KR20180051860A - 축열 및 방열 장치와 이를 이용한 축열 및 방열 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 축열 및 방열 장치와 이를 이용한 축열 및 방열 방법에 관한 것으로, 화학반응을 이용하여 열을 축적하거나 방출하는 복수 개의 반응부, 복수 개의 상기 반응부와 각각 연결되며, 상기 반응부가 축열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질로부터 분리된 물질을 제거하고, 상기 반응부가 방열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질들을 반응시키는 물질을 제공하는 공급부, 상기 반응부와 공급부의 통로를 개폐하여 복수 개의 상기 반응부 각각의 반응여부를 조절하는 개폐부, 복수 개의 상기 반응부와 연결되며 내부에 유체가 흐르는 배관부 및 상기 배관부를 개폐하는 밸브부를 포함하며, 상기 밸브부를 제어하여 상기 반응부와 열교환하는 상기 유체가 흐르는 경로를 조절할 수 있다.

Description

축열 및 방열 장치와 이를 이용한 축열 및 방열 방법{HEAT STORAGE AND RADIATION DEVICE AND HEAT STORAGE AND RADIATION METHODS USING THE SAME}
본 발명은 축열 및 방열 장치와 이를 이용한 축열 및 방열 방법에 관한 것이다.
최근 산업체의 에너지효율 향상을 통한 경제성 확보를 통해 국가적으로 소모되는 에너지 비용을 감축함으로써 에너지비용 절감 및 온실가스 감축 효과를 동시에 얻을 수 있는 기술에 대한 관심이 증대되고 있다.
산업체 에너지 이용효율을 향상시킬 수 있는 여러 가지 방법 중에서 사용하지 못하고 배출되는 미활용 폐열을 회수하여 재활용하는 대표적인 기술로 축열시스템이 있다. 축열 시스템을 통한 열에너지의 효율적인 저장 및 활용 기술은 다양한 범위에 걸쳐 연구되어 왔다. 축열 시스템은 열에너지의 저장을 통하여 미활용 열에너지의 회수, 에너지의 공급과 수요의 시간적 불일치를 해소하기 위한 열원의 안정적 확보와 공급을 목적으로 하며, 다양한 방법으로 적용될 수 있고 관련 분야에서 상업적인 목적으로도 널리 응용된다.
기존의 열네트워크에서 축열 시스템을 활용하기 위해서는 저장된 공간과 사용처 사이의 배관 연결을 통한 열매체 공급 및 회수가 필수적으로 요구된다. 하지만 수요처의 위치, 사용패턴에 따른 다양한 상황 및 배관설치비 등의 경제적인 부분을 감안하는 경우 배관을 설치해도 경제성을 확보하기 어려운 경우가 많다. 도심의 경우 열공급 배관 설치비가 과도한 관계로 네트워크의 확장이 어려운 경우가 대부분이며, 도시 외곽의 경우는 과잉열원 발생처와 수요처가 분산되어 있어 길어진 배관 길이에 따라 건설비가 상승되는 문제와 분산된 수요처로 인한 낮아진 열공급 밀도로 인해 장거리 공급에 따른 열손실에 의한 경제성 저하의 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하는 방안으로서 배관을 이용한 열공급이 아닌 운송수단을 이용해 열을 공급하는 열택배 기술이 대안으로 이용될 수 있다. 열택배 기술은 열에너지를 축열체로 옮겨 저장한 뒤 운송수단으로 목적지까지 이송하여 열을 사용하고, 사용이 끝난 뒤 다시 운송수단으로 열원까지 옮겨 사용하는 사이클을 반복하는 기술이다.
일반적으로, 축열 콘테이너는 콘테이너 내부에 현열 물질 또는 잠열축열재(PCM, phase change material)를 충진한 상태에서 가스 또는 액체의 매체를 이용하여 열원과 콘테이너 간의 열전달을 수행한다. 제철소의 가열로 공정이나 소각로 공정 등에서 발생하는 폐열을 축열 컨테이너에 축열한 후 이를 운송하여 인근의 온실이나 비닐하우스의 열수요처에 방열하여 난방으로 사용할 수 있도록 함으로써 고가의 난방용 연료를 사용하는 빈도를 줄여 난방 경비를 절감할 수 있도록 하는 열택배 시스템이 운용되고 있다. 관련 선행기술로는 한국공개특허 제2009-0102944호가 있다.
그러나, 종래의 축열 시스템은 금속이나 산화물과 같은 단일 물질의 현열 저장 방식이나, 물이나 파라핀의 고체-액체간 변화에 따른 잠열에너지를 이용하는 상변화 방식을 이용하여 축열하고 있으나, 이러한 물질들은 낮은 열저장 밀도로 인해 부피가 증가하게 되어 체적당 효율이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 단일 물질의 엔탈피 차이를 이용하여 열저장에 사용함에 따라, 축열 직후부터 지속적인 열 손실이 발생하며, 이로 인해 수요처와 시간적으로 적시에 연계되지 않거나 공간적으로 멀리 떨어져 있는 경우에는 열사용 효율이 낮아지는 단점을 가지고 있다.
종래의 축열 방식은 불규칙적인 신재생열 또는 폐열 생산과 수요처의 사용 시점을 일치시키기 어렵고, 엔탈피 손실을 최소화하기 위하여 방열이나 축열 시 방열이나 축열 장치 전체를 가능한 빨리 활용하여야 하므로 불가피하게 남는 열이 버려지는 등의 문제가 있어 효율적인 열 사용에 대한 제어가 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 화학반응 등을 하는 반응부와 유체가 흐르는 배관부를 조절하여 축열이나 방열을 제어하는 축열 및 방열 장치와 이를 이용한 축열 및 방열 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 축열 및 방열 장치는 화학반응을 이용하여 열을 축적하거나 방출하는 복수 개의 반응부, 복수 개의 상기 반응부와 각각 연결되며, 상기 반응부가 축열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질로부터 분리된 물질을 제거하고, 상기 반응부가 방열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질들을 반응시키는 물질을 제공하는 공급부, 상기 반응부와 공급부의 통로를 개폐하여 복수 개의 상기 반응부 각각의 반응여부를 조절하는 개폐부, 복수 개의 상기 반응부와 연결되며 내부에 유체가 흐르는 배관부 및 상기 배관부를 개폐하는 밸브부를 포함하며, 상기 밸브부를 제어하여 상기 반응부와 열교환하는 상기 유체가 흐르는 경로를 조절할 수 있다.
상기 반응부는 무기수산화물의 화학반응이나 염수화물의 탈착반응을 이용하여 축열하거나, 무기산화물의 화학반응이나 무수염의 흡착반응을 이용하여 방열할 수 있다.
복수 개의 상기 반응부는 규칙적으로 배열되며, 상기 밸브부는 복수 개의 상기 반응부 사이마다 배치되어, 복수 개의 상기 반응부 중에서 축열되는 상기 반응부와 연결되는 상기 배관부에만 상기 유체가 흐르도록 상기 유체의 흐름 경로를 제어할 수 있다.
복수 개의 상기 반응부는 규칙적으로 배열되며, 상기 밸브부는 복수 개의 상기 반응부 사이마다 배치되어, 복수 개의 상기 반응부 중에서 방열되는 상기 반응부와 연결되는 상기 배관부에만 상기 유체가 흐르도록 상기 유체의 흐름 경로를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 축열 및 방열 장치는 상기 공급부, 개폐부, 배관부, 및 밸브부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 축열 및 방열 장치를 이용한 축열방법은 화학반응을 이용하여 열을 축적하거나 방출하는 복수 개의 반응부, 상기 반응부가 축열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질로부터 분리된 물질을 제거하고, 상기 반응부가 방열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질들을 반응시키는 물질을 제공하는 공급부, 상기 반응부와 공급부의 통로를 개폐하여 복수 개의 상기 반응부 각각의 반응여부를 조절하는 개폐부, 복수 개의 상기 반응부와 연결되며 내부에 유체가 흐르는 배관부 및 상기 배관부를 개폐하는 밸브부를 포함하는 축열 및 방열 장치를 이용한 축열방법으로서, 상기 밸브부를 조절하여 상기 배관부 내부를 흐르는 상기 유체의 흐름 경로를 선택하는 경로조절단계 및 상기 경로조절단계에서 선택된 상기 유체의 흐름 경로상에 위치하는 상기 배관부 내부로 상기 유체가 흐르도록 하여 상기 반응부에서 축열반응이 일어나도록 하는 축열단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 축열 및 방열 장치를 이용한 축열방법은 상기 반응부를 미리 정해진 복수 개의 반응부패키지로 제조하는 반응부패키지제조단계 및 운송수단을 이용하여 상기 반응부패키지을 열수요처로 이송하는 이송단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 축열 및 방열 장치를 이용한 방열방법은 화학반응을 이용하여 열을 축적하거나 방출하는 복수 개의 반응부, 상기 반응부가 축열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질로부터 분리된 물질을 제거하고, 상기 반응부가 방열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질들을 반응시키는 물질을 제공하는 공급부, 상기 반응부와 공급부의 통로를 개폐하여 복수 개의 상기 반응부 각각의 반응여부를 조절하는 개폐부, 복수 개의 상기 반응부와 연결되며 내부에 상기 유체가 흐르는 배관부 및 상기 배관부를 개폐하는 밸브부를 포함하는 축열 및 방열 장치를 이용한 방열방법으로서, 상기 밸브부를 조절하여 상기 배관부 내부를 흐르는 상기 유체의 흐름 경로를 선택하는 경로조절단계, 상기 경로조절단계에서 선택된 상기 유체의 흐름 경로상에 위치하는 상기 반응부에서 방열반응이 일어나도록 상기 공급부와 개폐부를 조절하여 상기 공급부로부터 제공되는 물질을 상기 반응부에 공급하는 공급단계, 상기 경로조절단계에서 선택된 상기 유체의 흐름 경로상에 위치하는 상기 반응부에서 방열반응이 일어나는 방열단계 및 상기 방열단계에서 발생한 열을 열수요처에 공급하는 열공급단계를 포함할 수 있다.
상기 경로조절단계는 상기 밸브부를 조절하여 상기 배관부를 병렬로 연결하여 상기 배관부 내부의 미리 정해진 구간에서 서로 섞이지 않는 복수의 흐름으로 많은 유량이 상기 배관부 내부를 흐르도록 하는 병렬단계를 포함할 수 있다.
상기 경로조절단계는 상기 밸브부를 조절하여 상기 배관부를 직렬로 연결하여 방열반응을 하는 상기 반응부와 연결된 상기 배관부 내부를 흐르는 상기 유체의 흐름 경로가 길어지도록 하는 직렬단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 반응부에서 열화학물질을 이용한 화학반응이나 탈착반응, 흡착반응을 통해 축열이나 방열을 함으로써, 종래 현열이나 잠열을 이용하여 축열이나 방열하는 장치에 비해 열저장 후에도 장기간에 걸쳐 열손실이 없으며, 열저장 밀도가 높아 축열이나 방열 장치의 효율이 높고, 가격이 저렴하다는 장점이 있다.
또한 종래 운송장치에 의한 축열장치의 운송 경우 이송 중의 보온을 위해 운송수단 내 보온재 설치, 보온재 등의 무게나 부피로 인한 축열장치 크기의 감소 등 부대 비용이 요구되었으나 본 발명의 경우는 수요처에서 사용시까지 이송과정에서 열손실이 없어 최소한의 보온재 적용이 가능하여 경제적으로 효과적이다. 즉 반응부에 열을 저장하고 반응을 차단하면 반영구적으로 열손실 없이 열 보관이 가능하다.
종래 방열장치는 전체의 열출력만을 조절할 수 있어 남는 열 등이 버려지는데 비해 본 발명은 개폐부나 밸브부를 제어하여 필요한 유량이나 공급시간, 공급온도 등을 조절할 수 있어 수요처의 다양한 필요에 따라 조절하여 사용할 수 있다.
태양열발전장치에서 야간에도 지속적으로 발전이 가능하도록 주간에 열을 저장하거나, 경제성문제로 배관이 연결되지 않아 열을 이송할 수 없는 지역에 열을 공급하여 원격지 열수요처에서의 음식물 쓰레기 건조, 비닐하우스 난방 및 유리온실 난방 등의 다양한 분야에 널리 응용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 축열 및 방열 장치 일실시예의 개략 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 축열 및 방열 장치 일실시예의 반응부에서 일어나는 열화학물질의 반응을 도시화한 모식도이다.
도 3은 각 물질에 따른 반응기재와 열저장 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 축열 및 방열 장치 일실시예의 유체 흐름 경로 제어에 대한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 축열 및 방열 장치를 이용한 축열방법의 일실시예에 대한 순서도이다.
도 6은 본 발명에 따른 축열 및 방열 장치를 이용한 방열방법의 일실시예에 대한 순서도이다.
이하 설명되는 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 구분하여 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 축열 및 방열 장치에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 축열 및 방열 장치 일실시예의 개략 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 축열 및 방열 장치 일실시예의 반응부(100)에서 일어나는 열화학물질의 반응을 도시화한 모식도이며, 도 3은 각 물질에 따른 반응기재와 열저장 밀도를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 축열 및 방열 장치 일실시예의 유체 흐름 경로 제어에 대한 개략도이다.
본 발명의 일례에 따른 축열 및 방열 장치는 반응부(100), 공급부(200), 개폐부(300), 배관부(400), 밸브부(500), 제어부 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 축열 및 방열 시스템은 흡착반응, 탈착반응, 및 두 가지 이상의 화학 물질이 서로 결합하거나 분리하는 화학반응을 통해 열이 발생되거나 흡수되는 현상을 이용한 것으로, 열화학물질(Thermochemical material, TCM)을 반응물로 이용하는 축열 및 방열 장치에 관한 것이다.
즉, 열화학물질을 축열 및 방열 장치에 적용하여, 단일물질을 사용하여 축열하는 현열 또는 상변화 열저장과 달리 두가지 물질을 분리시키는 축열과정을 거친 후에 열화학물질의 반응을 차단하면 장기간 동안 열의 손실이 발생하지 않는다. 따라서 본 발명에 따른 축열 장치는 생산시기가 불규칙적인 신재생에너지 열원이나 산업체 폐열원에서 발생시마다 열을 저장해 모아두는 것이 가능하며, 수요처에서 필요시마다 두 가지 물질을 결합하는 과정을 통해 방열시켜 사용함으로써 공급과 수요의 불일치를 해결할 수 있다. 또한, 가격이 저렴하고 인체에 안전한 물질로서, 도 3의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 높은 열저장 밀도를 갖는 특성으로 인하여 축열 및 방열 장치의 효율성을 향상시키는데 효과적이다. 아래의 표 1은 도 3에 나타난 그래프의 수치를 나타낸 것이다.
물질명 반응기재 열저장밀도
(GJ/m3)		 열저장온도
(℃)
CaO 화학 반응 4.5 550
MgO 화학 반응 3.4 300
MgSO4 흡착/탈착반응 2.6 125
CaSO4 흡착/탈착반응 1.6 90
Paraffin
(상변화 축열시)		 상변화 0.2 60
Water
(현열 축열시)		 현열 0.2
(△T=50℃)		 0-100
Al2O3
(현열 축열시)		 현열 0.4
(△T=120℃)		 300-400
축열 및 방열 장치는 화학반응을 이용하여 열을 축적하거나 방출하는 복수 개의 반응부(100), 복수 개의 반응부(100)와 각각 연결되며, 반응부(100)가 축열하는 경우 반응부(100) 내부에 있는 열화학물질로부터 분리된 물질을 제거하고, 반응부(100)가 방열하는 경우 반응부(100) 내부에 있는 열화학물질들을 반응시키는 물질을 제공하는 공급부(200), 반응부(100)와 공급부(200)의 통로를 개폐하여 복수 개의 반응부(100) 각각의 반응여부를 조절하는 개폐부(300), 복수 개의 반응부(100)와 연결되며 내부에 유체가 흐르는 배관부(400) 및 배관부(400)를 개폐하는 밸브부(500)를 포함하며, 밸브부(500)를 제어하여 반응부(100)와 열교환하는 유체가 흐르는 경로를 조절할 수 있다.
반응부(100)는 화학반응이나 흡착반응, 탈착반응 등을 이용하여 열을 축열하거나 방열하는 역할을 할 수 있다. 여기서, 화학반응은 물질의 재배열에 따른 새로운 물질이 생성되는 것을 의미하며, 흡착반응은 경계면에서 용질분자가 고체표면의 계면에 머무는 것이고, 탈착반응은 경계면에서 흡착된 물질이 떨어져 나가는 것을 의미한다. 따라서 도 2의 예시에서 알 수 있는 바와 같이, 반응부(100)는 화학반응이나 탈착반응을 이용하여 축열하거나, 화학반응이나 흡착반응을 이용하여 방열할 수 있다.
일례로, 열화학물질은 무기산화물 또는 무기수산화물로 MgO, CaO, Mg(OH)2 및 Ca(OH)2 나, 무수염 또는 염수화물로서 MgSO4, MgCl2, CuSO4, CaCl2, CaSO4, Al(SO4)2, Al(SO4)2, MgSO4-xH2O, MgCl2-xH2O, CuSO4-xH2O, CaCl2-xH2O, CaSO4-xH2O 및 Al(SO4)2-xH2O 등을 포함할 수 있다. 또한 열화학물질은 물을 흡착하는 물질로 실리카겔(silicagel)이나 제올라이트(zeolite) 등을 포함할 수 있다.
일례로, 방열이 필요한 경우 무기산화물은 물과의 화학결합반응에 의해 무기수산화물이 되고, 무수염은 물과의 흡착반응에 의해 염수화물이 되어 열을 방출할 수 있다. 또한 일례로, 축열이 필요한 경우 무기수산화물은 물과의 화학분리반응에 의해 무기산화물이 되고, 염수화물은 물과의 탈착반응에 의해 무수염이 되면서 열을 흡수할 수 있다.
열화학물질은 열을 흡수하고 방출하는 반응이 화학반응 또는 흡탈착반응에 의해 이루어짐으로써 반응이 종료된 후 추가 반응을 억제하면 엔탈피 상태변화가 없어 열손실이 일어나지 않으므로 열손실 없이 열을 저장할 수 있으며, 열이 필요한 경우 반응이 일어나는 위치나 상황 등을 제어하여 부분적으로 방열시켜 사용할 수 있다. 이러한 열화학물질은 배관을 통해 이송하기 어려우므로 운송수단으로 열수요처로 이송하여 사용하는 열택배 방식을 사용할 때 효율적이다.
도 1이나 도 4의 예시에서 알 수 있는 바와 같이, 반응부(100)는 복수 개로 구성될 수 있으며, 복수 개의 반응부(100)는 규칙적으로 배열될 수 있다. 일례로, 반응부(100)는 격자 형태로 배치될 수 있다.
반응부(100)에서 방열반응이 일어나는 경우, 반응부(100) 내부의 열화학물질들을 반응시키기 위해서는 열화학물질들과 반응하는 물질이 필요한데, 공급부(200)는 반응부(100) 내부에 있는 열화학물질들을 반응시키는 이러한 물질을 반응부(100)에 제공하는 역할을 할 수 있다. 도 1의 예시에서 알 수 있는 바와 같이, 방열반응의 경우 공급부(200)는 복수 개의 반응부(100)와 각각 연결되어 반응부(100)의 열화학물질들을 반응시키는 물질을 공급할 수 있다. 일례로 공급부(200)는 반응부(100)에 물이나 스팀, 미스트 등을 공급하여 열화학물질들이 서로 반응하도록 할 수 있다.
반응부(100)에서 축열반응이 일어나는 경우, 공급부(200)는 복수 개의 반응부(100) 각각과 연결되어 복수 개의 반응부(100)로부터 각각 별개로 열화학물질로부터 분리된 물질을 제거할 수 있다. 여기서 열화학물질로부터 분리된 물질은 축열반응에서 발생하는 물질 중 특정한 물질을 뜻하는 것으로, 일례로 일반적으로 물이 비등하는 온도보다 높은 온도에서 반응부(100) 내부에서 축열반응이 이루어지므로 열화학물질로부터 분리된 물질은 스팀이 될 수 있다.
또한 개폐부(300)는 공급부(200)와 반응부(100)를 연통하는 역할을 하는 것으로, 반응부(100)와 공급부(200) 사이의 통로를 개폐하여 복수 개의 반응부(100) 각각의 반응여부를 조절하는 역할을 할 수 있다. 일례로 반응부(100)에서 방열반응이 일어나는 경우, 개폐부(300)는 반응부(100)의 반응 순서에 따라 순차 또는 동시에 개방되어 공급부(200)로부터 반응부(100)에 물이나 스팀을 공급할 수 있다. 또한 일례로 반응부(100)에서 축열반응이 일어나는 경우, 개폐부(300)는 반응부(100)의 축열 순서에 따라 순차 또는 동시에 개방되어 공급부(200)를 통해 반응부(100)에서 발생한 스팀을 제거할 수 있다.
한편, 배관부(400)는 복수 개의 반응부(100)와 연결되는 것으로 배관부(400) 내부를 흐르는 유체를 통해 축열 시 반응부(100)에 열을 공급하거나, 방열 시 반응부(100)로부터 열을 흡수하는 역할을 할 수 있다. 일례로 유체는 물이나 공기, 스팀 등일 수 있다.
또한 밸브부(500)는 배관부(400)에 위치할 수 있으며, 배관부(400) 내부를 흐르는 유체의 흐름을 제어하는 역할을 할 수 있다. 도 1의 예시에서 알 수 있는 바와 같이, 밸브부(500)는 복수 개의 반응부(100)를 연결하는 배관부(400)를 개폐하여 배관부(400) 내부를 흐르며 반응부(100)와 열교환하는 유체의 흐름을 제어할 수 있다.
도 1의 예시에서 알 수 있는 바와 같이, 복수 개의 반응부(100)는 격자 형태로 규칙적으로 배열될 수 있으며, 밸브부(500)는 복수 개의 반응부(100) 사이마다 배치되어, 복수 개의 반응부(100) 중에서 축열되는 반응부(100)와 연결되는 배관부(400)에만 유체가 흐르도록 유체의 흐름 경로를 제어할 수 있다. 일례로 축열과정을 살펴보면, 축열하려는 반응부(100)를 선택하여 축열할 수 있다. 후술하는 제어부는 밸브부(500)를 조절하여 축열하려는 반응부(100)로 통하는 배관부(400)만을 개방하여 배관부(400) 내부를 흐르는 유체가 축열하려는 반응부(100)와만 열교환을 할 수 있도록 조절될 수 있다. 이는 축열에 필요한 폐열량이 부족한 경우 기존 현열이나 상변화 저장 방식에서 축열이 불가능한데 반해, 전체 반응부(100)를 축열하는 대신 일부만 축열이 가능한 열화학물질을 기반으로 하는 축열장치가 가지는 특징이다.
또한 도 4의 예시에서 알 수 있는 바와 같이, 밸브부(500)는 복수 개의 반응부(100) 사이마다 배치되어, 복수 개의 반응부(100) 중에서 방열되는 반응부(100)와 연결되는 배관부(400)에만 유체가 흐르도록 유체의 흐름 경로를 제어할 수 있다. 일례로 방열과정을 살펴보면, 방열하려는 반응부(100)만을 선택하여 방열할 수 있다. 후술하는 제어부는 밸브부(500)를 조절하여 방열하려는 반응부(100)로 통하는 배관부(400)만을 개방하여 배관부(400)를 흐르는 유체가 방열하는 반응부(100)와만 열교환을 할 수 있도록 조절될 수 있다.
한편, 제어부(미도시)는 전술한 공급부(200), 개폐부(300), 배관부(400), 및 밸브부(500)를 제어하는 역할을 할 수 있다. 일례로, 제어부는 공급부(200)에서 반응부(100)로 공급되는 물질의 양이나 속도를 제어할 수 있다. 일례로, 제어부는 개폐부(300)의 개폐를 제어할 수 있으며, 배관부(400)를 흐르는 유체 흐름의 양이나 속도를 제어할 수 있다. 또한 제어부는 전술한 바와 같이, 밸브부(500)를 제어하여 배관부(400)를 흐르는 유체의 흐름 경로를 제어할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 축열 및 방열 장치를 이용한 축열 및 방열 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 축열 및 방열 장치를 이용한 축열방법의 일실시예에 대한 순서도이고, 도 6은 본 발명에 따른 축열 및 방열 장치를 이용한 방열방법의 일실시예에 대한 순서도이다.
전술한 축열 및 방열 장치를 이용한 축열방법은 밸브부(500)를 조절하여 배관부(400) 내부를 흐르는 유체의 흐름 경로를 선택하는 경로조절단계(S1) 및 경로조절단계에서 선택된 유체의 흐름 경로상에 위치하는 배관부(400) 내부로 유체가 흐르도록 하여 반응부(100)에서 축열반응이 일어나도록 하는 축열단계(S2)를 포함할 수 있다. 또한, 축열방법은 축열된 반응부(100)를 미리 정해진 복수 개의 반응부패키지로 제조하는 반응부패키지제조단계(S3) 및 운송수단을 이용하여 반응부패키지를 열수요처로 이송하는 이송단계(S4)를 더 포함할 수 있다.
전술한 축열 및 방열 장치를 이용한 축열방법은 먼저 (S1) 단계를 살펴 보면, 제어부를 통해 밸브부(500)를 조절하여 배관부(400) 내부를 흐르는 유체의 흐름 경로를 선택하는 경로조절단계이다. (S1) 단계는 복수 개의 반응부(100)가 있는 경우 어떤 반응부(100)가 어느 정도 방열하였느냐에 따라 축열반응시 축열을 해야 할 반응부(100)를 선택하고 축열량이나 축열시간 등을 조절할 수 있다.
다음으로 (S2) 단계는 (S1) 단계에서 선택한 유체의 흐름 경로상에 위치하는 밸브부(500)를 개방하여 (S1) 단계에서 선택한 유체의 흐름 경로상에 위치하는 배관부(400) 내부로 열을 함유한 유체가 흐르도록 하여 반응부(100)에서 축열반응이 일어나도록 하는 축열단계이다.
일례로, 본 단계에서는 공급부(200)가 복수 개의 반응부(100)로부터 각각 별개로 열화학물질로부터 분리된 물질을 제거할 수 있다. 일례로 일반적으로 물이 비등하는 온도보다 높은 온도에서 반응부(100) 내부에서 축열반응이 이루어지므로 열화학물질로부터 분리된 물질은 스팀이 될 수 있다. 또한 일례로 본 단계에서는 개폐부(300)가 반응부(100)의 축열 순서에 따라 순차 또는 동시에 개방되어 공급부(200)를 통해 반응부(100)에서 발생한 스팀을 제거할 수 있다.
다음으로 (S3) 단계는 반응부(100)를 일정한 복수 개의 반응부패키지로 제조하는 반응부패키지제조단계이다. (S2) 단계를 거쳐 복수 개의 반응부(100)를 축열시킨 후에 축열된 복수 개의 반응부(100)를 일정 크기로 분할하여 한 묶음인 패키지로 만들 수 있다. 일례로, 반응부패키지는 수요처의 필요에 따라 다양한 크기로 조합될 수 있다.
다만, (S3) 단계는 (S1) 단계나 (S2) 단계 이전에 행해질 수도 있다.
다음으로 (S4) 단계를 살펴보면, 운송수단을 이용하여 반응부패키지를 열수요처로 이송하는 이송단계(S4)이다. (S4) 단계는 반응부패키지를 운송수단을 이용하여 열수요처로 이송하는 단계로, 반응부(100)가 화학반응이나 탈착반응을 통해 축열하여 열을 함유하고 있고 반응부(100)에서 반응이 일어나지 않도록 유지되므로 본 단계에서 열손실이 발생하지 않는다.
다음으로 방열방법을 살펴보면, 전술한 축열 및 방열 장치를 이용한 방열방법은 밸브부(500)를 조절하여 배관부(400)를 흐르는 유체의 흐름 경로를 선택하는 경로조절단계(S5), 경로조절단계에서 선택된 유체의 흐름 경로상에 위치하는 반응부(100)에서 방열반응이 일어나도록 개폐부(300)를 조절하여 공급부(200)로부터 제공되는 물질을 반응부(100)에 공급하는 공급단계(S6), 경로조절단계에서 선택된 유체의 흐름 경로상에 위치하는 반응부(100)에서 방열반응이 일어나는 방열단계(S7) 및 방열단계에서 발생한 열을 열수요처에 공급하는 열공급단계(S8)를 포함할 수 있다.
전술한 축열 및 방열 장치를 이용한 방열방법은 먼저 (S5) 단계를 살펴 보면, 제어부를 통해 밸브부(500)를 조절하여 배관부(400) 내부를 흐르는 유체의 흐름 경로를 선택하는 경로조절단계이다. 일례로, 열수요처는 공급온도, 유량, 공급시간에 대한 다양한 요청이 있다. 이를 위해 (S5) 단계는 복수 개의 반응부(100)가 있는 경우 어떤 반응부(100)가 방열하느냐에 따라 방열반응시 방열을 해야 할 반응부(100)를 선택하고 방열량이나 방열시간 등을 조절할 수 있다.
일례로 도 4(a)의 예시에서 알 수 있는 바와 같이, (S5) 단계는 열수요처의 열수요를 파악하여 온도는 낮지만 단시간에 많은 열량이 필요한 경우에, 밸브부(500)를 조절하여 배관부(400)를 병렬로 연결하여 배관부(400) 내부의 일정 구간에서 서로 섞이지 않는 복수의 흐름으로 많은 유량이 배관부(400) 내부를 흐르도록 하는 병렬단계를 포함할 수 있다. 도 4(a)를 참조하면, 본 단계는 밸브부(500)를 제어하여 도면상 상하 방향으로의 유체 흐름은 차단하고 도면상 좌우 방향으로만 유체가 흐르도록 하여 온도가 낮은 많은 유량이 필요한 경우에 사용될 수 있다.
또한 일례로 도 4(b)의 예시에서 알 수 있는 바와 같이, (S5) 단계는 열수요처의 열수요를 파악하여 낮은 온도로 장시간 열사용이 필요한 경우에, 밸브부(500)를 조절하여 배관부(400)를 직렬로 연결하여 방열반응을 하는 반응부(100)와 연결된 배관부(400) 내부를 흐르는 유체의 흐름 경로가 길어지도록 하는 직렬단계를 포함할 수 있다. 도 4(b)를 참조하면, 본 단계는 밸브부(500)를 제어하여 전술한 도 4(a)가 복수의 흐름으로 유체가 흐르는 것과 달리 유체가 하나의 흐름으로 배관부(400)를 흐르도록 하여 되도록 적은 반응부(100)를 거치도록 함으로써 온도는 낮으나 장시간 사용을 필요로 하는 경우에 적합하게 사용될 수 있다.
또한 도 4(c)를 참조하면, 본 단계는 밸브부(500)를 제어하여 배관부(400)를 직렬로 연결함으로써 배관부(400) 내부를 흐르는 유체가 방열하는 많은 반응부(100)를 흐르도록 하여 유량은 적지만 최대의 온도를 갖는 유체를 필요로 하는 경우에 사용될 수 있다.
또한 일례로 도 4(d)의 예시에서 알 수 있는 바와 같이, 본 단계는 밸브부(500)를 제어하여 열수요처의 열수요를 파악하여 사용이 끝났거나 나중을 위해 남겨놓은 반응부(100)를 통과하는 배관부(400)에 위치하는 밸브부(500)를 차단하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 도 4(d)를 참조하면, "X" 표한 부분을 통과하게 되는 배관부(400)에 위치하는 밸브부(500)를 차단하여 "X" 표한 부분으로는 유체가 흐르지 않도록 할 수 있다. 이는 방열반응이 일어나지 않는 반응부(100)와 연결된 배관부(400) 내부로 유체가 흐르는 경우 유체의 이동이 불필요한 배관부(400)로 유체가 이동하여 유체가 함유한 열이 손실될 수도 있으므로 이를 방지하기 위함이다.
이처럼 경로선택단계를 거쳐 반응부(100)와 밸브부(500)를 제어하여 유체 흐름 경로를 조절함으로써 열수요처에서 요구하는 공급온도나 유량, 공급시간 등을 맞출 수 있다.
다음으로 (S6) 단계는 (S5) 단계에서 선택한 유체의 흐름 경로상에 위치하는 반응부(100)에서 방열반응이 일어나도록 개폐부(300)를 조절하여 공급부(200)로부터 제공되는 물질을 반응부(100)에 공급하는 공급단계이다. 이때 제어부는 공급부(200)나 개폐부(300)를 조절하여 반응부(100)에 제공되는 물질의 양이나 속도를 조절할 수 있다.
다음으로 (S7) 단계는 (S5) 단계에서 선택한 경로상에 위치하는 반응부(100)에서 방열반응이 일어나는 방열단계이다. 일례로, 본 단계는 (S6) 단계에 공급된 물을 이용하여 열화학물질들이 반응함으로써 열을 발생시킬 수 있다.
다음으로 (S8) 단계는 (S7) 단계에서 발생한 열을 열수요처에 공급하는 열공급단계이다. 본 단계는 방열반응이 일어나는 반응부(100)와 연통된 배관부(400) 내부를 흐르는 유체가 반응부(100)와 열교환한 것을 통해 반응부(100)에서 발생한 열을 열수요처에 공급하는 단계이다.
본 발명은 반응부(100)에서 열화학물질을 이용한 화학반응이나 탈착반응, 흡착반응을 통해 축열이나 방열을 함으로써, 종래 현열이나 잠열을 이용하여 축열이나 방열하는 장치에 비해 열저장 후에도 장기간에 걸쳐 열손실이 없으며, 열저장 밀도가 높아 축열이나 방열 장치의 효율이 높다.
또한 종래 운송장치에 의한 축열장치의 운송 경우 이송 중의 보온을 위해 운송수단 내 과도한 보온재 설치, 보온재 등의 무게나 부피로 인한 축열장치 크기 감소 등 부대 비용이 수반되었으나 본 발명의 경우는 수요처에서 사용시까지 이송과정에서 열손실이 없으므로 최소한의 보온재만 적용이 가능하여 무게, 부피가 줄어들게 되므로 경제적으로 효과적이다. 즉 반응부(100)에 열을 저장하고 반응을 차단하면 반영구적으로 열손실 없이 열 보관이 가능하다.
종래 방열장치는 사용하지 않아도 열손실에 의해 저장해놓았던 열이 없어지므로 축열장치의 구간을 분리하는 방법을 사용할 수 없어 전체의 열출력만을 조절하게되어 남는 열 등이 버려지는데 비해 본 발명은 개폐부(300)를 조절함으로써 열화학물질의 반응을 제어하고, 밸브부(500)를 제어함으로써 유체의 유량이나 공급시간, 공급온도 등을 조절할 수 있어 수요처의 다양한 필요에 따라 조절하여 사용할 수 있다.
한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
100 : 반응부 200 : 공급부
300 : 개폐부 400 : 배관부
500 : 밸브부

Claims (10)

  1. 화학반응을 이용하여 열을 축적하거나 방출하는 복수 개의 반응부;
    복수 개의 상기 반응부와 각각 연결되며, 상기 반응부가 축열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질로부터 분리된 물질을 제거하고, 상기 반응부가 방열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질들을 반응시키는 물질을 제공하는 공급부;
    상기 반응부와 공급부의 통로를 개폐하여 복수 개의 상기 반응부 각각의 반응여부를 조절하는 개폐부;
    복수 개의 상기 반응부와 연결되며 내부에 유체가 흐르는 배관부; 및
    상기 배관부를 개폐하는 밸브부;를 포함하며,
    상기 밸브부를 제어하여 상기 반응부와 열교환하는 상기 유체가 흐르는 경로를 조절하는 축열 및 방열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응부는 무기수산화물의 화학반응이나 염수화물의 탈착반응을 이용하여 축열하거나, 무기산화물의 화학반응이나 무수염의 흡착반응을 이용하여 방열하는 축열 및 방열 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    복수 개의 상기 반응부는 규칙적으로 배열되며,
    상기 밸브부는 복수 개의 상기 반응부 사이마다 배치되어, 복수 개의 상기 반응부 중에서 축열되는 상기 반응부와 연결되는 상기 배관부에만 상기 유체가 흐르도록 상기 유체의 흐름 경로를 제어하는 축열 및 방열 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    복수 개의 상기 반응부는 규칙적으로 배열되며,
    상기 밸브부는 복수 개의 상기 반응부 사이마다 배치되어, 복수 개의 상기 반응부 중에서 방열되는 상기 반응부와 연결되는 상기 배관부에만 상기 유체가 흐르도록 상기 유체의 흐름 경로를 제어하는 축열 및 방열 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공급부, 개폐부, 배관부, 및 밸브부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 축열 및 방열 장치.
  6. 화학반응을 이용하여 열을 축적하거나 방출하는 복수 개의 반응부, 복수 개의 상기 반응부와 각각 연결되며, 상기 반응부가 축열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질로부터 분리된 물질을 제거하고, 상기 반응부가 방열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질들을 반응시키는 물질을 제공하는 공급부, 상기 반응부와 공급부의 통로를 개폐하여 복수 개의 상기 반응부 각각의 반응여부를 조절하는 개폐부, 복수 개의 상기 반응부와 연결되며 내부에 유체가 흐르는 배관부 및 상기 배관부를 개폐하는 밸브부를 포함하는 축열 및 방열 장치를 이용한 축열방법으로서,
    상기 밸브부를 조절하여 상기 배관부 내부를 흐르는 상기 유체의 흐름 경로를 선택하는 경로조절단계; 및
    상기 경로조절단계에서 선택된 상기 유체의 흐름 경로상에 위치하는 상기 배관부 내부로 상기 유체가 흐르도록 하여 상기 반응부에서 축열반응이 일어나도록 하는 축열단계;를 포함하는 축열 및 방열 장치를 이용한 축열방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반응부를 미리 정해진 복수 개의 반응부패키지로 제조하는 반응부패키지제조단계; 및
    운송수단을 이용하여 상기 반응부패키지를 열수요처로 이송하는 이송단계;를 더 포함하는 축열 및 방열 장치를 이용한 축열방법.
  8. 화학반응을 이용하여 열을 축적하거나 방출하는 복수 개의 반응부, 복수 개의 상기 반응부와 각각 연결되며, 상기 반응부가 축열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질로부터 분리된 물질을 제거하고, 상기 반응부가 방열하는 경우 상기 반응부 내부에 있는 열화학물질들을 반응시키는 물질을 제공하는 공급부, 상기 반응부와 공급부의 통로를 개폐하여 복수 개의 상기 반응부 각각의 반응여부를 조절하는 개폐부, 복수 개의 상기 반응부와 연결되며 내부에 상기 유체가 흐르는 배관부 및 상기 배관부를 개폐하는 밸브부를 포함하는 축열 및 방열 장치를 이용한 방열방법으로서,
    상기 밸브부를 조절하여 상기 배관부 내부를 흐르는 상기 유체의 흐름 경로를 선택하는 경로조절단계;
    상기 경로조절단계에서 선택된 상기 유체의 흐름 경로상에 위치하는 상기 반응부에서 방열반응이 일어나도록 상기 공급부와 개폐부를 조절하여 상기 공급부로부터 제공되는 물질을 상기 반응부에 공급하는 공급단계;
    상기 경로조절단계에서 선택된 상기 유체의 흐름 경로상에 위치하는 상기 반응부에서 방열반응이 일어나는 방열단계; 및
    상기 방열단계에서 발생한 열을 열수요처에 공급하는 열공급단계;를 포함하는 축열 및 방열 장치를 이용한 방열방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 경로조절단계는 상기 밸브부를 조절하여 상기 배관부를 병렬로 연결하여 상기 배관부 내부의 미리 정해진 구간에서 서로 섞이지 않는 복수의 흐름으로 많은 유량이 상기 배관부 내부를 흐르도록 하는 병렬단계를 포함하는 축열 및 방열 장치를 이용한 방열방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 경로조절단계는 상기 밸브부를 조절하여 상기 배관부를 직렬로 연결하여 방열반응을 하는 상기 반응부와 연결된 상기 배관부 내부를 흐르는 상기 유체의 흐름 경로가 길어지도록 하는 직렬단계를 포함하는 축열 및 방열 장치를 이용한 방열방법.
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