KR100452909B1 - Apparatus for generating thermoelectric semiconductor using of exhaust gas heat - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보일러 배기가스 폐열을 이용한 열전반도체 발전장치를 개시한 것으로, 본 발명은 보일러의 배기가스 출구에 설치되어 고온의 배기가스가 배출되는 배기가스 통로와; 배기가스 통로의 외주연에 설치되어 고온의 배기가스와 열교환되어 예열된 상태로 보일러에 연소용 공기를 공급하는 연소용 공기 공급관과; 배기가스 통로 측에는 고온의 배기가스 폐열에 의해 가열되는 열전반도체의 가열부가 설치되고, 상기 연소용 공급관 측에는 연소용 공기에 의해 냉각되는 열전반도체의 냉각부가 설치된 열전모듈과; 열전모듈의 가열부와 냉각부 사이에 설치되는 단열재와; 열전모듈에서 발생된 전기 에너지를 저장하기 위한 축전지를 포함한다.The present invention discloses a thermoelectric semiconductor power generation apparatus using waste heat of boiler exhaust gas. The present invention includes: an exhaust gas passage installed at an exhaust gas outlet of a boiler to discharge hot exhaust gas; A combustion air supply pipe installed at an outer circumference of the exhaust gas passage and supplying combustion air to the boiler in a state of being preheated by heat exchange with a high temperature exhaust gas; A thermoelectric module on the exhaust gas passage side is provided with a heating unit of a thermoelectric semiconductor heated by high temperature exhaust gas waste heat, and on the combustion supply pipe side a thermoelectric module provided with a cooling unit of a thermoelectric semiconductor cooled by combustion air; An insulating material installed between the heating part and the cooling part of the thermoelectric module; It includes a storage battery for storing the electrical energy generated by the thermoelectric module.
본 발명에 따르면, 보일러 등의 배기가스 폐열을 이용하는 가열부 및 연소용 공기로 냉각하는 냉각부 사이의 온도차에 의해 기전력을 얻는 열전반도체를 사용하여 연소용 공기를 가열하여 보일러 열효율을 높이는 공기 예열기의 역할을 대신하면서도 전기 에너지를 얻을 수 있다.According to the present invention, an air preheater that heats combustion air by using a thermoelectric semiconductor which obtains electromotive force by a temperature difference between a heating part using waste heat of exhaust gas such as a boiler and a cooling part cooled by combustion air is used. You can get electrical energy while taking on a role.
Description
본 발명은 보일러 및 각종 산업설비의 배기가스 폐열을 이용한 열전반도체 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보일러의 배기가스 폐열에 의해 가열되는 가열부와 연소용 공기를 사용하여 열을 흡수하는 냉각부 사이의 온도차에 의해 기전력을 발생시키는 열전반도체로 전기를 생산함으로써 배기가스의 열손실을 줄이면서 연소용 공기를 가열하여 열효율을 높이고 전기에너지까지 얻을 수 있는 발전장치에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric semiconductor power generation apparatus using waste gas waste heat of a boiler and various industrial facilities, and more particularly, a cooling unit that absorbs heat by using a heating unit and combustion air that are heated by waste heat of the exhaust gas of a boiler. The present invention relates to a power generation apparatus capable of generating thermal energy by heating the combustion air while reducing the heat loss of the exhaust gas by generating electricity with a thermoelectric semiconductor that generates electromotive force by the temperature difference therebetween.
도 1은 일반적으로 알려지고 있는 산업용 보일러의 폐열 회수장치를 도시한 것으로, 보일러(1)의 배기가스 출구(2)에 공기 예열기(3)가 설치된 구조로 되어 있다. 공기 예열기(3)는 다수의 다발관(5)으로 구성되어 있으며, 고온의 배기가스는 다발관(5)을 경유하여 대기로 배출되게 되어 있다.FIG. 1 shows a waste heat recovery apparatus of a generally known industrial boiler, in which an air preheater 3 is provided at an exhaust gas outlet 2 of a boiler 1. The air preheater 3 is composed of a plurality of bundle tubes 5, and the high-temperature exhaust gas is discharged to the atmosphere via the bundle tubes 5.
연소용 공기 공급관(4)은 상기 공기 예열기(3)를 경유하여 보일러(1)에 연결되어 있다. 따라서, 연소용 공기는 공기 예열기(3)에서 고온의 배기가스와 열교환되어 예열된 상태로 보일러(1)에 공급되게 된다. 또한, 동절기에는 공기예열기(3)의 부식을 방지하기 위하여 전단에 증기식 공기예열기(6)를 설치하여 운전하게 된다.The combustion air supply pipe 4 is connected to the boiler 1 via the air preheater 3. Therefore, the combustion air is heat-exchanged with the high-temperature exhaust gas in the air preheater 3 to be supplied to the boiler 1 in a preheated state. In addition, in order to prevent corrosion of the air preheater (3) in winter, the steam type air preheater (6) is installed at the front end and operated.
상기한 바와 같이, 보일러의 작동 시 발생되는 고온의 배기가스를 그대로 대기에 방출하지 않고, 배기가스에 포함된 고온의 폐열을 회수하여 보일러 작동에 필요한 공기를 예열하기 때문에, 보일러의 열효율을 높일 수 있고, 에너지 손실을 줄일 수 있다.As described above, since the hot exhaust gas generated during the operation of the boiler is not discharged to the atmosphere as it is, the high temperature waste heat contained in the exhaust gas is recovered to preheat the air required for the boiler operation, thereby improving the thermal efficiency of the boiler. And can reduce energy loss.
그러나, 상기한 바와 같은 종래의 폐열 회수장치는 전기에너지를 생산하지 못하고 배기가스와 연소용 공기가 열전달에 의해서만 에너지를 회수하기 때문에 에너지 이용효율이 낮다고 하는 문제가 있다.However, the conventional waste heat recovery apparatus as described above has a problem in that energy utilization efficiency is low because electrical energy is not produced and exhaust gas and combustion air recover energy only by heat transfer.
또한, 종래의 폐열 회수장치는 동절기 외기온도 저하에 따른 부식을 방지하기 위하여 서로 독립된 증기식 공기 예열기와 폐열 회수식 공기 예열기를 구비하기 때문에, 큰 설치장소가 필요하고, 설치 비용의 증가 원인이 되고 있다.In addition, the conventional waste heat recovery device is provided with a separate steam type air preheater and a waste heat recovery air preheater in order to prevent corrosion due to the decrease in the outside air temperature during the winter, a large installation place is required, causing increased installation costs have.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 단점을 해소하기 위한 것으로, 보일러 등의 배기가스 폐열을 이용하는 가열부 및 연소용 공기로 냉각하는 냉각부 사이의 온도차에 의해 기전력을 얻는 열전반도체를 사용하여 연소용 공기를 가열하여 보일러 열효율을 높이는 공기 예열기의 역할을 대신하면서도 전기 에너지를 얻을 수 있는 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve the above disadvantages, the combustion for using a thermoelectric semiconductor which obtains the electromotive force by the temperature difference between the heating section using the waste heat of the exhaust gas, such as a boiler and the cooling section cooled by the combustion air. The purpose of the present invention is to provide a power generation device that can obtain electrical energy while replacing the role of an air preheater that heats air to improve boiler thermal efficiency.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 보일러 배기가스 폐열을 이용한 열전반도체 발전장치에 있어서, 상기 보일러의 배기가스 출구에 설치되어 고온의 배기가스가 배출되는 배기가스 통로와; 상기 배기가스 통로의 외주연에 설치되어 고온의 배기가스와 열교환되어 예열된 상태로 보일러에 연소용 공기를 공급하는 연소용 공기 공급관과; 상기 배기가스 통로 측에는 고온의 배기가스 폐열에 의해 가열되는 열전반도체의 가열부가 설치되고, 상기 연소용 공급관 측에는 연소용 공기에 의해 냉각되는 열전반도체의 냉각부가 설치된 열전모듈과; 상기 열전모듈의 가열부와 냉각부 사이에 설치되는 단열재와; 상기 열전모듈에서 발생된 전기 에너지를 저장하기 위한 축전지를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a thermoelectric semiconductor generator using waste heat of boiler exhaust gas, comprising: an exhaust gas passage installed at an exhaust gas outlet of the boiler to discharge high-temperature exhaust gas; A combustion air supply pipe installed at an outer circumference of the exhaust gas passage and supplying combustion air to the boiler in a state of being preheated by heat exchange with a high temperature exhaust gas; A thermoelectric module provided on the exhaust gas passage side with a heating unit of a thermoelectric semiconductor heated by high temperature exhaust gas waste heat, and a cooling unit of a thermoelectric semiconductor cooled by combustion air on the combustion supply pipe side; An insulating material installed between the heating part and the cooling part of the thermoelectric module; It includes a storage battery for storing the electrical energy generated by the thermoelectric module.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.The above objects and various advantages of the present invention will become more apparent from the preferred embodiments of the invention described below with reference to the accompanying drawings by those skilled in the art.
도 1은 종래기술에 따른 보일러의 구성도,1 is a block diagram of a boiler according to the prior art,
도 2는 본 발명에 따른 열전반도체 발전장치가 적용된 보일러의 구성도,2 is a configuration diagram of a boiler to which a thermoelectric semiconductor generator according to the present invention is applied;
도 3은 본 발명에 따른 열전모듈의 구성도,3 is a configuration diagram of a thermoelectric module according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 열전모듈의 발전원리를 설명하는 구성도,4 is a configuration diagram illustrating a power generation principle of a thermoelectric module according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 열전 반도체 발전장치가 증기식 공기예열기로 적용된 보일러의 구성도.5 is a configuration diagram of a boiler in which the thermoelectric semiconductor generator according to the present invention is applied as a steam type air preheater.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
11 : 보일러 12 : 배기가스 통로11 boiler 12 exhaust gas passage
13 : 연소용 공기 공급관 20 : 열전모듈13 combustion air supply pipe 20 thermoelectric module
21 : 가열부 22 : 냉각부21: heating part 22: cooling part
23 : 열전반도체 24 : 가열판23: thermoelectric semiconductor 24: heating plate
25 : 냉각판 26 : 축전지25 cooling plate 26 storage battery
27 : 단열재27: heat insulation
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 열전반도체 발전장치가 적용된 보일러의 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 열전모듈의 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 열전모듈의 발전원리를 설명하는 구성도이며, 도 5는 본 발명에 따른 열전 반도체 발전장치가 증기식 공기예열기로 적용된 보일러의 구성도이다.2 is a configuration diagram of a boiler to which a thermoelectric semiconductor generator according to the present invention is applied, FIG. 3 is a configuration diagram of a thermoelectric module according to the present invention, and FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a power generation principle of a thermoelectric module according to the present invention. 5 is a configuration diagram of a boiler to which a thermoelectric semiconductor generator according to the present invention is applied as a steam type air preheater.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보일러 배기가스 폐열을 이용한 열전반도체 발전장치는 보일러(1) 및 각종 산업설비의 배기가스 폐열로 연소용 공기를 가열시키면서 전기에너지를 생산할 수 있다.As shown in FIG. 2, the thermoelectric semiconductor power generation apparatus using the waste heat of the boiler exhaust gas according to the present invention may produce electrical energy while heating combustion air with the waste gas waste heat of the boiler 1 and various industrial facilities.
열전반도체는 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 성질을 갖는 열전재료로서, 열전 반도체의 양단에 접하는 물체의 온도차에 의해 기전력을 발생시켜 전류가 흐르게 된다. 열전 반도체의 재료는 사용온도에 따라 실온 부근의 저온영역(200℃이하)에서는 Bi2Te3계 재료, 중온 영역(200℃∼500℃)에서는 (Pb, Ge)-Te 계 재료, 고온 영역(500℃∼1000℃)에서는 Si-Ge 계, Fe-Si 계의 열전반도체 재료를 주로 사용한다.A thermoelectric semiconductor is a thermoelectric material having a property of converting thermal energy into electrical energy, and current is generated by generating electromotive force due to a temperature difference between an object in contact with both ends of a thermoelectric semiconductor. Materials of thermoelectric semiconductors are Bi 2 Te 3 -based materials in the low temperature region (below 200 ℃) near room temperature and (Pb, Ge) -Te-based materials and high temperature region in the medium temperature region (200 ℃ ~ 500 ℃) At 500 ° C to 1000 ° C), thermoelectric semiconductor materials of Si-Ge and Fe-Si are mainly used.
이와 같은 열전 반도체를 이용한 본 발명은 보일러의 배기가스 출구에 설치되어 고온의 배기가스가 배출되는 배기가스 통로(12)의 외주연에 연소용 공기 공급관(13)이 설치되며, 이 연소용 공기 공급관(13)을 통과하면서 연소용 공기는 고온의 배기가스와 열교환되어 예열된 상태로 보일러(11)에 공급된다.In the present invention using such a thermoelectric semiconductor, a combustion air supply pipe 13 is installed at an outer circumference of an exhaust gas passage 12 in which a high temperature exhaust gas is discharged at an exhaust gas outlet of a boiler, and the combustion air supply pipe While passing through 13, the combustion air is heat-exchanged with the high-temperature exhaust gas and supplied to the boiler 11 in a preheated state.
본 발명에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 열전 반도체(21)의 일단은 배기가스 통로(12)에 설치되고 다른 타단은 연소용 공기 공급관(13)에 설치되어 배기가스 통로(12)에 설치되는 열전 반도체(23)의 일단은 고온의 배기가스에 의해 가열되는 가열부(21)가 되고, 연소용 공기 공급관(13)에 설치되는 열전 반도체(23)의 타단은 아직 예열되지 않은 대기중의 연소용 공기에 의해 냉각되는 냉각부(22)가 된다.According to the present invention, as shown in FIG. 3, one end of the thermoelectric semiconductor 21 is installed in the exhaust gas passage 12 and the other end is installed in the combustion air supply pipe 13 to the exhaust gas passage 12. One end of the thermoelectric semiconductor 23 to be installed becomes a heating unit 21 heated by high temperature exhaust gas, and the other end of the thermoelectric semiconductor 23 provided in the combustion air supply pipe 13 is not preheated. Cooling section 22 is cooled by the combustion air.
이와 같은 열전 반도체(23)는 배기가스 통로(12)와 연소용 공기 공급관(13) 사이에 열전 반도체(23)의 가열부(21)와 냉각부(22)가 효율적으로 배치된 열전모듈(20)로 모듈화 되어있다. 열전모듈(20)의 가열부(21) 및 냉각부(22)에는 각각 가열 및 냉각효율이 극대화될 수 있도록 표면적이 확장된 가열판(24) 및 냉각판(25)이 부가적으로 설치된다. 가열판(24)은 열전모듈(20)의 가열부(21)에 밀착되어 있으며, 배기가스 통로(12)에 직각방향으로 돌출되어 배기가스 통로(12)를 통과하는 고온의 배기가스의 열 에너지가 가열부(21)에 효율적으로 전달될 수 있도록 한다. 냉각판(25) 또한 열전달이 용이하도록 열전모듈(20)의 냉각부(22)에 밀착 설치되며, 연소용 공기 공급관(13)에 직각방향으로 돌출되어 연소용 공기 공급관(13)으로 도입되는 연소용 공기에 의해 효율적으로 냉각되는 구조를 이루고 있다.The thermoelectric semiconductor 23 is a thermoelectric module 20 in which the heating unit 21 and the cooling unit 22 of the thermoelectric semiconductor 23 are efficiently disposed between the exhaust gas passage 12 and the combustion air supply pipe 13. It is modular. In the heating unit 21 and the cooling unit 22 of the thermoelectric module 20, a heating plate 24 and a cooling plate 25 having an extended surface area are additionally installed to maximize heating and cooling efficiency, respectively. The heating plate 24 is in close contact with the heating portion 21 of the thermoelectric module 20, and the heat energy of the high temperature exhaust gas passing through the exhaust gas passage 12 at right angles to the exhaust gas passage 12 passes through the exhaust gas passage 12. It can be efficiently transmitted to the heating unit 21. The cooling plate 25 is also installed in close contact with the cooling unit 22 of the thermoelectric module 20 to facilitate heat transfer, and protrudes perpendicularly to the combustion air supply pipe 13 to be introduced into the combustion air supply pipe 13. The structure is efficiently cooled by the air.
한편, 열전모듈(20)이 설치되는 배기가스 통로(12)의 외주연에는 단열재(27)가 설치되어 배기가스 통로(12)와 연소용 공기 공급관(13) 간에 열 전달이 이루어지는 것을 차단하여, 오로지 열전반도체(23)의 가열부(21)와 냉각부(23) 사이에서만이 열 전달이 이루어지도록 한다.On the other hand, the outer periphery of the exhaust gas passage 12 in which the thermoelectric module 20 is installed is provided with a heat insulating material 27 to block the heat transfer between the exhaust gas passage 12 and the combustion air supply pipe 13, Only heat is transferred between the heating part 21 and the cooling part 23 of the thermoelectric semiconductor 23.
본 발명에 따른 열전모듈(20)은 가열부(21)와 냉각부(22)가 일체로 구성되어 있기 때문에 고온의 배기가스에 의해 비록 가열부(21)만이 가열되더라도 열 에너지는 냉각부(22)까지 전달되어 고온 상태를 유지하지만 냉각부(22)는 상온의 연소용 공기에 비해 상대적으로 높은 상태이므로 냉각부(22)의 열 에너지가 연소용 공기에 전달되어 냉각부(22)는 냉각되며 그 결과 연소용 공기는 예열되는 작용이 이루어진다. 예열된 연소용 공기는 보일러(11)에 공급된다.In the thermoelectric module 20 according to the present invention, since the heating unit 21 and the cooling unit 22 are integrally formed, the thermal energy is cooled by the high temperature exhaust gas even though only the heating unit 21 is heated. The cooling unit 22 is relatively high compared to the combustion air at room temperature, so that the heat energy of the cooling unit 22 is transferred to the combustion air so that the cooling unit 22 is cooled. As a result, the combustion air is preheated. The preheated combustion air is supplied to the boiler 11.
한편, 열전모듈(20)의 가열부(21)와 냉각부(22) 사이에 온도차가 발생되는데 온도차의 크기에 비례하여 기전력이 발생되고 전류가 흐르게 되어 발전이 이루어진다.On the other hand, a temperature difference is generated between the heating part 21 and the cooling part 22 of the thermoelectric module 20. In proportion to the magnitude of the temperature difference, electromotive force is generated and electric current flows to generate power.
도 4에 도시된 바와 같이, 열전반도체(23)의 P형 반도체는 가열부(21)와 냉각부(22) 사이에 온도차가 발생되면 '+' 기전력이 발생되고, N형 반도체는 가열부(21)와 냉각부(22) 사이에 온도차가 발생되면 '-' 기전력이 발생되어 화살표 방향으로 전류가 발생된다.As shown in FIG. 4, when a temperature difference is generated between the heating unit 21 and the cooling unit 22 of the P-type semiconductor of the thermoelectric semiconductor 23, '+' electromotive force is generated, and the N-type semiconductor of the heating unit ( When a temperature difference is generated between 21 and the cooling unit 22, '-' electromotive force is generated to generate current in the direction of the arrow.
이와 같이 생산된 전류를 축전지(26)를 통해 저장하면, 전력을 필요로 하는 다른 전기장치들을 구동하는 전원으로 활용할 수 있다.When the current produced in this way is stored through the battery 26, it can be utilized as a power source for driving other electrical devices that require power.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열전 반도체 발전장치가 보일러의 증기식 공기예열기의 역할을 대신하는 구조를 보인 것이다.On the other hand, as shown in Figure 5, the thermoelectric semiconductor power generation apparatus according to the present invention shows a structure that takes the role of the steam type air preheater of the boiler.
즉, 종래의 증기식 공기예열기가 설치되는 부분에 열전모듈(20)이 설치되어 외기 온도가 저하되는 동절기에 공기 예열기(3)의 부식을 방지하면서, 전기를 발전시킬 수 있다.That is, the thermoelectric module 20 is installed at a portion where the conventional steam air preheater is installed, and electricity can be generated while preventing corrosion of the air preheater 3 in winter when the outside air temperature is lowered.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.In the above description, it should be understood that those skilled in the art can only make modifications and changes to the present invention without changing the gist of the present invention as it merely illustrates a preferred embodiment of the present invention.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 보일러 등의 배기가스 폐열을 이용하는 가열부 및 연소용 공기로 냉각하는 냉각부 사이의 온도차에 의해 기전력을 얻는 열전반도체를 사용하여 연소용 공기를 가열하여 보일러 열효율을 높이는 공기 예열기의 역할을 대신하면서도 전기 에너지를 얻을 수 있다.As described above, according to the present invention, the boiler thermal efficiency is improved by heating combustion air by using a thermoelectric semiconductor that obtains electromotive force by a temperature difference between a heating part using waste heat of exhaust gas such as a boiler and a cooling part cooled by combustion air. The height can take electrical energy instead of acting as an air preheater.
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