KR20090019759A - 단일 순환 열펌프 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열펌프 발전장치에 관한 것으로, 특히 단일 순환 열펌프 발전장치에 관한 것이다. 상기 장치는 공기 중 무질서한 열량을 에너지원으로 하여 액상 작동 매체를 기화시켜 고속 기류를 형성하는 기화기 및 상기 고속 기류를 동력으로 하여 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 터빈 발전기 유닛을 포함한다. 상기 발전장치는 터빈으로부터 배출된 배기가스를 고온고압의 기체로 압축하고 상기 고온고압 기체를 액화기로 수송하는 압축기를 더 포함한다. 상기 액화기는 액상 작동 매체 수송 파이프를 거쳐 기화기와 연결되거나 열교환방식으로 기화기와 연결된다. 후자는 상기 고온 고압 기체와 기화기 내의 작동 매체 사이에서 열교환하는 방식이다. 그리고 열교환을 거쳐 형성된 상온 액상 작동 매체는 증압 펌프를 통해 기화기로 수송된다. 본 발명에 따른 시스템은 단일 폐회로 순환 시스템을 사용한다. 열 채취와 발전이 동일한 회로에서 이루어지고 외부로부터 전력을 공급받을 필요가 없고 단지 전력을 피드백하기만 하면 열 펌프가 자동으로 가동된다. 이로써 자체적으로 시스템 가동에 필요한 전력을 공급할 뿐만 아니라 잉여 전력은 시스템 외부로 출력하여 사용할 수 있다.
단일 순환 열펌프 발전장치, 압축기, 액화기

Description

단일 순환 열펌프 발전장치{A SINGLE LOOP HEAT PUMP GENERATOR}
본 발명은 열펌프 발전장치에 관한 것으로서, 특히 단일 순환 열펌프 발전장치에 관한 것이다.
종래의 발전장치는 질서화 에너지(석탄, 오일)의 일부를 취하여 전력으로 출력하고 다른 일부는 시스템을 가동하는 동력으로 사용한 후 최종적으로 열 발산 방식으로 공기 중에 방출한다. 이로부터 알 수 있는 바, 이러한 장치는 일반적인 연료를 사용하고 공기 중으로 유해가스를 배출할 뿐만 아니라 에너지 소모가 큰 편이다. 열펌프 발전장치는 공기중의 열량을 에너지원으로 하고 시스템을 가동한 후 잉여 전력을 출력하는 것으로, 다시 말하면 공기중의 무질서한 열 에너지를 질서있는 전기 에너지로 변환하여 사용하는 것이다. 중국특허 제200410097600.0호는 열펌프 및 유체의 이중 순환 발전 설비를 이용한 에너지원에 관한 기술을 공개하였다. 상기 특허는 두 개의 폐쇄 회로 순환 시스템을 사용하였는데 그 중 하나는 열량 채취에 이용하고, 다른 하나는 열기관에 이용하였다. 상기 시스템은 열량 피드백 구조를 사용하지 않고 열기관을 사용하므로 시스템 효율이 매우 낮다. 동시에 가연성 기체인 이소부탄 또는 이소펜탄을 사용하기 때문에 보급에 적절하지 않다.
본 발명의 목적은 단일 순환 시스템, 특히 열생성기의 순환이 불필요하고 열량을 직접 기화기에 피드백하여 이용하므로 효율이 높고 오염이 없으며 중저온 냉각용 작동 매체(working medium)를 사용할 수 있는 단일 순환 열펌프 발전장치를 제공하는데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 기술 수단을 제공한다.
본 발명에 따른 단일 순환 열펌프 발전장치는, 공기중의 무질서한 열 에너지를 에너지원으로 하여 내부의 액체 기능 물질을 기화하여 고속기류를 형성하는 기화기 및 상기 고속기류를 동력으로 하여 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 터빈 발전기 유닛을 포함하고, 터빈으로부터 배출된 배기가스를 고온고압 기체로 압축하고 상기 고온고압 기체를 액화기로 수송하는 압축기를 더 포함한다. 여기서 상기 액화기는 액체 기능 물질 수송 파이프를 거쳐 기화기와 연결된다.
상기 목적을 실현하기 위하여 본 발명은 또 다른 하나의 기술수단을 채택할 수 있다.
본 발명에 따른 단일 순환 열펌프 발전장치는, 공기중의 무질서한 열 에너지를 에너지원으로 하여 내부의 액상 작동 매체를 기화시켜 고속기류를 형성하는 기화기 및 상기 고속기류를 동력으로 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 터빈 발전기 유닛을 포함하고, 터빈으로부터 배출된 배기가스를 고온고압 기체로 압축하고 상기 고온고압 기체를 액화기로 수송하는 압축기를 더 포함한다. 여기서 상기 액화기는 상기 고온고압 기체와 상기 기화기 내의 작동 매체로 하여금 열교환을 진행하게 함으로써 양성 피드백 구조를 이루고 상기 열교환을 진행한 후 형성된 상온 액체 작동 매체는 증압 펌프를 통해 기화기에 수송된다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 순환 열펌프 발전시스템의 블록도이다.
도 2는 열교환이 없는 타입의 단일 순환 열펌프 발전장치를 개략적으로 보여준 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 단일 순환 양성 피드백 구성의 열펌프 발전시스템의 블록도이다.
도 4는 내부 열교환 타입의 단일 순환 양성 피드백 구성의 열펌프 발전장치를 개략적으로 보여준 도면이다.
도 5는 외부 가열 타입의 단일 순환 양성 피드백 구성의 열펌프 발전장치를 개략적으로 보여준 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
실시예 1은 도 1에 도시한 시스템의 블록도에서 보여준 열교환이 없는 타입의 단일 순환 열펌프 발전장치(도 2를 참조)이다. 상기 장치는 액화기(1), 기화기(2), 압축기(3), 터빈(4), 발전기(5), 감압 증속 이형 파이프(6), 기밀 밸브(7), 스로틀 밸브(8)로 구성된다. 상기 기화기(2)는 외부에 보온층(9)이 설치되고 그 내부에는 액상 작동 매체(10)가 내장되며 기체 챔버 및 고압 기체 배출구를 포함하는 통 모양 구조를 갖는 용기이다. 상기 기화기(2)의 고압 기체 배출구는 파이프 및 그 위에 설치된 기밀 밸브(7)를 통해 감압 증속 이형 파이프(6)와 연결된다. 그리고 상기 감압 증속 이형 파이프(6)의 고속기류 배출구는 터빈(4)에 연결되고 상기 터빈(4)의 동력 출력축은 발전기(5)와 연결되고 배기가스 출구는 압축기(3)와 연결된다. 상기 압축기(3)의 고온고압 기체 배출구는 액화기(1)와 연결되며 상기 액화기(1)는 스크류 파이프 또는 냉각핀을 갖는 파이프를 사용할 수 있다. 그리고 상기 액화기(1)의 상온 액상 작동 매체 배출구는 파이프 및 그 위에 설치된 스로틀 밸브(8)를 통해 기화기(2)와 연결되고, 상기 발전기(5)는 전기 회선을 통해 압축기(3)와 연결된다.
열교환이 없는 타입의 단일 순환 열펌프 발전장치의 작동과정을 살펴보면 다음과 같다.
기밀 밸브(7)를 열어 외부로부터 전원을 공급받아 압축기(3)를 가동하고 터빈(4)의 배기 출구에 부압을 형성하면, 상기 기화기(2) 내의 액상 작동 매체(10)는 공기중의 열량을 흡수하여 기화되어 고압 기체로 된다. 상기 고압 기체는 파이프를 통해 감압 증속 이형 파이프(6)에 수송된 후 다시 가열 챔버에 유입된다. 그런 다음 감압 증속 과정을 거쳐 고속기류를 형성하면서 터빈(4)내로 유입되어 터빈을 가동함과 동시에 발전기(5)를 가동시켜 전력을 발생한다. 배기는 압축기(3)를 통해 고압고온 기체 작동 매체로 압축되어 액화기(1)에 유입된 후 열량이 발산되면서 상온의 액상 작동 매체로 된다. 그리고 다시 스로틀 밸브(8)를 통해 기화기(2)에 들어가 공기중의 열량을 흡수하여 다시 기화되며 상기 단계를 반복 진행한다. 발전 기(5)에 의해 생산된 전력은 일부는 시스템 자체에 사용되고 잉여 전력은 시스템 외부로 출력된다.
실시예 2는 도 3에 도시한 내부 열교환식 타입의 단일 순환 양성 피드백 열펌프 발전장치이다(도 4를 참조). 상기 장치는 액화기(1), 기화기(2), 압축기(3), 터빈(4), 발전기(5), 기밀 밸브(7), 스로틀 밸브(8) 및 증압 펌프(11)로 구성된다. 상기 기화기(2)는 외부에 보온층(9)이 설치되고 내부에는 액상 작동 매체(10)가 내장되며 기체 챔버 및 고속기류 배출구를 구비한 통 모양의 용기이다. 상기 기화기(2)의 배기가스 출구는 파이프 및 그 위에 설치된 기밀 밸브(7)를 통해 터빈(4)과 연결되고 상기 터빈(4)의 동력 출력축은 발전기(5)와 연결되고 배기 배출구는 압축기(3)에 연결된다. 그리고 상기 압축기(3)의 고온고압 기체의 배출구는 액화기(1)에 연결되며, 상기 액화기(1)는 기화기(2)와 함께 하나의 열교환기를 구성한다. 상기 액화기(1)는 스크류 파이프 또는 냉각핀을 갖는 파이프를 사용할 수 있으며 그 본체는 기화기(2)의 액상 작동 매체(10)내에 설치된다. 그리고 상기 액화기(1)의 상온 액상 작동 매체 출구는 파이프 및 그 위에 설치된 스로틀 밸브(8), 증압 펌프(11)를 통해 기화기(2)에 연결되고 상기 발전기(5)는 전기 회선을 통해 압축기(3), 증압 펌프(11)에 연결된다.
내부 열교환 타입의 단일 순환 양성 피드백 열펌프 발전장치의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.
기화기(2) 내의 액상 작동 매체(10)는 외부로부터 끊임없이 열량을 흡수하여 기체 작동 매체로 기화되는 동시에 기화기(2)의 상부 기체 챔버 내에 집중하게 된 다. 기밀 밸브(7)를 열어 외부 전력으로 압축기(3)를 가동하고 터빈(4)의 가스 배출구에 부압을 형성하면 기화기(2)중의 기체 작동 매체는 연결용 파이프를 통해 터빈(4)으로 유입되어 터빈을 작동시켜 발전기(5)를 가동시킨다. 터빈(4)으로부터 배출된 배기는 압축기(3)의 압력에 의해 액화기(1)내로 유입된다. 따라서 액화기(1)의 입력단에는 고온고압의 작동 매체가 걸리고 그 작동 매체는 스크류 파이프의 본체를 따라 연속적으로 온도를 낮추고 상기 액화기(1)의 출력단에는 상압보다 약간 높은 액상의 작동 매체가 걸린다. 상기 액상의 작동 매체는 다시 증압 펌프(11)에 의해 기화기(2)보다 높은 압력이 가해진 후 기화기(2)로 주입된다. 액화기(1)가 열량을 기화기(2)로 피드백하므로 기화기(2)내의 작동 매체의 온도가 환경 온도보다 몇십도가량 높아지게 된다. 따라서 압력이 45atm 또는 그 이상으로 되면 다시 연결용 파이프를 거쳐 터빈(4)으로 유입하며 상기 단계를 반복적으로 진행한다. 발전기(5)가 생산한 전력 중 일부는 증압 펌프(11)와 압축기(3)에 공급하고 잉여 전력은 시스템 외부로 출력한다.
실시예 3은 도 3에 도시한 시스템 구조에 따른 외부 가열 타입의 단일 순환 양성 피드백 열펌프 발전장치이다(도 5를 참조). 실시예 1과 상이한 점은 액화기(1), 기화기(2), 압축기(3), 터빈(4), 발전기(5), 기밀 밸브(7), 스로틀 밸브(8) 및 증압 펌프(11) 외에 가열실(12)을 더 포함한 것이다. 상기 가열실(12)은 이형 파이프 모양을 이루며 그 일단은 기화기(2)의 가스 배출구에 연결되고 타단은 터빈(4)에 연결된다. 액화기(1)의 본체는 코일 파이프 형식으로 상기 가열실(12) 케이스의 외부를 감으면서 가열실(12)과 함께 하나의 열교환기를 구성한다. 액화 기(1)의 상온 액상 작동 매체의 배출구는 파이프 및 그 위에 설치된 스로틀 밸브(8), 증압 펌프(11)를 통해 기화기(2)와 연결되어 있다.
외부 가열 타입의 단일 순환 양성 피드백 열펌프 발전장치의 작동과정을 살펴보면 다음과 같다.
기밀 밸브(7)를 열어 외부전력으로 압축기(3)를 가동시켜 터빈(4)의 가스 배출구에 부압을 형성하면 기화기(2)내의 액상 작동 매체는 연결용 파이프를 통해 가열실(12)로 유입된다. 여기서 기류는 압력이 낮아지는 동시에 속도가 증가하며,감압 및 증속된 상기 기류는 가열실(12) 끝단의 분사관을 통해 분출되어 터빈(4)을 가동시켜 발전기(5)가 발전하도록 한다.배기가스는 압축기(3)에 의해 고압고온 기체 작동 매체로 압축되어 액화기(1)에 진입하며, 외부 코일 파이프 형식으로 열량을 가열실(12) 내의 기체 작동 매체에 전달하여 기화기(2)로부터 가열실(12)로 유입된 기체 작동 매체의 온도가 상승하게 하며 가열실(12)의 끝단으로부터 분출되는 기류의 속도를 가속화한다. 이렇게 함으로써 터빈 발전기 유닛이 더 많은 전기를 생산하도록 하는 동시에 이 부분에서 고온고압의 기체 작동 매체는 열교환으로 인해 열량이 손실되어 액상의 상온 작동 매체로 변한다. 그런 다음 다시 스로틀 밸브(8)와 증압 펌프(11)를 통해 액상 작동 매체를 기화기(2)로 보내고 상기 액상 작동 매체는 다시 대기의 열에너지를 흡수하여 기화되며 상기 단계를 반복적으로 진행한다. 이렇게 발생된 전력에서 일부는 증압 펌프(11)와 압축기(3)에 공급되고, 잉여 전력은 시스템 외부로 출력된다.
종래의 발전장치와 비교해 볼 때, 본 발명은 우선 공기 중의 열량을 에너지원으로 하여 시스템을 가동한 후 잉여 전력을 출력하는데 다시 말하면 공기 중의 무질서한 열 에너지를 질서있는 전기 에너지로 변환시킨다. 본 발명에 따른 발전장치는 연탄, 오일 등의 연료가 불필요하며, 대기중으로 유해 가스를 배출하지 않으므로 에너지 위기 및 대기 온난화 문제를 대폭 완화할 수 있다.
종래의 열펌프 발전장치와 비교해 볼 때, 본 발명에 따른 시스템은 폐쇄회로 순환시스템으로, 열 채취 및 발전이 동일한 회로에서 이루어지고 장치 내에서 액화기, 기화기, 압축기로 구성된 열펌프는 에너지를 증폭시키는 증폭기 역할을 하고 전기 에너지로 압축기를 가동시켜 작동 매체를 압축하고 방출된 열량을 액화기 또는 기화기로 피드백 하면 작동 매체가 열량을 흡수하여 기화되면서 터빈을 밀어 발전기로 하여금 발전하도록 한다. 이렇게 생산된 전력중 일부는 다시 압축기로 공급되어 사용된다. 이론적으로 볼 때, 1KW 전력으로 5KW의 열량을 얻을 수 있다(종래의 효율 기준). 그러나 발전기를 거치면 약 3 ~ 3.8KW의 전력을 얻을 수 있으므로 외부로부터 전력을 공급받을 필요가 없으며, 단지 전력을 피드백하기만 하면 열펌프가 자동으로 가동된다. 또한 시스템을 가동하는데 필요한 전력 외에도 잉여 전력이 존재하여 시스템 외부로 출력하여 사용할 수 있다.

Claims (5)

  1. 공기중의 무질서한 열 에너지를 에너지원으로 하여 내부의 액상 작동 매체를 기화시켜 고속기류를 형성하는 기화기 및 상기 고속기류를 동력으로 하여 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 터빈 발전기 유닛을 포함하는 단일 순환 열펌프 발전장치에 있어서,
    터빈으로부터 배출된 배기가스를 고온고압 기체로 압축하고 상기 고온고압 기체를 액화기로 수송하는 압축기를 포함하고,
    상기 액화기는 액상 작동 매체 수송 파이프를 거쳐 기화기와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는,
    단일 순환 열펌프 발전장치.
  2. 제1항에서,
    기화기, 터빈, 발전기를 포함하며,
    액화기, 압축기, 감압 증속 이형 파이프, 기밀 밸브, 스로틀 밸브를 더 포함하고,
    상기 기화기는 외부에 보온층이 형성되고 내부에 액상 작동 매체가 내장되며 기체 챔버 및 고압 기체 배출구를 포함하는 통 모양의 구조를 갖는 용기이고,
    상기 기화기의 고압 기체 배출구는 파이프 및 그 위에 설치된 기밀 밸브를 통해 감압 증속 이형 파이프에 연결되고,
    상기 감압 증속 이형 파이프의 고속 기류 출구는 터빈과 연결되며,
    상기 터빈의 동력 출력축은 발전기와 연결되고 상기 터빈의 배기가스 출구는 압축기에 연결되며,
    상기 압축기의 고온고압 기체 배출구는 액화기와 연결되며,
    상기 액화기는 스크류 파이프 또는 냉각핀을 구비한 파이프이고, 상기 액화기의 상온 액상 작동 매체 배출구는 파이프 및 그 위에 설치된 스로틀 밸브를 통해 기화기와 연결되며,
    상기 발전기는 전기 회선을 통해 상기 압축기와 연결된 것을 특징으로 하는,
    단일 순환 열펌프 발전장치.
  3. 대기중의 무질서한 열 에너지를 에너지원으로 하고 내부의 액상 작동 매체를 기화시켜 고속기류를 형성하는 기화기, 및 상기 고속기류를 동력으로 하여 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 터빈 발전기 유닛을 포함하는 단일 순환 열펌프 발전장치에 있어서,
    터빈으로부터 배출된 배기가스를 고온고압의 기체로 압축하고 상기 고온고압 기체를 액화기로 수송하는 압축기를 포함하고,
    상기 액화기는 상기 고온고압의 기체와 상기 기화기 내의 작동 매체 사이에 열교환을 진행하게 함으로써 양성 피드백 구조를 형성하고,
    상기 열교환이 진행된 후 형성된 상온 액체 작동 매체는 증압 펌프를 통해 기화기에 수송되는 것을 특징으로 하는,
    단일 순환 열펌프 발전장치.
  4. 제3항에서,
    기화기, 터빈, 발전기를 포함하며,
    압축기, 액화기, 증압 펌프, 스로틀 밸브, 기밀 밸브를 더 포함하고,
    상기 기화기는 외부에 보온층이 설치되고 내부에 액상 작동 매체가 내장되며 기체 챔버 및 고속기류 배출구를 포함하는 통 모양의 구조를 갖는 용기이고,
    상기 기화기의 고속기류 배출구는 파이프 및 그 위에 설치된 기밀 밸브를 통해 터빈과 연결되고,
    상기 터빈의 동력 출력축은 발전기에 연결되고 그 배기가스 출구는 압축기와 연결되며,
    상기 압축기의 고온고압 기체 배출구는 액화기와 연결되며,
    상기 액화기와 상기 기화기는 하나의 열교환기를 이루고,
    상기 액화기는 스크류 파이프 또는 냉각핀 파이프이며, 그 본체는 기화기의 액상 작동 매체 내에 배치되고, 상기 액화기의 상온 액체 작동 매체의 배출구는 파이프 및 그 위에 설치된 상기 스로틀 밸브 및 상기 증압 펌프를 통해 상기 기화기와 연결되며,
    상기 발전기는 전기 회선을 통해 상기 압축기 및 상기 증압 펌프와 연결된 것을 특징으로 하는,
    단일 순환 열펌프 발전장치.
  5. 제3항에서,
    기화기, 터빈, 발전기를 포함하고,
    압축기, 액화기, 증압 펌프, 스로틀 밸브, 기밀 밸브, 가열실을 더 포함하며,
    상기 가열실은 이형 파이프 구조를 이루되, 그 일단은 파이프 및 그 위에 설치된 기밀 밸브를 통해 기화기의 가스 배출구와 연결되고, 타단은 터빈과 연결되며,
    상기 액화기의 본체는 코일 파이프 형식으로 상기 가열실 케이스의 외부를 감으면서 상기 가열실과 하나의 열 교환기를 이루고,
    상기 액화기의 상온 액상 작동 매체 배출구는 파이프 및 그 위에 설치된 상기 스로틀 밸브 및 상기 증압 펌프를 통해 상기 기화기와 연결된 것을 특징으로 하는,
    단일 순환 열펌프 발전장치.
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