KR100658321B1 - 열흡수식 동력발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열흡수기를 통해 외부의 열을 흡수하는 한편 내부에 내부 순환서클의 제 2 열매체와 대향류 방향으로 흐르면서 열교환함으로서, 열을 흡수한 제 1 열매체가 팽창기에서 팽창되는 과정에서 동력을 얻을 수 있는 열흡수식 동력발생장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 열흡수식 동력발생장치는 동력을 발생시키는 팽창기(11)를 포함하는 외부 순환서클(10)과, 상기 외부 순환서클(10)의 내부에 배치되어 외부 순환서클(20)의 제 1 열매체와 대향되는 방향으로 제 2 열매체가 순환되는 내부 순환서클(20)과, 상기 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체로 외부유체의 열을 전달하는 열흡수기(H3)로 구성되고, 제 1 열교환기(H1) 및 제 2 열교환기(H2)에서 각각 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체와 내부 순환서클(20)의 제 2 열매체가 열교환되는 것을 특징으로 한다.

Description

열흡수식 동력발생장치{Power generation system of heat-absorption type}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열흡수식 동력발생장치를 도시한 블록도
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열흡수식 동력발생장치를 도시한 블록도
*도면의 주요부분에 대한 부호설명*
11 : 팽창기 10 : 외부 순환서클
20 : 내부 순환서클 21 : 압축기
H1 : 제 1 열교환기 H2 : 제 2 열교환기
H3 : 열흡수기
본 발명은 열흡수식 동력발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부 순환서클의 제 1 열매체가 열흡수기를 통해 외부의 열을 흡수하는 한편 내부에 내부 순환서클의 제 2 열매체와 대향류 방향으로 흐르면서 열교환함으로서, 열을 흡수한 제 1 열매체가 팽창기에서 팽창되는 과정에서 동력을 얻을 수 있는 열흡수식 동력발생장치에 관한 것이다.
대한민국 특허출원 제1986-0010374호(1986년 12월 4일 출원)에 "열을 동력으로 변환시키는 동력장치"가 소개되어 있다.
상기 열을 동력으로 변환시키는 동력장치는 열을 전기동력을 변환하는 이송 가능한 동력장치에 있어서, 수직판을 포함하는 기계프레임, 상기 수직판에 장착되어 있고 상기 수직판의 한쪽면에 그일단을 보유하는 수평보일러, 상기 보일러위에 상기 수직판상에 장착되어 있고 상기 수직판의 한쪽면에 그 일단을 보유하는 수평응축기, 상기 수직판의 한쪽면에 장착되어 있고 상기 수직판의 대향측면에 수평으로 뻗어있는 출력축을 보유하고 있는 로터리식 구속베인의 양변위 팽창기, 상기 팽창기를 통하여 상기 보일러로부터 상기 응축기로 가압냉매증기를 팽창하는 것을 포함하는 랭킨 싸이클의 단계를 통하여 상기 보일러내에서 냉매를 순환시키기 위한 장치를 마련해 주는 상기 팽창기에 상기 보일러 및 상기 응축기의 상기 끝을 연결하고 상기 응축기로부터 상기 보일러로 응축된 액체냉매가 중력에 의한 이송으로 회수되고, 상기 응축기내에서 냉매증기를 액체로 응축하는 냉매회로, 상기 수직판의 상기 대향측에 인접한 상기 프레임상에 장착되어 있는 전기동력 발생기, 상기 보일러를 상기 보일러와 관련된 열교환기를 포함하는 열원과 연결하기 위한 고온유체 열교환회로장치, 상기 응축기를 상기응축기와 관련된 열교환기를 포함하는 냉원과 연결하기 위한 냉온유체 열교환회로장치, 상기 열교환회로와 상기 수직판의 상기 대향측에 수평으로 뻗어있는 구동축에서 상기 수직판의 상기 한쪽에 연결되어 있는 상기 수직판상에 장착된 유체 순환펌프 장치, 상기 보일러로부터 팽창까지의 냉매증기의 흐름율을 제어하여 상기 동력발생기의 상기 평행 구동축과 상기 유체 순환펌프장치를 조화속도로 구동하기 위하여 상기 팽창기의 상기 출력축에 연결된 상기 수직판의 상기 대향측 상의 밸트 구동장치를 포함하는 열교환회로를 통하여 유체의 흐름율을 조화 시키도록 하는 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
그러나, 상기 열을 동력으로 변환시키는 동력장치는 1개의 열매체(냉매)만을 사용하여 상기 열매체가 보일러에서 열교환되도록 함으로서 외부열원으로 보일러가 사용되기 때문에 화석연료의 사용이 요구되어 환경오염 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 외부 순환서클의 제 1 열매체가 열흡수기를 통해 외부의 열을 흡수하는 한편 내부에 내부 순환서클의 제 2 열매체와 대향류 방향으로 흐르면서 열교환함으로서, 열을 흡수한 제 1 열매체가 팽창기에서 팽창되는 과정에서 동력을 얻을 수 있어, 화석연료(석유, 석탄, 원자력 등)의 사용이 요구되지 않아 공해가 발생하지 않고, 사용되는 동력에 비해 출력되는 동력 에너지가 많으며, 내연기관에서와 같이 폭발과정이 없기 때문에 소음 발생이 적고, 부수적으로 실외기가 없는 에어컨 또는 냉동기 또는 수냉식 냉각기로 적용할 수 있는 열흡수식 동력발생장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열흡수식 동력발생장치는 동력을 발생시키는 팽창기(11)를 포함하는 외부 순환서클(10)과, 상기 외부 순환서클(10)의 내부에 배치되어 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체(도시하지 않음)와 대향되는 방향으로 제 2 열매체가 순환되는 내부 순환서클(20)과, 상기 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체로 외부유체의 열을 전달하는 열흡수기(H3)로 구성되고, 제 1 열교환기(H1) 및 제 2 열교환기(H2)에서 각각 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체와 내부 순환서클(20)의 제 2 열매체가 열교환된다.
상기 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체는 비등점이 내부 순환서클(20)의 제 2 열매체의 비등점 보다 높은 것을 선택하여야 하고, 열흡수기(H3)로 공급되는 외부유체의 온도보다 낮아야 한다. 예를들어, 제 1 열매체를 이소부탄(끓는점 -12℃)으로 사용할 경우, 제 2 열매체는 이보다 비등점이 많이 낮은 R22(끓는점 -40.8℃) 등을 선택하는 것이 바람직하다.
상기 외부 순환서클(10)은 액상의 제 1 열매체가 열흡수기(H3)로 유입되고, 상기 제 1 열매체가 열흡수기(H3)에서 외부유체의 열을 흡수하여 기체로 상변환되고, 기체 상태의 제 1 열매체가 제 1 열교환기에서 내부 순환서클(20)의 제 2 열매체와 열교환을 통해 과열증기가 되고, 상기 과열증기상태의 제 1 열매체가 교축밸브(15)를 거쳐 팽창기(11)로 공급되어, 상기 팽창기(11)에서 단열팽창되면서 팽창기(11)의 출력축(도시하지 않음)을 작동시켜 동력을 발생시키고, 제 2 열교환기(H2)에서 기체상태의 제 1 열매체가 내부 순환서클(20)의 제 2 열매체와 열교환됨으로서, 액상으로 상변환되고, 액체 펌프(13)에 의해 액상의 제 1 열매체가 열흡수기(H3)로 공급된다.
상기와 같이 제 1 열매체가 순환하는 외부 순환서클(10)이 발전시스템으로 적용될 경우, 팽창기(11)는 터빈에 해당될 수 있고, 상기 외부 순환서클(10)이 다른 시스템으로 적용될 경우, 팽창기(11)는 로터리식 팽창기, 양변위식 팽창기, 왕복동식 팽창기일 수 있다.
상기 내부 순환서클(20)은 압축기(21)에서 고온·고압으로 압축된 과열증기 상태의 제 2 열매체를 제 1 열교환기(H1)로 보내어 상기 제 1 열교환기(H1)에서 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체와 열교환시킴으로서, 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체로 열을 공급하고, 이것에 의해 응축된 제 2 열매체를 팽창밸브(23)를 통과시켜 단열팽창시키고, 저온의 제 2 열매체를 제 2 열교환기(H2)에서 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체와 열교환시켜, 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체로부터 열을 흡수함으로서 압축기(21)로 증기상태의 제 2 열매체를 공급한다.
이와같은 내부 순환서클(20)은 히트펌프 시스템과 같고, 제 2 열교환기(H2)가 증발기로 사용된다.
상기 열흡수기(H3)는 외부유체로 공기 또는 물을 이용할 수 있으며, 외부유체가 제 1 열매체의 비등점보다 낮게 유입되지 않도록 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 열흡수식 동력발생장치는 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체를 통해서 팽창기(11)에서 동력이 발생하기 때문에 제 1 열매체의 순환을 중심으로 설명하면, 액상의 제 1 열매체가 열흡수기(H3)에서 외부유체의 열을 흡수하여 기체로 상변환된다. 예를들어, 제 1 열매체가 이소부탄일 경우, 비등점이 -12℃이기 때문에 열교환기(H3)로 유입되는 제 1 열매체의 온도가 -15℃일 때, 20℃의 외부유체가 열흡수기(H3)로 유입되어 대향류 방식으로 제 1 열매체와 열교환이 이루어질 경우, 제 1 열매체는 최소 15℃ 이상의 기체상태로 열흡수기(H3)에서 배출될 수 있다.
이후, 상기 제 1 열매체는 제 1 열교환기(H1)에서 내부 순환서클(20)의 제 2 열매체와 열교환을 통해 과열증기가 된다. 즉, 압축기(21)에 의해 단열압축된 80℃의 제 2 열매체가 제 1 열교환기(H1)에서 열교환되는 과정에서 제 1 열매체는 70℃이상의 과열증기가 되고, 이것이 팽창기(11)로 유입되어 팽창기(11)의 출력축을 작동시킴으로서 동력이 발생하게 된다.
이와같이 작동되는 본 발명에 따른 따른 열흡수식 동력발생장치는 성적계수(COP)를 5로 설계할 경우, 이 시스템에 사용되는 동력(압축기(21)의 모터, 외부 유체 이송용 펌프 또는 팬의 모터(31), 액체 펌프(13)의 모터에 사용되는 동력)에 대비하여 최대 4.4배의 출력 에너지를 얻을 수 있고, 외부의 물 또는 공기에서 열을 흡수하여 동력을 얻을 수 있어 화석연료(석유, 석탄, 원자력 등)의 사용이 요구되지 않아 공해가 발생하지 않는다.
예를들어, 제 2 열교환기(H2)에서 제 1 열매체의 응축량이 결정되므로 다른 모든 부분이 제 2 열교환기(H2)에 종속된다. 제 2 열교환기(H2)에서 제 2 열매체가 기화되면서 흡수하는 열에너지는 내부 히트펌프 시스템의 성적계수가 5의 상태로 가동되고, 압축기(21)의 모터가 1kW 용량이라면, 이론적으로 제 2 열교환기(H2)에서 제 2 열매체가 흡수되는 열 에너지는 5kW가 되고, 제 1 열교환기(H1)에서 제 1 열매체가 흡수하는 열에너지는 6kW(압축기의 1kW + 제 2 열매체가 흡수한 열 에너지 5kW)가 된다.
또한, 열흡수기(H3)에서 제 1 열매체가 기화되면서 흡수할 수 있는 열에너지는 제 2 열교환기(H2)에서 제 1 열매체가 응축된 양을 초과하지 못하므로 최대 5kW(이론가정수치)가 흡수된다. 그러므로 팽창기(11)에서 동력으로 변환시킬 수 있는 이론적인 열에너지는 11kW이다(열흡수기(H3)에서 흡수한 5kW의 열에너지와 제 1 열교환기(H1)에서 흡수한 6kW의 열에너지). 그러나, 팽창기(11)를 통과하면서 제 1 열매체가 액화되는 것이 아니므로 액화에 필요한 잠열 5kW가 동력으로 전환될 수 없어 동력으로 변환될 수 있는 열 에너지의 최대치는 6kW이다.
그리고, 이 시스템에 사용되는 동력(압축기(21)의 모터, 외부 유체 이송용 펌프 또는 팬의 모터(31), 액체 펌프(13)의 모터에 사용되는 동력)을 계산하면, 압축기(21)의 소비 에너지가 1kW일 때, 일반적으로 외부 유체 이송용 펌프 또는 팬의 모터(31), 액체 펌프(13)의 모터에 사용되는 동력은 각각 0.05kW, 0.05kW 정도 된다.
따라서, 이 시스템에 사용되는 동력에 대비 출력 에너지 비율은 이론적으로 약 5.4배(6kW(동력으로 변환되는 열에너지)/1.1kw(소비동력)) 이다. 여기서 기계효율을 고려하면, 현실적으로 얻을 수 있는 최대 잉여 에너지는 4.4 배 정도가 된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열흡수식 동력발생장치는 외부 순환서클(10)에서 열흡수기(H3)와 제 1 열교환기(H1) 사이의 라인에 장착되는 증기이송펌프(17)를 더 포함하는 것을 제외하고 제 1 실시예에 따른 열흡수식 동력발생장치와 동일하다.
상기 증기이송펌프(17)는 열흡수기(H3)를 증발부로 제 1 열교환기(H1)을 과열부로 확실하게 구분하여 액상의 제 1 열매체가 제 1 열교환기(H1)로 유입되는 것을 방지해야 할 때 사용한다.
위에서 설명한 바와같이, 본 발명에 따른 흡수식 동력발생장치는 외부의 물 또는 공기에서 열을 흡수하여 동력을 얻을 수 있어 화석연료(석유, 석탄, 원자력 등)의 사용이 요구되지 않아 공해가 발생하지 않고, 사용되는 동력에 비해 출력되는 동력 에너지가 많으며, 내연기관에서와 같이 폭발과정이 없기 때문에 소음 발생이 적고, 부수적으로 실외기가 없는 에어컨 또는 냉동기 또는 수냉식 냉각기로 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 동력을 발생시키는 팽창기(11)를 포함하는 외부 순환서클(10)과, 상기 외부 순환서클(10)의 내부에 배치되어 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체와 대향되는 방향으로 제 2 열매체가 순환되는 내부 순환서클(20)과, 상기 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체로 외부유체의 열을 전달하는 열흡수기(H3)로 구성되고, 제 1 열교환기(H1) 및 제 2 열교환기(H2)에서 각각 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체와 내부 순환서클(20)의 제 2 열매체가 열교환되는 것을 특징으로 하는 열흡수식 동력발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체는 비등점이 내부 순환서클(20)의 제 2 열매체의 비등점 보다 높고, 열흡수기(H3)로 공급되는 외부유체의 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 열흡수식 동력발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 순환서클(10)은 액상의 제 1 열매체가 열흡수기(H3)로 유입되고, 상기 제 1 열매체가 열흡수기(H3)에서 외부유체의 열을 흡수하여 기체로 상변환되고, 기체 상태의 제 1 열매체가 제 1 열교환기에서 내부 순환서클(20)의 제 2 열매체와 열교환을 통해 과열증기가 되고, 상기 과열증기상태의 제 1 열매체가 교축밸브(15)를 거쳐 팽창기(11)로 공급되어, 상기 팽창기(11)에서 단열팽창되면서 팽창기(11)의 출력축을 작동시켜 동력을 발생시키고, 제 2 열교환기(H2)에서 기체상태의 제 1 열매체가 내부 순환서클(20)의 제 2 열매체와 열교환됨으로서, 액상으로 상변환되고, 액체 펌프(13)에 의해 액상의 제 1 열매체가 열흡수기(H3)로 공급되는 것을 특징으로 하는 열흡수식 동력발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 순환서클(20)은 압축기(21)에서 고온·고압으로 압축된 과열증기 상태의 제 2 열매체를 제 1 열교환기(H1)로 보내어 상기 제 1 열교환기(H1)에서 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체와 열교환시킴으로서, 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체로 열을 공급하고, 이것에 의해 응축된 제 2 열매체를 팽창밸브(23)를 통과시켜 단열팽창시키고, 저온의 제 2 열매체를 제 2 열교환기(H2)에서 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체와 열교환시켜, 외부 순환서클(10)의 제 1 열매체로부터 열을 흡수함으로서 압축기(21)로 증기상태의 제 2 열매체를 공급하는 것을 특징으로 하는 열흡수식 동력발생장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    외부 순환서클(10)에서 열흡수기(H3)와 제 1 열교환기(H1) 사이의 라인에 장착되는 증기이송펌프(17)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열흡수식 동력발생장치.
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