KR101315918B1 - 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 orc 열병합 시스템 - Google Patents

저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 orc 열병합 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템에 관한 것으로서, 특히 저온성 폐열을 공급받아 작동 유체를 증발시키는 증발기와; 상기 증발기를 통하여 열을 전달받는 작동 유체에 의해 동작되는 터빈과; 상기 터빈의 회전에 의해 전력을 생산하는 발전기와; 상기 터빈에서 팽창된 작동 유체를 액화하는 응축기와; 상기 응축기에서 액화된 작동 유체를 상기 증발기로 공급하는 펌프와; 상기 증발기를 통해 작동 유체와 열교환되어 배출되는 배출 온수를 가온열로 이용하고, 외부로부터 유입되어 순환되는 냉각수를 냉각열로 이용하여 저온 냉각수를 생산하며, 생산된 저온 냉각수를 상기 응축기로 순환시키고, 열교환된 온수를 지역난방수로 공급하는 흡수식 냉동기; 및 상기 증발기의 저온성 폐열을 전달하는 배출수 입구와 출구 사이에서 분기 관로에 설치되어 상기 증발기에서 배출되는 배출수의 온도를 일정하게 유지시키는 온도 조절 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 저온의 폐열을 증발기에 공급한 후 증발기에서 배출되는 저온수를 저온수 2단 흡수식 냉동기로 공급하여 냉수를 생산하고, 생산된 냉수를 응축기의 냉각수로 공급하여 열원과 냉각수의 열낙차를 증대시켜 발전 출력을 증대시킬 수 있다.

Description

저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템{ORGANIC RANKINE CYCLE FOR USING LOW TEMPERATURE WASTE HEAT AND ABSORBTION TYPE REFRIGERATOR}
본 발명은 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 저온의 폐열을 증발기에 공급한 후 증발기에서 배출되는 저온수를 저온수 2단 흡수식 냉동기로 공급하여 냉수를 생산하고, 생산된 냉수를 응축기의 냉각수로 공급하여 열원과 냉각수의 열낙차를 증대시켜 발전 출력을 증대시키도록 하는 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 유기 랭킨 사이클(ORC : ORGANIC RANKINE CYCLE)은 유기 매체를 작동 유체로 사용하는 랭킨 사이클(RANKIn Cycle)로서 도 1에 도시된 바와 같이 유기 랭킨 사이클 시스템(10)은 보일러 또는 작동 유체의 증발을 위한 증발기(11), 발전기(15) 또는 다른 부하부를 구동하도록 보일러로부터 증기가 공급되는 터빈(13), 터빈(13)으로부터의 배출 증기를 응축하기 위한 응축기(17) 및 응축된 작동 유체를 보일러로 순환시키기 위한 펌프(19)를 포함한다. 이러한 시스템은 미국 특허 제3,393,515호에 개시되어 있다.
이러한 유기 랭킨 사이클 시스템(ORGANIC RANKINE CYCLE SYSTEM)은 통상 여러 나라에서 주거용 및 상업용 동력 분배 시스템 또는 그리드에 제공되는 전력을 발생시키기 위한 목적으로 사용된다. 일반적인 랭킨 사이클 시스템(RANKINE CYCLE SYSTEM)에 사용되는 운동 유체는 흔히 물이며, 터빈은 스팀에 의해 구동된다. 보일러의 열원은 예컨대 오일, 석탄, 천연 가스 또는 원자력과 같은 임의의 형태의 화석 연료일 수 있다. 이러한 시스템의 터빈은 비교적 고압 및 고온에서 작동되도록 설계되고 제조와 사용에 있어서 비교적 비용이 많이 든다.
발전 제품용 랭킨 사이클은 다음의 네 가지 과정을 순서대로 겪는다.
1. 펌프를 통한 단열 승압
2. 증발기에서의 등압 수열
3. 터빈에서의 단열 팽창
4. 응축기에서의 등압 방열
유기 랭킨 사이클에서 주된 열역학적 비가역성은 증발기에서 폐열 흐름과 비등하는 냉매의 온도 사이의 큰 온도 차이에 의해 발생된다. 폐열 흐름 온도가 더 높아질수록 이러한 비가역성은 더 커진다. 즉, 폐열의 온도가 150℃대에서는 효율이 13~14% 수준이나, 폐열의 온도가 100℃ 이하에서는 효율이 6~7% 수준이고, 발전 출력이 저하된다.
그리하여, 이러한 유기 랭킨 사이클은 통상적으로 100℃ 이상의 열원을 이용해서 가동해야만 되는 데, 국내의 경우 고온성 폐열, 특히 지열이 존재하지 않아서 국내 적용이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저온의 폐열을 증발기에 공급한 후 증발기에서 배출되는 저온수를 저온수 2단 흡수식 냉동기로 공급하여 냉수를 생산하고, 생산된 냉수를 응축기의 냉각수로 공급하여 열원과 냉각수의 열낙차를 증대시켜 발전 출력을 증대시키도록 하는 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
저온성 폐열을 공급받아 작동 유체를 증발시키는 증발기와; 상기 증발기를 통하여 열을 전달받는 작동 유체에 의해 동작되는 터빈과; 상기 터빈의 회전에 의해 전력을 생산하는 발전기와; 상기 터빈에서 팽창된 작동 유체를 액화하는 응축기와; 상기 응축기에서 액화된 작동 유체를 상기 증발기로 공급하는 펌프와; 상기 증발기를 통해 작동 유체와 열교환되어 배출되는 배출 온수를 가온열로 이용하고, 외부로부터 유입되어 순환되는 냉각수를 냉각열로 이용하여 저온 냉각수를 생산하며, 생산된 저온 냉각수를 상기 응축기로 순환시키고, 열교환된 온수를 지역난방수로 공급하는 흡수식 냉동기; 및 상기 증발기의 저온성 폐열을 전달하는 배출수 입구와 출구 사이에서 분기 관로에 설치되어 상기 증발기에서 배출되는 배출수의 온도를 일정하게 유지시키는 온도 조절 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
여기에서 또한, 상기 저온성 폐열은 70~80℃의 온도를 갖는다.
여기에서 또, 상기 배출 온수는 65℃의 온도를 갖는다.
여기에서 또, 상기 흡수식 냉동기는 저온수 2단 흡수식 냉동기이다.
여기에서 또, 상기 흡수식 냉동기의 저온 냉각수는 8~10℃의 온도를 갖는다.
여기에서 또, 상기 흡수식 냉동기로 유입되는 냉각수는 냉각탑을 순환한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템에 따르면, 저온의 폐열을 증발기에 공급한 후 증발기에서 배출되는 저온수를 저온수 2단 흡수식 냉동기로 공급하여 냉수를 생산하고, 생산된 냉수를 응축기의 냉각수로 공급하여 열원과 냉각수의 열낙차를 증대시켜 발전 출력을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 유기 랭킨 사이클 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템(100)은, 증발기(110)와, 터빈(120)과, 발전기(130)와, 응축기(140)와, 펌프(150)와, 흡수식 냉동기(160) 및 온도 조절 밸브(170)로 구성된다.
먼저, 증발기(110)는 저온성 폐열을 공급받아 작동 유체를 증발시킨다. 여기에서, 저온성 폐열은 70~80℃의 온도를 갖는 지열수, 공장 폐열수, 태양열 온수 등이 적용되며, 바람직하게 국내에 부존(賦存)하나 활용성이 낮은 저온성 지열수가 적용된다.
그리고, 터빈(120)은 증발기(110)를 통하여 열을 전달받는 작동 유체에 의해 동작된다.
또한, 발전기(130)는 터빈(120)의 회전에 의해 전력을 생산하여 세대에 공급한다.
또, 응축기(140)는 하기에서 설명할 흡수식 냉동기(160)에서 공급되는 저온 냉각수를 이용하여 터빈(120)에서 팽창된 작동 유체를 액화시킨다. 여기에서, 응축기(140)에는 동절기시 운전되어 냉각수를 공급하는 냉각탑(미도시)이 설치되는 것이 바람직하고, 하절기시에는 흡수식 냉동기(160)를 통해 저온 냉각수를 공급받는 것이 바람직하다.
한편, 펌프(150)는 응축기(140)에서 액화된 작동 유체를 증발기(110)로 공급한다.
그리고, 흡수식 냉동기(160)는 증발기(110)를 통해 작동 유체와 열교환되어 배출되는 배출 온수를 가온열로 사용하고, 냉각탑(161)으로부터 유입되어 순환되는 냉각수를 냉각열로 이용하여 8~10℃의 온도를 갖는 저온 냉각수를 생산하며, 생산된 저온 냉각수를 응축기(140)로 공급하며, 50~55℃의 열교환된 온수를 지역난방수로 공급한다. 여기에서, 흡수식 냉동기(160)는 저온수 2단 흡수식 냉동기로서 이는 본 출원인에 의해 등록된 국내특허등록공보 10-0746241호와 동일한 구성이고, 그 설명은 생략한다. 한편, 저온 냉각수의 온도를 현재 개발된 저온수 2단 흡수식 냉동기가 8~10℃의 냉각수를 배출할 수 있기 때문에 8~10℃로 한정하였으나, 저온 냉각수의 온도가 낮을수록 열낙차를 증대시킬 수 있다.
또한, 온도 조절 밸브(170)는 증발기(110)의 저온성 폐열을 전달하는 배출수 입구와 출구 사이에서 분기 관로에 설치되고, 증발기(110)에서 배출되는 배출수의 온도를 체크하여 분기 관로의 유량 제어를 통해 배출수의 온도를 65℃로 일정하게 유지시킨다.
이하, 본 발명에 따른 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 70~80℃의 온도를 갖는 저온성 폐열이 증발기(110)로 공급되면 증발기(110)는 작동 유체를 증발시켜 터빈(120)으로 공급한다.
그러면, 터빈(120)은 증발기(110)를 통하여 열을 전달받는 작동 유체에 의해 동작되고, 터빈(120)의 회전에 따라 발전기(130)에서 전력이 생산된다.
그리고, 터빈(120)에서 배출되는 작동 유체가 응축기(140)로 공급되는 데, 응축기(140)에는 흡수식 냉동기(160)를 통해 저온 냉각수가 공급되고, 응축기(140)는 저온 냉각수를 이용하여 터빈(120)에서 팽창된 작동 유체를 액화시켜, 펌프(150)를 통해 다시 증발기(110)로 순환시킨다.
이때, 흡수식 냉동기(160)에는 증발기(110)에서 배출되는 배출 온수가 공급되고, 냉각탑(161)으로부터 유입되어 순환되는 냉각수가 공급되는 데, 이들을 열교환시켜 9~10℃의 온도를 갖는 저온 냉각수를 생산하여 응축기(140)로 공급하고, 50~55℃의 열교환된 온수를 지역난방수로 공급한다. 이때, 온도 조절 밸브(170)는 증발기(110)의 저온성 폐열을 전달하는 배출수 입구와 출구 사이에서 분기 관로에 설치되고, 증발기(110)에서 배출되는 배출수의 온도를 65℃로 일정하게 유지시킨다.
한편, 증발기(110)로 공급되는 열원의 온도를 상승시키는 것과, 응축기(140)의 냉각수 온도를 하강시키는 것, 즉 터빈(120)의 공급단으로 공급되는 작동 유체의 온도를 상승시키는 것과, 터빈(120)의 배기단으로 배출되는 작동 유체의 온도를 낮추는 것중 배기단의 온도를 낮추는 것이 상대적으로 효율이 높다.
따라서, 본 발명에서는 응축기(140)의 냉각수 온도를 낮춰 열원과 냉각수의 열낙차(ΔT)를 증대시킴으로써 저온성 폐열을 유기 랭킨 사이클에 적용이 가능하고, 또한 유기 랭킨 사이클의 발전 출력을 증대시킬 수 있다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
11, 110 : 증발기 13, 120 : 터빈
15, 130 : 발전기 17, 140 : 응축기
19, 150 : 펌프 160 : 흡수식 냉동기
170 : 온도 조절 밸브

Claims (7)

  1. 저온성 폐열을 공급받아 작동 유체를 증발시키는 증발기와;
    상기 증발기를 통하여 열을 전달받는 작동 유체에 의해 동작되는 터빈과;
    상기 터빈의 회전에 의해 전력을 생산하는 발전기와;
    상기 터빈에서 팽창된 작동 유체를 액화하는 응축기와;
    상기 응축기에서 액화된 작동 유체를 상기 증발기로 공급하는 펌프와;
    상기 증발기를 통해 작동 유체와 열교환되어 배출되는 배출 온수를 가온열로 이용하고, 외부로부터 유입되어 순환되는 냉각수를 냉각열로 이용하여 저온 냉각수를 생산하며, 생산된 저온 냉각수를 상기 응축기로 순환시키고, 열교환된 온수를 지역난방수로 공급하는 흡수식 냉동기; 및
    상기 증발기의 저온성 폐열을 전달하는 배출수 입구와 출구 사이에서 분기 관로에 설치되어 상기 증발기에서 배출되는 배출수의 온도를 일정하게 유지시키는 온도 조절 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온성 폐열은,
    70~80℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출 온수는,
    65℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수식 냉동기는,
    저온수 2단 흡수식 냉동기인 것을 특징으로 하는 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수식 냉동기의 저온 냉각수는,
    8~10℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수식 냉동기로 유입되는 냉각수는,
    냉각탑을 순환하는 것을 특징으로 하는 저온 폐열 및 흡수식 냉동기를 이용한 ORC 열병합 시스템.
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