WO2017014345A1 - 하이브리드 냉난방장치를 이용한 온배수 폐열 재활용시스템 - Google Patents

하이브리드 냉난방장치를 이용한 온배수 폐열 재활용시스템 Download PDF

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WO2017014345A1
WO2017014345A1 PCT/KR2015/007885 KR2015007885W WO2017014345A1 WO 2017014345 A1 WO2017014345 A1 WO 2017014345A1 KR 2015007885 W KR2015007885 W KR 2015007885W WO 2017014345 A1 WO2017014345 A1 WO 2017014345A1
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cooling
hot water
heat exchanger
water
waste heat
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PCT/KR2015/007885
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이완호
이형문
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이완호
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D17/00—Domestic hot-water supply systems
    • F24D17/02—Domestic hot-water supply systems using heat pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B13/00—Compression machines, plants or systems, with reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps

Definitions

  • the present invention relates to a waste heat recycling system for hot wastewater, and more particularly, to a waste heat recycling system for recycling waste heat of hot waste water used in a power plant or the like using a hybrid heat pump type air conditioner.
  • Patent Application No. 10-2013-0074147 discloses a power plant that receives waste heat from high temperature hot waste water and generates power by dropping the waste heat.
  • 10-2010-0134983 discloses a technique for recovering waste heat, supplying it to a turbine, and recycling it to power generation.
  • the object of the present invention is to recover the waste heat from the hot water drainage using a hybrid air-conditioning device can be utilized for both cooling, heating or hot water supply, high practicality
  • the present invention relates to an effective hot water waste heat recycling system due to its high applicability.
  • Warm wastewater recycling system includes a hybrid air conditioner, a waste heat exchanger, a hot water heat exchanger and a recycling complex.
  • the hybrid air conditioner is connected to a cooling load, a heating load, and a hot water supply tank to supply cold water to the cooling load, supply hot water to the heating load, and selectively supply hot water to the hot water tank.
  • the waste heat exchanger is connected between the cooling load and the hybrid air conditioner, and is installed on a hot water drainage channel of a power plant to recover waste heat from the hot water drainage.
  • the hot water heat exchanger is connected between the heating load and the hybrid air conditioner.
  • the recycling complex receives cooling or heating from the cooling load and the heating load, and is installed to be adjacent to the hot / water drainage channel of the power plant.
  • the recycling complex may be any one of a factory farm, an industrial complex, an apartment complex, a hot water drainage water park, and a glass greenhouse theme park installed in the vicinity of the power plant.
  • circulation to the waste heat exchanger is interrupted, and cold water may be supplied only from the hybrid air conditioner to the cooling load.
  • the circulation to the cooling load is interrupted, and the waste heat and cold water recovered between the waste heat exchanger and the hybrid air conditioner may be circulated.
  • the hybrid air conditioner an overheat prevention heat exchanger for circulating the refrigerant to cool, a compressor for compressing the refrigerant received from the overheat prevention heat exchanger to convert to a high temperature refrigerant, the heat exchange with the high temperature refrigerant
  • a hot water supply to produce a hot water supply
  • a hot water heat exchanger provided to the hot water tank, the heat exchanger with the refrigerant passing through the hot water heat exchanger to produce hot water to provide the heating load
  • the condenser to provide a refrigerant to the overheat prevention heat exchanger, the overheat prevention
  • An expansion valve for expanding the refrigerant cooled in the heat exchanger, and optionally connected to the cooling load or the waste heat exchanger, to produce cold water by heat exchange with the vaporized refrigerant through the expansion valve, the refrigerant to the overheat prevention heat exchanger It may include an evaporator to provide.
  • the cooling water produced in the evaporator may be supplied to the cooling load in a period in which cooling is supplied to the recycling jar.
  • the cold water produced in the evaporator may be provided to the waste heat exchanger to cool the hot water and recover waste heat, and the recovered waste heat may be provided to the evaporator.
  • it may further include a cooling tower connected between the heating load and the condenser to discharge the remaining heat of hot water to the outside.
  • the recycling complex installed adjacent to a power plant to perform cooling or heating by utilizing the warm water drainage of the power plant
  • the recycling complex may be a plant-type farm, an industrial complex, an apartment complex.
  • Various collection complexes such as water parks using heat and wastewater heat, glass greenhouse theme parks (tropical plants, fruits, etc.), insect theme parks, etc. are available, and the waste heat of the hot water drainage, which was previously disposed of as seawater and caused various problems, can be recycled.
  • the energy consumption of the complex can be minimized.
  • the hybrid air-conditioner cold water, hot water as well as hot water can be provided to the recycling complex at the same time, the system that had to be installed each for the supply of cold water, hot water, hot water supply to replace a single system Can minimize installation costs for energy recycling and improve energy efficiency.
  • the advantages of producing cold and hot water at the same time it is possible to maximize energy efficiency by using cold storage and freezing warehouse of products produced and processed in farm complex, industrial complex, etc. with low power.
  • the system can be configured to cut off the cooling load supply to the recycling complex while recovering, it has the utility to simultaneously perform cooling and heating while optimally recycling the waste heat of the warm water according to the change of the season.
  • the hybrid air-conditioning and cooling device prevents cooling by circulating a refrigerant, and is connected to an expansion valve, an evaporator, a condenser, and a compressor at the same time, and thus includes an overheat prevention heat exchanger capable of supplying cooling loads, heating loads, and hot water supply.
  • the heating efficiency can be improved while eliminating problems such as overheating and dropping of the compressor generated in the air conditioner, and the control system can be relatively simplified and stable operation is possible.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a system for recycling waste heat of hot water according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an image of a power plant to which the warm wastewater recycling system of FIG. 1 is applied.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing a situation of supplying cooling through the waste heat recycling system of hot water wastewater of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a situation in which heating is supplied through the wastewater recycling system for waste water of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a system for operating a farm through the waste water recycling system of FIG.
  • hybrid air conditioning unit 110 evaporator
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a system for recycling waste heat of hot water according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an image of a power plant to which the warm wastewater recycling system of FIG. 1 is applied.
  • 5 is a schematic diagram showing a system for operating a farm through the waste water recycling system of FIG.
  • the wastewater recycling system for hot water wastewater according to the present embodiment 10 is a hybrid heating and cooling device 100, waste heat exchanger 200, cooling load 300, heating load 400, hot water tank ( 500 and a recycling jar 600.
  • cooling water inlet channel 2 for using seawater as cooling water, and used for cooling.
  • a hot wastewater discharge passage 3 for discharging a hot wastewater having a rise in temperature is formed.
  • the cooling water inlet channel 2 is formed at one side about the power plant 1, and the warm wastewater discharge channel 3 is formed at the other side of the power plant 1.
  • the warm wastewater recycling system 10 according to the present embodiment is installed to be adjacent to the warm wastewater discharge channel 3 side, and thus the recycling complex 600 shown in FIG. 5 also has the warm wastewater discharge channel 3 It is preferable to be installed adjacent to).
  • the recycling complex 600 may be a large-scale complex such as a factory farm, an industrial complex, an apartment complex, a hot water drainage water park, and a glass greenhouse theme park.
  • a large-scale complex such as a factory farm, an industrial complex, an apartment complex, a hot water drainage water park, and a glass greenhouse theme park.
  • the hybrid air conditioner 100 includes an evaporator 110, a condenser 120, an expansion valve 130, an overheat prevention heat exchanger 140, a compressor 150, and a hot water supply.
  • Heat exchanger 160 is
  • the compressor 150 compresses a refrigerant of about 25 degrees provided from the overheat prevention heat exchanger 140, converts the refrigerant into a high temperature refrigerant gas of about 90 to 120 degrees, and provides the hot water exchanger 160 with the hot water. do.
  • the hot water supply heat exchanger 160 produces a hot water of about 55 to 80 degrees through heat exchange with a high temperature refrigerant gas provided from the compressor 150, and provides the hot water to the hot water tank 500.
  • the remaining hot water supplied to the hot water tank 500 is recycled to the hot water heat exchanger 160, the hot water circulation pump 501 is provided between the hot water heat exchanger 160 and the hot water tank 500. The hot water is circulated.
  • the condenser 120 passes through the hot water supply heat exchanger 160, when the refrigerant producing the hot water is cooled to about 60 ⁇ 80 degrees, through the heat exchange with the refrigerant to about 45 ⁇ 60 degrees hot water for heating To produce.
  • the heated hot water thus produced is provided to the heating load 400 and used for heating the recycling complex 600.
  • a cooling heat exchanger 420 is connected between the heating load 400 and the condenser 120, and the cooling heat exchanger 420 is connected to the cooling tower 410.
  • the remaining heat of the hot water provided to the heating load 400 is heat-exchanged in the cooling heat exchanger 420, the remaining heat is released to the cooling tower 410. That is, since the heat of the hot water remaining through the cooling tower 410 is released, the amount of heat remaining through the sea water is not released as in the prior art, and a relatively small amount of heat is released into the atmosphere, thereby disturbing marine ecosystems or fishermen by waste heat. Damage can be minimized.
  • a hot water circulation pump 401 may be provided to circulate hot water between the heating load 400 and the condenser 120, and the air between the cooling heat exchanger 420 and the cooling tower 410.
  • Cooling tower circulation pump 411 may be provided for the circulation of.
  • the overheat prevention heat exchanger 140 is connected to the condenser 120, the compressor 150, the expansion valve 130 and the evaporator 110.
  • the overheat prevention heat exchanger 140 circulates a coolant of about 50 to 70 degrees provided from the condenser 120 and cools the coolant to about 30 degrees.
  • the cooled coolant is provided to the expansion valve 130, and the expansion valve 130 expands the refrigerant to vaporize about 0 degrees and cools it.
  • the refrigerant cooled to about 0 degrees is provided to the evaporator 110, the evaporator 110 to produce cold water of about 7 degrees through heat exchange.
  • the waste heat exchanger 200 is connected between the cooling load 300 and the evaporator 110 through the first and second switching units (311, 312), hereinafter the waste heat exchanger 200 or the cooling
  • the first and second switching units (311, 312) hereinafter the waste heat exchanger 200 or the cooling
  • the first and second conversion parts 311 and 312 may include the waste heat exchanger.
  • the pipeline between the 200 and the evaporator 110 is blocked, and thus the evaporator 110 circulates only with the cooling load 300.
  • the refrigerant heated by the cold water recovered by the evaporator 110 is provided to the compressor 150 through the overheat prevention heat exchanger 140 again, and the above-described cycle is repeated.
  • the first and second switching units 311 and 312 may include the first and second switching units 311 and 312 during the winter season or the season when no cooling is required in the recycling complex 600. Open the conduit between the waste heat exchanger 200 and the evaporator 110 but block the conduit between the cooling load 300 and the evaporator 110, whereby the evaporator 110 is the waste heat exchanger 200 Will only cycle.
  • the waste heat exchanger 200 is the warm wastewater discharge channel 3. Since it is installed inside, the cold water in the waste heat exchanger 200 is heat-exchanged with the warm waste water to recover the waste heat.
  • the temperature of the sea water is also lowered at the same time, so that the adverse effect of the temperature of the hot water discharged through the power plant 1 on the sea water is relatively increased. Therefore, as in the present embodiment, the temperature of the warm wastewater is lowered through the operation of the waste heat exchanger 200 and the waste heat is recovered from the warm wastewater and recycled through the evaporator 110 while minimizing the influence of the warm wastewater. Improve the effect of energy recycling.
  • the cooling water is circulated to the cooling load 300 side or the waste heat exchanger 200 side by dividing into a time when cooling is required and a time when cooling is not necessary, respectively, but the recovery of waste heat even when cooling is required. If necessary, it can induce the circulation of cold water to the waste heat exchanger 200 side, and if cooling is required instantaneously even when cooling is unnecessary, it can induce the circulation of cold water to the cooling load 300 side, the circulation is flow
  • the first and second switching units 311 and 312 can be easily controlled by controlling the opening and closing operation.
  • the recycling complex installed adjacent to a power plant to perform cooling or heating by utilizing the warm water drainage of the power plant
  • the recycling complex may be a plant-type farm, an industrial complex, an apartment complex.
  • Various collection complexes such as water parks using heat and wastewater heat, glass greenhouse theme parks (tropical plants, fruits, etc.), insect theme parks, etc. are available, and the waste heat of the hot water drainage, which was previously disposed of as seawater and caused various problems, can be recycled.
  • the energy consumption of the complex can be minimized.
  • the hybrid air-conditioner cold water, hot water as well as hot water can be provided to the recycling complex at the same time, the system that had to be installed each for the supply of cold water, hot water, hot water supply to replace a single system Can minimize installation costs for energy recycling and improve energy efficiency.
  • the advantages of producing cold and hot water at the same time it is possible to maximize energy efficiency by using cold storage and freezing warehouse of products produced and processed in farm complex, industrial complex, etc. with low power.
  • the system can be configured to cut off the cooling load supply to the recycling complex while recovering, it has the utility to simultaneously perform cooling and heating while optimally recycling the waste heat of the warm water according to the change of the season.
  • the hybrid air-conditioning and cooling device prevents cooling by circulating a refrigerant, and is connected to an expansion valve, an evaporator, a condenser, and a compressor at the same time, and thus includes an overheat prevention heat exchanger capable of supplying cooling loads, heating loads, and hot water supply.
  • the heating efficiency can be improved while eliminating problems such as overheating and dropping of the compressor generated in the air conditioner, and the control system can be relatively simplified and stable operation is possible.

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Abstract

온배수 폐열 재활용시스템은 하이브리드 냉난방장치, 폐열교환기, 온수 열교환기 및 재활용 단지를 포함한다. 상기 하이브리드 냉난방장치는 냉방 부하, 난방 부하 및 급탕 탱크와 연결되어, 상기 냉방 부하로 냉수를 공급하고, 상기 난방부하로 온수를 공급하며, 상기 급탕 탱크로 급탕수를 선택적으로 공급한다. 상기 폐열교환기는 상기 냉방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결되며, 발전소의 온배수 배출수로 상에 설치되어 온배수로부터 폐열을 회수한다. 상기 온수 열교환기는 상기 난방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결된다. 상기 재활용 단지는 상기 냉방 부하 및 상기 난방 부하로부터 냉방 또는 난방을 공급받으며, 상기 발전소의 온배수 배출수로에 인접하도록 설치된다.

Description

하이브리드 냉난방장치를 이용한 온배수 폐열 재활용시스템
본 발명은 온배수 폐열 재활용시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하이브리드 히트 펌프식 냉난방장치를 이용하여 발전소 등에서 사용된 온배수의 폐열을 재활용하는 온배수 폐열 재활용시스템에 관한 것이다.
현재 국내의 화력이나 원자력 등의 발전소에서는 냉각수로 해수를 사용한 후, 가열된 해수, 즉 온배수를 그대로 바다로 흘려 내보내고 있으며 이로 인한 피해가 다양하게 발생하고 있다.
즉, 연평균 26.5도 이상의 고온의 온배수가 무분별하게 방류됨에 따라 해양 온도의 급상승으로 주변 해역의 해조류 서식지 파괴 등과 같은 해양 생태계 교란의 문제가 있으며, 이에 따라 농어민의 생존 기반이 파괴되는 문제가 야기되고 있다. 또한, 국내의 발전 공기업의 온배수 배출량만 연간 약 550억 톤에 달하는데, 이를 재활용하지 못하여 에너지 생산 비용이 증가하는 문제도 있다.
이에 따라, 상기 온배수의 재활용을 위한 다양한 기술들이 개발되고 있으며, 특허출원 제10-2013-0074147호에서는 고온의 온배수로부터 폐열을 전달받아 낙하시키며 전력을 발생시키는 발전소에 대하여 개시하고 있으며, 특허출원 제10-2010-0134983호에서는 폐열을 회수하여 터빈에 공급하여 발전에 재활용하는 기술에 대하여 개시하고 있다.
이상과 같이, 폐열을 재활용하기 위한 기술들은 다양하게 개발되고 있으나, 현재까지는, 온배수로부터 폐열을 회수하여 이를 별도의 발전기 등을 가동하기 위한 에너지원으로 활용하는 기술에 국한되고 있으며 국내의 다양한 발전소에 실제 적용되기에는 기술적인 한계가 있는 등의 문제가 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 하이브리드 냉난방장치를 이용하여 온배수로부터 폐열을 회수하여 냉방, 난방 또는 급탕으로 모두 활용할 수 있어 활용성이 높으며, 실제 발전소에의 적용 가능성이 높아 효과적인 온배수 폐열 재활용시스템에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 온배수 폐열 재활용시스템은 하이브리드 냉난방장치, 폐열교환기, 온수 열교환기 및 재활용 단지를 포함한다. 상기 하이브리드 냉난방장치는 냉방 부하, 난방 부하 및 급탕 탱크와 연결되어, 상기 냉방 부하로 냉수를 공급하고, 상기 난방부하로 온수를 공급하며, 상기 급탕 탱크로 급탕수를 선택적으로 공급한다. 상기 폐열교환기는 상기 냉방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결되며, 발전소의 온배수 배출수로 상에 설치되어 온배수로부터 폐열을 회수한다. 상기 온수 열교환기는 상기 난방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결된다. 상기 재활용 단지는 상기 냉방 부하 및 상기 난방 부하로부터 냉방 또는 난방을 공급받으며, 상기 발전소의 온배수 배출수로에 인접하도록 설치된다.
일 실시예에서, 상기 재활용 단지는, 상기 발전소의 인근에 설치되는 공장형 농장, 산업 단지, 아파트 단지, 온배수 열이용 워터파크, 유리온실 테마파크 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재활용 단지로 냉방이 공급되는 기간에는, 상기 폐열교환기로의 순환은 차단되며, 상기 하이브리드 냉난방장치로부터 상기 냉방 부하로만 냉수가 공급될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재활용 단지로 냉방의 공급이 차단되는 기간에는, 상기 냉방 부하로의 순환은 차단되며, 상기 폐열교환기와 상기 하이브리드 냉난방장치 사이에서 회수된 폐열과 냉수가 순환할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하이브리드 냉난방장치는, 냉매를 순환시켜 냉각하는 과열방지 열교환기, 상기 과열방지 열교환기로부터 제공받은 냉매를 압축하여 고온의 냉매로 전환하는 압축기, 상기 고온의 냉매와의 열교환으로 급탕을 생산하여, 상기 급탕 탱크로 제공하는 급탕 열교환기, 상기 급탕 열교환기를 통과한 냉매와 열교환하여 온수를 생산하여 상기 난방 부하로 제공하며, 냉매를 상기 과열방지 열교환기로 제공하는 응축기, 상기 과열방지 열교환기에서 냉각된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 및 상기 냉방 부하 또는 상기 폐열교환기와 선택적으로 연결되며, 상기 팽창밸브를 통해 기화된 냉매와의 열교환으로 냉수를 생산하고, 냉매를 상기 과열방지 열교환기로 제공하는 증발기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재활용 단지로 냉방이 공급되는 기간에는, 상기 증발기에서 생산된 냉수가 상기 냉방부하로 공급될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재활용 단지로 냉방의 공급이 차단되는 기간에는, 상기 증발기에서 생산된 냉수가 상기 폐열교환기로 제공되어 온배수를 냉각하며 폐열을 회수하고, 회수된 폐열은 상기 증발기로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 난방 부하와 상기 응축기 사이에 연결되어, 온수의 남는 열량을 외부로 방출하는 냉각탑을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 발전소에 인접하도록 설치되어 발전소의 온배수를 활용하여 냉방 또는 난방을 수행할 수 있는 재활용 단지의 설치가 가능하며, 상기 재활용 단지로는 공장형 농장, 산업 단지, 아파트 단지, 온배수열이용 워터파크, 유리온실 테마파크(열대식물, 과일등) 나비, 곤충테마파크 등 다양한 집합 단지가 가능하므로, 기존에 해수로 폐기되어 다양한 문제를 야기하였던 온배수의 폐열을 재활용할 수 있어, 집합 단지의 에너지 소비를 최소화할 수 있다.
특히, 하이브리드 냉난방장치를 통해, 냉수, 온수는 물론 급탕수까지 상기 재활용 단지로 동시에 제공할 수 있으므로, 기존에 냉수, 온수, 급탕수의 공급을 위해 각각 설치하여야 했던 시스템을 하나의 시스템으로 대체할 수 있어, 에너지 재활용을 위한 설치 비용을 최소화할 수 있으며, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 냉온수를 동시에 생산되는 장점을 통해 농장단지, 산업단지등 생산, 가공되는 제품들의 냉장,냉동창고를 저전력으로 사용가능하여 에너지효율을 극대화 할 수 있다.
또한, 냉방 공급이 필요한 여름철에는 해수의 온도도 상승하므로 온배수로 인한 영향이 최소화되므로, 상기 재활용 단지로 냉방 부하만 공급하되, 냉방 공급이 불필요한 가을이나 겨울철에는 해수의 온도가 하강하므로 온배수로부터 폐열을 회수하면서 상기 재활용 단지로의 냉방 부하 공급을 차단하는 시스템을 구성할 수 있으므로, 계절의 변화에 따라 온배수의 폐열을 최적 재활용하면서 냉난방을 동시에 수행할 수 있는 효용성을 가진다.
나아가, 상기 하이브리드 냉난방장치는, 냉매를 순환시켜 냉각을 방지하며, 팽창밸브, 증발기, 응축기 및 압축기와 동시에 연결되어, 냉방부하, 난방부하는 물론 급탕의 공급도 가능한 과열방지 열교환기를 포함하므로, 종래 냉난방장치에서 발생하는 압축기 과열이나 적상 등의 문제를 해소하면서 난방효율을 향상시킬 수 있고, 제어 시스템을 상대적으로 단순화하면서 안정적인 운용이 가능하게 된다.
또한, 남은 온수의 열량은 해수가 아닌 냉각탑을 통해 외기로 방출하므로, 해수의 온도 상승의 문제를 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 온배수 폐열 재활용시스템을 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 온배수 폐열 재활용시스템이 적용되는 발전소를 촬영한 이미지이다.
도 3은 도 1의 온배수 폐열 재활용시스템을 통해 냉방을 공급하는 상황을 도시한 모식도이다.
도 4는 도 1의 온배수 폐열 재활용시스템을 통해 난방을 공급하는 상황을 도시한 모식도이다.
도 5는 도 1의 온배수 폐열 재활용시스템을 통해 농장을 운영하는 시스템을 도시한 모식도이다.
* 부호의 설명
10 : 온배수 폐열 재활용시스템
100 : 하이브리드 냉난방장치 110 : 증발기
120 : 응축기 130 : 팽창밸브
140 : 과열방지 열교환기 150 : 압축기
160 : 급탕 열교환기 200 : 폐열교환기
300 : 냉방부하 400 : 냉방부하
500 : 급탕탱크 600 : 재활용 단지
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 온배수 폐열 재활용시스템을 도시한 모식도이다. 도 2는 도 1의 온배수 폐열 재활용시스템이 적용되는 발전소를 촬영한 이미지이다. 도 3은 도 1의 온배수 폐열 재활용시스템을 통해 냉방을 공급하는 상황을 도시한 모식도이다. 도 4는 도 1의 온배수 폐열 재활용시스템을 통해 난방을 공급하는 상황을 도시한 모식도이다. 도 5는 도 1의 온배수 폐열 재활용시스템을 통해 농장을 운영하는 시스템을 도시한 모식도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 의한 온배수 폐열 재활용시스템(10)은 하이브리드 냉난방장치(100), 폐열교환기(200), 냉방부하(300), 난방부하(400), 급탕탱크(500) 및 재활용 단지(600)를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 통상적으로 국내의 대부분의 화력이나 원자력 발전소(1)는 해안가에 설치되어, 해수를 냉각수로 사용하기 위해 냉각수 인입수로(2)를 형성하며, 냉각을 위해 사용되어 온도가 상승한 온배수를 배출하는 온배수 배출수로(3)를 형성한다. 이 경우, 상기 냉각수 인입수로(2)는 상기 발전소(1)를 중심으로 일 측에 형성되며, 상기 온배수 배출수로(3)는 상기 발전소(1)의 다른 측에 형성된다.
따라서, 본 실시예에 의한 상기 온배수 폐열 재활용시스템(10)은 상기 온배수 배출수로(3) 측에 인접하도록 설치되며, 이에 따라 도 5에 도시된 상기 재활용 단지(600)도 상기 온배수 배출수로(3)에 인접하도록 설치되는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 재활용 단지(600)는 공장형 농장, 산업 단지, 아파트 단지, 온배수 열이용 워터파크, 유리온실 테마파크 등 대규모 단지일 수 있다. 특히, 국내의 대부분의 발전소(1)의 인근에는 대규모 산업단지나 대규모 농지 등을 조성할 수 있는 공간이 있으므로, 상기 재활용 단지를 상기 발전소(1)의 인근에 설치함으로써 보다 효율적으로 온배수의 폐열을 재활용할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 상기 하이브리드 냉난방장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 증발기(110), 응축기(120), 팽창밸브(130), 과열방지 열교환기(140), 압축기(150) 및 급탕 열교환기(160)를 포함한다.
상기 압축기(150)는 상기 과열방지 열교환기(140)로부터 제공받은 약 25도 내외의 냉매를 압축하여, 약 90~120도 내외의 고온의 냉매가스로 전환하여 상기 급탕 열교환기(160)로 제공한다.
상기 급탕 열교환기(160)는 상기 압축기(150)로부터 제공받은 고온의 냉매가스와 열교환을 통해 약 55~80도 내외의 급탕을 생산하여, 상기 급탕 탱크(500)로 제공한다. 또한, 상기 급탕 탱크(500)로 공급되고 남은 급탕은 상기 급탕 열교환기(160)로 재순환되며, 상기 급탕 열교환기(160)와 상기 급탕 탱크(500) 사이에는 급탕 순환펌프(501)가 구비되어 급탕을 순환시키게 된다.
상기 응축기(120)는 상기 급탕 열교환기(160)를 통과하여 급탕을 생산한 냉매가 약 60~80도 내외로 냉각되는 경우, 상기 냉매와의 열교환을 통해 약 45~60도 내외의 난방용 온수를 생산한다. 이렇게 생산된 난방용 온수는 상기 난방 부하(400)로 제공되며, 상기 재활용 단지(600)의 난방을 위해 사용된다.
한편, 상기 난방부하(400)와 상기 응축기(120) 사이에는 냉각용 열교환기(420)가 연결되며, 상기 냉각용 열교환기(420)는 냉각탑(410)과 연결된다.
그리하여, 상기 난방부하(400)로 제공된 온수의 남는 열은 상기 냉각용 열교환기(420)에서 열교환되며, 상기 냉각탑(410)으로 남은 열이 방출된다. 즉, 상기 냉각탑(410)을 통해 남은 온수의 열량이 방출되는 것으로 종래와 같이 해수를 통해 남은 열량이 방출되지 않고 상대적으로 적은 양의 열량이 대기중으로 방출되므로 폐열에 의해 해양 생태계 교란이나 이로 인한 어민의 피해를 최소화할 수 있다.
이 경우, 상기 난방부하(400)와 상기 응축기(120) 사이의 온수 순환을 위해 온수 순환펌프(401)가 구비될 수 있으며, 상기 냉각용 열교환기(420)와 상기 냉각탑(410) 사이의 공기의 순환을 위해 냉각탑 순환펌프(411)가 구비될 수 있다.
상기 과열방지 열교환기(140)는 상기 응축기(120), 상기 압축기(150), 상기 팽창밸브(130) 및 상기 증발기(110)와 연결된다.
즉, 상기 과열방지 열교환기(140)는 상기 응축기(120)로부터 제공받은 약 50~70도 내외의 냉매를 순환시키며 약 30도 내외로 냉매를 냉각시킨다.
이렇게 냉각된 냉매는 상기 팽창밸브(130)로 제공되며, 상기 팽창밸브(130)에서는 냉매를 팽창시켜 약 0도 내외로 기화시켜 냉각시킨다.
이렇게 약 0도 내외로 냉각된 냉매는 상기 증발기(110)로 제공되며, 상기 증발기(110)에서는 열교환을 통해 약 7도 내외의 냉수를 생산하게 된다.
한편, 상기 폐열교환기(200)는 냉방부하(300)와 상기 증발기(110) 사이에 제1 및 제2 전환부들(311, 312)을 통해 연결되며, 이하에서는 상기 폐열교환기(200) 또는 상기 냉방부하(300)와 상기 증발기(110) 사이의 순환에 대하여 설명한다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 상기 재활용 단지(600)에 냉방이 필요한 하절기, 예를 들어 5월에서 9월 사이에는, 상기 제1 및 제2 전환부들(311, 312)이 상기 폐열교환기(200)와 상기 증발기(110) 사이의 관로를 차단하며, 이에 따라 상기 증발기(110)는 상기 냉방부하(300)와만 순환하게 된다.
즉, 상기 증발기(110)를 통해 생산된 약 7도 내외의 냉수는 냉수 순환펌프(301)를 통해 상기 냉방 부하(300)로 제공되며, 상기 냉방 부하(300)를 통해 상기 재활용 단지(600)가 냉방되고, 가열된 냉수는 다시 증발기(110)로 회수된다.
특히, 냉방이 필요한 시기에는 해수의 온도도 동시에 상승하므로, 상기 발전소(1)를 통해 배출되는 온배수의 온도가 해수에 미치는 영향이 상대적으로 적게 된다. 따라서, 본 실시예에서와 같이, 상기 폐열교환기(200)의 가동을 중단시킨 상태에서 상기 증발기(110)와 상기 냉방부하(300) 사이에서의 냉수 순환만 동작시켜 상기 재활용 단지(600)의 냉방을 수행할 수 있게 된다.
한편, 상기 증발기(110)로 회수된 냉수에 의해 가열된 냉매는 다시 과열방지 열교환기(140)를 통해 압축기(150)로 제공되어, 상기 설명한 사이클이 반복된다.
이와 달리, 도 4를 참조하면, 상기 재활용 단지(600)에 냉방이 불필요한 동절기나 환절기, 예를 들어, 10월부터 4월 사이에는, 상기 제1 및 제2 전환부들(311, 312)이 상기 폐열교환기(200)와 상기 증발기(110) 사이의 관로를 개방하되 상기 냉방부하(300)와 상기 증발기(110) 사이의 관로를 차단하며, 이에 따라 상기 증발기(110)는 상기 폐열교환기(200)와만 순환하게 된다.
즉, 상기 증발기(110)를 통해 생산된 약 7도 내외의 냉수는 냉수 순환 펌프(301)를 통해 상기 폐열교환기(200)로 제공되며, 상기 폐열교환기(200)는 상기 온배수 배출수로(3) 내부에 설치되므로, 상기 폐열교환기(200)에서 상기 냉수는 상기 온배수와 열교환하여 폐열을 회수하게 된다.
특히, 냉방이 불필요한 시기에는 해수의 온도도 동시에 하강하게 되므로, 상기 발전소(1)를 통해 배출되는 온배수의 온도가 해수에 미치는 악영향이 상대적으로 증가하게 된다. 따라서, 본 실시예에서와 같이, 상기 폐열교환기(200)의 가동을 통해 상기 온배수의 온도를 하강시키며 상기 온배수로부터 폐열을 회수하여 이를 상기 증발기(110)를 통해 재활용함으로써 온배수에 의한 영향을 최소화하면서 에너지 재활용의 효과를 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 냉방이 필요한 시기와 냉방이 불필요한 시기로 구분하여 각각 냉방부하(300) 측, 또는 폐열교환기(200) 측으로 냉수가 순환하는 것을 예시하였으나, 냉방이 필요한 시기라도 폐열의 회수가 필요하다면 상기 폐열교환기(200) 측으로 냉수의 순환을 유도할 수 있으며, 냉방이 불필요한 시기라도 순간적으로 냉방이 필요하다면 상기 냉방부하(300) 측으로 냉수의 순환을 유도할 수 있으며, 이러한 순환이 흐름은 상기 제1 및 제2 전환부들(311, 312)을 개폐 동작을 제어함으로써 용이하게 제어가 가능하게 된다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 발전소에 인접하도록 설치되어 발전소의 온배수를 활용하여 냉방 또는 난방을 수행할 수 있는 재활용 단지의 설치가 가능하며, 상기 재활용 단지로는 공장형 농장, 산업 단지, 아파트 단지, 온배수열이용 워터파크, 유리온실 테마파크(열대식물, 과일등) 나비, 곤충테마파크 등 다양한 집합 단지가 가능하므로, 기존에 해수로 폐기되어 다양한 문제를 야기하였던 온배수의 폐열을 재활용할 수 있어, 집합 단지의 에너지 소비를 최소화할 수 있다.
특히, 하이브리드 냉난방장치를 통해, 냉수, 온수는 물론 급탕수까지 상기 재활용 단지로 동시에 제공할 수 있으므로, 기존에 냉수, 온수, 급탕수의 공급을 위해 각각 설치하여야 했던 시스템을 하나의 시스템으로 대체할 수 있어, 에너지 재활용을 위한 설치 비용을 최소화할 수 있으며, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 냉온수를 동시에 생산되는 장점을 통해 농장단지, 산업단지등 생산, 가공되는 제품들의 냉장,냉동창고를 저전력으로 사용가능하여 에너지효율을 극대화 할 수 있다.
또한, 냉방 공급이 필요한 여름철에는 해수의 온도도 상승하므로 온배수로 인한 영향이 최소화되므로, 상기 재활용 단지로 냉방 부하만 공급하되, 냉방 공급이 불필요한 가을이나 겨울철에는 해수의 온도가 하강하므로 온배수로부터 폐열을 회수하면서 상기 재활용 단지로의 냉방 부하 공급을 차단하는 시스템을 구성할 수 있으므로, 계절의 변화에 따라 온배수의 폐열을 최적 재활용하면서 냉난방을 동시에 수행할 수 있는 효용성을 가진다.
나아가, 상기 하이브리드 냉난방장치는, 냉매를 순환시켜 냉각을 방지하며, 팽창밸브, 증발기, 응축기 및 압축기와 동시에 연결되어, 냉방부하, 난방부하는 물론 급탕의 공급도 가능한 과열방지 열교환기를 포함하므로, 종래 냉난방장치에서 발생하는 압축기 과열이나 적상 등의 문제를 해소하면서 난방효율을 향상시킬 수 있고, 제어 시스템을 상대적으로 단순화하면서 안정적인 운용이 가능하게 된다.
또한, 남은 온수의 열량은 해수가 아닌 냉각탑을 통해 외기로 방출하므로, 해수의 온도 상승의 문제를 차단할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 냉방 부하, 난방 부하 및 급탕 탱크와 연결되어, 상기 냉방 부하로 냉수를 공급하고, 상기 난방부하로 온수를 공급하며, 상기 급탕 탱크로 급탕수를 선택적으로 공급하는 하이브리드 냉난방장치;
    상기 냉방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결되며, 발전소의 온배수 배출수로 상에 설치되어 온배수로부터 폐열을 회수하는 폐열교환기;
    상기 난방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결되는 온수 열교환기; 및
    상기 냉방 부하 및 상기 난방 부하로부터 냉방 또는 난방을 공급받으며, 상기 발전소의 온배수 배출수로에 인접하도록 설치되는 재활용 단지를 포함하는 온배수 폐열 재활용시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 재활용 단지는,
    상기 발전소의 인근에 설치되는 공장형 농장, 산업 단지, 아파트 단지, 온배수 열이용 워터파크, 유리온실 테마파크 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 온배수 폐열 재활용시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 재활용 단지로 냉방이 공급되는 기간에는,
    상기 폐열교환기로의 순환은 차단되며, 상기 하이브리드 냉난방장치로부터 상기 냉방 부하로만 냉수가 공급되는 것을 특징으로 하는 온배수 폐열 재활용시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 재활용 단지로 냉방의 공급이 차단되는 기간에는,
    상기 냉방 부하로의 순환은 차단되며, 상기 폐열교환기와 상기 하이브리드 냉난방장치 사이에서 회수된 폐열과 냉수가 순환하는 것을 특징으로 하는 온배수 폐열 재활용시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 하이브리드 냉난방장치는,
    냉매를 순환시켜 냉각하는 과열방지 열교환기;
    상기 과열방지 열교환기로부터 제공받은 냉매를 압축하여 고온의 냉매로 전환하는 압축기;
    상기 고온의 냉매와의 열교환으로 급탕을 생산하여, 상기 급탕 탱크로 제공하는 급탕 열교환기;
    상기 급탕 열교환기를 통과한 냉매와 열교환하여 온수를 생산하여 상기 난방 부하로 제공하며, 냉매를 상기 과열방지 열교환기로 제공하는 응축기;
    상기 과열방지 열교환기에서 냉각된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브; 및
    상기 냉방 부하 또는 상기 폐열교환기와 선택적으로 연결되며, 상기 팽창밸브를 통해 기화된 냉매와의 열교환으로 냉수를 생산하고, 냉매를 상기 과열방지 열교환기로 제공하는 증발기를 포함하는 것을 특징으로 하는 온배수 폐열 재활용시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 재활용 단지로 냉방이 공급되는 기간에는,
    상기 증발기에서 생산된 냉수가 상기 냉방부하로 공급되는 것을 특징으로 하는 온배수 폐열 재활용시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 재활용 단지로 냉방의 공급이 차단되는 기간에는,
    상기 증발기에서 생산된 냉수가 상기 폐열교환기로 제공되어 온배수를 냉각하며 폐열을 회수하고, 회수된 폐열은 상기 증발기로 제공되는 것을 특징으로 하는 온배수 폐열 재활용시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 난방 부하와 상기 응축기 사이에 연결되어, 온수의 남는 열량을 외부로 방출하는 냉각탑을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온배수 폐열 재활용시스템.
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