KR101779560B1 - 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템 - Google Patents

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정주영
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재단법인 건설기계부품연구원
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Abstract

본 발명에 따른 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템은, 유압계통, 냉각계통, 엔진을 구비하는 건설기계에 있어서, 상기 유압계통, 상기 냉각계통 및 상기 엔진의 폐열 또는 폐에너지와 차례대로 열 교환하도록 작동유체를 순환시키는 유기랭킨 사이클을 구비하고, 상기 작동유체에 의해 얻어진 기계적 에너지를 상기 엔진의 보조 동력으로 이용할 수 있다. 본 발명에 따른 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템은 유압 시스템을 구비한 건설기계에서 버려지는 작동유, 냉각수 및 폐기가스의 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시킬 수 있는 구동원으로 변환시켜 건설기계의 구동에 활용함으로써 건설기계의 연비를 절감할 수 있다.

Description

건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템{FUEL EFFICIENCY IMPROVEMENT SYSTEM BY RECOVERING WASTE HEAT OF CONSTRUCTION MACHINERY}
본 발명은 건설기계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유압시스템을 구비한 건설기계의 버려지는 작동유, 냉각수 또는 폐기가스에서 열에너지를 회수하여 건설기계의 구동원으로 활용 할 수 있으며, 터빈의 회전력을 엔진의 보조동력으로 활용할 수 있는 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 건설기계의 디젤 엔진은 가동시에는 많은 열이 발생한다. 이때, 발생되는 열 에너지의 일부는 기계 에너지로 환원되지만, 기계 에너지로 환원되지 못한 폐 열 에너지가 많이 발생된다.
이에 따라, 최근에는 엔진의 배기가스, 작동유, 냉각수 등에서 버려지는 폐열 등의 폐에너지(Waste Energy)를 회수하여 전기 에너지 또는 기계 에너지로 재생시키는 기술에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.
이러한 폐 에너지 회수 기술에 관심이 집중되는 주요한 이유는 높은 효율을 갖는 엔진에서조차 버려지는 열 에너지가 여전히 상당하며, 연비 개선을 위한 연소 및 엔진 주변장치에 대한 기술개발이 어느 정도 한계에 도달했다고 판단하기 때문이다.
특히, 작동유를 이용하는 유압 시스템을 구비한 건설기계의 경우에는 작동유의 온도가 낮지만 많은 열이 포함되는데 이를 활용하지 못하고 버리는 경우가 대부분이다.
한편, 건설기계의 디젤엔진의 배기가스로부터 배출되는 중저온의 열 에너지를 회수하는 방법에는 유기랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC)을 이용한 발전 장치가 많이 시도되고 있다. 일반적인 랭킨 사이클은 증발기를 통과하면서 고압이 된 증기를 이용해 터빈을 회전시키고, 이때 발생되는 축동력을 전기 에너지로 변환시키는 것이다. 또한, 유기랭킨 사이클을 이용한 발전 장치도 많이 시도 되고 있는데, 일반적인 랭킨 사이클과 달리 작동유체(operating fluid)로 물을 사용하는 것이 아니라, 물보다 낮은 온도를 가지는 암모니아, 알코올과 같은 유기체(또는 유기 혼합물)을 사용한다.
최근에는 주요 선진국 및 제조사에서 유기랭킨 사이클을 이용하여 디젤 엔진의 폐 에너지를 활용하는 기술개발을 진행하고 있으나, 현재 개발된 기술들은 디젤 엔진의 배기가스 또는 냉각수 등의 폐 에너지에서 많은 열을 회수하지 못하고, 그에 따라 디젤 엔진의 발전에 활용할 수 있는 전력이 크지 않다는 문제점이 있다.
또한, 기존의 기술은 건설기계에서 버려지는 폐열을 회수하여 전기 에너지를 생성하는데 그쳤으나, 폐열을 기계적인 에너지로 변환하여 엔진의 효율을 높이는 기술에 대한 요구도 커지고 있다.
따라서, 본 출원인은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 제안하게 되었으며, 이와 관련된 선행기술문헌으로는, 대한민국 등록특허공보 10-1290289호 (발명의 명칭: 선박용 온도차 유기 랭킨 사이클 발전 장치, 등록일: 2013. 07. 22. )가 있다.
본 발명의 목적은 유압 시스템을 구비한 건설기계에서 버려지는 작동유, 냉각수 및 폐기가스의 열에너지를 회수하여 건설기계의 구동원으로 사용될 수 있는 전력 또는 기계적인 에너지로 변환시킬 수 있는 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 건설기계에서 버려지는 작동유, 냉각수 및 배기가스의 열 에너지를 터빈에서 기계적 에너지로 변환하고 이를 건설기계의 엔진에 공급하여 엔진의 동력을 보조할 수 있는 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템을 제공하는 것이다.
더욱이, 본 발명의 목적은 유기랭킨 사이클의 작동유체의 상태 변화, 온도 또는 열량 등에 의해서 작동유체의 순환경로를 조절할 수 있는 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적은, 본 발명에 따라, 유압계통, 냉각계통, 엔진을 구비하는 건설기계에 있어서, 상기 유압계통, 상기 냉각계통 및 상기 엔진의 폐열 또는 폐에너지와 차례대로 열 교환하도록 작동유체를 순환시키는 유기랭킨 사이클을 구비하고, 상기 작동유체에 의해 얻어진 기계적 에너지를 상기 엔진의 보조 동력으로 이용하는 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템에 의해 달성된다.
상기 유기랭킨 사이클은 상기 작동유체가 유입되어 기계적 에너지를 발생시키는 터빈을 포함하며, 상기 터빈의 기계적 에너지는 상기 엔진의 크랭크축에 전달될 수 있다.
상기 터빈의 기계적 에너지를 전달 받아 전기적 에너지를 발생시키는 발전기, 상기 발전기에서 얻어진 전기적 에너지를 저장하는 배터리 및 상기 배터리의 전기적 에너지가 입력되는 모터를 더 포함하고, 상기 모터에서 발생되는 기계적 에너지가 상기 엔진의 크랭크축에 전달될 수 있다.
상기 터빈의 회전축에 연결되는 감속기를 더 포함하고, 상기 감속기는 상기 엔진의 크랭크축에 연결될 수 있다.
상기 모터에 입력되는 전기 에너지 또는 상기 모터에서 출력되는 기계적 에너지의 크기는 상기 엔진의 요구 출력에 따라서 가변되거나 제어될 수 있다.
상기 유기랭킨 사이클은, 상기 유압계통의 작동유와 상기 작동유체를 열 교환시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 냉각계통의 냉각수와 열 교환시키는 제2 열교환기; 및 상기 제2 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 엔진의 연소가스를 열 교환시키는 제3 열교환기;를 포함하며, 상기 제3 열교환기에서 나온 상기 작동유체는 상기 터빈에 유입되어 기계적 에너지를 발생시킬 수 있다.
상기 유기랭킨 사이클은, 상기 터빈에서 나온 상기 작동유체를 응축시켜서 액화시키는 응축기; 상기 응축기에서 나온 상기 작동유체를 저장하는 저장탱크; 및 상기 저장탱크에 저장된 상기 작동유체를 상기 제1 열교환기로 보내는 펌프; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템은, 유압 시스템을 구비한 건설기계에서 버려지는 작동유, 냉각수 및 폐기가스의 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시킬 수 있는 구동원으로 변환시켜 건설기계의 구동에 활용함으로써 건설기계의 연비를 절감할 수 있다.
더욱이, 발명의 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템은, 건설기계에서 버려지는 작동유, 냉각수 및 배기가스의 열 에너지를 터빈에서 기계적 에너지 또는 회전력으로 변환한 후 이를 엔진에 공급하기 때문에 엔진에 필요한 동력을 터빈에서 발생한 에너지로 보조할 수 있어서 건설기계의 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템은 터빈에서 발생하는 고속의 회전력을 그대로 엔진에 공급하지 않고, 감속기 또는 모터에 의해서 감속시킨 후 엔진에 공급하기 때문에 엔진에 과부하가 걸리거나 엔진이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템은 유기랭킨 사이클의 작동유체의 상변화 상태, 온도 또는 열량 등에 의해서 작동유체의 순환경로를 조절하거나 연비 향상 시스템에 필요한 구성요소들을 선택적으로 활용할 수 있기 때문에 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템을 건설기계의 엔진룸 내에 패키지할 때 공간의 제약을 덜 받을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템의 변형예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예들을 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도면의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템(100, 이하, '연비 향상 시스템'이라 함)을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템을 나타낸 도면 및 도 2는 도 1에 도시한 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템의 변형예를 나타낸 도면이다.
이하에서 설명할 본 발명의 일 실시예에 따른 연비 향상 시스템(100)은 건설기계(미도시)에 탑재되는 시스템이다. 일반적으로 건설기계는 주행용 유압 모터에 의해 구동되는 주행장치를 구비하는 하부 주행체, 선회용 유압 모터에 의해 구동되는 선회 장치, 선회 장치를 통하여 하부 주행체 상에 마련되는 상부 선회체, 상부 선회체의 앞부분 중앙 위치에 장착되는 작업기, 상부 선회체의 앞부분 좌측 위치에 설치되는 운전실을 구비할 수 있다.
여기서, 작업기는 상부 선회체에 요동 가능하게 연결된 붐(boom), 붐에 요동 가능하게 연결된 암(arm), 암에 요동 가능하게 연결된 버킷(bucket)을 포함할 수 있다. 또한, 작업기는 붐, 암, 버킷을 각각 동작시키는 유압 실린더, 즉 붐 실린더, 암 실린더 및 버킷 실린더를 구비할 수 있다.
또한, 건설기계는 각 유압 모터를 구동할 수 있는 엔진을 구비하고 있으며, 엔진을 식힐 수 이는 냉각장치를 구비할 수 있다.
이러한 건설기계는 유압 실린더 및 유압 모터를 포함하여 유압 계통이 형성되는데, 유압 계통은 작동유(operating fluid)의 유압에 의해서 작업기를 작동시킬 수 있다.
더욱이, 건설기계는 냉각수를 이용하여 엔진을 냉각시키기 위한 냉각계통을 구비하는데, 냉각계통은 엔진 또는 엔진의 일측에 구비된 라디에이터에 냉각수를 순환시켜서 엔진을 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연비 향상 시스템(100)은 건설기계의 유압계통, 냉각계통, 엔진에서 발생하거나 버려지는 페열을 회수하여 전기적 에너지 또는 기계적 에너지로 회생하고 이를 다시 건설기계의 작동에 이용함으로써 건설기계의 연비를 증가시킬 수 있다. 이때, 유압계통, 냉각계통, 엔진에서 버려지는 페열의 온도에 따라 순차적으로 폐열을 회수함으로써 폐열 회수에 이용되는 유기랭킨 사이클의 작동유체의 온도를 순차적으로 증가시킬 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연비 향상 시스템(100)은 건설기계의 엔진(110), 건설기계의 유압계통의 작동유와 작동유체를 열 교환하는 제1 열교환기(120), 제1 열교환기(120)에서 나온 작동유체와 냉각계통의 냉각수와 열 교환하는 제2 열교환기(122), 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체와 엔진(110)의 연소가스를 열 교환시키는 제3 열교환기(124), 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124)를 순차적으로 거치면서 기화된 작동유체가 유입되어 회전력을 발생시키는 터빈(130), 터빈(130)을 거친 작동유체를 냉각 및 응축하는 응축기(140), 응축기(140) 에서 액화된 작동유체가 저장되는 저장탱크(144) 및 저장탱크(144)의 작동유체를 제1 열교환기(120)로 송출하는 펌프(142)를 포함할 수 있다.
참고로, 도 1 및 2에 도시된 점선은 작동유체의 이동 경로를 의미한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 엔진(110)은 굴삭기, 휠로더와 같은 건설기계의 구동원일 수 있다. 이러한 엔진(110)에서는 배기가스(exhaust), 즉 폐기가스가 발생될 수 있다. 더욱이, 엔진(110)은 건설기계의 각각의 부품을 구동하는 유압모터(미도시)가 구동되도록 하며, 엔진(110)의 열을 식힐 수 있는 냉각수를 포함하는 냉각장치(미도시)를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연비 향상 시스템(100)은 유기랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC)을 이용하여 유압 시스템(hydraulic pressure system)으로 구동되는 모든 건설기계의 폐 에너지를 회수하여 건설기계의 전력으로 활용할 수 있다.
상기와 같은 유기랭킨 사이클은 작동유체가 저장되는 저장탱크(144), 펌프(142), 증발기(또는 보일러), 터빈(130) 및 응축기(140) 등으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 유기랭킨 사이클의 증발기 또는 보일러는 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124)로 구현될 수 있다. 이와 같은 유기랭킨 사이클은 작동유체의 작동유체는 물의 끓는 점보다 낮은 유기체(organic fluid)를 작동유체로 사용하는데, 암모니아, 알코올, R134A, R245FA, 유기냉매 등이 이용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연비 향상 시스템(100)은 유압 계통의 작동유, 냉각계통의 냉각수, 엔진의 배기가스 등과 열 교환할 수 있는 작동유체를 순환시키는 유기랭킨 사이클을 구비하여 건설기계에서 발생하는 폐열을 재활용할 수 있다.
일반적으로 건설기계의 작동유, 냉각수 등의 온도는 높지 않지만 많은 열량을 가진다. 따라서, 온도가 낮은 작동유, 냉각수 등과 열 교환하는 작동유체는 기화되는 온도 즉, 끓는 점이 낮은 작동유체를 사용하는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 유기랭킨 사이클의 작동유체는 끓는 점이 낮은 유기냉매 등을 작동유체로 이용하기 때문에 건설기계에서 발생하는 폐열을 효율적으로 재활용 할 수 있다.
이와 같은 유기랭킨 사이클의 작동유체는 펌프(142)에서부터 송출되어 가장 먼저 유압계통의 작동유와 열 교환을 하게 된다. 건설기계의 유압계통의 작동유 유압이 유기랭킨 사이클의 펌프(142)의 구동원으로 이용될 수 있다. 따라서, 유기랭킨 사이클의 작동유체를 순환시키기 위해서 별도의 에너지를 생성할 필요가 없다. 이를 위해서, 건설기계의 유압계통이 유기랭킨 사이클의 펌프(142)와 연결되도록 구성하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 상술한 제1 열교환기(120)는 건설기계의 유압계통의 작동유 유로 상에 설치될 수 있다.
제1 열교환기(120)에 유입되는 작동유 보다 유기랭킨 사이클의 작동유체의 온도가 낮기 때문에, 작동유체는 작동유로부터 열을 얻어서 온도가 높아지게 되고 반대로 작동유는 작동유체에 열을 주기 때문에 온도가 낮아지게 된다.
제1 열교환기(120)에서 작동유의 열을 흡수한 작동유체는 제2 열교환기(122)로 유입된다. 제2 열교환기(122)는 건설기계의 냉각계통의 냉각수와 유기랭킨 사이클의 작동유체 간에 열 교환이 일어나는 곳이다. 이를 위해, 제2 열교환기(122)는 냉각계통의 일측에 마련되는 것이 바람직하다. 즉, 제2 열교환기(122)는 건설기계의 냉각계통의 냉각수 유로 상에 설치된다.
제2 열교환기(122)에 유입되는 냉각수보다 작동유체의 온도가 낮기 때문에, 제2 열교환기(122)에서 작동유체가 냉각수로부터 많은 열을 흡수하게 된다. 따라서, 작동유보다 냉각수가 온도가 더 높거나 많은 열을 가지고 있다고 볼 수 있다.
한편, 제1 열교환기(120) 및 제2 열교환기(122)에서 작동유 및 냉각수와 각각 열 교환된 작동유체는 저장탱크(144)에서 유출되는 작동유체 보다는 온도가 높지만, 여전히 액체 상태로 존재한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연비 향상 시스템(100)은 액체 상태인 유기랭킨 사이클의 작동유체와 건설기계의 폐열을 열 교환시켜서 작동유체를 완전한 기체 상태로 상태 변환을 시킨 후, 기체 상태의 작동유체에 의해서 터빈(130)을 회전시켜서 에너지를 얻을 수 있는 시스템이다. 따라서, 작동유체를 기체 상태로 만들기 위해서는 작동유체보다 온도가 높은 대상물과 열 교환시킬 필요성이 있다
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연비 향상 시스템(100)은 라디에이터(Radiator, 112)를 더 포함할 수 있다.
라디에이터(112)는 건설기계의 냉각계통으로부터 냉각수를 공급받아 엔진(110)을 냉각시키는 냉각계통의 일부분이라고 할 수 있다.
이를 위해, 라디에이터(112)는 냉각계통의 냉각수 유로 상에 마련되되, 엔진(110)과 인접하도록 엔진(110)의 일측에 마련될 수 있다.
라디에이터(112)와 제2 열교환기(122)는 냉각계통의 냉각수 유로와 병렬로 연결될 수 있다. 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수를 제2 열교환기(122) 또는 라이데이터(112)로 분기시키기 위해, 냉각계통의 냉각수 유로 상에는 냉각수 분배밸브(114)가 마련될 수 있다. 냉각수 분배밸브(114)에 의하여 냉각계통의 냉각수가 라디에이터(112) 또는 제2 열교환기(122)로 선택적으로 분배될 수 있게 된다.
또한, 도시하지는 않았지만, 라디에이터(112)가 엔진(110)과 제2 열교환기(122)를 연결하는 냉각수 유로에 직렬로 연결될 수도 있다. 뿐만 아니라, 라디에이터(112)를 생략하고 제2 열교환기(122)가 라디에이터의 역할도 하도록 구성할 수도 있다.
제2 열교환기(122)에 유입된 냉각수는 상기에서 설명한 바와 같이 작동유체와 열 교환하여 열을 잃은 후에 제2 열교환기(122)에서 유출되게 되고, 제2 열교환기(122)에서 유출된 제2 열교환기(122) 내에서 제1 열교환기(120)에서 나온 작동유체와 열 교환된 냉각수는 냉각계통에 마련된 냉각수 탱크(미도시)로 드레인될 수 있다.
상기한 바와 같이 라디에이터(122)에는 엔진(110)을 냉각시킨 냉각수가 유입될 수 있다. 만약, 냉각계통의 냉각수가 라디에이터(112)에는 공급되지 않고 제2 열교환기(122)에만 공급되게 되면, 제2 열교환기(122)에만 공급된 냉각수는 제1 열교환기(120)에서 나온 작동유체와 열 교환시킬 수 있다. 이때, 제2 열교환기(122)에 유입된 냉각수는 작동유체와 열 교환하여 열을 잃고 온도가 낮아지게 된다.
냉각수 분배밸브(114)는 엔진(110)에서 나온 냉각수와 라디에이터(112)에 유입되는 냉각수 또는 제2 열교환기(122)에서 나온 냉각수의 온도를 비교하여 개폐될 수 있다. 예를 들면, 엔진(110)에서 나온 냉각수보다 라디에이터(112)에 유입되는 냉각수 또는 제2 열교환기(122)에서 나온 냉각수의 온도가 낮으면, 냉각수 분배밸브(114)는 엔진(110)에서 나온 냉각수가 제2 열교환기(122)로 유입되도록 개폐될 수 있다. 만약, 엔진(110)에서 나온 냉각수보다 라디에이터(112)에 유입되는 냉각수 또는 제2 열교환기(122)에서 나온 냉각수의 온도가 높으면, 냉각수 분배밸브(114)는 엔진(110)에서 나온 냉각수가 라디에이터(112)로 유입되어 엔진(110)의 냉각에 기여하도록 개폐될 수 있다.
한편, 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체는 제3 열교환기(124)로 유입된다. 제3 열교환기(124)에서는 엔진(110)에서 배출되는 가스와 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체가 서로 열 교환하게 된다. 이를 위해, 제3 열교환기(124)는 엔진(110)의 배기가스 유로 상에 설치될 수 있다. 엔진(110)에서 배출되는 가스의 온도가 제2 열교환기(122)에서 유출된 작동유체의 온도 보다 많이 높기 때문에, 제3 열교환기(124)에서는 작동유체가 엔진(110)의 배기가스로부터 열을 흡수하게 된다.
따라서, 작동유체는 제1 열교환기(120)에서부터 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124)를 거치면서 작동유, 냉각수 및 배기가스와 차례로 열 교환함으로써 온도가 높아지게 된다. 이와 같이, 제1 열교환기(120) 및 제2 열교환기(122)와의 열 교환에 의해서 작동유체의 온도가 점진적으로 높아지므로 제3 열교환기(124)를 거치면서 작동유체가 기화하는데 보다 유리한 조건을 갖출 수 있게 된다.
이와 같은 제1 열교환기(120)는 유압계통의 작동유로부터 열 교환하여 작동유체를 가열하고, 제2 열교환기(122)는 냉각계통의 냉각수로부터 열 교환하여 제1 열교환기(120)를 거친 작동유체를 가열하며, 제3 열교환기(124)는 엔진(110)에서 배출된 배기가스로부터 열 교환하여 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체를 가열 할 수 있다.
여기서, 제3 열교환기(124)에서의 유기작동유체의 온도(T3)은 제2 열교환기(122)에서의 유기작동유체의 온도(T2) 보다 높고, 제2 열교환기(122)에서의 유기작동유체의 온도(T2)는 제1 열교환기(120)에서의 유기작동유체의 온도(T1) 보다 높을 수 있다. 즉, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 유기작동유체의 온도는 T3>T2>T1 순서일 수 있으며, 유기작동유체가 최초 액체 상태에서 기체 상태로 상태 변화할 수 있다는 것을 의미한다.
제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)에서 기화된 작동유체는 터빈(130)에 유입되어 터빈(130)의 회전축(미도시)에 마련된 블레이드(미도시)를 회전시키게 된다. 다시 말해서, 터빈(130)은 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 차례대로 거치면서 기화된 작동유체의 압력 에너지를 블레이드의 회전 에너지, 즉 기계적 에너지로 변환시킬 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템(100)에서는 제3 열교환기(124)를 거치면서 완전히 기화된 작동유체가 터빈(130)에 유입됨으로 인해, 터빈(130)에서 발생하는 터빈(130)의 회전축(139)의 회전력, 즉 기계적 에너지를 엔진(110)의 크랭크축(미도시)에 전달함으로써, 건설기계에서 버려지는 폐열 또는 폐에너지를 엔진(110)의 보조 동력으로 활용할 수 있다.
구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 터빈(130)의 회전축(139)의 일측에는 전기적 에너지를 생산하는 발전기(160)가 연결될 수 있다. 제3 열교환기(124)를 거치면서 완전히 기화된 작동유체가 터빈(130)에 유입되어 회전축(139)에 구비된 블레이드(미도시)에 충돌하게 될 경우, 블레이드 및 회전축(139)이 회전하면서 회전력, 즉 기계적 에너지를 얻을 수 있다. 이러한 회전력 내지 기계적 에너지가 발전기(160)에 전달되면 발전기(160)에서는 전기 에너지를 얻을 수 있다.
이러한 발전기(160)는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것으로서, 터빈(130)의 회전력, 즉 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시킬 수 있다.
또한, 발전기(160, Generator)에는 발전기에서 생산된 전기를 저장하는 배터리(162, Battery)가 마련될 수 있다. 배터리(162)는 충전과 방전이 가능한 형태로 구비될 수 있으며, 배터리(160)에 저장된 전기는 건설기계의 전력 계통에 공급되어 건설기계의 연비 개선에 도움을 줄 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연비 향상 시스템(100)은 발전기(160)에서 얻어진 전기를 건설기계의 전력 계통에 공급하는 것에 그치지 않고, 엔진(110)의 크랭크축(미도시)에 전달할 수 있다.
이를 위해, 발전기(160)에 의해 생산된 전기적 에너지의 일부는 후술할 모터(164)로 공급하고, 모터(164)에 공급되고 난 나머지 전기적 에너지는 배터리(162)에 저장될 수 있다. 배터리(162)에 저장된 전기적 에너지는 건설기계를 작동시키는데 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 배터리(162)에 저장된 전기 에너지는 모터(164)에 입력으로 공급되어 모터(164)를 구동시킬 수 있다. 여기서, 모터(164)의 회전축(미도시)을 엔진(110)의 크랭크축에 연결함으로써, 터빈(130)에서 얻어진 기계적 에너지를 엔진(110)의 보조 동력을 활용하여 건설기계의 연비를 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 엔진(110)이 필요로 하는 출력을 내기 위해서는 그 만큼 연료를 소모해야 하는데, 도 1에서와 같이 모터(164)를 엔진(110)의 크랭크축에 연결함으로써 소모되는 연료를 줄이더라도 필요로 하는 출력을 얻을 수 있기 때문에 건설기계의 연비를 개선할 수 있다.
엔진(110)의 크랭크축에는 모터(164)가 직결되거나 별도의 감속기(미도시)를 통해서 모터(164)를 엔진(110)의 크랭크축에 연결할 수도 있다. 또한, 모터(164)에 입력되는 배터리(162)의 전기 에너지를 조절하여 모터(164)의 출력을 제어함으로써 모터(164) 자체가 감속기로서 작동할 수도 있다.
모터(164)에 입력되는 전기 에너지 또는 모터(164)에서 출력되는 기계적 에너지의 크기는 엔진(110)의 요구 출력에 따라서 가변되거나 제어될 수 있다. 이를 위해, 엔진(110)의 필요 출력에 대한 정보를 받고 모터(164)의 입력 또는 출력을 제어할 수 있는 보조동력제어부(미도시)를 구비할 수 있다.
한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 터빈(130)의 회전축(139)의 일측에는 감속기(170, Speed reduction)가 연결되고, 감속기(170)가 엔진(110)의 크랭크축에 연결될 수 있다.
터빈(130)의 회전축(139)은 엔진(110)의 크랭크축 보다 고속으로 회전하기 때문에 터빈(130)의 회전축(139)을 엔진(110)의 크랭크축에 직접 연결하면 엔진(110)이 파손될 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해서, 터빈(130)의 회전축(139)을 감속기(170)에 연결하여 회전속도를 줄인 후 엔진(110)의 크랭크축에 연결하는 것이 바람직하다.
감속기(170)는 기어변속을 통해 터빈(130)의 회전력을 정해진 감속비로 감속시켜 엔진(110)의 크랭크축(미도시)에 전달할 수 있다. 이때, 감속기(170)는 터빈(130)의 회전축(139)과 연결되되, 엔진(110)의 크랭크축(미도시)과도 연결될 수 있다. 다시 말해서, 감속기(170)는 컨트롤러(172)를 이용하여 터빈(130)에서 나오는 회전력(또는 운동에너지)를 감속한 후 엔진(110)의 크랭크축에 연결됨으로써, 터빈(130)의 회전력 또는 기계적 에너지로 엔진(110)의 동력을 보조할 수 있다.
한편, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거쳐 터빈(130)에 유입된 기체 상태의 작동유체는 터빈(130)의 블레이드를 회전시키는 일을 하고 온도가 낮아지게 된다. 터빈(130)에서 일을 한 작동유체는 터빈(130)에서 나와서 저장탱크(144)로 유입된다. 이때, 터빈(130)에서 나온 작동유체는 완전한 액체 상태가 아니라 기체 상태와 액체 상태의 작동유체가 혼합된 상태이면서 어느 정도의 열을 가지고 있는 상태이다. 따라서, 저장탱크(144)에 유입되기 전에 작동유체를 완전히 액체 상태로 변화시켜야 한다. 이를 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기랭킨 사이클은 터빈(130)과 저장탱크(144) 사이에 응축기(140)를 구비할 수 있다
응축기(140)는 터빈(130)을 거친 작동유체를 냉각 및 응축하여 액화시킬 수 있다. 다시 말해서, 응축기(140)는 터빈(130)을 거친 작동유체의 상태를 기체 상태에서 액체 상태로 변화시킬 수 있다.
이와 같이 응축기(140)에 의해 냉각 및 응축되어 액화된 작동유체는 저장탱크(144)에 모여 저장될 수 있다.
여기서, 저장탱크(144)에 모여 저장된 액체 상태의 작동유체는 펌프(142)에 의해 제1 열교환기(120) 또는 제2 열교환기(122) 또는 제3 열교환기(124) 중 어느 하나로 송출될 수 있다. 즉, 펌프(142)는 저장탱크(144)에 저장된 유기작동유체를 제1 열교환기(120)로 송출하여, 작동유체가 건설기계의 작동유, 엔진(110)의 냉각수 또는 엔진(110)의 배기가스와 열 교환하도록 할 수 있다. 이와 같이, 유기랭킨 사이클의 작동유체가 계속 순환하면서 그 과정에서 열 교환하여 기체 상태로 상태 변화되고, 이를 이용하여 터빈(130)에서 일을 시킴으로써 건설기계에서 버려지는 폐열을 이용하여 에너지를 재생산 또는 재활용 할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연비 향상 시스템(100)은 터빈(130)을 거친 작동유체가 응축기(140)로 바로 전달될 수도 있고, 터빈(130)을 거친 작동유체의 열 에너지를 회수하여 재활용 할 수 있는 재생 열교환기(150, 152)를 더 포함할 수 있다. 즉, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 완전히 액화되지 않고 어느 정도의 열을 가지고 있다면, 바로 응축기(140)로 유입되기에는 부적합 할 수 있다. 왜냐하면, 응축기(140)에 유입되는 작동유체가 어느 정도의 열을 가지고 있다면 응축기(140)에서 이러한 작동유체가 완전히 액화되기 위해서는 응축기(140)가 커야 하는데, 건설기계의 엔진룸의 공간 제약상 큰 응축기(140)를 사용하지 못할 수 있다. 또한, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 가지고 있는 열을 이용하여 열 교환하여 제1 열교환기(120) 또는 제3 열교환기(124)로 유입되는 작동유체의 온도를 높일 수도 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 연비 향상 시스템(100)은 재생 열교환기(150, 152)를 더 구비할 수 있다.
여기서, 재생 열교환기(150,152)는 응축기(140)의 크기 또는 용량에 따라 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152)로 마련되거나, 어느 하나의 재생 열교환기만 마련될 수도 있다. 또한, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체의 온도가 응축기(140)에서 작동유체가 완전히 액화 될 정도로 낮을 경우에는, 재생 열교환기(150,152)가 마련되지 않을 수도 있다.
도 1 및 도 2에는 재생 열교환기(150,152)가 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152)가 구비된 것으로 도시되어 있는데, 이는 예시에 불과하며 이러한 형태에 국한되는 것은 아니다.
구체적으로, 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 재생 열교환기(150)는 터빈(130)을 거친 작동유체와 펌프(142)에 송출된 작동유체를 서로 열 교환시킬 수 있다. 이때, 터빈(130)을 거친 작동유체, 즉 터빈(130)에 의해 회전 에너지를 발생시키고 난 작동유체의 온도가 저장탱크(144)에 저장된 작동유체의 온도보다 높다고 판단될 경우, 응축기(140)가 터빈(130)을 거친 유기작동유체를 압축시키거나 냉각시키는 것이 어려울 수도 있다. 이럴 경우에는 제1 재생 열교환기(150)를 이용하여 터빈(130)을 거친 작동유체와 펌프(142)로부터 송출된 작동유체가 서로 열 교환하게 할 수 있다. 이와 같이, 제1 재생 열교환기(150)에 의해 터빈(130)에서 나온 작동유체와 열 교환하여 열을 얻은 펌프(142)에서 송출된 작동유체는 제1 열교환기(120)로 전달될 수 있다.
또한, 제2 재생 열교환기(152)는 터빈(130)을 거친 작동유체와 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체를 서로 열 교환시킬 수 있다. 이때, 터빈(130)을 거친 작동유체, 즉 터빈(130)에 회전력을 발생시키고 난 작동유체의 온도가 제2 열교환기(122)에서 가열된 작동유체의 온도보다 높을 경우, 제2 재생 열교환기(152)를 이용하여 터빈(130)을 거친 작동유체와 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체를 다시 열 교환 할 수 있다. 이와 같이 제2 재생 열교환기(152)에 의해 열 교환되어 온도가 높아진 작동유체는 제3 열교환기(124)로 전달될 수 있다.
이와 같이, 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152)에 의해서 터빈(130)에서 나온 작동유체에 포함된 열 에너지를 재활용 할 수 있을 뿐만 아니라, 응축기(140)에 유입되기 전에 작동유체를 충분히 냉각시킴으로써 응축기(140)에서 작동유체를 완전하게 액화시킬 수 있다.
한편, 제1 재생 열교환기(150) 상의 작동유체의 온도(T1')는 제2 재생 열교환기(152) 상의 작동유체의 온도(T2')보다 낮은 온도를 가질 수 있다. 또한, 제1 재생 열교환기(150) 상의 작동유체의 온도는 제1 열교환기(120) 상의 작동유체 온도보다 낮고, 제2 재생 열교환기(152) 상의 작동유체의 온도는 제2 열교환기(122) 상의 작동유체의 온도보다 높은 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 재활용 시스템(100)은 제4 열교환기(126)를 더 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제4 열교환기(126)가 더 구비될 수도 있다. 제4 열교환기(126)는 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체를 슈퍼히팅(superheating) 시킨다. 여기서, 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체의 에너지 값보다 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체의 에너지 값이 더욱 커지기 때문에, 제4 열교환기(126)를 통과하여 온도가 더 높아진 작동유체를 터빈(130)으로 보내면 터빈(130)을 더욱 빠르게 회전시킬 수 있게 된다. 다만, 제3 열교환기(124)를 통과한 작동유체가 100% 기화되는 경우에는 제4 열교환기(126)를 생략할 수도 있다.
한편, 제4 열교환기(126)는 엔진(110)에서 배출된 배기가스와 제3 열교환기(124)에서 열 교환한 후, 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체를 다시 열 교환 시킬 수 있다. 여기서, 제4 열교환기(126)는 엔진(110)의 배기가스 재순환 계통(EGR: Exhaust Gas Recirculation, 미도시)에서 배출된 가스와 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체를 서로 열 교환시키게 된다. 구체적으로, 제4 열교환기(126)는 엔진(110)의 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 나온 가스와 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체를 열 교환시킴으로써 작동유체를 슈퍼히팅(Superheating) 시킬 수 있다. 이와 같이, 제4 열교환기(126)를 거치면서 다시 열 교환된 작동유체는 완전히 기화되어 터빈(130)을 회전시킬 수 있게 된다.
참고로, 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체의 온도(T4)는 상술한 제3 열교환기(124)를 거친 유기작동유체의 온도(T3)보다 높을 수 있다. 이에 따라, 유기작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)에 의해 완전히 기화되지 못하더라도 제4 열교환기(126)에 의해 완전히 기화될 수 있다는 것을 의미한다.
이때, 상술한 바와 같이, 제3 열교환기(124)에서 엔진(110)의 배기가스와 열 교환되어 가열된 작동유체가 완전히 기화된 것으로 감지되더라도 제4 열교환기(126)를 거치게 하여 온도 또는 에너지 값이 증가된 작동유체를 터빈(130)에 들어가게 함으로써 터빈(130)이 더욱 빠르게 회전되도록 할 수 있다.
구체적으로, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 액체 상태의 작동유체가 기체 상태로 완전히 변환된 것으로 판단되더라도 작동유체가 터빈(130)으로 바로 들어가도록 하는 것이 아니라 제4 열교환기(126)를 거쳐 슈퍼히팅(super heating)을 시킨 후에 작동유체가 터빈(130)으로 들어가도록 구성할 수도 있다. 이럴 경우, 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체가 제4 열교환기(126)를 거치게 되면서 작동유체의 온도가 더 증가하게 되어 터빈(130)을 회전시키기 위한 에너지 값, 즉 회전력이 증가될 수 있고, 결과적으로 터빈(130)에서 출력되는 일의 양을 증가시킬 수 있다. 다시 말해서, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체의 에너지의 값보다 제4 열교환기(126)까지 거친 작동유체의 에너지의 값이 크므로, 터빈(130)을 더욱 빠르게 회전시킬 수 있게 된다. 따라서, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 완전히 기체 상태로 변환되었다고 하더라도 제4 열교환기(126)를 통과하도록 하여 작동유체의 에너지 값을 더욱 크게 할 수도 있다.
다만, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 액체인 작동유체가 기체 상태로 완전히 변환되는 경우에는 제4 열교환기(126)를 생략할 수도 있다. 즉, 작동유체가 제3 열교환기(124)만 거쳐도 100% 기화되는 경우에는 제4 열교환기(126) 없이 본 발명의 일 실시예에 따른 연비 향상 시스템(100)을 구성하는 것도 가능하다.
또한, 제4 열교환기(126)에서 엔진(110)의 배기가스와 다시 열 교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 감지되면, 터빈(130)을 거치치 않고 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 우회되도록 할 수 있다.
구체적으로, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거치면서 액체 상태인 작동유체가 기체 상태로 완전히 변환되지 않은 것으로 제4 열교환기(126)와 터빈(130) 마련된 감지센서(133)가 판단할 경우, 제1 바이패스 유로(131)을 통해 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 전달되도록 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상술한 바와 같이, 액체 상태인 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거치고도 완전히 기화되지 않아서 작동유체가 액체 상태로 터빈(130)으로 들어갈 경우, 터빈(130)이 제대로 회전되지 않을 뿐만 아니라 터빈(130)의 블레이드(미도시)를 손상시킬 위험성이 있기 때문이다. 이에 따라, 제4 열교환기(126)와 터빈(130) 사이에 마련된 감지센서(133)를 이용하여 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체가 완전한 기체 상태가 아니라고 판단될 경우에는 제1 바이패스 밸브(132)를 이용하여 터빈(130) 쪽으로 흐르는 유로는 차단시키고, 제4 열교환기(126)에서 나온 작동유체가 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 흐르는 유로 만이 개방되도록 하여야 한다.
상기한 바와 같이, 감지센서(133)는 작동유체의 상태를 감지할 수 있는 센서로 마련될 수 있다. 다시 말해서, 감지센서(133)는 작동유체의 온도를 감지하는 온도감지센서 일 수도 있고, 작동유체의 상(phase) 변화, 즉 작동유체의 부피 또는 압력을 감지할 수 있는 압력감지센서 일 수도 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 작동유체의 물성치에 따라 다양한 형태의 감지센서일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템(100)에서 작동유체의 흐름 및 건설기계에서 버려지는 작동유, 냉각수 및 배기가스와의 열 교환에 대하여 설명한다.
먼저, 저장탱크(144)에 저장된 작동유체는 펌프(142)에 의해 제1 열교환기(120)로 송출될 수 있다. 이때, 송출되는 작동유체는 액체 상태일 수 있다. 이때, 펌프(144)는 건설기계의 유압계통의 작동유 유압에 의해서 작동될 수 있다.
그 다음, 펌프(142)에 의해 제1 열교환기(120)로 송출된 액체 상태의 작동유체는 건설기계의 유압계통에서 사용된 후의 작동유와 열 교환 될 수 있다. 이때, 건설기계의 작동유를 폐 에너지로 활용하는 것은 건설기계의 폐 유체 에너지 중에서, 가장 낮은 온도를 가지지만 많은 열을 가지고 있기 때문이다. 한편, 작동유체와 열 교환되고 난 후의 작동유는 건설기계의 드레인 탱크(미도시)로 회수 될 수 있다.
그 다음, 제1 열교환기(120)에서 열 교환된 작동유체는 제2 열교환기(122)로 전달될 수 있다. 제2 열교환기(122)에서는 제1 열교환기(120)를 거친 작동유체와 건설기계의 엔진(110)의 열을 식혀주는 냉각계통의 냉각수와 열 교환될 수 있다. 이때, 엔진(110)의 열을 식혀주는데 사용된 냉각수를 폐 에너지로 활용하는 것은 상술한 작동유보다 다음으로 높은 온도를 가지기 때문이다. 한편, 제1 열교환기(120)를 거친 작동유체와 열 교환된 냉각수는 건설기계의 냉각계통의 냉각수 탱크(미도시)로 드레인 될 수 있다.
그 다음, 제2 열교환기(122)에서 열 교환된 작동유체는 제3 열교환기(124)로 전달될 수 있다. 제3 열교환기(124)에서는 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체와 건설기계의 엔진(110)에서 배출된 배기가스와 열 교환될 수 있다. 이때, 엔진(110)에서 배출된 배기가스를 폐 에너지로 활용하는 것은 상술한 냉각수보다 다음으로 높은 온도를 가지기 때문이다. 또한, 엔진(110)에서 배출되는 폐기가스는 상당히 높은 온도를 가지기 때문에 그대로 외부로 배출될 경우에는 배출된 배기가스에 의해 작업자가 다칠 위험성이 있기 때문이다. 한편, 제2 열교환기(122)를 거쳐 전달된 작동유체와 열 교환된 배기가스는 건설기계의 외부로 배출될 수 있다.
그 다음, 제3 열교환기(124)에서 열 교환되어 완전히 기체 상태가 된 작동유체는 터빈(130)으로 전달되어 터빈(130)을 회전시킬 수 있다.
여기서, 터빈(130)의 회전력은 발전기(160)에 의해 전기적 에너지로 변환되고, 변환된 전기적 에너지는 모터(164)를 구동시킬 수 있다. 모터(164)는 발전기(160)에 의해 공급 받은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하고 이를 엔진(110)의 크랭크축에 전달함으로써 엔진(110)의 보조 동력으로 활용할 수 있다. 이때, 모터(164)를 구동시키고 남은 변환된 전기적 에너지는 배터리(162)에 의해 저장될 수 있으며, 저장된 전기적 에너지는 건설기계를 작동시키는데 사용할 수 있다.
또한, 터빈(130)의 회전력은 감속기(170)를 통해 바로 엔진(110)의 크랭크축에 바로 전달될 수도 있다. 다시 말해서, 감속기(170)는 터빈(130)의 회전을 엔진(110)이 필요한 회전수가 되도록 조절하여 엔진(110)을 구동시키기 위한 동력을 제공할 수 있다.
한편, 터빈(130)을 회전시켜 전력을 발생시키고 난 후의 작동유체의 온도가 저장탱크(144)에 저장된 작동유체의 온도보다 높을 경우, 제1 재생 열교환기(150)를 이용하여 전력을 발생시키고 난 후의 작동유체와 펌프(142)에 의해 송출되는 작동유체를 다시 열 교환시킬 수 있다.
또한, 전력을 발생시키고 난 후의 작동유체의 온도가 제2 열교환기(122)에서 가열된 작동유체의 온도보다 높을 경우, 터빈(130)을 거친 작동유체와 제2 열교환기(122)에서 가열된 작동유체를 다시 열교환할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)는 응축기(140)의 크기 및 용량에 따라 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152)가 모두 마련되거나, 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 중 하나만 마련될 수도 있다.
또한, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 초기의 액체 상태에서 완전한 기체 상태로 변환되지 않았다고 판단될 경우에는 엔진(110)의 배기가스보다 온도가 높은 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 배출되는 가스와 작동유체를 서로 열 교환시키기 위해 마련된 제4 열교환기(126)로 전달될 수 있다. 제4 열교환기(126)에서는 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체와 건설기계의 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 배출된 가스를 열 교환 시킬 수 있다.
참고로, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 완전히 기화된 것으로 판단되더라도, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 제4 열교환기(126)를 거치도록 할 수도 있다. 왜냐하면, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체를 제4 열교환기(126)를 통해 슈퍼히팅(super heating) 시키게 될 경우, 터빈(130)에서 나오는 일의 양 또는 회전력이 더 커지기 때문이다. 따라서, 제3 열교환기(124)를 거치고 난 후에 작동유체가 완전히 기화되었다고 판단되더라도, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 제4 열교환기(126)를 거치도록 하는 것이 바람직하다.
그 다음, 터빈(130)을 회전시켜서 전력을 발생시키고 난 후의 작동유체는 바로 응축기(140)로 전달되어 저장탱크(144)에 액체 상태의 작동유체로 저장되거나, 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)를 거쳐 다시 열 교환되고 난 후에 응축기(140)로 전달되어 저장탱크(144)에 액체 상태의 작동유체로 저장될 수도 있다.
상기한 구성에 의하여 본 발명의 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템(100)은, 유압 시스템을 구비한 건설기계에서 버려지는 작동유, 냉각수 및 폐기가스의 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시킬 수 있는 구동원으로 변환시켜 건설기계의 구동에 활용함으로써 건설기계의 연비를 절감할 수 있다.
더욱이, 발명의 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템(100)은, 건설기계에서 버려지는 작동유, 냉각수 및 배기가스의 열 에너지를 터빈에서 기계적 에너지 또는 회전력으로 변환한 후 이를 엔진에 공급하기 때문에 엔진에 필요한 동력을 터빈에서 발생한 에너지로 보조할 수 있어서 건설기계의 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템(100)은 터빈에서 발생하는 고속의 회전력을 그대로 엔진에 공급하지 않고, 감속기 또는 모터에 의해서 감속시킨 후 엔진에 공급하기 때문에 엔진에 과부하가 걸리거나 엔진이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템(100)은 유기랭킨 사이클의 작동유체의 상변화 상태, 온도 또는 열량 등에 의해서 작동유체의 순환경로를 조절하거나 연비 향상 시스템에 필요한 구성요소들을 선택적으로 활용할 수 있기 때문에 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템을 건설기계의 엔진룸 내에 패키지할 때 공간의 제약을 덜 받을 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템
110: 엔진
112: 라디에이터 114: 냉각수 분배밸브
120: 제1 열교환기 122: 제2 열교환기
124: 제3 열교환기 126: 제4 열교환기
130: 터빈
131: 제1 바이패스 유로 132: 제1 바이패스 밸브
133: 감지센서
140: 응축기 142: 펌프
144: 저장탱크
150: 제1 재생 열교환기 152: 제2 재생 열교환기
160: 발전기 162: 배터리
164: 모터 170: 감속기
172: 컨트롤러

Claims (7)

  1. 유압계통, 냉각계통, 엔진을 구비하는 건설기계에 있어서,
    상기 유압계통, 상기 냉각계통 및 상기 엔진의 폐열 또는 폐에너지와 차례대로 열 교환하도록 작동유체를 순환시키는 유기랭킨 사이클을 구비하고,
    상기 유기랭킨 사이클은,
    상기 유압계통의 작동유와 상기 작동유체를 열 교환시키는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 냉각계통의 냉각수를 열교환시키는 제2 열교환기;
    상기 제2 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 엔진의 연소가스를 열 교환시키는 제3 열교환기;
    상기 제3 열교환기에서 나온 상기 작동유체가 유입되어 기계적 에너지를 발생시키는 터빈; 및
    상기 제3 열교환기와 상기 터빈 사이에 마련되며, 상기 제3 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 엔진의 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 배출되는 가스를 열 교환시켜서 상기 제3 열교환기에서 나온 상기 작동유체를 슈퍼히팅시키는 제4 열교환기를 포함하며,
    상기 제4 열교환기를 거치면서 열 교환된 상기 작동유체는 완전히 기화되어 온도 또는 에너지 값이 증가되어 상기 터빈에 유입되고,
    상기 터빈의 기계적 에너지는 상기 엔진의 크랭크축에 전달되어 상기 엔진의 보조 동력으로 이용되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터빈에서 나온 상기 작동유체를 응축시켜서 액화시키는 응축기와 상기 터빈 사이에 마련되어 상기 터빈을 거친 상기 작동유체의 열 에너지를 회수하여 재활용하는 제1 재생 열교환기 및 제2 재생 열교환기를 더 포함하고,
    상기 제4 열교환기에서 상기 엔진의 배기가스와 열 교환된 상기 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 감지되면, 상기 작동유체가 상기 터빈을 거치지 않고 상기 제1 재생 열교환기 또는 상기 제2 재생 열교환기로 우회되도록 하는 감지센서가 상기 제4 열교환기와 상기 터빈 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 터빈의 기계적 에너지를 전달 받아 전기적 에너지를 발생시키는 발전기, 상기 발전기에서 얻어진 전기적 에너지를 저장하는 배터리 및 상기 배터리의 전기적 에너지가 입력되는 모터를 더 포함하고,
    상기 모터에서 발생되는 기계적 에너지가 상기 엔진의 크랭크축에 전달되는 것을 특징을 하는 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 터빈의 회전축에 연결되는 감속기를 더 포함하고, 상기 감속기는 상기 엔진의 크랭크축에 연결되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 모터에 입력되는 전기 에너지 또는 상기 모터에서 출력되는 기계적 에너지의 크기는 상기 엔진의 요구 출력에 따라서 가변되거나 제어되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 모터에 입력되는 상기 배터리의 전기 에너지를 조절하여 상기 모터의 출력을 제어함으로써 상기 모터가 감속기로서 작동하거나, 상기 엔진의 출력에 대한 정보를 받아 상기 모터의 입력 또는 출력을 제어하는 보조동력제어부를 구비하여 상기 모터에 입력되는 전기 에너지 또는 상기 모터에서 출력되는 기계적 에너지의 크기를 상기 엔진의 출력에 따라 가변하거나 제어하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각계통의 냉각수 유로 상에 마련되되 상기 제2 열교환기와 병렬로 연결되는 라디에이터 및 상기 엔진을 냉각시킨 냉각수를 상기 제2 열교환기 또는 상기 라디에이터를 분기시키기 위해, 냉각계통의 냉각수 유로 상에 마련되는 냉각수 분배밸브를 더 포함하고,
    상기 냉각수 분배밸브는 상기 엔진에서 나온 냉각수와 상기 라디에이터에서 유입되는 냉각수 또는 상기 제2 열교환기에서 나온 냉각수의 온도를 비교하여 개폐되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 통한 연비 향상 시스템.
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