KR20190113306A - 건설기계의 폐열회수용 응축기 - Google Patents

건설기계의 폐열회수용 응축기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건설기계의 폐열회수용 응축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건설기계에서 발생하는 폐열 용량에 맞추어 대용량으로 설계할 수 있으며 내구성을 갖추고 냉각 및 응축 효율을 향상시킬 수 있는 건설기계의 폐열회수용 응축기에 관한 것이다.

Description

건설기계의 폐열회수용 응축기{Waste Heat Recovery Condenser for construction machinery}
본 발명은 건설기계의 폐열회수용 응축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건설기계에서 발생하는 폐열 용량에 맞추어 대용량으로 설계할 수 있으며 내구성을 갖추고 냉각 및 응축 효율을 향상시킬 수 있는 건설기계의 폐열회수용 응축기에 관한 것이다.
디젤 엔진을 사용하는 건설기계 등과 같은 차량의 경우 가동 중에 많은 열이 발생하고, 차량을 구동시키는 기계 에너지로 환원되는 열 에너지 외에도 많은 폐열이 발생된다. 이때, 기계 에너지로 환원되는 열 에너지를 제외하고 나머지의 열 에너지들은 버려지는 것이 일반적이다.
이에 따라, 근래에는 건설기계의 엔진으로부터 발생되는 배기가스, 작동유, 냉각수 등에서 버려지는 폐 에너지(waste energy)를 회수하여 전기 에너지 또는 기계 에너지로 재활용하는 기술에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 폐 에너지 회수 기술에 관심이 집중되는 주요한 이유는 높은 효율을 갖는 엔진에서조차 버려지는 에너지가 여전히 많으며, 디젤 차량의 연비 개선을 위한 연소 및 엔진 주변장치에 대한 기술개발이 어느 정도 한계에 도달했다고 판단하기 때문이다. 참고로, 유압시스템을 구비한 건설기계에서 작동유의 온도가 낮지만 많은 열을 포함하고 있음에도 불구하고 이를 제대로 활용하지 못하고 버리는 실정이다.
최근 건설기계의 디젤엔진의 배기가스로부터 배출되는 중 저온의 열 에너지를 회수하는 방법으로 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC)을 이용한 발전 장치가 많이 시도되고 있다. 일반적인 랭킨 사이클은 작동유체가 터빈을 회전시켜 발생되는 축동력을 전기 에너지로 변환시키는 것인데 반면, 유기 랭킨 사이클은 작동유체(Operating fluid)로 물을 사용하지 않고 물에 비해 비점이 낮은 암모니아, 알코올과 같은 유기 혼합물을 사용한다.
상기와 같은 유기 랭킨 사이클을 이용하여 주요 선진국 및 제조사 들은 활발하게 기술개발을 진행하고 있으나, 엔진의 배기가스 또는 냉각수 등의 폐 에너지를 활용한 것은 열이 그리 높지 않으며, 회수되는 열량이 적어서 발전시킬 수 있는 전력이 크지 못하다는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 대한민국 등록특허 제10-1827460호에서는 유압계통, 냉각계통 및 엔진을 구비한 건설기계에 있어서, 상기 유압계통, 상기 냉각계통 및 상기 엔진의 폐열 또는 폐 에너지와 차례대로 열 교환하도록 작동유체를 순환시키는 유기 랭킨 사이클; 및 상기 유기 랭킨 사이클을 순환한 작동유체가 유입되어 상기 건설기계를 구동시키기 위한 기계적 에너지를 발생시키는 터빈;을 포함하고, 상기 유압계통의 작동유, 상기 냉각계통의 냉각수 및 상기 엔진의 배기가스의 폐열 또는 폐 에너지와 차례로 열교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 경우에는 상기 터빈 쪽으로 유입되지 않고 상기 유압계통 또는 상기 냉각계통 측으로 유입되며, 상기 유압계통 또는 상기 냉각계통 측으로 유입된 작동유체가 상기 작동유 및 상기 냉각수와 열 교환되어 상기 작동유 및 상기 냉각수의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템이 개시되어 있다.
한편, 굴삭기와 같은 대형 건설기계의 유기 랭킨 사이클에서는 응축기를 마이크로 튜브(micro tube)가 적용된 Fin & Tube 타입을 사용하고 있으나, 처리 용량이 작고 내구성이 약하기 때문에 대형 건설기계에 적용하기 어렵기 때문에 대용량으로 설계할 수 있고 내구성이 우수한 건설기계용 응축기 개발이 필요한 실정이다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1827460호 2. 대한민국 공개특허 제10-2015-0011233호
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 건설기계에서 발생하는 폐열 용량에 맞추어 대용량으로 설계할 수 있으며 내구성을 갖추고 냉각 및 응축 효율을 향상시킬 수 있는 건설기계의 폐열회수용 응축기를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
이를 위해 본 발명에 따른 건설기계의 폐열회수용 응축기는 고온, 기상의 작동유체를 냉각 및 응축하는 것으로서, 코어 어셈블리와, 상기 코어 어셈블리의 일측에 수직하게 설치되는 제1탱크와, 상기 코어 어셈블리의 타측에 수직하게 결합하는 제2탱크를 포함하며, 상기 제1탱크는 그 상측에 고온, 기상의 작동유체가 공급되는 작동유체 공급구가 설치되고, 하측에는 상기 코어 어셈블리를 거친 저온, 액상의 작동유체가 배출되는 작동유체 배출구가 설치되며, 상기 작동유체 공급구와 작동유체 배출구 사이에는 상기 제1탱크를 상하로 구획하는 파티션이 설치되고, 상기 코어 어셈블리는 상기 파티션을 기준으로 상부의 기체부와 하부의 액체부로 구획되며, 상기 작동유체 공급구를 통해 공급되는 고온, 기상의 작동유체는 기체부를 거치면서 냉각 및 응축되고, 상기 제2탱크를 통해 액체부로 공급되어 냉각된 다음 상기 작동유체 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계의 폐열회수용 응축기에 있어서, 액체부의 상하 폭은 상기 기체부의 상하 폭보다 작게 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계의 폐열회수용 응축기에 있어서, 제2탱크에는 상기 파티션보다 낮은 위치에 제1서브 파티션이 설치되며, 상기 제1탱크에는 상기 제2서브 파티션이 설치되고, 상기 액체부는 상기 파티션과 제1서브 파티션 사이의 제1액체부와, 상기 제1서브 파티션과 제2서브 파티션 사이의 제2액체부와, 상기 제2서브 파티션 하부의 제3액체부로 구획되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계의 폐열회수용 응축기에 있어서, 제1액체부에서 제3액체부로 갈수록 각각의 상하 폭은 작아지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 건설기계의 폐열회수용 응축기에 따르면, 건설기계에서 발생하는 폐열 용량에 맞추어 대용량으로 설계할 수 있으며 내구성을 갖추고 냉각 및 응축 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 건설기계의 폐열회수용 응축기를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 코어 어셈블리 구성을 도시하는 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 핀 및 에어핀의 구조를 도시하는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 응축기의 2패스, 3패스 및 4패스 모델을 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 건설기계의 폐열회수용 응축기를 도시하는 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 단면도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 코어 어셈블리 구성을 도시하는 분해 사시도이며, 도 5는 본 발명의 핀 및 에어핀의 구조를 도시하는 사시도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 폐열회수용 응축기는 굴삭기와 같은 대형 건설기계에서 버려지는 폐열을 회수하여 발전하기 위한 유기 랭킨 사이클에 설치된다.
유기 랭킨 사이클 시스템은 열매체의 폐열을 저온, 액상의 작동유체에서 회수하여 고온, 기상으로 전환되면 터빈 타입의 팽창기에 공급되어 팽창기를 회전시키고, 팽창기의 회전운동을 전기 에너지로 전환하는 방식으로 발전한다. 응축기는 팽창기를 구동시킨 고온, 기상의 작동유체를 냉각 및 응축시켜 액상으로 상변화시키는 역할을 한다.
여기서, 열매체는 엔진의 냉각수, 배기가스, 유압 실린더를 구동하는 작동유인 것을 예시할 수 있다.
본 발명의 응축기(100)는 대형 건설기계에 적용할 수 있도록 대용량이며 고내구성을 갖춘 바-플레이트 타입(bar-plate type)으로 구성되며, 외부 공기에 의해 작동유체를 냉각시키는 공랭식으로서, 크게 코어 어셈블리와, 제1탱크와, 제2탱크를 포함한다.
상기 코어 어셈블리(130)는 다수의 플레이트(131)와, 상기 플레이트(131)에 의해 구획되어 교대로 배치되는 다수의 제1,2공간부(140,150)와, 상기 제1공간부(140)에 설치되어 작동유체가 유동하면서 외부 공기에 의해 냉각되도록 하는 작동유체유닛(141)과, 상기 제2공간부(150)에 설치되어 외부 공기가 유동하면서 열교환되도록 하는 에어유닛(151)과, 상기 코어 어셈블리(130)의 상, 하단을 밀폐하는 코어 가드(133)를 포함한다.
상기 작동유체유닛(141)은 핀(142)과, 상기 제1공간부(140)의 전후 양단을 밀폐하는 한 쌍의 튜브바(143)를 포함한다.
상기 에어유닛(151)은 에어핀(152)과, 상기 제2공간부(150)의 좌우 양단을 각각 밀폐하는 한 쌍의 헤더바(153)를 포함한다.
상기 제1탱크(110) 및 제2탱크(120)는 상기 코어 어셈블리(130)의 좌, 우측에 각각 설치되면, 각 탱크의 상하단은 엔드 플레이트(end plate)(119)로 밀폐된다.
상기 제1탱크(110)는 그 상측에 고온, 기상의 작동유체가 공급되는 작동유체 공급구(111)가 설치되고, 하측에는 상기 코어 어셈블리(130)를 거친 저온, 액상의 작동유체가 배출되는 작동유체 배출구(112)가 설치된다.
그리고 상기 제1탱크(110)에는 파티션(113)이 설치된다.
상기 파티션(113)은 상기 작동유체 공급구(111)와 작동유체 배출구(112) 사이에 배치되어 상기 제1탱크(110)를 상하로 구획한다.
상기 코어 어셈블리(130)는 상기 파티션(113)에 의해 상부의 기체부(135)와 하부의 액체부(137)로 구획된다.
상기 작동유체 공급구(111)를 통해 공급되는 고온, 기상의 작동유체는 상기 파티션(113)의 하부로는 내려가지 못하고 상기 기체부(135)를 통과하게 되고, 기체부(135)를 통과하면서 냉각, 응축된 액상의 작동유체는 상기 제2탱크(120)를 통해 기체부(135)의 아래에 배치된 액체부(137)로 공급되어 냉각된 다음 작동유체 배출구(112)를 통해 배출된 다음 순환하게 된다.
한편, 상기 액체부(137)의 상하 폭은 상기 기체부(135)의 상하 폭보다 작게 구성되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 작동유체 공급구(111)를 통해 공급되는 작동유체는 부피가 큰 기체 상태이고, 기체부(135)를 통과하여 액체부(137)로 공급되는 작동유체는 대부분 냉각, 응축된 액상이기 때문에 상기 액체부(137)는 기체부(135)에 비해 상대적으로 작은 폭으로 구성할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 응축기의 2패스, 3패스 및 4패스 모델을 도시하는 도면이다.
도 1 및 도 6의 (a)의 실시예에서는 코어 어셈블리(130)를 하나의 기체부(135)와, 액체부(137)로 구획되는 2PATH 모델에 관한 것이다.
도 6의 (b) 및 (c)에는 3PATH 및 4PATH 모델이 도시되어 있다.
도 6의 (c)의 4PATH 모델을 살펴보면, 제1탱크(110)에는 기체부(135)와 액체부(137)를 구획하는 파티션(113)과 상기 파티션(113) 하측에 배치되는 제2서브 파티션(114)이 설치된다.
제2탱크(120)에는 상기 파티션(113)보다는 낮고 제2서브 파티션(114)보다는 높은 위치에 배치되는 제1서브 파티션(123)이 설치된다.
상기 액체부는 상기 파티션(113)과 제1서브 파티션(123) 사이의 제1액체부(137a)와, 상기 제1서브 파티션(123)과 제2서브 파티션(114) 사이의 제2액체부(137b)와, 상기 제2서브 파티션(114) 하부의 제3액체부(137c)로 구획된다. 각 파티션(113,123,114)은 작동유체의 흐름 방향을 반대로 전환하는 역할을 한다.
작동유체 공급구(111)를 통해 공급된 작동유체는 상기 기체부(135)에서는 오른쪽으로 흐르고, 제1액체부(137a)에서는 왼쪽으로 흐르며, 제2액체부(137b)에서는 오른쪽으로 흐르며, 제3액체부(137c)에서는 왼쪽으로 흘러 작동유체 배출구(112)를 통해 배출된다.
즉, 앞서 설명한 실시예에서는 작동유체 흐름 방향이 오른쪽→왼쪽으로 2번 전환되는 2PATH 모델이었다면, 본 실시예에서는 작동유체의 흐름 방향이 오른쪽→왼쪽→오른쪽→왼쪽으로 4번 전환되는 4PATH 모델이라고 할 수 있다. 이와 같이 작동유체의 흐름 방향 2번에서 4번으로 증가하게 되면 코어 어셈블리 내에서 머무르는 시간 내지 냉각 시간이 증가하여 냉각 및 응축 효율도 향상된다.
한편, 상기 제1액체부(137a)에서 제3액체부(137c)로 갈수록 각각의 상하 폭은 작아지도록 구성할 수 있다. 이와 같이 작동유체의 냉각, 응축에 따른 상변화 정도에 따라 제1액체부(137a)에서 제3액체부(137c)로 내려갈수록 상하 폭을 점차 좁게 함으로써 냉각 및 응축 효율은 높임과 동시에 응축기는 소형화할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 응축기 110 : 제1탱크
111 : 작동유체 공급구 112 : 작동유체 배출구
113 : 파티션 114 : 제2서브 파티션
120 : 제2탱크 121 : 열매체유출구
123 : 제1서브 파티션 130 : 코어 어셈블리
131 : 플레이트 133 : 코어 가드
135 : 기체부 137 : 액체부
137a : 제1액체부 137b : 제2액체부
137c : 제3액체부 140 : 제1공간부
141 : 작동유체유닛 142 : 핀
143 : 튜브바 150 : 제2공간부
151 : 에어유닛 152 : 에어핀
153 : 헤더바

Claims (4)

  1. 고온, 기상의 작동유체를 냉각 및 응축하는 건설기계의 폐열회수용 응축기에 있어서,
    코어 어셈블리와, 상기 코어 어셈블리의 일측에 수직하게 설치되는 제1탱크와, 상기 코어 어셈블리의 타측에 수직하게 결합하는 제2탱크를 포함하며,
    상기 제1탱크는,
    그 상측에 고온, 기상의 작동유체가 공급되는 작동유체 공급구가 설치되고, 하측에는 상기 코어 어셈블리를 거친 저온, 액상의 작동유체가 배출되는 작동유체 배출구가 설치되며, 상기 작동유체 공급구와 작동유체 배출구 사이에는 상기 제1탱크를 상하로 구획하는 파티션이 설치되고,
    상기 코어 어셈블리는 상기 파티션을 기준으로 상부의 기체부와 하부의 액체부로 구획되며,
    상기 작동유체 공급구를 통해 공급되는 고온, 기상의 작동유체는 기체부를 거치면서 냉각 및 응축되고, 상기 제2탱크를 통해 액체부로 공급되어 냉각된 다음 상기 작동유체 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열회수용 응축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체부의 상하 폭은 상기 기체부의 상하 폭보다 작게 구성되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열회수용 응축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2탱크에는 상기 파티션보다 낮은 위치에 제1서브 파티션이 설치되며, 상기 제1탱크에는 상기 제2서브 파티션이 설치되고,
    상기 액체부는 상기 파티션과 제1서브 파티션 사이의 제1액체부와, 상기 제1서브 파티션과 제2서브 파티션 사이의 제2액체부와, 상기 제2서브 파티션 하부의 제3액체부로 구획되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열회수용 응축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1액체부에서 제3액체부로 갈수록 각각의 상하 폭은 작아지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열회수용 응축기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150011233A (ko) 2013-07-22 2015-01-30 삼성테크윈 주식회사 유기 랭킨 사이클 시스템
KR101827460B1 (ko) 2016-12-14 2018-02-08 재단법인 건설기계부품연구원 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템

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