KR101806629B1 - 폐열회수시스템의 액상분리기 및 이를 포함하는 폐열회수시스템 - Google Patents

폐열회수시스템의 액상분리기 및 이를 포함하는 폐열회수시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐열회수시스템의 팽창기와 보일러 사이에 설치된 하우징과, 상기 하우징 내의 상부공간에 마련되어 상기 보일러로부터 공급된 기상의 작동매체에서 액상성분을 분리하는 기액분리부와, 상기 하우징 내의 하부공간에 마련되어 상기 기액분리부에서 분리된 액상성분을 배출하는 액상배출부를 포함할 수 있다.

Description

폐열회수시스템의 액상분리기 및 이를 포함하는 폐열회수시스템{LIQUID SEPARATOR AND WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 폐열회수시스템의 액상분리기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐열회수시스템의 팽창기 내로 유입되는 기체 상태의 작동매체 내에 잔존하는 액상성분을 효과적으로 분리함으로써 팽창기의 파손, 성능 저하 등을 방지할 수 있는 폐열회수시스템의 액상분리기에 관한 것이다.
내연기관은 차량, 선박, 소형 발전기 등에서 널리 사용되며, 내연기관의 효율을 높이고자 하는 시도는 끊임없이 있어 왔다. 내연기관에서는 많은 열량이 폐열로 배출되는 것이 일반적이며, 이러한 폐열을 에너지로 회수하여 내연기관 전체의 효율을 증가시키는 폐열회수시스템이 개발된 바 있다.
이러한 폐열회수시스템은 엔진에서 배출되는 폐열을 에너지로 회수한 후에, 그 회수 에너지를 전기에너지 또는 기계에너지로 변환하여 차량의 엔진 또는 기타 보기류(accessory) 등에 활용하도록 구성된다.
이러한 폐열회수시스템에는 랭킨사이클(Rankine cycle)이 구비되어 엔진의 폐열을 매우 효과적으로 회수하도록 구성된다. 랭킨사이클은 작동매체가 순환하는 순환경로를 포함하고, 랭킨사이클의 순환경로에는 엔진의 폐열(배기가스의 열 및/또는 EGR가스의 열)에 의해 작동매체를 가열 및 증발시키는 보일러(증발기)와, 보일러로부터 공급받은 기체상태의 작동매체를 팽창시켜 회전에너지를 생성하는 팽창기(expander)와, 팽창기에서 배출된 작동매체를 응축시키는 응축기와, 순환경로 상에서 작동매체를 순환시키는 펌프를 가진다.
한편, 이러한 랭킨사이클에서 팽창기는 시스템 전체의 성능 및 내구성 측면에서 가장 중요한 부품으로, 이러한 팽창기는 시스템 내에서 가장 고온, 고압의 작동매체와 직접적으로 노출되고, 지속적으로 회전하기 때문에 파손의 위험성이 가장 높을 수 있다.
이러한 팽창기의 파손을 유발할 수 있는 다양한 요인 중에서 가장 문제되는 요인은 보일로부터 공급받는 기체상태의 작동매체 내에 잔존하는 액상 성분일 수 있다. 이러한 액상 성분은 기체에 비해 높은 밀도로 인해 높은 운동에너지를 가지고 있으며, 이에 액상 성분이 팽창기의 내부표면을 타격하여 파손을 유발할 수 있다.
또한, 기체상태의 작동매체 내에 액상성분이 잔류함에 따라 팽창기 내에서 회전에너지로 활용되어야 할 에너지가 액상성분의 상변화로 활용될 수 있으므로 팽창기의 성능을 저하시킬 수 있다.
이와 같이, 보일러부터 팽창기로 공급되는 기체상태의 작동매체 내에 액상성분이 잔존할 경우에, 팽창기의 내구성 및 성능 측면에 불리한 영향을 끼칠 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 여러 문제점을 해결하기 위하여 연구개발된 것으로, 폐열회수시스템의 팽창기 내로 유입되는 기체 상태의 작동매체 내에 잔존하는 액상성분을 효과적으로 분리함으로써 팽창기의 파손, 성능 저하 등을 방지할 수 있는 폐열회수시스템의 액상분리기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 폐열회수시스템의 팽창기와 보일러 사이에 설치된 액상분리기로서,
폐열회수시스템의 팽창기와 보일러 사이에 설치된 하우징;
상기 하우징 내의 상부공간에 마련되어 상기 보일러로부터 공급된 기상의 작동매체에서 액상성분을 분리하는 기액분리부; 및
상기 하우징 내의 하부공간에 마련되어 상기 기액분리부에서 분리된 액상성분을 배출하는 액상배출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하우징은 보일러로부터 공급되는 작동매체가 유입되는 입구포트와, 기상의 작동매체를 배출하는 기상 배출포트와, 액상성분이 배출되는 액상 배출포트를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 액상 배출포트는 상기 입구포트 및 상기 기상 배출포트 보다 낮게 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 액상배출부는 액상 배출포트의 상측에 위치한 밸브좌면과, 상기 밸브좌면과 접촉 내지 이격되게 설치된 밸브판과, 상기 밸브판에 탄성력을 부여하는 탄성체를 포함할 수 있다.
상기 밸브판은 상기 밸브좌면과 접촉가능한 접촉면을 가지고, 상기 접촉면은 상기 밸브판의 상면에서 외경방향으로 하향 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체는 상기 밸브판에 대해 상기 밸브판과 상기 밸브좌면이 접촉하는 방향으로 탄성력을 부여하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기액분리부와 상기 액상배출부 사이에는 상기 기액분리부에 의해 분리된 액상성분을 저장하는 저장부가 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 저장부는 하부로 갈수록 그 폭이 좁아지는 단면을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 저장부는 그 폭이 하향으로 완만하게 감소하는 단면을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브판은 배출공을 가지고, 상기 밸브판의 배출공은 보조 개폐유닛에 의해 개폐되는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브판은 그 중앙부에 상기 보조 개폐유닛이 수용가능한 수용부가 형성되고, 상기 배출공은 상기 수용부의 바닥면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 보조 개폐유닛은 상기 밸브판의 배출공을 개폐하는 보조 밸브판과, 상기 보조 밸브판을 탄성적으로 지지하는 보조 탄성체를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 보조 밸브판이 상하 이동하여 상기 수용부의 상부를 개폐함으로써 상기 밸브판의 배출공이 개폐되는 것을 특징으로 한다.
상기 보조 밸브판의 가장자리에는 하나 이상의 배출홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면은 폐열회수시스템으로,
작동매체가 순환하는 순환경로;
상기 순환경로의 일측에 설치되어 작동매체를 가열시키는 보일러;
상기 보일러로부터 공급받은 기체상태의 작동매체를 팽창시켜 회전에너지를 생성하는 팽창기;
상기 팽창기에서 배출된 작동매체를 응축시키는 응축기;
상기 순환경로 상으로 작동매체를 순환시키는 순환펌프; 및
상기 보일러와 상기 팽창기 사이에 설치되어, 상기 팽창기로 유입되는 작동매체에서 액상성분을 분리한 후에 상기 응축기로 수거하는 액상분리기;를 포함할 수 있다.
상기 액상분리기는,
상기 보일러와 상기 팽창기 사이에 설치된 하우징;
상기 하우징 내의 상부공간에 마련되어 상기 보일러로부터 공급된 기상의 작동매체에서 액상성분을 분리하는 기액분리부; 및
상기 하우징 내의 하부공간에 마련되어 상기 기액분리부에서 분리된 액상성분을 배출하는 액상배출부;를 포함하고,
상기 하우징은 상기 보일러와 소통하는 입구포트와, 상기 팽창기와 소통하는 기상 배출포트와, 상기 응축기와 소통하는 액상 배출포트를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 폐열회수시스템의 팽창기 내로 유입되는 기체 상태의 작동매체 내에 잔존하는 액상성분을 효과적으로 분리함으로써 팽창기의 파손, 성능 저하 등을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열회수시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액상분리기를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 액상분리기의 액상배출부를 상세히 도시한 부분 절취단면도이다.
도 4는 도 3의 액상배출부의 보조 개폐유닛이 밸브판의 배출공을 개방한 상태를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 보조 개폐유닛의 보조 밸브판을 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 액상분리기의 액상배출부에서 밸브판과 보조밸프판이 서로 밀착된 상태로 밸브좌면의 개구를 폐쇄한 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 액상분리기의 액상배출부에서 밸브판의 상부측에 가해지는 외력과 밸브판의 하부측에 가해지는 외력 사이의 상관관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 의한 액상분리기의 액상배출부에서 밸브판 및 보조 밸브판이 밸브좌면의 개구를 개방한 상태를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 의한 액상분리기의 저장부에 대한 일 실시형태를 예시한 도면이다.
도 10은 본 발명에 의한 액상분리기의 저장부에 대한 다른 실시형태를 예시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 액상분리기가 설치된 랭킨사이클 폐열회수시스템을 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 폐열회수시스템(10)은 작동매체가 순환하는 순환경로(11)를 포함하고, 순환경로(11)에는 엔진의 폐열(배기가스의 열 및/또는 EGR가스의 열)에 의해 작동매체를 가열 및 증발시키는 보일러(12, 증발기)와, 보일러(12)로부터 공급받은 기체상태의 작동매체를 팽창시켜 회전에너지를 생성하는 팽창기(13, expander)와, 팽창기(13)에서 배출된 작동매체를 응축시키는 응축기(14)와, 순환경로(11) 상에서 작동매체를 순환시키는 순환펌프(15)를 포함할 수 있다.
그리고, 팽창기(13)의 상류 특히, 보일러(12)와 팽창기(13) 사이에는 액상분리기(20)가 설치될 수 있다. 이러한 액상분리기(20)에 의해 보일러(12)로부터 팽창기(13)로 공급되는 기상의 작동매체에 잔존하는 액상성분을 분리할 수 있고, 이에 팽창기(13)로 순수한 기상의 작동매체만이 유입될 수 있으므로 액상성분으로 인한 팽창기(13)의 파손 내지 성능 저하 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 액상분리기(20)는 보일러(12)와 팽창기(13) 사이에 설치된 하우징(25)과, 하우징(25) 내의 상부공간에 마련되어 기상의 작동매체에서 액상성분을 분리하는 기액분리부(30)와, 하우징(25) 내의 하부공간에 마련되어 액상성분을 배출하는 액상배출부(40)를 포함할 수 있다.
하우징(25)은 순환경로(11)의 도중에 설치되고, 특히 하우징(25)은 보일러(12)와 팽창기(13) 사이에 설치됨으로써 작동유체의 흐름방향에서 팽창기(13)의 상류 측에 배치될 수 있다.
하우징(25)은 보일러(12)로부터 공급되는 작동매체가 유입되는 입구포트(21)와, 기상의 작동매체가 배출되는 기상 배출포트(22)와, 액상성분이 배출되는 액상 배출포트(23)를 가진다.
입구포트(21)는 보일러(12)와 소통하도록 구성되고, 이에 보일러(12)에 의해 고온, 고압으로 기화된 기체상태의 작동매체는 입구포트(21)를 통해 하우징(25) 내로 유입될 수 있다.
기상 배출포트(22)는 팽창기(13)와 소통하도록 구성되고, 이에 기액분리부(30)에 의해 액상성분이 분리된 순수한 기상의 작동매체는 기상 배출포트(22)를 통해 배출되어 팽창기(13)로 이송될 수 있다.
액상 배출포트(23)는 응축기(14)와 소통하도록 구성되고, 이에 기액분리부(30)에 의해 기상의 작동매체에서 분리된 액상성분은 액상 배출포트(23)를 통해 배출되어 응축기(14)로 수거될 수 있다.
특히, 액상 배출포트(23)는 액상성분의 자중에 의한 배출을 용이하게 하도록 입구포트(21) 및 기상 배출포트(22) 보다 낮게 위치할 수 있다.
기액분리부(30)는 하우징(25) 내의 상부공간에 마련되어 기상의 작동매체에 잔존한 액상성분을 분리하도록 구성된다.
기액분리부(30)는 기상의 작동매체에서 액상성분을 분리할 수 있는 다양한 분리구조로 구성될 수 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 기액분리부(30)는 하나 이상의 분리격벽(31)을 가진 분리구조로 이루어질 수 있다.
이와 달리, 기액분리부(30)는 사이클론 타입의 분리구조, 와이어 메쉬 타입의 분리구조 등과 같이 다양한 분리구조로 이루어질 수 있다.
액상배출부(40)는 하우징(25) 내의 하부공간에 마련되고, 특히 기액분리부(30)의 하부에 배치될 수 있다. 이에, 기액분리부(30)에 의해 기상의 작동매체에서 분리된 액상성분은 액상배출부(40)를 통해 배출될 수 있다.
특히, 액상배출부(40)는 기액분리부(30)에 의해 분리된 액상성분을 액상 토출밸브(23) 측으로 흐르도록 하고, 그 역방향의 흐름을 방지할 수 있는 체크밸브의 구조로 구성될 수 있다.
구체적인 실시예에 따르면, 액상배출부(40)는 액상 배출포트(23)의 상측에 형성된 밸브좌면(41, valve seat)과, 밸브좌면(41)과 접촉 내지 이격되게 설치된 밸브판(42)과, 밸브판(42)에 탄성력을 부여하는 탄성체(43)를 포함할 수 있다.
밸브좌면(41)은 하우징(25)의 중간부에 형성되고, 밸브좌면(41)의 내부에는 개구(41a)가 형성되어 있다.
밸브판(42)은 밸브좌면(41)과 접촉가능한 접촉면(42a)을 가지고, 접촉면(42a)은 밸브판(42)의 상면에서 외경방향으로 하향 경사지게 형성될 수 있다.
이러한 접촉면(42a)의 경사진 구조에 의해, 밸브판(42)이 밸브좌면(41)과 접촉할 경우에 밸브판(42)의 접촉면(42a)이 밸브좌면(41)과 보다 기밀하게 접촉할 수 있고, 밸브판(42)이 밸브좌면(41)으로부터 이격되는 경우에는 액상성분이 밸브판(42)의 경사진 접촉면(42a)을 타고 액상 배출포트(23) 측으로 보다 원활하게 배출될 수 있다.
탄성체(43)는 밸브판(42)에 대해 밸브판(42)과 밸브좌면(41)이 접촉하는 방향으로 탄성력을 부여하도록 구성되고, 이러한 탄성체(43)의 탄성력에 의해 밸브판(42)이 밸브좌면(41)을 향해 이동하여(상향 이동) 밸브판(42)의 접촉면(42a)이 밸브좌면(41)과 접촉할 수 있으며, 이에 밸브판(42)이 밸브좌면(41)의 개구(41a)를 폐쇄할 수 있다. 그리고, 밸브판(42)의 상부측 외력이 탄성체(43)의 탄성력을 극복할 경우에는 밸브판(42)이 밸브좌면(41)으로부터 이격되는 방향으로 이동하여(하향 이동) 밸브좌면(41)의 개구(41a)가 개방될 수 있다.
한편, 밸브좌면(41)의 하부에는 지지단턱(49)이 내경방향으로 연장되고, 지지단턱(49)에는 지지판(48)의 가장자리가 안착될 수 있다. 지지판(48)은 하나 이상의 배출공(48a)을 가진다.
탄성체(43)의 상단은 밸브판(42)에 대해 지지되고, 탄성체(43)의 하단은 지지판(48)에 대해 지지될 수 있다.
한편, 기액분리부(30)와 액상배출부(40) 사이에는 기액분리부(30)에 의해 분리된 액상성분을 임시적으로 저장하는 저장부(50)가 배치될 수 있다.
이러한 저장부(50)는 기액분리부(20)에 의해 기상의 작동매체에서 분리된 액상성분을 임시적으로 저장할 수 있도록 구성될 수 있고, 특히 저장부(50)는 액상배출부(40)의 밸브좌면(41)의 상부에 배치될 수 있다. 이에 밸브좌면(41)의 개구(41a)가 개방될 경우 저장부(50)에 저장된 액상성분이 개구(41a)를 통해 액상 토출포트(23)로 흐를 수 있다.
저장부(50)는 도 2에 예시된 바와 같이, 하부로 갈수록 그 폭이 좁아지는 단면을 가짐이 바람직하다. 특히, 저장부(50)의 폭이 하향으로 완만하게 연속적으로 감소하는 구조로 이루어질 수 있다. 예컨대, 저장부(50)는 도 9의 테이퍼진 단면구조 또는 도 10의 완만하게 곡면진 단면구조 등을 가질 수 있다.
이와 같이, 저장부(50)는 그 폭이 하향으로 완만하게 감소하는 단면을 가짐에 따라 밸브좌면(41)의 개구(41a)가 개방될 때, 액상성분이 완만하게 배출될 수 있고, 이를 통해 탄성체(43)의 연속적인 변형을 유도하여 진동 발생을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 밸브판(42)은 배출공(42b)을 가지고, 배출공(42b)은 밸브판(42)의 중심부에 형성될 수 있다.
이러한 밸브판(42)의 배출공(42b)은 보조 개폐유닛(45)에 의해 개폐될 수 있다. 한편, 밸브판(42)은 그 중앙부에 보조 개폐유닛(45)이 수용가능한 수용부(44)가 하향으로 함몰되게 형성되고, 수용부(44)의 상단은 개방되어 있다. 수용부(44)의 바닥면에 배출공(42b)이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 보조 개폐유닛(45)은 밸브판(42)의 배출공(42b)을 개폐하는 보조 밸브판(46)과, 보조 밸브판(46)을 탄성적으로 지지하는 보조 탄성체(47)를 가질 수 있다.
보조 밸브판(46)은 밸브좌면(41)의 개구(41a) 내에서 상하방향으로 이동가능하게 설치되고, 이에 보조 밸브판(46)이 밸브판(42)의 수용부(44)의 상부를 개폐함으로써 밸브판(42)의 배출공(42b)이 개폐될 수 있다.
그리고, 보조 밸브판(46)의 가장자리에는 하나 이상의 배출홈(46a)이 형성되고, 밸브판(42)의 배출공(42b)이 개방되면 저장부(50)에 저장된 액상성분은 배출홈(46a)을 통해 배출공(42b)으로 흐를 수 있으며, 이를 통해 폐열회수시스템의 작동이 정지된 상태에서 저장부(50) 내에 잔류하는 액상성분의 이동할 수 있다.
보조 탄성체(47)는 밸브판(42)의 수용부(44) 내에 설치되어 보조 밸브판(46)에 탄성력을 부여하도록 구성될 수 있다. 특히, 보조 탄성체(47)는 보조 밸브판(46)에 대해 보조 밸브판(46)과 밸브판(42)의 수용부(44)의 상단이 서로 이격되는 방향으로 탄성력을 부여하도록 구성될 수 있다.
보조 탄성체(47)의 상단은 보조 밸브판(46)의 하면에 지지되고, 보조 탄성체(47)의 하단은 수용부(44)의 바닥면에 지지됨으로써 보조 탄성체(47)는 보조 밸브판(46)에 대해 탄성력을 부여할 수 있다.
한편, 보조 탄성체(47)는 탄성체(43) 보다 낮은 스프링상수를 가지고, 이에 밸브판(42)의 상부측 압력이 밸브판(42)의 하부측 압력 보다 커질 경우에는 보조 탄성체(47)가 탄성체(43)에 비해 먼저 압축될 수 있고, 이에 보조 밸브판(46)은 밸브판(42)의 수용부(44)의 상단에 밀착됨으로써 보조 밸브판(46)과 밸브판(42)은 상호 밀착되어 함께 이동할 수 있다.
또한, 보조 개폐유닛(45)은 도 4에 도시된 바와 같이, 폐열회수시스템의 작동이 정지될 때 밸브판(42)의 배출공(42b)을 개방함으로써 저장부(50)에 잔류하는 액상성분을 배출할 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 액상분리기(20)의 작동관계를 도 4 내지 도 8을 참조하여 상세하 설명한다.
폐열회수시스템(10)이 작동하기 시작하면, 보일러(12)에 의해 가열된 기상의 작동매체가 액상분리기(20)의 입구포트(21)로 유입되고, 이러한 작동매체의 유입으로 인해 액상분리기(20)의 하우징(25) 내부압력이 서서히 증가하기 시작한다.
이런 상태에서 밸브판(42)의 상부측 압력(PB)과 밸브판(42)의 하부측 압력(PC) 사이에서 압력차이가 발생하면, 보조 탄성체(47)가 탄성체(43)에 비해 먼저 압축되고, 이에 도 6에 도시된 바와 같이 보조 밸브판(46)이 밸브판(42)에 밀착될 수 있다. 이렇게 보조 밸브판(46)과 밸브판(42)이 밀착됨에 따라 보조 밸브판(46)과 밸브판(42)은 함께 이동할 수 있다.
이때, 운동방정식은 아래의 [수식 1]과 같다.
[수식 1]
(PB - PC)×A0 = KA×XA
여기서, PB는 밸브판(42)의 상부측 압력으로 보일러(12)에서 공급되는 작동매체에 의해 형성되는 압력에 해당할 수 있고, PC는밸브판(42)의 하부측 압력으로 액상 배출포트(23)가 응축기(14)와 소통함에 따라 응축기(14)의 액상 작동매체에 의해 형성되는 압력에 해당할 수 있으며, A0는 밸브좌면(41)의 개구(41a)의 단면적이고, KA는 보조 탄성체(47)의 스프링상수이며, XA는 보조 탄성체(47)의 변형량이다.
그 이후에, 기액분리부(30)에 의해 분리된 액상성분이 저장부(50)에 채워지고, 시간의 경과에 따라 액상성분의 양이 증가하여 저장부(50)의 수위가 높아지며, 이에 저장부(50)에 저장된 액상성분에서 압력이 작용하는 단면적이 점차 증가하고, 이에 밸브판(42)의 상부측에 가해지는 외력(FB)가 밸브판(42)의 하부측에 가해지는 외력(FC) 보다 커지면 도 8에 도시된 바와 같이 서로 밀착된 밸브판(42) 및 보조 밸브판(46)이 함께 하부로 이동하여 밸브좌면(41)의 개구(41a)가 개방될 수 있다.
이때, 밸브판(42)의 상부측에 가해지는 외력(FB)은 도 7을 참조하면 아래의 [수식 2]와 같다.
[수식 2]
FB = (PB×A) + (m×g)
여기서, PB는 밸브판(42)의 상부측 압력으로 보일러(12)에서 공급되는 작동매체에 의해 형성되는 압력에 해당할 수 있고, A는 액상성분의 수면에 작용하는 단면적(도 7 참조)이며, (m×g)는 저장부(50)에 저장된 액상성분의 무게이다.
밸브판(42)의 하부측에 가해지는 외력(FC)은 도 7을 참조하면 아래의 [수식 3]과 같다.
[수식 3]
FC = (PC×A1) + (KB×XB)
여기서, PC는밸브판(42)의 하부측 압력으로 액상 배출포트(23)가 응축기(14)와 소통함에 따라 응축기(14)의 액상 작동매체에 의해 형성되는 압력에 해당할 수 있으며, A1는 밸브판(42)의 저면 단면적이고, KB는 탄성체(43)의 스프링상수이며, XB는 탄성체(43)의 변형량이다.
도 8과 같이, 밸브판(42) 및 보조 밸브판(46)이 서로 밀착된 상태로 밸브좌면(41)에서 이격되면 밸브좌면(41)의 개구(41a)가 개방되어 저장부(50) 내의 액상성분이 액상 배출포트(23)로 흘러내리고, 이에 액상성분이 액상 배출포트(23)를 거쳐 응축기(14)로 수거될 수 있다.
이와 같이, 폐열회수시스템(10)의 작동 중에 액상성분의 양과 밸브판(42)의 상부측 압력이 증가하면 밸브판(42)이 밸브좌면(41)의 개구(41a)을 개방하고, 이를 통해 기액분리부(30)에 의해 분리된 액상성분이 응축기(14)로 수거될 수 있다.
그리고, 폐열회수시스템(10)의 작동이 정지되면, 하우징(25) 내의 압력차이가 발생하지 않고, 이에 도 4에 도시된 바와 같이 밸브판(42)은 탄성체(43)에 의해 밸브좌면(41)에 밀착되고, 보조 밸브판(46)은 보조 탄성체(47)에 의해 탄성력을 받아 밸브판(42)의 수용부(44)의 상단에서 이격된다. 이에 저장부(50) 내에 잔류하는 액상성분은 보조 밸브판(46)의 배출홈(46a)을 통과한(도 4의 화살표 f1 참조) 후에 밸브판(42)의 배출공(42b)을 통과하여(도 4의 화살표 f2 참조) 액상 배출포트(23) 측으로 배출될 수 있다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
10: 폐열회수시스템 20: 액상분리기
21: 입구포트 22: 기상 배출포트
23: 액상 배출포트 30: 기액분리부
40: 액상배출부 41: 밸브좌면
42: 밸브판 43: 탄성체
45: 보조 개폐유닛 46: 보조 밸브판
47: 보조 탄성체 50: 저장부

Claims (16)

  1. 폐열회수시스템의 팽창기와 보일러 사이에 설치되고, 액상성분이 배출되는 액상 배출포트를 가진 하우징;
    상기 하우징 내의 상부공간에 마련되어 상기 보일러로부터 공급된 기상의 작동매체에서 액상성분을 분리하는 기액분리부; 및
    상기 하우징 내의 하부공간에 마련되어 상기 기액분리부에서 분리된 액상성분을 배출하는 액상배출부;를 포함하고,
    상기 액상배출부는 상기 액상 배출포트의 상측에 위치한 밸브좌면과, 상기 밸브좌면과 접촉 내지 이격되는 밸브판을 포함하며,
    상기 밸브판은 배출공을 가지고, 상기 밸브판의 배출공은 보조 개폐유닛에 의해 개폐되는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징은 보일러로부터 공급되는 작동매체가 유입되는 입구포트와, 기상의 작동매체를 배출하는 기상 배출포트를 가지는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 액상 배출포트는 상기 입구포트 및 상기 기상 배출포트 보다 낮게 위치하는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 액상배출부는 상기 밸브판에 탄성력을 부여하는 탄성체를 더 포함하는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 밸브판은 상기 밸브좌면과 접촉가능한 접촉면을 가지고, 상기 접촉면은 상기 밸브판의 상면에서 외경방향으로 하향 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 탄성체는 상기 밸브판에 대해 상기 밸브판과 상기 밸브좌면이 접촉하는 방향으로 탄성력을 부여하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 기액분리부와 상기 액상배출부 사이에는 상기 기액분리부에 의해 분리된 액상성분을 저장하는 저장부가 배치되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 저장부는 하부로 갈수록 그 폭이 좁아지는 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 저장부는 그 폭이 하향으로 완만하게 감소하는 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브판은 그 중앙부에 상기 보조 개폐유닛이 수용가능한 수용부가 형성되고, 상기 배출공은 상기 수용부의 바닥면에 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 보조 개폐유닛은 상기 밸브판의 배출공을 개폐하는 보조 밸브판과, 상기 보조 밸브판을 탄성적으로 지지하는 보조 탄성체를 가지는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 보조 밸브판이 상하 이동하여 상기 수용부의 상부를 개폐함으로써 상기 밸브판의 배출공이 개폐되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 보조 밸브판의 가장자리에는 하나 이상의 배출홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템의 액상분리기.
  15. 작동매체가 순환하는 순환경로;
    상기 순환경로의 일측에 설치되어 작동매체를 가열시키는 보일러;
    상기 보일러로부터 공급받은 기체상태의 작동매체를 팽창시켜 회전에너지를 생성하는 팽창기;
    상기 팽창기에서 배출된 작동매체를 응축시키는 응축기;
    상기 순환경로 상으로 작동매체를 순환시키는 순환펌프; 및
    상기 팽창기로 유입되는 작동매체에서 액상성분을 분리한 후에 상기 응축기로 수거하는 액상분리기;를 포함하고,
    상기 액상분리기는, 상기 팽창기와 상기 보일러 사이에 설치된 하우징과, 상기 하우징 내에 마련되어 상기 보일러로부터 공급된 작동매체에서 액상성분을 분리하는 기액분리부와, 상기 기액분리부에서 분리된 액상성분을 배출하는 액상배출부를 포함하며,
    상기 하우징은 액상성분이 배출되는 액상 배출포트를 가지고,
    상기 액상배출부는 상기 액상 배출포트의 상측에 위치한 밸브좌면 및 상기 밸브좌면과 접촉 내지 이격되는 밸브판을 포함하며,
    상기 밸브판은 배출공을 가지고, 상기 밸브판의 배출공은 보조 개폐유닛에 의해 개폐되는 폐열회수시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 하우징은 상기 보일러와 소통하는 입구포트와, 상기 팽창기와 소통하는 기상 배출포트를 가지는 것을 특징으로 하는 폐열회수시스템.
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JP2014134309A (ja) * 2013-01-08 2014-07-24 Hino Motors Ltd ランキンサイクル機関

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