KR20240122514A

KR20240122514A - 폐열 회수 장치를 위한 열댐퍼 및 열댐퍼를 포함하는 폐열 회수 장치

Info

Publication number: KR20240122514A
Application number: KR1020247023182A
Authority: KR
Inventors: 에르네스토 나시니; 마르코 산티니; 조반니 겐나리
Original assignee: 누보 피그노네 테크놀로지 에스알엘
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2023-01-04
Publication date: 2024-08-12
Also published as: WO2023135026A1; AU2023207406A1; IL314173A; IT202200000296A1

Abstract

본 발명은 열원으로부터의 배기 유체와 폐열 회수 시스템의 작동 유체 사이에서 열을 교환하도록 구성된 주 열교환기(13)를 포함하는 폐열 회수 장치(10)에 관한 것이며, 폐열 회수 장치(10)는 배기 유체와 대안적으로 냉각 유체 또는 일시적인 상태 동안 상기 작동 유체의 일부 또는 전체 사이에서 열을 교환하도록 구성된 추가 열교환기(12)를 포함한다.

Description

폐열 회수 장치를 위한 열댐퍼 및 열댐퍼를 포함하는 폐열 회수 장치

본 발명은 폐열 회수 장치를 위한 열댐퍼 및 열댐퍼를 포함하는 폐열 회수 장치에 관한 것이다. 본 명세서에 개시된 구현예는 특히, 가스 터빈 및/또는 엔진 동력 발전기 또는 기계적 구동 어플리케이션과 같으나 이에 제한되지 않는 열역학적 기계를 위한 개선된 폐열 회수 장치에 관한 것으로, 폐열 회수 장치에는 열댐퍼가 제공되고, 특히, 폐열 회수 시스템의 작동 유체의 예열기가 제공된다.

폐열은 거의 모든 기계적 및 열적 공정에서 발생한다. 폐열원은, 예를 들어, 대기로 배출되는 고온 연소 가스, 환경으로 방출되는 가열수, 산업 공정에서 나오는 가열 생성물, 고온 장비 표면으로부터 전달되는 열을 포함한다. 따라서, 폐열원은 응집체 상태(주로 유체 및 기체), 온도 범위, 및 발생 빈도에 따라 상이하다. 가장 많은 양의 폐열이 산업 및 에너지 생산 공정에서 손실되고 있다.

폐열 회수는 폐열 온도에 따라 다양한 폐열 회수 기술을 통해 수행되어, 귀중한 에너지원을 제공하고 전체 에너지 소비를 줄일 수 있다.

통상적으로, 폐열은 배기 유체를 통해 열원으로부터 폐열 회수 시스템으로 전달된다. 폐열 회수 시스템은 통상적으로 폐열 회수 장치, 즉, 열원의 배기 유체의 잔류 엔탈피를 폐열 회수 시스템의 작동 유체로 전달하도록 구성된 열교환기를 포함한다.

예를 들어, 열역학 시스템과 같은 기계의 잔여 열, 즉, 시스템에 의해 이용되지 않는 열원의 일부와 함께 결국 연도 가스를 통해 시스템에 의해 배출되는 열은 종종 여전히 충분한 엔탈피 함량을 갖고 열역학적 사이클을 사용하여 기계적 에너지로 유효하게 변환될 수 있다. 이러한 예시적인 경우에 따라, 폐열 회수 시스템은 통상적으로 연도 가스에 저장된 열을 기계로부터 작동 유체로 전달하도록 구성된 열교환기를 포함할 뿐만 아니라, 팽창 장치/그룹 및 브레이튼 사이클 시스템 및/또는 스털링 사이클 시스템의 팽창 장치/그룹 및/또는 랭킨 사이클 시스템의 팽창 장치/그룹을 포함하거나 추가로 잔류 열을 추가 매체로 전달하기 위한 열교환기를 포함한다.

그러나, 폐열 회수 장치, 특히, 폐열 회수 장치의 열교환기는 일시적인 상태 동안 가능한 최고온 섹션의 과열 및 최저온 섹션의 과도한 냉각으로 인해 단점을 갖는다. 실제로, 고온 연도 가스가 열교환기 자체에 유입되기 시작할 때 열교환기가 작동 유체가 없는 상태로 시작하면, 열교환기 내로의 고온 연도 가스의 진입은 온도의 급격한 변화로 인해 열충격, 즉, 열 교환 표면 재료의 내부 응력을 발생시킨다. 열충격은 균열을 생성할 수 있고, 결과적으로, 열교환기 재료의 수명이 단축된다. 동일한 방식으로, 작동 유체가 없는 상태에 있고 고온 연도 가스에 의해 가열되는 동일한 열교환기가 저온 작동 유체로 채워지기 시작하면, 첫 번째 채워진 섹션에서 열충격이 발생할 수 있다. 한편, 고온 연도 가스가 열교환기 자체에 유입될 때 열교환기가 이미 작동 유체가 채워진 상태로 시작하면, 특히, 폐열 회수 장치가 위의 예시적인 경우에 따라 또한 고온 연도 가스가 폐기물 소각 시설로부터 나오는 경우 작동하면, 고온 연도 가스 온도는 매우 빠르게 낮아지고 산로점에 도달할 수 있으며, 연도 가스로부터 응축된 결과 액체 산은 배기 연도 가스를 수집, 냉각, 및 배출하는 데 사용되는 장비에 심각한 부식 문제를 일으킬 수 있다. 결과적으로, 폐열 회수 장치의 수명이 영향을 받아 잠재적으로 줄어든다.

배기 연도 가스 전환기가 장착된 폐열 회수 장치는 열 교환 표면에 대한 전체 배기 가스 유량을 직접적으로 처리하지 않아서, 열충격을 부분적으로 완화한다. 그럼에도 불구하고, 전환기는, 부분 개방에 사용하면 배기 가스 흐름에 영향을 미치고 소용돌이와 소음을 유발하기 때문에, 유효한 솔루션을 제공하지 않는다. 또한, 전환기는, 배기가스 특성과 조합된 전환기 기하학적 구조의 작은 변화조차도 비효율적인 규제로 이어지기 때문에, 제어하기 어렵다.

또한, 이러한 단점은, 현재 시장이 생산 유연성을 요구하기 때문에 점점 더 중요해지고 있으며, 이는 시작 및 중지 사이클, 및 부하 변화와 같은 일시적인 상태의 증가를 의미한다. 특히, 석유 및 가스 시장은 빈번한 부하 변화가 필요하며, 또한 일시적인 상태의 수를 증가한다. 결과적으로, 회수 시스템은 높은 시작/정지 빈도를 갖는 열원에 점점 더 많이 노출되고 있다.

이러한 열충격 및 부식의 문제점을 해결하기 위하여, 종래 기술에 따라, 폐열 회수 장치는 고온에서 높은 내식성과 우수한 기계적 강도를 갖는 Hi-Cr 스테인리스강, Ni-합금 등과 같은 재료로 제조된다.

다른 한편, 이러한 재료는 매우 비싸고 이러한 임계를 완전히 해결하지 못한다.

본 발명에 따라, 폐열 회수 장치에는 열원으로부터 오는 과도한 열(즉, 일시적인 상태 동안)을 흡수하도록 폐열 회수 장치의 상류에 설치되고, 폐열 회수 장치의 주 열교환기의 크기에 비해 소형 열교환기로 구성되는 열댐퍼가 제공되며, 폐열 회수 장치가 덜 가혹한 작동 사이클을 견뎌야 하기 때문에, 열댐퍼는 폐열 회수 장치가 적절한 방식으로 작동되게 하는 것이 제안된다. 열댐퍼는 작동 유체 예열기로 구성될 수 있으며, 즉, 폐열 회수 시스템의 작동 유체는 열댐퍼 내의 열원으로부터 고온 유체와 열을 교환하는 냉각 유체로 사용되고 온도의 가장 중요한 과도 현상을 흡수하는 기능을 가지므로, 열 응력을 견딜 수 있고 폐열 회수 장치의 나머지 부분, 즉, 주 열교환기를 이러한 조건으로부터 "해방"한다. 또한, 폐열 회수 시스템의 작동 유체를 예열함으로써 열댐퍼는 폐열 회수 장치의 주 열교환기의 최저온 부분에서 산 응축을 방지한다.

결과적으로, 열댐퍼만 고온에서 양호한 기계적 강도를 갖는 고급 재료로 제조되어야 하며, 폐열 회수 장치의 나머지는 덜 귀한 재료로 제조되므로 비용이 저렴하다.

귀한 재료로 제조된다는 사실에도 불구하고, 열댐퍼는 여전히 폐열 회수 장치의 나머지보다 수명이 짧다. 결과적으로, 열댐퍼는 폐열 회수 장치의 나머지 부분과 별도로 용이하게 교체할 수 있도록 설계된다.

따라서, 일 양태에서, 본 명세서에 개시된 주제는 폐열 회수 장치를 위한 열댐퍼에 관한 것이다. 특히, 열댐퍼는 폐열 회수 시스템의 작동 유체의 예열기로 구성된다. 추가적으로, 본 명세서에 개시된 주제는 고온, 및 고온 유체와 저온 유체 사이의 큰 온도 차이로 인한 가장 심한 열충격을 흡수함으로써 예열기가 작동하는 폐열 회수 장치를 위한 예열기를 작동하는 방법에 관한 것이다.

다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 주제는 폐열 회수 장치의 열교환기의 유입구 섹션으로 유입되기 전에 폐열 회수 시스템의 작동 유체를 예열할 수 있게 하는 폐열 회수 장치를 위한 예열기에 관한 것이며, 따라서 열원으로부터의 배기 유체 내의 공격적인 성분의 존재로 인한 열교환기의 최저온 부분에서의 산 응축을 방지한다.

다른 양태에 따라, 본 명세서에 개시된 주제는 배기 유체의 온도에 따라 예열기를 통한 작동 유체의 유량을 변화시키고, 폐열 회수 장치의 열교환기에 도달하는 배기 유체의 온도가 적절하게 낮아지도록 하기 위해 폐열 회수 장치를 위한 예열기를 작동하는 방법에 관한 것이며, 따라서 폐열 회수 장치의 열교환기의 최고온 배출구 섹션의 표피 온도를 제한한다.

따라서, 본 명세서에 개시된 주제는 열댐퍼, 특히, 폐열 회수 장치를 위한 작동 유체 예열기, 및 폐열 회수 장치를 위한 예열기를 작동하는 방법에 관한 것으로, 폐열 회수 장치가 보다 저렴한 재료로 제조될 수 있고 고가의 고성능 재료의 필요성을 예열기로 제한하게 하고, 따라서 사용될 재료 비용을 전반적으로 절감할 수 있게 한다.

다른 양태에 따라, 본 명세서에 개시된 주제는 열댐퍼, 특히, 폐열 회수 장치를 위한 작동 유체 예열기, 및 폐열 회수 장치를 위한 예열기를 작동하는 방법에 관한 것으로, 주 열교환기에 대한 손상의 가능성을 감소시키고 동시에 임의의 임계 조건을 열댐퍼에 집중시킴으로써, 전체 폐열 회수 장치의 이용 가능성을 증가시키게 하고, 열댐퍼는 용이하게 유지 관리 및/또는 교체할 수 있는 장치이다.

본 발명의 구현예 및 이의 기대되는 많은 이점의 더 완전한 이해는 첨부 도면과 관련하여 고려될 때 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 잘 이해되므로 쉽게 얻어질 것이다.
도 1은 제1 구현예에 따른 폐열 회수 시스템의 새로운, 개선된 폐열 회수 장치의 개략도를 도시하며, 폐열 회수 장치는 열댐퍼, 특히, 작동 유체 예열기를 포함한다.
도 2는 제2 구현예에 따른 폐열 회수 시스템의 새로운, 개선된 폐열 회수 장치의 개략도를 도시하며, 폐열 회수 장치는 열댐퍼, 특히, 작동 유체 예열기를 포함한다.
도 3은 열댐퍼, 특히, 도 1 또는 도 2의 시스템의 폐열 회수 장치를 위한 작동 유체 예열기의 단순화된 구현예를 도시한다.

일 양태에 따라, 본 주제는 열댐퍼, 특히, 작동 유체 예열기를 포함하는 폐열 회수 장치에 관한 것이며, 열댐퍼는 고급 재료(고크롬강, Ni 합금 등)로 제조되고, 열원으로부터의 배기 유체의 가변 유량에 의해 일 측에 공급되고 냉각 유체, 바람직하게는 폐열 회수 시스템의 작동 유체(CO₂, 보일러 공급 물/증기, 유기 유체)의 가변 유량에 의해 다른 측에 공급되는 소형 열교환기(코일)로 구성된다.

다른 양태에 따라, 배기 유체 유량 제어 장치(전환기)는 상기 열댐퍼의 하류 또는 상류에 위치될 수 있다.

다른 양태에 따라, 열댐퍼, 특히, 작동 유체 예열기를 통한 유량을 변화시킴으로써, 폐열 회수 장치의 열교환기에 도달하는 배기 유체 온도가 적절하게 낮아지므로 폐열 회수 장치의 열교환기의 최고온 배출구 섹션의 표피 온도를 제한하고, 작동 유체는 폐열 회수 장치의 열교환기의 유입구 섹션에 유입되기 전에 예열되므로 배기 유체의 공격적인 성분으로 인한 산 응축을 방지한다.

제어 시스템 표피 온도를 향상시키기 위해, 열댐퍼에 대한 제어 온도의 피드백으로 온도 표시기(3, 28)와 같은 제어 기기가 폐열 회수 장치의 주 코일 상에 설치될 수 있다.

추가적으로, 다른 양태에 따라, ORC 시스템, 즉, 작동 유체로 유기 유체를 사용하는 폐열 회수 시스템에 대하여, 시스템은 유기 유체의 직접 가열(즉, 중간 유체 없이)로 구성되고, 열댐퍼에는 안전한 유체(H₂O, CO₂ 등) 중에서 선택된 냉각 유체가 공급되고, 열댐퍼의 코일 상에서만 과도 조건 동안 발생할 수 있는 가장 따뜻한 온도를 갖기 위해, 고온으로 인한 유기 유체 열 열화의 문제 없이 폐열 회수 장치의 주 열교환기 코일 상에서 유기 유체를 직접 가열할 수 있다. 안전한 유체에 의해 흡수된 열은 유기 작동 유체 자체를 예열하는 데 사용될 수 있다.

마지막으로, 대안적인 예시적인 양태에 따라, 열댐퍼, 특히, 작동 유체 예열기가 제공된 폐열 회수 장치는 자연 또는 강제 순환을 갖는 관류형 열 회수 증기 발생기(OTSG) 또는 열 회수 증기 발생기(HRSG)에 사용될 수 있다.

이제 도면을 참조하면, 도 1은 특히, 작동 유체 예열기로 작동하고, 본 발명의 예시적인 구현예에 따라 예시되는 열댐퍼를 포함하는 폐열 회수 장치를 도시한다.

도 1을 참조하여 도시된 하나의 구체적인 구현예에서, 폐열 회수 장치(10)는 3개의 부분, 열댐퍼(12)(또한 이하의 본 명세서에서 작동 유체 예열기(12)로 불림), 주 열교환기(13), 및 바이패스 덕트(14)를 포함하는 본체(11)를 포함한다. 주 열교환기(13)와 바이패스 덕트(14)는 모두 예열기(12) 하류에 배치되어 있다. 또한, 예열기(12)와 주 열교환기(13) 사이의 연결부를 따라 전환기가 배치되며, 전환기는 주 열교환기(13)로의 배기 가스 유량을 제어하는 전환기 열교환기 섹션(15) 및 바이패스 덕트로의 배기 가스 유량을 제어하는 전환기 바이패스 섹션(16)을 포함한다. 전환기 열교환기 섹션(15) 및 전환기 바이패스 섹션(16)은 기계적으로 연결되어, 동일한 액추에이터(7)가 한 쪽의 개방과 다른 한 쪽의 폐쇄를 동시에 작동시켜 전환기를 통한 일정한 흐름을 가능하게 한다. 대안적으로, 전환기 열교환기 섹션(15) 및 전환기 바이패스 섹션(16)은 상이한 액추에이터에 의해 작동될 수 있다.

도 1의 폐열 회수 장치(10)는 고온 배기 가스 스트림과 랭킨 사이클 폐열 회수 시스템의 작동 유체 스트림 사이에서 열을 교환하도록 구성되며, 일반적으로 2상 흐름이지만, 또한 아래의 본 명세서에 기술된 바와 같이, 단상 흐름으로 작동하는데 적합하다.

도 1에 도시된 예시적인 구현예에서, 밸브 그룹(9)은 작동 유체 공급 라인(18)을 통해 작동 유체 유량을 조절하도록 구성된다. 작동 유체 공급 라인(18)은 밸브(20)의 개재에 의해 예열기(12)에 연결되는 바이패스 스트림 라인(19)과 밸브(22)의 개재에 의해 주 열교환기 공급 라인(2)을 통해 주 열교환기(13)에 연결되는 주 스트림 라인(21)으로 분할된다. 예열 유체 스트림 라인(23)은, 작동 유체 스트림이 2상 스트림일 때, 특히, 작동 유체가 랭킨 사이클 폐열 회수 시스템의 작동 유체인 경우, 예열기(12)로부터 분리기(24)로 지향된다. 분리기(24)는 2상 예열 유체를 예열 액체 분획물과 예열 증기 분획물로 분리하도록 구성된다. 예열 액체 스트림 라인(25) 및 예열 증기 스트림 라인(26)은 각각 분리기(24)로부터 예열 액체 분획물 및 예열 증기 분획물을 수집하도록 구성된다. 예열 증기 스트림 라인(26)은 주 열교환기 공급 라인(2)을 통해 주 열교환기(13)로 라우팅된다. 과열 유체 스트림 라인(27)은 주 열교환기(13)로부터의 출구로부터 수집기(8)로 지향된다.

도 1을 참조하면, 작동 유체 스트림이 랭킨 사이클 폐열 회수 시스템의 작동 유체 스트림인 경우, 본 발명에 따른 폐열 회수 장치(10)에 대한 열댐퍼(12)의 작동은 다음과 같다.

작동 유체 공급 라인(18)을 통한 작동 유체는 액체이다. 폐열 회수 시스템이 시작될 때, 작동 유체 공급 라인(18)으로부터의 작동 유체 유량의 공칭 값에 대해 감소되는 작동 유체의 제어된 유량은 밸브(22)를 폐쇄하고 밸브(20)를 개방함으로써 예열기(12)로 지향된다. 예열기(12)에서, 작동 유체는 고온 배기 가스 스트림(17)과 열을 교환함으로써 가열되고, 후속적으로 예열 유체 스트림 라인(23)을 통해 분리기(24)로 지향된다. 분리기(24)에서, 예열 작동 유체 스트림은 예열 액체 분획물과 예열 증기 분획물로 분리된다. 분리기(24) 내의 예열 액체 분획물의 양은 예열 액체 스트림 라인(25)의 밸브(5)를 작동시키는 레벨 표시기(4)를 통해 제어된다. 통상적으로, 예열 액체 스트림 라인(25)의 예열 액체 스트림은 열 사이클에서 회수될 수 있다. 예열 증기 분획물은 예열 증기 스트림 라인(26) 및 주 열교환기 공급 라인(2)을 통해 주 열교환기(13)로 지향되어, 배기 가스(17)와 추가적으로 열을 교환하고 수집기(8) 내에 과열 증기 스트림으로 수집된다.

분리기(24)의 기능은 랭킨 사이클 폐열 회수 시스템의 일부인 도 1의 폐열 회수 장치가 시작될 때 필수적이다. 실제로, 시스템이 시작될 때, 고온 배기 가스 스트림은 주 열교환기(13)의 코일의 일 측 상에 존재하고, 예열 증기 분획물 스트림은 코일의 다른 측 상에 존재한다. 예열 증기 분획물과의 접촉은 더 낮은 열 교환 계수로 인해 액체 스트림에 의해 야기될 수 있는 냉각에 비해, 주 열교환기(13)의 온도의 더 낮은 냉각을 유발한다. 또한, 예열 증기 분획물의 온도는 액체 분획물보다 높다. 따라서, 예열 증기는 주 열교환기(13)의 코일 상에 가해지는 열충격을 감소시킨다. 부가적인 이점은 증기가 모든 주 열교환기(13)를 빠르게 채우고, 시동을 완료하는 데 필요한 시간을 줄인다는 사실에 기인한다.

시동 단계가 진행됨에 따라, 주 열교환기(13) 및 주 열교환기 공급 라인(2) 내부의 증기 분획물의 압력이 증가하고, 온도도 상승한다. 주 열교환기(13)로부터 분리기(24)로의 가능한 역류는 예열 증기 스트림 라인(26) 상에 배치된 역류 방지 밸브(260)에 의해 방지된다. 추가적으로, 더 높은 압력이 하류에 존재하면 분리기(24) 내부의 압력 또한 증가할 수 있기 때문에, 예열 스트림 라인(23) 상에 배치된 역류 방지 밸브(230)에 의해 분리기(24)로부터의 가능한 역류가 방지된다. 온도 표시기(28)가 설정 온도를 측정할 때, 밸브(22)를 작동시켜 액체 작동 유체 공급 라인(18)을 통해 흐르는 액체 작동 유체의 점진적으로 증가하는 양이 주 스트림 라인(21)을 통해 지시되게 하고, 예열 증기 스트림 라인(26)의 예열 증기와 함께 혼합되게 하고, 후속적으로 주 열교환기 공급 라인(2)을 통해 주 열교환기(13)로 라우팅되게 한다.

시동이 계속되는 한, 주 열교환기 공급 라인(2)과 주 열교환기(13)를 따라 보다 부드러운 온도 변화를 얻기 위해, 온도 표시기(28)가 설정 온도를 측정할 때, 표시기(4) 상의 제어 레벨이 제외되고 밸브(5)가 폐쇄되어, 분리기(24)가 예열 액체 분획물로 채워진다. 예열 액체 분획물은 결과적으로 주 열교환기 공급 라인(2)을 통해 주 열교환기(13)로 라우팅되고; 이어서, 밸브(22)가 개방되어, 액체 작동 유체의 점진적으로 증가하는 양이 액체 작동 유체 공급 라인(18)으로부터 주 스트림 라인(21)으로 흐르게 하고, 예열 액체 분획물과 함께 혼합되게 하고, 후속적으로 주 열교환기 공급 라인(2)을 통해 주 열교환기(13)로 라우팅되게 하고; 결과적으로, 공급 라인(2)은, 밸브(22)를 통해 라인(21)으로부터 나오는 액체와의 혼합 및 상승 압력 둘 모두를 고려하여, 액체 분획물보다 훨씬 더 적은 증기 분획물을 포함한다.

다른 대안적인 솔루션은, 온도 표시기(28)가 설정 온도를 측정할 때, 밸브(22)가 개방됨과 동시에 밸브(20)가 폐쇄되는 것이다. 결과적으로, 액체 작동 유체 공급 라인(18)을 통해 흐르는 모든 액체 작동 유체는 주 스트림 라인(21) 및 주 열교환기 공급 라인(2)을 통해 주 열교환기(13)로 라우팅된다.

예열이 더 이상 필요하지 않으면, 바이패스 스트림 라인(19) 상의 밸브(20)와 예열 유체 스트림 라인(23) 상의 밸브(6)를 폐쇄하고, 예열 유체 스트림 라인(23)을 따라 배치된 벤트/드레인(29)을 개방하여, 열댐퍼(12)로부터 유체를 배출함으로써 열댐퍼(12)가 시스템으로부터 제외된다.

항상 도 1을 참조하면, 작동 유체 스트림이 단상 작동 유체 스트림인 경우, 본 발명에 따른 폐열 회수 장치(10)에 대한 열댐퍼(12)의 작동은 작동 유체 공급 라인(18)으로부터의 작동 유체를 바이패스 스트림 라인(19)을 통해 예열기(12)로 지향되는 바이패스 스트림과, 주 스트림 라인(21) 및 주 열교환기 공급 라인(2)을 통해 주 교환기(13)로 지향되는 주 스트림으로 분할하고, 밸브(22)를 조절하고, 온-오프 밸브(20)를 개방함으로써 작동된다. 예열기(12)에서, 작동 유체는 고온 배기 가스 스트림(17)과 열을 교환함으로써 가열되고, 예열 작동 유체 스트림은 주 열교환기(13)로 유입되기 전에 후속적으로 주 스트림과 혼합되도록 지시된다. 분리기(24)는 예열 작동 유체 스트림에 의해 교차된다(작동 유체 스트림이 단상 작동 유체 스트림인 경우, 시스템은 또한 분리기(24) 및 관련 보조물을 포함하지 않을 수 있다). 혼합 스트림은 주 열교환기 공급 라인(2)을 통해 주 열교환기(13)로 지향되어, 배기 가스(17)와 추가적으로 열을 교환하고 수집기(8) 내에 과열 유체 스트림으로 수집된다. 따라서, 또한 작동 유체 스트림이 단상 작동 유체 스트림인 경우에, 본 발명에 따른 열댐퍼는 주 열교환기(13)로 지향되는 작동 유체 스트림의 온도를 제어함으로써 열충격 및 산 응축을 방지하는 것이 중요하다.

도 2를 참조하면, 도 1을 참조하여 도시된 구현예의 동일한 구성요소에 대해 동일한 참조번호가 사용되고, 본 발명에 따른 열댐퍼(12)는 또한 유기 유체 직접 가열(즉, 중간 유체 없이)을 갖는 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템과 함께 사용되기에 적합하다. 이러한 경우, 열댐퍼(12)는 서비스 냉각 유체 회로(200)로부터 안전한 유체(H₂O, CO₂ 등)가 공급되는 별도의 회로의 일부로 실현된다. 따라서, 안전 유체는 열을 교환하고 배기 가스 스트림(17)을 냉각한다. 유기 유체는 더 낮은 온도에서 배기 가스 스트림과 열을 교환함으로써 폐열 회수 장치(10)의 코일 내에 직접 가열되기 위해 주 열교환기(13)로 직접 공급되므로 과도하게 높은 온도로 인한 유기 유체 열열화의 문제가 없다. 안전 유체에 의해 흡수된 열은 주 열교환기(13)로 지향되기 전에 다른 외부 열교환기(130) 내의 유기 작동 유체를 예열하기 위해 회수될 수 있다. 이 솔루션은 랭킨 사이클 폐열 회수 시스템에 사용되는 자연 순환 보일러 및 강제 순환 보일러 둘 모두에 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 폐열 회수 장치를 위한 예열기의 단순화된 개략도를 도시한 도 3을 참조하면, 예열기(12)는 폐열 회수 장치(10)의 본체(11)의 제거 가능한 부분으로 배치되어, 손상의 경우에 예열기(12)의 유지 보수 및/또는 교체를 용이하게 한다. 도 3의 예시적인 구현예에서, 예열기(12)는 프레임(31)에 의해 지지되는 튜브 다발(30)로 구성된다. 플랜지(32)는 저온 유체 바이패스 스트림 라인(19)을 저온 유체 수집기(33)와 그리고 튜브 다발(30)의 유입구 측에 제거 가능하게 결합하도록 구성된다. 튜브 다발(30)의 배출구 측은 예열 유체 수집기(34)로 배치되며, 예열 유체 수집기는 플랜지(35)에 연결되고, 예열 유체 수집기(34)를 예열 스트림 라인(23)에 제거 가능하게 결합하도록 구성되는 스트림(23)으로 지향된다.

전환기 상류에 있는 예열기(12)의 위치는 예열기(12)가 완전히 바이패스 덕트(14)로 지향되더라도 고온 배기 가스 스트림(17)의 온도를 낮추게 한다는 점에 유의한다. 결과적으로, 열교환면(13)은 도 1에 도시된 구현예에서와 같이 바이패스 덕트(14)가 본체(11)와 일체화되어도 보다 저렴한 재료로 제조될 수 있다. 실제로, 바이패스 덕트(14) 하류의 흐름이 적어도 부분적으로 열교환면(13)으로 재지향되는 경우에도, 이의 온도는 열교환면(13)의 열충격을 일으킬 정도로 높지 않다. 그러나, 동일한 이유로, 예열기(12)는 전환기 댐퍼(15)를 폐쇄함으로써 배기가스에 의해 우회될 수 없기 때문에, 폐열 회수 장치가 시작된 후 작동 유체가 예열기로 유입될 때 극한의 열충격을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 바이패스 덕트가 본체(11)와 일체화되지 않고 별개의 본체로 구현되면, 예열기(12)의 위치는 전환기 하류일 수 있다.

본 발명의 양태가 다양한 특정 구현예의 관점에서 기술되었지만, 청구범위의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 많은 수정, 변경, 및 생략이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims

주 열교환기(13)를 포함하는 폐열 회수 장치(10)로서, 상기 주 열교환기(13)는 열원으로부터의 고온 배기 유체 스트림과 폐열 회수 시스템의 작동 유체 스트림 사이에서 열을 교환하도록 구성되며, 폐열 회수 장치(10)는 상기 주 열교환기(13) 상류에 배치된 추가 열교환기(12)를 포함하고, 추가 열교환기(12)는 고온 배기 유체 스트림과 냉각 유체 스트림 사이에서 열을 교환하도록 구성되는, 폐열 회수 장치(10).
제1항에 있어서, 상기 추가 열교환기(12) 하류에 전환기가 배치되고, 상기 전환기는 상기 주 열교환기(13) 및 바이패스 덕트(14)로 지향되는 고온 배기 유체 스트림의 양을 제어하도록 구성되는, 폐열 회수 장치(10).
제1항에 있어서, 상기 추가 열교환기(12)의 상류에 전환기가 배치되고, 상기 전환기는 상기 주 열교환기(13) 및 바이패스 덕트(14)로 지향되는 고온 배기 유체 스트림의 양을 제어하도록 구성되는, 폐열 회수 장치(10).
제1항에 있어서, 상기 추가 열교환기(12)는 고급 재료로 제조되는, 폐열 회수 장치(10).
제1항에 있어서, 상기 추가 열교환기(12)는 폐열 회수 장치(10)의 제거 가능한 부분으로 구성되는, 폐열 회수 장치(10).
제1항에 있어서, 폐열 회수 장치(10)는 작동 유체 공급 라인(18), 제1 단부에서 작동 유체 공급 라인(18) 및 제2 단부에서 추가 열교환기(12)에 연결되는 바이패스 스트림 라인(19), 및 제1 단부에서 작동 유체 공급 라인(18) 및 제2 단부에서 주 열교환기 공급 라인(2)의 제1 단부에 연결되는 주 스트림 라인(21)을 포함하고; 폐열 회수 장치(10)는 제1 단부에서 추가 열교환기(12)의 작동 유체 출구 및 제2 단부에서 주 열교환기 공급 라인(2)의 제1 단부에 연결되는 예열 작동 유체 라인(23)을 추가로 포함하며, 주 열교환기 공급 라인(2)의 제2 단부는 주 열교환기(13)에 연결되는, 폐열 회수 장치(10).
제6항에 있어서, 예열 작동 유체 라인(23)의 하류와 주 열교환기 공급 라인(2)의 상류에 분리기(24)가 배치되는, 폐열 회수 장치(10).
제7항에 있어서, 증기 스트림 라인(26)이 제1 단부에서 분리기(24)의 상부 부분 및 제2 단부에서 주 열교환기 공급 라인(2)의 제1 단부와 연결되며, 액체 스트림 라인(25)이 분리기(24)의 하부 부분과 연결되는, 폐열 회수 장치(10).
제6항에 있어서, 주 스트림 라인(21)은 주 열교환기 공급 라인(2)을 따라 배치되는 온도센서(28)에 연결된 밸브(22)를 포함하는, 폐열 회수 장치(10).
제1항에 있어서, 폐열 회수 장치는 제1 단부에서 서비스 냉각 유체 회로(200) 및 제2 단부에서 추가 열교환기(12)의 유입구에 연결되는 냉각 유체 공급 라인(190), 및 제1 단부에서 추가 열교환기(12)의 배출구 및 제2 단부에서 서비스 냉각 유체 회로(200)에 연결되는 냉각 유체 배출구 라인을 포함하며, 폐열 회수 장치(10)는 주 열교환기(13)에 연결된 작동 유체 공급 라인(2)을 포함하는, 폐열 회수 장치(10).
제10항에 있어서, 열교환기(130)은 추가 열교환기(12) 하류의 냉각 유체와 주 열교환기(13) 상류의 작동 유체 사이에서 열을 교환하도록 구성되는, 폐열 회수 장치(10).
제1항에 있어서, 상기 폐열 회수 장치(10)는 관류형 열 회수 증기 발생기(OTSG)인, 폐열 회수 장치(10).