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KR920009139B1 - 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법 및 장치 - Google Patents

다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법 및 장치 Download PDF

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KR920009139B1
KR920009139B1 KR1019850009193A KR850009193A KR920009139B1 KR 920009139 B1 KR920009139 B1 KR 920009139B1 KR 1019850009193 A KR1019850009193 A KR 1019850009193A KR 850009193 A KR850009193 A KR 850009193A KR 920009139 B1 KR920009139 B1 KR 920009139B1
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fluid
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turbine
low boiling
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아이. 칼리나 알렉산더
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아이. 칼리나 알렉산더
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Abstract

내용 없음.

Description

다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법 및 장치
제1도는 본 발명의 장치와 방법의 한 실시예를 수행하는 시스템의 개요도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
30 : 터어빈 입구 38 : 터어빈 출구
102 : 보일러 104 : 터어빈
106 : 복수기 108 : 펌프
110 : 열교환기 112 : 증류 비중분리기
114 : 가열기 116 : 예열기
120 : 농축기 122 : 펌프
124,140 : 드로틀 밸브 126 : 증류 시스템
132 : 전환기 138 : 균압장치
139 : 분사기
본 발명은 일반적으로 팽창되고 재생되는 작동유체를 사용하여 열원으로부터 쓸수 있는 형태로 에너지를 변형시키는 장치와 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 열역학 사이클의 열이용 효율을 개선하는 장치와 방법에 관한 것이다.
랭킨 사이클에 있어서, 물이나 암모니아 또는 프레온(freon)과 같은 작동유체는 유호 열원을 이용하여 증발기안에서 증발한다. 증발기 기체상 작동유체는 쓸 수 있는 형태로 그 에너지를 변형시키기 위해서 터어빈을 거쳐서 팽창된다. 그리고 나서 사용후 기체상 작동유체는 유효 냉매를 사용하여 복수기안에서 응축된다. 응축된 작동매질의 압력이 펌핑에 의해 증가되고 증발을 수반하며 상기 사이클을 되풀이한다.
미합중국 특허 제4,346,561호에 기재된 기본적인 칼리나 사이클은 이원 또는 다성분 작동유체를 이용한다. 일반적으로 이 사이클은 이원 작동유체가 높은 작동압력의 액체로서 공급되고 가열되어 부분적으로 증발되는 원리로 움직인다. 그리고 나서 그 유체가 뿜어져서 고비등 작동유체와 저비등 작동유체로 분리되고 저비등성분은 터어빈을 거처셔 팽창되어 터어빈을 구동 시키고 반면에 고비등성분은 증발하기전에 이원작동유체를 가열하는데 사용하기 위해서 열을 회수한다. 그리고 나서 고비등성분은 사용 후 작동유체와 혼합되어 냉매가 있는 복수기안에서 사용후 작동유체를 흡수한다.
전통적인 랭킨 사이클과 칼리나 사이클의 이론적 비교는 해양수와 지열에너지 또는 그와 유사한 것 같이 비교적 저온의 유효열원이 적용될때 랭킨 사이클을 능가하는 새로운 사이클의 개선된 효율을 증명한다.
출원인의 또 다른 발명인 액스너지(Exergy) 사이클로 언급되어 1982년 8월 6일 출원된 미합중국 특허출원 제405,942호에 있어서, 비교적 저온의 유효열을 중간압력에서 적어도 다성분 작동유체류의 일부를 부분 증류시켜서 다른 조성의 작동유체를 생성하는데 이용된다. 작동유체의 일부는 저비등성분을 비교적 많이 함유한 진한 용액을 생성하는데 사용되고 일부는 저비등성분을 비교적 적게 함유한 묽은 용액을 생성하는데 사용된다. 진한 용액의 압력이 증가된후에 진한용액이 증발되어, 포화딘 기체상 주작동유체를 생성한다. 주작동유체는 쓸수 있는 형태로 에너지를 변형시키기 위해서 저압력레벨로 팽창된다. 저압의 사용후 작동유체는 묽은 용액으로 냉각과 함께 용해 시키므로써 주흡수단계에서 응축되어 재생용 최초 작동유체를 재생한다.
본 발명의 발명자는 에너지 사이클에 있어서 터어빈 출구에서 상당한 저압 및 저온의 유체를 효과적으로 사용할 수 있게 하는 것이 매우 바람직하다는 것을 인정했다. 복구기안의 냉각수 온도에도 불구하고 엑스너지 사이클에 있어서 응결압력이 높으면 높을 수록 염기성 용액에 있어서 저비등 성분의 농도가 높아진다. 그러나 응결 압력이 높으면 높을 수록 터어빈 출구에서 압력이 높아지고 터어빈 출구에서 저비등 성분의 농도가 높아진다. 이 고동도의 염기성 용액은 증류를 위해 저온의 열을 요구한다. 그러므로 터어빈 출구에서 온도와 압력을 감소시키므로서 염기성용액중 저비등 성분의 농도가 낮아질수도 있고 증류를 제공하기 위해서 터어빈 출구에서 높은 온도가 요구될 수도 있다.
이 모순은 냉각수 온도와 터어빈 출구에서 압력을 조화시키므로서 제기될 수도 있다. 그러나 최대 동력 출구을 얻기 위해서 터어빈 출구 압력이 가능한한 낮아질 것이 틀림없다. 상술된 것처럼 터어빈 출구 압력과 온도가 감소될때 염기성 용액의 저비등 성분의 농도가 낮아진다. 이것은 터어빈 출구 압력과 온도를 증가시키기 위해서 정확하게 반대 작용을 요구하는 사이클을 초래한다. 상기 경우는 고온의 유효 냉각수에 의해 악화된다.
또한 본 발명의 발명자는 엑스너지 사이클에 있어서 터어빈을 빠져 나가는 유체의 출구 온도를 조절하는 것이 바람직함을 인정했다. 엑스너지 사이클과 같은 열역학 사이클의 효율은 유효열원으로 가능한 가장 높은 온도까지 보일러 유체를 가열시키므로서 증가 될수 있다. 그러나 터어빈에서 배출되는 유체가 포화 수증기에 가까운 온도와 압력에 있는 것이 여전히 바람직하다. 배출증기가 그 범위까지 가열되면 엑스너지가 소모된다.
가능한한 온도가 가장 높은 유체를 터어빈에 투입하는 반면에 터어빈으로부터 단지 약간만 과열된 증기나 포화된 증기를 얻는 것이 엑스너지 사이클에 있어서 특히 바람직하다. 왜냐하면 엑스너지 사이클에 있어서 터어빈에서 증기가 단순히 응축되지 않고 대신 증류에 사용되기 때문이다. 터어빈으로부터 배출된 유체의 과열은 전체적으로 사이클에 있어서 불필요한 엑스너지 손실을 야기한다. 예를들면, 터어빈에서 보내진 유체는 재생에 앞서 열교환기안에서 응축된 유체를 예열하는데 사용될 수 있고, 전술한 특허출원에 기재한 것처럼 비효율적으로 고온 상이가 열교환기에 존재한다.
또 다른 유체 팽창에 의해 이 문제를 극복하려고 한다면 터어빈 출구에서 낮은 온도와 낮은 압력도 얻을 수 있다. 이 저압의 유체는 더 많은 열이 요구되기 때문에 증류하기가 더 까다롭고 이 저압의 유체는 흡수 하기 위해서 많은양의 묽은 용액을 요구한다. 그러므로 터어빈을 빠져나가는 고온 유체에서 발생하는 엑스너지 손실문제의 해결에 가까우나 바람직하지 않다.
본 발명의 중요한 목적은 부분 증류에 의한 재생에 앞서 터어빈으로부터 염기성 용액을 풍부하게 하는 방법으로 터어빈 출구에서 저압 및 저온의 염기성 용액을 선택하게 하므로서 액스너지 사이클의 효율을 증가시키는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 복수시의 열부하를 줄이는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 관점 에 관한 중요한 목적은 유체의 압력을 감소시키지 않고 터어빈에서 배출되는 유체의 과열로 발생하는 엑스너지 손실을 감소시키는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 엑스너지 사이클에 있어서 터어빈에서 배출되는 유체의 온도를 효과적으로 조절하고 터어빈에서 여분의 에너지를 얻기 위해서 여분의 열을 이용하는 장치와 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적들은 제1증기를 형성하기 위해서 저온 및 고온의 비등성분들을 가지는 최초의 다성분 작동유체류의 단지 일부를 상부 중간 압력에서 증기화하는 단계를 포함하여 쓸 수 있는 에너지의 생성방법에 의해 성취될 수도 있다. 그러므로 제1증기에는 저비등성분이 많다. 그 증기는 최초 작동유체류의 일부와 혼합하여 최초의 작동유체류에 비하여 저비등성분이 상대적으로 풍부한 진한 용액을 생성하기 위해 그 가운데에 흡수된다. 최초 작동유체류의 나머지는 주용액에 비하여 저비등성분을 적게한 묽은 용액으로 사용된다. 진한 용액의 압력은 포화된 고압 레벨로 증가된다. 이 진한 용액은 쓸 수 있는 형태로 에너지를 변형시키기 위해 사용후 저압레벨로 팽창시킨 포화된 기체상 주작동유체를 생성하기 위해서 증발된다. 사용후 주작동유체는 냉각되어서 묽은 용액의 일부에 흡수하므로서 복수된다. 진한 용액은 묽은 용액의 일부와 분리된다. 진한 용액은 묽은 용액에 비하여 저온의 비등성분이 상대적으로 풍부하다. 진한 용액은 최초의 다성분 작동유체류를 형성하기 위해서 응축된 주작동유체와 혼합한다.
본 발명의 다른 양호한 실시예에 따라서 쓸수 있는 에너지를 생성하는 방법은 비등점 이 낮은 성분과 높은 성분들을 가지는 최초의 다성분 작동유체류의 단지 일부만을 증발시키므로써 증기를 생성하는 단계를 포함한다. 상기 증기에는 저비등성분이 풍부하다. 그 증기는 최초의 작동유체류의 일부와 혼합되고 작동유체류에 비하여 저비등성분이 풍부한 진한 용액을 생성하기 위하여 최초작동유체류안에서 저비등성분을 흡수한다. 최초 작동유체류의 나머지는 진한 용액에 비하여 상대적으로 저비등성분이 부족한 묽은 용액으로 사용된다. 진한 용액이 압력은 포화된 고압 레벨로 증가된다. 진한 용액이 포화되고 과열된 기체상 주작동유체를 생성하기 위해서 증발되고 쓸 수 있는 형태로 에너지를 변형시키기 위해서 사용후 저압레벨로 팽창된다. 사용후 주작동유체는 묽은 용액의 일부로 분해하므로서 냉각되어 복수된다. 또한 묽은 용액의 일부는 저온의 기체상 작동유체를 포화된 기체상 작동유체안으로 분사한다. 주작동유체가 연속해서 팽창하는 동안에 상기 분사가 포화된 기체상 작동유체안으로 행해지거나 유체가 완전히 팽창된 후에 기체상 작동유체안으로 행해질 수도 있다.
본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 따라서, 다성분 작동유체로써 쓸수 있는 에너지를 생성하는 장치는 가스입구와 가스출구를 가지는 터어빈을 구비한다. 증류장치에는 터어빈 가스출구와 왕래하는 유체가 있다. 이 장치는 터어빈으로부터 출구가스의 열을 사용하여 다성분 작동유체중 비등점 이 높은 성분에서 비등점 이 낮은 성분을 분리하는데 접합하다. 이 증류장치는 진한 용액을 형성하기 위해 작동유체와 분리된 비등점 이 낮은 성분을 혼합하기 위해서 장치된 혼합기를 구비한다. 복수기는 진한 용액을 응축하기 위해 장치되며 증발기는 복수기 및 터어빈을 출구와 교통한다. 분사기는 묽은 용액을 증류장치로부터 터어빈 출구 가까이의 과열된 유체안으로 분사하기 위해 배치된다.
본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 따라서, 다성분 작동유체로써 쓸수 있는 에너지를 생성하는 장치는 가스입구와 가스출구 및 터어빈에서 보내진 유체를 복수시키기 위해서 연결된 복수기를 가지는 터어빈을 구비한다. 제1증류장치에는 터어빈 가스출구와 왕래하는 유체가 있다. 이 장치는 다성분 작동유체와 비등점 이 높은 성분으로부터 비등점 이 낮은 성분을 분리하는데 적합하다. 이 증류 장치는 진한 용액을 형성하기 위해서 작동유체와 분리된 저비등 성분을 혼합하기 위해 장치된 혼합기를 구비한다. 저비등점 성분이 제1증류장치에서 분리된 후에 나머지 유체로부터 저비등점 을 분리하기 위해 제2증류장치가 장치된다. 제2증류장치는 복수기로부터 보내진 유체안에서 제2증류장치에 의해 분리된 저비등성분을 혼합하는데 적합한 혼합기를 구비한다. 증발기는 복수기 및 터어빈 입구와 통해있다.
본 발명에 관한 양호한 또 다른 실시예에 있어서 유효냉매를 가지는 종래 수단으로써 응축시키기 위해 매우 낮은 온도와 압력을 가지는 사용 후 작동유체의 재생기는 사용후 유체의 압력을 증가시키는 제1펌프를 구비한다. 농축기는 작동유체중 저비등성분의 농도를 증가시킨다. 제2펌프는 농축된 유체의 압력을 증가시킨다. 농축기와 통해있는 열교환기는 농축되지 않은 사용후 유체에서 열을 전달하고 농축된 사용후 유체로열을 전달하기 위해 장치된다. 제1분리기는 농축된 유체에서 비등점 이 낮은 성분의 일부를 분리하고 냉매에 의해 복구된 재생작동유체를 형성하도록 농축된 유체의 나머지로 저비등성분의 분리된 량을 재결합하는 열교환기와 통해있다. 농축된 유체의 나머지에서 저비등성분을 추출하는 제2분리기는 응축기에 저비등성분을 공급하기 위해 장치된다. 제1분리기는 저비등성분을 추출하는 유체압력 강하장치를 구비한다.
제1도에 도시된 장치(10)는 본 발명의 한 실시예에 따라서 보일(102), 터어빈(104), 복수기(106), 펌프(108) 및 증류장치(126)를 사용하여 열역학 사이클을 충족시킨다. 증류장치(126)는 관류식 열교환기(110), 증류식 비중분리기(112), 가열기(114), 예열기(116), 원심분리기(118) 및 농축기(12)를 포함한다.
이 발명의 사이클을 구동시키기 위해 여러가지 형태의 열원들이 사용될수 있다. 그러므로 예를들면 해양열 경사도에서 얻어지는 저열원뿐만 아니라 소위 500℃ 또는 그 이상 및 이하의 높은 온도를 가진 열원이 이용될 수 있다.
예를들면 저질의 일차연료, 폐열, 지열 및 태양열 또는 해양 열에너지 변환 장치와 같은 열원들이 본 발명에 충족될 수 있다.
다양한 작동유체들이 비등점 이 낮은 작동유체와 상대적으로 비등점 이 높은 작동유체로 구성되는 다성분 작동유체를 구비하는 이 장치와 함께 사용될 수 있다. 그러므로 작동우체는 예를들면 암모니아수 혼합물, 두 가지 이상의 탄화수소, 두가지 이상의 프레온 및 탄화수소와 프레온 또는 그와 유사한 것의 혼합물일 수 있다. 일반적으로 작동유체는 유리한 열역학적 특성과 용해도를 가진 여러성분의 혼합물일 수 있다. 본 발명의 장치나 사이클은 암모니아수 작동 용액의 사용에 대해 언급하므로서 예로서 설명될 수 있다.
암모니아/풀 작동 용액에 있어서, 암모니아는 비등점 이 -33℃로 비등점 이 낮은 성분의 구성요소가 되고 반면에 물은 비등점 이 100℃로 비등점 이 높은 성분이다.
연속 시스템을 충족시키는 상기 작동유체에 있어서 연속 재생에 수반되는 쓸수 있는 형태로 에너지를 변화 시키기 위해서 작동유체가 팽창된다. 그러므로 대체로 일정하고 분별하는 혼합작동유체의 양이 장기간 사용시 시스템에 유지된다.
여기에 이용된 엑스너지 사이클은 본 발명의 발명자의 이름으로 1982년 8월 6일 출원된 계류중인 미합중국 특허출원 제405,942호와 A.I.Kalina의 ＂새로운 보터밍 사이클을 가진 복식 사이클 시스템＂이라는 명칭의 ASME 논문 84-CT-173에 기재되어 있다. 그 결과 계류중인 출원과 ASME 논문이 여기에 언급되므로서 특별히 결합되었다.
여기에서 증류유체라고 부르는 복수된 상태의 염기성의 사용후 작동유체는 펌프로써 점 1에서 점 2로 압력을 증가시키며 점 2에서 유체는 하부 중간 압력에서 조금 냉각된 액체로 존재하고 하부중간 압력은 터어빈 입구(30) 및 출구(38)에서의 압력에 대해 중간이다. 조금 냉각된 액체가 점 2에서 농축기(120)의 상단을 통과하며 농축기에서는 이를테면 분무하므로서 점 28로부터 도착한 고농도의 저비등 성분을 가지는 포화중기와 혼합한다. 점 28에서의 압력은 점 2에서의 압력과 본래 동일하다. 펌프(122)에 의해 제공된 압력의 증기 때문에 증류유체는 점 28로부터 도착한 포화 증기를 더 쉽게 흡수한다.
농축기(120)에서 혼합의 결과로서 포화액체가 농축기(120)로부터 점 41을 통과하여 외부로 나간다. 이포화 액체는 점 41에서 액체가 ＂고농도＂ 액체로 불릴수 있도록 점 2에 존재하는 액체보다 비등점 이 낮은 성분을 많이 함유한다. 이 고농도 액체는 펌프(124)에 의해 상부 중간 압력으로 점 42에 공급된다. 그리고나서 그 액체는 예열기(116), 가열기(114) 및 관류식열교환기(110)에서 연속적으로 가열된다. 예열기(116) 및 가열기(114)에서의 가열 과정은 시스템에 이용되는 다른 유체들로부터의 열뿐만 아니라 터어빈(104)으로부터 반대로 흐르는 출구유체의 열 회복에 의해 이행된다. 그러나 관류식 열교환기(110)에 있어서 가열은 단지 터어빈(104) 출구(38)로 부터의 유체의 열에 의해 실행되고 그 자체는 회복에 의하여 보충한다.
이를테면 점 5에서 진한 유체는 부분적으로 증발되어 증류비중분리기(112)로 넘어간다. 저비등성분을 매우 많이 함유한 증기는 분리되어서 점 6을 통과한다. 대체로 제거되어 저비등성분이 부족한 묽은 액체는 증류비중분리기(112)에서 점 7로 배출된다.
증류비중분리기(112)로 부터 묽은 액체류는 점 8, 점 10 및 점 40의 세계의 통로들로 분리된다. 점 8통과하는 액체의 흐름은 점 6으로부터의 증기와 비례적으로 혼합된다. 그 결과, 점 9를 통과하여 생성된 혼합물은 나머지 사이클의 작동유체로서 사용될 고비등성분과 저비등성분의 필요한 농도를 갖는다. 작동유체를 형성하는 저비등성분과 고비등성분의 비율은 작동중에 에너지 손실을 최소화하게 선택된다. 일반적으로, 점 9에서 유체는 점 5에서의 유체에 비하여 저비등성분을 많이 함유하고 있다.
가능한한 최대의 효율을 얻기 위해서 그것은 또한 보일러(102)의 열손실을 최고화하도록 작동 성분 농도를 선택하는 장점 이 있다. 실제적인 문제에 있어서, 적용할 수 있는 최적범위는 대개 저비등성분 무게의 50-70% 사이에 놓이나 모든 경우에 반드시 그런 것은 아니다. 일반적으로 고비등 성분의 무게를 적어도 20-25% 포함하는 것이 유리하다.
이 진한 작동유체는 가열기(114)안에서 냉각되고 그것에 의해서 상기에서 설명한 것처럼 점 3에서 점 4를 통과하는 유체의 가열시에 열을 제공한다. 유체가 복수기(106)안에서 완전히 복수되도록 보일러 예열기(130)안에서 유체는 라인 24에서 23을 따라 흐르는 냉각수에 의해 냉각된다.
복수된 작동유체는 예열기(116)를 통과하여 역류하도록 점 14에서 점 21로 펌프(108)에 의해 공급된다. 그리고나서 작동유체는 보일러(102)를 통과하는데 보일러에서는 작동유체가 가열되어 대체로 양호하게 증발된다. 대부분 양호하게 작동유체는 점 30에서 완전히 증발되어서 과열된다. 보일러 가열유체의 흐름은 라인 25에서 26으로 나타나있다.
그리고나서 과열된 증기는 원하는 기계적 동력을 산출하는 터어빈(104)에서 팽창된다. 점 38에서 작동유체가 여전히 과열 증기라면 증류비중분리기(112)로 부터 묽은 액체가 터어빈(104)안의 팽창하는 작동유체안으로 분사될 수도 있다. 마지막 터어빈 단계 이전이나 다음까지 입구안으로 주입한다. 그러나 또한 이 결과는 제1도에 점 선으로 도시된 것처럼 이를테면 점 38에서 터어빈(104)을 거쳐 나아가는 유체류 안에 주입하므로서 성취될 수도 있다. 터어빈출구 근처의 상기 주입의 결과, 터어빈(104)의 여러단계로 부터 작동유체는 점 36에서 점 39로 이동시에 변화된 농도를 갖는다.
마지막 터어빈 단계이전에 포화된 액체 분사가 완료되었을때 포화액체의 주입은 반드시 터어빈(104)의 다음 단계에서의 작동유체상태가 여전히 과열 기체일 정도의 비율로 완료된다. 그러나, 점 39에서 혼합된 가스의 온도는 분사하기 전의 터어빈 안에 있는 가스의 온도보다 낮다. 또한 점 39에서 저비등 성분의 농도는 분사하기전의 점 에서 보다 농도가 낮다. 또한 점 39에서 엔탈피는 분사전의 점 에서 엔탈피보다 낮다. 유사하게 터어빈(104)의 출구에서 저비등성분의 농도와 온도와 엔탈피는 분사하기 전보다 낮다. 또한 터어빈 출구에서 무게 흐름율이 분사전의 점 에서 보다 높으므로 이 무게 흐름율은 분사기 (132)안에 무게 흐름율의 총합과 동일하다.
터어빈(104)의 마지막 단계중 출구가 과열 가스 대신에 포화 또는 습성 가스의 특성을 갖도록 분사가 대부분 유리하게 조절된다. 달리 이미 터어빈에서 배출된 가스안으로 분사되는 곳에서, 가스는 분사된 유체와 함께 혼합된 포화기체로 된다.
라인 136에서 입구 유체의 압력은 분사전의 라인 137의 압력과 본래 동일하게 만들어진다. 동일한 압력을 만들기 위해서 균압 장치(138)가 이용된다. 터어빈의 압력과 조화시키기 위해 인입 유체의 압력을 감소시키는데 균압 장치가 필요할 경우, 균압장치(138)는 드로틀 밸브(throttle valve)의 형태를 가진다. 입구유체의 압력이 터어빈(104)내부의 유체의 압력과 동일할때 균압장치(138)가 전체적으로 생략될 수 있다. 라인 137의 압력과 동일하게 하기 위해서 라인 136의 압력을 증가시키는데 균압장치가 필요할 경우, 균압장치(138)는 펌프의 형태를 가진다.
유체가 냉각되어서 부분적으로 복수되도록 터어빈 출구유체는 점 38에서 연속하여 관류식 열교환기(110), 가열기(114) 및 예열기(116)를 지난다. 그러나 그 결과 터어빈 출구에서 관류식 열교환기(110)출구, 가열기(114)출구 및 예열기(116)출구에서의 압력은 사용할 수 있는 냉각수 온도를 가지고 상기 압력에서 유체를 복수 시키지 못할 정도로 낮다. 이 결과가 실제로 대번에 나쁘게 나타날 수 있는 반면에 이것은 유체의 에너지가 터어빈(104)안에서 완전히 이용되는 것을 의미한다.
이 문제를 해결하기 위해서 증류비중 분리기(112)로부터 제거된 잔류액체가 점 10에서 점 12로 흐르는 동안 가열기(114)에서 냉각된다. 이 과정은 점 3에서 점 4로 이동하는 유체의 열처리에 필요한 열을 제공한다. 상기 잔류 액체는 드로들벨브(140)에 의해 점 27에서 (점 27에서의 압력이 점 2에서의 압력과 동일하도록) 하부 중간 압력으로 감압된다. 하부 중간 압력에서 이 유체는 밸브(140)에 의한 유체압력의 하강 때문에 유체가 두개의 흐름으로 분리되는 원심 분리기(118)로 향한다. 제1흐름은 점 28을 통과하여 확장하는 포화 가스이며 저비등 성분이 비교적 풍부하다. 제2흐름은 점 29를 통과하는 묽은 흡수 용액이며 그것은 저비등 성분이 상대적으로 부족하므로 저비등 성분을 쉽게 흡수하는 경향이 있다. 점 28을 통과하는 가스는 농축기(120)안으로 향하며 농축기에서는 유체의 저비등 성분의 농도를 증가시키기 위해서 점 2에서 부터 흐르는 조금 냉각된 액체와 혼합된다.
묽은 흡수용액은 점 42(상수 중간압력)에서의 진한 용액과 동일한 압력을 가지는 점 29를 통과하지만 묽은 용액은 점 42에서의 용액보다 훨씬 낮은 농도의 저비등 성분을 갖는다. 그 결과, 점 29에서 온도는 점 42에서의 온도보다 언제나 높다. 그러므로 점 29에서 묽은 흡수유체는 유체가 냉각되는 예열기(116)를 통과하여 농축기(120)에서 예열기(116)를 통과하는 유체를 가열하는데 필요한 열의 일부를 제공한다.
냉각된 묽은 흡수 용액은 트로틀 밸브(142)에 의해 점 17의 매개변수와 유사한 매개변수를 가지는 터어빈 출구압력과 대체로 동일한 낮은 압력으로 감압된다. 점 17에서의 터어빈 출구 유체와 점 19에서의 묽은 흡수 용액이 혼합되어 점 18에서 염기성 용액을 생성한다. 점 18의 용액에 있어서 고비등 성분의 농도는 유체가 쓸수 있는 냉각수 온도에서 완전히 복수될 수 있도록 한다. 그러므로 이 유체가 점 1에서 유체의 매개 변수에 도달하기 위해 복수기(106)안에서 완전히 복수된 후에 상술된 과정들이 되풀이된다.
기술적으로 숙련된 사람들은 열효율의 점 에서 터어빈에 대해 입구에서 가능한한 가장 높은 유체온도를 갖는 것이 바람직한 것을 인정할 것이다. 이것은 상대적으로 유사한 온도의 작동유체와 가열유체를 갖는 것이 언제나 유리하기 때문이다. 터어빈(104)에 대해 입구에서 온도를 최소화화므로서 낮은 온도에서 사용되는 경우에 얻어지는 것보다 큰 엔탈피 하강을 가지는 터어빈(104)으로 부터 더 큰 동력 출력이 얻어질 수 있다.
그럼에도 불구하고 터어빈 출구에선 온도는 터어빈 입구에서 증가된 온도에 일치하도록 증가해야만 한다. 이것은 터어빈(104)에 남아있는 작동유체가 여전히 과열기체 상태에 있는 것을 의미한다. 그러나 과열 기체의 형태로 존재하는 여분의 에너지는 증류과정에 있어서 본래 무익하며 일반적으로 전체 사이클에 있어서도 쓸모가 없다. 이것은 거기에 작동유체의 에너지 위치중 불완전한 사용이 있었음을 의미한다.
가능한한 높은 사이클 효율을 이루기 위해서 보일러(102)와 터어빈(104)을 통과하는 작동유체에 있어서 상대적으로 고농도의 저비등 성분을 갖는 것이 바람직하다. 그러나 동시에 증류 부속시스템 (126)을 통과하는 터어빈 출구 유체에 있어서 낮은 농도의 저비등 성분을 갖는 것이 양호하다.
그러므로 분사기(139)를 통과하여 터어빈(104)안으로의 유체 분사는 즉시 열역학 손실을 야기하여 터어빈의 마지막 단계들을 통과하는 흐름의 저비등 성분의 농도를 낮춘다. 이 손실을 터어빈(104)의 마지막 단계들을 통과하는 유체의 높은 무게 흐름율에 의해 보충된다. 이러한 조절작용이 결여된, 터어빈을 통과하는 유체에 있어 위치에너지는 사용되지 않고 본래 증류 부속장치(126)의 열교환 과정들에서 소비된다.
증류 비중 분리기 (112)에서 터어빈(104)안으로의 분사없이 본 사이클이 작동할 수도 있음을 이해해야한다. 특히 터어빈(104)출구에서 배출되는 유체가 과열되지 않았으면 분사는 비경제적이며 일반적으로 불필요하다.
터어빈(104)안으로 액체의 분사가 작당할때 분사점 은 사이클에 있어서 가능한한 가장 작은 에너지 손실을 초래하는 점 으로 결정된다. 대개의 기술자들은 이점 을 결정할 수 있을 것이다. 일반적으로 분사점 은 터어빈의 마지막 단계를 즉 터어빈으로부터 배출된후 어딘가에 놓인다.
액체 분사 시스템의 사용으로 부가 동력이 터어빈(104)으로 부터 얻어진다. 이것은 우선 터어빈(104)을 통과하는 높은 무게 흐름율에서 발생한다. 그러나 쓸수 있는 에너지가 터어빈으로부터 출력을 증가시키기 위해서 더 효과적인 방법으로 이용되는 것이 인정될 수 있다.
농축기(120) 및 관련 성분들은 터어빈 출구에서 상대적으로 낮은 온도와 압력을 조절하기 위해 선택된 염기성 용액의 농축을 가능케 한다. 그러므로 터어빈 출구에서 압력과 온도가 염기성 용액의 증류를 가능케하기에 외관상 불충분할지라도 시스템의 작동이 불리하게 영향을 미치지 않는다. 이것은 매우 높은 농도의 저비등 성분을 가지는 진한 용액이 증류처리를 필요로 하는 것이기 때문이다. 이 진한 용액 때문에 터어빈 출구의 낮은 온도는 효력있는 근거에 따라 증류시키기에 충분하다.
그러나 또한 이 결과가 복수기(106)의 열부하를 감소시키는 동안에 이루어진다는 것이 인정되어야 한다. 이것은 증류비중 분리기(112)에서 뜨거운 액체의 일부가 복수되지 않고 다른 과정들로 전환되므로 복수가 별로 필요하지 않다. 바꾸어 말하면 터어빈(104)에서 배출된 유체는 복수되기전에 증류 비중 분리기(112)로부터 도입되는 액체보다 훨씬 묽은 흡수용액과 혼합된다. 그러므로 흡수후에, 복수기(106)안으로 도입되는 액체 중 묽은 성분이 액체의 형태이므로 복수 시키기 위해 적은 양의 열이 제거되어야만 한다. 이것은 아마 복수기면 요구 조건을 낮추고 시스템의 효율을 증가시킬 것이다.
전체적으로, 분사기(139)를 사용하는 본 발명에 의해서 점 38에서 점 17로 흐르는 유체의 평균 온도는 효과적으로 상승한다. 동시에 점 42에서 점 5에 요구되는 열의 평균 온도는 농축기(120)안에 진한 기체를 주입하므로서 감소된다. 그러므로 이 효과들은 단독으로 그리고 연합해서 전체 시스템 효율을 증가시키는데 소용이 된다.
본 발명의 증류장치(126)에 적당한 비교적 저온의 열은 비교적 고온의 폐열 형태, 열원으로부터 비교적 고온의 열중 낮은 온도 요소, 비교적 저온의 폐열이나 열원으로부터 쓸수 있는 다른 열 및 보일러에서 증발에 효과적으로 이용될 수 없는 비교적 저온의 열로 얻어질 수도 있다. 실제문제로서 조금이라도 사용할 수 있는 열, 특히 증발에 효과적으로 사용될 수 없는 저온의 열은 증류장치(126)에 비교적 저온의 열로서 이용될 수도 있다. 동일한 방법으로 그러한 비교적 저온의 열이 예열에 이용될 수도 있다.
본 발명이 양호한 단일 실시예에 대하여 기술했지만 기술적으로 숙련된 사람들은 그것으로부터 여러가지 변화와 수정을 인정하고 그러한 변화와 수정들이 본 발명의 진정한 정신과 범위내에서 이루어짐에 따라 첨부된 특허청구 범위내에 그러한 변화 및 수정들이 포함될 것이다.

Claims (23)

  1. 쓰기 편리한 에너지를 생성하는 방법에 있어서, 저비등 성분을 많이 함유한 제1증기를 형성하기 위해서 저비등 성분과 고비등 성분을 가지는 최초의 다성분 작동유체의 일부를 상부 중간 압력에서 증발시키는 단계; 제1증기를 최초 작동유체류의 일부와 혼합하여 최초 작동유체류에 비하여 저비등 성분을 많이 함유한 진한 용액을 생성하기 위해서 최초 작동유체류 안에서 저비등 성분을 흡수하고, 나머지 최초 작동유체류를 진한 용액에 비하여 저비등 성분을 상대적으로 적게 함유한 묽은 용액으로서 사용하는 단계; 포화된 고압레벨로 진한 용액의 압력을 증가시키고 포화된 기체상 주 작동용액을 생성하기 위해서 진한 용액을 증발시키는 단계; 쓸수 있는 형태로 포화된 기체상 주작동유체의 에너지를 변환시키기 위해서 포화된 기체상 주 작동용액을 약화된 저압 레벨로 팽창시키는 단계; 증류유체를 형성하기 위해서 약화된 저압레벨에서 묽은 용액으로 흡수하므로써 사용후 주작동유체를 냉각하고 복수시키는 단계; 하부 중간압력으로 복수된 유체의 압력을 증가시키는 단계; 상기 묽은 용액의 일부로 부터 상기 복수 유체에 비하여 저비등 유체를 많이 함유한 제2증기를 형성하는 단계; 혼합물을 형성하기 위하여 상기 증류 유체와 상기 제2증기를 혼합하는 단계 및 상기 최초의 다성분 작동유체류를 형성하기 위해서 상기 상부 중간 압력으로 상기 혼합물의 압력을 증가시키는 단계들로 구성되는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 묽은 용액의 일부를 상기 제2증기와 제2묽은 용액으로 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  3. 제2항에 있어서, 냉각 단계가 상기 묽은 용액안에서 상기 사용후 주작동유체를 흡수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 묽은 용액에서 상기 제2증기와 상기 제2묽은 용액을 분리하기 위해서 일부 묽은 용액의 압력을 하강시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  5. 제1항에 있어서, 증발에 앞서 진한 용액에서 상당량의 고비등 성분을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  6. 제5항 있어서, 상기 진한 용액이 고비등 성분 무게의 최소한 20-25%를 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기체상 주작동유체가 과열되었을 때 온도를 감소시키기 위해서 상기 기체상 주작동유체 안에 상기 묽은 용액의 일부를 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  8. 제7항에 있어서, 팽창된 사용후 주작동유체가 포화기체로 될때까지 상기 묽은 용액이 주입되는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  9. 쓰기 편리한 에너지를 생성하는 방법에 있어서, 비등점 이 낮은 성분과 높은 성분을 가지는 최초의 다성분 작동유체류의 일부를 증발시키므로써 상기 저비등 성분을 많이 함유한 증기를 생성하는 단계; 증기를 최초 작동유체류의 일부와 혼합하여 작동유체류에 비하여 저비등 성분을 상대적으로 많이 함유한 진한 용액을 생성하기 위해서 작동유체 안에서 저비등 성분을 흡수하고 나머지 최초 작동유체를 진한 용액에 비하여 저비등 성분을 상대적으로 적게 함유한 묽은 용액으로 사용하는 단계; 포화된 고압 레벨로 진한용액의 압력을 증가시키고, 포화되고 과열된 기체상 주작동유체를 생성하기 위해서 진한 용액을 증발시키는 단계; 쓸수 있는 형태로 에너지를 전환시키기 위해서 약화된 저압 수준으로 포화된 기체상 주작동유체를 팽창시키는 단계; 묽은 용액의 일부로 그것을 분해하므로써 사용후 주작동유체를 냉각하고 복수시키는 단계 및 상기 과열된 기체상 작동유체의 온도를 낮추기 위해서 상기 포화 된 기체상 작동유체 안에 묽은 용액의 일부를 주입하는 단계들로 구성되는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 주작동유체가 연속해서 팽창하는 동안에 상기 포화된 기체상 주작동유체 안에 묽은 용액을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 기체상 주작동유체가 완전히 팽창한 후에 상기 기체상 주작동유체안에 묽은 용액을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 묽은 용액이 주입되는 유체의 압력과 상기 묽은 용액중 상기 분사된 용액의 압력을 균등화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 묽은 용액의 주입과 완전한 팽창후에 상기 사용후 작동유체가 포화증기로 되는 방식으로 상기 용액이 주입되는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성방법.
  14. 다성분 작동유체를 사용하여 쓸수 있는 에너지를 생성하는 장치에 있어서, 가스 입구와 가스출구를 가지는 터어빈; 상기 터어빈에서 출구 기체의 열을 사용하여 다성분 작동유체중 고비등 성분으로부터 저비등 성분을 분리하기 위해 부착되고 분리된 저비등 성분과 진한 용액을 형성하는 작동유체를 혼합하기 위해 설치된 혼합기를 구비하여 상기 터어빈 가스 출구와 유체가 왕래하는 증류장치; 상기 진한 용액을 복수시키기 위해 설치된 복수기; 상기 복수기와 상기 터어빈의 상기 입구와 통해 있는 증발기 및 상기 증류 장치로 부터 상기 터어빈 출구 근처의 과열된 유체안으로 묽은 용액을 분사하기 위해서 설치된 분사기를 구비하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 분사기에 의해 혼합된 유체류의 압력을 균일화하는 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성장치.
  16. 제14항에 있어서, 터어빈 출구에 있는 기체가 포화증기가 되도록 상기 분사기가 부착되는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성장치.
  17. 다성분 작동유체를 사용하여 쓸수 있는 에너지를 생성하는 장치에 있어서, 가스입구와 가스출구를 가지는 터어빈; 상기 터어빈으로 부터 사용후 유체를 복수시키기 위해 연결된 복수기; 다성분 작동유체중 고비등 성분에서 저비등 성분을 분리하기 위해 부착되고 진한 용액을 형성하기 위해서 작동유체와 분리된 저비등 성분을 혼합하기 위해 설치된 혼합기를 구비하며 상기 터어빈 가스출구와 유체가 왕래하는 제1증류장치; 상기 저비등 성분이 상기 제1증류장치에서 분리된 후에 나머지 유체로부터 저비등 성분을 분리하기 위해 설치되고, 상기 복수기에서 보내진 유체안으로 상기 제2증류장치에 의해 분리된 저비등 성분을 혼합하기 위해 부착된 혼합기를 구비하는 제2 증류장치 및 상기 터어빈에 대해 상기 입구와 상기 복수기를 연결하는 증발기를 구비하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2증류장치가 상기 증류장치안에 상기 저비등 성분의 분리를 용이하게 하기 위해서 상기 제1증류장치로 부터 상기 유체의 압력을 강하시키는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제2증류장치가 작동유체류에서 상기 저비등 성분을 분리한 후에 나머지 고비등 성분을 회수하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 회수 수단이 상기 유체가 상기 작동유체에 열을 전달하기 위해서 설치된 열교환기를 구비하고 또한 상기 작동유체와 혼합하기 전에 상기 유체의 압력을 감소시키는 압력강화 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성장치.
  21. 제17항에 있어서, 상기 제1증류장치로 부터 상기 터어빈 출구근처의 과열 유체안으로 묽은 용액을 주입하기 위해 장치된 분사기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성 장치.
  22. 유효 냉각수를 가지는 종래 수단으로써 응축시키기에 매우 낮은 온도와 압력을 가지는 사용후 다성분 작동유체용 재생기에 있어서, 상기 사용후 작동유체의 압력을 증가시키는 제1펌프 ; 상기 작동유체중 저비등 성분의 농도를 증가시키는 농축기 ; 상기 농축된 유체의 압력을 증가시키는 제1펌프 ; 상기 농축되지 않은 사용후 작동유체로부터 열을 받고 상기 농축된 사용후 작동유체에 열을 전달하기 위해 설치되고 상기 농축기와 통해 있는 열교환기; 유효냉매에 의해 복수될 수도 있는 재생 작동유체를 형성하도록 상기 농축유체로부터 저비등 성분의 일부를 분리하고 상기 나머지 농축유체의 일부와 상기 분리된 저비등 성분을 재결합시키며 상기 열교환기와 통해 있는 제1분리기 및 상기 나머지의 상기 농축 유체에서 저비등 성분을 추출하여 상기 농축기에 저비등 성분을 공급하기 위해 설치된 제2분리기를 구비하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제2분리가 저비등 성분을 추출하는 유체감압기를 구비하는 것을 특징으로 하는 다성분 작동유체를 사용하는 에너지 생성장치.
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