KR100649597B1 - 열병합 시스템의 배기가스 열교환기 - Google Patents

열병합 시스템의 배기가스 열교환기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 열병합시스템의 배기가스 열교환기는 배기가스 배출관은 적어도 일부분이 배기가스 온도에 의한 열팽창 및 수축이 가능토록 주름관부로 이루어짐으로써, 고온의 배기가스가 통과시 반복된 열팽창과 수축 등으로 인한 배기가스 배출관의 손상 및 파괴가 방지될 수 있는 효과가 있다.
열병합 시스템, 코제너레이션, 배기가스, 열교환기, 쉘, 배출관, 주름관

Description

열병합 시스템의 배기가스 열교환기 {Exhaust gas heat exchanger for cogeneration system}
도 1은 종래 기술에 따른 열병합 시스템이 도시된 구성도,
도 2는 종래 기술에 따른 배기가스 열교환기가 도시된 일부 절결 사시도,
도 3은 종래 기술에 따른 배기가스 열교환기가 도시된 종단면도,
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 열병합 시스템의 배기가스 열교환기가 도시된 일부 절결 사시도,
도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 배기가스 열교환기가 도시된 종단면도,
도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 배기가스 열교환기가 도시된 종단면도,
도 7은 본 발명의 제 3실시예에 따른 배기가스 열교환기가 도시된 종단면도,
도 8은 본 발명의 제 4실시예에 따른 배기가스 열교환기가 도시된 종단면도.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
50: 쉘 51: 배기가스 입구부
52: 배기가스 출구부 53: 배기가스 배출관
54: 냉각수 입구 55: 냉각수 출구
56: 제 1격리판 57: 제 2격리판
58: 연결홀 59: 하부 차단판
60: 상부 차단판 61: 관통홀
본 발명은 열병합 시스템에 관한 것으로서, 특히 배기가스 배출관이 고온의 배기가스로 인한 열팽창 및 수축이 가능한 주름관부로 형성되어, 배기가스 배출관의 손상 및 파괴를 방지하여 내구성이 향상되고, 열전달 면적이 증대되어 열전달 효율이 향상될 수 있는 열병합 시스템의 배기가스 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 열병합 시스템은 코제너레이션 시스템(Cogeneration system)이라고도 불리는 것으로, 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 시스템이다.
이와 같은 열병합 시스템은 엔진 또는 터빈을 구동하여 발전을 하면서 발생되는 배기가스 열 또는 냉각수의 폐열을 회수하여 종합열효율 70~80%까지 높이는 것이 가능하여, 최근에는 건축물의 전력, 열원으로 주목받고 있으며, 특히 회수 폐열을 냉난방, 급탕 등에 많이 활용하고 있는 고효율 에너지 이용 방식이다.
도 1은 종래 기술에 따른 냉난방 장치에 활용되는 열병합 시스템이 도시된 구성도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 배기가스 열교환기가 도시된 일부 절결 사시도이고, 도 3은 종래 기술에 따른 배기가스 열교환기가 도시된 종단면도이다.
종래 기술에 따른 열병합 시스템은 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 전자 제품 등에 다양하게 이용하게 된다.
그리고, 상기 엔진(1)에서 발생되는 폐열, 즉 상기 엔진(1)을 냉각하면서 발생되는 냉각수 열과, 상기 엔진(1)으로부터 배출되는 배기 가스에서 발생되는 배기가스 열은 냉난방 장치(20)의 난방 운전시에 이용되는 바, 냉방 운전시에는 폐열을 방열하기 위해 열교환기(15)와 방열팬(16)으로 이루어진 방열장치(17)가 구비된다.
상기 냉난방 장치(20)는 냉방 장치로 사용할 수 있는 동시에 냉동 사이클의 냉매 흐름을 반대로 하여 난방 장치로도 사용할 수 있는 히트 펌프식으로 구성되는 데, 통상의 히트 펌프식 구성과 같이, 압축기(21), 사방 밸브(23), 실외 열교환기(25), 실외팬(26), 팽창장치(27), 실내 열교환기 (29)등으로 구성된다.
상기 실외 열교환기(25) 측에는 상기 냉난방 장치(20)의 난방시에 상기 엔진(1)의 폐열을 이용하여 상기 실외 열교환기(25)를 통과하는 공기를 예열시키도 록 공기예열 열교환기(30)가 구비된다.
상기 공기예열 열교환기(30)는 상기 냉각수 열교환기(5) 및 배기가스 열교환기(9)와 상기 열전달 라인(11)으로 연결된다.
따라서, 상기 냉난방 장치(20)가 난방 운전될 때, 상기 냉각수 열 및 배기가스 열 등의 폐열을 회수하여 상기 공기 예열 열교환기(30)를 통해 실외 공기를 예열하고, 이 예열된 공기는 상기 실외 열교환기(25)를 열교환시킴으로써 외기온도가 낮은 경우에 발생할 수 있는 히트 펌프의 난방 능력 저하를 방지할 수 있게 된다.
한편, 상기 냉난방 장치(20)가 냉방 운전될 때는 폐열의 공급이 필요하지 않으므로 상기 열전달 라인(11)에 연결되는 방열라인(13)으로 유로를 변경하여 상기 방열장치(17)를 통해 폐열을 외부로 방열시키거나, 급탕이나 온수 공급 장치 등의 또 다른 시스템에 제공하여 활용하고 있다.
도 1에서 참조 부호 P는 각 라인의 열전달 매체를 유동시키는 펌프이고, V는 상기 열전달 라인(11)에서 방열 라인(13)으로 유로를 전환하는 밸브를 나타낸다.
한편, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 배기가스 열교환기(9)는 양단에 배기가스 입구부(41) 및 출구부(42)가 형성되고, 측면에 냉각수 입구(43) 및 출구(44)가 형성된 쉘(40)과, 상기 쉘(40)의 내부에 구비되어 배기가스의 유로를 형성하는 다수개의 배기가스 배출관(45)과, 상기 배기가스 입구부(41)와 출구부(42)측에 각각 구비되어 배기가스 유로와 냉각수 유로를 격리시키는 제 1,2격리판(46)(47)과, 상기 쉘(40)의 내부에 구비되어 냉각수 유로를 변경시키는 차단판(48)으로 구성된다.
상기 다수개의 배기가스 배출관(45)은 양단이 각각 상기 제 1,2격리판(46)(47)에 형성된 다수개의 연결홀에 연결된다.
그리고, 상기 제 1격리판(46)은 상기 쉘(40)의 내면에 용접에 의해 고정되고, 상기 제 2격리판(47)과 쉘(40)의 내면 사이에는 배기가스의 높은 온도로 인한 열팽창을 고려하여 O-링(49)이 장착된다.
따라서, 상기 엔진(1)으로부터 배출된 배기가스는 상기 배기가스 입구부(41), 배기가스 배출관(45), 배기가스 출구부(42)를 차례로 통과하는 바, 상기 쉘(40)의 내부로 유입된 냉각수와 상기 배기가스 배출관(45)사이에 열전달이 발생되어, 냉각수가 배기가스의 열을 흡수한 후, 상기 공기 예열 열교환기(30)측으로 이동하여 실외 공기를 예열하게 된다.
그러나, 종래 기술에 따른 열병합 시스템의 배기가스 열교환기(9)는 고온의 배기가스로 인해 반복적인 열팽창 및 수축이 발생되면서 상기 O-링(49)에 마모가 발생하게 되고, 상기 O-링(49)의 마모로 인해 냉각수가 상기 배기가스 출구부(42)측으로 누설되게 되어, 엔진 등의 주요 부품에 손상을 일으키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 배기가스 열교환기의 배기가스 배출관이 주름관으로 형성됨으로써, 고온의 배기가스로 인한 배기가스 배출관의 손상이 방지됨과 아울러 냉각수의 누설이 방지될 수 있는 열병합 시스템의 배기가스 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 열병합시스템의 배기가스 열교환기는 엔진으로부터 배출된 배기가스가 통과하도록 배기가스 입구부 및 출구부가 형성된 쉘과; 상기 배기가스 입구부와 출구부를 연결하여 배기가스 유로를 형성하고 적어도 일부분이 주름관부로 이루어진 배기가스 배출관과; 상기 배기가스 입구부와 출구부 사이를 격리시켜 냉각수 유로를 형성하는 복수개의 격리판과; 상기 냉각수 유로를 변경하도록 상기 쉘의 내부에 설치된 적어도 하나 이상의 차단판을 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 열병합 시스템의 배기가스 열교환기가 도시된 일부 절결 사시도이고, 도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 배기가스 열교환기가 도시된 내부 구성도이다.
본 발명의 제 1실시예에 따른 열병합 시스템의 배기가스 열교환기는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 엔진(미도시)으로부터 배출된 배기가스가 통과하도록 배기가스 입구부(51) 및 출구부(52)가 형성된 쉘(50)과, 상기 배기가스 입구부(51)와 출구부(52)를 연결하여 배기가스 유로를 형성하는 다수개의 배기가스 배출관(53)과, 상기 배기가스 입구부(51)와 출구부(52) 사이에 구비되어 상기 쉘(50)의 내부 로 냉각수를 유출입시키는 냉각수 입구(54) 및 출구(55)를 포함하여 구성된다.
상기 쉘(50)은 상기 엔진(미도시)으로부터 배기가스가 배출되는 배출 통로(미도시)상에 위치되고, 상기 배기가스 입구부(51)와 출구부(52)는 상기 배출 통로(미도시)와 연통된다.
그리고, 상기 쉘(50)에는 상기 배기가스 입구부(51)와 출구부(52) 사이를 격리시켜 냉각수 유로를 형성하는 제 1,2격리판(56)(57)이 구비된다.
상기 제 1,2격리판(56)(57)은 상기 쉘(50)의 내면에 용접 등에 의해 고정되는 바, 상기 제 1,2격리판(56)(57)은 상기 다수개의 배기가스 배출관(53)의 양단이 연결되도록 다수개의 연결홀(58)이 각각 형성된다.
또한, 상기 쉘(50)의 내부에는 냉각수의 유로를 변경시켜 열전달 효율을 증대시키기 위한 차단판이 구비된다.
상기 차단판은 상기 쉘(50)의 내측 하부에서 상부를 향해 돌출되도록 구비된 하부 차단판(59)과, 상기 쉘(50)의 내측 상부에서 하부를 향해 돌출되도록 구비된 상부 차단판(60)으로 구성된다.
상기 하부 차단판(59)과 상부 차단판(60)은 배기가스가 통과하는 방향으로 소정간격 이격된 위치에 적어도 하나 이상이 구비되는 바, 여기서는 상기 하부 차단판(59)이 두 개가 구비되고, 두 개의 하부 차단판(59) 사이에 한 개의 상부 차단판(60)이 위치된 것으로 한정하여 설명한다.
그리고, 상기 하부 차단판(59)과 상부 차단판(60)은 다수개의 상기 배기가스 배출관(53)이 관통되도록 다수개의 관통홀(61)이 형성된다.
한편, 상기 배기가스 배출관(53)은 배기가스 온도에 의한 열팽창 및 수축이 가능토록 주름관부가 형성되는 바, 상기 주름관부는 원형 주름관으로 이루어진다.
그리고, 상기 배기가스 배출관(53)의 양단은 상기 제 1,2격리판(56)(57)에 형성된 다수개의 연결홀(58)에 연결되고, 용접에 의해 고정된다.
여기서, 상기 배기가스 배출관(53)은 스테인레스 스틸재질(SUS, Steel use Stainless)로 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제 1실시예에 따른 열병합시스템의 배기가스 열교환기의 작동을 살펴보면 다음과 같다.
엔진(미도시)의 구동시, 상기 엔진(미도시)으로부터 발생된 전기는 냉난방 장치 등에 공급되고, 상기 엔진(미도시)로부터 배출된 고온의 배기가스는 상기 배출가스 통로(미도시)상에 위치된 상기 배기가스 열교환기를 통과하게 된다.
즉, 상기 엔진(미도시)으로부터 배출된 배기가스는 상기 쉘(50)의 배기가스 입구부(51)로 유입된 후, 다수개의 상기 배기가스 배출관(53)을 통과하여, 상기 배기가스 출구부(52)를 통해 빠져나간다.
그리고, 상기 쉘(50)의 냉각수 입구(54)를 통해 냉각수가 유입되는 바, 상기 쉘(50)의 내부에서 냉각수와 상기 배기가스 배출관사이에 열교환이 발생되게 된다.
즉, 냉각수가 상기 배기가스 배출관(53)과 접촉하게 되면서, 냉각수는 배기가스의 열을 흡수하게 되고, 고온의 배기가스가 들어있는 상기 배기가스 배출관(53)은 냉각수에 의해 냉각되게 된다.
상기 배기가스 배출관으로부터 열을 흡수한 냉각수는 상기 냉각수 출구로 빠져나가서 냉난방 장치로 공급되어, 냉난방 장치로 유입되는 실외 공기를 예열하여 난방능력을 향상시키게 된다.
한편, 상기 배기가스 배출관(53)은 신축가능한 주름관부로 이루어지기 때문에, 냉각수와의 열접촉 면적이 증대되어 열효율이 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 고온의 배기가스로 인한 반복적인 열팽창 및 수축이 가능하기 때문에 손상이나 파괴가 방지될 수 있다.
또한, 상기 제 1,2격리판(56)(57)이 상기 쉘(50)의 내면에 용접 등에 의해 고정되므로 냉각수의 누설이 효과적으로 방지되게 된다.
도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 배기가스 열교환기가 도시된 내부 구성도이다.
본 발명의 제 2실시예에 따른 배기가스 열교환기는 도 6에 도시된 바와 같이, 쉘(70)의 내부에 구비되고, 배기가스 입구부(71)와 출구부(72)를 연결하여 배기가스 유로를 형성하는 배기가스 배출관(73)이 배기가스 온도에 의한 열팽창 및 수축이 가능토록 주름관부로 형성되는 바, 상기 주름관부는 나선형 주름관으로 이루어져 냉각수와의 열전달이 증대될 수 있는 점을 제외하고는 본 발명의 제 1실시예와 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 제 3실시예에 따른 배기가스 열교환기가 도시된 내부 구성 도이다.
본 발명의 제 3실시예에 따른 배기가스 열교환기는 도 6에 도시된 바와 같이, 쉘(80)의 내부에 구비되고, 배기가스 입구부(81)와 출구부(82)를 연결하여 배기가스 유로를 형성하는 배기가스 배출관(83)이 일부분은 주름관부(84)로 형성되고, 나머지 부분은 직경이 일정한 원통형 관부(85)로 형성되는 점을 제외하고는 본 발명의 제 1실시예와 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.
여기서, 상기 주름관부(84)는 원형 주름관으로 이루어지고, 상기 배기가스 배출관(83) 중에서 상대적으로 온도가 높은 부분에 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 엔진(미도시)으로부터 배출된 배기가스는 상기 배기가스 입구부(81), 배기가스 배출관(83), 배기가스 출구부(82)를 차례로 통과하는 바, 상기 엔진(미도시)으로부터 배기가스가 직접 유입되는 상기 배기가스 입구부(81) 측의 온도가 상기 배기가스 출구부(82)측의 온도보다 높기 때문에, 여기서는 상기 배기가스 배출관(83)은 상기 배기가스 입구부(81)측이 주름관부(84)로 형성되고, 상기 배기가스 출구부(82)측은 직경이 일정한 원통형 관부(85)로 형성된 것으로 한정하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 제 4실시예에 따른 배기가스 열교환기가 도시된 내부 구성도이다.
본 발명의 제 4실시예에 따른 배기가스 열교환기는 도 8에 도시된 바와 같이, 쉘(90)의 내부에 구비되고, 배기가스 입구부(91)와 출구부(92)를 연결하여 배 기가스 유로를 형성하는 배기가스 배출관(93)이 일부분은 주름관부(94)로 형성되고, 나머지 부분은 직경이 일정한 원통형 관부(95)로 형성되는 바, 상기 주름관부(94)는 나선형 주름관으로 이루어진 점을 제외하고는 본 발명의 제 3실시예와 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 열병합시스템의 배기가스 열교환기는 배기가스 배출관은 적어도 일부분이 배기가스 온도에 의한 열팽창 및 수축이 가능토록 주름관부로 이루어짐으로써, 고온의 배기가스가 통과시 반복된 열팽창과 수축 등으로 인한 배기가스 배출관의 손상 및 파괴가 방지되어 내구성이 향상될 수 있는 효과가 있다.
또한, 배기가스 배출관이 주름관부로 이루어지기 때문에, 냉각수와의 접촉면적이 증대되어 열전달 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
또한, 배기가스 배출관이 열팽창 및 수축이 가능함으로써, 제 1,2격리판을 각각 쉘의 내면에 용접에 의해 고정시키는 것이 가능하게 되어, 냉각수의 누설이 효과적으로 방지됨과 아울러, O-링이 삭제될 수 있어 O-링의 사용시보다 높은 온도에서의 사용이 가능해질 수 있으며, 신뢰성이 향상될 수 있다.

Claims (5)

  1. 엔진으로부터 배출된 배기가스가 통과하도록 배기가스 입구부 및 출구부가 형성된 쉘과;
    상기 배기가스 입구부와 출구부를 연결하여 배기가스 유로를 형성하고 적어도 일부분이 주름관부로 이루어진 배기가스 배출관과;
    상기 배기가스 입구부와 출구부 사이를 격리시켜 냉각수 유로를 형성하는 복수개의 격리판과;
    상기 냉각수 유로를 변경하도록 상기 쉘의 내부에 설치된 적어도 하나 이상의 차단판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열병합시스템의 배기가스 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주름관부는 원형 주름관 또는 나선형 주름관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열병합시스템의 배기가스 열교환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 격리판은 상기 쉘의 내면에 용접에 의해 고정된 것을 특징으로 하는 열병합시스템의 배기가스 열교환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 차단판은 배기가스가 통과하는 방향으로 복수개가 소정간격 이격된 위치에 구비되고; 상기 쉘의 내측 하부에서 상부를 향해 돌출되도록 구비된 하부 차단판과, 상기 쉘의 내측 상부에서 하부를 향해 돌출되도록 구비된 상부 차단판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열병합시스템의 배기가스 열교환기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쉘은 상기 배기가스 입구부와 출구부 사이에 상기 쉘의 내부로 냉각수를 유출입될 수 있도록 냉각수 입구 및 냉각수 출구가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 열병합시스템의 배기가스 열교환기.
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