KR101188651B1 - 열병합 발전시스템의 다중 에너지 순환 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열병합 발전용 가스 엔진으로부터 배출되는 고온 배기 가스를 이용 흡수식 냉온수기로 난방열(또는 냉방열) 또는 급탕열을 생산하여 열수요처에 공급하되, 배기연도로 방출되는 배기 가스의 열을 최대한 효율적으로 이용할 수 있도록 연도 중간에 3방향 댐퍼(3way damper)를 장착하고 필요에 따라 배기 가스를 3방향으로 공급함으로써, 환수되는 난방 순환수를 엔진 냉각수와 열교환시킨 다음 이코노마이저(폐열회수기)를 경유 고열로 승온된 고온수를 열수요처에 공급하는 고온측 난방수(냉각수) 순환 사이클과, 엔진으로 환수되는 대략 40 ℃의 엔진 냉각수를 엔진 냉각 배열과 열교환시키되 고온의 배기가스와 엔진 냉각열이 복합되어 가온된 저온수를 이코노마이저에 공급하고 복귀하는 저온측 냉각수 순환 사이클을 각각 다중으로 형성하여 엔진 냉각 배열을 다중으로 흡수함으로써, 온도차가 있는 엔진의 고온 배기가스, 엔진 냉각열, 저온의 냉각수, 고온의 난방 순환수를 상호 유기적으로 주고 받게 하는 에너지의 열교환 구조로, 에너지의 절약 효율을 획기적으로 개선시킨 열병합발전시스템의 다중 에너지 순환 구조에 관한 것에 관한 것이다.

Description

열병합 발전시스템의 다중 에너지 순환 구조{Integrated energy recycling system for cogeneration}

본 발명은 전력 수요처에 전기를 공급하고 연돌을 통해 손실되는 폐열을 이용하여 난방과 급탕을 하는 열병합발전시스템의 다중 에너지 순환 구조에 관한 것으로,

발전에 수반되어 열병합 발전용 가스 엔진으로부터 배출되는 연소 가스로서 대략 400 ℃～470 ℃의 초고온 배기 가스 배열을 열원으로 이용하여 흡수식 냉온수기로 난방열(또는 냉방열) 또는 급탕열을 생산하여 열수요처에 공급하되,

배기구로 방출되는 배기 가스의 열을 최대한 효율적으로 이용할 수 있도록 연도 중간에 3방향 댐퍼(3way damper)를 장착하고 필요에 따라 배기가스 다중 배출 통로를 선택적으로 형성할 수 있게 구성하고 배기 가스를 3방향으로 공급함으로써,

열수요처에서 난방 및 급탕을 수행하고 엔진으로 환수되는 대략 70 ℃의 난방 순환수를 엔진 냉각수와 열교환시킨 다음 이코노마이저(폐열회수기)를 경유 가열하여 대략 90 ℃의 고열로 승온된 고온수를 열수요처에 공급하는 고온측 난방수(냉각수) 순환 사이클과,

또한 엔진으로 환수되는 대략 40 ℃의 엔진 냉각수도 엔진 냉각 배열과 열교환시키되 선택적으로 공급되는 고온의 배기가스와 엔진 냉각열이 복합되어 가온된 대략 43 ℃의 안정된 저온수를 이코노마이저에 공급하고 복귀하는 저온측 냉각수 순환 사이클을 각각 다중으로 형성하여 엔진 냉각 배열을 다중으로 흡수함으로써,

온도차가 있는 엔진의 초고온 배기가스, 엔진 냉각열, 저온의 냉각수, 고온의 난방 순환수를 상호 유기적으로 주고 받게 하는 에너지의 열교환 구조로,

동시에 또는 별도로 번갈아 가면서 공급하는 총체적인 열원의 다중 제어로 다원화된 열원의 열교환 과정에서의 손실을 최소화하는 효율적인 열교환으로 열회수율을 높이게 할 수 있으며 엔진 냉각열 제어로 냉각장애에 의한 엔진의 과열이나 소손도 방지할 수 있게 함으로써 에너지의 절약 효율을 획기적으로 개선시킨 열병합발전시스템의 다중 에너지 순환 구조에 관한 것에 관한 것이다.

열병합발전시스템(Cogeneration System)은 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 발생시키는 종합에너지 시스템으로 발전에 수반하여 발생되는 배열 또는 폐열을 회수 이용하여 1차 에너지에서 연속적으로 2종류 이상의 2차 에너지를 발생시키는 고효율 에너지 이용시스템이다

특히 가스이용 열병합발전시스템은 청정연료인 천연가스를 이용하므로 환경친화적이고 또한 폐열 회수이용이 용이하여 산업체뿐만 아니라 주거용 건축물 등의 전력 및 열 에너지원으로 주목받고 있으며, 자체 발전시설을 이용하여 일차적으로 전력을 생산한 후 배출되는 폐열을 이용하므로 기존의 에너지공급방식보다 30-40%의 에너지 절약효과를 거둘 수 있는 고효율 에너지 이용기술이다.

상기한 열병합발전시스템의 난방수 순환 시스템은 현재 다양하게 구성되어 있지만, 통상의 종래 열병합 발전시스템(Cogeneration system)은 열수요처에 전기 공급 및 난방, 급탕 등을 종합적으로 수행하게끔 전기에너지를 생산하는 발전기와 열에너지를 생산하는 보일러가 구비되어 전기와 열에너지를 생산하는 열병합 발전기와 이를 구동하는 엔진을 열원으로 하는 난방수 순환 시스템을 구비하여,

배기 가스등을 열원으로 가열된 고온(약 90℃)의 순환수를 난방 및 급탕 용도로 열 수요처에 공급하되 필요에 따라 수시로 열교환시켜 일정 온도가 유지되는 난방수를 순환시키게 하며 난방 및 급탕을 수행하고 환수되는 순환수는 냉각시켜(약 40℃) 식혀진 냉각수를 열병합 발전기의 엔진으로 공급하는 열 공급 및 회수시스템 구성으로서,

종래의 발전방식보다 30～40%의 전력 및 연료 등의 에너지 절감효과로 환경친화적이고 에너지 절약성이 좋은 장점이 있다.

종래의 흡수식 냉동기가 구비된 열병합 발전시스템은 도 1에 개략적으로 도시한 바와 같이 전력생산, 난방(급탕), 냉방이 동시에 가능한 열병합 발전 및 냉난방 통합 시스템으로서, 예를 들어 전기 에너지의 대부분은 가스회사(200)에서 공급되는 도시 가스를 연료원으로 하는 소형 열병합 발전기(1)를 통하여 생산하며(80～90%), 부족분은 상용 배전 선로를 경유하는 수전설비(101)로 전력회사(100)로부터 수전하며(10～20%), 난방에 따른 난방열과 급탕열은 열병합 발전기(1)로부터 발생하는 폐열(배열)을 회수하고 열원측 열교환기(300)로 열교환하여 공급하되 부족분은 보조 열원으로 폐열회수 보일러(2)의 가동에 의한 열공급으로 충당하고, 냉방에 따른 냉열은 열병합 발전기(1)에서 공급되는 축열기능이 부가되는 중온수 흡수식 냉동기(3)를 이용하여 전기 에너지와 열에너지를 공급하는 구성이다.

그러나 상기와 같은 종래의 열병합 발전시스템에서는,

열병합 발전기에서 전력을 생산한 후 배출되는 배기가스의 폐열과 엔진 배열 을 그대로 방출하거나 또는 적절하게 회수 재활용하고 있지 못하여 열손실이 크게 발생하게 되며,

또한 열병합 발전기의 배기가스의 폐열과 엔진 배열을 이용 가열된 순환수로 순환 배관상에서 난방 및 급탕을 수행하고 환수되는 고온측의 난방 순환수 열원(약 70℃) 또는 냉각탑에서 냉각되어 환수되는 저온측 냉각수 열원(약 40℃)을 그대로 방출하거나 엔진의 냉각을 위한 냉각수로 활용한다 하더라도 배기 가스 폐열을 적절하고 유효하게 이용하지 못하여 에너지가 낭비(열손실)되는 문제점이 있었다.

또한 엔진의 배열 및 배기가스량의 감소로 인하여 폐열 회수량이 저하되면 보조 열원으로서 보조 보일러(back up boiler)를 가동하여 난방수를 가열 부족한 열량을 보충하고 난방 및 급탕 부하에 대응하게 됨으로써 열병합 발전시스템의 종합 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

그리고 열교환기나 폐열회수장치를 이용하여 에너지 효율을 향상시킨다 하더라도 그 열 회수율을 향상시키는 데는 한계가 있어 배기가스 폐열이나 엔진 배열 등의 폐열을 충분히 회수하지 못하여 에너지 효율이 떨어지게 되거나 엔진 냉각수를 충분히 냉각시키지 못하여 냉각장애에 의한 엔진의 과열로 시스템의 고장을 초래하게 되는 문제점이 있어 불필요한 에너지 낭비를 줄이고 에너지 이용효율을 높이는 방법으로 열병합 발전시스템의 열손실을 예방하고 열효율을 향상시키면서 엔진 냉각수의 입출구 온도를 일정하게 유지시켜야 하는 등의 종합적인 문제점이 있었다.

그리고 냉난방 피크 수요에 적절하게 대응할 수 있고 환경친화적이기 때문에 흡수식 냉동기를 사용하고 있으나, 흡수식 냉동기는 내부에 열매체로서 물을 사용하고 대기압 이하에서 작동하고 있기 때문에 기계식 냉동기에 비하여 사이즈가 커져서 소형화 및 고효율화로 흡수식 냉동기 냉난방 시스템 전체의 효율을 높여야 하는 문제점이 있다.

상기한 바와 같이 종래의 열병합 발전 시스템에 있어,

온도차가 있는 엔진의 초고온 배기가스, 엔진 냉각열, 저온의 냉각수, 고온의 난방 순환수를 상호 유기적으로 주고 받게 하는 에너지의 열교환 구조를 형성하고 온도 변화에 적극 대응 단계적인 열교환과 열교환과정에서의 열전달능력을 최대화시키는 시스템 구성으로,

배기가스 폐열이나 엔진 배열, 엔진 냉각수와 난방 순환수에 의한 열손실을 예방함은 물론 열효율을 향상시켜 시스템의 종합 에너지 효율을 높여야 하는 종합적인 기술적 과제가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서,

온도차가 있는 열병합 발전기의 초고온 배기가스, 엔진 냉각열, 저온의 냉각수, 고온의 난방 순환수에 의한 배열을 회수하여 이용함에 있어서 상호 유기적이면서 단계적으로 주고 받게 하는 시스템으로 열전달능력이 최대화되고 열손실이 최소화되는 최적의 열에너지의 열교환 구조를 형성한 것으로서,

발전에 수반되어 배출되는 대략 400 ℃～470 ℃의 초고온 배기 가스 배열 을 흡수식 냉온수기에 공급 난방열(또는 냉방열) 또는 급탕열을 생산하여 열수요처에 공급하되,

배기 가스의 폐열을 최대한 효율적으로 이용할 수 있게 연도 중간에 3방향 댐퍼(3way damper)를 장착하여 유로 개폐에 의하여 배기가스 배출 통로를 선택적으로 형성할 수 있게 구성하고,

환수되는 대략 70 ℃의 난방 순환수를 상대적으로 고온인 엔진 냉각수열과 열교환시킨 다음 이코노마이저(폐열회수기)를 경유 승온된 고온수를 열수요처에 공급하는 고온측(high temperature)의 난방수 순환 사이클과,

또한 환수되는 대략 40 ℃의 엔진 냉각수도 고온의 배기가스와 엔진 냉각열을 이용 상호 보완적으로 가온하여 대략 43 ℃의 안정된 저온수를 이코노마이저에 공급하고 복귀하는 저온측(low temperature)의 냉각수 순환 사이클을 각각 다중으로 형성하여 엔진으로부터 다중으로 열을 회수하여 냉각효과를 향상시키고 온수의 가열효율도 높여서 일정한 온도의 온수를 열수요처에 지속적으로 공급함으로써,

에너지의 절약 효율을 획기적으로 개선시킨 열병합발전시스템의 고효율 다중 에너지 순환 구조를 제공하는데 목적이 있다.

이와 같이 된 본 발명은,

열병합 발전 공정에서 발생하지만 유효하게 사용되지 못하고 방출되는 배기가스, 엔진 냉각열, 저온의 냉각수, 고온의 난방 순환수 순환에 따른 배열을 회수하고 열교환하여 이용함에 있어서 상호 유기적이면서 단계적, 선택적으로 주고 받게 하여 열에너지를 공유시키는 최적의 배열 회수 라인 구성으로 열전달능력이 최대화되고 열손실이 최소화되는 열에너지 열교환 구조로서,

여러 가지의 온도 차이가 나는 열원을 에너지를 주고 받는 단계적이며 순차적인 방법으로 상호 보완적으로 운용하고 교차적 또는 선택적으로 열원을 효율적으로 이동시켜 에너지 소모를 줄이게 하는 경제적이고 효율적인 제어로,

종래 미흡하게 활용된 배기가스와 엔진 냉각열을 최대한 유효 활용하되 각 열원의 연계 순환에 의한 복합상승효과로 열교환 효율을 높여서 별도의 에너지 소비 없이 난방수나 냉각수 등의 가열효율을 높이면서도 난방수나 냉각수의 온도 변화에 관계없이 설정된 온도를 유지할 수 있어 미활용에너지의 유효이용, 경제적 운전에 따른 종합 열효율향상으로 에너지 절약 효과가 크다.

특히 본 발명은 종래 냉각탑에서 방열시켜 버리게 되는 열원 낭비를 없애고 보조 열원으로서 보조 보일러(back up boiler)에 의한 추가 에너지 입력 없이도 냉난방 시스템 자체에서 생성되는 저온, 고온의 다원화된 열을 열교환시켜 부족한 열량을 보충할 수 있게 되므로 열효율과 흡수식 냉온수기 성적계수(COP)를 향상시켜 냉난방 시스템의 종합 에너지 효율을 대폭 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술의 흡수식 냉동기가 구비된 열병합 발전시스템 개략적 구성도
도 2는 본 발명의 전체적인 구성을 도시한 시스템 구성도

본 발명의 구성을 첨부 도면에 의해 상세하게 설명하면 다음과 같으며 본 발명의 요지를 불명료하게 흐릴 수 있는 공지의 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다

본 발명은 가스 등의 연료를 공급받아 구동되는 엔진(20)으로부터 동력을 공급받아 열병합발전기(10)로 발전을 수행하고 연돌(80)을 통해 버려지는 고온의 배기가스를 이용하여 가열된 난방수를 공급하여 난방과 급탕을 수행하며, 난방과 급탕을 수행하고 온도 저하된 난방수가 환수되는 순환 사이클의 고온측 난방수 순환 배관(L1)과 저온측 냉각수 순환배관(L2)을 구비하는 열병합발전시스템으로서,

엔진(20)으로부터 배출되는 배기 가스를 열원으로서 배기가스를 열교환시켜 냉각 또는 난방열을 생산하여 열수요처에 공급하는 흡수식 냉온수기(30)와 저온의 난방 순환수 또는 엔진 냉각수를 고온의 엔진 배기가스와 열교환시켜 냉난방 용수를 공급하는 이코노마이저(40)를 엔진 후단에 각각 구비하는 기본 시스템 구성에 부가하여,

엔진(20)과 흡수식 냉온수기(30) 사이의 배기가스가 배출되는 연도(70) 중간에 필요에 따라 배기가스 배출 통로를 선택적으로 형성할 수 있게끔 3방향 댐퍼(3way damper)(60)와 배기가스 가열용 덕트 버너(50)를 각각 장착하고,

흡수식 냉온수기(30)와 이코노마이저(40) 사이에는 냉매 연결 배관(L4)과 폐루프(loop)의 엔진 냉각수 순환 배관(L3)을 각각 형성하되 3방향 댐퍼(3 way damper)(60)에 의하여 개폐되는 3 방향에 배기 가스 공급 우회 배관(D1, D2, D3)을 각각 형성하여 배기가스 연도(70)와 흡수식 냉온수기(30) 또는 이코노마이저(40), 흡수식 냉온수기(30)와 이코노마이저(40) 상호간에 열을 주고 받을 있도록 형성하여 간단한 조작으로 열을 제어할 수 있도록 구성하고,

열중계처인 이코노마이저(40)에 열수요처에서 엔진(20)으로 환수되어 엔진 냉각수와 열교환시킨 다음 승온되어 복귀되는 고온측 난방수 순환 배관(L1)과 엔진(20)으로 환수되어 복귀되는 저온측 냉각수 순환 배관(L2)을 각각 경유시켜 열교환 작용을 다중으로 수행할 수 있도록 함으로써,

열수와 가스를 동시에 이용하여 온도차가 나는 엔진의 초고온 배기가스, 엔진 냉각열, 저온의 냉각수, 고온의 난방 순환수를 상호 유기적으로 주고 받게 하는 에너지의 열교환 구조로 열교환효율과 엔진 성능을 획기적으로 향상시키는 구성이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 열병합발전시스템은 전술한 바와 같이,

엔진(20)으로부터 동력을 공급받아 열병합발전기(10)로 발전을 수행하고 배기 가스 연도(煙道)(70) 또는 연돌(80)을 통해 버려지는 고온의 배기가스를 이용하여 가열된 난방수를 공급하여 난방과 급탕을 수행하며, 난방과 급탕을 수행하고 온도 저하된 난방수가 열병합 발전기 엔진(20)으로 환수되는 순환 사이클의 고온측 난방수 순환 배관(L1)과 저온측 냉각수 순환배관(L2)을 구비하게 된다.

또한 엔진(20)의 배기가스를 열교환시키는 흡수식 냉온수기(30)가 배기 가스 연도(70) 일측에 구비되어 냉각열 또는 난방열을 생산하여 열수요처에 공급하고 열교환 작용을 수행한 배기가스를 연돌(80)을 통하여 대기로 방출시키게 된다.

상기 흡수식 냉온수기(30)는, 미도시한 증발기, 흡수기, 발생기, 응축기로 이루어지는 통상의 냉동 사이클을 구현하여 열수요처로부터 냉난방을 수행하고 흡수식 냉온수기로 돌아오는 13℃의 용수를 증발기로 3℃로 냉각시켜 냉수를 발생시켜 냉방에 사용하고, 열수요처에서 32℃로 냉각되어 복귀하는 저온수는 37℃로 승온시켜 이것을 급탕에 이용하게 되는 것으로 난방과 냉방은 가열원과 냉각원을 서로 바꾸어 운전하면 된다.

따라서 상기 흡수식 냉온수기(30)는 열 흡수 냉각작용과 열 방출 난방작용을 동일장치에서 수행하는 통상의 이중 효용 흡수식 냉동기로서,

흡수식 냉온수기(30)의 일측으로는 열교환된 냉매(또는 열매)를 열수요처로 공급하여 순환하게 하는 냉매배관이 이코노마이저(40)에 연결된다.

주지하는 바와 같이 기체의 액체에 대한 흡수성(吸收性)을 이용하는 공지의 흡수식 냉동기는 통상 냉매를 증발시키는 제너레이터, 증발된 냉매를 응축하는 응축기, 냉매가 증발하여 열교환하는 증발기 및 열교환된 냉매가 다시 흡수되는 흡수기로 구성되며 흡수액으로 비독성, 비연소성의 성질을 가지고 있는 취화리튬(Litbium Bromide : LiBr), 냉매로서 물(H₂O)을 사용하는 냉동기로서, 난방시에는 열매가 물과 열교환하여 온수를 형성시키고, 냉방시에는 냉매가 물과 열교환하여 냉수를 발생시키는 메커니즘으로, 대단위 상가 및 신도시를 중심으로 열병합 발전설비에서 부수적으로 발생되는 폐열(배열)을 이용하여 중온수 흡수식 냉동기 하나로도 냉난방을 동시에 실시할 수 있고 특히 하절기 냉방수요를 충족시키기 쉬운 장점이 있어 이렇게 가스를 열원으로 하는 열병합 발전설비에서 부수적으로 발생되는 잉여열을 이용하여 냉방에 지장이 없는 정도의 냉각수를 생산하는 중온수 흡수식 냉동기의 도입은 유지관리가 편리하고 전기의 입력이 필요 없어 경제성면이나 하절기에 집중된 냉방수요 충족에 효율적이라 할 수 있으며 아울러 지구환경 문제를 고려할 때 최근 흡수식 냉동기를 사용하는 예가 증가하고 있는바 이러한 흡수식 냉동기에 관한 기술은 공지된 기술로서 구체적인 설명은 생략한다.

또한 상기 이코노마이저(40)에는 열수요처에서 난방 및 급탕을 수행하고 엔진(20)으로 환수되는 대략 70 ℃의 난방 순환수를 엔진 냉각수와 열교환시킨 다음 이코노마이저(폐열회수기)(40)를 경유 가열하여 대략 90 ℃의 고열로 승온된 고온수를 열수요처에 공급하는 고온측 난방수 순환 배관(L1)과,

엔진(20)으로 환수되는 대략 40 ℃의 엔진 냉각수를 엔진 냉각 배열과 열교환시켜 가온된 대략 43 ℃의 안정된 저온수를 이코노마이저(40)에 공급하고 복귀하는 저온측 냉각수 순환 배관(L2)이 2단으로 각각 연결되는데,

상기 저온측 냉각수 순환 배관의 공급 라인에는 별도의 폐루프(loop) 엔진 냉각수 순환 배관(L3)이 이코노마이저(40)를 매개로 연결되어 저온 냉각수의 승온 효율을 높이게 하는 배관 구조로서 열교환효율과 엔진 성능을 획기적으로 향상시키게 된다.

참고로 본 발명에 적용되는 이코노마이저(economizer, 잠열회수기)(40)는 배기가스의 열손실을 경감해주는 통상의 장치로서 배기가스가 가지고 있는 현열과 잠열 등의 여열을 이용하여 난방수를 가열하게 된다.

한편 상기 흡수식 냉온수기(30)로 연장 형성되어 가스의 흐름을 안내해 주는 덕트 배관으로서 배기가스를 공급하는 배기가스 연도(70) 중간으로는 배기가스의 흐름 방향을 3방향으로 조절하는 3방향 댐퍼(60)가 장착되고, 3방향 댐퍼(60)를 중심으로 전후 방향 양쪽으로 분리 형성되는 복수 개의 우회(바이 패스) 배관(D1, D2)이 각각 형성되어 폐루프(loop)의 엔진 냉각수 순환 배관(L3)과 흡수식 냉동기(30) 일측에서 이코노마이저(40)로 연장되는 냉매배관(L4)에 선택적으로 접속하여 배기가스열을 공급하여 열량을 조절하게 되며, 엔진 냉각수 순환 배관(L3)과 냉매배관(L4)도 브리지(bridge)형태의 연결용 우회배관(D3)이 형성되어 3방향 댐퍼(60)의 가스 흐름 제어로 배기가스의 열량을 조절하게 되는 것이다.

즉, 엔진(20)에서 발생되는 배기가스가 배기 가스 연도(70)를 따라 흡수식 냉동기가 구비된 열병합 발전시스템(30)에 직접 공급되는데 부족한 열량은 덕트 버너(50)로 가열하여 공급하게 되며, 흡수식 냉온수기(30)에서 열교환 작용 수행 후 열을 빼앗긴 배기가스는 연돌(80)을 통하여 대기중으로 방출된다.

또한 배기가스의 열을 효율적으로 이용할 수 있도록 배기 가스 연도(70)에 3방향 댐퍼(60)로 가스 흐름이 제어되는 배기가스의 다중 이용 통로가 형성되는데,

폐루프(loop)의 엔진 냉각수 순환 배관(L3)과 흡수식 냉온수기(30) 일측에서 이코노마이저(40)로 연장되는 냉매배관(L4)에는 3방향 댐퍼(60)의 제어로 배기가스가 공급됨으로써 부족한 열량을 보충하여 열효율을 높이게 되며,

엔진 냉각수 순환 배관(L3)과 냉매 배관(L4) 상호간에도 열을 교환하게 함으로써 상호 보완적이면서 선택적인 열에너지 공급 시스템을 구성함으로써 배기 가스 폐열을 배기 가스 연도에서 최대한 흡수하여 에너지의 절약 효율을 획기적으로 높이게 되는 것이다.

이렇게 형성된 본 발명의 열병합 발전시스템의 다중 에너지 순환 구조는,

온도차가 나는 엔진의 초고온 배기가스를 1차 열원으로 이용하되 이코노마이저를 열중계처로 2차 열원으로서 엔진 냉각수, 저온의 냉각수, 고온의 난방 순환수를 상호 유기적으로 주고 받게 하는 저온 측과 고온 측의 에너지 열교환 구조로,

다원화된 고온의 배기가스 폐열과 엔진 냉각 배열을 동시에 또는 별도로 번갈아 가면서 공급하는 총체적인 열원의 다중 제어로 열원의 열교환 과정에서의 손실을 최소화하는 효율적인 열교환으로 열회수율을 높여서 냉방(난방)부하 변화에 관계 없이 온도차 없는 소정 온도의 온수를 열수요처에 안정되게 공급하게 할 수 있으며 엔진을 냉각시킨 냉각수의 열을 빼앗아 적절한 온도의 엔진 냉각수를 제공하는 엔진 냉각열 제어로 냉각장애에 의한 엔진의 과열이나 소손도 방지할 수 있게 함으로써 에너지의 절약 효율을 획기적으로 개선시키게 되는 것이다.

또한 본 발명에 있어서, 고온의 배기가스와 접촉 열교환하는 엔진 냉각수, 저온의 냉각수, 난방 순환수는 비교적 저온이기 때문에 충분한 열교환으로 배기가스 온도를 대폭 떨어뜨릴 수 있어 열병합발전기 엔진 가동율과 열교환 효율을 향상시키게 되며, 특히 가스를 연료원으로 이용하기 때문에 이코노마이저가 현열은 물론 응축 잠열까지 회수하게 되므로 열원 낭비 없이 난방수 가온효율을 대폭 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

이렇게 본 발명은,

덕트 버너(50)로 더욱 가열된 고온의 배기가스를 이용 흡수식 냉온수기(30)에서 냉매가 물과 열교환하여 온수(냉수)를 형성시키는 공지의 냉동(난방 또는 급탕)사이클로 열을 빼앗아 고온의 온수를 생성함과 동시에 대기중으로 배기 가스를 방출하고,

상기 흡수식 냉온수기(30)에서 생성된 온수(냉수)를 열수요처에 공급하는 과정에서 3방향 댐퍼(60)의 개폐조작으로 배기가스 보충열을 공급하고 더욱 가온시켜 열중계처인 이코노마이저(40)에 공급하게 되며,

이코노마이저(40)에서는 엔진(20)을 냉각시키고 엔진 냉각열을 빼앗아 가온되어 복귀하는 과정에서 고온의 배기가스와 엔진 냉각수의 열이 부가되어 더욱 승온된 폐루프의 순환 냉각수로부터 열을 빼앗아 난방수를 더욱 가열시켜 공급하는 통합 에너지 순환 구조로서,

흡수식 냉온수기 냉난방 시스템에 연계하여 부족한 열원을 보충하는 최적의 시스템 조합으로 배기가스 폐열 등 다양한 열원을 복합 또는 열교환시켜 재활용하는 방법으로 열수요처에 중온(약 90℃)의 안정된 온수를 지속적으로 공급할 수 있으며 엔진의 과열을 막아 엔진 성능을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

결국 본 발명은 다양한 열원을 단계적으로 이용하는 열교환과 열교환과정에서의 열전달능력을 최적화시키고 열손실을 최소화할 수 있어 종래 기술에 비하여 종합적인 시스템 효율이 대폭 향상되는 효과가 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변경이 가능하므로 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

10:열병합발전기 20:엔진
30:흡수식 냉온수기 40:이코노마이저(폐열회수기)
50:덕트 버너 60:3 방향 댐퍼(3-way damper)
70:연도 80:연돌
L1:고온측 난방수 순환 배관 L2:저온측 냉각수 순환 배관
L3:엔진 냉각수 순환 배관 L4:냉매 배관
D1, D2, D3: 우회배관

Claims (3)

1. 엔진(20)으로부터 동력을 공급받아 열병합발전기(10)로 발전을 수행하고 고온의 배기가스를 이용하여 가열된 난방수를 공급하여 난방과 급탕을 수행하며, 난방과 급탕을 수행하고 온도 저하된 난방수가 환수되는 순환 사이클의 고온측 난방수 순환 배관(L1)과 저온측 냉각수 순환배관(L2)을 구비하는 열병합발전시스템으로서,
   엔진 배출 배기가스를 열교환시켜 냉각 또는 난방열을 생산하여 열수요처에 공급하는 흡수식 냉온수기(30)와 저온의 난방 순환수 또는 엔진 냉각수를 고온의 엔진 배기가스와 열교환시켜 냉난방 용수를 공급하는 이코노마이저(40)를 엔진(20) 후단에 각각 구비하고,
   흡수식 냉온수기(30)와 이코노마이저(40) 사이에는 냉매 연결 배관(L4)과 폐루프(loop)의 엔진 냉각수 순환 배관(L3)을 각각 형성하며,
   상기 이코노마이저(40)에는 열수요처에서 난방 및 급탕을 수행하고 엔진(20)으로 환수되는 70 ℃의 난방 순환수를 엔진 냉각수와 열교환시킨 다음 이코노마이저(40)를 경유 가열하여 90 ℃의 고열로 승온된 고온수를 열수요처에 공급하는 고온측 난방수 순환 배관(L1)과,
   엔진(20)으로 환수되는 대략 40 ℃의 엔진 냉각수를 엔진 냉각 배열과 열교환시켜 가온된 대략 43 ℃의 안정된 저온수를 이코노마이저(40)에 공급하고 복귀하는 저온측 냉각수 순환 배관(L2)을 각각 연결시켜,
   엔진의 초고온 배기가스를 1차 열원으로 이용하되 이코노마이저를 열중계처로 2차 열원으로서 엔진 냉각수, 저온의 냉각수, 고온의 난방 순환수를 상호 주고 받게 하는 저온 측과 고온 측의 에너지 열교환 구조로,
   열병합 발전 공정에서 발생하는 배기가스, 엔진 냉각열, 저온의 냉각수, 고온의 난방 순환수 순환에 따른 배열을 상호 주고 받게 하여 열에너지를 공유시키는 배열 회수 라인 구성으로 열교환 작용을 다중으로 수행할 수 있게 함을 특징으로 하는 열병합 발전시스템의 다중 에너지 순환 구조
2. 제 1항에 있어서,
   엔진(20)과 흡수식 냉온수기(30) 사이의 배기가스가 배출되는 연도(70) 중간에 필요에 따라 배기가스의 흐름 방향을 3방향으로 조절하는 3방향 댐퍼(3way damper)(60)를 장착하고,
   3방향 댐퍼(60)를 중심으로 전후 방향 양쪽으로 분리 형성되는 복수 개의 우회 배관(D1, D2)이 각각 형성되어 폐루프(loop)의 엔진 냉각수 순환 배관(L3)과 흡수식 냉동기(30) 일측에서 이코노마이저(40)로 연장되는 냉매배관(L4)에 선택적으로 접속하여 배기가스 열을 공급하여 열량을 조절하게 되며, 엔진 냉각수 순환 배관(L3)과 냉매배관(L4) 사이에도 브리지(bridge)형태의 연결용 우회 배관(D3)이 형성되어 3방향 댐퍼(60)의 가스 흐름 제어로 배기가스의 열량을 조절 공급하여 배기가스 연도(70)와 흡수식 냉동기(30) 또는 이코노마이저(40), 흡수식 냉온수기(30)와 이코노마이저(40) 상호 간에 열을 주고 받을 수 있도록 형성함을 특징으로 하는 열병합 발전시스템의 다중 에너지 순환 구조
3. 제 1항에 있어서,
   엔진으로 환수되어 복귀되는 저온측 냉각수 순환 배관(L2)의 공급 라인에는 배기가스 연도(70)와 접속되는 별도의 폐루프(loop) 엔진 냉각수 순환 배관이(L3) 이코노마이저(40)를 매개로 연결되어 배기가스와 엔진 냉각열이 결합되어 저온 냉각수의 승온 효율을 높이게 하는 배관 구조를 특징으로 하는 열병합 발전시스템의 다중 에너지 순환 구조

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