KR20190121697A - 열에너지 회수 장치 및 열에너지 회수 장치의 설치 방법 - Google Patents

열에너지 회수 장치 및 열에너지 회수 장치의 설치 방법 Download PDF

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시게토 아다치
가즈노리 후쿠하라
유타카 나루카와
가즈마사 니시무라
아야카 나가히라
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

선박의 기관실 내의 공간을 유효하게 이용하는 열에너지 회수 장치 및 열에너지 회수 장치의 설치 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원은, 순환 유로를 순환하는 작동 매체를 해수와 열교환시킴으로써 상기 작동 매체를 냉각하는 응축기와, 해면보다 상방의 계층으로서 마련된 제1 플로어 내에서 상기 배가스를 상기 선박의 굴뚝으로 안내하도록 연장 설치된 배가스관과 상기 순환 유로에 접속되어, 상기 작동 매체와 상기 배가스 사이의 열교환을 통하여 상기 작동 매체에 상기 배가스의 상기 열에너지를 회수시키는 증발기와, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 증발기의 하류에 배치되어, 상기 작동 매체에 의해 구동되는 팽창기와, 상기 해수를 상기 응축기에 양수하는 냉각 펌프부를 구비하는 열에너지 회수 장치를 개시한다. 상기 응축기는 상기 제1 플로어보다도 아래의 계층으로서 마련된 제2 플로어에 배치되어 있다.

Description

열에너지 회수 장치 및 열에너지 회수 장치의 설치 방법{THERMAL ENERGY RECOVERY DEVICE AND METHOD FOR INSTALLATION OF THERMAL ENERGY RECOVERY DEVICE}
본 발명은 선박 내에서 생긴 배가스로부터 열에너지를 회수하는 열에너지 회수 장치 및 열에너지 회수 장치의 설치 방법에 관한 것이다.
내연 기관으로부터 배출된 배가스로부터 열에너지를 회수하고, 회수된 열에너지를 기계적인 동력으로 변환하는 다양한 열에너지 회수 장치가 선박용으로 개발되게 되었다(특허문헌 1 내지 3을 참조). 열에너지 회수 장치는 작동 매체(예를 들어, 유기 매체)를 순환시키는 순환 유로를 형성하고 있다. 순환 유로 중에 응축기, 증발기 및 팽창기가 배치되어 있다. 응축기는 작동 매체를 냉각 및 응축한다. 증발기 내에서 내연 기관으로부터 배출된 배가스와 열교환하고, 작동 매체는 가스화된다. 가스화된 작동 매체는 팽창기로 보내져, 팽창기 내에서 팽창된다. 팽창기는, 팽창되는 작동 매체에 의해 구동되어, 작동 매체의 열에너지 일부는 기계적 동력으로 변환된다.
일본 특허 공개 제2016-160870호 공보 일본 특허 공개 제2016-160868호 공보 일본 특허 공개 제2015-232424호 공보
종래의 선박용 열에너지 회수 장치는 응축기, 증발기 및 팽창기의 적절한 배치를 거의 고려하지 않고 설계되어, 이들은 선박의 기관실 내의 배가스의 배출 경로의 주위에 밀집하여 배치되는 것이 일반적이다. 이 결과, 열에너지 회수 장치에 대한 점검이나 수선의 작업 효율이 악화되기도 한다.
본 발명은 선박의 기관실 내의 공간을 유효하게 이용하고, 응축기, 증발기 및 팽창기를 과도하게 밀집시키지 않고 배치하는 것을 가능하게 하는 열에너지 회수 장치 및 열에너지 회수 장치의 설치 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 하나의 국면에 관한 열에너지 회수 장치는, 복수의 계층으로 나뉜 선박의 기관실 또는 굴뚝부에 배치되어 있음과 함께 상기 선박의 내연 기관으로부터 배출된 배가스의 열에너지를 회수한다. 열에너지 회수 장치는, 순환 유로를 순환하는 작동 매체를 냉각수와 열교환시킴으로써 상기 작동 매체를 냉각하는 응축기와, 상기 복수의 계층 중 하나로서 마련된 제1 플로어 내에서 상기 배가스를 안내하도록 연장 설치된 배가스관과 상기 순환 유로에 접속되어, 상기 작동 매체와 상기 배가스 사이의 열교환을 통하여 상기 작동 매체에 상기 배가스의 상기 열에너지를 회수시키는 증발기와, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 증발기의 하류에 배치되고, 상기 작동 매체에 의해 구동되는 팽창기와, 상기 냉각수를 상기 응축기에 양수하는 냉각 펌프부를 구비한다. 상기 응축기는 상기 제1 플로어보다도 아래의 계층으로서 마련된 제2 플로어에 배치되어 있다.
상기 구성에 의하면, 증발기가 제1 플로어에 배치되는 한편, 응축기는 제1 플로어의 아래 계층으로서 마련된 제2 플로어에 배치되어 있으므로, 열에너지 회수 장치는 적어도 두 계층으로 나누어 배치된다. 따라서, 종래의 열에너지 회수 장치와는 달리, 기관실 또는 굴뚝부의 계층 중에서 비교적 비어 있는 계층이 열에너지 회수 장치의 응축기, 증발기 및 팽창기의 배치에 유효하게 이용된다. 따라서, 응축기, 증발기 및 팽창기는 과도하게 밀집되지 않고 선박의 기관실 또는 굴뚝부에 배치된다.
응축기는 증발기 및 배가스관이 배치된 제1 플로어보다도 아래의 계층으로서 마련된 제2 플로어에 배치되어 있으므로, 냉각 펌프부는 제1 플로어까지 냉각수를 양수하지 않아도 된다. 즉, 냉각 펌프부에 요구되는 양수 높이는 제1 플로어 아래의 제2 플로어까지의 높이이면 충분하다. 따라서, 과도하게 높은 양수 높이는 냉각 펌프부에 요구되지 않는다. 일반적으로 펌프 장치의 비용은 양수 높이의 증가에 따라 증가되지만, 냉각 펌프부는 상술한 바와 같이 높은 양수 높이를 요구하지 않으므로, 냉각 펌프부로서 염가의 펌프 장치가 이용될 수 있다. 따라서, 열에너지 회수 장치는 저렴하게 제조될 수 있다.
냉각 펌프부가 응축기에 양수된 냉각수와의 열교환을 통하여 응축기 내에서 냉각된 작동 매체는 증발기로 순환된다. 증발기가 접속된 배가스관은 응축기가 배치된 제2 플로어보다 위의 제1 플로어 내에서 배가스를 안내하도록 연장 설치되어 있으므로, 일반적인 선박과 동일한 배가스의 안내 경로 상에서 배가스와 작동 매체 사이에서의 열교환이 행하여진다. 열에너지 회수 장치는 배가스의 안내 경로에 관하여 특수한 설계를 필요로 하지 않으므로, 저렴하게 제조된다.
배가스의 온도는, 작동 매체가 응축기 내에서 냉각되어 있으므로, 작동 매체의 온도를 크게 상회한다. 따라서, 작동 매체는 증발기 내에서 배가스의 열에너지를 효율적으로 회수할 수 있다. 배가스의 열에너지를 회수한 작동 매체는 고온이므로, 증발기로부터 팽창기로 순환된 작동 매체는 팽창기 내에서 팽창하고, 팽창기는 구동된다.
상기 구성에 관해서, 상기 제2 플로어는 상기 제1 플로어의 하나 아래의 계층이어도 된다.
상기 구성에 의하면, 제2 플로어는 제1 플로어의 하나 아래의 계층이므로, 응축기와 증발기 사이의 거리는 과도하게 길어지지 않는다. 따라서, 작동 매체가 응축기로부터 증발기에 공급되고 있는 동안, 작동 유체의 압력 손실은 과도하게 커지지 않는다. 게다가, 순환 유로에 봉입되는 작동 매체도 과도하게 많아지지 않는다.
상기 구성에 관해서, 상기 제1 플로어는 상기 복수의 계층 중에서 가장 위의 어퍼 플로어여도 된다.
상기 구성에 의하면, 제1 플로어는 복수의 계층 중에서 가장 위의 어퍼 플로어이므로, 일반적인 선박과 동일한 배가스의 안내 경로 상에서 배가스와 작동 매체 사이에서의 열교환이 행하여진다. 열에너지 회수 장치는 배가스의 안내 경로에 관하여 특수한 설계를 필요로 하지 않으므로, 저렴하게 제조될 수 있다.
상기 구성에 관해서, 상기 팽창기는 상기 제2 플로어에 배치되어 있어도 된다. 상기 증발기는, 상기 작동 매체가 유입되는 매체 유입구를 형성하는 매체 유입부를 포함해도 된다.
상기 구성에 의하면, 증발기는 제2 플로어 위의 제1 플로어에 배치되어 있으므로, 증발기의 매체 유입구는 응축기 내의 작동 매체의 액면보다도 상방에 위치한다. 이 결과, 액화된 작동 매체가 열에너지 회수 장치의 정지 하에서 응축기로부터 증발기로 유입되고, 증발기에서 의도치 않게 가스화될 리스크는 매우 낮아진다.
증발기가 배치된 제1 플로어 아래의 제2 플로어에 배치된 팽창기에 관해서, 팽창기 내에서의 작동 매체의 팽창에 기인하는 강온의 결과, 팽창기로부터 응축기로 흐르는 작동 매체는 기상 및 액상의 2상이 되는 경우도 있다. 이 경우, 작동 유체의 압력 손실은 커지기 쉽다.
그러나, 팽창기는 응축기와 동일하게 제2 플로어에 배치되고, 팽창기와 응축기 사이의 거리는 과도하게 길어지지 않으므로, 팽창기로부터 응축기로 공급되고 있는 작동 유체의 압력 손실은 과도하게 커지지 않는다.
상기 구성에 관하여 상기 증발기는, (i) 상기 매체 유입구보다도 상방에서 상기 작동 매체가 유출되는 매체 유출구를 형성하는 매체 유출부와, (ⅱ) 상기 배가스가 유입되는 가스 유입구를 형성하는 가스 유입부와, (ⅲ) 상기 가스 유입구의 하방에서 상기 배가스가 유출되는 가스 유출구를 형성하는 가스 유출부를 포함해도 된다.
상기 구성에 의하면, 가스 유출부는 배가스가 유입되는 가스 유입구를 형성하는 가스 유입부의 하방에서 배가스가 유출되는 가스 유출구를 형성하므로, 배가스는 증발기 내에서 하방으로 흐른다. 즉, 작동 매체의 흐름 방향은 증발기 내의 배가스의 흐름 방향과는 반대가 된다. 이 결과, 가스 유입구 근처의 배가스는 매체 유출구 근처의 작동 매체와 열교환한다. 가스 유출구 근처의 배가스는 매체 유입구 근처의 작동 매체와 열교환한다.
가스 유입구 근처의 배가스와 매체 유출구 근처의 작동 매체 사이의 열교환에 관해서, 매체 유출구 근처의 작동 매체는, 매체 유입구로부터 매체 유출구의 근처에 이르기까지 배가스와 이미 열교환하여 승온되고 있지만, 가스 유입구 근처의 배가스는 작동 매체와 그다지 열교환을 하지 않았으므로 높은 온도를 유지하고 있다. 따라서, 가스 유입구 근처의 배가스와 매체 유출구 근처의 작동 매체 사이의 온도차는 충분히 커지고, 작동 매체와 배가스 사이에서의 열교환은 높은 효율로 행하여진다.
가스 유출구 근처의 배가스와 매체 유입구 근처의 작동 매체 사이의 열교환에 관해서, 가스 유출구 근처의 배가스는, 가스 유입구로부터 가스 유출구의 근처에 이르기까지 작동 매체와 이미 열교환하여 강온되고 있지만, 매체 유입구 근처의 작동 매체는 배가스와 그다지 열교환을 하지 않았으므로 저온이다. 따라서, 가스 유출구 근처의 배가스와 매체 유입구 근처의 작동 매체 사이의 온도차는 충분히 커지고, 작동 매체와 배가스 사이에서의 열교환은 높은 효율로 행하여진다.
상기 구성에 관해서, 열에너지 회수 장치는 상기 팽창기와 상기 응축기를 지지하는 지지체를 더 구비해도 된다. 상기 팽창기는, 상기 지지체 상에서 상기 응축기보다도 상방에 배치되어 있어도 된다.
상기 구성에 의하면, 팽창기 및 응축기는 모두 지지체에 의해 지지되어 있으므로, 팽창기 및 응축기는 제2 플로어 내에서 안정적으로 설치된다. 게다가, 팽창기 및 응축기는 지지체상에서 연직 방향으로 배열되므로 수평 방향으로 퍼지는 넓은 설치 면적을 필요로 하지 않고, 제2 플로어 내의 공간은 효과적으로 이용된다. 팽창기는 응축기보다도 지지체 상에서 상방에 배치되어 있으므로, 응축기 내에서의 냉각에 의해 액화된 작동 매체가 팽창기로 역류할 리스크는 매우 낮아진다. 게다가, 팽창기 내에서의 작동 매체의 팽창에 기인하여 작동 매체가 저온이 되어 액화되어도, 액화된 작동 유체는 그대로 응축기에 유입될 수 있다.
상기 구성에 관하여 상기 지지체는, (i) 상기 팽창기가 적재된 제1 적재부와, (ⅱ) 상기 제1 적재부의 하방에 있어서 수평 방향으로 인출 가능하게 형성되어 있음과 함께 상기 응축기가 적재된 제2 적재부와, (ⅲ) 상기 제1 적재부와 상기 제2 적재부를 지지하는 지지부를 포함해도 된다. 상기 지지부는, 상기 수평 방향으로 인출되는 상기 제2 적재부를 안내하는 안내부를 포함해도 된다.
상기 구성에 의하면, 제1 적재부와 제2 적재부를 지지하는 지지부는, 수평 방향으로 인출되는 제2 적재부를 안내하는 안내부를 포함하므로, 작업자는 제2 적재부를 수평 방향으로 용이하게 인출할 수 있다. 응축기가 적재된 제2 적재부는 팽창기가 적재된 제1 적재부의 하방에 있어서 수평 방향으로 인출되므로, 작업자는 제2 적재부를 수평 방향으로 인출하여, 팽창기 및 제1 적재부에 방해되지 않고, 응축기에 용이하게 액세스할 수 있다. 따라서, 응축기에 대한 유지 보수는 효율적으로 행하여진다.
상기 구성에 관하여 열에너지 회수 장치는, 상기 배가스로부터 황 산화물을 제거하는 스크러버로 공급되는 해수를 안내하는 주 안내관과, 상기 주 안내관으로부터 소정의 제1 분기부에서 분기되어 있음과 함께 상기 주 안내관을 흐르는 상기 해수의 일부를 상기 냉각수로서 상기 응축기로 안내하는 제1 부 안내관과, 상기 주 안내관 속의 상기 해수의 흐름 방향에 있어서 상기 제1 분기부보다 상류의 제2 분기부에서 상기 주 안내관으로부터 분기되어 있음과 함께 상기 주 안내관을 흐르는 상기 해수의 일부를 상기 냉각수로서 상기 응축기로 안내하는 제2 부 안내관을 추가로 구비해도 된다. 상기 냉각 펌프부는, 상기 제1 분기부와 상기 제2 분기부 사이에서 상기 주 안내관에 장착되어 있음과 함께 상기 주 안내관 및 상기 제1 부 안내관으로 상기 해수를 송출하는 주 펌프와, 상기 제2 부 안내관에 배치되어 있음과 함께 상기 주 펌프보다도 작은 출력으로 상기 해수를 송출하는 부 펌프를 포함해도 된다. 상기 부 펌프는 상기 주 펌프의 정지 하에서 상기 제2 부 안내관을 통하여 상기 응축기에 상기 해수를 송출해도 된다.
상기 구성에 의하면, 주 펌프는 제1 분기부와 주 안내관 속의 해수의 흐름 방향에 있어서 제1 분기부보다 상류의 제2 분기부 사이에서 주 안내관에 장착되어 있으므로, 제1 분기부의 상류에 배치되어 있다. 따라서, 주 펌프는 해수를, 주 안내관을 통하여 스크러버로 공급하고, 또한, 제1 분기부에서 주 안내관으로부터 분기된 제1 부 안내관을 통하여 응축기로 공급할 수 있다. 이 결과, 주 펌프는 스크러버에 배가스로부터 황 산화물을 제거시킴과 동시에 응축기에 작동 매체를 냉각시킬 수 있다.
부 펌프는 제2 분기부에 있어서 주 안내관으로부터 분기된 제2 부 안내관에 배치되어 있으므로, 제2 부 안내관 및 주 안내관을 통하여 해수를 빨아올릴 수 있다. 주 펌프가 정지되어 있을 때, 부 펌프는 제2 부 안내관을 통하여 응축기에 해수를 송출하므로, 황 산화물의 제거가 이루어지지 않을 때 응축기에 작동 매체를 냉각시킬 수 있다. 따라서, 작동 매체의 냉각은 스크러버의 작동 및 정지와는 무관계로 실행될 수 있다.
스크러버가 사용되지 않을 때, 주 펌프보다 작은 출력의 부 펌프가 작동 매체의 냉각에 사용되는 해수를 송출하므로, 열에너지 회수 장치는 전력을 과도하게 소비하지 않는다. 따라서, 열에너지 회수 장치는 저비용으로 운전된다.
작동 매체의 냉각에 주 펌프 및 부 펌프가 병용되므로, 부 펌프의 운전 빈도는 저감된다. 이 결과, 부 펌프의 마모 속도나 파손의 리스크는 저감된다. 따라서, 작업자는, 부 펌프에 대해 과도하게 높은 빈도로 점검이나 수선을 하지 않아도 된다. 즉, 부 펌프의 러닝 코스트는 저감된다.
상기 구성에 관해서, 상기 배가스의 흐름을 이용하여 과급 공기를 상기 내연 기관에 송입하는 터보 차저로부터 상기 증발기까지의 배관 경로의 길이가 상기 증발기로부터 상기 스크러버까지의 배관 경로의 길이보다도 짧아지도록, 상기 증발기는 상기 배가스관에 장착되어 있어도 된다.
상기 구성에 의하면, 배가스의 흐름을 이용하여 공기를 내연 기관에 송입하는 터보 차저로부터 증발기까지의 배관 경로의 길이가 증발기로부터 스크러버까지의 배관 경로의 길이보다도 짧아지도록, 증발기는 배가스관에 장착되어 있으므로, 배가스로부터의 자연 방열이 커지기 전에 증발기 내에서의 배가스와 작동 매체 사이에서의 열교환이 행하여진다. 따라서, 작동 매체는 열에너지를 배가스로부터 효율적으로 회수할 수 있다. 배가스는 높은 온도에서 증발기에 유입되므로, 배가스의 온도가 산노점을 증발기 내에서 하회할 리스크는 낮아진다. 따라서, 증발기를 부식시키는 부식 물질은 증발기에서 석출하기 어려워져, 증발기는 부식되지 않고 장기간에 걸쳐 이용된다.
본 발명의 다른 국면에 관한 열에너지 회수 장치의 설치 방법은, 선박의 내연 기관으로부터 배출된 배가스의 열에너지를 회수하는 열에너지 회수 장치를 복수의 계층으로 나뉜 선박의 기관실 또는 굴뚝부에 설치하기 위해서 사용된다. 설치 방법은, 상기 열에너지 회수 장치의 증발기를, 상기 복수의 계층 중 하나로서 마련된 제1 플로어 내에서 상기 배가스를 안내하도록 연장 설치된 배가스관과 작동 매체가 순환하는 순환 유로에 접속하고, 상기 열에너지 회수 장치의 팽창기를, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 증발기의 하류에 배치하고, 상기 작동 매체를 냉각수와 열교환시킴으로써 상기 작동 매체를 냉각하는 응축기를 상기 제1 플로어보다도 아래의 계층으로서 마련된 제2 플로어에 배치하고, 상기 응축기에 냉각수를 양수하는 냉각 펌프부를 상기 응축기에 접속하는 것을 구비한다.
상술한 기술은, 기관실 내의 공간을 효과적으로 이용하고, 응축기, 증발기 및 팽창기를 과도하게 밀집시키지 않고 배치하는 것을 가능하게 한다.
도 1은 제1 실시 형태의 열에너지 회수 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시되는 열에너지 회수 장치의 개략적인 레이아웃을 나타낸다.
도 3a는 도 1에 도시되는 열에너지 회수 장치의 응축기를 팽창기의 하방에서 보유 지지하기 위한 구조로서 사용되는 지지체의 개략적인 측면도이다.
도 3b는 도 1에 도시되는 열에너지 회수 장치의 응축기를 팽창기의 하방에서 보유 지지하기 위한 구조로서 사용되는 지지체의 개략적인 측면도이다.
도 4a는 도 1에 도시되는 열에너지 회수 장치의 냉각 펌프부로서 이용될 수 있는 펌프 설비의 개략도이다.
도 4b는 도 1에 도시되는 열에너지 회수 장치의 냉각 펌프부로서 이용될 수 있는 펌프 설비의 개략도이다.
도 5는 도 1에 도시되는 열에너지 회수 장치 내의 작동 매체의 순환을 나타내는 개략적인 블록도이다.
도 6은 제2 실시 형태의 열에너지 회수 장치의 개략도이다.
<제1 실시 형태>
도 1은, 제1 실시 형태의 열에너지 회수 장치(100)의 개략도이다. 열에너지 회수 장치(100)는 선박에 탑재되어 있다. 도 1을 참조하여, 선박 및 열에너지 회수 장치(100)가 개략적으로 설명된다.
선박은, 선체(도시되지 않음)와 열에너지 회수 장치(100)를 구비한다. 도 1은 선박의 일부로서, 열에너지 회수 장치(100) 이외에도, 내연 기관 ENG와 터보 차저 TBC와 굴뚝 CMN과 스크러버 SCB를 나타내고 있다. 내연 기관 ENG는, 공급된 연료를 연소시켜, 내연 기관 ENG 내에서 생긴 폭발력을 이용하여 크랭크 샤프트(도시되지 않음)를 회전시킨다. 크랭크 샤프트의 회전은 선박의 동력으로서 사용된다. 내연 기관 ENG 내에서의 연소의 결과 생긴 배가스는, 내연 기관 ENG로부터 터보 차저 TBC 및 스크러버 SCB를 경유하여 굴뚝 CMN에 안내된다. 배가스는, 스크러버 SCB에서 SOx(황 산화물)의 제거 처리(배가스에 해수를 분무하여, SOx를 배가스로부터 분리·제거하는 처리)를 받은 후, 굴뚝 CMN으로부터 선박 외부에 배출된다. 배가스의 흐름 방향에 있어서 스크러버 SCB의 상류에 배치된 터보 차저 TBC는 내연 기관 ENG로부터 굴뚝 CMN을 향하는 배가스의 배출 경로(도 1의 점선을 참조) 상에 배치되고, 배가스의 흐름으로부터 회전력을 얻는다. 터보 차저 TBC를 통과한 후, 또한, 스크러버 SCB에서의 SOx의 제거 처리를 받기 전의 배가스로부터 열에너지 회수 장치(100)는 열에너지를 회수한다. 열에너지 회수 장치(100)는, 회수된 열에너지를 기계적인 동력으로 변환한다.
열에너지 회수 장치(100)는 작동 매체의 순환 유로를 형성한다. 작동 매체로서, 일반적인 바이너리 열에너지 회수 시스템에 사용되는 다양한 유기 매체가 바람직하게 사용된다.
열에너지 회수 장치(100)는, 작동 매체의 순환 유로 상에 각각 배치된 증발기(110), 팽창기(120), 응축기(130), 순환 펌프(140) 및 냉각 펌프부(150)를 구비한다. 증발기(110), 팽창기(120), 응축기(130) 및 순환 펌프(140)는 랭킨 사이클을 형성한다. 냉각 펌프부(150)는 응축기(130) 내의 작동 매체를 냉각하기 위해서, 응축기(130)로 해수를 공급한다.
증발기(110)는, 작동 매체와 배가스 사이의 열교환을 일으킨다. 증발기(110)는, 순환 펌프(140)에 의해 순환되는 작동 매체의 순환 유로와, 터보 차저 TBC로부터 스크러버 SCB로 향하는 배가스의 배출 경로에 접속되어 있다. 증발기(110)와 터보 차저 TBC 사이의 배관 경로의 길이가 증발기(110)와 스크러버 SCB 사이의 배관 경로의 길이보다도 짧아지도록, 증발기(110)는 배가스의 배출 경로 상에 배치되어 있다.
팽창기(120)는 증발기(110) 내에서의 열교환 후의 작동 매체의 팽창 에너지를 기계적인 동력으로 변환한다. 팽창기(120)는, 가스화된 작동 매체의 팽창 에너지에 의해 회전되는 한 쌍의 스크루 로터(도시되지 않음)를 갖는 스크루 팽창기여도 된다. 이 경우, 팽창기(120)는, 서로 맞물린 한 쌍의 스크루 로터가 수용된 로터실(도시되지 않음)을 형성하는 케이싱(도시되지 않음)을 갖는다.
팽창기(120)에는, 발전기나 압축기와 같은 동력 회수 장치 PRA가 접속되어 있다. 동력 회수 장치 PRA는 한 쌍의 스크루 로터 중 한쪽의 회전을 이용하여 발전하는 발전기여도 되고, 한 쌍의 스크루 로터 중 한쪽의 회전을 이용하여 선박 내에서 사용되는 기체를 압축하는 압축기여도 된다.
응축기(130)는, 냉각 펌프(150)로부터 공급된 해수와 팽창기(120)를 통과한 후의 작동 매체 사이의 열교환을 통하여 작동 매체를 냉각한다. 이 결과, 작동 매체는 응축된다.
<열에너지 회수 장치의 동작>
증발기(110)에는 액상의 작동 매체가 순환 펌프(140)에 의해 보내진다. 작동 매체는 증발기(110)로의 공급 전에 응축기(130)에 의해 냉각되어 있으므로, 증발기(110)에 공급된 작동 매체의 온도는 배가스의 온도보다도 매우 낮다. 따라서, 배가스의 열에너지는 작동 매체에 효율적으로 전달될 수 있다. 배가스로부터 열에너지를 수취한 작동 매체는 가스화된다. 가스화된 작동 매체는, 그 후, 팽창기(120)에 보내진다.
팽창기(120)의 로터실에 가스형 작동 매체가 유입되면, 작동 매체의 팽창 에너지에 의해 한 쌍의 스크루 로터는 회전된다. 이 결과, 배가스로부터 작동 매체로 전달된 열에너지의 일부는 한 쌍의 스크루 로터의 회전으로서 기계적 동력으로 변환된다.
팽창기(120) 내에 유입된 작동 유체는 팽창기(120) 내에서 팽창되므로, 작동 유체의 압력 및 온도는 저하된다. 저압화 및 저온화된 작동 유체는, 그 후, 응축기(130)로 공급된다.
작동 매체는 팽창기(120) 내에서의 팽창의 결과 저온이 되지만 해수보다도 고온이다. 팽창기(120)로부터 응축기(130)로 보내진 작동 매체는, 냉각 펌프부(150)에 의해 응축기(130)로 보내진 해수와 열교환된다. 이 결과, 작동 매체의 열에너지는 응축기(130) 내에서 해수로 전달된다. 즉, 해수는 응축기(130) 내의 작동 매체를 냉각하는 냉각 매체로서 사용할 수 있다. 해수에 의해 냉각 및 응축된 작동 유체는 액화된다. 액상의 작동 매체는, 상술한 바와 같이, 순환 펌프(140)에 의해 증발기(110)로 보내진다.
열에너지 회수 장치(100)는, 상술한 바와 같이, 다양한 장치를 포함하고 있다. 열에너지 회수 장치(100)를 구성하는 장치를 선박의 기관실 내의 공간을 유효하게 이용하여 배치하기 위한 기술이 이하에 설명된다.
도 2는, 선박 내에 있어서의 열에너지 회수 장치(100)의 개략적인 레이아웃을 나타낸다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 냉각 펌프부(150)에 요구되는 양수 높이를 저감하는 기술이 설명된다.
도 2는, 열에너지 회수 장치(100)가 배치된 선박의 기관실이 복수의 계층으로 나뉘어져 있음을 도시하고 있다. 도 2는, 기관실의 복수의 계층으로서 제1 플로어와 제1 플로어 아래의 제2 플로어를 도시하고 있다. 제1 플로어는, 기관실의 복수의 계층 중에서 가장 위의 어퍼 플로어이며, 해면보다 상방에 위치하고 있다. 제2 플로어는, 제1 플로어의 하나 아래의 계층이다.
제1 플로어에는, 터보 차저 TBC로부터 굴뚝 CMN으로 향하는 배가스를 안내하도록 연장 설치되어, 도 1을 참조하여 설명된 배가스의 배출 경로의 일부를 형성하고 있는 배가스관 EXP가 배치되어 있다. 배가스관 EXP에는, 증발기(110)가 접속되어 있다. 따라서, 배가스관 EXP와 마찬가지로, 증발기(110)도 제1 플로어에 배치되어 있다.
도 2는, 증발기(110)가 배가스관 EXP에 접속되는 두 접속 부위로서, 가스 유입부(111)와 가스 유입부(111)보다 하방의 가스 유출부(112)를 도시하고 있다. 가스 유입부(111) 및 가스 유출부(112)는 증발기(110)의 일부이다. 가스 유입부(111)는 배가스가 유입되는 가스 유입구를 형성하고 있는 한편, 가스 유출부(112)는 배가스가 유출되는 가스 유출구를 형성하고 있다. 배가스는 가스 유입부(111)를 통하여 증발기(110)에 유입되어 하방으로 흐른다. 그 후, 배가스는 가스 유출부(112)를 통하여 증발기(110)로부터 배출된다. 따라서, 증발기(110) 내에서는 하향의 배가스의 흐름이 형성된다.
상술한 바와 같이, 증발기(110)는 배가스관 EXP 뿐만 아니라 작동 매체의 순환 유로에도 접속되어 있다. 도 2는, 증발기(110)가 작동 매체의 순환 유로에 접속되는 2개의 접속 부위로서, 매체 유입부(113)와 매체 유입부(113)의 상부의 매체 유출부(114)를 도시하고 있다. 매체 유입부(113) 및 매체 유출부(114)는 증발기(110)의 일부이다. 매체 유입부(113)는 액상의 작동 매체가 유입되는 유입구(도시되지 않음)를 형성하고 있는 한편, 매체 유출부(114)는 배가스와의 열교환에 의해 가스화된 작동 매체가 유출되는 매체 유출구를 형성하고 있다. 액상의 작동 매체는 매체 유입부(113)를 통하여 증발기(110)에 유입되어 상방으로 흐른다. 그 후, 작동 매체는 배가스와 열교환하여 가스화된다. 가스화된 작동 매체는 매체 유출부(114)를 통하여 증발기(110)로부터 배출된다. 따라서, 증발기(110) 내에서는 하향의 배가스의 흐름과는 반대인 상향의 작동 매체의 흐름이 형성된다. 증발기(110)로부터 유출된 작동 매체는 매체 유출부(114)로부터 하방으로 만곡된 순환 유로를 따라 흐르는 제2 플로어로 안내된다.
제2 플로어에는, 팽창기(120), 응축기(130), 순환 펌프(140) 및 냉각 펌프부(150)가 배치되어 있다. 순환 펌프(140)의 작동 하에서 증발기(110), 팽창기(120) 및 응축기(130)를 순차 통과하는 작동 매체의 순환 유로는, 제1 플로어 및 제2 플로어에 걸쳐 형성되어 있다.
제2 플로어는, 상술한 바와 같이, 해면보다도 상방에 위치하는 제1 플로어의 아래에 위치하고 있다. 제2 플로어에 응축기(130)는 배치되어 있으므로, 응축기(130)에 해수를 냉각 매체로서 송출하는 냉각 펌프부(150)는 해면으로부터 상방으로 크게 떨어진 제1 플로어까지 양수할 필요는 없고, 제1 플로어보다도 해면에 가까운 제2 플로어까지 양수하면 된다. 따라서, 냉각 펌프부(150)에 요구되는 양수 높이는 과도하게 높아지지 않는다.
제2 플로어 내에 있어서 응축기(130)는 팽창기(120)의 하방에 배치되어 있다. 이것도, 냉각 펌프부(150)에 요구되는 양수 높이의 저감에 공헌한다. 팽창기(120) 및 팽창기(120)의 아래에 응축기(130)를 보유 지지하기 위한 구조가 이하에 설명된다.
<제2 플로어 내에서의 레이아웃>
도 3a 및 도 3b는, 응축기(130)를 팽창기(120)의 하방에서 보유 지지하기 위한 구조로서 사용되는 지지체(160)의 개략적인 측면도이다. 도 2 내지 도 3b를 참조하여, 지지체(160)가 설명된다.
지지체(160)는, 열에너지 회수 장치(100)의 일부로서 사용되고, 응축기(130)와 팽창기(120)를 지지한다. 지지체(160)는, 팽창기(120)가 적재된 제1 적재부(161)와 응축기(130)가 적재된 제2 적재부(162)(도 3b를 참조)를 포함한다. 제1 적재부(161) 및 제2 적재부(162)는 모두 대략 직사각 형상의 판 부재이다. 제2 적재부(162)는 제1 적재부(161)의 하방에서 대략 수평으로 인출된다.
지지체(160)는, 제2 적재부(162)의 수평 방향의 인출을 안내하도록 형성된 한 쌍의 하부 프레임(163)을 포함한다. 도 3a 및 도 3b 각각은, 한 쌍의 하부 프레임(163) 중 한쪽을 도시하고 있다. 한 쌍의 하부 프레임(163) 중 다른 쪽은, 도 3a 및 도 3b 각각에 도시되어 있는 하부 프레임(163)에 의해 가려져 있다. 한 쌍의 하부 프레임(163) 사이에 제2 적재부(162)는 배치되어 있다. 제2 적재부(162)는 한 쌍의 하부 프레임(163)에 의해 지지되어 있다. 한 쌍의 하부 프레임(163)에는 레일(도시되지 않음)이나 제2 적재부(162)가 수평 방향으로 원활하게 인출되는 것을 가능하게 하는 다른 구조(도시되지 않음)가 제2 적재부(162)를 안내하는 안내부로서 내장된다.
지지체(160)는, 한 쌍의 하부 프레임(163) 각각의 양단부로부터 상방으로 연장 설치된 네 하부 지주(164)를 추가로 포함한다. 한 쌍의 하부 프레임(163)이 제2 적재부(162)를 지지하기 위해서 사용되고 있는 한편, 네 하부 지주(164)는 제1 적재부(161)를 지지하기 위해서 사용되고 있다. 즉, 네 하부 지주(164) 및 한 쌍의 하부 프레임(163)은, 제1 적재부(161) 및 제2 적재부(162)를 지지하는 지지부를 형성하고 있다.
도 3a 및 도 3b 각각은, 네 하부 지주(164) 중 둘을 도시하고 있다. 나머지 두 하부 지주(164)는, 도 3a 및 도 3b 각각에 도시되어 있는 두 하부 지주(164)에 의해 가려져 있다. 네 하부 지주(164)의 하단은 한 쌍의 하부 프레임(163)의 양단부에 접속되어 있는 한편, 네 하부 지주(164)의 상단은 제1 적재부(161)의 하면의 네 코너에 접속되어 있다. 도 3a에 도시되어 있는 응축기(130) 및 제2 적재부(162)는 한 쌍의 하부 프레임(163), 네 하부 지주(164) 및 제1 적재부(161)에 의해 둘러싸인 공간 내에 배치되어 있다. 도 3b에 도시되어 있는 응축기(130) 및 제2 적재부(162)는, 한 쌍의 하부 프레임(163), 네 하부 지주(164) 및 제1 적재부(161)에 의해 둘러싸인 공간으로부터 수평 방향으로 인출되어 있다.
지지체(160)는, 제1 적재부(161)의 상면의 네 코너로부터 상방으로 연장 설치된 네 상부 지주(165)와, 네 상부 지주(165)의 상단에 접속된 대략 직사각 형상의 천장판(166)을 추가로 포함한다. 도 3a 및 도 3b 각각은, 네 상부 지주(165) 중 2개를 나타내고 있다. 나머지 두 상부 지주(165)는, 도 3a 및 도 3b 각각에 도시되어 있는 두 상부 지주(165)에 의해 가려져 있다. 제1 적재부(161), 네 상부 지주 및 천장판(166)에 의해 둘러싸인 공간 내에서, 팽창기(120)는 고정되어 있다.
팽창기(120)보다 하방에서 응축기(130)는 지지체(160)에 의해 지지되어 있으므로, 냉각 펌프부(150)에 요구되는 양수 높이는 저감된다. 큰 양수 높이를 달성하는 펌프 설비는 일반적으로 고액이다. 한편, 상술한 레이아웃의 결과, 냉각 펌프부(150)에는 과도하게 큰 양수 높이는 요구되지 않으므로, 고액의 펌프 설비는 냉각 펌프부(150)에 사용하지 않아도 된다.
냉각 펌프부(150)의 비용을 저감하기 위해서, 선박에 탑재된 다른 설비로 해수를 공급하기 위해서 사용되는 펌프 설비를 냉각 펌프부(150)와 공용하는 것이 생각된다. 해수를 이용하는 다른 설비로서, 도 2는 스크러버 SCB를 도시하고 있다. 상술한 바와 같이, 스크러버 SCB는, 증발기(110)의 하류에서 배가스관 EXP를 흐르는 배가스에 해수를 분무하여, SOx(황 산화물)를 배가스로부터 제거한다. 스크러버 SCB로 해수를 공급하는 펌프 설비를 응축기(130)로의 해수의 공급에도 이용하는 기술이 이하에 설명된다.
<응축기로의 해수의 공급>
도 4a는, 냉각 펌프부(150)로서 이용될 수 있는 펌프 설비(250)의 개략도이다. 도 4a를 참조하여, 펌프 설비(250)가 설명된다.
펌프 설비(250)는, 주 펌프(251)와 부 펌프(252)와 제어부(253)를 포함한다. 주 펌프(251)는 스크러버 SCB로 해수를 공급하기 위해서 주로 사용되지만, 주 펌프(251)로부터 토출된 해수의 일부는 응축기(130)에도 공급된다. 부 펌프(252)는, 주 펌프(251)에 대체하여 해수를 응축기(130)에 공급하기 위해서 사용된다. 제어부(253)는, 주 펌프(251) 및 부 펌프(252)를 제어한다.
주 펌프(251)는, 스크러버 SCB로 공급되는 해수를 안내하는 주 안내관(170)에 장착되어 있다. 주 안내관(170)에는 2개의 분기점이 형성된다. 2개의 분기점 중 한쪽은, 주 펌프(251)의 하류(해수의 흐름 방향에 있어서 하류)에 형성된 제1 분기부 BF1이다. 2개의 분기점 중 다른 쪽은, 주 펌프(251)의 상류(해수의 흐름 방향에 있어서 상류)에 형성된 제2 분기부 BF2이다. 주 펌프(251)는, 제1 분기부 BF1과 제2 분기부 BF2 사이에서 주 안내관(170)에 장착되어 있다.
제1 분기부 BF1에 있어서 주 안내관(170)으로부터 분기된 제1 부 안내관(171)은 응축기(130)에 연장 설치되어 있다. 주 안내관(170)을 통하여 주 펌프(251)로부터 토출된 해수의 일부가 스크러버 SCB로 공급되는 한편, 주 펌프(251)로부터 토출된 해수의 나머지는 제1 부 안내관(171)을 통하여 응축기(130)에 공급된다.
제2 분기부 BF2에 있어서 주 안내관(170)으로부터 분기된 제2 부 안내관(172)은, 주 안내관(170) 및 제1 부 안내관(171)과 함께 열에너지 회수 장치(100)의 일부로서 사용된다. 제2 부 안내관(172)는 제2 분기부 BF2로부터 응축기(130)로 연장 설치되어 있다. 제2 부 안내관(172)에는 부 펌프(252)가 장착되어 있다. 부 펌프(252)는, 해수의 흐름 방향에 있어서 제2 분기부 BF2의 하류에 위치하고 있다. 부 펌프(252)는, 주 펌프(251)가 제어부(253)의 제어 하에서 정지되어 있는 동안, 제어부(253)로부터의 제어 신호를 받아 작동한다. 이 때, 부 펌프(252)로부터 토출된 해수는 제2 부 안내관(172)을 통하여 응축기(130)에 공급된다.
부 펌프(252)는, 스크러버 SCB에 다량의 해수를 공급할 것이 요구되는 주 펌프(251)와는 달리, 응축기(130)로의 해수의 공급에 오로지 이용된다. 따라서, 부 펌프(252)의 출력은, 주 펌프(251)의 출력보다도 훨씬 작아도 된다.
부 펌프(252)는, 제1 부 안내관(171)으로부터 완전히 독립된 제2 부 안내관(172)에 장착되어 있다. 그러나, 부 펌프(252)는, 2개의 분기점에서 주 안내관으로부터 분기함과 함께 응축기(130)의 상류(해수의 흐름 방향에 있어서 상류)에서 합류되는 분기관 군에 장착되어도 된다.
도 4b는, 2개의 분기점에서 주 안내관으로부터 분기함과 함께 응축기(130)의 상류(해수의 흐름 방향에 있어서 상류)에서 합류되는 분기관 군에 장착된 부 펌프(252)를 갖는 펌프 설비(250)의 개략도이다. 도 2, 도 4a 및 도 4b를 참조하여, 응축기(130)의 상류(해수의 흐름 방향에 있어서 상류)에서 합류되는 분기관 군에 장착된 부 펌프(252)를 갖는 펌프 설비(250)가 설명된다.
도 4b는, 도 4a와 마찬가지로, 주 펌프(251)와, 부 펌프(252)와, 주 안내관(170)과, 스크러버 SCB를 나타낸다. 도 4a의 설명은, 이들 요소에 원용된다.
도 4b는, 제1 분기부 BF1로부터 분기된 제1 부 안내관(171A)과 제2 분기부 BF2로부터 분기된 제2 부 안내관(172A)을 추가로 도시한다. 제1 부 안내관(171A) 및 제2 부 안내관(172A)은, 도 4a를 참조하여 설명된 제1 부 안내관(171) 및 제2 부 안내관(172)과는 달리, 응축기(130)의 상류(해수의 흐름 방향에 있어서 상류)에 위치하는 합류점 JCT에 있어서 합류하고, 합류점 JCT로부터 응축기(130)까지의 구간에 걸쳐 하나의 안내 경로를 형성하고 있다. 합류점 JCT와 제2 분기부 BF2의 사이의 구간 내에서 부 펌프(252)는 제2 부 안내관(172A)에 장착되어 있다. 합류점 JCT와 제1 분기부 BF1 사이의 구간에 있어서, 제어부(253A)의 제어 하에서 동작되는 제어 밸브(254)가 배치되어 있다.
제어 밸브(254)는, 제어부(253A)의 제어 하에서, 합류점 JCT와 제1 분기부 BF1의 구간에 있어서 제1 부 안내관(171A)을 개방하거나 폐쇄하거나 한다. 제어부(253A)가 주 펌프(251)를 작동시키고, 또한, 제어 밸브(254)를 개방하면, 주 펌프(251)가 토출한 해수는 스크러버 SCB와 응축기(130)에 공급된다. 제어부(253A)가 주 펌프(251)를 작동시켜, 또한, 제어 밸브(254)를 폐쇄하면, 주 펌프(251)가 토출한 해수는 스크러버 SCB에 오로지 공급된다. 도 4a를 참조하여 설명된 제어부(253)와 동일하게, 제어부(253A)는, 주 펌프(251)를 정지시키고 있는 동안, 부 펌프(252)를 작동시켜, 응축기(130)로 해수를 보낼 수 있다. 이 동안, 제어부(253A)는 제어 밸브(254)를 폐쇄하고, 부 펌프(252)가 송출한 해수가 스크러버 SCB로 유입되는 것을 방지한다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명된 바와 같이, 주 펌프(251) 또는 부 펌프(252)의 작동 하에서 해수는 응축기(130)로 유입된다. 응축기(130)는, 응축기(130) 내에 유입된 작동 유체를 해수와 열교환시키는 기능을 가지므로, 작동 유체의 열에너지는 해수로 전달되고, 작동 유체는 냉각 및 액화된다. 열에너지 회수 장치(100)는, 응축기(130)에서 액화된 작동 유체를 일시적으로 저류하는 저류 기능을 가져도 된다. 이 경우, 열에너지 회수 장치(100)는 순환에 필요한 양을 크게 상회하는 작동 유체를 보유 지지할 수 있고, 순환 펌프(140)는 캐비테이션을 일으키지 않고 작동 유체를 안정적으로 순환시킬 수 있다. 저류 기능을 갖는 열에너지 회수 장치(100)가 이하에 설명된다.
<저류 기능을 갖는 응축기>
도 5는, 열에너지 회수 장치(100) 내의 작동 매체의 순환을 나타내는 개략적인 블록도이다. 도 5를 참조하여, 저류 기능을 갖는 열에너지 회수 장치(100)가 설명된다.
도 5는, 응축기(130)에서 액화된 작동 유체를 일시적으로 저류하는 저류 기능을 갖는 저류부(180)를 도시한다. 저류부(180)는, 응축기(130)의 하방에 배치되어, 응축기(130)와 함께 응축부(190)를 형성하고 있다. 응축기(130)는, 저류부(180)와 팽창기(120) 사이에 배치되고, 팽창기(120)로부터 유입된 작동 매체를 해수와 열교환시킨다. 이 결과, 작동 매체는 냉각 및 액화된다. 액화된 작동 매체는 저류부(180)로 흘러 내려, 저류부(180)에 액화된 작동 매체가 저류된다. 저류부(180)는, 리저버 탱크여도 되고, 작동 유체를 모을 수 있도록 설계된 다른 부재(예를 들어, 굵은 관 부재)여도 된다.
저류부(180)에 저류된 작동 유체는, 순환 펌프(140)에 의해 흡출되어, 제1 플로어에 배치된 증발기(110)로 공급된다. 증발기(110)는 순환 펌프(140)에 의해 공급된 액상의 작동 유체를 배가스와 열교환시켜, 배가스로부터 작동 유체에 열에너지를 전달시킨다. 이 결과, 작동 유체는 승온 및 가스화된다. 가스화된 작동 유체는 팽창기(120)로 유입되고, 팽창 에너지를 사용하여 팽창기(120)를 구동한다. 그 후, 작동 유체는 응축기(130)로 다시 유입된다.
<제2 실시 형태>
제1 실시 형태의 열에너지 회수 장치(100)는, 내연 기관 ENG로부터 배출된 배가스로부터 열에너지를 회수하고 있다. 그러나, 열에너지 회수 장치는, 터보 차저 TBC로부터 내연 기관 ENG로 공급되는 과급 공기나 내연 기관 ENG를 냉각한 후의 냉각수로부터 열에너지를 회수해도 된다. 제2 실시 형태에 있어서, 터보 차저 TBC로부터 송출된 과급 공기로부터 열에너지를 회수하는 열에너지 회수 장치가 설명된다.
도 6은, 제2 실시 형태의 열에너지 회수 장치(100A)의 개략도이다. 제1 실시 형태의 열에너지 회수 장치(100)와 동일하게, 열에너지 회수 장치(100A)는 선박에 탑재되어 있다. 도 5 및 도 6을 참조하여, 선박 및 열에너지 회수 장치(100A)가 개략적으로 설명된다.
도 6에 도시되는 두 쇄선은, 선박의 기관실이 제1 플로어, 제2 플로어 및 제3 플로어로 나뉘어 있는 것을 나타낸다. 제1 플로어 및 제2 플로어에 대해, 제1 실시 형태의 설명은 원용된다. 제3 플로어는, 제2 플로어보다 아래의 계층이다.
도 6은, 선박의 일부로서, 내연 기관 ENG와 터보 차저 TBC와 가스 쿨러 ICL과 스크러버 SCB와 굴뚝 CMN을 도시하고 있다. 내연 기관 ENG, 터보 차저 TBC 및 가스 쿨러 ICL은 제3 플로어에 배치되어 있는 한편, 스크러버 SCB 및 굴뚝 CMN은 제1 실시 형태와 마찬가지로 제1 플로어에 배치되어 있다. 제1 실시 형태의 설명은, 스크러버 SCB 및 굴뚝 CMN에 원용된다.
내연 기관 ENG, 터보 차저 TBC 및 가스 쿨러 ICL에 관해서, 내연 기관 ENG는 선박 중에서 가장 무거운 부위 중 하나이므로, 내연 기관 ENG가 기관실의 복수의 계층 중에서 하부를 형성하는 제3 플로어에 배치되면, 선박의 무게 중심이 선박의 하부에 위치할 수 있다. 이것은, 선박의 안정적인 항행에 공헌한다. 내연 기관 ENG로부터 배출된 배가스는 제1 실시 형태와 마찬가지로 터보 차저 TBC를 향하고, 터보 차저 TBC를 회전시킨다. 터보 차저 TBC는 회전하면서 외기를 흡입한다. 흡인된 외기는 터보 차저 TBC에 의해 압축된 후, 과급 공기로서 가스 쿨러 ICL에 유입된다. 터보 차저 TBC에서의 압축에 의해 승온된 과급 공기는, 가스 쿨러 ICL에 의해 냉각된다. 그 후, 과급 공기는 내연 기관 ENG로 유입된다.
터보 차저 TBC를 통과한 배가스는, 제2 플로어를 통과하여, 제1 플로어에 이른다. 제1 플로어 내의 스크러버 SCB는 배가스에 해수를 분무하고, 황 산화물을 배가스로부터 제거한다. 그 후, 배가스는 굴뚝 CMN을 통하여 배출된다.
제1 플로어 내에서 흐르는 배가스의 열에너지는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 방법으로, 열에너지 회수 장치(100A)에 의해 회수된다. 게다가, 열에너지 회수 장치(100A)는, 제3 플로어 내에서 터보 차저 TBC로부터 송출된 과급 공기로부터도 열에너지를 회수한다.
열에너지 회수 장치(100A)는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 증발기(110)와 팽창기(120)와 응축기(130)와 냉각 펌프부(150)를 구비한다. 제1 실시 형태의 설명은 이들 요소에 원용된다.
열에너지 회수 장치(100A)는, 순환 펌프(140A)와, 저류부(180A)와, 터보 차저 TBC로부터 송출된 과급 공기와 작동 매체의 열교환을 통하여 작동 매체를 가열하는 열교환기(210)를 추가로 구비한다. 제1 실시 형태와 마찬가지로, 저류부(180A)는, 응축기(130)에서 냉각 및 액화된 작동 매체가 일시적인 저류에 사용된다. 순환 펌프(140A)는, 열에너지 회수 장치(100A) 내에서 작동 매체를 순환시키기 위하여 사용된다.
저류부(180A)는, 도 5를 참조하여 설명된 저류부(180)와는 달리 제3 플로어에 배치되어 있다. 제2 플로어 내의 응축기(130)에서 액화된 작동 매체는 제3 플로어에 흘러내리고, 저류부(180A) 내에 일시적으로 저류된다.
저류부(180A)와 마찬가지로, 순환 펌프(140A)도 제3 플로어에 배치되어 있다. 순환 펌프(140A)는, 저류부(180A)에 모아진 작동 매체를 흡출하여, 열교환기(210)로 송출한다.
열교환기(210)는, 터보 차저 TBC와 가스 쿨러 ICL 사이에 배치되어 있다. 열교환기(210) 내에 있어서, 터보 차저 TBC로부터 가스 쿨러 ICL로 향하는 과급 공기의 흐름은 하향인 한편, 순환 펌프(140A)로부터 송출된 작동 매체의 흐름은 상향이다. 과급 공기와 열교환된 작동 매체는, 제2 플로어를 관통하여, 제1 플로어에 배치된 증발기(110)에 유입된다. 상술한 바와 같이, 증발기(110)에 있어서, 작동 매체는 배가스와 다시 열교환한다.
열교환기(210)는, 열교환기(210)를 통과하는 작동 매체를 증발시키지 않고 가열하는 예열기로서 기능해도 된다. 대체적으로, 열교환기(210)는, 열교환기(210)를 통과하는 작동 매체의 일부를 증발시키는 증발기로서 기능해도 된다. 또한 대체적으로, 열교환기(210)는, 열교환기(210)를 통과하는 작동 매체를 전체적으로 증발시켜도 된다. 이 경우, 열교환기(210)의 하류 증발기(110)는 과열기로서 기능한다.
<열에너지 회수 장치의 유리한 효과>
일반적으로, 내연 기관으로부터 배출된 배가스를 굴뚝으로 안내하는 배출 경로는 선박의 기관실 중에서 가장 위의 계층에 형성된다. 상술한 실시 형태에 따르면, 증발기(110)는 선박의 기관실 중에서 가장 위의 제1 플로어(즉, 어퍼 플로어)에 배치되므로, 일반적인 선박의 배가스 배출 경로의 설계를 크게 변경하지 않고 배가스의 배출 경로 상에 배치될 수 있다. 게다가, 증발기(110)로부터 터보 차저 TBC까지의 배관 경로가 증발기(110)로부터 스크러버 SCB까지의 배관 경로보다도 짧아지도록, 증발기(110)는 제1 플로어에 배치된 배가스관 EXP에 장착되므로, 증발기(110)는 배가스로부터의 자연 방열량이 과도하게 커지기 전에 작동 유체를 배가스와 열교환시킬 수 있다. 게다가, 배가스의 온도가 증발기(110)에서 산노점을 하회할 리스크도 저감된다. 즉, 증발기(110)에 있어서의 부식 물질의 석출 리스크는 저감된다.
증발기(110)와는 달리, 응축기(130)는 제1 플로어의 하방의 제2 플로어에 배치되어 있다. 이 결과, 열에너지 회수 장치(100, 10A)는, 적어도 두 계층으로 나누어 배치되게 된다. 종래의 열에너지 회수 장치의 레이아웃과는 달리, 기관실의 계층 중에서 비교적 비어 있는 계층이 열에너지 회수 장치(100, 10A)의 구성 장치의 배치에 유용하게 이용될 수 있다. 게다가, 열에너지 회수 장치(100, 10A)의 구성 장치는 과도하게 밀집되지 않는다.
응축기(130)가, 증발기(110)가 배치된 제1 플로어의 하방의 제2 플로어에 배치되어 있으므로, 응축기(130) 내의 작동 매체를 냉각하는 냉각 매체로 하여 해수를 응축기(130)에 송출하는 냉각 펌프부(150)에 대해 제1 플로어까지 이르는 양수 높이는 요구되지 않는다. 즉, 냉각 펌프부(150)는 제2 플로어까지 이르는 양수 높이를 달성하는 능력을 가지면 된다. 일반적으로, 큰 양수 높이를 달성하는 펌프 설비는 고액이지만, 상술한 바와 같이, 냉각 펌프부(150)에 대해 과도하게 높은 양수 높이는 요구되지 않으므로, 냉각 펌프부(150)로서 저렴한 펌프 장치가 사용될 수 있다.
냉각 펌프부(150)가 해수를 보내는 응축기(130) 및 작동 매체의 팽창 하에서 구동되는 팽창기(120)가 배치된 제2 플로어는, 증발기(110)가 배치된 제1 플로어의 하나 아래의 계층이므로, 응축기(130), 증발기(110) 및 팽창기(120)를 통과하도록 형성된 작동 매체의 순환 유로는 과도하게 길어지지 않는다. 따라서, 순환 유로를 따라 흐르는 작동 매체의 손실도 과도하게 커지지 않는다. 게다가, 순환 유로에 봉입된 작동 매체의 양은 과도하게 많아지지 않는다.
응축기(130)는 증발기(110) 내에서의 배가스와의 열교환에 의해 가스화된 작동 매체를 액화하므로, 작동 유체의 액면이 응축기(130) 중 또는 응축기(130)의 아래에 배치된 저류부(180) 내에 형성된다. 응축기(130)가 배치된 제2 플로어 위의 제1 플로어에 증발기(110)는 배치되어 있으므로, 증발기(110)의 매체 유입부(113)가 형성하는 매체 유입구도 응축기(130)보다 상방에 위치한다. 응축기(130)보다도 상방에 증발기(110)의 매체 유입부(113)가 형성하는 매체 유입구가 위치하므로, 응축기(130) 또는 저류부(180) 내의 작동 유체 액면은 매체 유입부(113)가 형성하는 매체 유입구보다 하방에 위치한다. 저류부(180) 내의 작동 유체는, 순환 펌프(140)가 정지되었을 때, 순환 펌프(140)를 넘어서 유출되는 경우도 있다. 이 경우에 있어서도, 응축기(130) 또는 저류부(180) 내의 작동 유체 액면은 매체 유입부(113)가 형성되는 매체 유입구보다 하방에 위치하고 있으므로, 작동 매체는 증발기(110)에는 도달하지 않는다. 따라서, 순환 펌프(140)의 정지 하에서의 작동 매체의 의도치 않은 증발은 증발기(110)에서 생기지 않는다.
매체 유입구보다도 상방에서 매체 유출부(114)는 작동 매체가 유출되는 매체 유출구를 형성하므로, 작동 매체는 증발기(110) 내에서 상방으로 흐른다. 매체 유출부(114) 및 매체 유입부(113) 이외에도, 증발기(110)는 가스 유입부(111) 및 가스 유출부(112)를 갖는다. 가스 유입부(111)는 가스 유출부(112)의 상방에 위치한다. 따라서, 증발기(110) 내에 있어서 배가스의 흐름은 하향이 된다. 즉, 증발기(110) 내에서의 배가스의 흐름은 상향의 작동 매체의 흐름과는 역방향이 된다. 이 결과, 가스 유입구 근처의 배가스는 매체 유출구 근처의 작동 매체와 열교환하게 된다. 가스 유출구 근처의 배가스는 매체 유입구 근처의 작동 매체와 열교환하게 된다.
가스 유입구 근처의 배가스와 매체 유출구 근처의 작동 매체 사이의 열교환에 관해서, 매체 유출구 근처의 작동 매체는, 매체 유입구로부터 매체 유출구의 근처에 이르기까지 배가스와 이미 열교환하여 승온되어 있지만, 가스 유입구 근처의 배가스는 작동 매체와 그다지 열교환을 하지 않았으므로 높은 온도를 유지하고 있다. 따라서, 가스 유입구 근처의 배가스와 매체 유출구 근처의 작동 매체 사이의 온도차는 충분히 커지고, 작동 매체와 배가스 사이에서의 열교환은 높은 효율로 행해질 수 있다.
가스 유출구 근처의 배가스와 매체 유입구 근처의 작동 매체 사이의 열교환에 관해서, 가스 유출구 근처의 배가스는, 가스 유입구로부터 가스 유출구의 근처에 이르기까지 작동 매체와 이미 열교환하여 강온되어 있지만, 매체 유입구 근처의 작동 매체는 배가스와 그다지 열교환을 하지 않았으므로 저온이다. 따라서, 가스 유출구 근처의 배가스와 매체 유입구 근처의 작동 매체 사이의 온도차도 충분히 커지고, 작동 매체와 배가스 사이에서의 열교환은 높은 효율로 행하여질 수 있다.
배가스와 열교환한 후의 작동 매체는 팽창기(120) 및 응축기(130)로 순차 유입된다. 팽창기(120) 내에서의 작동 매체의 팽창에 기인하는 강온의 결과, 팽창기(120)로부터 응축기(130)로 흐르는 작동 매체는 기상 및 액상의 2상이 되는 경우도 있다. 이 경우, 작동 유체의 압력 손실은 커지기 쉽다. 그러나, 팽창기(120)는 응축기(130)과 동일하게 제2 플로어에 배치되고, 팽창기와 응축기 사이의 거리는 과도하게 길어지지 않으므로, 팽창기(120)로부터 응축기(130)로 공급되고 있는 작동 유체의 압력 손실은 과도하게 커지지 않는다.
팽창기(120)는 응축기(130)와 함께 제2 플로어 내에서 지지체(160)에 의해 지지된다. 따라서, 팽창기(120) 및 응축기(130)는 제2 플로어 내에서 안정적으로 설치된다. 응축기(130)는 팽창기(120)의 하방에 배치되어 있으므로, 팽창기(120) 내에서의 팽창 하에서 강온 및 액화된 작동 매체는 팽창기(120)로부터 응축기(130)로 원활하게 흘러내릴 수 있다.
응축기(130)를 팽창기(120)의 하방에서 지지하는 제2 적재부(162)는, 수평 방향으로 인출 가능하다. 따라서, 작업자는, 제2 적재부(162)를 수평 방향으로 인출하고, 팽창기(120)에 방해받지 않고 응축기(130)에 용이하게 액세스할 수 있다. 이 결과, 작업자는, 응축기(130)에 대한 점검 및 수선을 효율적으로 행할 수 있다.
제2 적재부(162)에 의해 지지된 응축기(130) 및 제1 적재부(161)에 의해 지지된 팽창기(120)는 연직 방향으로 배열되므로, 이들은 수평 방향으로 과도하게 넓은 설치 면적을 필요로 하지 않고, 제2 플로어 내의 공간은 유효하게 이용될 수 있다.
응축기(130) 내의 작동 매체의 냉각에 관해서, 냉각 펌프부(150)는, 주 안내관(170)을 통하여 해수를 스크러버 SCB로 보내는 주 펌프(251)를 가지므로, 주 펌프(251)가 스크러버 SCB로 해수를 공급하고 있는 동안, 응축기(130)는 주 펌프(251)의 하류의 제1 분기부 BF1에 있어서 주 안내관(170)으로부터 분기된 제1 부 안내관(171, 171A)을 통하여 해수를 수취할 수 있다. 주 펌프(251)의 상류의 제2 분기부 BF2에 있어서 주 안내관(170)으로부터 분기된 제2 부 안내관(172, 172A)에 부 펌프(252)가 장착되어 있으므로, 주 펌프(251)의 정지 하에서도 응축기(130)는 해수를 부 펌프(252)로부터 수취할 수 있다. 주 펌프(251) 및 부 펌프(252)가 병용되므로, 부 펌프(252)의 마모 속도나 손상의 리스크는 저감된다. 따라서, 작업자는, 부 펌프(252)를 과도하게 높은 빈도로 점검이나 수선하지 않아도 된다. 이 결과, 부 펌프(252)의 러닝 코스트는 저감된다.
부 펌프(252)는 주 펌프(251)가 정지되어 있을 때, 제2 부 안내관(172, 172A)을 통하여 응축기(130)로 해수를 송출하므로, SOx의 제거가 이루어지지 않을 때에도 응축기(130)에 작동 매체를 냉각시킬 수 있다. 따라서, 작동 매체의 냉각은 스크러버 SCB의 작동 및 정지와는 관계없이 실행될 수 있다.
스크러버 SCB가 사용되지 않을 때, 주 펌프(251)보다 작은 출력의 부 펌프(252)가 작동 매체의 냉각에 사용될 해수를 송출하므로, 열에너지 회수 장치(100, 10A)는 전력을 과도하게 소비하지 않는다. 따라서, 열에너지 회수 장치(100, 10A)는 저비용으로 운전될 수 있다.
스크러버 SCB는 제1 플로어에 배치되어 있으므로, 주 펌프(251)는 높은 양수 높이를 달성하도록 설계되어 있다. 한편, 부 펌프(252)는 응축기(130)로의 해수의 공급에 오로지 사용되므로, 주 펌프(251)만큼 높은 양수 높이는 부 펌프(252)에 요구되지 않는다. 따라서, 부 펌프(252)로서 염가의 펌프 장치가 사용될 수 있다.
상술한 실시 형태에 관해서, 팽창기(120)로서 스크루 팽창기가 사용되고 있다. 그러나, 팽창기(120)로서, 원심식의 팽창기나 스크롤식의 팽창기가 사용되어도 된다.
상술한 실시 형태에 관해서, 팽창기(120)는 제2 플로어에 배치되어 있다. 그러나, 팽창기(120)는 제1 플로어에 배치되어 있어도 된다.
상술한 실시 형태에 관해서, 제1 플로어는, 선박의 기관실 중에서 가장 위의 어퍼 플로어이다. 그러나, 제1 플로어는, 선박의 설계에 의해 정해진 배가스의 배출 경로에 적합하도록 결정되어도 된다. 따라서, 제1 플로어는, 어퍼 플로어 이외의 계층이어도 된다.
상술한 실시 형태에 관해서, 제2 플로어는 제1 플로어의 하나 아래의 계층이다. 그러나, 제2 플로어는 제1 플로어보다 아래의 다른 계층이어도 된다. 제1 플로어의 하나 아래의 계층이 좁다면, 더 아래의 계층이 제2 플로어로서 이용되어도 된다.
상술한 실시 형태에 관해서, 열에너지 회수 장치(100, 10A)는 선박의 기관실에 배치되어 있다. 그러나, 열에너지 회수 장치는 선박의 굴뚝부에 배치되어도 된다.
상술한 실시 형태에 관해서, 작동 매체를 냉각하기 위한 냉각수로서 해수가 이용되고 있다. 그러나, 작동 매체의 냉각에 선박 내에서 순환되는 순환수가 냉각수로서 사용되어도 된다.
상술한 실시 형태에 관해서, 팽창기(120) 및 응축기(130)는 지지체(160)에 의해 지지되어 있다. 그러나, 팽창기(120) 및 응축기(130)는 제2 플로어의 바닥면 상에 거치되어 있어도 된다.
상술한 실시 형태에 관해서, 응축기(130, 130A)는 저류부(180, 180A)를 갖고 있다. 그러나, 응축기는 저류부를 갖고 있지 않아도 된다.
금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것은 아니라고 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 설명이 아니라 특허 청구 범위에 의해 나타내며, 특허 청구 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
상술한 실시 형태의 기술은, 다양한 선박에 바람직하게 이용된다.
100, 100A: 열에너지 회수 장치
110: 증발기
111: 가스 유입부
112: 가스 유출부
113: 매체 유입부
114: 매체 유출부
120: 팽창기
130: 응축기
150: 냉각 펌프부
160: 지지체
161: 제1 적재부
162: 제2 적재부
163: 하부 프레임(지지체)
164: 하부 지주(지지체)
170: 주 안내관
171, 171A: 제1 부 안내관
172, 172A: 제2 부 안내관
251: 주 펌프
252: 부 펌프
BF1: 제1 분기부
BF2: 제2 분기부
CMN: 굴뚝
ENG: 내연 기관
EXP: 배가스관
SCB : 스크러버
TBC: 터보 차저

Claims (10)

  1. 복수의 계층으로 나뉜 선박의 기관실 또는 굴뚝부에 배치되어 있음과 함께 상기 선박의 내연 기관으로부터 배출된 배가스의 열에너지를 회수하는 열에너지 회수 장치이며,
    순환 유로를 순환하는 작동 매체를 냉각수와 열교환시킴으로써 상기 작동 매체를 냉각하는 응축기와,
    상기 복수의 계층 중 하나로서 마련된 제1 플로어 내에서 상기 배가스를 안내하도록 연장 설치된 배가스관과 상기 순환 유로에 접속되고, 상기 작동 매체와 상기 배가스 사이의 열교환을 통하여 상기 작동 매체에 상기 배가스의 상기 열에너지를 회수시키는 증발기와,
    상기 순환 유로에 있어서의 상기 증발기의 하류에 배치되고, 상기 작동 매체에 의해 구동되는 팽창기와,
    상기 냉각수를 상기 응축기에 양수하는 냉각 펌프부를 구비하고,
    상기 응축기는 상기 제1 플로어보다도 아래의 계층으로서 마련된 제2 플로어에 배치되어 있는 열에너지 회수 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 플로어는 상기 제1 플로어의 하나 아래의 계층인 열에너지 회수 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 플로어는 상기 복수의 계층 중에서 가장 위의 어퍼 플로어인 열에너지 회수 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 팽창기는 상기 제2 플로어에 배치되고,
    상기 증발기는, 상기 작동 매체가 유입되는 매체 유입구를 형성하는 매체 유입부를 포함하는 열에너지 회수 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 증발기는,
    (i) 상기 매체 유입구보다도 상방에서 상기 작동 매체가 유출되는 매체 유출구를 형성하는 매체 유출부와,
    (ⅱ) 상기 배가스가 유입되는 가스 유입구를 형성하는 가스 유입부와,
    (ⅲ) 상기 가스 유입구의 하방에서 상기 배가스가 유출되는 가스 유출구를 형성하는 가스 유출부를 포함하는 열에너지 회수 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 팽창기와 상기 응축기를 지지하는 지지체를 추가로 구비하고,
    상기 팽창기는, 상기 지지체 상에서 상기 응축기보다도 상방에 배치되어 있는 열에너지 회수 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 지지체는,
    (i) 상기 팽창기가 적재된 제1 적재부와,
    (ⅱ) 상기 제1 적재부의 하방에 있어서 수평 방향으로 인출 가능하게 형성되어 있음과 함께 상기 응축기가 적재된 제2 적재부와,
    (ⅲ) 상기 제1 적재부와 상기 제2 적재부를 지지하는 지지부를 포함하고,
    상기 지지부는, 상기 수평 방향으로 인출되는 상기 제2 적재부를 안내하는 안내부를 포함하는 열에너지 회수 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배가스로부터 황 산화물을 제거하는 스크러버로 공급되는 해수를 안내하는 주 안내관과,
    상기 주 안내관으로부터 소정의 제1 분기부에서 분기되어 있음과 함께 상기 주 안내관을 흐르는 상기 해수의 일부를 상기 냉각수로서 상기 응축기에 안내하는 제1 부 안내관과,
    상기 주 안내관 속의 상기 해수의 흐름 방향에 있어서 상기 제1 분기부보다 상류의 제2 분기부에서 상기 주 안내관으로부터 분기되어 있음과 함께 상기 주 안내관을 흐르는 상기 해수의 일부를 상기 냉각수로서 상기 응축기에 안내하는 제2 부 안내관을 추가로 구비하고,
    상기 냉각 펌프부는, 상기 제1 분기부와 상기 제2 분기부 사이에서 상기 주 안내관에 장착되어 있음과 함께 상기 주 안내관 및 상기 제1 부 안내관에 상기 해수를 송출하는 주 펌프와, 상기 제2 부 안내관에 배치되어 있음과 함께 상기 주 펌프보다도 작은 출력으로 상기 해수를 송출하는 부 펌프를 포함하고,
    상기 부 펌프는 상기 주 펌프의 정지 하에서 상기 제2 부 안내관을 통하여 상기 응축기에 상기 해수를 송출하는 열에너지 회수 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 배가스의 흐름을 이용하여 과급 공기를 상기 내연 기관에 송입하는 터보 차저로부터 상기 증발기까지의 배관 경로의 길이가 상기 증발기로부터 상기 스크러버까지의 배관 경로의 길이보다도 짧아지도록, 상기 증발기는 상기 배가스관에 장착되어 있는 열에너지 회수 장치.
  10. 선박의 내연 기관으로부터 배출된 배가스의 열에너지를 회수하는 열에너지 회수 장치를 복수의 계층으로 나뉜 선박의 기관실 또는 굴뚝부에 설치하는 방법이며,
    상기 열에너지 회수 장치의 증발기를, 상기 복수의 계층 중 하나로서 마련된 제1 플로어 내에서 상기 배가스를 안내하도록 연장 설치된 배가스관과 작동 매체가 순환하는 순환 유로에 접속하고,
    상기 열에너지 회수 장치의 팽창기를, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 증발기의 하류에 배치하고,
    상기 작동 매체를 냉각수와 열교환시킴으로써 상기 작동 매체를 냉각하는 응축기를 상기 제1 플로어보다도 아래의 계층으로서 마련된 제2 플로어에 배치하고,
    상기 응축기에 냉각수를 양수하는 냉각 펌프부를 상기 응축기에 접속하는 것을 구비하는 열에너지 회수 장치의 설치 방법.
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