KR20180001994U

KR20180001994U - 열원으로부터의 폐열을 기계적 에너지로 변환하기 위한 ｏｒｃ 및 이러한 ｏｒｃ를 사용하는 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20180001994U
Application number: KR2020187000024U
Authority: KR
Inventors: 헨릭 외만
Original assignee: 아틀라스 캅코 에어파워, 남로체 벤누트삽
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2018-07-02
Also published as: WO2017041147A1; EP3347575A1; US20180252120A1; KR200491391Y1; CN108474272B; EP3347575B1; PL3347575T3; DE212016000187U1; CN108474272A; US10612423B2; ES2914078T3

Abstract

열원(11)으로부터의 열을 기계적 에너지로 변환하기 위한 ORC(Organic Rankine Cycle: 유기 랭킨 사이클)로서, ORC(8)는 2상 작동 유체를 포함하는 폐회로(14)를 포함하고, 회로(14)는 상기 열원(11)과 열 접촉하여 배치되도록 구성된 증발기(10)를 통해, 작동 유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 팽창기(12)를 통해, 그리고 냉각 요소(17)와 열 접촉하고 있는 응축기(16)를 통해 연속적으로 회로(14) 내에서 작동 유체를 순환시키기 위한 액체 펌프(15)를 포함하는 것인 ORC에 있어서, 팽창기(12)는 증발기(10) 위에 위치되고, 증발기(10)의 유체 출구(22)는 액상 작동 유체 및 작동 유체의 기포의 혼합물로 충전되어 있는 소위 부양기 칼럼(raiser column)(24)에 의해 팽창기(12)의 유체 입구(23)에 연결되고, 이 혼합물은 팽창기(12)에 공급되고, 부양기 칼럼(24)은 부양기 칼럼(24)에 의해 팽창기(12)로 공급된 액상 작동 유체의 중력 유동이 가능한 방식으로 팽창기(12)의 입구(23)와 적어도 부분적으로 동일한 레벨로 또는 입구(23)의 레벨 위로 연장하는 것을 특징으로 하는 ORC가 개시된다.

Description

열원으로부터의 폐열을 기계적 에너지로 변환하기 위한 ＯＲＣ 및 이러한 ＯＲＣ를 사용하는 냉각 시스템

본 고안은 열원으로부터의 폐열을 기계적 에너지로 변환하기 위한 ORC 및 폐열의 소스를 냉각하기 위해 이러한 ORC를 사용하는 냉각 시스템에 관한 것이다.

ORC, 칼리나(Kalina), 3변 플래시(Trilateral Flash) 등과 같은 WTP(Waste heat to Power: 폐열 발전)용 동력 사이클은 잘 설명되어 있다.

이러한 동력 사이클은, 열원으로부터 폐열을 회수하고 예를 들어 전력을 발생하기 위해 발전기를 구동하기 위해 사용될 수 있는 유용한 기계적 에너지로 상기 에너지를 변환하도록 설계된다.

압축기 설비에 의해 생성되거나, 또는 배기 가스, 연도 가스, 증기, 고온수 등에 포함된 압축 가스의 열과 같은, 비교적 저온을 갖는 열원의 폐열을 회수하기 위한 ORC(Organic Rankine Cycle: 유기 랭킨 사이클)의 사용이 특히 알려져 있다.

이러한 공지의 ORC는 2상 작동 유체를 포함하는 폐루프 회로를 포함하고, 이 회로는 작동 유체를 증발시키기 위해 열원과 열 접촉하고 있는 증발기를 통해, 증발기 내에 생성된 기상 작동 유체에 전달된 열에너지를 유용한 기계적 에너지로 변환하기 위한 터빈과 같은 팽창기를 통해, 그리고 마지막으로 기상 작동 유체를 작동 유체의 다음의 작업 사이클을 위해 증발기로 반환될 수 있는 액체로 변환하기 위해 물 또는 주위 공기와 같은 냉각 매체와 열 접촉하고 있는 응축기를 통해 연속적으로 유체를 회로 내에서 순환시키기 위한 액체 펌프를 더 포함한다.

고온 가스를 생성하는 설비에서, ORC는, 이들 고온 가스가 ORC의 증발기와 접촉하게 함으로써 상기 고온 가스를 냉각하기 위해 그리고 동시에 증발기 내에 회수된 열을 팽창기 내에서 유용한 에너지로 변환하기 위해 ORC를 사용하기 위해 사용된다.

기존의 ORC의 단점은, 특히 예를 들어 90℃ 또는 심지어 60℃의 저온 열원에서, 열원과 증발기 내의 작동 유체 사이의 충분한 열전달 접촉을 갖기 위해 증발기의 크기가 비교적 커야 하고, 증발기가 단지 저부에 액체를 포함하고 그 상부에 작동 유체의 증기를 포함하기 때문에, 증발기 내에서 증발될 작동 유체의 액체 분획 사이의 접촉면이 증발기의 총 접촉면의 단지 작은 부분이라는 것이다.

다른 단점은, 액체 펌프 또는 팽창기의 고장의 경우에, 특히 팽창기의 입구로의 2상 유체가 바람직할 때, 증발기로부터 팽창기로 유체의 액체 분획의 중력 유동을 제공하기 위해 증발기가 팽창기 위에 위치될 필요가 있기 때문에, ORC 내의 작동 유체의 순환이 자동으로 정지하게 된다는 것이다.

ORC 내의 작동 유체가 순환을 정지할 때, 고온 가스를 냉각하기 위한 ORC의 냉각 기능은 손실되어, 미냉각 고온 가스를 사용하는 하류측 설비 또는 하류측 사용자가 과열에 기인하여 손상될 수 있는, 잠재적으로 위험한 상황을 초래한다.

동일한 출원인의 미공개 벨기에 특허 출원 2014/0654호는, ORC 시스템의 부분이 아니고 따라서 ORC 시스템의 고장의 경우에 압축 가스를 확실히 냉각할 수 있는 보조 냉각기를 도입함으로써 ORC의 액체 펌프의 고장의 경우에 있어서의 해결책을 제공하고 있다.

단점은 보조 냉각기가 제공되어야 한다는 것이다.

본 고안의 목적은 전술된 단점 및 다른 단점 중 하나 이상에 대한 해결책을 제공하는 것이다.

따라서, 본 고안은 열원으로부터의 폐열을 기계적 에너지로 변환하기 위한 ORC로서, ORC는 2상 작동 유체를 포함하는 폐회로를 포함하고, 회로는 상기 열원과 열 접촉하여 배치되도록 구성된 증발기를 통해, 작동 유체의 열에너지를 일(work)로 변환하기 위한 팽창기를 통해, 그리고 냉각 요소와 열 접촉하고 있는 응축기를 통해 연속적으로 회로 내에서 작동 유체를 순환시키기 위한 액체 펌프를 포함하고, 여기서 팽창기는 증발기 위에 위치되고, 증발기의 유체 출구는 액상 작동 유체 및 작동 유체의 기포의 혼합물로 충전되어 있는 소위 부양기 칼럼(raiser column)에 의해 팽창기의 입구에 연결되고, 이 혼합물은 팽창기에 공급되고, 여기서 부양기 칼럼은, 부양기 칼럼에 의해 팽창기로 공급된 액상 작동 유체의 중력 유동이 가능한 방식으로 팽창기의 입구와 적어도 부분적으로 동일한 레벨로 또는 입구의 레벨 위로 연장되는 것인 ORC를 목표로 한다.

부양기 칼럼이 액상 작동 유체 및 기상 작동 유체의 혼합물로 충전되는 것을 확실하게 함으로써, 2상 작동 유체가 팽창기의 입구로 그리고 응축기의 입구로 더 하류측으로 중력에 의해 공급되게 하는 일종의 펌핑 효과를 생성하고, 응축기는 바람직하게는 팽창기와 동일한 레벨로 또는 팽창기보다 더 낮은 레벨로 주로 위치되고, 팽창기는 바람직하게는, 응축기로 그리고 응축기로부터 증발기로 더 아래로 팽창기에 의해 공급된 액상 작동 유체의 중력 유동이 가능한 방식으로 응축기와 동일한 레벨로 또는 응축기보다 더 낮은 레벨로 주로 위치된다. 부양기 칼럼의 펌핑 효과의 장점은, 폐색된 액체 펌프 또는 팽창기의 경우에, 작동 유체가 ORC 회로 내에서 자율적으로 여전히 계속 순환하고 ORC가 일종의 히트 파이프 또는 열사이펀(thermosiphon)으로서 기능하기 시작한다는 것이다.

이러한 자체 순환 효과에 관련된 장점은, 심지어 ORC가 열원의 냉각을 위해 사용될 때 폐색된 액체 펌프 또는 팽창기의 부적절한 상황에서도, ORC가 그 냉각 기능을 지속하며, 이에 의해 냉각이 중요할 때 ORC에 추가하여 별도의 냉각 디바이스를 제공해야 할 필요성을 제거한다는 것이다.

바람직한 실시예에 따르면, 응축기의 유체 입구의 가장 낮은 부분은 팽창기의 회전형 능동부의 가장 낮은 부분보다 더 낮게 위치된다.

이 명세서 전체에 걸쳐, 표현 "팽창기의 회전형 능동부"라는 것은, 스크류 팽창기의 경우에 나선형 회전자, 터빈의 경우에 임펠러(impeller), 스크롤 팽창기의 경우에 스크롤, 피스톤 팽창기의 경우에 피스톤 등과 같이, 작동 시에, 유체 팽창 프로세스에 직접 수반되는 팽창기의 이들 회전부를 칭한다. 그러나, 표현 "팽창기의 회전형 능동부"라는 것은 베어링, 발전기 등과 같은, 팽창 프로세스에 수반되지 않는 비능동부는 배제한다.

유사한 방식으로, 증발기의 유체 입구의 가장 낮은 부분은 응축기의 유체 출구의 가장 낮은 부분보다 더 낮게 위치되는 것이 바람직하다.

ORC는 바람직하게는, 액체 펌프의 입구와 출구를 가교하고 ORC의 정상 작동 조건 중에 밸브를 폐쇄 상태로 유지하며 액체 펌프가 고장 또는 다른 이유에 기인하여 작동하지 않을 경우에 밸브를 개방 상태로 유지하기 위한 제어부를 갖는 밸브를 포함하는 바이패스(bypass)를 구비한다.

장점은, 바이패스가, 작동 유체의 중력 유동 그리고 또한 이에 따른 ORC의 냉각 효과를 방해할 수 있는, 결함이 있는 액체 펌프의 유동 저항을 무효화할(override) 수 있다는 것이다.

유사하게, ORC는 바람직하게는, 팽창기의 입구와 출구를 가교하고 ORC의 정상 작동 조건 중에 밸브를 폐쇄 상태로 유지하며 팽창기가 고장 또는 다른 이유에 기인하여 작동하지 않을 경우에 밸브를 개방 상태로 유지하기 위한 제어부를 갖는 밸브를 포함하는 바이패스를 구비한다.

본 고안의 다른 양태는, 적어도 몇몇 작동 조건에서, 증발기가 비등 작동 유체로 완전히 충전되고, 부양기 칼럼이 액상 작동 유체 및 작동 유체의 기포의 혼합물로 충전되도록 설계되고, 이 혼합물은 팽창기에 공급되도록 ORC가 구성되는 것이다.

본 고안에 따른 ORC의 장점은, 증발기가 비등 액체 작동 유체로 충전되고, 이에 의해 액상 작동 유체와 열원 사이의 접촉면을 최대화하고 그리고 이에 의해 열원과의 열전달을 최대화하고 그리고 이를 통해 팽창기에 의해 기계적 에너지로 변환될, 열원으로부터 회수된 열의 양을 최대화한다는 것이다.

압축기 설비의 압축 가스를 냉각하기 위해 사용되는 ORC의 경우에, 이는 또한 ORC의 냉각 기능을 최대화하는 것을 의미한다.

증발기와 접촉하고 있는 압축 가스의 효율적인 냉각에 관련된 장점은, 어떠한 부가의 냉각도 요구되지 않고 디자인에 있어서 더 소형의 증발기가 선택될 수 있다는 것이다.

부양기 칼럼은, 증발기 내부면이 항상 액체에 의해 덮여 있다는 것을 보장하고, 부양기 칼럼 내의 액체는 증발기 내에서 역방향으로 유동하는 경향이 있어 작동 유체의 비등에 의해 증발기 내에 생성된 기포를 대체한다.

본 고안은 또한, 폐열의 소스를 냉각하기 위한 냉각 시스템으로서, 여기서 냉각 시스템은 또한 팽창기의 비-작동 조건 및/또는 액체 펌프의 비-작동 조건에서, 임의의 부가의 외부 냉각을 필요로 하지 않으면서 단지 열원의 냉각을 위한 수단으로서만 본 고안에 따른 ORC를 포함하는 냉각 시스템에 관한 것이다.

본 고안의 특성을 더 양호하게 도시하려는 의도를 갖고, 이하에는, 어떠한 한정적인 특성도 갖지 않는 예로서, 열원으로부터의 폐열을 기계적 에너지로 변환하기 위한 본 고안에 따른 ORC 및 이러한 ORC를 사용하는 압축기 설비의 바람직한 일부 실시예가 첨부 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 고안에 따른 ORC 시스템을 사용하는 1단 압축기 설비를 개략적으로 도시하고 있고,
도 2는 도 1의 ORC를 더 실재적인 방식으로 도시하고 있고,
도 3은 도 1의 압축기 설비의 대안적인 실시예를 도시하고 있다.

도 1에 도시되어 있는 냉각 시스템(1)은 예를 들어 입구(3) 및 출구(4)를 갖는 압축기 요소(2)를 포함하는 압축기 설비에 의해 생성된 압축 가스를 냉각하기 위한 냉각 시스템이고, 상기 압축기 요소(2)는 가스 유동(Q)을 압축하기 위해 압축기 요소(2)를 구동하기 위한 모터(5)에 연결되어 있다. 또한, 냉각 시스템(1)은 압축 가스의 소비자의 망(net)(7)에 공급되기 전에 압축 가스를 냉각하기 위한, 상기 압축기 요소(2)의 하류측에 제공된 냉각기(6)를 포함한다.

냉각 설비(1)는 본 고안에 따른 ORC(8)를 포함하고, 여기서 전술한 냉각기(6)는, 예를 들어 도 1의 예에 도시되어 있는 바와 같이 전기 발전기(13)를 구동하기 위한 터빈과 같은 ORC(8)의 팽창기(12)에 의해 폐열을 유용한 열에너지로 변환하도록 구성되는 열원(11)으로서 사용된 압축 가스의 폐열을 회수하기 위한 ORC(8)의 증발기(10)를 또한 통합하는 열교환기(9) 내에 통합된다.

ORC는 열원(11)의 온도 미만의 비등 온도를 갖는 2상 유기 작동 유체를 포함하는 폐회로(14)를 포함하는데, 작동 유체는 화살표(F)에 의해 지시되어 있는 바와 같은 방향으로 액체 펌프(15)에 의해 회로(14) 내에서 연속적으로 순환된다.

작동 유체는, 열원(11)과 열 접촉하고 있는 증발기(10)를 통해, 이어서 팽창기(12)를 통해, 그리고 마지막으로 회로(14) 내에서 다음의 사이클을 위해 액체 펌프(15)에 의해 재차 송출되기 전에 응축기(16)를 통해 연속적으로 유동하게 된다.

응축기(16)는 열교환기(9')의 부분이고, 여기서 응축기(16)는 도 1의 예에서, 펌프(20)에 의해 응축기(16)를 통해 순환하도록 탱크(19)로부터 취출된 저온수(W)의 공급부로서 도시되어 있는, 냉각 회로(18)의 냉각 요소(17)와 열접촉하고 있다.

본 고안에 따르면, 응축기(16)는 물리적으로 팽창기(12)보다 더 낮게 위치되고, 반면에 증발기(10)는, 팽창기(12)로 그리고 또한 팽창기(12)로부터 응축기(16)로 그리고 응축기(16)로부터 증발기(10)로 부양기 칼럼(24)에 의해 공급된 액상 작동 유체의 중력 유동이 가능한 방식으로 물리적으로 응축기(16)보다 더 낮게 위치된다.

용어 "~보다 더 낮게"라는 것은 응축기/증발기의 모든 부분이 더 낮게 위치되는 것을 필요로 하는 것은 아니다. 이는 응축기/증발기의 주요부가 더 낮은 레벨에 있는 것을 의미한다. 이 용어는 작동 유체의 액체부의 중력 유동을 생성하기 위한 요구의 맥락에서 이해되어야 한다.

바람직하게는, 응축기(16)의 유체 입구의 적어도 가장 낮은 부분이 도 2에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 팽창기(12)의 회전형 능동부(12")의 가장 낮은 부분(12')보다 물리적으로 더 낮게 위치되고, 반면에 증발기(10)의 유체 입구의 가장 낮은 부분은 응축기(16)의 유체 출구의 가장 낮은 부분보다 물리적으로 더 낮게 위치되고, 증발기(10)의 유체 출구(22)는 소위 부양기 칼럼(24)에 의해 팽창기(12)의 유체 입구(23)에 연결되어 있다.

본 고안에 따른 ORC(8)는, 정상 작동 조건에서 증발기(10)가 비등 작동 유체로 완전히 충전되고 부양기 칼럼이 그 전체 높이에 걸쳐 액체 형태의 작동 유체 및 작동 유체의 기포의 혼합물로 충전되도록 설계되고, 이 혼합물은 부양기 칼럼(24)의 만곡부(24')를 통해 팽창기(12)의 유체 입구(23)에 공급되고, 이 만곡부(24')는 적어도 팽창기(12)의 유체 입구(23)의 가장 낮은 부분 위에 있는 부분과 함께 연장된다.

표현 "비등 액체 작동 유체로 충전된다"는 것은, 비등에 의해 생성된 기포가 증발기(10)의 상부에 축적되지 않아, 증발기(10) 내의 작동 유체가 공지의 ORC에서와 같이 액체부의 상부 상의 공간 내에 축적된 액체부와 기체부로 분리되지 않게 된다는 것을 의미한다.

본 고안에 따른 ORC(8)의 정상 작동은, 작동 유체가, 동시에 냉각되는 압축 가스의 열에 의해 증발기(10) 내에서 비등하게 되는 것이다.

액체 펌프(15)는, 증발기가 압축 가스로부터의 열의 최대 회수를 위해 비등 액체로 완전히 충전되는 것을 확실하게 하도록, 압축 가스의 열에 의해 증발될 수 있는 것보다 더 많은 작동 유체를 증발기(10)로 펌핑하는 것을 보장하도록 설계된다.

부양기 칼럼(24) 내에는, 도 2에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 이에 따라 전술한 2상 혼합물을 다루는 것이 가능한 팽창기의 유형 중에서 선택되어야 하는 팽창기(12)의 입구(23)에 운반 및 공급되는 작동 유체로부터의 기포 및 액체 형태의 작동 유체의 혼합물이 있다.

만곡부(24')는, 부양기 칼럼(24)을 통해 기포가 되는 액체가 만곡부(24')에 걸쳐 유동하여 팽창기(12)를 통해 그리고 응축기(16)로 중력에 의해 하향으로 낙하하고, 이 응축기로부터, 응축기(16)를 증발기(10)와 연결하는 회로(14)의 도관(25)을 거쳐, 증발기(10)로 재차 공급되게 하기 위해, 팽창기의 유체 입구(23)와 동일한 레벨로 또는 유체 입구(23)보다 더 높은 레벨로 위치되어야 한다.

증발기(10) 내에 생성된 기포는 부양기 칼럼(24) 내에서 뿐만 아니라 도관(25) 내에서 부양하는 경향이 있을 것이지만, 부양기 칼럼(24)을 거쳐 최소 저항의 통과를 행할 것이다.

이와 같이, 회로(14) 내에서 작동 유체를 순환시키는 것을 돕는 일종의 자기 순환 효과가 부양기 칼럼(24)에 의해 생성된다.

심지어 액체 펌프(15) 또는 팽창기(12)가 폐색되게 될 때에도, ORC는 중력에 의해 보조되어 회로(14) 내에서 작동 유체를 계속 순환시켜, 이에 의해 증발기(10) 내의 압축 가스의 충분한 냉각을 제공하여 액체 펌프(15) 또는 팽창기(12)가 수리될 수 있을 때까지 위험한 조건이 발생하는 것을 회피한다.

본 고안에 따른 ORC(8)는 또한 냉각 연도 가스, 증기 등과 같은 압축 가스를 냉각하기 위한 것 이외의 용례에 사용될 수 있다는 것이 명백하다.

응축기(16)의 냉각은 예를 들어, 팬 등에 의해 응축기(16)에 걸쳐 주위 공기를 송풍함으로써, 도 1의 예에서와는 다른 방식으로 실현될 수 있다.

팽창기(12)는 2상 유체 공급물의 팽창에 의해 기계적 에너지를 발생시키는 것이 가능한 임의의 종류의 팽창기, 바람직하게는 액체와 기상 작동 유체의 혼합물을 수용할 수 있는 스크류 팽창기 또는 기계적 실린더 등과 같은 용적식 팽창기일 수 있다.

바람직하게는, 이용 가능한 열원(11)의 온도에 따라, 그 비등 온도가 90℃ 미만 또는 심지어 60℃ 미만인 작동 유체가 사용된다.

적합한 유기 작동 유체의 예는 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판이다. 유기 유체는 ORC의 가동부의 적어도 일부의 윤활을 위해 적합한 윤활제와 혼합될 수 있다.

요약하면, 부양기 칼럼(24)은 이하의 효과, 즉

- 증발기 표면이 항상 액체와 접촉하는 것을 보장하는 것;

- 증발기와 팽창기 입구 사이에 바람직한 압력차를 생성하는 것;

- 팽창기와 응축기 사이에 적합한 높이차를 생성하는 것;

- 응축기와 액체 펌프 사이에 적합한 높이차를 허용하는 것;

- 팽창기 및/또는 액체 펌프가 작동 불가능할 때 WTP 시스템이 히트 파이프/열사이펀으로서 작동하는 것을 보장하는 것

을 허용하기 위한 적절한 치수로 설계되어야 한다.

ORC의 분야에서 종래 기술의 문헌을 평가할 때, ORC의 개략도에서 구성 부품의 상대 위치는 반드시 상기 부품의 상대적이고 물리적인 위치에 대응할 필요는 없다는 것이 이해되어야 한다.

도 3에는, ORC 회로가 액체 펌프(15)의 입구(27)와 출구(28)를 가교하는 바이패스(26)를 구비하는 점에서, 도 1의 실시예와는 상이한, 본 고안에 따른 냉각 설비의 대안적인 실시예가 도시되어 있다.

상기 바이패스(26)는, ORC(8)의 정상 작동 조건 중에 밸브(29)를 폐쇄 상태로 유지하고 액체 펌프(15)가 고장 또는 다른 이유에 기인하여 작동하지 않을 경우에 밸브(29)를 개방 상태로 유지하기 위한 제어부(30)에 연결된 밸브(29)를 포함한다. 따라서, 제어부(30)는 액체 펌프(15)가 작동하지 않을 때를 감지하기 위한 센서(31)에, 전기 하네스(harness)(32)에 의해, 결합된다.

유사하게, 도 3의 ORC는, 팽창기(12)의 입구(23)와 출구(21)를 가교하고 ORC(8)의 정상 작동 조건 중에 밸브(34)를 폐쇄 상태로 유지하고 팽창기(12) 상의 센서(35)로부터 오는 입력 신호가 팽창기(12)가 작동하지 않는 것을 지시할 경우에 밸브(34)를 개방 상태로 유지하기 위한 제어부(30)에, 하네스(32)를 거쳐 연결된 밸브(34)를 포함하는 바이패스(33)를 구비한다.

제어부(30)는 액체 펌프(15)와 팽창기(12) 중 어느 것이 작동하지 않는지에 따라 바이패스 밸브(29 또는 34) 중 단지 하나만을 개방할 수 있고 또는 양 밸브(29, 34)를 동시에 개방할 수 있다.

바이패스(34)가 팽창기(12)의 입구측에서 ORC 회로(14)로 분기하는 위치(36)는 바람직하게는 응축기(16)보다 더 높은 레벨에 위치될 필요가 있을 것이다.

본 고안은 예로서 설명되고 도면에 도시되어 있는 실시예의 형태로 결코 한정되지 않지만, 열원으로부터의 폐열을 기계적 에너지로 변환하기 위한 본 고안에 따른 이러한 ORC 및 이러한 ORC를 사용하는 압축기 설비는, 본 고안의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 형태로 실현될 수 있다.

1: 냉각 시스템 2: 압축기 요소
3: 입구 4: 출구
5: 모터 6: 냉각기
7: 망 8: ORC
9: 열교환기 10: 증발기
11: 열원 12: 팽창기
13: 발전기 14: 회로
15: 액체 펌프 16: 응축기
17: 냉각 요소 18: 냉각 회로
20: 펌프 24: 부양기 칼럼

Claims

열원(11)으로부터의 열을 기계적 에너지로 변환하기 위한 ORC(Organic Rankine Cycle: 유기 랭킨 사이클)로서, 상기 ORC(8)는 2상 작동 유체를 포함하는 폐회로(14)를 포함하고, 상기 회로(14)는, 상기 열원(11)과 열 접촉하여 배치되도록 구성된 증발기(10)를 통해, 상기 작동 유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 팽창기(12)를 통해, 그리고 냉각 요소(17)와 열 접촉하고 있는 응축기(16)를 통해 연속적으로 상기 회로(14) 내에서 상기 작동 유체를 순환시키기 위한 액체 펌프(15)를 포함하는 것인 ORC에 있어서,
상기 팽창기(12)는 상기 증발기(10) 위에 위치되고, 상기 증발기(10)의 유체 출구(22)는, 액상 작동 유체 및 상기 작동 유체의 기포의 혼합물로 충전되어 있는 소위 부양기 칼럼(raiser column)(24)에 의해 상기 팽창기(12)의 유체 입구(23)에 연결되고, 상기 혼합물은 상기 팽창기(12)에 공급되고, 상기 부양기 칼럼(24)은, 상기 부양기 칼럼(24)에 의해 상기 팽창기(12)로 공급된 액상 작동 유체의 중력 유동이 가능한 방식으로 상기 팽창기(12)의 입구(23)와 적어도 부분적으로 동일한 레벨로 또는 상기 입구(23)의 레벨 위로 연장되는 것을 특징으로 하는 ORC.
제1항에 있어서, 상기 응축기(16)는, 상기 팽창기(12)에 의해 상기 응축기(16)로 공급된 액상 작동 유체의 중력 유동이 가능한 방식으로 상기 팽창기(12)와 동일 레벨 또는 더 낮은 레벨로 주로 위치되는 것을 특징으로 하는 ORC.
제2항에 있어서, 상기 응축기(16)의 유체 입구의 가장 낮은 부분은 상기 팽창기(12)의 회전형 능동부의 가장 낮은 부분보다 더 낮게 위치되는 것을 특징으로 하는 ORC.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증발기(10)는, 상기 응축기(16)에 의해 상기 증발기(10)로 공급된 액상 작동 유체의 중력 유동이 가능한 방식으로 상기 응축기(16)와 동일 레벨 또는 더 낮은 레벨로 주로 위치되는 것을 특징으로 하는 ORC.
제4항에 있어서, 상기 증발기(10)의 유체 입구의 가장 낮은 부분은 상기 응축기(16)의 유체 출구의 가장 낮은 부분보다 더 낮게 위치되는 것을 특징으로 하는 ORC.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ORC(8)는, 적어도 몇몇 작동 조건에서, 상기 증발기(10)가 비등 작동 유체로 완전히 충전되고, 상기 부양기 칼럼(24)이 액상 작동 유체 및 상기 작동 유체의 기포의 혼합물로 충전되도록 설계되고, 상기 혼합물은 상기 팽창기(12)에 공급되는 것을 특징으로 하는 ORC.
제6항에 있어서, 상기 액체 펌프(15)의 용량은, 상기 액체 펌프(15)가 상기 증발기(10) 내에서 증발될 수 있는 것보다 더 많은 액체를 펌핑하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 ORC.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ORC(8)는, 상기 팽창기(12) 및/또는 상기 액체 펌프(15)가 고장 또는 다른 이유에 기인하여 작동하지 않을 경우에, 상기 ORC(8)가 유체에 대한 열 중력 효과에 의해 구동되는 자체 순환 회로로서 작동하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 ORC.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ORC 회로(14)는, 상기 액체 펌프(15)의 입구(27)와 출구(28)를 가교하고 상기 ORC(8)의 정상 작동 조건 중에 밸브(29)를 폐쇄 상태로 유지하고 상기 액체 펌프(15)가 고장 또는 다른 이유에 기인하여 작동하지 않을 경우에 상기 밸브(29)를 개방 상태로 유지하기 위한 제어부를 갖는 밸브(29)를 포함하는 바이패스(26)를 구비하는 것을 특징으로 하는 ORC.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ORC 회로(14)는, 상기 팽창기(12)의 입구(23)와 출구(21)를 가교하고 상기 ORC(8)의 정상 작동 조건 중에 밸브(34)를 폐쇄 상태로 유지하고 상기 팽창기(12)가 고장 또는 다른 이유에 기인하여 작동하지 않을 경우에 상기 밸브(34)를 개방 상태로 유지하기 위한 제어부(30)를 갖는 밸브(34)를 포함하는 바이패스(33)를 구비하는 것을 특징으로 하는 ORC.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 밸브(29, 34)의 제어부는 상기 팽창기(12) 및/또는 상기 액체 펌프(15)가 고장인 경우에, 양 밸브(29, 34)가 개방되도록 하는 것을 특징으로 하는 ORC.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 팽창기(12)는 액상 작동 유체 및 기상 작동 유체의 혼합물을 수용하기 위해 적절한 임의의 종류인 것을 특징으로 하는 ORC.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 팽창기(12)는 용적식 팽창기(12)인 것을 특징으로 하는 ORC.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 팽창기(12)는 스크류 팽창기(12)인 것을 특징으로 하는 ORC.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 윤활제를 포함하거나 또는 윤활제로서 작용하는 작동 유체가 사용되는 것을 특징으로 하는 ORC.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 그 비등 온도가 90℃ 미만, 바람직하게는 60℃ 미만인 작동 유체가 사용되는 것을 특징으로 하는 ORC.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이패스(33)가 상기 팽창기(12)의 입구측에서 상기 ORC 회로(14)로 분기하는 위치(36)는 상기 응축기(16)보다 더 높은 레벨에 위치되는 것을 특징으로 하는 ORC.
폐열의 소스를 냉각하기 위한 냉각 시스템에 있어서, 상기 냉각 시스템은 또한 팽창기(12)의 비-작동 조건 및/또는 액체 펌프(15)의 비-작동 조건에서, 임의의 부가의 외부 냉각을 필요로 하지 않으면서 단지 열원(11)의 냉각을 위한 수단으로서만 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 ORC를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.