KR101398703B1 - 폐열 활용 온수 시스템 - Google Patents

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KR101398703B1
KR101398703B1 KR1020130167292A KR20130167292A KR101398703B1 KR 101398703 B1 KR101398703 B1 KR 101398703B1 KR 1020130167292 A KR1020130167292 A KR 1020130167292A KR 20130167292 A KR20130167292 A KR 20130167292A KR 101398703 B1 KR101398703 B1 KR 101398703B1
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Abstract

본 발명은 폐열 활용 온수 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 온수 시스템은, 소정의 스팀설비와 연결되어 응축수 및 재증발 증기를 공급하는 폐열 공급관과 연결되어 상기 폐열 공급관의 재증발 증기를 이용하여 냉수를 예열수로 가열하는 예열용 열교환기와; 증기 보일러에 의해 생성된 열 증기를 이용하여 상기 예열수를 온수로 가열하고 온수 탱크에 공급하는 가열용 열교환기와; 상기 예열용 열교환기 및 상기 가열용 열교환기와 응축 탱크를 각각 연결하기 위한 응축수관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

폐열 활용 온수 시스템{WARM WATER SYSTEM FOR USING WASTE HEAT}
본 발명은 온수 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스팀 설비로부터 생성되는 폐열을 활용하는 온수 시스템에 관한 것이다.
보통, 건물에는 공조기, 건조기 등 다양한 스팀 설비와 온수를 생성하기 위한 온수 시스템이 구비될 수 있다.
스팀 설비에서는 그 스팀 설비 목적에 부합하는 기능(공조 기능, 건조 기능 등)을 수행하고 남은 수증기는 같은 온도의 응축수가 되거나 재증발 수증기가 될 수 있는데, 현재 응축수나 재증발 수증기는 폐열로써 재이용되지 못하는 경우가 대부분이다.
한편, 온수를 생성하기 위해서는 증기 보일러를 이용하여 생성한 고온의 증기를 열교환기에 투입하게 되는데, 이때 온수 생성에 필요한 열량을 증기 보일러에 전적으로 의존하는 것은 에너지 효율성 측면에서 바람직하기 못하다.
즉, 온수 생성에 필요한 열량의 적어도 일부를 상술한 스팀 설비에서 생성되는 폐열을 이용한다면 증기 보일러의 에너지 효율을 높일 수 있고 에너지를 절약할 수 있음에도, 종래에는 이러한 스팀 설비의 재증발 수증기를 제대로 이용하고 있지 못하고, 부분적으로 폐열 활용 방안이 제시되더라도 그 구조상 여러 단점이 드러나서 효율적으로 운영되지 못하고 있는 실정이다.
등록특허 10-0867332
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 스팀 설비의 폐열을 이용하여 온수를 가열하는데 도움을 주는 폐열 활용 온수 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 온수 시스템은, 소정의 스팀설비와 연결되어 응축수 및 재증발 증기를 공급하는 폐열 공급관과 연결되어 상기 폐열 공급관의 재증발 증기를 이용하여 냉수를 예열수로 가열하는 예열용 열교환기와; 증기 보일러에 의해 생성된 열 증기를 이용하여 상기 예열수를 온수로 가열하고 온수 탱크에 공급하는 가열용 열교환기와; 상기 예열용 열교환기 및 상기 가열용 열교환기와 응축 탱크를 각각 연결하기 위한 응축수관을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 폐열 공급관, 상기 예열용 열교환기와, 상기 응축 탱크와 연결되고, 상기 폐열 공급관으로부터 응축수 및 재증발 증기를 공급받아 응축수는 응축수관을 통해 상기 응축 탱크로 전송하고, 상기 재증발 증기는 증기관을 통해 상기 예열용 열교환기에 전송하는 재증발 증기 분리 장치를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 재증발 증기 분리 장치의 증기관은 상기 예열용 열교환기와 연결되는 제1 증기관과 상기 응축 탱크와 연결되는 제2 증기관을 포함하여 구성되고, 상기 제1 증기관에는 온도 컨트롤 밸브가 구비되고, 상기 제2 증기관에는 온/오프 컨트롤 밸브가 구비되며, 상기 온/오프 컨트를 밸브는 상기 온도 컨트롤 밸브가 차단되는 시점에 개방될 수 있다.
여기서, 상기 온도 컨트롤 밸브와 상기 온/오프 컨트롤 밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온수 탱크의 온수 온도에 따라 상기 온도 컨트롤 밸브를 비례 제어하고, 상기 온수 탱크의 온수 온도가 기 설정된 값이 됨에 따라 상기 온도 컨트롤 밸브가 차단되도록 제어함과 아울러 상기 온/오프 컨트롤 밸브를 오프 상태에서 온 상태로 전환 제어할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 폐열을 활용하여 냉수를 미리 예열함으로써 가열용 열교환기에서 소비되는 증기 보일러의 열 증기의 양을 줄일 수 있고, 이에 따라 증기 보일러의 에너지 소비를 줄일 수 있다.
또한, 폐열 공급관에 존재하는 응축수와 재증발 증기를 분리하여 그 중 재증발 증기만을 예열용 열교환기에 공급되도록 함으로서 예열용 열교환기의 사이즈를 줄일 수 있다.
더 나아가, 예열용 열교환기에 공급되는 재증발 증기를 차단하는 경우, 그 차단된 재증발 증기가 응축탱크로 전환 전송될 수 있도록 함으로써 스팀 설비나 폐열 공급관의 부하를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 온수 시스템의 기구적인 전체적인 구성도이고,
도 2는 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 온수 시스템의 제어 측면에서의 기능 블록도이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
이하 본 발명에 따른 각 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 하나의 예에 불과하고, 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 특히 본 발명은 각 실시예에 포함되는 개별 구성이나 개별 기능 중 적어도 어느 하나 이상의 조합으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온수 시스템의 기구적인 전체적인 구성은 도 1에 도시된 바와 같고, 제어 측면에서의 구성은 도 2에 도시된 바와 같다.
우선, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온수 시스템은 각종 스팀 설비와 연결되는 폐열 공급관(810), 예열용 열교환기(310), 증기 보일러(700), 가열용 열교환기(410), 온수 탱크(210), 응축 탱크(600), 재증발 증기 분리 장치(510)를 포함하여 구성된다.
여기서 폐열 공급관(810)에 연결되는 스팀 설비(미 도시함)는 각종 열교환긴, 공조기, 건조기 등에 해당하는 기 공지된 것으로서 보다 상세한 설명은 생략한다. 다만, 이러한 스팀 설비는 에너지 공급을 위해 스팀을 이용하고 발생한 응축수 및 재증발 증기를 폐열 공급관(810)을 통해 공급하는 기능을 수행한다.
응축수(condensate)란 보일러나 열원장치(증기사용장비)로부터 발생되는 증기(steam)가 현장의 부하설비에 공급이 되어서 피 가열물체(물, 공기, 약품, 등)에 잠열(latent heat) 상태로 열을 전달하고 자신은 응축이 되어서 뭉쳐진 액체(증류수)를 말한다.
재증발 증기란 응축수 중에서 잉여의 열량이 발생을 함으로써 대기압 상태에서 응축수가 다시금 증발이 일어나는 현상에 의해 발생하는 것으로서, 예를 들어 응축수 탱크(condensate tank)에 설치되어있는 통기관(vent holl)이나 뚜껑 등으로 날아가는 흰색의 증기에 해당한다.
폐열 공급관(810)은 이러한 스팀 설비의 응축수와 재증발 증기가 통과되는 파이프 등의 관에 해당하는 것이다.
예열용 열교환기(310)는 폐열 공급관(810)의 재증발 증기를 이용하여 냉수를 예열수로 가열하는 장치이다. 즉, 예열용 열교환기(310)는 공급되는 스팀 열을 유입되는 물에 전달하여 물을 가열시키는 기능을 수행하는 것이다.
이러한 예열용 열교환기(310)는 예를 들어 판형으로 구성될 수 있는데, 예를 들어 예열용 열교환기(310)는 소정의 간격을 두고서 배치되는 복수 개의 금속판을 구비하고서, 해당 금속판 사이 사이에 스팀과 물이 각각 교대로 통과하도록 함으로써 스팀 열을 물에 전달할 수 있다.
예를 들어 첫 번째 금속판과 두 번째 금속판 사이에는 스팀이 통과되도록 하고, 두 번째 금속판과 세 번째 금속판 사이에는 물이 통과되도록 하며, 다시 세 번째 금속판과 네 번째 금속판 사이에는 스팀이 통과하고 네 번째 금속판과 다섯 번째 금속판 사이에는 물이 통과되도록 함으로써 예열용 열교환기(310)는 스팀 열을 금속판의 열 전도 특성에 의해 물에 전달할 수 있는 것이다.
열 전도 특성의 효율을 높이기 위해 각 금속판에는 요철이 형성될 수 있고, 요철을 따라 형성되는 길을 따라 스팀과 물이 각각 통과될 수도 있다. 이러한 열교환기의 구조는 기 공지된 것에 불과하므로 보다 상세한 설명은 생략한다.
증기 보일러(700)는 열 증기를 생성하는 기능을 수행하는데, 예를 들어 전기 또는 기름 등의 화석 연료 등을 이용하여 물을 가열하고 열 증기를 발생시켜 가열용 열교환기(410)에 공급하는 기능을 수행한다.
가열용 열교환기(410)는 증기 보일러(700)에 의해 생성된 열 증기를 이용하여 앞서 설명한 예열용 열교환기(310)에 의해 셩성된 예열수를 온수로 가열하고 온수 탱크(210)에 공급하는 기능을 수행한다.
온수 탱크(210)는 온수를 일시 저장하고 온수가 필요한 시설(예를 들어 난방 시설)에 온수를 공급하는 기능을 수행한다. 이를 위해 온수 탱크(210)에는 온수 시설로 온수를 순환시키기 위한 온수 순환관(260), 온수 시설을 거친 온수를 회수하기 위한 온수 회수관(270)이 연결될 수 있고, 특히 온수 회수관에는 온수의 순환을 위한 환탕 순환 펌프(230)가 구비될 수 있다.
또한 온수 탱크(210)는 예열용 열교환기(310)와 냉수관(240)을 통해 연결되고, 가열용 열교환기(410)와 온수관(250)을 통해 연결되는데, 여기서 냉수관(240)은 온수 시설에 이용되어 온도가 낮아진 물 즉, 냉수가 온수 탱크(210)를 거친 후 예열용 열교환기(310)에 전송되도록 하는 관이고, 온수관(250)은 예열용 열교환기(310)에 전송된 냉수가 예열용 열교환기(310)와 가열용 열교환기(410)를 거친 온수로 변한 후에 온수 탱크(210)에 공급되도록 하기 위한 관이다.
이때 냉수관(240)에는 냉수 및 온수의 순환을 위한 온수 순환 펌프(220)가 구비될 수 있다.
응축 탱크(600)는 예열용 열교환기(310)와 가열용 열교환기(410)에서 생성되는 응축수를 일시 저장하는 기능을 수행하고, 특히 증기 보일러(700)에 급수를 제공할 수도 있다. 응축 탱크(600)는 대기압 상태를 유지하면서 각종 이용하고 난 후의 재증발 증기를 응축수가 되도록 하는 기능을 수행하고, 이를 위한 응축식 탈기 장치(610) 등이 구비될 수 있는데, 이러한 응축 탱크(600)의 구조 및 기능은 기 공지된 것에 불과하므로 보다 상세한 설명은 생략한다.
재증발 증기 분리 장치(510)는 폐열 공급관(810), 예열용 열교환기(310), 응축 탱크(600)와 연결되고, 폐열 공급관(810)으로부터 응축수 및 재증발 증기를 공급받아 응축수는 응축수관(530)을 통해 응축 탱크(600)로 전송하고, 재증발 증기는 증기관(820)을 통해 예열용 열교환기(310)에 전송하는 기능을 수행한다.
즉, 폐열 공급관(810)에는 응축수와 재증발 증기가 혼합되어 있을 수 있는데, 재증발 증기 분리 장치(510)는 그 중 응축수는 응축 탱크(600)로 전송되도록 하고, 재증발 증기는 예열용 열교환기(310)에 전송되도록 하여 예열용 열교환기(310)에는 응축수가 제거된 재증발 증기만이 투입되어 물을 예열하도록 하는 것이다. 여기서 물과 증기의 분리 방식 자체는 기 공지된 기술에 해당하므로 보다 상세한 설명을 생략한다.
본 실시예와 같이 응축수와 재증발 증기를 분리하지 않고, 모두 예열용 열교환기(310)에 공급하는 경우 열교환기 사이즈가 커져야 하고 이는 비용 증가와 관리 비용을 증대시키게 되는데, 본 실시예에서와 같이 폐열에 해당하는 응축수와 재증발 증기를 분리하여 그 중 재증발 증기만을 예열용 열교환기(310)에 공급하게 되면 생산 비용을 절감할 수 있고, 유지 보수 비용을 줄일 수 있게 된다.
여기서, 재증발 증기 분리 장치(510)의 증기관(820)은 예열용 열교환기(310)와 연결되는 제1 증기관(830)과 응축 탱크(600)와 연결되는 제2 증기관(840)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 제1 증기관(830)에는 온도 컨트롤 밸브(130)가 구비되고, 제2 증기관(840)에는 온/오프 컨트롤 밸브(140)가 구비될 수 있는데, 온/오프 컨트를 밸브(140)는 온도 컨트롤 밸브(130)가 차단되는 시점에 개방되도록 구성될 수 있다.
예를 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 온수 시스템의 제어 블록은 도 2에 도시된 바와 같이 온도 센서(110), 제1 온도 컨트롤 밸브(120), 제2 온도 컨트롤 밸브(130), 온/오프 컨트롤 밸브(140)와, 제어부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 온도 센서(110)는 가열용 열교환기(410)에 의해 생성된 온수의 온도를 감지하는 것으로서, 예를 들어 가열용 열교환기(410), 온수 탱크(210), 온수관(250), 온수 순환관(260) 중 적어도 어느 하나에 구비될 수 있다.
제어부(150)는 온도 센서(110)에 의해 감지되는 온도에 따라 제1 온도 컨트롤 밸브(120)를 비례제어할 수 있다. 즉, 제어부(150)는 온도 센서(110)에 의해 감지되는 온도에 따라 제1 온도 컨트롤 밸브(120)가 열린 정도를 제어하여 결국 가열용 열교환기(410)에 공급되는 증기 보일러(700) 열 증기의 양을 조절할 수 있다.
마찬가지로 제어부(150)는 온도 센서(110)에 의해 감지되는 온도에 따라 제2 온도 컨트롤 밸브(130)를 비례제어할 수 있다. 즉, 제어부(150)는 온도 센서(110)에 의해 감지되는 온도에 따라 제2 온도 컨트롤 밸브(130)가 열린 정도를 제어하여 결국 예열용 열교환기(310)에 공급되는 재증발 증기의 양을 조절할 수 있다.
한편, 제어부(150)는 온도 센서(110)에 의해 감지되는 온수 온도가 기 설정된 값이 됨에 따라 제2 온도 컨트롤 밸브(130)가 차단되도록 제어하는 경우 온/오프 컨트롤 밸브(140)를 오프 상태에서 온 상태로 전환 제어한다.
이에 따라 예열용 열교환기(310)에 공급되던 재증발 증기는 응축 탱크(600)로 유입되게 된다.
만일 제2 온도 컨트롤 밸브(130)를 차단하는 시점에 온/오프 컨트롤 밸브(140)가 개방되어 재증발 증기가 응축 탱크(600)로 전환 전송되도록 구성되지 않는다면, 예를 들어 제2 증기관(840) 자체가 구비되지 않는 경우에는 스팀 설비로부터 공급되는 재증발 증기가 제2 온도 컨트롤 밸브(130)가 차단되는 시점에 더 이상 공급되지 않음으로써 스팀 설비에 부하를 발생시키게 되고, 이는 곧 스팀 설비 또는 폐열 공급관(810)에 무리를 줄 수 있다. 그러나 본 실시예에서와 같이 제2 온도 컨트롤 밸브(130)가 차단되는 시점에 온/오프 컨트롤 밸브(140)가 오프 상태에서 온 상태로 개방되게 되면 예열용 열교환기(310)에 공급되던 재증발 증기가 응축 탱크(600)로 전환 공급됨으로써 상술한 문제점 즉, 스팀 설비나 폐열 공급관(810)에 무리를 주어 기능 고장을 발생하는 경우를 최소화할 수 있게 된다.
이하에서는 폐열 공급관(810)에 존재하는 응축수와 재증발 증기가 본 발명의 일 실시예에 따른 온수 시스템에 공급되고 순환되는 과정을 설명한다.
우선, 폐열 공급관(810)에 존재하는 응축수와 재증발 증기는 재증발 증기 분리 장치(510)를 만나서 응축수와 재증발 증기로 분리된다.
이때 분리된 응축수는 응축 탱크(600)로 전송되고, 재증발 증기는 예열용 열교환기(310)에 공급되어 냉수를 예열시키는 기능을 수행한다. 이때 재증발 증기가 예열용 열교환기(310)에 공급될 때는 제2 온도 컨트롤 밸브(130)가 개방된 상태이고 동시에 온/오프 컨트롤 밸브(140)는 차단된 상태이다. 예열용 열교환기(310)에서 이용된 재증발 증기는 응축수관(330)을 통해 응축 탱크(600)로 전송된다. 본 실시예에서 각 응축수관(330,430,530)에는 응축수 배출을 위한 스팀 트랩(320,420,520)이 구비될 수 있다.
제어부(150)에 의해 제2 온도 컨트롤 밸브(130)가 차단되는 경우 온/오프 컨트롤 밸브(140)는 개방됨으로서, 예열용 열교환기(310)에 공급되던 재증발 증기는 응축 탱크(600)로 전송된다.
이하에서는 본 실시예에 따라 온수가 생성되는 과정을 설명한다.
온수 탱크(210)로부터 냉수가 온수 순환 펌프에 예열용 열교환기(310)에 공급되고, 앞서 설명한 재증발 증기에 의해 냉수는 온도가 다소 상승한 예열수가 된다.
이렇게 생성된 예열수는 가열용 열교환기(410)에 공급되는데, 앞서 설명한 바와 같이 증기 보일러(700)의 열 증기에 의해 기 설정된 온도만큼 상승한 온수가 된다.
이처럼 가열용 열교환기(410)에서는 냉수를 온수로 만드는 것이 아니라 일정 정도 온도가 올라간 상태의 예열수를 온수로 만들기 때문에 증기 보일러(700)에 의한 에너지 소비를 절약 또는 최소화할 수 있다.
가열용 열교환기(410)에 의해 생성된 온수는 온수 탱크(210)를 거쳐 필요한 온수 시설, 예를 들어 난방 시설에 공급되고 다시 온수 탱크(210)로 회수될 수 있다.
이렇게 회수된 온수 즉, 난방 시설을 거치면서 수온이 떨어진 냉수는 다시 예열용 열교환기(310)에 공급될 수 있다.
한편, 상술한 각 실시예를 수행하는 과정은 소정의 기록 매체(예를 들어 컴퓨터로 판독 가능한)에 저장된 프로그램에 의해 이루어질 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명은 상기한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 변형 및 수정하여 실시할 수 있는 것이다. 이러한 변형 및 수정이 첨부되는 특허청구범위에 속한다면 본 발명에 포함된다는 것은 자명할 것이다.

Claims (4)

  1. 소정의 스팀설비와 연결되어 응축수 및 재증발 증기를 공급하는 폐열 공급관과 연결되어 상기 폐열 공급관의 재증발 증기를 이용하여 냉수를 예열수로 가열하는 예열용 열교환기와;
    증기 보일러에 의해 생성된 열 증기를 이용하여 상기 예열수를 온수로 가열하고 온수 탱크에 공급하는 가열용 열교환기와;
    상기 예열용 열교환기 및 상기 가열용 열교환기와 응축 탱크를 각각 연결하기 위한 응축수관과;
    상기 폐열 공급관, 상기 예열용 열교환기와, 상기 응축 탱크와 연결되고, 상기 폐열 공급관으로부터 응축수 및 재증발 증기를 공급받아 응축수는 응축수관을 통해 상기 응축 탱크로 전송하고, 상기 재증발 증기는 증기관을 통해 상기 예열용 열교환기에 전송하는 재증발 증기 분리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 온수 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 재증발 증기 분리 장치의 증기관은 상기 예열용 열교환기와 연결되는 제1 증기관과 상기 응축 탱크와 연결되는 제2 증기관을 포함하여 구성되고,
    상기 제1 증기관에는 온도 컨트롤 밸브가 구비되고, 상기 제2 증기관에는 온/오프 컨트롤 밸브가 구비되며,
    상기 온/오프 컨트를 밸브는 상기 온도 컨트롤 밸브가 차단되는 시점에 개방되는 것을 특징으로 하는 온수 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온도 컨트롤 밸브와 상기 온/오프 컨트롤 밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온수 탱크의 온수 온도에 따라 상기 온도 컨트롤 밸브를 비례 제어하고, 상기 온수 탱크의 온수 온도가 기 설정된 값이 됨에 따라 상기 온도 컨트롤 밸브가 차단되도록 제어함과 아울러 상기 온/오프 컨트롤 밸브를 오프 상태에서 온 상태로 전환 제어하는 것을 특징으로 하는 온수 시스템.
KR1020130167292A 2013-12-30 2013-12-30 폐열 활용 온수 시스템 KR101398703B1 (ko)

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