KR20180091613A

KR20180091613A - 재가열수단이 구비되는 유기랭킨사이클 발전시스템

Info

Publication number: KR20180091613A
Application number: KR1020170017057A
Authority: KR
Inventors: 진정홍
Original assignee: 진정홍
Priority date: 2017-02-06
Filing date: 2017-02-06
Publication date: 2018-08-16
Also published as: KR101967039B1; WO2018143521A1

Abstract

본 발명은, 신재생에너지를 이용한 유기랭킨사이클 발전장치에 있어서,
자체회로를 순환하는 작동유체 간에 열교환하여 폐기하는 냉, 온열을 실생활에 유익하게 사용하고, 더욱 발전효율을 향상시키기 위해 발전용 엔진을 재가열시키는 수단을 제공하여 발전효율을 증대시켜 경제적인 실익으로 실용화를 촉진시킬 수 있는 발명이다.

Description

재가열 엔진이 구비된 유기랭킨사이클 발전장치 및 이를 이용한 냉, 난방시스템 { The power plant device utilizing Organic Rankine Cycle provided with reheat engine ＆ cooling and heating system utilizing the same}

본 발명은 재생에너지를 이용하는 기존의 유기랭킨 발전장치에 있어서, 발전의 효율을 향상시키기 위해 재 가열 기능이 부가된 열기관을 제공하여 발전을 수행하고 부수적으로 생성된 냉, 온열을 효과적으로 활용하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 동기 설명을 위해 비교될 수 있는 사례를 예를 들면, 도1에서 제시되는 도면은 대한민국 공개등록 10-2015-0105162호의 ORC 발전시스템과 동일한 방식의 발전장치를 도시한 구성도이다.

도1에서 도시한 바와 같이 상기의 방식은 정/역으로 이원화된 유기랭킨사이클에서 역 랭킨사이클의 압축기의 가동으로 생성된 냉열을 랭킨사이클에서 열전달받아 작동유체를 액화시키고, 다시 외부의 재생에너지와 상기 압축기의 가동으로 생성된 온열에너지를 열원으로 발전용 터빈을 돌려 동력을 획득하는 방식으로서 터빈 내부에서 작동유체의 급격한 팽창에 따른 온도저하로 인한 발전 효율이 저하되는 문제점과 이원화된 유기랭킨사이클에서 생성되어 폐기되는 냉열을 효과적으로 활용하는 방안을 제시하지 못하고 있다.

대한민국 특허등록 제10-1366897호에 따른 공기조절 및 열 펌프용 냉각장치에서는, 정/역의 유기랭킨사이클이 일원화된 단일의 폐순환회로에서 압축기의 가동으로 생성된 온열을 열원으로 발전용 터빈을 가동하여 동력을 획득하고 생성되는 냉열을 실생활에 활용하는 방식으로서, 상기의 ORC 발전시스템과 동일하게 터빈에서 작동유체의 온도저하로 인한 발전 효율 저하에 대한 대비책을 제시하지 못하고 있다.

상기의 두 방식 모두 작동유체가 증발기를 거치면서 기화되고 외부의 재생에너지와 응축기에서 생성된 열에너지를 열전달받아 과열의 과정을 거치면서 비교적 고온 고압의 기체상태로 발전용터빈에 유입되어 동력을 발생시키고 저온 저압의 기체상태로 유출된다.

하지만 보다 높은 동력을 획득하기 위해서 작동유체가 약간의 습증기 상태로 유입되어 터빈 내부에서 완전 기화되고 팽창되면 더욱 높은 효율의 동력을 획득할 수 있겠지만,

그 반작용으로 완전 기화에 따른 기화열의 흡수로 인해 터빈 내부 온도의 급격한 저하로 작동유체의 팽창압력을 상쇄시켜 기대만큼의 높은 효율의 발전은 달성하지 못한다.

또한 습증기 상태의 작동유체가 터빈 내부로의 유입은 블레이드 등의 손상을 초래할 수 있기에 일반적으로 터빈의 유입구에 액분리기를 설치하여 액체상태의 작동유체를 분리 제거하고 기체상태의 작동유체만 터빈에 유입시켜 동력을 획득하고 있다.

더욱 물을 작동유체로 사용하는 랭킨사이클에서는 터빈이 가동되는 중간에 추기하여 재열과정을 거치면 온도와 압력의 상승으로 터빈의 발전효율을 높이는데 효과적이었으나, 냉매를 작동유체로 사용하고 신재생에너지를 열원으로 하는 저온용 유기랭킨사이클에서는 중간에 추기하여 재열한다 해도 온도 상승폭이 작아 그 효과가 미미해 이런 방식은 배제되고 있다.

또한, 신재생에너지를 이용하는 ORC 발전에서는, 설비의 제공과 함께 유지관리 보수를 위한 인력확보 등의 비용지출이 있기에, 이에 상응하여 경제성을 담보할 수 있는 규모의 설비가 필요하고, 또 그 설치에 따른 장소가 요구되고 더욱 주변의 입지조건 등이 적합해야 하는 제약이 있다.

하지만, 일상생활에 있어서 절대적인 필요에 의해 구비하는 냉/난방설비에 있어서, 기왕 설치되어야 할 히트펌프 등 냉동설비에 간단하게 발전설비를 추가로 제공하여 전기에너지 자체조달 냉/난방장치의 제공은 필요한 전기를 생산하여 공급하는 방식보다 더욱 바람직한 방법일 수 있다.

이에 본 발명은 기존의 유기랭킨사이클 발전시스템에 있어서, 보다 경제성이 확보된 발전시스템을 제공하고, 부수적으로 상기 유기랭킨사이클과 역 유기랭킨사이클의 열교환과정에서 생성되는 냉, 온열을 효과적으로 유출하여 활용하는 방안을 강구한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 상기 유기랭킨사이클에서 사용되는 발전용 엔진의 외부 본체를 구성하는 케이싱에 재가열수단을 제공하여 가동되는 엔진에 지속적으로 열에너지를 보충함으로서 발전효율을 향상시키고, 상기 발전용 엔진을 일반적인 터빈에 국한하지 않고 스크류 압축기를 개조한 터빈, 원반형 터빈, 왕복동 엔진 등 기타 엔진의 사용으로 확대하고, 더욱 상기 유기랭킨사이클과 역 유기랭킨사이클의 증발기에서 생성되는 냉열과 역 유기랭킨사이클의 응축기에서 생성되는 온열을 효과적으로 활용하는 방안을 강구한다.

본 발명은 유기랭킨사이클 발전장치에 있어서, 바람직하게 발전용 터빈을 포함한 동력발생장치에서 재가열을 위한 수단을 강구하여 에너지 전환 효율이 우수한 동력발생장치를 제공하고 왕복동 엔진을 포함한 기타의 열기관에 재가열수단의 적용을 확대하여 효율이 우수하며 고장 등 하자가 적은 발전기를 제공하고, 더욱 정/역의 ORC 시스템 가동과정에서 발생되는 냉열과 온열을 유출시켜 실생활에 활용함으로서 능률이 우수한 발전의 수행과 함께 냉, 온열에너지를 효율적으로 사용하는 경제적인 효과를 추구한다.

도1은 종래의 정/역 분리 유기랭킨사이클 발전시스템의 구성도.
도2는 본 발명에 따른 재가열 엔진이 구비된 정/역 분리 유기랭킨사이클 발전시스템의 구성도.
도3은 본 발명에 따른 재가열 엔진이 구비된 정/역 분리 유기랭킨사이클 발전시스템과 이를 이용한 냉/난방설비의 구성도
도4는 본 발명에 따른 재가열 엔진이 구비된 정/역 복합 유기랭킨사이클 발전시스템의 구성도
도5는 본 발명에 따른 재가열 엔진이 구비된 정/역 복합 유기랭킨사이클 발전시스템과 이를 이용한 냉방설비의 구성도

도3에서 제시되는 도면은 본 발명에 따른 재가열 엔진이 구비된 유기랭킨사이클 발전장치 및 이를 이용한 냉, 난방시스템의 대표 도면으로서 이를 간략하게 표시한 것이다.

다음의 각 실시 예에서 설명되는 모든 증발기들은 모두 액체 냉매의 기화를 위한 팽창변 및 분사노즐이 구비되어 제공되는 것으로 이후 설명에서는 그 부품의 언급을 생략한다.

이하 나머지 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면과 함께 더욱 상세히 설명한다.

[제1 실시예]

본 [제1 실시예]는 공기열, 해수열 등 외부에서 생성된 재생에너지를 공급받아 발전을 수행하는 정/역으로 이원화된 유기랭킨사이클에서 바람직하게 재가열수단(5)이 구비된 엔진(1)을 제공하여 발전을 수행하는 정/역 분리 유기랭킨 발전장치를 설명하는 것으로서, 대표적으로 해수이용발전, 태양열/공기열 복합열원이용 발전 등, 대용량의 동력생산설비에 그 사용이 적합한 케이스이다.

제시되는 도2에 도시된 바와 같이,

발전기(2)가; 축으로 연결되고, 엔진(1)의 외부를 구성하는 케이싱 내부에, 압축기(3)의 가동으로 생성되는 응축열을 열원으로 하는 재가열수단(5)이; 매설된 엔진(1)이; 제공되고 제1응축기(12)와;

제2응축기(22)와; 고압펌프(25)와; 제1증발기(11)와; 외부열교환기1(35)와; 응축열교환기(32)로; 구성되는 폐순환회로에서 회로내부를 순환하는 작동유체인 제1냉매와;

상기 제1증발기(11)와 제1응축기(12)를 내부에 집합하여 열교환하게 하는 캐스케이드콘덴서1(10)을; 더욱 포함하여 구성되는 유기랭킨사이클 파트:

기동모터(4)가; 동력전달 축으로 연결된 압축기(3)와; 웅축기(31)와; 제2증발기(21)와; 외부열교환기2(36)로; 구성되는 폐순환회로에서 회로내부를 순환하는 작동유체인 제2냉매를; 더욱 포함하여 구성되는 역 유기랭킨사이클 파트:

상기 정/역 유기랭킨사이클 간에 상호 열 교환하기 위해 제공되는 것으로서,

상기 응축기(31)와 응축열교환기(32)를 내부에 집합하여 열교환하게 하는 응축열교환콘덴서(30)와; 상기 제2증발기(21)와 제2응축기(22)를 내부에 집합하여 열교환하게 하는 캐스케이드콘덴서2(20)를; 포함하는 열전달 파트: 로 구성되는 정/역 분리 유기랭킨사이클이 제공된다.

이렇게 구성되는 정/역 분리 유기랭킨사이클 발전시스템은, 먼저, 역 유기랭킨사이클 파트에서 기동모터(4)의 가동으로 압축기(3)가 가동되면 제2냉매가스는 압축되며, 압축기(3)의 출구와 연결되는 냉매유동배관은 두 갈래로 분류되고 분류된 냉매배관을 유동하는 압축된 제2냉매가스는 응축기(31)와 재가열수단(5)으로 분류되어 유동하면서 방열하고 액화되어서 다시 합류된 후, 제2증발기(21)로 유입되어 기화하고 외부열교환기2(36)로 유동하여 외부열에너지를 흡수하고 압축기(3)로 순환한다.

다음, 유기랭킨사이클 파트의 엔진(1)은 그 외부를 구성하는 케이싱에 매설되어 제공되는 상기 재가열수단(5)을 유동하는 상기 제2냉매가스에 의해 가열된다.

상기 엔진(1)을 유동하여 나온 저온 저압의 제1냉매가스는 캐스케이드콘덴서1(10)내부에 설치되는 제1응축기(12)에서 실시간 제1증발기(11)를 선행하며 습증기 상태로 반 기화하는 제1냉매에 보유한 열에너지를 전달하고 습증기 상태로 상 변화하여 캐스케이드콘덴서2(20)내부에 설치되는 제2응축기(22)에서 실시간 제2증발기(21)를 경과하며 기화하는 제2냉매에 잔여 열을 더욱 열전달하고 완전 액화된 후, 고압펌프(25)의 가동에 의해 제1증발기(11)를 경과하면서 습증기 상태로 기화하여 실시간 회로를 후행하는 제1냉매가 보유한 열에너지를 흡수하여 1차 가열되고 외부열교환기1(35)로 유동하여 해수열, 공기열, 태양열 등 외부 열에너지를 2차로 흡수하고 응축열흡수기(32)를 유동하면서 점차 가열 가압된다.

습증기 상태로 엔진(1)에 유입되는 상기 제1냉매는 엔진(1)의 외부를 구성하는 케이싱 내부에 매설된 상기 재가열수단(5)을 통해 지속적으로 공급되는 제2냉매의 응축열을 흡수하며 열 팽창하여 동력을 발생시키고 완전한 기체 상태로 상 변화되어 엔진(1)외부로 배출된다.

상기의 제1증발기(11). 외부열교환기1(35). 응축열흡수기(32). 를 순차적으로 경과하는 제1냉매가스가 등압가열 되도록 배관의 직경을 순차적으로 확장시켜 습증기 상태로 엔진(1)의 유입구로 진입할 수 있게 설계함이 바람직하다.

상기의 도면과 이후에 제시되는 모든 도면의 엔진(1)은 일반적으로 터빈을 표시하는 기호이나 본 발명에서는 모든 열기관을 대표하여 도시한 것이다.

[제2 실시예]

본 [제2 실시예]는 히트펌프를 가동할 때 발생하는 온열을 이용하여 난방에 활용하고 생산된 냉열을 이용하여 작동유체의 액화냉열로 사용하고 외부의 재생열에너지를 열원으로 발전을 수행하는 절전형 히트펌프를 제공하고, 냉동기 에어컨 등을 가동할 때 응축기에서 생성되는 온열을 이용하여 발전을 수행하고 증발기에서 생성되는 냉열을 냉동/냉방에 활용하는 전기무사용 내지는 절전형 냉방기를 제공하며, 더욱 재가열수단(5)이 구비된 엔진(1)을 제공하여 효율이 우수한 전력생산 방법을 제시하는 본 발명에 대한 핵심적인 설명이다.

도3에서 도시한 바와 같이,

기동모타(4)가; 동력전달 축으로 연결되는 압축기(3)와; 실내에 구비되어 난방 등에 활용될 응축기(31)와; 제2증발기(21)와; 상기 제2증발기(21)와 병렬로 설치되며 실내에 설치되어 냉동/냉방을 수행할 제3증발기(23)가; 제공되며 냉매의 유동방향을 제2증발기(21) 혹은 제3증발기(23)로 결정하는 삼방밸브(27)와; 재생열교환기2(36)가; 배관으로 연결되는 폐순환회로에서 회로내부를 순환하며 작동유체로 사용되는 제2냉매;로 구성되는 일반적인 냉동기설비인 역 유기랭킨사이클 파트:

더욱, 발전기(2)가; 동력전달 축으로 연결되며 본체외부를 구성하는 케이싱의 내부에 재가열수단(5)이; 매설되어 제공되는 엔진(1)과; 제1응축기(12)와; 제2응축기(22)와; 고압펌프(25)와; 제1증발기(11)와; 외부열교환기1(35)가; 배관으로 연결되는 폐순환회로에서 회로내부를 순환하는 작동유체로 사용되는 제1냉매가; 포함되고 상기 제1증발기(11)와 제1응축기(12)를 내부에 집합시켜 열 교환하게 하는 캐스케이드콘덴서1(10)을; 포함하여 구성되는 유기랭킨사이클 파트:

또한, 상기 제2증발기(21)와 제2응축기(22)를 내부에 집합시켜 정/역 유기랭킨사이클 간에 열교환하게 하는 캐스케이드콘덴서2(20)가; 더욱 포함되는 열전달 파트: 로 구성된다.

이렇게 구성되는 정/역 분리 유기랭킨사이클 발전시스템에서, 역 유기랭킨사이클 파트의 기동모터(4)의 가동으로 압축기(3)가 가동되면 제2냉매가스는 압축되며, 압축기(3) 출구를 유동하여 나온 제2냉매가스는 실내에 설치되는 응축기(31)를 경과하면서 방열하여 난방을 실행하고 액화되어 제2증발기(21)와 병렬되어 실내에 설치되어 냉동/냉방작용을 수행하는 제3증발기(23)를 선택하여 제2냉매의 유동량과 유동방향을 결정짓는 삼방밸브(27)의 작동으로 제2증발기(21)와 제3증발기(23)로 분류되어 경과하면서 기화하고 다시 합류하여 외부열교환기2(36)를 경과하면서 외부의 재생에너지를 열 흡수하고 압축기(3)로 순환한다.

본 [제2 실시예]에서 유기랭킨사이클 파트의 엔진(1)의 외부를 구성하는 케이싱에 매설되어 제공되는 상기 재가열수단(5)은 해수 및 태양열, 공기열 등 재생에너지를 열원으로 하여 열전달용으로 부동액 및 브라인이 제공되어 순환하는 워터자켓 및 온수 순환배관을 설치함이 바람직하다.

유기랭킨사이클 파트에서는, 상기 엔진(1)을 유동하여 나온 저온 저압의 제1냉매가스가 캐스케이드콘덴서1(10)내부에 설치되는 제1응축기(12)에서 실시간 제1증발기(11)를 선행하여 경과하는 습증기 상태의 제1냉매에 보유 열에너지의 일부를 열전달하고 습증기 상태로 상 변화하여 캐스케이드콘덴서2(20)내부에 설치되는 제2응축기(22)에서 실시간 제2증발기(21)를 경과하면서 기화하는 제2냉매에 잔여 열을 모두 열전달하고 완전 액화되어 제공되는 고압펌프(25)의 가동에 의해 제1증발기(11)를 경과하면서 습증기 상태로 기화하여 실시간 회로를 후행하는 제1냉매의 보유 열을 흡수하여 1차 가열되고 가압되어 외부열교환기1(35)로 유동하여 해수열, 공기열, 태양열 등 외부 열에너지를 2차로 열전달 받아 더욱 가열되어 엔진(1) 내부로 유입되어 완전 기화되면서 재가열수단(5)의 열에너지를 흡수하여 더욱 팽창하면서 고압화되어 동력발생을 증가시킨다.

역시, 상기의 제1증발기(11). 외부열교환기1(35). 를 순차적으로 유동하는 제1냉매가스가 등압가열 되도록 배관의 직경을 순차적으로 확장시켜 등압고온의 습증기 상태로 엔진(1)에 유입될 수 있게 설계함이 바람직하다.

이렇게 본 [제2 실시예]에서 설명한 바와 같이, 히트펌프를 가동하거나 에어컨 등 냉동기를 가동함에 있어 최소한의 설비추가와 간단한 설계변경으로 발전과 함께 냉/난방도 실시할 수 있는 경제적인 생활기기를 제공할 수 있다.

본 유기랭킨사이클에서 고온이라 함은 재생에너지가 생성되는 온도에 불과하지만 설명 상, 차별화의 필요에 따라 고온이라 언급한다.

유기랭킨사이클인 발전설비에서 제공되는 작동유체인 제1냉매는 상기 역 유기랭킨사이클인 냉동기설비에서 제공되는 제2냉매보다 증발온도가 다소 높은 냉매를 사용함이 바람직하다.

또한, 상기 제1,2냉매는 본 건 발명제품의 설계 시, 제공되는 열원의 온도 및 온도 변화에 따른 냉매의 증발압력 변화 등 제시되는 조건에 따라 각각 사용의 선택이 달라질 수 있을 것이나 어느 경우라도 모두 부식성, 안정성, 기계 및 환경과의 친화성, 가격적인 면에서 우수하다면 기 생산된 제품 및 추후 개발될 어떤 제품도 그 사용에 제한을 두지 않는다.

더욱 상기 [제1,2 실시예]에서 설명한 모든 방법으로 생산된 동력은 산업체의 동력원, 선박 및 생활기기의 자가소비 동력원으로 먼저 사용하고 잉여동력으로 발전을 수행함이 바람직하다.

[제3 실시예]

본 [제3 실시예]에서는 상기 [제1,2 실시예]에서 설명한 바와 달리, 소용량의 자가발전 냉동,공조기에 사용이 적합한 방식으로서 정/역 유기랭킨사이클이 단일의 작동유체 폐순환회로에서 복합된 형식으로 제공되어 냉동기를 가동할 때, 생성되는 온열을 이용하여 동력을 획득하면서 생성되는 냉열의 일부를 냉동/냉방에 활용하는 방안에 관한 설명이다.

본 [제3 실시예]에서는 먼저 도4에 도시한 바와 같이,

기동모터(4)가; 동력전달 축으로 연결되는 압축기(3)와; 응축기(31)와; 상기 응축기(31)와 병렬로 연결되며 엔진(1)의 케이싱 내부에 설치되는 재가열수단(5)과; 고압펌프(25)와; 제2증발기(21)와; 외부열교환기(35)와; 응축열교환기(32)와; 발전기(2)가; 동력전달 축으로 연결되며 상기 언급한 재가열수단(5)이 구비된 엔진(1)과; 상기 엔진(1)의 냉매출구와 압축기(3)의 냉매입구를 연결하는 배관의 한 부분에 접합하여 설치되어 상기 배관을 유동하는 냉매와 상호 열교환하는 냉각기(6)와; 상기 냉각기(6)가 접합되어 설치되는 배관과 상기 압축기(3)의 냉매 유입구 사이를 연결하는 배관의 중간 한 지점과, 상기 응축기(31)의 냉매출구와 상기 재가열수단(5)의 냉매출구와 연결되는 각각의 배관의 합류점과 상기 고압펌프(25) 사이를 연결하는 배관 사이의 중간 한 지점을 연결하는 바이패스도관(7)과; 상기 바이패스도관(7)과 연통되는 제3응축기(24)를; 포함하여 배관으로 연결되는 폐순환회로에서 회로내부를 순환하며 작동유체로 사용되는 냉매와; 상기 제2증발기(21)와 제3응축기(24)를 내부에서 집합하여 상호 열교환하게 하는 캐스케이드콘덴서3(40)와;

상기 엔진(1)의 케이싱내부에 추가로 구비되는 예열기2(34)와; 상기응축기(31)와 응축열교환기(32)를 내부에 집합하여 설치되는 응축열교환콘덴서(30)와; 상기 응축열교환콘덴서(30)내부에 추가로 설치되는 예열기1(33)을;

더욱 포함하여 구성되는 정/역 복합 유기랭킨사이클 발전장치에 있어서,

먼저, 상기 엔진(1)의 냉매출구를 유동하여 나온 냉매가스는, 상기 냉각기(6)가 접합되어 냉각작용이 진행되는 배관을 경과하여 작업자가 설정한 온도와 압력 이하로 하강하여 그 일부는 압축기(3)로 유입된다.

상기 압축기(3)를 경과하여 나온 고온 고압의 냉매가스는 응축기(31)와 재가열수단(5)으로 분류되어 경과하면서 저온 저압으로 액화된다.

다음, 상기 엔진(1)을 유출하여 나와 압축기(3)로 유입되지 않는 냉매가스는 바이패스도관(7)을 유동하여 캐스케이드콘덴서3(40) 내부에 설치되는 제3응축기(24)를 경과하면서 상기 캐스케이드콘덴서3(40)내부에 집합되어 설치되는 제2증발기(21)를 선행하며 기화하는 액체냉매에 잔여 열을 전달하고 액화되어서 상기의 응축기(31)와 재가열수단(5)를 경과하여 액화된 냉매와 합류된다.

도5에 도시한 바와 같이, 합류된 액체냉매는 제공되는 고압펌프(25)의 압력을 받아 제공되는 삼방밸브(27)의; 작동으로 실내에 구비되는 제3증발기(23)와 캐스케이드콘덴서3(40)내부에 구비되는 제2증발기(21)로 분류되어 유동하면서 제3증발기(23)에서 생성되는 냉열로 냉동/냉방의 실행과 동시에 제2증발기(21)에서 생성되는 냉열은 상기 캐스케이드콘덴서3(40)에 내장되는 제3응축기(24)를 경과하는 후행 냉매가스를 액화시킨다.

상기 제2,제3증발기(21,23)를 유동하여 나온 냉매가스도 역시 완전 기화되기 직전단계인 습증기 상태를 유지함이 바람직하다.

상기 제2증발기(21)와 제3증발기(23)를 경과하면서 기화한 습증기 상태의 냉매가스는 합류되어 외부열교환기1(35)을 경과하면서 외부의 재생에너지와 열교환하여 추가로 가열되고 다시, 응축열교환콘덴서(30)내부에 설치된 응축열교환기(32)로 유동하여 상기 응축열교환콘덴서(30)내부에 함께 설치되는 응축기(31)를 실시간 경과하는 후행 냉매가스와 열교환하여 더욱 고온 고압의 습증기 상태의 냉매가스로 상 변화되어 엔진(1)으로 유입된다.

엔진(1)내부로 유입되는 습증기 냉매가스는 엔진(1)의 냉매유입구와 상기 냉각기(6)와 접하는 배관의 압력차로 인해 동력을 발생시키나, 엔진(1)의 내부에서 냉매의 급격한 팽창으로 엔진(1)내부의 온도 하강에 따른 팽창압력 저하로 인하여 동력발생 상쇄를 야기한다.

이를 방지하기위해 제공되는 재가열수단(5)에 지속적으로 공급되는 후행 냉매가스의 응축열로 선행 냉매가스의 팽창력을 유지시켜 우수한 효율의 발전장치를 제공할 수 있게 한다.

더욱, 기동모터(4)의 가동과 함께 본 ORC발전시스템이 원활히 작동할 수 있게 상기 응축열 교환콘덴서(30)내부에 상기 응축기(31)와 병행하여 예열기1(33)를 제공하고 동일한 방식으로 상기 엔진(1)의 내부에도 상기 재가열수단(5)과 병행하여 예열기2(34)를 설치하여 기동모터(4)의 가동 전 예열기1,2(33,34)를 먼저 가동시켜 응축열교환콘덴서(30)내부와 엔진(1)의 내부의 온도를 작업자의 설정온도 이상으로 상승시킨 후, 압축기(3)와 고압펌프(25)의 가동과 동시에 원활한 발전을 수행함이 바람직하다.

상기에 설명한 바와 같은 전제조건으로 상기 엔진(1)은 상기 압축기(3)의 소모동력을 제외하고도 추가 동력을 발생시키기 위해서 압축기(3)보다 용량이 충분히 커야할 필요가 있다.

상기의 모든 실시 예에서 언급한 바와 같이 엔진(1)의 가동열원으로 사용될 외부의 재생에너지를 획득하기 위하여 제공되는 외부열교환기1(35)과 외부열교환기2(36)를 각각 실내에 배치하여 에어컨의 역할을 수행하게 함이 더욱 바람직할 것이다.

1: 엔진 2: 발전기
3: 압축기 4: 기동모터
5: 재가열수단 6: 냉각기
7: 바이패스도관 10: 캐스케이드콘덴서1
11: 제1증발기 12: 제1응축기
20: 캐스케이드콘덴서2 21: 제2증발기
22: 제2응축기 23: 제3증발기
24: 제3응축기 25: 고압펌프
27: 삼방밸브 30: 응축열교환콘덴서
31: 응축기 32: 응축열교환기
33: 예열기1 34: 예열기2
35: 외부열교환기1 36: 외부열교환기2
40: 캐스케이드콘덴서3

Claims

정/역 분리 유기랭킨사이클 발전장치로서,
기동모터(4)가;
동력전달 축으로 된 압축기(3)와;
응축기(31)와;
상기 응축기(31)와 병렬로 연결되며 발열배관으로 구성되는 재가열수단(5)과;
팽창밸브가 구비되어 제공되는 제2증발기(21)와;
외부열교환기2(36)가;
서로 배관으로 연결되는 폐순환회로에서 그 회로 내부를 순환하는 작동유체인 제2냉매를;
포함하여 구성되는 역 유기랭킨사이클 파트.
발전기(2)가;
동력전달 축으로 연결되며,
상기 재가열수단(5)이 케이싱내부에 설치되는 엔진(1)과;
제1응축기(12)와;
제2응축기(22)와;
고압펌프(25)와;
제1증발기(11)와;
외부열교환기1(35)과;
응축열교환기(32)가;
서로 배관으로 연결되는 폐순환회로에서 그 회로 내부를 순환하는 작동유체인 제1냉매가;
포함되고 상기 제1증발기(11)와 제1응축기(12)를 내부에 집합하여 설치하여 상호 열교환하게 하는 캐스케이드콘덴서1(10)을;
더욱 포함하여 구성되는 유기랭킨사이클 파트.
상기 제2증발기(21)와 제2응축기(22)를 내부에 집합하여 설치하여 상호 열교환하게 하는 캐스케이드콘덴서2(20)와;
상기 응축기(31)와 응축열교환기(32)를 내부에 집합하여 설치하여 상호 열교환하게 하는 응축열교환콘덴서(30)로;
구성되는 정/역 유기랭킨사이클 간의 열전달 파트.
로 구성되어 제2냉매 응축열의 일부를 엔진(1)의 재가열 수단으로 사용되는 것을 특징으로 하는 재가열 엔진이 구비된 유기랭킨사이클 발전장치.
정/역 분리 유기랭킨사이클 발전장치를 이용한 난방시스템으로서,
기동모터(4)가;
동력전달 축으로 연결되는 압축기(3)와;
실내에 설치되어 난방작용을 수행하는 응축기(31)와;
팽창밸브가 구비되어 제공되는 제2증발기(21)와;
외부열교환기2(36)가;
서로 배관으로 연결되는 폐순환회로에서 그 회로 내부를 순환하는 작동유체인 제2냉매를;
포함하여 구성되는 역 유기랭킨사이클 파트.
발전기(2)가;
동력전달 축으로 연결되는 엔진(1)과;
제1응축기(12)와;
제2응축기(22)와;
고압펌프(25)와;
제1증발기(11)와;
외부열교환기1(35)이;
서로 배관으로 연결되는 폐순환회로에서 그 회로 내부를 순환하는 작동유체로 제공되는 제1냉매와;
상기 제1증발기(11)와 제1응축기(12)를 내부에 집합하여 설치하여 상호 열교환하게 하는 캐스케이드콘덴서1(10)을;
포함하고 상기 엔진(1)의 케이싱 내부에 설치되며 상기 외부열교환기1(35)과 동일한 외부열원으로 가열되는 재가열수단(5)을;
더욱 포함하여 구성되는 유기랭킨사이클 파트.
상기 제2증발기(21)와 제2응축기(22)를 내부에 집합하여 설치하여 상호 열교환하게 하는 캐스케이드콘덴서2(20)로;
구성되는 정/역 유기랭킨사이클 간의 열전달 파트.
로 구성되어 응축기(31)에서 발생하는 응축열을 난방용으로 사용하고 외부열교환기1(35)과 동일한 외부열원으로 엔진(1)에 구비되는 재가열수단(5)을 가열시키는 것을 특징으로 하는 재가열 엔진이 구비된 유기랭킨사이클 발전장치 및 이를 이용한 난방시스템.
정/역 복합 유기랭킨사이클 발전장치로서,
기동모터(4)가;
동력전달 축으로 연결되는 압축기(3)와;
응축기(31)와;
상기 응축기(31)와 병렬로 연결되며 발열배관으로 구성되는 재가열수단(5)과;
고압펌프(25)와;
팽창밸브가 구비되어 제공되는 제2증발기(21)와;
외부열교환기1(35)과;
응축열교환기(32)와;
발전기(2)가;
동력전달 축으로 연결되며, 상기 재가열수단(5)이 케이싱내부에 설치되는 엔진(1)과;
바이패스도관(7)과;
제3응축기(24)가;
서로 배관으로 연결되는 폐순환회로에서 그 회로 내부를 순환하는 작동유체인 냉매를;
포함하고,
상기 엔진(1)의 냉매출구와 상기 압축기(3)의 냉매입구 사이의 배관상에 접합되어 구비되는 냉각기(6)와;
상기 예열기1(33)과 응축기(31)와 응축열교환기(32)를 내부에 집합하여 설치하여 상호 열 교환하게 하는 응축열교환콘덴서(30)와;
상기 제2증발기(21)와 제3응축기(24)를 내부에 집합하여 설치하여
상호 열 교환하게 하는 캐스케이드콘덴서3(40)와;
상기 응축열교환콘덴서(30)내부에 더욱 포함되어 설치되는 예열기1(33)과;
상기 엔진(1)의 케이싱 내부에 더욱 포함되어 설치되는 예열기2(34)를;
더욱 포함하여 구성되어 단일의 폐순환 회로상에서 냉매 응축열의 일부를 엔진(1)의 재가열수단(5)의 열원으로 사용되는 것을 특징으로 하는
재가열 엔진이 구비된 유기랭킨사이클 발전장치.
제1항 내지 제3항에 있어서,
제2증발기(21)와 병렬로 설치되며
실내에 구비되어 냉동 또는 냉방에 사용되는 제3증발기(23)와;
제2증발기(21)와 제3증발기(23)로 분류되는 배관의 분기점에 구비되는 삼방밸브(27)를;
더욱 포함하여 구성되어 제3증발기(23)에서 발생하는 냉열의 일부를 냉동/냉방에 사용되는 것을 특징으로 하는 재가열 엔진이 구비된 유기랭킨사이클 발전장치 및 이를 이용한 냉방시스템.
제1항 내지 제4항에 있어서,
작동유체의 폐순환회로 상에 구비되는 상기 외부열교환기1(35)를;
실내에 설치하여 에어콘의 용도로 사용하는 것을 특징으로 하는
재가열 엔진이 구비된 유기랭킨사이클 동력발생장치 및 이를 이용한 냉방시스템.