KR101249448B1 - 중저온 폐열발전용 증발기 - Google Patents

중저온 폐열발전용 증발기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 작동유체가 유입되는 작동유체 하부헤더; 상기 작동유체 하부헤더의 상측으로 이격되도록 위치되고, 상기 작동유체가 유출되는 작동유체 상부헤더; 상기 작동유체 하부헤더의 상면에 설치되고, 중간 매개체로 채워진 매개체 하부헤더; 상기 작동유체 상부헤더의 하면에 설치되어 상기 매개체 하부헤더의 상측으로 이격되도록 위치되고, 상기 중간 매체체로 채워진 매개체 상부헤더; 상기 매개체 하부헤더와 상기 매개체 상부헤더를 연통시키고, 상기 중간 매개체로 채워진 매개체 튜브; 및 상기 매개체 튜브의 내부에 위치되고, 상기 매개체 하부헤더와 상기 매개체 상부헤더를 관통하여 상기 작동유체 하부헤더와 상기 작동유체 상부헤더를 연통시키며, 상기 작동유체의 유동경로를 제공하는 작동유체 튜브를 포함하되, 폐열원은 상기 매개체 하부헤더와 상기 매개체 상부헤더 사이를 통과하면서 상기 중간 매개체와 열교환이 이루어지고, 상기 작동유체는 액체 상태로 유입되어 상기 작동유체 튜브에서 상기 중간 매개체와 열교환되어 기체 상태로 상변화되어 유출되는 것을 특징으로 하는 중저온 폐열발전용 증발기를 개시한다. 상기와 같은 중저온 폐열발전용 증발기는 고온유체 순환 루프없이 안전한 작동유체와 폐열원의 열교환을 구현하고, 고온유체 순환 루프에 따른 설비비와 유지관리비를 절감한다.

Description

중저온 폐열발전용 증발기{EVAPORATOR FOR INTERMEDIATE TEMPERATURE WASTE HEAT POWER GENERATION}
본 발명은 중저온 폐열발전용 증발기에 관한 것으로서, 특히, 고온유체 순환 루프를 이용하지 않고 폐열원을 직접 이용하는 중저온 폐열발전용 증발기에 관한 것이다.
화력 발전은 일반적으로 석탄, 오일 또는 가스를 연료로 하고 물을 작동유체로 한다. 예를 들어, LNG 복합발전의 경우, 가스터빈으로부터의 배가스는 500℃ 내지 600℃ 정도이기에, 작동유체인 물은 배가스의 열에 의해 스팀으로 상변화되어 스팀터빈을 구동시켜 발전한다. 최근에는 100℃ 내지 500℃ 정도로 보다 낮은 온도인 폐열원을 이용한 중저온 폐열발전기술이 개발되어 확대되고 있다.
도 1은 종래의 중저온 폐열발전 시스템(1)을 도시하는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 중저온 폐열발전 시스템(1)은 고온유체 순환 루프(L1), 작동유체 순환 루프(L2) 및 냉각수 순환 루프(L3)로 이루어진다.
고온유체 순환 루프(L1)에서 배열원은 열교환기(11)를 통해 유체를 고온화한다. 이런 고온유체는 증발기(12)와 예열기(13)에서 작동유체를 상변화시키면서 냉각된다. 냉각된 유체는 펌프(17a)에 의해 지속적으로 순환하여 다시 열교환기(11)를 통해 고온화된다.
작동유체 순환 루프(L2)에서 고온유체에 의해 증발기(12)와 예열기(13)에서 상변화된 작동유체는 터빈(14)을 통해 기계적 에너지로 변환된다. 이어서, 작동유체는 응축기(15)에서 다양한 냉각방법을 통해 액체로 응축되어 펌프(17b)를 통해 지속적으로 순환하여 증발기(12)와 예열기(13)에서 다시 상변화된다.
냉각수 순환 루프(L3)에서 냉각수는 펌프(17c)를 통해 냉각탑(16)으로부터 응축기(15)로 공급된다. 응축기(15)에서 작동유체는 냉각수에 의해 액체로 응축된다. 작동유체를 응축시키는 데에 이용된 냉각수는 다시 냉각탑(16)으로 유입되어 냉각되고 다시 펌프(17c)를 통해 지속적으로 순환하여 응축기(15)에서 작동유체를 응축시키는 데에 이용된다.
상기와 같은 중저온 폐열발전 시스템에서 낮은 온도의 폐열원으로도 발전하기 위하여, 작동유체는 낮은 끓는점을 갖고, 예를 들어 탄화수소계 원료나 암모니이다. 이러한 물질은 폭발성이 있고 부식성이 있다. 이때, 작동유체가 누설되어 폐열원에 유입되면, 폭발반응이 이루어질 수도 있고, 폐열원이 오염될 수도 있다.
따라서, 중저온 폐열발전 시스템에서 고온 고압상태인 증발기는 폐열원으로부터 직접 열을 회수하지 않고 고온유체 순환 루프에서 폐열원을 통해 고온화된 고온유체로부터 열을 회수한다. 따라서, 고온유체 순환 루프는 폐열원으로 탄화수소계 연료나 암모니아와 같은 작동유체가 누출되지 않도록 한다.
하지만, 고온유체 순환 루프에는 폐열원을 이용한 고온유체의 생성을 위하여 별도의 열교환기나 펌프 등이 설치되고, 지속적인 펌프의 작동이 요구된다. 이로 인해, 고온유체 순환 루프에 따른 상당한 설비비 및 유지관리비가 요구된다.
본 발명은 중저온 폐열발전에서 고온유체 순환 루프를 이용하지 않고 안전하게 작동유체와 폐열원 사이의 열교환을 구현하는 중저온 폐열발전용 증발기를 제공하고자 한다.
또한, 고온유체 순환 루프에 의한 설비비 및 유지관리비를 감소시킬 수 있는 중저온 폐열발전용 증발기를 제공하고자 한다.
본 발명은 작동유체가 유입되는 작동유체 하부헤더; 상기 작동유체 하부헤더의 상측으로 이격되도록 위치되고, 상기 작동유체가 유출되는 작동유체 상부헤더; 상기 작동유체 하부헤더의 상면에 설치되고, 중간 매개체로 채워진 매개체 하부헤더; 상기 작동유체 상부헤더의 하면에 설치되어 상기 매개체 하부헤더의 상측으로 이격되도록 위치되고, 상기 중간 매체체로 채워진 매개체 상부헤더; 상기 매개체 하부헤더와 상기 매개체 상부헤더를 연통시키고, 상기 중간 매개체로 채워진 매개체 튜브; 및 상기 매개체 튜브의 내부에 위치되고, 상기 매개체 하부헤더와 상기 매개체 상부헤더를 관통하여 상기 작동유체 하부헤더와 상기 작동유체 상부헤더를 연통시키며, 상기 작동유체의 이동경로를 제공하는 작동유체 튜브를 포함하되, 폐열원은 상기 매개체 하부헤더와 상기 매개체 상부헤더 사이를 통과하면서 상기 중간 매개체와 열교환이 이루어지고, 상기 작동유체는 액체 상태로 유입되어 상기 작동유체 튜브에서 상기 중간 매개체와 열교환되어 기체 상태로 상변화되어 유출되는 것을 특징으로 하는 중저온 폐열발전용 증발기를 개시한다.
또한, 상기 중저온 폐열발전용 증발기는, 상기 매개체 하부 헤더 또는 상기 매개체 상부 헤더에 설치되어, 상기 중간 매개체의 온도와 유체압력을 측정하고, 상기 작동유체의 상기 중간 매개체로의 유입 여부를 감지하는 매개체 측정 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중저온 폐열발전용 증발기.
또한, 상기 중간 매개체는 물 또는 오일인 것을 특징으로 하는 중저온 폐열발전용 증발기를 개시한다.
본 발명에 따른 중저온 폐열발전용 증발기는 다음과 같은 효과들을 갖는다.
(1) 본 발명에 따른 중저온 페열발전용 증발기는 작동유체 하부헤더, 작동유체 상부헤더, 매개체 하부헤더, 매개체 상부헤더, 매개체 튜브 및 작동유체 튜브를 포함하고, 매개체 하부헤더, 매개체 상부헤더 및 매개체 튜브에는 중간 매개체가 채워져 있어, 누설된 작동유체와 폐열원의 직접적인 접촉이 차단되고, 작동유체는 중간 매개체를 통해 폐열원과 안전하게 열교환된다. 따라서, 본 발명에 따른 중저온 페열발전용 증발기는 종래의 고온유체 순환 루프를 사용하지 않고서도 안전하게 작동유체와 폐열원 사이의 열교환을 구현한다는 효과를 갖는다.
(2) 본 발명에 따른 중저온 페열발전용 증발기는 별도로 고온유체 순환 루프를 사용하지 않아, 고온유체 순환 루프에 따른 설비비와 유지관리비를 절감할 수 있다는 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 중저온 폐열발전 시스템을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중저온 폐열발전용 증발기를 도시하는 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중저온 폐열발전용 증발기를 도시하는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중저온 폐열발전용 증발기(100)는 작동유체 하부헤더(101), 작동유체 상부헤더(102), 매개체 하부헤더(103), 매개체 상부헤더(104), 매개체 튜브(105) 및 작동유체 튜브(106)를 포함하고, 작동유체는 유입방향(A)을 따라 유입된 500℃ 이하의 기체나 액체 상태인 폐열원의 열을 중간 매개체를 통해 회수하고, 상변화되어 터빈(14; 도 1에 도시됨)으로 공급한다.
작동유체 하부헤더(101)에는 작동유체가 유입된다. 여기서, 작동유체는 탄화수소계 연료이거나 암모니아이고, 액체 상태로 작동유체 하부헤더(101)로 유입된다. 또한 작동유체는 유입되어 작동유체 하부헤더(101)에서 동일한 온도와 압력으로 균일화된다.
작동유체 상부헤더(102)는 작동유체 하부헤더(101)의 상측으로 이격되도록 위치된다. 또한, 작동유체는 기체 상태이고, 작동유체 상부헤더(102)로부터 유출된다. 이때에도, 작동유체는 동일한 온도와 압력으로 균일화된다.
매개체 하부헤더(103)는 작동유체 하부헤더(101)의 상면에 위치된다. 매개체 하부헤더(103)의 내부는 중간 매개체로 채워진다. 상기와 같은 매개체 하부헤더(103)는 작동유체 하부헤더(101)의 작동유체가 직접적으로 상측으로 누출되는 것을 방지한다.
매개체 상부헤더(104)는 작동유체 상부헤더(102)의 하면에 위치되어, 매개체 하부헤더(103)의 상측으로 이격되도록 위치된다. 매개체 상부헤더(104)의 내부도 중간 매개체로 채워진다. 상기와 같은 매개체 상부헤더(104)는 작동유체 상부헤더(102)의 작동유체가 하측으로 누출되는 것을 방지한다.
매개체 튜브(105)는 매개체 하부헤더(103)와 매개체 상부헤더(104)를 연통시킨다. 매개체 튜브(105)의 내부도 중간 매개체로 채워진다. 이때, 매개체 튜브(105)를 비롯한 매개체 하부헤더(103)와 매개체 상부헤더(104)에서는 중간 매개체가 동일한 온도와 압력을 갖는다.
한편, 폐열원은 매개체 하부헤더(103)와 매개체 상부헤더(104) 사이로 유입되어 유출된다. 이때, 중간 매개체는 폐열원의 열을 회수한다. 중간 매개체는 작동유체와도 열교환이 이루어져야 하기 때문에, 액체 상태인 물이나 오일이 중간 매개체로서 사용된다.
중간 매개체가 물인 경우, 물의 압력이 낮으면 200℃이하에서 쉽게 기화된다. 이로 인해, 200℃ 이하의 폐열원이 사용되는 경우, 물은 20기압 정도의 압력을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 300℃의 폐열원이 사용되는 경우, 물은 90기압 정도의 압력을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 물이 중간 매개체로 사용되기 위해서는, 압력이 폐열원의 온도에 따라 적절하게 제어되어야 한다. 반면에, 오일이 중간 매개체일 때에는, 오일은 고온에서도 기화되지 않기에 안정적으로 사용가능하다.
작동유체 튜브(106)는 매개체 튜브(105)의 내부에 위치되어, 매개체 하부헤더(103)와 매개체 상부헤더(104)를 관통한 상태로 작동유체 하부헤더(101)와 작동유체 상부헤더(102)를 연통시킨다. 즉, 작동유체 튜브(106)는 매개체 튜브(105)와 조합하여 이중관 형태로 이루어지고, 중간 매개체와 작동유체는 작동유체 튜브(106)를 사이에 두고 분리된다
작동유체는 작동유체 하부헤더(101)로 유입되고, 작동유체 튜브(106)를 따라 유동하여 작동유체 상부헤더(102)를 통해 유출된다. 이때, 작동유체 튜브(106)에서는 작동 유체는 폐열원의 열을 회수한 중간 매개체와 열교환이 이루어지고, 중간매개체의 열을 회수한다. 이로 인해, 작동유체 하부헤더(101)에서 액체 상태인 작동유체는 작동유체 튜브(106)를 따라 유동하면서 기체로 상변화되어 작동유체 상부헤더(102)로 유출된다.
상기와 같은 중저온 폐열발전용 증발기(100)에서는 폐열원과 작동유체의 열교환이 중간 매개체를 통해 이루어진다. 이로 인해, 작동유체 튜브(106)가 손상되더라도 작동유체와 폐열원은 직접적으로 접촉하지 않고, 작동유체의 누출로 인해 폐열원의 오염이 방지될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 중저온 폐열발전용 증발기(100)는 작동유체와 폐열원은 접촉을 방지하기 위하여 이루어졌던 고온유체 순환 루프(L1; 도 1에 도시됨)를 제거할 수 있고, 안정적으로 폐열원과 작동유체의 열교환을 구현할 수 있다. 이로 인해, 고온유체 순환 루프(L1)에 따른 설비비와 유지관리비가 절감된다.
한편, 본 발명에 따른 중저온 폐열발전용 증발기(100)는 매개체 측정 포트(107)를 더 포함할 수 있다. 매개체 측정 포트(107)는 매개체 상부헤더(104)에 설치된다. 이로 인해, 매개체 상부헤더(104), 매개체 튜브(105) 및 매개체 하부헤더(103)에 채워진 중간 매개체의 온도 및 유체압력이 측정될 수 있다. 또한, 측정된 온도 및 유체압력을 기초로 하여 별도로 중간 매개체의 온도 및 유체압력을 제어할 수 있다.
특히, 작동유체 튜브(106)가 손상된 경우, 작동유체는 매개체 튜브(105)로 유입될 수 있다. 이때, 압력이 낮은 작동유체가 유입되면, 중간 매개체의 유체압력은 낮아지게 된다. 즉, 매개체 측정 포트는 측정된 중간 매개체의 유체압력을 통해 작동유체의 중간 매개체로의 유입 여부를 확인할 수 있다.
또한, 중간 매개체는 연통된 매개체 상부헤더(104), 매개체 튜브(105) 및 매개체 하부헤더(103)에 채워진 상태이다. 이로 인해, 매개체 측정 포트(107)는 매개체 상부헤더(104) 뿐 아니라, 매개체 하부헤더(103) 및 매개체 튜브(105)에 설치가능하다.
이상, 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
100: 중저온 폐열발전용 증발기 101: 작동유체 하부헤더
102: 작동유체 상부헤더 103: 매개체 하부헤더
104: 매개체 상부헤더 105: 매개체 튜브
106: 작동유체 튜브 107: 매개체 측정 포트

Claims (3)

  1. 작동유체가 유입되는 작동유체 하부헤더(101);
    상기 작동유체 하부헤더(101)의 상측으로 이격되도록 위치되고, 상기 작동유체가 유출되는 작동유체 상부헤더(102);
    상기 작동유체 하부헤더(101)의 상면에 설치되고, 중간 매개체로 채워진 매개체 하부헤더(103);
    상기 작동유체 상부헤더(102)의 하면에 설치되어 상기 매개체 하부헤더(103)의 상측으로 이격되도록 위치되고, 상기 중간 매체체로 채워진 매개체 상부헤더(104);
    상기 매개체 하부헤더(103)와 상기 매개체 상부헤더(104)를 연통시키고, 상기 중간 매개체로 채워진 매개체 튜브(105); 및
    상기 매개체 튜브(105)의 내부에 위치되고, 상기 매개체 하부헤더(103)와 상기 매개체 상부헤더(104)를 관통하여 상기 작동유체 하부헤더(101)와 상기 작동유체 상부헤더(102)를 연통시키며, 상기 작동유체의 유동경로를 제공하는 작동유체 튜브(106); 및
    상기 매개체 하부헤더(103) 또는 상기 매개체 상부헤더(104)에 설치되어, 상기 중간 매개체의 온도와 유체압력을 측정하고, 상기 작동유체의 상기 중간 매개체로의 유입 여부를 감지하는 매개체 측정 포트를 포함하되,
    폐열원은 상기 매개체 하부헤더(103)와 상기 매개체 상부헤더(104) 사이를 통과하면서 상기 중간 매개체와 열교환이 이루어지고, 상기 작동유체는 액체 상태로 유입되어 상기 작동유체 튜브(106)에서 상기 중간 매개체와 열교환되어 기체 상태로 상변화되어 유출되는 것을 특징으로 하는 중저온 폐열발전용 증발기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 매개체는 물 또는 오일인 것을 특징으로 하는 중저온 폐열발전용 증발기.
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