KR20120115698A - 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클 - Google Patents

액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클 Download PDF

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KR20120115698A KR1020110033165A KR20110033165A KR20120115698A KR 20120115698 A KR20120115698 A KR 20120115698A KR 1020110033165 A KR1020110033165 A KR 1020110033165A KR 20110033165 A KR20110033165 A KR 20110033165A KR 20120115698 A KR20120115698 A KR 20120115698A
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Abstract

본 발명은 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 본 발명은 작동 유체에 열공급매체가 공급되어 증발/팽창기의 작동 유체 증발량을 높일 수 있으며, 팽창일을 증가하여 전체 발전 효율을 향상할 수 있는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클에 관한 것이다.

Description

액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클{Rankin cycle with a expansion and evaporation device with injected heating oil}
본 발명은 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 본 발명은 작동 유체에 열공급매체가 공급되어 증발/팽창기의 작동 유체 증발량을 높일 수 있으며, 팽창일을 증가하여 전체 발전 효율을 향상할 수 있는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클에 관한 것이다.
통상적으로 증기 사이클(10)에서는 액상의 작동 유체를 압축하는 압축기(1)와, 가열 증발이 이루어지는 증발기(2)와, 고온 고압의 작동 유체를 팽창을 통해 동력을 얻는 터빈(3), 작동 유체를 냉각하는 응축기(4)로 이루어지며, 작동 유체는 상기 압축기(1), 증발기(2), 터빈(3), 및 응축기(4)를 순환하며, 압축, 가열(증발), 팽창, 및 응축 과정이 반복 수행된다.
도 1은 종래의 증기 사이클을 나타낸 개략도이며, 도 2는 상기 도 1에 도시한 증기 사이클의 T-S 선도를 나타낸 도면이다.
이 때, 증발 과정에서, 낮은 온도의 열원을 이용하여 증기가 이루어지는 경우에, 도 2에 도시한 바와 같이, 열원과의 온도차가 크게 발생되면서 도면에 빗금으로 표시한 바와 같은 비가역 손실이 증가되는 문제점이 있다.
이와 같은 열전달에 의한 비가역 손실량의 증가는 전체 증기 사이클의 발전 효율을 저하시키는 주원인이 되며, 열전달에 의한 비가역 손실을 최소화하기 위해서는 열전달 과정에서 온도차가 최소화되어야 한다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 공개특허 2007-0057264호(발명의 명칭 : 용적형 팽창기)에 기재된 바와 같은 용적형 팽창기를 이용하는 방안이 제안되었으며, 도 3에서 용적형 팽창기를 이용한 증기 사이클을 나타내었다.
상기 용적형 팽창기를 이용한 증기 사이클(20)은 가열기(21), 고온 상태의 액상 냉매를 팽창 및 자연 증발시키는 용적형 팽창기(22), 응축기(23) 및 순환펌프(24)를 포함하여 구성된다.
상기 도 3에 도시한 용적형 팽창기를 이용한 증기 사이클의 T-S 선도를 도 4에 도시하였다.
그런데, 상기 도 3에 도시한 용적형 팽창기를 이용한 증기 사이클은 상기 가열기에서 작동 유체의 온도만 상승시킬 뿐 증발 과정을 거치지 않기 때문에 열전달 량이 많지 않게 되어 종래의 일반적인 증발기를 가진 증기 동력 사이클에 비하여 열출입량과 출력이 감소하게 되는 문제점이 있다.
또한, 상기 용적형 팽창기 내부에서 작동 유체 자체의 현열이 잠열로 바뀌면서 증발하기 때문에 증발량이 많지 않고, 이에 따라 많은 양의 작동 유체가 액상 상태로 잔존하게 된다.
위와 같은 증발량 저하는 출력 저하로 이어지며, 액상 냉매의 응축기가 과냉각되면서 전체 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이에 따라, 증발량을 높여 팽창일을 높일 수 있으며, 전체 발전 효율을 향상할 수 있는 증기 사이클의 개발이 필요하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 작동 유체에 열공급매체가 공급되어 증발/팽창기의 작동 유체 증발량을 높일 수 있으며, 팽창일을 증가하여 전체 발전 효율을 향상할 수 있는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 열공급매체가 증발/팽창기를 통과한 후 작동 유체와 분리되어 순환됨으로써 나머지 작동유체 순환부의 열전달 특성을 저하하지 않으며, 열공급매체의 순환량을 적절하게 유지할 수 있는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클를 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 목적은 작동 유체를 가열하는 제1가열기와, 열공급매체를 가열하는 제2가열기가 동일 열원에 의해 가열된 열교환매체를 이용함으로써 구성을 간소화할 수 있는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클를 제공하는 것이다.
본 발명의 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클(1000)은 작동 유체가 순환되는 제1파이프(150)와, 열원에 의해 작동 유체를 가열시키는 제1가열기(110)와, 상기 가열기를 통과한 고온 고압 포화 상태의 작동 유체를 팽창 및 증발시켜 저온 저압의 액체와 기체 상태로 변환시키는 팽창/증발기(120)와, 상기 팽창/증발기(120)를 통과한 작동 유체를 냉각시키는 응축기(130)와, 작동 유체를 순환시키는 제1펌프(140)를 포함하는 작동 유체 순환부(100); 상기 팽창/증발기(120)의 전측 및 후측을 연결하며 액상의 열공급매체가 순환되는 제2파이프(240)와, 상기 팽창/증발기(120)의 전측에서 열원에 의해 열공급매체를 가열시키는 제2가열기(210)와, 상기 팽창/증발기(120)의 후측에서 기상의 작동 유체와 액상의 열공급매체를 분리하는 분리기(220)와, 열공급매체를 순환시키는 제2펌프(230)를 포함하는 열공급매체 순환부(200); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 열공급매체는 상기 팽창/증발기(120)내에서 액상을 유지하면서 팽창과정의 작동 유체에 열을 공급하여 작동 유체를 증발시키고, 팽창/증발기(120) 후측의 분리기(220)에서 기상의 작동 유체와 분리되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 팽창/증발기(120)는 열전달에 의한 비가역손실을 최소화 하도록 내부 열공급매체 및 작동 유체의 최종 가열 온도가 동일한 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 열공급매체는 윤활 오일인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클(1000)은 동일 열원에 의해 가열된 열교환매체가 분기되어 상기 제1가열기(110) 및 제2가열기(210)로 각각 이동됨으로써 작동 유체 및 열공급매체를 가열하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제1가열기(110) 및 제2가열기(210)는 판형 열교환기, 구불구불한 사형(蛇形)이나 코일형 튜브를 갖는 열교환기인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 팽창/증발기(120)는 스크롤, 스크류, 기어, 베인 형상의 용적형 팽창기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클.
이에 따라, 본 발명의 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클은 작동 유체에 열공급매체가 공급되어 증발/팽창기의 작동 유체 증발량을 높일 수 있으며, 팽창일을 증가하여 전체 발전 효율을 향상할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클은 열공급매체가 증발/팽창기를 통과한 후 작동 유체와 분리되어 순환됨으로써 나머지 작동유체 순환부의 열전달 특성을 저하하지 않으며, 열공급매체의 순환량을 적절하게 유지할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클은 작동 유체를 가열하는 제1가열기와, 열공급매체를 가열하는 제2가열기가 동일 열원에 의해 가열된 열교환매체를 이용함으로써 구성을 간소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클을 나타낸 개략도.
도 2는 상기 도 1에 도시한 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클의 T-S 선도를 나타낸 도면.
도 3은 종래의 용적형 팽창기를 이용한 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클을 나타낸 개략도.
도 4는 상기 도 3에 도시한 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클의 T-S 선도를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클을 나타낸 개략도.
도 6은 상기 도 5에 도시한 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클의 T-S 선도를 나타낸 도면.
이하, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 본 발명의 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클(1000)을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명의 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클(1000)은 크게 작동 유체가 순환되면서 팽창일을 발생하는 작동 유체 순환부(100)와, 상기 작동 유체 순환부(100)의 팽창/증발기(120)에 공급됨으로써 전체 발전 효율을 향상할 수 있도록 작동 유체의 증발량을 높이는 열교환매체 순환부로 구성된다.
먼저, 상기 작동 유체 순환부(100)는 제1파이프(150), 제1가열기(110), 팽창/증발기(120), 응축기(130) 및 제1펌프(140)를 포함하여 구성된다.
상기 제1파이프(150)는 작동 유체가 순환되어 흐르는 관이며, 나머지 상기 제1가열기(110), 팽창/증발기(120), 응축기(130) 및 제1펌프(140)가 상기 제1파이프(150) 상에 구비된다.
상기 제1가열기(110)는 열원에 의해 작동 유체를 가열시키는 구성으로서, 도면 4에서는 열원에 의해 가열된 열교환매체가 순환되며, 상기 열교환매체와 작동 유체의 열교환에 의해 상기 작동 유체가 가열되는 예를 나타내었다.
이 때, 상기 제1가열기(110)는 열교환매체와 작동 유체의 이종 유체 간 열교환이 이루어지므로, 서로 혼합되지 않으면서도 열교환효율을 높일 수 있도록 판형 열교환기, 사형 또는 코일형 튜브가 형성된 열교환기가 이용될 수 있다.
먼저, 판형 열교환기는 복수개의 플레이트가 결합되되, 플레이트의 적층방향으로 상기 열교환매체와 작동 유체가 서로 교번되어 유동됨으로써 열교환이 이루어지는 형태이다.
상기 사형 또는 코일형 튜브가 형성된 열교환기는 상기 튜브의 내부와 외부에 각각 열교환매체와 작동 유체가 또는 작동 유체와 열교환매체가 유동되어 열교환되는 형태이다.
상기 팽창/증발기(120)는 상기 가열기를 통과한 고온 상태의 다량의 액상을 포함하는 작동 유체를 팽창 및 증발시켜 저온 저압의 액체와 기체 상태로 변환시키는 구성이다.
즉, 상기 팽창/증발기(120)는 상기 제1파이프(150)를 통해 공급된 가열된 고온의 액상 작동 유체를 팽창시킴과 동시에 증발시킨다.
상기 팽창/증발기(120)는 스크롤, 스크류, 기어, 베인 형상의 용적형 팽창기 중 어느 하나가 이용될 수 있다.
이 때, 상기 팽창/증발기(120)의 전측 및 후측 제1파이프(150)에는 열공급매체가 순환되는 제2파이프(240)가 연결되며, 이에 따라, 상기 팽창/증발기(120) 내부에는 상기 제1파이프(150)를 통해 공급된 작동 유체와, 상기 제2파이프(240)를 통해 공급된 열공급매체가 함께 순환된다.
상기 제2파이프(240)의 구성을 포함하는 열공급매체 순환부(200)는 상기 제2파이프(240) 상에 제2가열기(210), 분리기(220), 및 제2펌프(230)를 포함하여 구성된다.
상기 제2가열기(210)는 상기 팽창/증발기(120)의 전측에서 열원에 의해 윤활유를 가열시키는 구성으로서, 도면 4에서는 열원에 의해 가열된 열교환매체가 순환되며, 상기 열교환매체와 작동 유체의 열교환에 의해 상기 작동 유체가 가열되는 예를 나타내었다.
이 때, 상기 제2가열기(210)는 열교환매체와 작동 유체의 이종 유체 간 열교환이 이루어지므로, 서로 혼합되지 않으면서도 열교환효율을 높일 수 있도록 판형 열교환기, 사형 또는 코일형 튜브가 형성된 열교환기가 이용될 수 있다.
또한, 상기 제1가열기(110) 및 제2가열기(210)는 동일 열원에 의해 가열된 열교환매체가 순환되어 각각 작동 유체 및 열공급매체를 가열하는 것이 바람직하다.
더욱 상세하게, 상기 열원에 의해 가열된 열교환매체의 흐름을 살펴보면, 상기 열교환매체는 가열된 후 분기되어 상기 제1가열기(110) 및 제2가열기(210) 측으로 유동되며, 각각 작동 유체, 및 열공급매체와 열교환된 후 합류되어 다시 동일 열원에 의해 가열될 수 있다.
이때, 상기 열공급매체는 팽창/증발기(120)내에서 액상을 유지하면서 팽창과정의 작동 유체에 열을 공급하여 작동유체를 완전히 증발시키고, 팽창/증발기(120) 후측의 분리기(220)에서 기상의 작동 유체와 완전히 분리된다.
또한, 상기 팽창/증발기(120)는 열전달에 의한 비가역손실을 최소화 하도록 내부 열공급매체 및 작동 유체의 최종 가열 온도가 동일하게 제어된다.
상기 분리기(220)는 상기 팽창/증발기(120)의 후측에서 상기 작동 유체와 열공급매체를 분리하기 위한 구성으로서, 본 발명의 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클(1000)은 상기 열공급매체가 상기 작동 유체가 기체 상태인 조건에서도 액상을 유지할 수 있는 윤활 오일이 이용되고, 상기 분리기(220)가 액상 매체를 분리하는 장치가 이용됨으로써 열공급매체를 분리할 수 있다.
즉, 상기 제2파이프(240)는 상기 팽창/증발기(120) 전측 및 후측에서 연결되며, 가열기, 분리기(220), 및 제2펌프(230)가 구비되며, 전체 열공급매체는 상기 가열기를 통과한 후, 상기 제1파이프(150)로 공급되어 합류된 후, 상기 팽창/증발기(120)를 통과하고, 상기 분리기(220)에 의해 분리되며 상기 제2펌프(230)에 의해 순환된다.
본 발명의 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클(1000)은 상기 제2가열기(210)에 의해 가열된 열공급매체가 팽창/증발기(120)에 공급됨으로써 상기 작동 유체의 자연 증발과 함께 열공급매체에 의한 추가 증발이 이루어져 비가역손실을 줄여, 팽창일을 증대할 수 있으며 전체 발전 효율을 향상할 수 있는 장점이 있다.
상기 응축기(130)는 상기 팽창/증발기(120)를 통과한 작동 유체를 냉각시키는 구성으로서, 상기 분리기(220)를 통해 상기 응축기(130)에 유입되기 이전에 열공급매체는 분리되므로, 작동 유체만이 공급되어 응축된다.
즉, 상기 열공급매체는 상기 열공급매체 순환부(200)를 순환하되, 상기 작동 유체 순환부(100)의 팽창/증발기(120) 부분에만 혼합되어 유동됨으로써 나머지 작동 유체 순환부(100)의 구성에는 영향을 끼치지 않는다.
상기 제1펌프(140)는 상기 제1파이프(150) 상에 구비되어 작동 유체를 순환시킨다.
도 6은 도 5에 도시한 본 발명의 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클(1000)의 T-S선도를 나타낸 도면으로서, 도 4에 도시한 종래의 용적형 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클(1000)에 비해, 작동 유체의 증발량을 늘림으로써 비가역 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 6에서 점선 화살표는 열공급매체의 공급 시를 나타낸 것으로서, 실선은 가장 이상적인 경우를 나타낸다.
즉, 본 발명의 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클(1000)은 가열된 열공급매체가 증발/팽창기(120) 내부에서 작동 유체에 충분한 증발열로 작용함으로써 종래에 비해 증발량을 획기적으로 늘릴 수 있어 전체 발전 효율을 높일 수 있다.
특히, 본 발명의 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클(1000)은 증발/팽창기(120)를 제외한 작동 유체 순환부(100)의 나머지 구성에 열공급매체가 유동되지 않아 내구성 저하를 방지할 수 있으며, 기존의 열교환량과 출력은 그대로 유지하면서 상기 열공급매체에 의한 추가 증발에 의한 효과를 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클
100 : 작동 유체 순환부
110 : 제1가열기 120 : 팽창/증발기
130 : 응축기 140 : 제1펌프
150 : 제1파이프
200 : 열공급매체 순환부
210 : 제2가열기 220 : 분리기
230 : 제2펌프 240 : 제2파이프

Claims (7)

  1. 작동 유체가 순환되는 제1파이프(150)와, 열원에 의해 작동 유체를 가열시키는 제1가열기(110)와, 상기 가열기를 통과한 고온 고압 포화 상태의 작동 유체를 팽창 및 증발시켜 저온 저압의 액체와 기체 상태로 변환시키는 팽창/증발기(120)와, 상기 팽창/증발기(120)를 통과한 작동 유체를 냉각시키는 응축기(130)와, 작동 유체를 순환시키는 제1펌프(140)를 포함하는 작동 유체 순환부(100);
    상기 팽창/증발기(120)의 전측 및 후측을 연결하며 액상의 열공급매체가 순환되는 제2파이프(240)와, 상기 팽창/증발기(120)의 전측에서 열원에 의해 열공급매체를 가열시키는 제2가열기(210)와, 상기 팽창/증발기(120)의 후측에서 기상의 작동 유체와 액상의 열공급매체를 분리하는 분리기(220)와, 열공급매체를 순환시키는 제2펌프(230)를 포함하는 열공급매체 순환부(200); 를 포함하는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열공급매체는 상기 팽창/증발기(120)내에서 액상을 유지하면서 팽창과정의 작동 유체에 열을 공급하여 작동 유체를 증발시키고, 팽창/증발기(120) 후측의 분리기(220)에서 기상의 작동 유체와 분리되는 것을 특징으로 하는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 팽창/증발기(120)는 열전달에 의한 비가역손실을 최소화 하도록 내부 열공급매체 및 작동 유체의 최종 가열 온도가 동일한 것을 특징으로 하는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열공급매체는 윤활 오일인 것을 특징으로 하는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클(1000)은 동일 열원에 의해 가열된 열교환매체가 분기되어 상기 제1가열기(110) 및 제2가열기(210)로 각각 이동됨으로써 작동 유체 및 열공급매체를 가열하는 것을 특징으로 하는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1가열기(110) 및 제2가열기(210)는 판형 열교환기, 구불구불한 사형(蛇形)이나 코일형 튜브를 갖는 열교환기인 것을 특징으로 하는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클.
  7. 제1항 내지 제6항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창/증발기(120)는 스크롤, 스크류, 기어, 베인 형상의 용적형 팽창기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클.
KR1020110033165A 2011-04-11 2011-04-11 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클 KR20120115698A (ko)

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KR1020110033165A KR20120115698A (ko) 2011-04-11 2011-04-11 액상매체 분사식 팽창/증발기를 이용하는 증기 사이클

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101640346B1 (ko) * 2015-06-25 2016-07-15 임병주 유기 랭킨 사이클 발전시스템의 열교환 장치

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