KR20160096310A - 증발 장치를 포함하는 고효율 저온 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

증발 장치에 의한 고효율 저온 발전 시스템이 제공 된다
간접 가열 열 교환 방식의 유기랭킨 사이클은 저온 증발하는 작동 유체를 이용하여 밀폐형 증발기에 외부의 열을 공급하여 작동 유체를 압축증발 시켜 발전하는 기술로 증발기 내에서 온도가 올라 증발하는 과정에서 압력도 상승하여 응축 되려는 성질이 증발을 방해함으로 연속적인 증발을 하려면 증발 잠열을 소화할 수 있는 높은 온도의 열이 필요하게 된다
하지만 본 발명이 제안하는 저온 발전 시스템은 작동 유체의 압력차를 이용 팽창증발하는 증발 시스템에 의하여 저온의 열원으로도 증발 잠열을 흡수하여 연속적인 증발이 이루어져 신.재생 에너지용 저온발전이 보다 더 효율적으로 실현 될 수 있는 증발 장치를 포함하는 고효율 저온 발전 시스템에 관한 것이다

Description

증발 장치를 포함하는 고효율 저온 발전 시스템{High efficent power generating system including evaporation apparatus}

본 발명은 유기랭킨 사이클의 효율을 항상 시키기 위하여 응용 변형 시킨 사이클로 작동 유체가 압축 - 압력차 팽창 - 증발 - 팽창(터빈) - 응축의 단계로 순환되는 고효율 저온 발전 시스템 에 관한 것이다

더욱 상세하게는 간접 가열 열 교환 방식의 밀폐 회로상의 증발기에서 작동 유체의 압력차를 이용하여 저온의 열에너지로 증발을 용이하게 하여 유기랭킨 사이클의 효율을 항상 시킬 수 있는 발전 시스템에 관한 것이다

유기랭킨 사이클 (ORC) 에 의한 발전은 제철소를 비롯한 산업용 플랜트 설비의 여러 공정에서 발생하는 폐열을 이용하여 발전하는 폐열 발전 시스템과 태양열을 집광하여 발전하는 태양열 발전 시스템 및 해양 온도차 발전 시스템, 지열 등을 이용하여 발전하는 바이너리 발전 시스템 등 저온의 열을 이용하여 발전하는 신재생 에너지의 이용 기술로서 사용 되고 있으나 매우 낮은 효율로 다른 신재생 에너지의 이용 기술보다 널리 보급 되지 못하고 있는 실정이다

특히 저온열을 이용하여 발전하기 위하여 냉동용 냉매가스 등 비등점이 매우 낮은 유기작동유체를 사용하는 발전 기술은 100 내외의 폐열을 활용할 수 있는 신재생 에너지의 이용 기술이어야 하지만 간접가열 열교환 방식의 폐쇄회로 상에서 지극히 효율이 낮은 기술적인 한계를 가지고 있는 것이 현실이다

유기랭킨 사이클에 의한 발전은 대한민국 공개특허 10-2014-0015422 10-1290289 10- 2012 -0039986등 종래의 선행기술들은 도 1에서와 같은 사이클 선도를 가진다

도 1의 선도에서 보듯이 유기랭킨 사이클을 이용 발전 하려면 온도와 압력을 올려 증발해야 발전 효율을 기대할 수 있다

하지만 물질의 특성 중에서 증발의 조건은 압력은 내리고 온도는 올려야 증발이 용이하고 반대로 응축의 조건은 압력은 올리고 온도를 내려야 용이하다

그러나 유기랭킨 사이클에 의한 발전은 증발기 내에서 외부 열원을 공급받아 온도와 압력이 상승하여 유기 작동 유체가 증발하는 과정에서 압력이 올라 응축 되려는 성질과 온도가 올라 증발 하려는 성질이 상호 충돌함으로 유기 작동 유체의 포화 증기표에 의한 일정 압력의 증발온도보다 더 높은 온다가 필요한 것이다

또한 저온 비등 증발하는 냉동용 냉매 가스와 같은 유기작동 유체로 유기랭킨 사이클에 의한 발전에서 작동 유체가 응축 되는 과정에서 기체가스와 액체가스의 압축률의 편차가 심하여 응축 압력이 떨어져 상대적으로 응축압력을 더 높여야 함으로 배압에 의하여 발전 효율이 낮아지는 것이다

따라서 신재생 에너지의 이용 기술로서 유기 랭킨 사이클에 의한 발전효율을 항상 시킬 수 있는 증발 시스템 및 응축 시스템의 개발이 요구된다 할 것이다

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기위하여 제안된 것으로 발전 가능한 사용 온도 범위를 최대한 낮추어 신재생 에너지의 이용 기술로서 유기랭킨 사이클의 발전 효율을 항상 시키는데 목적이 있다

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 증발 장치를 포함하는 고효율 저온 발전 시스템은 작동유체 순환용 압축펌프(40)와 외부로부터 열을 공급받아 액체에서 기체로 상변화하는 저온증발시스템(100) 과 증발한 작동유체의 열 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 발전하는 발전 모듈(300)과 상기 터빈에서 나온 저압의 작동 유체를 기체에서 액체로 상변화하는 응축 시스템(200)으로 구성되는 것을 특징으로 한다

상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명의 증발 시스템은 예열기와 증발기의 압력차이를 발생시켜 작동 유체의 증발을 용이하게 하여 유기랭킨 사이클의 발전 효율을 항상 시키는 것을 특징으로 한다

앞서 설명한 바와 같이 종래의 선행기술은 예열기보다 외부열을 공급받아 온도를 올려 증발하는 증발기의 압력이 당연히 높아져 증발에 필요한 외부 열원의 온도가 높아야 하지만 본 발명이 제안하는 증발 시스템 에서는 종래의 유기랭킨 사이클용 발전기술 보다 더 낮은 온도에서도 증발을 용이하게 하기위하여 예열기의 압력을 증발기보다 높게 하여 증발기에서 작동유체의 압력차를 이용하여 팽창 증발을 용이하게 하여 발전 효율을 항상 시켜 목적을 달성하는 것을 특징으로 한다

또한 본 발명이 제안하는 응축 시스템(200)에서는 작동 유체가 기체에서 액체로 상변화 하는 과정에서 비체적의 차이에 의하여 액화 되면서 작동 유체의 체적이 줄어들어 압력이 순간적으로 떨어지는 것을 방지하기 위하여 질소가스 충진형 서비스 탱크(23)를 설치하여 응축 압력을 일정하게 유지 되도록 하는 것을 특징으로 한다

상기 응축 시스템에서 수냉식 응축탱크(24)를 추가로 설치하여 작동 유체의 응축 점도를 높여 작동유체 순환용 압축 펌프(40)의 성능을 항상 시키는 것을 특징으로 한다

상기와 같이 구성되는 본 발명의 증발장치를 포함하는 고효율 저온 발전 시스템은 100 내외의 비교적 낮은 각종 열원을 이용하여 발전하는 신재생 에너지의 이용 기술을 항상 시키는 효과를 가진다

도1은 선행기술들이 나타내는 유기랭킨 사이클의 선도
도2는 본 발명이 제안하는 응용된 유기랭킨 사이클의 선도
도3은 본 발명이 제안하는 대표도
도4는 본 발명에 따른 저온 증발 시스템을 개략 도시한 구성도
도5는 본 발명의 저온증발 시스템 중 증발기를 개략 도시한 예시도
도6은 본 발명에 의한 증발시스템 중 일체형 증발기를 개략 도시한 예시도
도7은 본 발명에 따른 응축 시스템을 개략 도시한 구성도

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 의한 증발장치를 포함하는 유기랭킨 사이클용 발전 시스템을 상세히 설명하면 다음과 같다

본 발명의 상세 설명에 앞서 이해를 돕기 위하여 임의 설정한 조건을 바탕으로 설명 하고자 한다

임의 조건에서 작동 유체는 R134a 냉동용 냉매를 선정 하였으며 예열기의 임의 설정 압력은 20 kg/cm2 에 70 이상의 예열 온도를 기준으로 하고 증발기의 임의 설정 압력은 17kg/cm2에 80 이상의 외부 열원에 의한 열이 공급되는 것으로 하고, 과열기의 설정 압력은 증발기와 같은 17kg/cm2에 90이상의 외부 열원이 공급 되는 것으로 임의 설정하며 수냉식 응축기의 응축 압력은 8kg/cm2에 28 이하로 작동 유체의 온도가 유지 되는 것으로 임의 설정하고 이를 실행하기 위한 방법으로 설명 한다

따라서 위의 임의조건에 따르면 발전에 사용 가능한 온도의 범위는 90 이상 이면 본 발명에 의하여 발전 가능한 온도임을 알 수 있다

도 1은 선행 기술들이 나타내는 선도이고 도2는 본 발명이 제안하는 선도로서 31 구간은 작동 유체 순환용 압축 펌프에 의한 압축 구간이고 32는 팽창 노즐에 의하여 증발기에서 압력이 내려가 증발을 용이하게 하는 가열 팽창 구간을 나타내며, 33은 외부 공급 열원에 의하여 증발기에서 흡열 증발하는 과정을 도시하고 있다

또한 34는 과열 증기 구간으로 외부열을 흡수하여 과열되어 체적 팽창하는 작동 유체가 압축되어 터빈에 의한 팽창구간(35)에서 운동 에너지량이 증가하여 발전 효율을 항상 시킨다

36은 응축 시스템에 의하여 방열 응축 되는 구간이며 순환용 압축 펌프에 의하여 순환 되면서 사이클을 형성 한다

도 3은 본 발명이 제안하는 대표도로서 저온 증발 시스템(100)과 터빈과 제네레이더로 구성되는 발전 모듈(300)과 응축 시스템 (200) 및 작동 유체 순환용 압축 펌프로 구성되는 증발 장치를 포함하는 고효율 저온 발전 시스템을 도시하고 있다

도4는 저온 증발 시스템을 개략 도시한 것으로 예열기- 증발기 - 과열기로 구성되며 축열탱크(50)에 저장된 외부열원을 예열기 와 증발기 및 과열기로 순환 시키는 구조이다

작동 유체는 압축 펌프로 20kg/cm2의 일정 압력으로 설정되어 예열기로 순환 시키며 예열기에서 외부 열원을 공급받아 70 정도로 작동 유체가 예열되어 증발에 필요한 엔탈피 중 현열을 공급 받는 예열기 이다

예열기에서 현열량을 공급 받아 예열된 작동 유체는 증발기에서 팽창 노즐(80)에 의하여 20kg/cm2의 압력으로 분사되어 증발기 내부 설정압력인 17kg/cm2의 압력 차이에 의하여 팽창 증발 한다

증발되는 작동 유체는 증발기 내에서 증발 잠열에 해당하는 엔탈피를 80이상의 외부 열원으로부터 충분히 공급 받을 수 있는 증발관을 가지는 구조로 증발기가 구성된다

더 자세하게는 냉매 1kg을 17 kg/cm2의 압력으로 증발 시키면 포화 온도는 61 이고 현열은 69 kcal/kg 이며, 잠열은 33kcal/kg 임으로 예열기에서 70이상의 열로 현열에 필요한 열량을 공급 받고, 증발기에서는 80 이상의 열로 잠열에 해당하는 열량을 공급받아 증발하고 과열기 에서는 90 이상의 열을 공급받아 과열 압축되어 터빈에서 기계적인 운동 에너지의 힘을 배가시켜 발전 효율을 항상 시킬 수 있는 것이다

따라서 작동 유체의 압력은 예열기에서 높고 증발기에서 낮으며, 과열기는 증발기와 동등한 압력으로 설정되어 압력차를 가지며 온도는 반대로 예열기가 낮고 증발기 과열기 순으로 높아지기 때문에 압력이 올라 응축되지 않도록 포화온도 이상의 온도로 외부 열원을 공급한다

이러한 증발 시스템은 물질의 특성 중 증발의 조건인 압력은 내리고 온도는 올려야 증발이 용이한 특성을 이용하는 것으로 작동 유체의 압력차를 이용하여 20kg/cm2의 압력에서 17kg/cm2으로 압력을 내리면 진공 효과와 같은 현상이 발생하여 비등점이 내려가는 원리를 응용하기 때문에 증발에 필요한 온도를 낮출 수 있으며 위와 같은 증발 시스템으로 포화온도 이상의 열원으로만 필요 열량을 공급 받는다면 작동 유체의 연속적인 증발로 발전 효율을 항상 시킬 수 있는 것이다

발전 모듈(300)은 터빈과 제네레이더 및 미 도시된 전기적 제어 장치가 포함되어 열 에너지를 기계적인 에너지로 변환시켜 발전 하는 장치이다

도 5는 본 발명에 의하여 제작되는 증발기의 구성 예시도로서 증발 용량에 따라 크기 및 증발관의 길이도 변화 될 수 있으며 작동유체 입출구의 압력차를 발생 시키는 구조이다

증발기1은 팽창 노즐에 의하여 팽창 증발 하면서 외부의 열을 공급받아 증발 잠열을 흡수하는 구조로 확장형 팽창관이 설치되는 구조의 증발기이며

증발기 2는 팽창 노즐에 의하여 증발기 탱크 내부로 팽창하는 구조로 외부열원이 튜브형의 열교환기로 교환되는 구조이다

증발기 3은 베르누이의 원리를 응용한 것으로 팽창관이 아닌 수축관을 사용하여 작동 유체의 유속을 빠르게 하여 압력을 상대적으로 낮게하여 증발 시키는 구조의 증발기이다

도 6은 예열기와 증발기가 일체 형으로 제작되는 예시도를 개략 도시한 것으로 증발 원리는 도 5의 증발기와 같다

일체형 증발기1은 작동 유체가 증발기로 이송되어 수축변 및수축관 (85)에 의하여 유속이 빨라져 압력이 낮아지는 베르누이 원리를 응용하여 증발 하는 일체형 증발기이며

일체형 증발기 2는 증발기 내에서 팽창변 및 팽창관에 의하여 작동 유체가 증발하는 구조이다

도 7은 응축 시스템(200)을 도시한 구성도로서 공랭식 응축기(21) - 질소가스 충진형 서비스탱크(23) - 수냉식 응축기 (22) - 수냉식 응축 탱크(수액기:24)로 구성된다

공랭식 응축기는 보조 응축기의 역할로 대기의 온도로 뜨거운 작동 유체를 1차 냉각하는 장치이며 수냉식 응축기는 미 도시된 별도의 냉각 장치에 의하여 냉각수를 공급받아 8kg/cm2의 응축 압에서 28이하로 작동 유체가 냉각 되어 응축 되는 장치이다

질소가스 충진형 서비스 탱크는 작동 유체가 기체에서 액체로 상변화 하는 과정에서 비체적이 감소하여 압력이 순간 적으로 내려가는 현상을 방지하는 기능을 하는 보조 탱크이다

예를 들어 터빈을 지난 기체 가스가 8kg/cm2의 압력하에서 온도가 내려가 응축되면 비체적이 0.0261 m3/kg에서 0.0008m3/kg 으로 32배 이상 체적이 줄어들게 됨으로 이를 보완 할 수 있는 장치가 있어야 일정 한 응축 압력을 유지 할 수 있는 것이다

이를 구현하기 위하여 작동 유체관을 줄여서 내용적을 적게하여 응축기를 배치하고 질소가스 충진형 서비스 탱크를 설치하는 것이 효과적인 것이다

수냉식 응축 탱크는 액화 되는 작동 유체를 더욱더 냉각 시켜 응축되는 작동 유체의 점도를 높여 압축 펌프의 이송 능력을 항상 시키는 역할을 한다

상기와 같이 본 발명이 제안하는 증발 장치를 포함하는 고효율 저온 발전 시스템은 외부 열원의 사용 온도 법위를 낮추어 산업 현장에서 버려지는 주된 열원의 온도 분포인 100 ~ 200의 열로 발전 효율을 항상시켜 상용화 될 수 있는 발전 시스템인 것이다

이상과 같이 본 발명을 설명 하였으나 반드시 이러한 예들에 국한 되는 것이 아니고 다양 하게 변형 실시 될 수 있으므로 본 발명이 제안 하는 기술적 보호 법위는 청구항의 범위에서 기술의 특성과 원리로 해석 되어야 하며 이와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리에 포함되는 것으로 봐야 할 것이다

100: 증발 시스템
10: 예열기 11: 증발기 12: 과열기
13: 일체형 증발기1 14: 일체형 증발기 2
11-1: 증발기 1 11-2: 증발기 2 11-3: 증발기 3
200: 응축 시스템
21: 공랭식 응축기 22: 수냉식 응축기
23: 질소가스 충진형 서비스 탱크 24: 수냉식 응축탱크( 수액기)
300: 발전 모듈
400: 작동 유체 순환 라인
40: 작동 유체 순환용 압축 펌프 41: 외부 열원 순환 펌프
42: 냉각수 순환 펌프
50: 외부 열원으로부터 집열하여 축열되는 축열 탱크
60: 열원에서 과열기로 공급되는 공급관
61: 열원이 증발기로 공급되는 공급관 62:예열기로 공급되는 공급관
70: 열원이 과열기에서 환수되는 환수관 71:증발기에서 환수되는 환수관
72: 예열기에서 환수되는 환수관
80: 증발을 위한 팽창 노즐 및 팽창관
81: 터빈에서 발전을 위한 팽창 노즐

Claims (4)

1. 신.재생 에너지 이용 저온 발전 시스템에서 작동 유체가 압축 - (압력차) 팽창 -증발 - 팽창 (터빈) - 응축의 단계로 순환 되면서 열 교환기형 증발기에 외부 열원으로부터 증발에 필요한 엔탈피를 공급받아 연속적인 증발로 압력을 상승시켜 발전 할 수 있는 작동 유체의 압력차를 이용한 저온 증발 시스템(100 )
   
   상기 증발 시스템은 예열기 - 증발기 - 과열기로 구성되며 예열기에서 증발기보다 상대적으로 높은 압력을 형성하여 작동 유체의 압력차를 이용하여 물질의 특성에서 증발의 조건인 온도는 올리고 압력을 내려 저온 증발이 용이 하도록 구성되는 작동 유체의 압력차를 이용한 팽창증발 시스템
2. 작동 유체의 압력이 증발기 입구가 높으며 증발기 출구의 압력이 상대적으로 오히려 낮아 작동 유체의 압력차를 이용하여 저온 증발을 용이하게 하는 저온 증발장치 및 증발기
   
   상기 증발기는 예열기에서 유입되는 작동 유체의 압력을 이용하여 팽창 노즐 (80)에 의하여 팽창증발 하면서 압력이 낮아져 증발이 용이하게 되는 증발장치 및 팽창관을 구비한 증발기 1 (11-1)의 장치 일 수 있으며
   상기 증발기는 팽창 노즐에 의하여 압력을 낮추어주는 장치와 팽창관이 아닌 증발기 내부에 확산 팽창시켜 증발하는 구조의 증발기 2(11-2) 의 장치일수 있으며, 또한 베르누이 법칙을 응용하여 작동 유체의 유속을 수축관 (85)을 사용하여 빠르게 하여 증발기의 입구 보다 상대적으로 낮은 압력을 형성 시키는 증발관을 구성하여 과열기에서 팽창 노즐에 의하여 저온 증발하는 증발기 3(11-3)의 장치 일 수 있다
3. 청구 1항 및 청구 2항의 장치에 있어서 예열기와 증발기를 일체형으로 배열하여 외부 열원을 열 교환시켜 작동 유체의 압력차를 이용하여 저온 증발하는 일체형 증발기
   
   상기 일체형 증발기는 작동 유체 순환용 압축펌프 (40)에 의하여 이송되는 작동유체 순환관(400)을 연장시켜 일체형 증발기 내에서 예열되는 일정한 전열 면적을 가진 후 수축변(85)을 통하여 작동 유체의 유속을 빠르게 하여 압력차를 이용할 수 있는 증발관을 구성하여 증발 잠열에 필요한 충분한 열량을 공급 받아 과열기입구에서 팽창 노즐에 의한 압력차를 이용하여 저온 증발하는 일체형 증발기 1(13) 의 장치 일 수 있으며
   압축 펌프를 지난 작동유체 순환 관을 일체형 증발기내로 연장 시켜 예열되게 한 후 팽창 노즐에 의하여 팽창 시키는 팽창관으로 구성되어 작동 유체의 압력차를 이용하여 저온 증발하는 일체형증발기 2(14)의 장치일수 있다
   
4. 응축 시스템(200)은 터빈에서 팽창한 작동 유체가 기체에서 액체로 상변화 하는 과정에서 비체적의 감소로 압력이 내려가 응축에 방해가 되는 문제점을 보완하여 일정한 온도 및 압력 하에서 응축을 용이하게 하는 응축 시스템
   
   상기 응축 시스템은 공냉식 응축기(21)- 질소까스 충진형 균압용 서비스 탱크(23)-수냉식 응축기(22) - 수냉식 응축탱크(수액기: 24)로 구성되며 터빈에서 고온 팽창한 작동 유체를 공랭식 응축기로 1차 냉각 후 수냉식 응축기에서 냉각되어져 설정된 압력과 온도로 응축되는 과정으로 기체가스의 비체적과 응축된 작동 유체의 비체적의 차이로 응축 과정에서 설정 압력이하로 순간적으로 압력이 떨어지는 것을 방지 하기위하여 질소가스 충진형 균압용 서비스탱크를 설치하여 일정한 압력을 유지하도록 하여 응축을 용이하게 하며 수냉식 응축기의 작동 유체관의 관경을 응축되는 비체적에 맞추어 조정되어 설정된 압력이 유지되게 구성되는 응축 시스템

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