KR102285675B1 - 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치 - Google Patents

냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 증기압축식 사이클의 응축기로부터 버려지는 폐열을 매개로 열교환 매개로 결합된 유기 랭킨 사이클 발전장치를 구성하고, 증기압축식 사이클의 압축기 토출부에 3-way 밸브를 설치하여, 한쪽 방향은 증기압축식 사이클의 실외기 방향으로, 다른 방향은 유기 랭킨 사이클 방향으로 분배하여 제어하는 것을 특징으로 하는 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 유기작동유체가 펌프에 의해 축열조, 고압터빈, 응축기로 순환되어 발전되는 ORC발전장치와; 태양열에 의하여 열을 흡수하는 집열기가 별도의 순환라인을 형성하여, 상기 축열조내부에 간접 열교환되도록 하여 축열조내에서 작동유체가 증발하도록 하고; 프레온계통의 작동유체가 압축기에 의해 실외기, 팽창밸브, 실내기로 순환되는 증기압축사이클을 형성하되, 상기 압축기의 토출구에 3-way 밸브를 장착하여, 작동유체를 예열기와 상기 실외기로 각각 분배되도록 하고, 상기 ORC발전장치의 응축기와 축열조사이의 냉매라인을 상기 예열기로 통과하도록 하여, 상기 증기압축사이클의 실외기의 고온이 상기 ORC발전장치의 작동유체로 열전달되도록 하며, 상기 3-way 밸브는 제어부에 의해 분배량이 제어되도록 이루어진 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치를 제공하고자 하는 것이다.
이를 설명하면, 낮에는 상기 집열기로부터 축열조에 열이 축열되며, 상기 축열조와 예열기로 각각의 작동유체가 순환하도록 하며, 밤시간대는 집열기로부터 순환이 중단되고, 밤에는 낮에 축열조에 태양열을 축열해 두었다가 , 상기 예열기와 축열조의 축열을 이용하여 터빈이 작동되도록 작동유체가 순환하도록 하는 것이다.
이는 70°C 내지 300°C의 저온 내지 중온의 폐열을 이용하여 증발온도가 낮고 저온에서의 비체적이 물보다 매우 작은 유기물질을 작동유체로 한 ORC를 이용하여 전기를 생산하는 장치를 제공하고자 하는 것이며, 상기 폐열로서 증기압축식 사이클의 실외기를 활용하여, 이를 에너지원으로 이용함으로써, ORC발전장치의 태양열을 이용한 집열기의 면적이 축소될수 있으며, 또한, 실외기의 면적도 컴팩트화 할수 있으므로, 공간활용 및 저렴한 제작비가 가능한 것이다.
또한, 본 발명은 ORC장치를 사용하여, 종래의 전기를 생산하는 증기 터빈 발전 시스템에서, 메인기기 및 주변 보조기기를 포함하는 복잡한 구조를 가지고, 주어진 한정된 공간에서 폐열을 회수해 증기터빈 발전시설을 갖추어야 하는 공간적 문제점을 해결할 수 있는 것이다.

Description

냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치{Power generation system by Organic Rankine Cycle using outdoor units waste heat of refrigerating and air-conditioning systems and solar energy}
본 발명은 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 에어컨, 히트펌프를 포함한 공조 냉동장치를 형성하는 증기압축식 사이클의 실외기의 응축기로부터 버려지는 폐열을 매개로 열교환 매개로 결합된 유기 랭킨 사이클 발전장치를 구성하고, 증기압축식 사이클의 압축기 토출부에 3-way 밸브를 설치하여, 한쪽 방향은 증기압축식 사이클의 실외기 방향으로, 다른 방향은 유기 랭킨 사이클 방향으로 분배하여 제어하는 것을 특징으로 하는 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치에 관한 것이다.
물보다 비등점이 낮고 증기압이 큰 냉매를 작동유체로 사용하는 ORC(Organic Rankine Cycle system) 시스템은 유기 랭킨 사이클로 열원으로부터 배출되는 열을 증발기를 통해서 전달하여 작동유체(working fluid)를 끓게 만들어 증기를 만들어 터빈 또는 기타 추출 설비를 통해 팽창하여 작동되게 된다.
이와 같은 공정을 통해서 터빈에서 전력을 생산할 수 있는 발전기이다.
증기 터빈 발전 시스템은, 폐열회수 보일러, 터빈발전기, 복수기, 펌프 등의 주기기 이외에, 수처리 설비, 냉각수 설비 등의 주변 보조기기를 포함하는 복잡한 구조를 가지므로, 주어진 한정된 공간에서 폐열을 회수해 증기터빈 발전시설을 갖추는 것은 공간적 한계가 있다.
또한, 고압의 증기 배관 라인이 필요하고, 일반적인 폐열 온도인 250℃~350℃에서는 터빈 발전기를 구동하기 위한 증기 발생 효율이 낮으며, 단위 용적당 필요 전열면적이 넓고, 유지보수 또한 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 증기 터빈 발전 시스템의 한계를 극복하기 위한 노력의 일환으로, 산업폐열이나 신재생에너지를 이용한 유기랭킨 사이클(ORC, Organic Rankine Cycle) 발전장치를 제공하고자 하는 것이다.
대한민국 특허 10-1162619 대한민국 특허 10-1247772
본 발명의 실시예는 증기압축식 사이클의 실외기의 응축기에서 버려지는 응축열을 유기랭킨 사이클의 에너지원으로 활용함으로써, 터빈으로부터 전기를 생산하는 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치를 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 본 발명은 유기작동유체가 펌프에 의해 축열조, 고압터빈, 응축기로 순환되어 발전되는 ORC발전장치와; 태양열에 의하여 열을 흡수하는 집열기가 별도의 순환라인을 형성하여, 상기 축열조내부에 간접열교환되도록 하고; 프레온계통의 작동유체가 압축기에 의해 실외기, 팽창밸브, 실내기로 순환되는 증기압축사이클을 형성하되, 상기 압축기의 토출구에 3-way 밸브를 장착하여, 작동유체를 예열기와 상기 실외기로 각각 분배되도록 하고, 상기 ORC발전장치의 응축기와 축열조사이의 냉매라인을 상기 예열기로 통과하도록 하여, 상기 증기압축사이클의 실외기의 고온이 상기 ORC발전장치의 작동유체로 열전달되도록 하며, 상기 3-way 밸브는 제어부에 의해 분배량이 제어되도록 이루어진 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치를 제공하고자 하는 것이다.
발명은 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치로서, 70°C 내지 300°C의 저온 내지 중온의 폐열을 이용하여 증발온도가 낮고 저온에서의 비체적이 물보다 매우 작은 유기물질을 작동유체로 한 ORC를 이용하여 전기를 생산하는 장치를 제공하고자 하는 것이며, 상기 폐열로서 증기압축식 사이클의 실외기를 활용하여, 이를 에너지원으로 이용함으로써, ORC발전장치의 태양열을 이용한 집열기의 면적이 축소될 수 있으며, 또한, 실외기의 면적도 컴팩트화 할수 있으므로, 공간활용 및 저렴한 제작비가 가능한 것이다.
또한, 본 발명은 ORC장치를 사용하여, 종래의 전기를 생산하는 증기 터빈 발전 시스템에서, 메인기기 및 주변 보조기기를 포함하는 복잡한 구조를 가지고, 주어진 한정된 공간에서 폐열을 회수해 증기터빈 발전시설을 갖추어야 하는 공간적 문제점을 해결할 수 있는 것이다.
또한, 종래의 증기 터빈 발전 시스템에서는 증기생산을 위하여 250℃ 내지 350℃의 고온의 온도를 필요로 하나, 본 발명의 ORC장치는 100℃이하의 중저온에서도 발전이 가능한 장점이 있으므로, 이로 인한 구성 및 제어가 매우 간단한 장치를 제공할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 ORC작동유체의 온도-엔트로피 선도를 나타낸 개략도.
본 발명의 특징과 장점은 첨부된 도면에 의하여 설명되는 실시 예에 의하여 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
다음에서 도 1은 본 발명의 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치를 나타낸 개략도이며, 도 2는 본 발명에 따른 ORC작동유체의 온도-엔트로피 선도를 나타낸 개략도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.
본 발명은
유기작동유체가 펌프(30)에 의해 축열조(60), 고압터빈(10), 응축기(20)로 순환되어 발전되는 ORC발전장치(200)와;
태양열에 의하여 열을 흡수하는 집열기(50)가 별도의 순환라인을 형성하여, 상기 축열조(60)내부에 간접 열교환되도록 하고;
프레온계통의 작동유체가 압축기(100)에 의해 실외기(120), 팽창밸브(130), 실내기(140)로 순환되는 증기압축사이클(300)을 형성하되, 상기 압축기(100)의 토출구에 3-way 밸브(110)를 장착하여, 작동유체를 예열기(40)와 상기 실외기(120)로 각각 분배되도록 하고,
상기 ORC발전장치(200)의 응축기(20)와 축열조(50)사이의 냉매라인을 상기 예열기(40)로 통과하도록 하여,
상기 증기압축사이클(300)의 실외기(120)의 고온이 상기 ORC발전장치(200)의 작동유체로 열전달되도록 하며,
상기 3-way 밸브(110)는 제어부(400)에 의해 분배량이 제어되도록 이루어진 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치에 관한 것이다.
또한, 상기 제어부(400)에 의하여 3-way 밸브(110)는 낮과 밤에 의하여 분배가 제어되되,
밤에는 낮에 비하여 상대적으로 실외기(120)방향보다는 예열기(40)방향으로의 냉매분배량이 감소하도록 조절되는 것이다.
이를 설명하면, 본 발명은 ORC발전장치(200)와 태양열에 의하여 열을 흡수하는 집열기(50)가 별도의 순환라인과, 증기압축사이클(300)로 이루어진 3개의 각각 독립적인 작동유체의 순환라인으로 이루어져 있으며, 특히, ORC발전장치 (200)의 유기작동유체와 상기 축열조(60)에 열을 공급하는 태양열에 의하여 열을 흡수하는 집열기(50)가 별도의 순환라인을 형성하는 것은 유기작동유체에 이물질등의 유입으로 유기작동유체의 화학적 성분이 변하지 않도록 하는 것이다.
또한, 상기 제어부(400)에 의하여
낮에는 집열기(50)에 발생되는 작동유체의 열원을 상기 축열조(60)에 축열시키도록 순환시키고,
밤에는 작동유체가 상기 집열기(50)의 순환을 중지되도록 이루어진 것이다.
이를 설명하면, 낮에는 상기 집열기(50)로부터 축열조(60)에 열이 축열되며, 상기 축열조(60)와 예열기(40)로 각각의 작동유체가 순환하도록 하며, 밤시간대는 집열기(50)로부터 순환이 중단되고, 밤에는 낮에 축열조(60)에 태양열을 축열해 두었다가, 상기 예열기(40)와 축열조(60)의 축열을 이용하여 터빈이 작동되도록 작동유체가 순환하도록 하는 것이다.
이를 상세히 설명하면,
물보다 비등점이 낮고 증기압이 큰 냉매를 작동유체로서, 유기물질을 이용하는 ORC발전장치(200)로서, 유기작동유체가 펌프(30)에 의해 태양열에 의하여 축열된 축열조(60), 고압터빈(10), 응축기(20)로 순환되어 발전장치를 제공하는 것이다.
상기 집열기(50)는 본 발명에서는 태양열을 흡수하여, 축열조(60)에 열을 축열시키고자 하는 것이다. 이 때 사용되는 열전달매체는 물이 흔히 사용되며, 다른 임의의 열매체를 사용할 수도 있다.
다른 독립적인 시스템으로서, 증기압축사이클(300)을 제공하며, 이는 프레온계통의 작동유체가 압축기(100)에 의해 실외기(120), 팽창밸브(130), 실내기(140)로 순환되는 사이클(300)을 형성하되, 상기 압축기(100)의 토출구에 3-way 밸브(110)를 장착하여, 작동유체를 예열기(40)와 상기 실외기(120)로 각각 분배되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 2개의 독립적인 사이클로서, ORC발전장치(200)와 증기압축사이클 (300)을 상기 예열기(40)라는 열교환기를 매개로 하여 상호 연결시키는 것을 특징으로 하며, 이러한 예열기(40)는 증기압축사이클 (300)의 실외기(120)의 버려지는 폐열을 분배하여, 이러한 폐열을 ORC발전장치(200)의 집열기의 기능으로 활용하는 것을 특징으로 하는 것이다.
도 2에 나타난 바와 같이, ORC발전장치(200)의 작동유체의 열역학적인 특성상, 증기압축사이클 (300)의 실외기(120)온도가 45°C 내외인 경우에도 ORC발전장치 (200)의 작동유체는 고온의 기체인 42°C 로 변환될 수 있으며, 축열조(60)을 통과하면서 80°C 및 8bar의 고온고압의 유기작동유체로 변환되며, 이는 터빈(10)을 통과하면서, 전기를 생산하며, 45°C 및 2bar저온저압의 작동유체로 토출되는 것이다.
이는 응축기(20)을 통과하면서 더욱 저온의 작동유체로 변환되며, 펌프(30)로 흡입되는 것이다.
종래의 증기 터빈 발전 시스템에서는 증기생산을 위하여 250℃ 내지 350℃의 고온고압의 작동유체가 반드시 필요로 하나, 본 발명의 ORC의 유기작동유체는 상대적으로 80℃내외의 저온에서도 고온의 기체상태로 변환될 수 있으므로, 이를 이용하여 터빈에 의하여 전기를 생산하고자 하는 것이다.
증기압축사이클 (300)의 실외기(120)의 폐열을 이용하여, ORC장치의 집열기(50)의 크기를 축소시킬수 있도록, 상기 ORC발전장치(200)의 응축기(20)와 축열조(60)사이의 냉매라인을 상기 예열기(40)로 통과하도록 하는 것이다.
이로 인하여, 상기 증기압축사이클(300)의 실외기(120)의 고온이 상기 ORC발전장치(200)의 작동유체로 열전달되며, 집열기의 크기를 축소시킬수 있는 것이다.
이러한 폐열을 이용하기 위하여 상기 3-way 밸브(110)를 제어부(400)에 연결시켜서 설정된 조건에 의하여 분배량이 제어되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의한 제어부(400)를 상세히 설명하면,
밤에는 낮에 비하여 상대적으로 실외기(120)방향보다는 예열기(40)방향으로의 냉매분배량이 감소하도록 조절되는 것이다.
실시예로서, 증기압축사이클(300)에서, 낮에는 실외기(120)로 70% 내지 80%, 예열기(40)로 30% 내지 20%의 냉매분배량이 되도록 조절하며, 밤에는 실외기(120)로 80% 내지 90%, 예열기(40)로 20% 내지 10%되도록 조절하는 것이다.
이는 밤에 예열기에서 처리해야 할 열량이 낮보다 커지게 되면, ORC발전장치의 냉매의 질량유량도 함께 커져야 하고, 그렇게 되면 밤에는 축열된 열량만을 가지고 방열을 해야 하는데 낮보다 더 많은 냉매를 포화증기로 만들어야 하므로, 축열조의 축열량이 조기 방전될 것이기 때문이다.
또한, 낮에는 상기 태양열에 의한 집열기(50)와 예열기(40)로 각각의 작동유체가 순환하도록 하며,
밤에는 상기 태양열에 의한 집열기(50)는 폐쇄시키며, 상기 축열조(60)와 예열기(40)로 작동유체가 순환하도록 하는 것이다.
이는 밤에는 태양의 일사량이 없어서 집열기의 기능이 발생되지 못하므로, 응축기의 폐열과 축열조의 축열로 작동유체의 증발을 하여야 함으로 압축기 토출 냉매량을 ORC 방향으로 낮에 비하여 상대적으로 더 적게 분배되도록 제어하기 때문이다.
실시예로서, ORC발전장치(200)에서, 낮에는 상기 태양열에 의한 집열기(50), 축열조(60)와 예열기(40)로 각각의 작동유체가 순환하도록 하는 것이며, 밤에는 상기 태양열에 의한 집열기(50)는 폐쇄시키며, 상기 예열기(40)와 축열조(60)의 축열로 작동유체가 순환하도록 하는 것이다.
10: 고압터빈 20: 응축기
30: 펌프 40: 예열기
50: 집열기 60: 축열조
100: 압축기 110: 3-way 밸브
120: 실외기 130: 팽창밸브
140: 실내기
200: ORC발전장치 300: 증기압축사이클
400: 제어부

Claims (2)

  1. 유기작동유체가 펌프(30)에 의해 축열조(60), 고압터빈(10), 응축기(20)로 순환되어 발전되는 ORC발전장치(200)와;
    태양열에 의하여 열을 흡수하는 집열기(50)가 별도의 순환라인을 형성하여, 상기 축열조(60)내부에 간접열교환되도록 하여 축열조(60)내에서 작동유체가 증발하도록 하고; 프레온계통의 작동유체가 압축기(100)에 의해 실외기(120), 팽창밸브(130), 실내기(140)로 순환되는 증기압축사이클(300)을 형성하되, 상기 압축기(100)의 토출구에 3-way 밸브(110)를 장착하여, 작동유체를 예열기(40)와 상기 실외기(120)로 각각 분배되도록 하고,
    상기 ORC발전장치(200)의 응축기(20)와 축열조(60)사이의 냉매라인을 상기 예열기(40)로 통과하도록 하여,
    상기 증기압축사이클(300)의 실외기(120)의 고온이 상기 ORC발전장치(200)의 작동유체로 열전달되도록 하며,
    상기 3-way 밸브(110)는 제어부(400)에 의해 분배량이 제어되도록 이루어 지며;
    상기 제어부(400)에 의하여
    낮에는 집열기(50)에 발생되는 작동유체의 열원을 상기 축열조(60)에 축열시키도록 순환시키고,
    밤에는 작동유체가 상기 집열기(50)의 순환을 중지되도록 하며,
    상기 제어부(400)에 의하여 3-way 밸브(110)는 낮과 밤에 의하여 분배가 제어되되,
    밤에는 낮에 비하여 상대적으로 실외기(120)방향보다는 예열기(40)방향으로의 냉매분배량이 감소하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 냉동공조기 실외기 폐열 및 태양열 이용 유기 랭킨 사이클 발전장치.




  2. 삭제
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