KR20210019557A

KR20210019557A - 열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20210019557A
Application number: KR1020217001467A
Authority: KR
Inventors: 플라디미르 다노프
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2021-02-22
Also published as: US20210270151A1; KR102415831B1; EP3584414A1; JP2021528591A; WO2019242948A1; JP7094399B2; EP3775503B1; US11352909B2; DK3775503T3; EP3775503A1

Abstract

본 발명은, 작동 유체에 의하여 난방, 냉방 및/또는 전기 에너지를 제공하기 위한 디바이스(device)(1)에 관한 것으로, 디바이스(1)는, 작동 유체를 압축하기 위한 제1 압축기(11) 및 제2 압축기(12), 작동 유체를 팽창시키기 위한 제1 팽창기(21) 및 제2 팽창기(22), 및 제1 축열기(41) 및 제2 축열기(42)를 포함하고, 제1 압축기(11)의 출구가 제1 축열기(41)의 제1 입구(411) 및 제2 축열기(42)의 제2 입구(422)에 열적 커플링되고; 제2 압축기(12)의 출구가 제2 축열기(42)의 제1 입구(421) 및 제1 축열기(41)의 제2 입구(412)에 열적 커플링되고, 제1 팽창기(21)의 입구가 제1 축열기(41)의 제1 출구(413) 및 제2 축열기(41)의 제2 출구(424)에 열적 커플링되며, 그리고 제2 팽창기(22)의 입구가 제2 축열기(42)의 제1 출구(423) 및 제1 축열기(41)의 제2 출구(414)에 열적 커플링되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한, 적어도 하나의 냉방 및 적어도 하나의 난방을 제공하기 위한 이 유형의 디바이스(1)를 동작시키기 위한 개개의 방법에 관한 것이다.

Description

열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치 및 방법

본 발명은 열, 냉각(cold) 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 장치를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.

이산화탄소 배출들을 감소시키기 위해, 상이한 형태들의 에너지(energy)를 생성하고 그리고/또는 이러한 상이한 형태들의 에너지를 서로(전력으로부터 냉각으로, 전력으로부터 열로, 열로부터 전력으로 등) 변환하는, 유연하고 효율적인 변환 유닛(conversion unit)들을 사용하는 것이 중요하다.

소비자, 예컨대, 건물에 전력(전류), 열 및/또는 냉각을 제공하는 많은 수의 장치들(변환 유닛들)이 선행 기술로부터 알려져 있다. 언급된 형태들의 에너지를 제공하기 위해, 선행 기술은, 병렬로 동작되거나 또는 병렬로 연결되는 다수의 장치들을 수반한다. 예로서, 쇼핑 센터(shopping center)들은 전력, 열 및 냉각을 동시에 필요로 한다. 이들 형태들의 에너지가 동시에 제공되도록, 전기 전류가 전기 그리드(grid)로부터 인출될 수 있고, 열이 가스 보일러(gas boiler)에 의하여 생성될 수 있으며, 냉각이 냉동기(refrigeration machine)에 의하여 제공될 수 있다.

또한, 유리한 조합들, 예컨대, 열병합 발전소(combined heat and power plant)들(줄여서, CHP 플랜트(plant)들)이 알려져 있다. 이들은 전력 및 열을 동시에 생성하는 가스 엔진(engine)을 수반한다. 또한, 냉각을 제공하기 위한 흡수 냉동계(absorption refrigeration system)를 동작시키기 위해 지역난방(district heating)이 사용될 수 있다.

본 발명은, 특히 동시에 열 및 냉각의 제공, 및/또는 전력의 제공이 효율적으로 가능해지게 하는 장치 및 방법을 제공하는 목적에 기반한다.

이 목적은, 독립 특허 청구항 제1 항의 특징들을 갖는 장치에 의해, 독립 특허 청구항 제12 항의 특징들을 갖는 방법에 의해, 그리고 독립 특허 청구항 제14 항의 특징들을 갖는 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 구성들 및 발전들은 종속 특허 청구항들에서 특정된다.

열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 본 발명에 따른 장치는 적어도:

- 작동 유체를 압축하기 위한 제1 압축기 및 제2 압축기;

- 작동 유체를 팽창시키기 위한 제1 팽창기 및 제2 팽창기; 및

- 제1 열 저장부 및 제2 열 저장부를 포함한다.

본 발명에 따르면,

- 제1 압축기의 출력이 제1 열 저장부의 제1 입력 및 제2 열 저장부의 제2 입력에 열적 커플링되고(coupled);

- 제2 압축기의 출력이 제2 열 저장부의 제1 입력 및 제1 열 저장부의 제2 입력에 열적 커플링되고;

- 제1 팽창기의 입력이 제1 열 저장부의 제1 출력 및 제2 열 저장부의 제2 출력에 열적 커플링되며; 그리고

- 제2 팽창기의 입력이 제2 열 저장부의 제1 출력 및 제1 열 저장부의 제2 출력에 열적 커플링된다.

언급된 열적 커플링(thermal coupling)들의 적어도 일부, 특히 전부는, 특히, 작동 유체와 관련하여 유체 커플링에 의해 형성된다. 본 발명은 유리하게는, 동시에 또는 별개의 시간들에 열, 냉각 및/또는 전력(전류 또는 전기 전류)을 제공하거나 또는 생성하기 위해 사용될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 장치는 전력 시장에서 유연하게 동작될 수 있다. 다시 말해서, 본 발명에 따른 장치는 전력/열/냉각 커플링에 대한 상승적인 개념을 형성한다. 이 경우, 본 발명은, 줄 사이클(Joule cycle)(또는 브레이턴(Brayton) 사이클)의 원리를 복수의 열 저장부들과 상승적으로 결합한다.

이 예시에서, 본 발명에 따른 장치는 예컨대 열, 냉각 및 전력의 제공, 또는 예컨대 단지 열의 제공, 또는 예컨대 단지 냉각의 제공을 가능하게 한다. 예컨대, 열 및 냉각이 동시에 생성되거나 또는 제공되면, 본 발명에 따른 장치는 통상적으로, 85%를 초과하는 효율을 갖는데, 효율은 생성된 열 및 냉각 대 사용된 전력의 비(ratio)에 의해 정의된다.

본 발명에 따른 장치를 동작시키기 위한 본 발명에 따른 방법, 및/또는 적어도 냉각을 제공하기 위한 이 방법들의 구성들 중 하나의 구성은 적어도 다음의 단계들:

- 제1 압축기에 의하여 작동 유체를 압축하는 단계;

- 압축된 작동 유체 중 적어도 일부를 제1 열 저장부의 제1 입력에 의하여 제1 열 저장부로 도입하는 단계;

- 작동 유체로부터 제1 열 저장부로의 열 전달에 의해 쿨링된(cooled), 압축된 작동 유체 중 적어도 일부를, 제1 열 저장부의 제1 출력에 의하여 제1 팽창기의 입력으로 도입하는 단계; 및

- 제1 팽창기로 도입된 작동 유체를 제1 팽창기에 의하여 팽창시키는 단계를 포함한다.

특히 바람직하게는, 방법은 적어도, 다음의 추가적인 단계:

- 제1 압축기에 의하여 압축된 작동 유체 중 적어도 일부를 제2 열 저장부의 제2 입력에 의하여 제2 열 저장부로 도입하는 단계를 포함한다.

이 예시에서, 바람직하게는 작동 유체 전부가 제2 열 저장부로 도입될 수 있으며, 이 경우, 작동 유체는 제1 열 저장부로 도입되지 않는다.

다시 말해서, 전력이 먼저, 제1 압축기에 의하여 작동 유체를 압축하기 위해 사용된다. 작동 유체의 압축에 기반하여, 상기 작동 유체는 가열된다. 제1 열 저장부로의 압축된 작동 유체의 적어도 일부의 도입 결과로서, 상기 작동 유체는 이 작동 유체의 열의 적어도 일부를 제1 열 저장부에 전달한다. 다시 말해서, 압축에 의해 생성된 열의 적어도 일부는 제1 열 저장부에 의하여 저장되거나 또는 완충-저장된다(buffer-stored). 제1 열 저장부의 제1 출력에서 적어도 부분적으로 쿨링된 작동 유체의 적어도 일부는 후속하여, 제1 팽창기의 입력으로 라우팅되는데(routed), 상기 작동 유체는 제1 팽창기에 의하여 팽창되고 이에 따라 추가로 쿨링된다. 작동 유체의 쿨링(cooling)은 예컨대 제1 열 교환기를 통해 냉각이 제공될 수 있게 한다. 이 예시에서, 냉각을 제공하기 위해 생성된 열은 손실되는 것이 아니라, 추가적인 사용을 위해 제1 열 저장부에 의하여 저장된다. 더욱이, 전력이 제1 팽창기에 의하여 생성 및 제공된다. 또한, 충분한 냉각을 생성하는 것은 부가적으로, 열의 일부, 특히, 큰 비율(proportion)이 제거되고 제1 열 저장부에 의하여 저장되지 않을 것을 요구할 수 있다.

본 발명에 따른 장치를 동작시키기 위한 본 발명에 따른 방법, 및/또는 적어도 열을 제공하기 위한 이 방법들의 구성들 중 하나의 구성은 적어도 다음의 단계들:

- 제2 압축기에 의하여 작동 유체를 압축하는 단계;

- 압축된 작동 유체 중 적어도 일부를 제2 열 저장부의 제1 입력에 의하여 제2 열 저장부로 도입하는 단계;

- 제2 열 저장부로부터 작동 유체로의 열 전달에 의해 가열된, 압축된 작동 유체 중 적어도 일부를, 제2 열 저장부의 제1 출력에 의하여 제2 팽창기의 입력으로 도입하는 단계; 및

- 제2 팽창기로 도입된 작동 유체를 제2 팽창기에 의하여 팽창시키는 단계를 포함한다.

특히 바람직하게는, 방법은 적어도, 다음의 추가적인 단계:

- 제2 압축기에 의하여 압축된 작동 유체 중 적어도 일부를 제1 열 저장부의 제2 입력에 의하여 제1 열 저장부로 도입하는 단계를 포함한다.

이 예시에서, 바람직하게는 작동 유체 전부가 제1 열 저장부로 도입될 수 있으며, 이 경우, 작동 유체는 제2 열 저장부로 도입되지 않는다.

다시 말해서, 전력이 먼저, 제2 압축기에 의하여 작동 유체를 압축하기 위해 사용된다. 작동 유체의 압축의 결과로서, 상기 작동 유체는 가열된다. 이 열은 이미 사용되거나 또는 직접적으로 제공될 수 있고, 그 결과, 작동 유체는 쿨링될(cool) 것이다. 예컨대 이미 거의 완전히 로딩된(fully loaded) 상태의 제2 열 저장부로의 압축된 작동 유체의 적어도 일부의 도입 결과로서, 도입된 작동 유체는 다시 또는 계속 가열되거나 또는 과열된다. 그러므로, 제2 열 저장부가 거의 완전히 로딩될 때 열을 생성하는 것이 유리한데, 로딩(loading)은 제1 압축기에 의한 압축 동안 생성된 열에 의하여 영향을 받는다.

제2 압축기가 통상적으로, 제1 압축기가 작동 유체를 압축하는 것보다 더 작은 정도 또는 범위까지 작동 유체를 압축하기 때문에, 작동 유체는 가열된다. 다시 말해서, 제1 압축기에 의한 압축에 의하여 생성된 열은, 제2 압축기에 의하여 압축된 작동 유체를 가열하기 위해 사용된다. 제2 열 저장부의 제1 출력에서 가열된 작동 유체의 적어도 일부는 후속하여, 제2 팽창기의 입력으로 라우팅되고, 이는 과열된 작동 유체로부터 제2 팽창기에 의하여 전력이 생성되게 한다. 또한, 열은 제3 열 교환기를 통해 제공될 수 있다.

적어도 열 및 냉각을 동시에 생성하거나 또는 제공하기 위해 본 발명에 따른 방법을 사용하는 것이 특히 바람직하다.

본 발명에 따른 방법들의 유사한 그리고 동등한 장점들은, 본 발명에 따른 장치 및/또는 이 장치의 구성들 중 하나의 구성에 대해 발생한다.

본 발명의 하나의 유리한 구성에 따르면, 열적 커플링들 각각은 삼방 밸브(three-way valve)에 의하여 형성된다.

다시 말해서, 제1 압축기의 출력은 삼방 밸브를 통해 제1 열 저장부의 제1 입력 및 제2 열 저장부의 제2 입력에 열적 커플링, 특히, 유체 커플링된다. 또한, 제1 열 저장부의 제1 출력 및 제2 열 저장부의 제2 출력은 삼방 밸브를 통해 제1 팽창기의 입력에 열적 커플링, 특히, 유체 커플링된다. 또한, 제2 압축기의 출력은 삼방 밸브를 통해 제2 열 저장부의 제1 입력 및 제1 열 저장부의 제2 입력에 열적 커플링, 특히, 유체 커플링된다. 또한, 제2 열 저장부의 제1 출력 및 제1 열 저장부의 제2 출력은 삼방 밸브를 통해 제2 팽창기의 입력에 열적 커플링, 특히, 유체 커플링된다.

본 발명의 하나의 유리한 발전에서, 제1 열 저장부는 제1 단부 구역 및 제2 단부 구역을 갖고, 제1 열 저장부의 제1 입력 및 제1 열 저장부의 제2 출력은 제1 열 저장부의 제1 단부 구역 내에 배열되고, 제1 열 저장부의 제1 출력 및 제1 열 저장부의 제2 입력은 제1 열 저장부의 제2 단부 구역 내에 배열된다.

제1 열 저장부가 수평으로 배향되면, 제1 열 저장부의 제1 단부 구역과 제2 단부 구역은 서로 대향하게 수평으로 배열된다. 제1 열 저장부가 수직으로 배향되면, 제1 열 저장부의 제1 단부 구역과 제2 단부 구역은 서로 대향하게 수직으로 배열된다. 제1 열 저장부의 배향에 관계없이, 제1 열 저장부의 제1 단부 구역과 제2 단부 구역은 서로에 대해 온도차를 갖는다. 제1 열 저장부의 제1 단부 구역 및 제2 단부 구역은 통상적으로, 제1 단부 구역과 제2 단부 구역 사이에 배열된, 제1 열 저장부의 중간 구역을 갖고, 이 중간 구역은 제1 열 저장부의 2 개의 단부 구역들을 획정한다(delimit).

본 발명의 하나의 유리한 구성에 따르면, 제2 열 저장부는 제1 단부 구역 및 제2 단부 구역을 갖고, 제2 열 저장부의 제1 입력 및 제2 열 저장부의 제2 출력은 제2 열 저장부의 제2 단부 구역 내에 배열되고, 제2 열 저장부의 제1 출력 및 제2 열 저장부의 제2 입력은 제2 열 저장부의 제1 단부 구역 내에 배열된다.

제2 열 저장부가 수평으로 배향되면, 제2 열 저장부의 제1 단부 구역 및 제2 단부 구역은 서로 대향하게 수평으로 배열된다. 제2 열 저장부가 수직으로 배향되면, 제2 열 저장부의 제1 단부 구역과 제2 단부 구역은 서로 대향하게 수직으로 배열된다. 제2 열 저장부의 배향에 관계없이, 제2 열 저장부의 제1 단부 구역과 제2 단부 구역은 서로에 대해 온도차를 갖는다. 제2 열 저장부의 제1 단부 구역 및 제2 단부 구역은 통상적으로, 제1 단부 구역과 제2 단부 구역 사이에 배열된, 제2 열 저장부의 중간 구역을 갖고, 이 중간 구역은 제2 열 저장부의 2 개의 단부 구역들을 서로 획정한다.

본 발명의 하나의 유리한 구성에서, 열 저장부들의 제1 단부 구역들은 각각, 개개의 열 저장부와 연관된 제2 단부 구역들보다 더 높은 온도를 갖는다.

다시 말해서, 제1 열 교환기의 제1 단부 구역은 제1 열 교환기의 제2 단부 구역보다 더 따뜻하고, 제2 열 저장부의 제1 단부 구역은 마찬가지로 제2 열 저장부의 제2 단부 구역보다 더 따뜻하다.

본 발명의 하나의 유리한 구성에 따르면, 제1 압축기는 제2 압축기보다 더 큰 압축력(compression)을 갖는다.

그 결과, 작동 유체는 유리하게는, 제2 압축기에 의하여 가열되는 것보다 제1 압축기에 의하여 더 많이 가열된다. 이는 유리하게는, 작동 유체가 제1 압축기에 의하여 압축될 때 생성된 열이, 제2 열 저장부를 통해, 제2 압축기에 의하여 압축된 작동 유체를 가열하기 위해 사용될 수 있다는 것을 의미한다.

이 예시에서, 제1 압축기는 바람직하게는, 1 메가파스칼(megapascal) 내지 4 메가파스칼의 범위, 특히 바람직하게는 0.5 메가파스칼 내지 3 메가파스칼의 범위의 압축력을 갖고, 제2 압축기는 0.1 메가파스칼 내지 1 메가파스칼의 범위, 특히 바람직하게는 0.1 메가파스칼 내지 0.5 메가파스칼의 범위의 압축력을 갖는다.

본 발명의 하나의 유리한 구성에 따르면, 장치는 냉각을 제공하기 위한 제1 열 교환기를 포함하고, 제1 열 교환기는 제1 팽창기의 하류에 배열된다.

이는 유리하게는, 제1 팽창기에 의하여 생성된 냉각이 이 냉각의 소비를 위해 제공될 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 하나의 유리한 발전에서, 장치는 지역난방망(district heating network)의 적어도 하나의 부분 및 제2 열 교환기를 포함하고, 제2 열 교환기는 적어도, 지역난방망의 이러한 부분에 열적 커플링된다.

이 예시에서, 제2 열 교환기는 바람직하게는, 제2 압축기의 하류에 그리고 제2 열 저장부의 제1 입력의 상류에 배열된다.

이는 유리하게는, 작동 유체가 제2 압축기에 의하여 압축될 때 생성된 열이 제공, 제거 및/또는 사용될 수 있게 한다. 유리하게는, 제2 압축기에 의하여 압축된 작동 유체는 그 결과 쿨링된다(cool). 그 결과 쿨링된 작동 유체는 그런 다음, 제2 열 저장부의 제1 입력 및/또는 제1 열 저장부의 제2 입력으로 라우팅될 수 있다.

본 발명의 하나의 유리한 구성에 따르면, 장치는 열을 제공하기 위한 제3 열 교환기를 포함하고, 제3 열 교환기는 제2 팽창기의 하류에 배열된다.

이는 유리하게는 열을 제공한다.

본 발명의 추가적인 장점들, 특징들 및 세부사항들은, 도면을 참조하여 그리고 아래에서 설명되는 예시적인 실시예들로부터 나타날 것이며, 여기서, 단일 도면은 본 발명의 구성에 따른 장치의 설계의 개략적인 표현을 도시한다.
동일한 유형의, 동일한 값의 또는 동일한 효과를 갖는 요소들에는 도면에서 동일한 참조 부호들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 구성에 따른 장치(1)의 개략적인 묘사를 도시한다.

장치(1)는 작동 유체를 압축하도록 구성 및 제공되는 제1 압축기(11) 및 제2 압축기(12)를 포함한다. 이 예시에서, 제1 압축기(11)는 제2 압축기(12)보다 더 큰 압축력을 갖는다. 또한, 장치(1)는 작동 유체를 팽창시키도록 설계 및 제공되는 제1 팽창기(21) 및 제2 팽창기(22)를 갖는다. 장치(1)는 또한, 제1 열 저장부(41) 및 제2 열 저장부(42)를 포함한다. 더욱이, 장치(1)는 제1 열 교환기(51), 제2 열 교환기(52) 및 제3 열 교환기(53)를 갖는다.

제1 열 저장부(41) 및 제2 열 저장부(42)는 각각, 제1 단부 구역 및 제2 단부 구역을 갖는데, 개개의 제1 단부 구역은 통상적으로 개개의 제2 단부 구역보다 더 높은 온도를 갖는다. 다시 말해서, 제1 단부 구역은 개개의 열 저장부(41, 42)의 따뜻한 구역이고, 제2 단부 구역은 개개의 열 저장부(41, 42)의 냉각 구역이다. 그러므로, 개개의 열 저장부(41, 42) 내부의 온도 구배는 개개의 열 저장부(41, 42)의 제1 단부 구역(따뜻함)으로부터 개개의 열 저장부(41, 42)의 제2 단부 구역(냉각)으로 기운다(trend).

장치(1)의 동작을 설명하기 위해, 먼저 마음속으로, 상기 장치를 작동 유체의 흐름을 위한 제1 경로 및 제2 경로로 나누는 것이 편리하다.

제1 경로 내에서, 작동 유체는 제1 압축기(11)에 의하여, 예컨대 30 바아(bar)의 압력으로 압축되고, 그런 다음, 상기 작동 유체는, 공기가 작동 유체로서 사용될 때 대략 섭씨 540 도의 온도를 갖는다. 이는 킬로그램(kilogram)당 대략 540 킬로줄(kilojoule)의 전력을 필요로 한다. 제1 압축기(11)에 의하여 압축된 작동 유체는 제1 삼방 밸브(31)를 통해 제1 열 저장부(41)의 제1 입력(411)으로 또는 제2 열 저장부(42)의 제2 입력(422)으로 라우팅된다. 그러므로, 제1 삼방 밸브(31)는, 제1 압축기(11)에 의하여 압축된 작동 유체가 제1 열 저장부(41)의 제1 입력(411)으로 라우팅되는지 또는 제2 열 저장부(42)의 제2 입력(422)으로 라우팅되는지를 설정하기 위해 사용될 수 있다. 이 예시에서, 작동 유체의 일부 또는 전부의 질량 흐름은 상기 입력들(411, 422)에 대해 분할될 수 있다. 제1 경로 내에서, 작동 유체 전부는 제1 열 저장부(41)의 제1 입력(411)에 공급된다. 열 저장부(41) 내부에서, 또는 제1 열 저장부(41)에 열적 커플링될 때, 작동 유체는 작동 유체로부터 제1 열 저장부(41) 또는 제1 열 저장부(41)의 저장 매질로의 열 전달로 인해 쿨링된다. 그 결과 쿨링된 작동 유체는 제1 열 저장부(41)의 제1 출력(413)에 의하여 제2 삼방 밸브(32)를 통해 제1 팽창기(21)의 입력에 공급되어 팽창된다. 팽창은 작동 유체를 추가로 쿨링하는데, 작동 유체는 통상적으로, 대략 1 바아의 압력으로 팽창된다. 그러므로, 작동 유체는 섭씨 -50 도 내지 섭씨 -20 도 범위의 온도를 가질 수 있다. 다시 말해서, 이는 냉각을 생성한다. 냉각을 생성하기 위해 추가적인 열의 제거가 제공될 수 있다.

생성된 냉각은 후속하여, 제1 열 교환기(51)에 의하여 외부 냉각 소비자에 제공될 수 있다. 그러므로, 냉각은 설명된 제1 경로 내에서 제공되거나 또는 생성된다.

제2 경로 내에서, 작동 유체는 제2 압축기(12)에 의하여 압축된다. 이 예시에서, 제2 압축기(12)에 의한 압축은 제1 압축기(11)에 의한 압축보다 더 작다. 예로서, 작동 유체는 5 바아의 압력으로 압축되고, 이에 따라, 공기가 작동 유체일 때 대략 섭씨 200 도의 온도로 가열된다. 이는 킬로그램당 대략 175 킬로줄의 전력을 필요로 한다. 제2 압축기(12)에 의하여 압축되어 가열된 작동 유체는 제2 열 교환기(52)에 공급되고, 이는, 압축 동안 생성된 열이, 특히 지역난방망에 커플링되는 제2 열 교환기(52)에 의하여 제공가능하다는 것을 의미한다. 작동 유체는 후속하여, 제3 삼방 밸브(33)에 의하여 제2 열 저장부(42)의 제1 입력(421)으로 또는 제1 열 저장부의 제2 입력(412)으로 라우팅된다. 그러므로, 제3 삼방 밸브(33)는, 제2 압축기(12)에 의하여 압축된 작동 유체가 제2 열 저장부(42)의 제1 입력(421)으로 라우팅되는지 또는 제1 열 저장부(41)의 제2 입력(412)으로 라우팅되는지를 설정하기 위해 사용될 수 있다. 이 예시에서, 작동 유체의 일부 또는 전부의 질량 흐름은 상기 입력들(421, 412)에 대해 분할될 수 있다. 제1 경로 내에서, 작동 유체 전부는 제2 열 저장부(42)의 제1 입력(421)에 공급된다.

제2 열 저장부(42)는 바람직하게는, 이미 거의 완전히 로딩된 상태이다. 그 결과, 제2 열 저장부(42)로 도입되었고 제2 열 저장부의 저장 매질과 열 접촉하는 작동 유체가 가열되고, 가열된 작동 유체는 제2 열 저장부(42)의 제1 출력(423)을 통해 제2 팽창기(22)의 입력에 공급된다. 제2 열 저장부(42)의 제1 출력(423)에서, 작동 유체는 예컨대 대략 섭씨 540 도의 온도를 갖는다. 작동 유체는 제4 삼방 밸브(34)를 통해 제2 팽창기(22)의 입구로 라우팅되거나 또는 도입된다.

제2 팽창기(22)의 하류에서, 작동 유체는 통상적으로, 대략 1 바아의 압력 및 대략 섭씨 245 도의 온도를 갖는다. 이 열은 제3 열 교환기(53)에 의하여 제공될 수 있다. 예로서, 이 예시에서, 킬로그램당 100 킬로줄의 열이 생성 및 제공된다.

본 발명에 따르면, 제1 경로와 제2 경로는 제1 열 저장부(41) 및 제2 열 저장부(42)를 통해 서로 커플링된다. 이 예시에서, 열적 커플링은 삼방 밸브들(31, 32, 33, 34)에 의하여 생성된다. 다시 말해서, 제1 압축기(11)에 의하여 압축된 작동 유체는 제1 열 저장부(41)의 제1 입력(411)으로 또는 제2 열 저장부(42)의 제2 입력(422)으로 라우팅될 수 있다. 제2 압축기(12)에 의하여 압축된 작동 유체는 제3 삼방 밸브(33)에 의하여 제2 열 저장부(42)의 제1 입력(421)으로 또는 제1 열 저장부(41)의 제2 입력(412)으로 라우팅될 수 있다.

제1 팽창기(21)의 입력에는 제2 삼방 밸브(32)에 의하여 제1 열 저장부(41)의 제1 출력(413)으로부터 또는 제2 열 저장부(42)의 제2 출력(424)으로부터 작동 유체가 공급될 수 있다.

제2 팽창기(22)의 입력에는 제4 삼방 밸브(34)에 의하여 제2 열 저장부(42)의 제1 출력(423)으로부터 또는 제1 열 저장부(41)의 제2 출력(414)으로부터 작동 유체가 공급될 수 있다.

전체적인 결과는, 유리하고 상승적인 열적 커플링이며, 이 열적 커플링에 의하여, 열 및 냉각, 그리고 또한, 전력이 효율적으로 서로 별개로 또는 동시에 생성될 수 있다. 다시 말해서, 작동 유체가 압축기(11)에 의하여 그리고 제2 압축기(12)에 의하여 압축될 때 생성된 열은 손실되는 것이 아니라, 열을 생성하기 위해, 전력을 생성하기 위해 그리고/또는 냉각을 생성하기 위해 사용된다. 상승적으로 결합 및 커플링된 열 저장부들(41, 42)에 의하여, 상이한 형태들의 에너지의 디커플링(decoupling) 및 사용이 가능해진다.

예로서, 제1 열 저장부(41)가 이미 완전히 로딩된 상태라면, 제2 열 저장부(42)는 제1 압축기(11)에 의한 생성 동안 생성된 열에 의하여 로딩된다. 그 결과, 작동 유체가 제1 압축기(11)에 의하여 압축될 때 생성된 열은 유리하게는, 제1 열 교환기(51)를 통해 냉각을 제공하기 위해 그리고/또는 제3 열 교환기(53)를 통해 열을 제공하기 위해 사용된다.

2 개의 열 저장부들(41, 42)의 상승적이고 신규한 상호연결에 의해 입증되는, 도시 및 설명된 2 개의 경로들의 조합의 결과로서, 장치(1)는, 열 및 냉각이 동시에 생성될 때, 사용된 전력에 대해 85%를 초과하는 효율을 갖는다. 이는 유리하게는, 효율적으로 열 및 냉각을 제공한다.

본 발명이 바람직한 예시적인 실시예들에 의하여 더욱 상세히 설명 및 예시되었지만, 본 발명은 개시된 예들에 의해 제한되지 않거나, 또는 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않고, 이러한 개시된 예들로부터 당업자에 의해 다른 변형들이 도출될 수 있다.

1 장치
11 제1 압축기
12 제2 압축기
21 제1 팽창기
22 제2 팽창기
41 제1 열 저장부
42 제2 열 저장부
51 제1 열 교환기
52 제2 열 교환기
53 제3 열 교환기
411 제1 열 저장부의 제1 입력
412 제1 열 저장부의 제2 입력
413 제1 열 저장부의 제1 출력
414 제1 열 저장부의 제2 출력
421 제2 열 저장부의 제1 입력
422 제2 열 저장부의 제2 입력
423 제2 열 저장부의 제1 출력
424 제2 열 저장부의 제2 출력

Claims

열, 냉각(cold) 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치(1)로서,
- 작동 유체를 압축하기 위한 제1 압축기(11) 및 제2 압축기(12);
- 상기 작동 유체를 팽창시키기 위한 제1 팽창기(21) 및 제2 팽창기(22); 및
- 제1 열 저장부(41) 및 제2 열 저장부(42)
를 포함하고,
- 상기 제1 압축기(11)의 출력이 상기 제1 열 저장부(41)의 제1 입력(411) 및 상기 제2 열 저장부(42)의 제2 입력(422)에 열적 커플링되고(coupled);
- 상기 제2 압축기(12)의 출력이 상기 제2 열 저장부(42)의 제1 입력(421) 및 상기 제1 열 저장부(41)의 제2 입력(412)에 열적 커플링되고;
- 상기 제1 팽창기(21)의 입력이 상기 제1 열 저장부(41)의 제1 출력(413) 및 상기 제2 열 저장부(41)의 제2 출력(424)에 열적 커플링되며; 그리고
- 상기 제2 팽창기(22)의 입력이 상기 제2 열 저장부(42)의 제1 출력(423) 및 상기 제1 열 저장부(41)의 제2 출력(414)에 열적 커플링되는 것을 특징으로 하는,
열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치(1).
제1 항에 있어서,
상기 열적 커플링(thermal coupling)들 각각은 삼방 밸브(three-way valve)(31)에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는,
열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치(1).
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제1 열 저장부(41)는 제1 단부 구역 및 제2 단부 구역을 갖고, 상기 제1 열 저장부(41)의 상기 제1 입력(411) 및 상기 제1 열 저장부(41)의 상기 제2 출력(414)은 상기 제1 열 저장부(41)의 상기 제1 단부 구역 내에 배열되고, 상기 제1 열 저장부(41)의 상기 제1 출력(413) 및 상기 제1 열 저장부(41)의 상기 제2 입력(412)은 상기 제1 열 저장부(41)의 상기 제2 단부 구역 내에 배열되는 것을 특징으로 하는,
열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치(1).
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 열 저장부(42)는 제1 단부 구역 및 제2 단부 구역을 갖고, 상기 제2 열 저장부(42)의 상기 제1 입력(421) 및 상기 제2 열 저장부(42)의 상기 제2 출력(424)은 상기 제2 열 저장부(42)의 상기 제2 단부 구역 내에 배열되고, 상기 제2 열 저장부(42)의 상기 제1 출력(423) 및 상기 제2 열 저장부(42)의 상기 제2 입력(422)은 상기 제2 열 저장부(42)의 상기 제1 단부 구역 내에 배열되는 것을 특징으로 하는,
열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치(1).
제3 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 열 저장부들(41, 42)의 상기 제1 단부 구역들은 각각, 개개의 열 저장부(41, 42)와 연관된 상기 제2 단부 구역들보다 더 높은 온도를 갖는 것을 특징으로 하는,
열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치(1).
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 압축기(11)는 상기 제2 압축기(12)보다 더 큰 압력을 갖는 것을 특징으로 하는,
열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치(1).
제6 항에 있어서,
상기 제1 압축기(11)는 1 메가파스칼(megapascal) 내지 4 메가파스칼의 범위, 바람직하게는 0.5 메가파스칼 내지 3 메가파스칼의 범위의 압축력(compression)을 갖고, 상기 제2 압축기(12)는 0.1 메가파스칼 내지 1 메가파스칼의 범위, 바람직하게는 0.1 메가파스칼 내지 0.5 메가파스칼의 범위의 압축력을 갖는 것을 특징으로 하는,
열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치(1).
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치(1)는 상기 냉각을 제공하기 위한 제1 열 교환기(51)를 포함하고, 상기 제1 열 교환기(51)는 상기 제1 팽창기(21)의 하류에 배열되는 것을 특징으로 하는,
열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치(1).
제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치(1)는 지역난방망(district heating network)의 적어도 하나의 부분 및 제2 열 교환기(52)를 포함하고, 상기 제2 열 교환기(52)는 적어도, 상기 지역난방망의 상기 부분에 열적 커플링되는 것을 특징으로 하는,
열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치(1).
제9 항에 있어서,
상기 제2 열 교환기(52)는 상기 제2 압축기(12)의 하류에 그리고 상기 제2 열 저장부(42)의 상기 제1 입력(421)의 상류에 배열되는 것을 특징으로 하는,
열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치(1).
제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치(1)는 상기 열을 제공하기 위한 제3 열 교환기(53)를 포함하고, 상기 제3 열 교환기(53)는 상기 제2 팽창기의 하류에 배열되는 것을 특징으로 하는,
열, 냉각 및/또는 전력을 제공하기 위한 장치(1).
적어도 냉각을 제공하기 위해 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 동작시키기 위한 방법으로서,
- 상기 제1 압축기(11)에 의하여 상기 작동 유체를 압축하는 단계;
- 상기 압축된 작동 유체 중 적어도 일부를 상기 제1 열 저장부(41)의 상기 제1 입력(411)에 의하여 상기 제1 열 저장부(41)로 도입하는 단계;
- 상기 작동 유체로부터 상기 제1 열 저장부(41)로의 열 전달에 의해 쿨링된(cooled), 상기 압축된 작동 유체 중 적어도 일부를, 상기 제1 열 저장부(41)의 상기 제1 출력(413)에 의하여 상기 제1 팽창기(21)의 상기 입력으로 도입하는 단계; 및
- 상기 제1 팽창기(21)로 도입된 상기 작동 유체를 상기 제1 팽창기(21)에 의하여 팽창시키는 단계
를 포함하는,
방법.
제12 항에 있어서,
- 상기 제1 압축기(11)에 의하여 압축된 상기 작동 유체 중 적어도 일부를 상기 제2 열 저장부(42)의 상기 제2 입력(422)에 의하여 상기 제2 열 저장부(42)로 도입하는 단계를 더 포함하는,
방법.
적어도 열을 제공하기 위해 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 동작시키기 위한 방법으로서,
- 상기 제2 압축기(12)에 의하여 상기 작동 유체를 압축하는 단계;
- 상기 압축된 작동 유체 중 적어도 일부를 상기 제2 열 저장부(42)의 상기 제1 입력(421)에 의하여 상기 제2 열 저장부(42)로 도입하는 단계;
- 상기 제2 열 저장부(42)로부터 상기 작동 유체로의 열 전달에 의해 가열된, 상기 압축된 작동 유체 중 적어도 일부를, 상기 제2 열 저장부(42)의 상기 제1 출력(423)에 의하여 상기 제2 팽창기(21)의 상기 입력으로 도입하는 단계; 및
- 상기 제2 팽창기(22)로 도입된 상기 작동 유체를 상기 제2 팽창기(22)에 의하여 팽창시키는 단계
를 포함하는,
방법.
제14 항에 있어서,
- 상기 제2 압축기(12)에 의하여 압축된 상기 작동 유체 중 적어도 일부를 상기 제1 열 저장부(41)의 상기 제2 입력(412)에 의하여 상기 제1 열 저장부(41)로 도입하는 단계를 더 포함하는,
방법.