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KR20070116106A - Cascaded Organic Rankine Cycle to Use Waste Heat - Google Patents

Cascaded Organic Rankine Cycle to Use Waste Heat Download PDF

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KR20070116106A
KR20070116106A KR1020077023644A KR20077023644A KR20070116106A KR 20070116106 A KR20070116106 A KR 20070116106A KR 1020077023644 A KR1020077023644 A KR 1020077023644A KR 20077023644 A KR20077023644 A KR 20077023644A KR 20070116106 A KR20070116106 A KR 20070116106A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
condenser
working fluid
organic
organic working
pump
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020077023644A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
토마스 디. 래드클리프
브루스 피. 비이더만
주우스트 제이. 브라쯔
Original Assignee
유티씨 파워 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 유티씨 파워 코포레이션 filed Critical 유티씨 파워 코포레이션
Priority to KR1020077023644A priority Critical patent/KR20070116106A/en
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Abstract

한 쌍의 유기 랭킨 사이클 시스템(20, 25)이 조합되고 그들 각각의 유기 작동 유체는, 제1 유기 랭킨 사이클의 유기 작동 유체가 제2 유기 랭킨 사이클 시스템의 유기 작동 유체의 비등점보다 충분히 높은 응축 온도에서 응축하고, 단일의 공통 열교환기(23)가 제1 유기 랭킨 사이클 시스템의 응축기로서 그리고 제2 유기 랭킨 사이클 시스템의 증발기로서 사용되도록 선택된다. 제1 시스템의 양호한 유기 작동 유체는 톨루엔이고 제2 시스템의 양호한 유기 작동 유체는 R245fa이다. The pair of organic Rankine cycle systems 20 and 25 are combined and their respective organic working fluids have a condensation temperature at which the organic working fluid of the first organic Rankine cycle is sufficiently higher than the boiling point of the organic working fluid of the second organic Rankine cycle system. Condensate in, a single common heat exchanger 23 is selected to be used as the condenser of the first organic Rankine cycle system and as the evaporator of the second organic Rankine cycle system. The preferred organic working fluid of the first system is toluene and the preferred organic working fluid of the second system is R245fa.

Description

폐열을 이용하기 위한 캐스케이드식 유기 랭킨 사이클 {Cascaded Organic Rankine Cycles for Waste heat Utilization}Cascaded Organic Rankine Cycles for Waste heat Utilization

미국 연방 정부는 에너지자원부와 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션사 사이의 계약 제DE-FC02-00CH11060호에 따라, 본 발명에 있어서 일정한 권한을 갖는다.The U.S. federal government has certain rights in the present invention under the DE-FC02-00CH11060 contract between the Department of Energy and United Technologies Corporation.

환경으로의 영향을 최소화하면서 저비용의 에너지를 제공하고, 기존의 전력 시설망으로 즉시 합체될 수 있거나 독립 유닛으로 신속하게 설치될 수 있는 전력 생성 시스템은 많은 영역에서 중요한 전력 수요 해소에 도움이 된다. 마이크로터빈과 같은 연소 엔진 또는 왕복식 엔진은 가솔린, 천연 가스 및 디젤 연료와 같은 일반적으로 가용한 연료를 사용하여 25% 내지 40%의 낮은 효율로 전력을 생성한다. 그러나, 질산화물(NOx) 및 미립자와 같은 대기 배출물은 왕복식 엔진에 있어서 문제가 될 수 있다.Power generation systems that provide low-cost energy with minimal impact on the environment and can be immediately integrated into existing power grids or quickly installed as stand-alone units help address critical power demands in many areas. Combustion engines or reciprocating engines, such as microturbines, generate power with low efficiency of 25% to 40% using generally available fuels such as gasoline, natural gas and diesel fuel. However, atmospheric emissions such as nitric oxides (NOx) and particulates can be problematic for reciprocating engines.

배출물 생산을 증가시키지 않고 연소 엔진의 폐열로부터 전기를 생성하는 한가지 방법은 하부 사이클(bottoming cycle)을 적용하는 것이다. 하부 싸이클은 그러한 엔진으로부터 폐열을 사용하고 그 열 에너지를 전기로 전환한다. 랭킨 사이클은 연소 엔진을 위한 하부 사이클로서 종종 적용된다. 기본적인 유기 랭킨 사이 클은 터보발전기, 프리히터/보일러, 응축기, 및 액체 펌프로 구성된다. 이러한 사이클은 선택된 유기 작동 유체의 비등점보다 다소 높은 온도에서 폐열을 수용할 수 있고, 통상적으로 선택된 유기 작동 유체의 비등점보다 다소 낮은 온도에서 주위의 공기 또는 물로 열을 방출한다. 작동 유체의 선택은 사이클의 온도 범위/열 효율 특성을 결정한다. One way to generate electricity from the waste heat of a combustion engine without increasing emissions production is to apply a bottoming cycle. The lower cycle uses waste heat from such an engine and converts its thermal energy into electricity. Rankine cycles are often applied as bottom cycles for combustion engines. The basic organic Rankine cycle consists of a turbogenerator, preheater / boiler, condenser, and liquid pump. This cycle may receive waste heat at a temperature slightly above the boiling point of the selected organic working fluid, and typically releases heat to ambient air or water at a temperature slightly below the boiling point of the selected organic working fluid. The choice of working fluid determines the temperature range / thermal efficiency characteristics of the cycle.

하나의 유체를 사용하는 단순 ORC 시스템은, 저온 폐열 소스를 전력으로 전환하고 공기 조화/냉동 산업에서 사용되는 것과 유사한 하드웨어 및 작동 유체를 사용할 때, 능률적이고 비용효율적이다. 그 예로서, 기존의 원심 압축기로부터 유도된 레이디얼 터빈과 냉매 R245fa와 같은 작동 유체를 사용하는 ORC 시스템이 있다. A simple ORC system using one fluid is efficient and cost effective when converting a low temperature waste heat source into power and using hardware and working fluids similar to those used in the air conditioning / refrigeration industry. An example is an ORC system using a radial turbine derived from a conventional centrifugal compressor and a working fluid such as the refrigerant R245fa.

고온 폐열 스트림에 있어서, 가장 비용효율적인 ORC 시스템은 여전히 비교적 낮은 작동 유체 온도에서 작동하여, HVAC로부터 유도된 장비 및 일반적인 냉매를 여전히 사용하도록 허용한다. 그러나, 이러한 시스템은 비록 매우 비용효율적이지만, 폐열 스트림의 열역학적 잠재 에너지를 완전히 이용하지는 않는다.For hot waste heat streams, the most cost-effective ORC systems still operate at relatively low working fluid temperatures, allowing still use of equipment and general refrigerants derived from HVAC. However, this system, although very cost effective, does not fully utilize the thermodynamic potential energy of the waste heat stream.

요약해서, 본 발명의 일 태양에 따르면, 한 쌍의 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템이 조합되고, 하나의 공통 열 교환기가 제1 ORC 시스템에서 응축기로서 사용되고 제2 ORC 시스템에서 증발기로서 사용된다. In summary, according to one aspect of the present invention, a pair of organic Rankine cycle (ORC) systems are combined and one common heat exchanger is used as the condenser in the first ORC system and as the evaporator in the second ORC system.

본 발명의 다른 태양에 의하면, 2개 시스템의 냉매는 제1의 고온 시스템의 응축 온도가 제2의 저온 시스템의 냉매를 비등시키기 위해 사용될 수 있는 온도가 되도록 선택된다. 이러한 방식으로, 보다 큰 효율이 성취될 수 있으며, 대기로의 폐열 손실은 사실상 감소된다.According to another aspect of the present invention, the refrigerant of the two systems is selected such that the condensation temperature of the first high temperature system is a temperature that can be used to boil the refrigerant of the second low temperature system. In this way, greater efficiency can be achieved and waste heat losses to the atmosphere are substantially reduced.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 제1 ORC 시스템의 작동 유체를 과열저감하고 응축하기 위해 단일의 공통 열교환기가 사용될 수 있다. According to another aspect of the invention, a single common heat exchanger may be used to overheat and condense the working fluid of the first ORC system.

본 발명의 다른 태양에 의하면, 공통 열교환기가 제1 ORC 시스템의 작동 유체를 과열저감하도록 작용하는 상태로 제2 열교환기가 제1 ORC 시스템에 제공된다면, 제2 응축기는 제1 ORC 시스템 내의 작동 유체를 응축하도록 작용한다.According to another aspect of the present invention, if the second heat exchanger is provided to the first ORC system with the common heat exchanger acting to overheat the working fluid of the first ORC system, the second condenser may draw the working fluid in the first ORC system. Act to condense.

본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 폐열을 사용하는 예열기는 제2 ORC 시스템 내의 작동 유체를 그것이 공통 열교환기로 진입하기 전에 가열하도록 제공된다.According to another aspect of the invention, a preheater using waste heat is provided to heat the working fluid in the second ORC system before it enters the common heat exchanger.

이제부터 설명되는 도면에서, 양호하고 개조된 실시예들이 도시되어 있지만, 상기 실시예들의 다양한 다른 개조예 및 대체 구성이 본 발명의 진정한 사상 및 범주를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.In the drawings described hereafter, while the preferred and modified embodiments are shown, various other modifications and alternative arrangements of the embodiments can be made without departing from the true spirit and scope of the invention.

도1은 종래 기술에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템의 개략도이다.1 is a schematic diagram of an organic Rankine cycle system according to the prior art.

도2는 상기 유기 랭킨 사이클 시스템의 TS 선도이다.2 is a TS diagram of the organic Rankine cycle system.

도3은 본 발명에 따라 결합된 한 쌍의 유기 랭킨 사이클 시스템의 개략도이다.3 is a schematic representation of a pair of organic Rankine cycle systems coupled in accordance with the present invention.

도4는 상기 유기 랭킨 사이클 시스템의 TS 선도이다.4 is a TS diagram of the organic Rankine cycle system.

도5는 본 발명의 대체 실시예이다.5 is an alternative embodiment of the present invention.

도6은 상기 실시예의 TS 선도이다.Fig. 6 is a TS diagram of the embodiment.

도7은 본 발명의 또 다른 대체 실시예이다.Figure 7 is another alternative embodiment of the present invention.

도8은 상기 실시예의 TS 선도이다.8 is a TS diagram of the embodiment.

이제 도1을 참조하면, 종래 형식의 유기 랭킨 사이클이 앞서 설명된 소스로부터 폐열을 수용하는 증발기/보일러(11)를 포함하도록 도시되어 있다. 가열된 작동 유체는 발전기(13)을 구동하기 위한 원동력으로 전환되는 터빈(12)으로 이동한다. 결과적으로 저온 저압의 작동 유체는 응축기(14)로 이동하여, 거기서 액체로 변환된 다음, 펌프(16)에 의해 증발기/보일러(11)로 펌핑된다.Referring now to FIG. 1, a conventional form of organic Rankine cycle is shown to include an evaporator / boiler 11 that receives waste heat from the sources described above. The heated working fluid travels to the turbine 12 which is converted into motive force for driving the generator 13. As a result, the low temperature low pressure working fluid is transferred to the condenser 14, where it is converted into a liquid and then pumped by the pump 16 to the evaporator / boiler 11.

이러한 통상적인 시스템에서, 일반적인 작동 유체는 톨루엔이다. 증기 발생기(11)에서, 작동 유체는 525℉(274℃) 정도까지 그 온도를 상승시킨 다음, 터빈(12)으로 이동한다. 터빈(12)을 통과한 다음, 증기의 온도는 그것이 응축된 다음 증발기/보일러(11)로 다시 펌핑되기 전에 약 300℉까지 강하된다.In such conventional systems, the common working fluid is toluene. In the steam generator 11, the working fluid is raised to about 525 ° F. (274 ° C.) and then moved to the turbine 12. After passing through the turbine 12, the temperature of the steam drops to about 300 ° F. before it condenses and is pumped back to the evaporator / boiler 11.

작동 유체로서 톨루엔을 사용하는, 도1에 도시된 유기 랭킨 사이클 시스템의 TS 선도가 도2에 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 비교적 높은 임계 온도때문에, 톨루엔은 낮은 임계 온도를 가지는 작동 유체의 시스템보다 열역학적으로 더 효율적이다. 그러나, 이것은 효율적인 면에서 덜 비용효율적이고 여전히 부족한 점이 있다. 이러한 고온의 ORC 시스템의 고비용에 대한 이유는 2가지이다. 첫째, 높은 임계 온도를 가지는 톨루엔과 같은 작동 유체는 높은 증발 온도에서 작동하도록 허용하고 이것은 효율에 비교적 도움이 되지만, 주위 조건에서 매우 낮은 농도를 나타내므로 대형의 값비싼 응축 장비를 요구한다. 둘째, 이러한 높은 임계 온 도의 유기 유체의 본질은, 터빈 압력비(이러한 시스템에서 통상적으로 25:1 이상)가 높을수록 터빈을 떠나는 과열된 증기가 많아진다는 것이다. 따라서, 터빈을 떠나는 증기의 과열에 의해 나타나는 열 에너지는 전력 생산에 이용되지 않고 주위로 배출되기 위한 추가적인 응축기 표면을 요구한다. 따라서, 전력으로 전환되지 않아서 터빈의 효율을 제한하는, 실질적인 양의 저온 폐열(즉, 터빈을 떠나는 과열된 저압 증기의 열)이 있다.The TS diagram of the organic Rankine cycle system shown in FIG. 1, using toluene as the working fluid, is shown in FIG. As can be seen, because of the relatively high critical temperature, toluene is thermodynamically more efficient than a system of working fluids having a low critical temperature. However, this is less cost effective and still lacks. There are two reasons for the high cost of such high temperature ORC systems. First, working fluids such as toluene with a high critical temperature allow to operate at high evaporation temperatures, which is relatively beneficial for efficiency, but requires very large and expensive condensation equipment as they exhibit very low concentrations at ambient conditions. Secondly, the nature of these high critical temperature organic fluids is that the higher the turbine pressure ratio (typically 25: 1 or higher in such a system), the more superheated steam leaving the turbine. Thus, the thermal energy represented by the overheating of the steam leaving the turbine is not used for power generation and requires additional condenser surfaces to be discharged to the environment. Thus, there is a substantial amount of low temperature waste heat (i.e., heat of superheated low pressure steam leaving the turbine) that does not convert to power to limit the efficiency of the turbine.

이제 도3을 참조하면, 이제부터 설명될 방식으로 결합된 한 쌍의 유기 랭킨 사이클 시스템(20, 25)을 포함하는 개조된 장치가 도시되어 있다. 증발기 보일러 또는 증기 발생기(17)는 열 소스(18)로부터 열을 받아서, 발전기(21)를 구동하도록 터빈(19)으로 이동하는 비교적 고압 고온의 증기를 생산한다. 터빈(19)을 통과한 다음, 저압 저온의 증기는 응축기/증발기(23)로 이동하고, 그곳에서 상기 증기는 액체로 응축된 다음, 다시 증기가 되도록 펌프(24)에 의해 증기 발생기(17)로 펌핑된다.Referring now to FIG. 3, there is shown a modified device including a pair of organic Rankine cycle systems 20, 25 coupled in a manner to be described now. Evaporator boiler or steam generator 17 receives heat from heat source 18 and produces a relatively high pressure hot steam that travels to turbine 19 to drive generator 21. After passing through the turbine 19, the low pressure low temperature steam moves to the condenser / evaporator 23, where the steam is condensed into liquid and then back to the steam generator 17 by the pump 24 to become steam. Pumped into.

일반적으로, 회복되지 않은 마이크로터빈은 약 1200℉(649℃)의 배출 가스의 배출 온도를 갖는다. 이러한 고온 가스는 ORC에서 펜탄, 톨루엔, 또는 아세톤과 같은 고온의 유기 유체를 비등시키는 데 사용될 수 있다. 톨루엔이 작동 유체이면, 증기 발생기(17)로부터 떠나는 온도는 약 500℉(260℃)가 될 것이고, 터빈(19)을 떠나고 응축기(23)로 진입하는 증기의 온도는 약 300℉(149℃)가 될 것이다. 액체 톨루엔은 응축된 후에, 응축기(23)를 떠날 때 온도가 약 275℉(135℃) 이고 펌프(24)에 의해 증기 발생기(17)로 이동한다. 이러한 온도 및 관련 엔트로피는 도4의 TS 선도에 도시되어 있다.Generally, unrecovered microturbines have an exit temperature of about 1200 ° F. (649 ° C.) exhaust gas. Such hot gases can be used to boil hot organic fluids such as pentane, toluene, or acetone in the ORC. If toluene is the working fluid, the temperature leaving steam generator 17 will be about 500 ° F. (260 ° C.), and the temperature of the steam leaving turbine 19 and entering condenser 23 will be about 300 ° F. (149 ° C.). Will be. After the liquid toluene has condensed, the temperature is about 275 ° F. (135 ° C.) when it leaves the condenser 23 and is moved by the pump 24 to the steam generator 17. This temperature and associated entropy are shown in the TS diagram of FIG.

이러한 캐스케이드식 ORC 장치에서, 제1 ORC 시스템(즉, 톨루엔 루프)은 더운 가스 또는 더운 액체로부터의 현열(sensible heat) 또는 냉매 보일러/증발기에서 스팀과 같은 유체의 응축으로부터의 잠열(latent heat)과 같은 모든 열을 추출하여, 고압 및 고온의 증기를 생성하는 고온 시스템이다. 이러한 고압 증기는 터빈(19)을 통해 저비용/저온의 ORC 시스템이 능률적이고 비용효율적으로 저온의 폐열을 전력으로 전환시키는 데 사용될 수 있는 수준에 대응하는 포화 온도를 가지는 저압으로 팽창한다. 이렇게 함으로써, 고온 냉매는 응축기(23)에서 여전히 양의 압력 및 대응하는 큰 밀도를 갖는다. 이것은 보다 적은 압력 강하, 보다 나은 열전달 및 보다 작은 크기의 응축기로 결과되고, 이 모든 것은 더욱 비용 효율적인 ORC 시스템으로 결과된다. 터빈(19)에 존재하는 증기의 고압 및 큰 밀도는 또한 소형의 터빈 설계를 허용한다. 비용의 실질적 감소는 이러한 개조에 의해 달성될 수 있다. 또한, 터빈(19)에서의 낮은 압력비(즉, 5:1)는 높은 터빈 효율을 허용한다.In such cascaded ORC devices, the first ORC system (i.e., toluene loops) is characterized by sensible heat from hot gases or hot liquids or latent heat from condensation of fluids such as steam in a refrigerant boiler / evaporator. It is a high temperature system that extracts all the same heat, producing high pressure and high temperature steam. This high pressure steam expands through the turbine 19 to a low pressure with a saturation temperature corresponding to the level at which a low cost / low temperature ORC system can be used to efficiently and cost effectively convert low temperature waste heat into power. By doing so, the hot refrigerant still has a positive pressure and corresponding large density in the condenser 23. This results in less pressure drop, better heat transfer and smaller size condenser, all of which result in a more cost effective ORC system. The high pressure and large density of steam present in the turbine 19 also allows for a compact turbine design. Substantial reductions in costs can be achieved by this modification. In addition, a low pressure ratio (ie 5: 1) in the turbine 19 allows for high turbine efficiency.

응축기/증발기(23)로 진입하는 톨루엔 증기의 온도가 비교적 높다는 점을 이제 고려하면, 응축기/증발기(23)가 제1 ORC 시스템(20)에 있어서 응축기로서 작용하고 제2 ORC 시스템(25)의 증발기 또는 보일러로서 작용하는 상태로, 그 에너지는 이제 제2 ORC 시스템(25)의 증기 발생기에 대한 열 소스로서 사용될 수 있다. 따라서, 제2 ORC 시스템은 터빈(26), 발전기(27), 응축기(28) 및 펌프(29)를 갖는다. 제2 ORC에 대한 유기 작동 유체는 비교적 낮은 비등 및 응축 온도를 가져야만 한 다. 이러한 사이클에서 안정적인 유기 작동 유체의 예는 R245fa 또는 이소부탄이다.Considering now that the temperature of the toluene vapor entering the condenser / evaporator 23 is relatively high, the condenser / evaporator 23 acts as a condenser in the first ORC system 20 and of the second ORC system 25. In the state acting as an evaporator or boiler, the energy can now be used as a heat source for the steam generator of the second ORC system 25. Thus, the second ORC system has a turbine 26, a generator 27, a condenser 28 and a pump 29. The organic working fluid for the second ORC should have a relatively low boiling and condensation temperature. Examples of stable organic working fluids in this cycle are R245fa or isobutane.

유기 작동 유체로서 R245fa를 가지는 제2 ORC 시스템(25)에서, 터빈(26)으로 이동하는 작동 유체의 온도는 약 250℉ 이고, 응축기로 이동하는 증기의 온도는 약 90℉ 이다. 증기를 응축한 후, 냉매는 펌프(29)에 의해 응축기/증발기(23)로 펌핑된다.In the second ORC system 25 having R245fa as the organic working fluid, the temperature of the working fluid moving to the turbine 26 is about 250 ° F., and the temperature of the steam moving to the condenser is about 90 ° F. After condensing the vapor, the refrigerant is pumped to the condenser / evaporator 23 by the pump 29.

도5를 참조하면, 톨루엔 회로 내에서 작동 유체가 보일러 또는 증기 발생기(17)로부터 터빈으로 그리고 공통 열교환기(31)로 다시 이동하는, 대체 유사 실시예가 도시되어 있다. 다시, 열교환기(31)는, R245fa 냉매가 보일러(31)로부터, 터빈(26), 응축기(28), 펌프(29) 및 다시 보일러(31)로 이동하는 상태로, R245fa 회로에 있어서 증발기 또는 보일러의 역할을 한다. 그러나, 도3의 실시예의 응축기/증발기(23)와는 달리, 열교환기(31)는, 작동 유체가 펌프(24)를 경유하여 보일러(17)로 이동하기 전에 응축기(28)가 응축 프로세스를 완료하도록 인가되는 상태로, 톨루엔 회로 내에서만 과열저감기(desuperheater)의 역할을 한다. 이러한 유사 ORC 사이클 시스템의 TS 선도는 도6에 도시되어 있다.Referring to FIG. 5, an alternative analogous embodiment is shown in which the working fluid moves from the boiler or steam generator 17 to the turbine and back to the common heat exchanger 31 in the toluene circuit. Again, the heat exchanger 31 is an evaporator in the R245fa circuit in a state in which the R245fa refrigerant moves from the boiler 31 to the turbine 26, the condenser 28, the pump 29 and the boiler 31 again. It acts as a boiler. However, unlike the condenser / evaporator 23 of the embodiment of FIG. 3, the heat exchanger 31 has a condenser 28 completing the condensation process before the working fluid moves to the boiler 17 via the pump 24. In the state of being applied to act as a desuperheater only in the toluene circuit. The TS diagram of such a similar ORC cycle system is shown in FIG.

이러한 유사 장치에서, 비용 감소는 전체 시스템 효율이 증가되는 방식으로 저온의 R245fa ORC 시스템을 추가하여 달성된다. 단순 사이클의 고온 ORC 시스템의 주된 비가역성(열역학적 손실)은 응축기에서의 소위 과열저감 손실이다. 유기 유체는 터빈에 진입할 때보다 더 과열저감되어서 터빈을 떠난다. 터빈에서의 압력비가 클수록, 이러한 효과는 더 강해진다. 고온의 단순 사이클 ORC 시스템은 비록 단순 사이클인 저온의 ORC 시스템보다 열역학적으로 더 효율적이지만, 과열저감기/응축기에서 배출되어야 할 다량의 중온 폐열을 배출한다. 결과적으로, 상대적으로 큰 응축기가 요구된다. 유사 ORC 시스템에서, 과열저감은 저온의 ORC 증발기(31)에서 이루어진다. 이것은 전체 전력 생산량을 증가시키는데, 그 이유는 예전에는 상기 열이 주위로 배출되었고 지금은 저온 ORC 시스템에서 전력을 생성하도록 이용되기 때문이다. 그 외의 장점은 고온 ORC 응축기(32)의 크기가 감소될 수 있다는 점이다.In this similar device, cost reduction is achieved by adding a low temperature R245fa ORC system in such a way that the overall system efficiency is increased. The main irreversibility (thermodynamic losses) of a simple cycle high temperature ORC system is the so-called overheating loss in the condenser. The organic fluid is desuperheated more than it enters the turbine and leaves the turbine. The greater the pressure ratio in the turbine, the stronger this effect. The high temperature simple cycle ORC system is thermodynamically more efficient than the low temperature ORC system, which is a simple cycle, but generates a large amount of mesothelial waste heat that must be discharged from the superheat reducer / condenser. As a result, a relatively large condenser is required. In a similar ORC system, overheating reduction takes place in a low temperature ORC evaporator 31. This increases the overall power output since the heat was previously released to ambient and is now used to generate power in low temperature ORC systems. Another advantage is that the size of the high temperature ORC condenser 32 can be reduced.

따라서, 유사 ORC 시스템의 전체적 결과는 고온의 폐열 소스를 위한 보다 비용 효율적인 전체 ORC 시스템이다. 증가된 비용 효율성은 증가된 전력 생산량 및 원래 과열저감기/응축기 유닛의 크기를 감소시켜서 성취된다.Thus, the overall result of a similar ORC system is a more cost effective overall ORC system for hot waste heat sources. Increased cost efficiency is achieved by reducing the power output and reducing the size of the original superheater / condenser unit.

비록 도5의 실시예가 2개의 상이한 냉매를 사용하여 설명되었지만, 동일한 냉매가 2개의 회로에서 사용될 수도 있다는 것을 알아야 한다.Although the embodiment of FIG. 5 has been described using two different refrigerants, it should be appreciated that the same refrigerant may be used in two circuits.

도5의 실시예가 도시된 R245fa 사이클에서 예열기(33)를 추가하여 개조되는, 본 발명의 그 밖의 실시예가 도7에 도시되어 있다. 여기서, 작동 유체는 응축기(28) 및 펌프(29)를 통과한 후, 저온(400℉ 내지 200℉)의 폐열 소스를 사용하는 액체 예열기(23)를 통과한다. 대응하는 TS 선도가 도8에 도시되어 있다.Another embodiment of the present invention is shown in FIG. 7, in which the embodiment of FIG. 5 is adapted by adding a preheater 33 in the illustrated R245fa cycle. Here, the working fluid passes through condenser 28 and pump 29 and then through liquid preheater 23 using a waste heat source at low temperature (400 ° F. to 200 ° F.). The corresponding TS diagram is shown in FIG.

본 발명은 도면에 도시된 바와 같은 바람직한 실시예 및 대체 실시예들을 참조하여 특히 제시되고 설명되었지만, 청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 사상과 범주로부터 벗어나지 않고 미세한 부분에서 다양한 변경들이 이루어질 수 있음을 본 기술 분야의 당업자들에 의해 이해될 것이다.Although the invention has been particularly shown and described with reference to the preferred and alternative embodiments as shown in the drawings, various changes may be made in the details without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the claims. Will be understood by those skilled in the art.

Claims (23)

증기 발생기로부터 제1 유기 유체를 수용하기 위한 터보 발전기와, 제1 응축기와, 냉매를 상기 증기 발생기로 복귀시키기 위한 제1 펌프를 연속적 유동 관계로 구비하는 유기 랭킨 사이클 시스템에 있어서, 추가 에너지를 생성하는 방법이며, An organic Rankine cycle system comprising a turbo generator for receiving a first organic fluid from a steam generator, a first condenser, and a first pump for returning a refrigerant to the steam generator in a continuous flow relationship, the generating additional energy. How to, 상기 응축기로부터 제2 유기 작동 유체를 수용하기 위한 제2 터보 발전기와, 제2 응축기와, 상기 제2 유기 작동 유체를 상기 응축기로 복귀시키기 위한 제2 펌프를 연속적 유동 관계로 구비하는 제2 유기 랭킨 사이클 시스템을 제공하는 단계를 포함하고,A second organic generator having a second turbogenerator for receiving a second organic working fluid from the condenser, a second condenser, and a second pump for returning the second organic working fluid to the condenser in a continuous flow relationship; Providing a cycle system, 상기 제1 및 제2 유기 작동 유체는 상기 제1 응축기를 통해 열교환 관계로 유동하는 추가 에너지 생성 방법.And the first and second organic working fluids flow through the first condenser in a heat exchange relationship. 제1항에 있어서, 상기 제1 유기 작동 유체는 톨루엔인 추가 에너지 생성 방법.The method of claim 1 wherein the first organic working fluid is toluene. 제1항에 있어서, 상기 제2 유기 작동 유체는 R245fa인 추가 에너지 생성 방법.The method of claim 1 wherein the second organic working fluid is R245fa. 제1항에 있어서, 상기 제1 유기 유체를 제1 응축기에서 과열저감하고 응축하는 단계를 포함하는 추가 에너지 생성 방법.The method of claim 1, comprising overheating and condensing the first organic fluid in a first condenser. 제1항에 있어서, 상기 제1 응축기와 제1 펌프 사이에 제3 응축기를 제공하는 단계를 포함하는 추가 에너지 생성 방법.The method of claim 1 including providing a third condenser between the first condenser and the first pump. 제5항에 있어서, 상기 제1 유기 유체를 제1 응축기에서 과열저감하는 단계와 상기 제1 유기 유체를 제3 응축기에서 응축하는 단계를 포함하는 추가 에너지 생성 방법.6. The method of claim 5, comprising overheating the first organic fluid in a first condenser and condensing the first organic fluid in a third condenser. 제1항에 있어서, 상기 제2 펌프와 제1 응축기 사이에 예열기를 제공하는 단계를 포함하는 추가 에너지 생성 방법.2. The method of claim 1 including providing a preheater between the second pump and the first condenser. 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체이며,Is a combination of organic Rankine cycle systems, 증기 발생기로부터 제1 유기 작동 유체를 수용하기 위한 제1 터보 발전기와, 제1 응축기와, 상기 제1 유기 작동 유체를 증기 발생기로 복귀시키는 제1 펌프를 연속적 유동 관계로 구비하는 제1 유기 랭킨 사이클 시스템과,A first organic Rankine cycle comprising a first turbogenerator for receiving a first organic working fluid from a steam generator, a first condenser and a first pump for returning the first organic working fluid to a steam generator in a continuous flow relationship System, 상기 제1 응축기로부터 제2 유기 작동 유체를 수용하기 위한 제2 터보 발전기와, 제2 응축기와, 상기 제2 유기 작동 유체를 상기 제1 응축기로 복귀시키기 위한 제2 펌프를 연속적 유동 관계로 구비하는 제2 유기 랭킨 사이클 시스템을 포함하고,A second turbogenerator for receiving a second organic working fluid from the first condenser, a second condenser, and a second pump for returning the second organic working fluid to the first condenser in a continuous flow relationship; A second organic Rankine cycle system, 상기 제1 및 제2 유기 작동 유체는 상기 제1 응축기 내에서 열교환 관계로 순환되는 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.Wherein said first and second organic working fluids are circulated in a heat exchange relationship within said first condenser. 제8항에 있어서, 상기 제1 유기 작동 유체는 톨루엔인 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.9. The combination of organic Rankine cycle system according to claim 8, wherein said first organic working fluid is toluene. 제8항에 있어서, 상기 제2 유기 작동 유체는 R245fa인 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.9. The combination of organic Rankine cycle system as recited in claim 8, wherein said second organic working fluid is R245fa. 제8항에 있어서, 상기 제1 응축기는 상기 제1 유기 작동 유체를 과열저감하고 응축하도록 작동하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.10. The combination of claim 8, wherein said first condenser operates to overheat and condense said first organic working fluid. 제8항에 있어서, 상기 제1 응축기와 제1 펌프 사이에 제3 응축기를 포함하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.The combination of claim 8 comprising a third condenser between the first condenser and the first pump. 제12항에 있어서, 상기 제1 응축기는 상기 제1 유기 작동 유체를 과열저감하도록만 적용되고, 상기 제3 응축기는 상기 제1 유기 작동 유체를 응축하도록 적용되는 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.13. The combination of claim 12, wherein the first condenser is only applied to overheat the first organic working fluid and the third condenser is adapted to condense the first organic working fluid. 제8항에 있어서, 상기 제2 펌프와 제1 응축기 사이에 예열기를 포함하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.10. The combination of claim 8, comprising a preheater between the second pump and the first condenser. 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템이며,Is a system for converting waste heat into energy, 상기 폐열과 열교환 관계에 있는 증기 발생기와, 상기 증기 발생기로부터 제1 유기 작동 유체를 수용하기 위한 제1 터보 발전기와, 제1 응축기와, 상기 제1 유기 작동 유체를 상기 증기 발생기로 복귀시키기 위한 제1 펌프를 연속적 유동 관계로 구비하는 제1 유기 랭킨 사이클 시스템과,A steam generator in heat exchange relationship with the waste heat, a first turbo generator for receiving a first organic working fluid from the steam generator, a first condenser, and a first for returning the first organic working fluid to the steam generator. A first organic Rankine cycle system having one pump in a continuous flow relationship, 상기 제1 응축기로부터 제2 유기 작동 유체를 수용하기 위한 제2 터보 발전기와, 제2 응축기와, 상기 제2 유기 작동 유체를 상기 제1 응축기로 복귀시키기 위한 제2 펌프를 연속적 유동 관계로 구비하는 제2 유기 랭킨 사이클 시스템을 포함하고,A second turbogenerator for receiving a second organic working fluid from the first condenser, a second condenser, and a second pump for returning the second organic working fluid to the first condenser in a continuous flow relationship; A second organic Rankine cycle system, 상기 제1 유기 작동 유체는 제1 응축 온도에서 상기 제1 응축기로 이동하고, 상기 응축 온도는 사실상 상기 제2 유기 작동 유체의 비등 온도보다 높은, 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템.And the first organic working fluid moves from the first condensation temperature to the first condenser, the condensation temperature being substantially above the boiling temperature of the second organic working fluid. 제15항에 있어서, 상기 제1 유기 작동 유체는 톨루엔인, 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템.The system of claim 15, wherein the first organic working fluid is toluene. 제15항에 있어서, 상기 제2 유기 작동 유체는 R245fa인, 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템.The system of claim 15, wherein the second organic working fluid is R245fa. 제15항에 있어서, 상기 제1 응축기는 상기 제1 유기 작동 유체를 과열저감하고 응축하도록 작동하는, 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템.16. The system of claim 15, wherein the first condenser operates to overheat and condense the first organic working fluid. 제15항에 있어서, 상기 제1 응축기와 제1 펌프 사이에 제3 응축기를 포함하는, 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템.The system of claim 15, comprising a third condenser between the first condenser and the first pump. 제19항에 있어서, 상기 제1 응축기는 상기 제1 유기 작동 유체를 과열저감하도록만 적용되고, 상기 제3 응축기는 상기 제1 유기 작동 유체를 응축하도록 적용되는, 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템.20. The system of claim 19, wherein the first condenser is only applied to overheat the first organic working fluid and the third condenser is applied to condense the first organic working fluid. . 제15항에 있어서, 상기 제2 펌프와 제1 응축기 사이에 예열기를 포함하는, 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템.The system of claim 15 comprising a preheater between the second pump and the first condenser. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유기 작동 유체는 상이한 종류의 유체인 추가 에너지 생성 방법.The method of claim 1, wherein the first and second organic working fluids are different kinds of fluids. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유기 작동 유체는 상이한 종류의 유체인 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.The combination of claim 8, wherein the first and second organic working fluids are different kinds of fluids.
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WO2015190823A1 (en) * 2014-06-10 2015-12-17 주식회사 엘지화학 Apparatus for recovering heat
US10302335B2 (en) 2014-06-10 2019-05-28 Lg Chem, Ltd. Heat recovery apparatus

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