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KR20150131255A - 저등급 폐열 관리를 위한 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

저등급 폐열 관리를 위한 장치, 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20150131255A
KR20150131255A KR1020157029199A KR20157029199A KR20150131255A KR 20150131255 A KR20150131255 A KR 20150131255A KR 1020157029199 A KR1020157029199 A KR 1020157029199A KR 20157029199 A KR20157029199 A KR 20157029199A KR 20150131255 A KR20150131255 A KR 20150131255A
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KR
South Korea
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working fluid
waste heat
mechanical power
constant
low grade
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020157029199A
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English (en)
Inventor
앤드류 옥스너
한스 웨인
어거스트 브라우티검
Original Assignee
일렉트라썸, 아이엔씨.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 일렉트라썸, 아이엔씨. filed Critical 일렉트라썸, 아이엔씨.
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Abstract

본 발명은 1) 유리한 동작 조건하에 폐열의 제거 및 회수에 의해 구동되는 ORC 공정을 통해 초과 전기 전력을 발생시키고, 2) 환경 조건이 ORC 모드에서 동작을 허용하지 않을 때 전기 전력을 소비하는 냉동 공정을 통해 폐열 제거를 제공하기 위해 동일한 장치를 이용함으로써 대량의 저등급 폐열 에너지를 관리하는 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 시스템의 동작의 모드는 적절한 냉각 자원의 폐열 스트림의 열 에너지 및 가용성, 또는 그것의 결핍에 의해 주로 결정된다. 이와 같은 자원은 종종 지역 환경 조건, 특히 매일 그리고 매년 변하는 주변 온도에 의해서 영향을 받는다.

Description

저등급 폐열 관리를 위한 장치, 시스템 및 방법{Apparatus, systems, and methods for low grade waste heat management}
관련 출원
본 출원은 발명의 명칭이 "Apparatus, Systems, and Methods for Net-Zero Waste Heat Management"이고, 2013년 3월 15일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/801,559호의 이득을 주장한다. 인스턴트 출원은 상기 출원을 본 명세서에서 전체적으로 참조로 통합한다. 본 명세서에 진술된 것과 본 명세서에 참조로 통합된 것 간에 불일치가 존재하는 경우에는, 본 명세서가 적용될 것이다.
본 발명의 분야
본 발명은 1) 유리한 동작 조건하에 폐열의 제거 및 회수에 의해 구동되는 ORC 공정을 통해 초과 전기 전력을 발생시키고, 2) 환경 조건이 ORC 모드에서 동작을 허용하지 않을 때 전기 전력을 소비하는 냉동 공정을 통해서 폐열 제거를 제공하기 위해 동일한 장치를 이용함으로써 대량의 저등급 폐열 에너지를 관리하는 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 시스템의 동작의 모드는 적절한 냉각 자원의 폐열 스트림의 열 에너지 및 가용성, 또는 그것의 결핍에 의해 주로 결정된다. 이와 같은 자원은 종종 지역 환경 조건, 특히 매일 및 매년 변하는 주위 온도에 영향을 받는다.
일반적으로 고급(높은 온도) 및 중급(중간 온도) 폐열의 제거를 위한 시스템 및 방법은 당해 기술에서 잘 알려져 있다. 특히, 유기 랭킨 사이클(ORC; organic Rankine cycle)을 이용하는 시스템은 고급 및 중급 폐열 에너지를 회전 기계 에너지로 변환하기 위해 사용하며, 상업 그리드에 연결되거나 상업 전력 서비스가 이용 가능하지 않은 위치에서 독립 전력을 제공하기 위해 사용될 수 있는 전기 발생기에 차례로 결합 될 수 있다.
도 1에 도시된 종래 기술 ORC 시스템에서, 열 에너지는 소스로부터 포트(106) 또는 그것의 전용 등가물로 직접 공급될 수 있다. 가열된 물질은 열 교환기(101)를 통해 흐르고 그것의 잠열 에너지의 일부를 전형적으로 유기 냉매를 작동 유체로 이용하는 개별이지만 열적으로 결합된 폐루프 ORC 시스템에 전달한 후에 포트(107)에서 배출된다. 시스템 펌프(105)로부터의 압력하에, 대부분 기체 상태인 가열된 작동 유체는 팽창기(102)의 입력 포트에 적용되며, 이는 정변위 트윈 스크류 팽창기, 스크롤 팽창기, 터빈 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 구성의 기계일 수 있다. 여기서, 가열되고 가압된 작동 유체는 디바이스 내에서 팽창하도록 허용되고, 이와 같은 팽창은 전기 발생기(103)를 구동하고 그 다음 국부 독립 전력 그리드 또는 상업 전력 그리드에 전달될 수 있는 전기 전력을 생산하기 위해 동작적으로 결합되는 회전 운동 에너지를 생산한다. 팽창기의 출력 포트에서의 확장된 작동 유체는 본질적으로 건조 증기 또는 액체 및 기체 작동 유체의 혼합물일 수 있으며, 이때 작동 유체는 자신의 완전한 액체 상태로 복귀되었을 때까지 냉각되는 응축기 서브시스템(104)에 전달된다.
응축기 서브시스템은 때때로 작동 유체가 원하는 온도 및 상태에 도달할 때까지 순환되는 공기-냉각기 라디에이터의 어레이 또는 등가 성능의 다른 시스템을 포함하며, 어느 지점에서 그것은 시스템 펌프(105)의 입력에 적용된다. 시스템 펌프(105), 전형적으로 원심 펌프는 전체 시스템을 가압하고 액체 작동 유체를 열 교환기(101)에 공급하기 위해 원동력을 제공하며, 그것은 유기 랭킨 사이클이 반복됨에 따라 폐열 소스에 의해 공급되는 에너지에 의해 한 번 더 가열되고 기체 상태로의 상 변화를 경험한다. 폐루프 시스템 도처에서의 작동 유체의 존재는 공정이 작동 유체를 필요한 온도로 가열하기 위해 필요한 에너지를 제공하도록 입력 포트(106)에 존재하기만 하면 연속적인 것을 보장한다. 예를 들어, 이로써 참조로 통합되는 Langson 미국 제7,637,108호("Power Compounder")가 참조된다.
하지만, 적절히 동작하는 ORC 시스템의 능력은 종종 가열, 확장, 냉각, 및 재가압의 랭킨 사이클 공정 동안에 그것의 작동 유체 매체로부터 잔류 미변환 열을 제거하기 위해 이용할 수 있는 냉각 자원에 의해 제한된다. 적절한 동작에 대해, 충분한 온도 차이(최소 50℉, 및 바람직하게는 80℉에서 100℉까지)는 폐열 입력 스트림과 현장에서 이용할 수 있는 냉각 자원 사이에 존재해야 한다. 충분히 높은 온도 폐열 입력 스트림 및/또는 충분히 낮은 온도의 지속적으로 이용할 수 있는 냉각 자원에서, ORC 동작은 신뢰 가능하게 달성될 수 있다.
이와 같은 조건의 실제 제한이 테스트 되고 있다. 저등급 폐열 제거의 문제는 자동차 제조, 식품 가공, 오일 및 천연 가스 처리 및 컴퓨터 데이터 센터를 포함하는 다양한 산업에서 매우 통상적이다. 이와 같은 타입의 응용은 예를 들어 컴퓨터 및 데이터 저장 하드웨어의 지원으로 범위가 140°에서 190℉에 이르는 방대한 양의 폐열을 발생시킨다. 현재, 전력 공급 냉각 시스템은 통상적으로 조작자에게 상당한 추가 비용으로 이와 같은 폐열을 제거하기 위해 이용된다. 경향은 냉각 요건이 주위 조건으로 인해 감소되는 일반적으로 더 시원한(또는 추운) 기후에 이와 같은 시설을 설치하는 것이다. 그럼에도 불구하고, 시설을 냉각하는 전기 전력의 비용은 냉각되는 장비를 동작시키기 위해 전기 전력의 비용을 여전히 초과할 수 있다.
더 따뜻한 기후에, 그리고 심지어 더 시원한 기후에서의 하계의 낮 시간 동안에, 불충분한 온도 차이는 ORC 공정을 통해 전력 발생을 허용하기 위해 존재한다. 더 높은 온도 폐열 입력 및 지속적으로 유리한 냉각 자원에서, 종래의 ORC 폐열 전력 생성 시스템은 이와 같은 열을 제거하는 실용적이고 비용 효과적인 방법을 제공할 수 있다. 그러나 상기 논의된 응용에 의해 생성되는 일반적인 저등급 열은 빈번하게 불리한 냉각 조건 동안에 ORC 시스템을 파트타임 동작으로 격하시킬 것이고, 추가 냉각 시스템은 ORC 시스템이 동작 불가능한 기간 동안에 요구될 것이다. 이와 같이, ORC 폐열 회수 시스템은 특정 기후에서, 그리고 가장 추운 기후에서 저등급 폐열을 발생시키는 응용예에 사용하기에는 충분하지 않다.
전술된 이유로, 가장 광범위한 가능한 범위의 환경 조건하에 저등급 폐열의 적절한 관리를 제공할 수 있는 시스템에 대한 상당한 요구가 있다. 이상적인 시스템은 폐열 스트림으로부터 가능한 많은 에너지를 바람직하고 유리하게 변환하고 그 자체의 동작을 위해 가능한 적은 에너지를 소비하는 동안에 그것을 유익한 사용을 위한 다른 형태(들)로 변환할 것이다. 게다가, 이와 같은 이상적인 시스템은 비용을 최소화하고, 신뢰성을 최대화하고, 가능한 작은 물리적 공간을 점유하기 위해 가능한 적은 구성요소를 이용할 것이다.
시간에 걸쳐 평균화되는 순(net) 전력 소비는 순 정의 전력 출력을 생성하거나, "순 제로" 전력 출력을 생성하거나, 저등급 열의 요구된 거절을 항상 수행하는, 그 자체의 동작을 지속하는 데 절대적으로 필요한 만큼 적은 추가 전력을 소비할 수 있도록 전기 전력을 교대로 생산하고 소비하는 저등급 폐열 에너지를 관리하는 장치, 시스템 및 방법이 제공된다. 이것은 두 가지 모드에서 동작할 수 있는 단일 장치 및 시스템을 제공함으로써 달성된다: 1) 실행 가능할 때 저등급 폐열 에너지를 제거하여 전기 전력으로 변환하는 팽창 또는 ORC, 모드, 및 2) 전기 전력의 발생이 실행 가능하지 않을 때 저등급 폐열 에너지를 제거하기 위해 전기 전력을 소비하는 압축 또는 냉동, 모드.
본 명세서에 설명되는 저등급 폐열 관리 시스템은 광범위한 동작 및 환경 조건에 따르는 가요성 및 적응가능성 폐열 관리 시스템을 제공한다.
일부 실시예에서, 저등급 폐열 관리 시스템은 제로보다 더 큰 시간에 따른 순 전기 전력 출력을 생산할 수 있으며; 즉, 소비되는 것보다 더 많은 전기 전력이 시간에 걸쳐 발생 될 것이다. 일부 실시예에서, 저등급 폐열 관리 시스템은 제로 미만인 시간에 따른 순 전기 전력 출력을 생성할 수 있어, 발생 되는 것보다 더 많은 전기 전력이 소비되었던 것을 의미한다. 일부 실시예에서, 저등급 폐열 관리 시스템은 시간에 걸쳐 거의 같은 양의 전기 전력을 생산하고 소비할 것이다.
저등급 폐열 관리 시스템은 수냉 컴퓨터 데이터 센터의 지원으로 사용에 특히 편리하지만 시간에 걸쳐 변하는 동작 조건하에 많은 저등급 폐열을 발생시키는 임의의 시설 및 공정과 함께 이용될 수 있다.
저등급 폐열 관리 시스템은 그것이 임의의 단일 저등급 폐열 관리 시스템에 대해 이전에 부적절한 조건의 범위하에 별개의 모드에서 동작함으로써 열 제거를 제공한다는 점에서 종래 기술에 비해 분명한 장점을 제공한다. 주위 온도 또는 다른 냉각 자원이 충분히 낮은 온도에 있을 때, 저등급 폐열 관리 시스템은 ORC 공정을 통해 폐열 에너지를 기계 및/또는 전기 전력으로 변환한다. 주위 온도 또는 다른 냉각 자원이 너무 따뜻해서 ORC 동작을 허용하지 않을 때, 시스템은 개선된 냉동 사이클 공정의 기능을 하고 입력 소스로부터 폐열을 계속해서 제거하기 위해 전기 전력의 인가에 의해 구동된다.
저등급 폐열 관리 시스템은 자체의 구성 및 설계에 의해 종래의 냉동 시스템보다 우수한 냉각 능력을 제공한다. 양 모드에서의 전기 전력의 재포획 플러스 작동 유체 흐름으로부터의 에너지의 제거는 개선된 효율 및 성능을 제공한다.
냉동 모드에서 효과적인 냉동 및 감소된 전기 전력 출력을 제공하는 능력과 결합 되는, ORC 모드에서 폐열 제거 및 유용한 전기 전력을 동시에 제공하는 단일 시스템의 사용은 저등급 폐열 관리 시스템에서 종래 기술에 비해 실질적인 개선을 나타낸다.
전술한 사항은 다양한 실시예에 의해 다양하게 제공되는 새로운 특징, 문제 해결, 및 장점의 일부만의 간단한 개요이다. 제기된 청구항의 범위는 제기된 바와 같은 청구항에 의해서 결정되고, 청구항이 배경기술에서 언급된 문제를 처리하거나 이와 같은 간단한 개요에서 기술되는 특징, 해결 또는 장점을 제공하는가의 여부에 의해서 결정되지 않는다는 점이 이해되어야 한다. 게다가, 본 명세서에 개시되는 다른 새로운 특징, 해결 및 장점이 있으며; 이들은 본 명세서가 진행됨에 따라 분명해질 것이다.
도 1은 폐열 에너지를 전기 전력으로 변환하기 위해 사용되는 종래 기술 ORC 시스템의 블록도이다.
도 2는 저등급 폐열 관리 시스템의 일 실시예의 블록도이다.
도 3은 R-245fa 냉매를 작동 유체로 이용하고 ORC 모드에서 동작하는 저등급 폐열 관리 시스템의 일 실시예에서 온도 - 엔트로피 관계를 도시한 플롯이다.
도 4는 R-245fa 냉매를 작동 유체로 이용하고 냉동 모드에서 동작하는 저등급 폐열 관리 시스템의 일 실시예의 온도 - 엔트로피 관계를 도시한 플롯이다.
도 5는 170℉에서 입력 폐열 스트림을 갖는 저등급 폐열 관리 시스템의 일 실시예의 평균 순 전력 출력 및 소비를 도시한 그래픽 도면이다.
도 6은 150℉에서 입력 폐열 스트림을 갖는 저등급 폐열 관리 시스템의 일 실시예의 평균 순 전력 출력 및 소비를 도시한 그래픽 도면이다.
저등급 폐열 관리 시스템은 도 2에 도시된 바와 같은 수정되고 결합된 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템 및 증기 압축 냉동 시스템을 포함한다. 도 1의 종래 기술 시스템에 제공되지 않은 하나의 현저한 특징은 정변위 디바이스(201)이며, 이는 펌프(105), 및 동작적으로 연결된 전기 모터/발생기(202)를 대체한다. 본 명세서에서 "정변위 디바이스"로 언급되지만, 이와 같은 설명은 제한적인 것으로 의미되지 않는다. 정변위 디바이스(102 및 201) 둘 다는 정변위 디바이스일 수 있고 그리고/또는 스크류 타입 팽창기, 다른 스크루 펌프, 원심 펌프, 또는 다른 기계 예컨대 스크롤 팽창기, 지로터, 기어 펌프, 캐비티 펌프, 피스톤 펌프, 플런저 펌프 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 압력을 기계 에너지로 변환할 수 있는 임의의 디바이스일 수 있고 그 역도 또한 마찬가지이다.
일 실시예에서, 정변위 디바이스는 Stosic의 미국 제6,296,461호에 교시된 바와 같은 트윈 스크류 구성의 동일한 기계일 것이다. 일 실시예에서, 이와 같은 정변위 디바이스는 동일한 특성일 수 있거나 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 정변위 디바이스(102 및 201)는 스코틀랜드 글래스고 소재의 Howden Compressors에 의해 제조된 것과 같거나, 이와 유사한 스크류 팽창기 또는 압축기일 수 있다. 구체적으로, XRV 시리즈의 압축기, 및 특히 모델 XRV 127 압축기는 본 발명의 일 실시예에서 정변위 디바이스(들)(102 및/또는 201)로서의 사용에 적절하다.
일 실시예에서, 저등급 폐열 관리 시스템은 전형적으로 원동기에 의해 제공되는 온도의 범위 내에서 가열 및 팽창에 적절한 윤활유 및 유기 냉매의 혼합물을 포함하는 작동 유체의 단일 폐루프를 이용한다. 제한이 아닌 예로서, 냉매는 Genetron®로 상업적으로 공지되고 Honeywell에 의해 제조되는 R-245fa일 수 있다. 그러나 임의의 다른 적절한 탄화수소 또는 다른 유체뿐만 아니라 R123, R134A, R22, R-245ca 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 유기 냉매는 다른 실시예에서 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 작은 체적 퍼센트의 윤활유는 윤활 목적을 위한 냉매와 혼합된다. Nu-Calgon에 의해 제조되는 Emkarate RL 100E 냉매 윤활제, 제품 번호 4317-66을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 의도된 목적에 적절한 임의의 혼화유가 사용될 수 있다. 정변위 디바이스(102 및 201) 내의 베어링의 윤활은 혼합물을 베어링에 직접 제공하는 폐루프 공정으로부터 충분한 압력을 갖는 시스템 내의 적절한 지점으로부터 액체 상태의 작동 유체 냉매 및 윤활유의 적절한 양의 냉각 혼합물을 추출함으로써 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 작은 체적 퍼센트의 비용해 비혼합 윤활유는 윤활 목적을 위한 냉매와 혼합된다. 광유를 포함하지만 이에 제한되지 않는, 의도된 목적에 적절한 임의의 비용해 비혼합 윤활유가 사용될 수 있다. 정변위 디바이스(102 및 201) 내의 베어링의 윤활은 혼합물을 베어링에 직접 제공하는 폐루프 공정으로부터 충분한 압력을 갖는 시스템 내의 적절한 지점으로부터 액체 상태의 작동 유체 냉매 및 윤활유의 적절한 양의 냉각 혼합물을 추출함으로써 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 추가 윤활 펌프는 불충분한 압력을 갖는 시스템 내의 지점으로부터 액체 작동 유체 냉매 및 윤활유의 혼합물의 추출이 상기 혼합물을 베어링에 직접 제공하는 것을 허용하기 위해 제공된다. 이와 같은 윤활 펌프는 시스템에 의해 발생되는 전기 전력, 정변위 기계(들)로부터 직접 유도되는 기계 동력, 또는 전기 또는 기계 동력의 임의의 다른 소스에 의해 전원 공급될 수 있다.
응축기(104)는 공랭 라디에이터, 수냉 또는 액랭 라디에이터의 시스템, 또는 목적에 적절한 임의의 다른 시스템일 수 있다. 응축기(104)는 복사 또는 강제 공기 냉각을 통한 주위 공기, 냉각수의 천연 또는 인공 소스, 증발 디바이스 또는 시스템 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 하나 이상의 적절한 냉각 자원(들)에 작동 유체를 전달함으로써 작동 유체로부터 열을 제거한다. 냉각 자원은 열을 작동 유체로부터 중간 매체를 통해 냉각 자원으로 전달하기 위해 응축기(104)와 직접 열 연통하거나 냉각 자원 및 응축기(104) 둘 다와 열 전달 연통하는 중간 매체, 예컨대 물, 글리콜, 오일 등을 통해 응축기(104)에 간접적으로 제공될 수 있다. 폐열 입력 에너지로부터 전기 전력을 성공적으로 발생시키기 위해, 응축기(104)와 열 전달 연통하는 냉각 자원의 동작 온도는 입력 폐열 스트림의 온도 미만의, 적어도 50℉, 및 바람직하게는 80℉에서 100℉까지 이어야 한다. 게다가, 응축기 시스템에 이용할 수 있는 냉각 자원의 온도는 응축기 입력에서의 팽창 후 작동 유체보다 더 차가운 20℉에서 30℉까지 이어야 한다. 포트(106)에서 인가되는 저등급 폐열에서, 팽창 후 작동 유체의 온도는 일반적으로 더 높은 온도 폐열 입력이 갖는 것보다 더 낮을 것이고 따라서 또한 더 낮은 온도에서 동작하는 냉각 자원을 필요로 할 것이다.
일 실시예에서, 저등급 폐열 관리 시스템에 대한 작동 유체 응축은 공랭 라디에이터에 의해 제공될 것이다. 일 실시예에서, 응축은 수냉 라디에이터 또는 임의의 다른 적절한 장치에 의해 제공될 것이다. 어느 하나의 실시예에서, 장소에서의 주위 온도 및 동작 조건은 냉각 자원의 최대 유용한 온도를 결정하는 데 큰 역할을 할 것이다. 게다가, 이와 같은 인자는 시간, 요일, 및 계절로 변할 것이다.
저등급 폐열 관리 시스템은 별개 모드에서 동작할 수 있다. 냉각 자원이 충분히 낮은 온도일 때, 정변위 디바이스(102)는 종래 기술에 대해 상기 설명된 바와 같은 종래의 ORC 팽창기 모드로 기능을 한다. ORC 동작 동안에, 증발기(101) 내 및 정변위 디바이스(102)에 대한 입력에서의 압력은 시스템에서 최고인 반면 응축기(104) 내의 압력은 상당히 더 낮게 된다. 시스템은 모터/발생기(202)에 의해 구동되는 바와 같은 정변위 디바이스(201)에 의해 가압된다. 응축기(104)의 냉각 능력이 팽창 후 작동 유체의 필수 응축을 제공하기에 더이상 충분하지 않을 때, 시스템은 ORC 모드로 기능하는 것을 중단할 것이고 정변위 디바이스(102)에 의해 그리드 연결 전기 모터/발생기(103)로 제공되는 회전 기계 에너지는 정변위 디바이스(102)에 걸친 압력이 제로에 접근함에 따라 중단될 것이다. 그 지점에서, 증발기(101)와 응축기(104) 사이의 정의 압력 차이는 최소일 것이고 심지어 제로일 수 있다.
동작의 제2 모드(냉동 모드)에서, 정변위 디바이스(102)는 전기 모터/발생기(103)에 의해 구동되며, 이는 이제 그것의 고정자 코일이 상업적 전력 그리드 또는 전기 전력의 다른 소스에 동작적으로 연결되면 전기 모터로 동작한다. 정변위 디바이스(102)는 이제 응축기(104) 내의 압력이 증가하는 반면 증발기(101) 내의 압력이 감소함에 따라 피동 압축기의 기능을 한다.
정변위 디바이스(201)는 시스템에서 핵심적인 역할을 한다. ORC 모드에서, 그것은 정의 압력을 증발기를 통해 작동 유체로 그리고 정변위 디바이스(102)의 입구 포트로 제공하기 위해 모터/발생기(202)에 의해 구동된다. 냉동 모드 동안에, 정변위 디바이스(201)는 증발기(101)에 대해 응축기(104) 내의 더 높은 압력과 비교하여 필요한 배압을 제공함으로써 표준 냉동 사이클에서 팽창, 또는 스로틀 밸브의 기능성을 대체한다. 이와 같은 배압을 제공할 시에, 작동 유체는 시스템으로부터 발생기로 동작하는 모터/발생기(202)를 통해 추출될 수 있는 정변위 디바이스(201) 상에서 작용을 수행한다.
요약하면, 동작의 냉동 모드는 어느 점에서 ORC 모드와 등가인 역 사이클로 보여질 수 있다. 정변위 디바이스(102)는 더이상 발생기를 구동하지 않지만 이제 전기 모터로 기능하는 모터/발생기(103)에 의해 구동되는 압축기로 기능한다. 정변위 디바이스(201)는 ORC 모드에서 모터(202)에 의해 펌프로 구동되며, 이제 발생기 모드에서 동작하는 모터/발생기(202)를 통해 전기 전력으로 변환될 수 있는 에너지를 작동 유체 흐름으로부터 추출한다. 증발기(101) 내의 압력이 응축 기(104) 내의 압력보다 상당히 더 높은 ORC 모드와 아주 대조적으로, 냉동 모드의 동작 동안에, 응축기(104) 내의 압력은 시스템에서 가장 높은 반면 증발기(101) 내의 압력은 상당히 더 낮아진다. 그러나 ORC 사이클이 폐열 에너지를 저등급 폐열 증발기(101)의 소스로부터 높은 압력 가열된 작동 유체의 흐름을 통해 제거한 경우, 냉동 사이클은 이제 ORC 모드에서 동작 동안에 열 제거 기능과 비교가능한 냉각을 제공하는 더 낮은 압력에서의 더 낮은 온도 작동 유체를 증발기(101)에 대한 입력에 제공한다.
바람직하게, 정변위 디바이스(102 및 201)의 기능성은 각각의 위치에서의 단일 디바이스에 의해 본 명세서에서 설명되는 동작의 모드 둘 다 동안에 제공된다. 즉, 단일 정변위 디바이스(102)는 ORC 동작 동안에 팽창 및 냉동 동안에 압축을 제공하고 단일 정변위 디바이스(201)는 ORC 동작 동안에 압축 및 냉동 동안에 팽창을 제공한다. 일 실시예에서, 상이한 정변위 디바이스는 어느 하나 또는 둘 다의 위치에서 상이한 디바이스의 사용을 허용하기 위해 시스템에서 전환가능하게 설치될 수 있다. 예를 들어, ORC 동작 동안에 팽창기의 사용에 가장 적합한 정변위 디바이스(102)인 것보다 ORC 동작 동안에 압축에 더 좋게 적합한 대체 정변위 디바이스(102)(도시되지 않음)를 이용하는 것이 유리할 수 있다. 유사한 대체 정변위 디바이스(201)(도시되지 않음)는 ORC 동작 동안에 사용을 위해 최적화된 정변위 디바이스로부터 가능한 것보다 냉동 동작 동안에 평창기와 같이 우수한 성능을 제공할 수 있다. 어느 하나의 경우에, 대체 정변위 디바이스(들)는 각각의 모드를 위해 바람직한 정변위 디바이스를 단일 폐루프 시스템에 동작적으로 연결하기 위해 사용되는 적절한 밸브, 매니폴드, 및 연관된 제어 회로로 서로 근접하여 설치될 수 있다.
일 실시예에서, 정변위 디바이스(들) 중 어느 하나 또는 둘 다를 통한 작동 유체 흐름의 방향은 동작의 ORC 및 냉동 모드 둘 다 동안에 동일하다. 일 실시예에서, 정변위 디바이스(들) 중 어느 하나 또는 둘 다를 통한 작동 유체 흐름의 방향은 작동 유체 흐름의 방향을 시스템의 나머지에서 변경하는 것 없이 동작의 ORC 모드로부터 냉동 모드로 반전될 수 있다. 하나의 비제한 예로서, 단일 정변위 디바이스로부터의 성능은 작동 유체를 정변위 디바이스를 통해 대향 방향으로 통과시킴으로써 개선되는 것이 발견될 수 있다. 이것은 작동 유체 연결을 디바이스의 입력 및 출력 포트로 교환함으로써 달성될 수 있다. 특히 트윈 스크류 팽창기와 같지만, 이에 제한되지 않는 회전 디바이스에서, 회전의 방향으로의 수반하는 반전은 그러한 디바이스를 통한 작동 유체의 방향 흐름이 회전의 방향에 의존함에 따라 제공되어야 한다. 전기 모터/발생기에 결합될 때, 상기 디바이스의 회전의 방향은 상기 모터/발생기의 전기 연결의 3개의 단계 중 2개를 반전시키는 것과 같은 적절한 수단을 사용하여 합치될 수 있다.
일 실시예에서, 모터/발생기는 비동기(유도) 기계이다. 일 실시예에서, 모터/발생기는 동기 기계이다. 일 실시예에서, 모터/발생기는 비동기 또는 동기 기계의 임의의 조합일 수 있다. 일 실시예에서, 정변위 디바이스(들) 중 어느 하나 또는 둘 다, 및 따라서 전체 시스템의 성능은 정변위 디바이스(들) 중 어느 하나 또는 둘 다의 회전 속도를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 정변위 디바이스(들) 중 어느 하나 또는 둘 다는 가변 주파수 구동 시스템의 제어 하나에 동작될 수 있어, 용적 흐름 디바이스를 통한 용적 흐름의 미세 조정 및 디바이스에 걸친 압력 차이를 허용한다. 일 실시예에서, 인버터 기반 주파수 변환 시스템은 이용가능 디바이스와의 사용 및 분배 그리드에의 가능한 결합을 위해 비표준 주파수에서 발생되는 교류 전기 전력을 원하는 AC 라인 주파수(50 Hz 또는 60 Hz, 위치에 의존함)으로 변환하도록 정변위 디바이스와 함께 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 정변위 디바이스(들) 중 어느 하나 또는 둘 다, 및 따라서 전체 시스템의 성능은 용적 지수(Vi)를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 그러한 조정은 작동 유체의 응축을 위해 시스템에 이용할 수 있는 냉각 자원의 변화하는 열 입력 및 품질을 수용하는데 사용될 수 있다. 정변위 디바이스의 Vi에 대한 그러한 조정은 디바이스에 대한 입구를 가변으로 차단하는 슬라이딩 밸브의 사용을 통해, 트윈 스크류 팽창기를 포함하는, 일부 디바이스에서 달성될 수 있다. 체적 비율의 가변 충돌을 제공함으로써 정변위 디바이스의 Vi를 조정하는 비교가능 방법은 다른 디바이스 구성에 이용가능하다. 정변위 디바이스의 Vi에 대한 조정은 폐열 입력 또는 응축기 냉각 자원의 임의의 변화에 응답하여 시스템 컨트롤러/모니터에 의해 수동으로 또는 자동으로 이루어질 수 있다.
시스템의 동작의 모드는 적절한 냉각 자원의 폐열 스트림의 열 에너지 및 가용성 또는 결핍에 의해 주로 결정된다. 그러한 자원은 종종 지역 환경 조건, 특히 매일 및 매년 변화하는 주위 온도에 양향을 받는다. 응축 시스템에서 공랭 라디에이터를 이용하는 것은 통례이고 필요한 냉각을 제공하는 이와 같은 시스템의 능력은 그것이 동작하는 환경에 의해 엄격히 제한된다. 일부 실시예에서, 시스템 내의 증발기 및 응축기로서의 사용에 적절한 타입의 열 교환기는 증발기 또는 응축기 입력 각각에 적용되는, 폐열 또는 냉각 자원 각각의 스트림의 거의 20℉ 내지 30℉ 내의 온도로 가열 또는 냉각 각각, 작동 유체의 흐름에 제한된다.
일 실시예에서, 거의 170°에서의 폐열의 입력 소스는 55°의 주위 온도 조건하에 이용될 수 있다. 이와 같은 실시예에서, 작동 유체는 거의 78 psi의 압력에서 86℉의 입력 온도로부터 150°의 출력 온도로 폐열 스트림에 의해 증발기(101)로 가열된다. 이와 같은 온도 및 압력에서의 부분적으로 증발된 작동 유체는 팽창기의 역할을 하는 정변위 디바이스(102)에 적용되며, 이는 작동 유체의 팽창 싱에 거의 40 kW의 기계 동력을 생산한다. 그러한 기계 동력은 시스템 내의 다른 곳에 또는 시스템의 외부에 추가 냉각, 펌핑, 또는 압축 기능을 포함하는, 임의의 유용한 목적을 위해 인가될 수 있거나, 그것은 모터/발생기(103)를 구동하기 위해 배타적으로 사용될 때 거의 34 kWe의 순 전기 전력을 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 거의 107℉ 및 28 psi에서, 팽창된 작동 유체는 거의 86℉ 및 27 psi에서 그것의 완전한 액체 상태로 다시 냉각되며, 그 결과 시스템 펌프는 냉각된 가압 액체 작동 유체가 증발기 입력에 한번더 적용되기 전에 작동 유체 압력을 거의 84 psi로 증가시키기 위해 폐루프 작동 유체 회로에 적용된다.
정변위 디바이스(102)가 전기 모터/발생기(103)에 결합되는 것을 가정한다. 증발기 및 응축기 펌프 및 팬을 포함하는, 시스템 관련 기생 전기 부하의 모두를 공급한 후에, 시스템은 이와 같은 실시예에서 또한 저등급 폐열 스트림으로부터 열 에너지를 제거함으로써 냉각을 제공하는 동안 거의 25 kWe의 순 전기 전력 출력을 생산할 것이다. 상기 전기 전력은 시스템의 다른 곳에 추가 냉각, 펌핑, 또는 압축 기능을 포함하는, 임의의 다른 유용한 목적을 위해 인가될 수 있다.
이와 같은 ORC 모드의 동작에서, 증발기의 입력 및 출력 둘 다에서의 시스템 압력은 시스템의 응측기 측면 상의 대응 압력보다 상당히 더 높다는 점이 인지될 것이다.
일 실시예에서, 그것의 냉동 모드 내의 듀얼 모드 시스템의 동작은 극적으로 상이한 동작 상수를 생산한다. 여기서, 동일한 온도(170℉)에서의 입력 폐열 스트림은 110℉의 실질적으로 더 높은 주위 온도에서 이용된다. 증발기를 통과하는 작동 유체는 그것이 63 psi의 근사 압력에서 거의 136℉의 온도를 획득함에 따라 부분적으로 증발되고, 그 결과 그것은 지금 압축기로 기능하는 정변위 디바이스(102)를 통과한다. 압축의 공정은 그것이 응축 시스템에 공급됨에 따라, 작동 유체의 온도 및 압력을 거의 160℉ 및 92 psi로 각각 증가시킨다. 이와 같은 단계의 사이클 동안에, 작동 유체는 온도 및 압력에서 최소 손실만을 갖는 엔탈피의 제거에 의해 높게 증발된 상태로부터 액체 상태로 변환된다. 이제 팽창기의 기능을 하는 정변위 디바이스(201)의 입력에서, 거의 157°및 90 psi에서의 액화 작동 유체는 거의 175 We의 전기 전력을 생산하는 연결된 전기 모터/발생기(202)를 구동하기 위해 사용되거나 추가 냉각, 펌핑, 또는 압축 기능을 포함하지만 이에 제한되지 않는 시스템 내의 또는 시스템 외부의 임의의 다른 유용한 목적에 적용될 수 있는 기계 에너지를 생산하기 위해 확장된다.
정변위 디바이스(201)는 전기 발생기(202)에 결합된다고 가정하면 그리고 증발기 및 응축기 펌프 및 팬을 포함하는, 시스템 관련 기생 전기 부하의 모두를 공급한 후에, 이와 같은 실시예에서의 시스템은 저등급 폐열 스트림으로부터 열 에너지를 제거함으로써 냉각을 제공하는 동안에 거의 28.8 kWe의 순 전기 전력을 소비할 것이다.
냉동 모드에서, 시스템의 높은 및 낮은 압력 측면은 ORC 모드에 존재하는 것과 비교할 때 반전되었다는 점이 인지될 것이다. 최고 시스템 압력은 ORC 동작 동안에 증발기에 존재하지만, 더 높은 압력은 이제 냉동 모드에서의 동작 동안에 시스템 응축기에 존재한다. 따라서, ORC 응축기 내의 더 낮은 상대 압력은 냉동 모드 동안에 증발기에 존재하는 것보다 더 큰 더 높은 응축기 압력으로 대체된다는라는 것이 직접적인 결론이다.
도 3은 시스템 도처의 다양한 지점에서 R-245fa 작동 유체의 엔트로피와 온도 사이의 관계를 통해 ORC 모드에서 동작하는 듀얼 모드 시스템의 비제한 실시예의 일 예를 도시한다. 이와 같은 모드에서, 폐열 온도 및 이용가능 냉각 자원은 폐열로부터 유도되는 시스템으로부터 순 전력 출력을 야기하는 기계 동력의 생산과 양립할 수 있다. 40℉에서의 냉각수의 소스는 작동 유체 흐름의 방향에 역류로 응축기(104)에 제공된다(301). 이와 같은 방식으로, 응축기에 들어오는 최저 온도 냉각수는 그것이 응축기를 나감에 따라 최저 온도 작동 유체와 열 전달 연통한다. 유사하게, 냉각수는 응축기(104) 내의 작동 유체로부터의 열 전달에 의해 가열되고 거의 57℉(302)에서 배출되며, 그것은 응축기(104)에 대한 작동 유체 입력에서의 최고 온도 작동 유체와 열 전달 연통한다. 140℉(303)에서의 저등급 폐열은 직접 또는 중간 열 전달 매체를 통해, 또한 최고 온도 폐열이 증발기(101)에서 배출하는 최고 온도 작동 유체와 열 전달 연통하도록 증발기(101) 내의 작동 유체 흐름의 방향에 역류로 적용된다. 폐열 소스는 증발기(101)에 들어오는 최저 온도 작동 유체와 열 전달 연통하여 거의 120℉(304)로 증발기(101)에서 배출된다.
305에서, 작동 유체는 거의 60℉에서 증발기(101)에 들어가고 먼저 역류하는 폐열에 의해 특정 작동 유체의 증발 온도(306)로 가열된다. 작동 유체는 그것의 엔트로피가 증가함에 따라 폐열 소스로부터 에너지를 계속해서 흡수한다. 307에서, 가열된 작동 유체는 압력이 거의 50 psi(307)에서 15 psi(308)까지 감소함에 따라 기계 에너지가 작동 유체의 팽창을 통해 회수되는 정변위 디바이스(102)에 제공된다. 이와 같은 기계 에너지는 전기 발생기(103)를 구동하거나, 기계 에너지를 폐열의 소스에 제공하거나, 팬, 압축기 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 시스템과 연관되거나 연관되지 않은 다른 디바이스를 구동하거나, 임의의 다른 유용한 목적을 위해 전체적으로, 부분적으로, 또는 조합으로 사용될 수 있다. 응축기(104)에서, 팽창된 작동 유체는 냉각되며(308 내지 305), 305에서 전기 모터/발생기 및 연관된 제어 장치(도시되지 않음)에 의해 구동되는 펌프의 역할을 하는, 정변위 디바이스(201)는 사이클을 반복하기 위해 냉각된 작동 유체를 증발기(101)로 복귀시키도록 원동력을 제공한다.
냉동 모드의 동작에서 동작하는 저등급 폐열 관리 시스템의 비제한 구체적 일 예가 도 4에 도시된다. 시스템에 이용할 수 있는 저등급 폐열 및 냉각 자원의 온도가 주어지면, ORC 모드 내의 동작은 이용가능 폐열 온도에 대한 높은 주위 온도, 및 따라서 이와 같은 모드에 대한 적절한 냉각의 부족으로 인해 더이상 실현가능하지 않다. 여기서, 140℉(401)에서의 냉각수는 응축기(104)의 입력에 역류로 적용되고 거의 160℉(402)에서 배출된다. 140℉(403)에서의 저등급 폐열은 직접적으로 또는 중간 열 전달 매체를 통해, 또한 증발기(101) 내의 작동 유체 흐름의 방향에 역류로 적용되고 거의 130℉(404)에서 배출된다.
405에서, 작동 유체는 거의 122℉에서 증발기(101)로 들어가고 그것의 엔트로피는 역류하는 폐열 소스에 의해 증가된다(406에서). 일부 실시예에서, 증발 전달 동안의 온도는 특정 작동 유체의 증발 온도 약간 초과로 상승한다(407에서). 이와 같은 열의 전달은 크게 또는 전적으로 증발된 작동 유체의 엔트로피가 증가하게 한다. 407에서, 가열된 작동 유체는 정변위 디바이스(102)에 제공되어, 이제 모터/발생기(103)에 의해 구동되는 압축기의 기능을 한다. 이와 같은 압축은 압력을 거의 50 psia(407)에서 거의 100 psia(408)까지 증가시킴으로써 작동 유체 상에 작용을 수행하고, 그것에 의해 증발된 작동 유체의 온도가 시스템(408)에서 그것의 최고 엔트로피에 도달하게 한다. 응축기(104)에서, 증발된 작동 유체의 엔탈피는 작동 유체가 본질적으로 일정한 압력으로 액화됨에 따라 409로부터 410으로 감소된다. 410에서, 높은 압력 작동 유체는 정변위 디바이스(201)에 공급되며 가압된 액체 작동 유체 내의 엔탈피는 전기 모터/발생기(202)를 구동하고, 기계 에너지를 폐열의 소스에 제공하고, 팬, 압축기, 냉동 장비 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 시스템과 연관되거나 연관되지 않은 다른 디바이스를 구동하거나, 임의의 다른 유용한 목적을 위해 전체적으로, 부분적으로, 또는 조합으로 사용될 수 있는 기계 에너지를 정변위 디바이스(201)에서 제공한다.
이와 같은 시스템의 새로운 특징은 냉동 모드 내의 동작 동안에, 시스템에 이용할 수 있는 응축기 및 연관된 냉각 자원의 온도가 압축기의 기능을 하는 정변위 디바이스(102)에 의해 생산되는 엔탈피의 증가로 인해 입력 저등급 폐열 스트림의 것과 같거나, 일부 구현예에서, 그것보다 더 클 수 있다는 점이다. 이와 같은 능력은 응축기의 냉각 자원의 온도가 입력 폐열 스트림의 그것보다 더 차가운 적어도 50℉, 및 바람직하게는 80℉에서 100℉까지인 ORC 모드 내의 동작 동안에 명확히 가능하지 않다. 이와 같은 방식으로, 시스템은 당해 분야에 공지된 전력 발생 ORC 양립가능 시스템과의 사용을 위해 완전히 양립할 수 없는 동작 조건하에 저등급 폐열 스트림을 냉각할 시에 비교 가능 사용을 위해 활성 냉동을 또한 제공하는 동안 ORC 시스템과 연관되는 열 소비 및 전력 발생 둘 다를 제공할 수 있다.
이와 같은 방식으로, 단일 시스템의 필수적인 구성요소는 저등급 열을 거부하는 동일한 주요 기능을 서브하는 크게 상이한 동작 파라미터를 갖는 2개의 모드에서 사용될 수 있다. 어떤 동작 조건하에, 시스템의 ORC 모드는 하나 이상의 저등급 폐열 소스로부터 에너지를 소비하고 임의의 유익한 목적을 위해 전기 및/또는 기계 동력을 제공한다. 불충분한 냉각 자원이 ORC 모드 내의 동작에 이용가능할 때, 시스템은 냉동 모드로 기능하여, 유사하게 저등급 폐열의 하나 이상의 소스로부터 열을 소비하고, 모터/발생기(103)를 통해 정변위 디바이스(102)를 구동하는데 필요한 순 전기 전력를 소비하는 반면, 임의의 유익한 목적을 위해 전기 및/또는 기계 동력을 오프셋하는 작은 측정값을 발생시킨다.
수정된 유기 랭킨 사이클 시스템 및 수정된 증기 압축 냉동 사이클 시스템은 압축기(정의 압력 및 원동력을 작동 유체에 제공함) 및 팽창기(작동 유체 스트림 내의 잠재 에너지의 일부를 기계 및/또는 전기 전력으로 변환함)의 기능을 교대로 하는 공통 증발기 시스템, 공통 응축기 시스템, 및 공통 정변위 기계를 포함하는 단일 폐루프 작동 유체 시스템을 사용하여 제공될 수 있다는 것은 저등급 폐열 관리 시스템의 주요 장점이다.
동작의 냉동 모드에서, 저등급 폐열 관리 시스템은 종래의 냉동 시스템에 비해 상당한 추가 장점을 제공한다. 에너지를 작동 유체의 흐름으로부터 정변위 디바이스(201)를 제거하고 그것을 전기 전력으로 변환함으로써, 전체 시스템의 냉각 능력이 증가된다. 작동 유체 스트림의 기계 에너지의 감소는 증발기에서 더 낮은 온도로 변환하며, 모터/발생기(103)에 의해 정변위 디바이스(102)에 인가되는 구동 전력에 대해 산출될 때 시스템의 냉각 능력 및 전체 효율을 증가시킨다. 전형적으로 팽창 밸브에 의해 제거되는 에너지를 복구하지 않은 표준 냉동 사이클과 달리, 저등급 폐열 관리 시스템은 잠재 저등급 폐열을 감소시키는 그것의 능력을 증대시키는 동안 유용한 전기 전력을 회수한다.
상기 언급된 바와 같이, 본 시스템은 ORC 모드에서 작동하는 동안에는 순 전기 전력 출력을 생산하고, 냉동 모드에서 순 전기 전력을 소비한다. 각 모드의 듀티 사이클(duty cycle)은 각각의 특정 설치의 환경적인 그리고 작동적인 요구 조건에 의존하며, 수많은 인자는 최적으로 수행할 시스템의 설계에 임계적이다. 이와 같은 인자들은 다른 인자들 중에서, 시간 의존적인 가용성, 온도, 열용량, 및 입력 폐열 스트림의 체적 흐름, 응축기용으로 적합한 냉각 자원의 가용성 및 상기 냉각 자원의 온도 및 다른 품질에서의 임의의 시간 의존적인 변동, 그리고 순 전력 소비 냉동 모드에서 시스템을 구동시키기에 충분한 전기 전력의 가용성을 포함한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시 예에 상응하는 저등급 폐열 관리 시스템을 위한 전력 발생 모드 및 전력 소비 모드의 예상되는 듀티 사이클의 일 실시예를 개략도로 보여준다(특정 위치에서 대략 55℉의 평균적인 연간 주위 온도로 동작하는 대략 170℉의 저등급 폐열 입력 스트림). 본 실시예 및 이하의 예를 위한 평균 온도 데이터는 NOAA, 즉 미국 연방 항공국(U.S. Federal Aviation Administration) 및 개인 날씨 시스템(PWS: Personal Weather System)의 네트워크에 의해서 제공되는 지역 기후 데이터의 저명한 상업 웹사이트(aggregator)로부터 획득되었다. 이 시스템은 그 해의 12개월 중 9개월 동안의 평균 순 전기 전력 출력을 제공하고, 아주 미미하게 3개월 동안은 순 평균 전력 소비자 장치이다. 낮은 평균 온도를 갖는 더 추운 겨울 몇 개월 동안, 이 시스템으로부터의 월 평균 순 전기 전력 출력은 이 시스템이 대부분 작동한다는 요인 때문에 가장 크거나, 심지어 배타적으로, ORC 전력 발생 모드에서는 응축기용으로 적합한 냉각 자원의 가용성 때문에 가장 크다. 6월, 7월 및 8월과 같이 더 따뜻한 달 동안에는, 평균 월 순 전기 전력 출력이 마이너스인데, 이것은 본 시스템이 이 달들 동안 발생한 것보다 더 많은 전기 전력을 소비했다는 것을 암시한다. 그러나 이와 같은 사실은, 7월에 발생한 가장 큰 순 전력 소비가 단지 대략 2.5 kWe에 불과하다는 것, 즉 2월 동안의 대략 24 kWe의 최대 평균 순 전력 출력보다 훨씬 더 적다는 것을 명백하게 보여준다. 이와 같은 결과는, 전력 소비 모드에서의 작동은 다만 그날의 가장 따뜻한 부분 동안에만 필요한 반면, 전력 발생 ORC 작동은 밤 그리고 이른 아침의 더 추운 기간 동안에 실현 가능했다는 요인으로부터 기인하였다(하루 동안의 온도 변동은 도시되지 않았음). 본 예의 입력 폐열 스트림의 지역 환경 조건 및 온도가 주어지면, 연율(annual basis)로 볼 때 이 시스템이 소비할 것보다 훨씬 더 많은 전력을 생산할 것은 명백하다(연 평균 순 전기 전력 출력은 도시된 바와 같이 10 kWe를 약간 초과함).
대조적으로, 도 6은, 동일한 위치에서 그러나 가용적인 저등급 폐열 스트림의 온도가 대략 170℉로부터 대략 150°로 감소한 상태에서, 전력 소비 모드들에 대한 전력 발생의 듀티 사이클을 기술한다. 이와 같이 감소된 온도에서 저등급 폐열은 자동차 제조, 식품 가공, 및 유사한 적용예에 의해서 생산된 것과 더 일치한다. 최대 평균 순 월 전기 전력 출력이 이전 예에서 24 kWe부터 강하하여 10 kWe보다 약간 더 크다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 사실은, 심지어 그 해의 가장 추운 달들 동안에도, 그 달 동안 평균 순 전기 출력을 58%만큼 감소시키기 위해, 이 시스템이 그 달의 상당한 부분 동안 냉동 모드에서 동작할 것이라는 것을 보여준다. 게다가, 이 시스템이 순 정의 평균 전기 전력 출력을 생산하는 달들의 수(number)는 이제 평균 순 전기 전력이 소비되는 달들의 수(6)와 같다. 더 상세하게 말하자면, 7월 동안의 대략 10 kWe의 가장 큰 월 평균 순 전력 소비는 2월의 가장 큰 평균 순 월 전기 전력 출력과 같다는 사실이 드러났다. 마지막으로, 본 시스템의 연평균 순 전기 전력 출력은 다만 제로보다 약간만 더 크다(도시된 바와 같이, 대략 0.5 kW임). 이 경우에, 각 모드의 거의 동일한 유효 듀티 사이클은, 두 가지 작동 모드에서 효과적인 저등급 폐열 관리가 제공되는 동안에 실질적으로 "순 제로"를 생산하는 시스템에서 명백하게 나타난다. 이 위치에서 종래의 ORC 시스템은, 다만 가장 추운 달들의 대략 절반 동안에만 실현 가능한 냉각 솔루션이 될 것이며, 이것은 더 따듯한 달들 동안의 냉각 솔루션보다 훨씬 더 적다.
명백하게, 170℉의 적정 온도로부터 150℉로의 입력 폐열 스트림의 온도 감소는, 가능한 경우에는 폐열 에너지를 소비하고 작동 조건이 종래의 ORC 방법에 반하는 경우에는 액티브 냉각을 제공하고, 두 가지 경우에 모두 요구되는 열량을 거부하는, 두 가지 전력 발생을 가능하게 하는 시스템에 대한 필요를 보여주는, 완전히 새로운 세트의 동작 조건을 형성한다.
본 발명에 대한 기술은 가능하게 하려는 의도이지 제한하려는 의도는 아니다. 당업자에게는, 전술된 실시예들의 수많은 조합이 함께 실행될 수 있을 뿐만 아니라 별개로도 실행될 수 있으며, 이와 같은 모든 조합이 본 출원서에 효과적으로 기술된 실시예들을 구성한다는 점이 명확해질 것이다.

Claims (20)

  1. 저등급 폐열을 관리하는 시스템으로서,
    A) 작동 유체의 흐름을 포함하고,
    1) 저등급 폐열의 스트림과 열 전달 연통하고 폐루프 작동 유체 회로와 추가로 열 전달 연통하는 증발기;
    2) 상기 증발기와 작동 유체 수용 연통하는 작동 유체 입력 및 작동 유체 출력을 갖는 제1 정변위 디바이스;
    3) 상기 제1 정변위 디바이스와 작동 유체 수용 연통하고 냉각 자원과 열 전달 연통하는 응축기; 및
    4) 상기 응축기와 작동 유체 수용 연통하고 상기 증발기와 추가로 작동 유체 송출 연통하는 작동 유체 입력 및 작동 유체 출력을 갖는 제2 정변위 디바이스를 더 포함하는 폐루프 회로;
    B) 상기 제1 정변위 디바이스와 기계 동력 전달 연통하여 기계 동력을 발생시키고 수용할 수 있는 적어도 하나의 디바이스; 및
    C) 기계 동력 입력 및 출력을 갖는 제2 정변위 디바이스와 기계 동력 전달 연통하여 기계 동력을 발생시키고 수용할 수 있는 적어도 하나의 디바이스를 포함하며;
    상기 제1 및 상기 제2 정변위 디바이스 각각은,
    i) 정의 압력 차이가 그러한 정변위 디바이스의 상기 작동 유체 입력과 상기 작동 유체 출력 사이에 존재할 때 상기 저등급 폐열의 스트림과 열 연통하는 증발기에 의해 가열되는 폐루프 회로에서 상기 작동 유체의 팽창을 통해 기계 동력을 발생시키고 상기 기계 동력을 그것과 기계 동력 전달 연통하는 적어도 하나의 디바이스에 제공하도록; 그리고
    ii) 그러한 정변위 디바이스의 상기 작동 유체 입력과 상기 작동 유체 출력 사이의 압력 차이가 본질적으로 제로 또는 음수일 때 상기 폐루프 회로에서 상기 작동 유체를 압축하기 위해 그것과 기계 동력 전달 연통하는 적어도 하나의 디바이스로부터 기계 동력을 수용하도록 구성되는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및/또는 상기 제2 정변위 디바이스(들)와 기계 동력 전달 연통하는 적어도 하나의 디바이스는 전기 모터/발생기를 포함하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및/또는 상기 제2 정변위 디바이스(들)와 기계 동력 전달 연통하는 적어도 하나의 디바이스는 팬, 펌프, 압축기, 또는 냉동 장비 중 하나를 포함하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및/또는 상기 제2 정변위 디바이스(들)와 기계 동력 전달 연통하는 디바이스의 모든 출력은 상기 시스템과 기계, 전기, 또는 작동 유체 연통하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및/또는 상기 제2 정변위 디바이스(들)와 기계 동력 전달 연통하는 디바이스 중 적어도 하나의 출력은 상기 시스템과 기계, 전기, 또는 작동 유체 연통하지 않는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및/또는 상기 제2 정변위 디바이스(들)는 그것의 용적 지수(Vi)의 수동 및/또는 자동 조정을 허용하도록 구성되는 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 및/또는 상기 제2 정변위 디바이스(들)는 그것의 속도의 수동 및/또는 자동 조정을 허용하도록 구성되는 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 시간에 걸쳐 평균화되는 상기 시스템의 평균 순 전력 출력은 제로보다 더 큰 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 시간에 걸쳐 평균화되는 상기 시스템의 평균 순 전력 출력은 제로인 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 시간에 걸쳐 평균화되는 상기 시스템의 평균 순 전력 출력은 제로 미만인 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 저등급 폐열의 스트림은 자동차 제조, 식품 가공, 오일 및 천연 가스 처리, 또는 컴퓨터 데이터 센터로부터 유도되는 시스템.
  12. 저등급 폐열을 관리하는 방법으로서,
    A) 저등급 폐열의 스트림을 제공하는 단계;
    B) 작동 유체의 흐름을 포함하는 폐루프 회로를 제공하는 단계;
    C) 작동 유체를 더 큰 에너지로 생성하기 위해 에너지를 상기 저등급 폐열의 스트림으로부터 상기 작동 유체로 전달하도록 상기 폐루프 회로에서 증발기를 사용하는 단계;
    D) 상기 폐루프 회로에서 상기 증발기에 연결되는 작동 유체 입력 및 응축기에 연결되는 작동 유체 출력을 갖는 제1 정변위 디바이스를 사용하여
    1. 정의 압력 차이가 상기 작동 유체 입력과 상기 작동 유체 출력 사이에 존재할 때 기계 동력을 발생시키기 위해 상기 작동 유체 입력에서 수용되는 작용 유체를 팽창시키고;
    2. 상기 작동 유체 입력과 상기 작동 유체 출력 사이의 압력 차이가 본질적으로 제로이거나 제로 미만일 때 기계 동력을 소비함으로써 상기 작동 유체 입력에서 수용되는 작동 유체를 압축하는 단계;
    E) 에너지를 상기 제1 정변위 디바이스로부터 수용되는 작동 유체로부터 상기 응축기에 이용가능한 냉각 자원으로 전달하기 위해 상기 폐루프 회로에서 상기 응축기를 사용하는 단계; 및
    F) 상기 폐루프 회로에서 상기 응축기에 연결되는 작동 유체 입력 및 상기 증발기에 연결되는 작동 유체 출력을 갖는 제2 정변위 디바이스를 사용하여
    1. 정의 압력 차이가 상기 작동 유체 입력과 상기 작동 유체 출력 사이에 존재할 때 기계 동력을 발생시키기 위해 상기 작동 유체 입력에서 수용되는 작동 유체를 팽창시키고;
    2. 상기 작동 유체 입력과 상기 작동 유체 출력 사이의 압력 차이가 본질적으로 제로이거나 제로 미만일 때 기계 동력을 소비함으로써 상기 작동 유체 입력에서 수용되는 작동 유체를 압축하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 및/또는 상기 제2 정변위 디바이스(들)에 의해 발생되는 기계 동력은 하나 이상의 전기 전력 모터/발생기(들)에 제공되고 상기 제1 및/또는 상기 제2 정변위 디바이스(들)에 의해 소비되는 기계 동력은 하나 이상의 전기 전력 모터/발생기(들)에 의해 제공되는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1 및/또는 상기 제2 정변위 디바이스의 용적 지수(Vi)는 수동으로 또는 자동으로 조정될 수 있는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 제1 및/또는 상기 제2 정변위 디바이스의 속도는 수동으로 또는 자동으로 조정될 수 있는 방법.
  16. 제12항에 있어서, 시간에 걸쳐 평균화되는 상기 시스템의 평균 순 전력 출력은 제로보다 더 큰 방법.
  17. 제12항에 있어서, 시간에 걸쳐 평균화되는 상기 시스템의 평균 순 전력 출력은 제로인 방법.
  18. 제12항에 있어서, 시간에 걸쳐 평균화되는 상기 시스템의 평균 순 전력 출력은 제로 미만인 방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 저등급 폐열의 스트림은 자동차 제조, 식품 가공, 오일 및 천연 가스 처리, 또는 컴퓨터 데이터 센터로부터 유도되는 방법.
  20. 폐열의 저등급 소스로부터 열을 거부하는 시스템으로서,
    A) 작동 유체의 흐름에 대응하는 방향 순서로, 작동 유체 연통으로 모두 동작적으로 연결되는, 증발기, 제1 정변위 디바이스, 응축기, 및 제2 정변위 디바이스를 포함하는 폐루프 회로에서 흐르는 작동 유체; 및
    B) 상기 제1 정변위 디바이스에 동작적으로 연결되는 기계 동력의 적어도 하나의 소스 및 적어도 하나의 싱크, 및 상기 제2 정변위 디바이스에 동작적으로 연결되는 기계 동력의 적어도 하나의 소스 및 적어도 하나의 싱크를 포함하며;
    상기 시스템은 하나의 정변위 디바이스만이 기계 동력을 임의의 시간에 발생시키고 있고 하나의 정변위 디바이스만이 기계 동력을 임의의 시간에 소비하고 있도록, 그리고 상기 시스템에 의해 발생된 순 전력이 시간에 걸쳐 평균화될 때 제로 이상이도록, 기계 동력을 상기 제2 또는 상기 제1 정변위 디바이스에서 대응적으로 동시에 소비하는 동안 상기 제1 또는 상기 제2 정변위 디바이스에서 상기 작동 유체의 팽창으로부터 기계 동력을 발생시키도록 구성되는 시스템.
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