KR20170120841A - 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치에 관한 것으로, 폐열의 열원을 이용하여 증기 발전할 수 있도록 하는 유기물 랭킨 사이클을 이용하며, 작동유체의 유동 안정화를 이뤄 발전효율을 높일 수 있는 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치에 관한 기술이다.
유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치는 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치에 관한 것으로, 증발기, 터빈, 응축기 및 이송펌프로 주배관이 연결되고, 상기 주배관 내부에 작동유체가 순환되며, 폐열의 열원과의 열교환에 의해 상기 터빈을 회전시켜 전기를 생성하는 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치에 있어서, 상기 응축기와 상기 이송펌프 사이의 주배관에 연결되게 설치되되, 상기 주배관의 직경보다 상대적으로 큰 직경을 가지도록 형성되어 상기 응축기에서 배출되는 상기 작동유체의 유속을 감소시켜 작동유체의 유동안정화하여 상기 이송펌프로 유동되게하는 관형상의 유동안정화파이프가 포함되고, 상기 유동안정화파이프는, 상기 응축기 단부에 연결되는 플랜지와, 상기 플랜지 단부에 결합되며 상기 주배관의 직경보다 큰 직경을 가진 파이프와, 상기 파이프의 단부에 연장되어 직경이 점차 축소되어 상기 주배관과 연결되는 연결관으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치{Electronic Generator using organic rankine cycle with reserve pipe}

본 발명은 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치에 관한 것으로, 폐열의 열원을 이용하여 증기 발전할 수 있도록 하는 유기물 랭킨 사이클을 이용하며, 작동유체의 유동 안정화를 이뤄 발전효율을 높일 수 있는 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치에 관한 기술이다.

통상적으로 유기물 랭킨 사이클은 크게, 이송펌프, 보일러 또는 가열기, 터빈, 응축기로 이루어지며 각 장치들이 배관에 연결되게 되며, 이 사이클 내부의 작동유체인 물이 증발할 때 생기는 압력을 이용하여 터빈을 돌려 발전하는 시스템이다.

도 1은 종래 유기물 랭킨 사이클 시스템의 구성도로써, 예열기(21), 증발기(22), 터빈(23), 발전기(24), 응축기(25). 응축탱크(26) 및 이송펌프(28)를 포함하여 이루어진다.

종래 유기물 랭킨 사이클 시스템에서, 배관을 통해 작동유체가 순환되게 되는데, 발전을 효율적으로 하기 위해 터빈에는 고온과 고압을 가진 증기가 유입되어야 한다.

그러나, 공급되는 작동유체의 양이 일정하지 않는 경우, 예를들어 선박과 같이 진동이 심한 장소에서는 증발기에 공급되는 작동유체의 양이 일정하지 않게 되는 문제점이 있어왔다.

또한, 이송펌프에서 작동유체를 순환 유동하기 위해서는 작동유체가 응축기에서 응축탱크를 지나 안정화되어 이송펌프로 송출되어야 하는데, 종래의 응축탱크는 그 부피가 크므로 폐열발전장치가 대형화되고 작동유체를 신속하게 보낼 수 없는 문제점이 있어왔다.

KR 10-1152254 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 작동유체를 안정화하면서 신속하게 이송펌프로 송출하도록 하여 유동안정화와 출력의 안정성을 높일 수 있는 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 증발기, 터빈, 응축기 및 이송펌프로 주배관이 연결되고, 상기 주배관 내부에 작동유체가 순환되며, 폐열의 열원과의 열교환에 의해 상기 터빈을 회전시켜 전기를 생성하는 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치에 있어서, 상기 응축기와 상기 이송펌프 사이의 주배관에 연결되게 설치되되, 상기 주배관의 직경보다 상대적으로 큰 직경을 가지도록 형성되어 상기 응축기에서 배출되는 상기 작동유체의 유속을 감소시켜 작동유체의 유동안정화하여 상기 이송펌프로 유동되게하는 관형상의 유동안정화파이프가 포함되고, 상기 유동안정화파이프는, 상기 응축기 단부에 연결되는 플랜지와, 상기 플랜지 단부에 결합되며 상기 주배관의 직경보다 큰 직경을 가진 파이프와, 상기 파이프의 단부에 연장되어 직경이 점차 축소되어 상기 주배관과 연결되는 연결관으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 증발기는, 다수개의 열교환판이 배열 적층된 열교환판 패키지로 형성된 판형 열교환기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 유동안정화파이프는, 길이가 상기 열교환판의 적층된 두께보다 상대적으로 더 길게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 유동안정화파이프의 직경은 상기 주배관의 직경의 2 내지 5배이고, 상기 유동안정화파이프의 길이는 상기 열교환판의 적층된 두께의 2 내지 5배인 것을 특징으로 한다.

상기 증발기와 이송펌프 사이에는 예열기가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.

응축기와 이송펌프 사이에 유동안정화파이프가 설치되어 유체의 이송통로가 주배관의 직경보다 크고, 길이가 길게 형성되어 응축기를 통해 액화된 작동유체가 저장되는 공간을 제공하여 유속을 떨어뜨림으로써 작동유체의 유동 안정화 및 출력의 안정성을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 유기물 랭킨 사이클 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치의 시스템 계통도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치의 설계 예시도.
도 4는 도 3에서 유동화안정화파이프의 상세도.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치의 구성도를 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명인 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치는 증발기(100), 터빈(200), 응축기(300) 및 이송펌프(400)로 주배관(500)이 연결되고, 상기 주배관(500) 내부에 작동유체가 순환되며, 폐열의 열원과의 열교환에 의해 상기 터빈을 회전시켜 전기를 생성하는 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치에 있어서, 본 발명은 응축기(300)와 이송펌프(400) 사이에 유동안정화파이프(600)가 설치되어 작동유체의 유동안정화와 출력안정성을 제공할 수 있다.

본 발명에서 유기물 랭킨 사이클을 간단히 설명하면, 폐열의 열원이 상기 증발기(100)와 열교환에 의해 작동유체를 가열하여 고온, 고압의 증기를 생성하여 상기 터빈(200)에 공급함으로써 기계적인 일을 할 수 있게 된다. 그리고, 터빈(200)을 통과하여 작동유체는 상기 응축기(300)를 통하여 저압의 증기가 바뀌게 되고, 상기 이송펌프(400)를 통해 상기 증발기(100)로 순환되게 된다.

여기서, 폐열의 열원은 산업 폐기물에서 발생되는 열과, 또는 지열, 또는 태양열 등을 이용할 수 있다.

상기 증발기(100)와 이송펌프(200) 사이에는 예열기(700)가 더 구비되는 것을 특징으로 상기 예열기(700)를 통해 작동유체의 예열함으로써 상기 증발기(100)에서 작동유체를 쉽게 고온,고압의 가스를 생성할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치의 설계 예시도.

본 발명의 주요 구성인 유동안정화파이프(600)는 상기 응축기(300)와 상기 이송펌프(400) 사이의 주배관(500)에 연결되게 설치되되, 상기 유동안정화파이프(600)의 직경은 상기 주배관(500)의 직경보다 상대적으로 큰 직경을 가지는 관형상을 형성되게 한다.

상기 유동안정화파이프(600)의 직경은 커짐에 따라 내부 체적이 증가하여 상기 응축기에서 배출되는 상기 작동유체의 유속을 감소시켜 작동유체의 유동안정화하여 상기 이송펌프(400)로 유동되게 할 수 있다.

여기서, 상기 유동안정화파이프(600)는 상기 주배관(500)과 동일선상으로 연장되는 형태로 연결되게 설치하여 작동유체의 이동에 의한 관마찰에 의한 손실을 최소화하고 체적을 컴팩트하게 구성할 수 있다.

상기 증발기(100)는 다수개의 열교환판이 배열 적층된 열교환판 패키지로 구성된 판형 열교환기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 판형 열교환기는 다수의 열교환판이 적층된 형태로 수직 배열되며, 열교환판 에는 전면과 후면에는 요철이 형성됨으로써 온도가 다른 2개의 유체가 열교환판 사이에 두고 흐르도록 함으로써 작동유체를 가열하여 증기를 발생시킬 수 있다. 이러한 판형 열교환기는 열교환면적과 열교환 시간을 높임으로써 발전장치의 소형화를 이룰 수 있으며, 게다가 열교환 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.

상기 증발기를 판형 열교환기로 사용함으로써, 통상적인 증발기 대비 20 내지 50%로 부피를 줄일 수 있고, 부피가 작게 하면서도 3 열효율을 3 내지 5배 높일 수 있다.

한편, 판형 열교환기는 열효율을 높으나 쉘-튜브(shell&tub) 타입의 열교환기 중 캐틀형 타일의 쉘-튜브 열교환기 같이 열교환기 윗부분에 증발된 유체를 저장하는 역할을 하지 못해 외부의 맥동치는 열에 영향을 받게 되는데, 이러한 작동유체의 불안정한 유동을 유동화안정파이프(600)에 의해 해결할 수 있다.

상기 유동안정화파이프(600)는 소형화하면서 그 체적을 충분히 확보할 수 있도록 길이가 길게 형성되는 것이 바람직하다. 그러므로 상기 유동안정화파이프(600)는 그 길이가 상기 열교환판의 적층된 두께보다 상대적으로 더 길게 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

도 4는 도 3에서 유동화안정화파이프의 상세도이다.

더 자세하게, 상기 유동안정화파이프(600)의 직경(D)은 상기 주배관의 직경(d)의 2 내지 5배로 하는데, 그 이유는 유동안정화파이프(600)의 직경은 최소 주배관의 직경대비 2배 이상이 되어야 맥동현상이 방지되어 유동안정화를 유지할 수 있으며, 유동안정화파이프(600)의 직경(D)은 주배관의 직경(d) 대비 최대 5배 이하로 하여 발전장치에서 유동안정화파이프 설치를 컴팩트화할 수 있다.

또한, 상기 유동안정화파이프의 길이(L)는 상기 열교환판의 적층된 두께(t)의 2배 내지 5배인 것으로 실시하였다. 그 이유는 유동안정화파이프(600)의 길이(L)는 열교환판의 적층된 두께(t)의 2배 이상되어야 유동안정화를 유지할 수 있으며, 유동안정화파이프(600)의 길이(L)가 열교환판의 적층된 두께(t)의 5배 이하로 하여 발전장치의 유동안정화파이프 설치를 위한 부피를 컴팩트화할 수 있다.

상기 유동안정화파이프(600)는 상세하게 그 구성을 다음과 같이 나눌 수 있다. 상기 응축기(300) 단부에 연결되는 플랜지(620)와, 상기 플랜지(620) 단부에 결합되며 상기 주배관의 직경보다 큰 직경을 가진 파이프(640)와, 상기 파이프(640)의 단부에 연장되어 직경이 점차 축소되어 상기 주배관과 연결되는 연결관(660)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 유동안정화파이프(600)는 상기 플랜지(620)와 상기 파이프(640) 및 연결관(660)이 일체로 된 모듈형상으로 제작할 수 있다.

즉, 상기 유동안정화파이프(600)는, 일측은 상기 응축기(300)와 플랜지 연결되고 타측은 주배관(500)과 용접결합되게 한다. 그리고, 유동안정화파이프와 응축기 사이에 결합을 위해서 상기 응축기의 단부에는 상기 유동안정화파이프의 플랜지 사이에 금속 가스켓이 설치되게 하여 밀착하고 볼트로 체결하여 리크(leak)를 최소화한다.

이상과 같이 본 발명은 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치를 제공하는 것을 기본적인 기술적인 사상으로 하고 있음을 알 수 있으며, 이와 같은 본 발명의 기본적인 사상의 범주내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

100: 증발기 200: 터빈
300: 응축기 400: 이송펌프
500: 주배관 600: 유동안정화파이프

Claims (5)

1. 증발기, 터빈, 응축기 및 이송펌프로 주배관이 연결되고, 상기 주배관 내부에 작동유체가 순환되며, 폐열의 열원과의 열교환에 의해 상기 터빈을 회전시켜 전기를 생성하는 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치에 있어서,
   상기 응축기와 상기 이송펌프 사이의 주배관에 연결되게 설치되되,
   상기 주배관의 직경보다 상대적으로 큰 직경을 가지도록 형성되어 상기 응축기에서 배출되는 상기 작동유체의 유속을 감소시켜 작동유체의 유동안정화하여 상기 이송펌프로 유동되게하는 관형상의 유동안정화파이프가 포함되고,
   상기 유동안정화파이프는,
   상기 응축기 단부에 연결되는 플랜지와,
   상기 플랜지 단부에 결합되며 상기 주배관의 직경보다 큰 직경을 가진 파이프와,
   상기 파이프의 단부에 연장되어 직경이 점차 축소되어 상기 주배관과 연결되는 연결관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 증발기는,
   다수개의 열교환판이 배열 적층된 열교환판 패키지로 형성된 판형 열교환기로 구성되는 것을 특징으로 하는 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 유동안정화파이프는,
   길이가 상기 열교환판의 적층된 두께보다 상대적으로 더 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 유기물 랭킨 사이클을 이용한 폐열발장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 유동안정화파이프의 직경은 상기 주배관의 직경의 2 내지 5배이고,
   상기 유동안정화파이프의 길이는 상기 열교환판의 적층된 두께의 2 내지 5배인 것을 특징으로 하는 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 증발기와 이송펌프 사이에는 예열기가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 유동안정화파이프가 구비된 폐열발전장치.

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