KR20200046228A - 수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템 및 운용 방법 - Google Patents

수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템 및 운용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템 및 운용 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기, 난방, 냉방, CO2를 생산하는 4중 발전 시스템에서 전체적인 시스템 효율을 향상하면서 보다 효과적으로 수분을 제거할 수 있도록 하는 수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템 및 운용 방법에 관한 것이다.

Description

수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템 및 운용 방법 {Quad-generation system having dehydrating structure and method for operating the system}
본 발명은 수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템 및 운용 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기, 난방, 냉방, CO2를 생산하는 4중 발전 시스템에서 전체적인 시스템 효율을 향상하면서 보다 효과적으로 수분을 제거할 수 있도록 하는, 수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템 및 운용 방법에 관한 것이다.
가스엔진 발전기란 청정 저탄소 가스연료(NG, LPG, 합성가스)를 사용하는 내연기관을 이용하여 발전기를 회전시킴으로써 전기를 생산하는 장치를 말한다. 일반적으로 내연기관에서는 매우 많은 열이 발생하며, 따라서 내연기관에는, 냉각수가 내연기관의 주변을 유통하면서 과도한 열을 흡수하여 내연기관을 냉각하도록 하는 구조가 구비되어 있다. 이 때 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수는 다시 내연기관으로 돌아가 열을 흡수할 수 있도록 외부에 열을 버리게 되는데, 이 폐열을 이용하여 난방을 수행할 수도 있고, 또한 히트펌프를 포함하는 냉방 사이클을 이용하여 냉방을 수행할 수도 있다. 이처럼 가스엔진 발전기를 이용하여 단순히 전기 하나만을 생산하는 것이 아니라 전기, 냉방, 난방을 생산할 수 있는데, 이처럼 전기, 냉방, 난방을 모두 생산할 수 있는 시스템을 3중 발전 시스템(tri-generation system)이라 한다. 이러한 3중 발전 시스템은 현재에도 마을 단위 정도의 소규모 주택지나 시설원예 단지 등과 같은 곳에 도입되어 친환경적으로 전기, 냉방, 난방을 공급하도록 활용되고 있다. 한국특허등록 제1569677호("고희박연소를 이용한 트라이젠 시스템 및 그 제어방법", 2015.11.11)에 이러한 3중 발전 시스템 기술이 잘 개시되고 있다.
한편 최근 북미, 유럽 등 선진국 대도시 위주로, 신선한 작물을 사람들에게 신속하고 용이하게 공급하기 위해 건물 옥상 등에 온실을 설치하여 직접 작물을 재배하는 형태의 도시형 스마트 팜(smart farm) 도입이 확산되고 있다. 이러한 설비는 작물 재배를 위한 각종 장비에 공급하기 위한 전기가 필요하고, 작물 생육에 적합하도록 온도를 조절하기 위한 난방 및 냉방이 필요하며, 또한 작물 생육을 촉진시키기 위한 CO2 공급이 필요하다.
기존에 비상발전, 분산발전, 열병합발전 등에서 상술한 바와 같은 가스엔진 발전기를 포함하는 3중 발전 시스템이 사용되어 왔으며, 여기에서 배출되는 배출가스에는 이산화탄소(CO2)가 포함된다. 따라서 시설원예나 도시형 스마트 팜 등과 같은 설비에 3중 발전 시스템이 적용되는 경우 여기에서 자연히 발생되는 배출가스 내 CO2를 활용하고자 하는 시도가 있어 왔다. 이 때 내연기관에서 발생하는 배출가스에는 CO2 뿐만 아니라 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 미연탄화수소(UHC) 등과 같이 유해한 물질들이 상당히 섞여 있기 때문에, 배출가스를 여러 촉매 장치 등을 통과시켜 유해가스를 제거한 후 남은 CO2를 식물에 공급하도록 한다. 이처럼 3중 발전 시스템에서 CO2까지 생산하는 경우, 전기, 난방, 냉방, CO2 4가지를 생산하게 되므로, 이를 4중 발전 시스템이라 할 수 있다.
그런데, 현재 운용되고 있는 4중 발전 시스템에서 공급되는 정화된 배출가스에는, CO2 뿐 아니라 지나치게 많은 수분이 포함되어 있다는 점이 알려져 있다. 온실 내에 CO2를 공급하기 위해 4중 발전 시스템으로부터 배출되어 정화된 배출가스를 공급하는 경우, 이 공급되는 배출가스에 불필요하게 많이 포함된 수분 때문에 온실 내 습도가 과도하게 상승하는데, 이는 작물의 생육에 다른 악영향을 끼치는 문제를 발생시킨다.
습도 역시 작물 생장을 위한 제어 조건의 하나인 바, CO2를 공급하는 과정에서 이처럼 과도한 수분이 부가적으로 공급되면 온실 내 습도 조절을 위해 환기를 해야 한다. 그런데 환기가 되면 온실 내 CO2 농도가 대기 수준으로 낮아지게 되며, 그러면 다시 CO2를 공급해 주어야 하는 딜레마에 빠지게 된다. 이에 기존에도 정화된 배출가스가 유통되는 경로에 수분흡수제를 배치하는 등의 노력을 기울였으나, 기존의 구성으로는 원하는 만큼의 충분한 수분 제거를 실현하지 못하는 문제가 있었다.
1. 한국특허등록 제1569677호("고희박연소를 이용한 트라이젠 시스템 및 그 제어방법", 2015.11.11)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전기, 난방, 냉방, CO2를 생산하는 4중 발전 시스템에서 전체적인 시스템 효율을 향상하면서 보다 효과적으로 수분을 제거할 수 있도록 하는, 수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템 및 운용 방법을 제공함에 있다. 보다 구체적으로는, 냉방을 위해 흡수식 냉동기를 도입하되 CO2가 흡수식 냉동기의 증발부를 통과함으로써 냉각되어 수분을 보다 효과적으로 제거할 수 있도록 하는, 전기, 난방, 냉방, CO2를 생산하는 4중 발전 시스템에서 전체적인 시스템 효율을 향상하면서 수분을 제거하도록 이루어지는, 수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템 및 운용 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템은, 내연기관 형태로 이루어지며 주변에 냉각수가 유통되는 엔진(150); 상기 엔진(150)에 의하여 회전되어 발전을 수행하는 발전부(110); 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 난방을 수행하는 난방부(120); 흡수식 냉동기 형태로 이루어져, 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 냉방을 수행하는 냉방부(130); 상기 엔진(150)으로부터 배출된 배출가스를 유통시켜 유해물을 정화하고, 상기 냉방부(130)를 통과시켜 배출가스를 냉각함으로써 배출가스에 포함된 수분을 제거하여, 배출가스에 포함된 형태로서 CO2를 공급하는 CO2부(140); 을 포함할 수 있다.
이 때 상기 냉방부(130)는, 물을 내부에 수용하는 밀폐용기 형태로 형성되며, 내부가 진공에 준하는 저압으로 형성됨으로써 물을 증발시켜 수증기를 발생시키는 증발부(131), 냉매가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 증발부(131) 내에 구비되어 상기 증발부(131) 내 물을 증발시키기 위한 증발열을 제공함으로써 냉매를 냉각시키는 증발부열교환기(131h), 상기 증발부열교환기(131h)와 연결되어 냉매가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 증발부열교환기(131h)에서 냉각되어 외부보다 상대적으로 저온 상태인 냉매를 외부와 열교환시켜 외부의 냉방을 수행하는 냉방부열교환기(130h), 흡수액을 내부에 수용하는 밀폐용기 형태로 형성되며, 상기 증발부(131)로부터 발생된 수증기를 유입받아 흡수액으로 흡수시키는 흡수부(132), 흡수액을 내부에 수용하는 밀폐용기 형태로 형성되며, 흡수부유통로(132p)를 통해 상기 흡수부(132)로부터 흡수액을 유입받고, 열을 가하여 흡수액으로부터 수증기가 증발되어 분리되게 함으로써 흡수액을 재생시켜 상기 흡수부(132)로 공급하는 재생부(133), 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 재생부(133)로 열을 공급하는 재생부열교환기(133h), 수증기를 내부에 수용하는 밀폐용기 형태로 형성되며, 상기 재생부(133)로부터 발생된 수증기를 유입받아 냉각하여 응축시켜 물을 발생시켜 상기 증발부(131)로 공급하는 응축부(134), 냉매가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 응축부(134) 내에 구비되어 상기 응축부(134) 내 수증기를 응축시키기 위한 응축열을 흡수함으로써 냉매를 가열시키는 응축부열교환기(134h), 상기 응축부열교환기(134h)와 연결되어 냉매가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 응축부열교환기(134h)에서 냉각되어 외부보다 상대적으로 고온 상태인 냉매를 외부와 열교환시켜 냉매의 냉각을 수행하는 냉각탑(135)을 포함할 수 있다.
또한 상기 CO2부(140)는, 상기 엔진(150)으로부터 배출된 배출가스가 내부에 유통되는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 증발부(131) 내에 구비되어 상기 증발부(131) 내 물을 증발시키기 위한 증발열을 제공함으로써 배출가스를 냉각시키는 CO2부열교환기(140h)를 포함할 수 있다.
또한 상기 CO2부(140)는, 냉각에 의해 배출가스의 포화수증기량이 저감됨에 따라 응축되어 배출가스로부터 제거된 물을 외부로 배출시키는 드레인부(141)를 포함할 수 있다.
또한 상기 CO2부(140)는, 흡습제를 수용하는 용기 형태로 형성되며, 상기 드레인부(141) 후단에 구비되어 배출가스에 잔존하는 수분을 더 흡수하여 제거하는 흡습부(145)를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 CO2부(140)는, 상기 엔진(150)으로부터 배출된 배출가스의 유통로 상에 구비되어 유해물을 제거하는 적어도 하나의 산화촉매(142a)(142b), 상기 산화촉매(142a)(142b)의 전방에 구비되는 적어도 하나의 산소센서(143a)(143b), 상기 산화촉매(142a)(142b)의 후방에 구비되는 NOx센서(144)를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 난방부(120)는, 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 엔진(150)에서 가열되어 외부보다 상대적으로 고온 상태인 냉각수를 외부와 열교환시켜 외부의 난방을 수행하는 난방부열교환기(120h)를 포함할 수 있다.
또한 상기 난방부(120)는, 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 온수를 생산하는 급탕온수공급부(121)를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템의 운용 방법은, 내연기관 형태로 이루어지며 주변에 냉각수가 유통되는 엔진(150)에 연료가 공급되어 동작되는 엔진동작단계; 상기 엔진(150)에 의하여 발전부(110)가 회전되어 발전이 수행되는 발전수행단계; 난방부(120)에 의하여, 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 난방이 수행되는 난방수행단계; 흡수식 냉동기 형태로 이루어지는 냉방부(130)에 의하여, 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 냉방이 수행되는 냉방수행단계; CO2부(140)에 의하여, 상기 엔진(150)으로부터 배출된 배출가스를 유통시켜 유해물을 정화하고, 상기 냉방부(130)를 통과시켜 배출가스를 냉각함으로써 배출가스에 포함된 수분을 제거하여, 배출가스에 포함된 형태로서 CO2가 공급되는 CO2공급단계; 를 포함할 수 있다.
이 때 상기 냉방수행단계는, 증발부(131) 내부가 진공에 준하는 저압으로 형성됨으로써 물을 증발시켜 수증기를 발생시키며, 상기 증발부(131) 내에 구비된 증발부열교환기(131h) 내부에 순환하는 냉매가 상기 증발부(131) 내 물을 증발시키기 위한 증발열을 제공함으로써 냉각되는 증발단계; 상기 증발부열교환기(131h)와 연결되어 냉매가 내부에 순환하는 냉방부열교환기(130h)가 상기 증발부열교환기(131h)에서 냉각되어 외부보다 상대적으로 저온 상태인 냉매를 외부와 열교환시켜 외부의 냉방을 수행하는 냉방단계; 흡수액을 내부에 수용하는 흡수부(132)로 상기 증발부(131)로부터 발생된 수증기가 유입되어 흡수액으로 흡수되는 흡수단계; 재생부(133)가 흡수부유통로(132p)를 통해 상기 흡수부(132)로부터 흡수액을 유입받고, 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 내부에 순환하는 재생부열교환기(133h)에 의하여 공급된 열이 가해져서 흡수액으로부터 수증기가 증발되어 분리됨으로써 흡수액이 재생되는 재생단계; 응축부(134)가 상기 재생부(133)로부터 발생된 수증기를 유입받아 냉각하여 응축시켜 물을 발생시켜 상기 증발부(131)로 공급하는 응축단계; 를 포함할 수 있다.
또한 상기 CO2공급단계는, 배출가스가 상기 냉방부(130)를 통과하여 냉각되는 냉각단계, 냉각에 의해 배출가스의 포화수증기량이 저감됨에 따라 배출가스 내 수분이 응축되어 물 형태로서 배출가스로부터 제거되는 탈수단계를 포함할 수 있다.
이 때 상기 냉각단계는, 배출가스가 상기 증발부(131) 내에 구비되는 CO2부열교환기(140h)를 통과하면서 상기 증발부(131) 내 물을 증발시키기 위한 증발열을 제공함으로써 냉각되도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 CO2공급단계는, 상기 탈수단계 이후에, 배출가스가 흡습제를 통과하여 배출가스에 잔존하는 수분이 더 제거되는 흡습단계를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 CO2공급단계는, 상기 냉각단계 이전에, 상기 엔진(150)으로부터 배출된 배출가스가 적어도 하나의 산화촉매(142a)(142b)를 통과하여 유해물이 정화되는 정화단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전기, 난방, 냉방, CO2 4가지를 생산하는 4중 발전 시스템에 있어서, 냉방을 위해 흡수식 냉방기 구조를 도입하고, 이 흡수식 냉방기의 냉각이 이루어지는 부분에 CO2를 포함하는 배출가스가 통과되도록 함으로써 배출가스를 냉각하여, 효과적으로 배출가스 내 수분을 제거할 수 있는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 배출가스가 유통되는 과정에서 냉각을 해 줌으로써 포화수증기량을 감소시키고, 이에 따라 배출가스 내 불필요한 수분이 응축되어 떨어져 내리게 함으로써, 기존에 비해 훨씬 수분이 제거된 배출가스를 얻을 수 있게 되는 것이다.
기존에는 4중 발전 시스템에서 발생되는 배출가스에 CO2 뿐 아니라 수분이 과도하게 포함되어 있어 이를 작물 생육용 온실에 직접 공급할 수 없는 문제가 있었으나, 본 발명에 의하면 이처럼 배출가스 내 수분이 효과적으로 제거됨에 따라, 4중 발전 시스템에서 발생되는 CO2를 충분히 안전하게 온실 내에 공급하여 활용할 수 있는 효과가 있다. 즉 기존에는 4중 발전 시스템이 실제 현장에 사용되기에 부적합하였으나, 본 발명에 의하면 CO2 공급 시 과도한 수분 공급 문제를 해결함으로써, 결과적으로 4중 발전 시스템이 실제 현장에서 실질적으로 매우 적합하게 사용될 수 있게 해 주는 효과가 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 4중 발전 시스템.
도 2는 본 발명의 4중 발전 시스템의 발전부.
도 3은 본 발명의 4중 발전 시스템의 난방부.
도 4는 본 발명의 4중 발전 시스템의 냉방부.
도 5는 본 발명의 4중 발전 시스템의 CO2부.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템 및 운용 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템
도 1은 본 발명의 4중 발전 시스템을 개략적으로 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 본 발명의 4중 발전 시스템(100)은, 발전부(110), 난방부(120), 냉방부(130), CO2부(140), 엔진(150)을 포함한다. 본 발명의 4중 발전 시스템(100)은 기본적으로, 내연기관 형태로 이루어지며 주변에 냉각수가 유통되는 상기 엔진(150)을 동작시킴으로써 전기, 난방, 냉방, CO2 4가지를 생산할 수 있도록 이루어진다. 이하에서 각부에 관하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 4중 발전 시스템의 발전부만을 보다 강조하여 도시한 것으로, 상기 발전부(110)는 상기 엔진(150)에 의하여 회전되어 발전을 수행하는 역할을 한다.
발전기란 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 장치로서, 회전 운동을 하는 회전기를 사용하여 전자기유도작용을 이용하여 기전력을 발생시키는 원리로 이루어진다. 또한 일반적으로 내연기관을 사용하는 발전기는, 내연기관에서 발생된 열을 이용하여 고온 고압의 수증기를 발생시키고, 이를 이용하여 회전기인 증기터빈을 돌림으로써 전력을 생산한다. 이러한 발전기의 구체적인 구성이나 원리는 일반적으로 널리 잘 알려져 있는 사항이므로, 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 4중 발전 시스템의 난방부만을 보다 강조하여 도시한 것으로, 상기 난방부(120)는 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 난방을 수행하는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 상기 난방부(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이 난방부열교환기(120h)를 이용하여 난방을 수행할 수 있다. 상기 난방부열교환기(120h)는 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 엔진(150)에서 가열되어 외부보다 상대적으로 고온 상태인 냉각수를 외부와 열교환시켜 외부의 난방을 수행한다. 즉 상기 난방부열교환기(120h)는, 예를 들면 라디에이터 형태로 이루어질 수도 있고, 또는 온돌방 바닥의 온수관 형태로 이루어질 수도 있는 등, 고온수의 열교환을 이용하여 난방을 수행하는 장치라면 어떤 형태로든 이루어질 수 있다.
또한 상기 난방부(120)는, 역시 도 3에 도시된 바와 같이 급탕온수공급부(121)를 더 포함할 수 있다. 상기 급탕온수공급부(121)는 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 온수를 생산한다. 보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 상기 엔진(150)을 통과하여 온 고온수 자체는 유해물 및 이물질이 섞여있을 수 있으므로 직접 이를 사람이 사용하기 위한 생활용수로서 공급하기는 어렵다. 따라서 상기 급탕온수공급부(121)에 별도 열교환기를 구비시키고, 상기 급탕온수공급부(121)에 저장되어 있거나 또는 수도관 등을 통해 공급되는 깨끗한 생활용수를 상기 별도 열교환기를 통과하는 고온수를 이용하여 가열하도록 하여, 가열된 생활용수를 공급할 수 있다.
도 4는 본 발명의 4중 발전 시스템의 냉방부만을 보다 강조하여 도시한 것으로, 상기 냉방부(130)는 흡수식 냉동기 형태로 이루어져, 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 냉방을 수행하는 역할을 한다. 상기 냉방부(130)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 크게는 증발부(131), 흡수부(132), 재생부(133), 응축부(134)를 포함한다. 각부에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 증발부(131)는 물을 내부에 수용하는 밀폐용기 형태로 형성된다. 일반적으로 대기압 상태에서 물은 100℃에서 끓는 것으로 알려져 있으나, 압력이 낮아질수록 물의 끓는점이 내려간다는 점이 잘 알려져 있다. 압력이 6~7mmHg 수준일 때 물의 끓는점은 약 5℃이다. 이러한 점을 이용하여, 상기 증발부(131) 내부를 진공에 준하는 저압(예를 들어 5mmHg)으로 형성되게 하면, 상기 증발부(131) 내부에 수용되어 있던 물은 실온에서도 쉽게 증발하여 수증기로 변하게 된다. 즉 상기 증발부(131)는, 내부가 진공에 준하는 저압으로 형성됨으로써 물을 증발시켜 수증기를 발생시키는 역할을 하는 것이다.
상기 증발부(131) 내에는, 냉매가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되는 증발부열교환기(131h)가 구비된다. 상기 증발부열교환기(131h) 내에 수용되어 있는 냉매로부터 상기 증발부(131) 내 물을 증발시키기 위한 증발열이 제공되며, 이에 따라 증발열을 빼앗긴 냉매는 그만큼 냉각되게 된다. 상기 증발부열교환기(131h)는 냉방부열교환기(130h)와 연결되어 냉매를 순환시키도록 이루어지는데, 상술한 바와 같이 상기 증발부열교환기(131h)에서 냉각되어 외부보다 상대적으로 저온 상태인 냉매가 상기 냉방부열교환기(130h)로 흘러오면, 상기 냉방부열교환기(130h)는 냉매를 외부와 열교환시켜 외부의 냉방을 수행한다. 이처럼 냉매는 상기 냉방부열교환기(130h)를 통과하면서 외부로부터 열을 흡수하여 온도가 올라가며, 온도가 올라간 냉매는 다시 상기 증발부열교환기(131h)로 흘러가 상기 증발부(131) 내 물의 증발을 위한 증발열을 제공하면서 냉매의 순환이 이루어진다.
상기 흡수부(132)는 흡수액을 내부에 수용하는 밀폐용기 형태로 형성되며, 상기 증발부(131)로부터 발생된 수증기를 유입받아 흡수액으로 흡수시키는 역할을 한다. 상기 증발부(131)에서 증발이 계속되면 수증기 분압이 점점 높아지며 이에 따라 끓는점이 올라감에 따라 적정한 냉방용량을 얻을 수 없게 된다. 이 때 상기 흡수부(132)에 수용된 흡수액은 수증기를 매우 잘 흡수하는 성질을 가지고 있어, 상기 증발부(131)에서 발생된 수증기가 상기 흡수부(132)로 흘러가서 흡수액으로 흡수됨으로써 상기 증발부(131) 내 압력 및 온도가 적절하게 유지될 수 있게 된다. 이 때 상기 흡수부(132) 내에 수용되는 흡수액은 물의 흡수성능이 뛰어난 것으로 잘 알려진 LiBr 수용액일 수 있다.
상기 재생부(133)는 역시 흡수액을 내부에 수용하는 밀폐용기 형태로 형성되며, 흡수부유통로(132p)를 통해 상기 흡수부(132)로부터 흡수액을 유입받는다. 상술한 바와 같이 상기 흡수부(132)에서 흡수액이 수증기를 흡수한다 해도, 시간이 지남에 따라 흡수액이 흡수할 수 있는 용량의 한계까지 수증기를 흡수하면 더 이상 수증기 흡수가 일어날 수 없게 된다. 이 때 상기 흡수부(132)에서 수증기를 흡수한 흡수액을 상기 재생부(133)로 흘려보낸 후, 상기 재생부(133)에서 열을 가하여 흡수액으로부터 수증기가 증발되어 분리되게 함으로써 흡수액을 재생시켜 상기 흡수부(132)로 공급함으로써, 상기 흡수부(132) 내 흡수액이 충분한 흡수 성능을 유지할 수 있게 된다.
상기 재생부(133) 내에는, 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되는 재생부열교환기(133h)가 구비된다. 상술한 바와 같이 상기 재생부(133)에서는 열을 가하여 흡수액을 재생시키는데, 물론 이 열은 별도의 히터 등으로 가해질 수도 있지만, 본 발명에서는 상기 엔진(150)으로부터 발생된 폐열을 상기 재생부(133)에서의 가열에 사용함으로써 시스템 전체 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한 이에 따라 별도의 히터 등을 구비할 필요가 없으므로 장비 구성을 위한 비용도 저감할 수 있다.
상기 응축부(134)는 수증기를 내부에 수용하는 밀폐용기 형태로 형성되며, 상기 재생부(133)로부터 발생된 수증기를 유입받아 냉각하여 응축시켜 물을 발생시켜 상기 증발부(131)로 공급하는 역할을 한다. 즉 정리하면, 상기 증발부(131) 내 수용된 물은 증발하여 수증기로 변하며, 수증기 상태로 상기 흡수부(132)로 흘러가 흡수액으로 흡수되고, 흡수액에 흡수된 상태로 상기 재생부(133)로 흘러가 가열에 의해 다시 수증기로 분리되며, 수증기 상태로 상기 응축부(134)로 흘러가 응축되어 물로 변하여 상기 증발부(131)로 다시 공급됨으로써, 상기 냉방부(130) 전체를 순환하게 된다.
상기 응축부(134) 내에는, 냉매가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되는 응축부열교환기(134h)가 구비된다. 상기 응축부열교환기(134h)는 상기 응축부(134) 내 수증기를 응축시키기 위한 응축열을 흡수하는 역할을 하는데, 이에 따라 상기 응축부열교환기(134h) 내의 냉매는 가열되게 된다. 이 때 상기 응축부열교환기(134)는 냉각탑(135)과 연결되어 냉매를 순환시키며, 상기 냉각탑(135)에서는 상기 응축부열교환기(134h)에서 냉각되어 외부보다 상대적으로 고온 상태인 냉매를 외부와 열교환시켜 냉매의 냉각을 수행하게 된다.
도 5는 본 발명의 4중 발전 시스템의 CO2부만을 보다 강조하여 도시한 것으로, 상기 CO2부(140)는 상기 엔진(150)으로부터 배출된 배출가스를 유통시켜 유해물을 정화하고, 상기 냉방부(130)를 통과시켜 배출가스를 냉각함으로써 배출가스에 포함된 수분을 제거하여, 배출가스에 포함된 형태로서 CO2를 공급하는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 상기 CO2부(140)는 상기 엔진(150)으로부터 배출된 배출가스가 내부에 유통되는 열교환기 형태로 형성되는 CO2부열교환기(140h)를 포함할 수 있다. 상기 CO2부열교환기(140h)는 상기 증발부(131) 내에 구비되며, 따라서 상기 증발부(131) 내 물을 증발시키기 위한 증발열을 제공함으로써, 상기 CO2부열교환기(140h) 내에 수용된 배출가스를 냉각할 수 있다.
상기 CO2부(140)에서 배출가스로부터 수분을 제거하는 원리를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 온도가 높아짐에 따라 포화수증기량이 높아지는데, 예를 들어 공기 온도가 45℃일 때 포화수증기량은 65g/m3이고, 공기 온도가 10℃일 때 포화수증기량은 9.5g/m3이 된다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 엔진(150)으로부터 배출되는 배출가스는 온실에 공급되기에는 과도하게 많은 수분을 포함하고 있다. 예를 들어 배출가스의 상대습도가 100%라면, 45℃인 배출가스 1m3 내에 수증기가 65g이 포함되어 있을 것이다. 그런데 이 배출가스를 상술한 바와 같이 상기 냉방부(130)를 통과시킴으로써 10℃까지 냉각한다면, 온도 저하에 따른 포화수증기량 저하로 인하여, 배출가스가 여전히 상대습도 100%를 유지하고 있다 해도 10℃의 배출가스 1m3 내에는 수증기가 9.5g밖에 포함되지 못하므로, 나머지 55.5g의 수분이 물로 응축되어 배출가스로부터 제거될 수 있게 되는 것이다.
상기 CO2부(140)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 이처럼 냉각에 의해 배출가스의 포화수증기량이 저감됨에 따라 응축되어 배출가스로부터 제거된 물을 외부로 배출시키는 드레인부(141)를 포함함으로써, 효과적으로 배출가스로부터 수분을 제거할 수 있다. 더불어 상기 CO2부(140)는 흡습제를 수용하는 용기 형태로 형성되는 흡습부(145)를 더 포함할 수 있는데, 상기 흡습부(145)는 상기 드레인부(141) 후단에 구비되어, 상기 냉방부(130)를 통과하면서 수분이 어느 정도 제거된 배출가스에 아직 잔존하는 수분을 더 흡수하여 제거하는 역할을 한다. 이와 같이 함으로써 상기 CO2부(140)는 매우 효과적으로 배출가스 내 수분을 제거할 수 있으며, 결과적으로 충분히 건조하며 CO2 함유량이 높은 배출가스를 온실 내에 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이 상기 CO2부(140)의 궁극적인 목적은 작물을 생육하는 온실에 CO2를 공급하는 것이며, 이 때 CO2는 배출가스에 포함된 형태로서 공급된다. 이 때 배출가스에 유해물질이 섞여있을 경우 작물 생육에 악영향을 끼칠 수 있으므로, 상기 CO2부(140)는 이러한 유해물질을 제거하도록, 상기 엔진(150)으로부터 배출된 배출가스의 유통로 상에 구비되어 유해물을 제거하는 적어도 하나의 산화촉매(142a)(142b), 상기 산화촉매(142a)(142b)의 전방에 구비되는 적어도 하나의 산소센서(143a)(143b), 상기 산화촉매(142a)(142b)의 후방에 구비되는 NOx센서(144) 등과 같은 유해물 제거 구성을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 수분 제거 구조를 가지는 4중 발전 시스템의 운용 방법
상술한 바와 같이 본 발명의 4중 발전 시스템은, 상기 엔진(150)을 동작시킴으로써 전기, 난방, 냉방, CO2 4가지를 생산하며, 이 과정에서 냉방을 위해 흡수식 냉방기를 사용함으로써 시스템 효율을 향상하고, 더불어 배출가스를 흡수식 냉방기를 이용하여 냉각함으로써 배출가스 내 포함된 수분을 효과적으로 제거할 수 있으며, 이에 따라 궁극적으로 온실에 불필요한 습도 상승 원인을 제거된 CO2를 효과적으로 공급해 줄 수 있다. 앞서 각부의 구성을 설명하면서 어느 정도 설명이 되었겠으나, 상기 4중 발전 시스템(100)의 운용 방법을 다시 한 번 단계적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 4중 발전 시스템의 운용 방법은, 크게 엔진동작단계, 발전수행단계, 난방수행단계, 냉방수행단계, CO2공급단계를 포함한다.
상기 엔진동작단계에서는, 내연기관 형태로 이루어지며 주변에 냉각수가 유통되는 상기 엔진(150)에 연료가 공급되어 동작이 이루어진다. 이에 따라 상기 엔진(150) 주변에 유통되는 냉각수가 고온으로 가열되며, 이 에너지에 의해 이하의 여러 단계들이 이루어질 수 있게 된다.
상기 발전수행단계에서는, 상기 엔진(150)에 의하여 상기 발전부(110)가 회전되어 발전이 수행된다. 보다 구체적으로는, 상기 발전수행단계는 앞서 설명한 바와 같이, 상기 엔진(150)에서 발생된 고열에 의해 고온 고압의 증기를 발생시키고, 이 증기로 발전기에 연결된 증기터빈을 회전시킴으로써 전기를 생산하는 방식으로 이루어질 수 있다.
상기 난방수행단계에서는, 상기 난방부(120)에 의하여, 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 난방이 수행된다. 이 때 난방 동작은 상기 난방부열교환기(120h)를 이용한 실내 난방이 될 수도 있고, 상기 급탕온수공급부(121)를 이용한 급탕온수 공급이 될 수도 있다.
상기 냉방수행단계에서는, 흡수식 냉동기 형태로 이루어지는 상기 냉방부(130)에 의하여, 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 냉방이 수행된다.
상기 CO2공급단계에서는, CO2부(140)에 의하여, 상기 엔진(150)으로부터 배출된 배출가스를 유통시켜 유해물을 정화하고, 상기 냉방부(130)를 통과시켜 배출가스를 냉각함으로써 배출가스에 포함된 수분을 제거하여, 배출가스에 포함된 형태로서 CO2가 공급된다.
상기 냉방수행단계를 보다 세부적인 단계별로 설명하자면, 상기 냉방수행단계는 증발단계, 냉방단계, 흡수단계, 재생단계, 응축단계를 포함할 수 있다.
상기 증발단계에서는, 상기 증발부(131) 내부가 진공에 준하는 저압으로 형성됨으로써 물을 증발시켜 수증기를 발생시키며, 상기 증발부(131) 내에 구비된 상기 증발부열교환기(131h) 내부에 순환하는 냉매가 상기 증발부(131) 내 물을 증발시키기 위한 증발열을 제공함으로써 냉각된다.
상기 냉방단계에서는, 상기 증발부열교환기(131h)와 연결되어 냉매가 내부에 순환하는 냉방부열교환기(130h)가 상기 증발부열교환기(131h)에서 냉각되어 외부보다 상대적으로 저온 상태인 냉매를 외부와 열교환시켜 외부의 냉방을 수행한다.
상기 흡수단계에서는, 흡수액을 내부에 수용하는 상기 흡수부(132)로 상기 증발부(131)로부터 발생된 수증기가 유입되어 흡수액으로 흡수된다.
상기 재생단계에서는, 상기 재생부(133)가 상기 흡수부유통로(132p)를 통해 상기 흡수부(132)로부터 흡수액을 유입받고, 상기 엔진(150)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 내부에 순환하는 상기 재생부열교환기(133h)에 의하여 공급된 열이 가해져서 흡수액으로부터 수증기가 증발되어 분리됨으로써 흡수액이 재생된다.
상기 응축단계에서는, 상기 응축부(134)가 상기 재생부(133)로부터 발생된 수증기를 유입받아 냉각하여 응축시켜 물을 발생시켜 상기 증발부(131)로 공급하며, 이처럼 물이 상기 증발부(131)로 공급됨으로써 물이 상기 냉방부(130) 전체를 순환할 수 있게 된다.
상기 CO2공급단계를 보다 세부적인 단계별로 설명하자면, 상기 CO2공급단계는 냉각단계, 탈수단계를 포함할 수 있으며, 여기에 정화단계, 흡습단계를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각단계에서는, 상기 배출가스가 상기 냉방부(130)를 통과하여 냉각된다. 보다 구체적으로는, 배출가스가 상기 증발부(131) 내에 구비되는 CO2부열교환기(140h)를 통과하면서 상기 증발부(131) 내 물을 증발시키기 위한 증발열을 제공함으로써 냉각되도록 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 탈수단계에서는, 냉각에 의해 배출가스의 포화수증기량이 저감됨에 따라 배출가스 내 수분이 응축되어 물 형태로서 배출가스로부터 제거된다. 이렇게 제거된 물은 앞서 설명한 바와 같이 상기 드레인부(141)를 통해 배출가스가 흘러가는 통로로부터 배출됨으로써 완전히 제거될 수 있다.
더불어 상기 CO2공급단계는, 상기 탈수단계 이후에, 배출가스가 흡습제를 통과하여 배출가스에 잔존하는 수분이 더 제거되는 흡습단계를 더 포함함으로써, 보다 더 건조한 CO2를 얻을 수 있다.
또한 상기 CO2공급단계는, 상기 냉각단계 이전에, 상기 엔진(150)으로부터 배출된 배출가스가 적어도 하나의 산화촉매(142a)(142b)를 통과하여 유해물이 정화되는 정화단계를 더 포함함으로써, 온실 내 작물 생육에 악영향을 끼치는 유해물을 미리 제거할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 4중 발전 시스템
110: 발전부
120: 난방부 120h: 난방부열교환기
121: 급탕온수공급부
130: 냉방부 130h: 냉방부열교환기
131: 증발부 131h: 증발부열교환기
132: 흡수부 132p : 흡수부유통로
133: 재생부 133h: 재생부열교환기
134: 응축부 134: 응축부열교환기
135: 냉각탑
140: CO2부 140h: CO2부열교환기
141: 드레인부
142a, 142b: 산화촉매 143a, 143b: 산소센서
144: NOx센서 145: 수분흡수부

Claims (14)

  1. 내연기관 형태로 이루어지며 주변에 냉각수가 유통되는 엔진;
    상기 엔진에 의하여 회전되어 발전을 수행하는 발전부;
    상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 난방을 수행하는 난방부;
    흡수식 냉동기 형태로 이루어져, 상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 냉방을 수행하는 냉방부;
    상기 엔진으로부터 배출된 배출가스를 유통시켜 유해물을 정화하고, 상기 냉방부를 통과시켜 배출가스를 냉각함으로써 배출가스에 포함된 수분을 제거하여, 배출가스에 포함된 형태로서 CO2를 공급하는 CO2부;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 냉방부는,
    물을 내부에 수용하는 밀폐용기 형태로 형성되며, 내부가 진공에 준하는 저압으로 형성됨으로써 물을 증발시켜 수증기를 발생시키는 증발부,
    냉매가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 증발부 내에 구비되어 상기 증발부 내 물을 증발시키기 위한 증발열을 제공함으로써 냉매를 냉각시키는 증발부열교환기,
    상기 증발부열교환기와 연결되어 냉매가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 증발부열교환기에서 냉각되어 외부보다 상대적으로 저온 상태인 냉매를 외부와 열교환시켜 외부의 냉방을 수행하는 냉방부열교환기,
    흡수액을 내부에 수용하는 밀폐용기 형태로 형성되며, 상기 증발부로부터 발생된 수증기를 유입받아 흡수액으로 흡수시키는 흡수부,
    흡수액을 내부에 수용하는 밀폐용기 형태로 형성되며, 흡수부유통로를 통해 상기 흡수부로부터 흡수액을 유입받고, 열을 가하여 흡수액으로부터 수증기가 증발되어 분리되게 함으로써 흡수액을 재생시켜 상기 흡수부(132)로 공급하는 재생부,
    상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 재생부로 열을 공급하는 재생부열교환기,
    수증기를 내부에 수용하는 밀폐용기 형태로 형성되며, 상기 재생부로부터 발생된 수증기를 유입받아 냉각하여 응축시켜 물을 발생시켜 상기 증발부로 공급하여 순환시키는 응축부,
    냉매가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 응축부 내에 구비되어 상기 응축부 내 수증기를 응축시키기 위한 응축열을 흡수함으로써 냉매를 가열시키는 응축부열교환기,
    상기 응축부열교환기와 연결되어 냉매가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 응축부열교환기에서 냉각되어 외부보다 상대적으로 고온 상태인 냉매를 외부와 열교환시켜 냉매의 냉각을 수행하는 냉각탑
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 CO2부는,
    상기 엔진으로부터 배출된 배출가스가 내부에 유통되는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 증발부 내에 구비되어 상기 증발부 내 물을 증발시키기 위한 증발열을 제공함으로써 배출가스를 냉각시키는 CO2부열교환기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 CO2부는,
    냉각에 의해 배출가스의 포화수증기량이 저감됨에 따라 응축되어 배출가스로부터 제거된 물을 외부로 배출시키는 드레인부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 CO2부는,
    흡습제를 수용하는 용기 형태로 형성되며, 상기 드레인부 후단에 구비되어 배출가스에 잔존하는 수분을 더 흡수하여 제거하는 흡습부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 CO2부는,
    상기 엔진으로부터 배출된 배출가스의 유통로 상에 구비되어 유해물을 제거하는 적어도 하나의 산화촉매,
    상기 산화촉매의 전방에 구비되는 적어도 하나의 산소센서,
    상기 산화촉매의 후방에 구비되는 NOx센서
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 난방부는,
    상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 내부에 순환하는 열교환기 형태로 형성되며, 상기 엔진에서 가열되어 외부보다 상대적으로 고온 상태인 냉각수를 외부와 열교환시켜 외부의 난방을 수행하는 난방부열교환기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 난방부는,
    상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 온수를 생산하는 급탕온수공급부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템.
  9. 내연기관 형태로 이루어지며 주변에 냉각수가 유통되는 엔진에 연료가 공급되어 동작되는 엔진동작단계;
    상기 엔진에 의하여 발전부가 회전되어 발전이 수행되는 발전수행단계;
    난방부에 의하여, 상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 난방이 수행되는 난방수행단계;
    흡수식 냉동기 형태로 이루어지는 냉방부에 의하여, 상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수를 이용하여 냉방이 수행되는 냉방수행단계;
    CO2부에 의하여, 상기 엔진으로부터 배출된 배출가스를 유통시켜 유해물을 정화하고, 상기 냉방부를 통과시켜 배출가스를 냉각함으로써 배출가스에 포함된 수분을 제거하여, 배출가스에 포함된 형태로서 CO2가 공급되는 CO2공급단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템의 운용 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 냉방수행단계는,
    증발부 내부가 진공에 준하는 저압으로 형성됨으로써 물을 증발시켜 수증기를 발생시키며, 상기 증발부 내에 구비된 증발부열교환기 내부에 순환하는 냉매가 상기 증발부 내 물을 증발시키기 위한 증발열을 제공함으로써 냉각되는 증발단계;
    상기 증발부열교환기와 연결되어 냉매가 내부에 순환하는 냉방부열교환기가 상기 증발부열교환기에서 냉각되어 외부보다 상대적으로 저온 상태인 냉매를 외부와 열교환시켜 외부의 냉방을 수행하는 냉방단계;
    흡수액을 내부에 수용하는 흡수부로 상기 증발부로부터 발생된 수증기가 유입되어 흡수액으로 흡수되는 흡수단계;
    재생부가 흡수부유통로를 통해 상기 흡수부로부터 흡수액을 유입받고, 상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 내부에 순환하는 재생부열교환기에 의하여 공급된 열이 가해져서 흡수액으로부터 수증기가 증발되어 분리됨으로써 흡수액이 재생되는 재생단계;
    응축부가 상기 재생부로부터 발생된 수증기를 유입받아 냉각하여 응축시켜 물을 발생시켜 상기 증발부로 공급하여 순환시키는 응축단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템의 운용 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 CO2공급단계는,
    배출가스가 상기 냉방부(130)를 통과하여 냉각되는 냉각단계,
    냉각에 의해 배출가스의 포화수증기량이 저감됨에 따라 배출가스 내 수분이 응축되어 물 형태로서 배출가스로부터 제거되는 탈수단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템의 운용 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 냉각단계는,
    배출가스가 상기 증발부(131) 내에 구비되는 CO2부열교환기(140h)를 통과하면서 상기 증발부(131) 내 물을 증발시키기 위한 증발열을 제공함으로써 냉각되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템의 운용 방법.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 CO2공급단계는,
    상기 탈수단계 이후에,
    배출가스가 흡습제를 통과하여 배출가스에 잔존하는 수분이 더 제거되는 흡습단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템의 운용 방법.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 CO2공급단계는,
    상기 냉각단계 이전에,
    상기 엔진(150)으로부터 배출된 배출가스가 적어도 하나의 산화촉매(142a)(142b)를 통과하여 유해물이 정화되는 정화단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 발전 시스템의 운용 방법.
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