KR20190091492A - 폐열 회수 시스템 - Google Patents

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아틀라스 콥코 콤텍트, 엘엘씨
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Abstract

폐열 회수 시스템으로서, 구동 샤프트를 갖는 구동 유닛; 상기 구동 샤프트에 동작 가능하게 결합된 압축기로서, 상기 구동 유닛의 동작은 상기 압축기를 구동하는, 상기 압축기; 및 상기 구동 유닛 및 상기 압축기에 결합된 폐열 회수 사이클부를 포함하고, 상기 구동 유닛의 폐열은 상기 폐열 회수 사이클부가 상기 압축기로 기계적 동력을 전달하도록 상기 폐열 회수 사이클부에 동력을 공급하는, 상기 폐열 회수 시스템이 제공된다. 또한, 관련 방법도 제공된다.

Description

폐열 회수 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 12년 8일자로 출원된 발명의 명칭이 "Waste Heat Recovery System"인 미국 가출원 번호 62/431,491의 우선권 및 그 이익을 주장하는 정규 출원이다.
기술 분야
다음은 폐열 회수 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축기 및/또는 다른 보조 시스템에 동력을 공급하는 것을 보조하기 위해 구동 유닛으로부터 폐열을 사용하는 시스템 및 방법의 실시예에 관한 것이다.
가스 터빈은 전기 전력이 용이하게 이용 가능하지 않은 지역에서 압축기 구동기로서 일반적으로 선택된다. 피스톤, 배럴(barrel) 또는 일체형 기어식 원심 압축기와 같은 유형을 포함하는 가스 터빈에 의해 구동되는 압축기는 종종 파이프라인으로 가스를 수송하는 것을 용이하게 하기 위해 사용된다. 이 설치 방식에서 가스 터빈은 압축기에 동력을 공급하는 가스 터빈의 연료로서 파이프라인의 일부 가스를 사용하여 파이프라인 가스를 재가압하여 수송 과정에서 발생하는 손실을 극복한다.
가스 터빈 제조사는 연소 공정으로부터 가능한 한 많은 에너지를 포획하기 위해 최선을 다하지만, 모든 가스 터빈은 고유하게 폐열을 생성한다. 일부 경우에는 증기 생성을 통한 열 회수(Heat Recovery through Steam Generation: HRSG) 시스템을 사용하여 이 폐열을 전기로 변환한다(이것은 전력 산업에서 폐열 발전(Cogeneration)의 한 형태로도 알려져 있다). 다른 경우에는 예를 들어 HVAC 가열을 위해 폐열을 직접 사용한다. 그러나 압축기를 구동하는데 사용되는 대부분의 가스 터빈은 종종 전기 또는 HVAC를 위해 사용되지 않는 원거리 지역에 위치되는 경우, 폐열은 버려지고 영구적인 손실을 나타낸다.
따라서, 가스 터빈으로부터 폐열을 포획할 수 있고 폐열을 사용하여 압축기를 구동하는 것을 보조하는 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
제1 양태는 일반적으로 터빈 열원(heat source)으로부터 폐열을 포획하고 상기 폐열을 사용하여 압축기 또는 다른 보조 시스템을 구동하는 것을 보조하는 폐열 회수 시스템 및 방법에 관한 것이다.
제2 형태는 일반적으로 폐열 회수 시스템으로서, 구동 샤프트를 구비하는 구동 유닛; 상기 구동 샤프트에 동작 가능하게 결합된 압축기로서, 상기 구동 유닛의 동작은 상기 압축기를 구동하는, 상기 압축기; 및 상기 구동 유닛 및 상기 압축기에 결합된 폐열 회수 사이클부를 포함하고, 상기 구동 유닛의 폐열은 상기 폐열 회수 사이클부가 상기 압축기에 기계적 동력을 전달하도록 상기 폐열 회수 사이클부에 동력을 제공하는, 상기 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.
제3 양태는 일반적으로 폐열 회수 사이클부를 구동 유닛 및 압축기에 결합시키는 단계; 및 상기 폐열 회수 사이클부로부터 기계적 동력을 상기 압축기로 전달하는 단계를 포함하는 압축 시스템을 구동하거나 상기 압축 시스템에 동력을 공급하는 것을 보조하기 위해 폐열 회수를 사용하는 방법에 관한 것이다.
구성 및 동작의 전술한 특징 및 다른 특징은 첨부 도면과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 보다 용이하게 이해되고 충분히 파악될 수 있을 것이다.
실시예들 중 일부는 동일한 참조 부호가 동일한 부재를 나타내는 다음의 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 폐열 회수 시스템의 제1 실시예의 개략도;
도 2는 폐열 회수 시스템의 제2 실시예의 개략도; 및
도 3은 폐열 회수 시스템의 제3 실시예의 개략도.
개시된 장치 및 방법의 이후에 설명되는 실시예의 상세한 설명은 도면을 참조하여 예시적으로 비-제한적으로 본 명세서에 제시된다. 비록 특정 실시예들이 도시되고 상세히 설명되었지만, 첨부된 청구범위를 벗어나지 않고 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다. 본 발명의 범위는 구성 요소의 수, 그 재료, 그 형상, 그 상대적 배열 등으로 한정되는 것이 아니라, 단순히 본 발명의 실시예의 일례로서 개시된 것이다.
본 상세한 설명의 서문으로서, 본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 단수 형태의 요소 및 "상기" 요소는 문맥이 명확히 달리 지시하지 않는 한 복수의 요소를 포함하는 것으로 이해된다.
도면을 참조하면, 도 1은 폐열 회수 시스템(100)의 실시예를 도시한다. 폐열 회수 시스템(100)의 실시예는 압축기(30), 또는 오일 펌프, 냉각 팬(들), 냉각수 펌프, 밀봉 시스템 압축 등과 같은 트레인과 관련된 다른 보조 시스템을 구동하는데 사용되는 가스 터빈과 같은 구동 유닛(10)으로부터 예를 들어 배기 가스(11)와 같은 폐열을 사용하여 기계적 동력을 생산하는 폐루프 시스템에서 동작 유체를 가열할 수 있다. 본 발명의 실시예는 구동 유닛(10)의 폐열원과 관련하여 설명될 수 있지만, 폐열(11)은 구동 유닛(10)에 더하여 있을 수 있는, 사이클부의 일부인 하나 이상의 다른 열원으로부터 이용될 수도 있다. 폐열(11)은 결국 압축기(30)의 압축 공정에 직접 동력을 공급하거나, 압축기의 압축 공정에 동력을 공급하거나 압축기를 구동하거나, 및/또는 동작시키는 것을 보조하는데 사용될 수 있다. 폐열(11)을 이용하여 압축기(30) 또는 다른 구성 요소 또는 보조 시스템에 동력을 공급하는 것을 보조하면 전형적인 폐열 회수 시나리오의 많은 제한 요소를 제거할 수 있다. 또한, 폐열 회수 시스템(100)의 실시예는 동력을 직접 사용하여 구동 트레인 샤프트 동력을 보조할 수 있으며, 이에 의해 하나 이상의 기존 장치에 많은 장점을 제공할 수 있다. 이러한 장점으로는 발전기 및 모든 관련 개폐 장치 및 배선을 제거하는 것으로 인해 복잡성이 감소되고, 기계적 동력을 전기로 변환하는 것과 관련된 손실, 전송 손실, 및 전기를 다시 기계적 동력으로 변환할 때 발생하는 추가 손실 없이 동력을 직접 사용하는 것으로 인해 효율성 향상이 포함된다.
폐열 회수 시스템(100)의 예시적인 실시예에서, 구동 유닛(10) 또는 다른 열원으로부터 폐열(11)을 피니언 샤프트(47)를 통해 압축기(30)로 전달되는 기계적 동력으로 변환하는데 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle: ORC)이 사용될 수 있다. 폐열 회수 시스템(100)의 구현을 통해 압축기(30)로 전달되는 기계적 동력은 압축기(30)를 구동하거나 압축기에 동력을 공급하기 위해 구동 유닛(10)으로부터 직접 요구되는 동력을 감소시킬 수 있으며, 이에 의해 전체 시스템 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 폐열 회수 시스템(100)의 실시예는 구동 유닛(10)이 더 적은 연료/가스를 필요로 하게 하여 더 적은 배출물을 생산하게 할 수 있으며, 이는 모두 매우 바람직한 결과이다. 일부 실시예에서, 폐열 회수 시스템(100)을 사용하면 (폐열이 압축기에 의해 사용되는 전력으로 변환되지 않는 경우 필요한 크기에 비해) 더 작은 구동 유닛/가스 터빈을 사용할 수 있다.
예시적인 실시예는 유기 랭킨 사이클(ORC)을 사용할 수 있지만, 물(증기)과 같은 다른 동작 유체 또는 심지어 상이한 열역학 사이클이 사용될 수 있다. 또한, 폐열(11)로부터 유도된 동력이 압축기(30)의 동력을 보조하는데 사용될 수 있는 다수의 상이한 방식이 있다. 예를 들어, 동력은 압축기(30) 내의 구동 기어에 연결되는 피니언과 같은 피니언에 공급될 수 있으며, 이 피니언은 임펠러를 가질 수도 있고 가지지 않을 수도 있고, 또는 동력은 하나 이상의 압축기 단(compressor stage)에 직접 공급될 수 있다. 폐열 회수 시스템(100)의 예시적인 실시예는 도 1 내지 도 3을 참조하여 아래에 도시되고 기술된다.
계속해서 도 1을 참조하면, 폐열 회수 시스템(100)의 실시예는 구동 유닛(10), 폐열 회수 사이클부(50) 및 압축기(30)를 포함할 수 있다. 폐열 회수 시스템(100)의 실시예는, 구동 샤프트(12)를 구비하는 구동 유닛(10); 상기 구동 샤프트(12)에 동작 가능하게 결합된 압축기(30)로서, 상기 구동 유닛(10)의 동작이 압축기(30)를 구동하는, 상기 압축기(30); 및 상기 구동 유닛(10) 및 상기 압축기(30)에 결합된 폐열 회수 사이클부(50)를 포함할 수 있고, 상기 구동 유닛(10)의 폐열(11)은 폐열 회수 사이클부(50)가 기계적 동력을 압축기(30)로 전달하도록 폐열 회수 사이클부(50)에 동력을 공급한다. 예시적인 실시예에서, 폐열 회수 시스템(100)은 터빈, 엔진, 피스톤, 구동기, 구동 유닛으로부터 폐열 또는 배기 열(예를 들어, 배기 가스)을 샤프트 동력으로 변환, 이용, 활용, 사용, 이용 등을 할 수 있다. 예를 들어, 더운 및/또는 고온의 배기 가스와 같은 폐열은 회수되어 포획되는 등이 될 수 있고, 압축기 유닛에 샤프트 동력을 더하는데 사용될 수 있다.
폐열 회수 시스템(100)의 실시예는 구동 유닛(10)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 구동 유닛(10)은 가스 터빈, 가스 엔진, 피스톤, 구동기 등, 또는 일을 수행하고 열을 방출하도록 구성된 임의의 장치일 수 있다. 구동 유닛(10)의 실시예는 구동 샤프트(12)를 포함할 수 있다. 구동 샤프트(12)는 구동 유닛(10)에 의해 구동될 수 있다. 구동 유닛(10), 또는 가스 터빈과 같은 구동원(driving source)의 실시예는 구동 샤프트(12) 또는 기계의 다른 샤프트 또는 전기자를 구동하거나 회전시키거나 달리 이에 토크를 전달할 수 있다. 구동 샤프트(12)가 구동 유닛(10)에 의해 작용될 때, 구동 유닛(10)은 압축기(30)와 인터페이싱하며 하나 이상의 압축기 단을 작동/동작시킬 수 있다. 압축기(30)가 일체형 기어식 압축기인 일 실시예에서, 구동 유닛(10)은 제1 피니언(41), 제2 피니언(42) 및 제3 피니언(42)과 같은 복수의 피니언과 결합하거나 또는 달리 기계적으로 맞물리는 압축기(30)의 구동 기어(35)와 협력할 수 있다. 따라서, 구동 유닛(10)에 의해 회전되는 구동 샤프트(12) 및 구동 기어(35)의 회전에 따라 복수의 피니언(41, 42, 43)이 회전된다.
구동 유닛(10)이 구동 샤프트(12)를 회전시키도록 동작한 결과, 폐열(11)과 같은 고온의 배기 가스가 구동 유닛(10)에 의해 방출된다. 구동 유닛(10)의 폐열(11)은 폐열 회수 사이클부(50)에 의해 수용될 수 있다. 예를 들어, 폐열(11)은 폐열 회수 사이클부(50)에 의해 수용, 수집, 취득, 획득, 회수될 수 있고, 또는 달리 폐열 회수 사이클부(50)에 도입될 수 있다. 즉, 폐열 회수 사이클부(50)는 가스 터빈과 같은 구동 유닛(10)으로부터 고온 폐열 배기(11)에 의해 동력을 받을 수 있다. 폐열 회수 사이클부(50)의 실시예는 구동 유닛(10)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 폐열 회수 사이클부(50)는 구동 유닛(10)과 유체 연통될 수 있다. 다른 실시예에서, 폐열 회수 사이클부(50)는 하나 이상의 파이프, 라인, 파이프라인, 덕트, 튜브, 또는 제1 구성 요소로부터 제2 구성 요소로 유체를 전달하기 위한 다른 수단에 의해 구동 유닛(10)에 연결될 수 있다. 폐열(11)은 구동 유닛(10)으로부터 하나 이상의 파이프를 통해 폐열 회수 사이클부(50)로 이동될 수 있다. 폐열 회수 사이클부(50)의 실시예는 열을 일로 변환할 수 있는 유기 랭킨 사이클부 또는 다른 열역학 사이클부일 수 있다. 유기 랭킨 사이클부는 동작 유체를 포함할 수 있으며, 상기 동작 유체는 유기 랭킨 사이클부와 관련된 다양한 알려진 동작 유체일 수 있다. 다른 열역학적 사이클부에서는 동작 유체는 물(증기)일 수 있다. 사이클부(50)는 폐루프 사이클부일 수 있으며, 구동 유닛(10)의 폐열(11)은 폐루프의 외부에서 공급된다. 추가 실시예에서, 폐열(11)은 예를 들어 열 오일 루프를 이용하여 추가적인 전달 매체를 통해 폐열 회수 루프(50)(예를 들어, 증발기(51))로 간접적으로 전달될 수 있다.
폐열 회수 사이클부(50)의 실시예는 증발기(51), 팽창 기구(expansion mechanism)(55), 응축기(54) 및 펌프(52)를 포함할 수 있다. 사이클부(50)의 구성 요소는 폐쇄 루프로 서로 동작 가능하게 연결될 수 있다. 증발기(51)의 실시예는 폐루프 사이클부(50)를 통해 흐르는 고압 액체와 같은 동작 유체를 증발시키도록 구성된 열 교환기일 수 있다. 예를 들어, 구동 유닛(10)으로부터 고온 배기 가스는 증발기(51)를 통해 흐르며 사이클부(50)의 동작 유체를 증발시킬 수 있다. 증발기(51)를 통해 흐르는 폐열(11)의 동작에 의해 사이클부(50)의 동작 유체는 기체 형태/기상으로 증발될 수 있으며, 가스는 팽창 기구(55)로 보내져서, 팽창 기구(55)와 압축기(30) 사이의 결합을 통해 압축기(30)로 전달될 수 있는 동력을 생성하고, 이러한 결합은 도 1의 피니언 샤프트(47)로 도시된 샤프트, 회전 샤프트, 피니언 샤프트 등일 수 있다. 팽창 기구(55)의 실시예는 증발된 동작 유체를 팽창 기구(55)로 전달하거나 달리 보내도록 하나 이상의 라인, 파이프 등을 통해 증발기(51)에 동작 가능하게 연결될 수 있다.
팽창 기구(55)의 실시예는 증발기(51)로부터의 고압 가스로부터 에너지를 제거하거나 달리 활용하여 기계적 동력을 생성하도록 구성된 팽창 장치(expansion device), 팽창기(expander), 터보 팽창기 등일 수 있다. 구체적으로, 팽창 기구(55)의 실시예는 팽창 터빈, 스크류, 톱니(tooth), 스크롤 등일 수 있다. 더욱이, 팽창 기구(55)의 실시예는 압축기(30)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 팽창 기구(55)는 피니언 샤프트(47)를 통해 압축기(30)에 기계적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 팽창 기구(55)는 피니언 샤프트(47)의 일 단부에 기계적으로 결합될 수 있다. 피니언 샤프트(47)의 대향 단부는 압축기(30)에 동작 가능하게 기계적으로 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 피니언 샤프트(47)의 대향 단부는 압축기(30)의 제2 압축기 단(32)과 관련된 제2 피니언(42)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 팽창 기구(55)는 팽창 기구(55)를 위한 이상적인 속도에 가장 가깝게 동작하는 피니언에 연결되거나 달리 장착될 수 있으며, 이러한 피니언에는 압축기 단이 장착되지 않는다. 따라서, 증발기(51)로부터 가스를 수용하는 것을 통해 팽창 기구(55)의 실시예는 구동 유닛(10)에 의해 공급되는 구동/동력에 더하여 있을 수 있는 압축기(30)를 동작시키거나 압축기에 동력을 공급하는 것을 보조하기 위해 피니언 샤프트(47)를 선회, 회전시키거나 또는 달리 피니언 샤프트에 작용할 수 있다.
압축기(30)의 실시예는 일체형 기어식 압축기, 피스톤 압축기, 배럴 압축기, 휴대용 압축기 등일 수 있다. 압축기(30)는 다양한 가스 압축 용도로 사용될 수 있다. 압축기(30)의 실시예는 하나 이상의 원심 압축기 단(31, 32, 33)을 갖는 원심 압축기일 수 있다. 일부 실시예에서, 일체형 압축기 단(31, 32, 33)은 단일 기어 박스 또는 하우징 내에 배열될 수 있다. 시스템 요구 사항은 압축기(30)의 구성 및/또는 압축 단의 수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 압축기(30)의 실시예는 다단 압축기일 수 있으며, 여기서 시스템 요구 사항은 원심 압축 단의 수를 규정할 수 있다. 더욱이, 압축기(30)는 기어 시스템을 포함할 수 있다. 기어 시스템의 실시예는 단일 하우징 내에 통합되거나 배열될 수 있다. 하우징은 압축기(30)의 기어 시스템의 구성 요소를 수납하고, 수용하고, 지지하고, 격납(accommodate)하는 기어 박스일 수 있다. 압축기(30)의 기어 시스템의 실시예는 구동 유닛(10)에 의해 구동되는 구동 샤프트(12), 구동 기어(35), 제1 피니언 샤프트(44), 제1 피니언(41), 제2 피니언 샤프트(46), 제2 피니언(42), 제3 피니언 샤프트(45) 및 제3 피니언(43)을 포함한다. 기어식 압축기의 일 실시예에서, 3개의 피니언은 구동 기어(또는 불(bull) 기어)와 결합되고, 하나의 피니언은 구동 기어의 각 측에 있고 하나의 피니언은 구동 기어의 상단에 있다. 나아가, 아이들러(idler) 기어가 구동 기어와 압축기 사이에 배치될 수 있다.
압축기(30)의 기어 시스템의 실시예는 구동 샤프트(12) 및 구동 기어(35)를 포함할 수 있다. 구동 기어(35)는 구동 샤프트(12)에 동작 가능하게 장착될 수 있다. 예를 들어, 구동 기어(35)는 구동 샤프트(12)에 체결될 수 있고, 구동 샤프트(12)의 회전은 구동 기어(35)의 회전을 야기한다. 다른 실시예에서, 구동 기어(35)는 구동 샤프트(12)와 구조적으로 일체형일 수 있다. 구동 샤프트(12)는 구동 기어(35)의 중심 축을 따라 구동 기어(35)의 전방 면으로부터 돌출될 수 있고, 또한 구동 기어(35)의 중심 축을 따라 구동 기어(35)의 후방 면으로부터 돌출될 수 있다. 구동 기어(35)의 실시예는 구동 기어(35)의 외주 표면을 따라 톱니를 포함할 수 있다. 구동 기어(35)의 기어 톱니는 다양한 간격, 두께, 피치, 크기 등을 가질 수 있다. 유사하게, 구동 기어(35)의 크기는 기어 시스템의 상이한 원하는 속도, 비율, 토크 전달 등을 달성하도록 변할 수 있다. 구동 기어(35)의 실시예는 압축기(30)의 하우징 내에 배치될 수 있다. 구동 기어(35)의 작동은 피니언(41, 42, 43)의 회전을 초래할 수 있고, 그 결과 피니언 샤프트(44, 45, 46)에 동작 가능하게 부착될 수 있는 임펠러를 회전시킬 수 있다.
나아가, 압축기 단(31, 32, 33)은 피니언 샤프트(44, 45, 46)의 각 단부에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 압축기 단(31, 32, 33)의 실시예는 피스톤 샤프트(44, 45, 46)의 단부에 직접 장착될 수 있는 원심 압축기의 임펠러일 수 있고, 가스는 압축기(30)에 의해 압축되기 위해 유입된다. 예시적인 실시예에서, 제1 피니언 샤프트(44)의 단부에 배치된 원심 압축기는 제1 압축 단(31)일 수 있고, 제2 피니언 샤프트(46)의 단부에 배치된 원심 압축기는 제2 압축 단(32)일 수 있고, 제3 피니언 샤프트(45)의 단부에 배치된 원심 압축기는 제3 압축 단(33)일 수 있다. 그러나, 추가적인 실시예에서, 추가적인 압축 단들이 피니언 샤프트(44, 45, 46)의 다른 단부에 배치될 수 있다.
여전히 도 1을 참조하면, 팽창 기구(55)의 실시예는 압축기(30)의 구동/동력 공급을 보조하기 위해 피니언 샤프트(47)와 같은 압축기(30)의 구성 요소와 협력할 수 있다. 팽창 기구(55)의 동작은 폐열 회수 사이클부(50)의 응축기(54)로 보내지는 배기 가스를 생산할 수 있다. 예를 들어, 팽창 기구(55)를 떠나는 가스는 하나 이상의 라인 또는 파이프를 통해 팽창 기구(55)로부터 응축기(54)로 이동할 수 있으며, 여기서 가스는 응축기(54)에 의해 응축된다. 응축기(54)의 실시예는 배기 가스를 액체 형태로 응축하도록 구성될 수 있다. 가스는 주위 공기의 결과로서 또는 냉각수에 의해, 또는 이 기술 분야에 알려진 다른 수단에 의해 액체 형태로 응축될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 응축기(54)는 폐열 회수 사이클부(50)의 동작 유체로서 사용되거나 및/또는 이 동작 유체와 결합될 수 있는 액체로 가스를 응축시킬 수 있다. 응축기(54)의 결과로서 액체의 압력은 하나 이상의 펌프(52)에 의해 증가될 수 있다. 펌프(52)의 실시예는 응축기(54)와 증발기(51) 사이의 사이클부(50) 내에서 응축된 액체의 압력을 증가시킬 뿐만 아니라 액체가 증발기(51)로 다시 흐르도록 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 하나의 예시적인 실시예에서, 폐열 회수 시스템(100)의 실시예는 제1 압축기 단(31), 제2 압축기 단(32) 및 제3 압축기 단(33)을 포함하는 일체식 기어식 원심 압축기(30)를 포함한다. 압축기 단(31, 32, 33) 각각은 중심 구동 기어(35)와 결합하는 각각의 피니언(41, 42, 43)에 장착될 수 있다. 팽창 기구(55)의 실시예는 제2 피니언(42)과 관련된 피니언 샤프트(47)와 같은 피니언 샤프트의 단부에 장착될 수 있다. 도 1은 제2 피니언(42)과 관련된 샤프트에 장착된 팽창 기구(55)를 도시하지만, 팽창 기구(55)는 압축기 단과 관련되지 않은 피니언에 장착될 수 있는 자유 단부(예를 들어, 압축기 단이 없음)를 가질 수 있는 피니언(41, 42, 43) 중 임의의 피니언(또는 그 피니언 샤프트)에 장착될 수 있다. 추가 실시예에서, 일부 열 회수 상황은 이용 가능한 폐열 및 시스템 조건에서 사용되는 사이클부와 가장 잘 맞도록 하기 위해 다수의 팽창 단을 요구할 수 있으며, 이들 단은 하나 이상의 피니언 상에 장착될 수 있다. 마찬가지로, 압축기 단(31, 32, 33)은 각각의 피니언 샤프트(44, 45, 46)의 일 단부에만 장착되지만, 압축기 단은 각각의 단부에 장착될 수 있고 및/또는 팽창기 단은 각각의 단부에 장착될 수 있고 및/또는 팽창기 단은 다른 단부 상에 압축기 단이 없이 일 단부에 장착될 수 있다. 피니언의 수는 단 한 개로부터 기어로 장착할 수 있는 만큼 많은 개수까지 응용에 따라 변할 수 있다.
압축기(30)는 아이들러 기어(36)와 같은 아이들러 기어를 더 포함할 수 있다. 이러한 아이들러 기어는 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 피니언 사이에 배치될 수 있거나, 또는 구동 기어와 하나 이상의 피니언 사이에 있을 수 있는데, 즉 아이들러 기어는 다수의 피니언을 구동할 수 있다. 임의의 위치에 배치된 임의의 개수의 아이들러 기어를 추가하는 것은 본 발명의 범위 내에 있다. 구동 기어는 모든 피니언을 직접 구동할 수 있거나, 또는 하나 이상의 아이들러 기어 또는 이들 아이들러 기어의 임의의 조합을 구동할 수 있다.
계속해서 도면을 참조하면, 도 2는 폐열 회수 시스템(200)의 일 실시예를 도시한다. 폐열 회수 시스템(200)의 실시예는 전술한 폐열 회수 시스템(100)과 동일하거나 실질적으로 동일한 구조 및/또는 기능을 공유할 수 있다. 예를 들어, 폐열 회수 시스템(200)의 실시예는 구동 유닛, 압축기 및 폐열 회수 사이클부를 포함할 수 있다. 폐열 회수 사이클부(250)의 실시예는 도 1과 관련하여 기술된 폐열 회수 사이클부(50)와 동일하거나 실질적으로 동일한 방식으로 동작할 수 있다. 그러나 폐열 회수 시스템(200)의 실시예는 일체형 기어식 압축기(30)의 하우징 외부에 위치된 압축기(30)의 샤프트(247)에 장착된 팽창 기구(255)를 포함할 수 있다.
도 2는 4개의 압축기 단(31, 32, 33, 234)을 갖는 일체형 기어식 원심 압축기(230)를 갖는 폐열 회수 시스템(200)의 일 실시예를 도시하고, 여기서 제1 압축 단(31), 제2 압축 단(32) 및 제3 압축 단(33)은 기어(35)와 같은 중심 구동 기어와 결합되는 피니언 상에 장착될 수 있다. 제4 압축기 단(234)의 실시예는 샤프트(247)의 단부 상에 장착된 팽창 기구(255)를 포함할 수 있는 샤프트(247) 상에 장착될 수 있다. 샤프트(247)는 컴팬더(compander)라고 지칭될 수 있는 배열로 압축기(230)의 기어 박스로부터 분리될 수 있다. 컴팬더를 사용하면 폐열 회수 시스템(200)이 공정한 표준 설계 방식으로 편리하게 이용될 수 있다. 컴팬더가 폐열 회수를 위해 사용되는 유사한 실시예에서, 팽창 기구(255)는 터빈을 위한 이상적인 속도에 가장 가깝게 동작하는 압축기 단에 연결될 수 있다. 따라서, 임의의 압축기 단이 폐열 회수 터빈에 의해 구동될 수 있고; 터빈이 마지막 압축 단을 구동할 필요가 없다. 추가 실시예에서, 일부 열 회수 상황은 이용 가능한 폐열 및 시스템 조건에서 사용되는 사이클부와 가장 잘 맞도록 하기 위해 다수의 팽창 단을 요구하여, 다수의 컴팬더가 사용되거나 또는 이들 단이 압축기(230)의 하나 이상의 피니언에 장착될 수 있다. 마찬가지로, 압축기 단(31, 32, 33, 234)은 각각의 피니언 샤프트(44, 45, 46, 247)의 일 단부에만 장착되지만, 압축기 단은 각각의 단부에 장착될 수 있고 그리고/또는 팽창기 단은 각각의 단부에 장착될 수 있고 및/또는 팽창기 단은 다른 단부에 압축기 단이 없이 일 단부에 장착될 수 있다. 또한, 팽창 기구(255) 및 압축기(234)와 함께 샤프트(247)는 구동 기어(35) 또는 아이들러 기어(36)와 연결됨이 없이 압축기(230)의 기어 박스에 장착될 수 있다.
따라서, 폐열 회수 시스템(200)의 실시예는 구동 유닛(10)으로부터 폐열(11)을 이용하여 압축기(230)에 동력을 공급하는 것을 보조할 수 있다. 폐열(11)은 증발기(51)에 의해 폐열 회수 사이클부(250)에 의해 수용될 수 있다. 증발기(51)는 폐열(11)을 이용하여 사이클부(250)의 동작 유체를 증발시킬 수 있고, 동작 유체는 팽창 기구(255)에 전달될 수 있다. 팽창 기구(255)의 실시예는 다수의 압축 단을 포함할 수 있는 압축기(230)의 기어 박스의 외부에 위치될 수 있는 샤프트(247)의 단부에 동작 가능하게 위치될 수 있다. 팽창 기구(255)의 동작은 압축 공정의 일부이지만 구동 유닛(10)과 독립적인 압축 단에 작용할 수 있다.
다시 도면을 참조하면, 도 3은 폐열 회수 시스템(300)의 일 실시예를 도시한다. 폐열 회수 시스템(300)의 실시예는 전술한 폐열 회수 시스템(100, 200)과 동일하거나 실질적으로 동일한 구조 및/또는 기능을 공유할 수 있다. 예를 들어, 폐열 회수 시스템(200)의 실시예는 구동 유닛, 압축기 및 폐열 회수 사이클부를 포함할 수 있다. 폐열 회수 사이클부(350)의 실시예는 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 폐열 회수 사이클부(50, 250)와 동일하거나 실질적으로 동일한 방식으로 동작할 수 있다. 그러나, 폐열 회수 시스템(300)의 실시예는 구동 유닛(10)에 연결된 샤프트의 일 단부에 장착된 팽창 기구(355)와 함께 구동 유닛(10)에 동작 가능하게 결합된 배럴 압축기(330)를 포함할 수 있다.
도 3은 다수의 압축기 단(331, 332, 333)을 갖는 배럴형 원심 압축기(330)를 갖는 폐열 회수 시스템(300)의 실시예를 도시한다. 팽창 기구(355)는 압축기 샤프트(322)의 일 단부에 장착될 수 있다. 예를 들어, 압축기 샤프트(322)의 일 단부는 구동 유닛(10)에 동작 가능하게 결합될 수도 있는 구동 샤프트(312)에 동작 가능하게 결합될 수 있는 반면, 압축기 샤프트(322)의 대향 단부는 팽창 기구(355)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 팽창 기구(355)는 구동 유닛(10)에 직접 결합될 수 있다. 더 다른 실시예에서, 추가적인 팽창기 단은 배럴 압축기(330)에 통합될 수 있다. 더욱이, 압축기(330)의 실시예는 왕복 회전 스크류, 회전 베인, 롤링 피스톤, 스크롤, 원심 분리, 혼합 흐름 또는 축방향 압축기를 포함하지만 이에 국한되지는 않는 임의의 유형의 샤프트 구동식 포지티브 또는 동적 압축기일 수 있다. 일부 열 회수 상황에서는 이용 가능한 폐열 및 시스템 조건에서 사용된 사이클부와 가장 잘 맞도록 하기 위해 다수의 팽창 단이 필요할 수 있다.
따라서, 폐열 회수 시스템(300)의 실시예는 구동 유닛(10)으로부터 폐열(11)을 이용하여 압축기(330)에 동력을 공급하는 것을 보조할 수 있다. 폐열(11)은 증발기(51)에 의해 폐열 회수 사이클부(350)에 의해 수용될 수 있다. 증발기(51)는 폐열(11)을 이용하여 사이클부(350)의 동작 유체를 증발시킬 수 있고, 동작 유체는 팽창 기구(355)로 전달될 수 있다. 팽창 기구(355)의 실시예는 압축기(330)의 압축기 샤프트(322)의 일 단부에 동작 가능하게 위치될 수 있다. 팽창 기구(355)의 동작은 압축기(330)에 동력을 제공하기 위해 구동 샤프트(312)를 회전시킬 때 구동 유닛(10)을 보조할 수 있는 구동 샤프트(312)에 작용할 수 있다.
폐열 회수 시스템(100, 200, 300) 각각은 예를 들어 유기 랭킨 사이클부와 같은 폐열 회수 사이클부(50, 250, 350)에서 동력원으로서 가스 터빈과 같은 구동 유닛(10)으로부터 폐열을 활용하거나 달리 사용할 수 있다. 폐열 회수 사이클부(50, 250, 350)의 실시예는 팽창 기구(55, 255, 355)를 포함할 수 있으며, 팽창 기구(55, 255, 355)로부터 생산된 기계적 동력과 같은 동력은 압축기 단(234) 또는 압축기(30, 230, 330)를 구동하거나 압축기 단 또는 압축기에 동력을 공급하는 것을 보조하기 위해 압축기 단(234) 또는 압축기(30, 230, 330)로 전달되거나 운반될 수 있다. 따라서, 압축기(30, 230, 330)는 단일 구동 유닛(10)에 의해 요구되는 일 또는 부하를 감소시킬 수 있는 하나 이상의 위치에서 및/또는 2개의 구동원에 의해 구동될 수 있다. 팽창 기구(55, 255, 355)로부터 동력을 전달/운반하는 것은, 직접 이루어질 수 있거나, 또는 다양한 유형의 가스 압축 응용 및 다수의 유형의 압축기를 수용하도록 하나 이상의 기어를 수반할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 폐열 회수를 사용하여 압축 시스템을 구동/전력 공급하는 것을 보조하는 방법은 폐열 회수 사이클부(50, 250, 350)를 구동 유닛(10) 및 압축기(30, 230)에 포함시키거나 결합시키는 단계; 및 상기 폐열 회수 사이클부(50, 250, 350)로부터 상기 압축기로 기계적 동력을 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 전술한 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 많은 대안, 수정 및 변형이 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다는 것은 명백하다. 따라서, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시하는 것이다. 다음의 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 본 발명의 청구범위는 본 발명의 범위를 제공하며, 이는 본 명세서에 제공된 특정 예로 한정되지 않아야 한다.

Claims (20)

  1. 폐열 회수 시스템으로서,
    구동 샤프트를 갖는 구동 유닛;
    상기 구동 샤프트에 동작 가능하게 결합된 압축기로서, 상기 구동 유닛의 동작은 상기 압축기를 구동하는, 상기 압축기; 및
    상기 구동 유닛 및 상기 압축기에 결합된 폐열 회수 사이클부를 포함하되;
    열원의 폐열은 상기 폐열 회수 사이클부가 기계적 동력을 상기 압축기로 전달하도록 상기 폐열 회수 사이클부에 동력을 공급하는, 폐열 회수 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폐열 회수 사이클부는 팽창 기구를 포함하는, 폐열 회수 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 팽창 기구는 상기 압축기의 회전 샤프트에 동작 가능하게 결합되는, 폐열 회수 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 팽창 기구는 상기 압축기의 다른 압축기 단에 기계적으로 연결되지 않은 압축기 단을 구동하는 샤프트에 동작 가능하게 결합되는, 폐열 회수 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 팽창 기구는 상기 구동 유닛의 상기 구동 샤프트의 대향 단부에 동작 가능하게 결합되는, 폐열 회수 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 구동 유닛은 가스 터빈인, 폐열 회수 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 압축기는 다수의 압축 단을 갖는 일체형 기어식 압축기인, 폐열 회수 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 압축기는 다수의 압축 단을 갖는 배럴 압축기인, 폐열 회수 시스템.
  9. 압축 시스템을 구동하거나 압축 시스템에 동력을 공급하는 것을 보조하기 위해 폐열 회수를 사용하는 방법으로서,
    구동 유닛 및 압축기에 폐열 회수 사이클부를 결합시키는 단계; 및
    상기 폐열 회수 사이클부로부터 기계식 동력을 상기 압축기로 전달하는 단계를 포함하는, 폐열 회수를 사용하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 폐열 회수 사이클부는 팽창 기구를 포함하는, 폐열 회수를 사용하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 팽창 기구는 상기 압축기의 회전 샤프트에 동작 가능하게 결합되는, 폐열 회수를 사용하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 팽창 기구는 상기 압축기의 다른 압축기 단에 기계적으로 연결되지 않은 압축기 단의 샤프트에 동작 가능하게 결합되는, 폐열 회수를 사용하는 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 팽창 기구는 상기 구동 유닛의 구동 샤프트의 대향 단부에 동작 가능하게 결합되는, 폐열 회수를 사용하는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 구동 유닛은 가스 터빈인, 폐열 회수를 사용하는 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 압축기는 다수의 압축 단을 갖는 일체형 기어식 압축기인, 폐열 회수를 사용하는 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 압축기는 다수의 압축 단을 갖는 배럴 압축기인, 폐열 회수를 사용하는 방법.
  17. 시스템을 구동하거나 시스템에 동력을 공급하는 것을 보조하기 위해 폐열 회수를 사용하는 방법으로서,
    폐열 회수 사이클부를 사용하여 열원으로부터 폐열을 포획하는 단계; 및
    상기 폐열 회수 사이클부로부터 기계적 동력을 상기 시스템의 구성 요소로 전달하는 단계를 포함하는, 폐열 회수를 사용하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 시스템의 구성 요소는 압축기 및 보조 시스템의 구성 요소 중 적어도 하나를 포함하는, 폐열 회수를 사용하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 구성 요소는 상기 기계적 동력을 사용하여 다른 구성 요소에 토크를 전달하는 기계적 샤프트인, 폐열 회수를 사용하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 기계적 샤프트는 일체형 기어식 압축기의 압축 단에 부착되는, 폐열 회수를 사용하는 방법.
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