KR20100125830A

KR20100125830A - 저온 냉매 증발 활성화에 의한 폐열 발전시스템

Info

Publication number: KR20100125830A
Application number: KR1020090044731A
Authority: KR
Inventors: 장성정
Original assignee: 장성정
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2010-12-01

Abstract

본 발명에 의한 발전 시스템은 기존 발전 시스템(원전,화력발전)에서 복수기를 통하여 외부로 방출되던 열을 완전 회수 및 재 이용할 수 있게 배열 회수 열교환기(2)와 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10)를 추가하였다. 과열 증기는 터빈(5)에 일을 한 후 저온 저압의 습증기가 되어 많은 잠열을 함유하고 있으므로 배열 회수 열교환기(2)와 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10)은 액상 냉매가 저온 증발이 용이하게 최대한 넓고 큰 공간을 확보하여, 증발된 가스는 벤츄리 효과를 이용한 구조로 만들어진 배관에 의해 빠른 속도로 과열 열교환기(4)에 흡입 되어 들어 가도록 하여 액상 냉매가 배열 회수 열교환기(2) 상부에서 빠른 속도로 증발될 수 있도록 하였다

본 발명에 의한 발전시스템은 냉매액 저장 탱크(1)와 배열 회수 열교환기(2) 및 배열 회수 열교환기(2)에 연결된 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10)은 보온과 단열이 우수하게 될 수 있도록 하였다. 이것은 냉매액 저장 탱크(1)에서 배열 회수 열교환기(2)와 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10)까지 저온을 유지하여서 터빈(5)에 일을 한 후 나온 저온 저압 습증기의 잠열을 최대한 회수하고 액화시킬 수 있도록 하였다.

본 발명에 의한 발전시스템이 작동유체인 냉매 액상을 공급하여 외부 열원에 의 해 증발되어 가열 및 가압 후 터빈(5)에서 발전하고 나온 배열을 액화 시키는 일련의 과정을 통해 연속적인 발전을 할 수 있도록 하는 제어 방법과 냉매액 저장 탱크(1)의 냉매액이 저온을 유지한 상태로 공급되면서 배열을 회수할 수 있도록 하기 위해 배열 회수 열교환기(2), 가열 열교환기(3), 과열 열교환기(4)에 포화증기를 채움으로써 냉매액의 온도를 1차 낮추며 액상펌프(7)를 이용하여 배열 회수 열교환기(2)와 가열 열교환기(3)에 일정 수위만큼 채우면서 냉매액 저장 탱크(1)의 냉매액 온도를 2차 낮추고 히터펌프(8)를 이용하여 포화증기를 과열 열교환기(4)에 보낼 때 냉매액 저장 탱크(1)의 냉매액 온도가 3차로 조정되게 제어 하는 방법을 확립하였다.

배열회수, 폐열발전

Description

저온 냉매 증발 활성화에 의한 폐열 발전시스템{Exhaust Heat Power Generation System By Low Temperature Refrigerants Vaporization Activity}

에너지 기술 분야

기존 냉동기에서는 팽창변을 통해서 나온 저온 저압의 습증기를 기화시킬 때 외부로부터 많은 열을 받아들이고 압축기에서 고온 고압 상태에서 액화시킬 때 외부로 많은 열을 내 놓는 것은 비점이 낮고 잠열이 높은 냉매의 상변화 원리를 활용한 것이다. 이 원리는 또한 단열재로 둘러싸인 밀폐계 내의 냉매액에서 포화증기를 밖으로 내 보내면 포화증기가 증발 잠열을 냉매액으로부터 받아서 증발하게 됨으로 그 열량 만큼 냉매액은 온도가 낮아지게 되는 것이다. 해양 온도차 발전에서는 끓는점이 낮은 암모니아나 이산화탄소 등을 작동 유체로 이용하는 점에 있다. 열대 해역에서 해면의 해수 온도는 20°C를 넘으나 해면으로부터 500~1000 m 정도 깊이의 심해에서는 4°C에서 거의 변하지 않는다. 이런 표층수와 심층수의 온도차로부터 암모니아와 같은 저온 비등 매체를 이용하여 발전하는 기술을 해양 온도차 발전, 줄여서 보통 OTEC이라 부른다.

기존 증기 터빈 발전은 물을 펌프로 가열부에 공급하여 증기로 변화시켜 터빈을 돌려 발전을 하고 나온 습증기를 물로 환원하기 위하여 복수기에서 저온의 냉각수(바닷물, 강물, 공기)에 열을 주게 되며 다시 물로 되어 펌프에 의해 가열부로 순환하게 한다. 습증기가 다시 물이 되는 과정에서 버린 열을 자연(바다, 강, 공기, 기타)에 보냄으로써 온배수에 의한 피해와 지구 온난화란 문제를 야기하게 된다. 뿐만 아니라 압축식 혹은 흡수식 냉동기 및 에어컨도 실외기와 냉각탑을 통하여 가열부에서 얻은 열을 자연에 보내면서 발전을 할 수 밖에 없는 구조이다.

여름철에 건물의 온도와 습도를 조절하여 보다 더 쾌적한 실내 환경을 얻기 위한 에너지 소비는 해마다 증가하고 있고 기존의 냉방시스템은 증기 압축식 냉각장치를 전기로 구동하는 방식이기 때문에 여기에 소비되는 전력수요가 매우 높아 여름철에는 대부분의 경우에 에어컨이 첨두 전력부하를 유발하여 발전에 따른 온실가스 배출로 환경악화에 큰 영향을 미치고 있다.

따라서 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 터빈에서 일을 한 배열의 잠열을 흡수하고 냉매액이 증발되기 용이하게 배열 회수 열교환기와 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관 구조를 갖추어 지구 온난화 방지에 적극 대응할 수 있는 발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 원리는 터빈(5)을 통과한 저온 습증기를 배열 회수열교환기(2)와 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(9) 속에서 온도가 더 낮은 냉매액과 증발되는 증기와 잠열을 열교환되게 하여 응축 냉매액으로 환원시켜 냉매액 저장 탱크(1)에 저장되게 하여 자연에 버려지는 열이 없이 고효율 발전하는 것이다. 기존 냉동기에서는 팽창변을 통해서 나온 저온 저압의 습증기를 기화시킬 때 외부로부터 많은 열을 받아들이고 압축기에서 고온 고압 상태에서 액화시킬 때 외부로 많은 열을 내 놓는 것은 비점이 낮고 잠열이 높은 냉매의 상변화 원리를 활용한 것이다. 이 원리는 또한 단열재로 둘러싸인 밀폐계 내의 냉매액에서 포화증기를 밖으로 내 보내면 포화증기가 증발 잠열을 냉매액으로부터 받아서 증발하게 됨으로 그 열량 만큼 냉매액은 온도가 낮아지게 되는 것이다.

일례로 냉매 R22의 증발 잠열은 55.77cal/g이고 비열(25°C액체)은 0.3cal/g이므로 1g의 액상 냉매를 1°C 올리는데 0.3cal가 필요하고, 1g을 증발시 잠열 55.77cal가 필요하다. 단열처리된 용기에 20°C 냉매액 40g을 채우고 분당 2g 씩 증발시키면 1분 후에는 10°C, 2분 후는 0.43°C, 4분 후에는 -23.74°C에 도달한다. HFC 대체 냉매 및 암모니아, 이산화탄소, 물, 기타 냉매도 잠열과 비열에 의해서 같은 결과를 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 발전시스템은 냉매액의 상변화 원리를 활용하여 터빈(5)에서 일을 하고 나온 저온 저압의 습증기를 배열 회수 열교환기(2) 내부를 통과 시 순환 냉매액이 잠열을 회수하여 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10)을 통해 일부는 증발되어 과열 열교환기(4)로 분리 이동할 수 있도록 구성되어 있고, 또 일부는 액상으로 가열 열교환기(3)로 갈 수 있도록 발전시스템을 구성하고 운전 방법을 확립하였다.

본 발명에 의한 발전시스템의 구성은 냉매액 저장 탱크(1), 액상 펌프(7), 배열 회수 열교환기(2), 외부 열원을 이용하기 위한 가열 열교환기(3)와 과열 열교환기(4), 냉매 온도를 일정하게 유지하기 위한 히터펌프(8), 터빈(5)과 발전기(6), 각부의 제어용 밸브(11~17), 압력관리를 위한 압력 게이지(18~20), 냉매액 온도 센서(9)로 되어 있다. 단 냉매액 저장 탱크(1)와 배열 회수 열교환기(2) 및 배열 회수 열교환기(2)에 연결된 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10)은 보온과 단열(25)이 우수하게 될 수 있도록 하였다. 이것은 냉매액 저장 탱크(1)에서 배열 회수 열교환기(2)와 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10)까지 초 저온을 유지하여서 터빈(5)에 일을 한 후 나온 저온 저압 습증기의 잠열을 최대한 회수하고 액화시키기 위함이다.

본 발명에 의한 발전시스템의 제어 방법은 먼저 냉매액 저장 탱크(1)의 상부 밸브(11)를 열어 포화 냉매 증기를 배열 회수 열교환기(2)와 과열 열교환기(4)와 가열 열교환기(3)로 보내면서 냉매액 저장 탱크(1)의 압력(18)과 온도(9)를 낮춘 후 상부 밸브(11)를 닫고 액상 펌프(7)로 냉매액 일정량을 배열 회수 열교환기(2)로 보낸 후 액상 펌프(7)를 멈추고 다시 히터 펌프(8)로 냉매액 저장 탱크(1)의 냉매 온도(9)가 일정 온도 이하가 될 때 까지 포화 증기를 과열 열교환기(4)로 보내어 일정 압력(19)에 도달하게 하고 히터 펌프(8)를 정지한다. 다음은 과열 열교환기(4)의 출구 밸브(14)를 열어 고온 고압의 증기가 터빈(5)을 회전되게 하여 발전을 하게 하며 터빈(5)에서 나온 저온 저압의 습증기를 배열 회수 열교환기(2)를 통과시켜서 액상의 냉매가 냉매액 저장 탱크(1)로 들어 오게 밸브(16)를 열어 주고 액상 펌프(7)로 일정량의 냉매액을 배열 회수 열교환기(2)와 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10)을 통해 가열 열교환기(3)로 연속적으로 보내며 외부 열원(태양열, 냉각탑, 에어컨 실외기, 열병합 발전소 냉각열, 기타)을 가열 열교환기(3)와 과열 열교환기(4)에 연속 공급하면 발전이 계속될 수 있다.

본 발명에 의한 발전 시스템은 기존 발전 시스템에서 복수기를 통하여 외부로 방출되던 열을 완전 회수 및 재 이용할 수 있게 배열 회수 열교환기(2)를 추가하고 배열 회수 시 냉매 가스가 응축되면서 내 놓은 잠열을 저온 냉매가 흡열하여 바로 증발하기 쉬운 구조로 만들어 여기서 저온 증발된 가스는 과열 열교환기(4)로 흡입되기 쉽게 배관 구조를 만들었으며, 증발되지 않은 액상은 하단의 가열 열교환기(3)를 통과하여 증발되며 다량의 중온 증발된 가스는 배관 구조에 따라 빠른 속도로 배관 내부를 흐르며 저온 증발 가스를 용이하게 혼합하여 과열 열교환기(4)에 들어 가도록 구성하였다. 과열 증기는 터빈(5)에 일을 한 후 저온 저압의 습증기가 되어 많은 잠열을 함유하고 있으므로 배열 회수 열교환기(2) 상부와 연결된 배관은 액상 냉매가 저온 증발이 용이하게 최대한 넓고 큰 공간을 확보하여, 증발된 가스 는 벤츄리 효과를 이용한 구조로 만들어진 배관에 의해 빠른 속도로 과열 열교환기(4)에 흡입 되어 들어 가도록 하여 액상 냉매가 배열 회수 열교환기(2) 상부에서 빠른 속도로 증발될 수 있도록 하였다.

본 발명에 의한 발전시스템은 기존 발전시스템에서 냉매 및 작동유체를 액화하기 위하여 다량의 해수 혹은 강물을 이용한 복수기와 공기에 열교환하는 냉각탑등으로 많은 잠열을 잃어버리는 것과는 반대로 터빈(5)에서 일을 한 배열의 잠열을 흡수하여 냉매액이 증발되기 용이하게 배열 회수 열교환기(2)와 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10) 구조가 형성됨에 따라 열효율이 배가될 수 있고, 뿐만 아니라 부가적으로 해수 혹은 강물, 공기의 온도가 올라가지 않게 되어 지구 온난화 방지에 적극 대응할 수 있는 발전시스템이다.

도1의 발전시스템은 본 발명에 의하여 만들어진 것으로 냉매액 저장 탱크(1), 액상 펌프(7), 배열 회수 열교환기(2), 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10), 가열 열교환기(3), 과열 열교환기(4), 터빈(5)과 발전기(6), 초기 냉매 온도 조건 설정용 히터 펌프(8)로 구성되어 있다. 과열 열교환기(4)에는 100°C 이하 25°C 이상의 외부 열원을 온수 순환 펌프를 이용하여 공급받아 활용할 수 있는 구조로 되어 있고, 가열 열교환기(3)에는 60°C 이하 25°C 이상의 외부 열원을 온수 순환 펌프를 이용하여 공급 받을 수 있게 구성되어 있다. 또한 과열 열교환기(4)와 가열 열교환기(3)에 외부 열원을 분리하여 공급할 수 있고, 과열 열교환기(4)와 가열 열교환기(3)와 연결하여 한 개의 열원을 공급 할 수 있는 구조로 되 어 있다.

도2는 도1의 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10)을 상세 표현한 것이다. 배열 회수 열교환기(2)에서 배열의 잠열을 흡수하여 증발된 저온 증기는 배관의 상부층을 따라 과열 열교환기(4) 입구로 가며, 액상은 하부층을 따라 흘러 가열 열교환기(3) 내부에서 일정 수위를 유지하며 외부 열원의 열을 흡수 증발하여 다량의 중온 증기가 되어 연결관(10)을 따라 고속으로 과열 열교환기(4)에 흘러 들어가면서 연결관(10) 입구 아래쪽에서 올라오는 저온 증기를 흡입하여 가는 것을 보여 준다. 이 연결관(10)이 냉매액 저장 탱크(1)로부터 공급된 저온 냉매가 배열 회수 열교환기(2)에서 터빈(5)의 배열로부터 흡수한 잠열에 의하여 온도가 5~10°C 정도 상승되지만 냉매의 비열(R22 0.3cal/g 25°C 액체)이 낮아 잠열(R22 55.77cal/g)을 충분히 흡수 할 수 없기 때문에 배열로부터 흡수한 동등한 잠열량 만큼 액상이 기상으로 증발될 수 있도록 하였으며, 액상과 기상층이 같은 공간에서 서로 분리되어 이동 될 수 있도록 하였다.

본 발명에 의한 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10)은 터빈(5)에 일을 한 후 나온 습증기 배열의 잠열을 냉매액이 흡수하여 고속 다량으로 증발이 가능하게 하여, 냉매액이 증발 후 터빈(5)에 일을 한 후 액상으로 환원되는 과정을 연속적으로 진행될 수 있게 함으로써 경제적이며 친환경적으로 발전을 할 수 있도록 하였다.

본 발명에 의한 발전 시스템에 태양열 집열기에 의해 낮 동안 축열하면서 동시에 축열된 열을 온수 펌프로 과열 열교환기(4)와 가열 열교환기(3)로 보내어 친환경적으로 발전할 수 있도록 하였다.

본 발명에 의한 발전 시스템은 25°C 이상의 저온 열을 이용 발전할 수 있게 함으로써 화력 및 원전 발전소의 온배수 폐열을 온수 펌프로 과열 열교환기(4)와 가열 열교환기(3)로 보내어 발전을 한 후 저온 배수를 함으로써 온배수에 의한 해양 생태계 파괴 위험 요소를 제거할 수 있다

본 발명에 의한 발전 시스템은 대규모 건물 냉방 및 냉동창고, 공장의 냉각수를 만들기위해 냉각탑에서 버리는 폐열을 축열조에 모아 상층의 고온열을 온수 펌프로 발전 시스템의 과열 열교환기(4)와 가열 열교환기(3)로 보내어 발전을 한 후 저온열을 축열조 하부로 보내어 냉각탑의 기능을 대체 할 수 있으므로 에너지 절감과 여름철 집중 전원 사용을 분산하는데 기여할 수 있다.

본 발명에 의한 발전 시스템을 에어컨에 적용하면 실외기 없는 발전형 에어컨이 되어 실내기의 흡수열을 발전하여 폐열화하지 않음으로써 에너지 절감에 기여할 수 있다.

도3은 도1의 발전시스템에 태양열 집열관으로부터 온수를 온수 펌프를 사용하여 과열 열교환기(4) 상부(21)로 보내어 1차 열교환 후 아래(22)로 나온 후 다시 가열 열교환기(3) 상부(23)로 들어가 2차 열교환함으로써 태양열을 최대한 발전에 활용되게 한 후 아래(24)로 나와서 태양열 집열관으로 들어가도록 구성하였다. 또한 태양열 축열조의 온수를 이용하여 야간에도 발전할 수 있도록 구성하였다.

도4는 도1의 발전시스템에 화력 발전소, 원자력발전소의 복수기에서 열교환되고 나온온배수를 직접 온수 펌프를 작동시켜 양수하여 과열 열교환기(4)를 통과시켜 1차 열교환 후 다시 가열 열교환기(3)를 통과시켜 2차 열교환 후 바다 혹은 강으로 내보냄으로써 발전 에너지를 획득할 수 있을 뿐만 아니라 온배수에 의한 해양 온도 상승의 피해를 줄이는데 효과를 볼 수 있다. 또한 열병합 발전소는 발전과 열공급을 동시에 할 수 있을 때는 효율적이지만 열공급을 하지 않을 경우는 비생산적이므로 이 열을 온수 펌프를 이용하여 과열 열교환기(4)와 가열 열교환기(3)를 통과시키고 발전을 할 수 있도록 구성하였다.

도5는 도1의 발전시스템에 공장 폐열과 냉동 및 공기조화용 폐열을 버리기 위해 냉각 타워로 가는 열수를 온수 펌프로 1차 과열 열교환기(4)와 2차 가열 열교환기(3)를 통과시켜발전되게 한 후 냉각된 상태로 되돌아가게 할 수 있도록 구성하였다.

도6은 도1의 발전시스템에 에어컨의 실내기로부터 히터펌프로 열을 흡입 후 압축되게 하여 1차 과열 열교환기(4)와 2차 가열 열교환기(3) 내부에서 응축된 후 팽창변을 통과하여 실내기로 들어가게 하여 에어컨 기능과 발전 기능을 동시에 할 수 있게 구성하였다.

도1은 본 발명에 의한 대표도면이다.

도2는 본 발명에 의한 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관 설명도이다.

도3은 본 발명에 의한 태양열 집열관 혹은 축열조의 열을 외부 열원으로 발전하는 도면이다.

도4는 본 발명에 의한 발전소 온배수를 외부 열원으로 발전하는 도면이다.

도5는 본 발명에 의한 냉각 타워로 가는 폐열을 외부 열원으로 발전하는 도면이다.

도6은 본 발명에 의한 에어컨의 실외기를 대체하여 발전하는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 냉매액 저장 탱크 2: 배열 회수 열교환기 3: 가열 열교환기 4: 과열 열교환기

5: 터빈 6: 발전기 7: 액상 펌프 8: 히터 펌프 9: 냉매액 온도 센서

10: 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리 연결관

11 ~ 17: 제어용 밸브 18~20 : 압력 게이지

21: 외부 열원 입구 22: 외부 열원 출구 23: 외부 열원 입구

24: 외부 열원 출구 25: 저온 단열재

Claims

도1의 발전시스템은 본 발명에 의하여 만들어진 것으로 냉매액 저장 탱크(1), 액상 펌프(7), 배열 회수 열교환기(2), 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10), 가열 열교환기(3), 과열 열교환기(4), 터빈(5)과 발전기(6), 초기 냉매 온도 조건 설정용 히터 펌프(8)로 구성 및 배치하고 발전을 위해 외부 열원을 온수 펌프로 공급하는 방법 및 외부 열원을 히터펌프와 팽창변을 추가 구성하여 공급하는 방법
청구항 1에 의한 도2의 저온 냉매 고속 증발 유도 및 액상 분리용 연결관(10)을 구성하는 방법과 배열 회수 열교환기(2)와 과열 열교환기(4) 및 가열 열교환기(3)와 연결하는 방법
청구항 1에 의한 발전시스템이 초기 운전 조건 설정을 위한 냉매액 저장 탱크(1)의 포화증기를 배열 회수 열교환기(2)와 가열 열교환기(3), 과열 열교환기(4)로 보낸 후 1차 낮아진 온도의 냉매를 액상 펌프(7)를 구동하여 배열 회수 열교환기(2)와 가열 열교환기(3)에 일정 수위로 채운 후 액상 펌프(7)를 정지하고 2차 낮아진 온도 상태에서 냉매액 저장 탱크(1)의 온도를 운전 온도에 맞추기 위해 히터 펌프(8)로 포화 증기를 흡입하여 과열 열교환기(4)에 보내면 3차로 온도를 낮추게 하는 순서로 운전하는 방법
청구항 1에 의한 발전시스템이 태양열, 온배수, 냉각탑 폐열, 열병합 발전소 열온수, 공장의 냉각수를 만들기 위한 폐열, 지열 히터 펌프의 냉방시 폐열, 에어 히터 펌프의 냉방시 폐열, 기타 다양한 외부 열원을 온수 펌프로 공급 받는 방법과 에어컨의 실외기를 대체 하여 히터 펌프와 팽창변을 추가하여 열원을 공급받는 방법