KR20210104067A - 열 펌프 장치 및 열 펌프 장치를 포함하는 지역 난방 네트워크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각을 위해 구현될 때 랭킨 사이클과 카르노 사이클 부분을 포함하는 열 펌프 장치를 제공한다. 랭킨 사이클은 외부 수원(1)으로부터 받아들여진 물을 직접적인 기화에 의하여 기화시키기 위하여 구성된 기화기(7)를 포함한다. 팽창기(7)는 기화기(21)로부터 증기를 받아들이며 카르노 사이클의 유체를 압축하는 압축기(9)를 구동한다. 따라서 유체는 응축기(13b)에서 응축되고 흡수기(18)에서 기화된다.

Description

열 펌프 장치 및 열 펌프 장치를 포함하는 지역 난방 네트워크

본 발명은 전반적으로 열 구동 열 펌프 장치에 관한 것이다. 펌프는 저온에서 랭킨 사이클/기화기 및 팽창기 부분에 의하여 구동된다. 이는 내부 압력이 낮기 때문에 가능하며, 예를 들어 70℃에서 물을 끓게 한다. 구동 사이클 내로 도입된 열 에너지는 태양열 흡수 패널, 과도한 공정 열 또는 지역 난방 그리드 또는 조합에서 비롯될 수 있다. 발생된 기체 유체는 팽창기 터빈을 통과하며, 팽창기 터빈은 열 에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다. 기계적 에너지는 적절한 기어링(gearing)을 갖는 차축을 통해 장치의 압축기 사이클/압축기 부분의 압축기로 전달된다. 기계적 동력, 예를 들어 다양한 비율의 연소 기관 또는 전기 모터로부터의 에너지가 더 추가될 수 있다.

압축기는 전면에 진공을 발생시키며, 그에 의하여 관심 대상 유체의 기화를 가능하게 한다. 열 에너지는 기체 상태로 들어가고 있는 기화하는 액체에서 추출된다. 기체가 압축되어 내부 압력을 증가시키고 높은 온도에서 응축을 가능하게 한다. 그에 의하여, 에너지는 한 위치에서 또 다른 위치로 펌핑된다. 상승된 온도는 또 다른 공정에서의 에너지의 사용을 허용한다. 에너지는 랭킨 사이클을 예열하는 데 사용되거나 단순히 가열 기능을 수행할 수 있다. 기화 과정은 유체에서 에너지를 추출하여 이를 냉각 매체로 이상적이게 만든다.

부가적으로, 본 발명은 또한 열 펌프 장치를 포함하는 지연 난방 네트워크에 관한 것이다.

위의 유형의 열 펌프 장치는 냉각 및 가열을 위한 장치를 개시하는 US 6,581,384 B1 및 모두 냉각을 위한 장치를 개시하는 WO2007/038921 A1 및 WO2011/100974 A1로부터 공지되어 있다. 공지된 장치에서, 유체는 폐 사이클 내를 흐르고 있으며, 즉 장치의 작동 중에 유체는 제거되지 않거나 사이클에 추가되지 않는다. 즉, 액체는 외부 액체 소스로부터 장치의 사이클로 액체가 전달되지 않으며, 또한 액체는 장치 작동 중에 장치에서 외부 액체 소스로 전달되지 않는다. 부가적으로, 팽창기에 들어가기 전에, 액체는 파티션 벽을 통하여 외부 열원과 열 교환함으로써 가열된다.

본 발명의 목적은 냉각의 필요성을 만족시키는 열 펌프 장치를 제공하는 것이다.

다른 목적은 지역 난방 플랜트의 성능을 개선하기 위하여 사용 가능한 다목적 열 펌프 장치를 제공하는 것이다.

부가적인 목적은 비용 효율적이고 신뢰할 수 있는 열 펌프 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은;

- 액체 유입구 라인과 기화 유입구를 통해 외부 액체 소스로부터 기화 챔버로 받아들여진 액체를 직접적인 기화에 의하여 기화시키도록 구성된, 기화 탱크와 같은 기화기 - 기화 챔버 내의 압력은 액체 유입구 라인 내의 압력보다 낮고 기화 챔버로 들어가는 액체를 기화시키기에 충분히 낮으며, 즉, 기화 챔버 내의 압력은 압력과 연관된 액체의 기화 온도가 기화기 유입구를 통해 기화 챔버로 들어가고 기화기 증기 유출구를 통하여 기화기를 나가는 가압 증기를 생성하는 것을 허용하는 액체의 온도보다 낮도록 하며, 기화기는 부가적으로 기화기 액체 유출구를 포함함-,

- 팽창기 유입구 및 팽창기 유출구를 갖는 팽창기 - 팽창기 유입구는 팽창기를 구동하기 위해 기화로부터의 가압 증기를 수용하기 위하여 기화기 증기 유출구에 대한 유체 연결부를 가짐-,

- 압축기 유입구 및 압축기 유출구를 가지며, 압축기 유입구에서의 저압 저온 유입 기체로부터의 기체를 압축기 유출구에서의 고압 고온 유출 기체로 압축하기 위하여 팽창기에 의하여 작동적으로 구동되는 압축기, 및

- 제1 응축기 유입구 및 제1 응축기 유출구 - 제1 응축기 유입구는 팽창기 유출구에 대한 유체 연결부를 갖고 상기 팽창기로부터 받아들여진 유체를 응축하도록 구성되며, 제1 응축기 유출구는 제1 액체 유출구 라인에 연결됨-를 갖는 제1 응축기를 포함하는 열 펌프 장치를 제공한다.

지역 난방 플랜트의 열원과 같은 외부 열원으로부터 받아들여진 액체의 직접적인 기화에 의하여, 열 펌프 장치는 이러한 플랜트, 및 산업 냉난방 시스템과 폐액(waste liquid) 시스템과 같은 다른 플랜트 또는 시스템의 성능을 증가시키는데 적합하다.

직접적인 기화는 기화기 (기화 탱크) 내의 진공 또는 부분적인 진공에 의하여 제공되는 기화로 이해되어야 한다.

언급된 종래 기술의 열 펌프 시스템과 같은 열 펌프 시스템의 내부적으로 순환되는 내부 액체와 대조적으로, 외부 액체 소스는 일부가 열 펌프 장치로부터 제거되고 또한 열 펌프 장치로 공급되는 액체로 이해되어야 한다.

다른 매체, 특히 천연 매체를 쉽게 예상될 수 있지만 시스템 전체에서 물을 매체로 사용하는 것이 바람직하다. 열 에너지를 포함하는 동일한 매체, 예를 들어 지역 난방수를 갖는 것 그리고 물을 기화시켜 팽창기를 구동하는 것은 열 교환기의 사용을 제거한 직접 기화 전략을 가능하게 한다. 예를 들어 지역 난방수를 기화 유닛 내부에서 직접적으로 감압시키는 것은 열 교환기를 사용할 때보다 약 5℃ 낮은 온도에서 기화를 가능하게 한다. 이는 75℃와 비교하여 70℃에서 기화를 허용하는 효율성의 현저한 차이이다. 열 시스템 그리고 장치의 랭킨 사이클/기화기와 팽창기 부분 모두에 동일한 매체를 가짐으로써 직접적인 응축이 또한 가능하다. 증기를 팽창기에 들어가게 하고 팽창기의 배기 기체 내로 직접적으로 분사될 환수(저온)를 이용하여 직접적인 응축을 야기하는 직접적인 기화를 위하여 순방향 지역 난방수(고온)가 사용되는 한 예가 예상된다. 다시 말하지만, 이는 열 교환기/응축기를 사용하는 것과 비교하여 더 높은 온도에서의 응축을 허용한다. 본 발명의 압축 측면에서, 달성된 압력 수준이 환수를 사용하는 응축을 허용할 만큼 충분히 높으면 직접적인 응축 또한 가능하다. 이 설정으로, 시스템을 구동하기 위해 사용되는 거의 모든 에너지가 지역 난방 그리드 내부에 유지된다. 이는 또한 전달을 위하여 본 발명의 냉각 용량을 지역 난방 그리드로 전달되는 것을 가능하게 한다. 지역 난방 또는 예를 들어 생산 공정으로부터의 여분의 난방을 사용하는 경우, 본 발명은 고온의 라인을 이용하여 랭킨 사이클을 두 가지 방식으로 구동한다. 기화를 수행할 때, 유입되는 수온은 예를 들어 80℃에서 75℃까지 낮아진다. 이 물은 그리드로 회수되어 순방향 스트링(forward string)의 전체 온도를 낮출 수 있다. 응축 에너지가 순방향 파이프 라인에서 회수 라인으로 전달됨에 따라 환수(return water)의 온도는 약간 증가한다. 동일한 전략이 또한 태양 구동 유닛에 대하여 효율적으로 사용될 수 있다. 이는 시스템 내에서의 에너지 축적을 야기할 것이며, 이는 고효율 시스템에서는 바람직하지 않다. 지역 난방의 경우, 일반적으로 본 발명으로부터 에너지 증가를 적절하게 일정하기 유지하는(levelling out) 파이프라인 그리드 내에 상당한 열 손실이 있을 것이다. 본 발명에서 지역 난방 그리드 물만을 사용하는 것은 두 가지 주요 이점을 가능하게 한다. 첫째로, 더 이상 공냉식 응축에 대한 필요성이 없기 때문이다. 이 유닛은 야외(free air)에 접근할 필요없이 크고 높은 건물의 지하층에 배치할 수 있다. 그후 최상부 층과 옥상은 냉각탑 이외의 다른 공정을 위하여 이용될 수 있다. 두 번째로, 냉각 범위는 더 이상 주변 공기 또는 외부 온도에 의존하지 않는다. 지역 에너지 그리드 내의 온도 차이는 이제 공기로의 응축 용량이 아니라 제한 요소이다. 그리드 내의 온도 차이가 30K이면, 하나의 단일 유닛은 동일한 30K로 냉각될 수 있다. 직렬로 작업하면 공기 온도와 관계없이 단위당 30K의 냉각 단계로 캐스케이드 효과(cascade effect)는 쉽게 예상될 수 있다.

본 발명은 지역 에너지 네트워크의 사용을 최적화하는 데 도움이 될 것이다. 전형적으로, 많은 난방 그리드는 일 년 중 더운 기간에는 좋지 못한 성능으로 가동된다. 본 발명은 더운 계절 중에 난방에 대한 필요성을 발생시킴에 따라 이 기간에 최적의 사용을 허용한다. 예를 들어, 보일러가 최적의 설정으로 가동될 수 있음에 따라 파이프라인 내의 더 큰 흐름에 대한 필요성을 갖는 것은 또한 그리드의 성능을 향상시킨다. 본 발명은 압축기 사이클에 의하여 에너지 레벨 전달을 가능하게 한다. 기화 과정을 발생시키기 위하여 에너지가 필요하다. 이것은 주변으로부터 에너지를 흡수함으로써 이루어져 그 결과 온도 감소가 냉각을 위하여 사용될 수 있다. 기화된 기체는 더 높은 온도 또는 압력에서 응축되기 위해 압축된다. 기화에 의해 소비되는 에너지는 응축시 충분히 전달된다. 따라서 60℃에서 기화되는 물은 70℃에서 응축될 수 있다. 이는 열적으로 구동되는 열 펌프를 가능하게 한다. 예를 들어, 난방 플랜트가 60℃의 순방향 공급을 전달하는 2단계 지역 난방 네트워크가 있다. 랭킨 사이클을 40℃의 기화 온도에서 실행하게 함으로써 70℃까지 상승될 수 있다. 압축 동안에, 열 에너지를 랭킨 사이클로 전달하기 위하여 온도가 충분히 상승되어 팽창기에서의 응축없이 완전한 팽창을 허용할 것이다.

예에 따르면, 본 장치는 제2 응축기 기체 유입구 및 제2 응축기 증기 유출구를 갖는 제2 응축기를 포함하며, 제2 응축기 증기 유입구는 고압, 고온 유출 기체가 압축기를 떠나는 상기 압축기 유입구에 대한 유체 연결부를 갖고 있다.

제2 응축기 유출구는 기화 시스템에 대한 유체 연결부를 가질 수 있다.

기화 시스템은 흡수기 유입구와 흡수기 유출구를 갖는 흡수기를 포함할 수 있으며, 흡수기 유입구는 제2 응축기 유출구에 대한 유체 연결부를 갖고, 흡수기 유출구는 저압, 저온 기체가 압축기로 들어가는 압축기 유입구에 연결된다.

대안적으로, 기화 시스템은 기체로부터 액체를 분리하며, 제1 유입구와 제2 유입구, 분리기 기체 유출구와 분리기 액체 유출구를 갖는 액체-기체 분리기를 포함할 수 있으며, 분리기 기체 유출구는 저압, 저온 기체가 압축기로 들어가는 압축기 유입구에 대한 유체 연결부를 갖고, 분리기 액체 유출구는 흡수기 유출구를 갖는 흡수기의 흡수기 유입구에 대한 유체 연결부를 가지며, 분리기의 제1 유입구는 제2 응축기의 유출구에 대한 유체 연결부를 갖고, 그리고, 분리기의 제2 유입구는 흡수기의 유출구에 대한 유체 연결부를 갖는다.

예로서, 제2 응축기는 제1 온도를 갖는 액체의 액체 공급을 위한 제2 유입구를 부가적으로 갖는 스프레이 응축기일 수 있으며, 여기서 제1 온도를 갖는 액체를 이용한 고압, 고온의 유출 기체의 스프레이 응축은 온도 증가를 제공하여 제2 응축기의 유출구를 통하여 제2 응축기를 떠나는 액체는 제1 온도보다 높은 제2 온도를 갖는다.

제1 응축기는 제1 온도를 갖는 액체의 액체 공급을 위한 제2 유입구를 부가적으로 갖는 스프레이 응축기일 수 있으며, 여기서 제1 온도를 갖는 액체를 이용한 팽창기로부터 받아들여진 유체의 스프레이 응축은 온도 증가를 제공하여 제1 응축기의 유출구를 통하여 제1 응축기를 떠나는 액체는 제1 온도보다 높은 제2 온도를 갖는다.

외부 액체 소스는 단일 라인 시스템일 수 있으며, 제1 액체 유입구 라인과 제1 액체 유출구 라인은 제1 외부 액체 소스의 하나의 그리고 동일한 단일 라인에 연결된다.

예로서, 제1 외부 액체 유체 소스의 제1 외부 액체 소스는 제1 외부 소스 공급 라인과 제1 외부 소스 회수 라인을 포함하는 액체 순환 시스템일 수 있다.

제1 외부 액체 소스의 제1 외부 소스 공급 라인 내의 액체는 제1 외부 액체 소스의 제1 외부 소스 회수 라인 내의 액체보다 더 뜨거울 수 있다.

제1 액체 유입구 라인은 액체 유체의 제1 외부 소스의 제1 외부 소스 공급 라인에 연결될 수 있다.

제1 액체 유입구 라인은 액체 유체의 제1 외부 소스의 제1 외부 소스 회수 라인에 연결될 수 있다.

제1 액체 유출구 라인은 액체 유체의 제1 외부 소스의 제1 외부 소스 공급 라인에 연결될 수 있다.

제1 액체 유출구 라인은 액체 유체의 제1 외부 소스의 제1 외부 소스 회수 라인에 연결될 수 있다.

기화기 액체 유출구는 제1 외부 액체 소스에 대한 유체 연결부를 가질 수 있으며, 제1 응축기 유출구는 제1 외부 액체 소스에 대한 유체 연결부를 가질 수 있다.

예에 따르면, 기체-액체 분리기는 제2 응축기에 대한 유체 연결부를 가지며, 제2 응축기 유출구는 제1 외부 액체 소스에 대해 유체 연결 상태에 있는 제1 액체 유출구 라인에 연결된다.

추가 예로서, 압축기 유출구는 기화기의 벽 상에 또는 기화기의 기화기 챔버 내에 배열된 열 교환기를 통하여, 선택적으로 스프레이 응축기인 제2 응축기에 유체 연결될 수 있으며, 그에 의하여 압축기로부터 팽창기로의 에너지의 전달을 허용한다.

압축기 유출구는 기체-액체 분리기와 압축기 사이의 압축기 유입구 라인과 압축기 유출구 라인 간에 열을 교환하는 열 교환기를 통하여, 선택적으로 스프레이 응축기인 제2 응축기에 유체 연결될 수 있다.

응축기와 팽창기 사이의 유체 연결(라인)에 외부 열 소스가 배열될 수 있다.

예에서, 2개 이상의 팽창기가 직렬로 배열되며, 제1 팽창기는 기화기로부터의 배기 흐름에 의해 구동되고 제2 팽창기는 제1 팽창기로부터의 배기 흐름에 의해 구동된다.

팽창기들은 병렬 또는 직렬로 배열된 각각의 압축기에 구동적으로 연결될 수 있다.

예에서, 제1 팽창기는 압축기에 구동적으로 연결되며, 제2 팽창기는 발전기에 구동적으로 연결된다.

추가 실시예에서, 열 교환기가 압축기로부터의 유체 유출구 라인과 제1 및 제2 팽창기로부터의 배기 라인 사이에 배열된다.

부가적인 예에서, 2개 이상의 팽창기가 병렬로 배열되며, 양 팽창기는 기화기로부터의 각각의 배기 흐름에 의해 구동되고 직렬로 배열된 각각의 압축기에 구동적으로 연결되며, 제1 압축기로부터의 배기 기체는 제2 압축기로 전달된다.

추가 예에서, 시동 절차를 돕기 위하여 또는 연속 작동 절차 동안에 보조 모터가 팽창기 또는 압축기에 연결되어 있다.

본 발명은 부가적으로 제1 그리드 공급 라인과 제1 그리드 회수 라인을 포함하는 제1 그리드인 제1 외부 액체 소스 및 제2 그리드 공급 라인과 제2 그리드 회수 라인을 포함하는 제2 그리드인 제2 외부 액체 소스를 포함하는 지역 난방 네트워크를 제공하며,

제1 그리드 공급 라인은 제2 그리드 공급 라인보다 차갑고, 제1 그리드 회수 라인은 제2 그리드 회수 라인보다 차가우며,

제1 및 제2 그리드의 라인은 청구항 제1항 및 제2항에 따른 열 펌프 장치에 연결되고,

열 펌프 장치는 부가적으로 액체로부터 기체를 분리하며 액체 유입구와 액체 유출구, 그리고 압축기 유입구에 대한 유체 연결부를 갖는 가스 유출구를 갖는 기체-액체 분리기를 포함한다.

예에 따르면, 기화기에 대한 제1 액체 유입구 라인은 제2 그리드의 회수 라인에 대한 액체 연결부를 갖고 있다. 분리기의 액체 유입구는 제1 그리드의 공급 라인에 대한 유체 연결부를 갖고 있다. 제2 응축기의 유입구는 분리기의 액체 유출구에 대한 유체 연결부를 갖고 있다. 기화기의 액체 유출구는 제2 그리드의 회수 라인에 대한 유체 연결부를 갖고 있다. 제2 응축기의 액체 유출구는 제2 그리드의 공급 라인에 대한 유체 연결부를 갖고 있으며, 제1 응축기로부터의 액체 유출구 라인은 제1 그리드의 회수 라인에 대한 유체 연결부를 갖고 있다.

추가 예에 따르면, 기화기에 대한 액체 유입구 라인은 제1 그리드의 공급 라인에 대한 유체 연결부를 갖는다. 분리기에 대한 액체 유입구는 제2 그리드의 회수 라인에 대한 유체 연결부를 갖는다. 분리기(98)로부터의 액체 유출구는 제2 그리드의 회수 라인에 대한 유체 연결부를 갖는다. 기화기 액체 유출구는 제2 응축기에 대한 유체 연결부를 갖는다. 제2 응축기는 제2 그리드의 공급 라인에 대한 유체 유출구를 가지며, 제1 응축기로부터의 액체 유출구 라인은 제1 그리드의 회수 라인에 대한 유체 연결부를 갖는다.

제1 또는 제2 외부 액체 소스로부터의 유입구 라인은 바람직하게는 장치의 낮은 내부 압력 (부분 진공)과 일치시키기 위해 저감 밸브 또는 스로틀 밸브와 같은 감압 수단을 구비한다.

장치로부터 제1 및/또는 제2 외부 액체 소스로의 유출구 라인은 바람직하게는 장치 내의 낮은 압력을 제1 및 제2 외부 액체 소스의 더 높은 압력과 일치시키기 위해 펌프와 같은 가압 수단을 구비한다.

유출구 라인과 유입구 라인에서 가압 및 감압 수단을 각각 이용하는 대신에, 소위 부트스트랩핑 펌프가 사용되어 유출구 라인 내의 유체를 가압하고 유입구 라인 내의 유체를 감압할 수 있다.

간단히 설명하면, 부트스트랩핑 펌프는 상호 간에 연결된 샤프트들을 갖는 결합된 터빈 또는 역방향 펌프와 펌프이다. 액체 소스로부터 높은 압력, 예를 들어 6 바(bar)가 펌프를 구동하는 터빈의 유입구로 전달된다. 이에 의하여, 터빈의 유출구에서 액체의 압력은, 예를 들어 0.5 바로 낮아진다. 0.5 바의 액체는 본 발명의 장치로 전달될 수 있다. 본 발명에 따른 장치 내의 낮은 유체 압력 (부분적으로 진공)은 낮은 압력, 예를 들어 0.5 바의 유체를 펌프의 유입구로 공급한다. 펌프는 유체의 압력을 예를 들어, 5.9 바까지 증가시킨다. 5,9 바는 예를 들어 6 바의 압력을 갖는 외부 액체 소스로 액체를 다시 펌핑하기에 충분하지 않기 때문에 펌프 유출구로부터의 액체는 예를 들어 0.2 바의 압력을 6.1 바로 증가시키는 소형 펌프로 전달되어 액체가 외부 액체 소스로 다시 펌핑되는 것을 허용한다.

지역 난방수가 시스템에 유입되고 이를 지역 에너지 그리드로 회수시키는 경우, 부트스트랩핑 펌프에 요구되는 작업은 일반 펌프와 함께 압력 밸브를 사용하는 것보다 훨씬 적다. 전 세계의 지역 난방 네트워크는 환수에 대한 낮은 압력과 함께 4 바에서 28 바 이상의 순방향 압력을 갖고 설계되었다. 태양광 패널에 연결된 시스템의 경우에도 이 펌프를 사용하면 상당한 효율 증가가 발견된다.

본 발명의 실시예가 첨부된 도면에 관하여 이하에서 설명될 것이다. 도면은 본 발명을 구현하는 한 가지 방법을 보여주고 있으며 다른 가능한 실시예로 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1은 본 발명에 따른 열 펌프 장치의 제1 예를 도시하고 있다.
도 2는 제1 예에 액체-기체 분리기가 추가된, 제1 예의 경미한 변경 예인 예를 도시하고 있다.
도 3은 지역 난방 시스템의 회수 라인 내의 물의 온도를 낮추기 위하여 열 펌프 장치가 사용된 예를 도시하고 있다.
도 4는 부트스트랩핑 펌프가 사용되는 예를 도시하고 있다.
도 5는 부트스트랩핑 펌프를 사용하는, 그리고 분리기와 제2 응축기 사이에 제공된 연결 라인이 제공되는 부가적인 예를 도시하고 있다.
도 6은 과열 증기의 직접적인 발생을 허용하는 예를 도시하고 있다.
도 7은 압축기에 대한 유입구 라인의 온도를 증가시키는 열 교환기를 갖는 예를 도시하고 있다.
도 8은 과열 증기가 열 발생원에 의하여 발생하는 예를 도시하고 있다.
도 9는 압축기로부터의 압축 증기를 사용하여 기화기를 가열하는 예를 도시하고 있다.
도 10은 더 높은 압력 증가를 위하여 직렬로 배치된 다수의 병렬 팽창기와 압축기를 갖는 예를 도시하고 있다.
도 11은 직렬로 배치된 다수의 팽창기 및 상이한 온도 범위들에서 작동하는 압축기들을 갖는 예를 도시하고 있다.
도 12는 열 펌프가 팽창기를 구동하기 위하여 제2 그리드의 회수 라인을 이용하는, 지역 난방 네트워크의 제1 예를 도시하고 있다.
도 13은 열 펌프가 팽창기를 구동하기 위하여 제1 그리드의 공급/순방향 라인을 이용하는, 지역 난방 네트워크의 제2 예를 도시하고 있다.
도 14는 열 펌프 장치가 제1 그리드와 제2 그리드 사이에 배열된 지역 난방 네트워크를 도시하고 있다.
도 15는 전력이 발생되는 예를 도시하고 있다.
도 16은 전력이 발생되는 다른 예를 도시하고 있다.

도 1은 열 교환기(13b)에 의한 흡수 표면(18)으로부터 주변으로의 에너지 전달을 위한 장치의 예를 도시하고 있다. 온수는 라인(5)을 통해 기화 탱크(21)에 연결되어 있는 열원(1)에 의해 제공된다. 파이프는 기화기(21) 내의 낮아진 압력을 야기하는 저감 밸브(reduction valve)로서의 역할을 동시에 수행하여 물이 직접적으로 기화되는 것을 허용한다. 기화되지 않은 물은 회수되며 16a으로부터의 라인(16b)에서 응축수와 혼합되고, 열원(1)으로 회수된다. 펌프(4a)는 액체의 압력을 증가시켜 열원(1)으로부터의 압력과 일치시킨다. 임의의 종래 기술과 대조적으로, 물은 기화기(21)에서 직접적으로 기화되어 열원으로부터 가능한 가장 낮은 온도 수준에서의 증기 발생을 허용하며 종래 기술에 의해 교시된 열 교환기(2)의 사용을 제거한다. 기화기(21)로부터의 증기는 열 교환기/응축기(l3a)에서 응축되기 전에 팽창기(7)를 구동하고, 응축수는 열 교환기/응축기로부터 라인(16a)을 통해 열원(1)으로 회수된다. 팽창기(7)는 기계적 연결 샤프트(10)에 의해 압축기(9)를 구동한다. 펌프는 액체 냉매를 흡수 표면(18)으로 순환시키고, 여기서 열 에너지는 주변으로부터 흡수된다. 냉매는 흡수기(18) 내에서 액체와 기체의 혼합물이 된다. 그러나 흡수기의 최상부에서 기체는 액체로부터 분리되며, 그에 의하여 본질적으로 기체만이 흡수기의 유출구(79)로부터 압축기의 유입구(64)로 흐른다.

도 2는 도 1의 예의 변경 예인 예를 보여주고 있다. 도 2에서 보여지는 열 펌프 장치의 예는 열 교환기(13b)에 의해 흡수 표면(18)으로부터 주변으로의 에너지 전달을 제공한다. 온수는 라인(5)을 통하여 기화 탱크(21)에 연결되어 있는 열원(1)에 의해 제공된다. 파이프는 기화기(21) 내의 낮아진 압력을 야기하는 저감 밸브로서의 역할을 동시에 수행하여 물이 직접적으로 기화되는 것을 허용한다. 기화되지 않은 물은 회수되며 16a으로부터의 응축수와 라인(16b)에서 혼합되고, 열원(1)으로 회수된다. 펌프(4a)는 액체의 압력을 증가시켜 열원(1)으로부터의 압력과 일치시킨다. 임의의 종래 기술과 대조적으로, 물은 기화기(21) 내에서 직접적으로 기화되어 열원으로부터 가능한 가장 낮은 온도 수준에서의 증기 발생을 허용하며 종래 기술에 의해 교시된 열 교환기(2)의 사용을 제거한다. 기화기(21)로부터의 증기는 열 교환기/응축기(l3a)에서 응축되기 전에 팽창기(7)를 구동하고, 응축수는 열 교환기/응축기로부터 라인(16a)을 통해 열원(1)으로 회수된다. 팽창기(7)는 기계적 연결 샤프트(10)에 의해 압축기(9)를 구동한다. 펌프는 액체 냉매를 흡수 표면(18)으로 순환시키고, 여기서 열 에너지는 주변으로부터 흡수된다. 냉매는 흡수기(18)에서 액체와 기체의 혼합물이 된다. 진공을 적용함으로써 연결된 압축기가 기체 상(gas phase)을 제거함에 따라 2개의 상이 분리 탱크(98) 내에서 분리된다. 남아 있는 액체는 이후 이 열 흡수 사이클 내에서 재활용된다. 기체 상은 응축을 위하여 압축기에서 열 교환기 또는 응축기(13b)로 안내된다. 이 과정으로부터의 열은 제2 응축기(13b) 내에서 주변으로 전달된다. 종래 기술과 대조적으로, 2개의 사이클 (랭킨 및 카르노)은 재료 교환없이 분리된다. 이에 의하여, 원하는 경우 상이한 구동 및 냉동 매체가 쉽게 사용될 수 있다.

도 3은 지역 난방 시스템의 회수 라인 내의 물의 온도를 낮추기 위해 열 펌프 장치가 사용되는 예를 도시하고 있다. 환수는 지역 난방 플랜트로부터 회수 라인(54) 내에서 유동하고 있다. 환수는 감압되며, 3개의 라인(5a, 5b, 5c)의 각각 내의 흐름으로 분할된다. 라인(5a) 내의 흐름은 스프레이 응축기(51) 내에서의 스프레이 응축을 위해 사용된다. 라인(5b) 내의 흐름은 기화기(21)에서 기화되며, 기화된 증기는 팽창기(7)를 구동한다. 제3 라인(5c) 내의 흐름은 액체-기체 분리기(98) 내에서 기화된다. 기화된 증기는 압축기의 유입구를 통해 압축기로 들어가며, 압축기에 의해 스프레이 응축기(51)로 펌핑되고 응축된다. 그에 의하여 온수는 순방향 라인(53)으로 펌핑될 수 있다. 그 결과, 회수 라인 내의 회수 흐름은 냉각되며, 플랜트가 그에 의하여 개선된 효율을 얻을 수 있다.

도 4는 열원(1)이 순방향/공급 라인(53) 및 회수 공급 라인(54)을 갖는 지역 난방 시스템으로서 도시되어 있는 장치를 도시하고 있다. 일반적으로 순방향 라인(53)의 내의 흐름은 회수 라인(54) 내의 흐름보다 더 높은 온도를 갖고 있다. 순방향 라인(53)은 부트스트랩핑 펌프(40)를 통해 기화 탱크(21) 내로 연결된다. 감압 과정에서 얻은 에너지는 흐름을 열원으로 회수하는 데 사용하기 위하여 부트스트랩핑 펌프(40)에서 흡수된다. 기화기(21)에서, 증기가 발생되며, 이는 팽창기(7)를 통과하여 이를 회전하게 한다. 기화기(21) 내의 남아있는 물은 부트스트랩핑 펌프(40)를 통해 열원(1)으로 회수된다. 부트스트랩핑 펌프를 사용함으로써, 액체를 회수하기 위한 작업 부하가 최소화된다. 회수 흐름(54)으로부터의 물은 팽창기 배기 증기의 제1 응축기(51)에서의 직접적인 응축을 위하여 부트스트랩핑 펌프(42)를 통해 안내된다. 결과적인 액체는 부트스트랩핑 펌프(40)를 통해 열원(54)으로 회수된다. 이 도면에서의 카르노 사이클은 도 2의 카르노 사이클과 유사하다.

도 5는 지역 난방 그리드에 연결되어 있는 냉각 장치를 도시하고 있다. 온수는 물은 순방향 파이프(53)에 의하여 부트스트랩핑 펌프(40)로 공급된다. 감압된 물은 기화 탱크(21)로 들어가 증기의 발생을 허용한다. 증기는 팽창기(7)를 통하여 공급되며, 팽창기는 샤프트(10)를 통해 압축기(9)를 구동한다. 용어 샤프트는 넓게 해석되어야 하며 기계적 연결을 제공할 수 있는 모든 수단 또는 디바이스를 포함한다. 이는 팽창기(7)와 압축기(9)의 상이한 회전 속도를 위한 기어링(gearing)의 사용을 포함한다. 이 실시예 및 다음 실시예에서, 압축기(9)는 방사상 원심 압축기 또는 축류 압축기와 같은 임의의 기하학적 구조 또는 기술일 수 있다. 압축기 단계들은 직렬 또는 병렬로 구현될 수 있다. 응축 및 궁극적인 열 교환에 대한 요구 사항과 양립될 수 있도록 하기 위하여 충분한 압력 비율이 발생한다는 것이 가정된다. 팽창기(7)로부터의 배기 기체는 탱크(51) 내에서의 직접적인 물 스프레이 응축을 통해 응축된다. 탱크(51) 내의 액체수(liquid water)는 지역 난방 환수(54)에 의해 공급된다. 물은 부트스트랩핑 펌프(41) 내에서 감압된다. 응축수는 부트스트랩핑 펌프(41)에 의해 지역 난방 그리드(54)로 다시 펌핑된다. 압축기(9)는 상 분리 탱크(98)에서 연속적인 진공을 발생시키며 물에서 증기를 제거한다. 냉각은 열 흡수 표면(18)에 의하여 제공된다. 열은 물/증기 혼합물을 발생시킴으로써 흡수되며, 이 혼합물은 분리기(98) 내에서 상 분리된다. 압축기(9)로부터의 압축 기체는 탱크(52) 내에서의 직접적인 물 스프레이 응축으로 응축된다. 제2 응축기(52) 내의 액체수는 회수 라인(54)으로부터의 지역 난방 환수에 의해 공급된다. 물은 부트스트랩핑 펌프(42)에서 감압된다. 응축수는 부트스트랩핑 펌프(42)에 의하여 지역 난방 그리드(54)로 다시 펌핑된다. 대안적으로, 응축은 13b를 통해 주변 공기 내로 이루어질 수 있다. 팽창기(7)로부터의 배기 기체는 유사한 방식으로, 제1 응축기(13a)를 사용하는 설정(setup)에 의해 응축될 수 있다. 기화기(21) 내의 사용되지 않은 물은 부트스트랩핑 펌프(40)에 의하여 지역 난방 그리드(53)로 다시 펌핑된다. 분리기(98)와 제2 응축기(52) 사이에서 점선으로 보여진 유체 연결 라인(68)은 열 펌프 장치가 액체로 다시 채워지면 생략될 수 있다는 점에서 선택적이다. 그러나 연결 라인은 다시 채울 필요 없이 열 펌프 장치 내에 충분한 물을 유지하므로 유리하다. 도 6 내지 도 10에서 보여지는 연결 라인(68)도 마찬가지이다.

도 6은 압축기(9)로부터의 압축 증기가 기화기(21)에서 액체 기체 혼합물을 가열하는 열 교환기(55)로 안내되어 팽창기(7) 내로 안내되는 과열 증기의 직접적인 발생을 허용하는 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 팽창기(7), 샤프트(10) 또는 압축기(9)에 부착된 모터(99)는 시동 절차를 돕거나 장치의 하이브리드 동력 공급을 지속적으로 허용하거나 팽창기(7), 샤프트(10) 및 압축기(9)의 회전 속도를 관리하기 위하여 사용될 것이다. 충분한 열 에너지가 이용 가능하다면 모터(99)는 발전기로서 작동할 수 있다.

도 7은 도 5의 예시의 추가 실시예이다. 압축기(9)로부터의 충분히 높은 배기 온도로, 제2 응축기(52)로부터의 남은 물을 이용한 직접적인 응축이 제2 기화기(21) 내에서 가능하다. 이는 공급 라인(53)의 순방향 스트림 내로 다시 펌핑되고 있는 물에 대한 온도 증가를 초래할 것이다. 이는 흡수된 냉각 에너지를 공급 라인(53) 내의 순방향 스트림으로 전달하여 장치의 사용으로 인한 열 감소를 중화시키고 회수 스트림 라인(54)의 온도 증가를 최소화할 것이다. 열 교환기(56)는 기화에 의해 압축기로 들어가는 작은 액적을 제거할 가능성을 증가시킬 것이며, 그에 의하여 압축기(9)의 효율을 증가시킨다. 압축기(9)로의 유입 온도가 순차적으로 증가됨에 따라 열 교환기(55) 내의 결과적인 온도 또한 증가하여 열 전달을 보다 효율적으로 만든다.

도 8은 흐름에 영향을 주는 마이크로파 또는 적외선 발생기(56)에 의해 과열 증기가 발생되는 추가적인 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 발생기(56)는 기체 버너, 기계적 효과 또는 전기 히터와 같은 임의의 열 발생원으로 대체될 수 있다.

도 9는 연결부(57)에서 들어오고 연결부(58)에서 나가는, 압축기(9)로부터의 압축 증기가 기화 탱크(21)를 가열하기 위해 사용되는 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 탱크가 가열됨에 따라 과열 증기는 기화기(7) 내로 안내된다. 시스템은 일련의 캐스케이딩(cascading) 유닛에서 사용될 수 있으며, 여기서 하나의 유닛은 더 큰 전체 냉각 범위를 허용하는 응축기(51) 또는 제2 응축기(52) 근처에 흡수기(18)를 배치함으로써 다음 유닛을 보조한다. 부트스트랩핑 펌프(41) 및 제1 응축기(51) 및/또는 부트스트랩핑 펌프(42) 및 제2 응축기(52)의 응축 과정은 응축기(13)에 의하여 도 3에 도시된 바와 같이 공랭식 응축으로 대체될 수 있다. 98에서의 상 분리와 흡수기(18)에서의 에너지 흡수는, 예를 들어 압축기(9)가 흡수기(18)에 진공을 직접적으로 적용함으로써 단일 유닛에서 조합될 수 있다.

도 10은 압축기(9' 및 9")가 팽창기(7' 및 7")에 의해 구동됨으로써 압축의 다중 단계가 보여지는 실시예를 도시하고 있다. 제1 쌍의 팽창기(7')와 압축기(9")는 동기 구동을 위해 제1 회전 축(rotation axle)(10')을 통해 연결되어 있으며, 제2 쌍의 팽창기(7")와 압축기(9')는 동기 구동을 위하여 제2 회전 축(10")을 통하여 연결되어 있다. 종래 기술과 대조적으로, 팽창기들은 병렬로 구동된다. 병렬 상태의 팽창기들을 갖는 것의 이점은, 압력을 감소시키는 설정에서 실행되어 축의 감소된 회전 속도를 야기하여 압축기 내에 적은 압력이 구축되는 것과는 대조적으로, 팽창기들이 동일한 압력에서 실행될 것이라는 점이다. 동일한 회전 속도를 갖는 것은 그러면 압축기 흐름을 증가시킬 필요가 있다는 것을 지시하며, 이는 압축기 크기를 증가시킴으로써 이루어진다. 이 실시예에서, 압축기(9' 및 9")들이 병렬로 가동함에 따라 2개의 냉각 사이클이 상이한 기화 압력에서 작동될 수 있으므로 냉각은 2개의 상이한 온도에서 동시에 수행될 수 있다. 이 실시예는 동일한 장치에 의해 제공되는 다중 냉각 온도를 제공하도록 확장될 수 있다. 더 많은 압축기가 9' 또는 9"에 직렬 또는 병렬로 추가될 수 있다.

도 11은 직렬로 작동하는 팽창기(7', 7")를 갖지만 병렬로 작동하는 압축기(9', 9")를 갖는 실시예를 도시하고 있다. 압축기(9")는 압축기(9')가 아닌 별도의 카르노 사이클에 진공을 적용하고 있다. 이 실시예는 2개의 상이한 냉매를 동시에 사용하는 것을 허용한다. 이 실시예에서, 카르노 사이클(91, 98', 9', 51) 물은 한 사이클 내의 냉매일 수 있고 사이클(18, 98", 9", 91) 내에는 NH₃가 냉매일 수 있으며, 여기서 다른 냉매 내의 열을 흡수함으로써 열 교환기(91)는 한 냉매의 응축을 허용한다. 이는 장치의 정확한 캐스케이드 사용을 허용하며 유사한 또는 상이한 냉매의 다중 단계의 압축으로 더 확장될 수 있다. 이에 의하여 작동 온도 범위가 대폭 확장되어 극저온 냉각도 가능하게 한다. 이 실시예에서, 직접적인 응축 과정은 팽창기(7', 7") 및 압축기(9') 모두에 대해 조합된다. 유체 연결부(92)는 랭킨 사이클과 카르노 사이클 간의 액체 교환을 허용하여, 그에 의하여 장치의 액체 채움에 대한 요구 사항을 낮춘다. 열원(1, 53, 54)으로부터의 액체가 기화기(21)에서 기화되기에 적합한 경우 열 교환기는 열원과 부트스트랩 펌프(40, 41, 42) 사이에 배치되어야 한다. 이에 의하여, 이상적인 구동 매체가 장치에서 여전히 사용될 수 있다. 일부 오래된 지역 난방 시스템은 터빈을 정지시킬 비누 기반(soap-based) 세제를 사용하고 있다. 그후 열 교환이 이용되어야 하며, 여기서 부트스트랩 펌프(40, 41, 42)는 여전히 액체 압력을 조절하고, 그에 의하여 증기가 발생되는 위치를 제어한다.

도 12는 열 발생을 위한 실시예를 도시하고 있다. 지역 난방 네트워크(53', 54' 및 53", 54")는 한 그리드(53', 54')가 53", 54"보다 낮은 상이한 온도 세트를 가진 그리드들이다. 환수(54")는 부트스트랩핑 펌프(40)를 통해 장치의 기화 탱크(21) 내로 들어간다. 탱크는 압축기(9)로부터 연결부(57)에서 들어가고 연결부(58)에서 나가는 증기에 의해 가열되어 과열 증기의 직접적인 발생을 허용한다. 이 증기는 스핀들(10) 및 연결된 압축기(9)를 회전시키는 팽창기(7)에 걸쳐 팽창된다. 배기 증기는 부트스트랩핑 펌프(42)를 통해 51에서 응축되며, 부트스트랩핑 펌프는 환수 공급부(54')로부터 더 차가운 물을 공급한다. 저온의 순방향 공급부(53')로부터, 물은 부트스트랩핑 펌프(41)를 통해 장치로 들어가고 상 분리 탱크(98) 내로 들어간다. 압축기(9)는 증기를 기화시키고 이를 압축하는 분리기(98)에 진공을 가한다. 압축 기체는 직접적인 스프레이 응축에 의해 제2 응축기(52)에서 응축되기 전에 기화 탱크(21)를 가열한다. 분리기(98) 내의 기화되지 않은 물은 제2 응축기(52) 내의 과정을 위해 사용되어 더 따뜻한 액체 상을 생성한다. 온수는 부트스트랩핑 펌프(41)를 통해 따뜻한 순방향 지역 난방 그리드(53") 내로 펌핑된다. 팽창기(7), 샤프트(10) 또는 압축기(9)에 부착된 모터(99)는 시동 절차를 돕거나 장치의 하이브리드 동력 공급을 지속적으로 허용하거나 팽창기(7), 샤프트(10) 및 압축기(9)의 회전 속도를 관리할 것이다.

도 13은 더 차가운 순방향 그리드(53')에 의해 구동되는 지역 난방 그리드(53")에 온수를 발생시키는 추가 실시예를 도시하고 있다. 에너지는 고온의 환수(54")로부터 순방향 그리드(53") 내로 펌핑된다. 팽창의 응축은 저온의 환수 그리드(54')를 이용한다. 53'로부터 물은 부트스트랩핑 펌프(40)로 그리고 기화기 탱크(21) 내로 공급된다. 탱크는 압축기(9)로부터 연결부(57)에서 들어가고 연결부(58)에서 나가는 증기에 의해 가열되어 과열 증기의 직접적인 발생을 허용한다. 이 증기는 샤프트(10) 및 연결된 압축기(9)를 회전시키는 팽창기(7)에 걸쳐 팽창된다. 배기 증기는 환수 공급부(54')로부터 더 차가운 물을 공급하는 부트스트랩핑 펌프(42)를 통해 제1 응축기(51) 내에서 응축된다. 고온의 회수 공급부(54")로부터 물은 부트스트랩핑 펌프(41)를 통해 장치로 들어가고 상 분리 탱크(98) 내로 들어간다. 압축기(9)는 증기를 기화시키고 이를 압축하는 분리기(98)에 진공을 가한다. 압축 기체는 직접적인 스프레이 응축에 의해 제2 응축기(52) 내에서 응축되기 전에 기화 탱크(21)를 가열한다. 기화기(21) 내의 기화되지 않은 물은 제2 응축기(52) 내의 응축 과정을 위해 사용되어 더 따뜻한 액체 상을 생성한다. 온수는 부트스트랩핑 펌프(40)를 통해 따듯한 순방향 지역 난방 그리드(53")로 펌핑된다. 팽창기(7), 샤프트(10) 또는 압축기(9)에 부착된 모터(99)는 시동 절차를 돕거나 장치의 하이브리드 동력 공급을 지속적으로 허용하거나 팽창기(7), 샤프트(10) 및 압축기(9)의 회전 속도를 관리하기 위하여 사용될 것이다. 대안적으로, 회수 라인(54')은 부트스트랩핑 펌프(42)에 연결될 수 있으며 회수 라인(54")은 부트스트랩핑 펌프(41)에 연결될 수 있다.

도 14는 단독 주택, 아파트 단지, 상업 사무실 및/또는 산업 건물인 최종 사용자(82)에 추가로 연결된 온수 공급 시스템과 관련하여 에너지 펌프(80)의 배치의 예를 도시하고 있다. 이 발명은 단독 주택에서 지역 난방 클러스터와 유사한 전체 그리드까지 완전히 확장 가능하다. 여분의 열은 온수 파이프를 통해 여분의 공정 열과 함께 지역 난방 플랜트(81), 태양열 공원 또는 산업체에 의해 제공된다. 본 도면은 지역 난방 플랜트(81)를 떠나 에너지 펌프(80)로 들어가는 잉여 열이 60℃의 온도를 갖는 것으로 도시하였다. 에너지는 예를 들어 40℃의 환수에서 순방향 스트림으로 펌핑되어 결과적으로 70℃가 되고 30℃로 지역 난방 플랜트로 회수된다. 이 실시예에서, 그리드는 파이프 라인 그리드의 페어 엔드(fare end)에서 부스트된다. 이에 의하여, 대부분의 거리를 이동하는 순방향 스트림의 온도가 감소됨에 따라 파이프라인으로부터 주변으로 손실된 열로 인한 손실은 크게 감소한다. 또 다른 실시예는 에너지 펌프(80)를 지역 난방 플랜트(81)에 대한 입구에 배치할 것이다. 일부 지역 난방 플랜트(81)의 경우, 환수의 높은 온도로 인해 발전 수율이 낮아짐에 따라 특히 전력과 열을 모두 제공하는 열병합 발전소의 경우 온도 회수가 중요하다. 환수를 입력으로 이용하는 에너지 펌프(80)를 설치함으로써, 에너지를 나가는 파이프 라인으로 전달하여 환수 온도가 낮아지며, 그에 의하여 플랜트에 대한 최적 온도 레벨을 보장한다.

도 15는 발전을 위한 예를 도시하고 있다. 열원(1)으로부터 열 에너지는 유체 연결부(5)를 통해 장치로 전달되고 기화 챔버(21) 내로 전달되며, 기화 챔버 내에서 기체 상과 액체 상이 발생된다. 액체 잔류물은 연결부(16b)를 통해 회수 펌프(4a)로 안내되고 열원으로 회수된다. 기체 상은 압축기(9')를 회전시키는 팽창기(7')를 통해 안내된다. 팽창기로부터의 배기 기체는 열 교환기(59)에서 재가열된다. 압축기(9')는 98에서 기체와 액체 상을 분리한다. 기화를 위한 에너지는 흡수기(18)에서 흡수된다. 압축기는 기체 상의 온도를 증가시키며, 그에 의하여 기체 상은 열 교환기(59) 내의 에너지를 랭킨 사이클로 전달할 수 있다. 팽창기(7')로부터의 배기 기체를 재가열한 후, 팽창기(7") 내에서 또 다른 팽창이 일어난다. 팽창기(7")가 샤프트(10")를 통해 발전기(99)에 연결되면 전력이 생산된다. 팽창기(7")로부터의 랭킨 사이클은 제1 응축기(13a) 내에서의 기체 상 응축 및 열원(1)으로 회수된 액체에 의해 완료될 수 있다. 대안적으로, 카르노 사이클로부터 열 교환에 의한 배기 기체의 재가열의 과정은 이후의 팽창 및 발전과 함께 가능한 가장 높은 발전 수율을 위하여 여러 번 반복될 수 있다. 압축으로부터의 에너지 전달은 단일 압축기로부터일 수 있으며 또는 흡수기(18)를 통해 흡수함으로써 개별 열원으로부터 에너지를 도입하는 여러 압축기에 의해 이루어질 수 있다.

도 16은 발전을 위한 예를 도시하고 있다. 열원(1)으로부터, 열 에너지는 유체 연결부(5)를 통해 장치로 전달되고 기화 챔버(21) 내로 전달되며, 기화 챔버 내에서 기체 상과 액체 상이 발생된다. 액체 잔류물은 연결부(16b)를 통해 회수 펌프(4a)로 안내되고 열원으로 회수된다. 기체 상은 팽창기(7')를 통해 안내되며, 팽창기는 압축기(9')를 회전시킨다. 팽창기로부터의 배기 기체는 열 교환기(59)에서 재가열된다. 압축기(9')는 98에서 기체와 액체 상을 분리한다. 기화를 위한 에너지는 18에서 흡수된다. 압축기는 기체 상의 온도를 증가시키며, 그에 의하여 기체 상은 열 교환기(59) 내의 에너지를 랭킨 사이클로 전달할 수 있다. 팽창기(7')로부터의 배기 기체를 재가열한 후, 팽창기(7")에서 또 따른 팽창이 일어난다. 팽창기(7")가 샤프트(10")를 통하여 발전기(99)에 연결되면, 전력이 생산된다. 팽창기(7")로부터의 랭킨 사이클은 제1 응축기(13a) 내에서의 기체 상 응축 및 열원(1)으로 회수된 액체에 의하여 완료될 수 있다. 대안적으로, 카르노 사이클로부터 열 교환에 의한 배기 기체의 재가열의 과정은 이후의 팽창 및 발전과 함께 가능한 가장 높은 발전 수율을 위하여 여러 번 반복될 수 있다. 압축으로부터의 에너지 전달은 단일 압축기로부터일 수 있으며 또는 흡수기(18)를 통해 흡수함으로써 개별 열원으로부터 에너지를 도입하는 여러 압축기에 의해 이루어질 수 있다.

1: 열원 라인
4a: 펌프
4b: 펌프
5: 액체 유입구 라인
5a: 제1 라인
5b: 제2 라인
5c: 제3 라인
7: 팽창기
7': 팽창기
7": 팽창기
9: 압축기
9': 압축기
10: 샤프트
13a: 제1 응축기
13b: 제2 응축기
16: 유출구 라인
16a: 제1 유출구 라인
16b: 제2 유출구 라인
16c: 제3 유출구 라인
18: 흡수기
21: 기화기
22: 기화기 유입구
23: 기화기 액체 유출구
24: 기화기 기체 유출구
25: 팽창기 유입구
26: 팽창기 유출구
31: 제1 응축기 유입구
32: 제1 응축기 유출구
33. 제1 액체 유출구 라인
40: 부트스트랩핑 펌프
41: 부트스트랩핑 펌프
42: 부트스트랩핑 펌프
51. 제1 응축기 (스프레이 응축기)
52. 제2 응축기 (스프레이 응축기)
53: 공급 라인
53': 제1 그리드의 공급 라인
53": 제2 그리드의 공급 라인
54: 회수 라인
54': 제1 그리드의 회수 라인
54": 제2 그리드의 회수 라인
55: 열 교환기
56: 열 교환기
56: 열 발생원
57: 연결부
58: 연결부
57-58: 열 교환기
59: 열 교환기
64: 압축기 유입구
65: 압축기 유출구
68. 제2 응축기(52)와 분리기(98) 사이의 연결 라인
69. 제2 응축기 제2 유출구
70. 제2 응축기 기체 유입구
71. 제2 응축기 액체 유출구
73. 분리기에 대한 제1 유입구
74. 제2 유입구
75: (흡수기로부터의) 제2 유입구
76: 분리기 기체 유출구
77: 분리기 액체 유출구
78: 흡수기 유입구
79: 흡수기 유출구
80: 열 펌프 장치
81: 지역 난방 플랜트
82: 사용자
85: 제2 응축기에 대한 제2 유입구
91: 응축기
92: 분리기(98')에 대한 액체 유입구
93: 분리기(98)에 대한 액체 유입구
94. 제2 응축기에 대한 액체 유입구
95: 분리기(98)에 대한 액체 유출구
98: 분리기
99: 모터, 발전기

Claims (17)

1. 열 펌프 장치에 있어서,
   - 액체 유입구 라인(5)과 기화 유입구(22)를 통해 외부 액체 소스로부터 기화 챔버로 받아들여진 액체를 직접적인 기화에 의하여 기화시키도록 구성된, 기화 탱크(21)와 같은 기화기 - 상기 기화 챔버 내의 압력은 상기 액체 유입구 라인(5) 내의 압력보다 낮고 상기 기화 챔버로 들어가는 액체를 기화시키기에 충분히 낮으며, 즉, 상기 기화 챔버 내의 압력은 압력과 연관된 액체의 기화 온도가 상기 기화기 유입구(22)를 통해 상기 기화 챔버로 들어가고 기화기 증기 유출구(24)를 통하여 상기 기화기를 나가는 가압 증기를 생성하는 것을 허용하는 액체의 온도보다 낮도록 하며, 상기 기화기는 부가적으로 기화기 액체 유출구(23)를 포함함-,
   - 팽창기 유입구(25) 및 팽창기 유출구(26)를 갖는 팽창기(7) -상기 팽창기 유입구(25)는 상기 팽창기(7)를 구동하기 위해 상기 기화로부터의 가압 증기를 수용하기 위하여 상기 기화기 증기 유출구(24)에 대한 유체 연결부를 가짐-,
   - 압축기 유입구(64) 및 압축기 유출구(65)를 가지며, 상기 압축기 유입구(64)에서의 저압 저온 유입 기체로부터의 기체를 상기 압축기 유출구(65)에서의 고압 고온 유출 기체로 압축하기 위하여 상기 팽창기(7)에 의하여 작동적으로 구동되는 압축기(9), 및
   - 제1 응축기 유입구(31) 및 제1 응축기 유출구(32) -상기 제1 응축기 유입구(31)는 상기 팽창기 유출구(26)에 대한 유체 연결부를 갖고 상기 팽창기(7)로부터 받아들여진 유체를 응축하도록 구성되며, 상기 제1 응축기 유출구(32)는 제1 액체 유출구 라인(16a, 33)에 연결됨-를 갖는 제1 응축기(32)를 포함하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 제2 응축기 기체 유입구(70) 및 제2 응축기 증기 유출구(71)를 갖는 제2 응축기(13b, 52)를 더 포함하며, 상기 제2 응축기 증기 유입구(71)는 고압, 고온 유출 기체가 압축기(9)를 떠나는 상기 압축기 유입구(65)에 대한 유체 연결부를 갖는 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제2 응축기 유출구(71)는 기화 시스템에 대한 유체 연결부를 갖는 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 기화 시스템은 흡수기 유입구(78)와 흡수기 유출구(79)를 갖는 흡수기(18)를 포함하며, 상기 흡수기 유입구(78)는 상기 제2 응축기 유출구(71)에 대한 유체 연결부를 갖고, 상기 흡수기 유출구(79)는 저압, 저온 기체가 상기 압축기로 들어가는 상기 압축기 유입구(64)에 연결된 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 기화 시스템은 기체로부터 액체를 분리하며, 제1 유입구(73)와 제2 유입구(75), 분리기 기체 유출구(76)와 분리기 액체 유출구(77)를 갖는 액체-기체 분리기(98)를 포함하며,
   상기 분리기 기체 유출구(76)는 저압, 저온 기체가 상기 압축기(9)로 들어가는 상기 압축기 유입구(64)에 대한 유체 연결부를 갖고,
   상기 분리기 액체 유출구(77)는 흡수기 유출구(79)를 갖는 흡수기(18)의 흡수기 유입구(78)에 대한 유체 연결부를 가지며,
   상기 분리기(98)의 상기 제1 유입구(73)는 상기 제2 응축기(13b, 52)의 상기 유출구(71)에 대한 유체 연결부를 갖고, 그리고,
   상기 분리기(98)의 상기 제2 유입구(75)는 상기 흡수기(18)의 상기 유출구에 대한 유체 연결부를 갖는 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 응축기는 제1 온도를 갖는 액체의 액체 공급을 위한 제2 유입구(74)를 부가적으로 갖는 스프레이 응축기(52)이며, 제1 온도를 갖는 액체를 이용한 고압, 고온의 유출 기체의 스프레이 응축은 온도 증가를 제공하여 상기 제2 응축기의 제2 액체 유출구(69)를 통하여 상기 제2 응축기(52)를 떠나는 액체는 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도를 갖는 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 액체 소스는 제1 외부 소스 공급 라인(53) 및 제1 외부 소스 회수 라인(54)을 포함하는 액체 순환 시스템인 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체-액체 분리기(98)는 상기 제2 응축기(52)에 대한 유체 연결부를 가지며, 상기 제2 응축기 제2 액체 유출구(69)는 상기 외부 액체 소스에 대해 유체 연결 상태에 있는 상기 제1 액체 유출구 라인(33)에 연결된 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기 유출구(65)는 상기 기화기(21)의 벽 상에 또는 상기 기화기(21)의 상기 기화기 챔버 내에 배열된 열 교환기(55; 57-58)를 통하여, 선택적으로 스프레이 응축기(52)인 상기 제2 응축기(13b, 52)에 유체적으로 연결된 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 팽창기(7', 7")가 직렬로 배열되며, 상기 제1 팽창기(7)는 상기 기화기(21)로부터의 배기 흐름에 의해 구동되고 상기 제2 팽창기(7")는 상기 제1 팽창기로부터의 배기 흐름에 의해 구동되는 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 제1 팽창기(7')는 제1 압축기(9)에 구동적으로 연결되며, 상기 제2 팽창기(7")는 발전기(99)에 구동적으로 연결된 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 압축기(9)로부터의 상기 유체 유출구 라인과 상기 제1 및 제2 팽창기(7', 7")로부터의 상기 배기 라인 사이에 열 교환기(11)가 배열된 장치.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 팽창기(7', 7")가 병렬로 배열되며, 양 팽창기는 상기 기화기(21)로부터의 각각의 배기 흐름에 의해 구동되고 직렬로 배열된 각각의 압축기(9', 9")에 구동적으로 연결되며, 상기 제1 압축기로부터의 배기 기체는 상기 제2 압축기로 전달되는 장치.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 보조 모터(99)는 시동 절차를 돕기 위해 또는 연속 작동 절차 중에 상기 팽창기 또는 압축기에 연결된 장치.
15. 지역 난방 네트워크에 있어서,
    제1 그리드 공급 라인(53')과 제1 그리드 회수 라인(54')을 포함하는 제1 그리드인 제1 외부 액체 소스 및 제2 그리드 공급 라인(53")과 제2 그리드 회수 라인(54")을 포함하는 제2 그리드인 제2 외부 액체 소스를 포함하되,
    상기 제1 그리드 공급 라인(53')은 상기 제2 그리드 공급 라인(53")보다 차갑고, 상기 제1 그리드 회수 라인(54')은 상기 제2 그리드 회수 라인(54")보다 차가우며,
    상기 제1 및 제2 그리드의 라인은 제1항 및 제2항에 따른 열 펌프 장치에 연결되고,
    상기 열 펌프 장치는 부가적으로, 액체로부터 기체를 분리하며 액체 유입구(93)와 액체 유출구(92) 그리고 상기 압축기 유입구(64)에 대한 유체 연결부를 갖는 기체 유출구(76)를 갖는 기체-액체 분리기(98)를 포함하는 지역 난방 네트워크.
16. 제15항에 있어서,
    상기 기화기(21)에 대한 상기 제1 액체 유입구 라인(5)은 상기 제2 그리드의 상기 회수 라인(54")에 대한 액체 연결부를 가지며,
    상기 분리기(98)의 상기 액체 유입구(93)는 상기 제1 그리드의 상기 공급 라인(53)에 대한 유체 연결부를 갖고,
    상기 분리기(98)의 상기 액체 유입구(94)는 상기 분리기(98)의 상기 액체 유출구(92)에 대한 유체 연결부를 가지며,
    상기 기화기(21)의 상기 액체 유출구(23)는 상기 제2 그리드의 회수 라인(54')에 대한 유체 연결부를 갖고,
    상기 제2 응축기(52)의 상기 제2 액체 유출구(69)는 상기 제2 그리드의 상기 공급 라인(53')에 대한 유체 연결부를 가지며, 그리고
    상기 제1 응축기(51)로부터의 상기 액체 유출구 라인(33)은 상기 제1 그리드의 회수 라인(54)에 대한 유체 연결부를 갖는 지역 난방 네트워크.
17. 제15항에 있어서,
    상기 기화기(21)에 대한 상기 액체 유입구 라인(5)은 상기 제1 그리드의 상기 공급 라인(53)에 대한 유체 연결부를 가지며,
    상기 분리기(98)에 대한 상기 액체 유입구(93)는 상기 제2 그리드의 상기 회수 라인(54")에 대한 유체 연결부를 갖고,
    상기 분리기(98)로부터의 상기 액체 유출구(92)는 상기 제2 그리드의 상기 회수 라인(54")에 대한 유체 연결부를 가지며,
    상기 기화기 액체 유출구(23)는 상기 제2 응축기(52)에 대한 유체 연결부를 갖고,
    상기 제2 응축기(52)는 상기 제2 그리드의 상기 공급 라인(53")에 대한 유체 유출구를 가지며, 그리고
    상기 제1 응축기(51)로부터의 상기 액체 유출구 라인(33)은 상기 제1 그리드의 회수 라인(54)에 대한 유체 연결부를 갖는 지역 난방 네트워크.

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