KR101390823B1 - 선박용 열교환기 - Google Patents

Abstract

선박용 열교환기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 열교환기는 엔진에서 배출된 배기가스와 외부 공기가 유입되는 터보차저와; 상기 작동 유체(Working Fluid)에 의해 작동되는 터빈과; 상기 터보차저를 경유한 배기가스와, 작동 유체가 공급되는 영역이 각각 독립 구획되도록 격벽이 마련된 열교환기와; 상기 열교환기 내부에 배치되는 전열 부재; 및 상기 전열 부재 내부에 배치되고, 상기 전열 부재 파손시 상기 배기가스 및 상기 작동 유체의 혼합을 차단하는 차단 부재를 포함한다.

Description

선박용 열교환기{Heat Exchanger for Ship}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유기 랭킨 사이클에 사용되는 선박용 열교환기에 관한 것이다.

최근에는 환경, 에너지 관련하여 전 세계적으로 모든 나라에서 이슈가 되고 있으며, 환경 에너지 산업은 21세기에 가장 각광받는 유망산업으로 기대되고 있는 추세이다.

예를 들면, 랭킨 사이클을 이용한 발전시스템의 경우에는 작동유체로 물을 사용하여 고온의 열원에 대해서는 효율적인 작동 유체일 수 있으나, 열원 온도가 중저온(70~400℃)일 경우에는 시스템의 효율이 저하되면서 경제성이 떨어지는 문제점이 있었다.

특히 선박과 같이 엔진에서 발생되는 배기가스를 그대로 배출시키지않고, 효율적으로 재사용하기 위한 다양한 노력이 시도되고 있다.

종래 선박의 폐열회수 시스템에 대해 첨부된 도 1을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1에는 유기 랭킨 사이클을 이용하여 폐열을 회수하는 시스템이 도시되어 있으며, 설명의 편의를 위해 간략히 도시하였다.

폐열 발전 사이클(20)에서 발생된 작동 유체는 열교환기(22)로 공급되고, 상기 열교환기(22)는 폐열원을 공급받는 열교환기(10)를 경유하는 중간 냉매와 상호 간에 열교환이 이루어지면서, 상기 작동 유체는 폐열 발전 사이클(20)로 재순환될 수 있다. 참고로 상기 작동 유체는 유기 냉매를 사용한다.

이와 같이 사용되는 종래 선박의 폐열회수 시스템은 열교환을 위한 열교환기가 2대가 사용되고, 중간 냉매를 사용하여 열교환을 실시함으로써 재료비가 상승되고, 효율이 감소되는 문제점이 유발되었다.

본 발명의 실시예들은 유기 랭킨 사이클에 마련된 열교환기의 안정적인 운영을 가능하게 하고자 한다.

본 발명의 실시예들은 열교환기의 파손에 따른 사고를 방지할 수 있는 선박용 열교환기를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 구비되고, 엔진에서 배출된 배기가스와 외부 공기가 유입되는 터보차저와; 작동 유체(Working Fluid)에 의해 작동되는 터빈과; 상기 터보차저를 경유한 배기가스와, 상기 작동 유체가 공급되는 영역이 각각 독립 구획되도록 격벽이 마련된 열교환기와; 상기 열교환기 내부에 배치되는 전열 부재; 및 상기 전열 부재 내부에 배치되고, 상기 전열 부재 파손시 상기 배기가스 및 상기 작동 유체의 혼합을 차단하는 차단 부재를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 열교환기는 상기 배기가스가 유입되는 제1 본체와; 상기 작동 유체가 유입되는 제2 본체를 포함할 수 있다.

상기 전열 부재는 히트 파이프를 포함할 수 있다.

상기 격벽은 서로 마주보며 배치될 수 있다.

상기 차단 부재는 상기 전열 부재의 압력 변동에 따라 개폐 작동될 수 있다.

상기 차단 부재는 밸브 또는 플로터(Floater) 중의 어느 하나가 선택적으로 마련될 수 있다.

상기 플로터는 상기 히트 파이프의 내부로 소정 길이만큼 연장되어 형성되는 상부 및 하부 플랜지와; 상기 상부 및 하부 플랜지 사이에 마련되어, 상기 히트 파이프 내부의 압력 변동에 따라 이동 가능한 볼(Ball)과; 상기 상부 및 하부 플랜지에 각각 형성되어, 상기 볼의 상부 및 하부에 소정의 직경을 가지며 개구된 개구홀; 및 상기 상부 및 하부 플랜지와 상기 볼 사이에 위치되어, 상기 볼의 이동에 따라 탄성 변형되는 스프링을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 유기냉매와 배기가스 상호 간에 안정적인 열교환을 실시할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 열교환기의 파손과 상관없이 유기 냉매와 배기가스의 혼합이 차단되므로, 안정성이 향상될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 ORC냉매를 사용하는 선박에서 열교환기 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 유기 랭킨 사이클에 마련된 열교환기의 열교환 상태를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환기가 유기 랭킨 사이클에 설치된 상태를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 열교환기를 도시한 도면.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 열교환기를 도시한 도면.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 선박용 열교환기의 작동 상태도.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 열교환기의 구성에 대해 첨부된 도 2를 참조하여 설명한다.

선박에는 추진을 위한 엔진(2)이 구비되고, 상기 엔진(2)에서 배출된 배기가스를 공급받는 터보차저(3)가 마련되며, 상기 배기가스는 터보차저(3)에 구비된 블레이드(미도시)를 회전시킬 수 있다.

이와 동시에 상기 터보차저(3)에서는 외부 공기의 유입 및 압축이 이루어지고 이로인해 상기 외부 공기는 소정의 온도로 상승되며 상기 터보차저(3)로 공급된 배기가스와 열교환이 이루어진다.

상기 배기가스 중의 일부는 이코노마이저(4)로 공급되어 스팀을 발생시킨 후에 열교환기(300)로 공급된다.

상기 열교환기(300)는 상기 엔진(2)에서 배출된 배기가스와, 작동 유체가 공급되어 열교환이 이루어질 수 있다.

상기 작동 유체는 유기 냉매가 사용될 수 있으며, 상기 유기 냉매는 유기혼합물(organic compound)이 사용될 수 있다.

즉, 상기 유기 냉매를 사용하는 작동 유체는 비교적 저열원(400℃ 이하)을 이용하여 터빈(5)을 가동시키기 위한 유체로 사용될 수 있다.

상기 작동 유체는 비등점이 낮아 저온에서도 기화가 안정적으로 이루어져야 하고, 터빈(5) 내부에서 증기 상태로 블레이드를 회전 작동시킬 수 있다.

상기 작동 유체는 주로 프레온(freon) 계열의 냉매와, 프로판(propane) 등의 탄화수소계(hydro carbon series) 물질이 사용될 수 있다.

본 발명은 열교환기(300)에서 열교환된 작동 유체에 의해 가동되는 터빈(5)을 더 포함한다.

상기 작동 유체는 터빈(5)을 경유하여 저온 저압의 액체 상태로 상변화된 후에 예열기(6)로 공급된다. 상기 예열기(6)는 상기 터빈(5)을 경유한 작동 유체의 열과, 콘덴서(7)에서 열교환되어 펌프(8)에 의해 펌핑된 상대적으로 저온의 작동유체와 열교환이 이루어진 후에 후술할 쿨러로 공급된다.

외부공기는 청수와 열교환된 후에 엔진(2)으로 공급되며, 상기 엔진(2) 주위에는 예열기(6)에서 열교환된 작동 유체를 공급받는 오일 쿨러(11)와, 자켓 쿨러(12, Jacket Cooler)가 구비된다.

본 발명의 일 실시예에 의한 열교환기에 대해 첨부된 도 3을 참조하여 설명한다.

열교환기(300)는 내부에 격벽(310)이 마련되고, 배기가스가 유입되는 제1 본체(302)와, 작동 유체가 유입되는 제2 본체(304)를 포함할 수 있다.

상기 격벽(310)은 제1,2 본체(302,304)를 경유하여 이동되는 작동 유체와 배기 가스에 의한 손상이 발생되지 않는 재질로 이루어질 수 있으며, 소정의 두께를 가질 수 있다.

상기 격벽(310)은 다수개의 전열 부재(400)가 삽입 설치될 수 있으며, 상기 전열 부재(400)가 삽입된 격벽(310)에서의 밀봉을 위한 오링(미도시)을 더 포함할 수 있다.

상기 오링은 스틸로 이루어질 수 있으나, 반드시 한정하지는 않는다.

상기 제1 본체(302)로 유입되는 배기가스는 터보차저(3)에서 배출된 배기가스가 공급될 수 있고, 상기 제2 본체(304)로 유입되는 작동 유체는 후술할 쿨러(10)를 경유하여 공급될 수 있다.

상기 제1 본체(302)와 제2 본체(304)는 동일 면적을 가질 수 있다.

상기 열교환기(300)는 내부에 전열 부재(400)가 세로로 배치되고, 다수개가 동일 간격을 유지하면서 이격 배치될 수 있다.

상기 전열 부재(400)는 히트 파이프가 사용될 수 있으나, 이에 반드시 한정하지는 않는다.

상기 히트 파이프는 열전도율이 크고 두께가 얇게 이루어질 수 있으며, 동, 알루미늄 또는 스테인리스 중의 어느 하나가 선택적으로 사용될 수 있다.

상기 히트 파이프는 길이 방향을 기준으로 일단이 가열되면 상기 히트 파이프의 내부에 주입된 열전달 유체가 타단으로 이동되면서 열의 이동이 이루어질 수 있다.

본 발명에서는 배기가스의 고온이 상기 히트 파이프의 일단에 전도되면, 상기 히트 파이프의 길이 방향을 따라서 작동 유체가 이동하는 영역으로 열전달이 이루어지면서, 상기 배기가스가 갖는 고온의 열에너지가 작동 유체에 열전달 될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 열교환기에 대해 첨부된 도 4를 참조하여 설명한다.

열교환기(300)는 내부 영역이 각각 독립적으로 구획될 수 있으며, 배기가스가 유입되는 제1 본체(302)와, 작동 유체가 유입되는 제2 본체(304)를 포함할 수 있다.

상기 제1 본체(302)와 제2 본체(304)는 동일 면적으로 이루어질 수 있으며, 상기 배기가스 및 작동 유체에 의한 화학적 반응 또는 물리적인 손상이 발생되지 않는 재질로 이루어질 수 있다.

상기 열교환기(300)는 내부에 격벽(310)이 마련될 수 있으며, 상기 격벽(310)은 서로 마주보며 배치될 수 있다.

이와 같이 격벽을 배치시키는 이유는, 상기 배기 가스와 작동 유체의 혼합으로 인한 위험성을 방지하고 안전하게 열교환기(300)를 사용하기 위해서이다.

제1 본체(302)와 제2 본체(304)는 격벽(310)을 매개로 서로 간에 소정 간격 이격 배치될 수 있으며, 상기 제1 본체(302) 또는 제2 본체(304) 중의 어느 하나의 본체에 파손이 발생되는 경우에도 배기가스와 작동 유체의 혼합이 발생되지 않는다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 열교환기에 대해 첨부된 도 5를 참조하여 설명한다.

열교환기(300)는 앞서 도 4에 설명된 구성과 동일하고, 전열 부재(400)인 히트 파이프 내부에 차단 부재(500)가 배치될 수 있다.

상기 차단 부재(500)는 모든 전열 부재(400)에 마련될 수 있으며, 상기 히트 파이프의 길이 방향 중간에 설치될 수 있다.

상기 차단 부재(500)는 밸브가 설치될 수 있으며, 상기 밸브는 히트 파이프 내부에 마련된 압력 감지 센서(501)와 연계 작동될 수 있다.

상기 압력 감지 센서(501)는 히트 파이프 내부의 압력을 감지하여 상기 밸브에 데이터를 전송하고, 상기 밸브는 이에 따라 선택적으로 개폐 작동될 수 있다.

예를 들면 상기 히트 파이프 내부의 압력 변동이 없을 경우에는 밸브가 오픈 상태로 유지되면서, 정상적인 히트 파이프의 작동이 이루어질 수 있다.

만약에 상기 히트 파이프가 파손되면, 상기 제1 본체(302) 또는 제2 본체(304)를 통해 유동 되는 작동 유체 또는 배기가스가 히트 파이프 내부로 유입될 수 있다.

상기 압력 감지 센서(501)는 이를 감지하여 밸브에 신호를 전송하고, 상기 밸브는 클로즈 상태로 전환 작동되면서 추가 파손이 방지될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 열교환기에 대해 첨부된 도 6을 참조하여 설명한다.

열교환기(300)는 앞서 설명한 도 5의 구성과 동일하며, 플로터(500, Floater)가 사용될 수 있다.

상기 플로터(500)는 상기 히트 파이프의 내부로 소정 길이만큼 연장되어 형성되는 상부 및 하부 플랜지(508, 510)와, 상기 상부 및 하부 플랜지(508, 510) 사이에 마련되어 상기 히트 파이프 내부의 압력 변동에 따라 이동 가능한 볼(Ball)(504)과, 상기 상부 및 하부 플랜지(508, 510)에 각각 형성되어 상기 볼(504)의 상부 및 하부에 소정의 직경을 가지며 개구된 개구홀(502)이 마련될 수 있다.

상기 개구홀(502)은 상기 볼(504)에 의해 개구 상태가 선택적으로 개폐될 수 있으며, 상기 볼(504)의 직경 보다는 작은 직경을 가질 수 있다.

상기 개구홀(502)은 히트 파이프의 내부로 소정 길이 만큼 연장된 상부 및 하부 플랜지(508, 510)에 각각 형성될 수 있고, 상기 개구홀(502)은 볼(504)을 기준으로 서로 마주보게 배치될 수 있다.

상기 상부 및 하부 플랜지(508, 510)와 상기 볼(504) 사이에는 스프링(506)이 배치될 수 있다.

상기 스프링(506)은 히트 파이프가 파손되지 않고 안정적으로 작동시에는 상기 볼(504)을 각각 상, 하부에서 지지하면서, 도면에 도시된 상태로 볼(504)을 위치시킬 수 있다.

상기 볼(504)은 히트 파이프 내부의 압력 변동 상태에 따라 상부 또는 하부로 이동될 수 있으며, 상기 볼(504)의 이동에 따라 스프링(506)이 탄성 변형될 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 선박용 열교환기의 작동 상태에 대해 첨부된 도 2 또는 도 7을 참조하여 설명한다.

선박이 운항 되면서 엔진(2)에서 발생된 고온의 배기가스와 외부 공기가 터보 차저(3)로 공급되고, 상기 터보차저(3)에 마련된 다수개의 블레이드(미도시)를 회전시킬 수 있다.

상기 배기가스는 터보차저(3)를 경유하여 이코노마이저(4)로 공급되고, 스팀이 발생된다.

상기 배기가스는 화살표로 도시된 바와 같이 제1 본체(302) 내부로 유입되고, 전열 부재(400)인 히트 파이프에 배기가스가 갖는 고온이 열전도 된다.

이와 동시에 제2 본체(304)에는 작동 유체가 화살표 방향으로 공급되면서 상기 배기 가스의 이동 방향과는 반대 방향으로 이동 공급된다.

상기 히트 파이프에서는 고열원인 배기 가스가 보유한 열이 상기 히트 파이프를 따라 작동 유체가 이동되는 저열원 쪽으로 이동된다.

상기 작동 유체는 상기 히트 파이프를 통해 전도된 전도열과 열교환이 이루어지면서 고온의 상태로 변화되어 터빈(5)으로 공급된다.

이와 같이 히트 파이프를 통해 열교환이 이루어지는 제1 본체(302) 또는 제2 본체(302) 중의 어느 한 부분에 부분적으로 파손이 발생될 경우에도, 격벽(310)에 의해 고온의 배기가스와 작동 유체가 서로 간에 혼합되지 않는다.

상기 작동 유체는 터빈(5)에서 안정적으로 팽창되면서 상기 터빈(5)을 작동시켜서 제너레이터를 가동시킬 수 있다.

상기 작동 유체는 예열기(6)를 경유하여 오일 쿨러(11)와, 자켓 쿨러(12), 쿨러(10) 및 콘덴서(7)에서 열교환을 실시한다.

상기 콘덴서(7)에서는 펌프(9)에 의해 펌핑된 해수가 상기 콘덴서(7)로 공급되고, 상기 콘덴서(7)에 공급된 작동 유체는 해수와 열교환되어 소정의 온도로 냉각되어 펌프(8)에 의해 상기 예열기(6)로 재공급될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 선박용 열교환기의 작동 상태에 대해 첨부된 도 8을 참조하여 설명한다.

본 실시예는 히트 파이프 내부에 차단부재(500)가 설치된 상태에서 파손에 따른 작동 상태를 설명하며, 설명의 편의를 위해 열교환기 위주로 설명한다.

열교환기(300)는 전열 부재(400)인 히트 파이프 내부에 차단부재(500)가 설치된 상태로 작동된다.

차단부재(500)는 압력 감지 센서(501)에 의해 감지된 신호에 따라서 오픈 또는 클로즈 위치로 작동될 수 있으며, 상기 히트 파이프가 파손되지 않은 상태에서는 항시 오픈 상태로 작동된다.

예를 들어, 제1 본체(302)에 배치된 히트 파이프의 일부가 파손될 경우에는, 고온의 배기가스가 상기 히트 파이프 내부로 유입된다.

상기 압력 감지 센서(501)는 히트 파이프의 압력 변동을 감지하여 차단부재(500)에 신호를 전송하고, 상기 차단부재(500)는 상기 히트 파이프 내부를 차단한다.

상기 파손된 히트 파이프는 일시적으로 고온의 배기가스가 유입될 수 있으나, 상기 차단부재(500)에 의해 일부의 배기가스만이 유입되고, 제2 본체(304)에 배치된 히트 파이프로는 이동되지 않는다.

따라서, 상기 히트 파이프의 추가적인 파손을 방지하고, 열교환기(300)의 안정적인 작동이 유지될 수 있다.

본 실시예에서 상기 차단부재(500)는 일례로 전기적 신호에 의해 제어되는 솔레노이드 밸브일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 열교환기의 작동 상태에 대해 첨부된 도 9를 참조하여 설명한다.

열교환기(300)는 전열 부재(400)인 히트 파이프 내부에 플로터가 설치된 상태로 작동된다.

상기 히트 파이프는 내부에 별다른 압력 변동이 발생 되지 않을 경우에는,　 볼(504)이 스프링(506)에 의해 지지 되면서 개구홀(502)을 통해 열전달이 안정적으로 이루어진다.

만약, 히트 파이프의 상측 일부가 파손될 경우에는, 작동유체가 상기 히트 파이프 내부로 유입된다.

상기 스프링(506)은 상기 히트 파이프 내부의 압력 변동에 의해 볼(504)의 상부에 배치된 스프링은 인장되고, 하부에 배치된 스프링이 압축 변형되면서 도면에 도시된 상태로 볼(504)이 상기 히트 파이프의 하측 개구홀(502)을 밀폐시킨다.

상기 파손된 히트 파이프는 일시적으로 작동유체가 유입될 수 있으나, 상기 플로터(500)에 의해 일부의 작동유체만이 유입되고, 제1 본체(302)에 배치된 히트 파이프로는 이동되지 않는다.

따라서, 상기 히트 파이프의 추가적인 파손을 방지하고, 열교환기(300)의 안정적인 작동이 유지될 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100 : 터보차저
300 : 열교환기
302 : 제1 본체
304 : 제2 본체
310 : 격벽
400 : 전열 부재
500 : 차단 부재

Claims (7)

1. 선박의 엔진에서 배출된 배기가스와 터빈을 구동하기 위한 작동유체를 열교환하기 위한 선박용 열교환기에 있어서,
   내부영역이 격벽에 의해 독립 구획되어 상기 배기가스와 상기 작동유체가 각각 공급되는 제1본체 및 제2본체;
   상기 내부영역에서 상기 격벽을 관통하도록 설치되며 상기 배기가스와 상기 작동유체의 열교환을 수행하도록 내부에 열전달 유체가 채워지는 히트 파이프; 및
   상기 격벽 근방의 상기 히트 파이프 내부에 배치되며 상기 히트 파이프가 상기 작동유체 또는 상기 배기가스와 접촉하는 부분이 파손되는 경우 상기 히트 파이프 내부의 압력 변동에 따라 상기 히트 파이프 내부 유로를 차단하여 상기 제1본체 및 상기 제2본체를 통해 각각 유동되는 상기 작동유체 및 상기 배기가스가 상기 히트 파이프 내부를 통해 서로 혼합되는 것을 방지하는 차단부재;를 포함하는 선박용 열교환기.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 히트 파이프 내에서 상기 제1본체와 상기 제2본체에 각각 인접한 위치에 배치되어 상기 히트 파이프 내부의 압력을 감지하는 한 쌍의 압력 감지 센서를 더 포함하는 선박용 열교환기.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 차단부재는 상기 한 쌍의 압력 감지 센서에 의해 감지된 신호를 기초로 작동하는 밸브로 마련되는 선박용 열교환기.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 차단부재는,
   상기 히트 파이프의 내부로 소정 길이만큼 연장되어 형성되는 상부 및 하부 플랜지;
   상기 상부 및 하부 플랜지 사이에 마련되어, 상기 히트 파이프 내부의 압력 변동에 따라 이동 가능한 볼(Ball);
   상기 상부 및 하부 플랜지에 각각 형성되어, 상기 볼의 상부 및 하부에 소정의 직경을 가지며 개구된 개구홀; 및
   상기 상부 및 하부 플랜지와 상기 볼 사이에 위치되어, 상기 볼의 이동에 따라 탄성 변형되는 스프링을 포함하는 선박용 열교환기.

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