KR20140062394A - 더운 바람이 없는 초저온 냉동기 - Google Patents

Abstract

비열이 큰 영구기체의 액을 이용하여 액의 냉열 이용 가능 열량이 액과 증기로 분리된 건증기의 압축 냉각 필요 열량보다 적어지는 자연현상을 이용하여 대기나 바다가 지닌 열을 출력으로 창출되어지고 이 과정에서 초저온 공기가 열교환 되어 나옴으로써 더운 바람이 나오지 않는 초저온 냉동기이다.

Description

더운 바람이 없는 초저온 냉동기{Not Hot Air Temperature decrease cycle equipment}

열 공학

열기관 사이클은 크게 내연기관과 외연기관으로 구분할 수 있으며 외연기관의 경우에는 작동 매체를 필요로 한다. 지금까지 외연기관에서의 작동 매체로써는 랭킨 사이클에서 물이 이용되는 경우가 많고, 간혹 공기를 작동 매체로 사용하는 경우도 있으나 이는 효율이 극히 낮아 출력을 발생시키는 장치로써는 거의 사용하지 않고 있다. 또한 공기 사이클 또는 증기 사이클을 이용하여 지금까지는 여열 폐열 등을 이용한 비교적 저온의 열원을 이용한 열 사이클 기관의 구성 및 대기나 바다가 태양으로부터 얻어져 있는 즉, 지구의 온도를 이용한 열기관 사이클을 구성 할 수 없었다. 물론 열역학 제2법칙의 위배로 판단될 수 있겠으나 열역학 제2법칙은 경험적 법칙으로써 모순이 많으며 수정되어져야 한다. (출원서 10-2005-0117887 참조) 또한 냉동기에서의 냉매도 큰 분류로써 본다면 매체 작동 사이클로 분류할 수 있을 것이다. 본 발명의 공기 사이클은 연료를 직접 연소하여 열 사이클 기관을 구성할 수 있을 뿐만 아니라 여열,폐열 대기나 바다가 가진 열량 등을 이용한 비교적 저온의 열원을 이용한 열 사이클 기관의 구성이 가능하다.

일반적으로 열 사이클 기관에 있어서는 공기를 압축 시 냉각 량이 부족하거나 또는 냉각시키지 않음으로 압축 소요 동력이 증가하며 또한 팽창 행정, 팽창기 등에 있어서는 팽창 시 오히려 냉각함으로써 팽창동력의 감소를 가져온다.

그러므로 지금까지 공기를 매체로 한 사이클 기관을 구성할 수 없거나 또는 매우 효율이 낮아 사실상 공기만의 사이클 기관의 구성이 곤란하였다.

그러므로 주로 온도가 낮은 폐열, 여열, 대기나 바다가 태양으로부터 얻어지 열량 등을 이용한 공기 사이클 기관을 구성할 수 없었을 뿐만 아니라 또는 공기를 작동 매체로 하는 열 사이클 기관을 열공학 이론과는 달리 실제로 구성하기가 곤란 하였다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하고 공기만의 열 사이클 기관이 가능토록 하여 사이클 효율을 매우 증가시키며 , 공기를 작동 매체로 하는 외연소기관을 구성함으로써 장치가 매우 간단한 열 사이클 기관을 이룩할 수 있으며 만약 여열, 폐열을 이용한 사이클 구성 시는 고압의 압축공기를 미리 냉각한 후 작동 매체로써 이용할 수 있음으로 출력 대비 장치의 크기가 매우 줄어들 수 있다. 또한 대기나 바다가 태양으로부터 지닌 열량을 이용 시는 압력을 낮춰서 연료가 없이 사이클을 구성 할 수 있다.

본 발명인 공기 사이클 기관은 연료를 직접 연소하여 작동이 가능한 사이클의 이용으로도 이용이 가능하지만 주로 여열, 폐열, 대기나 바다가 지닌 열량을 이용한 동력의 발생 및 지구 온난화 문제의 감소를 위해 연구 창안되었다.

공기 압축기 및 팽창기를 구성함에 있어서 공기를 압축과 동시에 냉각 시는 단열압축 소요동력 대비 압축 소요 동력이 감소하며 반대로 압축된 공기를 팽창시킴에 있어서 외부에서 열을 가하여 가열과 동시 팽창 시는 단열팽창 발생 동력 대비 팽창동력이 증가한다. 본 발명은 이러한 기초 원리적 자연현상을 근거로 하여 두 개의 등압과정과 두 개의 냉각 및 가열 과정에서의 압축과 팽창 과정을 거치는 사이클로 이루어진다. 종래의 열 사이클 구성과 매우 다른 점은 액화 질소 및 공기가 팽창된 후 습증기를 액과 증기로 분리하고 분리된 액을 가압하고 나머지 분리된 압축함으로써 서로 열교환하여 액의 냉열이용 가능량이 더 많게 됨으로써 액을 증발 시키기 위한 대기 또는 바다가 지닌 열량을 공급한다.

열 사이클 기관의 간단한 구성, 출력 대비 장치 크기의 감소, 폐열 또는 여열을 이용한 사이클의 구성, 대기나 바다가 지는 열량을 이용한 사이클의 구성 가능, 지구 온난화 문제의 감소가 가능하다.

도1은 초저온 냉동기의 구성을 위한 공기 사이클 TS 선도.
도2는 사이클을 기초로 한 장치의 구성 예시도

1) 공기 또는 액화 질소 사이클 기관의 구성 원리

열기관의 사이클 구성의 구분은 크게 외연기관과 내연기관으로 구분할 수 있다.

종래에 공기를 작동 매체로 하는 외연기관 사이클이 극히 일부 존재한 적이 있었으나 효율성이 떨어져 이후로는 공기를 작동 매체로 사용하지 않고 장치의 내부에서 압축공기에 의한 연료의 연소로 사이클을 구성하는 내 연소기관인 가스터빈의 형태로 발전되어졌다. 이는 금속 재질의 고급화와 제작 기술의 발전에 따라 변화되었다. 본 공기 및 액화 질소 냉동 사이클의 기본적 구성 원리는 내 연소기관의 형태가 아닌 외연소기관을 다시 재개발, 연구 발전시켜 지금까지 이룩하지 못하고 있는 폐열 및 여열을 이용한 사이클의 구성, 대기나 바다가 태양으로부터 받아 있는 열량을 이용한 사이클의 구성 등을 이룩하기 위한 목적이다.

지금까지는 외연소기관 이든 내 연소기관 이든 모두 냉각 압축된 공기를 팽창기에서 팽창시킴에 있어서 팽창기의 이전에서 압축된 공기에 외부의 열량을 가하여 팽창을 시켜 출력을 얻어 내었었다.

본 발명에서의 중요한 사항은 액화공기또는 액화질소를 매체로 하는 외연 기관의 형태를 취하며, 열기관 사이클을 구성함에 있어서 지금까지의 방식과는 달리 팽창기에서 팽창된 습증기를 액과 증기로 분리하여 액을 펌프로써 가압하고 액이 분리된 건증기는 압축함으로써 가압한 액을 이용하여 냉각시키고 이과정에서 액의 냉열이용 가능 열량이 남게됨으로써 여유분의 냉열은 대기나 바다가 지닌 열량을 이용하여 온도를 상승키켜 압축된 증기쪽과 혼합 후 재팽창시킨다.

이는 마치 수증기를 이용한 랭킨 사이클에서 재생 사이클의 형태와 유사하며 재생의 과정을 증기을 압축하여 발생되는 열량을 이용하여 수행하고 나머지 여분의 필요 열량을 대기나 바다로부터 유입시키는 형태의 사이클이다.

도1에서 팽창직전 E 점으로부터 팽창된 습증기를 D 점(건도 0.5)에서 액과 증기로 분리하고 분리된 액(A점)은 펌프로써 가압하여, 분리된 건증기(C점)는 압축과 동시에 냉각을 한다. 이때 냉각 열량은 분리된 액의 냉열을 이용하며 액의 냉열은 압축 냉각되는 건증기의 필요 냉열을 수행하고도 여분이 생기게된다. (G 점까지 액이 가열) 나머지 액을 가열시키는 열량은 액은 초저온 액체 상태이므로 대기나 바다가 지닌 열량을 이용하여 G 점으로부터 E 점까지 가열시킨다.

이때 액과 건증기 쪽의 열량의 대소관계를 계산하여 본다면 아래와 같다.

－ 분리된 건증기(C점)를 E 점까지 압축 동시 냉각을 시키기위한 최고 필요 냉열 : 유량을 1 [KGf/m＾3] 이라 할때

필요 냉열 = WTR Ln(P2/P1) = 1 * 140 * 29.3 * ln(60/7.5) = 20 Kcal/KGf

- 분리되어 펌프로 가압한 액(B 점) 이 건증기의 압축 동시냉각에 의해 가열되어지는 지점( 20 Kcal/Kgf 필요)은 G 점이 된다.

- 그러므로G점으로부터 팽창직전 E 점까지의 열량은 외부에서 가해야 하며 액은 초저온 액체이므로 대기나 바다가 지닌 열량을 이용하여 가열되어질 수 있다.

2) 초저온 냉동 사이클 기관의 구성

도1의 기본 사이클을 바탕으로 장치를 구성할 시 가압 펌프(6), 팽창기(1,2), 압축 동시냉각 압축기(3), 복수기(5), 대기열 교환기(7) 등이 필수적 구성 장치이며 저압 압축기(4)는 분리된 건증기가 펌프로 가압된 액과 열교환이 가능하도록 저압으로 압축시켜 먼저 온도를 상승시키기 위한 역할을 한다.

본 더운 바람이 나오지 않는 초저온 냉동기 사이클은 랭킨 사이클의 형태와 매우 유사하므로 이해하기 매우 쉽고 그 과정에서 E-D 구간에서 팽창기에 의한 출력이 발생하고 이 출력은 액과 증기로 분리되어 가압과 압축 냉각 필요 소요동력 보다 커지게된다. 왜냐하면 외부로부터 G-E 구간의 열량을 추가적으로 받았기 때문이다. 하지만 E-D 구간의 출력이 장치의 마찰이 고려될 시 외부로 인출되는 량이 너무 미미해질 수밖에 없어지므로 본 장치는 출력의 창출보다는 지구온도 감소를 위한 즉, 일반적인 냉동기와는 달리 더운 바람이 나오지 않는 초저온 냉동기로써 활용이 가능하다. 이는 비열이 큰 액의 특성상 액체산소, 액체 질소등의 특성에 의한 결과이며 물의 경우에도 복수 냉각수가 없는 사이클 구성이 가능하다.

따라서 팽창기를 출력의 창출 형태가 아닌 일반적인 냉동기와 같이 오리피스 형식의 구조로 구성할시 전체 구성은 매우 간단해지며 더운 바람이 나오지 않는 매우 초저온 냉동 사이클의 구성이 가능하다.

생략 안함.

매우 초저온 냉동기를 구성할 수 있고 더운 바람이 나오지 않는 냉동기로써 지구 온난화 방지에 매우 필요한 장치이다.

1: 저압 팽창기 2: 고압 팽창기 3: 압축 동시 냉각기 4: 저압 압축기
5: 복수기 6: 복수 가압 펌프 7: 대기열 교환기

Claims (1)

1. 비열이 큰 영구기체의 액을 이용하여 도1과 같이 사이클을 구성후 대기나 바다가 지닌 열량을 낮추도록 구성된 더운 바람이 나오지 않는 초저온 냉동 장치.

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