KR101650433B1 - 차량 폐열 회수 시스템 - Google Patents

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조준현
백영진
김민성
이길봉
나호상
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은, 차량의 엔진 등에서 나오는 배기가스의 폐열을 회수하여 이산화탄소 발전 사이클을 구동하여 전력을 생산함으로써, 시스템의 효율이 향상될 수 있다. 또한, 복수의 디스크들을 포함하는 테슬라 터빈을 사용함으로써, 구조가 단순하고 초소형화가 가능하여, 차량 폐열 회수 시스템에 적합한 이점이 있다. 또한, 초임계 이산화탄소의 경우 압축 직후 비열이 크기 때문에, 온도를 올리기 힘드나, 분배모듈을 통해 유량을 분배하여 각각 가열시키기 때문에, 이산화탄소의 가열이 보다 용이한 이점이 있다.

Description

차량 폐열 회수 시스템{Vehicle waste heat recovery system}
본 발명은 차량 폐열 회수 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 배기가스 폐열을 회수하여 발전 사이클을 구동하여 전력을 생산함으로써 구조가 단순하고 초소형화가 가능한 차량 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.
기존 에너지원의 활용성과 전력수급의 효율성을 향상시키기 위해 고효율 전력생산 기술의 향상에 대한 관심이 지속적으로 증대되고 있다. 고효율 전력생산 기술 향상을 위한 대안으로 초임계 이산화탄소 발전 기술에 대한 연구개발이 활성화되고 있다.
초임계 이산화탄소 발전 기술은, 임계 압력 이상의 초고압으로 압축된 이산화탄소를 고온으로 가열하여 터빈을 구동하는 브레이튼(Brayton)사이클 방식의 전력생산 기술이다. 초임계 이산화탄소 발전 기술은, 원자력, 화력, 태양열, 지열 등 다양한 열원에 적용가능하고, 효율이 높으면서도 크기를 소형화할 수 있는 장점이 있다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동유체인 초임계이산화탄소를 최대 공정온도까지 가열하는 히터, 고온 고압의 초임계 이산화탄소를 이용하여 구동하는 터빈, 저압의 초임계 이산화탄소의 온도를 낮추는 쿨러, 저온 저압의 초임계 이산화탄소를 가압하는 압축기를 포함한다.
한국등록특허 10-1138223호
본 발명의 목적은, 구조가 단순하고 초소형화가 가능한 차량 폐열 회수 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 차량 폐열 회수 시스템은, 차량의 폐열을 회수하여 작동유체를 가열하는 폐열회수장치와; 상기 폐열회수장치에서 가열된 작동유체를 이용하여 구동하는 제1팽창기와; 상기 제1팽창기에서 나온 작동유체의 열을 회수하여, 상기 제1팽창기과 별도로 구비된 제2팽창기로 유입되는 작동유체를 가열하는 제1열회수기와; 상기 제2팽창기에서 나온 작동유체의 열을 회수하여, 상기 폐열회수장치로 공급되는 작동유체를 가열하는 제2열회수기와; 상기 제1열회수기와 상기 제2열회수기에서 열이 회수된 작동유체를 냉각시키는 냉각기와; 상기 냉각기에서 나온 작동유체를 가압하는 가압모듈과; 상기 가압모듈에서 가압된 작동유체를 상기 폐열회수장치, 상기 제1열회수기 및 상기 제2열회수기에 분배하는 분배모듈과; 상기 차량의 폐열의 온도에 따라 상기 분배모듈의 작동을 제어하여, 상기 폐열회수장치, 상기 제1열회수기 및 상기 제2열회수기로 유입되는 작동유체의 유량을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따른 차량 폐열 회수 시스템은, 초임계 이산화탄소에 의해 구동되는 제1팽창기과 제2팽창기를 포함하고, 차량의 배기가스의 열을 회수하여, 상기 제1팽창기로 유입되는 초임계 작동유체를 가열하는 제1폐열회수 열교환기와; 상기 제1폐열회수 열교환기에서 나온 배기가스를 후처리하는 배기가스 후처리장치와; 상기 배기가스 후처리장치에서 나온 배기가스의 열을 회수하여, 상기 제1폐열회수 열교환기로 유입되는 초임계 작동유체를 가열하는 제2폐열회수 열교환기와; 상기 제1팽창기에서 나온 초임계 작동유체의 열을 회수하여, 상기 제2팽창기로 유입되는 초임계 작동유체를 가열하는 제1열회수기와; 상기 제2팽창기에서 나온 초임계 작동유체의 열을 회수하여, 상기 폐열회수장치로 공급되는 초임계 작동유체를 가열하는 제2열회수기와; 상기 제1열회수기와 상기 제2열회수기에서 열이 회수된 초임계 작동유체를 냉각시키는 냉각기와; 상기 냉각기에서 나온 초임계 작동유체를 가압하는 압축기와; 상기 압축기에서 가압된 초임계 작동유체를 토출하는 압축기 토출유로와; 상기 압축기 토출유로에서 분기되어, 상기 압축기에서 가압된 초임계 작동유체를 상기 제1열회수기로 공급하는 제1열회수기 공급유로와; 상기 압축기 토출유로에서 분기되어, 상기 압축기에서 가압된 초임계 작동유체를 상기 제2열회수기로 공급하는 제2열회수기 공급유로와; 상기 압축기 토출유로에서 분기되어, 상기 압축기에서 가압된 초임계 작동유체를 상기 제2폐열회수 열교환기로 공급하는 폐열회수장치 공급유로와; 상기 압축기 토출유로에서 상기 제1열회수기 공급유로, 상기 제2열회수기 공급유로 및 상기 폐열회수장치 공급유로가 분기되는 지점에 설치되어, 상기 압축기 토출유로로부터 상기 제1열회수기 공급유로, 상기 제2열회수기 공급유로 및 상기 폐열회수장치 공급유로로 공급되는 초임계 작동유체의 유량을 제어하는 유량 제어밸브와; 상기 배기가스의 온도와 상기 배기가스 후처리장치내의 온도에 따라 상기 폐열회수장치, 상기 제1열회수기 및 상기 제2열회수기로 유입되는 초임계 작동유체의 유량을 증감시키는 제어부를 포함한다.
본 발명은, 차량의 엔진 등에서 나오는 배기가스의 폐열을 회수하여 이산화탄소 발전 사이클을 구동하여 전력을 생산함으로써, 시스템의 효율이 향상될 수 있다.
또한, 복수의 디스크들을 포함하는 테슬라 터빈을 사용함으로써, 구조가 단순하고 초소형화가 가능하여, 차량 폐열 회수 시스템에 적합한 이점이 있다.
또한, 초임계 이산화탄소의 경우 압축 직후 비열이 크기 때문에, 온도를 올리기 힘드나, 분배모듈을 통해 유량을 분배하여 각각 가열시키기 때문에, 이산화탄소의 가열이 보다 용이한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량 폐열 회수 시스템이 개략적으로 도시된 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 차량 폐열 회수 시스템의 작동상태가 도시된 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량 폐열 회수 시스템이 개략적으로 도시된 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 차량 폐열 회수 시스템의 작동상태가 도시된 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량 폐열 회수 시스템은, 폐열회수장치(20), 제1팽창기(51), 제2팽창기(52), 열회수기(40), 냉각기(90), 분배모듈(70), 가압모듈 및 제어부(미도시)를 포함하고, 작동유체가 순환하는 유로로 연결된다.
상기 작동유체는 스팀, 이산화탄소 및 공기 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 본 실시예에서는 초임계 이산화탄소를 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 작동유체가 이산화탄소가 사용되면, 상기 가압모듈은 압축기(60)가 사용된다.
상기 폐열회수장치(20)는, 차량의 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 상기 작동유체를 가열한다. 상기 폐열회수장치(20)는, 상기 차량의 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 1차로 회수하는 제1폐열회수 열교환기(21)와, 상기 제1폐열회수 열교환기(21)를 통과한 배기가스의 폐열을 2차로 회수하는 제2폐열회수 열교환기(22)를 포함한다.
상기 제1폐열회수 열교환기(21)는, 상기 배기가스와 후술하는 제2열회수기(42)에서 가열된 작동유체를 서로 열교환시켜, 상기 제1팽창기(51)로 유입되는 작동유체를 가열한다.
상기 제2폐열회수 열교환기(22)는, 상기 제1폐열회수 열교환기(21)를 통과한 배기가스와 상기 분배모듈(70)로부터 분배되어 상기 제1폐열회수 열교환기(21)로 유입되기 이전의 작동유체를 서로 열교환시켜, 상기 제1폐열회수 열교환기(21)로 유입되는 작동유체를 예열하는 역할을 한다.
상기 제1폐열회수 열교환기(21)와 상기 제2폐열회수 열교환기(22)는 배기가스 유로(12)로 연결된다. 상기 배기가스 유로(12)상에서 상기 제1폐열회수 열교환기(21)와 상기 제2폐열회수 열교환기(22)사이에는 배기가스를 후처리하는 배기가스 후처리장치(30)가 설치된다.
상기 배기가스 후처리장치(30)는, 삼원 촉매장치가 사용되고, 상기 제1폐열회수 열교환기(21)에서 나온 배기가스의 유해성분을 화학반응을 통해 처리할 수 있다. 상기 배기가스 후처리장치(30)에는, 내부 온도를 측정하는 제2온도센서(31)가 설치된다. 상기 배기가스 후처리장치(30)는, 촉매의 정화효율이 최적화되는 최적 온도범위가 존재한다. 따라서, 상기 배기가스 후처리장치(30)는, 상기 제2온도센서(31)에서 측정된 온도가 상기 최적 온도범위내에 존재하도록 상기 제1폐열회수 열교환기(21)와 상기 제2폐열회수 열교환기(22)사이에 배치된다. 또한, 상기 제2온도센서(31)에서 측정된 온도가 상기 최적 온도범위내에 들도록 상기 제2폐열회수 열교환기(22)로 유입되는 작동유체의 유량을 제어할 수 있다.
상기 제1팽창기(51)와 상기 제2팽창기(52)는 각각 터빈인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 제1팽창기(51)와 상기 제2팽창기(52)는, 병렬로 설치된 것으로 예를 들어 설명한다. 즉, 상기 제1팽창기(52)와 상기 제2팽창기(52)는 동축으로 연결되지 않고, 각각 별도의 회전축이 연결된다. 상기 제1팽창기(51)에는 제1발전기(51a)가 연결되고, 상기 제2팽창기(52)에는 제2발전기(52a)가 연결된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제1팽창기(51)와 상기 제2팽창기(52)는 동축으로 연결되는 것도 물론 가능하다.
상기 제1팽창기(51)와 상기 제2팽창기(52)는, 각각 복수의 디스크를 구비하여 작동유체와 상기 디스크들간의 마찰에 의해 구동하는 테슬라 터빈이 사용된다. 상기 제1팽창기(51)와 상기 제2팽창기(52)가 각각 테슬라 터빈이 사용됨으로써, 공간적 제약이 중요한 설계 이슈인 차량 폐열 회수 시스템의 소형화가 가능해질 수 있다.
상기 제1팽창기(51)의 일측에는 상기 작동유체가 유입되는 제1팽창기 유입유로(76)가 연결되고, 타측에는 상기 작동유체가 토출되는 제1팽창기 토출유로(77)가 연결된다. 상기 제1팽창기 유입유로(76)는, 상기 제1팽창기(51)의 입구측과 상기 제1폐열회수 열교환기(21)를 연결한다. 상기 제1팽창기 토출유로(77)는, 상기 제1팽창기(51)의 출구측과 후술하는 제1열회수기(41)를 연결한다.
상기 제2팽창기(52)의 일측에는 상기 작동유체가 유입되는 제2팽창기 유입유로(78)가 연결되고, 타측에는 상기 작동유체가 토출되는 제2팽창기 토출유로(79)가 연결된다. 상기 제2팽창기 유입유로(78)는, 상기 제2팽창기(52)의 입구측과 후술하는 제1열회수기(41)를 연결한다. 상기 제2팽창기 토출유로(79)는, 상기 제2팽창기(52)의 출구측과 후술하는 제2열회수기(42)를 연결한다.
상기 열회수기(40)는, 상기 제1팽창기(51)에서 나온 작동유체의 열을 회수하는 제1열회수기(41)와, 상기 제2팽창기(52)에서 나온 작동유체의 열을 회수하는 제2열회수기(42)를 포함한다.
상기 제1열회수기(41)는, 상기 제1팽창기(51)에서 나온 작동유체의 열을 회수하여, 상기 제2팽창기(52)로 유입되는 작동유체를 가열한다. 상기 제1열회수기(41)는, 상기 제1팽창기(51)에서 나온 작동유체와 상기 제2팽창기(52)로 유입되는 작동유체를 서로 열교환시키는 열교환기이다. 상기 제1열회수기(41)에서는, 상기 제1열회수기(41)에서 열이 회수되고 나온 작동유체를 상기 냉각기(90)로 안내하는 제1열회수기 토출유로(81)가 연결된다.
상기 제2열회수기(42)는, 상기 제2팽창기(52)에서 나온 작동유체의 열을 회수하여, 상기 제1폐열회수 열교환기(21)로 유입되는 작동유체를 가열한다. 상기 제2열회수기(42)는, 상기 제2팽창기(52)에서 나온 작동유체와 상기 제1폐열회수 열교환기(21)로 유입되는 작동유체를 서로 열교환시키는 열교환기이다. 상기 제2열회수기(42)에서는, 상기 제2열회수기(42)에서 열이 회수되고 나온 작동유체를 상기 냉각기(90)로 안내하는 제2열회수기 토출유로(82)가 연결된다.
상기 제2열회수기(42)와 상기 제1폐열회수 열교환기(21)는 가열된 작동유체가 토출되는 제2열회수기 토출유로(74)로 연결된다. 상기 제2열회수기 토출유로(74)에는, 상기 제2폐열회수 열교환기(22)에서 가열된 작동유체가 유입되는 제2폐열회수 열교환기 토출유로(75)가 연결된다.
상기 제1열회수기 토출유로(81)와 상기 제2열회수기 토출유로(82)는 냉각기 유입유로(80)로 연결된다.
상기 냉각기(90)는, 상기 제1열회수기(41)와 상기 제2열회수기(42)에서 나온 작동유체를 냉각시킨다. 본 실시예에서는, 상기 냉각기(90)는 차량에 설치된 것으로서, 외부 공기와의 열교환에 의해 냉각되는 공랭식 열교환기이다. 상기 제1팽창기(51)에서 나온 작동유체는 상기 제1열회수기(41)에서 열이 회수되면서 1차적인 냉각효과가 있으며, 상기 제2팽창기(52)에서 나온 작동유체도 상기 제2열회수기(42)에서 열이 회수되면서 1차적인 냉각효과가 있으므로, 상기 냉각기(90)에서 외부 공기에 의한 냉각이 충분하다.
상기 압축기(60)는, 상기 냉각기(90)에서 냉각된 작동유체인 이산화탄소를 임계점이상으로 압축한다. 상기 압축기(60)의 일측에는 압축기 흡입유로(62)가 연결되고, 상기 압축기(60)의 타측에는 압축기 토출유로(61)가 연결된다. 본 실시예에서는 가압모듈이 압축기인 것으로 예를 들어 설명하므로, 상기 압축기 토출유로(61)는, 가압모듈에서 가압된 작동유체를 토출하는 가압모듈 토출유로이다. 상기 압축기 흡입유로(62)는, 상기 압축기(60)와 상기 냉각기(90)를 연결한다. 상기 압축기 토출유로(61)는, 상기 압축기(60)에서 가압된 작동유체를 상기 제1열회수기(41), 상기 제2열회수기(42) 및 상기 제2폐열회수 열교환기(22)로 토출하도록 안내하는 유로이다.
상기 압축기 토출유로(61)는, 제1열회수기 공급유로(71), 제2열회수기 공급유로(72), 제2폐열회수 열교환기 공급유로(73)로 분기된다.
상기 제1열회수기 공급유로(71)는, 상기 압축기 토출유로(61)에서 분기되어, 상기 압축기(60)에서 가압된 작동유체를 상기 제1열회수기(41)로 공급하는 유로이다.
상기 제2열회수기 공급유로(72)는, 상기 압축기 토출유로(61)에서 분기되어, 상기 압축기(60)에서 가압된 작동유체를 상기 제2열회수기(42)로 공급하는 유로이다.
상기 제2폐열회수 열교환기 공급유로(73)는, 상기 압축기 토출유로(61)에서 분기되어, 상기 압축기(60)에서 가압된 작동유체를 상기 제2폐열회수 열교환기(22)로 공급하는 폐열회수장치 공급유로이다.
상기 분배모듈(70)은, 상기 제1열회수기 공급유로(71), 상기 제2열회수기 공급유로(72) 및 상기 제2폐열회수 열교환기 공급유로(73)로 각각 공급되는 작동유체의 유량을 제어하는 유량제어밸브이다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 배기가스의 온도나 상기 배기가스 후처리 장치(30)내의 온도에 따라 상기 분배모듈(70)의 작동을 제어하여, 상기 제1열회수기 공급유로(71), 상기 제2열회수기 공급유로(72) 및 상기 제2폐열회수 열교환기 공급유로(73)로 분배되는 분배 유량을 제어한다.
도 2를 참조하여, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 차량 폐열 회수 시스템의 작동을 설명하면, 다음과 같다.
본 실시예에서는, 상기 작동유체는 이산화탄소인 것으로 예를 들어 설명한다.
먼저, 상기 차량의 엔진(10)에서 나온 배기가스는 상기 제1폐열회수 열교환기(21), 상기 배기가스 후처리장치(30) 및 상기 제2폐열회수 열교환기(22)를 차례로 통과한다.
상기 제1온도센서(11)는 상기 차량의 엔진(10)에서 나온 배기가스의 온도를 측정한다. 상기 엔진(10)에서 나온 배기가스의 온도는 약 500 내지 600℃이다.
상기 제1폐열회수 열교환기(21)에서는 상기 배기가스의 폐열이 회수되어, 상기 제1팽창기(51)로 유입되는 이산화탄소를 가열시킨다. 상기 제1팽창기(51)로 유입되는 이산화탄소를 가열하기 위해 상기 배기가스의 폐열을 이용하므로, 시스템 효율이 향상될 수 있다.
상기 제1폐열회수 열교환기(21)를 통과한 배기가스는 상기 배기가스 후처리장치(30)에서 삼원 촉매에 의해 후처리된다. 이 때, 상기 배기가스 후처리 장치(30)로 유입되는 배기가스의 온도는 약 300 내지 400℃이고, 상기 배기가스 후처리 장치(30)에서 촉매의 정화가 가능한 최저 온도는 250℃이다. 따라서 상기 제1폐열회수 열교환기(21)를 통과한 배기가스는 상기 배기가스 후처리 장치(30)에서 촉매의 정화가 가능한 최저 온도 범위를 만족할 수 있다.
상기 배기가스 후처리 장치(30)를 통과한 배기가스는 상기 제2폐열회수 열교환기(22)에서 다시 열이 회수될 수 있다. 따라서, 상기 배기가스 후처리 장치(30)를 통과한 저온의 폐열을 다시 한번 회수할 수 있으므로 효율이 증가하는 효과가 있다.
상기 제2폐열회수 열교환기(22)에서는 상기 배기가스와 상기 압축기(60)에서 가압되어 상기 분배모듈(70)을 통해 상기 제2폐열회수 열교환기(22)로 유입되는 이산화탄소와의 열교환이 이루어진다. 즉, 상기 제2폐열회수 열교환기(22)에서는 상기 배기가스의 열을 회수하여, 상기 이산화탄소를 가열한다.
상기 제2폐열회수 열교환기(22)를 통과한 배기가스의 온도는 약 100℃이다.
한편, 상기 압축기(60)에서 가압된 이산화탄소는 상기 분배모듈(70)에 의해 상기 제1열회수기(41), 상기 제2열회수기(42) 및 상기 제2폐열회수 열교환기(22)로 분배되어 공급된다. 상기 압축기(60)에서 가압된 이산화탄소는 압축 직후 비열이 크기 때문에 온도를 올리기 힘드나, 상기 압축기(60)에서 가압된 이산화탄소의 유량을 상기 제1열회수기(41), 상기 제2열회수기(42) 및 상기 제2폐열회수 열교환기(22)로 분배하여, 분배된 유량만큼씩 가열하기 때문에 상기 이산화탄소의 가열이 보다 용이해질 수 있다.
상기 분배모듈(70)에서 분배되는 이산화탄소의 유량은, 상기 엔진(10)에서 나오는 배기가스의 온도나 상기 배기가스 후처리 장치(30)내의 온도에 따라 제어될 수 있다.
차량의 냉시동 등으로 인해 상기 엔진(10)에서 나오는 배기가스의 온도가 미리 설정된 제1설정온도 미만이거나, 상기 배기가스 후처리 장치(30)내의 온도가 미리 설정된 제2설정온도 미만이면, 상기 분배모듈(70)은 상기 폐열회수장치(20)로 유입되는 작동유체의 유량을 감소시켜, 상기 배기가스의 폐열의 회수율을 낮춘다. 상기 제1설정온도와 상기 제2설정온도는 실험 등에 의해 미리 설정될 수 있으며, 상기 제2설정온도는 촉매의 정화가 가능한 최저 온도이하로 설정될 수 있다. 상기 분배모듈(70)은, 상기 제1폐열회수 열교환기(21)로 유입되는 작동유체의 유량을 감소시키기 위하여, 상기 제2열회수기로 공급되는 작동유체의 유량을 감소시킨다. 또한, 상기 분배모듈(70)은, 상기 제2폐열회수 열교환기(22)로 유입되는 이산화탄소의 유량을 감소시키기 위하여, 상기 제2폐열회수 열교환기 공급유로(73)로 유입되는 이산화탄소의 유량을 감소시킨다. 상기 제2열회수기 공급유로(72)로 유입되는 이산화탄소의 유량이 감소되고, 상기 제2폐열회수 열교환기 공급유로(73)로 유입되는 이산화탄소의 유량이 감소되면, 상기 제1폐열회수 열교환기(21)에서 열교환이 보다 적게 이루어지므로 상기 배기가스의 폐열의 회수율이 낮아지게 된다. 따라서, 상기 배기가스 후처리 장치(30)내의 온도가 상승하게 되어, 촉매의 정화 효율을 확보할 수 있다.
한편, 상기 엔진(10)의 정상 구동으로 인해 상기 엔진(10)에서 나오는 배기가스의 온도가 미리 설정된 제1설정온도 이상이거나, 상기 배기가스 후처리 장치(30)내의 온도가 미리 설정된 제2설정온도 이상이면, 상기 분배모듈(70)은 상기 제1열회수기 공급유로(71), 상기 제2열회수기 공급유로(72) 및 상기 제2폐열회수 열교환기 공급유로(73)로 각각 공급되는 유량을 미리 설정된 최적 유량으로 제어할 수 있다.
상기 제1열회수기 공급유로(71)로 분배된 이산화탄소는 상기 제1열회수기(41)를 통과하면서, 상기 제1팽창기(51)에서 토출된 고온의 이산화탄소의 열을 회수하여 가열된다. 상기 제1열회수기(41)에서 가열된 이산화탄소는 상기 제2팽창기(52)로 공급된다.
상기 제2팽창기(52)는 상기 제1열회수기(41)에서 가열된 이산화탄소에 의해 구동되어 일을 발생시킨다. 상기 제2팽창기(52)를 구동시키고 나온 이산화탄소는 상기 제2열회수기(42)를 통과하면서 열이 회수된다.
한편, 상기 제2열회수기 공급유로(72)로 분배된 이산화탄소는 상기 제2열회수기(42)를 통과하면서, 상기 제2팽창기(52)에서 토출된 고온의 이산화탄소의 열을 회수하여 1차로 가열된다. 상기 제2열회수기(42)에서 가열된 이산화탄소는 상기 제2폐열회수 열교환기(22)를 통과하면서 가열된 이산화탄소와 합해져서 상기 제1폐열회수 열교환기(21)로 유입된다. 상기 제1폐열회수 열교환기(21)로 유입된 이산화탄소는 상기 배기가스의 폐열에 의해 2차로 가열된다. 따라서, 상기 제2열회수기 공급유로(72)로 분배된 이산화탄소는 상기 제2열회수기(42)와 상기 제2폐열회수 열교환기(22)에서 1차로 가열된 후, 상기 제1폐열회수 열교환기(22)에서 2차로 가열되기 때문에, 상기 제1팽창기(51)로 공급되는 이산화탄소의 온도가 보다 높아질 수 있다. 따라서, 상기 제1팽창기(51)의 출력이 보다 향상될 수 있다.
한편, 상기 제2폐열회수 열교환기 공급유로(73)로 분배된 이산화탄소는 상기 제2폐열회수 열교환기(22)를 통과하면서 1차로 가열된 후, 상기 제2폐열회수 열교환기(21)로 유입되어 2차로 가열된다.
한편, 상기 제1팽창기(51)에서 나온 이산화탄소는 상기 제1열회수기(41)에서 열이 일부 회수된 후, 상기 냉각기(90)를 거치면서 냉각된다. 또한, 상기 제2팽창기(52)에서 나온 이산화탄소는 상기 제2열회수기(42)에서 열이 일부 회수된 후, 상기 냉각기(90)를 거치면서 냉각된다. 상기 제1팽창기(51)에서 나온 이산화탄소는 상기 제1열회수기(41)에서 열이 회수되면서 1차적인 냉각효과가 있으며, 상기 제2팽창기(52)에서 나온 작동유체도 상기 제2열회수기(42)에서 열이 회수되면서 1차적인 냉각효과가 있으므로, 상기 냉각기(90)에서 외부 공기에 의한 냉각이 충분하며, 상기 냉각기(90)의 냉각일이 최소화될 수 있다.
따라서, 상기와 같이 구성된 차량 폐열 회수 시스템은, 상기 엔진(10)에서 나오는 배기가스 등의 폐열을 상기 제1,2팽창기(51)(52)를 구동하는 작동유체의 가열에 이용함으로써, 시스템의 효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 제1,2팽창기(51)(52)는 각각 다중 디스크형 테슬라 터빈을 사용함으로써, 구조가 단순하고 초소형화가 가능한 이점이 있으므로, 공간적 제약이 중요한 설계 이슈인 차량 폐열 회수 시스템에 적합하다.
또한, 초임계 이산화탄소의 경우 압축 직후 비열이 크기 때문에, 온도를 올리기 힘드나, 상기 분배모듈(70)을 통해 유량을 분배하여 서로 다른 열교환기에서 가열시키기 때문에, 이산화탄소의 가열이 보다 용이한 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 엔진 20: 폐열 회수장치
21: 제1폐열회수 열교환기 22: 제2폐열회수 열교환기
30: 배기가스 후처리장치 40: 열회수기
41: 제1열회수기 42: 제2열회수기
51: 제1팽창기 52: 제2팽창기
60: 압축기 70: 분배모듈

Claims (13)

  1. 차량의 폐열을 회수하여 작동유체인 초임계 이산화탄소를 가열하는 폐열회수장치와;
    상기 폐열회수장치에서 가열된 작동유체를 이용하여 구동하는 제1팽창기와;
    상기 제1팽창기에서 나온 작동유체의 열을 회수하여, 상기 제1팽창기와 별도로 구비된 제2팽창기로 유입되는 작동유체를 가열하는 제1열회수기와;
    상기 제2팽창기에서 나온 작동유체의 열을 회수하여, 상기 폐열회수장치로 공급되는 작동유체를 가열하는 제2열회수기와;
    상기 제1열회수기와 상기 제2열회수기에서 열이 회수된 작동유체를 냉각시키는 냉각기와;
    상기 냉각기에서 나온 작동유체를 가압하는 가압모듈과;
    상기 가압모듈에서 가압된 작동유체를 상기 폐열회수장치, 상기 제1열회수기 및 상기 제2열회수기에 분배하는 분배모듈과;
    상기 분배모듈의 작동을 제어하여, 상기 폐열회수장치, 상기 제1열회수기 및 상기 제2열회수기로 유입되는 작동유체의 유량을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 폐열회수장치는, 상기 차량의 엔진으로부터 나온 배기가스와 상기 제2열회수기에서 가열된 작동유체를 열교환시켜, 상기 제1팽창기로 유입되는 작동유체를 가열하는 제1폐열회수 열교환기와, 상기 제1폐열회수 열교환기에서 나온 배기가스와 상기 분배모듈로부터 분배되어 상기 제1폐열회수 열교환기로 유입되기 이전의 작동유체를 열교환시켜, 상기 제1폐열회수 열교환기로 유입되는 작동유체를 가열하는 제2폐열회수 열교환기를 포함하고,
    상기 제1폐열회수 열교환기와 상기 제2폐열회수 열교환기 사이의 유로 상에 설치되어, 상기 제1폐열회수 열교환기에서 나온 배기가스를 후처리하는 배기가스 후처리장치와,
    상기 제1폐열회수 열교환기로 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1온도센서와,
    상기 배기가스 후처리장치 내의 온도를 측정하는 제2온도센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 제1온도센서에서 측정된 온도가 미리 설정된 제1설정온도 미만이거나 상기 제2온도센서에서 측정된 온도가 미리 설정된 제2설정온도 미만이면, 상기 분배모듈이 상기 제2폐열회수 열교환기와 상기 제2열회수기로 공급되는 작동유체의 유량을 감소시키도록 제어하고,
    상기 제1온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1설정온도 이상이거나 상기 제2온도센서에서 측정된 온도가 상기 제2설정온도 이상이면, 상기 분배모듈이 상기 제1열회수기, 상기 제2열회수기 및 상기 제2폐열회수 열교환기로 공급되는 작동유체의 유량을 각각 미리 설정된 최적 유량으로 공급하도록 제어하는 차량 폐열 회수 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가압모듈에서 가압된 작동유체를 토출하는 가압모듈 토출유로와,
    상기 가압모듈 토출유로에서 분기되어, 상기 가압모듈에서 가압된 작동유체를 상기 제1열회수기로 공급하는 제1열회수기 공급유로와,
    상기 가압모듈 토출유로에서 분기되어, 상기 가압모듈에서 가압된 작동유체를 상기 제2열회수기로 공급하는 제2열회수기 공급유로와,
    상기 가압모듈 토출유로에서 분기되어, 상기 가압모듈에서 가압된 작동유체를 상기 폐열회수장치로 공급하는 폐열회수장치 공급유로를 더 포함하는 차량 폐열 회수 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 분배모듈은,
    상기 제1열회수기 공급유로, 상기 제2열회수기 공급유로 및 상기 폐열회수장치 공급유로로 공급되는 작동유체의 유량을 제어하는 유량 제어밸브인 차량 폐열 회수 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2열회수기와 상기 제1폐열회수 열교환기를 연결하여, 상기 제2열회수기에서 가열된 작동유체를 상기 제1폐열회수 열교환기로 안내하는 제2열회수기 토출유로와,
    상기 제2폐열회수 열교환기와 상기 제2열회수기 토출유로를 연결하여, 상기 제2폐열회수 열교환기에서 가열된 작동유체를 상기 제2열회수기 토출유로로 안내하는 제2폐열회수 열교환기 토출유로를 더 포함하는 차량 폐열 회수 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1팽창기과 상기 제2팽창기는 동축으로 연결된 차량 폐열 회수 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1팽창기에 연결된 제1발전기와,
    상기 제1발전기와 별도로 설치되고, 상기 제2팽창기에 연결된 제2발전기를 더 포함하는 차량 폐열 회수 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1팽창기와 상기 제2팽창기는, 각각 테슬라 터빈인 차량 폐열 회수 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 작동유체는 초임계 이산화탄소를 포함하는 차량 폐열 회수 시스템.
  13. 삭제
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