KR100624736B1 - 열병합 발전시스템 - Google Patents

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KR100624736B1
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최영섭
최창민
이재원
장세동
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Abstract

본 발명에 따른 열병합 발전시스템은 공기조화기의 냉방운전시 엔진으로부터 나온 배기가스가 배기가스 열교환기를 바이패스하도록 2개의 제 1,2배출통로로 구성됨으로써, 방열 열교환기의 체적을 감소시켜 시스템의 컴팩트화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 공기조화기의 냉방운전시 엔진의 배기가스가 통과하는 제 2배출통로상에 냉방용 소음기를 설치함으로써, 냉방운전시 배기가스의 소음이 증대되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
열병합, 엔진, 발전기, 배기가스, 배기가스 열교환기, 바이패스, 소음기

Description

열병합 발전시스템{Cogeneration system}
도 1은 종래 기술에 따른 열병합 발전시스템이 도시된 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 공기조화기가 난방운전일 때가 도시된 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 공기조화기가 냉방운전일 때가 도시된 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 엔진룸 내부가 도시된 사시도.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
50: 발전기 51: 엔진
52: 배기가스 열교환기 53: 냉각수 열교환기
54: 공기예열 열교환기 55: 열매체 순환유로
56: 열매체 순환펌프 57: 방열 열교환기
58: 방열유로 59: 밸브
60: 공기조화기 61: 압축기
62: 사방밸브 63: 실내 열교환기
64: 팽창기구 65: 실외 열교환기
71: 제 1배출통로 72: 제 2배출통로
73: 제 3배출통로 74: 제 1댐퍼
75: 제 2댐퍼 76: 냉방용 소음기
77: 냉난방용 소음기
본 발명은 열병합 발전시스템에 관한 것으로서, 특히 공기조화기의 냉방운전시 엔진의 배기가스가 배출되는 제 2배출통로에 냉방용 소음기를 설치함으로써, 냉방운전시 소음이 증대되는 것을 방지할 수 있는 열병합 발전시스템에 관한 것이다.
일반적으로 열병합 발전시스템은 코제너레이션 시스템(Cogeneration system)이라고도 불리는 것으로, 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 시스템이다.
이와 같은 열병합 발전 시스템은 엔진 또는 터빈을 구동하여 발전을 하면서 발생되는 배기가스 열 또는 냉각수의 폐열을 회수하여 종합열효율을 70~80%까지 높이는 것이 가능하여, 최근에는 건축물의 전력, 열원으로 주목받고 있으며, 특히 회수 폐열을 냉난방, 급탕 등에 많이 활용하고 있는 고효율 에너지 이용방식이다.
도 1은 종래 기술에 따른 열병합 발전시스템이 도시된 구성도이다.
종래 기술에 따른 열병합 발전시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 가스가 공급되는 엔진(1)과, 상기 엔진(1)에 의해 구동되어 전기를 생성시키는 발전기(3)와, 상기 엔진(1)을 냉각한 냉각수 열을 회수하는 냉각수 열교환기(5)와, 상기 엔진(1)의 배기가스 배출통로(7)상에 구비되어 배기가스 열을 회수하는 배기가스 열교환기(9)와, 상기 냉각수 열과 배기가스 열을 냉난방 장치(20)로 전달하는 열전달 라인(11)을 포함하여 구성된다.
상기 발전기(3)에서 생성된 전기는 냉난방 장치 또는 다른 조명 및 전자제품 등에 다양하게 이용된다.
상기 엔진(1)에서 발생된 폐열, 즉 상기 엔진(1)을 냉각하면서 발생되는 냉각수 열과, 상기 엔진(1)으로부터 배출되는 배기가스에서 발생되는 배기가스 열은 냉난방 장치(20)의 난방 운전시에 이용되는 바, 냉방 운전시에는 폐열을 방열하기 위해 열교환기(15)와 방열팬(16)으로 이루어진 방열수단이 구비된다.
상기 방열수단은 상기 냉각수 열교환기(5)와 배기가스 열교환기(9)에서 회수된 열을 대기중으로 방열시키도록 설치된 방열 열교환기(17)와, 상기 열전달 라인(11)에 연결된 방열라인(13) 상에 장착된다.
상기 냉난방 장치(20)는 히트 펌프식으로 구성되는 바, 압축기(21), 사방밸브(23), 실외 열교환기(25), 실외팬(26), 팽창장치(27), 실내 열교환기(29) 등으로 구성된다.
상기 실외 열교환기(25)측에는 상기 냉난방 장치의 난방시에 상기 엔진의 폐열을 이용하여 상기 실외 열교환기(25)를 통과하는 공기를 예열시키도록 공기예열 열교환기가 구비된다.
상기 공기예열 열교환기(30)는 상기 냉각수 열교환기(5) 및 배기가스 열교환기(9)와 상기 열전달 라인(11)으로 연결된다.
도 1에서 참조부호 P는 각 라인의 열전달 매체를 유동시키는 펌프이고, V는 상기 열전달라인에서 방열라인으로 유로를 전환하는 밸브이다.
상기와 같이 구성된 종래 기술에 따른 열병합 발전 시스템의 작동을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 냉난방 장치(20)의 난방운전시, 상기 엔진(1)으로부터 배출된 배기가스와 냉각수의 열이 회수되어 상기 공기예열 열교환기(30)를 통해 실외 공기를 예열하고, 이 예열된 공기가 상기 실외 열교환기(25)를 열교환시킴으로써 외기 온도가 낮은 경우에 발생할 수 있는 히트 펌프의 난방 능력 저하를 방지할 수 있게 된다.
한편, 상기 냉난방 장치(20)가 냉방 운전될 때는 상기 배기가스 열교환기(9)와 냉각수 열교환기(5)에 의해 회수된 폐열이 필요치 않으므로, 상기 방열 라인(13)으로 유로를 변경하여 상기 방열 열교환기(17)를 통해 회수된 폐열을 외부로 방열시킨다.
그러나, 종래 기술에 따른 열병합 발전시스템은 폐열이 필요하지 않는 냉방운전시에도 상기 배기가스 열교환기(9)를 통해 폐열을 회수하도록 구성됨으로써, 회수된 폐열을 방출시키기 위한 상기 방열 열교환기(17)가 필요하며, 상기 방열 열교환기(17)의 체적으로 인해 시스템의 크기를 축소하는 데 한계가 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 냉방운전시에는 배기가스의 열을 회수하지 않고 외부로 방출시킴으로써, 방열 열교환기의 체적을 감소시킬 수 있어 시스템의 컴팩트화를 도모할 수 있는 열병합 발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 열병합 발전시스템은 발전기와, 상기 발전기를 구동시킴과 아울러 열을 발생시키는 구동원과, 압축기와 사방밸브와 실내 열교환기와 팽창기구와 실외 열교환기를 포함하는 공기조화기와, 상기 공기조화기의 난방운전시 상기 구동원으로부터 나온 배기가스가 배출되도록 형성된 제 1배출통로와, 상기 제 1배출통로상에 설치되어, 상기 구동원의 폐열을 회수하는 배기가스 열교환기와, 상기 공기조화기의 냉방운전시 상기 구동원으로부터 나온 배기가스가 상기 배기가스 열교환기를 바이패스하고 외부로 방출되도록 형성된 제 2배출통로와, 상기 제 2배출통로상에 설치되어, 상기 공기조화기의 냉방운전시 상기 구동원으로부터 나온 배기가스의 소음을 저감시키는 냉방용 소음기를 포함하여 구 성된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 공기조화기가 난방운전일 때가 도시된 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 공기조화기가 냉방운전일 때가 도시된 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 엔진룸 내부가 도시된 사시도이다.
본 발명에 따른 열병합 발전시스템은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 발전기(50)와, 상기 발전기(50)가 전력을 생산하도록 상기 발전기(50)를 구동시킴과 아울러 열을 발생시키는 구동원과, 압축기(61)와 사방밸브(62)와 실내 열교환기(63)와 팽창기구(64)와 실외 열교환기(65)를 포함하는 공기조화기(60)와, 상기 구동원의 폐열을 회수하는 폐열 회수수단과, 상기 폐열 회수수단에서 회수된 열을 상기 공기조화기(60)에 공급하는 폐열 공급수단을 포함하여 구성된다.
상기 발전기(50)는 교류 발전기와 직류 발전기 중 어느 하나로서, 상기 구동원의 출력축에 회전자가 연결되어 상기 출력축의 회전시 전력을 생산하도록 구성된다.
상기 구동원은 엔진(51)이나 연료전지 등이 사용되어지는 바, 여기서는 엔진(51)으로 한정하여 설명한다.
상기 폐열 회수수단은 상기 엔진(51)에서 나온 배기가스의 열을 회수하는 배기가스 열교환기(52)와, 상기 엔진(51)을 냉각한 냉각수 열을 회수하는 냉각수 열 교환기(53)로 이루어진다.
그리고, 상기 폐열 공급수단은 상기 배기가스 열교환기(52)와 냉각수 열교환기(53)에서 회수된 폐열을 이용하여 상기 실외 열교환기(65)를 통과하는 공기를 예열시키는 공기예열 열교환기(54)이다.
상기 배기가스 열교환기(52)와 냉각수 열교환기(53)는 열매체 순환유로(55)에 의해 상기 공기예열 열교환기(54)에 연결된다.
상기 열매체 순환유로(55)에는 상기 배기가스 열교환기(52)와 냉각수 열교환기(53)에서 가열된 열매체를 순환 펌핑시키도록 순환펌프(56)가 설치된다.
한편, 상기 열병합 발전시스템은 상기 공기조화기(60)의 난방운전시 상기 엔진(51)으로부터 나온 배기가스가 배출되도록 형성된 제 1배출통로(71)와, 상기 공기조화기(60)의 냉방운전시 상기 엔진(51)으로부터 나온 배기가스가 상기 배기가스 열교환기(52)를 바이패스하고 외부로 방출되도록 형성된 제 2배출통로(72)를 더 포함하여 구성된다.
상기 제 1배출통로(71)상에는 상기 배기가스 열교환기(52)가 설치된다.
상기 제 1,2배출통로(71)(72)의 각 출구측은 상기 제 1,2배출통로(71)(72)를 통과한 배기가스를 외부로 배출시키는 제 3배출통로(73)에 의해 합지된다.
상기 제 1배출통로(71)에는 상기 공기조화기(60)의 난방운전시 상기 제 1배출통로(71)를 개방하고, 냉방운전시에는 상기 제 1배출통로(71)를 차단하는 제 1개폐수단이 설치된다.
상기 제 2배출통로(72)에는 상기 공기조화기(60)의 난방운전시 상기 제 2배 출통로(72)를 차단하고, 냉방운전시에는 상기 제 2배출통로(72)를 개방하는 제 2개폐수단이 설치된다.
상기 제 1,2개폐수단은 상기 제 1,2배출통로(71)(72)에 회동가능하게 각각 설치된 제 1,2댐퍼(74)(75)이고, 상기 제 1,2댐퍼(74)(75)에는 상기 제 1,2댐퍼(74)(75)를 회동시키는 모터(미도시)가 장착된다.
한편, 상기 열병합 발전시스템은 상기 제 2배출통로(72)상에 설치되어, 상기 공기조화기(60)의 냉방운전시 상기 엔진(51)으로부터 나온 배기가스의 소음을 저감시키는 냉방용 소음기(76)를 더 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 제 3배출통로(73)상에는 상기 제 1,2배출통로(71)(72)에서 배출된 배기가스의 소음을 저감시키는 냉난방용 소음기(77)가 설치된다.
또한, 상기 열병합 발전시스템은 상기 공기조화기(60)의 냉방 운전시 상기 냉각수 열교환기(53)에서 회수된 열이나, 난방운전시 잉여 열을 외부로 방출하기 위한 방열수단을 더 포함하여 구성된다.
상기 방열수단은 상기 냉각수 열교환기(53)와 배기가스 열교환기(52)에서 회수된 열을 대기중으로 방열시키도록 설치된 방열 열교환기(57)와, 상기 열매체 순환유로(55)에 연결되어 상기 방열 열교환기(57)로 열매체를 안내하는 방열유로(58)로 이루어진다.
상기 방열유로(58)와 열매체 순환유로(55)의 연결부분에는 상기 공기조화기의 냉,난방 운전에 따라 상기 방열유로(58)와 열매체 순환유로(55)를 선택적으로 개폐시키는 밸브(59)가 설치된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 작동을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 엔진(51)이 구동되면, 상기 발전기(50)는 전력을 생산하고, 생산된 전력은 상기 공기조화기(60) 등으로 공급된다.
여기서, 상기 공기조화기(60)의 난방운전시는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제 2댐퍼(75)가 상기 제 2배출통로(72)를 차단하고, 상기 제 1댐퍼(74)가 상기 제 1배출통로(71)를 개방시키게 된다.
따라서, 상기 엔진(51)으로부터 나온 배기가스는 상기 제 1배출통로(71)를 통해 상기 배기가스 열교환기(52)로 유입되어, 상기 배기가스 폐열이 상기 배기가스 열교환기(52)에서 회수되게 되고, 상기 엔진(51)의 냉각수 폐열은 상기 냉각수 열교환기(53)에서 회수된다.
이 때, 배기가스가 상기 배기가스 열교환기(52)를 통과하면서, 상기 배기가스 열교환기(52)에서 배기가스의 배출 압력이 저감되게 되므로, 상기 배기가스 열교환기(52)는 난방운전시 소음기의 역할도 하게 된다.
그리고, 상기 밸브(59)는 상기 방열유로(58)를 차폐시킴과 아울러 상기 열매체 순환유로(55)를 개방시켜, 상기 배기가스 열교환기(52)와 냉각수 열교환기(53)를 통과하면서 가열된 열매체가 상기 공기예열 열교환기(54)로 유입되도록 한다.
즉, 상기 열매체 순환유로(55)상의 열매체는 상기 열매체 순환펌프(56)에 의해 펌핑되어, 상기 냉각수 열교환기(53)와 배기가스 열교환기(52)를 차례로 통과한 후, 상기 공기예열 열교환기(54)로 유입되어 상기 실외 열교환기(65)로 유입되는 실외 공기를 예열하고, 이 예열된 공기가 상기 실외 열교환기(65)를 열교환시킴으로써, 외기온도가 낮은 경우에 발생할 수 있는 난방능력 저하를 방지할 수 있게 된다.
그리고, 상기 배기가스 열교환기(52)를 통과한 배기가스는 상기 제 3배출통로(73)를 통과하는 바, 이 때 냉난방용 소음기(77)를 통과하면서 배출소음이 저감되게 된다.
반면에, 상기 공기조화기(60)의 냉방운전시에는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제 2댐퍼(75)가 상기 제 2배출통로(72)를 개방하게 되고, 상기 제 1댐퍼(74)는 상기 제 1배출통로(71)를 차단하게 된다.
따라서, 상기 엔진(51)으로부터 배출된 배기가스는 상기 배기가스 열교환기(52)를 바이패스하고, 상기 제 2,3배출통로(72)(73)를 차례로 거친 후 외부로 배출되게 된다.
이 때, 배기가스가 상기 제 2배출통로(72)를 통과하면서, 상기 냉방용 소음기(76)를 거치게 되므로, 배기가스의 배출소음이 1차적으로 저감되게 된다.
이후, 상기 제 2배출통로(72)를 통과한 배기가스가 상기 제 3배출통로(73)를 통과하면서, 배기가스의 배출소음이 2차적으로 저감되게 된다.
즉, 냉방운전시 배기가스가 소음기 역할을 하는 상기 배기가스 열교환기(52)를 바이패스함으로 인해 소음이 증대될 수 있으나, 제 2배출통로(72)상에 냉방용 소음기(77)를 설치함으로써, 냉방운전시에도 배기가스의 배출소음을 저감시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 엔진(51)의 냉각수 폐열은 상기 냉각수 열교환기(53)에서 회수되는 바, 상기 밸브(59)가 상기 방열유로(58)를 개방시키게 되어, 상기 열매체 순환유로(55)상의 열매체의 열은 상기 방열 열교환기(57)를 통해 외부로 방출된다.
따라서, 상기 공기조화기(60)의 냉방운전시 상기 엔진(51)의 배기가스로부터 열을 회수하지 않고 외부로 직접 방출시키도록 구성되어, 상기 방열 열교환기(57)는 상기 냉각수 열교환기(53)에서 회수된 열이나 난방운전시 잉여 열만을 방출시키게 되므로 상기 방열 열교환기(57)의 체적을 감소시킬 수 있게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 열병합 발전시스템은 공기조화기의 냉방운전시 엔진으로부터 나온 배기가스가 배기가스 열교환기를 바이패스하도록 2개의 제 1,2배출통로로 구성됨으로써, 방열 열교환기의 체적을 감소시켜 시스템의 컴팩트화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 공기조화기의 냉방운전시 엔진의 배기가스가 통과하는 제 2배출통로상에 냉방용 소음기를 설치함으로써, 냉방운전시 배기가스의 소음이 증대되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 발전기와;
    상기 발전기를 구동시킴과 아울러 열을 발생시키는 구동원과;
    압축기와 사방밸브와 실내 열교환기와 팽창기구와 실외 열교환기를 포함하는 공기조화기와;
    상기 공기조화기의 난방운전시 상기 구동원으로부터 나온 배기가스가 배출되도록 형성된 제 1배출통로와;
    상기 제 1배출통로상에 설치되어, 상기 구동원의 폐열을 회수하는 배기가스 열교환기와;
    상기 공기조화기의 냉방운전시 상기 구동원으로부터 나온 배기가스가 상기 배기가스 열교환기를 바이패스하고 외부로 방출되도록 형성된 제 2배출통로와;
    상기 제 2배출통로상에 설치되어, 상기 공기조화기의 냉방운전시 상기 구동원으로부터 나온 배기가스의 소음을 저감시키는 냉방용 소음기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열병합 발전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1,2배출통로의 각 출구측은 상기 제 1,2배출통로를 통과한 배기가스를 외부로 배출시키는 제 3배출통로에 합지된 것을 특징으로 하는 열병합 발전시스 템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열병합 발전시스템은 상기 제 3배출통로에 설치되어 상기 제 1,2배출통로에서 배출된 배기가스의 소음을 저감시키는 냉난방용 소음기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1배출통로에는 상기 공기조화기의 냉방운전시 상기 제 1배출통로를 차단하고, 상기 공기조화기의 난방운전시에는 상기 제 1배출통로를 개방하는 제 1개폐수단이 설치된 것을 특징으로 하는 열병합 발전시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2배출통로에는 상기 공기조화기의 난방운전시 상기 제 2배출통로를 차단하고, 상기 공기조화기의 냉방운전시에는 상기 제 2배출통로를 개방하는 제 2개폐수단이 설치된 것을 특징으로 하는 열병합 발전시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1,2개폐수단은 댐퍼인 것을 특징으로 하는 열병합 발전시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열병합 발전시스템은 상기 실외 열교환기측에 설치되어, 상기 구동원에서 회수된 폐열을 이용하여 상기 실외 열교환기를 통과하는 공기를 예열시키는 공기예열 열교환기를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열병합 발전시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동원은 엔진과 연료 전지 중 하나인 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
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