KR101183815B1 - 소형 열병합발전기에서 엔진 배기유로의 배출구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형 열병합발전기에서 엔진 배기유로의 배출구조에 관한 것으로, 엔진버너로 가열되어 전기를 생산하는 스털링 엔진과, 상기 스털링 엔진 상부에 설치되고 현열 열교환기 및 잠열 열교환기를 구비하여 온수를 생산하는 보조보일러를 포함한 소형 열병합발전기에 있어서; 상기 스털링 엔진을 가열한 배기가스가 배출되는 엔진헤드와 상기 잠열 열교환기를 연결하는 유로를 형성하고, 상기 유로를 통해 배출된 배기가스가 잠열 열교환기의 상부에서 하부로 유동되면서 열교환하도록 구성되며, 상기 유로의 상단인 배출단 내면에는 상기 잠열 열교환기를 향해 경사진 경사면이 형성되고; 상기 유로의 배출단에는 유로의 길이방향으로 다수의 칸막이가 설치되어 다수의 토출구를 형성하는 것에 의해 배기가스를 잠열 열교환기의 측부까지 토출시키는 것을 특징으로 하는 소형 열병합발전기에서 엔진 배기유로의 배출구조를 제공한다.
본 발명에 따르면, 스털링 엔진의 배기가스를 보조보일러의 잠열 열교환기에 경유시켜 배기가스에 포함된 고열을 회수하도록 유로를 형성할 때 이 유로의 상단인 배출구를 경사지게 형성하여 배출되는 배기가스가 곡률을 갖고 퍼지도록 하여 중심부에서 보다 측부에서 측류 열교환을 유도하고, 이를 통해 열교환 효율을 극대화시키는 효과를 얻을 수 있다.

Description

소형 열병합발전기에서 엔진 배기유로의 배출구조{THE STRUCTURE OF EXHAUST GAS FLOW PASSAGE OF ENGINE IN MICRO COMBINED HEAT AND POWER UNIT}

본 발명은 소형 열병합발전기에서 엔진 배기유로의 배출구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소형 열병합발전기의 스털링 엔진에서 배출되는 배기가스를 보조보일러의 잠열 열교환기를 거쳐 배출되게 하여 배기가스에 함유된 고열을 회수할 때 배기가스를 효율적으로 열교환시킬 수 있도록 배출유로의 구조가 개선된 소형 열병합발전기에서 엔진 배기유로의 배출구조에 관한 것이다.

근래 새로운 에너지 원의 발굴에 대한 관심이 높아지면서, 산업의 거의 모든 분야에서 발생된다고 할 수 있는 중,저온의 배기가스 또는, 냉각수의 잠열을 회수 및 재이용하는 것 중요성이 높아지고 있다.

이와 같은 중, 저온의 열에너지를 고급 에너지인 축동력으로 전환할 때 주로 유기 랭킨 사이클이 적용되고 있다.

이러한 유기 랭킨 사이클은 물보다 증기압이 높은 유기 열매체를 작동유체로 사용함으로써, 낮은 온도의 열원 조건하에서도 상대적으로 높은 열효율로 축동력을 얻는 것을 가능하게 하는 동력 사이클의 한 형태이다.

예를 들어, 알려진 유기 랭킨 사이클은, 순환펌프, 터빈, 응축기 및 증발기 등의 독립된 구성 장치를 상호 연관구성한 것으로써, 작동유체가 증발기에서 기화된 후 터빈에서 팽창하면서 축동력을 발생시키며, 응축기에서 다시 액화된 다음 펌프에 의해서 증발기로 다시 공급되는 폐순환 사이클로 구성되게 된다.

그러나, 이와 같이 알려진 유기랭킨 시스템은 장치의 구성이 복잡하고 다량의 유기 열매체가 소요되는 것은 물론, 각 요소 장치에 대한 정밀한 제어가 요구되기 때문에 현재에는 기동 및 정지가 용이하지 않은 단점이 문제가 되어 왔다.

한편, 다른 예로 스털링 엔진(stirling Engine)이 있는데, 이는 동력사이클을 이루는 각 구성 요소가 하나의 엔진으로 집합되어 있고 작동유체로써 공기와 같은 기체를 사용하기 때문에, 장치가 매우 간단하고 운전이 용이한 이점을 제공한다.

더욱이, 이와 같은 스털링 엔진은 동력 사이클 중 최고의 열효율을 가지기 때문에, 이를 이용하여 중저온 열에너지를 동력으로 전환할 경우 종래 유기 랭킨 시스템에 비하여 매우 구조가 간단한 반면에, 고효율적인 에너지의 전환을 가능하게 하는 이점을 제공한다.

최근에는 이를 이용하여 가정에서도 전기와 열을 동시에 생산하는 발전방식인 Micro CHP(Combined Heat and Power)가 개시된 바 있는데, 일 예로 공개특허 제2006-0013391호를 들 수 있다.

이때, 이러한 발전방식의 소형 열병합발전기는 스털링 엔진과, 보조보일러를 채용하여 스털링 엔진을 통해 교류전기를 생산하고, 보조보일러를 통해 난방을 할 수 있도록 구성된 가정용 보일러 설비의 일종이라고 볼 수 있다.

그런데, 이와 같은 구조의 소형 열병합발전기에서는 스털링 엔진에 열을 공급하는 엔진버너 연소시 발생되는 배기가스가 곧바로 대기로 방출되는 구조로 구성되어 있기 때문에 고열이 함유된 배기가스 배출에 따른 에너지 낭비가 있었고, 또한 고열상태로 곧바로 배출되기 때문에 NOx 발생을 낮추기 어렵다는 문제도 있었다.

이를 개선하기 위해, 엔진 배기가스를 잠열 열교환기 쪽으로 유도하여 열교환시킨 후 대기로 배출하도록 한 구조가 본 출원인에 의해 시도되었다.

그런데, 시도된 구조는 엔진 배기가스를 유도한 뒤 잠열 열교환기 쪽으로 단순 배출하는 구조였기 때문에 열교환 효율을 높이는데 한계가 있었고, 이의 개선이 필요하였다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 스털링 엔진과 보조보일러를 포함하는 소형 열병합발전기에서 스털링 엔진 구동시 생기는 배기가스가 잠열 열교환기를 경유하여 충분히 열교환된 후 대기로 배출되게 유도하는 유로의 상단인 배출구를 경사지게 형성하여 중심부에서의 열교환보다 측류 열교환을 더욱 활발하게 하되 칸막이를 두어 여러개의 다수의 토출구를 구현함으로써 열교환 효율을 더욱 더 극대화시킬 수 있도록 한 소형 열병합발전기에서 엔진 배기유로의 배출구조를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 엔진버너로 가열되어 전기를 생산하는 스털링 엔진과, 상기 스털링 엔진 상부에 설치되고 현열 열교환기 및 잠열 열교환기를 구비하여 온수를 생산하는 보조보일러를 포함한 소형 열병합발전기에 있어서; 상기 스털링 엔진을 가열한 배기가스가 배출되는 엔진헤드와 상기 잠열 열교환기를 연결하는 유로를 형성하고, 상기 유로를 통해 배출된 배기가스가 잠열 열교환기의 상부에서 하부로 유동되면서 열교환하도록 구성되며, 상기 유로의 상단인 배출단 내면에는 상기 잠열 열교환기를 향해 경사진 경사면이 형성되고; 상기 유로의 배출단에는 유로의 길이방향으로 다수의 칸막이가 설치되어 다수의 토출구를 형성하는 것에 의해 배기가스를 잠열 열교환기의 측부까지 토출시키는 것을 특징으로 하는 소형 열병합발전기에서 엔진 배기유로의 배출구조를 제공한다.

이때, 상기 경사면은 15~20°의 경사각을 갖고, 상기 칸막이는 등간격으로 설치된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 경사면은 15~20°의 경사각을 갖고, 상기 칸막이는 비등간격으로 설치된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 스털링 엔진의 배기가스를 보조보일러의 잠열 열교환기에 경유시켜 배기가스에 포함된 고열을 회수하도록 유로를 형성할 때 이 유로의 상단인 배출구를 경사지게 형성하여 배출되는 배기가스가 곡률을 갖고 퍼지도록 하여 중심부에서 보다 측부에서 측류 열교환을 유도하되, 칸막이를 두어 다수의 토출구를 갖도록 함으로써 열교환 효율을 더욱 극대화시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 소형 열병합발전기의 스털링 엔진 배기가스 배기과정을 보인 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 소형 열병합발전기의 보조보일러를 보인 예시적인 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 보조보일러의 요부 개방 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 보조보일러의 엔진 배기유로를 보인 정면도 및 요부 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 보조보일러의 엔진 배기유로를 구성하는 커버의 예시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 보조보일러의 엔진 배기유로를 구성하는 커버의 다른 예를 보인 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 엔진 배기유로의 배출구조를 보인 예시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 엔진 배기유로의 배출구조를 보인 개략적인 평면도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 소형 열병합발전기는 하우징(100)을 포함하며, 상기 하우징(100) 내부에는 스털링 엔진(110)이 설치되고, 상기 스털링 엔진(110)의 상부에는 보조보일러(200)가 설치된다.

이때, 상기 스털링 엔진(110)은 주보일러(미도시)에 의해 가동되는데, 주보일러에 구비된 엔진버너(120)가 스털링 엔진(110)의 엔진헤드(미도시)를 가열하면 내부에 밀봉된 작동유체가 온도차에 의해 팽창/수축하면서 작동하여 교류 전류를 생산하게 된다.

그리고, 상기 보조보일러(200)는 현열 열교환기(210)와 잠열 열교환기(220)를 갖추고 평판형 버너(B, 도 4 참조)를 통해 공급되는 고열의 열교환을 통해 온수를 생산하게 된다.

이 과정에서 생산된 온수는 저장탱크(300)에 저장된 후 활용되게 되는데, 이 경우 상기 스털링 엔진(110)을 냉각하기 위해 냉각수관(130)이 스털링 엔진(110)을 경유한 후 상기 잠열 열교환기(220)와 현열 열교환기(210)를 순차로 거치도록 구성된다.

한편, 상기 보조보일러(200)는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 케이스(230) 내부에 잠열 열교환기(220)가 내장되고, 상기 케이스(230)의 상부에는 현열 열교환기(210)가 조립된다.

아울러, 상기 케이스(230)의 전방은 일부 개방되고, 개방된 부분에는 엔진 배기가스의 유로를 형성하는 커버(240)로 밀폐된다.

이때, 상기 커버(240)의 하면에는 구멍(미도시)이 형성되고, 상기 구멍에는 연통관(250)이 연결되며, 상기 연통관(250)은 스털링 엔진(110)의 엔진헤드에 접속되어 엔진버너(120)로부터 연소된 후 스털링 엔진(110)을 가열한 다음 배기되는 배기가스를 유도배출하는 기능을 수행한다.

이 경우, 상기 연통관(250)은 플랜지 형태로 구성되어 조립의 용이성을 확보하도록 하며, 필요한 경우 단열재를 사용하여 단열성을 높임으로써 열손실을 최소화하고, 이를 통해 배기가스와 잠열 열교환기(220) 간의 열교환 효율을 높이도록 함이 더욱 바람직하다.

특히, 본 발명에서는 상기 연통관(250)의 상단을 통해 배출되는 배기가스를 잠열 열교환기(220)로 유도하는 유로(246, 도 8 참조)를 형성할 수 있도록 커버(240) 내부에 도 5 및 도 6에서와 같이 격벽(260)을 형성하고, 상기 격벽(260)을 밀폐부재(280)로 막아 도 5에 도시된 바와 같은 배출가스의 배출 유동이 생기도록 구성된다.

즉, 엔진 배기가스를 곧바로 배출시키지 않고 잠열 열교환기(220) 상부로 유도한 다음 잠열 열교환기(220)를 거쳐 하부로 이동된 후 배기되도록 구성함으로써 배기가스에 포함된 버려지는 고열까지도 완벽하게 회수하여 열효율을 높이고, 배기가스의 온도를 낮춰 NOx 발생도 저감시킬 수 있도록 한 것이다.

이때, 도 6에서, 상기 격벽(260)과 밀폐부재(280) 사이에는 단열재(Insulator)(270)가 더 구비될 수도 있다.

다른 한편, 상기 커버(240)는 도 7에 도시된 바와 같이 앞서 설명한 밀폐부재(280)가 분리된 상태가 아닌 밀폐벽(242) 형태로 상기 커버(240)와 일체로 형성되어 유로(246)를 구성할 수도 있다.

이 경우, 상기 유로(246)를 기준으로 이 유로(246)를 형성하는 벽면은 모두 커버(240)와 동일 재질, 바람직하기로는 모두 세라믹 단열재로 형성된다.

아울러, 배기가스의 유동을 원활하게 하고, 열손실을 줄이며, 응축수의 온도 상승을 억제하면서 배기가스의 응축 조건을 높이기 위해 유로(246) 두께를 기존 10mm 대비 20mm로 높이고, 연통관(250)의 상단과 접속되는 유로(246) 입구를 상향 경사지게 구성하면 더욱 좋다.

그리고, 커버(240)의 배면에는 노출된 유로(246)를 밀폐하기 위해 덮개(248)가 씌워진다.

또한, 본 발명에서는 측류 열교환을 촉진시켜 잠열 열교환기(220)의 열교환 효율을 극대화시키기 위해 상기 유로(246)의 상단, 즉 배출단 내면을 경사지게 형성할 수 있다.

상기 배출단의 내면에 형성되는 경사면(S)의 경사각은 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 잠열 열교환기(220)를 향해 대략 15~20°유지함이 바람직하다.

이는 경사가 20°를 초과하게 되면 곡률이 큰 포물선을 이루게 되어 천정면에 부딪히게 되어 유동을 방해받게 되고, 15°미만으로 형성되면 거의 직선형태로 배기가스의 유동이 발생되므로 측류 열교환이 떨어져 잠열 열교환기(220)의 열교환 효율을 높일 수 없기 때문에 상기 범위로 경사각을 형성함이 바람직하다.

또한, 상기 경사면(S)은 상기 경사각을 갖고 직선형태로 형성될 수도 있고, 또한 상기 경사각을 유지하도록 완만한 곡률을 가질 수도 있다.

특히, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 유로(246)의 배출단에 유로(246)의 길이방향으로 일정공간 만큼씩 구획하는 칸막이(400)를 더 설치하여 배기가스가 배출되는 토출구를 다수개 형성하도록 할 수 있다.

이 경우, 상기 칸막이(400)에 의해 구획형성된 토출구는 앞서 설명한 도 8과 같은 구조를 모두 갖추고 있으므로 토출구를 통해 토출되는 배출가스, 즉 유체의 흐름은 다수개의 곡률(일종의 포물선)을 그리는 유체들이 뒤 섞이는 형태로 토출 비산되기 때문에 토출구로부터 더 멀리 분사될 수 있어 잠열 열교환기(220)의 측부에서의 측류 열교환을 더욱 더 촉진시키게 된다.

이때, 상기 칸막이(400)의 재질은 커버(240)와 동일 재질로 형성됨이 바람직하나 반드시 그렇게 국한할 필요는 없으며 내식성이 우수한 재질이면 가능하다.

뿐만 아니라, 상기 칸막이(400)는 등간격으로 형성될 수도 있고, 등간격이 아닌 비등간격으로 형성할 수 있는데, 토출량이 많은 중앙부를 간격을 좁게하고 양 사이드 쪽의 간격을 넓게 하는 형태가 될 수도 있고, 필요에 따라 그 반대로 형성할 수도 있을 것이다.

나아가, 상기 칸막이(400)는 고정된 형태 뿐만 아니라, 토출구의 크기를 가변시킬 수 있는 가변형도 가능할 것인 바, 가변형의 경우에는 다수개의 칸막이(400)가 이를 테면 가이드홈과 같은 것을 따라 이동되면서 토출구의 크기를 변경시킬 수도 있을 것이다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 다음과 같은 작동관계를 갖는다.

가스를 열원으로 하여 본 발명에 따른 소형 열병합발전기가 가동되어 전기 및 온수를 생산하게 된다.

즉, 가스의 일부는 엔진버너(120)를 통해 스털링 엔진(110)을 가열함으로써 전기를 생산하고, 가스의 나머지 일부는 콘덴싱보일러인 보조보일러(200)로 공급되어 평판형 하향식 버너(B)를 가열하고 그때 발생되는 고열로 2 개의 열교환기를 통과하는 찬물을 열교환시킴으로서 온수를 생산하게 된다.

이 과정에서, 엔진버너(120)를 가동하여 가스를 연소시킬 때 발생되는 배기가스는 엔진헤드(미도시)에 직접 연결된 연통관(240)을 통해 상승되고, 상승된 고열을 함유한 배기가스는 연통관(240)과 연결된 커버(240) 내부의 격벽(260)과 밀폐부재(280)에 의해 형성된 유로(S)를 타고 잠열 열교환기(220)와 분리된 채 상승하게 된다.

이어, 유로(S)의 최상단까지 상승되면 최상단, 즉 배출단에서 경사면(S)의 경사각을 따라 일정한 곡률을 그리면서 토출되게 된다.

이때, 상기 유로(S)의 배출단에는 칸막이(400)가 설치되어 있으므로 배출가스는 상기 칸막이(400)에 의해 구획된 다수의 토출구를 통해 배출된다.

따라서, 배출가스가 다수 갈래로 곡률을 그리면서 토출되게 되므로 더욱 더 멀리까지 비산될 수 있게 된다.

이렇게 토출된 배기가스는 상기 잠열 열교환기(220)의 측방까지 멀리 토출되므로 중심부에서의 열교환보다 측류 열교환이 더 촉진되게 된다.

그리고, 토출된 배기가스는 잠열 열교환기(220) 사이 사이로 스며들고, 그 과정에서 열교환이 이루어지며, 열을 빼앗긴 배기가스는 잠열 열교환기(220)의 최하단에 구비된 배출유로(290)를 타고 상승된 후 대기중으로 배출되게 된다.

이와 같이, 보조보일러(200)의 응축잠열을 흡수하는 잠열 열교환기(220)에서 스털링 엔진(110)을 통해 배출되는 배기가스에 포함된 고열도 함께 흡수하도록 함으로써 열교환 효율 및 열효율을 높여 열병합발전기의 성능을 향상시키게 된다.

또한, 열효율이 높아져 연료소비를 줄일 수 있고, 배출되는 배기가스의 온도를 충분히 낮출 수 있어 NOx 저감에도 일조하게 된다.

100 : 하우징 110 : 스털링 엔진
120 : 엔진버너 130 : 냉각수관
200 : 보조보일러 210 : 현열 열교환기
220 : 잠열 열교환기 230 : 케이스
240 : 커버 242 : 밀폐벽
246 : 유로 250 : 연통관
260 : 격벽 270 : 단열재
280 : 밀폐부재 290 : 배출유로
400 : 칸막이

Claims (3)

1. 엔진버너(120)로 가열되어 전기를 생산하는 스털링 엔진(110)과 상기 스털링 엔진(110)의 일측에 설치되고, 온수를 생산하는 현열 열교환기(210) 및 잠열 열교환기(220)를 구비하는 보조열교환기를 포함하여 이루어진 소형 열병합발전기의 배기구조에 있어서,
   상기 잠열 교환기(220)는 상기 현열 열교환기(210)의 하부에 설치되어 상기 현열 열교환기(210)에서 열교환 된 배기가스가 잠열 열교환기에 형성된 열교환 유로를 상부에서 하부로 통과하면서 잠열 열교환 된 후 배출유로(290)를 통해 배출되도록 이루어짐과 아울러, 상기 스털링 엔진(110)의 상부에서 상기 스털링 엔진(110)과 연통관(250)으로 연결되어 상기 스털링 엔진(110)을 가열한 배기가스가 격벽(260)과 밀폐부재(280) 사이의 통로에 형성된 유로(246)를 통해 잠열열교환기 상부로 유동된 후 상기 잠열 열교환기의 열교환 유로를 상부에서 하부로 통과하면서 배출유로(290)를 통해 배출되도록 형성되고,
   상기 유로(246)는 최상단에 상기 잠열 열교환기(220)를 향해 경사진 경사면(S)이 형성됨과 아울러 상기 유로(246)의 길이방향으로 다수의 칸막이(400)가 설치되어 다수의 토출구를 형성하여 상기 스털링 엔진(110)을 가열한 배기가스가 잠열 열교환기의 측부까지 토출시키도록 구성되고,
   상기 스털링 엔진(110)을 냉각하기 위해 스털링 엔진(110)을 경유하고, 상기 배기가스가 유동되는 잠열 열교환기(220)의 열교환 유로와 현열 열교환기(210)를 순차로 경유하여 가열된 온수는 저장탱크(300)에 저장되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소형 열병합발전기의 배기구조,
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 경사면은 15~20°의 경사각을 갖고, 상기 칸막이는 등간격으로 설치된 것을 특징으로 하는 소형 열병합발전기에서 엔진 배기유로의 배출구조.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 경사면은 15~20°의 경사각을 갖고, 상기 칸막이는 비등간격으로 설치된 것을 특징으로 하는 소형 열병합발전기에서 엔진 배기유로의 배출구조.

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