KR20140079744A - Power generation system that combines a heat pump and heat engine - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 동력 시스템에 관한 것으로, 저온물질에 버려지는 배열이나, 로, 보일러의 배기열 또는 지열 등을 열원으로 하여 동력을 얻을 수 있도록 하여, 발전효율을 향상은 물론, 폐열을 자원화시킬 수 있는 열기관과 열펌프가 조합되어 동력을 얻는 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a power system, and more particularly, to a power system capable of obtaining power by using an arrangement, a furnace, a boiler exhaust heat or a geothermal heat as a heat source, And a heat pump are combined to obtain power.
원자력을 포함하는 화력발전은 고전물리학인 열역학 제2의 법칙인 "열을 일로 바꾸려면 열의 일부를 저온측에 버려야한다"는 개념을 이용하여 열을 일로 전환하여 전기를 얻는 과정이 적용되므로, 열과 일의 변환의 방향성에 반하여, 일로 전환되지 못한 많은 열 에너지를 비열이 높아 온도변화가 크지 않은 강이나 하천, 바닷물 등에 버리는 결과가 되며, 따라서, 발전효율이 연료대비 35~45%, 증기대비 40~50% 내외로 매우 낮은 문제점이 있다. Thermal power generation, including nuclear power, uses the concept of the second law of thermodynamics, which is classical physics, to convert heat into heat by using the concept of " In contrast to the directivity of work, much heat energy that can not be converted into work is discharged into rivers, rivers, and seawater where the specific heat is high and the temperature change is not large. Therefore, the power generation efficiency is 35 to 45% ~ 50%, which is very low.
여기서 열과 일의 변환의 방향성에 반한다는 것은 열로부터 일로의 전환과정에서 모든 열이 일로 전환되지 못하되, 특히 열의 일에 대한 전환율이 상대적으로 낮다는 것을 뜻하며, 따라서 열의 일로의 변환의 효율이 매우 낮음을 의미한다.In contrast to the directionality of the conversion of heat and work here, it means that all the heat is not converted into heat in the process of converting from heat to heat, and in particular, the conversion rate to the heat is relatively low, Low.
최근에는 에너지 고갈에 따라 에너지 비용이 높아지고, 그에 따라 에너지를 절감하거나 활용할 수 있는 많은 기술들이 개발되고 있다. 그러나, 이제껏 외부열원의 폐열을 재활용하는데 있어서 이를 초보적인 수준으로 이용하거나, 재활용 과정에서도 효율이 높지 않아 여전히 버려지는 폐열이 매우 많은 문제점이 있었다.In recent years, energy costs have risen due to energy depletion, and a number of technologies are being developed that can reduce or utilize energy. However, there has been a problem in that the waste heat of the external heat source has been used at an initial level in the recycling of the waste heat of the external heat source, or the waste heat is still abandoned because the efficiency is not high in the recycling process.
따라서, 폐열을 보다 효율적으로 활용하는 기술, 그리고, 에너지 이용효율을 매우 높일 수 있도록 하는 장치기술이 요망된다고 할 것이다. Therefore, a technology to utilize waste heat more efficiently and a device technology to make energy use efficiency very high is desired.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 외부 열원으로부터 유래하나 이용하기 어려운 폐열을 외부 열원과 연결된 열기관에서 수용하도록 하고, 열기관에서 발생되는 열을 다시 복수기를 매개로 조합된 열펌프에 전달하며, 상기 각 열전달은 유체를 이용하되, 상기 유체가 증발기와 응축기를 거치면서 고온 증발되어 다시 열에너지가 되는 바, 이와 같이 제고된 열효율을 전기 등 일로 전환되도록 함으로써, 고효율의 소형의 발전시스템과 같은 에너지 장치의 구현이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an air conditioner which is capable of accommodating waste heat derived from an external heat source but difficult to use in a heat exchanger connected to an external heat source, And the heat is transferred to the combined heat pump. The heat transfer is performed using a fluid, and the fluid is evaporated at a high temperature while passing through the evaporator and the condenser. The heat energy is again converted into thermal energy. So that it is possible to realize an energy device such as a small-sized power generation system.
또한, 본 발명은 열기관과 열펌프를 조합하고 고온에서 증발하는 유체를 열펌프에 내장하여 아임계 또는 초임계 고온을 복수기의 배열이나, 각종 로(爐), 보일러 배기, 100~200℃의 비교적 낮은 지열 등을 열펌프 증발열원으로 흡열하므로 압축의 가역단열과정을 거쳐 응축의 가역등온과정 고온을 발전용 증기에 공급하여 폐열을 자원화하고 전기의 발전효율을 크게 향상하여 화석연료나 원자력 등 귀중한 에너지자원 낭비를 줄여 경제성향상은 물론, 지구온난화방지 등 환경에도 기여할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention relates to a heat pump for a high-temperature and high-pressure refrigerant, which comprises a heat pump and a heat pump combined with a fluid for evaporating at a high temperature in a heat pump so that a subcritical or supercritical high temperature is arranged in a plurality of arrangements, various furnaces, Low heat of geothermal heat is absorbed by the heat pump evaporation heat source, so the reversible heat of compression is reversed, and the isothermal process of reversing the condensation is supplied to the steam for power generation to make the waste heat resource and the electric power generation efficiency is greatly improved and valuable energy such as fossil fuel and nuclear energy Another purpose is to provide a system that can contribute to the environment such as prevention of global warming as well as economic efficiency by reducing resource waste.
본 발명은 전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 외부 열원으로부터 열 에너지를 공급받는 동력을 얻는 시스템에 있어서, 상기 열원에 의한 상태변화된 증기 형태의 제1유체를 통해 터빈을 구동시켜 동력이 생산되도록 하고, 상기 터빈에서 유입되는 증기 형태의 제1유체를 냉각시키는 복수기 및 상기 복수기에서 냉각된 액체형태의 제1유체를 상기 터빈 및 상기 열원 중 선택되는 어느 하나의 열기관 유로를 따라 순환되도록 하는 펌프를 포함하는 열기관 시스템; 및 상기 열기관 시스템의 제1유체와 열교환 하는 제2유체를 순환시키고, 제1유체에 열 에너지를 제공하여 상기 터빈으로 순환되도록 하는 열펌프 시스템;을 개시한다.In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a system for obtaining power supplied with heat energy from an external heat source, the turbine being driven through a first fluid in the form of steam, the state of which is changed by the heat source, And a pump for circulating a first fluid in the form of a liquid cooled in the condenser along any one of the heat engine flow paths selected from the turbine and the heat source, Includes a heat engine system; And a heat pump system that circulates a second fluid that is in heat exchange with the first fluid of the heat engine system and provides heat energy to the first fluid to circulate to the turbine.
상기 복수기를 통해 냉각된 제1유체는, 상기 열기관 관로에 마련된 분배기를 통해 상기 터빈 및 열원으로 분할 유입되는 것이 바람직하다.The first fluid cooled through the condenser is divided and introduced into the turbine and the heat source through a distributor provided in the heat pipe line.
상기 열펌프 시스템은, 상기 복수기로 유입되는 제1유체와 열교환하여 제2유체를 등온변화시키는 열펌프 증발기; 상기 열펌프 증발기의 제2유체를 고압으로 단열변화시켜 혼합기체를 생성하는 열펌프 압축기; 상기 열펌프 압축기를 통해 고압으로 압축된 혼합기체로부터 열을 축열하고, 등온변화하여 제2유체를 액체화시키는 열펌프 응축기; 및 상기 열펌프 응축기와 열원부 증발기 사이에 마련되어 상기 열원부 증발기로 유입되는 제2유체를 정압변화하여 압력을 감압시키는 열펌프 팽창밸브;를 포함하여 구성된 것이 바람직하다.The heat pump system includes: a heat pump evaporator for performing an isothermal change of the second fluid by heat exchange with the first fluid flowing into the condenser; A heat pump compressor for thermally changing the second fluid of the heat pump evaporator to a high pressure to generate a mixed gas; A heat pump condenser for accumulating heat from the mixed gas compressed at a high pressure through the heat pump compressor and for isothermally changing the liquid to make the second fluid liquid; And a heat pump expansion valve provided between the heat pump condenser and the heat source evaporator for reducing the pressure by changing the static pressure of the second fluid flowing into the heat source evaporator.
상기 열원은, 보일러의 배기열, 로(爐)의 폐열 및 지열 중 선택되는 어느 하나인 것이며, 상기 제1유체를 고온으로 가열하고, 증기를 발생시켜 상기 터빈이 구동되도록 하는 것이 바람직하다.Preferably, the heat source is any one of exhaust heat of a boiler, waste heat of a furnace, and geothermal heat, and the first fluid is heated to a high temperature to generate steam to drive the turbine.
상기 열원은, 상기 로에서 배기 또는 순환하거나, 지열을 이용하여 제3유체를 고온으로 가열 및 압축시켜 제3유체로부터 고온의 열 에너지를 축열하고 제1유체와 열교환이 이루어지도록 하는 열원시스템;을 더 포함하여 구성된 것이 바람직하다.The heat source includes a heat source system that exhausts or circulates in the furnace or heats and compresses the third fluid to a high temperature by using geothermal heat to accumulate high temperature thermal energy from the third fluid and perform heat exchange with the first fluid It is preferable to further comprise.
상기 열원 시스템은, 상기 로 또는 지열로부터 열 에너지를 얻어 제3유체의 등온변화를 유도하는 열원부 증발기; 상기 열원부 증발기의 제3유체를 고압으로 단열변화시켜 혼합기체를 생성하는 열원부 압축기; 상기 열원부 압축기를 통해 고압으로 압축된 혼합기체로부터 열을 축열하고, 등온변화하여 제3유체를 액체화시키는 열원부 응축기; 및 상기 열원부 응축기와 열원부 증발기 사이에 마련되어 상기 열원부 증발기로 유입되는 제3유체를 정압변화하여 압력을 감압시키는 열원부 팽창밸브;를 포함하여 구성된 것이 바람직하다.The heat source system may include a heat source evaporator for deriving thermal energy from the furnace or the geothermal heat to induce an isothermal change of the third fluid; A heat source compressor for generating a mixed gas by adiabatically varying the third fluid of the heat source evaporator at a high pressure; A heat source condenser for condensing the heat from the mixed gas compressed at a high pressure through the heat source compressor, and liquid-isothermally changing the third fluid; And a heat source unit expansion valve provided between the heat source condenser and the heat source evaporator to reduce the pressure of the third fluid flowing into the heat source evaporator by reducing the pressure of the third fluid.
상기 열기관 시스템은, 상기 터빈과 열펌프 응축기 사이 상기 열기관 관로에 마련되어, 제1유체를 재가열하는 과열기;를 더 포함하며, 상기 과열기와 터빈 사이에는 체크밸브가 마련되어, 제1유체의 방향성이 제한되도록 하는 것이 바람직하다.The heat engine system further includes a superheater provided between the turbine and the heat pump condenser to reheat the first fluid, the check valve being provided between the superheater and the turbine so that the directionality of the first fluid is limited .
이상과 같은 본 발명에 따르면, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 외부 열원으로부터 유래하나 이용하기 어려운 폐열을 외부 열원과 연결된 열기관에서 수용하도록 하고, 열기관에서 발생되는 열을 다시 복수기를 매개로 조합된 열펌프에 전달하며, 상기 각 열전달은 유체를 이용하되, 상기 유체가 증발기와 응축기를 거치면서 고온 증발되어 다시 열에너지가 되는 바, 이와 같이 제고된 열효율을 전기 등 일로 전환되도록 함으로써, 고효율의 소형의 발전시스템과 같은 에너지 장치의 구현이 가능한 효과가 있다. According to the present invention as described above, the present invention has been devised in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an air conditioner in which waste heat derived from an external heat source, And the heat is transferred to the combined heat pump through a condenser. The heat transfer is performed using a fluid, and the fluid is evaporated at a high temperature through the evaporator and the condenser to be again turned into thermal energy. As a result, The energy device such as a high-efficiency compact power generation system can be realized.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발전 시스템을 설명하기 위해 나타낸 전체도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열기관 시스템을 설명하기 위해 나타낸 상세도,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열펌프 시스템을 설명하기 위해 나타낸 상세도,
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열원의 일례를 설명하기 위해 나타낸 발전 시스템의 전체도, 그리고,
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열원 시스템을 설명하기 위해 나타낸 상세도이다.FIG. 1 is a whole view for explaining a power generation system according to a preferred embodiment of the present invention;
2 is a detailed view for explaining a heat engine system according to a preferred embodiment of the present invention;
3 is a detailed view for explaining a heat pump system according to a preferred embodiment of the present invention,
4 is an overall view of a power generation system for explaining an example of a heat source according to a preferred embodiment of the present invention,
5 is a detailed view illustrating a heat source system according to a preferred embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명하도록 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing the present invention, the defined terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and they can be changed according to the intention or custom of the technician working in the field, and the definition is based on the contents throughout this specification It should be reduced.
열펌프는 "저온물질에서 고온물질로 열을 옮기려면 동력의 투입이 필요하다"는 원리를 기초로 열을 얻거나, 불필요하여 제거해야할 물질에서 열을 제거할 수 있는 것으로, 화력발전에서 사용 후 버리는 열원 즉, 일을 수행한 후 증기터빈으로부터 토출된 복수기 고온증기나, 로(爐)나, 보일러 배기, 100 ~ 200℃ 내외의 지열을 열원으로 열기관 등의 증기에 고온을 제공하기 위하여, 고온에서 증발하는 물이나 물의 혼합물을 유체로 열펌프에 내장하여 투입동력으로 상태변화 순환시키므로 고온의 열원에서 증발열을 얻어 압축 배열에서 발전에 필요한 고온의 증기를 높은 성적계수로 얻어 열기관에 배열하여 열과 일의 변환 반방향성을 해소하면 발전효율을 크게 향상시킬 수 있다. The heat pump is based on the principle that "power is required to transfer heat from a low-temperature material to a high-temperature material", or it is capable of removing heat from unnecessary materials to be removed, In order to provide a high temperature to the steam such as the condensed high-temperature steam discharged from the steam turbine, the furnace, the boiler exhaust, and the geothermal heat of about 100 to 200 ° C. after the work is performed, And the water vapor or water mixture which evaporates in the heat pump is circulated in the heat pump to circulate the state change by the input power so that the evaporation heat is obtained from the high temperature heat source and the high temperature steam required for the power generation in the compression arrangement is obtained with high resultant coefficient, It is possible to greatly improve the power generation efficiency.
그러므로 열기관과 고온에서 증발하는 유체를 내장한 열펌프를 조합하고, 고온으로 버려지는 폐열을 열원으로 이용하면 열과 일의 반방향성을 해소할 수 있어 40~50%에 불과한 발전효율을 60~70%까지 향상하여 에너지를 크게 절감할 수 있다. Therefore, by combining the heat pump with the heat pump with the evaporating fluid at high temperature and using the waste heat from the high temperature as the heat source, it is possible to solve the heat and the semi- And the energy can be greatly reduced.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발전 시스템을 설명하기 위해 나타낸 전체도이고, 도 2는 열기관 시스템의 상세도이며, 도 3은 열펌프 시스템의 상세도이다.FIG. 2 is a detailed view of a heat pipe system, and FIG. 3 is a detailed view of a heat pump system. FIG.
도시된 바와 같이 동력 시스템(100)은 열원(110)에 열기관 시스템(130)과 열펌프 시스템(140)을 조합하여, 복수기(132)를 통해 폐기되는 열 에너지를 높은 온도로 재생하여 발전에 이용함으로써, 폐열을 자원화하여 화석이나 원자력 등 귀중한 에너지의 낭비를 줄여 경제성 향상은 물론, 경쟁력 강화 및 온난화 방지에 기여할 수 있도록 하기 위한 것이다.As shown, the
또한, 동력 시스템(100)은 주로 대형의 발전소에 적용하여 복수기(132)를 통해 폐기되는 열 에너지를 높은 온도로 재생하여 발전에 이용함으로써, 발전 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 열원을 지열 내지는 로(爐)는 물론, 각종 산업현장에서 사용하는 보일러를 통해 높은 온도의 배기를 열원으로 하여 발전 시스템을 구축할 수 있으며, 이를 통해 각종 산업현장은 물론, 나아가, 가정에서 자체적 전기 생산이 가능하도록 할 수도 있다.In addition, the
이러한 동력 시스템(100)은 열원을 제공하는 열원(110), 상기 열원(110)를 중심으로 제1유체를 순환시키는 열기관 시스템(130) 및 상기 열기관 시스템(130)과 열교환 및 열 에너지를 높은 온도로 재생하여 제1유체의 온도를 높여 상기 열원(110)으로 순환되도록 제2유체가 순환하는 열펌프 시스템140을 포함하여 구성된다.
The
열기관 시스템(130)은 열원(110)에 의한 유체의 상태 변화를 통해 터빈(131)을 구동시켜 동력을 생산하고, 터빈(131)에서 유입되는 증기를 냉각시키는 복수기(132) 및 복수기(132)에서 냉각된 액상의 제1유체가 열기관 관로를 따라 순환되도록 하기 위한 것이다.The
이때, 제1유체는 열기관관로(135)에 따라 도 1의 경우, 터빈(131), 복수기(132), 펌프(133)를 지나 터빈으로 순환되거나, 또는, 도 2와 같이 열기관관로(135)가 열원(110)까지 연장되어, 터빈(131), 복수기(132), 분배기(P)를 통해 기설정된 비율로 일부는 열원으로 나머지는 열펌프 응축기(143)를 통해 터빈(131)으로 공급되도록 할 수 있다. 여기서 비율은, 분배기(P) 기준 열기관 관로의 유량에 따라 선택적으로 분배되도록 하는 것이 바람직하며, 동일 유량일 경우, 5:5의 비율로 분배되도록 하는 것이 바람직하다. 1, the first fluid is circulated through the
한편, 열기관 시스템(130)은 열기관관로(135)에 터빈(131)으로 유입되는 제1유체를 재가열하여 터빈(131)의 가동력을 배가시키기 위한 과열기(134)가 더 포함될 수 있으며, 이러한 과열기(134)는 열펌프 응축기(143)와 터빈(131) 사이에 마련되는 것이 바람직하며, 과열기(134)와 터빈(131) 사이에는 제1유체의 방향성이 제한되도록 체크밸브(C)가 더 설치되는 것이 매우 바람직하다.The
여기서, 체크밸브(C)는 유체의 흐름에 있어, 방향성을 제한하여 역류를 방지하기 위한 것이며, 도시하지 않았으나, 열원(110)과 터빈(131) 사이에 더 설치될 수도 있다.
Here, the check valve C is provided for limiting the directionality of the flow of the fluid to prevent backflow. Further, the check valve C may be further provided between the
열펌프 시스템(140)은 열기관 시스템(130)의 제1유체와 열교환 하는 제2유체가 열펌프관로(145)를 따라 순환되도록 하기 위한 것이다. The
이러한 열펌프 시스템(140)은 복수기(132)로 유입되는 제1유체와 열교환하여 제2유체를 등온변화시키는 열펌프 증발기(141), 열펌프 증발기(141)의 유체 압력을 높이고 단열변화하여 혼합기체를 생성하는 열펌프 압축기(142), 열펌프 압축기(142)를 통해 고압으로 압축된 혼합기체의 열을 축열하고, 등적변화를 발생시키는 열펌프 응축기(143) 및 열펌프 응축기(143)와 열펌프 증발기(141) 사이에 마련되어 열펌프 증발기(141)로 유입되는 제2유체를 정압변화하여 압력을 감압하는 열펌프 팽창밸브(144)를 포함하여 구성된다.
The
열펌프 증발기(141)는 복수기(132)에 내재되어, 터빈(131)으로부터 유입되는 증기 즉, 제1유체와 제2유체가 상호 열교환 하여 제2유체로 하여금 고온의 열 에어지는 얻을 수 있도록 하기 위한 것이다.The
이때, 열펌프 증발기(141)로 유입되는 제2유체는 열펌프 팽창밸브(144)를 통해 단열변화후, 유입되어 등온변화 흡열 하는 온도보다 높아 고온의 필요 증발열을 더 높은 온도의 열원에서 흡수할 수 있으며, 이 증발열은 등온에서 현열의 대략 5배 이상이므로 저온의 냉각수 현열 부하보다 높아 대량 흡열할 수 있다.At this time, the second fluid flowing into the
따라서, 복수기(132) 진공도에 영향을 끼치지 않으며, 최종단계에서 배열하여 잔여 열은 냉각수단에 의해 냉각되므로, 복수기(132) 진공에 문제가 발생하지 않는다.Therefore, the
여기서, 팽창밸브(expansion valve)는 열펌프 증발기(141)로 유입되는 제2유체를 감합시키기 위한 것으로, 이는 팽창밸브에 한정되지 않으며, 이와 유사한 기능을 갖는 오리피스(orifice)로도 대체할 수 있다.Here, the expansion valve is for fitting the second fluid introduced into the
열펌프 압축기(142)는 열펌프 증발기(141)의 제2유체 흡입 단열변화시켜 높은 압력의 혼합기체로 생성시켜 높은 압력의 열 에너지를 생성하기 위한 것이다.The
열펌프 응축기(143)는 열펌프 압축기(142)에 의해 높은 압력의 혼합기체로의 열 에너지가 축열하기 위한 것이며, 이때, 축열된 열 에너지는 도시된 바와 같이 터빈으로 유입되는 제1유체가 열을 얻으며, 이를 통해 터빈(131)을 가동시킨다.
The
이상과 같이 본원발명의 발전 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 제1유체와 제2유체의 열교환을 통해 발전의 효율을 향상시킬 수 있으며, 보다 상세하게는 열원(110)으로 인해 제1유체는 증기화되어 터빈(131)을 구동시켜 동력을 생산하고 복수기(132)에서 냉각되어 펌프(133)를 통해 열 에너지가 축열된 열펌프 응축기(143)로 유입되어 고온의 열을 얻어 열원(110)로 유입됨으로써, 에너지 효율을 높일 수 있다.As described above, the
즉, 일례로, 발전 복수열을 열원으로 할때,In other words, for example, when a plurality of power generation columns is used as a heat source,
전기 발전을 위한 증기압력 230kg/㎠ 온도 550℃ v = 0.01437㎥/kg, h" 805.70kcal/kg s = 1.4963kcal/kgf K 때 열펌프 시스템의 배열에서 열을 얻어 고온의 증기를 공급하고 이 증기가 열원(110)에 공급되어 연료의 연소 열을 얻어 고온의 증기로 과열되어 터빈(131)으로 이송 터빈(131)이 전기를 생산할 때를 상정한 것이며, 각각의 일 에너지 분담은 열펌프 시스템(140) 32.12%, 열원(110) 67.88% 내외이지만 열펌프 시스템(140)에 투입되는 동력을 제외하면 21% 내외의 열을 열펌프 시스템(140)이 폐열에서 얻어 시스템에 제공하여 에너지를 79%로 절감하도록 구성할 수 있는 것이다.Steam pressure for the electric power generation 230kg / ㎠ temperature 550 ℃ when v = 0.01437㎥ / kg, h "805.70kcal / kg s = 1.4963kcal / kg f K obtained in the column arrangement of a heat pump system for supplying high-temperature steam, and the The steam is supplied to the
그러나 이는 하나의 실시예로서, 대략적 효율을 나타낸 것으로, 상기 값에 한정되지 않아야 한다.
However, as an example, it shows the approximate efficiency and should not be limited to the above value.
한편, 열원(110)은 도 4에 도시된 바와 같이 열원(110)에 따라 제1유체를 고온으로 가열하고 증기를 발생시켜 터빈(131)이 구동되도록 하는 열원 시스템(121)을 더 포함하며, 이는 도면을 참조하여 설명하도록 한다.4, the
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열원의 일례를 설명하기 위해 나타낸 발전 시스템의 전체도이고, 도 5는 열원 시스템의 상세도이다.FIG. 4 is an overall view of a power generation system for explaining an example of a heat source according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a detailed view of a heat source system.
도시된 바와 같이 열원 시스템(121)은 보일러, 로(爐)의 폐열 및 지열 중 선택되는 어느 하나를 열원으로 하되, 상대적으로 열 에너지가 발전소 대비 효율이 낮을 경우, 적용하기 위한 것으로, 로에서 배기 또는 순환되거나, 지열을 이용하여 제3유체를 고온으로 가열 및 압축시켜 제3유체로부터 고온의 열 에너지를 축열하고, 제1유체와 열교환이 이루어지도록 하기 위한 것이다.As shown in the figure, the
이러한 열원 시스템(121)은 상기 로 또는 지열로부터 열 에너지를 얻어 상기 제3유체의 등온변화를 유도하는 열원부 증발기(122), 상기 열원부 증발기(122)를 순환하는 상기 제3유체를 고압으로 단열변화시키는 혼합기체를 생성하는 열원부 압축기(123), 상기 열원부 압축기(123)를 통해 고압으로 압축된 혼합기체의 열을 축열하고, 등적변화를 발생시키며, 상기 제1유체가 순환하여 상기 제3유체를 통해 축열된 열 에너지는 얻게되는 열원부 응축기(124) 및 상기 열원부 압축기(123)와 열원부 증발기(122) 사이에 마련되어, 상기 열원부 증발기(122)로 유입되는 상기 제3유체의 압력을 감압시켜 정압변화를 유도하는 열원부 팽창밸브(125)를 포함하여 구성된다.The
여기서 열원 시스템(121)은 제3유체가 열원부관로(126)를 순환하면서, 지열 또는 로에서 배기 및 배출되는 열과 열원부 증발기(122)를 통한 열교환으로 고온의 온도로 가열되고, 가열된 제3유체는 열원부 압축기(123)에서 혼합증기로 압축되어, 열원부 응축기(124)에서 배열된 후, 열원부 팽창밸브(125)를 통해 열원부 증발기(122)로 순환된다. Here, the
여기서, 제1유체는 열원부 응축기(124)를 순환하면서 열 에어지는 얻어 터빈(131)을 구동하는데 사용되는 것이며, 이후, 터빈(131), 복수기(132) 및 분배기(P)와 펌프를 통해 기설정된 비율로 열원부 응축기(124) 및 열펌프 응축기(124)를 순환하여 열을 얻고 다시 터빈(131)으로 순환하여 동력을 얻을 수 있다.
The first fluid circulates through the
이상에서와 같이 본 발명의 동력 시스템은 열기관과 열펌프를 조합함으로써, 특히 열펌프 시스템은 낮은 온도의 열원에서 열을 흡입 높은 온도에 옮길 수 있어, 열교환기가 옮길 수 없는 온도의 한계까지 열을 옮기는 것이 가능하며, 특히, 열펌프 시스템을 이용함으로써, 대략 100℃ 이상의 열원에서 200~400℃이상 높은 부하에 열을 끌어올리는 기술은 시도된 바 없었고, 본 발명을 통해 이를 구현함으로써, 발전 등 고온 고압을 이용하는 산업 발전을 기대할 수 있다.
As described above, the power system of the present invention can be used in combination with a heat pump and a heat pump, and in particular, a heat pump system can transfer heat from a low temperature heat source to a high temperature and transfer heat to a temperature limit that the heat exchanger can not transfer In particular, by using a heat pump system, there has been no attempt to raise heat to a load of 200 to 400 DEG C or more at a heat source of about 100 DEG C or more, and by implementing the present invention, Can be expected to develop the industry.
또한, 열기관 시스템이 열에서 일을 얻을 때, 변환의 방향성에 반하여 낮은 효율로 얻어진 일을 버리게 되는 배열을 열펌프의 증발기 열원으로 이용할 때, 고온에서 증발하는 제1유체의 등온상태변화, 열교환에서 높은 성적계수(COP,coefficient of performance)와 과열도를 얻고, 다음 단계 단열압축을 고온에서 하면서도 혼합유체로 존재, 응축기에서 고온의 열기관 제1유체와 열교환해도 열기관 등적변화에서 열을 잃게 되어 응축의 등온 상태변화하는 열과 일의 변환의 반방향성을 크게 해소함으로써, 동력의 생산성을 높일 수 있다.
In addition, when the heat engine system obtains work from the heat, the isothermal state change of the first fluid evaporating at a high temperature, when using an arrangement that discards the work obtained with low efficiency against the direction of the conversion as an evaporator heat source of the heat pump, It is possible to obtain a high coefficient of performance (COP) and superheating degree, and the next step is to exist as a mixed fluid while maintaining the heat compression at a high temperature. Even if heat exchange is performed with the first fluid of the high temperature heat pipe in the condenser, It is possible to improve the productivity of the power by largely eliminating the semi-directionality of the conversion of heat and work in the isothermal state.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments.
따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 안정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the technical spirit of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas falling within the scope of the same shall be construed as falling within the scope of the present invention.
100 : 동력시스템 110 : 열원
121 : 열원 시스템 122 : 열원부 증발기
123 : 열원부 압축기 124 : 열원부 응축기
125 : 열원부 팽창밸브 126 : 열원부관로
130 : 열기관 시스템 131 : 터빈
132 : 복수기 133 : 펌프
134 : 과열기 135 : 열기관관로
140 : 열펌프 시스템 141 : 열펌프 증발기
142 : 열펌프 압축기 143 : 열펌프 응축기
144 : 열펌프 팽창밸브 145 : 열펌프관로
150 : 냉각수단100: Power system 110: Heat source
121: heat source system 122: heat source evaporator
123: heat source compressor 124: heat source condenser
125: Heat source unit expansion valve 126: Heat source auxiliary pipe
130: heat engine system 131: turbine
132: condenser 133: pump
134: superheater 135: heat pipe
140: heat pump system 141: heat pump evaporator
142: Heat pump compressor 143: Heat pump condenser
144: Heat pump expansion valve 145: Heat pump duct
150: cooling means
Claims (7)
상기 열원에 의한 상태변화된 증기 형태의 제1유체를 통해 터빈을 구동시켜 동력이 생산되도록 하고, 상기 터빈에서 유입되는 증기 형태의 제1유체를 냉각시키는 복수기 및 상기 복수기에서 냉각된 액체형태의 제1유체를 상기 터빈 및 상기 열원 중 선택되는 어느 하나의 열기관 유로를 따라 순환되도록 하는 펌프를 포함하는 열기관 시스템; 및
상기 열기관 시스템의 제1유체와 열교환 하는 제2유체를 순환시키고, 제1유체에 열 에너지를 제공하여 상기 터빈으로 순환되도록 하는 열펌프 시스템;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열기관과 열펌프가 조합하여 동력을 얻는 시스템.A system for obtaining power supplied with thermal energy from an external heat source,
A condenser for cooling the first fluid in the form of vapor introduced from the turbine to generate power by driving the turbine through a first fluid in the form of steam in a state changed by the heat source, And a pump for circulating the fluid along any one of the heat engine flow path selected from the turbine and the heat source; And
And a heat pump system for circulating a second fluid to be heat-exchanged with the first fluid of the heat pipe system and circulating the first fluid by providing thermal energy to the turbine. Thereby obtaining power.
상기 복수기를 통해 냉각된 제1유체는,
상기 열기관 관로에 마련된 분배기를 통해 상기 터빈 및 열원으로 분할 유입되는 것을 특징으로 하는 열기관과 열펌프가 조합하여 동력을 얻는 시스템.The method according to claim 1,
The first fluid, cooled through the condenser,
Wherein the heat pump is divided into a turbine and a heat source through a distributor provided in the heat pipe, and the heat pump and the heat pump are combined to obtain power.
상기 열펌프 시스템은,
상기 복수기로 유입되는 제1유체와 열교환하여 제2유체를 등온변화시키는 열펌프 증발기;
상기 열펌프 증발기의 제2유체를 고압으로 단열변화시켜 혼합기체를 생성하는 열펌프 압축기;
상기 열펌프 압축기를 통해 고압으로 압축된 혼합기체로부터 열을 축열하고, 등온변화하여 제2유체를 액체화시키는 열펌프 응축기; 및
상기 열펌프 응축기와 열원부 증발기 사이에 마련되어 상기 열원부 증발기로 유입되는 제2유체를 정압변화하여 압력을 감압시키는 열펌프 팽창밸브;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열기관과 열펌프가 조합하여 동력을 얻는 시스템.The method according to claim 1,
In the heat pump system,
A heat pump evaporator for exchanging heat with the first fluid flowing into the condenser and isothermally changing the second fluid;
A heat pump compressor for thermally changing the second fluid of the heat pump evaporator to a high pressure to generate a mixed gas;
A heat pump condenser for accumulating heat from the mixed gas compressed at a high pressure through the heat pump compressor and for isothermally changing the liquid to make the second fluid liquid; And
And a heat pump expansion valve disposed between the heat pump condenser and the heat source evaporator for reducing the pressure by changing the static pressure of the second fluid flowing into the heat source evaporator. Lt; / RTI >
상기 열원은,
보일러의 배기열, 로(爐)의 폐열 및 지열 중 선택되는 어느 하나인 것이며, 상기 제1유체를 고온으로 가열하고, 증기를 발생시켜 상기 터빈이 구동되도록 하는 것을 특징으로 하는 열기관과 열펌프가 조합하여 동력을 얻는 시스템.The method according to claim 1,
The heat source may include:
Wherein the first fluid is heated to a high temperature and steam is generated to drive the turbine, characterized in that the heat pump is a combination of a heat pump and a heat pump Thereby obtaining power.
상기 열원은,
상기 로에서 배기 또는 순환하거나, 지열을 이용하여 제3유체를 고온으로 가열 및 압축시켜 제3유체로부터 고온의 열 에너지를 축열하고 제1유체와 열교환이 이루어지도록 하는 열원시스템;을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열기관과 열펌프가 조합하여 동력을 얻는 시스템.5. The method of claim 4,
The heat source may include:
And a heat source system for exhausting or circulating in the furnace or heating and compressing the third fluid at a high temperature by using geothermal heat to accumulate high temperature thermal energy from the third fluid and heat exchange with the first fluid, A system in which a heat pump and a heat pump are combined to obtain power.
상기 열원 시스템은,
상기 로 또는 지열로부터 열 에너지를 얻어 제3유체의 등온변화를 유도하는 열원부 증발기;
상기 열원부 증발기의 제3유체를 고압으로 단열변화시켜 혼합기체를 생성하는 열원부 압축기;
상기 열원부 압축기를 통해 고압으로 압축된 혼합기체로부터 열을 축열하고, 등온변화하여 제3유체를 액체화시키는 열원부 응축기; 및
상기 열원부 응축기와 열원부 증발기 사이에 마련되어 상기 열원부 증발기로 유입되는 제3유체를 정압변화하여 압력을 감압시키는 열원부 팽창밸브;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열기관과 열펌프가 조합하여 동력을 얻는 시스템.6. The method of claim 5,
In the heat source system,
A heat source evaporator for deriving thermal energy from the furnace or the geothermal heat to induce an isothermal change of the third fluid;
A heat source compressor for generating a mixed gas by adiabatically varying the third fluid of the heat source evaporator at a high pressure;
A heat source condenser for condensing the heat from the mixed gas compressed at a high pressure through the heat source compressor, and liquid-isothermally changing the third fluid; And
And a heat source unit expansion valve disposed between the heat source condenser and the heat source evaporator for reducing the pressure by changing the static pressure of the third fluid flowing into the heat source evaporator. Lt; / RTI >
상기 열기관 시스템은,
상기 터빈과 열펌프 응축기 사이 상기 열기관 관로에 마련되어, 제1유체를 재가열하는 과열기;를 더 포함하며, 상기 과열기와 터빈 사이에는 체크밸브가 마련되어, 제1유체의 방향성이 제한되도록 하는 것을 특징으로 하는 열기관과 열펌프가 조합하여 동력을 얻는 시스템.7. The method according to any one of claims 1 to 6,
The hot-
And a superheater provided between the turbine and the heat pump condenser for reheating the first fluid, the check valve being provided between the superheater and the turbine to limit the directionality of the first fluid, A system that combines power from a heat pump and a heat pump.
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