KR101827460B1 - 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템 - Google Patents

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최현태
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Abstract

본 발명에 따른 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템은, 유압계통, 냉각계통 및 엔진을 구비한 건설기계에 있어서, 상기 유압계통, 상기 냉각계통 및 상기 엔진의 폐열 또는 폐 에너지와 차례대로 열 교환하도록 작동유체를 순환시키는 유기 랭킨 사이클; 및 상기 유기 랭킨 사이클을 순환한 작동유체가 유입되어 상기 건설기계를 구동시키기 위한 기계적 에너지를 발생시키는 터빈; 을 포함하고, 상기 유압계통의 작동유, 상기 냉각계통의 냉각수 및 상기 엔진의 배기가스의 폐열 또는 폐 에너지와 차례로 열 교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 경우에는 상기 터빈 쪽으로 유입되지 않고 상기 유압계통 또는 상기 냉각계통 측으로 유입될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템은 유압 시스템을 구비한 건설기계의 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스로부터 버려지는 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시킬 수 있는 구동원으로 활용하고, 그와 동시에 건설기계의 웜업 시간을 단축시키기 위한 전력으로 활용할 수 있어서 건설기계의 연비를 향상시킬 수 있다.

Description

건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템{WARM-UP SYSTEM BY RECOVERING WASTE HEAT OF CONSTRUCTION MACHINERY}
본 발명은 건설기계에서 버려지는 폐열 등의 에너지를 이용하고 건설기계를 웜업시키기 위한 동력으로 활용하는 웜업 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유압시스템을 구비한 건설기계의 작동유, 냉각수 또는 폐기가스로부터 버려지는 열 에너지를 회수하여 전력 또는 동력으로 재활용하고, 이를 이용하여 건설기계를 웜업시키기 위한 동력으로 활용할 수 있는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템에 관한 것이다.
디젤 엔진을 사용하는 건설기계 등과 같은 차량의 경우 가동 중에 많은 열이 발생하고, 차량을 구동시키는 기계 에너지로 환원되는 열 에너지 외에도 많은 폐열이 발생된다. 이때, 기계 에너지로 환원되는 열 에너지를 제외하고 나머지의 열 에너지들은 버려지는 것이 일반적이다.
이에 따라, 근래에는 건설기계의 엔진으로부터 발생되는 배기가스, 작동유, 냉각수 등에서 버려지는 폐 에너지(waste energy)를 회수하여 전기 에너지 또는 기계 에너지로 재활용하는 기술에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 폐 에너지 회수 기술에 관심이 집중되는 주요한 이유는 높은 효율을 갖는 엔진에서조차 버려지는 에너지가 여전히 많으며, 디젤 차량의 연비 개선을 위한 연소 및 엔진 주변장치에 대한 기술개발이 어느 정도 한계에 도달했다고 판단하기 때문이다. 참고로, 유압시스템을 구비한 건설기계에서 작동유의 온도가 낮지만 많은 열을 포함하고 있음에도 불구하고 이를 제대로 활용하지 못하고 버리는 실정이다.
최근 건설기계의 디젤엔진의 배기가스로부터 배출되는 중 저온의 열 에너지를 회수하는 방법으로 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC)을 이용한 발전 장치가 많이 시도되고 있다. 일반적인 랭킨 사이클은 증발기를 통과하면서 유체가 된 증기가 터빈을 회전시켜 발생되는 축동력을 전기 에너지로 변환시키는 것인데 반면, 유기 랭킨 사이클은 작동유체(Operating fluid)로 물(H2O)을 사용하지 않고 물에 비해 낮은 온도를 가지는 암모니아(NH3), 알코올(C2H5OH)과 같은 유기 혼합물을 사용한다.
상기와 같은 유기 랭킨 사이클을 이용하여 주요 선진국 및 제조사 들은 활발하게 기술개발을 진행하고 있으나, 엔진의 배기가스 또는 냉각수 등의 폐 에너지를 활용한 것은 열이 그리 높지 않으며, 회수되는 열량이 적어서 발전시킬 수 있는 전력이 크지 못하다는 문제점이 있다.
한편, 유압시스템을 구비하는 건설기계에서 유기 랭킨 사이클을 이용하여 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스의 열 에너지를 회수하기 위해서는 작동유, 냉각수 및 엔진이 적정 온도가 되어야 한다. 일반적으로 건설기계에서 정상적으로 유기 랭킨 사이클이 작동되기 위해서는 작동유는 약70℃, 냉각수는 약80℃ 정도가 되어야 하지만, 건설기계의 초기 냉간 시동시 작동유가 약20℃, 냉각수가 약50℃ 정도 밖에 되지 않게 된다. 이에 따라, 건설기계의 작동유, 냉각수 및 엔진과 작동유체 간의 열 교환을 통해 열 에너지를 회수하는 유기 랭킨 사이클을 정상적으로 작동시키는데 상차작업을 기준으로 보통 30분 내지 1시간 정도가 소요되며, 이 시간 동안에는 예열이 되지 않은 작동유로 작업을 하기 때문에 더 많은 엔진의 에너지가 필요하게 되어 연비가 좋지 않고 작업의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 본 출원인은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 제안하게 되었으며, 이와 관련된 선행기술문헌으로는, 대한민국 공개실용신안 20-1996-068288호 (발명의 명칭: 엔진 웜업용 열 교환장치, 공개일: 1998.10.07.)가 있다.
본 발명의 목적은 유압시스템을 구비한 건설기계의 작동유, 냉각수 또는 엔진의 배기가스로부터 버려지는 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시킬 수 있는 전력 또는 동력으로 재활용하고, 그와 동시에 폐열을 이용하여 건설기계의 웜업시간을 단축시키고 건설기계의 웜업에 소요되는 에너지를 절감할 수 있는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 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 및 엔진을 구비한 건설기계에 있어서, 상기 유압계통, 상기 냉각계통 및 상기 엔진의 폐열 또는 폐 에너지와 차례대로 열 교환하도록 작동유체를 순환시키는 유기 랭킨 사이클; 및 상기 유기 랭킨 사이클을 순환한 작동유체가 유입되어 상기 건설기계를 구동시키기 위한 기계적 에너지를 발생시키는 터빈; 을 포함하고, 상기 유압계통의 작동유, 상기 냉각계통의 냉각수 및 상기 엔진의 배기가스의 폐열 또는 폐 에너지와 차례로 열 교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 경우에는 상기 터빈 쪽으로 순환되지 않고 상기 유압계통 쪽으로 유입되는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템에 의해 달성될 수 있다.
상기 유압계통 쪽으로 유입된 작동유체가 상기 작동유 및 상기 냉각수와 열 교환되어 상기 작동유 및 상기 냉각수의 온도를 상승시킬 수 있다.
상기 유압계통 쪽으로 유입된 작동유체의 온도는 상기 작동유 및 상기 냉각수의 온도보다 높을 수 있다.
상기 유기 랭킨 사이클은, 상기 작동유체와 상기 작동유를 열 교환시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 냉각수를 열 교환시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 엔진의 연소가스를 열 교환시키는 제3 열교환기; 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 펌프를 포함할 수 있다.
상기 펌프는 상기 유압계통의 작동유 유압을 구동원으로 이용할 수 있다.
상기 터빈과 상기 응축기 사이에 마련되며, 상기 터빈에서 나온 작동유체와 상기 펌프에서 송출되는 작동유체를 열 교환시키는 제1 재생 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 터빈과 상기 제1 재생 열교환기 사이에 마련되며, 상기 터빈에서 나온 작동유체와 상기 제2 열교환기에서 나온 작동유체를 열 교환시키는 제2 재생 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 제3 열교환기와 상기 터빈 사이에 마련되며, 상기 제3 열교환기에서 나온 작동유체와 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 배출되는 가스를 열 교환시켜서 작동유체를 슈퍼히팅시키는 제4 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 제3 열교환기 또는 상기 제4 열교환기에서 나온 작동유체가 완전히 기화되지 않은 경우에는 상기 터빈으로 유입되지 않고 상기 제1 열교환기 쪽으로 우회될 수 있다.
상기 제3 열교환기, 상기 제4 열교환기 및 상기 터빈에서 나온 작동유체의 온도, 부피, 압력 또는 열량을 감지하는 감지센서; 및 상기 감지센서와 인접한 위치에 마련되어 상기 작동유체의 온도, 부피, 압력 또는 열량에 따라 상기 제1 열교환기, 상기 터빈, 상기 제1 재생 열교환기 또는 상기 제2 재생 열교환기 중 어느 하나로 우회시키는 우회 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템은, 유압 시스템을 구비한 건설기계의 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스로부터 버려지는 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시킬 수 있는 구동원으로 활용하고, 그와 동시에 버려지는 열 에너지를 이용하여 건설기계의 웜업 시간을 단축시키고 건설기계의 웜업에 필요한 에너지를 절감할 수 있어서 건설기계의 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템은, 건설기계의 초기 냉간 시동시 엔진의 빠른 웜업을 통해 엔진의 배기가스 정화용 촉매 활성화 온도 도달 시간을 단축시켜 유해 배기가스 및 미세먼지를 저감할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템을 나타낸 구성도이다.
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 페열 회수를 이용한 웜업 시스템(100, 이하 '웜업 시스템' 이라 함)을 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)을 나타낸 구성도이다.
이하에서 설명할 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 건설기계에 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 배치되는 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) 및 암에 요동 가능하게 연결된 버킷(bucket)을 포함할 수 있다. 또한, 작업기는 붐, 암 및 버킷을 각각 작동시키기는 붐 실린더, 암 실린더 및 버킷 실린더를 구비할 수 있다.
또한, 상기와 같은 건설기계는 주행용 유압 모터, 선회용 유압모터 등 각각의 유압 모터를 구동시키는 엔진을 구비하고 있으며, 엔진을 식힐 수 있는 냉각장치를 구비할 수 있다.
한편, 상기와 같은 건설기계는 유압 실린더 및 유압 모터를 포함하여 유압 계통이 형성되는데, 유압 계통은 작동유(Operating fluid)의 유압에 의해서 작업기를 작동시킬 수 있다. 또한, 건설기계는 냉각수를 이용하여 엔진을 냉각시키기 위한 냉각계통을 구비하는데, 냉각계통은 엔진 또는 엔진 일측에 구비된 라디에이터(Radiator)에 냉각수를 순환시킴으로써 엔진을 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 건설기계의 유압계통, 냉각계통, 엔진에서 발생하거나 버려지는 열 에너지를 회수하여 전기적 에너지 또는 기계적 에너지로 재활용하고 이를 건설기계의 구동력으로 활용할 수 있고, 그와 동시에 건설기계의 웜업 시간을 단축시키기 위한 전력으로도 활용할 수 있어서 건설기계의 연비를 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 건설기계의 엔진(110), 건설기계의 유압계통의 작동유와 열 교환하여 유기 랭킨 사이클의 작동유체를 가열하는 제1 열교환기(120), 엔진(110)의 냉각계통의 냉각수와 열 교환하여 제1 열교환기(120)를 거친 작동유체를 가열하는 제2 열교환기(122), 엔진(110)에서 배출된 가스와 열 교환하여 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체를 가열하는 제3 열교환기(124), 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 순차적으로 거치면서 기화된 작동유체에 의해 회전하는 터빈(130), 터빈(130)을 거친 작동유체를 냉각 및 응축하는 응축기(140), 응축기(140)에서 액화된 작동유체가 저장되는 저장탱크(142) 및 저장탱크(142)의 작동유체를 제1 열교환기(120)로 송출하는 펌프(144)를 포함할 수 있다.
참고로, 도 1 내지 도 4에 도시된 점선은 유기 랭킨 사이클의 작동유체의 이동경로를 의미한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 엔진(110)은 굴삭기, 휠로더와 같은 건설기계를 구동시키는 부분이다. 엔진(110)은 배기 매니폴드(미도시)로부터 배출되는 배기가스, 즉 폐 배기가스는 터보차저(turbocharger, 미도시)로 보내져 압축된 공기를 엔진(110)으로 주입시키는 과급기 내에 위치된 후술할 터빈(130)을 작동시켜 엔진(110)에서의 연소 효율을 높일 수 있다.
또한, 건설기계에 마련되는 엔진(110)은 건설기계의 각각의 부품들을 구동하는 유압계통의 유압 모터(미도시)를 구동하며, 엔진(110)을 식힐 수 있는 냉각수를 포함하는 냉각계통을 구비할 수 있다. 한편, 엔진(110)의 일측에는 라디에이터(112)가 마련되는데, 이에 따라 엔진(110)의 열을 냉각하는 냉각수의 유입/유출에 의해 엔진(110)의 열을 대기로 방출시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC)을 이용하여 유압(hydraulic pressure)시스템으로 작업을 진행하는 모든 건설기계에서 버려지는 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시킬 수 있는 전력으로 변환시킬 수 있다.
이때, 유기 랭킨 사이클(또는 유기 랭킨 회로)은 작동유체가 저장되는 저장탱크(142), 펌프(144) 및 증발기(또는 보일러), 터빈(130) 및 응축기(140) 등으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 유압계통의 작동유, 냉각계통의 냉각수, 엔진의 배기가스 등과 열 교환할 수 있는 작동유체를 순환시키는 유기 랭킨 사이클을 구비하여 건설기계에서 발생하는 폐열, 즉 버려지는 열 에너지를 재활용할 수 있다.
일반적으로 건설기계의 작동유, 냉각수 등의 온도는 높지 않지만 많은 열 에너지를 가진다. 다시 말해서, 작동유체는 온도가 낮은 작동유, 냉각수 등과 열 교환을 하여야 하기 때문에 기화되는 온도, 즉 끓는 점이 상대적으로 낮은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 유기 랭킨 사이클의 작동유체는 끓는 점이 작동유, 냉각수에 비하여 상대적으로 낮은 작동유체를 이용하기 때문에 건설기계에서 발생하는 폐열을 효율적으로 재활용 할 수 있다.
여기서, 유기 랭킨 사이클의 작동유체는 끊는 점이 물보다 낮은 유기체(Organic fluid), 즉 유기 화합물을 작동유체로 가지는데, 예컨대 암모니아(NH3), 알코올(C2H5OH), R124A, R245FA 또는 유기냉매 등을 사용할 수 있다.
이러한 유기 랭킨 사이클의 작동유체는 펌프(144)에서부터 송출되어 가장 먼저 유압계통의 작동유와 열 교환할 수 있다. 이에 따라, 건설기계의 유압계통의 작동유 유압이 유기 랭킨 사이클의 펌프(144)의 구동원으로 이용될 수 있다. 즉, 건설기계의 유압계통이 유기 랭킨 사이클의 펌프(144)와 연결되도록 구성하여 유기 랭킨 사이클의 작동유체를 순환시키기 위해서 별도의 에너지를 생성할 필요가 없도록 할 수 있다. 참고로, 펌프(144)에 의해서 유압계통과 열교환하도록 송출되는 작동유체는 저장탱크(142)에 저장될 수 있다.
한편, 상술한 유기 랭킨 사이클의 증발기 또는 보일러는 열교환기로 마련될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클은 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124) 각각을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이, 펌프(144)에 의해서 저장탱크(142)로부터 유압계통으로 송출된 작동유체는 제1 열교환기(120)에 의해서 열 교환된다. 제1 열교환기(120)는 일측으로 유입된 유압계통의 작동유와 타측으로 유입된 유기 랭킨 사이클의 작동유체 간에 열 교환되는 부분이다. 이에 따라, 제1 열교환기(120)는 건설기계의 유압계통과 인접한 위치에 마련되되, 건설기계의 유압계통의 작동유 유로 상에 설치되는 것이 더욱 바람직하다.
여기서, 제1 열교환기(120)로 유입되는 작동유의 온도보다 유기 랭킨 사이클의 작동유체의 온도가 더 낮을 수 있다. 이에 따라, 제1 열교환기(120)에서 작동유체는 작동유로부터 열을 얻어서 온도가 높아지게 되고, 작동유는 작동유체에 열을 빼앗겨서 온도가 낮아지게 된다.
한편, 제1 열교환기(120)에서 작동유의 열을 얻은 작동유체는 제2 열교환기(122)로 유입될 수 있다. 이때, 제2 열교환기(122)는 일측으로 유입된 냉각계통의 냉각수와 타측으로 유입된 유기 랭킨 사이클의 작동유체 간에 열 교환되는 부분이다. 이에 따라, 제2 열교환기(122)는 건설기계의 냉각계통과 인접한 위치에 마련되되, 건설기계의 냉각계통의 냉각수 유로 상에 설치되는 것이 바람직하다.
여기서, 제2 열교환기(122)로 유입되는 냉각수의 온도보다 작동유체의 온도가 낮을 수 있다. 이에 따라, 제2 열교환기(122)에서 작동유체는 냉각수로부터 열을 얻어서 온도가 높아지게 되고, 작동유체는 작동유체에 열을 빼앗겨서 온도가 낮아지게 된다. 참고로, 건설기계의 작동유의 온도보다 냉각수의 온도가 더 높고 더 많은 열 에너지를 가지고 있다고 볼 수 있다. 따라서, 제1 열교환기(120)를 통과한 작동유체보다 제2 열교환기(122)를 통과한 작동유체의 온도가 더 높을 수 있다.
작동유체가 제1 열교환기(120) 및 제2 열교환기(122)를 거치면서 작동유 및 냉각수와 열 교환되었다고 하더라도 액체 상태의 작동유체가 완전히 기화되지 못하고 여전히 액체 상태에거나 액체와 기체가 혼재된 상태일 수 있다.
이에 따라, 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체는 제3 열교환기(124)로 유입될 수 있다.
제3 열교환기(124)는 엔진(110)에서 배출되는 배기가스와 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체가 서로 열 교환하게 된다. 이러한 제3 열교환기(124)는 엔진(110)의 배기가스가 배출되는 유로 상에 마련되는 것이 바람직하다. 이때, 엔진(110)에서 배출되는 가스의 온도는 제3 열교환기(122)에서 유출된 작동유체의 온도 보다 높기 때문에 제3 열교환기(124)에서는 작동유체가 엔진(110)의 배기가스의 열 에너지로부터 열을 흡수할 수 있다.
이에 따라, 유기 랭킨 사이클의 작동유체의 온도는 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 작동유, 냉각수 및 배기가스와 순차적으로 열 교환됨으로써 높아질 수 있다. 즉, 제1 열교환기(120) 및 제2 열교환기(122)와의 열 교환에 의해 작동유체의 온도가 점진적으로 높아지므로, 제1 열교환기(120) 및 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체가 제3 열교환기(124)를 거치면서 완전히 기화하는데 보다 유리한 조건을 갖출 수 있다.
즉, 제1 열교환기(120)는 건설기계의 작동유와 작동유체의 열 교환을 통해 작동유체를 가열하고, 제2 열교환기(122)는 건설기계의 냉각수와 작동유체의 열 교환을 통해 제1 열교환기(120)를 거친 작동유체를 가열하며, 제3 열교환기(124)는 엔진(110)에서 배출된 배기가스와 작동유체의 열 교환을 통해 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체를 가열할 수 있다.
이때, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)에 유입되는 작동유체의 온도 T1, T2, T3 는 T1 < T2 < T3 순서를 가질 수 있다. 다시 말해서, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124) 에서의 작동유체의 온도는 제1 열교환기(120)에서 가장 낮고 제3 열교환기(124)에서 가장 높다는 것을 의미할 수 있다. 즉, 작동유체가 최초의 액체 상태에서 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 기체 상태로 상변화 된다는 것을 의미할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 완전히 기화된 작동유체는 기체 분자의 운동에너지가 크기 때문에 터빈(130)으로 유입되어 터빈(130)의 회전축(미도시)과 연결된 블레이드(미도시)를 회전시킬 수 있다. 즉, 터빈(130)에 의해 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 차례대로 거치면서 기화된 작동유체의 압력 에너지가 회전 에너지로 변환될 수 있다. 터빈(130)의 회전축에서 발생하는 회전 에너지 즉, 기계적 에너지를 건설기계의 엔진(110)과 연결하여 건설기계의 엔진(110)의 동력으로 이용함으로써 건설기계의 엔진(110)의 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 터빈(130)의 회전축의 일측에는 전기 에너지를 생산하는 발전기(미도시)가 연결될 수 있고, 발전기의 일측에는 발전기에서 생산된 전기를 저장하는 축전기(미도시)가 마련될 수도 있다. 참고로, 축전기에 저장된 전기 에너지는 건설기계를 구동시키는데 사용함으로써 건설기계의 연비를 향상시키는 효과가 있다.
상기와 같이 터빈(130)으로 유입된 기체 상태의 작동유체는 터빈(130)의 블레이드를 회전시키며 일을 하기 때문에, 터빈(130)을 통과한 회전에 의해 작동유체의 온도는 낮아질 수 있다.
또한, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체는 터빈(130)에서 나와서 저장탱크(142)로 유입될 수 있다. 이때, 터빈(130)에서 나온 작동유체는 완전한 액체 상태가 아니라 기체 상태 또는 액체 상태의 작동유체가 혼합된 상태이며, 어느 정도의 열을 가지고 있는 상태일 수 있다. 이에 따라, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 저장탱크(142)로 유입되기 전에 작동유체를 완전한 액체 상태로 변환시키는 것이 필요할 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클은 터빈(130)과 저장탱크(142) 사이에 응축기(140)를 구비할 수 있다. 응축기(140)는 터빈(130)을 거친 작동유체를 냉각 또는 응축하여 기체 상태의 작동유체를 액체 상태로 상 변환시킬 수 있다. 응축기(140)에 의해 냉각 및 응축되어 완전한 액체 상태가 된 작동유체는 저장탱크(142)에 저장되게 된다.
여기서, 저장탱크(146)에 저장된 액체 상태의 작동유체는 펌프(144)에 의해 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)로 송출될 수 있다. 다시 말해서, 펌프(144)는 저장탱크(142)에 저장된 액체 상태의 작동유체를 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 또는 제3 열교환기(124)로 송출하여 작동유체를 순환시킬 수 있다. 이에 따라, 유기 랭킨 사이클의 작동유체는 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 또는 제3 열교환기(124) 들과 계속적으로 열 교환하고, 그에 따라 터빈(130)을 회전시킴으로써 건설기계를 구동시킬 수 있는 에너지를 생산할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 건설기계의 작동유, 냉각수 및 배기가스의 열 에너지와 작동유체와의 열 교환을 통해 건설기계를 구동시킬 수 있는 에너지를 생산할 뿐만 아니라, 건설기계를 웜업(Warm-up) 시키는데 에도 사용할 수 있다.
구체적으로, 건설기계가 웜업 상태, 즉 초기 시동 상태 일 경우에는 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스의 온도가 작동유체와 열 교환할 수 있을 만큼의 온도에 도달되지 못할 수 있다. 다시 말해서, 건설기계의 작동유 및 냉각수와 작동유체가 열 교환을 위해서는 작동유 및 냉각수의 온도가 작동유체의 온도보다 높아야 한다. 예를 들어, 유기 랭킨 사이클을 이용하여 작동유체가 건설기계의 작동유 및 냉각수와 정상적으로 열 교환하기 위해서는 작동유 및 냉각수가 작동유체와 열 교환하여 작동유체를 상 변화시킬 만큼의 온도, 즉 작동유의 온도가 약 70℃ 정도가 되어야 하고 냉각수의 온도가 약 80℃ 정도가 되어야 한다.
그러나, 건설기계의 초기 시동 상태일 때에는 작동유의 온도가 20℃, 냉각수의 온도가 50℃ 정도에 불과하므로, 작동유 및 냉각수와 작동유체가 정상적으로 열 교환하는 것이 어려울 수도 있다. 이에 따라, 저장탱크(142)에 저장된 작동유체가 펌프(144)에 의해 제1 열교환기(120)로 송출되어 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치 더라도, 낮은 온도의 열을 가지는 작동유 및 냉각수와 엔진의 배기가스로 인해 완전히 기화되지 않기 때문에 터빈(130)을 회전시키기에 충분한 운동 에너지를 가지지 못한다.
반면, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체의 온도는 건설기계의 초기 시동 단계에서의 작동유 및 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 즉, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 열 교환을 한 작동유체의 온도는 건설기계의 초기 시동 단계에서의 작동유 및 냉각수의 온도보다 높을 수 있다.
따라서, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 건설기계의 초기 시동 단계에서 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체를 응축기(140)로 보내 응축시켜서 저장탱크(142)로 저장하는 대신에, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체를 터빈(130)의 전단부에 마련된 감지센서(170)를 이용하여 작동유체의 상태를 판단하고, 우회밸브(180)를 이용하여 터빈(130)의 전단부에 마련된 웜업 유로(160)를 통해 제1 열교환기(120) 쪽으로 유입되도록 할 수 있다. 이에 따라, 건설기계의 초기 시동 단계에서, 제1 내지 제3 열교환기(120, 122, 124)를 통과하여 열 교환한 작동유체가 제1 열교환기(120)에서 작동유와 열 교환되게 하고 제2 열교환기에서(122)에서 냉각수와 열 교환되게 함으로써 작동유 및 냉각수의 온도가 빠르게 상승되도록 할 수 있다. 즉, 본 발명의 웜업 시스템(100)은 건설기계에서 버려지는 열 에너지 즉, 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스로부터 버려지는 열 에너지를 재활용하여 건설기계를 구동시키기 위한 구동력을 발생시키는 유기 랭킨 사이클을 빠른 시간 내에 정상적으로 구동되도록 할 수 있다.
이를 위해, 감지센서(170)에서 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체의 상태를 감지한 결과, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 판단될 경우에는, 우회 밸브(180)를 통해 터빈(130) 쪽의 유로는 차단시키고, 제1 열교환기(120) 또는 제2 열교환기(122) 쪽으로 흐르는 웜업유로(160)만을 개방시켜 제1 열교환기(120) 또는 제2 열교환기(122) 쪽으로 작동유체가 유입되도록 할 수 있다.
한편, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)를 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이 터빈(130)을 거친 작동유체가 응축기(140)로 바로 전달될 수도 있지만, 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이 터빈(130)을 거친 작동유체가 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 유입되도록 하여 터빈(130)을 거친 작동유체의 남아있는 열 에너지를 회수하여 재활용 할 수도 있다.
다시 말해서, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 완전히 액체 상태로 액화되지 않고 어느 정도의 열을 가지고 있다면, 응축기(140)로 유입되기에는 부적합할 수 있다. 왜냐하면, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 어느 정도의 열을 가지고 있다면 응축기(142)에서 이러한 작동유체가 완전히 액화되기 위해서는 응축기(140)의 용량이 커야 하는데, 건설기계의 엔진룸 내부의 공간상 용량이 큰 응축기(140)를 설치하기 어려울 수 있고, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 가지고 있는 열을 이용하여 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 또는 제3 열교환기(124)로 유입되는 작동유체의 온도를 높일 수도 있기 때문이다.
구체적으로, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 제1 재생 열교환기(150)는 터빈(130)을 거친 작동유체와 펌프(144)에서 송출된 작동유체를 서로 열 교환시킬 수 있다. 이때, 터빈(130)을 거친 작동유체, 즉 터빈(130)에 회전력을 발생시키고 난 후의 작동유체의 온도가 저장탱크(142)에 저장된 작동유체의 온도보다 높을 경우에는 제1 재생 열교환기(150)를 이용하여 터빈(130)을 거친 작동유체와 펌프(144)로부터 송출된 작동유체가 서로 열 교환 되도록 할 수 있다. 제1 재생 열교환기(150)에 의해 터빈(130)에서 나온 작동유체와 열 교환하여 열을 얻은 펌프(144)에서 송출된 작동유체는 제1 열교환기(120)로 전달될 수 있다. 이에 따라, 제1 열교환기(120)에서의 작동유와 작동유체 간의 열 교환 효율을 더욱 높일 수 있다.
또한, 도 3 및 도 4를 참조하면, 제2 재생 열교환기(152)는 터빈(130)을 거친 작동유체와 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체를 서로 열 교환시킬 수 있다. 터빈(130)을 거친 작동유체, 즉 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체의 온도가 제2 열교환기(122)에서 가열된 작동유체의 온도보다 높을 경우에는 제2 재생 열교환기(152)를 이용하여 터빈(130)을 거친 작동유체와 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체를 다시 열 교환할 수도 있다. 제2 재생 열교환기(152)에 의해 열 교환되어 온도가 높아진 작동유체는 제3 열교환기(124)로 전달될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152)에 의해서 터빈(130)에서 나온 작동유체에 포함된 열 에너지를 재활용할 수 있을 뿐만 아니라 응축기(140)에 유입되기 전에 작동유체를 충분히 냉각시킴으로써 용량이 적은 응축기(140) 만으로도 작동유체를 완전하게 액화시킬 수 있다.
참고로, 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 터빈(130)을 거친 작동유체를 재활용 하기 위하여 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)를 구비하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체의 온도가 응축기(140)를 통해 완전히 액화될 정도로 낮은 것으로 판단될 경우에는 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152) 모두 마련되지 않을 수도 있다.
더욱이, 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 작동유체의 온도보다 낮고, 제2 재생 열교환기(152) 상의 작동유체의 온도는 제2 열교환기(122) 상의 작동유체의 온도보다 높을 수 있다.
여기서, 도 3을 참조하면, 제3 열교환기(124)에서 엔진(110)의 배기가스의 열 에너지와 열 교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 감지되면, 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체를 터빈(130)으로 보내지 않고 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 작동유체를 우회시킬 수도 있다.
구체적으로, 터빈(130) 전단에 마련된 감지센서(170)에 의해 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치고도 작동유체가 완전한 기체 상태로 상변환되지 않은 것으로 판단될 경우에는, 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체가 우회 유로(162)를 통해 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 우회되도록 할 수 있다. 왜냐하면, 최초에 액체 상태이던 작동유체가 완전한 기체 상태로 변환되지 않은 채로 터빈(130)으로 들어가게 될 경우에는 터빈(130)을 회전시킬 수 없고, 터빈(130)의 블레이드(미도시)를 손상시킬 수 있기 때문이다.
따라서, 감지센서(170)를 이용하여 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체의 상태를 감지하고, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 판단될 경우에는 우회 밸브(180)를 통해 터빈(130) 쪽의 유로는 차단시키고, 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 흐르는 유로 만을 개방시켜 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 작동유체가 유입되도록 할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 터빈(130)의 전단부에 마련된 감지센서(170)는 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체의 온도, 압력 또는 부피 등을 감지하여 작동유체의 상태가 액체인지 또는 기체인지를 감지할 수 있다. 감지센서(170)에 의해 감지된 작동유체의 상태는 우회 밸브(180)의 개폐를 제어하는 제어부(미도시)로 전송될 수 있다. 참고로, 제어부는 우회 밸브(180)의 개폐를 조절하여 완전히 기화되지 않아서 액체 상태인 작동유체가 터빈(130)으로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
상술한 바와 같이, 감지센서(170)는 작동유체의 상태를 감지할 수 있는 센서로 마련될 수 있다. 이때, 감지센서(170)는 작동유체의 온도를 감지하는 온도감지센서로 마련될 수도 있고, 작동유체의 상(phase) 변화, 즉 작동유체의 부피 또는 압력을 감지할 수 있는 압력감지센서로 마련될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 작동유체의 물성치에 따라 다양한 형태의 감지센서로 마련될 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 제4 열교환기(126)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 제4 열교환기(126)는 엔진(110)의 배기가스와 제3 열교환기(124)에서 열 교환한 후에 제3 열교환기(124)로부터 나온 작동유체를 다시 열 교환시키기 위한 것이다. 다시 말해서, 제4 열교환기(126)는 엔진(110)의 배기가스 재순환 계통(EGR: Exhaust Gas Recirculation, 미도시)에서 배출된 가스와 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체를 서로 열 교환시킬 수 있다. 즉, 제4 열교환기(126)는 엔진(110)의 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 나온 가스와 제3 열교환기(126)에서 나온 작동유체를 열 교환시킴으로써, 작동유체를 슈퍼히팅(Superheating) 시킬 수 있다. 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체가 제4 열교환기(126)를 거치면서 다시 열 교환된 작동유체는 완전히 기화되어 기체 상태로 상변환됨으로써 터빈(130)을 회전시킬 수 있다.
이때, 제4 열교환기(126) 상의 작동유체의 온도 T4는 제3 열교환기(124) 에서의 작동유체 온도 T3 보다 높을 수 있다. 만약, 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)에 의해 완전히 기화되지 못하더라도 제4 열교환기(126)를 통해 완전히 기화될 수 있다.
참고로, 제3 열교환기(124)에서 엔진(110)의 배기가스와 열 교환되어 가열된 작동유체가 완전히 기화되더라도, 제3 열교환기(124)를 통과한 작동유체가 제4 열교환기(126)를 거쳐 터빈(130)으로 유입되도록 할 수 있다.
다시 말해서, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 액체 상태의 작동유체가 기체 상태로 완전히 상변환된 것으로 판단되더라도 작동유체가 터빈(130)으로 바로 들어가도록 하는 것이 아니라, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체를 제4 열교환기(126)에 의해 슈퍼히팅(Super Heating) 시킨 후에 터빈(130)으로 들어가도록 구성할 수도 있다.
이는, 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체가 제4 열교환기(126)를 거치면서 작동유체의 온도가 더욱 높아져 터빈(130)을 회전시키기 위한 에너지 값, 즉 압력 에너지 또는 기체 분자의 운동 에너지가 증가될 수도 있고, 결과적으로 터빈(130)에서 출력되는 기계적 에너지의 양을 증가시킬 수 있다. 다시 말해서, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체의 에너지의 값보다 제3 열교환기(124)에서 나와 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체의 에너지의 값이 크므로, 터빈(130)을 더욱 빠르게 회전시킬 수 있다. 따라서, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 완전히 기체 상태로 변환된 것으로 판단되더라도 제4 열교환기(126)로 유입되도록 하여 작동유체의 에너지 값을 더욱 크게 하는 것이 바람직하다.
다만, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 통해 액체 상태인 작동유체가 기체 상태로 완전히 상변환되면 제4 열교환기(126)를 생략하여 웜업 시스템(100)을 구성할 수도 있다. 다시 말해서, 작동유체가 제3 열교환기(124) 만 거쳐도 100% 기화된다고 판단될 경우에는 제4 열교환기(126) 없이도 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)을 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 도 4를 참조하면, 제4 열교환기(126)에서 엔진(110)의 배기가스와 열 교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 감지될 경우에는 터빈(130)을 거치지 않고, 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 우회되도록 할 수 있다.
구체적으로, 터빈(130)의 전단부에 마련된 감지센서(170)에 의해 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 후에도 액체 상태의 작동유체가 기체 상태로 완전히 변환되지 않은 것으로 판단될 경우, 우회유로(162)를 통해 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 유입되도록 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 액체 상태인 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거치고도 완전히 기화되지 않은 상태로 터빈(130)으로 유입되게 되면, 터빈(130)을 회전시키는 것이 어렵고 터빈(130)의 블레이드(미도시)를 손상시킬 수 있기 때문이다. 이에 따라, 감지센서(170)에 의해 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체가 완전히 기화되지 않았다고 판단될 경우에는, 우회밸브(180)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 할 수 있다.
참고로, 상술한 우회밸브(180)는 모두 작동유체의 유로를 변경하기 위한 것으로, 일반적인 방향전환 밸브의 형태로 마련될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 건설기계의 운전 초기 단계에서 유기 랭킨 사이클이 작동될 경우에는 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 모두 거치더라도 완전히 기체 상태로 상변환되지 않을 수 있다. 이때, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 모두 거친 작동유체의 온도는 건설기계의 초기 시동 상태에서의 작동유 및 냉각수의 온도보다 높을 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 건설기계의 초기 시동 단계에서 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체를 제1 재생 열교환기(150), 제2 재생 열교환기(152) 또는 응축기(140)로 보내는 대신에 터빈(130)의 전단부에 마련된 감지센서(170)를 이용하여 작동유체의 상태를 판단하여, 우회밸브(180)를 통해 터빈(130), 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 흐르는 유로는 차단시키고 웜업 유로(160)는 개방함으로써 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체를 제1 열교환기(120)로 유입되도록 할 수 있다. 참고로, 도 4에는 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체가 제1 열교환기(120)로만 유입되는 것으로 도시하였으나, 제1 열교환기(120) 또는 제2 열교환기(122) 중 어느 한 쪽으로 작동 유체가 유입될 수도 있다.
이에 따라, 건설기계의 초기 시동 단계에서 유기 랭킨 사이클의 작동유체를 건설기계의 유압계통의 작동유, 냉각계통의 냉각수와 열 교환되도록 함으로써 작동유 및 냉각수의 온도가 빠르게 상승되도록 할 수 있다. 다시 말해서, 본 발명의 웜업 시스템(100)은 건설기계에서 버려지는 열 에너지 즉, 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스로부터 버려지는 열 에너지를 재활용하여 건설기계를 구동시키기 위한 구동력을 발생시키는 유기 랭킨 사이클을 빠른 시간 내에 정상적으로 구동되도록 할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)의 작동을 간단히 설명한다.
먼저, 저장탱크(142)에 저장된 작동유체는 펌프(144)에 의해 제1 열교환기(120)로 송출된다. 이때, 펌프(144)는 건설기계의 유압계통의 작동유 유압에 의해 작동될 수 있다. 참고로, 제1 열교환기(120)로 송출되는 작동유체는 액체 상태이다.
그 다음, 제1 열교환기(120)로 송출된 액체 상태의 작동유체는 건설기계의 유압 계통에서 사용된 후의 작동유와 열 교환된다. 여기서, 건설기계의 작동유에서 버려지는 열 에너지를 활용하는 것은 건설기계에서 버려지는 열 에너지 즉, 폐 에너지 중에서 가장 낮은 온도를 가지고 있으나 많은 열량을 가지기 때문이다. 참고로, 작동유체와 열 교환되고 난 후의 작동유는 건설기계의 드레인 탱크(미도시)로 회수될 수 있다.
그 다음, 제1 열교환기(120)에서 작동유와 열 교환된 작동유체는 제2 열교환기(122)로 유입된다. 제2 열교환기(122)에서는 제1 열교환기(120)를 거친 작동유체와 건설기계의 엔진(110)의 열을 식혀주는 냉각계통의 냉각수와 열 교환된다. 이때, 엔진(110)의 열을 식혀주는데 사용된 냉각수에서 버려지는 열 에너지를 활용하는 것은 상술한 작동유의 폐열 다음으로 높은 온도를 가지기 때문이다. 한편, 제2 열교환기(122)에서 제1 열교환기(120)를 거친 작동유체와 열 교환된 냉각수는 건설기계의 냉각계통의 냉각수 탱크로 회수될 수 있다.
그 다음, 제2 열교환기(122)에서 열 교환된 작동유체는 제3 열교환기(124)로 유입된다. 제3 열교환기(124)에서는 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체와 건설기계의 엔진(110)에서 배출된 배기가스와 열 교환된다. 이때, 엔진(110)의 배기가스에서 버려진 열 에너지를 활용하는 것은 상술한 작동유, 냉각수의 폐열 다음으로 높은 온도를 가지기 때문이다. 더욱이, 엔진(110)에서 배출되는 배기가스는 상당히 높은 온도를 가지기 때문에 외부로 그대로 배출될 경우에는 작업자가 배기가스에 의해 다칠 위험성이 있기 때문이다. 한편, 제3 열교환기(124)에서 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체와 열 교환된 배기가스는 건설기계의 외부로 배출될 수 있다.
그 다음, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 완전히 기체 상태가 된 작동유체는 터빈(130)을 회전시킨다.
만약, 건설기계의 초기 시동 상태일 경우에는 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 모두 거치더라도 완전한 기체 상태가 되지 않는다. 이때, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체의 온도는 건설기계의 초기 시동 상태에서의 작동유 및 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 따라서, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체를 터빈(130)으로 보내지 않고 제1 열교환기(120)로 유입되도록 함으로써 건설기계의 초기 시동 상태에서의 작동유 및 냉각수의 온도를 높인다.
또한, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체의 온도가 높을 경우, 제1 재생 열교환기(150) 쪽으로 유입되도록 한다. 이에 따라, 제1 재생 열교환기(150)에서는 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체와 저장탱크(142)로부터 제1 재생 열교환기(150)로 송출된 작동유체를 열 교환시킬 수 있다. 더욱이, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체의 온도가 높을 경우, 제2 재생 열교환기(152)를 통해 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체와 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체를 다시 열 교환시킬 수 있다.
만약, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 완전히 기화되지 않았다고 판단되면 제4 열교환기(126)를 통해 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 배출되는 개스와 작동유체를 서로 열 교환할 수 있다.
한편, 건설기계의 초기 시동 상태일 경우에는 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 모두 거치더라도 완전한 기체 상태가 되지 않을 수 있다. 이때, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체의 온도는 건설기계의 초기 시동 상태에서의 작동유 및 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 따라서, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체를 터빈(130)으로 보내지 않고 제1 열교환기(120) 또는 제2 열교환기(122)로 유입되도록 함으로써 건설기계의 초기 시동 상태에서의 작동유 및 냉각수의 온도를 높인다.
그 다음, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체는 응축기(140)를 통해 액체로 응축된 후, 저장탱크(142)에 액체 상태로 저장된다. 이때, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체의 온도에 따라 바로 응축기(140)로 가지 않고, 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152)를 거쳐 다시 열 교환되고 난 후에 응축기(140)를 통해 액체 상태로 응축된 후에 저장탱크(142)로 저장될 수도 있다.
상기한 구성에 의하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템(100)은 유압 시스템을 구비한 건설기계의 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스로부터 버려지는 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시킬 수 있는 구동원으로 활용하고, 그와 동시에 건설기계의 웜업 시간을 단축시키기 위한 전력으로 활용할 수 있어서 건설기계의 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템(100)은, 건설기계의 초기 냉간 시동시 엔진의 빠른 웜업을 통해 엔진의 배기가스 정화용 촉매 활성화 온도 도달 시간을 단축시켜 유해 배기가스 및 미세먼지를 저감할 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 이용한 웜업 시스템
110: 엔진 112: 라디에이터
120: 제1 열교환기 122: 제2 열교환기
124: 제3 열교환기 126: 제4 열교환기
130: 터빈
140: 응축기 142: 저장탱크
144: 펌프
150: 제1 재생 열교환기 152: 제2 재생 열교환기
160: 웜업 유로 162: 우회 유로
170: 감지센서
180: 우회 밸브

Claims (10)

  1. 유압계통, 냉각계통 및 엔진을 구비한 건설기계에 있어서,
    상기 유압계통, 상기 냉각계통 및 상기 엔진의 폐열 또는 폐 에너지와 차례대로 열 교환하도록 작동유체를 순환시키는 유기 랭킨 사이클; 및
    상기 유기 랭킨 사이클을 순환한 작동유체가 유입되어 상기 건설기계를 구동시키기 위한 기계적 에너지를 발생시키는 터빈;
    을 포함하고,
    상기 유압계통의 작동유, 상기 냉각계통의 냉각수 및 상기 엔진의 배기가스의 폐열 또는 폐 에너지와 차례로 열 교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 경우에는 상기 터빈 쪽으로 유입되지 않고 상기 유압계통 또는 상기 냉각계통 측으로 유입되며,
    상기 유압계통 또는 상기 냉각계통 측으로 유입된 작동유체가 상기 작동유 및 상기 냉각수와 열 교환되어 상기 작동유 및 상기 냉각수의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유압계통 또는 상기 냉각계통 측으로 유입된 작동유체의 온도는 상기 작동유 및 상기 냉각수의 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 유기 랭킨 사이클은,
    상기 작동유체와 상기 작동유를 열 교환시키는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 냉각수를 열 교환시키는 제2 열교환기;
    상기 제2 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 엔진의 연소가스를 열 교환시키는 제3 열교환기;
    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 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 유압계통의 작동유 유압을 구동원으로 이용하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 터빈과 상기 응축기 사이에 마련되며, 상기 터빈에서 나온 작동유체와 상기 펌프에서 송출되는 작동유체를 열 교환시키는 제1 재생 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 터빈과 상기 제1 재생 열교환기 사이에 마련되며, 상기 터빈에서 나온 작동유체와 상기 제2 열교환기에서 나온 작동유체를 열 교환시키는 제2 재생 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 열교환기와 상기 터빈 사이에 마련되며, 상기 제3 열교환기에서 나온 작동유체와 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 배출되는 가스를 열 교환시켜서 작동유체를 슈퍼히팅시키는 제4 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열을 이용한 웜업 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 열교환기 또는 상기 제4 열교환기에서 나온 작동유체가 완전히 기화되지 않은 경우에는 상기 제3 열교환기 또는 상기 제4 열교환기에서 나온 작동유체는 상기 터빈으로 유입되지 않고 상기 제1 열교환기 또는 상기 제2 열교환기 쪽으로 우회되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3 열교환기 또는 상기 제4 열교환기에서 나온 작동유체의 온도, 부피, 압력 또는 열량을 감지하는 감지센서; 및
    상기 감지센서와 인접한 위치에 마련되어 상기 작동유체의 온도, 부피, 압력 또는 열량에 따라 상기 제3 열교환기 또는 상기 제4 열교환기에서 나온 작동유체를 상기 제1 열교환기, 상기 터빈, 상기 제1 재생 열교환기 또는 상기 제2 재생 열교환기 중 어느 하나로 우회시키는 우회 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템.
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