KR20150065387A - 심부지열 교환용 파이프 단위체 및 이를 구비한 파이프 조립체 - Google Patents

심부지열 교환용 파이프 단위체 및 이를 구비한 파이프 조립체 Download PDF

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Abstract

이 발명은 열교환을 위해 시추홀에 삽입되는 심부지열 교환용 파이프 단위체(200)로서, 외관(210)과 내관(220)이 이중의 중공형 튜브 형태를 가지며, 외관과 내관이 일정 간격으로 이격되어 외관과 내관 사이에 충전부(250)를 구비하며, 충전부에는 입자형태의 단열재와 압축공기가 충전된다. 이 발명은 이중의 중공형 튜브형태로 구성하고 그 내부를 압축공기와 단열재로 충전함으로써, 단열성이 높고 압력에 의한 파이프의 변형을 예방해 깊은 심도에서도 사용할 수 있는 장점이 있다.

Description

심부지열 교환용 파이프 단위체 및 이를 구비한 파이프 조립체{Deep geothermal heat exchange pipe}
이 발명은 심부지열 교환용 파이프 단위체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이중의 중공형 튜브형태로 구성되어 그 내부를 압축공기와 입자형태의 단열재로 충전하여, 단열성이 높고 압력에 의한 파이프의 변형이 적은 심부지열 교환용 파이프 단위체에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 상기와 같은 파이프 단위체를 다수개 조립하여 구성한 심부지열 교환용 파이프 조립체에 관한 것이기도 하다.
전 세계 지열산업은 열 활용 50GWth, 발전 10GWe으로 총 60GW의 규모이며, 매년 17% 이상의 고성장을 기록하고 있다. 신재생에너지 중에서 지열에너지는 여타 신재생에너지와 비교하여 연중 90% 이상의 상시 가동이 가능하다는 최대의 장점을 가지고 있다.
지열발전의 대부분은 아이슬란드의 '불의 고리'지역에 해당하는 인도네시아, 멕시코, 일본, 미국, 라틴아메리카, 뉴질랜드 및 필리핀에 집중되어 있으나, 최근 인공지열 저류층 생성 기술(EGS : Enhanced Geothermal System)과 바이너리(Binary)플랜트 제작 기술 등의 발전에 힘입어 화산성 고온 지역지대가 아닌 프랑스, 독일, 호주 등 비화산지대에서도 지열발전 상용화가 활발히 추진되고 있다.
국내 지열은 천부지열 산업이 99% 이상을 차지하고 있으며, 최근 심부지열국책 과제(IMW EGS)가 포항 흥해 일대에서 진행되고 있다.
지열발전의 가장 큰 장점은 풍력이나 태양광과는 달리 80~90%의 설비 이용률 범위에서 기저부하를 생산하여 적기에 공급이 가능하고, 지상의 부지면적 소요량이 매우 적으며 배기가스가 없고, 연료공급이 필요 없다는 점과 건조지대에서도 공랭식 기술로 운용이 가능한 점 등으로 강력한 신재생에너지 대안분야이다. 그리고 지열에너지는 2020년 우리나라 국가 온실가스 감축목표량의 50%를 담당하는 중점추진기술로 선정되었으며, 국제 에너지 기구(IEA)는 2050년까지 지열발전량의 50%가 비화산지대에서 담당할 것을 제시하였다.
현재 사용되고 있는 종래의 기술로는 도 1에 도시한 바와 같은, 한국 공개특허 제10-2011-0110570호에 개시된 수직 밀폐형 지중열 교환기 조립체 및 그 시공방법 등이 있다. 도 1은 한국 공개특허 제10-2011-0110570호에 개시된 지중열 교환기 조립체의 분해사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 지중열 교환기 조립체는 열교환 매체가 담겨질 지열교환 파이프(12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b)가 길이방향으로 각각 매설되고, 이러한 지열교환 파이프의 주변으로 채움재가 채워져 있으며, 일측 및/또는 타측에 서로 간에 길이방향으로 조립하기 위한 나사산을 갖는 다수개의 부재(10, 20, 30)로 구성된다. 따라서, 종래의 지중열 교환기 조립체는 시추홀의 깊이에 따라 중간에 위치하는 부재(20)의 개수를 늘려 조립하면 되므로 그 작업이 편리하고 효율적이다.
그런데, 상기 종래기술은 채움재로 시멘트, 벤토나이트, 모래 및 콩자갈과 모래의 혼합물을 이용하도록 구성되어 있다. 그러나, 이러한 채움재의 경우에는 열교환 도중 발생하는 열손실이 많을 뿐만 아니라, 심도가 깊어질 경우 지중 압력에 의해 파이프를 비롯해 조립체의 변형을 방지할 수 있는 구조적 특징을 전혀 갖지 못하고 있다. 따라서, 시추홀의 깊이가 깊은 심도에는 적용할 수 없는 문제점이 있다.
한국 특허공개공보 제10-2011-0110570호(공개일 : 2011. 10. 07)
이 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 이중의 중공형 튜브형태로 구성하고 그 내부를 압축공기와 단열재로 충전함으로써, 단열성이 높고 압력에 의한 파이프의 변형을 예방해 깊은 심도에서도 사용할 수 있는 심부지열 교환용 파이프 단위체 및 이를 구비한 파이프 조립체를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 이 발명은 편리한 조립구조를 가짐에 따라 시추홀의 깊이에 따라 편리하게 조립 설치할 수 있는 심부지열 교환용 파이프 단위체 및 이를 구비한 파이프 조립체를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 이 발명은, 열교환을 위해 시추홀에 삽입되는 심부지열 교환용 파이프 단위체로서, 외관과 내관이 이중의 중공형 튜브 형태를 가지며, 상기 외관과 상기 내관이 일정 간격으로 이격되어 상기 외관과 상기 내관 사이에 충전부를 구비하며, 상기 충전부에는 입자형태의 단열재와 압축공기가 충전되는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 단열재는 유리섬유 또는 단열파우더인 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 충전부는 상기 외관과 상기 내관을 서로 연결해 상부 및 하부를 각각 밀폐시키는 상부덮개와 하부덮개에 의해 형성되며, 상기 상부덮개에는 상기 압축공기를 상기 충전부에 주입하기 위한 주입홀이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 외관은 상부 및 하부가 서로 간에 조립 가능한 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 심부지열 교환용 파이프 조립체는, 상기와 같이 구성된 심부지열 교환용 파이프 단위체를 다수개 순차적으로 서로 조립해 구성한 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 심부지열 교환용 파이프 단위체의 사이에는 밀봉부재가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
이 발명은 이중의 중공형 튜브형태로 구성하고 그 내부를 압축공기와 단열재로 충전함으로써, 단열성이 높고 압력에 의한 파이프의 변형을 예방해 깊은 심도에서도 사용할 수 있는 장점이 있다. 즉, 이 발명은 이중의 중공형 튜브 사이에 충전되는 단열재가 대류현상을 방지함에 따라 높은 단열효과를 얻을 수 있고, 충전된 단열재와 압축공기에 의해 파이프의 내부에서 바깥쪽으로 작용하는 힘을 이용해 파이프의 외측에서 가해지는 수압에 의한 파이프의 변형을 효율적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 이 발명은 편리한 조립구조를 가짐에 따라 시추홀의 깊이에 따라 편리하게 조립 설치할 수 있어 효율적이고, 파이프 단위체를 생산이 용이한 길이로 제작해도 무방하기 때문에 생산성이 우수한 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 지중열 교환기 조립체의 구성관계를 도시한 분해사시도이다.
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 심부지열 교환용 파이프 단위체의 구성관계를 도시한 정단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 파이프 단위체를 다수개 조립해 심부지열 교환용 파이프 조립체를 제작하는 과정을 도시한 정단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 심부지열 교환용 파이프 조립체를 시추홀에 삽입한 상태를 도시한 사용상태도이다.
이하, 이 발명에 따른 심부지열 교환용 파이프 단위체 및 이를 구비한 파이프 조립체의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 이 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이 실시예들은 이 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 심부지열 교환용 파이프 단위체의 구성관계를 도시한 정단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 이 발명의 한 실시예에 따른 심부지열 교환용 파이프 단위체(200)는 외관(210)과 내관(220)이 이중의 중공형 튜브형태로 구성되고, 상기 외관(210)과 내관(220)의 사이에는 단열재와 압축공기가 충전되어 있으며, 상부 및 하부는 상기 외관(210)과 내관(220)을 각각 서로 연결하는 상부덮개(230) 및 하부덮개(240)에 의해 밀폐되도록 구성된다. 여기서, 외관(210)과 내관(220) 간에는 일정 거리로 이격되어 있으며, 이 공간은 단열재와 압축공기가 충전될 충전부(250)로 이용된다.
이 실시예의 충전부(250)는 다음과 같은 방법으로 충전된다. 먼저, 밀봉된 충전부(250)를 단열재로 채운다. 이때, 단열재는 유리 섬유, 단열 파우더, 다공성 물질의 단열재 등 입자상태의 재질을 사용한다. 이렇게 입자상태의 재질을 사용하는 것은 입자와 입자의 사이에 압축공기가 투입될 수 있도록 공극을 제공하기 위함이며, 입자상태의 단열재에 의해 충전부(250) 내에서의 대류가 발생하지 않아 단열이 더 우수해지기 때문이다.
그런 다음, 단열재가 충전된 충전부(250)의 상단을 주입홀(232)이 형성된 상부덮개(230)를 삽입하여 밀폐시킨 후, 주입홀(232)을 통해 압축공기를 충전부(250)의 내부로 투입시키고 일반적인 방법으로 주입홀(232)을 밀폐시킨다. 이때, 압축공기의 충전정도는 이 실시예의 심부지열 교환용 파이프 단위체(200)가 사용되는 심도를 고려하면 된다.
상기와 같은 충전부(250)를 입자형태의 단열재와 압축공기로 충전하는 이유는 다음과 같다.
종래의 경우, 열교환 중에 발생하는 열손실을 줄이기 위해 열교환이 이루어지는 이중의 중공형 튜브 사이의 충전부에 단열재를 채우거나 진공으로 구성하였다. 그런데, 충전부를 진공으로 구성하는 방식은 충전부에서의 대류현상이 발생해 단열효과가 감소할 뿐만 아니라 깊은 심도에서 발생하는 외압으로 인한 이중의 중공형 튜브가 손상될 우려가 있다. 한편, 단열재를 채우는 방식은 충전부에 단열재를 억지끼움 방식으로 채워 구성함에 따라 단열재의 삽입이 용이하지 않은 문제점이 있다.
그런데, 이 발명에서와 같이 이중의 중공형 튜브 사이의 충전부에 입자형태의 단열재와 압축공기를 충전한다면, 충전부로의 단열재의 충전이 용이해지고, 단열재의 입자들 간의 공극에 충전된 압축공기로 인해 깊은 심도에서도 단열효과가 우수해진다.
그리고 충전부(250)의 내부에서 외부로 밀어내는 압축공기의 압력이 깊은 심도의 외압에 대응하여 외관(210)의 변형을 방지할 수가 있다. 예를 들어, 충전부(250)에 150bar의 압축공기를 충전해 구성한 심부지열 교환용 파이프 단위체(200)를 외압이 300bar로 작용하는 시추홀에 적용해 사용할 경우, 충전부(250)의 내부와 외부의 압력이 상쇄, 즉 충전부(250)의 내부와 외부의 압력의 차가 150bar 정도로 줄어들어, 외관(210)의 변형을 방지할 수 있게 된다.
한편, 이 발명의 심부지열 교환용 파이프 단위체(200)는 서로 간에 다수개가 서로 연결되어 심부지열 교환용 파이프 조립체(200a)를 구성할 수 있다. 이때, 다수개의 심부지열 교환용 파이프 단위체(200)를 서로 간에 조립하기 위해서는, 상기 외관(210)의 외측 상부와 하부에 다양한 체결구조를 갖도록 구성하면 된다.
이 실시예의 체결구조의 한 예로는 도 2에 도시한 바와 같이, 외관(210)의 외측 상부는 그 상단에 형성된 제1 상부 결합면(211a)과, 제1 상부 결합면(211a)에서 일정 각도로 경사지게 형성되며 나사산으로 이루어진 제2 상부 결합면(212a)과, 제2 상부 결합면(212a)의 끝단에서 제1 상부 결합면(211a)과 평행을 이루는 제3 상부 결합면(213a)으로 구성되고, 외측 하부는 상기 외측 상부와 체결 가능한 구조의 제1, 제2, 제3 하부 결합면(211b, 212b, 213b)으로 구성된다. 따라서, 이 실시예의 심부지열 교환용 파이프 단위체(200)는 상기와 같은 체결구조를 통해 다수개가 순차적으로 조립이 가능하다.
도 3은 도 2에 도시된 파이프 단위체를 다수개 조립해 심부지열 교환용 파이프 조립체를 제작하는 과정을 도시한 정단면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 심부지열 교환용 파이프 조립체(200a)는 심부지열 교환용 파이프 단위체(200)의 하단에 다수개의 심부지열 교환용 파이프 단위체(200')를 조립하여 구성한 것이며, 이때 서로 조립되는 2개의 심부지열 교환용 파이프 단위체(200, 200')사이를 밀폐하기 위한 밀봉부재(260)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 밀봉부재(260)로는 가스켓을 사용하는 것이 바람직하다.
2개의 심부지열 교환용 파이프 단위체(200, 200')가 조립될 때, 제2 하부 결합면(212b)과 제2 상부 결합면(212a')이 나사 결합되어 맞물리고, 제2 하부 결합면(212b)과 제2 상부 결합면(212a')이 완전 체결되었을 때, 제1 하부 결합면(211b)과 제1 상부 결합면(211a')이 만나고, 제3 하부 결합면(213b)과 제3 상부 결합면(213a')이 만나 완전 체결된다.
상기와 같은 방식으로 시추홀의 깊이에 따라 더 많은 심부지열 교환용 파이프 단위체(200)가 조립되어 심부지열 교환용 파이프 조립체(200a)로 제작된다.
따라서, 이 발명은 간단한 체결방식으로 조립이 가능하고 시추홀의 깊이가 깊어도 심부지열 교환용 파이프 조립체(200a)의 휨이 발생하지 않으며, 심부지열 교환용 파이프 조립체(200a)의 중간에 균열이 생겨도 그 부분의 심부지열 교환용 파이프 단위체(200)만을 교체하여 사용할 수 있기 때문에 유지 및 보수가 쉽다.
또한, 이 발명은 각각의 심부지열 교환용 파이프 단위체(200)를 따로 제작하여 조립하는 것이기 때문에, 단일의 일체형으로 열교환용 파이프를 제작하는 것보다 제작이 쉬우며, 그 제작비용 또한 적게 든다.
도 4는 도 3에 도시된 심부지열 교환용 파이프 조립체를 시추홀에 삽입한 상태를 도시한 사용상태도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 땅(G)에 형성된 시추홀에 이 발명의 심부지열 교환용 파이프 조립체(200a)가 삽입된다. 삽입된 심부지열 교환용 파이프 조립체(200a)의 외측에는 공급로(I)가 형성되고, 심부지열 교환용 파이프 조립체(200a)의 내측에는 회수로(O)가 형성된다. 이때, 공급로(I)로 열매체가 유입되고, 유입된 열매체는 지하의 지열을 흡수하여 증기 또는 유체의 형태로 회수로(O)를 통해 지상으로 이동된다. 이렇게 이동된 열매체를 통해 지열발전이 이루어지는 것이다.
이상과 같이 이 발명에 따른 심부지열 교환용 파이프 단위체 및 이를 구비한 파이프 조립체에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 이 명세서에 개시된 실시예들과 도면에 의해 이 발명이 한정되는 것은 아니며, 이 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
200 : 심부지열 교환용 파이프 단위체
200a : 심부지열 교환용 파이프 단위체 조립체
210 : 외관 211a : 제1 상부 결합면
211b : 제1 하부 결합면 212a : 제2 상부 결합면
212b : 제2 하부 결합면 213a : 제3 상부 결합면
213b : 제3 하부 결합면 220 : 내관
230 : 상부덮개 232 : 주입홀
240 : 하부덮개 250 : 충전부
260 : 밀봉부재 I : 공급로
O : 회수로 G : 땅

Claims (8)

  1. 열교환을 위해 시추홀에 삽입되는 심부지열 교환용 파이프 단위체로서,
    외관과 내관이 이중의 중공형 튜브 형태를 가지며, 상기 외관과 상기 내관이 일정 간격으로 이격되어 상기 외관과 상기 내관 사이에 충전부를 구비하며,
    상기 충전부에는 입자형태의 단열재와 압축공기가 충전되는 것을 특징으로 하는 심부지열 교환용 파이프 단위체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단열재는 유리섬유 또는 단열파우더인 것을 특징으로 하는 심부지열 교환용 파이프 단위체.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 충전부는 상기 외관과 상기 내관을 서로 연결해 상부 및 하부를 각각 밀폐시키는 상부덮개와 하부덮개에 의해 형성되며,
    상기 상부덮개에는 상기 압축공기를 상기 충전부에 주입하기 위한 주입홀이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 심부지열 교환용 파이프 단위체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 외관은 상부 및 하부가 서로 간에 조립 가능한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 심부지열 교환용 파이프 단위체.
  5. 청구항 4에 기재된 심부지열 교환용 파이프 단위체를 다수개 순차적으로 서로 조립해 구성한 것을 특징으로 하는 심부지열 교환용 파이프 조립체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 단열재는 유리섬유 또는 단열파우더인 것을 특징으로 하는 심부지열 교환용 파이프 조립체.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 충전부는 상기 외관과 상기 내관을 서로 연결해 상부 및 하부를 각각 밀폐시키는 상부덮개와 하부덮개에 의해 형성되며,
    상기 상부덮개에는 상기 압축공기를 주입하여 상기 충전부에 주입하기 위한 주입홀이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 심부지열 교환용 파이프 조립체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 심부지열 교환용 파이프 단위체의 사이에는 밀봉부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 심부지열 교환용 파이프 조립체.
KR1020130150650A 2013-12-05 2013-12-05 심부지열 교환용 파이프 단위체 및 이를 구비한 파이프 조립체 KR101562791B1 (ko)

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