KR101393315B1

KR101393315B1 - 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버

Info

Publication number: KR101393315B1
Application number: KR1020120009227A
Authority: KR
Inventors: 박대웅; 장덕표
Original assignee: 주식회사 경동나비엔
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2014-05-09
Also published as: KR20130087946A; WO2013115500A1; EP2811141B1; EP2811141A4; EP2811141A1

Abstract

본 발명은 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버에 관한 것으로, 구체적으로는 소형 열병합발전기에 구비되는 보조보일러의 잠열 열교환부 커버 일측부에 냉각라인을 형성하여 잠열 열교환부를 거쳐 배출되는 배기가스에 열전달을 방지하여 보조보일러로 유입되는 유체의 열손실을 최소화하는 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버에 관한 것이다.
본 발명은 엔진버너로 가열되어 전기를 생산하는 스털링 엔진과, 상기 스털링 엔진 상부에 설치되고 현열 열교환기 및 잠열 열교환기를 구비하여 온수를 생산하는 보조보일러를 포함한 소형 열병합발전기에 있어서, 상기 스털링 엔진을 가열한 배기가스가 연통관을 통하여 상기 잠열 열교환기의 측부를 통하여 이동한 뒤, 상기 잠열 열교환기의 상부에서 하부로 유동되면서 열교환하도록 구성되되, 상기 잠열 열교환기를 통과하여 열교환된 배기가스에 상기 연통관에서 발생되는 열의 전달을 방지하기 위하여 잠열 열교환기를 감싸는 커버의 일측에 냉각수가 흐를 수 있는 냉각라인이 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버{Cover of latent heat exchanger having cooling line}

본 발명은 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버에 관한 것으로, 구체적으로는 소형 열병합발전기에 구비되는 보조보일러의 잠열 열교환부 커버 일측부에 냉각라인을 형성하여 잠열 열교환부를 거쳐 배출되는 배기가스에 열전달을 방지하여 보조보일러로 유입되는 유체의 열손실을 최소화하는 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버에 관한 것이다.

근래 새로운 에너지원의 발굴에 대한 관심이 높아지면서, 산업의 거의 모든 분야에서 발생된다고 할 수 있는 중, 저온의 배기가스 또는, 냉각수의 잠열을 회수 및 재이용하는 것 중요성이 높아지고 있다.

이와 같은 중, 저온의 열에너지를 고급 에너지인 축동력으로 전환할 때 주로 유기 랭킨 사이클이 적용되고 있다.

이러한 유기 랭킨 사이클은 물보다 증기압이 높은 유기 열매체를 작동유체로 사용함으로써, 낮은 온도의 열원 조건하에서도 상대적으로 높은 열효율로 축동력을 얻는 것을 가능하게 하는 동력 사이클의 한 형태이다.

예를 들어, 알려진 유기 랭킨 사이클은, 순환펌프, 터빈, 응축기 및 증발기 등의 독립된 구성 장치를 상호 연관 구성한 것으로써, 작동유체가 증발기에서 기화된 후 터빈에서 팽창하면서 축동력을 발생시키며, 응축기에서 다시 액화된 다음 펌프에 의해서 증발기로 다시 공급되는 폐순환 사이클로 구성되게 된다.

그러나 이와 같이 알려진 유기랭킨 시스템은 장치의 구성이 복잡하고 다량의 유기 열매체가 소요되는 것은 물론, 각 요소 장치에 대한 정밀한 제어가 요구되기 때문에 현재에는 기동 및 정지가 용이하지 않은 단점이 문제가 되어 왔다.

한편, 다른 예로 스털링 엔진(stirling Engine)이 있는데, 이는 동력 사이클을 이루는 각 구성 요소가 하나의 엔진으로 집합되어 있고 작동유체로써 공기와 같은 기체를 사용하기 때문에, 장치가 매우 간단하고 운전이 용이한 이점을 제공한다.

더욱이, 이와 같은 스털링 엔진은 동력 사이클 중 최고의 열효율을 가지기 때문에, 이를 이용하여 중, 저온 열에너지를 동력으로 전환할 경우 종래 유기 랭킨 시스템에 비하여 매우 구조가 간단한 반면에, 고효율적인 에너지의 전환을 가능하게 하는 이점을 제공한다.

출원특허 : 10-2010-79470호

상기한 특허문헌은 본 출원인에 의해 선출원된 발명으로, 스털링 엔진과 보조보일러를 포함하는 소형 열병합발전기에서 스털링 엔진 구동시 생기는 배기가스가 잠열 열교환기를 경유하여 열교환된 후 대기로 배출되게 유도하는 유로의 상단인 배출구를 경사지게 형성하여 중심부에서의 열교환보다 측류 열교환을 더욱 활발하게 하여 열교환 효율을 극대화시킬 수 있도록 한 소형 열병합발전기에서 엔진 배기유로의 배출구조에 대한 것이다.

그러나 상기한 특허문헌에 기재된 소형 열병합발전기에서 엔진 배기유로의 배출구조는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진 배기가스를 곧바로 배출시키지 않고 잠열 열교환기(220) 상부로 유도한 다음 잠열 열교환기(220)를 거쳐 하부로 이동된 후 배기되도록 구성함으로써 배기가스에 포함된 버려지는 고열까지도 회수하여 열효율을 높이려는 것이나, 장시간 사용 시 단열재(270) 및 밀폐부재(280)에 열이 전도되어 원활한 열교환이 이루어지지 않은 문제점이 있었다.

즉, 스털링엔진에서 생기는 배기가스가 연통관(250)을 통해 잠열 열교환기(220)로 이동되어 잠열 열교환기(220)에서 배기가스의 잠열을 회수하게 되는데, 장기간 사용시 연통관(250)측의 배기가스에 의해 가열되는 단열재(270) 및 밀폐부재(280)에 의해 그 측부의 잠열 열교환기(220)의 온도가 상승됨으로써 잠열 열교환기(220)의 잠열 열교환율이 떨어지게 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 잠열 열교환기의 측부에 형성되어 스털링엔진의 배기가스가 이동해오는 연통관과 잠열 열교환기 사이에 냉각수가 흐를 수 있는 냉각라인을 형성하여 연통관과 잠열 열교환기간에 단열효과를 높이고, 연통관으로 전달되는 배기가스의 열이 잠열 열교환기를 통과하는 배기가스에 전달되는 것을 방지하여 배기가스의 열손실을 최소화 할 수 있는 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 엔진버너로 가열되어 전기를 생산하는 스털링 엔진과, 상기 스털링 엔진 상부에 설치되고 현열 열교환기 및 잠열 열교환기로 이루어지는 보조보일러를 구비하고, 스털링 엔진을 경유하여 스털링 엔진을 냉각한 후 잠열 열교환기 및 현열 열교환기를 거쳐 온수로 가온된 후 저장탱크에 저장되는 냉각수가 흐르는 냉각수관을 포함한 소형 열병합발전기에 있어서, 상기 스털링 엔진을 가열한 배기가스가 연통관을 통하여 상기 잠열 열교환기의 측부를 통하여 잠열 열교환기의 상부로 이동한 뒤, 상기 잠열 열교환기의 상부에서 하부로 유동되면서 열교환하도록 구성되되, 상기 연통관에서 상기 잠열 열교환기의 상부로 배기가스가 유도될 때 상기 연통관측 배기가스의 열이 상기 연통관의 측부를 통해 상기 잠열 열교환기의 배기가스에 전달되는 것을 방지하기 위하여 상기 연통관과의 사이에서 잠열 열교환기를 감싸는 커버의 일측에 냉각수가 흐를 수 있는 냉각라인이 구비되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 냉각라인은, 상기 커버와 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버에 의하면, 스털링 엔진을 가열한 고온의 배기가스가 연통관을 통과할 시 배출되는 저온의 배기가스에 열을 빼앗기지 않아 연손실을 줄여 보조 보일러의 열효율을 높임과 동시에 연통관 및 배기가스 배출경로의 열교환을 차단하여 연통관을 단열하는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버가 구비되는 소형 열병합발전기의 스털링 엔진 배기가스의 배기과정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 도 3에 구성되는 보조보일러의 모습을 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 엔진 배기유로를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5에 구비되는 냉각라인을 설명하기 위한 부분확대 단면도이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버를 상세히 설명한다. 또한, 종래기술과 동일한 구성에 대한 도면부호를 동일하게 명기하기로 한다.

도 3은 본 발명의 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버가 구비되는 소형 열병합발전기의 스털링 엔진 배기가스의 배기과정을 나타낸 모식도이고, 도 4는 도 3에 구성되는 보조보일러의 모습을 나타낸 사시도이며, 도 5는 도 4의 엔진 배기유로를 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 5에 구비되는 냉각라인을 설명하기 위한 부분확대 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 소형 열병합발전기는 하우징(100)을 포함하며, 상기 하우징(100) 내부에는 스털링 엔진(110)이 설치되고, 상기 스털링 엔진(110)의 상부에는 보조보일러(200)가 설치된다.

이때, 상기 스털링 엔진(110)은 주보일러(미도시)에 의해 가동되는데, 주보일러에 구비된 엔진버너(120)가 스털링 엔진(110)의 엔진헤드(미도시)를 가열하면 내부에 밀봉된 작동유체가 온도차에 의해 팽창/수축하면서 작동하여 교류 전류를 생산하게 된다.

그리고 상기 보조보일러(200)는 현열 열교환기(210)와 잠열 열교환기(220)를 갖추고 평판형 버너를 통해 공급되는 고열의 열교환을 통해 온수를 생산하게 된다.

이 과정에서 생산된 온수는 저장탱크(300)에 저장된 후 활용되게 되는데, 이 경우 상기 스털링 엔진(110)을 냉각하기 위해 냉각수관(130)이 스털링 엔진(110)을 경유한 후 상기 잠열 열교환기(220)와 현열 열교환기(210)를 순차로 거치도록 구성된다.

한편, 상기 보조보일러(200)는, 케이스(230) 내부에 잠열 열교환기(220)가 내장되고, 상기 케이스(230)의 상부에는 현열 열교환기(210)가 조립된다.

아울러, 상기 케이스(230)의 전방은 일부 개방되고, 개방된 부분에는 엔진 배기가스의 유로를 형성하는 커버(240)로 밀폐된다.

이때, 상기 커버(240)의 하면에는 구멍(미도시)이 형성되고, 상기 구멍에는 연통관(250)이 연결되며, 상기 연통관(250)은 스털링 엔진(110)의 엔진헤드에 접속되어 엔진버너(120)로부터 연소된 후 스털링 엔진(110)을 가열한 다음 배기되는 배기가스를 유도배출하는 기능을 수행하며, 플랜지 형태로 구성되어 조립의 용이성을 확보하도록 한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 소형 열병합발전기의 보조 보일러에 구비되는 본 발명의 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버에 대하여 살펴보기로 한다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버는, 상기한 연통관(250)의 측부에 상기 잠열 교환기 커버(240)와 일체로 냉각수가 흐를 수 있는 냉각라인(10)이 형성되어 상기 커버(240)의 전면과 냉각라인(10)을 사이에 두고 연통관(250)이 개재되는 형태로 구성된다.
상기 냉각라인(10)은 별도의 냉각수가 흐를 수 있도록 구성될 수 있으나, 바람직하게는 도 6에 도시된 바와 같이 워터자켓 형상으로 형성되어 커버(240)와 일체로 제작되는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명에서는 상기 연통관(250)의 상단을 통해 배출되는 배기가스를 잠열 열교환기(220)로 유도하는 유로를 형성할 수 있도록 커버(240) 내부에 연통관(250)과 접하는 영역에 별도의 냉각라인(10)을 형성하여, 연통관(250)으로 유입되는 고온의 배기가스의 열이 잠열 열교환기(220)를 통하여 배출되는 배기가스에 전달되기 이전에 냉각라인(10)을 흐르는 냉각수에서 먼저 흡수되도록 함으로써, 연통관(250)을 흐르는 배기가스와 잠열 열교환기(220)를 통하여 배출되는 배기가스간에 실질적으로 단열재 역할을 하게 되는 것이다. 그로 인하여 연통관(250)을 통과하는 배기가스의 열손실을 최소화하게 되는 것이다.

상기한 종래기술에서는 단열재(270) 및 밀폐부재(280)(도 2참조)에 의하여 연통관(250)을 통과하는 배기가스의 열손실을 소형 열병합발전기의 초기 구동시에는 막을 수 있으나, 장시간 사용시 단열재(270) 및 밀폐부재(280)가 과열되어 원활한 단열효과를 발휘할 수 없게 된다.

이상에서 설명된 본 발명의 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 냉각라인
100 : 하우징 110 : 스털링 엔진
120 : 엔진버너 130 : 냉각수관
200 : 보조보일러 210 : 현열 열교환기
220 : 잠열 열교환기 230 : 케이스
240 : 커버 250 : 연통관
290 : 배출유로

Claims

엔진버너(100)로 가열되어 전기를 생산하는 스털링 엔진(110)과, 상기 스털링 엔진(110) 상부에 설치되고 현열 열교환기(210) 및 잠열 열교환기(220)로 이루어지는 보조보일러(200)를 구비하고, 스털링 엔진(110)을 경유하여 스털링 엔진(110)을 냉각한 후 잠열 열교환기(220) 및 현열 열교환기(210)를 거쳐 온수로 가온된 후 저장탱크(300)에 저장되는 냉각수가 흐르는 냉각수관(130)을 포함한 소형 열병합발전기에 있어서, 상기 스털링 엔진(110)을 가열한 배기가스가 연통관(250)을 통하여 상기 잠열 열교환기(220)의 측부를 통하여 잠열 열교환기(220)의 상부로 이동한 뒤, 상기 잠열 열교환기(220)의 상부에서 하부로 유동되면서 열교환하도록 구성되되, 상기 연통관(250)에서 상기 잠열 열교환기(220)의 상부로 배기가스가 유도될 때 상기 연통관(250)측 배기가스의 열이 상기 연통관(250)의 측부를 통해 상기 잠열 열교환기(220)의 배기가스에 전달되는 것을 방지하기 위하여 상기 연통관(250)과의 사이에서 잠열 열교환기(220)를 감싸는 커버의 일측에 냉각수가 흐를 수 있는 냉각라인(10)이 구비되는 것을 특징으로 하는 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버.
제1 항에 있어서,
상기 냉각라인(10)은,
상기 커버(240)와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각라인이 형성되는 잠열 열교환기 커버.