KR101328401B1 - 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치 - Google Patents

Abstract

선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치가 개시된다. 본 발명의 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치는, 내연기관을 탑재한 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치로서, 엔진의 냉각을 위한 메인유로를 갖춘 냉각수 순환시스템; 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 중/저온 폐열회수장치; 냉각수 순환시스템으로부터 제공되는 열원을 중/저온 폐열회수장치로 전달하는 전열용 냉각수 순환시스템; 및 냉각수 순환 시스템으로부터 제공되는 열원을 선박의 증기계통에서 전달되는 덤핑 스팀(dumping steam)과 열교환시켜 중/저온 폐열회수장치로 전달되는 열원의 온도를 상승시키며 열교환된 덤핑 스팀을 응축시키는 덤핑 콘덴서 유닛(dumping condenser unit)을 포함한다.

Description

선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치{ENERGY SAVING SYSTEM OF SHIP BY USING WASTE HEAT}

본 발명은, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 선박의 중저온 폐열을 이용하여 전기를 생산할 수 있는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치에 관한 것이다.

일반적으로 선박의 추진용 또는 발전용 엔진에서 연료를 연소하여 발생하는 열 에너지 중 대략 50% 정도는 각각 추진이나 발전에 사용되지만, 나머지는 거의 대부분 배기가스의 형태 또는 엔진 냉각수에 대한 열교환을 통한 냉각 등을 통해 외부로 배출되는 형태로 소비된다. 이와 같은 형태로 배출되는 열은 기관의 추진이나 발전 등에 유용한 형태로 전환되지 못하고 버려지는 열이라고 할 수 있으며, 따라서 이를 폐열이라고 일컫는다.

그러므로 외부로 배출되는 폐열중 일부라도 회수하여 이를 유용한 에너지로 재활용할 수 있다면 그 만큼 연료의 절약을 도모할 수 있으므로 선박에서 소모하는 전체 에너지를 절감하는 데 크게 기여할 수 있게 된다.

그 결과, 최근에는 외부로 배출되는 폐열중 일부를 회수함으로써 에너지를 절감할 수 있는 고효율의 선박 또는 친환경 선박에 대한 필요성이 대두됨에 따라, 이미 선박 분야에서는 수년 전부터 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동유체로 사용하는 가스터빈(또는 파워터빈이라고 함)과 고온의 배기가스의 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동유체로 사용하는 증기터빈 등을 추가적으로 설치하여 전력을 생산할 수 있도록 한 이른바 폐열회수장치(WHRS: Waste Heat Recovery System)를 적용하고 있다.

도 6은 종래 선박에 적용되는 폐열회수장치에 대한 구성을 도시하고 있다. 선박의 엔진(10)은 냉각을 위한 냉각수의 유동경로에 해당하는 메인유로(12)를 구비한다. 이코노마이저(50)는 상기 엔진(10)에 대해 직결되어 엔진(10)의 연소후 발생되는 고온의 배기가스를 제공받는다. 폐열회수장치(52)는 상기 이코노마이저(50)에 의해 가열된 물로부터 발생한 스팀을 제공받아 이를 작동유체로 사용하는 증기 터빈(파워터빈)이나, 상기 엔진(10)의 배기가스 수집장치(Exhaust gas receiver)로부터 터보 차져(Turbo charger)를 우회하여 빠져나오는 고온의 배기가스를 제공받아 이를 작동유체로 사용하는 가스터빈을 추가적으로 설치하여 전력을 생산할 수 있게 한 것이다.

이 경우, 증기터빈은 상기 이코노마이저(50)에 의해 물을 가열하여 스팀을 발생시키는 경로(50a,50b) 중에서 스팀의 출력측에 해당하는 경로(50b)와 연결된 또 다른 형태의 경로(52b)를 통해 스팀을 제공받고, 가스터빈은 상기 엔진(10)과 직결되는 또 다른 경로(52a)를 통해 고온의 배기가스를 직접 제공받도록 구성된다.

그러나 최근 들어 선박을 저속으로 운항하여 연료비의 절감을 요구하는 선주들이 많아지므로 인해 선박을 저속으로 운항할 경우, 엔진의 출력은 최대 출력의 30%~50% 정도만 사용하게 된다.

이렇게 낮은 부하로 엔진을 운전하면 배기가스의 온도가 낮기 때문에 고온의 열을 이용하는 기존의 폐열회수장치(52)는 그 역할을 제대로 하지 못하게 된다. 즉, 종래 폐열회수장치(52)의 가스터빈과 증기터빈은 그 특성상 섭씨 약 250도 정도 이상의 열원으로부터만 열을 회수하여 이를 통해 전기 에너지를 생산할 수 있었으나, 그 이하 온도의 열은 여전히 활용하지 못하고 버려질 수밖에 없는 문제를 안고 있다.

부연하자면 종래 선박의 폐열회수장치(52)는 버려지는 열 에너지 중 비교적 고온의 열을 회수하여 전력을 생산함으로 인해 엔진(10)이 높은 부하로 운전될 때 많은 양의 열을 회수하여 전력을 생산할 수 있지만, 상기 엔진(10)이 낮은 부하로 운전될 때에는 배기가스, 즉 폐열의 온도가 비교적 낮으므로 인해 전력 생산의 효용성이 떨어지게 된다.

유기 랜킨 사이클(Organic rankine cycle) 장치(20)는 증발기(21)에서 외부 열원로부터 열을 흡수하여(정압가열과정) 작동유체가 기화되면 사이클 장치(20) 내의 압력이 급격히 증가하게 되고, 증가된 압력으로 인해 사이클 내부에 설치된 터빈(22)이 회전하게 되며, 이때 회전하는 터빈(22)의 회전 운동에너지를 전기에너지로 전환함으로써 전력을 생산한다(단열팽창과정).

그리고 터빈(22)을 구동하고 통과된 기체는 다시 응축기(23)로 유입, 외부 열원과의 열교환을 통해 열을 잃고(정압방열과정) 응축하게 되고(단열압축과정), 이때 액화된 작동유체를 펌프(24)를 이용해 증발기(21)로 재순환시켜 지속적으로 전력을 생산하게 된다.

이러한 유기 랜킨 사이클 장치(20)는 고온측의 외부 열원(고열원)의 온도가 높을수록, 그리고 저온측의 외부 열원(저열원)의 온도가 낮을수록 효율이 높아지는 특징이 있다.

한국특허공개 제2006-0134049호(유나이티드 테크놀로지스 코포레이션) 2006. 12. 27

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 선박 엔진의 냉각계통에서 발생하는 폐열과 증기계통에서 발생하는 폐열을 각각 회수하고 이를 활용하여 중/저온 폐열회수장치를 구동시켜 전기 에너지를 생산함으로써 에너지의 절감뿐만 아니라 친환경적 효과를 함께 도모할 수 있는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 내연기관을 탑재한 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치로서, 엔진의 냉각을 위한 메인유로를 갖춘 냉각수 순환시스템; 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 중/저온 폐열회수장치; 상기 냉각수 순환시스템으로부터 제공되는 열원을 상기 중/저온 폐열회수장치로 전달하는 전열용 냉각수 순환시스템; 및 상기 냉각수 순환 시스템으로부터 제공되는 열원을 상기 선박의 증기계통에서 전달되는 덤핑 스팀(dumping steam)과 열교환시켜 상기 중/저온 폐열회수장치로 전달되는 상기 열원의 온도를 상승시키며 열교환된 상기 덤핑 스팀을 응축시키는 덤핑 콘덴서 유닛(dumping condenser unit)을 포함하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치가 제공될 수 있다.

상기 덤핑 콘덴서 유닛은, 상기 열원과 상기 덤핑 스팀을 상호 열교환시켜 상기 열원의 온도를 상승시키는 제1 콘덴서 모듈; 및 상기 제1 콘덴서 모듈을 통해 열교환된 상기 덤핑 스팀을 냉각하여 응축시키는 제2 콘덴서 모듈을 포함할 수 있다.

상기 제1 콘덴서 모듈은, 상기 덤핑 스팀이 유입되는 덤핑스팀 유입라인을 포함할 수 있다.

상기 제2 콘덴서 모듈은, 상기 덤핑 스팀을 냉각하여 응축시키는 냉각수의 유입통로가 되는 제1 냉각수 유입라인; 상기 덤핑 스팀과 열교환된 상기 냉각수의 배출통로가 되는 제1 냉각수 배출라인; 및 상기 냉각수와 열교환되어 응축된 상기 덤핑 스팀의 배출통로가 되는 덤핑 스팀 배출라인을 포함할 수 있다.

상기 덤핑 스팀은 상기 엔진의 배기가스의 열에너지를 이용하여 상기 선박에 필요한 스팀을 만드는 배기 가스 보일러에서 공급될 수 있다.

상기 냉각수 순환 시스템은, 상기 엔진과 상기 메인유로로 연결되어 상기 엔진을 통과하면서 온도가 상승된 열원을 냉각시키는 재킷 쿨러(jacket cooler); 및 상기 재킷 쿨러와 상기 메인유로로 연결되어 상기 재킷 쿨러에서 냉각된 열원을 상기 엔진으로 펌핑하는 제1 펌프를 더 포함할 수 있다.

상기 중/저온 폐열회수장치는, 상기 덤핑 콘덴서 유닛에서 온도가 상승된 열원과의 열교환을 통해 유기냉매를 증발시키는 증발기; 상기 증발기에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전하는 터빈; 상기 터빈의 회전에 따라 연동하여 전력을 생산하는 발전기; 상기 터빈에서 나온 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기; 상기 응축기에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 상기 증발기로 제공하는 펌프; 및 상기 증발기로부터 상기 터빈과 상기 응축기 및 상기 펌프에 이르기까지 유기냉매의 순환경로를 형성하는 관로를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내연기관을 탑재한 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치로서, 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 중저온 폐열회수장치를 포함하고, 상기 유기냉매에 대한 열을 공급하는 열원으로 엔진의 냉각수 순환 시스템의 냉각수 및 증기계통의 덤핑 콘덴서로 제공되는 스팀 중 적어도 하나의 열원이 이용되는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 제공할 수 있다.

본 발명은 선박에서 버려지는 열 에너지 중에서 중/저온 영역의 폐열을 회수하고 이를 매개로 전기 에너지를 생산할 수 있게 되므로 종래 폐열회수장치에서 활용할 수 없었던 엔진 냉각수가 가지는 중/저온의 폐열에 대한 효과적인 재활용을 가능하게 한다.

또한, 선박의 증기계통의 덤핑 콘덴서를 통해 폐기되는 스팀 열원을 이용하여 엔진 냉각수의 온도를 추가적으로 상승시킬 수 있으므로 전력의 생산 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 본 발명은 기존의 폐열회수장치와는 별도의 독립적인 중/저온의 열원을 이용할 수 있으므로 종래 폐열회수장치와 함께 선박에 적용될 수 있으며, 에너지의 절감을 통한 경제적 효과를 극대화할 수 있다.

그 결과, 본 발명은 엔진이 높은 부하로 운전될 때에도 기존의 폐열회수장치를 이용하여 보다 넓은 범위의 온도의 폐열을 이용함으로써 보다 많은 에너지를 절감할 수 있게 하고, 이에 반해 엔진이 낮은 부하로 운전될 때에도 중/저온 폐열회수장치를 통한 폐열의 회수가 가능하므로 시스템의 효용성을 그대로 유지할 수 있다. 특히, 근래에 들어 엔진을 낮은 부하로 운전하는 감속 운항(Slow steaming)이 보편적으로 사용되는 때에도 일정한 수준의 시스템 효율을 확보할 수 있다는 측면에서 더욱 큰 의미를 갖게 된다.

아울러 본 발명은 중/저온의 폐열을 이용한 전력의 생산을 통해 연료의 소모량을 절감함과 더불어, 이산화탄소의 배출량을 줄여 경제적 측면 뿐만 아니라 친환경적 측면으로 기여할 수 있다는 점에서 향후 기대할 수 있는 효과가 상당할 것으로 예상된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 에너지 절감 장치에 대한 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 선박의 에너지 절감 장치에 대한 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 선박의 에너지 절감 장치에 대한 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 터빈의 다단화된 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 에너지 절감 장치에 기존 선박의 폐열회수장치를 부가한 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 종래 선박의 폐열회수장치에 대한 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 선박의 에너지 절감 장치에서 냉각수 순환 시스템과 전열용 냉각수 순환시스템과 중/저온 폐열회수장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 실시예에서 덤핑 콘덴서 유닛이 더 부가된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 실시예에서 엔진 소기 냉각유닛이 더 부가된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 실시예에서 제어유닛이 더 부가된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12 및 도 13은 도 11에 도시된 제어유닛의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14는 도 11에 도시된 실시예에서 드라이 런 방지유닛이 더 부가된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15는 도 14에 도시된 드라이 런 방지유닛의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 16은 10에 도시된 실시예에서 전력 생산 유닛이 더 부가된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 17 및 도 18은 도 16에 도시된 전력 생산 유닛의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 19는 도 7에 도시된 선박의 에너지 절감 장치에서 중/저온 폐열회수장치와 저온 냉각수 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 20 및 도 21은 도 19에 도시된 저온 냉각수 시스템의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 22 및 도 23은 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 에너지 절감 장치의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

본 발명은 2행정 디젤엔진과 같은 내연기관을 사용하는 선박에 있어, 엔진과 보일러에서 나오는 열 중 버려지는 폐열을 회수하여 전기와 같은 에너지를 생산할 수 있게 하는 것이다. 도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 중/저온의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 도시한다. 본 발명은 냉각수 순환 시스템(Jacket CFW circulation system; 가)과 전열용 냉각수 순환시스템(나) 및 중/저온 폐열회수장치(다)를 구비한다.

상기 냉각수 순환 시스템(가)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 선박에 탑재되는 내연기관으로서 엔진(10)과, 상기 엔진(10)의 냉각을 위해 냉각수의 순환이 이루어지는 메인유로(12)를 포함한다. 상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)은 상기 냉각수 순환 시스템(가)으로부터 제공되는 열원(Heat source)을 상기 중/저온 폐열회수장치(다)로 전달하기 위한 것으로, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 상기 엔진(10)의 후단에서 상기 메인유로(12)로부터 분기하여 상기 냉각수 순환 시스템(가)과 순환 가능하게 접속되는 분지유로(14)를 포함한다.

상기 중/저온 폐열회수장치(다)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 터빈 사이클로서, 이는 통상적으로 유기 랭킨 사이클(ORC; Organic Rankine Cycle)장치라고 지칭된다. 즉, 상기 중/저온 폐열회수장치(다)는 상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)을 통해 제공되는 엔진(10)의 냉각수가 가지는 열원을 매개로 유기냉매를 증발시킴으로써 증발된 유기냉매가 가지는 운동에너지를 이용하여 선박에서 필요로 하는 전기를 생산한다.

상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)은 선박의 증기계통에서 발생하는 스팀(Steam)을 냉각시켜 응축시키는 덤핑 콘덴서(16)와의 열교환을 위한 제1전열수단을 더 포함하는 바, 상기 제1전열수단은 상기 분지유로(14)로부터 분지되어 상기 덤핑 콘덴서(16)와 순환 가능하게 접속되어 교통하는 제1보조유로(18)로 이루어진다. 이 경우, 상기 덤핑 콘덴서(16)는 상기 제1전열수단과의 1차 열교환을 선행한 다음, 통상의 저온 냉각수와의 2차 열교환을 수행하기 위해 2단으로 구성된다. 즉, 상기 덤핑 콘덴서(16)는 제1보조유로(18)를 통한 엔진(10) 냉각수와의 1차 열교환을 선행한 다음, 제1청수공급유로(20)를 매개로 통상의 저온 냉각수와의 2차 열교환을 수행하고, 이러한 1,2차 열교환을 통해 냉각된 응축수는 최종적으로 배출경로(16b)를 통해 방출된다.

이에 따라, 상기 제1전열수단은 상기 덤핑 콘덴서(16)의 스팀 유입경로(16a)를 통해 유입되는 스팀이 가지는 열원을 이용하여 상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)의 분지유로(14)로부터 상기 제1보조유로(18)를 통해 유입되는 냉각수를 가열함으로써 상기 분지유로(14)를 통해 상기 중/저온 폐열회수장치(다)로 제공되는 열전달량을 증가시키는 역할을 수행한다. 부연하자면, 상기 덤핑 콘덴서(16)는 2단으로 구성되어 상기 제1전열수단을 매개로 상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)의 냉각수와 1차적으로 열교환을 수행하여 대략 섭씨 170도 정도인 스팀의 열 에너지를 소모한 다음, 2차적으로는 통상의 저온 냉각수에 해당하는 섭씨 50도 이하의 저온 냉각수에 해당하는 청수를 이용하여 스팀을 더욱 응축시키게 된다. 이를 위해, 상기 덤핑 콘덴서(16)는 스팀의 유입구측에 상기 제1전열수단의 제1보조유로(18)와의 열교환을 위한 1차 유로를 형성하고, 상기 1차 유로의 후단부로부터 스팀의 유출구측 사이에 저온 냉각수와의 열교환을 위한 2차 유로를 일체로 형성한다.

상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)은 선박 엔진(10)의 소기계통에서 발생하는 소기(scavenge air)를 냉각시켜 응축시키는 소기 냉각기(22)와의 열교환을 위한 제2전열수단을 더 포함하는 바, 상기 제2전열수단은 상기 분지유로(14)로부터 분지되어 상기 소기 냉각기(22)와 순환 가능하게 접속되어 교통하는 제2보조유로(24)로 이루어진다. 이 경우, 상기 소기 냉각기(22)는 상기 제2전열수단과의 2차 열교환을 선행한 다음, 통상의 저온 냉각수와의 2차 열교환을 수행하기 위해 2단으로 구성된다. 즉, 상기 소기 냉각기(22)는 제2보조유로(24)를 통한 엔진(10) 냉각수와의 1차 열교환을 선행한 다음, 제2청수공급유로(26)를 매개로 통상의 저온 냉각수와의 2차 열교환을 수행하고, 이러한 1,2차 열교환을 통해 냉각된 소기는 최종적으로 배출경로(22b)를 통해 방출된다.

이에 따라, 상기 제2전열수단은 상기 소기 냉각기(22)의 소기 유입경로(22a)를 통해 유입되는 소기가 가지는 열원을 이용하여 상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)의 분지유로(14)로부터 상기 제2보조유로(24)를 통해 유입되는 냉각수를 더욱 가열함으로써 상기 분지유로(14)를 통해 상기 중/저온 폐열회수장치(다)로 제공되는 열전달량을 더욱 더 증가시키는 역할을 수행한다. 부연하자면, 상기 소기 냉각기(22)는 2단으로 구성되어 상기 제2전열수단을 매개로 상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)의 냉각수와 1차적으로 열교환을 수행하여 대략 섭씨 200도 정도인 소기의 열 에너지를 소모한 다음, 2차적으로는 통상의 저온 냉각수에 해당하는 섭씨 50도 이하의 저온 냉각수에 해당하는 청수를 이용하여 소기를 더욱 응축시키게 된다. 이를 위해, 상기 소기 냉각기(22)는 소기의 유입구측에 상기 제2전열수단의 제2보조유로(24)와의 열교환을 위한 1차 유로를 형성하고, 상기 1차 유로의 후단부로부터 소기의 유출구측 사이에 저온 냉각수와의 열교환을 위한 2차 유로를 일체로 형성한다.

이 경우, 상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)에 있어, 상기 제1전열수단과 상기 제2전열수단은 상기 메인유로(12)로부터 분지되는 분지유로(14)의 유출측에 대해 각각 순차적으로 배치되어 상기 제2전열수단은 상기 제1전열수단 보다 더 큰 열량의 열원을 상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)으로 제공함으로써, 상기 분지유로(14)를 통해 유동하는 냉각수는 상기 제1보조유로(18)를 매개로 상기 덤핑 콘덴서(16)로 유입되는 스팀이 가지는 열원에 의해 1차 가열되고, 상기 제2보조유로(24)를 매개로 상기 소기 냉각기(22)로 유입되는 소기가 가지는 열원에 의해 2차 가열되므로, 상기 분지유로(14)를 통해 유동하는 냉각수의 열원은 최대한 증가될 수 있게 된다.

상기 중/저온 폐열회수장치(다)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)과의 열교환을 통해 유기냉매를 증발시키는 증발기(28), 상기 증발기(28)에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전하는 터빈(30), 상기 터빈(30)의 회전에 따라 연동하여 전력을 생산하는 발전기(32), 상기 터빈(30)에서 나온 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기(34), 상기 응축기(34)에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 상기 증발기(28)로 제공하는 펌프(36), 및 상기 증발기(28)로부터 상기 터빈(30)과 상기 응축기(34) 및 상기 펌프(36)에 이르기까지 유기냉매의 순환경로를 형성하는 관로(38)를 일체로 구비한다.

상기 중/저온 폐열회수장치(다)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 터빈(30)으로부터 상기 응축기(34)를 향해 유기냉매를 제공하는 관로(38)와 상기 펌프(36)로부터 상기 증발기(28)를 향해 유기냉매를 제공하는 관로(38) 사이에 재생기(40)를 추가하여 상기 터빈(30)에서 나온 유기냉매의 온도가 상기 펌프(36)에서 나온 유기 냉매의 온도 보다 높은 경우에 상기 재생기(40)를 통한 유기냉매의 열교환이 이루어질 수 있도록 함으로써, 상기 중/저온 폐열회수장치(다)에서 발생될 수 있는 열손실을 최소화하는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 터빈(30)은 도 4에 도시된 바와 같이 다단(multi stage)으로 구성함으로써, 증발된 유기냉매에 의한 터빈(30)의 회전효율을 높여 발전기(32)에 의해 생산되는 전력의 양을 극대화할 수 있다. 즉, 상기 터빈(30)과 발전기(32)를 다단화(30a,32a,30b,32b)하여 연동시킴으로써 증발된 유기냉매가 가지는 열원을 최대한 이용할 수 있다. 아울러, 상기와 같은 터빈(30)과 발전기(32)에 대한 다단화 구성은 도 1 내지 도 3에 도시된 에너지 절감 장치에 모두 적용할 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 냉각수 순환 시스템(가)의 메인유로(12)에 대해 열교환기(42)를 매개로 열교환하여 상기 중/저온 폐열회수장치(다)로 열원을 제공하는 별도의 독립식 순환유로(44)와, 상기 순환유로(42)에 설치되어 냉각수의 순환을 위한 별도의 순환펌프(46)를 포함하여 구성할 수도 있다. 이 경우, 상기 냉각수 순환 시스템(가)의 메인유로(12)를 따라 유동하는 냉각수와 상기 전열용 냉각수 순환시스템(나)의 독립식 순환유로(44)를 따라 유동하는 냉각수는 각각 열교환기(42)를 이용하여 간접적인 접촉에 의한 열교환만 이루어지게 되므로, 상기 순환유로(42)를 통해 유동하는 냉각수의 오염 등의 문제를 해소할 수 있게 된다.

또한, 상기 독립식 순환유로(44)는 상기 열교환기(42)를 경유하지 않고 순환할 수 있는 바이패스유로(44a)를 더 포함하는 바, 이는 상기 메인유로(12)와의 열교환으로부터 열을 취득할 수 없는 경우를 대비한 것이다. 이때 상기 순환유로(44) 중에서 바이패스유로(44a)를 통한 냉각수의 유동이 이루어지기 위해서는 상기 순환유로(44)와 바이패스유로(44a) 사이의 분기점에 온도에 따라 유로의 절환이 이루어질 수 있는 온도감응형 밸브(도시안됨)를 구비해야 한다.

그리고 본 발명에 따른 선박의 에너지 절감 장치는 도 5에 도시된 바와 같이 종래 폐열회수장치((WHRS:Waste Heat Recovery System,52)와 조합하여 함께 운용될 수도 있는 바, 상기 폐열회수장치(52)는 상기 엔진(10)에 대해 직결되어 배기가스를 제공받는 이코노마이저(50)에 의해 가열되어 스팀을 발생하는 경로(50a,50b) 중에서 스팀을 발생시키는 경로(50b)와 연결되는 경로(52b) 또는 상기 엔진(10)과 직결되는 경로(52a)를 통해 발생된 스팀을 제공받아 전력을 생산할 수 있게 된다.

즉, 상기 폐열회수장치(52)는 상기 엔진(10)으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동유체로 사용하는 가스터빈, 또는 상기 엔진(10)으로부터 배출되는 고온의 배기가스가 가지는 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동유체로 사용하는 증기 터빈을 매개로 전력을 생산할 수 있는 것이다.

따라서 본 발명은 종래 폐열회수장치(52)와는 달리 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하는 중/저온 폐열회수장치(다)를 매개로 선박 내에 여러 형태로 버려지는 섭씨 250도 이하의 중/저온의 열원을 전력의 생산을 위한 에너지원으로 활용할 수 있으므로 선박에서 사용되는 에너지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 본 발명은 기존의 폐열회수장치(52)와는 독립적인 형태의 열원을 이용하기 때문에 기존의 폐열회수장치(52)와 함께 본 발명에서 제시한 중/저온 폐열회수장치(다)를 동시에 적용할 수 있으므로 이를 통해 에너지의 절감 효과를 극대화할 수 있다.

즉, 본 발명은 상기 냉각수 순환 시스템(가)의 메인유로(12)로부터 분지된 분지유로(14)를 통해 유동하는 냉각수를 열원으로 이용하여 중/저온 폐열회수장치(다)를 가동시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 분지유로(14)를 통해 유동하는 냉각수를 제1전열수단의 덤핑 콘덴서(16)와 제2전열수단의 소기 냉각기(22)를 통해 더욱 가열함으로써 버려지는 폐열을 보다 적극적으로 활용할 수 있고, 이를 통해 상기 중/저온 폐열회수장치(다)의 가동에 의해 수반되는 전력의 생산량을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 상기 중/저온 폐열회수장치(다)의 관로(38)중에서 상기 터빈(30)으로부터 상기 응축기(34)를 향해 유기냉매를 제공하는 관로(38)와 상기 펌프(36)로부터 상기 증발기(28)를 향해 유기냉매를 제공하는 관로(38) 사이에 재생기(40)를 추가하여 상기 터빈(30)에서 나온 유기냉매의 온도가 상기 펌프(36)에서 나온 유기냉매의 온도보다 높은 경우에 상기 재생기(40)를 통한 유기냉매의 열교환이 이루어질 수 있으므로 폐열을 보다 효과적으로 활용할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 선박의 에너지 절감 장치(1)는, 엔진(110)의 냉각을 위해 냉각수의 순환이 이루어지는 냉각수 순환 시스템(100)과, 냉각수 순환 시스템(100)에서 제공되는 냉각수 즉 열원을 후술하는 중/저온 폐열회수장치(300)로 전달하는 전열용 냉각수 순환시스템(200)과, 전열용 냉각수 순환시스템(200)에서 전달되는 열원을 매개로 작동유체를 증발시켜 전기를 생산하는 중/저온 폐열회수장치(300)와, 냉각수 순환 시스템(100)으로부터 전달되는 열원을 덤핑 스팀(dumping steam)과 열교환시켜 중/저온 폐열회수장치(300)로 전달되는 열원의 온도를 상승시키며 열교환된 덤핑 스팀을 응축시키는 덤핑 콘덴서 유닛(400)과, 덤핑 콘덴서 유닛(400)에서 열교환되어 온도가 상승된 제2 열원의 온도를 엔진(110)의 과급기에서 공급되는 소기 공기로 추가적으로 상승시키며 열교환된 소기 공기를 냉각시키는 엔진 소기 냉각유닛(500)과, 냉각수 순환 시스템(100)에 마련되어 냉각수 순환 시스템(100) 및 중/저온 폐열회수장치(300) 중 적어도 하나로 열원을 공급시키는 제어유닛(600)과, 전열용 냉각수 순환시스템(200)에 마련되어 중/저온 폐열회수장치(300)로 공급되는 열원이 차단되는 경우 엔진 소기 냉각유닛(500)으로 냉각수를 공급하여 엔진 소기 냉각유닛(500)의 드라이 런(dry-run)을 방지하는 드라이 런 방지유닛(700)과, 선박의 배기 가스 보일러(810)에서 공급되는 덤핑 스팀을 이용하여 전력을 생산하는 전력 생산 유닛(800)과, 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동유체를 냉각시키는 저온 냉각수 시스템(900)을 구비한다.

본 실시 예에서 설명의 편의를 위해서 엔진(110)에서 배출되어 덤핑 콘덴서 유닛(400)으로 전달되는 냉각수를 열원이라 하고, 덤핑 콘덴서를 통해서 열교환되어 온도가 상승된 냉각수를 제2 열원이라 하고, 엔진 소기 냉각유닛(500)을 통해서 열교환되어 온도가 상승된 냉각수를 제3 열원으로 정의한다. 그리고 제3 열원은 중/저온 폐열회수장치(300)를 통해서 열교환되어 온도가 내려간 냉각수도 포함하는 것으로 정의한다.

도 8은 도 7에 도시된 선박의 에너지 절감 장치에서 냉각수 순환 시스템과 전열용 냉각수 순환시스템과 중/저온 폐열회수장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

냉각수 순환 시스템(100)은 냉각수인 열원을 순환시켜 엔진(110)을 냉각하는 것으로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 엔진(110)과, 엔진(110)과 메인유로(120)로 연결되어 엔진(110)을 통과한 열원인 냉각수를 냉각시키는 재킷 쿨러(130, jacket cooler)와, 재킷 쿨러(130)와 엔진(110)을 연결하는 메인유로(120)에 마련되어 재킷 쿨러(130)에서 냉각된 열원인 냉각수를 엔진(110)으로 펌핑(pumping)하는 제1 펌프(140)를 포함한다.

냉각수 순환 시스템(100)의 엔진(110)은, 2행정 디젤엔진과 같은 내열기관을 사용할 수 있고 선박을 구동하는 메인 엔진일 수 있다.

냉각수 순환 시스템(100)의 메인유로(120)는 엔진(110)에서 배출되는 열원인 냉각수의 순환이 가능하도록 하는 것으로서, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 엔진(110)과 재킷 쿨러(130)를 연결하는 제1 메인유로(121)와, 재킷 쿨러(130)와 제1 펌프(140)를 연결하는 제2 메인유로(122)와, 제1 펌프(140)와 엔진(110)을 연결하는 제3 메인유로(123)를 포함한다.

전열용 냉각수 순환시스템(200)은 냉각수 순환 시스템(100)에서 전달되는 예컨대 80℃ 정도의 열원인 냉각수를 중/저온 폐열회수장치(300)로 전달하는 것으로서, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 냉각수 순환 시스템(100)의 엔진(110)이 배치된 제1 메인유로(121)에서 분기되어 재킷 쿨러(130)가 배치된 제1 메인유로(121)로 합류되는 분지유로를 포함한다.

본 실시 예에서 전열용 냉각수 순환시스템(200)인 분지유로는, 도 7에 도시된 바와 같이, 엔진(110)이 배치된 제1 메인유로(121)에서 분기되어 후술하는 덤핑 콘덴서 유닛(400)에 연결되며 엔진(110)에서 배출되는 열원인 냉각수의 이동 통로가 되는 제1 분지유로(210)와, 덤핑 콘덴서 유닛(400)과 후술하는 엔진 소기 냉각유닛(500)을 연결하여 덤핑 콘덴서 유닛(400)에서 배출되는 제2 열원의 이동 통로가 되는 제2 분지유로(220)와, 엔진 소기 냉각유닛(500)과 중/저온 폐열회수장치(300)를 연결하여 엔진 소기 냉각유닛(500)에서 배출되는 제3 열원을 중/저온 폐열회수장치(300)로 전달하며 중/저온 폐열회수장치(300)에서 열 전달된 후의 제3 열원이 제1 메인유로(121)로 유입되도록 재킷 쿨러(130)가 배치된 제1 메인유로(121)와 합류되는 제3 분지유로(230)를 포함한다.

중/저온 폐열회수장치(300)는 물보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작되는 터빈 사이클이며, 통상 유기 랜킨사이클(ORC;Organic Rankine Cycle)이라고도 한다.

본 실시 에에서 중/저온 폐열회수장치(300)는 물보다 비등점이 낮은 유기냉매 예를 들어 R 134a를 사용할 수 있으므로 물을 작동유체로 하는 증기터빈보다 낮은 온도를 열원으로 하여 동작할 수 있어 선박에서 발생되는 100℃ 내외의 폐열을 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있다.

또한 본 실시예에서는 통상 선박에서 사용되는 스팀보다 온도가 낮은 열원인 엔진 냉각수(Jacket Cooling Fresh Water)를 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동유체인 유기냉매를 증발시키는 열원 및 열전달 물질로 사용하므로 그만큼의 연료를 절약할 수 있어 선박에서 소모되는 전체 에너지를 절감할 수 있는 이점이 있다.

이제 중/저온 폐열회수장치(300)를 상세히 설명하면, 중/저온 폐열회수장치(300)는, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 엔진(110)에서 전달되는 냉각수와의 열교환을 통해 유기냉매를 증발시키는 증발기(310)와, 증발기(310)에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전되는 터빈(320)과, 터빈(320)의 회전에 따라 연동하여 전력을 생산하는 발전기(330)와, 터빈(320)에서 나온 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기(340)와, 응축기(340)에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 증발기(310)로 제공하는 펌프(350)와, 증발기(310)로부터 터빈(320)과 응축기(340) 및 펌프(350)에 이르기까지 유기냉매의 순환경로를 형성하는 관로(360)를 포함한다.

본 실시 예에서 엔진(110)에서 공급되는 열원은 대략 80℃ 정도의 온도를 가지나, 자세히 후술하겠지만 덤핑 콘덴서 유닛(400)을 거치면서 대략 86℃ 정도의 제2 열원으로 온도가 상승되고, 엔진 소기 냉각유닛(500)을 거치면서 대략 106℃ 정도의 제3 열원으로 온도가 상승된다. 이렇게 온도가 상승된 제3 열원은 증발기(310)와 열교환된 후에는 대략 80℃ 정도로 떨어진다.

그리고 중/저온 폐열회수장치(300)는 다른 터빈 시스템과 마찬가지로 증발기(310)에서 가열된 고온부의 온도와 응축기(340)에서 냉각된 저온부의 온도 차이가 클수록 높은 효율을 얻을 수 있는 특징이 있다. 즉 증발기(310)로 유입되어 증발기(310)에 열을 전달하는 고온부의 온도가 높을수록 그리고 응축기(340)로 유입되어 응축기(340)의 열을 흡수하는 저온부의 온도가 낮을수록 효율이 높아진다.

도 9는 도 8에 도시된 실시예에서 덤핑 콘덴서 유닛이 더 부가된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

덤핑 콘덴서 유닛(400)은, 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이, 냉각수 순환 시스템(100)으로부터 제공되는 열원을 선박의 증기계통에서 전달되는 덤핑 스팀(dumping steam)과 열교환시켜 중/저온 폐열회수장치(300)로 전달되는 열원의 온도를 상승시킴과 더불어 열교환된 덤핑 스팀을 응축시키는 역할을 한다.

즉 본 실시 예는 덤핑 콘덴서 유닛(400)에 의해 중/저온 폐열회수장치(300)의 증발기(310)로 전달되는 열원의 온도를 더 상승 대략 86℃ 정도로 상승시켜 증발기(310)로 전달되는 열원의 온도를 높일 수 있으므로 전술한 바와 같이 중/저온 폐열회수장치(300)의 효율을 향상시킬 수 있다.

덤핑 콘덴서 유닛(400)은, 도 9에 도시된 바와 같이, 엔진(110)에서 공급되는 열원과 선박의 증기계통에서 전달되는 덤핑 스팀을 상호 열교환시켜 열원의 온도를 상승시키는 제1 콘덴서 모듈(410)과, 제1 콘덴서 모듈(410)을 통해 열교환된 덤핑 스팀을 냉각하여 응축시키는 제2 콘덴서 모듈(420)을 포함한다.

덤핑 콘덴서 유닛(400)의 제1 콘덴서 모듈(410)은, 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이, 선박의 증기계통에서 발생되는 덤핑 스팀이 제1 콘덴서 모듈(410)로 유입될 수 있도록 덤핑스팀 유입라인(411)을 포함한다.

본 실시 예에서 제1 콘덴서 모듈(410)의 덤핑스팀 유입라인(411)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 후술하는 전력 생산 유닛(800)의 배기 가스 보일러(810)에서 덤핑되는 대략 170℃ 정도의 덤핑 스팀이 제1 콘덴서 모듈(410)로 유입될 수 있도록 전력 생산 유닛(800)의 스팀 터빈(820)과 연결된다.

덤핑 콘덴서 유닛(400)의 제2 콘덴서 모듈(420)은, 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 콘덴서 모듈(410)에서 열교환된 덤핑 스팀을 냉각하여 응축시키는 냉각수의 유입통로가 되는 제1 냉각수 유입라인(421)과, 덤핑 스팀과 열교환된 냉각수의 배출통로가 되는 제1 냉각수 배출라인(422)과, 냉각수와 열교환되어 응축된 덤핑 스팀의 배출통로가 되는 덤핑 스팀 배출라인(423)을 포함한다.

본 실시 예에서 제2 콘덴서 모듈(420)의 덤핑 스팀을 응축시키는 냉각수는 50℃ 이하의 저온 냉각수에 해당되는 청수를 이용할 수 있다.

이하에서 도 7 및 도 9를 참조하여 본 실시예에 따른 덤핑 콘덴서 유닛(400)의 사용 상태를 설명한다.

먼저 본 실시 예에 따른 덤핑 콘덴서 유닛(400)은 전술한 바와 같이 냉각수 순환 시스템(100)에서 공급되는 열원의 온도를 더 상승시켜 중/저온 폐열회수장치(300)의 효율을 향상시킴과 더불어 선박의 증기 계통에서 사용되고 버려지는 덤핑 스팀을 응축시키는 것으로서, 도 9에 도시된 바와 같이, 냉각수 순환 시스템(100)에서 공급되는 열원(대략 80℃ 정도)은 덤핑스팀 유입라인(411)으로 유입되는 덤핑 스팀과 열교환되어 대략 86℃ 정도의 온도가 상승된 제2 열원이 된다.

냉각수 순환 시스템(100)에서 공급되는 열원에 비해 덤핑스팀 유입라인(411)으로 유입되는 덤핑 스팀의 온도가 상대적으로 더 높으므로 제1 콘덴서 모듈(410)에서 열교환되어 배출되는 열원인 제2 열원은 온도가 더 상승된다.

온도가 더 상승된 제2 열원은, 도 9에 도시된 바와 같이, 중/저온 폐열회수장치(300)의 증발기(310)로 전달되어 증발기(310)와 열교환되어 액체 상태인 작동유체를 증기 상태로 상변환시킨다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 덤핑 콘덴서 유닛(400)과 중/저온 폐열회수장치(300) 사이에 자세히 후술하겠지만 엔진 소기 냉각유닛(500)이 더 마련되는 경우 덤핑 콘덴서 유닛(400)에서 배출되는 제2 열원은 엔진 소기 냉각유닛(500)을 통해 추가적으로 온도가 더 상승될 수 있다.

그리고 제1 콘덴서 모듈(410)에서 열교환된 덤핑 스팀은 제2 콘덴서 모듈(420)로 공급되고, 제2 콘덴서 모듈(420)로 공급된 덤핑 스팀은, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 냉각수 유입라인(421)으로 유입되는 냉각수에 의해 응축되어 덤핑스팀 배출라인(423)으로 배출된다.

도 10은 도 9에 도시된 실시예에서 엔진 소기 냉각유닛이 더 부가된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

엔진 소기 냉각유닛(500)은 덤핑 콘덴서 유닛(400)에서 열교환되어 온도가 상승된 제2 열원을 엔진의 과급기에서 공급되는 소기 공기와 열교환시켜 중/저온 폐열회수장치(300)로 전달되는 제2 열원의 온도를 더 상승시키며 열교환된 소기 공기를 냉각시키는 역할을 한다.

즉 본 실시 예는 엔진 소기 냉각유닛(500)에 의해 중/저온 폐열회수장치(300)의 증발기(310)로 전달되는 열원의 온도를 추가적으로 더 상승시켜 증발기(310)로 전달되는 열원의 온도를 대략 106℃ 정도로 높일 수 있으므로 전술한 바와 같이 중/저온 폐열회수장치(300)의 효율을 향상시킬 수 있다.

엔진 소기 냉각유닛(500)은, 도 7 및 도 10에 도시된 바와 같이, 덤핑 콘덴서 유닛(400)을 통해 온도가 상승된 제2 열원과 과급기(미도시)에서 공급되는 소기 공기를 상호 열교환시켜 제2 열원의 온도를 상승시키는 제1 스테이지모듈(510)과, 제1 스테이지모듈(510)을 통과한 소기 공기를 냉각시키는 제2 스테이지모듈(520)을 포함하다.

엔진 소기 냉각유닛(500)의 제1 스테이지모듈(510)은, 과급기(미도시)에서 공급되는 소기 공기의 유입 통로인 소기 공기 유입라인(511)을 포함한다.

엔진 소기 냉각유닛(500)의 제2 스테이지모듈(520)은, 도 10에 도시된 바와 같이, 소기 공기를 냉각시키는 냉각수의 유입통로가 되는 제2 냉각수 유입라인(521)과, 소기 공기와 열교환된 냉각수의 배출통로가 되는 제2 냉각수 배출라인(522)과, 제2 냉각수와 열교환되어 냉각된 소기 공기의 배출통로가 되는 소기 공기 배출라인(523)을 포함한다.

이하에서 도 7 및 도 10을 참조하여 본 실시 예에 따른 엔진 소기 냉각유닛(500)의 사용 상태를 설명한다.

먼저 본 실시 예에 따른 엔진 소기 냉각유닛(500)은 덤핑 콘덴서 유닛(400)에서 공급되는 제2 열원의 온도를 더 상승시켜 중/저온 폐열회수장치(300)의 효율을 향상시킴과 더불어 과급기(미도시)에서 공급되는 소기 공기를 냉각시키는 것으로서, 도 10에 도시된 바와 같이, 덤핑 콘덴서 유닛(400)에서 공급되는 제2 열원(대략 86℃ 정도)은 소기 공기 유입라인(511)으로 유입되는 소기 공기와 열교환되어 대략 106℃ 정도의 온도가 상승된 제3 열원이 된다.

덤핑 콘덴서 유닛(400)에서 공급되는 제2 열원에 비해 소기 공기 유입라인(511)으로 유입되는 소기 공기의 온도가 상대적으로 더 높으므로 제1 스테이지모듈(510)에서 열교환되어 배출되는 열원인 제3 열원은 온도가 더 상승된다.

온도가 더 상승된 제3 열원은, 도 10에 도시된 바와 같이, 중/저온 폐열회수장치(300)의 증발기(310)로 전달되어 증발기(310)와 열교환되어 액체 상태인 작동유체를 증기 상태로 상변환시킨다.

그리고 제1 스테이지모듈(510)에서 열교환된 소기 공기는 제2 스테이지모듈(520)로 공급되고, 제2 스테이지모듈(520)로 공급된 소기 공기는, 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 냉각수 유입라인(521)으로 유입되는 냉각수에 의해 냉각되어 소기 공기 배출라인(523)으로 배출된다.

한편 본 실시 예에서 엔진 소기 냉각유닛(500)은 덤핑 콘덴서 유닛(400) 없이 바로 냉각수 순환 시스템(100)에서 공급되는 열원의 온도를 상승시킬 수도 있다.

도 11은 도 10에 도시된 실시예에서 제어유닛이 더 부가된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

제어유닛(600)은 냉각수 순환 시스템(100)의 메인유로(120)에 마련되어 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동 여부에 따라 열원이 냉각수 순환 시스템(100) 또는 중/저온 폐열회수장치(300) 중 어느 하나로만 공급되도록 하며, 중/저온 폐열회수장치(300)에서 열교환된 후 냉각수 순환 시스템(100)에 유입되는 제3 열원의 온도가 미리 결정된 범위를 넘어서는 경우 제3 열원의 온도를 미리 결정된 범위 내로 제어하는 역할을 한다.

구체적으로 제어유닛(600)은 중/저온 폐열회수장치(300)의 구동시에 중/저온 폐열회수장치(300)에서 전달되는 신호에 의해 엔진(110)과 재킷 쿨러(130)를 연결하는 메인유로(120)를 차단하여 엔진(110)에서 배출되는 열원을 중/저온 폐열회수장치(300)에만 공급되게 하고, 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 구동시에 중/저온 폐열회수장치(300)에서 전달되는 신호에 의해 메인유로(120)의 차단을 해제하여 냉각수 순환 시스템(100)으로 열원이 순환되도록 하는 역할을 한다. 즉 제어유닛(600)은 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동 시에 제1 제어밸브(610)을 차단하고, 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동 시에 제1 제어밸브(610)의 차단을 해제하는 역할을 한다.

또한 제어유닛(600)은 중/저온 폐열회수장치(300)의 구동 중 제3 열원의 온도가 미리 결정된 범위를 넘어서는 경우 작동이 중지되는 중/저온 폐열회수장치에서 인가되는 신호에 의해 제1 제어밸브(610)의 차단을 해제하여 냉각수 순환 시스템(100)의 메인유로(120)에 냉각수인 열원이 흐르도록 함으로써 냉각수 순환 시스템(100)의 냉각 효율 및 안정성을 유지하는 역할도 한다.

이제 제어유닛(600)에 대해 상세히 설명하면, 제어유닛(600)은, 도 11에 도시된 바와 같이, 메인유로(120)에 마련되어 냉각수 순환 시스템(100) 또는 중/저온 폐열회수장치(300) 중 어느 하나로만 열원이 공급되도록 메인유로(120)를 개폐하는 제1 제어밸브(610)와, 메인유로(120)에 마련되어 중/저온 폐열회수장치(300)에서 열교환되어 냉각수 순환 시스템(100)으로 유입되는 제3 열원의 온도를 감지하는 제1 온도센서(620)와, 중/저온 폐열회수장ㅊ(300)에서 전달되는 신호에 의해 제1 제어밸브(610)의 개폐를 제어하는 제1 밸브컨트롤러(630)를 포함한다.

제어유닛(600)의 제1 제어밸브(610)는, 제1 밸브컨트롤러(630)에서 전달되는 전기적 신호에 의해 개폐되는 전기 제어 밸브일 수 있다.

제어유닛(600)의 제1 온도센서(620)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 엔진(110)과 직접 연결되는 메인유로(120)와 제3 분지유로(230)가 합류된 메인유로(120)에 마련될 수 있다.

본 실시 예에서 제1 온도센서(620)를 전술한 위치에 마련한 것은 덤핑 콘덴서 유닛(400) 또는 엔진 소기 냉각유닛(500)을 통과하면서 온도가 상승된 제3 열원이 중/저온 폐열회수장치(300)의 증발기(310)와 열교환된 이후에 냉각수 순환 시스템(100)의 냉각 효율 및 안정성을 위해 적정 수준의 온도로 내려갔는 지를 감지하기 위해서다.

또한 제3 열원의 온도가 적정 수준으로 내려가지 않아 제1 제어밸브(610)의 개방으로 유입되는 열원과 잔류된 제3 열원이 혼합된 이후에 적정 수준의 온도를 유지하는지 감지하기 위해서다.

제어유닛(600)의 제1 밸브컨트롤러(630)는, 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동시에 제1 제어밸브(610)를 차단하여 중/저온 폐열회수장치(300)로만 열원이 공급되도록 하고, 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동시에 제1 제어밸브(610)를 개방하여 열량이 전량 메인유로(120)로 공급되도록 한다.

또한 제1 밸브컨트롤러(630)는 중/저온 폐열회수장치(300)를 통과한 제3 열원의 온도가 냉각수 순환 시스템(100)의 냉각 효율 및 안정성에 영향을 미칠 수 있는 경우 즉 중/저온 폐열회수장치(300)를 통과한 제3 열원의 온도가 필요 이상으로 높아 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동이 중지된 경우, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 제어밸브(610)를 개방하여 엔진(110)에서 공급되는 열원을 잔류된 제3 열원과 혼합시켜 제3 열원의 온도를 낮추는 역할을 한다.

나아가 제1 밸브컨트롤러(630)는 제1 온도센서(620)에 의해 열원과 혼합된 잔류 제3 열원의 온도를 감지하여 열원과 혼합된 잔류 제3 열원의 온도가 적정 온도로 되어 중/저온 폐열회수장치(300)가 작동되면 제1 제어밸브(610)를 차단하여 열원의 유입을 차단시킨다.

도 12 및 도 13은 도 11에 도시된 제어유닛의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 12는 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동 시 열량이 전량 중/저온 폐열회수장치(300)를 통해 순환되는 상태를 도시한 것이고, 도 13은 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동시 중/저온 폐열회수장치(300)로 열량이 공급되지 않고 냉각수 순환 시스템(100)으로 열량이 전량 순환되는 상태를 도시한 것이다.

이하에서 도 11 내지 도 13을 참조하여 본 실시예에 따른 제어유닛(600)의 사용 상태를 간략히 설명한다.

도 12에 도시된 바와 같이 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동 중에는 냉각수 순환 시스템(100)에서 공급되는 열원은 전량 전열용 냉각수 순환시스템(200)을 통해 중/저온 폐열회수장치(300)로 공급된다.

즉 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동 시 제어유닛(600)의 제1 밸브컨트롤러(630)는 제1 제어밸브(610)를 막아 제1 메인유로(121)를 통해 재킷 쿨러(130)로 공급되는 열원을 차단하여 엔진(110)에서 배출되는 열원이 전량 중/저온 폐열회수장치(300)로 공급되게 한다.

다음으로 도 13에 도시된 바와 같이 중/저온 페열회수장치의 비 작동시에는 냉각수 순환 시스템(100)에서 공급되는 열량은 전량 제1 메인유로(121)를 통해 재킷 쿨러(130)로 공급되고, 재킷 쿨러(130)로 공급된 열량은 냉각수 순환 시스템(100)을 순환하면서 엔진(110)을 냉각하는 냉각수로 사용된다.

즉 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동 시 제어유닛(600)의 제1 밸브컨트롤러(630)는 중/저온 폐열회수장치(300)에서 전달되는 신호에 의해 제1 제어밸브(610)를 개방시켜 엔진(110)에서 배출되는 열원을 전량 제1 메인유로(121)를 통해 재킷 쿨러(130)로 공급되게 한다. 재킷 쿨러(130)로 공급된 열원은 냉각수 순환 시스템(100)을 순환하면서 엔진(110)을 냉각시킨다.

한편 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동 중에 증발기(310)를 통과한 제3 열원의 온도가 미리 설정된 범위를 넘어서서 냉각수 순환 시스템(100)의 냉각 효율 및 안정성에 영향을 미칠 정도가 되면 중/저온 폐열회수장치(300)는 작동이 중단된다.

중/저온 폐열회수장치(300)의 작동이 중단되면 제3 분지유로(230)를 통해 공급되는 제3 열원의 공급은 중단되고, 제1 밸브컨트롤러(630)는 중/저온 폐열회수장치(300)에서 전달되는 신호에 의해 제1 제어밸브(610)를 개방시켜, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 메인유로(121)로 열원이 공급되게 하여 재킷 쿨러(130)로 유입되는 냉각수의 온도를 낮출 수 있으므로 냉각수 순환 시스템(100)의 냉각 효율 및 안정성을 유지시킬 수 있다.

도 14는 도 11에 도시된 실시예에서 드라이 런 방지유닛이 더 부가된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

드라이 런 방지유닛(700)은 전열용 냉각수 순환시스템(200)에 마련되며 중/저온 폐열회수장치(300)로 공급되는 열원이 차단되는 경우 엔진 소기 냉각유닛(500)으로 냉각수를 공급하여 엔진 소기 냉각유닛(500)의 드라이 런(dry-run)을 방지하는 역할을 한다.

즉 중/저온 폐열회수장치(300)가 작동하지 않을 때는 엔진 소기 냉각유닛(500)으로 제2 열원인 냉각수가 공급되지 않아 엔진 소기 냉각유닛(500)은 냉각수 없이 작동 즉 드라이 런닝(dry running)된다.

이렇게 되면 엔진 소기 냉각유닛(500)의 제1 스테이지모듈(510)에 정체된 제2 열원인 냉각수의 온도는 과급기(미도시)를 통해서 공급되는 고온 압축된 소기 공기에 의해 지속적으로 상승되어 비등점을 넘게 되고, 증기가 발생되어 전열용 냉각수 순환시스템(200)인 분지유로의 압력이 상승할 수 있다.

물론 압력 배출을 위한 안전밸브(미도시)가 설치되어 있어 일정 압력 이상으로는 압력이 상승되지 않지만 비상시에 작동하도록 설계된 안전밸브가 수시로 작동된다면 바람직하지 않다.

또한 엔진 소기 냉각유닛(500)의 제1 스테이지모듈(510)에서 소기 공기의 냉각이 이루어지지 않으므로 소기 공기를 냉각시키는 제2 스테이지모듈(520)에 부담을 줄 수 있으며, 경우에 따라서는 소기 공기의 냉각이 원하는 만큼 이루어지지 않아 엔진 성능에 영향을 줄 수도 있다.

따라서 본 실시 예에서는 드라이 런 방지유닛(700)에 의해 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동시에도 엔진 소기 냉각유닛(500)으로 별도의 냉각수를 공급하여 엔진 소기 냉각유닛(500)의 드라인 런을 방지하여 안정성을 확보할 수 있는 이점이 있다.

이제 드라이 런 방지유닛(700)에 대해 상세히 설명하면, 드라인 런 방지유닛은, 도 14에 도시된 바와 같이, 덤핑 콘덴서 유닛(400)과 엔진 소기 냉각유닛(500) 사이의 유로인 제2 분지유로(220)에 마련되어 엔진 소기 냉각유닛(500)으로 냉각수를 공급하는 제1 밸브모듈(710)과, 엔진 소기 냉각유닛(500)과 중/저온 폐열회수장치(300) 사이의 유로인 제3 분지유로(230)에 마련되어 엔진 소기 냉각유닛(500)으로 공급된 냉각수를 배출시키는 제2 밸브모듈(720)과, 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동 여부에 따라 제1 밸브모듈(710) 및 제2 밸브모듈(720)을 선택적으로 제어하는 제2 밸브컨트롤러(미도시)를 포함한다.

드라이 런 방지유닛(700)의 제1 밸브모듈(710)은, 도 14에 도시된 바와 같이, 냉각수가 유입되는 제3 냉각수 유입라인(711)과, 엔진 소기 냉각유닛(500)의 유입 라인에 마련되되 제3 냉각수 유입라인(711)과 연결되어 냉각수를 엔진 소기 냉각유닛(500)으로 유입시키는 제1 삼방밸브(712)를 포함한다.

본 실시 예에서 제3 냉각수 유입라인(711)은, 도 14에 도시된 바와 같이, 엔진 소기 냉각유닛(500)의 제2 냉각수 유입라인(521)에서 분기되어 제1 삼방밸브(712)에 연결될 수 있다.

드라이 런 방지유닛(700)의 제2 밸브모듈(720)은, 도 14에 도시된 바와 같이, 엔진 소기 냉각유닛(500)의 배출 라인에 마련되는 제2 삼방밸브(721)와, 제2 삼방밸브(721)와 연결되어 엔진 소기 냉각유닛(500)으로 공급된 냉각수의 배출통로가 되는 제3 냉각수 배출라인(722)을 포함한다.

본 실시 예에서 제3 냉각수 배출라인(722)은, 도 14에 도시된 바와 같이, 엔진 소기 냉각유닛(500)의 제2 냉각수 배출라인(522)과 합류될 수 있다.

드라이 런 방지유닛(700)의 제2 밸브컨트롤러(미도시)는, 중/저온 폐열회수장치(300)로 상기 열원이 공급되는 경우 냉각수가 유입되는 제1 삼방밸브(712)의 유입구 및 냉각수가 배출되는 제2 삼방밸브(721)의 배출구를 차단하여 제2 열원이 중/저온 폐열회수장치(300)로 공급되게 하고, 중/저온 폐열회수장치(300)로 열원이 공급되지 않는 경우 제1 삼방밸브(712)를 개방하여 엔진 소기 냉각유닛(500)의 제1 스테이지모듈(510)로 냉각수가 공급되게 함과 더불어 제1 스테이지모듈(510)에서 배출되는 냉각수가 중/저온 폐열회수장치(300)로 유입되지 않고 배출되도록 중/저온 폐열회수장치(300)와 연결된 제2 삼방밸브(721)의 배출구를 차단한다.

도 15는 도 14에 도시된 드라이 런 방지유닛의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 15는 중/저온 폐열회수장치(300)가 작동 시 드라이 런 방지유닛(700)이 작동되지 않는 상태를 도시한 것이고, 참고로 도 14는 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동 시 엔진 소기 냉각유닛(500)의 드라이 런닝을 방지하기 위해 드라이 런 방지유닛(700)이 자동되는 상태를 도시한 것이다.

이하에서 도 14와 도 15를 참조하여 본 실시 예에 따른 드라이 런 방지유닛(700)의 사용 상태를 간략히 설명한다.

먼저 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동시에는 엔진 소기 냉각유닛(500)의 제1 스테이지모듈(510)로 제2 열원인 냉각수가 공급되지 않고 과급기(미도시)에서 고온 고압의 소기 공기만 공급되므로, 제1 스테이지모듈(510)의 압력이 비 정상적으로 증가되어 본 실시 예의 안정성을 해칠 수 있다.

따라서 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동시에, 도 14에 도시된 바와 같이, 드라이 런 방지유닛(700)의 제1 밸브모듈(710)을 통해 제1 스테이지모듈(510)로 별도의 냉각수를 공급하여 과급기에서 공급되는 고온 고압의 소기 공기와 열교환시키면 제1 스테이지모듈(510)의 드라이 런을 방지할 수 있다.

한편 제1 스테이지모듈(510)을 통해 열교환된 별도의 냉각수는 제2 밸브컨트롤러의 제어에 의해 제3 냉각수 배출라인(722)을 통해 배출된다.

그리고, 도 15에 도시된 바와 같이, 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동 시에 제2 밸브컨트롤러는 제1 삼방밸브(712)를 제어하여 제3 냉각수 유입라인(711)으로 별도의 냉각수가 유입되지 않게 하고, 제2 삼방밸브(721)를 제어하여 제3 냉각수 배출라인(722)으로 제3 열원이 배출되지 않고 중/저온 폐열회수장치(300)로 공급되게 한다.

도 16은 10에 도시된 실시예에서 전력 생산 유닛이 더 부가된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

선박의 운항 중 배기 가스 보일러(810)로부터 만들어지는 스팀은 일부 스팀을 필요로 하는 요소에 공급되고 나머지 남은 스팀은 덤핑 콘덴서를 통해 응축을 시켜 열에너지를 사용하지 못하고 버리게 되는데, 본 실시 예는 전력 생산 유닛(800)에 의해 덤핑 스팀을 별도의 터빈으로 공급하여 추가적으로 전기 에너지를 생산할 수 있는 이점이 있다.

전력 생산 유닛(800)은, 도 16에 도시된 바와 같이, 배기 가스 보일러(810)에서 공급되는 덤핑 스팀에 의해 구동되는 스팀 터빈(820)과, 스팀 터빈(820)의 구동에 의해 전력을 생산하는 스팀 발전기(830)와, 배기 가스 보일러(810)와 스팀 터빈(820)을 연결하는 유로에서 분기되어 마련되며 유로의 압력이 미리 설정된 범위를 초과하는 경우 스팀 발전기(830)를 통해 덤핑 콘덴서 유닛(400)으로 덤핑(dumpimg)되는 덤핑 스팀과는 별도로 덤핑 콘덴서 유닛(400)으로 덤핑 스팀의 덤핑을 유도하는 덤핑 유도 모듈(840)을 포함한다.

전력 생산 유닛(800)의 덤핑 유도 모듈(840)은, 도 16에 도시된 바와 같이, 배기 가스 보일러(810)와 스팀 터빈(820)을 연결하는 유로에서 분기되어 덤핑 콘덴서 유닛(400)의 제1 콘덴서 모듈(410)과 연결되는 분기라인(841)과, 분기라인(841)에 마련되어 유로의 압력이 미리 설정된 범위를 초과하는 경우 개방되어 덤핑 콘덴서 유닛(400)의 제2 콘덴서 모듈(420)로 덤핑 스팀을 공급시키는 덤핑 밸브(842)와, 스팀 터빈(820)의 비 작동시 배기 가스 보일러(810)로부터 공급되는 덤핑 스팀이 분기라인(841)을 통해 제1 콘덴서 모듈(410)로 전달되도록 분기라인(841)에서 분기되어 덤핑스팀 분기라인(841)에 연결되는 브릿지 라인(843)을 포함한다.

도 17 및 도 18은 도 16에 도시된 전력 생산 유닛의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 17은 배기 가스 보일러(810)에서 공급되는 스팀 중 일부 스팀을 필요로 하는 요소에 공급되고 나머지 남은 스팀인 덤핑 스팀을 스팀 터빈(820)을 통해 발전시키는 것을 도시한 것이고, 도 18은 스팀 터빈(820)을 구동하지 않는 경우 나머지 남은 덤핑 스팀을 덤핑 콘덴서 모듈로 공급하는 상태를 도시한 것이다.

이하에서 도 17 및 도 18을 참조하여 본 실시 예에 따른 전력 생산 유닛(800)의 사용 상태를 간략히 설명한다.

먼저 도 17에 도시된 바와 같이 배기 가스 보일러(810)에서 생산된 스팀 중 일부 스팀은 스팀을 필요로 하는 요소에 공급되고, 나머지 남은 스팀인 덤핑 스팀은 스팀 터빈(820)을 통해 덤핑 콘덴서 유닛(400)의 제1 콘덴서 모듈(410)로 공급된다. 스팀 터빈(820)으로 공급되는 덤핑 스팀에 의해 스팀 터빈(820)은 회전되고, 스팀 터빈(820)의 회전력은 스팀 발전기(830)로 전달되어 전력을 생산한다. 본 실시 예에서 전력 생산 유닛(800)은 중/저온 폐열회수장치(300)와는 개별적으로 작동될 수 있고, 선박의 운항 시 필요 전력에 따라 작동될 수도 있다.

한편 선박에 사용될 스팀보다 배기 가스 보일러(810)에서 생산하는 스팀이 많을 경우 유로에서의 압력 상승을 방지하기 위해 스팀 터빈(820)으로 공급되는 덤핑 스팀과는 별도로 덤핑 스팀을 버릴 필요가 있는 데, 이는 도 18에 도시된 바와 같이 덤핑 유도 모듈(840)에 의해 이루어진다.

구체적으로 배기 가스 보일러(810)에서 생산되는 스팀이 필요 이상으로 많이 생산된 경우 압력이 증가되고, 이러한 증가된 압력을 낮추기 위해 덤핑 밸브(842)는 인가되는 신호에 의해 개방되고, 덤핑 스팀은 분기라인(841) 또는 브릿지 라인(843)을 통해 덤핑 콘덴서 유닛(400)의 제1 콘덴서 모듈(410) 및 제2 콘덴서 모듈(420)로 공급된다.

그리고 스팀 터빈(820)의 비 작동 시 덤핑 스팀은 스팀 터빈(820)을 통해서 공급될 수 없으므로 덤핑 유도 모듈(840)을 통해서 덤핑 콘덴서 유닛(400)으로 공급될 수 있다.

도 19는 도 7에 도시된 선박의 에너지 절감 장치에서 중/저온 폐열회수장치와 저온 냉각수 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

터빈을 이용하여 전기를 생산하는 중/저온 폐열회수장치(300)는 다른 터빈 시스템과 마찬가지로 증발기(310)에서 가열된 고온부의 온도와 응축기(340)에서 냉각된 저온부의 온도 차이가 클수록 높은 효율을 얻을 수 있다. 따라서 본 실시 예는 저온 냉각수 시스템(900)을 이용하여 응축기(340)로 유입되는 냉각수의 온도를 더 낮춰 중/저온 폐열회수장치(300)의 효율을 향상시킬 수 있다.

저온 냉각수 시스템(900)은, 도 19에 도시된 바와 같이, 냉각을 필요로 하는 기기장비(M)에서 사용된 냉각수를 냉각시켜 냉각수의 온도를 미리 설정된 범위로 유지시키는 저온 냉각수 냉각유닛(910)과, 저온 냉각수 냉각유닛(910)에서 냉각된 냉각수를 이용하여 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동유체를 냉각시키는 작동유체 냉각유닛(920)을 포함한다.

저온 냉각수 시스템(900)의 저온 냉각수 냉각유닛(910)은, 도 19에 도시된 바와 같이, 기기장비(M)에서 사용된 저온 냉각수를 냉각시키는 저온 냉각수 냉각기(911)와, 저온 냉각수 냉각기(911)와 기기장비(M) 사이의 유로에 마련되는 제2 펌프(912)와, 저온 냉각수 냉각기(911)로부터 제2 펌프(912) 및 기기장비(M)에 이르기까지 저온 냉각수의 순환경로를 형성하는 제1 냉각유로(913)와, 저온 냉각수 냉각기(911)와 제2 펌프(912) 사이의 제1 냉각유로(913)에 마련되는 제3 삼방밸브(914)와, 기기장비(M)와 저온 냉각수 냉각기(911) 사이의 제1 냉각유로(913)에서 분기되어 제3 삼방밸브(914)로 기기장비(M)에서 배출되는 저온 냉각수를 전달하는 분기유로(915)와, 제3 삼방밸브(914)와 제2 펌프(912) 사이의 제1 냉각유로(913)에 마련되어 제3 삼방밸브(914)에서 배출되는 저온 냉각수의 온도를 감지하는 제2 온도센서(916)를 포함한다.

또한 저온 냉각수 냉각유닛(910)은, 도 19에 도시된 바와 같이, 제3 삼방밸브(914)의 개폐 정도를 조절하여 저온 냉각수 냉각기(911)에서 제3 삼방밸브(914)로 공급되는 저온 냉각수와 분기유로(915)를 통해 제3 삼방밸브(914)로 공급되는 저온 냉각수의 혼합 온도를 조절하는 제3 삼방밸브 컨트롤러(917)를 더 포함한다.

저온 냉각수 시스템(900)의 작동유체 냉각유닛(920)은, 저온 냉각수 냉각기(911)와 제3 삼방밸브(914) 사이의 제1 냉각유로(913)에서 분기되어 중/저온 폐열회수장치(300)를 통과한 후 제3 삼방밸브(914)와 제2 펌프(912) 사이의 제1 냉각유로(913)에 연결되는 제2 냉각유로(921)와, 저온 냉각수 냉각기(911)와 중/저온 폐열회수장치(300)를 연결하는 제2 냉각유로(921)에 마련되는 제2 제어밸브(922)와, 제2 제어밸브(922)와 중/저온 폐열회수장치(300)를 연결하는 제2 냉각유로(921)에 마련되는 제3 펌프(923)를 포함한다.

본 실시 예에서 제2 냉각유로(921)를 저온 냉각수 냉각기(911)와 제3 삼방밸브(914) 사이의 제1 냉각유로(913)에서 분기한 것은 중/저온 폐열회수장치(300)의 효율을 높이고, 응축기(340)에서 열교환을 한 후 온도가 올라간 저온 냉각수가 저온 냉각수 냉각유닛(910)에 영향을 미치지 않도록 하기 위해서다.

본 실시 예에서 제3 펌프(923)는, 많은 양의 저온 냉각수가 중/저온 폐열회수장치(300)로 공급됨에 따라 저온 냉각수 냉각유닛(910)에 영향을 미치지 않도록 중/저온 폐열회수장치(300)의 운전 조건에 따라 가변적으로 유량을 공급할 수 있는 가변용량펌프일 수 있다.

그리고 저온 냉각수 시스템(900)의 작동유체 냉각유닛(920)은, 도 19에 도시된 바와 같이, 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동시에는 제2 제어밸브(922)를 개방하여 제2 냉매유로를 통해 저온 냉각수를 중/저온 폐열회수장치(300)로 공급되게 하고, 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동시에는 제2 제어밸브(922)를 막아 제2 냉매유로를 통해 중/저온 폐열회수장치(300)로 공급되는 저온 냉각수를 차단시키는 제3 밸브컨트롤러(미도시)를 더 포함한다.

도 20 및 도 21은 도 19에 도시된 저온 냉각수 시스템의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 20은 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동시 작동유체 냉각유닛(920)은 작동되지 않고 저온 냉각수 냉각유닛(910)만이 작동되는 상태를 도시한 것이고, 도 21은 중/저온 폐열회수장치(300), 저온 냉각수 냉각유닛(910) 및 작동유체 냉각유닛(920)이 모두 작동되는 상태를 도시한 것이다.

이하에서 도 20과 도 21을 참조하여 본 실시예에 따른 저온 냉각수 시스템(900)의 사용 상태를 간략히 설명한다.

먼저, 도 20에 도시된 바와 같이, 중/저온 폐열회수장치(300)가 작동되지 않을 경우 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동유체를 냉각시킬 필요가 없으므로 저온 냉각수 냉각유닛(910)만이 작동된다.

기기장비(M)를 통과하면서 냉각작업을 수행한 저온 냉각수는 저온 냉각수 냉각기(911)로 바로 유입되거나 분기유로(915)를 통해 저온 냉각수 냉각기(911)를 거치지 않고 바로 제3 삼방밸브(914)로 유입된다.

저온 냉각수 냉각기(911)에서 냉각된 저온 냉각수는 제3 삼방밸브(914)로 유입되어 분기유로(915)를 통해 유입되는 저온 냉각수와 혼합된다. 이때 제3 삼방밸브 컨트롤러(917)는 제3 삼방밸브(914)를 통해 배출되는 저온 냉각수의 온도를 감지하여 신호를 전달하는 제2 온도센서(916)에 의해 제3 삼방밸브(914)의 개폐 정도를 조절한다.

즉 제3 삼방밸브(914)를 통해 배출되는 저온 냉각수의 온도가 너무 낮으면 상대적으로 고온의 저온 냉각수가 유입되는 분기유로(915)와 연결되는 제3 삼방밸브(914)의 유입구를 좀더 개방하여 제3 삼방밸브(914)를 통해 배출되는 저온 냉각수의 온도를 높이고, 제3 삼방밸브(914)를 통해 배출되는 저온 냉각수의 온도가 너무 높으면 상대적으로 저온의 저온 냉각수가 배출되는 저온 냉각수 냉각기(911)와 연결되는 제3 삼방밸브(914)의 유입구를 좀더 개방하여 저온 냉각수의 온도를 낮출 수 있다.

다음으로, 도 20에 도시된 바와 같이, 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동 시에는 중/저온 폐열회수장치(300)의 효율을 높이기 위해 작동유체 냉각유닛(920)에 의해 저온의 저온 냉각수가 중/저온 폐열회수장치(300)로 공급된다.

구체적으로 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동 시에 제3 밸브컨트롤러(미도시)는 제2 제어밸브(922)를 개방시켜 저온 냉각수 냉각기(911)에서 냉각된 저온 냉각수를 바로 제3 펌프(923)로 공급시킨다.

제3 펌프(923)는 공급되는 저온 냉각수를 중/저온 폐열회수장치(300)로 공급시켜 응축기(340)와 열교환시킨다. 전술한 바와 같이 중/저온 폐열회수장치(300)는 증발기(310)에서 가열된 고온부의 온도와 응축기(340)에서 냉각된 저온부의 온도 차이가 클수록 높은 효율을 가지므로 본 실시 예에서는 작동유체 냉각유닛(920)에 의해 응축기(340)에서 냉각되는 저온부의 온도를 너 낮출 수 있으므로 중/저온 폐열회수장치(300)의 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

그리고 본 실시 예에서 제3 펌프(923)는 중/저온 폐열회수장치(300)의 운전 조건에 따라 저온 냉각수를 가변적으로 공급할 수 있으므로 저온 냉각수 냉각유닛(910)의 냉각 성능에 영향을 미치지 않는다.

도 22 및 도 23은 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 에너지 절감 장치의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 22는 중/저온 폐열회수장치(300)가 작동될 때의 사용 상태를 도시한 도면이고, 도 23은 중/저온 폐열회수장치(300)가 작동되지 않을 때의 사용 상태를 도시한 도면이다.

이하에서 도 22 및 도 23을 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 에너지 절감 장치(1)의 사용 상태를 간략히 설명한다.

먼저 도 22에 도시된 바와 같이 중/저온 폐열회수장치(300)의 작동 시 엔진(110)에서 배출되는 열원은 전량 전열용 냉각수 순환시스템(200)의 제1 분지유로(210)를 통해 덤핑 콘덴서 유닛(400)으로 유입된다. 덤핑 콘덴서 유닛(400)으로 유입된 열원은 덤핑 콘덴서 유닛(400)의 제1 콘덴서 모듈(410)에서 덤핑 스팀 유입라인으로 유입되는 덤핑 스팀(dumping steam)과 열교환되어 온도가 상승되고, 온도가 상승된 열원은 더 높은 열원인 제 2 열원이 되어 엔진 소기 냉각유닛(500)으로 전달된다.

엔진 소기 냉각유닛(500)으로 전달된 제2 열원은 엔진 소기 냉각유닛(500)의 제1 스테이지모듈(510)에서 과급기(미도시)에서 공급되는 고온 고압의 소기 공기와 열교환되어 더 높은 열원인 제3 열원이 되어 중/저온 폐열회수장치(300)의 증발기(310)로 유입된다.

전술한 바와 중/저온 폐열회수장치(300)의 효율은 다른 터빈 시스템과 마찬가지로 증발기(310)에서 가열된 고온부의 온도와 응축기(340)에서 냉각된 저온부의 온도 차이가 클수록 높은 효율을 얻을 수 있다.

본 실시 예는 엔진(110)에서 배출되는 열원인 냉각수를 그 자체로 이용할 수도 있지만, 이 열원을 덤핑 콘덴서 유닛(400) 및 엔진 소기 냉각유닛(500)에서 추가적으로 열교환시켜 증발기(310)로 유입되는 제3 열원의 온도를 상승시킬 수 있으므로 중/저온 폐열회수장치(300)의 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

중/저온 폐열회수장치(300)를 통과한 제3 열원은 재킷 쿨러(130)로 전달되어 냉각된 후 다시 엔진(110)으로 유입된 후 전술한 과정으로 순환된다.

그리고 중/저온 폐열회수장치(300)에서 배출되어 재킷 쿨러(130)로 유입되는 제3 열원의 온도가 미리 설정된 범위를 넘는 경우 냉각수 순환 시스템(100)의 냉각 성능 및 안전에 영향을 미칠 수 있으므로, 제어유닛(600)은 이를 제어한다.

즉 제어유닛(600)의 제1 밸브컨트롤러(630)는 재킷 쿨러(130)로 유입되는 제3 열원의 온도가 미리 설정된 범위를 넘는 경우 제1 제어밸브(610)를 개방시켜 상대적으로 저온이며 엔진(110)에서 배출되는 열원을 제3 열원과 혼합시켜 재킷 쿨러(130)로 유입되는 제3 열원의 온도를 미리 설정된 범위 내로 낮춰 냉각수 순환 시스템(100)의 냉각 효율 및 안정성을 확보할 수 있다.

한편 중/저온 폐열회수장치(300)의 효율은 응축기(340)에서 냉각되는 저온부의 온도가 낮을 수록 높아지므로, 본 실시예에서는 저온 냉각수 시스템(900)을 이용하여 응축기(340)에서 냉각되는 저온부의 온도를 더 낮춰 중/저온 폐열회수장치(300)의 효율을 높일 수 있다

구체적으로 저온 냉각수 냉각유닛(910)의 저온 냉각수 냉각기(911)에서 배출되는 저온 냉각수를 바로 중/저온 폐열회수장치(300)로 공급하여 중/저온 폐열회수장치(300)의 응축기(340)에서 냉각되는 저온부의 온도를 낮출 수 있다.

특히 본 실시 예는 중/저온 폐열회수장치(300)와는 별도로 배기 가스 보일러(810)에서 덤핑(dumping)되는 덤핑 스팀을 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있으므로 선박의 운항 시 필요 전력에 따라 개별적으로 운전이 가능한 이점이 있다.

다음으로 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동 시 엔진(110)에서 배출되는 열원인 냉각수는 전량 제1 메인유로(121)를 통해 재킷 쿨러(130)로 공급되어 냉각수 순환 시스템(100)을 순환하면서 엔진(110)을 냉각한다.

이 상태에서 엔진 소기 냉각유닛(500)으로 열원이 공급되지 않고 엔진 소기 냉각유닛(500)의 제1 스테이지모듈(510)에는 과급기에서 고온 고압의 소기 가스가 공급되므로, 제1 스테이지모듈(510)에 남아있는 제2 열원은 고온 고압의 소기 가스에 의해 가열되어 압력이 비 정상적으로 상승될 수 있다.

본 실시 예는 드라이 런 방지유닛(700)에 의해 이러한 현상이 방지될 수 있다. 즉 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동 시 드라이 런 방지유닛(700)에 의해 엔진 소기 냉각유닛(500)의 제1 스테이지모듈(510)로 별도의 냉각수를 공급하여 제1 스테이지모듈(510)의 가열로 인한 비정상적인 압력 및 온도 상승을 방지할 수 있다.

그리고 중/저온 폐열회수장치(300)의 비 작동 시 저온 냉각수 냉각유닛(910)은 기기장비(M)를 냉각하기 위해 별도로 작동될 수 있고, 전력 생산 유닛(800)도 별도로 작동되어 전기 에너지를 생산할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

가-냉각수 순환 시스템 나-전열용 냉각수 순환시스템
다-중/저온 폐열회수장치
10-엔진 12-메인유로
14-분지유로 16-덤핑 콘덴서
18-제1보조유로 20-제1청수공급유로
22-소기 냉각기 24-제2보조유로
26-제2청수공급유로 28-증발기
30-터빈 32-발전기
34-응축기 36-펌프
38-관로 40-재생기
42-열교환기 44-독립식 순환유로
46-순환펌프
1 : 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치
100 : 냉각수 순환 시스템 110 : 엔진
120 : 메인유로 130 : 재킷 쿨러
140 : 제1 펌프 200 : 전열용 냉각수 순환시스템
300 : 중/저온 폐열회수장치 310 : 증발기
320 : 터빈 330 : 발전기
340 : 응축기 350 : 펌프
360 : 관로 400 : 덤핑 콘덴서 유닛
410 : 제1 콘덴서 모듈 420 : 제2 콘덴서 모듈
500 : 엔진 소기 냉각유닛 510 : 제1 스테이지모듈
520 : 제2 스테이지모듈 600 : 제어유닛
610 : 제1 제어밸브 620 : 제1 온도센서
630 : 제1 밸브컨트롤러 700 : 드라이 런 방지유닛
710 : 제1 밸브모듈 720 : 제2 밸브모듈
800 : 전력 생산 유닛 810 : 배기 가스 보일러
820 : 스팀 터빈 830 : 스팀 발전기
840 : 덤핑 유도 모듈 900 : 저온 냉각수 시스템
910 : 저온 냉각수 냉각유닛 920 : 작동유체 냉각유닛
M : 기기장비

Claims (8)

1. 내연기관을 탑재한 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치로서,
   엔진의 냉각을 위한 메인유로를 갖춘 냉각수 순환시스템;
   물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 중/저온 폐열회수장치;
   상기 냉각수 순환시스템으로부터 제공되는 열원을 상기 중/저온 폐열회수장치로 전달하는 전열용 냉각수 순환시스템; 및
   상기 냉각수 순환 시스템으로부터 제공되는 열원을 상기 선박의 증기계통에서 전달되는 덤핑 스팀(dumping steam)과 열교환시켜 상기 중/저온 폐열회수장치로 전달되는 상기 열원의 온도를 상승시키며 열교환된 상기 덤핑 스팀을 응축시키는 덤핑 콘덴서 유닛(dumping condenser unit)을 포함하며,
   상기 덤핑 콘덴서 유닛은,
   상기 열원과 상기 덤핑 스팀을 상호 열교환시켜 상기 열원의 온도를 상승시키는 제1 콘덴서 모듈; 및
   상기 제1 콘덴서 모듈을 통해 열교환된 상기 덤핑 스팀을 냉각하여 응축시키는 제2 콘덴서 모듈을 포함하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 콘덴서 모듈은,
   상기 덤핑 스팀이 유입되는 덤핑스팀 유입라인을 포함하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 콘덴서 모듈은,
   상기 덤핑 스팀을 냉각하여 응축시키는 냉각수의 유입통로가 되는 제1 냉각수 유입라인;
   상기 덤핑 스팀과 열교환된 상기 냉각수의 배출통로가 되는 제1 냉각수 배출라인; 및
   상기 냉각수와 열교환되어 응축된 상기 덤핑 스팀의 배출통로가 되는 덤핑 스팀 배출라인을 포함하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 덤핑 스팀은 상기 엔진의 배기가스의 열에너지를 이용하여 상기 선박에 필요한 스팀을 만드는 배기 가스 보일러에서 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉각수 순환 시스템은,
   상기 엔진과 상기 메인유로로 연결되어 상기 엔진을 통과하면서 온도가 상승된 열원을 냉각시키는 재킷 쿨러(jacket cooler); 및
   상기 재킷 쿨러와 상기 메인유로로 연결되어 상기 재킷 쿨러에서 냉각된 열원을 상기 엔진으로 펌핑하는 제1 펌프를 더 포함하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 중/저온 폐열회수장치는,
   상기 덤핑 콘덴서 유닛에서 온도가 상승된 열원과의 열교환을 통해 유기냉매를 증발시키는 증발기;
   상기 증발기에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전하는 터빈;
   상기 터빈의 회전에 따라 연동하여 전력을 생산하는 발전기;
   상기 터빈에서 나온 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기;
   상기 응축기에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 상기 증발기로 제공하는 펌프; 및
   상기 증발기로부터 상기 터빈과 상기 응축기 및 상기 펌프에 이르기까지 유기냉매의 순환경로를 형성하는 관로를 포함하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
8. 삭제

Images