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KR101289189B1 - Apparatus for converting thermal energy - Google Patents

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Publication number
KR101289189B1
KR101289189B1 KR1020120074200A KR20120074200A KR101289189B1 KR 101289189 B1 KR101289189 B1 KR 101289189B1 KR 1020120074200 A KR1020120074200 A KR 1020120074200A KR 20120074200 A KR20120074200 A KR 20120074200A KR 101289189 B1 KR101289189 B1 KR 101289189B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
working fluid
heat exchanger
lean
turbine
pressure
Prior art date
Application number
KR1020120074200A
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Korean (ko)
Inventor
조한창
오혁진
Original Assignee
재단법인 포항산업과학연구원
주식회사 포스코
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 재단법인 포항산업과학연구원, 주식회사 포스코 filed Critical 재단법인 포항산업과학연구원
Priority to KR1020120074200A priority Critical patent/KR101289189B1/en
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Abstract

PURPOSE: A thermal energy conversion apparatus capable of controlling the concentration of a working fluid is provided to form high pressure on the front end of a turbine and low pressure on the rear end of the turbine. CONSTITUTION: A thermal energy conversion apparatus comprises a first separator (160), a first heat exchanger (125), a second separator (165), a second heat exchanger (185), and a second pumping unit. The first separator receives an evaporation working fluid (213) from between an evaporator and an energy conversion unit, and separates the evaporation working fluid into a first dense fluid (214) and a second rarefied fluid (215). The first heat exchanger is located on the front end of the evaporator, where the working fluid, which passes through a working fluid before being condensed and a pumping unit, performs heat exchange. The second separator is located in between the heat exchanger and the evaporator; receives the heat exchanging working fluid; and separates the working fluid into a second dense fluid (204) and a second rarefied fluid (206). The second heat exchanger condenses the working fluid in which a second rarefied fluid and a second dense fluid are joined. The second pumping unit pumps the working fluid to have high pressure on the rear end of the second heat exchanger.

Description

열에너지를 전환하는 장치{Apparatus for Converting Thermal Energy}Apparatus for Converting Thermal Energy

본 발명은 팽창되어 재생되는 작동 유체를 사용하여 열원으로부터의 열에너지를 전환하는 장치에 대한 것으로, 구체적으로는, 2 이상의 혼합 작동 유체를 사용하여 저온의 열에너지를 전환하는 열역학 사이클로서 터빈 후단 측에서 저암모니아 농도를 가지게 함으로써, 발전 효율을 상승시키는 것이 가능한 열에너지를 전환하는 장치에 대한 것이다.
The present invention relates to a device for converting heat energy from a heat source by using a working fluid expanded and regenerated, and more specifically, a thermodynamic cycle for switching low temperature heat energy using two or more mixed working fluids, To an apparatus for converting thermal energy capable of raising power generation efficiency by having ammonia concentration.

석탄, 오일 또는 가스를 연료로 하는 화력발전은 통상적으로 물을 작동 유체로 이용한다. LNG 복합발전의 경우에도 가스터빈에서 나온 배가스가 500~600℃로 상당히 높기 때문에 그 열로 물을 스팀으로 상전환시켜 스팀 터빈을 구동시켜 발전을 하게 된다. Thermal power plants using coal, oil or gas as fuel typically use water as the working fluid. In the case of LNG combined cycle, the exhaust gas from the gas turbine is very high, 500 ~ 600 ℃, so the water is converted into steam to drive the steam turbine to generate electricity.

100~500℃로 기존의 스팀발전보다 낮은 온도의 배열원을 이용하여 발전하기 위한 중저온 배열발전기술이 점차 개발, 확대되고 있다. 낮은 온도에서 발전하기 위해서는 낮은 온도에서 끓는 점(boiling point)을 갖는 작동 유체, 즉 냉매 또는 탄화수소계 연료가 이용된다. 작동 유체의 특성 또는 시스템 구성에 따라 유기랭킨사이클 시스템(organic rankine cycle system), 카리나 사이클시스템(kalina cycle), 그리고 우에하라 사이클 시스템(uehara cycle system) 등으로 크게 구별된다. 유기랭킨사이클은 하나의 작동 유체를 이용하고 카리나와 우에하라 사이클시스템은 암모니아와 물을 혼합한 혼합물을 이용한다.The low-temperature thermal power generation technology for generating power using the heat source of lower temperature than the existing steam power generation at 100-500 ℃ is being developed and expanded. To generate power at low temperatures, a working fluid with a boiling point at low temperatures, ie refrigerants or hydrocarbon-based fuels, is used. Depending on the nature of the working fluid or the system configuration, it is classified into an organic rankine cycle system, a kalina cycle, and a uehara cycle system. The organic Rankine cycle uses one working fluid, while the Karina and Uehara cycle systems use a mixture of ammonia and water.

유기랭킨사이클은 통상의 랭킨사이클인 도 1 과 같이 증발기(40), 터빈(50), 응축기(20), 펌프(30)의 기본 요소로 구성되어 있으며, 상기 터빈(50)에는 발전기(50)가 연결되어 터빈(50)에서 변환된 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환한다. 증발기(40)는 작동 유체가 열을 받아 기체로 상변화되는 곳이고 터빈(50)은 증발기(40)와 응축기(20) 간의 압력차이를 일로 바꾸어 주는 역할을 하며, 응축기(20)는 터빈(50)에서 나온 저온 저압의 작동 유체를 액체로 상변화해주는 역할을 한다. 펌프(30)는 응축기 내 저압의 작동 유체를 증발기로 공급하기 위한 역할을 한다. The organic Rankine cycle is constituted by basic elements of an evaporator 40, a turbine 50, a condenser 20 and a pump 30 as shown in FIG. 1 which is a typical Rankine cycle. The turbine 50 is connected to a generator 50, And converts the mechanical energy converted by the turbine 50 into electric energy. The evaporator 40 is a place where the working fluid is changed into a gas by receiving heat, the turbine 50 serves to change the pressure difference between the evaporator 40 and the condenser 20 to work, the condenser 20 is a turbine ( It is a function to change the low temperature low pressure working fluid from 50) into liquid. The pump 30 serves to supply the low pressure working fluid in the condenser to the evaporator.

이 랭킨 사이클에서 저온 저압의 작동 유체(1)는 펌프(30)를 통과하며 저온 고압의 작동 유체(2)가 되며, 증발기(40)를 통과하면서 고온고압의 작동 유체(3)가 되었다가, 터빈(50)을 통과한 후 저압의 작동 유체(4)가 된 후, 응축기(20)를 거치면서 다시 저온 저압의 작동 유체(1)가 되며, 이러한 사이클을 작동 유체가 순환함으로써 유용한 에너지를 생성한다. In this Rankine cycle, the low temperature low pressure working fluid 1 passes through the pump 30 and becomes the low temperature high pressure working fluid 2, and passes through the evaporator 40 to become the high temperature high pressure working fluid 3. After passing through the turbine 50, it becomes a low pressure working fluid 4, and then passes through the condenser 20 to become a low temperature low pressure working fluid 1, which circulates the cycle to generate useful energy. do.

유기랭킨사이클이 랭킨사이클과 다른 것은 물보다 끓는 점이 낮은 유기물질을 이용하여 저온에서 증발되는 작동 유체에 있다. 유기랭킨 사이클은 작동 유체가 하나의 성분으로 구성된 유기물질이 이용된다. The difference between the organic Rankine cycle and the Rankine cycle is in working fluids that evaporate at low temperatures using organic materials that have a lower boiling point than water. The organic Rankine cycle utilizes organic materials in which the working fluid consists of one component.

한편, 카리나 사이클은 순수물질을 작동 유체로 사용하는 유기랭킨사이클과 달리 물과 암모니아가 혼합된 암모니아수를 작동 유체로 사용한다. 구체적으로는 도 2 와 같이 저온 저압의 작동 유체(1)는 펌프(30)를 통해 고압의 작동 유체(2)로 토출되며, 예열기 혹은 재생기(45)에서 예열되어 중온의 작동 유체(5)가 된다. 이후 증발기(40)를 통해 증기화되어 고온고압의 작동 유체(3)가 되며, 이 작동 유체(3)는 기액분리기(60)에 유입된다. 이곳에서 물이 많이 포함된 포화액으로 암모니아가 적은 희박류(7)와 암모니아가 주성분인 포화증기인 농후류(6)로 분리되며, 농후류(6)는 터빈(50)으로 공급되어 소모된 농후류(11)로 변환되는데, 터빈(50)은 화학에너지를 기계적 에너지로 전환하고 그 기계적 에너지는 발전기(미도시)를 통해 전기를 생산한 후 농후류(6)는 소모된 농후류(11)가 된다. On the other hand, the carina cycle uses ammonia water mixed with water and ammonia as the working fluid, unlike the organic Rankine cycle, which uses pure materials as the working fluid. Specifically, as shown in FIG. 2, the low temperature low pressure working fluid 1 is discharged into the high pressure working fluid 2 through the pump 30, and is preheated in the preheater or regenerator 45 so that the medium temperature working fluid 5 is discharged. do. It is then vaporized through the evaporator 40 to become a high-temperature, high-pressure working fluid 3, which is introduced into the gas-liquid separator 60. Here, a saturated solution containing a lot of water is separated into a lean stream (7) having low ammonia and a thick stream (6), which is saturated steam having ammonia as its main component, and the thick stream (6) is supplied to the turbine (50) and consumed. It is converted into the rich (11), the turbine 50 converts chemical energy into mechanical energy and the mechanical energy is produced through a generator (not shown) and the rich (6) is consumed rich (11) )

고온상태인 희박류(7)는 예열기 혹은 재생기(45)로 보내져 작동 유체(2)를 예열하면서 열을 회수하여 열교환된 희박류(8)가 되며, 이 열교환된 희박류(8)는 스로틀 밸브와 같은 압력 제어기(70)를 통과하면서 압력이 터빈(50) 후단의 압력까지 낮아져 저압의 희박류(9)가 된다. 저압의 희박류(9)와 소모된 농후류(11)는 흡수기(80)에서 혼합되어 작동 유체(10)가 된다. 작동 유체(10)는 응축기(11)로 공급되고 여기에 저온의 냉각수에 의해 작동 유체(10)가 응축된 상태로 작동 유체(1)가 된다.The lean stream (7) at high temperature is sent to the preheater or regenerator (45) to recover heat while preheating the working fluid (2), and the heat exchanged lean stream (8) becomes a throttle valve. As it passes through the pressure controller 70, the pressure is lowered to the pressure at the rear end of the turbine 50, resulting in a low pressure lean flow 9. The low pressure lean 9 and spent thick 11 are mixed in the absorber 80 to form the working fluid 10. The working fluid 10 is supplied to the condenser 11 and becomes the working fluid 1 in a state where the working fluid 10 is condensed by low temperature cooling water.

증발기(40)에는 고온의 열원을 갖는 가열 유체가 공급 및 배출되고, 응축기 (20)에는 냉각수가 공급 및 배출된다. 카리나 사이클은 기액분리기(60)의 레벨을 조절하면서 압력제어기(70)의 개도를 조절할 수 있다.The evaporator 40 is supplied and discharged with a heating fluid having a high temperature heat source, and the cooling water is supplied and discharged with the condenser 20. The carina cycle may adjust the opening degree of the pressure controller 70 while adjusting the level of the gas-liquid separator 60.

이러한 카리나 사이클 설계에 있어 터빈(50)에서 발전량을 늘리기 위하여는 터빈(50) 전단과 후단에서 압력차가 커야 한다. 그런데 물과 암모니아로 이루어진 작동 유체에서 암모니아는 증발온도가 낮아서, 암모니아의 농도가 높아지면 높아질수록 터빈 후단에서 압력이 높아지며, 터빈 후단에서 압력을 낮추기 위하여 낮은 암모니아 농도의 작동 유체를 사용하는 경우에는 증발기(40)에서 작동 유체의 증발량이 적어서 발전량이 적어진다는 문제가 있다.
In order to increase the amount of power generated by the turbine 50 in the design of the carina cycle, the pressure difference between the front end and the rear end of the turbine 50 must be large. However, in a working fluid consisting of water and ammonia, the ammonia has a low evaporation temperature, the higher the ammonia concentration, the higher the pressure at the downstream end of the turbine, and the lower the ammonia concentration at the downstream end of the turbine, There is a problem in that the amount of evaporation of the working fluid is small and the power generation amount is small.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 터빈 전단에서는 고압을 달성하면서도, 터빈 후단에서 저압의 달성이 가능한 열에너지를 전환하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. It is an object of the present invention to provide an apparatus for switching thermal energy capable of achieving a low pressure at the rear end of a turbine while achieving a high pressure at the front end of the turbine.

또한, 본 발명은 외부 열원 또는 냉각 유체의 온도에 따라서, 균일한 출력을 제공할 수 있도록, 작동 유체의 농도를 조절하는 것이 가능한 열에너지를 전환하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. It is also an object of the present invention to provide an apparatus for converting thermal energy capable of adjusting the concentration of the working fluid so as to provide a uniform output according to the temperature of an external heat source or cooling fluid.

또한, 본 발명은 열원으로부터의 열에너지가 낮은 비등점을 가지는 유체를 가열하는 데 사용되면서, 추가의 냉각수는 필요 없는 구조의 열에너지를 전환하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
It is also an object of the present invention to provide a device for converting thermal energy of a structure in which heat energy from a heat source is used to heat a fluid having a low boiling point, without the need for additional cooling water.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위한 것으로, 다음과 같은 열에너지를 전환하는 장치를 제공한다. The present invention is to achieve the above object, and provides an apparatus for converting the following thermal energy.

본 발명은 증발기, 에너지 전환 수단, 응축기 및 제 1 펌핑 수단이 연결되며, 2 이상의 비등점이 다른 두 유체가 혼합된 작동 유체를 사용하는 열에너지를 전환하는 장치로서, 상기 증발기와 에너지 전환 수단 사이에서 증발 작동 유체를 받아서 제 1 농후류와 제 1 희박류로 분리하는 제 1 분리기; 상기 증발기 전단에 위치되며, 응축 전의 작동 유체와 제 1 펌핑 수단을 통과한 작동 유체가 열교환하는 제 1 열교환기; 상기 열교환기와 상기 증발기 사이에 위치되어 열교환 작동 유체를 받아서 제 2 농후류와 제 2 희박류로 분리하는 제 2 분리기; 상기 제 2 희박류는 제 1 희박류와 작동 유체와 합류되거나, 상기 제 2 농후류와 합류하도록 분기되며, 상기 제 2 희박류와 제 2 농후류가 합류된 작동 유체를 응축시키는 제 2 열교환기; 및 상기 제 2 열교환기 후단에서 작동 유체를 고압으로 펌핑 시키는 제 2 펌핑 수단을 포함하며, 상기 제 2 열교환기에서는 상기 제 2 희박류와 제 2 농후류가 합류된 작동 유체가 제 1 펌핑 수단을 통과한 작동 유체와 열교환하는 열에너지를 전환하는 장치를 제공한다.The present invention is an apparatus for converting thermal energy using a working fluid in which two evaporators, energy conversion means, a condenser and a first pumping means are connected and two or more different boiling points are mixed, and evaporated between the evaporator and the energy conversion means. A first separator receiving the working fluid and separating the first thick and the first lean streams; A first heat exchanger positioned in front of the evaporator and configured to exchange heat between the working fluid before condensation and the working fluid passing through the first pumping means; A second separator positioned between the heat exchanger and the evaporator to receive a heat exchange working fluid to separate the second rich stream and the second lean stream; The second lean flow merges with the first lean flow or the working fluid or branches to join the second rich stream, and a second heat exchanger condenses the working fluid with the second lean flow and the second rich stream joined. ; And a second pumping means for pumping a working fluid to a high pressure at a rear end of the second heat exchanger, wherein in the second heat exchanger, the working fluid in which the second lean stream and the second rich stream are combined is provided with a first pumping means. Provided is a device for converting thermal energy that exchanges heat with a passing working fluid.

이때, 제 1 열교환기는 상기 제 2 희박류, 제 1 희박류 및 에너지 전환 수단을 통과한 소모 작동 유체가 합류하는 합류점과 상기 응축기 사이에 배치될 수 있다.At this time, the first heat exchanger may be disposed between the condenser and the confluence point where the second lean flow, the first lean flow and the consumable working fluid passing through the energy conversion means join.

또, 상기 제 1 분리기에서 분리된 제 1 희박류와 상기 제 2 펌핑 수단을 통과한 작동 유체가 열교환하는 제 3 열교환기를 포함할 수 있으며, 상기 제 1 펌핑 수단을 통과한 작동 유체의 일부는 상기 제 2 열교환기로 공급되며, 나머지는 제 1 열교환기로 공급될 수 있다. The first lean flow separated from the first separator may include a third heat exchanger in which the working fluid having passed through the second pumping means exchanges heat, and a part of the working fluid having passed through the first pumping means may be disposed. It may be supplied to the second heat exchanger, and the rest may be supplied to the first heat exchanger.

이때, 상기 제 1 펌핑 수단 및 제 2 열교환기를 통과하면서 승온된 작동 유체는 제 1 열교환기를 통과하기 전의 작동 유체에 합류하거나, 일부는 제 1 열교환기를 통과하기 전의 작동 유체에 합류하고, 나머지는 제 1 열교환기를 통과한 작동 유체와 합류할 수 있다.
At this time, the working fluid heated while passing through the first pumping means and the second heat exchanger joins the working fluid before passing through the first heat exchanger, or a part joins the working fluid before passing through the first heat exchanger, 1 Can join working fluid that has passed through the heat exchanger.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 터빈 전단에서는 고압을 달성하면서도, 터빈 후단에서 저압을 달성하여 고효율이 가능한 열에너지를 전환하는 장치를 제공할 수 있다. The present invention is to solve the above problems, while achieving a high pressure at the front end of the turbine, it is possible to provide a device for converting thermal energy capable of high efficiency by achieving a low pressure at the rear end of the turbine.

또한, 본 발명은 외부 열원 또는 냉각 유체의 온도에 따라서, 균일한 출력을 제공할 수 있도록, 작동 유체의 농도를 조절하는 것이 가능한 열에너지를 전환하는 장치를 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide a device for converting thermal energy capable of adjusting the concentration of the working fluid so as to provide a uniform output depending on the temperature of the external heat source or the cooling fluid.

본 발명에서 제 1 열교환기를 합류점과 응축기 사이에 두는 것은 터빈에서의 농후류와 희박류가 합류됨으로써, 제 1 열교환기에서의 유량이 풍부해서 열교환에 유리하다. In the present invention, placing the first heat exchanger between the confluence point and the condenser is advantageous for heat exchange due to the rich flow rate in the first heat exchanger due to the confluence of the rich and lean flows in the turbine.

또한, 본 발명에서는 제 2 열교환에 있어서 추가의 냉각수를 활용하지 않음으로써 냉각수량을 감소시켜 냉각수 펌프의 소모동력과 냉각탑의 규모를 줄일 수 있다.
In addition, the present invention can reduce the amount of cooling water by reducing the amount of cooling water by not using the additional cooling water in the second heat exchange and reduce the size of the cooling tower.

도 1 은 종래의 랭킨사이클의 구성도이다.
도 2 는 종래의 카리나사이클의 구성도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 열에너지를 전환하는 장치의 개략도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 열에너지를 전환하는 장치의 다른 개략도이다.
1 is a block diagram of a conventional Rankine cycle.
2 is a configuration diagram of a conventional carina cycle.
3 is a schematic diagram of an apparatus for converting heat energy according to the present invention.
4 is another schematic diagram of an apparatus for converting heat energy according to the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예에서는 물과 암모니아의 혼합물을 작동 유체로 사용하였으나, 본 발명은 비등점이 상이한 2 종 이상의 유체를 혼합하여 사용한다면, 본 발명의 작동 유체에 해당된다.
In the embodiment of the present invention, a mixture of water and ammonia is used as the working fluid, but the present invention corresponds to the working fluid of the present invention when two or more kinds of fluids having different boiling points are mixed and used.

열에너지를 전환하는 사이클에서, 터빈과 같은 에너지 전환 수단에 연결된 발전기에서 전력이 생산되게 되는데, 터빈에서는 입력측의 압력, 출력측의 압력의 차이에 의해서 발생되는 에너지량이 정해지게 되므로, 동일 열원에서 입력측의 압력을 높이거나, 출력측의 압력을 낮출 수 있다면, 사이클의 효율은 향상될 수 있다. In the cycle of converting thermal energy, electric power is produced by a generator connected to an energy conversion means such as a turbine. In the turbine, the amount of energy generated is determined by the difference between the pressure at the input side and the pressure at the output side. The efficiency of the cycle can be improved if the pressure can be increased or the pressure at the output side can be reduced.

일반적으로, 입력측의 압력은 펌프에 의해서 펌핑되는 압력으로 정해지는데, 이 압력은 증발되는 온도에 연결되어 있으므로, 중저온을 열원으로 사용하는 물과 암모니아를 작동 유체를 사용하는 사이클에서 압력을 상승시키는데 한계가 있다. 하지만, 물과 암모니아의 혼합물을 작동 유체로 사용하는 경우 암모니아의 농도가 낮아지면 동일 온도에서 더 낮은 압력에서 응축이 가능하며, 이는 터빈 후단, 출력측의 압력을 더 낮출 수 있다.In general, the pressure at the input is determined by the pressure pumped by the pump, which is connected to the evaporating temperature, so that the pressure in the cycle using water and ammonia as the heat source for the working fluid is increased. There is a limit. However, when a mixture of water and ammonia is used as the working fluid, the lower the ammonia concentration, the lower the condensation at the same temperature, the lower the pressure at the downstream and the output side of the turbine.

이렇게 터빈 후단의 압력이 낮아지더라도 터빈 전단의 압력이 변화되는 것은 아니므로, 터빈 전단과 후단의 압력 차가 커져, 터빈이 전환할 수 있는 에너지양이 증대되며, 따라서, 효율이 증대된다.
Thus, even if the pressure at the rear end of the turbine is lowered, the pressure at the front end of the turbine does not change, so that the pressure difference between the front end and the rear end of the turbine is increased, so that the amount of energy that the turbine can switch is increased, thus increasing the efficiency.

본 발명에서는 물과 암모니아를 작동 유체로 사용할 때, 물이 많은 경우에 더 낮은 압력에서 응축이 가능하므로, 분리기를 통하여 1차 가열된 작동 유체에서 물을 많이 포함하는 액상의 작동 유체의 일부 혹은 전부를 터빈 후단으로 순환시키고, 나머지는 증발기를 통해서 포화시킨 후 터빈으로 공급하여 발전시킴으로써, 터빈 후단에서의 압력을 낮추며, 그로 인하여 사이클 효율을 향상시킨다. In the present invention, when using water and ammonia as the working fluid, it is possible to condense at a lower pressure when there is a lot of water, so that some or all of the liquid working fluid containing a lot of water in the primary heated working fluid through the separator Is circulated to the rear end of the turbine, and the remainder is saturated through the evaporator and then fed to the turbine to generate power, thereby lowering the pressure at the rear end of the turbine, thereby improving cycle efficiency.

또, 펌핑을 2단계로 수행하여 1단 펌핑된 후 1차 가열시켜 물을 많이 포함하는 희박류를 터빈 후단으로 순환시키고, 나머지는 응축 후 2차 펌핑시키며, 증발기를 거쳐 터빈으로 제공한다. 증발기 후단에서 2차 분리하여, 과농류의 암모니아 기체 성분은 분리하여 터빈으로 공급하며, 액체 성분은 1차 가열의 열원으로 사용하도록 열교환기로 공급한다.
In addition, the pumping is carried out in two stages, and the first stage is pumped and then heated first to circulate a lean stream containing a lot of water to the rear stage of the turbine, and the remainder is secondary pumped after condensation, and is provided to the turbine via an evaporator. Secondarily separated after the evaporator, the overcondensed ammonia gas component is separated and fed to the turbine, and the liquid component is fed to the heat exchanger for use as a heat source for primary heating.

도 3 에는 이러한 본 발명의 열에너지를 전환하는 사이클의 구성도가 도시되어 있다. 3 is a block diagram of a cycle for converting the thermal energy of the present invention.

물과 암모니아의 혼합물인 작동 유체는 합류부(180) 이후부터 응축기(120), 제 1 열교환기(125) 를 지나 제 2 분리기(165)에 유입되기 전(201, 202, 203)까지는 동일한 농도를 가진다. The working fluid, which is a mixture of water and ammonia, is the same concentration after confluence 180 and before condenser 120, first heat exchanger 125, and before entering second separator 165 (201, 202, 203). Has

응축기(120)에서 응축된 작동 유체(201)는 펌프(130)에 의해서 고압으로 펌핑되어 고압의 작동 유체(202)를 생성한다. 고압의 작동 유체(202)는 제 1 열교환기(125)에서 1 희박류(218)와 열교환하며, 일부는 기체로 상변화하여 승온 작동 유체(203)가 된다.The working fluid 201 condensed in the condenser 120 is pumped to a high pressure by the pump 130 to produce a high pressure working fluid 202. The high pressure working fluid 202 exchanges heat with the one lean stream 218 in the first heat exchanger 125, some of which phase changes into gas to become the elevated temperature working fluid 203.

승온 작동 유체(203)는 제 2 분리기(165)에 유입되며, 제 2 분리기(165)에서 기체/액체가 분리된다. 기체측은 암모니아, 즉 저비등점의 유체의 농도가 높은 제 2 농후류(204)가 되며, 액체측은 물, 즉 고비등점의 유체의 농도가 높은 제 2 희박류(205)가 된다.The elevated temperature working fluid 203 flows into the second separator 165 where gas / liquid is separated. The gas side becomes a second thick stream 204 having a high concentration of ammonia, that is, a low boiling point fluid, and the liquid side becomes a second lean stream 205 having a high concentration of water, that is, a high boiling point fluid.

제 2 희박류(205)는 제 2 농후류(204)와 합류하는 제 2 희박류(206)와 제 1 희박류(218)와 합류하는 제 2 희박류(207)로 분기된다. 이때, 제 2 희박류(206)는 제 2 합류부(176)에서 제 2 농후류(204)와 합류하기 전에 유량 조절 밸브(174)에 의해서 합류량이 조절된다. 이는 증발기(140)로 가는 작동 유체(212)의 농도를 조절하기 위한 것으로 증발기(140)로 들어오는 고온 액체 혹은 응축기(120)로 들어오는 저온 액체의 온도에 연동하여 변경될 수 있다. The second lean stream 205 branches into a second lean stream 206 joining the second thick stream 204 and a second lean stream 207 joining the first lean stream 218. At this time, the second lean flow 206 is adjusted by the flow rate control valve 174 before the second confluence 176 joins the second rich stream 204. This is to adjust the concentration of the working fluid 212 to the evaporator 140 may be changed in conjunction with the temperature of the hot liquid entering the evaporator 140 or the low temperature liquid entering the condenser 120.

또한, 제 1 희박류(219)와 합류하는 제 2 희박류(207)는 제 2 스로틀 밸브(175)에서 저압으로 압력이 낮춰진 후(208) 합류부(180)에서 제 1 희박류(219) 및 소모 농후류(217)와 합류하게 된다. 이때, 제 2 스로틀 밸브(175)는 제 2 분리기(165)의 액면 높이를 감지하는 액체 레벨 제어기(195)에 연결되어서, 제 1 합류부(179)로 합류하는 제 2 희박류(207)의 양 역시 조절될 수 있다. In addition, the second lean flow 207 joining the first lean flow 219 is the first lean flow 219 at the confluence 180 after the pressure is lowered to low pressure at the second throttle valve 175. ) And the spent rich 217. At this time, the second throttle valve 175 is connected to the liquid level controller 195 that senses the liquid level of the second separator 165, and thus the second lean flow 207 of the second confluence 179 joining the first confluence 179. The amount can also be adjusted.

한편, 합류부(176)에서 제 2 농후류(204)와 합류한 작동 유체(209)는 증발기(140)를 통과하면서 열원 유체와 열교환하여 증발 작동 유체(213)가 된다. 증발 작동 유체(213)는 제 1 분리기(160)로 유입되며, 제 1 분리기(160)에서 제 1 농후류(214)와 제 1 희박류(215)로 분리된다. 제 1 분리기(160)는 터빈(150) 내로 액체가 유입되는 경우에, 터빈(150)이 손상되는 것을 방지하며, 합류부(176)에서 제 2 희박류(206)가 합류된 후 증발기(140)를 통과하면서도 기화되지 못한 작동 유체를 제 1 희박류(215)로 분리한다. On the other hand, the working fluid 209 joined with the second rich stream 204 in the confluence 176 passes through the evaporator 140 and exchanges heat with the heat source fluid to become the evaporating working fluid 213. Evaporative working fluid 213 flows into the first separator 160 and is separated into a first thick stream 214 and a first lean stream 215 in the first separator 160. The first separator 160 prevents the turbine 150 from being damaged when liquid is introduced into the turbine 150, and the evaporator 140 after the second lean flow 206 is joined at the confluence 176. The working fluid, which has not passed through the but not vaporized, is separated into the first lean flow 215.

제 1 분리기(160)에서 분리된 제 1 농후류(214)는 터빈(150)과 같은 에너지 전환 수단으로 공급되며, 터빈(150)에서 제 1 농후류(214)는 압력이 하강하면서, 그로 인하여 화학적 에너지가 기계적 에너지로 전환된다. 터빈(150)과 같은 에너지 전환 수단은 발전기가 연결되어, 전환된 기계적 에너지로 전기를 생산할 수 있다. 또한, 제 1 농후류(214)는 터빈(150)을 통과하면서 에너지가 소모된 소모 농후류(217)가 된다. The first enriched stream 214 separated from the first separator 160 is fed to an energy conversion means such as turbine 150, whereby the first enriched stream 214 in the turbine 150 has a pressure drop, thereby Chemical energy is converted into mechanical energy. Energy conversion means such as turbine 150 may be connected to a generator, to produce electricity from the converted mechanical energy. In addition, the first rich stream 214 becomes a spent rich stream 217 in which energy is consumed while passing through the turbine 150.

한편, 제 1 분리기(160)에서 분리된 제 1 희박류(215)는 제 1 스로틀 밸브(170)를 통과하면서 저압으로 압력이 떨어져, 저압의 제 1 희박류(218)가 된다. 이때, 제 1 스로틀 밸브(170)는 제 1 분리기(160)의 액면 높이를 감지하는 액체 레벨 제어기(190)에 연결되어서, 제 1 희박류(216)의 양을 조절할 수 있다. On the other hand, the first lean flow 215 separated from the first separator 160 drops to a low pressure while passing through the first throttle valve 170 to become the first lean flow 218 of low pressure. At this time, the first throttle valve 170 is connected to the liquid level controller 190 for detecting the liquid level of the first separator 160, thereby adjusting the amount of the first lean flow (216).

제 1 스로틀 밸브(170)를 통과한 저압의 제 1 희박류(218)는 제 1 열교환기(125)를 통과하면서 작동 유체(202)를 가열하며, 그 후에 합류부(180)에서 제 1 희박류(209) 및 소모 농후류(217)와 합류하여, 작동 유체(220)가 된다. The low pressure first lean flow 218 passing through the first throttle valve 170 heats the working fluid 202 as it passes through the first heat exchanger 125, after which the first lean at the confluence 180. Joins the stream 209 and the spent rich stream 217 to become the working fluid 220.

도 3 의 실시예에서는 제 2 분리기(165) 및 제 1 열교환기(125)를 포함하여, 상기 제 2 분리기(165)로 제 2 희박류(205) 및 제 2 농후류(204)를 분리하고, 제 2 희박류(205)와 제 2 농후류(204)의 일부(206)의 합류량을 조절하는 유량 조절 밸브(174)를 통하여, 증발기(140)로 공급되는 작동 유체의 농도를 조절할 수 있다. In the embodiment of FIG. 3, a second separator 165 and a first heat exchanger 125 are included to separate the second lean stream 205 and the second thick stream 204 with the second separator 165. The concentration of the working fluid supplied to the evaporator 140 can be adjusted through the flow control valve 174 which controls the confluence of the second lean stream 205 and the portion 206 of the second thick stream 204. have.

또한, 응축기(120) 측에서 저농도의 작동 유체를 형성하게 하여, 터빈(150) 후단에서의 압력이 낮아지게 하며, 그로 인하여 동일한 열원에 대하여 고출력을 얻을 수 있다.
In addition, by forming a low concentration of the working fluid on the condenser 120 side, the pressure at the rear end of the turbine 150 is lowered, thereby high power can be obtained for the same heat source.

도 4 에는 본 발명의 열에너지를 전환하는 사이클의 다른 구성도가 도시되어 있다. 4 is another configuration diagram of a cycle for converting thermal energy of the present invention.

물과 암모니아의 혼합물인 작동 유체는 제 3 합류부(180) 이후부터 제 1 열교환기(125), 응축기(120)를 지나 제 2 분리기(165)에 유입되기 전(201, 202, 203)까지는 동일한 농도를 가진다. The working fluid, which is a mixture of water and ammonia, from the third confluence unit 180 to the first heat exchanger 125 and the condenser 120 before being introduced into the second separator 165 (201, 202, 203). Have the same concentration.

응축기(120)에서 응축된 작동 유체(201)는 펌프(130)에 의해서 중압으로 펌핑되어 중압 작동 유체(202)를 생성한다. 중압 작동 유체(202)는 제 1 열교환기(125)에서 열교환하며, 일부는 액체로 상변화하여 승온 중압 작동 유체(203)가 된다.The working fluid 201 condensed in the condenser 120 is pumped to medium pressure by the pump 130 to produce the medium pressure working fluid 202. The medium pressure working fluid 202 heat exchanges in the first heat exchanger 125, and partly phase changes into a liquid to become the elevated pressure medium working fluid 203.

중압 작동 유체(202)는 일부는 제 2 열교환기(185)에서 작동 유체(209)를 냉각시키도록 분기된다(222). 분기된 중압 작동 유체(222)는 제 2 열교환기(185)를 통과하면서 승온되며, 온도에 따라서 일부는 승온 중압 작동 유체(203)과 합류하며, 다른 일부(224)는 다시 중압 작동 유체(202)에 합류한다.The medium pressure working fluid 202 is partially branched 222 to cool the working fluid 209 in the second heat exchanger 185. The branched medium pressure working fluid 222 is elevated while passing through the second heat exchanger 185, depending on the temperature, partly joins the elevated medium pressure working fluid 203, and the other part 224 again is the medium pressure working fluid 202. To join).

승온 중압 작동 유체(203)는 제 2 분리기(165)에 유입되며, 제 2 분리기(165)에서 기체/액체가 분리된다. 기체측은 암모니아, 즉 저비등점의 유체의 농도가 높은 제 2 농후류(204)가 되며, 액체측은 물, 즉 고비등점의 유체의 농도가 높은 제 2 희박류(205)가 된다.The elevated pressure medium working fluid 203 flows into the second separator 165, and gas / liquid is separated from the second separator 165. The gas side becomes a second thick stream 204 having a high concentration of ammonia, that is, a low boiling point fluid, and the liquid side becomes a second lean stream 205 having a high concentration of water, that is, a high boiling point fluid.

제 2 희박류(205)는 제 2 농후류(204)와 합류하는 제 2 희박류(206)와 제 1 희박류(218)와 합류하는 제 2 희박류(207)로 분기 된다. 이때, 제 2 희박류(206)는 제 2 합류부(176)에서 제 2 농후류(204)와 합류하기 전에 유량 조절 밸브(174)에 의해서 합류량이 조절된다. 이는 증발기(140)로 가는 작동 유체(212)의 농도를 조절하기 위한 것으로 증발기(140)로 들어오는 고온 액체 혹은 응축기(120)로 들어오는 저온 액체의 온도에 연동하여 변경될 수 있다. The second lean 205 branches into the second lean 206 joining the second thick stream 204 and the second lean 207 joining the first lean stream 218. At this time, the second lean flow 206 is adjusted by the flow rate control valve 174 before the second confluence 176 joins the second rich stream 204. This is to adjust the concentration of the working fluid 212 to the evaporator 140 may be changed in conjunction with the temperature of the hot liquid entering the evaporator 140 or the low temperature liquid entering the condenser 120.

또한, 제 1 희박류(218)와 합류하는 제 2 희박류(207)는 제 2 스로틀 밸브(175)에서 저압으로 압력이 낮춰진 후(208) 제 1 합류부(179)에서 제 1 희박류(218)와 합류하게 된다. 이때, 제 2 스로틀 밸브(175)는 제 2 분리기(165)의 액면 높이를 감지하는 액체 레벨 제어기(195)에 연결되어서, 제 1 합류부(179)로 합류하는 제 2 희박류(207)의 양 역시 조절될 수 있다. In addition, the second lean flow 207 joining the first lean flow 218 is the first lean flow at the first confluence 179 after the pressure is lowered to low pressure at the second throttle valve 175. Join (218). At this time, the second throttle valve 175 is connected to the liquid level controller 195 that senses the liquid level of the second separator 165, and thus the second lean flow 207 of the second confluence 179 joining the first confluence 179. The amount can also be adjusted.

한편, 제 2 합류부(176)에서 제 2 농후류(204)와 합류한 작동 유체(209)는 고압으로 펌핑되기 전에 제 2 열교환기(185)를 통과하면서, 액체로 모두 상변화된다. 이는 기체와 액체가 혼재된 경우에 가압이 곤란할 수 있기 때문이나, 기액 혼합 펌핑이 가능한 펌프를 사용한다면, 제 2 열교환기(185)를 사용하지 않을 수 있다. 제 2 열교환기(185)는 저온 유체가 사용될 수 있으며, 불필요한 부하를 막기 위하여 응축기(120)를 통과한 저온 유체를 재활용하거나, 제 1 열교환기(125)를 통과하기 전의 중압 작동 유체(202)와 열교환하는 것도 가능하다.On the other hand, the working fluid 209 joined with the second rich stream 204 at the second confluence 176 passes through the second heat exchanger 185 before being pumped to a high pressure, and is all phase-changed into liquid. This is because pressurization may be difficult when gas and liquid are mixed, but if a pump capable of gas-liquid mixing pumping is used, the second heat exchanger 185 may not be used. The low temperature fluid may be used for the second heat exchanger 185, and the medium pressure working fluid 202 before recycling the low temperature fluid passed through the condenser 120 or passing the first heat exchanger 125 to prevent unnecessary load. It is also possible to heat exchange with.

이렇게 제 2 열교환기(185)를 통과하면서 모두 액체로 된 액상 작동 유체(210)는 추가 펌핑 수단인 펌프(135)에 의해서 원하는 고압으로 가압 되어 고압 작동 유체(211)가 된다. 고압 작동 유체(211)는 제 3 열교환기(145)에서 제 1 희박류(215)와 열교환하면서 예열되어, 승온 고압 작동 유체(212)가 된다. Thus, the liquid working fluid 210, which is all liquid while passing through the second heat exchanger 185, is pressurized to a desired high pressure by the pump 135, which is an additional pumping means, to become a high pressure working fluid 211. The high pressure working fluid 211 is preheated while exchanging heat with the first lean flow 215 in the third heat exchanger 145 to become the elevated high pressure working fluid 212.

승온 고압 작동 유체(212)는 증발기(140)를 통과하면서 열원 유체와 열교환하여 증발 작동 유체(213)가 된다. 증발 작동 유체는 전체가 증발될 수도 있지만, 중온의 열원을 사용하는 경우에 일부의 액체가 증발하지 않을 수 있으며, 특히 폐열원을 사용하는 경우에, 열원에서 제공하는 열량이 일정하지 않을 수 있다(온도의 변화 혹은 열원 유량의 변화).The elevated temperature high pressure working fluid 212 exchanges heat with the heat source fluid while passing through the evaporator 140 to become the evaporating working fluid 213. The evaporating working fluid may evaporate entirely, but some liquids may not evaporate when using a medium temperature heat source, and in particular when using a waste heat source, the amount of heat provided by the heat source may not be constant ( Change in temperature or change in heat source flow rate).

증발 작동 유체(213)는 제 1 분리기(160)로 유입되며, 제 1 분리기(160)에서 제 1 농후류(214)와 제 1 희박류(215)로 분리된다. 제 1 분리기(160)의 경우에 증발기(140)에서 모든 액체가 증발되는 경우에 불필요할 수 있으나, 상술한 바와 같이 중저온 발전에서 폐열원은 제공하는 열량이 일정하지 않을 수 있으며, 열량이 부족하여 일부의 액체가 있고, 이러한 일부의 액체를 포함한 작동 체가 터빈(150)으로 유입되는 경우에 터빈(150)의 블레이드에 심각한 손상을 줄 수 있기에, 제 1 분리기(160)를 포함하는 것이 바람직하다. Evaporative working fluid 213 flows into the first separator 160 and is separated into a first thick stream 214 and a first lean stream 215 in the first separator 160. In the case of the first separator 160, it may be unnecessary when all liquids are evaporated in the evaporator 140, but as described above, in the low-temperature power generation, the amount of heat provided by the waste heat source may not be constant, and the amount of heat is insufficient. It is preferable to include the first separator 160 because there is a part of the liquid, and the actuator including the part of the liquid may seriously damage the blade of the turbine 150 when it is introduced into the turbine 150. .

한편, 제 1 분리기(160)에서 분리된 제 1 농후류(214)는 터빈(150)과 같은 에너지 전환 수단으로 공급되며, 터빈(150)에서 제 1 농후류(214)는 압력이 하강하면서, 그로 인하여 화학적 에너지가 기계적 에너지로 전환된다. 터빈(150)과 같은 에너지 전환 수단은 발전기가 연결되어, 전환된 기계적 에너지로 전기를 생산할 수 있다. 또한, 제 1 농후류(214)는 터빈(150)을 통과하면서 에너지가 소모된 소모 농후류(217)가 된다. On the other hand, the first rich stream 214 separated from the first separator 160 is supplied to an energy conversion means such as the turbine 150, the first rich stream 214 in the turbine 150 is a pressure drop, This converts chemical energy into mechanical energy. Energy conversion means such as turbine 150 may be connected to a generator, to produce electricity from the converted mechanical energy. In addition, the first rich stream 214 becomes a spent rich stream 217 in which energy is consumed while passing through the turbine 150.

다르게, 제 1 분리기(160)에서 분리된 제 1 희박류(215)는 제 3 열교환기(145)를 통과하면서, 고압 작동 유체(211)를 승온시키며, 온도가 하강한 제 1 희박류(216)가 된다. 이러한 제 1 희박류(216)는 제 1 스로틀 밸브(170)를 통과하면서 저압으로 압력이 떨어져, 저압의 제 1 희박류(218)가 된다. 이때, 제 1 스로틀 밸브(170)는 제 1 분리기(160)의 액면 높이를 감지하는 액체 레벨 제어기(190)에 연결되어서, 제 1 희박류(216)의 양을 조절할 수 있다. Alternatively, the first lean stream 215 separated from the first separator 160 may heat up the high-pressure working fluid 211 while passing through the third heat exchanger 145 and the first lean stream 216 having a lower temperature. ) The first lean flow 216 drops to a low pressure while passing through the first throttle valve 170 to become the first lean flow 218 of low pressure. At this time, the first throttle valve 170 is connected to the liquid level controller 190 for detecting the liquid level of the first separator 160, thereby adjusting the amount of the first lean flow (216).

제 1 스로틀 밸브(170)를 통과한 저압의 제 1 희박류(218)는 제 1 합류부(179)에서 제 2 희박류(208)와 합류하여, 희박류(219)가 된다. 이 희박류(219)는 제 3 합류부(180)에서 소모 농후류(217)와 합류하여, 작동 유체(220)가 된다. The low pressure first lean flow 218 passing through the first throttle valve 170 joins the second lean flow 208 at the first confluence portion 179 to become a lean flow 219. The lean flow 219 joins the spent rich stream 217 in the third confluence portion 180 to become the working fluid 220.

본 실시예에서 제 1 합류부(179)와 제 3 합류부(180)는 다른 지점으로 표시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 한 지점, 예를 들어 제 3 합류부(180)에서 제 1 희박류(219), 제 2 희박류(208) 및 소모 농후류(217)가 함께 만나더라도 무방하다. In the present exemplary embodiment, the first confluence unit 179 and the third confluence unit 180 are represented by different points, but the present invention is not limited thereto. 219, the second lean stream 208 and the spent rich stream 217 may meet together.

작동 유체(220)는 제 1 열교환기(125)에서 중압 작동 유체(202)와 열교환하여, 온도가 떨어진 작동 유체(221)가 된다. 제 1 열교환기를 합류점과 응축기 사이에 두는 것은 터빈에서의 농후류와 희박류가 합류되면 그 온도는 다소 낮아질 수도 있으나 유량이 풍부해지기 때문이며, 유량이 풍부해짐으로써, 제 1 열교환기(125)에서 열교환이 충분히 일어날 수 있게 된다. 제 1 열교환기(125)에서 열교환이 잘 됨으로써, 제 2 분리기(165)의 제 2 농후류(204)의 양이 증대되어, 암모니아의 농도가 낮은 제 2 희박류(205)를 제 1 희박류(218)과 합류시킬 수 있다. 한편, 제 1 열교환기(125)를 통과한 작동 유체(221)는 응축기(120)를 통과하여 작동 유체(201)가 되며 1 사이클을 완료하게 된다. 이후에는 상술한 사이클을 지속적으로 완료하게 된다. The working fluid 220 exchanges heat with the medium pressure working fluid 202 in the first heat exchanger 125 to become a working fluid 221 whose temperature has fallen. Placing the first heat exchanger between the confluence point and the condenser is because when the rich and lean flows in the turbine are combined, the temperature may be somewhat lower, but the flow rate is abundant. It is possible for heat exchange to occur sufficiently. As the heat exchange is performed well in the first heat exchanger 125, the amount of the second rich stream 204 of the second separator 165 is increased, so that the second lean stream 205 having low concentration of ammonia is first lean stream. 218 may be joined. Meanwhile, the working fluid 221 passing through the first heat exchanger 125 passes through the condenser 120 to become the working fluid 201 and completes one cycle. After that, the cycle described above is continuously completed.

본 발명에서는 작동 유체(201)를 중압으로 가압한 후 제 1 열교환기(125)를 통과시킨 후 제 2 분리기(165)를 통과시켜 제 2 희박류(205)와 제 2 농후류(204)로 분리시킨다. 이렇게 하는 것은 터빈(150) 혹은 제 3 열교환기(145)를 통과한 작동 유체(220)의 열에너지로 중압 작동 유체(202)를 가열 후 분리함으로써, 제 2 농후류(204) 혹은 제 2 농후류(204)에 일부의 제 2 희박류(206)를 혼합시킨 고농도의 작동 유체(209)를 만들 수 있을 뿐만 아니라, 응축기(120)에서 상대적으로 저농도의 작동 유체(221)를 유지하는 것이 가능하다.In the present invention, the working fluid 201 is pressurized to medium pressure and then passed through the first heat exchanger 125 and then passed through the second separator 165 to the second lean stream 205 and the second thick stream 204. Isolate. This is accomplished by separating and separating the medium pressure working fluid 202 with the thermal energy of the working fluid 220 passing through the turbine 150 or the third heat exchanger 145, thereby separating the second rich stream 204 or the second rich stream. Not only can a high concentration of the working fluid 209 be mixed with some of the second lean 206 in 204, but it is also possible to maintain a relatively low concentration of the working fluid 221 in the condenser 120. .

이렇게, 응축기(120)에서 저농도의 작동 유체(221)를 만드는 것은 응축기(120)에서의 압력을 낮게 하는 것이며, 이는 터빈(150)의 전단과 후단의 압력 차이를 크게 하는 것이다. 터빈(150)에서 전단과 후단의 압력차이가 크면 클수록 터빈(150)은 더 많은 일을 하게 되므로, 더 많은 양의 발전이 가능하다. 이는 터빈(150) 전단의 압력과 온도가 동일할 때, 터빈(150)은 등엔트로피 과정을 거치므로, 압력 하랑 폭에 따라서 비례적으로 출력 개선이 이루어지기 때문이다.Thus, making a low concentration of the working fluid 221 in the condenser 120 is to lower the pressure in the condenser 120, which is to increase the pressure difference between the front end and the rear end of the turbine 150. The larger the pressure difference between the front end and the rear end of the turbine 150, the more the turbine 150 is to do more work, a greater amount of power generation is possible. This is because when the pressure and temperature of the front end of the turbine 150 are the same, the turbine 150 undergoes an isentropic process, and thus the output is proportionally improved according to the pressure drop width.

예를 들어, 50% 암모니아 농도에서 32℃ 때 3.8bar의 압력이 걸리게 되는데, 암모니아의 농도가 70% 정도가 되는 경우에 3.8 bar를 만들기 위하여는 온도를 8℃까지 낮춰야 한다. 만일 암모니아의 농도가 70% 정도일 때, 32℃로 응축된다면 8.1bar 의 압력이 걸리게 된다. For example, a pressure of 3.8 bar is applied at 32 ° C at 50% ammonia concentration. When the concentration of ammonia is about 70%, the temperature must be lowered to 8 ° C to produce 3.8 bar. If the concentration of ammonia is around 70%, if it is condensed at 32 ° C, a pressure of 8.1 bar is applied.

만일 터빈(150) 전단의 제 1 농후류(214)의 온도가 142℃이며, 압력이 30bar인 경우에, 터빈(150) 후단 압력이 8.1bar인 경우에는 10.21% 정도의 효율이 얻어지나, 터빈(150) 전단의 제 1 농후류(214)의 온도/압력이 동일할 때, 터빈(150) 후단 압력이 3.8bar 인 경우에는 15.49%로 효율이 상승할 수 있다. If the temperature of the first rich stream 214 in front of the turbine 150 is 142 ° C. and the pressure is 30 bar, the efficiency of about 10.21% is obtained when the pressure in the rear end of the turbine 150 is 8.1 bar. When the temperature / pressure of the first thick stream 214 at the front end is the same, the efficiency may increase to 15.49% when the rear end pressure of the turbine 150 is 3.8 bar.

제 2 열교환기에서는 저온의 냉각수를 활용하지 않고 작동 유체(223)를 사용해도 작동유체(210)을 충분히 응축을 시킬 수 있다. 왜냐하면 작동유체(210)의 암모니아 농도가 80%라면 12bar에서 40oC에서 응축되고 16bar에서는 50oC에서 완전 응축된다. 즉 작동유체(223)의 온도가 30oC 수준이라면 충분히 냉각시킬 수 있다. 그러므로 펌프(130)은 요구 온도에 맞게 펌프 승압기준을 선정하면 된다. 냉각수를 활용하지 않음으로써 냉각수량을 감소시켜 냉각수 펌프의 소모동력과 냉각탑의 규모를 줄일 수 있는 이점이 있다.In the second heat exchanger, the working fluid 210 can be sufficiently condensed even when the working fluid 223 is used without utilizing low temperature cooling water. Because if the ammonia concentration of the working fluid 210 is 80%, it condenses at 40 o C at 12 bar and fully condensed at 50 o C at 16 bar. That is, if the temperature of the working fluid 223 is 30 ° C level can be sufficiently cooled. Therefore, the pump 130 may select the pump boosting standard according to the required temperature. By not using the cooling water has the advantage of reducing the amount of cooling water by reducing the amount of cooling water pump and cooling tower size.

터빈(150) 후단의 압력은 응축기(120)를 통과한 작동 유체의 압력이 좌우하게 되므로, 응축기(120)를 통과하여 온도가 떨어진 작동 유체의 농도가 50%인 경우에는 3.8bar의 압력이 터빈(150) 후단에 걸리게 되며, 작동 응축기(120)를 통과하여 온도가 떨어진 작동 유체의 농도가 70%인 경우 터빈(150) 후단에 8.1bar가 걸리게 된다(응축기를 통과한 작동 유체의 온도는 32℃로 가정함).Since the pressure at the rear end of the turbine 150 is dependent on the pressure of the working fluid passing through the condenser 120, when the concentration of the working fluid passing through the condenser 120 and the temperature is 50% is 50%, the pressure of the turbine is 3.8 bar. If the concentration of the working fluid is 70% is passed through the working condenser 120, the temperature is lowered to 8.1bar on the rear end of the turbine 150 (the temperature of the working fluid passing through the condenser is 32). In degrees Celsius).

따라서, 응축기(120)를 통과한 작동 유체의 농도를 낮게 함으로써, 고효율의 달성이 가능하며, 이를 위하여, 응축기(120)를 통과한 작동 유체에서 저비등점 유체의 농도는 50%미만인 것이 바람직하다.
Therefore, by lowering the concentration of the working fluid passed through the condenser 120, high efficiency can be achieved. For this purpose, the concentration of the low boiling point fluid in the working fluid passed through the condenser 120 is preferably less than 50%.

또, 본 발명에서는 압력을 중압/고압으로 구분하였으며, 중압에서는 저온에서도 암모니아가 증발될 수 있으므로, 증발기(140)가 아닌 제 1 열교환기(125)에서의 열교환으로도 증발이 가능하며, 제 2 분리기(165)를 통과시킴으로써, 고농도의 작동 유체를 증발기(140)로 제공할 수 있다. 또한, 작동 유체(201)의 농도가 낮더라도 증발기(140) 및 터빈(150)으로 유입되는 작동 유체의 농도는 높을 수 있다. In addition, in the present invention, the pressure is divided into medium pressure / high pressure, and since the ammonia may be evaporated even at a low temperature at medium pressure, it is possible to evaporate even by heat exchange in the first heat exchanger 125 instead of the evaporator 140, and the second pressure. By passing through separator 165, a high concentration of working fluid can be provided to evaporator 140. In addition, even when the concentration of the working fluid 201 is low, the concentration of the working fluid flowing into the evaporator 140 and the turbine 150 may be high.

제 2 합류부(176)에서 중농도의 암모니아 작동 유체는 암모니아 농도 90% 수준이며, 이때 제 2 열교환기(185) 의 온도와 압력은 38oC이하, 15bar 이상인 것이 사이클의 효율상 바람직하다. 즉 펌프(130)는 15bar 수준으로 승압이 되어야 하고 제 2 열교환기(185)에서는 38oC 이하로 저암모니아 농도의 작동 유체(209)를 이용하여 냉각시켜야 한다.
The medium concentration of the ammonia working fluid in the second confluence portion 176 is 90% ammonia concentration, wherein the temperature and pressure of the second heat exchanger 185 is 38 o C or less, 15 bar or more is preferable for the efficiency of the cycle. That is, the pump 130 should be boosted to 15 bar level and cooled in the second heat exchanger 185 using a low ammonia concentration working fluid 209 below 38 ° C.

또한, 본 발명에서는 증발기(140)로 유입되는 열원 유체의 온도 및 유체량과, 냉각 유체의 온도에 따라서, 작동 유체에서 암모니아 농도를 조절할 수 있으며, 그로 인하여, 외적 요인에 의해서 사이클에 문제가 발생하거나, 효율의 변화가 최소화될 수 있다. In addition, according to the present invention, the ammonia concentration in the working fluid can be adjusted according to the temperature and fluid amount of the heat source fluid flowing into the evaporator 140, and the temperature of the cooling fluid, thereby causing a cycle problem due to external factors. Alternatively, changes in efficiency can be minimized.

즉, 외부 열원의 온도가 낮은 경우에는 유량 조절 밸브(174)를 닫아서 암모니아의 농도를 높게 하고, 외부 열원의 온도가 높은 경우에는 유량 조절 밸브(174)를 개방하여, 제 2 희박류(206)와 제 2 농후류(204)를 혼합시켜 공급하여 암모니아의 농도를 낮게 하면 출력을 상향시켜 발전 출력 안정화에 유리하다.
That is, when the temperature of the external heat source is low, the flow rate control valve 174 is closed to increase the concentration of ammonia, and when the temperature of the external heat source is high, the flow rate control valve 174 is opened to open the second lean flow 206. When the second rich stream 204 is mixed and supplied to lower the concentration of ammonia, the output is increased, which is advantageous for stabilizing the power generation output.

이상에서는 본 발명의 구체적 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명은 d에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 가능함은 물론이다. Although the above has been described with reference to specific embodiments of the present invention, the present invention is not limited to d, but can be modified in various forms.

예를 들어, 물과 암모니아가 아닌 다른 2 유체 혹은 3 유체를 작동 유체로 사용할 수 있으며, 제 3 열교환기(145)의 위치도 제 1 희박류(215)의 에너지를 재생하는 관점에서는 다양한 위치에 배치될 수 있다. For example, two or three fluids other than water and ammonia may be used as the working fluid, and the position of the third heat exchanger 145 may be located at various positions in view of regenerating the energy of the first lean stream 215. Can be deployed.

마찬가지로, 제 1 열교환기(125) 역시 증발기(140) 전에서 작동 유체의 농도를 조절할 수 있다면, 재생열 혹은 증발기를 통과하여 버려지는 열원과 열교환하는 것으로 구성될 수 있다.
Similarly, the first heat exchanger 125 may also be configured to exchange heat with a heat source that is discarded through regeneration heat or the evaporator if it is possible to adjust the concentration of the working fluid before the evaporator 140.

120: 응축기 125: 제 1 열교환기
130, 135: 펌프 140: 증발기
145: 제 3 열교환기 150: 터빈
160: 제 1 분리기 165: 제 2 분리기
170: 제 1 스로틀 밸브 174: 유량 조절 밸브
175: 제 2 스로틀 밸브 176: 제 2 합류부
179: 제 1 합류부 180: 제 3 합류부
190: 제 1 액체 레벨 제어기 195: 제 2 액체 레벨 제어기
120: condenser 125: first heat exchanger
130, 135: Pump 140: Evaporator
145: third heat exchanger 150: turbine
160: first separator 165: second separator
170: first throttle valve 174: flow control valve
175: second throttle valve 176: second confluence
179: first joining unit 180: third joining unit
190: first liquid level controller 195: second liquid level controller

Claims (6)

증발기, 에너지 전환 수단, 응축기 및 제 1 펌핑 수단이 연결되며, 2 이상의 비등점이 다른 두 유체가 혼합된 작동 유체를 사용하는 열에너지를 전환하는 장치로서,
상기 증발기와 에너지 전환 수단 사이에서 증발 작동 유체를 받아서 제 1 농후류와 제 1 희박류로 분리하는 제 1 분리기;
상기 증발기 전단에 위치되며, 응축 전의 작동 유체와 제 1 펌핑 수단을 통과한 작동 유체가 열교환하는 제 1 열교환기;
상기 열교환기와 상기 증발기 사이에 위치되어 열교환 작동 유체를 받아서 제 2 농후류와 제 2 희박류로 분리하는 제 2 분리기; 상기 제 2 희박류는 제 1 희박류와 작동 유체와 합류되거나, 상기 제 2 농후류와 합류하도록 분기되며,
상기 제 2 희박류와 제 2 농후류가 합류된 작동 유체를 응축시키는 제 2 열교환기; 및
상기 제 2 열교환기 후단에서 작동 유체를 고압으로 펌핑 시키는 제 2 펌핑 수단을 포함하며,
상기 제 2 열교환기에서는 상기 제 2 희박류와 제 2 농후류가 합류된 작동 유체가 제 1 펌핑 수단을 통과한 작동 유체와 열교환하는 열에너지를 전환하는 장치.
An apparatus for converting thermal energy using a working fluid mixed with two fluids having two or more boiling points connected to an evaporator, an energy conversion means, a condenser and a first pumping means,
A first separator for receiving an evaporative working fluid between the evaporator and the energy conversion means and separating the evaporated working fluid into a first enriched stream and a first diluent;
A first heat exchanger positioned in front of the evaporator and configured to exchange heat between the working fluid before condensation and the working fluid passing through the first pumping means;
A second separator positioned between the heat exchanger and the evaporator to receive a heat exchange working fluid to separate the second rich stream and the second lean stream; The second lean is branched to join the first lean and the working fluid or to join the second rich stream,
A second heat exchanger for condensing the working fluid in which the second diluent and the second rich stream are combined; And
A second pumping means for pumping a working fluid to a high pressure at a rear end of the second heat exchanger,
And wherein in the second heat exchanger, a working fluid in which the second lean stream and the second rich stream are joined converts thermal energy to exchange heat with the working fluid passed through the first pumping means.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 열교환기는 상기 제 2 희박류, 제 1 희박류 및 에너지 전환 수단을 통과한 소모 작동 유체가 합류하는 합류점과 상기 응축기 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
The method of claim 1,
And the first heat exchanger is disposed between the condenser and the confluence point at which the second lean flow, the first lean flow and the spent working fluid passing through the energy conversion means join.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 분리기에서 분리된 제 1 희박류와 상기 제 2 펌핑 수단을 통과한 작동 유체가 열교환하는 제 3 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
3. The method according to claim 1 or 2,
And a third heat exchanger for heat exchange between the first lean flow separated from the first separator and the working fluid passing through the second pumping means.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 펌핑 수단을 통과한 작동 유체의 일부는 상기 제 2 열교환기로 공급되며, 나머지는 제 1 열교환기로 공급되는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
3. The method according to claim 1 or 2,
A portion of the working fluid passing through the first pumping means is supplied to the second heat exchanger and the remainder is supplied to the first heat exchanger.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 펌핑 수단 및 제 2 열교환기를 통과하면서 승온된 작동 유체는 제 1 열교환기를 통과하기 전의 작동 유체에 합류하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
5. The method of claim 4,
And the working fluid heated while passing through the first pumping means and the second heat exchanger joins the working fluid before passing through the first heat exchanger.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 펌핑 수단 및 제 2 열교환기를 통과하면서 승온된 작동 유체의 일부는 제 1 열교환기를 통과하기 전의 작동 유체에 합류하고, 나머지는 제 1 열교환기를 통과한 작동 유체와 합류하는 것을 특징으로 하는 열에너지를 전환하는 장치.
5. The method of claim 4,
A portion of the working fluid heated up while passing through the first pumping means and the second heat exchanger joins the working fluid before passing through the first heat exchanger, and the remaining part joins the working fluid passed through the first heat exchanger. Device to switch.
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