KR101633433B1 - 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 지역난방수의 압력 강하가 필요한 열배관 내에 수차와 펌프를 설치하여 수차를 이용하여 차압에너지를 회전력으로 변환하고, 축동력을 이용하여 펌프를 가동하도록 하는 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템에 관한 것입니다.

Description

열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템{PUMP DRIVE SYSTEM USING DIFFERENTIAL PRESSURE ENERGY OF HEAT PIPE}

본 발명은 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 지역난방수의 압력 강하가 필요한 열배관 내에 수차와 펌프를 설치하여 수차를 이용하여 차압에너지를 회전력으로 변환하고, 축동력을 이용하여 펌프를 가동하도록 하는 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템에 관한 것입니다.

일반적으로 지역난방은 아파트, 주택, 상가, 사무실, 학교, 병원, 공장 등 각종건물이 개별난방 시설을 갖추는 대신 집중된 대규모 열원시설(열병합발전소, 열전용 보일러, 쓰레기 소각로 등)에서 경제적으로 생산된 열을 이용하여 지역전체에 난방 및 급탕을 공급하며, 쾌적한 도시환경을 창조하고 에너지 절약과 환경공해 개선에 기여하는 효율적인 난방방식으로 개별적으로 사용자가 난방설비를 갖추는 개별난방 시스템과는 차이가 있다.

즉, 지역난방은 한 개의 도시 또는 일정한 지역 내에 있는 주택, 상가, 사무실, 학교, 병원, 공장 등 각종 건물이 개별적으로 난방설비를 갖추지 않고, 대규모 열생산시설, 즉 열병합발전소를 건설하여 난방 및 급탕에 필요한 고온수(110℃ 이상)를 생산하여 고압(16㎏f/㎠)의 압력으로 열수송관을 통해 각 수용가에 공급하는 시스템으로 집단에너지 공급방식 중 하나이다.

한편, 이러한 지역난방을 이용하기 위해서는 열병합 시스템이 필요한데, 열병합 시스템은 하나의 에너지원(연료)으로부터 두가지 이상의 유용한 에너지(전기에너지와 열에너지)를 생산해 낼 수 있는 시스템을 말한다.

한편, 지역난방 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 고온수(110℃ 이상)를 생산하는 보일러(1)와, 열부하가 낮거나 전력판매가격이 높은 시간에 보일러(1)에서 생산된 잉여 고온수를 저장하였다가 열부하가 높은 시간에 저장열을 방출함으로서 일일 첨두부하를 담당하는 고온수 저장 탱크인 축열조(2)와, 보일러(1)에서 생산되거나 축열조(2)에 저장된 고온수를 전달하는 열교환기(3) 및 열교환된 온수를 고압으로 순환시키는 순환펌프(4)로 이루어진다. 그리고, 순환펌프(4)에는 사용자 열교환기(6)를 통해 열공급대상지역(A)까지 열을 수송 및 회수하도록 2중 단열 보온관으로 이루어진 열공급관과 열회수관으로 이루어진 열수송관(5)이 연결된다. 도면중 미설명 부호인 6은 사용자측 열교환기이다.

또한, 지역난방 시스템의 사용자 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 열수송관(5)의 열공급관(5-1)과 사용자측 열교환기(6)의 1차측 입구 사이에 차압유량 조절밸브(V1)와, 온도 조절밸브(V2)가 각각 설치되고, 사용자측 열교환기(6)의 2차측 입구 전단인 사용자측 열회수관(5-4) 상에 복수의 순환 펌프(P)가 병렬 설치되고, 사용자측 열공급관(5-3)과 사용자측 열회수관(5-4) 사이에 차압 조절밸브(V3)가 설치된다. 도면중 미설명 부호인 V4는 동별 차압유량 조절밸브이고, T는 팽창탱크이며, 5-2는 열수광관의 열회수관이다.

한편, 높이가 높은 지역에 지역난방을 공급하기 위해서 가압장 설비에서 열공급관의 지역난방수의 압력을 높여 열공급을 한 후, 열배관으로 회수되는 난방수의 압력을 차압밸브를 통해 강하시켜 회수하거나, 열원시설에 가까운 사용자는 차압밸브를 통해 압력을 강하시켜 지역난방열을 사용하고, 온도조절밸브를 통해 지역난방수의 온도를 조절한다.

그러나, 이러한 차압밸브는 지역난방수의 가압시 발생된 에너지를 버리기 때문에 에너지를 낭비하는 문제점이 있고, 온도조절밸브 역시 전동 밸브가 사용되기 때문에 이를 동작하기 위해 별도의 전기 에너지를 사용해야만 하는 문제점이 있다.

한편, 배관에 설치되어 전기를 생산하도록 국내 특허등록공보 10-1082013호인 배관에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템과 국내 특허등록공보 10-1208667호인 감압에 따른 손실에너지를 이용한 발전용 감압장치가 개시되어 있다.

이러한, 배관에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템은 수도 시설 배관 시스템의 배관 내에 설치되는 감압장치에 있어서, 상기 배관 내에 설치되는 브라켓과, 상기 브라켓으로부터 방사상 방향으로 연장되어 형성되는 복수의 블레이드 및 상기 브라켓의 중심을 관통하여 수평 방향으로 설치되는 회전축을 포함하여 이루어지는 로터와, 상기 로터의 양측에 설치되되 유체가 유입되는 측은 배관의 상부에 형성되고 유체가 배출되는 측은 배관의 하부에 형성되며 양측 모두 블레이드 측으로 오목하게 파인 가이드 언덕 및 상기 로터와 연결되며 로터의 회전력을 통해 전력을 생산하는 발전기를 포함한다.

그리고, 감압에 따른 손실에너지를 이용한 발전용 감압장치는 공동주택의 각 세대별 수도공급관에 순차적으로 설치되는 것으로서, 부스터 펌프에 의해 지하저수조 내의 상수를 층고에 따라 각각 다른 압력으로 공급받게 되는 앵글밸브와; 상기 앵글밸브를 통과한 상수를 감압시킴과 아울러 감압에 따라 발생되는 에너지를 전기에너지로 변환시키는 것으로서, 상기 앵글밸브를 각각 다른 압력으로 통과한 상수가 인입되는 유입관, 상기 유입관을 통과한 상수가 저항에 의해 감압되는 감압관, 상기 감압관을 통과하여 감압된 상수가 유출되는 유출관으로 구성된 연결관을 갖는 발전용 감압장치 및; 상기 발전용 감장장치의 연결관 중, 유출관에 설치되어, 상기 발전용 감압장치를 통과하여 감압된 상수가 상기 각 세대별로 동일한 설정수압을 갖도록 하는 것으로서, 상기 유출관의 내부에 설치되며, 상기 유출관의 내부 직경보다 작은 직경의 유입홀 및 유출홀을 갖는 본체와; 상기 본체의 유입홀 및 유출홀을 일부 차폐 또는 개방시키게 되는 차폐부와; 상기 차폐부가 상기 본체의 유입홀 및 유출홀을 일부 차폐시키도록 압력을 가하는 탄성부재 및; 상기 차폐부의 높낮이를 조절하여 상기 차폐부가 본체의 유입홀 및 유출홀을 일부 차폐시키는 간격을 조절하도록 하는 조절스크류로 구성된 보조 감압기를 포함한다.

그러나, 이러한 배관에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템과 감압에 따른 손실에너지를 이용한 발전용 감압장치는 배관에 회전체를 설치하여 압력을 강하시키고, 전기를 생산하는 구성이나, 유량이 아주 센 경우나 아주 약한 경우는 발전이 되지 않아 기존 지역난방 배관 내 사용에 적용이 불가능한 문제점이 있다.

국내 특허등록공보 10-1082013호 국내 특허등록공보 10-1208667호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열배관과 사용자측 열교환기 사이에 차압유량 조절밸브를 대체하도록 수차를 설치하여 압력을 강하시키고, 열배관에 외력 순환 펌프를 설치하여 수차의 회전력으로 외력 순환 펌프를 가동시킴으로써 버려지는 에너지를 회수하여 동력비를 절감하도록 하는 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 온도조절밸브를 대체하도록 수차에 가이드 베인을 설치하고, 가이드 베인의 입사각을 조절하여 열공급관과 열회수관의 압력차를 제어하고, 유량제어를 위해 수차와 펌프 사이에 토크 컨버터를 설치하고, 수차의 회전수와 지역난방수의 공급 온도와 회수 온도를 통해 외력 순환 펌프의 유량을 제어하도록 하는 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

지역난방수를 공급하는 열공급관 또는 지역난방수를 회수하는 열회수관에 설치되어 지역난방수의 흐름에 따라 수차 날개가 회전되면서 수차용 회전축을 회전시켜 지역난방수의 압력을 강하시키는 수차와; 상기 수차의 입구 측에 설치되고, 외부의 제어에 따라 상기 수차로 유입되는 지역난방수의 유량을 조절하는 입구 가이드 베인과; 상기 열회수관 또는 열공급관에 설치되어 상기 수차의 수차용 회전축으로부터 전달되는 동력에 의해 펌프용 회전축이 회전되어 지역 난방수를 순환시키는 외력 순환 펌프와; 상기 수차의 수차용 회전축과 외력 순환 펌프의 펌프용 회전축 사이에 설치되고, 외부의 제어에 따라 상기 수차의 수차용 회전축에서 상기 외력 순환 펌프의 펌프용 회전축으로 전달되는 토크를 조절하는 토크 컨버터와; 지역난방수의 회수 압력과 공급 압력을 각각 측정하도록 상기 열회수관과 열공급관에 각각 설치되는 압력 센서와; 지역난방수의 공급 온도와 회수 온도를 각각 측정하도록 상기 열회수관과 열공급관에 각각 설치되는 온도 센서; 및 상기 압력 센서를 통해 공급 압력과 회수 압력의 차이인 1차측 압력차를 산출하고, 1차측 압력차를 기준 압력 범위 내로 유지하도록 상기 입구 가이드 베인의 입사각도를 조절하여 공급 압력을 조절하고, 상기 온도 센서를 통해 공급 온도와 회수 온도의 차이를 산출하고, 산출된 온도차가 기준 온도 범위보다 낮으면 상기 토크 컨버터의 토크 전달량을 낮춰서 상기 외력 순환 펌프의 회전속도를 낮춰서 온도차가 커지도록 하는 컨트롤러로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

삭제

여기에서, 상기 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템은 상기 외력 순환 펌프의 후단에 설치되는 인버터 타입의 보조 펌프를 더 포함한다.

여기에서 또한, 상기 컨트롤러는 상기 온도 센서를 통해 공급 온도와 회수 온도의 차이를 산출하고, 산출된 온도차가 기준 온도 범위보다 높으면 상기 보조 펌프를 동작시키되, 회전 속도를 제어하여 온도차가 낮아지도록 한다.

이때, 열공급관은 메인 열공급관과, 사용자측 열공급관을 포함하고, 열회수관은 메인 열회급관과, 사용자측 열회수관을 포함한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템에 따르면, 열배관에 차압유량조절밸브를 대체하도록 수차를 설치하여 압력을 강하시키고, 열배관에 외력 순환 펌프를 설치하여 수차의 회전력으로 외력 순환 펌프를 가동시킴으로써 버려지는 에너지를 회수하여 동력비를 절감할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 온도조절밸브를 대체하도록 수차에 가이드 베인을 설치하고, 가이드 베인의 입사각을 조절하여 열공급관과 열회수관의 압력차를 제어하고, 유량제어를 위해 수차와 펌프 사이에 토크 컨버터를 설치하고, 수차의 회전수와 지역난방수의 공급온도와 회수 온도를 통해 외력 순환 펌프의 유량을 제어할 수 있다.

도 1은 일반적인 지역난방 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 지역난방 시스템의 사용자 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템의 구성을 나타낸 개요도이다.

이하, 본 발명에 따른 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템의 구성을 나타낸 개요도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템(100)은, 수차(110)와, 입구 가이드 베인(120)과, 외력 순환 펌프(130)와, 토크 컨버터(140)와, 보조 펌프(150)와, 압력 센서(160)와, 온도 센서(170) 및 컨트롤러(180)를 포함하여 구성된다.

본 발명을 설명하기 앞서, 종래와 동일 구성에 대해서는 동일 부호를 부여하고, 그 중복 설명은 생략하고, 본 발명에 따른 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템(100)은 감압이 필요한 사용자측 열교환기의 입구인 열배관에 설치된 실시예이이며, 열공급관은 열공급관(5-1)과, 사용자측 열공급관(5-3)을 포함하고, 열회수관은 열회급관(5-3)과, 사용자측 열회수관(5-4)을 포함한다.

먼저, 수차(110)는 사용자측 열교환기(6)의 1차측 입구 전단인 열공급관(5-1)에 설치되어 지역난방수의 흐름에 따라 수차 날개(111)가 회전되면서 수차용 회전축(113)을 회전시켜 지역난방수의 압력을 강하시킨다.

그리고, 입구 가이드 베인(120)은 수차(110)의 입구 측에 설치되고, 하기에서 설명할 컨트롤러(180)의 제어에 따라 수차로 유입되는 지역난방수의 유량을 조절한다.

또한, 외력 순환 펌프(130)는 사용자측 열교환기(6)의 2차측 입구 전단인 사용자측 열회수관(5-4) 상에 설치되어 수차(110)의 수차용 회전축(113)으로부터 전달되는 동력에 의해 펌프용 회전축(131)이 회전되어 지역 난방수를 순환시킨다.

또, 토크 컨버터(140)는 수차(110)의 수차용 회전축(113)과 외력 순환 펌프(130)의 펌프용 회전축(131) 사이에 설치되고, 컨트롤러(180)의 제어에 따라 수차의 수차용 회전축에서 외력 순환 펌프(130)의 펌프용 회전축(131)으로 전달되는 토크를 조절한다.

한편, 보조 펌프(150)는 컨트롤러의 제어에 따라 회전수가 제어되는 인버터 타입으로 외력 순환 펌프(130)와 사용자측 열교환기(6) 사이인 사용자측 열회수관(5-4) 상에 설치된다.

그리고, 압력 센서(160)는 지역난방수의 회수 압력과 공급 압력을 각각 측정하도록 열회수관(5-2) 및 열공급관(5-1)에 각각 설치된다. 이때, 압력 센서(160)는 열회수관(5-2) 및 열공급관(5-1)에 기설치된 것을 이용할 수도 있다.

또한, 온도 센서(170)는 지역난방수의 공급 온도와 회수 온도를 각각 측정하도록 사용자측 열공급관(5-3)과 사용자측 열회수관(5-4)에 각각 설치된다. 이때, 온도 센서(170)는 사용자측 열공급관(5-3)과 사용자측 열회수관(5-4)에 기설치된 것을 이용할 수도 있다.

또, 컨트롤러(180)는 압력 센서(160)를 통해 공급 압력과 회수 압력의 차이인 1차측 압력차를 산출하고, 1차측 압력차를 기준 압력 범위(예를 들어, 0.6~0.8㎏f/㎠) 내로 유지하도록 입구 가이드 베인(120)의 입사각도를 조절하여 공급 압력을 조절하고, 온도 센서(170)를 통해 공급 온도와 회수 온도의 차이인 2차측 온도차를 산출하고, 산출된 2차측 온도차가 기준 온도(예를 들어, 5℃)보다 낮으면 토크 컨버터(140)의 토크 전달량을 낮춰서 외력 순환 펌프(130)의 회전속도를 낮춰서 2차측 온도차가 커지도록 제어한다. 여기에서, 컨트롤러(180)는 온도 센서(170)를 통해 공급 온도와 회수 온도의 차이인 2차측 온도차를 산출하고, 산출된 2차측 온도차가 기준 온도 범위(예를 들어, 5℃)보다 높으면 보조 펌프(150)를 동작시키되, 회전 속도를 제어하여 2차측 온도차가 낮아지도록 제어한다.

이하, 본 발명에 따른 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 열공급관(5-1)에 설치된 수차(110)는 지역난방수가 흐르면 수차 날개(111)가 부하로 작용하여 지역난방수의 압력을 강하시킴과 동시에 회전 에너지를 발생한다.

계속해서, 수차 날개(111)가 회전되면 이와 연계된 수차용 회전축(113)이 회전되면서 이에 연결된 토크 컨버터(140)로 토크를 전달한다.

이때, 컨트롤러(180)는 압력 센서(160)를 통해 공급 압력과 회수 압력을 각각 입력받아 공급 압력과 회수 압력의 차이인 1차측 압력차를 산출하고, 1차측 압력차를 기준 압력 범위(약 0.7㎏f/㎠) 내로 유지하도록 입구 가이드 베인(120)의 입사각도를 조절하여 공급 압력을 조절한다.

이어서, 토크 컨버터(140)로 전달된 토크는 외력 순환 펌프(130)의 펌프용 회전축(131)을 회전시킨다.

그러면, 외력 순환 펌프(130)의 펌프용 회전축(131)이 회전되면서 지역 난방수를 순환, 즉 사용자측 열회수관(5-4)의 지역난방수를 사용자측 열교환기(6)의 2차측 입구로 유입시켜 순환시킨다.

이때, 컨트롤러(180)는 온도 센서(170)를 통해 공급 온도와 회수 온도를 입력받아 공급 온도와 회수 온도의 차이인 2차측 온도차를 산출하고, 산출된 2차측 온도차가 기준 온도 범위(약 5℃)보다 낮으면 토크 컨버터(140)의 토크 전달량을 낮춰서 외력 순환 펌프(130)의 회전속도를 낮춰서 2차측 온도차가 커지도록 제어한다.

한편, 컨트롤러(180)는 산출된 2차측 온도차가 기준 온도 범위(약 5℃)보다 높은 경우에는 보조 펌프(150)를 동작시키되, 회전 속도를 제어하여 2차측 온도차가 낮아지도록 제어한다.

한편, 본 발명에 따른 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템(100)은 가압장에도 적용이 가능하다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

5-1 : 열공급관 5-2 : 열회수관
5-3 : 사용자측 열공급관 5-4 : 사용자측 열회수관
6 : 사용자측 열교환기 110 : 수차
120 : 입구 가이드 베인 130 : 외력 순환 펌프
140 : 토크 컨버터 150 : 보조 펌프
160 : 압력 센서 170 : 온도 센서
180 : 컨트롤러

Claims (5)

1. 지역난방수를 공급하는 열공급관 또는 지역난방수를 회수하는 열회수관에 설치되어 지역난방수의 흐름에 따라 수차 날개가 회전되면서 수차용 회전축을 회전시켜 지역난방수의 압력을 강하시키는 수차와;
   상기 수차의 입구 측에 설치되고, 외부의 제어에 따라 상기 수차로 유입되는 지역난방수의 유량을 조절하는 입구 가이드 베인과;
   상기 열회수관 또는 열공급관에 설치되어 상기 수차의 수차용 회전축으로부터 전달되는 동력에 의해 펌프용 회전축이 회전되어 지역 난방수를 순환시키는 외력 순환 펌프와;
   상기 수차의 수차용 회전축과 외력 순환 펌프의 펌프용 회전축 사이에 설치되고, 외부의 제어에 따라 상기 수차의 수차용 회전축에서 상기 외력 순환 펌프의 펌프용 회전축으로 전달되는 토크를 조절하는 토크 컨버터와;
   지역난방수의 회수 압력과 공급 압력을 각각 측정하도록 상기 열회수관과 열공급관에 각각 설치되는 압력 센서와;
   지역난방수의 공급 온도와 회수 온도를 각각 측정하도록 상기 열회수관과 열공급관에 각각 설치되는 온도 센서; 및
   상기 압력 센서를 통해 공급 압력과 회수 압력의 차이인 1차측 압력차를 산출하고, 1차측 압력차를 기준 압력 범위 내로 유지하도록 상기 입구 가이드 베인의 입사각도를 조절하여 공급 압력을 조절하고, 상기 온도 센서를 통해 공급 온도와 회수 온도의 차이를 산출하고, 산출된 온도차가 기준 온도 범위보다 낮으면 상기 토크 컨버터의 토크 전달량을 낮춰서 상기 외력 순환 펌프의 회전속도를 낮춰서 온도차가 커지도록 하는 컨트롤러로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템은,
   상기 외력 순환 펌프의 후단에 설치되는 인버터 타입의 보조 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 컨트롤러는,
   상기 온도 센서를 통해 공급 온도와 회수 온도의 차이를 산출하고, 산출된 온도차가 기준 온도 범위보다 높으면 상기 보조 펌프를 동작시키되, 회전 속도를 제어하여 온도차가 낮아지도록 하는 것을 특징으로 하는 열배관 차압에너지를 이용한 펌프구동시스템.

Images