KR20210031977A - 복합 파워 사이클을 사용한 기계적 에너지를 생성하는 장치 - Google Patents

복합 파워 사이클을 사용한 기계적 에너지를 생성하는 장치 Download PDF

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자비에르 카를로스 벨로소 모헤다노
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자비에르 카를로스 벨로소 모헤다노
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Abstract

본 발명은 복합 파워 사이클을 사용한 기계적 에너지의 생성을 위한 장치를 참조하는데, 상기 장치를 사용한 에너지 생성을 위한 프로시저 뿐 아니라, 적어도,
- 물을 열 유동으로 사용하는 폐쇄 또는 반-폐쇄 재생적 컨스티튜언트 브레이턴(Brayton) 사이클을 수행하는 수단;
- 적어도 하나의 랭킨(Rankine) 사이클, 컨스티튜언트(constituent) 베이직 랭킨 사이클, 상기 재생적 컨스티튜언트 브레이턴 사이클과의 상호 연결을 수행하는 수단; 및
- 상기 재생 컨스티튜언트 브레이턴 사이클을 재생하는 폐쇄 회로를 구성하는 열 펌프(UAX)
를 포함하는 장치를 포함한다.

Description

복합 파워 사이클을 사용한 기계적 에너지를 생성하는 장치
본 발명의 응용 분야는 사용 및 다른 타입 에너지로의 전환을 위한 기계적 에너지를 생성하는데 바쳐지는 산업 섹터에 관한 것이다.
여기에서, “복합 사이클”이라 지칭되는 것은 현존하는 에너지 생성을 위한 가장 효율적이고 친환경적인 기술 중 하나이다. 복합 사이클은 2개의 커플링된 열역학 사이클을 연계시킴으로써 에너지를 생성하기 위한 프로시저로 성능을 강화한다.
기계적 에너지를 생산하는 복합 사이클을 위한 기술의 현재 상태 및 다른 에너지의 타입으로의 가능한 변환에 있어서, 효율성을 증가시키고 대기로의 온실 가스 방출을 감소시킬 필요가 있다.
복합 사이클을 수행하는 장치는 고온 배기 가스가 열 회수 보일러를 관통하는 개방 브레이턴 사이클을 동작하는 가스 터빈으로 구성되고, 스팀이 생성되는 경우 독립 랭킨 사이클을 따르는 추가 기계적 동작을 생성하는 터빈에 적용된다.
가장 보편적인 복합 사이클 파워 플랜트는 외부 공기에서 가스 터빈과 함께 동작하고, 압축기에서 가압 후, 연료가 연소되는 연소 챔버를 통과한다. 이것으로부터의 배기 가스는 초과 에어와 함께 고온에서 버너를 벗어나고, 가스 터빈에서 팽창되어, 기계적 동작을 생성하는 개방 브레이턴 사이클의 열 유동을 구성한다. 최종적으로, 터빈 가스는 보일러를 벗어나고 굴뚝을 통해 대기로 배출된다.
압축기가 외부 에어를 가져오고, 연소 가스가 사이클로의 반환 없이 대기로 방출된다는 점은 개방 브레이턴 사이클이 존재함을 의미하는데, 그 이유는 대기와의 물질 교환이 있기 때문이다.
그러므로, 그들의 단순함에도 불구하고, 이러한 개방 사이클은, 연료 생산물이 대기로 버려져 오염 가스의 배출을 내포한다는 문제점을 가진다. 이러한 오염 가스는 근본적으로는 CO2 및 NOx(항상 연료의 조성물이 설퍼프리(sulphur-free)인 경우)이다. 연소 중 배출되는 CO2의 비율은 연소되는 연료의 종류에 직접적으로 의존한다. 현재, 천연 가스는 가스 터빈 산업에서 가장 보편적으로 사용되는 연료인데, 그 이유는 다른 이유 중에서도, 이 연료가 함유한 메탄이 단위 동작 당 생성되는 CO2를 가장 적게 생산하는 탄화수소이기 때문이다.
게다가, NOx의 생산은 연소 온도가 증가함에 따라 근본적으로 증가한다. 명백한 것은, 이는 효율과 환경 영향 간의 상충에 따른 이해의 충돌이 발생하고, 열역학 법칙에 따라, 연소 온도 증가는 성능을 강화하지만, 다른 한편으로는 NOx의 배출 증가를 야기한다.
궁극적인 목표는, 피해를 입히는 첨단 기술의 문제를 극복하는 것으로, 기본적으로 기계적 에너지를 생산하는 사이클을 창안하되, 대기로 온실 가스를 배출하지 않고 다른 종래의 복합 사이클에서 현재 획득된 것에 비해 더 좋은 성능을 제공하는 것이다.
본 발명은 물을 열 유동으로 사용하여, 기계적 에너지를 생성하는 복합 사이클 프로세스를 실행하는 장치를 참조하는데, 특히 폐쇄 사이클을 동작하도록 창안되고, 또는 이 열 에너지(브레이턴 사이클 및 열 펌프로, 물질의 상호 교환이 없음)를 상호 교환하는 열 펌프를 사용하도록 생성되는 브레이턴 사이클 변형에 의한 통합 방법에서 동작하는 적어도 하나의 랭킨 사이클에서 내부 산소-연소에 기초한 프로세스를 수행하고, 그러한 방법으로 2개의 상기 컨스티튜언트 사이클을 복합시킴으로써, 기계적 에너지는 대기로 온실 가스를 배출할 필요 없이 생성된다.
대기로 오염 가스를 배출하는 것을 방지하기 위한 한 가지 대안은 폐쇄 사이클로 동작하는 복합 사이클 사용을 포함한다. 다시 말해서, 이러한 사이클 내에서 열 유동은 재순환되고 보충될 필요가 없고, 대기와 접촉할 필요도 없다. 그럼에도 불구하고, 사이클의 열원이 내부 연소로부터의 에너지이기만 하면, 특정 화학 반응물(연료 및 조연제)은 계속적으로 추가되어야 하는 반면, 사이클로부터의 화학 연소 반응에 의해 생성된 산물을 제거할 필요가 있다. 이는 중요한 경제적, 기술적 및 환경적 도전을 제기하고, 특히 열 유동으로 기능하는 가스 상태 내에서의 연소 산물의 지속적인 분리와 관련된다. 다른 문제점에 있어서는, 에어는 조연제로 사용되지 않으므로, 폐쇄 사이클은 연소의 프로세스를 수행하기 위해 순수 산소를 요구하고, 그래서 그것들은 이를 제공하는 일종의 보조 프로세스에 의존한다.
브레이턴 사이클의 효율성을 증가시키는 효과적인 방법은 “재생”에 의한 것인데, 사이클의 가열 파트는 내부 열원을 사용하여 사이클 그 자체로 수행된다.
“재생”의 결과로서, 우리는 사이클을 위한 개선된 성능을 얻게 되는데, 그 이유는 사이클로 공급 되어야만 하는 외부 열의 양이 감소하는 반면, 사이클에서 대기로 석방되는 낭비 열의 양이 감소하기 때문이다.
상기 용어 “재생적 브레이턴 사이클”은 터빈 이후 고온 가스에 의한 발열의 일부를 회수하는 브레이턴 사이클을 참조하고, 열 교환기를 사용하여, 그것들의 버너로의 진입 전에 그것을 압축 가스로 전달한다. 그럼에도 불구하고, 이 재생 방법은 하나가 아니며, 그것을 상기 프로세스로 재도입하기 위한 사이클의 일부 파트로부터의 열 재커플링이 가능한 임의의 다른 프로시저를 사용하는 브레이턴 사이클을 “재생”하는 것을 실현할 수 있다.
본 발명의 가장 혁신적인 양상 중 하나는 그것이 하나 또는 그 이상의 랭킨 사이클에 연결된 “열 펌프”를 사용하는 재생된 브레이턴 사이클을 수행하는데 필요한 수단을 포함하는 것으로, 특이한 특징을 가진 복합 사이클 장치를 발생시킨다.
열역학에 있어서, “열 펌프”는 하나의 바디로부터 열 예너지를 취하여 그것을 고온에 있는 것으로 전달하는 임의의 냉장 기기로 정의되는데, 외부(일반적으로 압축으로부터의 기계적 동작)로부터 공급되는 에너지의 양 때문이다. 냉장 기기가 열 펌프와 동일하고, 상기 2개의 용어가 구분 없이 채용되거나, 의도된 어플리케이션을 고려하여 모든 목적으로 간주될 수 있다.
산업 수준에서, 2종류의 냉장 기기 또는 열 펌프가 존재하는데, 그것들이 채용하는 기술의 타입에 종속된다: 압축 냉장 기기 및 흡수 냉장 기기. 이러한 2가지 타입의 기기(압축 또는 흡수)는 공통적으로 팽창 디바이스에 의해 분리된 응축기(고온 저장소) 및 증발기(저온 저장소)를 가진다. 그러나, 그것들은 다른 압력에서 콜드 및 고온 저장소를 동작하도록 하는데 사용되는 에너지 타입 및 방법 측면에서 차이가 있다.
압축 냉장 기기는 외부로부터의 기계적 동작을 소비하는 가스 압축기를 사용하는 반면, 흡수 기기는 기본적으로, 외부 열원으로부터의 공급으로 동작하고, 이러한 기기들은 액체 내 가스의 흡수/이탈의 물리-화학적 원리에 기초한다.
종래의 “흡수” 기기는 압축기에 의해 제공될 수 있는데, 그 이유는 “흡수기/발전기” 시스템은, 기계적 수단을 필요로 하지 않고, 발전기 및 응축기에 비해 낮은 압력에서의 증발기 및 흡수기를 생성함으로써, 획득되는 차별적인 압력에 주의한다.
동작을 위한 압축 동작을 필요로 하는 대신, 흡수 기기는 “이탈”(용해된 가스의 증발)의 동작을 수행하기 위한 추가적인 열의 양을 요구한다. 궁극적으로, 이 추가 열의 양은 “흡수”의 반대 프로세스가 발생하는 경우 제거된다. 이 추가 열의 손실이 발생하는 이유는, 비교적으로 말하면, 흡수 기기는 압축 기기에 비해 동작을 위해 더 많은 에너지를 잃고 요구하여, 그것들의 에너지 효율은 항상 상대적으로 낮게 판명된다. 그럼에도 불구하고, 흡수 기기는 장점을 가지는데, 용액 펌프에 대해서는 제외, 그것들은 동작을 위한 기계적 동작을 가상적으로 필요로 하지 않는다.
상기 시스템의 복합 사이클 내에서의 재생을 보조하는 “열 펌프”의 응용성은 일련의 피할 수 없는 열역학 제약에 의해 제한되는데, 반면, 다른 측면의 경우, 그것의 요구되는 동작의 특정 요구에 의해 제한된다. 다시 말해서, 브레이턴 사이클은 일부 임의의 열 펌프에 의해 재생될 수 없다.
브레이턴 사이클을 “재생”하는데 유용한 특정 열 펌프는 여기에서 제안되는데, 그것은 아래 요건을 반드시 만족시켜야 한다:
- 열 펌프의 “저온 저장소”는 대기압에서의 수증기의 응축에 가까운 온도에서 동작해야 한다.
- 콜드 및 고온 저장소 사이의 온도 차이는 이전에 응축된 것에 비해 훨씬 더 큰 압력에서 증기를 재생하기 위해 상당(수십 배의 섭씨 온도)해야 한다.
- 기계적 압축 에너지는 재생되는 브레이턴 사이클로부터 발생하여야 하고 브레이턴 사이클로 반환되어야 한다.
- 복합 사이클의 일부를 재생하는 이러한 방식이 효과가 있기 위해서는, 냉각 사이클의 성능이 충분히 높아야 한다.
복합 사이클에 따른 상기 장치 동작은 본 발명이 제공하는 목적이고, 반면, 종래 복합 사이클보다 효율이 더 높고 그리고 반면, 복합 사이클로 열을 제공하는 임의의 열원이 버너로 구성되는 경우, CO2(이산화탄소)의 고유 포집이다. 본 발명의 설치 및 이와 함께 수행되는 절차는 암시적으로 이산화탄소 분리-포집 시스템을 제공한다.
연소로부터의 가스가 사이클의 싱글 포인트에 의해 획득되는 경우, 복합 사이클은 “고유하게 CO2를 포집”하는 것으로 이해되고, 요구되는 유용한 에너지의 생성을 위한 자체 사이클의 통상 기능보다는, 어떠한 특정 추가 프로세스 없는 것으로, 집중되고 국한된다(액체 또는 가스 형태인지에 여부). 연료가 에너지원으로 사용되는 경우, 장치 자체의 기능은 오염 가스를 분리 및 국한하고, 그것들이 대기 속으로 접촉하는 것을 방지한다. 반면, 물이 연소 산물로 생성되는 경우, 이는, 반면, 액상 및 주위 압력에서 복합 사이클로부터 제거된다.
종래의 복합 사이클에 있어서, 각각의 컨스티튜언트 사이클(브레이턴 및 랭킨)은 특정 열 유동을 사용하고, 특히, 그것의 브레이턴 사이클은 대기 없이 물질 및 에너지를 교환한다.
반면, 상기 컨스티튜언트 브레이턴 사이클 및 커플링 방식으로 이 복합 사이클 동작을 포함하는 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클은, 물질(모두 물을 공통 열 유동으로 사용하는 경우) 및 에너지를 교환하고, 이러한 방법은 기계적 에너지의 생성 및 비범한 특성을 위해 그것이 가진 권리 내에서 싱클 사이클을 구성한다.
복합 사이클의 한 가지 특성은, 우리가 불가피한 “실제 손실”을 제외하는 경우, 열은 단일 열 싱크를 통해 외부에 대해서만 손실될 것이고, 결과적으로, 종래의 복합 사이클에 비해 더 좋은 성능이 획득된다.
특정 필수 양상에서 이러한 열역학 사이클을 제외하도록 설정된 특정 특징을 가진 본 발명의 복합 사이클을 구성하는 컨스티튜언트 브레이턴 및 랭킨 사이클을 고려하면, 상기 용어 “브레이턴 사이클” 및 “랭킨 사이클”은, 모든 복합 사이클을 포함하는 섹션을 참조하는 경우, 엄격하게 정확하지 않고, 그 이유는 그것들이 특정 기초 방법(예를 들어, 브레이턴 사이클은, 정의에 따르면, 응축 가능한 유체와 함께 동작하지 않음)에서 이러한 사이클과 다르기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 복합 사이클은 2개의 사이클 - 브레이턴 및 랭킨 - 의 변형 및 수정을 구성하고, 그것들은 상호적으로 상호 연결된 방식으로 동작한다. 이는 이 보고서에서 우리가 이러한 수정된 브레이턴 및 랭킨 사이클을 언급하는 이유이고, 항상 단어 “컨스티튜언트”가 수반되는데, 혼동을 방지하고 여기에서 참조되는 구성요소의 이해 및 식별을 용이하게 하기 위함이다.
정의
UAX: 열 교환을 위한 흡수기 유닛. 이것은 이 복합 파워 사이클의 재생 내에서 보조하는, “열 펌프”의 업무를 수행하는 시스템이다. 상기 UAX는 독립 동작하는 유닛으로, 도면 부호(200)에 의해 식별된다. 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 재생이 채용된다. UAX(200), 비록 그것이 복합 파워 사이클과 물질을 상호 교환하지는 않으나, 그것을 구비한 “공생” 내에서 동작하고, 동작에 대한 기계적 에너지의 재생을 위한 복합 사이클을 위한 독립 시스템이다. UAX는 암모니아 및 물을 사용하여 동작하는 본 발명의 장치의 필수 구성요소이다.
농축 용액: 이것은 흡수기로부터 벗어나는 물 내의 암모니아의 용액이다.
희석 용액: 이것은 발전기(201)로부터 벗어나는 물 내의 암모니아의 용액이다.
중간 농축 용액: 이것은 발전기(202)로부터 벗어나고, 발전기(201)로 진입하는 물 내의 암모니아의 용액이다.
복합 사이클: 특별히 언급되지 않는 한, 용어 “복합 사이클”은 본 발명의 객체인 사이클을 참조하고, 그것의 목적은 열 에너지로부터 기계적 에너지를 획득하는 것이다. 이 보고서에서, 용어 “복합 사이클”, “파워 사이클” 및 “복합 파워 사이클”은 구분없이 사용된다. “종래의 복합 사이클”은 여기에서 현재 최신 기술로부터의 임의의 가능한 복합 사이클을 참조하도록 채용된다.
재생적 사이클: 이것은 일부 사이클의 가열이 사이클 자체에 대한 내부 열원을 사용하여 수행된다는 점에서, 그것을 “재생”하기 위한 열 교환기의 시스템이 구비된 사이클이다.
컨스티튜언트 브레이턴 사이클: 이것은 열 펌프 UAX(200)에 의해 재생되는 본 발명의 파워 사이클의 일부이다. 이러한 파워 사이클의 일부의 기능은 브레이턴 사이클에 대한 수정에 기초하고, 본 발명은 응축 가능한 유체(물)이 사용되고, 그것은 랭킨 사이클과 상호 연결적으로 동작하고, 열 펌프 UAX(200)에 의해 재생되는 특정한 구체적인 특성을 가진다.
컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클: 이것은 급수 펌프(119) 및 터빈 TAP(122)에 의해 드라이브되는 본 발명의 파워 사이클의 일부이다. 이러한 파워 사이클의 일부의 기능은 랭킨 사이클에 기초하고, 본 발명에서 “베이직 랭킨 사이클”이 그것이 “컨스티튜언트 브레이턴 사이클”과 상호 연결적으로 동작하고, 그 둘은 특정 공통 엘리먼트를 공유한다는 특정한 구체적인 특성을 가진다. 콘스티튜언트 베이직 랭킨 사이클은 파워 사이클의 필수 부분이다.
2차 랭킨 사이클: 이것은 보조 랭킨 사이클로: 다시 말해서, 파워 사이클에 필수적인 시스템이 아니다. “2차 랭킨 사이클”을 포함하는 복합 사이클의 구성에 있어서, 그것의 응축기(128)는 항상 “열 싱크”의 필수 기능을 수행한다. 상기 “2차 랭킨 사이클”은 그것이 가진 터빈 TBP(127)을 포함함으로써 특징지어지는데, 그 이유는 그것이 항상 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클보다 낮은 압력에서 동작하기 때문이다.
개방 사이클: 이것은 열 유동이 리사이클되지 않지만, 지속적으로 갱신되어야만 하는 사이클이다. 개방 사이클에서, 유체가 외부로부터 진입하는 적어도 하나의 포인트가 존재하고, 유체가 상기 외부로 사이클을 이탈하는 포인트가 존재한다.
폐쇄 사이클: 열 유동이 진입하지도 않고 이탈하지도 않는 사이클로, 외부 열의 공급은 항상 열 교환기를 통해 발생하고, 그러므로 사이클 내에서 외부와의 유체 물질의 상호 교환이 없다. 상기 복합 파워 사이클은 그것이 그것에 대해 에너지를 제공하는 버너를 포함하지 않는 경우 폐쇄된다.
외부 연소 사이클: 이것은, 소스 공급 열이 사이클 외부에서 발생하는 연소 프로세스인 경우의 폐쇄 사이클이다.
내부 연소 사이클: 이것은, 소스 공급 열이 열 유동의 일부를 구성하거나 형성하는 화학 반응의 산물인 연소 프로세스이다.
산소-연소: 이것은 사용된 조연제가 공기가 아니라, 열 유동 자체(본 발명의 수증기) 내에 희석된 순수 산소인 연소 프로세스이다.
반-폐쇄 사이클: 본 발명에 있어서, 이 용어는 내부 연소 및 산소-연소가 동시에 발생하는 사이클에 사용되고, 게다가, 상기 열 유동은 연소 산물이 그것으로부터 제거되기만 하면 리사이클 된다.
CoP: “열 펌프”의 상기 CoP(성능의 계수)는 이것을 달성하기 위해 추가된 에너지에 의해 전달되는 유용한 열 에너지를 분할함으로써 생성되는 비율 또는 계수로 정의된다. 다시 말해서, 상기 CoP는 임의의 냉장 기기의 성능을 결정하는 계수이다. CoP의 관념은 컴프레션 타입(추가된 에너지는 에너지가 압축기에 의해 소모되는 기계적 동작임)에 따라 변화하거나, 흠수 타입(추가된 에너지는 기본적으로 발전기에 공급되는 열임)에 따른 것이다.
장치: 기계적인 발전기 배치로 복합 파워 사이클 및 열 펌프 UAX(200)으로 구성된다.
열 교환기 엘리먼트: 열 교환기를 구성하는 각각의 양측, 그것이 열을 받거나 배출하는지 여부에 관계없다. 임의의 열 교환기는 적어도 2개의 엘리먼트로 구성된다. 본 발명에 있어서, 상기 용어 “엘리먼트”는, 그것을 외부적으로 식별하는 번호에 의해 수반되는, 간결성을 위해 사용된다. 본 발명에 있어서, 임의의 열 교환기는 그것을 구성하는 2개 또는 그 이상의 “엘리먼트”의 수를 지시함으로써 식별된다.
Coil: 임의의 종류의 구성에서, 튜브 파이프로 구성되는 열 교환기 엘리먼트이다. 본 발명에 있어서, 이 용어는 더 높은 압력에서 동작하는 교환기의 엘리먼트로 참조되도록 사용된다. 기능은 어떠한 상황에서도 열 고환기 엘리먼트의 형상과 링크되지 않는다.
열 교환기의 쉘 사이드: 이 용어는 여기에서 더 낮은 압력에서 동작하는 교환기의 엘리먼트를 참조하도록 채용되고, 그것 내부의 더 높은 압력에서 동작하는 열 교환기 엘리먼트를 포함한다.
응축 교환기: 이것은 “쉘 사이드” 엘리먼트를 통해 발생하는 순환하는 수증기의 응축(부분적 또는 전체적) 내의 열 교환기이다.
열 싱크: 본 발명에 있어서, 상기 용어 “히트 싱크”는 복합 사이클을 통해 외부 사이클로 열 손실을 배출하는 열 교환 엘리먼트를 나타내는데 사용된다. 복합 파워 사이클에 있어서, 상기 “열 싱크”는 항상 열 회수 도관 CRC(103)의 종료점 또는 그 후에서의 증기의 응축을 생산하는 엘리먼트(128)로 구성된다. 2차 랭킨 사이클은 이 위치에서 이 기능을 수행하기 위해 채용되고, 보조 사이클은 항상 열이 외부 사이클로 전달되는 유일한 엘리먼트를 명확히 식별하도록 참조되는 최종 응축 엘리먼트를 가진다.
실제 손실: 이 용어는, 그것이 단지 그것 주위보다 더 높은 온도에 있다는 점에 의해 야기되는 임의의 컴포넌트의 방사(radiation), 전도, 대류에 의한 열의 손실 및 불가피한 비가역성을 참조한다. 실제 손실이 임의 실제 사이클에서 불가피하다면, 이 보고서에서 외부적으로 언급되지 않는 경우, 그것은 명백하다고 여겨진다.
이 보고서에서, 그것이 열역학적으로 옳다고 받아들여지지 않더라도, 복합 사이클 내에서 획득된 연소 산물 내의 보유된 잠재 열도 “실제 손실”로 여겨지는데, 그 이유는, 실제로, 반면에 저온-물인 경우, 그리고 엘리먼트(107)로부터 CO2인 경우, 이는 실제 목적에 대해 무시해도 될 정도로 여겨질 수 있거나 비가역적이기 때문이다.
열 유동: 이는, 열역학 사이클을 구성하는 다른 엘리먼트 내에 전달된 에너지를 순환하고 수송하고 포함하는 유체이다.
열 병합: 이 보고서에서, 열 병합은, 임의의 종류의 파워 사이클 자체의 프로세스 외부에 대해 유용하다고 판명된 획득된 열 에너지의 추가 양, 기계 에너지에 더하여, 추가적인 프로시저로 이해된다. 이 보고서에서, 복합 사이클을 가열하여 “열 병합”의 결과로서 외부로 석방되는 열은 항상 유용한 열이고 사이클로부터의 에너지 손실을 나타내지 않는 것을 목적으로 추정되는데, 그 이유는 장치는 파워 사이클로부터 이러한 열 에너지의 추출을 어카운트로 가져가도록 설계되는 장치로 간주되기 때문이다. 이는 이 열이 의도되는 외부 소비 시스템에 의해 부과되는 온도에 대한 특정한 요구 및 목적에 따라 발생한다.
유용한 에너지: 이 용어는 이 용어는 "열병합 발전"으로 사이클 외부에서 사용하기위한 열과 전력 사이클에 의해 생성된 순수 기계 동작의 합계로 간주된다.
파워 샤프트: 상기 파워 샤프트(130)는 파워 사이클 및 열 펌프 UAX의 기기를 구비한 기계적 엘리먼트의 집합체로 구성되고, 기계적 에너지를 수신하거나 제공한다.
물리적으로, 상기 파워 샤프트는 동력 축은 반드시 사이클의 모든 터보 기계가 결합되는 공통 기계 축으로 구성될 필요는 없는데, 그 이유는 또한 각 압축기를 독립 모터에 연결하는 가능한 옵션이 있으며 각 터빈은 해당 발전기에 연결되기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 이러한 파워 샤프트의 개념을 사용하는 것은 통합을 용이하게 하는데, 그 이유는 복합 사이클의 순수 기계적 동작이 그것(그것들의 사인)을 포함하는 기기의 모든 기계적 동작의 합으로서의 파워 샤프트(130)로부터 획득되는 것으로 간주되기 때문이다.
산업적 순수 산소: 상기 용어 “산업적 순수 산소”는, 그것의 공급 조건 하에서, 그것이 “산업-품질 순수 산소”로 간주되는 국제 표준을 만족하는 경우, 이 보고서에서 이 가스를 참조하도록 사용된다. 바람직하지 않더라도 미량의 불순물이 항상 산소와 함께 산업용 성분으로 사용된다는 것은 명백한 것으로 간주된다.
초임계 압력 및 온도: 이것들은 압력 및 온도가 주어진 물질에 대한 임계점보다 더 높은 조건이다. 임계점은 증기 및 액체의 밀도가 동일한 것을 의미한다.
주위 압력: 상기 용어 “주위 압력”은 여기에서 80˚C 및 120˚C 사이의 수증기의 포화 압력에 따른 압력 범위를 참조하도록 사용된다. 다시 말해서, 주위 압력은 대략적으로, 0.5바(bars) 내지 2.0바(bars) 압력의 범위로 간주된다.
Bar: 절대 바
본 보고서는 5가지 도면을 포함한다. 최초의 4가지는 제시된 복합 파워 사이클의 다른 구성 또는 설계 버전의 도식 표현이다. 마지막으로, 5번째 도면은 “열 펌프”로서 파워 사이클을 보조하는 필수 기능을 수행하는, “열 교환을 위한 흡수 유닛”(UAX)의 구성의 도식 표현이다.
도-1은 본 발명에 따른, 열 펌프(UAX)에 의해 보조되어 기능할 수 있는 복합 사이클에 대한 필수적인 엘리먼트를 포함하는 구성-1에 따른 “필수 복합 사이클”의 개념적 설계 버전을 나타낸다. 파워 사이클의 설계 구성이 무엇이든지 간에, 그것은 도-1 내에 포함된 모든 필수 엘리먼트를 포함하고, 여기에서의 이러한 컴포넌트는 “필수적”인 것으로 간주된다.
도-2는 본 발명의 구성-2에 따른 기계적 에너지의 생성을 위한 복합 사이클을 수행하기 위한 장치의 설계 버전을 도식적으로 나타내는데, 이는 사이클(도-1에 도시됨)의 필수 장비에 더하여, 복합 사이클에 기초한 개선된 효율을 부여하는 엘리먼트를 포함하는데, 그것은 열 회수 도관(CRC)(103)을 관통하는 대기압 위의 압력에서 동작하는 특정 특징을 가진다. CRC(103)의 최종 섹션에서, 증기는 파워 사이클의 나머지와 무관하게 그것이 가진 열 유동을 사용하는 2차 랭킨 사이클 내에서 생성된다. 이러한 구성을 가정하면, CRC(103) 내에서, 2 차 랭킨 사이클에서 증기를 생성하기 위해 순환하는 수증기의 부분 응축이 발생하는 최종 도관 섹션이 존재한다.
도-3은 본 발명의 구성-3에 따른 기계적 에너지의 생성을 위한 복합 사이클을 수행하는 장치의 설계 버전을 도식적으로 나타내느데, 이는 사이클(도-1에 도시됨)의 필수 장비에 더하여, 복합 사이클에 기초한 개선된 효율을 부여하는 엘리먼트를 포함하는데, 그것은 복합 사이클의 이러한 구성 내에서 특정 특징을 가지고, 열 회수 도관(CRC)(103) 내에는 응축이 없고, 순환하는 수증기의 부분적인 응축이 있는 경우, 그것이 발생한다. 2개의 도관, (103) 및 (105), 사이에서, 각각, 가스 및 상기 CRC(103)로부터 석방된 증기를 흡입하고, 그것이 가지는 파워 사이클의 나머지와 독립적인 열 유동을 사용하는 2차 랭킨 사이클을 위한 증발기(125)의 적어도 일부를 하우징하는 도관(105)의 섹션에서 압력을 증가시키는 팬(104)이 존재한다.
도-4는 UAX(200)에 의해 보조되는 본 발명의 구성-4에 따른 기계적 에너지의 생성을 위한 복합 사이클을 수행하는 장치의 설계 버전을 도식적으로 나타내는데, 사이클(도-1에 도시됨)의 필수 장비에 더하여, 복합 사이클에 기초한 개선된 효율을 부여하는 엘리먼트를 포함하고, 이는 그것의 단순삼으로 인해 장치가 폐쇄 사이클에서 동작하도록 의도되거나 수소만이 연료로 사용되는 경우 더 적절하다. 다시 말해서, 파워 사이클 내에 CO2가 존재하지 않는 경우를 의미한다.
복합 사이클의 구성은 CRC(103)을 통한 수증기 순환의 흐름의 일부를 사용하는 특정 특징을 가져 파워 사이클의 나머지로서 동일한 열 유동을 사용하는 2차 랭킨 사이클의 터빈(127)로 직접적으로 전달된다. 게다가, 응축기(128)로부터 획득되는 응축된 물은 복합 사이클의 나머지를 위한 급수로도 직접적으로 사용된다. 이는 파워 사이클의 이러한 버전에서, 2차 랭킨 사이클이 독립 사이클을 형성하지 않고, 오히려 그것에 통합되어, 싱글 사이클을 형성함을 의미한다.
도-5는 “열 교환을 위한 흡수기 유닛”(UAX)의 구성의 도식적 표현으로, “열 펌프”의 기능을 수행하고, 본 발명의 복합 사이클의 동작을 위해 불가결하다.
도-6은 UAX(200)에 의해 보조되는 본 발명의 구성-5에 따른 기계적 에너지의 생성을 위한 복합 사이클을 수행하는 장치의 설계 버전을 도식적으로 나타내고, 이는 그것의 임의의 구성의 사이클의 장비를 모두 포함한다. 그것은 상기 구성의 나머지가 채용할 수 있는 임의의 종류의 연료를 사용하는 반-폐쇄 또는 폐쇄 사이클의 기능을 가능케 한다.
구성 5는 구성-3과 동일한 엘리먼트를 포함하고, 더하여 과열기(136) 및 터빈(137)을 포함한다. 구성-5는 엘리먼트(112)가 2개의 추가 아웃렛 흐름(증기 및 예열된 급수의 다른 것의 하나)를 포함한다는 점에서 구성-3과 다르다. 다른 차이점은 구성-5에 있는데, 압축기(115)는 구성-3에 비해 추가적인 압축 단계를 포함한다.
본 발명은, 프로시저의 주된 청구항에 따른 에너지의 재생을 위한 프로시저 뿐 아니라 청구항 1에 따른 장치도 참조한다. 본 장치의 특정 실시예 및 프로시저는 각각 종속 청구항에 기술된다.
본 발명은 복합 파워 사이클을 사용한 에너지의 재생을 위한 장치를 참조하는데, 적어도:
- 물을 열 유동으로 사용하는 폐쇄 또는 반-폐쇄 재생적 컨스티튜언트 브레이턴(Brayton) 사이클을 수행하는 수단;
- 적어도 하나의 랭킨(Rankine) 사이클, 컨스티튜언트(constituent) 베이직 랭킨 사이클, 상기 재생적 컨스티튜언트 브레이턴 사이클과의 상호 연결을 수행하는 수단; 및
- 상기 재생 컨스티튜언트 브레이턴 사이클을 재생하는 폐쇄 회로를 구성하는 열 펌프(UAX)
를 포함한다.
필수 열원(101)을 더 포함하는 에너지의 생성을 위한 장치는,
- 열 교환기 및
- 산소-연소 버너
로부터 선택되는, 필수 열원(heat Source)(101)을 포함하고,
상기 인용된 필수 열원(101)에서, 상기 2개의 사이클로부터의 흐름, 상기 컨스티튜언트 브레이턴 및 상기 컨스티튜언트 베이직 랭킨이 함께 모이는 것 사이에서 선택한다.
본 발명의 특정 추가 실시예에 따르면, 상기 복합 파워 사이클이 반-폐쇄로, 산소-연소 및 CO2의 포집이고, 그것은 그것이 외부로부터 에너지를 수신하는 적어도 하나의 내부 연소 버너를 포함한다.
본 발명의 특정 추가 실시예에 따르면, 복합 파워 사이클이 폐쇄되는 경우, 그것은 어떠한 버너도 포함하지 않고, 그것은 어떠한 버너도 포함하지 않고 그것이 외부로부터 에너지를 수신하고 내부 연소 버너를 가지지 않는 적어도 하나의 열 교환기를 포함한다.
전술한 임의의 실시예에 있어서, 장치는 또한:
- 재생 응축기(107), 장치가 열 펌프 UAX의 저온 저장소(201)로 에너지를 전달하고, 하나의 심플 스테이지에서 응축함; 또는
- CO2 액화 플랜트로, 파워 샤프트(130)로부터 동작을 수신하고 복수 스테이지에서 가스를 응축하고 UAX의 저온 저장소(201)로의 CO2 액화 플랜트의 압축의 연속적인 단계에서 석방된 열을 전송하기만 함;일 수 있는,
- 엘리먼트(107):
- 리보일러(113), 열이 열 펌프 UAX의 고온 저장소(210)로부터 파워 사이클로 반환되고;
- 응축물 재생 펌프(111), 엘리먼트(107)의 저부에서 획득된 응축물을 드라이브하고, 그것이 리보일러(113)를 향해 흐르도록 하고,
- 열 회수 도관(CRC)(103), 수증기가 생성되고,
- 적어도 2개의 터빈, 그중 하나는 고압 터빈 TAP(122)으로 스팀을 필수 열원(101)으로 전달하고, 나머지 하나는 고압 터빈 TAT(102)로 열 회수 도관 CRC(103)로 증기를 전달하고,
- 적어도 하나의 공통 파워 샤프트(103), 상기 사이클의 유용한 기계적 에너지로부터 획득되고,
- 시스템, CRC(103)의 저부 내의 증기를 응축시킴으로써, 또는 그후, 열 싱크의 기능을 수행하고,
- 응축물 반환 펌프(109),
- 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클을 위한 급수 펌프(119);
- 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클을 위한 증기 발전기는;
- 이코노마이저(economizer) 코일(120),
- 열 회수 도관(103) 내부에 위치한 수증기(121)를 위한 증발기 및 과열기;로 구성되고,
- 하나의 응축 열 교환기 엘리먼트(106), 증기 및 가스가 재생 응축기(107)로 진입하기 전, 열을 응축물 반환 예열기(110)로 포기(relinquish)하고;
- 하나의 응축 열 교환기 엘리먼트(114), 리보일러(113)의 아웃렛에서 제공되고, 열을 포기하고,
- 엘리먼트(112)에 위치한, 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클을 구비한 컨스티튜언트 브레이턴 사이클을 조인시키는 바이패스로,
- 예열기(112), 물을 리보일러 자체(113)로 흡입(intake)하고;
- 그리고 열 회수 교환기(112), 리보일러(113) 자체를 위한 흡입 물을 예열함에 더하여, 펌프(119)에 대한 급수를 가열하고 압축기(115) 및/또는 터빈 히터(137)로 향할 수 있는 증기를 쟁성하여 그것의 온도가 과열기(136) 내에서 증가하는 것 사이에서 선택되고;
재생 응축물 펌프(111)의 임펄션 및 급수 펌프(119)의 흡입 사이이다.
상기 컨스티튜언트 브레이턴 사이클은 폐쇄형인 경우, 산소-연소를 사용하고, 이런 경우 탄소가 포함된 연료가 사용되고, 상기 장치는:
- 연소 내에서 생산된 CO2를 위한 아웃렛, 재생 응축기(107)가 액화 플랜트인 경우 가스 상태 또는 액체 상태에서 재생 응축기(107)에 위치함, 및
- 응축 반환 라인 내의 연소에 의해 생산된 물을 위한 아웃렛
을 포함한다.
에너지 생성을 위한 장치인 경우, 브레이턴 사이클은 폐쇄형이고, 또는 그것이 수소만을 연료로 사용하는 경우, 열 싱크는 파워 사이클의 나머지로서 동일한 유체를 사용하는 2차 랭킨 사이클을 구성할 수 있고, CRC(103) 및 응축 반환 펌프(109)를 통한 장치와 상호 연결된다.
전술한 모든 실시예에 있어서, 에너지 생성을 위한 장치는, 필수 열원(101)로부터, 치종 과열기(121) 및 터빈 TAP(122) 사이에 위치한, 외부(이것은 교환기 또는 가압된 버너일 수 있다)로부터 파워 사이클에 대한 여분 열을 제공하는 다른 추가 열원(132)을 포함할 수 있다.
전술한 모든 실시예에 있어서, 에너지 생성을 위한 장치는, 하나의(115) 증기 압축기 또는 복수의 증기 압축기(117)를 더 포함하고, 직렬로 연결되고, 교환기 엘리먼트(114)의 증기 아웃렛에 위치하고, 필수 열원(101)에 증기가 유입되기 전이다.
전술한 모든 실시예에 있어서, 에너지 생성을 위한 장치는, 직렬(115) 및 (117)에 연결된 압축기 사이의 증기 냉각 교환기(116/118)를 추가로 포함할 수 있다.
전술한 모든 실시예에 있어서, 에너지 생성을 위한 장치는, 추가로, 응축 교환기 엘리먼트(114)의 저부로부터의 응축물 라인 내에, 리보일러(113)에 대한 반환 라인으로 그 응축물 파트도 리보일러 자체로 전달되는 것을 포함할 수 있다.
전술한 모든 실시예에 있어서, 에너지 생성을 위한 장치는, 추가로, 열 회수 도관(103)의 증기 흡입에서 제공된 추가적인 교환기를 더 포함하여, 상기 장치 외부로 사용되는 열을 생성하고, 유용하고, 다른 것들 중에서, 열병합의 응용을 위해, 열 교환기 코일(133)을 사용한다.
전술한 모든 실시예에 있어서, 에너지 생성을 위한 장치는, 추가로, 열 회수 도관(103) 내에 제공되는 열병합(133)을 위한 열 교환기 엘리먼트를 더 포함하고, 그것은 임의 타입의 산업 어플리케이션에서 외부 사용을 위해 목적되는 유용한 열 에너지를 추출한다.
전술한 모든 실시예에 있어서, 에너지 생성을 위한 장치는, 추가로,
- 팬(104), 아웃렛 증기를 열 회수 도관 CRC(103)으로 가져가고 그것들을 압축하여 그것들을 응축 교환기(105)로 전송하고, 독립 2차 랭킨 사이클의 증발기(125)의 적어도 하나의 컴포넌트 섹션을 하우징하는,을 포함할 수 있다.
앞선 단락에서 언급된 실시예에 있어서, 에너지 생성을 위한 장치는, 추가로,
- 열 교환기(108/124), 쉘 사이드(108)에 있고, 도관(105)으로부터의 응축물이 냉각되고, 내부에는 독립 2차 랭킨 사이클의 이코노마이저(124)가 하우징되는,을 포함할 수 있다.
전술한 임의의 실시예에 있어서, 상기 장치의 열 펌프 UAX(200)는:
- 가스 암모니아의 메인 발전기(201), 저온 저장소로 기능하고, 단독으로 엘리먼트(107)와 열을 교환함;
- 2차 발전기(202), 잔여 암모니아 용액이 메인 발전기로 전달되는 동안, 암모니아 흡수기(210)로부터 액상(liquid phase)을 수신하고, 암모니아 증기를 일부 압축기(203)로 전달함;
- 적어도 2개의 암모니아 압축기(203), 직렬로 연결되고, 사이에서 냉각되고, 메인(201) 및 2차 발전기(202)로부터 암모니아를 수신함;
- 압축 암모니아 응축기(207), 압축되고 냉각된 초임계 암모니아를 초임계 암모니아 증발기(209)에서 수신하고, 열을 2차 발전기(202)로 전송함;
- 초임계 암모니아 증발기(209);
- 펌프(208), 압축 암모니아 응축기(207)로부터의 암모니아 응축물에 대해, 암모니아 증발기(209)로 하도록 만들고, 암모니아 증기는 초임계 압력에서 생산됨;
- 암모니아 흡수기(210), 초임계 암모니아 증발기(209)로부터 증기를 수신하고, 그것을 수상(aqueous phase)에 용해함; 및
- 전송 펌프(215), 희석 암모니아 용액을 메인 발전기(201)에서 흡수기(210)로 전송함;
을 포함한다.
열 펌프 UAX(200)는 추가적으로:
- 열 교환기(213/214), 메인 발전기(201)로부터의 희석 암모니아 용액 및 흡수기(210)로부터의 농축 암모니아 용액 사이;
- 코일(211), 암모니아 증발기(209) 내부에 하우징되고, 농축 암모니아 용액 내에 함유된 열을 흡수기(210)로부터 연결하여, 초임계 암모니아를 생산함;
- 냉각 코일(206), 압축기(203)으로부터의 압축 암모니아를 위한 것으로, 초임계 암모니아 증발기(209)로 열을 제공함;
을 포함할 수 있다.
본 발명은 앞서 정의된 상기 장치를 사용하는 복합 사이클의 수행에 기초한 에너지의 생성을 위한 프로시저를 더 포함하도록 참조된다.
상기 정의된 프로시저는:
- 컨스티튜언트 브레이턴 사이클을 수행하고, 폐쇄 또는 산소-연소에 기초한, 열 펌프(UAX)의 기능에 의해 재생되고, 물을 열 유동으로 사용하고 고온 터빈(102)에서 기계적 에너지를 생산하고,
- 상기 브레이턴 사이클과 상호 연결된 컨스티튜언트 랭킨 사이클을 수행하고, 그것과 물질 및 에너지를 교환하고, 양자는 물을 공통 열 유동으로 사용하고, 터빈 TAP(122)에서 기계적 에너지를 생산하는,
- 열 펌프 UAX(200), 컨스티튜언트 브레이턴 사이클과 에너지를 교환하여 그것을 재생하고, 특정 압축기(203)에서 기계적 에너지를 흡수하는,
것으로 구성된다.
본 발명의 프로시저에 있어서, 상기 사이클이 수소가 아닌 연료를 사용하는 경우 가스 상태에서 CO2가 석방되는 경우, 상기 사이클의 모든 수증기는 엘리먼트(107) 내에 완전히 응축될 수 있다.
상기 프로시저의 특정 실시예에 따르면, 엘리먼트(107)을 통해 순환하는 수증기는 저온 저장소 UAX(200)에 대한 열 전송의 결과로서 완전히 응축되고, 사이클이 수소보다 다른 연료를 사용하는 경우 응축 불가능한 CO2만을 가스 리자이드(reside)로 남긴다.
본 발명에 따른 프로시저에 있어서, 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 재생은 열 펌프 UAX(200)의 기능에 의해 수행될 수 있고, 저온 저장소의 온도에서 증기 응축열을 재활용하여 후속적으로 그것을 고온 저장소를 통해 사이클로 반환하고, 더 고압 및 그것이 이전에 응축된 것보다 고온에서 수증기를 재생할 수 있다.
특정 실시예에 따른, 상기 프로시저는:
- 엘리먼트(107) 내의 주위 압력에서의 수증기 응축, 열 펌프 UAX(200)의 저온 저장소(201)로 획득되는 열을 포기함,
- 엘리먼트(107) 내에서 응축된 것보다 더 높은 압력에서 리보일러(113) 내에서 수증기를 재생서, 열 펌프 UAX(200)의 고온 저장소(210)에 의해 제공되는 열을 사용함
을 포함한다.
특정 추가적인 실시예에 있어서, 상기 프로시저는 보충 열원(132)의 사용을 포함하고, 이는 외부로부터 파워 사이클로 추가 열을 제공하고, 과열기(121) 및 터빈 TAP(122) 사이에 위치한다.
특정 추가적인 실시예에 있어서, 상기 프로시저는 단일 열 싱크의 사용을 포함하고, 상기 사이클을 통해 손실 열을 위부로 석방한다. 열 싱크의 상기 기능은 독립 2차 랭킨 사이클에 의해 수행될 수 있다.
특정 추가적인 실시예에 있어서, 상기 프로시저는 열 회수 도관(103)을 사용하는 것을 포함하고, 터빈 TAT(102)의 아웃렛으로부터의 열 유지는 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클의 과열 증기를 생성하는데 사용하는 것을 포함한다.
특정 추가적인 실시예에 있어서, 상기 프로시저는 산소-연소 복합 사이클 수행을 포함하고, 액체 또는 가스 연료를 사용하고, 순수 또는 혼합 형태의 CxHyOz인 일반식의, x, y 및 z는 산소와 함께 연소될 수 있는 실제 화학적 화합물과 대응되는 값을 가진다. 상기 바람직한 연료는 탄화수소로, 기화 또는 낮은 끓는점을 가진 것이고, 예를 들어: 메탄, 에탄, 프로판, 또는 그것들의 혼합물과 같은, 순수 천연 가스와 같은. 메탄올 또는 에탄올과 같은 단순 알코올도 사용 가능한 연료이다. CO(일산화탄소)는 복합 동력 사이클의 버너에서 연료로 사용할 수 있는 수소가 없는 유일한 물질이다.
특정 추가적인 실시예에 있어서, 상기 프로시저는 엘리먼트(107)가 최종적으로 주위 압력에서 모든 수증기를 응축하기 전에 열 싱크 및 응축 교환기(106/110)를 사용하는 열 회수 도관(103)으로부터 수증기의 일부를 응축하는 것을 포함한다.
열 교환기 엘리먼트(114)의 응축 열의 다른 일부는 연료 및 각각 독립적으로 열 교환기 코일(131)을 사용하는 조연제에 사용될 수 있다. 이 어플리케이션에서, 상기 파워 사이클의 범위를 초과하는 어플리케이션이 존재하더라도, 코일(131) 내에서 획득된 열을 사용한 복합 사이클의 조연제 및 연료의 예열은 이 열이 푸팅(put)될 수 있도록 사용되는 어떠한 종류의 추가적인 것도 포함하지 않는다. 상기 사이클이 열 교환기 엘리먼트(131)을 포함하여 상기 복합 사이클의 연료 및 조연제를 예열하는 경우, 이는, 구분 없이, 엘리먼트(114) 내에 위치할 수 있거나, 도관(103) 또는 (105)의 종료점에 위치할 수 있는데, 이는 엘리먼트(106)으로 진입하는 가스 및 증기의 진입에 앞선 것이다.
특정 추가적인 실시예에 있어서, 상기 프로시저는 엘리먼트(112)에 의해 공급된 증기압 및 리보일러(113)로부터의 증기압을 증가시키고, 추가 기계적 압축기(115) 및 (117)을 사용하는 응축 교환기 엘리먼트(114)로부터 벗어나고, 직렬로 연결되고, 냉각에 개입하고 공급 압력은 이 증기를 필수 열원(101)으로 전달하기에 충분하다.
엘리먼트(114) 내에서 생성된 응축물의 일부는 응축물의 일부가 리보일러(113)로 직접 반환되는 동안, 냉각 코일(118)을 통해 순환하는 압축의 스테이지 사이에서 상기 증기를 냉각하는데 채용된다.
특정 추가적인 실시예에 있어서, 상기 프로시저는 상기 컨스티튜언트 브레이턴 사이클을 상기 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클로 연결하는 바이패스를 포함하고, 물이 교환되고, 바이패스는 재생 응축물 펌프(111)의 임펄션 라인 및 급수 펌프(119)의 흡입 사이에 위치한다.
특정 추가적인 실시예에 있어서, 상기 프로시저는 다른 어플리케이션에 대해 리보일러(113)를 벗어나는 증기의 부분 응축 열을 사용하는 것을 더 포함하고, 코일(131)의 사용을 만드는 장치에 대한 외부적인 독립 어플리케이션에서 그것의 사용에 적합한 특정 방법이다.
특정 추가적인 실시예에 있어서, 상기 프로시저는 추가 기계적인 압축기(115) 및 (117)을 사용하는 리보일러(113)에 의해 제공된 증기의 압력을 증가시키는 것을 더 포함하고, 직렬로 연결되고, 중간에서 냉각하고 이 증기를 필수 열원(101)으로 전달하기에 충분한 압력을 공급할 수 있다.
특정 추가적인 실시예에 있어서, 그것은,
- 복합 파워 사이클이 폐쇄로 수행되는 경우, 또는 수소만을 연소시키는 경우, 열 회수 도관 CRC(103)으로부터 직접 2차 랭킨 사이클의 터빈 TBP(127)로 증기를 전송하고, 응축기(128)에 의해 제공된 진공 조건에서 동작하고, 상기 응축물은 급수로서 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클로 반환된다. 이 프로시저와 함께, 상기 2차 랭킨 사이클은 파워 사이클의 나머지로서 동일한 열 유동을 사용,을 더 포함한다.
본 발명의 프로시저에 있어서, 도관(103)으로부터 아웃렛 가스는 팬(104)을 사용하여 압축될 수 있고, 그것들을 응축 열 교환기 엘리먼트(105)로 전송하고, 따라서 2차 랭킨 사이클의 증발기(125)에서 증기가 생성한다.
본 발명의 프로시저에 있어서,
- 열 펌프 UAX(200)는 냉장 기기로 압축 및 흡수의 동작을 결합함으로써 기능하고, NH3을 열 유동으로, 물을 용매로 사용하고,
- 저온 저장소의 기능을 방출하는 열 펌프 UAX(200)의 메인 발전기(201)로, 엘리먼트(107)로부터 열을 흡수하고, 배타적으로,
- 열 펌프 UAX(200)의 저온 저장소만이 80˚C 및 120˚C에서 동작하고,
- 열 펌프 UAX(200)의 암모니아 흡수기(210)는 고온 저장소로 기능하고, 열을 리보일러(113)로 전송하고, 배타적으로,
- 열 펌프 UAX(200) 내에서, NH3 증기의 압축이 발생하고, 연속적 스테이지에서 냉각되고,
- 열 펌프 UAX(200)의 압축된 암모니아 증기 응축기(207)는 2차 발전기(202)에 의해 석방된 모든 열을 포기하고, 그리고
- 열 펌프 UAX(200)의 초임계 암모니아 증발기(209)는 초임계 상태에서 열과 함께 NH3를 발생하고,
- 압축의 스테이지 사이에서 압축된 암모니아 냉각 엘리먼트(204 및 206)에 의해 그것으로 공급되고,
- 암모니아 흡수기(210)로부터의 열을 벗어나는 농축 용액에 의해 고정되는 잠재 열의 일부를 구비한다.
본 발명의 필수 부분은 하이브리드 압축-흡수 동작의 열 펌프인, “UAX”(열 교환을 위한 흡수기 유닛)은 이러한 요구를 효율적 그리고 경제적으로 수행하여 본 발명의 복합 사이클의 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 재생을 달성할 수 있다.
열 교환 UAX(200)을 위한 흡수기 유닛은 기능적, 압축 및 흡수이 혼합된 열역학적 시스템이고, 물-암모니아는, 주기적 그리고 연속적으로, 암모니아(201)를 배출하고 저온 저장소로 기능하는 메인 발전기로부터 열에너지를 전송하는 열 펌프로 채용되고, 더 높은 온도에서 암모니아 흡수기(210) 동작하고 열 저장소로 기능하고, 압축 시스템(203)에 의해 외부로부터 제공된 기계적 에너지의 특정한 양의 사용하도록 만든다.
흡수 열 펌프 UAX는 복합 파워 사이클과 물질을 상호 교환하지 않으나, 그것은 그것을 압축의 기계적 동작 및 그것의 저온 저장소에 의한 것으로부터, 지속적으로, 수신하여 그것의 고온 저장소에 의한 사이클에 대해 모든 이러한 에너지를 회수한다.
복합 사이클은 기계적 에너지를 파워 샤프트(130)로부터 UAX의 압축기의 시스템으로 전송하고, 열 에너지를 엘리먼트(107)로부터 UAX의 저온 저장소로 전송하고, 후자는 고온 저장소로부터 그것이 이전에 응축된 것보다 더 높은 온도에서 수증기를 생성하는 리보일러(113)로 열을 전송함으로써 모든 이러한 에너지를 복합 사이클로 반환한다.
기능적인 관점에서, 상기 열 펌프 UAX(200)는 에너지학적으로 커플링되는, 복합 파워 사이클을 구비한 “열역학적 공존”에서 동작하는 열역학 사이클을 동작시키고, 본 발명에 따른 장치의 기능적인 방법은 파워 사이클 및 상기 UAX 간의 기능적 링크의 설립에 의해 결정된다. 이는 현재 기술의 복합 사이클에 대한 양상과의 주요 차이점이다.
복합 파워 사이클의 필수 구성요소
본 발명에 따른 복합 사이클을 기능케 하는 장치는, 필수 장비의 배열이 불가결하게 요구되고, 그것의 효율성을 고려함 없이, 이 타입의 장치의 경제적 실행 가능성에 결정적인 요소의 다른 타입을 무시한다.
본 발명에 따른 복합 사이클을 기능케 하는 장치의 필수 불가결한 “필수” 구성요소는 아래와 같다:
101: 필수 열원. 이것은 컨스티튜언트 브레이턴 사이클로 진입하는 열에 의한 필수 불가결한 포커스이다. 복합 파워 사이클은 외부로부터 에너지를 수신하고, 필수 불가결하게, 필수 열원에 의한다.
3개의 전류는 필수 열원(101)(반-폐쇄 사이클의 케이스에서 연료 및 조연제에 더하여)에 도달한다. 반면, 상기 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클의 터빈 TAP(122)으로부터의 증기는, 그리고, 이차적으로, 상기 컨스티튜언트 브레이턴 사이클로부터의 압축 증기이다. 최종 흡입 흐름, 펌프(129)에 의한 응축물의 일부는, 파워 사이클이 압축 스테이지 사이에 증기 냉각 시스템을 가지는 경우, 열원(101)에 도달하기 전에 열 교환 엘리먼트(118)을 통해 순환할 수 있다.
필수 열원(101)은, 그러므로 상기 컨스티튜언트 브레이턴 사이클 및 상기 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클 포화에 속하는 흐름인 경우 포인트 중 하나로, 이는 내포적인 것을 의미하고, 이것은 2개의 컨스튜티언트 사이클 간의 상호 교환 물질의 포인트이다.
복합 사이클이 폐쇄 사이클로 동작하는 경우, 필수 열원(101)은 항상 고온 열 교환기로 외부로부터 열 에너지를 수신한다. 이러한 경우, 열원(101)에 도달하는 물질만이 물이고, 여기에서 엔탈피가 증가한 후, 고온 터빈 TAT(102)로 전달되는 과열된 증기의 형태에서 벗어난다.
필수 열원(101)이 가압된 내부 산소-연소 버너인 경우, 복합 사이클은 반-폐쇄이다. 이러한 경우, 고온 터빈(102)으로 전송된 수증기는 그 자체의 연소의 가스에 의해 수행되어 순환한다(기본적으로 탄화수소 및 더 많은 수증기로 구성됨).
102: 고온 터빈. TAT. 이것은 가스 터빈으로 컨스티튜언트 브레이턴 사이클 기본으로, 그 기능은 그것을 필수 열원(101)에 의해 전달된 고온 가스를 구비한 기계적 동작을 생성한다. 전체 장치에서 가장 높은 온도에서 동작하기 때문에 그것은 짧게 TAT(스페인어로 고온 터빈의 두문자)로 참조된다.
터빈 TAT(102)에 의해 이동된 가스 상태는 연소 가스에 의해 수행된 스팀으로 구성되고, 이 경우 상기 필수 열원(101)은 버너이다. 이것은 가스 상태로, 팽창된 후이고, 고온에서 터빈 TAT(102)로부터 벗어나고 열 회수 도관 CRC(103)로 전송되어 그것이 포함한 엔탈피를 연결한다.
103: 열 회수 도관, CRC. 이것은 터빈으로부터의 배출 가스로부터 열을 리커플링하는 열 교환기의 가스 측면이다. 터빈 가스 내에 보유된 이 열은 CRC(103) 내에 채용되어 튜브 파이프 증발기 및 과열기(120)를 사용하는 컨스티튜언트 랭킨 사이클을 위한 필수 고압 증기를 생성한다. 터빈 TAT(102)로부터의 배출 가스 내에 포함된 열의 일부는 자체 사이클의 범위를 넘어 외부 어플리케이션에 사용될 수 있고, 이는 “열병합”으로 알려져 있다. 선택적으로, 이러한 목적을 위해, 복합 사이클의 동작 설계 파라미터에 종속하고, CRC(103)의 인테리어에서, 일부 독립 열 교환기 엘리먼트(133)가 될 수 있다.
게다가, 중간-압력 리히터(134), 과열기(136), 과열기(126) 및 저-압력 증발기(125)가 제시되는 경우, 이것들은 항상 CRC(103) 내에 위치할 것이다. 선택적으로, 열 교환기 코일(131)은, 이 도관의 종료 지점에 위치하여, 가스의 출구에 앞선, CRC(103) 내에서 배치될 수 있다.
최종적으로, 상기 가스는 “주위 압력”에 상응하는 수증기 포화 온도에서 항상 CRC(103)을 이탈한다.
구성-2(도-2) 및 제시된 복합 사이클의 필수 구성(도-1)에서는, 상기 설계는 상기 열 회수 도관 CRC(103) 내에서 수증기의 부분적 응축이 발생하는 것으로 간주된다.
구성-3에 따른 도-3에 따른 복합 사이클의 설계 버전 및 도-6에 따른 구성-5는, 응축이 열 회수 도관 CRC(103) 내에서 발생하지 않고 특정 도관(105)이 응축이 발생하는 곳에서 제공된다는 점을 특징으로 한다.
그것의 파트를 위해, 구성-4 또는 도-4에 따른 복합 사이클의 설계 버전은, CRC(103) 내에 증기 추출 연결이 존재하고, 응축이 발생하기 바로 직전에, 그리고 스팀이 터빈 TBP(127)로 바로 전송된다는 점을 특징으로 한다.
128: 열 싱크. 이 보고서에서, 열 싱크(128)는 파워 사이클이 열 손실을 외부 환경으로 전송하는 임의의 장비, 디바이스 또는 시스템으로 간주된다. 본 발명에 있어서, 이것은 항상 증기 응축기고, 열 손실 에너지를 통한 단일 엘리먼트는 외부로 이송된다. 그럼에도 불구하고, 이 기능은 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클의 기능, 본 발명 전체로서의 장치에 대해 필수 불가결하다. CRC(103)으로부터의 아웃렛 가스 내에 포함된 수증기를 응축하는 모든 열 교환기 엘리먼트는 열 싱크(128)의 기능을 수행할 수 있는데; 그럼에도 불구하고, 에너지 효율을 이유로 하여, 가장 경제적인 솔루션은 열(상기 열 교환기의 다른 일측에서 주위 압력에서 수증기의 응축을 생산할 수 있는)을 회수하는 일부 시스템을 제공하는 것, 그러한, 예를 들어, 다른 추가적 랭킨 사이클에 포함되는 증발기 또는 임의 타입의 관심(아마도, 예를 들어, 열 회수 시스템으로 흡수 기기에 커플링되어 산업 냉기를 생산함) 어플리케이션에 대해 의도되는 열을 추출하는 코일. 복합 사이클이 2차 랭킨 사이클을 포함하는 경우, 그것의 응축기(128)는 외부로 전송되는 열에 의한 장비이다.
109: 응축물 반환 펌프에서 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클로. 이는 상기 열 싱크(128)에 의해 생산된 응축물을 대체하고, 그것이 사이클의 다른 파트를 공급(feeding)하는 물을 분배하기 전에, 응축물 반환 예열기(110)를 통해 순환하도록 한다.
110: 급수 예열기 엘리먼트. 이것은 그것이 위치한 것 내의 엘리먼트(106)과 함께하는 열 교환기를 포함한다. 이는 튜브형 코일 또는 다른 구성의 열 교환기 엘리먼트로, 그것의 임무는 응축물의 온도를 증가시켜, 교환기(106)의 쉘 사이드에서 발생한 증기 응축물로부터의 열을 사용하는, 펌프(109)에 의해 사이클로 반환되는 것이다.
106: 급수 예열기의 응축 교환기의 쉘 사이드. 이것은 응축물 반환 예열기 엘리먼트(110)와 함께 열 교환기를 포함한다. 이것은 산소-연소 사이클의 경우 응축 불가능한 가스에 의해 수힝된, CRC(103) 순환의 저부로부터 획득된 잔여 증기를 관통하는 교환기의 엘리먼트이다. 엘리먼트(106)에서는, 수증기의 부분적 응축이 발생한다. 이 응축에서 방출된 열과 함께, 반환 응축물의 온도가 증가하여, 응축물 반환 예열기(110)를 사용하도록 한다.
연소(사이클이 폐쇄된 경우 버너가 존재하지 않고 연료가 순수 산소를 구비한 수소인 경우, 응축 불가능한 가스가 연소 내에서 생산됨) 내에서 생산된, 것이 존재하는 경우, 이러한 응축 열 교환기 엘리먼트(106)로부터 벗어나는 것은, 엘리먼트(107)로 바로 향하도록, 모든 응축 불가능한 가스에 의해 수행되는 수증기의 흐름이다.
열 교환기 엘리먼트(106)의 저부에 있어서, 액체 물은 엘리먼트(107)로부터의 응축 흐름과 함께 재생 응축물 펌프(111)에 의한 응축으로부터 획득된다.
107: 재생 응축기 또는 액화 플랜트. 엘리먼트(107)는 증기의 모든 열을 응축물로부터 열 펌프 UAX(200)의 “저온 저장소”로서 기능하는 메인 발전기(201)로 전송한다.
재생 응축기(107)는 증기 및 엘리먼트(106)로부터의 응축 불가능한 가스를 수신한다. 차례로, (107)로부터, 상기 응축 불가능한 가스는 일측에서 획득되고, 상기 응축된 수증기는 다른 측에서 획득된다. 상기 재생 응축기(107)는 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 최저 온도에서 동작하도록 상응하는 “주위 압력”에서 동작한다. 가장 간단한 옵션은, 이것이 응축 불가능하지 않는다고 하더라도, 재생 응축기(107)를 만드는 것으로, 열 교환기 엘리먼트(106) 및 CRC(103)으로부터의 아웃렛과 같이, 대기와 가까운 압력에서 동작하고, 응축 온도의 경우 이러한 3가지 컴포넌트는 100˚C에 가까울 것이다.
전체 성능의 감소를 수반할지라도, 실현 가능한 옵션은, 더 복잡하지만, 반-폐쇄 사이클 구성 내의 산업 내의 관심의 뷰의 포인트로부터 더 큰 관련이 있고, 엘리먼트(107)가 CO2 액화 플랜트를 만드는 것으로 구성되고, UAX(200)의 발전기(201)로 전송된 압축의 연속적인 사이클에서 석방된 모든 열. 이 구성의 목적은 액화된 산소-연소 CO2를 가스 상태에서 그것을 가져오는 대신, 저장, 수송 및 핸들링하기 위해 파워 사이클로부터 추출하는 것이다.
그것이 CO2 액화 플랜트가 되기 위한 엘리먼트(107)의 수정된 조건은 압축의 다른 스테이지에서 생성된 열이 냉각 교환기로부터 CO2 압축 스테이지 사이로 전송되기에 충분하여, UAX의 발전기(201)로 전송된다.
이 경우, 압축기의 기계적 동작은 장치(단순화를 위해 이 레프리젠테이션은 모든 첨부 도면에서 배제되었다)의 자체 파워 샤프트(130)에 의해 공급된다.
파워 사이클을 UAX(200)로 포기하는 열은 나중에 UAX(200)의 “고온 저장수”로 기능하는 암모니아 흡수기(210)에 의해 그것으로 제공되는 열과 함께 동작하는 리보일러(113)에 의해 더 높은 온도에서 반환된다. 복합 사이클이 폐쇄 또는 반-폐쇄 사이클에서 동작하는지와 관계없이, 엘리먼트(107) 내에서는, 엘리먼트에 도착한 수증기의 완전한 응축은 항상 발생한다. 이 동작의 결과로서, 연소 내에서 생성된 CO2가 농축된 가스 또는 액체 상태로 국한된 상태인 동안 수증기는 액체로 변환된다.
다른 것들 중에서, 이것은 순환에서 나오는 CO2가 다른 전통적인 복합 순환에 비해 훨씬 낮은 온도에서 발생한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 복합 사이클의 응축물 반환 흐름을 위한 다른 추가 열 교환기가 제공되는 경우 이 CO2 배출 온도는 훨씬 더 낮아질 수 있다.
엘리먼트(107)에서 발생하는 이러한 상(phase) 분리는 버너에서 생성된 모든 CO2와 그에 수반될 수 있는 기타 응축 불가능한 가스 폐기물이 대기와 접촉할 필요없이 사이클로부터 제거될 수 있음을 의미한다.
이는 어떠한 유형의 환경 오염 가스도 대기로 직접 방출하지 않기 때문에 기존의 개방 복합 사이클에 비해 본 발명의 파워 사이클에 중요한 환경 이점을 부여한다.
산소 연소 공정에서는 완전 연소를 보장하기 위해 화학양론적 값보다 약 2 또는 3% 초과 산소로 연소하는 것이 일반적이다. 반응되지 않은 산소의 양은, 그것이 CO2와 함께 응축 불가능한 가스로서 사이클로부터 제거되는 경우, CRC(103) 및 열 유동 내에서 희석된, 열 교환기 엘리먼트(106)를 관통하는 버너로부터 순환된다. 이런 일이 발생하는 경우, 연소에 사용된 과잉 산소는 탄산 무수물 처리 공장에서 회수되어 사이클의 조연제로 재사용 될 수 있다.
최종적으로, 엘리먼트(10t)의 저부에서 탈기된 물이 획득되는데, 이는 재생 응축물 펌프(111)에 의해 추진된 복합 사이클의 다른 부분으로 반환된다. 그러므로, CO2를 함유할 수 있는 파워 사이클의 섹션만이 버너(101) 및 (122)에서 엘리먼트(107)로 이동한다.
113: 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 재생 리보일러. 이것은, 열의 형태로, 복합 사이클로 반환하는 “열 펌프” UAX에 의한 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 재생 엘리먼트로, UAX의 에너지 압축기의 양 뿐 아니라 엘리먼트(107)를 사용하는 사이클 자체로부터 이전에 리커플링된 에너지의 양은 파워 샤프트(130)를 감소시킨다.
리보일러(113)는 UAX(200)의 “고온 저장소”로 기능하는, 암모니아 흡수기(210)로부터 파워 사이클로 열이 반환됨에 따른 열 교환기 엘리먼트이다. 흡수기 (210)에 의해 UAX(200)에 의해 공급되는 이 열로, 리보일러(113)는 이전에 엘리먼트(107)에서 응축된 온도와 압력보다 높은 온도와 압력에서 수증기를 재생한다.
그러므로, 열 펌프 UAX(200)를 사용하는 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 재생은, “고온 저장소”를 사용하는, 사이클로 그것을 반환시킨 다음 “저온 저장소”의 온도에서 증기 응축 열을 리사이클링 함으로써 발생하여, 그것의 이전의 응축된 것들을 넘어서는 온도 및 압력에서 수증기를 재생한다.
111: 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 재생 응축물 펌프. 펌프(111)는 응축 열 교환기 엘리먼트(106)에서 생성된 응축물과 함께 엘리먼트(107)의 저부에서 획득된 탈기된 물을 흡입하고, 그것에 대한 충분한 압력에서 그것을 엘리먼트(112)로 밀어 넣어, 최종적으로, 리보일러(113)로 공급한다.
이러한 재생 응축물 펌프(111)의 임펄션 라인에서, 급수 펌프(119)의 흡입 라인과 함께 바이패스가 제공되고, 이에 의해 물은 상기 컨스티튜언트 브레이턴 및 랭킨 사이클 사이에서 교환되어 본 발명에 따른 복합 사이클의 구성을 가능케 하도록 응축 불가능하게 요구되는 에너지 및 물질의 균형을 세우고, 이는 상기 장치의 설계 변수 및 상기 사이클의 동작의 조건에 종속된다.
112: 엘리먼트(112),
- 리보일러 자체(113)로의 흡입 물을 위한 예열기(112)
- 및 열 회수 교환기(112), 리보일러(113) 자체를 위한 흡입 물을 예열함에 더하여, 펌프(119)로 급수를 가열하고, 그것의 온도가 과열기(136) 내에서 상승하는 경우 압축기(115) 및/또는 터빈 히터(137)로 향할 수 있는 증기를 생성
하는 것으로부터 선택된다.
상기 엘리먼트(112)는 그것이 열을 받는 응축 열 교환기 엘리먼트(114) 내부에 있는 임의의 다른 구성의 튜브 코일 또는 열 교환기 엘리먼트이고, 재생 리보일러(113)에 공급되는 물의 온도를 높인다.
엘리먼트(112)로 진입하는 것은 펌프(109) 및 (111)로부터의 응축된 물이다. 열 교환기 엘리먼트(112)를 이탈하는 것은,
- 리보일러(113)로 전달되는 가열된 액체 물의 흐름, 및 그것이 단지 이 기능만을 수행하는 경우 그것은 텀을 둔 예열기(112)이다.
또한, 2개의 추가적인 흐름이 엘리먼트(112)로부터 발생할 수 있다:
- 급수 펌프(119)로 전달되는 가열된 액체 물의 흐름.
- 그것이 터빈 TBP(127)로 진입하기 전에 추가 터빈(137) 내부에 부분적으로 팽창하는, 증기 압축기(115) 및/또는 과열기(136)의 제1 추가 스테이지로 전송되는 스팀(대기압 보다 높은 기압)의 흐름.
114: 엘리먼트(112)의 응축 교환기의 쉘 사이드. 이것은 상기 엘리먼트(112)에서 발견되는 내부의 응축 열 교환기 엘리먼트이다. 재생 리보일러(113)로부터 나온 증기는 현재 엘리먼트(114)를 통해 순환하고, 수증기가 부분적으로 응축하고, 펌프(119)에 대해 급수를 가열하거나 증기를 생성할 수 있는 리보일러(113) 자체에 대해 급수를 예열할 뿐만 아니라 엘리먼트(112)에서 엔탈피의 회수를 수반한다. 발생하는 부분 응축의 결과로서, 액체 물의 흐름이 엘리먼트(114)의 저부로부터 획득된다. 이 응축된 물은 응축물 펌프(129)를 사용하여 투입되고, 그것의 일부는 필수 열원(101)으로 전달되어 기계적 압축(115) 및 (117)의 스테이지 사이에서 증기를 냉각시키는 열 교환기 엘리먼트(118)를 미리 통과한다. 응축물 펌프(129)에 의해 투입된 응축물의 다른 부분은 리보일러(113)로 직접 재순환된다. 복합 사이클이 보충 증기 압축기(115) 및 (117)를 포함하지 않은 경우, 펌프(129)에 의해 투입된 응축물의 일부는 필수 열원(101)로 직접 전달될 수 있다.
선택적으로, 그리고 사이클의 성능을 개선하기 위한 관점에서, 엘리먼트(114) 내에 추가 코일(131)을 제공하는 것도 가능한데, 다른 어플리케이션에 중에서, 그것들의 공급의 조건으로부터의 연료 및 조연제를 예열하도록 채용될 수 있다. 이 코일(131)은 또한, 구분 없이, 증기 및 가스가 엘리먼트(106)로 진입하기 전에 즉시 위치된다. 이 코일(131)은 장치 자체를 넘어서는 다른 타입의 외부 어플리케이션에 대해 의도된 엘리먼트(114)로부터의 열을 추출하는 데에도 사용될 수 있다.
129: 응축 교환기(114)의 저부 응축물 펌프. 이것은 엘리먼트(114)의 저부로부터 획득된 응축물을 필수 열원(101)으로 전달하기에 충분한 압력에서 추진하는 펌프이다. 복합 사이클이 압축기(115) 및 (117)을 포함하는 경우, 응축물 펌프(129)에 의해 추진되는 물의 이러한 흐름은 코일(118)을 통해 순환하여 압축의 2개 단계 사이에서 증기를 냉각한다. 응축물 펌프(129) 이후, 이 흐름은 2개로 분할된다. 한 파트는 필수 열원(101)으로 전달되고, 복합 사이클이 압축기(115)를 포함하는 경우 열 교환기 엘리먼트(118)을 통해 미리 관통하고, 반면 펌프(129)에 의해 추진된 응축물의 나머지 파트는 리보일러(113)로 바로 반환된다.
119. 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클을 위한 급수 펌프(119). 이것은 물이 베이직 랭킨 사이클의 증기 생성 엘리먼트를 통해 통과하도록 추진하는 펌프이다. 이 펌프는 전체 장치 내에서 생성된 최고 압력값을 제공한다. 급수 펌프(119)는 기본적으로 펌프(109)에 의해 추친된 응축물의 반환 흐름에 의해 공급된다. 또한, 복합 사이클은 바이패스를 포함하고, 펌프(111)의 임펄션 및 펌프(119)의 흡입 사이에서, 컨스티튜언트 브레이턴 사이클 및 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클 사이에서 열 유동(물)을 교환하는 것이 가능하다. 엘리먼트(112) 내에서 가열된 물의 흐름과 함께 급수 펌프(119)를 더 공급할 가능성도 있다. 이 바이패스 내의 흐름의 방향은 설계 및 사이클 동작 변수에 의해 결정된다.
120: 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클의 이코노마이저 또는 이코노마이저 튜브 파이프. 이들은 CRC(103) 내부에 위치한 열 교환기 엘리먼트로, 급수 펌프(119)로부터 공급된 물을 그것의 끓는점에 가까운 온도까지 가열하고, 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클 내에서 생성된 증기의 압력에서이다.
121: 증발기의 튜브 파이프 및 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클의 과열기. 증발기 및 과열기는, 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클의 가압 증기를 생성하는 CRC(103) 내부에 위치한 열 교환기 요소이다. 상기 이코노마이저(120) 내에서 가열된 물은 증발기 파이프로 진입하고, 최종적으로 과열된 물은 터빈 TAP(122) 또는 파워 사이클이 이 요소를 포함하는 경우 보충 열원(132)으로 전달되도록 배출된다.
122: (고압) 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클 TAP의 터빈. 이 증기 터빈의 목적은 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클에 따라 동작을 생성하는 것이다. 터빈 TAP(122)은, 그것이 가능할 경우, 라스트(last) 과열기(121) 또는 보충 열원(132)의 튜브 파이프로부터 과열된 스팀을 수신한다. 전체 장치에서 최고 압력에서 동작하는 터빈이라는 점을 특징으로 하여, TAP은 짧게(고압 터빈의 스페인어 두문자) 참조된다. 이 터빈은 배압에서 동작하여, 배출 증기는 배출 증기가 배출되는 필수 열원(101)에 도달하기에 충분한 압력에서의 방식으로 기체 유동의 부분 팽창을 수행한다.
이때, 이것은 필수적이지는 않으나, 파워 사이클은 터빈 TPI(135)를 포함하고, 이는 터빈 TAP(122)로부터 배출되거나 추출된 증기를 수신한다.
130: 상기 장치의 파워 샤프트. 이것은 기계적 동작(터빈, 펌프 및 압축기)를 요구하거나 생성하는 장치의 모든 기기와 커플링되는 엘리먼트 또는 엘리먼트의 배열이다. 파워 샤프트는 장치(장치의 터빈, 압축기 및 펌프가 커플링됨)의 유용한 기계적 에너지로부터의 포인트가 획득됨을 나타낸다.
펌프 및 팬(104)의 부재에서, 공통 파워 샤프트(130)는, 독립적인 발전기 또는 모터에 연결된 개별 파워 샤프트를 채용하는 본 발명에 따른 임의의 파워 사이클을 구현하는 것도 가능함에도 불구하고, 첨부된 도면에서 나타나 순수 기계적 복합 사이클을 어떻게 획득하는지 쉽게 이해하도록 한다.
열 펌프(UAX)의 기초 컴포넌트
UAX는, 표시된 것과 같이, 암모니아 및 물로 동작하는 본 발명의 장치의 필수 컴포넌트이다.
상기 컴포넌트는 도 5에 도시된 열 펌프 UAX를 포함한다. UAX를 구성하는 장비는:
201: 메인 발전기. 이것은 UAX의 “저온 저장소”로 기능하는 암모니아 흡수기이고, 복합 파워 사이클에 속한 엘리먼트(107)에 의해 방출된 열을 수신하는 것을 담당한다. 메인 발전기는 2차 발전기(202)로부터의 암모니아-물의 중간 농축 용액에 의해 공급되고, 일측은 습한 가스 암모니아가 압축을 위해 나오고, 다른 일측에서는 전송 펌프(215)에 의해 흡입된 희석 용액이 나온다.
이다.
202: 2차 발전기. 이것은 압축 암모니아 증기 응축기(207)에 의해 그것으로 공급된 열을 사용하여 동작하는 부분 암모니아 탈착기이다. 이전에 냉각된 이후, 암모니아 흡수기(210)에서 생산된 전체 농축 용액은 2차 발전기로 진입한다. 2차 발전기로부터 나오는 것은, 일측에서는, 메인 발전기(201)로부터 획득된 암모니아와 함께 암축된 습한 가스 암모니아이고, 다른 일측에서는 메인 발전기(201)로 공급하도록 전달되는, 저부로부터 획득된 부분적으로 탈기된 물이다. 2차 발전기(202)는 메인 발전기(201)보다 약간 더 높은 압력에서 동작하여 그것들 중 하나로부터 다른 것으로 용액이 유동하도록 한다.
203: 암모니아 압축기. 이 용어는 2개의 발전기(201) 및 2(2)로부터의 습한 가스 암모니아의 압력을 증가시키도록 기능하는 직렬 연결된 압축기의 배열에 적용된다. 가스 암모니아의 압축은 공정의 전반적인 효율성을 극대화하기 위해 가스의 중간 냉각과 직렬로 연결된 압축의 연속 단계에서 수행된다. 이를 달성하기 위해, 압축기 어레이는 복합 사이클 장치의 파워 샤프트(130)로부터 기계적 작업을 수신한다. 압축기(203)의 배열은, 적어도, NH3 포화 온도가 2차 발전기(202)가 탈착을 수행하는 온도를 초과할 수 있도록 가스 암모니아의 압력을 상승시켜 후자의 장비로 열을 전달하는 것이 가능하다. 이 냉각 가스 압축 스테이지는 종래 흡수 기기에서는 발생하지 않아, 이것은 UAX의 필수 특징이다. 압축기에 더하여 흡수-탈착 사이클을 사용하도록 함으로써, UAX(200)는 하이브리드 흡수 및 압축 시스템으로, 전체로서 채용되고, 열 펌프로 기능한다.
라스트 스테이지에서 나오는 압축 암모니아 증기는 최종 압축 암모니아 냉각 엘리먼트(205), 및 즉시 다른 냉각 코일(206),를 거쳐 순환하도록 만들어지고, 이는 압축 증기에 포함된 열이 UAX의 다른 엘리먼트 내에서 재사용됨을 의미한다.
204: 압축의 연속적 단계 사이의 가스 암모니아 냉각 엘리먼트. 이것은 압축기(203)를 구성하는 각 쌍의 스테이지 사이에서 가스 암모니아를 냉각하도록 하는 모든 열 교환기 엘리먼트로 구성된다. 모든 이러한 열 교환기 엘리먼트는 초임계 암모니아 증발기(209) 내에 위치하여, 그것들이 방출되는 모든 열을 방출하여, 이러한 각각의 냉각 엘리먼트(204)의 동작의 온도가 초임계 암모니아 증발기(209)의 동작 온도를 초과하여야 한다.
205: 최종 압축 암모니아 냉각 엘리먼트. 최종 희석 용액 히터 요소(216)와 함께 취하여, 이는 열 교환기를 포함한다. 최종 압축 암모니아 냉각 엘리먼트(205)를 통해 순환하는 것은 압축기(203)의 최종 스테이지로부터 배출되는 증기로, 희석 용액이 이 엘리먼트(210) 내에서의 가스 흡수가 발생하는 온도보다 낮은 온도에서 암모니아 흡수기(210)에 도달해야 하는 객체와 함께 최종 히터 엘리먼트(216)로 열을 방출한다. 이러한 관점에서 보면, 엘리먼트(205)는 전체 UAX(200) 내에서 최고 온도를 가지는 것이다.
206: 압축 암모니아 냉각 코일. 이것은 최종 압축 암모니아 냉각 엘리먼트(205)로부터의 다운스트림에서, 초임계 암모니아 증발기(209) 내에 놓인다. 이 코일(206) 내에서, 압축 가스 암모니아는 그것이 압축 암모니아 증기 응축기(207)로 도달하기 전에 냉각된다. 코일(206)에 의해 석방된 열은 암모니아 증발기(209) 내에서 가스 암모니아를 생성하도록 내부적으로 사용되어, 그것은 NH3의 임계점보다 높은(그것의) 온도에서 동작한다.
207: 압축 암모니아 증기 응축기. 이 장비에 있어서, 압축기(203)에 의해 공급된 압력 하에서 포화 암모니아 증기는 액상으로 변환되어 모든 열로 전달되고, 이는 포화에 의해, 2차 발전기(202)로 석방되어, 탈착 수행을 가능케 한다. 압축 암모니아 증기 응축기(207)는, 2차 발전기(202)가 적절하게 기능할 수 있는 방법이라 하더라도 가능한 최저 온도에서 교환기 엘리먼트(206)로부터 가스 상태의 암모니아를 수신한다. 팽창기(218)는 코일(206)을 응축기(207)로부터 분리하는 것이다.
압축 암모니아 증기 응축기(207)로부터 획득된 액체 암모니아는 초임계 암모니아 증발기(응축 암모니아 펌프(208)를 사용한)로 추진된다.
208: 응축 암모니아 펌프. 이것은 응축 암모니아 증기 응축기(207)로부터 초임계 암모니아 증발기(209)로, 임계점보다 높은 아웃렛 압력으로 응축된 암모니아를 추진하는 펌프이다. 상기 펌프(208)의 임펄션 라인에서, 전체 UAX(200) 내의 최고 압력이 도달한다.
209: 초임계 압력 암모니아 증발기. 이것은 응축 암모니아 펌프(208)에 의해 추친된 암모니아 응축물을 수신하고 그것을 암모니아의 임계점(113.5바/133.5˚C)보다 높은 온도 및 압력의 가스로 변환한다. 이를 달성하기 위해, 증발기(209)는 수신된 잔여 열을 재사용하고, 반면, 압축 암모니아 냉각 코일(206) 및 냉각 엘리먼트(204)로부터, 이는 압축기(203) 내의 줄-톰슨(Joule-Thomson) 효과에 의해 생성된 열을 전송한다. 반면, 그것은 잠재 열을 농축 용액 코일(211)(탈착기로부터 나온 용액보다 더 고농축인)에 의한 것으로 전달하여 재사용하고, 흡수기(210)로부터 배출된 농축 용액의 일부를 통해 순환한다. 이는 초임계 암모니아 증발기(209)가 UAX 시스템 자체로부터 리사이클된 열을 사용함으로써 그것의 기능을 수행하고, 가열이 요구되는 외부 다른 외부 소스가 기여하지 않음을 의미한다. 초임계 상태에서 암모니아 증발기(209)로부터 배출되는 가스는 흡수기(210)로 즉시 이송된다.
210: 암모니아 흡수기. 이것의 목적은 초임계 압력 및 온도 조건에서 물에 가스 암모니아를 용해시키는 것이다. 이는 UAX의 “고온 저장소”로 기능하고, 복합 파워 사이클의 재생 리보일러(113)으로 그것을 방출하는 열을 전송하는 역할을 한다.
증발기(209), 팽창기(217)를 만드는, 그리고, 더욱이, 전송 펌프(215)에 의해 추진되고 열 교환기 엘리먼트(214) 및 (216)에 의해 예열된 후, 연속적으로, 메인 발전기(201)로부터의 희석 암모니아-물 용액에 의해서도 공급된다.
흡수기(210)로부터의 배출은 2차(202) 및 메인(201) 발전기로 전달되는 농축 암모니아 용액으로, 따라서 흡수-탈착 사이클에 가깝다. 그것의 흡수기(210)로부터 배출을 따라, 농축 용액의 흐름은 2개 흐름으로 분할된다. 한 부분은 역류 교환기의 열 교환기 엘리먼트(213)를 통해 순환이 발생하고, 반면 나머지 흐름은 증발기(209) 내에서 생성되는 초임계 암모니아로 열을 제공하는 농축 용액 코일(211)을 통해 순환한다. 최종적으로, 그것들의 열을 교환하는 것은, 농축 용액의 2개의 용액은 팽창기 엘리먼트(212)로 진입하기 전에 다시 통합된다.
초임계 조건에서 물에 암모니아의 용해는 발열성 프로세스이다. 암모니아 흡수기(210)에 의해 석방된 열은 리보일러(113)로 전달되어 복합 파워 사이클 내에서 증기를 생성한다. 따라서, 흡수기(210)는 UAX(200)의 “고온 저장소”의 기능을 배출한다.
211: 증발기(209) 내의 농축 용액 코일. 이것은 초임계 암모니아 증발기(209) 내에서 발견되는데, 그것이 암모니아 흡수기(210)로부터 이 코일(211)을 통해 순환하는 농축 용액의 온도를 낮추는 대신 열을 석방한다.
213: 희석 및 농축 용액 사이의 열 교환기 엘리먼트. 농축 용액 측면. 이 엘리먼트(213)는 열 교환기 엘리먼트(214)에 의한 역류 열 교환기의 일부를 형성한다. 이 엘리먼트(213)를 통해 암모니아 흡수기(210)로부터 배출되는 농축 용액의 보충적 일부를 순환하지만, 농축 솔루션 코일(211)을 통해서는 순환하지 않는다. 이 교환기 엘리먼트(213)의 임무는 그것이 2차 발전기(202)로 진입하기 전 농축 용액의 온도를 낮추는 것이다.
212: 농축 용액 팽창기. 열 교환기 엘리먼트(211) 및 (213) 내에, 각각, 냉각된 2개의 농축 용액의 흐름이 재결합하기만 하면, 이 농축 용액이 2차 발전기로 진입하기 전에 위치한, 팽창기(212)는, 2차 발전기(202) 내의 탈착의 동작 압력을 조달하여 획득된다.
214: 희석 및 농축 용액 사이의 열 교환기 엘리먼트. 희석 용액 측: 이 엘리먼트(214)는 그것이 열을 받아오는, 엘리먼트(213)와 함께 역류 열 교환기의 일부를 형성한다. 이 역류 열 교환기의 목적은 농축 용액이 가능한 최저 온도에서 2차 발전기(202)로 진입하도록 하되, 동시에 그것의 암모니아 흡수기(210)로의 진입 이전에 희석 용액을 가열하는 것이다. 이 열 교환기 엘리먼트(214)를 통한 순환은 그것이 흡수기(210)에 도달하기 전에 전송 펌프(215)에 의해 추진되는 메인 발전기(201)로부터의 희석 용액으로, 농축된 용액의 일부와의 역류 내에서 그것을 가열하는 목적을 가진다.
215: 희석 용액 전송 펌프. 이것은 메인 발전기(201)를 떠나 암모니아 흠수기(210)로 희석 용액을 전달하는 것을 치환하되, 그것의 온도를 높이기 위해 열 교환기 엘리먼트(214) 및 (216)을 미리 통과하는 펌프이다.
216: 최종 희석 용액 히터 엘리먼트. 열 교환기 엘리먼트(216)는 최종 압축 암모니아 냉각 엘리먼트(205)와 함께 역류 열 교환기를 구성한다. 이 엘리먼트를 통한 순환은 열 교환기 엘리먼트(214)로부터의 희석 용액이고, 그것은 압축기(203)의 최종 스테이지로부터 배출된 증기에 의해 전송된 열을 사용하여 상기 용액이 동일 동작 온도에서 암모니아 흡수기(210)에 도달하도록 보장한다.
217: 흡수기(210)를 향한 가스 암모니아 팽창기. 팽창기(217)는 증발기(209)로부터 암모니아 흡수기(210)의 동작 압력에 대해 초임계 암모니아의 압력이 매칭되도록 한다.
218: 압축 암모니아 응축기를 향한 가스 암모니아 팽창기(207). 암모니아 팽창기 엘리먼트(218)는 응축기(207) 및 2차 발전기(202) 사이의 열을 교환하는 것이 설립될 수 있는 하는 방법으로 압축 암모니아 증기 응축기(207)의 동작에 필요한 압력 및 온도 저하를 발생시킨다.
흡수기 유닛을 위한 교환 열(UAX)의 특정 특징은 그것이 보조하는 복합 사이클의 동작 요구 및 변수에 의해 결정된다.
본 발명의 컨스티튜언트 브레이턴 사이클을 효율적으로 “재생”하기 위해, 상기 열 펌프 UAX(200)는 아래 조건을 만족해야 한다:
- 보조되는 파워 사이클과만 에너지를 교환함. 다시 말해서, 모든 저온 저장소에 의해 흡수된 열은 파워 저장소로 취해져야 하고, 모든 고온 저장소에 의해 석방된 열은, 다시, 다른 지점에서 파워 사이클로 전송되어야 한다. 외부와의 에너지 교환은 효율의 손실을 나타낸다;
- UAX의 저온 저장소는, 회수의 복적을 위해, 주위 압력(80˚C 및 120˚C)에서 수증기 응축물 열을 포집하여야 한다.
- UAX의 저장소 간의 큰 열 단계(온도 차이)만큼의 크기가 획득되도록 요구되는데, 그 이유는 고온 저장소는 사전에 응축 포화 수증기를 재생해야 하지만, 가능한 최고 온도에서는 시스템의 효율이 강화되기 때문이다.
- 성능(CoP)은 가급적 높아야 한다: 다시 말해서, 저온 저장소에서 고온 저장소로 전송되는 칼로리의 수는 압축기에 의해 소비되는 기계적 동작과 비교하여 훨씬 커야 한다;
- 외부로부터 펌프 UAX를 가열하는 모든 에너지(기계적 및 열)는 바로 보조되는 복합 사이클의 파워 샤프트(130)에 의해 공급되어야 한다;
- 열 펌프 UAX를 석방하는 열 에너지(UAX 자체의 실제 손실분을 제외)의 전체는 그것의 “고온 저장소”에 의해 방출되어야 하고, 그것의 리보일러(113)를 통해 파워 사이클 내에서 증기를 재생하도록 사용된다.
모든 흡수 장치는, 그리고 그러므로 또한 상기 UAX, 흡수-탈착의 주기적 프로세스에 따라 동작한다. 흡수는 액체 용매 내의 가스의 용해의 프로세스에 주어지는 명칭이다. 역으로, 용액으로부터 석방된 가스가 탈착으로 알려진 것 하에 가역적인 프로세스이다. UAX의 특정 케이스에서, 암모니아는 용질로 사용되고 물은 용매로 사용된다.
물에서 암모니아의 흡수는 가역적인 발열 과정으로, 모든 흡수에 있어서, 가스의 액상으로의 용해되는 경우 열의 석방이 있다. 그것의 일부를 위해, 발전기 내에서 발생하는 물에서의 암모니아의 탈착의 역 과정은 항상 흡열성으로, 이는 그것이 그것이 기능을 하기 위해 공급을 필요로 함을 의미한다.
UAX는 하이브리드 압축-흡수 열 펌프로 간주되는데, 그 이유는 그것의 기능이 두 가지 시스템과 공통 특징을 공유하기 때문이다. 이는 UAX가 흡수기, 탈착기, 증발기, 응축기 및 압축기와 필수적으로 구성되고, 게다가 펌프, 가스 팽창기 엘리먼트 및 열 교환기를 더 포함한다는 것을 의미한다.
종래의 흡수 기기는 외부(발전기 및 증발기)로부터 열을 흡수하는 두 개의 기기에 의한 초점 및 외부(흡수기 및 응축기)로 열을 석방하는 다른 두 개의 기기로 구성되는 시스템이다.
그럼에도 불구하고, 본 발명의 복합 사이클을 재생하는데 유용한 “열 펌프”에 대해서는, 단 하나의 “저온 저장소”(그것이 파워 사이클로부터 저온 열을 수신하는) 및 단 하나의 “고온 저장소”(상기 열이 사이클로 반환되나, 더 높은 온도에서)로 구성된다. 이는 정확히 그것을 다른 흡수 기기와 구별하는 UAX의 기초 특징이다.
UAX(200)가 임의의 다른 흡수 기기로 동일한 기초 엘리먼트를 구성한다 하더라도, 단 하나의 포커스에서 외부 열을 흡수하고 단 하나의 다른 것(실제 손실로 간주되는 무시할 수 있는 것)에 의해 석방되는 것을 특징으로 한다. 이는 그것의 엘리먼트를 석방하는 열을 리사이클링하고, 그것의 엘리먼트들의 다른 것에 의해 획득된 열을 제공하는 내부 열을 재사용함으로써 달성된다.
용액의 성분에 의해 나타나는 물리 화학적 친 화성으로 인해 액체에서 가스를 용해시키는 과정은 항상 단순한 응축보다 발열이 더 많은 것으로 밝혀졌다. 이것의 직접적인 결과는, 흡수 기기에서, 흡수-탈착에 의해 동작하는 포커스 -흡수기(210) 및 메인 발전기(201)-가, 각각, 압축 암모니아 증기 응축기(207)에서 석방되고, 초임계 암모니아 증발기(209) 내에서 흡수되는 것보다 많은 열을 방출하고 흡수한다.
열의 최대 특정량을 그것의 저온 저장소로부터 그것의 고온 저장소로 성공적으로 전송하기 위해, UAX는 내부적으로 특정 열의 흐름을 재사용하여 그것의 압축 암모니아 증기 응축기(207) 및 그것의 초임계 암모니아 증발기(209)가 외부와의 에너지를 교환하는 것을 방지하고, 흡수기 및 메인 발전기(201)가 각각, 유일한 고온 저장소 및 저온 저장소가 되도록 유지한다.
역학적 관점에서 볼 때, 압축 냉장 기기와 달리 종래의 흡수 기계는 더 차가운 저장소에서 더 따뜻한 저장소로 열을 전달하지 않기 때문에 엄격하게는 열 펌프로 간주될 수 없다. 일반적으로 상기 기기는 가장 추운 엘리먼트(상기 증발기) 및 가장 뜨거운 엘리먼트(상기 발전기)를 통해 동시에 열을 흡수한다.
UAX(200)가 다른 종래 흡수 기기와 구별되는 특징 중 하나는 실제로 열 펌프로 동작하여 차가운 지점에서 더 따뜻한 지점으로 열 에너지를 전달한다는 것이다. 이는 냉장 기기가 일반적으로 동작하는 방식과 동작 압력을 반대로 하여 히트 펌프 UAX가 동작하도록 함으로써 달성된다.
압축 또는 흡수를 기반으로 하는 모든 냉장 기기에는 고압에서 동작하는 회로의 한 부분과 저압에서 동작하는 다른 부분이 있다(응축기는 증발기보다 높은 압력에서 동작함).
압축 가열기의 경우 증발기와 응축기 사이의 압력 차이는 압축기에 의해 강제된다. 압축기 및 팽창기 간의 압력은 다른 구역이 구분된다.
흡수 기기에 있어서, 발전기와 응축기는 증발기와 흡수기보다 더 높은 압력에서 동작한다. 일부 구성 요소와 다른 구성 요소 사이에 존재하는 압력 차이를 유도하는 것은 흡수-탈착 시스템 자체의 기능이다.
UAX의 한 가지 특징은 종래의 냉장 기기에 비해 동작 압력이 반대로 작동한다는 것이다. 다시 말해서, 그것의 흡수기(210) 및 초임계 암모니아 증발기(209)는 그것의 압축 암모니아 증기 응축기(207) 및 그것의 메인(201) 및 2차 (202) 발전기에 비해 더 높은 압력에서 기능한다. 이를 달성하기 위해, 전송 펌프(215)는 희석 용액이 상기 발전기(201)로부터 암모니아 흡수기(210)로 순환하도록 만들어, 더 높은 압력에서 동작한다.
변환된 압력에서 동작하기 위해, UAX(200)는 기계적인 수단을 필요로 한다. 이 점에서, UAX는 임의의 다른 종래 흡수 기기와 회로의 압력 차이가 유도되지 않으나, 강제되고, 이는 이 목적을 위해 압축기 및 펌프를 채용함으로써, 라는 점에서 차이가 있다.
반대 압력으로 UAX가 동작하도록 하려면 흡수기(210)와 메인 발전기(201)의 동작 온도를 정확하게 결정해야 한다. 그 이유는 물에서의 암모니아의 용해도에 영향을 미치는 두 가지 상쇄 효과가 동시에 생성되기 때문이다. 반면, 액상은 더 높은 압력에서 더 많은 가스를 용해시킬 수 있어야 하지만, 다른 한편으로는 더 높은 온도에서 가스가 덜 혼화된다.
명백한 것은, 시스템이 열 펌프로 동작할 수 있기 위해서는 물에서의 암모니아 용해도가 메인(201) 및 2차(202) 발전기보다 흡수기(210)에서 항상 더 높아야 하는데, 그 이유는 어떤 흡수기에서도, 가스가 용해됨에 따라 항상 농도가 상승하는 반면, 모든 발전기에서는 가스 탈착이 발생하기 때문에 항상 희석 용액이 생성되기 때문이다.
최대 효율에 도달하려면 각각의 경우 동작 온도와 압력 사이의 이상적인 균형을 찾아야 하는데, 그 이유는, 일 측면의 경우, 압력을 낮춤으로써 메인(201) 및 2차(202) 발전기에서 탈착이 촉진되고, 암모니아 흡수기(210)의 작동 압력에 따라 효율이 상승하기 때문이다. 그러나 UAX의 임무는 열 펌프 역할을 하는 것임을 염두에 두어야 하는데, 고온 및 저온 저장소 사이의 열 단계가 가능한 한 크도록 설계되었다. 이 점을 감안하면, 흡수기(210)의 온도가 상승하면 암모니아는 불용성이 더 강해지는 경향이 있는 반면, 메인(201) 및 2차(202) 발전기의 온도가 낮아지면 용해도가 상승하여 탈착 성능을 저해하는 경향이 있다.
압축기를 사용하여 열을 저온 지점에서 다른 고온 지점으로 전송할 수 있는 열역학 시스템은 “열 펌프”로 알려져 있는데, 이것은 정확히 본 발명의 목적인 “열 교환을 위한 흡수기 유닛”에 의해 배출하는 기능이다.
전술한 바와 같이, “열 교환을 위한 흡수기 유닛”(UAX)가 본 발명의 파워 사이클을 보조하는 열 펌프로 동작하도록 하기 위해서는, UAX(200)dml 특정 특징을 구성하는, 일련의 특정 수정을 수행할 필요가 있다는 점이 지적되어야 한다. UAX를 다른 흡수 사이클과 구별하도록 하는 이러한 특정 수정은:
1. - 암모니아 흡수기(210)가 열을 방출하도록 하기 위해, 메인 발전기가 동작(201)하는 것보다 더 높은 온도에서, 동작 압력을 변환할 필요가 있는데: 다시 말해서, 흡수기(210)는 암모니아가 탈착된 컴포넌트보다 더 높은 온도에서 동작하여야 하고, 메인 발전기(201). 이를 달성하기 위해, 전송 펌프(215)가 필요한데, 이는 2차 발전기(202)로 들어가기 전에 희석 용액을 암모니아 흡수기(210)와 농축 용액을 위한 팽창기(212) 엘리먼트로 밀어 넣는다.
2. - UAX가 외부로 열을 손실하지 않도록 하기 위해, 압축 암모니아 증기 응축기(207)가 석방하는 열을 리사이클 할 필요가 있고, 그것을 2차 발전기(202) 흡수기로 전송하여, 전자의 작업 온도가 후자의 온도보다 약간 더 높아야만 한다. 압축기(203)를 사용하는 암모니아의 증기압을 증가시키기 위해, 그것을 위해 그것이 발전기 내의 용액에서 증발하는 것보다 높은 온도에서 응축한다.
3. - 압축 암모니아 증기 응축기(207)에서 방출된 열은 UAX 자체에서 리사이클된다는 점을 염두에 두어야 하고, 암모니아 흡수기 210)는 열이 외부(무시할 수 있을 정도로 간주되는 전도, 대류 및 방사로부터의 열의 실제 손실인 경우)로 방출되는 유일한 지점을 구성한다.
4. - 효율을 높이기 위해, 냉각 가스로 채용된 암모니아의 압축은 중간 냉각을 통해 여러 단계에서 수행된다. 이는 압축의 단계 사이에서, 제거되어야 할 열의 양이 존재함을 내포한다. 게다가, 압축된 암모니아 증기가 가능한 가장 낮은 온도에서 압축된 암모니아 증기 응축기(207)에 도달하는 것이 중요한데, 항상 2 차 발전기(202)로 열을 전달할 수 있다.
시스템의 작동 온도를 적절하게 선택하면 증기 흐름에 포함된 과도한 열을 증발기(208)에 전달하여 증발기(208)에 필요한 열을 제공할 수 있고, 압축기(203)와 흡수기(210)에서 나오는 농축 용액을 거쳐 암모니아를 초임계 상태로 전환한다. 이러한 과잉 열의 합이 암모니아 증발기(209)의 요구를 충족하면 “임계점”을 초과하는 조건에서 암모니아를 생성하기 위해 외부에서 열을 공급할 필요가 없으며 동시에 외부에 대한 냉각 열이 사라진다.
5. - 시스템 자체에서 재순환되는 열로 초임계 암모니아 증발기(209)에 필요한 열을 공급함으로써, 메인 발전기(201)가 UAX가 외부에서 열을 받는 유일한 포커스가 된다.
이러한 모든 수정을 적절하게 수행하면 직렬로(203)에 연결된 압축기를 사용하여 흡수 기계를 설계할 수 있는데, 압축된 암모니아 증기 응축기(207)와 초임계 암모니아 증발기(209)가 외부와 열을 교환하지 못하도록 하여 메인 발전기(201)를 시스템이 외부에서 열을 흡수하는 유일한 저온 저장소로 남겨두고 흡수기(210)는 더 높은 온도에서 작동하여 열이 외부로 방출되는 유일한 뜨거운 저장소 역할을 한다.
열 펌프(UAX)의 기능
1. - 다른 흡수 시스템과 마찬가지로 UAX(200)가 폐쇄 사이클에서 연속적으로 작동할 수 있도록 가스를 “흡수”하는 컴포넌트 간에 용액을 교환하기 위한 회로를 구축해야 하는데, 이는 농축 용액을 생성하고 다른 하나는 “탈착”하여 묽은 용액을 생성한다. 다시 말해서, 희석 용액은 메인 발전기(201)에서 나와 암모니아 흡수기(210)로 순환하고, 반면, 농축 용액은 흡수기(210)를 떠나 반대 방향으로 메인 발전기(201)로 순환하여 새로 리사이클 된다.
전술한 바에 따르면, 역류 순환은 장비의 한 조각 및 다른 것(흡수기(210) 및 발전기(201), 그러나 반대 방향에서) 사이에 두 개의 용액이 설립된다.
흡수기의 발전기(탈착기)와 흡수기가 항상 서로 다른 압력에서 작동한다는 점을 감안할 때, 용액은 기계적인 도움없이 더 높은 압력에서 더 낮은 압력으로 기계를 형성한다. 그러나, 더 낮은 압력에서 더 높은 압력을 향하는 장비로부터의 역슈 순환하는 다른 용액은 펌프에 의해 드라이브 될 필요가 있다.
UAX(200)에 있어서, 종래의 흡수 기기와 달리, 흡수기(210)는 메인 발전기(201)보다 더 높은 압력에서 동작하고, 결과적으로, 전송 펌프(215)는 희석 용액을 메인 발전기(201)로부터 흡수기(210)로 배출한다.
2. - UAX(200)은 2개의 탈착기 또는 발전기로 구성되는데, 하나는 우리가 2차 발전기(202)라 부르는 것이고, 다른 하나는 메인 발전기(201)라 부르는 것이다. 직렬의 2개의 발전기는, 이는 2차 발전기(202)에서 나오는 부분적으로 탈착된 용액이 메인 발전기(201)에 대한 공급을 구성함을 의미한다.
암모니아의 탈착은 열을 추가해야 하는데, 그 이유는 이것이 흡열 과정이므로 모든 발전기가 작동하기 위해 열 공급이 필요하기 때문이다. UAX에 있어서, 각각의 발전기는 다른 소스로부터 열을 수신한다: 2차 발전기(202)는 압축 암모니아 증기 응축기(207)에 의해 열을 공급받고, 반면 메인 발전기(201)는 복합 사이클로부터 열을 수신한다. 결과적으로, 메인 발전기(201)의 동작 온도는 항상 컨스티튜언트 브레이턴 사이클 내의 유체의 응축 온도에 의해 결정된다. 이 응축은 엘리먼트(107)에서 발생한다.
2차 발생기(202)는 항상 메인 발생기(201)보다 상당히 높은 압력에서 작동하여 중간 농도 용액이 기계적 수단 없이도 이들 중 하나에서 다른 것으로 흐르는데, 이에 불구하고, UAX(200) 발전기(201) 및 (202)의 작동 압력은 UAX가 설계된 탈착 정도(희석 용액의 농도)에 따라 달라진다.
메인 발생기(201)는 UAX(200)에서 가장 낮은 압력에서 작동하는 장비이므로 이 성분에서 얻은 희석 용액은 암모니아 흡수기(210)에 공급하기에 충분한 압력에서 이송 펌프 (215)에 의해 추진되어 순환해야 한다.
3. - 2개의 발전기, 메인(201) 및 2차(202), 로부터 획득된 암모니아 증기는, 임의의 종래 탈착기에서 획득된 것과 같이, 항상 일정한 양의 습도를 포함한다. 본 특허에서, 달리 지칭되지 않는 이상, UAX(200) 내에서는 항상 “습한” 암모니아 증기로 참조된다. 본 보고서에서, 이 습한 암모니아는 UAX에서 요구하는 압력 및 온도 조건에서 습도가 매우 낮기 때문에 특별히 고려하지 않고, 이것은 사이클의 필수 기능을 대체하지 않는다.
발전기(201 및 202) 내에서 탈착된 암모니아는 압축기(203)의 배열로 전달된다. 여기에서, 압축의 프로세스는 압축되는 유체의 냉각에 개입하는 연속적인 스테이지에서 수행되고, 압축의 기계적 효율을 증가시키기 위한 2가지 목적을 위해, 반면, 다른 것은, 초임계 암모니아 증발기(209)에 가열을 제공할 수 있는 복수의 열 저장소를 가진다. 다시 말해서, 압축 스테이지들 간의 냉각 엘리먼트(204)의 세트는, 이 열을 증발기(209)로 전송하므로, 따라서 그것의 사이클 외부로의 열 손실을 방지한다.
압축기(203)의 세트는 복합 사이클 자체로부터 파워 샤프트(130)에 의해 그것의 기계적인 동작을 획득하여, 이 동작은 복합 파워 사이클에 의해 자체-소모되는 것으로 간주된다. 기계적 에너지의 자체-소모가 적을수록, 복합 사이클의 순수 효율이 커지고, 압축 프로세스가 가능한 한 효율적이 되는 것이 중요하다.
압축기(203)의 최종 단계에서 나오는 증기의 최종 압력은 압축 암모니아 증기 응축기(207)의 작동 압력에 의해 결정되며, 이는 탈착이 발생하는 온도의 직접적인 기능으로, 그것은 2차 발전기(202)와 열을 교환한다.
4. - 암모니아 증기가 압축기(203)의 마지막 단계에서 흡수기(210)보다 더 높게 나와야 한다는 것은 UAX의 작동 요건인데, 그래서 최종 압축 암모니아 냉각 엘리먼트(205)가 희석 용액을 가열하여 액상이 이 장비에서 암모니아 증기가 용해되는 온도보다 낮지 않은 온도에서 흡수기(210)로 들어가도록 한다.
5. - UAX(200)의 기능에 대한 응축 불가능한 요구는, 최종 압축 암모니아 냉각 엘리먼트(205) 뿐 아니라 다른 가스 암모니아 냉각 엘리먼트(204)로부터 방출되는 압축 암모니아 증기에 대해서도, 초임계 암모니아 증발기(209)보다 더 높은 온도이어야 하고, 그래서 이 열은 압축된 암모니아 냉각 코일 (206)을 사용하여 전달될 수 있고, 이 코일과 함께 암모니아가 초임계 상태로 생성된다.
6. - 열을 내린 후, 암모니아 증기는 가능한 가장 낮은 온도 (압축 암모니아 증기 응축기(207)의 포화 온도에 가까운 온도)에서 압축 암모니아 코일(206)에서 나오도록 만들어지고, 이것은 팽창기(218)팽창기에서 부분적으로 팽창하여, 응축기(207)의 작동 압력에 도달한다.
7. - 응축기(207)에 있어서, 압축 암모니아 증기는 액체로 변환될 수 있고, 전체적으로 전달된 열을 2차 발전기(202)로 방출하여 농축 용액의 부분 탈착을 수행할 수 있도록 한다.
열을 압축 암모니아 증기 응축기(207)로부터 2차 발전기(202)로 전송하기 위해, 압축 암모니아 증기 응축기(207)에서 발생하는 암모니아 증기의 포화의 온도는 2차 발전기(202)에서 발생하는 탈착의 온도보다 더 높아야 한다. 포화 온도가 특정 압력과 대응되는 경우, 후자는 압축기(203)의 최종 압력이 무엇인지를 결정한다.
8. - 압축 암모니아 증기 응축기(207)의 저부에서 수집된 액상 암모니아는 초임계 암모니아 증발기(209)로 전달되어, 응축 암모니아 펌프(208)에 의해 그것의 “임계점”보다 높은 압력에서 추진된다.
9. - 초임계 암모니아 증발기(209)로 진입하는 과정에서, 액상 암모니아는 최초로 가열되고 암모니아의 “임계점”(113.5바/133.5˚C)보다 높은 압력 및 온도 상태의 가스로 변환된다.
초임계 암모니아 증발기(209)가 기능을 수행하는데 필요한 열은 UAX 자체의 엘리먼트(204), (206) 및 (211)에 의해 방출된 과도한 열을 이를 위해 충분한 온도에서 회복하여 얻는다.
초임계 암모니아 증발기(209)가 요구하는 열을 공급하는 열 교환기 엘리먼트는 다음과 같다:
- 압축의 다른 스테이지들 간의 냉각 엘리먼트(204)의 배열.
- 그것이 압축 암모니아 증기 응축기(207)로 진입하기 전에 압축 암모니아 증기를 냉각시키는 냉각 코일(206).
- 암모니아 흡수기(210)에서 나오는 고온 농축 용액의 일부가 순환하는 교환기 엘리먼트(211).
UAX가 효율적으로 동작하기 위해, 복합 사이클 하나에만 에너지적으로 의존하고, 초임계 암모니아 증발기(209)에 의해 요구되는 열량과 교환기 엘리먼트(204), (206) 및 (211)의 배열에 의해 추가된 열량 간에 항상 동일성을 유지해야 한다.
UAX에 있어서, 암모니아의 임계점을 넘는 압력에서 증발기(209)가 동작하도록 함으로써 열 균형이 획득되고 제어된다. 이는 UAX를 임의의 다른 종래의 흡수 기기와 구별되도록 하는 기본 특징이다.
증발기(209) 내의 NH3의 임계점보다 약간 높은 압력에서 동작하는 경우, 여기에서 흡수되는 열의 양을 변환 가능하다. 암모니아의 압력 및 온도가 그것의 임계점을 초과하는 경우, “열 이상”이 발생하는데, 이는 초임계 유체의 작은 압력 변화는 매우 작은 온도 변화에 대해 큰 엔탈피 변화를 필요로 한다(암모니아를 위한 압력-엔탈피 다이어그램, 등온선 라인은 항상 가능한 한 임계점이 지나간 것과 수평을 이룬다).
전술한 결과의 직접적인 결과는 초임계 암모니아 증발기(209)의 에너지 균형이 작동하는 압력을 최소한으로 변경함으로써 달성된다는 것이다. 이는 응축 암모니아 펌프(208)와 팽창기(207)의 공동 작용을 통해 달성되며, 시스템 전체에 탁월한 작동 유연성을 부여한다.
10. - 암모니아가 초임계 조건 하에서 증발기(209)를 이탈하는 경우, 그것은 그것이 가진 압력에 의해 흡수기(210)로 흐른다.
흡수기(210) 내로 진입하는 가스 유입 라인에는 암모니아 흡수기(210)와 초임계 암모니아 증발기(209)의 작동 압력을 일치시키는 밸브(217)가 있다.
흡수기(210)의 작동 압력을 조절하여 용액의 암모니아 농도, 작동 온도 및이 장비에서 방출되는 열을 제어한다.
11. - 가스 상태의 암모니아 뿐 아니라, 암모니아 흡수기(210)도 메인 발전기(201)로부터 모든 희석 용액을 수신하고, 전송 펌프(215)에 의해 방출되고 열 교환기 엘리먼트(214) 및 (216) 내에서 가열된 이후이다. 2개의 흐름이 혼합되는 경우, 이것은 수성 용액이 암모니아 농도를 증가시키는 방법으로 기체 암모니아 용액을 생성하여 우리가 "농축 용액"이라고 부르는 것을 발생시킨다. 명백한 것은, 이것이 설명된 대로 발생되기 위해서는, 암모니아는 항상 발전기(201 및 202) 보다 흡수기(210)에서 더 잘 용해되어야 한다. 이는 흡수기(210) 및 발전기(201 및 202)의 동작 온도 및 압력의 적절한 선택을 만듦으로써 달성된다.
물에서의 암모니아의 용해도를 증가시킬 수 있기 위해, 설계 조건이 요구되는 경우, 용액에 암모니아 이온(예: 염화은 등)과 복합 라디칼을 형성할 수 있는 화학 물질을 첨가할 수 있다.
흡수기(210) 내에서 획득된 암모니아에서의 농축 용액은 냉각된 후, 발전기(202 및 201)로 전달되므로, 동작 사이클과 가깝다.
가스 암모니아의 용해의 프로세서의 결과로서, 흡수기(210)에서 나오는 농축 용액의 양은 항상 메인 발생기(201)를 이탈하는 희석 용액의 양을 초과한다.
농축된 용액은 그 엔탈피가 역류 교환기(213/214)에서 재사용 될 수 있을 만큼 충분한 온도에서 흡수기(210)를 떠나기 때문에 교환기 설계에 중요한데, 반면, 가열기(211)는 증발기(209)의, 다른, 내부에 위치한다.
12. - 이 트윈 열 교환기 기능을 수행하기 위해 암모니아 흡수기(210)에서 나오는, 뜨거운, 농축 용액의 전류를 두 개로 분할한다. 한편, 일정량의 용액이 열 교환기 엘리먼트(213)를 순환하여 열 교환기 엘리먼트(214)를 순환하는 희석 용액을 역류로 예열하고, 반면 나머지 용액은 농축 용액 코일(211)을 순환하면서 증발기(209)로 열을 방출하여 초임계 상태의 암모니아를 생성한다.
13. - 엔탈피를 포기하고 냉각된 후 2차 발전기(202)로 들어가기 전에 두 개의 농축 용액 흐름이 다시 하나로 결합된다.
2차 발전기(202)의 하류에 위치한 팽창기(212) 엘리먼트는 이 장비의 농축 용액에 포함된 암모니아의 부분적 탈착이 발생하는 압력에서 작동한다.
14. - 2차 발전기(202)에서 발생하ㄴ 부분 탈착의 결과로서, 특정 양의 습기 가스 암모니아가 배출되고, 이는 압축기(203)로 바로 전달된다.
암모니아 가스를 탈착하기 위한 2차 발전기(202)에 의해 획득된 열은, 임의의 다른 추가적인 필요로 하는 열원 없이, 압축 암모니아 증기 응축기(207)과 열을 교환함으로써 수신된다.
2차 발전기(202)의 바닥에서 얻은 중간 농도 용액은 기계적인 수단 없이 자체 압력으로 공급되는 메인 발전기(201)로 흐른다.
15. - 메인 발전기(201)에 있어서, 직렬의 2차 탈착 상이 발생한다. 이 프로세스의 결과로서, 암모니아 증기의 추가적인 양이 2차 발전기(202) 내에서 획득된 증기와 함께 직접 압축기(203)로 전달된다.
메인 발전기(201)의 저부로부터, 희석 암모니아 용액이 획득되고(2차 발전기(202)로부터 배출되는 것보다 더 희석된), 이는 희석 용액 전송 펌프(215)에 의해 흡수기(210)로 다시 전달되는 것이므로, 흡수-탈착 사이클과 가깝다.
메인 발전기(201)가 탈착의 최종 단계를 수행하는 데 필요한 열은 결합된 전력 사이클의 엘리먼트(107)와 열을 교환하여 UAX외부에서 공급된다.
주 발전기(201)는 UAX의 가장 낮은 온도에서 작동하는 장비인데, UAX에 의한 사이클의 유일한 지점은 이 열 펌프의 “저온 저장소” 역할을 하는 방식으로 외부로부터 열을 수신한다.
UAX가 더 효율적으로 동작할 수 있기 위해서는, 메인 발전기(201)의 동작 압력 및 온도는 일련의 응축 불가능한 요건을 만족시키도록 촘촘하게 특정되어야 한다. 반면, 2차 발생기(202)의 조건 하에서 암모니아 가스의 용해도는 항상 암모니아 흡수기(210)보다 낮아야 한다. 이것은 탈착 온도를 높여서 얻을 수 있다. 그럼에도 불구하고 UAX (200)의 목적은 열 펌프로 작동하는 것으로, 따라서 저온 저수조 역할을 하는 메인 발전기(201)는 가능한 최저 온도에서 그렇게 하는 것이 중요한데, 즉, 용해도가 의도한 것과는 반대로 상승하는 경향이 있음을 의미한다.
16. - 메인 발전기(201) 내에서 획득된 희석 용액은 흡수기(210)로 전달되어 UAX가 폐쇄 사이클 내에서 동작한다. 이를 위해, 흡수기(210)가 작동하는 암모니아 임계점 이상의 압력에서 희석 용액을 대체하는 전송 펌프(215)가 필요하다.
17. - 암모니아 흡수기(210)가 고온 저장소 역할을 하므로 효율을 높이기 위해 가능한 한 많은 열을 복합 사이클의 리보일러(113)로 전달할 수 있는 것이 중요하다. 이것은 희석 용액이 가능한 가장 높은 온도에서 흡수기(210)에 도달하도록 함으로써 선호된다.
이와 반대되는 것으로, 외부로부터 열을 받는 저온 저장소 역할을 하는 메인 발전기(201)가 저온에서 묽은 용액을 받으면 UAX의 효율이 향상된다.
UAX(200)의 전체 효율을 개선하고, 동시에 두 조건을 만족시키기 위해, 희석 및 농축 용액 사이에서, 열 교환기 엘리먼트(214) 및 (213)으로 각각 구성되는 역류 열 교환기가 제공된다.
18. - 희석 용액은, 전술한 교환기에서 예열된 후, 그것이 암모니아 흡수기(210)로 진입하기 전, 이 용액의 온도를 훨씬 더 증가시키는 다른 추가적 히터 엘리먼트(216)을 거친다.
앞서 언급한 바와 같이, 최종 히터 엘리먼트(216)는 희석 용액에 대해 최종 압축 암모니아 냉각 엘리먼트(205)(이는 전제 UAX(200) 내의 최고 온도에서임)로부터 열을 수신하고, 이는 암모니아 증기가 압축기(203)의 최종 스테이지로부터 배출되도록 순환하여 통과한다.
19. - 이 UAX(200) 사이클은 묽은 용액이 기체 암모니아와 혼합될 때 흡수기 (210)에서 닫히고 이를 용해시켜 농축 암모니아 용액을 생성한다. 이는 발열 프로세스로, 그것이 열을 석방함을 의미한다. 이는 열이 외부 리보일러(113)로 전송되고, 따라서 흡수기(210)가 UAX의 “고온 저장소”를 하도록 만든다.
이상적으로는, 즉 다시 말해서, 전도, 대류 및 방사에 의한 불가피한 열의 실제 손실을 무시하면, 흡수기(210)는 UAX가 외부로 열을 방출하는 유일한 지점이다.
흡수기(210)에서 발생하는 기체 암모니아의 용해 과정은 비정상적으로 높은 온도와 압력(NH3의 그것들의 임계점보다 높은)에서 이루어지므로 흡수기(210)에서 암모니아의 용해도가 항상 발전기(201 및 202)에서보다 더 커진다.
이것은, 대조적으로 상기 발전기(201)이 무엇인지로 의도되는데, 용액의 온도를 낮춤으로써 달성된다: 그럼에도 불구하고 이와 대조적으로, UAX의 기능이 열 펌프로 작동한다는 점을 감안할 때, 고온 저장소 역할을 하는 암모니아 흡수기(210)는 가능한 최고 온도에서 작동해야 하며, 이는 용해도가 더 이상 상승하지 않는다.
20. - UAX(200) 사이클 작동의 전체적인 결과를 종합하면, 이 시스템은 암모니아 흡수기(210)로 구성되는 단일 고온 저장소 및 메인 발전기(201)를 포함하는 단일 저온 저장소가 존재하는 방식으로 열 펌프로 작동한다.
실제 손실을 무시하고 에너지 보존 원칙과 열역학 제2 법칙에 따라, UAX는 흡수기(210)를 통해 전원 사이클에 열을 방출하고, 메인 발전기(201)가 동력 사이클에서 포집하는 열과 압축기(203) 및 사이클의 펌프가 동력 샤프트 (130)로부터 받는 기계적 에너지의 합과 동일하다. 이는 열 펌프 UAX(200)가 엘리먼트(107)를 통해 본 발명의 조합 사이클에서 취한 열보다 재생기 리보일러(113)를 통해 본 발명의 조합 사이클에 항상 더 많은 열을 내보낸다는 것을 의미하는데, 이 열의 차이가 적을수록 UAX(200)의 성능이 향상된다(높은 CoP는 고성능에 해당). 이는 리보일러(113)에 추가 수량의 물과 엘리먼트(107)에서 생산된 모든 응축물을 공급해야 함을 의미하기 때문에 전력 사이클에 직접적인 영향을 미친다.
열 펌프(UAX)의 복합 파워 사이클에 대한 통합
본 발명에 따른 복합 사이클을 동작시키기 위해, 열 교환 UAX(200)을 위한 흡수기 유닛은 단일 장치 내에 통합될 필요가 있는데, 컨스티튜언트 브레이턴 사이클을 “재생”하는 기능을 수행하고, 사이클의 최저 지점에서 그것의 손실을 방지하기 위해 방출된 열을 리사이클링 하고, 다른 종래의 복합 사이클에서와 같이 발생한다.
본 발명에 있어서 열 펌프에 의한 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 재생은 아래와 같이 수행된다:
- 일반적인 브레이턴 사이클에서 발생하는 것처럼 가스 대신 응축 가능한 열 유동 (수증기)을 사용함,
- 열 펌프 UAX(200) 기능을 만들기 위해 파워 사이클에서 일정량의 기계적 작업을 수행함,
- UAX(200)의 “저온 저장소”를 통해 파워 사이클에서 방출되는 응축 열을 포집함,
- UAX(200)의 “고온 저장소”를 통해 파워 사이클에서 수신한 열과 작업을 반환하여 응축 중에 이전보다 더 높은 압력과 온도에서 수증기를 생성함.
컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 “재생”의 클래스를 수행하기 위해, 장치는:
- 엘리먼트(107)에 의해 형성된 열 교환기 시스템이 주위 압력에서 수증기 응축 열을 열 펌프 UAX(200)의 저온 저장소로 전송함,
- 열 펌프 UAX(200)에 의해 그것의 고온 저장소를 통해 반환되는 열을 고압에서 수증기를 생성하는 엘리먼트(107)보다 더 높은 온도에서 작동하는 재생기 리보일러(113),
- 응축물을 엘리먼트(107)로부터 재생기 리보일러(113)로 밀어내는 재생 응축물 펌프(111). 상기 응축된 물은 엘리먼트(107)로부터 재생기 리보일러(113)로 전달된다.
본 발명에 제시된 히트 펌프를 사용하는 컨스티튜언트 브레이턴 사이클에 대한 재생 절차는 종래의 재생적 브레이턴 사이클에 비해 두 가지 장점을 제공한다:
- 컨스티튜언트 브레이턴 사이클에서 방출된 열을 온도가 가장 낮은 사이클 지점에서 정확하게 재활용할 수 있다.
- 수증기가 한 압력에서 응축되고 증기가 다시 생성되기 때문에 압축된 유체를 재생한다. 이것은 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 필수 열원(101)으로 증기를 운반하는데 필요한 압축의 기계적 작업의 소비를 최소화한다.
이러한 형태의 열 펌프(200)를 사용한 재생이 가능하기 위해서는 장치의 파워 샤프트(130)가 그 기능에 필요한 압축의 기계적 작업을 공급하는 것이 필요하며, 이것은 추가적인 자기 소비로 간주된다.
실제 손실을 고려하지 않고 에너지 절약 원칙에 따라, UAX(200)는, 다른 히트 펌프와 같이, 저온 저장소에 흡수된 열 에너지와 압축기가 소비하는 작업량과 동일한 양의 열 에너지를 고온 저장소를 통해 방출한다. 다시 말해서, 항상 저온 저장소에 의해 흡수된 것보다 고온 저장소에 의해 석방된 열이 더 많다. 상기 UAX가 외부와 에너지를 교환하지 않는 경우, 파워 사이클로부터 흡수된 압축의 이러한 기계적인 작업은 추후 리보일러(113)에 의해 추가적인 열의 형태로 반환된다. 이러한 이유로, 엘리먼트(107) 내에서 생성된 모든 응축물로부터 떨어져서, 증발되는 추가적인 양의 물을 리보일러(113)로 공급할 필요가 있다.
어떠한 경우이든, 논리적으로는, 히트 펌프 UAX(200)의 성능(CoP)이 높을수록 결합된 파워 사이클의 순수 효율이 높아진다.
응축 가능한 유체가 사용되는 “컨스티튜언트 브레이턴 사이클”의 변형을 사용하는 한 가지 특징은 열 유동이 본 발명의 복합 사이클의 “컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클”과 교환될 수 있다는 것이다. 본 발명의 목적인 복합 사이클에서는, 엘리먼트(107)에 대해 리보일러(113)가 증발하는데 필요한 추가 물의 양은 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클 또는 컨스티튜언트 사이클 (브레이톤과 랭킨) 사이의 상호 연결 라인의 흐름으로부터 얻는다.
본 발명의 복합 사이클의 컨스티튜언트 브레이턴 및 랭킨 사이클을 상호 연결할 가능성은, 두 사이클에 공통적인 엘리먼트를 사용함으로써 상기 장치를 단순화할 가능성과 같은, 다른 타입의 장점을 가져온다.
컨스티튜언트 브레이턴 사이클에 히트 펌프를 통합하는 목적은 “재생”을 달성하고 사이클의 가장 추운 지점에서 방출된 열을 재활용하여 손실을 방지하는 것이다. 이러한 타입의 재생은 브레이턴 사이클이 “폐쇄” 또는 “반-폐쇄” 상태인 경우에만 실현 가능한 것으로 판명되는데: 다시 말해서, 열 유동이 대기로 방출되지 않고, 사이클로 반환되는 경우만을 의미한다.
- “폐쇄 사이클”에서의 작동은 외부에서 재료를 공급하지 않고 설치 기능을 수행할 때 수행되며, 이 경우 입력 에너지는 목적에 충분한 온도에서 외부 소스와 열을 교환하여 공급된다(태양 또는 원자력이 될 수 있음, 예시 인용).
- 버너에서 수행되는 “내부 산소-연소”프로세스를 통해 설비에 에너지가 투입될 때 “반-폐쇄 사이클”에서의 동작이 수행된다.
복합 사이클이 반-폐쇄인 경우, 파워 사이클에 에너지를 공급하기 위한 소스로 하나 이상의 버너가 있다. 복합 사이클의 모든 버너는 이 화학 반응의 가스가 버너에서 열 유동의 일부를 형성하는 “산소-연소”로 알려진 공정에서 압축 수증기에서 희석된 산업용 순수 산소만을 조연제로 사용한다. 따라서, 반-폐쇄 복합 사이클은, “산소-연소”를 채용하는 것과 거리가 있는, “내부 연소”를 더 채용한다. 조연제(질소, 황, 등) 내에 존재하는 O2가 아닌 임의의 엘리먼트 또는 물질은 그것이 열 유동을 오염시키고, 상기 복합 사이클을 위한 동작 문제를 제기하기 때문에 바람직하지 않다. 이는 이 복합 사이클의 조연제로서의 공기의 사용의 가능성을 부정한다.
상기 반-폐쇄 복합 사이클은 아래 요건을 만족하는 모든 연료를 사용할 수 있다:
- 채용된 연료는 액체 또는 가스여야 하나 고체여서는 안 된다.
- 복합 사이클의 버너에서 채용된 연료는 단일 물질 또는 여러 연료의 혼합물을 포함할 수 있다.
- 연료로 사용되는 물질의 화학적 조성은 일반식 CXHYOZ를 충족하는데, 여기에서 문자 C, H 및 O는 엘리먼트 탄소, 수소 및 산소를 각각 참조하고, 첨자 “X, Y, Z”는 다음 규정에 따라 각 요소의 화학양론적 함량을 나타낸다.
- 일반식에서 산소를 위한 첨자 “Z”는 0 또는 다른 값일 수 있다. 이에 따라, 전술한 요건을 이행하는 모든 탄화수소는 복합 사이클 내에서 연료로 사용될 수 있다.
- 순수 수소는 모든 경우에 있어서 연료로 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, H2를 유일한 연료로 사용하는 장치, 및 장치의 효율성과 단순성 때문에 이것은 복합 사이클의 구성-4(도-4)에 따라 특별한 경우로 간주되어야 한다.
- 수소를 위한 첨자 “Y”의 경우, 0을 값으로 취할 수 있다.
- 탄소, 수소 및 산소 외의 엘리먼트를 함유하는 모든 화학적 화합물은 바람직하지 않다.
- 사용 가능한 연료는 연소의 발열 과정에서 산소와 화학적으로 반응할 수 있는 실제 화학 물질이어야 한다.
- 연소의 화학 반응은 다른 종류의 2차 화학 반응이 동시에 발생하지 않고 수행되어야 한다.
모든 “반-폐쇄 내부 산소-연소” 프로세스에 있어서, 사이클에 대한 물질의 지속적인 입력은 본질적으로 발생하므로(연료 및 조연제의 형태에서), 사이클의 물질 균형을 설정하기 위해서는, 유입되는 물질의 양이 연소 생성물의 형태로 사이클의 다른 부분에서 제거되는 것이 필수적이다. 연소 생성물만이 순환에서 제거되기 때문에(액체 또는 가스 상태의 CO2 및 액체 H2O, 각각에서), 모든 종류의 산업 용도를 위한 이들의 나중에 처리는 개방 순환에 수반되는 온실 효과 가스의 방출없이 매우 간단하다. 본 발명의 사이클에 있어서, 물은 주변 온도에서 액체 형태로 나타나며 환경에 미치는 영향은 미미한 반면 CO2는 농축되고 제한된 형태로 얻어지며 포집을 위한 특별한 절차가 필요하지 않다.
사실상, 이러한 복합 사이클의 특정 특징은, 연소 산물이 “각각, 저온에서 응축”되어 제거되는 것은 종래 기술의 다른 개방 복합 사이클보다 더 높은 효율을 생산하는 파워 사이클에 기초한 것 중 하나이다.
종래의 복합 사이클과 구별되는 본 발명의 파워 사이클의 기본 특징 중 하나는 항상 에너지 균형이 존재할 것을 필수 조건으로 하는데, 열원(101) 및 (132)에 의해 파워 사이클로 진입하는 에너지는 파워 샤프트(130)을 통해 파워 사이클에서 나오는 에너지의 합과 사이클의 순수 작업으로, 싱크 (128)를 통해 손실된 열을 더한다.
컨스티튜언트 브레이턴 사이클, 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클 및 UAX 사이에 발생하는 모든 변동은 이들 사이에 열을 전달하여 이 균등을 유지하기 위해 상쇄되어야 하는데, 이를 위해서는 한 유체와 이를 허용하는 다른 유체 사이에 온도 차이가 항상 존재해야 할 것을 필수 조건으로 한다. 그렇지 않으면, 상기 사이클로부터, 기계적인 파워 및/또는 성능을 손실시키는 에너지를 배제하는 것이 필요할 것이다.
본 발명의 기본적인 측면 중 하나는 파워 사이클과 열 펌프 UAX(200) 사이에 영구적인 에너지 균형을 설정하여 에너지를 교환하는 데 있으나, 과도한 열은 절대로 존재하지 않아야 하는데, 그 이유는 이러한 열은 외부 환경으로 전달되어야 하므로 효율성이 떨어지기 때문이다.
2개의 사이클이 이러한 방법으로 “공존”하여 동작하기 위해서는, 파워 사이클은 UAX가 고온 저장소(210)를 통해 반환하는 모든 열을 포집할 수 있어야 한다.
바로 앞 단락에서 설명된 이유로, 본 발명의 바람직한 실시예는 엘리먼트(112)로부터 특정 증기 흐름을 추출할 가능성을 고려하는 구성 6의 실시 예이다.
본 발명에 따른 엘리먼트(112)에서 생성된 증기 흐름을 파워 사이클 동안 유용하게 적용하기 위해 세 가지 가능한 옵션이 제안된다:
A. - 이 증기 흐름을 증기 압축기(115)의 초기 추가 단계로 보내 이 증기가 엘리먼트(114)로부터의 증기 흐름에 추가되어 함께 압축되어 필수 열원(101)으로 보내진다.
B. - 이 증기 흐름을 과열기 코일(136)로 보내어 추가 터빈(137)에서 즉각적인 팽창을 위해 온도를 높이고 그 출구는 터빈 TBP(127)의 입구에 직접 연결된다. 이 경우, 이 상기 저압 회로를 통해 순환하는 증기의 추가적인 유동은 펌프(123) 이후 바이패스 라인을 따라 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클로 반환된다.
C. - 이 증기 흐름의 한 부분을 전술한 옵션 A와 B 각각에 조합하여 보낸다.
이러한 3가지 대안은 구성 5-도 6에 도시되어 있다.
본 발명의 장치의 특정한 장점
기계적 에너지의 생성을 위한 다른 프로시저와 관련하여 본 발명의 복합 사이클에 의해 가져온 근본적인 이점은 기본적으로 다음과 같다:
- 본 발명의 파워 사이클에 의해, 현재의 최신 기술에서 사용 가능한 다른 프로시저에 의해 오늘날의 성능보다 우수하거나 더 나은 성능을 얻는다.
- 본 발명의 파워 사이클에 의해, 현재 최신 기술에서 사용 가능한 다른 프로시저에 의해 생성된 것보다 환경에 미치는 영향이 적다.
본 발명의 복합 사이클을 특징짓는 가장 우수한 단일 특징은:
- 복합 파워 사이클은 물을 열 유동으로 채용하여 그것을 포함하는 모든 장비로 공급한다. 이는 그것이 가능하도록 만든다:
- 복합 파워 사이클을 통합하기 위해, 적어도, 하나의 컨스티튜언트 브레이턴 사이클 및 하나의 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클을 단일 사이클로 통합한다. 이는 그것을 가능하도록 만든다:
- 폐쇄 사이클과 반 폐쇄 사이클(내부 산소 연소) 모두에서 작동할 수 있는 복합 전력 사이클.
- 상기 복합 파워 사이클은 열 펌프를 사용하여 재생된다. 이는 그것을 가능하도록 만든다.
- CO2(산소-연소의 프로세스 내에서 생성된)를 농축된 기체 또는 액체 잔류물로 포집하기 위한 복합 파워 사이클은 사이클의 특정 컴포넌트-엘리먼트(107)에서 획득된 것으로 국한된다.
- CO2 액화 플랜트가 존재할 때, 장치에 통합되어 엘리먼트의 기능을 수행하는데(107), 액체 CO2를 얻는 과정의 효율성은 매우 높은 것으로 판명되었는데, CO2의 연속적인 압축 단계에서 생성된 열은 손실되지 않고, 그것을 재사용할 수 있는 열 펌프(UAX)의 저온 저장소(201)로 전달되어 재결합되기 때문이다.
- 복합 파워 사이클(실제 손실 및 열병합 제외)은 열을 단일 열 저장소 - 열 싱크(128)을 통해 환경으로 석방한다. 잔여 엘리먼트에 의해 석방된 열은 동일 사이클의 다른 일부 엘리먼트에 의해 재사용된다.
흡수 열 펌프 UAX(200)를 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 꼬리에 통합하는 것은 본 발명의 복합 사이클에 의해 도입된 핵심적이고 혁신적인 엘리먼트이다. 파워 사이클에 통합된 열 펌프 UAX(200)는 특히 새롭고 유리한 다음과 같은 특성 효과를 얻을 수 있다:
1) 파워 사이클의 전체 효율의 강화. 상기 UAX(200)은 그것의 저온 저장소에서 파워 사이클로부터 열을 포집하여 그것을 그것의 고온 저장소에 의해 사이클 내로 재도입한다. 이는 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 등압 냉각 단계에서 열 유동에서 외부로의 열 손실이 없음을 의미한다. 이는 응축기(128)가 열이 외부로 방출되는 복합 사이클의 단독 방열판의 기능을 수행함을 의미한다.
2) 컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 재생. 본 발명은 “열 펌프” UAX(200)에 의해 전달된 열 에너지로 파워 사이클의 증기의 일부가 재생되는 컨스티튜언트 브레이턴 사이클에 대한 “재생”의 새로운 프로시저이다.
3) 컨스티튜언트 브레이턴 사이클 내의 압축의 기계적 작업의 감소. 파워 사이클 내에서, 상기 UAX(200)는 열 펌프에 의해 수행된 열 에너지의 전송 과정이 나중에 증기를 다시 생성하기 위해 주위 압력(“저온 저장소”에 의해 흡수된 열과 함께)에서 증기의 응축을 내포하기 때문에, 같은 주기의 다른 지점에서 더 높은 압력(“고온 저장소”에 의해 열이 방출됨)에서 증기 압축과 동일한 효과를 얻는다.
4) 환경 임팩트의 감소. 본 발명에 있어서, 복합 사이클 자체의 기능은 복합 사이클 - 엘리먼트(107) - 의 특정 지점에서의 이 연소 생성물 가스를 처리한다는 점에서, 이산화탄소의 제거의 프로세스는 본질적으로 시행된다. 열 펌프 UAX(200)를 본 발명의 반-폐쇄 복합 사이클에 통합함으로써 열 유동(물)의 완전한 응축이 달성되어 CO2만 제거된다. 이 프로시저와 함께, 본 발명의 상기 복합 사이클은 어떠한 종류의 가스도 연소를 통해 대기로 직접 배출하지 않는다.
열 펌프 UAX(200)를 컨스티튜언트 브레이턴 사이클에 결합함으로써 달성되는 전체적인 효과는 열 가스를 압축하는 것과 같은데, 그런 의미에서, 낮은 압력과 온도에 있는 기체 유체에서 시작하여 동일한 기체 유체를 생성하지만 더 높은 압력과 온도에서 프로세스(재생)가 진행된다. 주요 차이점은 이 압축 유체를 얻기 위해 기계적 수단 대신 열 펌프가 적용된다는 것이다. 압축된 증기를 생성하기 위한 열 펌프의 사용은 또한 현재의 기술에서 연료로 탄화수소를 사용하는 것에 기초한 다른 방법과 비교할 때 명확한 환경적 이점을 제공하는데, 그 이유는 연소에서 응축 불가능한 가스의 포집을 유도하므로 배출은 환경에 해로운 영향을 미치기 때문이다.
연료가 반-폐쇄 산소-연소 사이클에서 사용되는 경우, CO2가 생산되고, 그것이 열 펌프의 저온 저장소에 의해 냉각될 때까지 수증기가 수반된다. 응촉 및 가스 상태에서 획득된, 이러한 모든 CO2는 모든 수증기가 그것이 함유한 것을 응축할 때 파워 사이클로부터 제거된다. 복합 사이클의 버너에서 생성된 CO2 포집은 사이클 장비 작동의 직접적인 결과로 발생하며, 어떠한 경우에도 CO2를 “포집”하는 특정 프로시저는 수행되지 않는다: 다시 말해서, CO2 포집이 환경에 관심이 없더라도 사이클은 동일한 방식으로 작동하고 포집된 CO2는 대기로 직접 배출될 수 있다. 이 사이클에서, CO2의 포집은 장점이며 옵션이 아니다.
이는 CO2 포집이 열 펌프로 컨스티튜언트 브레이턴 사이클을 재생하는 직접적인 결과로 동력 사이클에서 본질적으로 발생함을 의미한다. 이 프로시저에서, 이 복합 사이클 내의 연소로부터의 CO2를 격리하는 추가적인 절차는 필요하지 않다.
본 발명의 장치의 특정 실시예
성능을 성공적으로 극대화하가 위해, 본 발명의 복합 사이클은 일련의 추가 장비를 사용할 필요가 있다.
복합 사이클의 전체적인 효율성을 개선하기 위해 도-2,3 및 4에 해당하는 복합 사이클은 기본적으로 도 1에 표시된 필수 사이클에 대해 4 가지 유형의 개선을 가져온다:
1. - 필수 열원(101) 내의 압력을 증가시킨다. 이것은 리보일러(113)에서 재생되는 증기의 압력을 증가시킴으로써 달성되며, 이를 위해 특정 압축기(115) 및 (117)를 사용하여 하나 이상의 추가적인 기계적 압축 단계가 제공된다. 이 압축 과정은 냉각을 통해 여러 단계로 수행되며 엘리먼트(116) 및 (118)로 구성된 교환기를 사용한다.
2. - 터빈 TAP(122)로 진입하는 증기의 온도를 증가시킨다. 이는 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클의 엔탈피를 증가시키는 추가적인 보충 열원(132)을 제공함으로써 달성된다.
3. - 터빈 TAT(102)의 배출 가스가 보유한 열의 일부를 전력 사이클과 관련 없는 산업 용도로 사용한다. 그렇게 함으로써, 기계적이고 유용한 열 에너지는 “열병합”으로 알려진 프로세스 내에서 동시에 획득된다.
4. - 열 싱크에서 석방된 열의 재사용 파트. 열 싱크가 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클보다 낮은 압력에서 다른 2차 랭킨 사이클에서 증기를 생성하는 열 회수 회로로 구성된 경우, 본 발명의 복합 사이클의 성능을 성공적으로 향상시키는 것이 실행 가능함이 밝혀졌다. 이를 달성하기 위해 미리 설정된 발명은 네 가지 다른 유형의 구성을 제안한다(도 2, 3, 4 및 6에 표시됨).
복합 사이클에 대한 이러한 4가지 타입의 개선은 그것들의 전체와 상호 비교할 만하다. 그럼에도 불구하고, 위에 나타난 4가지 타입의 개선에 관하여, 사이클의 필수 싱크(도 1의 응축기(128) 엘리먼트)에 의해 방출된 열을 재사용하는 다른 방법이 존재하는데, (그림 1의 응축기(128) 엘리먼트) 열의 일부를 활용하는 방식으로 이를 2차 랭킨 사이클로 대체 터빈 TBP(127)를 사용하여 이를 작업으로 변환하기 위해 포집하고, 이 2차 랭킨 사이클의 응축기가 결합된 전력 사이클의 열에 대해 “싱크”의 필수적인 역할을 수행하는 방식으로 전달된다. 2 차 랭킨 사이클이 어떻게 통합되는지에 따라 통합 사이클의 네 가지 다른 구성이 있다. 이 3가지 구성은 도 2, 3, 4 및 6과 각각 대응된다. 이러한 각각의 구성들은 특정 장비 및 엘리먼트로 구성되는데, 나중에 구체적으로, 구성의 특성은 각각 설명된다.
최초 3가지의 개선을 수행하기 위해, 본 발명의 복합 사이클은 일련의 추가적인 장비를 포함하도록 설계된다. 추가 장비는 필수 베이직 사이클의 일부를 구성하지 않는다는 점을 강조하는 것이 중요한데, 그리고 도-1에 따라 본질적인 구성이 가져오는 것보다 더 효율적이고 추가적인 이점을 제공하는 복합 사이클의 다른 버전을 구현하는 방식으로 작동하도록 설계되었다.
위에서 언급한 네 번째 유형의 개선은 방열판에서 방출된 열을 부분적으로 재사용하여 2차 랭킨 사이클 대신 사용할 수 있다. 본 발명은 2차 랭킨 사이클이 결합된 사이클에 통합되는 방식에 따라 네 가지 유형의 구성을 구상한다. 이러한 각 구성에는 자체 추가 장비가 필요하다.
본 발명의 복합 사이클의 다른 버전을 구성하는 추가적인 장비는 다음과 같다:
115: 제1 수증기 압축기. 이 압축기(115)는 응축 열 교환기 엘리먼트(114)로부터의 수증기의 제1 스테이지 압축을 겪는다. 더욱이, 장치의 설계상 그렇게 생각되는 경우에는, 압축기(115)의 첫 번째 추가 단계에서 엘리먼트 (112)에서 생성된 일정량의 증기가 압축될 가능성이 있다. 이렇게 특별한 경우에, 이 엘리먼트(112)에서 생성된 이 증기의 압력은 엘리먼트(114)로부터 압축기 (115)로 들어가는 증기의 압력보다 항상 낮기 때문에 압축기(115)의 첫 번째 추가 단계가 필요하다.
터빈 TAT(102)의 압력이 증가함에 따라 파워 사이클의 열역학적 성능이 상승하며, 이는 필수 열원(101)에 들어가는 증기의 압력을 높임으로써 달성된다. 리보일러(113)에서 생성된 증기보다 더 높은 압력에서 수증기가 필수 열원(101)에 도달하기 위해서는 추가적인 기계적 수단을 사용할 수 있다. 이를 위해, 교환기(114)의 측면에서 나오는 수증기의 압력을 증가시키는 압축기(115)가 제공되며, 장치의 파워 샤프트(130)에서 얻은 기계적 작업을 채용한다.
증기가 압축되면 온도가 증가하지만(줄-톰슨 효과로 인해) 압축되는 가스가 더 차갑기 때문에 기계적 압축 과정이 더 효율적이다. 이것으로부터 도출되는 결론은 압축 과정이 여러 단계로 수행될 때 열역학적 성능이 더 크다는 것이다. 이러한 이유로, 압축기(115)에서 나오는 증기는 다음 압축 단계가 수행되기 전에 냉각을 위해 열 교환기 엘리먼트(116)로 보내진다.
엘리먼트(116) 및 (118)로 구성되는 압축의 스테이지 사이의 증기 냉각 교환기:
116: 압축 스테이지들 사이의 증기 냉각 교환기의 쉘 사이드. 이 엘리먼트(116)는, 열 교환기 엘리먼트(118)과 함께, 열 교환기를 형성한다. 이 장비의 기계적 효율을 개선하기 위해 다음 압축기(117)를 통과하기 전에, 상기 압축기(115)로부터의 아웃렛 증기는 엘리먼트(116)을 통해 그것을 순환시킴으로써 냉각된다. 그것 내부에는, 열 교환기 엘리먼트(118)이 있는데, 이는 엘리먼트(114)의 바닥에서 얻은 응축물이 순환하여 냉매 역할을 한다.
118: 압축 스테이지들 사이의 증기 냉각 엘리먼트. 이 열 교환기 엘리먼트(118)는 열 교환기 엘리먼트(116)와 함께 열 교환기를 형성한다. 제2 압축기(117)가 제1 압축기(115)와 직렬의 관계가 가능한 경우, 이 열 교환기(116/118)는 항상 존재할 것이다. 장치가 압축기(117)를 포함하지 않는 경우, 교환기(116/118)는 선택적이다. 열 교환기 엘리먼트(118)는 압축기(115) 및 (117)에 의해 수행되는 기계적 압축의 연속 스테이지 사이에서 증기를 냉각시키는 냉매 역할을 하는 물이 순환하는 코일 또는 임의의 다른 열 교환기 엘리먼트이다. 응축물 펌프 (129)는 이 열 교환기 엘리먼트(118)를 통해 순환하는 물을 추진하고 여기에서 나오는 흐름은 필수 열원(101)으로 보내진다.
117: 최종 수증기 압축기. 이전 압축기 (115)와 직렬로 연결된 또 다른 추가 압축기로 구성된다. 이 압축기(117)는 엘리먼트(116)로부터 냉각된 증기를 수신하고, 그로부터 필수 열원(101)을 공급하기에 충분한 압력에서 증기를 배출한다.
단 하나의 증기 압축기를 사용하여 증기를 압축하고 단 한 스테이지에서 이 작업을 수행하는 것도 분명히 가능하다. 이 추가 증기 압축기(117)를 포기할 수 있는 옵션이 있지만 존재하는 경우 중간 냉각 교환기(116/118) 이후에 압축기(115)와 항상 직렬로 연결된다.
131: 연료 및 조연제를 예열하기 위한 보조 열 교환기 엘리먼트(그것의 버너로 투입되기 이전). 이것은 장치의 특정 설계 요구 사항에 따라 선택적으로 배치된 보조 유체를 순환시키는 튜브 파이프, 코일 또는 기타 열 교환기 엘리먼트로, 일부 저압 증발기(125) 엘리먼트 후, 또는 응축 열 교환기 엘리먼트(114) 내부에서, 산소-연소 버너로 보내지는, 연료와 조연제를 별도로 예열하는 데 사용되는 열을 흡수한다.
통합 사이클의 연료 및 조연제를 예열하는 데 사용되는 것 외에 코일 (131)의 열은 파워 사이클과 무관한 다른 응용 프로그램으로 지정될 수 있으며, 이 경우 모든 목적을 위해 이는 “열병합”으로 간주된다.
132: 보충 열원. 보충 열원 (132)이 통합되는 경우, CRC(103) 출구에서 증기를 위한 증발기 및 과열기(121)의 튜브 파이프 바로 뒤에 위치하고, 그것의 임무는 더 높은 수준의 과열로 터빈 TAP(122)에 들어가기 위해 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클에서 증기의 엔탈피를 높이는 것이다.
복합 사이클이 “폐쇄”되는 경우, 보충 열원(132)은 외부 소스로부터 열을 수신하는 추가적인 열 교환기로 구성된다. 복합 사이클이 “반-폐쇄”되는 경우, 보충 열원(132)은 필수 열원(101)보다 더 높은 압력에서 동작하는 추가적인 산소-연소 버너일 수 있다.
133: 열병합을 위한 열 교환기 엘리먼트. 이것은 파워 사이클 이후의 열병합 발전의 외부 응용 분야에서 사용하기위한 튜브 열 회수 회로로 구성된다. 그러므로, 그것은 장치의 나머지의 독립적인 유체가 순환함으로써 작동한다.
열 교환기 엘리먼트(133)는 복합 사이클 외부에서 석방되는 열에 의한 열의 추가적인 포커스를 나타내는데, 이는 산업상 사용될 수 있는 유용한 열로 간주된다. 실제로, 열 교환기 엘리먼트(133)에 의해 파워 사이클에서 추출된 열 에너지는 175˚C에서 600˚C 사이의 범위에서 다양한 유형의 일반적인 산업 공정에 사용할 수 있을 만큼 충분한 온도에서 발생하는 것으로 간주되고, 장치 설계에 따라 달라진다.
어떤 경우에는 사이클이 설계된 압력 및 온도 변수에 따라 열 교환기 엘리먼트(133)가 CRC(103)에서 열을 추출해야 하는데, 그러므로 사이클의 에너지 균형을 영구적으로 설정할 수 있다(특히 복합 사이클이 두 개의 열원을 포함하는 경우).
에너지 균형을 세워야 하는 피할 수 없는 요건에 따라, 복합 사이클이 추가적인 내부 시스템을 포함하여 그것이 그것의 에너지 균형을 가능케 하지 않는 이상, 열병합 열 형태 내의 사이클로부터 제거된 양은 복합 사이클의 필요에 의해 결정되고, 외부 소비의 어떠한 장비로부터의 열 수요에 의해 결정되지 않는다.
CRC(103)로부터 열을 추출하는 열병합 코일(133)의 존재 여부와 무관하게, 본 발명의 복합 사이클은 2개의 추가 장비(리히터(134) 및 터빈 TPI(135))로 구성된 “보조 열 완화 시스템”"을 포함할 수 있는데, 이는 설비에서 영구적으로 유지되어야 하는 에너지 균형을 설정하기 위해 제공되고, 열원(101) 및 (132)로 들어가는 증기의 양을 줄이고 결과적으로 CRC(103)로도 유입된다. 다시 말해서, 열을 외부로 발산하는 대신 사이클의 내부 기능을 수정하여 열을 완화할 수 있다.
“보조 열 완화 시스템”은 리히터(134)를 통해 순환하는 터빈 TAP(122)의 출구에 있는 증기 추출 장치에 의해 형성되고, 그런 다음 터빈 TPI(135)를 통해 마지막으로 배출 증기를 CRC(103)의 마지막 섹션으로 다시 도입한다.
“보조 열 완화 시스템”은 복합 사이클의 정상 작동 중에 발생하는 에너지 불균형과 부하의 변화를 완화하는 방법으로서 유용하다.
특정 설계 구성, 특히 이중 열원 (101) 및 (132)을 사용할 수 있는 경우 이 장비는 필수 불가결 할 수 있다.
“보조 열 완화 시스템”은 컨스티튜언트 베이직 사이클에 속하는 수증기의 일부를 작동 유체로 사용하므로 존재하는 경우 이것의 일부를 형성하는 것으로 간주된다.
134: 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클의 보조 리히터. 리히터(134)는 CRC(103) 자체 내부에 있으며 터빈(122)의 출구에서 추출된 증기를 가열하여 즉시 보조 터빈 TPI(135)로 보내는 튜브 회로로 구성된다.
135: 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클의 보조 중간-압력 터빈 TPI. 이 스팀 터빈의 기능은 작업을 생성하고, 아래 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클을 따른다.
터빈 TIP(135)는 기계 효율을 높이기 위해 리히터(134)에서 미리 재가열된 후 터빈 TAP(122)의 출구로부터 증기를 수신한다.
터빈 TAT(102)보다 낮은 압력에서 터빈 TBP(127)보다 높은 압력에서 작동하는 터빈인 것이 특징이므로 스페인어 TPI(중간 압력 터빈)의 이니셜로 표시된다. 이 터빈은 배압에서 작동하는데, 즉, 증기의 부분적인 팽창을 수행하여, 배출구는 CRC의 특정 지점에 증기가 유입될 수 있는 충분한 압력을 갖도록 한다(도관으로 들어가는 증기의 온도와 도관을 통해 순환하는 가스의 온도가 일치하는 경우).
파워 사이클의 특정 고효율 설계가 외부로 손실을 전달할 필요없이 저효율 열 펌프 UAX와 결합하여 작동할 수 있도록 하기 위해, 엘리먼트(112)에서 추가 수증기 흐름이 발생해야 한다(대기압보다 높은 압력에서).
따라서, 파워 사이클은 UAX에 의해 그것을 특정 양의 증기로 전송된 초과하는 열의 양을 변형할 수 있다.
엘리먼트(112)에서 생성된 이 증기를 압축기(115)로 직접 보내는 옵션이 있다. 이 옵션은 어떠한 추가적인 장비도 요구하지 않고, 엘리먼트(114)에서 유입되는 증기의 압력과 일치하도록 압축기(115)에 첫 번째 추가 압축 스테이지를 수행하는 수단을 부여하면 족하다.
구성-2 및 구성-3은 연소가 이산화탄소를 발생시키기 때문에 수소 이외에 탄소를 함유하는 다른 가능한 연료를 사용하는 산소-연소 복합 사이클 설계에 가장 적합하다. 이 가스의 존재는 응축 불가능한 가스가 경제적으로 작동하는데 필요한 “진공” 압력에 도달하는 것을 방지하기 때문에 2차 랭킨 사이클이 나머지 전력 사이클과 독립적이어야 한다. 독립적인 2차 랭킨 사이클을 포함하는 복합 사이클의 이러한 구성에서, 후자의 랭킨 사이클은 유기 유체를 열 유동으로 사용하는 ORC(Organic Rankine cycle)와 같이 물 이외의 열 유동을 사용해야 할 가능성이 있다.
이 독립적인 2차 랭킨에서 생성된 증기는 온도가 매우 다르기 때문에 항상 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클보다 낮은 압력에서 작동한다. 2 차 랭킨 사이클에서 생성된 증기로 터빈 TBP(127)가 이동하여 복합 사이클의 파워 샤프트(130)에 추가 작업을 제공한다. 이어서, 이 터빈 TBP(127)에서 나오는 증기는 진정으로 방열판의 기능을 수행하는 응축기(128)로 전달되어 결과적인 복합 사이클이 에너지를 잃어 외부로 전달한다. 응축기(128) 바닥에서 얻은 응축물은 펌프(123)에 의해 이코노마이저(124), 증발기(125) 및 과열기(126)로 연속적으로 추진되어 터빈(127)으로 되돌아 가고, 따라서 사이클을 폐쇄한다. 장치에 과열기(136)와 재생 증기용 터빈(137)이 있는 경우, 응축물 펌프 (123) 이후에 이 추가 증기가 복귀하여 브레이턴 및 베이직 랭킨 사이클을 공급하는 우회 라인이 있다.
구성 2
도-2에 도시된, 추가적인 실시예에 대응되는 구성-2에 따른 본 발명의 장치는, 아래와 같은 특징을 가진다:
- 그것은, 파워 사이클의 나머지와 독립적으로, 그것이 가진 열 유동을 사용하는 독립 2차 랭킨 사이클을 포함한다.
- 열 회수 도관 CRC(103)는 대기압보다 높은 압력에서 동작한다.
- 가스의 온도가 더 낮은 경우, CRC의 최종 섹션에서 증기의 응축이 발생한다.
구성-2에 따른 설비의 작동 모드는 기본적으로 열 회수 도관 CRC(103) 내부에 독립적인 랭킨 사이클에 속하는 증발기 회로를 제공하는 것으로 구성된다. 이 증발기 회로는 온도가 더 낮은 CRC(103)의 마지막 섹션에서 발생하는 응결로 인한 열로 증기를 생성한다. 이 CRC(103)의 바닥에서 얻은 응축물은 외부 교환기(108/124)로 보내져 응축물이 보유하고 있는 열은 2차 랭킨 사이클의 이코노마이저(124)로 전달된다.
구성-2는 구성 1의 모든 엘리먼트를 포함하고, 또한, 아래를 포함한다:
108: 2차 랭킨 사이클의 이코노마이저 교환기의 쉘 사이드. 엘리먼트(108)는 에코노마이저(124)와 함께 열 교환기를 구성한다. 열 교환기 엘리먼트(108)를 통해 열 회수 도관 CRC(103)의 바닥 또는 도관(105)의 바닥에서 수집된 응축물을 순환시키고, 문제의 설계에 따라 2 차 랭킨 사이클의 이코노마이저(124)로 열을 전달한다.
124: 2차 랭킨 사이클의 이코노마이저. 상기 열 교환기 엘리먼트(108)과 함께, 이것은 열 교환기를 구성한다. 이코노마이저(124)는 열을 받는 열 회수 엘리먼트(108) 내부에 배치된 2차 랭킨 엘리먼트의 열 교환 엘리먼트이며, 2 차 랭킨 사이클 공급 펌프(123)에 의해 추진된 응축기(128)로 반환되는 응축물(비등점에 가깝게 하기 위해)의 온도가 상승한다.
123: 2차 랭킨 사이클 공급 펌프(저압). 응축기(128)에서 2차 랭킨 사이클의 이코노마이저(124)로 열 유동을 밀어내는 펌프이다.
125: 2차 랭킨 사이클 증발기(저압). 이것은 응축 열을 받는 열 회수 도관(103)의 마지막 부분의 구성-2에 따라 제공된 열 교환기 엘리먼트이다. 그것의 목적은 이코노마이저(124)로부터 유동을 수신하고, 그것을 2차 랭킨 사이클에 대해 증기로 변환하는 것이다.
126: 2차 랭킨 사이클 과열기(저압). 이것은 회복 도관 CRC(103) 내부에 제공되는 열 교환기 엘리먼트로 터빈 TBP(127)에 들어가기 전에 2차 랭킨 사이클의 증발기(125) 엘리먼트에서 생성된 증기의 온도를 높이는 것을 목적으로 한다.
127: 2차 랭킨 사이클 터빈(저압) TBP. 이것은 파워 샤프트(130)에 추가적인 기계적 작업을 제공하는 2차 랭킨 사이클의 터빈이다. 상기 터빈 TBP(127)은 과열기(126)으로부터 증기를 수신하고, 복합 사이클에 대해 열 싱크로 기능하는 콘덴서(128)로 출력 증기를 전달한다.
선택적으로, 도-2는 “본 발명의 장치의 특정 실시예”로 이름 붙여진 섹션에서 언급된 상기 모든 엘리먼트를 포함한다.
구성 3
도-3에 도시된, 구성-3과 대응되는 추가적인 실시예에 따른 본 발명의 장치는 다음과 같은 특징이 있다:
- 그것은, 파워 사이클의 나머지와 독립적으로, 그것이 가진 열 유동을 이용하는 독립 2차 랭킨 사이클을 포함한다.
- 열 회수 도관 CRC(103)은 주위 압력에서 동작한다.
- 독립 응축 도관(105)이 이러한 목적으로 제공되지 않는 경우, CRC(103) 내의 증기의 응축은 없다.
- 그것은 CRC(103)에서 가스를 추출하고 응축 도관(105)이 CRC(103)의 출력보다 더 높은 압력에서 작동하도록 압축하는 팬(104)을 포함한다.
구성-2와 관련된 근본적인 차이점은 구성-3의 작업에서 회복 도관 CRC(103)는 더 낮은 압력에서 작동하고(터빈 TAT(102)에서 더 많은 양의 작업을 생성하고 CRC(103)로의 가스 입력 온도를 낮춤), 팬(104)에 의해 이 도관에서 나오는 가스가 압축되어 증기의 응축 온도가 상승하여 2차 랭킨 사이클의 작동 압력이 상승한다. 더 높은 온도의 열을 2차 랭킨 사이클로 성공적으로 전달하여 터빈 TBP(127)에서 발생하는 기계적 일을 증가시킨다.
이 구성-3은, 이에 더하여 구성-2에 포함된 모든 엘리먼트를 더 포함하는데, 이는 아래와 같다:
104: 팬. 이것은 열 회수 도관(103)의 가스 배출구에 위치한 유도 통풍 팬으로, 열 회수 도관 CRC(103)를 독립적인 응축 도관(105)에 배치하여 응축 영역을 분리한다. 팬(104)은 이 증기의 포화 온도를 상승시켜 CRC(103)에 의해 흡입된 증기의 압력을 증가시킨다. 도관(105) 측면의 증기 포화 온도를 높이는 것은 2차 랭킨 사이클의 증기가 더 높은 온도에서 생성될 수 있다는 것을 의미하며, 이는 효율성 향상으로 이어진다.
상기 장치가 팬(104)을 포함하는 경우, 2차 랭킨 사이클의 증발기(125)는 병렬로 동작하는 2개의 섹션으로 분할될 수 있는데, 이코노마이저(120) 이후 그 중 하나는 도관(105)에 위치하고 나머지 하나는 도관(103)에 위치한다. 비록 그것이 구성 5(도 6)에만 나타나 있으나, 이러한 대안 설계는 구성 2, 3 및 5 모두에서 가능하다.
105: 독립 응축 도관. 이것은 FAN(104)에 의해 추진된 CRC(103)에서 나오는 기상에 포함된 수증기가 응축되는 열 회수 도관의 한 부분이다.
구성-2, 구성-3에서와 다르게, 2차 랭킨 사이클에 속한 증발기(125)는 응축 도관의 섹션 내부에 위치하고, 응축 열은 교환되어 2차 랭킨 사이클의 증기를 생성한다.
상기 사이클이 구성 5에 따라 설계되는 경우, 증발기(125)는 병렬로 동작하는 2개의 섹션으로 구성되고, 하나는 도관(103) 내에 있고 다른 하나는 도관(105) 내에 있다.
구성 4
도-4에 도시된, 구성-4와 대응되는 추가적인 실시예에 따른 본 발명의 장치는 다음을 특징으로 한다:
- 나머지 파워 사이클에 공통적인 열 유동을 사용하는 2 차 랭킨 사이클을 포함한다.
- 2차 랭킨 사이클은 이코노마이저, 증발기 또는 과열기를 포함하지 않는다.
- 터빈 TBP(127)로 전달된 열은 그것을 열 회수 도관 CRC(103)로부터 직접 추출함으로써 획득된다.
- 상기 2차 랭킨 사이클로부터 획득된 응축물은 복합 사이클의 나머지에 대한 급수로 직접 채용된다.
구성-4는 복합 사이클을 통해 순환하는 증기가 가능한 2차 랭킨 사이클의 유체로도 사용되는 복합 사이클의 설계 단순화로, 항상 복합 사이클의 어느 시점에서나 CO2 또는 기타 응축 불가능한 가스가 존재하지 않는다. 이는 상기 장치가 폐쇄 사이클에서 동작하도록 설계되고 수소가 유일하게 가능한 연료인 경우에만 발생한다.
수소는 복합 사이클의 가능한 모든 구성에서 연료로 사용할 수 있지만, 수소가 유일한 연료로 사용되는 경우 이 버전의 설계(도-1 참조)를 사용하는 것이 더 간단하고 더 효율적일 수 있기 때문에 선호된다.
파워 사이클의 상기 구성-4에 있어서, 상기 2차 랭킨 사이클은 동일한 유체를 상기 복합 사이클의 여분으로 하여 동작한다. 이 구성-4에 따른 2차 랭킨 사이클의 증기는 도관 CRC(103)에서 직접 추출한 전류에서 획득되는데, 이는 2차 랭킨 사이클의 터빈 TBP(127)로 직접 전송되며, 반면, 응축기(128)에서 얻은 응축물은 펌프(109)를 사용하여 나머지 복합 사이클에 직접 공급된다. 이것의 직접적인 결과는 이 디자인 버전에서는 자체 증기를 생성하는 열 교환기 엘리먼트가 없다는 것으로, 다시 말해서, 이코노마이저(124), 증발기(125) 또는 과열기(126)가 모두 존재하지 않는다.
이 구성에서, 펌프(109)가 응축기(128)에서 응축물을 직접 반환하기 때문에 2차 랭킨 사이클 공급 펌프(123)도 필요하지 않다.
구성-4, 물은 연소로부터 획득된 유일한 산물이고, 상기 응축물 반환 라인(상기 구성의 나머지에서 발생하는)으로부터의 액체 형태 내에서 사이클로부터 제거된다.
구성-4에 따라, 폐쇄 사이클이 수행되는 경우, 복합 사이클에 계속적으로 물질을 공급하는 버너가 없고, 이에 따라 그것으로부터 계속적으로 획득되는 잔여물의 타입도 존재하지 않는다.
이 점에서 보면, CO2 순환이 가능한 복합 사이클의 유일한 장비는:
메인 열원(101)이 버너(H2 외의 다른 일부 연료)로 구성되는 경우:
버너(101) 자체, 터빈 TAT(102), CRC(103), 응축 교환기 엘리먼트(106) 및 최종적으로, 엘리먼트(107)인 곳에서 CO2가 사이클로부터 제거된다.
파워 사이클이 보충 열원(132)의 역할을 수행하는 다른 버너를 포함하는 경우, 이전에 언급된 모든 장비 외에도, 보충 버너(132), 터빈 TAP(122), 리히터(134) 및 터빈 TPI(135)를 통한 CO2의 순환이 존재한다. - 파워 사이클도 상기 후자의 2가지 추가적인 엘리먼트를 포함할 수 있다고 간주됨 -
파워 사이클이 구성-3에 따라 수행되는 경우, 상기 장비 뿐 아니라, 팬(104) 및 응축 교환기 엘리먼트(105)를 통한 CO2 순환이 존재한다.
추가적인 대안에 따르면, 엘리먼트(112)에서 생성된 이 증기는 2차 랭킨 사이클로 운반되어 최종적으로 터빈 TBP(127) 내에서 팽창된다.
이 옵션은 도-6에 도시된, 구성-5의 추가적인 실시예에 대응된다.
구성-5는 가장 완전하고 본 발명이 구성하는 모든 요소를 포함하기 때문에 본 발명의 바람직한 실시 예이며, 이러한 요소가 필수인지 선택인지 여부이다. 나머지 구성에서 사용할 수 있는 모든 유형의 연료를 사용하여 폐쇄 사이클 및 반-폐쇄 사이클을 모두 구현할 수 있다.
구성-5는 구성 3의 모든 엘리먼트를 더 포함할 뿐 아니라, 2가지 특정한 장비 조각을 요구한다:
136: 엘리먼트(112) 내에서 생성된 증기를 위한 과열기. 이 엘리먼트(136)는 엘리먼트(112)로부터 포화 증기를 수신하는 CRC(103)내부에 위치한 코일로 구성되고, 그 임무는 온도를 높여서 2차 랭킨 사이클에 들어가기 전에 다른 터빈(137)에서 팽창될 수 있도록 하는 것이다.
137: 엘리먼트(112) 내에서 생성된 증기를 위한 터빈. 이 터빈(137)은 출구 증기압이 터빈 TBP(127)로 들어가는 증기의 압력 및 온도와 일치하는 추가 터빈으로 구성된다. 터빈 (137)에서 팽창하면 증기는 공통 파워 샤프트(130)에 공급되는 추가 작업을 생성하고, 이 터빈의 출구는 터빈 TBP(127)의 입구와 연결되어 과열기(126)의 2차 랭킨 사이클의 증기와 함께 계속 팽창한다.
필수 물질 균형을 수립하기 위해, 추가적인 증기가 2차 랭킨 사이클 내로 도입될 때마다, 액체 상태의 물의 형태로 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클을 공급하기 위해이 흐름을 되돌리는 펌프(123)의 임펄션 라인에 바이패스 라인이 존재해야 한다.
생성된 증기를 위해 상기 장치가 과열기(136) 및 터빈(137)를 포함하는 모든 경우에 있어서, 응축물 펌프(123)의 임펄션 라인 이후에 펌프(109)의 흡입에 대한 바이패스 라인이 존재한다.
도-6에 도시된 구성-5에 따라 동작하는 압축기(115)에 있어서, 이 압축기(115)는 엘리먼트(112)에서 유입되는 증기의 압력을 높이고 이를 엘리먼트에서 압축기(115)로 유입되는 증기의 압력과 일치시키기 위해 추가적인 첫 번째 압축 단계를 가져야 한다(114).
본 발명에 따른 장치는, 그것의 설계 구성이 어떻든지 간에, 외부를 거쳐서만 활동적으로 연결될 수 있다:
- 복합 사이클 내부로의 에너지에 대해 유일하게 가능한 진입 지점으로서의 열원(101) 및 (132)
- 사이클을 이탈하는 에너지에 의한 포인트로, 이 뿐 아니라 불가피한 실제 손실: 싱크(128)를 통한 열 손실, 파워 샤프트(130)로부터 획득된 순수 기계적인 작업 및 “열병합”을 위해 획득된 유용한 열.
반-폐쇄 사이클에서 본 발명 설치의 최대 이론적 성능 결정
본 발명에 따른 연료로부터 열 에너지로부터 유용한 에너지를 생성하는 장치의 최대 이론적 성능은 현재 프로시저를 사용하여 매우 간단하고 대략적으로 추정될 수 있다:
예를 들어, 본 발명의 사이클의 이론적 성능의 계산은, 순수한 수소만을 연료로 채용함으로써, 아래 응축물들과 함께, 수행됨:
- 상기 장치에 의해 생산된 “유용한 에너지”는 엘리먼트(133)에 의한 “열병합”의 형태에서 사이클에 대한 외부 이용을 위해 CRC(103)로부터 취해지는 열의 합으로 간주되고, 파워 샤프트(130)를 통해 복합 사이클에서 나오는 순 기계 작업을 더함.
- “실제 손실”이 없고, 상기 복합 사이클은 열 싱크의 기능을 수행하는 응축기(128)을 통해서만 열 에너지를 손실하는 것으로 간주됨.
- 계산은 반환 라인에 있는 1kg의 응축물을 기준으로 함:
- “X” 특정 연료: 진공 응축기(128) 이후 사이클로 반환되는 “회수 응축수” 물 1kg당 연소된 연료 kg의 수
- “PCS” H2의 더 높은 발열량, 그 값은 142,200kj/kg과 같은 것으로 간주됨
- “PCI” H2의 더 낮은 발열량, 그 값은 142,200kj/kg과 같은 것으로 간주됨
“PCSH20”은 특정 연료(생성된 물 1kg 당)의 높은 발열량으로 결정되며, 연소 반응에서 연소되는 H2 1kg 당 화학양론적으로 9kg의 H2O가 형성되므로, 그래서:
PCSH20 = 15,800 kj/kg H2O (생성된)
PCI20 = 13,360 kj/kg H2O (생성된)
“ΔHvc”는 PCSH2O와 PCIH2O의 차이와 일치하는 증기 응축 엔탈피 갭을 구현하는 개념적 이론적 응축기의 계산을 고려하여 열 싱크(128)의 특정 증기 응축 엔탈피 갭으로 결정되는데, 그러면:
ΔHvc = PCSH2O - PCIH2O = 2440 kj/kg H2O
“Mv”는 열 싱크(128) 내의 “응축된” 증기의 양으로 결정되는데, 이 양은 사이클로 반환되는 1kg의 물과 동일하고, 이에 더하여 H2(X) 연소 시 생성되는 물의 양을 더하고 사이클에서 제거해야 한다.
Mv = 1 + X (kg H2O)
“손실 에너지”는, 응축기(128) 내에서 제거된 에너지로 결정된다:
손실 에너지 = Mv * ΔH vc = (1+X) * (ΔH vc ) = (1+X) * (PCS H2O - PCI H2O )
손실 에너지 = (1+X) * 2440 kj/kg H2O
상기 사이클의 “유용한 에너지”는, “진입하는 에너지는 사이클을 떠나는 에너지와 같다”를 고려하여 결정된다.
유용한 에너지 = 연소 에너지 - 싱크(128) 내에서 제거된 열
유용한 에너지 (kj/kg H2O ) = (X * PCS H2O ) - 2440 * (1+X) = X * (PCS H2O - PCI H2O ) - 2440
유용한 에너지 (kj/kg H2O ) = (X * PCI H2O ) - 2440
PCS에 관한 장치 “ηPCS”의 성능은 방정식으로부터 결정된다:
Figure pct00001
PCSH2O 및 PCIH2O을 그것들의 수치값에 의해 대체함:
Figure pct00002
PCI에 관한 장치 “ηPCS”의 성능은 습관적으로 참고로 사용되고, 아래 표현에 의해 제시된다.
Figure pct00003
PCIH2O을 그것의 수치값에 의해 대체함:
Figure pct00004
성능 “ηPCS” 및 “ηPCI”을 위한 2개의 최종 방정식은, 본 발명의 복합 파워 사이클의 성능에 대해 매우 대략적인 결과를 제공한다. 이것이 엄격하게 정확하지 않은 것은 사실이나 이러한 표현은 다음과 같은 결론을 내린다. 본 발명의 복합 사이클의 성능은 연소되는 특정 연료에 따라 직접적으로 다르다. 다시 말해서, 사이클의 성능은 사이클에서 연료의 특정 소비가 증가함에 따라 사이클의 성능이 증가한다.
그럼에도 불구하고, 복합 사이클이 불가피하게 적용되는 일련의 기본적인 열역학적 제약 조건이 충족되지 않으면 연료의 특정 소비량을 늘리는 것은 불가능하다.
복합 사이클에 있어서, 이러한 기초적인 제약 중 하나는, 복합 사이클에 진입하는 에너지는 항상 그것을 떠나는 에너지와 동일하다는 에너지 보존 원칙을 필수적으로 이행하여야 한다. 이 원칙에 따라, 연료의 특정 소비를 증가시키는 것은 동력 사이클의 설계 매개 변수에 따라 구성 기본 랭킹 사이클의 증발기와 과열기 (121)에 의해 포집될 수 없는 과도한 발열량을 의미할 수 있는데, 이 경우 열을 외부로 배출하기위한 절차 및/또는 CRC(103)로의 열 유입을 줄이는 방법을 필수적으로 제공해야 한다.
복합 사이클 외부의 열의 일부를 불가피하게 배출해야 하는 전술한 복합 사이클의 일부 실시예는 열을 외부로 배출하는 이러한 기능을 수행하기 위해 열 교환기 엘리먼트(133)를 이용할 수 있으나, 특정 산업 공정의 열 수요를 충족하는데 유용하기에 충분한 온도에서 이를 수행하여 “열병합” 프로시저를 구성한다.
특히 일시적인 순간이나 부하의 변화에서 발생할 수 있는 CRC(103)로의 열 유입을 줄이는 것이 불가피한 상황에서, 파워 사이클의 구성은 터빈 TAP(122)의 배출구에서 “증기 제거 시스템”을 이용할 수 있으며, 이는 열원(101) 및 (132)으로 진입하고 따라서 CRC(103)로 들어가는 증기의 양을 감소시킨다. 이러한 증기 배출 시스템은 리히터(134)와 보조 터빈 TPI(135)를 증가시키고 배출 증기는 CRC(103)의 최종 부분의 일부 지점에서 주입된다. 설치를 조절하고 부하를 변경하는 것이 매우 유용할 수 있으며, 또한 트윈 열원과 매우 높은 유용한 에너지 수율로 복합 사이클의 특정 설계 구성을 가능하게 함에도 불구하고, 열원에 대한이 증기 배출 시스템은 복합 사이클의 기계적 성능과 관련하여 어떤 종류의 개선도 나타내지 않는다는 점이 강조되어야 한다.

Claims (32)

  1. 복합 전력 사이클(Combined Power Cycle; CPC)을 사용한 기계적 에너지를 생성하는 장치에 있어서, 적어도:
    - 물을 열 유동으로 사용하는 폐쇄 또는 반-폐쇄 재생적 컨스티튜언트 브레이턴(Brayton) 사이클을 수행하는 수단;
    - 적어도 하나의 랭킨(Rankine) 사이클, 컨스티튜언트(constituent) 베이직 랭킨 사이클, 상기 재생적 컨스티튜언트 브레이턴 사이클과의 상호 연결을 수행하는 수단; 및
    - 상기 재생 컨스티튜언트 브레이턴 사이클을 재생하는 폐쇄 회로를 구성하는 열 펌프(UAX)
    를 포함하는,
    복합 전력 사이클을 사용한 기계적 에너지를 생성하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    - 열 교환기 및
    - 산소-연소 버너
    로부터 선택되는, 필수 열원(heat Source)(101)을 포함하고,
    상기 인용된 필수 열원(101)에서, 상기 2개의 사이클로부터의 흐름, 상기 컨스티튜언트 브레이턴 및 상기 컨스티튜언트 베이직 랭킨이 함께 모이는,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 재생 브레이턴 사이클은 반-폐쇄이고, 산소-연소 및 CO2의 고유의 포집인,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  4. 기계적 에너지의 생성을 위한 장치에 있어서,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 엘리먼트(112)는;
    - 재생 응축기, 상기 장치에 의해 상기 열 펌프 UAX의 저온 저장소(reservoir)(201)로 에너지를 전송(transmit)하고, 하나의 심플 스테이지에서 농축(condense)되고;
    - CO2 액화 플랜트, 파워 샤프트(130)로부터 동작을 수신하고, 복수 스테이지에서 가스를 농축하고 CO2 액화 플랜트의 압축의 연속적 스테이지에서 석방된 열만을 UAX의 저온 저장소(201)로 전송함;
    - 리보일러(113), 열 펌프 UAX의 고온 저장소(210)로부터 파워 사이클(Power Cycle)로 열이 반환됨;
    - 재생 응축물 펌프(111), 재생 응축기(107)의 저부(底部)에서 획득된 응축물을 드라이브하고, 그것을 리보일러(113)를 향해 유동하도록 만듦;
    - 열 회수 도관(heat recovery Conduit; CRC), 수증기가 생성됨;
    - 적어도 2개의 터빈, 그중 하나는 고압 터빈 TAP(122)으로, 수증기를 필수 열원(101)으로 전달하고, 다른 고온 터빈 TAT(102)은, 증기를 열 회수 도관(103)으로 전달함;
    - 적어도 하나의 공통 파워 샤프트(130), 상기 사이클의 유용한 기계적 에너지로부터 획득됨;
    - CRC(103)의 저부 내의 증기를 응축시킴으로써, 또는 그후, 열 싱크의 기능을 수행하는 시스템;
    - 응축물 반환 펌프(109);
    - 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클을 위한 급수 펌프(119);
    - 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클을 위한 증기 발전기는;
    - 이코노마이저(economizer) 코일(120),
    - 열 회수 도관(103) 내부에 위치한 수증기(121)를 위한 증발기 및 과열기;로 구성되고,
    - 하나의 응축 열 교환기 엘리먼트(106), 증기 및 가스가 재생 응축기(107)로 진입하기 전, 열을 응축물 반환 예열기(110)로 포기(relinquish)하고;
    - 하나의 응축 열 교환기 엘리먼트(114), 리보일러(113)의 아웃렛에서 제공되고, 열을 엘리먼트(112)로 포기하고;
    - 예열기(112), 물을 리보일러 자체(113)로 흡입(intake)하고;
    - 그리고 열 회수 교환기(112), 리허비더(Rehervidor)(113) 자체에 대해 흡입 물을 예열하고, 펌프(119)를 위해 급수를 가열하고 증기가,
    - 압축기(115) 및/또는
    - 터빈(137), 그것의 온도가 과열기에서 상승한 후;로 유도되고,로부터 선택되고;
    - 하나의 바이패스 라인, 컨스티튜언트 브레이턴 사이클을 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클과 조인(join)하고, 재생 응축물 펌프(111)의 임펄션(impulsion) 라인과 급수 펌프(119) 사이의 흡입(aspiration) 사이에 위치함;
    을 더 포함하는,
    기계적 에너지의 생성을 위한 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파워 사이클은 반-폐쇄이고, 산소-연소를 사용하고, 결국 그것은 탄소 연료를 채용하고;
    - 연소 내에서 생산된 CO2를 위한 아웃렛, 엘리먼트(107) 내에 위치함; 및
    - 보일러의 저부로부터 상기 응축물 반환 라인 내의 연소에 의해 생산된 액체 물을 위한 아웃렛
    을 포함하는,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파워 사이클은 폐쇄 또는 반-폐쇄이고, 산소-연소를 사용하고, 이 경우 수소를 그것의 유일한 연료로 사용하고, 열 싱크는 파워 사이클의 나머지로 동일한 유체를 구비한 2차 랭킨 사이클로 구성되고, 응축물 반환 펌프(109)의 임펄션 라인 및 열 회수 도관 CRC(103)에 도달하는 라인에 의해 장치와 상호 연결되는,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    최종 과열기(121) 및 터빈(122) 사이에 위치한 추가 열(132)의 공급을 위한 엘리먼트를 포함하는,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 증기 압축기(115) 또는 복수의 증기 압축기(117)를 더 포함하고, 직렬로 연결되고, 교환기 엘리먼트(114)의 증기 아웃렛에 위치하고, 필수 열원(101)에 증기가 유입되기 전인,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    직렬(115) 및 (117)에 연결된 압축기 사이의 증기 냉각 교환기(116/118)를 더 포함하는,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    응축 교환기 엘리먼트(114)의 저부로부터의 응축물 라인 내에, 리보일러(113)에 대한 반환 라인으로 그 응축물 파트도 리보일러 자체로 전달되는 것을 더 포함하는,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 회수 도관(103) 내에 제공되는 열병합(133)을 위한 열 교환기 엘리먼트를 더 포함하고, 그것은 임의 타입의 산업 어플리케이션에서 외부 사용을 위해 목적되는 유용한 열 에너지를 추출하는,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    “보조 열 경감 시스템”를 더 포함하고, 이는:
    - 증기 리히터(134), 터빈 TAP(122)로부터 추출된 증기를 수신하고; 및
    - 보조 터빈 TPI(135), 아웃렛 증기는 CRC(103)의 최종 섹션의 동일 지점에 주입됨으로써 형성되는,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 팬(104), 아웃렛 증기를 열 회수 도관 CRC(103)으로 가져가고 그것들을 압축하여 그것들을 응축 교환기(105)로 전송하고, 독립 2차 랭킨 사이클의 증발기(125)의 적어도 하나의 컴포넌트 섹션을 하우징하는,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 열 교환기(108/124), 쉘 사이드(108)에 있고, 도관(105)으로부터의 응축물이 냉각되고, 내부에는 독립 2차 랭킨 사이클의 이코노마이저(124)가 하우징되는,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 펌프 UAX(200)는,
    - 가스 암모니아의 메인 발전기(201), 저온 저장소로 기능하고, 단독으로 엘리먼트(107)와 열을 교환함;
    - 2차 발전기(202), 잔여 암모니아 용액이 메인 발전기로 전달되는 동안, 암모니아 흡수기(210)로부터 액상(liquid phase)을 수신하고, 암모니아 증기를 일부 압축기(203)로 전달함;
    - 적어도 2개의 암모니아 압축기(203), 직렬로 연결되고, 사이에서 냉각되고, 메인(201) 및 2차 발전기(202)로부터 암모니아를 수신함;
    - 압축 암모니아 응축기(207), 압축되고 냉각된 초임계 암모니아를 초임계 암모니아 증발기(209)에서 수신하고, 열을 2차 발전기(202)로 전송함;
    - 초임계 암모니아 증발기(209);
    - 펌프(208), 압축 암모니아 응축기(207)로부터의 암모니아 응축물에 대해, 암모니아 증발기(207)로 하도록 만들고, 암모니아 증기는 초임계 압력에서 생산됨;
    - 암모니아 흡수기(210), 초임계 암모니아 증발기(209)로부터 증기를 수신하고, 그것을 수상(aqueous phase)에 용해함; 및
    - 전송 펌프(215), 희석 암모니아 용액을 메인 발전기(201)에서 흡수기(210)로 전송함;
    을 포함하는,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 펌프는:
    - 열 교환기(213/214), 메인 발전기(201)로부터의 희석 암모니아 용액 및 흡수기(210)로부터의 농축 암모니아 용액 사이;
    - 코일(211), 암모니아 증발기(209) 내부에 하우징되고, 농축 암모니아 용액 내에 함유된 열을 흡수기(210)로부터 연결하여, 초임계 암모니아를 생산함;
    - 냉각 코일(206), 압축기(203)으로부터의 압축 암모니아를 위한 것으로, 초임계 암모니아 증발기(209)로 열을 제공함;
    을 포함하는,
    에너지의 생성을 위한 장치.
  17. 복합 사이클(Combined Cycle)에 기초한 에너지의 생산을 위한 프로시저에 있어서,
    제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 정의된 장치를 사용하여 수행되는,
    프로시저.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 컨스티튜언트 브레이턴 사이클을 수행하고, 폐쇄 또는 산소-연소에 기초한, 열 펌프(UAX)의 기능에 의해 재생되고, 물을 열 유동으로 사용하고 고온 터빈(102)에서 기계적 에너지를 생산하고,
    - 상기 브레이턴 사이클과 상호 연결된 컨스티튜언트 랭킨 사이클을 수행하고, 그것과 물질 및 에너지를 교환하고, 양자는 물을 공통 열 유동으로 사용하고, 터빈 TAP(122)에서 기계적 에너지를 생산하는,
    - 열 펌프 UAX(200), 컨스티튜언트 브레이턴 사이클과 에너지를 교환하여 그것을 재생하고, 특정 압축기(203)에서 기계적 에너지를 흡수하는,
    프로시저.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    엘리먼트(107)을 통해 순환하는 수증기는 저온 저장소 UAX(200)에 대한 열 전송의 결과로서 완전히 응축되고, 사이클이 수소보다 다른 연료를 사용하는 경우 응축 불가능한 CO2만을 가스 리자이드(reside)로 남기는,
    프로시저.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 엘리먼트(107)를 응축하는 단계;
    - 주위 압력에서 수증기가, 획득된 열을 열 펌프 UAX(200)의 저온 저장소(201)로 포기함; 또는
    - 수증기 및 CO2를 응축하고, 열 펌프 UAX(200)의 저온 저장소(201)로 획득된 열을 포기함,
    - 그리고 엘리먼트(107) 내에 응축된 것보다 더 고압에서 리보일러(113) 내에 수증기를 재생하고, 열 펌프 UAX(200)의 고온 저장소(210)에 의해 제공된 열을 사용하는,
    프로시저.
  21. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    컨스티튜언트 브레이턴 사이클의 재생은 열 펌프 UAX(200)의 기능에 의해 시행되고, 저온 저장소의 온도에서 증기 응축열을 재활용하여 후속적으로 그것을 사이클로 반환하고, 고온 저장소에 의해, 더 고압 및 그것이 이전에 응축된 것보다 고온에서 수증기를 재생하는,
    프로시저.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 반-폐쇄 사이클의 케이스 내의 가압 버너, 또는 폐쇄 사이클의 케이스 내의 열 교환기인 필수 열원(101)으로부터 외부 에너지를 공급하는 것을 포함하는,
    프로시저.
  23. 제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    실제 손실에 관련 없이, 외부로 열을 전송하는 사이클에 의한, 단일 열 싱크의 사용을 포함하는,
    프로시저.
  24. 제23항에 있어서,
    독립 2차 랭킨 사이클의 응축기(128)는 열 싱크의 기능을 수행하는,
    프로시저.
  25. 제17항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 회수 도관(103)을 사용하는 것을 포함하고, 터빈 TAT(102)의 아웃렛으로부터의 열 유지는 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클의 과열 증기를 생성하는데 사용되는,
    프로시저.
  26. 제17항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 산소-연소 복합 사이클을 수행하고 일반식이 CxHyOz인 액체 또는 가스 연료를 사용하고, 순수한 것이거나 혼합물이고, x, y 및 z가 산소와 함께 연소될 수 있는 실제 화학적 화합물과 대응되는 값을 가지는 경우인,
    프로시저.
  27. 제17항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    열원(101), 또는 열원(101) 및 (132)으로 진입하는 증기의 양을 감소시키는 것을 포함하고, 리히터(134) 및 터빈 TPI(135)로 만들어지는 “보조 열 경감 시스템”에 의한 것이고, 터빈 TAP(122)으로부터의 아웃렛 증기 추출의 방법이 수행되고, 따라서 CRC(103)로 진입하는 열의 양이 감소하는,
    프로시저.
  28. 제17항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    엘리먼트(114)에서 발생한 증기의 응축으로부터의 열을 구비한 엘리먼트(112)에 의해 리보일러(113)로 진입하는 물을 예열(preheating)하는 것을 포함하는,
    프로시저.
  29. 제17항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    엘리먼트(112)에 의해 공급된 증기압 및 리보일러(113)로부터의 증기압을 증가시키고, 추가 기계적 압축기(115) 및 (117)을 사용하는 응축 교환기 엘리먼트(114)로부터 벗어나고, 직렬로 연결되고, 냉각에 개입하고 공급 압력은 이 증기를 필수 열원(101)으로 전달하기에 충분한,
    프로시저.
  30. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 복합 파워 사이클이 폐쇄로 수행되는 경우, 또는 수소만 연소되는 경우, 증기를 열 회수 도관(103)으로부터 2차 랭킨 사이클의 터빈 TBP(127)으로 직접 전송하기 위해, 응축기(128)에 의해 제공되는 진공 조건 하에서 동작하고, 상기 응축물은 급수로서 컨스티튜언트 베이직 랭킨 사이클로 반환되는,
    프로시저.
  31. 제17항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    도관(103)으로부터 아웃렛 가스를 흡입시키고, 팬(104)을 사용하여 그것들을 압축하고, 그것들을 응축 열 교환기 엘리먼트(105)로 전송하고, 따라서 2차 랭킨 사이클의 증발기(125)에서 증기가 생성되는,
    프로시저.
  32. 제17항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 열 펌프 UAX(200)는 냉장 기기로 압축 및 흡수의 동작을 결합함으로써 기능하고, NH3을 열 유동으로, 물을 용매로 사용하고,
    - 저온 저장소의 기능을 방출하는 열 펌프 UAX(200)의 메인 발전기(201)로, 엘리먼트(107)로부터 열을 흡수하고, 배타적으로,
    - 열 펌프 UAX(200)의 저온 저장소만이 80˚C 및 120˚C에서 동작하고,
    - 열 펌프 UAX(200)의 암모니아 흡수기(210)는 고온 저장소로 기능하고, 열을 리보일러(113)로 전송하고, 배타적으로,
    - 열 펌프 UAX(200) 내에서, NH3 증기의 압축이 발생하고, 연속적 스테이지에서 냉각되고,
    - 열 펌프 UAX(200)의 압축된 암모니아 증기 응축기(207)는 2차 발전기(202)에 의해 석방된 모든 열을 포기하고, 그리고
    - 열 펌프 UAX(200)의 초임계 암모니아 증발기(209)는 초임계 상태에서 열과 함께 NH3를 발생하고,
    - 압축의 스테이지 사이에서 압축된 암모니아 냉각 엘리먼트(204) 및 (206)에 의해 그것으로 공급되고,
    - 암모니아 흡수기(210)로부터의 열을 벗어나는 농축 용액에 의해 고정되는 잠재 열의 일부를 구비하는,
    프로시저.
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