KR20100057494A

KR20100057494A - 전기아크 반응장치를 이용한 자가 발전 난방시스템

Info

Publication number: KR20100057494A
Application number: KR1020090109513A
Authority: KR
Inventors: 황보기철; 황보대화
Original assignee: 황보기철
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2010-05-31
Also published as: KR101129531B1; KR20100057487A; KR20100057486A; KR20100057481A; KR20100057480A; KR101129530B1; KR101193135B1

Abstract

본 발명은 자가 발전 난방시스템을 개시한다. 본 발명의 난방시스템은, 내부에 용액이 저장된 반응탱크; 상기 용액의 내부에 전기 아크(electric arc)를 발생시키기 위하여 설치된 것으로서, 상기 반응탱크를 관통하여 상기 용액에 침지된 다수의 전극봉; 상기 다수의 전극봉에 전력을 공급하는 전원공급부; 상기 반응탱크의 내부에서 발생한 증기를 공급받아 고압으로 압축하는 압축수단; 상기 압축수단에서 압축된 고압의 증기를 저장하는 증기압축탱크; 상기 증기압축탱크에 저장된 고압의 증기가 입력되는 증기터빈; 상기 증기터빈의 회전축에 연결되어 전력을 생산하고, 생산된 전기를 상기 전원공급부로 공급하는 발전기; 상기 증기터빈에서 배출된 증기를 이용하여 온수 또는 증기를 생산하는 열교환수단을 포함한다.

본 발명에 따르면 증기를 발생시키는 전기아크 반응장치를 작동시키는데 필요한 전력의 50% 이상을 자가 발전을 통해 공급할 수 있다. 따라서 본 발명에 따르면 저전력 고효율의 난방시스템을 구현할 수 있고, 나아가 이산화탄소를 포함한 환경유해물질의 발생을 크게 줄일 수 있다.

Description

전기아크 반응장치를 이용한 자가 발전 난방시스템{Self generation heating system using electric arc reactor device}

본 발명은 난방시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 이온수용액 등의 내부에 전기 아크를 발생시켜서 저전력으로 대량의 증기를 생산하고, 생산된 증기를 이용하여 증기터빈을 가동시킴으로써 아크 발생에 필요한 전력의 일부를 자가 발전하는 난방시스템에 관한 것이다.

일반적으로 보일러 등의 난방기기는 사용되는 열원의 종류에 따라 전기식, 가스식, 석유식 등으로 구분되고, 난방방식에 따라 히터펌프식 또는 히터가열식으로 구분된다.

히터펌프식은 냉동사이클의 발열부(응축기)와의 열교환을 통해 열매체를 가열하는 방식이고, 히터가열식은 발열체가 열매체를 직접적으로 가열하는 방식이다.

히터가열식의 발열체에는 시이즈히터(sheath heater), 반도체소자의 일종인 PTC, 램프히터 등이 있다. 이 중에서 시이즈히터는 스테인레스 등의 파이프 속에 절연체와 함께 열선을 봉입하여 만든 것으로서 고열을 얻을 수 있고 수명이 길어서 전기보일러 등에서 물을 직접 가열하는 용도로 많이 사용되고 있다.

그러나 시이즈히터는 구조상 순간 발열이 늦고 온/오프 반복 작동에 의한 열손실이 많다. 또한 대규모의 난방시스템에 전기 시이즈히터를 사용하면 엄청난 전력비용을 부담해야 하는 문제점이 있다.

최근에는 전해질 이온수용액에 전극봉을 직접 침지시켜 전류를 흐르게 함으로써 이온수용액을 가열시키는 방식이 소개된 바 있다. 그러나 이 방식은 통상의 전기 분해방식과 유사한 것으로서 반응 중에 전극봉이 부식 또는 용해되는 문제점이 있고, 대용량 설비에 사용할 경우 전력비용이 과다하게 발생하는 문제점이 있어서 상용화되지 못하고 있는 실정이다.

또한 가스나 석유를 이용하는 난방기기는 발화과정에서 발생하는 오염물질과 대량의 이산화탄소로 인해 환경문제에서 자유롭지 못한 문제점이 있다.

한편 대규모 아파트단지나 산업단지를 중심으로 열병합 발전을 이용한 난방시스템이 많이 사용되고 있다. 열병합 발전이란 석유, LNG, 쓰레기폐기물 등을 태워서 생산된 증기로 터빈을 가동하여 발전을 하고, 동시에 터빈의 배출증기를 이용하여 난방수를 생산하는 방식이다. 즉, 발전과 난방을 동시에 해결하는 장점을 가지기 때문에 매우 높은 열효율을 가지는 방식이다.

그러나 열병합 발전을 위해서는 연소과정에서 발생하는 각종 환경유해물질을 재처리하는데 많은 비용과 설비가 요구되는 문제점이 있다. 또한 대량의 이산화탄 소 배출이 불가피하기 때문에 저탄소 녹색 성장을 우선시하는 최근의 추세에 부합하지 못하는 측면이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 최소한의 전력비용으로 난방용 온수나 증기를 대량으로 생산할 수 있고, 오염물질이나 이산화탄소도 발생시키지 않는 저전력 고효율의 청정 난방시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 내부에 용액이 저장된 반응탱크; 상기 용액의 내부에 전기 아크(electric arc)를 발생시키기 위하여 설치된 것으로서, 상기 반응탱크를 관통하여 상기 용액에 침지된 다수의 전극봉; 상기 다수의 전극봉에 전력을 공급하는 전원공급부; 상기 반응탱크의 내부에서 발생한 증기를 공급받아 고압으로 압축하는 압축수단; 상기 압축수단에서 압축된 고압의 증기를 저장하는 증기압축탱크; 상기 증기압축탱크에 저장된 고압의 증기가 입력되는 증기터빈; 상기 증기터빈의 회전축에 연결되어 전력을 생산하고, 생산된 전기를 상기 전원공급부로 공급하는 발전기; 상기 증기터빈에서 배출된 증기를 이용하여 온수 또는 증기를 생산하는 열교환수단을 포함하는 자가 발전 난방시스템을 제공한다.

본 발명의 난방시스템에서, 상기 증기압축탱크와 상기 증기터빈의 사이에는 상기 증기압축탱크에 저장된 증기를 일정압력으로 상기 증기터빈에 공급하는 압력조절수단이 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 용액은, 나트륨계 이온수용액, 황토지장수, 산성이온수용액, 카본수용액, MEG(Mono Ethylene Glycol) 용액 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 다수의 전극봉은, 스프링용 경강선(SWRH), 저합금 고장력강(Low alloy high tension steel), 부식저항 저합금 고장력강, 고장력계 탄소강, 탄화규소(SiC), 칸탈(kanthal), 하스텔로이(Hastelloy), 인코넬(inconel), 모넬(monel), 텅스텐 중에서 선택된 적어도 하나의 재질을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 실시예에 따른 자가 발전 난방시스템(100)의 계통도 및 구성도이다.

이에 따르면 본 발명의 난방시스템(100)은, 전기아크 반응장치(10), 전원공급 부(20), 제어부(30), 수용액저장탱크(40) 등을 포함한다. 수용액저장탱크(40)에 수용액을 공급하는 보충수탱크(42)를 더 설치할 수도 있다.

특히 본 발명의 난방시스템(100)은, 전기아크 반응장치(10)에서 생산된 증기를 압축하여 일시 저장하는 증기압축탱크(110), 증기압축탱크(110)로부터 증기를 공급받아 회전날개를 회전시키는 증기터빈(120), 증기터빈(120)의 회전축에 연결되어 전력을 생산하는 발전기(130), 증기터빈(120)에서 배출된 증기를 온수저장탱크(150)의 물과 열교환시키는 열교환기(140), 열교환기(140)를 거쳐 응축된 수용액을 저장하는 응축수탱크(160) 등을 포함한다.

전기아크 반응장치(10)는 반응탱크(11)에 저장된 소정 성분의 수용액(14)에 소정 재질의 전극봉(12)을 침지하여 전기아크를 발생시킴으로써 증기 또는 온수를 생산하는 장치이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기아크 반응장치(100)와 그 주변장치를 나타낸 도면이며, 대규모 난방시스템의 경우에는 이러한 전기아크 반응장치(100)를 다수 개 설치하면 된다. 전기아크 반응장치(10)에 대한 구체적인 내용은 후술하기로 한다.

전원공급부(20)는 전원선을 통해 전극봉(12)의 각 연결단자(13)에 연결되며, AC전원을 공급할 수도 있고, AD컨버터(미도시)를 통해 변환된 DC전원을 공급할 수도 있다. 본 발명의 실시예에서는 전원공급부(20)에 외부의 상용전원과 함께 발전기(130)에서 생산된 전력이 공급되는 점에 특징이 있다.

제어부(30)는 반응탱크(11)에 설치된 온도센서(32), 비상용 온도센서(34) 등의 감지결과를 피드백하여 전원공급부(20)의 전원공급을 선택적으로 제어하는 역할 을 한다.

즉, 온도센서(32)의 감지결과를 피드백하여 각 전극봉(12)으로의 전원공급을 선택적으로 차단함으로써 수용액(14)의 온도를 목표온도로 유지시키며, 이를 위해 제어부(30)에는 사용자가 수용액(14)의 목표온도를 설정할 수 있는 입력수단(도시하지는 않았음)이 설치되는 것이 바람직하다.

그 밖에도 제어부(30)에는 비상용 온도센서(34)에서 과열온도를 감지하면 전원공급을 차단시키는 비상용 전원차단수단(미도시)을 설치할 수 있다. 제어부(30)의 제어동작에 이용되는 센서는 전술한 것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 압력센서 등도 포함될 수 있다.

그밖에도 도시하지는 않았지만 제어부(30)에는 작업자가 시스템의 각종 변수(예, 수용액 목표온도, 허용압력 등)를 입력할 수 있는 입력수단(스위치, 버튼, 터치스크린 등)과 비상시에 소정의 경고신호를 발생시키는 스피커 또는 발광수단 등이 연결될 수 있다.

반응탱크(11)에는 증기배출관(18)의 일단이 연결되며, 증기배출관(18)의 타단은 증기공급관(180)에 연결된다. 증기공급관(180)에서 증기배출관(18)이 연결되는 연결노드(N)를 중심으로 증기공급관(180)의 일 측에는 기액분리기(60)가 설치되고, 증기공급관(180)의 타 측에는 수위조절탱크(50)와 증기공급관(180)을 연결하는 압력피드백관(62)이 연결된다.

기액분리기(60)는 증기에 포함된 액체를 분리하는 역할을 하며, 분리된 액체 는 액체회수관(61)을 통해 트랩(80)으로 보내지고, 트랩(80)에서 다시 수용액저장탱크(40)로 보내진다. 액체회수관(61)에는 역류방지를 위한 체크밸브가 설치되는 것이 바람직하다.

압력피드백관(62)은 수위조절탱크(50)와 반응탱크(11)의 내부압력을 동일하게 하는 역할을 한다. 따라서 수위조절탱크(50)의 수위를 통해 반응탱크(11) 내부의 수위를 간접적으로 확인할 수 있다. 수위조절탱크(50)에는 수위센서(51)가 설치되며, 제어부(30)가 수위센서(51)의 검출결과를 피드백하여 펌프(P1)를 제어함으로써 반응탱크(11)의 내부로 수용액을 보충할 수 있다.

증기공급관(180)에는 각종밸브(91,92)가 설치되며, 특히 과도압력시에 안전을 위하여 오픈되는 안전밸브(93)가 설치되어야 한다. 그밖에도 증기공급관(180)에는 압력게이지(94), 온도게이지(95), 이상압력게이지(96), 절연플랜지(97) 등이 설치될 수 있다.

수용액저장탱크(40)에 저장된 수용액은 펌프(P1)를 통해 반응탱크(11)의 내부로 공급되며, 펌프(P1)와 반응탱크(11)를 연결하는 수용액보충관(63)에는 역류방지를 위한 체크밸브(98)가 설치되는 것이 바람직하다. 또한 펌프(P1)와 수용액저장탱크(40)를 연결하는 파이프에는 이물질 제거를 위한 스트레이나(99)를 설치할 수 있다.

전술한 액체회수관(61), 압력피드백관(62), 수용액보충관(63) 등은 플렉시블(flexible) 호스를 사용하는 것이 바람직하지만 반드시 이에 한정되지 않음은 물론이다.

한편 반응탱크(11)는 케이스(미도시)의 베이스(2)로부터 이격되어 설치되는 것이 바람직하며, 이를 위해 베이스(2)에 다수의 지지봉(4)을 설치하고, 지지봉(4)의 상단에 반응탱크(11)를 설치하는 것이 바람직하다. 이때 반응탱크(11)를 외부 충격으로부터 보호하고 전기적 절연을 위하여 지지봉(4)의 하단부와 베이스(2)의 사이에는 방진절연고무(6)를 개재시키는 것이 바람직하다. 또한 안전을 위하여 베이스(2)는 접지시키는 것이 바람직하다. 상기 베이스(2)는 반응탱크(11)를 내부에 수용하는 케이스의 저면부일 수 있다.

증기압축탱크(110)는 반응탱크(11)에서 생산된 증기를 고압으로 압축한 상태에서 저장하는 역할을 한다. 이를 위해 증기압축탱크(110)의 선단에는 증기공급관(180)에서 공급되는 증기를 고온고압으로 압축하는 실린더형 압축펌프(미도시)가 설치되어야 한다.

증기압축탱크(110)의 출구단에는 압력조절밸브(112)가 설치되며, 압력조절밸브(112)는 증기압축탱크(110)에 저장된 고온고압의 증기를 증기터빈(120)의 기준입력증기압으로 감압하여 일정압력으로 배출시키는 역할을 한다.

증기터빈(120)은 입력된 증기의 팽창압력을 이용하여 발전기(130)를 회전시키는 역할을 하며, 발전기(130)에서 생산된 전력은 전원공급부(20)를 통해 전기아크 반응장치(10)로 공급된다. 발전기(130)에서 생산된 전기는 전압조정 등 여러 단계를 거친 후에 전원공급부(20)로 제공되는 것이 바람직하며, 이러한 단계에는 공지된 기술이 사용되므로 본 명세서에서는 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.

전술한 증기공급관(180), 압축펌프, 증기압축탱크(110), 증기터빈(120) 등은 외부와 단열되어야 함은 물론이다.

열교환기(140)는 예를 들어 판형 열교환기가 사용될 수 있다. 즉, 판형 열교환기는 서로 구분되는 제1유로 및 제2유로를 구비하며, 제1유로의 일단은 증기터빈(120)의 배출단에 연결되고 그 타단은 응축수탱크(160)에 연결된다. 또한 제2유로는 온수저장탱크(150)의 온수가 유동하는 통로로 제공된다.

다만 열교환기(140)가 판형 열교환기에 국한되는 것은 아니므로 다른 형태의 열교환기가 사용될 수도 있다. 예를 들어 온수저장탱크(150)의 내부에 열교환배관을 설치하고, 열교환배관의 내부로 증기터빈(120)에서 배출된 증기를 통과시킬 수도 있으며, 이 경우에는 열교환배관이 열교환기(140)의 역할을 수행하게 된다.

응축수탱크(160)는 열교환기(140)를 통과하면서 응축된 물을 저장하며, 저장된 응축수는 미도시된 펌프 등을 통해 수용액저장탱크(40)로 회수된다.

한편 본 발명의 실시예에서는 열교환기(140)와의 열교환을 통해 온수를 생산하는 경우를 설명하였으나 배출증기의 온도가 매우 높은 경우에는 배출증기와의 열교환을 통해 증기를 생산할 수도 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 자가 발전 난방시스템(100)의 핵심적인 구성요소인 전기아크 반응장치(10)에 대하여 설명한다.

전기아크 반응장치(10)는 전술한 바와 같이 내부공간을 가지는 반응탱크(11), 상기 반응탱크(11)의 내부에 저장된 소정 성분의 수용액(14), 상기 수용액(14)에 적어도 일부가 침지되는 다수의 전극봉(12)을 포함한다.

반응탱크(11)는 그 용도에 따라 합성수지 또는 금속재질이 선택적으로 사용될 수 있다. 예를 들어 온수 생산용으로 사용하는 경우에는 저렴한 합성수지 재질이 사용될 수 있고, 증기 생산용으로 사용하는 경우에는 고압에 대비하여 스테인레스 등의 금속재질이 사용될 수 있다. 또한 반응탱크(11)의 용량이나 크기는 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다.

특히 본 발명의 실시예에 따른 전기아크 반응장치(10)는 수용액(14)의 내부에 전기 아크(arc)를 발생, 유지시킴으로써 종래의 저온전기분해 방식에 비해서 전력효율을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 이는 수용액(14)의 내부에 전기 아크가 발생한 이후부터 소비되는 전류량이 급격히 줄어들기 때문이다.

한편 반응탱크(11)의 내부에 전기 아크가 발생하면 전극봉(12)에 전기적 충격이 가해지기 때문에 전극봉(12)의 재질을 적절히 선택하는 것이 매우 중요하다. 예를 들어 저온 전기분해장치에서 사용되는 전극봉은 구리, 백금 등의 재질이 주로 사용되는데, 이러한 재질의 전극봉에 상용전원을 인가하여 전기 아크를 발생시키면 전기적 충격으로 인하여 전극봉이 순식간에 파손되어 사용이 불가능한 것으로 확인되었다.

또한 동일한 전극봉(12)이라 하더라도 수용액(14)의 종류에 따라 소손되는 정도가 크게 다르기 때문에 수용액(14)과 전극봉(12)을 적절히 선택하여 조합하는 것이 매우 중요하다.

다음의 표 1은 본 발명의 전기아크 반응장치(10)에 사용되는 수용액(14)의 종류를 나타낸 것이다. MEG 용액은 수용액인지 여부에 상관없이 편의상 함께 표시하였다.

[표 1] 수용액의 종류

종류	성 분	PH
나트륨계 이온수용액	물+수산화나트륨(NaOH) (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	물+염화나트륨(NaCl)+글루탐산나트륨 (중량비 100: 1: 1.2)	11.00 ~ 12.70
	물+글루탐산나트륨 (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	물+질산나트륨(NaNO₃) (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	물+황화나트륨(Na₂S) (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	물+황산나트륨(Na₂SO₄) (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	물+탄산나트륨(Na₂CO₃) (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	물+탄산수소나트륨(NaHCO₃) (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	황토지장수+수산화나트륨	11.00 ~ 12.70
황토지장수	물+황토분말(중량비 70:30)	11.00 ~ 11.60
산성 이온수용액		2.0 ~ 2.5
카본수용액	물+카본(흑연,참숯)분말 (중량비 100: 10~20)
MEG용액	MEG(Mono Ethylene Glycol)+카본(흑연,참숯)분말 (중량비 100 : 10~20)
MEG용액	MEG+나트륨계이온수용액	11.00 ~ 12.70

즉, 본 발명의 실시예에서는 나트륨계 이온수용액, 황토지장수, 산성이온수용액, 카본수용액, MEG(Mono Ethylene Glycol)용액 등을 반응탱크(11)에 넣고 전극봉(12)간에 아크를 발생시킨다.

나트륨계 이온수용액은 물과 나트륨화합물을 혼합한 것으로서 본 발명의 일 실시예에서는 물과 나트륨화합물을 중량비 100 : 0.6~0.8 의 범위로 혼합하여, 수소이온농도(PH)가 11.00 ~ 12.70 의 범위인 것을 사용한다.

나트륨화합물은 수산화나트륨(NaOH), 글루탐산나트륨, 질산나트륨(NaNO₃), 황화나트륨(Na₂S), 황산나트륨(Na₂SO₄), 탄산나트륨(Na₂CO₃), 탄산수소나트륨(NaHCO₃) 중에서 적어도 하나를 선택할 수 있다. 이밖에도 염화나트륨, 차아황산나트륨, EDTA2나트륨, EDTA2칼슘나트륨, 아황산나트륨, 주석산나트륨, 푸마르산나트륨, L-글루탐산나트륨, 5'이노신산이나트륨, 5'리보뉴크레오티드이나트륨, DL-주석산나트륨, 아질산나트륨, 사카린나트륨, 다하이드로초산나트륨, 안식향산나트륨 등이 사용될 수 있다.

다른 실시예로서, 물에 염화나트륨(NaCl)과 글루탐산나트륨을 각각 100: 1: 1.2 의 중량비로 혼합하여 PH 11.00 ~ 12.70 의 범위로 제조한 이온수용액을 사용할 수도 있다.

또 다른 실시예로서, 황토지장수에 수산화나트륨을 첨가하여 PH 11.00 ~ 12.70 의 범위로 제조한 이온수용액을 사용할 수도 있다. 이때 황토지장수는 물에 황토분말을 100 : 20의 중량비로 첨가한 후, 예를 들어 600RPM의 교반기로 약 30분간 교반한 다음 24시간 동안 황토를 침전시키는 방법으로 제조된다.

황토지장수만을 사용하는 경우에는 물과 황토를 7:3 내지 10:3의 중량비로 혼합하여 PH 11.00 ~ 11.60의 범위로 제조하는 것이 바람직하다.

산성이온수용액은 공지된 산성화합물을 이용하여 PH 2.0 ~ 2.5 의 범위로 제조하는 것이 바람직하다. 산성화합물은 예를 들어, 초산, 빙초산, 글루코산, 구연산, 인산, 주석산, 젖산, 아디피산, 푸마르산, 글리산, 글리산, 솔빈산, 디하이드로초산(DHA), 안식향산, 프로피온산, 발효식초, 오렌지액, 레몬액, 사과액, 콜라, 맥주 등이 사용될 수 있다.

카본수용액은 물에 흑연, 참숯 등의 카본분말을 100: 10 ~ 20의 중량비로 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다.

MEG 용액은 MEG에 흑연, 참숯 등의 카본분말을 100: 10 ~ 20의 중량비로 혼합한 것일 수도 있고, MEG에 전술한 나트륨계 이온수용액을 혼합하여 PH 11.00 ~ 12.70 의 범위로 제조된 것일 수도 있다.

전술한 이온수용액 등에 후술하는 재질의 전극봉(120)을 사용하면, 전기 아크가 발생한 이후에도 반응이 안정적으로 이루어질 뿐만 아니라 전극봉(12)의 손상도 발생하지 않는다. 그러나 PH범위가 전술한 기준을 벗어나면 전기저항반응이 약해서 전기 아크가 발생하지 않거나, 상용전원(220V, 380V)에서 폭발적인 전기저항반응이 일어나 전극봉(12)의 용융이나 소손이 발생하게 된다.

한편 본 발명의 전기아크 반응장치(10)에 사용되는 전극봉(12)의 재질은 스프 링용 경강선(SWRH), 저합금 고장력강(Low alloy high tension steel), 부식저항 저합금 고장력강 또는 고장력계 탄소강인 것이 바람직하다. 또한 전술한 재질에 니켈, 백금 또는 소정의 합금을 도금한 것을 사용할 수도 있다.

경강선은 탄소성분이 0.4% ~ 0.96% 함량을 가진 경강선재를 열처리 과정을 거친 후 신선한 선재로서 고인장력을 가지는 특성이 있다.

저합금 고장력강은 일반 구조용 탄소강(構造用炭素鋼)에 소량의 합금원소를 첨가한 것으로서, 통상 HT(High-Ten)으로 표시되고 인장강도가 50kg/mm² 이상, 항복점이 30kg/mm² 이상이며 내식성, 가공성이 우수한 특성을 가진다.

고장력계 탄소강은 0.2%정도의 탄소를 함유한 탄소강에 규소, 망간, 니켈, 크롬, 구리 등을 첨가한 것으로서 50kg/mm² 이상의 인장강도를 가진다.

다른 실시예로서, 탄화규소(SiC)나 칸탈(kanthal)을 사용할 수도 있고, 하스텔로이(Hastelloy), 인코넬(inconel), 모넬(monel), 텅스텐 등의 특수강봉을 사용할 수 있다. 탄화규소는 열전도도가 크면서도 내용해성, 내용융성, 내산화성이 뛰어난 특성이 있고, 칸탈은 철-크롬-알루미늄의 합금으로서 전열저항 합금중에서 가장 높은 온도에 견디는 특성이 있다. 또한 하스텔로이는 니켈을 주요성분으로 하는 내산합금이며, 인코넬은 니켈-크롬-철-탄소 등의 합금으로서 내열성이 뛰어난 특성이 있다.

이러한 전극봉(12)은 단상전원에 연결할 경우에는 2개를 사용하고, 3상 전원 에 연결할 경우에는 도시된 바와 같이 3개를 사용할 수 있다. 반응탱크(11)의 용량이 큰 경우에는 2쌍 이상의 전극봉(12)을 설치할 수도 있다. 즉, 단상전원인 경우에는 2n(n은 1 이상의 정수)개의 전극봉(12)이 설치되고, 3상전원인 경우에는 3n(n은 1 이상의 정수)개의 전극봉(12)이 설치된다.

또한 전극봉(12)이 도시된 바와 같이 반드시 반응탱크(11)의 상면부를 관통하여 설치되어야 하는 것은 아니므로 반응탱크(11)의 측면부를 관통하여 설치될 수도 있다. 전극봉(12)과 반응탱크(11)와의 경계부에는 고무패킹 등의 절연성 고정부재가 설치되어야 한다. 특히 금속재질의 반응탱크(11)를 사용하는 경우에는 전극봉(12)이 반응탱크(11)와 접촉하지 않도록 설치되어야 함은 물론이다.

반응탱크(10)의 외부로 노출된 전극봉(12)의 단부에는 전원연결을 위한 연결단자(13)가 형성된다. 연결단자(13)에 인가되는 전원은 상용AC전원일 수도 있고, 직류일 수도 있다.

반응탱크(11)의 저부 또는 측면 하단부에는 수용액(14)을 배출하기 위한 드레인밸브를 연결할 수 있다.

이하에서는 도 4의 순서도와 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 자가 발전 난방시스템(100)의 작동을 설명한다.

먼저 전술한 성분의 수용액(14)을 반응탱크(11)에 채워 넣고, 예를 들어 3상전원의 R, S, T단자를 각 전극봉의 연결단자(13)에 연결한다. 이어서 작동스위치(미도시)를 누르면 각 전극봉(12)에 전력이 공급되며, 전도성을 띈 수용액(14)이 저항성 발열을 하면서 수용액(14)의 온도가 점차 상승한다. 이 과정에서 인가되는 전류량도 점차 증가한다. (ST11, ST12)

그런데 전술한 성분의 수용액(20)이 약 80℃ 까지 가열되면 각 전극봉(14)의 사이에 전기 아크(arc)가 발생하며, 이로 인해 도 5의 사진과 같이 수용액(14)의 내부에 화염구(火焰球)가 발생한다. 특히 아크가 발생한 이후부터는 오히려 소비전력이 감소하기 시작한다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같은 크기의 반응탱크에서 실험한 바에 의하면 수용액(14)을 상온에서 약 80℃까지 상승시키는 과정에서는 소비전류가 최초 약 10A에서 약 50A까지 상승하였으나, 아크가 발생한 이후에는 소비전류가 점차 감소되면서 수용액(14)이 끓기 시작할 때는 약 10A의 수준으로 낮아지는 것으로 확인되었다.

따라서 수용액(14)의 목표온도를 끓는점 이상으로 설정해 두면 최소한의 소비전력으로 대량의 증기를 발생시킬 수 있다. 전극봉을 이용하는 종래의 전기분해 방식에 의하면 오랜 시간 가열하여도 아크가 발생하지 않기 때문에 전류량이 감소하는 현상은 나타나지 않는다. (ST13, ST14)

반응탱크(11)의 내부에서 발생한 스팀은 증기배출관(18)과 증기공급관(180)을 거쳐 기액분리기(60)로 유입되며, 기액분리기(60)에서 분리된 액체는 액체회수관(61)과 트랩(80)을 거쳐 수용액저장탱크(40)로 회수된다.

또한 기액분리기(60)를 통과한 증기는 실린더형 압축펌프를 거쳐 고온고압의 상태로 증기압축탱크(110)에 저장되고, 압력조절밸브(112)를 통해 일정한 압력으로 증기터빈(120)의 입력단으로 공급된다. 증기터빈(120)의 내부에서는 고온고압의 증 기가 팽창하면서 회전축을 회전시키며, 회전축이 회전하면 이에 연결된 발전기(130)에서 전력을 생산한다. (ST15, ST16)

증기터빈(120)을 통과한 증기는 열교환기(140)를 통과하면서 온수저장탱크(150)의 물과 열교환을 하며, 이 과정에서 증기는 응축되어 응축수탱크(160)로 집수되고 온수저장탱크(150)의 물은 고온으로 가열된다. 온수저장탱크(150)의 물은 난방수 또는 욕실용 온수로 제공되며, 응축수탱크(160)에 집수된 응축수는 미도시된 펌프를 통해 수용액저장탱크(40)로 회수된다. (ST17, ST18)

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 자가 발전 난방시스템(100)의 자가 발전 효율을 간단히 살펴본다.

사용되는 증기터빈(120)의 제원이 전력생산량 2,000kWh, 배출증기열량 6,000,000kcal/h 이라고 가정한다.

그런데 6,000,000kcal/h의 증기를 생산하기 위해서는 본 발명의 전기아크 반응장치(10)를 이용할 경우에는 약 4,000kWh 의 전력이 필요하고, 종래의 전기 시이즈히터 보일러를 이용할 경우에는 약 8,200kWh의 전력이 필요한 것으로 나타났다.

따라서 2,000kWh 급의 증기터빈(120)을 이용하면 본 발명의 자가 발전 난방시스템(100)은 필요전력(4.000kWh)의 약 50%를 자가 발전을 통해 공급받을 수 있고, 시이즈히터 보일러를 이용하면 필요전력(8,200kWh)의 약 24% 정도만을 자가 발전을 통해 공급받을 수 있다. 이러한 결과는 본 발명에서 사용되는 전기아크 반응장치(10)의 자가발전난방 효율이 시이즈히터 보일러 대비 67.7%가 절감되는 매우 우 수한 열효율에 기인하는 것이다.

결국 본 발명의 실시예를 적용하면 석유, LNG, 쓰레기 등을 태우지 않고서도 대규모 지역에 난방수를 공급하는 저전력 고효율 청정 난방시스템을 구축할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니므로 다양한 형태로 변형 또는 수정될 수 있다. 그런데 이와 같이 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자가 발전 난방시스템의 계통도

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자가 발전 난방시스템의 구성도

도 3은 전기아크 보일러의 제품 구성을 나타낸 사시도

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자가 발전 난방시스템의 작동과정을 나타낸 흐름도

도 5는 반응탱크의 내부에 전기 아크가 발생한 모습을 나타낸 사진

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 전기아크 반응장치 11: 반응탱크

12: 전극봉 13: 연결단자

14: 수용액 16: 출수관

17: 회수관 20: 전원공급부

30: 제어부 40: 수용액 저장탱크

50: 수위조절탱크 60: 기액분리기

80: 트랩 91,92: 밸브

93: 안전밸브 94: 압력게이지

100: 자가 발전 난방시스템 110: 증기압축탱크

112: 압력조절밸브 120: 증기터빈

130: 발전기 140: 열교환기

150: 온수저장탱크 160: 응축수탱크

Claims

내부에 용액이 저장된 반응탱크;

상기 용액의 내부에 전기 아크(electric arc)를 발생시키기 위하여 설치된 것으로서, 상기 반응탱크를 관통하여 상기 용액에 침지된 다수의 전극봉;

상기 다수의 전극봉에 전력을 공급하는 전원공급부;

상기 반응탱크의 내부에서 발생한 증기를 공급받아 고압으로 압축하는 압축수단;

상기 압축수단에서 압축된 고압의 증기를 저장하는 증기압축탱크;

상기 증기압축탱크에 저장된 고압의 증기가 입력되는 증기터빈;

상기 증기터빈의 회전축에 연결되어 전력을 생산하고, 생산된 전기를 상기 전원공급부로 공급하는 발전기;

상기 증기터빈에서 배출된 증기를 이용하여 온수 또는 증기를 생산하는 열교환수단;

을 포함하는 자가 발전 난방시스템
제1항에 있어서,

상기 증기압축탱크와 상기 증기터빈의 사이에는 상기 증기압축탱크에 저장된 증기를 일정압력으로 상기 증기터빈에 공급하는 압력조절수단이 설치된 것을 특징 으로 하는 자가 발전 난방시스템
제1항에 있어서,

상기 용액은, 나트륨계 이온수용액, 황토지장수, 산성이온수용액, 카본수용액, MEG(Mono Ethylene Glycol) 용액 중에서 적어도 하나를 포함하고,

상기 다수의 전극봉은, 스프링용 경강선(SWRH), 저합금 고장력강(Low alloy high tension steel), 부식저항 저합금 고장력강, 고장력계 탄소강, 탄화규소(SiC), 칸탈(kanthal), 하스텔로이(Hastelloy), 인코넬(inconel), 모넬(monel), 텅스텐 중에서 선택된 적어도 하나의 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 발전 난방시스템
제3항에 있어서,

상기 나트륨계 이온수용액은, 물과 나트륨화합물을 혼합한 것으로서 본 발명의 일 실시예에서는 물과 나트륨화합물을 중량비 100 : 0.6~0.8 의 범위로 혼합한 것으로서 수소이온농도(PH)가 11.00 ~ 12.70 의 범위인 것을 특징으로 하는 자가 발전 난방시스템
제3항에 있어서,

상기 나트륨계 이온수용액은 물에 염화나트륨(NaCl)과 글루탐산나트륨을 각각 100: 1: 1.2 의 중량비로 혼합한 것으로서 PH 11.00 ~ 12.70 의 범위인 것을 특징으로 하는 자가 발전 난방시스템
제3항에 있어서,

상기 나트륨계 이온수용액은 황토지장수에 수산화나트륨을 첨가하여 PH 11.00 ~ 12.70 의 범위로 제조한 이온수용액인 것을 특징으로 하는 자가 발전 난방시스템
제3항에 있어서,

상기 황토지장수는 물과 황토를 7:3 내지 10:3의 중량비로 혼합한 것으로서 PH 11.00 ~ 11.60의 범위인 것을 특징으로 하는 자가 발전 난방시스템
제3항에 있어서,

상기 산성이온수용액은 PH 2.0 ~ 2.5 의 범위인 것을 특징으로 하는 자가 발전 난방시스템
제3항에 있어서,

상기 카본수용액은 물에 흑연, 참숯 등의 카본분말을 100: 10 ~ 20의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 자가 발전 난방시스템
제3항에 있어서,

상기 MEG(Mono Ethylene Glycol) 용액은 MEG에 카본분말이 100: 10 ~ 20의 중량비로 혼합된 것이거나 또는 MEG에 상기 나트륨계 이온수용액을 혼합한 것으로서 PH 11.00 ~ 12.70 의 범위인 것을 특징으로 하는 자가 발전 난방시스템
제3항에 있어서,

상기 스프링용 경강선, 상기 저합금 고장력강, 상기 부식저항 저합금 고장력강 또는 상기 고장력계 탄소강은 니켈, 백금 또는 소정의 합금이 도금된 것을 특징으로 하는 자가 발전 난방시스템