KR20100074166A

KR20100074166A - 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20100074166A
Application number: KR1020107006991A
Authority: KR
Inventors: 토마스 하우어; 조에르그 렝게르트; 마르쿠스 네피스쳐; 레인홀드 스트리에겔
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-07-01
Also published as: WO2009027302A2; EP2188500A2; RU2479727C2; US20110000205A1; RU2010112413A; WO2009027302A3; CN101842558A; AU2008291094A1

Abstract

상이한 끓는점들 및 응축점들을 갖는 적어도 2가지 물질의 혼합물을 포함하는 작용제를 이용하여 열 에너지를 기계적 에너지로 변환할 때, 작용제는 응축기(8)에 공급되어 거기서 응축되는데, 문제는, 응축기의 상류(upstream)에서 물질들의 혼합물이 액상과 기상으로 분리되기 때문에 응축기에서의 응축 압력이 증가하고, 그에 따라 기계적 에너지를 생성하기 위한 효율성이 감소한다는 것이다. 이것의 발생을 방지하기 위해서, 본 발명에 따르면, 작용제가 응축기(8)에서 응축되기 전에 또는 응축되는 중에 작용제의 액상이 작용제의 기상과 혼합됨으로써, 다시 한번 분리된 작용제보다 낮은 압력에서 응축하는 물질들의 균질인 혼합물을 생성할 수 있어, 효율성의 손실을 방지한다. 본 발명은 바람직하게는 지열 유체, 산업 폐기물 열 또는 내부 연소 엔진으로부터의 폐기물 열과 같은 저온 소스들로부터의 열 에너지의 이용에 적용한다.

Description

열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONVERTING THERMAL ENERGY INTO MECHANICAL ENERGY}

본 발명은 각각 특허 청구항 1 및 특허 청구항 10의 전제부에 따른, 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 이와 같은 방법 및 이와 같은 장치는 예를 들어 WO 2005/100755 A1로부터 공지되어 있다.

최근, 최대 400℃의 온도를 갖는 저온 열 소스들, 예를 들어, 지열 유체(geothermal fluids) 또는 산업 폐기물 열(industrial waste heat)에 대해 광범위하게 다른 기술들이 개발되었으며, 이 기술들은 이 소스들로부터의 열이 고효율로 기계적 및/또는 전기적 에너지로 변환될 수 있게 한다. 유기 작용제를 이용하는 랜킨 프로세스(유기 랜킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC)) 이외에, 소위 칼리나 사이클 프로세스(Kalina cycle process)는 구체적으로 고전적인 랜킨 프로세스보다 상당히 높은 효율성으로 구별된다. 광범위하게 다른 응용들을 위한 다양한 회로들이 이미 칼리나 사이클 프로세스를 기초로 개발되었다. 물을 이용하는 대신에, 이 회로들은 작용제로서 (예를 들어, 암모니아와 물의) 2-물질 혼합물을 이용하는데, 두 물질은 상이한 끓는(boiling) 온도 및 응축(condensation) 온도를 가지며, 이로부터 생기는 혼합물의 비-등온선(non-isothermal) 끓임 및 응축 프로세스는 랜킨 회로에 비해 회로의 효율성을 증가시키도록 개발되고 있다.

이와 같은 칼리나 회로는 보통, 작용제의 압력을 증가시키기 위한 적어도 하나의 펌프와, 외부 열 소스 예를 들어, 지열 유체 또는 산업 폐기물 열로부터의 열 전달에 의해 작용제의 기상(vapor phase)을 생성하기 위한 열 교환기와, 기상의 팽창 및 그의 열 에너지를 기계적 에너지로 변환을 위한 팽창 디바이스, 바람직하게는 터빈을 포함한다. 그 다음에, 팽창된 작용제는 냉각제의 도움으로 응축기에서 응축된다.

효율성을 향상시키기 위해 훨씬 더 많은 컴포넌트가 회로에서 접속될 수 있다. 예를 들어, WO 2005/100755 A1에 개시된 바와 같이, 회로에서 열 교환기와 팽창 디바이스 사이에 분리기(separator)가 배열될 수 있으며, 이 분리기에 의해 열 교환기에서의 작용제의 임의의 부분적 기화의 경우에 여전히 존재하는 작용제의 임의의 액상이 팽창 디바이스에 공급되기 전에 기상으로부터 분리될 수 있다. 그 다음에, 분리된 액상은 회로에서 팽창 디바이스와 응축기 사이에 배열되는 혼합 디바이스에 의해 팽창된 기상과 결합될 수 있다. 또한, 열 교환기에 공급되기 전에 팽창된 작용제로부터 그 작용제로 열을 전달하기 위해서 열 교환기들이 제공될 수 있다.

EP 0756069 B1으로부터 공지된, 작용제로서 암모니아-물 혼합물을 이용하는 칼리나 회로는 추가로 증류 유닛을 가지며, 증류 유닛은 작용제 흐름으로부터 약 암모니아 액체(weak ammonia liquid)의 분리를 위해 회로에서 응축기와 펌프 사이에 배열된다. 이 약 암모니아 액체가 터빈에서 팽창된 작용제에 공급되고 나서, 이 작용제가 응축기에 공급된다.

작용제의 부분적 응축의 결과로서, 작용제는 팽창 디바이스와 응축기 사이의 라인 접속(line connection)에서의 액상의 비율을 점차 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 팽창 디바이스 전에 분리된 작용제의 액상을 팽창된 기상 내로 피딩(feeding)하는 것은, 응축기에 공급되기 전에 작용제에서의 액상의 비율 증가로 이어진다. 액상의 비율을 증가시킴으로써, 물질 혼합물의 "분해(demixing)" 및 라인 접속에서의 동질이 아닌 부분적으로 분해된 2-상 흐름(two-phase flow)의 형성으로 이어진다.

예를 들어, 작용제가 암모니아-물 혼합물을 포함하면, 이것은 라인 접속에서 암모니아가 풍부한 포화 기체 및 암모니아가 거의 없는 응축액을 포함하는 동질이 아닌 부분적으로 분해된 2-상 흐름이 생기게 한다. 따라서, 응축기는 암모니아가 거의 없는 응축액으로 부분적으로 잠기게 되고, 암모니아 기체는 열 교환기의 남아있는 잔류부만을 채운다. 채워진 성분은 응축기의 효율성을 감소시킨다. 또한, 암모니아가 풍부한 (예를 들어 95% 암모니아를 포함하는) 기체의 응축 압력은 동질인 물-암모니아 혼합물의 응축 압력보다 상당히 높다. 그러나, 응축기에서의 응축 압력이 높을수록, 터빈에 걸쳐서 소모될 기압 경도(pressure gradient)는 얕아진다. 따라서, 회로는 더 나쁜 효율성으로 적은 기계적 및/또는 전기적 전력을 생성한다.

따라서, 본 발명의 목적은 그러한 효율성 손실들을 피할 수 있게 하는 특허 청구항 1의 전제부에 따른 방법, 및 특허 청구항 10의 전제부에 따른 장치를 개발하는 것이다.

방법과 관련한 목적은 특허 청구항 1에 청구된 방법에 의해 실현된다. 방법의 유리한 섬세한 고안들(refinements)은 특허 청구항 2 내지 9의 요지이다. 장치와 관련한 목적은 특허 청구항 10에 청구된 장치에 의해 실현된다. 장치의 유리한 섬세한 고안들은 특허 청구항 11 내지 18의 요지이다.

상이한 끓는 온도 및 응축 온도를 갖는 적어도 2가지 물질을 갖는 물질 혼합물을 포함하는 작용제를 이용하여 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 본 발명에 따른 방법이 개시되며, 여기서, 작용제는 팽창 디바이스에서 팽창되어 액상 및 기상을 갖는 2-상 흐름으로서 응축기에 공급되어서 응축되며, 액상은 응축기에서의 작용제의 응축 전에 또는 중에 2-상 흐름에서의 기상과 혼합되게 한다.

이것에 의해, 2-물질 혼합물의 분해를 피하는 것이 가능해짐으로써, 균질인 2-물질 혼합물이 2-상 흐름에서 다시 생성될 수 있게 한다. 응축기에서의 냉각제 평균 온도가 일정하게 유지되면, 균질인 2-물질 혼합물이 사실상 더 낮은 압력에서 응축한다. 그러나, 응축기에서의 더 낮은 응축 압력에 의해, 터빈에 걸쳐서 소모될 기압 경도가 증가하고, 그 결과, 더 많은 기계적 및/또는 전기적 전력이 더 높은 효율성으로 생성될 수 있다.

액상은 2-상 흐름에서의 기상으로부터 액상을 분리시키고 나서 분리된 액상을 기상과 다시 결합함으로써 매우 용이하게 기상과 혼합될 수 있다. 분리된 액상은 이 경우에 바람직하게는 기상 내로 분무된다(sprayed).

액상 및 기상의 특히 양호한 혼합은 이 경우에, 분리된 액상을 기상 내로 분무하기 위해서, 분리된 액상의 압력을 기상의 압력보다 더 높은 값으로 증가시킴으로써 실현될 수 있다. 따라서, 분리된 액상은 증가된 압력에서 기상으로 공급된다.

이 경우, 2-물질 혼합물이 응축기로 가는 도중에 다시 분해되는 것을 피하기 위해서, 액상의 기상으로부터의 분리는 바람직하게는 응축기 바로 전에 수행된다.

혼합 프로세스 그 자체는 마찬가지로 응축기 바로 전에, 또는 그렇지 않으면 응축기 내에서 직접 수행될 수 있다.

이 경우, 유리하게는 작용제는 응축 후에 폐쇄 회로에서 적어도 다음의 방법 단계들: 작용제의 압력을 증가시키는 단계, 외부 열 소스로부터의 열 전달에 의해 작용제의 기상을 생성하는 단계, 및 기상을 팽창시켜 그의 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 단계를 거친다.

작용제는 이 경우 열 전달에 의해 완전히 기화될 수 있거나(즉, 기상만이 존재함), 또는 부분적으로만 기화될 수 있다(즉, 기상 및 액상이 존재함). 부분적인 기화의 경우에만, 기상의 팽창 전에, 작용제의 액상이 유리하게는 기상으로부터 분리되고, 기상은 팽창된 후에 다시 공급된다. 따라서, 액상은 기상의 팽창을 위한 팽창 디바이스를 우회한다(bypass).

팽창 후에, 작용제는 응축기로 직접 또는 하나 이상의 중간 열 교환기를 통해 공급될 수 있는데, 하나 이상의 중간 열 교환기는 그의 적어도 부분적 기화 전에 팽창된 기상으로부터 작용제로 열을 전달한다.

지열 유체, 산업 폐기물 열 또는 내부 연소 엔진으로부터의 폐기물 열이 바람직하게는 외부 열 소스로서 이용된다.

이 경우, 암모니아 및 물의 혼합물이 작용제로서 이용된다면 특히 높은 효율성이 실현될 수 있다.

상이한 끓는 온도 및 응축 온도를 갖는 적어도 2가지 물질을 갖는 물질 혼합물을 포함하는 작용제를 이용하여 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 본 발명에 따른 장치가 개시되며, 이 장치는 작용제의 응축을 위한 응축기 - 작용제는 팽창 디바이스에서 팽창되어 액상 및 기상을 갖는 2-상 흐름의 형태로 되고 나서 응축기에 공급됨 -, 및 2-상 흐름의 액상을 응축기에서의 작용제의 응축 전에 또는 중에 2-상 흐름의 기상과 혼합하기 위한 혼합 디바이스를 포함한다.

혼합 디바이스는 유리하게는 액상을 기상으로부터 분리하기 위한 분리기를 가지며, 유리하게는 분리된 액상을 기상 내로 분무하기 위한 적어도 하나의 노즐을 갖는다.

혼합 디바이스가 펌프를 가지는 경우, 펌프에 의해 분리된 액상의 압력이 기상의 압력보다 높은 값으로 증가될 수 있고, 특히 그것이 분무될 때 두 상태의 양호한 혼합이 실현될 수 있다.

분리기가 작용제의 흐름 방향으로 응축기 바로 전에 배열되는 경우, 2-물질 혼합물이 응축기로 가는 중에 다시 분해되는 것을 피할 수 있다.

적어도 하나의 노즐이 그 자체 역시 작용제의 흐름 방향으로 응축기 바로 전에 또는 그렇지 않으면 응축기 내에 배열될 수 있다.

하나의 특히 유리한 고안에 따르면, 작용제는 장치의 폐쇄 회로에 유지(carry in)될 수 있는데, 폐쇄 회로는 작용제의 흐름 방향으로 응축기 다음에 적어도 다음의 컴포넌트들: 작용제의 압력을 증가시키기 위한 펌프, 외부 열 소스로부터의 열 전달에 의해 작용제의 기상을 생성하기 위한 열 교환기, 및 기상의 팽창 및 그의 열 에너지를 기계적 에너지로의 변환을 위한 팽창 디바이스, 구체적으로, 터빈을 갖는다.

이 경우, 작용제는 열 전달에 의해 완전히 기화될 수 있거나(즉, 기상만이 존재함) 또는 부분적으로만 기화될 수 있다(즉, 기상과 액상이 존재함). 오직 부분적인 기화의 경우에, 회로는 유리하게는 또한 기상으로부터의 액상의 분리를 위해 열 교환기와 팽창 디바이스 사이에 배열되는 분리기, 및 분리된 액상과 팽창된 기상의 결합을 위해 팽창 디바이스와 혼합 디바이스 사이에 배열되는 결합 수단을 포함한다. 이 경우, 액상은 이런 식으로 팽창 디바이스를 우회할 수 있다.

열 소스는 바람직하게는 지열 유체, 산업 폐기물 열 또는 내부 연소 엔진으로부터의 폐기물 열이다.

작용제는 유리하게는 암모니아와 물의 혼합물이다.

본 발명 및 종속 청구항들의 특징들에 따른 본 발명의 추가의 유리한 고안은 도면들에서의 예시적인 실시예들을 참조하여 다음 텍스트에서 더 상세하게 설명할 것이다.

도 1은 본 발명의 하나의 특히 유리한 고안에 따른 회로를 도시한 도면.
도 2는 라인 접속에서의 2-물질 혼합물의 분해의 일례를 도시한 도면.
도 3은 복수의 응축기에 대해 공동으로 분무하는 혼합 디바이스를 도시한 도면.
도 4는 응축기들 내로 직접 분무하는 혼합 디바이스를 도시한 도면.
도 5는 각각의 개별 응축기에 대해 개별적으로 분무하는 혼합 디바이스를 도시한 도면.

열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 도 1에 도시한 바와 같은 장치(1)는 회로(2)를 포함하며, 여기서, 작용제의 압력을 증가시키기 위한 펌프(3), 외부 열 소스(5)로부터의 열 전달에 의해 작용제의 기상을 생성하기 위한 열 교환기(4), 작용제의 기상의 팽창 및 그의 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 터빈(6), 작용제의 액상 및 기상을 혼합하기 위한 혼합 디바이스(7), 및 냉각제(9)의 도움으로 작용제의 완전한 응축을 위한 응축기(8)가 작용제의 흐름 방향으로 주요 컴포넌트들로서 연속적으로 배열된다. 예시적으로, 외부 열 소스(5)는 지열 유체, 산업 폐기물 열 또는 내부 연소 엔진으로부터의 폐기물 열이다. 예시적으로, 터빈(6)은 도시되지 않았지만 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발생기를 구동한다.

작용제는 상이한 끓는 온도 및 응축 온도를 갖는 적어도 2가지 물질을 갖는 물질 혼합물을 포함한다. 다음 텍스트는 암모니아와 물의 혼합물이 작용제로서 이용된다는 가정에 기초한다.

추가 컴포넌트들로서, 회로(2)는 기상으로부터 작용제의 액상을 분리하기 위해 열 교환기(4)와 터빈(6) 사이에 배열되는 분리기(15), 및 분리된 액상과 팽창된 기상의 결합을 위해 터빈(6)과 혼합 디바이스(7) 사이에 배열되는 결합 수단(16)을 포함한다.

회로(2)의 동작 중에, 작용제는 오로지 응축기(8) 다음에 액체의 형태로 있다. 액체 작용제는 펌프(3)에 의해 더 높은 압력으로 상승되고, 그 다음에 열 교환기(4)에서 적어도 부분적으로 기화되는데, 다시 말해, 작용제는 열 교환기 다음에 기상 및 가능하게는 암모늄이 거의 없는 액상으로 존재한다. 여전히 존재할 가능성이 있는 액상은 분리기(15)에서 기상으로부터 분리된다.

기상은 터빈(6)에서 팽창되고, 그의 열 에너지가 기계적 에너지로 변환된다. 그 다음에, 기계적 에너지는 다른 용도, 예를 들어, 전기 생성을 위해 이용될 수 있다.

이제 팽창된 기상은 가능하게는 이전에 분리된 액상과 결합 수단(16)에서 다시 결합된다.

결합 수단(16)을 통해 공급된 팽창된 기상과 가능하게는 액상의 부분적인 응축 때문에, 암모늄-물 혼합물에서의 액체의 비율은 터빈(6)과 응축기(8) 사이의 라인 접속(10)에서 증가할 것이고, 암모니아가 풍부한 포화 기체(11)와 암모니아가 거의 없는 응축액(12)으로의 분해가 발생한다(도 2 참조). 따라서, 응축기(8)에는 동질이 아닌 부분적으로 분해된 작용제 흐름이 공급될 것이다. 이로 인해, 응축기(8)는 암모니아가 거의 없는 응축액(12)으로 부분적으로 잠기게 되고, 암모니아가 풍부한 포화 기체(11)로 응축기의 나머지를 채운다. 잠긴 컴포넌트는 응축기의 효율성을 감소시킬 것이고, 따라서 응축 압력을 증가시킬 것인데, 그 이유는 암모니아가 풍부한 포화 기체(대략 95% 암모니아)의 응축 압력이 동질인 물-암모니아 혼합물의 응축 압력보다 상당히 높기 때문이다. 그러나, 응축기에서 응축 압력이 상승함에 따라, 터빈에 걸쳐서 소모될 기압 경도는 감소하며, 따라서 생성될 수 있는 기계적 및/또는 전기적 전력이 또한 감소한다.

그러한 효율성 손실을 피하기 위해서, 회로(2)는 혼합 디바이스(7)를 갖는다. 혼합 디바이스(7)는 암모니아가 풍부한 기상으로부터 암모니아가 거의 없는 액상을 분리하기 위한 분리기(20), 및 분리된 액상을 기상 내로 분무하기 위한 노즐(21)을 포함하며, 여기서, 분리기(20) 및 노즐(21)은 작용제의 흐름 방향으로 터빈(6)과 응축기(8) 사이 및 결합 수단(16) 다음에 접속 라인(10)에 연속적으로 배열된다. 분리기(20)에서 분리되는 액상은 바이패스 라인(14)을 통해 노즐(21)로 공급된다. 바이패스 라인(14)에서 펌프(22)와 제어 밸브(23)가 접속된다.

펌프(22)는 분리기(20) 다음에 기상의 압력보다 높은 값으로 바이패스 라인(14)에서 운반되는 분리된 액상에 대한 압력을 증가시킬 수 있게 한다. 노즐(21)로의 액상 공급의 양은 제어 밸브(23)에 의해 제어될 수 있다.

분리기(20)는 응축기(8)로 가는 도중의 나머지에서 다시 작용제의 분해를 피하기 위해서, 작용제의 흐름 방향으로 응축기(8) 바로 전에 배열된다. 노즐(21)은 작용제의 흐름 방향에서 응축기(8) 바로 전에 또는 응축기(8) 내에 배열될 수 있다.

따라서, 분리기(20)는 암모니아가 거의 없는 액상으로부터 암모니아가 풍부한 기상을 분리한다. 암모니아가 거의 없는 액상은 바이패스 라인(14)을 통해 노즐(21)로 전달된다. 이 경우, 펌프(22)는 암모니아가 거의 없는 액상의 압력을 암모니아가 풍부한 기상의 압력보다 높은 값으로 증가시킨다. 그러므로, 암모니아가 거의 없는 액상은 노즐(21)에서 암모니아가 풍부한 기상 내로 증가된 압력으로 분무된다. 이에 의해 다시 한번, 동질인 암모니아-물 혼합물이 생성될 수 있고, 응축기(8)에 공급될 수 있는데, 응축기에서의 냉각 온도가 일정하게 유지된다고 가정하면, 혼합물은 사실상 암모니아가 풍부한 기상보다 낮은 압력에서 응축한다. 그러나, 응축기의 응축 압력이 더 낮으면, 터빈에 걸쳐서 소모될 기압 경도가 상승하고, 따라서 회로는 더 높은 효율성으로 더 많은 전기적 전력을 생성할 수 있다.

도 3에 예시된 바와 같이 작용제의 흐름 방향으로 평행하게 복수의 응축기(8)가 접속되어 있는 경우, 혼합 디바이스(7)는 모든 응축기(8)에 대해 단일 분리기(20)와 단일 노즐(21)을 구비할 수 있다. 그 다음에, 분리기(20)와 노즐(21)은 응축기들(8) 바로 전에 배열되는 것이 바람직하다. 따라서, 액상은 모든 응축기(8)에 대해 기상 내로 함께 분무된다.

대안적으로, 작용제의 흐름 방향으로 평행하게 복수의 응축기(8)가 접속되어 있는 경우, 응축기들(8) 각각에 대해 단일 분리기(20) 및 각각의 경우의 하나 이상의 노즐(21)을 혼합 디바이스(7)에 제공하는 것이 또한 가능하다. 도 4에 도시된 예시적인 실시예에서, 분리기(20)는 응축기들(8)의 바로 앞에 배열되며, 노즐들(21)은 응축기들(8) 내에 배열된다. 따라서, 액상은 응축기들(8) 내로 직접 분무된다. 이 경우, 액상의 노즐들(21)로의 공급은 조인트 제어 밸브(23)에 의해 제어될 수 있다.

그러나, 도 5에 예시된 바와 같이, 노즐들(21)은 또한 각각의 응축기들(8) 바로 전에 배열될 수 있는데, 다시 말해, 분무 프로세스(spraying-in process)는 각각의 개별 응축기(8)에 대해 별개로 수행된다. 이 경우, 노즐들(21) 각각으로의 액상의 공급은 응축기들(8) 각각에 대해 별개의 제어 밸브(23)에 의해 제어될 수 있다.

Claims

상이한 끓는(boiling) 온도 및 응축(condensation) 온도를 갖는 적어도 2가지 물질을 갖는 물질 혼합물을 포함하는 작용제(agent)를 이용하여 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 방법으로서,
상기 작용제는 팽창 디바이스에서 팽창되어 액상 및 기상을 갖는 2-상 흐름(two-phase flow)으로서 응축기(8)에 공급되어서 응축되며,
상기 액상은 상기 응축기(8)에서 상기 작용제의 응축 전에 또는 중에 상기 2-상 흐름에서 상기 기상과 혼합되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
제1항에 있어서,
상기 2-상 흐름에서 혼합하기 위해, 상기 액상은 상기 기상으로부터 분리되고, 그 다음에 상기 분리된 액상은 상기 기상과 다시 결합되며, 여기서, 상기 분리된 액상은 바람직하게는 결합을 위해 상기 기상 내로 분무되는(sprayed into) 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
제2항에 있어서,
분무되기 전에, 상기 분리된 액상의 압력은 상기 기상의 압력보다 높은 값으로 증가되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 액상의 상기 기상으로부터의 분리는 상기 응축기(8) 바로 전에서 수행되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 혼합하는 프로세스는 상기 응축기(8) 바로 전에서 또는 응축기(8) 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작용제는 상기 응축 후에 폐쇄 회로(closed circuit)(2)에서 적어도 다음의 방법 단계들:
- 상기 작용제의 압력을 증가시키는 단계,
- 외부 열 소스(5)로부터의 열 전달에 의해 상기 작용제의 기상을 생성하는 단계, 및
- 상기 기상을 팽창시켜 그의 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 단계
를 거치는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
제6항에 있어서,
상기 작용제의 상기 기상의 팽창 전에, 상기 작용제의 액상이 상기 기상으로부터 분리되며, 상기 기상은 팽창된 후에 다시 공급되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 외부 열 소스(5)로서 지열 유체(geothermal fluid), 산업 폐기물 열(industrial waste heat) 또는 내부 연소 엔진으로부터의 폐기물 열(waste heat)이 이용되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작용제로서 암모니아와 물의 혼합물이 이용되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
상이한 끓는 온도 및 응축 온도를 갖는 적어도 2가지 물질을 갖는 물질 혼합물을 포함하는 작용제를 이용하여 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 장치(1)로서,
상기 작용제의 응축을 위한 응축기(8)를 갖고,
여기서, 상기 작용제는 팽창 디바이스에서 팽창되어 액상 및 기상을 갖는 2-상 흐름의 형태로 되어, 상기 응축기(8)에 공급되며,
상기 응축기(8)에서 상기 작용제의 응축 전에 또는 중에 상기 2-상 흐름의 상기 기상과 상기 2-상 흐름의 상기 액상을 혼합하기 위한 혼합 디바이스(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치(1).
제10항에 있어서,
상기 혼합 디바이스(7)는 상기 액상의 상기 기상으로부터의 분리를 위한 분리기(20)를 갖고, 상기 분리된 액상을 상기 기상 내로 분무하기 위한 적어도 하나의 노즐(21)을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치(1).
제11항에 있어서,
상기 혼합 디바이스(7)는 펌프(22)를 가지며, 상기 펌프(22)에 의해 상기 분리된 액상의 압력은 상기 기상의 압력보다 높은 값으로 증가될 수 있는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치(1).
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 분리기(20)는 상기 작용제의 흐름 방향에서 상기 응축기(8) 바로 전에 배열되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치(1).
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 노즐(21)은 상기 작용제의 흐름 방향에서 상기 응축기(8) 바로 전에 또는 응축기(8) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치(1).
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작용제는 상기 장치(1) 내의 폐쇄 회로(2)에 유지될 수 있고, 이 폐쇄 회로(2)는 상기 작용제의 흐름 방향에서 상기 응축기(8) 다음에 적어도 다음의 컴포넌트들:
- 상기 작용제의 압력을 증가시키기 위한 펌프(3),
- 외부 열 소스(5)로부터의 열 전달에 의해 상기 작용제의 기상을 생성하기 위한 열 교환기(4), 및
- 상기 기상을 팽창시켜 그의 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 팽창 디바이스(6), 구체적으로, 터빈
을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치(1).
제15항에 있어서,
상기 회로(2)는 상기 작용제의 액상을 기상으로부터 분리하기 위해 상기 열 교환기(4)와 상기 팽창 디바이스(6) 사이에 배열되는 분리기(15), 및 상기 분리된 액상 및 상기 팽창된 기상의 결합을 위해 상기 팽창 디바이스(6)와 상기 혼합 디바이스(7) 사이에 배열되는 결합 수단(16)을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치(1).
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 외부 열 소스(5)는 지열 흐름, 산업 폐기물 열 또는 내부 연소 엔진으로부터의 폐기물 열인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치(1).
제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작용제는 암모니아와 물의 혼합물인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치(1).