KR101957595B1 - 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소기로 연료를 공급하기 위한 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다. 연료 공급 시스템은 연료 가스 압축기와 냉각부를 구비한다. 냉각부는 나노 유체를 냉매로 사용하여 가스 터빈이 대기 상태일 때에도 연료 가스 압축기가 과열되지 않도록 한다. 따라서 대기 상태의 가스 터빈을 동작시킬 때 즉시 가동이 가능하다.

Description

연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 가스 터빈 {Fuel supplying system combustor and gas turbine having it}

본 발명은 연소기로 연료를 공급하기 위한 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.

가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.

일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.

대한민국 공개특허 제10-1999-0088588 (명칭 : 가스연료 공급원과 연소기를 갖는 시스템용 장치 및 콘트롤러)

본 발명은 나노 유체를 냉각부의 냉매로 이용하여 냉각 효율을 높임으로써 가스 터빈이 대기 상태인 경우에도 과열로 인해 연료 가스 압축기를 끄지 않도록 할 수 있는 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템은 연료 가스 압축기와 냉각부를 포함한다. 연료 가스 압축기는 연료 가스를 압축하여 연소기로 유입시킨다. 냉각부는 연소기로부터 되돌아온 연료 가스를 나노 유체를 냉매로 하여 냉각시킨 후 연료 가스 압축기로 유입시킨다. 냉각부의 나노 유체는 규소(Si), 금(Au), 은(Ag), 산화규소(SiOx), 산화알루미늄(AlxOx), 산화철(FexOx), 카본나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자 및 용매를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템에서 용매는 물, 에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템에서 나노 유체는 물, 및 물 100 중량부에 대하여 규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 금 0.0001 내지 0.01 부피부, 은 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화알루미늄 0.0001 내지 0.01 부피부 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템에서 나노 유체는 에틸렌 글라이콜 100 부피부에 대하여 규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 금 0.0001 내지 0.01 부피부, 은 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화알루미늄 0.0001 내지 0.01 부피부 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템에서 나노 입자는 액상 펄스 레이저 증발법으로 용매에 분산될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템에서 냉각부는 나노 유체를 필터링할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템에서 냉각부는 나노 유체를 교반할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템의 냉각부에는 연소기에서 되돌아온 연료 가스가 바이패스하는 바이패스 유로가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은 압축기, 연소기, 터빈, 연료 공급 시스템을 포함한다. 압축기는 공기를 흡입하여 압축한다. 연소기는 압축기로부터 공급되는 압축 공기를 연료 가스와 혼합하여 연소시킨다. 터빈은 연소기의 연소 가스로 터빈 블레이드를 회전시키며, 터빈 블레이드의 회전에 의해 회전축이 회전한다. 연료 공급 시스템은 연소기에 연료 가스를 공급한다. 연료 공급 시스템은 연료 가스 압축기와 냉각부를 구비한다. 연료 가스 압축기는 연료 가스를 압축하여 연소기로 유입시킨다. 냉각부는 연소기로부터 되돌아온 연료 가스를 나노 유체를 냉매로 하여 냉각시킨 후 연료 가스 압축기로 유입시킨다. 냉각부의 나노 유체는 규소(Si), 금(Au), 은(Ag), 산화규소(SiOx), 산화알루미늄(AlxOx), 산화철(FexOx), 카본나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자 및 용매를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서 용매는 물, 에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 연료 가스 압축기는 터빈에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 연료 가스를 압축할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 냉각부에는 연소기에서 되돌아온 연료 가스가 바이패스하는 바이패스 유로가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 연료 공급 시스템은 열교환기를 더 구비할 수 있다. 열교환기에서는 압축기에서 압축된 공기의 일부와 연료 가스 압축기에서 압축된 연료 가스가 열교환한다. 열교환기를 통과한 압축된 공기는 상기 터빈으로 유입된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 열교환기에는 압축된 공기 또는 압축된 연료 가스 중 어느 하나가 열교환기를 바이패스하도록 하는 열교환 바이패스 유로가 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 열전달 효율이 우수한 나노 유체를 냉매로 사용함으로써 가스 터빈이 대기 상태일 때에도 연료 가스 압축기가 과열되지 않아, 대기 상태의 가스 터빈을 동작시킬 때 즉시 가동이 가능하게 된다.

도 1은 가스 터빈의 전체적인 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 가스 터빈의 연소기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 물과 나노 유체의 열전도도를 비교하여 나타내는 도면이다.
도 5는 나노 입자의 사이즈에 따른 열전도도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 나노 입자의 분산 농도에 따른 열전도도를 나타낸 도면이다.
도 7은 온도에 따른 열전도도의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)의 개략도이다.
도 9는 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)을 이용하여 금 나노 유체를 제조하고 제타 포텐셜(zeta potential) 측정값을 나타내는 도면이다.
도 10은 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)을 이용하여 제조된 금 나노 유체의 나노 입자의 사이즈 분포를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부에 바이패스 유로가 형성된 연료 공급 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 유출된 공기와 연료 가스가 열교환하는 연료 공급 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시형태를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부여할 것이며, 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등이 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 한다.

그리고, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 개재되면서 간접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고도 이해되어야 할 것이다.

가스 터빈의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따른다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성된다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출한다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어진다.

위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈은 압축기와 연소기, 터빈을 포함한다. 도 1은 가스 터빈(1000)의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.

가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 공기를 흡입하여 압축하는 역할을 하는 부분이며, 연소기(1200)에 연소용 공기를 공급하는 한편 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급하는 것이 주된 역할이다. 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과하는 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.

가스 터빈(1000)에 포함되는 압축기(1100)는 보통 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 것과 같은 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다.

압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동된다. 이를 위해, 도 1에 도시된 것과 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결된다. 대형 가스 터빈(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동시키는데 소모된다. 따라서, 압축기(1100)의 효율을 향상시키는 것은 가스 터빈(1000)의 전체 효율을 향상시키는데 직접적이고도 지대한 영향을 미치게 된다.

그리고, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어 낸다. 도 2는 가스 터빈(1000)에 구비되는 연소기(1200)의 일례를 보여준다. 연소기(1200)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 복수 개의 버너(1220)가 배치된다. 각 버너(1220)에는 수 개의 연소 노즐(1230)이 구비되며, 이 연소 노즐(1230)에서 분사되는 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 이루게 된다.

가스 터빈(1000)에는 가스 연료와 액체 연료, 또는 이들이 조합된 복합 연료가 사용될 수 있다. 법적 규제 대상이 되는 일산화탄소와 질소산화물 등의 배출가스 양을 저감하기 위한 연소 환경을 만드는 것이 중요한데, 연소 제어가 상대적으로 어렵기는 하지만 연소온도를 낮추고 균일한 연소를 만들어 배출가스를 줄일 수 있다는 장점이 있어 근래에는 예혼합 연소가 많이 적용된다. 예혼합 연소의 경우에는 압축공기가 연소 노즐(1230)에서 분사되는 연료와 혼합된 후 연소실(1240) 안으로 들어간다. 예혼합 가스의 최초 점화는 점화기를 이용하여 이루어지며, 이후 연소가 안정되면 연료와 공기를 공급하는 것으로 연소는 유지된다.

연소기(1200)는 가스 터빈(1000)에서 가장 고온 환경을 이루기 때문에 적절한 냉각이 필요하다. 도 2를 참조하면, 버너(1220)와 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하는 덕트 조립체, 즉 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260), 유동 슬리브(1270)로 이루어진 덕트 조립체의 외면을 따라 압축공기가 흘러서 연소 노즐(1230) 쪽으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체가 적절히 냉각된다.

덕트 조립체는 탄성 지지수단을 매개로 연결된 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)의 바깥을 유동 슬리브(1270)가 감싸는 이중 구조로 이루어져 있으며, 압축공기는 유동 슬리브(1270) 안쪽의 환형 공간 안으로 침투하여 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)를 냉각시킨다.

여기서, 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)의 각 일단은 연소기(1200)와 터빈(1300) 측에 각각 고정되기 때문에, 탄성 지지수단(1280)은 열팽창에 의한 길이 및 직경 신장을 수용할 수 있는 구조로 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)를 지지할 수 있어야 한다.

연소기(1200)에서 생산된 고온, 고압의 연소가스는 덕트 조립체를 통해 터빈(1300)에 공급된다. 터빈(1300)에서는 연소가스가 단열 팽창하면서 터빈(1300)의 회전축에 방사상으로 배치된 다수의 터빈 블레이드에 충돌, 반동력을 줌으로써 연소가스의 열에너지가 회전축이 회전하는 기계적인 에너지로 변환된다. 터빈(1300)에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 등의 유효 에너지로 활용된다.

이와 같이, 가스 터빈(1000)은 주요 구성부품이 왕복운동을 하지 않기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며, 왕복운동 기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

그리고, 브레이튼 사이클에서의 열효율은 공기를 압축하는 압축비가 높을수록, 그리고 등엔트로피 팽창 과정으로 유입되는 연소가스의 온도(터빈 입구 온도)가 높을수록 올라가기 때문에 가스 터빈(1000)도 압축비와 터빈 입구에서의 온도를 올리는 방향으로 발전하고 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(2000)은 압축기(2100), 연소기(2200), 터빈(2300), 연료 공급 시스템(2400)을 포함한다. 압축기(2100), 연소기(2200), 터빈(2300)은 도 1 및 도 2에서 설명하였으므로 자세한 설명은 생략한다.

연료 공급 시스템(2400)은 연료 가스 압축기(2410)와 냉각부(2420)를 구비한다. 연료 가스 압축기(2410)에는 연료 가스(fuel gas)가 유입된다. 연료 가스는 연료 가스 공급부에서 공급될 수 있다. 연료 가스는 천연 가스(natural gas, NG)일 수 있다.

연료 가스 압축기(2410)는 연료 가스를 압축하여 연소기(2200)으로 보낸다. 연소기(2200)에는 압축기(2100)에서 압축된 고온고압의 공기가 유입되므로, 연료 가스는 연소기(2200)에서 원활하게 분사되기 위해서 높은 압력으로 공급될 필요가 있다.

일 실시예에서 연료 가스 압축기(2410)는 터빈(2300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 연료 가스를 압축할 수도 있다. 이 경우 터빈(2300)의 회전축에 연료 가스 압축기(2410)의 회전축과 연결될 수 있다.

다른 실시예에서 연료 가스 압축기(2410)는 복수일 수 있다. 연료 가스 압축기(2410)의 개수는 가스 터빈(2000)의 용량이나 압축 효율 등에 의해 결정될 수 있다. 복수의 연료 가스 압축기(2410)가 터빈(2300)의 동력을 이용해서 연료 가스를 압축하는 경우, 여러 단의 압축은 연료 가스의 압력을 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라 연료 공급 시스템(2400)의 효율도 향상시킬 수 있다.

가스 터빈(2000)이 동작하는 경우에 연소기(2200)로 유입된 연료 가스는 연소된다. 그러나 가스 터빈(2000)이 동작하지 않고 대기하는 경우에는 연소기(2200)로 유입된 연료 가스는 다시 연료 가스 압축기(2410)로 되돌아 온다. 즉, 연료 가스는 연소기(2200)와 연료 가스 압축기(2410)를 통과하도록 형성된 유동 경로를 따라서 유동한다.

연료 가스는 연료 가스 압축기(2410)에서 압축되면서 온도가 상승한다. 냉각부(2420)가 없다면, 연소기(2200)에서 다시 되돌아온 연료 가스가 연료 가스 압축기(2410)에서 다시 온도가 상승하고, 이런 과정이 반복되면 연료 가스 압축기(2410)가 과열되어 가동을 중단해야 한다. 연료 가스 압축기(2410)의 가동이 중단되면, 대기 상태의 가스 터빈(2000)을 다시 가동하고자 하는 경우 연료 가스 압축기(2410)를 다시 작동시켜야 하므로 가스 터빈(2000) 가동까지 시간이 오래 걸리는 문제가 있다.

냉각부(2420)는 이러한 문제를 해결하고자 연료 가스 압축기(2410)와 연소기(2200) 사이를 순환하는 연료 가스를 냉각시킨다. 본 실시예에서 냉각부(2420)는 연소기(2200)를 통과하여 연료 가스 압축기(2410)로 되돌아 오는 연료 가스를 냉매를 이용해서 냉각시킨다.

냉각부(2420)는 나노 유체를 냉매로 사용한다. 나노 유체는 나노 입자를 용매에 분산시킨 것이다. 용매는 물이나 에틸렌 글라이콜(Ethylene glycol) 또는 프로필렌 글라이콜이 될 수 있다. 일 실시예에서는 용매는 물과 에틸렌 글라이콜을 혼합한 용액이 될 수 있다. 물과 에틸렌 글라이콜의 혼합 비율은 가스 터빈(2000)이 사용되는 지역의 온도 조건에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 추운 지역의 경우 동파 방지를 위해 에틸렌 글라이콜의 비율을 높일 수 있다. 다만, 에틸렌 글라이콜의 비율이 높아지는 경우 나노 입자는 분산시키기 어려우므로, 이런 부분에 대한 고려도 필요하다.

나노 유체에 사용되는 나노 입자는 열전도도가 높은 물질인 것이 바람직하다. 나노 입자는 규소(Si), 금(Au), 은(Ag), 산화규소(SiOx), 산화알루미늄(AlxOx), 산화철 (FexOx), 카본나노튜브 (CNT), 그래핀 (Graphene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.

용매로 물을 사용하는 경우, 나노 유체는 물 100 부피부에 대하여 규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 금 0.0001 내지 0.01 부피부, 은 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화알루미늄 0.0001 내지 0.01 부피부 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자를 포함할 수 있다.

용매로 에틸렌 글라이콜을 사용하는 경우, 나노 유체는 에틸렌 글라이콜 100 부피부에 대하여 규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 금 0.0001 내지 0.01 부피부, 은 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화알루미늄 0.0001 내지 0.01 부피부 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자를 포함할 수 있다.

이러한 나노 유체는 열전도도가 높다는 것을 도 4에서 확인할 수 있다.

나노 유체의 열전도도는 분산된 나노 입자의 사이즈에 따라 달라질 수 있다. 나노 입자의 사이즈에 따른 열전도도의 변화는 도 5에 도시된 바와 같다.

도 6은 나노 입자의 분산 농도에 따른 열전도도를 나타낸 도면이다. 나노 입자의 농도가 진할수록(입자가 더 많이 분산되어 있을수록) 열전도도가 높음을 알 수 있다.

도 7은 온도에 따른 열전도도의 변화를 나타낸 도면이다. 온도가 올라갈수록 열전도도가 향상됨을 알 수 있다.

나노 유체가 연료 가스를 잘 냉각시키기 위해서는 나노 유체에서 나노 입자가 잘 분산되는 것과 사이즈 컨트롤이 중요하다. 나노 입자가 뭉치지 않고 분산되도록 하기 위해서 나노 유체에 계면활성제를 사용할 수 있다. 그러나 계면활성제를 사용하면, 열전달 성능이 저하된다.

본 실시예에서는 계면활성제를 사용하지 않고, 나노 입자가 뭉치는 것을 방지하기 위해, 나노 입자를 화학적 또는 물리적 방법에 의해 용매에 분산시킬 수 있다.

구체적으로, 나노 입자는 구연산염(Citrate) 또는 산(acid)을 이용한 화학적 방법으로 용매에 분산되거나, 레이저를 이용한 물리적 방법, 더욱 구체적으로 액상 펄스 레이저 증발법(pulsed laser ablation in liquid, PLAL)에 의하여 용매에 분산될 수 있다.

도 8은 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)의 개략도이다. 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)은 펄스 레이저를 이용하여 용매(물, 에틸렌 글라이콜 또는 프로필렌 글라이콜 등)에 나노 입자를 분산시켜 나노 유체를 직접 제작하는 단일 공정(single-step) 제작 방법이다. 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)을 이용하면 진공장비, 고온 조건 등 극한 조건이 필요하지 않은 간단한 방법으로 나노 유체를 제작할 수 있다. 구체적으로, 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)을 이용하면 펄스 레이저의 에너지를 용매 속에 위치시킨 나노 입자 타깃(Si, Au, Ag 등)에 조사함으로써 나노 입자를 생성하고, 나노 입자가 생성됨과 동시에 용매에 분산될 수 있다.

이 방법으로 제조한 나노 입자는 그 표면이 극성을 가지며, 용매도 레이저에 의하여 이온 분리되면서 나노 입자 표면과 반응함으로써 서로 밀어내는 척력(repulsion force)이 생성되어 별도의 계면활성제 없이도 분산 안정성이 우수한 나노 유체를 제조할 수 있다.

일 예로, 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)을 이용하여 금 나노 유체를 제조하고, 이의 제타 포텐셜(zeta potential) 측정값을 도 9에 나타내었다. 제타 포텐셜은 유체나 나노 입자의 표면 전하를 측정하는 것으로 이를 통하여 표면 전하 상태를 파악할 수 있다. +값은 표면이 +전하로 -는 표면이 -전하를 가지고 있다는 의미이며, 이 값이 높을수록 주변 전하 분포에 따라 척력(repulsion force)이 높음을 보여준다. 액상 펄스 레이저 증발법(PLAL)을 이용함으로써 금(Au+)은 물(H2O, H+, OH-)와 반응을 일으키게 되는데, 도 9를 참고하면, 금(Au+) 표면에는 OH-가 둘러싸고 있음을 알 수 있으며, 이를 통하여 주변에 분산된 금 나노 입자들과는 척력(repulsion force)이 생성됨을 알 수 있다. 이를 통하여 나노 유체 내에서 나노 입자가 계면활성제 없이도 안정되게 분산될 수 있다. 이렇게 제작된 나노 입자의 사이즈 분포는 도 10에 나타내었다.

다른 실시예에서는 냉각부(2420)가 나노 입자 분산을 위해서 나노 유체를 필터링할 수도 있다. 또 다른 실시예에서는 냉각부(2420)가 나노 입자 분산을 위해서 나노 유체를 교반할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부에 바이패스 유로가 형성된 연료 공급 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(3000)은 압축기(3100), 연소기(3200), 터빈(3300), 연료 공급 시스템(3400)을 포함한다. 도 3에서 설명한 것과 동일한 것은 자세한 설명을 생략한다.

연료 공급 시스템(3400)은 연료 가스 압축기(3410)와 냉각부(3420)를 구비한다. 연료 가스 압축기(3410)는 연료 가스를 압축하여 연소기(3200)으로 보낸다. 냉각부(3420)는 연료 가스 압축기(3410)와 연소기(3200) 사이를 순환하는 연료 가스를 냉각시킨다.

냉각부(3420)에는 연소기(3200)에서 되돌아온 연료 가스가 바이패스(bypass)하는 바이패스 유로(Pbc)가 형성될 수 있다. 바이패스 유로(Pbc)가 분기되는 지점에는 조절 밸브(V1)가 설치된다.

연료 가스 압축기(3410)의 온도가 높지 않은 경우에는 연소기(3200)에서 되돌아온 연료 가스가 냉각부(3420)를 통과하지 않아도 된다. 연소기(3200)가 작동하는 경우에는 연소기(3200)로 유입되는 연료 가스의 온도가 높아야 연소기(3200)의 효율이 좋아진다. 따라서, 연료 가스 압축기(3410)의 온도에 따라 선택적으로 연료 가스가 냉각부(3420)를 통과하도록 하는 것이 필요하다.

조절 밸브(V1)는 연료 가스 압축기(3410)의 온도에 따라 바이패스 유로(Pbc)와 냉각부(3420)로 유입되는 연료 가스의 유량을 조절한다. 일 실시예에서는 조절 밸브(V1)는 연소기(3200)에서 되돌아온 연료 가스의 일부를 냉각부(3420)로 유입시키고, 다른 일부를 바이패스 유로(Pbc)로 유입시킬 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에서 유출된 공기와 연료 가스가 열교환하는 연료 공급 시스템을 포함하는 가스 터빈을 개념적으로 나타내는 도면이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(4000)은 압축기(4100), 연소기(4200), 터빈(4300), 연료 공급 시스템(4400)을 포함한다. 도 3 및 도 11에서 설명한 것과 동일한 것은 자세한 설명을 생략한다.

연료 공급 시스템(4400)은 연료 가스 압축기(4410), 냉각부(4420), 열교환기(4430)를 구비한다. 연료 가스 압축기(4410)는 연료 가스를 압축하여 연소기(4200)으로 보낸다. 냉각부(4420)는 연료 가스 압축기(4410)와 연소기(4200) 사이를 순환하는 연료 가스를 나노 유체를 냉매로 사용하여 냉각시킨다.

열교환기(4430)에서는 압축기(4100)에서 압축된 공기의 일부와 연료 가스 압축기(4410)에서 압축된 연료 가스가 열교환을 한다. 압축기(4100)에서 압축된 공기의 일부는 냉각을 위해 터빈(4300)으로 보내진다. 압축기(4100)에서 압축된 공기는 압축 과정에서 온도가 상승한다.

압축된 공기가 열교환기(4430)에서 압축된 연료 가스와 열교환을 하면, 압축된 공기는 온도가 하강하고 압축된 연료 가스는 온도가 상승한다. 따라서 터빈(4300)으로 유입되는 공기의 온도가 하강하여 터빈(4300)의 냉각 효율이 개선된다. 또한 연소기(4200)로 유입되는 연료 가스의 온도가 상승하므로, 연소기(4200)의 연소 효율이 개선된다.

가스 터빈(4000)이 동작하지 않고 대기 상태인 경우에는, 열교환기(4430)에서 연료 가스가 가열되면, 연료 가스 압축기(4410)가 쉽게 과열될 수 있다. 따라서 가스 터빈(4000)이 대기 상태인 경우에는 압축기(4100)에서 압축된 공기가 연료 가스와 열교환하지 않고 터빈(4300)으로 유입되도록 한다.

이를 위해서 압축기(4100)에서 압축된 공기가 열교환기(4430)을 통과하지 않도록 하는 열교환 바이패스 유로(Pbx)가 형성될 수 있다. 열교환 바이패스 유로(Pbx)가 분기하는 지점에는 에어 조절 밸브(V2)가 설치된다. 에어 조절 밸브(V2)는 열교환기(4430)로 유입되는 압축된 공기의 유량을 조절한다. 본 실시예에서는 압축된 공기가 열교환기(4430)를 바이패스 하도록 유로가 형성되나, 다른 실시예에서는 압축된 연료 가스가 열교환기(4430)를 바이패스 하도록 유로가 형성될 수도 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1000, 2000, 3000, 4000 : 가스 터빈
1100, 2100, 3100, 4100 : 압축기
1200, 2200, 3200, 4200 : 연소기
1300, 2300, 3300, 4300 : 터빈
2400, 3400, 4400 : 연료 공급 시스템
2410, 3410, 4410 : 연료 가스 압축기
2420, 3420, 4420 : 냉각부
4430 : 열교환기

Claims (14)

1. 연료 가스를 압축하여 연소기로 유입시키는 연료 가스 압축기;
   상기 연소기로부터 되돌아온 연료 가스를 나노 유체를 냉매로 하여 냉각시킨 후 상기 연료 가스 압축기로 유입시키는 냉각부; 및
   압축기에서 압축된 공기의 일부와 상기 연료 가스 압축기에서 압축된 연료 가스가 열교환하는 열교환기;를 포함하며,
   상기 냉각부에는 상기 연소기에서 되돌아온 연료 가스가 바이패스하는 바이패스 유로가 형성되고,
   상기 열교환기에는 상기 압축된 공기 또는 상기 압축된 연료 가스 중 어느 하나가 상기 열교환기를 바이패스하도록 하는 열교환 바이패스 유로가 형성되며,
   상기 냉각부의 상기 나노 유체는 규소(Si), 은(Ag), 산화규소(SiOx), 산화철(FexOx), 카본나노튜브(CNT) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 용매는 물, 에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 나노 유체는
   상기 물, 및
   상기 물 100 중량부에 대하여 규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 금 0.0001 내지 0.01 부피부, 은 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화알루미늄 0.0001 내지 0.01 부피부 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 나노 유체는
   상기 에틸렌 글라이콜, 및
   상기 에틸렌 글라이콜 100 중량부에 대하여 에틸렌 글라이콜 100 부피부에 대하여 규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 금 0.0001 내지 0.01 부피부, 은 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화규소 0.0001 내지 0.01 부피부, 산화알루미늄 0.0001 내지 0.01 부피부 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 나노 입자는 액상 펄스 레이저 증발법으로 용매에 분산된 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 냉각부는 상기 나노 유체를 필터링하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 냉각부는 상기 나노 유체를 교반하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
8. 삭제
9. 공기를 흡입하여 압축하는 압축기;
   상기 압축기로부터 공급되는 압축 공기를 연료 가스와 혼합하여 연소시키는 연소기;
   상기 연소기의 연소 가스로 터빈 블레이드를 회전시키며, 상기 터빈 블레이드의 회전에 의해 회전축이 회전하는 터빈; 및
   상기 연소기에 연료 가스를 공급하는 연료 공급 시스템;을 포함하며
   상기 연료 공급 시스템은
   연료 가스를 압축하여 상기 연소기로 유입시키는 연료 가스 압축기와,
   상기 연소기로부터 되돌아온 연료 가스를 나노 유체를 냉매로 하여 냉각시킨 후 상기 연료 가스 압축기로 유입시키는 냉각부와,
   상기 압축기에서 압축된 공기의 일부와 상기 연료 가스 압축기에서 압축된 연료 가스가 열교환하는 열교환기를 구비하며,
   상기 냉각부에는 상기 연소기에서 되돌아온 연료 가스가 바이패스하는 바이패스 유로가 형성되고,
   상기 열교환기에는 상기 압축된 공기 또는 상기 압축된 연료 가스 중 어느 하나가 상기 열교환기를 바이패스하도록 하는 열교환 바이패스 유로가 형성되며,
   상기 냉각부의 상기 나노 유체는 규소(Si), 은(Ag), 산화규소(SiOx), 산화철(FexOx), 카본나노튜브(CNT) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
10. 제9항에 있어서,
    상기 용매는 물, 에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
11. 제9항에 있어서,
    상기 연료 가스 압축기는 상기 터빈에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 연료 가스를 압축하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제

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