KR20130107324A - 모듈식 가열 시스템 - Google Patents

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KR20130107324A
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heat
heat exchange
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medium
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KR1020137014158A
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존 제이 바니스터
죠프리 엠 바커
이엔 헨쇼
티모시 화이트처치
닐 에스 브라이트
Original Assignee
에너제틱스 젠렉 리미티드
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Abstract

보일러 유닛은: 제 1 매질을 가열하는 가열 장치, 부스트 열 교환기, 밸브 및 제 1 매니폴드를 갖는, 제 1 유체 열 교환 매질의 제 1 순환부; 상기 보일러 유닛의 흐름 및 복귀 포트, 제 2 매니폴드, 및 상기 밸브가 열리면 제 1 및 제 2 열 교환 매질 간의 열 교환을 위한 상기 부스트 열 교환기를 갖는, 제 2 가열 시스템 유체 열 교환 매질의 제 2 순환부; 상기 제 1 유체 열 교환 매질에 의해 실질적으로 전용으로 구동되는 보조 유닛을 수용하는 인클로져 내 공간; 상기 가열 장치의 열 요구에 따라 상기 가열 장치의 동작을 제어하고, 보조 유닛이 연결되면 상기 보조 유닛에 무관하게 제어하는 보일러 제어 유닛; 및 유기 랭킨 사이클(ORC) 유닛을 포함하는 인클로져를 포함하며, 상기 ORC 유닛은: 상기 제 2 순환부에 열을 제공하기 위해 상기 제 2 매니폴드에 연결되도록 구성된 컨덴서, 제 3 매질을 순환시키는 펌프, 상기 제 3 매질을 가열하기 위해 상기 제 1 매니폴드에 연결되도록 구성된 증발기, 및 발전기에 연결된 로터리 팽창기를 포함하는 제 3 유체 열 교환 매질 순환부; 및 상기 ORC 유닛을 제어하고 상기 밸브를 구동하는 보조 제어 유닛을 포함한다.

Description

모듈식 가열 시스템{HEATING SYSTEM - MODULAR}
본 발명은 모듈식 가열 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 가정용 가열 시스템 또는 일반적으로 작은 용량의 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은 추가적인 기능을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명은 진동 컴포넌트를 위한 마운팅 배치에 관한 것이며, 특히 상기 진동 컴포넌트는 가정용 가열 시스템 내 펌프 또는 모터의 진동 컴포넌트이다.
일반적으로 가정용 가열 시스템은 완곡하게 보일러로 지칭되는 유닛을 포함하며, 상기 보일러는 벽에 장착되거나 자립형일 수 있다. 보일러는 일반적으로 가열 시스템의 중앙 유닛이며, 보통 DHW로 언급되는 온수 순환부(탭 및 샤워에서 제공되는 온수를 위한 것임)를 가열하기 위해 간접적으로 사용되는 온수를 내보내거나, 보일러가 위치하는 건물을 실내난방하거나 중앙난방(보통 CH로 언급됨)하기 위해 직접적으로 사용되는 온수를 내보낸다. 물론, DHW의 직접 공급 역시 "결합형(combi)" 장치로 가능하다.
이러한 보일러를 위한 동력원은 가스, 다른 연료 또는 다른 소스일 수 있다.
지역적인 전기 발전에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이러한 발전의 경제성이 관심을 불러 일으키고 있다. WO-A-2003/014534는 통합된 마이크로 결합형 가열 및 발전(combined heat and power, CHP) 시스템을 기술하며, 팽창기로서 스크롤을 도입한 유기 랭킨 사이클(organic rankine cycle, ORC) 머신으로 열을 제공하는 증기 순환부가 종래의 보일러에 제공되며, 상기 스크롤은 발전기를 가동시켜 전기를 생성한다. 본 발명은 특히 이러한 장치에 관한 것이지만, 이에 제한되지는 않는다.
그러나, 보일러에는 예를 들어 축열기 또는 공기 조화 유닛의 제공과 같은 다른 잠재적인 기능이 요구되기도 한다. 또한, 보일러를 조정 가능하도록 제공하는 것이 요구될 수 있다.
WO-A-2010/061190은 솔리드 스테이트 결합형 가열 및 발전 유닛이나 랭킨(rankine) 또는 스털링(stirling) 엔진(CHP 장치)을 수용하도록 구성된 인클로져 내에 수용되는 보일러 유닛을 개시하며, 상기 보일러 유닛은 열 생성 장치, 및 상기 열 생성 장치와 상기 CHP 장치를 독립적으로 제어하는 제어 유닛을 포함하며, 상기 보일러 유닛은 상기 CHP 장치가 제공되지 않아도 동작 가능하다.
GB-A-2376271은 유사한 장치를 개시한다.
본 발명은 인클로져를 포함하는 보일러 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 인클로져를 포함하는 보일러 유닛이 제공되며, 상기 인클로져는: 제 1 매질을 가열하는 가열 장치, 부스트 열 교환기, 밸브 및 제 1 매니폴드를 갖는, 제 1 유체 열 교환 매질의 제 1 순환부; 상기 보일러 유닛의 플로우 및 리턴 포트, 제 2 매니폴드, 및 상기 밸브가 열리면 상기 제 1 및 제 2 열 교환기 매질 간에 열을 교환하기 위한 상기 부스트 열 교환기를 갖는, 제 2 가열 시스템 유체 열 교환 매질의 제 2 순환부; 상기 제 1 유체 열 교환 매질에 의해 실질적으로 전용으로 구동되며 열 드레인을 포함하는 보조 유닛을 수용하는 상기 인클로져 내 공간; 및 보조 유닛이 연결된 경우 상기 보조 유닛에 관계없이 가열 장치의 열 요구에 따라 가열 장치의 동작을 제어하는 보일러 제어 유닛을 포함한다.
상기 보조 유닛이 "상기 제 1 유체 열 교환 매질에 의해 실질적으로 전용으로 구동됨"은 상기 보조 유닛의 제어 외에 어떠한 추가적인 동력이 상기 보조 유닛에 의해 사용되지 않음을 의미하며, 상기 보조 유닛은 그 실질적인 목적을 수행하기 위해 요구되는 에너지를 오직 상기 제 1 유체 열 교환 매질로부터만 끌어낸다. 따라서, 본 발명은 상기 제 2 순환부(집 또는 건물의 중앙난방순환부 및 가정용 온수가 될 수 있음)와 상기 보조 유닛 둘 모두를 위해 하나의 열원을 도입한다. 이는 기기의 제어를 상대적으로 매우 간단하게 하여, 기존의 기술자(예컨대, 영국의 CORGI 등록된 설비 기술자)에게 친숙한 종래의 보일러 가열 제어만을 요구한다.
상기 보조 유닛은 유기 랭킨 사이클(ORC) 유닛을 포함할 수 있으며, 상기 ORC 유닛은: 상기 제 2 순환부에 열을 제공하도록 상기 제 2 매니폴드에 연결되도록 구성된 컨덴서, 제 3 매질을 순환시키는 펌프, 상기 열 드레인을 형성하고 상기 제 3 매질을 가열하도록 상기 제 1 매니폴드에 연결되도록 구성된 증발기, 및 발전기에 연결된 로터리 팽창기를 포함하는, 제 3 유체 열 교환 매질 순환부; 및 상기 ORC 유닛을 제어하고 상기 밸브를 구동시키는 보조 제어 유닛을 포함한다.
이 모드에서, ORC 유닛을 포함한 보일러는 전달된 모든 에너지(즉, 열 및 전기)가 상기 가열 장치에 의해 제공되는 마이크로 CHP 유닛이다. 일 장치에서, 상기 가열 장치는 열을 연소물로부터 상기 제 1 열 교환 매질로 전달하는 열 교환 코일을 포함하는 연소 챔버이다. 본 발명의 특징은 상기 부스트 열 교환기가 상기 제 1 열 교환 매질에 의해 전달된 실질적으로 모든 열을 제 2 열 교환 매질로 전달하기에 충분하다는 것일 수 있다. 이는 상기 ORC 유닛이 연결되지 않은 경우, 시스템의 열 용량에 손실이 발생하지 않음을 의미한다.
상기 보조 유닛은 단순하게 시스템 상의 다른 열 부하이며, 그 결과 보일러 제어는 보조 유닛의 포함에 의해 영향받지 않는다. 물론, 설치된 임의의 유닛은 그 자신의 제어를 가지며, 제 1 순환부 내의 부스트 교환기 밸브의 구동에 대하여 어느 정도까지는 제 1 및 제 2 순환부를 포함한다.
게다가, 상기 보조 유닛은 그것이 무엇이든 간에 연결되지 않은 경우, 밸브는 일반적으로 열리며, 보조 제어 유닛은 상기 밸브를 닫도록 하여 제 1 열 교환 유체의 열이 제 3 열 교환 매질로 전달될 수 있도록 한다. 바람직하게, 상기 보조 유닛이 ORC 유닛이고 보일러 유닛 내에서 연결된 경우, 밸브는 상기 ORC 유닛이 제 2 열 교환기의 모든 열 요구를 만족할 수 없을 때까지 닫히게 된다.
따라서, 시스템은 열에 의해 운영된다. 보일러가 시작되면, 상기 보일러는 제 2 순환부에 의해 요구된 모든 열을 제 1 열 교환 유체로 전달하고, 그러고 나서 제 3 열 교환 유체로 전달하며, 상기 밸브는 ORC 제어 유닛에 의해 닫힌다. 실제로, 제 2 순환부가 필요로 하는 것보다 더 많은 열이 생성되며, 잉여분은 ORC 유닛에 의해 사용되어 전기를 생성한다. ORC 유닛은 제 2 순환부의 예상된 평균 기능 열 부하를 전달하도록 구성된다. 이는 최대 부하에서, ORC 유닛이 충분한 열을 전달할 수 없음을 의미한다. 이러한 상황에서, 가열 장치의 열 출력은 최대 출력을 향해 증가하며, 동시에 밸브는 제 1 열 교환 유체의 일부를 부스트 열 교환기로 방향 전환시키도록 개방되어, 추가적인 열이 제 3 열 교환 유체로 전달될 수 있다.
대안적으로, 상기 보조 유닛은, 상기 제 2 가열 시스템 유체 열 교환 매질을 보관하기 위한 탱크를 포함하며 상기 제 2 매니폴드에 연결되도록 구성된 축열기를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 탱크는, 상기 열 드레인을 형성하고 상기 제 1 매니폴드에 연결되도록 구성된 탱크 열 교환기, 상기 탱크 내 제 2 매질의 온도를 모니터링하는 온도 조절기를 포함하는 열 제어 유닛, 및 상기 탱크 열 교환기 내 상기 제 1 열 매질의 흐름을 제한하는 밸브를 포함한다.
대안적으로, 상기 보조 유닛은 흡수 구동식 공기 조화 유닛을 포함할 수 있으며, 상기 공기 조화 유닛은 상기 열 드레인을 형성하고 상기 제 1 매니폴드에 연결되도록 구성되고 상기 제 1 열 교환 매질에 의해 구동되는 열 펌프, 및 상기 열 펌프에 의해 냉각되는 냉각원을 포함한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 보일러 유닛은 보조 유닛이 공급되거나 공급되지 않을 수 있으며, 공급되지 않은 경우 상기 보조 유닛은 추후에 공급되고 배치될 수 있다.
실제로, 일 장치에서, 다수의 보조 유닛을 수용하도록 다수의 슬랏 또는 공간이 보일러 유닛에 제공될 수 있으며, 각각은 제 1 순환부로부터의 열에 의해 구동되도록 구성된다. 대안적으로, 하나의 슬랏은 전술한 바와 같이 ORC 유닛을 수용하도록 구성되며, 제 2 슬랏은 앰비언트 소스 열 펌프 또는 태양열 소스와 같은 추가적인 열 생성 보조 유닛을 수용하도록 구성되어, ORC 유닛을 구동하기 위해 요구되는 에너지가 추가적인 열 생성 보조 유닛과 제 1 순환부 간에 공유될 수 있다.
바람직하게, 상기 보일러 유닛은 상기 공간으로부터 분리된 상기 보조 제어 유닛의 장착을 위한 마운트를 포함한다.
바람직하게, 상기 제 1 유체 열 교환 매질은 압력 하에서 동작하고 중력으로 구동되는 물과 증기이다. 따라서, 상기 부스트 열 교환기(그리고, 보조 유닛이 존재하는 경우 상기 보조 유닛의 열 드레인)은 가열 장치 위에 위치하여, 상기 가열 장치 내의 물은 끓어서 증기로 변해 상기 부스트 교환기로 상승하며, 상기 증기는 응축하여 물로서 상기 가열 장치로 되돌아온다. 압력은 6 또는 7 Bar의 영역일 수 있으며, 동작 온도는 약 150℃에서 최대값을 갖는다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 제어 유닛 및 프레임을 포함하는 유기 랭킨 사이클이 제공되며, 상기 프레임은: 제 3 유체 열 교환 매질 순환부가 장착되며, 상기 제 3 유체 열 교환 매질 순환부는 상기 제 2 순환부로 열을 제공하기 위해 상기 제 2 매니폴드에 연결되도록 구성된 컨덴서, 상기 제 3 매질을 순환시키는 펌프, 상기 제 3 매질을 가열하기 위해 제 1 유체 열 교환 매질의 소스에 연결되는 포트를 갖는 증발기, 및 발전기에 연결되는 로터리 팽창기를 포함한다.
다른 양태에 따르면, 길이방향 축을 갖는 진동 유닛을 프레임 내 장착하는 방법이 제공되며, 상기 장착 방법에 따르면 축 평면 내 상기 길이방향 축의 각 측 상에 마운트를 포함하며, 각각의 마운트는 상기 축 평면에 실질적으로 수직한 마운트 평면 내에 위치하며, 적어도 하나의 마운트는 한 쌍의 브래킷을 포함하며, 이 중 하나인 유닛 브래킷은 유닛에 고정 연결되며, 다른 하나인 프레임 브래킷은 상기 프레임에 연결되며, 각각의 브래킷은 상기 마운트 평면에 평행하되 서로 이격된 브래킷 평면 내에 위치하는 마운팅 면들을 정의하며, 서로 마주보는 마운팅 면들 사이에 탄성 블록이 배치되며, 유닛 브래킷 및 프레임 브래킷은 프레임 내에서 연결된 경우 상기 프레임 내에서 유닛을 지지하며, 상기 마운팅 면들은 상기 마운트 프레임 및 상기 축 프레임에 대하여 경사져, 상기 축 평면의 각 측 상의 상기 탄성 블록의 쌍은 서로에 대하여 마주보며 경사진다.
바람직하게, 상기 마운트는 상기 축 평면에 직교하며 상기 길이방향 축을 포함하는 직교 축 평면의 각 측 상에서 실질적으로 동일하며, 직교 축 평면의 각 측 상의 상기 탄성 블록의 쌍은 서로에 대하여 마주보며 경사진다.
바람직하게, 상기 탄성 블록의 쌍이 상기 마운트 내에 제공되며, 상기 마운트는 상기 축 평면 및 직교 축 평면 각각에 대하여 직교하는 평면인 중력 평면의 각 측 상에 위치하며, 상기 중력 평면은 상기 유닛이 상기 프레임 내에 장착되면 실질적으로 수평하게 배열되며, 상기 중력 평면의 각 측 상의 상기 탄성 블록의 쌍은 평행하게 경사진다.
본 발명은 기기의 제어를 간단하게 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 기술되며:
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 유체 순환부도이고;
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 도 1의 순환부를 포함하는 보일러 유닛의 도면으로서, 다양한 패널들이 제거되어 있고;
도 3은 더 많은 패널들이 제거된 추가적인 도면이고;
도 4는 ORC 유닛이 보일러 유닛으로부터 분리된 다른 도면이고;
도 5a 및 도 5b는 일부 프레임 엘리먼트가 제거된 ORC 유닛의 도면이고;
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 도 5의 ORC 유닛 내 스크롤 팽창기 생성 장치의 마운팅 배치를 도시하는 도면이고;
도 7은 대안적인 배치의 개략도이고;
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 대안적인 배치의 개략도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 보일러(10)의 실시예는 프레임(12a) 및 연결된 패널(12b)의 형태를 갖는 하우징(12)을 포함하는 벽-장착식 유닛이며, 바람직하게 완전하게 갖춘 경우(전방 커버 패널을 포함하여 일부 패널은 도시되지 않았음) 밀봉된 인클로져(enclosure)를 형성한다. 바람직하게, 보일러는 가스로 발화되고, 가스 제어 밸브(18)를 통해 연소 챔버(16)로 진행하는 가스 공급부(14)를 갖는다. 팬(22)에 의해 구동되는 밸런스 연통(20)은 연소 공기를 연소 챔버(16)로 공급하고, 연소 챔버로부터 연소 가스를 배출한다.
연소 챔버는 적절하게 대부분 물인 제 1 열 교환 매질을 갖는 연소 챔버(16) 내부에 코일형 파이프 형태로 주 열 교환기(heat exchanger, HX)를 포함하며(도 1 참조), 상기 제 1 열 교환 매질은 연소 프로세스에 의해 끓고 증발될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 보일러(10)는 세 개의 유체 순환부를 포함하며, 상기 유체 순환부는 제 1 증기 순환부(100), 제 2 중앙 가열(central heating, CH) 및/또는 가정용 온수(domestic hot water, DHW) 순환부(200), 및 제 3 유기 랭킨 사이클(ORC) 순환부(300)이다.
제 1 순환부(100)는 파이프(31a 내지 31f)를 포함하며, 상기 파이프는 열 교환기(HX)로부터 나와 부스트 열 교환기(33)를 통과해 순환부를 완성시킨다. 팽창 베셀(E)은 제 1 순환부 내 압력을 제어한다. 순환부의 원동력은 중력이며, 이는 증기가 연소 챔버(16)로부터 상승하고 유닛의 상부에 있는 부스트 교환기(33) 내에서 응축하기 때문이다. 도시된 실시예에서, 증기 파이프(31a)의 가지(35a)는 유기 랭킨 사이클 유닛(50)의 증발기(49)까지 이어지며, 이하에서 더 설명된다. 귀환 가지(35b)는 물 귀환 파이프(31e)에 다시 연결된다. 부스트 밸브(36)는 부스트 교환기(33)를 통하는 흐름을 제어한다. 환열기(38)는 귀환된 물을 가열하고 연소 챔버의 기저 및 통과 연통 루트(20a)에 남아있는 배기 가스를 냉각시킨다.
제 2 순환부(200)는 귀환 파이프(41a)로부터의 중앙 가열(CH) 및/또는 가정용 온수(DHW)를 공급받는 부스트 교환기(33)를 포함한다. 이는 환열기(42)에 진입하며, 상기 환열기에서는 연소 챔버(16)를 나가는 배기 가스가 연통 루트(20a)를 통한 배출을 위해 최종적으로 냉각되고, 일부 초기 가열이 파이프(41a) 내의 귀환 흐름에 주어진다. 환열기로부터 배출된 후, 이하에서 더 설명되는 바와 같이 ORC 유닛이 연결된 경우 상기 ORC 유닛(50) 내의 컨덴서(52)에 연결된 파이프(41c) 내에 귀환 흐름이 위치한다. ORC 유닛이 연결되지 않은 경우, 그 대신 바이패스 파이프(41b)가 환열기(42)의 출구에 연결되며, 바이패스는 부스트 열 교환기(33)로도 연결된다. ORC 유닛이 구비된 경우, 컨덴서(52)로부터의 배출 파이프(41d)는 부스트 열 교환기(33)에 연결된다. 어느 한 경우, 순환부는 중앙 가열 및/또는 온수 시스템의 흐름 파이프가 되는 파이프(41f)에 의해 완성된다.
ORC 유닛(50)은 컴포넌트가 장착된 프레임(54)을 갖는 교체 가능한 모듈이다. 제 3 ORC 순환부는 파이프(44a 내지 44f)로 구성된다. 파이프(44a)는 제 1 스테이지의 유체를 가열하는 재생기(48)로 액체 유기 열 교환 유체(펜탄이 적절한 선택일지라도, 많은 가능한 유체들이 있음)를 전달하는 펌프(46)에서 빠져나온다. 배출 파이프(44b)는 추가적인 열을 더하고 증기 순환부(100) 내 증발기(49)의 다른 측을 통해 지나가는 증기의 영향 하에서 유기 유체를 끓이는 증발기(49)로 가열된 유체를 전달한다. 기상의 유기 유체는 파이프(44c)를 통해 팽창기(47)로 진행하며, 상기 팽창기는 적절하게 스크롤의 형태를 갖는다. 스크롤은 생성기(45)에 연결될 수 있다. 실제로, 도 2 내지 도 6에 도시된 실시예에서와 같이, 생성기 및 스크롤 팽창기(47)는 단일 유닛(45/47) 내에 통합될 수 있다. 파이프(44d)는 여전히 과열되었으나 팽창된 유기 유체 증기를 재생기(48)로 운반하여, 컨덴서(52)를 향해 관통 파이프(44e)를 지나기 전에 보다 많은 열을 공급하며, 그 열은 대부분 컨덴서(52) 내에서 중앙 가열/온수 순환부(200)로 제공된다.
따라서, 동작 모드 및 열의 주요 운반은 연소 챔버로부터 증기 순환부(100)로 진행되며; 증발기(49) 내에서의 교환에 의해 증기 순환부로부터 ORC 순환부(300)로 진행되며; 컨덴서(52)를 통해 ORC 순환부(300)로부터 중앙 가열 순환부(200)로 진행된다. 순환부(300)가 증기 순환부(100)와 중앙 가열 순환부(200) 사이에 제공되는 브리지는 그 열 용량 내에서 제한된다. 브리지는 많은 상이한 컴포넌트들 중 임의의 컴포넌트에 의해 제한될 수 있다. 순환부의 용량은 a) 팽창기/생성기(45/47)로부터 유용한 양의 전기를 제공하고, b) CH/DHW 순환부(200)를 위한 열 요구량의 대부분을 제공하는 전형적인 레벨로 맞추어질 필요가 있다. 그러나, 효율이 저하되기 때문에 그보다 더 많은 용량을 가져서는 안 된다. 그러나, 순환부(300)가 제공할 수 있는 것보다 더 많은 열이 CH/DHW 순환부에 의해 필요하게 되는 경우, 보일러 제어 유닛(70)(이하에서 더 기술됨)은 밸브(36)를 열고, 증기가 부스트 열 교환기(33)에 진입하도록 허용하여, 브리지 순환부(300) 뿐만 아니라 순환부(100, 200) 간의 직접 연결을 달성한다. 물론, 전술한 바와 같이, ORC 유닛이 사용되지 않은 경우, 부스트 열 교환기는 스팀 순환부와 CH/DHW 순환부(100, 200) 사이의 유일한 링크이다.
다시 도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 보일러 제어 유닛(70)은 전형적인 유닛이며, 올바른 동작을 확인하기 위해 다양한 파라미터를 감지할 뿐만 아니라, 팬(22) 및 가스 밸브(18)의 동작을 제어한다. 상기 보일러 제어 유닛은 온 및 오프 시간을 제어하고 스위칭 명령을 제공하도록 사용자에 의해 작동되는 중앙 가열 시스템 제어 유닛(미도시)에 전형적으로 연결되며, 보일러 제어 유닛(70)에 대한 공간 및 물 온도 조절기 등에 응답한다. 그러나, ORC 유닛(50)이 설치되는 경우, 별도의 ORC 제어 유닛(80)이 제공되며, 고립 유닛(90) 내에 장착된다. 고립 유닛(90)은 단순히 연소 챔버(16) 및 ORC 유닛(50)으로부터 고립된 보일러(12)의 위치이며, 보일러의 전기 컴포넌트가 두 컴포넌트 모두의 영향으로부터 보호될 수 있다. 고립 유닛(90)은 단순히 보일러 인클로져(12) 내부의 공간을 분할하는 주변 벽(92)이다. 벽(92)을 통과하는 전기 연결 및 파이프는 고무 그로밋(grommets) 등을 통과한다. 제어 유닛(80)은 펌프(46)를 제어하며, 또한 생성기(45)에 의해 생성된 전기를 분배한다.
도 4를 참조하면, ORC 유닛(50)은 하우징(12) 내에 제공된 공간(51)으로 간단하게 연결되는, 분리된 그리고 분리 가능한 컴포넌트이다. 전술한 바와 같이, 보일러(10)는 ORC 유닛이 제자리에 위치하지 않아도 동작될 수 있다. 이를 위해, 순환부(100, 200)와 ORC 순환부(300) 간에 연결 및 분리의 가능성이 있을 필요가 있다. 따라서, 파이프(41d)가 B에서 분리 가능한 바와 같이, 파이프(41c)는 분리 가능한 연결부 A을 갖는다. ORC가 구비되지 않은 경우, 보일러 측 상의 연결부 A, B는 간단하게 파이프(41b)에 의해 상호 연결된다(도 2에 도시되지 않음). 증발기(49)에 연결된 파이프(35a, 35b)는 간단하게 분리 지점으로 증발기(49)에 대한 연결부 C, D를 사용한다. ORC가 구비되지 않은 경우, 이들 파이프는 간단하게 캡으로 씌워진다.
도 1에 도시된 바와 같은 마이크로 CHP 유닛은 ORC 유닛과 함께 동작하거나 ORC 유닛을 사용하지 않은 채 동작하는 기능을 갖는다. ORC 유닛이 전혀 연결되지 않은 경우, 밸브(36)는 영구적으로 개방되고, 연소 유닛(16)은 그 자체로 충분한 용량을 갖는 부스트 열 교환기(30)를 통해 연소 유닛의 모든 열을 CH/DWH 순환부(200)로 전달할 수 있다. ORC 유닛(50)이 연결된 경우, 밸브(36)는 ORC 제어 유닛(80)에 의해 닫히도록 제어되어, 열은 ORC 유닛으로 전달되며, 열 에너지의 일부는 전기로 변환된다. 시스템이 열에 의해 운영되므로, 일반적으로 10:1(열:전기)의 비율인 생성될 전기의 양은 CH/DHW 순환부(200)에 의해 요구되는 열 부하에 전적으로 의존한다. 그러나, 상기 요구가 컨덴서(52)에 의해 전달될 수 있는 최대치에 도달하는 경우, ORC 제어 유닛은 부스트 밸브(36)를 열기 시작한다. 이러한 조건은 단순하게 ORC 유닛이 완전히 동작하는 경우 파이프(41f) 내 CH 흐름의 온도를 측정함으로써 검출될 수 있다. 상기 온도가 요구되는 것보다 더 낮은 경우, 밸브(36)는 점진적으로 개방되어, 증기를 부스트 열 교환기(33)로 방향 전환시키며, 컨덴서(52)로부터 CH/DHW 순환부(200)의 가열을 보충한다. 예를 들어, 연소 챔버의 열 용량은 18 KW일 수 있다. ORC 유닛의 등급은 12 KW일 수 있으며, 이 중 10 KW가 컨덴서(52)로 공급되고, 1 KW가 변환 손실로 손실되고, 1 KW가 전기로 생성된다. 그러나, CH/DHW 순환부의 열 요구가 예외적으로 10 KW를 초과하는 경우, 밸브(36)는 점진적으로 열린다. 그 결과, 상기 요구가 13 KW인 경우, 연소 챔버는 15 KW를 생성하고, 이 중 3 KW는 부스트 열 교환기에서 직접적으로 추가되고, 10 KW는 컨덴서에서 추가되고 여전히 1 KW의 전기가 생성된다. 또한, ORC 제어 유닛(80)은 ORC 유닛(50) 내의 에러 조건이 발전되면 밸브(36)를 열도록(또는 열리는 것을 방해하지 않도록) 구성된다. 이러한 조건은, 예를 들어 전기 그리드가 고장나고 전기 생산을 위한 요건이 중단된 경우 발생할 수 있다. 이러한 상황에서, 보일러는 동작을 계속할 수 있다. 이는 증발기(49)가 증발기를 통해 증기가 지나감으로써 가열하도록 하는 효과를 가질 것이며, ORC 순환부 내 흐름의 부족으로 인해 증기 응축이 없을 것이다. 결과적으로, 물/증기의 흐름(전술한 바와 같이 중력에 의해 구동됨)은 파이프(35a, 35b) 내에서 멈추고, ORC 순환부(300)는 사용 불능으로 분리될 것이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c를 참조하면, 팽창기/생성기 유닛(45/47)은 탄성 마운팅 배치를 통해 프레임(54) 내에 장착된다. 팽창기는 각각의 회전에서 각각의 스크롤 리이프(scroll leaf)의 개방에 의해 주기적으로 진동한다. 이러한 진동은 쉽게 해결될 수 없으며 감쇠를 요구한다. 게다가, 진동의 성질은 대칭적이지 않다. 마지막으로, 유닛(45/47)은 상대적으로 무거우며, 외부 환경으로의 소음 및 진동 전달을 감소시키기 위해 보일러 유닛의 나머지 부분으로부터 진동 고립이 요구된다.
따라서, 마운트(110)(도 6c 참조)는 제 1 및 제 2 브래킷(112, 114)을 포함하며, 브래킷(112)은 유닛(45/47)의 중앙축(120)에 본질적으로 평행하며, 축은 유닛의 무게중심을 통과한다. 브래킷(112)이 축(120)에 평행하도록 (도 6a의 두 마운트(110a, 110b) 중에서) 제 2 마운트가 유닛의 반대측 상에 배열되며, 다른 마운트도 실질적으로 유닛의 반대측 상에 배열된다. 바람직하게, 제 1 브래킷(114)은 유닛(45/47)에 연결되는 반면, 제 2 브래킷은 프레임(54)에 고정된다. 각각의 브래킷(112, 114)은 네 개의 마운팅 면들(115)을 제공하며, 각각의 마운팅 면은 다른 브래킷 상의 대응하는 면(117)으로부터 이격되도록 배치되며, 그 사이에 점진적으로 반응하는 고무 마운트(116)가 마련될 수 있다. 마운팅(116)은 잘 알려져 있으며, 길이방향 축(118)을 갖고 플레이트(124)로부터 연장되는 각 단부에 나사산이 형성된 스터드(122)를 가지며, 고무(126)는 각각의 플레이트에 부착되고 플레이트(124) 사이에서 연장된다.
x,y,z 좌표계를 사용하고, z축이 축(120)을 포함하며, 마운트(110a, 110b)가 z,y 평면 내에서 서로 이격되는 경우, 브래킷(114)의 면들(115)에 대한 축(118)의 교차는 모두 x,z 평면에 평행한 평면 내에 위치하도록 배열된다. 브래킷(112)의 면들(117)에 대해서도 동일하다. 그러나, (주어진 마운트(110a, 110b)에 대하여) 면들(115, 117)의 교차가 위치하는 이러한 평면들은 y 축에서 서로 이격된다. 게다가, 면들(117)은 z,y 평면의 각 측 상에서 z 축에 평행한 방향으로 쌍을 이룬다. 상기 면들은 z,y 평면의 반대측 상에서도 x 축에 평행한 방향으로 쌍을 이룬다. 마지막으로, 마주보는 면들(115, 117)의 각 쌍의 축(118)은 세 개의 모든 평면(즉, zy, zx 및 xy 평면)에 대하여 경사진다. 실제로, 바람직하게, 상기 축은 방정식 x=y=z에 의해 주어지는 라인에 평행한 라인을 따라 위치하거나 그에 수직한 방향으로 위치한다.
유닛(45/47)은 임의의 방향으로 고정적으로 장착되지는 않지만 x,y,z 공간 내에서 모든 방향으로 자유롭게 이동하도록 장착되며, 다시 말해, 의존적으로(reliantly) 지지된다. 그 결과, 임의의 주어진 직교 평면 xy, xz 또는 zy를 고려하는 경우, 마운팅 배치는 x, y 또는 z 방향으로의 병진 이동, 또는 각 평면 내에서 x, y 또는 z 축에 대한 회전 이동을 가능하게 하며, 각각의 이동은 고무 블록(116)의 압축 또는 신장을 유발한다.
도 7을 참조하면, 전술한 실시예의 ORC 유닛은 여기에서 축열기(250)로 대체된다. 제 2 CH/DHW 순환부(200)의 파이프(41c)의 연결부 A는 여기에서 축열기(250)의 유입구에 연결되고, 파이프(41d)의 연결부 B는 축열기의 유출구에 연결된다. 증기 순환부(100)의 파이프(35a, 35b)는 축열기(250) 내 열 교환기(252)의 포트 C, D에 연결된다. 축열기의 온도가 설정된 값 아래로 떨어지면, 축열기 제어 유닛(80')은 밸브(82)를 열어 증기가 축열기(250)를 가열하도록 한다.
도 8a에서, 보일러 유닛(10')은 전술한 보일러 순환부(100, 200) 및 ORC 유닛(50)을 수용하기 위한 슬랏을 포함한다. 그러나, 제 3 "슬랏"(75)이 제공된다. 여기서, 슬랏에는 탱크(250')의 형태를 갖는 축열 유닛이 배치되며, 상기 탱크에는 각각 복귀 파이프 및 흐름 파이프(41a, 41f)에 대한 연결부(76a, 76b)가 제공된다. 게다가, 교환기(252')는 증기 순환부(100)에 대한 직접적인 연결부(78a, 78b)를 갖고, 밸브(79)는 축열기(250')로의 열 전달을 제어한다. 물론, 원하는 경우, 열 교환기(252')는 단순하게 파이프(41d)의 방향 전환으로 콘덴서와 연속하여 연결될 수 있다.
도 8b에서, 제 3 슬랏(75')은 여기에서 태양열 생성기에 의해 점유된다. 태양열 패널(260)은 고온의 태양열 교환 매질을 열 교환기(262)로 전달하며, 상기 열 교환기는 열을 그 자체로 열을 변형된 증발기(49')에 전달하도록 배치되며, 상기 변형된 증발기는 전술한 바와 같이 파이프(35a, 35b)를 통해 증기 순환부(100)로부터 열을 ORC 매질로 전달하거나, 교환기(49')의 추가 패널(49a)을 통해 태양열 매질로부터 열을 전달한다. 대안적으로, 태양열 매질이 충분히 고온인 경우, 교환기(262) 내에서 열 교환은 물/증기 순환부(100) 내 파이프(35a, 35b)의 가지들 내에서 물을 사용하여 수행될 수 있어, 교환기(49')는 위에서 도 1 또는 도 8a를 참조하여 기술된 바와 같을 것이다.
본 명세서의 상세한 설명 및 청구범위에 걸쳐, 단어 "포함하다" 및 그 변형은 "포함하지만 이에 제한되지는 않는다"를 의미하며, 이 단어들은 다른 성분, 부가물, 컴포넌트, 정수 또는 단계를 배제하도록 의도되지 않는다(그리고 배제하지 않는다). 본 명세서의 상세한 설명 및 청구범위에 걸쳐, 문맥상 다르게 요구되지 않는 한, 단수 표현은 복수 표현을 아우른다. 특히, 부정관사가 사용되면, 문맥상 다르게 요구되지 않는 한, 명세서는 단수 뿐만 아니라 복수를 고려하도록 이해될 것이다.
본 발명의 특정 양태, 실시예 또는 예와 함께 기술된 특징, 정수, 특징, 화합물, 화학 성분 또는 기는, 서로 양립 불가능하지 않는 한, 여기에 기술된 임의의 다른 양태, 실시예 또는 예에 적용 가능한 것으로 이해될 것이다. 본 명세서(임의의 첨부된 청구범위, 요약 및 도면을 포함함)에 개시된 특징 모두, 및/또는 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 단계 모두는, 이러한 특징 및/또는 단계 중 적어도 일부가 상호 배타적인 결합을 제외하고, 임의의 조합으로 결합될 수 있다. 본 발명은 전술한 임의의 실시예의 세부사항으로 제한되지 않는다. 본 발명은 본 명세서에 개시된 특징 중 임의의 신규한 사항 또는 임의의 신규한 조합으로 확장되거나, 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 단계 중 임의의 신규한 사항 또는 임의의 신규한 조합으로 확장된다.
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Claims (15)

  1. 제 1 매질을 가열하는 가열 장치, 부스트 열 교환기, 밸브, 및 제 1 매니폴드를 갖는, 제 1 유체 열 교환 매질의 제 1 순환부;
    보일러 유닛의 흐름 및 복귀 포트, 제 2 매니폴드, 및 상기 밸브가 열린 경우 제 1 열 교환 매질과 제 2 열 교환기 매질 간의 열 교환을 위한 상기 부스트 열 교환기를 갖는, 제 2 가열 시스템 유체 열 교환 매질의 제 2 순환부;
    상기 제 1 유체 열 교환 매질에 의해 실질적으로 전용으로 구동되며 열 드레인을 포함하는 보조 유닛을 수용하는, 인클로져 내 공간; 그리고
    상기 가열 장치의 열 요구에 따라 상기 가열 장치의 동작을 제어하며, 보조 유닛이 연결된 경우 상기 보조 유닛에 무관하게 제어하는 보일러 제어 유닛;
    을 포함하는 인클로져를 포함하는 보일러 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 유닛은 유기 랭킨 사이클(ORC) 유닛을 포함하며, 상기 ORC 유닛은:
    상기 제 2 순환부에 열을 제공하기 위해 상기 제 2 매니폴드에 연결되도록 구성된 컨덴서, 제 3 매질을 순환시키는 펌프, 상기 열 드레인을 형성하며 상기 제 3 매질을 가열하기 위해 상기 제 1 매니폴드에 연결되도록 구성된 증발기, 및 발전기에 연결된 로터리 팽창기를 포함하는 제 3 유체 열 교환 매질 순환부; 그리고
    상기 ORC 유닛을 제어하고 상기 밸브를 구동하는 보조 제어 유닛;
    을 포함하는 보일러 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 유닛은, 상기 제 2 가열 시스템 유체 열 교환 매질을 보관하는 탱크를 포함하며 상기 제 2 매니폴드에 연결되도록 구성된 축열기를 포함하는 보일러 유닛.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탱크는, 상기 열 드레인을 형성하고 상기 제 1 매니폴드에 연결되도록 구성된 탱크 열 교환기, 상기 탱크 내 제 2 매질의 온도를 모니터링하는 온도 조절기를 포함하는 온도 제어 유닛, 및 상기 탱크 열 교환기 내의 제 1 열 매질의 흐름을 제한하는 밸브를 포함하는 보일러 유닛.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 유닛은, 상기 열 드레인을 형성하고 상기 제 1 매니폴드에 연결되도록 구성되고 제 1 열 교환 매질에 의해 구동되는 열 펌프, 및 상기 열 펌프에 의해 냉각되는 냉매원을 포함하는 흡수 구동식 공기 조화 유닛을 포함하는 보일러 유닛.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조 유닛이 연결되지 않은 경우, 상기 밸브는 일반적으로 열려 있고, 상기 보조 제어 유닛은 상기 밸브를 닫도록 동작하여 제 1 열 교환 유체의 열이 제 3 열 교환 매질로 전달될 수 있도록 하는 보일러 유닛.
  7. 제 2 항을 인용하는 제 6 항에 있어서,
    상기 보일러 유닛의 동작 도중, 상기 밸브는 상기 ORC 유닛이 제 2 열 교환기의 모든 열 요구를 만족시킬 수 없을 때까지 닫혀 있는 보일러 유닛.
  8. 제어 유닛 및 프레임을 포함하며, 상기 프레임 내에 유기 유체 열 교환 매질 순환부가 장착되는 유기 랭킨 사이클 모듈에 있어서, 상기 순환부는:
    상기 순환부 내의 제 3 매질을 가열하고 증발시키기 위해, 제 1 유체 열 교환 매질의 소스에 연결되도록 구성된 포트를 갖는 증발기;
    상기 증발기에 연결되어, 상기 증발기를 나가는 가스를 팽창시키고 발전기를 구동시키는 로터리 팽창기;
    상기 증발기를 나가는 증기를 응축시키며, 가열될 제 2 유체 교환 매질에 연결되도록 구성된 포트를 갖는 컨덴서; 그리고
    상기 제 3 매질을 순환시키는 펌프;
    를 포함하는 유기 랭킨 사이클 모듈.
  9. 길이방향 축을 갖는 진동 유닛을 프레임 내에 장착하는 방법에 있어서,
    축 평면 내의 상기 길이방향 축의 각 측 상에 마운트를 포함하고, 각각의 마운트는 상기 축 평면에 실질적으로 수직한 마운트 평면 내에 위치하며,
    적어도 하나의 마운트는 한 쌍의 브래킷을 포함하고, 유닛 브래킷은 유닛에 고정 연결되고 프레임 브래킷은 프레임에 연결되며, 각각의 브래킷은 상기 마운트 평면에 평행하되 서로 이격된 브래킷 평면 내에 위치하는 마운팅 면을 정의하며, 마주보는 마운팅 면 사이에 탄성 블록이 배치되고, 유닛 브래킷 및 프레임 브래킷은 상기 프레임 내에서 연결되는 경우 상기 프레임 내에서 유닛을 지지하며,
    상기 마운팅 면은 마운트 프레임 및 축 프레임에 대하여 경사져, 상기 축 평면의 각 측 상의 상기 탄성 블록의 쌍은 서로에 대하여 마주보며 경사지는 장착 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 마운트는, 상기 축 평면에 직교하며 상기 길이방향 축을 포함하는 직교 축 평면의 각 측 상에서 실질적으로 동일하고,
    직교 축 평면의 각 측 상의 상기 탄성 블록의 쌍은 서로에 대하여 마주보며 경사지는 장착 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 축 평면 및 직교 축 평면 각각에 직교하는 평면인 중력 평면의 각 측 상의 상기 마운트 내에 상기 탄성 블록의 쌍이 위치하고,
    상기 중력 평면은 유닛이 상기 프레임 내에 장착되는 경우 실질적으로 수평하게 배열되며,
    상기 중력 평면의 각 측 상의 상기 탄성 블록의 쌍은 평행하게 경사지는 장착 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 로터리 팽창기는 제 9 항, 제 10 항 또는 제 11 항에 따른 장착 방법을 이용하여 프레임 내에 장착되는 진동 유닛인 유기 랭킨 사이클 모듈.
  13. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 8 항 또는 제 12 항에 따른 유기 랭킨 사이클 모듈을 포함하는 보일러 유닛.
  14. 제 1 매질을 가열하는 가열 장치, 부스트 열 교환기, 밸브, 및 제 1 매니폴드를 갖는, 제 1 유체 열 교환 매질의 제 1 순환부;
    보일러 유닛의 흐름 및 복귀 포트, 제 2 매니폴드, 및 상기 밸브가 열린 경우 제 1 열 교환 매질과 제 2 열 교환 매질 간의 열 교환을 위한 상기 부스트 열 교환기를 갖는, 제 2 가열 시스템 유체 열 교환 매질의 제 2 순환부;
    상기 제 1 유체 열 교환 매질에 의해 구동되며 열 드레인을 포함하는 제 1 열 구동 보조 유닛을 수용하는, 인클로져 내 제 1 공간;
    상기 제 1 유체 열 교환 매질에 의해 실질적으로 전용으로 구동되고 추가적인 열 드레인을 포함하거나, 제 1 보조 유닛을 위한 추가적인 열원을 제공하는 제 2 보조 유닛을 수용하도록 구성된, 상기 인클로져 내 제 2 공간; 그리고
    상기 가열 장치의 열 요구에 따라 상기 가열 장치의 동작을 제어하고, 보조 유닛이 연결된 경우 각각의 보조 유닛에 무관하게 제어하는 보일러 제어 유닛;
    을 포함하는 인클로져를 포함하는 보일러 유닛.
  15. 첨부한 도면을 참조하여 실질적으로 전술한 바와 같은 프레임 내 스크롤 팽창기/생성기 유닛을 위한 장착 방법 또는 보일러 유닛.
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