KR20160123278A - 선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로를 갖는 열 기관 시스템 - Google Patents

선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로를 갖는 열 기관 시스템 Download PDF

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Abstract

선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로를 갖는 열 기관 시스템이 제공된다. 한 가지 열 기관 시스템은, 작동 유체 회로를 통해 작동 유체를 순환시키는 펌프와, 작동 유체 회로의 고압측으로부터 작동 유체를 받아들이고 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키는 팽창기를 포함한다. 복수 개의 폐열 교환기 각각은 고압측에 선택적으로 위치 설정되거나 고압측으로부터 격리된다. 복수 개의 환열기 각각은 고압측 및 저압측에 선택적으로 위치 설정되거나 고압측 및 저압측으로부터 격리된다. 복수 개의 밸브는 복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 쪽이 고압측에 위치 설정되는지, 복수 개의 환열기 가운데 어느 쪽이 고압측에 위치 설정되는지, 그리고 복수 개의 환열기 가운데 어느 쪽이 저압측에 위치 설정되는지에 관한 선택적인 제어를 가능하게 하도록 구동된다.

Description

선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로를 갖는 열 기관 시스템{HEAT ENGINE SYSTEM HAVING A SELECTIVELY CONFIGURABLE WORKING FLUID CIRCUIT}
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2014년 9월 3일자로 출원된 미국 특허 출원 제14/475,640호; 2014년 9월 3일자로 출원된 미국 특허 출원 제14/475,678호; 2013년 9월 5일자로 출원된 미국 가출원 제61/874,321호; 2014년 6월 11일자로 출원된 미국 가출원 제62/010,731호; 및 2014년 6월 11일자로 출원된 미국 가출원 제62/010,706호를 우선권 주장한다. 이들 우선권 출원은 본 출원과 일치하는 범위까지 참조 문헌으로서 그 전체가 본 명세서에 통합된다.
기술분야
본 발명은, 선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로를 갖는 열 기관 시스템에 관한 것이다.
산업용 공정 장비의 작동 온도를 유지하기 위한 노력의 일환으로 고온 액체, 기체 또는 유체의 유동 스트림이 환경으로 배출되거나 어떤 방식으로 제거되어야만 하는 경우, 산업 공정들의 부산물로서 폐열이 종종 생성된다. 어떤 산업 공정들은 다른 공정 스트림들을 통해 폐열을 포획하고 공정에 다시 재활용하기 위해 열 교환기 디바이스들을 이용한다. 그렇지만, 폐열의 포획 및 재활용은 일반적으로, 고온을 이용하거나 불충분한 질량 유동 또는 다른 바람직하지 않은 조건들을 가지는 산업 공정들에 의해서는 실행 가능하지 않다.
따라서, 폐열이 랜킨 사이클(Rankine cycle) 또는 다른 동력 사이클과 같은 열역학적 방법을 채용하는 다양한 터빈 발전기 또는 열 기관 시스템에 의해 유용한 에너지로 변환될 수 있다. 랜킨 사이클 및 유사한 열역학적 사이클은 통상적으로 발전기, 펌프, 또는 다른 디바이스에 연결된 터빈, 터보 또는 기타 팽창기(expander)를 구동시키는 증기를 발생시키기 위해 폐열을 회수하여 이용하는 증기 기반 공정(steam-based process)이다.
유기 랜킨 사이클(organic Rankine cycle)은, 종래의 랜킨 사이클 동안 물 대신에 저비점(lower boiling-point) 작동 유체를 이용한다. 예시적인 저비점 작동 유체로는 경질 탄화수소(light hydrocarbon)(예컨대, 프로판 또는 부탄) 및 할로겐화 탄화수소(halogenated hydrocarbon)[HCFC(hydrochlorofluorocarbon) 또는 HFC(hydrofluorocarbon)(예컨대, R245fa) 등]와 같은 탄화수소를 포함한다. 보다 최근에, 저비점 작동 유체의 열적 불안정성, 유독성, 인화성, 및 생산 비용과 같은 문제들을 고려하여, 암모니아와 같은 비탄화수소 작동 유체를 순환시키도록 몇몇의 열역학 사이클들이 수정되었다.
동력 사이클 또는 다른 열역학적 사이클을 작동시킬 때에 전체 시스템 효율에 영향을 미치는 주요 인자들 중 하나는 열 추가 단계에서 효율적인 것이다. 조악하게 설계된 열 기관 시스템들 및 사이클들은 일을 수행하는 데에 대형 열 교환기를 필요로 하는 것에 추가하여 열 대 전력 변환에 있어서 비효율적일 수 있다. 그러한 시스템은 고도로 최적화된 시스템보다 킬로와트 당 훨씬 더 높은 비용으로 동력을 전달한다. 그러한 높은 압력 및 온도를 취급할 수 있는 열 교환기는 일반적으로 열 기관 시스템의 총 비용 중에서 많은 부분을 차지한다.
따라서, 열 에너지로부터 일 또는 전기를 발생시키면서 개선된 효율을 제공하는 열 기관 시스템 및 에너지를 변환시키는 방법이 요구된다.
일 실시예에서, 열 기관 시스템은, 고압측과 저압측을 갖고 작동 유체가 통과하여 유동하게 하도록 구성되는 작동 유체 회로를 포함한다. 복수 개의 폐열 교환기 각각은, 작동 유체 회로의 고압측에 유동적으로 커플링되고 고압측과 열 연통하도록, 열원 스트림에 유동적으로 커플링되고 열원 스트림과 열 연통하도록, 그리고 열원 스트림으로부터의 열 에너지를 고압측 내의 작동 유체로 전달하도록 구성된다. 복수 개의 환열기 각각은, 작동 유체 회로에 유동적으로 커플링되고 작동 유체 회로의 고압측과 저압측 사이에서 열 에너지를 전달하도록 구성된다. 제1 팽창기는, 작동 유체 회로에 유동적으로 커플링되고, 고압측과 저압측 사이에 배치되며, 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된다. 제2 팽창기는, 작동 유체 회로에 유동적으로 커플링되고, 고압측과 저압측 사이에 배치되며, 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된다. 제1 펌프는, 작동 유체 회로의 저압측과 고압측 사이에서 작동 유체 회로에 유동적으로 커플링되고 작동 유체 회로 내의 작동 유체를 순환 또는 압축시키도록 구성된다. 제1 응축기는, 작동 유체 회로의 저압측에서 작동 유체와 열 연통하고 작동 유체 회로의 저압측에서 작동 유체로부터 열 에너지를 제거하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 열 기관 시스템은 고압측과 저압측을 갖는 작동 유체 회로를 통해 작동 유체를 압축 및 순환시키도록 구성되는 펌프를 포함한다. 제1 팽창기는, 고압측으로부터 작동 유체를 받아들이고 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된다. 복수 개의 폐열 교환기는, 열원 스트림의 유동로를 따라 연속하여 배치되고, 열원 스트림으로부터의 열 에너지를 작동 유체로 전달하며 고압측에 선택적으로 위치 설정되거나 고압측으로부터 격리되도록 각각 구성된다. 복수 개의 환열기 각각은, 저압측을 통해 유동하는 작동 유체로부터의 열 에너지를 고압측을 통해 유동하는 작동 유체로 전달하도록 그리고 고압측 및 저압측에 선택적으로 위치 설정되거나 고압측 및 저압측으로부터 격리되도록 구성된다. 복수 개의 밸브는, 복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 쪽이 고압측에 위치 설정되는지, 복수 개의 환열기 가운데 어느 쪽이 고압측에 위치 설정되는지, 그리고 복수 개의 환열기 가운데 어느 쪽이 저압측에 위치 설정되는지에 관한 선택적인 제어를 가능하게 하도록 구동되게 구성된다.
다른 실시예에서, 열 기관 시스템은, 고압측과 저압측을 갖고 작동 유체가 통과하여 유동하게 하도록 구성되는 작동 유체 회로를 포함한다. 제1 팽창기는, 고압측으로부터 작동 유체를 받아들이고 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된다. 제2 팽창기는, 고압측으로부터 작동 유체를 받아들이고 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된다. 복수 개의 폐열 교환기는 열원 스트림의 유동로를 따라 연속하여 배치되고, 열원 스트림으로부터의 열 에너지를 작동 유체로 전달하며 고압측에 선택적으로 위치 설정되거나 고압측으로부터 격리되도록 구성된다. 복수 개의 환열기 각각은, 저압측을 통해 유동하는 작동 유체로부터의 열 에너지를 고압측을 통해 유동하는 작동 유체로 전달하도록 그리고 고압측 및 저압측에 선택적으로 위치 설정되거나 고압측 및 저압측으로부터 격리되도록 구성된다. 복수 개의 밸브 각각은, 복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 쪽이 고압측에 위치 설정되는지, 복수 개의 환열기 가운데 어느 쪽이 고압측에 위치 설정되는지, 복수 개의 환열기 가운데 어느 쪽이 저압측에 위치 설정되는지, 그리고 제1 팽창기와 제2 팽창기 가운데 어느 쪽이 고압측으로부터 작동 유체를 받아들이는지에 관한 선택적인 제어를 가능하게 하도록 구동되게 구성된다.
본 개시는 첨부 도면들과 함께 읽을 때에 이하의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 업계에서의 표준 실무에 따라, 다양한 피쳐(feature)들이 축척대로 그려져 있지 않다는 것을 강조한다. 사실상, 다양한 피쳐들의 치수는 논의의 명확성을 위해 임의적으로 확대 또는 축소되어 있을 수 있다.
도 1은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따른, 선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로를 갖는 열 기관 시스템을 도시한다.
도 2는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따른, 선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로를 갖는 다른 열 기관 시스템을 도시한다.
도 3은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따른, 공정 가열 시스템을 갖는 열 기관 시스템을 도시한다.
도 4a는 열 기관 시스템의 실시예에 의해 생성되는 열역학 사이클의 압력 대 엔탈피 챠트이다.
도 4b는 열 기관 시스템의 실시예에 의해 생성되는 열역학 사이클의 압력 대 온도 챠트이다.
도 4c는 열 기관 시스템의 실시예에 의해 생성되는 열역학 사이클의 질량 유량 바 챠트(mass flowrate bar chart)이다.
도 4d는 열 기관 시스템의 실시예에 의해 생성되는 열역학 사이클에서 환열기의 온도 추적 챠트이다.
도 4e는 열 기관 시스템의 실시예에 의해 생성되는 열역학 사이클에서 환열기의 온도 추적 챠트이다.
도 4f는 열 기관 시스템의 실시예에 의해 생성되는 열역학 사이클에서 환열기의 온도 추적 챠트이다.
도 4g는 열 기관 시스템의 실시예에 의해 생성되는 열역학 사이클에서 폐열 교환기의 온도 추적 챠트이다.
도 4h는 열 기관 시스템의 실시예에 의해 생성되는 열역학 사이클에서 폐열 교환기의 온도 추적 챠트이다.
도 4i는 열 기관 시스템의 실시예에 의해 생성되는 열역학 사이클에서 폐열 교환기의 온도 추적 챠트이다.
도 4j는 열 기관 시스템의 실시예에 의해 생성되는 열역학 사이클에서 폐열 교환기의 온도 추적 챠트이다.
도 5는 도 4a에 도시된 압력 대 엔탈피 챠트의 일부의 확대도이다.
본 명세서에 개시된 실시예는 전체적으로 열 기관 시스템, 및 열 에너지로부터 기계적 에너지 및/또는 전기적 에너지를 발생시키는 것과 같이 에너지를 변환하는 방법을 제공한다. 보다 구체적으로, 개시된 실시예는 실행 특정 고려 사항에 따라 여러 개의 상이한 구성들 중 하나의 구성으로 작동 유체 회로를 선택적으로 구성하는 것이 가능하게 되는 열 기관 시스템을 제공한다. 예컨대, 특정 실시예에서, 작동 유체 회로의 구성은 열 에너지를 작동 유체 회로에 제공하는 열원을 기초로 하여 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, 일 실시예에서, 열 기관 시스템은 복수 개의 밸브를 포함할 수 있고, 복수 개의 밸브는 열 기관 시스템을 이용 가능한 열원에 맞게 조정하기 위해 작동 유체가 하나 이상의 폐열 교환기와 하나 이상의 환열기를 통해 경로 결정되게 할 수 있어, 열 에너지를 유용한 동력 출력으로 변환할 때에 열 기관 시스템의 효율을 증대시킨다. 선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로의 이러한 특징 및 다른 특징이 아래에서 더 상세하게 설명된다.
선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로를 포함하는 열 기관 시스템은, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 가열된 스트림(예컨대, 폐열 스트림)의 열 에너지를 유용한 기계적 에너지 및/또는 전기적 에너지로 효율적으로 변환시키도록 구성된다. 이를 위해, 몇몇 실시예에서, 열 기관 시스템은 하나 이상의 폐열 교환기를 이용하여 폐열 스트림의 열 에너지를 포획하거나 달리 흡수하도록 작동 유체 회로 내에서 초임계 상태(예컨대, sc-CO2) 및/또는 아임계 상태(예컨대, sub-CO2)의 작동 유체[예컨대, 이산화탄소(CO2)]를 이용할 수 있다. 열 에너지는 동력 터빈에 의해 기계적 에너지로 변환될 수 있고, 이어서 동력 터빈에 커플링된 발전기에 의해 전기 에너지로 변환될 수 있다. 또한, 열 기관 시스템은 기계적 에너지 및/또는 전기적 에너지를 발생시키면서 열 기관 시스템의 효율을 최대화하기 위해 공정 제어 시스템에 의해 관리되는 여러 개의 통합형 서브시스템(sub-system)을 포함할 수 있다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1은 작동 유체의 유동로가 복수 개의 폐열 교환기(120a, 120b, 120c), 복수 개의 환열기(130a, 130b), 터빈 또는 팽창기(160a, 160b), 펌프(150a), 및 응축기(140a)의 임의의 원하는 조합을 통해 성립될 수 있도록 제어 시스템(101)에 의해 선택적으로 구성될 수 있는 작동 유체 회로(102)를 갖는 열 기관 시스템(100)의 실시예를 도시한다. 이를 위해, 원하는 구성요소들을 통해 작동 유체의 경로 설정을 가능하게 하도록 개방 위치 또는 폐쇄 위치에 각각 선택적으로 위치 설정될 수 있는 복수 개의 바이패스 밸브(116a, 116b, 116c)가 제공된다.
작동 유체 회로(102)는 일반적으로 고압측과 저압측을 갖고 고압측 및 저압측을 통해 작동 유체를 유동시키도록 구성된다. 도 1의 실시예에서, 고압측은, 팽창기(160a, 160b)가 작동 유체 회로(102)에 포함되어 있는지에 따라, 펌프(150a)로부터 팽창기(160a) 및/또는 팽창기(160b)로 작동 유체의 유동로를 따라 연장되고, 저압측은 팽창기(160a) 및/또는 팽창기(160b)로부터 펌프(150a)로 작동 유체의 유동로를 따라 연장될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 작동 유체는 저압측으로부터 펌프 바이패스 밸브(141)를 경유하여 고압측으로 전달될 수 있다.
소정의 실시의 특징에 따라, 작동 유체 회로(102)는, 이용 가능한 구성요소[예컨대, 폐열 교환기(120a, 120b, 120c)와 환열기(130a, 130b)] 각각이 작동 유체 회로의 고압측 및 저압측에 선택적으로 위치 설정되거나(예컨대, 유동적으로 커플핑되거나) 또는 격리되도록(예컨대, 유동적으로 커플링되지 않도록) 구성될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 제어 시스템(101)은 폐열 교환기(120, 120b, 120c) 가운데 어느 쪽과 환열기(130a, 130b) 가운데 어느 쪽이 작동 유체 회로(102)이 고압측에 위치 설정할 것인지(예컨대, 통합될 것인지)를 결정하기 위해 프로세서(103)를 이용할 수 있다. 그러한 결정은 소정의 열원을 이용하여 가장 효율적으로 작동하도록 열 기관 시스템(100)을 어떻게 조정할 것인지를 결정하기 위해 프로세서(103)에 의해, 예컨대 참조 메모리(105)에 의해 행해질 수 있다.
다른 예에 있어서, 일 실시예에서는, 터보펌프가 제2 팽창기(160b) 및 펌프(150a)를 커플링하는 샤프트(162)에 의해 형성될 수 있어, 제2 팽창기(160b)는 제2 팽창기(160b)에 의해 발생되는 기계적 에너지를 이용하여 펌프(150a)를 구동할 수 있다. 이 실시예에서, 펌프(150a)로부터 제2 팽창기(160b)로의 작동 유체 유동로는, 바이패스 밸브(116a, 116b)를 개방 위치에 위치 설정함으로써, 환열기(130b)와 폐열 교환기(120b)를 고압측에 선택적으로 유동적으로 커플링시켜 성립될 수 있다. 이 실시예에서의 작동 유체 유동로는 펌프(150a)로부터, 환열기(130b)를 통해, 바이패스 밸브(116b)를 통해, 폐열 교환기(120b)를 통해, 바이패스 밸브(116a)를 통해 그리고 제2 팽창기(160b)로 연장된다. 본 실시예에서 저압측을 통과하는 작동 유체 유동로는, 제2 팽창기(160b)로부터 터빈 방출 라인(170b)을 통해, 환열기(130b)를 통해, 응축기(140a)를 통해, 그리고 펌프(150a)로 연장된다.
또한, 다른 실시예에서, 작동 유체 유동로는 폐열 교환기(120c), 환열기(130a), 및 폐열 교환기(120a)를 고압측에 유동적으로 커플링시킴으로써 펌프(150a)로부터 제1 팽창기(160a)까지 성립될 수 있다. 그러한 실시예에서, 고압측을 통과하는 작동 유체 유동로는 펌프(150a)로부터 폐열 교환기(120c)를 통해, 바이패스 밸브(116b)를 통해, 환열기(130a)를 통해, 바이패스 밸브(116a)를 통해, 폐열 교환기(120a)를 통해, 정지 또는 스로틀 밸브(158a)를 통해, 그리고 제1 팽창기(160a)로 연장된다. 본 실시예에서 저압측을 통과하는 작동 유체 유동로는 제1 팽창기(160a)로부터 터빈 방출 라인(170a)을 통해, 환열기(130a)를 통해, 환열기(130b)를 통해, 응축기(140a)를 통해, 그리고 펌프(150a)로 연장된다.
본 명세서에 설명된 하나 이상의 실시예에서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 작동 유체 회로(102)의 조정성은, 또한 추가적인 폐열 교환기(130c), 추가적인 바이패스 밸브(116d), 복수 개의 응축기(140a, 140b, 140c), 및 복수 개의 펌프(150a, 150b, 150c)를 제공함으로써 더욱 향상될 수 있다. 게다가, 본 실시예에서, 제1 팽창기(160a) 및 제2 팽창기(160b) 각각은 고압측과 저압측 사이에 배치되는 정지 또는 스로틀 밸브(158a, 158b)를 통해 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링되거나 작동 유체 회로(102)로부터 격리되고, 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성될 수 있다. 현재 예상되는 실시예는 임의의 개수의 폐열 교환기, 임의의 개수의 환열기, 임의의 개수의 밸브, 임의의 개수의 펌프, 임의의 개수의 응축기, 임의의 개수의 팽창기를 포함할 수 있고, 도 1 내지 도 3에 도시된 것으로 제한되지 않는다는 것을 유념해야 한다. 사실상, 도시된 실시예에서 그러한 구성요소들의 수량은 단지 일례이고, 이들 구성요소들의 임의의 적절한 수량이 다른 실시예에서 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 복수 개의 폐열 교환기(120a-120d)는 제1 폐열 교환기(120a), 제2 폐열 교환기(120b), 제3 폐열 교환기(120c), 및 제4 폐열 교환기(120d) 등과 같이 4개 이상의 폐열 교환기들을 포함할 수 있다. 각각의 폐열 교환기(120a-120d)는, 작동 유체 회로(102)를 소정의 용례의 요구에 맞게 조정하도록, 제어 시스템(101)에 의해 결정된 바와 같이, 작동 유체 회로(102)의 고압측에 선택적으로 유동적으로 커플링되어 해당 고압측과 열 연통하게 배치될 수 있다. 각각의 폐열 교환기(120a-120d)는 열원 스트림(110)에 유동적으로 커플링되고 해당 열원 스트림과 열 연통하게 구성될 수 있고 열원 스트림(110)으로부터의 열 에너지를 고압측 내의 작동 유체에 전달하도록 구성될 수 있다. 폐열 교환기(120a-120d)는 열원 스트림(110)의 유동 방향을 따라 연속적으로 배치될 수 있다. 한 가지 구성에서, 작동 유체 회로(102)를 통과하는 작동 유체의 유동과 관련하여, 제2 폐열 교환기(120b)는 제1 폐열 교환기(120a)의 상류측에 배치될 수 있고, 제3 폐열 교환기(120c)는 제2 폐열 교환기(120b)의 상류측에 배치될 수 있으며, 제4 폐열 교환기(120d)는 제3 폐열 교환기(120c)의 상류측에 배치될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 복수 개의 환열기(130a-130c)는 제1 환열기(130a), 제2 환열기(130b), 및 제3 환열기(130c) 등과 같이 3개 이상의 환열기를 포함할 수 있다. 각각의 환열기(130a-130c)는 작동 유체 회로(102)에 선택적으로 유동적으로 커플링되고, 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링될 때에 작동 유체 회로(102)의 고압측과 저압측 간에 열 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 환열기(130a-130c)는 제2 팽창기(160b)의 상류측에서 작동 유체 회로(102)의 고압측에 연속적으로 배치될 수 있다. 제2 환열기(130b)는 제1 환열기(130a)의 상류측에 배치될 수 있고, 제3 환열기(130c)는 고압측에서 제2 환열기(130b)의 상류측에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 환열기(130a), 제2 환열기(130b), 및 제3 환열기(130c)는 작동 유체 회로(102)의 저압측에 연속적으로 배치될 수 있어, 제2 환열기(130b)는 제1 환열기(130a)의 하류측에 배치될 수 있고, 제3 환열기(130c)는 저압측에서 제2 환열기(130b)의 하류측에 배치될 수 있다. 제1 환열기(130a)는 저압측에서 제1 팽창기(160a)의 하류측에 배치될 수 있고, 제2 환열기(130b)는 저압측에서 제2 팽창기(160b)의 하류측에 배치될 수 있다.
열원 스트림(110)은, 한정하는 것은 아니지만, 가스 터빈 배기 스트림, 산업용 공정 배기 스트림, 또는 열원(108)으로부터 나오거나 유도되는 노(furnace) 또는 보일러 배기 스트림과 같은 다른 타입의 연소 생성물 배기 스트림 등의 폐열 스트림일 수 있다. 몇몇의 예시적인 실시예에서, 열원(108)은 가스 터빈 동력/전기 발생기 또는 가스 터빈 제트 엔진 등의 가스 터빈일 수 있고, 열원 스트림(110)은 가스 터빈으로부터의 배기 스트림일 수 있다. 열원 스트림(110)은 약 100℃ 내지 약 1,000℃ 범위 내의 온도, 또는 1,000℃보다 큰 온도, 그리고 몇몇 예에서는 약 200℃ 내지 약 800℃ 범위 내의 온도, 보다 좁게는 약 300℃ 내지 약 600℃ 범위 내의 온도를 나타낼 수 있다. 열원 스트림(110)은 공기, 이산화탄소, 일산화탄소, 물 또는 증기, 질소, 산소, 아르곤, 또는 이들의 파생물, 또는 이들의 혼합물을 함유할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 열원 스트림(110)은 태양열 소스 또는 지열 소스 등의 재생 가능한 열 에너지 소스로부터 열 에너지를 유도할 수 있다.
열 기관 시스템(100)은 또한 적어도 하나의 응축기(140a) 및 적어도 하나의 펌프(150a)를 포함하지만, 몇몇 실시예에서는 복수 개의 응축기(140a-140c) 및 복수 개의 펌프(150a-150c)를 포함한다. 제1 응축기(140a)는 작동 유체 회로(102)의 저압측에서 작동 유체와 열 연통하고 저압측에서 작동 유체로부터 열 에너지를 제거하도록 구성될 수 있다. 제1 펌프(150a)는 작동 유체 회로(102)의 저압측과 고압측 사이에서 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링되고 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체를 순환 또는 압축시키도록 구성될 수 있다. 제1 펌프(150a)는 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체의 질량 유량, 압력, 또는 온도를 제어하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 제2 응축기(140b)와 제3 응축기(140c)는 각각 독립적으로 작동 유체 회로(102)의 저압측의 작동 유체에 유동적으로 커플링되고 저압측의 작동 유체와 열 연통하여 작동 유체 회로(102)의 저압측에서 작동 유체로부터 열 에너지를 제거하도록 구성될 수 있다. 또한, 제2 펌프(150b)와 제3 펌프(150c)는 각각 독립적으로 작동 유체 회로(102)의 저압측에 유동적으로 커플링되고 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체를 순환 또는 압축시키도록 구성될 수 있다. 제2 펌프(150b)는 작동 유체 회로(102)를 통과하는 작동 유체의 유동 방향을 따라 제1 펌프(150a)의 상류측에 그리고 제3 펌프(150c)의 하류측에 배치될 수 있다. 한 가지 예시적인 실시예에서, 제1 펌프(150a)는 순환 펌프이고, 제2 펌프(150b)는 압축기로 대체되며, 제3 펌프(150c)는 압축기로 대체된다.
몇몇 예에서, 제3 펌프(150c)는 제1단 압축기로 대체되고, 제2 펌프(150b)는 제2단 압축기로 대체되며, 제1 펌프(150a)는 제3단 펌프이다. 제2 응축기(140b)는 작동 유체 회로(102)를 통과하는 작동 유체의 유동 방향을 따라 제1 응축기(140a)의 상류측에 그리고 제3 응축기(140c)의 하류측에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 열 기관 시스템(100)은 제1 펌프/응축기 단, 제2 펌프/응축기 단, 및 제3 펌프/응축기 단과 같이 3단의 펌프와 응축기를 포함한다. 제1 펌프/응축기 단은 제3 펌프(150c)의 상류측에서 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링되는 제3 응축기(140c)를 포함할 수 있고, 제2 펌프/응축기 단은 제2 펌프(150b)의 상류측에서 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링되는 제2 응축기(140b)를 포함할 수 있으며, 제3 펌프/응축기 단은 제1 펌프(150a)의 상류측에서 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링되는 제1 응축기(140a)를 포함할 수 있다.
몇몇 예에서, 열 기관 시스템(100)은 제1 펌프(150a), 제2 펌프(150b), 및/또는 제3 펌프(150c)에 커플링되는 가변 주파수 구동 장치를 포함할 수 있다. 가변 주파수 구동 장치는 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체의 질량 유량, 압력, 또는 온도를 제어하도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 열 기관 시스템(100)은 제1 펌프(150a), 제2 펌프(150b), 또는 제3 펌프(150c)에 커플링되는 구동 터빈을 포함할 수 있다. 구동 터빈은 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체의 질량 유량, 압력, 또는 온도를 제어하도록 구성될 수 있다. 구동 터빈은 제1 팽창기(160a), 제2 팽창기(160b), 다른 팽창기 또는 터빈, 또는 이들의 조합일 수 있다.
다른 실시예에서, 구동 샤프트(162)가 제1 팽창기(160a) 및 제2 팽창기(160b)에 커플링될 수 있어, 구동 샤프트(162)는 제1 팽창기(160a)와 제2 팽창기(160b)의 조합에 의해 생성된 또는 달리 발생된 기계적 에너지를 이용하여 디바이스를 구동하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 디바이스는 펌프(150a-150c), 압축기, 직류 발전기(164), 교류 발전기, 또는 이들의 조합일 수 있다. 일 실시예에서, 열 기관 시스템(100)은 구동 샤프트(162)에 의해 제1 팽창기(160a)에 커플링되는 직류 발전기(164) 또는 교류 발전기를 포함할 수 있다. 직류 발전기(164) 또는 교류 발전기는 제1 팽창기(160a)에 의해 생성된 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 구동 샤프트(162)는 제2 팽창기(160b)와 제1 펌프(150a)에 커플링될 수 있어, 제2 팽창기(160b)는 제2 팽창기(160b)에 의해 생성된 기계적 에너지를 이용하여 제1 펌프(150a)를 구동시키도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 열 기관 시스템(100)은 작동 유체 회로(102)의 저압측에 유동적으로 커플링되고 저압측과 열 연통하는 공정 가열 시스템(230)을 포함할 수 있다. 공정 가열 시스템(230)은 저압측에 커플링된 유체 라인 상에 작동적으로 배치되고 제어 시스템(101)의 제어 하에 있는 공정 열 교환기(236)와 제어 밸브(234)를 포함할 수 있다. 공정 열 교환기(236)는 작동 유체 회로(102)의 저압측에 있는 작동 유체로부터의 열 에너지를 공정 열 교환기(236)를 통해 유동하는 열 전달 유체로 전달하도록 구성될 수 있다. 몇몇의 예에서, 공정 열 교환기(236)는 예열 단계 중에 작동 유체 회로(102)의 저압측에 있는 작동 유체로부터의 열 에너지를 메탄으로 전달하여 가열된 메탄 유체를 형성하도록 구성될 수 있다. 열 에너지는 메탄 유체로 직접적으로 전달되거나 (예컨대, 열 전달 유체를 통해) 간접적으로 전달될 수 있다. 열원 스트림(110)은 가스 터빈 전기 발생기와 같이 가열된 메탄 유체를 연소시키도록 구성된 열원(108)으로부터 유도될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 열 기관 시스템(100)은 작동 유체 회로(102)의 저압측에 유동적으로 커플링되고 저압측과 열 연통하는 환열기 버스 시스템(220; recuperator bus system)을 포함할 수 있다. 환열기 버스 시스템(220)은 터빈 방출 라인(170a, 170b), 제어 밸브(168a, 168b), 바이패스 라인(210)과 바이패스 밸브(212), 유체 라인(222, 224), 그리고 제1 팽창기(160a) 및/또는 제2 팽창기(160b)의 하류측에서 그리고 응축기(140a)의 하류측에서 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링되는 다른 라인과 밸브를 포함할 수 있다. 일반적으로, 환열기 버스 시스템(220)은 제1 팽창기(160a) 및/또는 제2 팽창기(160b)로부터 복수 개의 환열기(130a-130c)로, 그리고 또한 저압측 상의 하류측으로 연장된다. 일례에서, 유체 라인(222)의 일단부는 터빈 방출 라인(170b)에 유동적으로 커플링될 수 있고, 유체 라인(222)의 타단부는 환열기(130c)의 하류측에 그리고 응축기(140c)의 상류측에 배치되는, 작동 유체 회로(102) 상의 지점에 유동적으로 커플링될 수 있다. 다른 예에서, 유체 라인(224)의 일단부는 터빈 방출 라인(170b), 유체 라인(222), 또는 공정 가열 라인(232)에 유동적으로 커플링될 수 있고, 유체 라인(224)의 타단부는 환열기(130b)의 하류측에 그리고 저압측에서 환열기(130c)의 상류측에 배치되는, 작동 유체 회로(102) 상의 지점에 유동적으로 커플링될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 열 기관 시스템(100)의 작동 유체 회로(102)에서 순환되거나, 유동되거나, 달리 이용될 수 있는 작동 유체의 종류는 탄소 산화물, 탄화수소, 알콜, 케톤, 할로겐화 탄화수소, 암모니아, 아민, 수분, 또는 이들의 조합을 포함한다. 열 기관 시스템(100)에 이용될 수 있는 예시적인 작동 유체는, 이산화탄소, 암모니아, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 아세틸렌, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 물, 이들의 파생물, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 할로겐화 탄화수소는 하이드로클로로플루오로카본(HCFC; hydrochlorofluorocarbon), 하이드로플루오로카본(HFC; hydrofluorocarbon)[예컨대, 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판(R245fa)], 플루오로카본, 이들의 파생물, 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
본 명세서에 설명한 많은 실시예에서, 열 기관 시스템(100)의 작동 유체 회로(102), 및 본 명세서에 개시된 다른 예시적인 회로에서 순환되거나, 유동되거나, 또는 달리 이용되는 작동 유체는 이산화탄소(CO2) 및 이산화탄소를 함유하는 혼합물일 수 있거나 이들을 함유할 수 있다. 일반적으로, 작동 유체 회로(102)의 적어도 일부는 초임계 상태의 작동 유체(예컨대, sc-CO2)를 수용한다. 동력 발생 사이클을 위해 작동 유체로서 사용되거나 작동 유체에 함유되는 이산화탄소는 작동 유체로서 통상적으로 사용되는 다른 화합물에 비해 많은 이점을 갖는데, 그 이유는 이산화탄소가 무독성과 난연성의 특성을 갖고 또한 쉽게 이용 가능하며 비교적 저렴하기 때문이다. 부분적으로 이산화탄소의 비교적 높은 작동 압력으로 인해, 이산화탄소 시스템은 다른 작동 유체를 사용하는 시스템보다 훨씬 더 콤팩트할 수 있다. 다른 작동 유체에 관하여 이산화탄소의 높은 밀도 및 용적 열 용량은, 이산화탄소가 더 "에너지 집약적"이 되도록 하는데, 이는 모든 시스템 구성요소의 크기가 성능 손실 없이 상당히 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 이산화탄소(CO2), 초임계 이산화탄소(sc-CO2), 또는 아임계 이산화탄소(sub-CO2)라는 용어의 사용은 임의의 특정한 종류, 소스, 순도, 또는 등급의 이산화탄소로 제한하려는 의도가 아니라는 것을 유념해야 한다. 예컨대, 산업 등급의 이산화탄소가 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 작동 유체에 함유되고 및/또는 작동 유체로서 사용될 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체는 2성분 작동 유체 혼합물, 3성분 작동 유체 혼합물, 또는 다른 작동 유체 혼합물일 수 있다. 작동 유체 혼합물 또는 조합물은 본 명세서에 설명되는 바와 같이 열 회수 시스템 내의 유체 조합물이 보유한 특유의 속성을 위해 선택될 수 있다. 예컨대, 그러한 한 가지 유체 조합물은, 이산화탄소를 압축하는 데에 요구되는 것보다 낮은 에너지 입력 상태에서 조합된 유체가 고압으로 그리고 액체 상태에서 펌핑되게 할 수 있는 액체 흡수제 및 이산화탄소 혼합물을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체는 이산화탄소(예컨대, sub-CO2 또는 sc-CO2)와 하나 이상의 다른 혼화성 유체 또는 화학 합성물의 조합일 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체는 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 이산화탄소와 프로판, 또는 이산화탄소와 암모니아의 조합일 수 있다.
작동 유체 회로(102)는 일반적으로 고압측과 저압측을 갖고 작동 유체 회로(102) 내에서 순환되는 작동 유체를 수용한다. "작동 유체"라는 용어의 사용은 작동 유체의 해당 상태 또는 상(相)을 제한하도록 의도되지 않는다. 예컨대, 작동 유체 또는 작동 유체의 일부는 액체상, 기체상, 유체상, 아임계 상태, 초임계 상태, 또는 열 기관 시스템(100) 또는 열역학적 사이클 내의 임의의 하나 이상의 지점에서의 임의의 다른 상 또는 상태로 있을 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 예컨대 시동 공정 중에, 작동 유체는 열 기관 시스템(100)의 작동 유체 회로(102)의 특정한 부분(예컨대, 고압측)에 걸쳐서 초임계 상태로 있고 열 기관 시스템(100)의 작동 유체 회로(102)의 다른 부분(예컨대, 저압측)에 걸쳐서 아임계 상태로 있다. 다른 실시예에서, 전체적인 열역학 사이클은, 작동 유체가 열 기관 시스템(100)의 전체적인 작동 유체 회로(102)에 걸쳐서 초임계 상태로 유지되도록 작동될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예에서, 넓은 의미로, 실행 특정 고려 사항, 예컨대 이용 가능한 열원의 종류; 온도, 압력, 유량을 비롯한 공정 조건, 그리고 각각의 개별적인 펌프(150a, 150b, 또는 150c)가 펌프 또는 압축기인지의 여부 등에 따라, 작동 유체 회로(102)의 고압측은 임의의 펌프(150a, 150b, 또는 150c)의 하류측에 그리고 임의의 팽창기(160a 또는 160b)의 상류측에 배치될 수 있고, 작동 유체 회로(102)의 저압측은 임의의 팽창기(160a 또는 160b)의 하류측에 그리고 임의의 펌프(150a, 150b, 또는 150c)의 상류측에 배치될 수 있다. 한 가지 예시적인 실시예에서, 펌프(150b, 150c)는 압축기로 대체될 수 있고, 펌프(150a)는 펌프이며, 작동 유체 회로(102)의 고압측은 펌프(150a)의 방출 출구와 같이 펌프(150a)의 하류측에서 시작하고 임의의 팽창기(160a 또는 160b)에서 종결될 수 있고, 작동 유체 회로(102)의 저압측은 임의의 팽창기(160a 또는 160b)의 하류측에서 시작하고 펌프(150a)의 입구와 같이 펌프(150a)의 상류측에서 종결될 수 있다.
일반적으로, 작동 유체 회로(102)의 고압측은 약 15 MPa 이상, 예컨대 약 17 MPa 이상, 또는 약 20 MPa 이상, 또는 약 25 MPa 이상, 또는 약 27 MPa 이상의 압력의 작동 유체(예컨대, sc-CO2)를 수용한다. 몇몇의 예에서, 작동 유체 회로(102)의 고압측은 약 15 MPa 내지 약 40 MPa 범위 내의 압력, 보다 좁게는 약 20 MPa 내지 약 35 MPa 범위 내의 압력, 그리고 더욱 좁게는 약 25 MPa 내지 약 30 MPa 범위 내의 압력, 예컨대 약 27 MPa의 압력을 가질 수 있다.
작동 유체 회로(102)의 저압측은 15 MPa 미만, 예컨대 12 MPa 이하, 또는 약 10 MPa 이하의 압력의 작동 유체(예컨대, CO2 또는 sub-CO2)를 포함한다. 몇몇의 예에서, 작동 유체 회로(102)의 저압측은 약 1 MPa 내지 약 10 MPa 범위 내의 압력, 보다 좁게는 약 2 MPa 내지 약 8 MPa 범위 내의 압력, 그리고 더욱 좁게는 약 4 MPa 내지 약 6 MPa 범위 내의 압력, 예컨대 약 5 MPa의 압력을 가질 수 있다.
열 기관 시스템(100)은 또한 팽창기(160a), 팽창기(160b), 및 구동 샤프트(162)를 포함한다. 각각의 팽창기(160a, 160b)는 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링될 수 있고 고압측과 저압측 사이에 배치될 수 있으며 작동 유체의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성될 수 있다. 구동 샤프트(162)는 팽창기(160a), 팽창기(160b), 또는 팽창기(160a) 및 팽창기(160b) 모두에 커플링될 수 있다. 구동 샤프트(162)는 발생된 기계적 에너지를 이용하여, 직류 발전기 또는 교류 발전기[예컨대, 발전기(164)], 모터, 발전기/모터 유닛, 펌프 또는 압축기[예컨대, 펌프(150a-150c)], 및/또는 기타 디바이스들과 같은 하나 이상의 디바이스를 구동하도록 구성될 수 있다.
발전기(164)는, 직류 발전기, 교류 발전기(예컨대, 영구 자석 교류 발전기), 또는 예컨대 구동 샤프트(162) 및 팽창기(160a, 160b)들 중 하나 이상의 팽창기로부터의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시킴으로써 전기 에너지를 발생시키는 다른 디바이스일 수 있다. 전기 콘센트(도시 생략)는, 교류 발전기(164)에 전기적으로 커플링되고 발전기(164)로부터 발생된 전기 에너지를 전기 그리드(166)로 전달하도록 구성될 수 있다. 전기 그리드(166)는 전기 그리드, 전기 버스(electrical bus)[예컨대, 플랜트 버스(plant bus)], 전력 전자기기, 다른 전기 회로, 또는 이들의 조합이거나 이들을 포함할 수 있다. 전기 그리드(166)는 일반적으로 적어도 하나의 교류 전류 버스, 교류 전류 그리드, 교류 전류 회로, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일례에서, 발전기(164)는 직류 발전기이고 전기 콘센트를 통해 전기 그리드(166)에 전기적으로 그리고 작동 가능하게 접속된다. 다른 예에서, 발전기(164)는 교류 발전기이고 전기 콘센트를 통해 전력 전자기기(도시 생략)에 전기적으로 그리고 작동 가능하게 접속된다. 다른 예에서, 발전기(164)는 전기 콘센트에 전기적으로 접속된 전력 전자기기에 전기적으로 접속된다.
열 기관 시스템(100)은 또한 적어도 하나의 펌프/압축기와 적어도 하나의 응축기/냉각기를 포함하지만, 특정 실시예에서는 일반적으로 복수 개의 응축기(140a-140c)(예컨대, 응축기 또는 냉각기)와 펌프(150-150c)(예컨대, 펌프 또는 압축기)를 포함한다. 각각의 응축기(140a-140c)는 독립적으로 응축기 또는 냉각기일 수 있고 독립적으로 기체 냉각식(예컨대, 공기, 질소, 또는 이산화탄소를 이용함) 또는 액체 냉각식(예컨대, 물, 솔벤트, 또는 이들의 혼합물을 이용함)일 수 있다. 각각의 펌프(150a-150c)는 독립적으로 펌프일 수 있거나 압축기로 대체될 수 있고, 독립적으로 작동 유체 회로(102)의 저압측과 고압측 사이에서 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링될 수 있다. 또한, 각각의 펌프(150a-150c)는 작동 유체를 작동 유체 회로(102) 내에서 순환 및/또는 압축시키도록 구성될 수 있다. 응축기(140a-140c)는 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체와 열 연통하고 작동 유체 회로(102)의 저압측에서 작동 유체로부터 열 에너지를 제거하도록 구성될 수 있다.
펌프(150a)에서 빠져나간 후에, 작동 유체는 팽창기(160a) 및/또는 팽창기(160b)에 진입하기 전에 폐열 교환기(120a-120d) 및/또는 환열기(130a-130c)를 통해 유동할 수 있다. 바이패스 밸브(116a-116d), 정지 또는 제어 밸브(118a-118d), 정지 또는 제어 밸브(128a-128c), 및 정지 또는 스로틀 밸브(158a, 158b)를 포함하는 일련의 밸브 및 라인이 가변적인 개방 위치들 및 폐쇄 위치들에 사용되어 폐열 교환기(120a-120d) 및/또는 환열기(130a-130c)를 통과하는 작동 유체의 유동을 제어할 수 있다. 따라서, 그러한 밸브는 팽창기(160a) 및/또는 팽창기(160b)에 진입하는 작동 유체의 온도에 대한 제어 및 조절성을 제공할 수 있다. 밸브는 제어 가능식 밸브, 고정식 밸브(오리피스), 전환 밸브, 3방향 밸브이거나, 심지어는 몇몇 실시예에서 제거될 수 있다. 유사하게, 각각의 추가적인 구성요소(예컨대, 추가적인 폐열 교환기 및 환열기)가 특정 실시예에서 사용되거나 제거될 수 있다. 예컨대, 환열기(130b)는 특정 용례에서 사용되지 않을 수 있다.
공통 샤프트 또는 구동 샤프트(162)가 채용될 수 있거나, 다른 실시예에서는, 2개 이상의 샤프트가 펌프(150a-150c), 팽창기(160a, 160b), 발전기(164), 및/또는 다른 구성요소와 함께 또는 독립적으로 사용될 수 있다. 일례에서, 팽창기(160b) 및 펌프(150a)는 공통 샤프트를 공유하고, 팽창기(160a)와 발전기(164)는 다른 공통 샤프트를 공유한다. 다른 예에서, 팽창기(160a, 160b), 펌프(150a), 및 발전기(164)는 구동 샤프트(162)와 같은 공통 샤프트를 공유한다. 다른 펌프들이 역시 샤프트와 통합될 수 있다. 다른 실시예에서, 공정 가열 시스템(230)은 열원 연료에 열 에너지를 제공하는 루프, 예컨대 연료(예컨대, 메탄), 공정 증기, 또는 다른 유체를 예열하는 가스 터빈일 수 있다.
도 4a 내지 도 4j 및 도 5는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따른, 도 1 내지 도 3에 도시된 열 기관 시스템(100)에 의해 생성되는 열역학 사이클의 압력 대 엔탈피 챠트, 온도 추적 챠트, 및 환열기 온도 추적 챠트를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 4a는 열 기관 시스템에 의해 생성되는 열역학 사이클의 압력 대 엔탈피 챠트(300)이고, 도 4b는 상기 열역학 사이클의 압력 대 온도 챠트(302)이며, 도 4c는 상기 열역학 사이클의 질량 유량 바 챠트(304)이다. 도 4d, 도 4e, 및 도 4f 각각은 열 기관 시스템(100)에 의해 생성되는 열역학 사이클에서 환열기(130a), 환열기(130b), 및 환열기(130c)의 온도 추적 챠트(306, 308, 310)이다. 도 4g, 도 4h, 도 4i, 및 도 4j 각각은 열역학 사이클에서 각각 폐열 교환기(120a), 폐열 교환기(120b), 폐열 교환기(120c)의 온도 추적 챠트(312, 314, 316, 및 318)이다.
도 5는 도 4a에 도시된 압력 대 엔탈피 챠트(300)의 일부의 확대도(320)이다. 압력 대 엔탈피 챠트는 열 기관 시스템(100)의 열역학 사이클에서 라벨을 붙인 상태점을 도시한다. 일 실시예에서, 설명된 열역학 동력 사이클은 주위 온도가 증가함에 따라 환열을 더 많이 사용하여, 값비싼 폐열 교환기의 사용을 최소화하고 일부 주위 조건에서 시스템의 순 출력 동력을 증대시킬 수 있다.
본 개시는 본 발명의 상이한 피쳐들, 구조들, 또는 기능들을 구현하기 위한 몇 개의 예시적인 실시예들을 기술하고 있다는 것을 잘 알 것이다. 본 개시를 간소화하기 위해 구성요소들, 배열들 및 구성들의 예시적인 실시예들이 본 명세서에 기술되어 있지만, 이 예시적인 실시예들은 단지 예로서 제공되며, 본 발명의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 게다가, 본 개시는 다양한 예시적인 실시예들에서 그리고 본 명세서에 제공된 도면들에 걸쳐 참조 번호들 및/또는 문자들을 반복할 수 있다. 이러한 반복은 간소성 및 명확성을 위한 것이고, 그 자체가 다양한 도면들에서 논의되는 다양한 예시적인 실시예들 및/또는 구성들 간의 관계를 구속하지는 않는다. 더욱이, 본 개시에서 제2 피쳐 상부에 또는 그 위에 제1 피쳐를 형성하는 것은 제1 피쳐 및 제2 피쳐가 직접 접촉하게 형성되는 실시예들을 포함할 수 있고, 또한 제1 피쳐와 제2 피쳐가 직접 접촉하지 않을 수 있도록 제1 피쳐와 제2 피쳐 사이에 부가의 피쳐가 형성될 수 있는 실시예들을 포함할 수 있다. 마지막으로, 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예들이 여러 방식들의 임의의 조합으로 결합될 수 있고, 예컨대, 본 개시의 범주를 벗어남이 없이, 하나의 예시적인 실시예로부터의 임의의 요소가 임의의 다른 예시적인 실시예에서 사용될 수 있다.
게다가, 기재된 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐 특정의 구성요소를 지칭하기 위해 특정의 용어가 사용된다. 통상의 기술자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 다양한 엔티티(entity)들이 동일한 구성요소를 상이한 명칭들로 지칭할 수 있고, 그에 따라, 본 명세서에 기술된 요소들에 대한 명명 규칙은, 본 명세서에서 달리 구체적으로 정의되지 않는 한, 본 발명의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 명명 규칙은 기능이 아니라 이름이 상이한 구성요소들을 구별하기 위한 것이 아니다. 또한, 기재된 설명 및 청구범위에서, "포함하는", "가지는", 및 "구비하는"이라는 용어는 개방형(open-ended) 방식으로 사용되고, 따라서 "~를 포함하지만 이들로 제한되지 않음"을 의미하는 것으로 해석되어야만 한다. 본 개시에서의 모든 수치값은, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 정확한 값 또는 근사적인 값일 수 있다. 그에 따라, 본 개시의 다양한 실시예들이, 의도된 범주를 벗어남이 없이, 본 명세서에 개시된 숫자, 값, 및 범위로부터 벗어날 수 있다. 더욱이, 청구범위 또는 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "또는"은 배타적인(exclusive) 경우 및 포괄적인(inclusive) 경우 둘 다를 포함하기 위한 것이고, 즉, "A 또는 B"는, 본 명세서에서 달리 명확히 언급되지 않는 한, "A 및 B 중 적어도 하나"와 동의어인 것으로 보아야 한다.
이상에서는 통상의 기술자가 본 개시를 더 잘 이해할 수 있도록 몇 개의 실시예들의 특징들을 간략하게 기술하였다. 통상의 기술자라면 본 명세서에 소개된 실시예들과 동일한 목적들을 수행하고 그리고/또는 동일한 장점들을 달성하기 위해 다른 프로세스들 및 구조물들을 설계하거나 수정하기 위한 기초로서 본 개시를 손쉽게 사용할 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 통상의 기술자라면 또한 이러한 등가의 구성들이 본 개시의 사상 및 범주를 벗어나지 않는다는 것과, 본 개시 내용의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 본 명세서에서의 다양한 변경들, 치환들, 및 수정들을 행할 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

Claims (21)

  1. 열 기관 시스템으로서,
    고압측 및 저압측을 갖고 작동 유체가 통과하여 유동하게 하도록 구성되는 작동 유체 회로;
    작동 유체 회로의 고압측에 유동적으로 커플링되고 고압측과 열 연통하도록, 열원 스트림에 유동적으로 커플링되고 열원 스트림과 열 연통하도록, 그리고 열원 스트림으로부터의 열 에너지를 고압측 내의 작동 유체로 전달하도록 각각 구성되는 복수 개의 폐열 교환기;
    상기 작동 유체 회로에 유동적으로 커플링되고 작동 유체 회로의 고압측과 저압측 사이에서 열 에너지를 전달하도록 각각 구성되는 복수 개의 환열기;
    상기 작동 유체 회로에 유동적으로 커플링되고, 상기 고압측과 저압측 사이에 배치되며, 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성되는 제1 팽창기;
    상기 작동 유체 회로에 유동적으로 커플링되고, 상기 고압측과 저압측 사이에 배치되며, 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성되는 제2 팽창기;
    상기 작동 유체 회로의 저압측과 고압측 사이에서 작동 유체 회로에 유동적으로 커플링되고 작동 유체 회로 내의 작동 유체를 순환 또는 압축시키도록 구성되는 제1 펌프; 및
    상기 작동 유체 회로의 저압측에서 작동 유체와 열 연통하도록 구성되고 상기 작동 유체 회로의 저압측에서 작동 유체로부터 열 에너지를 제거하도록 구성되는 제1 응축기
    를 포함하는 열 기관 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 폐열 교환기는 상기 제1 팽창기 또는 제2 팽창기의 상류측에 있는 작동 유체 회로의 고압측에서 연속하여 배치되는 것인 열 기관 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 환열기는 상기 제1 팽창기 또는 제2 팽창기의 상류측에 있는 작동 유체 회로의 고압측에서 연속하여 배치되는 것인 열 기관 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 환열기는 상기 제1 팽창기 또는 제2 팽창기의 하류측에 있는 작동 유체 회로의 저압측에서 연속하여 배치되는 것인 열 기관 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 환열기는 저압측에서 제1 팽창기의 하류측에 배치되고 상기 제2 환열기는 저압측에서 제2 팽창기의 하류측에 배치되는 것인 열 기관 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    구동 샤프트에 의해 상기 제1 팽창기에 커플링되는 발전기
    를 더 포함하고, 직류 발전기 또는 교류 발전기가 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키도록 구성되는 것인 열 기관 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 팽창기 및 제2 팽창기에 커플링되는 구동 샤프트
    를 더 포함하고, 상기 구동 샤프트는 기계적 에너지를 이용하여 제1 펌프, 압축기, 직류 발전기, 교류 발전기, 또는 이들의 조합을 구동시키도록 구성되는 것인 열 기관 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 작동 유체 회로에 유동적으로 커플링되고 상기 작동 유체 회로 내의 작동 유체를 순환 또는 압축시키도록 구성되는 제2 펌프;
    상기 작동 유체 회로 내의 작동 유체와 열 연통하고 상기 작동 유체 회로 내의 작동 유체로부터 열 에너지를 제거하도록 구성되는 제2 응축기;
    상기 작동 유체 회로에 유동적으로 커플링되고 상기 작동 유체 회로 내의 작동 유체를 순환 또는 압축시키도록 구성되는 제3 펌프; 및
    상기 작동 유체 회로 내의 작동 유체와 열 연통하고 상기 작동 유체 회로 내의 작동 유체로부터 열 에너지를 제거하도록 구성되는 제3 응축기
    를 더 포함하는 열 기관 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 작동 유체 회로의 저압측에 유동적으로 커플링되고 저압측과 열 연통하는 공정 가열 시스템
    을 더 포함하는 열 기관 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 공정 가열 시스템은 공정 열 교환기를 포함하고, 상기 공정 열 교환기는 상기 작동 유체 회로의 저압측의 작동 유체로부터의 열 에너지를 공정 열 교환기를 통해 유동하는 열 전달 유체에 전달하도록 구성되는 것인 열 기관 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 공정 열 교환기는 상기 작동 유체 회로의 저압측의 작동 유체로부터의 열 에너지를 예열 단계 중에 메탄을 포함하는 유체에 전달하여 가열된 메탄 유체를 형성하도록 구성되고, 상기 열원 스트림은 가열된 메탄 유체를 연소시키도록 구성되는 열원으로부터 유도되는 것인 열 기관 시스템.
  12. 열 기관 시스템으로서,
    고압측 및 저압측을 갖는 작동 유체 회로를 통해 작동 유체를 압축 및 순환시키도록 구성되는 펌프;
    상기 고압측으로부터 작동 유체를 받아들이고 상기 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성되는 제1 팽창기;
    열원 스트림의 유동로를 따라 연속하여 배치되고, 열원 스트림으로부터의 열 에너지를 작동 유체로 전달하며 고압측에 선택적으로 위치 설정되거나 고압측으로부터 격리되도록 각각 구성되는 복수 개의 폐열 교환기;
    상기 저압측을 통해 유동하는 작동 유체로부터의 열 에너지를 고압측을 통해 유동하는 작동 유체로 전달하도록 그리고 고압측 및 저압측에 선택적으로 위치 설정되거나 고압측 및 저압측으로부터 격리되도록 각각 구성되는 복수 개의 환열기; 및
    복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 쪽이 고압측에 위치 설정되는지, 복수 개의 환열기 가운데 어느 쪽이 고압측에 위치 설정되는지, 그리고 복수 개의 환열기 가운데 어느 쪽이 저압측에 위치 설정되는지에 관한 선택적인 제어를 가능하게 하도록 구동되게 각각 구성되는 복수 개의 밸브
    를 포함하는 열 기관 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 고압측으로부터 작동 유체를 받아들이고 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성되는 제2 팽창기
    를 더 포함하는 열 기관 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 팽창기를 고압측에 유동적으로 커플링시키기 위한 개방 위치에 또는 상기 제2 팽창기를 고압측으로부터 유동적으로 격리시키기 위한 폐쇄 위치에 위치 설정되도록 구성되는 정지 밸브
    를 더 포함하는 열 기관 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 저압측은 상기 제2 팽창기로부터, 상기 복수 개의 환열기를 통해, 응축기를 통해, 그리고 펌프까지의 작동 유체 유동로를 포함하는 것인 열 기관 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 저압측은 상기 제1 팽창기로부터, 상기 복수 개의 환열기 중 하나의 환열기를 통해, 응축기를 통해, 그리고 펌프까지의 작동 유체 유동로를 포함하는 것인 열 기관 시스템.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 저압측에 유동적으로 커플링되고 상기 저압측으로부터 고압측으로의 작동 유체의 전달을 가능하게 하도록 구성되는 펌프 바이패스 밸브
    를 더 포함하는 열 기관 시스템.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 작동 유체 회로의 저압측에 유동적으로 커플링되고 저압측과 열 연통하는 환열기 버스 시스템(recuperator bus system)
    을 더 포함하는 열 기관 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 환열기 버스 시스템은 상기 제1 팽창기의 하류측에 있는 작동 유체 회로에 그리고 복수 개의 환열기에 유동적으로 커플링되는 유체 라인 및 밸브를 포함하는 것인 열 기관 시스템.
  20. 열 기관 시스템으로서,
    고압측 및 저압측을 갖고 작동 유체가 통과하여 유동하게 하도록 구성되는 작동 유체 회로;
    상기 고압측으로부터 작동 유체를 받아들이고 상기 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성되는 제1 팽창기;
    상기 고압측으로부터 작동 유체를 받아들이고 상기 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성되는 제2 팽창기;
    열원 스트림의 유동로를 따라 연속하여 배치되고, 열원 스트림으로부터의 열 에너지를 작동 유체로 전달하고 고압측에 선택적으로 위치 설정되거나 고압측으로부터 격리되도록 각각 구성되는 복수 개의 폐열 교환기;
    상기 저압측을 통해 유동하는 작동 유체로부터의 열 에너지를 고압측을 통해 유동하는 작동 유체로 전달하도록 그리고 고압측 및 저압측에 선택적으로 위치 설정되거나 고압측 및 저압측으로부터 격리되도록 각각 구성되는 복수 개의 환열기; 및
    복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 쪽이 고압측에 위치 설정되는지, 복수 개의 환열기 가운데 어느 쪽이 고압측에 위치 설정되는지, 복수 개의 환열기 가운데 어느 쪽이 저압측에 위치 설정되는지, 그리고 제1 팽창기 및 제2 팽창기 가운데 어느 쪽이 고압측으로부터 작동 유체를 받아들이는지에 관한 선택적인 제어를 가능하게 하도록 구동되게 각각 구성되는 복수 개의 밸브
    를 포함하는 열 기관 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 작동 유체 회로의 저압측에서 작동 유체와 열 연통하도록 그리고 작동 유체 회로의 저압측에서 작동 유체로부터 열 에너지를 제거하도록 구성되는 응축기
    를 더 포함하는 열 기관 시스템.
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