KR20160132736A - 대기열을 이용한 무연료 발열 및 냉동 장치 시스템 - Google Patents

Abstract

열역학적으로 대기의 열량을 이용하여 보다 더 저온열원이 없이 유용한 에너지를 대기로부터 얻어내는 것은 불가능한 것으로 알려져 왔다.
그러나 본 발명은 공기의 압축기와 팽창기를 서로 동력을 전달토록 하여 압축된 공기가 팽창기로 유입되게 하고 외부에서 별도의 동력으로 운전할 시에 소요동력 대비 공기 압축 방열량이 외부 구동일보다 많은 현상을 이용하여 작은 구동일 대비 큰 방열량을 발생시키며 외부 구동일은 최소이거나 거의 필요치 않는 구조를 취함으로써 그 차이의 열량은 대기로부터 주입되게 하는 대기열을 이용한 무연료 발열 및 냉동장치 시스템이다. 지금까지의 개념은 압축기에서 방열을 시키고 난 후 그 압축 기체로써 팽창기를 구동할 시에는 방렬량에 해당하는 량만큼 발생동력이 작게 발생하는 개념으로, 즉, 에너지보존 법칙에 따른 개념으로만 알고 있었기 때문에 본 발명과 같은 발상이 불가하였다. 하지만 팽창기에서는 열량을 뺏긴 압축 기체가 원래의 압축기에서 흡입하는 초기온도(대기 온도)보다 더 많이 떨어짐으로써 동력이 압축후 방열량 해당하는 동력보다 더 많이 발생하게 되고 더 많이 발생하는 량은 대기와 팽창기에서의 배출온도와 열낙차에 의해 태양으로부터 얻어진 무한의 열원이 저절로 주입 되어 지게 된다. 또한 본 발명은 상기 장치 시스템 구성에서 압축기와 팽창기를 구조변경하여 최소의 소요동력 또는 무동력으로 대기로부터 무한의 유용한 열 에너지를 얻어낼 수 있도로 구성한 대기열을 이용한 무연료 발열 및 냉동 장치 시스템이다.

Description

대기열을 이용한 무연료 발열 및 냉동 장치 시스템{Nothing fuel heating and freeze equipment system used heat of the atmosphere}

열역학 및 유체역학

공기 압축기, 팽창기, 열교환기, 등의 원천 기술과 더불어 이들을 구조 변경하며 지구가 태양으로부터 얻어 있는 대기열량의 이용과 함께 기초 자연 현상인 운동관성, 원심력 등을 이용한다.

신속한 지구온난화의 방지, 초고효율 무연료 발열장치, 초고효율 냉동장치, 초고효율 무연료 온풍 장치, 초고효율 무연료 열공급 시스템, 무연료 출력 및 발전 장치, 대형 랭킨 사이클의 효율증가 등을 실제로 이루어 내고자 함이다.

(원리1 : 장치 시스템 구성)

① 지금까지 열공학적으로 압축기와 팽창기로 이루어진 어떤 장치 시스템에서 기체를 압축하여 발생하는 열량을 다른 매체로써 냉각(등압냉각)하여 열을 외부로 방출하였을 경우 압축기에서의 소요 일과 팽창기에서의 발생 일을 고려한다면 팽창기에서의 발생 일은 압축기에서의 압축중 또는 압축후의 방열량에 해당하는 량만큼 적게 발생하는 것으로 일고 있는 것이 일반적이다.

즉, 에너지 보존법칙의 개념에 따라 도1의 제시에서와 같이

" (B-A) - (B-C) - (C-A) = 0 "

의 개념으로 알고 있으므로 대기의 열량을 이용하여 열과 일을 창출하려는 시도조차 자연법칙에 위배되는 것으로 오인하여 어떠한 시도조차 받아들이려 하지 않았다.

하지만 단순한 산술적 개념에서의 에너지 보존법칙은 위 관계식이 맞으나 기체를 압축과 팽창하는 과정에서는 다른 개념으로 고려되어야 하며 그것은 다음과 같다.

② 압축기와 팽창기로 이루어진 열기관 시스템에서 기체를 압축중 냉각 또는 압축후 등압 냉각하였을 시 팽창기에서의 배출 온도는 압축기에서의 압축전 온도보다 훨씬 떨어진다. 그러므로 ①항에서의 에너지보존 법칙에 의한 개념과는 달리 도1의 제시에서와 같이

" (B-A) - (B-C) - (C-D) = - (A-D) "

의 개념이 되고 이는 팽창기에서의 발생동력은 압축후 기체의 열량을 뺏은 이후에 상기 ①항보다 " -(A-D)" 량 만큼 추가적으로 많이 발생되고 이의 " -(A-D)" 의 열량은 외부에서 주입을 필요로 한다.

만약 A 의 온도가 대기온도였을 시는 팽창후의 주입 열량은 대기로부터의 열 낙차에 의해 조건 없이 주입 되어질 수 있다.

③ 그러므로 압축기와 팽창기로 이루어진 열기관 시스템에서 서로 동력을 전달토록 구성하고 압축기에서 기체를 압축 중 또는 압축 후 "(B-C)" 의 열량을 다른 냉각 매체로써 앗아갈 시에 " (B-C) " 에 해당하는 열량의 발생과 더불어 압축기와 팽창기를 동시에 구동하기 위한 외부에서의 소요 일은

" (B-A)-(C-D) = (B-C)-(A-D) " 가 되고

이는 방열량 "(B-C)" 값보다 "(A-D)" 만큼 항상 작다.

④ 따라서 압축기와 팽창기가 서로 동력을 전달토록 구성된 상태에서 기체의 압축중 또는 압축후 열량을 다른 매체로써 앗아갈 시에 외부에서의 소요일은 다른 매체가 앗아가는 열량보다 항상 "(A-D)" 만큼 적은 일이 소요된다.

즉, 이러한 장치 시스템을 구성하였을 시는 소요일 대비 더 많은 유용한 열량을 얻을 수 있는 결과가 도출되고 그 차에 해당하는 열량은 " (A-D) " 로써 압축기의 흡입을 대기로부터 취할 경우 대기로부터 항상 공급 받을 수 있다.

그러므로 대기로부터 유용한 고온의 열량을 얻어낼 수 있고 대기의 온도는 해당하는 량만큼 온도가 강하한다.

⑤ 상기 시스템을 공기 T-S 선도(도2,도3)를 이용하여 A,B,C,D 의 엔탈피 값의 실제 예를 넣어 계산할 시는 (도2, 도3 참조)

A=116, B=128, C=120, D=110 (단위생략)

(B-C) = 8 (발생 열량), (B-C)-(A-D) = 2 (소요 일)

가 되어 압축기와 팽창기를 동력을 서로 전달토록 하여 동시에 외부에서 이를 구동할 시에 적은 소요일로써 대기로부터 많은 유용한 열량을 얻어낼 수 있고 장치의 효율은 8 / 2 = 400 % 로 계산된다.

A는 대기온도에서의 엔탈피 값이므로 "(A-D)" 에 해당하는 저온열량은 대기로부터 자동으로 주입되고 냉풍을 얻어낼 수 있다.

만약 압축기에서 압축의 중간 과정에서 압축과 동시에 냉각 시는 "(A-C)"의 과정으로 사이클이 이루어진다. 이럴 경우에는 공기의 압축 소요동력이 줄어드는 대신 발생 열량이 줄어들고 동일한 결과가 된다.

<참고 T-S 선도에서의 엔탈피 값은 압축기와 팽창기에서의 효율이 고려된 값이다. 즉, 만약 압축기 효율 60 % 라 가정할 시에 "T-S" 선도에서 압축기 소요일(B-A)이 15로 나타내어진다면 실제 상황에서의 압축기 소요일이 15가 된다는 개념이며 (15/0.6) 방법으로 압축기 소요일을 계산해서는 적절치 않다. 이는 팽창기에서도 마찬가지이다. T-S 선도에서의 압축기나 팽창기의 온도 상승 및 강하 율은 효율이 내포되는 의미가 포함된다. 즉, 압축단 내에서의 마찰 손실일은 증기의 내부에너지 변화를 일으켜 압축열에 포함되기 때문이다.

단, 방열 손실열량 및 압축단 이외의 기계적 마찰손실은 제외된다. >

⑥ 상기 관계를 예로써 열공학적 산술식을 이용하여 계산할 시에는 아래와 같다.

G(압축공기량) : 1 KGf , R(공기 기체상수): 29.27 Kg.m/kg.k

k(비열비): 1.4, , Cp(공기 정압비열) : 0.24 kcal/kg.c

P1(대기압력) : 10332 KG/M＾2 , T1(대기온도) : 277 K (T-S선도)

V1(흡입공기 체적) = (R T1)/P1 = 0.6884 M＾3

P2(압축압력) : 20000 KG/M＾2 ,

V2(압축후 공기체적) = (P1/P2)^{1 /K} V1 = 0.4196 M＾3

W1(압축기 압축일, 유동일) : (1/(k-1))(P1 V1-P2 V2)

= -3199 KGf-m = -7.5 Kcal

(압축단 이외의 기계적 손실률 : 20 % 가정 한다면)

= -7.5 / (1-0.2) = 9.4 Kcal ----------- (B-A)

T2(압축후 온도) : T1(P2/P1)^{( K -1)/ K} = 337 K

T3(압축후 등압냉각 후 온도) : 290 K (임의 설정, T-S선도와 동일)

Q1(등압냉각 방열량, 유용열량) : G Cp (T2-T3)

= 11.3 Kcal ----------(B-C)

V3(등압 냉각후 체적) : (R T3)/P2 = 0.4244 M＾3

V4(팽창기 배출 체적) : (P2/P1)^{1/ K} V3 = 0.6963 M＾3

W2(팽창기 팽창일) : (1/(k-1))(P2 V3-P1 V4)

= 3295 KGf-m = 7.58 Kcal

(팽창단 이외의 기계적 손실률 : 20 % 가정 한다면)

= 7.58 * (1-0.2) = 6 Kcal --------(C-D)

T4(팽창기 배출후 온도) : T3(P1/P2)^{( k -1)/ k} = 237 K = -35 C

Q2(대기로부터 흡열량, 냉열 이용 가능량) : G Cp (T4-T1)

= - 9.6 Kcal ----- -(A-D)

위 결과에서 장치가 1KGf/sec 의 공기 흡입량으로 연속 작동 한다고 한다면

장치 구동 소요동력 " (B-A)-(C-D) " 는

9.4 - 6 = 3.4 Kcal/sec 가 되며

외부로의 방열량 (유용가능 열량) 은 "(B-C)" 이므로

11.3 Kcal/sec 가 된다.

따라서 장치 시스템을 구동하여 소요동력 대비 유용한 열량을 얻어 내고자 할 때 장치의 효율은 11.3 / 3.4 = 332 % 가 된다.

<참고: 위 계산 결과식은 압축기 및 팽창기의 압축단과 팽창단 이외의 부분에서의 기계적 손실률 20% 가 적용된 계산 결과 값이다. 만약 압축기와 팽창기의 압축단과 팽창단에서의 기계적 손실일이 크다면 그것은 증기의 내부 에너지 증가에 포함되어지고 열에너지로 변환되어 그에 해당하는 소요에너지는 압축공기열 포는 팽창 에너지에 포함되어 진다.

단, 방열량은 제외된다.>

이는 "(A-D)" 의 량에 해당하는 대기의 열량이 감소됨으로 인하여 가능한 사항이며 대기의 열량이 유용한 고온의 열량으로 변환되는 결과이고 유용한 열량을 에너지로써 이용하고 난 후 방열량에 의해 다시 대기는 원래의 온도로 회복되어지며 우리는 그 과정에서 유용한 에너지를 얻어낼 수 있는 결과이다.

즉, 본 발명에서 이상의 (원리1) 만의 상태에서도 적은 에너지를 투입하여 투입한 에너지의 3배 이상의 큰 열에너지를 대기로부터 얻어낼 수 있다.

또한 사이클 과정에서 공기중의 분자내 전자의 진동과 충돌에 의한 전자기파의 방출로 인하여 즉, 우주로의 복사에너지 방출에 의한 지구의 온도는 감소될 수 있다. 따라서 엔트로피가 감소될 수 있다. (지구온도감소장치)

무한의 열원으로부터 보다 더 저온열원이 없이 유용한 에너지를 얻어 낼 수 없다고 규정한 열역학 제2법칙과 엔트로피 증가만의 법칙은 잘못이다.

그것은 본 발명 (원리1)의 내용에서 분명하게 증명된다.

우주의 에너지는 유한하다. 따라서 우주의 엔트로피도 일정하다. 그런데 엔트로피는 증가만 한다면 현재의 학문은 근본 취지에서 문제 있다.

(원리2 : 공기 압축기의 구성)

① 본 발명은 상기 (원리1)의 기본적 원리를 바탕으로 하여 압축기 소요동력은 더욱 줄이고 팽창기의 발생동력은 더욱 늘려 장치가 외부로부터의 거의 구동 에너지 수수 없이 대기로부터 유용한 열의 발생을 얻어 내고자 하는 목적으로써 (원리2)에서는 지금까지 사용되어지는 압축기를 구조 변경하여 소요 동력을 매우 낮추고자 하는 원리 설명이다. 또한 하기 (원리3)은 팽창기를 구조 변경하여 즉, 압축 매체의 원심력과 관성력이 효과적으로 이용되도록 하여 압축된 기체가 지닌 가능 동력보다 팽창기에서의 발생동력을 크게 하고자 함이다.

따라서 외부로부터의 거의 외부 에너지 주입 없이 대기로부터 열을 얻는 발열 장치 시스템을 이루고자 함이다.

이는 지금까지의 학문적 자연법칙적으로 불가한 내용의 서술로 오인 될지라도 그러나 자연현상과 자연법칙은 거리가 있다.

발명은 자연현상을 이용하는 것이며 자연법칙을 이용하는 것이 아니다.

지금까지 상기에서의 (원리1)에서와 같이 학문적으로 자연법칙을 잘못 정해놓은 상태에서 그 외 어떠한 우물 밖의 시도도 받아들이지 않겠다면 더 이상 인류과학의 발전은 없을 것이다. 본 발명은 분명한 자연현상을 이용한다.

먼저 본 발명에서 구조변경하려는 (원리2)의 압축기의 기본 원리와 구성은 다음과 같다.

② 원심력은 운동관성과 무관하고 학문적으로 운동에너지 및 위치 에너지의 계산식에서 제외하고 계산하여도 무방하다. 즉, 원심력은 어떤 장치 시스템에서 소요 에너지의 계산 량과 관계가 없다. 구체적 이유는 원심력과 운동관성력은 정확히 수직의 힘의 성분이기 때문이다.

<참고 : 일반적으로 원심펌프 등에서 소요동력을 계산함에 있어서 "유량*압력/102 [KW]" 의 관계식으로 계산하지만 실제로의 소요동력은 원심력에 의해 발생되는 압력에 의한 요소가 아니라 유량만에 의한 함수이다. 그것은 임펠러가 유체를 원주방향으로 회전 가속시키는 데 필요한 동력이 그 과정에서 발생되는 원심력에 의한 압력으로 발생되는 값과 자연 현상적으로 같기 때문에 압력의 함수로 소요동력의 크기를 나타내어도 답은 같은 결과일 뿐이며 압력 자체가 소요동력과 직결되는 것으로 알고 있고 학문적으로 이를 착각하고 계산하고 있다. 즉, 원심력은 가짜 힘이다.

다른 말로 "원심력은 에너지의 량과는 관계가 없다". 학문적으로 이렇게 규정하고 있으면서도 원심력에 의해 발생되는 압력의 크기로써 소요동력을 계산하고 있는 모순을 안고 있다.

원심펌프에서 소요동력 공식 "유량*압력/102 [KW]" 는 "유량*밀도*(임펠러 원주속도＾2) /2*102) [KW] " 로 되어 압력의 요소가 없는 공식으로 바뀌어야 한다. 비록 두 공식의 답은 같다고 하더라도 개념 면에서 자연현상을 무시하고 논하느냐 안하느냐의 큰 차이가 있다.

(그러므로 원심형 기기는 기동시 출구 밸브를 막고 압력을 올리고 유량을 줄여서 기동해야만 기동 전류가 줄어들며 냉각을 위해 약 15% 열어놓고 기동할 뿐이다.) >

따라서 만약 어떤 장치 시스템에서 "(입력=출력)" 의 기본적 자연현상에 아무런 영향을 미치지 않는 상태에서 즉, 에너지의 입출량 과는 아무런 관계가 없는 원심력을 이용하여 별개의 일을 하나 더 만들어 낼 수 있는 방법이 있다면 어떤 장치는 "(입력 = 출력 + 원심력 발생 에너지)" 의 관계가 되고 이는 장치의 효율이 100%를 훨씬 초과하는 결과가 도출된다.

하지만 지금까지 운동관성과 무관한 원심력을 이용하여 또 하나의 일을 만들어 낼 수 있는 방법이 분명히 있는데도 불구하고 이의 시도조차 에너지 보존법칙을 위배하는 것으로 오인하여 절대 받아들이지 않는 안타까운 현실이다.

자연현상이 무시되는 잘못된 법칙만을 정해놓고 그 외 어떠한 올바른 자연현상도 받아들이지 않는 과오는 모두를 속이고 있으며 모두는 법칙 이외의 올바른 자연현상을 논하면 이상한 관점에서 본다. 그것은 인류역사에서 초과학 시대가 오지 못하는 주된 이유이고 그 과오는 훗날 큰 재앙을 재촉하고 있음을 모르고 있다.

<참고: 상기 "원리1" 에서의 열역학 제2법칙과 엔트로피 증가만의 법칙이 문제가 많음을 보였듯이 에너지보존법칙 또한 문제가 있다.

현재 학문은 에너지의 창조와 보존을 동일 시 하고 있으므로 에너지 창조에 관한 언급만 되어도 절대 받아들이지 않는다.

현재의 개념으로 이해불가이겠으나 지구에서 에너지가 창조되면 우주공간 에너지가 유입되어 우주 전체적인 에너지는 보존된다.

창조란 개념은 지구만을 기준하였을 때의 의미임의 설득에도 받아 들이려 하지 않는다. 우주공간 에너지가 유입됨의 기초 산술식은 질량등가에너지 방정식(E=mc＾2)에 기초한다.

구체적 이유의 제시는 본 출원서의 여건상 논술을 생략한다.>

③ 어떤 장치에서의 에너지 입출 량의 크기와 무관한 원심력을 이용하여 별개의 또 다른 새로운 에너지를 창조할 수 있는 방법은 여러 가지가 있지만 본 발명에서는 도7과 같은 방법을 이용한다.

도7은 원심형 다단 공기 압축기의 많은 압축 단 중에서 하나의 단을 예로든 것으로써 임펠러에 요구되는 동력은 임펠러의 반경인 R1 지점에 해당하는 길이만큼의 유체를 원주방향으로 회전 가속시키는 일이 소요된다.

도7과 같이 압축기의 케이싱을 날개 대비 R2 반경만큼 크게 하였을 경우 "R2-R1" 에 해당하는 빈 공간에서의 유체는 R1 반경을 지난 후 자유회전하여 R2 지점으로 행한다.

이의 유체의 자유회전에 의한 원심력에 의해 발생하는 추가적인 발생 압력은 임펠러의 소요동력과 관계가 없다. (단, 유체의 점도가 매우 낮을 경우)

"R2-R1" 공간에서의 유체는 각운동량보존의 자연현상에 따라 " 회전반경 * 원주속도 = 일정 " 의 관계식에 따라 회전하고 이의 자유회전에 의한 원심력에 따른 발생압력은 자유회전력을 방해하지 못한다.

그것은 원심력과 운동관성은 직각의 힘의 성분에 기인하고 또한 내압이 증가하더라도 회전력에 영향을 주지 못한다.

그러므로 "R2-R1"에서 발생되는 압력은 압축기의 소요동력과 관계없이 추가적인 압력이 더 발생하는 결과가 된다.

이에 따른 추가적인 압력의 크기는 " 회전반경 * 원주속도 = 일정 " 의 관계식에서 유체의 자유회전 원주속도가 거의 0에 이르게 될 때 정확히 임펠러에서 발생시키는 압력의 두 배의 크기로 발생한다.

따라서 만약 "R2 = 2R1" 의 관계가 됐을 경우 R2 지점에서의 유체의 자유회전 원주속도는 임펠러 끝 원주속도의 반으로 줄어들고 "R2-R1" 공간에서의 발생압력은 "밀도*(V1＾2 -V2＾2)/(2*9.8), V1:R1 지점의 원주속도, V2: R2 지점의" 원주속도.) " 의 값과 근사적으로 일치하며 임펠러에서 발생시키는 압력의 약 0.75 배가 발생한다. (계산 제시 생략)

그러므로 "R2-R1" 의 빈 공간에서 유체의 자유회전에 의해 발생되는 압력은 압축기의 소요동력과 관계없는 요소가 되고 날개 대비 케이싱의 크기가 두 배 일 경우 발생압력은 소요동력 대비 1.75 배로 발생하는 결과가 된다.

즉, 원심력에 의한 압력 에너지의 증가 현상이 일어난 결과이다.

그러므로 적은 소요동력으로써 더 높은 압력을 발생시킬 수 있으므로 본 발명의 무연료 발열 압축기로써 타당하다.

④ 또한 원심형 압축기의 경우 축류형 압축기에 비해 구조적 및 원리적으로 많은 여러 가지 잇점이 있다. 그 첫째로 압축기의 구조를 고압측으로 갈수록 압력단의 직경을 줄이지 않아도 된다. 이는 유체가 역방향으로 흐르지 않는 이상 임펠러를 유체가 역으로 회전시킬려는 소요 토르크가 없기 때문이다. 원심형 압축기에서의 소요토르크는 유체를 회전가속시키는데 필요한 F=ma 에 해당하는 힘의 성분에 따른 소요 토르크이기 때문이다. 즉, 날개의 직경을 줄이지 않으면 소요동력이 크지는 만큼 큰 압력이 발생된다. 다만 압축중 유체가 정체되는 시간이 길게 발생하지만 이는 소요동력과 관계가 없다.

(축류형의 압축기의 경우는 고압측으로 갈수록 날개의 직경을 줄이지 않으면 날개단의 축방향 병렬에 의한 유체의 운동관성을 변화시키는 방법으로써 압축을 하므로 유체의 크진 밀도 때문에 압력에 의해서 유체가 역방향으로 흐를려고 하는 힘의 요소에 의하여 역토르크가 크져서 발생압력 대비 큰 소요동력이 요구된다.)

두 번째로 측압력의 발생이 없다. 세 번째로 구조가 간단하다.

따라서 원심형 압축기와 더불어 본 발명에서의 원심형 압축 방식은 본 발명을 이룩하는데 있어서 여러 가지 축류형 압축기에 비하여 유리한 점이 많다.

단점으로써는 임펠러가 큰 원심력에 견뎌야 하는 튼튼한 구조로 되어야 한다는 것과 흡입구에서는 압력을 발생시키지 못하는 불리한 점이 있다.

(원리3 : 공기 팽창기의 구성)

① 본 발명은 상기 (원리1)과 (원리2)의 바탕과 더불어 팽창기에서의 발생동력도 더욱 크게하여 장치가 외부로부터의 거의 완전한 구동 에너지 수수 없이 대기로부터 유용한 열의 발생을 얻어 내고자 하는 목적이므로 (원리3)에서는 지금까지 사용되어지는 팽창기(터빈)을 구조 변경하여 발생 동력을 유체가 지닌 가능 동력보다 크게 발생되게 하려는 원리설명이다.

본 발명에서 유체가 지닌 동력보다 팽창기에서의 발생동력을 크게 하는 방법으로써 두 가지의 기초 자연현상이 이용되며 첫 번째로 (원리2)에서와 같이 지금까지 널리 사용되고 있는 축류형 팽창기가 아닌 원심형 팽창기를 채용하며 본 발명에서 개량 시도하려는 원심형 팽창기의 첫 번째, 원리는 다음과 같다.

② 기본적으로 (원리2)에서는 원심력을 이용하였지만 (원리3)의 첫 번째의 구성에서는 원심력을 가능한 작게 발생시키는 구조로 원심형 팽창기를 구성한다.

즉, 기체를 압축 시는 원심력을 최대로 이용하며 팽창 시는 원심력을 가능한 적게 발생시키는 구조로 한다.

원심형 팽창기는 유체의 회전에 따른 원심력에 의한 역압력에 의해 압력이 강하되어 진다. 하지만 팽창기에서의 동력발생 요소는 기체의 운동관성 변화가 이용된다. 원심력 자체는 에너지를 얻어 내는 요소가 아니기 때문이다.

(예를 들어 원심펌프를 출구에서 역으로 가압하면 펌프는 역회전을 한다. 이때 펌프를 역회전시키는 요소는 물의 운동관성 변화에 따른 힘의 요소이다. 펌프의 회전방향과 반대쪽으로 기울어진 임펠러 때문에 펌프로써의 기능 때보다 원심력이 적게 발생된다. 그러므로 원심펌프가 역회전할 시는 펌프로써 회전할 때보다 동일한 압력에서도 회전수가 빠르다. 역회전 하는 펌프는 역압력이 가압하는 쪽과 압력이 비슷해질 때까지 회전되어 차압에 의한 유량의 흐름이 거의 없을 때까지 회전되어지기 때문이다. 발생 토르크는 유량의 함수이다. )

만약 원심형 팽창기에서 원심력에 의한 역압력을 완전히 없앨 수 있는 방법이 있다면 팽창기의 효율은 거의 100% 가 된다. 즉, 유체의 운동관성 변화에 의한 출력을 많은 팽창단을 반복하여 계속하여 얻어낼 수 있기 때문이다.

즉, 운동관성 변화에 의한 역압력의 크기는 모두 출력으로 얻어낼 수 있기 때문이다. (축류형 팽창기의 경우 유체 운동방향을 계속하여 역으로 바꿔 출력을 얻어 내지만 정지단에서 이를 행하여야 하므로 해당량 만큼 손실이며 또한 단과 단 사이에서 압력 강하율이 크다. 그러므로 축류형 팽창기는 본 발명의 취지에는 물론 여러 가지 출력을 얻어내는 장치로써는 측압의 발생과 더불어 매우 단점이 많다.)

그러므로 구조적으로 원심형 팽창기에서 유체의 흐름 방향을 이용하여 원심력이 가능한 적게 발생되는 구조가 되도록 하고 유체의 운동관성 변화를 최대한 출력으로 얻어낼 수 있는 구조가 되도록 한다.

③ 상기 ②항의 원리를 이룩하기 위해서는 도9와 같이 원심형 팽창기의 날개에서 유체가 블레이드의 내부로 갈수록 유량이 정체되어 흐르는 량이 적도록 해야 한다. 즉, 유체가 블레이드부 공간의 많은 체적에서 정체되어 회전하면서 원심력이 발생되는 구조가 되지 않도록 한다. 그리고 유체가 블레이드의 곡면을 따라 중심부로 흐를 때 정체되는 부분이 적도록 원심력에 의한 압력이 적게 발생되도록 해야한다. 그러므로 도9와 같이 블레이드의 구조를 유체가 동일한 속도로 팽창기 내부로 유입될 수 있는 구조로 하고 또한 유체는 FLOW PASSAGE 의 곡면을 따라 흐르면서 임펠러의 회전 방향과 반대방향으로 진행하기 때문에 전체적 원주 속도는 감소되어 원심력이 적게 발생된다. FLOW PASSAGE 이외의 임펠러와 임펠러 사이의 공간은 유체가 흐르지 못하도록 IMPLLER HOLDER 로써 막아 회전시 내부에서 진공이 발생하여 역압력이 형성되지 않도록 구조를 이룬다.

④ 상기 ②, ③ 항은 거의 100 % 의 효율을 발생시키기 위한 팽창기에서의 날개 구조이며 (원리3)의 첫 번째 설명이었다.

(원리3)의 두 번째 항은 팽창기가 압력 유체의 발생가능 동력보다 크게 출력이 발생되게 하려는 내용이다.

두 번째, 원리 요지는 다음과 같다.

⑤ 도9의 균일통로 날개를 통과한 유체는 블레이드 원형홀드(13)을 통하여 팽창기 축 부분으로 유입 분사되면서 블레이드를 정방향으로 반작용에 의하여 회전시키려 하고 유체는 회전방향과 반대 방향으로 고속으로 회전한다.

(블레이드의 균일 통과 공면 공간(11)의 말단부가 회전반경의 회전방향 후미부로 블레이드 원형 홀드(13)와 연결되어 유체의 분사반작용에 의한 회전 토르크가 형성되도록 구조를 취한다.)

기체는 팽창기 내부에서 유입속도가 매우 빠르기 때문에 블레이더 회전방향의 역방향으로 회전하여도 매우 빠르게 회전된다.

또한 기체의 고속회전에 의해 원심력에 의한 역압력이 발생되어 압력 강하를 가져 오지만 팽창기 내측 유체 자유회전공간(12)에서는 팽창단 좌측 구분 격막(14)를 좌우로 하여 좌측은 정압을 우측은 역압을 발생시키게 되므로 유체의 회전에 의한 역압력 손실은 없게 된다. 이러한 상황에서 유체는 압축기에서와 마찬가지로 팽창기 유체 자유회전 승압 공간(10)은 블레이드의 길이에서 자유회전에 의한 승압이 발생한다.

그러므로 팽창기는 추가적인 자연적 승압에 의하여 더 많은 팽창단을 형성할 수가 있고 압축 기체가 가진 가능 동력보다 더 많은 동력을 발생시키게 된다.

⑥ (원리3) 두 번째 사항을 종합한다면 블레이드(11)의 상부는 유체의 운동관성 변화로써 출력을 얻어내며 <팽창기 유체 자유회전 승압공간(10)에서 유체는 팽창기의 회전방향과 반대방향으로 회전하므로 더욱 큰 운동관성 변화를 얻을 수 있다.> 블레이드(11)의 하부는 회전방향 역방향으로 분사하여 분사반발력을 얻어내고, 자유회전 승압 공간(10)에서는 원심력에 의한 압력을 추가적으로 얻어내는 구조이다. 내측 자유 회전공간(12)에서는 좌측구분격막(14)를 좌우로 회전 유체는 좌우로 정압과 역압을 형성시켜 압력변화가 없어진다. 또한, 축류형 팽창기에 비해 후단부 쪽으로 갈수록 블레이드의 직경을 크게 하지 않아도 된다. 그 이유는 기체의 감압에 따른 유속이 빨라짐을 감압 없이 큰 역방향 운동관성을 얻어낼 수 있기 때문이고 또한 유속이 발라짐으로 인하여 반작용력과 원심력이 더 크지게 되어 감압률이 훨씬 적어지기 때문이다. 그러므로 많은 팽창단을 형성할 수 있으므로 압축기체가 지닌 가능동력보다 큰 출력을 얻어낼 수 있다.

(축류형 팽창기의 경우는 후단부로 갈수록 유속이 빨라짐을 직경의 크기로써 유속을 느리게 하여 큰 토르크를 얻어낸다. 만약 축류형 팽창기에서 블레이드의 직경을 크게 하지 않고 유체의 속도증가만으로 큰 토르크를 얻어 낸다고 하였을 시는 정지단에서의 압력 강하률이 매우 크다.)

원심형 팽창기의 단점은 구조가 튼튼해야 한다는 점과 블레이드의 좌우 틈새로 기체가 누설되어 진행할 수 있을 우려의 단점이 있지만 그러나 만약 회전중인 기체가 회전 직경이 작은 쪽으로 자유회전으로 유입될 시에는 각운동량 보존의 현상에 따라 내부로 갈수록 회전수가 매우 빨라지므로 스스로 역압력이 생겨 유입되지 못한다.

⑦ 따라서 (원리3)의 팽창기는 본 발명에서의 용도뿐만 아니라 이미 많이 이용되어 지고 있는 증기 터빈 등에서의 축류형 팽창기를 대체하여 효율이 매우 높은 사이클을 이루는데 기여될 수 있다.

⑧ 만약 압축기와 팽창기를 마찰을 거의 최소화 할 수 있다면 (원리2)와 (원리3)을 이용하여 대기의 열량을 이용하지 않고 또한 압축된 기체를 외부로의 방열을 시키지 않고 즉, 압축기와 팽창기를 단열을 시킨 후에 서로 동력을 전달토록 직결하여 구동한다면 장치가 전혀 외부의 구동 에너지를 받지 않고 스스로 작동될 가능성이 매우 크다.

하지만 본 발명은 대기의 열량을 이용하여 무연료로써 유용한 열을 얻어 내는 주목적이므로 본 출원서의 (원리2)와 (원리3)의 더 이상의 목적과 용도를 제한하여 기술한다.

신속한 지구온난화의 방지, 초고효율 무연료 발열장치, 초고효율 냉동장치, 초고효율 무연료 온풍 장치, 초고효율 무연료 열공급 시스템, 무연료 출력 및 발전 장치, 대형 랭킨 사이클의 효율증가 등을 실제로 이룰 수 있다.

도1은 기본 원리의 설명을 위한 설명도
도2는 기본 원리에 따른 장치의 공기 T-S 선도 예시도
도3은 도2의 장치 기본 사이클 부분 확대도
도4는 장치 시스템의 종합 구성도
도5는 개량된 원심식 공기압축기(1)의 개략도
도6은 개량된 원심식 공기팽창기(2)의 개략도
도7은 (1)의 임펠러 부분 상세도
도8은 (1)의 단면 aa' 의 단면도
도9는 (2)의 단면 bb' 의 단면 상세도

(원리1)(원리2)(원리3)을 바탕으로 도4과 같이 개량된 원심식 공기압축기(1)를 구성하고, 이와 직결 또는 변속장치를 통하여 개량된 원심식 공기 팽창기(2)를 구성하여 서로 동력을 전달토록 한 다음, 압축기(1)에서 발생되는 압축열을 열교환기(3)를 통하여 다른 매체에서 앗아가도록 한 후에 앗아가게 되어지는 방열되는 열량은 여러 가지 유용한 고온 열로써 이용하며 팽창기에서 배출되는 저온 열량은 냉열로 이용하고, 이의 냉열은 대기가 가진 열량으로써 열 낙차에 의한 저절로 보충이 되도록 하여 전체적으로 대기열을 이용한 무연료 발열 및 냉동 장치 시스템이 이루어지도록 한다.

무연료 발열장치, 초고효율 발열장치, 초고효율 냉동장치, 대형 랭킨 사이클의 효율 증가, 초고효율 또는 무연료 열공급 시스템 등 많은 분야에서 이용될 수 있다.

1: 개량된 원심식 공기압축기 또는 원심펌프
2: 개량된 원심식 공기팽창기 또는 수차 3: 열교환기 4: 압축기 임펠러
5: 압축기 유체 자유회전 승압 공간 6: 유체 회전정지 격막
7: 압축단 구분 격막 8: 부품 없음 9: 팽창단 우측 구분 격막
10: 팽창기 유체 자유회전 승압 공간 11: 팽창기 블레이드
12: 팽창기 내측 유체 자유회전 공간 13: 블레이드 원형 홀더
14: 팽창단 좌측 구분 격막

Claims (3)

1. 도4와 같이 공기압축기와 공기팽창기를 서로 동력을 전달토록 구성하고, 공기압축기의 흡입은 대기로부터 취하며, 외부의 별도의 적은 동력으로 압축기와 팽창기를 구동하여 압축기에서 발생되는 압축열을 열교환기를 통하여 유용한 열 에너지로 방출시키고, 이 과정에서 팽창기에서의 저온의 배출온도에 의해 대기로부터의 열량과 저절로 서로 열교환 또는 냉동장치로 이용 하도록 구성 되어 지고 구동 소요동력 대비 압축 방열이 많이 발생되는 자연현상을 이용한 대기열을 이용한 무연료 발열 및 냉동 장치 시스템.
2. 도5와 같이 (원리2)를 이용하여 소요동력 대비 공기 압축일이 많이 발생되도록 구성된 개량된 원심식 공기 압축기(1)
3. 도6과 같이 (원리3)을 이용하여 압축 기체가 지닌 가능동력보다 큰 동력이 발생되도록 구성된 개량된 원심식 공기 팽창기(2)

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