KR101531159B1 - 저압 운전압력을 갖는 co2 지역 에너지 공급설비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CO2 지역 에너지 공급설비에 관한 것으로서, 수용가의 지역냉난방을 위한 열에너지 배관망을 흐르는 열에너지 공급매체로서 CO2를 사용하되 공급관을 흐르는 액상 CO2가 저압으로 운전될 수 있도록 공급관을 진공단열시켜 액상 CO2가 저온을 유지할 수 있도록 하고, 또한 기상 CO2를 압축하여 액상 CO2를 생산하기 이전에 수행되는 프리쿨링 과정에 신재생에너지 또는 열병합발전의 잉여전력을 활용할 수 있도록 함으로써 저온의 액상 CO2 생산시의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 저압 운전압력을 갖는 CO2 지역 에너지 공급설비에 관한 것이다.

Description

저압 운전압력을 갖는 CO2 지역 에너지 공급설비{CO2 based district energy system with low operating pressure}
본 발명은 CO2 지역 에너지 공급설비에 관한 것으로서, 수용가의 지역냉난방을 위한 열에너지 배관망을 흐르는 열에너지 공급매체로서 CO2를 사용하되 공급관을 흐르는 액상 CO2가 저압으로 운전될 수 있도록 공급관을 진공단열시켜 액상 CO2가 저온을 유지할 수 있도록 하고, 또한 기상 CO2를 압축하여 액상 CO2를 생산하기 이전에 수행되는 프리쿨링 과정에 신재생에너지 또는 열병합발전의 잉여전력을 활용할 수 있도록 함으로써 저온의 액상 CO2 생산시의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 저압 운전압력을 갖는 CO2 지역 에너지 공급설비에 관한 것이다.
전력 송·배전망과 온수(혹은 스팀) 배관망을 통해 특정 지역에 전력, 난방 및 냉방을 공급하는 지역 에너지 시스템에 있어서, 기존의 에너지 공급 기술은 전력은 전력 송·배전망을, 전력을 제외한 열(난방 및 냉방) 에너지는 배관망을 통해 공급하며, 이때 주로 사용되는 열 에너지 공급 매체로는 물이 대표적으로 사용되고 있다.
근래에 이르러서는 지역 에너지 시스템의 열 에너지 공급매체로서 물 이외의 다른 매체를 활용하는 것이 적극적으로 모색되고 있는데, 특히 이산화탄소(CO2)는 운전조건 변동에 따른 상변화가 용이하고 이때 발생되는 잠열을 이용한 열에너지 공급이 가능하기 때문에 이산화탄소를 작동매체로 하는 히트 펌프 등의 열공급 설비를 구성할 수 있을 뿐만 아니라 기존 열원에서 발생하는 이산화탄소를 회수하여 냉난방을 위한 매체로 활용함으로써 온실가스 저감에 기여할 수 있다는 점에서 주목받고 있다.
이와 같이, 이산화탄소를 열 에너지 공급 매체로 활용한 지역 에너지 시스템에 대한 종래기술로는 미국공개특허 제2010-0018668호(특허문헌 1)를 예로 들 수 있다.
상기 특허문헌 1의 CO2 기반 지역 에너지 시스템은 CO2 배관의 운전압력을 대략 50 bar 내외의 높은 고압을 유지하는 것인데, 액상 CO2 배관과 기상 CO2 배관 사이의 압력차는 거의 동일한 수준을 갖도록 하면서 15∼18℃의 일상적인 온도범위 안에서 수행되는 온도제어를 통해 CO2의 액체 및 기체 상태 사이의 상변화와 이때 발생하는 잠열을 이용한 지역 에너지 시스템을 제안하고 있다.
그러나, 종전의 열 에너지 공급 매체로 물을 사용하는 지역 에너지 시스템이 최대 25 bar 수준의 작동압력에서 운용되는 것에 비해 특허문헌 1의 CO2 기반 지역 에너지 시스템은 상당히 높은 작동압력을 요구하기 때문에 배관의 두께 증대, 보다 높은 정도(精度)의 펌프와 밸브 설비가 필요하게 되어 비용의 증대가 예상되고, 고압의 운전조건에 따른 사용자 측에서의 사고 발생 위험 증대, 소비자의 안전 지향 성향에 따른 수용성(受容性) 등에서 문제가 발생할 수 있으며, 고압의 운전조건 달성에 필요한 높은 압력 조건까지 CO2를 압축하는데 소요되는 다량의 에너지 소비 또한 문제가 된다.
또한, 특허문헌 1은 좁은 작동온도 범위(15∼18℃)에 특화된 제한적인 운전조건을 제안하고 있기 때문에 지역별, 기후별로 해당 작동온도에서 벗어나는 운전환경에서는 시스템의 적용성이 크게 제한받는다는 단점이 있다.
즉, 예를 들어 18℃ 이상의 온도조건을 갖는 지중온도 분포를 갖는 경우에는 배관과의 열교환을 통한 CO2 온도의 상승을 방지하기 위해 단열(폴리우레탄 폼) 두께를 훨씬 두껍게 해야 함에 따라 비용 상승으로 인한 적용성에 제한을 받을 수 있고, 혹은 18℃ 이내의 온도 분포를 갖은 지중 깊이까지 내려가 배관을 한다고 하더라도 경우에 따라서는 일반적인 깊이(5m 내외)보다 훨씬 깊은 수십 미터 깊이가 요구되는 지역도 있으므로 이 경우 역시 토공 비용 등의 증대로 인해 적용성에 제한을 받게 되는 것이다.
따라서, 기후에 따른 주변 온도조건에 크게 제한받지 않고 다양한 운전압력 및 해당 온도조건을 능동적으로 맞추어 운전할 수 있는 새로운 개념의 CO2 기반 지역 에너지 시스템의 개발이 요구된다.
미국공개특허 제2010-0018668호
본 발명은 종래 높은 압력 조건에서 운전되어야만 했던 CO2 기반 지역 에너지 시스템의 문제점을 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 신재생에너지 발전원 또는 열병합발전의 잉여전력를 효율적으로 사용함으로써 액상 CO2 생산에 소요되는 전체적인 에너지를 절감할 수 있는 새로운 개념의 CO2 지역 에너지 공급설비를 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.
본 발명은 수용가의 지역냉난방을 위한 열에너지 배관망을 흐르는 열에너지 공급매체로서 CO2를 사용하는 CO2 지역 에너지 공급설비에 관한 것으로서, 동심을 이루는 외피관과 내피관으로 이루어지고, 상기 외피관과 내피관 사이의 환형공간은 대기압보다 낮은 진공 상태를 유지하며, 상기 내피관 내부를 통해 상기 수용가로 공급되는 액상 CO2가 흐르는 공급관;과, 상기 수용가에서 열교환되어 기화된 기상 CO2가 회수되어 모이는 회수관;과, 상기 회수관으로부터 공급되는 기상 CO2를 냉각하여 온도를 낮추는 프리쿨러;와, 상기 프리쿨러에 의해 냉각된 기상 CO2를 압축하여 액상 CO2로 상변화시키는 주 압축기; 및 상기 주압축기에 의해 상변화된 액상 CO2를 공급받아 저장하고, 상기 저장된 액상 CO2를 상기 공급관으로 압송 공급하는 액상 CO2 저장조를 포함한다.
여기서, 상기 내피관을 흐르는 액상 CO2의 최대 압력과 온도는 배관의 내압 및 내구성 등을 감안하여 각각 35 bar 이하 및 0℃ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 프리쿨러는 상기 회수관으로부터 공급되는 기상 CO2를 1차적으로 냉각시키는 제1 프리쿨러 및 상기 제1 프리쿨러에서 냉각된 기상 CO2를 공급받아 2차적으로 냉각시키는 제2 프리쿨러를 포함한다.
여기서, 상기 제1 프리쿨러는 상기 회수관으로부터 공급되는 기상 CO2가 유입되고 배출되는 내부 배관과, 온수 저장조로부터 공급된 온수를 상기 내부 배관 주위로 분사하는 분무수단과, 상기 제1 프리쿨러 내부의 압력을 대기압 이하로 형성시키는 진공펌프를 포함하고, 상기 내부 배관을 흐르는 기상 CO2는 상기 분무수단으로부터 분사된 온수의 증발 잠열에 의해 냉각된다.
그리고, 상기 진공펌프의 구동전원은 1차적으로 신재생에너지 발전원 또는 열병합발전의 잉여전력을 사용하고, 상기 진공펌프의 구동에 필요한 전력이 부족한 경우에 2차적으로 상용전력을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1 프리쿨러는 상기 내부 배관으로부터 배출되는 기상 CO2의 온도를 일정 수준 이하의 저온, 예를 들어 5℃ 이하로 냉각시킬 수 있다.
여기서, 상기 제1 프리쿨러 내부의 압력은 최대 250 Torr 이내이고, 상기 온수 저장조로부터 공급되는 온수의 온도는 해당압력에서의 포화온도 이하이다.
특히, 상기 진공펌프는 신재생에너지 발전원 또는 열병합발전의 잉여전력을 구동전원으로 하여 상기 제1 프리쿨러 내부의 압력을 사전에 설정된 값 이하로 유지시키는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제2 프리쿨러는 상기 액상 CO2 저장조로부터 공급되는 액상 CO2를 그 내부공간으로 분사하여 기화시키는 인젝터를 구비하고, 상기 제1 프리쿨러에서 1차적으로 냉각되어 공급되는 기상 CO2는 상기 제2 프리쿨러의 하부로부터 유입되어 상기 인젝터에 의해 기화된 CO2가 형성하는 냉각 분위기에서 2차적으로 냉각된 후 상기 제2 프리쿨러로부터 배출된다.
여기서, 상기 인젝터로부터 분사된 액상 CO2는 기화 과정에서 그 일부가 드라이아이스로 상변화되어 상기 제2 프리쿨러의 하부에 축적되고, 상기 제2 프리쿨러의 하부로 유입된 기상 CO2는 상기 축적된 드라이아이스를 통과한 후 상기 제2 프리쿨러로부터 배출된다.
그리고, 상기 제2 프리쿨러는 그 내부의 압력이 사전에 설정된 값을 초과하여 상승할 경우 상기 제2 프리쿨러 내부의 기체를 외부로 배출시키는 압력 조절기를 구비할 수 있다.
그리고, 상기 압력 조절기로부터 배출된 기체는 상기 회수관 라인으로 회수될 수 있다.
한편, 상기 공급관에는 상기 외피관과 내피관 사이의 환형공간의 진공도를 측정하는 진공센서와, 상기 진공센서에 의해 측정된 압력이 사전에 설정된 진공도보다 떨어질 경우 상기 환형공간 내부의 기체를 상기 회수관으로 압송하여 상기 환형공간의 진공도를 유지시키는 진공펌프를 구비한다.
이때, 상기 외피관과 내피관 사이를 상호 연결하여 고정되는 지지부재가 원주방향을 따라 적어도 하나 이상 구비된다.
여기서, 상기 지지부재에는 상기 지지부재에 의해 분할된 각 공간 사이를 유통시키는 관통홀이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제2 프리쿨러 내부에서 2차적으로 냉각된 기상 CO2의 일부는 상기 주 압축기를 냉각시킬 수 있다.
여기서, 상기 주 압축기를 냉각시킨 기상 CO2는 상기 회수관으로 회수될 수 있다.
그리고, 상기 온수 저장조에 저장되는 온수는 열병합발전의 폐열을 이용하여 생산될 수 있다.
한편, 상기 회수관을 흐르는 기상 CO2의 일부를 공급받아 압축하여 액상 CO2를 생산하는 보조 압축기 및 상기 보조 압축기에서 생산된 액상 CO2를 저장하는 보조 저장조를 더 포함하고, 상기 보조 저장조에 저장된 액상 CO2는 상기 제2 프리쿨러나 상기 액상 CO2 저장조 중의 적어도 어느 하나로 공급될 수 있다.
여기서, 상기 보조 압축기는 상기 CO2 지역 에너지 공급설비가 정상운전 상태에 도달할 때까지 또는 상기 주 압축기에서 생산되는 액상 CO2의 양이 수요량에 미치지 못할 때 가동될 수 있다.
상기와 같은 구성은 가진 본 발명의 CO2 지역 에너지 공급설비는 진공 단열구조를 가진 공급관을 적용하여 저온의 온도조건을 구현함으로써 종래에 비해 상대적으로 저압인 조건에서도 액상 CO2의 공급과 기상 CO2의 회수로 연결되는 일련의 사이클을 수행할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 기상조건에 따라 단속적, 불규칙적으로 발생하는 신재생에너지 발전원과 열병합발전 시스템 운영시 부득이하게 발생되는 잉여전력을 진공에너지의 형태로 제1 프리쿨러에 저장함으로써 신재생에너지 발전원과 열병합발전 시스템의 활용성을 증대시키는 것은 물론 액상 CO2 생산에 소요되는 전체적인 에너지를 절감할 수 있다는 이점을 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 CO2 지역 에너지 공급설비의 전체적인 시스템 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 CO2 지역 에너지 공급설비(A)와 종래기술의 CO2 기반 지역 에너지 시스템(B)의 운전영역을 각각 표시한 CO2 상평형도.
도 3은 본 발명에 적용되는 진공 단열구조를 가진 공급관의 구조를 도시한 도면.
도 4는 제1 프리쿨러의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 기압과 물의 비등점 사이의 관계를 도시한 그래프.
도 6은 제2 프리쿨러의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등이 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 한다.
본 발명은 수용가(20)의 지역냉난방을 위한 열에너지 배관망을 흐르는 열에너지 공급매체로서 CO2를 사용하는 CO2 지역 에너지 공급설비(10)에 관한 것으로서 그 전체적인 구성은 도 1에 도시되어 있다.
도 1을 참조하여 본 발명의 주요 구성을 크게 나누어 보면, 열 에너지 공급 매체인 CO2를 수용가(20)로 공급하는 공급관(100), 수용가(20)에서 열교환되어 기화된 기상 CO2가 회수되어 흐르는 회수관(200), 기상 CO2를 압축하여 액상 CO2로 상변화시키는 주 압축기(400), 주 압축기(400)로 공급되는 기상 CO2를 미리 예냉각시키는 프리쿨러(300) 및 주압축기에 의해 상변화된 액상 CO2를 공급받아 저장하고, 저장된 액상 CO2를 공급관(100)으로 압송 공급하는 액상 CO2 저장조(500)를 포함한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 CO2 배관의 운전압력을 대략 50 bar 내외의 높은 고압을 유지하는 종래의 CO2 기반 지역 에너지 시스템의 제반 문제점을 해결하기 위해 운전압력을 최대 35 bar 이하로 유지시키는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 최대 운전압력이 25 bar 이내일 경우에는 배관과 펌프, 밸브 등의 제반 설비로서 이미 안전성이 입증된 기존의 설비를 그대로 활용할 수 있고, 25∼35 bar 수준의 압력조건이라도 내압, 내구성 등의 측면에서 기존 설비를 약간만 개선하는 정도의 수준에서 쉽게 적용할 수 있게 된다.
대신에 본 발명은 수용가(20)로 공급되는 CO2가 액체 상태를 유지할 수 있도록 공급관(100)을 흐르는 CO2가 0℃ 이하의 온도조건을 가지도록 하고 있으며, 이러한 본 발명의 저압·저온의 운전조건은 도 2의 CO2 상평형도에 도시되어 있다.
도 2에서 "A" 영역이 본 발명에 따른 CO2 지역 에너지 공급설비(10)의 운전영역인데 공급관(100)에서는 액상 CO2가 흐르고 회수관(200)에서는 기상 CO2가 흐르는 온도 및 압력 범위를 보여주고 있다. 이와 비교되는 "B" 영역은 특허문헌1의 CO2 기반 지역 에너지 시스템의 운전영역을 표시한 것이며, 본 발명에 비해 상대적으로 압력 범위가 상당히 높게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 이산화탄소의 물성으로 인해 상대적으로 저압인 조건에서 액상을 유지하기 위해서는 저온의 온도조건이 구현되어야 하는데, 액상 CO2의 공급과정 중 온도가 상승하여 이산화탄소가 증발하는 것을 막기 위해서는 외기나 지중온도와의 큰 온도구배를 극복하기 위한 단열구조가 요구된다.
이를 위해 본 발명은 액상 CO2가 흐르는 공급관(100)이 동심을 이루는 외피관(110)과 내피관(120)으로 이루어지면서, 외피관(110)과 내피관(120) 사이의 환형공간(130)을 대기압보다 낮은 진공 상태로 유지시키는 가운데 내피관(120) 내부를 통해 액상 CO2가 흐르도록 구성하였으며, 이러한 공급관(100)의 구성은 도 3에 도시되어 있다.
즉, 본 발명의 공급관(100)은 진공 단열구조를 가진 것이며, 이에 따라 종래에 배관용 단열재로 널리 사용되었던 폴리우레탄 폼 대비 공급관의 직경을 작게 유지시키면서도 매우 우수한 단열 효과를 얻어낼 수 있다.
이에 비해, 수용가(20)에서 열교환된 액상 CO2가 기화된 후에는 회수관(200)으로 모여서 다시 액상 CO2를 생산할 수 있도록 회수되는데, 회수관(200)은 공급관(100)처럼 높은 수준의 단열구조가 반드시 필요한 것은 아니기 때문에 폴리우레탄 폼과 같은 일반적인 단열재를 사용하는 것이 비용 대비 효과 측면에서 유리할 것이다.
그리고, 공급관(100)을 구성하는 외피관(110)과 내피관(120)이 동심을 이루는 구조를 유지할 수 있도록 그 사이를 상호 연결하여 고정되는 지지부재(140)가 원주방향을 따라 적어도 하나 이상 구비되는 것이 바람직하다. 이때 지지부재(140)에 의해 분할된 각 진공공간 사이에 막힘구조가 발생하지 않도록 각 진공공간을 유통시키기 위한 관통홀(142)이 지지부재(140)에 형성될 수도 있다.
한편, 진공 단열구조의 진공환경은 영구적으로 지속될 수는 없으므로, 본 발명은 공급관(100)이 높은 수준의 기밀성을 유지하기 위한 구성을 더 포함할 수 있다.
이를 좀더 상세히 설명하면, 외피관(110)과 내피관(120) 사이의 환형공간(130)의 진공도를 측정하는 진공센서(150)를 구비하고, 이 진공센서(150)에 의해 측정된 압력이 사전에 설정된 진공도보다 떨어질 경우에는 환형공간(130)과 연결된 공급관 펌프(160)를 구동하여 환형공간(130) 내부의 기체, 즉 증발된 이산화탄소를 회수관(200)으로 압송함으로써 환형공간(130)의 진공도를 유지시키는 구성을 포함할 수 있다.
한편, 프리쿨러(300)와 주 압축기(400)는 기상 CO2를 압축하여 최종적으로 액상 CO2를 생산하기 위한 설비인데, 여기서 프리쿨러(300)는 CO2 압축에 따른 온도 증가를 고려하고 이에 대비하여 기상 CO2의 온도를 목표로 하는 액상 CO2의 온도보다 더 낮은 온도, 예를 들어 -70℃ 정도까지 미리 낮추어 놓는 역할을 하는 것이다. 주 압축기(400)는 기체를 압축하여 액화시키는 일반적인 압축기를 사용할 수 있으며 이에 대한 특별한 제한은 없다.
여기서, 본 발명은 액상 CO2를 사용하는데 필요한 에너지를 최대한 효율적으로 사용하기 위한 목적으로 특별한 구성과 조합을 가진 프리쿨러(300)를 마련하고 있다.
본 발명의 실시예에서의 프리쿨러(300)는 회수관(200)으로부터 공급되는 기상 CO2를 1차적으로 냉각시키는 제1 프리쿨러(310)와, 제1 프리쿨러(310)에서 냉각된 기상 CO2를 공급받아 2차적으로 냉각시키는 제2 프리쿨러(320)를 포함하는데, 이 제1/제2 프리쿨러(310,320)는 액체가 기체로 상변화하는 과정에서 흡수하는 잠열을 효율적으로 활용할 수 있도록 구성되어 있다.
먼저 제1 프리쿨러(310)에 대해 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 프리쿨러(310)는 회수관(200)으로부터 공급되는 기상 CO2가 유입되어 냉각된 후 배출되는 유로를 형성하는 내부 배관(312)과, 온수 저장조(318)로부터 공급된 온수를 내부 배관(312) 주위로 분사하는 분무수단(314)과, 제1 프리쿨러(310) 내부의 압력을 대기압 이하로 형성시키는 진공펌프(316)를 포함한다.
여기서, 제1 프리쿨러(310) 내부 압력이 진공펌프(316)에 의해 대기압 이하로 형성되는 것이 중요한데, 이는 분무수단(314)에 의해 내부 배관(312) 주위로 분사된 온수의 증발을 촉발시키기 위한 것이다.
도 5의 기압과 물의 비등점 사이의 관계에 나타나 있듯이, 물은 표준상태인 1기압(760 Torr)에서는 100℃에서 증발(비등)하지만 주변 기압이 1기압보다 낮은 진공상태에서는 이보다 낮은 온도에서 증발이 일어나게 된다.
그리고, 5∼10℃ 정도의 물을 증발시키기 위해서는 매우 낮은 고진공 상태가 필요하지만, 상대적으로 온도가 40∼50℃ 정도까지 조금만 올라가면 100 Torr 정도의 저진공 상태에서도 증발이 일어남을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 최대 250 Torr 이내의 압력 상태에 있는 제1 프리쿨러(310) 내부로 해당압력에서의 포화온도 이내의 온수를 미립 분사하여 바로 증발시킴으로써 내부 배관(312) 안을 흐르는 기상 CO2를 냉각시키도록 구성되었다.
예를 들면, 본 발명의 제1 프리쿨러(310)는 온수 저장조(318)에 저장된 40∼50℃ 범위 온도의 온수를 내부 압력이 100∼160 Torr 범위에 있는 제1 프리쿨러(310) 내부로 분사하고, 미립 분사된 온수가 저압 상태에서 즉각적으로 증발하면서 주변의 내부 배관(312) 안을 흐르는 기상 CO2로부터 열을 흡수하여 일정 수준의 저온, 예를 들어 대략 5℃ 이하까지 냉각시켜 배출시킬 수 있다.
여기서, 본 발명은 제1 프리쿨러(310)의 진공펌프(316)의 구동전원(317)으로서 1차적으로 신재생에너지 발전원 또는 열병합발전의 잉여전력을 사용하고, 그럼에도 진공펌프(316)의 구동에 필요한 전력이 부족한 경우에 2차적으로 상용전력을 사용하도록 구성되는 것이 바람직하다.
더 나아가 제1 프리쿨러(310)의 진공펌프(316)는 신재생에너지 발전원 또는 열병합발전의 잉여전력을 구동전원(317)으로 할 때에는 제1 프리쿨러(310) 내부의 압력을 사전에 설정된 값 이하로 유지시키는 것이 더욱 바람직하다.
액상 CO2의 수요가 없을 때 제1 프리쿨러(310) 내부에 일정 수준의 진공상태를 인가한다는 것은 기상조건에 따라 단속적, 불규칙적으로 발생하는 신재생에너지 발전원과 열병합발전 시스템 운영시 부득이하게 발생되는 잉여전력을 진공에너지로 "저장"한다는 것을 의미하는 것이므로, 이에 따라 신재생에너지 발전원과 열병합발전 시스템의 운영효율을 크게 높일 수 있게 된다.
그리고, 온수 저장조(318)에 저장되는 온수는 열병합발전의 폐열을 이용하여 생산되는 것이 바람직하며, 다만 열병합발전의 폐열 이용이 여의치 않을 경우에는 일반적인 보일러 온수를 사용하는 것도 가능하다.
다음으로 제2 프리쿨러(320)에 대해 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
도시된 바와 같이, 제2 프리쿨러(320)는 제1 프리쿨러(310)에서 1차적으로 냉각된 기상 CO2를 매우 낮은 온도까지 더욱 냉각시킨 후 주 압축기(400)로 공급하는 구성이며, 제1 프리쿨러(310)로부터 공급되는 기상 CO2를 냉각시키기 위해 액상 CO2 저장조(500)로부터 공급되는 액상 CO2를 그 내부공간으로 분사하여 기화시키는 인젝터(322)를 구비한다.
인젝터(322)에 의해 가압 분사되어 미립화된 액상 CO2는 제2 프리쿨러(320) 내부의 상대적으로 낮은 압력하에서 급격히 팽창하여 기화되면서 주위를 냉각시키게 되는데, 다른 한편으로는 분사된 액상 CO2의 액적의 크기 차이, 즉 표면적의 차이에 따라 액적 사이에 증발 속도에 차이가 있으면 나중에 증발되는 CO2 액적은 서로 영향을 줄 수 있는 가까운 거리에 있는 액적 또는 먼저 증발된 액적의 증기로부터 증발잠열을 얻으면서 주변의 CO2 액적을 냉각시켜 응고시킬 수도 있다.
이러한 과정에서 응고된 이산화탄소, 즉 드라이아이스(324)는 제2 프리쿨러(320)의 하부에 축적되며, 이에 따라 제2 프리쿨러(320)의 하부로 유입된 기상 CO2는 축적된 드라이아이스(324)를 통과하여 1차적으로 냉각되고, 제2 프리쿨러(320)로부터 배출되기 전에 인젝터(322)에 의해 가압 분사된 액상 CO2에게 증발잠열을 뺏기는 과정에서 2차적으로 더욱 냉각됨으로써 최종적으로는 매우 낮은 온도, 예를 들어 -70℃ 정도까지 하강된 온도로 배출된다.
그리고, 제2 프리쿨러(320)의 내부 압력은 기상 CO2의 유입, 액상 CO2의 분사 및 급격한 팽창(기화)에 의해 증대되는 경향을 가진다. 따라서, 제2 프리쿨러(320)의 내부 압력이 사전에 설정된 적절한 수준 이하로 유지될 수 있도록, 과도 압력이 작용할 경우 제2 프리쿨러(320) 내부의 기체를 외부로 배출시키는 압력 조절기(326)를 구비하는 것이 바람직할 것이다. 여기서, 압력 조절기(326)로부터 배출된 기체는 거의 대부분이 CO2 성분이므로, 이를 회수관(200) 라인으로 회수하여 재사용하는 것도 바람직하다.
더 나아가 제2 프리쿨러(320) 내부에서 2차적으로 냉각된 기상 CO2의 일부는 주 압축기(400)에서 기상 CO2를 압축, 액화시킬 때 발생하는 열을 제거하기 위한 목적으로 주 압축기(400)로 공급될 수도 있으며(도 1의 도면번호 '410'의 주 압축기 냉각라인 참조), 주 압축기(400)를 냉각시킨 기상 CO2 역시 회수관(200)으로 회수될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 회수관(200)을 흐르는 기상 CO2의 일부를 공급받아 압축하여 액상 CO2를 생산하는 보조 압축기(600) 및 보조 압축기(600)에서 생산된 액상 CO2를 저장하는 보조 저장조(610)를 더 포함할 수 있다.
보조 저장조(610)에 저장된 액상 CO2는 제2 프리쿨러(320)나 액상 CO2 저장조(500) 중의 적어도 어느 하나로 공급될 수 있는데, 보조 압축기(600)는 본 발명의 CO2 지역 에너지 공급설비(10)가 정상운전 상태에 도달할 때까지 필요한 초기 액상 CO2의 생산을 위해 사용되거나, 또는 주 압축기(400)에서 생산되는 액상 CO2의 양이 수요량에 미치지 못할 때 보조적으로 가동되는 것이다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
10: CO2 지역 에너지 공급설비
20: 수용가 100: 공급관
110: 외피관 120: 내피관
130: 환형공간 140: 지지부재
142: 관통홀 150: 진공센서
160: 공급관 펌프 200: 회수관
300: 프리쿨러 310: 제1 프리쿨러
312: 내부 배관 314: 분무수단
316: 진공펌프 317: 진공펌프 구동전원
318: 온수 저장조 320: 제2 프리쿨러
322: 인젝터 324: 드라이아이스
326: 압력 조절기 400: 주 압축기
410: 주 압축기 냉각라인 500: 액상 CO2 저장조
600: 보조 압축기 610: 보조 저장조

Claims (20)

  1. 수용가의 지역냉난방을 위한 열에너지 배관망을 흐르는 열에너지 공급매체로서 CO2를 사용하는 CO2 지역 에너지 공급설비에 관한 것으로서,
    동심을 이루는 외피관과 내피관으로 이루어지고, 상기 외피관과 내피관 사이의 환형공간은 대기압보다 낮은 진공 상태를 유지하며, 상기 내피관 내부를 통해 상기 수용가로 공급되는 액상 CO2가 흐르는 공급관;
    상기 수용가에서 열교환되어 기화된 기상 CO2가 회수되어 모이는 회수관;
    상기 회수관으로부터 공급되는 기상 CO2를 냉각하여 온도를 낮추는 프리쿨러;
    상기 프리쿨러에 의해 냉각된 기상 CO2를 압축하여 액상 CO2로 상변화시키는 주 압축기; 및
    상기 주압축기에 의해 상변화된 액상 CO2를 공급받아 저장하고, 상기 저장된 액상 CO2를 상기 공급관으로 압송 공급하는 액상 CO2 저장조;
    를 포함하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내피관을 흐르는 액상 CO2의 압력과 온도는 각각 35 bar 이하 및 0℃ 이하인 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프리쿨러는 상기 회수관으로부터 공급되는 기상 CO2를 1차적으로 냉각시키는 제1 프리쿨러 및 상기 제1 프리쿨러에서 냉각된 기상 CO2를 공급받아 2차적으로 냉각시키는 제2 프리쿨러를 포함하는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 프리쿨러는 상기 회수관으로부터 공급되는 기상 CO2가 유입되고 배출되는 내부 배관과, 온수 저장조로부터 공급된 온수를 상기 내부 배관 주위로 분사하는 분무수단과, 상기 제1 프리쿨러 내부의 압력을 대기압 이하로 형성시키는 진공펌프를 포함하고,
    상기 내부 배관을 흐르는 기상 CO2는 상기 분무수단으로부터 분사된 온수의 증발 잠열에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진공펌프의 구동전원은 1차적으로 신재생에너지 발전원 또는 열병합발전의 잉여전력을 사용하고, 상기 진공펌프의 구동에 필요한 전력이 부족한 경우에 2차적으로 상용전력을 사용하는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 프리쿨러는 상기 내부 배관으로부터 배출되는 기상 CO2의 온도를 5℃ 이하로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 프리쿨러 내부의 압력은 최대 250 Torr 이내이고, 상기 온수 저장조로부터 공급되는 온수의 온도는 해당압력에서의 포화온도 이하인 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 진공펌프는 신재생에너지 발전원 또는 열병합발전의 잉여전력을 구동전원으로 하여 상기 제1 프리쿨러 내부의 압력을 사전에 설정된 값 이하로 유지시키는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제2 프리쿨러는 상기 액상 CO2 저장조로부터 공급되는 액상 CO2를 그 내부공간으로 분사하여 기화시키는 인젝터를 구비하고, 상기 제1 프리쿨러에서 1차적으로 냉각되어 공급되는 기상 CO2는 상기 제2 프리쿨러의 하부로부터 유입되어 상기 인젝터에 의해 기화된 CO2가 형성하는 냉각 분위기에서 2차적으로 냉각된 후 상기 제2 프리쿨러로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 인젝터로부터 분사된 액상 CO2는 기화 과정에서 그 일부가 드라이아이스로 상변화되어 상기 제2 프리쿨러의 하부에 축적되고, 상기 제2 프리쿨러의 하부로 유입된 기상 CO2는 상기 축적된 드라이아이스를 통과한 후 상기 제2 프리쿨러로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 프리쿨러는 그 내부의 압력이 사전에 설정된 값을 초과하여 상승할 경우 상기 제2 프리쿨러 내부의 기체를 외부로 배출시키는 압력 조절기를 구비하는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 압력 조절기로부터 배출된 기체는 상기 회수관 라인으로 회수되는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 공급관에는 상기 외피관과 내피관 사이의 환형공간의 진공도를 측정하는 진공센서와, 상기 진공센서에 의해 측정된 압력이 사전에 설정된 진공도보다 떨어질 경우 상기 환형공간 내부의 기체를 상기 회수관으로 압송하여 상기 환형공간의 진공도를 유지시키는 진공펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  14. 제1항 또는 제13항에 있어서,
    상기 외피관과 내피관 사이를 상호 연결하여 고정되는 지지부재가 원주방향을 따라 적어도 하나 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 지지부재에는 상기 지지부재에 의해 분할된 각 공간 사이를 유통시키는 관통홀이 형성된 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  16. 제3항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제2 프리쿨러 내부에서 2차적으로 냉각된 기상 CO2의 일부는 상기 주 압축기를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 주 압축기를 냉각시킨 기상 CO2는 상기 회수관으로 회수되는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  18. 제4항에 있어서,
    상기 온수 저장조에 저장되는 온수는 열병합발전의 폐열을 이용하여 생산되는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  19. 제3항에 있어서,
    상기 회수관을 흐르는 기상 CO2의 일부를 공급받아 압축하여 액상 CO2를 생산하는 보조 압축기 및 상기 보조 압축기에서 생산된 액상 CO2를 저장하는 보조 저장조를 더 포함하고,
    상기 보조 저장조에 저장된 액상 CO2는 상기 제2 프리쿨러나 상기 액상 CO2 저장조 중의 적어도 어느 하나로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 보조 압축기는 상기 CO2 지역 에너지 공급설비가 정상운전 상태에 도달할 때까지 또는 상기 주 압축기에서 생산되는 액상 CO2의 양이 수요량에 미치지 못할 때 가동되는 것을 특징으로 하는 CO2 지역 에너지 공급설비.
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