KR101405512B1 - 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈 - Google Patents

유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈 Download PDF

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KR101405512B1 KR1020130030299A KR20130030299A KR101405512B1 KR 101405512 B1 KR101405512 B1 KR 101405512B1 KR 1020130030299 A KR1020130030299 A KR 1020130030299A KR 20130030299 A KR20130030299 A KR 20130030299A KR 101405512 B1 KR101405512 B1 KR 101405512B1
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Abstract

본 발명은 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈은 증발기, 응축기, 펌프와 함께 유기 랭킨 사이클 시스템을 이루는 팽창기 모듈에 있어서, 상기 팽창기를 감싸는 케이스가 설치되고, 상기 케이스 내부에는 펌프에 연결된 유로가 유입되어 상기 팽창기를 코일 형태로 감싸고 증발기로 연결되고, 상기 케이스에는 응축기로 연결되는 배출구가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈 {an expander module for organic Rankine cycle}
본 발명은 유기 랭킨 사이클에 관한 것으로서, 유기 랭킨 사이클에 사용되는 팽창기를 개선한 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈에 관한 것이다.
일반적인 폐쇄식 랭킨 사이클 시스템은 기동 유체를 증발시키기 위한 보일러 또는 증발기와, 발전기 또는 다른 하중을 구동하기 위해 보일러로부터 증기를 공급받는 터빈(또는 팽창기)과, 터빈으로부터 배기된 증기를 응축하기 위한 응축기와, 증발기로 응축된 유체를 재순환하기 위한 펌프와 같은 수단을 포함한다. 이런 시스템이 미국 특허청 특허 제3,393,515호에 도시되고 설명되어 있다.
이런 랭킨 사이클 시스템은 일반적으로 주거 용도 또는 상업 용도를 위한 동력 배분 시스템이나 그리드에 제공되는 전력을 생성시키도록 사용된다. 이런 시스템에 사용되는 작동 유체는 대개 물이며, 터빈은 증기에 의해 구동된다.
이런 시스템에서 터빈은 비교적 고온 고압에서 작동되도록 설계되고 제작과 사용에 비용이 많이 든다.
증발기에 대한 열원은 예컨대 오일, 석탄, 천연 가스 또는 원자력과 같은 모든 형태의 화석 연료일 수 있다.
또한, 에너지 위기의 도래와 함께 현 세대의 이용 가능한 에너지를 보전하고 보다 효율적으로 사용하는 것에 대한 필요성으로 인해, 랭킨 사이클 시스템은 대기로 소실되어 그 자체로서 전력 생성을 위해 요구되는 것보다 더 많은 연료가 요구되게 함으로써 환경에 간접적으로 치명적인 영향을 미쳤던 소위 "폐열"을 포획하도록 사용되었다.
대한민국 특허청에 출원된 출원번호 제10-2005-7007460호는 연료 전지로부터 폐열을 이용하는 시스템을 제안한 바 있다.
도 1은 유기 랭킨 사이클을 이용한 발전 시스템을 도시하는 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 유기 랭킨 사이클(ORC:Organic Rankin Cycle)을 이용한 발전 시스템은 기존의 랭킨 사이클 시스템과 달리 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 사용하여 상대적으로 중저온(100 내지 300도씨)의 열원에서도 발전이 가능한 시스템이다.
그러나, 종래의 이러한 유기 랭킨 사이클용 시스템은 배관이 복잡한 경우 누설에 취약하며, 폐열 회수에 있어서 보다 효율성이 높지 못하다는 문제점이 있었다.
본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈은 누설을 방지할 수 있고 폐열을 회수할 수 있는 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈은 증발기, 응축기, 펌프와 함께 유기 랭킨 사이클 시스템을 이루는 팽창기 모듈에 있어서, 상기 팽창기를 감싸는 케이스가 설치되고, 상기 케이스 내부에는 펌프에 연결된 유로가 유입되어 상기 팽창기를 코일 형태로 감싸고 증발기로 연결되고, 상기 케이스에는 응축기로 연결되는 배출구가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 케이스의 내부 공간에는 상부 공간부와 하부 공간부를 구획시키는 격판이 수평으로 설치되되, 상기 격판의 일측에는 관통부가 형성되고, 상기 상부 공간부에는 팽창기의 유출구가 설치되고, 상기 하부 공간부에는 응축기로 연결되는 배출구가 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 유출구측에는 팽창기로부터 배출되는 유체의 흐름을 유도하는 유도판이 설치되는 것을 특징으로 한다.
마지막으로, 상기 케이스는 외벽과 내벽의 이중 구조로 이루어지고, 펌프에 연결된 유로가 상기 외벽과 내벽 사이 공간에 코일 형태로 설치되어 증발기로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈은 팽창기를 감싸는 케이스에 코일 형태로 유로를 배치하여 폐열을 회수할 수 있도록 하고, 누설을 예방할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 유기 랭킨 사이클을 이용한 발전 시스템을 도시하는 개념도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈을 적용한 개념도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈의 단면개념도.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈의 단면개념도.
도 5는 본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈의 단면개념도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈을 적용한 개념도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈은 증발기, 응축기, 펌프와 함께 팽창기가 유기 랭킨 사이클 시스템을 이루고, 팽창기를 재생기 역할을 하도록 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈의 단면개념도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 팽창기(10)의 외측으로 감싸도록 케이스(100)가 설치되고, 상기 케이스(100) 내부에는 펌프에 연결된 유로가 유입되어 상기 팽창기(10)를 코일 형태로 감싼 후에 증발기로 연결되는 코일 형태로 감겨진 유로(20)가 설치된다.
또한, 상기 케이스(100)에는 응축기로 연결되는 배출구(120)와 펌프로부터 연결되는 유입구(110)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 고온고압의 유기 냉매는 증기상태로 유입구(110)를 통해서 팽창기(10) 내부로 유입되고, 터빈을 돌린 고온의 유기 냉매는 팽창기의 유출구(12)를 통해서 케이스(100)와 팽창기(10) 사이 공간을 통해서 코일 형태로 감겨진 유로(20)에 흐르는 액상의 냉매에 열을 전달하여 예열시키고 후에 배출구(120)로 배출된다.
이러한 케이스(100)의 구조를 통해서 팽창기의 누설을 방지하는 동시에 재생기의 역할을 수행할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기의 또 다른 일실시예에 대해 살펴보면,
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈의 단면개념도이다.
도 4에 도시된 실시예는 케이스(100)의 내부 공간에는 상부 공간부(S1)와 하부 공간부(S2)를 구획시키는 격판(30)이 수평으로 설치되되, 상기 격판(30)의 일측에는 관통부가 형성된다. 도 4에서 도면 부호로 지시되지는 않았지만 상부 공간부(S1)에서 하부 공간부(S2)로 작동 유체가 이동되는 화살표에 관통부가 형성되는 것으로 이해하면 된다.
상기 관통부를 통해서 상부 공간부(S1)에서 하부 공간부(S2)로 고온의 작동 유체(유기 냉매)가 이동되면서 열교환이 지속적으로 이루어지게 된다.
특히, 상기 상부 공간부(S1)에는 팽창기(10)의 유출구(12)가 설치되고, 상기 하부 공간부(S2)에는 응축기로 연결되는 배출구(120)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 유출구(12)측에는 팽창기(10)로부터 배출되는 유체의 흐름을 유도하는 유도판(40)이 설치된다. 상기 유도판(40)은 배출되는 작동 유체(유기 냉매)의 흐름이 보다 원활하게 이루어져서 코일 형태로 감겨진 유로에 잘 접촉될 수 있도록 하여 열교환이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기의 또 다른 일실시예에 대해 살펴보면,
도 5는 본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따른 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈의 단면개념도이다.
도 5에 도시된 실시예는 케이스(100)가 외벽(102)과 내벽(104)의 이중 구조로 이루어지고, 펌프에 연결된 유로(20)가 상기 외벽(102)과 내벽(104) 사이 공간에 코일 형태로 설치되어 증발기로 연결되는 구조를 채택하고 있다.
즉, 이중 구조의 케이스(100)를 통해서 보다 누설을 방지할 수 있고, 고온고압의 작동 유체를 통해서 유로가 파손되는 것을 방지할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈을 제공하는 것을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시 예는 단지 하나의 실시 예에 불과하므로 본 발명의 진정한 범위는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
10: 팽창기
12: 팽창기 유출구
30: 격판
40: 유도판
20: 코일 형태로 감겨진 유로
100: 케이스
110: 유입구
120: 배출구

Claims (4)

  1. 증발기, 응축기, 펌프와 함께 유기 랭킨 사이클 시스템을 이루는 팽창기 모듈에 있어서,
    상기 팽창기를 감싸는 케이스가 설치되고,
    상기 케이스 내부에는 펌프에 연결된 유로가 유입되어 상기 팽창기를 코일 형태로 감싸고 증발기로 연결되고,
    상기 케이스에는 응축기로 연결되는 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스의 내부 공간에는,
    상부 공간부와 하부 공간부를 구획시키는 격판이 수평으로 설치되되, 상기 격판의 일측에는 관통부가 형성되고,
    상기 상부 공간부에는 팽창기의 유출구가 설치되고, 상기 하부 공간부에는 응축기로 연결되는 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유출구측에는 팽창기로부터 배출되는 유체의 흐름을 유도하는 유도판이 설치되는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스는 외벽과 내벽의 이중 구조로 이루어지고, 펌프에 연결된 유로가 상기 외벽과 내벽 사이 공간에 코일 형태로 설치되어 증발기로 연결되는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클용 팽창기 모듈.
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