KR20050118293A - 열병합 발전 시스템 - Google Patents

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KR20050118293A
KR20050118293A KR1020057018157A KR20057018157A KR20050118293A KR 20050118293 A KR20050118293 A KR 20050118293A KR 1020057018157 A KR1020057018157 A KR 1020057018157A KR 20057018157 A KR20057018157 A KR 20057018157A KR 20050118293 A KR20050118293 A KR 20050118293A
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heat exchanger
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heat
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KR1020057018157A
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제임스 로버트 로우리
데이비드 안토니 클락
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스티븐 마이클 하스코
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마이크로젠 에너지 리미티드
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Abstract

본 발명은 버너에 의해 가열되는 헤드(2)를 포함하는 스털링 엔진(1)을 구비하는 열병합 발전 시스템에 관한 것이다. 열교환기(10)가 상기 엔진헤드를 가열시켰던 버너에서 나온 배기가스로부터 열을 흡수한다. 보조버너(22,23)는 상기 열교환기에 의해 직접 흡수되는 추가 열을 발생시킨다. 보조버너는 별개로 제어되는 각각의 단(22,23)을 갖는 다단 버너이다.

Description

열병합 발전 시스템{A Combined Heat And Power System}
본 발명은 열병합 발전 시스템(a combined heat and power system)에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 헤드를 갖는 스털링 엔진; 상기 스털링 엔진이 전기 에너지를 발생시킬 수 있도록 상기 스털링 엔진 헤드를 가열시키는 버너; 상기 엔진 헤드를 가열시킨 버너에서 나온 배기가스로부터 열을 흡수하도록 배열된 열 교환기; 및 상기 열교환기에 의해 직접 흡수되는 추가 열을 발생시키기 위한 보조버너를 구비하는 열병합 발전 시스템에 관한 것이다.
이러한 열병합 발전 시스템을 이하 "상술한 종류"라고 한다.
상술한 종류의 시스템은 가정용 열병합 전력(dchp) 시스템으로서 가정내 환경에서의 용도로 알려져 있다. 스털링 엔진은 메인(main)으로부터 공급되는 잔여물을 몇몇의 가정용 열병합 발전 시스템에 공급한다. 스털링 엔진으로부터의 열출력은 보조버너에 의해 공급되는 잔여물을 몇몇의 가정내 열부하에 공급한다. 스털링 엔진버너 및 보조버너는 가정에 필요로 하는 열출력을 제공하도록 조절되며 상기 시스템은 스털링 엔진이 가능한 한 큰 시간 비율동안 발전하도록 제어된다.
그러나, 각각을 통한 유량요건을 최소화함으로 인해 버너로부터 얻어질 수 있는 열출력의 범위에 제한이 있다. 이로 인해 엔진 버너용량이 초과될 때 열출력에서 단계적 변화가 있게 된다. 모두가 최소 설정으로 동작되는 조합된 보조버너 및 엔진버너는 상기 엔진버너만이 최대로 산출하는 열출력보다 더 큰 열출력을 산출하게 된다. 이로 인해 사이에 동작영역에서의 열출력 제어를 못하게 된다. 이는 가정내 난방 시스템에 대해 중요 동작영역이 됨을 알았기 때문에, 이 문제는 사용자의 편의와 시스템 효율에 있어 저하를 초래하게 된다.
첨부도면을 참조로 본 발명에 따른 시스템의 실시예를 설명한다:
도 1은 시스템의 개략 횡단면도이다;
도 2는 밸브 어셈블리의 개략 시시도이다; 그리고
도 3은 밸브 슬리브 오리피스 프로파일의 그래프 도면이다.
본 발명에 따르면, 상술한 종류의 시스템에서, 보조버너는 별개로 제어될 수 있는 별도의 단계를 갖는 다단계 버너이다.
다수의 별개로 제어될 수 있는 단계를 가짐으로써, 더 정확한 제어가 요구되는 전범위에 걸친 열출력에 대해 제공될 수 있다.
적어도 하나의 단계가 또 다른 단계의 출력범위와는 다른 출력범위를 갖는 경우에 더 큰 융통성이 제공된다. 실제로, 각 단계의 열출력 범위가 달라질 수 있다.
또한 또 다른 융통성을 도입하기 위해, 보조버너 단계 중 적어도 하나가 열교환기를 직접적으로 그리고 스털링 엔진헤드를 모두 가열시키도록 배열될 수 있다. 따라서, 이 단계는 점화되는 엔진버너없이 점화되면, 스털링 엔진은 감소된 전기출력으로 동작하게 된다. 한편, 이러한 단계가 엔진버너와 함께 동작되는 경우에, 스털링 엔진은 피크 전기출력으로 동작하게 된다.
열교환기에 적절한 열을 제공할 수 있다면, 보조버너는 임의의 곳에 위치될 수 있다. 그러나, 바람직하기로, 보조버너는 열교환기의 반경방향 외부에 있어 더 편리한 패키징을 제공한다.
열교환기는, 예를 들어, 워터재킷(water jacket)에 의해 둘러싸진 도관에 의해 형성될 수 있는 임의의 공지된 구성을 가질 수 있다. 그러나, 바람직하기로, 열교환기는 축 주위로 감겨진 열교환기 유체에 대해 직렬 연결되고 보조버너의 전체 축길이를 따라 연장된 하나의 나선형 코일 또는 수개의 나선형 코일을 포함한다. 이는 점화되는 버너단(burner stages)에 인접한 이들이 코일이 효율적인 방식으로 열을 수용하기 때문에 다단 버너(multi-stage burner)를 패키징하는 효율적인 방법을 제공한다.
또한, 나선형 코일장치로, 코일의 일부가 스털링 엔진헤드의 주변부에 배열되어 상기 언급한 바와 같이 스털링 엔진헤드 및 열교환기를 직접 가열하도록 배열되는 보조 버너단을 형성할 수 있다.
스털링 엔진은 해당기술분야에 공지된 바와 같이 헤드 최상단에 장착될 수 있다. 그러나, 바람직하기로, 스털링 엔진은 헤드 최하단 및 상기 헤드 바로 아래에 위치되는 보조버너와 열교환기에 장착된다. 이러한 구성의 한가지 이점은 연소가스에서 나온 응축된 유체에 대해 배출을 제공하는 것이 간단하다는 것이다. 또 다른 이점은 엔진이 상단에 부착된 적어도 하나의 스프링에 매달려질 수 있다는 것이다. 이러한 장착은 엔진 전후로 유지공정 및 워터 파이프(water pipe) 공정을 위해 엔진에 용이한 접속을 하게 한다.
DCHP 시스템용 열교환기의 디자인에서 마주치는 부가적인 문제는 보조 열교환기내의 나선형관으로부터 응축물의 제거였다. 본 출원인의 앞선 출원인 PCT/GB02/05711은 수평축 주위로 나선형으로 감겨진 관을 갖는 열교환기를 개시하고 있다. 이러한 구성으로 응축물의 일부가 관의 수평영역상에 수집된다.
스털링 엔진을 진동하게 하도록 탄성부재로 스털링 엔진을 장착하는 것이 통상적이다. 스털링 엔진에 대해 반대위상으로 진동하도록 동조될 수 있어 이로 인해 전체 진동을 감소시키는 압소버 매스(absorber mass)를 엔진에 탄성적으로 장착함으로써 진동이 감소될 수 있다. 그런 후, 버너 및 열교환기와 같은 시스템의 부속 소자가 스털링 엔진과는 별개로 장착된다.
그러나, 열교환기가 스털링 엔진상에 장착되면, 진동의 잔류량이 응축물을 제거하는데 일조하는 열교환기에 전해지게 된다.
본 발명의 이러한 태양은 전력 및 열출력을 발생하는 스털링 엔진, 상기 열출력 중 일부를 흡수하고, 실질적으로 스털링 엔진에만 장착되어 상기 엔진과 함께 진동하는 열교환기를 구비하는 스털링 엔진 어셈블리로서 광범위하게 기술될 수 있는 별개의 발명을 형성한다.
엔진은 동적으로 균형을 유지해야 한다. 따라서, 바람직하기로, 열교환기의 매스는 본 발명의 주 축 주위로 균형이 유지된다. 이는 복잡한 역평형 수단(counterbalancing measures)에 대한 필요성을 없앤다.
스털링 엔진이 헤드 최하단에 장착되고 열교환기가 헤드 바로 아래에 장착되면, 이러한 구성이 특히 효과적이다.
엔진버너 및 보조버너가 또한 스털링 엔진에 장착될 수 있다.
또한, 바람직하기로, 열교환기는 엔진의 주축상에 중심을 둔 나선형 코일을 구비한다. 스털링 엔진은 바람직하게는 나선형 코일이 감긴 축과 동축인 주축을 갖는다. 이러한 방식으로 열교환기를 배열함으로써, 어떠한 수평면도 있지 않아, 응축물이 스털링 엔진으로부터 전달된 진동의 도움으로 관 아래로 흐를 수 있다.
도 1은 전반적인 스털링 엔진 어셈블리를 도시한 것이다. 이는"도립된(inverted)" 구성으로 장착된, 즉, 최하단에 엔진헤드(2)를 갖는 스털링 엔진(1)을 포함한다. 엔진은 장착 브래킷(4)에 부착되고 엔진(1)을 둘러싸는 복수의 스프링(3)에 의해 현가된다. 대안으로, 엔진은 하나의 중심에 위치한 스프링에 의해 현가될 수 있다. 환형의 흡수체(5)가 엔진을 둘러싸고 엔진의 진동을 흡수하기 위한 복수의 방진구(resilient mount)(6)에 부착된다. 엔진헤드(2)에는 상술한 방식으로 열을 흡수함으로써 엔진헤드를 가열시키는 복수의 환형핀(7)이 형성된다. 엔진은 또한 상술한 방식으로 다시 순환수에 의해 냉각되는 엔진 냉각기(8)를 갖는다.
열교환기는 스털링 엔진(1)과 동축인 나선형 코일(10)에 의해 형성된다. 코일(10)은 핀(7) 아래의 헤더(2)의 기저부를 둘러싸며, 그리고 나서 엔진(1) 아래로 축상으로 연장된다. 코일(10)은 3개의 별개의 단(stages)에 형성된다. 제 1 단(11)은 엔진헤드(2)를 둘러싸고, 제 2 단(12)은 엔진헤드(2) 아래에 있으며 외주면에 천공된 배플(baffle)(13)에 의해 분리된다. 제 3 단(14)은 축상으로 제 2 단(12) 아래에 있으며 처음 두개의 단보다 더 작은 반경으로 감겨진다. 제 3 단(14)은 버너에 의해 둘러싸여 있지 않다. 배플(13)은 제 3 단(14)이 점화되지 않는 경우 제 1 단(11) 및 제 2 단(12)에 온도와 압력을 유지한다. 또한, 제 1 단(11) 및 제 2 단(12)으로부터의 열이 엔진(1)의 헤드(2)상에 다시 반사된다.
버너(20)는 환형 구성을 가지며 엔진헤드(2)와 코일(10)을 둘러싼다. 버너(20)도 또한 2개의 단으로 양분된다. 첫번째 단(21)은 엔진헤드(2)와 환형핀(7)을 둘러싼다. 두번째 단(22)은 엔진헤드(2)의 하단과 제 1 단 코일(11)을 둘러싼다. 버너의 세번째 단(23)은 제 2 단 코일(12)을 둘러싼다.
두번째 버너단(22)과 세번째 버너단(23)은 각각이 별개로 동작될 수 있는 2개의 하위단(sub stage)(22A, 22B, 23A, 23B)으로 각각 자체적으로 양분됨을 유의해야 한다. 각각의 첫번째 버너단(21), 두번째 하위단(22A, 22B) 및 세번째 하위단(23A, 23B)은 각각 라인(30, 31, 32 및 34)을 따라 별도의 공기 및 연소가스 공급기를 갖는다. 각각의 단에는 또한 각각이 별개로 점화될 수 있도록 그 자신의 점화시스템 및 전용 점화 컨트롤이 제공된다. 본 명세서의 다른 곳에서는, "스털링 엔진을 가열하기 위한 버너" 및 "보조버너"에 대해 참조가 이루어짐을 또한 유의해야 한다. 이들 2개의 버너는 도 1을 참조로 설명된 바와 같이 하나의 다단 버너의 일부일 수 있다.
도 2 및 도 3에 더 상세히 설명된 바와 같이 밸브(40)에 의해 가스 및 공기 혼합기의 제어가 달성된다.
밸브(40)는 내부 슬리브(41) 및 외부 슬리브(42)를 구비한다. 각각의 외부 라인에 대해, 내부 슬리브(41) 및 외부 슬리브(42)는 상기 내부 슬리브(41) 및 상기 외부 슬리브(42)가 서로에 대해 회전됨에 따라 다른 각도로 중첩되도록 배열되는 다른 형태의 한쌍의 오리피스(43,44)를 갖는다. 2개 오리피스의 중첩 정도에 의해 각각의 라인(30-34)을 통한 유량이 결정된다. 밸브(40)와 함께 하우징의 하단에 있는 솔레노이드(45)가 내부 슬리브(41) 및 외부 슬리브(42) 사이의 상대적인 회전운동을 제공한다.
오리피스(43,44)의 상대 크기는 각 유출구(30-34)를 통한 유량이, 가능한 한 근사하게, 내부 슬리브(41) 및 외부 슬리브(42)의 회전 위치의 선형 함수임을 보장하도록 배열된다.
오리피스 프로파일의 상세도가 도 3에 주어진다. 빗금친 영역은 평판상의 오리피스(44)의 돌출을 나타낸다. 도 3은 열출력 및 전력출력이 가변(VAR), 최대(MAX), 최소(MIN) 및 제로(NONE)인 위치를 도시한 것이다. 2세트의 오리피스(43,44) 사이에 고정된 관계가 주어지면 모든 유출구 흐름의 개별 제어가 모든 라인(30-34)을 통해 가능하지 않음이 명백해진다. 그러나, 버너의 모든 단의 진정한 개별성이 절대적으로 필수적인 것이 아님이 도 1로부터 명백해진다. 예를 들어, 두번째 단(22)에 대해, 첫번째 하위단(22A)만을 점화하거나 두번째 하위단(22B)과 결합하여 첫번째 하위단을 점화하는 것이 필수적이다. 그러나, 두번째 하위단(22B) 만을 점화하는 것이 필수적인 것은 아니다. 더 큰 개별성이 요구되면, 내부 슬리브(41)는 다수의 별개로 회전될 수 있는 세그먼트로 분리될 수 있다.
사용시, 스털링 엔진 어셈블리의 동작은 전기 및 열에 대한 가정내 수요에 의해 결정된다. 전기 수요가 크고 열 수요가 작으면, 첫번째 버너단(21) 및 선택적으로 두번째 버너단(22)이 점화된다. 역으로, 열 수요가 크고 전기 수요가 작으면, 세번째 버너단(23) 및 선택적으로 두번째 버너단(22)이 점화된다. 전기 및 열 양쪽의 수요가 크면, 모든 버너단이 점화된다. 전력 및 열발생에 대한 고도의 제어를 하게 하는 다양한 버너단 및 하위단에 의해 형성된 다수의 중간 세팅은 이러한 양극단내에 있다.
버너용 가스 및 공기가 팬/벤츄리(venturi) 가스밸브 장치(46)에 혼합되고 팬의 속도는 여러 버너단에 공급된 전체 가스량을 가변하도록 제어될 수 있다. 그런 후, 여러 버너단으로 가스 및 공기의 정확한 공급을 보장하기 위한 시스템 요건에 따라 외부 슬리브(42)내에 있는 밸브(40)의 내부 슬리브(41)의 위치가 결정된다.
대안으로, 가스는 밸브(40)의 공기 하류와 혼합될 수 있다. 이는 밸브(40)가 사전 혼합하게 밀봉되지 않음을 의미한다. 그러나, 밸브(40)로부터 각 흐름에 대한 가스/공기 혼합물을 필요로 한다.
가정용 중앙난방시스템에서 나온 물이 먼저 엔진 냉각기(8)를 냉각시키고 이에 따라 낮은 정도의 열을 흡수하는 라인(50)을 따라 스털링 엔진 시스템으로 공급된다. 그런 후, 첫번째 버너단(21) 및 엔진 하우징 사이의 씰(seal)(52)을 냉각시키는 환형도관(51) 주위로 순환된다. 선택적으로, 하나 이상의 냉각채널이 버너의 외부 케이싱 주위로 물을 공급할 수 있다. 이들 채널은 씰(52) 주위의 도관(51)에 직렬이거나 병렬일 수 있다. 그리고 나서 물이 라인(53)을 따라 보조 열교환기(10)에 공급된다. 초기에 제 3 단(14)이 버너단에 의해 직접 가열되지 않기 때문에 비교적 낮은 정도의 열을 회수하는 제 3 단(14) 주위로 흐른다. 그런 다음, 라인(54)을 따라 가정용 중앙난방시스템으로 최종적으로 유출되기 전에 어떠한 버너단이 작동됨으로써 가열되는 제 2 권선부(12) 및 제 1 권선부(11)를 각각 지나는 나선형 권선부를 통해 순환된다.
다양한 버너단으로부터 나온 배기가스는 송풍관(flue)(60)을 따라 배출되는 반면에, 배출가스로부터 나온 응축물은 유체가 형성되고 부식을 유발할 수 있는 임의의 사장된 공간을 피하도록 위치된 응축물 배출구(condensate drain)(61)를 따라 배출된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열교환기 코일(10) 및 버너 어셈블리(20)는 환형 브라켓(55)을 통해 스털링 엔진(1)으로부터 직접 장착된다. 따라서, 흡수체(5)의 영향에도 불구하고 남아있는 스털링 엔진(1)의 작은 잔여 진동이 보조 열교환기의 코일에 전해진다. 코일상에 정착된 임의의 응축물은 코일(10)의 아래쪽으로 비스듬한 면을 따라 궁극적으로 응축물 배출구(60)로 흐르도록 이러한 진동에 의해 촉진된다.
본 발명의 상세한 설명에 포함됨.

Claims (16)

  1. 헤드를 구비하는 스털링 엔진;
    상기 스털링 엔진이 전기 에너지를 발생할 수 있도록 상기 스털링 엔진을 가열하는 버너;
    상기 엔진헤드를 가열시켰던 상기 버너에서 나온 배기가스로부터 열을 흡수하도록 배열된 열교환기; 및
    상기 열교환기에 의해 직접 흡수되는 추가 열을 발생하기 위한 보조보너를 구비하고,
    상기 보조버너는 별도로 제어되는 별개의 단을 갖는 다단 버너(multi-stage burner)인 열병합 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단은 또 다른 단의 열출력 범위와는 다른 열출력 범위를 갖는 열병합 발전 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 보조버너단이 상기 열교환기를 직접적으로 그리고 상기 스털링 엔진헤드를 모두 가열시키도록 배열되는 열병합 발전 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조버너는 상기 열교환기의 반경방향 외부에 있는 열병합 발전 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기는 축주위로 감기며 상기 보조버너의 전체 축길이를 따라 연장되는 나선형 코일을 구비하는 열병합 발전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 나선형 코일이, 제 3 항을 따를 때, 또한 상기 스털링 엔진헤드의 일부를 둘러싸는 열병합 발전 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스털링 엔진은 헤드 최하단에 장착되고 상기 보조버너 및 열교환기는 상기 헤드 바로 아래에 있는 열병합 발전 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 엔진이 상기 엔진 상단부에 부착된 적어도 하나의 스프링에 현가되는 열병합 발전 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기가 상기 스털링 엔진상에 장착되는 열병합 발전 시스템.
  10. 전력 및 열출력을 발생하는 스털링 엔진 및 상기 열출력 중 일부를 흡수하는 열교환기를 구비하고, 상기 열교환기는 상기 엔진과 함께 진동하도록 실질적으로 상기 스털링 엔진상에만 장착되는 스털링 엔진 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 엔진은 왕복 주축을 가지며 상기 열교환기 매스(mass)는 상기 엔진의 주축 주위로 균형을 유지하는 스털링 엔진 어셈블리.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 스털링 엔진은 가열되는 헤드를 가지며, 사용시에, 상기 헤드를 가열하기 위한 버너를 더 구비하고, 상기 버너는 상기 엔진 및 열교환기와 함께 장착되는 스털링 엔진 어셈블리.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스털링 엔진은 헤드 최하단에 장착되고 상기 열교환기는 상기 헤드 바로 아래에 있는 스털링 엔진 어셈블리.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기에 추가적인 열을 공급하기 위해 상기 엔진 및 열교환기와 함께 장착된 보조버너를 더 구비하는 스털링 엔진 어셈블리.
  15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 엔진의 주축상에 중심을 둔 나선형 코일을 구비하는 스털링 엔진 어셈블리.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 나선형 코일이 주위로 감기는 축과 동축인 주축을 갖는 스털링 엔진 어셈블리.
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