KR20240071235A - 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치 및 고온수 생산 방법 - Google Patents

원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치 및 고온수 생산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 원자력발전소 등에서 생성된 폐열을 이용하여 히트펌프를 작동시킴으로써, 소정의 공정에 이용되는 고온수를 생성하는 기술을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치는, 일 부위에는 원자력발전소의 폐열에 의해 가열된 폐열수를 통과시키고 타 부위에는 냉매를 통과시켜, 폐열수와 냉매를 열교환시키는 증발기; 증발기를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 압축시키는 압축부; 압축부를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 응축시키며, 냉매와 외부로부터 공급된 유체인 공급수 간 열교환시켜 공급수를 가열시키는 응축기; 응축기를 통과한 냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브; 및 제1팽창밸브를 통과한 후 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브를 포함한다.

Description

원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치 및 고온수 생산 방법 {A device for producing high-temperature water and a method for producing high-temperature water by using a heat pump using waste heat generated from a condenser of a nuclear power plant}
본 발명은 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치 및 고온수 생산 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 원자력발전소 등에서 생성된 폐열을 이용하여 히트펌프를 작동시킴으로써, 소정의 공정에 이용되는 고온수를 생성하는 기술에 관한 것이다.
원자력발전 등 대규모 발전시스템은 연료에서 발생한 열에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서, 입력과 출력의 비율인 에너지 전환율을 높이기 위하여 다양한 방법이 사용되고 있다. 예를 들어, 비열이 가장 큰 물을 작동유체로 사용하면서 최적의 효율을 낼 수 있도록 단열압축, 등압가열, 단열팽창, 및 등압 방열의 프로세스로 구성된 랭킨 사이클(Rankine Cycle)이 발전시스템에 실제 적용되고 있다.
이러한 랭킨 사이클은 터빈의 열낙차를 크게 하기 위한 등압방열의 과정에서 복수기에서 다량의 냉각수를 사용해 발전소의 터빈에서 생성된 증기를 냉각시키고 있으며, 이와 같은 증기의 냉각에 이용되어 가열된 냉각수(해수 등)의 열에너지는 유효하게 이용되지 못하고, 외부로 방열되고 있는 실정이다.
본 발명은, 상기와 같이 원자력발전소 등의 복수기에서 생성되는 폐열을 이용하기 위해 안출된 것이며, 폐열을 이용하여 효율적으로 고온수를 생성하는 기술에 대한 것이다.
대한민국 등록특허 제10-0609455호(발명의 명칭: 폐열회수 시스템)에서는, 응축기, 증발기, 팽창밸브, 및 압축기를 구비하는 히트펌프, 및 수원로부터 공급되는 공급액체와 사용부에서 사용된 후 배출되는 폐수를 열교환시키기 위한 폐열회수용 열교환기를 포함하고, 상기 수원에서 공급되는 공급액체는 상기 폐열회수용 열교환기에서 1차 가열되고, 이후 상기 히트펌프의 응축기에서 2차 가열되어 상기 사용부로 공급되며, 상기 폐수는 상기 폐열회수용 열교환기에서 1차 냉각되고, 이후 상기 히트펌프의 증발기에서 2차 냉각되어 배출되는 히트펌프식 폐열회수 시스템이 개시되어 있다.
대한민국 등록특허 제10-0609455호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 원자력발전소 등에서 생성된 폐열을 이용하여 히트펌프를 작동시킴으로써, 소정의 공정에 이용되는 고온수를 생성하는 것이다.
본 발명의 목적은, 원자력발전소 등에서 발생하는 폐열의 회수 효율을 증대시킴으로써, 주위 환경으로 배출되는 폐열을 최소화시키는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 일 부위에는 원자력발전소의 폐열에 의해 가열된 폐열수를 통과시키고 타 부위에는 냉매를 통과시켜, 상기 폐열수와 냉매를 열교환시키는 증발기; 상기 증발기를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 압축시키는 압축부; 상기 압축부를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 응축시키며, 냉매와 외부로부터 공급된 유체인 공급수 간 열교환시켜 상기 공급수를 가열시키는 응축기; 상기 응축기를 통과한 냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브; 및 상기 제1팽창밸브를 통과한 후 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 폐열수는, 상기 원자력발전소의 복수기를 통과하면서 상기 원자력발전소에서 생성된 증기와 열교환을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 복수기를 통과하면서 상기 증기와 열교환을 수행하여 가열된 냉각용수와 상기 폐열수 간 열교환시키는 폐열회수열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제1팽창밸브를 통과한 냉매를 전달받아 압력을 감소시키는 플래시탱크를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 압축부는, 상기 증발기를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 압축시키는 제1압축기; 및 상기 제1압축기를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 압축시키는 제2압축기를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 플래시탱크는 저장된 냉매의 일부를 상기 제2압축기로 전달할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 응축기를 통과한 상기 공급수의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 온도센서로부터 상기 공급수의 온도 정보를 전달받고, 상기 압축부의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 냉매는 R1224yd, R1233zd, R1234ze 및 R1336mzz으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 증발기에서 상기 폐열수와 냉매 간 열교환이 수행되어 냉매가 가열되는 제1단계; 상기 증발기로부터 배출된 냉매가 상기 압축부를 통과하면서 가압되어 온도가 상승하여 상기 응축기로 전달되는 제2단계; 상기 응축기에서 냉매와 상기 공급수 간 열교환이 수행되어 상기 공급수의 온도가 증가하는 제3단계; 및 상기 응축기로부터 배출된 냉매가 상기 제1팽창밸브와 상기 제2팽창밸브 통과 후 상기 증발기로 전달되는 제4단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 응축기를 통과하면서 가열된 상기 공급수가 상기 응축기로부터 배출되어 소정의 장비로 공급되는 제5단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제3단계에서, 상기 응축기의 포화온도는 100~120℃일 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 원자력발전소의 생성된 증기에 의한 폐열을 이용하여 히트펌프 방식으로 고온의 공급수를 생성하고, 이와 같은 공급수를 다른 공정에 이용할 수 있으므로, 주위 환경으로 배출되는 폐열을 최소화함으로써 주위 환경의 온도 상승에 따른 생태계 변화 등의 문제를 미연에 방지할 수 있다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 본 발명의 히트펌프 장치와 연결되는 다른 공정의 장비에 증기 또는 고온수를 제공할 수 있어, 다른 공정의 장비에 의한 제조품의 제조 비용을 절감시킬 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 히트펌프 장치의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 히트펌프 장치의 일 부위에 대한 구성도이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉매 관련 COP 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉매 관련 과열도 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 히트펌프 장치의 공정도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 히트펌프 장치의 일 부위에 대한 구성도이다.
도 1과 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 히트펌프 장치는, 일 부위에는 원자력발전소의 폐열에 의해 가열된 폐열수를 통과시키고 타 부위에는 냉매를 통과시켜, 폐열수와 냉매를 열교환시키는 증발기(200); 증발기(200)를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 압축시키는 압축부; 압축부를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 응축시키며, 냉매와 외부로부터 공급된 유체인 공급수 간 열교환시켜 공급수를 가열시키는 응축기(100); 응축기(100)를 통과한 냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(410); 및 제1팽창밸브(410)를 통과한 후 증발기(200)로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브(420)를 포함한다.
여기서, 폐열수는 외부로부터 공급되는 물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 물 외에 가열에 용이한 유체는 폐열수와 같이 폐열 회수를 위한 유체로 이용될 수 있다.
그리고, 압축부는, 증발기(200)를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 압축시키는 제1압축기(310); 및 제1압축기(310)를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 압축시키는 제2압축기(320)를 구비할 수 있다.
상기와 같은 제1압축기(310)와 제2압축기(320)에 의해 냉매는 다단으로 압축될 수 있으며, 제1압축기(310)에서 압축된 냉매를 제2압축기(320)에서 추가적으로 압축할 수 있으므로, 냉매의 압축 효율을 증대시킴과 동시에, 제1압축기(310)의 작동 제어에 의해 압축된 냉매에 대한 추가 압축을 위한 제2압축기(320)의 작동 제어를 수행할 수 있음로써, 압축부에서의 냉매 압축 제어가 정밀하게 수행되어, 결과적으로 본 발명의 히트펌프 장치의 히터펌프 사이클 효율을 증대시킬 수 있다.
도 2의 (a)는 복수기(10)와 증발기(200)가 연결된 구성에 대한 것이고, 도 2의 (b)는 복수기(10)와 증발기(200) 사이에 폐열회수열교환기(600)가 형성된 구성에 대한 것이다.
도 2의 (a)에서 보는 바와 같이, 본 발명의 고온수 생상 장치 관련 하나의 실시 예로써, 폐열수는, 원자력발전소의 복수기(10)를 통과하면서 원자력발전소에서 생성된 증기와 열교환을 수행할 수 있다.
원자력발전소의 터빈을 통과한 증기가 배출 후 복수기(10)를 통과하게 되며, 이 때, 복수기(10)에서는 증기의 냉각을 위하여 상기된 폐열수가 통과할 수 있고, 이에 따라, 폐열수가 가열되며, 가열된 폐열수가 증발기(200)로 공급되고, 증발기(200)에서 폐열수와 냉매의 열교환에 의해 폐열수가 냉각됨과 동시에 냉매가 가열될 수 있다.
그리고, 도 2의 (b)에서 보는 바와 같이, 본 발명의 고온수 생상 장치 관련 다른 실시 예로써, 본 발명의 히트펌프 장치는, 복수기(10)를 통과하면서 증기와 열교환을 수행하여 가열된 냉각용수와 폐열수 간 열교환시키는 폐열회수열교환기(600)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 냉각용수는 해수일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 강물 등 다른 유체가 이용될 수 있다.
원자력발전소의 터빈을 통과한 증기가 배출 후 복수기(10)를 통과하게 되며, 이 때, 복수기(10)에서는 증기의 냉각을 위하여 냉각용수가 통과할 수 있고, 이에 따라, 증기가 냉각됨과 동시에 냉각용수가 가열될 수 있다.
또한, 가열된 냉각용수가 폐열회수열교환기(600)로 공급되고 폐열수가 폐열회수열교환기(600)로 공급되어, 폐열회수열교환기(600)에서 냉각용수와 폐열수 간 열교환이 수행됨으로써, 냉각용수가 냉각됨과 동시에 폐열수가 가열될 수 있다. 그리고, 가열된 폐열수가 증발기(200)로 공급되고, 증발기(200)에서 폐열수와 냉매의 열교환에 의해 폐열수가 냉각됨과 동시에 냉매가 가열될 수 있다.
상기와 같이, 원자력발전소의 생성된 증기에 의한 폐열을 이용하여 히트펌프 방식으로 고온(100~120℃)의 공급수를 생성하고, 이와 같은 공급수를 다른 공정에 이용할 수 있으므로, 주위 환경으로 배출되는 폐열을 최소화함으로써 주위 환경의 온도 상승에 따른 생태계 변화 등의 문제를 미연에 방지할 수 있다.
그리고, 원자력발전소의 폐열을 이용하여 가열된 냉매를 이용하므로, 냉매의 가열을 위해 압축기에 공급되는 에너지를 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 고온수의 생성에 이용되는 에너지를 감소시켜, 장치의 에너지 효율을 증대시킬 수 있다.
증발기(200)는, 폐열수가 증발기(200)로 공급 시 유로를 제공하는 폐열수투입관(220); 및 증발기(200)를 통과한 폐열수가 배출 시 유로를 제공하는 폐열수배출관(210)을 구비할 수 있다.
그리고, 응축기(100)는, 공급수가 응축기(100)로 공급 시 유로를 제공하는 공급수투입관(120); 및 응축기(100)를 통과한 공급수가 배출 시 유로를 제공하는 공급수배출관(110)을 구비할 수 있다.
본 발명의 히트펌프 장치는, 응축기(100)를 통과한 공급수의 온도를 측정하는 온도센서(520)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 응축기(100)를 통과하면서 가열된 공급수가 유동하는 공급수배출관(110)에 온도센서(520)가 설치됨으로써, 공급수가 이용되는 소정의 장비에 대한 공급수의 공급 온도를 측정할 수 있다.
그리고, 본 발명의 히트펌프 장치는, 온도센서(520)로부터 공급수의 온도 정보를 전달받고, 압축부의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제어부가 플래시탱크(510), 각각의 팽창밸브, 증발기(200) 및 응축기(100)로 제어신호를 전달하여 각각의 구성에 대해 제어를 수행할 수 있음은 물론이다.
제어부에는 응축기(100)를 통과하여 가열된 공급수의 온도에 대한 기준 값인 공급온도기준범위가 사전에 저장되어 있으며, 제어부에서 공급수의 온도 정보에 의한 공급수의 온도가 공급온도기준범위 최소값 미만인 것으로 판단되는 경우, 제어부는 제1압축기(310) 또는 제2압축기(320)로 제어신호를 전달하여, 제1압축기(310) 또는 제2압축기(320)에 의한 냉매의 압축량이 증대됨으로써, 공급수의 온도가 증가되도록 할 수 있다.
그리고, 제어부에서 공급수의 온도 정보에 의한 공급수의 온도가 공급온도기준범위 최대값 초과인 것으로 판단되는 경우, 제어부는 제1압축기(310) 또는 제2압축기(320)로 제어신호를 전달하여, 제1압축기(310) 또는 제2압축기(320)에 의한 냉매의 압축량이 감소되거나, 제1압축기(310) 또는 제2압축기(320)의 작동이 정지됨으로써, 공급수의 온도가 감소되도록 할 수 있다.
본 발명의 히트펌프 장치는, 제1팽창밸브(410)를 통과한 냉매를 전달받아 압력을 감소시키는 플래시탱크(510)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 플래시탱크(510)는 제1팽창밸브(410)로부터 전달된 냉매의 일부를 제2압축기(320)로 전달할 수 있다.
상기와 같이, 팽창밸브도 다단으로 형성되어 제1팽창밸브(410)에서 팽창된 냉매가 제2팽창밸브(420)를 통과하면서 추가적으로 팽창되는 구조를 구비할 수 있으며, 이와 같은 구조에 의해 냉매의 팽창 효율을 증대시킴과 동시에, 제1팽창밸브(410)의 작동 제어에 의해 팽창된 냉매에 대한 추가 팽창을 위한 제2팽창밸브(420)의 작동 제어를 수행할 수 있음으로써, 각각의 팽창밸브에 의한 냉매 팽창 제어가 정밀하게 수행되어, 결과적으로 본 발명의 히트펌프 장치의 히터펌프 사이클 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 플래시탱크(510)는 제1팽창밸브(410)로부터 전달받은 냉매를 감압시키고, 제1팽창밸브(410)로부터 전달받은 냉매 중 기화되어 기체인 냉매를 제2팽창밸브(420)로 전달하며, 제1팽창밸브(410)로부터 전달받은 냉매 중 액체인 냉매를 제2압축기(320)로 전달할 수 있다.
플래시탱크(510)에서, 제1팽창밸브(410)로부터 전달받은 냉매 중 액체인 냉매는, 제1압축기(310)로부터 제2압축기(320)로 유동하는 냉매의 유로에 공급되어 제2압축기(320)로 전달될 수 있으며, 이에 따라, 냉매가 외부로 드레인되지 않고 사이클 순환에 재활용될 수 있다.
플래시탱크(510)에서, 제1팽창밸브(410)로부터 전달받은 냉매 중 기체인 냉매는, 제2팽창밸브(420)로 전달될 수 있으며, 제1팽창밸브(410)에 의해 감압된 냉매가 추가적으로 감압되어 제2팽창밸브(420)로 전달되므로, 증발기(200)로 공급되는 냉매의 감압 효율이 증대되어, 결과적으로, 본 발명의 히트펌프 장치의 히트펌프 사이클의 효율이 증대될 수 있다.
냉매는 R1224yd, R1233zd, R1234ze 및 R1336mzz으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다. 국제적 변화에 따라 냉매는 HFO계열의 친환경 냉매가 이용될 수 있으며, 그 중에서도 상기와 같은 냉매가 사용될 수 있다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉매 관련 COP 그래프이다. 구체적으로, 도 3은, R1224yd, R1233zd, R1234ze 및 R1336mzz 각각에 대한 COP 값을 나타낸 그래프이고, 도 4는 도 3의 그래프의 중앙 부위에 대한 확대 그래프이다.
먼저, 하기의 [표 1]에서 보는 바와 같이, 각 냉매별 임계온도 등을 비교할 수 있다.
[표 1]
[표 1]에서는, 각각의 냉매에 대해, 임계온도(Tcritical), 임계압력(Pcritical), 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential), 오존파괴지수(Ozone Depletion Potential) 및 안전분류등급(Class) 각각의 값이 표시되어 있다.
[표 1]에서 보는 바와 같이, 임계온도, 안전분류 등급 등을 볼 때 R1234ze(Z)를 제외한 나머지 냉매를 사용하는 것이 합리적일 수 있다.
본 발명의 히트펌프 장치의 성능 분석을 위하여, 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 분석을 수행하였으며, 이 때, 증발기(200)에서 폐열수와 냉매 간 직접 열교환이 수행되고, 증발기(200)의 포화온도는 25℃로 설정하며, 응축기(100)의 포화온도는 100~120℃로 설정하였다. 또한, 제1압축기(310)와 제2압축기(320) 각각의 효율(η)은 0.8로 하였다.
그리고, 본 발명의 히트펌프 장치는 COP(Coefficient of Performance, 성능계수)로 비교되며, R1224yd, R1233zd, R1234ze 및 R1336mzz 각각의 냉매를 이용하여, 각각 별도로 본 발명의 히트펌프 장치의 성능 분석을 수행하였다.
도 3과 도 4에서 보는 바와 같이, 활용온도에 따라, 냉매별COP를 비교하면 도 3미 도 4와 같이 나타날 수 있다. COP가 1인 경우는 효율이 100%라는 의미이며, 포화온도120도인 경우에는, 4종의 냉매 모두COP가2.5 이상을 나타냄을 확인할 수 있다.
그리고, 본 발명의 히트펌프 장치의 히트펌프 사이클에서 응축기(100)의 포화온도 120℃ 기준 COP는 R1336mzz(Z)가 가장 높은 것으로 나타났다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉매 관련 과열도 그래프이다. 도 5에서, 가로축에는 각각의 냉매가 표시되어 있으며, 세로축에는 과열도(Wall superheat)가 표시되어 있다.
다만, 도 5에서 보는 바와 같이, 증발기(200)에서 필요되는 과열도를 분석한 결과 R1336mzz(Z)와 R1224yd(Z)는 다른 냉매에 비해 상대적으로 높은 과열도가 요구되고, 증발기(200)의 과열도가 높다는 것은 그만큼 열교환의 효율이 저하된다는 의미로 해석할 수 있으므로, 가급적 과열도가 높게 요구되는 냉매는 회피할 수 있다.
상기와 같은 사항을 반영하여, 요구되는 수준에 적합한 COP를 구비하면서도 과열도가 상대적으로 낮게 요구되는 R1233zd(E)가 타당한 냉매로 선택될 수 있다.
최종적으로, 본 발명의 히트펌프 장치에서 응축기(100) 포화 온도에 따른 최적 운전조건을 정리하면 하기의 [표 2]와 같이 형성될 수 있다. 여기서, 냉매는 R1233zd(E)이다.
[표 2]
[표 2]에서는, 각각의 고온수 온도(Thigh)에 대해, 증발기(200) 포화온도(Teva), 증발기(200) 압력(Peva), 플래시탱크(510) 압력(Pflash), 응축기(100) 압력(Pcon), 제1압축기(310)에서의 최고 압축압력 대비 적용 압축압력 비율(Pr,1), 제2압축기(320)에서의 최고 압축압력 대비 적용 압축압력 비율(Pr,2) 및 COP 각각의 값이 표시되어 있다.
상기와 같은 본 발명의 히트펌프 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 철강 제조 시스템을 형성할 수 있다. 구체적으로, 철강 제조 시스템을 포함한 공장은 해안가에 위치하는 경우가 많으며, 원자력발전소에서는 상기된 냉각용수로써 해수를 다수 이용하므로, 본 발명의 히트펌프 장치에 의한 고온수를 철강 제조 시스템에서 이용하기에 용이할 수 있다.
이하, 본 발명의 히트펌프 장치를 이용한 본 발명의 고온수 생산 방법에 대해서 설명하기로 한다.
먼저, 제1단계에서, 증발기(200)에서 폐열수와 냉매 간 열교환이 수행되어 냉매가 가열될 수 있다. 또한, 상기된 제1단계 수행 후 제2단계에서, 증발기(200)로부터 배출된 냉매가 압축부를 통과하면서 가압되어 온도가 상승하여 응축기(100)로 전달될 수 있다.
다음으로, 상기된 제2단계 수행 후 제3단계에서, 응축기(100)에서 냉매와 공급수 간 열교환이 수행되어 공급수의 온도가 증가할 수 있다. 여기서, 제3단계에서, 응축기의 포화온도는 100~120℃일 수 있다.
또한, 상기된 제3단계 수행 후 제4단계에서, 응축기(100)로부터 배출된 냉매가 제1팽창밸브(410)와 제2팽창밸브(420) 통과 후 증발기(200)로 전달될 수 있다. 그리고, 응축기(100)를 통과하면서 가열된 공급수가 응축기(100)로부터 배출되어 소정의 장비로 공급되는 제5단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 고온수 생산 방법에 대한 나머지 상세한 사항은 상기된 본 발명의 히트펌프 장치에 기재된 사항과 동일하다.
상기와 같은 본 발명의 히트펌프 장치를 이용함으로써, 해수 온도의 상승 등을 최소화하여 환경 온도 상승에 따른 생태계 변화로 인한 불균형 등을 미연에 방지할 수 있다.
그리고, 본 발명의 히트펌프 장치와 연결되는 다른 공정의 장비에 증기 또는 고온수를 제공할 수 있어, 다른 공정의 장비에 의한 제조품의 제조 비용을 절감시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 복수기
100 : 응축기
110 : 공급수배출관
120 : 공급수투입관
200 : 증발기
210 : 폐열수배출관
220 : 폐열수투입관
310 : 제1압축기
320 : 제2압축기
410 : 제1팽창밸브
420 : 제2팽창밸브
510 : 플래시탱크
520 : 온도센서
600 : 폐열회수열교환기

Claims (13)

  1. 일 부위에는 원자력발전소의 폐열에 의해 가열된 폐열수를 통과시키고 타 부위에는 냉매를 통과시켜, 상기 폐열수와 냉매를 열교환시키는 증발기;
    상기 증발기를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 압축시키는 압축부;
    상기 압축부를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 응축시키며, 냉매와 외부로부터 공급된 유체인 공급수 간 열교환시켜 상기 공급수를 가열시키는 응축기;
    상기 응축기를 통과한 냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브; 및
    상기 제1팽창밸브를 통과한 후 상기 증발기로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 폐열수는, 상기 원자력발전소의 복수기를 통과하면서 상기 원자력발전소에서 생성된 증기와 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수기를 통과하면서 상기 증기와 열교환을 수행하여 가열된 냉각용수와 상기 폐열수 간 열교환시키는 폐열회수열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1팽창밸브를 통과한 냉매를 전달받아 압력을 감소시키는 플래시탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 압축부는,
    상기 증발기를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 압축시키는 제1압축기; 및
    상기 제1압축기를 통과한 냉매를 전달받고, 냉매를 압축시키는 제2압축기를 구비하는 것을 특징으로 하는 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 플래시탱크는 상기 제1팽창밸브로부터 전달된 냉매의 일부를 상기 제2압축기로 전달하는 것을 특징으로 하는 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축기를 통과한 상기 공급수의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 온도센서로부터 상기 공급수의 온도 정보를 전달받고, 상기 압축부의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매는 R1224yd, R1233zd, R1234ze 및 R1336mzz으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 선택되는 어느 하나의 항을 포함하는 것을 특징으로 하는 철강 제조 시스템.
  11. 청구항 1의 원전의 복수기 폐열을 활용한 고온수 생산 히트펌프 장치를 이용한 고온수 생산 방법에 있어서,
    상기 증발기에서 상기 폐열수와 냉매 간 열교환이 수행되어 냉매가 가열되는 제1단계;
    상기 증발기로부터 배출된 냉매가 상기 압축부를 통과하면서 가압되어 온도가 상승하여 상기 응축기로 전달되는 제2단계;
    상기 응축기에서 냉매와 상기 공급수 간 열교환이 수행되어 상기 공급수의 온도가 증가하는 제3단계; 및
    상기 응축기로부터 배출된 냉매가 상기 제1팽창밸브와 상기 제2팽창밸브 통과 후 상기 증발기로 전달되는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온수 생산 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 응축기를 통과하면서 가열된 상기 공급수가 상기 응축기로부터 배출되어 소정의 장비로 공급되는 제5단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온수 생산 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제3단계에서, 상기 응축기의 포화온도는 100~120℃인 것을 특징으로 하는 고온수 생산 방법.
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