KR20140050195A - 선박용 폐열회수장치 - Google Patents

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KR20140050195A
KR20140050195A KR1020120116026A KR20120116026A KR20140050195A KR 20140050195 A KR20140050195 A KR 20140050195A KR 1020120116026 A KR1020120116026 A KR 1020120116026A KR 20120116026 A KR20120116026 A KR 20120116026A KR 20140050195 A KR20140050195 A KR 20140050195A
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이동길
이호기
박건일
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 엔진의 구동에 따라 발생하는 열을 회수하는 복수 개의 열흡수부를 구비한 열흡수유닛, 상기 열흡수부 각각에 연결되어, 열매체가 독립적으로 유동하는 복수 개의 열전달라인, 상기 열전달라인 각각에 연결되고, 상기 열매체가 회수한 열을 흡수하는 복수 개의 증발부 및 상기 증발부 각각에 연결되고, 상기 증발부에서 상기 열매체와 열교환하는 작동유체가 유동하는 복수 개의 열회수라인을 포함하는 폐열회수유닛을 포함하는 선박용 폐열회수장치가 개시된다.

Description

선박용 폐열회수장치{Heat Recovery Apparatus for Ship}
본 발명은, 선박용 폐열회수장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하는 선박용 폐열회수장치에 관한 것이다.
최근에는 고유가 시대가 도래함에 따라 선박의 에너지 효율을 향상시켜 연료비를 감소시키고, 선박 운항의 친환경성을 확보하고자 하는 노력이 많이 진행되고 있다.
일반적으로 선박을 운항하는데 있어 에너지는 추진용 주 엔진에서 대부분의 에너지를 소비하고 있으며, 주 엔진의 작동을 위해 소요되는 연료의 약 25%는 배기가스로 대기 중에 버려지고 있는 것이 현실이다. 따라서, 이러한 배기가스를 이용해 폐열의 일부를 회수하는 여러 장치가 활발하게 도입되고 있다.
종래 기술에 따른 선박용 폐열회수장치를 살펴보면 선박의 엔진에서 배기가스가 배출되는 배기관에 열회수기(보일러)를 설치한 후 배기가스의 열을 회수(등압가열)하여 고온의 스팀을 생성하여 다양한 에너지원으로 사용하였다.
하지만 종래의 구성의 경우 엔진의 동력에 의해서 발생되는 폐열을 일괄적으로 회수하여 터빈을 구동시킴으로써, 터빈구동의 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1185444호
본 발명은 선박용 폐열회수장치에 관한 것으로서, 엔진의 동작에 의해서 발생되는 각각의 폐열을 흡수한 열매체를 독립적으로 유동시켜 터빈으로 공급시 요구 조건에 따라서 선택적으로 공급여부 및 우회여부를 조절하는 선박용 폐열회수장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 선박용 폐열회수장치는 엔진의 구동에 따라 발생하는 열을 회수하는 복수 개의 열흡수부를 구비한 열흡수유닛, 상기 열흡수부 각각에 연결되어, 열매체가 독립적으로 유동하는 복수 개의 열전달라인, 상기 열전달라인 각각에 연결되고, 상기 열매체가 회수한 열을 흡수하는 복수 개의 증발부 및 상기 증발부 각각에 연결되고, 상기 증발부에서 상기 열매체와 열교환하는 작동유체가 유동하는 복수 개의 열회수라인을 포함하는 폐열회수유닛을 포함한다.
또한, 상기 폐열회수유닛은 상기 열회수라인에 연결되어 상기 작동유체의 의해 구동하는 터빈 및 상기 터빈을 경유한 상기 작동유체를 상기 열회수라인으로 전달하는 순환라인을 더 포함할 수 있다..
또한, 상기 순환라인상에 배치되어 상기 터빈을 경유한 상기 작동유체를 응축시키는 응축기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐열회수유닛은 상기 증발부를 경유한 상기 작동유체의 이동 경로상에서 분기되어 상기 작동유체가 상기 터빈을 경유하지 않도록 우회시키는 우회라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열회수라인은 상기 증발부를 경유한 상기 작동유체의 압력과 온도를 측정하여 선택적으로 상기 터빈에 공급되도록 하는 상태측정센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 폐열회수장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 엔진의 동작으로 발생되는 다양한 폐열 각각을 별도로 흡수한 작동유체를 독립적으로 터빈에 제공함으로써 작동유체가 흡수한 열량을 최대한 사용할 수 있는 이점이 있다.
둘째, 작동유체가 유동하는 열회수라인 각각에 연결되어 선택적으로 작동유체를 우회시키는 우회라인이 구비됨으로써, 열을 흡수한 작동유체가 터빈에서 요구하는 요구조건에 미치지 못하는 경우 터빈을 경유하지 않도록 함으로써 터빈이 최대의 효율로 동작할 수 있도록 하는 이점이 있다.
본 발명의 효과들은 상기 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박용 폐열회수장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면;
도 2는 도 1의 폐열회수유닛에서 제 2열회수라인의 작동유체가 우회라인을 따라 유동하는 상태를 나타낸 도면.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박용 폐열회수장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고 도 2는 도 1의 폐열회수유닛에서 제 2열회수라인의 작동유체가 우회라인을 따라 유동하는 상태를 나타낸 도면이다.
본 발명의 폐열회수장치는 선박에 구비된 엔진(E)으로부터 발생하는 폐열을 가습, 제습, 선박의 특정부분의 온도를 유지하는 등 선박의 다양한 열수요처에 공급한다. 그리고 도시된 바와 같이, 본 실시예의 폐열회수장치는 선박에 구비된 엔진(E)으로부터 발생되는 폐열을 이용하여 별도의 사이클을 동작시킴으로써, 발생된 폐열을 이용하여 새로운 동력을 생산할 수 있다.
본 발명의 폐열회수장치는 열흡수유닛(100), 열전달라인(200) 및 폐열회수유닛(300)을 포함할 수 있다.
열흡수유닛(100)은 엔진(E)의 동작에 의해서 발생하는 열을 회수 또는 냉각하기 위한 구성이고, 구체적으로 엔진(E) 자체, 배기가스, 소기가스 및 엔진(E)오일의 열을 회수 또는 냉각한다.
즉, 열흡수유닛(100)은 전체 열회수 시스템의 열량 등에 따라 복수 개가 구비될 수 있고, 본 실시예에서는 3개의 열흡수부(110, 120, 130)을 기준으로 설명한다.
열흡수부(110, 120, 130)는 엔진(E)에서 발생되는 배기가스(G), 소기공기(A), 엔진(E)차제의 열 및 엔진(E)오일 중 적어도 하나의 열을 흡수한다.
그리고 열흡수부(110, 120, 130)는 일반적인 열교환기와 유사한 구성을 가지고, 열을 흡수하기 위한 열매체(L1, L2, L3)가 유동한다. 여기서, 열매체(L1, L2, L3)는 모두 동일한 유체가 사용될 수 있으며, 이와 달리 각각이 서로 다른 유체가 사용될 수도 있다.
본 실시예에서의 열흡수부(110, 120, 130) 복수 개의 열흡수부(110, 120, 130)를 포함할 수 있으며 엔진(E)에서 발생되는 배기가스의 열을 제 1열매체(L1)를 통하여 흡수하는 제 1열흡수부(110), 터보차저(T)를 통과한 후, 엔진(E)으로 공급되는 소기공기(A)의 열을 제 2열매체(L2)을 통하여 흡수하는 제 2열흡수부(120) 및 엔진(E)자체에서 발생되는 열도 흡수할 수 있도록 하며, 엔진(E)을 냉각시키는 제 3열매체(L3)를 이용하여 열을 흡수하는 제 3열흡수부(130)를 포함할 수 있다.
즉, 본 실시예에서는 열흡수부(110, 120, 130)는 엔진(E)의 동작에 의해서 발생되는 열을 열매체(L1, L2, L3)를 이용하여 냉각시킨다.
여기서, 복수 개의 열흡수부(110, 120, 130) 각각은 흡수하는 열량 및 온도가 서로 다르며, 제 1열흡수부(110)에서 흡수되는 열의 가장 크고 제 3열흡수부(130)에서 흡수되는 열이 가장 작도록 구성되는 것으로 가정하여 설명한다.
열전달라인(200)은 복수 개의 열흡수부(110, 120, 130) 각각에 연결되어 열매체(L1, L2, L3)가 독립적으로 유동하도록 복수 개로 구성된다. 여기서, 열전달라인(200)은 복수 개의 열흡수부(110, 120, 130)의 개수에 대응하는 개수로 구비될 수 있다.
이와 같이 구성된 열전달라인(200)은 후술하는 폐열회수유닛(300)의 증발부(310)에 연결되어 열을 흡수한 열매체(L1, L2, L3)가 열을 전달할 수 있다.
본 실시예에서 열전달라인(200)은 제 1열흡수부(110), 제 2열흡수부(120) 및 제 3열흡수부(130) 각각에 대응하여 제 1열전달라인(210), 제 2열전달라인(220) 및 제 3열전달라인(230)을 포함하여 구성된다.
폐열회수유닛(300)은 열매체(L1, L2, L3)에 의해서 전달된 열을 흡수하여 다양한 곳에 이용할 수 있는 장치이며, 본 실시예에서는 별도의 터빈(330)을 구동시킴으로써 동력을 발생시킬 수 있다.
그리고 폐열회수유닛(300)은 다양한 형태의 열교환사이클에 따라 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 일반적인 ORC(Organic Rankine Cycle: 유기 랭킨 사이클)로 구비된다.
폐열회수유닛(300)은 증발부(310), 열회수라인(320), 터빈(330), 순환라인(350) 응축기(360), 및 우회라인을 포함할 수 있다.
증발부(310)는 복수 개로 구성되며 각각이 열전달라인(200)에 연결되어 열매체(L1, L2, L3)가 회수한 열을 흡수한다.
본 실시예에서 증발부(310)는 제 1열전달라인(210)에 연결된 제 1증발부(312), 제 2열전달라인(220)에 연결된 제 2증발부(314) 및 제 3열전달라인(230)에 연결된 제 3증발부(316)를 포함하여 구성되며 각각이 독립적으로 분리되어 열매체(L1, L2, L3)로부터 열을 흡수한다.
복수 개의 증발부(310)는 각각에 연결된 열전달라인(200)을 통해 이동하는 열매체(L1, L2, L3)와 작동유체(L4)가 열교환을 하도록 한다.
열회수라인(320)은 복수 개로 구성되어 증발부(310) 각각에 독립적으로 연결되며 내부에 작동유체(L4)가 유동한다. 여기서, 열회수라인(320) 각각에 유동하는 작동유체(L4)는 모두 동일한 유체가 사용될 수 있다.
본 실시예에서 열회수라인(320)은 제 1증발부(312)에 연결되는 제 1열회수라인(322), 제 2증발부(314)에 연결되는 제 2열회수라인(324) 및 제 3증발부(316)에 연결되는 제 3열회수라인(326)을 포함할 수 있다.
그래서 각각의 열회수라인(320)을 따라 유동하는 작용유체는 제 1증발부(312), 제 2증발부(314) 및 제 3증발부(316) 각각에서 열을 흡수한다.
터빈(330)은 복수 개의 열회수라인(320)에 연결되어 열을 흡수한 작동유체(L4)에 의해서 동작한다. 여기서, 터빈(330)은 하나로 구성되며 열회수라인(320)각각에 연결되어 증발부(310)를 경유한 작동유체(L4)에 의해서 동작할 수 있다.
이때, 터빈(330)은 Screw Expander Axial Turbine과 같은 다단 터빈으로 구성될 수 있으며, 열회수라인(320)을 따라 공급되는 작동유체(L4) 각각의 온도 및 압력에 대응하는 단으로 작동유체(L4)가 분사될 수 잇도록 구성된다.
순환라인(350)은 터빈(330)을 경유한 작동유체(L4)를 전달받아 열회수라인(320)으로 전달한다. 즉 순환라인(350)은 하나의 라인으로 구성되어 터빈(330)에서 배출되는 작동유체(L4)를 혼합하여 열회수라인(320)으로 다시 제공한다.
본 실시예에서 순환라인(350)은, 터빈(330)을 경유하여 배출되는 작동유체(L4)를 공급받아 하나의 라인으로 혼합하여 열회수라인(320)에 전달한다. 이때, 순환라인(350)은 제 1열회수라인(322), 제 2열회수라인(324) 및 제 3열회수라인(326) 각각으로 분할하여 작동유체(L4)를 공급한다.
응축기(360)는 순환라인(350)상에 배치되어 유동하는 작동유체(L4)를 냉각시키는 장치로서, 외부에 구비된 별도의 냉각수를 이용하여 유동하는 작동유체(L4)와 열교환을 통해서 냉각시킨다. 여기서, 냉각수는 해수가 사용될 수도 있으며 선박 내부에 구비된 청수를 이용하여 냉각시킬 수도 있다.
이와 같이 구성된 선박용 폐열회수장치는 엔진(E)의 동작에 의해서 발생된 열을 각각을 회수한 후 터빈(330)으로 공급한다. 그리고 터빈(330)으로 공급되는 작동유체(L4)의 온도 및 압력이 터빈(330)에서 요구되는 조건에 알맞도록 터빈(330)의 해당 단에 공급되어 터빈(330)을 구동시킨 후 순환라인(350)으로 전달된다.
한편, 본 발명에 따른 폐열회수장치는 폐열회수유닛(300)이 상술한 구성뿐만 아니라 별도의 우회라인(370)을 더 포함할 수 있다.
우회라인(370)은 복수 개의 열전달라인(200)에 연결되어 터빈(330)으로 전달되는 작동유체(L4)를 우회시켜 터빈(330)을 경유하지 않도록 한다.
본 실시예에서 우회라인(370)은 제 1열전달라인(210) 내지 제 3열전달라인(230) 각각에 독립적으로 구비되며 터빈(330)으로 공급되는 작동유체(L4)를 선택적으로 우회시켜 순환라인(350)으로 공급하도록 한다.
여기서, 제 1열전달라인(210) 내지 제 3열전달라인(230)상에서 우회라인(370)이 연결된 지점에 별도의 유량조절밸브(340)를 포함하여 선택적으로 작동유체(L4)의 이동경로를 조절할 수 있다.
이와 같이 폐열회수유닛(300)이 구성됨으로써, 제 1열전달라인(210) 내지 제 3열전달라인(230)을 따라 유동하는 각각의 작동유체(L4)가 터빈(330)에서 요구하는 온도 및 압력조건에 알맞지 않는 경우, 유량조절밸브(340)를 조절하여 해당 작동유체(L4)는 우회라인(370)을 따라 우회시켜 터빈(330)을 경유하지 않고 바로 순환라인(350)으로 공급되도록 한다.
보다 구체적으로 작동유체(L4)의 일부가 터빈(330)을 경유하지 않고 우회라인(370)을 따라 바로 순환라인(350)으로 공급되는 상태에 대해서 도 2를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 제 2열회수라인(324)을 따라 공급되는 작동유체(L4)의 온도 및 압력이 터빈(330)에서 요구하는 조건에 맞지 않는 상태로 가정하여 설명한다.
열흡수유닛(100)으로부터 열을 흡수한 작동유체(L4)는 각각의 제 1열회수라인(322) 내지 제 3열회수라인(326)을 따라 독립적으로 터빈(330)에 공급된다.
여기서, 제 2열회수라인(324)을 따라 공급되는 작동유체(L4)가 터빈(330)에서 요구하는 온도 및 압력조건에 맞지 않기 때문에 우회라인(370)으로 이동한다.
제 2열회수라인(324)을 따라 유동하는 작동유체(L4)는 유량조절밸브(340)의 조작에 의해서 터빈(330)을 경유하지 않고 바로 순환라인(350)으로 이동하며, 제 1열회수라인(322) 및 제 3열회수라인(326)을 따라 유동하는 작동유체(L4)는 터빈(330)으로 공급되어 터빈(330)을 구동시킨다.
이와 같이 터빈(330)에서 요구하는 온도 및 압력조건에 알맞지 않은 제 2열회수라인(324)의 작동유체(L4)는 우회라인(370)을 통해서 우회시킴으로써 터빈(330)을 경유하지 않고 다시 순환라인(370)으로 전달하여 터빈(330)의 동작 효율을 증가시킬 수 있다.
뿐만 아니라 상술한 바와 달리 제 1열회수라인(322) 내지 제 3열회수라인(326)을 따라 유동하는 작동유체(L4) 각각이 터빈(330)에 공급될 때, 요구조건에 알맞은 작동유체(L4)만을 터빈(330)으로 공급하고 그 이외의 작동유체(L4)는 우회라인(370)으로 우회시킬 수 있다.
즉, 터빈(330)에서 요구되는 조건에 부합하지 않는 작동유체(L4)는 우회라인(370)을 통해 우회시킴으로써 터빈(330)을 최대 효율로 동작시킬 수 있는 것이다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 폐열회수장치에 있어서, 제 1열회수라인(322) 내지 제 3열회수라인(326) 각각에 별도의 상태측정센서(미도시)가 구비될 수 있다.
상태측정센서는 제 1열회수라인(322) 내지 제 3열회수라인(326) 각각에 구비되어 제 1증발부(312) 내지 제 3증발부(316) 각각을 경유한 작동유체(L4)의 온도 및 압력을 측정하여 선택적으로 작동유체(L4)의 이동경로를 조절한다.
뿐만 아니라 유량조절밸브(340)를 통해서 우회라인(370)을 따라 유동하는 작동유체(L4)의 유량을 조절함으로써, 터빈(330)으로의 공급되는 작동유체(L4)의 온도 및 압력을 조절할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 상술한 실시예 뿐만 아니라 다양한 형태로 적용이 될 수 있으며 상술한 유량조절밸브(340)의 동작에 의해서 선택적으로 작동유체(L4)의 이동경로 및 유량을 조절하여 터빈(330)으로 공급되는 작동유체(L4)의 온도를 조절할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예들은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 열흡수유닛 110: 열흡수부
200: 열전달라인 300: 폐열회수유닛
310: 증발부 320: 열회수라인
330: 터빈 340: 유량조절밸브
350: 순환라인 360: 응축기
370: 우회라인 L1, L2, L3: 열매체
L4: 작동유체 G: 배기가스
A: 소기공기

Claims (5)

  1. 엔진의 구동에 따라 발생하는 열을 회수하는 복수 개의 열흡수부를 구비한 열흡수유닛;
    상기 열흡수부 각각에 연결되어, 열매체가 독립적으로 유동하는 복수 개의 열전달라인;
    상기 열전달라인 각각에 연결되고, 상기 열매체가 회수한 열을 흡수하는 복수 개의 증발부 및 상기 증발부 각각에 연결되고, 상기 증발부에서 상기 열매체와 열교환하는 작동유체가 유동하는 복수 개의 열회수라인을 포함하는 폐열회수유닛; 을 포함하는 선박용 폐열회수장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 폐열회수유닛은,
    상기 열회수라인에 연결되어 상기 작동유체의 의해 구동하는 터빈 및 상기 터빈을 경유한 상기 작동유체를 상기 열회수라인으로 전달하는 순환라인을 더 포함하는 선박용 폐열회수장치
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 폐열회수유닛은,
    상기 순환라인상에 배치되어 상기 터빈을 경유한 상기 작동유체를 응축시키는 응축기를 더 포함하는 선박용 폐열회수장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 폐열회수유닛은,
    상기 증발부를 경유한 상기 작동유체의 이동 경로상에서 분기되어 상기 작동유체가 상기 터빈을 경유하지 않도록 우회시키는 우회라인을 포함하는 선박용 폐열회수장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 열회수라인은,
    상기 증발부를 경유한 상기 작동유체의 압력과 온도를 측정하여 선택적으로 상기 터빈에 공급되도록 하는 상태측정센서를 더 포함하는 선박용 폐열회수장치.
KR1020120116026A 2012-10-18 2012-10-18 선박용 폐열회수장치 KR20140050195A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160037029A (ko) * 2014-09-26 2016-04-05 한양대학교 산학협력단 친환경 선박용 전외기 공조시스템 및 선박용 전외기 공조방법

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