WO2018110894A1 - Warmup system using recovery of waste heat of construction machine - Google Patents

Warmup system using recovery of waste heat of construction machine Download PDF

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WO2018110894A1
WO2018110894A1 PCT/KR2017/014243 KR2017014243W WO2018110894A1 WO 2018110894 A1 WO2018110894 A1 WO 2018110894A1 KR 2017014243 W KR2017014243 W KR 2017014243W WO 2018110894 A1 WO2018110894 A1 WO 2018110894A1
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working fluid
heat
turbine
construction machine
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김재덕
유한성
최현태
정주영
이승엽
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재단법인 건설기계부품연구원
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Definitions

  • the working fluid is the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124 and the third Even if all of the four heat exchangers 126 are passed, they may not be completely phase-converted to the gas state.
  • the temperature of the working fluid passed through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124 and the fourth heat exchanger 126 is the operating oil in the initial starting state of the construction machine And higher than the temperature of the cooling water.
  • the working fluid heat exchanged with the working oil in the first heat exchanger 120 flows into the second heat exchanger 122.
  • the second heat exchanger 122 is heat exchanged with the working fluid passing through the first heat exchanger 120 and the cooling water of the cooling system that cools the heat of the engine 110 of the construction machine.
  • utilizing the heat energy discarded in the cooling water used to cool the heat of the engine 110 is because it has the next high temperature after the waste heat of the operating oil described above.
  • the coolant heat exchanged with the working fluid passing through the first heat exchanger 120 in the second heat exchanger 122 may be recovered to the coolant tank of the cooling system of the construction machine.
  • the gas discharged from the exhaust gas recirculation system (EGR) and the working fluid may be exchanged with each other through the fourth heat exchanger 126. .
  • the first heat exchanger 120 does not send the working fluid passed through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124, and the fourth heat exchanger 126 to the turbine 130. 120 or the second heat exchanger 122 to increase the temperature of the operating oil and the coolant in the initial starting state of the construction machine.
  • the warm-up system 100 using the waste heat recovery of the construction machine recovers thermal energy that is discarded from the exhaust oil of the working oil, the cooling water, and the engine of the construction machine having the hydraulic system. It can be used as a driving source that can drive construction machinery, and at the same time can be used as a power for shortening the warm-up time of construction machinery can improve the fuel economy of construction machinery.
  • the warm-up system 100 using the waste heat recovery of the construction machine of the present invention through the rapid warm-up of the engine during the initial cold start of the construction machine to shorten the time to reach the catalyst activation temperature for purifying the exhaust gas of the engine by harmful exhaust gas and fine Dust can be reduced.

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Abstract

According to the present invention, a warmup system using the recovery of waste heat of a construction machine comprises: an organic Rankine cycle for circulating, in the construction machine having a hydraulic system, a cooling system, and an engine, operating fluid so as to allow the same to successively exchange heat with waste heat or waste energy of the hydraulic system, the cooling system, and the engine; and a turbine to which the operating fluid having circulated through the organic Rankine cycle flows so as to generate mechanical energy for driving the construction machine, wherein if the operating fluid successively exchanging heat with the waste heat or waste energy in operating oil of the hydraulic system, cooling water of the cooling system, and exhaust gas of the engine is not completely evaporated, the operating fluid does not flow toward the turbine and can flow toward the hydraulic system or the cooling system.

Description

건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템Warm-up System Using Waste Heat Recovery of Construction Machinery
본 발명은 건설기계에서 버려지는 폐열 등의 에너지를 이용하고 건설기계를 웜업시키기 위한 동력으로 활용하는 웜업 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유압시스템을 구비한 건설기계의 작동유, 냉각수 또는 폐기가스로부터 버려지는 열 에너지를 회수하여 전력 또는 동력으로 재활용하고, 이를 이용하여 건설기계를 웜업시키기 위한 동력으로 활용할 수 있는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a warm-up system that uses energy, such as waste heat discarded from a construction machine, as a power for warming up a construction machine, and more specifically, from hydraulic oil, cooling water or waste gas of a construction machine having a hydraulic system. The present invention relates to a warm-up system using waste heat recovery of construction machinery that can be used as a power for recovering discarded thermal energy and reusing it as electric power or power.
디젤 엔진을 사용하는 건설기계 등과 같은 차량의 경우 가동 중에 많은 열이 발생하고, 차량을 구동시키는 기계 에너지로 환원되는 열 에너지 외에도 많은 폐열이 발생된다. 이때, 기계 에너지로 환원되는 열 에너지를 제외하고 나머지의 열 에너지들은 버려지는 것이 일반적이다. In the case of a vehicle such as a construction machine using a diesel engine, a lot of heat is generated during operation, and a lot of waste heat is generated in addition to heat energy that is reduced to mechanical energy for driving the vehicle. In this case, except for the thermal energy that is reduced to mechanical energy, the remaining thermal energy is generally discarded.
이에 따라, 근래에는 건설기계의 엔진으로부터 발생되는 배기가스, 작동유, 냉각수 등에서 버려지는 폐 에너지(waste energy)를 회수하여 전기 에너지 또는 기계 에너지로 재활용하는 기술에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다. Accordingly, in recent years, the research and development of the technology to recover the waste energy (waste energy) that is discarded from the exhaust gas, operating oil, cooling water, etc. generated from the engine of the construction machine and recycle into electrical energy or mechanical energy.
이러한 폐 에너지 회수 기술에 관심이 집중되는 주요한 이유는 높은 효율을 갖는 엔진에서조차 버려지는 에너지가 여전히 많으며, 디젤 차량의 연비 개선을 위한 연소 및 엔진 주변장치에 대한 기술개발이 어느 정도 한계에 도달했다고 판단하기 때문이다. 참고로, 유압시스템을 구비한 건설기계에서 작동유의 온도가 낮지만 많은 열을 포함하고 있음에도 불구하고 이를 제대로 활용하지 못하고 버리는 실정이다. The main reason for the interest in this waste energy recovery technology is that there is still a lot of energy discarded even in a high efficiency engine, and the development of combustion and engine peripherals for improving fuel efficiency of diesel vehicles has reached a certain limit. Because. For reference, although the temperature of the working oil is low in the construction machine equipped with a hydraulic system, but contains a lot of heat, the situation is not properly utilized.
최근 건설기계의 디젤엔진의 배기가스로부터 배출되는 중 저온의 열 에너지를 회수하는 방법으로 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC)을 이용한 발전 장치가 많이 시도되고 있다. 일반적인 랭킨 사이클은 증발기를 통과하면서 유체가 된 증기가 터빈을 회전시켜 발생되는 축동력을 전기 에너지로 변환시키는 것인데 반면, 유기 랭킨 사이클은 작동유체(Operating fluid)로 물(H2O)을 사용하지 않고 물에 비해 낮은 온도를 가지는 암모니아(NH3), 알코올(C2H5OH)과 같은 유기 혼합물을 사용한다. Recently, as a method of recovering low-temperature heat energy discharged from exhaust gas of a diesel engine of a construction machine, many power generation apparatuses using an organic rankine cycle (ORC) have been tried. A typical Rankine cycle is a fluidized vapor passing through an evaporator that converts the axial force generated by rotating the turbine into electrical energy, while an organic Rankine cycle does not use water (H 2 O) as an operating fluid. Organic mixtures such as ammonia (NH 3 ) and alcohol (C 2 H 5 OH) are used which have a lower temperature than water.
상기와 같은 유기 랭킨 사이클을 이용하여 주요 선진국 및 제조사 들은 활발하게 기술개발을 진행하고 있으나, 엔진의 배기가스 또는 냉각수 등의 폐 에너지를 활용한 것은 열이 그리 높지 않으며, 회수되는 열량이 적어서 발전시킬 수 있는 전력이 크지 못하다는 문제점이 있다.Using the organic Rankine cycle as described above, major industrialized countries and manufacturers are actively developing technologies, but utilizing waste energy such as engine exhaust gas or cooling water is not high in heat, and generates less heat. There is a problem that the power can not be large.
한편, 유압시스템을 구비하는 건설기계에서 유기 랭킨 사이클을 이용하여 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스의 열 에너지를 회수하기 위해서는 작동유, 냉각수 및 엔진이 적정 온도가 되어야 한다. 일반적으로 건설기계에서 정상적으로 유기 랭킨 사이클이 작동되기 위해서는 작동유는 약70℃, 냉각수는 약80℃ 정도가 되어야 하지만, 건설기계의 초기 냉간 시동시 작동유가 약20℃, 냉각수가 약50℃ 정도 밖에 되지 않게 된다. 이에 따라, 건설기계의 작동유, 냉각수 및 엔진과 작동유체 간의 열 교환을 통해 열 에너지를 회수하는 유기 랭킨 사이클을 정상적으로 작동시키는데 상차작업을 기준으로 보통 30분 내지 1시간 정도가 소요되며, 이 시간 동안에는 예열이 되지 않은 작동유로 작업을 하기 때문에 더 많은 엔진의 에너지가 필요하게 되어 연비가 좋지 않고 작업의 효율이 떨어지는 문제점이 있다. On the other hand, in order to recover the thermal energy of the hydraulic oil, cooling water and the exhaust gas of the engine using the organic Rankine cycle in the construction machine having a hydraulic system, the operating oil, cooling water and the engine must be at an appropriate temperature. In general, in order to operate the organic Rankine cycle normally in construction machinery, the working oil should be about 70 ℃ and the coolant should be about 80 ℃, but during the initial cold start of construction machinery, the working oil is only about 20 ℃ and the cooling water is about 50 ℃. Will not. Accordingly, it normally takes about 30 minutes to 1 hour based on the loading operation to normally operate the organic Rankine cycle of recovering thermal energy through the heat exchange between the working oil, the coolant, and the engine and the working fluid of the construction machine. Since working with non-preheated working oil requires more energy of the engine, there is a problem that the fuel efficiency is poor and the efficiency of the work is lowered.
따라서, 본 출원인은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 제안하게 되었으며, 이와 관련된 선행기술문헌으로는, 대한민국 공개실용신안 20-1996-068288호 (발명의 명칭: 엔진 웜업용 열 교환장치, 공개일: 1998.10.07.)가 있다.Therefore, the present applicant, the present invention has been proposed to solve the above problems, as related prior art documents, Korean Utility Model Publication No. 20-1996-068288 (name of the invention: heat exchange device for engine warm-up) , Published date: 07/07/1998).
본 발명의 목적은 유압시스템을 구비한 건설기계의 작동유, 냉각수 또는 엔진의 배기가스로부터 버려지는 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시킬 수 있는 전력 또는 동력으로 재활용하고, 그와 동시에 폐열을 이용하여 건설기계의 웜업시간을 단축시키고 건설기계의 웜업에 소요되는 에너지를 절감할 수 있는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to recover the heat energy that is discarded from the operating oil, cooling water or exhaust gas of the engine having a hydraulic system to recycle the power or power to drive the construction machine, and at the same time using waste heat It is to provide a warm-up system using the waste heat recovery of construction machinery that can reduce the warm-up time of construction machinery and reduce the energy required for the warm-up of construction machinery.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, another task that is not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기의 목적은, 본 발명에 따라, 유압계통, 냉각계통 및 엔진을 구비한 건설기계에 있어서, 상기 유압계통, 상기 냉각계통 및 상기 엔진의 폐열 또는 폐 에너지와 차례대로 열 교환하도록 작동유체를 순환시키는 유기 랭킨 사이클; 및 상기 유기 랭킨 사이클을 순환한 작동유체가 유입되어 상기 건설기계를 구동시키기 위한 기계적 에너지를 발생시키는 터빈; 을 포함하고, 상기 유압계통의 작동유, 상기 냉각계통의 냉각수 및 상기 엔진의 배기가스의 폐열 또는 폐 에너지와 차례로 열 교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 경우에는 상기 터빈 쪽으로 순환되지 않고 상기 유압계통 쪽으로 유입되는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템에 의해 달성될 수 있다. The above object is, according to the present invention, in a construction machine having a hydraulic system, a cooling system and an engine, circulating a working fluid to heat exchange with the waste heat or waste energy of the hydraulic system, the cooling system and the engine in turn. Organic Rankine cycles; And a turbine for introducing a working fluid circulating through the organic Rankine cycle to generate mechanical energy for driving the construction machine. The hydraulic fluid of the hydraulic system, the cooling water of the cooling system and the waste heat or waste energy of the exhaust gas of the engine are not circulated toward the turbine when the working fluid which is heat-exchanged in turn is not circulated to the hydraulic system. It can be achieved by a warm-up system using the waste heat recovery of the incoming construction machinery.
상기 유압계통 쪽으로 유입된 작동유체가 상기 작동유 및 상기 냉각수와 열 교환되어 상기 작동유 및 상기 냉각수의 온도를 상승시킬 수 있다. The working fluid introduced into the hydraulic system may be heat exchanged with the working oil and the cooling water to increase the temperature of the working oil and the cooling water.
상기 유압계통 쪽으로 유입된 작동유체의 온도는 상기 작동유 및 상기 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. The temperature of the working fluid introduced into the hydraulic system may be higher than the temperature of the working oil and the cooling water.
상기 유기 랭킨 사이클은, 상기 작동유체와 상기 작동유를 열 교환시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 냉각수를 열 교환시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 엔진의 연소가스를 열 교환시키는 제3 열교환기; 상기 터빈에서 나온 상기 작동유체를 응축시켜서 액화시키는 응축기; 상기 응축기에서 나온 상기 작동유체를 저장하는 저장탱크; 및 상기 저장탱크에 저장된 상기 작동유체를 상기 제1 열교환기로 보내는 펌프를 포함할 수 있다. The organic Rankine cycle may include a first heat exchanger configured to heat exchange the working fluid and the working oil; A second heat exchanger configured to heat exchange the working fluid from the first heat exchanger with the cooling water; A third heat exchanger configured to exchange heat between the working fluid from the second heat exchanger and the combustion gas of the engine; A condenser to condense and liquefy the working fluid from the turbine; A storage tank for storing the working fluid from the condenser; And a pump for sending the working fluid stored in the storage tank to the first heat exchanger.
상기 펌프는 상기 유압계통의 작동유 유압을 구동원으로 이용할 수 있다. The pump may use the hydraulic oil pressure of the hydraulic system as a drive source.
상기 터빈과 상기 응축기 사이에 마련되며, 상기 터빈에서 나온 작동유체와 상기 펌프에서 송출되는 작동유체를 열 교환시키는 제1 재생 열교환기를 포함할 수 있다. A first regeneration heat exchanger may be provided between the turbine and the condenser to heat exchange the working fluid from the turbine and the working fluid discharged from the pump.
상기 터빈과 상기 제1 재생 열교환기 사이에 마련되며, 상기 터빈에서 나온 작동유체와 상기 제2 열교환기에서 나온 작동유체를 열 교환시키는 제2 재생 열교환기를 포함할 수 있다. A second regenerative heat exchanger may be provided between the turbine and the first regenerative heat exchanger to heat exchange the working fluid from the turbine and the working fluid from the second heat exchanger.
상기 제3 열교환기와 상기 터빈 사이에 마련되며, 상기 제3 열교환기에서 나온 작동유체와 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 배출되는 가스를 열 교환시켜서 작동유체를 슈퍼히팅시키는 제4 열교환기를 포함할 수 있다. And a fourth heat exchanger provided between the third heat exchanger and the turbine to heat-exchange the working fluid from the third heat exchanger and the gas discharged from the exhaust gas recirculation system (EGR) to superheat the working fluid. have.
상기 제3 열교환기 또는 상기 제4 열교환기에서 나온 작동유체가 완전히 기화되지 않은 경우에는 상기 터빈으로 유입되지 않고 상기 제1 열교환기 쪽으로 우회될 수 있다. When the working fluid from the third heat exchanger or the fourth heat exchanger is not completely vaporized, it may be bypassed toward the first heat exchanger without being introduced into the turbine.
상기 제3 열교환기, 상기 제4 열교환기 및 상기 터빈에서 나온 작동유체의 온도, 부피, 압력 또는 열량을 감지하는 감지센서; 및 상기 감지센서와 인접한 위치에 마련되어 상기 작동유체의 온도, 부피, 압력 또는 열량에 따라 상기 제1 열교환기, 상기 터빈, 상기 제1 재생 열교환기 또는 상기 제2 재생 열교환기 중 어느 하나로 우회시키는 우회 밸브를 더 포함할 수 있다. A sensor for sensing the temperature, volume, pressure, or heat amount of the working fluid from the third heat exchanger, the fourth heat exchanger, and the turbine; And a bypass provided at a position adjacent to the sensing sensor to bypass the first heat exchanger, the turbine, the first regeneration heat exchanger, or the second regeneration heat exchanger according to the temperature, volume, pressure, or heat quantity of the working fluid. The valve may further include.
본 발명의 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템은, 유압 시스템을 구비한 건설기계의 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스로부터 버려지는 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시킬 수 있는 구동원으로 활용하고, 그와 동시에 버려지는 열 에너지를 이용하여 건설기계의 웜업 시간을 단축시키고 건설기계의 웜업에 필요한 에너지를 절감할 수 있어서 건설기계의 연비를 향상시킬 수 있다. The warm-up system using the waste heat recovery of the construction machine of the present invention is utilized as a driving source for driving the construction machine by recovering the heat energy discarded from the operating oil, cooling water and exhaust gas of the engine of the construction machine equipped with a hydraulic system, At the same time, it is possible to shorten the warm-up time of construction machinery and to reduce the energy required for warm-up of construction machinery by using the heat energy that is discarded, thereby improving the fuel efficiency of construction machinery.
또한, 본 발명의 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템은, 건설기계의 초기 냉간 시동시 엔진의 빠른 웜업을 통해 엔진의 배기가스 정화용 촉매 활성화 온도 도달 시간을 단축시켜 유해 배기가스 및 미세먼지를 저감할 수 있다. In addition, the warm-up system using the waste heat recovery of the construction machine of the present invention, by reducing the time to reach the catalyst activation temperature for exhaust gas purification of the engine through the rapid warm-up of the engine during the initial cold start of the construction machine to reduce harmful exhaust gas and fine dust can do.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템을 나타낸 구성도이다. 1 to 4 is a block diagram showing a warm-up system using the waste heat recovery of the construction machine according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다. It is noted that the figures are schematic and not drawn to scale. The relative dimensions and ratios of the parts in the figures have been exaggerated or reduced in size for clarity and convenience in the figures and any dimensions are merely exemplary and not limiting. And the same reference numerals are used to refer to similar features in the same structure, element or part shown in more than one figure.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예들을 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도면의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.Embodiments of the present invention specifically illustrate ideal embodiments of the present invention. As a result, various modifications of the drawings are expected. Thus, the embodiment is not limited to the specific form of the illustrated region, but includes, for example, modification of the form by manufacture.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 페열 회수를 이용한 웜업 시스템(100, 이하 '웜업 시스템' 이라 함)을 설명한다. Hereinafter, a warm-up system (hereinafter, referred to as a 'warm-up system') using waste heat recovery of a construction machine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)을 나타낸 구성도이다. 1 to 4 is a block diagram showing a warm-up system 100 according to an embodiment of the present invention.
이하에서 설명할 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 건설기계에 탑재되는 시스템이다. 일반적으로 건설기계는 주행용 유압 모터에 의해 구동되는 주행장치를 구비하는 하부 주행체, 선회용 유압 모터에 의해 구동되는 선회 장치, 선회 장치를 통하여 하부 주행체 상에 배치되는 상부 선회체, 상부 선회체의 앞부분 중앙 위치에 장착되는 작업기, 상부 선회체의 앞부분 좌측 위치에 설치되는 운전실을 구비할 수 있다. Warm-up system 100 according to an embodiment of the present invention to be described below is a system mounted on a construction machine. In general, construction machinery includes a lower traveling body having a traveling device driven by a traveling hydraulic motor, a swinging device driven by a turning hydraulic motor, an upper swinging body disposed on the lower traveling body through a turning device, and an upper swinging device. It can be provided with the work machine which is mounted in the center position of the front part of a sieve, and the cab installed in the left position of the front part of an upper turning body.
여기서, 작업기는 상부 선회체에 요동 가능하게 연결된 붐(boom), 붐에 요동 가능하게 연결된 암(arm) 및 암에 요동 가능하게 연결된 버킷(bucket)을 포함할 수 있다. 또한, 작업기는 붐, 암 및 버킷을 각각 작동시키기는 붐 실린더, 암 실린더 및 버킷 실린더를 구비할 수 있다. Here, the work machine may include a boom slidably connected to the upper pivot body, an arm slidably connected to the boom, and a bucket slidably connected to the arm. The work machine may also have a boom cylinder, arm cylinder and bucket cylinder for operating the boom, arm and bucket respectively.
또한, 상기와 같은 건설기계는 주행용 유압 모터, 선회용 유압모터 등 각각의 유압 모터를 구동시키는 엔진을 구비하고 있으며, 엔진을 식힐 수 있는 냉각장치를 구비할 수 있다. In addition, the construction machine as described above is provided with an engine for driving each hydraulic motor, such as a hydraulic motor for driving, a hydraulic motor for turning, it may be provided with a cooling device to cool the engine.
한편, 상기와 같은 건설기계는 유압 실린더 및 유압 모터를 포함하여 유압 계통이 형성되는데, 유압 계통은 작동유(Operating fluid)의 유압에 의해서 작업기를 작동시킬 수 있다. 또한, 건설기계는 냉각수를 이용하여 엔진을 냉각시키기 위한 냉각계통을 구비하는데, 냉각계통은 엔진 또는 엔진 일측에 구비된 라디에이터(Radiator)에 냉각수를 순환시킴으로써 엔진을 냉각시킬 수 있다. On the other hand, such a construction machine is a hydraulic system including a hydraulic cylinder and a hydraulic motor is formed, the hydraulic system can operate the work machine by the hydraulic pressure of the operating fluid (Operating fluid). In addition, the construction machine is provided with a cooling system for cooling the engine by using the cooling water, the cooling system can cool the engine by circulating the cooling water (radiator) provided on the engine or one side of the engine.
본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 건설기계의 유압계통, 냉각계통, 엔진에서 발생하거나 버려지는 열 에너지를 회수하여 전기적 에너지 또는 기계적 에너지로 재활용하고 이를 건설기계의 구동력으로 활용할 수 있고, 그와 동시에 건설기계의 웜업 시간을 단축시키기 위한 전력으로도 활용할 수 있어서 건설기계의 연비를 향상시킬 수 있다. Warm-up system 100 according to an embodiment of the present invention can recover the heat energy generated or discarded in the hydraulic system, cooling system, engine of the construction machine and recycle it as electrical energy or mechanical energy and use it as a driving force of the construction machine. At the same time, it can also be used as an electric power for shortening the warm-up time of construction machinery, thereby improving fuel efficiency of construction machinery.
구체적으로, 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 건설기계의 엔진(110), 건설기계의 유압계통의 작동유와 열 교환하여 유기 랭킨 사이클의 작동유체를 가열하는 제1 열교환기(120), 엔진(110)의 냉각계통의 냉각수와 열 교환하여 제1 열교환기(120)를 거친 작동유체를 가열하는 제2 열교환기(122), 엔진(110)에서 배출된 가스와 열 교환하여 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체를 가열하는 제3 열교환기(124), 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 순차적으로 거치면서 기화된 작동유체에 의해 회전하는 터빈(130), 터빈(130)을 거친 작동유체를 냉각 및 응축하는 응축기(140), 응축기(140)에서 액화된 작동유체가 저장되는 저장탱크(142) 및 저장탱크(142)의 작동유체를 제1 열교환기(120)로 송출하는 펌프(144)를 포함할 수 있다. Specifically, as shown in Figures 1 to 4, the warm-up system 100 according to an embodiment of the present invention is an organic Rankine cycle by heat exchange with the operating oil of the engine 110 of the construction machine, the hydraulic system of the construction machine The first heat exchanger 120 for heating the working fluid of the engine, the second heat exchanger 122 for heating the working fluid passing through the first heat exchanger 120 by heat exchange with the cooling water of the cooling system of the engine 110, the engine The third heat exchanger 124, the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the first heat exchanger that heat the working fluid passed through the second heat exchanger 122 by heat exchange with the gas discharged from the 110. 3 through the heat exchanger 124, the turbine 130 rotated by the vaporized working fluid, the condenser 140 to cool and condense the working fluid passed through the turbine 130, the liquefied operation in the condenser 140 A storage tank 142 in which the fluid is stored and a pump 144 for sending the working fluid of the storage tank 142 to the first heat exchanger 120 It can be included.
참고로, 도 1 내지 도 4에 도시된 점선은 유기 랭킨 사이클의 작동유체의 이동경로를 의미한다. For reference, the dotted line illustrated in FIGS. 1 to 4 means a movement path of the working fluid of the organic Rankine cycle.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 엔진(110)은 굴삭기, 휠로더와 같은 건설기계를 구동시키는 부분이다. 엔진(110)은 배기 매니폴드(미도시)로부터 배출되는 배기가스, 즉 폐 배기가스는 터보차저(turbocharger, 미도시)로 보내져 압축된 공기를 엔진(110)으로 주입시키는 과급기 내에 위치된 후술할 터빈(130)을 작동시켜 엔진(110)에서의 연소 효율을 높일 수 있다. 1 to 4, the engine 110 is a part for driving a construction machine such as an excavator and a wheel loader. Engine 110 is exhaust gas discharged from the exhaust manifold (not shown), that is, waste exhaust gas is sent to a turbocharger (not shown) to be described later located in the supercharger to inject the compressed air into the engine 110 will be described later. The turbine 130 may be operated to increase the combustion efficiency of the engine 110.
또한, 건설기계에 마련되는 엔진(110)은 건설기계의 각각의 부품들을 구동하는 유압계통의 유압 모터(미도시)를 구동하며, 엔진(110)을 식힐 수 있는 냉각수를 포함하는 냉각계통을 구비할 수 있다. 한편, 엔진(110)의 일측에는 라디에이터(112)가 마련되는데, 이에 따라 엔진(110)의 열을 냉각하는 냉각수의 유입/유출에 의해 엔진(110)의 열을 대기로 방출시킬 수 있다. In addition, the engine 110 provided in the construction machine drives a hydraulic motor (not shown) of a hydraulic system for driving respective components of the construction machine, and has a cooling system including a cooling water for cooling the engine 110. can do. On the other hand, the radiator 112 is provided on one side of the engine 110, thereby allowing the heat of the engine 110 to be released to the atmosphere by the inflow / outflow of the cooling water for cooling the heat of the engine 110.
본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC)을 이용하여 유압(hydraulic pressure)시스템으로 작업을 진행하는 모든 건설기계에서 버려지는 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시킬 수 있는 전력으로 변환시킬 수 있다. Warm-up system 100 according to an embodiment of the present invention is constructed by recovering the heat energy that is discarded from all the construction machinery that work in a hydraulic pressure system using an Organic Rankine Cycle (ORC) It can be converted into power that can drive the machine.
이때, 유기 랭킨 사이클(또는 유기 랭킨 회로)은 작동유체가 저장되는 저장탱크(142), 펌프(144) 및 증발기(또는 보일러), 터빈(130) 및 응축기(140) 등으로 이루어질 수 있다. In this case, the organic Rankine cycle (or organic Rankine circuit) may be composed of a storage tank 142, a pump 144 and an evaporator (or a boiler), a turbine 130, a condenser 140, etc. in which the working fluid is stored.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 유압계통의 작동유, 냉각계통의 냉각수, 엔진의 배기가스 등과 열 교환할 수 있는 작동유체를 순환시키는 유기 랭킨 사이클을 구비하여 건설기계에서 발생하는 폐열, 즉 버려지는 열 에너지를 재활용할 수 있다. On the other hand, the warm-up system 100 according to an embodiment of the present invention has an organic Rankine cycle for circulating the working fluid that can be heat exchanged with the hydraulic fluid of the hydraulic system, the cooling water of the cooling system, the exhaust gas of the engine and the like in the construction machine It is possible to recycle the generated waste heat, i.e. waste heat energy.
일반적으로 건설기계의 작동유, 냉각수 등의 온도는 높지 않지만 많은 열 에너지를 가진다. 다시 말해서, 작동유체는 온도가 낮은 작동유, 냉각수 등과 열 교환을 하여야 하기 때문에 기화되는 온도, 즉 끓는 점이 상대적으로 낮은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 유기 랭킨 사이클의 작동유체는 끓는 점이 작동유, 냉각수에 비하여 상대적으로 낮은 작동유체를 이용하기 때문에 건설기계에서 발생하는 폐열을 효율적으로 재활용 할 수 있다. In general, the temperature of the working oil, cooling water, etc. of the construction machine is not high, but has a lot of thermal energy. In other words, it is preferable to use a material having a low vaporization temperature, that is, a relatively low boiling point, because the working fluid must be exchanged with a low temperature working oil, cooling water, or the like. That is, since the working fluid of the organic Rankine cycle uses a working fluid whose boiling point is lower than that of the working oil and the cooling water, waste heat generated in the construction machine can be efficiently recycled.
여기서, 유기 랭킨 사이클의 작동유체는 끊는 점이 물보다 낮은 유기체(Organic fluid), 즉 유기 화합물을 작동유체로 가지는데, 예컨대 암모니아(NH3), 알코올(C2H5OH), R124A, R245FA 또는 유기냉매 등을 사용할 수 있다. Here, the working fluid of the organic Rankine cycle has an organic fluid, i.e., an organic compound having a lower breaking point than water, such as ammonia (NH 3 ), alcohol (C 2 H 5 OH), R124A, R245FA or Organic refrigerants and the like can be used.
이러한 유기 랭킨 사이클의 작동유체는 펌프(144)에서부터 송출되어 가장 먼저 유압계통의 작동유와 열 교환할 수 있다. 이에 따라, 건설기계의 유압계통의 작동유 유압이 유기 랭킨 사이클의 펌프(144)의 구동원으로 이용될 수 있다. 즉, 건설기계의 유압계통이 유기 랭킨 사이클의 펌프(144)와 연결되도록 구성하여 유기 랭킨 사이클의 작동유체를 순환시키기 위해서 별도의 에너지를 생성할 필요가 없도록 할 수 있다. 참고로, 펌프(144)에 의해서 유압계통과 열교환하도록 송출되는 작동유체는 저장탱크(142)에 저장될 수 있다. The working fluid of the organic Rankine cycle may be discharged from the pump 144 to exchange heat with the hydraulic fluid of the hydraulic system first. Accordingly, the hydraulic oil hydraulic pressure of the hydraulic system of the construction machine can be used as a driving source of the pump 144 of the organic Rankine cycle. That is, the hydraulic system of the construction machine may be configured to be connected to the pump 144 of the organic Rankine cycle so that it is not necessary to generate additional energy to circulate the working fluid of the organic Rankine cycle. For reference, the working fluid which is sent out to exchange heat with the hydraulic system by the pump 144 may be stored in the storage tank 142.
한편, 상술한 유기 랭킨 사이클의 증발기 또는 보일러는 열교환기로 마련될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클은 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124) 각각을 포함할 수 있다. On the other hand, the above-described evaporator or boiler of the organic Rankine cycle may be provided as a heat exchanger, the organic Rankine cycle according to an embodiment of the present invention is the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122 and the third heat exchanger. Each of the groups 124.
상기한 바와 같이, 펌프(144)에 의해서 저장탱크(142)로부터 유압계통으로 송출된 작동유체는 제1 열교환기(120)에 의해서 열 교환된다. 제1 열교환기(120)는 일측으로 유입된 유압계통의 작동유와 타측으로 유입된 유기 랭킨 사이클의 작동유체 간에 열 교환되는 부분이다. 이에 따라, 제1 열교환기(120)는 건설기계의 유압계통과 인접한 위치에 마련되되, 건설기계의 유압계통의 작동유 유로 상에 설치되는 것이 더욱 바람직하다. As described above, the working fluid sent from the storage tank 142 to the hydraulic system by the pump 144 is heat exchanged by the first heat exchanger (120). The first heat exchanger 120 is a heat exchanged portion between the working oil of the hydraulic system introduced to one side and the working fluid of the organic Rankine cycle introduced to the other side. Accordingly, the first heat exchanger 120 is provided at a position adjacent to the hydraulic system of the construction machine, it is more preferably installed on the hydraulic oil flow path of the hydraulic system of the construction machine.
여기서, 제1 열교환기(120)로 유입되는 작동유의 온도보다 유기 랭킨 사이클의 작동유체의 온도가 더 낮을 수 있다. 이에 따라, 제1 열교환기(120)에서 작동유체는 작동유로부터 열을 얻어서 온도가 높아지게 되고, 작동유는 작동유체에 열을 빼앗겨서 온도가 낮아지게 된다. Here, the temperature of the working fluid of the organic Rankine cycle may be lower than the temperature of the working oil flowing into the first heat exchanger 120. Accordingly, in the first heat exchanger 120, the working fluid obtains heat from the working oil, thereby increasing the temperature, and the working oil is deprived of heat to the working fluid, thereby lowering the temperature.
한편, 제1 열교환기(120)에서 작동유의 열을 얻은 작동유체는 제2 열교환기(122)로 유입될 수 있다. 이때, 제2 열교환기(122)는 일측으로 유입된 냉각계통의 냉각수와 타측으로 유입된 유기 랭킨 사이클의 작동유체 간에 열 교환되는 부분이다. 이에 따라, 제2 열교환기(122)는 건설기계의 냉각계통과 인접한 위치에 마련되되, 건설기계의 냉각계통의 냉각수 유로 상에 설치되는 것이 바람직하다. On the other hand, the working fluid obtained the heat of the working oil in the first heat exchanger 120 may flow into the second heat exchanger (122). At this time, the second heat exchanger 122 is a part that is heat exchanged between the cooling water of the cooling system introduced to one side and the working fluid of the organic Rankine cycle introduced to the other side. Accordingly, the second heat exchanger 122 is provided at a position adjacent to the cooling system of the construction machine, it is preferably installed on the cooling water flow path of the cooling system of the construction machine.
여기서, 제2 열교환기(122)로 유입되는 냉각수의 온도보다 작동유체의 온도가 낮을 수 있다. 이에 따라, 제2 열교환기(122)에서 작동유체는 냉각수로부터 열을 얻어서 온도가 높아지게 되고, 작동유체는 작동유체에 열을 빼앗겨서 온도가 낮아지게 된다. 참고로, 건설기계의 작동유의 온도보다 냉각수의 온도가 더 높고 더 많은 열 에너지를 가지고 있다고 볼 수 있다. 따라서, 제1 열교환기(120)를 통과한 작동유체보다 제2 열교환기(122)를 통과한 작동유체의 온도가 더 높을 수 있다. Here, the temperature of the working fluid may be lower than the temperature of the cooling water flowing into the second heat exchanger 122. Accordingly, in the second heat exchanger 122, the working fluid gets heat from the cooling water and the temperature is high, and the working fluid is deprived of heat to the working fluid and the temperature is lowered. For reference, it can be said that the temperature of the coolant is higher than the temperature of the working oil of the construction machine and has more thermal energy. Therefore, the temperature of the working fluid passing through the second heat exchanger 122 may be higher than that of the working fluid passing through the first heat exchanger 120.
작동유체가 제1 열교환기(120) 및 제2 열교환기(122)를 거치면서 작동유 및 냉각수와 열 교환되었다고 하더라도 액체 상태의 작동유체가 완전히 기화되지 못하고 여전히 액체 상태에거나 액체와 기체가 혼재된 상태일 수 있다. Although the working fluid is heat exchanged with the working oil and the cooling water through the first heat exchanger 120 and the second heat exchanger 122, the working fluid in the liquid state is not completely vaporized and is still in the liquid state or mixed with the liquid and gas. May be in a state.
이에 따라, 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체는 제3 열교환기(124)로 유입될 수 있다. Accordingly, the working fluid from the second heat exchanger 122 may flow into the third heat exchanger 124.
제3 열교환기(124)는 엔진(110)에서 배출되는 배기가스와 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체가 서로 열 교환하게 된다. 이러한 제3 열교환기(124)는 엔진(110)의 배기가스가 배출되는 유로 상에 마련되는 것이 바람직하다. 이때, 엔진(110)에서 배출되는 가스의 온도는 제3 열교환기(122)에서 유출된 작동유체의 온도 보다 높기 때문에 제3 열교환기(124)에서는 작동유체가 엔진(110)의 배기가스의 열 에너지로부터 열을 흡수할 수 있다. In the third heat exchanger 124, the exhaust gas discharged from the engine 110 and the working fluid from the second heat exchanger 122 exchange heat with each other. The third heat exchanger 124 is preferably provided on the flow path through which the exhaust gas of the engine 110 is discharged. At this time, since the temperature of the gas discharged from the engine 110 is higher than the temperature of the working fluid discharged from the third heat exchanger 122, the working fluid is the heat of the exhaust gas of the engine 110 in the third heat exchanger 124. It can absorb heat from energy.
이에 따라, 유기 랭킨 사이클의 작동유체의 온도는 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 작동유, 냉각수 및 배기가스와 순차적으로 열 교환됨으로써 높아질 수 있다. 즉, 제1 열교환기(120) 및 제2 열교환기(122)와의 열 교환에 의해 작동유체의 온도가 점진적으로 높아지므로, 제1 열교환기(120) 및 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체가 제3 열교환기(124)를 거치면서 완전히 기화하는데 보다 유리한 조건을 갖출 수 있다. Accordingly, the temperature of the working fluid of the organic Rankine cycle is sequentially heat exchanged with the working oil, the cooling water, and the exhaust gas while passing through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124. Can be high. That is, since the temperature of the working fluid is gradually increased by the heat exchange with the first heat exchanger 120 and the second heat exchanger 122, the operation through the first heat exchanger 120 and the second heat exchanger 122 The fluid may have more advantageous conditions for complete vaporization as it passes through the third heat exchanger 124.
즉, 제1 열교환기(120)는 건설기계의 작동유와 작동유체의 열 교환을 통해 작동유체를 가열하고, 제2 열교환기(122)는 건설기계의 냉각수와 작동유체의 열 교환을 통해 제1 열교환기(120)를 거친 작동유체를 가열하며, 제3 열교환기(124)는 엔진(110)에서 배출된 배기가스와 작동유체의 열 교환을 통해 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체를 가열할 수 있다. That is, the first heat exchanger 120 heats the working fluid through the heat exchange of the working fluid and the working fluid of the construction machine, the second heat exchanger 122 is the first heat exchange between the cooling water and the working fluid of the construction machine The working fluid passed through the heat exchanger 120 is heated, and the third heat exchanger 124 heats the working fluid passed through the second heat exchanger 122 through heat exchange between the working gas and the exhaust gas discharged from the engine 110. Can be heated.
이때, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)에 유입되는 작동유체의 온도 T1, T2, T3 는 T1 < T2 < T3 순서를 가질 수 있다. 다시 말해서, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124) 에서의 작동유체의 온도는 제1 열교환기(120)에서 가장 낮고 제3 열교환기(124)에서 가장 높다는 것을 의미할 수 있다. 즉, 작동유체가 최초의 액체 상태에서 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 기체 상태로 상변화 된다는 것을 의미할 수 있다. At this time, the temperature T1, T2, T3 of the working fluid flowing into the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122 and the third heat exchanger 124 may have a sequence T1 <T2 <T3. In other words, the temperature of the working fluid in the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124 is the lowest in the first heat exchanger 120 and the third heat exchanger 124. Can mean the highest at. That is, it may mean that the working fluid is changed into a gas state while passing through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124 in the first liquid state.
상술한 바와 같이, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 완전히 기화된 작동유체는 기체 분자의 운동에너지가 크기 때문에 터빈(130)으로 유입되어 터빈(130)의 회전축(미도시)과 연결된 블레이드(미도시)를 회전시킬 수 있다. 즉, 터빈(130)에 의해 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 차례대로 거치면서 기화된 작동유체의 압력 에너지가 회전 에너지로 변환될 수 있다. 터빈(130)의 회전축에서 발생하는 회전 에너지 즉, 기계적 에너지를 건설기계의 엔진(110)과 연결하여 건설기계의 엔진(110)의 동력으로 이용함으로써 건설기계의 엔진(110)의 효율을 향상시킬 수 있다.As described above, the working fluid completely vaporized while passing through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124 is transferred to the turbine 130 because the kinetic energy of the gas molecules is large. Inflow may rotate the blade (not shown) connected to the rotating shaft (not shown) of the turbine 130. That is, while the turbine 130 passes through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124, the pressure energy of the vaporized working fluid may be converted into rotational energy. have. By connecting the rotational energy generated from the rotating shaft of the turbine 130, that is, mechanical energy with the engine 110 of the construction machine, as the power of the engine 110 of the construction machine to improve the efficiency of the engine 110 of the construction machine. Can be.
한편, 터빈(130)의 회전축의 일측에는 전기 에너지를 생산하는 발전기(미도시)가 연결될 수 있고, 발전기의 일측에는 발전기에서 생산된 전기를 저장하는 축전기(미도시)가 마련될 수도 있다. 참고로, 축전기에 저장된 전기 에너지는 건설기계를 구동시키는데 사용함으로써 건설기계의 연비를 향상시키는 효과가 있다. On the other hand, one side of the rotary shaft of the turbine 130 may be connected to a generator (not shown) for producing electrical energy, one side of the generator may be provided with a capacitor (not shown) for storing the electricity produced by the generator. For reference, the electric energy stored in the capacitor is used to drive the construction machine, thereby improving the fuel efficiency of the construction machine.
*상기와 같이 터빈(130)으로 유입된 기체 상태의 작동유체는 터빈(130)의 블레이드를 회전시키며 일을 하기 때문에, 터빈(130)을 통과한 회전에 의해 작동유체의 온도는 낮아질 수 있다. * As described above, since the working fluid in the gas state introduced into the turbine 130 rotates the blade of the turbine 130, the temperature of the working fluid may be lowered by the rotation passing through the turbine 130.
또한, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체는 터빈(130)에서 나와서 저장탱크(142)로 유입될 수 있다. 이때, 터빈(130)에서 나온 작동유체는 완전한 액체 상태가 아니라 기체 상태 또는 액체 상태의 작동유체가 혼합된 상태이며, 어느 정도의 열을 가지고 있는 상태일 수 있다. 이에 따라, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 저장탱크(142)로 유입되기 전에 작동유체를 완전한 액체 상태로 변환시키는 것이 필요할 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클은 터빈(130)과 저장탱크(142) 사이에 응축기(140)를 구비할 수 있다. 응축기(140)는 터빈(130)을 거친 작동유체를 냉각 또는 응축하여 기체 상태의 작동유체를 액체 상태로 상 변환시킬 수 있다. 응축기(140)에 의해 냉각 및 응축되어 완전한 액체 상태가 된 작동유체는 저장탱크(142)에 저장되게 된다. In addition, the working fluid after rotating the turbine 130 may exit the turbine 130 and flow into the storage tank 142. At this time, the working fluid from the turbine 130 is not a complete liquid state, but a mixed state of the working fluid in a gaseous state or a liquid state, it may be a state having a certain amount of heat. Accordingly, it may be necessary to convert the working fluid to a complete liquid state before the working fluid from the turbine 130 flows into the storage tank 142. To this end, the organic Rankine cycle according to an embodiment of the present invention may include a condenser 140 between the turbine 130 and the storage tank 142. The condenser 140 may cool or condense the working fluid passed through the turbine 130 to phase convert the working fluid in the gas state into the liquid state. The working fluid, which is cooled and condensed by the condenser 140 and becomes a complete liquid state, is stored in the storage tank 142.
여기서, 저장탱크(146)에 저장된 액체 상태의 작동유체는 펌프(144)에 의해 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)로 송출될 수 있다. 다시 말해서, 펌프(144)는 저장탱크(142)에 저장된 액체 상태의 작동유체를 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 또는 제3 열교환기(124)로 송출하여 작동유체를 순환시킬 수 있다. 이에 따라, 유기 랭킨 사이클의 작동유체는 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 또는 제3 열교환기(124) 들과 계속적으로 열 교환하고, 그에 따라 터빈(130)을 회전시킴으로써 건설기계를 구동시킬 수 있는 에너지를 생산할 수 있다. Here, the working fluid in the liquid state stored in the storage tank 146 may be sent to the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124 by the pump 144. In other words, the pump 144 delivers the working fluid in the liquid state stored in the storage tank 142 to the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, or the third heat exchanger 124. Can be circulated. Accordingly, the working fluid of the organic Rankine cycle is continuously heat exchanged with the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, or the third heat exchanger 124, thereby rotating the turbine 130. It can produce energy to drive construction machinery.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 건설기계의 작동유, 냉각수 및 배기가스의 열 에너지와 작동유체와의 열 교환을 통해 건설기계를 구동시킬 수 있는 에너지를 생산할 뿐만 아니라, 건설기계를 웜업(Warm-up) 시키는데 에도 사용할 수 있다. On the other hand, the warm-up system 100 according to an embodiment of the present invention not only produces energy capable of driving the construction machine through heat exchange between the operating energy of the working oil, cooling water and exhaust gas of the construction machine and the working fluid, It can also be used to warm up construction equipment.
구체적으로, 건설기계가 웜업 상태, 즉 초기 시동 상태 일 경우에는 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스의 온도가 작동유체와 열 교환할 수 있을 만큼의 온도에 도달되지 못할 수 있다. 다시 말해서, 건설기계의 작동유 및 냉각수와 작동유체가 열 교환을 위해서는 작동유 및 냉각수의 온도가 작동유체의 온도보다 높아야 한다. 예를 들어, 유기 랭킨 사이클을 이용하여 작동유체가 건설기계의 작동유 및 냉각수와 정상적으로 열 교환하기 위해서는 작동유 및 냉각수가 작동유체와 열 교환하여 작동유체를 상 변화시킬 만큼의 온도, 즉 작동유의 온도가 약 70℃ 정도가 되어야 하고 냉각수의 온도가 약 80℃ 정도가 되어야 한다. Specifically, when the construction machine is in the warm-up state, that is, the initial starting state, the temperatures of the working oil, the cooling water, and the exhaust gas of the engine may not reach a temperature sufficient to exchange heat with the working fluid. In other words, the temperature of the working oil and the cooling water must be higher than the working fluid temperature for the heat exchange of the working oil and cooling water and the working fluid of the construction machine. For example, in order for the working fluid to normally exchange heat with the hydraulic fluid and the cooling water of the construction machine using the organic Rankine cycle, the temperature at which the hydraulic fluid and the cooling water exchange with the working fluid to change the working fluid phase, that is, the temperature of the hydraulic fluid It should be about 70 ℃ and the coolant temperature should be about 80 ℃.
그러나, 건설기계의 초기 시동 상태일 때에는 작동유의 온도가 20℃, 냉각수의 온도가 50℃ 정도에 불과하므로, 작동유 및 냉각수와 작동유체가 정상적으로 열 교환하는 것이 어려울 수도 있다. 이에 따라, 저장탱크(142)에 저장된 작동유체가 펌프(144)에 의해 제1 열교환기(120)로 송출되어 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치 더라도, 낮은 온도의 열을 가지는 작동유 및 냉각수와 엔진의 배기가스로 인해 완전히 기화되지 않기 때문에 터빈(130)을 회전시키기에 충분한 운동 에너지를 가지지 못한다. However, since the temperature of the working oil is only 20 ° C. and the temperature of the cooling water is only about 50 ° C. during the initial starting state of the construction machine, it may be difficult to normally exchange heat between the working oil and the cooling water and the working fluid. Accordingly, the working fluid stored in the storage tank 142 is sent to the first heat exchanger 120 by the pump 144, the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122 and the third heat exchanger ( Even though 124 is passed, it does not have sufficient kinetic energy to rotate the turbine 130 because it is not completely vaporized by the coolant and the exhaust gas of the coolant and the engine with low temperature heat.
반면, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체의 온도는 건설기계의 초기 시동 단계에서의 작동유 및 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 즉, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 열 교환을 한 작동유체의 온도는 건설기계의 초기 시동 단계에서의 작동유 및 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. On the other hand, the temperature of the working fluid passed through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122 and the third heat exchanger 124 may be higher than the temperature of the working oil and the cooling water in the initial start-up stage of the construction machine. That is, the temperature of the working fluid subjected to heat exchange while passing through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124 is the temperature of the working oil and the coolant in the initial start-up stage of the construction machine. Can be higher.
따라서, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 건설기계의 초기 시동 단계에서 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체를 응축기(140)로 보내 응축시켜서 저장탱크(142)로 저장하는 대신에, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체를 터빈(130)의 전단부에 마련된 감지센서(170)를 이용하여 작동유체의 상태를 판단하고, 우회밸브(180)를 이용하여 터빈(130)의 전단부에 마련된 웜업 유로(160)를 통해 제1 열교환기(120) 쪽으로 유입되도록 할 수 있다. 이에 따라, 건설기계의 초기 시동 단계에서, 제1 내지 제3 열교환기(120, 122, 124)를 통과하여 열 교환한 작동유체가 제1 열교환기(120)에서 작동유와 열 교환되게 하고 제2 열교환기에서(122)에서 냉각수와 열 교환되게 함으로써 작동유 및 냉각수의 온도가 빠르게 상승되도록 할 수 있다. 즉, 본 발명의 웜업 시스템(100)은 건설기계에서 버려지는 열 에너지 즉, 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스로부터 버려지는 열 에너지를 재활용하여 건설기계를 구동시키기 위한 구동력을 발생시키는 유기 랭킨 사이클을 빠른 시간 내에 정상적으로 구동되도록 할 수 있다.Accordingly, as shown in FIGS. 1 to 3, the working fluid passed through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124 in the initial start-up stage of the construction machine is condensed ( Instead of sending it to the condensate 140 and storing it in the storage tank 142, the working fluid passed through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124 is transferred to the turbine 130. The state of the working fluid is determined using the sensing sensor 170 provided at the front end, and the first heat exchanger 120 is provided through the warm-up flow path 160 provided at the front end of the turbine 130 using the bypass valve 180. ) To the side. Accordingly, in the initial start-up phase of the construction machine, the working fluid heat exchanged through the first to third heat exchangers (120, 122, 124) is heat-exchanged with the working oil in the first heat exchanger 120 and the second By exchanging heat with the cooling water in the heat exchanger 122, the temperature of the working oil and the cooling water may be increased rapidly. That is, the warm-up system 100 of the present invention recycles the thermal energy discarded in the construction machine, that is, the organic Rankine cycle for generating driving force for driving the construction machine by recycling the thermal energy discarded from the working oil, cooling water and the exhaust gas of the engine. It can be operated normally within a short time.
이를 위해, 감지센서(170)에서 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체의 상태를 감지한 결과, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 판단될 경우에는, 우회 밸브(180)를 통해 터빈(130) 쪽의 유로는 차단시키고, 제1 열교환기(120) 또는 제2 열교환기(122) 쪽으로 흐르는 웜업유로(160)만을 개방시켜 제1 열교환기(120) 또는 제2 열교환기(122) 쪽으로 작동유체가 유입되도록 할 수 있다. To this end, when it is determined that the working fluid that has passed through the third heat exchanger 124 is not completely vaporized as a result of detecting the state of the working fluid from the third heat exchanger 124 by the detection sensor 170, the bypass is bypassed. The flow path toward the turbine 130 is blocked through the valve 180 and only the warm-up flow path 160 flowing toward the first heat exchanger 120 or the second heat exchanger 122 is opened to open the first heat exchanger 120 or The working fluid may be introduced into the second heat exchanger 122.
한편, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)를 더 포함할 수 있다. Meanwhile, referring to FIGS. 2 to 4, the warm-up system 100 according to an embodiment of the present invention may further include a first regeneration heat exchanger 150 or a second regeneration heat exchanger 152.
도 1에 도시한 바와 같이 터빈(130)을 거친 작동유체가 응축기(140)로 바로 전달될 수도 있지만, 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이 터빈(130)을 거친 작동유체가 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 유입되도록 하여 터빈(130)을 거친 작동유체의 남아있는 열 에너지를 회수하여 재활용 할 수도 있다. As shown in FIG. 1, the working fluid passing through the turbine 130 may be directly transferred to the condenser 140, but as shown in FIGS. 2 to 4, the working fluid passing through the turbine 130 may be the first regenerative heat exchanger. It may be introduced into the gas 150 or the second regeneration heat exchanger 152 to recover the remaining thermal energy of the working fluid passed through the turbine 130 to be recycled.
다시 말해서, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 완전히 액체 상태로 액화되지 않고 어느 정도의 열을 가지고 있다면, 응축기(140)로 유입되기에는 부적합할 수 있다. 왜냐하면, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 어느 정도의 열을 가지고 있다면 응축기(142)에서 이러한 작동유체가 완전히 액화되기 위해서는 응축기(140)의 용량이 커야 하는데, 건설기계의 엔진룸 내부의 공간상 용량이 큰 응축기(140)를 설치하기 어려울 수 있고, 터빈(130)에서 나온 작동유체가 가지고 있는 열을 이용하여 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 또는 제3 열교환기(124)로 유입되는 작동유체의 온도를 높일 수도 있기 때문이다. In other words, if the working fluid from the turbine 130 does not completely liquefy to a liquid state and has a certain amount of heat, it may not be suitable to flow into the condenser 140. If the working fluid from the turbine 130 has a certain amount of heat, the condenser 140 needs to be large in order to completely liquefy the working fluid in the condenser 142. It may be difficult to install a large capacity condenser 140, and the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, or the third heat exchanger (using the heat of the working fluid from the turbine 130) This is because the temperature of the working fluid flowing into the 124 may be increased.
구체적으로, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 제1 재생 열교환기(150)는 터빈(130)을 거친 작동유체와 펌프(144)에서 송출된 작동유체를 서로 열 교환시킬 수 있다. 이때, 터빈(130)을 거친 작동유체, 즉 터빈(130)에 회전력을 발생시키고 난 후의 작동유체의 온도가 저장탱크(142)에 저장된 작동유체의 온도보다 높을 경우에는 제1 재생 열교환기(150)를 이용하여 터빈(130)을 거친 작동유체와 펌프(144)로부터 송출된 작동유체가 서로 열 교환 되도록 할 수 있다. 제1 재생 열교환기(150)에 의해 터빈(130)에서 나온 작동유체와 열 교환하여 열을 얻은 펌프(144)에서 송출된 작동유체는 제1 열교환기(120)로 전달될 수 있다. 이에 따라, 제1 열교환기(120)에서의 작동유와 작동유체 간의 열 교환 효율을 더욱 높일 수 있다. Specifically, referring to FIGS. 2 to 4, the first regeneration heat exchanger 150 may exchange heat between the working fluid passed through the turbine 130 and the working fluid sent from the pump 144. At this time, when the temperature of the working fluid passed through the turbine 130, that is, the working fluid after generating a rotational force to the turbine 130 is higher than the temperature of the working fluid stored in the storage tank 142, the first regeneration heat exchanger 150 By using), the working fluid passed through the turbine 130 and the working fluid sent from the pump 144 can be heat exchanged with each other. The working fluid sent from the pump 144 obtained by heat exchange with the working fluid from the turbine 130 by the first regeneration heat exchanger 150 may be transferred to the first heat exchanger 120. Accordingly, the heat exchange efficiency between the working oil and the working fluid in the first heat exchanger 120 can be further increased.
또한, 도 3 및 도 4를 참조하면, 제2 재생 열교환기(152)는 터빈(130)을 거친 작동유체와 제2 열교환기(122)에서 나온 작동유체를 서로 열 교환시킬 수 있다. 터빈(130)을 거친 작동유체, 즉 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체의 온도가 제2 열교환기(122)에서 가열된 작동유체의 온도보다 높을 경우에는 제2 재생 열교환기(152)를 이용하여 터빈(130)을 거친 작동유체와 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체를 다시 열 교환할 수도 있다. 제2 재생 열교환기(152)에 의해 열 교환되어 온도가 높아진 작동유체는 제3 열교환기(124)로 전달될 수 있다. 3 and 4, the second regeneration heat exchanger 152 may exchange heat between the working fluid passed through the turbine 130 and the working fluid from the second heat exchanger 122. When the temperature of the working fluid passing through the turbine 130, that is, the working fluid after the turbine 130 is rotated is higher than the temperature of the working fluid heated in the second heat exchanger 122, the second regeneration heat exchanger 152 By using the heat exchanger and the working fluid passed through the turbine 130 and the second heat exchanger 122 may be exchanged again. The working fluid whose temperature is increased by heat exchange by the second regeneration heat exchanger 152 may be transferred to the third heat exchanger 124.
상술한 바와 같이, 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152)에 의해서 터빈(130)에서 나온 작동유체에 포함된 열 에너지를 재활용할 수 있을 뿐만 아니라 응축기(140)에 유입되기 전에 작동유체를 충분히 냉각시킴으로써 용량이 적은 응축기(140) 만으로도 작동유체를 완전하게 액화시킬 수 있다. As described above, the first regenerative heat exchanger 150 and the second regenerative heat exchanger 152 may not only recycle thermal energy contained in the working fluid from the turbine 130, but also flow into the condenser 140. By sufficiently cooling the working fluid before it is possible to completely liquefy the working fluid even with a small capacity condenser 140.
참고로, 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 터빈(130)을 거친 작동유체를 재활용 하기 위하여 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)를 구비하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체의 온도가 응축기(140)를 통해 완전히 액화될 정도로 낮은 것으로 판단될 경우에는 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152) 모두 마련되지 않을 수도 있다. For reference, as described above, the warm-up system 100 according to an embodiment of the present invention is the first regeneration heat exchanger 150 or the second regeneration heat exchanger 152 to recycle the working fluid passed through the turbine 130 ), But is not necessarily limited thereto. That is, when it is determined that the temperature of the working fluid after rotating the turbine 130 is low enough to completely liquefy through the condenser 140, both the first regeneration heat exchanger 150 and the second regeneration heat exchanger 152. It may not be prepared.
더욱이, 제1 재생 열교환기(150) 상의 작동유체의 온도 T1'는 제2 재생 열교환기(152) 상의 작동유체의 온도 T2' 보다 낮은 온도를 가질 수 있다. 또한, 제1 재생 열교환기(150) 상의 작동유체의 온도는 제1 열교환기(120) 상의 작동유체의 온도보다 낮고, 제2 재생 열교환기(152) 상의 작동유체의 온도는 제2 열교환기(122) 상의 작동유체의 온도보다 높을 수 있다. Furthermore, the temperature T1 'of the working fluid on the first regeneration heat exchanger 150 may have a temperature lower than the temperature T2' of the working fluid on the second regeneration heat exchanger 152. In addition, the temperature of the working fluid on the first regeneration heat exchanger 150 is lower than the temperature of the working fluid on the first heat exchanger 120, the temperature of the working fluid on the second regeneration heat exchanger 152 is a second heat exchanger ( 122) may be higher than the temperature of the working fluid on the bed.
여기서, 도 3을 참조하면, 제3 열교환기(124)에서 엔진(110)의 배기가스의 열 에너지와 열 교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 감지되면, 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체를 터빈(130)으로 보내지 않고 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 작동유체를 우회시킬 수도 있다. 3, when it is detected that the working fluid heat exchanged with the heat energy of the exhaust gas of the engine 110 is not completely vaporized in the third heat exchanger 124, the third heat exchanger 124 may be discharged. The working fluid may be diverted to the first regeneration heat exchanger 150 or the second regeneration heat exchanger 152 without sending the working fluid to the turbine 130.
구체적으로, 터빈(130) 전단에 마련된 감지센서(170)에 의해 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치고도 작동유체가 완전한 기체 상태로 상변환되지 않은 것으로 판단될 경우에는, 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체가 우회 유로(162)를 통해 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 우회되도록 할 수 있다. 왜냐하면, 최초에 액체 상태이던 작동유체가 완전한 기체 상태로 변환되지 않은 채로 터빈(130)으로 들어가게 될 경우에는 터빈(130)을 회전시킬 수 없고, 터빈(130)의 블레이드(미도시)를 손상시킬 수 있기 때문이다. Specifically, the working fluid is in a complete gas state even after passing through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124 by the sensing sensor 170 provided in front of the turbine 130. When it is determined that the phase change is not performed, the working fluid from the third heat exchanger 124 is diverted to the first regeneration heat exchanger 150 or the second regeneration heat exchanger 152 through the bypass flow passage 162. Can be. If the working fluid, which was initially in liquid state, enters the turbine 130 without being converted into the complete gas state, the turbine 130 cannot be rotated, and the blade (not shown) of the turbine 130 may be damaged. Because it can.
따라서, 감지센서(170)를 이용하여 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체의 상태를 감지하고, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 판단될 경우에는 우회 밸브(180)를 통해 터빈(130) 쪽의 유로는 차단시키고, 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 흐르는 유로 만을 개방시켜 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 작동유체가 유입되도록 할 수 있다. Therefore, by detecting the state of the working fluid from the third heat exchanger 124 by using the sensor 170, if it is determined that the working fluid passed through the third heat exchanger 124 is not completely vaporized, the bypass valve The flow path toward the turbine 130 is blocked through the 180, and only the flow path flowing toward the first regeneration heat exchanger 150 or the second regeneration heat exchanger 152 is opened to open the first regeneration heat exchanger 150 or the second flow path. The working fluid may be introduced into the regeneration heat exchanger 152.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 터빈(130)의 전단부에 마련된 감지센서(170)는 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체의 온도, 압력 또는 부피 등을 감지하여 작동유체의 상태가 액체인지 또는 기체인지를 감지할 수 있다. 감지센서(170)에 의해 감지된 작동유체의 상태는 우회 밸브(180)의 개폐를 제어하는 제어부(미도시)로 전송될 수 있다. 참고로, 제어부는 우회 밸브(180)의 개폐를 조절하여 완전히 기화되지 않아서 액체 상태인 작동유체가 터빈(130)으로 유입되는 것을 차단할 수 있다. 1 to 3, the sensing sensor 170 provided at the front end of the turbine 130 detects the temperature, pressure, or volume of the working fluid from the third heat exchanger 124, and thus the state of the working fluid may be reduced. It can detect whether it is liquid or gas. The state of the working fluid sensed by the sensor 170 may be transmitted to a controller (not shown) for controlling the opening and closing of the bypass valve 180. For reference, the controller may control the opening and closing of the bypass valve 180 to prevent the working fluid which is not completely vaporized from flowing into the turbine 130.
상술한 바와 같이, 감지센서(170)는 작동유체의 상태를 감지할 수 있는 센서로 마련될 수 있다. 이때, 감지센서(170)는 작동유체의 온도를 감지하는 온도감지센서로 마련될 수도 있고, 작동유체의 상(phase) 변화, 즉 작동유체의 부피 또는 압력을 감지할 수 있는 압력감지센서로 마련될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 작동유체의 물성치에 따라 다양한 형태의 감지센서로 마련될 수 있다. As described above, the detection sensor 170 may be provided as a sensor that can detect the state of the working fluid. In this case, the sensing sensor 170 may be provided as a temperature sensor for sensing the temperature of the working fluid, or provided as a pressure sensor for sensing the phase change of the working fluid, that is, the volume or pressure of the working fluid. It may be, but is not necessarily limited thereto, and may be provided as various types of detection sensors according to physical properties of the working fluid.
한편, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)은 제4 열교환기(126)를 더 포함할 수 있다. On the other hand, referring to Figure 4, the warm-up system 100 according to an embodiment of the present invention may further include a fourth heat exchanger (126).
구체적으로, 제4 열교환기(126)는 엔진(110)의 배기가스와 제3 열교환기(124)에서 열 교환한 후에 제3 열교환기(124)로부터 나온 작동유체를 다시 열 교환시키기 위한 것이다. 다시 말해서, 제4 열교환기(126)는 엔진(110)의 배기가스 재순환 계통(EGR: Exhaust Gas Recirculation, 미도시)에서 배출된 가스와 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체를 서로 열 교환시킬 수 있다. 즉, 제4 열교환기(126)는 엔진(110)의 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 나온 가스와 제3 열교환기(126)에서 나온 작동유체를 열 교환시킴으로써, 작동유체를 슈퍼히팅(Superheating) 시킬 수 있다. 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체가 제4 열교환기(126)를 거치면서 다시 열 교환된 작동유체는 완전히 기화되어 기체 상태로 상변환됨으로써 터빈(130)을 회전시킬 수 있다. Specifically, the fourth heat exchanger 126 is to heat exchange the working fluid from the third heat exchanger 124 again after heat exchange with the exhaust gas of the engine 110 in the third heat exchanger 124. In other words, the fourth heat exchanger 126 heat exchanges the gas discharged from the exhaust gas recirculation system (EGR) of the engine 110 and the working fluid from the third heat exchanger 124 with each other. You can. That is, the fourth heat exchanger 126 heats the working fluid from the exhaust gas recirculation system (EGR) of the engine 110 and the working fluid from the third heat exchanger 126, thereby superheating the working fluid. You can. As the working fluid from the third heat exchanger 124 passes through the fourth heat exchanger 126, the working fluid heat-exchanged again may be completely vaporized and phase-converted to a gas state to rotate the turbine 130.
이때, 제4 열교환기(126) 상의 작동유체의 온도 T4는 제3 열교환기(124) 에서의 작동유체 온도 T3 보다 높을 수 있다. 만약, 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)에 의해 완전히 기화되지 못하더라도 제4 열교환기(126)를 통해 완전히 기화될 수 있다. At this time, the temperature T4 of the working fluid on the fourth heat exchanger 126 may be higher than the working fluid temperature T3 in the third heat exchanger 124. If the working fluid is not completely vaporized by the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124, the working fluid may be completely vaporized through the fourth heat exchanger 126.
참고로, 제3 열교환기(124)에서 엔진(110)의 배기가스와 열 교환되어 가열된 작동유체가 완전히 기화되더라도, 제3 열교환기(124)를 통과한 작동유체가 제4 열교환기(126)를 거쳐 터빈(130)으로 유입되도록 할 수 있다. For reference, even though the working fluid heated by the heat exchange with the exhaust gas of the engine 110 in the third heat exchanger 124 is completely vaporized, the working fluid passing through the third heat exchanger 124 remains in the fourth heat exchanger 126. It may be to be introduced into the turbine 130 through.
다시 말해서, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 액체 상태의 작동유체가 기체 상태로 완전히 상변환된 것으로 판단되더라도 작동유체가 터빈(130)으로 바로 들어가도록 하는 것이 아니라, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체를 제4 열교환기(126)에 의해 슈퍼히팅(Super Heating) 시킨 후에 터빈(130)으로 들어가도록 구성할 수도 있다. In other words, even when it is determined that the working fluid in the liquid state is completely phase-converted to the gas state while passing through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124, the working fluid is a turbine ( Instead of directly entering 130, the superfluous heating fluid passing through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124 is superheated by the fourth heat exchanger 126. Super Heating) may be configured to enter the turbine 130.
이는, 제3 열교환기(124)에서 나온 작동유체가 제4 열교환기(126)를 거치면서 작동유체의 온도가 더욱 높아져 터빈(130)을 회전시키기 위한 에너지 값, 즉 압력 에너지 또는 기체 분자의 운동 에너지가 증가될 수도 있고, 결과적으로 터빈(130)에서 출력되는 기계적 에너지의 양을 증가시킬 수 있다. 다시 말해서, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체의 에너지의 값보다 제3 열교환기(124)에서 나와 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체의 에너지의 값이 크므로, 터빈(130)을 더욱 빠르게 회전시킬 수 있다. 따라서, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 완전히 기체 상태로 변환된 것으로 판단되더라도 제4 열교환기(126)로 유입되도록 하여 작동유체의 에너지 값을 더욱 크게 하는 것이 바람직하다. This is because, as the working fluid from the third heat exchanger 124 passes through the fourth heat exchanger 126, the temperature of the working fluid is further increased to rotate the turbine 130, that is, pressure energy or movement of gas molecules. Energy may be increased and consequently may increase the amount of mechanical energy output from turbine 130. In other words, since the energy of the working fluid exiting from the third heat exchanger 124 and passing through the fourth heat exchanger 126 is greater than the energy of the working fluid passing through the third heat exchanger 124, the turbine 130. ) Can be rotated more quickly. Therefore, even when it is determined that the working fluid that has passed through the third heat exchanger 124 is completely converted into a gas state, it is preferable to allow the energy of the working fluid to be increased by allowing the fourth heat exchanger 126 to flow into the fourth heat exchanger 126.
다만, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 통해 액체 상태인 작동유체가 기체 상태로 완전히 상변환되면 제4 열교환기(126)를 생략하여 웜업 시스템(100)을 구성할 수도 있다. 다시 말해서, 작동유체가 제3 열교환기(124) 만 거쳐도 100% 기화된다고 판단될 경우에는 제4 열교환기(126) 없이도 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)을 구성하는 것이 바람직하다. However, if the working fluid in the liquid state is completely phase-converted into the gas state through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124, the fourth heat exchanger 126 may be omitted. The warm-up system 100 may be configured. In other words, when it is determined that the working fluid is 100% vaporized even after the third heat exchanger 124, it is preferable to configure the warm-up system 100 according to an embodiment of the present invention without the fourth heat exchanger 126. Do.
또한, 도 4를 참조하면, 제4 열교환기(126)에서 엔진(110)의 배기가스와 열 교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 것으로 감지될 경우에는 터빈(130)을 거치지 않고, 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 우회되도록 할 수 있다. In addition, referring to FIG. 4, when it is detected that the working fluid heat exchanged with the exhaust gas of the engine 110 is not completely vaporized in the fourth heat exchanger 126, the first regeneration is performed without passing through the turbine 130. Bypass to the heat exchanger 150 or the second regeneration heat exchanger (152).
구체적으로, 터빈(130)의 전단부에 마련된 감지센서(170)에 의해 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 후에도 액체 상태의 작동유체가 기체 상태로 완전히 변환되지 않은 것으로 판단될 경우, 우회유로(162)를 통해 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152)로 유입되도록 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 액체 상태인 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거치고도 완전히 기화되지 않은 상태로 터빈(130)으로 유입되게 되면, 터빈(130)을 회전시키는 것이 어렵고 터빈(130)의 블레이드(미도시)를 손상시킬 수 있기 때문이다. 이에 따라, 감지센서(170)에 의해 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체가 완전히 기화되지 않았다고 판단될 경우에는, 우회밸브(180)를 이용하여 터빈(130) 쪽으로 흐르는 유로는 차단시키고, 제4 열교환기(126)에서 나온 작동유체가 제1 재생 열교환기(150) 또는 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 흐르는 유로 만이 개방되도록 할 수 있다. Specifically, the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124 and the fourth heat exchanger 126 by the sensing sensor 170 provided at the front end of the turbine 130. If it is determined that the working fluid in the liquid state is not completely converted to the gas state even after passing through the gas, it is to be introduced into the first regeneration heat exchanger 150 or the second regeneration heat exchanger 152 through the bypass passage 162. desirable. This is because the working fluid in the liquid state is not completely vaporized even after passing through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124, and the fourth heat exchanger 126. 130 is difficult to rotate the turbine 130 and may damage the blade (not shown) of the turbine 130. Accordingly, when it is determined by the sensor 170 that the working fluid passing through the fourth heat exchanger 126 is not completely vaporized, the flow path flowing toward the turbine 130 using the bypass valve 180 is blocked, Only the flow path of the working fluid from the fourth heat exchanger 126 toward the first regeneration heat exchanger 150 or the second regeneration heat exchanger 152 may be opened.
참고로, 상술한 우회밸브(180)는 모두 작동유체의 유로를 변경하기 위한 것으로, 일반적인 방향전환 밸브의 형태로 마련될 수 있다. For reference, the above-mentioned bypass valve 180 is all for changing the flow path of the working fluid, it may be provided in the form of a general direction switching valve.
한편, 상술한 바와 같이, 건설기계의 운전 초기 단계에서 유기 랭킨 사이클이 작동될 경우에는 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 모두 거치더라도 완전히 기체 상태로 상변환되지 않을 수 있다. 이때, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 모두 거친 작동유체의 온도는 건설기계의 초기 시동 상태에서의 작동유 및 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. On the other hand, as described above, when the organic Rankine cycle is operated in the initial stage of operation of the construction machine, the working fluid is the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124 and the third Even if all of the four heat exchangers 126 are passed, they may not be completely phase-converted to the gas state. At this time, the temperature of the working fluid passed through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124 and the fourth heat exchanger 126 is the operating oil in the initial starting state of the construction machine And higher than the temperature of the cooling water.
도 4에 도시한 바와 같이, 건설기계의 초기 시동 단계에서 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체를 제1 재생 열교환기(150), 제2 재생 열교환기(152) 또는 응축기(140)로 보내는 대신에 터빈(130)의 전단부에 마련된 감지센서(170)를 이용하여 작동유체의 상태를 판단하여, 우회밸브(180)를 통해 터빈(130), 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152) 쪽으로 흐르는 유로는 차단시키고 웜업 유로(160)는 개방함으로써 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체를 제1 열교환기(120)로 유입되도록 할 수 있다. 참고로, 도 4에는 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체가 제1 열교환기(120)로만 유입되는 것으로 도시하였으나, 제1 열교환기(120) 또는 제2 열교환기(122) 중 어느 한 쪽으로 작동 유체가 유입될 수도 있다. As shown in FIG. 4, the working fluid passed through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124, and the fourth heat exchanger 126 in the initial startup stage of the construction machine. Instead of sending to the first regeneration heat exchanger 150, the second regeneration heat exchanger 152 or the condenser 140 to determine the state of the working fluid using the sensor 170 provided in the front end of the turbine 130. Thus, the flow path flowing through the bypass valve 180 toward the turbine 130, the first regeneration heat exchanger 150, and the second regeneration heat exchanger 152 is blocked, and the warm-up flow path 160 is opened to open the first heat exchanger ( 120, the working fluid passing through the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124, and the fourth heat exchanger 126 may be introduced into the first heat exchanger 120. For reference, in FIG. 4, the working fluid passing through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124, and the fourth heat exchanger 126 is the first heat exchanger 120 only. Although illustrated as being introduced, the working fluid may be introduced into either the first heat exchanger 120 or the second heat exchanger 122.
이에 따라, 건설기계의 초기 시동 단계에서 유기 랭킨 사이클의 작동유체를 건설기계의 유압계통의 작동유, 냉각계통의 냉각수와 열 교환되도록 함으로써 작동유 및 냉각수의 온도가 빠르게 상승되도록 할 수 있다. 다시 말해서, 본 발명의 웜업 시스템(100)은 건설기계에서 버려지는 열 에너지 즉, 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스로부터 버려지는 열 에너지를 재활용하여 건설기계를 구동시키기 위한 구동력을 발생시키는 유기 랭킨 사이클을 빠른 시간 내에 정상적으로 구동되도록 할 수 있다. Accordingly, the operating fluid of the organic Rankine cycle in the initial start-up phase of the construction machine is heat-exchanged with the hydraulic oil of the hydraulic system of the construction machine, the cooling system of the cooling system can be rapidly increased the temperature of the hydraulic oil and the cooling water. In other words, the warm-up system 100 of the present invention recycles thermal energy discarded in the construction machine, that is, the organic Rankine cycle to generate driving force for driving the construction machine by recycling the thermal energy discarded from the working oil, cooling water and the exhaust gas of the engine. Can be driven normally within a short time.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업 시스템(100)의 작동을 간단히 설명한다. 1 to 4, the operation of the warm-up system 100 according to an embodiment of the present invention will be briefly described.
먼저, 저장탱크(142)에 저장된 작동유체는 펌프(144)에 의해 제1 열교환기(120)로 송출된다. 이때, 펌프(144)는 건설기계의 유압계통의 작동유 유압에 의해 작동될 수 있다. 참고로, 제1 열교환기(120)로 송출되는 작동유체는 액체 상태이다. First, the working fluid stored in the storage tank 142 is sent to the first heat exchanger 120 by the pump 144. At this time, the pump 144 may be operated by the hydraulic oil of the hydraulic system of the construction machine. For reference, the working fluid sent to the first heat exchanger 120 is in a liquid state.
그 다음, 제1 열교환기(120)로 송출된 액체 상태의 작동유체는 건설기계의 유압 계통에서 사용된 후의 작동유와 열 교환된다. 여기서, 건설기계의 작동유에서 버려지는 열 에너지를 활용하는 것은 건설기계에서 버려지는 열 에너지 즉, 폐 에너지 중에서 가장 낮은 온도를 가지고 있으나 많은 열량을 가지기 때문이다. 참고로, 작동유체와 열 교환되고 난 후의 작동유는 건설기계의 드레인 탱크(미도시)로 회수될 수 있다. Then, the working fluid in the liquid state sent to the first heat exchanger 120 is heat exchanged with the working oil after being used in the hydraulic system of the construction machine. Here, the use of the heat energy discarded in the working oil of the construction machine is because the heat energy discarded from the construction machine, that is, the lowest temperature among the waste energy, but has a large amount of heat. For reference, the working oil after being heat exchanged with the working fluid may be recovered to a drain tank (not shown) of the construction machine.
그 다음, 제1 열교환기(120)에서 작동유와 열 교환된 작동유체는 제2 열교환기(122)로 유입된다. 제2 열교환기(122)에서는 제1 열교환기(120)를 거친 작동유체와 건설기계의 엔진(110)의 열을 식혀주는 냉각계통의 냉각수와 열 교환된다. 이때, 엔진(110)의 열을 식혀주는데 사용된 냉각수에서 버려지는 열 에너지를 활용하는 것은 상술한 작동유의 폐열 다음으로 높은 온도를 가지기 때문이다. 한편, 제2 열교환기(122)에서 제1 열교환기(120)를 거친 작동유체와 열 교환된 냉각수는 건설기계의 냉각계통의 냉각수 탱크로 회수될 수 있다.Then, the working fluid heat exchanged with the working oil in the first heat exchanger 120 flows into the second heat exchanger 122. The second heat exchanger 122 is heat exchanged with the working fluid passing through the first heat exchanger 120 and the cooling water of the cooling system that cools the heat of the engine 110 of the construction machine. At this time, utilizing the heat energy discarded in the cooling water used to cool the heat of the engine 110 is because it has the next high temperature after the waste heat of the operating oil described above. Meanwhile, the coolant heat exchanged with the working fluid passing through the first heat exchanger 120 in the second heat exchanger 122 may be recovered to the coolant tank of the cooling system of the construction machine.
그 다음, 제2 열교환기(122)에서 열 교환된 작동유체는 제3 열교환기(124)로 유입된다. 제3 열교환기(124)에서는 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체와 건설기계의 엔진(110)에서 배출된 배기가스와 열 교환된다. 이때, 엔진(110)의 배기가스에서 버려진 열 에너지를 활용하는 것은 상술한 작동유, 냉각수의 폐열 다음으로 높은 온도를 가지기 때문이다. 더욱이, 엔진(110)에서 배출되는 배기가스는 상당히 높은 온도를 가지기 때문에 외부로 그대로 배출될 경우에는 작업자가 배기가스에 의해 다칠 위험성이 있기 때문이다. 한편, 제3 열교환기(124)에서 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체와 열 교환된 배기가스는 건설기계의 외부로 배출될 수 있다. Then, the working fluid heat exchanged in the second heat exchanger 122 flows into the third heat exchanger 124. The third heat exchanger 124 is heat exchanged with the working fluid passed through the second heat exchanger 122 and the exhaust gas discharged from the engine 110 of the construction machine. At this time, the use of the thermal energy discarded in the exhaust gas of the engine 110 is because it has the next high temperature after the waste heat of the hydraulic oil and the cooling water. Furthermore, since the exhaust gas discharged from the engine 110 has a considerably high temperature, the exhaust gas may be injured by the exhaust gas when the exhaust gas is discharged to the outside. On the other hand, the exhaust gas heat exchanged with the working fluid passed through the second heat exchanger 122 in the third heat exchanger 124 may be discharged to the outside of the construction machine.
그 다음, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거치면서 완전히 기체 상태가 된 작동유체는 터빈(130)을 회전시킨다. Subsequently, the working fluid, which is completely gaseous while passing through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124, rotates the turbine 130.
만약, 건설기계의 초기 시동 상태일 경우에는 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 모두 거치더라도 완전한 기체 상태가 되지 않는다. 이때, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체의 온도는 건설기계의 초기 시동 상태에서의 작동유 및 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 따라서, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122) 및 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체를 터빈(130)으로 보내지 않고 제1 열교환기(120)로 유입되도록 함으로써 건설기계의 초기 시동 상태에서의 작동유 및 냉각수의 온도를 높인다. If the construction machine is in an initial starting state, even if the working fluid passes through all of the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124, it does not become a complete gas state. In this case, the temperature of the working fluid passed through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124 may be higher than the temperature of the working oil and the coolant in the initial starting state of the construction machine. Therefore, the construction machinery by allowing the working fluid passed through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, and the third heat exchanger 124 to flow into the first heat exchanger 120 without being sent to the turbine 130. Increase the temperature of the hydraulic oil and coolant in the initial starting state.
또한, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체의 온도가 높을 경우, 제1 재생 열교환기(150) 쪽으로 유입되도록 한다. 이에 따라, 제1 재생 열교환기(150)에서는 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체와 저장탱크(142)로부터 제1 재생 열교환기(150)로 송출된 작동유체를 열 교환시킬 수 있다. 더욱이, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체의 온도가 높을 경우, 제2 재생 열교환기(152)를 통해 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체와 제2 열교환기(122)를 거친 작동유체를 다시 열 교환시킬 수 있다.In addition, when the temperature of the working fluid after rotating the turbine 130 is high, it is to be introduced to the first regeneration heat exchanger (150). Accordingly, in the first regeneration heat exchanger 150, the working fluid after rotating the turbine 130 and the working fluid sent from the storage tank 142 to the first regeneration heat exchanger 150 may be heat exchanged. Furthermore, when the temperature of the working fluid after the turbine 130 is rotated is high, the working fluid and the second heat exchanger 122 after the turbine 130 are rotated through the second regenerative heat exchanger 152 are passed. The working fluid can be heat exchanged again.
만약, 제3 열교환기(124)를 거친 작동유체가 완전히 기화되지 않았다고 판단되면 제4 열교환기(126)를 통해 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 배출되는 개스와 작동유체를 서로 열 교환할 수 있다. If it is determined that the working fluid that has passed through the third heat exchanger 124 is not completely vaporized, the gas discharged from the exhaust gas recirculation system (EGR) and the working fluid may be exchanged with each other through the fourth heat exchanger 126. .
한편, 건설기계의 초기 시동 상태일 경우에는 작동유체가 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 모두 거치더라도 완전한 기체 상태가 되지 않을 수 있다. 이때, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체의 온도는 건설기계의 초기 시동 상태에서의 작동유 및 냉각수의 온도보다 높을 수 있다. 따라서, 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124) 및 제4 열교환기(126)를 거친 작동유체를 터빈(130)으로 보내지 않고 제1 열교환기(120) 또는 제2 열교환기(122)로 유입되도록 함으로써 건설기계의 초기 시동 상태에서의 작동유 및 냉각수의 온도를 높인다. On the other hand, in the initial starting state of the construction machine, even if the working fluid passes through all of the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124 and the fourth heat exchanger 126, It may not be in a gaseous state. At this time, the temperature of the working fluid passed through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124, and the fourth heat exchanger 126 is the operating oil in the initial starting state of the construction machine and It may be higher than the temperature of the coolant. Thus, the first heat exchanger 120 does not send the working fluid passed through the first heat exchanger 120, the second heat exchanger 122, the third heat exchanger 124, and the fourth heat exchanger 126 to the turbine 130. 120 or the second heat exchanger 122 to increase the temperature of the operating oil and the coolant in the initial starting state of the construction machine.
그 다음, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체는 응축기(140)를 통해 액체로 응축된 후, 저장탱크(142)에 액체 상태로 저장된다. 이때, 터빈(130)을 회전시키고 난 후의 작동유체의 온도에 따라 바로 응축기(140)로 가지 않고, 제1 재생 열교환기(150) 및 제2 재생 열교환기(152)를 거쳐 다시 열 교환되고 난 후에 응축기(140)를 통해 액체 상태로 응축된 후에 저장탱크(142)로 저장될 수도 있다. Then, the working fluid after rotating the turbine 130 is condensed into a liquid through the condenser 140, and then stored in a liquid state in the storage tank 142. At this time, the heat is exchanged again via the first regenerative heat exchanger 150 and the second regenerative heat exchanger 152, instead of directly going to the condenser 140 according to the temperature of the working fluid after the turbine 130 is rotated. After condensation in a liquid state through the condenser 140 may be stored in the storage tank 142.
상기한 구성에 의하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템(100)은 유압 시스템을 구비한 건설기계의 작동유, 냉각수 및 엔진의 배기가스로부터 버려지는 열 에너지를 회수하여 건설기계를 구동시킬 수 있는 구동원으로 활용하고, 그와 동시에 건설기계의 웜업 시간을 단축시키기 위한 전력으로 활용할 수 있어서 건설기계의 연비를 향상시킬 수 있다. By the above configuration, the warm-up system 100 using the waste heat recovery of the construction machine according to an embodiment of the present invention recovers thermal energy that is discarded from the exhaust oil of the working oil, the cooling water, and the engine of the construction machine having the hydraulic system. It can be used as a driving source that can drive construction machinery, and at the same time can be used as a power for shortening the warm-up time of construction machinery can improve the fuel economy of construction machinery.
또한, 본 발명의 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템(100)은, 건설기계의 초기 냉간 시동시 엔진의 빠른 웜업을 통해 엔진의 배기가스 정화용 촉매 활성화 온도 도달 시간을 단축시켜 유해 배기가스 및 미세먼지를 저감할 수 있다. In addition, the warm-up system 100 using the waste heat recovery of the construction machine of the present invention, through the rapid warm-up of the engine during the initial cold start of the construction machine to shorten the time to reach the catalyst activation temperature for purifying the exhaust gas of the engine by harmful exhaust gas and fine Dust can be reduced.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. As described above, in one embodiment of the present invention has been described by the specific embodiments, such as specific components and limited embodiments and drawings, but this is provided to help a more general understanding of the present invention, the present invention in the above embodiment The present invention is not limited thereto, and various modifications and variations can be made by those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all of the equivalents and equivalents of the claims, as well as the following claims, will fall within the scope of the present invention. .
본 발명은 건설기계에서 버려지는 폐열 등의 에너지를 이용하고 건설기계를 웜업시키기 위한 동력으로 활용하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템 등에 사용될 수 있다. The present invention can be used for a warm-up system using waste heat recovery of construction machinery that uses energy such as waste heat discarded in construction machinery and uses it as a power for warming up construction machinery.

Claims (10)

  1. 유압계통, 냉각계통 및 엔진을 구비한 건설기계에 있어서, In a construction machine having a hydraulic system, a cooling system and an engine,
    상기 유압계통, 상기 냉각계통 및 상기 엔진의 폐열 또는 폐 에너지와 차례대로 열 교환하도록 작동유체를 순환시키는 유기 랭킨 사이클; 및 An organic Rankine cycle for circulating a working fluid to sequentially heat exchange with waste heat or waste energy of the hydraulic system, the cooling system and the engine; And
    상기 유기 랭킨 사이클을 순환한 작동유체가 유입되어 상기 건설기계를 구동시키기 위한 기계적 에너지를 발생시키는 터빈; A turbine for introducing a working fluid circulating through the organic Rankine cycle to generate mechanical energy for driving the construction machine;
    을 포함하고, Including,
    상기 유압계통의 작동유, 상기 냉각계통의 냉각수 및 상기 엔진의 배기가스의 폐열 또는 폐 에너지와 차례로 열 교환된 작동유체가 완전히 기화되지 않은 경우에는 상기 터빈 쪽으로 유입되지 않고 상기 유압계통 또는 상기 냉각계통 측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템. When the hydraulic fluid of the hydraulic system, the cooling water of the cooling system, and the waste heat or waste energy of the exhaust gas of the engine are not completely vaporized, the hydraulic fluid does not flow into the turbine, but toward the hydraulic system or the cooling system. Warm-up system using waste heat recovery of the construction machine, characterized in that the inflow.
  2. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 유압계통 또는 상기 냉각계통 측으로 유입된 작동유체가 상기 작동유 및 상기 냉각수와 열 교환되어 상기 작동유 및 상기 냉각수의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템.The working fluid introduced into the hydraulic system or the cooling system is heat-exchanged with the working oil and the cooling water to increase the temperature of the working oil and the cooling water.
  3. 제2항에 있어서, The method of claim 2,
    상기 유압계통 또는 상기 냉각계통 측으로 유입된 작동유체의 온도는 상기 작동유 및 상기 냉각수의 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템. The warm-up system using the waste heat recovery of the construction machine, characterized in that the temperature of the working fluid introduced into the hydraulic system or the cooling system is higher than the temperature of the hydraulic oil and the cooling water.
  4. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 유기 랭킨 사이클은, The organic Rankine cycle,
    상기 작동유체와 상기 작동유를 열 교환시키는 제1 열교환기;A first heat exchanger for exchanging heat between the working fluid and the working oil;
    상기 제1 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 냉각수를 열 교환시키는 제2 열교환기;A second heat exchanger configured to heat exchange the working fluid from the first heat exchanger with the cooling water;
    상기 제2 열교환기에서 나온 상기 작동유체와 상기 엔진의 연소가스를 열 교환시키는 제3 열교환기; A third heat exchanger configured to exchange heat between the working fluid from the second heat exchanger and the combustion gas of the engine;
    상기 터빈에서 나온 상기 작동유체를 응축시켜서 액화시키는 응축기;A condenser to condense and liquefy the working fluid from the turbine;
    상기 응축기에서 나온 상기 작동유체를 저장하는 저장탱크; 및 A storage tank for storing the working fluid from the condenser; And
    상기 저장탱크에 저장된 상기 작동유체를 상기 제1 열교환기로 보내는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템. And a pump for sending the working fluid stored in the storage tank to the first heat exchanger.
  5. 제4항에 있어서, The method of claim 4, wherein
    상기 펌프는 상기 유압계통의 작동유 유압을 구동원으로 이용하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템. The pump is a warm-up system using the waste heat recovery of the construction machine, characterized in that the hydraulic oil of the hydraulic system as a drive source.
  6. 제4항에 있어서, The method of claim 4, wherein
    상기 터빈과 상기 응축기 사이에 마련되며, 상기 터빈에서 나온 작동유체와 상기 펌프에서 송출되는 작동유체를 열 교환시키는 제1 재생 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템. And a first regeneration heat exchanger provided between the turbine and the condenser and heat exchanging a working fluid discharged from the turbine and a working fluid discharged from the pump.
  7. 제6항에 있어서, The method of claim 6,
    상기 터빈과 상기 제1 재생 열교환기 사이에 마련되며, 상기 터빈에서 나온 작동유체와 상기 제2 열교환기에서 나온 작동유체를 열 교환시키는 제2 재생 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템. And a second regeneration heat exchanger provided between the turbine and the first regeneration heat exchanger, the second regeneration heat exchanger for exchanging a working fluid from the turbine and a working fluid from the second heat exchanger. Warm-up system using.
  8. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein
    상기 제3 열교환기와 상기 터빈 사이에 마련되며, 상기 제3 열교환기에서 나온 작동유체와 배기가스 재순환 계통(EGR)에서 배출되는 가스를 열 교환시켜서 작동유체를 슈퍼히팅시키는 제4 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열을 이용한 웜업 시스템. And a fourth heat exchanger disposed between the third heat exchanger and the turbine and configured to superheat the working fluid by heat-exchanging the gas discharged from the working fluid from the third heat exchanger and the exhaust gas recirculation system (EGR). Warm-up system using waste heat of the construction machine.
  9. 제8항에 있어서, The method of claim 8,
    상기 제3 열교환기 또는 상기 제4 열교환기에서 나온 작동유체가 완전히 기화되지 않은 경우에는 상기 제3 열교환기 또는 상기 제4 열교환기에서 나온 작동유체는 상기 터빈으로 유입되지 않고 상기 제1 열교환기 또는 상기 제2 열교환기 쪽으로 우회되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템. When the working fluid from the third heat exchanger or the fourth heat exchanger is not completely vaporized, the working fluid from the third heat exchanger or the fourth heat exchanger does not flow into the turbine and the first heat exchanger or Warm-up system using the waste heat recovery of the construction machine characterized in that it is bypassed toward the second heat exchanger.
  10. 제9항에 있어서, The method of claim 9,
    상기 제3 열교환기 또는 상기 제4 열교환기에서 나온 작동유체의 온도, 부피, 압력 또는 열량을 감지하는 감지센서; 및 A sensor for sensing the temperature, volume, pressure, or amount of heat of the working fluid from the third heat exchanger or the fourth heat exchanger; And
    상기 감지센서와 인접한 위치에 마련되어 상기 작동유체의 온도, 부피, 압력 또는 열량에 따라 상기 제3 열교환기 또는 상기 제4 열교환기에서 나온 작동유체를 상기 제1 열교환기, 상기 터빈, 상기 제1 재생 열교환기 또는 상기 제2 재생 열교환기 중 어느 하나로 우회시키는 우회 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 폐열 회수를 이용한 웜업 시스템.The first heat exchanger, the turbine, and the first regeneration of the working fluid from the third heat exchanger or the fourth heat exchanger in accordance with the temperature, volume, pressure or calorie of the working fluid are provided at a position adjacent to the sensing sensor. The warm-up system using the waste heat recovery of the construction machine further comprises a bypass valve for bypassing any one of the heat exchanger or the second regenerative heat exchanger.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006090156A (en) * 2004-09-21 2006-04-06 Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd Method for regenerating waste heat energy and waste heat energy regenerating device
JP2009539037A (en) * 2006-05-26 2009-11-12 シェブロン ユー.エス.エー. インコーポレイテッド Method of vaporizing and heating a cryogenic fluid
KR20100074166A (en) * 2007-08-31 2010-07-01 지멘스 악티엔게젤샤프트 Method and device for converting thermal energy into mechanical energy
KR20130073096A (en) * 2011-12-23 2013-07-03 주식회사 네오너지 Scroll expander generating system using heat source of automobile
KR20150110180A (en) * 2014-03-24 2015-10-02 두산인프라코어 주식회사 Waste heat recovery system using hydraulic system

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2457266B (en) * 2008-02-07 2012-12-26 Univ City Generating power from medium temperature heat sources

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006090156A (en) * 2004-09-21 2006-04-06 Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd Method for regenerating waste heat energy and waste heat energy regenerating device
JP2009539037A (en) * 2006-05-26 2009-11-12 シェブロン ユー.エス.エー. インコーポレイテッド Method of vaporizing and heating a cryogenic fluid
KR20100074166A (en) * 2007-08-31 2010-07-01 지멘스 악티엔게젤샤프트 Method and device for converting thermal energy into mechanical energy
KR20130073096A (en) * 2011-12-23 2013-07-03 주식회사 네오너지 Scroll expander generating system using heat source of automobile
KR20150110180A (en) * 2014-03-24 2015-10-02 두산인프라코어 주식회사 Waste heat recovery system using hydraulic system

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