KR101185444B1 - 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템 - Google Patents
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Abstract
배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템은, 엔진에서 배출되는 배기가스를 엔진측으로 순환, 공급시키는 배기가스 재순환(EGR, exhaust gas recirculation) 장치상에 설치되며, 엔진측으로 순환되는 배기가스를 작동유체와 열교환시키는 제1열교환기; 배기가스 재순환 시스템를 거치지 않고 대기로 배출되는 배기가스를 제1열교환기에서 열교환에 의해 열을 공급받은 작동유체와 다시 열교환시키는 제2열교환기; 제2열교환기를 거쳐 열팽창 형성된 고압, 고속의 유동에 의해, 선박에 설치된 발전기의 터빈을 회전시킨 후, 남은 작동유체의 잔열을 제1열교환기측으로 순환, 공급중인 작동유체와 다시 열교환시키는 제3열교환기; 선박 엔진의 오일, 재킷, 인테이크 에어를 냉각시키는 중에 발생되는 폐열을 제3열교환기를 거친 후 제1열교환기측으로 순환중인 작동유체와 다시 열교환시키는 엔진냉각장치; 및 엔진냉각장치에 구비되는 다수의 냉각장치 및 제1열교환기가 설정 온도범위를 초과하는 온도 이상 발생 시, 엔진냉각장치와 제1열교환기를 설정 온도 이하로 냉각 조절하는 비상냉각장치;를 포함한다.
Description
본 발명은 선박 엔진의 배기가스 처리과정에서 소모되는 폐열을 회수하는 시스템에 관한 것으로, 선박 엔진에서 배출되는 배기가스를 엔진의 공급가스와 함께 엔진측으로 공급하는 배기가스 재순환 장치의 사용과정에서 소모되는 폐열을 회수하는 시스템에 관한 것이다.
배기가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 입자상물질(PM) 중, 특히 질소산화물(NOx)은 연료의 완전연소가 이루어지는 경우에 많이 발생하며, 질소산화물(NOx) 발생을 줄이기 위해 배기가스를 흡기계통으로 재순환시켜 엔진 실린더 내의 연소온도를 낮추는 배기가스 재순환(EGR, exhaust gas recirculation) 장치가 적용되고 있다.
선박 엔진에 적용되는 배기가스 재순환 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, EGR쿨러(EGR cooler)를 사용하여 270℃까지 달하는 고온의 폐가스를 40℃이하의 온도를 가지는 인테이크 에어(intake air)와 비슷한 온도까지 냉각시키고 있으나, 냉각과정에서 방출되는 폐가스의 열에너지는 그대로 소모되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예들은, 선박의 배기가스 재순환 장치에 폐열 회수 시스템을 적용함으로써, 선박 엔진에서 배출되는 배기가스 및 선박 엔진에 구비되는 냉각 장치의 폐열을 효율적으로 회수하면서도, 선박의 조건에 맞게 최적화시킬 수 있도록 하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박 엔진(1)에서 배출되는 배기가스(A)를 상기 엔진(1)측으로 순환, 공급시키는 배기가스 재순환(EGR, exhaust gas recirculation) 장치(2)상에 설치되며, 상기 엔진(1)측으로 순환되는 배기가스(A)를 작동유체(B)와 열교환시키는 제1열교환기(40); 상기 배기가스 재순환 장치(2)를 거치지 않고 대기로 배출되는 배기가스(A)를 상기 제1열교환기(40)에서 열교환에 의해 열을 공급받은 작동유체(B)와 다시 열교환시키는 제2열교환기(60); 상기 제2열교환기(60)를 거쳐 열팽창 형성된 고압, 고속의 유동에 의해 선박에 설치된 발전기의 터빈(5)을 회전시킨 후, 상기 제1열교환기(40)측으로 공급되는 증기상태의 작동유체(B)를, 응축, 액화된 상태로 상기 제1열교환기(40)측으로 순환, 공급중인 작동유체(B)와 다시 열교환시키는 제3열교환기(10); 상기 엔진(1)의 오일, 재킷, 인테이크 에어를 냉각시키는 중에 발생되는 폐열을 상기 제3열교환기(10)를 거친 후 상기 제1열교환기(40)측으로 순환중인 작동유체(B)와 다시 열교환시키는 엔진냉각장치(30); 및 상기 엔진냉각장치(30)에 구비되는 다수의 냉각장치(31, 32, 33) 또는 제1열교환기(40)가 설정 온도범위를 초과하는 온도 이상 발생 시, 상기 엔진냉각장치(30)와 제1열교환기(40)를 설정 온도 이하로 냉각 조절하는 비상냉각장치(90);를 포함하여 구성되는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 엔진(1)에서 배출되어 상기 제2열교환기(60)측으로 유동중인 배기가스(A)를 이용하여 터빈을 돌리고 인테이크 에어(intake air)(C)를 상기 엔진(1)으로 보내는 터보차저(turbo charger)(3); 및 상기 터보차저(3)를 통과한 배기가스(A)의 열에너지를 이용하여 선박에 구비되는 동력장치에 동력을 제공하는 증기를 발생키는 이카너마이저(economizer)(4);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 터빈(5)을 회전시킨 후 상기 제3열교환기(10)를 통과한 작동유체(B)를 액체로 응축하는 응축기(condenser)(21); 및 상기 응축기(21)를 통과한 액상의 작동유체(B)를 상기 제3열교환기(10) 및 엔진냉각장치(30)측으로 공급하는 펌프(pump)(22);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 엔진냉각장치(30)는, 상기 엔진(1)으로 공급되는 오일을 설정 온도 범위로 냉각시키는 오일쿨러(oil cooler)(31); 상기 엔진(1)의 자켓(jacket)을 설정 온도 범위로 냉각, 유지시키는 자켓쿨러(jacket cooler)(32); 및 상기 엔진(1)으로 공급되는 인테이크 가스를 설정 온도 범위로 냉각시키는 소기쿨러(scavenge air cooler)(33);를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 배기가스 재순환 장치(2)는, 상기 제1열교환기(40)를 통과한 배기가스(A)속 오염물을 흡수, 분리하는 스크러버(scrubber)(2s);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 비상냉각장치(90)는, 상기 제1열교환기(40)와 엔진냉각장치(30) 중 적어도 어느 하나에서 열교환에 의해 열을 공급받은 냉각청수(cooling fresh water)를 해수로 냉각시키는 청수냉각시스템(fresh water cooling system);을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 엔진냉각장치(30)로부터 상기 제1열교환기(40), 제2열교환기(60)를 순차적으로 통과하는 작동유체(B) 공급경로를 형성하는 제1작동유체라인(L1);을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1열교환기(40)를 거치지 않고 상기 엔진냉각장치(30)에서 제2열교환기(60)측으로 작동유체(B)를 공급하는 제2작동유체라인(L2);을 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1작동유체라인(L1)은, 상기 제2작동유체라인(L2)상에서 상기 제1열교환기(40)측으로 분기되어 형성되고, 분기가 이루어지는 지점에 작동유체(B)의 공급유량 또는 공급여부를 조정하는 밸브부재(51)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 제1열교환기(40)에서 상기 제2열교환기(60)측으로 순환되는 작동유체(B) 중, 목적한 온도 또는 에너지 형태로 변환되지 않은 작동유체(B)의 일부를, 상기 터빈(5)을 회전시킨 후 상기 제1열교환기(40)측으로 순환중인 작동유체(B)의 유동경로상으로 복귀, 순환시키는 분기장치(52);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 작동유체(B)는, 유기물(organic matter)이 적용되어, 유기 랭킨 사이클(ORC, organic rankine cycle) 방식을 구현할 수 있다.
또한, 상기 작동유체(B)는, 물(water)이 적용되어, 스팀 랭킨 사이클(steam rankine cycle) 방식을 구현할 수 있다.
또한, 상기 작동유체(B)는, CO₂가 적용되어, CO₂사이클(CO₂cycle) 방식을 구현할 수 있다.
또한, 상기 작동유체(B)는, 암모니아(Ammonia)와 물(water)의 혼합매체가 적용되어, 칼리나 사이클(Kalina cycle) 방식을 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 선박의 배기가스 재순환 장치에 폐열 회수 시스템을 적용함으로써, 선박 엔진에서 배출되는 배기가스 및 선박 엔진에 구비되는 냉각 장치의 폐열을 효율적으로 회수할 수 있으면서도, 선박의 조건에 맞게 최적화시킬 수 있다.
도 1 - 종래기술에 따른 선박 엔진에 적용되는 배기가스 재순환 장치를 도시한 개념도
도 2 - 본 발명에 따른 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템의 일실시예를 도시한 개념도
도 3 - 제1열교환기의 설치위치를 도시한 개념도
도 4 - 엔진냉각장치에서 제1열교환기, 제2열교환기까지 형성되는 작동유체 공급경로의 일예를 도시한 개념도
도 5 - 엔진냉각장치에서 제1열교환기, 제2열교환기까지 형성되는 작동유체 공급경로의 다른 예를 도시한 개념도
도 6 - 엔진냉각장치에서 제1열교환기, 제2열교환기까지 형성되는 작동유체 공급경로의 또 다른 예를 도시한 개념도
도 2 - 본 발명에 따른 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템의 일실시예를 도시한 개념도
도 3 - 제1열교환기의 설치위치를 도시한 개념도
도 4 - 엔진냉각장치에서 제1열교환기, 제2열교환기까지 형성되는 작동유체 공급경로의 일예를 도시한 개념도
도 5 - 엔진냉각장치에서 제1열교환기, 제2열교환기까지 형성되는 작동유체 공급경로의 다른 예를 도시한 개념도
도 6 - 엔진냉각장치에서 제1열교환기, 제2열교환기까지 형성되는 작동유체 공급경로의 또 다른 예를 도시한 개념도
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템의 일실시예를 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예는, 제1열교환기(40), 제2열교환기(60), 제3열교환기(10), 엔진냉각장치(30), 비상냉각장치(90)를 포함하는 구조를 가진다.
상기 제1열교환기(40)는, 선박 엔진(1)에서 배출되는 배기가스(A)를 상기 엔진(1)측으로 순환, 공급시키는 배기가스 재순환(EGR, exhaust gas recirculation) 장치(2)상에 설치되어, 상기 엔진(1)측으로 순환되는 배기가스(A)를 작동유체(working fluid)(B)와 열교환시킨다.
상기 제1열교환기(40)에서의 열교환에 의해, 상기 엔진(1)측으로 순환되는 배기가스(A)는 상기 엔진(1)에 공급되는 인테이크 에어(intake air)의 온도 범위(일반적으로 40℃이하)로 냉각되며, 작동유체(B)는 배기가스(A)로부터 열을 공급받게 된다.
스크러버(scrubber)(2s)는 파형으로 된 판자를 여러 겹 쌓아 놓고 그 사이로 증기를 통과시켜 증기 속의 수분을 제거하거나, 가스 속 오염물을 물에 흡수, 분리하는 장치로, 배기가스(A)속 오염물을 흡수, 분리하도록 상기 배기가스 재순환 장치(2)상에 설치할 수 있다.
도 3은 상기 배기가스 재순환 장치(2)상에 상기 스크러버(2s)와 제1열교환기(40)를 함께 설치한 일예를 도시한 개념도이다.
상기 스트러버(2s)는 물을 사용하기 때문에 상기 스트러버(2s)를 통과하는 과정에서 배기가스(A)의 온도가 낮아지게 되므로, 도 3에 도시된 바와 같이, 배기가스(A)가 상기 스크러버(scrubber)(2s)를 통과하기 이전 지점에 상기 제1열교환기(40)를 설치하면, 상기 제1열교환기(40)상에서 작동유체(B)가 상기 스트러버(2s)에 의해 냉각되지 않은 보다 고온상태의 배기가스(A)로부터 효율적으로 폐열을 회수할 수 있다.
상기 제2열교환기(60)는, 상기 배기가스 재순환 장치(2)를 거치지 않고 대기로 배출되는 배기가스(A)를, 상기 제1열교환기(40)에서 열교환에 의해 열을 공급받은 작동유체(B)와 다시 열교환시킨다.
상기 배기가스 재순환 장치(2) 상에서 상기 제1열교환기(40)를 거쳐 배기가스(A)와 1차적으로 열교환된 작동유체(B)는, 상기 제2열교환기(60)를 거치면서 다시 배기가스(A)와 2차적으로 열교환되어, 배기가스(A)의 폐열을 다단으로 회수하게 된다.
상기 제2열교환기(60)를 거쳐 열팽창 형성된 고압, 고속의 유동에 의해, 선박에 설치된 발전기의 터빈(5)을 회전시킨 증기상태의 작동유체(B)는 , 상기 제3열교환기(10)와 응축기(condenser)(21)를 순차적으로 통과하며 액상으로 냉각, 응축된 후, 상기 제3열교환기(10)를 다시 통과하여 상기 엔진냉각장치(30) 및 제1열교환기(40)측으로 순환, 공급된다.
상기 응축기(21)에 의해 액상으로 응축된 후 펌프(pump)(22)에 의해 상기 제3열교환기(10)측으로 공급된 작동유체(B)는, 상기 제3열교환기(10)상에서, 상기 터빈(5)에서 상기 제3열교환기(10)로 공급된 증기상태의 작동유체(B)와의 열교환에 의해 가온된 후, 상기 엔진냉각장치(30)측으로 공급된다.
반대로, 상기 터빈(5)에서 상기 제3열교환기(10)로 공급된 증기상태의 작동유체(B)는, 상기 제3열교환기(10)상에서, 액상으로 응축된 상태의 작동유체(B)와의 열교환에 의해 냉각된 후, 상기 응축기(21)측으로 공급된다.
상기 엔진냉각장치(30)는, 상기 엔진(1)의 오일, 재킷, 인테이크 에어를 냉각시키는 중에 발생되는 폐열을, 상기 제3열교환기(10)를 거친 후 상기 제1열교환기(40)측으로 순환중인 작동유체(B)와 다시 열교환시킨다.
상기 엔진냉각장치(30)는, 상기 엔진(1)으로 공급되는 오일을 설정 온도 범위로 냉각시키는 오일쿨러(oil cooler)(31)와, 상기 엔진(1)의 자켓(jacket)을 설정 온도 범위로 냉각, 유지시키는 자켓쿨러(jacket cooler)(32)와, 상기 엔진(1)으로 공급되는 인테이크 가스를 설정 온도 범위로 냉각시키는 소기쿨러(scavenge air cooler)(33)가 구비된다.
상기 엔진(1)의 오일보다 상기 엔진(1)의 재킷, 상기 엔진(1)의 재킷보다 인테이크 에어가 높은 온도를 가지는 경우, 상기 제3열교환기(10)에서 공급된 작동유체(B)는 상대적으로 온도가 낮은 상기 오일쿨러(31)로부터, 상대적으로 온도가 높은 상기 자켓쿨러(32), 소기쿨러(33)를 순차적으로 거쳐 열교환이 이루어지도록 한다.
상기 비상냉각장치(90)는, 장치 손상, 오작동, 작동유체(B)의 배관상 문제 등으로 인해, 상기 엔진냉각장치(30)에 구비되는 다수의 냉각장치(31, 32, 33) 또는 제1열교환기(40)가 설정 온도범위를 초과하는 온도 이상 발생 시, 상기 엔진냉각장치(30)와 제1열교환기(40)를 설정 온도 이하로 냉각 조정 및 유지시킨다.
상기 비상냉각장치(90)로는, 선박에 구비되는 청수냉각시스템(fresh water cooling system)을 활용하여, 상기 제1열교환기(40)와 엔진냉각장치(30) 중 적어도 어느 하나를 냉각청수(cooling fresh water)와 열교환시키고, 열교환에 의해 열을 공급받은 냉각청수를 해수로 냉각시킬 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하면, 상기 엔진(1)에서 배출된 배기가스(A)의 일부는 상기 배기가스 재순환 장치(2)에 의해 상기 엔진(1)측으로 순환되는 과정에서 상기 제1열교환장치(40)에 의해 냉각되고, 배기가스(A)의 나머지는 터보차저(turbo charger)(3)와, 이카너마이저(economizer)(4), 제2열교환장치(60)를 순차적으로 거치면서 다단으로 냉각된 후 대기로 배출된다.
상기 터보차저(3)는, 상기 엔진(1)에서 배출된 배기가스(A)의 유동에너지에 의해 회전되는 터빈(도면번호 미표기)과, 터빈의 회전력을 이용하여 인테이크 에어(intake air)(C)를 강제로 압축하는 컴프레셔(도면번호 미표기)로 구성되어, 상기 엔진(1)의 연소실로 보냄으로써 더 많은 연료가 연소될 수 있도록 하여 엔진의 출력을 높인다.
상기 이카너마이저(4)는, 상기 터보차저(3)를 통과한 배기가스(A)의 여열을 회수, 이용하여 급수를 예열, 선박에 구비되는 발전기, 터빈장치 등에 동력을 제공하는 증기를 발생시킴으로써, 선박에 구비되는 발전기, 터빈장치 등의 열효율을 높이고 연료를 절감시킨다.
상기와 같은 구성에 의하면, 작동유체(B)는, 상기 발전기 터빈(5)을 회전시키고 상기 제3열교환기(10)를 거치며 저온으로 냉각된 기체상태에서, 상기 응축기(21)에 의해 액상으로 응축되어 상기 펌프(22)에 의해 상기 제3열교환기(10)측으로 공급된 후, 상기 제3열교환기(10), 오일쿨러(31), 자켓쿨러(32), 소기쿨러(33), 제1열교환기(40), 제2열교환기(60)를 순차적으로 거치며 고온의 기체상태가 된다.
도 4, 5, 6은 상기 엔진냉각장치(30)에서 상기 제1열교환기(40), 제2열교환기(60)까지 형성되는 작동유체 공급경로의 다른 다양한 실시예를 도시한 개략도이다.
도 4를 참조하면, 상기 엔진냉각장치(30)로부터 상기 제1열교환기(40), 제2열교환기(60)를 순차적으로 통과하는 작동유체(B) 공급경로를 형성하는 제1작동유체라인(L1)과, 상기 제1열교환기(40)를 거치지 않고 상기 엔진냉각장치(30)에서 제2열교환기(60)측으로 작동유체(B)를 공급하는 제2작동유체라인(L2)을 상호 독립적으로 병렬되게 배치할 수 있다.
상기 제1작동유체라인(L1), 제2작동유체라인(L2)을 독립되게 형성하면, 상기 제1열교환기(40)에 의해 열교환이 이루어지는 유량과, 열교환이 이루어지지 않은 유량 독립적으로 운용, 조정하며, 상기 제2열교환기(60)측으로 공급되는 작동유체(B)의 에너지 상태와, 폐열 회수 효율을 제어할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제1작동유체라인(L1)을 상기 제2작동유체라인(L2)상에서 상기 제1열교환기(40)측으로 분기시켜 형성하고, 분기가 이루어지는 지점에 작동유체(B)의 공급유량 또는 공급여부를 조정하는 밸브부재(51)를 설치하여, 상기 제1작동유체라인(L1)측으로의 공급유량을 조절하도록 구성할 수 있다.
상기 제1작동유체라인(L1), 제2작동유체라인(L2)을 형성함에 있어서, 일부 배관을 공유하는 구조로 형성하면, 상호 독립되게 병렬 배치시킨 구조에 비해, 배관 물량을 절감할 수 있으며, 상기 제1작동유체라인(L1)과 제2작동유체라인(L2)의 공급유량을 상호 연계적으로 운용, 조정하며, 상기 제2열교환기(60)측으로 공급되는 작동유체(B)의 에너지 상태와, 폐열 회수 효율을 제어할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제1열교환기(40)에서 상기 제2열교환기(60)측으로 순환되는 작동유체(B) 중 일부를, 상기 터빈(5)을 회전시킨 후 상기 제1열교환기(40)측으로 순환중인 작동유체(B)의 유동경로상으로 복귀, 순환시키는 분기장치(52)를 설치하여, 목적한 온도 또는 에너지 형태로 변환되지 않은 작동유체(B)의 일부를 재가열시킬 수도 있다.
상기 작동유체(B)로, 유기물(organic matter)을 적용하면, 폐열회수 시스템 중, 유기물을 이용한 유기 랭킨 사이클(ORC, organic rankine cycle) 방식을 구현하게 되며, 물(water)을 적용하면, 스팀 랭킨 사이클(steam rankine cycle) 방식을 구현하게 되고, CO₂를 적용하면, CO₂사이클(CO₂cycle) 방식을 구현하게 된다.
상기 작동유체(B)로, 암모니아(Ammonia)와 물(water)의 혼합매체를 적용하면, 폐열회수 시스템 중, 암모니아와 물의 혼합매체를 이용하는 칼리나 사이클(Kalina cycle) 방식을 구현하게 되는데, 상기 분기장치(52)를 이용함으로써, 암모니아와 물을 혼합증기 상태로 명확하게 변환시켜 상기 제2열교환기(60)측으로 공급할 수 있다.
랭킨 사이클 중, 유기 랭킨 사이클에 대해 간단하게 설명하기로 한다. 유기 랭킨 사이클은 물보다 낮은 끓는 점을 가진 고분자 질량의 유체들을 이용하는 랭킨 사이클(rankine cycle)로서, 저온 폐열 회수의 유효한 방법으로 산업계에서 이용되고 있으며, 냉매로서 Ammonia, C2H6, C7H8, C8H16, R11, R113, R12, R123, R134a 등이 사용되고 있다.
일반적으로 칼리나 사이클(Kalina cycle)은, 유기 랭킨 사이클, 스팀 랭킨 사이클 등의 랭킨 사이클의 1.5~2배 이상의 열효율을 실현하고 있으며, 이하에서는 칼리나 사이클의 일반적인 구성에 대해 간단히 설명하기로 한다.
펌프(pump)로 증발기에 보내어진 암모니아와 물은 온해수에 의해 암모니아와 물의 혼합증기가 되고, 기액 분리기를 통과하며 암모니아수와 혼합증기로 분리된 후, 암모니아수는 재생기, 흡수기로 이동, 응축기로부터 보내져 온 찬 암모니아수에 의해 냉각된다.
한편, 기액 분리기에서 분리된 혼합증기는 터빈에 들어가 발전기를 돌려 발전시키고, 흡수기로 이동되는데, 흡수기에서는 재생기, 감압변을 통해 보내어진 암모니아수에 터빈으로부터 나온 혼합증기가 흡수되면서, 터빈 출구측의 혼합증기 온도가 저하되며 터빈의 출입구의 온도차가 커지게 된다.
칼리나 사이클의 이론 열효율은 이러한 터빈 출입구의 온도차로 인해 랭킨 사이클 보다 높으며, 흡수기를 나온 혼합증기는 응축기에서 냉해수에 의해 냉각되어 액체가 되고, 액화된 암모니아수는 펌프에 의해 다시 증발기로 보내어지는 것을 반복하게 된다.
본 발명의 실시예들은, 선박의 배기가스 재순환 장치(2)상에서 방출되는 폐열, 선박 엔진(1)에서 배출되는 배기가스 및 선박 엔진(1)에 구비되는 냉각 장치의 폐열을, 상기 제3열교환기(10), 오일쿨러(31), 자켓쿨러(32), 소기쿨러(33), 제1열교환기(40), 제2열교환기(60)에서 작동유체(B)와의 열교환에 의해 다단으로 회수하는 폐열 회수 시스템을 구현한다.
또한, 일반적으로 디젤 엔진, 터보차저와 이카너마이저를 구비한 배기가스 재순환 장치, 엔진에 연결설치되는 오일쿨러, 자켓쿨러, 소기쿨러, 비상냉각장치와 같이 선박에서 기존에 사용되고 있던 장치 내지 시스템을 다른 장치, 부품으로 대체할 필요 없이, 그대로 이용할 수 있어, 선박에 최적화된 폐열 회수 시스템을 구현할 수 있다.
지금까지 본 발명의 실시예들을 들어 설명하였다. 그러나, 이는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하기 위한 실시예에 불과하며, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
1 : 엔진 2 : 배기가스 재순환 장치
2s : 스크러버 3 : 터보차저
4 : 이카너마이저 5 : 터빈
10 : 제3열교환기 21 : 응축기
22 : 펌프 30 : 엔진냉각장치
31 : 오일쿨러 32 : 자켓쿨러
33 : 소기쿨러 40 : 제1열교환기
51 : 밸브부재 52 : 분기장치
60 : 제2열교환기 90 : 비상냉각장치
A : 배기가스 B : 작동유체
C : 인테이크 에어 L1 : 제1작동유체라인
L2 : 제2작동유체라인
2s : 스크러버 3 : 터보차저
4 : 이카너마이저 5 : 터빈
10 : 제3열교환기 21 : 응축기
22 : 펌프 30 : 엔진냉각장치
31 : 오일쿨러 32 : 자켓쿨러
33 : 소기쿨러 40 : 제1열교환기
51 : 밸브부재 52 : 분기장치
60 : 제2열교환기 90 : 비상냉각장치
A : 배기가스 B : 작동유체
C : 인테이크 에어 L1 : 제1작동유체라인
L2 : 제2작동유체라인
Claims (14)
- 선박 엔진(1)에서 배출되는 배기가스(A)를 상기 엔진(1)측으로 순환, 공급시키는 배기가스 재순환(EGR, exhaust gas recirculation) 장치(2)상에 설치되며, 상기 엔진(1)측으로 순환되는 배기가스(A)를 작동유체(B)와 열교환시키는 제1열교환기(40);
상기 배기가스 재순환 장치(2)를 거치지 않고 대기로 배출되는 배기가스(A)를 상기 제1열교환기(40)에서 열교환에 의해 열을 공급받은 작동유체(B)와 다시 열교환시키는 제2열교환기(60);
상기 제2열교환기(60)를 거쳐 열팽창 형성된 고압, 고속의 유동에 의해 선박에 설치된 발전기의 터빈(5)을 회전시킨 후, 상기 제1열교환기(40)측으로 공급되는 증기상태의 작동유체(B)를, 응축, 액화된 상태로 상기 제1열교환기(40)측으로 순환, 공급중인 작동유체(B)와 다시 열교환시키는 제3열교환기(10);
상기 엔진(1)의 오일, 재킷, 인테이크 에어를 냉각시키는 중에 발생되는 폐열을 상기 제3열교환기(10)를 거친 후 상기 제1열교환기(40)측으로 순환중인 작동유체(B)와 다시 열교환시키는 엔진냉각장치(30); 및
상기 엔진냉각장치(30)에 구비되는 다수의 냉각장치(31, 32, 33) 또는 제1열교환기(40)가 설정 온도범위를 초과하는 온도 이상 발생 시, 상기 엔진냉각장치(30)와 제1열교환기(40)를 설정 온도 이하로 냉각 조절하는 비상냉각장치(90);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 엔진(1)에서 배출되어 상기 제2열교환기(60)측으로 유동중인 배기가스(A)를 이용하여 터빈을 돌리고 인테이크 에어(intake air)(C)를 상기 엔진(1)으로 보내는 터보차저(turbo charger)(3); 및
상기 터보차저(3)를 통과한 배기가스(A)의 열에너지를 이용하여 선박에 구비되는 동력장치에 동력을 제공하는 증기를 발생키는 이카너마이저(economizer)(4);
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 터빈(5)을 회전시킨 후 상기 제3열교환기(10)를 통과한 작동유체(B)를 액체로 응축하는 응축기(condenser)(21); 및
상기 응축기(21)를 통과한 액상의 작동유체(B)를 상기 제3열교환기(10) 및 엔진냉각장치(30)측으로 공급하는 펌프(pump)(22);
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 엔진냉각장치(30)는,
상기 엔진(1)으로 공급되는 오일을 설정 온도 범위로 냉각시키는 오일쿨러(oil cooler)(31);
상기 엔진(1)의 자켓(jacket)을 설정 온도 범위로 냉각, 유지시키는 자켓쿨러(jacket cooler)(32); 및
상기 엔진(1)으로 공급되는 인테이크 가스를 설정 온도 범위로 냉각시키는 소기쿨러(scavenge air cooler)(33);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배기가스 재순환 장치(2)는,
상기 제1열교환기(40)를 통과한 배기가스(A)속 오염물을 흡수, 분리하는 스크러버(scrubber)(2s);
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 비상냉각장치(90)는,
상기 제1열교환기(40)와 엔진냉각장치(30) 중 적어도 어느 하나에서 열교환에 의해 열을 공급받은 냉각청수(cooling fresh water)를 해수로 냉각시키는 청수냉각시스템(fresh water cooling system);
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 엔진냉각장치(30)로부터 상기 제1열교환기(40), 제2열교환기(60)를 순차적으로 통과하는 작동유체(B) 공급경로를 형성하는 제1작동유체라인(L1);
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 제1열교환기(40)를 거치지 않고 상기 엔진냉각장치(30)에서 제2열교환기(60)측으로 작동유체(B)를 공급하는 제2작동유체라인(L2);
을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 제1작동유체라인(L1)은,
상기 제2작동유체라인(L2)상에서 상기 제1열교환기(40)측으로 분기되어 형성되고, 분기가 이루어지는 지점에 작동유체(B)의 공급유량 또는 공급여부를 조정하는 밸브부재(51)가 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 제1열교환기(40)에서 상기 제2열교환기(60)측으로 순환되는 작동유체(B) 중, 목적한 온도 또는 에너지 형태로 변환되지 않은 작동유체(B)의 일부를, 상기 터빈(5)을 회전시킨 후 상기 제1열교환기(40)측으로 순환중인 작동유체(B)의 유동경로상으로 복귀, 순환시키는 분기장치(52);
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 작동유체(B)는,
유기물(organic matter)이 적용되어, 유기 랭킨 사이클(ORC, organic rankine cycle) 방식을 구현하게 되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 작동유체(B)는,
물(water)이 적용되어, 스팀 랭킨 사이클(steam rankine cycle) 방식을 구현하게 되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 작동유체(B)는,
CO₂가 적용되어, CO₂사이클(CO₂cycle) 방식을 구현하게 되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 작동유체(B)는,
암모니아(Ammonia)와 물(water)의 혼합매체가 적용되어, 칼리나 사이클(Kalina cycle) 방식을 구현하게 되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템.
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