KR101208458B1 - 하이브리드 증발기 기반 ｏｒｃ 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2 종류의 증발기를 선택적으로 구동할 수 있도록 하여 다양한 열원에서 보다 높은 효율로 운전할 수 있는 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 주요구성은 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기(10)와; 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈(20)과; 터빈(20)에서 나온 작동유체를 액체로 응축시키는 응축기(30)와; 응축기에서 나온 작동유체를 저장하는 응축탱크(40)와; 응축탱크의 저장된 작동유체를 증발기로 공급하는 펌프(50)를 구비하되, 증발기는 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)와 판형열교환기 타입 증발기(20)로 이루어지고, Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20)로 공급되는 열원의 정보를 체크하는 센싱부(70)와, 센싱부(70)를 통해 측정된 열원의 정보를 제공받아 열원의 열량을 측정하고, 측정된 열원의 열량이 기준 범위의 열량보다 높은지, 기준 범위 이내인지 또는 기준 범위보다 낮은지를 확인하여 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)와 판형열교환기 타입 증발기(20)의 작동신호를 발생하는 비교부(80)와, 비교부(80)에서 발생된 작동신호에 따라 상기 열원과 작동유체가 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20)로 선택적으로 유입되도록 제어하는 선택부(90)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 증발기 기반 ＯＲＣ 시스템{Organic Rankine Cycle system with hybrid evaporator}
본 발명은 열원의 열량(온도 및 엔탈피)에 따라 2 종류의 증발기를 선택적으로 구동할 수 있도록 하여 다양한 열원에서 보다 높은 효율로 운전할 수 있는 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 유기랭킨사이클(ORC : Organic Rankine Cycle)은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨사이클(Rankin Cycle)로서 비교적 저온의 온도 범위 (60～200℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템으로, 저온에서 고압의 기체를 생산하여 터빈을 구동하여야하는 ORC 시스템의 특성상 작동유체로는 비등점이 낮고, 증발압력이 높은 프레온 계열의 냉매를 사용한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유기랭킨사이클(ORC : Organic Rankine Cycle)은 증발기(10) 및 터빈(30), 응축기(40), 펌프(60)의 기본 요소로 구성되어 있다. 증발기(10)는 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 역할을 하고, 터빈(30)은 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키며, 응축기(40)는 터빈(30)에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 상변화시켜주는 역할을 하고, 펌프(60)는 응축기(40)에서 나온 저압의 작동유체를 증발기(10)로 공급하는 역할을 한다. 랭킨 사이클 시스템의 출력은 터번에서 수행하는 일(work)과 같다.
이러한 ORC 시스템은 열원의 특성을 고려하여 최적의 랭킨 사이클 효율을 발휘하도록 증발기(10)로서 Shell&tube 타입의 열교환기를 증발기로 사용한다. Shell&tube 타입 열교환기는 작동유체의 증발 압력 그리고 온도 까지 제어가 가능하기 때문에 열원을 고려하여 증발 압력을 최대로 높여서 사이클의 극대화가 가능하다. 그러나 Shell&tube 열교환기는 열원의 온도 특성이 열교환기 사양에서 크게 벗어날 경우 적절한 증발압력을 발휘하도록 제어하기가 어려운 문제가 있다.
또한 판형열교환기를 증발기로 사용할 경우 열교환기 내의 작동유체의 증발 압력을 원하는 값으로 제어하기가 매우 어려운 문제가 있다. 왜냐하면 증발압력을 제어하기 위해서는 작동유체가 T-S 선도 하의 원하는 압력선 상에서 액체와, 기체 상태로 존재하여야 하는데, 이를 판형열교환기 특성상 이를 제어하는 것이 불가능하기 때문이다. 따라서 열원의 온도가 너무 높을 경우 작동유체는 원하는 온도보다 높은 상태로 과열될 것이다. 그러나 증발 시점이 원하는 온도 보다 낮을 수가 있으므로 증발 압력은 원하는 값 보다 낮을 수 있기 때문에 사이클 효율을 최대화 하기 위한 제어는 불가능하다. 그러지만 열원의 온도와 엔탈피 변화가 큰 특성을 지닐 경우에도 터빈 구동을 위한 건증기 생산이 가능하기 때문에 작동성은 Shell&Tube 형 열교환기 타입 증발기 만을 사용할 경우 보다 높다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 열원의 열량(온도 및 엔탈피)에 따라 2 종류의 증발기를 선택적으로 구동할 수 있도록 하여 다양한 열원에서 보다 높은 효율로 운전할 수 있는 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 다른 해결과제는 증발기로 공급되는 열원의 열량을 측정하여 열원에 알맞은 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기와 판형열교환기 타입 증발기를 선택적으로 구동시켜 증발 효율을 향상시킬 수 있는 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템은, 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기(10)와; 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈(20)과; 터빈(20)에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 응축시키는 응축기(30)와; 응축기에서 나온 저압의 작동유체를 저장하는 응축탱크(40)와; 응축탱크의 저장된 작동유체를 증발기로 공급하는 펌프(50)를 구비하되,
상기 증발기는 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)와 판형열교환기 타입 증발기(20)로 이루어지고,
Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20)로 공급되는 열원의 정보를 체크하는 센싱부(70)와,
센싱부(70)를 통해 측정된 열원의 정보를 제공받아 열원의 열량을 측정하고, 측정된 열원의 열량이 기준 범위의 열량보다 높은지, 기준 범위 이내인지 또는 기준 범위보다 낮은지를 확인하여 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)와 판형열교환기 타입 증발기(20)의 작동신호를 발생하는 비교부(80)와,
비교부(80)에서 발생된 작동신호에 따라 상기 열원과 작동유체가 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20)로 선택적으로 유입되도록 제어하는 선택부(90)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 센싱부는 온도, 압력 및 유량을 측정하는 센서인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20)로 공급되는 열원과 작동유체의 공급방향을 제어하는 제1조절밸브(91)와 제2조절밸브(92)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 비교부(80)는 열원의 열량이 기준 범위의 열량에 포함되어 있는 경우에는 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)의 작동신호를 제공하고, 기준 범위의 열량보다 낮은 경우에는 판형열교환기 타입 증발기(20)의 작동신호를 제공하며, 기준 범위의 열량보다 높은 경우에는 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)와 판형열교환기 타입 증발기(20)를 동시에 작동하도록 작동신호를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템은 작동유체 및 열원의 온도 및 엔탈피에 따라 2 종류의 증발기를 선택적으로 구동할 수 있도록 하여 다양한 열원에서 보다 높은 효율로 운전할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 다른 해결과제는 증발기로 공급되는 열원의 열량을 측정하여 열원에 알맞은 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기와 판형열교환기 타입 증발기를 선택적으로 구동시켜 증발 효율을 향상시킬 수 있는 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 ORC 터보발전 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템의 개략도.
이하, 첨부한 도면에 의하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템의 개략도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 증발기 기반 ORC(유기랭킨사이클, Organic Rankine Cycle) 시스템은 Shell&Tube 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20), 터빈(30), 응축기(40), 응축탱크(50), 펌프(60), 센싱부(70), 비교부(80) 및 증발기를 선택하는 선택부(90)를 구비한다.
본원발명의 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20)는 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키고, 터빈(30)은 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다.
응축기(40)는 터빈(30)에서 나온 작동유체를 액체로 응축시켜 응축탱크(50)로 제공하며, 펌프(60)는 응축탱크(50)의 작동유체를 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20)로 공급한다.
한편, 센싱부(70)는 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20)로 공급되는 열원의 정보를 체크한다. 이러한 열원의 정보는 열원의 열량을 측정할 수 있는 온도, 압력 및 유량 등에 관한 것이며, 이러한 정보들은 각종 센서를 이용하여 측정할 수 있다.
비교부(80)는 열량측정부를 통해 측정된 열원의 정보를 제공받아 열원의 열량을 측정하고, 측정된 열원의 열량이 기준 범위의 열량보다 높은지, 기준 범위 이내인지 또는 기준 범위보다 낮은지를 확인한다.
비교부(80)는 열원의 열량이 기준 범위의 열량에 포함되어 있는 경우에는 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)의 작동신호를 제공하고, 기준 범위의 열량보다 낮은 경우에는 판형열교환기 타입 증발기(20)의 작동신호를 제공하며, 기준 범위의 열량보다 높은 경우에는 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)와 판형열교환기 타입 증발기(20)를 동시에 작동하도록 작동신호를 제공한다. 이때, 기준 범위의 열량은 표준 열량보다 약 ±10%범위 등으로 제한할 수 있다.
선택부(90)는 비교부(80)에서 발생된 작동신호를 제공받아 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20)에서 열원과 작동유체가 열교환되도록 제1조절밸브(91)와 제2조절밸브(92)를 제어한다.
즉, 열원의 열량이 기준 열량의 범위에 해당되어 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)로 제어하기 적합한 경우 선택부(90)는 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)에서 열교환이 이루어지도록 열원의 흐름을 제1조절밸브(91)로 조절하고, 작동유체의 흐름을 제2조절밸브(92)로 조절하여 최고의 증발압력으로 작동유체를 증발시켜 사이클 효율을 최대한 높인다.
또한, 열원의 열량이 기준 열량의 범위보다 낮은 경우(열원 온도 또는 엔탈피가 매우 낮을 경우) 선택부(90)는 판형열교환기 타입 증발기(20)에서 열교환이 이루어지도록 제1조절밸브(91)와 제2조절밸브(92)를 제어하여 작동유체를 증발시킨다.
한편, 열원의 열량(온도 혹은 엔탈피)이 기준 열량보다 높아 Shell&Tube 열교환기 증발기(10) 사양에 비해 높을 경우에 선택부(90)는 제1조절밸브(91)와 제2조절밸브(92)를 제어하여 열원과 작동유체가 Shell&Tube 열교환기 증발기(10)와 판형열교환기 타입 증발기(20)에 함께 공급되어 열교환되도록 할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대해 설명하였다. 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
10 : Shell&Tube 타입 증발기
20 : 판형열교환기 타입 증발기
30 : 터빈 40 : 응축기
50 : 응축탱크 60 : 펌프
70 : 센싱부 80 : 비교부
90 : 선택부 91 : 제1조절밸브
92 : 제2조절밸브

Claims (5)

  1. 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기(10)와; 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈(20)과; 터빈(20)에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 응축시키는 응축기(30)와; 응축기에서 나온 저압의 작동유체를 저장하는 응축탱크(40)와; 응축탱크의 저장된 작동유체를 증발기로 공급하는 펌프(50)를 구비하되,
    상기 증발기는 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)와 판형열교환기 타입 증발기(20)로 이루어지고,
    Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20)로 공급되는 열원의 정보를 체크하는 센싱부(70)와,
    센싱부(70)를 통해 측정된 열원의 정보를 제공받아 열원의 열량을 측정하고, 측정된 열원의 열량이 기준 범위의 열량보다 높은지, 기준 범위 이내인지 또는 기준 범위보다 낮은지를 확인하여 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)와 판형열교환기 타입 증발기(20)의 작동신호를 발생하는 비교부(80)와,
    비교부(80)에서 발생된 작동신호에 따라 상기 열원과 작동유체가 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20)로 선택적으로 유입되도록 제어하는 선택부(90)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 센싱부는 온도, 압력 및 유량을 측정하는 센서인 것을 특징으로 하는 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10) 또는 판형열교환기 타입 증발기(20)로 공급되는 열원과 작동유체의 공급방향을 제어하는 제1조절밸브(91)와 제2조절밸브(92)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    비교부(80)는 열원의 열량이 기준 범위의 열량에 포함되어 있는 경우에는 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)의 작동신호를 제공하고, 기준 범위의 열량보다 낮은 경우에는 판형열교환기 타입 증발기(20)의 작동신호를 제공하며, 기준 범위의 열량보다 높은 경우에는 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)와 판형열교환기 타입 증발기(20)를 동시에 작동하도록 작동신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준 범위의 열량은 Shell&Tube 열교환기 타입 증발기(10)에서 처리할 수 있는 표준 열량인 것을 특징으로 하는 하이브리드 증발기 기반 ORC 시스템.
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