KR101162660B1 - Transcritical Rankine power cycle system by using a mixture working fluids - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 혼합물질의 작동유체를 이용하여 증발압력을 임계압력 이상으로 운전함으로써, 변온 열전달 과정을 구현하여 열교환 과정에서의 액서지 손실을 감소시키고, 열원으로부터 충분한 수열 과정이 가능하여 사이클의 출력을 높일 수 있는 특징이 있다.The present invention relates to a transcritical Rankine cycle apparatus using a mixture, and more particularly, by operating an evaporation pressure above a critical pressure using a mixture of working fluids to implement a temperature-dependent heat transfer process, so that loss of liquid solution in the heat exchange process. It is possible to increase the output of the cycle by reducing the temperature and allowing sufficient hydrothermal processes from the heat source.

Description

혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치{Transcritical Rankine power cycle system by using a mixture working fluids}Transcritical Rankine power cycle system by using a mixture working fluids

본 발명은 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 혼합물질의 작동유체를 이용하여 증발압력을 임계압력 이상으로 운전함으로써, 변온 열전달 과정을 구현하여 열교환 과정에서의 액서지 손실을 감소시키고, 열원으로부터 충분한 수열 과정이 가능하여 사이클의 출력을 높일 수 있는 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a transcritical Rankine cycle apparatus using a mixture, and more particularly, by operating an evaporation pressure above a critical pressure using a mixture of working fluids to implement a temperature-dependent heat transfer process, so that loss of liquid solution in the heat exchange process. It relates to a transcritical Rankine cycle apparatus using a mixture to reduce the amount of heat, and to allow sufficient hydrothermal processes from the heat source to increase the output of the cycle.

일반적으로 랭킨 사이클의 시스템은 도 1과 도 2를 참고하여, 열원으로부터 열을 공급받아 증발기에서 가열되어 고온 고압의 기체가 된 작동유체는 "A" 상태로 팽창기로 유입되고, “B”의 저압 상태로 팽창되는 과정에서 발전기를 이용, 전기를 생산한다. In general, in the Rankine cycle system, referring to FIGS. 1 and 2, a working fluid supplied with heat from a heat source and heated in an evaporator to become a gas of high temperature and high pressure is introduced into an expander in a state of "A", and a low pressure of "B". In the process of expansion to the state using a generator to produce electricity.

그런 다음, 상기“B”상태의 작동유체는 응축기로 들어가 냉각수와 열교환을 하여 응축되어 응축기의 하부에 저온 저압 액상태의 “C”으로 된다. 그리고, 상기 액상태의 작동유체는 작동유체 펌프를 거치며 저온 고압 “D” 상태가 된 후, 증발기로 유입되어 처음의 과정을 반복한다.Then, the working fluid in the "B" state enters the condenser and exchanges heat with the cooling water to condense to "C" in the low temperature low pressure liquid state at the bottom of the condenser. Then, the working fluid in the liquid state passes through the working fluid pump to a low temperature and high pressure “D” state, and then flows into the evaporator and repeats the first process.

그런데, 상기 유기 랭킨 사이클 시스템은 임계압력 이하에서 작동하며, 또한 혼합물질의 작동유체를 사용하므로, 증발 및 응축과정에서 근사적 등온 상변화에 의한 열교환기 내 핀치점 발생으로 인하여, 열교환 과정에서 엑서지 손실이 발생하고, 특히 열원으로부터 충분한 수열을 받을 수 없으므로, 결과적으로 사이클의 출력을 높이는데 한계가 있다.However, since the organic Rankine cycle system operates below the critical pressure and uses a mixture of working fluids, the pinch point in the heat exchanger is caused by an approximate isothermal phase change during the evaporation and condensation process. Surge losses occur and, in particular, cannot receive sufficient heat from the heat source, and as a result, there is a limit to increasing the output of the cycle.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems,

혼합물질의 작동유체를 이용하여 증발압력을 임계압력 이상으로 운전함으로써, 변온 열전달 과정을 구현하여 열교환 과정에서의 액서지 손실을 감소시키고, 열원으로부터 충분한 수열 과정이 가능하여 사이클의 출력을 높일 수 있는 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치을 제공하는데 목적이 있다.By operating the evaporation pressure above the critical pressure by using a mixture of working fluid, it is possible to realize the temperature change heat transfer process to reduce the loss of the liquid solution in the heat exchange process, and to allow sufficient hydrothermal process from the heat source to increase the cycle output. It is an object to provide a transcritical Rankine cycle apparatus using a mixture.

상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 열을 에너지원으로 하는 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention provides a transcritical Rankine cycle apparatus using a mixture using heat as an energy source,

혼합물로 이루어진 작동유체가 응축기로 유입되어 냉각수와 열교환을 하여 포화 액체선의 액체점(C)까지 저온 저압 액상상태로 응축되는 응축과정과;A condensation process in which the working fluid consisting of the mixture flows into the condenser and heat-exchanges with the cooling water to condense to the liquid point C of the saturated liquid line in a low temperature low pressure liquid phase;

상기 응축과정 후, 작동유체가 펌프에 의해 초임계 압력으로 포화 액체선을 넘어선 액체점(D)까지 저온 고압상태로 가압되는 가압과정과;After the condensation process, a pressurizing process in which the working fluid is pressurized by a pump to a liquid point D beyond the saturated liquid line at supercritical pressure at a low temperature and high pressure;

상기 가압과정 후, 작동유체가 초기 액상 상태에서 열원에 의해 가열되다 상기 가압과정의 초임계 압력으로 인해 임계점의 포화선 이상으로 가열되어 기체점(A)까지 고온 고압의 기체상태가 되는 증발과정과;After the pressurization process, the working fluid is heated by the heat source in the initial liquid state, and the evaporation process of heating above the saturation line of the critical point due to the supercritical pressure of the pressurization process to a gas state of high temperature and high pressure up to the gas point (A); ;

상기 증발과정 후, 작동유체가 팽창기로 유입되어 기체점(B)까지 저온 저압의 기체상태로 팽창되고, 동시에 발전기를 이용하여 전기를 생산하는 팽창과정;을 포함하여 구성되고, 상기 팽창과정 후, 다시 응축과정으로 반복되는 것을 특징으로 하는 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치에 관한 것이다.After the evaporation process, the working fluid is introduced into the expander and expanded to a low temperature low pressure gas state to the gas point (B), and at the same time to produce electricity using a generator; comprising, after the expansion process, It relates to a transcritical Rankine cycle apparatus using a mixture, characterized in that it is repeated in the condensation process again.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치은 혼합물질의 작동유체를 이용하여 증발압력을 임계압력 이상으로 운전함으로써, 변온 열전달 과정을 구현하여 열교환 과정에서의 액서지 손실을 감소시키고, 열원으로부터 충분한 수열 과정이 가능하여 사이클의 출력을 높일 수 있는 효과가 있다.As described above, the transcritical Rankine cycle apparatus using the mixture of the present invention operates the evaporation pressure above the critical pressure using a mixture of working fluids, thereby implementing a variable temperature heat transfer process to reduce the liquid solution loss during the heat exchange process. Reduction, and sufficient hydrothermal processes from the heat source can be used to increase the output of the cycle.

도 1은 종래의 랭킨 사이클 시스템을 나타낸 개략도이고,
도 2는 종래의 랭킨 사이클의 T-s 선도를 나타낸 개략도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초월임계 랭킨 사이클의 T-s선도를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing a conventional Rankine cycle system,
2 is a schematic diagram showing a Ts diagram of a conventional Rankine cycle,
Figure 3 is a schematic diagram showing the Ts diagram of the transcritical Rankine cycle according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.The present invention has the following features to achieve the above object.

본 발명은 열을 에너지원으로 하는 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치에 있어서,The present invention provides a transcritical Rankine cycle apparatus using a mixture using heat as an energy source.

혼합물로 이루어진 작동유체가 응축기로 유입되어 냉각수와 열교환을 하여 포화 액체선의 액체점(C)까지 저온 저압 액상상태로 응축되는 응축과정과;A condensation process in which the working fluid consisting of the mixture flows into the condenser and heat-exchanges with the cooling water to condense to the liquid point C of the saturated liquid line in a low temperature low pressure liquid phase;

상기 응축과정 후, 작동유체가 펌프에 의해 초임계 압력으로 포화 액체선을 넘어선 액체점(D)까지 저온 고압상태로 가압되는 가압과정과;After the condensation process, a pressurizing process in which the working fluid is pressurized by a pump to a liquid point D beyond the saturated liquid line at supercritical pressure at a low temperature and high pressure;

상기 가압과정 후, 작동유체가 초기 액상 상태에서 열원에 의해 가열되다 상기 가압과정의 초임계 압력으로 인해 임계점의 포화선 이상으로 가열되어 기체점(A)까지 고온 고압의 기체상태가 되는 증발과정과;After the pressurization process, the working fluid is heated by the heat source in the initial liquid state, and the evaporation process of heating above the saturation line of the critical point due to the supercritical pressure of the pressurization process to a gas state of high temperature and high pressure up to the gas point (A); ;

상기 증발과정 후, 작동유체가 팽창기로 유입되어 기체점(B)까지 저온 저압의 기체상태로 팽창되고, 동시에 발전기를 이용하여 전기를 생산하는 팽창과정;을 포함하여 구성되고, 상기 팽창과정 후, 다시 응축과정으로 반복되는 것을 특징으로 한다.
After the evaporation process, the working fluid is introduced into the expander and expanded to a low temperature low pressure gas state to the gas point (B), and at the same time to produce electricity using a generator; comprising, after the expansion process, It is characterized in that the repeated condensation process again.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.The present invention having such characteristics can be more clearly described by the preferred embodiments thereof.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클의 T-S 선도를 나타낸 개략도이다.Figure 3 is a schematic diagram showing the T-S diagram of the transcritical Rankine cycle using the mixture according to an embodiment of the present invention.

도 1과 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치은 증발기(1)와, 팽창기(터빈,2)와, 응축기(3)와, 압축기(펌프,4)로 구성되는데, 상기 랭킨 사이클의 작동원리는 열원(Heat source)으로부터 열을 공급받아 증발기(evaporator)에서 가열되어 고온 고압의 기체의 작동유체가 되고, 상기 작동유체는 팽창기(expander)로 유입되어 저압 상태로 팽창되는 과정에서 발전기(5)를 이용, 전기를 생산한다. 그리고. 상기 팽창기(2)를 거친 작동유체는 응축기(condenser)로 들어가 냉각수(cooling water)와 열교환을 하여 응축되어 응축기(3)의 하부에 저온 저압 액상태로 된다. 상기 액상태의 작동유체는 작동유체 펌프(working fluid pump)를 거치면서 저온 고압의 상태가 된 후, 증발기(1)로 유입되어 처음의 과정을 반복한다.1 and 3, the transcritical Rankine cycle apparatus using the mixture of the present invention comprises an evaporator 1, an expander (turbine, 2), a condenser (3), and a compressor (pump, 4). The operation principle of the Rankine cycle is supplied with heat from a heat source and heated in an evaporator to become a working fluid of a high temperature and high pressure gas, and the working fluid flows into an expander to a low pressure state. In the expansion process, the generator 5 is used to produce electricity. And. The working fluid passing through the expander 2 enters a condenser and condenses by exchanging heat with cooling water to form a low temperature and low pressure liquid at the bottom of the condenser 3. The working fluid in the liquid state becomes a state of low temperature and high pressure through a working fluid pump, and then flows into the evaporator 1 and repeats the first process.

이하에서 과정을 도 3를 참고하여 상세히 기술하면, 먼저 혼합물로 이루어진 작동유체가 기체점(B)에서 응축기(3)로 유입되어 냉각수(Tco - Tci)와 열교환을 하여 포화 액체선의 포화 액체점(C)까지 저온 저압 액상상태로 응축되는 응축과정(10)이 이루어지는데, 도 5의 T-S선도에 보면 포화선(50)을 기준으로 액체구간과 기체구간 및 액,기체구간으로 나누어졌고, 상기 응축과정(10)은 팽창과정(40)이 완료된 작동유체가 냉각수에 의해 응축되어 작동유체의 선도가 액체선의 포화 액체점(C)에 도달한 상태이다.Hereinafter, the process will be described in detail with reference to FIG. 3. First, a working fluid consisting of a mixture is introduced into the condenser 3 at the gas point B to exchange heat with the cooling water (Tco-Tci) to form a saturated liquid point ( C) condensation process 10 is condensed to a low-temperature low-pressure liquid state, as shown in the TS diagram of FIG. 5 divided into a liquid section, a gas section, a liquid section, and a gas section based on the saturation line 50. The process 10 is a state in which the working fluid in which the expansion process 40 is completed is condensed by the cooling water so that the freshness of the working fluid reaches the saturated liquid point C of the liquid line.

그리고, 상기 응축과정(10) 후, 저온 저압의 작동유체가 펌프(4)에 의해 초임계 압력으로 가압하여 저온 고압상태가 되는 가압과정으로 이루어지는데, 도 3의 T-S선도에 보면 포화 액체점(C)에서 선도가 포화선(50,액체 포화선)을 넘어서 액체점(D)까지 도달하는 상태이다.Then, after the condensation process (10), the low temperature low pressure working fluid is pressurized to a supercritical pressure by the pump (4) is made of a pressurizing process to be a low temperature high pressure state, as shown in the TS diagram of Figure 3 the saturated liquid point ( In C), the freshness reaches the liquid point D beyond the saturation line 50 (liquid saturation line).

또한, 상기 가압과정(20) 후, 저온 고압의 작동유체가 열원(Thi - Tho)에 의해 가열되어 고온 고압의 기체상태가 되는 증발과정(30)으로 이루어지는데, 이때, 도 3의 T-S선도에 보면 가압과정(20) 후의 작동유체는 초기 액상 상태에서 열원에 의해 가열되어 포화 액체선의 상부 구역을 따라(정확하게는 액체구간에 포화선(50)과 동일한 형태로 선도가 이동) 선도가 이동되다 상기 가압과정(20)에서 초임계 압력으로 가압하였기 때문에 선도가 임계점(70)의 포화선(50) 이상DML 기체점(A) 구역으로 이동되면서 기체구간으로 도달하는 상태로 변온 열전달 과정이 구현되어 수열(열원 가열) 과정 중 액서지 손실이 감소되고, 열원으로부터 충분한 수열이 가능하다. 즉, 동일한 열원에 대하여 종래보다 더 많은 양의 에너지를 열원으로부터 얻을 수 있다.In addition, after the pressurization process 20, the low temperature and high pressure working fluid is heated by a heat source (Thi-Tho) is composed of an evaporation process 30, which is a gas state of high temperature and high pressure, wherein, in the TS diagram of FIG. In other words, the working fluid after the pressurization process 20 is heated by a heat source in the initial liquid state so that the freshness is moved along the upper region of the saturated liquid line (exactly, the freshness moves in the same form as the saturation line 50 in the liquid section). Since the pressurization was carried out at supercritical pressure in the pressurization process 20, the heat transfer process was implemented in which the freshness moved to the gas section A of the DML gas point A above the saturation line 50 of the critical point 70. Loss of liquid solution during the (heat source heating) process, and sufficient hydrothermal from the heat source is possible. That is, for the same heat source, a larger amount of energy can be obtained from the heat source than before.

마지막으로, 상기 증발과정(30) 후에는 고온 고압의 증기 작동유체가 팽창기(2)로 유입되어 기체점(B)까지 저압 상태로 팽창되는데, 이 과정에서 팽창기(2)와 연결된 발전기(5)를 이용하여, 전기를 생산하는 팽창과정(40)으로 이루어진다. 이 과정에서, 종래의 기술에 비해, 많은 출력(전기)를 얻을 수 있는데, 이는 초월임계 운전 조건에 따른 팽창기(2) 전,후의 압력차가 종래의 경우에 비해 매우 크고, 앞서 설명된 증발과정(30)에서 종래의 기술에 비해 본 발명의 증발과정(30)이 더 많은 양의 에너지를 열원으로부터 얻었기 때문이다. 이제, 상기 팽창과정(40)을 지난 작동유체는 다시 응축기(3)로 유입되어 처음의 과정을 반복한다. 이때, 상기 팽창과정(40)에서 응축과정(10)으로 이동되는 선도는 도 3의 T-S선도에처럼 혼합물의 작동유체로 인해 경사지게 기울어져서 이동된다.Finally, after the evaporation process (30), the high temperature and high pressure steam working fluid flows into the expander (2) and expands to a low pressure state to the gas point (B), in which the generator (5) connected to the expander (2) Using, it consists of an expansion process 40 to produce electricity. In this process, compared to the conventional technology, a lot of output (electricity) can be obtained, which means that the pressure difference before and after the inflator 2 according to the transcritical operating conditions is much larger than the conventional case, and the evaporation process described above ( This is because the evaporation process 30 of the present invention has obtained a greater amount of energy from the heat source than in the prior art. Now, the working fluid after the expansion process 40 is introduced to the condenser 3 again to repeat the first process. At this time, the diagram moving to the condensation process 10 in the expansion process 40 is moved inclined inclined due to the working fluid of the mixture as shown in the T-S diagram of FIG.

여기서, 상기 작동유체는 혼합물질로 이루어지는데, 상기 사이클의 작동유체는 임계온도가 열원 입구 온도에 비하여 낮을 경우에 구현이 가능하며, 본 발명에서는 이를 구현하기 위한 작동 유체로써, 열원의 온도가 80℃ 이상일 경우 R125를 베이스로 R236ea, R236fa, R245ca, R245fa, R227ea, R365mfc 중 어느 한 종류 또는 다수의 종류를 선택적으로 혼합하여 사용한다.Here, the working fluid is made of a mixture material, the working fluid of the cycle can be implemented when the critical temperature is lower than the heat source inlet temperature, in the present invention as a working fluid for implementing this, the temperature of the heat source is 80 When the temperature is higher than or equal to R125, one or more of R236ea, R236fa, R245ca, R245fa, R227ea, and R365mfc may be selectively mixed.

또한, 상기 작동유체는 열원의 온도가 120℃ 이상일 경우 R125 또는 R227ea 중 하나를 베이스로 해서 R236ea, R236fa, R245ca, R245fa, R365mfc 중 어느 한 종류 또는 다수의 종류를 선택적으로 혼합하여 사용한다.In addition, when the temperature of the heat source is 120 ℃ or more, one or more of R236ea, R236fa, R245ca, R245fa, and R365mfc may be selectively mixed based on one of R125 or R227ea.

그리고, 상기 작동유체는 열원의 온도가 150℃ 이상일 경우 R227ea 또는 R236fa 중 하나를 베이스로 해서 R245ca, R245fa, R365mfc 중 어느 한 종류 또는 다수의 종류를 선택적으로 혼합하여 사용한다.When the temperature of the heat source is 150 ° C. or higher, the working fluid may be selectively mixed with any one or a plurality of R245ca, R245fa, and R365mfc based on one of R227ea or R236fa.

본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클의 우수성의 일례를 보이기 위하여 앞에서 설명한 조건에서 출력 성능을 구하면 다음과 같다. 주어진 조건에 대하여 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클을 최적으로 구성하려면, 열원의 온도가 100℃ 이므로 베이스 유체로서 R125를 선택하고, 여기에 R236ea 또는 R236fa 또는 R245ca 또는 R245fa 또는 R227ea 또는 R365mfc를 적절히 첨가한다.In order to show an example of the superiority of the transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention, the output performance is obtained under the conditions described above. To optimally construct a transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention for a given condition, select R125 as the base fluid because the temperature of the heat source is 100 ° C, and R236ea or R236fa or R245ca or R245fa or R227ea or R365mfc as appropriate. Add.

또한, 사이클의 출력을 극대화 시킬 수 있도록 터빈 입구온도와 압력을 적절한 값으로 결정한다. 일례로, 터빈입구온도 및 압력이 각각 85℃, 4,000 kPa인 경우, 표 1에 본 발명의 혼합물(일례로 R125 80%+R227ea 20%, 몰분율) 및 본 발명의 혼합물(일례로 R125 94%+R236ea 6%, 몰분율) 및 본 발명의 혼합물(일례로 R125 93.7%+R236fa 6.3%, 몰분율) 및 본 발명의 혼합물(일례로 R125 96%+R245ca 4%, 몰분율) 및 본 발명의 혼합물(일례로 R125 95.7%+R245fa 4.3%, 몰분율) 및 본 발명의 혼합물(일례로 R125 97.7%+R365mfc 2.3%, 몰분율)을 이용한 초월임계 랭킨사이클의 성능을 구체적인 수치로 각각 나타내었다. 그리고, 일례로서 상기 본 발명의 혼합물(일례로 R125 80%+R227ea 20%, 몰분율)을 사용한 초월임계 랭킨사이클의 T-s 선도를 도 3에 나타내었다. In addition, the turbine inlet temperature and pressure are determined at appropriate values to maximize the cycle output. For example, when the turbine inlet temperature and pressure are 85 ° C. and 4,000 kPa, respectively, Table 1 shows the mixture of the invention (eg R125 80% + R227ea 20%, mole fraction) and the mixture of the invention (eg R125 94% + R236ea 6%, mole fraction) and mixtures of the invention (eg R125 93.7% + R236fa 6.3%, mole fraction) and mixtures of the invention (eg R125 96% + R245ca 4%, mole fraction) and mixtures of the invention (eg The performance of the transcritical Rankine cycle using R125 95.7% + R245fa 4.3%, mole fraction) and the mixture of the present invention (eg R125 97.7% + R365mfc 2.3%, mole fraction) are shown in concrete figures, respectively. And, as an example, the T-s diagram of the transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention (eg, R125 80% + R227ea 20%, mole fraction) is shown in FIG. 3.

표 1에 따르면, 동일 열원 및 냉각수 조건에서 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클의 출력 성능이 R236ea 및 R152a를 이용한 종래의 랭킨사이클의 출력 성능에 비해 약 28~32% 우수함을 알 수 있다.According to Table 1, it can be seen that the output performance of the transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention under the same heat source and cooling water is about 28 to 32% superior to the output performance of the conventional Rankine cycle using R236ea and R152a.

이하의 표 1에 구체적인 수치로 결과를 비교하여 나타내었다.In Table 1 below, the results are compared with specific values.

R236ea 및 R152a를 이용한 종래의 랭킨사이클과 본 발명의 혼합물들을 이용한 초월임계 랭킨사이클의 성능비교Performance Comparison of Transcritical Rankine Cycles Using R236ea and R152a Conventional Rankine Cycles and Mixtures of the Invention 단위unit 종래의 랭킨사이클
(R236ea)Conventional Rankine Cycle
(R236ea) 종래의 랭킨사이클
(R152a)Conventional Rankine Cycle
(R152a) 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클 (일례로 R125 80%+R227ea 20%, 몰분율)Transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention (eg R125 80% + R227ea 20%, mole fraction) 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 94%+R236ea 6%, 몰분율)Transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention (eg R125 94% + R236ea 6%, mole fraction) 터빈 입구 온도(T 1)Turbine Inlet Temperature ( T 1 ) ℃℃ 65.965.9 97.097.0 85.085.0 85.085.0 터빈 출구 온도(T 2)Turbine outlet temperature ( T 2 ) ℃℃ 40.740.7 57.757.7 29.829.8 34.134.1 응축기출구온도(T 3)Condenser outlet temperature ( T 3 ) ℃℃ 26.726.7 26.426.4 24.424.4 24.324.3 펌프 출구 온도(T 4)Pump outlet temperature ( T 4 ) ℃℃ 27.027.0 27.127.1 27.127.1 27.027.0 작동 유체 유량Working fluid flow rate kg/skg / s 1.0031.003 0.5110.511 1.9431.943 1.7381.738 고압(P 1)High pressure ( P 1 ) kPakPa 703.9703.9 1,6391,639 4,0004,000 4,0004,000 저압(P 2)Low pressure ( P 2 ) kPakPa 218.5218.5 621.4621.4 1,1871,187 1,2761,276 열원 입출구온도(T HI/T HO)Heat source inlet and outlet temperature ( T HI / T HO ) ℃℃ 100/56.7100 / 56.7 100/58.2100 / 58.2 100/43.1100 / 43.1 100/44.6100 / 44.6 냉각수입출구온도(T CI/T CO)Cooling water inlet and outlet temperature ( T CI / T CO ) ℃℃ 20/24.020 / 24.0 20/23.920 / 23.9 20/25.320 / 25.3 20/25.120 / 25.1 터빈 출력Turbine output kWkW 14.7814.78 14.9514.95 24.3624.36 23.3423.34 펌프 소요 동력Pump power kWkW 0.430.43 0.720.72 5.505.50 4.844.84 정미 출력Net power kWkW 14.3514.35 14.2314.23 18.8618.86 18.5018.50 단위unit 본 발명의
혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 93.7%+R236fa 6.3%, 몰분율)The
Transcritical Rankine cycle using mixtures (eg R125 93.7% + R236fa 6.3%, mole fraction) 본 발명의
혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 96%+R245ca 4%, 몰분율)The
Transcritical Rankine cycle using mixtures (eg R125 96% + R245ca 4%, mole fraction) 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 95.7%+R245fa 4.3%, 몰분율)Transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention (eg R125 95.7% + R245fa 4.3%, mole fraction) 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 97.7%+R365mfc 2.3%, 몰분율)Transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention (eg R125 97.7% + R365mfc 2.3%, mole fraction) 터빈 입구 온도(T 1)Turbine Inlet Temperature ( T 1 ) ℃℃ 85.085.0 85.085.0 85.085.0 85.085.0 터빈 출구 온도(T 2)Turbine outlet temperature ( T 2 ) ℃℃ 33.633.6 34.634.6 34.934.9 36.436.4 응축기 출구 온도(T 3)Condenser Outlet Temperature ( T 3 ) ℃℃ 24.324.3 24.324.3 24.524.5 24.824.8 펌프 출구 온도(T 4)Pump outlet temperature ( T 4 ) ℃℃ 27.027.0 27.027.0 27.227.2 27.527.5 작동유체 유량Working fluid flow rate kg/skg / s 1.7531.753 1.7201.720 1.7271.727 1.7481.748 고압(P 1)High pressure ( P 1 ) kPakPa 4,0004,000 4,0004,000 4,0004,000 4,0004,000 저압(P 2)Low pressure ( P 2 ) kPakPa 1,2701,270 1,2931,293 1,3001,300 1,3311,331 열원 입출구온도(T HI/T HO)Heat source inlet and outlet temperature ( T HI / T HO ) ℃℃ 100/44.4100 / 44.4 100/44.6100 / 44.6 100/44.5100 / 44.5 100/43.9100 / 43.9 냉각수입출구온도(T CI/T CO)Cooling water inlet and outlet temperature ( T CI / T CO ) ℃℃ 20/25.220 / 25.2 20/25.120 / 25.1 20/25.220 / 25.2 20/25.220 / 25.2 터빈 출력Turbine output kWkW 23.4723.47 23.1823.18 23.2623.26 23.2423.24 펌프 소요 동력Pump power kWkW 4.904.90 4.774.77 4.804.80 4.834.83 정미 출력Net power kWkW 18.5718.57 18.4118.41 18.4618.46 18.4118.41 단위unit 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 93%+R227ea 7%, 몰분율)Transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention (eg R125 93% + R227ea 7%, mole fraction) 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 85%+R227ea 15%, 몰분율)Transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention (eg R125 85% + R227ea 15%, mole fraction) 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 98%+R236ea 2%, 몰분율)Transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention (eg R125 98% + R236ea 2%, mole fraction) 본 발명의 혼합물을 이용한초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 88%+R236ea 12%, 몰분율)Transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention (eg R125 88% + R236ea 12%, mole fraction) 터빈 입구 온도(T 1)Turbine Inlet Temperature ( T 1 ) ℃℃ 85.085.0 85.085.0 85.085.0 85.085.0 터빈 출구 온도(T 2)Turbine outlet temperature ( T 2 ) ℃℃ 37.837.8 33.233.2 38.738.7 31.531.5 응축기 출구 온도(T 3)Condenser Outlet Temperature ( T 3 ) ℃℃ 26.426.4 25.125.1 26.226.2 23.323.3 펌프 출구 온도(T 4)Pump outlet temperature ( T 4 ) ℃℃ 29.329.3 27.927.9 29.029.0 25.925.9 작동유체 유량Working fluid flow rate kg/skg / s 1.822 1.822 1.8811.881 1.7691.769 1.7281.728 고압(P 1)High pressure ( P 1 ) kPakPa 4,0004,000 4,000 4,000 4,0004,000 4,0004,000 저압(P 2)Low pressure ( P 2 ) kPakPa 1,3681,368 1,2521,252 1,3941,394 1,1701,170 열원 입출구온도(T HI/T HO)Heat source inlet and outlet temperature ( T HI / T HO ) ℃℃ 100/44.0100 / 44.0 100/43.7100 / 43.7 100/44.1100 / 44.1 100/46.0100 / 46.0 냉각수입출구온도(T CI/T CO)Cooling water inlet and outlet temperature ( T CI / T CO ) ℃℃ 20/25.220 / 25.2 20/25.220 / 25.2 20/25.220 / 25.2 20/25.020 / 25.0 터빈 출력Turbine output kWkW 22.9922.99 23.8423.84 22.8422.84 23.0423.04 펌프 소요 동력Pump power kWkW 4.974.97 5.265.26 4.804.80 4.904.90 정미 출력Net power kWkW 18.0218.02 18.5818.58 18.0418.04 18.1418.14 단위unit 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 98%+R236fa 2%, 몰분율)Transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention (eg R125 98% + R236fa 2%, mole fraction) 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 88%+R236fa 12%, 몰분율)Transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention (eg R125 88% + R236fa 12%, mole fraction) 본 발명의 혼합물을 이용한
초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 99%+R245ca 1%, 몰분율)With the mixture of the present invention
Transcritical Rankine Cycle (eg R125 99% + R245ca 1%, mole fraction) 본 발명의 혼합물을 이용한
초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 93%+R245ca 7%, 몰분율)Using the mixture of the present invention
Transcritical Rankine Cycle (eg R125 93% + R245ca 7%, mole fraction) 터빈 입구 온도(T 1)Turbine Inlet Temperature ( T 1 ) ℃℃ 85.085.0 85.085.0 85.085.0 85.085.0 터빈 출구 온도(T 2)Turbine outlet temperature ( T 2 ) ℃℃ 38.638.6 30.730.7 39.139.1 33.333.3 응축기 출구 온도(T 3)Condenser Outlet Temperature ( T 3 ) ℃℃ 26.226.2 23.323.3 26.226.2 23.523.5 펌프 출구 온도(T 4)Pump outlet temperature ( T 4 ) ℃℃ 29.029.0 25.925.9 29.029.0 26.126.1 작동유체 유량Working fluid flow rate kg/skg / s 1.7741.774 1.7691.769 1.7701.770 1.6831.683 고압(P 1)High pressure ( P 1 ) kPakPa 4,0004,000 4,0004,000 4,0004,000 4,0004,000 저압(P 2)Low pressure ( P 2 ) kPakPa 1,3951,395 1,1681,168 1,4061,406 1,2251,225 열원 입출구온도(T HI/T HO)Heat source inlet and outlet temperature ( T HI / T HO ) ℃℃ 100/44.0100 / 44.0 100/45.2100 / 45.2 100/43.8100 / 43.8 100/45.9100 / 45.9 냉각수입출구온도(T CI/T CO)Cooling water inlet and outlet temperature ( T CI / T CO ) ℃℃ 20/25.220 / 25.2 20/25.120 / 25.1 20/25.220 / 25.2 20/25.020 / 25.0 터빈 출력Turbine output kWkW 22.8622.86 23.4223.42 22.8622.86 22.8022.80 펌프 소요 동력Pump power kWkW 4.824.82 5.055.05 4.794.79 4.734.73 정미 출력Net power kWkW 18.0418.04 18.3718.37 18.0718.07 18.0718.07 단위unit 본 발명의 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 98%+R245fa 2%, 몰분율)Transcritical Rankine cycle using the mixture of the present invention (eg R125 98% + R245fa 2%, mole fraction) 본 발명의 혼합물을 이용한
초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 92%+R245fa 8%, 몰분율)Using the mixture of the present invention
Transcritical Rankine Cycle (eg R125 92% + R245fa 8%, mole fraction) 본 발명의 혼합물을 이용한
초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 99.3%+R365mfc0.7%, 몰분율)Using the mixture of the present invention
Transcritical Rankine Cycle (eg R125 99.3% + R365mfc 0.7%, mole fraction) 본 발명의 혼합물을 이용한
초월임계 랭킨사이클(일례로 R125 96%+R365mfc 4%, 몰분율)Using the mixture of the present invention
Transcritical Rankine Cycle (eg R125 96% + R365mfc 4%, mole fraction) 터빈 입구 온도(T 1)Turbine Inlet Temperature ( T 1 ) ℃℃ 85.085.0 85.085.0 85.085.0 85.085.0 터빈 출구 온도(T 2)Turbine outlet temperature ( T 2 ) ℃℃ 38.038.0 31.831.8 39.339.3 34.134.1 응축기 출구 온도(T 3)Condenser Outlet Temperature ( T 3 ) ℃℃ 25.725.7 23.623.6 26.226.2 24.024.0 펌프 출구 온도(T 4)Pump outlet temperature ( T 4 ) ℃℃ 28.528.5 26.226.2 29.029.0 26.726.7 작동유체 유량Working fluid flow rate kg/skg / s 1.7581.758 1.6901.690 1.7761.776 1.7261.726 고압(P 1)High pressure ( P 1 ) kPakPa 4,0004,000 4,0004,000 4,0004,000 4,0004,000 저압(P 2)Low pressure ( P 2 ) kPakPa 1,3751,375 1,2201,220 1,4091,409 1,2791,279 열원 입출구온도(T HI/T HO)Heat source inlet and outlet temperature ( T HI / T HO ) ℃℃ 100/44.0100 / 44.0 100/45.7100 / 45.7 100/43.7100 / 43.7 100/44.6100 / 44.6 냉각수입출구온도(T CI/T CO)Cooling water inlet and outlet temperature ( T CI / T CO ) ℃℃ 20/25.220 / 25.2 20/25.020 / 25.0 20/25.220 / 25.2 20/25.120 / 25.1 터빈 출력Turbine output kWkW 23.0123.01 22.9822.98 22.9022.90 23.1123.11 펌프 소요 동력Pump power kWkW 4.804.80 4.784.78 4.814.81 4.834.83 정미 출력Net power kWkW 18.2118.21 18.2018.20 18.0918.09 18.2818.28

10 : 응축과정 20 : 가압과정
30 : 증발과정 40 : 팽창과정
50 : 포화선 70 : 임계점10: condensation process 20: pressurization process
30: evaporation process 40: expansion process
50: saturated line 70: critical point

Claims (4)

열을 에너지원으로 하는 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치에 있어서,
혼합물로 이루어진 작동유체가 응축기(3)로 유입되어 냉각수와 열교환을 하여 포화 액체선의 액체점(C)까지 저온 저압 액상상태로 응축되는 응축과정(10)과;
상기 응축과정(10) 후, 작동유체가 펌프에 의해 초임계 압력으로 포화 액체선을 넘어선 액체점(D)까지 저온 고압상태로 가압되는 가압과정(20)과;
상기 가압과정(20) 후, 작동유체가 초기 액상 상태에서 열원에 의해 가열되다 상기 가압과정(20)의 초임계 압력으로 인해 임계점(70)의 포화선(50) 이상으로 가열되어 기체점(A)까지 고온 고압의 기체상태가 되는 증발과정(30)과;
상기 증발과정(30) 후, 작동유체가 팽창기(2)로 유입되어 기체점(B)까지 저온 저압의 기체상태로 팽창되고, 동시에 발전기(5)를 이용하여 전기를 생산하는 팽창과정(40);을 포함하여 구성되고,
상기 팽창과정(40) 후, 다시 응축과정(10)으로 반복되고, 상기 작동유체는 열원의 온도가 100℃ 이상일 때, R236ea, R236fa, R245ca, R245fa, R227ea, R365mfc 중 어느 한 종류를 선택적으로 R125에 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 혼합물을 이용한 초월임계 랭킨 사이클 장치.In the transcritical Rankine cycle apparatus using the mixture which uses heat as an energy source,
A condensation process (10) in which a working fluid consisting of a mixture flows into the condenser (3) and exchanges heat with cooling water to condense it into a low temperature low pressure liquid state to a liquid point (C) of a saturated liquid line;
After the condensation process (10), the pressurizing process 20 is pressurized to a low temperature and high pressure state to the liquid point (D) beyond the saturated liquid line at a supercritical pressure by the pump;
After the pressurization process 20, the working fluid is heated by a heat source in an initial liquid phase state, and is heated above the saturation line 50 of the critical point 70 due to the supercritical pressure of the pressurization process 20, so that the gas point A E) the evaporation process (30), which becomes a gaseous state at high temperature and high pressure;
After the evaporation process (30), the working fluid is introduced into the expander (2) is expanded to a low temperature low pressure gas state to the gas point (B), at the same time the expansion process for producing electricity using the generator (5) Including;
After the expansion process 40, it is repeated in the condensation process 10, the working fluid is selectively selected from any one of R236ea, R236fa, R245ca, R245fa, R227ea, R365mfc when the temperature of the heat source is more than 100 ℃ Transcritical Rankine cycle apparatus using a mixture, characterized in that used for mixing. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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