KR20010048202A

KR20010048202A - 폐열원을 이용한 축열장치

Info

Publication number: KR20010048202A
Application number: KR1019990052787A
Authority: KR
Inventors: 정창진
Original assignee: 정창진
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2001-06-15
Also published as: KR100342459B1

Abstract

본 발명은 폐열원을 이용한 축열장치에 관한 것으로, 상변화물질로 된 축열재(11)를 포함하는 축열탱크(10, 10A)를 구비하되, 축열탱크는 고온측인 1차측과 저온측인 2차측으로 구성하고, 1, 2차 축열탱크를 경유하여 열매체유를 순환시킴과 동시에 축열을 행할 수 있도록 축열탱크의 하부 챔버를 통해 축열관(20)이 연통되고, 축열관에 폐열원을 공급받아 열매체유를 가열하는 열교환기(30)를 연결하며, 또한 열교환기는 다단식으로 된 에어 덕트(31)와, 에어 덕트에 설치되어 외부의 폐열원을 열교환기내에 회수시키는 에어 블로워(32)와, 상기 에어 덕트내에 장치되고 축열관과 연결되어 에어 덕트내의 폐열원과 열교환되는 열교환튜브(33) 또는 히트 파이프로 구성하여, 외부의 폐열원을 이용하여 축열을 행함과 동시에 이 축열원으로 난방 또는 급탕을 행함으로써 난방비용을 대폭 절감할 뿐만 아니라, 폐열과 열교환매체의 흐름을 상호 역방향으로 교차하도록 함으로써 폐열원과 축열을 위한 열매체의 열교환 효율을 극대화할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

폐열원을 이용한 축열장치{Storage heat device using waste heat}

본 발명은 폐열원을 이용한 축열장치에 관한 것으로, 특히 폐열을 회수시키는 에어 블로워를 갖는 에어 덕트와, 폐열과 열교환하여 축열탱크를 축열시킬 수 있도록 열매체를 순환시키는 축열관을 에어 덕트내에 장치하고, 축열재가 내장된 복수의 축열탱크를 구비하면서 이 축열탱크에 축열관이 경유하도록 한 것인 바, 외부의 폐열원을 이용하여 축열을 행함과 동시에 이 축열원으로 난방 또는 급탕을 행함으로써 난방비용을 대폭 절감할 수 있고, 뿐만 아니라 폐열과 열교환매체의 흐름을 상호 역방향으로 교차하도록 함으로써 폐열원과 축열을 위한 열매체의 열교환 효율을 극대화할 수 있는 폐열원을 이용한 축열장치에 관한 것이다.

일반적으로 소각로나 보일러 또는 각종 연소장치나 가열장치를 가동하면서 많은 양의 폐열이 발생하고 있으나 통상 이러한 폐열원을 이용하는 경우가 많지 않고, 또한 폐열원을 이용하더라도 단순히 폐열원이 발생하는 지점이나 파이프 라인을 분기하고 이를 단열처리하여 직접적으로 공급받는 것으로, 폐열 에너지의 이용에 매우 소극적일 뿐만 아니라 폐열원의 이용효율 또한 크게 떨어지는 결점이 있었다.

뿐만 아니라 종래에 폐열을 회수ㆍ이용하는 장치에 있어서는 그 설비의 규모와 구조가 복잡할 뿐만 아니라 설비의 단가가 비경제적으로 높은 수준이어서 현실적으로 이러한 폐열회수설비를 이용함에 있어 많은 난점이 있었다.

갈수록 에너지 생산비용과 그 사용비용이 날로 증가하고 있음에도 불구하고 특히 각 산업체나 폐열원이 대량 발생하는 공장 등에 있어 에너지 사용에 막대한 비용이 소요되는데 반하여, 발생된 대량의 폐열회수나 이용에 매우 미흡한 현실인 바 시급한 대책이 요구된다 하겠다.

본 발명의 주 목적은, 외부의 폐열원을 이용하여 축열을 행함과 동시에 이 축열원으로 난방 또는 급탕을 행함으로써 난방비용을 대폭 절감할 수 있는 폐열원을 이용한 축열장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 폐열원과 축열을 위한 열매체의 열교환 효율을 극대화할 수 있는 폐열원을 이용한 축열장치를 제공함에 있다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여, 상변화물질로 된 축열재를 포함하는 축열탱크를 구비하되, 축열탱크는 고온측인 1차측과 저온측인 2차측으로 구성되고, 1, 2차 축열탱크를 경유하여 열매체유를 순환시킴과 동시에 축열을 행할 수 있도록 축열탱크의 하부 챔버를 통해 축열관이 연통되고, 축열관에는 폐열원을 공급받아 열매체유를 가열하는 열교환기가 연결된다.

열교환기는 다단식으로 된 에어 덕트와, 에어 덕트에 설치되어 외부의 폐열원을 열교환기내에 회수시키는 에어 블로워와, 상기 에어 덕트내에 장치되고 축열관과 연결되어 에어 덕트내의 폐열원과 열교환되는 열교환튜브 또는 히트 파이프로 구성된 특징을 갖는다.

도 1은 본 발명 축열장치의 실시예를 보인 회로도

도 2는 본 발명 폐열원 열교환장치의 확대도

도 3은 도 2의 측면도

도 4는 본 발명 폐열원 열교환장치의 다른 실시예를 보인 구성도

도 5는 도 4의 측면도

도 6은 도 4의 평면도

도 7은 본 발명 폐열원 열교환장치의 또 다른 실시예를 보인 구성도

도 8은 도 7의 평면도

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉

10, 10A : 축열탱크 11 : 축열재

12 : 전기히터 20, 20A : 축열관

21 : 바이패스 파이프 22 : 열교환 챔버

30, 30A, 30B : 열교환기 31 : 에어 덕트

32 : 에어 블로워 33 : 열교환튜브

34, 35b, 35c, 36a : 흡열핀 35, 36 : 히트 파이프

35a : 방열 파이프 36b : 방열핀

40 : 팽창탱크 CV : 3방향 밸브

ECU : 컨트롤러 S, S₁: 온도센서

V : 첵 밸브 VP : 가변펌프

본 발명은 전력, 태양열, 보일러 또는 소각시 발생하는 폐열 등의 각종 열원을 이용하여 열매체를 가열하고, 가열된 열매체를 순환시켜 축열탱크에 축열을 행한 다음 축열장치로부터의 축열원을 난방, 급탕 등에 이용할 수 있는 수단을 제공한다.

이 수단은 다음의 각 실시례에서 구체화 될 것이다.

축열수단으로는 열을 일정시간 동안 저장할 수 있는 것이면 어떠한 것이라도 무방하나 유기화합물인 C₂₈H₅₈, 무기화합물중 수화염인 Na₂SO₄.10H₂O, CH₃COONa.3H₂O, CaCl₂.6H₂O, Na₂S₂O₃.5H₂O, Na₂CO₃.10H₂O, Na₂HPO₄.10H₂O, Na₄P₂O₃.10H₂O 등의 상변화물질이 타 축열매체에 비하여 비교적 용량을 감소시킬 수 있고 취급이 간편하므로 축열재로서 실용적이며, 이외에 내화특성이 우수한 축열벽돌 등이 이용될 수 있다.

이들 축열재는 대략 30∼70(℃) 범위내의 융점을 갖고, 잠열량은 30∼66(kcal/kg)로 나타나 있는 바, 대략 평당 2,000∼3,000(kcal/kg)의 열량이 요구되는 주택이나 온실 등의 난방에 실용적으로 이용될 수 있다.

따라서 이들 축열재를 이용하여 열원을 저장할 수 있으며, 축열재 또는 적어도 축열재에 근접하여 외부 열원을 순환시킴으로써 축열을 행하도록 하고, 축열재를 통과하거나 적어도 축열재를 통해 급수를 순환시켜 열교환을 행함으로써 이를 난방수 또는 급탕수로 이용할 수 있다.

바람직한 실시예가 도 1 내지 도 3에 예시되었으며, 외부로부터 열원을 공급받아 복수의 축열탱크를 순차적으로 또는 선택적으로 축열하고, 이 축열된 열원을 다시 열교환하여 난방/급탕수를 사용할 수 있는 난방시스템으로, 복수의 동일한 밀폐된 축열탱크, 바람직하게는 고온측인 1차 축열탱크(10)와 저온측인 2차 축열탱크(10A)(온도가 낮음을 의미하지 않으며 1차 축열탱크보다 상대적으로 낮은 열량을 갖는 의미임)가 구비되어 있고, 이들 축열탱크(10, 10A)에는 교체가능한 축열재(11)가 내장되어 있으며, 전력이나 보일러, 기타 폐열의 외부 열원으로부터 가열된 열매체유를 순환시켜 축열재(11)를 축열시키도록 1차측 축열탱크(10)의 하부 챔버로부터 2차측 축열탱크(10A)의 하부 챔버를 통해 축열관(20)이 연결되어 있다.

축열관(20)의 입구 또는 출구측에 가변펌프(VP)가 설치되어 축열탱크(10, 10A)를 통해 열매체유를 압송함과 동시에 이들 축열탱크(10, 10A)의 각 하부 챔버내에 충진된 유체를 축열관(20)으로부터 가열케 하고, 축열제어수단을 제공하기 위하여, 양측 축열탱크(10, 10A) 사이에 위치되는 축열관(20)에 첵 밸브(V)가 연결되어 1차 축열탱크(10)를 통과한 열매체유의 역류를 방지케 하고, 축열관(20)의 인-라인과 아웃-라인 사이에, 즉 인-라인의 일정 위치에 3방향 밸브(CV)를 연결하되, 아웃-라인의 첵 밸브(V)를 통과한 지점과 2차측 축열탱크(10A) 사이의 입구측 축열관(20)을 바이패스 파이프(21)로 3방향 밸브(CV)에 연결한다.

상기 축열탱크(10)의 하부 챔버측에는 전기히터(12)를 설치하여 외부열원이 부족할 경우 직접적으로 축열탱크(10, 10A)를 가열ㆍ축열할 수 있도록 하고, 또한 축열탱크(10)의 현재의 축열온도와 축열을 위한 열매체의 온도값을 입력ㆍ비교할 수 있도록 축열관(20)의 입구측과 축열탱크(10)에 온도센서(S, S₁)를 각각 장착하여 이들 온도센서(S, S₁)를 컨트롤러(ECU)의 입력단에 전기적으로 연결한다.

상기 3방향밸브(CV)와 가변펌프(VP) 및 전기히터(12)는 컨트롤러(ECU)의 출력단에 연결하여 축열을 위한 현재의 열매체의 온도와 축열탱크(10)의 축열온도값 비교에 따라 각각 제어할 수 있도록 구성된다.

축열매체의 가열수단을 제공하기 위하여, 축열관(20)의 입/출구측을 열교환기(30)에 연결하되, 이 열교환기(30)는 수직방향으로 연통된 다단식의 에어 덕트(31)와, 에어 덕트(31)의 최상부측으로부터 하부측을 통해 열풍을 송풍하기 위한 에어 블로워(32)와, 에어 덕트(31)내에서 지그재그로 연속 절곡되면서 그 하단이 축열관(20)의 출구측에 연결되고 상단이 축열관(20)의 입구측에 연결된 열교환튜브(33)와, 열교환튜브(33)의 주위에 연속적으로 형성된 흡열핀(34)으로 구성된다.

또한 상기 축열관(20)의 입구측에는 팽창탱크(40)가 설치되어 축열매체가 원활하게 순환되도록 함과 동시에 요구되는 순환압력을 갖도록 구성된다.

따라서 본 발명의 폐열원을 이용한 축열장치는, 소각로나 보일러로부터 또는 기타 장치로부터의 폐열이 열교환기(30)내의 에어 블로워(32)에 의해 에어 덕트(31)의 상방에 도입되고, 폐열은 다시 다단계로 형성된 에어 덕트(31)의 상방으로부터 하방으로 흐르면서 외부로 배기되는데, 이때 폐열원과의 열교환을 위한 열매체는 축열관(20)을 통해 열교환튜브(33)의 하방으로부터 상방을 통해 연속적으로 흐르면서 고온의 상태로 열교환이 이루어진다.

열교환된 고온의 열매체는 가변펌프(VP)의 구동으로 축열탱크(10, 10A)의 하부 챔버를 경유하여 다시 열교환기(30)로 연속 순환되면서 축열탱크(10, 10A)에 내장된 축열재(11)에 열원을 축적한다.

축열재(11)의 축열원은 상방으로 전도되므로 상부 챔버를 난방 또는 급탕부하에 연통시켜 열량을 이용할 수 있다.

열교환기(30)에서 에어 덕트(31)내를 흐르는 폐열풍과 열교환튜브(33)를 흐르는 열매체의 방향은 상호 역방향으로 진행되도록 하는데, 이는 열풍을 하방으로부터 상방으로 급송할 경우 열풍의 유속이 빨라 급속히 배기되므로 폐열원의 열량을 열매체에 충분히 전도할 수 없고, 또한 열매체유도 상방으로부터 하방으로 흐를 경우 역시 유속이 빨라져 폐열원의 수수효율이 떨어지게 되므로 이러한 역행 메카니즘이 바람직하다.

아울러 에어 덕트(31)와 열교환튜브(31)는 다단식으로 형성되어 있어 폐열원을 열교환기(30)내에 충분히 지체시킬 수 있음과 동시에 폐열원과 열매체유의 상호간 열전도시간을 비교적 장시간으로 유지할 수 있고 따라서 축열관(20)의 열매체유가 빠른 시간에 많은 열량을 수수할 수 있도록 된다.

한편 축열과정중 3방향 밸브(CV)는 축열관(20)의 열매체유가 일정한 온도값에 도달하기까지(축열에 요구되는 열량을 공급할 수 없는 경우) 폐쇄된 상태로 유지되고, 온도센서(S)에 의해 감지된 열매체유의 온도가 설정값에 도달하면 콘트롤러(ECU)에 의해 가변펌프(VP)와 3방향 밸브(CV)를 개방시켜 축열을 행한다.

3방향 밸브(CV)의 유로개폐는, 온도센서(S₁)로부터 검출된 축열탱크(10, 10A)의 설정온도값(축열재의 상변화온도)에 따라 축열관(20)의 온도가 2차측 축열탱크(10A)의 축열온도보다 높거나 낮으면 3방향 밸브(CV)는 1차 축열탱크(10)측으로 개방되어 1, 2차 축열탱크(10, 10A)를 모두 축열하고, 축열관(20)의 온도가 2차측 축열탱크(10A)의 축열온도보다 낮으면 3방향 밸브(CV)는 2차 축열탱크(10A)측으로 개방되어 이 축열탱크(10A) 만을 축열시키도록 한다.

전자의 경우에는 1차 축열탱크(10)를 축열하고 또는 축열을 완료한 다음 남는 열량을 이용하여 2차 축열탱크(10A)를 축열하는 것이며, 후자의 경우에는 2차측의 축열탱크(10A)만을 축열하는 것이다.

예를 들면 1차측 축열탱크(10)의 설정온도 범위가 60∼80(℃)이고 2차측 축열탱크(10A)의 설정온도 범위가 30∼40(℃)일 때, 현재 축열탱크(10)에 축열된 축열온도가 80(℃)이거나 이보다 높다면 1차측의 축열탱크(10)는 축열이 완료된 것으로 볼 수 있으며, 따라서 그 이후의 열량은 2차측 축열탱크(10A)로 전도되어 2차적인 축열을 행하게 된다.

또 이와는 달리 1차측 축열탱크(10)의 축열온도가 60(℃)보다 낮다면 축열관(20)의 열원은 1차 축열탱크(10)를 그대로 통과하여 2차측의 축열탱크(10A)만을 축열하게 될 것이다.

이 경우 2차 축열탱크(10A)는 1차측의 축열탱크(10)에서 전혀 이용할 수 없는 버려지는 열량을 이용하여 매우 가치있게 이용하는 것은 물론, 축열을 보다 신속하게 행할 수 있게 된다.

다른 한편 열교환기(30)에 대한 폐열원의 공급이 없을 경우 전기히터(12) 만으로 축열을 행할 수 있으며, 또는 폐열원의 열량이 부족할 경우에는 전기히터(12)를 보조적으로 가동할 수도 있다.

도 4 내지 도 6은 본 발명 열교환기의 다른 실시예를 보인 것으로, 여기서는 축열관(20)의 열매체유가 직접적으로 열교환기를 통해 순환하지 않고 간접적으로 2차적인 열교환이 이루어지도록 하는 것이다.

즉, 에어 덕트(31)의 상부에 열교환 챔버(22)가 형성되고, 열교환 챔버(22)의 양측에 수평상으로 축열관(20A)이 연통되어 있으며, 열교환 챔버(22)와 다단으로 형성된 에어 덕트(31)를 통해 수직방향으로 휘발성 유체가 충진된 다수의 히트 파이프(35)가 설치되어 있다.

히트 파이프(35)들은 수직방향으로 약간의 경사각을 갖고 있으며, 그 상단에는 90°이상으로 절곡된 방열 파이프(35a)가 형성되어 있다.

또한 에어 덕트(31)내에 위치하는 히트 파이프(35)의 둘레에는 흡열핀(35b)이 형성되고, 열교환 챔버(22)내에 위치하는 방열 파이프(35a)의 둘레에는 방열핀(35c)이 형성되어 있다.

여기서는 에어 블로워(32)의 작동과 함께 에어 덕트(31)내로 유입되는 폐열원에 의해 히트 파이프(35)의 하부에 응축되어 있는 액상의 휘발성 냉매가 기화하고, 이와 동시에 증발하는 냉매가스가 에어 덕트(31)의 내부를 흐르는 폐열을 빼앗아 상방으로 전도시킨다.

히트 파이프(35)의 주변에 형성된 흡열핀(35b)은 에어 덕트(31)의 폐열원을 보다 신속하고 보다 많은 양을 흡수하여 상방으로 전도될 수 있도록 하고, 아울러 히트 파이프(35)를 따라 상방으로 전도되는 열원은 방열 파이프(35a)를 통해 상부의 열교환 챔버(22)내에 포화되면서 열교환 챔버(22)를 고온의 분위기로 형성시킨다.

열교환 챔버(22)로부터 열교환된 고온의 축열매체는 축열관(20A)을 통해 축열탱크(10, 10A)로 공급되어 축열을 행할 수 있게 된다.

한편 히트 파이프(35)는 일정한 경사각을 갖고 그 상단의 방열 파이프(35a)가 직각방향으로 절곡되어 있어, 냉매가스의 급격한 낙하를 방지한다.

도 7, 8은 열교환기(30B)의 히트 파이프(36)의 다른 실시예를 보인 것으로, 여기서의 히트 파이프(36))는 일직선의 형태로써 약간의 경사각을 갖도록 설치되며, 에어 덕트(31)와 열교환 챔버(22)내에 위치하는 히트 파이프(36)의 둘레에는 각각 흡열핀(36a)과 방열핀(36b)이 형성된 것이다.

이상과 같이 본 발명의 폐열원을 이용한 축열장치는, 상변화물질로 된 축열재를 포함하는 축열탱크를 구비하되, 축열탱크는 고온측인 1차측과 저온측인 2차측으로 구성하고, 1, 2차 축열탱크를 경유하여 열매체유를 순환시킴과 동시에 축열을 행할 수 있도록 축열탱크의 하부 챔버를 통해 축열관이 연통되고, 축열관에 폐열원을 공급받아 열매체유를 가열하는 열교환기를 연결하며, 또한 열교환기는 다단식으로 된 에어 덕트와, 에어 덕트에 설치되어 외부의 폐열원을 열교환기내에 회수시키는 에어 블로워와, 상기 에어 덕트내에 장치되고 축열관과 연결되어 에어 덕트내의 폐열원과 열교환되는 열교환튜브 또는 히트 파이프로 구성하여, 외부의 폐열원을 이용하여 축열을 행함과 동시에 이 축열원으로 난방 또는 급탕을 행함으로써 난방비용을 대폭 절감할 뿐만 아니라, 폐열과 열교환매체의 흐름을 상호 역방향으로 교차하도록 함으로써 폐열원과 축열을 위한 열매체의 열교환 효율을 극대화할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

축열탱크; 축열탱크에 상/하부 챔버가 형성되고 그 사이에 교체가능케 설치된 축열재와, 상기 축열탱크에 열매체를 공급하는 열교환기; 열교환기는 다단식의 에어 덕트와, 폐열원을 도입하도록 에어 덕트에 장착된 에어 블로워와, 에어 덕트와 축열탱크의 하부 챔버를 통해 설치되어 폐열원과 열교환을 행하고 열교환된 열매체를 축열탱크로 순환시키는 축열관으로 된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 축열장치
제 1 항에 있어서, 상기 에어 덕트내에 지그재그로 연속 절곡된 열교환튜브가 설치되고, 이 열교환튜브가 축열관에 연통된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 축열장치.
제 2 항에 있어서, 상기 열교환튜브는 그 열매체가 에어 덕트의 송풍방향과 역방향이 되도록 설치된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 축열장치.
제 1 항에 있어서, 상기 에어 덕트의 상부에 축열관에 연통하는 열교환 챔버가 형성되고, 이 열교환 챔버와 에어 덕트의 수직방향으로 휘발성유체가 충진된 다수의 히트 파이프가 설치된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 축열장치.
제 4 항에 있어서, 상기 히트 파이프의 상단에 방열 파이프가 절곡되어 열교환 챔버내에 위치하는 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 축열장치.
제 2 항에 있어서, 상기 열교환튜브의 둘레에 흡열핀이 형성된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 축열장치.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 히트 파이프와 방열 파이프의 둘레에 흡/방열핀이 형성된 것을 특징으로 하는 폐열원을 이용한 축열장치.