KR102155840B1 - 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 시스템 및 물 회수 방법 - Google Patents

증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 시스템 및 물 회수 방법 Download PDF

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김영민
조규백
이선엽
신동길
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 열교환기, 터빈, 응축기, 및 가압 펌프로 이루어진 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 시스템으로서, 상기 증기사이클을 순환하며 상기 응축기에서 배출되는 작동유체 중 일부를 분기하여 상기 응축기의 상류측으로 재공급하는 제1 피드백 경로; 및 상기 제1 피드백 경로상에 순차적으로 배치된 팽창기, 제2 열교환기, 및 압축기를 포함하고, 연소장치에서 배출되는 배기가스가 상기 제1 열교환기에서 증기사이클의 작동유체에 열에너지를 공급하고, 제1 열교환기에서 배출되는 배기가스가 상기 제2 열교환기에서 제1 피드백 경로의 작동유체에 열에너지를 공급함으로써, 배기가스 중의 수증기를 응축하여 물을 생성하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 시스템을 제공한다.

Description

증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 시스템 및 물 회수 방법 {Steam cycle-based system and method for condensate water recovery from flue gas}
본 발명은 증기사이클 기반의 폐열 발전 열기관에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 배기가스에 존재하는 수분(물)의 회수를 극대화할 수 있는 물 회수 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.
도1은 일 실시예에 따른 증기사이클 기반의 열기관을 나타낸다. 증기사이클 기반의 열기관은 제1 열교환기(10), 터빈(20), 응축기(30), 및 가압 펌프(40)로 구성되고, 이들을 연결하는 폐경로인 제1 유로(L1) 내지 제4 유로(L4) 내부로 작동유체(working fluid)가 흐르도록 구성된다.
제1 열교환기(10)에서 배기가스가 증기사이클을 순환하는 작동유체에 열에너지를 공급하고 제1 유로(L1)를 통해 배출된 고온의 작동유체는 터빈(20)에 공급되고, 터빈(20)은 작동유체에 의해 기계적 일을 하고 제2 유로(L2)를 통해 작동유체를 배출한다. 터빈(20)에서 배출되는 작동유체는 응축기(30)에서 응축 및 냉각되고 가압 펌프(40)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(10)로 다시 공급된다.
이러한 종래의 폐열 발전 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 온도가 섭씨 100도 이상으로 다량의 수분이 증기상태로 배출되고 있어 물 회수의 극대화가 더욱 요구된다.
물 회수를 위해 종래에는 흡수재를 사용하거나 냉각수를 이용하였으나, 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 공개특허공보 제2010-0044738호 (2010년 4월 30일 공개)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 배기가스 중 물의 회수를 극대화할 수 있는 증기사이클 기반의 물회수 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 열교환기, 터빈, 응축기, 및 가압 펌프로 이루어진 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 시스템으로서, 상기 증기사이클을 순환하며 상기 응축기에서 배출되는 작동유체 중 일부를 분기하여 상기 응축기의 상류측으로 재공급하는 제1 피드백 경로; 및 상기 제1 피드백 경로상에 순차적으로 배치된 팽창기, 제2 열교환기, 및 압축기를 포함하고, 연소장치에서 배출되는 배기가스가 상기 제1 열교환기에서 증기사이클의 작동유체에 열에너지를 공급하고, 제1 열교환기에서 배출되는 배기가스가 상기 제2 열교환기에서 제1 피드백 경로의 작동유체에 열에너지를 공급함으로써, 배기가스 중의 수증기를 응축하여 물을 생성하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 열교환기, 터빈, 응축기, 및 가압 펌프로 이루어진 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 방법으로서, 상기 증기사이클을 순환하며 상기 응축기에서 배출되는 작동유체 중 일부를 분기하여 상기 응축기의 상류측으로 재공급하는 제1 피드백 경로를 형성하는 단계; 제1 피드백 경로상에 형성된 팽창기에서 작동유체를 팽창하는 단계; 제1 피드백 경로의 팽창기 후단에 형성된 제2 열교환기에서 작동유체에 열에너지를 공급하는 단계; 및 제1 피드백 경로의 제2 열교환기 후단에 형성된 압축기에서 작동유체를 압축하는 단계;를 포함하고, 연소장치에서 배출되는 배기가스가 상기 제1 열교환기에서 증기사이클의 작동유체에 열에너지를 공급하고, 제1 열교환기에서 배출되는 배기가스가 상기 제2 열교환기에서 제1 피드백 경로의 작동유체에 열에너지를 공급함으로써, 배기가스 중의 수증기를 응축하여 물을 생성하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 방법을 제공한다.
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.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 시스템 외기나 응축기 냉매 온도의 변화에 따라 증기 압축 냉각 방식의 제1 피드백 경로와 펌프형 히트 파이프 방식의 제2 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 조절함으로써 물 회수에 필요한 에너지 소비를 감소시키면서 배기가스 중 물 회수 효율을 극대화할 수 있는 이점을 가진다.
도1은 종래의 증기사이클 기반 열기관을 설명하는 도면,
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 시스템을 설명하기 위한 도면,
도3은 제1 실시예의 물 회수 시스템의 예시적인 동작 조건을 설명하기 위한 도면,
도4는 제2 실시예에 따른 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 시스템을 설명하기 위한 도면,
도5는 냉매 온도에 따라 제1 및 제2 피드백 경로의 각각에서 열교환되는 열량을 도식적으로 나타내는 도면,
도6은 제2 실시예의 물 회수 시스템의 예시적인 동작 조건을 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.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 시스템을 나타낸다. 도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 물 회수 시스템은 제1 열교환기(10), 터빈(20), 응축기(30), 및 가압 펌프(40)로 이루어진 증기사이클, 이 증기사이클에 결합된 피드백 경로(L9,L10,L11,L12), 및 피드백 경로상에 위치하는 팽창기(70), 제2 열교환기(50), 및 압축기(60)로 구성될 수 있다.
본 명세서에서 '증기사이클'은 고온과 저온의 열원 사이의 작동유체의 순환에 의해 열에너지를 역학적 에너지로 전환시키는 열기관 시스템이다. 증기사이클 열기관은 예컨대 자동차나 선박 등 운송수단의 동력원이나 발전소의 증기터빈 등에 사용될 수 있으며 본 발명에서는 증기사이클 열기관의 용도를 특별히 한정하지 않는다.
일 실시예에서 증기사이클은 제1 열교환기(10), 터빈(20), 응축기(30), 및 가압 펌프(40)로 구성되며, 제1 유로(L1) 내지 제4 유로(L4)에 의해 연결되어 있다. 제1 내지 제4 유로(L1 내지 L4)는 폐경로(closed loop)를 이루며 유로 내부에 작동유체가 흐르도록 구성된다. 일 실시예에서 작동유체로서 물(H2O), R134a, R123 등 임의의 작동유체가 사용될 수 있다.
제1 열교환기(10)는 연소장치에서 배출되는 배기가스와 증기사이클을 순환하는 작동유체 사이를 열교환하여 작동유체에 열에너지를 공급한다. 도시한 실시예에서 배기가스는 제5 유로(L5)를 통해 제1 열교환기(10)로 공급되고 열교환에 의해 냉각된 후 제6 유로(L61,L62)를 통해 배출되고, 제4 유로(L4)를 통해 제1 열교환기(10)로 공급된 작동유체는 배기가스의 열에너지를 받아 가열된 후 제1 유로(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 유로(L1)를 통해 배출된 고온의 작동유체는 터빈(20)에 공급되고, 터빈(20)은 작동유체에 의해 기계적 일을 하고 제2 유로(L2)를 통해 작동유체를 배출한다.
응축기(30)는 터빈(20)에서 배출되는 작동유체를 공급받아서 응축 및 냉각시킨다. 응축기(30)에는 냉매(수냉식 또는 공냉식)가 제7 유로(L7)에서 유입되어 작동유체로부터 열에너지를 공급받아 가열된 후 제8 유로(L8)로 배출될 수 있다. 가압 펌프(40)는 응축기(30)에서 응축 및 냉각된 작동유체를 압축시킨 후 제4 유로(L4)를 통해 제1 열교환기(10)측으로 배출한다.
도시한 실시예에서 물 회수 시스템은 피드백 경로(L9,L10,L11,L12)를 포함한다. 피드백 경로(L9,L10,L11,L12)는 응축기(30)에서 배출되는 작동유체 중 일부를 분기하여 응축기(30)의 상류측으로 재공급하는 경로를 형성하며, 이 피드백 경로 상에 팽창기(70), 제2 열교환기(50), 및 압축기(60)가 순차적으로 배치된다.
응축기(30)에서 배출되는 작동유체는 제3 유로(L3)와 피드백 경로의 제9 유로(L9)로 분기된다. 제9 유로(L9)를 따라 피드백 경로로 분기된 작동유체는 팽창기(70)에 의해 압력이 낮아진 후 제10 유로(L10)를 통해 제2 열교환기(50)로 공급된다.
제1 열교환기(10)에서 배출되는 배기가스는 제2 열교환기(50)로 공급되며, 따라서 제2 열교환기(50) 내에서는 제1 열교환기(10)로부터 공급되는 배기가스와 피드백 경로 상의 작동유체가 열교환을 한다. 이 열교환에 의해 배기가스 중의 수증기가 응축되고, 응축된 수증기는 물이 되어 배출되고 배기가스의 나머지 성분들은 별도 경로로 배출된다. 제2 열교환기(50)에서 가열된 작동유체는 기화된 후 제11 유로(L11)을 통해 압축기(60)로 공급되고, 압축기(60)에서 승온 승압된 후 제2 유로(L2)에 합류된다. 일 실시예에서 압축기(60)는 샤프트에 의해 터빈(20)에 물리적으로 연결되어 터빈(20)으로부터 압축기 동력을 얻도록 구성될 수 있고, 대안적으로 별도의 동력원에 연결되어 작동할 수도 있다.
응축기(30)에서 배출되는 작동유체 중 얼마만큼의 작동유체를 피드백 경로로 순환시킬지는 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서 제3 경로(L3)와 제9 경로(L9)로 분기되는 작동유체를 예컨대 1:1 내지 1:2의 비율로 설정할 수 있다. 그러나 이러한 분기 비율은 예시적인 것이며 구체적 실시예에 따라 달라질 수 있다.
일 실시예에서, 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 유량제어밸브(도시 생략)를 더 포함할 수 있다. 유량제어밸브는 제2 열교환기(50)로 공급되는 배기가스의 온도에 따라서 피드백 경로로 순환될 작동유체의 유량을 증감할 수 있다. 예를 들어 배기가스의 온도가 높으면 수증기 응축에 더 많은 작동유체가 필요하므로 피드백 경로로 순환될 작동유체의 유량을 늘리고 그 반대의 경우 유량을 줄일 수 있다. 도면에 도시하지 않았지만, 이러한 유량 제어는 예컨대 제2 열교환기(50)로 공급되는 배기가스의 온도를 측정하는 온도센서(도시 생략) 및 이 온도센서의 센싱 값에 기초하여 유량제어신호를 생성하고 이 제어신호를 유량제어밸브로 전달하는 제어부(도시 생략) 등의 구성요소에 의해 구현될 수 있다.
이상 상술한 증기사이클 기반 물회수 시스템에 의하면, 예컨대 제1 열교환기(10)로 공급되는 배기가스가 대략 섭씨 100도 내지 200도 사이의 온도인 경우 제1 열교환기(10)에서 배출되어 제2 열교환기(50)로 공급될 때 대략 섭씨 60도 내지 80도가 되고 제2 열교환기(50)에서 배출될 때 적어도 50도 이하, 바람직하게는 섭씨 30도 내지 40도로 냉각할 수 있고 이에 따라 배기가스 내 수분을 응축하여 물 회수를 달성할 수 있다. 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.
도3은 제1 실시예의 물 회수 시스템의 예시적인 동작 상태를 나타내는 도표이다. 도3(a)를 참조하면, 이 예시적인 동작에서 배기가스 온도가 섭씨 150도이고 유량이 750Kg/s이며, 작동유체로서 R134a를 사용하였다. 외기온도가 섭씨 30도이고 이에 따라 응축기(30)의 냉매 온도도 외기 온도와 동일하게 섭씨 30도이다. 이러한 조건에서 본 발명의 물 회수 시스템이 동작할 때 각 유로(L1 내지 L12)에서의 작동유체의 온도 및 압력을 도3(b)에 나타내었다. 응축기(30)를 통과한 작동유체 중 제3 유로(L3)와 제9 유로(L9)로 각각 분기된 작동유체가 410Kg/s 및 709Kg/s로서, 대략 4:7의 비율로 분기되었다. 이 실험에 따르면 섭씨 150도의 배기가스가 제1 열교환기(10)를 통과했을 때 온도가 섭씨 63도로 냉각되고 제2 열교환기(50)를 통과했을 때 섭씨 40도까지 냉각되며 51.7%의 물 회수 효율을 얻을 수 있었다.
도4는 제2 실시예에 따른 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 시스템을 나타낸다. 도면을 참조하면, 제2 실시예에 따른 물 회수 시스템은 제1 열교환기(10), 터빈(20), 응축기(30), 및 가압 펌프(40)로 이루어진 증기사이클, 이 증기사이클에 결합된 제1 피드백 경로(L9,L10,L11,L12), 제1 피드백 경로상에 위치하는 팽창기(70), 제2 열교환기(50), 및 압축기(60), 증기사이클에 결합된 제2 피드백 경로(L13,L14,L15), 및 제2 피드백 경로상에 위치하는 순환 펌프(90) 및 제3 열교환기(80)를 포함한다.
제2 실시예에서 증기사이클 및 제1 피드백 경로는 도2의 제1 실시예의 증기사이클 및 피드백 경로와 각각 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.
도2와 비교할 때 도4의 제2 실시예는 제2 피드백 경로(L13,L14,L15)와 이 경로상에 설치된 순환 펌프(90) 및 제3 열교환기(80)를 더 포함하는 점에서 차이가 있다. 제2 피드백 경로(L13,L14,L15)는 응축기(30)에서 배출되는 작동유체 중 또 다른 일부를 분기하여 응축기(30)의 상류측으로 재공급하는 피드백 경로이다.
도시한 실시예에서, 제1 열교환기(10)에서 배출되는 배기가스는 제3 열교환기(80)로 공급되고, 제3 열교환기(80) 내에서 제2 피드백 경로 상의 작동유체에 열에너지를 전달한다. 제3 열교환기(80)에서 배출된 배기가스는 제2 열교환기(50)로 공급되어 제1 피드백 경로 상의 작동유체에 열에너지를 전달하며, 따라서 제2 실시예에 따르면 배기가스가 제2 피드백 경로와 제1 피드백 경로의 작동유체와의 순차적 열교환에 의해 냉각되어 배기가스 중의 수증기가 응축된다.
순환 펌프(90)는 작동유체가 제2 피드백 경로를 따라 순환하도록 동작한다. 가압 펌프(40)와 달리 순환 펌프(90)는 작동유체에 추가의 압력을 거의 가하지 않는 저압 펌프이며 작동유체를 순환시키기 위해 펌핑하는 역할을 한다.
응축기(30)에서 배출되는 작동유체 중 얼마만큼의 작동유체를 제1 및 제2 피드백 경로로 순환시킬지는 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서 제3 경로(L3), 제9 경로(L9), 및 제13 경로(L13)로 분기되는 작동유체를 예컨대 1:0.5:0.5 내지 1:1:1의 비율로 설정할 수 있다. 그러나 이러한 분기 비율은 구체적 실시예에 따라 달라질 수 있다.
피드백 경로로 순환시킬 작동유체의 유량을 제어하기 위해 순환 펌프(90)의 회전수를 조절하거나, 예컨대 하나 이상의 유량제어밸브(도시 생략)를 제1 및/또는 제2 피드백 경로 상에 설치할 수 있다.
일 실시예에서, 증기사이클 경로(즉 제3 유로(L3))와 피드백 경로(즉 제9 유로(L9)와 제13 유로(L13))로 분기하는 비율은 제2 열교환기(50)로 공급되는 배기가스의 온도에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 배기가스의 온도가 높으면 수증기 응축에 더 많은 작동유체가 필요하므로 제1 및 제2 피드백 경로로 순환될 작동유체의 유량을 늘리고 그 반대의 경우 유량을 줄일 수 있다.
일 실시예에서, 피드백 경로 중 제1 피드백 경로(즉 제9 유로(L9))와 제2 피드백 경로(즉 제13 유로(L13))로 분기하는 비율은 예컨대 시스템 외기의 온도 또는 응축기(30)에서 작동유체를 응축하는 냉매의 온도에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어 시스템 외기 온도가 낮아서 응축기(30)의 냉매 온도가 낮으면 응축기(30)에서 작동유체의 온도를 더 낮출 수 있으므로 제1 피드백 경로(L9 내지 L12)나 제2 피드백 경로(L13 내지 L15)의 어느 쪽으로 작동유체를 분기하여도 배기가스를 충분히 냉각시킬 수 있다. 그러나 일반적으로 제1 피드백 경로의 압축기(60)의 동력이 제2 피드백 경로의 순환 펌프(90)의 동력보다 훨씬 크기 때문에 제2 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 높이는 것이 바람직하다.
그러나 시스템 외기 온도가 높아져서 응축기(30)의 냉매 온도가 높아지면 응축기(30)에서 배출되는 작동유체의 온도가 높아지므로 제2 피드백 경로에 의한 배기가스 냉각 효율이 낮아지며, 이 경우 제1 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 늘리는 것이 바람직할 수 있다.
이와 관련하여 도5는 냉매 온도에 따라 제1 및 제2 피드백 경로의 각각에서 열교환되는 열량을 도식적으로 나타낸다. 도5의 그래프에서 가로축은 냉매 온도이고 세로축은 배기가스가 냉각되는 열량(즉 피드백 경로가 흡수하는 열량)을 나타낸다. 도면에서 파란색 그래프는 증기 압축(Vapor Compression)에 의한 냉각(VC cooling)으로서, 제1 피드백 경로(L9 내지 L12)의 작동유체에 의한 배기가스 냉각 열량을 의미하고, 붉은색 그래프는 펌프형 히트 파이프(pumped heat pipe)에 의한 냉각(PHP cooling)으로서 제2 피드백 경로(L13 내지 L15)의 작동유체에 의한 배기가스 냉각 열량을 나타낸다.
도면에 도시한 것처럼 일 실시예에서 냉매 온도가 섭씨 20도 일 때 제1 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 0으로 설정할 수 있고, 이 경우 증기사이클 경로가 아닌 피드백 경로로 분기되는 작동유체는 모두 제2 피드백 경로로 분기되도록 제어할 수 있다. 그리고 냉매 온도가 섭씨 20도보다 큰 경우 제1 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 점차 증가시키고 제2 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 점차 감소시키도록 유량제어밸브를 제어할 수 있으며, 이에 따라, 냉매 온도에 상관없이 배기가스로부터 거의 일정한 열량(Qc)을 흡수하여 배기가스 내 물을 응축시켜 물을 회수할 수 있다.
도시한 실시예에서는 섭씨 20도를 기준온도로 하여 이 기준온도에서 제1 피드백 경로를 폐쇄하고 기준온도 이상인 경우 제1 피드백 경로의 유량을 증가시키고 제2 피드백 경로의 유량을 감소시키는 것으로 설명하였지만 이는 예시적인 실시예이며 기준온도 및 각 피드백 경로의 유량의 증감량은 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
한편 도6은 제2 실시예의 물 회수 시스템의 예시적인 동작 상태를 나타내는 도표이다. 도6(a)를 참조하면, 이 예시적인 시스템 동작에서 배기가스 온도가 섭씨 150도이고 유량이 750Kg/s이며, 작동유체로서 R134a를 사용하였다. 외기온도가 섭씨 30도이고 응축기(30)의 냉매 온도도 외기 온도와 동일하게 섭씨 30도이다. 이러한 조건에서 본 발명의 물 회수 시스템이 동작할 때 각 유로(L1 내지 L15)에서의 작동유체의 온도 및 압력을 도6(b)에 나타내었다. 응축기(30)를 통과한 작동유체 중 제3 유로(L3), 제9 유로(L9), 및 제13 유로(L13)로 각각 분기된 작동유체는 409.6Kg/s, 397.6Kg, 및 303.0Kg/s로서, 대략 4:4:3의 비율로 분기되었다.
이 실험에 따르면 섭씨 150도의 배기가스가 제1 열교환기(10)를 통과했을 때 온도가 섭씨 63도로 냉각되고 제3 열교환기(80)를 통과했을 때 섭씨 50도까지 냉각되고 제2 열교환기(50)를 통과했을 때 섭씨 40도까지 냉각되며 51.7%의 물 회수 효율을 얻을 수 있었다.
이상 상술한 제2 실시예에 따른 물 회수 시스템에 의하면 응축기 냉매 온도가 낮으면 순환 펌프(90)에 의한 제2 피드백 경로를 이용하여 배기가스 중 물을 회수하고 냉매 온도가 높아지면 제1 피드백 경로와 제2 피드백 경로를 적절히 혼합하여 배기가스 중 물을 회수하도록 동작함으로써 물 회수에 필요한 에너지를 절약하면서 물 회수 효율을 극대화할 수 있는 이점이 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: 응축기 40: 가압 펌프
50: 제2 열교환기 60: 압축기
70: 팽창기 80: 제3 열교환기
90: 순환 펌프

Claims (16)

  1. 제1 열교환기(10), 터빈(20), 응축기(30), 및 가압 펌프(40)로 이루어진 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 시스템으로서,
    상기 증기사이클을 순환하며 상기 응축기(30)에서 배출되는 작동유체 중 일부를 분기하여 상기 응축기(30)의 상류측으로 재공급하는 제1 피드백 경로(L9,L10,L11,L12); 및
    상기 제1 피드백 경로상에 순차적으로 배치된 팽창기(70), 제2 열교환기(50), 및 압축기(60)를 포함하고,
    연소장치에서 배출되는 배기가스가 상기 제1 열교환기(10)에서 증기사이클의 작동유체에 열에너지를 공급하고, 제1 열교환기(10)에서 배출되는 배기가스가 상기 제2 열교환기(50)에서 제1 피드백 경로의 작동유체에 열에너지를 공급함으로써, 배기가스 중의 수증기를 응축하여 물을 생성하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 유량제어밸브를 더 포함하고,
    상기 유량제어밸브는 상기 제1 열교환기(10)에서 배출되는 배기가스의 온도에 기초하여 제1 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기(60)가 터빈(20)에 물리적으로 연결되어 상기 터빈으로부터 압축기 동력을 얻도록 구성된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축기(30)에서 배출되는 작동유체 중 또 다른 일부를 분기하여 상기 응축기(30)의 상류측으로 재공급하는 제2 피드백 경로(L13,L14,L15); 및
    상기 제2 피드백 경로상에 배치된 제3 열교환기(80);를 더 포함하고,
    상기 제1 열교환기(10)에서 배출되는 배기가스가 상기 제3 열교환기(80)에서 제2 피드백 경로의 작동유체에 열에너지를 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    연소장치에서 배출되는 배기가스가 상기 제1 열교환기(10), 제3 열교환기(80), 및 제2 열교환기(50)를 순차적으로 통과하며 작동유체에 열에너지를 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    연소장치에서 배출되는 배기가스가 상기 제1 열교환기(10), 제2 열교환기(50), 및 제3 열교환기(80)를 순차적으로 통과하며 작동유체에 열에너지를 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 피드백 경로와 제2 피드백 경로의 각각으로 분기되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 하나 이상의 유량제어밸브를 더 포함하고,
    상기 유량제어밸브는, 상기 응축기(30)에서 작동유체를 응축하는 냉매의 온도에 기초하여 각 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유량제어밸브가, 상기 냉매의 온도가 소정 온도 이하일 때, 상기 제1 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 0으로 제어하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 냉매의 온도가 상기 소정 온도에서 점차 증가할수록 상기 제1 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 증가시키고 제2 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 시스템.
  10. 제1 열교환기, 터빈, 응축기, 및 가압 펌프로 이루어진 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 방법으로서,
    상기 증기사이클을 순환하며 상기 응축기에서 배출되는 작동유체 중 일부를 분기하여 상기 응축기의 상류측으로 재공급하는 제1 피드백 경로(L9,L10,L11,L12)를 형성하는 단계;
    제1 피드백 경로상에 형성된 팽창기에서 작동유체를 팽창하는 단계;
    제1 피드백 경로의 팽창기 후단에 형성된 제2 열교환기에서 작동유체에 열에너지를 공급하는 단계; 및
    제1 피드백 경로의 제2 열교환기 후단에 형성된 압축기에서 작동유체를 압축하는 단계;를 포함하고,
    연소장치에서 배출되는 배기가스가 상기 제1 열교환기에서 증기사이클의 작동유체에 열에너지를 공급하고, 제1 열교환기에서 배출되는 배기가스가 상기 제2 열교환기에서 제1 피드백 경로의 작동유체에 열에너지를 공급함으로써, 배기가스 중의 수증기를 응축하여 물을 생성하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    제1 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 유량제어밸브를 더 포함하고,
    상기 유량제어밸브는 상기 제1 열교환기(10)에서 배출되는 배기가스의 온도에 기초하여 제1 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 응축기에서 배출되는 작동유체 중 또 다른 일부를 분기하여 상기 응축기의 상류측으로 재공급하는 제2 피드백 경로(L13,L14,L15)를 형성하는 단계; 및
    제2 피드백 경로에 형성된 제3 열교환기에서 제2 피드백 경로의 작동유체에 열에너지를 공급하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제1 열교환기에서 배출되는 배기가스가 상기 제3 열교환기에서 제2 피드백 경로의 작동유체에 열에너지를 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    연소장치에서 배출되는 배기가스가 상기 제1 열교환기, 제3 열교환기, 및 제2 열교환기를 순차적으로 통과하며 작동유체에 열에너지를 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물회수 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 피드백 경로와 제2 피드백 경로의 각각으로 분기되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 하나 이상의 유량제어밸브를 더 포함하고,
    상기 유량제어밸브는 상기 응축기에서 작동유체를 응축하는 냉매의 온도에 기초하여 각 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 냉매의 온도가 소정 온도 이하일 때, 상기 제1 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 0으로 제어하는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 냉매의 온도가 상기 소정 온도에서 점차 증가할수록 상기 제1 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 증가시키고 제2 피드백 경로로 분기되는 작동유체의 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 증기사이클 기반의 배기가스 응축 물 회수 방법.
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KR20140101099A (ko) * 2013-02-08 2014-08-19 한밭대학교 산학협력단 유기 랭킨 사이클을 이용한 고함수 물질 건조시스템 및 그 건조시스템을 이용한 건조방법

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