KR101208459B1 - 냉방 및 난방용수를 생산하는 ｏｒｃ 터보발전 시스템 - Google Patents

냉방 및 난방용수를 생산하는 ｏｒｃ 터보발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 ORC 터보발전 시스템에서 터빈을 작동시키고 배출되는 고온고압의 작동유체가 겨울철에는 물이 공급되도록 하고, 여름철에는 흡수식 냉동기와 열교환되면서 응축되도록 함으로써 겨울철에는 고온의 온수를 난방용수로 제공하고, 여름에는 차가운 공기를 냉방용으로 제공할 수 있는 냉방 및 난방용수를 생산하는 ORC 터보발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 주요구성은, 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기(10)와; 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈(20)과; 터빈(20)에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 응축시키는 응축기(30)와; 응축기에서 나온 저압의 작동유체를 저장하는 응축탱크(40)와; 응축탱크의 저장된 작동유체를 증발기로 공급하는 펌프(50)를 구비하되, 상기 응축기(30)는 일측에 형성되어 난방용 물 또는 흡수식 냉동기의 냉매가 공급되는 유입부(31)와, 타측에 형성되어 열교환된 고온의 난방용수의 흡수식 냉동기의 냉매가 배출되는 배출부(33)를 포함하며, 겨울철에 외부의 난방용 물과 열교환되고, 여름철 흡수식 냉동기와 열교환되며, 유입부(31)의 일측에는 외부의 난방용 물과 흡수식 냉동기(80)의 냉매를 계절별로 선택적으로 공급되도록 제1제어밸브(32)가 형성되고, 배출부(33)의 일측에는 배출되는 겨울철에 난방용수를 외부로 공급하고, 여름철에 흡수식 냉동기(80)의 냉매를 다시 흡수식 냉동기로 공급하는 제2제어밸브(34)가 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

냉방 및 난방용수를 생산하는 ＯＲＣ 터보발전 시스템{Organic rankine cycle turbo generation system generating cooling air and hot water}
본 발명은 ORC 터보발전 시스템에서 터빈을 작동시키고 배출되는 고온고압의 작동유체가 겨울철에는 물이 공급되도록 하고, 여름철에는 흡수식 냉동기와 열교환되면서 응축되도록 함으로써 겨울철에는 고온의 온수를 난방용수로 제공하고, 여름에는 차가운 공기를 냉방용으로 제공할 수 있는 냉방 및 난방용수를 생산하는 ORC 터보발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 유기랭킨사이클(ORC : Organic Rankine Cycle)은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨사이클(Rankin Cycle)로서 비교적 저온의 온도 범위 (60～200℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템으로, 저온에서 고압의 기체를 생산하여 터빈을 구동하여야하는 ORC 시스템의 특성상 작동유체로는 비등점이 낮고, 증발압력이 높은 프레온 계열의 냉매를 사용한다.
유기랭킨사이클(ORC : Organic Rankine Cycle)은 증발기(10) 및 터빈(20), 응축기(30), 펌프(40)의 기본 요소로 구성되어 있다. 증발기(10)는 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 역할을 하고, 터빈(20)은 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키며, 응축기(30)는 터빈(20)에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 상변화시켜주는 역할을 하고, 펌프(40)는 응축기(30)에서 나온 저압의 작동유체를 증발기(10)로 공급하는 역할을 한다. 랭킨 사이클 시스템의 출력은 터번에서 수행하는 일(work)과 같다.
그러나, 이러한 ORC 터보발전 시스템은 터빈(20)에서 배출된 고온고압의 작동유체를 응축기(30)에서 응축하기 위해서는 별도의 냉각 시스템 설치하고, 이를 구동시키기 위해 추가적으로 에너지를 소비하여야 하는 문제가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 ORC 터보발전 시스템에서 터빈을 작동시키고 배출되는 고온고압의 작동유체가 겨울철에는 물이 공급되도록 하고, 여름철에는 흡수식 냉동기와 열교환되면서 응축되도록 함으로써 겨울철에는 고온의 온수를 난방용수로 제공하고, 여름에는 차가운 공기를 냉방용으로 제공할 수 있는 냉방 및 난방용수를 생산하는 ORC 터보발전 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 냉방 및 난방용수를 생산하는 ORC 터보발전 시스템은 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기(10)와; 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈(20)과; 터빈(20)에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 응축시키는 응축기(30)와; 응축기에서 나온 저압의 작동유체를 저장하는 응축탱크(40)와; 응축탱크의 저장된 작동유체를 증발기로 공급하는 펌프(50)를 구비하되, 상기 응축기(30)는 일측에 형성되어 난방용 물 또는 흡수식 냉동기의 냉매가 공급되는 유입부(31)와, 타측에 형성되어 열교환된 고온의 난방용수의 흡수식 냉동기의 냉매가 배출되는 배출부(33)를 포함하며, 겨울철에 외부의 난방용 물과 열교환되고, 여름철 흡수식 냉동기와 열교환되며, 유입부(31)의 일측에는 외부의 난방용 물과 흡수식 냉동기(80)의 냉매를 계절별로 선택적으로 공급되도록 제1제어밸브(32)가 형성되고, 배출부(33)의 일측에는 배출되는 겨울철에 난방용수를 외부로 공급하고, 여름철에 흡수식 냉동기(80)의 냉매를 다시 흡수식 냉동기로 공급하는 제2제어밸브(34)가 형성된 것을 특징으로 한다.
삭제
바람직하게, 상기 응축기(30)는 겨울철에 외부의 난방용 물과 열교환되는 제1응축부(35)와, 여름철 흡수식 냉동기와 열교환되는 제2응축부(36)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 터빈을 작동시키고 배출되는 고온고압의 작동유체가 겨울철에는 물과 열교환시켜 난방용수로 활용할 수 있으며, 여름철에는 흡수식 냉동기와 열교환시켜 차가운 공기를 냉방용으로 생산할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 ORC 터보발전 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 냉방 및 난방용수를 생산하는 ORC 터보발전 시스템의 개략도.
도 3은 본 발명의 다른실시예에 따른 냉방 및 난방용수를 생산하는 ORC 터보발전 시스템의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 흡수식 냉동기의 개략도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 냉방 및 난방용수를 생산하는 ORC 터보발전 시스템을 자세히 살명한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 ORC(유기랭킨사이클, Organic Rankine Cycle) 터보발전 시스템은 증발기(10), 터빈(20), 응축기(30), 응축탱크(40), 펌프(50), 예열기(50), 과열기(60)를 구비한다.
전술한 바와 같이, 증발기(10)는 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키고, 터빈(20)은 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다.
응축기(30)는 터빈(20)에서 나온 작동유체를 액체로 응축시켜 응축탱크(40)로 제공하며, 펌프(50)는 응축탱크(40)의 작동유체를 증발기(10)로 공급한다.
예열기(60)는 펌프(50)와 증발기(10) 사이에 위치하며 펌프(40)에서 공급된 작동유체를 제공받아 상기 증발기(10)에서 작동유체를 효과적으로 가열하도록 작동유체를 예열한다. 과열기(70)는 증발기(10)에서 증발한 작동유체의 온도를 필요한 온도까지 승온시킨다.
한편, 응축기(30)는 겨울철에 외부의 난방용 물과 열교환되고, 여름철 흡수식 냉동기와 열교환된다. 응축기(30)의 일측에는 난방용 물 또는 흡수식 냉동기의 냉매가 공급되는 유입부(31)가 형성되고, 타측에는 열교환된 고온의 난방용수의 흡수식 냉동기의 냉매가 배출되는 배출부(33)가 형성된다. 유입부(31)의 일측에는 외부의 난방용 물과 흡수식 냉동기(80)의 냉매를 계절별로 선택적으로 공급되도록 제1제어밸브(32)가 형성된다. 배출부(33)의 일측에는 배출되는 겨울철에는 난방용수를 외부로 공급하고, 여름철에는 흡수식 냉동기(80)의 냉매를 다시 흡수식 냉동기로 공급하는 제2제어밸브(34)가 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 응축기(30)는 겨울철에 외부의 난방용 물과 열교환되는 제1응축부(35)와 여름철 흡수식 냉동기와 열교환되는 제2응축부(36)가 형성된다.
제1응축부(35)는 셀-튜브 열교환기, 판형 열교환기 등을 이용하여 증발기에서 배출되는 고온고압의 작동유체와 외부에서 유입된 낮은 온도의 물이 서로 열교환할 수 있도록 구성된다. 이에 따라 응축기로 공급된 고온고압의 작동유체는 외부에서 유입된 물과 열교환되면서 온도가 낮아지면서 응축탱크(40)로 공급되고, 외부의 물은 고온으로 배출되어 난방용으로 사용될 수 있다.
제2응축부(36)는 터빈에서 배출되는 고온고압의 작동유체와 흡수식 냉동기의 흡수액과 열교환되어 흡수식 냉동기(80)의 열원으로 사용된다. 이에 따라 제2응축부로 공급된 고온고압의 작동유체는 외부의 흡수식 냉동기(80)와 열교환되면서 온도가 낮아지면서 응축탱크(40)로 공급되고, 흡수식 냉동기(80)의 흡수액이 가열된다. 제2응축부(36)는 제1응축부와 동일한 열교환기를 사용할 수 있다.
흡수식 냉동기(80)는 주지하는 바와 같이 기체의 액체에 대한 흡수성을 이용하는 것으로 통상 냉매를 응축기(30 또는 제2응축부(32))로 공급하여 증발시키는 재생부(81), 증발된 냉매를 응축하는 응축부(82), 냉매가 증발하면서 외부의 공기와 열교환하는 증발부(83) 및 열교환된 냉매가 다시 흡수되는 흡수부(84)로 구성되며 냉매로는 물이 사용되고 흡수액으로 리튬브로마이드(Litbium Bromide : LiBr) 또는 암모니아(NH3)가 사용된다. 이러한 냉방시에는 증발부(83)에서 냉매인 물과 외부공기가 열교환하여 차가운 공기를 냉방용으로 사용하게 된다.
흡수식 냉동기를 자세히 살펴보면, 흡수액이 흡수부(84) 상부의 트래이로부터 흡수부(84) 내의 냉각수 전열관위로 떨어지며 엘리미네이터 사이로 넘어온 수증기를 흡수하여 흡수부(84) 바닥에 모이게 된다. 모여진 흡수액은 응축기(30 또는 제2응축부(32))의 작동유체와 열교환되면서 가열되어 물이 증발하며 농도가 더 짙은 흡수액으로 만든 뒤 다시 흡수부(84)로 되돌아간다. 이와 같은 순환과정을 거쳐 흡수액이 다시 수증기를 흡수하여 같은 방식으로 계속 순환된다.
한편 냉매인 물의 순환은 증발부(83)에서 물이 가장 증발하기 쉬운 조건인 밀폐된 진공상태 즉 증발기 내부압력 약 6.5mmHg와 약 4℃ 온도를 유지시키면 증발하면서 냉각수의 증발잠열을 빼앗아감으로서 전열관내에서 흐르는 외부공기를 냉방에 필요한 저온의 냉방공기로 만들게 된다. 이때 증기형태가 된 수증기는 흡수액에 의해 강력하게 흡수되어져 재생부(81)까지 흡수액과 함께 섞여 운반된다. 재생부(81)에서 응축기(30 또는 제2응축부(32))의 작동유체와 열교환되면서 가열되어 수증기로 증발되어 엘리미네이터 사이로 넘어 응축부로 유입되어 냉각탑에서 냉각된 냉각수와 열교환되면서 물로 응축된다. 응축부의 냉매는 증발부(83)로 회수되어 다시 상기와 같은 순서로 재순환 되는 냉매 싸이클을 형성한다.
이상, 본 발명의 실시예에 대해 설명하였다. 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 증발기 20 : 터빈
30 : 응축기 31 : 유입부
32 : 제1제어밸브 33 : 배출부
34 : 제2제어밸브 35 : 제1응축부
36 : 제2응축부 40 : 응축탱크
50 : 펌프 60 : 예열기
70 : 과열기 80 : 흡수식 냉동기

Claims (5)

  1. 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기(10)와; 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈(20)과; 터빈(20)에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 응축시키는 응축기(30)와; 응축기에서 나온 저압의 작동유체를 저장하는 응축탱크(40)와; 응축탱크의 저장된 작동유체를 증발기로 공급하는 펌프(50)를 구비하되,
    응축기(30)는 일측에 형성되어 난방용 물 또는 흡수식 냉동기의 냉매가 공급되는 유입부(31)와, 타측에 형성되어 열교환된 고온의 난방용수의 흡수식 냉동기의 냉매가 배출되는 배출부(33)를 포함하며, 겨울철에 외부의 난방용 물과 열교환되고, 여름철 흡수식 냉동기와 열교환되며,
    유입부(31)의 일측에는 외부의 난방용 물과 흡수식 냉동기(80)의 냉매를 계절별로 선택적으로 공급되도록 제1제어밸브(32)가 형성되고, 배출부(33)의 일측에는 배출되는 겨울철에 난방용수를 외부로 공급하고, 여름철에 흡수식 냉동기(80)의 냉매를 다시 흡수식 냉동기로 공급하는 제2제어밸브(34)가 형성된 것을 특징으로 하는 냉방 및 난방용수를 생산하는 ORC 터보발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 응축기(30)는 겨울철에 외부의 난방용 물과 열교환되는 제1응축부(35)와, 여름철 흡수식 냉동기와 열교환되는 제2응축부(36)로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉방 및 난방용수를 생산하는 ORC 터보발전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 흡수식 냉동기는 냉매를 작동유체가 유입되는 응축기(30 또는 제2응축부(32))로 공급하여 증발시키는 재생부(81)와, 증발된 냉매를 응축하는 응축부(82)와, 냉매가 증발하면서 외부의 공기와 열교환하는 증발부(83) 및 열교환된 냉매가 다시 흡수되는 흡수부(84)로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉방 및 난방용수를 생산하는 ORC 터보발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 흡수식 냉동기의 흡수액은 리튬브로마이드(Litbium Bromide : LiBr) 또는 암모니아(NH3) 인 것을 특징으로 하는 냉방 및 난방용수를 생산하는 ORC 터보발전 시스템.
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