KR100934356B1 - 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치 - Google Patents

Abstract

스털링 엔진 가열로 내측의 열전달의 성능 향상을 위해, 가열부의 전열특성을 균질화하고 정율화 하기 위하여 내측의 원통과 내측 원통을 둘러싼 외측 원통으로 구성하여 열효율을 극대화하고 발생하는 폐열을 회수 재활용함으로써 고효율의 스털링 엔진용 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치가 제공된다. 밀폐형 가열로는 원통형 내벽, 상기 원통형 내벽이 밀폐되도록 둘러싸는 반 원통형 하부 외벽 및 반 원통형 상부 외벽으로 이루어진 2개의 원통 셀로 이루어지고, 바이오 매스와 외부 공기의 1차 연소에 의해 열원을 생성하는 부 연소실이 원통형 내벽과 상기 반 원통형 하부 외벽 사이에 형성되고, 스털링 엔진의 가열 측이 일 영역에 위치하고, 상기 부 연소실과 연통하고 스털링 엔진의 열량으로서 부 연소실로부터의 열원과 외부 공기의 2차 연소에 의해 부 연소실의 열원보다 더 높은 고온의 열 에너지를 생성하는 주 연소실이 원통형 내벽의 내부에 형성되고, 주 연소실에서 스털링 엔진의 가열 측을 통과한 잔여 열원을 공급받는 예열실이 원통형 내벽과 반 원통형 상부 외벽 사이에 형성된다. 냉각부는 스털링 엔진의 냉각 측의 외부를 둘러싸도록 위치하여 상기 스털링 엔진의 냉각 측을 냉각한다.

스털링 엔진, 포트-인-포트

Description

밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치{Closed pot-in-pot structure type combustion apparatus}

본 발명은 연소 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오매스(나무, 짚단, 옥수숫대, 나뭇잎 등) 고체 연료나 기체연료(메탄, 천연가스, LPG 등)를 연소하여 발생하는 열원을 활용하는 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치에 관한 것이다.

최근 들어 화석연료의 고갈과 지구 환경 문제가 대두됨에 따라 대체 에너지에 관한 관심이 고조되고 있다. 특히 교토 의정서 발효와 더불어 OECD 가입국은 의무적으로 이산화탄소(CO₂) 절감 대책에 대한 비율을 의무적으로 부가하고 있다. 따라서 이러한 환경정책과 더불어 자연 친화적이고, 전기와 열을 동시에 생산하는 열병합(CHP) 스털링 엔진이 최근 대체 에너지기술로 부각되고 있다. 스털링 엔진은 19세기 초 영국의 로버트 스털링 목사에 의해 개발된 외연기관의 일종으로 1950~60년대부터 집중 연구되기 시작하면서 기존의 내연 기관에서는 찾아볼 수 없는 특수한 성능과 획기적인 장점들로 인해 에너지절약 및 대체에너지설비로 새롭게 주목받 고 있다. 그리고 스털링 엔진은 환경 오염 방지의 측면에서도 많은 관심을 받고 있으며 각국에서 경쟁적으로 이 엔진의 실용화를 서두르고 있다. 스털링 엔진 기관은 열기관 중에서 이론상 열효율이 가장 높고 다양한 연료를 활용할 수 있어 가장 합리적인 대체 에너지 이용엔진기관이다. 또한, 가정용 열 펌프, 우주용 동력, 군사장비의 동력원, 원거리 전력원(Remote power sources)를 활용한 인공 심장과 자동차 등의 엔진으로도 응용이 확대되고 있는 미래형 엔진이다.

하지만 스털링 엔진의 실용화를 위해선 여러 가지 문제점들이 상존하고 있으나, 무엇보다 스털링 엔진에 필수적인 열원공급의 문제점이 가장 심각한 궁구 과제이다.

스털링 엔진의 연소기는 외연 기관으로서 정상상태로 작동이 원활한 기존의 버너 열원방법으로 해결할 수 있으나, 가열로 부분은 여러 가지 연료에 대한 적용성과 부하변동에 따른 응답 특성 그리고 복잡한 가열로의 형상에 따른 제반 성능 저하 등 문제점을 많이 내포하고 있다. 특히 가열로는 비정상 상태의 유동 및 열전달이 일어나는 곳으로 변화율을 일정하게 유지하기가 어렵다. 그러나 가열로의 효율적 및 효과적 성능 조건에 대한 구체적인 자료가 거의 없기에 단지 시행 착오적인 방법에 의존해 개발 운용되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스털링엔진 가열로 내측의 열전달의 성능 향상을 위해, 가열부의 전열특성을 균질화하고 정율화 하기 위하여 내측의 원통과 내측 원통을 둘러싼 외측 원통으로 구성된 포트-인-포트 구조의 격실 시스템을 창안하여 구성한 장치로 열효율을 극대화하고 남은 폐열을 회수 재활용함으로써 고효율의 스털링 엔진용 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치는 원통형 내벽, 상기 원통형 내벽이 밀폐되도록 둘러싸는 반 원통형 하부 외벽 및 반 원통형 상부 외벽으로 이루어진 2개의 원통 셀로 이루어지고, 바이오 매스와 외부 공기의 1차 연소에 의해 열원을 생성하는 부 연소실이 원통형 내벽과 상기 반 원통형 하부 외벽 사이에 형성되고, 스털링 엔진의 가열 측이 일 영역에 위치하고, 상기 부 연소실과 연통하고 상기 스털링 엔진의 열량으로서 상기 부 연소실로부터의 열원과 외부 공기의 2차 연소에 의해 상기 부 연소실의 열원보다 더 높은 고온의 열 에너지를 생성하는 주 연소실이 상기 원통형 내벽의 내부에 형성되고, 상기 주 연소실에서 상기 스털링 엔진의 가열 측을 통과한 잔여 열원을 공급받는 예열실이 상기 원통형 내벽과 상기 반 원통형 상부 외벽 사이에 형성되는 밀폐형 가열로; 및 상기 스털링 엔진의 냉각 측의 외부를 둘러싸도록 위치하여 상기 스털링 엔진의 냉각 측을 냉각하고, 상기 스털링 엔진의 냉각 측으로부터 공급된 냉매를 상기 예열실의 잔여 열원과 열 교환시켜 상기 냉매를 가열하고 상기 가열된 냉매를 난방용 열 에너지로 회수하도록 외부로 배출하는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 석유에너지의 고갈에 따른 대체 에너지 수단으로 활용될 수 있는 스털링 엔진을 고 효율화하기 위한 가열로 장치이다. 이러한 스털링 엔진의 가열로장치는 바이오매스(나무, 짚단, 옥수숫대, 나뭇잎 등) 고체연료나 기체연료(메탄, 천연가스, LPG 등)를 에너지원으로 하여 연소시 생성되는 열원을 일체화, 집약화시켜 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 이 발명은 향상된 열원으로 전기와 열에너지를 생산하여, 전력소비는 물론 난방 등에 소요되는 열에너지의 소비를 줄일 수 있다. 즉, 본 발명의 밀폐형 포트-인-포트(Pot-in-Pot) 구조 연소 장치는 효율적인 발전은 물론 발생하는 열원을 회수하여 난방을 해결할 수 있는 소형 장치로서, 주연소실을 부연소실 및 예열실이 감싸고 있는 2개의 원통형 구조 격실로 일체화되어 있다. 이러한 밀폐형 포트-인-포트(Pot-in-Pot) 구조의 가열로시스템은 내측 중심부 원통의 주연소실은 외측 원통 주위로 둘러싸여서 화염이 고루 퍼질 수 있는 형태로 되어 있다. 또한 연소 시 열원의 대류에 의한 온도에 더하여 고온의 원통에 의한 복사열까지 추가되어 훨씬 높은 열효율을 확보할 수 있다. 또한 구조적으로 안정화되어 사고를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다. 또한 이 시스템은 구조가 단순하여 작동이 용이하여 고장이 일어날 염려가 없어 특별한 유지관리가 필요없다. 또한 이 장치에 사용된 스털링 엔진은 열기관 중에서 이론 열효율이 가장 높아서 에너지 절약의 효과가 있고 친환경 열병합발전시설로 환경 오염방지의 측면에서 많은 관심을 받고 있으며 고체 연료뿐만 아니라 액체, 기체 연료까지 활용할 수 있어 가장 합리적인 형태의 엔진이다.

이하, 첨부된 예시 도면에 의거하여 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치를 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치를 나타낸 단면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 밀폐형 가열로의 측면도이다. 본 발명의 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치는 열에너지와 전기에너지를 동시에 생산하는데 가열로의 구조를 포트-인-포트 (Pot-in-Pot)구조도 집약형으로 구성하면, 이 열원으로 10~15kW급인 스털링 엔진을 50kW~150kW 급으로 병렬확장 구성할 때에 여러 개의 스털링 엔진을 동시에 구동할 수 있다. 본 발명은 이와 같은 구조의 가열로를 통해 전기에너지용량의 증가뿐만 아니라 열원을 다각도로 회수해 활용하는 소형 연소 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치는 밀폐형 가열로(200) 및 냉각부(400)를 포함한다.

밀폐형 가열로(200)는 원통형 내벽(210), 상기 원통형 내벽이 밀폐되도록 둘러싸는 반 원통형 하부 외벽(220) 및 반 원통형 상부 외벽(230)로 이루어진 2개의 원통 셀로 이루어진다.

바이오 매스(8)와 외부 공기의 1차 연소에 의해 열원을 생성하는 부 연소실(2)이 상기 원통형 내벽(210)과 상기 반 원통형 하부 외벽(220) 사이에 형성된다.

스털링 엔진(4)의 가열 측(42)이 일 영역에 위치하고, 상기 부 연소실(2)과 연통하고 상기 스털링 엔진(4)의 열량으로서 상기 부 연소실(2)로부터의 열원과 외부 공기의 2차 연소에 의해 상기 부 연소실(2)의 열원 보다 더 높은 고온의 열 에너지를 생성하는 주 연소실(1)이 상기 원통형 내벽(210)의 내부에 형성된다. 상기 가열로(200) 속에 주 연소실(1)이 원통 주위에 화염을 균일하게 분배할 수 있는 형태로 형성시켜 연소시 열원의 대류에 의한 온도에 더하여 고온의 원통 축열체(Thermal Mass)에 의한 복사열까지 부가되어 좀 더 높은 열효율을 얻을 수 있도록 한다.

상기 주 연소실(1)에서 상기 스털링 엔진(4)의 가열 측(42)을 통과한 잔여 열원을 공급받는 예열실(3)이 상기 원통형 내벽(210)과 상기 반 원통형 상부 외벽(230) 사이에 형성된다.

냉각부(400)는 상기 스털링 엔진(4)의 냉각 측(44)의 외부를 둘러싸도록 위치하여 상기 스털링 엔진(4)의 냉각 측(44)을 냉각한다. 상기 냉각부(400)는 상기 스털링 엔진(4)의 냉각 측(44)으로부터 공급된 냉매를 상기 예열실(3)의 잔여 열원과 열 교환시켜 가열하고 상기 가열된 냉매를 난방용 열 에너지로 회수하도록 외부로 배출한다.

상기 냉각부(400)는 일단이 상기 스털링 엔진(4)의 냉각 측(44)에 연결되어 상기 스털링 엔진(4)의 냉각 측(44)로부터의 냉매를 상기 예열실(3) 쪽으로 공급하는 냉각 배관(410); 일단이 상기 냉각 배관(410)의 타단에 연결되고, 상기 예열실 (3) 내에 위치하여 상기 냉각 배관(410)으로부터의 상기 냉매를 상기 예열실(3)의 잔여 열원과 열 교환시켜 가열하는 제1 열 교환기(5); 상기 제1 열 교환기(5)로부터의 상기 가열된 냉매를 공급받아 외부로 배출하여 에너지를 재활용할 수 있도록 하는 난방 배관(6); 및 상기 난방 배관(6)으로부터의 상기 가열된 냉매를 외부 공기와 열 교환시켜 상기 가열된 냉매를 냉각시켜 상기 스털링 엔진(4)의 냉각 측(44)으로 공급하는 제2 열 교환기(7)를 포함한다.

만약 고온 상태의 예열실(3)의 가스가 배기통(10)을 통하여 배출된다면 높은 온도의 가스가 빠져 나감으로 열손실도 크고 시스템의 효율 역시 크게 저하된다. 따라서 이와 같은 열손실을 줄이고 시스템의 효율을 상승시키기 위하여 주 연소실(1)에서 예열실(3)로 들어오는 열원 통과 부위에 제1 열 교환기(5)를 설치하여 회수한 열에너지를 난방 등에 이용한다. 그리고 나머지 열원은 예열실(3)에 설치되어 있는 배기통(10)을 통해 배출된다.

본 발명은 상기 외부 공기를 상기 주 연소실(1) 및 상기 부 연소실(2)로 공급하는 급기관(300)을 더 포함한다.

본 발명은 상기 예열실(3)의 내부에 상기 급기관(300)의 일부 영역에 위치하고, 상기 주 연소실(1) 및 상기 부 연소실(2)로 공급되는 상기 외부 공기를 예열하는 예열관(310)을 더 포함한다. 부 연소실(2)에서 연소 과정을 위해 투입되는 공기와 가열로(200) 내측의 공기의 온도차가 심할수록 불완전 연소가 진행되고 시스템의 효율 역시 크게 저하되기 때문에 이러한 문제점을 해결하기 위해 투입 배관인 예열관(310)은 예열실(3)의 내측에 위치시켜 예열되는 과정을 거친 후 하부 부 연소실(2)에 급기한다.

본 발명은, 상기 예열실(3)의 일단으로부터 외측으로 연장되어 형성되어 상기 예열실(3)의 잔여 열원 및 가스를 외부로 배출하는 배기통(10)을 더 포함한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 스털링 엔진용 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치의 작용을 설명한다.

바이오 매스(8)가 투입 라인을 통해 부 연소실(2)로 이동하고 1차 연소 과정을 거친다. 이곳의 가스는 주 연소실(2)로 이동하고 2차 연소 과정을 거친다. 주 연소실(1)에서 발생한 고온의 열 에너지는 스털링 엔진(4)으로 전달되어 기계 에너지로 변환된다. 남은 가스는 주 연소실(2)에서 예열실(3)로 흐르고 열 에너지는 열교환기(5)를 통해 난방 배관(6)으로 이동하게 된다. 난방 배관(6) 내의 열 에너지는 난방으로 소비되게 되고 냉각 배관(7)으로 이동하여 스털링 엔진(4)을 냉각하는데 사용된다.

배기 전 예열실(3)에 남은 열 에너지는 주 연소실(2)과 부 연소실(2)에 투입되는 공기를 공급하는 급기관(9)을 예열하는 것으로 사용된다. 그 과정에서 소비되고 남은 열 에너지는 배기통(10)을 통해 배출된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

본 발명은 스털링 엔진을 이용하여 바이오매스(나무, 짚단, 옥수숫대, 나뭇잎 등) 고체연료나 기체연료(메탄, 천연가스, LPG 등) 등의 열원과 바이오가스 플랜트의 생산열원 등을 전기에너지로 변환하고, 사용되고 남은 열원은 열교환기를 통해 비닐하우스, 축사 , 가정 등의 난방 등으로 활용할 수 있다.

도 1은 종래의 스털링 엔진을 나타낸 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스털링 엔진용 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치를 나타낸 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 밀폐형 가열로의 측면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 주 연소실 2: 부 연소실

3: 예열실 4: 스털링 엔진

5: 제1 열 교환기 6: 난방 배관

7: 제2 열 교환기 8: 바이오 매스

9: 급기관 10: 배기통

42: 가열 측 44: 냉각 측

200: 밀폐형 가열로 210: 원통형 내벽

220: 반 원통형 하부 외벽 230: 반 원통형 상부 외벽

300: 급기관 310: 예열관

400: 냉각부 410: 냉각 배관

Claims (5)

1. 원통형 내벽, 상기 원통형 내벽이 밀폐되도록 둘러싸는 반 원통형 하부 외벽 및 반 원통형 상부 외벽으로 이루어진 2개의 원통 셀로 이루어지고, 바이오 매스와 외부 공기의 1차 연소에 의해 열원을 생성하는 부 연소실이 상기 원통형 내벽과 상기 반 원통형 하부 외벽 사이에 형성되고, 스털링 엔진의 가열 측이 일 영역에 위치하고, 상기 부 연소실과 연통하고 상기 스털링 엔진의 열량으로서 상기 부 연소실로부터의 열원과 외부 공기의 2차 연소에 의해 상기 부 연소실의 열원 보다 더 높은 고온의 열 에너지를 생성하는 주 연소실이 상기 원통형 내벽의 내부에 형성되고, 상기 주 연소실에서 상기 스털링 엔진의 가열 측을 통과한 잔여 열원을 공급받는 예열실이 상기 원통형 내벽과 상기 반 원통형 상부 외벽 사이에 형성되는 밀폐형 가열로; 및

   상기 스털링 엔진의 냉각 측의 외부를 둘러싸도록 위치하여 상기 스털링 엔진의 냉각 측을 냉각하며, 상기 스털링 엔진의 냉각 측으로부터 공급된 냉매를 상기 예열실의 잔여 열원과 열 교환시켜 가열하고 상기 가열된 냉매를 난방용 열 에너지로 회수하도록 외부로 배출하는 냉각부를 포함하는 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 냉각부는 일단이 상기 스털링 엔진의 냉각 측에 연결되어 상기 스털링 엔진의 냉각 측으로부터의 냉매를 상기 예열실 쪽으로 공급하는 냉각 배관;

   일단이 상기 냉각 배관의 타단에 연결되고, 상기 예열실 내에 위치하여 상기 냉각 배관으로부터의 상기 냉매를 상기 예열실의 잔여 열원과 열 교환시켜 가열하는 제1 열 교환기;

   상기 열 교환기로부터의 상기 가열된 냉매를 공급받아 외부로 배출하는 난방 배관; 및

   상기 난방 배관으로부터의 상기 가열된 냉매를 외부 공기와 열 교환시켜 상기 가열된 냉매를 냉각시켜 상기 스털링 엔진의 냉각 측으로 공급하는 제2 열 교환기를 포함하는 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치.
3. 제1 항에 있어서, 상기 외부 공기를 상기 주 연소실 및 상기 부 연소실로 공급하는 급기관을 더 포함하는 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치.
4. 제3 항에 있어서, 상기 예열실의 내부에 상기 급기관의 일부 영역에 위치하고, 상기 주 연소실 및 상기 부 연소실로 공급되는 상기 외부 공기를 예열하는 예열관을 더 포함하는 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치.
5. 제1 항에 있어서, 상기 예열실의 일단으로부터 외측으로 연장되어 형성되어 상기 예열실의 잔여 열원 및 가스를 외부로 배출하는 배기통을 더 포함하는 밀폐형 포트-인-포트 구조 연소 장치.

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