KR101541131B1 - 폐열회수용 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 내부에 열매체가 채워진 열교환하우징과, 상기 열교환하우징의 열매체를 통과하며 고온의 배기가스가 이동되는 배기가스관 및 상기 열교환하우징의 열매체 표면 상방으로 통과하며 액화천연가스가 이동되는 천연가스관을 포함하는 폐열회수용 열교환기에 관한 것이다.

Description

폐열회수용 열교환기{Waste heat recovery heat exchanger}
본 발명은 폐열 회수용 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액화천연가스가 연료로 사용되는 발전시스템에서 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스의 폐열회수용 일체형 열교환기에 관한 것이다.
종래의 액화천연가스(LNG: Liquefied natural gas)를 연료로 하는 발전시스템은 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 활용한다.
배기가스 폐열을 활용하는 방법에는 배기가스를 물과 열교환시켜 고압 스팀을 생성하는 제1열교환 과정과, 제1열교환 과정에서 생성된 스팀을 스팀 터빈의 추가적인 전력 생산에 활용하거나 액화천연가스를 기화시키는 제2열교환 과정이 포함된다.
이와 같이 종래의 가스터빈에서 발생되는 고온 배기가스의 폐열회수 과정을 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
펌프에 의해 제1열교환 과정으로 공급된 물이 고온의 배기가스로부터 열을 전달받아 스팀으로 변환된다.
그리고 변환된 스팀의 일부는 스팀 터빈에 공급되고 스팀의 나머지는 제2열교환 과정에 액체천연가스를 기화된 천연가스로 변환하기 위한 열을 공급하면서 물로 변환된다.
또한, 제2열교환 과정에서 변환된 물과 스팀 터빈에서 변환된 물은 다시 합쳐저서 펌프를 통하여 제1열교환 과정으로 공급된다.
이와 같이 배기가스 폐열이 활용되는 과정에서 물은 폐루프 공정을 따라서 이동되면서 스팀으로 변환되는 것을 반복하면서 열교환한다.
그러나, 한정된 공간으로 인하여 최적으로 공간 활용이 요구되는 선박에서 종래의 배기가스 폐열을 활용하는 과정은 제1열교환 과정과 제2열교환 과정이 별도로 구비되어 매우 비효율적인 문제가 발생된다.
한국공개특허 제2012-59167호는 선박의 액체천연가스 재기화 장치 및 방법에 관해 기재되어 있으나, 종래 기술의 문제를 극복하지는 못한다.
본 발명의 실시예에 따른 폐열회수용 열교환기는 폐열회수를 위한 별도의 스팀과 물의 폐루프 구성없이 열교환기 하나로 폐열회수를 할 수 있도록 시스템을 집약적으로 구성하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 내부에 열매체가 채워진 열교환하우징과, 상기 열교환하우징의 열매체를 통과하며 고온의 배기가스가 이동되는 배기가스관 및 상기 열교환하우징의 열매체 표면 상방으로 통과하며 액화천연가스가 이동되는 천연가스관을 포함하는 폐열회수용 열교환기를 제공한다.
폐열회수용 열교환기는 상기 열교환하우징의 내부에 위치된 배기가스관에 위치하는 적어도 하나의 열전달 핀을 더 포함할 수 있다.
폐열회수용 열교환기는 상기 열교환하우징의 내부에 위치하는 적어도 하나의 다공성 배플을 더 포함할 수 있다.
폐열회수용 열교환기는 상기 열교환하우징 내부의 압력을 일정하게 유지시켜주기 위한 압력센서와, 상기 압력센서에 의해 전달된 정보를 통하여 개폐되는 제어밸브 및 상기 제어밸브가 개방되면 스팀이 배출되는 스팀 배출관을 더 포함할 수 있다.
상기 스팀 배출관이 스팀터빈과 연결되고, 상기 스팀터빈은 물공급관을 통하여 상기 열교환하우징과 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 폐열회수용 열교환기는 폐열회수를 위한 별도의 스팀과 물의 폐루프 구성없이 열교환기 하나로 폐열을 회수할 수 있도록 시스템을 집약적으로 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예인 폐열회수용 열교환기를 나타내는 개략도.
도 2는 도 1의 열교환기 내부에 위치된 고온배기가스 관의 형상을 변형한 개략도.
도 3은 도 1의 스팀 일부가 스팀 터빈에 전달되는 형태인 폐열회수용 열교환기를 나타내는 개략도.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
그리고, 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예인 폐열회수용 열교환기를 나타내는 개략도이다.
도 1과 같이 본 발명의 실시예인 폐열회수용 열교환기는 내부에 일정 높이까지 물이 채워진 열교환하우징(110)과, 열교환하우징(110)의 외측에서 열교환하우징(110)의 일측벽을 통과하여 수중으로 연장된 후 타측벽을 통과하여 외측으로 연장되며 고온의 배기가스가 이동되는 배기가스관(120)과, 열교환하우징(110)의 외측에서 열교환하우징(110)의 일측벽을 통과하여 수면 상방으로 연장된 후 타측벽을 통과하여 외측으로 연장되며 액화천연가스가 이동되는 천연가스관(130)을 포함하여 구성된다.
열교환하우징(110) 내측에 위치된 물은 배기가스관(120)에 의해 전달되는 열에 의해 가열되면서 스팀으로 변하여 천연가스관(130)에 열을 전달한다.
그리고 열교환하우징(110) 내측에 위치된 물은 일종의 열매체이며, 다른 열매체로 교체되는 것도 가능하다.
여기서 열매체(Heating medium , 熱媒體)는 열의 전달에 사용되는 물질의 총칭이고, 물은 가격이 가장 싼 열매체이며, 보일러 등의 열원으로 물을 가열하여 포화 증기로 만들고, 이 포화 증기의 잠열에 의해 피가열물을 가열하며, 잠열을 방출하여 응축한 복수는 급수로서 이용함으로써, 보일러 플랜트를 순환하면서 피가열물을 가열한다고 하는 간접 가열의 프로세스가 진행된다. 그러나 열매체의 좁은 의미는 특히 저압에서도 300~400℃ 정도의 고온으로 열을 운반할 수 있는 매체를 가리키며, 이것에는 다우섬(열매체 오일), 수은 등이 있다.
배기가스관(120)에서 이동되는 배기가스는 천연가스가 원료로 이용되는 가스터빈이 작동되면서 발생되는 가스이며, 고온 상태에서 열교환하우징(110)의 물을 가열한다.
가스터빈(Gas turbine)은 고온·고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관이다. 일반적으로 가스터빈은 압축기, 연소기, 터빈으로 이루어져 있다. 가스터빈은 압축기로 공기를 압축하고 압축된 공기를 연소실로 이끌어, 여기서 연료를 분산해서 연소시킨다. 이때 생긴 고온 고압의 가스를 터빈에 내뿜으면서 팽창시켜 터빈을 회전시킨다. 보통 압축기와 터빈은 직접 또는 간접적으로 1개의 축으로 연결되어 있는데, 압축기를 가동시키는 동력은 터빈에서 발생하는 출력의 25~30%를 사용한다. 따라서 가스터빈으로 발전기, 프로펠러 등을 회전시키는 출력은 터빈에서 발생하는 출력에서 압축기를 가동시키는 데 소요되는 출력을 뺀 것이 된다.
한편, 천연가스관(130)에서 이동되는 액화천연가스는 열교환하우징(110)을 통과하는 과정에서 스팀에 의해 열을 전달받아 기화된 후 가스터빈의 발전용으로 사용된다.
상기와 같이 본 발명의 실시예는 종래에 배기가스의 열교환을 위해 제1열교환 과정과 제2열교환 과정을 별도로 구비하지 않고 하나의 열교환하우징(110)에서 열교환 전과정이 진행되어 배기가스의 열교환을 위한 장치가 차지하는 공간이 현저하게 감소되는 효과가 발생된다.
한편, 본 발명의 실시예인 폐열회수용 열교환기는 열교환하우징(110) 내부의 압력을 일정하게 유지시켜주기 위한 압력센서(140)와, 압력센서(140)에 의해 전달된 정보를 통하여 개폐되는 제어밸브(150) 및 제어밸브(150)가 개방되면 스팀이 배출되도록 형성된 스팀 배출관(160)을 더 포함하여 구성된다.
고온의 배기가스가 배기가스관(120)을 통과하면서 열교환하우징(110) 내부의 물을 가열하여 열교환하우징(110) 내부에서 물과 스팀을 포화상태로 만들어 준다. 이 때의 포화온도는 열교환하우징(110) 내부압력을 조절하여 제어할 수 있다.
즉, 압력센서(140)에서 열교환하우징(110) 내부압력을 측정하여 과도한 압력이면 작업자 또는 자동제어부에서 제어밸브(150)를 개방하여 스팀을 배출한다.
또한, 액화천연가스와 고온배기가스의 통과량에 따라서 물의 기화 및 스팀의 응축량이 달라지게 되어 내부압력 및 온도가 변화됨으로 이 때도 압력센서(140)와 제어밸브(150)를 통하여 열교환하우징(110) 내부압력을 조절한다.
그리고 발생된 고온의 스팀은 천연가스관(130)의 액화천연가스를 기화하는데 사용된 후 다시 응축하여 낙하된다.
열교환하우징(110) 내부의 물을 보충하기 위한 별도의 수관(170)이 추가될 수 있다.
도 2는 도 1의 열교환기 내부에 위치된 고온배기가스 관의 형상을 변형한 개략도이다.
본 발명의 실시예에서는 열교환하우징(110)의 내부에 위치된 배기가스관(120)의 형상은 열전달을 보다 효율적으로 하고, 열교환기가 해상에서 사용될 경우 슬러싱(Slushing)을 방지하기 위한 구조가 요구된다.
따라서, 열전달을 효율적으로 하기 위하여 열교환하우징(110)의 내부에 위치된 배기가스관(120)에 열전달 핀(210)을 복수개 형성한다.
그리고 열교환기가 해상에서 사용될 경우 파도에 의해 열교환하우징(110)에 채워진 물이 슬러싱되는 것을 방지하도록 열교환하우징(110)의 내부에 다공성 배플(220)이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예는 도 2와 같이 도 1의 열교환기 내부에 위치된 배기가스관(120)의 형상을 변형할 수 있는데, 고온의 배기가스관(120)은 복수개의 절곡부가 형성되어 지그재그 형상으로 형성된다.
그리고 배기가스관(120)의 둘레에 열전달을 촉진시키기 위한 핀(210)이 복수개 형성되며, 핀(210)과 배기가스관(120) 둘레에는 일정 간격으로 복수개의 배플(220)이 형성된다.
필요한 경우에는 핀(210)과 다공성 배플(220)이 일체형으로 구성될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 핀(210)을 통하여 배기가스관(120) 내부의 배기가스 열을 주위의 물로 신속하게 전달하는 효과가 발생된다.
또한, 본 발명의 실시예는 배플(220)을 통하여 선체의 진동에 의해 열교환하우징(110) 내부의 물이 요동치는 슬러싱(Slushing) 현상을 감소시키는 효과가 발생된다.
도 3은 도 1의 스팀 일부가 스팀 터빈에 전달되는 형태인 폐열회수용 열교환기를 나타내는 개략도이다.
도 3의 경우는 도 1의 열교환하우징(110), 고온의 배기가스관(120), 천연가스관(130), 압력센서(140) 및 제어밸브(150)는 동일하게 구비된다.
도 3의 특징은 스팀 배출관(160)이 스팀터빈(310)과 연결되고, 스팀터빈(310)은 다시 물공급관(320)을 통하여 열교환하우징(110)과 연결된다는 점이다.
따라서, 열교환하우징(110) 내의 스팀 발생량이 응축량에 비해서 많은 경우에는 열교환하우징(110) 내부의 압력이 상승되고 내부의 고압 스팀은 스팀 배출관(160)을 통해서 배출되어 스팀터빈(310)을 작동하는데 사용된다.
그리고 이 경우 스팀터빈(310)를 통과하고 응축된 물은 물공급관(320)을 통하여 열교환하우징(110)으로 공급된다.
본 발명의 실시예는 폐열회수를 위한 별도의 스팀과 물의 폐루프 구성없이 열교환기 하나로 폐열회수를 할 수 있어 시스템을 집약적으로 구성할 수 있는 효과가 발생된다.
이러한 집약 구성은 공간제약이 큰 해상 발전시스템에 응용되었을 때 공간 활용 효율을 극대화할 수 있는 효과가 발생된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
110: 열교환하우징 120: 배기가스관
130: 천연가스관 140: 압력센서
150: 제어밸브 160: 스팀 배출관
210: 핀 220: 배플
310: 스팀터빈

Claims (5)

  1. 내부에 기상 및 액상의 열매체가 채워진 밀폐된 열교환하우징과,
    상기 열교환하우징의 액상의 열매체를 통과하며 고온의 배기가스가 이동되는 배기가스관; 및
    상기 열교환하우징의 열매체 표면 상방으로 통과하며, 상기 배기가스관과 열교환에 의해서 기화된 기상의 열매체와 열교환하는 액화천연가스가 이동되는 천연가스관을 포함하고,
    상기 기상의 열매체가 배출되는 스팀 배출관, 상기 스팀배출관과 연결되는 스팀터빈 및 상기 스팀터빈과 상기 열교환하우징을 연결하는 물공급관을 더 포함하고,
    상기 배기가스관에 의하여 공급되는 열에 의하여 기화된 기상의 열매체에 의하여 증가되는 상기 열교환하우징 내부의 압력을 측정하는 압력센서 및 상기 스팀 배출관에 설치되고 상기 압력센서에 의해 전달된 정보를 통하여 개폐되는 제어밸브를 더 포함하는 폐열회수용 열교환기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환하우징의 내부에 위치된 배기가스관에 위치하는 적어도 하나의 열전달 핀을 더 포함하는 폐열회수용 열교환기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환하우징의 내부에 위치하는 적어도 하나의 다공성 배플을 더 포함하는 폐열회수용 열교환기.


  4. 삭제
  5. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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