KR102220076B1 - 보일러 시스템 - Google Patents

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KR102220076B1
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지로 후쿠시마
야스히데 오카자키
다카미쓰 모토다
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히다치 조센 가부시키가이샤
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Abstract

보일러 시스템에서는, 원동기의 폐열을 열원으로 하여 보일러수를 가열하는 보일러부와, 제2순환로를 통하여 보일러수를 순환시키는 제2펌프와, 축열재와 제2순환로를 흐르는 보일러수와의 사이에서 열교환을 하는 축열부가 설치된다. 축열부에서는, 축열재가 보일러수보다 저온인 경우에 보일러수에 의하여 축열재가 가열되어 축열이 이루어지고, 축열재가 보일러수보다 고온인 경우에 축열재에 의하여 보일러수가 가열된다. 이와 같이 선내의 증기 시스템으로 증기를 공급하는 보일러부에 축열부, 제2펌프 및 제2순환로를 추가함으로써, 원동기의 폐열을 축적함과 아울러 축적된 폐열을 이용하여 보일러수를 가열하는 간단한 구조의 보일러 시스템을 제공할 수 있다.

Description

보일러 시스템{BOILER SYSTEM}
본 발명은 보일러 시스템(boiler system)에 관한 것이다.
종래로부터 대형 선박에서는, 주기관(主機關)으로부터 배출된 배기폐열(排氣廢熱)에 의하여 보일러수(boiler水)를 가열하여 증기(蒸氣)를 생성하는 배기가스 이코노마이저(排氣gas economizer)가 굴뚝내에 설치된다. 예를 들면 일본국 공개특허 특개2011-196646호 공보(문헌1)에 나타내는 배기가스 이코노마이저 시스템에서는, 보조 보일러(補助 boiler)에 저장되는 보일러수가 보일러수 순환펌프에 의하여 배기가스 이코노마이저로 송출되고, 배기가스 이코노마이저에서 가열된 후에 보조 보일러로 되돌려진다.
일본국 공개특허 특개2010-116847호 공보(문헌2)에서는, 선박에 있어서 에너지를 저장하는 에너지 저장 시스템이 제안되어 있다. 당해 에너지 저장 시스템에서는, 주기관으로부터의 배기폐열을 열매유(熱媒油)에 의하여 회수하는 폐열회수장치(廢熱回收裝置)가 설치되고, 폐열회수장치에 있어서 가열된 열매유는 축열재 열교환장치(蓄熱材 熱交換裝置) 및 증기발생기장치(蒸氣發生器裝置)에 공급된다. 축열재 열교환장치에서는, 열매유에 의하여 용융염(溶融鹽) 등의 축열재가 가열되어 축열이 이루어진다. 증기발생장치에서는, 열매유에 의하여 물을 증발시켜 증기터빈(蒸氣turbine)을 구동하고, 증기터빈에 접속된 발전기에 의하여 발전이 이루어진다. 증기터빈에 공급된 증기의 일부는, 증기터빈의 중단(中段)으로부터 꺼내어져서 선내(船內)에서 프로세스 증기(process 蒸氣)로서 사용된다. 주기관으로부터의 배기폐열을 이용할 수 없는 정박중(停泊中)인 경우 등은, 축열재의 열에 의하여 증기발생장치의 물이 가열되어 증기가 생성되고, 당해 증기에 의하여 발전이 이루어진다.
일본국 공개특허 특개2011-75227호 공보(문헌3)에서는, 선박용 축열 시스템(船舶用 蓄熱 system)이 제안되어 있다. 당해 축열 시스템에서는, 배기가스 이코노마이저에서 물을 가열하여 증기를 생성하고, 당해 증기를 열교환수단으로 공급함으로써 축열조(蓄熱槽)로부터 열교환수단으로 송출되는 축열매체(蓄熱媒體)가 가열되어, 축열조에서 축열이 이루어진다. 축열이용 운전 모드에서는, 이용기기(利用機器)로부터 열교환수단으로 이용측 열매체가 송출되고, 축열조로부터 열교환수단으로 공급된 축열매체에 의하여 이용측 열매체가 가열된다.
한편 일본국 등록실용신안 제3044386호 공보(문헌4)에서는, 디젤 발전기(diesel 發電機)의 배기를 이용하여 발전을 하는 발전장치가 개시되어 있다. 당해 발전장치에서는, 디젤 발전기 등의 배기에 의하여, 가열된 물 또는 수증기에 의하여 순환로(循環路)를 순환하는 유기유체(有機流體)가 열교환기(熱交換器)를 통하여 가열되고, 당해 유기유체에 의하여 터빈이 구동되어 발전기에 의하여 발전이 이루어진다. 당해 발전장치는, 즉 유기매체를 작동유체(作動流體)로서 유기 랜킨 사이클(ORC:Organic Rankine Cycle)을 실시하는 폐열회수장치이다.
그런데 문헌2의 선박용 에너지 저장 시스템에서는, 축적된 열에너지를 발전용의 동력원(動力源)으로서 이용하기 위해서 대규모의 축열설비가 필요하게 된다. 또한 열에너지를 동력으로 변환할 때의 변환효율은 낮기 때문에 축적된 열에너지를 효율적으로 이용하는 것이 어렵다. 한편 문헌3의 선박용 축열 시스템에서는, 주기관의 폐열을 회수하는 시스템, 축열조로의 축열과 축열조로부터의 방열(放熱)을 하는 시스템 및 축열조의 열에너지를 이용측 열매체를 통하여 이용기기로 공급하는 시스템이 개별적으로 필요하게 되기 때문에, 선박용 축열 시스템의 구조가 복잡화되어 버린다.
본 발명은, 보일러 시스템에 대한 것으로서 원동기(原動機)의 폐열을 축적함과 아울러 축적된 폐열을 이용하는 간단한 구조의 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 관한 보일러 시스템은, 액상의 매체를 저장하고, 원동기로부터의 폐열을 열원으로 하여 매체를 가열하는 보일러부와, 상기 보일러부로부터 액상의 매체를 송출하고, 순환로를 통하여 상기 보일러부로 순환시키는 펌프와, 축열재를 구비하고, 상기 축열재와 상기 순환로를 흐르는 매체와의 사이에서 열교환을 하고, 상기 축열재가 상기 순환로를 흐르는 매체보다 저온인 경우에 상기 축열재에 의하여 축열을 하고, 상기 축열재가 상기 순환로를 흐르는 매체보다 고온인 경우에 상기 축열재에 의하여 매체를 가열하는 축열부를 구비한다.
당해 보일러 시스템에 의하면, 원동기의 폐열을 축적함과 아울러 축적된 폐열을 이용하는 간단한 구조의 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시형태에서는, 상기 보일러부가, 액상의 매체를 저장하는 보일러 본체와, 상기 보일러 본체로부터 액상의 매체를 송출하고, 다른 순환로를 통하여 상기 보일러 본체로 순환시키는 다른 펌프와, 상기 원동기의 배기로를 흐르는 배기를 열원으로 하여 상기 다른 순환로를 흐르는 매체를 가열하는 배기 열교환기를 구비한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서는, 상기 보일러부가, 액상의 매체를 저장함과 아울러 상기 배기로가 관통되는 보일러 본체를 구비하고, 상기 배기로를 흐르는 배기에 의하여 상기 보일러 본체내의 매체가 가열된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서는, 보일러 시스템이, 상기 순환로에 있어서 상기 축열부로부터 상기 보일러부로 매체를 유도하는 배관상에 배치되어, 상기 원동기로 공급되는 가압된 흡기인 압축공기를 열원으로 하여 매체를 가열하는 압축공기 열교환기를 더 구비한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서는, 보일러 시스템이, 상기 보일러부에 있어서의 매체의 온도로부터 상기 축열부에 있어서의 상기 축열재의 온도를 감산한 온도차를 구하는 온도차 취득부와, 상기 온도차에 의거하여 상기 축열부로부터 상기 보일러부로 유도되는 매체의 유량을 제어하는 유량제어부를 더 구비하고, 상기 온도차가 커지게 됨에 따라 상기 유량제어부에 의하여 상기 유량이 감소한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서는, 보일러 시스템이, 상기 순환로에 있어서 상기 축열부로부터 상기 보일러부로 매체를 유도하는 배관상에 배치되어, 상기 축열부로부터 송출된 매체로부터 에너지를 회수하는 회수장치를 더 구비하고, 상기 회수장치가, 상기 순환로를 흐르는 매체를 열원으로 하여 유기매체인 작동유체를 가열하여 기화시키는 ORC열교환기와, 상기 ORC열교환기에서 기화된 작동유체를 팽창시켜서 기계적 에너지를 회수하는 팽창기와, 상기 팽창기에서 팽창시킨 작동유체를 응축하여 액화시키는 응축기와, 상기 응축기에서 액화된 작동유체를 상기 ORC열교환기로 송출하는 ORC펌프를 구비한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서는, 상기 매체가 보일러수이며, 상기 보일러부에 있어서 상기 보일러수의 증기가 생성된다.
더 바람직하게는, 보일러 시스템이, 상기 보일러부로부터 외부로 송출되는 보일러수의 증기를 압축하는 증기압축부를 더 구비한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서는, 상기 원동기가 선박의 주기관이며, 상기 보일러부가 상기 선박의 보조 보일러이다.
상기의 목적 및 다른 목적, 특징, 태양 및 이점은, 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 설명하는 본 발명에 대한 상세한 설명에 의하여 밝혀진다.
도1은, 본 발명의 제1실시형태에 관한 보일러 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도2는, 보일러수의 유량제어의 일례를 나타내는 도면이다.
도3은, 보일러 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도4는, 본 발명의 제2실시형태에 관한 보일러 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도5는, 보일러 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도6은, 본 발명의 제3실시형태에 관한 보일러 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도7은, 보일러 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도8은, 본 발명의 제4실시형태에 관한 보일러 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도9는, 보일러 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도1은, 본 발명의 제1실시형태에 관한 보일러 시스템(boiler system)(1)의 구성을 나타내는 도면이다. 보일러 시스템(1)은 예를 들면 비교적 대형 선박의 보조 보일러 시스템으로서 이용된다. 도1에서는, 선박의 주기관(主機關)으로서 이용되는 과급기 부착 원동기(過給器 付着 原動機)(2)도 함께 나타낸다. 보일러 시스템(1)에서는, 과급기 부착 원동기(2)의 폐열(廢熱)을 이용하여 매체(媒體)인 보일러수(boiler水)를 가열한다. 가열된 보일러수로부터 발생된 증기(蒸氣)는, 선내(船內)의 연료유, 윤활유, 생활용수 등의 가열원(加熱源) 등으로서 이용된다.
과급기 부착 원동기(2)는, 내연기관(內燃機關)인 선박용 원동기(3)(이하 간단하게 「원동기(3)」라고 한다)와, 터보챠져(turbocharger)인 과급기(4)를 구비한다. 원동기(3)는, 선박의 주기관으로서 예를 들면 2사이클·디젤엔진(two-cycle diesel engine)이다. 과급기(4)는, 터빈(41)과, 터빈(41)에 기계적으로 접속되는 컴프레서(compressor)(42)를 구비한다. 원동기(3)와 과급기(4)는 소기로(掃氣路)(31) 및 배기로(排氣路)(32)에 의하여 접속된다. 배기로(32)는 원동기(3)로부터의 배기를 터빈(41)으로 유도한다.
터빈(41)은, 원동기(3)로부터 배기로(32)를 통하여 공급된 배기에 의하여 회전한다. 터빈(41)의 회전에 이용된 배기는, 배기로(32)를 통하여 과급기 부착 원동기(2)의 외부로 배출된다. 컴프레서(42)는, 터빈(41)에서 발생하는 회전력을 이용하여(즉 터빈(41)의 회전을 동력(動力)으로 하여), 과급기 부착 원동기(2)의 외부로부터 흡기로(吸氣路)(43)를 통하여 과급기(4)로 유도된 흡기(공기)를 가압하여 압축한다. 컴프레서(42)에 의하여 가압된 흡기인 압축공기(이하 「소기」라고 한다)는, 소기로(31)상에 설치된 압축공기 열교환기(壓縮空氣 熱交換器)(56)(후술)에서 냉각된 후에 원동기(3)에 공급된다. 이와 같이 과급기(4)에서는, 배기를 이용하여 흡기를 가압하여 소기가 생성된다. 소기로(31)는, 가압된 흡기를 과급기(4)로부터 원동기(3)로 유도하는 유로(流路) 즉 가압흡기로(加壓吸氣路)이다. 또 보일러 시스템(1)에서는, 소기로(31)의 압축공기 열교환기(56)보다 하류측에 배치됨과 아울러 압축공기 열교환기(56)로부터 송출된 소기를 더 냉각시키는 소기냉각기(掃氣冷却器)가 설치되더라도 좋다(다른 실시형태에 있어서도 같음).
보일러 시스템(1)은 보일러 장치(5)를 구비한다. 보일러 장치(5)는, 보일러부(50)와, 펌프(pump)(55)와, 축열부(蓄熱部)(59)와, 절체부(切替部)(572)와, 압축공기 열교환기(56)와, 유량제어부(流量制御部)(571)와, 제1측정부(第1測定部)(581)와, 제2측정부(582)를 구비한다. 도1에서는, 축열부(59)에 의한 축열이 이루어지는 「축열모드(蓄熱mode)」에 대하여 설명한다. 보일러부(50)는, 보일러 본체(51)와, 다른 펌프(53)와, 배기 열교환기(排氣 熱交換器)(54)를 구비한다. 이하의 설명에서는 펌프(53, 55)를 구별하기 위해서 각각 「제1펌프(53)」 「제2펌프(55)」라고 부른다.
보일러 본체(51)는, 선박의 굴뚝(이른바 펀넬(funnel))으로부터 벗어난 위치에 배치되고, 액상(液狀)의 매체(즉 액상의 보일러수)를 저장한다. 보일러 본체(51)에는 상기의 제1측정부(581)가 설치된다. 제1측정부(581)에 의하여 보일러 본체(51)내의 보일러수의 온도가 측정된다. 보일러 본체(51)에는 또한 도면에 나타내는 것을 생략한 버너(burner)나 급수부(給水部)가 설치된다. 당해 버너는, 보일러 본체(51)내의 보일러수를 필요에 따라 가열한다. 당해 급수부는, 보일러 본체(51)내의 보일러수가 감소하였을 경우 등 필요에 따라 보일러 본체(51)내에 보일러수를 공급한다.
보일러 본체(51), 제2펌프(55), 축열부(59), 절체부(572), 압축공기 열교환기(56) 및 유량제어부(571)는, 보일러수가 순환하는 순환로(循環路)(522)에 의하여 당해 순서로 접속된다. 보일러부(50)에서는, 보일러 본체(51), 제1펌프(53) 및 배기 열교환기(54)가, 보일러수가 순환하는 다른 순환로(521)에 의하여 당해 순서로 접속된다. 이하의 설명에서는 순환로(521, 522)를 구별하기 위해서 각각 「제1순환로(521)」 「제2순환로(522)」라고 부른다. 제1순환로(521) 및 제2순환로(522)는, 보일러 본체(51)와 분기부(分岐部)(52a) 사이에 있어서 공통 유로로 되어 있고, 분기부(52a)에 있어서 분기된다. 또 제1순환로(521) 및 제2순환로(522)는 각각 개별적으로 보일러 본체(51)에 접속되더라도 좋다.
보일러부(50)에서는, 제1펌프(53)가 구동됨으로써 액상의 보일러수가 보일러 본체(51)로부터 제1순환로(521)로 송출된다. 보일러 본체(51)로부터 송출된 보일러수는, 도1중에 화살표로 나타나 있는 바와 같이 제1순환로(521)를 통하여 제1펌프(53)를 통과하고, 배기 열교환기(54)를 더 통과하여 보일러 본체(51)로 순환한다.
배기 열교환기(54)는, 선박의 굴뚝내에 배치되고, 과급기 부착 원동기(2)의 배기로(32)상에 있어서 터빈(41)보다 하류측에 배치된다. 배기 열교환기(54)에서는, 제1순환로(521)를 흐르는 액상의 보일러수가 배기로(32)를 흐르는 터빈(41)으로부터의 배기(즉 터빈(41)을 통과한 후의 원동기(3)로부터의 배기)를 열원(熱源)으로 하여 가열된다. 바꾸어 말하면 배기 열교환기(54)에서는, 배기에 포함되는 과급기 부착 원동기(2)의 폐열을 열원으로 하여 보일러수가 가열된다. 배기 열교환기(54)를 통과하는 배기의 온도는, 원동기(3)의 출력이나 주위의 온도 등에 의하여 변화된다. 원동기(3)의 출력이 최대출력(100% 출력)인 경우의 당해 배기온도는 예를 들면 약 230℃(섭씨온도)이다. 배기 열교환기(54)에서는, 배기 열교환기(54)에 유입되는 보일러수의 일부가 기화(氣化)(증발)된다. 그리고 가스상(gas狀)의 보일러수와 액상의 보일러수와의 혼합유체(混合流體)가, 배기 열교환기(54)로부터 보일러 본체(51)로 송출된다.
즉 보일러부(50)는, 액상의 보일러수를 저장하고, 원동기(3)의 배기로(32)를 흐르는 배기를 열원으로 하여 보일러수를 가열하여 보일러수의 증기를 생성하는 장치(이른바 배기가스 이코노마이저(排氣gas economizer))이며, 선박의 보조 보일러로서 이용된다. 보일러 본체(51)내에 있어서의 보일러수의 온도·압력은 예를 들면 약 135℃·약 0.25ＭＰａ(메가 파스칼)∼약 165℃·약 0.6ＭＰａ이다. 보일러 본체(51)내의 보일러수의 증기는, 보일러 본체(51)의 상부(上部)에 접속된 증기배관(524)을 통하여 선내의 증기 시스템(도면에 나타내는 것은 생략)으로 공급된다.
보일러 시스템(1)에서는, 보일러 본체(51)와 증기 시스템 사이에 있어서 증기배관(524)으로부터 분기되어 증기배관(524)으로 합류되는 분기배관(分岐配管)(526)이 설치된다. 분기배관(526)상에는, 보일러부(50)로부터 외부의 증기 시스템으로 송출되는 보일러수의 증기를 압축하는 증기압축부(蒸氣壓縮部)(이하 간단하게 「압축부(511)」라고 한다)가 설치된다. 증기배관(524) 및 분기배관(526)상에는 밸브(valve)가 설치된다. 이들 밸브를 절체(切替)함으로써 보일러 본체(51)로부터 선내의 증기 시스템으로 공급되는 증기의 공급경로가, 압축부(511)를 통과하는 경로와, 압축부(511)를 통과하지 않는 경로 사이에서 절체된다. 축열모드에서는 압축부(511)는 이용되지 않아, 보일러 본체(51)로부터 송출된 증기는 압축부(511)를 통과하지 않고 선내의 증기 시스템으로 공급된다.
보일러 장치(5)에서는, 제2펌프(55)가 구동됨으로써 액상의 보일러수가 보일러 본체(51)로부터 제2순환로(522)로 송출된다. 보일러 본체(51)로부터 송출된 보일러수는, 도1중에 화살표로 나타나 있는 바와 같이 제2순환로(522)를 통하여 제2펌프(55), 축열부(59), 절체부(572), 압축공기 열교환기(56) 및 유량제어부(571)를 당해 순서로 통과하여 보일러 본체(51)로 순환한다.
축열부(59)는 축열재(蓄熱材)를 구비한다. 축열부(59)에서는, 축열재와, 제2순환로(522)를 흐르는 보일러수 사이에서 열교환이 이루어진다. 예를 들면 원동기(3)의 출력이 상용출력(常用出力)(ＣＳＯ:Continuous Service Output) 이상인 경우에 보일러 본체(51)로부터 송출되는 보일러수의 온도는 비교적 높기 때문에, 축열재의 온도는 축열부(59)에 있어서 제2순환로(522)를 흐르는 보일러수의 온도보다 낮다. 이와 같이 축열재가 축열부(59)에 있어서 제2순환로(522)를 흐르는 보일러수보다 저온인 경우에, 축열재가 보일러수에 의하여 가열되어 축열부(59)에 있어서 축열이 이루어진다. 축열부(59)에 있어서의 축열재의 온도는 제2측정부(582)에 의하여 측정된다.
축열부(59)에서는 보일러수가 축열재에 의하여 냉각된다. 축열부(59)로부터 송출된 보일러수는 절체부(572)로 유도된다. 절체부(572)는 예를 들면 제2순환로(522)상에 설치된 3방향 밸브이다. 절체부(572)를 통과한 보일러수는, 제2순환로(522)에 의하여 압축공기 열교환기(56)로 유도된다. 절체부(572)에서는, 도1중에 파선으로 나타내는 분기배관(525)이 제2순환로(522)로부터 분기되어 압축공기 열교환기(56)와 유량제어부(571) 사이의 합류부(合流部)(52c)에 있어서 제2순환로(522)에 합류된다. 축열모드에서는 분기배관(525)은 사용하지 않는다. 분기배관(525)을 사용하는 「급열모드(給熱mode)」에 관해서는 후술한다. 절체부(572)로부터 압축공기 열교환기(56)로 향하는 보일러수의 온도는 예를 들면 약 100∼130℃이다.
압축공기 열교환기(56)는, 제2순환로(522)상에 있어서 축열부(59)로부터 보일러부(50)의 보일러 본체(51)로 보일러수를 유도하는 배관상에 배치된다. 구체적으로는 압축공기 열교환기(56)는, 제2순환로(522)상에 있어서 축열부(59)와 유량제어부(571) 사이에 배치된다. 압축공기 열교환기(56)는 또한 컴프레서(42)와 원동기(3) 사이에 있어서 소기로(31)상에 배치된다. 압축공기 열교환기(56)에서는, 컴프레서(42)로부터 원동기(3)로 공급되는 소기로(31)내의 소기를 열원으로 하여 제2순환로(522)를 흐르는 액상의 보일러수가 가열된다. 바꾸어 말하면 압축공기 열교환기(56)에서는, 소기에 포함되는 과급기 부착 원동기(2)의 폐열을 열원으로 하여 보일러수가 가열된다.
압축공기 열교환기(56)로부터는, 액상의 보일러수 또는 가스상의 보일러수와 액상의 보일러수와의 혼합유체가 송출된다. 압축공기 열교환기(56)에 있어서 가열된 보일러수는, 유량제어부(571)를 통과하여 보일러 본체(51)로 되돌려진다. 압축공기 열교환기(56)를 통과하는 소기의 온도는, 원동기(3)의 출력이나 주위의 온도 등에 의하여 변화된다. 원동기(3)의 출력이 최대출력(100% 출력)인 경우의 당해 소기온도는 예를 들면 약 220℃이다. 원동기(3)의 출력이 저하하면 소기온도도 저하한다. 압축공기 열교환기(56)로부터 송출되는 보일러수의 온도는, 압축공기 열교환기(56)에 유입되는 보일러수의 온도나 압축공기 열교환기(56)를 통과하는 소기의 온도 등에 의하여 변화된다. 압축공기 열교환기(56)로부터 유량제어부(571)로 향하는 보일러수의 온도는 예를 들면 약 135∼165℃이다.
유량제어부(571)는 예를 들면 제2순환로(522)상에 설치된 3방향 밸브이다. 유량제어부(571)에 있어서 도1중에 파선으로 나타내는 분기배관(523)이 제2순환로(522)로부터 분기되어, 보일러 본체(51)와 제2펌프(55) 사이의 합류부(52b)에 있어서 제2순환로(522)에 합류한다.
보일러 장치(5)에서는, 상기한 바와 같이 제1측정부(581)에 의하여 보일러 본체(51)내의 보일러수의 온도가 측정되고, 제2측정부(582)에 의하여 축열부(59)의 축열재의 온도가 측정된다. 제1측정부(581) 및 제2측정부(582)의 각각의 측정치는, 유량제어부(571)에 접속되는 온도차 취득부(溫度差 取得部)(573)로 보내진다. 온도차 취득부(573)에서는, 제1측정부(581) 및 제2측정부(582)로부터의 측정치에 의거하여 보일러부(50)의 보일러 본체(51)에 있어서의 보일러수의 온도로부터, 축열부(59)에 있어서의 축열재의 온도를 감산(減算)한 온도차가 구해진다. 그리고 당해 온도차에 의거하여 축열부(59)로부터 압축공기 열교환기(56)를 통하여 보일러부(50)의 보일러 본체(51)로 유도되는 보일러수의 유량이, 유량제어부(571)에 의하여 제어된다.
도2는, 유량제어부(571)에 의한 보일러수의 유량제어의 일례를 나타내는 도면이다. 도2의 가로축은, 온도차 취득부(573)에서 구해진 보일러수와 축열재의 온도차(Δt)를 나타낸다. 도2의 세로축은, 압축공기 열교환기(56)로부터 유량제어부(571)로 유도되는 보일러수중에서, 유량제어부(571)를 통과하여 보일러 본체(51)로 되돌려지는 보일러수의 비율(이하 「환류비율(還流比率)」이라고 한다)을 나타낸다. 바꾸어 말하면 환류비율은, 축열부(59)로부터 압축공기 열교환기(56)를 통하여 유량제어부(571)로 유도되는 보일러수의 유량에 대한, 축열부(59)로부터 압축공기 열교환기(56) 및 유량제어부(571)를 통하여 보일러 본체(51)로 유도되는 보일러수의 유량의 비율이다.
환류비율이 100%인 경우에, 압축공기 열교환기(56)로부터 유량제어부(571)로 유도되는 보일러수의 전량(全量)이, 유량제어부(571)를 통과하여 보일러 본체(51)로 되돌려진다. 한편 환류비율이 100% 미만인 경우에, 압축공기 열교환기(56)로부터 송출되는 보일러수의 유량에 세로축의 값에 상당하는 비율을 승산(乘算)한 유량의 보일러수가, 유량제어부(571)를 통과하여 보일러 본체(51)로 되돌려진다. 또한 나머지 보일러수는, 유량제어부(571)에서 분기배관(523)으로 유도되어, 합류부(52b)에서 보일러 본체(51)로부터 송출된 보일러수와 합류한 후에 제2순환로(522)를 통하여 제2펌프(55)로 유도된다.
도2에 나타내는 예에서는 온도차(Δt)가 0 이상 t1 이하인 경우에, 환류비율은 100%이며, 압축공기 열교환기(56)로부터의 보일러수의 전량이 보일러 본체(51)로 되돌려진다. 이에 따라 압축공기 열교환기(56)에 있어서 회수된 소기의 폐열을, 보일러 본체(51)내의 보일러수의 가열(또는 온도유지)에 효율적으로 이용할 수 있다.
한편 온도차(Δt)가 t1보다 클 경우에, 환류비율은 100% 미만이며, 압축공기 열교환기(56)로부터의 보일러수의 일부가 보일러 본체(51)로 되돌려지고, 나머지 보일러수는 보일러 본체(51)를 통과하지 않고 분기배관(523)을 통하여 제2펌프(55)로 되돌려진다. 상기 온도차(Δt)가 t1보다 크고 또한 t2 이하인 경우에, 온도차(Δt)가 커지게 됨에 따라 유량제어부(571)에 의한 제어보다 환류비율이 점차 감소한다. 바꾸어 말하면 온도차(Δt)가 커지게 됨에 따라 유량제어부(571)에 의한 제어에 의하여, 축열부(59)로부터 보일러 본체(51)로 유도되는 보일러수의 유량이 점차 감소한다. 또한 온도차(Δt)가 t2 이상인 경우에, 환류비율은 0%보다 크고 또한 100% 미만의 소정의 비율로 일정하다.
상기한 바와 같이 축열부(59)에서는, 보일러수에 의하여 축열재가 가열될 때에 보일러수의 온도가 저하된다. 보일러수의 온도로부터 축열재의 온도를 감산한 온도차(Δt)가 커지게 되면, 축열부(59)에 있어서의 보일러수의 온도저하도 커지게 된다. 따라서 온도차(Δt)가 클 경우에, 가령 축열부(59)에서 온도가 저하된 보일러수의 전량을 보일러 본체(51)로 되돌렸다고 하면, 보일러 본체(51)내의 보일러수의 온도가 소정의 온도범위보다 저하하여, 보일러 본체(51)로부터 선내로의 증기의 공급에 악영향을 미치게 할 가능성이 있다.
그래서 도1에 나타내는 보일러 시스템(1)에서는, 상기의 온도차(Δt)가 클 경우에 축열부(59)로부터 보일러 본체(51)로 되돌아가는 보일러수의 유량을 감소시킴으로써, 보일러 본체(51)내의 보일러수의 온도가 소정의 온도보다 낮아지는 것을 억제 또는 방지할 수 있다. 그 결과, 선내의 증기 시스템에 원하는 온도의 보일러수의 증기를 공급할 수 있다. 또한 온도차(Δt)가 커지게 됨에 따라 축열부(59)로부터 보일러 본체(51)로 되돌아가는 보일러수의 유량을 점차 감소시킴으로써, 보일러 본체(51)내의 보일러수의 온도가 소정의 온도보다 낮아지는 것을 더한층 억제 또는 방지할 수 있다. 즉 유량제어부(571)는, 보일러부(50)의 보일러 본체(51)에 있어서의 보일러수의 온도를 제어하는 온도제어부이다.
또한 보일러 시스템(1)에서는, 보일러부(50)에 있어서의 보일러 본체(51) 이외의 부위의 보일러수의 온도가 제1측정부(581)에 의하여 측정되어, 당해 보일러수의 온도로부터 축열재의 온도를 감산한 온도차에 의거하여 상기와 마찬가지로 유량제어부(571)에 의한 보일러수의 유량제어가 이루어지더라도 좋다. 이 경우이더라도 보일러 본체(51)내의 보일러수의 온도가, 소정의 온도보다 낮아지는 것을 억제 또는 방지할 수 있다.
도3은, 도1과 마찬가지로 보일러 시스템(1)의 구성을 나타내는 도면이다. 다만 도3에서는, 온도차 취득부(573)를 도면에 나타내는 것은 생략하고 있다(도4 또는 도9에 있어서도 같음). 이하에서는 도3을 참조하면서 축열부(59)로부터 보일러부(50)로의 급열(給熱)이 이루어지는 급열모드에 대하여 설명한다. 급열모드는 예를 들면 원동기(3)가 정지된 상태에 있어서, 보일러 시스템(1)으로부터 선내로의 증기의 공급이 이루어지는 경우에 실시된다. 원동기(3)가 정지되면, 배기 열교환기(54)에 있어서의 배기에 의한 보일러수의 가열은 할 수 없기 때문에, 제1펌프(53)가 정지되어 제1순환로(521)에 있어서의 보일러수의 순환이 정지된다. 도3에서는 제1순환로(521)를 파선으로 나타낸다.
배기에 의한 보일러수의 가열이 정지되면, 보일러 본체(51)내의 보일러수의 온도가 저하된다. 따라서 제2펌프(55)에 의하여 보일러 본체(51)로부터 송출되어 제2순환로(522)를 흐르는 보일러수의 온도도 저하된다. 비교적 저온이 된 보일러수는, 제2펌프(55)를 통과하여 축열부(59)로 유도되어 보일러수와 축열부(59)의 축열재와의 사이에서 열교환이 이루어진다. 당해 축열재는, 상기의 축열모드에 의하여 축적된 열에너지에 의하여 제2순환로(522)를 흐르는 보일러수보다 고온이다. 이 때문에 축열부(59)에서는, 축열재에 의하여 보일러수가 가열되어 축열부(59)로 유입되는 보일러수의 일부가 기화된다. 그리고 가스상의 보일러수와 액상의 보일러수와의 혼합유체가 축열부(59)로부터 절체부(572)로 송출된다.
급열모드에서는, 절체부(572)에 의하여 유로가 절체됨으로써 축열부(59)로부터 절체부(572)로 유입되는 보일러수의 전량이 분기배관(525)으로 유도된다. 분기배관(525)으로 유도된 보일러수는, 합류부(52c)를 통과하여 제2순환로(522)에 의하여 유량제어부(571)로 유도되어 전량이 보일러 본체(51)로 되돌려진다. 이와 같이 급열모드에서는, 보일러 본체(51)로부터 송출된 보일러수가 축열부(59)에 있어서 축열재에 축적된 열에너지에 의하여 가열되어 보일러 본체(51)로 되돌려진다. 바꾸어 말하면 축열부(59)에 축적된 열에너지가 보일러부(50)로 공급된다. 또 급열모드에서는, 제2순환로(522)중에서 절체부(572)로부터 압축공기 열교환기(56)를 통과하여 합류부(52c)에 이르는 부위에는 보일러수는 흐르지 않기 때문에, 도3중에서는 당해 부위를 파선으로 나타낸다(도5, 도7 및 도9에 있어서도 같음).
급열모드에 있어서도, 보일러 본체(51)내의 증기가 증기배관(524)을 통하여 선내의 증기 시스템으로 공급된다. 급열모드에서는, 보일러 본체(51)로부터 송출되는 보일러수의 증기의 압력이 원하는 압력보다 저하하였을 경우에, 증기배관(524) 및 분기배관(526)상의 밸브가 절체되어, 보일러 본체(51)로부터의 보일러수의 증기가 압축부(511)로 유도된다. 압축부(511)는, 보일러수의 증기를 압축해서 원하는 압력으로 되게 한 후에 증기 시스템으로 공급한다.
이상에서 설명한 바와 같이 도1에 나타내는 보일러 시스템(1)에서는, 액상의 보일러수를 저장하고 원동기(3)의 배기에 포함되는 폐열을 열원으로 하여 보일러수를 가열하는 보일러부(50)와, 보일러부(50)로부터 액상의 보일러수를 송출하고 제2순환로(522)를 통하여 보일러부(50)로 순환시키는 제2펌프(55)와, 축열재와 제2순환로(522)를 흐르는 보일러수와의 사이에서 열교환을 하는 축열부(59)가 설치된다. 그리고 축열부(59)에 있어서 축열재가 제2순환로(522)를 흐르는 보일러수보다 저온인 경우에 보일러수에 의하여 축열재가 가열되어 축열재에 의한 축열이 이루어지고, 축열재가 제2순환로(522)를 흐르는 보일러수보다 고온인 경우에 축열재에 의하여 보일러수가 가열된다.
이와 같이 선내의 증기 시스템으로 증기를 공급하는 보일러부(50)에, 상기의 축열부(59), 제2펌프(55) 및 제2순환로(522)를 추가함으로써 원동기(3)의 폐열을 축적함과 아울러 축적된 폐열을 이용하여 보일러수를 가열하는 간단한 구조의 보일러 시스템(1)을 제공할 수 있다. 이러한 보일러 시스템(1)의 구성은, 연료소비량의 절감이 요구됨과 아울러 장치의 배치공간에 제한이 있는 선박의 보조 보일러 시스템에 특히 적합하다.
보일러 시스템(1)에서는, 제2순환로(522)에 있어서 축열부(59)로부터 보일러부(50)로 보일러수를 유도하는 배관상에 배치되고, 도1에 나타내는 축열모드에 있어서 원동기(3)로 공급되는 소기를 열원으로 하여 보일러수를 가열하는 압축공기 열교환기(56)가 설치된다. 이에 따라 축열모드에 있어서의 보일러수의 가열에, 원동기(3)로 공급되는 소기의 폐열도 이용할 수 있다. 즉 보일러 시스템(1)에서는, 축열모드에 있어서 원동기(3)에 관한 여러 종류의 폐열을 이용하여 간단한 구조로 효율적으로 보일러수를 가열할 수 있어, 보일러수의 증기를 효율적으로 생성할 수 있다. 또한 보일러수를 축열부(59)에 있어서 축열재에 의하여 냉각한 후에, 압축공기 열교환기(56)에 있어서 소기에 의하여 가열함으로써 소기의 폐열을 보일러수에 효율적으로 회수시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 보일러부(50)는, 선박의 굴뚝으로부터 벗어난 위치에 배치되는 보일러 본체(51)와, 보일러 본체(51)로부터 액상의 보일러수를 송출하여 제1순환로(521)를 통하여 보일러 본체(51)로 순환시키는 제1펌프(53)와, 배기로(32)상에 배치되어 축열모드에 있어서 제1순환로(521)를 흐르는 보일러수를 가열하는 배기 열교환기(54)를 구비한다. 이에 따라 보일러 시스템(1)중에서, 배기로(32)상에 설치되는 구조(즉 굴뚝내에 설치되는 구조)를 소형화 및 간소화할 수 있다.
보일러 시스템(1)에서는, 보일러부(50)로부터 외부로 송출되는 보일러수의 증기를 압축하는 압축부(511)가 설치된다. 이에 따라 급열모드에 있어서 선내의 증기 시스템으로 공급되는 보일러수의 증기의 압력부족을 방지할 수 있다. 또한 원하는 압력의 보일러수의 증기를 증기 시스템으로 공급하면서, 보일러 본체(51)내의 보일러수의 증기의 압력을 낮게 할 수 있다. 이에 따라 보일러 장치(5)에 있어서의 보일러수의 기화를 촉진할 수 있다.
도4는, 본 발명의 제2실시형태에 관한 보일러 시스템(1a)의 구성을 나타내는 도면이다. 보일러 시스템(1a)은, 도1에 나타내는 보일러 시스템(1)과 마찬가지로 비교적 대형 선박의 보조 보일러 시스템으로서 이용되고, 과급기 부착 원동기(2)의 폐열을 이용하여 매체인 보일러수를 가열한다. 도4에 나타내는 보일러 시스템(1a)에서는, 도1에 나타내는 보일러부(50)를 대신하여 보일러부(50)와는 구조가 다른 보일러부(50a)가 설치된다. 보일러 시스템(1a) 이외의 구성은 도1에 나타내는 보일러 시스템(1)과 같으며, 이하의 설명에서는 대응되는 구성에 같은 부호를 붙인다.
도4에 나타내는 보일러부(50a)는, 액상의 보일러수를 저장하는 보일러 본체(51)를 구비한다. 보일러 본체(51)는, 선박의 굴뚝내에 있어서 원동기(3)의 배기로(32)상에 설치되고, 배기로(32)가 보일러 본체(51)를 관통한다. 바꾸어 말하면 보일러부(50a)는 선박의 굴뚝내에 설치되는 이른바 「콤퍼짓 보일러(composite boiler)」이다. 보일러부(50a)는, 연관식(煙管式) 또는 수관식(水管式)의 보일러이며, 도4에서는 연관식의 보일러부(50a)가 설치되는 것으로서 설명한다. 보일러부(50a)에서는 배기로(32)가 복수의 세관(細管)(321)으로 분기되고, 당해 복수의 세관(321)이 보일러 본체(51)의 바닥부로부터 상부를 향해서 관통된다. 복수의 세관(321)은 보일러 본체(51)에 저장되는 액상의 보일러수와 직접적으로 접촉한다. 보일러부(50a)에서는 배기로(32)의 복수의 세관(321)을 흐르는 원동기(3)의 배기에 의하여 보일러 본체(51)내의 보일러수가 가열되어 보일러수의 증기가 생성된다.
보일러 시스템(1a)에서는 도1에 나타내는 보일러 시스템(1)과 마찬가지로 축열모드에 있어서 보일러 본체(51)로부터 송출된 보일러수가, 제2순환로(522)를 통하여 축열부(59)로 유도되어 축열부(59)의 축열재를 가열한 후(즉 축열부(59)에 의한 축열이 이루어진 후)에, 압축공기 열교환기(56)에서 가열되어 보일러 본체(51)로 되돌아간다. 또한 도5에 나타나 있는 바와 같이 급열모드에 있어서는, 보일러 본체(51)로부터 송출된 보일러수는, 제2순환로(522)를 통하여 축열부(59)로 유도되어 축열부(59)의 축열재에 의하여 가열된 후에 보일러부(50a)의 보일러 본체(51)로 되돌아간다.
이와 같이 선내의 증기 시스템으로 증기를 공급하는 보일러부(50a)에, 도1에 나타내는 보일러 시스템(1)과 마찬가지로 상기의 축열부(59), 제2펌프(55) 및 제2순환로(522)를 추가함으로써, 원동기(3)의 폐열을 축적함과 아울러 축적된 폐열을 이용하여 보일러수를 가열하는 간단한 구조의 보일러 시스템(1a)을 제공할 수 있다. 또한 보일러 시스템(1a)에서는, 보일러부(50a)에 있어서 보일러 본체(51)를 배기로(32)가 관통하는 위치(즉 선박의 굴뚝내)에 배치함으로써 보일러부(50a)의 구조를 소형화할 수 있다. 이에 따라 보일러 시스템(1a)을 소형화할 수 있다.
도6은, 본 발명의 제3실시형태에 관한 보일러 시스템(1b)의 구성을 나타내는 도면이다. 보일러 시스템(1b)에서는, 도1에 나타내는 보일러 시스템(1)의 구조에 더하여 회수장치(6)가 설치된다. 보일러 시스템(1b) 이외의 구성은 도1에 나타내는 보일러 시스템(1)과 같으며, 이하의 설명에서는 대응되는 구성에 같은 부호를 붙인다.
도6에 나타나 있는 바와 같이 회수장치(6)는, 보일러 장치(5)의 제2순환로(522)상에 있어서 축열부(59)로부터 보일러부(50)로 보일러수를 유도하는 배관상에 배치된다. 회수장치(6)는, 축열부(59)로부터 제2순환로(522)로 송출된 보일러수로부터 에너지를 회수하는 장치이다. 회수장치(6)는 예를 들면 물보다 비등점(沸騰點)이 낮은 작동유체(作動流體)(바람직하게는 대체 프레온(代替 freon) R245fa 등의 유기매체(有機媒體))를 이용한 유기 랜킨 사이클(ORC:Organic Rankine Cycle)에 의하여 열에너지를 동력으로서 회수하는 것이다. 회수장치(6)는, ORC순환로(61)와, ORC열교환기(62)와, 팽창기(膨脹機)(63)와, 응축기(凝縮器)(64)와, ORC펌프(65)를 구비한다. ORC열교환기(62), 팽창기(63), 응축기(64) 및 ORC펌프(65)는, 작동유체가 순환하는 ORC순환로(61)에 의하여 상기 순서로 접속된다.
회수장치(6)에서는, ORC펌프(65)에 의하여 작동유체가 가압되어 ORC열교환기(62)로 송출된다. ORC열교환기(62)는, 제2순환로(522)상에 있어서 축열부(59)로부터 보일러부(50)로 보일러수를 유도하는 배관상에 배치된다. 구체적으로는 ORC열교환기(62)는, 제2순환로(522)중에서 축열부(59)로부터 압축공기 열교환기(56)로 보일러수가 유도되는 배관상에 배치된다. ORC열교환기(62)에서는, 제2순환로(522)를 흐르는 보일러수를 열원으로 하여 ORC펌프(65)로부터 송출된 작동유체가 가열되어 기화한다. 또한 제2순환로(522)를 흐르는 보일러수는, ORC열교환기(62)에 있어서 회수장치(6)의 작동유체에 의하여 냉각되어, 보일러수의 온도는 저하한다.
ORC열교환기(62)에 의하여 가열되어 기화된 작동유체는, ORC순환로(61)를 통하여 팽창기(63)로 유도된다. 팽창기(63)는, ORC열교환기(62)에서 기화된 가스상의 작동유체를 팽창시켜서 기계적 에너지를 회수한다. 팽창기(63)로서는 예를 들면 작동유체에 의하여 회전하는 터빈이 이용된다. 당해 터빈의 축(軸)은 발전기(8)에 접속되어 있어, ORC열교환기(62)로부터 반송되는 작동유체에 의하여 터빈이 구동됨으로써 발전기(8)에 있어서 발전이 이루어진다.
팽창기(63)를 통과한 가스상의 작동유체는 응축기(64)로 유도된다. 응축기(64)는, 팽창기(63)에서 팽창시킨 작동유체를 응축하여 액화(液化)시킨다. 응축기(64)에서 액화된 작동유체는, ORC펌프(65)에 의하여 상기한 바와 같이 가압되어 ORC열교환기(62)로 송출된다.
보일러 시스템(1b)에서는, 도1에 나타내는 보일러 시스템(1)과 마찬가지로 축열모드에 있어서 보일러 본체(51)로부터 송출된 보일러수가 제2순환로(522)를 통하여 축열부(59)로 유도되어, 축열부(59)의 축열재를 가열한다(즉 축열부(59)에 의한 축열이 이루어진다). 축열부(59)로부터 송출된 보일러수는, 회수장치(6)의 ORC열교환기(62)를 통과하여, 압축공기 열교환기(56)에 의하여 가열되어 보일러 본체(51)로 되돌아간다. 또한 도7에 나타나 있는 바와 같이 급열모드에 있어서는, 보일러 본체(51)로부터 송출된 보일러수는 제2순환로(522)를 통하여 축열부(59)로 유도되어, 축열부(59)의 축열재에 의하여 가열된 후에 보일러부(50)의 보일러 본체(51)로 되돌아간다.
이와 같이 선내의 증기 시스템으로 증기를 공급하는 보일러부(50)에, 도1에 나타내는 보일러 시스템(1)과 마찬가지로 상기의 축열부(59), 제2펌프(55) 및 제2순환로(522)를 추가함으로써, 원동기(3)의 폐열을 축적함과 아울러 축적된 폐열을 이용하여 보일러수를 가열하는 간단한 구조의 보일러 시스템(1b)을 제공할 수 있다.
보일러 시스템(1b)에서는, 도6에 나타내는 축열모드에 있어서 ORC열교환기(62), 팽창기(63), 응축기(64) 및 ORC펌프(65)를 구비하는 회수장치(6)에 의하여, 축열부(59)에서 송출된 보일러수로부터 기계적 에너지를 회수할 수 있다. 이에 따라 보일러수에 의하여 회수된 원동기(3)의 폐열을 효율적으로 이용할 수 있다. 또한 제2순환로(522)를 순환하는 보일러수를 회수장치(6)의 ORC열교환기(62)에 있어서 냉각한 후에, 압축공기 열교환기(56)에 있어서 소기에 의하여 가열함으로써 소기의 폐열을 보일러수에 효율적으로 회수시킬 수 있다.
도8은, 본 발명의 제4실시형태에 관한 보일러 시스템(1c)의 구성을 나타내는 도면이다. 보일러 시스템(1c)에서는, 도6에 나타내는 회수장치(6)를 대신하여 회수장치(6)와는 부분적으로 구조가 다른 회수장치(6a)가 설치된다. 보일러 시스템(1c) 이외의 구성은 도6에 나타내는 보일러 시스템(1b)과 같으며, 이하의 설명에서는 대응되는 구성에 같은 부호를 붙인다.
회수장치(6a)에서는, 도6에 나타내는 팽창기(63)를 대신하여 2단 터빈(2段 turbine)인 팽창기(63a)가 설치된다. 팽창기(63a)는, 고압 터빈인 제1팽창기(631)와 저압 터빈인 제2팽창기(632)를 구비한다. 또한 회수장치(6a)는, 도6에 나타내는 회수장치(6)의 각 구성에 더하여 다른 ORC열교환기(62a) 및 다른 ORC펌프(65a)를 구비한다. 이하의 설명에서는 ORC열교환기(62, 62a)를 구별하기 위해서 각각 「제1 ORC열교환기(62)」 및 「제2 ORC열교환기(62a)」라고 부른다. 또한 ORC펌프(65, 65a)를 구별하기 위해서 각각 「제1 ORC펌프(65)」 및 「제2 ORC펌프(65a)」라고 부른다.
제2 ORC펌프(65a)는, ORC순환로(61)에 있어서 제1 ORC펌프(65)와 제1 ORC열교환기(62) 사이의 배관상에 배치된다. ORC순환로(61)에는, 제1 ORC펌프(65)와 제2 ORC펌프(65a) 사이에 분기부(61a)가 설치되고, 분기부(61a)에 있어서 ORC순환로(61)로부터 분기유로(分岐流路)(611)가 분기된다. 분기부(61a)로부터 팽창기(63a)로 향하는 분기유로(611)상에는, 제2 ORC열교환기(62a)가 배치된다. 제2 ORC열교환기(62a)는, 보일러 장치(5)의 제2순환로(522)상에 있어서 제1 ORC열교환기(62)와 압축공기 열교환기(56) 사이에 배치된다.
회수장치(6a)에서는 응축기(64)로부터의 작동유체가 제1 ORC펌프(65)에 의하여 가압되어 분기부(61a)로 송출된다. 응축기(64)로부터 송출된 작동유체의 일부는, 분기부(61a)에서 분기유로(611)로 분기되어 제2 ORC열교환기(62a)로 유도된다. 또한 작동유체의 나머지 부분은, 분기부(61a)에서 ORC순환로(61)로 분기되고, 제2 ORC펌프(65a)에 의하여 더 가압되어 제1 ORC열교환기(62)로 유도된다. 제2 ORC펌프(65a)는, 제1 ORC열교환기(62)로 유도되는 작동유체의 압력을 제2 ORC열교환기(62a)로 유도되는 작동유체의 압력보다 높게 하는 압력조정부이다.
제1 ORC열교환기(62)에서는, 축열모드에 있어서 축열부(59)로부터 송출되어 제2순환로(522)를 흐르는 보일러수를 열원으로 하여 제2 ORC펌프(65a)로부터 송출된 작동유체가 가열되어 기화한다. 제1 ORC열교환기(62)에 의하여 기화된 작동유체는, 팽창기(63a)로 유도되어 제1팽창기(631)에 공급된다. 한편 제2순환로(522)를 흐르는 보일러수는, 제1 ORC열교환기(62)에 있어서 회수장치(6a)의 작동유체에 의하여 냉각된다. 제1 ORC열교환기(62)로부터 송출된 보일러수는 제2 ORC열교환기(62a)로 유도된다.
제2 ORC열교환기(62a)에서는, 제1 ORC열교환기(62)로부터 송출된 보일러수(즉 제1 ORC열교환기(62)로부터 압축공기 열교환기(56)로 유도되는 보일러수)를 열원으로 하여 제1 ORC펌프(65)로부터 송출된 작동유체가 가열되어 기화한다. 상기한 바와 같이 제2 ORC열교환기(62a)로 유도되는 작동유체의 압력은 제1 ORC열교환기(62)로 유도되는 작동유체의 압력보다 낮기 때문에, 제2 ORC열교환기(62a)에 있어서의 작동유체의 증발온도는 제1 ORC열교환기(62)에 있어서의 작동유체의 증발온도보다 낮다. 제2 ORC열교환기(62a)에 의하여 기화된 작동유체는 팽창기(63a)로 유도되어 제2팽창기(632)에 공급된다.
한편 보일러수는, 제2 ORC열교환기(62a)에 있어서 회수장치(6a)의 작동유체에 의하여 냉각된다. 제2 ORC열교환기(62a)로부터 송출된 보일러수는, 압축공기 열교환기(56)로 유도되어 원동기(3)의 소기를 열원으로 하여 가열된 후에 보일러 본체(51)로 되돌려진다.
회수장치(6a)의 팽창기(63a)에서는, 제1 ORC열교환기(62)에서 기화된 작동유체가 제1팽창기(631)에 있어서 팽창하고, 팽창후의 당해 작동유체 및 제2 ORC열교환기(62a)에서 기화된 작동유체가 제2팽창기(632)에 있어서 합류하여 팽창한다. 그리고 팽창기(63a)에 있어서 작동유체의 팽창에 의하여 회수된 기계적 에너지에 의하여 발전기(8)에 있어서의 발전이 이루어진다.
보일러 시스템(1c)에서는, 도6에 나타내는 보일러 시스템(1b)과 마찬가지로 축열모드에 있어서 보일러 본체(51)로부터 송출된 보일러수가, 제2순환로(522)를 통하여 축열부(59)로 유도되어 축열부(59)의 축열재를 가열한다(즉 축열부(59)에 의한 축열이 이루어진다). 축열부(59)로부터 송출된 보일러수는, 회수장치(6a)의 제1 ORC열교환기(62) 및 제2 ORC열교환기(62a)를 통과하여, 압축공기 열교환기(56)에 의하여 가열되어 보일러부(50)의 보일러 본체(51)로 되돌아간다. 또한 도9에 나타나 있는 바와 같이 급열모드에 있어서는, 보일러 본체(51)로부터 송출된 보일러수는 제2순환로(522)를 통하여 축열부(59)로 유도되어, 축열부(59)의 축열재에 의하여 가열된 후에 보일러부(50)의 보일러 본체(51)로 되돌아간다.
이와 같이 선내의 증기 시스템으로 증기를 공급하는 보일러부(50)에, 도6에 나타내는 보일러 시스템(1b)과 마찬가지로 상기의 축열부(59), 제2펌프(55) 및 제2순환로(522)를 추가함으로써, 원동기(3)의 폐열을 축적함과 아울러 축적된 폐열을 이용하여 보일러수를 가열하는 간단한 구조의 보일러 시스템(1c)을 제공할 수 있다.
보일러 시스템(1c)에서는, 도8에 나타내는 축열모드에 있어서 회수장치(6a)의 제1 ORC열교환기(62)에 있어서의 작동유체의 증발온도 및 압력을 높게 함으로써, 팽창기(63a)에 있어서의 열낙차(熱落差)를 크게 할 수 있어, 팽창기(63a)에 의한 에너지의 회수효율을 향상시킬 수 있다. 또한 제2 ORC열교환기(62a)에 있어서의 작동유체의 증발온도를 제1 ORC열교환기(62)에 있어서의 작동유체의 증발온도보다 낮게 함으로써, 제1 ORC열교환기(62)에 있어서 온도가 저하된 보일러수로부터 효율적으로 열을 회수할 수 있다. 보일러 장치(5)에서는, 제1 ORC열교환기(62)에서 냉각된 보일러수를 제2 ORC열교환기(62a)에 있어서 더 냉각함으로써, 압축공기 열교환기(56)에 있어서의 소기온도와 보일러수의 온도와의 차이를 더한층 크게 할 수 있다. 그 결과, 압축공기 열교환기(56)에 있어서의 소기의 폐열의 회수효율을 향상시킬 수 있다.
상기의 보일러 시스템(1, 1a∼1c)에서는 다양한 변경이 가능하다.
유량제어부(571)는 3방향 밸브에 한정되지 않고 예를 들면 순환펌프가 유량제어부(571)로서 이용되더라도 좋다. 혹은 제2펌프(55)로서 유량을 제어 가능한 인버터 펌프(inverter pump)가 이용되어, 상기의 온도차(Δt)에 의거하여 제2순환로(522)를 흘러 보일러 본체(51)로 되돌아가는 보일러수의 유량이 제어되더라도 좋다. 이 경우에 당해 인버터 펌프의 유량제어 부분이 유량제어부(571)가 된다.
팽창기(63, 63a)는, 반드시 터빈에 한정되지 않고 예를 들면 스크루 팽창기(screw 膨脹機)이더라도 좋다. 도8에 나타내는 보일러 시스템(1c)에서는, 제2 ORC펌프(65a)를 대신하여 감압밸브(減壓valve)가 분기유로(611)상에 압력조정부로서 설치되더라도 좋다.
보일러 시스템(1, lb, 1c)의 보일러부(50)에서는, 제1순환로(521)를 흐르는 보일러수를 가열하는 열원은, 반드시 원동기(3)로부터의 배기에 한정되지 않고 원동기(3)로부터의 폐열이면 좋다. 예를 들면 제1순환로(521)를 흐르는 보일러수가, 소기로(31)상에 배치된 열교환기에 있어서 소기로(31)를 흐르는 소기를 열원으로 하여 가열되더라도 좋다. 보일러 시스템(1b, 1c)에서는, 보일러부(50)를 대신하여 도4에 나타내는 보일러부(50a)가 설치되더라도 좋다.
보일러 시스템(1, 1a∼1c)에서는 압축공기 열교환기(56) 및 절체부(572)가 생략되더라도 좋다. 이 경우에 축열모드 및 급열모드의 쌍방에 있어서 축열부(59)로부터 송출된 보일러수는, 직접적으로 유량제어부(571)로 유도된다. 이에 따라 보일러 시스템(1, 1a∼1c)의 구조를 간소화할 수 있다.
보일러 시스템(1, 1a∼1c)에서는, 보일러수를 대신하여 열매유(熱媒油) 등의 다양한 매체가 이용되더라도 좋다. 보일러 시스템(1, 1a∼1c)의 보일러 장치(5)에 있어서의 매체로서 열매유가 이용되는 경우에, 보일러 장치(5)에서는 매체의 증기는 생성되지 않고, 보일러 장치(5)에 의하여 가열된 액상의 열매유가 선내의 연료유, 윤활유, 생활용수 등의 가열원 등으로서 이용된다.
원동기(3)는 예를 들면 4사이클·디젤엔진이더라도 좋다. 이 경우에 컴프레서(42)에 의하여 가압된 흡기인 압축공기는 「급기(給氣)」라고 불리고, 소기로(31)는 급기로(給氣路)라고 불린다. 또한 원동기(3)는, 디젤엔진 이외의 내연기관이더라도 좋고, 내연기관 이외의 원동기이더라도 좋다. 원동기(3)는 선박의 주기관 이외의 다양한 용도에 이용되어 좋고, 보일러 시스템(1, 1a∼1c)도 선박의 보조 보일러 시스템 이외의 다른 용도에 이용되어서 좋다.
상기의 실시형태 및 각 변형예에 있어서의 구성은, 서로 모순되지 않는 한 적절하게 조합되어서 좋다.
발명을 상세하게 묘사하여 설명했지만 상기한 설명은 예시적으로서 한정적인 것은 아니다. 따라서 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 한 다수의 변형이나 태양이 가능하다고 할 수 있다.
1, 1a∼1c ; 보일러 시스템
3 ; 원동기
6, 6a ; 회수장치
32 ; 배기로
50, 50a ; 보일러부
51 ; 보일러 본체
53 ; 제1펌프
54 ; 배기 열교환기
55 ; 제2펌프
56 ; 압축공기 열교환기
59 ; 축열부
62 ; (제1) ORC열교환기
62a ; 제2 ORC열교환기
63, 63a ; 팽창기
64 ; 응축기
65 ; (제1) ORC펌프
65a ; 제2 ORC펌프
511 ; 압축부
521 ; 제1순환로
522 ; 제2순환로
571 ; 유량제어부
573 ; 온도차 취득부

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 보일러 시스템(boiler system)으로서,
    액상(液狀)의 매체(媒體)를 저장하고, 원동기로부터의 폐열(廢熱)을 열원(熱源)으로 하여 매체를 가열하는 보일러부(boiler部)와,
    상기 보일러부로부터 액상의 매체를 송출하고, 순환로(循環路)를 통하여 상기 보일러부로 순환시키는 펌프(pump)와,
    축열재(蓄熱材)를 구비하고, 상기 축열재와 상기 순환로를 흐르는 매체와의 사이에서 열교환을 하고, 상기 축열재가 상기 순환로를 흐르는 매체보다 저온인 경우에 상기 축열재에 의하여 축열(蓄熱)을 하고, 상기 축열재가 상기 순환로를 흐르는 매체보다 고온인 경우에 상기 축열재에 의하여 매체를 가열(加熱)하는 축열부(蓄熱部)와,
    상기 보일러부에 있어서의 매체의 온도로부터 상기 축열부에 있어서의 상기 축열재의 온도를 감산(減算)한 온도차를 구하는 온도차 취득부(溫度差 取得部)와,
    상기 온도차에 의거하여 상기 축열부로부터 상기 보일러부로 유도되는 매체의 유량을 제어하는 유량제어부(流量制御部)를
    구비하고,
    상기 온도차가 커지게 됨에 따라 상기 유량제어부에 의하여 상기 유량이 감소하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  6. 보일러 시스템으로서,
    액상의 매체를 저장하고, 원동기로부터의 폐열을 열원으로 하여 매체를 가열하는 보일러부와,
    상기 보일러부로부터 액상의 매체를 송출하고, 순환로를 통하여 상기 보일러부로 순환시키는 펌프와,
    축열재를 구비하고, 상기 축열재와 상기 순환로를 흐르는 매체와의 사이에서 열교환을 하고, 상기 축열재가 상기 순환로를 흐르는 매체보다 저온인 경우에 상기 축열재에 의하여 축열을 하고, 상기 축열재가 상기 순환로를 흐르는 매체보다 고온인 경우에 상기 축열재에 의하여 매체를 가열하는 축열부와,
    상기 순환로에 있어서 상기 축열부로부터 상기 보일러부로 매체를 유도하는 배관상에 배치되어, 상기 축열부로부터 송출된 매체로부터 에너지를 회수하는 회수장치(回收裝置)를
    구비하고,
    상기 회수장치가,
    상기 순환로를 흐르는 매체를 열원으로 하여 유기매체(有機媒體)인 작동유체(作動流體)를 가열하여 기화(氣化)시키는 ORC열교환기와,
    상기 ORC열교환기에서 기화된 작동유체를 팽창시켜서 기계적 에너지를 회수하는 팽창기(膨脹機)와,
    상기 팽창기에서 팽창시킨 작동유체를 응축하여 액화(液化)시키는 응축기(凝縮器)와,
    상기 응축기에서 액화된 작동유체를 상기 ORC열교환기로 송출하는 ORC펌프를
    구비하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  7. 삭제
  8. 보일러 시스템으로서,
    액상의 매체를 저장하고, 원동기로부터의 폐열을 열원으로 하여 매체를 가열하는 보일러부와,
    상기 보일러부로부터 액상의 매체를 송출하고, 순환로를 통하여 상기 보일러부로 순환시키는 펌프와,
    축열재를 구비하고, 상기 축열재와 상기 순환로를 흐르는 매체와의 사이에서 열교환을 하고, 상기 축열재가 상기 순환로를 흐르는 매체보다 저온인 경우에 상기 축열재에 의하여 축열을 하고, 상기 축열재가 상기 순환로를 흐르는 매체보다 고온인 경우에 상기 축열재에 의하여 매체를 가열하는 축열부를
    구비하고,
    상기 매체가 보일러수이며,
    상기 보일러부에 있어서, 상기 보일러수의 증기(蒸氣)가 생성되고,
    상기 보일러 시스템은, 상기 보일러부로부터 외부로 송출되는 보일러수의 증기를 압축하는 증기압축부(蒸氣壓縮部)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  9. 보일러 시스템으로서,
    액상의 매체를 저장하고, 원동기로부터의 폐열을 열원으로 하여 매체를 가열하는 보일러부와,
    상기 보일러부로부터 액상의 매체를 송출하고, 순환로를 통하여 상기 보일러부로 순환시키는 펌프와,
    축열재를 구비하고, 상기 축열재와 상기 순환로를 흐르는 매체와의 사이에서 열교환을 하고, 상기 축열재가 상기 순환로를 흐르는 매체보다 저온인 경우에 상기 축열재에 의하여 축열을 하고, 상기 축열재가 상기 순환로를 흐르는 매체보다 고온인 경우에 상기 축열재에 의하여 매체를 가열하는 축열부를
    구비하고,
    상기 원동기가 선박(船舶)의 주기관(主機關)이며,
    상기 보일러부가 상기 선박의 보조 보일러(補助 boiler)인 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  10. 제5항, 제6항, 제8항 및 제9항 중의 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 보일러부가,
    액상의 매체를 저장하는 보일러 본체(boiler 本體)와,
    상기 보일러 본체로부터 액상의 매체를 송출하고, 다른 순환로를 통하여 상기 보일러 본체로 순환시키는 다른 펌프와,
    상기 원동기의 배기로(排氣路)를 흐르는 배기를 열원으로 하여 상기 다른 순환로를 흐르는 매체를 가열하는 배기 열교환기(排氣 熱交換器)를
    구비하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  11. 제5항, 제6항, 제8항 및 제9항 중의 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 보일러부가, 액상의 매체를 저장함과 아울러 상기 배기로가 관통되는 보일러 본체를 구비하고,
    상기 배기로를 흐르는 배기에 의하여 상기 보일러 본체내의 매체가 가열되는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  12. 제5항, 제6항, 제8항 및 제9항 중의 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 순환로에 있어서 상기 축열부로부터 상기 보일러부로 매체를 유도하는 배관(配管)상에 배치되어, 상기 원동기로 공급되는 가압(加壓)된 흡기(吸氣)인 압축공기를 열원으로 하여 매체를 가열하는 압축공기 열교환기(壓縮空氣 熱交換器)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.


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