KR20160101008A - 열 회수 기능을 갖는 화력 발전장치 및 화력 발전장치에서 사용하는 에너지 변환 방법 - Google Patents

Abstract

작동 매체를 이용하여 열을 운동에너지 및 전기에너지로 변환하는 에너지 변환 방법 및 화력 발전장치에서, 증기 상태의 작동 매체는 제1압력의 증기 발생기에서 생성된다. 상기 증발된 작동 매체는 증기 팽창 장치에서 제2압력 이하로 팽창된다. 상기 팽창 과정에서 얻어지는 에너지는 배출된다. 상기 증기 상태의 팽창은 상기 작동 매체의 포화선을 따라 이루어진다. 이에 따라서 상기 작동매체는 분리 장치에서 비응축 부분과 응축 부분으로 분리된다. 상기 비응축 부분은 압축기 내부에서 압축된 비응축 부분으로 압축되며, 상기 압축된 비압축 부분은 압축된 응축 부분에 의해서 냉각되고 응축된다. 상기 압축된 응축 부분과 초기의 응축 부분은 가열되고, 증기 발생기로 돌아간다.

Description

열 회수 기능을 갖는 화력 발전장치 및 화력 발전장치에서 사용하는 에너지 변환 방법{THERMAL POWER PLANT WITH HEAT RECOVERY, AND ENERGY CONVERSION METHOD USING SUCH A THERMAL POWER PLANT}

이 발명은, 열로부터 운동에너지 또는 전기에너지를 생산하는 발전장치 분야에 관련된 것으로, 특히, 열 기관, 피스톤 증기 기관, 증기 터빈을 막론하는 열 회수 기능을 갖는 화력 발전장치에 관한 것이다.

에너지 회수 분야의 다양한 증기 사이클 프로세서가 종래기술로 알려져 있다. 증기 동력을 이용하는 전기 에너지의 발전기는 원칙적으로 클라우시우스-란키네(Clausius-Rankine) 사이클 프로세스를 기초로 한다. 이러한 종래 기술은 두 가지 단점이 있다. 첫째로, 증기는 증기 터빈 내부에서 팽창 후 응축되어 하고, 이는 냉각타워나 강물에 의해서 이루어진다. 이로 인하여 60% 정도의 매우 많은 양의 열이 손실된다. 열 손실 이외도, 원치 않는 폐열에 의해 환경에 영향을 미치게 된다. 둘째로, 저압 구성들은 주위의 온도에 연관된다. 충분한 수준의 효율을 달성하기 위해서는, 약 600도 내지 800도까지의 고온이 고압 측에서 사용되어야 한다. 하지만 이는 고온에서만 열을 전기 에너지로 전환시킬 수 있음을 의미한다. 따라서 상기 Rankine 사이클 프로세서에 의하면, 지열, 태양열, 열회수를 통한 열은 경제적인 방법으로 전기 에너지로 변환될 수 없다.

한편, 잘 알려진 DE 3427219는 작동 매체의 초 임계 범위에서 작동하는 가스 터빈 또는 피스톤 증기 기관에 대한 증기 기관 사이클을 예시로 한다. 작동 유체의 가스는 초 임계 온도 및 압력 범위에서 액상으로부터 직접적으로 얻어지고, 일정한 초 임계 압력에서 추가 가열되어 가스 터빈으로 공급된다. 상기 가스 터빈 내에서, 가스는 작동 매체의 임계점 부근에서 단열 과정으로 또는 폴리트로피(polytropically) 과정으로 팽창된다. 열 펌프 및 팽창 챔버에 의해서 완전히 액화되도록 추가 냉각이 이루어진다. 이때, 추가 냉각은 임계온도 이하에서 이루어지나, 여전히 임계압력 이상이다. 초 임계 증기 엔진 사이클에 의해 외부로부터 흡수된 열(일 예로, 액화열, 과열 열교환 뿐만 아니라 저온 증기의 케이스의 동작에 따른 팽창 중에 터빈 벽을 통해서 흡수된 모든 열)은 일로 전환될 수 있다.

또한, WO 2012/049259 A1는 Clausius-Rankine 사이클 프로세스을 통해, 상대적으로 저온의 외부 열원을 변환시키기 위한 방법과 장비를 개시한다. 압축된 유체 매체는 외부 열원으로부터 나오는 열에 의해 적어도 부분적으로 가열된다. 이에 따라 유체 매체는 팽창되고, 초임계 상태로 도달한다. 이 때, 가열된 매체의 압력이 소정의 값으로 감소된다. 더 정확하게 일을 소비하여, 전기에너지를 생산한다. 매체를 액상 상태로 전환하고, 사이클을 순환시키기 위하여 에너지 진동수는 원하는 출력진동수로 변환되고, 매체의 온도 및 부피는 감소한다. 액상 매체와 팽창 증기 사이에는 다양한 열교환기가 제공될 수 있다. 이 방법은 요구되는 온도 범위 때문에 지열과 태양열의 사용에는 적합하지 않다.

본 발명에 따른 화력 발전장치(특히 열 기관)의 목적은 열원의 손실을 피하고, 사용되는 사이클 프로세스에서 요구된 온도를 낮추며, 발전장치의 효율을 상승시키고, 특히 전기 에너지로 변환을 향상 시킨다.

이와 같은 목적은 청구항 1에 따른 화력발전장치 및 청구항 10에 따른 에너지 생성 방법에 의해서 달성된다. 바람직한 실시예 및 다른 실시예는 종속항에 기술되어 있다.

본 발명에 따르면, 작동 매체에 의해 열을 기계적 또는 전기적 에너지로 변환하는 방법은 다음 단계를 포함한다. 기상 상태의 작동 매체는 증기 발생기의 제 1 압력에서 생성되고, 증발된 작동 매체는 증기 팽창 장치에서 제 2 압력 이하로 팽창되며, 팽창 과정으로 얻어진 에너지는 일 예로 발전기로 배출된다. 전송을 위해서 유압 전동 장치와 같은 전송 장치가 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 증기 상태의 팽창은 작동 매체의 포화선을 이용하여 수행된다. 그렇게 함으로써, 작동 매체는 분리 장치에서 응축 부분과 비응축 부분으로 나뉜다. 이 때, 상기 비응축 부분은 압축기에서 압축된 비응축 부분으로 압축된다. 또한, 상기 압축된 비응축 부분은 냉각되고 압축된 응축 부분으로 응축된다. 상기 압축된 응축 부분, 초기의 상기 응축 부분은 가열되고 증기 발생기로 복귀한다.

본 발명에 따른 방법을 수행하기 위하여, 작동 매체에 의해 에너지를 변환하는 화력발전장치는 제 1 압력에서 작동 매체를 기화하기 위한 증기 발생기, 제2압력 이하로 증기 상태의 작동 매체를 팽창시키기 위한 증기 팽창 장치, 응축기 및 응축 펌프를 포함한다. 작동 매체를 가열하기 위한 열원은 연소열, 지열, 태양광 시스템, 냉각시스템 및 또는 열회수 설비의 폐열 일 수 있다. 응축기는 증기 팽창 장치로부터 토출된 작동 매체를 냉각하고 액화한다. 증기 팽창 장치는 증기 팽창 장치에 의해서 팽창된 작동 매체가 응축부분과 비응축부분을 가지록 설계된다. 본 발명에 따른 팽창 과정은 실질적으로 작동 매체의 폴리트로프(polytrope)을 통해, 바람직하게 포화라인(특히 작동 매체의 임계점)을 통해 진행된다. 그리고, 응축 부분과 비응축 부분의 분리를 위한 분리 장치 및 작동 매체의 비응축 부분의 압축을 위한 압축기가 더 제공된다. 팽창된 작동 매체의 비응축 부분은 응축기내의 응축 부분에 의해서 적어도 부분적으로 응축된다.

본 발명에 따른 방법에 의하면, 나무를 태움, 지열 에너지, 열회수로부터 얻어지는 낮은 온도의 열이 좋은 효율로 전기에너지로 변환될 수 있다.

증기 발생기 내부의 작동 매체의 팽창은 습증기 팽창(wet steam expansion)을 통해서 일어나고, 압축된 비응축 부분의 냉각 및 응축은 응축 부분에 의해서 일어난다. 팽창단계의 제2압력은, 작동 매체의 임계점에서의 압축 인자Z에 의해서 결정된다. 상기 방법으로, 비응축 부분은 기화된 작동 매체의 50~60%에 이르게되고, 따라서, 초기의 응축 부분이 40~50%이다.

본 발명에 따르면, 종래 설비의 상당한 손실 계수가 제거될 수 있으며, 냉각타워가 교체될 수 있으므로 더 경제적으로 운영될 수 있다.

또한, 효율성이 향상되고, 폐열에 의한 환경의 영향을 줄일 수 있다.

또한, 주위 온도에 대한 온도 의존성이 없고, 프로세스의 온도를 낮출 수 있어, 지열, 열회수로 얻는 열과 같은 낮은 온도를 이용하여 에너지를 전환시킬 수 있다.

본 발명에 따른 작동 방법 및 실시예는 도면을 참조하여 아래에 나타내었다. 이는 설명의 목적으로 제공되며, 제한적인 방식으로 해석되지 않는다. 도면들로부터 공개된 발명의 기술적 특징은 각각 발명의 개시 또는 이들의 조합에 의하여 공개된 것에 속한다고 보아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 열회수 화력 발전장치를 위한 사이클 프로세스를 도시한 도면
도 2는 임계점에서 도 1에 따른 사이클 프로세스의 맥스웰 분포를 도시한 도면
도 3은 최종 상태에서 도 1에 따른 사이클 프로세스의 맥스웰 분포를 도시한 도면
도 4는 도 1에 따른 싸이클 프로세스에서, 포화 상태 공기에 대한 체적에 따른 함수로서 압축 인자 Z를 도시한 도면
도 5는 도 1에 따른 사이클 프로세스의 습증기 팽창에 대한 단열 변화를 비교한 도면
도 6은 본 발명에 따른 습증기 팽창에 따른 사이클 프로세스를 도시한 도면
도 7은 이동 벽에서 도 6에 따른 사이클 프로세스의 모멘텀 벡터를 도시한 도면
도 8은 본 발명에 따른 응축기의 열량을 도시한 도면
도 9는 응축 모터를 포함하는 본 발명에 따른 화력 발전장치를 도시한 도면
도 10은 도 9에 따른 응축 모터의 단면도
도 11은 도 9에 따른 응축 모터의 작업 실린더의 단면도
도 12는 도 9에 따른 응축 모터의 출구 밸브를 포함하는 피스톤을 도시한 도면
도 13은 도 12에 따른 출구 밸브를 도시한 도면
도 14는 도 9에 따른 화력 발전장치의 컨트롤 밸브를 도시한 도면
도 15는 도 9에 따른 화력 발전장치의 잔류 증기 압축기를 도시한 도면
도 16은 도 9에 따른 화력 발전장치의 잔류 증기 압축기의 피스톤을 도시한 도면
도 17은 원심 분리 원리에 따른 상 분리를 위한 증기 터빈을 도시한 도면
도 1 내지 8의 기재는 화력발전장치를 이용하여 에너지를 변환시키기 위한 본 발명에 따른 사이클 프로세스이고, 도 9 내지 16의 기재는 본 발명에 따른 에너지 변환 방법으로 동작하는 본 발명에 따른 화력발전장치이다.

본 발명에 따른 화력발전장치의 실시예에서, 상기 분리 장치는 하우징을 포함할 수 있다. 상기 하우징의 상부에는 압축기가 제공되며, 상기 하우징의 하부에는 증기 팽창 장치가 제공되고, 상기 하부의 하측인 바닥부에는 응축 부분을 외부로 배출하는 펌프가 제공된다.

상 분리는 원심분리의 원리에 따라 터빈에서 발생될 수 있다. 터빈 블레이트의 형상은, 기화된 작동 매체가 분리되고, 부분들이 응축관과 잔류 증기 흡입 라인을 통해 터빈의 외부로 배출될 수 있도록 구성된다.

본 발명에 따른 화력발전장치의 실시예에서, 증기 팽창 장치는, 기화된 작동 매체를 수용하는 입구 밸브를 구비하는 작동 실린더 및 작동 실린더에서 움직이는 피스톤을 포함한다. 바람직하게, 상기 작동 실린더는 두 개가 구비될 수 있으며, 상기 두 개의 작동 실린더 각각은 분리장치에 대해 대향되도록 배치된다. 이는 두 개의 작동 실린더가 서로를 대향하도록 대칭으로 배치되고, 동일한 피스톤에 연결되는 것을 의미한다.

상기 화력발전장치는 적어도 하나의 스윙 암을 구비하는 스윙 암 메커니즘을 포함한다. 상기 스윙 암 메커니즘은, 작동 매체의 비응축 부분의 압축을 위한 압축기 및 분리장치로부터 응축 부분을 배출하기 위한 펌프에 연결된다. 바람직하게, 스윙 암 메커니즘은 상기 분리 장치의 하우징에 수용된다. 상기 스윙 암 메커니즘은 상기 스윙 암 메커니즘의 피스톤과 작동 실린더를 구동시킬 수 있다. 스윙 암은 상기 증기 팽창 장치의 피스톤과 잔류 증기 압축기의 피스톤에 체결되고, 레버 축을 중심으로 회전하는 방식으로 배치될 수 있다. 스윙 암은 크랭크 메커니즘과 연결되고, 작동 매체의 팽창 일을 작동 실린더로부터 크랭크 메커니즘으로 전달한다. 추가적으로, 크랭크 메커니즘은 발전기로 일을 전달한다.

본 발명에 따른 화력발전장치의 바람직한 실시예에서, 피스톤은 상기 피스톤에 내장되어, 전환 핀에 의해서 조절되는 출구 밸브를 포함한다. 전환 핀은 피스톤의 가이드부의 도움으로 가이드되며, 스윙 암 메커니즘에 체결된다. 작동 매체의 팽창으로, 일측의 츨구 밸브가 폐쇄되며, 타측의 출구밸브가 열린다. 팽창된 증기는 배출된다.

본 발명에 따른 화력발전장치의 추가 실시예에 있어서, 압축기는 압축기 입구 밸브와 압축기 피스톤을 포함할 수 있다. 상기 압축기 입구 밸브는 압축기 피스톤에 배치될 수 있으며, 피스톤 로드에 의해서 조절될 수 있다. 상기 피스톤 로드는 스윙 암 메커니즘에 연결될 수 있다. 따라서, 비응축 부분의 압축은 기화된 작동 매체의 팽창과 연결된다.

팽창 과정

종래 기술에 따르면, 열 기관은 두개의 단열곡선과 두 개의 등온곡선을 포함하는 이상기체의 원리에 따른 카르노 사이클 프로세스로 가정된다. 하지만 본 발명에 따른 화력발전장치 및 방법은 이하에서 설명되는 바와 같이 분자 사이의 인력를 더하여 포함한다. 이에 의해서 발전장치의 효율이 개선될 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 의하면, 종래 설비의 상당한 손실 계수가 제거된다. 냉각타워가 교체되며, 방법은 더 경제적이 된다. 효율성이 상당히 향상되고, 환경은 폐열에 의해서 덜 영향을 받는다. 주위 온도에 대한 온도 의존성이 없으며, 프로세스 온도가 낮아진다. 상기 방법과 발전장치는 지열, 나무를 태움으로 얻는 열, 열회수로 얻는 열, 에너지 변환과 같은 낮은 온도에 적합하고, 향상된 효율로 에너지가 발생한다.

상기 화력발전장치에 의하면, 개량이 이루어 질 수 있다. 더 상세하게,

효율성의 면에서, 즉, 열 에너지 관련되어, 발전장치에 의해 전달되는 기계적 전기적 에너지가 기관으로 전달될 수 있다.

절도 온도가 낮은 열원의 응용 가능성의 관점에서, 즉, 태양열, 지열에너지, 목재연소, 열회수등과 같은 낮은 절대 온도의 열원으로 화력발전장치가 운영될 수 있다.

환경의 관점에서, 환경으로 방출되는 폐열에 의한 주목할 만한 영향이 없으며, 냉각탑이 필요하지 않다

본 발명에 따라 변형된 랭킨 사이클 프로세스가 적용된 화력발전장치에서, 이와 같은 개량이 이루어진다. 작동 매체는 초기에 외부로부터 공급되는 열에 의해서 초임계상태로 이동된다. 이 때, 초임계 상태의 작동 매체는 기계적인 일을 하며, 작동 매체의 임계점을 따라 팽창된다. 이어서, 비응축 부분과 응축부분(잔류 증기 응축)로 분리되는 기체상태 /액체상태의 혼합물이 발생한다. 잔류 증기 부분은 첫 번째로 압축되고 가열되며, 그 다음 비가열 응축 부분 및 낮은 응축물 부분을 포함하는 열교환기로 유입되고, 그래서 잔류 증기 부분이 액화된다.

화력 발전장치는, 작동 매체를 단계에 따라 추가 열을 통하여 초임계 상태로 이동시키는 증기 발생기, 작동 매체의 팽창을 위한 증기 팽창 장치(예를 들면 상기한 바와 같이 작동 실린더 또는 터빈돠 같은 형태)를 포함한다. 상기 증기 팽창 장치에서, 초임계 상태인 작동 매체는 팽창 과정 동안 일을 수행한다. 또한, 화력발전장치는 잔류 증기를 위한 압축기뿐만 아니라, 증기 팽창 장치와 잔류 증기 압축기를 유체 연결하는 분리 장치를 더 포함한다 상기 분리 장치는 상부, 하부, 바닥부를 포함하며, 응축물 부분은 바닥부에서 수집하며, 비응축 잔류 증기 부분은 상부와 하부에서 수집한다 분리 장치의 하부는 증기 팽창 장치와 연결될 수 있으며, 상기 분리 장치의 상부는 상기 잔류 증기 압축기와 연결될 수 있다. 상기 증기 팽창 장치 내부에서 초임계 상태인 작동 매체의 팽창 후에, 상기 매체는 상기 증기 팽창 장치를 떠나서, 상기 분리 장치에 도달한다. 상기 분리 장치에서 응축물 부분은 바닥부에서 수집되며, 잔류 증기 부분은 상기 바닥부의 상측에서 수집된다. 상 분리기의 바닥부는 응축물 부분을 증기 발생기로 되돌리기 위해 펌프와 연결된다. 잔류 증기 압축기에서, 잔류 증기 부분은 압축되며, 가열된다. 압축되고 가열된 잔류 증기는, (a) 열교환기/응축기의 응축물과 열교환기로 이동하거나, (b) 응축물과 혼합되며 이때 특히 잔류 증기는 마찬가지로 응축된다.

앞서 설명한 것과 같이, 상기 증기 팽창 장치는 일예로, 적어도 하나의 실린더/피스톤 유닛을 포함하며, 박스 내부에 배치되거나, 수평으로 대향하도록 배치되며, 발전기와 결합될 수 있다. 상기 증기 팽창 장치에서 초 임계 작동 매체에 의해서 수행되는 기계적 일의 제 1 부분은 전기에너지는 생성하기 위하여, 발전기로 전달되고, 상기 증기 팽창 장치와 상기 잔류 증기 압축기는 서로 연결된다. 일 예로, 위에서 언급한 대로, 상기 증기 팽창 장치와 상기 잔류 증기 압축기는 로드의 배치에 대응하는 스윙 암 메커니즘을 통하여 서로 연결될 수 있다. 한편, 상기 증기 팽창 장치에서 초 임계 작동 매체에 의해서 수행되는 기계적 일의 제 2 부분은 잔류 증기 부분을 압축하고 가열하기 위하여, 잔류 증기 압축기에서 사용된다.

주로 화학적 에너지를 전기로 변환하고, 폐열과 같은 열량에너지를 목표된 방식으로 활용하는 열 병합 발전과 달리, 본 발명에 의하면, 태양열, 지열과 같은 열원에서 나오는 에너지는 최종적으로 주로 기계에너지 또는 전기에너지를 생산하고, 폐열과 같은 열량 에너지를 거의 생산하지 않는 방식으로 사용될 수 있다.

상기 작동 매체로서, 공기 이외에도, 물, 플로오르화 탄소, 염화 탄화수소, 알칸족 등과 같은 다른 물질도 가능하다. 특히, 질소 또는 이들의 혼합물도 가능하다. 산소혼합물을 이루는 질소, 산소, 아르곤, 등의 낮은 임계점(예를 들어 낮은 임계온도, 낮은 임계압력) 때문에, 공기는 작동 매체로 바람직하다. 태양열, 지열에너지 등과 같은 낮은 절대온도의 열원도 실질적으로 완전히 기계에너지 또는 전기에너지로 전환하는 데 이용될 수 있다.

열 기관에 열 회수 장치가 장착된다는 가정하에, 도 1에 도시된 새로운 방법이 제시된다. 이 방법은, 증기가 폴리트로프(polytrope)를 따라 팽창되는 것을 주특징으로 하며, 바람직하게 포화선을 따라 특히 임계점(2)을 따라 팽창된다. 상기 팽창(1)으로 비응축 부분, 증기(3), 응축 부분, 응축물(4)로 이루어진 혼합된 상이 생긴다. 등엔트로피 과정으로 생각하면, 임계점을 통해 팽창(1)이 일어난다. 예를 들면 공기는 약 48%의 증기와 52%의 응축물의 임계점에서 팽창(1)이 일어난다.

본 발명에 따른 방법을 이용하면, 증기 상태의 팽창에 의해서 작동 매체는 응축될 수 있다. 이는 작동 매체가 액상일 때, 느슨한 다리 결합을 이루는 증기 분자의 쌍극성에 의한 응축에 의해서 발생된다. 상기 다리 결합은 충돌하는 두 증기 분자의 내부에너지가 쌍극자의 결합에너지보다 작을 때 일어난다. 임계점에서 증기상과 액체상이 열평형에서 존재한다. 따라서, 임계점에서 내부에너지가 쌍극자의 결합에너지보다 큰 분자의 내부에너지의 합은, 쌍극자의 결합에너지보다 작은 내부에너지를 가진 증기 분자와 상평형을 이룬다.

도 2는 임계점에서의 분자의 맥스웰 분포(11)이다. 내부에너지는 분자 속도의 2차 함수이므로, 결합 에너지는 2차 평균(12)에 나타난다. 곡선 아래의 면적은 각 분자 속도에 해당하는 분자의 부분에 대응한다. 2차 평균(12)의 일측 공간은(13)은 대략적으로 2차 평균(12)의 반대 쪽 공간(14)에 대응한다. 이 상태에서, 지속되는 다리 결합이 발생할 수 없다. 이 다리 결합이 빠른 분자에 의해서 계속적으로 파괴되기 때문이다.

반면에, 작동 매체의 최종 상태에 관한 맥스웰 분포는 도3에 도시되어 있다. 결합에너지(12)가 상수로 간주하는 맥스웰(15) 변화를 따르는 분포함수에 의하면 시작에 비해서 팽창 후 온도는 낮다. 다리 결합의 내부에너지보다 작은 내부에너지를 가지는 분자의 수가 상당히 많다. 반면, 다리결합의 내부에너지보다 큰 내부에너지를 가지는 분자의 수는 상당히 적다. 그들은 더 이상 모든 다리 결합을 파괴할 수 없고, 따라서 응축이 일어난다. 응축된 분자의 수는 영역(16)과 영역(17)의 차이에 기인한다. 임계점을 통과하는 등엔트로피 팽창에 의해 응축이 일어나는 상기 가설이 확인된다. 따라서, 본 발명에 따르는 화력발전장치는 응축 모터의 종류를 제시한다.

하지만, 마찰, 누설, 절연 손실과 같은 손실을 고려하야 한다. 마찰은 열로 변환되며, 이은 응축물의 기화를 야기한다. 누설은 잔류 가스 압축의 흡입 체적을 증가시킬 것이다. 엔트로피의 증가를 초래한다. 20% 손실과 함께, 약 40% 응축물과 약 60%의 증기의 상 혼합물이 얻어진다.

상기 응축열은, 작동 매체의 삼중 점(T)에서 최대 값을 가진다. 응축열의 값은, 온도의 증가에 따라 감소하며, 임계점에서 제로 값에 도달한다. 따라서, 본 발명에 따른 내부 응축에 의한 열회수 원리는 저온의 응축물 부분에 의해서 액화되는 방법으로, 증기 부분이 압축에 의해서 가열되는 특징이 있다.

도1에서 도시하듯이, 본 발명에 따른 작동 매체를 이용한 사이클 프로세스는 다음 단계로 구성된다.

- 임계점(2)을 통과하는 증기의 팽창(1)

- 비응축 부분의 분리, 즉, 증기 부분(3)과 응축부분(4)의 분리 즉, 분리장치 내의 응축물(4)의 분리

- 응축기 내부에 비응축 부분(3)의 압축(5)

- 압축된 비응축 부분(3)의 재냉각(6)

- 이때까지의 증기 부분을 응축기의 저온의 응축물에 의하여 압축 부분(3’)으로 응축(7)

- 압축된 응축 부분(3’)을 가열(8)

- 최초의 응축 부분의 가열(9) 및 필요한 경우 펌핑

- 최초의 응축된 응축물 부분(4)과 압축된 응축 증기 부분(3’)으로 이루어진 응축물 전부의 기화(10)

본 발명은 습증기 팽창을 이용한다. 기체 법칙에 따라, 작동 매체의 임계 온도 및 임계 밀도로부터 임계점의 압력이 결정되면, 131bar의 공기의 압력이 얻어진다. 이 때, 공기의 임계 압력은 실질적으로 37.2bar이다. 이러한 감압은 분자간 인력의 작용에 의해서 설명되고, 압축인자(Z)에 의해서 결정된다. 일예로, 상기 압축인자(Z)는 VDI Heat Atlas (1984 edition, sheet Da 13)에 정의된다.

VDI Heat Atlas, sheet DB 11에 개시된 포화 상태 공기의 물성값(Material Values of Air in the Saturation State) 표 17에 기초하여, 도 4는 포화 상태(18)의 공기에서 공기 체적의 함수로서 압축인자 Z를 도시한다. 밀도가 높고, 분자의 간격이 작은 경우, 분자간 인력은 매우 강한 영향을 가진다. 임계점 직후, 분자간 인력이 급격하게 감소한다. 이는 팽창에 의한 부피의 증가보다 큰 분자간 인력의 감소로 이어질 수 있다. 이 범위 내의 압력은 일정하게 유지되거나 팽창에 의해서 증가될 수 있다. 이는 화력발전장치의 건설에 고려되어야 한다. 부피가 증가함에 따라 상기 스팀은 가스 상태로 변환된다.

도 5 는 압력과 체적의 관계를 도시한다. 팽창 압축 인자 Z를 고려하면, 팽창(1)은 임계점(2) 직후에 상승한다. 또는 각각 압력이 증가한다. 하지만, 압력 131bar로 가정한 단열 곡선(19)에 근접한다. 상기 131바의 압력은, 작동 매체의 임계 온도 및 임계 밀도로부터 이상 기체 법칙으로 얻어진다. 이는 더 큰 체적일수록 더 큰 분자거리를 이루며, 증기는 기체 상태로 변화하는 것을 의미한다. 임계점으로부터 시작되는 이상 기체 법칙에 의한 순수 가스 팽창을 위한 단열곡선은, 라인(20)을 따라 도시된다, 상태 함수 밑에 영역은, 수행된 일에 대응된다. 따라서, 임계점으로부터 시작되는 라인(20)에 따르는 순수 가스 팽창보다 단열 곡선(19)을 따르는 습증기 팽창이 더 많은 일을 수행하는 것을 도 5에서 볼 수 있다.

본 발명 또는 응축 모터에 따른 화력발전장치를 위한 사이클 프로세스 내의 압력-체적표가 도 6에 도시되어 있다. 습증기 팽창 과정은, 참조번호1에 의해서 표시된다. 잔류 증기의 압축으로, 체적은 60%이하이고, 상태가 번화한다. 분자가 인력으로 인해 고르다. 이것은 분자가 인력 때문에, 압축 일은, 이상 기체 이론에 의한 것보다 작은 것을 의미한다. 따라서, 습증기 팽창(1)의 일은, 이상 기체 법칙을 따르는 단열 함수에 의해서 결정되지 않는다. 압축 계수 Z를 이용가능한 명시적인 함수가 없으므로, 스트로크(행정)는 섹션 와이즈(section-wise)에 의해서 계산된다.

스트로크에 대한 계산이 정확할수록, 이와 연결된 공정이 정확하게 결정된다. 이러한 가정이 전제된 본 발명에 따른 방법에 의해, 열을 일로 변환하기 위해, 이러한 프로세스는 더욱 잘 설명되고, 열소설(caloric theory)로 가능한 것보다 열의 운동론(kinetic theory of heat)에 의해서 정확하게 결정된다.

가스 분자 운동론(kinetic theory of gas)에서, 증기 압력에 의해서 발생되는 운동력(action of force)은 분자의 충돌에 기인한다. 원자의 질량은 매우 작은 원자핵에 대부분 위치한다. 원자핵은 원자 직경의 약 십만분의 일에 해당한다. 상기 원자 핵 주위에 양전자에 의해서 생성된 양성의 장(positive force field)이 존재한다. 두 원자의 충돌로 두 개의 동성의 장(homopolar force field)이 충돌한다. 이들은 원자로 구성되기 ‹š문에, 동일한 분자에 대해서 적용된다. 따라서 분자의 충돌은 탄성체로 보여질 수 있다. 때문에, 화력발전장치의 이동하는 피스톤 벽에 대한 분자의 충돌은 탄성 충돌의 특수한 경우에 해당하는 이동 벽에 충돌로 가정될 수 있으며, 따라서, 충돌하는 분자의 속도는 벽의 속도와 피스톤의 속도의 각각 두 배로 변한다.

분자 사이의 충돌에 관한 프로세스는 도 7에 설명된다. 상기 충돌 과정은, 압축 단계와 팽창 단계의 두 단계로 구성된다. 상기 압축 단계는 역장(force field)이 서로 충돌하는 단계이다. 이 때, 운동에너지는 위치에너지로 전환된다. 한편, 상기 팽창 단계는 분자가 반발하는 단계이고, 위치에너지가 운동에너지로 다시 변환된다. 상기 압축 단계와 상기 팽창 단계 사이에 충돌 과정의 전환점이 있다. 도 7에서 도시된 바와 같이, 이 것은 속도 벡터의 방향과 절대값을 변화시킨다. 이 때, 속도와 모멘텀은 벡터값이므로, 충돌 당 에너지 균형도 벡터값으로 처리되어야 한다. 충돌 전에는 분자는 중간 분자 속도(22)로 이동하는 피스톤 벽(21)을 충돌한다. 충돌 후, 분자는 평균 속도(23)를 가진다. 분자의 속도(각각 수직 분력(normal compoenet)를 가지는 속도)는 피스톤 속도(2vK)에 의해 두 번 변화한다. 온도는 내부에너지의 함수이므로, 피스톤 속도(2vK)는 내부 에너지의 변화와 온도의 하강에 의해서 기인한다.

벽에 분자가 충돌함에 따라, 분자는 그 속도로부터 벽 속도로 느려진다. 일예로, 매체 분자 속도가 느려진다. 이런 감속을 통해서 분자는 질량 힘(mass force)으로 벽에 작용한다. 이동벽에 충돌함으로서, 상기 질량 힘은 벽을 이동시키는 일을 한다. 분자가 다시 떠밀리는 팽창 단계에서, 즉, 가속 단계에서, 상기 질량 힘은 가속을 통해 발생되며, 분자의 질량 힘은 벽에 작용하고, 벽을 이동시는 힘이 생성된다. 에너지 보존 법칙에 따르면, 분자에 의해서 수행된 일은, 운동에너지의 변화에 대응한다. 스트로크(stroke)당 벽으로 전달되는 일은 분자 충돌 당 수행되는 일을 모든 분자 충돌 수으로 나눈 것이다. 벽에 대한 분자의 충돌 수는 제2뉴턴의 원리를 통하여 압력으로부터 계산될 수 있다. 이런 계산 방법은 가스 압축기의 출력이 결정됨으로 인하여 확인되었고, 좋은 결과가 나왔다.

본 발명에 따르면, 팽창을 통한 작동 매체의 응축이 화력발전장치에 사용된다. 응축은 기체 상태로부터 액체 상태로 이동이다. 기체 상태에서 분자는 자유롭게 움직일 수 있으며, 분자는 운동에너지, 진동에너지, 회전에너지를 가진다. 브라운 분자 운동에 따라, 분자는 계속적으로 서로와 충돌하고, 펄스(Pulse)를 교환한다. 운동에너지, 진동에너지, 회전에너지의 일부는 이동의 자유도(degree of freedom of movement)로부터 기인한다.

액상은 분자 사이의 느슨한 쌍극자 결합에 기초한다. 이 느슨한 다리 결합의 분자는 여전히 스윙 또는 회전할 수 있다. 그들은 더 이상 운동에너지가 없다. 충돌하는 분자의 내부에너지가 다리의 결합 에너지보다 작은 경우, 다리 결합이 발생할 수 있다. 따라서, 그 내부에너지가 다른 결합 에너지 보다 작을 때에 분자는 충돌에 의해서 응축된다. 증기가 응축하기 위해서는, 내부에너지는 분자로부터 방출해야 한다. 분자가 벽을 가격할 때, 벽속도에 의해서 두 번 감속된다. 충돌로 인하여, 운동에너지와 내부에너지는 각각 피스톤으로 전달된다. 다시 말해서, 팽창 과정에서 내부에너지는 분자로부터 배출되고, 증기는 응축될 수 있음을 의미한다.

본 발명에 따르면, 상 혼합물의 분리는 응축 부분과 비응축 부분으로 이루어진다. 이러한 분리는 중력 또는 원심력에 의해서 일어날 수 있다. 중력에 의한 경우, 상기 응축물은 바닥부에 상기 응축 부분으로부터 수집되며, 바닥부로부터 펌핑될 수 있다. 잔류 증기 형태의 상기 비응축 부분은 상 분리기와 같은 분리장치의 최상측으로부터 흡입될 수 있다.

도 8은 응축기의 발열량 레이아웃을 도시한다. 상기 응축기는 상기 증기 부분을 재냉각(6)하고, 제 1 측의 상기 증기부분을 응축(7)하고, 상기 응축기의 제 2 측에 대향하여 흐르는 저온의 응축물 부분을 가열(9)한다. 응축물의 비열이 증기의 비열에 비해서 2배 높기 때문에, 40% 응축물 부분을 포함하는 60%의 증기 부분의 재냉각이 가능하다.

화력 발전장치의 효율성은 다음과 같이 설명될 수 있다. 상기 화력 발전장치에 의해서 생성되는 최종 결과물은, 팽창에 의해서 얻어지는 일과 잔류 증기를 압축하고, 응축물 부분을 가열 및 펌핑하기 위해서 요구되는 에너지의 차이에 대응한다. 상기 팽창은 일예로 100~0.1바에서 일어나며, 잔류 증기 부분의 압축은 약 1~30바에서 일어난다. 그리고, 잔류 증기 부분의 질량은 팽장 증기의 50~60% 사이에 있다. 따라서, 압축으로 발생되는 일의 30%는 잔류 증기 압축으로 보내진다. 응축물 부분을 펌핑하고 가열하기 위해 필요한 전기 출력은 팽창에 의해서 얻어지는 일의 약 2%에 대응한다.

공기는 본 발명에 따른 방법의 작동매체로 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 공기는 환경 친화적일 뿐만 아니라 잘 알려진 매체이기 때문이다. 하지만 원칙적으로, 상기 작동 매체로서 암모니아, 이산화탄소 또는 할로겐화 수소를 사용할 수 있다. 상기 공기의 임계점은 -141도 즉, 저온 영역이며, 임계점에서 공기는 증기와 액체로 나타난다.

도 9는 본 발명에 따른 열 회수를 위한 응축 모터를 포함하는 화력 발전장치를 개괄적으로 보여준다. 상기 화력발전장치는 내장된 열 입력장치(26)를 구비하는 증기 발생기(25)를 포함한다. 상기 증기 발생기(25)는 열원(27)에 의해서 열을 공급받는다. 상기 열원(27)은, 연소에 의한 열, 지열, 태양에너지, 냉각시스템, 열회수 등 일 수 있다. 상기 열로 고압 증기는 발전기에서 생성되며, 응축 모터의 작동 실린더(43)로 공급된다. 상기 하우징(44)은 본 발명에 따른 증기의 응축 부분과 비응축 부분을 위한 분리 장치로 작동한다. 상기 하우징(44)은 상 분리기를 대표한다. 라인(29)를 통해서, 고압 증기는 실린터 헤드(41)와 피스톤(45)을 구비하는 상기 작동 실린더(43)로 유입된다. 응축 모터의 구성은, 한 개의 하우징(44)에 두 개의 실린더(44)가 서로 대향하는 방식으로 배치되는 소위 박스 원리(boxer principle)에 대응된다. 증기의 유입을 위하여, 실린더 헤드(41)의 내부에 입구 밸브(57)가 구성된다.

가이드부(47)에 의해서 가이드되는 피스톤 로드(예를 들면 크로스 헤드(46))를 통해, 상기 피스톤(45)은 피스톤의 스트로크를 전달받는 스윙 암(48)을 구비하는 메커니즘에 연결된다. 상기 스윙 암(48)은 스윙 암 축(49)에 배치되며, 스윙 동작은 크랭크 메커니즘(50)에 의해서 외부로 전달된다. 크랭크 메커니즘(50)의 구동은 변속기(transmission)이다. 바람직하게 발전기가 구동과 같이 무한하게 가변되는 유압 변속기(infinitely variable hydraulic transmission)일 수 있다. 상기 스윙 암 메커니즘는 잔류 증기 압축기(51)에 연결된다. 상기 크로스헤드(46) 및 피스톤(52)을 통해 상기 스윙 암(48)은 상기 잔류 증기 압축기(51)의 실린더 내부에서 운전된다. 상기 잔류 증기 압축기(51)는 예냉기(35)와 응축기(36)에 연결된다. 압력라인(53)은 상기 잔류 증기 압축기(51)의 상기 실린더로부터 상기 예냉기 및 상기 응축기(36)로 연장된다. 상기 압력라인(53)은 제 1 측에 연결될 수 있다. 라인은 응축기(36)로부터 응축 펌프로 연결되며, 다시 상기 증기 발생기(25)로 연결된다.

스윙 암 메커니즘의 하우징(44) 바닥부에 피스톤 펌프(54)가 배치된다, 상기 피스톤 펌프는 저온의 응축물을 라인(37)을 통하여 상기 응축기의 제2측으로 이동시킨다. 상기 라인은 응축기(36)로부터 증기 발생기(25)로 다시 연장된다. 상기 피스톤 펌프(54)는 베어링(56) 내부를 스윙하는 펌프 레버(55)를 통해 상기 스윙 암 메커니즘에 의해서 구동된다.

시동되면, 압축기(51)를 구동하는 모터와 같이 전기 장치가 구동하며, 공장을 가압하고, 작업 실린더(42) 내부의 증기를 팽창하며, 이에 따라 공장을 냉각하여 이것을 동작 온도로 가져온다.

도 10은, 응축모터의 스윙 암 메커니즘을 보여주는 도면이다. 스윙 암 메커니즘은, 하우징(44), 작동 실린더(43) 및 응축 모터의 팽창부인 피스톤(45)으로 구성된다. 상기 스윙 암 축(49)에 상기 스윙 암(48)이 결합되며, 작동 매체의 팽창 일은 크랭크 메커니즘(50)로 전달된다. 상기 하우징(44)의 형상을 하는 상 분리기의 최상부에는 잔류 증기 압축기(51)가 배치되고, 상기 상 분리기의 바닥부에 피스톤 펌프(54)가 배치되며, 상기 피스톤 펌프를 구동하는 펌프 레버(55) 및 상기 펌프 레버가 회전하는 베어링(56)가 구비되며, 스윙 암(48)으로부터 피스톤 펌프(54)의 피스톤(52)으로 필요한 동력을 제공된다.

도 11은 실린더 헤드(41), 실린더 헤드 가스켓(42), 고압 증기가 저장되는 고압 챔버, 입구 밸브(57), 상기 입구 밸브(57)가 나사 결합되는 밸브 브릿지(58), 밸브 로드(60), 환형 홈(62)이 구비되는 댐퍼 디스크(61), 배출구(63) 및 전환 스프링(64)을 구비하는 작동 실린더(43)의 단면을 도시한다.

도 12는, 밸브 콘(valve cone) 및 센터링 링(65)을 구비하며, 출구 밸브(70)가 내장되고 , 피스톤 튜브(66), 배기 포트(67), 환형 피스톤(68), 크로스헤드(46) 및 전환 핀(69)를 포함하는 팽창 피스톤(45)의 단면를 도시한다. 상기 크로스헤드(46)는 가이드부(47)에 의해서 안내되는 롤러와 횡 방향으로 설치된다. 상기 센터링 링(65)은 마찰 손실을 최소로 유지하기 위해서, PCTFE(Polychlorotrifluoroethylene)와 같은 건성(Dry running)이 좋은 재질로 구성된다. 상기 전환 핀(69)에 의해서, 상기 출구 밸브(70)는 상기 작동 매체의 팽창 중에 일측이 폐쇄되고, 타측이 개방되어, 팽창된 증기를 배출하는 방식으로 스위칭 될 수 있다.

도 13은 팽창 피스톤(45)에 내장된 출구 밸브(70)를 나타내는 도면이다. 상기 출구 밸브(70)는 밸브 콘, 밸브로드(71), 슬라이더(72) 및 전환 핀(69)으로 구성된다.

도 14는 입구밸브(57)와 출구밸브(70)의 제어를 개략적으로 보여준다. 배출 행정(outlet stroke)의 말기에, 상기 피스톤(45)의 전환 핀(69)은 상기 스위칭 스프링(64)에 대해 이동하여, 상기 출구 밸브(70)를 폐쇄한다. 이 때, 원형 피스톤(68)은 댐퍼 디스크(61)의 환형 홈(63)을 향하여 이동하고, 폐쇄된 증기를 압축한다. 필요한 압력에 도달된 후, 댐퍼 디스크(61)는 실린더 프랜지에 대하여 가압되고, 입구 밸브(57)는 이에 의해서 개방된다. 배출구(62)는 밀폐된 증기가 충전 단계의 마지막에 배출되도록 설계되며, 환형 피스톤(68)이 환형 홈(63)의 바닥부에 접하도록 안착된다. 이 때, 입구 밸브(57)와 피스톤(45) 사이의 공간은, 충전 공간으로 정의 된다.

도 15는 피스톤(52)이 구비된 잔류 증기 압축기(51)의 단면을 도시한다. 피스톤(52)에 내장되는 입구 밸브(73)와 반대쪽에 배치되어 실린더 헤드에 내장되는 배출 밸브(74)가 구비되며, 증기 출구(75)는 실린더 헤드의 플랜지에 설치된다. 입구 밸브(73)는 베벨 숄더(77; bevel shoulder)의 양측에 제공되는 피스톤 스타(76; piston star)와 같은 가이드에 의해서 가이드 된다. 베벨 숄더(77)의 일측은 상기 입구 밸브(73)의 콘의 어깨(shoulder)에 배치되고, 베벨 숄더(77)의 타측은 댐핑 슬리브(78; damping sleeve)에 배치된다.

도 16은, 개방된 입구 밸브(73)를 구비하는 증기 팽창 압축기(51)의 피스톤(52)을 도시한다. 상기 피스톤(52)은 피스톤 로드(79)의 단부에 접하는 입구 밸브(73)의 콘(cone)에 내장된다. 피스톤 로드(79)는 피스톤 스타(76)에 의해서 가이드되며, 양측에 각 배벨 숄더(77)가 위치한다. 상기 댐핑 슬리브(78)는 피스톤 로드(79)에 설치되며, 상기 밸브(73) 개폐시 충격을 감쇠시킨다. 상기 밸브 콘의 어깨는 마찬가지로, 반대 측 베벨 숄터 내부로 움직이며, 입구 밸브(73)가 열릴 때, 충격을 감쇠시킨다.

본 발명에 따른 화력 발전장치는 저온의 범위에서 동작된다. 따라서, 구성 요소에 대한 재료의 선택 면에서, 기계 부분의 경우에 슬라이딩 문제에 대한 특별한 주의가 요구된다. 또한, 좋은 단열 성능은 도움이 된다.

본 발명에 따른 화력발전장치 및 에너지 전환 방법으로, 다음과 같은 작동 모드가 고려될 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 응축 모터를 구비하는 화력발전장치에서, 상기 증기 발생기(25)에 의해서 고압 증기가 생성된다. 132 K 내지 160 K 범위의 온도 및 37 bar 내지 100 bar의 압력의 작동 매체 공기의 경우, 증기 발생기(25)의 열 입력 장치(26)를 통하여, 필요한 열 에너지는 적절한 열 운반 수단을 구비하는 열원(27)으로부터 공급된다. 생성된 고압 증기는 실린터 헤드(41)의 고압챔버로 라인(29)을 통해서 유입되고, 고압챔버 내의 고압 증기는 입구 밸브(57)에 의해 스트로크 챔버로 공급된다. 스트로크는 피스톤(45)으로부터 피스톤 로드를 통하여 힘을 스윙 암 메커니즘의 스윙 암(48)으로 전달하는 크로스헤드(46)로 전달된다. 상기 크로스헤드(46)는 반경 방향의 힘이 피스톤에 작용되지 않도록 가이드부(47)에 의해서 가이드된다. 상기 크로스헤드(46)는 마찰력이 작게 유지되도록 롤러에 의해서 가이드된다. 스윙 암 축(49)을 스윙하는 스윙 암 메커니즘은, 일을 크랭크 메커니즘(50)으로 전달한다. 상기 크랭크 메커니즘(50)은 다른 메커니즘을 통하여 발전기를 구동할 수 있다. 이 때, 무한 가변 유압 변속기(infinitely variable hydraulic transmission)가 사용될 수 있다. 잔여 증기 압축기(51)는 스윙 암(48)과 같이 구동된다. 마찬가지로, 베어링(56)에 대해 회전하는 펌프 레버(55)를 통하여, 피스톤 펌프(54)가 스윙 암(48)과 같이 구동된다.

작동 매체의 팽창을 통하여, 응축 부분(즉, 응축물)과 비응축 부분(즉, 증기 부분)이 혼합된 상 혼합물이 발생된다. 상기 하우징(44)은 일예로 중력에 의해서 상기 응축 부분과 상기 비응축 부분이 분리되는 상 분리기로 제공될 수 있다. 상기 증기 부분은 잔류 증기 압축기(51)에 의해서 하우징(44)의 상부에서 흡입되고 압축된다. 이 때, 앞서 설명한 바와 같이, 팽창된 증기의 60% 만이 다시 압축되어야 하고 상기 분자간 인력은 압축을 용이하게 하는 것이 관찰될 수 있다. 이러한 영향은 압축 계수 Z에 의해서 결정되는 것을 의미한다. 따라서, 과열 및 프로세스의 에너지 밸런스는 압축 계수 Z에 의존한다.

도 11에 개시된 바와 같이, 입구 밸브(57)는 밸브 로드(60)의 댐퍼 디스크(61)에 의해서 제어된다. 댐퍼디스크(61)가 실린더 프랜지에 대하여 가압될 때, 밸브 로드(60)를 통해 움직임이 밸브 브릿지(58)로 이동된다. 그리고, 밸브 브릿지(58)에 나사 결합되는 입구 밸브(57)는 이에 의해 개방된다. 입구 밸브(57)는 실린더 형상이며, 피스톤과 비슷하게 실린더 보어로 일정 거리 움직인다. 압력은 폐쇄 스프링(59) 및 압력 피크에 의해서 제한될 수 있으며, 압력은 스크로트의 시작에서부터 발생될 수 있으며, 흡수될 수 있다. 입구 밸브(57)는 폐쇄 스프링(59)에 의해서 다시 폐쇄된다.

도 12는 입구 밸브(70)를 내장하는 피스톤(45)을 도시한다. 저온 범위에서의 동작이기 때문에 윤활이 어렵다. 따라서, 응축모터를 위해 비접촉형 피스톤(45)이 제공된다. 이는 피스톤(45)이 실린더 보어에 상대적으로 정확하게 맞을 것이 요구된다. 일예로, 실린더 보어와 피스톤의 간격이 10μm일 때, 최대 누설율 1%이거나, 실린더 보어와 피스톤의 간격이 20μm일 때, 최대 누설율 6% 일 것이 요구된다. 따라서, 피스톤(45)에 반경방향의 힘이 작용하지 않도록, 크로스 헤드(46)를 롤러에 지지시킨다. 따라서, 피스톤(45)은 비접촉 방식으로 이동하며, 센터링 링(65)은 양호한 건식 특성(dry-runnung)을 가지는 재료로 이루어진다. 피스톤(45)의 전면은 입구 밸브(70)의 밸브 콘이 설치되는 밸브 시트로 설계된다. 상기 밸브 콘은 피스톤로드(71)를 통해 전환 핀이 내장되는 슬라이더(72)에 연결된다. 전환 핀(69)은 입구 밸브(70)를 앞 뒤로 이동시킬 수 있다. 추가적으로, 상기 슬라이더(72)는 상기 입구 밸브(70)의 충격을 완충하는 기능을 갖는다. 상기 출구 밸브(70)는 어느 하나의 피스톤의 팽창 스트로크에 의해서 닫히고, 동시에 대향되는 피스톤에 의해서 배출되도록 개방되는 방식으로 설계된다. 상기 증기은 피스톤 튜브(66)를 통해서 배출되며, 배출 포트(67)를 통해서 하우징(44) (특히, 상 분리기)으로 흐를 수 있다. 팽창 행정(expansion stroke)의 말기에, 전환 핀(69)은 입구 밸브(70)가 전환되는 스위칭 스프링(64)에 반하여 이동한다.

도 14는 입구 밸브(57) 및 출구 밸브(70)의 제어와 개방된 입구 밸브(57)가 구비되는 출구 밸브(70)를 도시한다. 배출 행정(discharge stroke)의 말기에, 전환 핀(69)은 스위치 스프링(64)에 충돌하고 출구 밸브(70)를 닫는다. 이 때, 환형 피스톤(68)이 댐퍼디스크(61)의 환형 홈(63)으로 이동하며, 폐쇄된 증기를 압축한다. 이에 충격이 감쇄된다. 20~30 bar의 압력에서 입구 밸브(57)에 가해지는 폐쇄력이 극복되고, 이에 따라 밸브가 개방된다. 환형 피스톤과 댐퍼 디스크 사이의 환형 갭이 매우 작을 때, 유동 저항이 매우 크므로, 고압이 짧은 시간 동안에 발생될 수 있다. 충전 공정 중에 환형 홈(63)에 폐쇄된 공기는 배출구(62)를 따라 흘러 나간다. 따라서, 환형 피스톤(68)이 환형 홈(63)의 바닥에 밀착하여 위치된다. 정의된 충전량은, 유입밸브(57)와 피스톤(52) 사이 공간에 귀착된다.

도 17은 증기 터빈의 단순화된 개략도를 도시한다. 상기 증기 터빈은, 일예로 응축 부분과 비응축 부분을 분리하는 상 분리기로 사용될 수 있다. 도 17a는 기화된 작동 매체가 유입될 수 있는 네 개의 증기 노즐(38)을 도시하는 평면도이다. 터빈 내부의 원심력을 통해서, 두 부분은 분리된다. 상기 응축 부분은 응축물 배출구(39)로 배출된다. 도 17b는 증기 터빈 및 증기 노즐(38)의 종단면도를 나타낸다. 터빈에서 작동 매체는 평면(40)의 주위에서 방향이 전환된다. 잔류 증기는 잔류 증기 흡입 라인(33)을 통해 배출된다.

작동 유체를 이용한 화력발전장치의 설계를 위해서, 다음과 같은 데이터를 제안한다. 압축기의 용량은, 하우징(44) 즉, 상 분리기의 압력에 의해 조정된다. 즉, 70K의 온도에 대응되는 대략 1bar의 압력에 이르는 상 분리기의 압력에 의해 규제된다. 잔류 증기 압축기(51)에서, 잔류 증기는 130K의 응축온도를 야기하는 33 bar로 압축된다. 가열된 잔류 증기는 응축기(36)의 제1측으로 유입되고, 응축기(36)의 제2측으로 전달되는 저온의 응축물에 의해서 잔류 증기는 액화된다. 130K에서 0.62kg의 증기로 40.56KJ의 응축열이 발생한다. 0.38Kg의 응축물이 70K에서 129K까지 가열되면, 44.84KJ의 열이 배출된다. 응축물의 비열은 과열된 증기의 비열보다 두 배 높기 때문에 40%의 응축물을 포함하는 60%의 증기를 재냉각시키는 것이 가능하다. 따라서, 증기 부분은 내부적으로 응축될 수 있다.

생성된 응축물는 열 회수가 되도록 피스톤 펌프(54)에 의해서 다시 증기 발생기(25)로 유입되며, 이에 따라 열 회수가 발생한다.

전기 장치는 시동용 모터 역할을 할 수 있다. 잔류 증기 압축기는 가스 압축기로 동작할 수 있고, 작동 유체를 압력 이하로 만든다. 발전장치는 하우징에 의해서 제어될 수 있다. 즉, 상기 발전장치는 1bar의 압력과 최소 40bar의 고압을 구비하는 상 분리기에 의해서 제어될 수 있다. 이에 의해 1:40의 압력 강하와 단열상태로 293K에서 73K로의 냉각이 발생될 수 있다. 이에 따라서, 응축 모터는 냉각되고, 작동 온도로 이르게 된다. 작동 온도가 도달했을 때, 응축 동작이 시작되고, 전기 장치는 발전 동작으로 변경된다. 시작에서, 압축된 가스는 예냉기를 통해 293K로 냉각될 수 있다.

1 습증기 팽창 2 임계점
3 비응축 부분 4 응축 부분
5 잔류 증기 압축 6 재냉각
7 잔류 증기 응축 8 응축된 잔류 증기의 펌핑 및 가열
9 저온의 응축 부분의 펌핑 및 가열 10 기화
11 임계점의 맥스웰 분포 12 결합에너지
13 준응축 분자 14 비응축 분자
15 최종상태의 맥스웰 분포 16 최종 상태의 응축성 분자
17 최종상태의 비응축성 분자 18 압축 계수 Z
19 단열곡선 pA= 131 bar 20 단열 곡선 pA= 37.2 bar
21 이동벽 22 충돌 전 매개체분자 속도
23 충돌 후 매개체분자 속도 24 이중 피스톤 속도
25 증기 발생기 26 열 인가 장치
27 열원 28 열원
29 고압력 라인 30
31 32 응축 연결
33 잔류 증기 배출 라인 34 압축기
35 예냉기 36 응축기
37 응축 펌프 38 증기 노즐
39 응축물 출구 40 평면
41 실린더 헤드 42 실린더 헤드 가스킷
43 작동 실린더 44 기관 하우징/ 상분리기
45 피스톤 46 크로스헤드
47 가이드부 48 스윙 암
49 스윙 암 시프트 50 크랭크 메커니즘
51 잔류 증기 압축기 52 피스톤
53 잔류 증기 압력 라인 54 피스톤 펌프
55 피스톤 레버 56 피스톤 레버 베어링
57 입구 밸브 58 밸브 브릿지
59 폐쇄 스프링 60 밸브 로드
61 댐퍼 디스크 62 환형 홈
63 배출구 64 전환 스프링
65 센터링 링 66 피스톤 튜브
67 배기 포트 68 환형 스프링
69 전환 핀 70 출구 밸브
71 밸브 로드 72 슬라이더
73 입구 밸브 74 출구 밸브
75 잔류 증기 출구 76 피스톤 스타
77 바벨 숄더(bevel shoulder) 78 댐핑 슬리브(damping sleeve)
79 피스톤 로드

Claims (16)

1. 제 1 압력에서 작동 매체를 기화시키기 위한 증기 발생기(25);
   증기 상태인 상기 작동 매체를 제 2 압력 이하로 팽창시키기 위한 증기 팽창 장치;
   상기 증기 팽창 장치에서 배출된 상기 작동 매체를 냉각하고 액화시키는 응축기(36) 및
   응축 펌프(37)를 포함하고,
   상기 증기 팽창 장치는 상기 증기 팽창 장치에 의해 팽창된 상기 작동 매체가 응축 부분과 비응축 부분을 포함하도록 디자인되며, 상기 응축 부분과 상기 비응축 부분을 분할하는 분리 장치와 상기 작동 매체 중 상기 비응축 부분의 압축(5)을 위한 압축기(51)가 제공되며,
   상기 팽창된 작동 매체의 상기 비응축 부분이 적어도 부분적으로 상기 응축기(36)의 상기 응축 부분에 의해서 응축되는 것을 특징으로 하는 작동 매체를 통하여 에너지를 변환하는 화력 발전장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 분리 장치는,
   상부에 상기 압축기(51)가 제공되며, 하부에 상기 증기 팽창 장치가 제공되며, 상기 하부의 하측인 바닥부에 상기 응축 부분이 펌핑되어 배출되는 펌프(54)가 제공되는 하우징(44)을 포함하는 화력 발전장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 증기 팽창 장치는,
   상기 기화된 작동 매체를 투입하기 위한 입구 밸브(57)를 구비하는 작동 실린더(43)와 피스톤(45)을 포함하며,
   두 개의 작동 실린더(43) 각각은 상기 분리 장치에 대향되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 화력 발전장치.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 스윙 암(48)이 제공되며,
   상기 작동 매체의 상기 비응축 부분의 압축(5)을 위한 압축기(51)와 상기 분리 장치 외부로 상기 응축 부분(4)을 배출하기 위한 펌프(54)에 체결되는 스윙 암 메커니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화력 발전장치.
   
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 작동 실린더(43)와 피스톤(45)은 상기 스윙 암 메커니즘에 의해서 구동되는 것을 특징으로 하는 화력 발전장치.
   
6. 제 1항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스윙 암 메커니즘의 상기 스윙 암(48)은 상기 작동 매체의 팽창일을 상기 작동 실린더로부터 크랭크 메커니즘(50)으로 전달하는 것을 특징으로 하는 화력 발전장치.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   사용되는 열원(27)은, 연소에 의한 열, 지열에너지, 태양열시스템, 냉각시스템 또는 열회수에 의한 폐열인 것을 특징으로 하는 화력 발전장치.
   
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 피스톤(45)은 상기 피스톤(45)에 내장되며, 전환 핀(69)에 의해서 제어 가능한 출구 밸브(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화력 발전장치.
   
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 압축기(51)는 압축기 입구 밸브(73)와 압축기 피스톤(52)을 포함하고,
   상기 압축기 입구 밸브(73)는 상기 압축기 피스톤(52)에 배치되며, 피스톤 로드(79)에 의해서 제어 가능한 것을 특징으로 하는 화력 발전장치.
   
10. 제 1 압력의 증기 발생기 내에서 작동 매체의 증기 상태를 생성하는 단계;
    제 2 압력 이하의 증기 팽창 장치 내에서, 상기 증기 상태를 팽창하는 단계(1); 및
    상기 팽창에 의해서 얻어진 에너지를 배출하는 단계를 포함하고,
    상기 상기 증기 상태를 팽창하는 단계(1)는 상기 작동 매체의 폴리트로프(polytrope)에 따라 수행되고, 상기 작동 매체는 분리 장치(44)에서 응축 부분(3)과 비응축 부분(4)으로 분리되는 단계;
    압축기(51)의 비응축 부분(3)이 압축된 비응축 부분(3)으로 압축(5)되는 단계;
    상기 압축된 비응축 부분(3)이 압축된 응축 부분(3’)으로 냉각(6) 및 응축(7)되는 단계; 및
    상기 압축된 응축 부분(3’) 및 초기의 상기 응축 부분(4)이 가열(8, 9)되며, 증기 발생기로 반환되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 작동 매체를 이용하여 열을 운동에너지 또는 전기에너지로 전환하는 에너지 변환 방법.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 증기 상태를 팽창하는 단계(1)는, 상기 작동 매체의 포화선을 따라, 바람직하게 임계점(2)을 따라, 진행되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
    
12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 증기 상태를 팽창하는 단계(1)는, 습증기 팽창(wet steam expansion)을 통하여 발생하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
    
13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축된 비압축 부분(3’)의 냉각(6) 및 응축(7)은, 상기 응축 부분(4)에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
    
14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 압력은, 상기 임계점에서 상기 작동 매체에 대한 압축인자 Z에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
    
15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비응축 부분(3)의 양은 기화된 상기 작동 매체의 50% 내지 60%인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
    
16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비압축 부분을 압축 및 가열하기 위하여,
    상기 작동 매체에 의해 상기 증기 팽창 장치에서 수행되는 일의 일부는 발전기로 배출되며
    상기 작동 매체에 의하여 상기 증기 팽창 창지에서 수행되는 상기 일의 나머지는 상기 압축기로 배출되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
    

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