KR20120016930A

KR20120016930A - 소형 열병합발전기의 보조보일러 배기유로 형성용 커버조립체

Info

Publication number: KR20120016930A
Application number: KR1020100079467A
Authority: KR
Inventors: 박대웅; 장덕표
Original assignee: 주식회사 경동나비엔
Priority date: 2010-08-17
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2012-02-27
Also published as: KR101191585B1

Abstract

본 발명은 소형 열병합발전기의 보조보일러 배기유로 형성용 커버조립체에 관한 것으로, 엔진버너로 가열되어 전기를 생산하는 스털링 엔진과, 상기 스털링 엔진 상부에 설치되고 현열 열교환기 및 잠열 열교환기를 구비하여 온수를 생산하는 보조보일러를 포함한 소형 열병합발전기에 있어서; 상기 스털링 엔진을 가열한 배기가스가 배출되는 엔진헤드와 상기 잠열 열교환기를 연결하는 유로를 형성하되, 상기 유로는 배출되는 배기가스가 잠열 열교환기의 상부에서 하부로 유동되면서 열교환하도록 구성되며; 상기 유로는 상기 잠열 열교환기가 설치되는 커버의 내측면에 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 소형 열병합발전기의 보조보일러 배기유로 형성용 커버조립체를 제공한다.
본 발명에 따르면, 스털링 엔진의 배기가스를 보조보일러의 잠열 열교환기에 경유시켜 배기가스에 포함된 고열을 회수하도록 유로를 형성할 때 이 유로가 커버에 일체로 형성됨으로써 응축수 발생은 억제하지 않으면서 전위 부식은 효율적으로 방지하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

소형 열병합발전기의 보조보일러 배기유로 형성용 커버조립체{COVER ASSEMBLY FOR FORMING EXHAUST GAS FLOW PASSAGE OF SUPPLEMENTARY BOILER IN MICRO COMBINED HEAT AND POWER UNIT}

본 발명은 소형 열병합발전기의 보조보일러 배기유로 형성용 커버조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소형 열병합발전기의 스털링 엔진에서 배출되는 배기가스를 보조보일러의 잠열 열교환기를 거쳐 배출되게 안내유로를 형성하는 소형 열병합발전기의 보조보일러 배기유로 형성용 커버조립체에 관한 것이다.

근래 새로운 에너지 원의 발굴에 대한 관심이 높아지면서, 산업의 거의 모든 분야에서 발생된다고 할 수 있는 중,저온의 배기가스 또는, 냉각수의 잠열을 회수 및 재이용하는 것 중요성이 높아지고 있다.

이와 같은 중, 저온의 열에너지를 고급 에너지인 축동력으로 전환할 때 주로 유기 랭킨 사이클이 적용되고 있다.

이러한 유기 랭킨 사이클은 물보다 증기압이 높은 유기 열매체를 작동유체로 사용함으로써, 낮은 온도의 열원 조건하에서도 상대적으로 높은 열효율로 축동력을 얻는 것을 가능하게 하는 동력 사이클의 한 형태이다.

예를 들어, 알려진 유기 랭킨 사이클은, 순환펌프, 터빈, 응축기 및 증발기 등의 독립된 구성 장치를 상호 연관구성한 것으로써, 작동유체가 증발기에서 기화된 후 터빈에서 팽창하면서 축동력을 발생시키며, 응축기에서 다시 액화된 다음 펌프에 의해서 증발기로 다시 공급되는 폐순환 사이클로 구성되게 된다.

그러나, 이와 같이 알려진 유기랭킨 시스템은 장치의 구성이 복잡하고 다량의 유기 열매체가 소요되는 것은 물론, 각 요소 장치에 대한 정밀한 제어가 요구되기 때문에 현재에는 기동 및 정지가 용이하지 않은 단점이 문제가 되어 왔다.

한편, 다른 예로 스털링 엔진(stirling Engine)이 있는데, 이는 동력사이클을 이루는 각 구성 요소가 하나의 엔진으로 집합되어 있고 작동유체로써 공기와 같은 기체를 사용하기 때문에, 장치가 매우 간단하고 운전이 용이한 이점을 제공한다.

더욱이, 이와 같은 스털링 엔진은 동력 사이클 중 최고의 열효율을 가지기 때문에, 이를 이용하여 중저온 열에너지를 동력으로 전환할 경우 종래 유기 랭킨 시스템에 비하여 매우 구조가 간단한 반면에, 고효율적인 에너지의 전환을 가능하게 하는 이점을 제공한다.

최근에는 이를 이용하여 가정에서도 전기와 열을 동시에 생산하는 발전방식인 Micro CHP(Combined Heat and Power)가 개시된 바 있는데, 일 예로 공개특허 제2006-0013391호를 들 수 있다.

이때, 이러한 발전방식의 소형 열병합발전기는 스털링 엔진과, 보조보일러를 채용하여 스털링 엔진을 통해 전기를 생산하고, 보조보일러를 통해서는 난방용 온수를 생산할 수 있도록 구성된 가정용 보일러 설비의 일종이라고 볼 수 있다.

그런데, 이와 같은 구조의 소형 열병합발전기에서는 스털링 엔진에 열을 공급하는 엔진버너 연소시 발생되는 배기가스가 곧바로 대기로 방출되는 구조로 구성되어 있기 때문에 고열이 함유된 배기가스 배출에 따른 에너지 낭비가 있었고, 또한 고열상태로 곧바로 배출되기 때문에 NOx 발생을 낮추기 어렵다는 문제도 있었다.

이를 개선하기 위해, 엔진 배기가스를 잠열 열교환기 쪽으로 유도하여 열교환시킨 후 대기로 배출하도록 한 구조가 본 출원인에 의해 시도되었다.

예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 보조보일러의 커버(240) 내면에 격벽(260)을 형성하고, 이 격벽(260)을 밀폐부재(280)로 막아 유로를 형성하는 형태가 그것이며, 열이 뺏기는 것을 막기 위해 유로 내부에 단열재(270)를 설치하였다.

아울러, 재질은 알루미늄과 스테인리스 스틸을 병합하여 사용하였다.

하지만, 보조보일러의 응축수 발생으로 도 2에서와 같이 전위 부식(A, 이질 재료를 사용하고 응축수에 전기가 통할 경우 가속됨)이 생기는 문제가 발생하였으며, 이 전위 부식이 모세관 현상에 의해 제품 내부에 급속히 전파되는 문제가 파생되었다.

이때, 콘덴싱 보일러에서는 응축(엔진 작동과 정지가 반복되면서 식는 과정에서 응축수 발생)현상이 발생되면 보일러의 효율이 상승하므로 유리하나 응축수에 의한 전위 부식은 제품 수명을 단축시키기 때문에 상반관계에 있다.

이에, 밀폐부재를 알루미늄으로 대체할 수도 있으나 이 경우에도 모세관 현상으로 인한 내부 단열재 열화를 피하기 어렵고 절연 및 고온에 견딜 수 있는 특수 재질의 실링재를 사용해야 하며 전이 부식 방지를 위해 보조보일러 커버와 밀폐부재를 결합시키는 볼트 또한 일반 스테인레스 볼트가 아닌 절연 볼트로 대체해야 하기 때문에 비용 상승이 따른다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 스털링 엔진과 보조보일러를 포함하는 소형 열병합발전기에서 스털링 엔진 구동시 생기는 배기가스가 잠열 열교환기를 경유하여 충분히 열교환된 후 대기로 배출되게 유도하는 유로를 형성할 때 유로 자체를 커버에 일체화시킴으로써 응축수 발생은 억제하지 않으면서 전위 부식을 효과 있게 방지할 수 있도록 한 소형 열병합발전기의 보조보일러 배기유로 형성용 커버조립체를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 엔진버너로 가열되어 전기를 생산하는 스털링 엔진과, 상기 스털링 엔진 상부에 설치되고 현열 열교환기 및 잠열 열교환기를 구비하여 온수를 생산하는 보조보일러를 포함한 소형 열병합발전기에 있어서; 상기 스털링 엔진을 가열한 배기가스가 배출되는 엔진헤드와 상기 잠열 열교환기를 연결하는 유로를 형성하되, 상기 유로는 배출되는 배기가스가 잠열 열교환기의 상부에서 하부로 유동되면서 열교환하도록 구성되며; 상기 유로는 상기 잠열 열교환기가 설치되는 커버의 내측면에 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 소형 열병합발전기의 보조보일러 배기유로 형성용 커버조립체를 제공한다.

이때, 상기 유로를 포함한 상기 커버는 세라믹 단열재로 형성된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 유로의 하단인 배기가스 입구부는 상향 경사지게 형성된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 스털링 엔진의 배기가스를 보조보일러의 잠열 열교환기에 경유시켜 배기가스에 포함된 고열을 회수하도록 유로를 형성할 때 이 유로가 커버에 일체로 형성됨으로써 응축수 발생은 억제하지 않으면서 전위 부식은 효율적으로 방지하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명과 관련된 보조보일러의 배기유로를 구성하는 커버의 기존예를 보인 부분 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 예에서 전위 부식(A)이 발생된 예를 개략적으로 보인 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 소형 열병합발전기의 스털링 엔진 배기가스 배기과정을 보인 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 소형 열병합발전기의 보조보일러를 보인 예시적인 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 보조보일러의 배기유로를 보인 정면도 및 요부 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 커버와 종래 커버를 비교하는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 커버의 전, 후면 및 덮개 설치예를 보인 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 커버가 잠열 열교환기에 조립되었을 때의 모습을 부분적으로 예시적으로 도시한 도면이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 소형 열병합발전기는 하우징(100)을 포함하며, 상기 하우징(100) 내부에는 스털링 엔진(110)이 설치되고, 상기 스털링 엔진(110)의 상부에는 보조보일러(200)가 설치된다.

이때, 상기 스털링 엔진(110)은 주보일러(미도시)에 의해 가동되는데, 주보일러에 구비된 엔진버너(120)가 스털링 엔진(110)의 엔진헤드(미도시)를 가열하면 내부에 밀봉된 작동유체가 온도차에 의해 팽창/수축하면서 작동하여 교류 전류를 생산하게 된다.

그리고, 상기 보조보일러(200)는 현열 열교환기(210)와 잠열 열교환기(220)를 갖추고 버너(B, 도 5 참조)를 통해 공급되는 고열의 열교환을 통해 온수를 생산하게 된다.

이 과정에서 생산된 온수는 저장탱크(300)에 저장된 후 활용되게 되는데, 이 경우 상기 스털링 엔진(110)을 냉각하기 위해 냉각수관(130)이 스털링 엔진(110)을 경유한 후 상기 잠열 열교환기(220)와 현열 열교환기(210)를 순차로 거치도록 구성된다.

한편, 상기 보조보일러(200)는 케이스(230) 내부에 잠열 열교환기(220)가 내장되고, 상기 케이스(230)의 상부에는 현열 열교환기(210)가 조립된다.

아울러, 상기 케이스(230)의 전방은 일부 개방되고, 개방된 부분에는 엔진 배기가스의 유로를 형성하는 커버(240)로 밀폐된다.

이때, 상기 커버(240)의 하면에는 구멍(미도시)이 형성되고, 상기 구멍에는 연통관(250)이 연결되며, 상기 연통관(250)은 스털링 엔진(110)의 엔진헤드에 접속되어 엔진버너(120)로부터 연소된 후 스털링 엔진(110)을 가열한 다음 배기되는 배기가스를 유도배출하는 기능을 수행한다.

이 경우, 상기 연통관(250)은 플랜지 형태로 구성되어 조립의 용이성을 확보하도록 하며, 열손실을 막아 효율을 높일 수 있도록 상기 연통관(250) 자체를 단열성이 우수한 세라믹으로 형성됨이 더욱 바람직하다.

특히, 본 발명은 상기 연통관(250)의 상단을 통해 배출되는 배기가스를 잠열 열교환기(220)로 유도하는 유로를 커버(240, 도 1,3 참조) 내측면에 일체로 형성한 것에 큰 특징을 가진다.

즉, 도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 커버(240) 내측면에 기존과 같이 별도의 밀폐부재를 조립하는 형태를 취하지 않고, 커버(240)를 성형할 때 아예 밀폐벽(242)이 커버(240)와 일체가 되게 성형하고, 밀폐벽(242) 안쪽에 유로(246)가 형성되도록 구성한 것이다.

따라서, 상기 유로(246)를 기준으로 이 유로(246)를 형성하는 벽면은 모두 커버(240)와 동일 재질로 이루어진다.

바람직하기로는, 상기 커버(240) 및 유로(246)를 구성하는 벽면이 모두 세라믹 단열재로 형성된다.

아울러, 배기가스의 유동을 원활하게 하고, 열손실을 줄이며, 응축수의 온도 상승을 억제하면서 배기가스의 응축 조건을 높이기 위해 유로(246) 두께를 기존 10mm 대비 20mm로 높이고, 연통관(250)의 상단과 접속되는 유로(246) 입구를 상향 경사지게 구성하면 더욱 좋다.

그리고, 커버(240)의 배면에는 노출된 유로(246)를 밀폐하기 위해 도 8과 같이, 덮개(248)가 씌워진다.

그러면, 도 9와 같이, 유로(246)를 통해 잠열 열교환기(220)의 상단부 쪽으로 유도된 배기가스는 잠열 열교환기(220)의 상단에서 하단을 향해 흐르면서 열교환되고, 최종 열교환된 후에는 배기유로(290, 도 6 참조)를 타고 대기중으로 배출되게 된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 다음과 같은 작동관계를 갖는다.

가스를 열원으로 하여 본 발명에 따른 소형 열병합발전기가 가동되어 전기 및 온수를 생산하게 된다.

즉, 가스의 일부는 엔진버너(120)를 통해 스털링 엔진(110)을 가열함으로써 전기를 생산하고, 가스의 나머지 일부는 콘덴싱보일러인 보조보일러(200)로 공급되어 평판형 버너(B)를 가열하고 그때 발생되는 고열로 2 개의 열교환기를 통과하는 찬물을 열교환시킴으로써 온수를 생산하게 된다.

이 과정에서, 엔진버너(120)를 가동하여 가스를 연소시킬 때 발생되는 배기가스는 엔진헤드(미도시)에 직접 연결된 연통관(240)을 통해 상승되고, 상승된 고열을 함유한 배기가스는 연통관(240)과 연결된 커버(240) 내부에 일체로 형성된 유로(246)를 타고 잠열 열교환기(220)와 분리된 채 상승하게 된다.

이어, 유로의 최상단까지 상승되면 최상단에서 상기 잠열 열교환기(220)와 접촉할 수 있도록 유로가 개방되어 있기 때문에 상승유동된 배기가스는 잠열 열교환기(220) 사이 사이로 스며들고, 그 과정에서 열교환이 이루어지며, 열을 빼앗긴 배기가스는 잠열 열교환기(220)의 최하단에 구비된 배출유로(290)를 타고 상승된 후 대기중으로 배출되게 된다.

이와 같이, 보조보일러(200)의 응축잠열을 흡수하는 잠열 열교환기(220)에서 스털링 엔진(110)을 통해 배출되는 배기가스에 포함된 고열도 함께 흡수하도록 함으로써 열교환 효율 및 열효율을 높여 열병합발전기의 성능을 향상시키게 된다.

또한, 본 발명은 유로(246)를 구성하는 재질이 커버(240)와 동일 재질인 세라믹 단열재이기 때문에 콘덴싱형 보조보일러에서 발생되는 응축수에 의해 전위 부식이 생기지 않게 되어 사용수명이 연장되고, 효율이 향상되는 장점을 얻을 수 있다.

즉, 보조보일러의 응축 잠열 열교환 효율과 관련된 응축수 생성 자체를 억제하는 것이 아니라, 응축수 생성과 상관없이 응축수에 의한 전위 부식 자체를 막고, 유로를 통해 배기가스의 배출은 잠열 열교환기를 원활하게 거쳐 가도록 구성할 수 있어 효율 향상에 일조할 것으로 기대된다.

100 : 하우징 110 : 스털링 엔진
120 : 엔진버너 130 : 냉각수관
200 : 보조보일러 210 : 현열 열교환기
220 : 잠열 열교환기 230 : 케이스
240 : 커버 242 : 밀폐벽
246 : 유로 248 : 덮개
250 : 연통관 290 : 배출유로

Claims

엔진버너로 가열되어 전기를 생산하는 스털링 엔진과, 상기 스털링 엔진 상부에 설치되고 현열 열교환기 및 잠열 열교환기를 구비하여 온수를 생산하는 보조보일러를 포함한 소형 열병합발전기에 있어서,
상기 스털링 엔진을 가열한 배기가스가 배출되는 엔진헤드와 상기 잠열 열교환기를 연결하는 유로를 형성하되, 상기 유로는 배출되는 배기가스가 잠열 열교환기의 상부에서 하부로 유동되면서 열교환하도록 구성되며,
상기 유로는 상기 잠열 열교환기가 설치되는 커버의 내측면에 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 소형 열병합발전기의 보조보일러 배기유로 형성용 커버조립체.
청구항 1에 있어서,
상기 유로를 포함한 상기 커버는 세라믹 단열재로 형성된 것을 특징으로 하는 소형 열병합발전기의 보조보일러 배기유로 형성용 커버조립체.
청구항 2에 있어서,
상기 유로의 하단인 배기가스 입구부는 상향 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 소형 열병합발전기의 보조보일러 배기유로 형성용 커버조립체.