KR20190032841A - Rankine cycle-based heat engine using ejector for waste heat recovery and method for operating the same heat engine - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 증기사이클 기반의 폐열발전 열기관에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 응축기의 출력단과 입력단을 연결하는 피드백 경로를 형성하여 배기가스의 폐열 회수와 물 회수를 극대화함과 동시에 최적의 시스템 효율을 가질 수 있는 열기관 시스템 및 이를 동작하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a steam cycle-based cogeneration heat pump, and more particularly, to a steam cycle-based heat pump with a feedback path connecting an output stage and an input stage of a condenser, thereby maximizing the waste heat recovery and water recovery of the exhaust gas, And a method for operating the same.
종래부터 발전소 등에서 증기사이클 기반의 열기관을 이용한 발전 시스템이 사용되고 있는데, 최근에는 이러한 증기사이클 기반의 열기관이 다양한 폐열(배기가스 등)을 이용한 발전시스템으로도 사용되고 있다. BACKGROUND ART [0002] Generally, a power generation system using a steam cycle-based heat pipe is used in a power plant or the like. Recently, such a steam cycle-based heat engine is also used as a power generation system using various waste heat (exhaust gas).
도1은 종래의 일반적인 증기사이클 기반의 열기관을 나타낸다. 일반적인 증기사이클 열기관은 도시한 것처럼 증발기(10), 터빈(20), 응축기(30), 및 펌프(40) 사이를 순환하는 작동유체에 의해 열에너지를 기계적 일로 변환하여 동력을 얻는다. 연소장치에서 배출되는 배기가스가 예컨대 증발기(10)에 공급되어 작동유체에 열에너지를 전달하고 작동유체는 열에너지를 받고 기화한 후 터빈을 구동할 수 있다. Figure 1 shows a conventional conventional steam cycle-based heat engine. A typical steam cycle heat engine converts the thermal energy into mechanical work by means of a working fluid circulating between the
기존의 폐열발전 증기사이클에서는 배기가스의 폐열을 효율적으로 회수하지 못하는 문제가 있었고, 최근에는 배기가스 중의 물(H2O)을 충분히 회수하지 못하고 배출하는 경우가 많았다. 발전소의 경우 특히 물소비가 많은데다 발전소 배기가스 온도는 100℃ 이상으로 다량의 수분이 증기상태로 배출되고 있어 물 회수의 극대화가 더욱 요구된다. 물 회수를 위해 종래에는 흡수재를 사용하거나 냉각수를 이용하였다. 흡수재를 이용하는 제습 장치들은 흡수재를 재생하여 재순환하는 방식이며 장치 구성이 복잡한 문제가 있고, 냉각수를 이용하여 배기가스를 냉각하는 경우 작은 온도차로 인하여 많은 양을 냉각수를 순환시켜야 하는 단점이 있다. The waste heat of the exhaust gas can not be efficiently recovered in the conventional waste heat steam cycle, and in recent years, water (H2O) in the exhaust gas has been often discharged without being sufficiently recovered. In the case of power plants, especially water consumption is high and the exhaust gas temperature of the power plant is 100 ° C or more, and a large amount of water is discharged in the state of steam, so that the water recovery is required to be maximized. Conventionally, absorbent materials or cooling water are used for water recovery. The dehumidifying devices using the absorbing material have a drawback in that a large amount of cooling water is circulated due to a small temperature difference when the exhaust gas is cooled by using cooling water.
또한 폐열발전 열기관 시스템에서는 폐열발전 효율(발전출력/폐열량)을 높이는 것이 중요하다. 그러나 증기사이클 기반 열기관의 경우 투입되는 배기가스의 온도, 작동유체의 종류 등에 따라 폐열발전 효율이 달라지기 때문에 주어진 열기관 시스템에 가장 최적의 폐열발전 효율을 찾는 것이 요구된다. In addition, it is important to increase the waste heat generation efficiency (power generation / waste heat capacity) in the waste heat power generation heat pipe system. However, in the case of a steam cycle-based heat pipe, the efficiency of the waste heat generation varies depending on the temperature of the exhaust gas and the kind of the working fluid. Therefore, it is required to find the optimal waste heat generation efficiency for a given heat pipe system.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배기가스의 폐열 회수와 물 회수를 극대화할 수 있는 열기관 시스템을 제공한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is conceived to solve the above problems and provides a heat engine system capable of maximizing waste heat recovery and water recovery of exhaust gas.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 폐열 회수와 물 회수를 극대화함과 동시에 최적의 폐열발전 효율을 갖는 열기관 시스템을 제공한다. Also, in one embodiment of the present invention, there is provided a heat engine system having an optimal waste heat generation efficiency while maximizing waste heat recovery and water recovery.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 증기사이클 기반의 폐열발전 열기관을 동작시키는 방법으로서, 증발기, 터빈, 응축기, 및 가압펌프를 포함하는 증기사이클을 따라 작동유체를 순환시키는 단계; 상기 응축기의 출력단과 입력단 사이를 연결하는 피드백 경로를 따라, 상기 응축기에서 배출되는 작동유체의 일부를 상기 응축기로 재공급하는 단계; 및 연소장치에서 배출되는 배기가스와 상기 피드백 경로의 작동유체를 열교환하는 단계;를 포함하고, 상기 피드백 경로의 작동유체의 압력을 상기 응축기를 통과하는 작동유체의 압력보다 작도록 설정하여, 상기 피드백 경로의 작동유체의 증발온도를 상기 응축기를 통과하는 작동유체의 증발온도보다 낮게 유지하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법을 제공한다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of operating a steam cycle-based cogeneration heat engine, comprising: circulating a working fluid along a steam cycle including an evaporator, a turbine, a condenser, and a pressure pump; Supplying a part of the working fluid discharged from the condenser to the condenser along a feedback path connecting the output end and the input end of the condenser; And a step of heat-exchanging the exhaust gas discharged from the combustion apparatus with the working fluid of the feedback path, wherein the pressure of the working fluid in the feedback path is set to be smaller than the pressure of the working fluid passing through the condenser, Wherein the evaporation temperature of the working fluid in the path is kept lower than the evaporation temperature of the working fluid passing through the condenser.
일 실시예에서, 상기 증발기가 상기 작동유체와 상기 배기가스 사이를 열교환하는 열교환기를 포함하고, 상기 연소장치에서 배출되는 상기 배기가스가 상기 증발기에서 작동유체와 열교환하여 작동유체에 열에너지를 공급하고 그 후 상기 피드백 경로의 작동유체와 열교환 할 수 있다. In one embodiment, the evaporator includes a heat exchanger for exchanging heat between the working fluid and the exhaust gas, wherein the exhaust gas discharged from the combustion apparatus is heat-exchanged with the working fluid in the evaporator to supply thermal energy to the working fluid, And then exchange heat with the working fluid of the feedback path.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 증기사이클 기반의 폐열발전 열기관을 동작시키는 방법으로서, 제1 열교환기, 터빈, 응축기, 및 가압펌프를 포함하는 증기사이클을 작동유체를 따라 순환시키는 단계; 상기 응축기의 출력단과 입력단 사이를 연결하며 제2 열교환기가 설치된 피드백 경로를 따라, 상기 응축기에서 배출되는 작동유체의 일부를 상기 응축기로 재공급하는 단계; 및 연소장치에서 배출되는 배기가스가 상기 제1 열교환기에서 작동유체와 열교환하고 그 후 상기 제2 열교환기에서 작동유체와 열교환하는 단계;를 포함하고, 상기 피드백 경로의 작동유체의 압력을 상기 응축기를 통과하는 작동유체의 압력보다 작도록 설정하여, 상기 피드백 경로의 작동유체의 증발온도를 상기 응축기를 통과하는 작동유체의 증발온도보다 낮게 유지하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법을 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of operating a steam cycle-based cogeneration heat engine, comprising: circulating a steam cycle including a first heat exchanger, a turbine, a condenser, and a pressurized pump along a working fluid; Supplying a part of the working fluid discharged from the condenser to the condenser along a feedback path connecting the output end and the input end of the condenser and provided with the second heat exchanger; And a step in which exhaust gas discharged from a combustion device exchanges heat with a working fluid in the first heat exchanger and then exchanges heat with a working fluid in the second heat exchanger, Wherein the evaporating temperature of the working fluid in the feedback path is maintained to be lower than the evaporating temperature of the working fluid passing through the condenser, do.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 증기사이클 기반의 폐열발전 열기관으로서, 작동유체에 열에너지를 가하여 기화하는 증발기; 상기 증발기로부터 공급받은 작동유체에 의해 기계적 일을 하는 터빈; 상기 터빈에서 배출되는 작동유체를 응축하는 응축기; 상기 응축기에서 배출되는 작동유체를 가압하여 상기 증발기로 공급하는 가압펌프; 상기 응축기의 출력단과 입력단 사이를 연결하는 피드백 경로; 및 상기 피드백 경로 상에 배치되며, 연소장치에서 배출되는 배기가스와 상기 피드백 경로의 작동유체를 열교환하는 열교환기(50);를 포함하고, 상기 피드백 경로의 작동유체의 압력을 상기 응축기를 통과하는 작동유체의 압력보다 작도록 설정하여, 상기 피드백 경로의 작동유체의 증발온도를 상기 응축기를 통과하는 작동유체의 증발온도보다 낮게 유지하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관을 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a steam cycle-based waste heat generating heat pipe comprising: an evaporator which evaporates heat by applying thermal energy to a working fluid; A turbine that mechanically works by a working fluid supplied from the evaporator; A condenser for condensing the working fluid discharged from the turbine; A pressurizing pump for pressurizing the working fluid discharged from the condenser and supplying the working fluid to the evaporator; A feedback path connecting an output end and an input end of the condenser; And a heat exchanger (50) disposed on the feedback path for exchanging heat between the exhaust gas discharged from the combustion apparatus and the working fluid of the feedback path, the pressure of the working fluid in the feedback path passing through the condenser And the evaporation temperature of the working fluid in the feedback path is kept lower than the evaporation temperature of the working fluid passing through the condenser.
일 실시예에서, 상기 증발기가 상기 작동유체와 상기 배기가스 사이를 열교환하는 열교환기를 포함하고, 상기 연소장치에서 배출되는 상기 배기가스가 상기 증발기의 열교환기와 상기 피드백 경로의 열교환기를 순차적으로 통과하며 작동유체와 열교환 할 수 있다. In one embodiment, the evaporator includes a heat exchanger for exchanging heat between the working fluid and the exhaust gas, wherein the exhaust gas discharged from the combustion device sequentially passes through a heat exchanger of the evaporator and a heat exchanger of the feedback path, Heat exchange with the fluid is possible.
일 실시예에서, 상기 피드백 경로와 상기 응축기의 입력단을 연결하는 이젝터를 더 포함하고, 상기 이젝터의 구동노즐이 상기 터빈의 출력단에 연결되고, 상기 이젝터의 분사노즐이 상기 응축기의 입력단에 연결되고, 상기 이젝터의 흡입구가 상기 피드백 경로에 연결될 수 있다. In one embodiment, the apparatus further comprises an ejector connecting the feedback path and the input of the condenser, wherein a driving nozzle of the ejector is connected to an output end of the turbine, an injection nozzle of the ejector is connected to an input of the condenser, The inlet of the ejector may be connected to the feedback path.
일 실시예에서, 상기 피드백 경로와 상기 응축기의 입력단을 연결하는 이젝터를 더 포함하고, 상기 이젝터의 구동노즐이 상기 증발기와 상기 터빈을 연결하는 작동유체의 관로에 연결되고, 상기 이젝터의 분사노즐이 상기 터빈과 상기 응축기를 연결하는 작동유체의 관로에 연결되고, 상기 이젝터의 흡입구가 상기 피드백 경로에 연결될 수 있다. In one embodiment, the apparatus further comprises an ejector for connecting the feedback path and the input of the condenser, wherein the driving nozzle of the ejector is connected to a conduit for a working fluid connecting the evaporator and the turbine, And a conduit of a working fluid connecting the turbine and the condenser, and an inlet of the ejector may be connected to the feedback path.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 증기사이클의 응축기의 출력단과 입력단을 연결하는 피드백 경로 및 이 피드백 경로상에 열교환기를 설치하고 이 열교환기에서 배기가스와 작동유체를 열교환하도록 구성함으로써 배기가스의 폐열 회수와 물 회수를 극대화할 수 있는 효과를 달성한다. According to an embodiment of the present invention, a feedback path is provided for connecting an output end and an input end of a condenser of a steam cycle, and a heat exchanger is provided on the feedback path. Heat exchange between the exhaust gas and the working fluid is performed in the heat exchanger, Thereby achieving the effect of maximizing recovery and water recovery.
또한 이 때 이젝터를 이용하여 피드백 경로와 증기사이클 경로를 연결함으로써 피드백 경로 상의 작동유체의 압력을 낮출 수 있고, 이에 따라 피드백 경로의 열교환기에서의 작동유체의 증발온도를 낮춤으로써 작동유체와 배기가스 사이의 열교환을 더 높일 수 있는 효과를 달성한다. In this case, by using the ejector to connect the feedback path and the steam cycle path, it is possible to lower the working fluid pressure on the feedback path, thereby lowering the evaporation temperature of the working fluid in the heat exchanger of the feedback path, Thereby achieving the effect of further increasing the heat exchange between the heat exchanger and the heat exchanger.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배기가스 폐열발전 증기사이클 시스템을 통해서 동력 생산과 동시에 배기가스 온도를 낮추어 배기가스 중의 수분을 응축하여 물을 회수하여 용수로 활용할 수 있다. 또한 배기가스 온도를 상온가까이 냉각하면 배기가스 내 80% 이상을 차지하는 응축성 미세먼지를 동시에 회수하여 제거할 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the exhaust gas temperature can be lowered simultaneously with the production of power through the exhaust gas cogeneration system and the water in the exhaust gas can be condensed to recover the water and utilize it as the water. If the exhaust gas temperature is cooled to room temperature, the condensable fine dust which occupies 80% or more of the exhaust gas can be simultaneously recovered and removed.
도1은 종래기술의 증기사이클 기반의 열기관을 설명하기 위한 도면,
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관을 설명하기 위한 도면,
도3은 제2 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관을 설명하기 위한 도면,
도4는 일 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관의 T-S 선도를 설명하기 위한 도면,
도5는 작동유체의 증발온도를 낮추었을 때의 T-S 선도를 설명하기 위한 도면,
도6은 작동유체의 증발온도에 따른 열기관의 효율을 설명하기 위한 도면,
도7은 제3 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관을 설명하기 위한 도면이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view for explaining a conventional steam cycle-based heat engine,
2 is a view for explaining a steam cycle-based heat engine according to the first embodiment of the present invention,
3 is a view for explaining a steam cycle-based heat engine according to the second embodiment,
4 is a view for explaining a TS diagram of a steam cycle-based heat engine according to an embodiment,
5 is a view for explaining the TS diagram when the evaporation temperature of the working fluid is lowered,
6 is a view for explaining the efficiency of the heat engine according to the evaporation temperature of the working fluid,
7 is a view for explaining a steam cycle-based heat engine according to the third embodiment.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms "comprise" and / or "comprising" used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In describing the specific embodiments below, various specific contents have been set forth in order to explain the invention in more detail and to aid understanding. However, it will be appreciated by those skilled in the art that the present invention may be understood by those skilled in the art without departing from such specific details. In some cases, it should be mentioned in advance that it is common knowledge in describing an invention, and that parts not significantly related to the invention are not described in order to avoid confusion in describing the invention.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관을 나타낸다. 본 명세서에서 '열기관'은 고온과 저온의 열원 사이의 순환을 통해 열에너지를 역학적 에너지로 전환시키는 시스템이다. 열기관은 예컨대 자동차나 선박 등 운송수단의 동력원이나 발전소의 증기터빈 등에 사용될 수 있으나 본 발명에서는 열기관의 용도를 특별히 한정하지 않는다. 2 shows a steam cycle-based heat engine according to a first embodiment of the present invention. In the present specification, the term "heat pipe" is a system for converting thermal energy into mechanical energy through circulation between a high-temperature and low-temperature heat source. The heat engine can be used as a power source of a vehicle such as an automobile or a ship, a steam turbine of a power plant, etc. However, the use of the heat engine is not particularly limited in the present invention.
도2를 참조하면, 일 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관은 증발기(10), 터빈(20), 응축기(30), 및 가압펌프(40)를 포함할 수 있다. 증발기(10), 터빈(20), 응축기(30), 및 가압펌프(40)는 증기사이클을 구성하며 제1 관로(L1) 내지 제4 관로(L4)에 의해 연결되어 있다. 제1 내지 제4 관로(L1 내지 L4)는 폐경로(closed loop)를 이루며 관로 내부에 작동유체가 흐르도록 구성된다. 일 실시예에서 작동유체는 물(H2O)일 수 있으나, 대안적 실시예에서 공지의 다른 작동유체가 사용될 수도 있다. Referring to FIG. 2, a steam cycle-based heat engine according to an embodiment may include an
증발기(10)는 작동유체에 열에너지를 가하여 작동유체를 증발(기화)시킨다. 일 실시예에서 증발기(10)로서 보일러나 연소장치가 사용될 수 있고, 작동유체가 이러한 보일러 또는 연소장치에서 직접적으로 또는 간접적으로 가열되어 증발될 수 있다. 제4 관로(L4)를 통해 증발기(10)로 공급된 작동유체는 제1 관로(L1)를 통해 증발기(10)에서 배출된다. 배출된 고온의 작동유체는 터빈(20)에 공급되고, 터빈(20)은 작동유체에 의해 기계적 일을 하고 제2 관로(L2)를 통해 작동유체를 배출한다. The
응축기(30)는 터빈(20)에서 배출되는 작동유체를 공급받아서 응축 및 냉각시킨다. 즉 일 실시예에서 응축기(30)는 임의의 열교환기로 구현될 수 있다. 이 때 응축기(30)에는 냉매(수냉식 또는 공냉식)가 제7 관로(L7)에서 유입되어 작동유체로부터 열에너지를 공급받아 가열된 후 제8 관로(L8)로 배출될 수 있다. 가압펌프(40)는 응축기(30)에서 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시킨 후 제4 관로(L4)를 통해 증발기(10)측으로 배출한다. The
일 실시예에서 열기관은 응축기(30)의 출력단과 입력단 사이를 연결하는 피드백 경로(L10, L11, L12)를 더 포함한다. 즉 응축기(30)의 출력단에 연결된 제3 관로(L3)에서 피드백 경로(L10)가 분기되고, 응축기(30)의 입력단에 연결된 제2 관로(L2)에 피드백 경로(L12)가 합류하도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 응축기(30)에서 배출되는 작동유체의 일부가 제10 내지 제12 관로(L10 내지 L12)의 피드백 경로를 따라 순환하여 응축기(30)로 재공급된다.In one embodiment, the heat engine further comprises a feedback path L10, L11, L12 connecting the output and input of the
일 실시예에서 열기관은 피드백 경로상에 설치된 열교환기(50) 및 순환펌프(60)를 포함할 수 있다. 열교환기(50)는 연소장치에서 배출되는 배기가스와 피드백 경로 상의 작동유체 사이를 열교환한다. 일 실시예에서 연소장치는 예를 들어 가스터빈, 가스엔진, 디젤엔진, 연소기, 소각로 등 임의의 연소장치 중 하나일 수 있고, 배기가스는 이러한 임의의 연소장치에서 배출되는 고온의 폐가스일 수 있다. In one embodiment, the heat engine can include a
열교환기(50) 내에서 배기가스와 작동유체의 열교환에 의해 배기가스 중의 수증기가 응축되고, 작동유체는 열에너지를 받아서 기화된 후 제12 관로(L12)를 통해 배출되고, 그 후 제2 관로(L2)에 합류하여 응축기(30)로 재공급된다. 열교환기(50)에서 응축된 수증기는 물이 되어 배출되고 배기가스의 나머지 성분들은 별도 경로로 배출될 수 있다. The steam in the exhaust gas is condensed by the heat exchange between the exhaust gas and the working fluid in the
순환펌프(60)는 작동유체가 피드백 경로를 따라 순환하도록 동작한다. 가압펌프(40)와 달리 순환펌프(60)는 작동유체에 추가의 압력을 가하지 않으며, 작동유체를 순환시키기 위해 펌핑하는 역할을 한다. The
응축기(30)에서 배출되는 작동유체 중 얼마만큼의 작동유체를 피드백 경로를 통해 순환시킬지는 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서 예컨대 1:10의 비율로 피드백 경로로 순환시킬 수 있지만, 이 비율은 실시예에 따라 달라질 수 있다. How much of the working fluid discharged from the
피드백 경로로 순환시킬 작동유체의 유량을 제어하기 위해 순환펌프(60)의 회전수를 조절하거나, 예컨대 유량제어밸브(도시 생략)를 피드백 경로 상에 설치할 수 있다. 일 실시예에서, 유량제어밸브는 열교환기(50)로 공급되는 배기가스의 온도에 따라서 피드백 경로로 순환될 작동유체의 유량을 증감할 수 있다. 예컨대 배기가스의 온도가 높으면 수증기 응축에 더 많은 작동유체가 필요하므로 피드백 경로로 순환된 작동유체의 유량을 늘리고, 그 반대의 경우 유량을 줄일 수 있다. 도면에 도시하지 않았지만, 이러한 유량 제어는 예컨대 열교환기(50)로 공급되는 배기가스의 온도를 측정하는 온도센서 및 이 온도센서의 센싱 값에 기초하여 유량제어신호를 생성하고 이 제어신호를 유량제어밸브로 전달하는 제어부 등의 구성요소에 의해 구현될 수 있다. The number of revolutions of the
한편, 바람직한 일 실시예에서 열기관은 피드백 경로와 응축기(30)의 입력단을 연결하는 이젝터(70)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서 이젝터(70)는 터빈(20)과 응축기(30)를 연결하는 제2 관로(L2)와 피드백 경로(L12)를 연결한다. 이젝터(70)는 벤츄리(Venturi) 효과를 이용하여 유체를 혼합하는 장치로서, 배관의 직경이 서서히 줄어들다가 확대되는 벤츄리 관에 혼합대상의 유체를 주입한다. 이하에서는 이젝터(70)의 입력단을 구동노즐(motive nozzle), 출력단을 분사노즐(diffuser nozzle), 혼합대상 유체를 입력하는 주입구를 흡입구(suction port)라 칭하기로 한다. 도시한 일 실시예에서 이젝터(70)의 구동노즐이 터빈(20)의 출력단에 연결되고, 이젝터(70)의 분사노즐이 응축기(30)의 입력단에 연결되고, 이젝터(70)의 흡입구가 피드백 경로(L12)에 연결된다. Meanwhile, in a preferred embodiment, the heat engine may further include an
이러한 구성에서, 터빈(20)에서 출력되는 작동유체의 압력(Pout)을 응축기(30)로 유입되는 작동유체의 압력(Pc)보다 크도록 설정하면 작동유체가 이젝터(70)의 구동노즐을 향해 가압되며 공급된다. 작동유체가 이젝터(70) 내의 벤츄리 관을 통과할 때 압력이 낮아지고, 피드백 경로의 작동유체가 이젝터(70)의 흡입구를 통해 이젝터(70)로 주입될 수 있다. 이 때에 피드백 경로(L10 내지 L12)를 흐르는 작동유체의 압력을 "Pe"라고 하면, [Pout>Pc>Pe]의 관계가 성립한다. 따라서 피드백 경로의 작동유체의 압력(Pe)이 응축기(30)를 통과하는 작동유체의 압력(Pc)보다 낮으므로, 피드백 경로의 열교환기(50)를 통과하는 작동유체의 증발온도를 응축기(30)를 통과하는 작동유체의 증발온도보다 낮게 유지할 수 있고, 열교환기(50)에서 배기가스와 작동유체 사이에 더 많은 열교환을 일으킬 수 있다. In this configuration, when the pressure Pout of the working fluid output from the
이상과 같은 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 피드백 경로(L10~L12)를 형성하고 이 피드백 경로의 열교환기(50)에서 배기가스와 작동유체를 열교환 함으로써 배기가스의 폐열 회수 및 배기가스로부터의 물 회수를 극대화할 수 있다. 일반적으로 연소장치에서 배출되는 배기가스는 온도가 대략 섭씨 100도 내지 200도 사이일 수 있고, 종래의 임의의 열교환 수단 등을 통해 배기가스의 폐열을 회수한 경우에도 배기가스가 여전히 70도 내지 80도의 온도로 연돌(굴뚝)을 통해 배출되는 경우가 많다. 그러나 이렇게 배출되는 배기가스에는 여전히 많은 수분이 포함되어 있으며, 물 회수를 극대화하기 위해서는 배기가스의 출구 온도를 섭씨 50도 이하로 낮추는 것이 바람직할 수 있다. According to the first embodiment of the present invention as described above, the feedback paths L10 to L12 are formed, and heat exchange between the exhaust gas and the working fluid is performed in the
상술한 제1 실시예에 따르면 응축기(30)를 순환하는 피드백 경로(L10~L12)를 형성하고 이 피드백 경로에 열교환기(50)를 설치하여 배기가스와 작동유체를 열교환시킨다. 이 때 열교환기(50)에 입력되는 배기가스는 예컨대 1차적으로 폐열이 회수되어 예컨대 섭씨 70~80도의 온도를 갖는 배기가스일 수도 있으며, 열교환기(50)에서 작동유체와 열교환 함으로써 배기가스의 오도를 50도 이하로 더 낮추고 또한 배기가스 내 수분을 응축시켜 물 회수를 달성할 수 있다. 또한 이 과정에서 원래의 증기사이클의 작동유체만 사용되고 추가의 냉매나 작동유체를 사용하지 않으며, 기존의 증기사이클을 순환하는 작동유체의 일부를 분기하여 재순환시키고 이 재순환된 작동유체의 상변화를 통해 배기가스를 냉각할 수 있으므로 비교적 간단한 시스템 구성으로 폐열 회수와 물 회수를 높일 수 있다. According to the first embodiment, the feedback paths L10 to L12 circulating through the
또한 이 때 피드백 경로와 응축기(30)로 유입되는 관로(L2)를 이젝터(70)로 연결하도록 구성하여 열교환기(50)에서의 열교환 에너지를 더 높일 수 있다. 상술한 것처럼 피드백 경로의 작동유체의 압력(Pe)이 응축기(30)를 통과하는 작동유체의 압력(Pc)보다 낮으므로 피드백 경로의 열교환기(50)를 통과하는 작동유체의 증발온도를 응축기(30)를 통과하는 작동유체의 증발(응축)온도보다 낮게 유지할 수 있다. 따라서 열교환기(50)에서 배기가스와 작동유체 사이에 더 많은 열교환을 달성할 수 있으므로 배기가스의 폐열 이용 및 배기가스로부터의 물 회수를 극대화할 수 있다. In this case, the feedback path and the conduit L2 flowing into the
도3은 제2 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관을 나타낸다. Fig. 3 shows a steam cycle-based heat engine according to the second embodiment.
도면을 참조하면, 제2 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관은 제1 열교환기(80), 터빈(20), 응축기(30), 가압펌프(40), 제2 열교환기(50), 순환펌프(60), 및 이젝터(70)를 포함할 수 있다. 제1 열교환기(80), 터빈(20), 응축기(30), 및 가압펌프(40)로 이루어지는 증기사이클 구성 및 관로(L10~L12), 제2 열교환기(50), 및 이젝터(70)로 이루어지는 피드백 경로는 도2에 도시한 제1 실시예와 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다. Referring to the drawings, the steam cycle-based heat engine according to the second embodiment includes a
도2의 제1 실시예와 비교할 때 도3의 제2 실시예는 연소장치에서 배출되는 배기가스가 제1 열교환기(80)에서 열교환한 후 제2 열교환기(50)로 공급되도록 구성된 점에서 차이가 있다. 즉 연소장치에서 배출되는 배기가스가 제1 열교환기(80)와 제2 열교환기(50)를 순차적으로 통과하며 작동유체와 열교환하도록 구성된다. Compared with the first embodiment of FIG. 2, the second embodiment of FIG. 3 differs from the first embodiment of FIG. 3 in that the exhaust gas discharged from the combustion apparatus is heat-exchanged in the
이러한 제2 실시예 구성에 의하면, 연소장치에서 배출되는 배기가스의 폐열 이용과 물 회수를 본 발명의 증기사이클 열기관 내에서 달성하는 효과를 가진다. 예를 들어 고온의(예컨대 섭씨 100도 내지 200도 사이의) 배기가스가 제1 열교환기(80)에서 작동유체와 열교환한 후 섭씨 70~80도의 저온이 된 경우, 이 배기가스가 외부로 곧바로 배출되지 않고 제2 열교환기(50)로 공급되며, 제2 열교환기(50)에서 피드백 경로의 작동유체와 다시 열교환하여 섭씨 50도 이하(예컨대 30~40도)까지 감온될 수 있다. 따라서 본 발명의 증기사이클 열기관 내에서 배기가스의 폐열 이용을 극대화할 수 있고 또한 배기가스 내 물의 회수율도 높일 수 있다. According to the configuration of the second embodiment, the waste heat utilization and the water recovery of the exhaust gas discharged from the combustion apparatus are achieved in the steam cycle engine of the present invention. For example, when the exhaust gas at a high temperature (for example, between 100 and 200 degrees centigrade) is heat-exchanged with the working fluid in the
한편, 이러한 일 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관에서 작동유체는 제1 열교환기(80), 터빈(20), 응축기(30), 및 가압펌프(40)를 순환하며 흐르며, 이 때 일 실시예에서, 작동유체는 소정 온도범위 내에서 증발온도를 갖도록 설정된다. 바람직한 일 실시예에서, 도시한 열기관의 폐열발전 효율이 최대값을 갖도록 작동유체의 증발온도가 설정될 수 있다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 도시한 열기관의 폐열발전 효율이 최대값을 포함하는 소정 범위의 시스템 효율 값을 갖도록 작동유체의 증발온도가 설정될 수 있다. 이하에서는 도4 내지 도6을 참조하여 바람직한 작동유체의 증발온도 범위를 설명하기로 한다. On the other hand, in the steam cycle-based heat engine according to this embodiment, the working fluid circulates through the
도4는 도3의 증기사이클 기반의 열기관의 T-S(온도-엔트로피) 선도를 나타낸다. 도면에서 X축은 엔트로피이고 Y축은 온도를 의미하며, 그래프는 증기사이클에 따른 작동유체의 온도-엔트로피 변화를 나타낸다. Figure 4 shows a T-S (temperature-entropy) diagram of the steam cycle-based heat engine of Figure 3; In the figure, the X-axis is the entropy and the Y-axis is the temperature, and the graph shows the temperature-entropy change of the working fluid with the steam cycle.
도4에 기재된 번호는 각각 도3의 제1 내지 제8 관로(L1 내지 L8)의 번호와 동일하다. 즉, 도3에서 제4 관로(L4)를 통해 제1 열교환기(80)에 공급된 작동유체가 가열 및 기화된 후 제1 관로(L1)로 배출될 때, 작동유체는 도2에서 4번 지점에서 1번 지점까지의 선을 따라 움직인다. 즉 4번 지점에서 온도와 엔트로피가 증가하다가 9번 지점에서 기화(증발)가 시작되어 온도는 일정하게 유지되고 엔트로피는 계속하여 증가한다. 4 are the same as the numbers of the first to eighth ducts L1 to L8 in Fig. 3, respectively. 3, when the working fluid supplied to the
그 후 작동유체가 터빈(20)을 통과하는 동안 작동유체는 도4에서 1번 지점에서 2번 지점으로 움직인다. 도4의 2번 지점에서 3번 지점으로 움직이는 것은 작동유체가 응축기(30)를 통과하며 냉각 및 응축되는 것에 대응하고, 도4의 3번 지점에서 4번 지점으로 움직이는 것은 작동유체가 가압펌프(40)에 의해 가압되는 것에 대응한다. Then, while the working fluid passes through the
도3의 제1 열교환기(80)를 통과하는 배기가스는 도4에서 5번 지점에서 6번 지점까지의 선을 따라 움직인다. 즉 배기가스가 제1 열교환기(80)를 통과할 때 열에너지를 작동유체에 전달하면서 냉각되고 엔트로피도 작아진다. 또한 도3의 응축기(30)를 통과하는 냉매(수냉식 또는 공냉식)는 도4에서 7번 지점에서 8번 지점까지의 선을 따라 움직인다. The exhaust gas passing through the
제1 열교환기(80)에서 배기가스가 작동유체에 전달하는 열에너지는 도4의 배기가스의 온도-엔트로피 그래프(즉, 5번에서 6번 지점까지의 그래프)에서 온도차에 해당되는 열량 QEG,in 이며, 배기가스가 작동유체에 열에너지를 전달하기 위해서는 도4에서 제1 열교환기(80) 통과시의 배기가스의 온도-엔트로피 그래프가 작동유체의 온도-엔트로피 그래프 보다 항상 위에 있어야 하며, 이 때 열전달을 위한 최소 온도차를 핀치온도(ΔT1)(Pinch temperature)라고 한다. The heat energy transferred from the exhaust gas to the working fluid in the
한편 일반적으로 증기사이클 기반의 폐열발전 열기관의 효율은 폐열회수 효율, 사이클 효율, 및 폐열발전 효율 등으로 설명할 수 있다. 폐열회수 효율(ηHR)은 아래 수학식1과 같이 배기가스를 상온까지 냉각할 때 활용 가능한 최대 열량(QEG,max)에 대해 증기사이클에 활용된 열량(QEG,in)으로 정의될 수 있다. On the other hand, the efficiency of a steam cycle-based cogeneration system can be explained by waste heat recovery efficiency, cycle efficiency, and waste heat efficiency. The waste heat recovery efficiency (η HR ) can be defined as the heat quantity (Q EG, in ) utilized in the steam cycle for the maximum heat quantity (Q EG, max ) available when cooling the exhaust gas to room temperature have.
ηHR = QEG,in/QEG,max --- 수학식1 η HR = Q EG, in / Q EG, max ---
사이클 효율(ηcyc)은 증기사이클에 활용된 열량(QEG,in)에 대한 증기사이클의 순출력 일(Wnet)로 정의될 수 있고 아래 수학식2와 같이 표현된다. The cycle efficiency (eta cyc ) can be defined as the net output date (W net ) of the steam cycle with respect to the heat quantity (Q EG, in ) utilized in the steam cycle and expressed as
ηcyc = Wnet/QEG,in --- 수학식2侶cyc = W net / Q EG, in ---
폐열발전(시스템) 효율(ηsys)은 폐열을 상온까지 냉각할 때 활용 가능한 최대 열량에 대한 증기사이클 순출력 일(Wnet)로 정의될 수 있고, 상기 폐열회수 효율과 사이클 효율의 곱에 비례하는 값으로 정의될 수 있다. 예컨대 폐열발전(시스템) 효율은 아래 수학식3과 같이 표현될 수 있다. The system efficiency (η sys ) of the waste heat generation system (η sys ) can be defined as the net output day (W net ) of the steam cycle with respect to the maximum amount of heat that can be utilized when the waste heat is cooled down to room temperature, and is proportional to the product of the waste heat recovery efficiency and the cycle efficiency As shown in FIG. For example, the waste heat (system) efficiency can be expressed by
ηsys = Wnet/QEG,max --- 수학식3 侶sys = W net / Q EG, max ---
증기사이클 기반의 열기관에서는 주어진 폐열원으로부터 폐열발전 증기사이클의 출력을 최대로 하는 것이 중요하기 때문에 상술한 3가지 효율 중 폐열발전 효율을 높이는 것이 중요하다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 열기관의 폐열발전 효율을 높이기 위해 작동유체의 증발온도를 조정할 수 있다. 예를 들어 작동유체의 증발온도를 높이거나 낮추어 폐열회수 효율과 사이클 효율을 변경함으로써 최적의 폐열발전 효율을 달성할 수 있다. Since it is important to maximize the output of the waste heat steam cycle from a given waste heat source in a steam cycle-based heat pump, it is important to improve the efficiency of the waste heat generation among the above three efficiencies. According to an embodiment of the present invention, the evaporation temperature of the working fluid can be adjusted in order to increase the efficiency of waste heat generation of the heat engine. For example, by optimizing the waste heat recovery efficiency and cycle efficiency by raising or lowering the evaporation temperature of the working fluid, optimum waste heat generation efficiency can be achieved.
도5는 작동유체의 증발온도를 낮추었을 때의 T-S 선도를 나타낸다. 도4와 비교할 때 도5에서 9번 지점과 1번 지점의 온도가 낮아졌음을 알 수 있다. 따라서 이 경우 제1 열교환기(80) 내에서 작동유체는 배기가스로부터 열에너지를 받아서 4번 지점에서 온도와 엔트로피가 증가하다가 9번 지점에서 증발이 시작되고, 작동유체가 증발하는 동안 온도는 일정하게 유지되고 엔트로피는 증가한다. 5 shows a T-S diagram when the evaporating temperature of the working fluid is lowered. Compared with FIG. 4, it can be seen that the temperature at
이 때 배기가스의 온도-엔트로피 그래프(즉, 5번에서 6번 지점까지의 그래프)와 작동유체의 제1 열교환기(80) 통과시의 온도-엔트로피 그래프(즉, 4번에서 9번을 거쳐 1번 지점까지 이르는 그래프) 사이에는 핀치온도(ΔT1) 만큼만 온도차이가 있으면 되므로, 배기가스의 온도 강하가 도4에 비해 더 커져도 무방하다. 즉 도5의 배기가스의 온도-엔트로피 그래프의 기울기가 도4에 비해 더 많이 기울어져 있다. 따라서 이 경우 폐열회수 효율(ηHR)이 도4에 비해 증가하게 된다. At this time, the temperature-entropy graph of the exhaust gas (i.e., the graph from
그러나 제1 열교환기(80)를 통과할 때의 배기가스의 온도(배기 출구온도)가 낮아지게 되면 사이클 효율(ηcyc)은 감소하게 되며, 그러므로 폐열회수 효율과 사이클 효율의 곱에 비례하는 폐열발전 효율은 오히려 감소하게 될 수도 있다. 이와 반대로 증발온도를 높일 경우 사이클 효율은 높아지지만 배기 출구온도가 높아지기 때문에 폐열회수 효율이 떨어지게 되므로 폐열발전 효율이 반드시 증가한다고 보장할 수 없다. However, when the temperature of the exhaust gas (exhaust outlet temperature) at the time of passing through the
즉 폐열회수 효율과 사이클 효율 사이에 상충(trade-off) 관계가 있음을 알 수 있고, 도6은 이러한 두 효율 사이의 상충관계를 개략적으로 도시하였다. 도6을 참조하면, 상술한 바와 같이 작동유체의 증발온도를 낮출수록 폐열회수 효율은 높아지지만 사이클 효율은 낮아지며, 작동유체의 증발온도를 높일수록 폐열회수 효율이 떨어지고 사이클 효율이 증가한다. 따라서 두 효율의 곱에 비례하는 폐열발전(시스템) 효율은 도시한 것처럼 어느 임의의 증발온도에서 최대값(ηMAX)을 갖지만 그보다 낮거나 높은 증발온도에서는 시스템 효율이 떨어지게 된다. 따라서 시스템 효율이 최대값(ηMAX)일 때 또는 이 최대값(ηMAX)을 포함한 소정 범위의 시스템 효율 값을 갖도록 작동유체의 증발온도를 일정 범위 내로 유지하는 것이 바람직하다. In other words, there is a trade-off relationship between waste heat recovery efficiency and cycle efficiency, and FIG. 6 schematically shows a trade-off between these two efficiencies. Referring to FIG. 6, as described above, as the evaporation temperature of the working fluid is lowered, the waste heat recovery efficiency is increased but the cycle efficiency is lowered. As the evaporation temperature of the working fluid is increased, the waste heat recovery efficiency is lowered and the cycle efficiency is increased. Thus, the efficiency of the waste heat system (proportional to the product of the two efficiencies) has a maximum value (η MAX ) at any given evaporation temperature, as shown, but at a lower or higher evaporation temperature, the system efficiency drops. Therefore, it is desirable to maintain the evaporation temperature of the working fluid within a certain range so that the system efficiency is a maximum value (? MAX ) or a system efficiency value within a predetermined range including this maximum value (? MAX ).
예를 들어 도면을 참조하면, 시스템 효율이 최대값(ηMAX)이거나 적어도 이 최대값의 90% 이상의 값을 갖는 것을 목표로 할 경우 작동유체의 증발온도를 T1 내지 T2 사이의 온도범위 내에서 설정하는 것이 바람직할 것이다. 도시한 실시예에서는 최적 시스템 효율이 최대값(ηMAX)의 90% 이상인 것으로 가정하였고 그에 따라 작동유체의 증발온도를 T1 내지 T2로 설정하였지만, 구체적 실시 형태에 따라 목표로 하는 폐열발전 효율의 범위를 다르게 설정할 수 있고 이에 따라 작동유체의 증발온도 범위도 달라질 수 있음은 물론이다. For example, when the system efficiency is a maximum value (? MAX ) or at least 90% of the maximum value, the evaporating temperature of the working fluid is set within a temperature range between T1 and T2 . In the illustrated embodiment, it is assumed that the optimum system efficiency is equal to or greater than 90% of the maximum value eta MAX , and thus the evaporation temperature of the working fluid is set to T1 to T2. However, according to the specific embodiment, The evaporation temperature range of the working fluid can be varied.
일 실시예에서, 작동유체의 증발온도를 조절하는 방법으로서 작동유체에 가하는 압력을 조절하는 방법(냉매의 유량과 터빈 회전수 등으로 결정)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 가압펌프(40)에 의해 작동유체에 인가되는 압력을 조절하여 제1 열교환기(80)로 유입되는 작동유체의 압력을 조절할 수 있다. 예를 들어 제1 열교환기(80)로 유입되는 작동유체의 압력을 낮추면 작동유체의 증발온도가 낮아지고 제1 열교환기(80)로 유입되는 작동유체의 압력을 높이면 증발온도가 높아진다. In one embodiment, as a method of adjusting the evaporation temperature of the working fluid, a method of controlling the pressure applied to the working fluid (determined by the flow rate of the refrigerant and the number of revolutions of the turbine) can be used. For example, the pressure of the working fluid flowing into the first heat exchanger (80) can be adjusted by controlling the pressure applied to the working fluid by the pressurizing pump (40). For example, when the pressure of the working fluid flowing into the
이와 같이 도3의 제2 실시예에 따르면 연소장치에서 배출되는 배기가스가 증기사이클의 제1 열교환기(80)와 피드백 경로의 제2 열교환기(50)를 순차적으로 통과하도록 구성함으로써 배기가스의 열에너지 회수와 물 회수를 극대화할 수 있다. 또한 추가적으로, 예컨대 가압펌프(40)를 제어하여 증기사이클의 작동유체의 압력을 조절함으로써 작동유체의 증발온도를 높이거나 낮출 수 있고 이에 따라 최적의 폐열발전 효율을 갖는 열기관을 구현할 수 있다.3, the exhaust gas discharged from the combustion apparatus sequentially passes through the
도7은 제3 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관을 나타낸다. 7 shows a steam cycle-based heat engine according to the third embodiment.
제3 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관은 제1 열교환기(80), 터빈(20), 응축기(30), 가압펌프(40), 제2 열교환기(50), 순환펌프(60), 및 이젝터(70)를 포함할 수 있다. 제1 열교환기(80), 터빈(20), 응축기(30), 및 가압펌프(40)로 이루어지는 증기사이클 구성 및 관로(L10~L12), 제2 열교환기(50), 및 이젝터(70)로 이루어지는 피드백 경로는 도3에 도시한 제2 실시예와 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다. The steam cycle-based heat engine according to the third embodiment includes a
도3의 제2 실시예와 비교할 때 도7의 제3 실시예는 이젝터(70)의 설치 위치가 제2 실시예와 상이하다. 도7에서, 제1 열교환기(80)와 터빈(20)을 연결하는 제1 관로(L1)에서 분기하는 분기 관로(L14)가 추가되고, 이젝터(70)가 이 분기 관로(L14)와 피드백 경로(L12)에 연결된다. 구체적으로, 이젝터(70)의 구동노즐이 분기 관로(L14)에 연결되고, 이젝터(70)의 흡입구가 제2 열교환기(50)에서 배출되는 작동유체의 피드백 경로(L12) 중 상류측 관로(L121)에 연결되고, 이젝터(70)의 분사노즐이 피드백 경로(L12) 중 피드백 경로의 하류측 관로(L122)에 연결된다. 또한 이 때 피드백 경로의 하류측 관로(L122)는 터빈(20)과 응축기(30)를 연결하는 제2 관로(L2)에 합류하도록 구성된다. Compared with the second embodiment of Fig. 3, the third embodiment of Fig. 7 differs from the second embodiment in the mounting position of the
이러한 구성에서, 제1 열교환기(80)에서 배출되는 고압의 작동유체의 일부가 분기 관로(L14)를 통해 이젝터(70)의 구동노즐로 입력되고, 이젝터(70) 내의 벤츄리 관을 통과할 때 압력이 낮아지고 피드백 경로(L121)의 작동유체가 이젝터(70)의 흡입구를 통해 이젝터(70)로 주입될 수 있다. 즉, 분기 관로(L14)의 작동유체의 압력을 Pin, 응축기(30)를 통과하는 작동유체의 압력을 Pc, 그리고 피드백 경로(L10 내지 L12)를 흐르는 작동유체의 압력을 Pe 라고 하면, [Pin>Pc>Pe]의 관계가 성립한다. 따라서 도2를 참조하여 설명한 바와 같이, 피드백 경로의 작동유체의 압력(Pe)이 응축기(30)를 통과하는 작동유체의 압력(Pc)보다 낮으므로, 피드백 경로의 제2 열교환기(50)를 통과하는 작동유체의 증발온도를 응축기(30)를 통과하는 작동유체의 증발(응축)온도보다 낮게 유지할 수 있고, 제2 열교환기(50)에서 배기가스와 작동유체 사이에 더 많은 열교환을 발생시킬 수 있다. In this configuration, when a part of the high-pressure working fluid discharged from the
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations may be made to the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the described embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims, as well as the appended claims.
10: 증발기
20: 터빈
30: 응축기
40: 가압펌프
50: 열교환기
60: 순환펌프
70: 이젝터
80: 열교환기10: Evaporator 20: Turbine
30: condenser 40: pressure pump
50: heat exchanger 60: circulation pump
70: Ejector 80: Heat exchanger
Claims (20)
증발기, 터빈, 응축기, 및 가압펌프를 포함하는 증기사이클을 따라 작동유체를 순환시키는 단계;
상기 응축기의 출력단과 입력단 사이를 연결하는 피드백 경로를 따라, 상기 응축기에서 배출되는 작동유체의 일부를 상기 응축기로 재공급하는 단계; 및
연소장치에서 배출되는 배기가스와 상기 피드백 경로의 작동유체를 열교환하는 단계;를 포함하고,
상기 피드백 경로의 작동유체의 압력을 상기 응축기를 통과하는 작동유체의 압력보다 작도록 설정하여, 상기 피드백 경로의 작동유체의 증발온도를 상기 응축기를 통과하는 작동유체의 증발(응축)온도보다 낮게 유지하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법. CLAIMS 1. A method of operating a steam cycle-
Circulating a working fluid along a vapor cycle including an evaporator, a turbine, a condenser, and a pressurizing pump;
Supplying a part of the working fluid discharged from the condenser to the condenser along a feedback path connecting the output end and the input end of the condenser; And
Exchanging the exhaust gas discharged from the combustion apparatus with the working fluid of the feedback path,
The pressure of the working fluid in the feedback path is set to be smaller than the pressure of the working fluid passing through the condenser so that the evaporation temperature of the working fluid in the feedback path is kept lower than the evaporation temperature of the working fluid passing through the condenser Wherein said steam cycle-based heat engine operating method comprises:
상기 열기관이 상기 피드백 경로와 상기 응축기의 입력단을 연결하는 이젝터를 포함하고,
상기 이젝터의 구동노즐이 상기 터빈의 출력단에 연결되고, 상기 이젝터의 분사노즐이 상기 응축기의 입력단에 연결되고, 상기 이젝터의 흡입구가 상기 피드백 경로에 연결된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법.The method according to claim 1,
Wherein the heat engine includes an ejector for connecting the feedback path and an input end of the condenser,
Wherein the drive nozzle of the ejector is connected to the output end of the turbine, the injection nozzle of the ejector is connected to the input of the condenser, and the inlet of the ejector is connected to the feedback path.
상기 피드백 경로에서의 열교환 단계가, 작동유체가 배기가스로부터 열에너지를 받아서 증발하고 배기가스 중의 수증기가 응축하여 물이 생성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법. The method according to claim 1,
Wherein the heat exchange step in the feedback path includes the step of the working fluid being evaporated by receiving thermal energy from the exhaust gas and the steam in the exhaust gas being condensed to produce water.
상기 증발기가 상기 작동유체와 상기 배기가스 사이를 열교환하는 열교환기를 포함하고,
상기 연소장치에서 배출되는 상기 배기가스가 상기 증발기에서 작동유체와 열교환하여 작동유체에 열에너지를 공급하고 그 후 상기 피드백 경로의 작동유체와 열교환하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법. The method according to claim 1,
And a heat exchanger in which the evaporator exchanges heat between the working fluid and the exhaust gas,
Wherein the exhaust gas discharged from the combustion apparatus is heat-exchanged with the working fluid in the evaporator to supply heat energy to the working fluid, and then heat-exchanges the working fluid with the working fluid in the feedback path.
상기 열기관의 폐열발전 효율이 최대값을 포함하는 소정 범위의 폐열발전 효율 값을 갖도록 상기 작동유체의 증발온도를 설정하고, 이 때 상기 폐열발전 효율은 상기 열기관의 폐열회수 효율과 사이클 효율의 곱에 비례하는 값으로 정의되는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법. 5. The method of claim 4,
Setting the evaporation temperature of the working fluid so that the waste heat generation efficiency of the heat engine has a maximum value and a waste heat generation efficiency value of a predetermined range including the maximum value, wherein the waste heat generation efficiency is a product of a waste heat recovery efficiency of the heat engine and a cycle efficiency Wherein the steam cycle is defined as a proportional value.
상기 폐열회수 효율은 배기가스를 상온까지 냉각시 활용가능한 최대 열량에 대해 증기사이클에 활용된 열량이고,
상기 사이클 효율은 증기사이클에 활용된 열량에 대한 증기사이클의 순출력 일(work)인 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법. 6. The method of claim 5,
The waste heat recovery efficiency is the amount of heat utilized in the steam cycle for the maximum amount of heat available when the exhaust gas is cooled to room temperature,
Wherein the cycle efficiency is a net work of steam cycles for the heat utilized in the steam cycle.
상기 가압펌프에 의해 상기 작동유체에 가압하는 압력을 조절함으로써 상기 작동유체의 증발온도를 증가시키거나 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법. 6. The method of claim 5,
Wherein the steam pump is configured to increase or decrease the evaporation temperature of the working fluid by adjusting a pressure applied to the working fluid by the pressure pump.
제1 열교환기, 터빈, 응축기, 및 가압펌프를 포함하는 증기사이클을 작동유체를 따라 순환시키는 단계;
상기 응축기의 출력단과 입력단 사이를 연결하며 제2 열교환기가 설치된 피드백 경로를 따라, 상기 응축기에서 배출되는 작동유체의 일부를 상기 응축기로 재공급하는 단계; 및
연소장치에서 배출되는 배기가스가 상기 제1 열교환기에서 작동유체와 열교환하고 그 후 상기 제2 열교환기에서 작동유체와 열교환하는 단계;를 포함하고,
상기 피드백 경로의 작동유체의 압력을 상기 응축기를 통과하는 작동유체의 압력보다 작도록 설정하여, 상기 피드백 경로의 작동유체의 증발온도를 상기 응축기를 통과하는 작동유체의 증발온도보다 낮게 유지하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법.CLAIMS 1. A method of operating a steam cycle-
Circulating a vapor cycle comprising a first heat exchanger, a turbine, a condenser, and a pressurized pump along a working fluid;
Supplying a part of the working fluid discharged from the condenser to the condenser along a feedback path connecting the output end and the input end of the condenser and provided with the second heat exchanger; And
Exchanging the exhaust gas discharged from the combustion apparatus with the working fluid in the first heat exchanger and thereafter exchanging heat with the working fluid in the second heat exchanger,
The pressure of the working fluid in the feedback path is set to be smaller than the pressure of the working fluid passing through the condenser so that the evaporation temperature of the working fluid in the feedback path is kept lower than the evaporation temperature of the working fluid passing through the condenser Wherein said steam-cycle-based heat-pipe operation method comprises the steps of:
상기 열기관이 상기 피드백 경로와 상기 응축기의 입력단을 연결하는 이젝터를 포함하고,
상기 이젝터의 구동노즐이 상기 제1 열교환기와 상기 터빈을 연결하는 작동유체의 관로에 연결되고, 상기 이젝터의 분사노즐이 상기 터빈과 상기 응축기를 연결하는 작동유체의 관로에 연결되고, 상기 이젝터의 흡입구가 상기 피드백 경로에 연결된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the heat engine includes an ejector for connecting the feedback path and an input end of the condenser,
Wherein a driving nozzle of the ejector is connected to a conduit of a working fluid connecting the first heat exchanger and the turbine and the injection nozzle of the ejector is connected to a conduit of a working fluid connecting the turbine and the condenser, Is connected to the feedback path.
상기 열기관의 폐열발전 효율이 최대값을 포함하는 소정 범위의 폐열발전 효율 값을 갖도록 상기 작동유체의 증발온도를 설정하고, 이 때 상기 폐열발전 효율은 상기 열기관의 폐열회수 효율과 사이클 효율의 곱에 비례하는 값으로 정의되는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법. 9. The method of claim 8,
Setting the evaporation temperature of the working fluid so that the waste heat generation efficiency of the heat engine has a maximum value and a waste heat generation efficiency value of a predetermined range including the maximum value, wherein the waste heat generation efficiency is a product of a waste heat recovery efficiency of the heat engine and a cycle efficiency Wherein the steam cycle is defined as a proportional value.
상기 폐열회수 효율은 배기가스를 상온까지 냉각시 활용가능한 최대 열량에 대해 증기사이클에 활용된 열량이고,
상기 사이클 효율은 증기사이클에 활용된 열량에 대한 증기사이클의 순출력 일(work)인 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법. 11. The method of claim 10,
The waste heat recovery efficiency is the amount of heat utilized in the steam cycle for the maximum amount of heat available when the exhaust gas is cooled to room temperature,
Wherein the cycle efficiency is a net work of steam cycles for the heat utilized in the steam cycle.
상기 가압펌프에 의해 상기 작동유체에 가압하는 압력을 조절함으로써 상기 작동유체의 증발온도를 증가시키거나 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법. 11. The method of claim 10,
Wherein the steam pump is configured to increase or decrease the evaporation temperature of the working fluid by adjusting a pressure applied to the working fluid by the pressure pump.
작동유체에 열에너지를 가하여 기화하는 증발기(10);
상기 증발기로부터 공급받은 작동유체에 의해 기계적 일을 하는 터빈(20);
상기 터빈에서 배출되는 작동유체를 응축하는 응축기(30);
상기 응축기에서 배출되는 작동유체를 가압하여 상기 증발기로 공급하는 가압펌프(40);
상기 응축기의 출력단과 입력단 사이를 연결하는 피드백 경로; 및
상기 피드백 경로 상에 배치되며, 연소장치에서 배출되는 배기가스와 상기 피드백 경로의 작동유체를 열교환하는 열교환기(50);를 포함하고,
상기 피드백 경로의 작동유체의 압력을 상기 응축기를 통과하는 작동유체의 압력보다 작도록 설정하여, 상기 피드백 경로의 작동유체의 증발온도를 상기 응축기를 통과하는 작동유체의 증발온도보다 낮게 유지하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관. As a steam cycle-based cogeneration heat engine,
An evaporator (10) for evaporating the working fluid by applying thermal energy thereto;
A turbine (20) mechanically operated by a working fluid supplied from the evaporator;
A condenser (30) for condensing the working fluid discharged from the turbine;
A pressure pump (40) for pressurizing the working fluid discharged from the condenser and supplying the working fluid to the evaporator;
A feedback path connecting an output end and an input end of the condenser; And
And a heat exchanger (50) disposed on the feedback path for exchanging heat between the exhaust gas discharged from the combustion apparatus and the working fluid of the feedback path,
The pressure of the working fluid in the feedback path is set to be smaller than the pressure of the working fluid passing through the condenser so that the evaporation temperature of the working fluid in the feedback path is kept lower than the evaporation temperature of the working fluid passing through the condenser A steam cycle-based heat engine.
상기 증발기가 상기 작동유체와 상기 배기가스 사이를 열교환하는 열교환기를 포함하고,
상기 연소장치에서 배출되는 상기 배기가스가 상기 증발기의 열교환기와 상기 피드백 경로의 열교환기를 순차적으로 통과하며 작동유체와 열교환하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관. 14. The method of claim 13,
And a heat exchanger in which the evaporator exchanges heat between the working fluid and the exhaust gas,
Wherein the exhaust gas discharged from the combustion apparatus sequentially passes through a heat exchanger of the evaporator and a heat exchanger of the feedback path and performs heat exchange with the working fluid.
상기 피드백 경로와 상기 응축기의 입력단을 연결하는 이젝터(70)를 더 포함하고,
상기 이젝터의 구동노즐이 상기 터빈의 출력단에 연결되고, 상기 이젝터의 분사노즐이 상기 응축기의 입력단에 연결되고, 상기 이젝터의 흡입구가 상기 피드백 경로에 연결된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관. 15. The method of claim 14,
Further comprising an ejector (70) connecting the feedback path and an input of the condenser,
Wherein a drive nozzle of the ejector is connected to an output end of the turbine, an injection nozzle of the ejector is connected to an input end of the condenser, and a suction port of the ejector is connected to the feedback path.
상기 피드백 경로와 상기 응축기의 입력단을 연결하는 이젝터(70)를 더 포함하고,
상기 이젝터의 구동노즐이 상기 증발기와 상기 터빈을 연결하는 작동유체의 관로에 연결되고, 상기 이젝터의 분사노즐이 상기 터빈과 상기 응축기를 연결하는 작동유체의 관로에 연결되고, 상기 이젝터의 흡입구가 상기 피드백 경로에 연결된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관. 15. The method of claim 14,
Further comprising an ejector (70) connecting the feedback path and an input of the condenser,
Wherein the driving nozzle of the ejector is connected to a conduit of a working fluid connecting the evaporator and the turbine and the injection nozzle of the ejector is connected to a conduit of a working fluid connecting the turbine and the condenser, Wherein the steam path is connected to a feedback path.
상기 열기관의 폐열발전 효율이 최대값을 포함하는 소정 범위의 폐열발전 효율 값을 갖도록 상기 작동유체의 증발온도를 설정하고, 이 때 상기 폐열발전 효율은 상기 열기관의 폐열회수 효율과 사이클 효율의 곱에 비례하는 값으로 정의되는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관. The method according to claim 15 or 16,
Setting the evaporation temperature of the working fluid so that the waste heat generation efficiency of the heat engine has a maximum value and a waste heat generation efficiency value of a predetermined range including the maximum value, wherein the waste heat generation efficiency is a product of a waste heat recovery efficiency of the heat engine and a cycle efficiency Wherein the steam-cycle-based heat exchanger is defined as a proportional value.
상기 폐열회수 효율은 배기가스를 상온까지 냉각시 활용가능한 최대 열량에 대해 증기사이클에 활용된 열량이고,
상기 사이클 효율은 증기사이클에 활용된 열량에 대한 증기사이클의 순출력 일(work)인 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관. 18. The method of claim 17,
The waste heat recovery efficiency is the amount of heat utilized in the steam cycle for the maximum amount of heat available when the exhaust gas is cooled to room temperature,
Wherein the cycle efficiency is a net work of steam cycles for the heat utilized in the steam cycle.
상기 폐열발전 효율의 상기 소정 범위가 시스템 효율 최대값의 90% 이상인 값을 갖는 범위인 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관. 18. The method of claim 17,
Wherein the predetermined range of the waste heat generation efficiency is a range having a value of 90% or more of a maximum system efficiency value.
상기 가압펌프에 의해 상기 작동유체에 가압하는 압력을 조절함으로써 상기 작동유체의 증발온도를 증가시키거나 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관. 18. The method of claim 17,
Wherein the steam pump is configured to increase or decrease the evaporation temperature of the working fluid by regulating a pressure applied to the working fluid by the pressure pump.
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