KR101477741B1 - Exhaust heat recovery device from engine - Google Patents
Exhaust heat recovery device from engine Download PDFInfo
- Publication number
- KR101477741B1 KR101477741B1 KR1020130040324A KR20130040324A KR101477741B1 KR 101477741 B1 KR101477741 B1 KR 101477741B1 KR 1020130040324 A KR1020130040324 A KR 1020130040324A KR 20130040324 A KR20130040324 A KR 20130040324A KR 101477741 B1 KR101477741 B1 KR 101477741B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- refrigerant
- heat exchanger
- heat
- discharged
- engine
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
- F25B27/02—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using waste heat, e.g. from internal-combustion engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2313/00—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
- F25B2313/021—Indoor unit or outdoor unit with auxiliary heat exchanger not forming part of the indoor or outdoor unit
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
- Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies
- Y02A30/274—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies using waste energy, e.g. from internal combustion engine
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
냉매를 압축하여 유출하는 압축기, 상기 압축기에서 유출된 냉매를 유입 받아 일을 한 후 냉매를 유출하는 팽창기, 상기 팽창기에서 유출된 냉매를 응축시켜 상기 압축기로 제공하는 응축기를 포함하며, 상기 압축기, 상기 팽창기, 및 상기 응축기를 통해 순환하는 냉매를 이용하여 엔진으로부터 배출되는 배기가스와 냉각수에 포함된 열을 회수하는 엔진 폐열 회수 장치에 있어서, 제1압축기로부터 유출되는 냉매(이하, ‘제1냉매’라고 함)와, 상기 응축기로 유입되기 전의 냉매(이하, ‘제2냉매’라고 함)를 유입받아 서로 열교환시킨 후 배출하는 제1재생열교환기; 를 포함하는 엔진 폐열 회수 장치가 개시된다.And a condenser for condensing the refrigerant discharged from the compressor and supplying the refrigerant to the compressor, wherein the compressor, the compressor, the condenser, the evaporator, (Hereinafter, referred to as a " first refrigerant ") flowing out of the first compressor, and a second refrigerant discharged from the first compressor, the refrigerant flowing out of the first compressor, the refrigerant flowing out of the first compressor, (Hereinafter, referred to as " second refrigerant ") before being introduced into the condenser, heat-exchanges the refrigerant with each other, and discharges the refrigerant; An engine waste heat recovering device including an exhaust pipe;
Description
본 발명은 엔진 폐열 회수 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진으로부터 배출되는 엔진 냉각수와 배기가스의 열을 열교환에 사용하여 폐열 회수율을 향상시킬 수 있는 엔진 폐열 회수 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
에너지 고갈과 환경 문제가 대두되면서 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 열을 재활용하기 위해서 다양한 형태의 배기 폐열 회수장치들이 개발되어 왔다. As energy depletion and environmental problems arise, various types of exhaust heat recovery apparatuses have been developed in order to recycle the heat contained in the exhaust gas discharged from the engine of the vehicle.
종래 차량의 배기폐열 회수장치는 예를 들면, 한국공개특허공보 10-2011-0062015호에 개시된 바와 같이 차량의 외부로 배출되는 배기가스에 포함된 폐열을 엔진의 냉각수나 엔진 오일 혹은 변속기 오일 등과의 열교환을 통해 회수하여 차량의 난방성능이나 연비 향상 등을 도모하고자 한다. BACKGROUND ART [0002] Conventional exhaust emission heat recovery apparatuses for vehicles are disclosed in, for example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0062015, in which waste heat contained in exhaust gas discharged to the outside of a vehicle is supplied to engine cooling water, engine oil or transmission oil And recover heat through heat exchange to improve the heating performance and fuel efficiency of the vehicle.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 엔진 냉각수와 배기가스의 폐열을 열교환한 후에도 남은 여열을 이용하여 냉매의 온도를 높임으로써 폐열의 회수율을 높일 수 있는 엔진 폐열 회수 장치를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide an engine waste heat recovery apparatus capable of increasing the recovery rate of waste heat by increasing the temperature of the refrigerant by using remaining heat even after heat exchange between the engine cooling water and the waste heat of the exhaust gas.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉매를 압축하여 유출하는 압축기, 상기 압축기에서 유출된 냉매를 유입 받아 일을 한 후 냉매를 유출하는 팽창기, 상기 팽창기에서 유출된 냉매를 응축시켜 상기 압축기로 제공하는 응축기를 포함하며, 상기 압축기, 상기 팽창기, 및 상기 응축기를 통해 순환하는 냉매를 이용하여 엔진으로부터 배출되는 배기가스와 냉각수에 포함된 열을 회수하는 엔진 폐열 회수 장치에 있어서, 상기 압축기로부터 유출되는 냉매(이하, ‘제1냉매’라고 함)와, 상기 응축기로 유입되기 전의 냉매(이하, ‘제2냉매’라고 함)를 유입받아 서로 열교환시킨 후 배출하는 제1재생열교환기; 를 포함하는 엔진 폐열 회수 장치가 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a compressor comprising: a compressor for compressing and discharging a refrigerant; an expander for flowing refrigerant flowing out of the compressor to discharge refrigerant; a condenser for condensing the refrigerant discharged from the compressor; 1. An engine waste heat recovery apparatus for recovering heat contained in exhaust gas and cooling water discharged from an engine using a refrigerant circulating through the compressor, the inflator, and the condenser, the apparatus comprising: a condenser; (Hereinafter, referred to as a 'first refrigerant') and a refrigerant before being introduced into the condenser (hereinafter referred to as a 'second refrigerant'), exchanges heat with each other, and discharges the refrigerant; An engine waste heat recovering device may be provided.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 폐열 회수 장치는, 상기 제1재생열교환기로 유입되기 전의 제2냉매와 상기 제1재생열교환기로부터 배출되는 제1냉매를 유입받아 서로 열교환시킨 후 배출하는 제2재생열교환기;를 더 포함할 수 있다.The engine waste heat recovering apparatus according to an embodiment of the present invention is characterized in that the second refrigerant before being introduced into the first regenerative heat exchanger and the first refrigerant discharged from the first regenerative heat exchanger are introduced into the second regenerative heat exchanger, And a regenerating heat exchanger.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 폐열 회수 장치는, 상기 제1재생열교환기로부터 배출되는 제1냉매와 상기 엔진으로부터 배출되는 냉각수를 유입받아 서로 열교환시킨 후 배출하는 제1열교환기;를 더 포함하며, 상기 제2재생열교환기가 유입받은 상기 제1냉매는, 상기 제1열교환기로부터 배출된 제1냉매일 수 있다.The engine waste heat recovery apparatus according to an embodiment of the present invention further includes a first heat exchanger for introducing the first refrigerant discharged from the first regenerative heat exchanger and the cooling water discharged from the engine to heat exchange with each other, And the first refrigerant into which the second regenerative heat exchanger is introduced may be the first refrigerant discharged from the first heat exchanger.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 폐열 회수 장치는, 상기 제1열교환기로부터 배출되는 제1냉매와 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 유입받아, 서로 열교환시킨 후 배출하는 제2열교환기;를 더 포함할 수 있다.The engine waste heat recovery apparatus according to an embodiment of the present invention may further include a second heat exchanger for introducing the first refrigerant discharged from the first heat exchanger and the exhaust gas discharged from the engine, .
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 폐열 회수 장치는, 상기 제2열교환기로부터 배출되는 제1냉매와 상기 제2열교환기로 유입되기 전의 배기가스를 유입받아, 서로 열교환시킨 후 배출하는 제3열교환기;를 더 포함하며, 상기 제2열교환기가 유입받은 상기 배기가스는, 상기 제3열교환기로부터 배출된 배기가스일 수 있다. The engine waste heat recovery apparatus according to an embodiment of the present invention includes a first heat exchanger for exchanging heat between the first refrigerant discharged from the second heat exchanger and the exhaust gas before being introduced into the second heat exchanger, And the exhaust gas into which the second heat exchanger has been introduced may be the exhaust gas discharged from the third heat exchanger.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 폐열 회수 장치는, 상기 제2열교환기로부터 배출되는 배기가스의 일부를 유입받아 상기 엔진이 재사용할 수 있도록 처리하여 상기 제2열교환기 측으로 제공하는 배기가스 재순환장치;를 더 포함하며, 상기 제2열교환기는 상기 배기가스 재순환장치로부터 제공받은 재처리된 배기가스를 유입받고, 유입받은 상기 재처리된 배기가스와 상기 제1열교환기로부터 유입받은 제1냉매를 서로 열교환시킨 후 배출하며, 상기 제2열교환기에 의해 배출되는 재처리된 배기가스는 상기 엔진으로 제공되는 것일 수 있다.An engine waste heat recovery apparatus according to an embodiment of the present invention includes an exhaust gas recirculation device for recirculating a portion of exhaust gas discharged from the second heat exchanger to the exhaust gas recirculation device Wherein the second heat exchanger is configured to receive the reprocessed exhaust gas supplied from the exhaust gas recirculation device and to exchange the refilled exhaust gas with the first refrigerant flowing in from the first heat exchanger Exchanged and discharged, and the reprocessed exhaust gas discharged by the second heat exchanger may be provided to the engine.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 폐열 회수 장치는, 상기 제2열교환기로부터 배출되는 제1냉매와 상기 엔진으로부터 배출되어 제2열교환기로 유입되기 전의 배기가스를 유입받아, 서로 열교환시킨 후 배출하는 제3열교환기;를 더 포함할 수 있다.The engine waste heat recovery apparatus according to an embodiment of the present invention includes a first refrigerant discharged from the second heat exchanger and an exhaust gas discharged from the engine before being introduced into the second heat exchanger, And a third heat exchanger.
상기 제1열교환기는, 터보 차저로부터 대기 공기를 더 유입받아, 상기 대기 공기와 상기 제1재생열교환기로부터 배출되는 제1냉매를 서로 열교환시키는 후 배출할 수 있다.The first heat exchanger may further take in atmospheric air from the turbocharger and heat-exchange the atmospheric air and the first refrigerant discharged from the first regenerative heat exchanger with each other.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 폐열 회수 장치는, 상기 제2열교환기로부터 배출되는 배기가스를 유입받아 상기 터보 차저에게 일을 시키는 제2 팽창기;를 더 포함할 수 있다.The apparatus for recovering waste heat according to an embodiment of the present invention may further include a second inflator for introducing the exhaust gas discharged from the second heat exchanger to cause the turbocharger to work.
상기 제1재생열교환기는, 상기 제2열교환기로부터 배출되는 대기 공기를 유입받아 상기 압축기로부터 유출되는 냉매와 열교환시키는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수 장치.Wherein the first regenerative heat exchanger exchanges heat with the refrigerant flowing in from the compressor through the atmospheric air discharged from the second heat exchanger.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1열교환기에 의한 냉매의 증발온도는 엔진 냉각수보다 약간 낮도록 함으로써, 제1재생열교환기에서 냉매가 예열되어도 제1열교환기에서 엔진 냉각수열을 증발열로서 100% 활용할 수 있다. According to the embodiment of the present invention, since the evaporation temperature of the refrigerant by the first heat exchanger is slightly lower than the engine cooling water, even if the refrigerant is preheated in the first regenerative heat exchanger, the first heat exchanger can utilize the engine cooling water heat as 100% .
또한, 엔진 냉각수열을 증발열로서 최대 100% 활용함으로써, 엔진 폐열 회수 장치는 냉매가 제1열교환기에서 증발하는 과정에서 열원과 작동 유체의 온도차이를 작게 할 수 있으므로, 기존의 엔진 배기가스의 열에 의한 증발과정에서 온도차에 의해 발생하는 비가역 손실을 감소시킬 수 있는 장점을 제공한다.Further, by utilizing the engine cooling water heat as the evaporation heat at the maximum of 100%, the engine waste heat recovery apparatus can reduce the temperature difference between the heat source and the working fluid in the process of evaporating the refrigerant in the first heat exchanger, It is possible to reduce the irreversible loss caused by the temperature difference in the evaporation process.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진의 조건에 따라 고온의 배기가스 열과 저온의 엔진 냉각수 열의 비가 달라짐에 따라 이 둘을 모두 최대 100% 활용하여 열교환에 사용할 수 있다.Further, according to the embodiment of the present invention, as the ratio of the high-temperature exhaust gas heat to the low-temperature engine coolant water ratio varies according to the condition of the engine, both of them can be utilized for heat exchange by maximally utilizing 100%.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 폐열 회수 장치를 도시한 도면,
도 2는 도 1을 참조하여 설명한 제1 폐열 회수 장치에서 엔진 폐열 회수와 관련된 ORC T-s 선도를 보여주는 그래프,
도 3은 냉매 유량이 최적 유량일 경우, 제1 폐열 회수 장치에서 엔진 폐열 회수와 관련된 ORC T-s 선도를 보여주는 그래프,
도 4은 냉매 유량이 최적 유량보다 적은 경우, 제1 폐열 회수 장치에서 엔진 폐열 회수와 관련된 ORC T-s 선도를 보여주는 그래프,
도 5는 냉매 유량이 최적 유량보다 많은 경우, 제1 폐열 회수 장치에서 엔진 폐열 회수와 관련된 ORC T-s 선도를 보여주는 그래프,
도 6 내지 도 8은 엔진 냉각수의 열과 배기가스의 열의 비율에 따라 냉매의 최적유량이 달라지는 경우를 설명하기 위한 그래프, 그리고,
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 폐열 회수 장치를 도시한 도면이다.1 is a view showing a first waste heat recovering apparatus according to an embodiment of the present invention,
2 is a graph showing an ORC Ts diagram related to engine waste heat recovery in the first waste heat recovery apparatus described with reference to FIG. 1,
3 is a graph showing an ORC Ts diagram related to the recovery of engine waste heat in the first waste heat recovery apparatus when the refrigerant flow rate is the optimum flow rate,
4 is a graph showing an ORC Ts diagram related to the recovery of engine waste heat in the first waste heat recovery apparatus when the refrigerant flow rate is less than the optimum flow rate,
5 is a graph showing an ORC Ts diagram related to the recovery of engine waste heat in the first waste heat recovery apparatus when the refrigerant flow rate is larger than the optimum flow rate,
6 to 8 are graphs for explaining the case where the optimum flow rate of the coolant is varied according to the ratio of the heat of the engine coolant to the heat of the exhaust gas,
9 is a view showing a second waste heat recovering apparatus according to another embodiment of the present invention.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when an element is referred to as being on another element, it may be directly formed on another element, or a third element may be interposed therebetween. Further, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for an effective description of the technical content.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Where the terms first, second, etc. are used herein to describe components, these components should not be limited by such terms. These terms have only been used to distinguish one component from another. The embodiments described and exemplified herein also include their complementary embodiments.
본원의 상세한 설명 및/또는 청구범위에서 구성요소 A와 구성요소 B가 서로 연결(또는 접속 또는 체결 또는 결합)되어 있다는 표현은 구성요소 A와 구성요소 B가 직접 연결되거나 또는 다른 하나 이상의 구성요소의 매개에 의해 연결되는 것을 포함하는 의미로 사용된다.The expression that component A and component B are connected (or connected or fastened or coupled) to each other in the description and / or claims of the present application means that component A and component B are directly connected or that one or more of the other components Quot; is used in the meaning including to be connected by an intermediary.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Also, terms used herein are for the purpose of illustrating embodiments and are not intended to limit the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms "comprises" and / or "comprising" used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In describing the specific embodiments below, various specific details have been set forth in order to explain the invention in greater detail and to assist in understanding it. However, it will be appreciated by those skilled in the art that the present invention may be understood by those skilled in the art without departing from such specific details. In some instances, it should be noted that portions of the invention that are not commonly known in the description of the invention and are not significantly related to the invention do not describe confusing reasons for explaining the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 폐열 회수 장치를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1을 참조하여 설명한 제1 폐열 회수 장치에서 엔진 폐열 회수와 관련된 ORC T-s 선도를 보여주는 그래프이다. 도 2의 ORC T-s 선도에서 PH는 고압하에서의 냉매의 온도와 엔트로피를 나타내고, PL은 저압하에서의 냉매의 온도와 엔트로피를 나타내었다.FIG. 1 is a view showing a first waste heat recovering apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a graph showing an ORC Ts diagram related to an engine waste heat recovery in the first waste heat recovering apparatus described with reference to FIG. In the ORC Ts diagram of FIG. 2, P H represents the temperature and entropy of the refrigerant under high pressure, and P L represents the temperature and entropy of the refrigerant at low pressure.
도 1과 도 2를 참조하면, 도 1에서 폐열 회수 장치용 냉매가 ‘1’로 표시한 지점(제1응축기(25)와 제1압축기(11) 사이의 지점)에 위치할 때의 폐열 회수 장치용 냉매의 온도는, 도 2 내지 도 7의 각각의 ORC T-s 선도 상에 ‘1’번으로 표시하였다. 또한, 도 1에서 폐열 회수 장치용 냉매가 ‘2’로 표시한 지점(제1압축기(11)와 제1재생열교환기(19) 사이의 지점)에 위치할 때의 폐열 회수 장치용 냉매의 온도는, 도 2 내지 도 7의 ORC T-s 선도 상에 ‘2’으로 표시하였다. 이와 유사한 방식으로, 도 1에서 폐열 회수 장치용 냉매가 ‘3’, ‘4’, ‘5’, ‘6’, ‘7’, ‘8’, 및 ‘9’로 표시한 지점에 각각 위치할 때의 온도는, 도 2 내지 도 7의 ORC T-s 선도 상에 각각 ‘3’, ‘4’, ‘5’, ‘6’, ‘7’, ‘8’, 및 ‘9’으로 표시하였다. 1 and 2, the waste heat recovery when the refrigerant for the waste heat recovery apparatus in FIG. 1 is located at a point indicated by "1" (a point between the
또한, 본원 명세서에서, 도 1을 참조하여 냉매(1)이라고 언급할 때 도 1에서 도면 번호 ‘1’로 표시한 지점에 위치할 때의 냉매를 의미하고, 냉매(2)라고 언급할 때는 도 1에서 도면 번호 ‘2’로서 표시한 지점에 위치할 때의 냉매를 의미하며, 이와 유사한 방식으로 냉매(3), 냉매(4), 냉매(5), 냉매(6), 냉매(7), 냉매(8), 냉매(9)로서 각각 언급할 때는 도 1에서 각각 도면번호 ‘3’, ‘4’, ‘5’, ‘6’, ‘7’, ‘8’, 및 ‘9’로 표시한 지점에 각각 위치할 때의 냉매를 의미한다. 1, a refrigerant (1) refers to a refrigerant at a point indicated by
도 1을 참조하면, 제1 폐열 회수 장치는 제1압축기(11), 제1열교환기(13), 제2열교환기(15), 제3열교환기(17), 제1재생열교환기(19), 제2재생열교환기(21), 제1팽창기(23), 및 제1응축기(25)를 포함할 수 있다. 한편, 본 제1 폐열 회수 장치의 설명의 목적을 위해서 도 1에 엔진(27)을 추가적으로 도시하였다. 1, the first waste heat recovering apparatus includes a
엔진(27) 동작 시에는, 엔진(27)으로부터 고온의 배기 가스가 배출된다. 또한, 엔진(27)의 동작 시에 발생되는 열을 줄이거나 없애기 위해서 저온의 냉각수가 엔진(27)으로 유입되었다가 엔진(27)으로부터 발생되는 열을 흡수하여 고온의 냉각수로서 유출된다.In operation of the
본 제1 폐열 회수 장치에서, 냉매가 제1압축기(11), 제1재생열교환기(19), 제1열교환기(13), 제2열교환기(15), 제2재생열교환기(21), 제3열교환기(17), 및 제1팽창기(23)를 순차적으로 통과하고, 제1팽창기(23)로부터 유출되는 냉매는 다시 제1압축기(11)로 유입되어 순환된다. The first
폐열 회수 장치용 냉매가 제1 폐열 회수 장치 내에서 순환되면서, 엔진(27)으로부터 배출되는 배기 가스에 포함된 열과 엔진(27)으로 유출되는 냉각수에 포함된 열을 회수하며, 더불어 폐열 회수 장치용 냉매간에도 열교환이 이루어짐으로써 열 회수 효율이 최대화 된다. The refrigerant for the waste heat recovery apparatus is circulated in the first waste heat recovering apparatus to recover the heat contained in the exhaust gas discharged from the
본원 명세서에서, 본 발명의 설명의 목적을 위해 엔진(27)으로 유입되었다가 유출되는 냉각수를 “엔진 냉각수” 또는 “냉각수”라고 부르고, 제1 폐열 회수 장치에서 순환되는 냉매를 “폐열 회수 장치용 냉매” 또는 단순히 “냉매”라고 부르기로 한다. In the present specification, the cooling water flowing into the
한편, 본 발명의 설명의 목적을 위해, 폐열 회수 장치용 냉매는 어떤 지점에 위치하느냐에 따라서 “제1냉매” 또는 “제2냉매”로 불리울 수 있다. 예를 들면, 본원 명세서에는, 폐열 회수 장치용 냉매는 도 1에서 1, 2, 3, 4, 5, 또는 6으로 표기된 지점에 위치할 때는 “제1냉매”라고 부르고, 도 1에서 7, 8, 또는 9으로 표기된 지점에 위치할 때는 “제2냉매”라고 부른다. On the other hand, for the purpose of the description of the present invention, the refrigerant for the waste heat recovery apparatus may be referred to as " first refrigerant " or " second refrigerant " For example, in the present specification, a refrigerant for a waste heat recovery apparatus is referred to as a " first refrigerant " when it is located at a point indicated by 1, 2, 3, 4, 5, , Or when it is located at the point marked 9, it is called "second refrigerant".
제1압축기(11)는 제1응축기(15)로부터 유출되는 제1냉매(1)를 유입 받아 압축한후 제1재생열교환기(19) 측으로 배출한다. The first compressor (11) receives the first refrigerant (1) flowing out from the first condenser (15), compresses it, and discharges it to the first regeneration heat exchanger (19) side.
제1재생열교환기(19)에는, 제1압축기(11)로부터 배출되는 제1냉매(2)와 제2재생열교환기(21)로부터 배출되는 제2냉매(8)가 유입된다. 여기서, 제1재생열교환기(19)는, 자신이 유입받은 제1냉매(2)와 제2냉매(8)간에 열교환이 이루어지도록 구성된다.The
제2재생열교환기(21)로부터 배출되는 제2냉매(8)는 잔열을 포함한다.The second refrigerant (8) discharged from the second regenerative heat exchanger (21) contains residual heat.
도 2를 참조하면, 제2재생열교환기(21)로부터 배출된 제2냉매(8)의 온도는 ORC T-s 선도에서 ‘8’으로 표시한 위치이고, 제1재생열교환기(19)로 유입되기 전의 제1냉매(2)의 온도는 ORC T-s 선도에서 ‘2’으로 표시한 위치이므로, 제1재생열교환기(19)에 유입된 제1냉매와 제2냉매간에는 열교환이 이루어지며, 제1냉매보다 높은 온도를 가지는 제2냉매의 잔열이 제1냉매로 이동된다. Referring to FIG. 2, the temperature of the
도 2를 참조하면, 제1재생열교환기(19)에서 제1냉매는 제2냉매로부터 열량(QR1)을 공급받는다. 이로써, 제1재생열교환기(19)로부터 배출되는 제1냉매(3)의 온도는 제1재생열교환기(19)로 유입되기 전의 제1냉매(2)의 온도보다 높아지고, 제1재생열교환기(19)으로부터 배출되는 제2냉매(9)의 온도는 제1재생열교환기(19)로 유입되기 전의 제2냉매(8)의 온도보다 낮아지게 된다.Referring to FIG. 2, in the first
제1열교환기(13)는 엔진(27)으로 배출되는 고온의 엔진 냉각수와 제1재생열교환기(19)로부터 배출되는 예열된 제1냉매(3)를 유입받는다. 제1열교환기(13)에서는, 고온의 엔진 냉각수와 예열된 제1냉매간에 열교환이 이루어진다. The
도 2를 참조하면, 제1재생열교환기(19)로부터 배출된 제1냉매(3)의 온도는 ORC T-s 선도에서 ‘3’으로 표시한 위치이므로, 제1열교환기(13)에서는 제1냉매(3) 보다 높은 온도를 가지는 엔진용 냉각수의 열이 제1냉매로 이동된다. 2, since the temperature of the
도 2를 참조하면, 제1열교환기(13)에서 제1냉매는 엔진용 냉각수로부터 열량(QH1)을 공급받는다. 이로써, 제1열교환기(13)로부터 배출되는 엔진 냉각수의 온도는 제1열교환기(13)로 주입되는 엔진 냉각수의 온도보다 낮아지고, 제1열교환기(13)에서 배출되는 제1냉매(4)의 온도는 제1열교환기(13)로 유입되기 전의 제1냉매(3)의 온도보다 높아진다.Referring to FIG. 2, in the
엔진 냉각수와의 열교환에 사용되는 제1냉매의 최적 유량은 엔진 냉각수의 회수 열량(QH1), 제1압축기(11)로부터 배출된 제1냉매(2)와 제1열교환기(13)로부터 배출된 제1냉매(4) 사이의 엔탈피 증가량(h4-h2) 및 제1재생열교환기(19)에 의해 회수된 열량(QR1)에 의해 결정될 수 있다. 이에 대하여는 도 2 및 [수학식 1]을 참조하여 후술하기로 한다.The optimum flow rate of the first refrigerant used for the heat exchange with the engine cooling water is determined by the heat recovery amount Q H1 of the engine cooling water, the
제1열교환기(13)에서 배출되는 엔진 냉각수는 엔진(27)으로 재공급되고, 제1열교환기(13)에서 배출된 제1냉매(4)는 제2열교환기(15) 및 제2재생열교환기(21)로 유입된다. 여기서, 제2열교환기(15)는 유입받은 제1냉매와 배기가스와의 열교환이 이루어지도록 구성되고, 제2재생열교환기(21)는, 유입받은 제1냉매와 제2냉매간에 열교환이 이루어지도록 구성된다.The engine cooling water discharged from the
제2열교환기(15)에서는, 제1열교환기(13)로부터 배출된 제1냉매(4)와 제3열교환기(17)로부터 배출되는 배기가스간에 열교환이 된다. In the second heat exchanger (15), heat exchange occurs between the exhaust gas discharged from the first refrigerant (4) discharged from the first heat exchanger (13) and the third heat exchanger (17).
도 2를 참조하면, 제1열교환기(13)로부터 배출된 제1냉매(4)의 온도는 ORC T-s 선도에서 ‘4’으로 표시한 위치이므로, 제2열교환기(15)에서는 제1냉매(4) 보다 높은 온도를 가지는 배기가스의 열이 제1냉매로 이동된다. 2, since the temperature of the
도 2를 참조하면, 제2열교환기(15)에서 제1냉매는 배기가스로부터 열량(QH2)을 공급받으며, 이로써, 제1냉매(5)의 온도는 제1냉매(4)의 온도보다 더 높아지고, 반면에 배기가스의 온도는 제2열교환기(15)로 유입되기 이전보다 더 낮아진다. 제2열교환기(15)에서의 열교환에 의해 온도가 낮아진 배기가스는 엔진(27)에서 배출되거나, 재공급가능한 상태로 재처리된 후 엔진(27)으로 재공급될 수 있다. 이에 대해서는 도 8을 참조하여 후술하기로 한다. Referring to FIG. 2, in the
제3열교환기(17)에서는, 제2열교환기(15) 또는 제2재생열교환기(21)로부터 배출된 제1냉매(5)와 엔진(27)으로부터 배출된 배기가스간에 열교환이 이루어진다. 여기서, 제3열교환기(17)는 제1냉매와 배기가스간에 열교환이 이루어지도록 구성된다.The
도 2를 참조하면, 제1냉매(5)의 온도는 ORC T-s 선도에서 ‘5’으로 표시한 위치이므로, 제3열교환기(17)에서는 배기가스의 열이 제1냉매로 이동된다. Referring to FIG. 2, since the temperature of the
도 2를 참조하면, 제3열교환기(17)에서 제1냉매(5)는 배기가스로부터 열량(QH3)을 공급받는다. 이로써, 제3열교환기(17)에서 배출된 제1냉매(6)의 온도는 제1냉매(5)의 온도보다 더 높아지고, 반면에 제3열교환기(17)로부터 배출된 배기가스의 온도는 제3열교환기(17)로 주입되기 이전보다 더 낮아진다.Referring to FIG. 2, in the
배기가스와의 열교환에 사용되는 제2냉매의 유량은 배기가스의 회수 열량(QH3), 제1열교환기(13)로부터 배출된 제1냉매(4)와 제3열교환기(17)로부터 배출된 제1냉매(6) 사이의 엔탈피 증가량(h6-h4) 및 제2재생열교환기(21)에 의해 회수된 열량(QR2)에 의해 결정될 수 있다. 이에 대해서는 도 2 및 [수학식 2]를 참조하여 후술하기로 한다.The flow rate of the second refrigerant used for the heat exchange with the exhaust gas is determined by the heat recovery amount QH3 of exhaust gas, the
제3열교환기(17)에서 온도가 낮아진 배기가스는 제2열교환기(15)로 유입되고, 온도가 높아진 제1냉매(6)는 제1팽창기(E: Expander)(23)로 유입된다. The exhaust gas whose temperature is lowered in the
제3열교환기(17)에 의해 온도가 높아진 제1냉매(6)는 제1팽창기(23)에서 WE만큼의 일을 수행한 후, 제2재생열교환기(21)로 유입된다.The
제2재생열교환기(21)에서는, 제1열교환기(13)로부터 배출된 제1냉매(4)와 제2냉매(7)간에 열교환이 이루어진다. 도 2를 참조하면, 제2재생열교환기(21)로는 제1냉매(4)와 제2냉매(7)가 유입되며, 제2재생열교환기(21)에서 제1냉매(4)는 제2냉매(7)로부터 열량(QR2)을 공급받는다. In the second regenerative heat exchanger (21), heat exchange is performed between the first refrigerant (4) discharged from the first heat exchanger (13) and the second refrigerant (7). 2, the
제2재생열교환기(21)에서 온도가 낮아진 제2냉매(8)는 제1재생열교환기(19)로 유입된다. The second refrigerant (8) whose temperature is lowered in the second regenerative heat exchanger (21) flows into the first regenerative heat exchanger (19).
도 2를 참조하면 알 수 있듯이, 제2냉매(8)의 온도는 여전히 제1냉매(2) 보다는 높으며, 따라서 제2재생열교환기(21)에서 제2냉매(8)의 열을 제1냉매(2)로 이동하게 된다. 제1냉매는 제2재생열교환기(21)에서 어느 정도 예열된 후 전술한 제3열교환기(17)로 유입되게 된다. 2, the temperature of the
제2냉매(8)는 제2재생열교환기(21)를 통과하여 온도가 떨어진 후에 제1응축기(25)로 유입되므로, 제1응축기(25)에서 제2냉매(9)를 냉각시키는데 필요한 에너지의 사용을 감소시킬 수 있다.The
제1응축기(25)는 제1재생열교환기(19)에서 온도가 낮아진 제2냉매(9)를 응축시켜 제2냉매(9)의 온도를 더 낮춘다. 응축에 의해 온도가 낮아진 제1냉매(1)는 제1압축기(11)로 공급된다. 제1응축기(25)로 유입되는 제2냉매(8)는 제2재생열교환기(21) 및 제1재생열교환기(19)에 의해 온도가 낮아진 상태이며, 특히 제1재생열교환기(19)에 의해 잔열의 일부가 사용된 상태이다. 따라서, 제1응축기(25)는 제1재생열교환기(19)가 구비되기 이전보다 더 적은 냉각용량으로 제2냉매(9)를 응축시킬 수 있다.The
제1응축기(25)에서 응축된 제1냉매(1)는 상술한 제1압축기(11)에서 압축된 후 다시 제1재생열교환기(19), 제1열교환기(13), 제2재생열교환기(21), 제2열교환기(15), 제3열교환기(17), 제1팽창기(23), 제2재생열교환기(21), 및 제1재생열교환기(19)로 순환되게 된다.The
도 1을 참조하여 설명한 제1 폐열 회수 장치에 따르면, 저온의 제1재생열교환기(19)와 고온의 제2재생열교환기(21)를 구비함으로써, 엔진 냉각수의 열을 활용할 수 있다. 즉, 제1팽창기(23)에서 냉매가 팽창된 후의 냉매의 여열과 엔진 냉각수의 열을 최대 100% 활용할 수 있어, 동일한 폐열원으로부터 열 회수를 최대화시킬 수 있다. According to the first waste heat recovering apparatus described with reference to Fig. 1, the heat of the engine cooling water can be utilized by providing the low-temperature first
구체적으로, 저온의 제1재생열교환기(19)에 의해 예열된 액체 상태의 제1냉매(3)는 제1열교환기(13)에서 엔진 냉각수의 고열에 의해 증발하며, 다시 고온의 제2재생열교환기(21)에 의해 과열(superheat)되고, 엔진(27)의 배기가스의 열에 의해 제2열교환기(15) 및 제3열교환기(17)에서 최고 온도까지 과열되어 제1팽창기(23)로 공급된다. Specifically, the first refrigerant (3) in the liquid state preheated by the low-temperature first regenerative heat exchanger (19) is evaporated by the high temperature of the engine coolant in the first heat exchanger (13) Is superheated by the
본 실시예에 따르면, 제1열교환기(13)에 의한 액체 상태의 냉매의 증발온도는 엔진 냉각수보다 약간 낮도록 하고 제1재생열교환기(19)와 제2재생열교환기(21) 사이에 배치되며, 이로써 제1재생열교환기(19)에 의해 액체상태의 제1냉매(2)가 예열된 후에 제1열교환기(13)에 유입되더라도, 제1열교환기(13)에 유입된 제1냉매는 엔진 냉각수에 포함된 열을 증발열로서 100% 활용할 수 있다.According to the present embodiment, the evaporation temperature of the refrigerant in the liquid state by the
이러한 활용에 의해, 제1 폐열 회수 장치는 제1냉매(2)가 증발하는 과정에서 열원과 작동 유체의 온도차이를 작게 할 수 있으므로, 기존의 엔진 배기가스에 포함된 열에 의한 증발과정에서 온도차에 의해 발생하는 비가역 손실을 감소시킬 수 있는 장점을 제공한다. In this way, the first waste heat recovering device can reduce the temperature difference between the heat source and the working fluid during the evaporation of the first refrigerant (2). Therefore, the temperature difference in the process of evaporation due to heat contained in the existing engine exhaust gas Lt; RTI ID = 0.0 > irreversible < / RTI >
또한, 엔진(27)의 조건에 따라 고온의 배기가스 열과 저온의 엔진 냉각수 열의 비가 달라 질 수 있는데, 이러한 경우라도 본 제1 폐열 회수 장치는 배기가스 열과 엔진 냉각수 열을 모두 최대 100% 활용할 수 있으므로 동일한 폐열원으로부터 열 회수를 최대화 시킬 수 있다. Also, the ratio of the high-temperature exhaust gas heat and the low-temperature engine coolant water ratio may be different depending on the conditions of the
한편, 도 3에 도시된 ORC T-s 선도는 냉매 유량이 열 회수가 최대화되는 최적 유량인 경우를 나타낸 선도로서, 이하에서는 최적 냉매 유량을 산출하는 과정에 대해 설명한다. Meanwhile, the ORC T-s diagram shown in FIG. 3 is a graph showing a case where the refrigerant flow rate is the optimum flow rate at which the heat recovery is maximized. Hereinafter, the process of calculating the optimum refrigerant flow rate will be described.
도 3에 도시된 바와 같은 선도를 구성하기 위한 제어 특성은 아래와 같으며, 아래 제어 특성에 의해 사이클의 최대 효율을 얻을 수 있는 PH, PL 및 Tmax가 결정된다. The control characteristics for constructing the line as shown in FIG. 3 are as follows. P H , P L, and T max, from which the maximum efficiency of the cycle can be obtained, are determined by the following control characteristics.
첫째, 냉매의 고압(PH) 조건은 압력이 높을수록 사이클 효율이 향상되지만 본 발명의 실시예에서는 냉매의 끓는 점으로 고압 조건이 결정되며, 엔진 냉각수의 온도보다는 냉매의 온도가 낮도록 설정된다.First, the high pressure (P H ) condition of the refrigerant improves the cycle efficiency as the pressure increases, but in the embodiment of the present invention, the high pressure condition is determined by the boiling point of the refrigerant, and the temperature of the refrigerant is set to be lower than the temperature of the engine cooling water .
둘째, 제1팽창기(23) 전단의 냉매의 최고 가열온도(Tmax)는 높을수록 사이클 효율이 향상되지만, 냉매의 최고 가열온도(Tmax)는 냉매의 열적 안정성을 고려하여 최고 사용온도에 의해 제한된다.Second, the higher the maximum heating temperature Tmax of the refrigerant at the upstream side of the
셋째, 냉매의 저압(PL) 조건은 압력이 낮을수록 사이클 효율이 향상되지만 본 발명의 실시예에서는 냉매의 응축온도로 저압 조건이 결정되며, 주어진 응축 환경에 따라 정해진다.Third, the low pressure (P L ) condition of the refrigerant improves the cycle efficiency as the pressure is lower, but in the embodiment of the present invention, the low pressure condition is determined by the condensation temperature of the refrigerant, and is determined according to the given condensation environment.
위 세 가지 조건을 고려하여, 주어진 엔진 조건에서 엔진 냉각수의 열과 배기가스의 열을 동시에 최대 100% 활용하기 위해서는 예를 들면 아래와 같은 관계식에 의해 최적 냉매 유량이 결정될 수 있다.Considering the above three conditions, in order to utilize the heat of the engine cooling water and the heat of the exhaust gas at the same time at maximum 100% under a given engine condition, for example, the optimum refrigerant flow rate can be determined by the following relation.
[수학식 1]에서, QH1은 제1열교환기(13)에서 회수되는 엔진 냉각수의 회수 열량, mdot는 열교환에 사용되는 최적 냉매 유량 중 엔진 냉각수와의 열교환에 사용되는 제1냉매의 최적 유량, h2는 제1압축기(11)로부터 배출된 제1냉매(2)의 엔탈피, h4는 제1열교환기(13)로부터 배출된 제1냉매(4)의 엔탈피, (h4-h2)는 제1냉매(2)와 제1냉매(4) 사이의 엔탈피 증가량, QR1은 제1재생열교환기(19)에 의해 제2냉매(8)로부터 회수된 열량이다. In Equation (1), Q H1 is the heat recovery amount of the engine cooling water recovered in the first heat exchanger (13), and m dot is the optimum amount of the first refrigerant used for heat exchange with the engine cooling water H2 is the enthalpy of the
[수학식 2]에서, QH3은 제3열교환기(17)에서 회수되는 배기가스의 회수 열량, mdot는 열교환에 사용되는 최적 냉매 유량 중 배기가스와의 열교환에 사용되는 제1냉매의 최적 유량, h4는 제1열교환기(13)로부터 배출된 제1냉매(4)의 엔탈피, h6는 제3열교환기(17)로부터 배출된 제1냉매(6)의 엔탈피, (h6-h4)는 제1냉매(6)와 제1냉매(4) 사이의 엔탈피 증가량, QR2는 제2재생열교환기(21)에 의해 제2냉매(7)로부터 회수된 열량이다.In Equation (2), Q H3 is the heat recovery amount of the exhaust gas recovered in the
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 폐열 회수 장치는 [수학식 1]과 [수학식 2]의 관계식에 의해 최적 냉매 유량(mdot)을 결정하며, 결정된 mdot는 도 2의 T-s 선도상에서 4 지점으로 결정된다. 도 2에 도시된 그래프는 사용된 냉매 유량이 최적 유량으로 설정된 경우의 선도를 보여준다. A first waste heat recovery apparatus according to an embodiment of the present invention,
또한, 이와 동시에 제1팽창기(23)의 회전속도도 제1팽창기(23) 전단의 냉매 조건(PH와 Tmax)과 냉매유량(mdot)에 최적화되어 제어 및 결정될 수 있다. At the same time, the rotational speed of the
도 4은 냉매 유량이 최적 유량보다 적은 경우, 제1 폐열 회수 장치에서 엔진 폐열 회수와 관련된 ORC T-s 선도를 보여주는 그래프이다.4 is a graph showing an ORC T-s diagram related to the recovery of engine waste heat in the first waste heat recovery apparatus when the refrigerant flow rate is less than the optimum flow rate.
도 4에서 ‘OPT’는 최적의 냉매 유량을 의미한다. In FIG. 4, 'OPT' means the optimum refrigerant flow rate.
도 4를 참조하면, 제1냉매(2)의 유량이 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 의해 구해진 최적 유량보다 적게 되면, 엔진 냉각수에 의해 가열될 ‘4’ 지점, 즉, 제1냉매(4)의 위치는 도 2에 대비하여 우측으로 이동하게 된다. 이는, 냉매의 유량이 적어지더라도 제1재생열교환기(19)를 통해 가열되는 ‘3’ 지점은 동일하지만, 냉매의 유량이 적어지게 되면 동일한 엔진 냉각수열에 의해 가열되는 ‘4’ 지점이 우측으로 이동하게 되기 때문이다. Referring to FIG. 4, when the flow rate of the
따라서, [수학식 2]에서 냉매유량(mdot)이 감소하고, (h6-h4), 즉, ‘4’지점에서 ‘6’지점까지의 엔탈피 증가량이 감소하므로, 엔진 배기열의 회수 열량(QH3)이 감소하여 버려지며, 이에 따른 ORC 출력도 감소하게 된다.Accordingly, the refrigerant flow rate (m dot ) decreases in (2) and the amount of increase in enthalpy from the point '4' to the point '6' decreases, H3 ) is decreased and the ORC output is also reduced accordingly.
도 5는 냉매 유량이 최적 유량보다 많은 경우, 제1 폐열 회수 장치에서 엔진 폐열 회수와 관련된 ORC T-s 선도를 보여주는 그래프이다.5 is a graph showing an ORC T-s diagram related to the recovery of engine waste heat in the first waste heat recovery apparatus when the refrigerant flow rate is greater than the optimum flow rate.
도 5에서 ‘OPT’는 최적의 냉매 유량을 의미한다. In FIG. 5, 'OPT' means the optimum refrigerant flow rate.
도 5를 참조하면, 제1냉매(2)의 유량이 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 의해 구해진 최적 유량보다 많게 되면, 반대로 엔진 냉각수에 의해 가열될 ‘4’지점, 즉, 제1냉매(4)의 위치는 도 2에 대비하여 좌측으로 이동하게 된다. 따라서, [수학식 2]에서 엔진 배기가스 열의 회수 열량(QH3)은 최대로 할 수 있으나, 냉매유량(mdot)이 증가함에 따라 (h6-h4)는 감소하므로, ‘6’지점의 온도(즉, 제1팽창기(23) 이전의 최고 온도)가 도 3의 Tmax보다 감소하게 된다. 이러한 온도 감소는 사이클 효율이 감소하도록 하며 따라서 동일한 입력 열량에 대한 ORC 출력이 감소하게 된다.Referring to FIG. 5, when the flow rate of the
도 6 내지 도 8은 엔진 냉각수의 열과 배기가스의 열의 비율에 따라 냉매의 최적유량이 달라지는 경우를 설명하기 위한 그래프이다.6 to 8 are graphs for explaining a case where the optimum flow rate of the coolant varies according to the ratio of the heat of the engine coolant to the heat of the exhaust gas.
도 6는 엔진 냉각수의 열과 배기가스의 열이 동일한 경우 냉매의 최적유량을 보여주는 그래프이다.6 is a graph showing the optimum flow rate of the refrigerant when the heat of the engine coolant and the heat of the exhaust gas are the same.
도 6를 참조하면, 엔진(27)의 조건에 따라 열을 배출하는 엔진 냉각수의 열과 배기가스의 열의 비율이 달라진다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 폐열 회수 장치는 엔진 냉각수의 열(QH1)과 배기가스의 열(QH3)이 동일한 경우, ‘4’ 지점의 냉매 유량을 기준 유량(즉, 최적 냉매 유량)으로 정할 수 있다. Referring to FIG. 6, the ratio of the heat of the engine coolant and the heat of the exhaust gas, which discharge the heat, is changed according to the condition of the
도 7은 엔진 냉각수의 열이 배기가스의 열보다 큰 경우 냉매의 최적 유량을 보여주는 그래프이다.7 is a graph showing the optimum flow rate of the refrigerant when the heat of the engine coolant is larger than the heat of the exhaust gas.
도 7을 참조하면, 엔진 냉각수의 열(QH1)과 배기가스의 열(QH3)보다 커지게 되면, 엔진 냉각수에 의해 가열되는 ‘4’지점이 도 6의 기준 유량에 해당하는 ‘4’ 지점보다 우측으로 이동하게 된다. 따라서, 엔진 냉각수의 열에 의해 가열되는 ‘2’ 지점에서 ‘4’ 지점까지의 엔탈피 증가량이 도 6에 비해 커지고, 배기가스의 열에 의해 가열되는 ‘4’ 지점에서 ‘6’ 지점까지의 엔탈피 증가량은 작아지도록 냉매유량을 최적화하여, 엔진 냉각수의 열과 배기가스의 열을 모두 최대한 활용할 수 있도록 한다. Referring to FIG. 7, when the temperature QH1 of the engine cooling water and the temperature QH3 of the exhaust gas become larger than the reference temperature of the engine, the '4' point heated by the engine cooling water is higher than the '4' To the right. Therefore, the enthalpy increase amount from the '2' point to the '4' point heated by the heat of the engine cooling water is larger than that of FIG. 6, and the enthalpy increase amount from the '4' point to the '6' The refrigerant flow rate is optimized so that the heat of the engine cooling water and the heat of the exhaust gas can be utilized to the utmost.
제1 폐열 회수 장치는 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 참조하여 설명한 방법과 동일한 방법으로 최적 냉매 유량을 결정할 수 있다. 즉, 냉매유량이 최적 냉매 유량보다 작게 되면 엔진 배기가스의 회수 열량(QH3)이 감소하여 버려지며, 이에 따른 ORC 출력이 감소하게 된다. 반대로 냉매 유량이 최적 냉매 유량보다 크게 되면, ‘6’ 지점(즉, 제1팽창기(23) 이전의 최고 온도)이 도 6의 기준보다 아래로 이동하게 되어 사이클 효율이 감소하여 동일한 입력 열량에 대한 ORC 출력이 감소하게 된다. The first waste heat recovery apparatus can determine the optimum refrigerant flow rate in the same manner as described with reference to Equations (1) and (2). That is, if the refrigerant flow rate is smaller than the optimum refrigerant flow rate, the heat recovery amount Q H3 of the engine exhaust gas is reduced and the ORC output is reduced accordingly. Conversely, when the refrigerant flow rate is greater than the optimum refrigerant flow rate, the point '6' (i.e., the maximum temperature before the first inflator 23) moves below the reference in FIG. 6, The ORC output is reduced.
도 8은 엔진 냉각수의 열이 배기가스의 열보다 작은 경우 냉매의 최적 유량을 보여주는 그래프이다.8 is a graph showing the optimum flow rate of the refrigerant when the heat of engine cooling water is smaller than the heat of the exhaust gas.
도 8을 참조하면, 엔진 냉각수의 열(QH1)이 배기가스의 열(QH3)보다 작아지게 되면, 엔진 냉각수에 의해 가열되는 ‘4’ 지점이 도 5의 기준 유량에 해당하는 ‘4’ 지점보다 좌측으로 이동하게 된다. 따라서, 엔진 냉각수의 열에 의해 가열되는 ‘2’ 지점에서 ‘4’ 지점까지의 엔탈피 증가량이 도 6에 비해 감소하고, 배기가스의 열에 의해 가열되는 ‘4’ 지점에서 ‘6’ 지점까지의 엔탈피 증가량은 증가하도록 냉매유량을 최적화하여, 엔진 냉각수의 열과 배기가스의 열을 모두 최대한 활용할 수 있도록 한다.8, when the heat (Q H1 ) of engine cooling water becomes smaller than the heat (Q H3 ) of the exhaust gas, the '4' point heated by the engine cooling water becomes '4' To the left of the point. Therefore, the enthalpy increase amount from the '2' point to the '4' point heated by the heat of the engine coolant water is reduced as compared with the increase amount of the enthalpy from the '4' point to the '6' So that the heat of the engine cooling water and the heat of the exhaust gas can be utilized to the utmost.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 폐열 회수 장치를 도시한 도면이다.9 is a view showing a second waste heat recovering apparatus according to another embodiment of the present invention.
도 9을 참조하면, 제2 폐열 회수 장치는 제1압축기(11), 제1열교환기(13), 제2열교환기(15), 제3열교환기(17), 제1재생열교환기(19), 제2재생열교환기(21), 제1팽창기(23), 제1응축기(25), 엔진(27), 배기가스 재순환장치(31), 제2팽창기(33) 및 제2압축기(35)를 포함한다. 도 1과 도 8에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 식별번호를 사용하였으므로, 도 1과 중복으로 표시된 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략한다.9, the second waste heat recovering apparatus includes a
도 9에 도시된 바와 같이, 제2 폐열 회수 장치는 제1 폐열 회수 장치보다 배기가스 재순환장치(31), 제2팽창기(33) 및 제2압축기(35)를 더 포함한다.As shown in Fig. 9, the second waste heat recovery apparatus further includes an exhaust
배기가스 재순환장치(31)는 제2열교환기(15)에 의해 온도가 낮아진 배기가스의 재순환 처리를 수행할 수 있다. 일반적으로 배기가스 재순환장치는 별도의 쿨링 처리를 거친 후 엔진(27) 측으로 공급되며 배기가스열은 버려지게 된다. 배기가스 재순환장치의 쿨링 처리에서 버려지는 이러한 폐열을 활용하기 위해 본 발명과 같이 엔진배기열 회수장치가 구비되어 있는 경우 배기가스 재순환장치의 쿨링 처리를 배기열 회수를 위한 제2열교환기(15)와 제3열교환기(18)이 담당하도록 결합하여 제1냉매와 열교환이 이루어진다. The exhaust
즉, 고온의 배기가스를 저온으로 냉각하기 위해 열용량이 큰 쿨링장치를 갖는 일반적인 배기가스 재순환장치와는 달리 본 발명과 같이 엔진배기열 회수장치가 구비되어 있는 경우 제2열교환기(15)와 제3열교환기(18)를 통과한 비교적 저온의 배기가스 일부를 배기 가스 재순환장치(31)에 의해 약간의 쿨링만으로 정해진 적정 온도로 엔진(27) 측으로 공급하게 된다. That is, unlike a general exhaust gas recirculation apparatus having a cooling apparatus having a large heat capacity for cooling a high temperature exhaust gas to a low temperature, when the engine exhaust heat recovery apparatus is provided as in the present invention, the
제2팽창기(33)에서는, 제2열교환기(15)에 의해 온도가 낮아진 배기가스가 일을 수행할 수 있다. 예를 들면 제2팽창기(33)가 터빈인 경우, 배기가스는 제2팽창기(33)를 통과하면서 제2팽창기(33)가 일을 하도록 한다. 예를 들어, 제2팽창기(33)는 제2열교환기(15)로부터 공급되는 배기가스에 의해 제2압축기(35)가 일을 하도록 한다. 이로써, 제2압축기(35)는 대기공기를 유입하여 압축시킬 수 있다. 일반적으로 제2압축기(35)에 의해 가압된 공기는 별도의 쿨링 처리를 거쳐 엔진으로 공급되게 되는데, 본 발명과 같이 엔진폐열 회수장치가 구비된 경우 제2압축기(35)에 의해 압축된 대기공기는 제1열교환기(13)와 제1재생열교환기(19)로 공급되어 제1냉매에 의해 냉각되어 엔진으로 공급되게 된다. 즉, 제1열교환기(13)와 제1재생열교환기(19)는 제2압축기(35)로부터 대기공기를 더 주입받고, 주입된 대기공기로부터 추가적으로 제1냉매로 열을 전달하여 제1팽창기(23)의 출력향상에 기여하게 된다. 제1열교환기(13)와 제1재생열교환기(19)에서 대기공기로부터 배출되어 열교환에 사용되는 열량은 QH6이다.In the second inflator (33), the exhaust gas whose temperature has been lowered by the second heat exchanger (15) can perform work. For example, if the
상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예들과 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예들에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And variations are possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the following claims.
11: 제1압축기 13: 제1열교환기
15: 제2열교환기 17: 제3열교환기
19: 제1재생열교환기 21: 제2재생열교환기
23: 제1팽창기 25: 제1응축기
27: 엔진 31: 배기가스 재순환장치
33: 제2팽창기 35: 제2압축기11: first compressor 13: first heat exchanger
15: second heat exchanger 17: third heat exchanger
19: first regenerative heat exchanger 21: second regenerative heat exchanger
23: first expander 25: first condenser
27: engine 31: exhaust gas recirculation device
33: second expander 35: second compressor
Claims (10)
상기 압축기로부터 유출되는 냉매(이하, ‘제1냉매’라고 함)와, 상기 응축기로 유입되기 전의 냉매(이하, ‘제2냉매’라고 함)를 유입받아 서로 열교환시킨 후 배출하는 제1재생열교환기; 및
상기 제1재생열교환기로 유입되기 전의 제2냉매와 상기 제1재생열교환기로부터 배출되는 제1냉매를 유입받아 서로 열교환시킨 후 배출하는 제2재생열교환기;를 포함하는 엔진 폐열 회수 장치.And a condenser for condensing the refrigerant discharged from the compressor and supplying the refrigerant to the compressor, wherein the compressor, the compressor, the condenser, the evaporator, An engine waste heat recovery apparatus for recovering exhaust gas discharged from an engine and heat contained in cooling water by using an expander and a refrigerant circulating through the condenser,
(Hereinafter, referred to as "first refrigerant") flowing into the condenser and a refrigerant (hereinafter referred to as "second refrigerant") before flowing into the condenser, heat-exchanges the refrigerant with each other, group; And
And a second regenerative heat exchanger for receiving the second refrigerant before being introduced into the first regenerative heat exchanger and the first refrigerant discharged from the first regenerative heat exchanger, exchanging heat with each other, and discharging the second refrigerant.
상기 제1재생열교환기로부터 배출되는 제1냉매와 상기 엔진으로부터 배출되는 냉각수를 유입받아 서로 열교환시킨 후 배출하는 제1열교환기;를 더 포함하며,
상기 제2재생열교환기가 유입받은 상기 제1냉매는, 상기 제1열교환기로부터 배출된 제1냉매인 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수 장치.The method according to claim 1,
And a first heat exchanger for receiving the first refrigerant discharged from the first regenerative heat exchanger and the cooling water discharged from the engine, exchanging heat with each other, and discharging the refrigerant,
And the first refrigerant flowing into the second regenerative heat exchanger is the first refrigerant discharged from the first heat exchanger.
상기 제1열교환기로부터 배출되는 제1냉매와 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 유입받아, 서로 열교환시킨 후 배출하는 제2열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수 장치.The method of claim 3,
And a second heat exchanger for receiving the first refrigerant discharged from the first heat exchanger and the exhaust gas discharged from the engine, exchanging heat with each other, and discharging the discharged refrigerant.
상기 제2열교환기로부터 배출되는 제1냉매와 상기 제2열교환기로 유입되기 전의 배기가스를 유입받아, 서로 열교환시킨 후 배출하는 제3열교환기;를 더 포함하며,
상기 제2열교환기가 유입받은 상기 배기가스는, 상기 제3열교환기로부터 배출된 배기가스인 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수 장치.5. The method of claim 4,
And a third heat exchanger for receiving the first refrigerant discharged from the second heat exchanger and the exhaust gas before being introduced into the second heat exchanger, exchanging heat with each other, and discharging the discharged refrigerant,
And the exhaust gas into which the second heat exchanger is introduced is exhaust gas discharged from the third heat exchanger.
상기 제2열교환기로부터 배출되는 배기가스의 일부를 유입받아 상기 엔진이 재사용할 수 있도록 처리하여 상기 엔진 측으로 제공하는 배기가스 재순환장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수 장치.5. The method of claim 4,
Further comprising: an exhaust gas recirculation device that receives a part of the exhaust gas discharged from the second heat exchanger, processes the exhaust gas so that the engine can be reused, and provides the engine to the engine side.
상기 제2열교환기로부터 배출되는 제1냉매와 상기 엔진으로부터 배출되어 제2열교환기로 유입되기 전의 배기가스를 유입받아, 서로 열교환시킨 후 배출하는 제3열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수 장치.5. The method of claim 4,
And a third heat exchanger for receiving the first refrigerant discharged from the second heat exchanger and the exhaust gas discharged from the engine before being introduced into the second heat exchanger, exchanging heat with each other, and discharging the discharged refrigerant. Waste heat recovery device.
상기 제1열교환기는, 터보 차저로부터 대기 공기를 더 유입받아, 상기 대기 공기와 상기 제1재생열교환기로부터 배출되는 제1냉매를 서로 열교환시키는 후 배출하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수 장치.5. The method of claim 4,
Wherein the first heat exchanger further introduces atmospheric air from the turbocharger and exchanges heat between the atmospheric air and the first refrigerant discharged from the first regenerative heat exchanger.
상기 제2열교환기로부터 배출되는 배기가스를 유입받아 상기 터보 차저에게 일을 시키는 제2 팽창기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수 장치.9. The method of claim 8,
And a second inflator for allowing the exhaust gas discharged from the second heat exchanger to flow into the turbocharger.
상기 제1재생열교환기는, 상기 제2열교환기로부터 배출되는 대기 공기를 유입받아 상기 압축기로부터 유출되는 냉매와 열교환시키는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수 장치.9. The method of claim 8,
Wherein the first regenerative heat exchanger exchanges heat with the refrigerant flowing in from the compressor through the atmospheric air discharged from the second heat exchanger.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020130040324A KR101477741B1 (en) | 2013-04-12 | 2013-04-12 | Exhaust heat recovery device from engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020130040324A KR101477741B1 (en) | 2013-04-12 | 2013-04-12 | Exhaust heat recovery device from engine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20140123256A KR20140123256A (en) | 2014-10-22 |
KR101477741B1 true KR101477741B1 (en) | 2014-12-30 |
Family
ID=51994014
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020130040324A KR101477741B1 (en) | 2013-04-12 | 2013-04-12 | Exhaust heat recovery device from engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101477741B1 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101999811B1 (en) * | 2017-03-07 | 2019-07-12 | 한국기계연구원 | Supercritical Rankine cycle-based heat engine and method for operating the same heat engine |
KR102013829B1 (en) * | 2017-09-06 | 2019-08-23 | 한국기계연구원 | Steam cycle-based heat engine for waste heat recovery and method for operating the same heat engine |
CN110821584A (en) * | 2018-08-13 | 2020-02-21 | 电力规划总院有限公司 | Supercritical carbon dioxide Rankine cycle system and combined cycle system |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011085025A (en) * | 2009-10-13 | 2011-04-28 | Toyota Industries Corp | Waste heat regeneration system |
JP2011231703A (en) * | 2010-04-28 | 2011-11-17 | Mitsubishi Electric Corp | Engine exhaust heat regeneration system |
-
2013
- 2013-04-12 KR KR1020130040324A patent/KR101477741B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011085025A (en) * | 2009-10-13 | 2011-04-28 | Toyota Industries Corp | Waste heat regeneration system |
JP2011231703A (en) * | 2010-04-28 | 2011-11-17 | Mitsubishi Electric Corp | Engine exhaust heat regeneration system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20140123256A (en) | 2014-10-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9359919B1 (en) | Recuperated Rankine boost cycle | |
EP2447483B1 (en) | Rankine cycle integrated with absorption chiller | |
DE102006043139B4 (en) | Apparatus for obtaining mechanical or electrical energy from the waste heat of an internal combustion engine of a motor vehicle | |
CN103154488B (en) | Apparatus for utilizing waste heat from internal combustion engine | |
CN101408115B (en) | Thermodynamic cycle system suitable for waste heat recovery of engine for automobile | |
EP2607635A2 (en) | Cascaded Organic Rankine Cycle System | |
CN105003351A (en) | Multi-energy-form output energy tower for stepwise recycling gas engine waste heat energy | |
CA2758654A1 (en) | Rankine cycle integrated with organic rankine cycle and absorption chiller cycle | |
EP3926257A1 (en) | Transducing method and system | |
WO2013046853A1 (en) | Waste heat regeneration system | |
CN109736963A (en) | A kind of afterheat utilizing system and method for engine of boat and ship | |
CN102410109A (en) | Method and device for recovering waste heat energy of engine | |
US8667797B2 (en) | Organic rankine cycle with flooded expansion and internal regeneration | |
JP2010048129A (en) | Waste heat using apparatus | |
KR101477741B1 (en) | Exhaust heat recovery device from engine | |
CN107387181A (en) | The Rankine Stirling combined cycle system utilized applied to mine car waste heat from tail gas | |
CN201810420U (en) | Engine waste heat energy reclaiming device | |
CN105143788B (en) | Combine vapor adsorption and mechanical compress cyclic design | |
JP2008127017A (en) | Combination of cooling circuit and rankine circuit for air-conditioning vehicle interior | |
JP2009133266A (en) | Waste heat utilization device for internal combustion engine | |
CN104995478A (en) | Series parallel waste heat recovery system | |
JP5452346B2 (en) | Engine exhaust heat regeneration system | |
WO2016129451A1 (en) | Heat exchanger, energy recovery device, and ship | |
Zhao et al. | Study on the performance of organic Rankine cycle-heat pump (ORC-HP) combined system powered by diesel engine exhaust | |
JP2019039371A (en) | Waste heat recovery apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170907 Year of fee payment: 4 |