KR20140024351A - 하이브리드 임베디드 결합된 사이클 - Google Patents

Abstract

열에서 일을 생성하기 위한 방법(400, 1100) 및 장치(500, 1200)는 제 1 증기의 형태로 제 1 작동유체(F₁)의 가압된 흐름을 가열하도록 구성된 보일러(510)를 포함한다. 컴프레서(502)는 제 2 증기의 형태로 제 2 작동유체(F₂)를 압축한다. 혼합실(504)은 제 1 및 제 2 증기를 수용하고 열 에너지를 제 1 증기로부터 제 2 증기로 직접 이동시킨다. 제 1 증기로부터 제 2 증기로 이동된 열 에너지는 제 1 작동유체의 기화의 잠열의 적어도 일부를 일반적으로 포함할 것이다. 익스팬더(506)가 혼합실로부터 수용된 제 1 및 제 2 증기의 혼합물을 팽창시키도록 배열되고, 그로써 이동 작업 후에 또는 그동안 유용한 일을 수행한다. 공정은 닫히고 재순환 그리고 따라서 통상의 사이클 접근에서 정상적으로 사용되지 않은 열 에너지의 리사이클링을 가능하게 한다.

Description

하이브리드 임베디드 결합된 사이클{HYBRID IMBEDDED COMBINED CYCLE}

본 발명은 열 에너지 사이클, 그리고 더 구체적으로, 정상적으로 거부된 열 에너지가 사이클에서 반복적으로 재사용되는 것을 가능하게 하는 다중-패스 에너지 재순환을 포함하는 열 에너지 사이클을 병합하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

열 엔진은 기계적 일을 수행하도록 열 형태로 제공되는 에너지를 사용하고, 일을 수행하는데 사용될 수 없는 열의 일부를 배기한다. 이러한 기계적 일로의 열 에너지의 변환은 뜨거운 "소스"와 차가운 "싱크" 사이에 존재하는 온도 차를 이용하는 것에 의해 수행된다. 이러한 공지된 개념이 뜨거운 리저버, 차가운 리저버 및 출력으로서 일을 발생시키는 중간 열역학 사이클을 나타내는 도 1에 도시된다. 열 엔진은 다양한 다른 공지된 열역학 공정 또는 사이클에 대해 모델링될 수 있다. 두 개의 그러한 공지된 열 엔진 사이클은 브레이턴 사이클 및 랭킨 사이클을 포함한다.

밀폐 브레이턴 사이클이 도 2에 도시된다. 작동유체는 일(W_in2)을 수행하는 컴프레셔(202)에서 가압되고 그런 후에 열원(204)에 의해 가열된다(Q_in2). 그런 후에 가열되고 가압된 작동유체는 터빈(206)을 통해 팽창하는 것에 의해 에너지를 방출한다. 터빈(206)에 의해 가열되고 가압된 작동유체로부터 추출된 일(W_out2)의 일부는 컴프레서(202)를 구동하기 위해 사용된다. 그런 후에 작동유체는 냉각기(208)에서 냉각되고(Q_out2) 그리고 그 사이클이 반복된다.

앞서 언급한 실시예는 브레이턴 사이클이 밀폐 사이클로서 작동하는 실시예이다. 브레이턴 사이클은 또한 개방 사이클로서 작동할 수 있다(개방 브레이턴 사이클). 그러한 배열에서, 주위 공기는 컴프레서로 유입되고, 여기서 그것은 가압된다. 압축된 공기는 연소실로 전달되고 여기서 연료가 연소되고 그리고 그 압축된 공기가 등압 공정(즉, 일정한 압력)으로 가열된다. 그런 후에 가열되고 가압된 공기가 터빈을 통해 팽창하게 되고 여기서 기계적 일이 생성된다. 이러한 일의 일부는 컴프레서를 구동하도록 사용된다. 그런 후에 그 공기는 터빈으로부터 주위 환경(대기)으로 배기하도록 허용된다. 개방 브레이턴 사이클의 가스 터빈 엔진 실시예는 항공기와 원자력 발전소에서 일반적이다.

도 3은 랭킨 사이클의 기본적인 특징을 도시한다. 랭킨 사이클에서, 액체 작동유체는 펌프(302)에 의해 저압에서 고압으로 펌핑되고, 그로써 시스템에 일을 추가한다(W_in3). 그런 후에 가압된 작동유체는 보일러(304)로 통과되고 여기서 그것은 증기가 되도록 적합한 열원에 의해 일정한 압력에서 가열된다(Q_in3). 그런 후에 증기는 익스팬더 또는 터빈(306)을 통해 팽창하고, 출력으로서 일을 제공한다(W_out3). 터빈을 통해 팽창하는 이러한 공정은 증기에 대한 압력과 온도의 감소를 초래하고, 그리고 일부 응축을 포함할 수 있다. 그런 후에 증기와 응축은 컨덴서(308)로 통과되고 여기서 증기는 액체가 되도록 일정한 압력에서 열을 제거하도록 응축되거나 냉각된다(Q_OUT3). 그런 후에 그 액체는 펌프로 통과되고, 이후에 그 공정이 반복된다.

결합된 사이클은 두 개 이상의 열역학 사이클을 결합하는 것에 의해 열을 기계적 에너지로 변환하는 두 개 이상의 엔진의 조립체이다. 제 1 사이클과 연관된 하나의 열 엔진의 배기는 제 2 사이클에 사용되는 열원으로 제공하도록 사용된다. 예를 들어, 개방 브레이턴 사이클은 발전소 어플리케이션에 있어서 결합된 사이클을 형성하도록 랭킨 사이클과 흔히 결합된다. 개방 브레이턴 사이클은 연료를 연소하는 터빈으로서 일반적으로 구현되고, 이러한 연소 공정으로부터의 배기는 랭킨 사이클에서 열원으로서 사용된다. 그러한 시나리오에서, 랭킨 사이클은 유용한 일을 수행하기 위해 브레이턴 사이클로부터의 일부 폐열을 사용하기 때문에 보터밍(bottoming) 사이클로 불린다. 고온 열원(예, 2000°F)을 사용할 때, 랭킨 보터밍 사이클과 결합된 개방 브레이턴 사이클은 60% 만큼 높은 에너지 변환 효율성을 제공할 것으로 이상적으로 기대될 수 있다. 저온 열원(예, 700°F)의 경우에, 변환 효율성은 훨씬 더 낮은, 통상적으로 약 35% 미만이다.

본 발명의 목적은 열 에너지 사이클, 그리고 더 구체적으로, 정상적으로 거부된 열 에너지가 사이클에서 반복적으로 재사용되는 것을 가능하게 하는 다중-패스 에너지 재순환을 포함하는 열 에너지 사이클을 병합하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 열로부터 일을 생성하는 방법에 관한 것이다. 그 방법은 제 1 증기를 형성하도록 제 1 작동유체의 가압된 흐름을 가열하는 단계 및 제 2 증기의 형태로 제 2 작동유체를 압축하는 단계를 수반한다. 그런 후에, 열 에너지는 임의의 개재 구조를 제외하고, 제 1 증기로부터 제 2 증기로 직접 이동된다. 그 방법은 이동 후에 또는 그동안에, 유용한 일을 수행하도록 제 1 및 제 2 증기의 혼합물을 팽창시키는 단계를 더 수반한다. 본 발명의 일 측면에 따라서, 제 1 증기로부터 제 2 증기로 이동된 열의 적어도 일부는 제 1 작동유체의 기화의 잠열로 구성된다. 그 방법은 제 2 증기로부터 제 1 증기의 응축물을 분리시키는 단계를 계속할 수 있다. 분리시키는 단계의 부분으로서, 제 1 및 제 2 증기로부터 열을 제거하도록 제 1 및 제 2 작동유체로부터 독립적인 냉각 루프가 사용될 수 있다. 유체가 분리된 후에 그들은 가열 및 압축 단계에 대해 각각 재사용될 수 있다.

그 방법은 분리 단계의 부분으로서, 응축물이 증발기에서 냉매로서 기능하는 기화 공정을 포함할 수 있다. 제 1 작동유체로 구성되는 응축물의 일부는 증발기 내의 증기로 변환된다. 이것은 증발기 내의 제 1 작동유체의 온도 감소를 초래한다. 증발기는 팽창 단계로부터 배기되는 제 1 및 제 2 증기의 혼합물을 포함하는 환경에 유리하게 배치된다. 그렇게 배치되는 증발기로, 열은 제 1 및 제 2 증기로부터 증발기 내의 응축물(즉, 제 1 작동유체)로 이동될 수 있다. 따라서, 증발기는 제 1 작동유체의 일부가 가열 및 압축 단계에서 재사용되기 전에 일종의 제 1 작동유체의 예열을 수행한다. 대안적인 실시예에서, 제 2 작동유체를 냉각시키는 것은 압축 전에 또는 그동안에 제 2 작동유체의 흐름에 액체를 분무하는 것에 의해 달성된다. 그 액체는 제 1 작동유체일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따라서, 혼합물에 포함된 제 2 증기에 대한 제 1 증기의 비율은 동적으로 변경될 수 있다. 본 발명의 또 다른 측면에서 따라서, 제 1 및 제 2 작동유체는 동일한 화학적 조성물을 가지도록 선택된다. 본 발명의 제 3 측면에 따라서, 열은 외부 열원으로부터의 제 1 및 제 2 증기의 혼합물에 추가될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 추가 팽창 단계가 수행된다. 이러한 추가적인 팽창 단계는 혼합 단계 전에 유리하게 수행된다. 특히, 제 1 증기는 혼합 전에 일을 수행하도록 팽창된다.

본 발명은 또한 위에 설명된 방법에 따라서 열로부터 일을 생성하기 위한 장치에 관한 것이다. 그 장치는 제 1 증기의 형태로 제 1 작동유체의 가압된 흐름을 가열하도록 구성된 보일러를 포함한다. 제 2 증기의 형태로 제 2 작동유체를 압축하도록 배열된 컴프레서가 제공된다. 설명된 바와 같은 제 1 및 제 2 유체는 단일 화학 구조를 포함할 필요가 없고, 그러므로 맞춤형 화학적 조성물을 포함할 수 있다는 것에 유의한다. 그 장치는 또한 제 1 및 제 2 증기를 수용하는 혼합실을 포함한다. 그 혼합실은 임의의 개재 구조를 제외하고, 제 1 증기로부터 제 2 증기로 열 에너지를 직접 이동하도록 구성된다. 그 혼합실은 외부 열원으로부터 제 1 및 제 2 증기의 혼합물에 열을 부가하도록 선택적으로 구성된다. 본 발명은 또한 익스팬더를 포함한다. 익스팬더는 혼합실로부터 수용된 제 1 및 제 2 증기의 혼합물을 팽창시키도록 배열된다. 그러한 바와 같이, 익스팬더는 이동 작업 후에 또는 그동안에 일을 수행하도록 제 1 및 제 2 작동유체를 사용한다. 특히, 제 1 증기로부터 제 2 증기로 이동된 열 에너지는 제 1 작동유체의 기화의 잠열 중 적어도 일부를 일반적으로 포함할 것이다.

그 장치는 또한 컨덴서를 포함한다. 그 컨덴서는 제 1 및 제 2 증기의 혼합물을 수용하고, 제 2 증기(제 2 작동유체)로부터 제 1 증기(제 1 작동유체)의 응축물을 분리시키도록 유리하게 구성된다. 그 컨덴서는 냉각 루프와 작동적으로 연관될 수 있다. 그 냉각 루프는 제 1 및 제 2 증기를 냉각시키도록 배열되지만, 그렇지 않으면 제 1 및 제 2 작동유체로부터 독립적이다. 그 장치는 컨덴서에 의해 분리된 응축물 및 제 2 증기를 재사용하도록 유리하게 구성된다. 특히, 응축물(제 1 작동유체) 및 제 2 증기(제 2 작동유체)는 보일러 및 컴프레서에서, 각각 재사용된다.

본 발명의 일 실시예에서, 그 장치는 또한 제 1 증기의 응축물이 또한 냉매로서 기능하는 증발기를 포함할 수 있다. 이러한 점에서, 그 장치는 응축물(제 1 작동유체)의 적어도 일부를 증발기 내의 증기로 변환시키도록 배열될 수 있다. 증기로의 변환은 냉각 효과를 초래한다. 그러한 냉각된 제 1 작동유체를 포함하는 증발기는 컨덴서 내에 배치될 수 있고, 또는 전체 사이클의 다른 부분으로부터 이용가능한 폐열 또는 거부 열을 흡수하도록 컨덴서에 인접해서 배치될 수 있다. 증발기는 증발기 내의 혼합물로부터 제 1 작동유체로 열을 이동시킨다. 이러한 열의 이동은 제 1 작동유체가 보일러에서 재사용 전에 및/또는 컴프레서에서 분무로서 효과적으로 예열되는 것을 허용한다.

그 장치는 또한 분무 시스템을 포함할 수 있다. 그 분무 시스템은 컴프레서에서 압축 작업 전에 또는 그동안에 제 2 작동유체의 흐름에 직접 액체를 분무하는 것에 의해 제 2 작동유체를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 그러한 일 실시예에서, 분무를 위해 사용된 액체는 유리하게 제 1 작동유체일 수 있다. 그 장치는 또한 혼합실에 유입하는 제 2 증기에 대한 제 1 증기의 비율의 동적인 변화를 허용하도록 구성되는 하나 이상의 제어 디바이스를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따라서, 제 1 및 제 2 작동유체는 동일한 화학적 조성물을 가질 수 있다.

본 발명의 결과 방법 및 장치는 오늘날 공지된 통상의 수단을 사용하여 가능한 것으로 현재 이해되는 것보다 더 큰 부분의 이용가능한 열원 에너지를 일로 변환할 수 있다.

실시예는 다음의 도면을 참조하여 설명될 것이고, 여기서 동일한 도면 부호는 도면에 걸쳐 동일한 아이템을 나타내며, 여기서:
도 1은 열역학 사이클과 관련된 기본적인 개념을 도시하기에 유용한 도면이다.
도 2는 밀폐 브레이턴 사이클을 이해하기에 유용한 도면이다.
도 3은 랭킨 사이클을 이해하기에 유용한 도면이다.
도 4는 하이브리드 임베디드 결합된 사이클을 이해하기에 유용한 흐름도이다.
도 5는 도 4의 하이브리드 임베디드 결합된 사이클을 구현하도록 구성된 장치를 이해하기에 유용한 도면이다.
도 6은 도 4의 하이브리드 임베디드 결합된 사이클의 효율성을 이해하기에 유용한 도면이다.
도 7은 랭킨 사이클의 효율성과 도 6의 하이브리드 임베디드 결합된 사이클의 효율성을 비교하기에 유용한 도면이다.
도 8은 브레이턴 사이클의 효율성과 도 6의 하이브리드 임베디드 결합된 사이클의 효율성을 비교하기에 유용한 도면이다.
도 9는 도 5의 다양한 스테이션에 대해 도시된 하이브리드 임베디드 결합된 사이클의 작동유체의 샘플 압력 프로파일이다.
도 10은 도 5의 다양한 스테이션에 대해 도시된 하이브리드 임베디드 결합된 사이클의 작동유체의 샘플 온도 프로파일이다.
도 11은 일체화된 냉각 사이클을 포함하는 하이브리드 임베디드 결합된 사이클의 대안적인 실시예를 이해하기에 유용한 흐름도이다.
도 12는 도 11의 하이브리드 임베디드 결합된 사이클을 구현하도록 구성된 장치를 이해하기에 유용한 도면이다.
도 13은 도 12의 하이브리드 임베디드 결합된 사이클의 효율성을 이해하기에 유용한 다이어그램이다.
도 14는 도 12의 다양한 스테이션에 대해 도시된 하이브리드 임베디드 결합된 사이클의 작동유체의 샘플 압력 프로파일이다.
도 15는 도 12의 다양한 스테이션에 대해 도시된 하이브리드 임베디드 결합된 사이클의 작동유체의 샘플 온도 프로파일이다.
도 16은 도 12의 랭킨 사이클 부분에 대한 고온원이 가스 터빈과 같은 개방 브레이턴 사이클 연소로부터 공급되는 실시예를 나타낸다.
도 17은 도 12에 도시된 장치의 대안적인 실시예이다.
도 18a 및 도 18b는 도 13에 설명된 시스템의 더 구체적인 이해를 얻기에 유용한 표이다.

본 발명은 첨부된 도면에 대해 참조하여 설명된다. 도면은 축척에 따라 그려지지 않고 단지 본 발명의 일반적인 실시예를 도시하도록 제공된다. 본 발명의 여러 측면은 도시를 위해 예시적인 어플리케이션을 참조하여 아래에 설명된다. 다양한 특정 세부사항, 관계, 및 방법은 본 발명의 완전한 이해를 제공하도록 제시된다는 점이 이해되어야만 한다. 그러나 관련된 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 하나 이상의 특정 세부사항 없이 또는 다른 방법으로 실시될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 다른 실시예에서, 공지된 구조 또는 작동은 본 발명을 모호하게 하는 것을 피하도록 구체적으로 도시되지 않는다. 본 발명은 일부 작동이 다른 순서로 및/또는 다른 작동 또는 이벤트와 동시에 발생할 수 있기 때문에, 작동 또는 이벤트의 도시된 순서에 의해 한정되지 않는다. 또한, 모든 도시된 작동 또는 이벤트가 본 발명에 따른 방법론을 구현하도록 요구되는 것은 아니다.

본 발명은 열로부터 일을 생성하기 위한 방법에 관한 것이다. 흐름도가 그 방법을 이해하는 보조수단으로서 도 4에 제공된다. 그 방법(400)은 가압된 증기(제1 증기)를 생성하도록 압력 하에 제 1 작동유체(액체)에 열이 추가되는, 단계(402) 열로 시작할 수 있다. 단계(404)에서, 일은 제 1 증기를 팽창시키는 것에 의해 제 1 익스팬더에서 선택적으로 수행되지만; 그러나, 이 단계는 필수적이지 않고 본 발명의 일부 실시예에서 생략될 수 있다. 그러한 실시예에서, 단계(402)로부터 가압된 증기는 혼합 단계(408)로 직접 전달될 수 있다.

단계(402, 404)와 동시에, 제 2 작동유체로부터 형성된 제 2 증기가 단계(406)에서 압축된다. 일부 실시예에서, 선택적인 액체 분무가 냉각 목적을 위해 압축 단계 전에 또는 그동안에 제 2 작동유체에 단계(405)에서 부가될 수 있다. 그런 후에, 단계(408)에서, 제 1 증기는 증기 혼합물을 형성하도록 대략적으로 동일한 압력에서 제 2 증기와 혼합된다. 증기 혼합물은 때때로 여기서 제 3 작동유체 또는 제 3 증기로 언급된다. 선택적인 단계(409)에서 추가적인 열이 시스템의 외부에 있는 소스로부터 증기 혼합물(제 3 증기)에 부가될 수 있다. 사이클의 본 단계에서 열의 부가는 일부 경우에 필수적이지 않고 생략될 수 있다.

단계(410)에서, 일이 증기 혼합물의 팽창에 의해 수행된다. 증기 혼합물의 팽창은 제 2 팽창 디바이스를 가로질러 압력 강하를 제공하는 것에 의해 용이하게 된다. 단계(412)에서, 제 1 증기는 제 1 액체를 회수하도록 컨덴서에서 응축된다. 제 2 증기는 증기 상태로 남도록 허용된다. 이 시점에서, 그 공정이 단계(406)에서 제 2 증기를 재-압축하고, 단계(402)에서 제 1 액체를 재-가열하는 것에 의해 반복될 수 있다.

그 방법(400)은 이제 도 5에 도시된 열 엔진(500)에 관련해서 더 구체적으로 설명될 것이다. 열 엔진(500)은 방법(400)을 구현할 수 있다. 그러나, 열 엔진(500)은 단지 예시로 제공되며 본 발명을 한정하도록 의도되지 않는다는 것이 인지되어야만 한다. 본 발명의 방법을 병합하는 열 엔진은 많은 변형이 가능하다. 예를 들어, 샤프트 컴프레싱(502, 508, 506)은 계속적이도록 요구되지 않는다. 마찬가지로 열 엔진이 방법(400)에서 다양한 단계를 실행할 수 있다면, 다른 부품이 대체될 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법을 병합하는 열 엔진은 더 많거나 적은 부품 또는 단계를 포함할 수 있고 여전히 본 발명의 범위 내에 남겨 진다.

이제 도 5에 대해 언급하면서, 제 1 액체 작동유체(F₁)는 펌프(501)를 사용하여 가압된다. 그런 후에 가압된 유체는 열원으로부터 제 1 작동유체로 미리결정된 양의 열(Q_in5)을 부가하는, 보일러(510)로 전달된다. 하나 이상의 이러한 작동의 결과로, 제 1 작동유체는 제 1 증기로 변환된다. 그런 후에, 제 1 증기는 제 1 익스팬더(508)에 선택적으로 전달되고 여기서 일 W_out5a이 수행된다. 유용한 일을 수행하도록 가압된 증기를 사용할 수 있다면, 임의의 적합한 익스팬더가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 익스팬더는 팽창 터빈 또는 터보-익스팬더, 베인 익스팬더 또는 왕복 익스팬더일 수 있지만, 본 발명은 이 점에서 한정되지 않는다.

제 1 증기가 제 1 익스팬더(508)에서 일 W_out5a을 수행하도록 사용된다면, 그것은 익스팬더로부터 혼합실(504)(때때로 여기에 혼합기로 언급됨)로 배기된다. 제 1 증기는 여기에 Q_{in - Reject}로 언급되는, 제 1 익스팬더(508)를 통해 통과한 후에 열 포텐셜 에너지(열 에너지)를 포함할 것이다.

위에 언급된 바와 같이, 사이클은 제 1 작동유체가 제 1 익스팬더(508)에서 팽창되는 팽창 단계를 반드시 요구하지 않는다. 그러한 실시예에서, 제 1증기는 아래에 설명된, 보일러(510)로부터 혼합실(504)로 직접 전달될 수 있다. 제 1 익스팬더(508)를 사용하거나 사용하지 않는 선택은 다양한 설계 고려사항을 따른다. 예를 들어, 컴퓨터 모델링은 열원 온도가 상대적으로 높을 때 제 1 익스팬더의 사용이 시스템 효율성을 실질적으로 개선할 수 있다는 것을 나타낸다. 더 낮은 소스 온도에서, 익스팬더는 효율성에 더 적은 효과를 미친다는 것이 발견되었다.

제 1 작동유체를 수반하는 위에 설명된 작동과 동시에, 제 2 증기의 형태로 제 2 작동유체(F₂)가 컴프레서(502)에서 압축된다. 이러한 단계는 W_in5로서 도 5에 나타나는, 시스템으로 일의 입력을 수반할 것이다. 그런 후에 컴프레서(502)로부터의 압축된 증기는 컴프레서로부터 혼합실(504)에 전달된다. 혼합실(504) 내에서, 제 1 증기 및 언급된 제 2 증기는 제 1 및 제 2 증기의 혼합물인 제 3 작동유체(제 3 증기) F₃를 형성하도록 결합되거나 혼합된다. 이러한 작동유체의 혼합으로 인해, 제 1 증기(Q_{in - Reject})와 연관된 열의 적어도 일부가 제 2 증기로 전달될 수 있는 바와 같이 유체 사이의 열 전달이 용이하게 발생한다. 선택적으로, 추가적인 열이 혼합실에 포함된 제 3 작동유체에 이 시점에 제공될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 열이 도 5에 도시된 시스템의 외부에 있는 소스로부터 혼합기에 제공될 수 있다.

제 1 증기로부터 제 2 증기로의 모든 열 전달이 혼합실(504) 내에 발생할 필요없다는 것이 언급되어야만 한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 그러한 열 전달의 일부는 제 3 증기가 혼합실(504)에 존재한 후에 발생할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에서, 그러한 열 전달의 적어도 일부는 제 3 증기가 아래에 논의된 팽창 사이클을 통해 계속함에 따라서 발생하는 것을 계속할 수 있다. 또한, 유체가 대략적으로 동일한 온도에서 혼합기에 유입하는 것이 가능하다. 그러나, 그러한 유체의 다른 화학적 구성의 결과로, 그들 사이에서와 같은 열의 전달 또는 교환은 여전히 잠재적으로 이어지는 팽창 사이클에서 발생할 수 있다. 팽창 사이클의 세부사항은 익스팬더(506)에 관련해서 아래에 논의된다.

주요하게, 위에 설명된 열 전달은 통상의 열 교환기가 이러한 목적을 위해 사용되는 경우에서와 같이 물리적 경계를 가로질러서가 아니라, 혼합된 작동유체 사이에 직접 발생한다. 결과적으로, 제 1 증기로부터 제 2 증기로의 열 전달은 실질적으로 즉각적이고 매우 효율적인 방식으로 발생할 수 있다.

혼합실(504)은 압력 p₁에서 F₁의 증기 유체 체적 흐름 및 압력 p₂에서 유체 F₂의 증기 유체 체적 흐름을 수용하고, 여기서 p₁과 p₂는 실질적으로 동일한 압력이다. 본 발명의 실시예에서, 혼합실의 체적은 유체 F₁ 및 F₂의 흐름에 대해서 제한적이지 않다. 따라서, 혼합실의 체적은 V_F1+V_F2=V_F3이도록 선택될 수 있고, 여기서 V_F1은 유체 F₁의 체적 유동률이고, V_F2는 유체 F₂의 체적 유동률이며, 그리고 V_F3는 거의 일정한 압력에서 유체 F₁+유체 F₂의 체적 유동률의 합계이다. 여전히, 본 발명은 이 점에서 한정되지 않으며 혼합실(504)의 체적은 증가되거나 감소될 수 있으며, 그로써 유속을 변경하도록 포텐셜을 제공하고 제 3 작동유체 F₃(제 3 증기 F₃)의 압력에 영향을 미친다.

제 1 및 제 2 증기를 혼합하는 것에 의해 형성된 제 3 증기는 유용한 일을 수행하도록 혼합실(504)로부터 제 2 익스팬더(506)로 압력 하에 전달된다. 제 2 익스팬더(506)에 의해 생성된 유용한 일은 W_out5b로 도 5에서 식별된다. 유용한 일을 수행하도록 가압된 증기를 사용할 수 있다면, 공지된 통상의 익스팬더 기술이 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 2 익스팬더는 팽창 터빈, 터보-익스팬더, 베인 익스팬더 또는 왕복 익스팬더일 수 있다. 유리하게 익스팬더는 익스팬더에 전달된 F₃의 특정 특징에 기반해서, 그리고 사이클의 특정 실시예에 있어서 최고 변환 효율성을 제공하도록, 해당 기술분야의 당업자에 의해 선택될 것이다. 여전히 본 발명은 이 점에서 한정되지 않는다. 그러한 일이 제 2 익스팬더(506)에 의해 수행된 후에, 제 3 증기가 제 2 익스팬더로부터 컨덴서(512)로 전달된다.

컨덴서(512)는 작동유체를 증기 상태에서 액체 상태로 응축시킬 수 있는 임의의 디바이스일 수 있다. 해당 기술분야에 공지된 바와 같이, 응축은 압력의 지정된 상태 하에 작동유체를 냉각시키는 것에 의해 흔히 수행된다. 도 5의 예시적인 배열에서, 냉각이 컨덴서의 온도를 효율적으로 낮추는 수단으로서 증발기(518)에 의해 제공될 수 있다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 이러한 냉각 공정은 제 3 작동유체에 의한 열의 방출을 일반적으로 수반할 것이다. 그 냉각 공정은 펌핑 및/또는 냉동에 의해 컨덴서로부터 열 싱크(516)로 열을 이동시키는 것에 의해 더 달성된다. 컨덴서로부터 제거된 열은 여기서 Q_out5로 언급된다. 이러한 실시예에서 Q_out5는 또한 전도 및/또는 대류에 의해 컨덴서(512)로부터 대기로 직접 손실된 열을 포함한다. 일부 실시예에 따라서, 컨덴서(512)는 산업 플랜트 공정에 공지된 배열에서 펌프(514)를 사용하는 열 교환기일 수 있고 여기서 열이 냉각제에 전달될 수 있다. 컨덴서의 성능은 구성 유체의 특징, 유체의 유동률, 유체의 비율, 컨덴서 압력과 온도, 및 하드웨어 또는 장치의 물리적 구성을 포함하는 많은 인자에 의존한다. 이들은 컨덴서 설계 분야의 당업자에 의해 잘 이해되는 모두 일반적인 변수이다.

본 발명에서, 컨덴서(512)는 제 1 증기 F₁를 언급된 컨덴서 내의 응축물로 변환하도록 유리하게 구성되지만, 제 2 작동유체 F₂를 응축시키지 않는다. 달리 말해서, 제 2 작동유체는 증기 상태로 남겨 진다. 해당 기술분야의 당업자는 이것이 다른 물리적 특징을 갖도록 제 1 및 제 2 작동유체를 선택하는 것에 의해 달성될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 이러한 방식으로 컨덴서 내에 수집된 제 1 및 제 2 작동유체와 함께, 공정은 액체 형태로 제 1 작동유체, 및 증기 상태로 제 2 작동유체를 갖는, 그것의 출발 지점으로 되돌아간다. 그런 후에, 위에 설명된 전체 공정은 컨덴서에 수집된 제 1 및 제 2 작동유체를 사용하여 계속적인 사이클로 반복될 수 있다.

해당 기술분야의 당업자는 실제에서 컨덴서가 응축되도록 의도되는 100%의 증기를 완벽하게 응축시키는 것에 종종 실패한다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 본 실시예에서 컨덴서(512)는 증기 혼합물(제 3 증기)로부터 100%의 제 1 증기를 실제로 응축시킬 수 없다. 그러나 이러한 조건은 본 발명의 목적을 위해 허용가능하고, 응축되지 않은 제 1 증기의 일부는 제 2 증기와 혼합된 채 남도록 허용될 수 있며, 컴프레서(502)로 계속할 수 있다. 본 설명의 목적을 위해, 응축되지 않은 증기의 일부는 설계에 의해 F₂의 구성성분으로 간주될 수 있다.

열 엔진(500) 및 연관된 사이클은 유체의 가장 적합한 화학적 구성의 선택과 협력해서, 사이클의 내부에 사이클 유체의 온도와 압력에 기반해서 최적화될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 작동유체는 일부 실시예에서 다른 화학적 조성물로 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이 점에서 한정되지 않고, 제 1 유체 및 제 2 유체가 사실상 동일한 화학적 유체인 바와 같이 사이클을 작동시키는 것 역시 가능하다. 그러한 실시예에서, 응축의 백분율, 또는 컨덴서(512) 내의 유체 F₃의 드롭아웃율은 효과적으로 유체의 일부(또는 백분율)가 증기 상태로 사이클을 통과하도록 관리되는(그래서 그것은 F₂로서 재사용될 수 있는) 반면에 나머지 부분은 액체 상태로 응축시키는 것을 허용한다(F₁으로서 재사용될 수 있도록).

도 5에 설명된 앞서 언급된 공정은 도 4에 설명된 사이클의 특정 단계에 대응한다. 예를 들어, 펌프(501)와 보일러(510)에서 제 1 작동유체의 펌핑 및 가열은 단계(402)에 일반적으로 대응할 것이다. 제 1 익스팬더(508)에서 제 1 작동유체를 팽창시키고, 작동유체를 냉각시키는 공정은 도 4에서 단계(404, 412)에 일반적으로 대응할 것이다. 해당 기술분야의 당업자는 단계(402, 404, 410, 412)의 공정을 각각, 펌핑하고, 가열하며, 팽창시키고 그리고 냉각시키는 공정이 통상의 랭킨 사이클에서 수행되는 이들과 유사하다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 사이클의 랭킨 부분, 또는 더 단순하게 랭킨 사이클 부분으로서 사이클의 이러한 부분을 때때로 언급하는 것은 편리하다.

유사하게, 컴프레서(502)에서 제 2 증기를 압축하고, 혼합실(504)에서 혼합하는 공정, 및 혼합실에 포함된 제 3 증기로 열의 선택적 부가는 도 4에서 단계(406, 408, 409)에 일반적으로 대응할 수 있다. 제 2 익스팬더(506)에서 증기 혼합물(제 3 증기)의 팽창, 및 이어지는 컨덴서(512)에서 응축 처리는 도 4에서 단계(410, 412)에 일반적으로 대응할 수 있다. 해당 기술분야의 당업자는 컴프레서(502), 혼합실(504), 제 2 익스팬더(506), 및 컨덴서(512)에 의해 수행된 압축, 가열, 팽창, 및 냉각 공정이 통상의 밀폐 브레이턴 사이클에서 수행된 이들과 유사하다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 브레이턴 사이클 부분, 또는 사이클의 브레이턴 부분으로서 사이클의 이러한 부분을 때때로 언급하는 것은 편리하다.

특히, 도 4 및 도 5에, 사이클의 랭킨 부분, 및 사이클의 브레이턴 부분 모두에 공통인 사이클의 일부 측면이 있다. 이들 공통 부분은 사이클의 브레이턴 및 랭킨 부분이 중첩하는 곳에 존재한다. 도 4에서, 공통 단계는 혼합 단계(408), 제 3 증기(409)로 열의 선택적 부가, 팽창 단계(410), 및 응축 단계(412)를 수반할 수 있다. 도 5에서, 이들 공정은 혼합실(504), 제 2 익스팬더(506), 및 컨덴서(512)에서 수행될 수 있다. 사실상, 랭킨 사이클의 일부는 브레이턴 사이클에 임베디드 된다 라고 말할 수 있다. 그러한 바와 같이, 임베디드 사이클 부분으로서, 두 개의 작동유체가 혼합되는 사이클의 부분을 때때로 언급하는 것은 편리하다.

도 4 및 도 5에 대해서 설명된 방법은 통상의 시스템에 비해 많은 이점을 가진다. 예를 들어, 그 방법은 작동유체가 열 교환기이도록 하는 것(또는 열 교환기의 용량에서 작동하도록 하는 것)에 의해 가능해지는 극도로 높은 열 전달율을 제공한다. 또 다른 이점이 기화의 잠열이 열 교환 목적을 위해 사용되는 바와 같이 유체 화학적 특징, 온도 및 압력을 선택하는 것에 의해 본 발명에서 얻어진다. 특히, 보일러(510)는 적어도 그러한 작동유체를 위한 기화의 잠열과 등가인 열 에너지를 갖는 제 1 작동유체(F₁)를 제공할 수 있다. 해당 기술분야의 당업자는 액체 증기 변환이 매우 높은 열 용량을 제공한다는 것을 인지할 것이다.

높은 열 전달률은 두 개의 중요한 목적을 달성한다. 첫 번째로, 직접 혼합 공정은 구매, 부동산 및 유지와 연관된 추가적인 비용을 나타내는 열 교환기 하드웨어의 추가에 대한 필요를 없앨 수 있다. 두 번째로, 직접 혼합은 열 전달 효율성을 증가시켜서, 사이클이 유리하게 거의 순시 열 전달로 작동하는 것을 효과적으로 가능하게 한다. 작동유체 사이의 이러한 더 높은 열 전달률을 가능하게 하는 것, 및 그들이 함께 일하는 것을 허용하는 것에 의해, 그렇지 않으면 동일한 열 (온도) 기준을 사용하여 가능할 수 있는 것보다 결합의 질량 흐름율로부터 더 유용한 에너지를 추출할 수 있다. 결과적으로, 혼합된 유체가 팽창 공정 내에서 일제히 작용할 때 제 1 유체에 포함된 더 많은 열 포텐셜 에너지는 익스팬더(506)에서 일을 수행할 수 있다.

도 4 및 도 5에 대해 설명된 사이클 및 연관된 장치는 탄소 기반 에너지원과 경쟁할 수 있는 포인트로 상대적으로 저온인 열원(예, 800°F보다 낮음)의 변환 효율성을 증가시키도록 포텐셜을 가진다. 이러한 중요한 결과를 허용하는 본 발명의 일 측면은 혼합실(504)에서 유체 F₁ 및 F₂(증기 상태로)의 체적을 부가하는 것을 수반한다. 두 개의 증기를 결합하는 공정은 제 2 익스팬더(506)에 상대적으로 큰 양의 이용가능한 에너지를 제공하는 것을 용이하게 한다. 사이클의 랭킨 부분(펌프(501), 보일러(510), 및 제 1 익스팬더(508))은 단독으로 거의 이용가능하지 않은 증기 체적을 생성하지만(부가되는 실질적인 양의 열 에너지와 관련해서), 그러나 이러한 유체는 매우 큰 양의 열 용량을 전달한다는 것에 유의한다. 반대로, 브레이턴 부분(제 1 컴프레서(502), 혼합실(504), 제 2 익스팬더(506), 컨덴서(512))은 단독으로 큰 체적 용량을 갖지만 덜 효과적이거나 덜 효율적인 열 교환 용량을 가진다. 열 용량과 체적 용량의 결합은 더 큰 포텐셜이 부가되는 열 에너지의 각각의 유니트에 대해 일을 추출하는 것을 가능하게 한다.

본 발명에서, 큰 양의 열 에너지가 기화에 의해 열원으로부터 추출된다. 기화의 잠열은 액체에서 매우 큰 양의 열을 증기에 머무는 운동 에너지로 변환하는 유용한 방법을 제공한다. 여전히, 일을 수행하고 그러므로 전력을 생성하는 증기 유체의 능력은 생성되는 전체 체적에 의해 제한된다(그러한 체적을 생성할 때 소비되는 열과 관련해서). 이러한 한계를 극복하기 위해서, 실제 전력을 생성하는 공정을 용이하게 하는 큰 체적 제 2 유체를 갖는 것이 유리하다.

증기 형태로 큰 체적 제 2 유체를 제공하는 것은 또 다른 도전을 나타낸다. 특히, 증기 유체는 그러한 디바이스가 대류의 원칙에 의해 지배되기 때문에, 열 교환기 수단에 의해 가열되기에 어려운 경향이 있다. 본 발명은 선행 기술의 한계를 극복하고, 제 1 작동유체 F₁(사이클의 랭킨 부분에서)로 큰 양의 열 포텐셜 에너지를 이동하고, 그런 후에 제 1 및 제 2 작동유체를 혼합하는 것에 의해 제 2 작동유체(사이클의 브레이턴 부분에서)로 이러한 열 에너지를 직접 이동하는 것에 의해 효율성을 용이하게 개선한다. 특히, 브레이턴 사이클 및 랭킨 사이클 각각은 상대적으로 낮은 효율성(325°F가 열원 온도라고 가정할 때 일반적으로 <15%)에서 열 에너지를 전력으로 변환하는 능력을 가진다. 그러나, 각각의 최상의 특징이 사용되는, 이들 독립적인 사이클의 방법을 결합하는 것에 의해, 결과 효율성이 상당히 더 높을 수 있는 것이 가능하다.

이제 도 6에 대해 언급하면서, 도 4 및 도 5에 대해서 위에 설명된 사이클의 효율성을 이해하기에 유용한 도표가 도시된다. 도 6에서, 제 1 블록(601)은 도 4 및 도 5의 랭킨 사이클 부분을 일반적으로 나타내고, 제 2 블록(602)은 도 4 및 도 5의 브레이턴 사이클 부분을 일반적으로 나타내며, 그리고 제 3 블록(603)은 도 4 및 도 5에서 임베디드 사이클 부분을 나타낸다. 임베디드 사이클 부분(603)이 실제로 랭킨 사이클 부분 및 브레이턴 사이클 부분의 부분들을 실제로 병합하기 때문에 임베디드 사이클 부분(603)은 블록(601, 602)에 중첩하는 것으로 도시된다. 도 6에 대해서 아래에 설명된 컴퓨터 모델링에서, 선택적인 제 1 익스팬더(508)는 모델링된 시스템의 부분으로서 포함되지만; 그러나 선택적 단계(409)는 제거되는 것으로 가정된다(즉, 임의의 외부 소스로부터의 어떠한 추가적인 열도 혼합실(504)의 작동유체에 추가되지 않는다). 또한, 이러한 모델에 사용된 유체는 다음과 같은 것으로 가정되었다: 제 1 작동유체 F₁(랭킨 사이클 부분)=100% 펜탄 또는 (선택적으로 50% 펜탄 및 50% 메탄올일 수 있다); 제 2 작동유체 F₂(브레이턴 사이클 부분)=유체 2의 총 질량에 의해 24% 펜탄, 49% 헬륨, 27% 질소. 제 3 작동유체에 포함되는 제 1 및 제 2 작동유체의 상대적 혼합물은 다음과 같은 것으로 가정되었다: 39% 제 1 작동유체(F₁) 및 61% 제 2 작동유체(F₂). 총 질량 흐름의 백분율로서 설명된(분할된) 제 2 작동유체는 15% 펜탄, 30% 헬륨, 16% 질소일 수 있다. 달리 말해서, 이들 값은 총 질량 흐름율의 함수 또는 F₁+F₂로서 구성성분의 백분율을 나타낸다.

특히, 도면은 상대적으로 낮은 기준 온도, T=500°F에 대한 사이클 효율성을 나타낸다. 도 13에서 사이클 효율성 계산 결과 역시 T=700°F, 및 T=300°F에 대해 도시된다. 각각의 예에서 사이클 효율성은 많은 변수를 포함하는 구체적인 컴퓨터 모델링에 의해 결정된다. 제시된 실시예는 이상적인 값과는 반대되는 공칭 값을 사용하는 것을 일관 되게 시도한다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 상대적으로 낮은 온도 운전 영역은 증기의 소스 온도가 일반적으로 약 325°F인 지열과 같은 특정 재생가능한 에너지원으로부터 유도된 열에 대해 일반적이다. 여전히, 본 발명이 임의의 특정 소스 온도 작동 범위로 한정되지 않는다는 것이 이해되어야만 한다. 대신에, 본 발명은 광범위의 온도에 걸쳐 열 전력 변환 효율성을 증가시키는 포텐셜을 가진다.

도 6에서, 외부 소스는 온도 500°F에서 랭킨 사이클 부분(601)에 10 유니트의 열 에너지(Q_in6)를 제공한다. 컴퓨터 모델링은 이러한 시나리오에서 랭킨 사이클 부분이 약 12.2%의 효율성(η=12.2%)을 가질 것임을 나타내도록 사용될 수 있다. 이러한 값은 브레이턴 사이클 부분(602)과 병합되는 포인트 이전(즉, 혼합실(504)에서 작동유체를 혼합하기 이전)에 랭킨 사이클 부분(601)의 효율성을 나타낸다. 랭킨 사이클에 존재하는 나머지 에너지는 브레이턴 사이클 부분(602)으로 이동된다. 컴퓨터 모델링은 브레이턴 사이클 부분이 이러한 시나리오에서 33.2%의 효율성(η=33.2%)을 가질 것임을 나타낸다.

특히, 랭킨 사이클 부분으로부터 브레이턴 사이클 부분으로의 에너지의 이동은 브레이턴 사이클 부분의 효율성이 해당 기술분야의 당업자가 통상적으로 기대할 수 있는 것보다 더 높게 나타나게 한다. 효율성에서의 이러한 증가는 랭킨 사이클 부분으로부터 브레이턴 사이클 부분에 부가된 증가된 체적 흐름에 일반적으로 기여할 수 있다. 선택적 제 1 익스팬더가 도 6에 대한 컴퓨터 모델링에 포함되기 때문에, 랭킨 사이클 에너지의 일부는 그러한 제 1 익스팬더(508)에서 팽창된다. 선택적 제 1 익스팬더(508)가 모델에 포함되지 않았다면, 랭킨 사이클로부터의 더 많은 에너지가 브레이턴 사이클 부분에서 사용을 위해 이용가능할 수 있기 때문에 그때 브레이턴 사이클 효율성은 더 증가할 것으로 기대될 수 있다.

도 6에서 시스템에 입력된 10 유니트의 열 에너지 중, 랭킨 사이클 부분(601)에서 추출된 1.22 유니트의 일 에너지(W_out6a)가 있다. 임베디드 사이클 부분에 포함된 혼합실의 효과로 인해, 랭킨 사이클 부분(601)으로부터 브레이턴 사이클 부분(602)으로 이동된 8.78 유니트의 거부된 열이 있다. 이동된 8.78 유니트의 거부된 열로부터, 브레이턴 사이클 부분은 2.92 유니트의 일(W_out6b)을 추출한다. 최종으로, 거부된 5.86 유니트의 열이 결합된 시스템으로부터 방출된다. 본래의 10 유니트의 열 중, 4.14가 유용한 일로 변환되고(1.22+2.92=4.14) 그리고 5.86 유니트는 폐열로서 거부된다. 일반적인 현실의 부품을 사용하여, 시스템은 컨덴서로부터 거부된 5.86 유니트의 열(Q_out6)을 제거할 때 1.14 유니트의 유용한 일(W_in6)을 소비한다. 냉각을 위해 요구되는 펌핑을 고려할 때, 컴퓨터 모델링은 현실의 효율성 30%가 도 6에 도시된 시스템에 대해 획득가능하다는 것을 나타낸다. 이것은 열원이 500°F의 온도를 가질 때 전체 시스템 효율성이다.

도 6에서 획득된 효율성의 레벨은 통상의 하드웨어를 사용하여 등가의 온도에서 작동하는 통상의 사이클로 획득가능한 결과와 관련해서 실질적인 개선을 나타낸다. 이 점은 도 7 및 도 8에 나타난 통상의 랭킨 및 브레이턴 사이클과 도 6의 결과를 비교하는 것에 의해 가장 잘 이해될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 동일한 온도 범위(T=500°F)에서 작동하는 통상의 랭킨 사이클의 효율성은 일반적으로 약 21.6%에 불과할 것이다. 유사하게, 동일한 온도 범위에서 작동하는 통상의 브레이턴 사이클은 일반적으로 약 21.4%의 효율성만을 가질 것이다. 따라서, 도 4-6에 대해서 설명된 방법/시스템으로 획득가능한 30%의 효율성은 통상의 랭킨 사이클 또는 통상의 브레이턴 사이클에 비해 현저한 개선이고, 여기서 모든 비교 계산은 공칭 하드웨어 성능에 기반한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 효율성에서 유사한 개선은 다른 온도에서 구현될 수 있다. 700°F의 소스 기준 온도로, 효율성은 38.5%에서 추정된다. 300°F의 소스 기준 온도로, 효율성은 22.7%에서 추정된다. 이들 효율성 값 역시 유사한 온도에서 작동하는 통상의 랭킨 또는 브레이턴 사이클에 대한 대응하는 값에 비해 바람직한 개선을 나타낸다(도 7 및 도 8 참조).

이제 도 9에 대해 언급하면서, 시스템(500) 내의 압력 대 위치를 나타내는 샘플 상태 도표가 제공된다. 압력은 사이클 내의 위치에 관련해서 그리고 작동유체 유형에 관련해서 도시된다. 도 9에서, 브레이턴 사이클 압력 및 랭킨 사이클 압력을 나타내는 선의 중첩은 사이클의 임베디드 부분을 나타낸다. 제 1 및 제 2 작동유체는 사이클의 이러한 부분 동안 혼합된 상태로 있다는 것에 유의한다. 또한 도 9에서 압력은 평방 인치 당 절대 압력 파운드(psia)로서 표현된다는 것에 유의한다.

도 10은 시스템(500) 내의 온도 대 위치를 나타내는 샘플 상태 도표이다. 온도는 사이클 내의 위치에 관련해서 그리고 유체 유형에 관련해서 도시된다. 중첩은 사이클의 임베디드 부분을 나타낸다. 도 10에서, 브레이턴 사이클 압력 및 랭킨 사이클 압력을 나타내는 선의 중첩은 사이클의 임베디드 부분을 나타낸다. 해당 기술분야의 당업자는 도 9 및 도 10에서의 압력 및 온도가 예시의 목적을 위해서만 제공되고, 본 발명은 도시된 값에 대해서 한정되도록 의도되지 않는다는 것을 인지할 것이다.

본 발명의 대안적인 실시예에서, 사이클의 효율성은 사이클 공정의 내부에 냉각 목적을 위해 작동유체 자체를 사용하는 것에 의해 더 개선될 수 있다. 이것은 정상적으로 거부된 열 에너지의 일부(컨덴서에 의해 통상적으로 제거됨)가 일을 수행하도록 사용될 수 있는 위치에서, 사이클 내에 재도입되는 것을 가능하게 한다. 사이클 내의 이용가능한 열 에너지의 재사용에 대한 반복 접근은 전체 효율성 이득에 더 기여한다. 그러한 접근의 일 실시예가 도 11 및 도 12에 대해서 설명된다. 그러나 본 발명은 이점에서 한정되도록 의도되지 않는다는 점이 이해되어야만 한다; 대신에, 다른 적절하게 배열된 냉각 방법 역시 해당 기술분야의 당업자에 의해 현재 또는 미래에 공지될 수 있는 바와 같이 사용될 수 있다. 필요한 모든 것은 제 1 또는 제 2 작동유체가 냉각 또는 냉동 기능 역시 수행하도록 사이클 내의 내부에 사용되는 것이다.

도 11 및 도 12에 도시된 실시예는 랭킨 사이클의 측면, 밀폐 브레이턴 사이클의 측면, 및 랭킨 사이클 및 브레이턴 사이클과 연관된 작동유체를 공유하는 냉동 사이클을 결합한다. 랭킨, 브레이턴 및 냉동 사이클은 도 4 및 도 5에 대해서 설명된 실시예에 비해서 열 변환 효율성을 증가시키도록, 전체 사이클의 변하는 부분 내에 효율적으로 임베디드 되거나 병합된다. 그 방법은 컨덴서로부터 열(열 에너지)의 제거를 가능하게 하고 그러한 열이 랭킨 사이클, 및 이후에 브레이턴 사이클 흐름에 유리하게 다시 부가되는 것을 허용한다. 도 11 및 도 12에 설명된 실시예 역시 대기로의 거부된 열 에너지를 감소시킨다.

이제 도 11에 대해 언급하면서, 본 발명의 대안적인 실시예를 이해하기에 유용한 흐름도가 제공된다. 방법(1100)은 단계(1102)로 시작할 수 있고, 여기서 설정 압력 하에 제 1 유체(액체)에 열이 부가된다; 예를 들어, 이 단계는 보일러에서 수행될 수 있다. 제 1 작동유체의 가열은 가압된 증기(제 1 증기)를 생성한다. 단계(1104)에서, 일은 제 1 증기를 팽창시키는 것에 의해 제 1 익스팬더에서 선택적으로 수행된다. 도 4 및 도 5에 대해 앞서 설명된 바와 같이, 이러한 팽창 단계의 포함은 전체 시스템 효율성의 현저한 손실 없이 일부 어플리케이션에서 제거될 수 있다.

단계(1102, 1104)와 동시에, 제 2 증기가 단계(1106)에서 압축된다. 이러한 압축 단계 전에 또는 동안에, 액체 분무가 단계(1105)에서 제 2 증기에 부가될 수 있다. 일부 실시예에서, 액체 분무는 제 1 작동유체로 구성될 수 있다. 액체 분무의 부가는 냉각 기능을 유리하게 수행할 수 있다. 이러한 냉각 작동은 논의가 진행됨에 따라서 더 구체적으로 설명될 것이다. 단계(1108)에서, 제 1 증기는 대략적으로 동일한 온도에서 제 2 증기와 혼합된다. 특히, 동일한 압력에서 혼합하는 것이 현재 바람직한 실시예인 반면에, 본 발명은 이러한 접근으로 한정되지 않는다. 작동의 특정 조건 하에 변화된 압력에서 혼합하는 것에 대한 이점이 발생할 수 있고 본 발명은 그러한 대안적인 실시예를 포함하도록 의도된다. 단계(1109)에서 외부 소스로부터 추가적인 열이 단계(1108)의 증기 혼합물에 선택적으로 부가될 수 있다. 단계(1110)에서, 일이 증기 혼합물의 팽창에 의해 수행된다. 증기 혼합물의 팽창은 제 2 팽창 디바이스를 가로지르는 압력 강하를 제공하는 것에 의해 용이해진다. 단계(1112)에서, 제 1 증기는 제 1 액체를 회수하도록 컨덴서에서 응축된다. 제 2 증기는 증기 상태로 남도록 허용된다.

단계(1114)에서, 컨덴서는 냉각제(또는 냉매)로서 응축물 제 1 유체를 사용하는 것에 의해 냉각된다. 단계(1114)는 논의가 진행됨에 따라서 더 구체적으로 설명될 것이다. 단계(1116)에서, 응축물 제 1 유체가 단계(1102)에 제공되고, 여기서 열은 압력 하에 제 1 유체에 일단 다시 한번 더 부가된다(예, 보일러에서). 단계(1116)에서, 응축물 제 1 유체 역시 단계(1105)에서 사용을 위해 선택적으로 제공될 수 있다. 단계(1118)에서 제 2 증기가 단계(1106)에 제공되고 여기서 제 2 증기는 다시 압축된다. 이러한 압축 단계는 컴프레서의 낮은 압력 측면 상의 제 2 증기 압력을 낮추는 것에 의해 컨덴서를 더 냉각시킨다. 압축된 제 2 증기가 그런 후에 확립된 혼합 온도 및 압력에서 단계(1108)에 제공되고 그래서 공정이 반복될 수 있다.

도 11에 개시된 방법이 도 11의 방법을 구현할 수 있는 열 엔진(1200)을 개시하는 도 12에 대해 참조하여 더 구체적으로 이제 설명될 것이다. 해당 기술분야의 당업자는 열 엔진(1200)이 도 11에 개시된 방법의 구현을 위한 단지 하나의 가능한 배열이며, 본 발명이 이 점에서 한정되도록 의도되지 않는다는 것을 인지할 것이다. 열 엔진(1200)은 도 5에서와 실질적으로 동일한 방식으로 작동하는 다수의 동일한 부품을 포함한다. 그러나, 열 엔진(1200)과 함께, 제 1 작동유체가 냉동 사이클 부분을 실행하도록 증발기(1202) 내의 냉매로서(또는 냉매의 용량에서) 사용된다.

본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 팽창 밸브 또는 스로틀(1204)이 제 1 작동유체의 기화에 영향을 미치도록 사용될 수 있다. 이것은 제 1 작동유체가 팽창 밸브(1204) 또는 임의의 다른 적합한 기화 환경을 통해 끌어 당겨짐에 따라서 제 1 작동유체(액체 형태로)를 증기로 변환하는 것에 의해 달성된다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 이해될 바와 같이, 증기 상태로의 제 1 작동유체의 변이는 압력을 낮추고 기화에 영향을 미칠 때 온도를 감소시키도록 포텐셜을 제공하고, 그로써 제 1 작동유체의 온도를 낮춘다. 온도에서의 이러한 감소는 제 1 작동유체가 증발기(1202)를 둘러싸는 제 3 작동유체(증기 상태에서)로부터 열을 그때 끌어당기는 것을 허용한다.

팽창 밸브 또는 기화 수단의 다른 유형은 해당 기술분야에 공지되어 있으므로 여기에 구체적으로 설명되지 않을 것이다. 그러나, 컨덴서에서 압력 p1에서 액체 응축물의 형태로 제 1 작동유체 F₁은 증발기(1202)의 팽창 코일(또는 유사한 기화 환경) 내에서 유리하게 기화된다는 것이 이해되어야만 한다. 팽창 코일 내의 압력은 컨덴서(512) 내의 환경보다 더 낮은 압력에 있다. 이러한 더 낮은 압력은 펌프(501)의 사용에 의해 용이해진다. 특히, 펌프는 팽창 밸브(초크 또는 스로틀 밸브)(1204)에 의해 증발기(1202) 내의 증기로 액체 F₁의 적어도 일부를 끌어당길 수 있다. 컨덴서(512) 밖으로 추출된 열(열 에너지)은 랭킨 사이클 부분으로 다시 펌핑된다. 컨덴서에 공급된 증기 혼합물과 연관된 열의 특정 부분이 대기로 손실될 수 있다는 점에 유의한다; 도 12에서, 이러한 열은 Q_out5로서 식별된다.

랭킨 사이클 부분을 포함하는 도 12에서의 부품은 펌프(501), 보일러(510), 및 제 1 익스팬더(508)를 포함한다. 냉동 사이클 부분에서 추출된 열 에너지는 이후에 일을 수행하도록(전력을 생성하도록) 랭킨 및 브레이턴 사이클 부분 모두에 사용될 수 있다. 위에 설명된 바와 같은 이러한 임베디드 사이클 포맷 내에 냉동 사이클을 구현하기 위한 작동유체의 사용은 신규하다. 여전히, 열 사이클에 대한 결과 효과가 급수 가열의 원칙과 유사하다는 것이 언급될 수 있다. 이 경우에 열은 증발기에서 F₁의 온도를 낮추는 것에 의해서 더 효율적으로 사이클 내에서 추출된다. 반대로 통상의 급수 가열기는 사이클의 외부로부터 열을 추출하는 단순한 열 교환기 전도에 의존한다. 결과적으로 대기로 초과 열을 단순하게 제거하는 대신에(도 4-6에 그러한 바와 같이), 펌프(501)는 컨덴서로부터의 열이 시스템 내에서 재사용되는 것을 허용하고, 여기서 컨덴서(512)로부터의 작동유체 F₁이 상승된 온도에서(즉, 컨덴서 내의 응축물 온도 위의 온도에서) 보일러(510)에 제공된다.

펌프(501)의 낮은 압력 측면 상의 낮은 압력에서 열을 흡수한 후에, 제 1 작동유체는 보일러(510)에 유입되기 전에 더 가열된다. 이러한 가열은 열 펌프(501)의 높은 압력(p High) 측면 상의 상승된 압력 하에 발생하고, 여기서 F₁ 증기 부분은 펌프의 더 높은 압력 하에 액체 형태로 다시 강제된다. 보일러(510) 내에, 그리고 상승된 압력(p High)에서, 열 에너지(Q_in5)가 제 1 작동유체에 부가된다. 전체 사이클의 온도, 압력, 및 유속이 증기 형태로 다시 변이하도록 액체 형태에서의 제 1 작동유체의 변환을 허용하도록 선택된다(규정된다). 본 발명의 실시예에 따라서, 기화의 잠열은 열 에너지 Q_in5가 액체로 지배적으로 흡수되는 수단이다. 증기 상태에서의 유체의 또 다른 가열 역시 해당 기술분야의 당업자에게 공지된 바와 같이, 수행될 수 있다. 제 1 작동유체(제 1 증기)가 보일러(510)에서 가열된 후에, 그것은 증기로서 제 1 익스팬더(508)에 전달되고, 여기서 그것은 유용한 일을 수행한다. 제 1 작동유체는 그런 후에 제 3 작동유체를 형성하도록 혼합실(504)에서 제 2 작동유체와 혼합된다. 제 3 작동유체는 그런 후에 제 2 익스팬더(506)에서 유용한 일을 생성하도록 사용된다. 제 3 작동유체는 그런 후에 컨덴서(512)에 전달되고 여기서 공정이 반복된다.

도 11 및 도 12에 도시된 본 발명의 실시예는 도 4-6에 도시된 실시예에 비해 여러 가지 이점을 제공한다. 예를 들어, 도 11 및 도 12에 도시된 실시예는 컨덴서(512)가 더 차가워지는 것을 유리하게 허용하는 반면에, 동시에 보일러(510)로부터 더 적은 열 에너지를 요구한다. 컴퓨터 모델링은 도 12에 대해 설명된 실시예에서, 펌프(501)를 작동시키도록 요구된 에너지에 비해서 대략적으로 세 배(3.0) 더 많은 열 에너지가 컨덴서(512)로부터 보일러(510)로 전달될 수 있다는 것을 나타낸다. 이러한 추정은 상업적으로 성숙한 열 펌프 기술(501)을 사용하는 것에 의해 사이클에서 획득될 수 있는 성능 계수(CoP)에 기반한다. 그러나, 제 1 작동유체는 일부 경우에 이상적인 냉매로서도 수행할 수 없고, 그러므로 더 낮은 성능 계수를 초래한다는 것이 인지된다.

앞서 언급된 것으로부터, 열 엔진(1200)은 컨덴서(512)의 냉각 요구의 일부를 충족시키도록(제 3 작동유체로부터 열 제거) 제 1 작동유체의 성능 계수(CoP)를 사용하고, 보일러(510)로의 열 에너지를 재발생시킨다는 것으로 이해될 것이다. 제 1 익스팬더에서 일을 수행한 후에, 제 1 작동유체는 혼합실(504)에서 제 2 작동유체와 혼합된다. 결과적으로, 랭킨 사이클 부분으로부터 거부된 열(Q_{in - Reject})이 혼합실(504)에서, 이후에 익스팬더(506)에서 제 2 작동유체를 가열하도록 브레이턴 사이클 부분에서 사용될 수 있다. 랭킨 사이클 부분의 임베디드 부분을 포함하는 브레이턴 사이클 부분으로부터 거부된 열이 컨덴서(512)에서 꺼내지고, 전체 사이클은 그 자체를 반복한다.

앞서 언급한 설명은 제 1 작동유체가 냉각될 수 있고, 제 2 작동유체로부터 열을 흡수하도록 사용될 수 있는 하나의 가능한 방법을 제공한다. 그러나, 본 발명이 컨덴서(512)에서 작동유체를 냉각시키기 위해 여기에 설명된 특정 방법으로 한정되지 않는다는 것이 인지되어야만 한다. 대신에, 현재 또는 미래에 공지될 다른 적합한 방법이 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 요구되는 모든 것은 사이클의 일부로서, 제 1 작동유체가 공정의 부분으로서 열을 이동시키기 위한 메커니즘을 제공하기 위한 냉각제 또는 냉매로서 사용되는 것이다. 이것의 일례가 도 17에 관련해서 더 논의될 것이다.

도 13은 도 11 및 도 12에 대해서 위에 설명된 사이클의 효율성을 이해하기에 유용한 도면이다. 랭킨 사이클 부분(1301)은 펌프(501), 보일러(510), 제 1 익스팬더(508), 및 컨덴서(512)를 포함하는 도 12에서의 사이클의 부품을 나타낸다. 브레이턴 사이클 부분(1302)은 컴프레서(502), 혼합실(504), 익스팬더(506), 및 컨덴서(512)를 포함하는, 도 12에서의 부품을 나타낸다. 임베디드 사이클 부분이 랭킨 사이클 부분과 브레이턴 사이클 부분의 부분들을 실제로 병합하기 때문에 임베디드 사이클 부분(1304)은 블록(1301, 1302)에 중첩하는 바와 같이 도시된다. 임베디드 사이클 부분(1304)은 혼합실(504), 제 2 익스팬더(506), 컨덴서(512) 및 스로틀(1204)을 포함하는 도 12에서의 사이클의 부품을 나타낸다. 임베디드 사이클 부분 내에 포함된 냉동 사이클 부분(1303)은 펌프(501), 증발기(1202) 및 하나 이상의 팽창 밸브(1204)를 포함하는 도 12에서의 냉동 시스템의 부품을 나타낸다.

이러한 실시예의 목적을 위해, 우리는 제 1 작동유체 F₁을 포함하는 액체 스프레이가 컴프레서(502)에서 제 2 작동유체의 압축 전에 또는 그동안에 제 2 작동유체 F₂에 부가된다고 가정한다. 액체 스프레이는 증발시키는 것에 의해 냉각 기능을 수행하고 그로써 압축 동안 제 2 작동유체로부터 열을 흡수한다. 도 13에서 모델링된 시스템에 관련한 추가적인 세부사항이 도 18a 및 도 18b에 대해서 제공된다. 그 안에 도시된 바와 같이, 이러한 컴퓨터 모델은 제 1 작동유체로서 펜탄을 사용한다. 제 2 작동유체는 펜탄, 헬륨, 및 질소의 혼합물이다. 제 1 및 제 2 작동유체의 온도, 압력, 및 질량 유동률이 도 13에서의 다양한 시스템 부품의 위치와 관련해서 도 18a 및 도 18b에 제공된다. 여전히, 본 발명이 이러한 작동유체로 및/또는 본 실시예에 언급되는 온도, 압력 및/또는 질량 흐름율로 한정되지 않는다는 것이 인지되어야만 한다.

도 13에서, 외부 소스는 랭킨 사이클 부분(1301)에 10 유니트의 열 에너지(Q_in13)를 제공한다고 가정된다. 이러한 실시예에서, 10 유니트의 열 에너지는 온도 500°F에서 제공된다. 또한, 단순함의 목적을 위해, 어떠한 추가적인 열도 혼합실(504)에서 작동유체에 부가되지 않는다(즉, 선택적 단계(1109)가 제거된다). 컴퓨터 모델링은 실제 사이클 효율성을 결정하도록 사용된다. 외부 소스로부터 공급된 열 에너지 Q_in13에 더해서, 추가적인 6 유니트의 에너지가 냉동 사이클(1303)로부터 회수된다. 이러한 결합된 16 유니트의 열 에너지가 랭킨 사이클 부분(1301)에 제공된다. 랭킨 사이클 부분 내에, 1.95 유니트의 추출된 일 에너지(W_out13a)가 있다. 랭킨 사이클 부분(1301)으로부터 브레이턴 사이클 부분(1302)으로 이동된 14.05 유니트의 거부된 열이 있다. 이러한 14.05 유니트의 전달된 열 에너지로부터, 브레이턴 사이클 부분(1302)은 4.66 유니트의 일을 추출하고 9.39 유니트의 거부된 열을 방출한다. 이러한 9.39 유니트 중, 냉동 사이클(1303)에 전달된 6 유니트, 및 폐열 Q_out13로서 컨덴서(512)로부터 대기로 거부된 3.39 유니트가 있다. 현재 기술에 기반해 추정된 부품 성능을 사용하여, 시스템은 냉동 사이클 동안 컨덴서로부터 6.00 유니트의 거부된 열(Q_return)을 추출할 때 2.00 유니트의 유용한 일(W_in13)을 소비한다.

도 13의 시나리오가 전체로서 고려될 때, 우리는 냉동 공정을 수행하기 위해 제공되는 추가적인 에너지를 설명한 후에 10 유니트의 열만이 외부 소스에 의해 제공되고, 4.61 유니트의 에너지가 유용한 일로 결국 변환된다는 것을 발견할 수 있다. 앞서 언급한 논지는 1.95+4.66-2.00=4.61로서 요약될 수 있다. 결국, 46.1%의 전체 사이클 효율성을 고려할 때, 3.39 유니트의 에너지만이 폐열로서 거부된다. 효율성의 이러한 레벨은 등가의 온도에서 작동하는 통상의 사이클로 획득가능한 결과와 관련해서 현저한 개선을 나타낸다. 도 13은 전체 사이클을 이해하기에 유용한 기본적인 도면을 나타내는 반면에, 시스템 열적 및 기계적 손실이 도 18a 및 도 18b에 도시된 표에 더 구체적으로 설명되고 반영된다는 것이 언급되어야만 한다.

이제 도 14에 대해 언급하면서, 시스템(1200) 내의 압력 대 위치를 나타내는 샘플 상태 도표가 제공된다. 압력은 사이클 내의 위치에 관련해서 그리고 유체 유형에 관련해서 도시된다. 도 15는 시스템(1200) 내의 온도 대 위치를 나타내는 샘플 성능 개요이다. 온도는 사이클 내의 위치에 관련해서 그리고 유체 유형에 관련해서 도시된다. 도 14 및 도 15에서, 브레이턴 사이클과 랭킨 사이클을 나타내는 선의 중첩은 사이클의 임베디드 부분을 나타낸다. 해당 기술분야의 당업자는 도 14 및 도 15의 압력 및 온도가 단지 예시의 목적을 위해 제공되고, 본 발명은 도시된 값에 대해 한정되도록 의도되지 않는다는 것을 인지할 것이다.

일부 실시예에서, 도 4-15에 설명된 사이클 및 시스템은 다른 열역학 사이클과 결합될 수 있다. 그러한 결합은 도 4-15에 대해 언급된 이들보다 훨씬 더 높은 효율성을 초래할 수 있다. 예를 들어, 도 16은 랭킨 사이클 부분(1301)에 대한 고온원이 가스 터빈과 같은, 개방 브레이턴 사이클 연소로부터 공급되는 시스템에서 도 12의 사이클을 병합하는 일례를 도시한다. 여기서, 개방 브레이턴 사이클 연소 시스템(1602)은 약 2000°F의 상대적으로 고온에서 작동한다. 이러한 모델에서, 10 유니트의 열 에너지(Q_in16)가 시스템에 입력된다. 개방 브레이턴 사이클 연소는 10 유니트의 열 에너지로부터 3.74 유니트의 일(W_out16a)을 추출하고, 그 사이클로부터 1.13 유니트의 폐열(Q_out16a)을 생성한다. 나머지 5.13 유니트의 개방 브레이턴 사이클(1602)로부터 거부된 열 에너지(Q_tranfer)는 랭킨 사이클(1301)로 이동되고 그래서 랭킨 사이클은 약 800°F에서 작동한다. 다른 측면에서, 도 16의 배열은 도 11-13에 설명된 것과 유사하다.

도 16에서 개방 브레이턴 사이클로부터 공급된 열 에너지 Q_transfer에 더해서, 추가적인 3 유니트의 에너지가 냉동 사이클(1303)로부터 회수된다. 이러한 결합된 8.13 유니트의 열 에너지가 랭킨 사이클 부분(1301)에 제공된다. 랭킨 사이클 부분 내에, 1.31 유니트의 추출된 일 에너지(W_out16b)가 있다. 랭킨 사이클 부분(1301)으로부터 브레이턴 사이클 부분(1302)으로 이동된 6.82 유니트의 거부된 열이 있다. 6.82 유니트의 이동된 열 에너지로부터, 브레이턴 사이클 부분(1302)은 3.08 유니트의 일(W_out16c)을 추출하고 3.74 유니트의 거부된 열을 방출한다. 이러한 3.74 유니트 중에서, 냉동 사이클(1303)로 이동된 3 유니트(W_out16c), 및 폐열로서 컨덴서(512)로부터 직접 대기로 거부된 0.74 유니트(Q_out16b)가 있다. 현재의 기술에 기반해서 추정된 부품 성능을 사용하여, 시스템은 냉동 사이클 동안 컨덴서로부터 3.00 유니트의 거부된 열(Q_Return16)을 추출할 때, 1.00 유니트의 유용한 일(W_in16)을 소비한다.

도 16의 시나리오가 전체로서 고려될 때, 우리는 냉동 공정을 수행하도록 요구되는 추가적인 에너지를 설명한 후에 10 유니트의 열만이 외부 소스에 의해 제공되고, 7.13 유니트의 에너지만이 결국 유용한 일로 변환된다는 것을 발견할 수 있다. 앞서 언급한 논지는 3.74+1.31+3.08-1.00=7.13으로서 요약될 수 있다. 결국, 71.3%의 전체 사이클 효율성을 고려할 때, 1.87 유니트의 에너지만이 폐열로서 거부된다. 도 16에 도시된 배열과 함께, 컴퓨터 모델링은 시스템의 효율성이 약 71.3%일 수 있다는 것을 나타낸다. 상대적으로 높은 효율성 값은 유사한 소스 온도에서 작동하는 통상의 결합된 사이클로 획득가능한 결과와 관련해서 주목할만한 개선에 대한 포텐셜을 나타낸다.

도 11 및 도 12에서, 냉동 사이클은 컨덴서(512) 내의 제 3 작동유체 F₃로부터 열을 얻도록 효과적인 냉매로서 F₁ 유체를 사용한다. 본 발명의 일 실시예에 따라서 증발기(1202)는 냉매로서 작용하는, 제 1 작동유체(F₁)가 다른 열원으로부터 열을 흡수할 수 있는 위치에 선택적으로 배치될 수 있다. 그러한 다른 열원은 대안일 수 있고 또는 컨덴서 내의 이용가능한 열에 부가될 수 있다. 그러한 다른 열원이 사용된다면, 그들은 제 2 및/또는 제 3 열원을 포함할 수 있다. 제 2 및/또는 제 3 열원이 컨덴서(512) 내의 이용가능한 열과 관련해서 사용된다면, 그때 증발기(1202)는 부분적으로 컨덴서 내에 그리고 부분적으로 컨덴서의 외부에 유리하게 머물 수 있다. 그러한 배열과 함께, 증발기(1202)는 컨덴서(512), 및 제 2 및/또는 제 3 열원으로부터 열을 흡수할 수 있다. 해당 기술분야의 당업자는 그러한 다른 소스로부터 열의 흡수가 컨덴서(512)로부터 열의 흡수 전에, 후에 또는 동시에 발생할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 제 2 또는 제 3 열원(들)은 도 11 및 도 12에 설명된 사이클의 임의의 다른 부분과 연관된 부품을 포함할 수 있고 여기서 폐열은 사이클로부터 팽창된다. 예를 들어, 그렇게 거부된 열 또는 폐열은 지열점의 복귀 라인에 존재할 수 있다. 그러한 배열을 도시하는 시스템이 도 17에 도시된다.

지열점으로부터의 증기는 대략적으로 325°F의 온도에서 지면으로부터 일반적으로 상승한다. 제 1 작동유체가 펜탄으로 구성되고, 보일러는 60 psia의 작동 압력, 160°F의 입구 온도, 및 약 280°F의 출구 온도를 갖는 시스템을 고려한다. 그러한 시스템에서, 사이클의 랭킨 부분에 사용된 펜탄은 대략적으로 160°F 위에 있는 열을 흡수할 수 있을 뿐이다(그것은 이러한 시나리오에서 보일러(510)의 입구 온도이기 때문에). 펜탄이 60 psia에서 증기로 변하는 변이점은 185°F이다. 이것은 결국 지열점으로 되돌아가는 물이 약 160°F의 온도를 가진다는 것을 의미한다(즉, 그것은 현저한 양의 열 에너지를 포함한다).

앞서 언급한 실시예에서, 증발기(1202)(또는 그것의 일부)는 도 17에 도시된 바와 같이 지열점의 복귀 라인에 또는 그것에 인접해서(또는 그것의 열 교환기에) 위치되었다. 그러한 실시예에서, 펜탄(증발기(1202) 내에서 냉매로서 기능하는 제 1 작동유체)은 이러한 열원으로부터 열 에너지를 흡수할 수 있다. 사실상, 증발기는 컨덴서(512) 내에서 열을 흡수하는 것에 비해서 더 용이하게 지열 복귀 라인으로부터 그러한 열을 흡수할 수 있다. 이것은 이러한 시나리오에서 지열점의 복귀 라인 온도가 약 160°F인 반면에, 컨덴서에서 제 3 작동유체의 온도는 약 90°F에 불과하기 때문이다. 결국, 이것은 증발기(1202)가 지열점의 복귀 라인으로부터 열을 흡수하도록 배열된다면 도 11 및 도 12에서 시스템에 대한 CoP(성능 계수)가 더 증가될 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 여기에 설명된 바와 같은 배열과 함께, 지열 복귀 라인은 결국 약 120°F의 온도를 가질 수 있다(앞서의 160°F 보다는). 온도에서의 이런 차이는 지면으로 되돌아가기보다는 사이클에서 사용될 수 있는 현저한 양의 열 에너지를 나타낸다.

앞서 언급된 것으로부터 본 발명의 일체화된 냉동 사이클이 특히, 폐열로부터 이용가능한 에너지를 흡수하도록 사용될 때, 많은 이점을 가진다는 것이 이해될 것이다. 그러한 냉동 사이클이 부재한 통상의 시스템은 온도차가 혜택을 제공하기에는 일반적으로 너무 작기 때문에 그러한 폐열을 사용하도록 훨씬 더 적은 용량을 가진다.

냉동 사이클에서 생성되는 냉각된 제 1 작동유체 F₁ 역시 다른 용도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각된 제 1 작동유체는 컨덴서(512)의 표면을 냉각시키기 위해 사용될 수 있고 및/또는 제 3 작동유체를 직접 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 미도시된, 또 다른 실시예에서, 증발기의 환경 내에 냉각된 제 1 작동유체는 컨덴서 내의 F₁ 응축물의 일부를 더 냉각시키도록 사용될 수 있다. 이것은 액체 응축물에 증발기의 일부를 담그는 것에 의해 달성될 수 있다. 냉각된 응축물은 그런 후에 유입하는 제 3 작동유체의 직접 냉각을 제공하는 것에 스프레이로서 유리하게 사용될 수 있다. 전체로, 펌프(501)의 기계적 일은 상승된 온도에서 보일러(510)에 제 1 작동유체를 공급하도록 사용되는 반면에 증발기(1202)의 열 환경 내의 제 1 작동유체의 온도에서 감소를 역시 야기한다. 이 점에서, 펌프(501)는 냉매 펌프의 모드에서 또는 열 펌프로서 핵심적으로 작동한다. 냉각된 작동유체 F₁는 그런 후에 위에 설명된 바와 같이 컨덴서 내의 제 3 작동유체 F₃로부터 또는 다른 폐열원(예, 지열 복귀 라인)으로부터 열을 더 효율적으로 흡수하도록 사용될 수 있다.

해당 기술분야의 당업자는 다양한 실시예의 전체 시스템 성능이 여러 가지 다른 변수에 의해 자연스럽게 지배될 것임을 인지할 것이다. 예를 들어, 그러한 변수는:

(1) 제 1 작동유체 F₁의 화학적 특성;

(2) 제 2 작동유체 F₂의 화학적 특성;

(3) 제 1 작동유체 F₁의 질량 유동률;

(4) 제 2 작동유체 F₂의 질량 유동률;

(5) 사이클에서 각각의 포인트에서 온도;

(6) 사이클에서 각각의 포인트에서 압력;

(7) 사이클에서 각각의 포인트에서 밀도/부피;

(8) 각각의 유체 및 혼합된 유체 상태의 엔탈피;

(9) 각각의 유체 및 혼합된 유체 상태의 비열비(C_p/C_v)를 한정 없이, 포함할 수 있다.

일반적으로, 도 4-16에 설명된 사이클은 열 에너지를 제공할 수 있는 열원의 성질 또는 유형에 기반해 구성될 것이다. 그로부터, 적합한 유체가 컴퓨터 시뮬레이션 툴을 사용하여 선택되고 모델링된다. 그런 후에 사이클의 작동과 제어가 선택된 시스템 구성의 장치 내의 온도와 압력의 원하는 제어 포인트 주위로 미세 튜닝된다. 이러한 온도와 압력은 사이클 내의 선택 지점에서 특정 유체 결합의 개별적인 작동유체의 유동율을 변경하는 것에 의해 지배적으로 제어된다.

도 4-16에 대해서 설명된 본 발명에서, 혼합실에서 제 1 및 제 2 작동유체의 혼합 비율은 정적이거나 동적일 수 있다. 정적인 유체 혼합은 고정된 속도로 혼합실(504)에서 제 1 및 제 2 작동유체를 혼합하는 것을 수반한다. 달리 말해서, 고정된 질량 유동률이 온도와 압력의 설정 조건 하에서 각각의 작동유체에 대해 사용된다. 그러한 실시예에서, 각각의 작동유체의 동특성은 거의 일정한 속도에서 입력 열 에너지 설정, 및 일정하거나 실질적으로 일정한 출력(기계축 에너지)을 갖는, 거의 일정한 상태로 남겨 진다.

반대로, 동적 유체 혼합은 가변 속도에서 혼합기/열 전달실(504)에서 제 1 및 제 2 작동유체의 혼합을 수반한다. 예를 들어, 그러한 동적 혼합은 그러한 엔진 시스템의 작동 역학을 제어하는 목적을 위해 구현될 수 있다. 그러한 동적인 유체 혼합 구현에서, 각각의 작동유체에 대한 온도, 압력, 및 질량 흐름의 상태 조건은 작동 사이클 내의 변동 또는 변화의 함수로서 동적으로 변화할 수 있다. 입력 (열) 에너지가 하중 레벨(즉, 전력 출력 레벨)과 관련해서 변경되는 그러한 실시예에서, 설정 혼합물(또는 고정된 혼합물 비율)로서 총 전체 유동률을 변경하기보다는 구성성분 제 1 및 제 2 작동유체의 상대적 질량 유동률을 변경하는 것이 일부 실시예에서 더 적합할 수 있다. 여전히, 본 발명은 이 점에서 한정되지 않고, 총 전체 유동률은 고정된 혼합물 비율과 함께 변경될 수 있다. 대안적으로, 혼합물 비율과 전체 유동률은 변경될 수 있다.

혼합 비율의 동적 제어는 임의의 적합한 수단에 의해 제어될 수 있다. 바람직한 실시예에서, F₁의 유동률은 펌프 속도 또는 펌프 속도(501)에 의해 제어되고, F₂의 유동률은 컨덴서로부터 증기를 빼내거나 컨덴서를 빠져나가는 라인에 그것을 부가하는 것에 의해 제어된다. 추가적으로, F₂는 컴프레서(502)의 속도를 변경하는 것에 의해 제어될 수 있다. 대안적으로, 혼합 비율 제어 시스템은 제 1 작동유체 및/또는 제 2 작동유체의 질량 유동률을 선택적으로 변경하기 위한 하나 이상의 제어 밸브(520, 522)를 포함할 수 있다. 이들 작동유체의 하나 또는 둘 모두의 유동률을 변경하는 것에 의해, 제 1 작동유체 및 제 2 작동유체의 비율은 열 전달실 내에서 변경될 것이다. 해당 기술분야의 당업자는 다양한 조건 하에서 밸브의 위치 및 혼합 비율의 바람직한 범위가 여러 가지 시스템 특정 고려사항에 의존할 것이라는 점을 인지할 것이다. 이들은 제 1 및 제 2 작동유체를 포함하는 화학 물질을 포함할 수 있다. 혼합된 제 1 및 제 2 유체를 포함하는 제 3 작동유체는 유체 및 유체 결합의 열전비(heat rates), 온도, 압력 및 화학적 특징에 기반해서 시스템 특정 토대 상에 구성될 수 있다.

매우 일반적인 용어로, 제 2 작동유체에 대한 제 1 작동유체의 비율은 본 발명의 실시예에서 약 1/3(3분의 1) 내지 2/3(3분의 2)일 수 있다. 비율은 다양한 실시예에서 범위에 걸쳐 역시 확장할 수 있다. 그 범위는 1/5 제 1 작동유체 대 4/5 제 2 작동유체를 갖는 제 1 배열에서부터, 2/3 제 1 작동유체 및 1/3 제 2 작동유체를 갖는 제 2 배열까지 확장할 수 있다. 여전히, 본 발명은 이 점에서 한정되지 않는다. 앞서 언급된 바와 같이, 극단적인 경우에 하나의 유체 성분만을 사용하여 시스템을 작동시키는 것이 가능하다. 이 경우에 단일 작동유체는 제 1 작동유체와 제 2 작동유체 모두로서 작동하도록 구성된다. 그러한 실시예에서, 본 발명은 시스템의 부재를 포함하는 물리적 장치 내의 다른 위치에서 액체 증기 변이를 신중하게 관리하는 것에 의존한다. 이것은 보일러, 익스팬더, 컴프레서, 펌프 및 컨덴서를 포함할 수 있다.

도 4-13에 설명된 열역학 사이클의 구성을 작동하기 위한 유체 선택은 많은 내부-관련된 인자에 기반한다. 작동 온도 및 압력의 조건은 유체의 화학적 구성의 선택에서 중요하다. 이용가능한 열의 소스 온도에 관련해서 적합한 제 1 작동유체의 비등점을 선택하는 것 역시 바람직할 수 있다. 예를 들어, 열원이 350°F의 온도를 갖는 지열이라면, 선택된 작동유체의 기화를 통해 소스로부터 열을 흡수하는 능력을 갖는 제 1 작동유체를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 화학적 펜탄이 대기압(14.7 psia)에서 97°F의 공지된 비등점을 가진다는 것을 고려한다. 이러한 작동 실시예에서 펜탄은 120 psia로 가압될 수 있고 여기서 그것은 그런 후에 240°F의 비등점을 가진다. 350°F에서 보일러 열은 비등점보다 더 높고 그러므로 그것은 펜탄이 상승된 압력에서 기화하게 할 수 있다. 해당 기술분야의 당업자는 소스 온도가 훨씬 더 낮아질지 또는 펜탄의 압력이 더 높아질지 여부를 신속하게 확인할 수 있고, 그런 후에 변이가 원하는 바와 같이 발생하지 않을 수 있다. 그러한 바와 같이, 펜탄은 350°F 열원에 노출될 때 기화(비등)에 의해 에너지를 흡수하는 능력을 가진다. 본 실시예에서 증기 가압된 펜탄은 일의 일부를 수행하고 사이클의 브레이턴 부분을 포함하는 제 2 작동유체에 열 포텐셜 에너지를 추가적으로 전달하는 능력 모두를 가질 수 있다.

컨덴서에서 액체로 재응축시킬 수 있도록 제 1 작동유체를 선택하는 것이 더 바람직할 수 있다. 예를 들어, 프로판은 펜탄과 같은 다른 작동유체보다 더 낮은 온도에서 액체에서 증기로 변하기 때문에(동일한 작동 압력을 가정함) 일부 실시예에서 제 1 작동유체로서 유리하게 선택될 수 있다. 프로판은 대기압에서 -44°F의 비등점을 가진다. 프로판이 요구되는 작동유체일 수 있는 일 예는 스페이스 파워 어플리케이션에 있다. 그러한 어플리케이션에서, 라디에이터는 지구의 표면 상에 정상적으로 발견되는 온도 훨씬 아래의 온도인 매우 차가운 온도(-100°F)를 쉽게 달성할 수 있다. 따라서, 그러한 상황에서 낮은 비등점을 이용하도록 프로판과 같은 작동유체를 사용하는 것이 유리할 수 있다.

유체 선택 역시 주어진 작동유체의 잠열 용량에 의해 지배된다. 왜 잠열 용량이 중요한지에 대한 이해는 펜탄과 물을 대조하는 것에 의해 얻어질 수 있다. 소정 압력에서 1 파운드의 펜탄을 증기로 변환하는 것은 등가 질량의 물을 변환하기 위해 요구되는 바의 약 1/6(6분의 1) 열 에너지량을 요구한다. 이것을 설명하는 또 다른 방법은 등가의 압력에서 소비된 동일한 열 에너지에 대해, 약 6배 더 많은 질량의 펜탄이 액체에서 증기로 변환될 것이라는 것이다. 예로서, 물보다 더 낮은 비등점을 갖는 펜탄은 동일한 에너지 입력을 가정할 때, 거의 등가의 부피를 생성하기 위해 6배 만큼 많은 펜탄 질량을 요구하는 것을 희생해서 큰 양의 더 낮은 온도 열 에너지를 얻을 수 있는 이점을 가진다. 부가적으로, 메탄올(대기압에서 148°F에서 비등)은 펜탄과 비교할 때 파운드 당 약 3배의 에너지를 요구하고, 특히 이것은 물에 의해 요구되는 에너지량의 약 절반이다.

제 1 작동유체로서 일부 유체의 사용 역시 본 발명에서 불이익일 수 있다. 예를 들어, 극도로 낮은 체적 팽창 포텐셜을 갖는 작동유체는 본 발명에서의 사용을 위한 최상의 선택은 아니다. 또한, 더 높은 비등점 및 양호한 체적 팽창 능력을 갖는 특정 유체는 소스 온도를 초과하는 온도에서만 작동할 수 있다. 따라서, 그러한 유체는 더 낮은 온도 소스에 대해 제외될 수 있지만, 더 높은 온도 열원을 갖는 또 다른 구성에 대해 잘 수행할 수 있다. 사이클의 랭킨 사이클 부분에서 잘 수행하지만, 브레이턴 사이클 부분과 연관된 팽창 단계에서 잘 수행할 수 없는 유체가 있을 수 있다. 따라서, 열 에너지 소스의 특징을 갖는 유체 능력을 선택하고 일치시키는 것이 중요하다.

제 2 작동유체는 두 개의 주요한 용량에서 기능한다. 첫째로, 그것은 압축의 열 에너지의 일부를 유체 체적으로 변환하기 위한 수단으로서 지배적으로 사용된다. 그것은 열 에너지를 사용하는 것에 의해 이것을 행하고, F2의 압축을 초래하여, F1을 증기로 변환하고, 여기서 F2에 의해 포기된 에너지는 F1을 기화시키도록 요구된 기화의 잠열이다. 부가적으로, 그것은 제 1 작동유체의 캐리어 또는 이동 수단으로서 작용한다. 제 1 및 제 2 작동유체가 혼합되는 포인트에서, 제 1 작동유체는 제 2 작동유체 내에 효과적으로 임베디드 된다. 제 2 작동유체는 제 1 유체의 열 에너지가 팽창 공정 동안 유용한 일(전력)로 효과적으로 변환되는 수단을 제공하는 열 전달 매체로서 추가적으로 작용한다.

제 2 작동유체는 제 2 익스팬더(506)에서 일을 수행하는 것에 의해 전력을 생성하도록 사용된 주된 자원이다. 그러한 바와 같이, 제 2 작동유체는 바람직하게 헬륨과 같은, 저밀도 증기 또는 비활성 기체이다. 헬륨은 제 1 작동유체와 결합하지 않을 것이고, 그로부터 분리하기 쉽기 때문에 유리하다. 제 2 작동유체가 그것이 사용되는 특정 어플리케이션에서 액체로 일반적으로 응축하지 않도록 선택되는 것 역시 바람직할 수 있다. 제 2 작동유체가 응축한다면, 그때 도 4-13에 설명된 사이클은 지배적으로 랭킨 사이클일 수 있다는 것이 주목할만하다.

본 발명의 일 실시예에서, 제 2 작동유체는 50% 헬륨 및 50% 질소의 혼합물로 구성될 수 있다. 그러한 실시예에서, 제 1 작동유체는 펜탄 또는 물이도록 유리하게 선택될 수 있다. 물은 펜탄(300°F 내지 500°F 범위)에 비해 더 높은 온도(예, 500°F 내지 1200°F의 보일러 온도)에서 작동을 위한 제 1 작동유체로서 바람직하게 사용된다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 제 2 작동유체는 50% 프로판 및 50% 헬륨으로 구성될 수 있다. 그러한 실시예에서, 제 1 작동유체는 펜탄이도록 선택될 수 있다. 헬륨은 제 2 작동유체의 구성성분으로서 사용을 위해 유리하다는 것을 유의한다. 이것은 헬륨이 질소와 같은 기체에 비해 팽창 동안 더 현저하게 냉각시킬 것이고 압축 동안 더 현저하게 가열할 것이기 때문이다. 여전히, 본 발명은 이러한 작동유체로 한정되지 않고, 다른 적절하게 선택된 작동유체가 본 발명에 사용될 수 있다.

해당 기술분야의 당업자는 본 발명이 여기에 설명된 특정 작동유체 또는 유체 조성물로 한정되지 않는다는 것을 인지할 것이다. 대신에, 최적화된 유체 및/또는 유체 조성물의 임의의 적합한 결합이 이용가능한 열원, 열원 사이의 온도차 및 유체 기화율, 및 다른 유사한 설계 고려사항에 기반한 특정 어플리케이션에 대해 선택될 수 있다. 일반적으로, 제 1 및 제 2 작동유체는 서로 협력해서 작동하도록 선택되어야만 한다. 특히, 팽창 공정 동안 제 2 유체의 더 급속한 냉각(제 1 유체에 비해서)은 제 1 유체에서 제 2 유체로의 에너지 교환을 용이하게 할 수 있다. 그것이 팽창 사이클의 끝에 도달함에 따라서, 이것은 증기 액체 변이점에 매우 가까운 제 1 유체를 떠난다. 제 1 작동유체가 응축함에 따라서, 그것은 그러므로 제 2 작동유체로부터 분리되고 컨덴서에 수집될 수 있다. 이러한 고유한 유체 능력은 작동시에 유체의 열 테이크업률(열 추가/기화) 및 추가적으로 드롭아웃률(응축물 속도)을 튜닝하는 수단을 제공한다.

위에 언급된 바와 같이, 본 발명은 여기에 설명된 열 사이클 내의 냉각 또는 냉동 기능을 수행하도록 작동유체 중 적어도 하나를 유리하게 사용한다. 도 11 및 도 12는 제 1 작동유체가 그러한 냉각 기능을 위해 사용될 수 있는 하나의 방식에 관한 것이다. 그러한 냉각을 위한 대안은 컴프레서(502)에서 제 2 작동유체를 냉각시키기 위한 액체 스프레이 유체를 사용하는 것을 수반할 수 있다. 더 구체적으로, 액체 스프레이 유체는 컴프레서(502)에서 제 2 작동유체의 압축 전에 또는 그와 동시에 즉각적으로 제 2 작동유체에 추가될 수 있다. 이러한 공정은 제 2 작동유체의 압축에 의해 생성된 열의 일부를 제거하기에 유용하다.

일부 실시예에서 제 1 및 제 2 작동유체와는 다른 고유한 작동유체이도록 액체 스프레이 유체를 선택하는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 액체 스프레이 유체는 제 1 작동유체로 구성되도록 유리하게 선택된다. 그러한 배열이 펌프(501)의 고압 측으로부터, 컴프레서(502)로 작동유체 F₁의 선택적 흐름을 나타내는, 도 5에 도시된다. 여전히, 본 발명은 이 점에서 한정되지 않고 다른 작동유체 역시 스프레이 유체로서 선택될 수 있고 여기서 그들은 응축물 공정에서 분리될 수 있다.

특히, 위에-설명된 액체 스프레이 기법은 특정 압력에서 작동유체의 소정 부피를 생성하도록 요구되는 컴프레서 작업을 감소시킬 수 있다. 특히, 컴프레서(502) 내의 압축된 제 2 작동유체에 유입된 액체 스프레이는 제 2 작동유체로부터 더 낮은 온도와 열을 흡수하기 위한 추가적인 용량을 갖는 액체 스프레이 유체로의 열 에너지의 전달을 용이하게 할 수 있다. 압축된 제 2 작동유체로부터 전달된 열 에너지는 액체 스프레이 유체에 대해 요구되는 기화 에너지의 잠열을 제공하고, 액체 스프레이 유체가 증기로 변이하도록 한다. 위에 언급된 바와 같이, 액체 스프레이는 제 1 작동유체로 구성될 수 있다. 이러한 기법을 사용하는 것에 의해, 도 5 및 도 12의 물리적 장치는 컴프레서 온도를 더 증가시키지 않고, 혼합실(504)로 증기의 더 큰 체적 흐름을 생성할 수 있고, 그로써 컴프레서 작업을 덜 요구하게 된다.

스프레이 냉각이 사용될 때, 액체 스프레이 유체는 증기 유체로 변환되고, 그러므로 일을 수행할 수 있다. 더 구체적으로, 기화된 스프레이 유체 및 제 2 증기의 혼합물은 스프레이 냉각 없이 제 2 유체만을 단독 사용하는 것에 비해 설계 압력에서 그리고 더 낮은 온도에서 일을 수행할 수 있을 것이다. 이것은 컴프레서(502)에 사용된 선택된 압력(압축 공정)이 스프레이 유체의 액체 증기 변이를 일으킬 만큼 충분히 높은 온도를 제공하기에 적합하다고 자연적으로 가정한다. 열역학 유체 변환의 분야에서 이해되는 중요한 점은 압력이 증가함에 따라서, 액체 증기 변이를 일으키기 위해 요구되는 온도 역시 증가한다는 것이다. 그러므로 선택된 압축 공정의 온도 및 압력의 조건 하에서 증기로 변이시키는 포텐셜을 갖는 바와 같이 액체 스프레이 유체를 포함하는 화학물질을 선택하는 것이 중요하다.

도 5 및 도 12에 도시된 실시예에서, 제 1 작동유체의 온도는 보일러의 소스 온도를 선택하고 및/또는 제 1 작동유체의 유동률을 제어하는 것에 의해 일반적으로 제어된다. 보일러(510)에 공급된 제 1 작동유체의 압력은 펌프(501)에 의해 제어된다. 따라서, 랭킨 사이클 부분에서 최초 압력 레벨은 펌프(501)에 의해 제어될 수 있다. 동일한 펌프 또는 추가적인 펌프는 스로틀 밸브(1204)와 협력해서 (1202)의 증발기 내에 제공된 진공 또는 상대적으로 낮은 압력을 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 제 1 작동유체 및 제 2 작동유체는 거의 동일한 압력에서 혼합실(504)로 유입한다. 작동유체 F₂의 압력은 컴프레서(502)의 작동에 의해 일반적으로 제어된다. 따라서, 컴프레서(502)는 제 2 작동유체 F₂의 압력을 제 1 작동유체와 대략적으로 동일한 압력에서 제 2 작동유체의 가압된 흐름을 제공하기에 적합한 레벨로 상승시키도록 바람직하게 설계된다. 혼합실의 특정 설계는 이들 유체 사이의 압력에서 편차를 허용하거나 가능하게 할 수 있고, 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

컴프레서(502)를 빠져나오는 제 2 작동유체의 온도는 특정 설계 구성에 대해 병합된 액체 스프레이 유체의 질량 유동률 및 유형에 의해 가장 적절하게 제어된다. 컴프레서(502)에서 제 2 작동유체에 추가된 액체 스프레이 유체의 질량 유동률을 증가시키는 것은 결합된 유체의 온도를 낮추도록 작용할 것이다. 이러한 온도 낮춤 능력의 한계는 컴프레서를 떠나는 액체 스프레이 유체가 남아있을 때이다(즉, 기화되지 않은 액체 스프레이 유체). 컴프레서를 빠져나가는 임의의 그러한 잔류 액체 스프레이 유체는 시스템에서 일을 제공하는 능력을 거의 혹은 전혀 보유하지 않고 그리고 일부 경우에 이후 사이클에서 최적화된 흐름을 위한 포텐셜을 더 감소시킬 수 있다. 증기로의 액체 스프레이의 변환은 컴프레서 온도를 감소시키고 효과적으로 더 낮은 온도에서 체적 유체 흐름을 증가시킨다.

바람직한 실시예에서, 컴프레서(502)를 떠나는 증기의 온도 및 압력의 결합은 혼합실(504)로 진행함에 따라서 증기 형태로 스프레이 유체를 유지하기에 충분하다. 스프레이의 질량 유동률에 관련해서 온도가 너무 낮고 및/또는 압력이 너무 높다면, 그때 스프레이의 일부가 원치않게 액체 상태로 남을 수 있다. 특히, 액체에서 증기로 완벽하게 변환되지 않는 액체 스프레이 유체의 일부 작은 부분은 일부 경우에 본 발명의 특정 어플리케이션에 대해 허용가능한 것으로 간주된다. 그러한 액체 스프레이 유체는 보일러를 떠나는 F1으로부터 열의 추가와 함께 혼합기에서 나중에 기화할 수 있다. 그러므로 일부 경우에, 기화되지 않은 유체의 작은 부분은 시스템 성능에 심각하게 영향을 미치지 않을 것이다.

혼합실(504)을 떠나는 제 1 및 제 2 작동유체(그리고 일부 경우에, 스프레이 유체)를 포함하는 가열된 작동유체 혼합물의 압력 및 온도는 많은 인자에 의해 제어가능하다. 이들 인자는 제 2 익스팬더(506)의 팽창률, 제 1, 제 2, 및 제 3 작동유체의 질량 유동률, 스프레이 유체의 질량 유동률, 및 보일러(510) 내의 제 1 작동유체에 제공된 열 에너지의 양 또는 속도를 포함한다. 다른 인자는 제 1 익스팬더(508)를 빠져나온 후에, 제 1 익스팬더(사용된다면)로부터 추출된 유용한 일의 백분율 및 제 1 작동유체에 남아있는 열 에너지를 포함한다. 이들 제어 설정이 계속적인 작동을 유지하도록 사이클의 작동 동안 조절될 수 있다는 것이 해당 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있다. 예를 들어, 이들 파라미터는 유체 혼합물의 압력을 선택적으로 변경하는 것에 의해 제어될 수 있다. 사이클 내의 원하는 작동 온도는 질량 유동률 및 그들의 각각의 비율과 유사한 조절에 의해 이루어질 수 있다. 입력 열 속도가 유체의 질량 유동률에 관련해서 증가함에 따라서, 작동 온도 역시 증가한다.

온도를 제어하는 추가적인 수단은 컴프레서(502)에 유입하는 제 2 작동유체의 온도가 증가하는 것을 허용하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이것은 고정된 제 2 작동유체의 질량 흐름을 효과적으로 유지하는 한편 컨덴서의 온도가 상승하는 것을 허용하는 것에 의해 행해진다. 컨덴서 온도에서 상승을 달성하는 것은 에너지가 펌프(514)에 의해 열 싱크(516)에 펌핑되는 속도를 감소시키거나, 또는 도 12에서 증발기(1202)에 의해 소비된 열 에너지를 감소시키는 것에 의해 달성된다. 제 2 작동유체의 온도를 증가시키는 대안적인 접근은 스프레이 유체의 질량 유동률을 증가시키지 않고, 또는 반대로 제 2 작동유체의 유동률을 고정시키고 스프레이 유체의 질량 유동률을 낮추는 것에 의해 컴프레서(502)의 압축 압력을 증가시키는 것일 수 있다. 위에 설명된 바와 같이 제 2 작동유체의 온도를 관리하는 것에 더해서, 온도 및 압력이 광범위한 접근에 의해 컨덴서(512) 내에 관리될 수 있다.

매우 다양한 변형이 본 발명과 함께 가능하고 그 모두는 제 1 열역학 사이클로부터 거부된 열이 각각의 사이클에 사용되는 작동유체의 직접 혼합에 의해 제 2 열역학 사이클로 이동된다면, 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

여기에 설명된 사이클은 더 큰 양의 이용가능한 소스 에너지(즉, 열 에너지)를 효과적으로 그리고 효율적으로 사용하는 고유한 용량을 보유하기 때문에 다른 사이클에 대한 개선이다. 전체 사이클 구성에서 기본적인 열역학 원칙 또는 공정의 무결성에 대한 어떠한 타협도 없다. 사실상, 여기 사이클에서 설명된 분리 공정 단계의 각각은 공지된 열역학 공정을 나타낸다. 각각의 단계의 역학은 통상의 시스템에서 독립적으로 발생하는 공정의 유사한 유형으로 추적될 수 있다. 그러나, 통상의 시스템은 여기에 설명된 방법으로 공정 단계를 결합하지 않고, 그러므로 동일한 결과를 얻을 수 없다.

각각의 개별적인 단계의 세부사항, 및 단계 사이의 경계를 가로지르는 관계도 모두 나타내는 컴퓨터 모델을 생성하는 것에 의해, 전체로서 사이클을 평가하는 것이 가능해진다. 그 사이클은 더 낮은 온도에서 이용가능한 소스 에너지의 이용 및 재-순환에 의해 정상적으로 거부된 열 에너지의 재-사용을 유리하게 수반한다. 따라서, 컴퓨터 모델은 재순환된 에너지를 설명하도록 성능 시뮬레이션 내의 반복 계산을 병합하는 평가 공정을 수반한다. 그러한 모델링 및 시뮬레이션은 증기 상태 변이의 적합한 배치를 통해 잠열 에너지를 사용하는 우리의 고유한 방법을 입증한다. 결과 방법 및 장치는 오늘날 공지된 통상의 수단을 사용하여 가능한 것으로 현재 이해되는 것보다 더 큰 부분의 이용가능한 열원 에너지를 일로 변환할 수 있다.

Claims (10)

1. 제 1 작동유체를 가압하는 단계;
   상기 제 1 작동유체로 구성되는 제 1 증기를 얻도록 압력 하에 상기 제 1 작동유체를 가열하는 단계;
   제 2 증기를 포함하는 제 2 작동유체를 압축하는 단계;
   제 3 증기를 형성하도록 상기 제 1 증기와 상기 제 2 증기를 혼합하는 단계;
   상기 혼합하는 단계에 이어서 상기 제 1 증기로부터 상기 제 2 증기로 열을 이동하는 단계;
   일을 수행하도록 상기 제 3 증기를 팽창시키는 단계;
   상기 제 1 증기의 응축물을 상기 제 2 증기로부터 분리하도록 상기 제 3 증기를 냉각시키는 단계; 및
   상기 냉각시키는 단계에서 회수된, 상기 제 1 작동유체를 포함하는 상기 응축물 및 상기 제 2 작동유체를 포함하는 상기 제 2 증기를 사용하여 계속적인 사이클을 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 계속적인 사이클로 열에서 일을 생성하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 혼합하는 단계 이전에, 일을 수행하도록 상기 제 1 증기를 팽창시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계속적인 사이클로 열에서 일을 생성하는 방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각시키는 단계는 증발기에서 냉매로서 상기 응축물을 사용하는 단계, 및 폐열원으로부터 열을 흡수할 수 있는 환경에 상기 증발기를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계속적인 사이클로 열에서 일을 생성하는 방법.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 환경은 상기 제 3 작동유체를 포함하고, 상기 방법은 상기 제 3 작동유체를 냉각시키도록 상기 증발기 내의 상기 제 3 작동유체로부터 상기 응축물로 열을 이동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계속적인 사이클로 열에서 일을 생성하는 방법.
5. 제 3항에 있어서,
   상기 환경은 상기 응축물로의 상기 가열하는 단계로부터 거부된 열의 이동을 용이하게 하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 계속적인 사이클로 열에서 일을 생성하는 방법.
6. 제 3항에 있어서,
   상기 흡수 후에, 상기 가압하는 단계에서 상기 제 1 작동유체로 구성되는 상기 응축물을 사용하는 단계를 더 포함하고, 그로써 상기 사이클이 반복될 수 있는 것을 특징으로 하는 계속적인 사이클로 열에서 일을 생성하는 방법.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 압축하는 단계 동안 상기 제 2 작동유체의 흐름에 액체를 분무하는 것에 의해 상기 제 2 작동유체를 냉각시키는 단계를 더 포함하고, 상기 액체는 상기 제 1 작동유체인 것을 특징으로 하는 계속적인 사이클로 열에서 일을 생성하는 방법.
8. 제 1 증기의 형태로 제 1 작동유체의 가압된 흐름을 가열하도록 구성된 보일러;
   제 2 증기의 형태로 제 2 작동유체를 압축하도록 구성된 컴프레서;
   임의의 개재 구조를 제외하고, 상기 제 1 증기로부터 상기 제 2 증기로 열 에너지를 직접 이동하도록 구성된 혼합실; 및
   상기 이동 후에 또는 그동안에 일을 수행하도록 상기 제 1 증기 및 제 2 증기의 혼합물을 팽창시키도록 구성된 익스팬더를 포함하는 것을 특징으로 하는 열에서 일을 생성하는 장치.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 제 2 증기로부터 상기 제 1 증기의 응축물을 분리시키도록 구성된 컨덴서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열에서 일을 생성하는 장치.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 장치는 상기 보일러 및 상기 컴프레서에서, 각각 상기 제 1 작동유체 및 상기 제 2 작동유체로서, 분리되는 상기 응축물 및 상기 제 2 증기를 재사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열에서 일을 생성하는 장치.

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