KR102018710B1 - 열에너지 회수 장치 - Google Patents

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KR102018710B1
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유타카 나루카와
카즈마사 니시무라
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

동력 회수기에서의 동력 회수의 정지시에, 순환 유로 중 증발부와 팽창기 사이의 부위가 지나치게 고온이 되는 것을 회피 가능한 열에너지 회수 장치를 제공한다.
증발기(10)와, 팽창기(12)와, 동력 회수기(14)와, 응축기(16)와, 펌프(18)와, 순환 유로(20)와, 펌프(18)로부터 유출된 액상의 작동 매체의 일부를 순환 유로(20) 중 증발기(10)와 팽창기(12) 사이의 부위에 공급하는 냉각 유로(30)와, 냉각 유로(30)에 설치된 개폐 밸브(V1)와, 제어부(40)를 구비하여, 제어부(40)는 동력 회수기(14)에서의 동력의 회수를 정지하는 정지 신호를 수신하면, 개폐 밸브(V1)를 개방하는 것이다.

Description

열에너지 회수 장치{THERMAL ENERGY RECOVERY DEVICE}
본 발명은 열에너지 회수 장치에 관한 것이다.
종래, 공장 등의 각종 설비의 배열로부터 동력을 회수하는 열에너지 회수 장치가 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 가열기와, 팽창기와, 발전기와, 응축기와, 순환 펌프와, 증발기, 팽창기, 응축기 및 순환 펌프를 이 순서대로 접속하는 순환 유로와, 냉각용 통로와, 냉각용 통로에 설치된 냉각용 밸브를 구비하는 발전 장치(열에너지 회수 장치)가 개시되어 있다.
가열기는, 작동 매체를 증발시킨다. 팽창기는, 증발기로부터 유출된 작동 매체를 팽창시킨다. 발전기는, 팽창기의 구동에 의해 전력을 생성한다. 응축기는, 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시킨다. 순환 펌프는, 응축기로부터 유출된 작동 매체를 가열기로 송출한다. 냉각용 통로는, 순환 펌프로부터 토출된 액상의 작동 매체의 일부가 순환 유로 중 가열기와 팽창기 사이의 부위에 공급되도록, 순환 유로에 있어서의 순환 펌프의 하류측의 부위와 순환 유로에 있어서의 가열기의 하류측의 부위를 접속하고 있다. 이로 인해, 가열기로부터 유출된 작동 매체는, 냉각용 통로를 통과하여 공급되는 액상의 작동 매체에 의해 냉각된다. 또한, 순환 유로 중 가열기와 팽창기 사이의 부위에는, 차단 밸브가 설치되어 있다.
이 열에너지 회수 장치는, 당해 장치의 운전 중에 있어서, 순환 유로 중 가열기와 팽창기 사이의 부위의 작동 매체가 과열 상태이며 또한 당해 부위의 작동 매체의 온도가 기준 온도를 초과하는 일이 없도록 냉각용 밸브를 제어하는 제어부를 갖고 있다. 이로 인해, 작동 매체가 기액 2상의 상태에서 팽창기에 유입되는 것이 억제되고, 또한, 순환 유로 중 가열기와 팽창기 사이의 부위가 지나치게 고온이 되는 것(차단 밸브나 플랜지의 패킹 등에 내열 부재의 사용이 요구되는 것)이 회피된다.
일본 특허 공개 제2015-190364호 공보
특허문헌 1에 기재되는 발전 장치에서는, 당해 장치의 정상 운전 중에 있어서는, 순환 유로 중 가열기와 팽창기 사이의 부위가 지나치게 고온이 되는 것이 회피되기는 하지만, 당해 장치의 정지시, 즉, 팽창기 및 발전기를 정지시키는 정지 신호를 제어부가 수신하고 나서 팽창기, 발전기 및 펌프가 완전히 정지할 때까지의 사이에 상기 부위가 지나치게 고온이 되는 것의 대책에 대해서는, 하등 언급되어 있지 않다.
본 발명의 목적은, 동력 회수기에서의 동력 회수의 정지시에, 순환 유로 중 증발부와 팽창기 사이의 부위가 지나치게 고온이 되는 것을 회피 가능한 열에너지 회수 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 작동 매체를 증발시키는 증발기와, 상기 증발기에서 유출된 작동 매체를 팽창시키는 팽창기와, 상기 팽창기에 접속된 동력 회수기와, 상기 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기로부터 유출된 작동 매체를 상기 증발기로 보내는 펌프와, 상기 증발기, 상기 팽창기, 상기 응축기 및 상기 펌프를 이 순서대로 접속하는 순환 유로와, 상기 펌프로부터 유출된 액상의 작동 매체의 일부를 상기 순환 유로 중 상기 증발기와 상기 팽창기 사이의 부위에 공급하는 냉각 유로와, 상기 냉각 유로에 설치된 개폐 밸브와, 제어부를 구비하며, 상기 제어부는, 상기 동력 회수기에서의 동력의 회수를 정지하는 정지 신호를 수신하면, 상기 개폐 밸브를 개방하는, 열에너지 회수 장치를 제공한다.
본 열에너지 회수 장치에서는, 제어부는, 동력 회수기에서의 동력의 회수를 정지하는 정지 신호를 수신하면 개폐 밸브를 개방하므로, 동력 회수기가 정지 동작에 들어간 후(동력 회수기의 회전수가 저하되기 시작한 후), 증발기로부터 유출된 기상의 작동 매체가 냉각 유로를 통과하여 공급된 액상의 작동 매체에 의해 유효하게 냉각된다. 따라서, 동력 회수기에서의 동력의 회수 정지시에, 순환 유로 중 증발기와 팽창기 사이의 부위가 지나치게 고온이 되는 것이 억제된다.
이 경우에 있어서, 상기 제어부는, 상기 개폐 밸브를 개방한 후, 상기 순환 유로 중 상기 증발기와 상기 팽창기 사이의 부위 온도가 기준 온도 이하로 유지되도록 상기 펌프의 회전수를 저하시키는 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 상기 부위가 지나치게 고온이 되는 것이 억제되면서 동력 회수기 및 펌프가 정지된다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 동력 회수기에서의 동력 회수의 정지시에, 순환 유로 중 증발부와 팽창기 사이의 부위가 지나치게 고온이 되는 것을 회피 가능한 열에너지 회수 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 열에너지 회수 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 제어부의 제어 내용을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 일 실시 형태의 열에너지 회수 시스템에 대해, 도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 열에너지 회수 시스템은, 증발기(10)와, 팽창기(12)와, 동력 회수기(14)와, 응축기(16)와, 펌프(18)와, 증발기(10), 팽창기(12), 응축기(16) 및 펌프(18)를 이 순서대로 접속하는 순환 유로(20)와, 냉각 유로(30)와, 제어부(40)를 구비하고 있다.
증발기(10)는, 작동 매체와 가열 매체를 열 교환시킴으로써 작동 매체를 증발시킨다.
팽창기(12)는, 순환 유로(20) 중 증발기(10)의 하류측의 부위에 설치되어 있다. 팽창기(12)는, 증발기(10)로부터 유출된 기상의 작동 매체를 팽창시킨다. 본 실시 형태에서는, 팽창기(12)로서, 기상의 작동 매체의 팽창 에너지에 의해 회전 구동되는 로터를 갖는 용적식의 스크루 팽창기가 사용되고 있다.
동력 회수기(14)는, 팽창기(12)에 접속되어 있다. 본 실시 형태에서는, 동력 회수기(14)로서 발전기가 사용되고 있다. 이 동력 회수기(14)는, 팽창기(12)의 상기 로터에 접속된 회전축을 갖고 있다. 동력 회수기(14)는, 상기 회전축이 상기 로터의 회전에 따라 회전함으로써 전력을 발생시킨다. 또한, 동력 회수기(14)로서, 압축기 등이 사용되어도 된다.
응축기(16)는, 순환 유로(20) 중 팽창기(12)의 하류측의 부위에 설치되어 있다. 응축기(16)는, 팽창기(12)로부터 유출된 작동 매체와 냉각 매체(냉각수 등)를 열 교환시킴으로써 작동 매체를 응축시킨다.
펌프(18)는, 순환 유로(20)에 있어서의 응축기(16)의 하류측의 부위(응축기(16)와 증발기(10) 사이의 부위)에 설치되어 있다. 펌프(18)는, 응축기(16)로부터 유출된 액상의 작동 매체를 소정의 압력으로 증발기(10)에 보낸다.
냉각 유로(30)는, 펌프(18)로부터 토출된 액상의 작동 매체의 일부가 순환 유로(20) 중 증발기(10)와 팽창기(12) 사이의 부위에 공급되도록 순환 유로(20) 중 펌프(18)의 하류측의 부위와 순환 유로(20) 중 증발기(10)의 하류측의 부위를 접속하고 있다. 본 실시 형태에서는, 순환 유로(20)는, 증발기(10)와 팽창기(12) 사이에 형성된 피냉각부(22)를 가지고 있고, 냉각 유로(30)의 하류측의 단부는, 그 피냉각부(22)의 상부에 접속되어 있다. 이로 인해, 펌프(18)로부터 토출된 액상의 작동 매체의 일부는, 냉각 유로(30)를 경유하여 피냉각부(22) 내에 공급된다. 이에 의해, 증발기(10)로부터 유출된 기상의 작동 매체가 피냉각부(22)에 있어서 유효하게 냉각된다. 피냉각부(22)는, 순환 유로(20)에 있어서의 증발기(10)와 팽창기(12) 사이의 다른 부위의 직경보다도 큰 직경을 갖고 있다. 또한, 도 1에는, 피냉각부(22)의 하부에 액상의 작동 매체가 고여 있는 상태가 도시되어 있다.
본 실시 형태의 열에너지 회수 장치는, 냉각 유로(30)에 설치되어 있고 개방도 조정이 가능한 개폐 밸브(V1)와, 순환 유로(20) 중 피냉각부(22)와 팽창기(12) 사이의 부위에 설치된 차단 밸브(V2)와, 차단 밸브(V2) 및 팽창기(12)를 바이패스하는 바이패스 유로(32)와, 바이패스 유로(32)에 설치된 바이패스 밸브(V3)를 더 구비하고 있다. 각 밸브(V1 내지 V3)는, 개폐 가능하게 구성되어 있다. 또한, 열에너지 회수 장치의 정상 운전 시에 있어서는, 차단 밸브(V2)는 개방하고 있고, 바이패스 밸브(V3)는 폐쇄되어 있다.
제어부(40)는, 동력 회수기(14)에서의 동력(본 실시 형태에서는 전력)의 회수 중(팽창기(12), 동력 회수기(14) 및 펌프(18)의 구동 중)에 있어서, 동력 회수기(14)에서의 동력의 회수를 정지하는 정지 신호를 수신하면, 피냉각부(22)의 냉각, 즉, 펌프(18)로부터 토출된 액상의 작동 매체의 일부의 냉각 유로(30)를 통과한 피냉각부(22)에의 공급을 개시한다. 그 후, 제어부(40)는, 순환 유로(20) 중 증발기(10)와 팽창기(12) 사이의 부위 온도가 기준 온도(T1) 이하로 유지되도록 펌프(18)의 회전수를 저하시킨다. 또한, 상기 정지 신호는, 오퍼레이터가 당해 장치의 정지 조작을 행했을 때에 제어부(40)에 송신되는 신호나, 동력 회수기(14)(본 실시 형태에서는 발전기)의 이상을 나타내는 신호 등을 의미한다. 이하, 도 2를 참조하면서, 제어부(40)의 제어 내용에 대해 설명한다.
제어부(40)는, 상기 정지 신호를 수신하면, 개폐 밸브(V1)를 개방하고, 차단 밸브(V2)를 폐쇄하고, 바이패스 밸브(V3)를 개방한다(스텝 S11). 이에 의해, 펌프(18)로부터 토출된 액상의 작동 매체의 일부가 피냉각부(22)에 공급되므로, 증발기(10)로부터 유출된 기상의 작동 매체가 피냉각부(22)에 있어서 유효하게 냉각된다. 또한, 피냉각부(22)에서 냉각된 작동 매체는, 바이패스 유로(32)를 경유하여 응축기(16)로 향한다. 또한, 스텝 S11과 동시에, 혹은, 그 전에, 팽창기(12) 및 동력 회수기(14)의 회전수를 저하시켜도 된다.
그 후, 제어부(80)는, 펌프(18)의 회전수를 저하시킨다(스텝 S12). 이에 의해, 냉각 유로(70)를 통과하여 피냉각부(22)에 공급되는 액상의 작동 매체의 유량(피냉각부(22)에서의 냉각량)이 저하된다. 한편, 증발기(10)에의 가열 매체의 공급이 계속되면, 증발기(10) 내에 존재하는 액상의 작동 매체의 증발 및 증발기(10)로부터 유출된 기상의 작동 매체의 피냉각부(22)에의 유입이 계속되므로, 순환 유로(20) 중 증발기(10)와 팽창기(12) 사이의 부위 온도(T)가 상승하는 경우가 있다. 또한, 상기 온도(T)는, 순환 유로(20) 중 피냉각부(22)와 차단 밸브(V2) 사이의 부위에 설치된 온도 센서(42)에 의해 검출된다.
본 실시 형태에서는, 제어부(40)는, 펌프(18)의 회전수를 저하시킨 후(스텝 S12의 후), 순환 유로(20) 중 증발기(10)와 팽창기(12) 사이의 부위 온도(T)가 기준 온도(T1)(예를 들어 130℃) 이하인지의 여부를 판정한다(스텝 S13).
이 결과, 상기 온도(T)가 기준 온도(T1) 이하인 경우에, 제어부(40)는, 스텝 S12로 복귀되는, 즉, 펌프(18)의 회전수를 더 저하시킨다. 이로 인해, 상기 부위의 온도(T)가 기준 온도(T1)로 유지되면서 펌프(18)가 안정적으로 정지된다. 또한, 스텝 S13에서 "아니오"의 경우, 제어부(40)는, 다시 스텝 S13으로 복귀된다.
이상과 같이, 본 열에너지 회수 장치에서는, 제어부(40)는, 동력 회수기(14)에서의 동력의 회수를 정지하는 정지 신호를 수신하면 개폐 밸브(V1)를 개방하므로, 동력 회수기(14)가 정지 동작에 들어간 후(동력 회수기(14)의 회전수가 저하되기 시작한 후), 증발기(10)로부터 유출된 기상의 작동 매체가 냉각 유로(30)를 통과하여 공급된 액상의 작동 매체에 의해 유효하게 냉각된다. 따라서, 동력 회수기(14)에서의 동력의 회수 정지시에, 순환 유로(20) 중 증발기(10)와 팽창기(12) 사이의 부위가 지나치게 고온이 되는 것이 억제된다. 따라서, 차단 밸브(V2)나 바이패스 밸브(V3)의 패킹에 내열 부재를 사용하는 것이 불필요하게 된다.
또한, 제어부(40)는, 개폐 밸브(V1)를 개방한 후, 상기 온도(T)가 기준 온도(T1) 이하로 유지되도록 펌프(18)의 회전수를 저하시키므로, 상기 부위가 지나치게 고온이 되는 것이 억제되면서 동력 회수기(14) 및 펌프(18)가 정지된다.
또한, 금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기의 실시 형태의 설명이 아니라 특허 청구 범위에 의해 나타나고, 또한 특허 청구 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함된다.
예를 들어, 피냉각부(22)의 직경은, 순환 유로(20)에 있어서의 증발기(10)와 팽창기(12) 사이의 다른 부위의 직경과 동일하게 설정되어도 된다.
10: 증발기
12: 팽창기
14: 동력 회수기
16: 응축기
18: 펌프
20: 순환 유로
30: 냉각 유로
32: 바이패스 유로
40: 제어부
V1: 개폐 밸브
V2: 차단 밸브
V3: 바이패스 밸브

Claims (2)

  1. 작동 매체를 증발시키는 증발기와,
    상기 증발기로부터 유출된 작동 매체를 팽창시키는 팽창기와,
    상기 팽창기에 접속된 동력 회수기와,
    상기 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기와,
    상기 응축기로부터 유출된 작동 매체를 상기 증발기로 보내는 펌프와,
    상기 증발기, 상기 팽창기, 상기 응축기 및 상기 펌프를 이 순서대로 접속하는 순환 유로와,
    상기 펌프로부터 유출된 액상의 작동 매체의 일부를 상기 순환 유로 중 상기 증발기와 상기 팽창기 사이의 부위에 공급하는 냉각 유로와,
    상기 냉각 유로에 설치된 개폐 밸브와,
    상기 순환 유로 중 작동 매체의 일부가 냉각 유로를 통해 공급되는 상기 부위와 상기 팽창기 사이의 부위에 설치된 차단 밸브와,
    상기 차단 밸브 및 상기 팽창기를 바이패스하는 바이패스 유로와,
    상기 바이패스 유로에 설치된 바이패스 밸브와,
    제어부를 구비하여,
    상기 제어부는, 상기 동력 회수기에서의 동력의 회수를 정지하는 정지 신호를 수신하면, 상기 개폐 밸브를 개방하고, 상기 차단 밸브를 폐쇄하고, 상기 바이패스 밸브를 개방하고, 또한, 상기 순환 유로 중 상기 증발기와 상기 팽창기 사이의 부위의 온도를 기준 온도 이하로 유지하면서 상기 펌프의 회전수를 단계적으로 저하시켜, 상기 펌프를 정지시키는, 열에너지 회수 장치.
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