KR20140048217A - 증기 동력 사이클 시스템 - Google Patents

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KR20140048217A
KR20140048217A KR1020147002090A KR20147002090A KR20140048217A KR 20140048217 A KR20140048217 A KR 20140048217A KR 1020147002090 A KR1020147002090 A KR 1020147002090A KR 20147002090 A KR20147002090 A KR 20147002090A KR 20140048217 A KR20140048217 A KR 20140048217A
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야스유키 이케가미
다카후미 모리사키
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고쿠리츠다이가쿠호진 사가다이가쿠
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Abstract

비공비 혼합물인 작동 유체와 열원과의 열교환을 적절히 진행시켜, 상변화하는 작동 유체의 온도를 열원의 온도로 할 수 있을만큼 가까이 하여, 시스템 전체의 성능이 높아지는 증기 동력 사이클 시스템이다. 즉, 복수의 응축기(14, 15)를 직렬로 접속한 상태로 설치하는 동시에, 팽창기를 나온 기상 작동 유체를 각 응축기(14, 15)에 각각 도입하여, 응축을 행하게 함으로써, 각 응축기(14, 15)마다 작동 유체에서의 혼합물의 구성비 비율을 변화시켜, 후단의 응축기(15)일수록, 작동 유체의 저비점 물질의 비율을 높게 하여, 작동 유체의 응축 온도를 전단측의 응축기(14)의 경우보다 낮게 할 수 있어, 작동 유체의 각 응축기 출구 온도를 순차적으로 내려, 작동 유체의 온도를 가능한 한 저온 유체 온도에 근접시킬 수 있으므로, 열원의 온도차를 효율적으로 이용하여 확실하게 사이클 열효율을 향상시킬 수 있다.

Description

증기 동력 사이클 시스템{STEAM POWER CYCLE SYSTEM}
본 발명은, 복수 물질의 비공비(非共沸) 혼합물인 작동 유체(流體)를 가열, 냉각시키면서 순환시켜, 상변화(相變化)를 반복하는 작동 유체가 기능하도록 하여 동력을 얻는 증기 동력 사이클 시스템에 관한 것이다.
작동 유체를 가열, 냉각시키면서 순환시켜, 상변화를 반복하는 작동 유체가 기능하도록 하여 동력을 얻는 증기 동력 사이클로서는, 증발기, 팽창기(터빈), 응축기 및 펌프를 가지고, 물 등의 순물질(純物質)을 작동 유체로서 사용하는 기본적인 랭킨 사이클(rankine cycle)이 알려져 있다.
단, 발전 장치 등으로서 증기 동력 사이클을 이용하는 데 있어서, 특히 해양 온도차 발전 장치나 폐열 발전 장치, 온천수 이용 발전 장치에의 적용 등, 증기 동력 사이클에서의 고온 열원과 저온 열원의 어느 온도도 물의 비점(沸点)보다 낮고, 또한 열원 사이의 온도차가 작아지도록 한 경우에는, 작동 유체를 적절히 상변화시켜 유효하게 열을 동력으로 변환할 수 있도록 하기 위해, 물을 작동 유체로서 사용하는 랭킨 사이클 대신에, 물과 암모니아 등의 물보다 비점이 낮은 물질과의 혼합물, 또는 물보다 비점이 낮은 복수 종류의 물질의 혼합물, 즉 물의 비점보다 낮은 온도대에서 상변화하는 비공비 혼합물을 작동 유체로서 사용하는, 이른바 칼리나 사이클(Kalina Cycle) 등의 증기 동력 사이클이 종래부터 제안되어 있다. 이와 같은 종래의 증기 동력 사이클의 예로서는, 일본 공개특허 소57-200607호 공보나 일본 공개특허 평7-91361호 공보에 기재된 것이 있다.
일본 공개특허 소57-200607호 공보 일본 공개특허 평7-91361호 공보
종래의 증기 동력 사이클은 상기 각 특허 문헌에 나타낸 바와 같은 구성으로 되어 있고, 이러한 증기 동력 사이클에서 사용되는 비공비 혼합물의 작동 유체는, 상변화(증발, 응축) 시에 그 온도가 변화하는 특성을 가지고 있다.
작동 유체에 순물질을 사용하는 랭킨 사이클의 경우, 상변화 시의 작동 유체의 온도 변화는 일정하므로, 열교환기(증발기나 응축기 등)에서의 열교환에 의해, 열원으로 되는 유체의 온도에 작동 유체의 온도를 근접시키는 것에는 한계가 있어, 열원으로 되는 유체의 열교환기 출구 온도 가까이에 작동 유체의 출구 온도를 도달시키는 정도에 머무른다.
이에 대하여, 상기 각 특허 문헌에 개시된 비공비 혼합물의 작동 유체를 사용한 증기 동력 사이클에서는, 상변화 시에 작동 유체의 온도가 변화함으로써, 열교환기에서의 작동 유체의 증발이나 응축에 있어서, 유체끼리의 상변화를 수반하지 않는 향류(向流) 열교환과 같은, 열원으로 되는 유체 측의 온도 변화에 소정의 온도차에 의해 대향하는 작동 유체의 온도 변화가 생기게 하는 것이 예상되어(도 7 참조), 상변화 시의 온도가 일정한 순물질의 작동 유체를 사용하는 랭킨 사이클에 비하여, 열원으로 되는 유체와 작동 유체와의 온도차를 작게 할 수 있고, 예를 들면, 응축의 경우에 작동 유체의 열교환기 출구 온도가 저온 열원으로 되는 유체의 열교환기 출구 온도를 하회하도록 한, 작동 유체의 온도 변화를 실현하고, 열교환기에서의 불가역(不可逆) 손실을 저감시켜, 시스템 전체의 사이클 열효율을 높일 가능성을 가지고 있다.
그러나, 종래의 비공비 혼합물의 작동 유체를 사용한 증기 동력 사이클의 현실의 가동에 있어서는, 응축기에 의해 작동 유체의 출구 온도가 저온 열원으로 되는 유체의 출구 온도에 가까워지지만, 이것을 하회하는 온도에는 도달하지 않는다. 그러므로, 응축기에 의해 작동 유체의 출구 온도가 저온 열원으로 되는 유체의 출구 온도를 하회하도록 한 열교환을 실현할 수 있는 것을 전제로 한 성능 평가가 행해져 왔다, 이러한 종래의 증기 동력 사이클에 있어서는, 평가에 적합한 성능을 얻을 수 없어, 이와 같이 성능이 당초의 상정(想定)보다 낮은 점이, 설비 비용 등 다양한 면에 영향을 미치는 문제점을 가지고 있었다.
이러한 종래의 증기 동력 사이클에 있어서, 응축기에 의해 작동 유체의 출구 온도를 저온 열원으로 되는 유체의 출구 온도에 대하여 충분히 내릴 수 없는 원인으로서는, 비공비 혼합물인 작동 유체가, 실제로는 순물질에 가까운 온도 변화가 생기고 있는 것을 생각할 수 있다.
즉, 비공비 혼합물, 예를 들면, 암모니아와 물의 혼합물인 작동 유체 중, 팽창기를 나온 기상 작동 유체에서는 저비점의 물질, 즉 암모니아의 농도가 극히 높아져 있고, 작동 유체가 응축기 전열면(傳熱面)에서 응축할 때, 기상(氣相)의 작동 유체 중의, 응축되기 쉬운 비점이 높은 성분이 먼저 응축되고, 이윽고 작동 유체는 거의 순물질에 가까운 특성을 나타내게 됨으로써, 저온 열원의 온도 변화에 대하여, 작동 유체의 온도 변화는, 응축 초기의 부분에서 급격하게 변화되고, 그 후 대략 등온(等溫)을 유지하도록 한 변화 특성(도 8 참조)으로 되는 것을 생각할 수 있다.
이와 같이 하여 실제의 응축기에서의 열교환에 있어서, 응축하는 작동 유체의 온도가 대략 등온을 유지하도록 한 상황에서는, 응축기 내에서의 작동 유체 온도는, 순물질을 작동 유체로 한 경우와 같이, 저온 열원 온도보다 높은 상태에 머무르고, 작동 유체의 응축기 출구 온도가 저온 열원으로 되는 저온 유체의 응축기 출구 온도를 하회하도록 한, 효율적인 열교환은 행해지지 않는다.
이와 같이, 종래의 증기 동력 사이클에 있어서는, 작동 유체에 비공비 혼합물을 사용해도, 충분한 사이클 효율의 향상에는 이르지 않고, 응축기 등 열교환기의 성능이 상대적으로 악화됨으로써, 열교환기의 대규모화 등 처리 능력 향상을 도모할 필요가 생기고, 그 결과 열교환기의 비용 증대를 초래하고, 이러한 열교환기의 비용면이 시스템 전체의 경제성을 악화시켜 버린다는 문제점을 가지고 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해 행해진 것이며, 비공비 혼합물을 작동 유체로서 사용하는 경우에, 작동 유체와 열원과의 열교환을 적절히 진행시켜, 상변화하는 작동 유체의 온도를 열원의 온도로 할 수 있을 정도로 근접시켜, 시스템 전체의 성능을 높아지는 증기 동력 사이클 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 증기 동력 사이클 시스템은, 비공비 혼합물인 작동 유체를 소정의 고온 유체와 열교환시켜, 상기 작동 유체 중 적어도 일부를 증발시키는 증발기와, 상기 증발기에 의해 얻어진 고온의 작동 유체를 기상분(氣相分)과 액상분(液相分)으로 분리하는 기액(氣液) 분리기와, 상기 작동 유체 중 기상분을 도입하여 유체가 보유하는 열에너지를 동력으로 변환하는 팽창기와, 상기 팽창기를 나온 기상의 작동 유체를 상기 기액 분리기를 나온 액상의 작동 유체와 함께 소정의 저온 유체와 열교환시켜, 기상분을 응축시키는 응축기와, 상기 응축기를 나온 작동 유체를 상기 증발기를 향해 압송(壓送)하는 펌프를 적어도 가지는, 증기 동력 사이클 시스템에 있어서, 상기 응축기가, 복수 설치되는 동시에, 각각의 응축기에서의 작동 유체 측의 유로가 직렬로 접속되고, 또한 각각의 응축기에서의 저온 유체 측의 유로가 직렬로 접속되고, 작동 유체가 복수의 응축기를 통과하는 순서와는 역순으로 저온 유체가 각 응축기를 통과하는 유로 설정으로 되어 이루어지고, 상기 팽창기를 나온 기상 작동 유체의 일부를, 팽창기의 출구를 지나는 작동 유체 유로로부터 인출하고, 각 응축기 사이에서, 전단(前段)의 응축기를 나온 각 단계의 작동 유체와 각각 합류시켜, 작동 유체의 유로 상에서 상기 팽창기의 출구에 가장 가까운 최전단(最前段)의 응축기로 기상 작동 유체를 응축시키는 동시에, 상기 최전단의 응축기를 제외한 각 응축기로도 상기 합류분의 기상 작동 유체를 응축시키는 것이다.
이와 같이 본 발명에 있어서는, 작동 유체와 저온 열원으로서의 저온 유체를 열교환시키는 복수의 응축기를 직렬로 접속한 상태로 설치하는 동시에, 팽창기를 나온 기상 작동 유체를 각 응축기에 각각 도입하여, 응축을 행하게 함으로써, 혼합물 중 저비점 물질의 비율이 높아져 있는 기상 작동 유체를, 액상 작동 유체와 합류시켜 각 응축기에 도입함에 따라, 각 응축기마다 작동 유체에서의 혼합물의 구성비 비율을 변화시키게 되고, 후단의 응축기일수록, 작동 유체의 저비점 물질의 비율을 높게 하여, 작동 유체의 응축 온도를 전단측의 응축기의 경우보다 낮게 할 수 있고, 작동 유체의 온도를 각 응축기마다 상이한 저온 유체의 온도에 각각 근접시키고, 작동 유체의 각 응축기 출구 온도를 순차적으로 내려, 작동 유체의 온도를 가능한 한 저온 유체 온도에 근접시킬 수 있어, 열원의 온도차를 효율적으로 이용하여 확실하게 사이클 열효율을 향상시키고, 시스템의 성능이 높아진다.
또한, 본 발명에 관한 증기 동력 사이클 시스템은 필요에 따라, 상기 증발기가, 복수 설치되는 동시에, 각각의 증발기에서의 작동 유체 측의 유로가 직렬로 접속되고, 또한 각각의 증발기에서의 고온 유체 측의 유로가 직렬로 접속되고, 작동 유체가 복수의 증발기를 통과하는 순서와는 역순으로 고온 유체가 각 증발기를 통과하는 유로 설정으로 되어 이루어지고, 상기 기액 분리기에 의해 기상의 작동 유체와 분리된 액상의 작동 유체의 일부를, 기액 분리기의 출구를 지나는 액상 작동 유체 유로로부터 인출하고, 각 증발기 사이에서, 전단의 증발기를 나온 각 단계의 작동 유체와 각각 합류시켜, 혼합 상태의 작동 유체를, 작동 유체의 유로 상에서 상기 펌프 출구에 가장 가까운 최전단의 증발기를 제외한 각 증발기에 의해 승온(昇溫)시키는 것이다.
이와 같이 본 발명에 있어서는, 작동 유체와 고온 열원으로서의 고온 유체를 열교환시키는 복수의 증발기를 직렬로 접속한 상태로 설치하는 동시에, 기액 분리기에 의해 기상의 작동 유체와 분리된 후의 액상의 작동 유체를, 각 증발기 사이를 유통하는 작동 유체에 각각 합류시킴으로써, 혼합물 중 고비등점 물질의 비율이 높아져 있는 액상 작동 유체를, 전단의 증발기를 나온 작동 유체와 합류시켜 후단의 증발기에 도입함에 따라, 각 증발기마다 작동 유체에서의 혼합물의 구성비 비율을 변화시키게 되고, 후단의 증발기일수록, 작동 유체의 고비등점 물질의 비율을 높게 하여, 작동 유체의 증발 온도를 전단측의 증발기의 경우보다 높게 할 수 있어, 작동 유체의 온도를 각 증발기마다 상이한 고온 유체의 온도에 각각 근접시키고, 작동 유체의 각 증발기 출구 온도를 순차적으로 높여, 작동 유체의 온도를 가능한 한 고온 유체 온도에 근접시킬 수 있어, 사이클 열효율의 새로운 향상이 도모된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 증기 동력 사이클 시스템의 개략 계통도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 다른 증기 동력 사이클 시스템의 개략 계통도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 관한 증기 동력 사이클 시스템의 개략 계통도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 관한 증기 동력 사이클 시스템의 개략 계통도이다.
도 5는 본 발명의 실시예의 증기 동력 사이클 시스템에 대한 비교예 1에서 되는 칼리나 사이클의 시스템의 개략 계통도이다.
도 6은 본 발명의 실시예의 증기 동력 사이클 시스템에 대한 비교예 2에서 되는 웨하라 사이클(Uehara cycle)의 시스템의 개략 계통도이다.
도 7은 종래의 증기 동력 사이클에서의 열교환기 내의 이론적 온도 변화 상태 설명도이다.
도 8은 종래의 증기 동력 사이클에서의 응축기 내의 온도 변화 개념도이다.
(본 발명의 제1 실시형태)
이하, 본 발명의 제1 실시형태를 도 1에 기초하여 설명한다. 본 실시형태에서는, 해양 온도차 발전 장치에 적용한 예에 대하여 설명한다.
상기 도 1에 있어서 본 실시형태에 관한 증기 동력 사이클 시스템(10)은, 암모니아 및 물로 이루어지는 작동 유체와 상기 고온 유체로서의 온해수(溫海水)를 열교환시키고, 작동 유체를 승온시켜 그 일부를 증발시키는 증발기(11)와, 이 증발기(11)를 나온 작동 유체를 기상분과 액상분으로 분리하는 기액 분리기(12)와, 기액 분리기(12)에 의해 분리된 후의 기상의 작동 유체를 도입하여 동작하고, 작동 유체가 보유하는 열에너지를 동력으로 변환하는 상기 팽창기로서의 터빈(13)과, 이 터빈(13)을 나온 기상의 작동 유체를 상기 저온 유체로서의 차가운 심층 해수 등과 열교환시킴으로써 응축시켜 액상으로 하는 제1 및 제2의 각 응축기(14, 15)와, 응축기(14, 15)로부터 인출된 작동 유체를 증발기(11)에 이송하는 펌프(16)와, 기액 분리기(12)에 의해 분리된 후의 액상의 작동 유체를, 펌프(16)를 나와 증발기(11)를 향하는 작동 유체와 열교환시키는 재생기(17)와, 기액 분리기(12)를 나와 재생기(17)를 경유한 액상 작동 유체와 터빈(13)을 나온 작동 유체를 합류시키는 제1 및 제2의 각 혼합기(18, 19)를 구비하는 구성이다.
이 중, 터빈(13) 및 펌프(16)에 대하여는, 일반적인 증기 동력 사이클에서 사용되는 것과 마찬가지의 공지의 장치이므로, 설명을 생략한다.
이들 증기 동력 사이클 시스템(10)과 터빈(13)에 의해 구동되는 발전기(50)에 의해, 온도차 발전 장치가 구성된다. 상기 발전기(50)는, 공지의 터빈을 구동원으로 하는 발전에 사용되는 것과 마찬가지의 것이므로, 상세한 설명을 생략한다.
상기 증발기(11)는, 내부에 액상의 작동 유체와 고온 열원으로서의 고온 유체를 유통시켜, 이들 작동 유체와 고온 유체와의 사이에서 열교환을 행하게 하는 열교환기로서 공지의 구성이며, 상세한 설명을 생략한다. 이 증발기(11)의 작동 유체 입구측에는, 재생기(17)와 연통되는 유로가 접속되고, 재생기(17)에서의 열교환에 의해 가열된 작동 유체가 증발기(11)에 유입된다. 또한, 작동 유체 출구측에는 기액 분리기(12)와 연통되는 유로가 접속되어 있고, 증발기(11)에서의 열교환에 의해 가열된 작동 유체는 기액 분리기(12)에 도입된다.
상기 기액 분리기(12)는, 증발기(11)에서의 열교환에 의해 고온이며 또한 기액 2상 상태로 된 작동 유체를, 기상분과 액상분으로 나누는 공지의 장치이며, 상세한 설명을 생략한다. 작동 유체는, 이 기액 분리기(12) 내에서 기상분과 액상분으로 나누고, 터빈(13)의 입구측과 연통되는 유로를 통해 기상의 작동 유체가 터빈(13)으로 향하는 한편, 재생기(17)와 연통되는 유로를 통하여, 액상의 작동 유체가 재생기(17)를 향하게 된다.
상기 제1 혼합기(18)는, 터빈(13)의 출구, 제1 응축기(14)의 입구, 및 재생기(17)의 출구와 연통되고, 터빈(13)을 나온 기상의 작동 유체와 재생기(17)를 나온 액상의 작동 유체를 동시에 유입시켜 혼합 상태로 하고, 경우에 따라서는, 기상의 작동 유체의 일부를 액상의 작동 유체에 흡수시키는 것이다. 액상의 작동 유체와 기상인 채의 작동 유체는, 이 제1 혼합기(18)로부터 그대로 기액 2상 상태로 제1 응축기(14)를 향하는 구성이다.
상기 제2 혼합기(19)는, 터빈(13)의 출구, 및 제1 응축기(14)의 출구, 및 제2 응축기(15)의 입구와 연통되고, 터빈(13)을 나온 기상의 작동 유체와 제1 응축기(14)를 나온 액상의 작동 유체를 동시에 유입시켜 혼합 상태로 하고, 경우에 따라서는, 기상의 작동 유체의 일부를 액상의 작동 유체에 흡수시키는 것이다. 액상의 작동 유체와 기상인 채의 작동 유체는, 이 제2 혼합기(19)로부터 그대로 기액 2상 상태로 제2 응축기(15)를 향하는 구성이다.
상기 응축기(14, 15)는, 제1 응축기(14)와 제2 응축기(15)의 2개로 이루어지고, 이 중 제1 응축기(14)는, 제1 혼합기(18)와 연통되고, 기액 2상 상태로 되어 있는 작동 유체를 유입시키는 한편, 저온 열원으로서의 저온 유체도 유통시켜, 이들 작동 유체와 저온 유체와의 열교환을 행하게 하는 것이다.
또한, 제2 응축기(15)는, 제2 혼합기(19)를 나온 기액 2상 상태의 작동 유체를 유입시키는 한편, 저온 열원으로서의 소정의 저온 유체도 유통시켜, 이들 작동 유체와 저온 유체와의 열교환을 행하게 하는 것이다.
이들 제1 응축기(14) 및 제2 응축기(15)의 구성 자체는, 작동 유체와 저온 유체를 열교환시키는 공지의 열교환기이며, 상세한 설명을 생략한다.
제1 응축기(14)는, 제1 혼합기(18)를 나온 기상 및 액상의 작동 유체를 동시에 상기 저온 유체와 열교환시킴으로써, 액상의 작동 유체를 냉각시키는 동시에, 기상의 작동 유체를 응축시키는 구성으로 되어 있다.
제2 응축기(15)는, 제2 혼합기(19)를 나온 기상 및 액상의 작동 유체를 동시에 상기 저온 유체와 열교환시킴으로써, 액상의 작동 유체를 냉각시키는 동시에, 기상의 작동 유체를 응축시키는 구성으로 되어 있다.
이들 응축기(14, 15)는, 저온 열원으로 되는 저온 유체를 각각 공통으로 소정의 순서로 이용하도록 조합된다. 즉, 저온 유체에 대하여, 제2 응축기(15)를 거치고 나서 제1 응축기(14)를 향하는 순서로 되도록, 응축기(14, 15)에서의 저온 유체의 유로끼리가 직렬로 접속된다.
제2 응축기(15)의 후단측에는, 기상의 작동 유체의 응축된만큼도 가해진 모든 액상의 작동 유체를, 응축기(15)로부터 재생기(17) 및 증발기(11) 측을 향해 송출하는 펌프(16)가 설치된다.
상기 재생기(17)는, 제2 응축기(15)로부터 펌프(16)를 거쳐 증발기(11)에 유입되기 전의 낮은 온도의 작동 유체와, 기액 분리기(12)에 의해 기상의 작동 유체와 분리된 직후의 고온 액상의 작동 유체를 열교환시키는 열교환기이며, 상기 증발기(11)나 응축기(14, 15)와 마찬가지의 공지의 열교환기 구조로 되어 이루어지고, 상세한 설명은 생략한다.
이 재생기(17)에서는, 펌프(16) 측으로부터 도입되어 다른 쪽의 기액 분리기(12)를 나온 고온 액상 작동 유체와의 열교환에 의해 가열된 작동 유체가, 증발기(11)의 입구측으로 향하는 한편, 기액 분리기(12) 측으로부터 도입된 작동 유체는, 재생기(17)를 나온 후, 제1 혼합기(18)를 향하게 된다.
이 재생기(17)로부터 제1 혼합기(18)를 향하는 액상 작동 유체의 유로의 도중에는, 감압 장치(17a)가 설치되어 있고, 재생기(17)를 나온 액상의 작동 유체가, 감압 장치(17a)를 경유하여 압력이 저하된 후, 제1 혼합기(18) 내로 도입되는 구성이다. 그리고, 필요에 따라, 증기 동력 사이클 시스템(10)을 이루는 상기 각각의 장치의 사이에, 작동 유체를 가압하여 송출하는 보조용의 펌프를 설치하는 구성으로 할 수도 있다.
다음에 본 실시형태에 관한 증기 동력 사이클 시스템의 동작 상태에 대하여 설명한다. 전제로서, 고온 유체로서의 온해수를 증발기(11)에, 또한 저온 유체로서의 냉해수를 응축기(14, 15)에, 각각 열교환을 행하는 데 충분한 유량으로 계속적으로 도입하고 있는 것으로 한다.
증발기(11)에서는, 고온 유체로서 외부의 펌프(51)에 의해 가압되면서 도입되는 온해수와 작동 유체를 열교환시킨다. 이 열교환에 의해 가열된 작동 유체는, 승온에 따라 그 일부, 즉 주로 저비점의 암모니아가 증발함으로써 기액 2상 상태로 된다. 이 고온이며 또한 기액 2상 상태의 작동 유체가, 증발기(11)로부터 기액 분리기(12)에 도달한다.
기액 분리기(12) 내에서 고온의 작동 유체는 기상분과 액상분으로 분리되고, 기액 분리기(12)를 나온 고온 기상의 작동 유체는 터빈(13)를 향하는 유로를 진행하고, 또한 고온 액상의 작동 유체는 기액 분리기(12)로부터 재생기(17)를 향하는 유로를 진행한다. 재생기(17)를 거친 후, 액상의 작동 유체는 감압 장치(17a)를 경유하여, 제1 혼합기(18)에 도입되게 된다.
기액 분리기(12)를 나온 고온 기상의 작동 유체는, 저비점의 암모니아를 주성분(약 99%)으로 하는 것으로 되어 있고, 이 기상의 작동 유체가 터빈(13)에 도달하여 이것을 작동시키는 것으로 된다. 이 터빈(13)에 의해 발전기(50)가 구동되고, 열에너지가 사용 가능한 동력, 다시 전력으로 변환된다. 이와 같이 하여 터빈(13)에 의해 팽창하여 기능을 행한 기상 작동 유체는, 압력 및 온도이 저감된 상태로 된다.
그리고, 터빈(13)을 나온 기상의 작동 유체는, 터빈 출구의 후단측에서 2개로 분기된 유로를 각각 진행하여, 일부가 제1 혼합기(18)에 도입되고, 나머지가 제2 혼합기(19)에 도입된다.
한편, 기액 분리기(12)를 나온 고온 액상의 작동 유체는, 재생기(17)에 도입된다. 재생기(17)에서는, 이 기액 분리기(12)로부터 도입된 고온 액상의 작동 유체와, 펌프(16)로부터 증발기(11)를 향하는 액상의 작동 유체를 열교환시키고, 고온 측의 작동 유체가 보유하는 열을 회수하여 증발기(11)를 향하는 작동 유체를 승온시킨다. 그리고, 이 재생기(17)에서의 열교환에 의해 냉각된 기액 분리기(12)로부터의 액상 작동 유체는, 재생기(17)를 나온 후, 감압 장치(17a)를 거쳐 제1 혼합기(18)에 도입된다.
제1 혼합기(18)에서는, 터빈(13)으로부터 도입된 기상의 작동 유체가, 재생기(17)로부터 감압 장치(17a)를 거쳐 도입된 액상의 작동 유체와 접촉하여 혼합되고, 경우에 따라서는 일부의 기상의 작동 유체가 액상의 작동 유체에 흡수되어 액상으로 변화한다. 그리고, 기상인 채의 작동 유체는, 액상의 작동 유체와 함께 제1 응축기(14)를 향해 작동 유체는 기액 2상 상태로 응축기(14)에 도입되게 된다.
제1 응축기(14)에서는, 제1 혼합기(18)로부터 도입된 기액 2상 상태의 작동 유체가, 일단 제2 응축기(15)를 통과하고 나서 도입된 저온 유체로서의 냉해수와 열교환되고, 작동 유체 전체가 냉각되는 동안, 기상의 작동 유체가 열교환에 의한 냉각에 따라 응축되어 액상으로 된다. 이와 같이 하여 대략 액상으로 된 작동 유체는, 제1 응축기(14)로부터 외부로 배출되어 제2 혼합기(19)에 도달한다.
이 응축 시, 기상의 작동 유체 중, 비점이 높은 성분이 처음으로 응축되어 작동 유체 온도는 급격하게 변화되고, 그 후 등온 변화에 가까운 상태로 이행하여, 작동 유체 온도는, 이 제1 응축기(14)에서의 저온 유체의 출구 온도에 가까운 온도로 된다.
제2 혼합기(19)에는, 터빈(13)을 나온 기상 작동 유체의 일부가 도입되어 있고, 이 고온 기상의 작동 유체가, 제1 응축기(14)로부터 도입된 액상의 작동 유체와 접촉하여 혼합하고, 경우에 따라서는 일부의 기상 작동 유체가 액상의 작동 유체에 흡수되어 액상으로 변화한다.
그리고, 기상인 채의 작동 유체는, 액상의 작동 유체와 함께 제2 응축기(15)를 향하고, 작동 유체는 기액 2상 상태로 응축기(15)에 도입되게 된다.
이와 같이 하여, 제2 혼합기(19)와, 터빈(13)을 나온 암모니아 농도가 높은 기상 작동 유체의 일부를, 제1 응축기(14)로부터 도입된 액상의 작동 유체와 합류시키고 있으므로, 제2 응축기(15)에 도입되는 작동 유체의 암모니아 농도는, 제1 응축기(14)에서의 작동 유체의 그보다 높은 상태로 된다.
제2 응축기(15)에서는, 제2 혼합기(19)로부터 도입된 기액 2상 상태의 작동 유체가, 저온 유체로서 별도 도입된 온도가 낮은 냉해수와 열교환되고, 작동 유체 전체가 냉각되는 동안, 기상의 작동 유체가 열교환에 의한 냉각에 따라 응축되어 액상으로 변화하게 된다.
이 응축 시, 기상의 작동 유체 중, 비점이 높은 성분이 처음으로 응축되어 작동 유체 온도는 급격하게 변화되고, 그 후 등온 변화에 가까운 상태로 이행하여, 저온 유체의 응축기 출구 온도에 가까운 온도로 되지만, 이 제2 응축기(15)에서의 작동 유체의 암모니아 농도는, 제1 응축기(14) 내에서의 작동 유체보다 높아져 있고, 제2 응축기(15)에서의 작동 유체의 응축 온도는, 제1 응축기(14)에서의 작동 유체의 응축 온도보다 낮아진다. 이와 같이 하여, 2개의 응축기(14, 15)를 통과시킴으로써, 작동 유체 온도를 충분히 저하시켜, 저온 유체의 온도에 근접시킬 수 있다.
이와 같이 하여 대략 액상으로 된 작동 유체는, 제2 응축기(15)를 나온 후, 펌프(16)를 경유하여 가압된 후, 재생기(17)를 향해 진행하게 된다. 이 후, 작동 유체는 재생기(17)에 도입되어 재생기(17)에서 상기 기액 분리기(12)에 의해 분리된 후의 액상의 작동 유체와 열교환되어 승온된 후, 재생기(17)를 나와 증발기(11) 내로 복귀하고, 상기와 마찬가지로 증발기(11)에서의 열교환 이후의 각 과정을 반복하게 된다.
제2 응축기(15)와 제1 응축기(14)에서의 각각의 열교환에 연속 사용된 저온 유체로서의 해수는, 작동 유체로부터의 열을 받아 소정 온도까지 승온하고 있다. 이 해수는, 응축기(14)를 나온 후, 시스템 외부의 해중(海中) 등으로 배출된다. 마찬가지로, 증발기(11)에서의 작동 유체와의 열교환에 따라, 온도가 내린 고온 유체로서의 해수도, 증발기(11)를 나온 후, 시스템 외부의 해중 등으로 배출된다.
한편, 펌프(51, 52)의 동작에 따라, 새로운 해수가 증발기(11)나 응축기(14, 15)에서의 열교환에 제공되게 되어, 상기한 각 과정이 시스템의 사용 중인 동안, 즉 증기 동력 사이클 시스템(10)에 의해 사이클 동작을 계속하는 동안, 반복된다.
그리고, 고온 유체나 저온 유체가 극히 대량으로 존재하는 해수이므로, 열교환 후의 해수가 시스템 외부의 해중으로 확산된 후의, 해수 전체에 대한 열교환 후의 해수가 보유하는 열의 영향, 즉 확산 후의 해수 전체의 온도 변화는 거의 무시할 수 있어, 계속되는 열교환에 따라 증발기(11)나 응축기(14, 15)에 순차적으로 신규로 도입되는 해수에는 온도 변화는 생기고 있지 않고, 열교환 개시 당초와 같은 온도 조건 하에서 계속하여 열교환이 행해진다고 할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 관한 증기 동력 사이클 시스템에 있어서는, 작동 유체와 저온 유체를 열교환시키는 복수의 응축기(14, 15)를 직렬로 접속한 상태로 설치하는 동시에, 터빈(13)을 나온 기상 작동 유체를 각 응축기(14, 15)에 각각 도입하여, 응축을 행하게 함으로써, 혼합물 중 저비점 물질의 비율이 높아져 있는 기상 작동 유체를, 액상 작동 유체와 합류시켜 각 응축기(14, 15)에 도입함에 따라, 각 응축기(14, 15)마다 작동 유체에서의 혼합물의 구성비 비율을 변화시키게 되고, 후단측의 제2 응축기(15)와, 작동 유체의 저비점 물질의 비율을 높게 하여, 작동 유체의 응축 온도를 전단측의 제1 응축기(14)의 경우보다 낮게 할 수 있고, 작동 유체의 온도를 각 응축기(14, 15)마다 상이한 저온 유체의 온도에 각각 근접시키고, 작동 유체의 각 응축기 출구 온도를 순차적으로 내려, 작동 유체의 온도를 가능한 한 저온 유체 온도에 근접시킬 수 있어, 열원의 온도차를 효율적으로 이용하여 확실하게 사이클 열효율을 향상시키므로, 시스템의 성능이 높아진다.
그리고, 상기 실시형태에 관한 증기 동력 사이클 시스템에 있어서는, 2개의 응축기(14, 15)를 직렬로 접속하고, 작동 유체나 저온 유체를 공통으로 사용하는 2단 구성으로 하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 3단, 4단 등 다른 복수 단 구성으로 할 수도 있다. 그 경우도, 상기 실시형태와 마찬가지로, 터빈(13)을 나온 기상 작동 유체의 일부를, 터빈 출구를 지나는 작동 유체 유로로부터 인출하고, 각 응축기 사이에서, 전단의 응축기를 나온 각 단계의 작동 유체와 각각 합류시키도록 하여, 각 응축기로 기상 작동 유체를 응축시키게 된다. 응축기의 단수(段數)를 증가시킨 경우, 그 결과, 최종단의 응축기를 통과하여 온도 저하된 작동 유체의 온도를, 모든 응축기에서의 작동 유체와의 열교환을 종료하여 최대한으로 승온한 저온 유체의 온도보다 낮게 하는 상태를 실현할 수 있는 등, 복수의 응축기에 의해 작동 유체의 온도를 내려 가능한 한 저온 유체 온도에 근접시킬 수 있어, 사이클 열효율을 한층 더 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 실시형태에 관한 증기 동력 사이클 시스템에 있어서는, 기액 분리기(22)에 의해 기상분과 분리된 액상 작동 유체를, 터빈(13)을 나온 기상 작동 유체와 혼합기(18)에 있어서 합류시키는, 이른바 칼리나 사이클을 기본으로, 응축기(14, 15)를 2개 설치하는 동시에, 각 응축기(14, 15) 사이를 흐르는 작동 유체에 터빈(13)을 나온 기상 작동 유체의 일부를 각각 합류시키는 구성을 조합한 사이클 구성으로 하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 응축기를 복수 설치하고, 각 응축기 사이를 흐르는 작동 유체에 팽창기를 나온 기상 작동 유체의 일부를 각각 합류시키는 구조이면, 비공비 혼합물을 작동 유체로서 사용하는 다른 증기 동력 사이클에도 적용할 수 있고, 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 2개의 터빈(13a, 13b)의 중간에서 추기(抽氣; extraction)한 기상 작동 유체를, 응축기(15)를 거친 액상 작동 유체와 가열기(40)에 의해 열교환시키는 구성의, 이른바 웨하라 사이클을 기본으로 한 사이클 구성으로 할 수도 있어, 상기 실시형태와 마찬가지로, 복수의 응축기(14, 15)와 작동 유체의 온도를 내려 가능한 한 저온 유체 온도에 근접시킬 수 있어, 사이클 열효율의 향상이 도모된다.
(본 발명의 제2 실시형태)
본 발명의 제2 실시형태를 도 3에 기초하여 설명한다.
상기 도 3에 있어서 본 실시형태에 관한 증기 동력 사이클 시스템(20)은, 상기 제1 실시형태 마찬가지로, 기액 분리기(22)와, 터빈(23)과, 응축기(24, 25)와, 펌프(26)와, 재생기(27)와, 혼합기(28, 29)를 구비하는 한편, 상이한 점으로서, 2개의 증발기(21a, 21b)를 설치하고, 기액 분리기(22)에 의해 분리된 액상의 작동 유체의 일부를, 작동 유체를 유통시키는 순서가 뒤로 되는 제2 증발기(21b)를 향하는 작동 유체와 합류시켜, 제2 증발기(21b)에 도입하는 구성을 가지는 것이다.
이 본 실시형태의 증기 동력 사이클 시스템(20)과, 터빈(23)에 의해 구동되는 발전기(50)에 의해, 상기 제1 실시형태 마찬가지로, 온도차 발전 장치를 구성하게 된다. 그리고, 상기 터빈(23), 응축기(24, 25), 펌프(26), 재생기(27), 및 혼합기(28, 29)는, 상기 제1 실시형태 동일한 구성이므로, 설명을 생략한다.
또한, 증기 동력 사이클 시스템(20)에서의, 고온 유체나 저온 유체의 유로끼리의 접속은, 상기 제1 실시형태와 마찬가지로, 저온 유체는 제2 응축기(25)로부터 제1 응축기(24)에 흐르는 순서 설정으로 되는 한편, 고온 유체에 대하여는, 제2 증발기(21b)로부터 제1 증발기(21a)에 흐르는 순서 설정으로 되는 구성이다.
상기 제1 증발기(21a)는, 내부에 작동 유체와 상기 고온 유체로서의 온해수를 유통시키고, 이들 작동 유체와 고온 유체를 열교환시키고, 작동 유체를 승온시켜 그 일부를 증발시켜, 기상의 작동 유체를 얻는 것이며, 그 구성은 상기 제1 실시형태에서의 증발기(11)나 응축기(14, 15)와 마찬가지의 공지의 열교환기 구조로 되어 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.
이 제1 증발기(21a)의 작동 유체 입구측에는, 재생기(27)와 연통되는 유로가 접속되고, 재생기(27)에서의 열교환에 의해 가열된 작동 유체가 증발기(21a)에 유입된다. 또한, 작동 유체 출구측에는 제2 증발기(21b)와 연통되는 유로가 접속되어 있고, 제1 증발기(21a)에서의 열교환에 의해 가열된 작동 유체는 제2 증발기(21b)에 도입된다.
상기 제2 증발기(21b)는, 제1 증발기(21a)와 마찬가지로, 내부에 액상의 작동 유체와 상기 고온 유체로서의 온해수를 유통시키고, 이들 작동 유체와 고온 유체를 열교환시키고, 작동 유체를 승온시켜 그 일부를 증발시켜, 기상의 작동 유체를 얻는 것이며, 그 구성은 상기 제1 증발기(21a)와 마찬가지의 공지의 열교환기 구조로 되어 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.
이 제2 증발기(21b)의 작동 유체 입구측에는, 제1 증발기(21a) 외에, 기액 분리기(22)에서의 액상 작동 유체의 출구와 연통되는 유로가 접속되고, 또한 작동 유체 출구측에는, 기액 분리기(22)의 입구와 연통되는 유로가 접속되어 있고, 제1 증발기(21a)를 나온 작동 유체와 기액 분리기(22)를 나온 작동 유체가 합류되고, 이들 작동 유체가 제2 증발기(21b)에서의 열교환에 의해 가열된 후, 기액 분리기(22)에 도달하는 구성이다.
상기 기액 분리기(22)는, 상기 제1 실시형태 마찬가지로, 증발기(21)에서 온해수와의 열교환을 거치고, 고온이며 또한 기액 2상 상태로 된 작동 유체를, 기상분과 액상분으로 나누는 공지의 장치이며, 상세한 설명을 생략한다. 작동 유체는, 이 기액 분리기(22) 내에서 기상분과 액상분으로 분리되고, 터빈(23)의 입구측과 연통되는 관로(管路)를 통해 기상의 작동 유체가 터빈(23)으로 향한다.
한편, 액상의 작동 유체의 일부는, 기액 분리기(22)의 액상 작동 유체 출구측과, 제2 증발기(21b)의 입구측을 연통시키는 유로를 거쳐, 제2 증발기(21b)의 입구측을 향해 제1 증발기(21a)로부터 제2 증발기(21b)를 향하는 작동 유체와 합류하여, 제2 증발기(21b)에 유입되게 된다. 그리고, 액상 작동 유체의 타부(他部)는, 재생기(27)와 연통되는 유로를 통하여, 재생기(27)를 향하게 된다.
다음에 본 실시형태에 관한 증기 동력 사이클 시스템의 동작 상태에 대하여 설명한다. 전제로서, 고온 유체로서의 온해수를 증발기(21a, 21b)에, 또한 저온 유체로서의 냉해수를 응축기(24, 25)에, 각각 열교환을 행하는 데 충분한 유량으로 계속적으로 도입하고 있는 것으로 한다.
제1 증발기(21a)에서는, 고온 유체로서, 일단 제2 증발기(21b)를 통과한 후의 고온 유체로서의 온해수와 재생기(27)에 통하는 작동 유체의 유로로부터 도입되는 모든 액상의 작동 유체를 열교환시킨다. 이 열교환에 의해 가열된 작동 유체가, 승온에 따라 그 일부, 즉 주로 저비점의 암모니아를 증발시켜 기상으로 된다.
이 제1 증발기(21a)와 승온하여 기액 2상 상태로 된 작동 유체는, 증발기(21a)를 나온 후, 기액 분리기(22)에 의해 분리된 고온 액상의 작동 유체의 일부와 합류한 다음, 제2 증발기(21b)에 도입된다.
이와 같이 하여, 기액 분리기(22)에 의해 분리된 액상 작동 유체, 즉 고비등점 물질인 물의 비율이 높은 액상 작동 유체의 일부를, 제1 증발기(21a)를 나온 작동 유체와 합류시키고 있으므로, 제2 증발기(21b)에 도입되는 작동 유체에서의 물의 비율은, 제1 증발기(21a)에서의 작동 유체의 그보다 높은 상태로 된다.
제2 증발기(21b)에서는, 제1 증발기(21a)를 나온 기액 2상 상태의 작동 유체, 및 기액 분리기(22)에 의해 분리된 고온 액상의 작동 유체의 일부를 맞춘 것과, 고온 유체로서 외부의 펌프(51)로 가압되면서 도입되는 온해수를 열교환시키고, 이 열교환에 의해 가열된 작동 유체는, 승온에 따라 액상분의 일부를 다시 증발시키게 된다.
이 증발 시, 액상의 작동 유체 중, 비점이 낮은 성분이 처음으로 증발하여 작동 유체 온도는 급격하게 변화되고, 그 후 등온 변화에 가까운 상태로 이행하여, 고온 유체의 증발기 출구 온도에 가까운 온도로 되지만, 이 제2 증발기(21b)에서의 작동 유체에서의 물의 비율은, 제1 증발기(21a) 내에서의 작동 유체보다 높아져 있고, 제2 증발기(21b)에서의 작동 유체의 증발 온도는, 제1 증발기(21a)에서의 작동 유체의 증발 온도보다 높아진다. 이와 같이 하여, 2개의 증발기(21a, 21b)를 통과시킴으로써, 작동 유체 온도를 충분히 상승시켜, 고온 유체의 온도에 근접시킬 수 있다.
제2 증발기(21b)에서의 승온을 거쳐, 고온으로 기액 2상 상태로 된 작동 유체는, 제2 증발기(21b)로부터 나와, 기액 분리기(22)에 도달한다. 기액 분리기(22) 내에서 고온의 작동 유체는 기상분과 액상분으로 분리되고, 기액 분리기(22)를 나온 고온 기상의 작동 유체는 터빈(23)으로 향한다. 또한, 고온 액상의 작동 유체는 기액 분리기(22)로부터 재생기(27)를 향하지만, 액상 작동 유체의 일부는, 재생기(27)를 향하는 것으로 나누어지고, 기액 분리기(22)로부터 제2 증발기(21b)의 입구측으로 향하는 관로를 진행하여, 제1 증발기(21a)로부터 나온 작동 유체와 함께 제2 증발기(21b)에 도입되게 된다.
기액 분리기(22)를 나와 터빈(23)에 도달한 고온 기상의 작동 유체는, 이 터빈(23)을 작동시키고, 이 터빈(23)에 의해 발전기(50)가 구동되고, 열에너지가 사용 가능한 동력, 다시 전력으로 변환된다. 이와 같이 하여 터빈(23)에 의해 팽창되어 기능을 행한 기상 작동 유체는, 압력 및 온도가 저감된 상태로 된다. 그리고, 터빈(23)을 나온 기상의 작동 유체는, 상기 제1 실시형태 마찬가지로, 제1 혼합기(28) 및 제2 혼합기(29)에 각각 도입된다.
한편, 기액 분리기(22)를 나온 고온 액상의 작동 유체는, 재생기(27)에 도입된다. 재생기(27)에서는, 이 기액 분리기(22)로부터 도입된 고온 액상의 작동 유체와 펌프(26)로부터 제1 증발기(21a)를 향하는 도중의 액상 작동 유체를 열교환시키고, 고온 측의 작동 유체가 보유하는 열을 회수하여 증발기(21a)를 향하는 작동 유체를 승온시킨다. 그리고, 이 재생기(27)에서의 열교환에 의해 냉각된 기액 분리기(22)로부터의 액상 작동 유체는, 재생기(27)를 나온 후, 감압 장치(27a)를 경유하여 제1 혼합기(28)에 도입된다.
제1 혼합기(28)에서는, 상기 제1 실시형태 마찬가지로, 터빈(23)으로부터 도입된 기상의 작동 유체가, 재생기(27)로부터 감압 장치(27a)를 거쳐 도입된 액상의 작동 유체와 접촉하여 혼합되고, 경우에 따라서는 일부의 기상 작동 유체가 액상 작동 유체에 흡수되어 액상으로 변화한다. 그리고, 기상인 채의 작동 유체는, 액상의 작동 유체와 함께 제1 응축기(24)를 향해 작동 유체는 기액 2상 상태로 제1 응축기(24)에 도입된다.
제1 응축기(24)에서는, 제1 혼합기(28)로부터 도입된 기액 2상 상태의 작동 유체가, 일단 제2 응축기(25)를 통과하고 나서 도입된 저온 유체로서의 냉해수와 열교환되고, 작동 유체 전체가 냉각되는 동안, 기상의 작동 유체가 열교환에 의한 냉각에 따라 응축되어 액상으로 된다. 이와 같이 하여 대략 액상으로 된 작동 유체는, 제1 응축기(24)로부터 외부로 배출되어 제2 혼합기(29)에 도달한다.
이 응축 시, 기상의 작동 유체 중, 비점이 높은 성분이 처음으로 응축되어 작동 유체 온도는 급격하게 변화되고, 그 후 등온 변화에 가까운 상태로 이행하여, 작동 유체 온도는, 이 제1 응축기(24)에서의 저온 유체의 출구 온도에 가까운 온도로 된다.
제2 혼합기(29)에는, 상기 제1 실시형태 마찬가지로, 터빈(23)을 나온 기상 작동 유체의 일부가 도입되어 있고, 이 기상의 작동 유체와 제1 응축기(24)로부터 도입된 액상의 작동 유체가 접촉하여 혼합되고, 경우에 따라서는 일부의 기상 작동 유체가 액상 작동 유체에 흡수되어 액상으로 변화한다. 그리고, 기상인 채의 작동 유체는, 액상의 작동 유체와 함께 제2 응축기(25)를 향하고, 작동 유체는 기액 2상 상태로 응축기(25)에 도입된다.
상기 제1 실시형태 마찬가지로, 제2 혼합기(29)와, 터빈(23)을 나온 암모니아 농도가 높은 기상 작동 유체의 일부를, 제1 응축기(24)로부터 도입된 액상의 작동 유체와 합류시키고 있으므로, 제2 응축기(25)에 도입되는 작동 유체의 암모니아 농도는, 제1 응축기(24)에서의 작동 유체의 그보다 높은 상태로 된다.
제2 응축기(25)에서는, 제2 혼합기(29)로부터 도입된 기액 2상 상태의 작동 유체가, 저온 유체로서 별도 도입된 온도가 낮은 냉해수와 열교환되고, 작동 유체 전체가 냉각되는 동안, 기상의 작동 유체가 열교환에 의한 냉각에 따라 응축되어 액상으로 변화한다.
이 응축 시, 기상의 작동 유체 중, 비점이 높은 성분이 처음으로 응축되어 작동 유체 온도는 급격하게 변화되고, 그 후 등온 변화에 가까운 상태로 이행하여, 저온 유체의 응축기 출구 온도에 가까운 온도로 되지만, 이 제2 응축기(25)에서의 작동 유체의 암모니아 농도는, 제1 응축기(24) 내에서의 작동 유체보다 높아져 있고, 제2 응축기(25)에서의 작동 유체의 응축 온도는, 제1 응축기(24)에서의 작동 유체의 응축 온도보다 낮아진다. 이와 같이 하여, 2개의 응축기(24, 25)를 통과시킴으로써, 작동 유체 온도를 충분히 저하시켜, 저온 유체의 온도에 근접시킬 수 있다.
이와 같이 하여 대략 액상으로 된 작동 유체는, 제2 응축기(25)를 나온 후, 펌프(26)를 경유하여 가압된 후, 재생기(27)를 향해 진행하게 된다. 이 후, 작동 유체는 재생기(27)에 도입되어, 재생기(27)에 의해 상기 기액 분리기(22)에 의해 분리된 후의 액상의 작동 유체와 열교환하여 승온된 후, 재생기(27)를 나와 제1 증발기(21a) 내로 복귀하고, 상기와 마찬가지로 제1 증발기(21a)에서의 열교환 이후의 각 과정을 반복하게 된다.
이와 같이, 본 실시형태에 관한 증기 동력 사이클 시스템에 있어서는, 작동 유체와 고온 열원으로서의 고온 유체를 열교환시키는 복수의 증발기(21a, 21b)를 직렬로 접속한 상태로 설치하는 동시에, 기액 분리기(22)에 의해 기상의 작동 유체와 분리된 후의 액상의 작동 유체를, 각 증발기(21a, 21b) 사이를 유통하는 작동 유체에 합류시킴으로써, 혼합물 중 고비등점 물질인 물의 비율이 높아져 있는 액상 작동 유체를, 제1 증발기(21a)를 나온 작동 유체와 합류시켜 제2 증발기(21b)에 도입함에 따라, 각 증발기(21a, 21b)마다 작동 유체에서의 혼합물의 구성비 비율을 변화시키게 되고, 후단측의 제2 증발기(21b)와, 작동 유체의 고비등점 물질의 비율을 높게 하여, 작동 유체의 증발 온도를 전단측의 제1 증발기(21a)의 경우보다 높게 할 수 있어, 작동 유체의 온도를 각 증발기(21a, 21b)마다 상이한 고온 유체의 온도에 각각 근접시키고, 작동 유체의 각 증발기 출구 온도를 순차적으로 높여, 작동 유체의 온도를 가능한 한 고온 유체 온도에 근접시킬 수 있어, 사이클 열효율의 새로운 향상이 도모된다.
그리고, 상기 실시형태에 관한 증기 동력 사이클 시스템에 있어서는, 복수의 증발기(21a, 21b)와 복수의 응축기(24, 25)를 각각 설치하는 구성으로 하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 도 4에 나타낸 바와 같이, 증발기를 복수 설치하는 한편, 응축기는 일반적인 증기 동력 사이클 마찬가지로 1개만 설치하는 구성으로 해도 상관없다. 그리고, 이러한 증발기를 복수 설치하고, 각 증발기 사이를 흐르는 작동 유체에 기액 분리기에 의해 기상분과 분리된 액상 작동 유체의 일부를 각각 합류시키는 구조이면, 시스템의 다른 부분은, 비공비 혼합물을 작동 유체로서 사용하는, 이른바 칼리나 사이클이나 웨하라 사이클 등의 증기 동력 사이클을 기본으로 한 구성으로 할 수도 있어, 상기 실시형태 마찬가지로, 복수의 증발기에 의해 작동 유체의 온도를 높여 가능한 한 고온 유체 온도에 근접시킬 수 있어, 사이클 열효율의 향상이 도모된다.
[실시예]
본 발명에 관한 증기 동력 사이클 시스템에 대하여, 열이 출입하는 양이나 압력 등의 조건을 사용하여 열효율을 구하고, 얻어진 결과에 대하여, 비교예로서의 종래의 증기 동력 사이클의 결과와 비교 평가했다.
먼저, 실시예로서, 상기 제1 실시형태와 동일한 증기 동력 사이클 시스템, 즉 작동 유체를 암모니아와 물과의 혼합물로 하고, 2단으로 설치한 응축기의 각각에 터빈으로부터 나온 기상 작동 유체를 도입하는 구성으로서, 각 응축기에 의해 기상과 액상의 작동 유체를 저온 유체와 열교환시키는 것에 대하여, 열효율 등의 값을 산출하였다. 계산에 있어서는, 도 1 중에 나타낸 바와 같이, 사이클의 각 점(1∼12)에서의 작동 유체의 압력이나 온도 등의 상태를 나타낸 각종 물성값을, 증발기나 응축기 등의 열교환기의 전열(轉熱) 성능, 열원으로 되는 고온 유체나 저온 유체의 온도 조건 등, 현실의 환경에 기초한 가정 값을 사용하여 산출한 후, 사이클의 이론 열효율의 값을 계산하여 구하게 된다.
이 실시예의 증기 동력 사이클에 관한 주요한 조건으로서, 작동 유체에 암모니아와 물을 중량비로 95:5의 비율, 즉 암모니아/물의 질량분율을 0.95 kg/kg으로 한 혼합물을 사용하고, 증발기에서의 고온 유체 측의 입구 온도 TWSi는 30℃, 출구 온도 TWSo는 26℃로 하였다. 또한, 응축기군에서의 저온 유체 측의 입구 온도는 TCSi는 8℃, 출구 온도 TCSo는 11℃로 하였다.
또한, 증기 동력 사이클에서의 다른 조건으로서, 고온 유체 유량을 400 t/h, 저온 유체 유량을 400 t/h, 작동 유체 유량을 140 t/h, 증발기 전열 성능을 20000 kW/K, 응축기 전열 성능(총합 값)을 20000 kW/K, 재생기 전열 성능을 150 kW/K 라고 설정하고 있다.
또한, 기액 분리기(12)와 기상분 (유량 88.3 t/h, 전체의 63.1%)과 분리되는 작동 유체의 액상분은 작동 유체 전체의 36.9%이다. 한편, 터빈(13)을 나온 기상 작동 유체 중 71.2%가, 제1 혼합기(18)를 향하고, 나머지(유량 25.4 t/h)의 기상 작동 유체가 제2 혼합기(19)를 향하게 된다.
이러한 조건에 기초하여, 사이클의 각 점(1∼12)에서의 작동 유체의 압력 P, 온도 T, 암모니아 질량분율 Y, 비용적(比容積) V, 비(比)엔탈피 h, 비(比)엔트로피 s, 건조도 x의 각 값을 산출한 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
또한, 비교예 1에서, 본 발명에 관한 상기 구성 중, 제2 혼합기 및 제2 응축기를 이용하지 않고, 터빈을 나온 기상 작동 유체의 전량을 제1 혼합기(18)를 향하게 하는, 이른바 칼리나 사이클에 상당하는, 종래 공지의 증기 동력 사이클 장치(도 5 참조)에 대하여, 상기 실시예와 마찬가지로, 도 5 중에 나타낸 사이클의 각 점(1∼10)에서의 작동 유체의 압력이나 온도 등의 상태를 구하고, 또한 사이클의 이론 열효율을 얻었다.
또한, 비교예 2에서, 종래의 터빈 중간에서 추기한 기상 작동 유체를, 응축기를 거친 액상 작동 유체와 열교환시키는 구성의, 이른바 웨하라 사이클에 상당하는, 증기 동력 사이클 장치(도 6 참조)에 대해서도, 상기 실시예와 마찬가지로, 도 6 중에 나타낸 사이클의 각 점(1∼15)에서의 작동 유체의 압력이나 온도 등의 상태를 구하고, 또한 사이클의 이론 열효율을 얻었다.
그리고, 암모니아의 질량분율, 고온 유체나 저온 유체의 온도 조건, 증발기나 응축기 등의 열교환기의 전열성능 등의 조건에 대하여는, 특기하지 않는 한, 상기 본 발명에 관한 시스템의 설정값과 같다.
상이한 조건으로서, 기액 분리기에 의해 액상분과 분리되어 터빈으로 향하는 작동 유체의 유량은, 비교예 1에서는 87.3 t/h(작동 유체 전체의 62.4%), 비교예 2에서는 90.3 t/h(작동 유체 전체의 64.5%)로 하고 있다.
또한, 비교예 2에서는, 터빈에 도입된 기상 작동 유체 중, 추기되어 가열기를 향하는 유량은, 0.364 t/h(터빈 유입 분의 0.403%, 작동 유체 전체의 0.26%)이다. 부가하여, 가열기 전열 성능을 30 kW/K로 하고 있다.
이러한 조건에 기초하여, 각각의 비교예의 증기 동력 사이클의 각 점(도 5, 도 6 참조)에서의 작동 유체의 압력 P, 온도 T, 암모니아 질량분율 Y, 비용적 V, 비엔탈피 h, 비엔트로피 s, 건조도 x의 각 값을 산출한 결과를, 비교예 1의 것을 표 2, 비교예 2의 것을 표 3에 각각 나타낸다.
Figure pct00002
Figure pct00003
상기 표 1에 나타낸 사이클 시스템의 각각의 점에서의 작동 유체 상태로부터, 실시예의 사이클의 열효율 ηth는,
ηth= (WT-WPWF)/QE
여기서 , 터빈 출력 WT= mWFT(h6-h10)= 88.3×103(1495.6×103-1448.6×103)/3600= 4150.1×106/3600
또한, 펌프 동력 WPWF= mWF(h3-h2)= 140×103(223.1×103-222.6×103)/3600= 70×106/3600
또한, 증발기 열교환량 QE= mWF(h5-h4)= 140×103(1028.1×103-243.5×103)/3600= 109844×106/3600
으로부터,
ηth= (WT-WPWF)/QE= (4150.1-70)/109844= 0.0371
따라서, 실시예의 사이클 열효율은 3.71%이다.
다음에 상기 표 2에 나타낸 사이클 시스템의 각각의 점에서의 작동 유체 상태로부터, 비교예 1의 사이클의 열효율 ηth는,
ηth= (WT-WPWF)/QE
여기서, 터빈 출력 WT= mWFT(h6-h10)= 87.3×103(1495.4×103-1451.7×103)/3600= 3815×106/3600
또한, 펌프 동력 WPWF=mWF(h3-h2)=140×103(227.3×103-226.8×103)/3600=70×106/3600
또한, 증발기 열교환량 QE= mWF(h5-h4)= 140×103(1019.5×103-246.7×103)/3600= 108192×106/3600
으로부터,
ηth= (WT-WPWF)/QE= (3815-70)/108192= 0.0346
따라서, 비교예 1의 사이클 열효율은 3.46%이다.
이어서, 상기 표 3에 나타낸 사이클 시스템의 각각의 점에서의 작동 유체 상태로부터, 비교예 2의 사이클의 열효율 ηth는,
ηth= (WT-WPWF)/QE
여기서, 터빈 출력 WT= WT1＋WT2= mWFTξ(h6-h11)＋mWFT(ξ-x)(h11-h10)= 90.3×103(1496.1×103-1476.5×103)/3600＋(90.3-0.364)×103(1476.5×103-1454×103)/3600= (1769.9＋2023.6)×106/3600= 3793.5×106/3600
또한, 펌프 동력 WPWF= WPWF1＋WPWF2= mWF(1-x)(h13-h2)＋mWFx(h15-h12)= (140-0.364)×103(228.0×103-227.6×103)/3600＋0.364×103(282.7×103-282.5×103)/3600= 55.9×106/3600
또한, 증발기 열교환량 QE= mWF(h5-h4)= 140×103(1045.4×103-248.8×103)/3600= 111524×106/3600
으로부터,
ηth= (WT-WPWF)/QE= (3793.5-55.9)/111524= 0.0335
따라서, 비교예 2의 사이클 열효율은 3.35%이다.
이와 같이 하여, 상기 실시예 및 각각의 비교예에 대하여, 열효율을 산출한 결과로부터, 실시예 1의 증기 동력 사이클 시스템에서는, 종래의 암모니아와 물의 혼합물을 작동 유체로 하는 증기 동력 사이클보다 열효율이 향상되어 있는 것이 명백해지고 있다.
이상으로부터, 실시예의 증기 동력 사이클 시스템에서는, 복수의 응축기로 각각 터빈을 나온 기상 작동 유체를 응축시켜, 최종단의 응축기 출구에서의 작동 유체의 온도 및 압력을 저하시킴으로써, 사이클의 열효율 향상이 도모되고, 열원인 고온 유체와 저온 유체의 온도차를 더욱 유효하게 이용할 수 있는 것을 알 수 있다.
10, 20: 증기 동력 사이클 시스템
11, 21a, 21b: 증발기
12, 22: 기액 분리기
13, 23: 터빈
13a, 13b: 터빈
14, 15, 24, 25: 응축기
16, 26: 펌프
17, 27: 재생기
18, 19, 28, 29: 혼합기
40: 가열기
50: 발전기
51, 52: 펌프

Claims (3)

  1. 비공비(非共沸) 혼합물인 작동 유체(流體)를 소정의 고온 유체와 열교환시키고, 상기 작동 유체 중 적어도 일부를 증발시키는 증발기;
    상기 증발기에 의해 얻어진 고온의 작동 유체를 기상분(氣相分)과 액상분(液相分)으로 분리하는 기액(氣液) 분리기;
    상기 작동 유체 중 기상분을 도입하여 유체가 보유하는 열에너지를 동력으로 변환하는 팽창기;
    상기 팽창기를 나온 기상의 작동 유체를 상기 기액 분리기를 나온 액상의 작동 유체와 함께 소정의 저온 유체와 열교환시키고, 기상분을 응축시키는 응축기; 및
    상기 응축기를 나온 작동 유체를 상기 증발기를 향해 압송(押送)하는 펌프;
    를 적어도 포함하는 증기 동력 사이클 시스템에 있어서,
    상기 응축기가, 복수 설치되는 동시에, 각각의 응축기에서의 작동 유체 측의 유로가 직렬로 접속되고, 또한 각각의 응축기에서의 저온 유체 측의 유로가 직렬로 접속되고, 상기 작동 유체가 복수의 응축기를 통과하는 순서와는 역순으로 저온 유체가 각 응축기를 통과하는 유로 설정으로 되어 이루어지고,
    상기 팽창기를 나온 기상 작동 유체의 일부를, 상기 팽창기의 출구를 지나는 작동 유체 유로로부터 인출하고, 각 응축기 사이에서, 전단(前段)의 응축기를 나온 각 단계의 작동 유체와 각각 합류시키고,
    상기 작동 유체의 유로 상에서 상기 팽창기의 출구에 가장 가까운 최전단(最前段)의 응축기에 의해 기상 작동 유체를 응축시키는 동시에, 상기 최전단의 응축기를 제외한 각 응축기로도 상기 합류분의 기상 작동 유체를 응축시키는,
    증기 동력 사이클 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증발기가, 복수 설치되는 동시에, 각각의 증발기에서의 작동 유체 측의 유로가 직렬로 접속되고, 또한 각각의 증발기에서의 고온 유체 측의 유로가 직렬로 접속되고, 상기 작동 유체가 복수의 증발기를 통과하는 순서와는 역순으로 고온 유체가 각 증발기를 통과하는 유로 설정으로 되어 이루어지고,
    상기 기액 분리기에 의해 기상의 작동 유체와 분리된 액상의 작동 유체의 일부를, 상기 기액 분리기의 출구를 지나는 액상 작동 유체 유로로부터 인출하고, 각 증발기 사이에서, 전단의 증발기를 나온 각 단계의 작동 유체와 각각 합류시키고, 혼합 상태의 작동 유체를, 작동 유체의 유로 상에서 상기 펌프 출구에 가장 가까운 최전단의 증발기를 제외한 각 증발기에 의해 승온(昇溫)시키는, 증기 동력 사이클 시스템.
  3. 비공비 혼합물인 작동 유체를 소정의 고온 유체와 열교환시키고, 상기 작동 유체 중 적어도 일부를 증발시키는 증발기;
    상기 증발기에 의해 얻어진 고온의 작동 유체를 기상분과 액상분으로 분리하는 기액 분리기;
    상기 작동 유체 중 기상분을 도입하여 유체가 보유하는 열에너지를 동력으로 변환하는 팽창기;
    상기 팽창기를 나온 기상의 작동 유체를 상기 기액 분리기를 나온 액상의 작동 유체와 함께 소정의 저온 유체와 열교환시키고, 기상분을 응축시키는 응축기; 및
    상기 응축기를 나온 작동 유체를 상기 증발기를 향해 압송하는 펌프;
    를 적어도 포함하는 증기 동력 사이클 시스템에 있어서,
    상기 증발기가, 복수 설치되는 동시에, 각각의 증발기에서의 작동 유체 측의 유로가 직렬로 접속되고, 또한 각각의 증발기에서의 고온 유체 측의 유로가 직렬로 접속되고, 작동 유체가 복수의 증발기를 통과하는 순서와는 역순으로 고온 유체가 각 증발기를 통과하는 유로 설정으로 되어 이루어지고,
    상기 기액 분리기에 의해 기상의 작동 유체와 분리된 액상의 작동 유체의 일부를, 기액 분리기의 출구를 지나는 액상 작동 유체 유로로부터 인출하고, 각 증발기 사이에서, 전단의 증발기를 나온 각 단계의 작동 유체와 각각 합류시키고, 혼합 상태의 작동 유체를, 작동 유체의 유로 상에서 상기 펌프 출구에 가장 가까운 최전단의 증발기를 제외한 각 증발기에 의해 승온시키는,
    증기 동력 사이클 시스템.
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