KR20130071099A - 엑서지 효율이 향상된 초월임계 랭킨 사이클 열기관과 그 방법 - Google Patents

엑서지 효율이 향상된 초월임계 랭킨 사이클 열기관과 그 방법 Download PDF

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Abstract

터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시키고, 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시키며, 압축된 작동유체를 저급열원과 열교환시키는 랭킨 사이클이 개시된다. 이로써, 엑서지 효율이 향상된다.

Description

엑서지 효율이 향상된 초월임계 랭킨 사이클 열기관과 그 방법{HEAT ENGINE BASED ON TRANSCRITICAL RANKINE CYCLE WITH IMPROVED EXERGY EFFICIENCY AND METHOD THEREOF}
본 발명은 엑서지 효율이 향상된 초월임계 랭킨 사이클 열기관과 그 방법에 관한 것이다.
최근 차세대 원자로, 태양열, 화석연로, 또는 바이오연료를 포함한 모든 가능한 열원을 활용한 열기관의 사이클에 대하여 관심이 높아지고 있다. 예를 들면, 초임계 CO2 사이클은 기존 스팀 이용 랭킨 사이클 또는 헬륨 이용 브레이튼 사이클에 비하여 높은 효율과 컴팩트한 장점을 가지고 있다.
도 1, 도 2, 및 도 5는 종래의 CO2를 이용한 랭킨 사이클 열기관을 설명하기 위한 도면이다.
이들 도면을 참조하여 종래의 CO2(이하, '이산화탄소'라고 함)를 이용한 랭킨 사이클 열기관을 설명하면, 종래 이산화탄소를 이용한 랭킨 사이클 열기관은 작동유체인 이산화탄소를 단열팽창시키면서 일을 하는 터빈, 레큐퍼레이터, 작동유체를 응축 및 냉각시키는 컨덴서, 작동유체를 압축시키는 펌프, 및 히터를 포함한다.
레큐퍼레이터는 터빈으로부터 유출된 작동유체와, 펌프에 의해 압축되어 유출된 작동유체를 서로 열교환시키며, 히터는 레큐퍼레이터에 의해 열교환되어 유출된 작동유체와 고열원을 서로 열교환시킨 후 터빈으로 유출한다.
도 1에서의 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체는, 도 2 및 도 5에서 표시된 것과 같은 온도 및 압력 변화를 거치게 된다. 한편, 이해의 편의를 위해서 도 1에서 표시된 각 관로들(0, 1, 2, 3, 4, 5) 상의 온도는 도 2와 도 5에 표시되어 있다.
즉, 터빈으로부터 유출된 작동유체는 T4의 온도를 가지며, 레큐퍼레이터를 통과하면서 작동유체가 가진 QR(449.0 kJ/kg)의 열량은, 펌프에 의해 유출되는 작동유체에게 전달된다. 이후, 레큐퍼레이터로부터 유출된 작동유체는 컨덴서에 의해 응축 및 냉각되어 TO(20℃)의 온도를 가진 작동유체가 된다. 이 과정에 QL+QC 만큼의 열(70.7 + 152.0 kJ/kg)이 버려진다.
TO(20℃)의 온도를 가진 작동유체는 펌프에 의해 압축되어 T1(39℃)의 온도를 가지며, 이후 레큐퍼레이터에서 QR(449.0kJ/kg)의 열량을 공급받아, 온도가 T2(298℃)까지 올라가게 된다. 온도가 T2(298℃)까지 올라간 작동유체는, 다시, 히터에서 외부 열원으로부터 열을 공급받아 T3(600℃)까지 온도가 올라가게 된다.
이상과 같이 종래의 CO2를 이용한 랭킨 사이클 열기관은 압축된 상태(T1)의 작동유체를 일을 할 수 있는 상태(T3)의 온도를 가지게 하기 위해서는 외부로부터 열(예를 들면, QH = 373.1 kJ/kg)을 후술하는 브레이튼 사이클 열기관보다 상대적으로 많이 공급해야 한다.
도 3, 도 4, 및 도 6은 종래의 브레이튼 사이클 모드에서 동작하는 열기관을 설명하기 위한 도면이다.
이들 도면을 참조하면, 종래의 이산화탄소를 이용한 브레이튼 사이클 열기관을 설명하면, 종래 이산화탄소를 이용한 브레이튼 사이클 열기관은 작동유체인 이산화탄소를 단열팽창시키면서 일을 하는 터빈, 레큐퍼레이터, 작동유체를 냉각시키는 쿨러, 작동유체를 압축시키는 컴프레서, 및 히터를 포함한다.
레큐퍼레이터는 터빈으로부터 유출된 작동유체와, 컴프레서에 의해 압축되어 유출된 작동유체를 서로 열교환시키고, 히터는 레큐퍼레이터에 의해 열교환되어 유출된 작동유체와 고열원을 서로 열교환시킨 후 터빈으로 유출한다.
도 3에서의 랭킨 사이클을 순환하는 작동유체는, 도 4 및 도 6에서 표시된 것과 같은 온도 및 압력 변화를 거치게 된다. 한편, 이해의 편의를 위해서 도 3에서 표시된 각 관로들(0, 1, 2, 3, 4, 5) 상의 온도는 도 4와 도 6에 표시되어 있다.
즉, 터빈으로부터 유출된 작동유체는 T4(449℃)의 온도를 가지며, 레큐퍼레이터를 통과하면서 작동유체가 가진 QR(355.5kJ/kg)의 열량은, 펌프에 의해 유출되는 작동유체에게 전달된다. 이후, 레큐퍼레이터로부터 유출된 작동유체는 쿨러에 의해 냉각되어 TO(20℃)의 온도를 가진 작동유체가 된다. 이 과정에 QL 만큼의 열(164.2kJ/kg)이 버려지게 된다.
TO(20℃)의 온도를 가진 작동유체는 컴프레서에 의해 압축되어 T1(115℃)의 온도를 가지며, 이후 레큐퍼레이터에서 QR(355kJ/kg)의 열량을 공급받아, 온도가 T2(370℃)까지 올라가게 된다. 온도가 T2(370℃)까지 올라간 작동유체는, 다시, 히터에서 외부 열원으로부터 열(283.6kJ/kg)을 공급받아 T3(600℃)까지 온도가 올라가게 된다.
이상과 같이 종래의 CO2를 이용한 브레이튼 사이클 열기관은 기체 상태에서 바로 압축하는 과정을 가지므로, 상술한 랭킨 사이클 열기관보다는 에너지 효율이 좋기는 하지만, 랭킨 사이클 열기관보다 압축동력이 더 들어가 출력이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명적 개념의 일 실시예에 따르면, 엑서지 효율이 향상된 초월임계 랭킨 사이클이 제공된다.
본 발명적 개념의 다른 실시예에 따르면, 엑서지 효율이 향상된 초월임계 랭킨 사이클 기반의 열기관이 제공된다.
본 발명적 개념의 다른 실시예에 따르면, 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법이 제공된다.
본 발명적 개념의 다른 실시예에 따르면, 엑서지 효율이 향상된 열기관의 작동 방법이 제공된다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 열기관에 사용되는 랭킨 사이클에 있어서, 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시키는 단계; 응축 및 냉각된 상기 작동유체를 압축시키는 단계; 압축된 상기 작동유체를 저급열원과 열교환시키는 제1열교환단계; 및 상기 터빈으로부터 유출된 작동유체를 응축 및 냉각시키기 전에, 상기 제1열교환단계를 거친 작동유체와 열교환시키는 제2열교환단계; 를 포함하며, 상기 제1열교환단계와 제2열교환단계를 거친 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 랭킨 사이클이 제공된다.
작동유체는 이산화탄소일 수 있다.
본 본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 랭킨 사이클은, 상기 제2열교환단계를 거친 작동유체를 응축 및 냉각시키기 전에, 상기 압축시키는 단계에 의해서 압축된 작동유체와 열교환시키는 제3열교환단계;를 더 포함하며, 상기 제1열교환단계, 제2열교환단계, 및 제3열교환단계를 거친 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 증기 사이클 기반의 열기관에 있어서, 작동유체를 유출하는 터빈; 상기 터빈으로부터 유출된 작동유체를 응축 및 냉각시키는 컨덴서; 응축 및 냉각된 상기 작동유체를 압축시키는 펌프; 압축된 상기 작동유체를 저급열원과 열교환시키는 제1레큐퍼레이터; 및 상기 터빈으로부터 유출되고 컨덴서로 유입되기 전의 작동유체를, 상기 제1레큐퍼레이터에 의해 열교환된 작동유체와 열교환시키는 제2레큐퍼레이터; 를 포함하며, 상기 제1레큐퍼레이터 및 상기 제2레큐퍼레이터에 의해 열교환을 거친 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 것을 특징으로 하는 증기 사이클 기반의 열기관이 제공된다.
제1레큐레이터는, 또한, 상기 제2레큐퍼레이터에 의해 열교환되고 상기 컨덴서로 유입되기 전의 작동유체를, 상기 펌프에 의해서 압축된 작동유체와 열교환시키는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 작동유체에 의해 일을 하는 터빈; 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시키는 컨덴서; 상기 컨덴서에 의해 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시키는 펌프; 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체가 상기 컨덴서로 이동할 수 있는 경로를 제공하는 제1관로; 상기 펌프로부터 유출되는 작동유체가 상기 터빈으로 이동할 수 있는 경로를 제공하는 제2관로; 상기 제2관로를 통해서 이동하는 작동유체와 저급열원을 열교환시키는 제1레큐퍼레이터; 및 상기 제1레큐퍼레이터와 상기 터빈사이에 배치되며, 상기 제1관로를 통해서 흐르는 작동유체와, 상기 제2관로를 통해서 흐르는 작동유체를 열교환시키는 제2레큐퍼레이터;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 브레이튼 사이클 모드와 랭킨 사이클 모드에서 동작하는 열기관으로서, 작동유체에 의해 일을 하는 터빈; 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를, 컨덴서 또는 컴프레서 중 어느 한쪽으로 흐르도록 하는 방향 전환부; 및 상기 컨덴서 또는 컴프레스로 흐르기 전의 작동유체와 열저장유체를 열교환시키는 제1레큐퍼레이터;를 포함하며, 상기 컨덴서 또는 컴프레스로부터 유출되는 작동유체는 상기 터빈으로 유입되는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관은, 상기 열저장유체를 저장하는 열저장부;를 더 포함하는 것일 수 있다.
브레이튼 사이클 모드에서, 방향 전환부는, 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 상기 컴프레서로 흐르도록 전환하는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관은, 상기 방향전환부와 상기 컴프레서 사이에 배치되는 쿨러;를 더 포함하며, 상기 쿨러는 상기 방향 전환부로부터 작동유체를 유입받아 냉각시켜서 상기 컴프레서로 유출하는 것일 수 있다.
랭킨 사이클 모드에서, 방향 전환부는, 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 상기 컨덴서로 흐르도록 하는 전환하는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관은 상기 컨덴서로부터 유출되는 작동유체를 압축하는 펌프;를 더 포함할 수 있다.
랭킨 사이클 모드에서, 제1레큐퍼레이터는, 상기 컨덴서 또는 컴프레스로 흐르기 전의 작동유체, 상기 열저장부에 저장된 열저장유체, 및 상기 펌프로부터 유출되는 작동유체를 상호 열교환시키는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관은, 상기 제1레큐퍼레이터로 유입되기 전의 작동유체와, 상기 컨덴서 또는 상기 컴프레서로부터 유출되는 작동유체를 열교환시키는 제2레큐퍼레이터;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 터빈, 컴프레서, 및 컨덴서를 포함한 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법에 있어서, 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를, 브레이튼 사이클 모드에서는 상기 컴프레서로 흐르도록 하고, 랭킨 사이클 모드에서는r 상기 컨덴서로 흐르도록 하는 방향 전환단계; 상기 브레이튼 사이클 모드에서, 컴프레스로 흐르기 전의 작동유체와 열저장유체를 열교환시키는 단계; 및 상기 컨덴서 또는 컴프레스로부터 유출되는 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 단계;를 포함할 수 있다
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법은, 상기 브레이튼 사이클 모드에서 상기 열저장유체를 저장하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법은, 브레이튼 사이클 모드에서, 상기 컴프로세서로 유입되기전의 작동유체를 쿨링하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법은, 랭킨 사이클 모드에서, 상기 컨덴서로부터 유출되는 작동유체를 펌프로 압축하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법은, 랭킨 사이클 모드에서, 상기 브레이튼 사이클 모드에서 저장된 열저장유체와 및 상기 펌프에 의해 압축되어 유출되는 작동유체를 상호 열교환시키는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법은, 랭킨 사이클 모드에서, 상기 컨덴서로 흐르기 전의 작동유체와, 상기 펌프에 의해 압축되어 유출되는 작동유체를 상호 열교환시키는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 작동유체를 순환시켜서 일을 하는 열기관을 브레이튼 사이클 모드 또는 랭킨 사이클 모드에서 동작시키는 단계; 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 냉각한 후 압축하는 브레이튼 사이클 모드에서, 열저장유체를 냉각시키기 전의 작동유체와 열교환시켜서 저장하는 단계; 및 상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시킨 후에 압축하는 랭킨 사이클 모드에서, 압축된 상기 작동유체와 상기 브레이튼 사이클모드에서 저장된 열저장유체와 열교환시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 작동 방법이 제공될 수 있다.
본 발명적 개념의 하나 이상의 실시예에 따른 열기관은 엑서지 효율이 향상된다.
도 1은 종래의 랭킨 사이클 모드에서 동작하는 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 2와 도 5는 도 1의 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 종래의 브레이튼 사이클 모드에서 동작하는 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 4와 도 6은 도 3의 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 8은 도 7의 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 9와 도 10은 발명적 개념의 다른 예시적 실시예에 따른 열기관을 설명하기 위한 도면이고,
도 11과 도 12는 본 발명적 개념에 따른 효과를 설명하기 위한 도면이고,
도 13은 도 7의 실시예의 일 변형예를 나타낸 도면이고, 그리고
도 14, 도 15, 및 도 16은, 본 발명적 개념에 따른 열기관에서 구현될 수 있는 증기 사이클을 예시적으로 나타낸 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
용어의 정의
본원 명세서에서 '증기 사이클'이라고 함은, 초월임계 랭킨 사이클과 초임계 브레이튼 사이클을 포함한다.
도 7은 본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 도 7의 열기관을 설명하기 위한 도면이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관은 터빈(10), 제1 레큐퍼레이터(30), 제2 레큐퍼레이터(20), 컨덴서(40), 펌프(50), 고온 히터(60)를 포함할 수 있다. 한편, 본 발명적 개념의 설명의 목적을 위해서, 저급열원(LT Heat Source)과 관로들을 추가적으로 도시하였다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 열기관은 랭킨 사이클 모드에서 동작하되, 저급열원을 적절하게 활용함으로써 엑서지 효율이 향상시킬 수 있다.
터빈(10)은 작동유체를 단열팽창시키면서 일을 한 후 제2 레큐퍼레이터(20)로 유출한다.
제2 레큐퍼레이터(20)는, 제1 레큐퍼레이터(30)로부터 유출되는 작동유체와, 터빈(10)으로부터 유출되는 작동유체를 서로 열교환시킨다. 즉, 제5관로(5)를 통해서 흐르는 작동유체와 제2관로(2)를 통해서 흐르는 작동유체를 서로 열교환시킨다.
제1 레큐퍼레이터(30)는, 제2 레큐퍼레이터(20)로부터 유출되는 작동유체와, 펌프(50)에 의해 압축되어 유출되는 작동유체를 서로 열교환시킨다. 즉, 제6관로(6)를 통해서 흐르는 작동유체와 제1관로(1)를 통해서 흐르는 작동유체를 서로 열교환시킨다.
또한, 제1 레큐퍼레이터(30)는, 펌프(50)에 의해 압축되어 유출되는 작동유체와, 저급열원(LT Heat Source)과 열교환시킬 수 있다. 즉, 제1관로(1)를 통해서 흐르는 작동유체를 저급열원과 열교환시킨다.
도 7에서는, 제1 레큐퍼레이터(30)가, 제1관로(1)를 통해서 흐르는 작동유체를, 저급열원을 열교환시킴과 동시에 제6관로(6)를 통해서 흐르는 작동유체와도 열교환시키도록 구성하였으나, 이처럼 1개의 레큐퍼레이터를 사용하는 구성은 예시적인 구성으로서 이와 다르게 구성하는 것도 가능하다.
예를 들면, 레큐퍼레이터를 레큐퍼레이터 1개와 별도의 저온 히터 1개로 구성하는 것도 가능하다. 도 13을 참조하면, 제1관로(1)를 통해서 흐르는 작동유체를, 저급열원을 열교환시키는 저온 히터(34)와, 제1관로(1)를 통해서 흐르는 작동유체를, 제6관로(6)를 통해서 흐르는 작동유체와 열교환시키는 레큐퍼레이터(32)로 각각 별도로 구성할 수 있다.
컨덴서(40)는 제1 레큐퍼레이터(30)로부터 유출되는 작동유체를 유입받아서 응축 및 냉각시킨 후 펌프(50)으로 유출한다.
펌프(50)는 컨덴서(40)에 의해 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시킨 후 제1 레큐퍼레이터(30)쪽으로 유출한다.
펌프(50)에 의해 압축되어 유출된 작동유체는 상술한 바와 같이, 제1 레큐퍼레이터(30)와 제2 레큐퍼레이터(20)를 순차적으로 거친 후, 고온 히터(60)에 의해 고열원(HT Heat Source)과 열교환된 후 다시 터빈(10)으로 유입된다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 상술한 작동유체는 이산화탄소일 수 있으나 이는 예시적인 것으로서 본 발명적 개념이 이산화탄소에만 한정되는 것이 아님을 본 발명적 개념이 속한 기술분야의 자(이하, '당업자'라고 함)는 알아야 한다.
도 7에 도시된 본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 작동유체는 도 8과 같은 단계들을 거칠 수 있다.
도 8을 참조하면, 터빈(10)에 유입된 작동유체는 일(169. 9kJ/kg)을 한 후, 열(T5)을 가진 상태로 제5관로(5)로 유출된다. 제5관로(5)로 유출된 작동유체는 제2 레큐퍼레이터(30)를 통과한 후 제6관로(6)로 배출된다.
제5관로(5)에서의 작동유체의 온도는 T5(449℃)이고, 제2 레큐퍼레이터(30)에 의해 열교환이 이루어진 후의 온도는 112℃이다. 도 8을 참조하면, 이 과정에 열 QR2 (358.1kJ/kg)가 제2관로(2)를 흐르는 작동유체로 전달되었음을 알 수 있다.
제6관로(6)로 배출된 작동유체는 다시 제2 레큐퍼레이터(20)에 의해서 열교환이 이루어진 후, 컨덴서(40)쪽으로 유출된다. 도 8을 참조하면, 이 과정에 열 QR1(91.0kJ/kg)가 제1관로(1)를 흐르는 작동유체로 전달되었음을 알 수 있다.
컨덴서(40)는 제2 레큐퍼레이터(20)로부터 유출된 작동유체를 유입받아서, 응축 및 냉각과정을 수행한다. 도 8을 참조하면, 컨덴서(40)에서의 응축 및 냉각과정이 이루어지는 구간을 도면번호 '8'로서 표시하였다. 이 구간에서는 열(QL)이 버려질 수 있다.
펌프(50)는 관로(0)을 통해서 유입받은 작동유체에 대하여 압축하는 일(WP)을 한 후에, 제1 레큐퍼레이터(30)로 방출한다. 즉, 펌프(50)에 의해 압축된 작동유체는 제1관로(1)를 통해서 제1 레큐퍼레이터(30)로 유입된다.
제1 레큐퍼레이터(30)로 유입된 작동유체는, 저급 열원 및 제6관로(6)를 통해서 흐르는 작동유체와 열교환이 이루어진다. 즉, 제1 레큐퍼레이터(30)로 유입된 작동유체는 저급열원으로부터 열(QH1)을 전달받고, 또한 제6관로(6)를 통해서 흐르는 작동유체로부터 열(QR1)을 전달받는다.
제1 레큐퍼레이터(30)로부터 유출되는 작동유체는, 제2관로(2)를 통해서 다시 제2 레큐퍼레이터(10)로 유입되어 열교환동작이 이루어진다. 즉, 제2 레큐퍼레이터(10)로 유입된 작동유체는, 제5관로(5)를 통해서 흐르는 작동유체와 열교환이 이루어진다. 도 8을 참조하면, 제2 레큐퍼레이터(10)에 유입된 작동유체는 열(QR2)를 전달받는다.
제2 레큐퍼레이터(10)로부터 유출되는 작동유체는 고온 히터(60)에서 고열원(QH)과 열교환이 이루어진 후 다시 터빈(10)으로 공급된다. 도 8을 참조하면, 작동유체는 고열원으로부터 열(QH2)를 전달받는다.
이상과 같이 도 8을 참조하여 설명한 수치들은 모두 예시적인 것으로서 본 발명적 개념이 그러한 수치들에 한정되는 것이 아님을 당업자는 알아야 한다.
도 9는 발명적 개념의 다른 예시적 실시예에 따른 열기관의 블레이튼 사이클 모드에서의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 랭킨 사이클 모드에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10에 예시된 본 발명적 개념에 따른 열기관은 브레이튼 사이클 모드 또는 랭킨 사이클 모드에서 교변적으로 동작할 수 있다.
도 9와 도 10에 예시된 열기관은, 터빈(110), 제1 레큐퍼레이터(130), 제2 레큐퍼레이터(120), 컴프레서(125), 열저장부(135), 컨덴서(140), 쿨러(145), 펌프(150), 방향전환부(155, 165), 및 제3 레큐퍼레이터(160)를 포함한다.
도 9 및 도 10에 예시된 열기관은, 브레이튼 사이클 모드 또는 랭킨 사이클 모드에서 동작하며, 브레이튼 사이클 모드에서 동작할 때는 터빈(110)으로부터 유출되는 작동유체를, 쿨러로 냉각시키기 전의 작동유체와 열교환시켜서 저장한다. 또한, 열기관이 랭킨 사이클 모드에서 동작할 때는, 터빈(110)으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시킨 후에 압축하며, 압축한 작동유체와 브레이튼 사이클 모드에서 저장된 작동유체와 열교환시킨다.
이하에서는, 도 9를 참조하여 브레이튼 사이클 모드를 설명 한다.
브레이튼 사이클 모드에서, 작동유체가 쿨러(145) 및 컴프레서(125)를 통과하여 이동한다. 즉, 방향전환부(155)는, 제1 레큐퍼레이터(130)로부터 유출되어 제7관로(7)를 흐르는 작동유체가 컨덴서(140)가 아닌 쿨러(145)쪽으로 흐르도록 절환동작을 수행한다. 또한, 방향전환부(165)는, 컴프레서(125)로부터 유출된 작동유체가 제2 레큐퍼레이터(120)쪽으로 흐르도록 절환동작을 수행한다.
브레이튼 사이클 모드에서, 또한, 제1 레큐퍼레이터(130)는 열저장부(135)에 저장된 열저장유체와 제2 레큐퍼레이터(120)를 통과하여 제6관로(6)에 흐르는 작동유체를 서로 열교환시킨다.
예를 들면, 열저장부(135)는 쿨 탱크(Cool Tank)와 핫 탱크(Cool Tank)를 포함하며, 쿨 탱크에 저장되어 있던 열저장유체(예를 들면, 물이 될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아님)가 펌프(175)에 의해 펌핑되어 제1 레큐퍼레이터(130)를 통과한 후 핫 탱크에 저장된다. 여기서, 펌프(175)는 양방향 펌프일 수 있으나, 이는 예시적인 것으로서 당업자는 펌프(175)를 일방향 펌프로 구성하는 것도 가능할 것이다.
컨트롤러(미도시)는 펌프(175)의 펌핑 방향을 제어할 수 있으며, 브레이튼 사이클 모드에서는 쿨 탱크에서 핫 탱크로 열저장유체가 이동하도록 하고 랭킨 사이클 모드에서는 그 반대 방향으로 이동하도록 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(미도시)는 상술한 바와 같이 브레이튼 사이클 모드에서는 작동유체가 컴프레서(125)를 통과하여 이동되도록 방향전환부(155)를 제어할 수 있다.
제2 레큐퍼레이터(120)는 컴프레서(125)를 통해서 유출된 작동유체와, 터빈으로부터 유출되는 제4관로(4)를 흐르는 작동유체를 서로 열교환시킨다. 이후, 고온 히터(160)는 제2 레큐퍼레이터(120)를 통해서 유출되어 제3관로(3)를 흐르는 작동유체를 유입받아서, 고압열원과 열교환 시킨 후 터빈(110)으로 유출한다.
브레이튼 사이클 모드에서, 저장부(135)에 저장된 열저장유체는 도 4에서의 QL에 해당하는 열을 저장할 수 있다. 이처럼 열저장유체에 저장된 열은, 후술하는 랭킨 사이클 모드에서 사용된다.
이제, 도 10을 참조하여 랭킨 사이클 모드를 설명한다.
랭킨 사이클 모드에서, 작동유체가 컨덴서(140) 및 펌프(150)를 통과하여 이동한다. 즉, 방향전환부(155)는, 제1 레큐퍼레이터(130)로부터 유출되는 작동유체가 쿨러(145)가 아닌 컨덴서(140) 쪽으로 흐르도록 절환동작을 수행한다. 또한, 방향전환부(165)는, 제1 레큐퍼레이터(130)로부터 유출된 작동유체가 제2 레큐퍼레이터(120)쪽으로 흐르도록 절환동작을 수행한다.
랭킨 사이클 모드에서, 제1 레큐퍼레이터(130)는 열저장부(135)의 핫 탱크에 저장된 열저장유체와 펌프(175)를 통해서 펌핑된 작동유체를 서로 열교환시킨다.
랭킨 사이클 모드에서, 펌프(175)는, 컨트롤러(미도시)의 제어에 의해서, 핫 탱크에 저장된 열저장유체가 쿨 탱크쪽으로 이동하도록 펌핑동작을 수행한다.
랭킨 사이클 모드에서, 제1 레큐퍼레이터(130)는, 또한, 제2 레큐퍼레이터(120)를 통과하여 제6관로(6)에 흐르는 작동유체와, 펌프(150)를 통해서 펌핑된 작동유체를 상호 열교환시킨다. 이후, 고온 히터(160)는 제2 레큐퍼레이터(120)를 통해서 유출되어 제3관로(3)를 흐르는 작동유체를 유입받아서, 고압열원과 열교환 시킨 후 터빈(110)으로 유출한다.
이처럼, 랭킨 사이클 모드에서, 저장부(135)에 저장된 열저장유체는 저온열원으로서 기능을 할 수 있다.
도 11은, 도 9 및 도 10에서 도시한 본 발명적 개념의 예시적 실시예인 열기관의 효과를 설명하기 위한 것이다.
도 11를 참조하면, 가로축은 온도를 나타내고 세로축은 작동유체의 비열을 나타낸 것으로서, (1)으로 표시한 곡선은 저압영역에서 비열을 나타낸 것이고, (2)로 표시한 곡선은 고압영역에서의 비열을 나타낸 것이며, (3)은 (1)의 곡선을 2배한 것이다.
도 11에서 (1)로 표시한 곡선이 나타내는 면적은, 도 9를 참조하여 설명한 브레이튼 사이클 모드에서 열저장유체가 저장하는 열일 수 있고, 도 11에서 (2)로 표시한 곡선이 나타내는 면적은 도 10에서 설명한 랭킨 사이클 모드에서 압축된 상태의 작동유체를 가열하는데 필요한 열을 나타낸 것일 수 있다.
결과적으로, 도 9처럼 브레이튼 사이클 모드에서 동작하면서 열을 저장하고, 도 10처럼 랭킨 사이클 모드에서 동작하면서 브레이튼 사이클 모드에서 저장된 열을 사용하게 되면, 랭킨 사이클 모드에서의 제1 레큐퍼레이터(130)의 열교환 동작은, 도 11에서의 (2)로 표시한 비열 특성을 가진 유체와, 도 11에서의 (3)으로 표시한 비열 특성을 가진 유체가 서로 열교환이 이루어지는 것과 같은 효과를 발휘하게 된다.
이는, 도 10의 랭킨 사이클 모드에서, 펌프(150)를 통해서 유출된 작동유체는, 핫 탱크에 저장된 열저장유체 및 제6관로(6)를 흐르는 작동유체 모두와 열교환이 이루어지기 때문이다.
즉, 열저장부(135)의 핫 탱크에 저장된 열저장유체(예를 들면, '물'일 수 있음)는 도 11에서의 (1)로 표시한 비열 특성과 거의 유사한 특성을 가지고 있고, 또한 제2 레큐퍼레이터(120)를 통과하여 제6관로(6)에 흐르는 작동유체(예를 들면, '이산화탄소'일 수 있음) 역시 도 11에서의 (1)로 표시한 비열 특성을 가지고 있으며, 따라서 이들의 합은 도 11의 (3)의 비열을 가진 유체와 유사한 특성을 가지게 된다.
따라서, 도 9 및 도 10에서 설명한 바와 같이 브레이튼 사이클 모드와 랭킨 사이클 모드에서 교번적으로 동작하는 본 발명적 개념에 따른 열기관은, 작동유체를 고압측에서 가열시키는데 필요한 열(도 11의 (2))을 저압측에서 얻은 것으로도 충분할 수 있다는 것을 나타낸다.
도 12는 본 발명적 개념에 따른 효과를 설명하기 위한 다른 도면이다.
도 12를 참조하면, 종래 랭킨 사이클 모드에서 동작하는 열기관(R-CO2)의 엑서지 효율, 종래 브레이튼 사이클 모드에서 동작하는 열기관(B-CO2)의 엑서지 효율, 및 본 발명적 개념에 따른 저온 열원과 고온 열원을 동시 이용하는 랭킨 사이클 모드(LH T-CO2 LH R-CO2)에서 동작하는 열기관의 엑서지 효율을 비교한 것이다.
즉, 종래 랭킨 사이클 모드에서 동작하는 열기관(R-CO2)의 엑서지 효율은 0.614이고, 종래 브레이튼 사이클 모드에서 동작하는 열기관(B-CO2)의 엑서지 효율은 O.629 임에 비하여, 본 발명적 개념에 따른 저온 열원과 고온 열원을 동시 이용하는 랭킨 사이클 모드(LH R-CO2)에서 동작하는 열기관의 엑서지 효율은 0.723이며, 이로써 엑서지 효율이 개선되었음을 알 수 있다.
상기 3가지 열기관에서 기존 랭킨 사이클(R-CO2)과 본 발명적 개념에 따른 랭킨 사이클(LH R-CO2)은 출력은 모두 동일(150.4)하나, 엑서지 효율에서는 본 발명적 개념이 우월함을 알 수 있다. 즉, 종래 열기관들(R-CO2, B-CO2)은 고급 열원만을 100% 사용하여 출력(각각 150.4와 119.4)을 달성하였지만, 본 발명적 개념에 따른 열기관(LH R-CO2)은 저급열원 25%와 고급열원 75%를 사용하여 150.4라는 출력을 달성하였다는 측면에서, 종래 열기관들에 비하여 우월한 효과를 가지고 있다고 할 수 있다.
이는, 통상 저급열원의 열효율은 최대 10%이상을 넘지 못하는데, 본 발명적 개념에서 따른 열기관에서는 저급열원의 열효율을 약 25%까지 향상시켰음을 나타내며, 이는 저급열원을 아무 시점에서나 사용한 것이 아니고 적절한 구간에서 사용하였기 때문에 가능하다고 추측된다.
도 13은 도 7의 실시예의 일 변형예를 나타낸 도면이다.
도 13에 예시적으로 도시된 열기관은, 터빈(10), 제1 레큐퍼레이터(32), 저온 히터(34), 제2 레큐퍼레이터(20), 컨덴서(40), 펌프(50), 및 고온 히터(60)를 포함할 수 있다.
제1 레큐퍼레이터(32)와 저온 히터(34)를 제외한 나머지 구성요소들은 동일한 도면번호가 부여된 도 8의 구성요소들과 동일 또는 유사한 동작을 수행한다.
저온 히터(34)는, 펌프(50)에 의해 압축된 작동유체와 저급 열원과 열교환시키며, 제1 레큐퍼레이터(32)는 저온 히터(34)로부터 유출되는 작동유체와, 고온 히터(20)를 통과하여 제6관로(60)를 흐르는 작동유체를 서로 열교환시킨다.
한편, 도 13의 실시예에서는, 펌프(50)에 의해 압축된 작동유체를 저급 열원과 먼저 열교환시켰지만, 제6관로(60)를 흐르는 작동유체와 먼저 열교환시키는 것도 가능할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명적 개념에 따른 열기관은 엑서지 효율이 개선된 랭킨 사이클 모드를 가질 수 있으며, 변형예로서 브레이튼 사이클 모드에서 저급열원을 확보하여 랭킨 사이클 모드에서 사용할 수 있다.
도 14, 도 15, 및 도 16은, 상술한 실시예들에 따른 열기관에서 구현되는 증기 사이클을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 14, 도 15, 및 도 16와 같이, 저압측 운전조건이 작동유체의 초임계 압력보다 높을 경우 작동유체는 응축과정에서 뚜렷한 상변화 과정을 거치지 않게 되는 특징이 있다. 이때 냉각되는 작동유체는 액체와 기체의 구분이 뚜렷하지 않게 되어 랭킨 사이클(상변화화 동반)과 브레이튼 사이클(가스 사이클)의 구분이 모호해 질 수 있다. 그러나 이때에도, 도 14와 같이 완전 냉각된 사이클을 본 발명에서 앞선 기술의 랭킨 사이클(도 5)로 볼 수 있고, 도 15와 같이 부분 냉각된 사이클을 본 발명에서 앞선 기술의 브레이튼 사이클(도 6)로 볼 수 있고, 본 발명의 개념이 적용된 도 16과 같이 완전 냉각된 사이클에서 저온 열원과 고온 열원을 동시에 사용하는 사이클을 본 발명에서 앞선 기술의 저온 열원과 고온 열원을 동시에 사용하는 랭킨 사이클(도 8)로 볼 수 있다. 이처럼, 증기 사이클이 랭킨 사이클 또는 브레이튼 사이클로 명백히 구분되지 않는 경우라도, 상술한 본 발명적 개념에 따른 구성이 적용될 수 있고, 같은 효과를 발휘할 수 있다. 즉, 본 발명적 개념은 저압측이 뚜렷한 상변화를 겪는 운전조건 뿐만 아니라 작동유체의 초임계 압력보다 높아 뚜렷한 상변화를 겪지 않는 운전영역에서도 그대로 적용가능하게 된다.
본 발명적 개념의 일 측면에 따르면, 열기관에 사용되는 랭킨 사이클에 있어서, 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시키는 단계, 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시키는 단계, 압축된 작동유체를 저급열원과 열교환시키는 제1열교환단계, 및 터빈으로부터 유출된 작동유체를 응축 및 냉각시키기 전에, 제1열교환단계를 거친 작동유체와 열교환시키는 제2열교환단계를 포함하는 엑서지 효율이 향상된 랭킨 사이클 방법이 제공될 수 있다. 여기서, 제1열교환단계와 제2열교환단계를 거친 작동유체는 다시 터빈으로 유입되어 순환된다.
또한 본 엑서지 효율이 향상된 랭킨 사이클 방법은, 제2열교환단계를 거친 작동유체를 응축 및 냉각시키기 전에, 압축시키는 단계에 의해서 압축된 작동유체와 열교환시키는 제3열교환단계를 더 포함하며, 제1열교환단계, 제2열교환단계, 및 제3열교환단계를 거친 작동유체가 터빈으로 유입되도록 한다.
본 발명적 개념의 다른 측면에 따르면, 터빈, 컴프레서, 및 컨덴서를 포함한 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법이 제공될 수 있다. 예를 들면, 본 방법은, 터빈으로부터 유출되는 작동유체를, 브레이튼 사이클 모드에서는 상기 컴프레서로 흐르도록 하고, 랭킨 사이클 모드에서는 컨덴서로 흐르도록 하는 방향 전환단계, 브레이튼 사이클 모드에서, 컴프레스로 흐르기 전의 작동유체와 열저장유체를 열교환시키는 단계를 포함하며, 컨덴서 또는 컴프레스로부터 유출되는 작동유체가 터빈으로 유입되는 단계를 포함하도록 구현될 수 있다.
본 발명적 개념의 또 다른 측면에 따르면, 작동유체를 순환시켜서 일을 하는 열기관을 브레이튼 사이클 모드 또는 랭킨 사이클 모드에서 동작시키는 단계, 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 냉각한 후 압축하는 브레이튼 사이클 모드에서, 열저장유체를 냉각시키기 전의 작동유체와 열교환시켜서 저장하는 단계, 및 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시킨 후에 압축하는 랭킨 사이클 모드에서, 압축된 작동유체와 브레이튼 사이클모드에서 저장된 열저장유체와 열교환시키는 단계;를 포함하도록 구현될 수 있다.
상기와 같이 본 발명적 개념은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명적 개념은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명적 개념이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명적 개념의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10, 110: 터빈 30, 130: 제1 레큐퍼레이터
20, 120: 제2 레큐퍼레이터 40, 140: 컨덴서
50, 150: 펌프 60: 고온 히터
125: 컴프레서 135: 열저장부
145: 쿨러 155, 165; 방향전환부
160: 고온 히터

Claims (24)

  1. 열기관에 사용되는 랭킨 사이클에 있어서,
    터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시키는단계;
    응축 및 냉각된 상기 작동유체를 압축시키는 단계;
    압축된 상기 작동유체를 저급열원과 열교환시키는 제1열교환단계; 및
    상기 터빈으로부터 유출된 작동유체를 응축 및 냉각시키기 전에, 상기 제1열교환단계를 거친 작동유체와 열교환시키는 제2열교환단계; 를 포함하며,
    상기 제1열교환단계와 제2열교환단계를 거친 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 랭킨 사이클.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 랭킨 사이클.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2열교환단계를 거친 작동유체를 응축 및 냉각시키기 전에, 상기 압축시키는 단계에 의해서 압축된 작동유체와 열교환시키는 제3열교환단계;를 더 포함하며,
    상기 제1열교환단계, 제2열교환단계, 및 제3열교환단계를 거친 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 랭킨 사이클.
  4. 랭킨 사이클 기반의 열기관에 있어서,
    작동유체를 유출하는 터빈;
    상기 터빈으로부터 유출된 작동유체를 응축 및 냉각시키는 컨덴서;
    응축 및 냉각된 상기 작동유체를 압축시키는 펌프;
    압축된 상기 작동유체를 저급열원과 열교환시키는 제1레큐퍼레이터; 및
    상기 터빈으로부터 유출되고 컨덴서로 유입되기 전의 작동유체를, 상기 제1레큐퍼레이터에 의해 열교환된 작동유체와 열교환시키는 제2레큐퍼레이터; 를 포함하며,
    상기 제1레큐퍼레이터 및 상기 제2레큐퍼레이터에 의해 열교환을 거친 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 것을 특징으로 하는 랭킨 사이클 기반의 열기관.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 작동유체는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 랭킨 사이클 기반의 열기관.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1레큐레이터는, 또한,
    상기 제2레큐퍼레이터에 의해 열교환되고 상기 컨덴서로 유입되기 전의 작동유체를, 상기 펌프에 의해서 압축된 작동유체와 열교환시키는 것을 특징으로 하는 랭킨 사이클 기반의 열기관.
  7. 작동유체에 의해 일을 하는 터빈;
    상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시키는 컨덴서;
    상기 컨덴서에 의해 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시키는 펌프;
    상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체가 상기 컨덴서로 이동할 수 있는 경로를 제공하는 제1관로;
    상기 펌프로부터 유출되는 작동유체가 상기 터빈으로 이동할 수 있는 경로를 제공하는 제2관로;
    상기 제2관로를 통해서 이동하는 작동유체와 저급열원을 열교환시키는 제1레큐퍼레이터; 및
    상기 제1레큐퍼레이터와 상기 터빈사이에 배치되며, 상기 제1관로를 통해서 흐르는 작동유체와, 상기 제2관로를 통해서 흐르는 작동유체를 열교환시키는 제2레큐퍼레이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 사이클 기반의 열기관.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 작동유체는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 증기 사이클 기반의 열기관.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1레큐퍼레이터는, 또한,
    상기 제2레큐퍼레이터에 의해 열교환되고 상기 컨덴서로 유입되기 전의 작동유체를, 상기 펌프에 의해서 압축된 작동유체와 열교환시키는 것을 특징으로 하는 증기 사이클 기반의 열기관.
  10. 브레이튼 사이클 모드와 랭킨 사이클 모드에서 동작하는 열기관으로서,
    작동유체에 의해 일을 하는 터빈;
    상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를, 컨덴서 또는 컴프레서 중 어느 한쪽으로 흐르도록 하는 방향 전환부; 및
    상기 컨덴서 또는 컴프레스로 흐르기 전의 작동유체와 열저장유체를 열교환시키는 제1레큐퍼레이터;를 포함하며,
    상기 컨덴서 또는 컴프레스로부터 유출되는 작동유체는 상기 터빈으로 유입되는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열저장유체를 저장하는 열저장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 브레이튼 사이클 모드에서, 상기 방향 전환부는,
    상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 상기 컴프레서로 흐르도록 전환하는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
  13. 제12항에서,
    상기 방향전환부와 상기 컴프레서 사이에 배치되는 쿨러;를 더 포함하며,
    상기 쿨러는 상기 방향 전환부로부터 작동유체를 유입받아 냉각시켜서 상기 컴프레서로 유출하는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클 모드에서, 상기 방향 전환부는,
    상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 상기 컨덴서로 흐르도록 하는 전환하는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 컨덴서로부터 유출되는 작동유체를 압축하는 펌프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클 모드에서, 상기 제1레큐퍼레이터는,
    상기 컨덴서 또는 컴프레스로 흐르기 전의 작동유체, 상기 열저장부에 저장된 열저장유체, 및 상기 펌프로부터 유출되는 작동유체를 상호 열교환시키는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제1레큐퍼레이터로 유입되기 전의 작동유체와, 상기 컨덴서 또는 상기 컴프레서로부터 유출되는 작동유체를 열교환시키는 제2레큐퍼레이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑서지 효율이 향상된 열기관.
  18. 터빈, 컴프레서, 및 컨덴서를 포함한 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법에 있어서,
    상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를, 브레이튼 사이클 모드에서는 상기 컴프레서로 흐르도록 하고, 랭킨 사이클 모드에서는r 상기 컨덴서로 흐르도록 하는 방향 전환단계;
    상기 브레이튼 사이클 모드에서, 컴프레스로 흐르기 전의 작동유체와 열저장유체를 열교환시키는 단계; 및
    상기 컨덴서 또는 컴프레스로부터 유출되는 작동유체가 상기 터빈으로 유입되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 브레이튼 사이클 모드에서 상기 열저장유체를 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법
  20. 제18항에 있어서,
    상기 브레이튼 사이클 모드에서,
    상기 컴프로세서로 유입되기전의 작동유체를 쿨링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법
  21. 제19항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클 모드에서,
    상기 컨덴서로부터 유출되는 작동유체를 펌프로 압축하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클 모드에서,
    상기 브레이튼 사이클 모드에서 저장된 열저장유체와 및 상기 펌프에 의해 압축되어 유출되는 작동유체를 상호 열교환시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클 모드에서,
    상기 컨덴서로 흐르기 전의 작동유체와, 상기 펌프에 의해 압축되어 유출되는 작동유체를 상호 열교환시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 엑서지 효율을 증가시키는 방법.
  24. 작동유체를 순환시켜서 일을 하는 열기관을 브레이튼 사이클 모드 또는 랭킨 사이클 모드에서 동작시키는 단계;
    터빈으로부터 유출되는 작동유체를 냉각한 후 압축하는 브레이튼 사이클 모드에서, 열저장유체를 냉각시키기 전의 작동유체와 열교환시켜서 저장하는 단계; 및
    상기 터빈으로부터 유출되는 작동유체를 응축 및 냉각시킨 후에 압축하는 랭킨 사이클 모드에서, 압축된 상기 작동유체와 상기 브레이튼 사이클모드에서 저장된 열저장유체와 열교환시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관의 작동 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180102379A (ko) 2017-03-07 2018-09-17 한국기계연구원 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 및 이 열기관의 동작방법
KR20220065940A (ko) 2020-11-13 2022-05-23 한국기계연구원 고온 고압에서 동작가능한 초임계 이산화탄소 사이클 기반의 열기관 및 이 열기관의 동작 방법

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10094219B2 (en) 2010-03-04 2018-10-09 X Development Llc Adiabatic salt energy storage
WO2014052927A1 (en) 2012-09-27 2014-04-03 Gigawatt Day Storage Systems, Inc. Systems and methods for energy storage and retrieval
ES2541581B1 (es) * 2015-05-07 2016-04-26 Máximo PUJOL LATRE Sistema de producción de energía eléctrica
US10458284B2 (en) 2016-12-28 2019-10-29 Malta Inc. Variable pressure inventory control of closed cycle system with a high pressure tank and an intermediate pressure tank
US10233787B2 (en) 2016-12-28 2019-03-19 Malta Inc. Storage of excess heat in cold side of heat engine
US10233833B2 (en) 2016-12-28 2019-03-19 Malta Inc. Pump control of closed cycle power generation system
US10082045B2 (en) 2016-12-28 2018-09-25 X Development Llc Use of regenerator in thermodynamic cycle system
US11053847B2 (en) 2016-12-28 2021-07-06 Malta Inc. Baffled thermoclines in thermodynamic cycle systems
US10221775B2 (en) 2016-12-29 2019-03-05 Malta Inc. Use of external air for closed cycle inventory control
US10280804B2 (en) 2016-12-29 2019-05-07 Malta Inc. Thermocline arrays
US10082104B2 (en) 2016-12-30 2018-09-25 X Development Llc Atmospheric storage and transfer of thermal energy
US10801404B2 (en) 2016-12-30 2020-10-13 Malta Inc. Variable pressure turbine
US10436109B2 (en) 2016-12-31 2019-10-08 Malta Inc. Modular thermal storage
US10570783B2 (en) * 2017-11-28 2020-02-25 Hanwha Power Systems Co., Ltd Power generation system using supercritical carbon dioxide
CA3088184A1 (en) 2018-01-11 2019-07-18 Lancium Llc Method and system for dynamic power delivery to a flexible datacenter using unutilized energy sources
AU2020384893A1 (en) 2019-11-16 2022-06-09 Malta Inc. Pumped heat electric storage system
US11396826B2 (en) 2020-08-12 2022-07-26 Malta Inc. Pumped heat energy storage system with electric heating integration
US11480067B2 (en) 2020-08-12 2022-10-25 Malta Inc. Pumped heat energy storage system with generation cycle thermal integration
US11486305B2 (en) 2020-08-12 2022-11-01 Malta Inc. Pumped heat energy storage system with load following
US11454167B1 (en) 2020-08-12 2022-09-27 Malta Inc. Pumped heat energy storage system with hot-side thermal integration
US11286804B2 (en) 2020-08-12 2022-03-29 Malta Inc. Pumped heat energy storage system with charge cycle thermal integration
EP4193041A1 (en) 2020-08-12 2023-06-14 Malta Inc. Pumped heat energy storage system with district heating integration
CN112780373B (zh) * 2020-12-30 2022-11-11 华北电力大学（保定） 一种基于超、亚临界回热的水蒸汽循环

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6041604A (en) * 1998-07-14 2000-03-28 Helios Research Corporation Rankine cycle and working fluid therefor
JP3947441B2 (ja) * 2002-08-20 2007-07-18 グローバル クーリング ビー ヴイ 熱源装置
US7284363B2 (en) * 2004-06-16 2007-10-23 Honeywell International, Inc. Method of power generation for airborne vehicles
CA2698334A1 (en) * 2007-10-12 2009-04-16 Doty Scientific, Inc. High-temperature dual-source organic rankine cycle with gas separations

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180102379A (ko) 2017-03-07 2018-09-17 한국기계연구원 초임계 랭킨 사이클 기반의 열기관 및 이 열기관의 동작방법
KR20220065940A (ko) 2020-11-13 2022-05-23 한국기계연구원 고온 고압에서 동작가능한 초임계 이산화탄소 사이클 기반의 열기관 및 이 열기관의 동작 방법

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