KR101379432B1 - 엔진 폐열 회수장치 - Google Patents

Abstract

엔진 폐열 회수장치가 제공된다. 엔진 폐열 회수장치는, 압축공기가 흡입되는 흡기관 및 연소가스가 배기되는 배기관이 형성된 엔진과, 배기관에 연결되고, 연소가스의 압력으로 압축터빈을 회전시켜 압축공기를 생성하며, 생성된 압축공기를 흡기관으로 공급하는 과급기와, 흡기관에 연결되고 제1열매(熱媒)를 순환시켜 압축공기를 냉각하는 적어도 하나의 인터쿨러와, 배기관에 연결되어 연소가스의 압력에 의해 회전하는 제1 터빈과, 인터쿨러를 통과한 제1열매를 증발시킨 제1열매 증기의 압력에 의해 회전하는 제2 터빈을 포함하는 제1 열회수부, 및 인터쿨러를 통과한 제1열매를 공급받고, 제1열매(熱媒)와 제2열매(熱媒)를 열교환시켜 열에너지를 회수하는 제2 열회수부를 포함한다.

Description

엔진 폐열 회수장치{Apparatus for Recovering Waste Heat of Engine}

본 발명은 엔진 폐열 회수장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 엔진 운전시 배출되는 연소가스 및 엔진과 엔진 부가장치로부터 생성되는 다양한 온도영역의 엔진 폐열을 회수 가능하도록 폐열 회수능력을 향상시킨 엔진 폐열 회수장치에 관한 것이다.

엔진(Engine)은 에너지를 기계적인 운동으로 바꾸어 주는 장치로서, 각 종의 기계장비나 운송수단 등에 장착되어 구동력을 제공한다. 이 중 특히, 내연기관(Internal Combustion Engine)은 연료를 연소하여 기관 내부의 온도 및 압력상태를 극적으로 변화시킴으로써, 각종 기계장비나 운송수단 등을 구동하기에 충분한 출력을 얻을 수 있다.

한편, 엔진의 출력을 높게 또는 최적수준으로 유지하기 위해서는, 연료의 연소효율을 상승시키거나, 연소시 급격히 증가하는 엔진 내 외부의 온도를 적정수준으로 낮춰 주어야 한다. 이를 위해 터보차져(Turbocharger)나, 인터쿨러(Intercooler), 자켓쿨러(Jacketed Engine Cooler) 등과 같은 다양한 엔진 부가장치들이 장비된다.

엔진 운전시에는 엔진 및 이러한 부가장치들이 함께 가동되며, 이에 따라 상당한 양의 열에너지가 엔진 외부로 방출되거나 가동과정에서 소멸된다. 또한, 엔진 운전시 연소된 연료가 고온의 연소가스 형태로 배출되는데 이러한 연소가스 역시 과량의 열에너지를 포함하고 있다. 이러한 열에너지들은 엔진 운전시 필연적으로 생성되는 엔진 폐열로서, 그대로 노출되는 경우 외부 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라, 회수되지 않으면 즉각 소실되므로 에너지 효율 면에서도 큰 손실이 된다. 따라서 환경적, 경제적 이유로 종래 폐열을 회수하기 위한 장치 또는 시스템들이 사용되어 왔다. 대한민국 공개특허 제10-2004-0093444호에는 이러한 폐열 회수장치의 일 례가 개시되어 있다.

하지만, 종래의 폐열 회수장치는 고온인 연소가스의 열에너지를 회수하기 위해 설계된 것이 대부분이어서, 연소가스 외에 엔진자체 및 엔진 부가장치들로부터 생성된 저온영역의 폐열은 적절히 회수하지 못하는 문제가 있다. 예를 들어, 초대형 선박에 장착되는 초고출력의 대형 엔진과 같은 경우, 엔진의 원활한 구동을 위해 단계적으로 다양한 부가장치 및 유지장치들이 설치될 수 있는 바, 이러한 장치들로부터 생성된 폐열 역시 상당한 열량을 가짐에도 불구하고 고온의 연소가스와 온도영역이 상이하여 이를 적절히 회수할 수 없었다.

따라서, 고온영역으로부터 저온영역까지 다양한 온도영역에서 생성되는 엔진 폐열을 효과적으로 회수할 수 있는 장치의 출현이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허 제10-2004-0093444호, (2004.11.05)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 엔진 운전시 배출되는 연소가스 및 엔진과 엔진 부가장치로부터 생성되는 다양한 온도영역의 엔진 폐열을 모두 회수 가능한 엔진 폐열 회수장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급된 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 엔진 폐열 회수장치는, 압축공기가 흡입되는 흡기관 및 연소가스가 배기되는 배기관이 형성된 엔진; 상기 배기관에 연결되고, 상기 연소가스의 압력으로 압축터빈을 회전시켜 상기 압축공기를 생성하며, 생성된 상기 압축공기를 상기 흡기관으로 공급하는 과급기; 상기 흡기관에 연결되고 제1열매(熱媒)를 순환시켜 상기 압축공기를 냉각하는 적어도 하나의 인터쿨러; 상기 배기관에 연결되어 상기 연소가스의 압력에 의해 회전하는 제1 터빈과, 상기 인터쿨러를 통과한 상기 제1열매를 증발시킨 제1열매 증기의 압력에 의해 회전하는 제2 터빈을 포함하는 제1 열회수부; 및 상기 인터쿨러를 통과한 상기 제1열매를 공급받고, 상기 제1열매(熱媒)와 제2열매(熱媒)를 열교환시켜 열에너지를 회수하는 제2 열회수부를 포함한다.

상기 제1 열회수부는, 상기 배기관에 연결되며 상기 제1열매를 공급받아 상기 연소가스 열로 상기 제1열매 증기를 생성하는 적어도 하나의 증발기를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 열회수부는, 상기 배기관에 연결되며 상기 제1열매 증기를 공급받아 상기 연소가스 열로 가열하고 상기 제2 터빈으로 공급하는 적어도 하나의 과열기를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 터빈과 상기 제2 터빈은 발전기에 동일축으로 연결될 수 있다.

상기 제2열매는 상기 제1열매보다 끓는점이 낮고 분자질량이 상기 제1열매보다 큰 것일 수 있다.

상기 제2열매는 프레온 가스, 암모니아 가스, 부탄 가스, 이소펜탄 가스, 실리콘 오일 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것일 수 있다.

상기 제2 열회수부는, 상기 제1열매와 상기 제2열매가 열교환하여 제2열매 증기를 생성하며, 상기 제2열매 증기의 압력에 의해 구동되는 적어도 하나의 액츄에이터를 포함하는 열교환부와, 상기 인터쿨러와 상기 열교환부를 연결하여 상기 제1열매를 상기 열교환부로 공급하는 제1열매 공급관, 및 상기 열교환부와 상기 인터쿨러를 연결하여 상기 제1열매를 상기 인터쿨러로 배출하는 제1열매 배출관을 포함할 수 있다.

상기 폐열 회수장치는, 상기 엔진을 냉각하는 엔진자켓쿨러, 및 상기 엔진자켓쿨러로부터 상기 제1열매를 유입하여 상기 인터쿨러로 주입하는 캐스케이드 탱크를 더 포함하되, 상기 캐스케이드 탱크를 통과한 상기 제1열매의 온도가 상기 압축공기의 온도보다 낮게 유지될 수 있다.

상기 제1열매 배출관이 상기 캐스케이드 탱크를 경유할 수 있다.

상기 폐열 회수장치는, 상기 제1열매 공급관과 상기 제1열매 배출관 사이를 연결하거나, 상기 제1열매 공급관과 상기 캐스케이드 탱크 사이를 연결하는 바이패스관을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 엔진 폐열 회수장치는 엔진 운전시 발생하는 다양한 온도영역의 엔진 폐열을 모두 회수할 수 있으며, 특히, 종래 회수되지 못하던 저온영역의 폐열을 효과적으로 회수하여 엔진 운전시 열에너지 손실을 최대한 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 엔진 폐열 회수장치는 엔진 부하가 낮아져 연소가스가 감소하고 고온영역의 폐열 회수가 중단된 상황에서도, 엔진 및 엔진 부가장치에서 발생하는 저온영역의 폐열을 안정적으로 회수 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진 폐열 회수장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 엔진 폐열 회수장치의 제2 열회수부의 변형례를 도시한 구성도이다.
도 3는 도 1의 엔진 폐열 회수장치의 제1 열회수부의 작동도이다.
도 4은 도 1의 엔진 폐열 회수장치의 제2 열회수부의 작동도이다.
도 5는 도 1 및 도 4의 엔진 폐열 회수장치의 구동방법을 도시한 순서도이다.

본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하는 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 여러 가지 서로 다른 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 명확하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진 폐열 회수장치에 대해 상세히 설명한다.

우선 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진 폐열 회수장치(1)는 도시된 바와 같이 크게 제1 열회수부(40) 및 제2 열회수부(50)로 나뉘어지며, 각각이 모두 엔진 폐열을 회수하는 데 사용된다. 이 때, 제1 열회수부(40)는 엔진(10) 연소가스의 압력에 의해 회전하는 제1 터빈(410)과, 고온영역의 연소가스 폐열로 제1열매를 증발시켜 얻어진 제1열매 증기의 압력에 의해 회전하는 제2 터빈(420)을 이용하여 고온영역의 폐열을 일차적으로 회수하며, 제2 열회수부(50)는 서로 다른 이종(異種)의 열매(熱媒: Heat Medium)를 서로 열교환 시켜 종래 그 일부만이 회수될 뿐 효과적으로 회수되지 못하였던 저온영역의 폐열을 용이하게 회수할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진 폐열 회수장치(1)는 각각 서로 다른 온도영역에서 작동하도록 설계된 제1 열회수부(40) 및 제2 열회수부(50)를 이용하여 엔진(10) 운전시 발생하는 다양한 온도영역의 폐열을 모두 회수할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 엔진 폐열 회수장치(1)는 엔진(10) 출력의 증감에 따라 제1 열회수부(40) 및 제2 열회수부(50)를 모두 가동하거나, 제2 열회수부(50)만을 가동할 수 있도록 설계되어, 종래 고온의 연소가스 폐열 회수에 편중되었던 폐열 회수장치와 달리, 엔진(10) 부하가 저하되어 연소가스의 배기량이 미미한 상황에서도 엔진(10) 및 그 밖의 부가장치에서 생성되는 저온영역의 폐열을 상황에 맞게 안정적으로 회수하는 것이 가능하다.

이하, 이러한 특징을 갖는 엔진 폐열 회수장치(1)의 각 구성부에 대해 좀 더 상세히 설명한다.

엔진(10)은 흡기관(11) 및 배기관(12)을 포함하며, 내부에서 연료를 연소하여 구동력을 얻는 내연기관으로 형성될 수 있다. 엔진(10)은 흡기관(11)을 통해 엔진(10) 연소실 내부로 압축공기를 흡입하고, 흡입된 압축공기를 연료와 배합하여 연소시킨 뒤, 배기관(12)을 통해 배출한다. 이러한 엔진(10)은 예를 들어, 선박의 주 동력원으로 사용되는 초고출력의 대형 엔진일 수 있으나 이에 한정될 것은 아니며, 여타 흡기관(11) 및 배기관(12)을 포함하고 있는 엔진(10)이면 어떤 종류이든 가능하다.

배기관(12)의 일 측에는 과급기(Turbocharger)(20)가 연결된다. 과급기(20)는 압축터빈(21)을 포함하는 하나 이상의 터빈으로 이루어질 수 있으며, 배기관(12)에 연결된 터빈과 압축터빈(21)이 하나의 회전축에 연결되는 방식으로 구현될 수 있다. 따라서, 엔진(10) 운전시 배기되는 연소가스의 압력으로 배기관(12)에 연결된 터빈과 압축터빈(21)을 함께 회전하여 고온 고압의 압축공기를 생성할 수 있다. 압축터빈(21)에서 생성된 압축공기는 흡기관(11)을 통해 연소실에 제공되어 엔진(10)의 연소효율을 상승시키게 된다.

한편, 흡기관(11)에는 인터쿨러(30)가 연결된다. 인터쿨러(30)는 흡기관(11)을 통해 공급되는 압축공기의 온도를 낮추어 밀도를 상승 시킴으로써 엔진(10) 연소실 내부에 과량의 압축공기를 유입시키고, 이를 통해 역시 엔진(10)의 연소효율을 높인다. 인터쿨러(30)는 내부에 제1열매가 순환 가능한 순환라인을 포함할 수 있으며, 순환라인과 흡기관(11)이 열적으로 접촉하도록 형성되어 고온의 압축공기로부터 열을 회수하고 압축공기를 용이하게 냉각할 수 있다.

이러한 인터쿨러(30)는 도면상에 도시된 보조 인터쿨러(60)와 같이 흡기관(11)을 따라 하나 이상이 형성될 수 있다. 이 때, 보조 인터쿨러(60)는 인터쿨러(30)와 구분하기 위해 임의로 구분된 것이며, 실제적으로는 인터쿨러(30)와 동일한 것이 흡기관(11)에 부가된 것일 수 있다. 최초에 과급기(20)에서 생성된 압축공기가 고온일수록 엔진(10)의 연소 효율을 상승시키기 위해 더 많은 수의 인터쿨러(30) 또는 보조 인터쿨러(60)가 필요할 수 있으며, 각각의 인터쿨러(30) 또는 보조 인터쿨러(30)들은 흡기관(11)을 따라 단계적으로 배치되어 압축공기를 다단 냉각하고 냉각효율을 상승시킬 수 있다.

인터쿨러(30)를 순환한 제1열매는 연소가스의 압력에 의해 회전하는 제1 터빈(410)과, 제1열매를 증발시킨 제1열매 증기의 압력에 의해 회전하는 제2 터빈(420)을 포함하는 제1 열회수부(40)에 공급되며, 제1 열회수부(40)에서 고온의 연소가스 폐열에 의해 증기상태로 변환된 후 제2 터빈(420)에 제공된다. 이하 제1 열회수부(40)에 대해 설명한다.

제1 열회수부(40)는 전술한 바와 같이 적어도 두 개의 터빈, 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(420)을 포함한다. 이 때, 제1 터빈(410)은 배기관(12)의 타 측에 연결되어 배기관(12)을 통과하는 연소가스와 접촉하고, 고속으로 배기되는 연소가스의 압력에 의해 회전한다. 따라서, 제1 터빈(410)은 연소가스가 가지는 열에너지 외에 연소가스의 역학적 에너지를 직접 회수할 수 있다.

반면, 제2 터빈(420)은 배기관(12)과 연결되는 적어도 하나의 증발기관 즉, 도면상의 제1 증발기(430)와 제2 증발기(460), 제1 과열기(440)와 제2 과열기(470), 및 제1 보일러드럼(450) 및 제2 보일러드럼(480)의 쌍으로부터 제1열매 증기를 제공받아 회전한다. 따라서, 연소가스가 가지는 고온영역의 폐열은 제2 터빈(420)에 의해 최종적으로 회수될 수 있다.

제1 보일러드럼(450) 및 제2 보일러드럼(480)은 각각 제1 드럼공급관(451) 및 제2 드럼공급관(481)을 통해 직접 또는 간접적으로 인터쿨러(30)와 연결된다. 이로써, 인터쿨러(30)를 통과한 제1열매가 제1 열회수부(40)로 공급될 수 있다. 인터쿨러(30)를 통과한 제1열매는 압축공기의 열을 흡수하여 온도가 상승된 것이며, 이러한 과정에서 고온의 연소가스 폐열이 아닌 과급기(20) 및 인터쿨러(30)와 같은 엔진(10) 부가장치로부터 발생한 저온영역 폐열을 일차적으로 회수하는 것이 가능하다. 하지만, 인터쿨러(30)의 냉각효율이 제한적이고, 인터쿨러(30)에 주입되는 제1열매의 온도가 상대적으로 높게 유지되어 종래 저온영역 폐열은 일부만이 회수되었다.

반면, 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진 폐열 회수장치(1)는 제1 드럼공급관(451) 및 제2 드럼공급관(481)의 쌍과 인터쿨러(30) 사이에 제2 열회수부(50)가 형성되어 인터쿨러(30)의 냉각효율을 향상시키고, 제1열매를 분기하여 종래 회수되지 못하였던 저온영역 폐열까지 모두 회수할 수 있는 것이다. 제2 열회수부(50)에 대해서는 후술하여 좀 더 상세히 설명한다.

인터쿨러(30)를 통과한 제1열매는 제1 드럼공급관(451) 및 제2 드럼공급관(481)을 통해 제1 보일러드럼(450) 및 제2 보일러드럼(480)에 나누어 수용된다. 제1 보일러드럼(450) 및 제2 보일러드럼(480)은 액체상태 또는 증기상태의 제1열매를 수용 가능한 압력용기로 형성될 수 있으며, 제1 드럼공급관(451) 및 제2 드럼공급관(481) 일 측에 각각 형성된 드럼레벨 조절밸브(452, 482)에 의해 수위가 조절될 수 있다.

한편, 제1 보일러드럼(450) 및 제2 보일러드럼(480) 내부의 온도 및 압력은 필요에 따라 예를 들어, 일 측은 고온 고압, 타 측 상대적으로 저온 저압인 서로 다른 상태로 유지될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 제1 보일러드럼(450)은 인터쿨러(30)를 통과한 제1열매가 제1 드럼공급관(451)을 통해 곧바로 수용되어 상대적으로 고온 고압으로 유지되며, 제2 보일러드럼(480)은 인터쿨러(30)를 통과한 제1열매가 인터쿨러(30)를 통과하지 않은 제1열매와 혼합된 채 수용되어 상대적으로 저온 저압으로 유지된다.

이를 위해 제1 드럼공급관(451) 및 제2 드럼공급관(481)이 각각 배치될 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이 제1 드럼공급관(451)은 인터쿨러(30)와 직결되고, 제2 드럼공급관(481)은 제1열매 배출관(520)을 경유하여 인터쿨러(30)와 간접적으로 연결되며, 제1 드럼공급관(451)과 제2 드럼공급관(481) 사이에는 연결관(453)이 마련되는 것이다. 따라서, 인터쿨러(30)를 통과한 제1열매는 제1 드럼공급관(451)을 따라 제1 보일러드럼(450)에 공급되되, 그 일부가 연결관(453)을 경유하여 제2 보일러드럼(480)으로 공급될 수 있다. 이 때, 제2 드럼공급관(481)의 일 측에는 드럼온도 조절밸브(483)가 설치되며, 인터쿨러(30)를 통과하지 않고 제2 보일러드럼(480)으로 공급되는 제1열매의 양은 드럼온도 조절밸브(483)를 개폐하여 용이하게 조절할 수 있다.

제1 보일러드럼(450)은 배기관(12)과 연결되는 제1 증발기(430) 및 제1 과열기(440) 각각에 순환관(431, 441)을 통해 연결되고, 제2 보일러드럼(480)은 역시 배기관(12)과 연결되는 제2 증발기(460) 및 제2 과열기(470) 각각에 순환관(461, 471)을 통해 연결된다. 따라서, 제1 보일러드럼(450) 및 제2 보일러드럼(480) 각각에 수용된 제1열매는 순환관(431,441,461,471)을 따라 제1 증발기(430) 또는 제2 증발기(460)로, 다시 제1 과열기(440) 또는 제2 과열기(470)로 재차 순환할 수 있다. 순환과정에서 제1열매는 증발하고, 다시 과열되어 과포화상태의 증기로 변환된다.

제1 증발기(430) 및 제2 증발기(460)와, 제1 과열기(440) 및 제2 과열기(470) 각각은 내부에 배기관(12)과 열적으로 접촉 가능한 순환라인이 형성된 것일 수 있다. 따라서 제1열매는 각각의 내부 순환라인을 따라 순환하면서 배기관(12)을 통과하는 연소가스 열에 의해 가열될 수 있다. 제1 과열기(440) 및 제2 과열기(470) 각각을 통과하여 배출된 과포화상태의 제1열매 증기는 제2 터빈(420)과 연결된 제1열매 증기 공급관(421, 422)를 따라 제2 터빈(420)에 제공되어 제2 터빈(420)을 구동한다.

이 때, 제2 터빈(420)은 전술한 제1 터빈(410)과 함께 발전기(90)에 서로 동일축으로 연결될 수 있다. 따라서, 제1 터빈(410) 또는 제2 터빈(420) 중 어느 하나만을 구동하거나, 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(420) 모두를 구동하여 전력을 용이하게 생산할 수 있다.

이하, 제2 열회수부(50)에 대해 설명한다. 제2 열회수부(50)는 내부에서 제1열매와 제2열매가 서로 열교환하여 제2열매 증기를 생성하는 열교환부(530)와, 인터쿨러(30)와 열교환부(530)를 서로 연결하는 제1열매 공급관(510) 및 제2열매 배출관(520)을 포함한다.

열교환부(530)는 내부에 제2열매가 순환하는 순환라인과, 제2열매 증기의 압력에 의해 구동되는 액츄에이터(Actuator)를 적어도 하나 포함할 수 있으며, 제2열매의 순환라인이 열교환부(530) 내측으로 유입된 제1열매와 열적 접촉이 가능하도록 형성될 수 있다. 이는 예를 들어, 제2열매가 순환하는 다수의 관로를 제1열매의 유입 관로와 교차 형성하는 방법으로 구현될 수 있으나, 이에 한정될 것은 아니며, 다양한 방식으로 제1열매와 제2열매가 열교환 가능하도록 구성할 수 있다.

제1열매 공급관(510)은 인터쿨러(30)와 연결되되, 도시된 바와 같이 제1 드럼공급관(451)으로부터 분기되어, 인터쿨러(30)를 통과한 제1열매를 열교환부(530)로 직접 유도할 수 있다. 제1열매 공급관(510) 일 측에는 순환조절밸브(511)가 마련되어 제2 열회수부(50)로 공급되는 제1열매의 양을 필요에 따라 가감할 수 있다.

한편, 제1열매 배출관(520)은 인터쿨러(30)와 연결되되, 일 측은 캐스케이드 탱크(70) 및 엔진자켓쿨러(80)과 연결된 주입관(81)과 연결되고, 타 측은 제2 드럼공급관(481)과 연결될 수 있다. 따라서, 제2열매와 열교환을 마친 제1열매는 주입관(81)을 통해 주입되는 제1열매와 혼합되어 인터쿨러(30)로 재주입되거나, 제2 드럼공급관(481)을 따라 제2 보일러드럼(480)에 제공될 수 있다.

즉, 인터쿨러(30) 내부에서 압축공기의 열에너지를 흡수한 제1열매는, 모두 제1 열회수부(40)로 제공되는 것이 아니며, 분기되어 제1열매 공급관(510)을 따라 열교환부(530)에 유입되는 것이다. 제2열매는 유입된 제1열매와 열교환하여 가열되고, 열교환부(530)내에서 증발하여 제2열매 증기로 변환되며, 열교환부(530) 내부에 형성된 터빈 또는 유압식 실린더 등의 액츄에이터에 공급되어 이를 구동한다. 이로써, 종래 회수되지 못하던 저온영역의 폐열이 용이하게 회수된다. 열교환부(530)는 발전기(90)와 연결되어 액츄에이터를 통해 발전기(90)를 구동함으로써 제1 터빈(410) 또는 제2 터빈(420)과 마찬가지로 전력을 생산할 수 있다.

또한, 제2열매와 열교환을 마친 제1열매는 종래보다 훨씬 낮은 온도로 냉각된 상태로 인터쿨러(30)에 재주입된다. 따라서, 인터쿨러(30)의 냉각효율이 향상되고, 압축공기로부터 회수하는 저온영역의 폐열 회수량이 비약적으로 증가한다. 즉, 제1열매가 단순히 제1 열회수부(40)로 제공되는 대신, 제2열매를 포함하고 있는 제2 열회수부(50)와 교차 순환하도록 형성됨으로써, 압축공기 생성 및 공급과정에서 생성된 저온영역 폐열이 효과적으로 회수될 수 있는 것이다.

이 때, 제2열매는 제1열매보다 끓는점이 낮은 물질로 형성되어 제1열매와 열교환시 효과적으로 증발되고 쉽게 상변화를 일으킬 수 있으며, 이를통해 열회수율을 상승시킬 수 있다. 또한, 제2열매는 분자질량이 제1열매보다 큰 물질로 형성되어 액츄에이터를 보다 용이하게 구동하는 것이 가능하다.

제1열매 및 제2열매는, 예를 들어, 제1열매는 증류수 또는 증류과정을 거친 청수(Clean Water)등으로 이루어지고, 제2열매는 프레온, 암모니아, 부탄, 이소펜탄, 실리콘 오일 등 유기화합물로 이루어진 냉매(Refrigerant)들 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것일 수 있다. 이러한 특징적인 제2열매는 예를 들어, R134a, R245fa, R401, R410 등이 될 수 있으며, 이를 포함하는 열교환부(530)는 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle) 장치일 수 있다.

주입관(81)은 제1열매 배출관(520)과 연결된다. 주입관(81)은 제1열매 배출관(520)을 경유하여 인터쿨러(30)에 제1열매를 주입할 수 있다. 이 때, 인터쿨러(30)에 주입되는 제1열매는 상대적으로 온도가 낮은 것이며 따라서 인터쿨러(30) 내부를 순환하면서 압축공기의 폐열을 용이하게 흡수할 수 있다. 주입관(81) 및 제1열매 배출관(520) 일 측에는 제1열매를 인터쿨러(30)를 향해 주입하는 순환펌프(521, 71)가 마련될 수 있다.

캐스케이드 탱크(70) 및 엔진자켓쿨러(80)는 주입관(81)을 따라 형성된다.

엔진자켓쿨러(80)는 운전시 엔진(10) 표면을 냉각하기 위해 사용되며, 자켓 형태로 엔진(10) 주위에 장착될 수 있다. 제1열매는 최초에 이러한 엔진자켓쿨러(80)의 냉매로 사용된 것일 수 있으며, 캐스케이드 탱크(70)를 통과한 후 적절한 온도로 조절되어 인터쿨러(30)에 주입 가능하다.

캐스케이드 탱크(70)는 외기와 접촉 가능한 개방부가 형성된 탱크로 구성된다. 캐스케이드 탱크(70)는 엔진자켓쿨러(80)에서 예열된 제1열매를 외기와 접촉시키거나, 탱크 내부로 주입되는 스팀라인 등을 이용하여 제1열매의 온도를 적절히 조절할 수 있다. 캐스케이드 탱크(70)를 통과한 제1열매의 온도는 압축공기의 온도보다 낮게 유지되어 인터쿨러(30)로 주입된 후 폐열 회수과정에 용이하게 참여할 수 있다.

도 2는 도 1의 엔진 폐열 회수장치의 제2 열회수부의 변형례를 도시한 구성도이다.

한편, 도 2를 참조하면, 제1열매 배출관(520)이 도시된 바와 같이 캐스케이드 탱크(70)를 경유하고, 제2 열회수부(50)는 제1열매 공급관(510)과 제1열매 배출관(520) 사이 또는 제1열매 공급관(510)과 캐스케이드 탱크(70) 사이를 연결하는 바이패스관(540)을 포함하는 구성으로 변형될 수 있다.

이와 같이 변형되는 경우, 제2 열회수부(50)에서 열교환 후 배출된 제1열매는 캐스케이드 탱크(70)에서 온도가 적절하게 조절된 후 인터쿨러(30)에 유입될 수 있다. 즉, 필요에 따라 캐스케이드 탱크(70)의 설정온도를 증감하여 인터쿨러(30)로 주입되는 제1열매 온도를 적절히 조절할 수 있는 것이다. 예를 들어, 캐스케이드 탱크(70)의 설정온도를 제2 열회수부(50)에서 열효환을 마친 제1열매의 온도보다 낮게 조절하는 경우, 인터쿨러(30)의 냉각효율이 더욱 상승하고 폐열 회수량이 증가할 수 있다. 또한, 이러한 경우, 인터쿨러(30)를 향하는 제1열매의 주입경로가 단일화되어 하나의 순환펌프(71)만을 사용하여 용이하게 제1열매를 주입 및 순환시키는 것이 가능하며, 캐스케이드 탱크(70)의 압력이 열교환부(530) 내부의 압력보다 낮을 수 있으므로 캐스케이드 탱크(70)와 열교환부(530) 사이의 제1열매 배출관(520)에는 감압밸브(550)가 형성될 수 있다.

바이패스관(540)은 바이패스밸브(541)를 포함하며, 바이패스밸브(541)를 조절하여 제1열매를 열교환부(530)로부터 우회시킬 수 있다. 바이패스관(540)은 도시된 바와 같이 제1열매 공급관(510)과 제1열매 배출관(520)사이를 연결하도록 형성될 수 있으나, 이에 한정될 것은 아니며, 필요에 따라 제1열매 공급관(510)과 캐스케이드 탱크(70) 사이를 연결하도록 형성될 수도 있다. 어느 경우에나 바이패스관(540)은 제1열매를 열교환부(530)로부터 우회시키는 것이 가능하다.

바이패스관(540)이 제1열매를 우회시키면, 열교환부(530)는 제1 열회수부(40)로부터 분리된다. 따라서, 열교환부(530)의 교체, 및 수리와 같은 유지보수 작업이 용이하게 이루어질 수 있다.

도 3는 도 1의 엔진 폐열 회수장치의 제1 열회수부의 작동도이고, 도 4은 도 1의 엔진 폐열 회수장치의 제2 열회수부의 작동도이며, 도 5는 도 1 및 도 4의 엔진 폐열 회수장치의 구동방법을 도시한 순서도이다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 엔진 폐열 회수장치(1)의 작동과정 및 작동방법에 대해 좀 더 상세히 설명한다.

도 3을 참조하여 우선 제1 열회수부(40)의 작동과정에 대해 설명한다.

먼저, 엔진(10)이 시동하면, 연소가스(도면상의 파선화살표 참조)가 배기관(12)을 따라 배기된다. 배기관(12)은 적어도 두 개의 관로로 이루어져 제1 터빈(410) 및 과급기(20)와 각각 연결되고, 제1 터빈(410) 및 과급기(20)는 연소가스의 압력에 의해 각각 가동된다.

과급기(20)가 가동되면, 압축공기(도면상의 점선화살표 참조)가 생성되어 흡기관(11)을 따라 이동하며, 인터쿨러(30), 보조 인터쿨러(60)를 거쳐 엔진(10) 연소실에 주입된다. 이 때, 압축공기가 가진 폐열의 일부는 인터쿨러(30)를 통과하는 제1열매(도면상의 실선화살표 참조)에 흡수되어 제1 열회수부(40)에 제공된다.

제1열매는 엔진자켓쿨러(80) 및 캐스케이드 탱크(70)가 연결된 주입관(81)을 따라 인터쿨러(30)로 최초 주입된다. 이 때 제1열매는 제1열매 배출관(520)을 경유하여 인터쿨러(30)에 주입되거나, 제1열매 배출관(520)과 연결된 제2 드럼공급관(481)으로 분기되어 인터쿨러(30)를 통과하지 않고 직접 제2 보일러드럼(480)에 공급될 수 있다.

인터쿨러(30)를 통과하여 압축공기의 폐열을 흡수한 제1열매는 제1 드럼공급관(451)을 따라 직접 제1 보일러드럼(450)에 공급되거나, 연결관(453)을 경유하여 제2 보일러드럼(480)에 공급될 수 있다.

제1 보일러드럼(450) 및 제2 보일러드럼(480)에 각각 수용된 제1열매는 순환관(431,441,461,471)을 따라 제1 증발기(430) 또는 제2 증발기(460)로, 다시 제1 과열기(440) 또는 제2 과열기(470)로 재차 순환한다. 이 때, 제1 증발기(430)와 제2 증발기(460), 제1 과열기(440)와 제2 과열기(470)는 모두 배기관(12)과 연결되어 고온의 연소가스 열로 제1열매를 가열한다. 따라서, 순환관(431,441,461,471)을 순환하는 순환과정에서, 제1열매는 증발되고 다시 과열되어 과포화상태의 제1열매 증기로 변환된다. 이 때, 배기관(12)을 통과하는 연소가스는 제1 과열기(440), 제1 증발기(430), 제2 과열기(470), 제2 증발기(460)의 순서로 차례로 열교환하여 제1열매 증기를 생성하고 배기관(12) 밖으로 방출될 수 있다.

과포화상태의 제1열매 증기는 제1열매 증기 공급관(421, 422)를 따라 제2 터빈(420)에 제공된다. 이로써, 제1 열회수부(40)가 연소가스의 고온영역 폐열을 용이하게 회수하며, 부가적으로, 제1열매 증기로 변환되기 전의 제1열매가 인터쿨러(30)를 통과하면서 예열되어 저온영역 폐열의 일부를 회수한다. 회수된 열에너지는 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(420)과 연결된 발전기(90)를 구동하는 데 용이하게 사용될 수 있다.

다음, 도 4를 참조하여 제2 열회수부(50)의 작동과정에 대해 설명한다.

엔진(10) 시동 후 과급기(20)가 가동되고, 압축공기(도면상의 점선화살표 참조)가 생성되어 흡기관(11)을 따라 이동하며, 제1열매(도면상의 실선화살표 참조)가 인터쿨러(30)를 통과하여 압축공기의 폐열을 흡수하는 것은 제1 열회수부(40)의 작동과정과 동일하다. 반면, 제2 열회수부(50)가 형성된 경우, 인터쿨러(30)를 통과한 제1열매 중 제1 열회수부(40)로 제공되지 않은 잔여부분은 제1열매 공급관(510)을 따라 분기하여 열교환부(530)로 공급된다.

열교환부(530)로 공급된 제1열매는 열교환부(530) 내부에서 전술한 과정을 거쳐 제2열매와 열교환하고, 제2열매 증기를 생성한다. 생성된 제2열매 증기는 액츄에이터를 구동하여 이와 연결된 발전기(90) 등을 가동할 수 있다. 이로써, 종래 회수되지 못하였던 저온영역 폐열의 나머지 부분이 모두 회수될 수 있다. 따라서, 연소가스 가진 고온영역의 폐열과 압축공기 등이 가진 저온영역의 폐열이 용이하게 회수된다.

제2열매와 열교환을 마친 제1열매는, 엔진자켓쿨러(80)로부터 유출되고 캐스케이드 탱크(70)를 통과한 제1열매와 혼합되어, 제1열매 배출관(520)을 따라 인터쿨러(30)에 재주입되거나, 인터쿨러(30)를 통과하지 않고 제2 드럼공급관(481)으로 분기하여, 각각 제1 열회수부(40)의 열회수과정 및 제2 열회수부(50)의 열회수과정에 다시 참여하게 된다.

본 발명의 실시예에 따라 제2 열회수부(50)가 하나만 형성된 것으로 설명되었으나, 전술한 바와 같이 인터쿨러(30) 또는 보조 인터쿨러(60)가 다단으로 형성된 경우, 별도의 제2 열회수부(50)를 또 다른 인터쿨러(30) 또는 보조 인터쿨러(30)와 연결되도록 형성하여 압축공기의 저온영역 폐열 회수량을 필요한 만큼 증가시킬 수도 있을 것이다. 물론 이러한 경우는 압축공기의 온도가 그에 대응하는 만큼 고온인 경우에 가능하다.

이하, 도 2 내지 도 5를 모두 참조하여, 제1 열회수부 및 제2 열회수부를 모두 사용하거나, 그 중 일부만을 사용하여 고온영역 및 저온영역 폐열을 용이하게 회수하는 엔진 폐열 회수장치의 구동방법에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 엔진(10)이 시동하면, 연소가스가 배기된다(S100, S110) 이 때, 제1 터빈(410) 및 과급기(20)가 가동되며(S120), 압축공기가 생성되어 엔진(10)에 공급된다.

과급기(20) 가동 직후 인터쿨러(30)가 운전되어 제1열매가 제1 열회수부(40) 및 제2 열회수부(50)로 교차 순환된다(S130). 이에 따라 제1 열회수부(40)에서 제1열매 증기가 생성된 후 제2 터빈(420)에 제공되어 제2 터빈(420)이 가동되고(S140), 제2 열회수부(50)에서 제1열매와 제2열매가 서로 열교환하여 제2열매가 순환하고, 열교환부(530)의 액츄에이터가 작동된다(S150).

이는, 엔진(10) 시동으로부터 엔진(10)의 출력이 점차로 증가하는 상황이거나, 또는 엔진(10) 운전이 안정화되어 엔진(10) 출력이 적정수준으로 유지되고 있는 상황일 수 있다. 이러한 상황에서 전술한 바와 같이 제1 열회수부(40) 및 제2 열회수부(50)가 모두 작동하여 고온영역 및 저온영역의 폐열이 모두 회수된다.

한편, 특정 시점에서 엔진(10)의 출력이 감소되어 엔진(10)이 저부하 상태로 될 수 있다(S160). 엔진(10)출력이 감소하면, 연소가스 배기량이 급감하여 고온영역의 폐열이 정상적으로 회수될 수 없으며, 연소가스는 각종 증발기, 과열기, 보일러드럼 등을 우회하도록 형성된 우회로(미도시)를 통해 방출되고, 제2 터빈(420)의 가동이 중지될 수 있다(S210).

이러한 경우, 제1열매의 순환량을 조절하여 인터쿨러(30)를 통과한 제1열매 대부분을 제2 열회수부(50)로 제공할 수 있다(S220), 따라서, 제1 열회수부(40)가 작동하지 않는 대신, 제2 열회수부(50)가 더욱 효율적으로 작동하여 저온영역의 폐열을 안정적으로, 용이하게 회수할 수 있는 것이다. 엔진(10) 출력이 감소된 경우 이와 같이 폐열이 회수될 수 있다.

엔진(10) 출력이 다시 증가하면(S230), 연소가스 배기량이 늘어나 제1 열회수부(40)가 정상적으로 작동할 수 있다. 따라서, 제2 터빈(420)이 다시 가동되고, 제1 열회수부(40) 및 제2 열회수부(50)가 모두 엔진(10) 폐열 회수과정에 참여하게 된다. 이와 같이, 엔진(10)출력이 증가, 또는 감소하거나, 일정수준을 유지하는 상황이 지속적으로 유지된 후, 엔진(10)이 정지하면(S170), 전술한 제1열매 및 제2열매의 순환이 중지되고 폐열 회수작업이 종료한다(S180). 이러한 방식으로 엔진(10) 폐열을 용이하게 회수할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 엔진 폐열 회수장치 10: 엔진
11: 흡기관 12: 배기관
20: 과급기 21: 압축터빈
30: 인터쿨러 40: 제1 열회수부
410: 제1 터빈 420: 제2 터빈
421, 422: 제1열매 증기 공급관 430: 제1 증발기
431, 441, 461, 471: 순환관 440: 제1 과열기
450: 제1 보일러드럼 451: 제1 드럼공급관
452, 482: 드럼레벨 조절밸브 453: 연결관
460: 제2 증발기 470: 제2 과열기
480: 제2 보일러드럼 481: 제2 드럼공급관
483: 드럼온도 조절밸브 50: 제2 열회수부
510: 제1열매 공급관 511: 순환조절밸브
520: 제1열매 배출관 521, 71: 순환펌프
530: 열교환부 540: 바이패스관
541: 바이패스밸브 550: 감압밸브
60: 보조 인터쿨러 70: 캐스케이드 탱크
80: 엔진자켓쿨러 81: 주입관
90:발전기

Claims (10)

1. 압축공기가 흡입되는 흡기관 및 연소가스가 배기되는 배기관이 형성된 엔진;
   상기 배기관에 연결되고, 상기 연소가스의 압력으로 압축터빈을 회전시켜 상기 압축공기를 생성하며, 생성된 상기 압축공기를 상기 흡기관으로 공급하는 과급기;
   상기 흡기관에 연결되고 제1열매(熱媒)를 순환시켜 상기 압축공기를 냉각하는 적어도 하나의 인터쿨러;
   상기 배기관에 연결되어 상기 연소가스의 압력에 의해 회전하는 제1 터빈과, 상기 인터쿨러를 통과한 상기 제1열매를 증발시킨 제1열매 증기의 압력에 의해 회전하는 제2 터빈을 포함하는 제1 열회수부; 및
   상기 인터쿨러를 통과한 상기 제1열매를 공급받고, 상기 제1열매(熱媒)와 제2열매(熱媒)를 열교환시켜 열에너지를 회수하는 제2 열회수부를 포함하는 엔진 폐열 회수장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 열회수부는, 상기 배기관에 연결되며 상기 제1열매를 공급받아 상기 연소가스 열로 상기 제1열매 증기를 생성하는 적어도 하나의 증발기를 더 포함하는 엔진 폐열 회수장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제1 열회수부는, 상기 배기관에 연결되며 상기 제1열매 증기를 공급받아 상기 연소가스 열로 가열하고 상기 제2 터빈으로 공급하는 적어도 하나의 과열기를 더 포함하는 엔진 폐열 회수장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제1 터빈과 상기 제2 터빈은 발전기에 동일축으로 연결된 엔진 폐열 회수장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 제2열매는 상기 제1열매보다 끓는점이 낮고 분자질량이 상기 제1열매보다 큰 엔진 폐열 회수장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 제2열매는 프레온, 암모니아, 부탄, 이소펜탄, 실리콘 오일 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것인 엔진 폐열 회수장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 제2 열회수부는, 상기 제1 열매와 상기 제2열매가 열교환하여 제2열매 증기를 생성하며, 상기 제2열매 증기의 압력에 의해 구동되는 적어도 하나의 액츄에이터를 포함하는 열교환부와,
   상기 인터쿨러와 상기 열교환부를 연결하여 상기 제1열매를 상기 열교환부로 공급하는 제1열매 공급관, 및
   상기 열교환부와 상기 인터쿨러를 연결하여 상기 제1열매를 상기 인터쿨러로 배출하는 제1열매 배출관을 포함하는 엔진 폐열 회수장치.
8. 제 7항에 있어서, 상기 엔진을 냉각하는 엔진자켓쿨러, 및 상기 엔진자켓쿨러로부터 상기 제1 열매를 유입하여 상기 인터쿨러로 주입하는 캐스케이드 탱크를 더 포함하되,
   상기 캐스케이드 탱크를 통과한 상기 제1열매의 온도가 상기 압축공기의 온도보다 낮게 유지되는 엔진 폐열 회수장치.
9. 제 8항에 있어서, 상기 제1열매 배출관이 상기 캐스케이드 탱크를 경유하는 엔진 폐열 회수장치.
10. 제 8항에 있어서, 상기 제1열매 공급관과 상기 제1열매 배출관 사이를 연결하거나, 상기 제1열매 공급관과 상기 캐스케이드 탱크 사이를 연결하는 바이패스관을 더 포함하는 엔진 폐열 회수장치.
    

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