KR20120115225A - 열역학적 기계 및 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 작동 유체(10) 특히 저비점 작동 유체(10)가 기상 및 액상으로 교번 순환되는 순환 시스템(2), 열교환기(3), 팽창기(5), 응축기(6), 및 유체 펌프(8)를 구비한 열역학적 기계(1)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 열역학적 기계의 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 유체 펌프(8)의 유동 라인에서, 시스템 압력을 증가시키는 분압이 비응축 보조 기체(20)의 추가에 의해 액상 작동 유체(10)에 인가된다. 액상 작동 유체(10)의 공동화를 방지하는 조밀한 ORC 기계를 구현할 수 있다.

Description

열역학적 기계 및 작동 방법{THERMODYNAMIC MACHINE AND METHOD FOR THE OPERATION THEREOF}
본 발명은 특히 저비점 작동 유체가 기상 및 액상으로 교번 순환되는 순환 시스템을 구비한 열역학적 기계에 관한 것이다. 이 경우, 기계는 열교환기, 팽창기, 응축기, 및 유체 펌프를 포함한다. 본 발명은 또한 사이클 내에서 작동 유체가 액상 작동 유체 펌프에 의해 가열되고, 팽창되고, 응축되고, 운반되는 열역학적 기계의 작동 방법에 관한 것이다.
특히, 이러한 열역학적 기계는 열역학적 랭킨 순환 과정(Rankine cyclic process)에 따라 작동되는 기계로 이해된다. 이 경우, 랭킨 순환 과정은 액상 작동 매체를 펌핑하고, 작동 매체를 고압 증발시키고, 기상 작동 유체를 팽창시키고(기계적 작업을 수행함), 기상 작동 유체를 저압 응축시키는 것을 특징으로 한다. 현대의 일반적인 증기 발전 설비는 예컨대 랭킨 순환 과정에 따라 작동된다. 화석연료 가열식 증기 발전 설비에서는, 통상적으로 500℃ 초과의 온도 및 200bar 초과의 압력으로 증기를 생성한다. 팽창된 증기의 응축은 약 25℃의 온도 및 약 30mbar의 압력으로 이루어진다.
랭킨 순환 과정에 따라 작동되는 열역학적 기계 및 작동 방법이 예컨대 WO 2005/021936 A2호에 알려져 있다. 이 경우, 물이 작동 유체 역할을 한다.
히트 싱크에 대해 비교적 작은 온도차만을 가진 열원이 작동 유체의 증발을 위해 사용되어야 하는 경우, 물 형태의 작동 유체로 달성될 수 있는 효율은 경제적 작동 모드를 위해 충분하지 않다. 그러나, 물 형태의 작동 유체 대신에 저비점의, 특히 유기 유체를 사용하는 이른바 ORC 기계의 도움으로 이러한 열원을 사용할 수 있다. "저비점(low-boiling)"이라는 용어는 유체가 물에 비해 더 낮은 압력에서 끓거나 물에 비해 더 높은 증기압을 가진다는 관점에서 이해된다. ORC 기계는 이른바 유기 랭킨 순환 과정(organic Rankine cyclic process, ORC)에 따라 작동된다. 다시 말하면, 기본적으로 물과 다른 특히 유기적인 저비점 작동 유체에 의해 작동된다. ORC 기계용 작동 유체로는, 예컨대 탄화수소, 방향족 탄화수소, 불소화 탄화수소, 탄소 화합물(특히, 알칸, 플루오로에테르, 플루오로에탄), 또는 심지어 합성 실리콘 오일이 알려져 있다.
ORC 기계 또는 ORC 설비에 의해, 지열 또는 태양열 발전 설비에서 사용 가능한 열원을 예컨대 동력 발전을 위해 경제적으로 사용할 수 있다. 또한, ORC 기계에 의해, 배출 공기, 냉각 회로, 배기 가스 등에서 얻어진 내연기관의 비사용 폐열을 작업 수행 또는 동력 발전을 위해 지금까지 사용할 수 있었다.
각각의 온도와 연관된 액체의 증기압이 부족한 경우, 액체는 증발한다. 증기압의 부족은 정적 액체 또는 이동 액체에서 발생할 수 있다. 예컨대, 흐르는 액체의 경우, 유동의 급작스런 편향 또는 가속으로 인해 증기압이 국부적으로 부족할 수 있고, 그에 따라 국부 증발이 일어난다. 국부적으로 생성된 증기 기포는 더 높은 압력점에서 다시 응축되고, 파괴된다(break down). 전체 과정이 공동화(cavitation)로 지칭된다.
도입부에 언급된 유형의 열역학적 기계에서, 액상 작동 유체에서 일어나는 공동화는 작지 않은 문제점을 초래한다. 증기 기포는 작은 크기로 인해 실제로 매우 빨리 응축된다. 증기 기포의 급작스런 파열의 결과로, 과정 중에 마이크로젯이 형성될 수 있다. 마이크로젯이 주변 벽으로 유도되면, 국부적으로 10000bar 이하의 압력 피크가 얻어질 수 있다. 또한, 고압의 결과로, 1000℃를 훨씬 초과하는 국부 온도가 얻어질 수 있고, 이는 벽 재료의 용융 과정으로 이어질 수 있다. 공동화의 결과로 수 시간 내에 손상이 있을 수 있다.
아울러, 펌프에서 공동화의 발생은 유체의 처리량을 감소시키므로 바람직하지 않다. 일반적으로, 증기 기포는 밀도가 액체와 현저히 다르기 때문에, 소정의 체적 유동에서 기상 작동 유체의 질량비가 낮은 경우에도, 운반 가능한 질량 유동이 감소한다. 증기가 많이 형성된 경우, 질량 유동은 심지어 파괴될 수 있다. 작동 기계가 ORC 설비에서 펌프로 사용된다면, 예컨대 전체 순환 과정이 정지될 수 있다. 펌프 출력의 부족으로 인해, 응축기의 액상 작동 유체의 역류(backing-up)가 일어나고, 그 결과로 작용이 현저히 감소한다. 따라서, 방열이 정지된다. 전체 시스템을 이 상태로 유지하는 것이 쉽지 않다. 작동 유체가 저절로 냉각될 때까지 대기 시간을 관찰해야 한다. 또한, 열이 더 이상 분산되지 않도록 증발기의 통과 유동이 파괴된다. 이후, 사용된 작동 유체는 안정성 한계를 초과했기 때문에 손상될 수 있다.
랭킨 순환 과정에 따라 작동되는 기계에 대해, 공동화 발생의 문제점이 예컨대 EP 1 624 269 A2호에 기재되어 있다. 여기서, 응축기에서 제공되는 특정 압력/온도 제어에 의해, 응축기 내부 및 후속 펌프 내부의 물 형태의 작동 유체의 공동화를 방지해야 한다. 이를 위해, 대응하는 압력/온도 센서들이 포함된다. 특히, 응축기 내의 수위를 기결정된 수위로 유지한다. 이는 물 또는 비응축 기체를 외부로 배출하는 배수 밸브의 도움으로 이루어진다.
또한, 랭킨 순환 과정에 따라 작동되는 기계에 대한 응축기 내의 일정한 수위의 중요성이 US 7,131,290 B2호에 기재되어 있다. 특히, 효력을 나타내는 응축기의 냉각면들에 대한 가변 수위의 효과가 개시되어 있다. 응축기에 퍼져있는 부압 조건으로 인해 공기와 같은 비응축 기체가 작동 유체의 순환 시스템에 침투하는 경우, 기체는 특히 응축기 내에 수집된다. 그로 인한 냉각 용량의 손실을 방지하기 위해, US 7,131,290 B2호는 대응하는 분리 및 배수 장치를 제안한다.
클라시우스-랭킨 순환 과정(Clausius-Rankine cyclic process)에 따라 작동되는 복잡한 유체 기계가 DE 10 2006 013 190 A1호에 알려져 있다. 유체 기계는, 압력을 인가하고 액상 작동 유체를 토출하는 펌프, 및 펌프와 직렬로 연결되며, 기상 작동 유체로 변환되도록 가열되는 작동 유체의 팽창에 의해 구동력을 발생시키는 팽창기를 구비한다. 이 경우, 팽창기의 출구측의 작동 유체의 열이 유체 펌프의 출구측의 작동 유체에 전달된다.
도입부에 언급된 유형의 열역학적 기계로 설계되며 랭킨 순환 과정에 따라 작동되는 수송 가능한 열변환용 구동 유닛이 DE 36 41 122 A1호에 알려져 있다.
랭킨 순환 과정에서 유기 작동 매체를 사용하는 증기 발전 설비가 DE 7 225 314 U호에 알려져 있다.
또한, 도입부에 언급된 유형의 열역학적 기계가 US 4,291,232호에 알려져 있다. 이 경우, 작동 유체로서 기액 용액, 특히 암모니아/물 용액이 순환된다. 기체가 액체에 용해됨으로써 기체와 액체의 압력이 낮아진다. 온도 상승 시에 기체를 분리함으로써 압력이 높아진다.
본 발명의 목적은, 액체 또는 액상 작동 유체의 공동화의 발생을 가능한 한 방지하기 위해, 도입부에 언급된 유형의 열역학적 기계를 개발하는 데에 있다. 또한, 본 발명의 목적은, 액체의 공동화를 가능한 한 방지하는 열역학적 기계의 대응하는 작동 방법을 개시하는 데에 있다.
상기 기계와 관련하여, 전술한 목적은 청구범위 제1항에 따른 특징 조합에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 이에 의하면, 도입부에 언급된 유형의 열역학적 기계에 있어서, 시스템 압력을 증가시키는 분압이 비응축 보조 기체의 추가에 의해 유체 펌프의 헤드에서 액상 작동 유체에 인가된다.
이 경우, 본 발명은 특히 ORC 기계의 고안에서 액상의 공동화의 발생 가능성이 과소평가되었다는 인식에 기반하고 있다. 그러므로, 전체 고안에서, 예컨대 펌프에 대해 특정된 헤드 높이를 관찰하지 않는 경우도 있다. 흡입 연결구에서의 유체 기둥의 결과로, 헤드 높이는 필요한 압력 증가를 초래한다. 과냉각이 이루어지지 않았다고 가정하면, 상류 응축기로 인해, 헤드 높이를 관찰함 없이 유체가 특히 포화 증기압 또는 응축 증기압으로 펌프에 인가된다. 펌프가 헤드 높이를 관찰함 없이 채용된 경우, 이어지는 흡입력의 결과로 포화 증기압이 부족해질 수 있다. 공동화가 일어난다.
펌프의 헤드 높이는 이른바 NPSH 값에 의해 통상적으로 주어진다. 이 경우, 유효흡입양정(Net Positive Suction Head, NPSH) 값은 포화 증기압을 초과하는 최소 필요 공급 높이로 이해된다. 다시 말하면, 필요 NPSH 값은 펌프의 흡입력을 나타낸다. NPSH 값은 미터로 표기된다. 본원에 적합한 펌프에 대해서는 통상 수 미터이다. 따라서, 소정의 펌프에 대해 NPSH 값이 헤드에서 관찰되지 않으면, 작동 중에 작지 않은 공동화 문제가 발생한다. 바람직하지 않은 증기 기포의 성장이 이루어진다.
이 점에서, 심지어는 작고 조밀한 ORC 기계의 고안에서도, 펌프는 발전 설비의 높이에 대해 더 낮은 높이로 불리하게 배치되어야 하고, 이는 설치 공간의 바람직하지 않은 증가로 이어진다.
증기압을 낮추는 작동 유체의 과냉각과 같이, 액상 작동 유체의 공동화를 방지하는 대안들은 추가 비용으로 인해 고가이다. 추가적인 표면적 요건 역시 초래된다. 더욱이, 과냉각된 작동 유체를 가열하기 위해서는 더 많은 에너지를 인가해야 한다. 마찬가지로, 흡입 연결구에서 추가 압력을 발생시키는 부스터 펌프의 사용은 경제적이지 않다. 이와는 별도로, 추가 펌프로 인해 추가 설치 공간이 또한 요구된다.
놀랍게도, 본 발명은 열역학적 기계에서 공동화 발생의 문제점이 비응축 기체의 사용에 의해 해결될 수 있음을 인식하였다. 예전에 랭킨 순환 과정에 따라 작동되는 기계에서는 사이클 내에 위치하는 비응축 기체가 효율을 감소시키므로 바람직하지 않다는 이유로 비싸게 제거하였지만, 본 발명은 이제 신중한 도입을 제공한다.
본 발명은 특히 사이클 내에 존재하는 비응축 기체의 경우, 기상의 분압이 응축압에 추가된다는 것을 인식하였다. 그로 인해 원하는 방식으로 증가된 시스템 압력이 특히 유체 펌프의 헤드에서 액상 작동 유체에 인가된다. 특히 팽창기의 배압의 증가와 같이, 비응축 기체를 사이클에 추가하는 것과 관련된 단점이 저비점 작동 유체의 경우 공동화의 방지라는 장점에 의해 상쇄된다. 저비점 작동 유체는 물과 비교하여 더 높은 압력으로 응축된다. 작동 유체는 통상 실온에서 대기압을 초과하여 응축될 수 있다. 이 점에서, 보조 기체에 의해 필연적으로 발생되는 분압은 전체 효율에 더 적은 영향, 전체 개념의 맥락에서는 무시할만한 영향을 미친다.
구체적으로, 본 발명에 따르면, 보조 기체의 추가 물질량은 펌프의 헤드 높이가 사용 가능한 설치 공간의 맥락에서 대응하여 감소될 수 있도록 선택될 수 있다. 동시에, 이 경우, 팽창기를 방해하는 배압은 완전히 허용 가능한 수준으로 유지된다는 사실을 고려할 수 있다.
이 점에서, 본 발명은 저온 열원의 사용을 위해 조밀한 열역학적 기계를 고려할 수 있다는 확실한 이점을 제공한다. 이 경우, 설치 공간은 펌프의 필요 헤드 높이에 의해 반드시 기결정되지는 않는다. 기본적으로는 비응축 보조 기체가 시스템을 충진할 때 일회성으로 주입될 수 있기 때문에, 심지어는 추가적인 구조적 측정값도 필요하지 않을 수 있다. 이 점에서, 본 발명은 열역학적 기계의 추가 조밀화를 위한 예외적으로 저가의 가능성을 제공한다. 이 점에서, 본 발명은 엔진 열, 냉각 매체 열, 또는 배기 가스 열의 활용을 위해 예컨대 자동차에 사용되는 작은 이동식 기계의 고안에 굉장히 적합하다.
유리한 양상에서, 보조 기체의 추가에 의해 초래된 분압은 포화 증기압이 유체 펌프의 작동 중에 헤드에서 부족하지 않을 정도로 충분히 높다. 후술하는 내용에 기재된 바와 같이, 이는 소정의 간단한 가정(액체의 추가 과냉각 없음)으로 예컨대 최종 분압이 적어도 유체 펌프의 NPSH 값에 대응하는 경우이다. 심지어 펌프의 헤드 높이가 완전히 필요하지 않을 수 있다. 실제 조건에서, 추가 보조 기체의 체적은 최종 분압이 흡입압 또는 변환된 NPSH 값을 초과하도록 조절되어야 한다.
본 발명이 반드시 랭킨 순환 과정에 따라 작동되는 열역학적 기계에 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 팽창기의 상류에 작동 유체의 증발을 포함하지 않지만, 계속 증가하는 작동 공간으로 인해 팽창기에서 작동 유체의 순간 증발이 수행되는 기계를 포함할 수도 있다. 특히, 연속 상변화가 이루어질 수 있다.
ORC 기계의 맥락에서, 소정의 조건에 순응되는 기계의 이상적인 작동 모드를 달성하기 위해, 다양한 작동 매체의 혼합물이 작동 유체로 사용될 수도 있다.
도 2의 좌측 도면을 참조하면, 종래 기술의 열역학적 기계에서는, 작동 유체의 포화 증기압(ps)이 소정의 온도에 대응하여 응축기에 형성된다. 액상 작동 유체를 배출하는 펌프를 채용한 경우, 소정의 NPSH 값에 따른 흡입압이 흡입 연결구에 발생한다. 포화 증기압(ps)은 흡입압(pNPSH)에 의해 감소된다. 따라서, 펌프에는 포화 증기압(ps)보다 낮은 유입압(pE)이 발생된다. 결과적으로, 증기 기포의 형성 및 그에 따른 공동화가 일어난다.
추가 비응축 보조 기체(도 2의 우측 도면)에 의해, 보조 기체의 분압(ppart)과 포화 증기압(ps)의 합인 시스템 압력이 펌프에 발생된다. 펌프를 채용한 후, 시스템 압력은 NPSH 값에 의해 기결정된 흡입압(pNPSH)에 의해 다시 감소된다. 주입된 보조 기체로 인해 발생된 비응축 기체의 분압(ppart)은 펌프의 흡입 연결구에서 흡입압(pNPSH)보다 더 크거나 적어도 같지만, 유입압(pE)은 이제 포화 증기압(ps)과 적어도 같거나 더 크다. 그러므로, 공동화가 방지된다.
보조 기체에 의해 인가되어야 하는 포화 증기압과 시스템 압력 간의 목표 압력차(△p)는 유리하게 적어도 pNPSH이고, 보조 기체의 필요 물질량(xi)은 하기 식에 의해 계산된다.
Figure pct00001

실제 시스템에 대해, 응축 온도의 감소 및 그에 따른 포화 증기압의 감소와 같은 바람직하지 않은 조건에도, 충분한 보조 기체가 사용 가능하도록 보조 기체의 물질량(xi)을 조절한다. 보조 기체의 일부는 용액이 되고, 그에 따라 압력차를 발생시키는 데에 사용 가능하지 않다는 사실 역시 고려해야 한다. 보조 기체의 추가 물질량을 조절할 때, 기계의 다양한 작동 단계(부분 하중, 전체 하중)를 또한 고려할 수 있다.
전술한 실시형태에 따른 기계의 바람직한 실시형태에서, 구조적 높이는 유체 펌프의 실제 헤드 높이에 의해 대응하여 감소될 수 있는데, 실제 헤드 높이는 NPSH 값 및 적용 가능한 경우 액상 작동 유체의 과냉각을 고려한 필요 헤드 높이와 비교하여 감소된 것이다. 액체의 추가적인 과냉각의 결과로, 필요 헤드 높이는 낮아진 증기압으로 인해 감소된다. 실제 헤드 높이는 주입된 보조 기체의 분압의 결과로 추가로 감소될 수 있다. 이 경우, 소정의 비축을 유지하기 위해, 보조 기체의 대응하는 공급에도 불구하고 작은 헤드 높이를 유지할 수도 있다. 이 점에서, 헤드 높이의 감소는 보조 기체의 대응하는 물질량에 의해 보상된다.
보조 기체의 주입점은 기본적으로 기계의 순환 시스템의 모든 지점에 구비될 수 있다. 이 경우, 주입점은 보조 기체의 일회성 주입 또는 반복 주입을 위해 설계될 수 있다. 바람직한 양상에서, 보조 기체의 주입점은 팽창기와 유체 펌프 사이에 구비된다. 이런 방식으로, 보조 기체는 사이클의 필요점에서 바로 사용 가능하다. 보조 기체는 순환 과정의 저온측에서 액상에 주입된다. 특히, 보조 기체는 또한 응축기에 수집될 수 있으므로 쉽게 제거될 수 있다. 이런 목적으로, 예컨대 기계는 "콜드-런(cold-run)"될 수 있고, 그 결과로 보조 기체가 응축기로 느리게 흐를 수 있다. 보조 기체의 추가를 위해 예컨대 압축기를 사용할 수 있다. 대안으로, 가압 실린더를 연결할 수 있다. 보조 기체를 순환 과정의 고온 측에 추가하면 추가 비용이 발생된다.
비응축 보조 기체는, 열역학적 기계의 사이클에 주어지거나 퍼져있는 조건에서 응축되지 않는 유형의 기체이다. 예컨대, 불활성 희소 기체 또는 질소가 이러한 보조 기체로 적합하다. 적절한 유기 기체 또한 사용 가능하다.
비응축 보조 기체는 열역학적 기계의 사이클 내에서 작동 유체에 의해 일정 정도 이동된다. 물 형태의 작동 유체에 의해 랭킨 순환 과정에 따라 작동되는 기계에서, 이른바 원통다관식(shell-and-tube) 열교환기가 통상 응축기를 위해 구비된다. 이 경우, 냉각액은 관들의 내부를 통해 흐른다.
기상 작동 유체는 외부에서 관들을 따라 흐르고, 표면에서 응축되고, 응축수 또는 액상으로 뚝뚝 떨어진다.
이러한 응축기에서는, 배향에 따라 비응축 보조 기체가 축적될 수 있지만 불리한 효과가 있다. 이 경우, 보조 기체가 관들의 주위에 절연층으로 남아있고, 그 결과로 응축기의 효율성이 감소한다. 비응축 보조 기체는 응축수의 유동 방향에 반하는 추출 또는 확산에 의해서만 파괴될 수 있다.
비응축 보조 기체가 추가될 때 이러한 단점을 방지하기 위해, 응축기는 보조 기체가 응축수 또는 액상 작동 유체의 유동 방향으로 유입되도록 유리하게 설계된다. 이러한 응축기는 예컨대 공기 응축기로 설계되거나 또는 판형 열교환기 부재들에 의해 설계된다. 공기 응축기의 경우, 기상 작동 유체가 관들의 내부를 통해 흐르고, 상기 관들은 외부에서는 예컨대 공기 및 다른 냉각 매체에 의한 순환 유동(circumflow)에 노출된다. 이 경우, 보조 기체는 후속 기상 작동 유체에 의해 적어도 부분적으로 유동 방향으로 관들을 통해 진행된다. 이는 또한 판형 열교환기 부재들에 의해 형성된 응축기에도 적용된다. 이 경우에도, 기상 작동 유체가 판형 열교환기 부재들 간의 공간을 통해 흐르고, 보조 기체의 일부가 또한 응축기로부터 나온다. 결과적으로, 원통다관식 열교환기의 절연층 형성이라는 바람직하지 않은 효과가 감소한다.
또한, 보조 기체의 농도를 검출하는 센서가 바람직하게 헤더 탱크에 배치된다. 작동 유체의 수집된 액체 위의 기체 공간에 배치된 센서에 의해, 예컨대 순환 시스템 내에 존재하는 보조 기체의 물질량을 측정할 수 있고, 기결정된 한계값에 미달하거나 초과하는 경우 경고 신호를 생성할 수 있다. 이후, 경고 신호에 대응하여 보조 기체의 특정 물질량을 추가하거나 추출할 수 있다.
전술한 바와 같이, 개시된 열역학적 기계는 자동차의 이동식 설비(mobile plant)에 특히 적합하고, 여기서 열교환기는 자동차의 폐열원에 열적으로 연결되어 있다. 예컨대, 냉각수, 오일과 같은 다른 작동 매체, 엔진 블록 자체, 또는 배기 가스가 이러한 폐열원을 구성한다.
대응하는 동력 발전용 발전기에 연결된 팽창기는 바람직하게 용적식 기계(positive displacement machine)로 설계된다. 용적식 기계는 예컨대 스크루형 또는 피스톤 팽창기, 또는 스크롤 팽창기이다. 베인셀 기계 역시 사용할 수 있다.
방법과 관련된 목적은 청구범위 제9항에 따른 특징 조합에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 이에 의하면, 열역학적 기계의 작동 방법에 있어서, 시스템 압력을 증가시키는 분압이 비응축 보조 기체의 추가에 의해 펌프 헤드에서 액상 작동 유체에 인가된다.
다른 바람직한 양상들은 방법에 관련된 종속항들에서 확인할 수 있다. 이 경우, 상기 기계에 대해 언급된 이점들이 논리적으로 대응하여 적용될 수 있다.
하기 도면을 참조하여, 본 발명의 예시적인 실시형태들을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 보조 기체의 분압이 펌프 헤드에 인가된 ORC 기계를 개략적으로 도시한다.
도 2는 상이한 압력 조건을 개략적으로 도시한다.
도 1은 내연기관의 폐열 활용을 위한 이동식 설비로 특히 적합한 ORC 기계(1)를 개략적으로 도시한다. 이 경우, ORC 기계(1)는 증발기로 사용된 열교환기(3), 팽창기(5), 응축기(6), 및 유체 펌프(8)를 순환 시스템(2) 내에 포함하고 있다. 도시된 ORC 기계(1)는 랭킨 순환 과정에 따라 작동되며, 발전기(9)를 구동하도록 팽창기(5)에 작업을 수행한다. 발전기(9)는 특히 자동차 자체의 전기 시스템에 생성 동력을 공급하도록 설계되거나, 이에 연결된다. 물과 비교하여 훨씬 높은 증기압을 가진 탄화수소를 작동 유체(10)로 사용한다. 작동 유체(10)는 폐쇄 사이클에 위치한다.
유체 펌프(8)를 통해 운반된 액상 작동 유체(10)는 증발기(3)에서 고압 증발된다. 용적식 기계로 설계된 팽창기(5)에서는 기상 작동 유체(10)가 작업을 수행하며 팽창된다. 팽창된 기상 작동 유체(10)는 응축기(6)에서 저압 응축된다. 응축기(6) 내에 형성된 포화 증기압은 약 1.2bar이다. 응축수 또는 액상 작동 유체(10)는 펌프(8)에 의해 다시 운반되어 증발되기 전에 헤더 탱크(11)에 수집된다.
폐열 토출부(14)가 응축기(6)의 냉각을 위해 구비된다. 예컨대, 이는 자동차의 순환 공기일 수 있고, 작동 유체의 응축열이 예컨대 자동차의 내부를 가열하기 위해 순환 공기에 공급된다. 응축기(6)는 냉각될 작동 유체(10)가 순환 유동에 노출된 관들의 내부를 따라 흐르는 공기 응축기로 설계된다.
펌프(8)에 의해 운반된 작동 유체(10)의 증발을 위해, 열이 폐열 공급부(16)를 통해 증발기(3)에 공급된다. 이런 목적으로, 자동차 엔진의 배기 가스의 열이 적절한 열교환을 통해 증발기(3)에 공급된다. 대안으로, 내연기관의 냉각 회로로부터 열이 공급될 수 있다. 내연기관 및 생성된 배기 가스의 폐열은 대응하는 제3 매체를 통해 증발기(3)에 함께 공급될 수도 있다.
팽창기(5)와 유체 펌프(8) 사이에서, 비응축 보조 기체(20)를 ORC 기계(1)의 사이클에 주입하기 위한 주입점(18)이 응축기(6) 상에 마련된다. 대응하는 밸브를 통해 보조 기체(20)의 특정 물질량(xi)이 일회성으로 또는 반복적으로 ORC 기계의 사이클에 주입될 수 있다. 이 경우, 물질량(xi)은 펌프(8)의 헤드에서 보조 기체(20)의 분압 및 작동 유체(10)의 포화 증기압(응축기(6)의 응축으로 인해 발생됨)이 시스템 압력에 추가되도록 조절되고, 그에 따라 펌프를 채용한 후에도 작동 유체의 포화 증기압이 부족하지 않다. 결과적으로, 액상으로 흐르는 작동 유체의 편향 시에 포화 증기압의 부족을 또한 방지한다. 물질량(xi)은 특히 보조 기체의 최종 분압이 펌프의 NPSH 값에 대응하는 흡입압보다 더 크도록 조절된다. 이 점에서, 헤드 및 특히 유체 펌프(8)의 흡입 연결구의 공동화를 방지한다. 작동 유체(10)의 포화 증기압이 작동 중에 부족하지 않으므로, 증기 기포가 형성되지 않는다.
헤드 높이(21, 개략 도시됨)는 유체 펌프(8)의 NPSH 값과 관련하여 단지 수십 ㎝ 낮아진 것이 분명하다. 보조 기체(20)의 농도를 측정하는 센서(22)가 헤더 탱크(11)에 배치된다.
1 ORC 기계
2 순환 시스템
3 열교환기
5 팽창기
6 응축기
8 유체 펌프
9 발전기
10 작동 유체
11 헤더 탱크
14 폐열 토출부
16 폐열 공급부
18 주입점
20 보조 기체
21 헤드 높이
22 센서

Claims (14)

  1. 특히 저비점 작동 유체(10)가 기상 및 액상으로 교번 순환되는 순환 시스템(2), 열교환기(3), 팽창기(5), 응축기(6), 및 유체 펌프(8)를 구비한 열역학적 기계(1)에서,
    시스템 압력을 증가시키는 분압이 비응축 보조 기체(20)의 추가에 의해 유체 펌프(8)의 헤드에서 액상 작동 유체(10)에 인가되는 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    보조 기체(20)의 추가에 의해 초래된 분압은 포화 증기압이 유체 펌프(8)의 작동 중에 헤드에서 부족하지 않을 정도로 충분히 높은 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유체 펌프(8)의 실제 헤드 높이(21)는 NPSH 값 및 가능한 경우 액상 작동 유체(10)의 과냉각을 고려한 필요 헤드 높이와 비교하여 감소되는 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    보조 기체(20)의 주입점(18)은 팽창기(5)와 유체 펌프(8) 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    응축기(6)는 특히 공기 응축기로서 또는 판형 열교환기 부재들에 의해, 보조 기체(20)가 작동 유체(10)의 유동 방향으로 유입되도록 설계되는 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    팽창기(5)는 용적식 기계인 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    보조 기체의 농도를 검출하는 센서(22)가 액상 작동 유체(10)의 헤더 탱크에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계.
  8. 자동차의 이동식 설비로 사용되는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 열역학적 기계(1)의 용도로,
    열교환기(3)가 자동차의 폐열원(16)에 열적으로 연결되는 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계의 용도.
  9. 순환 시스템(2) 내에서 특히 저비점 작동 유체(10)가 기상 및 액상으로 교번 순환되며, 작동 유체(10)가 액체의 펌핑에 의해 가열되고, 팽창되고, 응축되고, 운반되는 열역학적 기계(1)의 작동 방법에서,
    시스템 압력을 증가시키는 분압이 비응축 보조 기체(20)의 추가에 의해 펌프 헤드에서 액상 작동 유체(10)에 인가되는 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계의 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    보조 기체(20)는, 액상 작동 유체(10)의 운반 중에 펌프 헤드에서 포화 증기압이 부족하지 않을 정도로 최종 분압을 충분히 높게 하는 체적으로 주입되는 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계의 작동 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    보조 기체(20)는 팽창된 기상 작동 유체(10)에 추가되는 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계의 작동 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    보조 기체(20)는 작동 유체(10)의 응축 중에 주로 유동 방향으로 더 수송되는 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계의 작동 방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    작동 유체(10)는 용적식 기계에서 팽창되는 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계의 작동 방법.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    자동차의 폐열(16)이 작동 유체(10)의 가열 및/또는 증발을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는,
    열역학적 기계의 작동 방법.
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012000100A1 (de) * 2011-01-06 2012-07-12 Cummins Intellectual Property, Inc. Rankine-kreisprozess-abwärmenutzungssystem
DE202012101448U1 (de) * 2012-04-19 2013-07-22 Gunter Krauss Stickstoffantriebssystem
US9284857B2 (en) * 2012-06-26 2016-03-15 The Regents Of The University Of California Organic flash cycles for efficient power production
DE102012024017B4 (de) * 2012-12-08 2016-03-10 Pegasus Energietechnik AG Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie mit einer Druckerhöhungseinrichtung
DE202013100814U1 (de) * 2013-01-11 2014-04-14 Becker Marine Systems Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zur Erzeugung von Energie
DE102013202285A1 (de) * 2013-02-13 2014-08-14 Andrews Nawar Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Energie, insbesondere elektrischer Energie
EP2865854B1 (de) 2013-10-23 2021-08-18 Orcan Energy AG Vorrichtung und Verfahren zum zuverlässigen Starten von ORC Systemen
WO2015099417A1 (ko) * 2013-12-23 2015-07-02 김영선 전기자동차 발전시스템
DE102014002336A1 (de) * 2014-02-12 2015-08-13 Nawar Andrews Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Energie, insbesondere elektrischer Energie
EP2933442B1 (de) 2014-04-16 2016-11-02 Orcan Energy AG Vorrichtung und Verfahren zur Erkennung von Leckagen in geschlossenen Kreisprozessen
FR3020090B1 (fr) * 2014-04-16 2019-04-12 IFP Energies Nouvelles Dispositif de controle d'un circuit ferme fonctionnant selon un cycle de rankine et procede utilisant un tel dispositif
JP6423614B2 (ja) * 2014-05-13 2018-11-14 株式会社神戸製鋼所 熱エネルギー回収装置
WO2015197090A1 (en) * 2014-06-26 2015-12-30 Volvo Truck Corporation System for a heat energy recovery
PL3006682T3 (pl) * 2014-10-07 2023-01-30 Orcan Energy Ag Urządzenie i sposób obsługi stacji wymiany ciepła
EP3015660B1 (de) 2014-10-31 2018-12-05 Orcan Energy AG Verfahren zum betreiben eines thermodynamischen kreisprozesses
ES2586425B1 (es) * 2015-02-19 2018-06-08 Expander Tech, S.L. Sistema de anti-cavitación eficiente de bombas para ciclos de potencia rankine orgánicos
FR3084913B1 (fr) 2018-08-09 2020-07-31 Faurecia Systemes Dechappement Systeme thermique a circuit rankine
DE102019003744A1 (de) * 2019-05-23 2020-11-26 Madalin Vinersar Vorrichtung und Verfahren zur Energieerzeugung, insbesondere zur Erzeugung von elektrischem Strom
JP2023044396A (ja) 2021-09-17 2023-03-30 三菱重工マリンマシナリ株式会社 動力回収システム
SE2350127A1 (en) 2023-02-10 2024-08-11 Climeon Ab Thermodynamic system comprising a pump assembly

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE7225314U (de) * 1971-07-06 1973-11-15 Sundstrand Corp Erhitzer-Ekonomiser-Vorrichtung für eine Dampfkraftanlage mit organischem Arbeitsmittel
US4291232A (en) * 1979-07-09 1981-09-22 Cardone Joseph T Liquid powered, closed loop power generating system and process for using same
JPS58144613A (ja) * 1982-02-22 1983-08-29 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 発電プラントのホツトウエルタンク
JPS5951109A (ja) * 1982-09-17 1984-03-24 Hitachi Ltd 蒸気原動所の復水器真空保持装置
JPS6020093A (ja) * 1983-07-14 1985-02-01 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 熱回収系
US4738111A (en) * 1985-12-04 1988-04-19 Edwards Thomas C Power unit for converting heat to power
JPS62210391A (ja) * 1986-03-10 1987-09-16 Toshiba Corp 地熱発電システムにおける復水器のガス除去装置
IL101002A (en) * 1991-02-20 2001-01-28 Ormat Turbines 1965 Ltd A method and means of using a two-phase flow to generate power at a power station based on the Rankin cycle
RU2148722C1 (ru) * 1998-09-24 2000-05-10 Научно-исследовательская фирма "Эн-Ал" Энергетический цикл, в котором используется смесь
DE19853206C1 (de) * 1998-11-18 2000-03-23 Siemens Ag Verfahren zur Kondensatanwärmung in einem Speisewasserbehälter eines Dampfkraftwerkes
JP2004353517A (ja) * 2003-05-28 2004-12-16 Ebara Corp 発電装置
US6986251B2 (en) * 2003-06-17 2006-01-17 Utc Power, Llc Organic rankine cycle system for use with a reciprocating engine
BRPI0413986A (pt) 2003-08-27 2006-11-07 Ttl Dynamics Ltd sistema de recuperação de energia, usos de hfe-7100 ou hexano ou água e de um dos alcanos, sistema de geração de energia elétrica, unidade de turbina de afluxo radial, mancal, acoplamento magnético rotativo, método realizado em um sistema de recuperação de energia para extrair energia a apartir de uma fonte de calor residual, método de controle de um sistema de recuperação de energia, e, sistemas de controle programável e de purificação de fluido de trabalho para um sistema de conversão de energia
US7131290B2 (en) 2003-10-02 2006-11-07 Honda Motor Co., Ltd. Non-condensing gas discharge device of condenser
EP1624269A3 (en) 2003-10-02 2006-03-08 HONDA MOTOR CO., Ltd. Cooling control device for condenser
US7225621B2 (en) * 2005-03-01 2007-06-05 Ormat Technologies, Inc. Organic working fluids
JP4493531B2 (ja) * 2005-03-25 2010-06-30 株式会社デンソー 膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクル
GB0513463D0 (en) * 2005-07-01 2005-08-10 Highview Entpr Ltd Injection apparatus for cryogenic engines
US20090320478A1 (en) * 2006-01-04 2009-12-31 General Electric Company Reduced boundary layer separation steam jet air ejector assembly and method
RU2304722C1 (ru) * 2006-05-11 2007-08-20 Общество с ограниченной ответственностью "Теплофизика-2Т" Энергетический цикл а.в. серогодского
GB2442743A (en) * 2006-10-12 2008-04-16 Energetix Group Ltd A Closed Cycle Heat Transfer Device
SE530868C2 (sv) * 2007-02-09 2008-09-30 Volvo Lastvagnar Ab Kylsystem
JP2008231981A (ja) * 2007-03-19 2008-10-02 Sanden Corp 内燃機関の廃熱利用装置
DE102008013545B4 (de) * 2008-03-11 2015-11-05 Alfred Becker Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Abwärmenutzung mittels eines ORC-Prozesses
US8297355B2 (en) * 2008-08-22 2012-10-30 Texaco Inc. Using heat from produced fluids of oil and gas operations to produce energy
CN101408115B (zh) * 2008-11-11 2011-04-06 西安交通大学 一种适用于车用发动机余热回收的热力循环系统

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