KR20070116106A - 폐열을 이용하기 위한 캐스케이드식 유기 랭킨 사이클 - Google Patents

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.

유기 랭킨 사이클 시스템, 유기 작동 유체, 공통 열교환기, 톨루엔, R245fa

Description

폐열을 이용하기 위한 캐스케이드식 유기 랭킨 사이클 {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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 제1 ORC 시스템의 작동 유체를 과열저감하고 응축하기 위해 단일의 공통 열교환기가 사용될 수 있다.

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.

본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 폐열을 사용하는 예열기는 제2 ORC 시스템 내의 작동 유체를 그것이 공통 열교환기로 진입하기 전에 가열하도록 제공된다.

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.

도1은 종래 기술에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템의 개략도이다.

도2는 상기 유기 랭킨 사이클 시스템의 TS 선도이다.

도3은 본 발명에 따라 결합된 한 쌍의 유기 랭킨 사이클 시스템의 개략도이다.

도4는 상기 유기 랭킨 사이클 시스템의 TS 선도이다.

도5는 본 발명의 대체 실시예이다.

도6은 상기 실시예의 TS 선도이다.

도7은 본 발명의 또 다른 대체 실시예이다.

도8은 상기 실시예의 TS 선도이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

비록 도5의 실시예가 2개의 상이한 냉매를 사용하여 설명되었지만, 동일한 냉매가 2개의 회로에서 사용될 수도 있다는 것을 알아야 한다.

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.

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.

Claims (23)

1. 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,

   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,

   상기 제1 및 제2 유기 작동 유체는 상기 제1 응축기를 통해 열교환 관계로 유동하는 추가 에너지 생성 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 유기 작동 유체는 톨루엔인 추가 에너지 생성 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2 유기 작동 유체는 R245fa인 추가 에너지 생성 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 유기 유체를 제1 응축기에서 과열저감하고 응축하는 단계를 포함하는 추가 에너지 생성 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 응축기와 제1 펌프 사이에 제3 응축기를 제공하는 단계를 포함하는 추가 에너지 생성 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 유기 유체를 제1 응축기에서 과열저감하는 단계와 상기 제1 유기 유체를 제3 응축기에서 응축하는 단계를 포함하는 추가 에너지 생성 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 제2 펌프와 제1 응축기 사이에 예열기를 제공하는 단계를 포함하는 추가 에너지 생성 방법.
8. 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체이며,

   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,

   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,

   상기 제1 및 제2 유기 작동 유체는 상기 제1 응축기 내에서 열교환 관계로 순환되는 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.
9. 제8항에 있어서, 상기 제1 유기 작동 유체는 톨루엔인 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.
10. 제8항에 있어서, 상기 제2 유기 작동 유체는 R245fa인 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.
11. 제8항에 있어서, 상기 제1 응축기는 상기 제1 유기 작동 유체를 과열저감하고 응축하도록 작동하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.
12. 제8항에 있어서, 상기 제1 응축기와 제1 펌프 사이에 제3 응축기를 포함하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.
13. 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.
14. 제8항에 있어서, 상기 제2 펌프와 제1 응축기 사이에 예열기를 포함하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.
15. 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템이며,

    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,

    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,

    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.
16. 제15항에 있어서, 상기 제1 유기 작동 유체는 톨루엔인, 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템.
17. 제15항에 있어서, 상기 제2 유기 작동 유체는 R245fa인, 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템.
18. 제15항에 있어서, 상기 제1 응축기는 상기 제1 유기 작동 유체를 과열저감하고 응축하도록 작동하는, 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템.
19. 제15항에 있어서, 상기 제1 응축기와 제1 펌프 사이에 제3 응축기를 포함하는, 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템.
20. 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.
21. 제15항에 있어서, 상기 제2 펌프와 제1 응축기 사이에 예열기를 포함하는, 폐열을 에너지로 전환하기 위한 시스템.
22. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유기 작동 유체는 상이한 종류의 유체인 추가 에너지 생성 방법.
23. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유기 작동 유체는 상이한 종류의 유체인 유기 랭킨 사이클 시스템의 조합체.

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