KR101336788B1 - 유기랭킨사이클용 냉각시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디퓨젼(Diffusion) 펌프의 내부에서 생성되는 진공환경에서 발생하는 증발현상을 이용하여 소요에너지를 최소화하면서 냉매를 냉각하도록 하여, 특히 외부의 환경요인(외기의 온도)에 관계없이 냉매의 냉각을 원활하게 할 수 있어 계절에 관계없이 유기랭킨사이클을 중단없이 운행할 수 있도록 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기(1)와, 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈(2)과, 상기 터빈(2)에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 응축시키는 응축기(3)와, 상기 응축기(3)에서 나온 저압의 작동유체를 상기 증발기(1)로 공급하는 펌프(4)를 가지는 유기랭킨사이클에서 상기 응축기(3)를 통과하는 작동유체를 냉각하여 응축하는 유기랭킨사이클용 냉각시스템에 있어서; 상기한 냉각시스템(5)은 상기 응축기(3)를 통과하는 작동유체와 열교환하는 냉매가 순환하도록 수용된 순환관(7)과, 상기 순환관(7)이 통과하도록 연결되며 상기 순환관(7)을 순환하는 냉매를 냉각하는 냉각수단(9)과 상기 순환관(7)의 냉매를 순환시키는 순환펌프(8)로 이루어지며; 상기 냉각수단(9)은 내부에서 진공이 발생되는 부위에 상기 순환관(7)이 경유하는 디퓨전펌프(Diffusion Pump)로 이루어져, 제트류(vapor jet)를 형성하는 확산오일이 입자로 분자화할 때 발생되는 진공상태에서, 분사관을 통해 공급되는 열매체가 증발될 때, 발생하는 열교환을 통해 냉각되도록 된 유기랭킨사이클용 냉각시스템에 관한 것이다.

Description

유기랭킨사이클용 냉각시스템{A cooling system of the Organic Rankine Cycle}

본 발명은 유기랭킨사이클의 응축과정에 적용되는 냉매를 냉각하는 유기랭킨사이클용 냉각시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디퓨젼(Diffusion) 펌프의 내부에서 생성되는 진공환경에서 발생하는 증발현상을 이용하여 소요에너지를 최소화하면서 냉매를 냉각하도록 하여, 특히 외부의 환경요인(외기의 온도)에 관계없이 냉매의 냉각을 원활하게 할 수 있어 계절에 관계없이 유기랭킨사이클을 중단없이 운행할 수 있도록 고안된 유기랭킨사이클용 냉각시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 저온의 폐열을 이용하여 작동매체를 고온고압으로 비등시킨 후, 터빈을 통해 팽창시켜 토오크를 얻어 발전기를 통해 전력을 생산하는 유기랭킨사이클(ORC: Organic Rankine Cycle)은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨사이클(Rankine Cycle)로서, 비교적 저온의 온도범위(90~300℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템이다.

이러한 유기랭킨사이클은 저온에서 고압의 기체를 생산하여 터빈을 구동하여야하는 ORC 시스템의 특성상 작동유체로는 비등점이 낮고, 증발압력이 높은 프레온 계열의 냉매를 사용하는 것이 통상적이다.

상기와 같은 유기랭킨사이클은 도 1에서 도시된 바와 같이 증발기(1) 및 터빈(2), 응축기(3), 펌프(4)를 기본요소로 구성되어 있다.

상기에서 상기 증발기(1)는 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 역할을 하고, 상기 터빈(2)은 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키며, 상기 응축기(3)는 상기 터빈(2)에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 상변화시키는 역할을 하며, 상기 펌프(4)는 상기 응축기(3)에서 나온 저압의 작동유체를 상기 증발기(1)로 공급하는 역할을 한다.

이와 같은 유기랭킨사이클의 출력은 상기 터빈(2)번에서 발전되는 에너지와 같다.

그리고, 상기한 유기랭킨사이클은 상기 터빈(2)에서 발전 후 배출된 고온고압의 작동유체를 상기 응축기(3)에서 응축하기 위해서는 별도의 냉각 시스템(5)을 구축해야만 한다.

이때, 상기 냉각시스템(5)에서 소요되는 에너지는 상기 터빈(2)에서 생성되는 에너지보다 작아야만 한다.

상기와 같은 냉각시스템(5)은 통상적으로 외기의 공기를 이용하여 상기 응축기(3)에서 열을 흡수한 고온의 냉매를 냉각하여 순화하는 냉각탑(6)과 상기 냉각탑(6)과 상기 응축기(3)를 연결하며 내부에 냉매가 수용되어 순환시키는 순환관(7)과, 상기 순환관(7)에 수용된 냉매를 강제적으로 순환시키도록 된 순환펌프(8)로 이루어진다.

즉, 상기 응축기(3)를 통해 작동유체와 열교환하여 작동유체에서 열을 흡수하여 작동유체를 냉각시킨 고온의 냉매는 냉각탑(6)을 경유하면서 외기를 통해 저온의 냉매로 냉각되어 상기 응축기(3)로 재순환하는 순환사이클을 가진다.

본 발명에 적용되는 유기랭킨사이클은 물을 작동매체로 하는 일반 랭킨사이클과 달리 저온에서 쉽게 비등하는 작동매체(예를 들면: R245fa)를 이용, 저온의 폐열을 이용한 발전이 가능토록 하는 저온발전 기술이다.

통상적으로 유기랭킨사이클을 이용하여 발전 가능한 온도 영역의 하한선은 90℃대로, 유기랭킨사이클을 통해 달성 가능한 이론 효율은 열원의 온도 영역대에 따라 크게 좌우된다.

일반적으로 250~300℃의 중온 영역에서는 19% 내외의 발전효율을 갖는 것으로 알려져 있으나, 90~100℃ 저온 영역에서는 10% 내외의 비교적 낮은 발전효율을 갖게 되어 기계적 손실 등을 감안할 때, 저온 영역에서의 운전시 전체 사이클을 구성하는 각 설비별 소요에너지(동력) 및 손실을 최소화해만 한다.

이러한 유기랭킨사이클에서, 경제성을 확보할 수 있는 충분한 발전 조건을 유지하기 위해서는 열원 공급온도와 작동매체의 응축이 발생하는 온도차이는 가능한 크게 발생하도록 설계가 이루어져야 한다.

따라서, 열원측 유효온도가 90~100℃대의 저온 영역에서 형성될 경우에는 응축현상이 발생하는 온도에 따라 발전효율 및 발전량이 매우 민감하게 되므로 외기조건에 따른 원활한 응축현상이 발생하도록 충분히 낮은 온도의 냉각시스템이 필요하다.

그러나, 상기와 같은 종래의 유기랭킨사이클에서 적용되는 냉각시스템은 주로, 외기를 이용한 냉각탑이 적용됨에 따라 공급 가능한 냉수의 온도는 외기조건에 따른 습구온도(Wet bulb temperature) 이하로는 공급할 수 없는 문제점이 있었다.

이에 따라, 외기의 온도가 비교적 낮은 춘추절기 및 동절기에는 저온 영역의 열원으로부터 열에너지를 공급받는 조건에서도 유효한 발전출력 및 효율을 갖는 유기랭킨사이클의 운전이 가능하지만, 외기온도가 비교적 높은(예를 들면:25℃ 이상) 하절기에는 냉각수의 온도가 습구온도 이상으로 제한됨에 따라, 작동매체의 온도와 응축기에서 열교환을 해야하는 냉각수 온도차이가 충분하지 않거나, 오히려 온도의 역전현상이 발생하여 작동매체의 응축이 발생하지 않는 문제점이 있었다.

즉, 하절기에는 전체 유기랭킨사이클 시스템의 운전이 불가능한 상황이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 디퓨젼(Diffusion) 펌프의 내부에서 생성되는 진공환경에서 발생하는 증발현상을 이용하여 소요에너지를 최소화하면서 냉매를 냉각하도록 하여, 특히 외부의 환경요인(외기의 온도)에 관계없이 냉매의 냉각을 원활하게 할 수 있어 계절에 관계없이 유기랭킨사이클을 중단없이 운행할 수 있도록 된 유기랭킨사이클용 냉각시스템을 제공하는 것에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유기랭킨사이클용 냉각시스템은 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기와, 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈과, 상기 터빈에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에서 나온 저압의 작동유체를 상기 증발기로 공급하는 펌프를 가지는 유기랭킨사이클에서 상기 응축기를 통과하는 작동유체를 냉각하여 응축하는 유기랭킨사이클용 냉각시스템에 있어서;

상기한 냉각시스템은 상기 응축기를 통과하는 작동유체와 열교환하는 냉매가 순환하도록 수용된 순환관과, 상기 순환관이 통과하도록 연결되며 상기 순환관을 순환하는 냉매를 냉각하는 냉각수단과 상기 순환관의 냉매를 순환시키는 순환펌프로 이루어지며; 상기 냉각수단은 내부에서 진공이 발생되는 부위에 상기 순환관이 경유하는 디퓨전펌프(Diffusion Pump)로 이루어져 내부에 생성되는 진공상태에서 제트류(vapor jet)를 형성하는 확산오일이 입자로 분자화할 때 발생되는 열교환을 통해 냉각되는 것을 특징으로 한다.

상기한 디퓨전펌프의 내부에 위치하는 순환관의 주위에는 외부에서 공급된 열매체가 분사되는 분사관이 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기한 열매체는 물(H₂O)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기한 디퓨전펌프는 내부에 공간부를 가지며 바닥에는 확산오일이 충진되고 외주면에는 냉각수가 순환하는 냉각코일이 구비되고 하부 일 측 부위에는 배기를 위한 배출구가 구비된 배럴과, 전원을 공급받아 상기 확산오일을 가열하여 증발시키도록 된 가열부재와, 상기 공간부에서 확산오일의 상부에 위치하며 다단의 노즐이 구비된 굴뚝부재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기한 공간부에서 확산오일이 충진된 바닥부의 상측에는 회수되는 확산오일을 전원을 공급받아 가열하여 예열하는 예열부재가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명의 유기랭킨사이클용 냉각시스템은 응축기에서 소모되는 냉매의 냉각에너지를 디퓨젼(Diffusion) 펌프의 내부에서 생성되는 진공환경에서 발생하는 증발현상을 이용하여 적은 에너지로 효율적으로 냉각함으로써, 외기의 온도 및 계절에 관계없이 냉매의 냉각을 원활하게 할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 일반적인 냉각시스템이 적용된 유기랭킨사이클를 보인 개략 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 유기랭킨사이클용 냉각시스템에 적용되는 냉각수단을 보인 개략 예시도.
도 3은 본 실시예에 의한 유기랭킨사이클용 냉각시스템에 적용되는 냉각수단의 사용상태를 보인 개략 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 의한 유기랭킨사이클용 냉각시스템을 상세히 설명하면 다음과 같다.

아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 유기랭킨사이클용 냉각시스템을 보인 도면으로, 본 실시예에 의한 유기랭킨사이클용 냉각시스템은 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기(1)와, 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈(2)과, 상기 터빈(2)에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 응축시키는 응축기(3)와, 상기 응축기(3)에서 나온 저압의 작동유체를 상기 증발기(1)로 공급하는 펌프(4)를 가지는 유기랭킨사이클에 적용되어 상기 응축기(3)를 통과하는 작동유체를 냉각하여 응축하는 것에 사용된다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 냉각시스템은, 상기 응축기(3)를 통과하는 작동유체와 열교환하는 냉매가 순환하도록 수용된 순환관(7)과, 상기 순환관(7)이 통과하도록 연결되며 상기 순환관(7)을 순환하는 냉매를 냉각하는 냉각수단(9)과 상기 순환관(7)의 냉매를 순환시키는 순환펌프(8)로 이루어진다.

즉, 도면에서 도시된 바와 같이 상기 순환펌프(8)에 의해 상기 순환관(7)을 순환하는 냉매가 상기 응축기(3)에서 작동유체와 열교환하여 작동유체에서 열을 흡수하여 고온으로 상승되고, 온도가 상승된 냉매는 상기 냉각수단(9)을 경유하면서 저온으로 냉각되어 상기 응축기(3)로 재순환하면서 작동유체를 냉각하게 된다.

상기에서, 상기 응축기(3)를 통과하여 작동유체의 온도는 대략 36℃ 내외로, 상기 작동유체와 열교환하여 온도가 상승된 냉매의 온도는 대략 25℃ 내외의 온도를 가지게 된다.

따라서, 상기 냉각수단(9)에 인가되는 냉매의 온도는 대략 25℃ 내외의 온도를 가지고 투입되어, 상기 냉각수단(9)에 의해 대략 6~7℃ 내외의 온도로 냉각되어 상기 응축기(3)를 순환하게 된다.

이와 같은 본 실시예에 의한 냉각시스템에서 상기한 냉각수단(9)은 냉매를 최소의 에너지를 소모하여 25℃에서 대략 6~7℃ 내외의 온도로 냉각할 수 있는 구성을 가진다.

상기와 같은 본 실시에에 적용되는 냉각시스템에서 상기한 냉각수단(9)은, 내부에서 진공이 발생되는 부위에 상기 순환관(7)이 경유하는 디퓨전펌프(Diffusion Pump)로 이루어져, 내부에 생성되는 진공상태에서 제트류(vapor jet)를 형성하는 확산오일이 입자로 분자화할 때 발생되는 열교환을 통해 냉각되는 것으로 이루어진다.

즉, 단순히 디퓨젼펌프를 가동하는 에너지만으로 냉매를 효율적으로 냉각할 수 있다.

상기에서 디퓨전펌프는, 내부에 공간부를 가지며 바닥에는 확산오일(DO)이 충진되고 외주면에는 냉각수가 순환하는 냉각코일(C)이 구비되고 하부 일 측 부위에는 배기를 위한 배출구(EX)가 구비된 배럴(B)과, 전원을 공급받아 상기 확산오일(DO)을 가열하여 증발시키도록 된 가열부재(H)와, 상기 공간부에서 확산오일(DO)의 상부에 위치하며 다단의 노즐(N)이 구비된 굴뚝부재(CH: chimney)로 이루어진다.

이에 따라, 상기 가열부재(H)가 전원을 인가받아 확산오일(DO)을 가열하면(이때의 가열온도는 대략 200℃ 내외로 이루어진다), 상기 배럴(B)의 바닥면에 수용된 확산오일(DO)이 증발하기 시작하고, 증발된 확산오일(DO)은 상기 굴뚝부재(CH)를 통해 상부로 상승하게 된다.

이와 같이, 증발된 확산오일(DO) 입자가 충만하게 굴뚝부재(CH)의 상층에 적층되면, 상기 노즐(N)을 통해 하향측으로 제트류(vapor jet)를 형성하게 되고, 이때 그 주위에 있던 배럴(B)의 공간부에 존재하는 타 기체입자들과 충돌하면서 기체입자들에 운동량을 전달하여, 충돌에 의해 운동량을 전달받은 타 기체입자들과 확산오일(DO) 입자들은 공간부상에서 하방으로 모이고 기체입자들은 상기 배출구(EX)를 통해 외부로 배출되고, 상기 확산오일(DO) 입자는 상기 배럴(B)의 외주면에 구비된 냉각코일(C)을 통해 냉각되어 액화상태로 바닥에 모이게 된다.

상기와 같이, 상기 배럴(B)의 바닥면에 재수용된 확산오일(DO)은 상기 가열부재(H)에 의해 재가열되어 증발하고, 공간부로 재분사되는 과정을 반복함으로써, 상기 배럴(B)의 공간부를 진공상태로 형성한다.

이때. 상기 공간부에서 확산오일(DO)이 충진된 바닥부의 상측에는 회수되는 확산오일(DO)을 전원을 공급받아 가열하여 예열하는 예열부재(PH)를 구비함으로써, 상기 가열부재(H)가 확산오일(DO)을 가열하는 에너지를 경감함으로써, 소모되는 에너지를 효율적으로 최소화하는 것이 가장 바람직하다.

상기와 같이 배럴(B)의 공간부가 진공상태로 형성될 때, 공간부의 상층부가 타 부위보다 비교적 고진공상태를 형성하게 되고, 상기 공간부의 상층부에 상기한 순환관(7)이 경유하게 위치되어 상기 순환관(7)의 냉매가 분사관(10)을 통해 공급되는 열매체들이 분자화(증발)될 때, 소모되는 열에너지를 공급하게 되어 냉각된다.

즉, 확산오일(DO)입자에 의해 고진공상태로 유지되는 환경에서 열매체가 분자화(증발)하는 잠재적 소모열에 의해 냉각된다.

그리고, 본 실시예에 적용되는 냉각수단(9)에서 상기한 디퓨전펌프의 내부에 위치하는 상기 순환관(7)의 주위에는 외부에서 공급된 열매체가 분사되는 분사관(10)이 구비되며, 상기 열매체는 물(H₂O)로 이루어지는 것이 바람직하다.

즉, 상기 분사관(10)을 통해 고진공 환경에서 액체상태의 물입자를 공급, 분자화(증발) 현상을 유발하여 증발잠열을 이용 냉매의 냉각을 유발하고, 또한 이 과정에서 발생하는 물분자(기체)는 제트류를 형성하는 확산오일(DO) 입자와의 충돌을 통해 하방으로 이동하게 되어 지속적인 고진공상태를 유지하게 되는 바, 순환관(7)의 냉매를 지속적으로 냉각하게 되어 있다.

상기와 같이 본 실시예의 냉각시스템에 적용되는 냉각수단(9)은 상기 응축기(3)에서 소모되는 냉매의 냉각에너지를 디퓨젼(Diffusion) 펌프의 내부에서 생성되는 진공환경에서 발생하는 증발현상을 이용하여 적은 에너지로 효율적으로 냉각함으로써, 외기의 온도 및 계절에 관계없이 냉매의 냉각을 원활하게 할 수 있다.

이상과 같은 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 증발기 2 : 터빈
3 : 응축기 4 : 펌프
5 : 냉각시스템 6 : 냉각탑
7 : 순환관 8 : 순환펌프
9 : 냉각수단 10 : 분사관
DO : 확산오일 B : 배럴
C : 냉각코일 CH : 굴뚝부재
N : 노즐 H : 가열부재
PH : 예열부재 EX : 배출구

Claims (5)

1. 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기와, 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈과, 상기 터빈에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에서 나온 저압의 작동유체를 상기 증발기로 공급하는 펌프를 가지는 유기랭킨사이클에서 상기 응축기를 통과하는 작동유체를 냉각하여 응축하는 유기랭킨사이클용 냉각시스템에 있어서;
   상기한 냉각시스템은 상기 응축기를 통과하는 작동유체와 열교환하는 냉매가 순환하도록 수용된 순환관과, 상기 순환관이 통과하도록 연결되며 상기 순환관을 순환하는 냉매를 냉각하는 냉각수단과 상기 순환관의 냉매를 순환시키는 순환펌프로 이루어지며;
   상기 냉각수단은 상기 순환관이 경유하는 디퓨전펌프(Diffusion Pump)로 이루어져, 제트류(vapor jet)를 형성하는 확산오일을 입자로 분자화할 때 발생되는 진공상태에서, 분사관을 통해 공급되는 열매체가 증발하면서 발생하는 열교환을 통해 유기랭킨사이클의 응축과정에 적용되는 냉매가 냉각되는 것을 특징으로 하는 유기랭킨사이클용 냉각시스템.
   
2. 제 1항에 있어서;
   상기한 디퓨전펌프의 내부에 위치하는 순환관의 주위에는 외부에서 공급된 열매체가 분사되는 분사관이 구비되는 것을 특징으로 하는 유기랭킨사이클용 냉각시스템.
   
3. 제 2항에 있어서;
   상기한 열매체는 물(H₂O)로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기랭킨사이클용 냉각시스템.
   
4. 제 1항에 있어서;
   상기한 디퓨전펌프는 내부에 공간부를 가지며 바닥에는 확산오일이 충진되고 외주면에는 냉각수가 순환하는 냉각코일이 구비되고 하부 일 측 부위에는 배기를 위한 배출구가 구비된 배럴과, 전원을 공급받아 상기 확산오일을 가열하여 증발시키도록 된 가열부재와, 상기 공간부에서 확산오일의 상부에 위치하며 다단의 노즐이 구비된 굴뚝부재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유기랭킨사이클용 냉각시스템.
   
5. 제 4항에 있어서;
   상기한 공간부에서 확산오일이 충진된 바닥부의 상측에는 회수되는 확산오일을 전원을 공급받아 가열하여 예열하는 예열부재가 구비된 것을 특징으로 하는 유기랭킨사이클용 냉각시스템.

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