KR102013829B1 - 증기사이클 기반의 폐열발전 열기관 및 이 열기관의 동작 방법 - Google Patents

증기사이클 기반의 폐열발전 열기관 및 이 열기관의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증기사이클 기반의 폐열발전 열기관에 관한 것으로, 일 실시예에 따르면, 연소장치에서 배출되는 배기가스와 증기사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기로부터 공급받은 작동유체에 의해 기계적 일을 하는 터빈; 상기 터빈에서 배출되는 작동유체를 응축하는 제2 열교환기; 및 상기 제2 열교환기에서 배출되는 작동유체를 가압하여 상기 제1 열교환기로 공급하는 가압펌프;를 포함하고, 상기 열기관의 시스템 효율이 최대값을 포함하는 소정 범위의 폐열발전 효율 값을 갖도록 상기 작동유체의 증발온도를 설정하고, 이 때 상기 폐열발전 효율은 상기 열기관의 폐열회수 효율과 사이클 효율의 곱에 비례하는 값으로 정의되는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관을 제공한다.

Description

증기사이클 기반의 폐열발전 열기관 및 이 열기관의 동작 방법 {Steam cycle-based heat engine for waste heat recovery and method for operating the same heat engine}
본 발명은 증기사이클 기반의 폐열발전 열기관에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 최적의 시스템 효율을 가짐과 동시에 물 회수를 극대화할 수 있는 열기관 시스템 및 이를 동작하는 방법에 관한 것이다.
종래부터 발전소 등에서 증기사이클 기반의 열기관을 이용한 발전 시스템이 사용되고 있는데, 최근에는 이러한 증기사이클 기반의 열기관이 다양한 폐열(배기가스 등)을 이용한 발전시스템으로도 사용되고 있다. 이 발전 시스템은 열교환기, 터빈, 응축기, 및 펌프 사이를 순환하는 작동유체에 의해 열에너지를 기계적 일로 변환하여 동력을 얻는다. 연소장치에서 배출되는 고온의 배기가스가 열교환기에 공급되어 작동유체에 열에너지를 전달하고, 작동유체는 열에너지를 받고 기화한 후 터빈을 구동한다.
폐열발전 열기관 시스템에서는 폐열발전 효율(발전출력/폐열량)을 높이는 것이 중요하다. 그러나 증기사이클 기반 열기관의 경우 투입되는 배기가스의 온도, 작동유체의 종류 등에 따라 폐열발전 효율이 달라지기 때문에 주어진 열기관 시스템에 가장 최적의 폐열발전 효율을 찾는 것이 요구된다.
기존의 폐열발전 증기사이클에서는 배기가스의 폐열을 효율적으로 회수하지 못하는 문제가 있었고, 최근에는 배기가스 중의 물(H2O)을 충분히 회수하지 못하고 배출하는 경우가 많았다. 발전소의 경우 특히 물소비가 많은데다 발전소 배기가스 온도는 100°C 이상으로 다량의 수분이 증기상태로 배출되고 있어 물 회수의 극대화가 더욱 요구된다. 물 회수를 위해 종래에는 흡수재를 사용하거나 냉각수를 이용하였다. 흡수재를 이용하는 제습 장치들은 흡수재를 재생하여 재순환하는 방식이며 장치 구성이 복잡한 문제가 있고, 냉각수를 이용하여 배기가스를 냉각하는 경우 작은 온도차로 인하여 많은 양을 냉각수를 순환시켜야 하는 단점이 있다.
특허문헌1: 한국 공개특허 제2010-0044738호 (2010년 04월 30일 공개) 특허문헌2: 한국 등록특허 제10-1450660호 (2014년 10월 15일 공고)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 최적의 시스템 효율을 갖는 열기관 시스템을 제공한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 최적의 효율을 가짐과 동시에 물 회수를 극대화할 수 있는 열기관 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 증기사이클 기반의 폐열발전 열기관으로서, 연소장치에서 배출되는 배기가스와 증기사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기로부터 공급받은 작동유체에 의해 기계적 일을 하는 터빈; 상기 터빈에서 배출되는 작동유체를 응축하는 제2 열교환기; 및 상기 제2 열교환기에서 배출되는 작동유체를 가압하여 상기 제1 열교환기로 공급하는 가압펌프;를 포함하고, 상기 열기관의 시스템 효율이 최대값을 포함하는 소정 범위의 폐열발전 효율 값을 갖도록 상기 작동유체의 증발온도를 설정하고, 이 때 상기 폐열발전 효율은 상기 열기관의 폐열회수 효율과 사이클 효율의 곱에 비례하는 값으로 정의되는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 폐열회수 효율은 배기가스를 상온까지 냉각시 활용가능한 최대 열량에 대해 증기사이클에 활용된 열량이고, 상기 사이클 효율은 증기사이클에 활용된 열량에 대한 증기사이클의 순출력 일 이다.
일 실시예에서, 상기 폐열발전 효율의 상기 소정 범위가 폐열발전 효율 최대값의 90% 이상인 값을 갖는 범위일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가압펌프에 의해 상기 작동유체에 가압하는 압력을 조절함으로써 상기 작동유체의 증발온도를 증가시키거나 감소시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 열교환기에서 배출되는 작동유체의 일부를 분기하여 상기 제2 열교환기로 재공급하는 피드백 경로; 및 상기 제1 열교환기에서 배출되는 배기가스와 상기 피드백 경로상의 작동유체를 열교환하는 제3 열교환기;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제3 열교환기에서 작동유체가 배기가스로부터 열에너지를 받아서 증발하고 배기가스 중의 수증기가 응축하여 물이 생성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피드백 경로를 통해 분기되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 유량제어밸브를 더 포함하고, 상기 유량제어밸브는 상기 제1 열교환기에서 배출되는 배기가스의 온도에 기초하여 작동유체의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 증기사이클 기반의 열기관을 동작시키는 방법으로서, 연소장치에서 배출되는 배기가스와 증기사이클을 순환하는 작동유체를 제1 열교환기에서 열교환하는 제1 열교환 단계; 제1 열교환된 작동유체를 이용하여 터빈이 기계적 일을 수행하는 단계; 상기 터빈에서 배출되는 작동유체를 제2 열교환기에서 응축하는 제2 열교환 단계; 및 제2 열교환된 작동유체를 가압펌프에 의해 가압하는 단계;를 포함하고, 상기 열기관의 폐열발전 효율이 최대값을 포함하는 소정 범위의 시스템 효율 값을 갖도록 상기 작동유체의 증발온도를 설정하고, 이 때 상기 폐열발전 효율은 상기 열기관의 폐열회수 효율과 사이클 효율의 곱에 비례하는 값으로 정의되는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 폐열회수 효율은 배기가스를 상온까지 냉각시 활용가능한 최대 열량에 대해 증기사이클에 활용된 열량이고, 상기 사이클 효율은 증기사이클에 활용된 열량에 대한 증기사이클의 순출력 일 이다.
일 실시예에서, 상기 폐열발전 효율의 상기 소정 범위가 폐열발전 효율 최대값의 90% 이상의 값을 갖는 범위일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가압펌프에 의해 상기 작동유체에 가압하는 압력을 조절함으로써 상기 작동유체의 증발온도를 증가시키거나 감소시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 열교환기에서 배출되는 작동유체의 일부를 분기하여 상기 제2 열교환기로 재공급하는 피드백 경로를 형성하는 단계; 및 상기 제1 열교환기에서 배출되는 배기가스와 상기 피드백 경로 상의 작동유체를 열교환하는 제3 열교환 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제3 열교환 단계가, 작동유체가 배기가스로부터 열에너지를 받아서 증발하고 배기가스 중의 수증기가 응축하여 물이 생성되는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 열교환기에서 배출되는 배기가스의 온도에 기초하여, 상기 피드백 경로로 흐르는 작동유체의 유량을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 증기사이클을 순환하는 작동유체의 압력을 조절하여 작동유체의 증발온도를 높이거나 낮춤으로써 최적의 폐열발전 효율을 갖는 열기관을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배기가스 폐열발전 증기사이클 시스템을 통해서 동력 생산과 동시에 배기가스 온도를 낮추어 배기가스 중의 수분을 응축하여 물을 회수하여 용수로 활용할 수 있다. 또한 배기가스 온도를 상온 가까이 냉각하면 배기가스 내 80% 이상을 차지하는 응축성 미세먼지를 동시에 회수하여 제거할 수 있다.
도1은 일 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관을 설명하기 위한 도면,
도2는 증기사이클 기반의 열기관의 T-S 선도를 설명하기 위한 도면,
도3은 작동유체의 증발온도를 낮추었을 때의 T-S 선도를 설명하기 위한 도면,
도4는 작동유체의 증발온도에 따른 열기관 효율을 설명하기 위한 도면,
도5는 대안적 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관을 설명하기 위한 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 일 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관을 설명하기 위한 도면이다. 본 명세서에서 '열기관'은 고온과 저온의 열원 사이의 순환을 통해 열에너지를 역학적 에너지로 전환시키는 시스템이다. 열기관은 예컨대 자동차나 선박 등 운송수단의 동력원이나 발전소의 증기터빈 등에 사용될 수 있으나 본 발명에서는 열기관의 용도를 특별히 한정하지 않는다.
도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관은 제1 열교환기(10), 터빈(20), 제2 열교환기(30), 및 가압펌프(40)를 포함할 수 있다. 제1 열교환기(10), 터빈(20), 제2 열교환기(30), 및 가압펌프(40)는 증기사이클을 구성하며 제1 관로(L1) 내지 제4 관로(L4)에 의해 연결되어 있다. 제1 내지 제4 관로(L1 내지 L4)는 폐경로(closed loop)를 이루며 관로 내부에 작동유체가 흐르도록 구성된다. 일 실시예에서 작동유체는 물(H2O)일 수 있으나, 대안적 실시예에서 공지의 다른 작동유체가 사용될 수도 있다.
제1 열교환기(10)는 연소장치에서 배출되는 배기가스와 증기사이클을 순환하는 작동유체 사이를 열교환하여 작동유체에 열에너지를 공급한다. 도시한 실시예에서 배기가스는 제5 관로(L5)를 통해 제1 열교환기(10)로 공급되고 열교환에 의해 냉각된 후 제6 관로(L6)를 통해 배출되고, 제4 관로(L4)를 통해 제1 열교환기(10)로 공급된 작동유체는 배기가스의 열에너지를 받아 가열된 후 제1 관로(L1)를 통해 배출된다. 일 실시예에서 배기가스는 임의의 연소장치에서 배출되는 고온의 가스일 수 있으며, 연소장치는 예를 들어 가스터빈, 가스엔진, 디젤엔진, 연소기, 소각로 등 임의의 연소장치 중 하나일 수 있다.
제1 관로(L1)를 통해 배출된 고온의 작동유체는 터빈(20)에 공급되고, 터빈(20)은 작동유체에 의해 기계적 일을 하고 제2 관로(L2)를 통해 작동유체를 배출한다.
제2 열교환기(30)는 터빈(20)에서 배출되는 작동유체를 공급받아서 응축 및 냉각시킨다. 즉 일 실시예에서 제2 열교환기(30)는 예컨대 응축기일 수 있다. 이 때 제2 열교환기(30)에는 냉매(수냉식 또는 공냉식)가 제7 관로(L7)에서 유입되어 작동유체로부터 열에너지를 공급받아 가열된 후 제8 관로(L8)로 배출될 수 있다. 가압펌프(40)는 제2 열교환기(30)에서 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시킨 후 제4 관로(L4)를 통해 제1 열교환기(10)측으로 배출한다.
이와 같이 일 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관에서 작동유체는 제1 열교환기(10), 터빈(20), 제2 열교환기(30), 및 가압펌프(40)를 순환하며 흐르며, 이 때 일 실시예에서, 작동유체는 소정 온도범위 내에서 증발온도를 갖도록 설정된다. 바람직한 일 실시예에서, 도시한 열기관의 폐열발전 효율이 최대값을 갖도록 작동유체의 증발온도가 설정될 수 있다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 도시한 열기관의 폐열발전 효율이 최대값을 포함하는 소정 범위의 시스템 효율 값을 갖도록 작동유체의 증발온도가 설정될 수 있다. 이하에서는 도2 내지 도4를 참조하여 바람직한 작동유체의 증발온도 범위를 설명하기로 한다.
도2는 도1의 증기사이클 기반의 열기관의 T-S(온도-엔트로피) 선도를 나타낸다. 도면에서 X축은 엔트로피이고 Y축은 온도를 의미하며, 그래프는 증기사이클에 따른 작동유체의 온도-엔트로피 변화를 나타낸다.
도2에 기재된 번호는 각각 도1의 제1 내지 제8 관로(L1 내지 L8)의 번호와 동일하다. 즉, 도1에서 제4 관로(L4)를 통해 제1 열교환기(10)에 공급된 작동유체가 가열 및 기화된 후 제1 관로(L1)로 배출될 때, 작동유체는 도2에서 4번 지점에서 1번 지점까지의 선을 따라 움직인다. 즉 4번 지점에서 온도와 엔트로피가 증가하다가 9번 지점에서 기화(증발)가 시작되어 온도는 일정하게 유지되고 엔트로피는 계속하여 증가한다.
그 후 작동유체가 터빈(20)을 통과하는 동안 작동유체는 도2에서 1번 지점에서 2번 지점으로 움직인다. 도2의 2번 지점에서 3번 지점으로 움직이는 것은 작동유체가 제2 열교환기(30)를 통과하며 냉각 및 응축되는 것에 대응하고, 도2의 3번 지점에서 4번 지점으로 움직이는 것은 작동유체가 가압펌프(40)에 의해 가압되는 것에 대응한다.
도1의 제1 열교환기(10)를 통과하는 배기가스는 도2에서 5번 지점에서 6번 지점까지의 선을 따라 움직인다. 즉 배기가스가 제1 열교환기(10)를 통과할 때 열에너지를 작동유체에 전달하면서 냉각되고 엔트로피도 작아진다. 또한 도1의 제2 열교환기(30)를 통과하는 냉매(수냉식 또는 공냉식)는 도2에서 7번 지점에서 8번 지점까지의 선을 따라 움직인다.
제1 열교환기(10)에서 배기가스가 작동유체에 전달하는 열에너지는 도2의 배기가스의 온도-엔트로피 그래프(즉, 5번에서 6번 지점까지의 그래프)에서 온도차에 해당되는 열량 QEG,in 이며, 배기가스가 작동유체에 열에너지를 전달하기 위해서는 도2에서 제1 열교환기(10) 통과시의 배기가스의 온도-엔트로피 그래프가 작동유체의 온도-엔트로피 그래프 보다 항상 위에 있어야 하며, 이 때 열전달을 위한 최소 온도차를 핀치온도(ΔT1)(Pinch temperature)라고 한다.
한편 일반적으로 증기사이클 기반의 폐열발전 열기관의 효율은 폐열회수 효율, 사이클 효율, 및 폐열발전 효율 등으로 설명할 수 있다. 폐열회수 효율(ηHR)은 아래 수학식1과 같이 배기가스를 상온까지 냉각할 때 활용 가능한 최대 열량(QEG,max)에 대해 증기사이클에 활용된 열량(QEG,in)으로 정의될 수 있다.
ηHR = QEG,in/QEG,max --- 수학식1
사이클 효율(ηcyc)은 증기사이클에 활용된 열량(QEG,in)에 대한 증기사이클의 순출력 일(Wnet)로 정의될 수 있고 아래 수학식2와 같이 표현된다.
ηcyc = Wnet/QEG,in --- 수학식2
폐열발전(시스템) 효율(ηsys)은 폐열을 상온까지 냉각할 때 활용 가능한 최대 열량에 대한 증기사이클 순출력 일(Wnet)로 정의될 수 있고, 상기 폐열회수 효율과 사이클 효율의 곱에 비례하는 값으로 정의될 수 있다. 예컨대 폐열발전(시스템) 효율은 아래 수학식3과 같이 표현될 수 있다.
ηsys = Wnet/QEG,max --- 수학식3
증기사이클 기반의 열기관에서는 주어진 폐열원으로부터 폐열발전 증기사이클의 출력을 최대로 하는 것이 중요하기 때문에 상술한 3가지 효율 중 폐열발전 효율을 높이는 것이 중요하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 열기관의 폐열발전 효율을 높이기 위해 작동유체의 증발온도를 조정할 수 있다. 예를 들어 작동유체의 증발온도를 높이거나 낮추어 폐열회수 효율과 사이클 효율을 변경함으로써 최적의 폐열발전 효율을 달성할 수 있다.
도3은 작동유체의 증발온도를 낮추었을 때의 T-S 선도를 나타낸다. 도2와 비교할 때 도3에서 9번 지점과 1번 지점의 온도가 낮아졌음을 알 수 있다. 따라서 이 경우 제1 열교환기(10) 내에서 작동유체는 배기가스로부터 열에너지를 받아서 4번 지점에서 온도와 엔트로피가 증가하다가 9번 지점에서 증발이 시작되고, 작동유체가 증발하는 동안 온도는 일정하게 유지되고 엔트로피는 증가한다.
이 때 배기가스의 온도-엔트로피 그래프(즉, 5번에서 6번 지점까지의 그래프)와 작동유체의 제1 열교환기(10) 통과시의 온도-엔트로피 그래프(즉, 4번에서 9번을 거쳐 1번 지점까지 이르는 그래프) 사이에는 핀치온도(ΔT1) 만큼만 온도차이가 있으면 되므로, 배기가스의 온도 강하가 도2에 비해 더 커져도 무방하다. 즉 도3의 배기가스의 온도-엔트로피 그래프의 기울기가 도2에 비해 더 많이 기울어져 있다. 따라서 이 경우 폐열회수 효율(ηHR)이 도2에 비해 증가하게 된다.
그러나 제1 열교환기(10)를 통과할 때의 배기가스의 온도(배기 출구온도)가 낮아지게 되면 사이클 효율(ηcyc)은 감소하게 되며, 그러므로 폐열회수 효율과 사이클 효율의 곱에 비례하는 폐열발전 효율은 오히려 감소하게 될 수도 있다. 이와 반대로 증발온도를 높일 경우, 사이클 효율은 높아지지만 배기 출구온도가 높아지기 때문에 폐열회수 효율이 떨어지게 되므로 폐열발전 효율이 반드시 증가한다고 보장할 수 없다.
즉 폐열회수 효율과 사이클 효율 사이에 상충(trade-off) 관계가 있음을 알 수 있고, 도4는 이러한 두 효율 사이의 상충관계를 개략적으로 도시하였다. 도4를 참조하면, 상술한 바와 같이 작동유체의 증발온도를 낮출수록 폐열회수 효율은 높아지지만 사이클 효율은 낮아지며, 작동유체의 증발온도를 높일수록 폐열회수 효율이 떨어지고 사이클 효율이 증가한다. 따라서 두 효율의 곱에 비례하는 폐열발전(시스템) 효율은 도시한 것처럼 어느 임의의 증발온도에서 최대값(ηMAX)을 갖지만 그보다 낮거나 높은 증발온도에서는 시스템 효율이 떨어지게 된다. 따라서 시스템 효율이 최대값(ηMAX)일 때 또는 이 최대값(ηMAX)을 포함한 소정 범위의 시스템 효율 값을 갖도록 작동유체의 증발온도를 일정 범위 내로 유지하는 것이 바람직하다.
예를 들어 도면을 참조하면, 시스템 효율이 최대값(ηMAX)이거나 적어도 이 최대값의 90% 이상의 값을 갖는 것을 목표로 할 경우 작동유체의 증발온도를 T1 내지 T2 사이의 온도범위 내에서 설정하는 것이 바람직할 것이다. 도시한 실시예에서는 최적 시스템 효율이 최대값(ηMAX)의 90% 이상인 것으로 가정하였고 그에 따라 작동유체의 증발온도를 T1 내지 T2로 설정하였지만, 구체적 실시 형태에 따라 목표로 하는 폐열발전 효율의 범위를 다르게 설정할 수 있고 이에 따라 작동유체의 증발온도 범위도 달라질 수 있음은 물론이다.
일 실시예에서, 작동유체의 증발온도를 조절하는 방법으로서 작동유체에 가하는 압력을 조절하는 방법(냉매의 유량과 터빈 회전수 등으로 결정)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 가압펌프(40)에 의해 작동유체에 인가되는 압력을 조절하여 제1 열교환기(10)로 유입되는 작동유체의 압력을 조절할 수 있으며, 예컨대 제1 열교환기(10)로 유입되는 작동유체의 압력을 낮추면 작동유체의 증발온도가 낮아지고 제2 열교환기(10)로 유입되는 작동유체의 압력을 높이면 증발온도가 높아진다.
이와 같이 도1 내지 도4를 참조하여 설명한 일 실시예에 따르면 가압펌프(40)를 제어하여 작동유체의 압력을 조절함으로써 작동유체의 증발온도를 높이거나 낮출 수 있고, 이에 따라 최적의 폐열발전 효율을 갖는 열기관을 구현할 수 있다.
한편 도1의 폐열발전 열기관 시스템의 경우 일반적으로 제1 열교환기(10)에 공급되는 배기가스의 온도는 대략 섭씨 100도 내지 200도 사이이며 제1 열교환기(10)를 통과하면 대략 70도 내지 80도의 온도가 되어 예컨대 연돌(굴뚝)을 통해 외부로 배출된다. 그러나 이렇게 배출되는 배기가스에는 여전히 많은 수분이 포함되어 있으며, 물 회수를 극대화하기 위해서는 배기가스의 출구 온도를 섭씨 50도 이하로 낮추는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같이 배기가스의 물 회수를 높이기 위한 대안적 실시예를 도5를 참조하여 설명하기로 한다.
도5는 대안적 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관 시스템으로서, 배기가스 내 수분을 응축시켜 물 회수를 극대화할 수 있는 열기관 구성을 나타낸다.
도면을 참조하면, 대안적 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관은 제1 열교환기(10), 터빈(20), 제2 열교환기(30), 가압펌프(40), 제3 열교환기(50), 및 순환펌프(60)를 포함할 수 있다. 제1 열교환기(10), 터빈(20), 제2 열교환기(30), 및 가압펌프(40)로 이루어지는 증기사이클 구성은 도1에 도시한 실시예의 증기사이클과 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.
도1과 비교할 때 도5는 제3 열교환기(50)와 순환펌프(60) 및 이를 연결하는 제10 내지 제12 관로(L10 내지 L12)를 더 포함하는 점에서 차이가 있다. 제10 내지 제12 관로(L10 내지 L12)는 제2 열교환기(20)에서 배출되는 작동유체의 일부를 분기하여 제2 열교환기(20)로 재공급하는 피드백 경로를 형성하며 이 피드백 경로 상에 제3 열교환기(50)와 순환펌프(60)가 배치된다.
도시한 실시예에서, 제1 열교환기(10)에서 배출되는 배기가스는 열기관 외부로 방출되지 않고 제3 열교환기(50)로 공급된다. 따라서 제3 열교환기(50) 내에서는 제1 열교환기(10)로부터 공급되는 배기가스와 피드백 경로 상의 작동유체가 열교환을 한다. 이 열교환에 의해 배기가스 중의 수증기가 응축되고, 작동유체는 열에너지를 받아서 기화된 후 제2 관로(L2)로 주입될 수 있다. 제3 열교환기(50)에서 응축된 수증기는 물이 되어 배출되고 배기가스의 나머지 성분들은 별도 경로로 배출될 수 있다.
순환펌프(60)는 작동유체가 피드백 경로를 따라 순환하도록 동작한다. 가압펌프(40)와 달리 순환펌프(60)는 작동유체에 추가의 압력을 가하지 않으며, 작동유체를 순환시키기 위해 펌핑하는 역할을 한다.
제2 열교환기(20)에서 배출되는 작동유체 중 얼마만큼의 작동유체를 피드백 경로를 통해 순환시킬지는 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서 예컨대 1:10의 비율로 피드백 경로로 순환시킬 수 있지만, 이 비율은 실시예에 따라 달라질 수 있다.
피드백 경로로 순환시킬 작동유체의 유량을 제어하기 위해 순환펌프(60)의 회전수를 조절하거나, 예컨대 유량제어밸브(도시 생략)를 피드백 경로 상에 설치할 수 있다. 일 실시예에서, 유량제어밸브는 제3 열교환기(50)로 공급되는 배기가스의 온도에 따라서 피드백 경로로 순환될 작동유체의 유량을 증감할 수 있다. 예컨대 배기가스의 온도가 높으면 수증기 응축에 더 많은 작동유체가 필요하므로 피드백 경로로 순환된 작동유체의 유량을 늘리고, 그 반대의 경우 유량을 줄일 수 있다. 도면에 도시하지 않았지만, 이러한 유량 제어는 예컨대 제3 열교환기(50)로 공급되는 배기가스의 온도를 측정하는 온도센서 및 이 온도센서의 센싱 값에 기초하여 유량제어신호를 생성하고 이 제어신호를 유량제어밸브로 전달하는 제어부 등의 구성요소에 의해 구현될 수 있다.
이러한 열기관 시스템에 의하면, 예컨대 제1 열교환기(10)로 공급되는 배기가스가 대략 섭씨 100도 내지 200도 사이의 온도인 경우, 제1 열교환기(10)에서 배출되어 제3 열교환기(50)로 공급될 때 대략 섭씨 70도 내지 80도가 되고, 제3 열교환기(50)에서 배출될 때 적어도 50도 이하, 바람직하게는 섭씨 30도 내지 40도로 냉각하여 배출할 수 있다.
이상과 같은 대안적 실시예에 따르면 제1 열교환기(10)를 통과한 배기가스를 제3 열교환기(50)에 공급하여 배기가스 내 수분을 응축시켜 물 회수를 달성할 수 있다. 또한 이 과정에서 추가의 냉매나 작동유체를 사용하지 않으며, 기존의 증기사이클을 순환하는 작동유체의 일부를 분기하여 재순환시키고 이 재순환된 작동유체의 상변화를 통해 배기가스를 냉각할 수 있으므로 비교적 간단한 시스템 구성으로 물 회수를 극대화할 수 있다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 제1 열교환기
20: 터빈
30: 제2 열교환기
40: 가압펌프
50: 제3 열교환기
60: 순환펌프

Claims (15)

  1. 증기사이클 기반의 폐열발전 열기관을 동작시키는 방법으로서,
    연소장치에서 배출되는 배기가스와 증기사이클을 순환하는 작동유체를 제1 열교환기에서 열교환하는 제1 열교환 단계;
    제1 열교환된 작동유체를 이용하여 터빈이 기계적 일을 수행하는 단계;
    상기 터빈에서 배출되는 작동유체를 제2 열교환기에서 응축하는 제2 열교환 단계;
    제2 열교환된 작동유체를 가압펌프에 의해 가압하는 단계;
    상기 제2 열교환기에서 배출되는 작동유체의 일부를 분기하여 상기 제2 열교환기로 재공급하는 피드백 경로를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 열교환기에서 배출되는 배기가스와 상기 피드백 경로 상의 작동유체를 열교환하는 제3 열교환 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열기관의 폐열발전 효율이 최대값을 포함하는 소정 범위의 폐열발전 효율 값을 갖도록 상기 작동유체의 증발온도를 설정하고, 이 때 상기 폐열발전 효율은 상기 열기관의 폐열회수 효율과 사이클 효율의 곱에 비례하는 값으로 정의되고,
    상기 폐열회수 효율은 배기가스를 상온까지 냉각시 활용가능한 최대 열량에 대해 증기사이클에 활용된 열량이고,
    상기 사이클 효율은 증기사이클에 활용된 열량에 대한 증기사이클의 순출력 일(work)인 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 폐열발전 효율의 상기 소정 범위가 폐열발전 효율 최대값의 90% 이상의 값을 갖는 범위인 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가압펌프에 의해 상기 작동유체에 가압하는 압력을 조절함으로써 상기 작동유체의 증발온도를 증가시키거나 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 열교환 단계가, 작동유체가 배기가스로부터 열에너지를 받아서 증발하고 배기가스 중의 수증기가 응축하여 물이 생성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기에서 배출되는 배기가스의 온도에 기초하여, 상기 피드백 경로로 흐르는 작동유체의 유량을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관 동작 방법.
  8. 증기사이클 기반의 폐열발전 열기관으로서,
    연소장치에서 배출되는 배기가스와 증기사이클을 순환하는 작동유체를 열교환하여 상기 작동유체에 열에너지를 공급하는 제1 열교환기(10);
    상기 제1 열교환기로부터 공급받은 작동유체에 의해 기계적 일을 하는 터빈(20);
    상기 터빈에서 배출되는 작동유체를 응축하는 제2 열교환기(30);
    상기 제2 열교환기에서 배출되는 작동유체를 가압하여 상기 제1 열교환기로 공급하는 가압펌프(40);
    상기 제2 열교환기(30)에서 배출되는 작동유체의 일부를 분기하여 상기 제2 열교환기(30)로 재공급하는 피드백 경로; 및
    상기 제1 열교환기(10)에서 배출되는 배기가스와 상기 피드백 경로상의 작동유체를 열교환하는 제3 열교환기(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열기관의 폐열발전 효율이 최대값을 포함하는 소정 범위의 폐열발전 효율 값을 갖도록 상기 작동유체의 증발온도를 설정하고, 이 때 상기 폐열발전 효율은 상기 열기관의 폐열회수 효율과 사이클 효율의 곱에 비례하는 값으로 정의되고,
    상기 폐열회수 효율은 배기가스를 상온까지 냉각시 활용가능한 최대 열량에 대해 증기사이클에 활용된 열량이고,
    상기 사이클 효율은 증기사이클에 활용된 열량에 대한 증기사이클의 순출력 일(work)인 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 폐열발전 효율의 상기 소정 범위가 시스템 효율 최대값의 90% 이상인 값을 갖는 범위인 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가압펌프에 의해 상기 작동유체에 가압하는 압력을 조절함으로써 상기 작동유체의 증발온도를 증가시키거나 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관.
  12. 삭제
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 제3 열교환기에서 작동유체가 배기가스로부터 열에너지를 받아서 증발하고 배기가스 중의 수증기가 응축하여 물이 생성되는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 피드백 경로를 통해 분기되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 유량제어밸브를 더 포함하고,
    상기 유량제어밸브는 상기 제1 열교환기(10)에서 배출되는 배기가스의 온도에 기초하여 작동유체의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기(10)에서 배출되는 배기가스의 온도가 70도 내지 80도이고,
    상기 제3 열교환기(50)에서 배출되는 배기가스의 온도가 50도 이하인 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 열기관.
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