KR20140145134A - 매질 사이의 열을 전달하고 전기를 생성하기 위한 열 순환기 - Google Patents

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Abstract

저압/저온 제1 상태의 기체에서 고압/고온의 제2 상태의 기체로 작업유체를 압축하는 압축기를 가지는 히트펌프 회로를 개시한다. 작업유체의 제 1 부분흐름은 메인 회로를 통과하여 응축기의 도관에서 가스/액체 혼합물로 압축되고, 상기 응축기 내에서 열을 전달하는 상기 작업유체에 의한 제 3 상태를 열 순환에 따라 제 1 매질에 부여하고, 상기 작업 유체의 제 1 부분흐름은 기화기에서 팽창하여 상기 기화기에 연결된 수집 회로 내의 제 2 매질로부터 열을 흡수하여 상기 제 1 상태의 기체가 됨으로써, 상기 작업유체가 상기 압축기로 회수되어 상기 사이클을 다시 완성한다. 상기 압축된 작업 유체의 제 2 부분흐름은 상기 압축기의 배출구에 형성된 상기 제 2 상태에서 팽창하고, 변환 회로를 통과하여 에너지 컨버터를 지나는 상기 작업 유체의 제 2 부분 흐름에 포함된 에너지 용량을 전기에너지로 변환하기 위한 에너지 컨버터로 전달되고, 상기 에너지 컨버터의 출구에서 상기 팽창된 작업 유체를 추가 팽창을 위한 기화기의 도관의 후단, 상기 압축기로 직접 회수 및 상기 에너지 컨버터에서 상기 제 2 상태에서 상기 제 1 상태로 팽창 이후 가운데 어느 하나에 따라 상기 압축기로 되돌린다.

Description

매질 사이의 열을 전달하고 전기를 생성하기 위한 열 순환기 {Heat cycle for transfer of heat between media and for generation of electricity}
본 발명은 저온 영역에서 고온 영역으로 작업 유체 내에서 열을 전달하는 열 순환을 이용하는 시스템에 관한 것이다. 원하는 것이 고온이나 저온이냐에 따라 이 순환을 가지는 장치는 각각 히트펌프 또는 냉각장치가 될 수 있다.
기술은 오랜 시간 동안 발전하였고 냉방시설과 에어컨디셔닝 시스템에 사용되었고, 최근에는 거주지의 난방을 위한 히트펌프와 같은 역 공정에도 개발되었다. 히트펌프 개념의 사용은 히트 사이클이 지역 냉방 목적으로 사용되는 경우의 냉방시설의 "통칭"으로 볼 수 있다. 이하, 히트 펌프 개념은 난방과 냉방을 위한 열 순환을 사용하는 장치를 지시하는데 사용된다.
히트 펌프에서 유체는 압축기, 응축기 및 기화기를 통과하는 회로에서 순환적으로 작동하여, 상기 유체는 상기 순환에서 열을 전달하거나 열을 흡수한다. 상기 히트 펌프는 공지의 가역 카르노 공정으로 동작하여 상기 유체는 저온의 매체로부터 열량 Qc를 얻어 고온의 매체로 열양 Qh를 전달한다. 이 공정을 유효하게 하기 위하여 다음 조건에 따라 일이 제공되어야 한다.
W = Qh - Qc
상기 과정의 효율은 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure pct00001
, 여기서 Tc 온도는 냉온원, Th 온도는 고온원의 온도이다.
일반적으로 히트 펌프와 관련하여 히트 펌프의 효율을 계산하는 데 사용하는 성능계수 개념이 사용된다. 가역 카르노 과정에 대한 상기 성능 계수는 다음과 같다.
Figure pct00002
이 식은 단위 일당 상기 저온 소스에서 상기 고온 소스로 이동하는 열량을 나타내고, 통상적으로 COP로 지시되고 때때로 COP 값으로 언급되기도 한다.
다양한 종류의 에너지의 국제 가격 상승에 따라 히트 펌프를 포함하는 해법은 지난 수 십년간 급속도로 증가하였고, 히트 펌프를 더 효율적으로 제공하기 위한 여러 운영자에 의해 수많은 연구와 개발이 투자되었다. 오늘 날 히트 펌프는 약 5의 성능계수(COP 값)에 도달하였다. 이는 히트 펌프가 소비 에너지에 비해 5배 많은 에너지를 최적으로 전달한다는 것을 의미한다. 이 최적값은 예컨대, 지열 가열을 위한 히트 펌프에서 도달했다. 지열 가열은 주거를 위한 난방과 같은 낮은 온도가 필요한 열 소비자를 위한 저온 소스로 사용되었다.
최근 히트 펌프 시스템의 효율을 더욱더 증가시키기 위하여 상당히 노력되고 있다. 그러나, 고 효율의 플레이트 열교환기, 저 에너지 원심 펌프, 고 에너지 효율 스크롤 압축기 및 최적화된 냉각 혼합물 (즉, 히트 펌프 순환 내의 순환을 완성하는 작업 유체) 이 소개되면서 다른 물체들 간에 상술한 높은 COP 값을 얻기 위한 기술이 이미 상당히 진행되었기 때문에 효율을 더 증가시키는 것이 어렵다는 것이 입증되었다. 또한, 자원들은 최적의 방법으로 히트 펌프의 순환을 제어하기 위하여 복잡한 제어 시스템을 구현하는데 사용되어 왔다. 따라서, 통상의 장치들을 사용할 때, 성능계수를 수십 퍼센트라도 증가시키는 것 외에는 기술이 이미 극복하기 어려운 한계에 도달한 것으로 보인다.
종래의 히트 펌프 회로에서는, 작업 유체가 상기 히트 펌프 내에서 순환하는 동안 액체, 액체/기체 혼합물 및 기체 상태로 바뀌는 매질로 사용되었다. 상기 작업 유체는 저압(pl), 저온(tl)인 제 1 상태의 기체 상태인 제 1 단계에서, 고압(ph) 고온(th)인 제 2 상태로 압축되어 순환을 완료한다. 이후, 상기 작업 유체는 상기 작업유체가 열 순환을 따르는 제 1 매질에 의해 냉각되는 압축기 내에서 열 교환되어 압력(pm) 온도(tm)인 제 3 상태가 된다. 여기서 pl < pm < ph 이고 tl < tm < th이다. 상기 작업 유체는 기화기로 이동하여 수집 회로에 있는 제 2 매질로 열교환된다. 상기 제 2 매질은 상기 작업 유체에 열을 방출하여 상기 작업 유체가 팽창하고 상기 제 1 상태에 분포된 온도 및 압력으로 되돌아 간다.
상기 종래기술은 예컨대 지반과 응축기에서 열을 흡수하고 예컨대 주택의 난방 시스템에 열을 전달하는 히트 펌프를 예를 들어 설명하였다. 이러한 히트 펌프에서, 작업 유체의 압축에 필요한 일은 일반적으로 파워 P를 히트펌프회로에 전달하는 전기 모터에 의해 구동되는 압축기에 의해 공급된다. 순환하는 동안 상기 작업 유체는 성능계수가 5일 때인 최적상태에서 응축기 내에서 파워 5P를 상기 난방에 사용되는 히트 회로를 지나는 제 1 매질에 전달한다.
상기 응축기를 통과하는 경로에서, 상기 작업 유체는 냉각되고 상술한 바와 같이 기체/액체 혼합물의 상태가 된다. 이 혼합물은 트로틀 밸브를 통하여 상기 기화기로 가서 액체 상태가 되고, 이후 상기 액체 상태의 작업 유체는 팽창하여 기체 상태의 작업 유체가 된다. 상기 기화에 필요한 증기 발생 열은 이 경우 상기 작업 유체와 열교환을 위해 상기 기화기 내에 순환하는 상기 제 2 매질로부터 흡수한다. 이 경우, 흡수한 파워는 4P이다. 상기 제 2 매질은 수집 회로를 지난다. 상기 수집회로는 본 예시에서 지반으로부터 열을 흡수하는 바위 내에 순환하도록 적정한 방법으로 채택된 제 2 매질을 수용한다. 종래의 장치에서, 상기 압축기, 응축기 및 기화기는 최적의 수단으로 서로 보완하고 응용분야의 요청에 필요한 파워를 열 회로에 전달하는 방향으로 설계된다.
상기 작업 유체가 히트 펌프 순환에서 뜨거운 기체로 상기 압축기를 떠나 열을 상기 응축기로 전달할 때, 상기 뜨거운 기체의 온도와 압력은 급격히 낮아지고, 적어도 주요 부분의 상기 뜨거운 기체는 액체로 변환된다. 사용되지 않은 압력과 잉여 온도는 상기 작업 유체에 남아 상기 기화기의 상류 측에 설치된 팽창밸브 앞에서 사용된다. 상기 팽창밸브의 목적은 상기 응축기의 하류 측의 액체 흐름의 팽창을 제어하는 방식으로 소정 양의 작업 유체를 상기 기화기에 배분하는 것이다. 상기 액체는 상기 팽창밸브에서 팽창하여 상기 액체가 상기 기화기 내부 흐름으로 팽창하기 전에 낮은 압력과 낮은 온도를 제공한다.
JP2005172336, WO 2011059131, JP2007132541 및 JP 2009216275: 순환기 내에서 잉여 에너지를 사용하여 전기 에너지로 전환하는 터빈을 개시한다. 상기 터빈은 응축기와 기화기 사이에 배치된다. 상기 터빈은 작업 유체를 가지는 회로에 직렬로 연결되는 것이 특징이다. 이 문헌들은 상술한 잉여 온도 및 압력을 상기 응축기의 하부로 전송하여 전기 에너지로 변환하고, 발전기에 연결된 터빈이 팽창기를 치환한다. 그러나, 상기 응축기와 상기 기화기 사이의 작업 유체 내에서 일어나는 조건 하에 놓여 있는 전제 하에서 상기 터빈의 기능을 유도하는데 어려움이 있다. US2009165456: 압축기의 고압 부 후단에 직접 연결되어 전기 에너지를 추출하기 위한 터빈을 포함하는 다수의 실시예를 개시한다. 순환기에서, 펌프는 회로의 압력을 증가시키기 위한 응축기 후단 회로 내에 연결된다. 복수의 열교환기와 펌프가 장치를 복잡하게 만든다. WO2005024189 (D1): 작업 유체 내에 포함된 잉여 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 대안을 개시한다. 본 문헌 내의 장치는 기화기 내에서 열교환되는 액체 내에서 얻어지는 최대 가능 냉각이 일어나는 실시예를 가진다. 최대 냉각 추출을 달성하기 위하여 부분 흐름 내의 상기 작업 유체는 저온 추가 열 전도체를 향하는 열 교환기에 의해 추가 응축기 내에서 응축된다. 실시예 D1(도 4, 페이지 4 1~4행)에 따르면, 상기 작업 유체는 순환되는 동안 4가지 다른 상태를 가진다.
본 발명에서 해결하려는 과제는 히터 펌프 시스템 내의 에너지를 보다 효율적으로 사용하기 위한 히트 펌프 순환기를 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하려는 또다른 과제는 소정의 가열/냉각 요구를 가지는 설비 내의 수집 회로에서 더 많은 열을 흡수할 수 있는 히트 펌프 회로를 배치하는 것이다.
상기 해결하려는 과제를 달성하기 위하여, 응축기에서 열 순환에 필요한 파워 또는 냉각기계의 경우 기화기에서 필수적으로 추출된 파워를 생성하는데 필요한 것보다 더 큰 압축기에 더 많은 파워를 전달할 수 있는 전기 모터가 채택된다.
이런 방법으로, 특정 성능계수의 경우, 추가적인 에너지가 상기 히트 펌프 순환기 내의 작업 유체에 공급될 수 있다. 상기 열 순환이 상기 요구되는 파워를 위해 설계되었기 때문에, 이렇게 상기 열 순환에 추가 공급된 에너지는 상기 응축기에는 전달되지 않는다. 대신, 상기 응축기의 우회로가 상기 압축기의 출구로부터 상기 에너지 변환기를 지나 상기 기화기의 입구로 배치되거나, (특정 동작에서는) 상기 터빈 내의 상기 작업 유체의 팽정 정도에 따라 상기 압축기의 입구로 직접 회귀하도록 배치될 수 있다. 상기 우회로에서, 가스 터빈일 수도 있는 상기 에너지 변환기가 상기 압축기로부터 기체 흐름 내에 배치될 수 있다. 상기 압축기에서 나온 고온 고압의 뜨거운 기체의 흐름은 분할되어 일부는 상기 응축기로 향하고 일부는 에너지 변환기로 향한다. 상기 에너지 변환기를 통해 흘러 상기 응축기를 통과하지 않고 상기 압축기로 회수된 상기 흐름의 일부는 변환 회로라고 정의된 회로 내에서 흘러간다. 상기 작업 유체는 두 부분 유체로 유사하게 압축되고 응축되고 팽창되어 상기 응축기를 포함하는 회로와 상기 변환 회로를 지나간다. 이는 상기 작업 유체가 카르노 순환을 완성하여, 상기 완성된 히트 펌프 순환 내에서 상기 작업 유체의 두 부분 흐름에 대한 성능계수가 5인 성능계수로 할당될 수 있다. 상기 변환 회로 내의 에너지 변환기를 지나는 상기 작업 유체의 부분 흐름은 기체/액체 혼합물로 응축되어 상기 응축기를 통과하는 부분 흐름의 제 1 상태의 기체에서 제 2 상태로 변환되는 것과 유사한 과정을 거치게 된다. 상기 에너지 변환기가 터빈의 형태인 경우, 로터는 상기 고온 기체 흐름에 의해 회전하고 상기 증기의 에너지를 전기 에너지를 추축하기 위해 발전기에 공급된 기계적 에너지로 변환한다. 상기 전기에너지는 상기 압축기를 구동하는 전기 모터의 동작을 위해 사용되거나 전력망에 전달될 수 있다. 상기 에너지 변환기는 상기 에너지 용량을 전기에너지로 변환하기 위하여 상기 작업유체의 에너지 용량을 사용할 수 있는 다른 형태의 기계일 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 히트 펌프의 가열 회로에 필요한 파워는 상술한 종래기술과 마찬가지로 5P로 설계될 수 있다. 종래기술처럼 압축기에 1P의 파워를 전달하기 위해 전기 모터를 사용하는 대신, 본 발명의 전기 모터는 2P의 파워를 제공하기 위해 설계되었다. 성능계수 5에서, 상기 히트펌프가 전달할 수 있는 파워는 10P로 증가할 수 있다. 상기 수집 회로에서 얻어진 파워는 8P로 증가한다. 상기 가열 회로의 상기 제 1 매질에 필요한 파워 5P가 전달되는 상기 가열 회로에 상기 히트 펌프가 전달할 수 있는 파워의 절반이 보내진다. 상기 가열 회로에서 추출된 파워 10P의 남은 5P가 상기 변환회로의 분기를 통해 상기 터빈에서 사용되어 상술한 전기에너지를 전달하는 발전기에 유용한 에너지로 전달된다. 상기 발전기의 출력은, 특히 터빈/발전기 패키지의 효율에 의해, 이하 기술할 변환 유닛에서 결정될 수 있다. 이 효율이 50%라고 가정하면, 상기 히트펌프 회로에서 전달된 전력은 이론적으로는 2.5P가 될 것이다. 작업 유체의 많은 흐름이 상술한 통상의 히트펌프 회로에 비해 상기 기화기를 통해 더 많이 통과하기 때문에, 상기 기화기는 종래에 비해 더 많은 파워를 제어할 수 있도록 업그레이드될 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 히트펌프 회로의 압축기에 입력되는 파워를 증가시키는 경우, 소정의 파워 요구를 가지는 설비에서, 더 많은 양의 에너지가 상기 수집 회로에서 추출될 수 있다. 물론, 본 발명에 따르면, 상기 기화기에 열을 전달하는 상기 제 2 매질은 상기 기화기에서 필요한 증가된 출력을 공급할 수 있는 충분한 에너지 용량을 가질 필요가 있다. 예컨대 지열난방 추출을 위한 설비인 경우, 현재는 단 하나의 시추공만 필요한 통상적인 설비에 이격된 두 시추공이 상기 제 2 매질을 위해 필요할 수 있다.
본 발명에 따른 변환 유닛의 이점은 종래에는 완전히 사용하지 못하였던 자원을 상기 히트 펌프 회로의 잉여 압력 및 열의 형태로 사용하는 것이 가능하다는 점이다. 본 발명은 히트 펌프에 전달되는 에너지의 형태의 특정 에너지 생산에 소모되는 전기 에너지가 현저하게 적기 때문에 환경 개선에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 히트 펌프 회로를 개략적으로 나타낸 도면;
도 2는 상기 히트 펌프 회로의 열을 전기에너지로 변환하기 위해 통합된 터빈 및 발전기를 포함하는 본 발명에 따른 변환 유닛을 개략적으로 나타낸 도면;
도 3은 수집 회로가 상기 변환 유닛에서 잉여 열을 흡수하는 본 발명에 따른 히트펌프 회로를 개략적으로 나타낸 도면;
도 4는 상기 기화기가 상기 변환 유닛과 통합된 본 발명에 따른 히트펌프 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예 따라, 청구항 1에 따른 특성을 가지는 방법을 설명한다. 상기 방법에 사용된 장치는 청구항 3에 기재되어 있다.
본 발명의 실시예들은 종속항에 기재되어 있다.
본 발명의 추가적인 이점은 본 발명의 상세한 설명에 개시된다.
본 발명을 실시하기 위하여, 본 발명의 다양한 실시예가 도면과 함께 개시된다.
본 발명의 주요 개념은 도 1에 도시된다. 도 1은 종래기술에 비해 추가된 변환 회로를 가지는 본 발명에 따른 히트펌프를 도시한다. 작업 유체로서 냉매가 메인 회로(Main) 및 변환 회로(Transf)에서 순환한다. 상기 작업 유체는 상기 히트 펌프의 사용에 따라 선택될 수 있다. 다양한 종류의 작업 유닛이 예컨대 난방목적 및 냉방 장치를 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 지열 펌프에서 사용되는 R407C이 사용될 수도 있다.
이하 지반, 호수 또는 대지에서 에너지를 추출하는 것에 기반한 주거 난방에 사용되는 히트 펌프를 기술한다. 압력, 온도 또는 다른 파라미터에 관하여 여기에서 언급된 예시들은 히트 펌프를 지시한다. 본 발명에 따른 히트 펌프에 다른 용도가 제시된다면, 이는 상기 파라미터의 다른 값이 적용됨을 의미한다.
상기 히트펌프 순환기를 통해 진행하는 동안 상기 작업 유체의 데이터가 제공된다. 지시된 값은 예시를 위해서 사용되고 사안의 목적에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 도면의 점 1에서, 순환 내의 작업유체는 기체 상태인 제 1 상태이고, 약 2kPa의 압력과 5 ℃의 온도를 가질 수 있다. 상기 압축기(C)를 통과할 때, 상기 기체는 뜨거운 기체 상태(2)인 제 2 상태로 압축된다. 상기 작업 유체의 압력은 22 kPa에 머물고 온도는 120 ℃일 수 있다. 상기 압축기(C) 내의 상기 작업 유체를 압축하기 위한 에너지는 모터(M)을 통해 공급된 전기에너지에 의해 얻어질 수 있다. 물론, 상기 압축기(C)에 공급되는 에너지는 다른 형태의 기계적인 일의 도움으로도 얻어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 뜨거운 기체 형태의 상기 작업 유체의 제 1 부분흐름은 상기 메인 회로(Main) 내에서 응축기(COND)로 향한다. 상기 응축기는 예컨대 히트 펌프가 주거 난방에서 열 교환기로 설계될 수 있고, 가열회로(Q) 내에 순환하는 제 1 매질이 상기 응축기(COND)를 지난다. 상기 제 1 매질은 일반적으로 물일 수 있고, 상기 응축기 내에서 뜨거운 기체인 작업 유체와 열 교환을 통해 뜨거운 기체에 의해 가열된다. 상기 가열된 물은 Vut로 상기 가열회로 내에 순환되어 나오고 온도가 낮아져 Vin으로 상기 응축기(COND) 내에 되돌아 간다. 따라서, 상기 가열회로에 사용되는 동안 열이 상기 응축기로부터 전달된다. 상기 응축기 내의 작업 유체에 의해 전달되는 열은 뜨거운 기체의 온도 감소를 야기하여 상기 뜨거운 기체는 액체상태로 응축된다. 기체/액체 상태가 상기 작업유체 내에서 증가하는데, 여기에서 제 3의 상태(3)으로 지칭한다. 제 3의 상태에서, 응축기 내에서 나오는 에너지에 따라 압력은 약 10kPa이고 온도는 약 65 ℃로 떨어진다.
상기 응축기에서 상기 작업 유체는 상기 메인 회로(main) 내에서 상기 기화기(EVAP)로 향한다. 또한, 상기 기화기(EVAP)는 수집 회로(Coll) 내에서 순환하는 제 2 매질, 냉매에서 열을 흡수하는 열 교환기를 포함한다. 상기 제 2 매질(냉매)는 예컨대 지열의 경우 공지의 바위, 호수 또는 대지로부터 열을 흡수하기 위한 코일(상기 수집 회로) 내에 지열, 호수 또는 대지 열이 순환하는 경우에 물-알코올 용액과 같은 액체 상태의 매질 형태일 수 있다.
상기 수집 회로는 기화기(EVAP)를 지나고 그 내부에서 상기 메인 회로(Main)의 코일과 함께 열교환 구조를 형성한다. 상기 메인 회로(Main) 내의 상기 작업 유체는 액체 상태로 상기 기화기 내에 들어가고 상기 열 교환 구조 내에서 매질과의 열 교환에 의해 열을 흡수한다. 열은 입력(Cin)으로 상기 기화기에 주입되는 냉매를 통하여 상기 기화기(EVAP)에 전달된다. 이 열은 상기 수집회로를 통해 추가되고 상기 작업 유체를 기화시켜 액체 상태로 상기 기화기에 공급한다. 상기 기화를 위한 증기열은 상기 냉매에서 얻는다. 상기 냉매는 냉각되어 출력(Cut)으로 상기 수집 회로 내의 열원(바위, 호수, 대지)으로 되돌아간다.
상기 기화기(EVAP)에 들어가도록 허용된 기체/액체 상태의 작업 유체 양의 제어는 상기 응축기와 상기 기화기 사이에 설치된 팽창밸브(Exp)를 통해 정상적으로 제어될 수 있다. 상술한 바와 같이 팽창밸브는 액체 상태로 상기 기화기(EVAP)에 공급되는 작업 유체의 온도 및 압력을 감소시킨다. 상기 히트 펌프 회로의 운영은 종래기술에 /따른 히트 펌프의 기능을 보여준다. 종래기술에 따르면, 상기 팽창밸브(Exp) 앞의 회로에 과도한 압력이 이미 존재하는 경우에도 압축기(C)가 작동하기 때문에 약간의 에너지 손실이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 작업 유체의 제 2 부분흐름은 상기 압축기(C)에서의 상기 작업 유체의 출구 하류의 제 1 분기 밸브(S1)에서 상기 작업 유체를 추출하여 상기 응축기(COND)를 지나 분기배관 내부를 흐른다. 따라서, 이 부분흐름은 변환 회로(Transf) 내에서 흐른다. 상기 변환 회로(Transf) 내의 상기 부분흐름에 있어서, 제 3 분기 밸브(S3)를 통과하여 상기 팽창밸브(Exp) 하류의 상기 기화기(EVAP)의 입구로 향하거나 상기 제 3 분기 밸브를 통과하여 상기 압축기(C)로 곧바로 되돌아가 상기 메인 회로(Main)로 되돌아 가기 전의 상기 부분흐름이 지나는 곳에 변환 유닛(TG)가 위치한다. 상기 제 3 분기 밸브는 특정 작동조건 하에서 동시에 이 두 가지 경로를 따라 상기 메인 회로(Main)로 되돌아 갈 수 있도록 한다. 즉, 상기 기화기(EVAP) 전 또는 후에서 상기 변환회로의 상기 작업 유체의 부분 흐름이 상기 메인 회로(Main)으로 되돌아 갈 수 있다. 상기 변환 유닛(TG)는 상기 작업 유체가 가진 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환기의 형태이고, 발전기(G)와 결합된 증기터빈(T) 또는 다른 형태의 대응되는 기계로 구현될 수 있다. 상기 터빈(T)는 상기 제 1 분기 밸브(S1)을 통하여 상기 터빈(T)으로 흐르도록 제어되고 상기 압축기(C)에서 나온 뜨거운 기체의 부분흐름에 의해 제공된 뜨거운 기체 흐름에 의해 동작한다. 상기 발전기는 상기 터빈(T)에 의해 작동하여 사용하는데 필요한 전기 에너지를 제공한다. 본 발명의 특징은 히트펌프 회로에서 최대 효율 및 실질적인 방법으로 종래기술에서는 사용할 수 없었던 잉여 열 및 압력을 본 발명에서는 변환 유닛(TG)으로 이용하고 제어할 수 있다는 점이다.
따라서, 상기 발전기(G)의 로터부는 상기 터빈(T)의 회전부에 결합될 수 있다. 상기 발전기(G)의 스테이터부는 상기 변환 유닛의 캐이싱의 벽에 적절하게 고정되어 결합된다. 상기 발전기 및 터빈의 로터부와 함께 상기 스테이터부는 일반적인 압력 밀폐 케이싱에 결합되고 배치되는 것이 바람직하다. 이 경우 사용될 수 있는 종류의 증기 터빈은 빠른 속도로 회전하기 때문에, 고속형 전기 발전기가 적절히 사용될 수 있다. 예컨대, 직류발전을 위한 고속형 발전기(G)가 사용될 수 있다. 이러한 발전기는 외부 유닛의 전기구동과 관련하여 기술적 이점을 제공하고, 생성된 전기가 상기 전기모터를 구동하는데 사용되는 경우 상기 압축기에 대한 상기 발전기(G)고유의 손실 및 상기 전기 모터(M) 고유의 손실 관점에서 기술적 이점을 제공한다. 예를 들면, 상기 발전기는 상기 압축기(C)의 구동 모터(M)를 구동하기 위해 사용되는 전기 에너지를 생성할 수 있다. 상기 구동 모터(M)에 공급되는 동시에 또는 교대로, 잉여 전기는 외부 전기 네트워크에 공급될 수 있다. 상기 변환 유닛(TG)은 상기 히트 펌프 회로 내부에서 일어나는 압력 및 온도 하강 수단에 의해 상기 히트펌프 회로에서 사용될 수 있는 잉여 에너지에 의존하여, 그리고 상술한 것과 같이 상기 히트펌프 회로의 설계에 의해 생성된 상기 수집 회로의 이용 가능한 에너지 추출이 증가하기 때문에 상기 구동 모터(M)에 필요한 전기에너지를 감소되도록 할 수 있다.
상기 압축기(C)는 피스톤, 스크롤 또는 스크류 압축기일 수 있다. 상기 기화기(EVAP)는 필요에 따라 간접 기화기형 일 수 있고 보통 평판 열 교환기의 형태일 수 있다.
본 발명에 따라 변환유닛(TG)를 이용할 때, 상기 기화기는 팽창밸브(Exp)를 통해 추가적으로 요구 제어 작업 유체로 상기 기화기를 보조하기 위해 분기되고 고정된 기화과정을 추가적으로 가질 수 있다.
본 발명의 원리는, 소정의 요구가 난방 목적의 가열 회로에서의 전력 요구인 예시들에서 처럼, 특정 설비를 위한 소정의 요구에 기반한 것보다 더 많은 작업 유체의 흐름을 상기 히트펌프 회로를 통과하는데 생성할 수 있는데 기반한다. 이는 추가 부분 흐름을 도입함으로써 달성될 수 있다. 본 발명에 따르며, 상기 추가 흐름은 예를 들어 종래기술에 따른 열과 같이 소정의 요구를 위해 채택된 통상의 히트 펌프 회로에서의 부분 흐름과 평행하게 변환 유닛(TG)를 통해 지난다. 이를 가능하게 하기 위해, 상기 변환 회로(Transf)를 통과하는 부분흐름의 온도 및 압력이 상기 메인 회로(Main)의 부분흐름이 이들 부분 흐름들이 재결합되는 지점에서 가지는 값과 동일한 값을 가는 것이 필요하다. 상기 부분흐름들의 재결합은 상술한 것과 같이 상기 분기 밸브(S3)의 출구들 중 하나 또는 둘, 즉 상기 기화기의 입구 또는 출구 가운데 어느 하나에서 일어날 수 있다.
특정 동작 조건에서, 상기 변환 회로에서 상기 메인 회로로 작업 유체를 전달하기 위하여 상기 응축기(C) 상류의 상기 메인 회로(Main)는 변환 회로(Transf)와 연결될 필요가 있다.
도 1은 제어 유닛(CONTR)을 도시한다. 이 제어 유닛은 상기 히트 펌프의 구동을 위해 일어나는 구동조건들을 모니터링한다. 상기 제어 유닛(CONTR)은 상기 압축기(C)의 시동 및 정지를 제어하고 상기 분기 밸브(S1, S2, S3)에서 작업 유체의 흐름을 제어하고, 팽창밸브(Exp) 및 상기 발전기(G)에서 공급되는 전압을 제어하는 전압 레귤레이터(REG)를 제어한다. 히트 펌프의 제어는 통상적인 기술이므로 상기 제어 유닛의 구동 모드는 여기에서 자세히 설명하지는 않는다.
상기 변환 유닛은 상기 히트펌프 회로에서 다른 방식으로 위치할 수 있고, 다른 실시형태로 제공될 수도 있지만 상기 잉여 압력/열을 이용한다. 다른 형태의 실시예는 터빈부와 압축/전기 모터가 결합될 수 있다. 이 경우 기계적으로 단순하여 동작하는데 더 낮은 에너지가 필요하다. 이 실시예에서, 발전기 부분은 필요없고, 구조가 간단하지만 압축기 유닛의 재설계가 필요하다.
계산 예제
본 발명에 따른 히트펌프 회로의 설계예를 설명한다. 이 예는 본 발명의 개념을 더 상세하고 명확히 하기 위한 것이고, 단지 원리를 보여주기 위한 실시예로서 착안되었으며, 본 발명에 대한 논증을 위해 어떤 근거의 형태로 제공된 것은 아니다.
가정:
- 상기 응축기(COND)에서 가열 회로 내의 Vut에서 평균온도 +40 ℃(T1) 물의 추출 및 설비 내에서 설정된 열 요구: 8 kW(최대파워).
- 선택된 히트 펌프: 상기 압축기의 속도 제어 직류 구동이 가능한 0 ~17 kW (설정된 요구보다 큰 용량).
- 구동 요인: 상기 냉매의 연간 평균 온도(T2): +4 ℃, 지열, 압축기에서 작업 유체의 직접 회수, 부분적으로 응축기를 통해 기화기로, 부분적으로 변환 유닛을 통해 기화기로 회수(즉, 상기 터빈 (T)에서 압력/온도 감소 후 고온 기체 내의 잉여 열을 회수):
T1 = 40 +273 = 313 (K)
T2 = 4 + 273 = 277 (K)
- 상기 식에 따라 이론적으로달성할 수 있는 성능 계수:
COP = T1/(T1 - T2) = 313/(313 - 277) = 313/36 = 8.69
- 종래기술에 따르면, 상기 히트 펌프의 실현 가능한 성능계수(COP)는 압력 및 열 손실로 인해 이론적으로 가능한 양의 약 50%
- 상기 펌프 회로의 실제 성능계수: 0.5 × 8.69 = 4.35.
제 1 대안에 따르면, 8 kW의 파워를 응축기(COND)에 제공하고, 9 kW를 상기 변환 유닛(TG)에 제공하는 경우 (즉, 고온 기체를 응축기(COND)를 통해 바로 회수하거나 통상적으로 제한된 팽창 밸브를 사용하지 않고 압력/온도 감소된 고온 기체를 기화기(EVAP)에 회수하는 두 가지 경우) 성능계수 4.35는 다음을 제공한다.
- 상기 열 요구를 만족하기 위한 압축기의 요구 압력: 8 kW/4.35 = 1.84 kW.
- 잉여 (9 kW) 사용가능 히트펌프 파워(17 kW)를 상기 변환 회로로 전달하기 위한 상기 압축기의 요구 파워: 9 kW/4.35 = 2.07 kW.
최대 파워를 출력하기 위한 전체 파워 소모: 3.91 kW.
여기에 설정된 50% 효율에서 상기 변환유닛(TG)로부터 출력된 최대 파워: 0.50 × 9 kW = 4.5 kW.
제 2 안에 따르면, 상기 변환 유닛(TG)의 실현 가능한 효율이 사용가능 용량(9 kW)의 40%를 제공하는 것을 가정할 때, 가능한 파워 출력은 0.40 ×9 kW = 3.6 kW.
- 상기 열 요구 (응축기를 통한)를 만족하기 위한 상기 압축기의 요구 파워는 제 1 안과 동일한 8 kW/4.35 = 1.84 kW,
- 사용가능한 히트 펌프의 파워(17 kW)의 잉여량(9 kW)를 상기 변환 유닛에 전달하기 위한 상기 압축기의 요구 파워: 9 kW/4.35 = 2.07 kW
최대 파워 출력을 위한 전체 요구 파워 소모: 3.91 kW.
제 2 안은 0.31 kW의 추가 요구를 제공하지만, 반면 8 kW의 최대 출력을 상기 가열 회로에 생산하고 ?대 3.6 kW를 상기 변환회로(TG)에서 전력으로 생산한다.
상기 변환 유닛(TG)는 도 2의 단면도로 보여지는 것과 같이 설계될 수 있다. 상기 터빈(T)는 케이싱(H)으로 밀폐되고 샤프트(A)에 설치된다. 상기 샤프트는 상기 케이싱(H) 양측의 각 끝은 베어링(B)으로 지지된다. 상기 터빈 상의 상기 터빈 휠에 인접하고 결합되어, 상기 발전기(G)의 로터부(R)이 부착된다. 상기 로터부(R)은 상기 터빈(T)의 터빈 휠과 함께 회전한다. 상기 발전기(G)의 스테이터부(S)는 상기 케이싱(H)의 일 측벽에 고정되어 부착된다. 잘 알려진 바와 같이, 전압은 입구 Fin의 증기가 상기 터빈(T)를 통과하여 출구(Fut)를 통해 방출될 때, 상기 터빈 휠이 회전할 때 상기 발전기에서 출력단을 가로질러 생성된다.
도 3은 다른 실시예를 나타낸다.
본 발명에 따르면, 상기 변환 유닛을 지나는 고온 기체의 부분 흐름이 상기 터빈(T)에 회전 에너지를 전달할 때, 열도 함께 상기 터빈 자체의 물질에 전달된다. 상기 발전기(G)의 부품에서도 열이 발생한다.상기 변환 유닛(TG)에 전달된 모든 잉여 열을 사용하기 위하여, 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 터빈(T)와 상기 발전기(G)를 압력 밀폐 방식으로 밀봉하고 있는 케이싱은 자켓 또는 커버(M)으로 감싸져 있고, 더블 쉘을 형성하고 두 쉘들 사이에 자켓 공간이 있다. 상기 제 2 매질, 즉 냉매는 상기 자켓 공간의 입구 Cin2 에서 상기 자켓 스페이스로 들어가 상기 냉매는 상기 밀봉된 변환 유닛(TG)에서의 잉여 열에 의해 가열된다. 상기 제 2 매질은 열을 흡수한 후 상기 기화기(EVAP)의 입구(도 1에서 Cin으로 정의된 입구)로 회수되어 상술한 공정이 진행된다. 이 경우, 상기 고온 기체 흐름은 상기 터빈/발전기를 통해 전기 에너지를 생산하는데 사용되며 남은 열은 상기 수집 회로로 회수됨으로써 처리된다.
상기 히트펌프 회로의 세부기능
시작할 때, 상기 제어 유닛(CONTR)의 제어 수단에 의해 상기 변환유닛(TG)를 통해 기체가 흐르기 위해 분기 밸브 S1 및 S2는 닫혀있다. 상기 압축기(C)가 상기 팽창밸브(Exp)의 제어에 의해 작업 압력을 얻으면, 상기 제어 유닛(CONTR)이 상기 변환회로(Transf)에 기체의 흐름을 제어하는 단계에서 상기 밸브 S1/S2에 개방 임펄스를 제공하여 상기 변환 유닛(TG)에 결합된 발전기(G)가 구비된 터빈(T)가 전압의 출력을 조절하는 전압 레귤레이터(REC)에 전압을 생성하기 시작한다. 상기 변환 유닛의 상기 터빈(T) 및 상기 발전기(G)가 상기 히트펌프의 전압 상태에 있을 때, 상기 제어 유닛(CONTR)은 상기 변환회로에서 상기 기화기(EVAP)까지 완전히 개방하기 위하여 상기 분기 밸브(S2)에 임펄스를 공급한다. 그 후, 고온 기체 흐름이 발전기 전압을 상기 속도 제어 직류 압축기(C)로 제어하는 방식으로 상기 분기 밸브(S1)가 상기 전압 레귤레이터(REG)와 상기 제어 유닛(CONTR)을 통해 제어된다. 본 발명에서, 상기 속도 제어 직류 압축기(C)는 상기 가열 회로 내의 열 용량(냉방장치의 경우 기화기의 "쿨링" 용량)에 비해 큰 용량을 가진다. 상기 터빈(T)를 통과하는 부분흐름의 압력이 감소하는 요인에 의해 낮은 압력의 제한되고 제어되고 분기된 기체/액체 흐름이 직접 상기 기화기(EVAP)에 공급된다. 상기 변환 유닛(TG)가 냉각되는 경우 잉여 열이 방출되기 때문에 상기 부분흐름의 온도 또한 낮아진다. 상기 기화기(EVAP)에서 상기 작업유체의 최적 이용을 위하여, 상기 상기 기화기(EVAP)에 유체를 공급하는 상기 분기 밸브(S3)가 상기 제어 유닛(CONTR)에 의해 제어된다. 특정 작동조건에서, 상기 변환 회로(Transf)를 통과하는 상기 부분흐름의 소정 부분이 상기 압축기(C)의 흡입부로 곧바로 회수되어 압력이 완화되는 방향으로 작동(즉, 출력제어)함으로써 더 최적의 상황을 달성할 수 있다. 이 제어는 상기 분기밸브(S3)에 의해 처리된다. 부가적으로, 상기 제 2 매질이 지나가는 보조 냉각기(U1)가 상기 수집 회로에 위치하여 상기 응축기(COND) 이후의 잉여 열을 최대한 사용할 수 있다. 이는 선행기술과 유사하고 도 3에서 점선으로 표시되었다. 본 발명에 따른 히트펌프 회로에서 압력과 열의 사용은 여러가지 다른 방식으로 실행될 수 있지만, 그 중에서 바람직한 실시예만 여기에서 설명하였다. 압축기(C) 자체에서 발생하는 고온 기체 압력이 상기 응축기에 보내져 상기 작업 유체를 향하는 비정상적인 흐름을 유발하고 상기 히트 펌프 회로에 작동 교란이 일어나는 것을 막기 위하여 비가역 밸브(V)를 사용하여야 한다. 상기 제 2 분기 밸브(S2)는 적어도 (회로 Trasnf 내의) 상기 작업 유체의 제 2 부분흐름이 상기 메인 회로(Main)로 되돌아가도록 제어된다. 이는 특정 작동조건에서 유용할 수 있다.
본 발명에 따라 설계된 히트 펌프는 여러가지 실시예로 제공될 수 있다. 예컨대, 상기 기화기(EVAP) 및 상기 변환회로(TG)는 서로 결합될 수 있다. 예를들면, 상기 기화기는 상기 변환 유닛의 외부 케이싱을 구성한다. 이러한 설계에 의해, 상기 변환유닛(TG)에서 나오는 모든 잉여 열이 상기 기화기(EVAP)로 전달될 수 있고 추가적인 잉여 에너지를 사용할 수 있다. 본 발명의 원리에 따른 상기 기화기(EVAP)의 설계는 도 4에 도시되었다. 이러한 다양성은 그 구조가 더 복잡해 지는 요인에 되더라도 상업적으로 관심이 가는 것일 수도 있다. 경우에 따라, 보조 냉각기 U1 및 U2가 도 4에 도시된 것과 같이 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히트펌프 회로에서 변환유닛의 가능한 응용예를 사용할 때 이론적인 계산을 도 4에 따라 응용예를 기반으로 설명한다. 작업유체 R407C에 적용된 몰리에 다이어그램에 따르면, 압력 24 kPa/온도 약 100℃의 고온 기체 형태의 이 매질은 고속 발전기를 가동하는 2-스테이지 터빈을 통과하는 동안 압력이 약 4 kPa로 감소하면 약 20℃의 온도량을 준다. 예컨대, 0 ~17 kW의 평가 출력을 가지는 일반적으로 가능한 속도 제어 직류 구동 히트 펌프는 제조사의 기술 스펙에 따라 약 18 kbm/hour의 최대 고온 기체 흐름을 가진다. 이는 약 300 리터/분 또는 약 4리터/초의 최대 고온 가스 흐름을 수반한다. 이 "매질 흐름"의 에너지 용량은 상기 제어 유닛(CONTR)에 의해 제어되는 분기 밸브인 상기 분기 밸브(S1)에 의해 분할된다. 만약 상기 2-스테이지 터빈이 상기 기체 압력을 24 kPa에서 약 4 kPa로 낮추면, 동시에 상기 변환 회로(Transf) 내의 잉여 압력의 에너지 용량의 80%이상이 상기 2-스테이지 터빈(T)의 운동 에너지로 변환되고 상기 전체 변환 회로(TG) 내의 열 생성을 제공한다. 이 예에서, 몰리에 다이어그램에 나타난 바와 같이, 이 과정에서 온도 및 압력은 등가의 부분임을 알 수 있다. 상기 변환 유닛(TG)가 상기 기화기(EVAP)에 결합되고 매입된 도 4의 실시예에 따라 히트펌프회로가 배치되면, 상기 변환유닛(TG) 내에서 모든 열손실은 상기 기화기(EVAP)에 공급될 것이다. 이는 모든 히트펌프 회로(Main+Transf), 즉 종래기술과 같은 팽창밸브(Exp)를 통해 상기 응축기(COND)에서 오는 것과 상기 결합된 변환유닛(TG)를 통과하는 "직접 기체 혼합물"을 합한 것에 대한 기화열을 현저하게 증가시킨다. 정확하게 측정된 기화기(EVAP) 및 수집 회로를 사용하여, 현저히 높은 에너지 출력을 상기 수집 회로에서 만들 수 있다. 상기 수집 회로는 이는 이미 잘 알려지고 잘 작동하는 냉각/가열 펌프 기술을 사용함으로써 전기 에너지 출력이 가능하다. 상기 팽창밸브(Exp)가 너무 높은 압력/온도 값을 가지고 불필요한 손실 원을 구성하는 작업 유체의 허용하지 않기 때문에, 잔류 압력/온도, 즉 상기 응축기 출구/관로 이후의 에너지 용량을 사용하기 위하여, 보조냉각기(U1)을 인입 도관(Cin2)에 상기 수집 회로의 기화기와 직렬로 연결할 수 있다. 동일한 방법으로 상기 터빈(T)의 배관 이후에 상기 작업 유체의 온도를 낮추기 위해서 상기 수집 회로의 유출 배관(Cut)에 보조 쿨러(U2)를 연결할 수도 있다. 따라서, 상기 기화기(EVAP)로 보내지기 전에 상기 터빈(T)에서 나온 부분흐름으로부터 더 많은 에너지를 추출하는 것이 가능한다. 이로써, 상기 작업유체가 결합되어 연결된 부분흐름들, 즉, 상기 압축기(C)의 흡입 부에 되돌아 가는 기체 흐름의 합(3)의 기화온도를 더 최적화시키는 것이 경제적으로 가능할 것으로 예상된다. 너무 많은 부분흐름이 상기 터빈(T)을 통해 생성되는 경우, 잉여는 상기 기화기(EVAP)를 지나쳐 상기 분기 밸브(S3)의 제어에 의해 분기/우회된다. 이 우회되 잉여는 상기 기화기(EVAO)에서 나온 오버플로우와 합쳐지고 상기 압축기(C)의 흡입부로 전달된다. 상기 압축기는 최소 압력차가 형성되기 때문에 에너지 소모가 저하된 것을 의미하는 "압력 해제"가 된다. 상술한 바와 같이, 여기에 설명된 히트펌프 회로는 냉각 장치에도 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 기화기(EVAP)에서 외부 매질을 냉각할 수 있다. 예컨대, 공기로부터 열을 흡수하는 작업유체를 가지는 냉각 코일을 통하여 상기 기화기(EVAP) 내부를 통과하는 제 2 매질로서 공기를 냉각할 수 있다. 만일, 여기에 개시된 발명이 냉각장치에 사용된다면, 상기 회로의 설계를 제어하는 상기 응축기의 가열 회로 내의 에너지 요구가 가열 목적인 상기 예시들에 비해, 설계된 회로는 그 대신 상기 기화기(EVAP)에 바람직한 냉각효과를 낼 수 있는 것에서 출발한다.
C: 압축기 M: 모터
COND: 응축기 Q: 가열회로
EVAP: 기화기 Exp: 팽창밸브
TG: 변환 유닛 T: 터빈
G: 발전기

Claims (10)

  1. 순환기 내에서 저압 p1 및 저온 t1의 제 1 상태(1)에서 고압 ph 및 고온 th의 제 2 상태로(2)로 압축되는 작업 유체를 포함하되, 상기 작업 유체가 냉각되어 압력 pm 및 온도 tm인 제 3 상태가 되고, 여기에서 pl < pm < ph 이고 tl < tm < th 이며, 상기 작업 유체는 팽창되어 상기 순환기에서 다시 압축되기 전에 상기 제 1 상태(1)에 분포된 압력 및 온도로 되돌아 가는 냉매 순환 방법에 있어서,
    - 압축된 작업 유체의 제 1 부분흐름은 응축기(COND)_에서 열 교환되어, 상기 응축기를 통과하는 코일을 가지는 열 순환기(Q)를 따라 상기 제 1 매질을 통하여 상기 작업유체의 냉각이 일어나고 상기 제 1 매질이 상기 작업 유체를 냉각시켜 제 3의 상태로 바꾸되, 상기 작업 유체는 상기 기화기(EVAP)로 전달되어 수집회로(Coll)에 있는 제 2 매질과 열교환하고 상기 제 2 매질은 열을 상기 작업 유체에 전달하여 상기 작업 유체가 상기 팽창되어 상기 제 1 상태(1)에 분포된 압력 및 온도로 되돌아 가고;
    - 상기 압축된 작업 유체의 제 2 부분흐름은 다음 두 가지 경우 중 하나에 따라 에너지 변환기(TG)를 통과하는 경로에서 상기 제 2 상태(2)에서 상기 냉각 및 상기 팽창되고,
    a) 상기 온도 및 압력은 상기 에너지 변환기(TG)를 통과하는 경로에서 감소하여 상기 작업 유체가 사이 제 3 상태(3)로 팽창하고 상기 기화기(EVAP)내에서 더 팽창하여 상기 순환기 내에서 제 1 상태로 되돌아 감.
    b) 상기 온도 및 압력은 상기 에너지 변환기를 통과하는 경로에서 감소하여 사익 제 2 상태(2)의 상기 작업 유체가 팽창하여 상기 제 1 상태(1)로 되돌아가고 압축을 위한 순환기로 다시 되돌아 감.
    - 상기 에너지 변환기(TG)는 상기 에너지 변환기 내에서 작업 유체가 팽창하는 동안 추출된 일을 전기 에너지로 변환하되, 상기 에너지 변환기(TG)는 발전기(G)를 구동하는 터빈(T)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매 순환 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 작업 유체가 상기 제 1 및 제 2 부분흐름으로 각각 분산되는 것과 상기 a) 및 b) 중 어느 하나에 따라 상기 제 2 부분흐름의 상기 작업 유체가 상기 제 1 상태(1)로 되돌아 가는 것은 제어 가능한 분기 밸브들(S1, S2, S3)를 통한 제어 유닛(CONTR)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 냉매 순환 방법.
  3. 작업 유체가 지나가는 회로 내에 적어도 하나의 압축기(C), 하나의 응축기(COND), 하나의 기화기(EVAP) 및 하나의 에너지 변환기(TG)를 포함하는 장치에 있어서,
    - 상기 압축기는 저압 pl, 저온 tl인 상기 제 1 상태(1)의 기체인 상기 작업 유체를 고압 ph, 고온 th인 제 2 상태의 기체로 압축하고,
    - 상기 작업 유체의 제 1 부분흐름은 메인 회로(Main) 내부를 지나 상기 응축기(COND)를 통과하는 경로에서 기체/액체 혼합물로 응축되고, 상기 작업유체가 제 1 열 순환기(Q)에 있는 제 1 매질에 열을 전달함으로써 압력 pm 온도 tm의 제 3 상태(3)가 되되, 상기 제 1 매질은 상기 응축기(COND)에서 상기 작업 유체와 열교환하고, pl < pm < ph 및 tl < tm < th 관계에 따라 상기 작업 유체의 제 1 부분흐름은 상기 응축기(COND)를 향하고 상기 기화기(EVAP)에서 팽창되어 상기 기화기(EVAP)에 연결된 수집회로(Coll) 내의 제 2 매질로부터 열을 흡수하여 제 1 상태(1)의 기체로 되돌아가되, 상기 제 2 매질은 상기 작업 유체와 열교환하여 상기 작업 유체는 상기 압축기(C)로 되돌아가 상기 순환을 다시 완료하고,
    - 상기 압축된 작업 유체의 제 2 부분흐름은 상기 압축기(C)의 출구에 분포된 제 2 상태(2)에서 팽창하고, 상기 작업 유체의 상기 제 2 부분흐름의 에너지 용량을 전기 에너지로 바꾸기 위하여 변환 회로(Transf)를 지나 상기 에너지 변환기(TG)로 전달되고,
    상기 에너지 변환기(TG)의 출구에서 나온 팽창된 작업 유체가,
    a) 더 팽창하기 위하여, 상기 에너지 변환기(TG)로부터 상기 기화기(EVAP)로 향하는 것과,
    b) 상기 에너지 변환기(TG)에서 제 2 상태(2)에서 제 1 상태(1)로 팽창한 후 상기 압축기(C)로 되돌아가는 것,
    중 어느 하나를 따라 상기 압축기(C)로 되돌아가는 것이 특징인 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 작업 유체의 상기 제 1 및 제 2 부분흐름의 분배를 위한 제 1 분기 밸브(S1)를 제어하는 제어 유닛(CONTR)에 의해 다른 작동조건에도 동작하되, 상기 제어 유닛(CONTR)은 상기 a) 및 b) 중 어느 것을 따라 상기 제 2 부분흐름의 상기 작업유체를 상기 압축기(C)로 되돌아가게 함으로써 작동조건을 선택하기 위한 상기 제 2 분기 밸브(S2) 및 제 3 분기 밸브(S3)를 더 제어하는 것이 특징인 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압축기(C)를 구동하는 모터는 속도 조절이 되되, 상기 제어 유닛(CONTR)은 상기 모터(M)을 제어하여 상기 압축기(C)에 에너지 공급을 제어하여 다른 작동조건이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기화기(EVAP)에 유입되는 기체/액체 상태의 작업 유체 양은 상기 응축기(COND) 및 상기 기화기(EVAP) 사이에 위치하는 조절가능한 팽창밸브(Exp)를 통해 상기 제어 유닛(CONTR)에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 에너지 변환기(TG)는 상기 작업유체의 상기 제 2 부분흐름이 지나가는 터빈(T) 및 상기 터빈(T)에 의해 구동되는 발전기(G)를 포함하여, 상기 터빈 및 상기 발전기는 결합되고 압력 밀폐 케이싱에 밀봉된 것을 특징을 하는 장치.
  8. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 작업 유체의 상기 제 2 부분흐름이 지나는 상기 에너지 변환기(TG)는 압력 밀폐 케이싱에 밀봉되고, 상기 기화기(EVAP)는 상기 에너지 변환기(TG)를 압력 밀폐하는 상기 케이싱을 둘러싸고, 상기 기화기(EVAP)는 상기 압력 밀폐 케이싱에서 새어 나오는 잉여 열을 이용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 터빈(T)은 적어도 하나의 터빈 로터를 가지는 적어도 하나의 터빈 스테이지를 가지되, 상기 적어도 하나의 터빈 로터는 기체 상태의 제 2 부분흐름에 의해 회전하고, 상기 발전기(G)의 로터는 상기 적어도 하나의 터빈 로터와 동일한 샤프트에 설치되고, 상기 발전기의 스테이터는 상기 압력 밀폐 케이싱에 결합된 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 에너지 변환기(TG)에서 생성된 전압은 상기 제어 유닛(CONTR)에 의해 제어되는 전압 레귤레이터(REG)에 전달되어 상기 전압 레귤레이터(REG)에서 공급된 전압을 상기 장치의 현재 작동 조건에 맞추어 조절하는 것을 특징으로 하는 장치.
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