KR20100074167A - 저온 열 소스의 열 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 닫힌 회로에서 저온 가열 소스(20)의 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 방법 및 장치(1)에 관한 것이다. 본 방법은 저온 소스(20)로부터의 열을 팽창 디바이스(3) 내에 보내고 그것을 부분 증발시킴으로써 액체 작용 에이전트를 가열하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 컨덴서(8)의 전방에 바로 있는 부분 증발된 작용 에이전트 내의 증발기 상태로부터 액체 상태를 분리함으로써 부분 증발된 작용 에이전트를 응축하는 컨덴서(8)의 부식이 방지될 수 있고, 증발기 상태만이 응축을 위해 컨덴서(8)로 전사된 후 응축된 증발기 상태 및 액체 상태가 병합된다.

Description

저온 열 소스의 열 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONVERTING THERMAL ENERGY OF A LOW TEMPERATURE HEAT SOURCE INTO MECHANICAL ENERGY}

본 발명은 각각 특허 청구항 1 및 특허 청구항 5의 전제부에 따른 저온 소스로부터의 열 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 이와 같은 방법 및 이와 같은 장치는 예를 들어 US 7,093,503 B1으로부터 알려져 있다.

저온 가열 소스, 예를 들어 지열 소스, 가스, 증기 또는 액체 폐열 소스들 또는 태양 에너지로부터의 열 에너지를 이용하기 위해, 회로 내의 에이전트가 열 소스에 의해 증발되지 않고 단지 가열되는 것이 이미 알려져 있다. 증발이 부족하면, 통상 에이전트를 증발시키는데 필요한 열 에너지는 예를 들어 상당히 큰 질량 유량의 에이전트를 가열하기 위해 이용될 수 있다. 이에 의해 400℃ 아래의 온도 범위에 있는 저온 소스들에 있어서, 에이전트가 증발되는 회로들에 비해 상당한 효율 이점을 실현할 수 있다.

US 7,093,503 B1으로부터 알려진 회로의 경우에, 제1 단계에서, 액체 에이전트가 펌프에 의해 증가된 압력으로 상승된다. 제2 단계에서, 증가된 압력의 액체 에이전트가 저온 소스로부터의 열 전사에 의해 열 교환기 내에서 가열된다. 제3 단계에서, 가열된 액체 에이전트는 2상태(two-phase) 터빈 내에서 팽창되고, 액체 상태 및 증기 상태를 갖는, 팽창되어 부분 증발된 에이전트가 에이전트의 부분 증발에 의해 생성되고, 에이전트 내의 열 에너지가 기계 에너지로 변환된다.

이러한 목적의 2상태 터빈은 그것의 입구에 바로 인접하여 노즐들을 갖고, 그 내부에서 에이전트가 비교적 높은 입구 입력으로부터 낮은 출구 압력으로 체적이 증가하여 팽창되고, 그 결과로서 에이전트가 부분 증발된다. 이러한 방식으로 생성되는 물-스팀 제트는 터빈의 터빈 블레이드(blade)들로 전달되고, 이에 의해 물-스팀 제트의 운동 에너지가 로터 샤프트(roter shaft)의 기계 에너지로 변환된다. 로터 샤프트는 다시 발생기에 접속되고, 발생기를 통해 로터 샤프트의 기계 에너지가 전기 에너지로 변환된다.

터빈을 떠난 2상태 에이전트는 그 후 컨덴서에 공급된다. 제4 단계에서, 팽창되어 부분 증발된 에이전트의 증기 상태는 그후 컨덴서에서 응축되기 때문에 초기에 언급된 액체 에이전트를 생성한다. 이것은 이미 언급된 펌프에 공급되기 때문에 회로를 닫는다. 도 2에 도시된 T-s-다이어그램은 이러한 경우에 발생하는 순환 프로세스를 보여준다. 이러한 경우에, SL은 보일링 라인(boiling line)을 나타내고, TL은 듀라인(dew line)을 나타내고 K는 에이전트의 임계점을 나타낸다. 에이전트는 임계점 K의 근방에서 보일링 라인 SL을 따라 점 A로부터 점 B로 가열되고, 점 B로부터 점 C로 팽창되어 부분 증발되고, 점 C로부터 점 A로 응축된다.

액체 상태로부터 증기 상태를 분리시키기 위해 2상태 터빈을 떠나는 2상태 혼합물이 분리기에 공급되는 것이 WO 2005/031123 A1으로부터 더 알려져 있다. 증기 상태는 그 후 부가적인 기계 에너지를 생성하기 위해 스팀 터빈 내에서 더 팽창된다. 스팀 터빈을 떠나는 팽창된 스팀은 그것이 응축되는 컨덴서로 공급된 후 펌프에 의해 증가된 압력으로 상승되고, 그 후 액체 상태와 결합되고, 액체 상태는 2상태 혼합물의 분리기 내에서 분리된다. 그 후 이러한 방식으로 생성된 에이전트 흐름은 저온 소스로부터의 열 전사에 의해 가열되는 것에 의해, 추가 펌프의 도움으로 열 교환기 내로 펌핑된다. 따라서 컨덴서는 스팀 터빈으로부터의 배기 스팀만이 공급되고 2상태 터빈의 2상태 혼합물은 공급되지 않는다. 이러한 회로는 매우 높은 효율로 특징지어지지만, 또한 상당히 더 복잡하고 상당히 큰 투자 비용이 투입되는 것으로 특징지어진다.

EP 0 485 596 A1으로부터 알려져 있는 회로의 경우에, 단지 하나의 가열된 액체, 즉 증발되지 않은 에이전트는 마찬가지로 팽창 디바이스에 공급되고, 팽창 디바이스 내에서 에이전트가 부분 증발된다. 팽창 디바이스를 떠난 물-스팀 혼합물은 그 후 분리기로 공급되고, 단지 분리기를 사용하여 스팀 내의 액체 성분을 측정한다.

터빈을 떠난 2상태 혼합물이 초기에 언급된 회로 내의 컨덴서로 공급되면, 액체 성분들은 컨덴서의 부식을 유도할 수 있어 컨덴서의 수명을 단축시킨다.

따라서, 본 발명의 목적은 특허 청구항 1의 전제부에 따른 방법 및 특허 청구항 5의 전제부에 따른 장치를 개발하여 회로의 복잡성을 크게 증가시키지 않고 컨덴서의 부식을 용이하게 막을 수 있도록 하는 것이다.

본 발명에 따른 방법은, 팽창되어 부분 증발된 에이전트의 경우에, 액체 상태가 컨덴서 바로 앞의 증기 상태로부터 분리되는 것을 제공한다. 단지 증기 상태는 응축을 위해 컨덴서로 공급된다. 응축된 증기(즉 액체) 상태 및 분리된 액체 상태는 컨덴서 뒤이지만 단계 1, 즉 액체 에이전트의 압력의 증가 전에 결합되어, 액체 에이전트를 생성한다. 따라서 액체 상태는 컨덴서를 우회하기 때문에 컨덴서의 부식을 막을 수 있게 한다. 이러한 목적을 위해 증기 상태로부터 액체 상태를 분리하기 위한 분리기, 컨덴서를 우회하기 위한 액체 상태 라인용 바이패스 라인 및 (분리된) 액체와 응축된 증기(즉, 액체) 상태를 결합하기 위한 결합 수단이 필요하다. 따라서, 회로의 복잡성은 단지 무의미하게 증가된다.

팽창 후의 에이전트의 증기 상태에서 액체 상태의 액적들의 크기는 컨덴서 내의 에이전트의 압력에 따라 다르다. 컨덴서 내에서 에이전트의 압력이 높을수록, 팽창 디바이스의 출구에서, 액적들이 작아진다. 다시, 액적들이 작을수록, 액적들에 의해 유발되는 부식의 위험이 작아진다. 그러나, 한편으로, 컨덴서 내에서 그리고 팽창 디바이스의 출구에서 에이전트의 압력이 증가함에 따라, 팽창 디바이스에 의한 열 에너지의 변환에 의해 생성될 수 있는 기계 에너지는 감소한다.

그러나, 바람직하게는, 응축 프로세스 동안의 에이전트의 압력은 가능한 작은 에이전트의 증기 상태에서의 액체 상태의 액적들과, 단계 3에서 가능한 크게 생성된 기계 에너지 사이에서 최적이 되도록 설정된다. 따라서, 생성된 기계 에너지의 양은 컨덴서의 부식을 방지하기 위해 의도적으로 감소된다. 그러나, 저온 열 소스에 의한 에이전트의 증발보다는 오히려 가열로부터 거대한 효율 이점이 발생되기 때문에, 그럼에도 불구하고 에이전트가 저온 열 소스에 의해 증발되는 종래의 회로에 비해 여전히 상당한 효율 이점들이 실현될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 하나의 특정 이로운 개량에 따르면, 응축된 증기(즉, 액체) 상태 및 (분리된) 액체 상태가 에이전트 저장소 내에서 결합된다. 이와 같은 저장소는 많은 회로들 내에 임의의 경우에 제공되기 때문에 2개의 상태들의 결합을 위한 추가의 컴포넌트가 필요하지 않다.

이러한 경우에, 저온 소스가 400℃보다 작은 온도이면 특히 높은 효율성이 실현될 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 팽창되어 부분 증발된 에이전트의 증기 상태로부터 액체 상태를 분리하기 위한 분리기를 갖고, 그 분리기는 에이전트의 흐름 방향으로 컨덴서 바로 앞에 배치된다. 결합 수단을 이용하여 팽창되어 부분 증발된 에이전트의 응축된 증기(즉, 액체) 상태와 (분리된) 액체 상태를 결합하는데, 결합 수단은 에이전트의 흐름 방향으로 펌프 앞에 배치된다. 증기 상태를 컨덴서에 공급하기 위해 컨덴서에 분리기를 접속한다. 결합 수단은 (분리된) 액체 상태를 결합 수단에 공급하기 위해 분리기에 접속되고, 응축된 증기(즉, 액체) 상태를 결합 수단에 공급하기 위해 컨덴서에 접속된다. 본 발명에 따른 방법에 대해 언급된 이점들은 본 발명에 따른 장치에 대응하는 방식으로 적용된다.

컨덴서 내의 에이전트의 압력은 바람직하게는, 가능한 작은 에이전트의 증기 상태에서의 액체 상태의 액적들과, 팽창 디바이스 내에 가능한 크게 생성된 기계 에너지 사이에서 최적으로 설정될 수 있다.

하나의 특히 이로운 개량에 따르면, 결합 수단은 에이전트 저장소의 형태이다.

이롭게는, 가열된 에이전트를 팽창시키기 위해 팽창 디바이스 내의 에이전트의 흐름 방향으로 노즐 및 터빈이 연속 배열된다. 에이전트는 높은 입구 압력으로부터 낮은 출구 압력으로 그 체적을 증가시킴으로써 노즐 내에서 팽창될 수 있기 때문에 에이전트를 부분 증발시킨다. 이러한 방식으로 생성되는 물-스팀 제트는 터빈의 터빈 블레이드들에 전달될 수 있고, 그에 의해 물-스팀 제트의 운동 에너지가 로터 샤프트의 기계 에너지로 변환된다. 단지 하나의 노즐 대신에, 터빈 입구에, 예를 들면 환형 구성으로 복수의 노즐도 배열될 수 있어, 이를 통해 에이전트가 평행하게 흐를 수 있다.

이 경우, 노즐 및 터빈은 단일의 물리 유닛을 형성할 수도 있고, 즉 노즐들은 터빈 입구에 바로 인접하여 배열된다

본 발명뿐 아니라 종속 청구항들의 특징들에 따른 발명의 추가적인 이로운 개량들이 도면의 예시적인 실시예들을 참조하여 이하의 텍스트에서 보다 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치를 위한 회로의 간략화된 개략도를 도시한다.
도 2는 저온 소스에 의해 (증발 없이) 에이전트가 가열되는 종래 기술로부터 알려진 회로의 T-s 다이어그램을 도시하는 도면.

저온 열 소스의 열 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위한 본 발명에 따른 장치(1)는 열 교환기(2), 팽창 디바이스(3), 분리기(7), 컨덴서(8), 응축 탱크(9) 형태의 에이전트 저장소 및 펌프(10)가 에이전트의 흐름 방향으로 연속 배치된 열역학 회로를 포함한다.

저온 열 소스는 400℃보다 작은 온도에서의 열 소스이다. 예로서, 이러한 열 소스들은 지열 소스들(고온의 물), 산업용 폐열 소스들(예를 들어 철, 유리 또는 시멘트 산업에서 이용되는 공장으로부터의 폐열) 및 태양 에너지가 있다.

예로서, 300℃ 미만의 온도에 대하여 R134 타입의 냉각액을 에이전트로서 이용할 수 있고, 예를 들어, 300℃보다 높은 온도에 대하여 R245 타입의 냉각액을 이용할 수 있다. 펌프(10)를 이용하여 액체 에이전트를 증가된 압력으로 펌핑한다.

열 교환기(2)를 이용하여, 에이전트의 증발 없이, 즉 에이전트가 열 교환기(2) 내에서 가열되기만 하고 증발되지 않으면서, 저온 열 소스(20)로부터 에이전트로의 열 전사에 의해 회로 내의 증가된 압력의 액체 에이전트를 가열한다. 이를 위해, 저온 열 소스(20), 예를 들어 고온의 지열수가 열 교환기의 주측을 통해 흐르고, 증가된 압력의 에이전트가 보조측을 통해 흐른다. 라인(11)은 열 교환기(2)의 보조측을 팽창 디바이스(3)에 연결한다. 에이전트는 라인(11)으로 들어갈 때, 열 교환기(2)의 보조측 상의 출력에서 계속 액체이다.

팽창 디바이스(3)을 이용하여 가열된 액체 에이전트를 팽창시키고, 팽창되어 부분 증발된, 액체 및 증기 상태를 갖는 에이전트는 팽창 디바이스(3)의 가열된 액체 에이전트의 부분 증발에 의해 생성될 수 있고, 가열된 액체 에이전트 내의 열 에너지는 기계 에너지로 변환될 수 있다. 이를 위한 팽창 디바이스(3)는 노즐(4) 및 터빈(5)을 포함하고, 이들은 에이전트의 흐름 방향으로 연속 배열된다. 노즐 및 터빈은 이 경우에 하나의 물리 유닛을 형성할 수 있으며, 즉, 노즐(4)이 터빈(5)의 입구에 바로 인접하게 배열된다. 단지 하나의 노즐(4) 대신에 터빈(5)의 입구에서, 예를 들어 환형 구성으로 복수의 노즐(4)을 배열할 수도 있는데, 이를 통해 에이전트는 평행하게 흐를 수 있다.

출구 측에서, 터빈(5)는 라인(12)을 통해 분리기(7)에 연결된다. 분리기(7)를 이용하여 팽창 디바이스(3)에서 부분 증발된 에이전트의 증기 상태로부터 액체 상태를 분리한다. 분리기(7)는 에이전트의 흐름 방향으로 컨덴서(8) 바로 앞에 배열되고, 라인(13)을 통해 컨덴서(8)에 연결되어 컨덴서(8)에 증기 상태를 공급하고, 라인(14)을 통해 응축 탱크(9)에 연결되어 응축 탱크(9)에 액체 상태를 공급한다.

컨덴서(8)를 이용하여 부분 증발된 에이전트의 응축에 의해 액체 에이전트를 생성한다.

응축 탱크(9)를 이용하여 부분 증발된 에이전트의 응축된 증기(예를 들어 액체) 상태와 액체 상태를 결합한다. 응축 탱크(9)는 에이전트의 흐름 방향으로 컨덴서(8) 뒤에 그리고 펌프(10) 앞에 배치되고, 라인(14)을 통해 분리기(7)에 연결되어 액체 상태를 공급하고, 라인(15)을 통해 컨덴서(8)에 연결되어 응축 탱크(9)에 응축된 증기 상태를 공급한다.

장치(1)의 동작시, 제1 단계에서, 응축 탱크(9)로부터의 액체 에이전트가 펌프(10)에 의해 증가된 압력으로 상승되고, 열 교환기(2)로 펌핑된다.

제2 단계에서, 증가된 압력의 액체 에이전트는 열 교환기(2)의 주측을 통해 흐르는 저온 열 소스(20)로부터 에이전트로의 열의 전사에 의해 열 교환기(2)에서, 증발되지 않고 가열된다.

제3 단계에서, 가열된 액체 에이전트가 팽창 디바이스(3) 내에서 팽창되고, 에이전트는 부분 증발되고 그것의 열 에너지는 기계 에너지로 변환된다. 따라서, 팽창된 디바이스(3)는 액체 상태 및 증기 상태를 갖는, 팽창되어 부분 증발된 에이전트를 생성한다. 이를 위해, 라인(11)을 통해 노즐(4)에 공급되는 가열된 액체 에이전트는 노즐(4)에서 팽창되고 그 프로세스에서 부분 증발된다. 이러한 방식으로 생성된 물-스팀 제트의 운동 에너지는 로터 샤프트의 기계 에너지로 터빈(5) 내에서 변환되고, 이에 따라 발생기(6)가 구동되어, 다시 기계 에너지를 전기 에너지로 변환한다.

제3 단계에서 생성되고 2상태 혼합물(스팀/액체)의 형태로 터빈(5)을 떠나는, 팽창되어 부분 증발된 에이전트는 라인(12)을 통해 분리기(7)에 공급되고, 분리기에서 증기 상태가 2상태 혼합물의 액체 상태로부터 분리된다.

라인(13)을 통해 증기 상태만이 컨덴서(8)에 공급된다. 컨덴서(8)에서, 증기 상태가 냉각, 예를 들어 직접 냉각, 공기 냉각, 하이브리드 냉각 또는 물 냉각에 의해 응축되고, 응축된 증기(즉, 액체) 상태가 라인(15)을 통해 응축 탱크(9)에 공급된다.

대조적으로, 분리된 액체 상태는 라인(14)을 경유하여 컨덴서(8)를 우회하고, 단지 그 뒤에 있지만, 계속 펌프(10) 앞에 있기 때문에, 제1 단계 전에, 응축 탱크(9) 내에서 응축된 증기(즉, 액체) 상태와 결합된다.

응축 탱크(9)로부터의 액체 에이전트는 펌프(10)의 도움으로 증가된 압력으로 상승되고 열 교환기(2)로 펌핑되어 회로를 닫는다.

분리기(7)에서, 터빈(5)을 떠나는 2상태 혼합물의 증기 상태로부터 액체 상태를 분리시키는 것에 의해, 그리고 액체 상태가 응축 탱크(9)로 바로 제공되어 컨덴서(8)를 우회하는 것에 의해, 컨덴서(8)의 부식이 방지될 수 있다.

이 경우에는 컨덴서(8) 내의 에이전트의 압력은 가능한 작은 에이전트의 증기 상태에서의 액체 상태의 액적들과, 제3 단계에서 가능한 크게 생성된 기계 에너지 사이에서 최적으로 설정된다. 이에 의해 컨덴서의 부식을 더 많이 줄일 수 있다.

Claims (10)

1. 닫힌 회로에서 저온 열 소스(20)로부터의 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 방법으로서,
   액체 에이전트의 압력을 증가시키는 단계1;
   상기 저온 열 소스(20)로부터의 열을 상기 에이전트의 증발 없이, 상기 에이전트로 전사함으로써 증가된 압력의 액체 에이전트를 가열하는 단계2;
   상기 가열된 액체 에이전트를 팽창시키는 단계3 - 증기 상태 및 액체 상태를 갖는, 팽창되어 부분 증발된 에이전트는 상기 에이전트의 부분 증발에 의해 생성되고, 상기 에이전트 내의 열 에너지는 기계 에너지로 변환됨 - ; 및
   단계1로부터 상기 액체 에이전트를 생성하기 위해 컨덴서(8) 내에서 단계3에서 생성된 증기 상태를 응축하는 단계4
   를 포함하고,
   단계3에서 생성된, 상기 팽창되어 부분 증발된 에이전트의 경우, 상기 액체 상태는 상기 컨덴서(8) 바로 앞에서 상기 증기 상태로부터 분리되고,
   상기 증기 상태만이 상기 컨덴서(8)에 공급되고,
   상기 응축된 증기 상태 및 상기 액체 상태가 컨덴서(8) 뒤이지만 단계1 전에 결합되어, 상기 액체 에이전트를 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 컨덴서(8) 내의 에이전트의 압력은 가능한 작은 상기 에이전트의 상기 증기 상태에서의 상기 액체 상태의 액적들과, 단계3에서 가능한 크게 생성된 상기 기계 에너지 사이에서 최적으로 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 응축된 증기 상태 및 상기 액체 상태는 에이전트 저장소(9) 내에서 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 저온 소스는 400℃ 미만의 온도인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 닫힌 회로에서 저온 열 소스(20)로부터의 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치(1)로서,
   액체 에이전트의 압력을 증가시키는 펌프(10);
   상기 저온 열 소스(20)로부터의 열을 상기 에이전트의 증발 없이, 상기 에이전트에 전사함으로써 증가된 압력의 액체 에이전트를 가열하는 열 교환기(2);
   상기 가열된 액체 에이전트를 팽창시키는 팽창 디바이스(3) - 증기 상태 및 액체 상태를 갖는, 팽창되어 부분 증발된 에이전트는 상기 팽창 디바이스(3) 내의 상기 에이전트의 부분 증발에 의해 생성될 수 있고, 상기 에이전트 내의 열 에너지는 기계 에너지로 변환될 수 있음 - ; 및
   상기 액체 에이전트를 생성하기 위해 상기 부분 증발된 에이전트의 증기 상태를 응축하는 컨덴서(8);
   상기 팽창되어 부분 증발된 에이전트의 증기 상태로부터 상기 액체 상태의 분리를 위한 분리기(7) - 상기 분리기(7)는 상기 에이전트의 흐름 방향으로 상기 컨덴서(8)의 바로 앞에 배치되고, 상기 컨덴서(8)에 상기 증기 상태를 공급하기 위해 상기 컨덴서(8)에 연결됨 - ; 및
   상기 부분 증발된 에이전트의 응축된 증기 상태와 상기 액체 상태를 결합하는 결합 수단(9) - 상기 결합 수단(9)은 상기 에이전트의 흐름 방향으로 상기 펌프(10) 앞에 배치되고 상기 액체 상태를 제공하기 위해 상기 분리기(7)에 연결되고, 상기 응축된 증기 상태를 상기 결합 수단(9)에 공급하기 위해 상기 컨덴서(8)에 연결됨 -
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
6. 제5항에 있어서,
   상기 컨덴서(8) 내의 에이전트의 압력은 가능한 작은 상기 에이전트의 상기 증기 상태에서의 상기 액체 상태의 액적들과, 상기 팽창 디바이스(3) 내에 가능한 크게 생성된 상기 기계 에너지 사이에서 최적으로 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치(1).
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 결합 수단(9)은 에이전트 저장소의 형태인 것을 특징으로 하는 장치(1).
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 팽창 디바이스(3) 내의 상기 에이전트의 흐름 방향으로 노즐(4) 및 터빈(5)이 연속 배치되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 노즐(4) 및 상기 터빈(5)은 단일의 물리 유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저온 소스는 400℃ 미만의 온도인 것을 특징으로 하는 장치(1).
    

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