JP6280213B2 - ミキシング弁を用いた排熱換水温度制御システム及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、ミキシング弁を用いた排熱換水温度制御システム及びその方法に関し、より詳しくは、初期運転時に発電部の正常温度にまで立ち上げる時間を低減し、温水使用時に直水温度変化による安定的な運転を可能にするミキシング弁を用いた排熱換水温度制御システム及びその方法に関する。

一般に排熱回収システムというのは、燃料電池発電システム（ＰＥＭＦＣ）の廃熱、内燃機関（ＩＣＥ）の廃熱、余剰熱、ゴミ焼却熱、排水熱、変電所の発熱等、排熱源から通常排出されてしまう排熱（ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ）をリサイクルして暖房や温水に提供するシステムである。

一例として、上記燃料電池発電システム（ＰＥＭＦＣ）は、酸化によって生じる化学エネルギーを直接に電気エネルギーに変換する親環境的な発電システムであって、そのシステムの稼動中に冷却水として使用される多量の排熱が発生しているが、通常、このような排熱を用いる場合は多くなく、排気口を介して外部へ放出させるので、このシステムから排熱として放出される熱を直接に利用していなかった。

よって、既に家庭などに設けられた従来のボイラー装置をそのまま利用しながら、燃料電池システムから発生する排熱を容易に回収してリサイクルできる排熱回収システムが開発された。

図１に示すように、従来の排熱回収システム１０は、排熱源１として温水タンク１１に貯蔵された水を排熱熱交換器１１−１を通じて１次的に加熱し、前記１次加熱された水を必要に応じてボイラー１２を通じて２次に加熱し、ユーザに暖房と温水を提供することで相対的に温度が低い直水をそのまま用いるボイラーに比べてエネルギーを節減できる効果がある。

詳しくは、従来の排熱回収システム１０は、ユーザが温水を利用するとき、前記ボイラー１２の温水設定温度に比して上記温水タンク１１の温度が高い時は、前記温水タンク１１の温水をそのまま利用し、前記温水タンク１１の温度が低い時は、さらに前記ボイラー１２を稼動して温水設定温度を充足していた。

また、排熱源１、排熱ポンプ１５−５などを含む発電部回路と、温水タンク１１、膨張タンク１５−２、排熱ポンプ１５−４、自動補充弁１５−３などを含む排熱回収システム１０の回路中間に熱交換器１５−１を置いて、前記発電部回路で加熱された熱を中間で排熱回収システム１０と熱交換できるようにし、排熱換水温度制御を各回路のポンプで制御するようにする。

しかし、発電部回路で加熱された熱を中間で排熱回収システム１０と熱交換できるようにする回路は複雑であるから、制御の困難及び製造原価上昇の問題点があった。

本発明においては、排熱回収システムの温水タンク温度によってミキシング弁の開度を調節し、給湯による直水流入で温度変化に応じてミキシング弁で適切な開度調節をして、正常的な運転条件を作ってやるミキシング弁を用いた排熱換水温度制御システム及びその方法を提供することにその目的がある。

本発明は、排熱源から排熱を回収する排熱熱交換器及び温水を用いて暖房のために熱交換される暖房熱交換器を備える温水タンクと、前記排熱熱交換器と暖房熱交換器から熱交換された温水をユーザによって設定された温度を満足できるように加熱して、暖房空間及び給湯空間に供給する補助ボイラーを含んで構成される排熱換水温度制御システムにおいて、前記排熱換水温度制御システムは、直水を自動的に補充する自動補充弁と、前記自動補充弁に連結されて前記直水の温度変化による膨張圧を調節するための膨張タンクと、前記膨張タンクに連結されて前記排熱源と温水タンクを連結する排熱ラインを内部循環させる排熱ポンプと、前記排熱源の排熱を受けた第１温水１Ｈラインと、再び前記温水タンクの排熱熱交換器を通過した後の第２温水２Ｈラインとの間に延長形成されて、相互間ミキシングさせるミキシング弁を含んで構成され、前記排熱熱交換器の温度によって前記ミキシング弁の開度を調節するか、給湯による直水流入により変化した排熱供給温度と、排熱換水温度によって前記ミキシング弁の開度を調節する。

一実施例において、前記排熱換水温度制御システムは、前記排熱供給温度を測定するために前記第１温水１Ｈの温度を測定する排熱供給温度センサーＴ１と、前記排熱換水温度を測定するために第２温水２Ｈの温度を測定する排熱換水温度センサーＴ２をさらに含んで、直水が流入する場合、低くなった前記排熱供給温度と排熱換水温度を再測定してその温度差に応じて対応できるようにミキシング弁の開度を調節する。

本発明は、排熱供給温度と排熱換水温度を測定するステップと、前記測定温度によってミキシング弁の開度を調節するステップと、給湯による直水流入ステップと、前記直水による温度変化に対応してミキシング弁の開度を改めて調節するステップと、を含んで構成される。

一実施例において、前記排熱供給温度と排熱換水温度を測定するステップは、前記温水タンクの温度センサーで測定された各温度の平均情報を算出するステップをさらに含む。

本発明によれば、ミキシング弁を適用して初期運転時間を低減でき、温水使用時に直水温度の低下による排熱換水温度の急冷による発電部の衝撃を低減できる。

本発明によれば、従来の熱交換器を用いるよりガスエンジン及び燃料電池の効率、耐久性の向上が可能である。

従来の発明に係る排熱換水温度制御システムの全体的な構成を示す図である。 本発明に係るミキシング弁を用いた排熱換水温度制御システムの全体的な構成を示す図である。

本発明の理解を助けるために、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して説明する。本発明の実施例は、多様な形態に変更することができ、本発明の範囲が以下に詳細に説明する実施例に限定されるものと解釈されてはならない。本実施例は、当業界において平均的知識を有する者に本発明をより完全に説明するために供されるものである。したがって、図面における要素の形状などはより明確な説明を強調するために誇張されて表現されることがある。各図面において、同一の部材は同一の参照符号を付した場合があることに留意すべきである。また、本発明の要旨を不必要に紛らすものと判断される公知機能及び構成に対する詳細な記述は省略する。

先ず、図２に示すように、本発明による排熱換水温度制御システム１００は、温水を貯蔵するために排熱源１０から排熱を回収する排熱熱交換器１１１及び前記温水を利用して暖房のために熱交換される暖房熱交換器１１２を備える温水タンク１１０と、前記排熱熱交換器１１１と暖房熱交換器１１２から熱交換された温水をユーザによって設定された温度を満足するように加熱して、暖房空間１３０及び給湯空間１４０に供給する補助ボイラー１２０とを含んで構成される。

この場合、前記排熱源１０を冷却するための直水は、前記排熱源１０で発生する排熱によって加熱され、前記排熱源１０で加熱された直水は、前記排熱熱交換器１１１に連結されて流入され、前記排熱熱交換器１１１によって前記温水タンク１１０の内部に貯蔵された直水を加熱して温水を生成した後、ポンプ（図示せず）により再び前記排熱源１０に戻す循環構造を形成する。

本明細書において使用される「直水」とは、一般に使用される水道水又は地下水を言い、「温水」とは、前記排熱熱交換器１１１によって加熱された直水を言う。

前記温水タンク１１０の下端には、減圧弁が取り付けられていて、前記温水タンク１１０の内部圧力を一定に制御し、前記温水タンク１１０の圧力と温度を感知するためのセンサー（図示せず）を上側、中間、下側に備え、前記減圧弁を介して前記温水タンク１１０内への直水流入を統制することができる。

前記温水タンク１１０は、前記排熱熱交換器１１１によって十分な断熱を通じた温水を貯蔵することによって、前記給湯空間１４０及び暖房空間１３０から温水の使用が可能である。

前記温水タンク１１０に貯蔵された温水が、前記排熱源１０の冷却のための基本設定温度を超える高温の場合には、前記排熱源１０の効率的な冷却のために前記温水タンク１１０の温水を排出し、新たに直水を流入して前記排熱熱交換器１１１の熱交換を通じて前記排熱源１０の冷却を持続的に図ることができる。

本発明は、前記排熱源１０の排熱を回収して暖房にリサイクルするために暖房熱交換器１１２が前記温水タンク１１０内に設けられるが、この場合、前記暖房熱交換器１１２には、熱交換に有利な作動流体が内部で循環して前記補助ボイラー１２０に流入された後、前記補助ボイラー１２０で暖房に必要な設定温度までに加熱し、暖房空間１３０に供給して前記暖房空間１３０を加熱する。以後、前記暖房熱交換器１１２は、暖房空間１３０から出る排水ラインに連結されて再び熱交換される循環構造を有する。

一方、本発明に係る排熱換水温度制御システム１００は、自動補充弁１５３と、膨張タンク１５２と、排熱ポンプ１５４と、ミキシング弁１５１と、を含んで構成される。

自動補充弁１５２は、直水を自動的に補充する弁であって、外部の直水を供給され膨張タンク１５２に供給する。

膨張タンク１５２は、前記自動補充弁１５３に連結して前記直水の温度変化による膨張圧を調節するためのタンクであり、排熱ポンプ１５４は、前記膨張タンク１５２に連結して排熱ライン（閉回路）の内部を循環させるポンプである。

ミキシング弁１５１は、前記排熱源１０の排熱を受けた第１温水１Ｈラインと、再び前記温水タンク１１０の排熱熱交換器１１１を通過した後の第２温水２Ｈラインの間に延長形成されて、第１温水１Ｈと第２温水２Ｈをミキシングさせる。

よって、本発明は、排熱熱交換器１１１の熱交換温度に応じてミキシング弁１５１で開度を調節して温水をバイパスさせる。

例えば、排熱供給温度と排熱換水温度によって、前記ミキシング弁１５１の開度を調節するか、給湯による直水流入によって変化した排熱供給温度と排熱換水温度によって前記ミキシング弁１５１の開度を調節する。

そして、本発明の一実施例によって、前記排熱換水温度制御システム１００は、排熱供給温度センサーＴ１と排熱換水温度センサーＴ２をさらに含んで構成される。

ここで、排熱供給温度センサーＴ１は、前記排熱供給温度を測定するために前記第１温水１Ｈの温度を測定するセンサーであり、排熱換水温度センサーＴ２は、前記排熱換水温度を測定するために第２温水２Ｈの温度を測定するセンサーである。

従って、前記排熱換水温度制御システム１００は、直水を流入する場合、低くなった前記排熱供給温度と排熱換水温度を再測定して、前記温度差に応じて対応できるようにミキシング弁１５１の開度を調節できる。

以下、本発明の実施をするためのミキシング弁を用いた排熱換水温度制御方法について詳細に説明する。

先ず、排熱供給温度と排熱換水温度を測定する。そして、前記測定温度によってミキシング弁の開度を調節する。

一方、給湯による直水流入ステップの後には、前記直水による温度変化に対応して排熱供給温度と排熱換水温度を測定し、ミキシング弁の開度を改めて調節する。

そして、前記排熱供給温度と排熱換水温度を測定して間接的に温水タンクの温度を測定する。

また、温水タンクの温度センサーで測定された各温度の平均情報を算出してさらなるミキシング弁の開度調節がなされる。

以上、上述した本発明のミキシング弁を用いた排熱換水温度制御システムの実施例は例示的なものに過ぎず、本発明が属する技術の分野における通常の知識を持つ者にとっては、それらに基づいて多様な変形及び均等な他の実施例が可能であることは勿論である。

このため、本発明は、上記の詳細な説明において言及される形態にだけで限定されるべきではないことがよく理解できるはずである。 従って、本発明の真正な技術的保護範囲は、特許請求の範囲に記載の技術的思想によって定まるべきである。また、本発明は、添付の請求の範囲に基づいて定義される本発明の精神とその範囲内にある全ての変形物と均等物、及び代替物を含むものと理解されるべきである。

１０ 排熱源
１００ 排熱換水温度制御システム
１１０ 温水タンク
１１１ 排熱熱交換器
１１２ 暖房熱交換器
１２０ 補助ボイラー
１３０ 暖房空間
１４０ 給湯空間
１５１ ミキシング弁
１５２ 膨張タンク
１５３ 自動補充弁
１５４ 排熱ポンプ

Claims (1)

1. 排熱源から排熱熱交換器に連結されて、前記排熱源の排熱によって加熱された第１温水１Ｈが前記排熱熱交換器に供給されるようにする第１温水１Ｈラインと、
   前記排熱熱交換器から前記排熱源に連結されて、前記排熱熱交換器を通過した第２温水２Ｈが前記排熱源に換水されるようにする第２温水２Ｈラインと、
   前記第１温水１Ｈラインと前記第２温水２Ｈラインの間を連結するラインに配置されるミキシング弁と、
   前記排熱熱交換器及び温水を用いて暖房のために熱交換される暖房熱交換器を備える温水タンクと、
   前記排熱熱交換器と前記暖房熱交換器から熱交換された温水をユーザによって設定された温度を満足するように加熱して、暖房空間及び給湯空間に供給する補助ボイラーと、
   を含む制御システムを用いて排熱換水温度を制御する方法であって、
   排熱供給温度として前記第１温水１Ｈの温度と、排熱換水温度として前記第２温水２Ｈの温度を測定するステップと、
   測定された前記第１温水１Ｈの温度及び前記第２温水２Ｈの温度に応じて前記ミキシング弁の開度を調節するステップと、
   給湯によって前記温水タンク内に直水が流入されるステップと、
   直水が流入されることによる前記第１温水１Ｈの温度及び前記第２温水２Ｈの温度の変化に対応して前記ミキシング弁の開度を再び調節するステップと、
   を含んで構成されるミキシング弁を用いた排熱換水温度制御方法において、
   前記排熱供給温度と排熱換水温度を測定するステップは、前記温水タンクの温度センサーで測定された各温度の平均情報を算出するステップをさらに含むことを特徴とする、ミキシング弁を用いた排熱換水温度制御方法。

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