KR940002718B1 - 직접 연소식(direct fired)동력 사이클을 수행하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

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Description

직접 연소식(direct fired)동력 사이클을 수행하는 장치 및 방법

제1도는 본 발명의 동력사이클을 수행하는 방법 및 장치를 나타내는 제1실시예의 공정도이다.

제2도는 본 발명의 동력사이클을 수행하는 방법 및 장치를 나타내는 제2실시예의 공정도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

101 : 과열기 102,104,106 : 터어빈

103,105 : 재가열기 109,110,112,114,116, 127 : 열교환기

119 : 수압터어빈 120 : 중력분리기

121 : 응축기 125 : 스크루버

131~137 : 유체분리기 140~147 : 유체혼합기

본 발명은 일반적으로 팽창 및 재생되는 작동 유체를 사용하여 열원으로부터의 열에너지를 기계적 에너지로 바꾼다음, 전기에너지로 변환하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 열역학적 사이클의 열효율을 개선하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

주지와 같이 열역학 제2법칙에 따라, 열원의 익저지(exergy) (에너지포텐샬)은 열원의 온도증가에 따라 증가한다. 이러한 효과에 의해, 연소공정에서 방출된 열의 온도를 증가시켜 동력 발생을 기술적으로 개량시키는 것이 모색되었다. 이러한 개량방법의 하나는 연소공기를 연소가스에 의해 역류식으로 예열하여 연료의 연소로부터 방출된 열의 연소온도 및 평균온도를 상승시키는 것이다. "미분탄(pulverized-coal)연소"로서 언급되는 이러한 방법은 널리 공지되어 있다.

열원의 에너지 포텐샬과는 달리, 동력사이클의 효율은 열원의 온도에 의존하는 것이 아니라 열원으로부터의 열전달 공정에서의 작동유체(working fluid)의 평균 온도에 의존한다. 이러한 열획득(acquisition) 온도가 유효열원의 온도보다 현저하게 낮다면, 열전달 공정에서 막대한 에너지 손실을 초래하고, 상대적으로 사이클 효율은 낮게된다

이러한 이유로 종래의 발전소의 효율은 비교적 낮았다. 예를들면, 열에너지를 동력으로 전환하는 발전소의 효율한계는, 현대 발전소의 야금학적 특성에 의해 1,000°-1,100℉ 한계치로 작동유체온도가 유지되어도 63%의 수준으로 되어 있다. 유사하게, 터어빈의 전기적인 동력의 출력(이것에 의해 순환 급송 핌프의 작동이 필요없음)을 기초로 한 가장 양호한 직접 연소식 (direct-fired) 발전소의 효율도 41-42%를 초과하지 못한다. 다시 말해서, 이들 발전소의 열역학적 효율은 65%(열효율 : 열역학적 한계 효율의 비)를 초과하지 못한다.

이러한 현상을 이론적으로 설명하자면, 작동유체, 즉, 물에 전달되는 열량은 보일러에서 얻어지며, 여기서, 유효 열은 보다 높은 온도로 유지되면서 물이 약 660℉(3 50℃)의 온도에서 비등하기 때문이다. 열역학적 관점에서 볼때, 작동유체에 의한 열획득 온도가 상당히 중가하지 않는한, 열에너지를 동력으로 전환하는 공정의 효율, 즉, 열역학적 사이클의 효율은 증가될 수 없다는 것이 명백하다.

물보다 높은 비등(boiling) 온도를 가진 작동 유체의 사용은 실제로 다음의 이유때문에 사이클의 효율을 향상시키지 못한다 : 응축기의 압력은 물을 작동유체로서 사용할때에도 높은 진공도로 유지되어야 한다. 만약 물보다 높은 비등온도를 가진 유체를 사용한다면, 응축기를 더욱 높은 진공도로 유지하여야 하는데 이는 기술적으로 불가능하다. 응축기를 초저압으로 유지하지 않는한, 이러한 가설적인 고-비등 유체의 응축온도는 높아지게 될 것이므로, 보일러에서 얻은 모든 이득은 응축기에서 손실될 것이다. 이러한 문제때문에, 지난 60년에서 70년 동안 직접 연소식 동력 발전소의 효율은 거의 개선이 없었다.

고온의 열원을 이용하여 동력 사이클의 효율을 증가시키는 앙호한 방법은 소위 "회수형 사이클(recuperative cycle)"이라고 불리는 방법을 사용하는 것이다. 이러한 방법에 의하면, 복귀된 동일한 작동유체에 의해 비교직 고온으로 작동유체가 예열되어야 한다. 이러한 예열후에만 외부열은 작동 유체에 전달된다. 그 결과, 고온에서 모든 열획득이 일어나며, 이론적으로 이러한 사이클의 효율은 증가할 것이다.

이러한 사이클의 실제적인 예로는 가스상 작동 유체를 이용한 "회수형 브라이톤 사이클(recuperative Brighten cycle)"을 들 수 있다. 이 사이클에서, 작동유체는 주위 온도에서 압축되고, 회수식 열교환기에서 예열된 다음, 부가적으로 열원에 의해 가열되고, 터어빈내에서 팽창된 후, 회수식 열교환기로 다시 복귀하여 예열을 제공한다.

이론적인 장점에도 불구하고 회수식 브라이톤 사이클은 실제로 하기의 두가지 원인 때문에 양호한 효율을 제공하지 못한다.

(1) 가스상 작동유체의 "압축 일"은 매우 높아서 등온으로 또는 온도의 미소증가로는 수행될 수 없다 :

(2) 가스상 작동유체가 사용되기 때문에, 회수식 열교환기에서의 온도차가 비교적 높아야만 하므로, 막대한 익저지(exergy) 손실을 초래한다.

고-효율 동력 사이클을 얻기 위한 이상적인 해결책은 회수율이 높은 특징을 갖는 브라이톤 사이클과, 유체가 액체 상태로 있는 동안 작동유체압력이 증가되는 수증기 사이클을 결합시키는 것이다. 이로써 비교적 작은 일(낮은 "압축 일")을 하는 핌프를 사통하여도 유체 압력을 증가시킬 수 있다.

하지만, 매우 단순한 이유때문에 이러한 사이클의 직접적인 실현은 불가능하다. 만약 회수식 가열공정이 액체 예열, 증발 및 과열을 포함한다면, 유입 유체보다 낮은 압력을 가져야 하는 회수 유체는 유입 유체의 비등 온도보다 낮은 온도에서 응축될 것이다. 이러한 현상으로 인해 이 공정에서 열의 직접적인 획득이 불가능하게 된다.

상기 설명한 바와같이, 이론 연구관점에서 열역학적 사이클에서 전체 비등공정은 예열, 증발 및 과열의 3개의 공정 부분으로 구성되는 것으로서 연구될 수 있다. 종래의 기술로 열원과 작동 유체를 결합하는 것은 과열의 고온부 중에서만 가능하다. 그러나, 종래의 공지 공정에서, 고온의 과열에 적합한 고온열 부분이 과열에 사용되지 않고 증발 및 예열에 사용된다는 것을 본 발명의 발명자는 발견하였다. 이로 인해 두개의 유체 사이에서는 매우 큰 온도차가 발생해서 막대한 익저지의 손실을 초래한다. 예를들면, 종래의 랜킨(Rankine) 사이클에서 열원 및 작동유체의 엔탈피-온도 특성의 부정합에 의해 약 25%의 에너지 손실이 발생한다. 부정합된 열원 및 작동유체 엔탈피-온도특성의 난점에 대한 이상적인 해결책은 과열시 사용하기 위하여 열원으로부터 유용한 고온의 열을 만들어 과열중에 온도차이를 감소시키는 동시에, 증발공정에서의 온도차이를 극소화하는 저온열을 제공하는 방법이다.

종래의 수증기-동력 시스템은 이러한 이상적인 시스템을 대체할 수 있는 것은 아니었다. 이것은 터어빈에서 부분적으로 팽창되는 수증기의 다단 회수에 의해 얻어진 열이 터어빈으로 돌아오는 유입수류 또는 급송수를 저온 예열하는데만 사용되기 때문이다. 이러한 급송수를 가열하기 위한 수증기의 다단회수는 급송수 예열법으로서 알려져 있다. 저온 예열에 사용되는 경우와 달리, 부분적으로 팽창된 작동유체의 회수는 예열공정의 고온부, 또는 급송수의 증발, 그 과열의 저온부로 열을 제공하지 않는다.

기술적 한계에 기인하여, 물은 일반적으로 약 2,500psia의 압력과 약 670℉의 온도에서 비등한다. 따라서, 이러한 시스템의 열원온도는 일반적으로 액상 작동유체의 비등 온도보다 상당히 높다. 연소가스의 고온과 작동유체의 비교적 낮은 온도사이의 차이점 때문에, 통상 수증기 시스템은 주로 고온열을 저온 목적으로 사용하고 있다. 가용 열의 온도와 공정에서 필요한 온도 사이의 차이가 대단히 크므로, 비가역적인 열교환으로부터 매우 높은 열역학적 손실이 발생된다. 통상의 수증기 시스템의 효율이 이러한 손실에 의해 크게 제한되었다.

작동 유체를 증발시키기 위하여 보다 낮은 온도의 열을 제공하는 시스템으로 통상의 시스템을 대체하면, 증발에 의한 열역학적 손실을 감소시킬 수 있다. 이러한 손실의 감소로 인해 실제로 시스템의 효율이 증가될 수 있다.

본 발명의 하나의 특징은 보일러에서 작동 유체와 열원의 엔탈피-온도특성을 밀접하게 정합시켜, 열역학적 사이클 효율을 상당히 향상시키는 것이다. 또다른 특징으로는 사이클에 가해진 고온열이 전부는 아니더라도 고온 목적으로 주로 사용될 수 있는 직접 연소식 동력 사이클을 제공하는 것이다.

비교적 고온에서 열을 작동유체로 전달하는 것에 의해 높은 열역학적 효율 및 열효율을 얻는데 필요한 조건들이 발생된다. 이러한 사이클에서의 작동유체는 최소한 2개 성분의 혼합물이기 때문에, 이 사이클은, 회수적 예열, 회수적 비등 및 부분적인 회수적 과열을 포함하는 회수적 열교환의 대부분을 달성할 수 있다. 단일 성분 시스템에서는 불가능할지라도. 이러한 회수적비등은 이 다성분 작동유체 사이클에서는 가능하다. 단일 성분 시스템과는 달리, 2이상의 성분을 사용하면, 다른 조성을 가지는 작동유체가 사이클의 상이한 지점에서 사용될 수 있다. 이로인해 유입 작동유체가 사아클의 상이한 지점에서 사용될 수 있다. 이로인해 유입 작동유체 보다 낮은 압력을 가진 작동유체의 회수유체를 유입유체의 비등 온도범위보다 높은 온도범위내에서 응축시켜서, 작동 유체의 회수적 비등을 달성할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따라서, 열역학적 사이클을 수행하는 방법이 사용가능한 형태로 에너지를 전환하기 위하여 가스상 작동 유체의 팽창단계를 포함한다. 팽창된 가스상 작동 유체는 회수유체(withdrawal stream)와 소비유체(spent stream)로 구분된다. 팽창된 유체를 두개의 부분으로 분리한 후, 회수유체는, 회수유체내에 함유된 것보다 높은 비등 성분 함량을 가진 희박유체와 결합되어, 유입하는 액상 작동유체를 증발시키는데 필요한 온도범위보다 높은 온도범위에서 응축되는 합성 유체(composite stream)을 형성한다.

합성유체를 형성한후, 이 유체는 보일러로 운반되며, 거기서 유체는 응축되어 유입되는 액상의 작동유체를 비등시키기 위하여 열을 제공한다. 액상 작동유체의 증발에 의해 이러한 가스상 작동유체가 발생된다.

이어서 합성유체는 액상 유체와 가스상 유체를 생성하기 위해 분리된다. 액상 유체의 일부 또는 전부가 상기 희박 유체(lean stream)를 구성한다. 가스상 유체는 예비 응축된 작동유체를 생성하기 위하여 일부분의 합성유체와 결합되어 사이클로 복귀된다. 예비 응축된 작동유체는 보일러로 운반되는 액상작동 유체를 생성하기 위하여 응축된다. 소비 유체가 이러한 액상 작동유체와 결합된 후, 액상 작동유체는 보일러로 보내진다. 대신에, 소비유체는 다른 위치에서 시스템으로 복귀될 수 있다. 사이클을 완료하기 위하여, 상기 언급된 합성 유체에 의해 보일러로 운반되는 열은 액상의 작동 유체를 증발시켜서 가스상 작동 유체를 형성하기 위해 사용된다.

본 발명의 또다른 실시예로서, 보일러에서 배출된 가스상 작동유체는 회수유체 흑은 소비 유체에 의해, 또는 회수유체 및 소비 유체 모두에 의해 하나 이상의 열교환기내에서 과열된다. 열 교환기내에서의 가스상 작동유체의 과열후, 가스상 작동유체는 가열기에서 더욱 과열될 수 있다. 가열기로 공급된 에너지는 열역학적 사이클의 외부에서 공급된다. 이러한 과열후에, 가스상 작동유체는 팽창하게 된다. 이러한 팽창된 가스상 작동유체는, 소비유체 및 회수유체로 분리되기 전에 한번이상 재가열되고 팽창된다. 이러한 실시예에서는 소비유체가 회수 유체로부터 분리된 후, 한번 이상 소비유체를 재가열 및 팽창시키는 단계가 또한 포함된다.

이외에도, 이러한 실시예에서 회수유체, 합성유체 및 소비유체로부터 열을 회수하기 위한 일련의 회수용 열교환기가 포함될 수도 있다. 이러한 열교환기에 의해 희박유체 및 액상 작동유체는 혼합유체로부터 열을 흡수할 수 있다. 더우기, 이러한 하나이상의 열교환기에 의해 소비유체는 액상 작동유체에 부가적인 열을 제공하여 액상 작동유체를 예열 및 비등시키는 것을 보조할 수 있다.

본 발명의 또다른 실시예에서, 상기 언급된 열역학적 사이클을 수행하는 방법은 수압 터어빈(또는 교축밸브)로 합성유체의 압력을 감소시키는 단계를 포함한다. 압력을 감소시킨 후에, 이러한 합성유체의 제1부분은 소비유체에서 발생한 열 및 터어빈을 향하여 흐르는 동일한 합성유체에서 발생한 열에 의해 하나이상의 열교환기내에서 부분적으로 증발된다. 이러한 합성유체의 제1부분의 부분 증발후에, 이것은 분리기로 이동되어 가스상유체와 액상유체로 분리된다.

이러한 실시예에 있어서, 액상유체는 순환 펌프로 운반되어 보다 높은 압력으로 펌핑되는 희박유체의 일부를 형성한다. 순환펌프는 수압 터어빈과 연결될 수도 있으며, 수압 터어빈은 펌프를 가동하는데 필요한 에너지를 방출한다. 이러한 높은 압력을 달성한 후, 희박유체는 하나이상의 열교환기내의 복귀하는 합성유체에 의해 가열될 수도 있다. 이러한 부가적인 열을 획득한 후, 희박유체는 액상 작동유체를 예열 및 증발시키는데 사용되는 합성유체를 형성하기 위하여 회수유체와 혼합될 수 있다.

이 가스상 유체는 직접 접촉식 열교환기 또는 스크루버 (scrubber)에서 수압 터어빈으로부터 흐르는 합성유체의 제2부분과 결합될 수 있다. 열교환기 또는 스크루버로부터 흐르는 액상 유체는 분리기에서 액상 유체와 결합하여 희박유체를 산출할 수 있다. 열교환기 또는 스크루버로부터 흐르는 가스상 유체는 초부화유체(super rich stream)을 형성하다. 이러한 실시예에 있어서, 초 부화유체는 수압 터어빈으로부터 흐르는 합성유체의 제 3부분과 결합하여 예비응축된 작동유체를 형성할 수 있다. 이러한 유체는 액상 작동유체를 생성하기 위하여 충분히 응축되는 수냉 응축기로 급송되기전에, 열교환기를 통과하여 열을 회수하는 액상 작동유체에 공급할 수 있다.

액상 작동유체는 급송펌프에 의해 고압으로 펌핑한다. 이러한 높은 압력을 달성한 후, 액상 작동유체는 예비 응축된 작동유체, 복귀하는 합성유체 및 소비유체에 의해 일련의 열교환기내에서 가열된다. 점점 보다 높은 압력으로 액상 작동유체를 급송하는 것과 동시에 수행되는 이러한 열교환은 액상 작동유체기가 증발되어 가스상 작동유체를 발생시켜서 사이클을 완료할때까지 지속된다.

제1도에 도시된 개략적인 공정도는 상기 언급된 사이클에서 사용될 수 있는 양호한 장치의 실시예이다.

특히, 제1도는 열교환기(112 및 127) 형태의 보일러, 열교환기(114 및 116) 형태의 예열기, 그리고 열교환기(109 및 110) 형태의 과열기를 포함하는 시스템(100)을 도시하고 있다. 이외에도, 시스템(170)은 터어빈(102,104 및 106), 과열기(101), 재가열기(103 및 105), 중력분리기(120), 스크루버(scrubber)(125), 수압터어빈(119), 펌프(122,123,138 및 139), 열교환기(117, 118 및 128), 그리고 응축기 (121)을 포함하고 있다.

더우기, 시스템(100)은 유체 분리기 (131-137) 및 유체 혼합기 (140-147)을 포함하고 있다.

응축기 (121)은 주지의 열제거 장치의 형태로 되어 있다. 예를들면, 응축기(1 21)은 수냉시스템과 같은 열교환기 형태 또는 다른 형태의 응축장치로 되어 있다. 이외에도, 응축기 (121)로는 캘리나(Kalina)의 미합중국 특허 제4,489,563호 및 제4,604,867호에서 개시된 열 제거장치를 사용할 수도 있다. 캘리나(Kalina) 시스템에 의하면, 제1도에서 응축기(121)로 유입되는 것으로 도시된 유체는 다성분유체, 예를들면 물과 암모니아로 구성된 유체와 혼합하여 응축된 다음, 원상태의 작동유체로 되기 위하여 증류되어야 한다. 그러므로, 캘리나(Kalrina) 시스템의 열제거장치를 응축기 (121) 대신에 사용하면, 미합중국 특허 제4,489,563호 및 4,604,867호에서 개시된 증류 보조장치를 응축기 (121) 대신에 이용할 수 있다. 상기 특허는 본문에서 종래기술로 언급되어 있다.

본 발명의 사이클을 수행하기 위하여 다양한 형태의 열원을 사용할 수 있다. 예를들면, 가스상 작동유체를 과열하는데 충분한 열원으로 1,000℃ 또는 그 이상의 높은온도를 가진 열원이 과열기 (101) 및 재가열기(103 및 105)를 통해 흐르는 가스상 작동유체를 가열하는데 사용될 수 있다. 화석연료의 연소에 의해 얻어진 연소가스도 양호한 열원이다. 본 발명의 상기 설명한 실시예에서 사용된 가스상 작동유체를 과열할 수 있는 다른 열원도 사용될 수 있다.

제1도에 도시된 실시예는 미분탄 연소에 관계되는 반면, 이러한 시스템은 다른 형태의 유동층 연소 시스템 및 폐기물 소각 시스템을 포함하여 다양한 연소 시스템으로 사용할 수도 있다. 통상의 본 발명의 기술분야의 지식을 가진자는 다양한 연소 시스템에 대응하는 필요한 열교환기를 첨가하여 본 발명의 시스템을 변경할 수 있다.

시스템(100)에서 사용된 작동유체는 저비등점을 가진 유체 및 비교적 고비등점을 가진 유체로 구성되는 다성분 작동유체로 되어 있다. 예를들면, 사용된 작동유체는 암모니아 -물 혼합물, 2종 이상의 탄화수소 혼합물, 2종 이상의 프레온 혼합물 또는 탄화수소와 프레온의 흔합물등을 들 수 있다. 일반적으로, 유체는 양호한 열역학적 특성 및 가용성을 가진 임의의 화합물들의 흔합물 일 수 있다 양호한 실시예로서, 물과 암모니아의 흔합물을 사용한다.

제1도에 도시된 바와같이, 작동유체는 시스템(100)을 통해 순환한다. 작동유체는 유체분리기 (131)에서 회수유체(withdrawal stream)와 소비유체(spent stream)으로 분리될때까지 유체 혼합기(142)로부터 흐르는 가스상 작동유체를 포함한다. 가스상 작동유체, 회수유체(분리기 (131)에서 유체 혼합기(141)로 흐름), 및 소유유체(분리기 (131)에서 유체 흔합기(147)로 흐름) 및 액상 작동유체(응축기(121)에서 보일러(112, 127)로 흐름)을 포함한다. 각각의 작동유체는 동일한 비율의 고비등성분 및 저비등 성분을 함유한다.

시스템(100)의 앞단계에서 완전히 증발되어 과열된 가스상 작동유체는 과열기 (101)로 들어간다. 과열기(101)내에 있는 동안에, 가스상 작동유체는 본 공정의 단계에서 도달되는 가장 높은 온도로 과열된다. 과열 후, 이러한 가스상 작동유체는 중간 압력으로 터어빈(102)에서 팽창된다. 이러한 괭창으로 인해 가스상 작동유체에 함유된 열을 사용가능한 형태의 에너지로 전활할 수 있다.

터어빈(102)에서 팽창한 후 가스상 작동유체는 분리기(131)에 의해 두개의 유체, 즉, 회수 유체와 소비유체로 분리된다. 소비유체는 재가열기(103)에서 재가열되어 터어빈(104)에서 팽창되고, 다시 재가열기 (105)에서 2차로 재가열되고 터어빈(106)에서 팽창된다. 제1도에는 소비유체를 재가열하고 팽창시키기 위해 두개의 재가열기 (103 및 105)와 두개의 터어빈(104 및 106)을 가진 시스템 (100)이 도시되고 있지만, 최적의 재가열기 및 터어빈의 수는 시스템의 필요효율에 따라 정해지며, 제1도에 도시된 수로부터 증가하거나 감소한다. 이외에도, 한개의 가열기가 팽창전에 가스상 작동유체를 가열하고, 또한 소비유체의 팽창전에 소비유체를 가열하는데 사용될 수 있다. 그러므로, 가열기 및 재가열기의 수는 터어빈수와 같거나, 이상이거나, 이하일 수도 있다.

더우기, 시스템(107)은 회수 유체 및 소비유체로 분리되기전에 터어빈(102)에서 배출된 가스상 작업유체를 재가열 및 팽창시키기 위하여 부가적으로 가열기 및 터어빈을 포함할 수도 있다. 그러므로, 시스템 (100)이 재가열기 (103 및 105)와 터어빈 (104 및 106)을 포함하는 것이 본 발명의 양호한 실시예를 구성할지라도, 본 발명의 개시된 발명사상의 범위를 벗어남이 없이 재가열기 및 터어빈의 수가 변경될 수 있다.

소비유체가 이와같이 재가열 및 팽창된 후, 이 소비유체는 일련의 회수용 열교환기를 통과한다. 제1도에 도시된 바와같이,팽창후에 소비유체는 회수용 열교환기(11 0, 127 및 116)을 통과한다. 열교환기 (110)을 통과하면서 소비유체는 가스상 작동유체를 과열하기 위하여 열을 제공한다. 열교환기 (127)을 통과하면서 소비유체는 유입되는 고압 액상 작동유체를 증발시키기 위하여 열을 제공하다. 유사하게, 열교환기(116 )을 통과하면서. 소비유체는 유입되는 고압액상 작동유체를 예열하기 위하여 열을 제공한다.

열교환기 (110,127 및 116)을 일부 또는 모두 사용하는 문제. 또는 일정수의 부가적인 열교환기가 시스템에 구비되는 여부의 문제는 설계의 선택의 문제이다. 시스템 (100)에 열교환기 (110,127 및 116)을 포함시키는 것이 바람직할지라도, 소비유체가 증가된 수의 열교환기를 통과하거나, 또는 어떠한 열교환기도 전혀 통과하지 않는것이 모두 본 발명의 범위내에 해당한다.

유체분리기(131)에서 시작되는 회수유체는 처음에 회수용 열교환기 (109)를 통과한다. 열교환기(109)를 통과하면서, 회수유체는 고압의 유입하는 가스상 작동유체의 과열을 위하여 열을 제공한다. 시스템(100)이 열교환기 (109)를 포함하는 것이 바람직하지만. 열교환기 (109)를 제거하거나, 다른 부가적인 열교환기를 추가할수도 있다. 열교환기 (109)를 통과한 후. 지점 (42)에서 회수유체의 상태는 과열된 증기상태인 것이 바람직하다.

가스상 작동유체를 가열한 후, 회수유체는 유체혼합기(141)에서 희박유체와 결합한다. 이러한 희박유체는 작동유체내에 함유된 성분과 동일한 성분을 함유한다. 그러나, 희박유체는 어느 부분의 작동유체내에 함유된 것보다 높은 함량의 고-비등 성분을 함유한다. 예를들면, 암모니아와 물이 작동유체 및 희박유체내에 존재하는 두개의 성분이라면, 물은 고-비등 성분이고 암모니아는 저-비등 성분이다. 이러한 두개의 성분으로된 시스템에서, 희박유체는 작동유체내에 함유된 것보다 높은 비율의 물을 함유한다. 제1도에 도시된 바와같이, 희박유체는 유체혼합기(144)로부터 유체혼합기(141)로 흐른다.

이러한 실시예에서, 유체 혼합기 (141)에서 회수유체와 혼합되기 전에, 지점(74 )에서 희박유체의 상태는 과냉각된 액체의 상태가 바람직하다.

유체혼합기(141)에서 회수유체와 희박유체를 혼합하면 희박유체보다 낮은 비등 온도범위를 가지나, 회수유체나 작동유체의 다른 부분보다 높은 비등온도범위를 가진 합성유체(composite stream)가 제공될 수 있다. 유체혼합기(141)로부터 흐르는 합성유체의 상태는 희박 및 회수 유체의 상태에 따라 변한다. 그것은 증기-액체 혼합물의 상태인 것이 바람직하다. 유체 혼합기 (141)에서 혼합하기 전에, 지점 (42)에서 회수유체의 압력 및 지점 (74)에서의 희박유체의 압력은 유체혼합기 (141)에서 형성되는 지점 (50)에서의 합성유의 압력과 동일한 압력인 것이 바람직할 것이다. 이 지점에서 합성유체의 온도는 지점 (74)에서 희박유체의 온도보다 높고, 지점(42)에서의 회수유체의 온도보다 다소 낮은 온도가 바람직하다.

합성유체는 회수유체 또는 작동유체의 다른부분내에 함유된 비율보다 높은 비율의 고-비등 성분을 함유할 것이다. 합성유체는 높은 비율의 고-비등 성분을 함유하기 때문에, 액상의 작동유체의 비등 온도 범위를 초과하는 온도범위내에서 응축될 수 있다. 더우기, 이러한 양호한 실시예에서, 합성유체의 압력이 유입되는 액상 작동유체의 압력보다 매우 낮을지라도, 액상 작동유체의 비등 온도보다 높은 온도에서 이 합성유체는 응축될 수 있다.

희박유체와 회수유체의 흔합에 의해 형성된 합성유체는 열교환기(112)로 흐르며, 거기서 냉각 및 응축된다. 냉각 및 응축되기 때문에, 열교환기 (112)로 들어감에 따라, 합성유체는 액상 작동유체를 증발시키기 위하여 열을 제공하며, 유입하는 희박유체에 열을 제공한다.

액상의 작동유체의 비등 온도 범위보다 높은 비등 온도범위를 가진 합성유체를 사용하는 것이 본 발명에 의한 열역학적 사이클과 종래의 사이클 사이의 중요한 차이점중의 하나이다. 종래의 열역학적 사이클과는 달리, 본 발명의 사이클은 부분적으로 팽창시킨 후에, 저온의 희박유체와 함께 가스상 작동유체의 회수된 부분을 함유하는 합성유체에 열을 제공하기 위하여 가스상 작동유체의 일부를 회수한다. 유입되는 액상의 작동유체의 압력보다 낮은 압력을 가진 이러한 합성유체는 유입되는 액상유체를 가열하여, 완전히 또는 부분적으로 증발시키는데 사용된다.

이러한 합성유체내에 함유된 고-비등 성분의 높은 비율때문에, 액상 작동유체가 합성유체의 압력보다 높은 압력으로 열교환기 (112)에 들어가더라도, 합성유체는 유입되는 액상 작동유체를 증발시키는데 필요한 온도보다 높은 온도의 범위에서 응축한다.

액상 작동유체를 증발시키는 이러한 방법은 종래의 수증기 동력 시스템으로는 실시할 수 없다. 종래의 시스템에서, 회수유체가 유입되는 액상 작동유체의 압력보다 낮은 압력을 가지고 있다면, 회수유체의 응축은 유입되는 액상 작동유체의 비등 온도보다 낮은 온도범위에서 일어나야만 한다. 그러므로, 종래의 시스템에서 회수유체의 응축에 의해 방출된 열은 단지 유입되는 작동유체의 부분예열에만 사용될 수 있다.

이와는 대조적으로, 본 발명의 방법에서는, 합성유체의 압력이 액상 작동유체의 압력보다 상당히 낮더라도, 합성유체내의 높은 비율의 고-비등 성분의 존재에 의해 이러한 합성유체는 유입되는 액상 작동유체의 비등 온도범위보다 높은 온도범위에서 응축할 수 있다. 상기 언급된 방법에서는 작동유체의 완전한 예열 및 증발을 수행하는 열원으로서 작용하며, 또한, 작동유체의 저온과열에 대해 열을 제공하는 합성유체를 형성하기 위하여 단일의 회수유체를 사용한다는 것을 알아야 한다.

그러나, 이러한 합성유체를 형성하기 위하여. 팽창된 가스상 작동유체의 일부가 회수되어야만 한다. 합성유체를 생성하기 위하여 희박유체와 이러한 과열유체의 회수된 부분을 결합시키면 회수유체의 온도감소로 인해 열역학적 손실이 발생한다는 것을 알아야 한다. 그러나, 가스상유체의 제거, 및 희박유체와 회수유체의 혼합에 의해 발생되는 손실은 액상 작동유체를 증발시키기 위하여 합성유체를 사용할때 예방되는 손실에 의해 그 이상으로 상쇄될 수 있다.

표2의 계산치에서 알 수 있는 바와 같이, 액상 작동유체내에 함유된 것보다 높은 비율의 고-비등 성분을 가진 합성유체를 형성하기 위하여 팽창된 가스상 작동유체의 일부를 사용하는 것에 의해 본 발명의 열역학적 사이클은 종래의 수증기-동력 시스템에 비해 상당히 효율을 증가시킬 수 있다. 저온 증발공정에서 저온 열을 제공하는 이러한 합성유체를 사용하는 것에 의해 시스템에서 사용가능한 열은 액상 작동유체의 엔탈피-온도특성과 더욱 적절하게 정합될 수 있다. 이러한 정합에 의해 저온증발 공정에서 고온의 열을 사용하는 종래의 시스템에서 발생하는 매우 높은 열역학적 손실이 방지된다. 액상 작동유체의 엔탈피-온도특성과 열원의 온도를 더욱 밀접하게 정합시키기 위하여 이러한 합성유체를 사용하는 것에 의해 절약된 상당한 익저지(exergy)의 양은 가스상 작동유체의 일부를 과열된 상태에서 제거하는 것에 의해 발생한 손실을 초과한다.

합성유체를 생성하기 위해 회수유체를 희박유체와 혼합하는 압력은, 합성유체가 응축하는 온도가 액상 작동유체가 증발하는 온도보다 높게되는 압력이어야만 한다. 합성유체가 희박할수록, 응축에 필요한 압력은 점점 낮아질 것이다. 압력이 낮을수록, 터어빈(102)의 팽창비는 클 것이며, 이것은 이러한 터어빈이 제공하는 일의 증가와 대응한다.

합성유체에서 사용될 수 있는 고비등 성분의 양은 실제로 한계가 있다. 이것은, 더 희박한 합성유체가 분리하기가 더욱 어렵기 때문이다. 그러므로, 시스템의 효율을 최적화하기 위하여, 합성유체에 대한 압력 및 조성은 조심스럽게 선택하여야 한다. 표1은 아주 높은 효율을 가진 사이클을 제공하는데 사용할 수 있는 합성유체의 압력 및 조성에 대한 하나의 예를 제공한다.

액상 작동유체의 일부를 증발시키기 위하여 소비유체가 사용되는 열교환기 (127)은 본 발명의 범주를 이탈하지 않고 시스템(100)으로부터 제거될 수 있다는 것을 알아야 한다. 열교환기(127)을 통과한 액상 작동유체 부분은 열교환기(1120)로 들어가며, 거기서 증발된다.

열교환기(112)를 통과한 후, 합성유체는 희박유체와 액상 작동유체를 예열하기 위한 열을 제공하기 위하여 열교환기(114)로 보내진다. 합성유체가 희박유체와 액상 작동유체에 열을 전달함에 따라, 합성유체는 더욱 냉각된다. 다시, 시스템(100)의 이러한 부분에서 열교환기의 수를 열교환기(112 및 114)로 제한하는 것이 양호하더라도, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 부가적인 열교환기를 설치할 수 있고, 시스템 (100)으로부터 열교환기 (114)를 제거할 수도 있다.

합성유체가 열교환기(114)에서 배출된 후, 열교환기(117)로 운반되고, 거기서, 그 열은 분리기(135)로부터 흐르는 동일한 합성유체의 역류부분을 부분 증발시키기 위하여 사용된다.

열교환기 (117)에서 배출된 후에도, 본 발명의 이러한 실시예에서, 지점 (53)에서의 합성유체의 압력은 비교적 높게 유지된다. 이러한 높은 압력에서는 합성유체가 작동유체와 희박유체를 생성할 수 없으므로, 상기 압력은 저하되어야만 한다. 압력의 이러한 감소는 수압 터어빈(119)에서 일어난다. 사용되는 수압 터어빈은 펠톤 휘일(Pelt on wheel)이다.

이러한 압력 감소 단계중에, 펌프(122)에서 희박유체를 펌핑하는데 필요한 일의 전체 또는 일부는 회수된다. 펠톤휘일(119)를 통과하는 유체의 중량유속은 펌프(122)를 통과하는 희박유체의 중량유속보다 크기 때문에, 펠톤휘일(119)에서 방출된 에너지는 펌프(122)를 가동하는데 충분하다. 펠톤휘일(119)에서 방출되는 에너지가 불충분하면, 보조전기 모타를 설치하여 부가적인 동력을 펌프(122)에 공급할 수 있다.

이외에 수압 터어빈(119) 대신에 교축(throttle)밸브도 사용할 수 있다. 만약 교축 밸브를 수압 터어빈 대신에 사용하면, 희박유체를 펌핑하기 위해 소비된 일은 물론 회수되지 않을 것이다. 그러나, 수압 터어빈(119)를 사용하나 교축 밸브를 사용하나 관계없이, 그 이후의 공정은 영향을 받지는 않을 것이다. 합성유체의 압력을 감소시키기 위하여 수압 터어빈을 사용할 것인가 교축밸브를 사용할 것인가의 선택은 엄밀히 경제적인 문제이다. 더우기, 열교환기(117) 및 터어빈(119)의 사용이 바람직할지라도, 이들 장치를 사용하지 않을수도 있고, 또한 시스템(100)에 부가적으로 열교환기 또는 다른 감압장치를 설치할 수도 있다.

수압 터어빈(119)로부터 흐르는 합성유체는 응축압력과 같거나 또는 이들보다 미소하게 큰 압력을 지점(56)에서 가지는 것이 바람직하다. 이러한 감소된 압력을 가진 합성유체의 일부는 분리기(137)에서 합성유체로부터 분리된다. 이러한 유체는 다시 분리기 (136)에서 분리되고, 분리기 (136)에서 분리된 합성유체의 제1부분은 분리기 (135)에서 두 부분의 유체로 나뉘고, 이들 두 부분의 유체는 열교환기(117 및 118)로 운반되며, 거기서 동일한 합성유체의 역류부분은 냉각되고, 복귀된 소비유체는 응축되고, 이들 두 부분의 유체를 부분적으로 증발시킨다. 역류된 합성유체는 열교환기(117)에서 열을 가하고, 응축된 소비유체는 열교환기 (118)에서 열을 가한다. 열교환기 (117 및 118)에서 배출된 후, 분리기 (135)에서 흐르는 2부분의 유체는 유체혼합기(145)에서 결합된다. 그다음, 부분증발된 유체는 중력분리기 (127)으로 보내진다.

중력분리기 (120)에 들어가는 유체의 상태는 증기-액체 혼합물의 상태이다. 이러한 부분증발을 위한 열을 제공하기 위하여 열교환기 (118)에서 응축된 소비유체는 합성유체의 분리될 부분을 증발시키는데 필요한 평균온도보다 높은 평균온도에서 소비유체가 응축될 수 있게 하는 압력을 가져야 한다. 합성유체가 희박할수록 증발에 필요한 온도는 더욱 높으므로, 지점 (37)에서의 소비유체의 압력은 더욱 높아진다. 지점(37)에서 압력을 중가시키면 터어빈(174 및 106)에서 팽창비가 감소되며 이로써 터어빈의 작동출력이 감소된다. 이러한 것은, 합성유체를 희박하게 하면 터어빈(102)의 동력출력은 증가되더라도, 터어빈(104 및 106)의 동력출력은 감소된다는 것을 나타낸다.

이들 3개의 터어빈의 전체출력은 극대화하기 위하여, 합성유체의 적당한 조성이 선택되어야 하며, 이러한 조성이 표 1에 표시되어 있다.

제1도에 도시된 실시예에서 액상 작동유체를 예열하고 중력분리기(120)으로 운반된 유체를 부분적으로 증발시키기 위하여 회수된 소비유체를 사용한다. 동시에, 소비유체는 열교환기(118)을 통과할때 응축된다. 응축유체에서 열을 동시적으로 회수하지 않고 응축기(121)에서 소비유체를 응축시키는 대신에, 시스템(100)은 액상 작동유체를 예열하고, 분리기(120)으로 운반된 합성유체를 부분적으로 증발시키기 위하여 소비유체가 열교환기 (118)에서 응축되어 방출하는 열을 사용한다.

중력분리기 (120)은 합성유체의 제1부분을 가스상유체와 액상유체로 분리한다. 중력분리기 (120)의 바닥부로부터 흐르는 액상유체는 혼합기 (141)에서 앞서 언급된 회수유체와 혼합되는 희박유체의 일부를 형성한다.

중력분리기 (120)에서 흐르는 가스상유체는 스크루버 (125)의 바닥에 운반된다. 분리기 (136)에서 흐르는 합성유체의 제2부분은 스크루버 (125)의 상부로 운반된다. 스크루버(125)로 급송되는 액상 및 가스상유체는 상호작용하여 열과 질량교환을 제공한다. 제1도의 스크루버(125)에 급송되는 것으로 도시된 바와 같이, 액상 및 가스상유체 사이에서 열 및 질량교환을 수행하는 직접 접촉식 열교환기나 다른 장치가 스크루버(125)대신에 사용될 수 있다. 스크루버(125), 열교환기, 다른 장치중에서 어느것이 시스템(100)에서 사용되는가 하는 것은 설계의 선택여하에 달려있다.

제1도에 도시된 실시예에 있어서, 액상 및 가스상유체는 스크루버 (125)에서 배출된다. 액상유체는 유체혼합기(144)에서, 분리기 (120)으로부터 흐르는 액상유체와 결합하여 희박유체를 형성하고, 이 희박유체는 유체혼합기 (141)에서 회수유체와 혼합되어 합성유체를 형성한다. 희박유체를 형성하기 위하여 스크루버(125) 및 분리기 (120)에서 흐르는 액상유체는 동일하거나 거의 동일한 조성을 가지는 것이 바람직하 다.

희박유체는 유체혼합기(144)에서 순환펌프(122)로 흐른다. 펌프(122)는 고압으로 희박유체를 펌핑한다.

제1도에 도시된 실시예에서, 펌프(122)로부터 흐르는 지점(70)에서의 희박유체의 압력은 열교환기 (112)로부터 흐르는 지점 (74)에서의 희박유체의 압력보다 높으며, 그것은 표1에 표시되어 있다.

제1도에 도시된 바와 같이, 고압의 희박유체는 열교환기 (144 및 112)를 통과하고, 거기서 역류의 합성유체는 회박유체에 열을 제공하며, 유체혼합기(141)에서 회수유체와 결합된다.

스크루버(125)에서 배출되는 증기유체는 높은 비율의 저비등 성분을 가진 유체이다. 이러한 고부화유체는 유체혼합기(146)에서 합성유체의 제3부분, 즉, 분리기(13 7)에서 흐르는 유체와 결합한다. 이러한 유체는 열교환기(128)을 통하여 응축기(121)로 흐르는 예비응축된 작동유체를 형성한다. 열교환기(128)을 통과하면서. 이러한 예비응축된 작동유체는 응축기(121) 및 펌프(123)으로부터 흐르는 역류의 액상 작동유체에 열을 가하면서 더욱 응축된다. 열교환기(128)에서 배출된 후, 예비응축된 작동유체는 응축기(121)로 들어가서, 충분히 응축된다.

이러한 예비-응축된 작동유체는 상기 언급된 회수유체와 동일한 조성을 가지고 있다. 이러한 예비응축된 작동유체만이 응축되어 응축기에서의 익저지 손실을 극소화한다는 것을 알아야만 한다. 상기 설명된 바와 같이, 소비유체는 응축기를 통과하지 않는다. 대신에, 소비유체의 응축으로부터 방출된 열은 액상 작동유체를 예열하고, 분리기(120)으로 운반된 합성유체를 부분적으로 증발시키기 위하여 사용된다. 이와 같이 소비유체가 사용됨으로써 열교환기(122 및 127)로 운반된 액상 작동유체는 회수식으로 완전히 증발되므로, 시스템(100)은 종래의 가장 우수한 랜킨(Rankine) 사이클보다 높은 효율을 가질 것이다.

응축기(121)은 수냉응축기인 것이 바람직하다. 이러한 응축기가 사용될때, 응축기(121)을 통하여 흐르는 냉각수유체는 액상 작동유체를 생성하기 위하여 이러한 작동유체를 완전히 응축시킨다.

이러한 액상 작동유체는 급송펌프(123)으로 흐르고, 거기서 상기 유체는 증가된 압력으로 공급된다. 이러한 액상 작동유체는 열교환기(128)로 흐르며, 거기서 예비응축된 작동유체로부터 전달된 열은 액상 작동유체를 예열한다. 열교환기 (128)에서 예열된 후, 액상 작동유체는 유체혼합기(147)에서 소비유체와 결합된다.

이러한 혼합된 유체는 펌프(138)에 의해 중간압력으로 핌핑된다. 그다음, 이 유체는 열교환기(118)을 통과하며, 거기서 응축 복귀된 소비유체에 의해 전달된 열에 의해 예열된다. 열교환기 (118)에서 배출된후, 액상 작동유체는 펌프(139)에 의해 고압으로 펌핑된다. 과냉각된 이러한 고압의 액상 작동유체는 분리기 (134)에서 두부분의 유체로 분리된다. 유체중의 하나는 열교환기(114)를 통과하며, 여기서 합성유체에서 전달된 열은 액상 작동유체의 이 부분을 예열시킨다. 분리기(134)에서 흐르는 다른 유체 부분은 열교환기 (116)으로 흘러들어가며, 여기서 회수되는 소비유체에서 나온 열이 액상 작동유체의 이 부분으로 전달되어, 액상 작동유체의 이 부분을 예열시킨다. 열교환기 (116)에서 배출된 소비유체는 바람직하게는 포화증기 상태로 존재하나, 과열증기 상태 또는 부분적으로 응축된 상태일 수도 있다.

열교환기(116)을 통과하는 액상 작동유체는 유체혼합기(143)에서, 열교환기 (114)에서 유출된 유체와 합쳐진다. 이 유체는 바람직하게는 포화상태 또는 다소 과냉각된 액체 상태이다. 이때 유체혼합기 (143)에서 흘러나온 유체는 분리기(133)에서 2개의 유체로 분리된다. 한개의 유체는 열교환기 (112)로 흘러들어간다. 열교환기(112)를 통과하는 액상 작동유체는 유체혼합기 (141)에서 흘러나온 합성유체로부터 전달된 열에 의해 증발된다.

이때 분리기(133)에서 흘러나온 또 다른 유체는 열교환기 (127)로 흘러들어가며, 여기서 유체는 소비유체로부터 전달된 열에 의해 증발된다.

열교환기(112 및 127)에서 배출된 유체들은 유체혼합기(142)에서 합쳐진다. 상술한 바와 같이 유체혼합기(143)에서 나온 모든 액상 작동유체가 열교환기(112)로 흐르고, 열교환기(127)을 제거하는 것은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다.

본 실시예에서, 유체혼합기(142)에서 흘러나온 유체는 증기상태로 존재하며 사이클의 가스상 작동유체를 구성한다. 다소 과열상태일 수 있는 유체혼합기(142)에서 흘러나온 가스상 작동유체는 유체분리기(132)에서 2개의 유체로 분리된다. 이들 유체들중의 하나의 부분은 열교환기(109)를 통과하며, 여기서 유체는 유체분리기(131)에서 나와 열교환기(109)를 통과하여 유체혼합기(141)로 흐르는 회수유체에 의해 과열된다. 또 다른 부분의 가스상 작동유체는 열교환기(110)을 통과하며. 여기서 터어빈(106)에서 흘러나온 소비유체에서 나온 열은 가스상 작동유체의 이 부분을 과열시키는데 사용된다. 유체분리기(132)에서 나와 열교환기(109) 및 (110)을 통과하는 2개의 유체부분은 유체혼합기(140)에서 재결합된다. 이 재결합된 가스상 작동유체는 가열기(101)로 들어가 열역학적 사이클을 완성하게 된다.

제2도에 도시된 시스템 (200)의 실시예에서, 흡수 공정 즉, 합성유체를 만들기 위해 회수유체에 희박유체를 가하는 것은 2단계로 수행된다. 회수유체는 유체분리기 (150)에서 제1 및 제2의 회수유체로 분리된다. 제1부분의 회수유체는 유체혼합기 (141)에서 희박유체와 결합하여 제1의 합성유체를 형성하는데 이 유체는 지점 (42)와 같은 매개변수를 갖는 회수유체가 희박유체와 결합시(제1도에 도시된 실시예에서와 같이)의 유체보다 더 희박하다.

제2도의 제1합성유체는 제1도의 합성유체보다 희박하기 때문에, 제1합성유체의 압력은 감소될 수 있으며, 터어빈(102)에서의 작동출력을 증가시킬 것이다. 이후 제 1합성유체는 보일러(112)에서 응축된다. 이후에, 제1합성유체는 혼합기(151)에서 제2회수유체와 결합하여 제2합성유체를 생성한다. 제2합성유체는 제1합성유체보다 풍부하다. 따라서, 유체를 분리하기가 보다 용이하다.

제1합성유체는 보일러 (112)에 열을 제공하며, 흡수 압력을 감소시켜 터어빈(10 2)의 출력을 증가시킨다. 동시에, 제2도의 실시예에서는 풍부한 제2합성유체가 분리기 (102)로 보내질 수 있다. 그래서 이 제2도의 실시예에 의하면 합성유체가 쉽게 분리되는 것을 방해하지 않는 저압 합성유체의 잇점이 제공된다.

제1도에 도시된 사이클 및 제2도에 도시된 사이클은 종래의 수증기-동력 시스템보다 상당히 효율적이다. 다른 시스템 대신에 이들 양호한 시스템 중 하나를 이용하는 것은 설계 선택의 문제이다.

상기 기술된 본 발명의 열역학적 사이클에서 액상작동 유체의 모든 가열 및 증발은 회수식으로 이루어질 수 있다. 즉, 복귀하는 합성유체 및 소비유체는 냉각중에 액상 작동유체에 열을 전달한다. 더우기, 가스상 작동유체의 일부분은 이러한 회수식으로 가열될 수 있다. 즉, 회수유체와 소비유체는 냉각시 가스상 작동유체에 열을 전달시킬 수 있다.

유입되는 작동유체를 예열하기 위해 회수유체를 사용하는 것은 종래의 수증기-동력 시스템에서 일반적인 사실이다. 이러한 것은 흔히 (급송수 가열(feed water heating))이라고 알려져 있다. 종래 시스템에서의 급송수 가열은 유입되는 액상 작동유체를 예열하는데만 유용한데, 이는 회수유체의 응축압력 및 온도가 너무 낮아서 어떤 다른 목적으로 사용될 수가 없기 때문이다.

종래의 수증기-동력 시스템과는 달리, 본 발명의 열역학적 사이클은 유입되는 액상 작동유체를 직접 가열하기 위하여 회수유체를 사용하지 않는다. 오히려, 본 발명에서는 이러한 유입되는 액상 작동유체를 간접적으로 가열하기 위하여, 유입되는 액상 작동유체의 압력보다 낮은 압력을 가지는 회수유체를 이용한다. 종래의 수증기-동력 시스템과는 달리, 본 발명은 회수유체 또는 유입되는 액상 작동유체에 함유된 것보다 보다 높은 비율의 고비등 성분을 가지는 합성유체를 형성하기 위해 회수유체를 이용한다. 유입되는 액상 작동유체를 증발시키는데 요구되는 온도 이상의 온도범위에서 응축하여, 이 액상작동 유체를 증발시키는데 필요한 양의 열을 제공하는 것은 이 작동유체이다.

이미 설명한 바와 같이 이 합성유체의 압력이 액상 작동유체의 압력보다 낮은 경우에도, 이 합성유체는 액상 작동유체를 증발시키는데 필요한 온도범위보다 높은 온도범위에서 응축할 수 있다.

작동유체가 한가지 성분만으로 되어 있는 종래의 수증기-동력 시스템에서는, 회수유체가 유입되는 작동유체의 압력보다 낮은 압력으로 유지될때, 유입되는 작동유체를 비등시키는데 요구되는 온도범위 보다 낮은 온도범위에서 회수유체의 응축이 일어나야 한다. 따라서, 이러한 종래의 시스템과는 달리, 본 발명의 열역학적 사이클에 의하면 비교적 고압으로 작동하는 유체를 중발시키기 위해 비교적 저압으로 유지되는 저온열원을 이용할 수 있다. 이러한 공정에 의해 단일성분 수증기-동력 시스템과 비교해볼 때 상당히 증가된 효율이 제공된다.

더우기. 본 발명의 열역학적 사이클은 가열기 및 재가열기에 공급된 고온열에 의해 전적으로 운전(가동)될 수 있다. 이러한 방법에서 고온열을 사용하면 작동유체의 엔탈피-온도 특성에 열원이 밀접하게 정합될 수 있다. 그래서 이러한 특징에 의해 익저지(exergy)의 손실이 크게 저하되고 상당히 증가된 효율을 지닌 동력사이클이 제공된다.

본 발명에 의해 얻을 수 있는 잇점들을 설명하기 위하여, 일련의 계산을 실행하여 표2에 나타내었다. 본 계산표는 제1도에 도시된 시스템에 의한 예로서의 동력사이클에 관한 것이다. 이 예로서의 사이클에서, 작동유체는 암모니아 농도가 87.5중량%(혼합물 총 중량에 대한 암모니아 중량)인 물-암모니아 혼합물이다.

이론 계산치에 대한 변수들은 하기 표1에 설명되어 있다. 이 표에서 제1칸에 설명된 지점(point)은 제1도에 설명된 지점에 대응된다.

표1은 작동유체가 액상 작동유체를 증발시키기 위한 열원으로 사용될 때, 저온열이 저온공정에 유용하게 이용될 수 있다는 것을 보여주고 있다.

[표 1]

표2는 제1도에 도시된 사이클에 대한 실행변수를 제공한다. 표2는 저온 증발공정에서 고온열원을 이용하는 종래의 수증기-동력 시스템에서 일어나는 매우 높은 열역학적 손실을 본 공정이 방지할 수 있다는 것을 보여주고 있다.

[표 2]

표 2에 표시된 예로서의 계산치는, 본 발명의 보일러에서 일어나는 익저지손실이 전부 크게 감소된 것을 보여주고 있다. 이 계산치는, 표 1에 나타낸 변수를 이용한 제1도의 사이클이, 최상의 랜킨(Rankine) 사이클 동력 시스템의 효율이 42.2%인 것에 대해, 47.79%의 내부 효율 또는 터어빈 효율을 가지고 있는 것을 보여주고 있다. 에너지 효율에서의 13.25%의 향상은 팽창된 가스상 작동유체의 일부분을 회수하고, 합성유체를 형성하기 위해 이 회수유체를 희박유체와 결합시키는 것에 의한 냉각에 의해 발생된 익저지 손실을 보충하고 남는 보일러에서의 익저지의 절감을 나타낸다. 이와같이 전 사이클의 효율이 상당히 증가된다.

본 발명이 2가지의 양호한 실시예에 관하여 기술되었지만, 당해 기술분야에 대해 통상의 지식을 가진자들은 이들 실시예의 많은 변경 및 수정예를 이해할 수 있다. 예를들면, 하나이상의 회수유체가 시스템에 사용될 수 있다. 유사하게, 하나 이상의 희박유체를 시스템에 사용할 수 있다. 당해 기술분야에 대한 통상 지식을 가진자가 결합하고자 하는 회수 및 희박유체의 수에 의해 시스템을 통해 흐르는 합성유체의 수가 결정된다. 더우기, 상술하였듯이, 열교환기, 재가열기, 펌프. 중력분리기, 응축기 및 터어빈의 수를 변화시킬 수 있다. 그래서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 사상 및 범위내에 포함되는 이러한 모든 변화 및 수정사상을 포함한다.

Claims (25)

1. 동력 사이클을 수행하는 방법으로서 : 가스상 작동유체를 유용한 에너지 형태로 바꾸기 위하여 팽창시키는 단계 ; 팽창된 가스상 작동유체로 부터 회수유체를 제거하는 단계 ; 회수유체중에 함유된 양보다 많은 양의 고비등 성분을 가진 희박유체와 회수유체를 결합시켜 합성유체를 형성하는 단계 ; 열을 제공하기 위하여 합성유체를 응축시키는 단계 ; 회수유체와 결합된 상기 희박유체의 일부분을 형성하는 액상유체와 가스상유체를 형성하기 위하여 상기 합성유체를 분리시키는 단계 ; 상기 합성유체가 응축하는 온도보다 낮은 온도에서 중발하는 유입되는 액상작동 유체를 형성하는 단계 ; 및 상기 가스상 작동유체를 형성하기 위하여 상기 합성유체의 응축에 의해 발생한 열로 상기 유입되는 액상작동 유체를 증발시키는 단계를 포함하여 이루어지는 동력 사이클을 수행하기 위한 방법 .
2. 제1항에 있어서, 상기 가스상 작동유체로 부터 소비유체를 제거하고, 소비유체의 에너지를 유용한 형태로 바꾸기 위하여 팽창시키고. 액상작동 유체가 합성유체에서 전달된 열에 의해 증발되기 전에 소비유체를 액상작동 유체와 결합시키는 것을 또한 포함하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 합성유체가 분리되기 전에, 낮은 압력까지 팽창시키는 것을 포함하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 가스상 작동유체는, 팽창되기 전에 회수유체와 열교환하고, 소비유체와 열교환하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 합성유체는, 팽창기 전에, 희박유체 및 액상 작동유와 열교환하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 합성유체는, 팽창된 후, 아직 팽창되지 않은 합성유체의 일부와 열교환한 다음, 합성유체를 분리하기 전에, 소비유체와 열교환하는 방법.
7. 제2항에 있어서, 상기 소비유체는 액상 작동유체와 결합하기 전에, 가스상, 작동유체의 일부와 열교환하고 액상 작동유체의 일부와 열교환하는 방법.
8. 제2항에 있어서, 합성유체를 분리하여 형성된 액상유체의 압력보다 높은 압력으로 희박유체를 펌핑한 다음, 고압으로 펌핑된 상기 희박유체는 합성유체를 형성하기 위해 회수유체와 결합하기 전에 합성유체와 열교환하며 ; 처음 형성된 때의 압력보다 높은 압력으로 액상 작동유체를 펌핑하며, 합성유체 및 소비유체로 부터 액상 작동유체에 전달된 열이 액상 작동유체를 증발시켜 가스상 작동유체를 형성할 때까지, 상기 고압의 액상 작동유체는 합성유체 및 소비유체와 열교환하는 방법.
9. 동력 사이클을 수행하기 위한 방법으로서 : 가스상 작동유체를 과열시키는 단계 ; 과열된 가스상작동유체를 유용한 에너지 형태로 바꾸기 위하여 팽창시키는 단계 ; 팽창된 가스상 작동유체를 회수유체와 소비유체로 분리하는 단계 ; 소비유체를 재가열시키고, 재가열된 소비유체를 팽창시키는 단계 ; 소비유체를 팽창시킨 후에 가스상 작동유체를 과열하기 위해 사용될 열을 전달하도록 회수유체와 소비유체를 냉각시키는 단계 ; 유입되는 액상 작돌유체를 증발시키는데 필요한 온도범위보다 높은 온도범위에서 응축하는 합성유체를 형성하기 위해 회수유체보다 많은 양의 고비등성분을 가지는 희박유체와 회수유체를 결합시키는 단계 ; 액상 작동유체를 가스상 작동유체로 변환시키기 위해 유입되는 액상 작동유체를 증발시키기 위해 열을 제공하고, 희박유체에 열을 제공하기 위해 합성유체를 응축하는 단계 ; 액상 작동유체를 예열하기 위해 합성유체를 냉각 및 응축하는 단계 ; 압력을 감소시키기 위해 합성유체를 팽창시키는 단계 ; 팽창된 합성유체의 제1부분을 아직 팽창되지 않은 동일한 합성유체의 역류부분으로 부터 전달된 열 및 상기 소비유체로 부터 전달된 열에 의해 부분 증발시키는 단계 ; 희박유체를 생성하는 액상유체와 가스상유체를 형성하기 위해 부분 증발된 합성유체를 분리하는 단계 ; 예비 응축된 작동유체를 형성하기 위해 가스상 유체를 팽창된 합성유체의 제2부분과 결합시키고, 액상 작동유체를 생성하기 위해 상기 예비응축된 작동유체를 응축시키는 단계 ; 부분적으로 증발된 합성유체를 분리하여 생성된 액상유체의 압력보다 높은 압력으로 희박유체를 펌핑하는 단계 ; 희박유체와 회수유체를 결합함으로서 형성된 합성유체의 역류부분에 의해 고압의 희박유체를 가열하는 단계 ; 상기 예비 응축된 작동유체의 응축으로부터 형성된 액상 작동유체를 고압으로 펌핑하여 고압의 액상 작동유체를 형성하는 단계 ; 고압의 액상 작동유체를 합성유체 및 소비유체의 역류 부분으로부터 전달된 열에 의해 예열시키는 단계 및 예열된 고압의 액상 작동유체를 합성유체로부터 전달된 열에 의해 중발시켜 가스상 작동유체를 생성시키는 단계를 포함하는 동력 사이클을 수행하기 위한 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 회수유체를 제1회수유체 및 제2회수유체로 분리하고, 상기 제1회수유체를 상기 희박유체를 결합시켜서 유입되는 액상 작동유체를 증발시키기 위한 열을 제공하도록 제1합성유체를 형성시키고, 상기 제1합성유체가 상기 유입되는 액상 작동유체를 증발시키기 위해 열을 제공한 후 상기 제1합성유체를 상기 제2회수유체와 결합시켜 상기 액상 작동유체를 예열하기 위해 사용되는 상기 합성유체를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
11. 제9항에 있어서, 가스상 작동유체를 과열하기 위하여 소비유체로 부터 생성된 열을 사용한 후, 액상작동유체의 일부분을 증발시키기 위하여 소비유체로 부터 생성된 열을 사용하는 방법.
12. 동력 사이클을 수행하기 위한 방법으로서 : 가스상 작동유체를 과열시키는 단계 ; 과열된 가스상작동유체를 유용한 형태의 에너지로 바꾸기 위하여 팽창시키는 단계 ; 팽창된 가스상 작동유체를 회수유체 및 소비유체로 분리하는 단계 ; 소비유체를 재가열시키고, 재가열된 소비유체를 팽창시키는 단계 ; 소비유체를 팽창시킨 후에 가스상 작동유체를 과열하기 위해 사용되는 열을 전달하도록 회수유체와 소비유체를 냉각시키는 단계 ; 유입되는 액상 작동유체를 증발시키는데 필요한 온도범위보다 높은 온도범위에서 응축하는 합성유체를 형성하기 위하여 회수유체보다 높은 함량의 고비등 성분을 가진 희박유체와 회수유체를 결합시키는 단계 ; 액상 작동유체를 가스상 작동유체로 변환하기 위해 유입되는 액상 작동유체를 증발시키기 위한 열을 제공하도록 상기 합성유체를 응축하는 단계 ; 희박유체를 가열하고, 액상 작동유체를 예열하기 위해 합성유체를 냉각 및 응축하는 단계 ; 소비유체로 부터의 열을 가스상 작동유체를 과열시키는데 사용한 후 액상 작동유체를 소비유체로 부터 나온 열로 예열 및 부분증발시키는 단계 ; 합성유체의 압력을 감소시키기 위해 합성유체를 팽창시키는 단계 ; 팽창된 합성유체의 제 1부분을, 아직 팽창되지 않은 동일한 합성유체의 역류부분에서 전달된 열, 및 상기 소비유체에서 전달된 열로 부분적으로 증발시키는 단계 ; 희박유체의 일부를 형성하는 제 1액상유체 및 제1의 가스상 유체를 형성하기 위하여 분리기에서 부분 증발된 합성유체를 분리하는 단계 ; 제1의 가스상 유체를, 제2의 액상 및 가스상 유체가 흘러나오는 스크루버에서 팽창된 합성유체의 제2부분과 결합시키는 단계 ; 상기 희박유체를 형성하기 위해 상기 분리기에서 나온 상기 제1액상유체를 상기 스크루버에서 나온 상기 제2액상 유체와 결합시키는 단계 ; 희박유체를 부분적으로 증발된 합성유체의 분리로부터 생성된 제1액상유체의 압력보다 높은 압력으로 펌핑하는 단계 ; 합성유체를 팽창시킨 후, 예비응축된 유체를 형성하기 위해 상기 스크루버에서 나온 제2의 가스상 유체를 합성유체의 제2부분과 결합시키고, 액상 작동유체를 형성하기 위해 예비-응축된 유체를 응축시키는 단계 ; 높은 압력으로 펌핑된 희박유체를, 희박유체와 회수유체를 결합시켜 형성된 합성유체의 역류부분에서 나온 열로 가열하는 단계 ; 예비 응축된 작동유체를 응축함으로서 형성된 액상 작동유체를 보다 높은 압력으로 펌핑하는 단계 ; 액상 작동유체를 보다 높은 압력으로 펌핑한 후, 합성유체 및 소비유체의 역류부분에서 전달된 열로 예열시키는 단계 ; 및 예열된 액상 작동유체를 합성유체 및 소비유체에서 전달된 열로 증발시켜, 상기 가스상 작동유체를 생성하는 단계를 구비하는 동력 사이클을 수행하기 위한 방법.
13. 동력 사이클을 수행하기 위한 장치로서, 가스상 작동유체의 에너지를 유용한 형태로 바꾸기 위하여 가스상 작동유체를 팽창시키는 수단 ; 상기 팽창된 가스상 작동유체로 부터 회수유체를 제거시키는 수단 ; 유입되는 액상 작동유체를 증발시키는데 필요한 온도보다 높은 온도범위에서 응축하는 합성유체를 형성시키기 위해 회수유체중에 합유된 것보다 높은 함량의 고비등성분을 가진 희박유체와 회수유체를 결합시키기 위한 제1유체혼합기 ; 가스상 작동유체를 형성하기 위하여 유입되는 액상 작동유체를 증발시키는 열을 공급하도록 합성유체를 응축하는 열교환기 ; 일부가 희박유체를 형성하는 액상 유체 및 가스상 유체를 형성하기 위하여 합성유체를 분리하는 중력분리기 ; 열교환기에서 합성유체에 의해 증발된 액상 작동유체를 형성하는 응축기를 구비하는 동력 사이클을 수행하기 위한 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 가스상 작동유체로 부터 제거되는 소비유체를 팽창시켜 그 에너지를 유용한 형태로 변환하는 수단을 포함하는 장치.
15. 제14항에 있어서, 합성유체를 분리하기 전에, 합성유체를 팽창시켜 감압하는 수단을 포함하는 장치.
16. 제14항에 있어서, 팽창하기 전에, 가스상 작동유체를 회수유체와 열교환시키는 제2열교환기, 및 가스상 작동유체를 소비유체와 열교환시키는 제3열교환기를 포함하는 장치.
17. 제15항에 있어서, 팽창하기 전에, 합성유체를 희박유체와 열교환시키고, 액상 작동유체와 열교환시켜서 액상 작동유체를 예열하는 제2열교환기를 포함하는 장치.
18. 제17항에 있어서, 팽창한 후, 합성유체의 제1부분을 팽창하기 전에 합성유체와 열교환시키는 제3열 교환기, 및 합성유체의 제1부분을 분리하기 전에 열을 소비유체로 부터 합성유체의 제1부분으로 전달하는 제4열 교환기를 포함하는 장치.
19. 제18항에 있어서, 소비유체를 가스상 작동유체의 일부분과 열교환시키는 제5열교환기 및 소비유체와 액상 작동유체의 일부분과 열교환시켜 액상 작동유체를 예열 및 증발시키는 제6 및 제7열교환기를 포함하는 장치.
20. 제19항에 있어서 합성유체의 분리로부터 형성되는 액상 유체의 압력보다 높은 압력으로 희박유체를 펌핑하는 제1펌프, 응축기로 부터 흐르는 액상 작동유체의 압력보다 높은 압력으로 액상 작동유체를 펌핑하는 제2펌프를 구비하며, 상기 제2열교환기는 희박유체가 고압으로 펌핑된 후, 회수유체와 결합하여 합성유체를 형성하기 전에 희박유체를 합성유체와 열교환시키고, 고압으로 펌핑된 후, 상기 액상 작동유체를 합성유체와 열교환시켜 액상 작동유체를 예열하는 장치.
21. 열역학적 사이클을 수행하기 위한 장치로서 : 가스상 유체를 과열시키는 가열기 ; 과열된 가스상 작동유체를 팽창시켜 그 에너지를 유용한 형태로 변환하는 수단 ; 팽창된 가스상 작동유체를 회수유체와 소비유체로 분리하는 제1유체 분리기 ; 소비유체를 재가열하는 재가열기 및 재가열 후, 재가열된 소비유체를 팽창시키는 수단 ; 소비유체의 팽창후에, 가스상 작동유체를 과열하기 위한 열을 전달하도록 회수유체와 소비유체를 냉각시키는 제1 및 제2열교환기 ; 회수유체보다 높은 함량의 고-비등성분을 가진 희박유체와 회수유체를 결합시켜, 유입되는액상 작동유체를 증발시키는데 필요한 온도범위 보다 높은 온도범위에서 응축하는 합성유체를 형성하는 제1유체혼합기 ; 유입되는 액상 작동유체를 부분적으로 증발시키는 열을 제공하기 위하여 합성유체를 응축시킴으로서, 액상 작동유체를 가스상 작동유체로 변환하는 제3열교환기 ; 합성유체의 압력을 감소시키기 위하여 합성유체를 팽창시키는 수단 ; 팽창된 합성유체의 제1부분을 팽창되지 않은 동일한 합성유체의 역류부분 으로부터 전달된 열로 부분증발시키는 제4열교환기 및 팽창된 합성유체의 제1부분을 상기 소비유체로 부터 전달된 열로 부분 증발시키는 제5열교환기 ; 희박유체의 일부를 제1의 액상 유체와 제1의 가스상 유체를 형성하기 위하여 부분증발된 합성유체의 제1부분을 분리하는 중력 분리기 ; 팽창된 합성유체의 제2부분과 제1의 가스상 유체를 결합시키고, 제2의 가스상 및 제2액상 유체를 배출하는 스크루버 ; 제1액상 유체와 제2액상 유체를 결합하여 상기 희박유체를 형성하는 제2유체 혼합기 ; 부분적으로 증발된 합성유체의 제1부분의 분리에 의해 생성된 제1액상 유체의 압력보다 높은 압력으로 희박유체를 펌핑하는 제1펌프 ; 예비 응축된 작동유체를 헝성하기 위하여 팽창된 합성유체의 제3부분을 제2의 가스상 유체와 결합하는 제 3유체 혼합기 , 액상 작동유체를 형성하기 위하여 예비 응축된 작동유체를 응축시키는 응축기 ; 및 응축기에서 배출된 후, 가스상 작동유체를 생성하기 위해 높은 압력의 액상작동유체가 제3열교환기에서 증발되도록 액상 작동유체의 압력보다 높은 압력으로 액상 작동유체를 펌핑하은 제2펌프를 구비하는 동력 사이클을 구행하기 위한 장치.
22. 제21항에 있어서, 상기 유입되는 액상 작동유체를 증발시키는 열을 전달하기 위한 제1합성유체를 형성하기 위하여 상기 희박유체와 결합하는 제1회수유체와 제2회수유체로 상기 회수유체를 분리하는 제2유체 분리기, 및 상기 액상 작동유체를 예열하는데 사용되는 상기 합성유체를 형성하기 위하여, 상기 유입되는 액상 작동유체를 증발시킬 열을 상기 제1합성유체가 전달한 후, 상기 제2회수유체와 상기 제1합성유체를 결합시키는 제4유체 혼합기를 포함하는 장치.
23. 제21항에 있어서, 합성유체에서 나온 열로 희박유체 및 액상 작동유체를 예열하는 제6열교환기, 및 소비유체로 부터 나온 열로 가스상 작동유체의 일부를 형성하기 위하여 액상 작동유체의 일부분을 예열 및 증발시키는 제7 및 제8열교환기를 포함하는 장치.
24. 동력 사이클을 수행하기 위한 장치로서 : 가스상 작동유체를 과열하는 가열기 ; 과열된 가스상 작동유체를 팽창시켜 유용한 형태로 에너지를 변환하는 수단 ; 팽창된 가스상 작동유체를 회수유체와 소비유체로 분리하는 제1유체 분리기 ; 소비유체를 재가열하는 재가열기, 및 재가열된 소비유체를 팽창시키는 수단 ; 소비유체의 팽창 후에, 가스상 작동유체를 과열하기 위한 열을 전달하도록 회수유체와 소비유체를 냉각시키는 제1및 제2열교환기 ; 회수유체보다 높은 함량의 고-비등성분을 가진 희박유체와 회수유체를 결합시켜, 유입되는 액상 작동유체를 증발시키는데 필요한 온도범위보다 높은 온도범위에서 응축하는 합성유체를 형성하는 제1유체 혼합기 ; 유입되는 액상 작동유체를 부분적으로 증발시키는 열을 제공하기 위하여 합성유체를 응축시킴으로서, 액상 작동유체를 가스상 작동유체로 변환하는 제3열교환기 ; 희박유체 및 액상 작동유체를 예열하기 위하여 합성유체를 냉각 및 응축하기 위한 제4열교환기 ; 합성유체의 압력을 감소시키기 위하여 합성유체를 팽창시키는 수단 ; 팽창된 합성유체의 제1부분을, 아직 팽창되지 않은 동일한 합성유체의 역류부분으로 부터 전달된 열에 의해 부분증발시키는 제5열교환기, 및 상기 소비유체로 부터 전달된 열에 의해 팽창된 합성유체의 제1부분을 부분적으로 증발시키는 제6열교환기 ; 희박유체의 일부를 형성하는 제1의 액상 유체 및 제1의 가스상 유체를 형성하기 위해 부분증발된 합성유체의 제1부분을 분리하는 중력분리기 ; 팽창된 합성유체의 제2부분과 제1가스상 유체를 결합하고, 제2가스상 유체 및 제2액상 유체를 배출하는 스크루버 ; 제1액상 유체와 제7액상 유체를 결합하여 상기 희박유체를 형성하는 제2유체혼합기 ; 부분적으로 증발된 합성유체의 제1부분의 분리에 의해 생성된 제1액상 유체의 압력보다 높은 압력으로 희박유체를 펌핑하는 제 1펌프, 가스상 작동유체에 열을 전달한 후, 가스상 작동유체의 일부분을 형성하기 위하여 액상 작동유체를 증발하도록 액상 작동유체에 소비유체에서 나온 열을 전달하는 제 7열교환기 및 소비유체에서 나온 열로 액상 작동유체를 예열하는 제8열교환기 ; 예비응축된 작동유체를 형성하기 위하여 제2가스상 유체와 팽창된 합성유체의 제3부분을 혼합하는 제3유체혼합기 ; 액상 작동유체를 생성하기 위하여 예비 응축된 작동유체를 응축하는 응축기 ; 및 응축기로부터 나온 액상 작동유체를, 제4 및 제8열교환기에서 예열되기 전에, 보다 높은 압력으로 펌핑하는 제2펌프를 구비하는 동력 사이클을 수행하기 위한 장치.
25. 제22항에 있어서, 과열된 가스상 유체를 팽창시키는 수단은 터어빈이고, 재가열된 소비유체를 팽창시키는 수단도 터어빈이며, 합성유체를 팽창시키는 수단은 수압터어빈인 장치.

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