KR20150010343A - 선박의 폐열회수 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

선박의 폐열회수 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 폐열회수 시스템은, 선박의 배기가스의 폐열회수 시스템에 있어서, 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스를 배출시키는 배기가스관; 배기가스관에서 배기가스의 폐열을 전달받는 열전달 물질이 순환되는 열전달 이중관; 및 열전달 이중관의 열전달 물질로부터 열에너지를 전달받는 열 수요부를 포함하되, 열전달 물질은 배기가스의 폐열을 전달받아 기화되고, 열 수요부에서 열에너지를 전달하고 액화되어 열전달 이중관 내부에서 상 변화하며 순환되는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 폐열회수 시스템 및 방법{Waste Heat Recovery System And Method For Ship}

본 발명은 선박의 폐열회수 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스의 폐열을 전달받아 기화되고 열 수요부에서 열에너지를 전달하고 액화되어 상 변화하며 순환되는 열전달 물질이 순환되는 열전달 이중관을 마련하여 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스의 폐열을 선박의 열 수요부로 전달하는 선박의 폐열회수 시스템 및 방법에 관한 것이다.

선박의 추진용 엔진이나 발전용 엔진 등에서는 연료의 연소에 따른 배기가스가 발생한다. 이러한 배기가스는 엔진의 출력 등에 따른 차이는 있으나 상당한 고온으로 배출된다.

일반적으로 선박의 추진용 또는 발전용 엔진에서 연료를 연소하여 발생하는 열 에너지 중 대략 50% 정도는 각각 추진이나 발전에 사용되지만, 나머지는 대부분 배기가스의 형태 또는 엔진 냉각수에 대한 열교환을 통한 냉각 등을 통해 외부로 배출되는 형태의 폐열로 버려진다.

이와 같은 폐열 중 일부라도 회수하여 활용하게 되면 선박에서 소비되는 연료를 절감할 수 있고, 에너지 효율을 높일 수 있다.

또한 최근에는 외부로 배출되는 폐열 중 일부를 회수함으로써 에너지를 절감할 수 있는 고효율의 선박 또는 친환경 선박에 대한 필요성이 제기됨에 따라, 이미 선박 분야에서는 수년 전부터 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동 유체로 사용하는 가스터빈(또는 파워 터빈이라고 함)과 고온의 배기가스의 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동 유체로 사용하는 증기터빈 등을 추가로 설치하여 전력을 생산할 수 있도록 한 이른바 폐열회수장치(WHRS: Waste Heat Recovery System)를 적용하고 있다.

한국 특허출원번호 제10-2011-0127766호

HFO(Heavy fuel oil)를 연료로 사용하는 선박의 경우, HFO는 온도가 낮아지면 점도가 지나치게 높아지므로 HFO가 저장된 탱크를 일정 온도 이상으로 가열해주어야 한다. 한편, 극지를 운항하는 선박의 경우 데크를 비롯한 설비들의 Anti-icing을 위해 전열 케이블을 마련하여 가열해준다.

이와 같이, 선박에는 열에너지를 필요로 하는 다양한 수요처가 있다. 본 발명은 선박의 배기가스의 폐열을 이러한 수요처로 효과적으로 전달할 수 있는 폐열회수 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 배기가스의 폐열회수 시스템에 있어서,

선박의 엔진에서 발생하는 배기가스를 배출시키는 배기가스관;

상기 배기가스관에서 배기가스의 폐열을 전달받는 열전달 물질이 순환되는 열전달 이중관; 및

상기 열전달 이중관의 열전달 물질로부터 열에너지를 전달받는 열 수요부를 포함하되,

상기 열전달 물질은 배기가스의 폐열을 전달받아 기화되고, 열 수요부에서 열에너지를 전달하고 액화되어 상기 열전달 이중관 내부에서 상 변화하며 순환되는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 열전달 이중관은 금속성 외관과, 상기 금속성 외관의 내부에 마련되는 다공질 내관을 포함하되, 상기 열전달 물질은 상기 금속성 외관과 다공질 내관 사이를 액체 상태로 흐르며 상기 배기가스관으로부터 폐열을 전달받아 기화되어 상기 다공질 내관의 내부로 이동하고, 상기 다공질 내관의 내부에서 기체 상태로 흐르며 상기 열 수요부에 열에너지를 전달하고 액화되어 상기 금속성 외관과 다공질 내관 사이로 이동하여 순환될 수 있다.

바람직하게는, 상기 열 수요부는 선박의 연료유가 저장되는 연료탱크일 수 있다.

바람직하게는, 상기 열 수요부는 선박의 데크(deck), 장비받침대(foundation) 및 철의장류(steel outfitting)를 포함하는 설비에 마련되는 극지용 선박의 빙결방지용 배관일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박의 배기가스의 폐열회수 방법에 있어서,

1) 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스의 폐열로 열전달 물질을 기화시키는 단계;

2) 상기 열전달 물질로 선박의 열 수요부에 열에너지를 공급하는 단계; 및

3) 열에너지를 전달하며 액화된 상기 열전달 물질을 배기가스관으로 순환시키는 단계를 포함하되,

상기 열전달 물질은 기체와 액체로 상 변화하며 이중관 내부에서 순환되며 배기가스 폐열을 선박의 열 수요부로 전달하는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수 방법이 제공된다.

본 발명의 선박의 폐열회수 시스템은 배기가스의 폐열을 전달받아 기화되고 열 수요부에서 열에너지를 전달하고 액화되어 상 변화하며 순환되는 열전달 물질이 순환되는 열전달 이중관을 통해 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스의 폐열을 선박의 열 수요부로 전달한다.

이와 같은 폐열회수 시스템을 통해 선박의 배기가스에 포함된 폐열을 회수하여 선박의 에너지 효율을 높일 수 있고, 열전달 물질이 순환되는 이중관을 활용하므로 열 수요부와 배기가스관 사이에 간단하고 단일한 배관만으로 열전달이 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 폐열회수 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에서 열전달 이중관의 구조와 원리를 좀더 구체적으로 도시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 폐열회수 시스템을 개략적으로 도시하였고, 도 2에는 그 중 열전달 이중관(200)의 구조와 원리를 좀더 구체적으로 도시하였다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 선박의 폐열회수 시스템은, 선박의 배기가스의 폐열회수 시스템에 있어서, 선박의 엔진(E)에서 발생하는 배기가스를 배출시키는 배기가스관(100)과, 배기가스관(100)에서 배기가스의 폐열을 전달받는 열전달 물질이 순환되는 열전달 이중관(200)과, 열전달 이중관(200)의 열전달 물질로부터 열에너지를 전달받는 열 수요부(300)를 포함하되, 열전달 물질은 배기가스의 폐열을 전달받아 기화되고, 열 수요부(300)에서 열에너지를 전달하고 액화되어 상기 열전달 이중관(200) 내부에서 상 변화하며 순환되는 것을 특징으로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 열전달 이중관(200)은 금속성 외관(210)과, 금속성 외관(210)의 내부에 마련되는 다공질 내관(220)을 포함한다.

이러한 열전달 이중관(200) 내에서, 열전달 물질은 금속성 외관(210)과 다공질 내관(220) 사이(230)를 액체 상태로 흐르며 배기가스관(100)으로부터 폐열을 전달받아 기화되어 다공질 내관(220)의 내부(240)로 이동하고, 다공질 내관(220)의 내부(240)에서 기체 상태로 흐르며 열 수요부(300)에 열에너지를 전달하고 액화되어 금속성 외관(210)과 다공질 내관(220) 사이(230)로 이동하여 순환될 수 있다.

열전달 이중관(200)은 히트 파이프 형태(heat pipe type)의 관으로, 일단부는 엔진(E)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 전달받을 수 있도록 배기가스관(100) 측에 마련되고, 타단부는 선박의 열 수요부(300) 측에 마련되어 열전달 물질이 지닌 열에너지를 전달한다.

열전달 이중관(200)의 금속성 외관(210)은 구리, 알루미늄, 스테인리스강, 세라믹스, 텅스텐 등으로 이루어지고, 다공질의 파이버(fiber) 등으로 다공질 내관(220)을 구성할 수 있다. 열전달 이중관(200)의 내부를 메탄올, 아세톤, 물, 수은 등의 휘발성 물질인 열전달 물질이 순환한다. 열전달 물질은 배기가스로부터의 흡열과 열 수요부(300)에서의 방열을 통해 기체와 액체로 상 변화하며, 모세관 현상에 의해 열전달 이중관(200) 내부에서 순환하게 된다.

본 실시예에서, 열 수요부(300)는 일 예로 선박의 연료유가 저장되는 연료탱크일 수 있다. HFO(Heavy Fuel Oil, 중유)와 같은 연료를 사용하는 경우, 연료탱크의 온도가 낮아지면 점도가 높아지고 침전물이 생길 수 있으므로 연료탱크를 일정 온도 이상을 유지하도록 가열해주는데, 이를 위해 열전달 이중관(200)의 마련하여 배기가스 폐열을 이용할 수 있다.

한편, 다른 예로 열 수요부(300)는 선박의 데크(deck), 장비받침대(foundation) 및 철의장류(steel outfitting)를 포함하는 설비에 마련되는 극지용 선박의 빙결방지용 배관일 수도 있다. 극지용 선박은 극지방을 운항하므로 각종 설비의 빙결방지(anti-icing)를 위해 전열선과 같은 빙결방지용 배관을 설치할 수 있는데, 이를 열전달 이중관(200)으로 대체하여 전기 대신 배기가스의 폐열을 이용할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박의 배기가스의 폐열회수 방법에 있어서,

1) 선박의 엔진(E)에서 발생하는 배기가스의 폐열로 열전달 물질을 기화시키는 단계;

2) 열전달 물질로 선박의 열 수요부(300)에 열에너지를 공급하는 단계; 및

3) 열에너지를 전달하며 액화된 열전달 물질을 배기가스관(100)으로 순환시키는 단계를 포함하되,

열전달 물질은 기체와 액체로 상 변화하며 이중관 내부에서 순환되며 배기가스 폐열을 선박의 열 수요부(300)로 전달하는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수 방법이 제공된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 배기가스의 폐열을 전달받아 기화되고 열 수요부(300)에서 열에너지를 전달하고 액화되어 상 변화하며 순환되는 열전달 물질이 순환되는 열전달 이중관(200)을 통해 선박의 엔진(E)에서 발생하는 배기가스의 폐열을 선박의 연료탱크나 극지용 선박의 데크 또는 장비받침대 등의 열 수요부(300)로 전달하여, 배기가스의 폐열을 활용한다.

이와 같은 폐열회수 시스템을 통해 선박의 배기가스에 포함된 폐열을 회수하여 보일러나 전기 가열기 등의 별도 열원 공급 장치 없이 열 수요부(300)에 열 에너지를 공급하므로 선박의 에너지 효율을 높일 수 있다.

또한 배기가스로부터 열전달 물질로 바로 폐열을 전달하므로 에너지의 손실이 적고, 열전달 물질을 이중관 내에서만 순환시키므로 열 수요부(300)와 배기가스관(100) 사이에 간단하고 단일한 배관만이 마련되므로 설치면적이 작아 선박의 공간활용도를 높일 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

E: 엔진
100: 배기가스관
200: 열전달 이중관
210: 금속성 외관
220: 다공질 내관
300: 열 수요부

Claims (5)

1. 선박의 배기가스의 폐열회수 시스템에 있어서,
   선박의 엔진에서 발생하는 배기가스를 배출시키는 배기가스관;
   상기 배기가스관에서 배기가스의 폐열을 전달받는 열전달 물질이 순환되는 열전달 이중관; 및
   상기 열전달 이중관의 열전달 물질로부터 열에너지를 전달받는 열 수요부를 포함하되,
   상기 열전달 물질은 배기가스의 폐열을 전달받아 기화되고, 열 수요부에서 열에너지를 전달하고 액화되어 상기 열전달 이중관 내부에서 상 변화하며 순환되는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 열전달 이중관은
   금속성 외관; 및
   상기 금속성 외관의 내부에 마련되는 다공질 내관을 포함하되,
   상기 열전달 물질은 상기 금속성 외관과 다공질 내관 사이를 액체 상태로 흐르며 상기 배기가스관으로부터 폐열을 전달받아 기화되어 상기 다공질 내관의 내부로 이동하고, 상기 다공질 내관의 내부에서 기체 상태로 흐르며 상기 열 수요부에 열에너지를 전달하고 액화되어 상기 금속성 외관과 다공질 내관 사이로 이동하여 순환되는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수 시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 열 수요부는 선박의 연료유가 저장되는 연료탱크인 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수 시스템.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 열 수요부는 선박의 데크(deck), 장비받침대(foundation) 및 철의장류(steel outfitting)를 포함하는 설비에 마련되는 극지용 선박의 빙결방지용 배관인 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수 시스템.
5. 선박의 배기가스의 폐열회수 방법에 있어서,
   1) 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스의 폐열로 열전달 물질을 기화시키는 단계;
   2) 상기 열전달 물질로 선박의 열 수요부에 열에너지를 공급하는 단계; 및
   3) 열에너지를 전달하며 액화된 상기 열전달 물질을 배기가스관으로 순환시키는 단계를 포함하되,
   상기 열전달 물질은 기체와 액체로 상 변화하며 이중관 내부에서 순환되며 배기가스 폐열을 선박의 열 수요부로 전달하는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수 방법.

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