KR101688041B1 - Waste heat recovery system for a marine vessel - Google Patents
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Abstract
본 발명은 선박의 폐열 회수 시스템에 관한 것으로서, 선박 추진용 엔진과, 상기 엔진과 연결되는 배기가스 회수조와, 상기 회수조 내부로 온수가 흐르는 가열관이 관통되고, 회수조 외부에서 가열관의 양단이 연결되는 온수조와, 상기 회수조 내부로 발전용 작동유체가 흐르는 증발관이 관통되고, 회수조를 빠져나오는 증발관의 양단 중 일단에 연결되어 증발관으로부터 작동유체를 공급받으며 공급받는 작동유체가 중심축으로부터 방사상으로 분사되는 추진력으로 회전되는 반작용식 터빈과, 터빈에서 배출되는 작동유체를 공급받는 응축기와, 응축기로부터 작동유체를 공급받으면서 공급받는 작동유체를 압축시켜 상기 증발관의 양단 중 타단으로 내보내는 하나 이상의 압축펌프로 이루어지는 폐열회수 발전부를 포함하여 이루어지며, 바람직하게는 응축기의 열이 별도의 히트펌프에 의하여 재활용되어 온수와 난방 공급에 쓰일 수 있고 냉각기가 사용되는 선박의 경우 냉각기의 냉각 사이클이 발전부의 작동유체를 예열시키는 히트펌프로도 활용될 수 있어 최적의 폐열 회수가 가능한 선박의 폐열 회수 시스템을 제공하고자 한다.The present invention relates to a waste heat recovery system for a ship, comprising an engine for propelling a ship, an exhaust gas recovery tank connected to the engine, a heating pipe through which hot water flows into the recovery tank, And a working fluid supplied from the evaporation pipe is connected to one end of the evaporation pipe which exits the recovery vessel and is supplied with the working fluid. A condenser for receiving a working fluid discharged from the turbine, and a working fluid supplied from the condenser while being compressed to compress the working fluid supplied to the other end of the evaporator tube And a waste heat recovery power generation unit including at least one compression pump for outputting In the case of a ship in which a condenser is recycled by a separate heat pump to supply hot water and heating and a cooler is used, the cooling cycle of the cooler can also be used as a heat pump for preheating the working fluid in the power generation section, And to provide a waste heat recovery system for a ship capable of recovery.
Description
본 발명은 선박용 폐열 회수 시스템에 관한 것으로, 특히 선박 엔진 용량에 관계없이 엔진의 폐열을 회수할 수 있도록 반작용식 터빈이 사용되는 폐열 회수 발전부를 갖는 선박용 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a ship waste heat recovery system, and more particularly, to a ship waste heat recovery system having a waste heat recovery and power generation section in which a reaction type turbine is used so that waste heat of an engine can be recovered regardless of ship engine capacity.
선박은 출항 후 장기간 항해를 하게 되면 많은 양의 연료를 소모하게 된다. 선박의 연료는 선박 엔진 가동뿐만 아니라 선박에 필요한 전기 공급을 위한 발전 동력원으로 쓰이며 또한 선박 이용자들에게 필요한 난방 공급을 위한 열원으로서도 사용된다.When a ship sails for a long time after departure, it consumes a large amount of fuel. The fuel of the ship is used not only for the operation of the ship engine but also for the electricity supply for the ship, and also as a heat source for the heating supply to the users of the ship.
따라서 선박에서 연료가 차지하는 중량이 전체 중량 중 큰 부분을 차지하며 그만큼 연료의 소모도 막대하다. 따라서 선박의 연료를 절감시키기 위한 기술이 요청되며 많은 연구들이 진행되고 있다.Therefore, the weight of the fuel in the ship is a large part of the total weight, and the fuel consumption is also large. Therefore, a technology for reducing the fuel of the ship is requested and many studies are being carried out.
특히 선박에서 버려지는 폐열이 이용될 수 있다면 연료의 절감이 도모될 수 있다. 선박에서 버려지는 폐열 중 가장 큰 비중을 차지하는 것이 바로 엔진의 폐열이다.In particular, if the waste heat from the ship can be used, fuel savings can be achieved. The waste heat of the engine is the largest proportion of the waste heat discharged from ships.
엔진의 폐열은 엔진에서 배출되는 배기가스의 형태로 배출되므로 엔진의 폐열을 이용하려면 엔진의 배기가스의 활용이 필수적이다.The waste heat of the engine is discharged in the form of exhaust gas discharged from the engine. Therefore, in order to use the waste heat of the engine, utilization of the exhaust gas of the engine is essential.
엔진의 배기가스를 이용한 종래의 폐열 회수 방법으로서 난방 공급을 위한 온수 생산에 엔진 배기가스가 활용되는 예가 도 1에 도시되어 있다.A conventional waste heat recovery method using exhaust gas of an engine is shown in Fig. 1 in which engine exhaust gas is utilized for hot water production for heating supply.
도1에 도시된바와 같이 종래에는 메인 엔진(10)에서 배출되는 배기가스를 배기가스 회수조(20)로 모아서 배기가스 회수조(20) 내부의 열을 직접 열교환에 의하여 온수를 가열하여 난방에 활용하는 형태이다.As shown in FIG. 1, exhaust gas discharged from the
그러나 직접적인 열전달에 의한 폐열 활용은 효율이 높지 않아 그다지 바람직한 형태는 아닌 것이다.However, the utilization of waste heat by direct heat transfer is not a desirable form because efficiency is not high.
따라서 엔진의 배기가스의 열을 이용하여 발전기를 가동시킴으로써 선박에 필요한 전력을 공급하는 기술도 활발한 연구가 진행중이다. 이러한 연구 중 하나가 도 2에 도시된 종래기술인 등록특허공보 제10-1358115(등록일자: 2014. 01. 27)에 개시된 '선박용 폐열회수 시스템'이다. 는 엔진의 배기가스 열을 이용하는 발전 시스템이 적용된 구성도가 도시되어 있다.Therefore, active research is underway to supply the necessary power to the ship by using the heat of the exhaust gas of the engine and operating the generator. One of such studies is the 'ship waste heat recovery system' disclosed in the prior art publication No. 10-1358115 (registered on Apr. 201, 2017) shown in FIG. Is a configuration diagram to which a power generation system using exhaust gas heat of an engine is applied.
상기 종래기술은 선박의 엔진(10)으로부터 발생하는 폐열을 순환수를 이용하여 회수하는 순환수계와, 폐열에 의해 가열된 상기 순환수를 이용하여 작동유체를 증발시키고, 증발된 상기 작동유체를 이용하여 터빈을 회전시킴으로써 발전하는 작동유체계, 및 순환수계와 작동유체계 사이에 설치되어 순환수와 상기 작동유체가 열교환하도록 설치되는 증발기(300)를 포함하고, 순환수계는, 순환수가 내부에서 유동되는 순환수 배관의 압력을 보상하여 상기 순환수의 증발이 방지되는 기술이다.The above-mentioned prior art discloses a circulation water system for recovering waste heat generated from an engine (10) of a ship by using circulating water, a circulating water system for evaporating a working fluid by using the circulating water heated by waste heat, And an evaporator (300) installed between the circulation water system and the hydraulic fluid system and installed to exchange heat between the circulation water and the working fluid. The circulation water system circulates the circulation water The pressure of the water pipe is compensated to prevent evaporation of the circulating water.
상기 종래기술에 의하면 유기 냉매를 작동유체로 사용하는 선박에서 터빈 출력이 증가되고, 순환수 배관의 압력이 일정하게 유지되며 순환수 공급 펌프의 파손이 방지된다.According to the related art, turbine power is increased in a ship using an organic refrigerant as a working fluid, pressure of a circulating water pipe is kept constant, and breakage of a circulating water supply pump is prevented.
다만, 상기 종래기술에서는 첫째로 엔진 폐열을 발전에 이용함에 있어 중간의 순환수계가 열전달에 의하여 증발기로 열을 공급하게 되어 열손실에 의한 열효율 저하가 있는 점과, 특히 중소형 선박에서는 엔진 폐열이 이용되는 가열기의 온도가 낮아 작동유체에 따라서는 응축상태의 작동유체가 터빈 블레이드를 손상시킬 우려가 있는 점과, 작동유체계의 콘덴서에서 배출되는 열의 재활용 수단이 없어 열이 낭비되는 점 등의 문제가 있다.However, in the above-mentioned prior art, there is a problem that the waste heat of the engine is used for power generation, the intermediate circulation water supplies heat to the evaporator by heat transfer, and the thermal efficiency is lowered due to heat loss. There is a problem that the working fluid in the condensed state may damage the turbine blade depending on the operating fluid and the heat is wasted because there is no means for recycling the heat discharged from the condenser of the operating oil system .
등록특허공보 제10-1358115(등록일자: 2014. 01. 27)Patent Registration No. 10-1358115 (Registration date: 2014. 01. 27)
이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 증발기의 온도가 낮더라도 터빈 손상이 없는 폐열 활용 발전이 가능하고, 응축기의 폐열도 재활용될 수 있으며 엔진 폐열을 직접 열전달보다 더욱 좋은 효율로 활용할 수 있는 수단이 구비되는 선박의 폐열 회수 시스템을 제공하고자 한다.Accordingly, it is an object of the present invention to improve the problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for recovering waste heat by using waste heat without turbine damage even when the temperature of the evaporator is low, And to provide a system for recovering waste heat of a ship equipped with means capable of utilizing it.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박의 폐열 회수 시스템은, 선박 추진용 엔진과, 상기 엔진과 연결되는 배기가스 회수조와, 상기 회수조 내부로 온수가 흐르는 가열관이 관통되고, 회수조 외부에서 가열관의 양단이 연결되는 온수조와, 상기 회수조 내부로 발전용 작동유체가 흐르는 증발관이 관통되고, 회수조를 빠져나오는 증발관의 양단 중 일단에 연결되어 증발관으로부터 작동유체를 공급받으며 공급받는 작동유체가 중심축으로부터 방사상으로 분사되는 추진력으로 회전되는 반작용식 터빈과, 터빈에서 배출되는 작동유체를 공급받는 응축기와, 응축기로부터 작동유체를 공급받으면서 공급받는 작동유체를 압축시켜 상기 증발관의 양단 중 타단으로 내보내는 하나 이상의 압축펌프로 이루어지는 폐열회수 발전부를 포함한다.In order to accomplish the above object, according to the present invention, there is provided a waste heat recovery system for a ship, comprising an engine for propelling a ship, an exhaust gas recovery tank connected to the engine, a heating pipe through which hot water flows into the recovery tank, And an evaporator tube through which the power generation working fluid flows into the recovery tank. The evaporator tube is connected to one end of both ends of the evaporator tube that exits the recovery vessel, and receives a working fluid from the evaporator tube A condenser for supplying a working fluid discharged from the turbine, and a condenser for compressing a working fluid supplied thereto while being supplied with a working fluid from the condenser, And at least one compression pump for outputting the waste heat to the other of the opposite ends of the waste heat recovery and power generation unit.
이때 바람직하게는 상기 응축기 내부로 제2증발관이 관통하고, 응축기로부터 빠져나오는 증발관의 양단이 연결되는 제2온수조와, 응축기와 제2온수조 사이의 두 증발관 중 하나에 설치되어 증발관 내의 작동유체를 제2온수조로 전달시키는 제2압축펌프와, 상기 두 증발관 중 나머지 하나에 설치되는 팽창밸브로 이루어지는 응축열 공급부를 더 포함하여 발전부의 응축기에서 버려지는 열이 난방 등으로 재활용 될 수 있도록 한다.In this case, preferably, the second evaporator tube penetrates into the condenser, the second hot water tank is connected to both ends of the evaporator tube that exits from the condenser, and the evaporator tube is installed in one of two evaporator tubes between the condenser and the second hot water tank, A second compression pump for transferring the working fluid in the first hot water tank to the second hot water tank, and a condensation heat supply unit including an expansion valve installed in the other of the two evaporation tubes, so that the heat discharged from the condenser of the power generation unit can be recycled .
한편, 본 발명에 의한 선박의 폐열 회수 시스템이 사용되는 선박에 냉장 또는 냉동창고 등을 이루는 냉각장치가 활용되는 경우에는, 상기 압축펌프는 전단 압축펌프와 후단 압축펌프로 이루어지고, 여기서 전단 압축펌프와 후단 압축펌프 사이에 설치되는 중간가열기와, 중간가열기를 관통하는 히트펌프 작동유체관에 의하여 차례로 연결되는 냉각기용 팽창밸브, 냉각기, 냉각기용 압축펌프로 이루어지는 냉각폐열 활용부를 더 포함할 수 있다.In the meantime, when a cooling apparatus constituting a refrigeration or freezing warehouse is utilized in a ship in which a ship's waste heat recovery system according to the present invention is used, the compression pump comprises a front stage compression pump and a rear stage compression pump, And an expansion valve for a cooler, a cooler, and a compression pump for a cooler, which are sequentially connected to each other by a heat pump operating oil pipe passing through the middle heat exchanger.
그리고 본 발명에 의한 선박의 폐열 회수 시스템의 또다른 실시예는, 선박 추진용 엔진과, 상기 엔진과 연결되는 배기가스 회수조와, 상기 회수조 내부로 온수가 흐르는 가열관이 관통되고, 회수조 외부에서 가열관의 양단이 연결되는 온수조와, 상기 회수조 내부로 발전용 히트펌프 작동유체가 흐르는 증발관이 관통되고, 회수조를 빠져나오는 증발관의 일단에 연결되어 증발관으로부터 작동유체를 공급받는 히트펌프용 압축펌프와, 발전용 증발기와, 히트펌프용 팽창밸브가 차례로 연결되며, 히트펌프용 팽창밸브가 다시 상기 증발관의 타단에 연결되어 이루어지는 발전용 히트펌프와, 상기 발전용 증발기 내부로 발전용 작동유체가 흐르는 증발관이 관통되고, 발전용 증발기를 빠져나오는 증발관의 양단 중 일단에 연결되어 증발관으로부터 작동유체를 공급받으며 공급받는 작동유체가 중심축으로부터 방사상으로 분사되는 추진력으로 회전되는 반작용식 터빈과, 터빈에서 배출되는 작동유체를 공급받는 응축기와, 응축기로부터 작동유체를 공급받으면서 공급받는 작동유체를 압축시켜 상기 증발관의 양단 중 타단으로 내보내는 하나 이상의 압축펌프로 이루어지는 폐열회수 발전부를 포함하여 이루어질 수도 있다.In another aspect of the present invention, there is provided a system for recovering waste heat of a ship, comprising an engine for propelling a ship, an exhaust gas collecting tank connected to the engine, a heating pipe through which hot water flows into the collecting tank, A heat pipe through which a working fluid for power generation heat pump flows, a hot water tank through which the both ends of the heating pipe are connected to each other and a working fluid supplied from the evaporation pipe connected to one end of the evaporation pipe exiting the recovery tank A heat pump for power generation in which a compression pump for a heat pump, an evaporator for power generation, and an expansion valve for a heat pump are connected in order and an expansion valve for a heat pump is connected to the other end of the evaporation pipe, An evaporation pipe through which the power generation working fluid flows is passed, and is connected to one end of both ends of the evaporation pipe exiting the power generation evaporator, A condenser for receiving a working fluid discharged from the turbine, and a working fluid supplied from the condenser, wherein the working fluid is supplied from the condenser to the working fluid, And a waste heat recovery and power generation unit including at least one compression pump that expels the other end of the evaporation pipe to the other end thereof.
이때 특히 바람직하게는 상기 발전용 히트펌프용 압축펌프는 상기 터빈에 의하여 전력을 생산하는 발전기로부터 전력을 공급받을 수 있다.In this case, it is particularly preferable that the compression pump for a heat pump for power generation is supplied with power from a generator that generates electric power by the turbine.
본 발명에 의한 선박의 폐열 회수 시스템에는 다음과 같은 효과가 있다.The waste heat recovery system of a ship according to the present invention has the following effects.
첫째, 반작용식 터빈의 성질을 이용함으로써 대형선박 뿐만 아니라 중소형 선박의 엔진열에 의해서도 터빈 손상없이 전력 생산이 가능하게 된다.First, by using the characteristics of the reaction turbine, it is possible to produce power without damaging the turbine by the engine heat of small ships as well as large vessels.
둘째, 엔진 폐열로 전력을 생산하는 발전부를 구성하는 응축기에서 버려지는 폐열을 활용하여 난방 공급이 가능하게 되므로 회수된 폐열의 이용 효율이 높아진다.Secondly, since the waste heat discharged from the condenser constituting the power generation section for generating power by the engine waste heat can be used to supply the heating, the efficiency of utilization of the recovered waste heat is increased.
셋째, 응축기가 히트펌프의 히트싱크로 작용됨으로써 응축기의 응축 효율도 비약적으로 향상된다.Third, the efficiency of condensing of the condenser is dramatically improved by acting as a heat sink of the heat pump.
넷째, 냉장 또는 냉동창고가 설치되는 선박의 경우 냉각장치가 히트펌프로도 기능하게 되어 엔진 폐열로 전력을 생산하는 발전부의 전력 생산 효율을 더욱 높일 수 있다.Fourth, in the case of a ship equipped with a refrigerator or a freezing warehouse, the cooling device also functions as a heat pump, so that the power generation efficiency of the power generation section that generates electricity using waste heat of the engine can be further enhanced.
다섯째, 엔진의 폐열을 발전부의 증발기에 공급함에 있어서 직접 열전달이 아닌 히트펌프가 이용되고 히트펌프의 가동에는 발전부에서 생산되는 전력이 이용됨으로써 폐열 회수의 효율이 비약적으로 증가되고 폐열 회수에 별도의 에너지 소모도 없게 된다.Fifth, in supplying the waste heat of the engine to the evaporator of the power generation unit, the heat pump is used instead of direct heat transfer and the electric power generated by the power generation unit is used for the operation of the heat pump, whereby the efficiency of waste heat recovery is dramatically increased, There is no energy consumption.
도 1은 종래 엔진 폐열이 난방에 재활용됨을 도시한 도면,
도 2는 엔진 폐열로 전력이 생산되는 구체적인 종래기술을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 기본 실시예를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 터빈에 적용되는 반작용식 터빈을 나타내는 정단면도,
도 5는 본 발명의 기본 실시예의 변형된 실시예를 나타내는 도면,
도 6는 본 발명의 두 번째 기본 실시예를 나타내는 도면,1 is a view showing that conventional engine waste heat is recycled for heating,
2 shows a specific prior art in which power is produced by engine waste heat,
3 is a view showing a basic embodiment of the present invention,
4 is a front sectional view showing a reaction turbine applied to the turbine of the present invention,
Figure 5 is a diagram illustrating a modified embodiment of the basic embodiment of the present invention;
6 is a diagram showing a second basic embodiment of the present invention,
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The specific structure or functional description presented in the embodiment of the present invention is merely illustrative for the purpose of illustrating an embodiment according to the concept of the present invention, and embodiments according to the concept of the present invention can be implemented in various forms. And should not be construed as limited to the embodiments described herein, but should be understood to include all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
본 발명의 설명을 위하여 사용되는 도면을 간략하게 설명하면, 도 3은 본 발명의 기본 실시예를 나타내는 도면으로서, 온수조와, 발전부 만이 구비되는 구성도이고, 도 4는 본 발명의 기본 실시예의 변형된 실시예를 나타내는 도면으로서 도 3의 기본 실시예에서 응축열 공급부와 냉각폐열 활용부가 더 구비되는 것을 나타내는 구성도이며, 도 5는 본 발명의 두 번째 기본 실시예를 나타내는 도면으로서, 첫 번째 기본 실시예에서와의 차이는, 배기가스 회수조 내에서 직접 열교환으로 발전부의 작동유체가 증발되는 것이 아니라, 배기가스 회수조와 발전부의 증발기 사이에 히트펌프가 추가되는 것을 나타내는 구성도이다.FIG. 3 is a view showing a basic embodiment of the present invention, in which only a hot water tank and a power generator are provided, and FIG. 4 is a schematic view of a basic embodiment of the present invention. FIG. 5 is a view showing a second basic embodiment of the present invention, in which the first basic portion and the second basic portion are provided. The difference from the embodiment is that the heat pump is added between the exhaust gas collecting tank and the evaporator of the power generation portion, not the working fluid of the power generation portion is evaporated by direct heat exchange in the exhaust gas collecting tank.
이하에서는 위에서 간략하게 설명한 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings briefly described above.
먼저 첫 번째 기본 실시예에 대하여 설명하고, 기본 실시예의 변형 실시예에 대하여 설명한 다음, 두 번째 기본 실시예에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.First, a first basic embodiment will be described, a modified embodiment of the basic embodiment will be described, and then a second basic embodiment will be described in detail.
도3에 도시된 기본 실시예는, 선박 추진용 메인 엔진(10)과, 메인 엔진(10)과 연결되는 배기가스 회수조(20)와, 배기가스 회수조(20) 내부로 온수가 흐르는 가열관이 관통되고, 배기가스 회수조(20) 외부에서 가열관의 양단이 연결되는 온수조(30)와, 배기가스 회수조(20) 내부로 발전용 작동유체가 흐르는 증발관이 관통되고, 배기가스 회수조(20)를 빠져나오는 증발관의 양단 중 일단에 연결되어 증발관으로부터 작동유체를 공급받으며 공급받는 작동유체가 중심축으로부터 방사상으로 분사되는 추진력으로 회전되는 반작용식 터빈(41)과, 반작용식 터빈(41)에서 배출되는 작동유체를 공급받는 응축기(42)와, 응축기(42)로부터 작동유체를 공급받으면서 공급받는 작동유체를 압축시켜 상기 증발관의 양단 중 타단으로 내보내는 하나 이상의 압축펌프(43)로 이루어지는 폐열회수 발전부(40)로 이루어진다.
이 경우 상기 선박에 냉각장치가 활용되는 경우에 있어서, 상기 압축펌프(43)는 전단 압축펌프(431)와 후단 압축펌프(432)로 이루어지고, 전단 및 후단 압축펌프(431,432)와, 전단 압축펌프(431)와 후단 압축펌프(432) 사이에 설치되는 중간가열기(63)와, 중간가열기(63)를 관통하는 히트펌프 작동유체관에 의하여 차례로 연결되는 냉각기용 팽창밸브(64), 냉각기(61), 냉각기용 압축펌프(62)로 이루어지는 냉각폐열 활용부(60)가 구비된다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.The basic embodiment shown in Fig. 3 includes a main propulsion
In this case, when the cooling device is utilized for the ship, the
여기서 도1에 도시된 바와 같이 선박 추진용 메인 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스가 집진되는 배기가스 회수조(20)와 배기가스 회수조(20)로부터 열을 공급받아 가열되는 온수조(30)는 종래 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.1, an exhaust
이때 배기가스 회수조(20)를 작동유체의 가열기로 하는 랭킨 사이클이 구비되는데 바로 이 랭킨 사이클이 폐열회수 발전부(40)에 해당된다. 폐열회수 발전부(40)는 반작용식 터빈(41)과 응축기(42)와 압축펌프(43)와 배기가스 회수조(20)가 차례로 연결되어 이루어지는 랭킨 사이클이다. At this time, a Rankine cycle in which the exhaust
그런데 선박의 규모가 중소형인 경우에는 메인 엔진(10)에서 배출되는 열량이 적으므로 증발된 작동유체가 통과되어 발전기의 회전자를 회전시키는 터빈은 일반적으로 사용되는 충동식 터빈의 경우 터빈 블레이드에 손상이 가해질 수 있어서 내구성이 문제된다. 따라서 작동유체의 선택에 신중을 가할 수밖에 없게 되며 사용가능한 작동유체가 제한될 수 밖에 없다.However, when the size of the ship is small or medium, the amount of heat discharged from the
이 경우에 종래의 충동식 터빈 대신에 반작용식 터빈(41)이 사용되면 터빈 손상에 대한 우려가 방지된다. 반작용식 터빈(41)은 도 4에 도시된 바와 같이 중심 회전축으로부터 방사 방향으로 분출되는 작동유체의 추진력으로 회전된다. 따라서 작동유체에 액상이 섞여 있더라도 작동유체가 블레이드에 충돌되면서 터빈을 회전시키는 일반 충동식 터빈과는 달리 터빈 자체에 구조적인 손상이 초래되지는 않게 된다.In this case, if a
본 발명에 사용되는 반작용식 터빈(41)은 원래는 중소형 선박 또는 증발기의 온도가 낮은 경우에 사용되는 소형 발전기에 사용되는 것을 예정하여 제안된 것은 아니며 터빈에 응축수가 섞일 경우 스팀터빈의 안정성을 유지할 수 있고 스팀의 유동저항을 현저하게 줄이면서 압력누설이 방지될 수 있는 터빈에 대한 연구의 일환으로 안출된 것이다.The
본 발명에서는 중소형 선박의 경우와 같이 엔진의 용량이 작아서 엔진 폐열 회수량이 적게 되어 작동유체가 터빈을 통과할 때 액상이 섞일 우려가 있는 경우에 터빈의 손상이 방지될 수 있는 방안에 대한 연구가 진행되었고, 그 결과 반작용식 터빈이 증발기 열량이 적어서 터빈에 액상의 작동유체가 통과될 우려가 큰 경우에도 손상없이 사용될 수 있는 터빈으로 채택된 것이다.In the present invention, as in the case of a small to medium sized ship, a study on a method of preventing damage of a turbine when the amount of engine waste heat is small due to the small capacity of the engine, and there is a possibility that the liquid phase will be mixed when the working fluid passes through the turbine And as a result, the reaction-type turbine is adopted as a turbine which can be used without damage even when the amount of heat of the evaporator is small and there is a great possibility that the liquid working fluid will pass through the turbine.
도 5에는 본 발명의 기본 실시예의 변형된 실시예가 도시되어 있다. 참고로 도 5에는 후술하게 될 응축열 공급부(50)와 냉각폐열 활용부(60)가 함께 적용되는 것으로 도시되어 있지만 이 둘은 함께 적용될 수도 있고 혹은 각각 별도로 기본 실시예에 적용될 수도 있다. 다만 함께 적용되는 경우는 냉장창고 또는 냉동창고와 같은 대형 냉각기가 이용되는 선박의 경우일 것이다.Fig. 5 shows a modified embodiment of the basic embodiment of the present invention. 5, the condensation
도 5에 도시된 바와 같이 응축열 공급부(50)는 폐열회수 발전부(40)의 응축기(421) 내부를 관통하는 증발관의 양단이 연결되는 제2온수조(51)와, 응축기(421)와 제2온수조(51) 사이의 두 증발관 중 하나에 설치되어 증발관 내의 작동유체를 제2온수조(51)로 전달시키는 제2압축펌프(52)와, 상기 두 증발관 중 나머지 하나에 설치되는 팽창밸브(53)로 이루어진다.5, the condensation
즉 응축열 공급부(50)는 폐열회수 발전부(40)의 응축기(421)를 히트싱크로 하여 열을 뽑아내는 히트펌프이다. 따라서 작동유체가 내부에 흐르는 관에 의하여 응축기(421)와, 제2압축펌프(52)와, 제2온수조(51)와, 제2팽창밸브(53)가 차례로 연결되어 이루어진다.That is, the condensation
즉 응축열 공급부(50)는 응축기(421)의 열을 뽑아내어 제2온수조(51)의 온수를 가열시키는 것이다. 제2온수조(51) 내에서 가열되는 물은 난방이나 온수의 용도로 사용될 수 있다.That is, the condensation
특히, 여기서 폐열회수 발전부(40)의 응축기(421)가 히트싱크가 됨으로써 응축기(421)에서 배출되는 열이 낭비되지 않을 뿐만 아니라 응축기(421)의 응축 효율이 비약적으로 향상되는 효과가 있게 된다.Particularly, in this case, since the
한편, 본 발명이 적용되는 선박에 대형 냉장고 또는 냉동고가 설치되어 운용되는 경우에는 폐열 회수 시스템이 냉장고 또는 냉동고에 사용되는 냉각기(61)와 연동되어 예상하지 못한 뛰어난 열 재활용 효과가 나타날 수 있다.Meanwhile, when a large refrigerator or a freezer is installed on a ship to which the present invention is applied, the waste heat recovery system interlocks with a cooler 61 used in a refrigerator or a freezer, and an excellent heat recycling effect may be expected.
도 5에 도시된 바와 같이 냉각폐열 활용부(60)는 선박에 냉각장치가 활용되는 경우에 있어서, 압축펌프(43)는 전단 압축펌프(431)와 후단 압축펌프(432)로 이루어지고, 전단 및 후단 압축펌프(431,432)와, 전단 압축펌프(431)와 후단 압축펌프(432) 사이에 설치되는 중간가열기(63)와, 중간가열기(63)를 관통하는 히트펌프의 작동유체관에 의하여 차례로 연결되는 냉각기용 팽창밸브(64), 냉각기(61), 냉각기용 압축펌프(62)로 이루어진다.5, the cooling waste
즉, 냉각폐열 활용부(60)는 냉각기(61)의 냉각을 위한 냉각 사이클 장치이면서 동시에 중간가열기(63)에 열을 공급하는 히트펌프가 되는 것이다.That is, the cooling waste
냉장고 또는 냉동고에 사용되는 냉각기(61)는 냉각을 위한 냉각 사이클이 사용된다. 이때의 냉각 사이클이 히트펌프의 역할을 하는 점을 이용하여 폐열회수 발전부(40)에서 작동유체가 증발과정을 거치기 전에 예열될 수 있다.A cooling cycle for cooling is used for the cooler 61 used in the refrigerator or the freezer. At this time, the working fluid in the waste heat recovery
이때 작동유체는 예열과정을 거침으로써 폐열회수 발전부(40)의 전력생산 효율은 더욱 높아질 수 있다. 또한 어차피 사용될 수 밖에 없는 냉각 사이클을 이용하는 것이므로 별도로 전력이 과도하게 소모되지 않으므로 최적 효율의 에너지 재상이 가능하게 된다.
At this time, the working fluid is preheated, so that the power generation efficiency of the waste heat recovery
본 발명의 두 번째 기본 실시예는 폐열회수 발전부(140)에서 작동유체의 증발과정이 첫 번째 실시예에서처럼 배기가스 회수조(20)로부터 직접 열전달로 이루어지는 것이 아니라 배기가스 회수조(20)와 폐열회수 발전부(140)의 증발기(82) 사이에 발전용 히트펌프(80)가 설치되어 더욱 높은 효율로 배기가스 회수조(20)의 열을 이용하는 실시예이다.In the second basic embodiment of the present invention, the evaporation process of the working fluid in the waste heat recovery
본 발명의 두 번째 기본 실시예는 도 6에 도시된 것과 같이 선박 추진용 메인 엔진(10)과, 메인 엔진(10)과 연결되는 배기가스 회수조(20)와, 배기가스 회수조(20) 내부로 온수가 흐르는 가열관이 관통되고, 배기가스 회수조(20) 외부에서 가열관의 양단이 연결되는 온수조(30)와, 배기가스 회수조(20) 내부로 발전용 히트펌프(80) 작동유체가 흐르는 증발관이 관통되고, 배기가스 회수조(20)를 빠져나오는 증발관의 일단에 연결되어 증발관으로부터 작동유체를 공급받는 히트펌프용 압축펌프(83)와, 발전용 증발기(82)와, 히트펌프용 팽창밸브(81)가 차례로 연결되며, 히트펌프용 팽창밸브(81)가 다시 상기 증발관의 타단에 연결되어 이루어지는 발전용 히트펌프(80)와, 발전용 증발기(82) 내부로 발전용 작동유체가 흐르는 증발관이 관통되고, 발전용 증발기(82)를 빠져나오는 증발관의 양단 중 일단에 연결되어 증발관으로부터 작동유체를 공급받으며 공급받는 작동유체가 중심축으로부터 방사상으로 분사되는 추진력으로 회전되는 반작용식 터빈(141)과, 반작용식 터빈(141)에서 배출되는 작동유체를 공급받는 응축기(142)와, 응축기(142)로부터 작동유체를 공급받으면서 공급받는 작동유체를 압축시켜 상기 증발관의 양단 중 타단으로 내보내는 하나 이상의 압축펌프(143)로 이루어지는 폐열회수 발전부(140)를 포함하여 이루어진다.6, a main propulsion
이때 특히 바람직하게는 폐열회수 발전부(140)에서 생산되는 전력으로 배기가스 회수조(20)와 폐열회수 발전부(140)의 발전용 증발기(82) 사이의 발전용 히트펌프(80)를 가동시킨다.The power
한편 도 6에 도시된 본 발명의 두 번째 실시예에서도 본 발명의 첫 번째 실시예에서와 같이 응축열 공급부(50)와, 냉각폐열 활용부(60)가 적용될 수 있음을 밝혀둔다.
In the second embodiment of the present invention shown in FIG. 6, the condensation
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.
10: 메인 엔진 20: 배기가스 회수조
30: 온수조 40,140: 폐열회수 발전부
41,141: 반작용식 터빈 42,142,421: 응축기
43,143: 압축펌프 50: 응축열 공급부
51: 제2온수조 52: 제2압축펌프
53: 제2팽창밸브 60: 냉각폐열 활용부
61: 냉각기 62: 냉각기용 압축펌프
63: 중간가열기 64: 냉각기용 팽창밸브
80: 발전용 히트펌프 81: 히트펌프용 팽창밸브
82: 발전용 증발기 83: 히트펌프용 압축펌프
431: 전단 압축펌프 432: 후단 압축펌프10: Main engine 20: Exhaust gas recovery tank
30:
41,141: Reaction type turbine 42,142,421: Condenser
43, 143: Compression pump 50: Condensation heat supply part
51: second hot water tank 52: second compression pump
53: second expansion valve 60: cooling waste heat utilization part
61: cooler 62: compression pump for cooler
63: Midway opening 64: Expansion valve for chiller
80: Power generation heat pump 81: Heat pump expansion valve
82: Evaporator for power generation 83: Compressor pump for heat pump
431: shearing compression pump 432: rear stage compression pump
Claims (5)
상기 메인 엔진과 연결되는 배기가스 회수조와;
상기 배기가스 회수조 내부로 온수가 흐르는 가열관이 관통되고, 배기가스 회수조 외부에서 가열관의 양단이 연결되는 온수조와;
상기 배기가스 회수조 내부로 발전용 작동유체가 흐르는 증발관이 관통되고, 배기가스 회수조를 빠져나오는 증발관의 양단 중 일단에 연결되어 증발관으로부터 작동유체를 공급받으며 공급받는 작동유체가 중심축으로부터 방사상으로 분사되는 추진력으로 회전되는 반작용식 터빈과, 터빈에서 배출되는 작동유체를 공급받는 응축기와, 응축기로부터 작동유체를 공급받으면서 공급받는 작동유체를 압축시켜 상기 증발관의 양단 중 타단으로 내보내는 하나 이상의 압축펌프로 이루어지는 폐열회수 발전부; 로 구성되되,
상기 선박에 냉각장치가 활용되는 경우에 있어서,
상기 압축펌프는 전단 압축펌프와 후단 압축펌프로 이루어지고,
전단 및 후단 압축펌프와, 전단 압축펌프와 후단 압축펌프 사이에 설치되는 중간가열기와, 중간가열기를 관통하는 히트펌프 작동유체관에 의하여 차례로 연결되는 냉각기용 팽창밸브, 냉각기, 냉각기용 압축펌프로 이루어지는 냉각폐열 활용부를 더 포함하는 선박용 폐열 회수 시스템.A main propulsion main engine;
An exhaust gas collection tank connected to the main engine;
A hot water tank through which a heating pipe through which hot water flows into the exhaust gas collecting tank is connected and both ends of the heating pipe are connected to the outside of the exhaust gas collecting tank;
And a working fluid supplied from the evaporation pipe is connected to one end of the evaporation pipe which exits the exhaust gas collecting tank and is supplied to the exhaust gas collecting tank, A condenser for receiving a working fluid discharged from the turbine, and a condenser for compressing a working fluid supplied from the condenser while being supplied to the other end of the evaporator tube, A waste heat recovery power generation unit comprising the above-described compression pump; Respectively,
In the case where a cooling device is utilized on the ship,
Wherein the compression pump comprises a front stage compression pump and a rear stage compression pump,
A cooling device comprising a front end and a rear end compression pump, an intermediate opening provided between the front end compression pump and the rear end compression pump, and an expansion valve for the cooler, which is in turn connected to the heat pump operating oil pipe passing through the middle open hearth, A waste heat recovery system for a ship further comprising waste heat utilization.
상기 응축기 내부로 제2증발관이 관통하고, 응축기로부터 빠져나오는 증발관의 양단이 연결되는 제2온수조와, 응축기와 제2온수조 사이의 두 증발관 중 하나에 설치되어 증발관 내의 작동유체를 제2온수조로 전달시키는 제2압축펌프와, 상기 두 증발관 중 나머지 하나에 설치되는 팽창밸브로 이루어지는 응축열 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 폐열 회수 시스템.The method according to claim 1,
A second hot water tank through which a second evaporator tube penetrates into the condenser and to which both ends of the evaporator tube exiting from the condenser are connected and a second hot water tank installed in one of two evaporator tubes between the condenser and the second hot water tank, Further comprising a second compression pump for delivering the second hot water to the second hot water tank, and a condensation heat supply unit including an expansion valve installed in the other of the two evaporation pipes.
상기 엔진과 연결되는 배기가스 회수조와;
상기 배기가스 회수조 내부로 온수가 흐르는 가열관이 관통되고, 배기가스 회수조 외부에서 가열관의 양단이 연결되는 온수조와;
상기 배기가스 회수조 내부로 발전용 히트펌프 작동유체가 흐르는 증발관이 관통되고, 배기가스 회수조를 빠져나오는 증발관의 일단에 연결되어 증발관으로부터 작동유체를 공급받는 히트펌프용 압축펌프와, 발전용 증발기와, 히트펌프용 팽창밸브가 차례로 연결되며, 히트펌프용 팽창밸브가 다시 상기 증발관의 타단에 연결되어 이루어지는 발전용 히트펌프와;
상기 발전용 증발기 내부로 발전용 작동유체가 흐르는 증발관이 관통되고, 발전용 증발기를 빠져나오는 증발관의 양단 중 일단에 연결되어 증발관으로부터 작동유체를 공급받으며 공급받는 작동유체가 중심축으로부터 방사상으로 분사되는 추진력으로 회전되는 반작용식 터빈과, 터빈에서 배출되는 작동유체를 공급받는 응축기와, 응축기로부터 작동유체를 공급받으면서 공급받는 작동유체를 압축시켜 상기 증발관의 양단 중 타단으로 내보내는 하나 이상의 압축펌프로 이루어지는 폐열회수 발전부;를 포함하는 선박용 폐열 회수 시스템.A vessel propulsion engine;
An exhaust gas collection tank connected to the engine;
A hot water tank through which a heating pipe through which hot water flows into the exhaust gas collecting tank is connected and both ends of the heating pipe are connected to the outside of the exhaust gas collecting tank;
A compression pump for a heat pump that is connected to one end of an evaporator tube that exits the exhaust gas recovery vessel and receives a working fluid from the evaporator tube, An evaporator for power generation, and an expansion valve for a heat pump in this order, and an expansion valve for the heat pump is connected to the other end of the evaporation pipe;
And a working fluid supplied from an evaporation pipe is connected to one end of both ends of an evaporation pipe that exits the evaporation pipe for power generation, and a working fluid supplied from the evaporation pipe flows radially from the center axis, A condenser for receiving the working fluid discharged from the turbine, and a condenser for compressing the working fluid supplied while being supplied with the working fluid from the condenser and discharging it to the other end of the evaporator tube, And a waste heat recovery and power generation unit comprising a pump.
상기 히트펌프용 압축펌프는 상기 터빈에 의하여 전력을 생산하는 발전기로부터 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 선박용 폐열 회수 시스템.5. The method of claim 4,
Wherein the heat pump compression pump is supplied with power from a generator that generates electric power by the turbine.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20141223 |
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| PA0201 | Request for examination | ||
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Patent event date: 20150812 Comment text: Notification of Change of Applicant Patent event code: PN23011R01D |
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20160519 Patent event code: PE09021S01D |
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Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20161121 |
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Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20161214 Patent event code: PR07011E01D |
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Payment date: 20161214 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
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| PC1903 | Unpaid annual fee |