KR20230073219A - 열 에너지 변환 장치 및 방법 - Google Patents

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게르하드 피. 플라이슈어
헤르만 오베르발더
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Abstract

본 발명은 열교환기(4), 작동 매체용 저장소(3), 공급 라인(5), 터빈(2) 및 적어도 하나의 재생 장치(9)를 포함하는 리턴 라인(6)을 포함하여 구성되는 사이클로 열 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위한 장치(1)에 관한 것이다. 폐열을 사용하여 전기 에너지를 생성할 수 있도록 하기 위해, 본 발명에 따르면 터빈(2)은 디스크 로터 터빈으로 설계된다. 또한, 본 발명은 사이클에서 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 방법에 관한 것으로, 여기서 열 에너지가 저장소(3)의 작동 매체에 공급되고, 작동 매체는 증발되고 및/또는 작동 매체의 압력이 증가하며, 그 후 작동 매체는 터빈(2)에서 에너지를 방출하고, 그런 다음 작동 매체는 저장소(3)로 복귀한다.

Description

열 에너지 변환 장치 및 방법
본 발명은 열 교환기, 작동 매체용 저장소, 공급 라인, 터빈 및 적어도 하나의 회수 장치가 있는 리턴 라인을 구비하는 사이클을 통해 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 사이클로 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 방법에 관한 것으로, 열 에너지가 저장소의 작동 매체에 공급되고, 작동 매체는 증발되고 및/또는 작동 매체의 압력은 증가하며, 그 후 작동 매체는 터빈에서 에너지를 방출하고, 그런 다음 작동 매체는 저장소로 복귀한다.
열을 기계 에너지로, 더 나아가 전기 에너지로 변환하기 위해, 특히 랭킨(Rankine) 사이클과 같은 사이클이 알려져 있다. 여기에서 에너지-운반 매체 또는 작동 매체(operating medium)는 일반적으로 상 변화를 겪는데, 작동 매체로는 통상적으로 물이 사용된다. 랭킨 사이클의 일 변형은 끓는점이 낮은 액체를 사용하는 것이다. 작동 매체의 초임계 상태를 활용하는 작동 방식도 있다. 이것은 작동 매체가 초임계 상태를 떠나지 않고, 이에 따라 시스템에서 상 변화가 없다는 것을 의미하며, 이에 따라 응축 효과가 이용되지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 방식으로 달성된 단상 사이클로 인해, 매체를 저장 탱크 또는 저장소로 다시 펌핑하기 위해서는 상당히 많은 일을 소비해야 하며, 이는 시스템의 전체 효율성에 해를 끼친다.
예를 들어 EP 3 056 694 A1에는, 냉매를 사용하여 작동하고, 적어도 2개의 가열된 압력 용기와 열 응축 펌프로 하나의 추가 열원이 있는 사이클이 알려져 있다.
DE 101 26403 A1은 2개의 압력 용기가 있는 시스템을 설명하며, 작동 매체 위의 챔버에서 버퍼링을 위해 가스가 각각 사용된다.
본 발명은 종래 기술의 단점을 방지하고, 기계 에너지 결과적으로 전기 에너지를 무배출(emission-free)로 그리고 효율적으로 생성하기 위해 예를 들어 40℃에서 출발하는 저온의 에너지 소스를 사용할 수 있으며, 장비 비용이 저렴한 장치를 특정하기 위한 것이다.
또한 그에 상응하는 방법도 특정한다.
본 발명에 따르면, 제1 목적은 터빈이 디스크 로터 터빈으로 구현된, 서두에서 언급한 유형의 장치에 의해 달성된다.
이러한 유형의 장치에서, 끓는점이 낮고 따라서 약 40℃로부터 열을 흡수할 수 있는 작동 매체가 사용될 수 있으며, 폐열 또는 태양 에너지가 열원으로서 매우 유리하게 사용될 수 있다. 경계-층 터빈 또는 테슬라 터빈(Tesla turbine)이라고도 하는 디스크 로터 터빈을 사용하면, 작동 매체가 터빈 자체에서 응축될 수 있으며, 이에 따라 별도의 응축기 또는 제2의 압력 용기를 생략할 수 있다.
일반적으로 사용되는 디스크 로터 터빈은 케이싱 내에 축 상에서 회전할 수 있으며 서로 옆에 배열되는 복수의 디스크를 포함한다. 일반적으로 물인 작동 매체의 스트림은 바람직하게는 케이싱의 유입 개구를 통해 상기 디스크 위로 디스크와 평행하게 이동한다. 디스크는 부착력(adhesion force)에 의해 축을 중심으로 회전 운동한다. 또한 스트림은 디스크 상에서 마찰로 인해 느려진다. 케이싱의 측벽은 스트림을 원형 경로 위로 전향시키고, 디스크는 계속 구동된다. 따라서 스트림의 속도가 감소하고, 그 결과 스트림이 냉각되고, 터빈에서 응축한다.
작동 매체의 응축으로 인해 점도가 높아지기 때문에, 결과적으로 디스크도 더 강력하게 구동된다. 블레이드가 있는 전형적인 터빈에서, 응축은 이러한 블레이드를 심각하게 손상시킨다.
이에 따라 탄성(resilient)이 매우 높은 재료가 필요하지 않기 때문에, 생산 비용이 낮고 수명이 길게 된다.
원칙적으로, 회수 장치(recovery device)는 예를 들어 펌프와 같이 종래 기술로부터 알려진 임의의 방식으로 설계될 수 있다.
디스크 로터 터빈으로 구현된 터빈이, 케이싱 내에서 축 위에서 서로 옆에 배열되고, 회전할 수 있는 복수의 디스크를 가지며, 디스크의 표면에 미세 구조가 제공되는 것이 유리하다. 이를 통해 층류 흐름을 유지하기 위해, 표면 마찰 층의 최적 특성을 달성할 수 있게 된다.
디스크 로터 터빈으로 설계된 터빈이 케이싱 내에서 축 위에서 서로 옆에 배열되고, 회전할 수 있는 복수의 디스크를 가지며, 케이싱에서 작동 매체가 디스크들 사이에 주입되게 할 수 있는 형상의 입구 노즐 홀더를 포함하는 것이 특히 유리한 것으로 판명되었다. 이러한 방식으로 디스크 면들에 충격이 가해짐으로 인해 발생하는 유동 장애 및 손실을 방지할 수 있다.
디스크 로터 터빈으로 설계된 터빈이 케이싱 내에서 축 위에서 서로 옆에 배열되고, 회전할 수 있는 복수의 디스크를 가지며, 케이싱에서 작동 매체의 회전하는 스트림을 생성할 수 있는 형상의 입구 노즐 홀더를 포함하는 것이 또한 특히 유리한 것으로 판명되었다. 그 결과 표면 마찰 층 효과를 개선하는 이중-나선 스트림이 얻어진다.
층류 및 난류를 식별하기 위해, 구조에 기인하는 소음 측정장치가 터빈에 통합되는 것이 유리하다. 이러한 방식으로 터빈 내에서 층류가 존재할 확률이 높아질 수 있고, 난류로 인한 손실이 방지될 수 있도록, 사이클이 제어될 수 있다. 예를 들어, 대응하는 제어 장치, 특히 제어 가능한 밸브에 의해 터빈을 통과하는 유량을 변경함으로써 제어가 이루어질 수 있다.
사이클을 제어하기 위해, 유량을 조절하기 위한 밸브가 제공되는 것이 바람직하다. 그런 다음 밸브 위치에 의해 예를 들어 터빈의 속도 및/또는 출력되는 전력을 제어할 수 있다. 예를 들어, 터빈에서 층류가 유지되도록 유량을 조절할 수 있다.
터빈이 연결될 수 있다면, 특히 발전기에 연결될 수 있다면 유리하다. 그 결과, 얻어진 기계 에너지가 쉽게 전기로 변환될 수 있으며, 이러한 목적을 위해 이전에 사용되지 않은 폐열 또는 태양열 에너지를 사용할 수 있다.
발전기가 터빈에 특히 통합될 수 있다면, 특히 유리하다. 이것은 시스템을 더 콤팩트하게 만들고, 터빈과 발전기 사이의 연결 문제를 피할 수 있다.
작동 매체용 저장소가 특히 저장소 내부에 위치한 열 교환기를 통해 열원에 연결될 수 있는 경우 유리한 것으로 입증되었다. 이는 열이 작동 매체로 매우 유리한 방식으로 전달될 수 있음을 의미한다.
CO2를 작동 매체로 사용하는 것이 바람직하다. CO2의 낮은 증발 온도로 인해 예를 들어 낮은 압력에서도 폐열에서 나오는 열 에너지를 흡수할 수 있다. 그런 다음 CO2는 예를 들어 저장소에서 열 에너지를 흡수하여 증발하고, 그 후 가스 CO2가 응축되어 기계적 에너지를 방출하는 공급 라인을 통해 터빈에 도달한 후, 액체 CO2가 회수 장치에 의해 터빈 출구보다 압력이 더 높은 저장소 내로 운송되고, 저장소 내에서 열 공급을 통해 다시 증발이 일어난다.
일반적으로 작동 매체는 특히 터빈에서 응축이 발생할 수 있기 때문에, 적어도 부분적으로 액체, 바람직하게는 전체가 액체 형태로 터빈 출구와 저장소 사이에 존재한다.
장치가, 특히 터빈에서 작동 매체가 초임계 상태로 되도록, 터빈에서 작동 매체가 74바를 상회하게, 바람직하게는 100바를 상회하게 되도록 설계되는 것이 효과적인 것으로 입증되었다.
특히 작동 매체로 CO2가 사용되는 경우, 예를 들어 40℃의 저온에서 이미 초임계 상태에 도달할 수 있으며, 그 결과 상응하는 저온에서 발생하는 폐열도 사용할 수 있다. 터빈 또는 장치는 바람직하게는 작동 매체가 터빈에서 초임계 상태에서 기체 상태 및 액체 상태로 응축되도록 설계된다.
적어도 하나의 밸브가 터빈과 저장소 사이에 제공되고, 회수 장치가 작동 매체에서 압력 진동을 생성하기 위해 작동 매체에 시간에 따라 변하는 힘을 생성하도록 설계되는 것이 바람직하다. 터빈 출구와 저장소 사이의 작동 매체에 힘을 가하거나 압력 진동을 가함으로써, 작동 매체가 떨거나 진동하게 할 수 있으며, 이러한 진동은 특히 작동 매체의 공진 주파수 범위에서 일어나고 그리고 높은 압력 진폭이 달성될 수 있다. 이러한 압력 진폭으로, 저장소와 터빈 출구 사이의 압력 차이를 극복할 수 있으므로, 매체가 이미 터빈 출구에서 액체 형태로만 존재하는 경우 즉 터빈 내에서 응축이 완전히 일어난 경우에도, 특히 효율적인 방식으로 더 고압으로 상승되거나 저장소 내로 운송될 수 있게 된다. 그 결과, 이 장치를 사용하여 특히 높은 수준의 효율성을 가진 방법이 구현될 수 있다.
회수 장치는 기본적으로 다양한 방식으로 설계될 수 있다. 예를 들어 회수 장치는, 정의된 진폭과 주파수를 가진 힘이나 압력을 작동 매체에 가할 수 있는, 예를 들어 전자기적으로 작동되는 멤브레인 또는 전자기적으로 작동되는 피스톤을 구비하는 전자기 장치로 구현될 수 있다.
장치 내에서 작동 매체의 공진 주파주를 여기할 수 있도록 하기 위해 회수 장치를 사용하여 바람직하게는, 1㎐를 상회하는 주파수, 특히 10㎐를 상회하는 주파수, 바람직하게는 100㎐를 상회하는 주파수 특히 바람직하게는 1000㎐를 상회하는 주파수에서 작동 매체에 힘이 가해질 수 있다.
회수 장치는 또한 압력 측정 장치를 가질 수 있으며, 이 측정 장치로 예를 들어 터빈 출구와 저장소 사이의 작동 매체의 압력을 측정하고 예를 들어 터빈 출구에서 공진이 발생하는 주파수를 반복적으로 결정할 수 있으며, 목표로 하는 방식으로 상기 주파수에서 작동 매체에 힘 여기(force excitation)를 가하여, 적은 노력으로 높은 압력 진폭이 달성될 수 있으며, 이에 따라 저장소와 터빈 사이의 압력 차이를 간단하게 극복할 수 있다.
바람직하게는 피드백 장치가 공명관 시스템의 형태로 제공되면 유리하다. 그 결과, 작동 매체는 간단한 방식으로, 바람직하게는 공진 주파수에서 진동하도록 만들어질 수 있고, 이에 따라 터빈의 리턴 라인과 작동 매체용 저장소와 터빈 사이의 공급 라인 사이의 압력 차가 극복될 수 있다.
작동 매체가 저장소에서 터빈 출구로 역류하는 것을 방지하기 위해, 일반적으로 터빈 출구와 저장소 사이에 터빈 출구에서 저장소로의 흐름만 허용하고 반대 방향으로의 흐름은 허용하지 않는 적어도 하나의 밸브가 제공된다. 이러한 밸브는 일방향 밸브라고도 한다. 이 밸브는 유속을 조절하는 데에도 사용할 수 있지만 이 목적을 위해 별도의 밸브나 다른 제어 장치를 제공할 수도 있다.
회수 장치의 상류 또는 하류에 제공될 작동 매체의 흐름 방향을 제어하기 위한 적어도 하나의 밸브가 제공되는 것이 특히 바람직하며, 적어도 하나의 밸브는 움직이는 부분이 없는 밸브로 설계되는 것이 바람직하다. 이는 시스템의 내구성과 낮은 유지보수 사양을 지원할 수 있다.
움직이는 부품이 없는 소위 테슬라 밸브가 여기에서 특히 바람직하게 사용되며, 서로 다른 방향으로 밸브를 통과하는 흐름이 서로 다른 유동 저항을 가져서 실질적으로 한 방향으로만 흐름이 가능하다는 점에서 밸브 효과가 달성된다.
회수 장치가 스프링-장착식의, 감쇠되지 않은 질량체 예를 들어 피스톤이나 멤브레인을 포함하는 변형 예가 바람직하며, 이 경우 질량체가 대안적으로 감쇠될 수도 있다. 폐쇄 체적 내의 그러한 질량체에 의해, 진동이 유리하게 여기될 수 있고 공명에 있을 수 있게 되며, 여기서 진폭이 증가하고 이에 따라 터빈의 리턴 라인과 작동 매체용 저장소와 터빈 사이의 공급 라인 사이의 압력 차이가 극복도리 수 있게 된다.
회수 장치를 사용하여 작동 매체에서, 일반적으로 주파수가 수 Hz에서 최대 10㎑인 진동 또는 떨림이 생성된다. 진동은 예를 들어 피스톤이나 멤브레인이 주기적으로 구동되어 공급된 에너지에 의해 생성된다.
장치의 유리한 대안적 변형은, 회수 장치가 자기장 또는 전자기장을 생성하는 계자 코일을 포함하고, 상기 코일들은 폐쇄 체적의 내부 또는 폐쇄 체적의 외부에 위치할 수 있다는 것이다. 전기 에너지가 공급되는 이 계자 코일은 특히 자성 유체가 작동 매체로 사용되는 경우에 진동 및 공진 발생을 매우 잘 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 터빈의 리턴 라인과 작동 매체용 저장소와 터빈 사이의 공급 라인 사이의 압력 차이가 유리하게 극복될 수 있다.
계자 코일이 작용할 수 있는 폐쇄 체적은, 작동 매체에서 진동을 생성하기 위해 예를 들어 리턴 라인의 일부분 또는 터빈 출구와 저장소 사이의 연결 라인의 일부분일 수 있다. 이러한 목적을 위해, 자기 매체를 작동 매체로 사용할 수 있다. 대안적으로 자기 매체에 의해 작동 매체에 진동이 간접적으로 도입될 수도 있다.
따라서 계자 코일은 터빈 출구와 저장소를 연결하는 리턴 라인에 또는 상기 리턴 라인의 외부에 배치되어, 바람직하게는 자기 매체 또는 자성 유체로 구현되는 리턴 라인 내에 위치하는 매체에 작용하게 된다. 이를 위해 예를 들어 수 나노미터 크기의 자성 입자를 작동 매체에 첨가할 수 있다.
본 발명에 따르면, 추가 목적은 터빈에서 작동 매체가 응축되는, 서두에 언급된 유형의 방법에 의해 달성된다.
이러한 방식으로 응축 에너지도 얻을 수 있으며, 그 결과 낮은 온도에서도 특히 높은 수준의 효율성을 달성할 수 있다. 이 경우, 경계-층 터빈 또는 테슬라 터빈이라고도 하는 디스크 로터 터빈이 일반적으로 사용된다.
작동 매체로 CO2가 사용되는 것이 유리하다. 그 결과, 온도가 매우 낮은 열원도 사용할 수 있다.
작동 매체, 특히 CO2가 최대 73바, 바람직하게는 65바 내지 73바의 압력에서 열 에너지를 흡수하여 증발하는 것이 유리하다. 작동 매체가 증발되면서 예를 들어 40℃의 온도에서 열을 흡수하기 위해 저장소의 압력은 예를 들어 72바일 수 있다. 일반적으로, 터빈 출구의 압력은 저장소보다 낮다. 따라서, 터빈 출구의 작동 매체는 약 64바의 압력 및 20℃의 온도에서 액체 형태로 존재할 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 작동 매체는 특히 74바를 상회하는 압력, 바람직하게는 100바를 상회하는 압력에서 초임계 상태에 도달하고, 터빈에서 초임계 상태로부터 기체 상태와 액체 상태로 응축되는 것이 제공될 수 있다. 이는 특히 CO2를 작동 매체로 사용하는 경우. 비교적 낮은 온도에서도 가능하며, 이에 따라 낮은 온도에서 발생하는 폐열을 사용할 수 있다.
초임계 상태에 도달한 경우에도, 작동 매체가 터빈에서 액체 상태로 완전히 응축되고 선택적으로 적어도 부분적으로 고체 상태로 응축되도록 하는 것이 바람직하다.
리턴 라인에서 압력과 온도를 측정하고, 공급 라인의 압력과 온도와 비교하면, 리턴 라인의 작동 매체의 유량이 리턴 라인 내에 배치된 밸브에 의해 조절되고, 낮은 복잡성과 동시에 특히 유리한 방식으로 매우 우수한 부하 조절을 할 수 있다. 이를 위해 유량은 일반적으로 터빈 출구와 저장소 사이에 배치되는 밸브를 통해 조절된다.
시간이 지남에 따라 변화하는 힘이 작동 매체에 가해지는 피드백 장치에 의해 작동 매체의 압력이 증가하는 동안 작동 매체가 터빈에서 저장소로 복귀되는 것이 바람직하다.
밸브는 일반적으로 터빈 출구와 저장소 사이의 리턴 라인에 제공되므로, 진폭이 저장소의 압력을 초과하는 모든 압력 변동에서, 작동 매체가 저장소로 펌핑되지만, 밸브에 의해 저장소에서 터빈 출구로의 역류는 없다.
결과적으로 터빈과 저장소 사이의 압력 차이를 간단한 방식으로 극복할 수 있으므로, 특히 높은 수준의 효율성이 달성되고 40℃의 온도에서 폐열을 사용할 수도 있다.
작동 매체가 회수 장치에 의해 진동하도록, 특히 작동 매체의 공진 주파수에서 진동하도록 만들어지는 것이 특히 유리한 것으로 입증되었다. 이러한 방식으로, 터빈의 리턴 라인과 작동 매체용 저장소와 터빈 사이의 공급 라인 사이의 압력 차이는 특히 유리하고 간단하게 극복될 수 있다. 일반적으로 작동 매체는 회수 장치 영역에서 액체 형태로만 존재하며, 이러한 이유로 공진 주파수는 일반적으로 1kHz 보다 크다.
작동 매체의 바람직한 진동을 생성하기 위해, 스프링-장착식 그리고 가능하기로는 감쇠된 질량체가, 공명관 시스템에 의해 또는 교번하는 자기장에 의해 진동하는 자성 유체에 의해 제공된다. 일반적으로 진동을 발생하기 위해 외부 에너지가 사용되지만, 진동이 터빈 또는 터빈에 연결된 발전기에 의해 생성되는 에너지로 생성될 수도 있음은 물론이다.
본 발명의 추가 특징, 이점 및 효과는 아래 제시된 예시적인 실시형태로부터 기인한다. 참조된 도면은 다음을 보여준다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 도시한다.
도 2는 공명관 시스템을 갖는 본 발명에 따른 장치를 도시한다.
도 3은 스프링-장착식이며, 감쇠되지 않은 질량체를 갖는 본 발명에 따른 장치를 도시한다.
도 4는 스프링-장착식이며, 감쇠된 질량체를 갖는 본 발명에 따른 장치를 도시한다.
도 5는 폐쇄 체적 내에 계자 코일을 갖는 본 발명에 따른 장치를 도시한다.
도 6은 폐쇄 체적 외부에 계자 코일을 갖는 본 발명에 따른 장치를 도시한다.
도 1은 열이 기계적 에너지로 그리고 추가로 전기 에너지로 변환되는, 본 발명에 따른 사이클을 수행하기 위한 본 발명에 따른 장치(1)의 개략도이다.
장치(1)는 기본적으로 터빈(2), 작동 매체용 저장소(3), 열교환기(4), 저장소(3)로부터 터빈(2)으로 작동 매체를 운반하기 위한, 저장소(3)와 터빈(2) 사이의 공급 라인(5), 작동 매체를 터빈 출구에서 저장소(3)로 반송하기 위해 터빈(2) 뒤의 리턴 라인(6), 유량을 조절하기 위한 밸브(7)로 구성되어 있다.
밸브(7)를 제어할 수 있는 압력 센서(8)도 또한 제공된다.
작동 매체를 터빈 출구에서 저장소(3)로 운반하기 위해, 저장소(3)의 압력이 터빈 출구에서의 압력보다 높으므로, 회수 장치(9)가 리턴 라인(6)에 제공된다.
CO2는 끓는점이 낮기 때문에 작동 매체로 바람직하다. 임계점은 31℃ 및 73.9바이다. CO2의 경우, 액체와 기체 사이의 상 전이는 불과 30℃의 온도에서 이미 약 72바의 압력에서 발생하며, 이에 따라 낮은 온도에서 열이 공급되는 경우에도 상 전이를 사용하여 에너지를 흡수하고 방출할 수 있다. 따라서 저장소 내의 작동 매체는 예를 들어 72바의 압력에 있을 수 있으며, 열교환기를 통해 40℃의 온도에서 폐열이 공급되고, 작동 매체가 증발하며, 그런 다음 터빈에서 약 64바의 압력으로 감압되어, 예를 들어 20℃의 주위 온도로 냉각되며, 완전히 응축되며, 터빈을 통해 일(work)이 발생한다.
대안적으로, 작동 매체가 74바를 초과하는 압력, 예를 들어 약 100바의 압력에서 저장소(3)에 존재하고, 열 공급을 통해 초임계 상태에 도달하며, 그 상태로부터 작동 매체가 기체 상태로 완전히 응축되며 그와 동시에 또는 그에 후속하여 터빈(2)에서 액체 상태로 응축될 수 있는 것이 제공될 수 있다.
장치(1)에서 상응하는 압력 조건으로, 작동 매체의 고체 상태로의 적어도 부분적인 상 전이가 예를 들어 20℃의 온도에서 터빈에서 발생하여, 드라이아이스 입자가 형성되는데, 디스크 로터를 사용하기 때문에 아 드라이아이스 입자는 터빈(2)에 문제가 되지 않는다. 그 결과, 예를 들어 40℃의 낮은 온도에서 발생한 열만으로 전기를 생산할 수 있다.
예를 들어 R744 또는 R134a 같은 냉매도 작동 매체로 사용할 수 있음은 물론이다.
열원(10)으로부터의 열은 저장소(3)에 배치된 열교환기(4)를 통해 작동 매체에 공급된다. 이에 따라 1차 에너지 또는 바람직하게는 예를 들어 산업 공정에서 발생하는 약 40℃의 폐열을 사용할 수 있다. 그러나, 더 낮은 온도의 열원(10)이 또한 사용될 수 있다. 태양 에너지를 사용할 수 있다는 것이 특히 유리하다.
디스크 로터 터빈이 터빈(2)으로 사용된다. 이는 경계-층 터빈(2) 또는 테슬라 터빈(Tesla turbine)(2)으로도 알려져 있다. 이 디스크 로터 터빈은 회전할 수 있도록 축 위에서 서로 옆에 배열된 복수의 디스크를 가지며, 이들은 측벽, 입구 개구부 및 출구 개구부가 있는 하우징 내에 배열된다. 지금까지는 주로 물인 작동 매체의 스트림이 유입구를 통해 상기 디스크 위로 디스크에 평행하게 운송된다. 디스크들은 접착력에 의해 축을 중심으로 움직인다. 스트림은 마찰로 인해 느려진다. 스트림은 측벽에 의해 원형 경로에서 편향되어 디스크를 계속 구동한다. 축의 베어링만 공차가 낮고 탄성이 높은 재료가 필요하지 않기 때문에, 생산 비용도 낮고 긴 수명을 기대할 수 있다. 터빈(2)에서 작동 매체의 응축으로 인해 점도가 높아지기 때문에, 그 결과 디스크도 더 강력하게 구동된다. 블레이드를 갖는 전형적인 터빈(2)에서, 응축은 이들 블레이드를 심하게 손상시킬 것이다. 그런 다음 터빈(2)에서 작동 매체의 압력을 줄임으로써 에너지가 생성된다.
사이클을 제어하기 위해, 리턴 라인(6) 내 터빈 출구에서 압력과 온도를 측정하고, 공급 라인(5)의 압력 및 온도와 비교한다. 그런 다음 유량을 조절하기 위해 리턴 라인(6)에 배열된 밸브(7)를 통해 사이클이 조절될 수 있다. 이러한 방식으로, 낮은 복잡성과 동시에 매우 우수한 부하 조정을 할 수 있게 된다.
이 경우에서 밸브(7) 뒤에 장치가 펌프로 설계된 회수 장치(9)로 작동 유체가 공급된다.
도 2 내지 도 6에 도시된 예시적인 실시형태에서, 회수 장치(9)는 터빈 출구와 저장소(3) 사이의 압력 차이를 극복하기 위해 작동 매체가 진동하도록 설계된다.
도 2는 회수 장치(9)가 공명관(resonant tube)(11)으로 설계된 본 발명에 따른 장치(1)를 도시한다. 여기에서, 작동 매체의 유체 칼럼은 파이프 형상의 체적(12) 내에서 앞뒤로 진동할 수 있고, 이에 따라서, 예를 들어, 자체-공진(self-resonance)에 있고 이에 따라 밸브와 조합하여 터빈(2)의 리턴 라인(6)과 작동 매체용 저장소(3)와 터빈(2) 사이의 공급 라인(5) 사이의 압력 차이를 극복할 수 있게 된다. 예를 들어 전자기적으로 구동되는 멤브레인에 의해 진동이 여기될 수 있다.
스프링-장착식 질량체(13)를 갖는 본 발명에 따른 장치(1)의 추가 변형이 도 3에 도시되어 있다. 여기에서, 폐쇄 체적(12) 내의 멤브레인, 예를 들어 피스톤일 수 있는 이 질량체(13)를 사용하여, 작동 매체에 진동이 여기되고, 작동 매체가 체적 내에서 공명하게 되어 이에 따라 진폭이 증가한다. 공진 상태에서는 원래 사용된 여기 에너지의 일부만 필요하므로, 효율성이 향상되고 작동 매체를 저장소(3)로 특히 효율적으로 운반할 수 있다. 여기서, 폐쇄 체적(12)은 질량체(13)가 스프링(14)에 의해 진동할 수 있는 실린더로 도시되어 있다. 진동은 예를 들어 전기 기계 에너지와 같은 외부 에너지를 사용하여 생성된다.
도 4는 도 3에 도시된 것과 유사한 장치(1)를 도시한다. 그러나 여기서 질량체(13)는 시스템에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 과도한 진폭으로부터 댐퍼(15)에 의해 방지된다. 그럼에도 불구하고, 터빈(2)의 리턴 라인(6)과 작동 매체용 저장소(3)와 터빈(2) 사이의 공급 라인(5) 사이의 압력 차이는 여기서도 쉽게 극복될 수 있다.
진동을 생성하기 위한 또 다른 가능성이 도 5에 도시되어 있다. 여기에서 진동은 계자 코일(16)에 의해 진동하도록 만들어진 자성 유체에 의해 생성되며, 계자 코일(16)은 교번하는 전자기 필드를 생성할 수 있다.
작동 매체의 흐름 방향을 제어하기 위해, 이 경우에서 유량 조절에만 사용되는 밸브(7)와 회수 장치(9) 사이에 추가의 일방향 밸브(17)가 제공된다. 대안적으로, 장치(1)에서의 유동 방향은 물론 상응하게 설계된 밸브(7)에 의해 보장될 수 있으므로 추가의 일방향 밸브(17)가 필요하지 않다.
일방향 밸브(17)는 밸브(7)와 마찬가지로 회수 장치(9) 뒤에 또는 회수 장치(9)와 저장소(3) 사이에 제공될 수 있다.
도 5에 따른 변형에서, 계자 코일(16)은 폐쇄 체적(12) 내에 배열된다.
유사한 변형이 도 6에 도시되어 있는데, 이 경우에 도 5와 달리 계자 코일(16)은 폐쇄 체적(12), 예를 들어 실린더의 외부에 배열된다. 계자 코일(16)에 의해 생성된 전자기장이 체적(12)으로 침투할 수 있기 때문에, 여기에서도 자성 유체의 진동 여기가 가능하다.
전술한 장치(1) 및 본 발명에 따른 방법으로, 이전에 사용되지 않은 폐열이 경제적으로 유리한 조건에서 전기 에너지로 변환될 수 있다. 예를 들어, 약 40℃에서 300℃ 이상의 온도 범위에 있는 산업 폐열을 사용하여 전기를 생성할 수 있다. 태양열을 사용하여 추가 전기를 생성할 수도 있다. 근본적으로 폐쇄된 시스템이기 때문에, 다른 에너지 공급선과 연결하지 않고 원격지에서도 저렴하고 유리하게 사용할 수 있다.

Claims (29)

  1. 열교환기(4), 작동 매체용 저장소(3), 공급 라인(5), 터빈(2) 및 적어도 하나의 회수 장치(9)를 구비하는 리턴 라인(6)을 포함하여 구성되는, 사이클로 열 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위한 장치(1)로, 터빈(2)이 디스크 로터 터빈으로 설계되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 디스크 로터 터빈으로 구현된 터빈(2)이, 케이싱 내에서 축 위에 회전할 수 있도록 서로 옆에 배열된 복수의 디스크를 포함하며, 디스크의 표면에는 미세구조가 제공되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 디스크 로터 터빈으로 구현된 터빈(2)이, 케이싱 내에서 축 위에 회전할 수 있도록 서로 옆에 배열된 복수의 디스크를 포함하며, 케이싱에서 작동 매체가 디스크들 사이에서 주입될 수 있는 형상의 입구 노즐 홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 디스크 로터 터빈으로 구현된 터빈(2)이, 케이싱 내에서 축 위에 회전할 수 있도록 서로 옆에 배열된 복수의 디스크를 포함하며, 케이싱에서 작동 매체의 회전 스트림을 생성할 수 있는 형상의 입구 노즐 홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 층류 및 난류를 식별하기 위해 터빈(2) 내에 구조-기인 소음 측정장치가 통합되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 유량을 조절하기 위한 밸브(7)가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 매체용 저장소(3)가 열교환기(4)를 통해 열원(10)에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 매체로 CO2가 사용되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 장치는, 특히 터빈 내의 작동 유체가 초임계 상태가 될 수 있도록 하기 위해, 터빈에서 작동 유체의 압력이 74바를 상회하도록 바람직하게는 100바를 상회하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 터빈(2)과 저장소(3) 사이에 적어도 하나의 밸브(7)가 제공되고, 작동 매체 내에 압력 진동을 발생시키기 위해 회수 장치(9)는 작동 매체에 시간적으로 교번하는 힘이 발생되도록 구현되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 회수 장치(9)가 공명관(11)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 회수 장치(9)는 스프링-장착식의 감쇠되지 않은 질량체(10) 예를 들어 피스톤 또는 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 회수 장치(9)는 스프링-장착식의 감쇠된 질량체(10) 예를 들어 피스톤 또는 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 회수 장치(9)는 자기장을 생성하는 계자 코일(16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  15. 제14항에 있어서, 계자 코일(16)이 폐쇄 체적(12)의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  16. 제14항에 있어서, 계자 코일(16)이 폐쇄 체적(12)의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 터빈 출구와 저장소(3) 사이에, 터빈 출구로부터 저장소(3)로 작동 매체가 흐를 수 있게 하고, 반대 방향으로는 흐르지 못하게 하는 적어도 하나의 밸브(7)가 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  18. 제17항에 있어서, 적어도 하나의 밸브(7)가 가동 파트가 없는 밸브(7) 특히 테슬라 밸브로 구현되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  19. 특히 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 장치(1)를 사용하여, 사이클로 열 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위한 방법으로, 저장소(3) 내 작동 매체로 열 에너지가 공급되고, 작동 매체가 증발되고 및/또는 작동 매체 압력이 증가하며, 그 후 작동 매체가 터빈(2) 내에서 에너지를 방출하고, 그런 다음 작동 매체는 저장소(3)로 복귀하는 에너지 변환 방법에 있어서, 터빈(2) 내에서 작동 매체가 응축되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
  20. 제19항에 있어서, 작동 매체로 CO2가 사용되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 작동 매체가 최대 73바의 압력에서 열 에너지를 흡수하여 증발되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
  22. 제19항 또는 제20항에 있어서, 작동 매체가 특히 74바를 상회하는 압력에서 바람직하게는 100바를 상회하는 압력에서 초임계 상태에 도달하고, 터빈 내에서 초임계 상태로부터 기체 상태 및 액체 상태로 응축되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 리턴 라인(6) 내에서 압력 및 온도가 측정되고, 공급 라인(5) 내의 압력 및 온도와 비교되고, 리턴 라인(6) 내 작동 매체의 유량이 리턴 라인(6) 내에 배치된 밸브(7)에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
  24. 제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 매체에 시간적으로 교번하는 힘을 가하는 회수 장치(9)에 의해 작동 매체의 압력이 증가함에 따라 터빈(2)으로부터 저장소(3)로의 압력 매체의 복귀가 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
  25. 제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 회수 장치(9)에 의해 작동 매체가 진동 특히 공진하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
  26. 제25항에 있어서, 공명관(11)에 의해 작동 매체의 진동이 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
  27. 제25항에 있어서, 스프링-장착식 질량체(13)에 의해 작동 매체의 진동이 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
  28. 제27항에 있어서, 질량체(13)가 감쇠되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
  29. 제25항에 있어서, 작동 매체가 자성 유체를 포함하거나, 자기장에 의해 형성되고, 교번하는 자기장에 의해 진동이 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법.
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