KR100553477B1 - 엔진 폐열을 이용한 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 입출수관(11)(12)을 통하여 유동되는 용수가 엔진의 폐열에 의해 가열되도록 하는 열교환기에 있어서: 전후방이 개방되는 통형의 내부공간이 다수의 배플(26)에 의해 구획되고, 상기 내부공간의 상하류를 연통하는 입출수관(11)(12)을 구비하는 본체(10); 상기 본체(10)의 양단에서 독립된 상부공간과 하부공간을 형성하도록 결합되고, 상부공간으로 배기입출구관(13)(14)과 하부공간으로 냉각수입출구관(15)(16)을 구비하는 커버(20); 상기 양측 커버(20)의 상부공간을 서로 연통하도록 본체(10)를 통과하여 설치되는 상부관체(23); 및 상기 양측 커버(20)의 하부공간을 서로 연통하도록 본체(10)를 통과하여 설치되는 하부관체(25);를 포함하여 이루어진다.

효과에 있어서, 산업용으로나 가정용으로 폭넓게 활용함에 따라 연간 전국적으로 소비되는 온수용 보일러의 기름 사용을 크게 절감할 수 있다.

열교환기, 엔진, 발전기, 폐열, 냉각수, 배기가스

Description

엔진 폐열을 이용한 열교환기{Heat exchanger using engine waste heat}

도 1은 본 발명에 따른 열교환기의 요부 구성을 간략화한 종단면도,

도 2는 도 1의 좌측면도 및 A-A 부분을 절단한 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 사용상태를 나타내는 도식도,

도 4는 본 발명의 변형예에 따른 열교환기를 나타내는 단면도 및 좌측면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10: 본체 11: 입수관

12: 출수관 17: 플랜지

18: 기밀판 20: 커버

21: 수평격판 22: 수직격판

23: 상부관체 25: 하부관체

26: 배플 30: 외통

본 발명은 엔진 폐열을 이용한 열교환기에 관한 것으로서, 특히 엔진구동형 발전기에서 방출되는 폐열을 이용하여 난방용 온수를 필요로 하는 산업용으로나 가정용으로 활용하는 엔진 폐열을 이용한 열교환기에 관한 것이다.

통상적으로 육지 전력이 도달되지 않는 산간 도서 지역에 풍력, 태양력, 조력 발전 등의 다양한 전력원을 도입하기 위한 시도가 계속되기는 하지만 설치비와 유지관리비를 고려할 때 아직까지 디젤 엔진을 구동원으로 하는 발전기가 경제성 측면에서 유리하기 때문에 가장 많이 보급되어 있는 실정이다.

이러한 디젤엔진 발전기에서 배출되는 배기 폐열은 엔진 출력에 따라 차이가 있지만 대략적으로 500-800℃ 범위인데, 폐기되는 열에너지를 재활용한다면 난방이나 온수를 제공하는 기존의 보일러 시설에 대한 보조적인 기능을 충분히 발휘할 수 있다. 이는 비단 영세한 산간 도서 지역주민을 포함한 일반 가정에만 국한되는 문제가 아니라 고유가 시대를 맞이하여 디젤엔진을 활용하는 선박이나 기타 산업현장에 있어서도 절실하고 유용한 방안이 된다.

그런데 종래에는 엔진의 방열이 이루어지는 배기계, 냉각수계, 라디에터 등 주요 부분에서 총체적으로 폐열을 회수 장치가 없기 때문에 대부분 그대로 대기에 버려지거나 부분적으로 수거하여 활용하지만 그 효율이 높지 않아 자원 재활용을 위한 대안으로 인식되지 못한다.

본 발명은 정치식 엔진구동형 발전기에서 방출되는 폐열을 이용하여 난방용 온수를 필요로 하는 산업용으로나 가정용으로 폭넓게 활용함에 따라 연간 전국적으 로 소비되는 온수용 보일러의 기름 사용을 크게 절감할 수 있는 엔진 폐열을 이용한 열교환기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 입출수관(11)(12)을 통하여 유동되는 용수가 엔진의 폐열에 의해 가열되도록 하는 열교환기에 있어서: 전후방이 개방되는 통형의 내부공간이 다수의 배플(26)에 의해 구획되고, 상기 내부공간의 상하류를 연통하는 입출수관(11)(12)을 구비하는 본체(10); 상기 본체(10)의 양단에서 독립된 상부공간과 하부공간을 형성하도록 결합되고, 상부공간으로 배기입출구관(13)(14)과 하부공간으로 냉각수입출구관(15)(16)을 구비하는 커버(20); 상기 양측 커버(20)의 상부공간을 서로 연통하도록 본체(10)를 통과하여 설치되는 상부관체(23); 및 상기 양측 커버(20)의 하부공간을 서로 연통하도록 본체(10)를 통과하여 설치되는 하부관체(25);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 양측의 커버(20)는 그 하부공간을 다시 양분하여 격리하도록 수직격판(22)을 더 구비하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 변형예로서 상기 본체(10)의 외면을 기밀되게 감싸는 공간을 형성하고 그 공간을 유입출관(31)(32)에 의해 연통하는 외통(30)을 더 구비하는 구성도 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기의 요부 구성을 간략화한 종단면도, 도 2는 도 1의 좌측면도 및 A-A 부분을 절단한 단면도이다.

본 발명은 입출수관(11)(12)을 통하여 유동되는 용수가 엔진의 폐열에 의해 가열되도록 하는 열교환기에 관련된다. 특히 난방 또는 온수로 활용하기 위한 용수가 소정의 정해진 관로를 통과하는 동안 엔진의 주요부에서 발생되는 폐열과 동시에 집중적으로 열교환되도록 하는 구성을 제안한다.

본 발명에 따르면 전후방이 개방되는 통형의 내부공간이 다수의 배플(26)에 의해 구획되는 본체(10)를 제공한다. 그리고 본체(10)에는 상기 내부공간의 상하류를 연통하는 입출수관(11)(12)이 구비된다. 본체(10)는 스테인레스 소재의 원통형이 좋으나 엔지니어링 플라스틱과 같은 단열성 소재를 사용할 수도 있다. 본체(10)의 내부에 균일한 간격으로 위치하는 배플(26)은 내부공간상에 지그재그 유로를 형성하도록 내부공간의 상면 및 하면에 각각 교호로 접합된다. 지그재그 유로의 상류단에는 입수관(11)이, 하류단에는 출수관(12)이 각각 설치된다.

또, 본 발명에 따르면 상기 본체(10)의 양단에서 독립된 상부공간과 하부공간을 형성하도록 커버(20)가 결합된다. 도 1의 확대도처럼 본체(10)와 커버(20)는 플랜지(17)를 형성하여 볼트로 체결하는 방식으로 결합하며 그 결합면에 기밀성, 내열성, 내화학성이 좋은 패킹(19)을 삽입한다.

도 1 및 도 2처럼 커버(20)가 본체(10)와 격리되는 독립 공간을 지니도록 플랜지(17) 사이에는 기밀판(18)을 개재시키고, 그 독립공간을 다시 상하로 격리되게 분리하도록 수평격판(21)을 개재시킨다. 도시에는 구체적인 구성이 생략되나 수평 격판(21)에서 본체(10)를 통과하는 부분은 그 내부공간이 상하로 분리되지 않고 연통되도록 다공을 형성한다. 이와 같이 하면 본체(10)와 커버(20)로 이루어지는 열교환기는 일단 적어도 5개의 독립공간을 구비한다.

이러한 일측(전방) 커버(20)의 상부공간에는 배기입구관(13)이 구비되고, 타측(후방) 커버(20)의 상부공간에는 배기출구관(14)이 구비된다. 냉각수입구관(15)은 전방 커버(20)의 하부공간에 구비된다. 반면 냉각수출구관(16)은 후방 커버(20)의 하부공간에 구비할 수도 있으나 후술하는 것처럼 냉각수입구관(15)과 같은 위치에 구비할 수도 있다.

또, 본 발명에 따르면 상기 양측 커버(20)의 상부공간을 서로 연통하도록 본체(10)를 통과하여 상부관체(23)가 설치되고, 상기 양측 커버(20)의 하부공간을 서로 연통하도록 본체(10)를 통과하여 하부관체(25)가 설치된다. 실제 제작에 있어 상하부관체(23)(25)는 기밀판(18) 및 배플(26)과 함께 가조립된 상태로 본체(10)에 삽착되고 마지막으로 커버(20)가 결합된다. 이러한 구성에 따라 배기입구관(13)을 통해 전방 커버(20)의 상부공간으로 유입된 배기가스는 상부관체(23)를 통해 후방 커버(20)의 상부공간에서 배기출구관(14)으로 토출된다.

이때, 도 2를 참조하면 상기 양측의 커버(20)는 그 하부공간을 다시 양분하여 격리하도록 수직격판(22)을 더 구비하는 것도 가능하다. 전술한 수평격판(21)은 본체(10)를 관통하여도 무방하지만 수직격판(22)은 본체(10)를 거치지 않고 커버(20)에만 국한되도록 설치한다. 이 구성은 냉각수의 열교환 유동거리를 2배로 증대하는 기능도 하지만 냉각수입구관(15)과 냉각수출구관(16)을 동일한 위치에 두어 배관을 용이하게 하는 측면도 있다. 물론 이러한 구성을 채용하기 위해 상부관체(23)는 직관으로 하는 반면 하부관체(25)는 U형으로 절곡되어야 한다.

전후방의 커버(20)는 분리가 가능하므로 배기가스가 통과하는 수십개의 상부관체(23)를 때때로 청소하여 설계 효율을 유지 관리하는데 편리하다.

한편 본체(10)를 포함한 모든 부분은 내부식성 및 내열성이 좋은 스테인레스강 또는 동급 이상의 재질을 사용하는 것이 좋다. 본체(10)와 커버(20)의 외부로 노출되는 면에는 단열재(도시 생략)를 씌우는 것이 바람직하나 경우에 따라 그대로 둘 수도 있다. 즉 열교환기 표면에서 발생되는 더운 공기를 송풍기를 이용하여 농작물의 건조나 기타 더운 공기를 필요로 하는 장소로 보낼 수도 있다.

도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 사용상태를 나타내는 도식도이다.

배기입구관(13)은 배기매니폴드(3)로 배관 연결하고, 배기출구관(14)는 머플러(도시 생략)로 배관 연결하고, 냉각수입구관(15)은 순환펌프(5)로 배관 연결하고, 냉각수출구관(16)은 라디에터(4)의 유입관(6)으로 배관 연결한다. 이때의 배관 길이를 줄이도록 본 발명의 열교환기는 가급적 엔진에 가깝도록 설치한다. 디젤 엔진에 있어 배기가스의 배압(back pressure)이 적절하게 유지되도록 상부관체(23)를 통과하는 관로손실 만큼 머플러의 용량을 축소한다. 원활한 엔진냉각 기능을 위해서는 순환펌프(5)의 용량을 약간 증대하는 것이 좋다. 이에 따라 용수, 배기가스, 냉각수가 각각 독립된 유로상으로 유동하면서 동시에 열교환이 발생한다.

도 4는 본 발명의 변형예에 따른 열교환기를 나타내는 단면도 및 좌측면도가 도시된다.

본 발명의 변형예로서 상기 본체(10)의 외면을 기밀되게 감싸는 공간을 형성하고 그 공간을 유입출관(31)(32)에 의해 연통하는 외통(30)을 더 구비하는 구성도 가능하다. 본체(10), 커버(20), 수평격판(21), 수직격판(22), 상부관체(23), 하부관체(25) 등 주요부는 전술한 도 1과 동일하게 적용한다. 외통(30)은 얇은 철판이나 함석판을 사용하여도 무방하며, 본체(10)와 일정한 간격을 두고 감싸도록 설치된다. 그다지 높은 기밀성을 요하지 않으므로 도 5처럼 밴드(35)를 사용하여 결합할 수도 있다.

외통(30)의 유입관(31)은 발전실 내에 있는 온기를 포집하여 보낼수 있도록 배관 연결한다. 예컨대 도 3의 라디에터(4)에서 발생되는 온기를 별도의 배관으로 모아 외통(30)으로 넣을 수 있다.

경제적인 효과면에서, 엔진 구동용 발전기가 주로 저녁 6시부터 다음날 오전 8시까지 가동된다면 본 발명의 열교환기와 가정용 보일러를 병용하는 경우 연간 약100억원 정도 절감되는 것으로 추산된다.

이에 따라 본 발명의 엔진 폐열을 이용한 열교환기는 정치식 엔진구동형 발전기에서 방출되는 폐열을 이용하여 난방용 온수를 필요로 하는 산업용으로나 가정용으로 폭넓게 활용함에 따라 연간 전국적으로 소비되는 온수용 보일러의 기름 사용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 입출수관(11)(12)을 통하여 유동되는 용수가 엔진의 폐열에 의해 가열되도록 하는 열교환기에 있어서:

   전후방이 개방되는 통형의 내부공간이 다수의 배플(26)에 의해 구획되고, 상기 내부공간의 상하류를 연통하는 입출수관(11)(12)을 구비하는 본체(10);

   상기 본체(10)의 양단에서 독립된 상부공간과 하부공간을 형성하도록 결합되고, 상부공간으로 배기입출구관(13)(14)과 하부공간으로 냉각수입출구관(15)(16)을 구비하는 커버(20);

   상기 양측 커버(20)의 상부공간을 서로 연통하도록 본체(10)를 통과하여 설치되는 상부관체(23); 및

   상기 양측 커버(20)의 하부공간을 서로 연통하도록 본체(10)를 통과하여 설치되는 하부관체(25);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용한 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 양측의 커버(20)는 그 하부공간을 다시 양분하여 격리하도록 수직격판(22)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용한 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 본체(10)의 외면을 기밀되게 감싸는 공간을 형성하고 그 공간을 유입출관(31)(32)에 의해 연통하는 외통(30)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용한 열교환기.

Images