태를 나타낸다. 습증기를 가열시는 습증기 내의 액의 증발잠열 흡수 때문에 전량이 완전한 건포화증기가 되기까지는 온도상승이 거의 일어나지 않는다. 이때의 온도를 포화온도라 한다. 습증기의 상태는 건포화증기의 량에 따라 그 정도가 건도로 표기되고 습증기 속에 미세화 되어 포함된 액분을 제외한 일부 완전한 액분은 분리 가능하며 다시 완전한 액분과 증기를 혼합시켜 원래의 습증기 상태로 만들 수도 있다.

( 건도 = 건포화증기 중량 / 습증기 중량 )

(2) 습증기 내 포화액의 분리와 혼합

습증기는 액과 증기의 혼합체이므로 액과 증기로 분리가 가능하다. 습증기를 액과 증기로 완전하게 분리하였을 경우는 포화액과 건포화증기로 분리된다. 하지만 습증기는 미세화된 액분도 포함하고 있는 상태이므로 액과 증기로 완전하게 분리하는 것은 불가능하다. 그러므로 습증기를 분리할 경우에는 포화액과 매우 건도가 높은 상태의 습증기로 분리된다. 이러한 포화액이 분리된 습증기는 매우 건도가 높으므로 건포화증기의 상태와 거의 같다.(이하 건포화증기로 칭함) 공기는 과열도가 높은 증기의 상태이며 포화압력 하에서의 공기는 습증기의 상태가 된다. (이하 증기 및 습증기로 칭함)

(3) 기체의 단열팽창과 액화

압축된 기체를 단열팽창 시킬 경우 내부 에너지 감소에 의해서 온도가 강하한다. 초저온 또는 초고온의 조건을 가진 압축기체라 할지라도 만약 단열의 효과가 완벽하다면 같은 현상이 일어날 수 있다. 압축된 기체가 단열팽창 후 과열증기의 상태가 될 시에는 포화온도 이상의 상태이므로 감압시 내부 에너지 감소에 의한 요구되는 온도를 나타낸다. 하지만 저온 상태에 있는 압축 기체가 단열 팽창되어 감온 효과로 인하여 포화온도 이하가 요구 되었을 시는 기체의 과냉상태가 요구되므로 일부가 응축되어져 이를 보상하고 응축되지 않은 량과 혼합되어 습증기 상태가 된다. 그러므로 저온 고압의 기체를 습증기 상태까지 단열팽창 시켜 습증기에서 완전한 액분을 분리함 으로써 일부의 액화를 얻어낼 수 있다. 단열팽창 을 이용한 기체의 액화장치로써는 단열팽창식 공 기 액화분리장치가 있으며 이의 원리는 공기를 압축한 다음 대기의 열원을 이용하여 냉각시켜 단열팽창시키고 팽창으로 저온이 된 공기를 팽창전의 압축공기와 열교환 함으로써 팽창전의 온도 를 계속 하강시켜 재차 팽창후 습증기 상태까지 됨에 의하여 일부의 액화를 얻어 액화된 공기로부터 액체산소 및 질소등을 분리한다. 도 1. 은 단열팽창식 공기 액화장치의 간단한 원리 구성도 이며 저온 공기가 팽창 직전의 a 상태에서는 "30 ∼ -50[℃], 40∼60 [KGf/㎝＾2]" 정도가 된다. (도 3에서의 습증기 상태까지의 팽창시 팽창전의 조건 검토 및 참조)

기체의 단열팽창을 이용하여 필요시 저온열원을 생성 시키고자 할 경우 매우 초저온의 저온열원을 얻기 위한 보다 더 저온열원이 필요치 않아도 일을 이용하여 저온열원의 생성이 가능하다. Fig. 3에서 c 상태의 증기를 d 상태까지 단열팽창 시켜 온도가 매우 낮은 상태의 d-c 비율 량의 포화액과 d-u 비율 량의 건포화증기를 얻을 수가 있다.

(4)습증기의 단열팽창과 포화수의 단열감압

습증기를 단열팽창 시키면 더욱 온도와 압력이 낮은 습증기가 된다. 습증기는 포화수와 건포화증기로 분리가 가능하므로 습증기를 단열팽창 시킴에 있어서 만약 포화수와 건포화증기로 분리하여 단열팽창 시키고자 한다면, 즉 습증기에서 분리한 포화수와 건포화증기를 각각 단열팽창 후 다시 혼합하여 습증기를 만들고자 할 경우, 혼합후의 결과는 분리하기 전의 습증기를 단열팽창 시킨 경우와 같다. 습증기에서 분리한 포화수를 단열감압 시키면 감압에 의하여 포화압력의 감소에 따라 일정량이 증발한다. 증발량은 감압 전과 후의 포화온도 차에서의 액의 비열에 따른 열량의 크기만큼 포화수의 증발잠열을 고려한 량이 되고 나머지 포화수는 포화온도가 감소한다. 그러므로 포화수를 단열감압 시키면 습증기가 된다. 또한 분리한 건포화증기를 같은 압력으로 단열팽창 시키면 습증기가 된다. 팽창 후의 두 습증기를 혼합했을 때의 결과의 합은 분리하기 전의 습증기를 단열팽창 시킨 경우와 같다. 그러므로 습증기 내에 포화수량이 많은 경우에도, 즉 건도가 매우 낮은 습증기일 경우에도 단열팽창 시킬시 온도가 감소하며 팽창후 포화수와 증기를 분리하여 온도가 낮은 포화수를 얻을 수가 있다.

(5) 기체의 압축과 임계온도

어떤 기체가 임계온도 이상에서는 어떠한 압력을 받아도 액화가 일어나지 않으며 기체의 종류나 혼합기체 등에 관계없이 적용되고 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 수수 없이 액화된다.

(6) 과냉상태와 상변화

어떤 기체나 액체가 포화온도 이하의 상태에서 상변화하지 않고 있는 상태를 과냉상태라 한다. 이의 경우 불안정한 상태로써 약간의 압력이나 진동 등을 가하였을시 안정한 상태로 상변화 된다. 만약 기체가 단열팽창 후 비등점 이하에서 엑화되지 않고 과냉기체 상태일 경우 약간의 압력을 가하거나 진동을 가하였을시 압축후의 온도가 비등점 이하로 유지될 시에는 즉시 상변화하여 액화되며 응축잠열이 낮을수록 상변화 하기 쉽다.

(7) 증기의 압축과 냉각

증기를 압축함에 있어서 최저의 소요동력으로 압축하고자 한다면 등온압축을 하여야 한다. 최근에는 냉각기술의 발달과 압축기 제작 기술의 발달에 따라 등온 압축에 가까운 압축을 행할 수 도 있게 되었다. 그러나 등온압축은 실제상황에서 발생하기 어려운 여건이므로 압축기의 소요동력은 높아질 수밖에 없다. 등온압축에 가까운 압축을 하기 위하여는 매우 저온의 냉각 열원이 충분하여야 하고 압축과 동시에 냉각하여야 하며 압축율을 낮추어야 한다. 증기를 압축과 동시에 냉각시킬 경우 압축기의 구조적 및 냉각방법, 냉각열량의 크기 등에 따라 압축 후 증기 상태가 결정되며 이들의 크기를 변화시킴으로써 압축 후 상태를 조절할 수가 있다. 증기를 압축과 동시에 냉각시킬시 최저의 소요동력 및 냉각 필요 열량은 압축전의 초기압력에서 압축후 압력에서와 동일한 엔트로피가 되기까지 등온압축 한 다음 단열압축 하는 경우가 되고 최고의 소요동력 및 냉각 필요 열량은 압축후의 온도까지 단열압 축 후 등온압축 하는 경우가 된다. Fig. 3 에서 e' 상태의 증기를 압축과 동시에 냉각하여 g 상태의 증기를 만들고자 한다면 최저의 소요일과 냉각 필요열량은 e'-x-y 과정으로 등온압축 후 등압냉각 한 다음 y-g 과정으로 단열압축하는 경우가 되고 최고의 소요일과 냉각 필요열량은 e'-f 과정으로 단열압축 후 f-g 과정으로 등온 압축하는 경우가 된다. e'-g 과정으로 압축과 동시에 냉각할 경우 근사적 냉각 필요열량 및 근사적 평균 압축 소요동력은 다음과 같다.

〈 압축매체 : 공기.

압축량: 10 [KGf]-W . 온도 ----------T

압축전후 압력 : P1. P2 〉 의 조건 일 때

e'-x 구간 : 등온압축 과정

W T r LN(P2/P1) / 427 ⁽¹⁾

x-y 구간 : 등압냉각 과정

= 10 * (70-57) = 130 [Kcal] ----------b

y-g 구간 : 단열압축 과정

= 10 * (69-57) = 120 [Kcal] ----------c

e'-f 구간 : 단열압축 과경

= 10 * (79.5-70.5) = 90 [Kcal] -------d

f-g 구간 : 등온압축 과정

= 157 [Kcal] -------------------------e

최저소요냉각필요열량 : a + b = 147 [Kcal]

근사적 평균 소요 냉각필요열량

최저압축소요일 : ( a + c ) * 427

최고압축소요일 : ( d + e ) * 427

근사적 평균 압축소요일 :

= 81984[KGf-m]

3〉 본 발명 시스템을 이루기 위한 증기의 액화방법은 다음과 같다.

① 습증기의 압축 냉각 반복 액화

본 발명에서는 저온열원이 없는 형태의 열 사이클 구성이 목적이므로 AW = Q1-Ax ( x : 각종 손실 일)를 이룩하기 위하여 먼저 최적의 저온열원이 필요한 증기 사이클의 형태를 이룩하여야 한다. 이를 위한 증기 사이클의 구성 형태로써는 습증기 상태까지 팽창된 증기를 액과 건포화증기로 분리 후 액의 냉열을 이용하여 건포화증기를 압축 냉각함으로써 이루어질 수 있다. 다른 방법으로써 재생식 랭킨 사이클에서 추기증기 량을 늘림으로써 저온열원의 감소를 가져올 수 있지만 이는 제한된 범위에서만 가능하다. 그러므로 저온열원이 크게 감소되거나 또는 전혀 필요 없는 열 사이클의 구성은 압축 냉각 형태의 방법으로 이루어져야 한다. 이의 사이클 구성에서는 습증기에서 분리한 건포화증기의 압축 압력에 따라 포화액을 가압한 압축수의 냉열 이용 범위가 결정되며 경우에 따른 사이클에서의 필요한 별도의 저온열원의 크기도 결정된다.

압축 냉각 방법을 이용한 열 사이클의 구성에서 저온열원이 필요 없거나 더 욱 작은 크기의 저온열원이 필요한 구성을 위해서는 압축 냉각 반복 액화 방식을 취하여 팽창된 증기의 대부분을 엑화시키는 방법이 있을 수 있다. Fig-3 을 근거한 압축 냉각 반복 액화의 사이클 구성과 순서 및 이론은 다음과 같다.

(1) 압축수를 이용한 증기의 냉각 압축

열 사이클의 구성을 위하여 최저의 포화압력 까지 팽창된 습증기를 포화수와 건포화증기로 분리 후 가압한 압축수를 이용하여 분리되어진 건포화 증기를 압축과 동시에 냉각시킬 경우, 압축기의 냉각 성능 및 냉각열량의 크기에 따라 e' 상태에서 일정 압력까지 압축과 동시에 냉각을 한다면 [e'-L,g] 등의 과정으로 압축냉각 될 수 있다. 만약 e'의 상태로부터 g 의 상태의 압력까지 압축과 동시에 냉각한다면

W : 사이클 에서의 유량

x : 분리 전 습증기의 건도( d 점의 건도)

q : 단위 유량의 압축냉각 필요 열량

Q : 압축냉각 필요 열량 = W q x

p : 압축수의 냉열 이용 가능열량

= W(l-x) (h(a)-h(y)) 일때

압축수를 이용하여 분리한 증기를 압축 냉각시켜 g 의 상태까지 이르게 하기 위해서는 Q 〈 p 의 관계가 성립하여야 한다.

h(a) = 49 [Kcal/Kgf] , h(y) = 24 [Kcal/Kgf] q = 15.2 [Kcal] {2.1.1 참조} 이므로

Q = p 가 성립되는 x 의 값은 0.62 가 된다. 그러므로 분리전의 건도가 0.62 이상의 상태에서는 분리한 압축수를 이용하여 건포화증기를 압축냉각시킴에 있어서 g 의 상태까지 이르게 하기 위해서는 Q 〉 p 의 관계가 되므로 압축증기의 냉각을 위한 추가의 냉각열량이 필요하게 된다.

hf = 포화수의 엔탈피 ,

he = 건포화증기의 엔탈피

hx = 습증기의 엔탈피 라고 하면

hx = hf (l-x) + he x⁽²⁾ 의 관계가 있으므로 최초 분리 지점인 d 점의 건도는

52 = (22＊(l- x))+68 x , x = 0.65 가 된다.

x = 0.65(d점)의 위치에서 포화수와 건포화증기로 분리되어 압축냉각 될 경우

W = 10 [Kgf/sec], q = 15.2 [Kcal] 일 때

p = W(l-x) (h(a)-h(y)) = 87.5 [Kcal/sec]

Q = W q x = 99 [Kcal/sec] 가 되므로 압축 냉각 증기가 g 의 상태에 이르기 위해서는 99-87.5 = 약 12 [Kcal/sec] 의 냉각 필요열량이 부족하게 된다. 이는 압축 냉각 사이클 구성에 있어서 부족 냉열이 되며 별도의 저온열원 생성 장치를 구동하여 생성시켜야 하는 량이 된다. 만약 최초 팽창점(d 점)의 건도를 0.62 이하의 상태에 이르게 하면 압축 냉각을 위한 추가의 저온열원이 필요 없게 된다. 그러므 로 저온열원이 전혀 필요치 않는 열기관의 구성이 가능하다. 그렇지만 팽창기에서 의 조건은 습분이 많을 경우 매우 불리하므로 가능한한 건도가 높아야 한다.

만약 팽창증기와 분리과정에서 액과 증기로 완전하게 분리되지 않았을 시는 액의 냉열 이용량이 줄지만 증기의 압축 냉각 필요 열량이 감소한다. 그러므로 허용 될 수 있는 어느 한계의 범위 이내에서의 액과 증기의 완전한 분리 여부와는 관련이 없다.

(2) 포화수와 건포화 증기의 혼합

g 상태의 건포화증기와 냉열 이용이 끝난 a 상태의 포화수를 혼합할 경우 혼합후의 건도의 결과는 포화수와 건포화증기의 량은 동일하므로 분리전의 x 값인 0.65 와 같다.(h 점)

hx = hf (l-x) + he x

= 49(1-0.65)+(69＊0.65) = 62 [Kcal/Kgf]

압축 냉각 후 62 [Kcal/Kgf] 의 지점(h 점)에 서 건도 0.65 가 된다.

즉, 최초 저압의 상태에서 포화수와 건포화증기로의 분리전의 습증기의 건도와 분리 후 압축과 냉각으로 각각 고압이 된 상태에서 서로 혼합한 상태의 습증기의 건도가 같게 된다.

(3) 혼합 후 습증기의 단열팽창 및 반복 압축

동일한 건도의 압력이 높아진 습증기 상태에서 이를 최초 압력의 상태까지 단열팽창 시키면 팽창 후의 습증기 상태는 최초 분리전의 건도(d 점)보다 낮은 상태의 습증기가 된다.(j 점)

〈이는 팽창전의 건도가 개략적으로 0.5 이 상일 경우의 사항이며 만약 0.5 이하의 건도 상태에서 팽창시키면 팽창후의 건도는 오히려 상승된다.〉

hx = hf (l-x) + he x 에서

hx = 50 (j점), hf = 22 ,

he = 68 [Kcal/Kgf] 이므로 x = 0.61

건도 0.65 의 상태에서 포화수와 건포화증기로 분리 후 압축냉각하여 다시 혼합팽창후의 결과는 건도 0.61 의 습증기가 되었다.

그러므로 건도 0.61의 상태에서 재차 포화수와 건포화증기를 분리 후 압축냉각을 행할 시 (1)항에서 분리전의 건도가 0.62 이하의 상태에서는 Q〈 p 의 관계가 성립하므로 추가의 냉각열원이 없어도 압축냉각 증기가 g 의 상태에 도달한다.〉

(4)습증기의 반복 압축 및 등압냉각

압축 냉각-혼합-팽창 과정의 진행 상태에서 Q = p 의 성립이 되는 건도 0.62 이하의 상태를 거치게 되므로 이후의 과정에서는 Q 〈 p 가 항상 성립한다. 즉, 압축수의 상승 온도가 a 점에 이르지 못한다. 그러므로 혼합의 결과는 압축수가 a 상태에 이르기까지 압축증기의 등압냉각이 발생한다. 그러므로 혼합후의 건도는 최초 분리점 보다 하강하게 된다. (등압냉각은 압축수와 압축증기를 서로 혼합시킴으로써 자연적으로 발생된다. Fig.2 참조)

〈그러므로 팽창전의 건도가 0.5 이하가 되어도 혼합 후 등압 냉각되는 과정에 의하여 팽창전의 건도가 매우 감소되기 때문에 압축냉각 혼합 반복시 건도는 계속 하강된다.〉

같은 방법으로 계속 반복할 경우 e-q 과정까지 이르게 되어 q 의 상태에서 분리될 수도 있다. 그렇지만 혼합 후 완전한 액의 상태인 a 의 상태에 이르게 되면 더 이상 반복할 필요가 없다.

〈혼합 등압냉각 후의 결과〉

만약 j 점에서 분리되었을 경우

압축수의 온도 상승 후 엔탈피 : h(X), 분리점의 건도 : x 라 하면

x * q = ( h(X)-h(y) ) * (l-x)

x=0.61 , 9 = 15.2 , h(y) = 25 이므로

h(X) = 48.8 [Kcal/Kgf] 가 된다.

h(X) 와 g 점의 증기를 혼합할 경우 ,

혼합후의 엔탈피를 h(Y) 라 하면

( h(Y) - h(X) ) * (l-x)

= ( h(g) - h(Y) )＊ x , h(g) = 69 이므로

h(Y) = 61 [Kcal/Kgf]가 된다.

혼합 후의 건도를 x' 라 하면

h(Y) = h(a) (l-x') + h(g) x' 에서

x' = 0.6

그러므로 혼합 후의 건도는 0.6 이므로 최초 분리 상태인 0.61 보다 하강 된다.

같은 방법으로 m,p,R,q 점에서 분리 되었을 경우

와 같으며 단열 팽창-분리-압축 냉각-혼합 을 반복 할수록 Q〈〈 p 의 상태가 되므로 건도는 급격히 하강되어 완전한 포화수 상태인 전량이 건도 0 에 이르게 된다.

이상의 결과에서 압축팽창 반복 액화의 과정을 이루기 위한 별도의 추가 저온열원 생성 필요량은 유량 10 [Kgf/sec]일 때 최초 압축 냉각 반복 액화 과정을 이루기 위한 (1)항의 12 [Kcal/sec] 가 된다. 그렇지만 만약 최초 주 팽창기에서의 습분이 고려되지 않는다면 팽창점의 건도가 0.62 이하가 되게 하여 저온열원이 전혀 필요 없는 사이클 구성이 가능하다.

② 압축기의 구조적 고찰

습증기에서 분리한 압축수를 이용하여 분리된건포화증기를 압축과 동시에 냉각시킬 경우 완전한 열교환에 따른 열평형을 위해서는 외부와의 단열의 상태에서 (진공 단열 방식을 사용)

(1) 압축기의 압력 증가율을 낮춘다.

(2) 일반적인 열교환 방식과는 달리 압축기의 저온 쪽에 저온의 압축액이 유입되게 한다.

(3) 열교환 면적을 크게 한다.

의 구조적 기능이 필요하다. 축류형 압축기의 경우를 예를들면 원주둘레에서만 압축이 일어나게 하여야 하고 길이가 긴 형태의 압축기가 된다. 이럴 경우 냉각을 위한 많은 압축액이 필요하지만 냉각매체를 미리 확보하여 채워줌으로써 가능하다.(본 고찰은 연속 운전시의 저온열원이 필요하지 않는 경우의 적용을 기준으로 하므로 압축기의 구조에 따른 최초 저온열원이 필요한 경우는 사이클 작동에서 필요한 저온열원으로 취급하지 아니한다.) 이 경우 많은 량의 냉각수(압축액)로 인하여 냉각수의 온도가 일정하게 유지되는 단점이 있지만 저온의 압축액을 압축기의 저온부에 유입시킴으로써 압축기의 단면적이 큰 저온부가 충분히 열교환됨에 따라 압축증기가 단열압축 되는 것을 방지하여 압축소요동력의 감소와 냉각필요 열량의 감소를 가져오게 된다. 즉, 저압부가 충분히 냉각됨에 의하여 선 냉각 후 압축의 형태가 됨으로써 최저의 압축 소요동력 및 냉각필요 열량의 형태에 가까워지게 된다.

2) 구성

1〉초저온 열기관 사이클의 구성 조건

본 고찰의 주된 논리는 액의 상태에 있는 작동 냉매를 가압하여 기화시켜 엑화가 용이한 상태까지 단열팽창 시킨 후 2.2.1 의 방법을 이용하여 액화시킨 다음 대기의 열량을 공급하여 재차 기화시키면서 초저온 열 사이클을 구성함으로써 대기의 열량을 일로 변환시키는 동시에 감온 효과를 가져 오게 하는데 목적이 있다. 이와 같은 초저온 열 사이클을 구성하기 위하여서는 아래와 같이 사이클 구성에 합당한 성질을 지닌 기체가 필요하다.

(1)임계온도가 대기온도보다 훨신 낮아야 한다.

(2)임계압력이 비교적 높아야 한다.

(압축 냉각의 범위를 크게 할 수 있어야 한다)

(3)비등점이 비교적 높아야 한다.

(4)응축잠열이 낮아야 한다.

(5)엑화된 기체의 비중이 비교적 커야 한다.

(6)액화된 기체의 비열이 높아야 한다.

(7)액화된 기체를 이용하여 연속적으로 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/㎝＾2] ,

액체공기의 비중 : 1

대기압에서의 비등점 : - 193 [℃]〉

2〉사이클의 형태와 구성

대기의 열량을 이용한 열기관의 구성은 액화된 기체를 대기열을 이용하여 기 화 후 단열팽창 해야 하므로 논리에 적합한 액체공기가 반드시 필요하고 최초 액체공기의 확보와 부족 저온열원의 확보를 위한 공기액화 장치가 있어야 한다. 최초 공기액화를 위한 장치의 예는 전통적으로 널리 일반화 되어 가장 많이 사용되어지고 있는 공기액화분리장치에서의 단열팽창식 공기 액화장치가 있다. 액화된 공기를 이용하여 사이클을 구성함에 있어서 2.2.1 의 액화 방법을 적용하여 사이클을 형성시키고 누설에 의한 매우 소량의 액체 공기만을 최초 공기 액화장치로 부터 보충한다. 액체공기를 기화시키기 위한 열량은 대기 또는 해수가 태양으로부터 보유되어 있는 열을 이용하여 열기관 사이클을 형성시킨다. 도 2 는 사이클의 개략도이며 구성을 요약하면 아래와 같다.

( a∼ Z 는 도 3 에서의 각 상태점을 표시)

(1) 최초 공기 액화장치(7)를 이용하여 액체공기를 확보한다.

(액의 확보는 최초 저온열원이 확보된 경우와 같다.)

(2) 보충펌프(10)를 이용하여 액체공기를 시스템에 보충한다.

(3) 액체공기를 급수펌프(6)로써 가압한다.

(4) 대기열 또는 해수가 지닌 열량을 이용하여 액체 공기를 기화시키되 공급열량 조절밸브(11)를 이용하여 기화된 공기가 팽창전의 초기 조건(C)이 되도록 맞춘다.

(5) 주팽창기(1)에서 단열 팽창시켜 팽창동력을 얻어 낸다.

(6) 복수펌프(5), 보조팽창기(1-2), 압축냉각기(2), 증기 혼합기(3) 등을 이용하여 증기의 액화 방법과 같이 액화시킨 후 급수펌프로써 재 가압하고 사이클을 형성시킨다.

(7) 압축 팽창 반복 과정에서 초기 부족 저온열원은 저온열원 생성 압축기(13), 저온열원 생성 팽창기(12)등을 구동하여 생성시킨다. 부족 저온열원의 생성은 시스템에서 발생되는 동력을 이용하여 별도의 공기 압축기(13)와 팽창기(12)를 반드시 직결하여 구동하되 저온열원 생성을 위한 별도의 사이클을 구성한다. 또한 저온열원 생성량을 충분하게 하여 필요시 각각의 압축냉각 반복 시스템에 누설 저온열원 량을 보완한다.

〈사이클 구성의 예 참조〉

(8) 과정을 반복하여 초저온 열 사이클을 형성시키되 사이클의 구성에서 필요조건은 반드시 진공 단열법을 사용하며 주팽창기와 압축냉각기, 팽창기와 압축기 등을 반드시 모두 일축 또는 기어, 벨트 등을 이용하여 동력이 서로 직접적으로 전달되도록 한다.

3) 사이클 구성의 예

사이클 구성의 형태를 바탕으로 공기 T-S 선도(도. 3)를 기초하여 대기의 열량을 받은 압축공기가 단열팽창 후 대기의 감온과 함께 별도의 저온열원이 없는 열 사이클의 구성가능 여부 및 동력 발생의 크기, 열효율 등을 알기 위하여 도 3을 근거한 결과를 구하면 다음과 같다.

(생성하여야 할 저온열원이 전혀 필요 없는 형태의 열기관 구성이 가능하지만 열원의 손실과 주 팽창기에서의 습분이 매우 증가함을 고려하여 소량의 저온열원 생성이 필요한 경우를 가정한다.)

( )는 도. 2 및 3 의 각 상태점을 표시

〈초기조건〉

작동매체 : 공기,

유량(W) : 10 [KGf/sec] -------------- W

기체상수 : 29.3 [KGf-m/KGf °K]-------r

팽창증기 건도 : 0.65 -----------------x

가압압력 : 150 atm ----------------P1

팽창압력 : 1 atm ------------------P2

압축냉각 압력 : 30 atm

압축냉각 온도 : 129 °K

(열교환기에서의 열평형은 거의 완전한 상태가 되는 것으로 가정. 열교환기의 열평형율은 열교환 면적이 충분할 시 거의100 ％ 가 될 수 있다.)

팽창증기(d) 건도 0.65 이므로{증기의 액화방법 (1) 참조}

최초 포화액 35 ％, 건포화증기 65 ％ 로 분리 가능하고 35 ％ 의 가압액을 이용하여 65％ 의 증기를 압축냉각 한다. 압축 팽창 반복 과정의 냉각 열량에 따른 사이클 성립 여부는 증기의 액화방법에서 제시되었으며 사이클 구성의 예에서는 발생 동력의 크기, 저온열원생성 소요동력, 열효율 등에 대하여 제시 하고자 한다.

○ 건포화증기의 압축냉각 및 팽창동력(e'-g, h-j)

압축과 동시에 냉각시 정확한 소요동력과 냉각필요 열량의 계산은 이론적으로 불가하므로 최저의 압축 소요동력 및 냉각필요 열량과 최고의 압축 소요동력 및 냉각 필요 열량을 기준한 근사적 평균값을 적용 , e-F 과정은 단열 압축으로 가정.

- 최초 과정의 평균 압축소요 동력(e'-g) :

{2.1.7} 참조

81984 * 0.65 / 102 = 522 [KW]----------A

- 최초 압축팽창 과정의 압축후 팽창동력(h-j) :

(분리 압축 냉각 후 혼합되어 단열팽창)

= 10＊(62-50) * 427/102 = 502 [KW] -----B

(압축팽창 반복은 압축수에 의한 등압냉각이 추가되어 건도가 급격히 하강 하므로 최대 약 5∼6 회가 필요하며 건도가 하강 할수록 압축 증기량은 감소되고 혼합후의 팽창량은 동일하다. 그러므로 팽창동력이 커지게 된다. 그렇지만 건도가 하강함에 따른 액분의 증가로 인하여 팽창기의 구조적 문제를 보완하여야 한다. 압축팽창 반복 과정에서의 전체 동력은 팽창기 쪽이 커질 수 있지만 최초의 압축 소요 동력과 팽창 동력만을 적용. )

- 최초 단열압축 소요동력(e-e') :

= 10 * (70-68) * 427/102 = 84 [KW] -------C

○ 저온열원 생성기에서의 소요동력 :

저온열원 생성 필요 열량 : 12 [Kcal/sec]

{2.2.1 참조}

(각각의 압축팽창 반복 과정과 초기 저온열원 공급에서의 저온열 누출을 고려하여 충분한 저온열원의 공급이 가능 하도록 20 [Kcal/sec] 가 필요한 것으로 가 정)

저온열원 생성 팽창기에 의하여 S 상태까지 단열팽창 후 t 상태까지 저온열원으로서의 기능이 가능하다. 그러므로 압축 하여야 할 공기량은

20 / {h(h)-h(j) = 20/(80-65) = 1.3 [Kgf/sec]

(초저온 열원이 이용된 공기는 별도의 순환 사이클을 이루면서 일을 통하여 저온열원을 생성시켜 공급한다. 순환 사이클의 구성은 냉열 이용이 끝난 t 상태에서 20 atm ,

300 [°K](t') 까지 단열압축하여 150 atm , 330 [°K](Z)까지 대기중의 냉각수로 압축과 동시에 냉각 후 300 [°K](W) 까지 등압냉각 사이클을 이룬다.)

-단열압축 소요동력 :

1.3 * { h(t') - h(t) } * 427/102

= 1.3 * (121-80) * 427/102 = 223 [KW] -a

-압축냉각 과정의 최고 소요동력 :

[ 1.3 * { h(Z) - h(w') } * 427/102 ]

= 38 + 192 = 230 [KW] -------------b

-압축냉각 과정의 최적 소요동력 :

+ [1.3 * 320 * 29.3 * LN(150/30) / 102 ]

= 32 + 180 = 212 [KW] -------------c

-압축냉각 과정의 근사적 평균 소요동력 :

(b + c ) / 2 = 221 [KW] ------------d

-저온열원 생성과정에서의 압축 소요동력 :

a + d = 435 [KW] -------------------D

-저온열원 생성과정에서의 팽창 발생동력 :

1.3 * { h(W) - h(S) } * 427/102

= 1.3 * (115-65) * 427/102 = 272 [KW] ----e

○ 주팽창기에서의 발생동력

= 10 * (77-52) ＊427/102 = 1047 [KW] ----F

○ 급수 펌프에서의 소요동력

= 10 * (52-49) * 427/102 = 126 KW] ------G

○ 복수 펌프에서의 소요동력

복수 폄프의 크기는 최초 분리 후 액의 량이 적으므로 작게 되고 액의 분리량의 증가에 따라 유량이 많게 된다.

( 평균 유량 : 5 Kgf/sec , 반복 휫수 : 6회 ,

펌프효율 : 60 ％, 액체공기 비중 : 1 ,

압력 30 atm )

유량*비중량 * 수두압 ＊휫수 / (102*폄프효율)

= 147 KW] --------------------------H

○ 대기의 공급열량 이송을 위한 보조 소요동력 :

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

W { h(C) - h(b)}/ 10 (해수의 비열1)

= 10 * (77-52) / 10 = 25 [Kgf/sec]

이송 펌프의 출구 압력 2[KGf/㎝＾2] , 해수의 비중량 1000 [Kgf/m＾3 , 펌프효율 60 ％ 일 때 소요동력은

25*(10＾-3)*1000*20 /(102*0.6) = 8 [KW] ----J

○ 이론 사이클 효율 :

복수펌프, 이송펌프를 제외한 나머지 팽창기와 압축기, 급수펌프는 모두 일축 또는 벨트, 기어 등으로써 서로 직접 동력 전달되는 것을 가정.

/ [ W { h(C) - h(b) } ]

= 62.5 ％

○ 사이클에서의 발생 동력

= [ 0.625*10*(77-52)*427/102 ]-147-8

= 500 [KW]

10 [Kgf/sec] 의 공기 유량으로써 대기의 열량을 이용한 저온 열 사이클을 구성하여 500 [KW] 의 동력이 발생되고 발생 일의 상당량 만큼의 대기가 감온되어 진다. 실제의 사이클 구성에 있어서 작동 매체로서의 액체공기는 유기용제와 결합시 폭발의 위험이 있으므로 곤란할 것이다. 합당한 조건을 갖출 기체는 질소이며 질소를 이용할 경우 액체 질소의 비열이 큼으로 인하여 사이클 구성에 더욱 유리하게 된다. 시스템을 구성하기 위한 장치의 구성 요건으로써는 매우 높은 효과의 단열(진공 단열을 이용)이 필수적이고 초저온에 견딜 수 있는 재료와 습분이 많은 상 태에서도 팽창기의 역할이 수행될 수 있는 구조가 필요하다. 이상의 예는 장치 구성에서의 통상적인 형태와 효율에 준하여 적용되었다.

〈사이클의 구성에 대한 고찰〉

본 발명은 열역학 제2법칙의 규정에 있어서 "어떤 열원으로부터 받은 열량이 전부 일로 변환될 때 주위에 어떠한 변화도 남기지 않고 사이클을 이루는 기관 (100％ 의 효율을 가진 기관) 즉 제 2종 영구기관은 실현 될 수 없다."라는 정의에 대하여 그 규정을 받아들이되 그 의미를 저온열원이 반드시 필요한 의미로 견주어 비교되는 것은 잘못되었다고 생각한다. 그 이유는 저온열원에 전달된 열량의 대소로 열기관의 성능을 표시하는 개념은 열효율의 취지에 맞지 않기 때문이다. 열을 얼마나 효과적으로 사용했는가의 여부가 열효율을 나타내는 개념에 맞으며 자연현상에 따른 일반적인 법칙과 현상에 어울리는 효율의 개념이다. 그러므로 열역학 제2 법칙은 열을 일로 변환하는 척도에 있어서 개념적으로 맞지 않다. 또한 본 고찰과 같이 지속적인 저온열원이 필요치 않는 열기관을 구성할 수 있음과 함께 유기체 및 생체 등은 저온열원이 없이도 생명이 유지되는 단적인 예의 보기이므로 저온열원이 없는 상태에서 열 에너지를 일 에너지로의 변환이 불가함의 규정은 잘못된 것으로 느껴진다. 자연법칙은 예외적인 경우가 있어서는 않되기 때문이다. 따라서 열역학 제2법칙은 수정되어야 한다고 생각된다.

본 고찰을 이용하여 만약 수증기를 이용한 사이클을 구성하였을 시는 저온열원 생성 동력이 필요 없기 때문에 매우 높은 효율의 증기 사이클의 구성이 가능하다. 또한 수증기는 대기의 열원으로써 압축 냉각이 가능하므로 구조와 논리적으로 매우 유리하게 구성될 수 있다.

본 사이클 시스템의 장치를 활용하여 대기열을 이용한 열기관, 초 고효율 수증기 사이클 열기관 , 초 고성능의 냉동기, 각종 기체의 액화장치 등에 이용 할 수 있다.

대기나 해수열을 이용한 동력의 발생과 대기의 감온 효과 및 초고효율 수증기 사이클이 가능

Claims (4)

1. 팽창기에서 배기되는 증기를 압축 냉각과 팽창의 반복으로 액화를 얻어내어 구성되는 대기 및 해수열을 이용한 열기관.
2. 압축과 냉각 팽창의 반복으로 액화를 얻어내어 구성되는 증기 또는 기체의 액화 방법
3. 팽창기에서 배기되는 증기를 압축 냉각과 팽창의 반복으로 액화를 얻어내어 구성되는 수증기 열기관.
4. 압축과 팽창의 반복으로 기체의 액화를 얻어내어 구성되는 냉동기

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