KR20060131898A - 팽창기를 통과하는 유동을 제어하는 방법 및 수단 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐쇄 가열 시스템에 사용하는 팽창 장치(1)를 통과하는 작동 매체의 유동을 제어하는 방법에 관한 것이다. 상기 가열 시스템은, 팽창 장치(1) 이외에도 응축기(13), 펌프(16) 및 보일러(10)를 포함하고, 상기 팽창 장치는, 유입 포트(2), 이에 연결된 유입 라인(11), 및 유출 포트(3)를 구비하는 나선형 스크류 로터 팽창기 내에 있는 것이다. 상기 팽창 장치는, 예컨대 발전기 등의 에너지 발생 장치(G)를 구동한다. 이 방법은, 상기 나선형 스크류 로터 팽창기에는 상기 유입 포트(2)와 상기 유출 포트(3) 사이에 중간 압력 포트(4)를 마련하고, 상기 중간 압력 포트(4)와 상기 유입 라인의 분기점(21) 사이에 있는 분기 라인(18)을 통하여 상기 중간 압력 포트(4)와 상기 유입 라인(11)을 연결하며, 상기 분기 라인(18)에는 밸브(19)를 마련하고, 상기 밸브(19)를 통과하는 중간 압력 포트(4)로의 작동 매체의 유동을 상태 파라미터의 함수로서 제어하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은, 상기 팽창기에는 상기 유입 포트(2)와 상기 유출 포트(3) 사이에 중간 압력 포트(4)가 마련되어 있고, 분기점(21)에서 상기 중간 압력 포트(4)와 상기 유입 라인(11)을 연결하는 분기 라인(18)을 더 포함하며, 분기 라인(18)에 밸브(19)가 마련되는 것을 특징으로 하는 장치에 관한 것이다.

Description

팽창기를 통과하는 유동을 제어하는 방법 및 수단{METHOD AND MEANS FOR CONTROLLING A FLOW THROUGH AN EXPANDER}
본 발명은 팽창 장치가 일부분을 구성하고 있고, 팽창 장치 이외에도 응축기, 펌프 및 보일러가 직렬로 구비되어 있으며, 팽창 장치를 포함하는 구조를 갖는 폐쇄 가열 시스템에 있어서, 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동을 제어하는 방법과, 상기 팽창 장치를 통과하는 매체의 유량을 제어하는 수단에 관한 것이다.
대개, 이러한 특성을 갖는 가열 시스템은 오늘날 폐열로부터 전기 에너지를 발생시키는데 사용되고 있다. 보일러에 있어서의 가열 압력 도는 가열 온도가 거의 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 폐열에 대한 접근 방법은 종종 달라지기 때문에, 팽창 장치를 통과하는 매체의 유량을 제어하여 필요한 보일러의 상태를 달성하는 것이 편리하다.
팽창 장치를 통과하는 매체의 유량은 회전수의 제어에 의해 효과적으로 제어될 수 있다. 그러나, 이러한 제어를 실행하는 제어 장치는 높은 투자 비용을 수반하므로, 경제적으로 쉽게 정당화될 수 없다.
별법으로서, 상기 제어는 교축 밸브 또는 쵸크의 도움을 받아 유입 유동을 교축하는 것에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 이러한 유동의 교축은 시스템의 효 율을 매우 현저히 저하시킨다.
본 발명의 목적은, 회전 제어 수단 없이도 상기 매체의 유동 제어가 달성될 수 있는 동시에, 상기 회전 제어 수단을 사용할 때에 얻어지는 것과 동일한 효율을 거의 전반적으로 달성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 팽창 장치가 나선형 스크류 로터 팽창기로 구성되고, 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동이 상기 회전 제어 수단 없이도 효율적으로 제어될 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 목적은, 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동을 제어하는 방법에 의해 달성되는데, 상기 팽창 장치는 폐쇄 가열 시스템의 일부분을 구성하고, 상기 폐쇄 가열 시스템에는 팽창 장치 외에도 응축기, 펌프 및 보일러가 직렬로 구비되어 있으며, 상기 팽창 장치는 보일러 및 응축기에 각각 연결된 유입 포트 및 유출 포트를 구비하는 나선형 스크류 로터 팽창기로 구성된다. 본 발명은, 상기 나선형 스크류 로터 팽창기에는 상기 유입 포트와 상기 유출 포트 사이에 중간 압력 포트를 마련하고, 중간 압력 포트와 유입 라인을 분기점에서 연결하며, 분기 라인에는 밸브를 마련하고, 상기 밸브를 통과하는 중간 압력 포트로의 작동 매체의 유동을 상태 파라미터의 함수로서 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 상태 파라미터는 가열 시스템의 소정 위치에 있어서 작동 매체의 압력 또는 온도일 수 있다. 상기 상태 파라미터는 보일러의 하류와, 중간 압력 포트로 이어지는 분기 라인의 상류에서 측정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상태 파라미터는 팽창기에 의해 전달되는 에너지 또는 가열 시스템에 입력되는 에너지일 수 있다.
본 발명의 제2 목적은, 폐쇄 가열 시스템에 사용하는 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동을 제어하는 장치에 의해 달성되는데, 상기 폐쇄 가열 시스템에는 팽창 장치 외에도 응축기, 펌프 및 보일러가 직렬로 구비되어 있고, 상기 팽창 장치는 유입 포트, 이에 연결된 유입 라인, 및 유출 포트를 구비하는 나선형 스크류 로터 팽창기로 구성된다. 이러한 본 발명의 장치는, 상기 나선형 스크류 로터 팽창기에는 상기 유입 포트와 상기 유출 포트 사이에 중간 압력 포트가 마련되어 있고, 분기점에서 상기 중간 압력 포트와 상기 유입 라인을 연결하는 분기 라인을 포함하며, 분기 라인에 밸브가 마련되고, 상기 밸브는 교축 밸브 또는 쵸크인 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 포함하는 폐쇄 가열 시스템의 개략도.
도 2는 나선형 팽창기의 개략적인 측면도.
도 3은 도 2에 도시된 팽창기의 단면도.
도 4는 도 3의 팽창기를 종방향 단면도.
본 발명의 바람직한 실시예와 첨부 도면을 참조로 하여, 본 발명을 상세히 기술한다.
도 1에 도시된 가열 시스템은, 가열 매체를 가열하는 역할을 하고, 라인(11) 을 매개로 하여 팽창기(1)의 유입 포트(2)에 연결되어 있는 보일러(10)를 포함하며, 상기 팽창기는 본 발명에 따른 나선형 로터 팽창기로 구성된다. 팽창기(1)는 라인(14)을 매개로 하여 응축기(13)에 연결되는 유출 포트(3)를 구비한다. 나아가, 응축기(13)는 라인(15)을 매개로 하여 보일러(10)에 연결되고, 이 라인(15)에는 가열 매체를 시스템 내에서 순환시키기 위한 펌프(16)가 마련된다.
나선형 스크류 로터 팽창기의 샤프트는 발전기(17)에 연결되고, 이 발전기는 가열 매체의 팽창에서 나오는 힘으로 구동된다.
또한, 본 발명의 가열 시스템은 분기점(21)에서 분기 라인(18)을 포함한다. 이 분기 라인은 보일러(10)와 팽창기의 유입 포트(2) 사이에 있는 라인(11) 상의 소정 지점에 배치된다. 분기 라인(18)은 팽창기(1)의 중간 압력 포트(4)와 연통한다. 팽창기(1)는 도 2를 참조로 하여 이하에서 보다 상세히 기술한다. 분기 라인(18)은 밸브 형태의 교축 요소(19)를 포함하며, 이 교축 요소는 시스템 상태 파라미터의 함수로서 제어된다. 상기 상태 파라미터는, 예컨대 압력 센서(20) 등과 같이 시스템 내에 설치된 장치에 의해 확보될 수 있다. 예시된 실시예에 따르면, 압력 센서(20)는 보일러(10)와 분기점(21) 사이에 위치한다.
도 2는 나선형 스크류 로터 팽창기의 측면도이다. 이 팽창기의 하우징은 2개의 단부벽(5, 6)과, 이들 단부벽 사이에서 연장되는 배럴 벽(7)을 포함하고, 이들 벽은 2개의 공동 작동 로터를 수납하는 작동 챔버를 함께 형성한다. 로터는 각 단부벽(5, 6)의 외부에 위치하는 베어링 하우징(26 및 28)에 각각 장착된다. 팽창기(1)는 유입 포트(2), 중간 압력 포트(4), 및 유출 포트(3)를 포함한다.
도 3에 나타나 있는 바와 같이, 하우징에 형성된 작동 챔버는 2개의 실린더가 서로 교차하고 있는 형태를 갖고, 수형 로터(24)와 암형 로터(36)를 수납한다. 수형 로터는 4개의 나선형으로 연장되는 로브(lobe)(38)와 중간 홈(32)을 구비하고, 암형 로터(36)는 6개의 로브(30)와 중간 홈(34)을 구비한다. 이들 로터는 로브(38, 30) 및 홈(34, 32)을 매개로 하여 서로 맞물리며, 이에 의해 작동 챔버는 로터와 하우징 벽(5, 6 및 7) 사이에 형성된다. 로터가 회전할 때 작동 챔버는 팽창기를 따라 축선 방향으로 이동하고, 이에 의해 작동 챔버의 용적이 변화한다. 각 작동 챔버는 팽창기의 일단부에서의 용적이 초기에는 제로이고, 최대 용적까지 연속적으로 증대된다. 이러한 용적의 변화는 상기 포트의 도움을 받아 작동 매체를 팽창시키는데 이용되는데, 팽창 사이클의 관련 위치에서 상기 포트를 통해 서로 다른 압력의 작동 매체가 공급되고 빠져나간다.
도 4는 포트가 축선 방향으로 어떤 곳에 배치되는지를 보여주는 개략적인 도면이다. 수형 로터(24)의 측면이 개략적으로 도시되어 있다. 각 로브의 정점은 배럴 벽(7)과 밀봉 라인(S)을 형성하고, 챔버(C)가 2개의 밀봉 라인 사이에 형성된다. 암형 로터의 로브에 의해 형성된 유사한 챔버와 상기 챔버(C)가 연결되고, 이들 챔버는 함께 V자형 작동 챔버를 형성한다. 도면에 도시된 작동 챔버의 일부분을 살펴보면, 이러한 작동 과정은 충분히 이해될 것이다. 작동시, 각 작동 챔버(C)는 완전한 작동 사이클 동안에 5가지 단계를 거치는데, 이 5가지 단계로는 제1 충전 단계, 제1 팽창 단계, 제2 충전 단계, 제2 팽창 단계 및 배출 단계가 있다.
작동 매체는 라인(11)으로부터 (도면에 나타나 있는 바와 같이) 팽창기의 좌 측 상단에 대기압보다 소정 압력(P)으로 전달되고, 유입 포트(2)를 지나 작동 챔버에 이르게 되며, 이 작동 챔버의 용적은, 유입 포트(2)와의 연통이 작동 챔버의 후속 밀봉 라인에 의해 깨어질 때, 제로로부터 비교적 작은 용적(v1)으로 증대된다.
그 후, 작동 챔버가 도면의 우측으로 더 이동하면 작동 챔버의 용적은 다시 증가할 것이고, 이에 의해 작동 챔버 내 압력의 감소가 초래된다. 이러한 팽창 단계는 선행 밀봉 라인이 중간 압력 포트(4)에 도달할 때까지 지속된다. 이때, 작동 챔버의 용적은, 작동 챔버에 상기 소정 압력(p)보다 낮은 압력을 형성할 수 있을 정도로 충분히 큰 용적(v2)으로 증대된다.
선행 밀봉 라인이 중간 압력 포트(4)에 도달할 때, 작동 챔버는 라인(19)과 연통하기 시작하는데, 이 라인 내의 압력은 챔버 압력보다 높다. 작동 챔버가 중간 압력 포트(7)와 연통해 있는 동안에 작동 챔버의 압력은 상기 소정 압력(p), 즉 라인(18)에 있어서 널리 형성되어 있는 것과 동일한 압력으로 상승하게 될 것인데, 이는 라인(18)으로부터 매체가 유입되기 때문이다. 이러한 제2 충전 단계는, 작동 챔버가 중간 압력 포트(4)와의 연통이 후속 밀봉 라인에 의해 깨어지기까지 (도면에 있어서) 우측으로 이동하였을 때 종료된다.
선행 밀봉 라인이 유출 포트(3)에 도달할 때까지 팽창이 지속된다. 작동 챔버가 상기 유출 포트와 연결될 때, 작동 챔버 내의 압력이 대기압 수준으로 떨어지도록, 유출 포트(3)의 위치가 설정되어 있다.
그 후, 작동 매체는 응축기(13)를 통과하고, 응축기로부터 라인(15) 및 펌 프(16)를 경유하여 보일러(10)까지 이르게 된다.
다시 도 1을 참조해 보면, 라인(11) 내의 압력이 "정상" 압력(P)이거나 또는 이 압력(P)보다 낮으면[압력 센서(20)에 의해 나타내어지면], 작동 매체가 유입 포트(2)를 향한 방향으로만 통과하는 것을 허용하도록, 밸브(19)가 폐쇄된다. 라인(11) 내의 압력이 P 이상으로 상승하면, 서브 유동(sub-flow)이 라인(18)의 밸브(19)를 통과하고 계속해서 중간 압력 포트(4)를 통과하며 이 중간 압력 포트에 연결된 팽창기(1)의 작동 챔버 안으로 들어가도록, 밸브(18)의 세팅이 변경된다.
압력 센서(20)는 가열 시스템의 다른 곳에, 예컨대 팽창기(1)의 하류에 또는 응축기(13)의 하류에 배치될 수 있다.
압력을 측정하는 대신에, 가열 시스템의 여러 위치에서 온도를 측정할 수 있다. 이 경우, 압력 센서(20)는 온도계로 대체될 것이며, 이 온도계에 의해 보일러(10)의 하류나 팽창기(1)의 하류나, 또는 응축기(13)의 하류의 온도를 측정할 수 있게 된다.
본 발명의 맥락에서 측정될 수 있는 그 밖의 상태 파라미터의 예로는, 팽창기(1)에 의해 전달되는 에너지 또는 보일러(10)로부터 가열 시스템에 전달되는 에너지가 있다.

Claims (7)

  1. 팽창 장치(1) 외에도 응축기(13), 펌프(16) 및 보일러(10)를 포함하는 폐쇄 가열 시스템에 사용하는, 팽창 장치(1)를 통과하는 작동 매체의 유동을 제어하는 방법으로서,
    상기 팽창 장치는, 유입 포트(2), 이에 연결된 유입 라인(11), 및 유출 포트(3)를 구비하는 나선형 스크류 로터 팽창기로 구성되고, 상기 팽창 장치는 발전기 등의 에너지 발생 장치(G)를 구동하는 것인, 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동 제어 방법에 있어서,
    상기 나선형 스크류 로터 팽창기(1)에는 상기 유입 포트(2)와 상기 유출 포트(3) 사이에 중간 압력 포트(4)를 마련하고, 상기 중간 압력 포트(4)와 상기 유입 라인의 분기점(21) 사이에 있는 분기 라인(18)을 통하여 상기 중간 압력 포트(4)와 상기 유입 라인(11)을 연결하며, 상기 분기 라인(18)에는 밸브(19)를 마련하고, 상기 밸브(19)를 통과하는 중간 압력 포트(4)로의 작동 매체의 유동을 상태 파라미터의 함수로서 제어하는 것을 특징으로 하는 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상태 파라미터로서, 상기 작동 매체의 압력을 사용하는 것을 특징으로 하는 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상태 파라미터로서, 상기 작동 매체의 온도를 사용하는 것을 특징으로 하는 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 상태 파라미터로서, 상기 팽창기에 의해 전달되는 에너지를 사용하는 것을 특징으로 하는 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상태 파라미터로서, 상기 가열 시스템에 전달되는 에너지를 사용하는 것을 특징으로 하는 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동 제어 방법.
  6. 팽창 장치(1) 외에도 응축기(13), 펌프(16) 및 보일러(10)과 함께 필수적인 연결 라인(11, 14, 15)을 포함하는 폐쇄 가열 시스템에 사용하는, 팽창 장치(1)를 통과하는 작동 매체의 유동을 제어하는 장치로서,
    상기 팽창 장치는, 유입 포트(2), 이에 연결된 유입 라인(11), 및 유출 포트(3)를 구비하는 나선형 스크류 로터 팽창기로 구성되고, 상기 팽창 장치(1)는 발전기 등의 에너지 발생 장치(G)를 구동하는 것인, 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동 제어 장치에 있어서,
    상기 나선형 스크류 로터 팽창기(1)에는 상기 유입 포트(2)와 상기 유출 포트(3) 사이에 중간 압력 포트(4)가 마련되어 있고; 상기 유동 제어 장치는 분기 점(21)에서 상기 중간 압력 포트(4)와 상기 유입 라인(11)을 연결하는 분기 라인(18)을 포함하며, 상기 유동 제어 장치는 분기 라인(18)에 밸브(19)가 마련되는 것을 특징으로 하는 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 밸브(19)는 제어 밸브인 것을 특징으로 하는 팽창 장치를 통과하는 작동 매체의 유동 제어 장치.
KR1020067019090A 2004-02-17 2005-02-03 폐쇄 가열 시스템 및 그 제어 방법 KR101141843B1 (ko)

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