KR20050056941A - Cascading closed loop cycle power generation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 에너지를 발생시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 종래의 발전 시스템과 협동하여 사용될 수 있는 특정 장치 및 유체를 사용하는 캐스케이딩 폐루프 사이클(Cascading Closed Loop Cycle)의 사용에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and a method for generating energy. In particular, the present invention relates to the use of a Cascading Closed Loop Cycle using certain devices and fluids that can be used in conjunction with conventional power generation systems.
전기를 발생시키는데 사용되는 주 공정은 화석 연료를 연소시켜 공기를 가열하는 것이다. 그 후, 이 고온 공기, 즉 열 에너지는 보일러에서 액체 발전 매체(전형적으로, 물)를 가열하여 발전기를 구동시키는 증기 터빈에 걸쳐서 팽창되는 가스(증기)를 발생시킨다. 열 에너지 측정 단위는 BTU(British Thermal Unit)이다. 이 방식으로 전기를 발생시키기 위하여 공기 및/또는 물을 가열하는데 사용되는 에너지의 다른 소스는: 핵반응으로부터의 열; 가스 터빈의 배기가스(exhaust)로부터의 열; 소각로에서 쓰레기 또는 이외 다른 연소가능한 재료의 연소로부터의 열을 포함한다. The main process used to generate electricity is to burn fossil fuels to heat air. This hot air, ie thermal energy, then heats the liquid power generation medium (typically water) in the boiler to produce a gas (steam) that expands over the steam turbine driving the generator. The unit of thermal energy measurement is the British Thermal Unit (BTU). Other sources of energy used to heat air and / or water to generate electricity in this manner include: heat from nuclear reactions; Heat from exhaust of the gas turbine; It includes heat from the combustion of waste or other combustible materials in an incinerator.
전력을 발생시키는데 사용되는 증기 터빈 시스템은 일반적으로, 보일러 또는 열 교환기에서 가압수를 증발시키며; 전력이 발생시에 압력 레벨이 감소되는 증기 터빈에서 팽창시키며; 응축기 또는 냉각기에서 다시 물로 응축시키고; 압력에 의해 다시 펌핑하여 보일러로 복귀시켜 이 사이클을 반복하는 폐루프 시스템이다. 이 폐루프 시스템에서 증기를 발생시키는 공정에서, 폐 에너지를 발생시키는 2가지 주요한 소스가 존재한다. 첫번째는, 연소 가스의 모든 유용한 열 에너지(열)를 사용하는 것을 방해하는 물을 증기로 변환시키는 공정에 관한 고유 설계 및 열역학적 특성으로 인한 고온 연소 가스(전형적으로, 가열된 열) 형태로 보일러에서 방출되는 폐열이다. 두번째는 증기를 다시 물로 응축시키는 공정 중에 대기로 흩어지는 물을 증기로 변환시키는데 필요로 되는 증발의 잠열 또는 에너지 량이다. Steam turbine systems used to generate power generally evaporate pressurized water in a boiler or heat exchanger; Expanding in a steam turbine where the pressure level is reduced when power is generated; Condensation with water again in a condenser or cooler; It is a closed loop system that repeats this cycle by pumping back by pressure and returning to the boiler. In the process of generating steam in this closed loop system, there are two main sources of generating waste energy. The first is that in boilers in the form of hot combustion gases (typically heated heat) due to the unique design and thermodynamic properties of the process of converting water into steam, which prevents the use of all the useful thermal energy (heat) of the combustion gases. Waste heat released. The second is the amount of latent heat or energy of evaporation required to convert water that is scattered into the atmosphere into steam during the process of condensing steam back to water.
폐열에 대한 제1 예에서, 보일러 열원은 물을 증기로 변환시키기 위하여 1000BTU/LB를 전달하는 (고온 연소 가스 형태의) 열 에너지 뿐만 아니라 충분한 고 에너지 레벨로 증기를 과열시키는 충분한 열 에너지를 제공함으로써, 충분한 과다 에너지로 증기 터빈을 구동시켜 전력을 발생시킨다. 증기 사이클의 열역학 요구조건은 과열된 증기를 발생시키는데 이용가능한 온도 차를 원래 열원 온도 및 대략 400 내지 500℉간의 온도 차로 제한시킨다. 이것이 약 400 내지 500℉의 온도에서 보일러에서 방출되는 폐열의 연소 가스를 발생시킨다. 연소 가스 배기시에 에너지의 일부가 예를 들어 전력 플랜트(power plant)를 가열하도록 또는 물을 예열하도록 회수되거나 다른 공지된 수단에 의해 회수될 수 있지만, 회수되는 유용한 에너지 량은 제한된다.In a first example of waste heat, the boiler heat source provides not only thermal energy (in the form of hot combustion gases) that delivers 1000 BTU / LB to convert water into steam, but also sufficient heat energy to overheat the steam to a sufficient high energy level. In addition, the steam turbine is driven with sufficient excess energy to generate power. The thermodynamic requirements of the steam cycle limit the temperature difference available to generate superheated steam to the temperature difference between the original heat source temperature and approximately 400 to 500 ° F. This produces a combustion gas of waste heat emitted from the boiler at a temperature of about 400 to 500 ℉. Some of the energy in exhaust gas exhaust may be recovered, for example, to heat the power plant or to preheat the water, or by other known means, but the amount of useful energy recovered is limited.
폐열에 대한 제2 예에서, 액체 상태를 기체 상태로 변경시키는데 필요로 되는 열 형태의 에너지는 액체의 열역학 특성에 의해 제어된다. 유체가 증기로 되게 하는 압력 및 이와 관련된 온도는 유체의 증기압으로서 규정된다. 소정의 액체에서, 액체가 증기로 되는 특정 범위의 압력 및 온도가 존재한다. 액체를 기체로 변경시키는데 필요로 되는 BTUs는 "증발열"로서 규정된다. 물에 대한 증발열은 대략 1000BTU/LB이다. 물을 증기로 변경시키는 증기압에서, 증기에 남아있는 에너지 량은 단지 기상 상태(vaporous state)를 유지시키는데 필요로 되는 량이고 "증발 잠열"로서 규정된다. 증기압 지점(point)에서, 증기가 응축기에서 냉각되거나 압력이 팽창 공정에 걸쳐서 감소되면, 증기는 증발 잠열을 방출하거나 열 에너지 또는 냉매 온도의 증가에 따라서 1000BTU/LB를 환경으로 방출함으로써 다시 액체로 상태 변경하게 될 것이다. 이와 같이 증기가 터빈에서 팽창시 즉각 응축되기 때문에, 그 자체로 어쨋든 증발 잠열만을 포함하는 증기로부터 유용한 에너지를 거의 추출할 수 없게 되어, 터빈의 효율이 매우 나쁘고 터빈이 손상될 수도 있다. 증발열의 물리적 현상이 종래의 발전 사이클에서 폐열을 발생시키는데, 그 이유는 이 열량이 유용한 기체 상태로 변경되기 전 액체의 물에 제공되어야 하지만 이 열은 유용한 에너지로서 추출될 수 없기 때문이다. 소망 압력으로 펌핑될 수 있도록 매체를 액체로 다시 냉각시, 이 잠열은 유용한 에너지 형태로 회수됨이 없이 방출된다. 따라서, 물을 액체 상태로 복귀시키는 냉각 매체를 통해서 대기로 방출되는 열 에너지는 폐열이 된다. In a second example for waste heat, the energy in the form of heat required to change the liquid state to a gaseous state is controlled by the thermodynamic properties of the liquid. The pressure that causes the fluid to become vapor and the temperature associated therewith is defined as the vapor pressure of the fluid. In certain liquids, there is a certain range of pressures and temperatures at which the liquid becomes vapor. The BTUs needed to convert a liquid into a gas are defined as "evaporation heat". The heat of evaporation for water is approximately 1000 BTU / LB. At the vapor pressure of converting water into steam, the amount of energy remaining in the steam is only the amount needed to maintain the vaporous state and is defined as "latent heat of evaporation". At the vapor pressure point, when the steam is cooled in the condenser or the pressure is reduced throughout the expansion process, the vapor becomes liquid again by releasing latent heat of evaporation or releasing 1000 BTU / LB to the environment in response to an increase in thermal energy or refrigerant temperature. Will change. As such steam condenses immediately upon expansion in the turbine, it is almost impossible to extract useful energy from steam, which in itself only contains latent heat of evaporation, resulting in very poor turbine efficiency and damage to the turbine. The physical phenomenon of the heat of evaporation generates waste heat in conventional power generation cycles, since this heat must be provided to the water of the liquid before it is changed into a useful gaseous state, but this heat cannot be extracted as useful energy. Upon cooling the medium back to liquid so that it can be pumped to the desired pressure, this latent heat is released without being recovered in the form of useful energy. Thus, the heat energy released to the atmosphere through the cooling medium which returns the water to the liquid state becomes waste heat.
연료 비용 상승 및 에너지 자원 고갈로 인해 화석 연료를 연소로부터 보다 효율적인 방식으로 열을 유용한 전력으로 변환시켜 전력을 발생시키는 것이 매우 중요하게 되었다. 게다가, 화석 연료의 연소시에 발생되는 오염물로 인한 환경에 대한 나쁜 영향으로 인해, 발생된 에너지 단위당 발생되는 오염물을 감소시키도록 전력 플랜트를 설계하여야만 하였다. 이들 요인들로 인해, 전력 플랜트의 효율을 개선시키고, 전력 플랜트에 의해 발생된 폐열과 각종 제조 공정에 의해 발생된 폐열로부터의 에너지 및 재생가능한 에너지원으로부터의 열 에너지를 회수하도록 하는 것이 필요로 되었다.Increasing fuel costs and depletion of energy resources have made it very important to generate fossil fuels by converting heat from combustion into useful power in a more efficient manner. In addition, due to the adverse effects on the environment due to pollutants generated during the combustion of fossil fuels, power plants had to be designed to reduce the pollutants generated per unit of energy generated. These factors have made it necessary to improve the efficiency of the power plant and to recover the energy from the waste heat generated by the power plant and the waste heat generated by the various manufacturing processes and from the renewable energy sources. .
화석 연료를 유용한 에너지로 변환시키는 전력 시스템의 효율을 개선시키기 위하여 각종 방법 및 공정이 사용된다. 이을 효율 향상 시스템은 가스 터빈 복합 사이클 플랜트, 폐열발전 플랜트 및 폐열 회수 시스템을 포함한다. 폐열발전 및 복합 사이클 시스템은 가스 터빈 배기가스 또는 저등급 가치의 가열 연료원(low grade heating vlaue fuel soureces)을 포함한 다른 화석 연료 열원의 폐열로부터 유용한 에너지를 발생시킨다. 물을 주요 발전 매체로서 사용하는 시스템에서, 열원(전형적으로, 화석 연료를 연소시킴으로써 가열되는 연소 가스)의 온도는 열 교환기(보일러)에서 물을 증발시켜 증기를 발생시킬 정도로 충분히 높아야만 된다. 이로 인한 증기는 증기 터빈에서 팽창되어 전력을 발생시킨다. 증기 보일러는 일반적으로, 열원의 초기 온도 및 약 500℉ 이상간의 온도 차와 관련되는 열 에너지를 회수하도록 제한되는데, 그 이유는 이것이 효율적인 열 에너지를 물로 전달하여 증기를 발생시키도록 하는데 필요로 되는 온도이기 때문이다. 게다가, 에너지를 증기로 전달하는데 이용가능한 열은 증기의 증기압 대 온도 특성에 의한 온도 차로 제한되고, 약 500℉에 근접한 온도를 지닌 열원을 사용함으로써 비효율적이고 최소의 증기를 발생시킬 수 있다. 전형적인 증기 발전 시스템에서, 보일러에서 방출되는 열원의 저온(~500℉) 배기가스는 별도의 열 교환기를 사용하여 보일러에 공급된 물을 예열하도록 사용될 수 있다. 그러나, 방출 공기에서 단지 제한된 열량만이 회수될 수 있고, 이 열은 일반적으로 물의 증기압 대 온도 특성으로 인해 열원 배기가스의 상기 ~500℉ 방출 온도 및 약300℉ 초과 온도간의 온도차로 제한된다. 이 방식으로 보일러에 공급되는 물을 예열하기 위하여 배기가스 열을 사용함으로써 시스템의 전체 효율을 증가시키는데, 어떤 경우엔, 효율을 약 10% 증가시킬 수 있다. Various methods and processes are used to improve the efficiency of power systems that convert fossil fuels into useful energy. This efficiency improvement system includes a gas turbine combined cycle plant, a waste heat power plant and a waste heat recovery system. Waste heat generation and combined cycle systems generate useful energy from waste heat from other sources of fossil fuel heat, including gas turbine exhaust or low grade heating vlaue fuel soureces. In systems using water as the main power medium, the temperature of the heat source (typically the combustion gas heated by burning the fossil fuel) must be high enough to evaporate water in the heat exchanger (boiler) to generate steam. The resulting steam expands in the steam turbine to generate power. Steam boilers are generally limited to recover thermal energy associated with the temperature difference between the initial temperature of the heat source and about 500 ° F. or higher, because this is the temperature required to deliver efficient thermal energy to the water to generate steam. Because it is. In addition, the heat available to transfer energy to the steam is limited to the temperature difference due to the steam pressure versus temperature characteristics of the steam, and inefficient and minimal steam can be generated by using a heat source having a temperature close to about 500 ° F. In a typical steam power system, the low temperature (~ 500 ° F.) exhaust of the heat source emitted from the boiler can be used to preheat the water supplied to the boiler using a separate heat exchanger. However, only a limited amount of heat can be recovered in the discharged air, and this heat is generally limited to the temperature difference between the above-500 ° F. emission temperature of the heat source exhaust and a temperature above about 300 ° F. due to the water vapor pressure versus temperature characteristics. The use of exhaust heat to preheat the water supplied to the boiler in this way increases the overall efficiency of the system, which in some cases can increase the efficiency by about 10%.
어떤 폐열발전 및 복합 사이클 시스템은 또한, 증기 터빈 시스템과 협동하는 ORC(Organic Rankine Cycle)를 통합하여, 보일러에서 방출될 때 열원의 저온 배기 시스템으로부터 출력되는 부가적인 전력을 회수한다. ORC 사이클을 사용하여 유용한 전력을 발생시키는 방법이 종래 기술에 공지되어 있다. 예를 들어, 본원에 참조되어 있는 미국 특허 제5,570,579호 및 제5,664,414호에 전형적인 방법이 개시되어 있다. 이들 종래 기술의 시스템은 노말 펜탄(normal pentane), 이소-펜탄, 톨루엔, 불소첨가된 탄화수소(fluorinated hydrocarbons) 및 이외 다른 냉각제와 같은 종래의 ORC 매체를 사용한다. 이들 종래의 ORC 매체는 압력 및 온도 제한되고 이들 각각의 자동 점화 온도 및 증기압 대 온도 특성으로 인해 고온으로 유지될 수 없다. 예를 들어, 냉각제 또는 톨루엔을 사용하는 종래 기술의 ORC 시스템은 가열된 물에 의해 동작이 제한되는데, 그 이유는 ORC 매체는 상승 온도에서 에너지를 흡수할 수 없기 때문이다. 다른 종래 기술의 ORC 방법이 효율적으로 되기 위해선 대기압에 근접한 증기압을 지닌 ORC 매체를 필요로 한다. 다른 종래 기술의 시스템은 특정 전력 출력 범위로 제한되는 한편, 또 다른 종래 기술이 효율적으로 동작하기 위해선 유체 ORC 매체를 열 교환기 내로 분사시키는 것을 필요로 한다. 이들 제한들로 인해 유효성 및 효율성이 감소됨으로써, 이들 기술을 사용할 수 있는 환경을 제한하고 이들 기술로부터 획득될 수 있는 유용한 에너지 출력을 제한한다.Some waste heat generation and combined cycle systems also incorporate an ORC (Organic Rankine Cycle) that cooperates with the steam turbine system to recover additional power output from the cold exhaust system of the heat source as it exits the boiler. Methods of generating useful power using ORC cycles are known in the art. For example, typical methods are disclosed in US Pat. Nos. 5,570,579 and 5,664,414, which are incorporated herein by reference. These prior art systems use conventional ORC media such as normal pentane, iso-pentane, toluene, fluorinated hydrocarbons and other coolants. These conventional ORC media are pressure and temperature limited and cannot be maintained at high temperatures due to their respective autoignition temperature and vapor pressure versus temperature characteristics. For example, prior art ORC systems using coolants or toluene are limited in operation by heated water, because ORC media are unable to absorb energy at elevated temperatures. Other prior art ORC methods require an ORC medium with vapor pressure close to atmospheric pressure to be efficient. Other prior art systems are limited to specific power output ranges, while another prior art requires spraying the fluid ORC medium into the heat exchanger to operate efficiently. These limitations reduce the effectiveness and efficiency, thereby limiting the environment in which these techniques can be used and limiting the useful energy output that can be obtained from these techniques.
게다가, 대부분의 에너지가 상술된 바와 같이 폐루프 시스템(즉, 물/증기와 같은 발전 매체를 끊임없이 재순환시키는 시스템)을 사용하여 발생되지만, 이와 다른 발전 방법은 발전 매체의 지속적인 보충을 필요로 하는 개루프 전력원을 이용한다. 예를 들어, 석유화학 플랜트 내 또는 가스 파이프라인 상의 경질 탄화수소 공급 압력이 소비자에게 전달되기전 감소되어야 하는 경우, 에너지가 전혀 회수되지 않은 밸브 내의 가스 압력을 감소시키는 것이 아니라 오히려, 발전기, 펌프 또는 콤프레서를 동작시키는 팽창 터빈에서 고압 가스를 팽창시킴으로써 유용한 전력을 발생시키는 것이 공지되어 있다. 이 유형의 기술의 예가 본원에 참조된 미국 특허 제4,711,093호 및 제4,677,827호에 제공되어 있다. 이들 시스템은 발전 매체의 지속적인 보충을 필요로 하고 공정 설계의 압력 레벨에 좌우되는 개루프 시스템이다.In addition, while most of the energy is generated using a closed loop system (ie, a system that constantly recycles power generation media such as water / steam) as described above, other power generation methods require dogs that require continuous replenishment of the power generation media. Use a loop power source. For example, if the light hydrocarbon feed pressure in a petrochemical plant or on a gas pipeline must be reduced before delivery to the consumer, rather than reducing the gas pressure in the valve where no energy has been recovered, rather, the generator, pump or compressor It is known to generate useful power by expanding a high pressure gas in an expansion turbine operating a. Examples of this type of technology are provided in US Pat. Nos. 4,711,093 and 4,677,827, referenced herein. These systems are open loop systems that require constant replenishment of the generation medium and are dependent on the pressure level of the process design.
도1은 본 발명의 캐스케이딩 폐루프 사이클(CCLC) 발전 시스템의 일 실시예의 개요도.1 is a schematic diagram of one embodiment of a cascading closed loop cycle (CCLC) power generation system of the present invention;
도2는 도1의 CCLC의 전력 사이클의 몰리에르 선도(Mollier diagram).FIG. 2 is a Mollier diagram of the power cycle of the CCLC of FIG.
도3은 전형적인 종래 기술의 증기 발전 시스템의 개요도.3 is a schematic diagram of a typical prior art steam generation system.
도4는 본 발명의 슈퍼 캐스케이딩 폐루프 사이클(Super-CCLC) 발전 시스템의 일 실시예의 개요도.4 is a schematic diagram of one embodiment of a super cascading closed loop cycle (Super-CCLC) power generation system of the present invention;
도5는 도4의 슈퍼-CCLC의 증기 부분의 전력 사이클의 몰리에르 선도.5 is a Moliere diagram of the power cycle of the steam portion of the super-CCLC of FIG.
도6은 도4의 슈퍼-CCLC의 CCLC 부분의 전력 사이클의 몰리에르 선도.Figure 6 is a Moliere diagram of the power cycle of the CCLC portion of the super-CCLC of Figure 4;
제1 실시예에서, 본 발명은 에너지를 발생시키는 방법을 제공한다. 상기 방법은 작동 유체(working fluid)를 제공하는 단계, 상기 작동 유체의 압력을 증가시키는 단계, 상기 작동 유체를 적어도 제1 스트림 및 제2 스트림을 포함한 다수의 스트림으로 분리하는 단계, 에너지 원으로부터 상기 제1 스트림으로 제1 열 에너지량을 전달하고 나서 상기 제1 스트림으로부터 상기 제2 스트림으로 제2 열 에너지량을 전달하는 단계, 상기 제1 스트림으로부터 제1 유용한 에너지 량을 추출하는 단계, 상기 제2 스트림으로부터 제2 유용한 에너지 량를 추출하는 단계, 상기 제1 스트림을 상기 제2 스트림과 병합시키는 단계; 및, 상기 제1 스트림 및 상기 제2 스트림을 최소 압력으로 감소시키는 단계를 포함한다. 최소 압력은 주위 온도에서 작동 유체의 증기압과 거의 같거나 이 보다 낮다.In a first embodiment, the present invention provides a method of generating energy. The method includes providing a working fluid, increasing the pressure of the working fluid, separating the working fluid into a plurality of streams, including at least a first stream and a second stream, from the energy source. Transferring a first amount of thermal energy to a first stream and then transferring a second amount of heat energy from the first stream to the second stream, extracting a first amount of useful energy from the first stream, the first Extracting a second useful amount of energy from the two streams, merging the first stream with the second stream; And reducing the first stream and the second stream to a minimum pressure. The minimum pressure is approximately equal to or lower than the vapor pressure of the working fluid at ambient temperature.
이 실시예에서, 상기 제1 스트림으로부터 상기 제2 스트림으로 제2 열 에너지 량을 전달하는 단계는 상기 제1 스트림을 상기 제2 스트림과 병합시키는 단계에 앞서 상기 제1 스트림으로부터 상기 제2 스트림으로 상기 제2 열 에너지 량의 제1 부분을 전달하는 단계; 및, 상기 제1 스트림을 상기 제2 스트림과 병합시키는 단계 이후에 상기 제1 스트림으로부터 상기 제2 스트림으로 상기 제2 열 에너지 량의 제2 부분을 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 이 실시예에서, 상기 제1 스트림으로부터 상기 제2 스트림으로 상기 제2 열 에너지 량의 제1 부분을 전달하는 단계는 상기 제1 스트림으로부터 상기 제1 유용한 에너지 량을 추출하는 단계 이후에 수행될 수 있다. 또한 부가적인 이 실시예에서, 상기 제1 유용한 에너지 량과 상기 제2 유용한 에너지 량의 합은 상기 제1 열 에너지 량의 적어도 약 20%와 동일하게 될 수 있다. In this embodiment, transferring a second amount of heat energy from the first stream to the second stream comprises: passing the first stream from the first stream to the second stream prior to merging the first stream with the second stream. Delivering a first portion of the second amount of thermal energy; And transferring the second portion of the second amount of thermal energy from the first stream to the second stream after merging the first stream with the second stream. Also in this embodiment, transferring the first portion of the second amount of thermal energy from the first stream to the second stream may be performed after extracting the first useful amount of energy from the first stream. Can be. Also in this additional embodiment, the sum of the first amount of useful energy and the second amount of useful energy may be equal to at least about 20% of the first amount of thermal energy.
본 발명의 이 실시예 및 이외 다른 실시예에서, 상기 작동 유체는 프로판, 프로필렌, 경질 탄화수소 및 이들의 화합물을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있으며; 상기 최소 압력은 약 25psia 내지 약 300psia일 수 있으며; 상기 주위 온도는 약 -50℉ 내지 약 160℉일 수 있으며; 상기 에너지 원은 화석 연료 에너지, 핵 에너지, 태양 에너지, 지열 에너지, 폐열, 수소 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 또한 이 실시예 및 이외 다른 실시예에서, 상기 작동 유체는 약 300psia 내지 약 1000psia로 펌핑될 수 있다.In this and other embodiments of the present invention, the working fluid may be selected from the group comprising propane, propylene, light hydrocarbons and compounds thereof; The minimum pressure may be between about 25 psia and about 300 psia; The ambient temperature may be between about −50 ° F. and about 160 ° F .; The energy source may be selected from the group comprising fossil fuel energy, nuclear energy, solar energy, geothermal energy, waste heat, hydrogen and combinations thereof. Also in this and other embodiments, the working fluid can be pumped from about 300 psia to about 1000 psia.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 에너지를 발생시키는 장치를 제공한다. 상기장치는: 적어도 제1 유체 도관, 제2 유체 도관 및 결합된 유체 도관을 포함하며, 작동 유체를 포함하도록 적응되는 다수의 유체 도관; 상기 다수의 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 작동 유체를 가압하도록 적응되는 펌프; 에너지 원; 상기 제1 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 에너지원으로부터 상기 제1 유체 도관 내의 작동 유체로 제1 열 에너지 량을 전달하도록 적응되는 제1 열 교환기; 상기 제1 유체 도관 및 상기 제2 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 제1 유체 도관내의 작동 유체로부터 상기 제2 유체 도관 내의 작동 유체로 제2 열 에너지 량을 전달하도록 적응되는 제2 열 교환기로서, 상기 제2 열 교환기는 상기 제1 유체 도관에 대해서 상기 제1 열 교환기 아래에 위치되는, 제2 열 교환기; 상기 제1 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 제1 유체 도관 내의 작동 유체로부터 제1 유용한 에너지 량을 추출하도록 적응되는 제1 유체 팽창기; 상기 제2 유체 도관에 동작적으로 부착되고 제2 유체 도관 내의 작동 유체로부터 제2 유용한 에너지 량을 추출하도록 적응되는 제2 유체 팽창기; 및, 상기 다수의 유체 도관중 적어도 한 도관에 동작적으로 부착되고 상기 작동 유체를 최소 압력으로 감소시키도록 적응되는 냉각 장치로서, 상기 최소 압력은 주위 온도에서 상기 유체의 증기압과 거의 같거나 이 보다 낮은, 냉각 장치를 포함한다. 상기 제1 유체 도관 및 상기 제2 유체 도관은 병합점에서 결합되어 결합된 유체 도관을 형성한다. In another embodiment, the present invention provides an apparatus for generating energy. The apparatus comprises: a plurality of fluid conduits including at least a first fluid conduit, a second fluid conduit and a combined fluid conduit, the fluid conduits adapted to include a working fluid; A pump operatively attached to the plurality of fluid conduits and adapted to pressurize the working fluid; Energy source; A first heat exchanger operatively attached to the first fluid conduit and adapted to transfer a first amount of heat energy from the energy source to a working fluid in the first fluid conduit; A second heat exchanger operatively attached to the first fluid conduit and the second fluid conduit and adapted to transfer a second amount of heat energy from a working fluid in the first fluid conduit to a working fluid in the second fluid conduit A second heat exchanger located below the first heat exchanger with respect to the first fluid conduit; A first fluid expander operatively attached to the first fluid conduit and adapted to extract a first useful amount of energy from a working fluid in the first fluid conduit; A second fluid expander operatively attached to the second fluid conduit and adapted to extract a second amount of energy from the working fluid in the second fluid conduit; And a cooling device operatively attached to at least one of the plurality of fluid conduits and adapted to reduce the working fluid to a minimum pressure, the minimum pressure being at least about the vapor pressure of the fluid at ambient temperature. Low, includes a cooling device. The first fluid conduit and the second fluid conduit are joined at a merge point to form a combined fluid conduit.
이 제2 실시예에서, 상기 제2 열 교환기는 상기 1차 유체 도관 및 상기 2차 유체 도관에 동작적으로 부착되고, 상기 제1 유체 도관에 대해서 상기 제1 유체 팽창기 및 상기 병합점 간에 위치되고 상기 제1 유체 도관 내의 작동 유체로부터 상기 제2 유체 도관 내의 작동 유체로 상기 제2 열 에너지 량의 제1 부분을 전달하도록 적응되는 1차 제2 열 교환기;및, 상기 제2 유체 도관 및 상기 결합된 유체 도관에 동작적으로 부착되고, 상기 결합된 유체 도관에 대해서 상기 병합점 및 상기 펌프 간에 위치되고 상기 결합된 유체 도관 내의 작동 유체로부터 상기 제2 유체 도관 내의 작동 유체로 상기 제2 열 에너지 량의 제2 부분을 전달하도록 적응되는 2차 제2 열 교환기를 가질 수 있다. 상기 제2 열 교환기는 상기 제1 유체 도관에 대해서 상기 제1 유체 팽창기 다음에 위치될 수 있다. 또한 이 실시예에서, 상기 제1 유용한 에너지 량 및 상기 제2 유용한 에너지 량의 합은 상기 제1 열 에너지 량의 적어도 약 20%와 동일할 수 있다. In this second embodiment, the second heat exchanger is operatively attached to the primary fluid conduit and the secondary fluid conduit, positioned between the first fluid expander and the merging point relative to the first fluid conduit. A primary second heat exchanger adapted to transfer a first portion of the second amount of heat energy from a working fluid in the first fluid conduit to a working fluid in the second fluid conduit; and the second fluid conduit and the coupling A second amount of thermal energy from a working fluid in the combined fluid conduit to a working fluid in the combined fluid conduit and operatively attached to the combined fluid conduit and located between the merge point and the pump for the combined fluid conduit It may have a secondary second heat exchanger adapted to deliver a second portion of the. The second heat exchanger may be located next to the first fluid expander with respect to the first fluid conduit. Also in this embodiment, the sum of the first amount of useful energy and the second amount of useful energy may be equal to at least about 20% of the first amount of thermal energy.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 열을 유용한 에너지로 변환시키는 방법을 제공하는데, 이 방법은 액체 상태로 결합된 유체 스트림을 제공하는 단계; 상기 결합된 유체 스트림을 가압하는 단계; 상기 결합된 유체 스트림을 1차 유체 스트림 및 2차 유체 스트림으로 분리하는 단계; 상기 1차 유체 스트림을 증발시키기 위하여 열원으로부터 열 에너지를 인가하는 단계; 제1 유용한 에너지 량을 발생시키기 위하여 상기 증발된 1차 유체 스트림을 팽창시키는 단계; 상기 증발된 2차 유체 스트림을 과열하기 위하여 상기 증발되고 팽창된 1차 유체 스트림으로부터 열을 전달하는 단계; 제2 유용한 에너지 량을 발생시키기 위하여 상기 증발된 제2 유체 스트림을 팽창시키는 단계; 결합된 유체 스트림을 형성하기 위하여 상기 증발되고 팽창된 1차 유체 스트림을 상기 증발되고 팽창된 2차 유체 스트림과 혼합하는 단계; 상기 2차 유체 스트림을 증발시키기 위하여 상기 결합된 유체 스트림으로부터 열을 전달하는 단계; 및, 상기 결합된 유체 스트림을 액체 상태로 응축시키는 단계를 포함한다.In another embodiment, the present invention provides a method of converting heat into useful energy, the method comprising: providing a fluid stream coupled in a liquid state; Pressurizing the combined fluid stream; Separating the combined fluid stream into a primary fluid stream and a secondary fluid stream; Applying thermal energy from a heat source to evaporate the primary fluid stream; Expanding the evaporated primary fluid stream to generate a first useful amount of energy; Transferring heat from the evaporated and expanded primary fluid stream to superheat the evaporated secondary fluid stream; Expanding the evaporated second fluid stream to generate a second useful amount of energy; Mixing the evaporated and expanded primary fluid stream with the evaporated and expanded secondary fluid stream to form a combined fluid stream; Transferring heat from the combined fluid stream to evaporate the secondary fluid stream; And condensing the combined fluid stream in a liquid state.
이 실시예에서, 상기 2차 유체 스트림을 증발시키기 위하여 상기 결합된 유체 스트림으로부터 열을 전달하는 단계는 상기 유체의 증기압을 초과하는 상기 결합된 유체 스트림의 압력을 유지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In this embodiment, transferring heat from the combined fluid stream to evaporate the secondary fluid stream may further comprise maintaining a pressure of the combined fluid stream above the vapor pressure of the fluid. .
또 다른 실시예에서, 본 발명은 열을 유용한 에너지로 변환시키는 장치를 제공한다. 이 장치는 유체 스트림을 전달하도록 적응되는 결합된 유체 도관; 상기 결합된 유체 도관에 동작적으로 부착된 펌프; 상기 펌프의 아래에 있는 상기 결합된 유체 도관에 동작적으로 부착되는 스트림 분리기로서, 상기 스트림 분리기는 또한 1차 유체 도관 및 2차 유체 도관에 동작적으로 부착되는, 스트림 분리기; 상기 스트림 분리기의 아래에 있는 상기 1차 유체 도관에 동작적으로 부착되는 제1 열 교환기로서, 상기 제1 열 교환기는 또한 열원에 동작적으로 부착되는, 제1 열 교환기; 상기 제1 열 교환기의 아래에 있는 상기 1차 유체 도관에 동작적으로 부착되는 제1 팽창기; 상기 제1 팽창기의 아래에 있는 1차 유체 도관에 동작적으로 부착되는 제2 열 교환기로서, 상기 제2 열 교환기는 또한 상기 2차 유체 도관에 동작적으로 부착되는, 제2 열 교환기; 상기 유체 분리기의 아래에 있는 상기 2차 유체 도관에 동작적으로 부착되는 제3 열 교환기로서, 상기 제3 열 교환기는 또한 상기 결합된 유체 도관에 동작적으로 부착되는, 제3 열 교환기; 상기 제2 열 교환기의 아래에 있는 상기 2차 유체 도관에 동작적으로 부착되는 제2 팽창기; 상기 결합된 유체 도관, 상기 제2 열 교환기의 아래에 있는 1차 유체 도관 및 상기 제2 팽창기 아래에 있는 상기 2차 유체 도관에 동작적으로 부착되는 스트림 혼합기; 및, 상기 스트림 혼합기 및 상기 펌프간의 상기 결합된 유체 도관에 동작적으로 결합된 냉각기를 포함한다. 상기 제3 열 교환기는 상기 결합된 유체 도관에 대해서 상기 스트림 혼합기 및 상기 냉각기 간에 위치되고 상기 제2 열 교환기는 상기 2차 유체 도관에 대해서 상기 제3 열 교환기 및 상기 제2 팽창기 간에 위치된다.In another embodiment, the present invention provides an apparatus for converting heat into useful energy. The apparatus includes a combined fluid conduit adapted to deliver a fluid stream; A pump operatively attached to the coupled fluid conduit; A stream separator operatively attached to the combined fluid conduit below the pump, the stream separator also being operatively attached to the primary fluid conduit and the secondary fluid conduit; A first heat exchanger operatively attached to the primary fluid conduit below the stream separator, the first heat exchanger also operatively attached to a heat source; A first expander operatively attached to the primary fluid conduit below the first heat exchanger; A second heat exchanger operatively attached to the primary fluid conduit below the first expander, wherein the second heat exchanger is also operatively attached to the secondary fluid conduit; A third heat exchanger operatively attached to the secondary fluid conduit below the fluid separator, the third heat exchanger also operatively attached to the combined fluid conduit; A second expander operatively attached to the secondary fluid conduit below the second heat exchanger; A stream mixer operatively attached to the combined fluid conduit, the primary fluid conduit below the second heat exchanger and the secondary fluid conduit below the second expander; And a cooler operatively coupled to the coupled fluid conduit between the stream mixer and the pump. The third heat exchanger is located between the stream mixer and the cooler with respect to the combined fluid conduit and the second heat exchanger is located between the third heat exchanger and the second expander with respect to the secondary fluid conduit.
또한 다른 실시예에서, 본 발명은 에너지원 및 냉각 시스템을 지닌 전력 시스템의 효율을 개선시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 상기 냉각 시스템으로부터 캐스케이딩 폐루프 사이클 시스템의 제1 루프로 제1 열 에너지 량을 전달하는 단계; 상기 제1 루프로부터 제1 유용한 에너지 량을 추출하는 단계; 상기 에너지 원으로부터 캐스케이딩 폐루프 사이클 시스템의 제2 루프로 제2 열 에너지 량을 전달하는 단계; 및, 상기 제2 루프로부터 제2 유용한 에너지 량을 추출하는 단계를 포함한다. In another embodiment, the present invention also provides a method of improving the efficiency of a power system having an energy source and a cooling system. The method includes transferring a first amount of thermal energy from the cooling system to a first loop of a cascading closed loop cycle system; Extracting a first useful amount of energy from the first loop; Transferring a second amount of thermal energy from the energy source to a second loop of a cascading closed loop cycle system; And extracting a second useful amount of energy from the second loop.
이 실시예에서, 이 방법은 상기 제2 루프로부터 캐스케이딩 폐루프 사이클 시스템의 제3 루프로 제3 열 에너지 량을 전달하는 단계; 및,상기 제3 루프로부터 제3 유용한 에너지 량을 추출하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 이 실시예에서, 상기 전력 시스템은 에너지원으로부터 제4 열 에너지의 량을 받아들여 제4 유용한 에너지 량을 발생시킬 수 있다. 상기 제1 유용한 에너지 량, 상기 제2 유용한 에너지 량, 상기 제3 유용한 에너지 량 및 상기 제4 유용한 에너지 량의 합은 상기 제4 열 에너지 량의 적어도 약 30%와 동일할 수 있다.In this embodiment, the method includes transferring a third amount of thermal energy from the second loop to a third loop of a cascading closed loop cycle system; And extracting a third useful amount of energy from the third loop. Also in this embodiment, the power system may receive a fourth amount of thermal energy from an energy source to generate a fourth useful amount of energy. The sum of the first useful amount of energy, the second useful amount of energy, the third useful amount of energy and the fourth useful amount of energy may be equal to at least about 30% of the fourth amount of thermal energy.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 에너지원 및 냉각 시스템을 지닌 전력 시스템의 효율을 개선시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 작동 유체를 제공하는 단계; 상기 작동 유체의 압력을 증가시키는 단계; 상기 작동 유체를 적어도 제1 스트림 및 제2 스트림을 포함한 다수의 스트림으로 분리하는 단계; 상기 냉각 시스템으로부터 상기 제1 스트림으로 제1 열 에너지 량을 전달하는 단계; 상기 제1 스트림으로부터 제1 유용한 에너지 량을 추출하는 단계; 상기 에너지원으로부터 제2 스트림으로 제2 열 에너지 량을 전달하는 단계; 상기 제2 스트림으로부터 제2 유용한 에너지 량을 추출하는 단계; 및, 상기 작동 유체를 최소 압력으로 냉각시키는 단계로서, 상기 최소 압력은 주위 공기 온도에서 상기 작동 유체의 상기 증기압과 거의 같거나 이 보다 낮은, 냉각 단계를 포함한다.In yet another embodiment, the present invention provides a method for improving the efficiency of a power system having an energy source and a cooling system. The method includes providing a working fluid; Increasing the pressure of the working fluid; Separating the working fluid into a plurality of streams including at least a first stream and a second stream; Transferring a first amount of thermal energy from the cooling system to the first stream; Extracting a first useful amount of energy from the first stream; Transferring a second amount of thermal energy from the energy source to a second stream; Extracting a second useful amount of energy from the second stream; And cooling the working fluid to a minimum pressure, the minimum pressure being about equal to or less than the vapor pressure of the working fluid at ambient air temperature.
이 실시예에서, 상기 제2 스트림은 1차 제2 스트림 및 2차 제2 스트림을 포함할 수 있고, 상기 에너지원으로부터 상기 제2 스트림으로 제2 열 에너지 량을 전달하는 단계는 상기 에너지 원으로부터 상기 1차 제2 스트림으로 상기 제2 열 에너지 량을 전달하는 단계 및 상기 1차 제2 스트림으로부터 상기 2차 제2 스트림으로제2 열 에너지 량의 일부를 전달하는 단계를 포함한다. 또한 이 실시예에서, 상기 제2 스트림으로부터 제2 유용한 에너지 량을 추출하는 단계는 상기 1차 제2 스트림으로부터 상기 제2 유용한 에너지 량의 제1 부분을 추출하는 단계 및 상기 2차 제2 스트림으로부터 상기 제2 유용한 에너지 량의 제2 부분을 추출하는 단계를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 전력 시스템은 증기 발전 시스템일 수 있다.In this embodiment, the second stream may comprise a primary second stream and a secondary second stream, and transferring the second amount of thermal energy from the energy source to the second stream is from the energy source. Delivering the second amount of heat energy to the primary second stream and transferring a portion of the second amount of heat energy from the primary second stream to the secondary second stream. Also in this embodiment, extracting a second useful amount of energy from the second stream comprises extracting a first portion of the second useful amount of energy from the primary second stream and from the secondary second stream. Extracting a second portion of said second useful amount of energy. In this embodiment, the power system may be a steam generation system.
또한 다른 실시예에서, 본 발명은 에너지를 발생시키는 방법을 제공한다. 이 실시예에서, 이 방법은 제1 작동 유체를 제공하는 단계; 상기 제1 작동 유체의 압력을 증가시키는 단계; 에너지원으로부터 상기 제1 작동 유체로 제1 열 에너지 량을 전달하는 단계; 상기 제1 작동 유체로부터 제1 유용한 에너지 량을 추출하는 단계; 제2 작동 유체를 제공하는 단계; 상기 제2 작동 유체의 압력을 증가시키는 단계; 상기 제2 작동 유체를 적어도 제1 스트림 및 제2 스트림을 포함한 다수의 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제1 작동 유체로부터 상기 제1 스트림으로 제2 열 에너지 량을 전달하는 단계; 상기 제1 스트림으로부터 제2 유용한 에너지 량을 추출하는 단계; 상기 에너지 원으로부터 상기 제2 스트림으로 제3 열 에너지 량을 전달하는 단계; 상기 제2 스트림으로부터 제3 유용한 에너지 량을 추출하는 단계; 및, 상기 제2 작동 유체를 최소 압력으로 냉각시키는 단계로서, 상기 최소 압력은 주위 공기 온도에서 상기 제2 작동 유체의 증기압과 거의 같거나 이 보다 낮은, 냉각 단계를 포함한다.In another embodiment, the present invention provides a method of generating energy. In this embodiment, the method comprises providing a first working fluid; Increasing the pressure of the first working fluid; Transferring a first amount of thermal energy from an energy source to the first working fluid; Extracting a first useful amount of energy from the first working fluid; Providing a second working fluid; Increasing the pressure of the second working fluid; Separating the second working fluid into a plurality of streams including at least a first stream and a second stream; Transferring a second amount of thermal energy from the first working fluid to the first stream; Extracting a second useful amount of energy from the first stream; Transferring a third amount of thermal energy from the energy source to the second stream; Extracting a third useful amount of energy from the second stream; And cooling the second working fluid to a minimum pressure, the minimum pressure being about equal to or less than the vapor pressure of the second working fluid at ambient air temperature.
이 실시예에서, 제2 스트림은 1차 제2 스트림 및 2차 제2 스트림을 가질 수 있는데, 상기 에너지 원으로부터 상기 제2 스트림으로 제3 열 에너지 량을 전달하는 단계는 상기 에너지 원으로부터 상기 1차 제2 스트림으로 상기 제3 열 에너지 량을 전달하는 단계 및 상기 1차 제2 스트림으로부터 상기 2차 제2 스트림으로 상기 제3 열 에너지 량의 일부를 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 부가적인 이 실시예에서, 상기 제2 스트림으로부터 제3 유용한 에너지 량을 추출하는 단계는 상기 1차 제2 스트림으로부터 상기 제3 유용한 에너지 량의 제1 부분을 추출하는 단계 및 상기 2차 제2 스트림으로부터 상기 제3 유용한 에너지 량의 제2 부분을 추출하는 단계를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 제1 작동 유체는 물일 수 있다.In this embodiment, the second stream may have a primary second stream and a secondary second stream, wherein transferring a third amount of thermal energy from the energy source to the second stream comprises: Delivering the third amount of thermal energy to a secondary second stream and transferring a portion of the third amount of thermal energy from the primary second stream to the secondary second stream. Also in this additional embodiment, extracting a third amount of useful energy from the second stream comprises extracting a first portion of the third amount of useful energy from the primary second stream and the second secondary amount. Extracting a second portion of said third useful amount of energy from the stream. In this embodiment, the first working fluid may be water.
또한 다른 실시예에서, 본 발명은 에너지 원 및 냉각 시스템을 지닌 전력 시스템의 효율을 개선시키는 방법을 제공한다. 이 실시예의 이 방법은: 작동 유체를 제공하는 단계; 상기 작동 유체의 압력을 증가시키는 단계; 상기 작동 유체를 제1 스트림, 제2 스트림 및 제3 스트림으로 분리하는 단계; 상기 냉각 시스템으로부터 상기 제1 스트림으로 제1 열 에너지 량을 전달하는 단계; 상기 제1 스트림으로부터 제1 유용한 에너지 량을 추출하는 단계; 상기 에너지 원으로부터 상기 제2 스트림으로 제2 열 에너지 량을 전달하는 단계; 상기 제2 스트림으로부터 제2 유용한 에너지 량을 추출하는 단계; 상기 제2 스트림으로부터 상기 제3 스트림으로 제3 열 에너지 량을 전달하는 단계; 상기 제3 스트림으로부터 제3 유용한 에너지 량을 추출하는 단계; 및, 상기 작동 유체를 최소 압력으로 냉각시키는 단계로서, 상기 최소 압력은 주위 공기 온도에서 상기 작동 유체의 증기압과 거의 같거나 이 보다 낮은, 냉각 단계를 포함한다. In another embodiment, the present invention also provides a method for improving the efficiency of a power system having an energy source and a cooling system. This method of this embodiment comprises the steps of: providing a working fluid; Increasing the pressure of the working fluid; Separating the working fluid into a first stream, a second stream and a third stream; Transferring a first amount of thermal energy from the cooling system to the first stream; Extracting a first useful amount of energy from the first stream; Transferring a second amount of thermal energy from the energy source to the second stream; Extracting a second useful amount of energy from the second stream; Transferring a third amount of thermal energy from the second stream to the third stream; Extracting a third useful amount of energy from the third stream; And cooling the working fluid to a minimum pressure, the minimum pressure being about equal to or less than the vapor pressure of the working fluid at ambient air temperature.
이 실시예에서, 상기 에너지 원으로부터 상기 제2 스트림으로 제2 열 에너지 량을 전달하는 단계는 제1 열 교환기에서 상기 에너지 원으로부터 상기 제2 스트림으로 상기 제2 열 에너지 량의 제1 부분을 전달하는 단계 및 제2 열 교환기에서 상기 에너지원으로부터 상기 제2 스트림으로 상기 제2 열 에너지 량의 제2 부분을 전달하는 단계를 포함한다. 또한 이 실시예에서, 상기 제1 스트림으로부터 제1 유용한 에너지 량을 추출하는 단계는 제1 팽창기에서 상기 제1 스트림을 팽창시키는 단계를 포함하며, 상기 제2 스트림으로부터 제2 유용한 에너지 량을 추출하는 단계는 제2 팽창기에서 상기 제2 스트림을 팽창시키는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제3 스트림으로부터 제3 유용한 에너지 량을 추출하는 단계는 제3 팽창기에서 상기 제3 스트림을 팽창시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 전력 시스템은 증기 발전 시스템일 수 있다.In this embodiment, transferring the second amount of heat energy from the energy source to the second stream transfers the first portion of the second amount of heat energy from the energy source to the second stream in a first heat exchanger. And delivering a second portion of the amount of second heat energy from the energy source to the second stream in a second heat exchanger. Also in this embodiment, extracting the first useful amount of energy from the first stream includes expanding the first stream in a first expander and extracting a second useful amount of energy from the second stream. The step may comprise expanding the second stream in a second expander, and extracting the third useful amount of energy from the third stream may include expanding the third stream in a third expander. Can be. In this embodiment, the power system may be a steam generation system.
또한 다른 실시예에서, 본 발명은 에너지 원 및 냉각 시스템을 갖는 전력 시스템으로부터 보충 에너지를 발생시키는 장치를 제공한다. 이 실시예의 이 장치는: 적어도 제1 유체 도관, 제2 유체 도관 및 결합된 유체 도관을 포함하며 작동 유체를 포함하도록 적응되는 다수의 유체 도관; 상기 다수의 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 작동 유체를 가압하도록 적응되는 하나 이상의 펌프; 상기 제1 유체 도관에 동작적으로 부착되고 제1 열 에너지 량을 상기 냉각 시스템으로부터 상기 제1 유체 도관 내의 작동 유체로 전달하도록 적응되는 제1 열 교환기; 상기 제1 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 제1 유체 도관내의 작동 유체로부터 제1 유용한 에너지 량을 추출하도록 적응되는 제1 유체 팽창기; 상기 제2 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 에너지원으로부터 상기 제2 유체 도관 내의 작동 유체로 제2 열 에너지 량을 전달하도록 적응되는 제2 열 교환기; 상기 제2 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 제2 유체 도관내의 작동 유체로부터 제2 유용한 에너지 량을 추출하도록 적응되는 제2 유체 팽창기; 상기 다수의 유체 도관중 적어도 한 도관에 동작적으로 부착되고 상기 작동 유체를 최소 압력으로 감소시키도록 적응되는 냉각 장치로서, 상기 최소 압력은 주위 온도에서 상기 유체의 증기압과 거의 같거나 이 보다 낮은, 냉각 장치를 포함한다. 상기 제1 유체 도관 및 상기 제2 유체 도관은 병합점에서 결합되어 결합된 유체 도관을 형성한다. In yet another embodiment, the present invention provides an apparatus for generating supplemental energy from a power system having an energy source and a cooling system. This apparatus of this embodiment comprises: a plurality of fluid conduits including at least a first fluid conduit, a second fluid conduit, and a combined fluid conduit and adapted to include a working fluid; One or more pumps operatively attached to the plurality of fluid conduits and adapted to pressurize the working fluid; A first heat exchanger operatively attached to the first fluid conduit and adapted to transfer a first amount of heat energy from the cooling system to a working fluid in the first fluid conduit; A first fluid expander operatively attached to the first fluid conduit and adapted to extract a first amount of energy from a working fluid in the first fluid conduit; A second heat exchanger operatively attached to the second fluid conduit and adapted to transfer a second amount of heat energy from the energy source to a working fluid in the second fluid conduit; A second fluid expander operatively attached to the second fluid conduit and adapted to extract a second amount of energy from a working fluid in the second fluid conduit; A cooling device operatively attached to at least one of the plurality of fluid conduits and adapted to reduce the working fluid to a minimum pressure, the minimum pressure being about equal to or lower than the vapor pressure of the fluid at ambient temperature, It includes a cooling device. The first fluid conduit and the second fluid conduit are joined at a merge point to form a combined fluid conduit.
이 실시예에서, 상기 다수의 유체 도관은 제3 유체 도관을 더 포함할 수 있고, 상기 장치는 상기 제2 유체 도관 및 상기 제3 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 제2 유체 도관 내의 상기 작동 유체로부터 상기 제3 유체 도관 내의 상기 작동 유체로 제3 열 에너지 량을 전달하도록 적응되는 제3 열 교환기; 및, 상기 제3 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 제3 유체 도관 내의 상기 작동 유체로부터 제3 유용한 에너지 량을 추출하도록 적응되는 제3 유체 팽창기를 더 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 제3 열 교환기는 상기 제2 유체 도관에 대해서 상기 제2 유체 팽창기 다음에 위치될 수 있다. 또한, 이 실시예에서, 상기 제2 열 교환기는 2개의 열 교환기일 수 있다. 게다가, 이 실시예에서, 상기 전력 시스템은 상기 에너지 원으로부터 제4 열 에너지 량을 받아들여 제4 유용한 에너지 량을 발생시킬 수 있다. 상기 제1 유용한 에너지 량, 상기 제2 유용한 에너지 량, 상기 제3 유용한 에너지 량 및 상기 제4 유용한 에너지 량의 합은 상기 제4 열 에너지 량의 적어도 약 30%와 동일할 수 있다.In this embodiment, the plurality of fluid conduits may further comprise a third fluid conduit, wherein the device is operatively attached to the second fluid conduit and the third fluid conduit and the operation within the second fluid conduit. A third heat exchanger adapted to transfer a third amount of heat energy from the fluid to the working fluid in the third fluid conduit; And a third fluid expander operatively attached to the third fluid conduit and adapted to extract a third useful amount of energy from the working fluid in the third fluid conduit. In this embodiment, a third heat exchanger may be located next to the second fluid expander with respect to the second fluid conduit. Also in this embodiment, the second heat exchanger may be two heat exchangers. In addition, in this embodiment, the power system may receive a fourth amount of thermal energy from the energy source to generate a fourth amount of useful energy. The sum of the first useful amount of energy, the second useful amount of energy, the third useful amount of energy and the fourth useful amount of energy may be equal to at least about 30% of the fourth amount of thermal energy.
또한 다른 실시예에서, 본 발명은 열 에너지를 유용한 에너지로 변환시키는 장치를 제공한다. 이 장치는 1차 전력 시스템 및 2차 전력 시스템을 포함한다. 상기 1차 전력 시스템은: 에너지 원; 1차 작동 유체를 포함하도록 적응되는 1차 유체 도관; 상기 1차 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 1차 작동 유체를 가압하도록 적응되는 1차 유체 펌프; 상기 1차 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 에너지 원으로부터 상기 1차 유체 도관 내에 포함되는 상기 1차 유체 도관으로 상기 제1 열 에너지 량을 전달하도록 적응되는 1차 유체 열 교환기; 및, 상기 1차 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 1차 유체 도관 내의 상기 1차 작동 유체로부터 제1 유용한 에너지 량을 추출하도록 적응되는 1차 유체 팽창기를 포함한다. 상기 2차 전력 시스템은: 제1 유체 루프, 제2 유체 루프, 및 제3 유체 루프를 포함하고 2차 작동 유체를 포함하도록 적응되는 2차 유체 도관 시스템; 상기 2차 유체 도관 시스템에 동작적으로 부착되고 상기 2차 작동 유체를 가압하도록 적응되는 하나 이상의 2차 유체 펌프; 상기 제1 유체 루프 및 상기 1차 유체 도관에 동작적으로 부착되고 상기 1차 유체 도관에 대해서 상기 1차 유체 팽창기 및 상기 1차 유체 펌프간에 위치되고 상기 1차 작동 유체 도관 내의 1차 유체를 상기 제1 유체 루프 내의 2차 작동 유체로 제2 열 에너지 량을 전달하도록 적응되는 제1 열 교환기; 상기 제1 유체 루프에 동작적으로 부착되고 상기 제1 유체 루프 내의 2차 작동 유체로부터 제2 유용한 에너지 량을 추출하도록 적응되는 제1 유체 팽창기; 상기 제2 유체 루프에 동작적으로 부착되고 상기 에너지 원으로부터 상기 제2 유체 루프 내의 상기 2차 작동 유체로 제3 열 에너지 량을 전달하도록 적응되는 제2 열 교환기; 상기 제2 유체 루프에 동작적으로 부착되고 상기 제2 유체 루프 내의 상기 2차 작동 유체로부터 제3 유용한 에너지 량을 추출하도록 적응되는 제2 유체 팽창기; 상기 제2 유체 루프 및 상기 제3 유체 루프에 동작적으로 부착되고 상기 제2 유체 루프에 대하여 상기 제2 유체 팽창기 다음에 위치되고 상기 제2 유체 루프 내의 상기 2차 작동 유체로부터 상기 제3 유체 루프 내의 상기 2차 작동 유체로 제4 열 에너지 량을 전달하도록 적응되는 제3 열 교환기; 상기 제3 유체 루프에 동작적으로 부착되고 상기 제2 유체 루프 내의 상기 2차 작동 유체로부터 제4 유용한 에너지 량을 추출하도록 적응되는 제3 유체 팽창기; 및, 상기 2차 유체 도관 시스템에 동작적으로 부착되고 상기 2차 작동 유체를 최소 압력으로 감소시키도록 적응되는 냉각 장치로서, 상기 최소 압력은 주위 온도에서 상기 2차 작동 유체의 증기압과 거의 같거나 이 보다 낮은, 냉각 장치를 포함한다.In another embodiment, the present invention also provides a device for converting thermal energy into useful energy. The apparatus includes a primary power system and a secondary power system. The primary power system comprises: an energy source; A primary fluid conduit adapted to include a primary working fluid; A primary fluid pump operatively attached to the primary fluid conduit and adapted to pressurize the primary working fluid; A primary fluid heat exchanger operatively attached to said primary fluid conduit and adapted to transfer said first amount of heat energy from said energy source to said primary fluid conduit comprised within said primary fluid conduit; And a primary fluid expander operatively attached to the primary fluid conduit and adapted to extract a first useful amount of energy from the primary working fluid in the primary fluid conduit. The secondary power system comprises: a secondary fluid conduit system including a first fluid loop, a second fluid loop, and a third fluid loop and adapted to include a secondary working fluid; One or more secondary fluid pumps operatively attached to the secondary fluid conduit system and adapted to pressurize the secondary working fluid; The primary fluid within the primary working fluid conduit and operatively attached to the first fluid loop and the primary fluid conduit and positioned between the primary fluid expander and the primary fluid pump with respect to the primary fluid conduit; A first heat exchanger adapted to transfer a second amount of heat energy to the secondary working fluid in the first fluid loop; A first fluid expander operatively attached to the first fluid loop and adapted to extract a second amount of energy from a secondary working fluid in the first fluid loop; A second heat exchanger operatively attached to the second fluid loop and adapted to transfer a third amount of heat energy from the energy source to the secondary working fluid in the second fluid loop; A second fluid expander operatively attached to the second fluid loop and adapted to extract a third useful amount of energy from the secondary working fluid in the second fluid loop; The third fluid loop operatively attached to the second fluid loop and the third fluid loop and positioned next to the second fluid expander with respect to the second fluid loop and from the secondary working fluid in the second fluid loop. A third heat exchanger adapted to transfer a fourth amount of heat energy to the secondary working fluid in the chamber; A third fluid expander operatively attached to the third fluid loop and adapted to extract a fourth amount of useful energy from the secondary working fluid in the second fluid loop; And a cooling device operatively attached to the secondary fluid conduit system and adapted to reduce the secondary working fluid to a minimum pressure, the minimum pressure being approximately equal to the vapor pressure of the secondary working fluid at ambient temperature or Lower than this, it includes a cooling device.
이 실시예에서, 상기 1차 작동 유체는 물일 수 있다. 또한, 이 실시예에서, 상기 제1 유용한 에너지 량, 상기 제2 유용한 에너지 량, 상기 제3 유용한 에너지 량 및 상기 제4 유용한 에너지 량의 합은 상기 제1 열 에너지 량의 적어도 약 30%와 동일할 수 있다.In this embodiment, the primary working fluid can be water. Further, in this embodiment, the sum of the first useful energy amount, the second useful energy amount, the third useful energy amount and the fourth useful energy amount is equal to at least about 30% of the first thermal energy amount. can do.
본 발명은 이하에 간략하게 서술된 첨부 도면을 통해서 보다 손쉽게 이해될 수 있다. The invention may be more readily understood through the accompanying drawings, which are briefly described below.
에너지 원이 고갈되고 화석 연료의 연소로 인해 발생되는 오염물이 환경에 지속적으로 해를 입히기 때문에 보다 효율적인 방식으로 전기를 발생시키는 것은 대단히 중요하다. 본 발명의 캐스케이딩 폐루프 사이클은 1차 전원으로서 사용되는 폐루프 발전 시스템을 제공한다. CCLC로 인해, 발전 매체의 증발 잠열을 초과하는 에너지 손실량을 감소시키고, 이용가능한 열원으로부터의 열을 보다 효율적으로 회수하고 이 열을 유용한 에너지로 변환시킴으로써 효율을 개선시킨다. 본 발명의 슈퍼 캐스케이딩 폐루프 사이클(Super-CCLC)은 종래의 전력 시스템과 협동하여 사용되어 증기 터빈 또는 다른 종래 전력 시스템을 사용하여 전력을 발생시키는 공정에서 손실되는 열로부터 유용한 에너지를 발생시킴으로써 발전 효율을 개선시키는 2차 전원을 제공한다. 슈퍼-CCLC에서, 본 발명의 배경에 언급된 2가지 폐열원으로부터 에너지를 회수함으로써 효율을 개선시킨다. 첫번째 소스는 보일러에서 방출되는 폐열의 회수이고 두번째 소스는 응축 공정동안 방출되는 폐열의 회수이다.It is very important to generate electricity in a more efficient way because energy sources are depleted and pollutants generated by the burning of fossil fuels continue to harm the environment. The cascading closed loop cycle of the present invention provides a closed loop power generation system used as the primary power source. Due to the CCLC, the efficiency is improved by reducing the amount of energy loss exceeding the latent heat of evaporation of the power generation medium, recovering heat from the available heat source more efficiently and converting this heat into useful energy. The Super Cascading Closed Loop Cycle (Super-CCLC) of the present invention is used in cooperation with a conventional power system to generate useful energy from heat lost in the process of generating power using a steam turbine or other conventional power system. Provide secondary power supply to improve power generation efficiency. In super-CCLC, efficiency is improved by recovering energy from the two waste heat sources mentioned in the background of the present invention. The first source is the recovery of waste heat released from the boiler and the second source is the recovery of waste heat released during the condensation process.
열 에너지를 기계 에너지로의 변환이 특히 ORC(Organic Rankine Cycle)에 의해 양호하게 수행된다는 것을 열역학적으로 나타낼 수 있다. 슈퍼 CCLC 시스템은 증기 터빈 전력을 발생시키는 공정에서의 열 손실을 변환시키도록 설계된 ORC 이다. 본원에 참조된 2002년 7월 22일에 출원된 미국 특허 출원 제10/199,257호는 캐스케이딩 폐루프 사이클(CCLC)에서 유체 매체로서, 프로판, 프로필렌, 또는 이와 등가의 또는 유사한 경질 탄화수소 매체를 사용하여 유용한 전력을 발생시키기 위한 ORC 사이클을 사용하는 방법을 개시하고 있다. 본원에 사용된 바와 같은, 용어 "유체"는 액체, 기체 및/또는 기상 상태의 어떠한 재료를 의미한다. 일반적으로, "유체"로서 본원에 서술된 재료는 항상 액체, 기체 및/또는 기상 상태로 존재하지만, 이와 같은 유체는 어떤 환경하에선 응고될 수 있지만, 통상적으로 본원에 서술된 본 발명의 동작중에는 응고되지 않는 다는 것을 인지할 것이다. 본 발명은 다수의 통합된 CCLC 시스템을 사용하여 증기 보일러(또는 다른 열원)로부터 방출되는 폐열 및 증기 응축 공정(또는 유사 공정)으로부터의 폐열을 동시에 회수하도록 한다. It can be thermodynamically indicated that the conversion of thermal energy into mechanical energy is particularly well performed by ORC (Organic Rankine Cycle). Super CCLC systems are ORCs designed to convert heat losses in processes that generate steam turbine power. U.S. Patent Application No. 10 / 199,257, filed on July 22, 2002, incorporated herein by reference, discloses propane, propylene, or equivalent or similar light hydrocarbon media as fluid media in a cascading closed loop cycle (CCLC). A method of using an ORC cycle to generate useful power is disclosed. As used herein, the term "fluid" means any material in liquid, gas and / or gaseous state. In general, the materials described herein as "fluids" are always in liquid, gaseous and / or gaseous state, although such fluids may solidify under certain circumstances, but typically during operation of the invention described herein You will recognize that it does not solidify. The present invention uses multiple integrated CCLC systems to simultaneously recover waste heat from steam boilers (or other heat sources) and waste heat from steam condensation processes (or similar processes).
본 발명의 각종 바람직한 실시예가 지금부터 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 설명된다.Various preferred embodiments of the invention are now described in more detail with reference to the accompanying drawings.
일 실시예에서, 본 발명은 캐스케이딩 폐루프 사이클(CCLC)을 동작시켜 에너지원으로부터 부가적인 효율을 이끄는 특정 장치 및 방법을 사용한다. 캐스케이딩 폐루프 사이클(CCLC)은 용접 밀봉된 폐루프 공정(hermetically sealed closed loop process)이다. 도1에 도시된 바와 같이, CCLC(100)는 전반적으로 문자 (A)로 지정된 1차 유체 스트림, 2차 유체 스트림(B) 및 결합된 유체 스트림(C)을 갖는다. 결합된 유체 스트림(C)은 근본적으로, 전체 공급되는 발전 매체를 포함하는데, 이 매체는 바람직하게는 경질 탄화수소 재료를 포함하고 보다 바람직하게는 프로필렌, 프로판 또는 이들 재료의 화합물을 포함한다. 1차 유체 스트림(A) 및 2차 유체 스트림(B)은 스트림 분리기(stream separator)(104)로 분리되는 결합된 유체 스트림(C) 부분을 포함한다. In one embodiment, the present invention uses specific apparatus and methods to operate a cascading closed loop cycle (CCLC) to draw additional efficiency from an energy source. Cascading closed loop cycle (CCLC) is a hermetically sealed closed loop process. As shown in FIG. 1, the CCLC 100 has a primary fluid stream, a secondary fluid stream B, and a combined fluid stream C, designated generally by the letter (A). The combined fluid stream (C) essentially comprises a totally supplied power generation medium, which preferably comprises a light hydrocarbon material and more preferably comprises propylene, propane or a compound of these materials. The primary fluid stream (A) and the secondary fluid stream (B) comprise a combined fluid stream (C) portion separated by a stream separator (104).
CCLC(100)는 액체 상태의 결합된 유체 스트림(C)을 소망의 초기 압력으로 펌핑하는 고압 펌프(102)로 시작된다. (이는 사이클이 지속적으로 재순환되는 폐루프 시스템이기 때문에, 기술적으로 시스템이 "시작" 되는 지점은 존재하지 않는데, 이 지점을 시작점으로서 선택한 것은 임의적이고 단지 설명을 간결하게 위하여 행해진 것이다). 이 지점에서, 결합된 유체 스트림(C)은 상태(C1)로서 본원에 규정된 특정한 물리 특성(압력, 온도 및 질량 흐름율)을 갖는다. 공정중에 다양한 지점에서 유체 스트림의 상태(C1) 및 이와 다른 상태가 본원의 그 밖의 다른 곳에서 더욱 상세하게 설명된다. 그 후, 결합된 유체 스트림(C)은 스트림 분리기(104)에 의해 상태(A1)를 갖는 1차 유체 스트림(A) 및 상태(B1)를 갖는 2차 유체 스트림(B)으로 분리된다. 본원에 서술된 각종 상태는 근사화되고, 이 장치의 일부는 단일 상태를 갖도록 되지만, 이 상태는 마찰, 국부 가열 또는 냉각, 유체 역학 등등에 의해 온도, 압력 등이 변화될 수 있다.CCLC 100 begins with a high pressure pump 102 which pumps the combined fluid stream C in the liquid state to the desired initial pressure. (This is a closed loop system in which the cycle is continuously recycled, so technically there is no point at which the system "starts"; choosing this point as a starting point is arbitrary and done just for clarity). At this point, the combined fluid stream C has certain physical properties (pressure, temperature and mass flow rate) defined herein as state C 1 . The states C 1 and other states of the fluid stream at various points in the process are described in more detail elsewhere herein. The combined fluid stream C is then separated by a stream separator 104 into a primary fluid stream A having state A 1 and a secondary fluid stream B having state B 1 . . The various states described herein are approximated, and some of these devices are intended to have a single state, which can be varied in temperature, pressure, etc. by friction, local heating or cooling, hydrodynamics, and the like.
1차 유체 스트림(A)은 1차 간접 열 교환기(106)로 루팅되는데, 이 열 교환기에서 1차 유체 스트림(A)은 열 또는 에너지 원에 노출됨으로써 증발된다. 열 또는 에너지 원은 화석 연료 또는 수소, 핵반응, 태양열, 연료 전지, 지열 에너지, 폐열 등의 연소와 같은 모든 이용가능한 열원일 수 있다. 게다가, 열원은 다른 산업 작동으로부터의 과잉 열(excess heat)일 수 있다. 이와 같은 열원으로서 용해로, 화학 처리 및 정제 시스템, 건조 시스템, 화로 및 오븐, 보일러, 히터 및 노, 가스 터빈 등으로부터의 열을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 1차 유체 스트림에 전달되는 열량은 Q106으로서 식별된다. 도1에서, 열원은 화석 연료를 태움으로써 가열되는 공기(연소 가스) 흐름이고, 전반적으로 문자(H)로 지정되어 있다. 연소 가스(H)는 상태(H1)로 1차 간접 열 교환기(106)로 들어가서 상태(H2)로 방출된다. 1차 간접 열 교환기(106)에서 나오는 연소 가스(H)는 굴뚝 등을 통해서 대기로 방출된다. 물론, 어떠한 유형의 열 교환 장치가 1차 간접 열 교환기(106) 또는 본원에 서술된 이외 다른 어떤 열 교환기, 냉각기, 응축기 등에 사용될 수 있다. 특정 열 교환 장치의 선택은 사용되는 열원의 유형을 따른다. 예를 들어, 각종 실시예에서, 열 교환 장치는 공기-액체 열 교환기, 수관식 보일러(water tube boiler), 셀(shell)(불꽃관 보일러(fire tube boiler)), 등일 수 있다. 이와 같은 장치의 선택 및 사용이 종래 기술에 공지되어 있다.Primary fluid stream A is routed to primary indirect heat exchanger 106 in which primary fluid stream A is evaporated by exposure to a heat or energy source. The heat or energy source may be any available heat source such as fossil fuel or combustion of hydrogen, nuclear reactions, solar heat, fuel cells, geothermal energy, waste heat and the like. In addition, the heat source may be excess heat from other industrial operations. Such heat sources include, but are not limited to, heat from furnaces, chemical treatment and purification systems, drying systems, furnaces and ovens, boilers, heaters and furnaces, gas turbines, and the like. The amount of heat delivered to the primary fluid stream is identified as Q 106 . In Fig. 1, the heat source is an air (combustion gas) stream that is heated by burning fossil fuels and is generally designated by the letter H. Combustion gas (H) will enter the state (H 1) in the first indirect heat exchanger 106 is discharged in a state (H 2). The combustion gas H from the primary indirect heat exchanger 106 is discharged to the atmosphere through the chimney or the like. Of course, any type of heat exchanger can be used for the primary indirect heat exchanger 106 or any other heat exchanger, cooler, condenser, etc., other than those described herein. The choice of specific heat exchanger device depends on the type of heat source used. For example, in various embodiments, the heat exchanger can be an air-liquid heat exchanger, a water tube boiler, a shell (fire tube boiler), or the like. The selection and use of such devices is known in the art.
일단 증발되면, 1차 유체 스트림(A)은 상태(A2)로 된다. 그 후, 1차 유체 스트림은 상태(A3)에 도달될 때까지 1차 팽창 터빈(108)(바람직하게는 터보-팽창기)에서 팽창됨으로써, 공급되는 제1 유용한 에너지(W108)를 발생시킨다. 일단 팽창되면, 1차 유체 스트림(A)은 2차 간접 열 교환기(110)로 루팅되는데, 이 교환기에서 1차 유체 스트림(A)은 2차 유체 스트림(B)으로 열을 부가하고 상태(A4)로 방출된다. 1차 및 2차 유체 스트림간의 열 전달은 Q110으로서 식별된다. 최종적으로, 1차 유체 스트림(A)은 스트림 혼합기(112)로 방출되는데, 이 혼합기에서 1차 유체 스트림은 2차 유체 스트림(B)과 결합된다. 결합된 1차 및 2차 유체 스트림은 결합된 유체 스트림(C)이 되는데, 이 스트림은 상태(C2)로 된다.Once evaporated, primary fluid stream A enters state A 2 . The primary fluid stream is then expanded in the primary expansion turbine 108 (preferably turbo-expander) until the state A 3 is reached, thereby generating the first useful energy W 108 supplied. . Once expanded, primary fluid stream (A) is routed to secondary indirect heat exchanger (110), where primary fluid stream (A) adds heat to secondary fluid stream (B) and state (A 4 ) is released. Heat transfer between the primary and secondary fluid streams is identified as Q 110 . Finally, the primary fluid stream A is discharged to the stream mixer 112 in which the primary fluid stream is combined with the secondary fluid stream B. The combined primary and secondary fluid streams are combined fluid streams C, which are in state C 2 .
2차 간접 열 교환기(110)는 1차 팽창 터빈(108)에서 방출된 후 1차 유체 스트림(A)의 증발된 유체에 남아있는 열을 사용함으로써 2차 유체 스트림(B)을 과열시킨다. 2차 유체 스트림(B)은 상태(B2)로 2차 간접 열 교환기(110)로 들어가서 상태(B3)로 방출된다. 그 후, 상태(B3)를 갖는 2차 유체 스트림(B)은 2차 팽창 터빈(116)으로 향하여 공급되는 제2 유용한 에너지(W116)를 발생시킨다. 2차 유체 스트림은 2차 팽창 터빈(116)을 통과할 때 상태(B4)로 변경된다. 그 후, 2차 유체 스트림(B)은 스트림 혼합기(112)에서 1차 유체 스트림(A)과 결합되어 상술된 바와 같은 결합된 유체 스트림(C)을 형성한다. 그 후, 결합된 유체 스트림(C)은 제3 간접 열 교환기(114)로 향하는데, 이 교환기에서 결합된 유체 스트림(C)의 열은 2차 유체 스트림(B)으로 전달되어 2차 유체 스트림(B)을 상태(B1)에서 상태(B2)로 변경시키고 결합된 유체 스트림을 상태(C2)에서 상태(C3)로 변경시킨다. 결합된 유체 스트림으로부터 2차 유체 스트림으로 전달되는 열량은 Q114로서 식별된다. 제3 간접 열 교환기(114)에서 방출된 후, 결합된 유체 스트림(C)은 응축기(118)로 향하는데, 이 응축기에서 결합된 유체 스트림(C)은 상태(C4)를 갖는 액체로 응축된다. 열량(Q118)은 응축기(118)에 의해 결합된 유체 스트림(C)으로부터 추출되고 물 또는 공기와 같은 어떤 적절한 냉각 매체에 의해 흡수된다. 결합된 유체 스트림(C)의 유체가 액체 상태로 다시 응축되면, 이는 고압 펌프(102)로 향하여 새롭게 사이클을 시작한다. 펌프(102)는 결합된 유체 스트림(C)을 소망 상태(C1)로 가압하기 위하여 특정 전력량(P102)을 필요로 한다.The secondary indirect heat exchanger 110 overheats the secondary fluid stream B by using the heat remaining in the evaporated fluid of the primary fluid stream A after it is discharged from the primary expansion turbine 108. Secondary fluid stream B enters secondary indirect heat exchanger 110 in state B 2 and exits to state B 3 . Then, the secondary fluid stream B with state B 3 generates a second useful energy W 116 which is fed towards the secondary expansion turbine 116. The secondary fluid stream changes to state B 4 as it passes through the secondary expansion turbine 116. Secondary fluid stream B is then combined with primary fluid stream A in stream mixer 112 to form a combined fluid stream C as described above. The combined fluid stream (C) is then directed to a third indirect heat exchanger (114), in which heat of the combined fluid stream (C) is transferred to the secondary fluid stream (B) to provide a secondary fluid stream. (B) changes from state B 1 to state B 2 and changes the combined fluid stream from state C 2 to state C 3 . The amount of heat transferred from the combined fluid stream to the secondary fluid stream is identified as Q 114 . After exiting the third indirect heat exchanger 114, the combined fluid stream C is directed to the condenser 118, where the combined fluid stream C condenses into a liquid having a state C 4 . do. The heat Q 118 is extracted from the fluid stream C coupled by the condenser 118 and absorbed by any suitable cooling medium, such as water or air. When the fluid in the combined fluid stream C condenses back to the liquid state, it starts a new cycle towards the high pressure pump 102. The pump 102 requires a specific amount of power P 102 to pressurize the combined fluid stream C to the desired state C 1 .
1차 팽창 터빈(108) 및 2차 팽창 터빈(106)은 임의의 속도 변경 수단을 사용하여 에너지 발생 장치에 직렬 또는 병렬로 연결되어 기계 또는 전기 에너지를 발생시킨다. 대안적으로, 팽창 터빈중 하나 또는 2개의 터빈은 콤프레서, 펌프, 발전기 또는 부가적인 유용한 에너지 또는 작업(work)을 제공하는데 사용될 수 있는 다른 장치에 부착될 수 있다. 게다가, 도1의 CCLC는 부가적인 열 교환기, 응축기, 펌프 또는 팽창 터빈을 포함하도록 기본 개념내에서 수정된다. 펌프, 스트림 분리기, 열 교환기, 팽창 터빈, 터버 팽창기, 응축기 및 이와 등가의 장치이고 대안적인 장치가 종래 기술에 공지되어 있다. 게다가, 이들 각종 장치를 부착하는 기술 및 장치가 또한 종래 기술에 공지되어 있다.The primary expansion turbine 108 and the secondary expansion turbine 106 are connected in series or parallel to the energy generating device using any speed change means to generate mechanical or electrical energy. Alternatively, one or two turbines of the expansion turbine can be attached to a compressor, pump, generator or other device that can be used to provide additional useful energy or work. In addition, the CCLC of FIG. 1 is modified within the basic concept to include additional heat exchangers, condensers, pumps or expansion turbines. Pumps, stream separators, heat exchangers, expansion turbines, turbine expanders, condensers and the like and alternative arrangements are known in the art. In addition, techniques and devices for attaching these various devices are also known in the art.
본 발명의 캐스케이딩 폐루프 사이클이 지금부터, CCLC 발전 사이클을 위한몰리에르(즉, 압력 대 엔탈피) 선도(Mollier diagram)인 도2를 참조하여 부가 설명된다. 도2에서, 압력은 수직축(250)으로 표시되며, 엔탈피(즉, 파운드 당 BTU)는 수평 축(252)으로 표시되고 수많은 등온선(254)이 작동 유체의 포화 곡선(256)과 함께 도시되어 있다. 도2의 실시예에서 작동 유체는 바람직하게는 프로판이다. 또한 도2에서, 도1의 결합된 유체 스트림(C)은 이중선(C)으로 도시되며, 1차 유체 스트림(A)은 단일선(A)으로 도시되고, 2차 유체 스트림(B)은 점선(B)으로 도시되어 있다. 간결하게 하기 위하여, 유체 스트림을 표시하는 선들은 서로를 명백하게 식별할 수 있도록 일부 장소에서 분리되어 있다. 또한, 간결하게 하기 위하여, 도2상의 각 지점들은 도1과 관련하여 상술된 하나 이상의 상태의 온도 및 압력을 기호(예를 들어, 상태 C1, 상태 C2, 상태 A1, 상태 B1 등)로 표시한다. 간결하게 하기 위하여, 하나의 지점이 사용되지만, 당업자는 각 지점으로 표시된 각종 상태가 실제에선 서로 떨어져 위치될 수 있다는 것을 인지할 것이다.The cascading closed loop cycle of the present invention is now further described with reference to Figure 2, which is a Moliere (i.e. pressure versus enthalpy) Mollier diagram for the CCLC power generation cycle. In FIG. 2, the pressure is represented by the vertical axis 250, the enthalpy (ie, BTU per pound) is represented by the horizontal axis 252 and numerous isotherms 254 are shown with the saturation curve 256 of the working fluid. . In the embodiment of Figure 2 the working fluid is preferably propane. Also in FIG. 2, the combined fluid stream C of FIG. 1 is shown as a double line C, the primary fluid stream A is shown as a single line A, and the secondary fluid stream B is a dashed line. It is shown as (B). For brevity, the lines representing the fluid streams are separated in some places so that they can clearly identify each other. Also, for brevity, each point on FIG. 2 represents the temperature and pressure of one or more states described above with respect to FIG. 1 as symbols (e.g., state C1, state C2, state A1, state B1, etc.). . For the sake of brevity, one point is used, but one skilled in the art will recognize that the various states represented by each point may in fact be located away from each other.
도2의 CCLC는 이 설명을 위하여 지점(201)(상태 A1, B1, C1에 대응)에서 시작하는데, 이 지점에서 결합된 유체 스트림(C)은 고압 펌프(102)에 의해 가압되고 분리 스트림으로 분리된다. 상태(C1, A1, 및 B1)는 거의 동일하지만, 펌핑 손실, 마찰 등으로 인해 일부 차이가 있다. 지점(201)에서 시작하여, 제1 유체 스트림(A) 및 제2 유체 스트림(B)은 분리된 경로를 따라서 처리된다. 제1 유체 스트림(A)은 1차간접 열 교환기(106)에서 연소 가스(H)로부터의 열을 흡수함으로써 지점(202)(상태 A2)까지 거의 일정한 압력으로 가열된다. 그 후, 제1 유체 스트림은 지점(203)(상태 A3)에 도달될 때까지 1차 팽창 터빈(108)에서 근본적으로 일정한 엔트로피 선(도시되지 않음)을 따라서 팽창된다. 다음에, 제1 유체 스트림(A)은 열을 2차 간접 열 교환기(110)에서 2차 유체 스트림(B)으로 방출함으로써 지점(204)(상태 A4)까지 거의 일정한 압력으로 냉각된다. 이 지점에서, 1차 유체 스트림(A)은 2차 유체 스트림(B)과 혼합되어 또 다시 결합된 유체 스트림(C)이 된다.The CCLC of FIG. 2 begins at this point 201 (corresponding to states A 1 , B 1 , C 1 ) for this description, where the combined fluid stream C is pressurized by a high pressure pump 102. Separated into a separate stream. The states C 1 , A 1 , and B 1 are almost identical, but there are some differences due to pumping losses, friction, and the like. Starting at point 201, the first fluid stream A and the second fluid stream B are processed along separate paths. The first fluid stream A is heated to a substantially constant pressure to point 202 (state A 2 ) by absorbing heat from the combustion gas H in the primary indirect heat exchanger 106. The first fluid stream then expands along an essentially constant entropy line (not shown) in the primary expansion turbine 108 until it reaches point 203 (state A 3 ). The first fluid stream A is then cooled to a substantially constant pressure to point 204 (state A 4 ) by dissipating heat from the secondary indirect heat exchanger 110 to the secondary fluid stream B. At this point, the primary fluid stream A is mixed with the secondary fluid stream B to become a combined fluid stream C again.
2차 유체 스트림(B)은 또한, 지점(201)(상태 B1으로 표시)에서 시작되고 제3 간접 열 교환기(114)에서 결합된 유체 스트림(C)으로부터 열을 흡수함으로써 지점(205)(상태 B2)까지 거의 일정한 압력으로 가열된다. 다음에, 2차 유체 스트림(B)은 2차 간접 열 교환기(110)에서 1차 유체 스트림(A)으로부터의 열을 흡수함으로서 지점(206)(상태 B3)까지 거의 일정한 압력으로 가열된다. 2차 유체 스트림(B)은 1차 유체 스트림(A)과 혼합되어 결합된 유체 스트림(C)을 형성하는 지점(204)(상태 B4)에 도달될 때까지 2차 팽창 터빈(116)에서 근본적으로 일정한 엔트로피 선(도시되지 않음)을 따라서 팽창된다.Secondary fluid stream B also starts at point 201 (denoted as state B 1 ) and absorbs heat from fluid stream C coupled at third indirect heat exchanger 114 ( Up to state B 2 ) at a substantially constant pressure. Secondary fluid stream B is then heated to a substantially constant pressure to point 206 (state B 3 ) by absorbing heat from primary fluid stream A in secondary indirect heat exchanger 110. The secondary fluid stream B is mixed with the primary fluid stream A in the secondary expansion turbine 116 until it reaches point 204 (state B 4 ) that forms a combined fluid stream C. It expands along a essentially constant entropy line (not shown).
일단 결합되면, 결합된 유체 스트림(C)은 상술된 바와 같은 제3 간접 열 교환기(114) 내의 2차 유체 스트림(B)에 열을 방출함으로써 지점(207)(상태 C3)까지 거의 일정한 압력으로 냉각된다. 그 후, 결합된 유체 스트림(C)은 지점(208)(상태 C4)에 도달할 때까지 응축기(118)에 의해 더욱 더 냉각된다. 또 다시, 지점(207)으로부터 지점(208)까지의 냉각은 상대적으로 일정한 압력으로 발생된다. 결합된 유체 스트림이 액체 상태로 냉각된 후, 고압 펌프(102)는 지점(201)(상태 C1)까지 상대적으로 일정한 온도로 이를 펌핑하여 새롭게 사이클을 시작한다.Once combined, the combined fluid stream C releases heat to the secondary fluid stream B in the third indirect heat exchanger 114 as described above, thereby providing a substantially constant pressure to point 207 (state C 3 ). To cool. Thereafter, the combined fluid stream C is further cooled by the condenser 118 until it reaches point 208 (state C 4 ). Again, cooling from point 207 to point 208 occurs at a relatively constant pressure. After the combined fluid stream has cooled to the liquid state, the high pressure pump 102 pumps it to a relatively constant temperature to point 201 (state C1) to start a new cycle.
유체 스트림의 각종 상태를 주의깊게 선택하고 제어함으로써, 본 발명은 종래 증기 발전 시스템과 비교할 때 극히 효율적인 발전을 제공하는데 사용될 수 있다. 표1은 도1에서 식별된 각종 상태의 바람직한 실시예에 대한 근사치 뿐만 아니라 바람직한 실시예의 작동과 관련된 다른 데이터를 제공한다. 표1에서 작동 유체는 프로판이다. 표1 및 본원의 그 밖의 다른 곳에서 제공된 데이터가 본 발명의 특정한 바람직한 실시예를 표시하지만, 이들 값이 본 발명의 범위 및 원리를 벗어남이 없이 상당히 변경되거나 특정 작동 시스템 또는 작동 요구조건에 적응될 수 있다는 것을 이해할 것이다.By carefully selecting and controlling the various conditions of the fluid stream, the present invention can be used to provide extremely efficient power generation compared to conventional steam power generation systems. Table 1 provides an approximation to the preferred embodiment of the various states identified in FIG. 1 as well as other data related to the operation of the preferred embodiment. In Table 1 the working fluid is propane. Although the data provided in Table 1 and elsewhere herein indicate certain preferred embodiments of the present invention, these values may be significantly altered or adapted to particular operating systems or operational requirements without departing from the scope and principles of the present invention. I will understand.
[표 1] CCLC(도1)Table 1 CCLC (FIG. 1)
표1에 제공된 CCLC의 실시예의 효율은 열원(Q106)으로부터 시스템에 들어가는 열량으로 나눈 순 전력(net power)(W108+W116-P02)으로 계산된다. 본 발명의 효율은 종래 전력 시스템의 효율을 크게 초과한다는 것이 밝혀졌다. 효율이 크게됨으로써, 전력 출력을 증가시키고 자원 소모를 감소시키고 (고온 배기가스로 인한 열적 오염물 및 오염물의 량 둘 다의)방출을 감소시키고 자원 보존을 증가시켜 환경에 상당한 이점을 제공한다. 이 개선된 효율의 다른 이점은 너무 많아서 기재할 수 없지만, 당업자는 이와 같은 이점을 손쉽게 이해할 수 있을 것이다. 바람직한 실시예에서, CCLC의 효율은 적어도 약 17%, 보다 바람직하게는 적어도 약 20%이다. 게다가, 표1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 가지 바람직한 실시예의 효율은 거의 22%라는 것이 밝혀졌다. 이 효율은 유사한 비용 및 복잡성을 지닌 종래 기술의 증기 발전 시스템에 의해 획득되는 효율 보다 크다. 이와 같은 증기 발전 시스템의 일 예가 도3에 제공된다.The efficiency of the embodiment of the CCLC provided in Table 1 is calculated as the net power (W 108 + W 116- P 02 ) divided by the amount of heat entering the system from the heat source Q 106 . It has been found that the efficiency of the present invention greatly exceeds the efficiency of conventional power systems. The greater efficiency provides significant benefits to the environment by increasing power output, reducing resource consumption, reducing emissions (both of thermal contaminants and the amount of contaminants due to hot exhaust gases) and increasing resource conservation. Other benefits of this improved efficiency are too numerous to describe, but those skilled in the art will readily appreciate such advantages. In a preferred embodiment, the efficiency of the CCLC is at least about 17%, more preferably at least about 20%. In addition, as shown in Table 1, it has been found that the efficiency of one preferred embodiment of the present invention is almost 22%. This efficiency is greater than that obtained by prior art steam generation systems of similar cost and complexity. An example of such a steam power generation system is provided in FIG.
도3의 종래 기술의 증기 시스템에서, 전반적으로 문자(S)로 지정된 물 유체 흐름은 시스템(300)을 통해서 순환된다. 펌프(202)는 물 유체 흐름을 상태(S1)로 가압한다. 펌프(202)는 물을 가압하기 위해선 특정 량의 전력(P202)을 필요로 한다. 그 후, 가압수는 연소 가스(220) 또는 이외 다른 어떤 종래 열원에 의해 간접 열 교환기(204)에서 상태(S2)를 갖는 증기로 가열되고 증발된다. 연소 가스(220)는 상태(H1)로 간접 열 교환기(204)로 들어가고 상태(H2)로 방출되어, (Q204)의 열량을 물 유체 흐름(S)에 제공한다. 그 후, 이 증기는 팽창 터빈(206)으로 향하는데, 이 터빈에서 이 증기는 상태(S3)로 팽창됨으로써, 공급되는 유용한 에너지(W206)를 발생시킨다. 이 증기는 상태(S4)를 갖는 액체가 될 때까지 응축기(208) 또는 이외 다른 냉각기에서 냉각된다. 이 냉각 공정 동안, 열량(Q208)은 증기로부터 제거되어 이를 액체로 응축시킨다. 표2는 도3의 종래 기술의 증기 시스템(300)의 각종 상태에 대한 전형적인 최적화된 근사치 및 다른 변수를 나타낸다.In the prior art vapor system of FIG. 3, the water fluid flow, generally designated by the letter S, is circulated through the system 300. Pump 202 pressurizes the water fluid flow to state S 1 . The pump 202 requires a certain amount of power P 202 to pressurize the water. The pressurized water is then heated and evaporated to steam having state S 2 in indirect heat exchanger 204 by combustion gas 220 or some other conventional heat source. Combustion gas 220 is provided in a state (H 1) by indirect heat exchange (204) into a state (H 2) is released by, (Q 204) fluid flow (S) of the water, the amount of heat. This steam is then directed to expansion turbine 206 where it is expanded to state S 3 to generate useful energy W 206 supplied. This vapor is cooled in the condenser 208 or other cooler until it is a liquid having state S 4 . During this cooling process, the calorific value Q 208 is removed from the vapor and condenses it into a liquid. Table 2 shows typical optimized approximations and other parameters for various states of the prior art steam system 300 of FIG.
[표 2] 증기 사이클(도3)(종래 기술)Table 2 Steam Cycle (Figure 3) (Prior Art)
표2에 도시된 바와 같이, 종래의 증기 사이클은 도1 및 도2와 표1에서 나타낸 CCLC와 동일한 열 입력을 받아들이는데, 이 두개의 시스템은 열원으로서 750℉ 및 24.7psia에서 공급되는 833,300lb/hr 연소 가스를 받아들인다. 그러나, 종래의 증기 사이클은 CCLC의 21.9%의 효율과 비교하여, 16.0%의 효율((W206-P102)/Q04 )을 갖는다. 따라서, CCLC는 종래 증기 시스템에 비해서 약 33%의 효율을 증가시킨다. 액체 프로판 또는 이와 등가의 경질 탄화수소의 다소간의 압축성(compressible nature)으로 인해 CCLC 시스템에 의해 필요로 되는 부가적인 펌핑 에너지에도 불구하고 이와 같은 높은 효율이 제공된다.As shown in Table 2, the conventional steam cycle accepts the same heat input as the CCLC shown in Figures 1 and 2 and Table 1, both systems being 833,300 lb / s supplied at 750 ° F and 24.7 psia as the heat source. hr accept combustion gas. However, conventional steam cycles have an efficiency of 16.0% ((W 206- P 102 ) / Q 04 ) compared to 21.9% of CCLC. Thus, CCLC increases the efficiency by about 33% over conventional steam systems. This high efficiency is provided despite the additional pumping energy required by the CCLC system due to the somewhat compressible nature of liquid propane or equivalent light hydrocarbons.
본 발명은 또한, 부분적으로 현저하게 효율을 증가시킬 수 있는데, 그 이유는 작동 유체로서 물이 아니라 프로판 또는 다른 경질 탄화수소를 사용하여 동작하기 때문이다. 프로판이 발전 사이클에 사용될 때 물에 비해서 수많은 이점을 제공하는 특정한 특성을 갖고 있다는 것이 밝혀졌다. 어떤 발전 사이클에서, 작동 유체(전형적으로 물)는 액체 상태동안 펌핑되며, 이를 기체로 변경시키기 위하여 가열되며, 보다 큰 에너지를 기체에 제공하기 위하여 더욱 가열되며, 유용한 에너지를 얻기 위하여 팽창(감압(decompress))되고, 사이클로 다시 펌핑되도록 액체로 냉각되어야만 한다. 본원의 그 밖의 다른 곳에서 언급된 바와 같이, 액체로부터 기체로 유체를 변경시키는데 필요로 되는 에너지 량은 근본적으로 유용한 에너지로 변환됨이 없이 손실된다. 프로판이 상대적으로 낮은 증발 잠열(물의 약 1/7)을 가짐으로써, 액체 프로판을 기체 프로판으로 변경시키는데 에너지를 덜 소모하게 한다. 이것이 종래 증기 기반으로 한 전력 시스템에 비해서 실질적으로 에너지를 절감시킨다. The present invention can also increase efficiency significantly in part, because it operates using propane or other light hydrocarbons rather than water as the working fluid. It has been found that propane has certain properties that offer numerous advantages over water when used in a power generation cycle. In some power generation cycles, the working fluid (typically water) is pumped during the liquid state, heated to convert it into a gas, heated to provide more energy to the gas, and expanded to obtain useful energy. decompress) and must be cooled with liquid to be pumped back into the cycle. As mentioned elsewhere herein, the amount of energy required to change the fluid from liquid to gas is lost without converting it into fundamentally useful energy. Propane has a relatively low latent heat of evaporation (about 1/7 of water), which results in less energy being used to convert liquid propane to gaseous propane. This substantially saves energy compared to conventional steam based power systems.
본 발명은 또한, 상대적으로 높은 효율을 얻도록 하는 다른 특징들을 갖는다. 예를 들어, 약 200psia의 최소 압력으로 프로판을 유지시킴으로써 고온 발전 시스템에 프로판이 실제로 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이는 프로판을 실온(즉, 프로판의 증기압)에서 응축시키는 근사 압력이다. 최소 압력을 작동 유체의 증기압으로 또는 이 보다 낮게 유지시킴으로써, 시스템은 활성 냉각(즉, 냉동)을 필요로 하지 않고도 전형적인 절정의 상태(climatic conditions)로 동작되어 작동 유체를 액체로 응축시킨다. 실제로, 이는 최소 압력을 주어진 주위 온도에서 작동 유체의 증기압과 근사하게 설정하도록 하는데 충분할 것이다. 이 압력의 어떤 변화가 주위 온도에서 예측되거나 예측되지 않은 변동을 수용하도록 하여, 시스템의 전체 효율을 최대화하는데, 이외 다른 이유는 당업자에게 명백하다. 프로판의 최대 압력은 또한 바람직하게 조절될 수 있다. 펌프에서 방출되는 프로판의 압력은 가변되어, 열원으로부터 이용가능한 에너지 및 특정 압력으로 유체를 펌핑하는데 필요로 되는 작업과의 터보-팽창기의 팽창 비를 최적화한다. 바람직한 실시예에서, 프로판의 최대 압력은 약 300psia 내지 약 1000psia이지만, 다른 압력이 환경에 따라서 사용될 수 있다. 당업자는 이 목적 또는 그외 다른 목적을 얻기 위하여 프로판 압력을 최적화할 수 있다. The present invention also has other features that allow for obtaining a relatively high efficiency. For example, it has been found that propane can actually be used in high temperature power generation systems by maintaining propane at a minimum pressure of about 200 psia. This is an approximate pressure to condense propane at room temperature (ie, vapor pressure of propane). By keeping the minimum pressure at or below the vapor pressure of the working fluid, the system operates in typical climatic conditions without requiring active cooling (ie, refrigeration) to condense the working fluid into the liquid. In practice, this will be sufficient to set the minimum pressure to approximate the vapor pressure of the working fluid at a given ambient temperature. Any change in this pressure is allowed to accommodate the predicted or unpredicted fluctuations in ambient temperature, maximizing the overall efficiency of the system, other reasons being apparent to those skilled in the art. The maximum pressure of propane can also be preferably adjusted. The pressure of the propane released from the pump is varied to optimize the expansion ratio of the turbo-expander with the work needed to pump the fluid at a specific pressure and the energy available from the heat source. In a preferred embodiment, the maximum pressure of propane is about 300 psia to about 1000 psia, although other pressures may be used depending on the environment. One skilled in the art can optimize the propane pressure to achieve this or other purposes.
물 보다 낮은 증발열로 인해 제공되는 프로판의 또 다른 이점은, 이 프로판이 과열되어(즉, 보다 많은 열을 회수할 수 있다) 100℉ 내지 1000℉간의 온도 범위에서 터빈내에서 보다 큰 과잉 팽창 에너지를 발생시킨다는 것이다. 실제로, 프로판은 표준 주위 온도에 근접한 온도에서 이용가능한 열을 회수하여, 저온 열원으로부터 전력을 발생시키도록 CCLC를 사용한다. 이와 같이, 본 발명의 CCLC는 증기 시스템 또는 다른 고온 시스템에 적절하게 사용되거나 저온 ORC 시스템에 적절하게 사용될 수 있다.Another advantage of propane, which is provided due to lower heat of evaporation than water, is that the propane is overheated (ie, it can recover more heat) and thus produces greater excess expansion energy in the turbine in the temperature range between 100 ° F and 1000 ° F. It is generated. Indeed, propane uses CCLC to recover available heat at temperatures close to the standard ambient temperature to generate power from low temperature heat sources. As such, the CCLC of the present invention may be suitably used in steam systems or other high temperature systems or in low temperature ORC systems.
본 발명의 고 효율은 또한 부분적으론, 한 유체 스트림으로부터 다음 유체 스트림으로 열원으로 획득된 에너지를 "캐스케이딩"함으로써 연속적인 터빈을 작동시키는 특정 캐스케이딩 터빈 장치에 의해 제공된다. 게다가, 본 발명의 고 효율은 또한 부분적으론, 2차 유체 스트림을 예열하여 효율을 훨씬 더 크게 증가시키는 특정한 제3 간접 열 교환 장치에 의해 제공된다. The high efficiency of the present invention is also provided, in part, by certain cascading turbine devices that operate a continuous turbine by "cascading" the energy obtained as a heat source from one fluid stream to the next. In addition, the high efficiency of the present invention is also provided, in part, by a particular third indirect heat exchange device that preheats the secondary fluid stream to increase the efficiency even more.
증가된 효율 이외에도, CCLC는 종래 증기 시스템에 비해서 부가적인 수행성능 이점을 제공한다. 예를 들어, CCLC의 효율은 (열원이 프로판을 증발시킬 정도로 충분한 온도가 되면) 열원의 고도 변화 또는 압력 변화에 의해 나쁜 영향을 받지 않는데, 그 이유는 작동 유체가 자신의 주변환경에서 용접 밀봉되어 있기 때문이다. 물론, CCLC에 전력을 공급하는 열원은 고도에 의해 나쁜 영향을 받어, 이에 상응하는 전력 출력을 감소시킬 수 있지만, CCLC의 효율은 실질적으로 동일한 채로 유지된다.In addition to increased efficiency, CCLC offers additional performance advantages over conventional steam systems. For example, the efficiency of CCLC is not adversely affected by changes in altitude or pressure in the heat source (when the heat source is at a temperature sufficient to evaporate propane) because the working fluid is welded and sealed in its environment. Because there is. Of course, the heat source powering the CCLC can be adversely affected by altitude, which can reduce the corresponding power output, but the efficiency of the CCLC remains substantially the same.
게다가, CCLC의 전력 출력은 주위 온도가 감소됨에 따라서 증가되는데, 그 이유는 주위 온도가 감소될 때, 응축을 시작하는 압력 또한 감소되기 때문이다. 이와 같이, 보다 차가운 환경에서 동작할 때, 프로판 압력의 하한은 남아있는 프로판의 압력을 동일한 레벨로 유지하면서 감소될 수 있다. 이것이 행해질 때, 프로판의 압력 차는 증가되고 터보-팽창기의 팽창비는 증가되어 보다 넓은 압력 범위에 걸쳐서 이용가능한 부가적인 에너지 량을 이용한다. 이 이점은 또한 주위 공기 보다 차가운 응축 매체를 사용함으로써 실현될 수 있다. 예를 들어, 찬물(예를 들어, 40℉)이 프로판을 액체로 응축시키는 냉매로서 사용되면, 시스템은 보다 낮은 배압(backpressure)으로 터보-팽창기를 작동시켜 이에 상응하는 보다 낮은 압력으로 프로판을 응축시킨다는 사실을 이용하도록 수정될 수 있다. 대조적으로, 종래의 증기 시스템 대부분은 온도에 무관하다. 이 특징은 CCLC 시스템이 추운 기후에서 훨씬 더 바람직하게 사용되도록 한다. 본 발명이 광범위의 주위 온도에서 실제 수정됨이 없이 사용될 때 효율적으로 된다는 것을 예측할 수 있지만, 프로판(또는 다른 매체)의 최소 압력이 발전 설비의 특정 주위 온도에서 프로판의 증기압과 거의 같거나 이 보다 낮게 되도록 수정하는 것이 바람직하다. 주위 온도는 약 -50℉ 내지 약 160℉ 사이가 바람직하고 최소 압력은 약 25psia로부터 약 300psia까지 조정될 수 있는 것이 바람직하다. 물론, 이들 범위 한계는 이로 제한되지 않고, 본 발명은 시스템에 대해서 예측되는 특정 작동 상태를 이용하도록 이들 범위 보다 아래 또는 이들 범위를 넘는 압력을 갖도록 손쉽게 수정될 수 있다. In addition, the power output of the CCLC increases as the ambient temperature decreases because the pressure to start condensation also decreases when the ambient temperature decreases. As such, when operating in a colder environment, the lower limit of propane pressure can be reduced while maintaining the pressure of the remaining propane at the same level. When this is done, the pressure differential of propane is increased and the expansion ratio of the turbo-expander is increased to take advantage of the additional amount of energy available over a wider pressure range. This advantage can also be realized by using a condensation medium that is colder than the ambient air. For example, if cold water (eg 40 ° F.) is used as a refrigerant to condense propane into a liquid, the system operates the turbo-expander at a lower backpressure to condense propane at the corresponding lower pressure. Can be modified to take advantage of the fact. In contrast, most conventional steam systems are temperature independent. This feature allows the CCLC system to be used even more desirably in cold climates. While it can be expected that the present invention will be efficient when used at a wide range of ambient temperatures without actual modification, the minimum pressure of propane (or other medium) is about equal to or lower than the vapor pressure of propane at a specific ambient temperature of the power plant. It is desirable to modify it as much as possible. Preferably the ambient temperature is between about -50 ° F. and about 160 ° F. and the minimum pressure can be adjusted from about 25 psia to about 300 psia. Of course, these range limits are not so limited, and the present invention can be easily modified to have pressures below or above these ranges to take advantage of the specific operating conditions expected for the system.
본 발명의 CCLC는 또 다른 이점을 제공한다. 예를 들어, 본 발명의 CCLC 시스템은 종래의 증기 발전 시스템의 비용 또는 그 보다 적은 비용으로 구축될 수 있다. 이는 프로판이 값비싼 증기 터빈이 아니라 상대적으로 값싼 터보 팽창기를 사용하여 팽창될 수 있기 때문이다. 그러나, CCLC의 구축 비용이 종래의 전력 시스템의 구성 비용을 초과하는 경우 조차도, CCLC의 높은 효율이 또한, 어떠한 과다 제조 비용을 보다 적은 작동 비용 및/또는 보다 높은 전력 출력에 의해 회수하도록 한다. 본 발명에 사용될 수 있는 전형적인 터보-팽창기는 GE Power Systems, ABB Alstom, Atlas Copco, Mafi Trench 및 GHH-Borsig로부터 시장에서 입수가능한 터보-팽창기를 포함한다. 터보-팽창기는 임의로 설계될 수 있는데, 일 실시예에서, 터보-팽창기는 원심형 팽창기이다.The CCLC of the present invention provides another advantage. For example, the CCLC system of the present invention can be built at or less than the cost of a conventional steam power generation system. This is because propane can be expanded using relatively inexpensive turboexpanders rather than expensive steam turbines. However, even when the cost of building a CCLC exceeds the cost of building a conventional power system, the high efficiency of the CCLC also allows any excess manufacturing cost to be recovered by lower operating costs and / or higher power output. Typical turbo-expanders that can be used in the present invention include turbo-expanders available on the market from GE Power Systems, ABB Alstom, Atlas Copco, Mafi Trench and GHH-Borsig. The turbo-expander can be arbitrarily designed, in one embodiment the turbo-expander is a centrifugal expander.
CCLC는 또한, 많은 서비스 이점을 제공한다. 종래의 증기 시스템은 물내의 미네랄로 인해 야기되는 물때가 축적되는 것을 방지하거나 감소시키기 위하여 주기적인 청소 및 화학적 처리를 필요로 하였다. 증기 시스템은 또한 증기가 대기에 대해서 부의 진공(negative vaccum)을 얻도록 실행될 수 있는데, 이것이 공기 및 다른 오염물을 시스템 내로 들어가게 하여 시스템의 효율을 저하시킨다. 이는 귀중한 수자원을 많이 소모시키게 한다. 대조적으로, 프로판 CCLC 시스템은 상대적으로 순수 프로판을 가진채 용접 밀봉되어, 거의 청소 또는 유지보수를 필요로 하지 않는다. CCLC also provides many service advantages. Conventional steam systems required periodic cleaning and chemical treatment to prevent or reduce the buildup of scale caused by minerals in the water. Steam systems can also be implemented to allow steam to gain a negative vaccum to the atmosphere, which causes air and other contaminants to enter the system, reducing the efficiency of the system. This consumes a lot of valuable water resources. In contrast, propane CCLC systems are weld sealed with relatively pure propane, requiring very little cleaning or maintenance.
게다가, CCLC는 증기 시스템(즉, 상태 S3에서의 온도) 보다 낮은 폐열 방출 온도(즉, 상태 C3에서의 온도)로 동작하는데, 이것이 발생되는 열 오염량을 최소화하면서 CCLC가 호수 및 강과 같은 천연 수자원에 의해 냉각되도록 한다. CCLC는 또한, 전체적으로 대기압을 초과하여 동작하여, 시스템으로부터 오염물이 누출될 가능성을 제거하고 시스템을 유지시키기 위하여 수자원을 소모할 필요성을 제거한다. CCLC는 또한 종래 시스템과 동일한 압력 범위에서 동작하기 때문에, 종래의 구성 기술 및 연관 기술(plumbing technology)을 사용하여 제조될 수 있다.In addition, CCLC operates at a waste heat emission temperature (ie, temperature in state C 3 ) that is lower than the vapor system (ie, temperature in state S 3 ), which minimizes the amount of thermal contamination that occurs and allows CCLC to Allow to cool by water resources. CCLC also operates in excess of atmospheric pressure as a whole, eliminating the possibility of contaminants leaking from the system and eliminating the need to consume water resources to maintain the system. Since CCLC also operates in the same pressure range as conventional systems, it can be manufactured using conventional construction techniques and plumbing techniques.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 종래의 증기 시스템 또는 어떤 다른 열원과 협동하여 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 본 발명은 폐열을 사용가능한 전력으로 변환시키는 슈퍼 캐스케이딩 폐루프 사이클(Super-CCLC)을 포함한다. 일 실시예에서, 열원의 온도가 프로판을 증발시킬 정도로 충분히 높은 동안 보일러 배기가스로부터의 폐열 및 응축 공정으로부터의 폐열을 유용한 출력으로 변환시킴으로써, 슈퍼-CCLC 시스템은 프로판 또는 등가의 경질 탄화수소 매체를 사용하는 캐스케이딩 팽창 터빈 장치에서 전력을 발생시킨다. 본 발명은 증기 보일러와 증기 터빈과 협동하여 동작하는 하나 이상의 간접 열 교환기, 팽창 터빈, 스트림 혼합기, 응축 장치, 펌프, 및 스트림 분리기를 포함한다. 증기 터빈이 진공으로 설계되는 경우에, 증기 터빈은 약 25psia로 제어되는 배압을 지닌 배압 증기 터빈으로 동작하도록 수정되는데, 이 진공 응축 시스템은 수정, 제거 또는 바이패스된다. 프로판-대-증기 열 교환기는 진공 응축기에 적절하게 설치되어 증기가 물로 응축될 때 증기에서 증발 잠열을 흡수한다.In another embodiment, the present invention can be used in cooperation with conventional steam systems or any other heat source. In this embodiment, the present invention includes a super cascading closed loop cycle (Super-CCLC) that converts waste heat into usable power. In one embodiment, by converting waste heat from the boiler exhaust and waste heat from the condensation process into useful outputs while the temperature of the heat source is high enough to evaporate propane, the super-CCLC system uses propane or an equivalent light hydrocarbon medium. To generate power in the cascading expansion turbine device. The present invention includes one or more indirect heat exchangers, expansion turbines, stream mixers, condensing units, pumps, and stream separators operating in cooperation with steam boilers and steam turbines. If the steam turbine is designed as a vacuum, the steam turbine is modified to operate as a back pressure steam turbine with a back pressure controlled at about 25 psia, which vacuum condensation system is modified, removed or bypassed. Propane-to-steam heat exchangers are suitably installed in a vacuum condenser to absorb latent heat of evaporation from the steam as it condenses into water.
증기 보일러로부터의 공기 배기가스는 공기-대-프로판 열 교환기로 향하고 증기 터빈으로부터의 배기가스는 증기-대-프로판 응축기로 향한다. 증기 보일러에서 방출되는 폐열은 하나 이상의 펌프를 사용하여 가압되는 프로판을 증발시킨다. 증기 터빈 배기가스로부터 열은 하나 이상의 펌프를 사용하여 가압되는 액체 프로판 스트림을 증발시킨다. 가압된 액체 프로판 스트림은 다수의 간접 열 교환기에서 증발되고 다수의 터보-팽창기에서 팽창된다. 터보-팽창기로부터의 배기가스 열은 프로판-대-프로판 열 교환기를 사용하여 부가적인 열을 회수하는데 사용될 수 있다. 터보-팽창기는 어떤 속도 변경 수단을 사용하여 발전기, 펌프, 또는 콤프레서와 같은 다수의 발전 장치에 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있다. 발전기와 같은 발전 장치 및 이들 장치를 터보 팽창기, 터빈 등에 부착시키는데 사용되는 장비는 종래 기술에 공지되어 있다. Air exhaust from the steam boiler is directed to the air-to-propane heat exchanger and exhaust from the steam turbine is directed to the steam-to-propane condenser. The waste heat released from the steam boiler evaporates the propane that is pressurized using one or more pumps. Heat from the steam turbine exhaust evaporates the liquid propane stream that is pressurized using one or more pumps. The pressurized liquid propane stream is evaporated in multiple indirect heat exchangers and expanded in multiple turbo-expanders. The exhaust heat from the turbo-expander can be used to recover additional heat using a propane-to-propane heat exchanger. The turbo-expander can be connected in series or in parallel to a number of power generation devices such as generators, pumps, or compressors using any speed change means. Power generating devices such as generators and equipment used to attach these devices to turboexpanders, turbines and the like are known in the art.
슈퍼-CCLC 시스템의 일 실시예가 도4에 개요적으로 도시되어 있다. 도4의 슈퍼-CCLC 시스템(400)은 이중선으로 도시되고 전반적으로 문자(S)로 지정된 증기 루프 및 단일선으로 도시되고 전반적으로 문자 (A 내지 E)로 지정된 다수-루프 CCLC 시스템을 포함한다. 도4의 슈퍼-CCLC(400)가 증기 루프와 함께 동작하는 것으로서 도시되었지만, 본 발명의 슈퍼-CCLC 장치는 또한 다른 유형의 발전 시스템 및 열원과 함께 동작될 수 있다. 실제로, 슈퍼-CCLC의 각종 실시예는 상술된 열원 또는 이외 다른 어떤 열원을 포함하여, 임의수의 장치 또는 시스템에 의해 발생된 폐열로부터 전력을 발생시키도록 적응된다. 게다가, 본 발명의 슈퍼-CCLC(또는 CCLC)의 실시예는 각종 상이한 크기로 제조될 수 있고 실제 발전용으로 사용될 수 있을 정도로 충분히 크게될 수 있거나, 휴대용 발전기로서 기능하거나 자동차, 트럭, 기차, 선박, 및 비행기 등을 위한 기동 및/또는 보조 전력을 제공할 정도로 충분히 소형화될 수 있다.One embodiment of a super-CCLC system is shown schematically in FIG. The super-CCLC system 400 of FIG. 4 comprises a vapor loop shown in double lines and generally designated by the letter S and a multi-loop CCLC system shown in single lines and designated generally by the letters A through E. As shown in FIG. Although the super-CCLC 400 of FIG. 4 is shown as operating with a vapor loop, the super-CCLC device of the present invention can also be operated with other types of power generation systems and heat sources. Indeed, various embodiments of super-CCLC are adapted to generate power from the waste heat generated by any number of devices or systems, including the heat sources described above or any other heat source described above. In addition, embodiments of the super-CCLC (or CCLC) of the present invention can be manufactured in a variety of different sizes and can be large enough to be used for practical power generation, function as a portable generator or be used as a car, truck, train, ship And can be miniaturized enough to provide maneuver and / or auxiliary power for, for example, airplanes and the like.
도4의 증기 루프의 동작은 물 펌프(402)가 물 스트림(S)을 상태(S1)로 가압할 때 시작된다. 물 펌프(402)는 물 스트림(S)을 가압하기 위하여 특정량의 전력(P402)을 필요로 한다. 가압수 스트림(S)은 연소 가스(전반적으로 문자(H)로 지정됨)와 같은 열원에 의해 상태(S1)에서 상태(S2)까지 보일러(404)에서 가열되어, 상태(H1)로 보일러에 들어가서 상태(H2)로 방출된다. 물 스트림(S)에 의해 흡수되는 열량은 본원에서 (Q404)로 지정되어 있다. 그 후, 상태(S2)에서 과열된 증기인 물 스트림(S)은 증기 터빈(406)으로 향하는데, 이 터빈에서 물 스트림(S)은 상태(S3)로 팽창되어, 공정에서 특정 량의 유용한 에너지(W406)를 발생시킨다. 그 후, 물 스트림은 제1 간접 열 교환기(408)를 통과하는데, 이 교환기에서 열(Q408)은 (후술되는 바와 같이) 슈퍼-CCLC 시스템(400)의 CCLC 부분의 제1 루프 스트림(C)으로 전달된다. 제1 간접 열 교환기(408)에서 물 스트림(S)을 벗어난 열 전달이 물 스트림(S)을 기상 상태(상태 S3)로부터 상태(S4)때까지 액체로 부분적으로 또는 완전하게 응축시키지만, 보다 적은 량의 열 전달이 또한 사용될 수 있다. 보충적인 응축기(도시되지 않음)는 제1 간접 열 교환기(408) 다음에 제공되어 물 스트림(S)을 부가적으로 냉각시켜 액체로 보다 완전하게 응축시킨다. 이 때, 물 스트림(S)은 물 펌프(402)로 다시 향하여 새로운 사이클을 시작한다.Operation of the steam loop of FIG. 4 begins when the water pump 402 pressurizes the water stream S to state S 1 . The water pump 402 requires a certain amount of power P 402 to pressurize the water stream S. The pressurized water stream S is heated in the boiler 404 from state S 1 to state S 2 by a heat source, such as combustion gas (generally designated by the letter H), to a state H 1 . It enters the boiler and is discharged in the state (H 2 ). The amount of heat absorbed by the water stream S is designated herein as Q 404 . The water stream S, which is steam superheated in state S 2 , is then directed to the steam turbine 406, where the water stream S is expanded to state S 3 , so that a certain amount in the process Generates useful energy of W 406 . The water stream then passes through a first indirect heat exchanger 408 where heat Q 408 passes (as described below) the first loop stream C of the CCLC portion of the super-CCLC system 400. Is passed). Heat transfer outside the water stream S in the first indirect heat exchanger 408 partially or completely condenses the water stream S into the liquid from the gaseous state (state S 3 ) to the state S 4 , Less heat transfer can also be used. A supplemental condenser (not shown) is provided next to the first indirect heat exchanger 408 to further cool the water stream S to condense it more completely into the liquid. At this time, the water stream S is directed back to the water pump 402 to start a new cycle.
본 발명의 일 실시예에서, 증기 루프에는 종래의 증기 전력 시스템과 같이 동작되도록 하는 바이패스 시스템이 제공될 수 있다. 이는 예를 들어, 시스템의 CCLC 부분을 갱신, 수정 또는 서비스하고자 할 때 바람직할 수 있다. 이와 같은 실시예에서, 하나 이상의 바이패스 밸브(434)는 물 스트림을 제1 간접 열 교환기(408)가 아니라 응축기(408')를 통해서 물 펌프(402)로 다시 향하게 하여 사이클을 재시작시킨다. 이와 같은 실시예에서, 응축기(408')는 물로부터 열(Q408')을 추출하여 상태(S4')가 되도록 한다. 물론, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이 물 스트림(S)을 충분히 재루팅시키기 위하여 다른 밸브(도시되지 않음)가 제공될 수 있다. 이 바이패스 루트는 또한 CCLC의 초기 시작 동안 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the steam loop may be provided with a bypass system to operate like a conventional steam power system. This may be desirable, for example, when updating, modifying or servicing the CCLC portion of the system. In such an embodiment, the one or more bypass valves 434 restart the cycle by directing the water stream back through the condenser 408 'to the water pump 402 instead of the first indirect heat exchanger 408. In this embodiment, the condenser 408 'extracts heat Q 408 ' from the water to be in state S 4 '. Of course, other valves (not shown) may be provided to sufficiently reroute the water stream S, as will be appreciated by those skilled in the art. This bypass route can also be used during the initial start of CCLC.
슈퍼-CCLC 시스템(400)의 다수-루프 CCLC 부분은 주 결합된 유체 스트림(A) 또는 다수의 결합된 스트림으로부터 발생된 3개의 루프를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 유체 스트림을 포함하는 작동 유체는 프로판 또는 또 다른 경질 탄화수소이다. 주 결합된 유체 스트림(A)은 2차 결합된 유체 스트림(B) 및 제1 루프 스트림(C)으로 분리된다. 그리고 나서, 2차 결합된 유체 스트림(B)은 제2 루프 스트림(D) 및 제3 루프 스트림(E)으로 분리된다. 유용한 에너지는 제1, 제2 및 제3 루프 스트림(C, D 및 E) 각각으로부터 추출되고 나서, 이들 스트림은 재결합되어 주 결합된 유체 스트림(A)을 다시 형성하고 새롭게 공정을 시작한다. 루프 스트림이 결합될 때 루프 스트림에서 유체를 혼합하는 것이 바람직하지만, 이 루프 스트림(또는 본 발명의 다른 어떤 실시예의 각종 스트림)이 항상 서로 분리되어 있어, 이와 같은 경우에 각 유체 스트림을 위한 별도의 펌프가 필요로 된다는 것을 또한 예측할 수 있다. 제1, 제2 및 제3 루프 스트림이 유용한 에너지를 생성하는 공정이 지금부터 보다 상세하게 설명된다. The multi-loop CCLC portion of the super-CCLC system 400 includes three loops generated from the main combined fluid stream A or the plurality of combined streams. In a preferred embodiment, the working fluid comprising the fluid stream is propane or another light hydrocarbon. The main combined fluid stream (A) is separated into a secondary combined fluid stream (B) and a first loop stream (C). The secondary combined fluid stream B is then separated into a second loop stream D and a third loop stream E. The useful energy is extracted from each of the first, second and third loop streams (C, D and E), and these streams are then recombined to re-form the main combined fluid stream (A) and start a new process. It is desirable to mix the fluid in the loop stream when the loop streams are combined, but this loop stream (or various streams of any other embodiment of the present invention) is always separated from each other, so in this case a separate It can also be predicted that a pump is needed. The process by which the first, second and third loop streams produce useful energy is now described in more detail.
제1 루프 스트림(C)은 상태(C1)에서 시작되는데, 이 때에, 이 스트림은 액체인 것이 바람직하다. 제1 루프 스트림(C)은 제1 고압 펌프(414)에 의해 상태(C2)로 압축된다. 이 펌핑 공정은 특정 량의 작업 입력(P414)을 필요로 한다. 그 후, 제1 루프 스트림(C)은 제1 간접 열 교환기(408)로 향하는데, 이 열 교환기에서 이 스트림은 Q408량의 에너지를 흡수하여 증기가 상태(C3)가 되게 한다. 그 후, 제1 루프 스트림(C)은 상태(C4)로 팽창시키는 제1 터보-팽창기(416)로 들어가고 터보-팽창기(416)를 구동시켜 유용한 에너지(W416)를 발생시킨다. 그 후, 팽창된 제1 루프 스트림(C)은 스트림 혼합기(418)에서 상술된 바와 같이 각 사이클의 끝에 각각 존재하는 제2 및 제3 루프 스트림(D 및 E)과 혼합되어 주 결합된 유체 스트림(A)을 형성한다. 도4로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1 루프 스트림(C)은 주로 스트림 루프(S)로부터의 폐열(Q408)로부터 열을 받아들인다. 통상적으로, 이 열은 어떤 유용한 작업을 수행함이 없이 전체적으로 손실되지만, 슈퍼-CCLC로 인해, 이 열은 부분적으로 유용한 에너지로 변환됨으로써 수정되지 않은 시스템의 효율을 개선시킨다.The first loop stream C begins in state C 1 , wherein it is preferred that this stream is a liquid. The first loop stream C is compressed to state C 2 by the first high pressure pump 414. This pumping process requires a certain amount of work input (P 414 ). The first loop stream C then directs to a first indirect heat exchanger 408 in which the stream absorbs Q 408 of energy causing the vapor to enter state C 3 . The first loop stream C then enters a first turbo-expander 416 which expands to state C 4 and drives the turbo-expander 416 to generate useful energy W 416 . Thereafter, the expanded first loop stream C is mixed with the second and third loop streams D and E respectively present at the end of each cycle as described above in the stream mixer 418 to be the main combined fluid stream. (A) is formed. As can be seen from FIG. 4, the first loop stream C mainly receives heat from the waste heat Q 408 from the stream loop S. As shown in FIG. Typically, this heat is lost entirely without performing any useful work, but due to super-CCLC, this heat is partially converted into useful energy, thereby improving the efficiency of the unmodified system.
도4의 실시예에서, 2차 결합된 유체 스트림(B)은 제2 고압 펌프(420)에 의해 상태(B1)로부터 상태(B2)까지 가압된다. 이 공정은 특정 량의 작업(P420)의 입력을 필요로 한다. 가압된 후, 2차 결합된 유체 스트림(B)은 제2 스트림 분리기(422)에 의해 제2 루프 스트림(D) 및 제3 루프 스트림(E)으로 분리된다. 이 도시된 장치를 사용하면, 단일 펌프는 제2 및 제3 루프 스트림 둘 다를 가압하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 및 제3 루프 스트림은 별도로 가압될 수 있으며, 또는 제1, 제2 및 제3 루프 스트림은 각 루프 스트림으로 분리되기 전 단일 펌프 또는 펌프 세트에 의해 가압될 수 있다. 물론, 다른 펌프 구성이 사용될 수 있다. 이상적으로, 펌핑 구성은 유체를 펌핑하는데 필요로 되는 작업량을 최소화하여 시스템의 전체 비용을 감소시키도록 선택된다. 이 펌프 구성은 소망의 스트림의 흐름율, 각종 용량의 펌프의 펌핑 효율 및 각종 용량의 펌프의 비용과 같은 인자를 토대로 할 수 있다. 이 펌핑 구성은 또한, 각종 루프 스트림의 소망 압력에 의해 영향받을 수 있는데, 동일하거나 유사한 소망 압력을 지닌 스트림은 동일한 펌프 또는 펌프 세트에 의해 펌핑된다. 당업자는 과도한 실험을 행함이 없이도 본 발명의 각종 실시예에 대해서 최적화를 수행할 수 있다.In the embodiment of FIG. 4, the secondary coupled fluid stream B is pressurized from state B 1 to state B 2 by a second high pressure pump 420. This process requires the input of a certain amount of work (P 420 ). After being pressurized, the secondary combined fluid stream B is separated into a second loop stream D and a third loop stream E by a second stream separator 422. Using this illustrated apparatus, a single pump can be used to pressurize both the second and third loop streams. In other embodiments, the second and third loop streams may be pressurized separately, or the first, second and third loop streams may be pressurized by a single pump or set of pumps before being separated into each loop stream. Of course, other pump configurations can be used. Ideally, the pumping configuration is chosen to reduce the overall cost of the system by minimizing the amount of work required to pump the fluid. This pump configuration can be based on factors such as the desired flow rate of the stream, pumping efficiency of pumps of various capacities, and cost of pumps of various capacities. This pumping configuration can also be influenced by the desired pressures of the various loop streams, where streams having the same or similar desired pressures are pumped by the same pump or pump set. One skilled in the art can optimize the various embodiments of the present invention without undue experimentation.
제2 루프 스트림(D)은 스트림 분리기(422)로부터 방출될 때 바람직하게는 가압된 유체로서 상태(D1)에서 시작된다. 도4에 도시된 바와 같이, 제2 루프 스트림(D)은 증기 루프 보일러(404)에서 방출되는 연소 가스(H)(또는 다른 어떤 열원)에 의해 가열된다. 상술된 바와 같이, 종래 기술의 시스템에서, 연소 가스 배기에 포함되는 에너지는 통상적으로, 어떠한 실질적인 이점을 얻음이 없이 손실된다. 그러나, 슈퍼-CCLC에서, 하나 이상의 열 교환기는 연소 가스(H)로부터 제2 루프 스트림(D)으로 열을 전달하도록 사용될 수 있다. 도4의 실시예에서, 2개의 열 교환기가 사용된다. 제2 루프 스트림(D)은 제2 간접 열 교환기(428)에서 예열되는데, 이 열 교환기에서 이 스트림은 연소 가스(H)로부터 Q428의 량의 열을 흡수할 때 상태(D1)에서 상태(D2)로 변경된다. 이 열전달은 상태(H3)로부터 상태(H4)까지 연소 가스(H)를 냉각시킨다. 제2 루프 스트림(D)은 또한 제3 간접 열 교환기(430)에서 연소 가스(H)에 의해 가열되는데, 이 열 교환기에서 이 스트림은 Q430 량의 열을 받아들여 상태(D3)로 방출된다. 이 열 교환이 연소 가스(H)를 상태(H2)로부터 상태(H3)까지 냉각시킨다. 다음에, 제2 루프 스트림(D)은 제2 터보-팽창기(432)로 지향되는데, 이 팽창기에서 상태(D4)로 팽창됨으로써 유용한 에너지(W432)를 발생시킨다. 그 후, 팽창된 제2 루프 스트림(D)은 열을 제3 루프 스트림(E)으로 전달하는 제4 간접 열 교환기(424)를 통과함으로써, 상태(D4)로부터 상태(D5)까지 냉각된다. 최종적으로, 제2 루프 스트림(D)은 스트림 혼합기(418)에서 제1 및 제3 루프 스트림(C 및 E)과 혼합된다.The second loop stream D is preferably started in state D 1 as pressurized fluid as it exits the stream separator 422. As shown in FIG. 4, the second loop stream D is heated by the combustion gas H (or any other heat source) exiting the steam loop boiler 404. As mentioned above, in prior art systems, the energy included in the combustion gas exhaust is typically lost without obtaining any substantial benefit. However, in super-CCLC, one or more heat exchangers can be used to transfer heat from the combustion gas (H) to the second loop stream (D). In the embodiment of Figure 4, two heat exchangers are used. The second loop stream (D) is preheated in a second indirect heat exchanger (428), in which the stream is in the state (D 1 ) when it absorbs an amount of Q 428 of heat from the combustion gas (H). Is changed to (D 2 ). This heat transfer cools the combustion gas H from the state H 3 to the state H 4 . The second loop stream (D) is also heated by the combustion gas (H) in the third indirect heat exchanger (430), which receives Q 430 amount of heat and releases it to the state (D 3 ). do. This heat exchange cools the combustion gas H from the state H 2 to the state H 3 . The second loop stream D is then directed to a second turbo-expander 432, which expands to state D 4 to generate useful energy W 432 . The expanded second loop stream D then passes through a fourth indirect heat exchanger 424 that transfers heat to the third loop stream E, thereby cooling from state D 4 to state D 5 . do. Finally, the second loop stream D is mixed with the first and third loop streams C and E in the stream mixer 418.
제3 루프 스트림(E)은 상태(E1)에서 스트림 분리기(422)로부터 방출된다. 제3 루프 스트림(E)은 제2 루프 스트림(D)으로부터 Q424량의 열을 흡수하는 제3 간접 열 교환기(424)를 통과한다. 이 열 교환은 제3 루프 스트림(E)을 증발시켜 상태(E2)가 되게 한다. 일단 증발되면, 제3 루프 스트림(E)은 상태(E3)로 팽창시키는 제3 터보-팽창기(426)로 향함으로써, 유용한 에너지(W426)를 발생시킨다. 최종적으로, 제3 루프 스트림(E)은 스트림 혼합기(418)에서 제1 및 제2 루프 스트림(C 및 D)과 혼합된다.The third loop stream E is discharged from the stream separator 422 in state E 1 . The third loop stream E passes through a third indirect heat exchanger 424 which absorbs Q 424 amount of heat from the second loop stream D. This heat exchange causes the third loop stream E to evaporate into state E 2 . Once evaporated, the third loop stream E is directed to a third turbo-expander 426 which expands to state E 3 , thereby generating useful energy W 426 . Finally, the third loop stream E is mixed with the first and second loop streams C and D in the stream mixer 418.
도4에 도시된 바와 같이, 제1, 제2 및 제3 루프 스트림(C, D 및 E)은 자신들의 각 상태(상태 C4, D5 및 E3)에서 결합되어 상태(A1)와 동일하게 되는 1차 결합된 유체 스트림(A)을 형성한다. 1차 결합된 유체 스트림(A)은 응축기(410)를 통과하여 Q410 량의 열을 어떤 적절한 냉매로 방출시켜, 1차 결합된 유체 스트림(A)을 상태(A2)로 변경시킨다. 상태(A2)는 펌핑을 용이하게 하도록 액체 상태가 되는 것이 바람직하다. 응축기(410)에서 냉각된 후, 1차 결합된 유체 스트림(A)은 제1 스트림 분리기(412)에서 상태(B1)인 2차 결합된 유체 스트림(B) 및 상태(C1)인 제1 루프 스트림(C)으로 분리된다. 이로 부터, 이 공정은 새롭게 시작된다. 상술된 바와 같이, 각종 상이한 펌프 구성이 본 발명에 사용될 수 있고, 다른 구성의 스트림 분리기가 이들 상이한 펌프 구성을 위하여 사용될 수 있다.As shown in Fig. 4, the first, second and third loop streams C, D and E are combined in their respective states (states C 4 , D 5 and E 3 ) to combine with state A 1 . To form a first combined fluid stream (A) which becomes identical. Primary coupled fluid stream A passes condenser 410 to release Q 410 amount of heat to any suitable refrigerant, changing primary coupled fluid stream A to state A 2 . State A 2 is preferably in a liquid state to facilitate pumping. After cooling in the condenser 410, the first combined fluid stream A is in the first stream separator 412 the second combined fluid stream B in state B 1 and the first in state C 1 . It is separated into one loop stream (C). From this, the process starts anew. As mentioned above, various different pump configurations can be used in the present invention, and other configurations of stream separators can be used for these different pump configurations.
하나 이상의 터보-팽창기(416, 426, 432) 및 증기 터빈(406)은 어떤 속도 변경 수단을 사용하여 발전기와 같은 다수의 발전 장치, 펌프 또는 콤프레서에 직렬 또는 병렬로 접속될 수 있다. 발전기와 같은 발전 장치 및 이들을 터보-팽창기, 터빈 등에 부착시키는데 사용되는 장비는 종래 기술에 널리 공지되어 있다.One or more turbo-expanders 416, 426, 432 and steam turbine 406 may be connected in series or in parallel to a number of generators, pumps or compressors, such as generators, using any speed change means. Generating devices such as generators and equipment used to attach them to turbo-expanders, turbines and the like are well known in the art.
지금부터 도5 및 도6을 참조하여, 슈퍼-CCLC 공정이 보다 상세하게 설명된다. 도5 및 도6은 슈퍼-CCLC의 증기 및 CCLC 부분 각각에 대한 몰리에르 선도이다.도5에서, 압력은 수칙축(550)으로 표시되며, 엔탈피는 수평축(552)으로 표시되고, 많은 등온선(554)이 물에 대한 포화 곡선(556)과 함께 도시되어 있다. 유사하게, 도6에서, 압력은 수직축(650)으로 표시되며, 엔탈피는 수평축(652)으로 표시되고, 많은 등온선(654)이 프로판에 대한 포화 곡선(656)과 함께 도시되어 있다. 도5에서, 도4의 물 스트림(S)은 선(S)으로 도시되어 있다. 도6에서, 도4의 1차 결합된 유체 스트림(A)은 삼중선(A)으로 도시되며, 2차 결합된 유체 스트림(B)은 이중 점선(B)으로 도시되며, 제1 루프 스트림(C)은 실선(C)으로 도시되고, 제2 루프 스트림(D)은 점선(D)으로 도시되고, 제3 루프 스트림(E)은 파선(E)으로 도시되어 있다. 간결하게 하기 위하여, 유체 스트림을 표시하는 선들은 서로를 명백하게 식별할 수 있도록 어떤 위치에서 분리되어 있다. 또한 간결하게 하기 위하여, 도5 및 도6상의 각 지점은 도4와 관련하여 상술된 하나 이상의 상태의 온도 및 압력을 기호(예를 들어, 상태 A1, 상태 B1, 등)로 표시한다. 하나의 지점이 간결성을 위하여 이들 도면에서 사용될 수 있지만, 당업자는 각 지점으로 표시된 각종 상태가 실제에 있어선 서로 떨어져 위치될 수 있다는 것을 인지할 것이다. Referring now to Figures 5 and 6, the super-CCLC process is described in more detail. 5 and 6 are Moliere plots for each of the vapor and CCLC portions of the super-CCLC. In FIG. 5, the pressure is represented by the axis 550, the enthalpy is represented by the horizontal axis 552, and many isotherms 554 ) Is shown along with the saturation curve 556 for water. Similarly, in FIG. 6, the pressure is represented by the vertical axis 650, the enthalpy is represented by the horizontal axis 652, and many isotherms 654 are shown with a saturation curve 656 for propane. In FIG. 5, the water stream S of FIG. 4 is shown by the line S. In FIG. In FIG. 6, the primary combined fluid stream A of FIG. 4 is shown as triplet A, the secondary combined fluid stream B is shown as double dashed line B, and the first loop stream ( C) is shown by the solid line C, the second loop stream D is shown by the dotted line D, and the third loop stream E is shown by the broken line E. FIG. For the sake of brevity, the lines representing the fluid streams are separated at some position so that they can clearly identify each other. Also for brevity, each point on FIGS. 5 and 6 denotes the temperature and pressure of one or more states described above with respect to FIG. 4 by symbols (eg, state A1, state B1, etc.). While one point may be used in these figures for the sake of brevity, those skilled in the art will recognize that the various states represented by each point may in fact be located apart from each other.
도4의 슈퍼-CCLC는 이 설명을 위하여 지점(501)(상태 A1, B1, C1에 대응)에서 시작하는데, 이 지점에서 물 스트림(S)은 물 펌프(402)에 의해 가압되어 상태(S1)로 된다. 그 후, 물 스트림(S)은 보일러(404)에서 연소 가스로부터의 열(Q404)을 흡수함으로써 지점(502)(상태 S2)까지 거의 일정한 압력으로 가열된다. 이로 부터, 물 스트림(S)은 유용한 에너지(W406)를 발생시키기 위하여 지점(503)(상태 S3)까지 근본적으로 일정한 엔트로피의 선(도시되지 않음)을 따라서 증기 터빈(406)에서 팽창된다. 그 후, 물 스트림(S)은 지점(504)(상태 S4)까지 상대적으로 일정한 압력으로 냉가되는데, 이 시간 동안 물 스트림은 기상 상태로부터 액체 상태로 응축된다. 이 냉각 단계동안, 물 스트림(S)의 엔탈피는 도4에 도시된 바와 같이 물 스트림(S)으로부터 시스템의 CCLC 부분의 제1 루프 스트림으로 엔탈피(열)를 전달함으로써 감소된다. 일단 냉각되면, 물 펌프(402)는 지점(501)(상태 S1)까지 상대적으로 일정한 온도로 물 스트림(S)을 펌핑하여 새롭게 사이클을 시작한다. 도5에 도시된 증기 사이클은 지점(503)으로부터 지점(504)까지 냉각하는 동안 물 스트림(S)으로부터 열(Q408)을 추출하는 매체가 존재한다라는 1차적인 차이점을 제외하면, 종래 증기 전력 시스템의 증기 사이클과 유사하다.The super-CCLC of Figure 4 starts at point 501 (corresponding to states A 1 , B 1 , C 1 ) for this description, at which point the water stream S is pressurized by a water pump 402. The state S 1 is obtained. The water stream S is then heated to a substantially constant pressure to point 502 (state S 2 ) by absorbing heat Q 404 from the combustion gas in the boiler 404. From this, the water stream S is expanded in the steam turbine 406 along a line of essentially constant entropy (not shown) to point 503 (state S 3 ) to generate useful energy W 406 . . The water stream S then cools to a relatively constant pressure to point 504 (state S 4 ) during which time the water stream condenses from the gaseous state to the liquid state. During this cooling step, the enthalpy of the water stream S is reduced by transferring enthalpy (heat) from the water stream S to the first loop stream of the CCLC portion of the system as shown in FIG. Once cooled, the water pump 402 starts a new cycle by pumping the water stream S at a relatively constant temperature to point 501 (state S 1 ). The steam cycle shown in FIG. 5 is conventional steam power, except for the primary difference that there is a medium that extracts heat Q 408 from the water stream S during cooling from point 503 to point 504. Similar to the steam cycle of the system.
슈퍼-CCLC의 CCLC 부분은 이 설명을 위하여 지점(601)(상태 A2, B1 및 C1에 대응)에서 시작되는데, 이 지점에서 1차 결합된 유체 스트림(A)은 초기에 2차 결합된 유체 스트림(B) 및 제1 루프 스트림(C)으로 분리되고 유체 스트림 모두는 액체 상태로 된다. 제1 고압 펌프(414)는 지점(602)(상태 C2)까지 상대적으로 일정한 온도로 제1 루프 스트림(C)을 압축한다. 그 후, 제1 루프 스트림(C)은 제1 간접 열 교환기(408)로부터 열(Q408)을 흡수함으로써 지점(603)(상태 C3)까지 거의 일정한 압력으로 가열되어 증발된다. 일단 증발되면, 제1 루프 스트림(C)은 지점(604)(상태 C4)까지 일정한 엔트로피의 선(도시되지 않음)을 따라서 터보-팽창기(416)에서 팽창됨으로써, 유용한 에너지(W416)를 발생시킨다. 지점(604)으로부터, 제1 루프 스트림(C)은 다른 루프 스트림과 혼합되어 지점(605)(상태 A1)에서 1차 결합된 유체 스트림(A)을 형성한다.The CCLC portion of the super-CCLC begins at point 601 (corresponding to states A 2 , B 1 and C 1 ) for this description, where the first coupled fluid stream A is initially secondary bound. The separated fluid stream B and the first loop stream C and both the fluid streams are in a liquid state. The first high pressure pump 414 compresses the first loop stream C to a relatively constant temperature to point 602 (state C 2 ). The first loop stream C is then heated and evaporated to a substantially constant pressure to point 603 (state C 3 ) by absorbing heat Q 408 from the first indirect heat exchanger 408. Once evaporated, the first loop stream C expands in the turbo-expander 416 along a line of constant entropy (not shown) to point 604 (state C 4 ), thereby drawing useful energy W 416 . Generate. From point 604, the first loop stream C is mixed with another loop stream to form a first combined fluid stream A at point 605 (state A 1 ).
한편, 제2 고압 펌프(420)는 지점(606)(상태 B2, D1 및 E1에 대응)까지 상대적으로 일정한 온도로 2차 결합된 유체 스트림(B)을 압축한다. 지점(606)에서, 2차 결합된 유체 스트림(B)은 상태(D1 및 E1) 각각에서 제2 루프 스트림(D) 및 제3 루프 스트림(E)으로 분리된다. 이로 부터, 제2 및 제3 루프 스트림(D 및 E)은 분리된 경로를 따라서 처리된다. 제2 루프 스트림(D)은 우선 제2 간접 열 교환기(428)에서 연소 가스(H)에 의해 거의 일정한 압력으로 지점(607)(상태 D2)까지 가열된다. 그 후, 제2 루프 스트림(D)은 제3 간접 열 교환기(430)에서 연소 가스(H)에 의해 거의 일정한 압력으로 또 다시 지점(608)(상태 D3)에서 증기로 가열된다. 다음에, 제2 루프 스트림(D)은 지점(609)(상태 D4)에 도달될 때까지 제2 터보-팽창기(432)에서 근본적으로 일정한 엔트로피 선(도시되지 않음)을 따라서 팽창됨으로써, 유용한 에너지(W432)를 발생시킨다. 도6에서 알 수 있는 바와 같이, 지점(609)에서 제2 루프 스트림(D)은, 상대적으로 높은 엔탈피 값으로 도시된 바와 같이, 상대적으로 많은 내부 에너지 량을 여전히 포함한다. 이 에너지는 제4 간접 열 교환기(424)에서 제3 루프 스트림(E)으로 방출됨으로써, 지점(610)(상태 D5)까지 상대적으로 일정한 압력으로 제2 루프 스트림(D)을 냉각시킨다. 이로부터, 제2 루프 스트림(D)은 다른 루프 스트림과 혼합되어 지점(605)(상태 A1)에서 1차 결합된 유체 스트림(A)을 형성한다.On the other hand, the second high pressure pump 420 compresses the secondary coupled fluid stream B at a relatively constant temperature to point 606 (corresponding to states B 2 , D 1 and E 1 ). At point 606, the secondary combined fluid stream B is separated into a second loop stream D and a third loop stream E in states D 1 and E 1 , respectively. From this, the second and third loop streams D and E are processed along separate paths. The second loop stream D is first heated to a point 607 (state D 2 ) at a substantially constant pressure by the combustion gas H in the second indirect heat exchanger 428. The second loop stream D is then heated with steam at a point 608 (state D 3 ) again at a substantially constant pressure by the combustion gas H in the third indirect heat exchanger 430. Next, the second loop stream D is expanded along the essentially constant entropy line (not shown) in the second turbo-expander 432 until the point 609 (state D 4 ) is reached, thereby making it useful. Generates energy W 432 . As can be seen in FIG. 6, the second loop stream D at point 609 still contains a relatively large amount of internal energy, as shown by a relatively high enthalpy value. This energy is released from the fourth indirect heat exchanger 424 into the third loop stream E, thereby cooling the second loop stream D at a relatively constant pressure up to the point 610 (state D 5 ). From this, the second loop stream D is mixed with the other loop stream to form a first combined fluid stream A at point 605 (state A 1 ).
지점(606)으로부터 시작하여, 제3 루프 스트림(E)이 지점(611)(상태 E2)에 도달될 때까지, 제3 루프 스트림(E)은 제4 간접 열 교환기(424)에서 제2 루프 스트림(D)에 의해 거의 일정한 압력으로 가열되는데, 이 지점에서 제3 루프 스트림은 증기로 된다. 이로 부터, 제3 루프 스트림(E)은 제3 터보-팽창기(426)에서 근본적으로 일정한 엔트로피의 선(도시되지 않음)을 따라서 팽창되어 유용한 에너지(W426)를 발생시킨다. 제3 루프 스트림(E)은 지점(612)(상태 E3)에서 제3 터보-팽창기(426)에서 방출되고 나서 다른 루프 스트림과 혼합되어 지점(605)(상태 A1)에서 1차 결합된 유체 스트림(A)을 형성한다.Starting from point 606, until the third loop stream E reaches point 611 (state E 2 ), the third loop stream E is second in the fourth indirect heat exchanger 424. It is heated to a substantially constant pressure by the loop stream D, at which point the third loop stream becomes steam. From this, the third loop stream E is expanded along a line of essentially constant entropy (not shown) in the third turbo-expander 426 to generate useful energy W 426 . The third loop stream E is discharged from the third turbo-expander 426 at point 612 (state E 3 ) and then mixed with the other loop stream to be first combined at point 605 (state A 1 ). Form fluid stream A.
3개의 루프 스트림이 지점(605)(상태 A1)에서 1차 유체 스트림(A)을 형성하기 위하여 결합된 후, 1차 유체 스트림은 지점(601)(상태 A2)에서 완전히 액화될 때까지 상대적으로 일정한 압력으로 응축기(410)에서 냉각되는데, 이 지점에서 이 공정은 새롭게 시작된다.After the three loop streams have been combined to form the primary fluid stream A at point 605 (state A 1 ), the primary fluid stream is completely liquefied at point 601 (state A 2 ). Cooling in the condenser 410 at a relatively constant pressure, at which point the process starts anew.
유체 스트림의 각종 상태를 주의 깊게 선택하고 제어함으로써, 본 발명은 어떤 종래의 전력 시스템(핵, 증기 또는 다른 전력 시스템을 포함) 또는 이들의 변형의 효율을 증가시키는데 사용될 수 있다. 표3은 도4-6에서 식별된 각종 상태의 바람직한 실시예에 대한 근사치 뿐만 아니라 바람직한 실시예의 동작과 관련된 다른 데이터를 제공한다. 이 실시예에서 작동 유체는 프로판이다. 표1에 제공된 데이터에서 처럼, 이들 값은 실질적으로 특정 동작 환경 또는 요구 조건 또는 그외 다른 이유에 따라서 가변될 수 있고, 이와 같은 변화는 본 발명의 범위 내에 있다. By carefully selecting and controlling the various states of the fluid stream, the present invention can be used to increase the efficiency of any conventional power system (including nuclear, steam or other power systems) or variations thereof. Table 3 provides an approximation to the preferred embodiment of the various states identified in FIGS. 4-6 as well as other data related to the operation of the preferred embodiment. In this embodiment the working fluid is propane. As in the data provided in Table 1, these values may vary substantially depending on the particular operating environment or requirements or for other reasons, and such variations are within the scope of the present invention.
[표 3] 슈퍼-CCLC(도4)Table 3 Super-CCLC (Figure 4)
표3에 제공된 슈퍼-CCLC의 실시예의 효율은 열원(Q404)으로부터 증기 시스템에 들어오는 열량으로 나눈 순 전력(W406+W416+W426+W432-P 402-P414-P420)으로 계산된다. 바람직한 실시예에서, 슈퍼-CCLC의 효율은 적어도 약 25%이고, 보다 바람직하게는 약 30%이다. 게다가, 표3에 도시된 바와 같이, 하나의 바람직한 실시예의 효율은 약 33.5%인데, 이 효율은 일반적인 증기 발전 시스템으로서 작동되는 경우 이 시스템에 비해 100% 증가된 것이다. 증기 시스템에 CCLC 부분을 부가하면, 어떤 경우엔, 증기 터빈(406)에 의해 발생되는 전력을 감소시키지만, 이 전력 손실은 터보-팽창기(416, 426, 및 432)에 의해 발생된 부가적인 전력에 의해 극복된다. 또한, 증기 시스템이 본 발명의 슈퍼-CCLC 시스템으로 수정 또는 설계될 때, 시스템의 증기 부분은 배압 시스템(즉, 물 스트림이 증기 터빈의 출구에서 정압을 갖는다)으로서 동작되고, 바람직하게는 배압의 적어도 약 25psia로 동작된다. 이 배압은 충분한 열을 시스템의 CCLC 부분의 제1 루프 사이클(C)로 전달하여 전체 효율을 개선시키도록 하여, 제1 터보-팽창기(416)가 상당한 발전을 하도록 한다.The efficiency of the super-CCLC examples provided in Table 3 is the net power (W 406 + W 416 + W 426 + W 432 -P 402 -P 414 -P 420 ) divided by the amount of heat entering the steam system from the heat source (Q 404 ). Is calculated. In a preferred embodiment, the efficiency of the super-CCLC is at least about 25%, more preferably about 30%. In addition, as shown in Table 3, the efficiency of one preferred embodiment is about 33.5%, which is an increase of 100% over this system when operated as a general steam power generation system. Adding the CCLC portion to the steam system, in some cases, reduces the power generated by the steam turbine 406, but this power loss is in addition to the additional power generated by the turbo-expanders 416, 426, and 432. Overcome by In addition, when the steam system is modified or designed with the super-CCLC system of the present invention, the steam portion of the system is operated as a back pressure system (ie, the water stream has a constant pressure at the outlet of the steam turbine), preferably with a back pressure It is operated at least about 25 psia. This back pressure transfers sufficient heat to the first loop cycle C of the CCLC portion of the system to improve the overall efficiency, allowing the first turbo-expander 416 to make significant progress.
본 발명은 상술된 실시예로 제한되지 않는다. 본 발명은 부가적인 열 교환기, 응축기, 펌프, 터보-팽창기, 혼합기 또는 스트림 분리기를 포함하도록 본 발명의 범위 및 원리 내에서 수정될 수 있다. 펌프, 콤프레서, 발전기 등을 연결 및 구동시키도록 하는 대안적인 장치 및 구성이 또한 사용될 수 있다. 당업자는 본원에 서술된 각종 장치가 본 발명의 범위 및 원리를 벗어남이 없이 이와 등가의 장치로 수정또는 대체되거나 부품수 면에서 감소될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 당업자가 손쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 바람직한 실시예와 관련하여 제공된 데이터는 또한 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니고 첨부된 표의 이들 변수를 위하여 제공된 값 및 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 이들의 상대 관계는 여러 가지 이유로 각종 작동 조건, 작동 요구조건 등을 수용하도록 변경될 수 있다. 본원에 서술된 바람직한 실시예는 단지 예시를 위한 것이지 어떤 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명은 단지 이하의 첨구범위에 의해서만 제한된다. The invention is not limited to the embodiment described above. The present invention can be modified within the scope and principles of the present invention to include additional heat exchangers, condensers, pumps, turbo-expanders, mixers or stream separators. Alternative devices and arrangements may also be used to connect and drive pumps, compressors, generators, and the like. Those skilled in the art will appreciate that the various devices described herein can be modified or replaced with equivalents or reduced in number of parts without departing from the scope and principles of the present invention. As will be readily appreciated by those skilled in the art, the data provided in connection with the preferred embodiment is also not intended to limit the present invention and the values provided for these variables in the accompanying tables and their relative relationships as shown in the accompanying drawings. For various reasons it can be modified to accommodate various operating conditions, operating requirements, and the like. The preferred embodiments described herein are for illustrative purposes only and do not limit the scope of the present invention in any way, and the present invention is limited only by the following appended claims.
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