KR920009576B1 - 내연 기관의 폐열 회수장치 - Google Patents

내연 기관의 폐열 회수장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

내연 기관의 폐열 회수장치
제1도, 제2도 및 제3도는 종래의 폐열회수장치의 개략도.
제4도는 폐열 회수장치에 있어서의 온도 구배를 나타내는 도면.
제5도 및 제6도는 본 발명에 의한 각 폐열 회수장치의 계통도.
제7도 및 제8도는 본 발명에 의한 다른 폐열 회수장치의 각 요부 계통도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 배기가시 이코노 마이저(exhaust gas economizer)
2 : 증기 분리드럼(steam sparating drum)
3 : 열수 플래시 터어빈(hot water flash turbine)
4 : 혼합 터어빈(multi-pressure turbine)
5 : 발전기 6 : 급수펌프
7 : 복수기 8 : 복수펌프
10 : 드레인탱크(drain tank) 12 : 증발부
16 : 윤활유 냉각기 17 : 청수 냉각기
18 : 순환펌프 19 : 이송펌프
24 : 저압 증기발생기 35 : 매니폴드(manifold)
39 : 제1반려관로 45 : 감지기
104 : 증기터어빈
본 발명은 선박용 디젤기관등의 내연 기관에서 배출되는 배기가스중의 열 에너지를 회수하는 폐열 회수장치에 관한 것이다.
종래 예를들어 내연 기관에서 배출되는 배기가스중의 열 에너지를 전력으로 치환하는 폐열 회수장치가 여러가지 알려져 있는데, 배기가스중의 열 에너지를 회수함에 있어서 그 열 회수율을 향상시키는데는 한도가 있다.
그러므로 본 발명은 폐열회수장치 전체의 열 회수율을 높이는 것을 목적으로 하는 것이다.
이 목적을 달성하는 본 발명의 폐열회수 장치는 기본적으로 다음과 같은 구성요소 즉, (a) 예열부, 증발부 및 과열부를 갖는 배기가스 이코노마이저, (b) 발전기를 구동시키는 혼합 터어빈, (c) 증기 분리드럼과 증기 분리드럼중의 증기를 배기가스 이코노마이저의 과열부를 통과 시켜 혼합 터어빈의 고압부에 공급하는 제1증기 공급관로, (d) 상기 혼압 터어빈에 연결된 열수플래시 터어빈, (e) 증기 분리드럼내의 열수를 상기 열수 플래시 터어빈에 공급하는 열수 공급관로, (f) 상기 열수 플래시 터어빈으로 분리한증기를 혼압 터어빈의 저압부에 공급하는 제2증기공급관로, (g) 상기 열수 플래시 터어빈으로 분리한 열수를 드레인 탱크에 되돌리는 제1반려관로, (h) 상기 혼압 터어빈에서 배출된 증기를 복수시킨후, 각종 냉각기를 거쳐 상기 드레인 탱크에 되돌리는 제2반려관로, (i) 상기 드레인 탱크내의 액체를 배기가스 이코노 마이저의 예열부에 공급하는 급수관로, (j) 상기 제2증기공급관로에 마련되어 배기가스 이코노마이저 예열부의 입구측의 순환수의 온도를 감지하여 제2증기관로내의 증기 공급량을 제어하는 제1제어변, (k) 상기 급수관로에 마련된 급수펌프, (l) 상기 급수관로에 마련되어 드레인 탱크내의 수위를 감지하여 열수 공급량을 제어하는 제2제어변, (m) 상기 열수 공급관로에 마련되어 드레인 탱크내의 수위를 감지하여 열수 공급량을 제어하는 제3제어변으로 구성되어 있다.
상기한 바와같이 본 발명은 드레인 탱크내의 액체를 배기가스 이코노마이저의 예열부에 공급하는 급수관로와, 상기 제2증기공급관로에 마련되어 배기가스 이코노마이저 예열부의 입구 온도를 감지하여 제2증기관로 내의 증기 공급량을 제어하는 제1제어변과, 상기 급수관로에 마련된 급수펌프와, 상기 급수관로에 마련되어 드레인 탱크내의 수위를 감지하여 급수량을 제어하는 제2제어변 및 상기 열수 공급관로에 마련되어, 드레인 탱크내의 수위를 감지하여 열수 공급량을 제어하는 제3제어변을 구비하고 있으므로 배기가스 이코노마이저 예열부의 출입구에 있어서의 터미널 온도차를 같게, 즉 같은 온도차를 유지할 수가 있어서, 배기가스 중의 열 에너지를 최대한 회수할 수가 있는 것이다.
그와 동시에, 본 발명은 윤할유 냉각기, 청수 냉각기, 및 흡기 냉각기등의 각종 냉각기로부터 열을 수집함으로 폐열회수장치 전체로서는 폐열 회수율이 향상되게 된다.
한편, 혼합 터어빈에 열수 플래시 터어빈을 병설하여 발전기를 구동함과 동시에, 열수 플래시 터어빈에서 배출된 저압증기를 혼합 터어빈의 저압부에 공급함으로 랜킨 사이클의 효율이 향상되고 발생 전력이 커진다는 이점이 있다.
이와같이 급수관로 중에 급수 펌프와 제2제어변과를 마련함과 동시에, 제2증기공급관로에 제1제어변을 마련하고 또한 열수 공급관로에 제3제어변을 마련함으로써 배기가스 이코노마이저의 예열부의 출입구에 있어서의 터미널 온도차가 거의 동등하게 되도록 제어하고, 또한 혼압 터이빈의 배기 출구에서 배출된 증기를 복수기로 복수시킨후, 윤활유 냉각기, 청수 냉각기 및 내연기관의 흡기냉각기에 있어서, 각각 열 에너지를 회수하면서 드레인 탱크에 되돌리게 구성항 본 발명의 다른특징과 이점을 명확히 하기위하여, 이하 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도에 도시한 종래의 폐열회수장치는, 증기분리드럼(2)내의 증기를 배기가스 이코노마이저(1)의 과열부(13)를 거쳐 증기터어빈(104)에 공급하고, 이 증기 터어빈(104)에 의하여 발전기(5)를 구동하여 배기가스 중의 열 에너지를 전기에너지로 치환하고 있다.
그리고, 증기터어빈(104)에서 배출된 증기를 복수기(7)로 복수시키고, 다시 복수펌프(8)에 의하여 드레인 탱크(10)에 되돌림과 동시에 드레인탱크(10)내의 물을 급수펌프(6)에 의하여 상기 증기 분리드럼(2)에 공급하고 있다.
한편, 증기 분리드럼(2)내의 열수는 순환펌프(18)에 의하여 열교환기(105), 배기가스 이코노마이저(1)의 예열부(11) 및 배기가스 이코노마이저(1)의 증발부(12)를 거쳐 다시 증기 분리드럼(2)에 되돌려진다.
그러나, 이와같은 폐열회수장치는 배기가스 이코노마이저 예열부(11)의 입구측에 있어서의 순환수의 온도를 일정온도(ti)로 설정한후, 배기가스 이코노 마이저 예열부(11)의 출구측에 있어서의 터미널 온도차(△tl)에 의하여 배기가스 이코노마이저(1)의 출구에 있어서의 배기가스 온도가(to)로 되므로 배기가스 E로부터 충분한 열을 회수할 수가 없다. (제4도 참조)
한편, 제2도 및 제3도에 나타내는 폐열회수장치는 펌프(118)에 의하여 순환되는 순환수의 일부를 열원으로 하는 저압증기 발생기(24)로 저압증기를 발생시키는 것으로서, 순환수의 온도를 배기가스 이코노마이저 예열부(11)의 입구측의 온도(ti)를 제어하고 있다.
그러나 저압증기 발생기(24)에 있어서의 터미널 온도차 때문에 배기가스 이코노마이저 예열부(11)의 출구측 온도(to´)는 제한되어 충분히 온도를 내릴수 없으므로(제4도 참조)배기가스중의 열 에너지를 회수하는 열 회수율을 향상시키는데는 한도가 있다.
그러므로 폐열회수장치 전체의 열 회수율을 향상시키기 위하여 본 출원의 폐열회수 장치의 하나는 제5도에 나타내는 바와같이 구성되어 있다.
여기서 제1도 내지 제3도에 도시한 종래의 폐열 회수장치와 같은 부품에는 동일 부호를 부여하고 있다.
증기 분리드럼(2)의 증발부(2a)와 혼압터어빈(4)의 고압부(50)는 배기가스 이코노마이저(1)의 과열부(13)를 포함하는 제1증기 공급관(36)에 의하여 연통되어 있고, 이 증기 분리드럼(2)에서 분리된 증기의 대부분은 배기가스 이코노마이저(1) 과열부(13)에서 과열된후에 혼압 터어빈(4)의 고압부(50)에 공급된다.
이 증기 분리드럼(2)는 통상 보조 보일러의 증기 드럼과 겸용된다.
상기 혼합 터어빈(4)는 감속기를 포함한 연결수단(32)에 의하여 열수 플래시 터어빈(3)과 회전축이 연계되어있어, 이들 두개의 터어빈(3) 및 (4)에 의하여 발전기(5)가 구동되어 열 에너지가 전기 에너지로 치환되는데 여기에서 열플래시 터어빈은 노즐에서 분출된 열수에 의해서 로터를 회전시킴에 의해 열수의 열 에너지를 운동에너지로 이끌어냄과 동시에 로터내에 발생한 증기도 이용하도록한 설비이다.
상기 증기 분리드럼(2)의 열수부(2B)와 상기 열수 플래시 터어빈(3)과는 열수공급관로(37)에 의하여 연통되어 있어, 증기 분리드럼(2)에 저축된 열수는 상기 열수 공급관로(37)을 통하여 열수 플래시 터어빈(3)에 공급된다.
상기 열수 플래시 터어빈(3)과 혼압터어빈(4)의 제1저압부(51)와는 제2증기공급관로(38)에 의하여 연통되어 있고, 열수 플래시 터이빈(3)에서 분리된 증기의 일부는 혼압터어빈(4)의 제1저압부(51)에 공급된다.
또한 상기 열수 플래시 터이빈(3)과 드레인 탱크(10)는 제1반려관(39)에 의하여 연통되어 있어, 상기 열수 플래시 터어빈(3)에서 분리된 열수는 드레인 탱크(10)내로 되돌려 진다.
한편, 상기 혼압 터이빈(4)의 배기출구(53)와 드레인 탱크(10)는 복수기(7), 복수펌프(8), 윤활유냉각기기(16), 청수냉각기(17) 및 내연기관(25)의 흡기냉각기(9)를 포함하는 제2반려관(40)에 의하여 연통되어 있어, 혼압터어빈(4)의 배기출구(53)에서 배출된 증기가 복수되면, 윤활유 냉각기(16) 청수냉각기(17) 및 내연기관(25)의 흡기냉각기(9)에서, 각각 열 에너지를 흡수하면서 상기 드레인 탱크(10)에 되돌려진다.
상기 드레인 탱크(10)과 배기가스 이코노마이저(1)의 예열부(11)의 입구(26)는 급수 펌프(6)를 구비한 급수관로(41)에 의하여 연동되어 있다.
이 급수펌프(6)는 정상 운전 상태에 있어서, 배기가스 이코노마이저(1)이 예열부(11)의 출입구축에 있어서의 터미널 온도차가 동일해 지도록 사전에 유량조정되어 있다.
또, 배기가스 이코노마이저(1)의 예열부(11)의 출구(27)는 배기가스 이코노마이저(1)의 증발부(12)의 입구(29)와 연통관(54)에 의하여 연동되고, 또한 배기가스 이코노마이저의 증발부(12)의 출구(28)는 연통관(55)에 의하여 증기 분리드럼(2)의 열수부(2b)와 연통되어 있다.
본 발명에서는 배기가스의 열 에너지를 최대한 회수하기 위하여 배기가스 이코노마이저 예열부(11)의 입구부(26)에 있어서의 급수온도(ti)를 일정하게 하는 것과 배기 가스 이코노마이저 예열부(11)의 입구측의 터미널 온도차 Tl-Ts와 출구측의 터미널 온도차 To-Ti와가 같게 되도록 제1제어변(23), 제2제어변(22) 및 제3제어변(21)을 마련하고 있다.
상기 제1제어변(23)은 제2증기공급관로(38)에 배설되어, 배기가스 이코노마이저 예열부(11)의 입구(26)에 있어서의 급수온도를 감지기(45)로 감지하여 설정치보다 높아졌을때 제2증기공급관로(38)내의 증기의 유량을 증가시키도록 제어하고 있다.
또한 제2제어변(22)은 급수펌프(6)의 하류측에 위치한 급수관로(41)에 마련되어 드레인 탱크(10)내의 수위를 검출기(44a)에 의하여 검출하여 급수량을 제어하고 있다. 한편, 제3제어변(21)은 열수 공급관로(37)에 마련되어 드레인 탱크(10)내의 수위를 검출기(44b)에 의하여 검출하여 열수 유량을 제어하고 있다.
여기에서, 상기 감지기(45)와 제1제어변(23)은 리드선(46)에 의하여 전기적으로 연결되어 있다. 또한 검출기(44A)와 제2제어변(22)는 리드선(47)에 의하여 전기적으로 연결되고, 또 제3제어변(21)은 리드신(48)에 의하여 검출기(44B)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 제1증기공급관로(36)에서 분기된 제1분기관(42)은 제1가열기(14)를 거쳐 상기 드래인탱크(10)에 연통되어 있다. 한편, 내연기관(25)은 배기 매니폴드(34)와 흡기 매니폴드(35)를 갖고 있고, 이들 두개의 매니폴드(34) 및 (35)는 터어보 차아저(turbo-charger,33)와 서로 연통되어 있다.
제6도는 본 발명의 제2실시예를 나타내는 것으로, 배기가스 이코노마이저(1)의 증발부(12)를 독립된 순환계로 구성시키고 있다.
그밖의 구성은 제5도에 나타낸 제1실시예와 동일하다. 즉, 배기가스 이코노마이저(1)이 증발부(12)의 입구(29)는 순환펌프(18)를 가진 관로(58)에 의하여 증기 분리드럼(2)의 열수부(2b)와 연통되고, 또 증발부(12)이 출구(28)는 관로(57)에 의해 증기 분리드럼(2)의 열수부(2b)와 연통되고 있다. 또한, 배기가스 이코노마이저(1)의 예열부(11)의 출구(27)는 관로(56)에 의하여 증기분리드럼(2)의 열수부(2b)와 연통되어 있다.
제7도는 본 발명의 제3실시예를 나타내고 있다. 이에는 제1반려관(39)에, 분리탱크의 일종으로 고압의 포화수를 저압의 포화수와 포화증기로 분리하고 증기와 물을 빼내는 설비인 플래셔(20)를 배설하고, 거기서 분리된 증기를 제3증기관(60)을 통해서 혼합 터어빈(4)의 제2저압부(52)에 공급함과 동시에, 분리액을 이송펌프(19)에 의해 드레인탱크(10)에 배출한다.
상기 제1, 제2 및 제3실시예에 있어서, 열수 플래시 터어빈(3)대신에 플래셔(flasher)를 사용하는 것도 가능하다. 제8도는 본 발명의 제4실시예를 나타내고 있다. 이에는 제2플레셔(120)가 혼압 터어빈(4)에 인접하여 배설된다. 상기 플래셔(120)는 열수 공급관로(37)에 의하여 증기분리드럼(2), 혼압터어빈(4) 및 드레인 탱크(10)와 연통되어 있고, 혼압터어빈(4)의 제1저압부(51)와 제2증기공급관로(38)에 의하여 연통되고, 다시 제1반려관로(39)에 의하여 드레인탱크(10)와 연통된다.
이상과 같은 본 고안은 제2증기공급관로(38)에는 제1제어변(23)을 설치하여 배기가스 이코너마이저 예열부(11)의 입구 급수온도를 감지기로 감지하여 설정치보다 높아졌을대 제2증기공급관로 내의 증기의 유량을 증가시키게 하고, 급수관로에는 제2제어변을 설치하므로서, 드레인탱크내의 수위를 검출기에 의하여 검출하여 급수량을 제어하며, 열수공급관로에는 제3제어변을 설치하여 드레인 탱크내의 열수유량을 제어하므로서, 배기가스 이코노마이저 예열부의 입구의 터미널 온도차와 출구의 터미널 온도차와를 같게 할수가 있어, 배기가스 중의 열 에너지를 최대한 회수할 수가 있다.
또한, 냉각수, 윤활유 및 소기공기로부터의 저온폐열을 열수로서 회수 할 수 있어 폐열 회수율을 높일수가 있다고하는 것이 효과가 있다.
또, 열수 플래시 터어빈에 의해 고압열수의 운동에너지를 동력으로서 회수함과 동시에, 열수 플래시 터어빈에서 발생한 증기를 혼압 터어빈의 저압부에 공급함에 의해 랜킨(rankine)사이클의 효율이 향상하고, 발생전력이 커진다고 하는 잇점이 있다.

Claims (3)

  1. (a) 예열부, 증발부(12) 및 과열부(13)를 갖는 배기가스 이코노마이저(1), (b) 발전기(5)를 구동하는 혼압 터어빈과(4), (c)증기분리 드럼(2)을 갖는 동시에, 증기분리드럼 중의 증기를 배기가스 이코노마이저의 과열부(3)를 통하여 혼합 터어빈(4)의 고압부에 공급하는 제1증기 공급관로(36)를 갖는 폐열회수장치로서, (d) 상기 혼압 터어빈(4)에 연결된 열수플래시 터어빈(3), (e) 증기 분리드럼(2)내의 열수 플래시 터어빈(3)에 공급하는 열수 공급관로(37), (f) 상기 열수 플래시터어빈(3)에서 분리된 증기를 혼압 터어빈(4)의 저압부에 공급하는 제2증기공급관로(38), (g) 상기 열수 플래시 터어빈(3)에서 분리된 열수를 드레인 탱크(10)에 되돌리는 제1반려관로(39), (h) 상기 혼합 터어빈(4)에서 배출된 증기를 복수시킨후 각종의 냉각기를 거쳐 상기 드레인 탱크로 되돌리는 제2반려관로(40), (i) 상기 드레인 탱크내(10)의 액체를 배기가스 이코노마이저(1)의 예열부(11)의 입구측(26)의 순환수의 온도를 감지하여 제2증기공급관로내의 증기 공급량을 제어하는 제1제어변(23), (k) 상기 급수관로(41)에 마련된 급수펌프(6), (l) 상기 급수관로(41)에 마련되고, 드레인 탱크(10)내의 수위를 감지하여 급수량을 제어하는 제2제어변 (22), (m) 상기 열수 공급관로(37)에 마련되며, 드레인 탱크(10)내의 수위를 감지하여 열수 공급량을 제어하는 제3제어변(21)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열회수장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1반려관로(39)중에 플래셔(20)를 배설함과 동시에, 이 플래셔와 혼압 터어빈(4)의 제2저압부(52)를 제3증기관(60)으로 연통시킨 것을 특징으로 하는 폐열회수 장치.
  3. 제1항에 있어서, 혼압 터어빈(4)의 근방에 제2플래셔(120)를 배설하고, 이 플래셔를 열수공급관로(37)에 의하여 증기 분리드럼(2)과 연통시킴과 동시에 제2증기공급관로(38)에 의하여 혼압 터어빈(4)의 제1저압부(51)와 연통시키고 또한 제1반려 관로(39)에 의하여 드레인 탱크(10)와 연통시킨 것을 특징으로하는 폐열회수장치.
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