KR101402174B1 - 폐열회수 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐열회수 발전시스템에 관한 것으로, 폐열이 공급되어 작동유체의 증기압을 상승시키며 체적이 가변되는 가변형 열교환기, 상기 가변형 열교환기에서 배출되는 작동유체의 흐름을 제어하는 제1 개폐밸브, 상기 가변형 열교환기에서 토출된 작동유체에 의해 회전하는 터빈, 상기 터빈과 연결되어 전기를 생산하는 발전기, 상기 터빈을 통과한 작동유체가 응축되는 응축기 및 상기 응축기에서 응축된 작동유체를 일시 저장하고 미리 설정된 대기시간이 경과하면 일시 저장된 작동유체를 상기 가변형 열교환기로 공급하는 저장탱크를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 폐열회수 발전시스템을 이용하는 것에 의해, 본 발명은 작동유체의 부피변화에 따라 체적이 변하는 가변형 열교환기를 이용하여 효율을 향상시키므로 80℃ 이하의 폐열원으로도 발전을 할 수 있다.

Description

폐열회수 발전시스템{WASTE HEAT RESYCLING ELECTRIC GENERATING SYSTEM}
본 발명은 폐열회수 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 80℃ 이하인 폐열원에서 열을 효과적으로 회수하여 전기를 생산할 수 있도록 된 폐열회수 발전시스템에 관한 것이다.
화석연료는 매장량이 한정되어 있을 뿐만 아니라 그 사용에 따라 이산화탄소가 발생하므로 에너지를 효율적으로 이용하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.
이러한 연구의 일환으로 개발된 폐열회수 시스템은 폐열을 대기중으로 발산시켜 버리는 것이 아니라 폐열원으로부터 폐열을 회수하여 온수를 공급하거나 전기를 생산하는 데 활용하고 있다.
여기서 폐열로 전기를 생산하는 폐열회수 발전시스템은 폐열원으로부터 회수된 열에너지로 액체상태인 작동유체의 증기압을 상승시킨 후, 액체상태의 작동유체를 이송하여 터빈에 토출시킴으로 터빈이 구동되도록 하여 전기를 생산하는 시스템이다. 여기서 팽창된 작동유체를 다시 액체상태로 변환시키기 위해 콘덴서가 설치되어야 함은 물론이다.
이와 같은 종래의 폐열회수 발전시스템으로는 작동유체의 증기압을 높이기 위하여 폐열원이 적어도 80℃ 이상은 되어야 발전이 가능한 증기압을 얻을 수 있었다.
하지만 산업현장에서 배출되는 냉각수를 비롯한 많은 폐열원은 온도가 80℃ 이하이기 때문에 활용하지 못하고 그대로 하수나 대기중으로 방출하여 에너지를 낭비하게 되는 문제점이 있다.
일본 특허공개공보 특개2010-065587호(2010.03.25. 공개) 일본 공개특허공보 특개평11-304380호(1999.11.05. 공개)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 작동유체의 부피변화에 따라 체적이 변하는 가변형 열교환기를 이용하여 효율을 향상시키므로 80℃ 이하의 폐열원으로도 발전할 수 있는 폐열회수 발전시스템을 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 다른 목적은 개폐밸브의 작동을 제어하는 제어기를 설치하여 증기압을 정밀하게 제어해서 폐열회수 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 폐열회수 발전시스템을 제공하는 것이다.
또 본 발명의 또 다른 목적은 가변형 열교환기를 병렬로 복수 개 설치하여 다량의 폐열을 활용해서 발전을 할 수 있는 폐열회수 발전시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 발전기로 축방향 자속 영구자석 발전기를 이용해서 폐열회수 효율이 우수하고 시동토크가 적으며 저속운전시에도 발전을 실시할 수 있는 폐열회수 발전시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 작동유체로 비등점이 0℃ 내지 50℃ 인 작동유체를 사용하여 상온에서도 용이하게 폐열발전을 할 수 있는 폐열회수 발전시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 작동유체로 비등점이 32℃인 R-141b를 이용해서 증기압을 형성함으로써 80℃ 이하의 폐열원을 더욱 효과적으로 이용하여 발전할 수 있는 폐열회수 발전시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 폐열이 공급되어 작동유체의 증기압을 상승시키며 체적이 가변되는 가변형 열교환기, 상기 가변형 열교환기에서 배출되는 작동유체의 흐름을 제어하는 제1 개폐밸브, 상기 가변형 열교환기에서 토출된 작동유체에 의해 회전하는 터빈, 상기 터빈과 연결되어 전기를 생산하는 발전기, 상기 터빈을 통과한 작동유체가 응축되는 응축기 및 상기 응축기에서 응축된 작동유체를 일시 저장하는 저장탱크를 포함한다.
본 발명은 상기 제1 개폐밸브의 작동을 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 저장탱크와 가변형 열교환기 사이에는 공급관이 설치되고, 상기 공급관의 관로 상에는 상기 저장탱크 및 공급관의 압력에 기초해서 개폐 동작하는 제2 개폐밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 가변형 열교환기는 병렬로 복수 개 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 발전기는 축방향 자속 영구자석(Axial Flux Permanent Magnet) 발전기인 것을 특징으로 한다.
상기 작동유체는 비등점이 0℃ 내지 50℃ 인 것을 특징으로 한다.
상기 작동유체는 R-141b인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 작동유체의 부피변화에 따라 체적이 변하는 가변형 열교환기를 이용하여 효율을 향상시키므로 80℃ 이하의 폐열원으로도 발전을 할 수 있다.
그리고 본 발명은 개폐밸브의 작동을 제어하는 제어기를 설치하여 증기압을 정밀하게 제어하므로 폐열회수 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명은 가변형 열교환기를 병렬로 복수 개 설치해서 많은 양의 폐열을 활용하여 발전을 할 수 있다.
또 본 발명은 발전기로 축방향 자속 영구자석 발전기를 이용해서 폐열회수 효율이 우수하고, 시동토크가 적으며, 저속운전시에도 폐열발전을 할 수 있다.
이와 함께, 본 발명은 작동유체로 비등점이 0℃ 내지 50℃ 인 작동유체를 사용하여 상온에서도 용이하게 폐열발전을 할 수 있다.
또한 본 발명은 작동유체로 비등점이 32℃인 R-141b를 이용해서 증기압을 형성함으로써 80℃ 이하의 폐열원을 더욱 효과적으로 이용하여 발전할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐열회수 발전시스템을 나타내는 구성도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 에에 따른 폐열회수 발전시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐열회수 발전시스템을 나타내는 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐열회수 발전시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 폐열이 공급되어 작동유체의 증기압을 상승시키며 작동유체의 부피 변화에 따라 체적이 가변되는 가변형 열교환기(10), 가변형 열교환기(10)에서 배출되는 작동유체의 흐름을 제어하는 제1 개폐밸브(20), 제1 개폐밸브(20)의 작동을 제어하는 제어기(30), 가변형 열교환기(10)에서 토출된 작동유체에 의해 회전하는 터빈(40), 터빈(40)과 연결되어 전기를 생산하는 발전기(50), 터빈(40)을 통과한 작동유체가 응축되는 응축기(60) 및 작동유체가 가변형 열교환기(10)에 공급되기 전에 일시적으로 저장하는 저장탱크(70)를 포함한다.
가변형 열교환기(10)는 폐열을 이용해서 작동유체와 열교환하여 작동유체의 증기압을 상승시키는 열교환기이다.
이러한 가변형 열교환기(10)는 팽창시 마찰을 최소화할 수 있도록 신축성 재질로 제작되는 내피(12) 및 내피(12)의 외부에 신축성 재질로 이루어진 내피를 보호하기 위하여 강체로 이루어진 케이싱(14)을 구비한다.
특히, 본 실시 예에서는 다량의 폐열을 활용해서 발전을 수행하도록 복수의 가변형 열교환기(10)를 병렬로 설치한다.
여기서, 작동유체가 수용되어 있는 내피(12) 내부에는 폐열원으로부터 폐열을 공급하기 위한 폐열공급수단이 설치된다.
폐열공급수단은 폐열이 내피(12)의 주변을 흐르도록 하거나, 폐열원관이 내피(12)의 내부를 관통하도록 하는 것과 같이 다양한 방법으로 적용될 수 있다.
상기 작동유체는 비등점이 0℃ 내지 50℃ 인 유체를 사용하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 작동유체의 비등점이 0℃ 내지 50℃인 경우, 작동유체는 상온에서도 용이하게 상변화된다.
따라서, 작동유체의 비등점이 0℃ 내지 50℃인 경우에는 작동유체의 증기압을 상승시키기 위하여 별도의 설비를 설치할 필요가 없다.
바람직하게는, 작동유체는 비등점이 32℃인 R-141b을 이용하므로 80℃ 이하의 폐열원을 통해서도 효과적으로 작동유체의 증기압을 상승시킬 수 있다.
제1 개폐밸브(20)는 가변형 열교환기(10)에서 배출되는 작동유체의 흐름을 제어하도록 가변형 열교환기의 배출관(16) 관로 상에 설치된다.
그리고 제1 개폐밸브(20)는 증기압이 미리 설정된 기준압력 이상이 되면 기구적으로 개방된다.
본 실시 예에서는 증기압을 정밀하게 제어하기 위하여 제1 개폐밸브(20)를 제어하는 제어기(30)가 구비된다.
즉, 본 발명은 증기압에 따라 제1 개폐밸브(20)의 개방압력과 개방시간을 임의로 제어함으로써, 더욱 효율적으로 시스템을 제어할 수 있다.
터빈(40)은 가변형 열교환기(10)에서 포화된 작동유체에 의해 회전하도록 구비되며, 터빈(40)에서 작동유체는 단열팽창하면서 일을 하게 된다.
발전기(50)는 터빈(40)과 연결되어 전기를 생산한다.
이러한 발전기(50)는 동력손실을 최소화하기 위하여 터빈(40)과 직결되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 발전기(50)는 축방향 자속 영구자석(Axial Flux Permanent Magnet) 발전기인 것이 바람직하다.
상기 축방향 자속 영구자석 발전기는 효율이 우수하고 시동토크가 적어서 저속운전시에도 발전에 용이한 장점이 있다.
발전기(50)와 발전기(50)에서 생산된 전기를 수용처에 공급하는 설비는 이미 당업자에게 공지된 기술이므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
응축기(60)는 터빈(40)에서 배출된 작동유체를 응축시킨다.
본 실시 예에서는 시스템의 구조를 간단하게 구현하기 위하여 대기에 의해서 작동유체가 응축되도록 한다. 하지만 필요에 따라 냉각탑 등의 냉각수단을 구비할 수 있음은 물론이다.
저장탱크(70)는 가변형 열교환기(10)에 작동유체를 공급하기 전에 미리 설정된 대기시간 동안 일시적으로 저장한다.
즉, 가변형 열교환기(10)는 약 2 내지 5분 정도의 대기시간이 경과한 후에 내피(12)가 수축되어 정상 동작하기 때문에, 저장탱크(70)는 상기 대기시간 동안 작동유체를 일시적으로 저장한 후, 상기 대기시간이 경과하면, 일시 저장된 작동유체를 가변형 열교환기(10)로 공급한다.
이를 위해, 저장탱크(70)와 가변형 열교환기(10) 사이의 공급관(71) 관로 상에는 제2 개폐밸브(21)가 설치된다.
제2 개폐밸브(21)는 저장탱크(70)의 압력이 상승하여 공급관(70) 내부의 압력이 미리 설정된 압력 이상이 되면 공급관을 개방하고, 작동유체가 가변형 열교환기(10)로 공급되어 저장탱크(70) 및 공급관(71)의 압력이 미리 설정된 압력 미만으로 낮아지면 공급관(71)을 폐쇄한다.
물론, 제2 개폐밸브(21)는 제어기(30)의 제어신호에 따라 개폐 동작할 수도 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐열회수 발전시스템의 작동을 상세하게 설명한다.
먼저, 폐열공급수단을 통하여 폐열이 가변형 열교환기(10)에 공급되어 가변형 열교환기(10)의 증기압이 상승하여 증기압이 최고점에 도달하면, 가변형 열교환기(10)의 체적이 최대점에 도달하게 된다.
그리고 가변형 열교환기(10)의 최대점이 지나면, 가변형 열교환기(10) 내부의 압력이 계속 증가하게 된다.
그래서 가변형 열교환기(10) 내부의 압력이 계속 증가하여 개폐밸브(20)의 설정된 압력에 도달하면 개폐밸브(20)가 개방된다.
이때, 개폐밸브(20)의 작동은 제어기(30)를 이용하여 제어할 수 있음은 물론이다.
개폐밸브(20)가 개방되면, 배출관(16)과 가변형 열교환기(10) 내부에 수용되어 있던 작동유체가 배출관(16)을 따라 터빈(40)에 공급되어 터빈(40)이 회전하게 된다.
한편, 가변형 열교환기(10)로부터 작동유체가 배출되어 압력이 떨어지면 개폐밸브(20)는 폐쇄된다.
터빈(40)이 회전하게 되면, 터빈(40)과 연결되어 있는 발전기(50)가 회전하면서 전기를 생산한다.
터빈(40)에서 단열팽창된 작동유체는 기체와 액체가 혼재된 상태이므로, 응축기(60)에 공급되어 대부분이 액체상태로 변환된다.
여기서, 작동유체는 응축기(60)에서 대기 또는 상온의 물과 열교환을 통해 액체상태로 변환된다.
이때, 작동유체를 대기와 열교환시키는 응축기(60)는 판형(plate type) 열교환기 또는 쉘앤튜브형(shell and tube type) 열교환기 등을 구비할 수 있음은 물론이다.
상기 응축기(60)에서 액체상태로 변환된 작동유체는 저장탱크(70)에 일시 저장된다.
그리고 가변형 열교환기(10)의 내피(12)가 수축됨에 따라, 제 2개폐밸브(21)가 개방되면, 저장탱크(70)에 일시 저장된 작동유체가 다시 가변형 열교환기(10)로 공급된다.
이와 같이, 작동유체가 가변형 열교환기(10)에 공급되면 가변형 열교환기(10)는 일차적으로 팽창하게 된다.
상기 가변형 열교환기(10)에 공급된 작동유체는 다시 폐열에 의해 증기압이 상승되어 상기 프로세스를 반복적으로 진행하면서 전기를 생산하게 된다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 80℃ 이하인 폐열원에서 열을 효과적으로 회수하여 전기를 생산하는 폐열회수 발전시스템 기술분야에 적용된다.
10 : 가변형 열교환기
20,21 : 제1, 제2 개폐밸브
30 : 제어기
40 : 터빈
50 : 발전기
60 : 응축기
70 : 저장탱크

Claims (7)

  1. 폐열이 공급되어 작동유체의 증기압을 상승시키며 작동유체의 부피 변화에 따라 체적이 가변되고 마찰력을 최소화하도록 신축성 재질로 제작되는 내피와 내피의 외부에 강체로 이루어진 케이싱을 구비하는 가변형 열교환기,
    상기 가변형 열교환기에서 배출되는 작동유체의 흐름을 제어하는 제1 개폐밸브,
    상기 가변형 열교환기에서 토출된 작동유체에 의해 회전하는 터빈,
    상기 터빈과 연결되어 전기를 생산하는 발전기,
    상기 터빈을 통과한 작동유체가 응축되는 응축기,
    상기 응축기에서 응축된 작동유체를 일시 저장하고 미리 설정된 대기시간이 경과하면 일시 저장된 작동유체를 상기 가변형 열교환기로 공급하는 저장탱크 및
    작동유체의 증기압에 기초해서 상기 제1 개폐밸브의 개방압력과 개방시간을 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 가변형 열교환기는 병렬로 복수 개 설치되며,
    상기 저장탱크와 가변형 열교환기 사이에는 공급관이 설치되고,
    상기 공급관의 관로 상에는 상기 저장탱크 및 공급관의 압력에 기초해서 개폐 동작하는 제2 개폐밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열회수 발전시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발전기는 축방향 자속 영구자석(Axial Flux Permanent Magnet) 발전기인 것을 특징으로 하는 폐열회수 발전시스템.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 작동유체는 비등점이 0℃ 내지 50℃ 인 것을 특징으로 하는 폐열회수 발전시스템.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 작동유체는 R-141b인 것을 특징으로 하는 폐열회수 발전시스템.
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