KR19980017831U - 병합 사이클 엔진 - Google Patents

Abstract

에너지 활용도를 높이기 위해 오픈 사이클 시스템과 클로즈드 사이클 시스템을 결합한 병합 사이클 엔진이 개시되어 있다.

일반적으로 오픈 사이클 시스템은 연소에 의해 생성된 많은 열을 외부에 방출시키므로 효율이 낮으며, 클로즈드 사이클 시스템은 외부 가열 장치와 별도의 냉각 장치가 있어야 한다는 단점이 있다.

이와 같은 각각의 시스템이 갖는 단점을 보완하고 열효율을 높이기 위하여 병합 사이클 엔진을 제1 압축기, 열교환기, 연소기, 제1터빈, 배기부, 및 제1 동력사용기기를 포함하는 오픈 사이클 시스템; 및 제2 압축기, 오픈 사이클 시스템과 공용의 연소기, 제2터빈, 오픈 사이클 시스템과 공유되는 상호 열교환용 열교환기, 및 제2 동력사용기기를 포함하는 클로즈드 사이클 시스템을 포함하여 구성하였다.

이와 같은 병합 사이클 엔진은 발전소용, 선박용 등의 용도에 에너지 절약 시스템으로 사용될 수 있다.

Description

병합 사이클 엔진

본 고안은 에너지 효율을 향상시키기 위해 오픈 사이클 엔진에 클로즈드 사이클을 부가한 병합 사이클 엔진에 관한 것이다.

일반적으로 오픈 사이클 엔진은 연소에 의해 생성된 많은 열을 외부에 방출시키므로 효율이 낮으며, 클로즈드 사이클 엔진은 외부 가열 장치와 별도의 냉각 장치가 있어야 한다는 단점이 있다. 클로즈드 사이클 시스템에 사용되는 냉각 장치는 사용 용도에 따라 그 규모와 냉각 정도에 차이가 있으나 상당한 시설 투자가 요구될 뿐만 아니라 대부분의 경우에 냉각 과정에서 열교환으로 추출된 열이 그대로 버려지게 되어 전체적인 사이클의 효율이 저하되는 문제가 있다. 예를 들어, 발전소의 경우에 냉각시설이 차지하는 비중도 높으며 엄청난 양의 냉각용수가 사용되며 많은 열이 냉각용수를 통해 버려지고 있다.

이와 같이 각각의 사이클이 갖는 단점을 보완하고 전반적인 에너지 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 이루어져 왔다는 것은 주지의 사실이다. 예를 들어, 에너지 사용 효율을 높이기 위한 시스템의 대표적인 것으로 열병합 발전소가 알려져 있다. 컨덴서(condenser)에서 열교환을 통하여 증기로부터 열을 전달 받은 냉각용수를 버리지 않고 이를 지역 난방 등에 활용하는 열병합 발전소의 경우에 발전의 관점에서는 다소 성능이 떨어지지만 전체적인 에너지 활용도는 훨씬 높아진다는 장점이 있다. 그러나, 지역 난방에 의해 열을 방출하는 열병합 발전소의 경우에 계절적으로 열 방출 효과가 크게 변할 수 있어, 발전기가 계절에 관계없이 일정한 성능으로 운영되기 위해서는 보조적인 컨덴서 또는 냉각 장치를 필요로 할 수 있다는 단점이 있다. 물론, 이 경우에 지역 난방에 사용되던 열은 대부분 버려지게 된다.

본 고안의 목적은 오픈 사이클 엔진에 클로즈드 사이클 장치를 부가하여 전반적인 효율을 증대시킬 수 있는 병합 사이클 엔진을 제공하는 것이다.

본 고안의 병합 사이클 엔진은 흡입 공기를 압축하는 제1 압축기, 상기 제1 압축기로부터의 압축 공기를 예열하기 위한 열교환기, 상기 열교환기를 통하여 공급되는 압축 공기와 연료를 연소시키는 연소기, 상기 연소기에서 연소에 의해 압력이 증가된 연소 배기 가스에 의해서 회전되는 제1터빈, 상기 제1터빈을 통해서 배출되는 배기 가스가 배출되는 배기부, 및 상기 제1 압축기와 상기 제1터빈의 축에 연결된 제1 동력사용기기를 포함하는 오픈 사이클 시스템; 및

사용되는 유체를 압축하기 위한 제2 압축기, 상기 오픈 사이클 시스템과 공용으로 사용되며 상기 제2 압축기를 통과한 유체가 가열되는 상기 연소기, 상기 연소기에 의해 가열되고 압력이 증가된 유체에 의해서 회전되는 제2터빈, 상기 오픈 사이클 시스템과 열교환이 이루어지며 상기 제2터빈을 통과한 유체를 냉각시키기 위한 상기 열교환기, 및 상기 제2 압축기와 상기 제2터빈의 축에 연결된 제2 동력사용기기를 포함하는 클로즈드 사이클 시스템을 포함하여 구성된다.

본 고안의 다른 실시예의 병합 사이클 엔진은 상기 오픈 사이클의 배기부 내에 상기 제2 압축기와 상기 연소기 사이에 설치되어 이들 사이에 흐르는 유체를 예열하기 위한 이코노마이저가 설치된다.

상기와 같은 구성을 갖는 병합 사이클 엔진에 있어서, 병합 사이클 엔진을 이루는 오픈 사이클 시스템의 경우에는 열교환기에서 압축된 공기가 예열되므로 대량의 차가운 공기가 유입되는 경우에 비해 연소기에서 상승하는 온도를 낮출 수 있어 결과적으로 연료를 절감할 수 있다. 또한 클로즈드 사이클 시스템의 경우에는 제2터빈을 통과한 유체가 열교환기에서 열을 빼앗기게 되어 있어 열교환기는 클로즈드 사이클 시스템의 냉각 장치의 역할을 하게 된다. 또한 이코노마이저를 설치하는 경우에 오픈 사이클 시스템의 배기부를 통하여 버려지는 열이 클로즈드 시스템에서 활용될 수 있다. 따라서, 전체적으로 볼 때, 클로즈드 사이클 시스템의 관점에서 냉각 장치인 열교환기를 통하여 일반적으로 버려지는 에너지가 오픈 사이클 시스템에서 활용되는 것이며, 전체적인 에너지 활용도가 높아지는 것이다.

도 1은 본 고안의 병합 사이클 엔진의 전체적인 시스템의 계통을 보여주는 계통도, 그리고,

도 2는 도 1에 도시된 실시예에 이코노마이저가 추가로 설치되어 있는 상태를 보여주는 계통도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1. 오픈 사이클 시스템 2. 클로즈드 사이클 시스템

3. 제1 압축기 4. 열교환기

5. 연소기 6. 제1터빈

7. 배기부 8. 제1 발전기

9. 제2 압축기 10. 제2터빈

11. 제2 발전기 12. 이코노마이저

이하에서 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 고안의 병합 사이클 엔진의 전체적인 시스템의 계통을 보여주는 계통도이다. 본 고안의 병합 사이클 엔진은 오픈 사이클 시스템(1)과 클로즈드 사이클 시스템(2)으로 구성된다. 먼저, 도 1을 참조하여 오픈 사이클 시스템(1)에 관하여 설명한다. 제1 압축기(3)는 연소기(5)에서 연료의 연소에 필요한 산소를 포함한 공기를 흡입하여 압축한다. 통상적으로 이와 같은 압축은 다단계로 이루어지며, 제1 압축기(3)에서 압축된 공기는 열교환기(4)를 지나며 예열된다. 예열에 의해 온도가 높아진 공기에는 연소기(5)에서 연료가 혼합되어 연소가 이루어지며 온도가 급격히 증가하게 된다. 이와 같이, 고온 고압의 연소 배기 가스는 제1터빈(6)의 터빈 블레이드와 충돌하여 제1터빈(6)을 회전시키게 되며, 배기부(7)를 통하여 배출된다. 동력 사용기기로서 제1 발전기(8)가 제1 압축기(3)와 제1 터빈(6)의 축과 동일한 축에 연결되어 있다.

이제 도 1을 참조하여 클로즈드 사이클 시스템(2)에 관하여 설명한다. 제2 압축기(9)에서는 클로즈드 사이클 시스템(2)을 순환하는 유체를 오픈 사이클 시스템과 공용으로 사용하는 연소기(5)로 보낸다. 연소기(5)에서 고온 고압 상태로 변한 유체는 제2 터빈(10)으로 보내어 진다. 제2 터빈(10)을 통해 나온 유체(기체)는 열교환기(4)를 통과하면서 냉각된 후 제2 압축기(9) 입구로 보내져 순환 사이클을 형성하게 된다. 동력사용기기로서 제2 발전기가 제2 압축기(9)와 제2터빈의 축에 연결되어 있다.

여기서, 열교환기(4)의 설계에 따라서 클로즈드 사이클 시스템(2)에서 열교환기(4)로 유입되는 유체의 냉각 효과가 변화될 수 있다. 따라서, 충분한 열교환 면적을 확보한다면 냉각 효과는 더욱 증대될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 실시예에 이코노마이저가 추가로 설치되어 있는 상태를 보여주는 계통도이다. 도시된 바와 같이, 이코노마이저(12)가 오픈 사이클 시스템(1)의 배기부(7) 내에 제2 압축기(9)와 연소기(5) 사이에 설치되어 이들 사이에 흐르는 유체를 예열하기 위해 설치되어 있다. 이 경우에 배기부(7)로 배출되는 고온의 폐열을 활용할 수 있다는 효율적인 측면과 통상적으로 가스 터빈의 경우에 연소기(1)의 크기가 작으며 클로즈드 사이클 시스템(2)의 유체는 빠른 속도로 지나가며 관을 매체로 간접 가열되므로 충분한 예열을 할 경우에 연소기에서의 고온 가열이 효과적으로 이루어질 수 있게 된다는 측면에서 이점이 있다.

본 고안의 또 다른 실시예로서 클로즈드 사이클 시스템(2)에서 열교환기(4)와 제2 압축기(9) 사이에 보조 냉각 장치를 설치할 수 있다. 즉, 열교환기(4)의 크기를 조금 작게 하는 대신에 수냉식의 보조 냉각 장치를 설치함으로써, 제2 압축기(9)의 압축 에너지를 저감시킬 수 있다.

상술한 실시예에서는 동력사용기기로서는 모두 발전기가 사용되었지만, 여러 가지 다양한 형태의 동력사용기기가 사용될 수 있다. 예를 들면, 선박의 경우에 자가 발전기도 필요하며, 선박의 추력을 내기 위한 동력 장치도 필요하므로, 발전기와 추력 장치를 동력 사용 기기로 사용할 수도 있다.

상술한 바와 같은 병합 사이클 엔진은 오픈 사이클 시스템과 클로즈드 사이클 시스템의 중간에 열교환기를 설치함으로써, 오픈 사이클 시스템에서는 압축된 공기를 예열할 수 있는 열을 얻으며, 클로즈드 사이클 시스템에서는 제2터빈을 통과한 유체가 열교환기에서 냉각되는 효과를 얻게 된다. 또한 이코노마이저를 설치하는 경우에, 오픈 사이클 시스템의 배기부를 통하여 버려지는 열을 클로즈드 사이클 시스템의 제2 압축기에서 연소기로 유입되는 유체를 예열할 수 있게 된다. 따라서, 병합 사이클 전체로 볼 때, 에너지 활용도가 높아지게 된다.

Claims (4)

1. 흡입 공기를 압축하는 제1 압축기, 상기 제1 압축기로부터의 압축 공기를 예열하기 위한 열교환기, 상기 열교환기를 통하여 공급되는 압축 공기와 연료를 연소시키는 연소기, 상기 연소기에서 연소에 의해 압력이 증가된 연소 배기 가스에 의해서 회전되는 제1터빈, 상기 제1터빈을 통해서 배출되는 배기 가스가 배출되는 배기부, 및 상기 제1 압축기와 상기 제1터빈의 축에 연결된 제1 동력사용기기를 포함하는 오픈 사이클 시스템; 및

   사용되는 유체를 압축하기 위한 제2 압축기, 상기 오픈 사이클 시스템과 공용으로 사용되며 상기 제2 압축기를 통과한 유체가 가열되는 상기 연소기, 상기 연소기에 의해 가열되고 압력이 증가된 유체에 의해서 회전되는 제2터빈, 상기 오픈 사이클 시스템과 열교환이 이루어지며 상기 제2터빈을 통과한 유체를 냉각시키기 위한 상기 열교환기, 및 상기 제2 압축기와 상기 제2터빈의 축에 연결된 제2 동력사용기기를 포함하는 클로즈드 사이클 시스템을 포함하여 구성되는 병합 사이클 엔진.
2. 제1항에 있어서,

   상기 클로즈드 사이클 시스템에서 열교환기와 제2 압축기 사이에 보조 냉각 장치가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 병합 사이클 엔진.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 동력사용기기가 발전기인 것을 특징으로 하는 병합 사이클 엔진.
4. 제1항에 있어서,

   상기 오픈 사이클의 배기부 내에 상기 제2 압축기와 상기 연소기 사이에 설치되어 이들 사이에 흐르는 유체를 예열하기 위한 이코노마이저가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 병합 사이클 엔진.