KR20120081847A - 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공장 및 산업현장에서 발생되고 버려지는 배기가스 폐열을 열원으로 이젝터 냉열 제조 시스템을 통해 시수를 냉각시켜 냉열을 공급하고, 지역난방 등에서 사용되어 리턴된 물을 가열하여 온열을 공급하며, 상기 냉,온열을 동시에 공급할 수 있으며, 상기 이젝터 냉열 제조 시스템에서 시수를 냉각시키기 위해 흡수한 열을 히트펌프 시스템의 열원으로 이용하고, 상기 히트펌프 시스템의 응축열을 이용하여 온열을 공급하는 특징이 있다.

Description

배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템{Flue Gas Heat Source Hot and Cold Water Making System}
본 발명은 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공장 및 산업현장에서 발생되고 버려지는 배기가스 폐열을 열원으로 이젝터 냉열 제조 시스템을 통해 시수를 냉각시켜 냉열을 공급하고, 지역난방 등에서 사용되어 리턴된 물을 가열하여 온열을 공급하며, 상기 냉,온열을 동시에 공급할 수 있으며, 상기 이젝터 냉열 제조 시스템에서 시수를 냉각시키기 위해 흡수한 열을 히트펌프 시스템의 열원으로 이용하고, 상기 히트펌프 시스템의 응축열을 이용하여 온열을 공급하는 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템에 관한 것이다.
일반적으로 열병합 발전소 등의 대형 보일러 및 산업체에서 발생하는 약 100 ~ 200℃의 중저온의 배가스는 현재 대개 그대로 대기로 배출되고 있다.
그러나, 이러한 중저온의 배가스는 냉,온열 생산을 위한 에너지 원으로 재사용 될 수 있다. 특히, 대형 보일러의 경우, 배가스로부터 얻을 수 있는 에너지의 양이 매우 크므로, 이 열을 이용하여 지역 냉,난방 공급 등에 활용할 수 있다면, 큰 에너지 절약 효과를 기대할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,
공장 및 산업현장에서 발생되고 버려지는 배기가스 폐열을 열원으로 이젝터 냉열 제조 시스템을 통해 시수를 냉각시켜 냉열을 공급하고, 지역난방 등에서 사용되어 리턴된 물을 가열하여 온열을 공급하며, 상기 냉,온열을 동시에 공급할 수 있는 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 상기 이젝터 냉열 제조 시스템에서 시수를 냉각시키기 위해 흡수한 열을 히트펌프 시스템의 열원으로 이용하고, 상기 히트펌프 시스템의 응축열을 이용하여 온열을 공급하는 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 공장 및 산업현장에서 발생되는 고온의 배기가스 폐열을 이용하여 온수와 냉수를 동시에 제조하는 시스템에 있어서,
배기가스 폐열의 열원을 구동원으로 하여, 외부에서 유입된 시수를 냉각하여 냉열을 공급하는 이젝터 냉열 제조 시스템과;
상기 이젝터 냉열 제조 시스템과 연결되어, 이젝터 냉열 제조 시스템의 응축열을 열원으로 이용하여 리턴된 지역난방 온수를 가열시키는 히트펌프 시스템;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템에 관한 것이다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템은 공장 및 산업현장에서 발생되고 버려지는 배기가스 폐열을 열원으로 이젝터 냉열 제조 시스템을 통해 시수를 냉각시켜 냉열을 공급하고, 지역난방 등에서 사용되어 리턴된 물을 가열하여 온열을 공급하며, 상기 냉,온열을 동시에 공급할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 이젝터 냉열 제조 시스템에서 시수를 냉각시키기 위해 흡수한 열을 히트펌프 시스템의 열원으로 이용하고, 상기 히트펌프 시스템의 응축열을 이용하여 온열을 공급하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템을 나타낸 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이젝터 냉열제조 시스템의 응축기를 나타낸 부분 개략도이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 공장 및 산업현장에서 발생되는 고온의 배기가스 폐열을 이용하여 온수와 냉수를 동시에 제조하는 시스템에 있어서,
배기가스 폐열의 열원을 구동원으로 하여, 외부에서 유입된 시수를 냉각하여 냉열을 공급하는 이젝터 냉열 제조 시스템과;
상기 이젝터 냉열 제조 시스템과 연결되어, 이젝터 냉열 제조 시스템의 응축열을 열원으로 이용하여 리턴된 지역난방 온수를 가열시키는 히트펌프 시스템;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템을 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이젝터 냉열제조 시스템의 응축기를 나타낸 부분 개략도이다.
도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템은 공장 및 산업현장(10)에서 발생되는 배기가스(20) 폐열을 이용하여 온열과 냉열을 동시에 제조하는 시스템으로써, 배기가스 폐열을 구동원으로 하여, 외부에서 유입된 시수를 냉각하여 냉열을 공급하는 이젝터 냉열 제조 시스템(200)과, 상기 이젝터 냉열 제조 시스템(200)과 연결되어, 이젝터 냉열 제조 시스템의 응축열을 열원으로 이용하여 리턴된 지역난방 온수를 가열시키는 히트펌프 시스템(300)으로 구성된다.
상기 이젝터 냉열 제조 시스템(200)은 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 발생기(210)와, 증발기(220)와, 이젝터(230)와, 응축기(240)와, 펌프(250)와, 팽창밸브(260)로 구성된다.
여기서, 상기 발생기(210)는 배기가스(20)로 부터 열을 받아 작동유체를 증발시킨다. 증발된 작동유체는 관을 따라 이젝터(230)로 전달된다.
그리고, 상기 응축기(240)로부터 전달된 작동유체가 팽창밸브(260)를 거쳐 저온 상태가 된 후, 상기 증발기(220)로 유입되어 외부의 시수와 열교환을 수행하는데, 이 때, 상기 시수는 냉각되어 냉수로 변환된다.
그렇게, 상기 증발기(220)에서 시수와 열교환하여 증발된 작동유체는 관을 통해 이젝터(230)로 전달된다.
이때, 상기 이젝터(230)의 작동원리를 살펴보면, 우선 상기 이젝터(ejector)란, 고압의 유체를 구동노즐로 분출시켜 엔탈피를 속도 에너지를 변환시키고 압력을 낮춤으로써, 저압의 기체를 흡입하고 이를 압력보상 과정을 통하여 출구의 배압 상태로 변화시켜 흐르게 하는 장치이다.
그리고, 상기 이젝터(230)를 이용한 이젝터 냉열 제조 시스템(200)의 작동원리는 다음과 같다. 이송된 증기상태의 작동유체가 이젝터(230)의 구동유체가 되어 이젝터(230) 내부의 구동노즐을 거치면서 흡입실(미도시)에 진공에 가까운 압력상태를 형성한다. 이렇게 형성된 압력차에 의하여 증발기(220)를 나온 증기상태의 작동유체가 이젝터(230) 내부로 흡입되게 되며, 이젝터(230) 내부에서 압력 보상과정을 거쳐 응축기(240)로 배출된다.
이렇게, 상기 응축기(240)로 배출된 작동유체는 응축된 후 액상태가 된다. 이 중 일부는 펌프(250)에 의해 발생기(210)로 다시 전달되고, 나머지 일부는 이젝터(230)의 흡입력에 의해 팽창밸브(260)를 거쳐 감압된 후 증발기(220)로 이송된다.
또한, 상기 펌프(250)는 응축기(240)와 발생기(210) 사이를 연결하는 관에 형성되어 상기 응축기(240) 내에서 응축된 일부 작동유체를 발생기에 이송시키는 역할을 하며, 설치위치는 상황에 따라 설계변경이 가능하다. 상기 팽창밸브(260)는 응축기(240)와 증발기(220) 사이를 연결하는 관에 형성되어 상기 증발기(220)로 전달되는 작동유체를 저압으로 변환시키는 역할을 한다.
여기서, 상기 응축기(240)는 본 특허에서 또 하나의 중요한 발명으로써, 도 2를 참고하여 설명하면, 이젝터(230)를 통해 전달된 작동유체가 하나의 탱크 내로 유입되고, 상기 응축기(240)의 탱크 양측으로 발생기와 증발기(220)로 각각 관들이 설치되며, 상기 이젝터(230)를 통해 전달된 작동유체가 응축기(240)에서 응축되도록 응축기(240) 내에 히트펌프 시스템의 증발기(310)가 더 설치된다.
이때, 상기 이젝터 냉열 제조 시스템(200)과 히트펌프 시스템(300)의 작동유체가 다른 경우, 상기 응축기(240)는 도 2의 <각각 다른 작동유체A>에서와 같이 응축기(240) 내에 히트펌프 시스템의 증발기(310)가 설치되어 상호 열교환되는 것이고, 반면, 이젝터 냉열 제조 시스템(200)과 히트펌프 시스템(300)의 작동유체가 같은 경우, 도 2의 <동일한 작동유체B>에서와 같이 별도의 히트펌프 시스템의 증발기(310)가 필요 없다. 이 이유는 상호 동일한 작동유체이기 때문에 상호 혼합할 수 있고, 그에 따라 상기 응축기(240)의 내부의 작동유체와 직접접촉식 열교환을 통해 히트펌프 시스템의 응축기(330)에서 이송된 히트펌프 시스템(300)의 작동유체를 증기로 변환시킬 수 있기 때문이다.
그렇게 증발된 작동유체는 응축기(240)의 탱크 내부 상부에 모이게 되고, 상기 응축기(240)의 탱크 상단부에 설치된 관을 통해 증발된 작동유체만 히트펌프 시스템의 압축기(320)로 전달되는 것이다.
이렇게, 상기 응축기(240) 내에 히트펌프 시스템의 증발기(310)가 제거되면 히트펌프 시스템(300)의 증발온도가 높아지고, 동시에 히트펌프 시스템의 압축기(320)의 소비동력이 절감되어 효율이 높아지는 효과가 있다.
한편, 혹한기 등의 경우와 같이, 냉열 수요가 없고 온열 수요만 있을 경우에는 냉열을 제조할 필요가 없다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 발생기(210)에서 생산된 증기 작동유체가 이젝터(230)를 거치지 않고 바로 응축기(240)로 직접 전달되도록 바이패스 관(270)이 형성되고, 상기 바이패스 관(270)은 발생기(210)와 이젝터(230)를 상호 연결하는 관의 일단부에서 분기되어 응축기(240)와 연결되며, 상기 바이패스 관(270)에는 온열만을 생산하는 경우에만 개방되는 바이패스 밸브(280)가 형성된다.
즉, 상기 바이패스 밸브(280)가 개방되면 발생기(210)로부터 증발된 작동유체가 바이패스 관(270)을 통해 직접 응축기(240)로 전달되고, 따라서 상기 이젝터(230)로 작동유체가 유입/이송되지 않으므로 압력차가 발생하지 않아 응축기(240)로부터 증발기(220)로 작동유체의 유동이 발생하지 않으므로, 냉열 생산이 중단되어 난방에 필요한 온열만을 제조할 수 있는 특징이 있다.
상기 히트펌프 시스템(300)은 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 이젝터 냉열 제조 시스템(200)의 응축열을 열원으로 하여 지역난방 등에서 리턴된 물을 가열하도록 히트펌프 시스템의 증발기(310)와, 히트펌프 시스템의 압축기(320)와, 히트펌프 시스템의 응축기(330)와 및 히트펌프 시스템의 팽창밸브(350)로 구성된다.
여기서, 상기 히트펌프 시스템의 증발기(310)는 상기에서 기술했듯이, 도 2를 참고하여, 상기 이젝터 냉열 제조 시스템의 응축기(240)의 내부에 형성되어 이젝터 냉열 제조 시스템 응축기(240) 내의 작동유체와 히트펌프 시스템(300)의 작동유체 간의 열교환을 수행하도록 한다. 상기 히트펌프 시스템의 압축기(320)는 히트펌프 시스템의 증발기(310)로부터 전달받은 저온 저압의 작동유체를 고온고압의 작동유체로 변환시킨 후, 히트펌프 시스템의 응축기(330)로 전달한다.
그리고, 상기 히트펌프 시스템의 응축기(330)는 히트펌프 시스템의 압축기(320)와 관으로 연결되어, 히트펌프 시스템의 압축기(320)로부터 전달 받은 고온고압의 작동유체의 열을 이용하여 지역난방 등에서 사용되어 리턴된 물을 가열하여 온열을 공급한다. 이때, 작동유체의 열이 리턴된 물로 전달되면 작동유체는 냉각 및 응축된다.
이렇게, 상기 히트펌프 시스템의 응축기(330)에서 응축된 작동유체는 히트펌프 시스템의 팽창밸브(350)를 거쳐 감압된 후 다시 히트펌프 시스템의 증발기(310)로 전달되는 사이클을 반복한다.
상기의 본 발명에서 기술된 이젝터 냉열 제조 시스템(200)과 히트펌프 시스템(300)은 R134a, R600a, R1234yf, R152a 및 propyne 중 어떤 한 가지를 작동유체로 사용하며, 상기 이젝터 냉열 제조 시스템(200)과 상기 히트펌프 시스템(300)의 작동유체는 서로 다른 유체일 수도 있고, 동일한 유체일 수도 있다. 또한 상기 작동유체의 종류는 R134a, R600a, R1234yf, R152a 및 propyne 이외에 다른 것을 사용할 수도 있다.
10 : 공장 및 산업현장 20 : 배기가스
200 : 이젝터 냉열 제조 시스템 210 : 발생기
220 : 증발기 230 : 이젝터
240 : 응축기 250 : 펌프
260 : 팽창밸브 270 : 바이패스 관
280 : 바이패스 밸브 300 : 히트펌프 시스템
310 : 히트펌프 시스템의 증발기 320 : 히트펌프 시스템의 압축기
330 : 히트펌프 시스템의 응축기 350 : 히트펌프 시스템의 팽창밸브

Claims (6)

  1. 공장 및 산업현장(10)에서 발생되는 배기가스(20) 폐열을 이용하여 온열과 냉열을 동시에 제조하는 시스템에 있어서,
    배기가스(20) 폐열의 열원을 구동원으로 하여 외부에서 유입된 시수를 냉각하여 냉열을 공급하는 이젝터 냉열 제조 시스템(200)과;
    상기 이젝터 냉열 제조 시스템(200)과 연결되고, 상기 이젝터 냉열 제조 시스템(200)의 응축열을 열원으로 이용하여 리턴된 지역난방 온수를 가열시키는 히트펌프 시스템(300);
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이젝터 냉열 제조 시스템(200)은,
    배기가스(20)로부터 열을 받아 작동유체를 증발시키는 발생기(210)와;
    저온의 작동유체와 외부에서 이송된 시수와의 열교환을 통해 냉열을 생산하는 증발기(220)와;
    상기 발생기(210)에서 생산된 증기 작동유체를 구동원으로 하여 상기 증발기(220)에서 시수의 열을 흡수하여 증기가 된 작동유체를 흡입하는 이젝터(230)와;
    상기 이젝터(230)를 통해 전달된 작동유체를 응축시켜 액상태가 되도록 함과 동시에 히트펌프 시스템(300)에 열원을 제공하도록 하는 응축기(240)와;
    상기 응축기(240)와 발생기(210) 사이를 연결하는 관에 형성되어 상기 응축기(240) 내에서 응축된 작동유체를 발생기로 이송시키는 펌프(250)와;
    상기 응축기(240)와 증발기(220) 사이를 연결하는 관에 형성되어 상기 증발기(220)로 전달되는 작동유체를 저압으로 변환시키는 역할을 하는 팽창밸브(260);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 히트펌프 시스템(300)은,
    상기 이젝터 냉열 제조 시스템의 응축기(240)의 내부에 형성되어 이젝터 냉열 제조 시스템 응축기(240) 내의 작동유체와 히트펌프 시스템(300)의 작동유체 간의 열교환을 수행하도록 하는 히트펌프 시스템의 증발기(310)와;
    상기 히트펌프 시스템의 증발기(310)로부터 전달받은 저온 저압의 작동유체를 고온고압의 작동유체로 변환시키는 히트펌프 시스템의 압축기(320)와;
    상기 히트펌프 시스템의 압축기(320)로부터 전달받은 고온고압의 작동유체의 열을 이용하여 지역난방 등에서 사용되어 리턴된 물을 가열하여 온열을 공급하는 히트펌프 시스템의 응축기(330)와;
    상기 히트펌프 시스템의 응축기(330)와 히트펌프 시스템의 증발기(310) 사이를 연결하는 관에 형성되어 히트펌프 시스템의 증발기(310)로 전달되는 응축된 작동유체를 저온저압으로 변환시키는 히트펌프 시스템의 팽창밸브(350);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 발생기(210)에서 생산된 증기 작동유체가 이젝터(230)를 거치지 않고 바로 응축기(240)로 직접 전달되도록 바이패스 관(270)이 형성되고, 상기 바이패스 관(270)은 발생기(210)와 이젝터(230)를 상호 연결하는 관의 일단부에서 분기되어 응축기(240)와 연결되며, 상기 바이패스 관(270)에는 온열만을 생산하는 경우에만 개방되는 바이패스 밸브(280)가 형성되어 상황에 따라 온열만을 제조할 수는 것을 특징으로 하는 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이젝터 냉열 제조 시스템(200)과 히트펌프 시스템(300)은 R134a, R600a, R1234yf, R152a 및 propyne 중 어떤 한 가지씩 각각 다른 유체를 작동유체로서 사용하는 것을 특징으로 하는 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템.
  6. 제 3항에 있어서,
    제 3항에 있어서, 상기 이젝터 냉열 제조 시스템(200)과 히트펌프 시스템(300)의 작동유체가 R134a, R600a, R1234yf, R152a 및 propyne 중 어떤 한 가지로 동일한 경우, 상기 이젝터 냉열 제조 시스템(200)의 응축기(240) 내부에 형성되는 히트펌프 시스템의 증발기(310)를 제거함으로서, 히트펌프 시스템의 응축기(330)로부터 히트펌프 시스템의 팽창밸브(350)를 통해 상기 이젝터 냉열 제조 시스템(200)의 응축기(240)로 이송된 히트펌프 시스템(300)의 작동유체와 이젝터(230)를 통해 전달된 상기 이젝터 냉열 제조 시스템(200)의 작동유체가 상기 응축기(240) 내에서 직접접촉식 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 배기가스 열원을 이용한 냉,온열 제조시스템.
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