KR100766101B1 - Turbine generator using refrigerant for recovering energy from the low temperature wasted heat - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 발전장치에 대한 개략 구조도;1 is a schematic structural diagram of a conventional power generation apparatus;
도 2는 종래의 발전장치에서 형성되는 사이클 선도;2 is a cycle diagram formed in a conventional power generation apparatus;
도 3은 본 발명에 따른 낮은 온도의 폐열에서 발전하는 터빈발전장치에 대한 개략 구조도;3 is a schematic structural diagram of a turbine generator for generating power from low temperature waste heat according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 터빈발전장치가 형성하는 사이클을 나타내는 사이클 선도;4 is a cycle diagram showing a cycle formed by the turbine generator according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 터빈발전장치에서 얻어지는 에너지를 나타내는 사이클 선도;5 is a cycle diagram showing energy obtained in a turbine generator according to the present invention;
도 6은 본 발명에 따른 터빈발전장치가 조립된 전체형상을 나타내는 구조도;6 is a structural diagram showing the overall shape of the turbine power generator according to the present invention assembled;
도 7은 본 발명에 따른 터빈발전장치에서 터빈이 반경류형으로 변경되었을 경우의 조립 형상을 나타내는 구조도이다.7 is a structural diagram showing the assembly shape when the turbine is changed to the radial flow in the turbine generator according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for main parts of the drawings>
1,1' : 본 발명에 따른 저온 폐열을 이용한 냉매 사용 터빈발전장치1,1 ': Refrigerant using turbine generator using low temperature waste heat according to the present invention
18,18' : 냉매 터빈18,18 ': refrigerant turbine
19,19' : 냉매발전기 20 : 응축기 19,19 ': Refrigerant generator 20: Condenser
21,21' : 펌프 22 : 기화기21,21 ': Pump 22: carburetor
23 : 고압의 기체 냉매 24 : 저압의 기체 냉매23: high pressure gas refrigerant 24: low pressure gas refrigerant
25 : 저압의 액체 냉매, 26 : 고압의 액체 냉매25: low pressure liquid refrigerant, 26: high pressure liquid refrigerant
27 : 축 28 :포화선도27
29a : 획득에너지, 29b : 소모에너지29a: acquired energy, 29b: energy consumed
30 : 마그네트 31 : 발전기 코일 30: magnet 31: generator coil
32 : 임펠러 33 : 블레이드 32: Impeller 33: Blade
34 : 디스크 35 : 실(seal) 34
36 : 베어링 37 : 구심형 터빈 임펠러36: bearing 37: centrifugal turbine impeller
201 : 압축기 202 : 연소기,201: compressor 202: combustor,
203 : 가스터빈 204 : 가스터빈발전기203: gas turbine 204: gas turbine generator
205 : 폐열회수보일러 206 : 증기터빈205: waste heat recovery boiler 206: steam turbine
207 : 복수기 208 : 펌프207: multiplier 208: pump
209 : 증기터빈발전기 210 : 압축기 흡입구209
211 : 압축된 공기 212 : 고온고압의 기체211: compressed air 212: gas of high temperature and high pressure
213 : 가스터빈의 폐열 214 : 고압 고온의 증기213: waste heat of gas turbine 214: high pressure high temperature steam
215 : 저온 저압의 증기 216 : 액체상태215: low temperature low pressure steam 216: liquid state
217 : 고압 액체상태,217: high pressure liquid state,
본 발명은 저온의 폐열을 사용하고 냉매를 사용하여 발전을 하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉매를 가압하는 펌프는 터보형을 사용하고 터빈은 축류형이나 반경류형을 사용하며, 터빈과 펌프는 단축으로 연결됨으로써 펌프의 가동에 필요로 하는 추가적인 입력이 전혀 없으며, 터빈 축의 다른 부분은 발전기와 연결되어 초기 기동을 위하여서는 기동모터로 활용되나 기동이 시작되면 발전기로 전환되어 발전하게 됨으로써 저온 폐열을 회수하여 회수된 에너지로 발전을 하는 저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus for generating power using low temperature waste heat and using a refrigerant. More specifically, the pump for pressurizing the refrigerant uses a turbo type, and the turbine uses an axial flow type or a radial flow type. There is no additional input required to operate the pump as it is connected by a single shaft, and the other part of the turbine shaft is connected to the generator and used as a starting motor for initial start-up, but when it starts, it is converted into a generator and generates power to generate low temperature waste heat. It relates to a turbine generator using refrigerant for the utilization of low-temperature waste heat generated by the recovered energy recovered.
통상적으로 발전장치는 고온고압의 가스를 이용하여 발전하는 가스터빈 방식과 물을 가열하여 고온고압의 증기를 사용하는 증기 터빈 방식이 있으며, 그 외에 두 방식을 혼합한 복합 열병합 방식이 있지만, 이들의 특징은 높은 온도를 얻기 위하여 연료를 사용하던가 외부로부터 아주 고열의 열원을 필요로 하는 특징을 가진다. Generally, there are a gas turbine method of generating power using a gas of high temperature and high pressure, and a steam turbine method of using high temperature and high pressure steam by heating water. In addition, there is a complex cogeneration method in which the two methods are mixed. The characteristic is that the fuel is used to obtain a high temperature or a very high heat source is required from the outside.
도 1은 종래의 발전장치에 관한 개략도를 나타내고 있는데, 가스터빈 방식과 증기터빈 방식을 혼합한 복합 열병합 방식을 보여주며, 이들의 구성품은 압축기(201), 연소기(202), 가스터빈(203)으로부터 발전하는 가스터빈 발전기(204)를 포함하여 가스터빈 발전을 한다. 1 shows a schematic diagram of a conventional power generation apparatus, and shows a combined cogeneration system in which a gas turbine method and a steam turbine method are mixed, and components thereof include a
그리고 이와 같은 구조에서 상기 가스터빈(203)으로부터 배출된 폐열(213)은 500℃ 근처의 높은 온도를 가지고 있으므로, 이를 재활용하기 위하여 그 후방 측으로 폐열회수보일러(205), 증기터빈(206), 복수기(207), 펌프(208), 증기터빈발전기(209)를 포함하여 2차 발전을 얻는 복합열병합발전의 증기터빈발전장치를 구비하고 있다. In this structure, since the
한편 증기터빈 발전만을 하는 화력발전소에서는 가스터빈의 폐열(213)을 활용할 수가 없으므로 이 폐열 대신에 연료를 사용하여 보일러를 가열하고 고압의 증기를 얻는 방식으로 발전을 한다. On the other hand, in the thermal power plant that only steam turbine power generation can not utilize the waste heat (213) of the gas turbine to generate power by heating the boiler using the fuel instead of the waste heat to obtain a high-pressure steam.
상기에서 압축기(201)는 압축기 흡입구(210)를 통하여 공기를 흡입하여 압축하고, 압축된 공기(211)는 연소기(202)에서 가열되어 고온고압의 기체(212)가 되어 가스터빈(203)을 가동하게 된다. 이를 온도와 엔트로피 선도에 나타내면 도 2에 나타나 있는 것과 같고, 이러한 사이클 선도 중에서 위쪽에 보여주는 사이클 선도가 가스터빈(203)에서 작동하는 상태를 나타내고 있다. In the above, the
이때 상기 가스터빈발전기(204)에서 얻어지는 발전량은 도 2의 사이클 선도에서 연소기(202) 출구에서의 고온고압 기체(212)가 가지고 있는 에너지와, 가스 터빈(203)의 폐열(213)이 가지고 있는 에너지의 차가 되므로 많은 연료를 분사하면 할수록 많은 발전량을 얻게 되는 구조이다. In this case, the amount of power generated by the
도 2의 가스터빈발전 사이클 선도에서 나타내고 있는 것처럼 가스터빈(203)은 폐열(213)의 온도가 높으므로 이를 활용하기 위하여 증기터빈(206)의 폐열회수 보일러(205)로 보내어진다. As shown in the gas turbine power generation cycle diagram of FIG. 2, the
한편, 상기 증기터빈(206)의 폐열회수보일러(205)에서 얻은 고압 고온의 증기(214)는 증기터빈(206)을 가동하고 여기서 얻어지는 에너지로 증기터빈발전기(209)를 돌려 2차의 발전을 하게 된다. On the other hand, the high pressure and
여기서 상기 증기터빈(206)을 통과한 저온 저압의 증기(215)는 복수기(207)에서 기체 상태로부터 액체상태(216)로 변하게 되고, 이를 펌프(208)에서 가압하여 고압 액체 상태(217)로 만들어 폐열회수 보일러(205)에서 기체 상태로 변환된다. Here, the low temperature
그 후 다시 증기터빈(206)으로 공급되어 이를 가동하는 사이클을 형성하게 되는데, 도 2의 사이클 중에서 아래 부분의 사이클이 상기 증기터빈(206)의 사이클을 나타내고 있으며, 여기서는 작동 증기의 온도가 가스터빈(203)의 온도보다는 낮은 상태에서 사이클을 형성하고 있다. It is then supplied back to the
그러나 폐열을 회수하여 사용하는 증기터빈의 발전에서는 폐열회수보일러(205)에 적용되는 폐열의 온도가 500℃ 근처의 높은 온도여야 하므로 이러한 온도는 폐열이라기보다는 또 다른 에너지원인 것이고, 종래의 기술로는 500℃ 보다 낮은 온도의 폐열을 활용하지 못하는 많은 문제점이 있다. However, in the development of steam turbines that recover and use waste heat, the temperature of waste heat applied to the waste
종래에는 폐열의 온도가 낮은 경우에 증기터빈 방식으로는 폐열의 회수가 불가능하게 된다. 특히 폐열의 온도가 100℃ 이하가 되면 원천적으로 액체인 물을 가열하여 증기로 만들 수가 없으며, 아울러 증기가 가압되어 있으면 물의 끓는점은 더욱더 높아지기 때문에 종래의 방식으로는 이와 같은 낮은 온도의 폐열을 활용할 수 없다. Conventionally, when the temperature of waste heat is low, it is impossible to recover waste heat by the steam turbine method. Especially when the temperature of waste heat is below 100 ℃, it is impossible to heat the liquid water to make steam, and if the steam is pressurized, the boiling point of water becomes higher. none.
그렇지만 일반적인 공장이나 산업단지 등에서 방출하는 폐열의 온도는 100℃ 이하의 낮은 폐열일 뿐만 아니라, 이들의 폐열 량은 상당히 많은 용량을 차지하게 되는데, 그러한 이유는 이를 재활용하는 마땅한 기술이 없기 때문이기도 하다. However, the temperature of the waste heat emitted from general factories and industrial complexes is not only low waste heat below 100 ° C., but also the waste heat occupies a considerable amount of capacity, because there is no proper technique for recycling it.
또한, 증기터빈 방식의 폐열회수방식은 상당히 큰 용량의 보일러를 갖추어야 하는데 소단위 규모의 산업체 등에서는 너무 큰 공간이 필요하거나, 장비의 설치에 많은 비용을 동반하는 어려움이 발생된다. 따라서 폐열의 온도에 감소에 따라서 폐열회수효율은 급격히 감소하게 되므로, 종래의 방식으로는 저온의 폐열원으로부터 에너지를 재활용할 수가 없게 된다. In addition, the waste heat recovery method of the steam turbine type should be equipped with a boiler of a considerably large capacity, but in a small unit of industry, such a large space is required, or the installation of equipment is difficult to bring a high cost. Therefore, the waste heat recovery efficiency is drastically reduced as the temperature of the waste heat decreases, so that energy cannot be recycled from the waste heat source of low temperature in the conventional manner.
그 외에도 종래의 방식으로는 액체를 가압하는 펌프(208)를 가동하기 위한 전력이 별도로 필요하게 되고, 증기를 액화시키기 위한 복수기(207)가 필요한데, 통상적으로 복수기(207)는 증기가 열을 방출하여 액체가 되므로 큰 저수지나 강, 해변 근처에 이러한 장치를 설치하여 사용하게 되므로 저온의 폐열에는 여러 가지로 적합하지 못한 기술적인 문제점들이 있다. In addition, the conventional method requires a separate power for operating the
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 증기터빈 방식처럼 물을 사용하지 않고 낮은 온도에서 열의 흡수와 방출이 용이한 냉매를 사용함으로써 저온의 폐열에서도 충분히 에너지를 회수할 수 있는 저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치를 제공함에 있다. The present invention has been invented to solve the above problems, and its object is to recover energy even in low temperature waste heat by using a refrigerant that is easy to absorb and release heat at a low temperature without using water like a steam turbine method. The present invention provides a turbine generator using refrigerant for utilization of low temperature waste heat.
그리고 본 발명은 다른 목적으로서, 기화기와 응축기의 온도차가 적은 경우에도 에너지를 충분히 획득할 수 있고, 온도차가 커지게 되면 더 많은 에너지를 얻을 수 있어서 효과적으로 에너지를 회수할 수 있도록 된 저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치를 제공함에 있다. And another object of the present invention, even if the temperature difference between the carburetor and the condenser is small enough to obtain energy, and when the temperature difference becomes larger, more energy can be obtained to utilize the low-temperature waste heat to effectively recover energy To provide a refrigerant generator for the turbine generator.
또한 본 발명은 또 다른 목적으로서 종래에는 에너지의 획득이 불가능하여 버려졌던 저온 폐열을 재활용할 수 있음으로써 에너지 재생이 가능하여 산업체에서의 에너지 비용의 절감을 크게 이룰 수 있는 저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치를 제공함에 있다. In another aspect, the present invention is a refrigerant for the utilization of low-temperature waste heat can be achieved by reducing the energy cost in the industry can be recycled by recycling the low-temperature waste heat was previously impossible to obtain energy In providing a turbine generator for use.
뿐만 아니라 본 발명은 또 다른 목적으로서 대체 에너지원으로 지열 등을 활용하여 자가 발전을 효과적으로 이룰 수 있는 저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치를 제공함에 있다. In addition, the present invention as another object to provide a turbine generator using a refrigerant for the utilization of low-temperature waste heat can effectively achieve self-generation by using geothermal heat as an alternative energy source.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 저온의 폐열에서 에너지를 획득하여 발전을 하는 저온 폐열을 이용한 발전장치에 있어서, In order to achieve the above object, the present invention, in the power generation apparatus using low-temperature waste heat to generate energy from the low-temperature waste heat,
냉매를 사용하여 동작하는 냉매 터빈; A refrigerant turbine operating using a refrigerant;
상기 냉매 터빈에 연결되어 상기 냉매 터빈으로부터 배출된 기체 냉매를 액체 냉매로 변환시키는 응축기; A condenser connected to the refrigerant turbine to convert gas refrigerant discharged from the refrigerant turbine into a liquid refrigerant;
상기 응축기에 연결되어 액체 냉매를 받고 고압의 액체 냉매로 압축하며, 상기 냉매 터빈의 축에 내부 임펠러 회전축이 연결된 펌프; A pump connected to the condenser to receive a liquid refrigerant and compress the liquid refrigerant into a high pressure liquid refrigerant, and an internal impeller rotating shaft connected to an axis of the refrigerant turbine;
상기 펌프에 연결되어 액체 냉매를 기체 냉매로 변환시키는 기화기; 및 A vaporizer connected to the pump to convert a liquid refrigerant into a gas refrigerant; And
상기 펌프의 임펠러 회전축에 내부 로터 축이 일체로 연결되어 상기 펌프와 일체로 회전하여 발전하는 냉매 발전기;를 포함하여 구성되고, 상기 냉매 터빈, 응축기, 펌프 및 기화기들은 냉매가 순환하는 사이클을 형성하여 발전하는 것을 특징으로 하는 저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치를 제공한다. An internal rotor shaft is integrally connected to the impeller rotating shaft of the pump and is configured to include a refrigerant generator which rotates integrally with the pump to generate power. The refrigerant turbine, the condenser, the pump, and the vaporizer form a cycle in which the refrigerant circulates. Provided is a turbine generator using refrigerant for utilization of low temperature waste heat, characterized in that the power generation.
그리고 본 발명은 저온의 폐열에서 에너지를 획득하여 발전을 하는 저온 폐열을 이용한 발전장치에 있어서, And the present invention is a power generator using low temperature waste heat to generate energy by obtaining energy from low temperature waste heat,
냉매를 사용하여 동작하는 냉매 터빈; A refrigerant turbine operating using a refrigerant;
상기 냉매 터빈에 연결되어 상기 냉매 터빈으로부터 배출된 기체 냉매를 액체 냉매로 변환시키는 응축기; A condenser connected to the refrigerant turbine to convert gas refrigerant discharged from the refrigerant turbine into a liquid refrigerant;
상기 응축기에 연결되어 액체 냉매를 받고 고압의 액체 냉매로 압축하며, 상기 냉매 터빈의 축 일단에 내부 임펠러 회전축이 연결된 펌프; A pump connected to the condenser to receive a liquid refrigerant and compress the liquid refrigerant into a high pressure liquid refrigerant, and an internal impeller rotating shaft connected to one end of the shaft of the refrigerant turbine;
상기 펌프에 연결되어 액체 냉매를 기체 냉매로 변환시키는 기화기; 및 A vaporizer connected to the pump to convert a liquid refrigerant into a gas refrigerant; And
상기 냉매 터빈의 축 타단에 내부 로터 축이 일체로 연결되어 상기 냉매 터빈과 일체로 회전하여 발전하는 냉매 발전기;를 포함하여 구성되고, 상기 냉매 터빈, 응축기, 펌프 및 기화기들은 냉매가 순환하는 사이클을 형성하여 발전하는 것을 특징으로 하는 저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치를 제공한다. And a refrigerant generator in which the internal rotor shaft is integrally connected to the other end of the refrigerant turbine and integrally rotated with the refrigerant turbine to generate power. The refrigerant turbine, the condenser, the pump, and the vaporizer are configured to cycle through the refrigerant. It provides a turbine generator using refrigerant for utilization of low-temperature waste heat, characterized in that the power generation.
본 발명은 종래의 증기터빈 발전방식에서 증기터빈을 제거하고 냉매 터빈을 설치하였으며, 물을 액화시키는 복수기를 대신하여 열교환기인 응축기를 설치하여 냉매를 액화시킨다. 또한 물을 가압하는 일반 펌프 대신에 소형이면서 고속에서 작동하여 높은 효율을 얻는 펌프로 대체하여 냉매를 가압하는 방식을 갖는다. The present invention removes the steam turbine in the conventional steam turbine power generation method and installed the refrigerant turbine, and instead of the condenser for liquefying water to install a condenser, which is a heat exchanger to liquefy the refrigerant. In addition, instead of a general pump for pressurizing water, a compact and high-speed pump may be used to pressurize the refrigerant by replacing the pump with high efficiency.
그리고 본 발명은 물을 가열하였던 종래의 폐열회수보일러를 대신하여 열교환기인 기화기를 설치하여 공간의 축소와 비용의 감소가 이루어지도록 하는 것이며, 낮은 온도에서 열 교환이 쉽게 이루어지는 냉매를 사용하여 작은 공간이라도 충분히 설치할 수 있다. 뿐만 아니라 저온의 폐열이 방출되는 지역에서도 본 장치를 사용하여 발전할 수 있는 것이다. In addition, the present invention is to replace the conventional waste heat recovery boiler to heat the water to install a vaporizer, which is a heat exchanger to reduce the space and reduce the cost, even in a small space using a refrigerant that is easy to heat exchange at low temperatures We can install enough. In addition, the unit can generate power even in areas where low temperature waste heat is released.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 3은 본 발명에 따른 바람직한 실시 예로서 저온 폐열을 이용한 냉매 사용 터빈발전장치의 개략도를 나타내며, 종래의 발전장치와 비교할 때 물을 작동 유체로 사용하던 증기터빈과는 달리 열의 흡수와 방출이 저온에서도 용이하게 이루어지는 냉매를 작동 유체로서 사용한다. Figure 3 shows a schematic diagram of a turbine generator using refrigerant using low temperature waste heat as a preferred embodiment according to the present invention, unlike the steam turbine that used water as the working fluid compared to the conventional power generator is a low temperature absorption and release of heat Easily used refrigerants are used as the working fluid.
먼저 본 발명에 따른 저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치(1)의 특징적 구조는 다음과 같다. First, the characteristic structure of the turbine generator (1) using the refrigerant for the utilization of low-temperature waste heat according to the present invention is as follows.
본 발명은 냉매를 사용하여 동작하는 냉매 터빈(18)을 구비하며, 상기 냉매 터빈(18)에 연결되어 상기 냉매 터빈(18)으로부터 배출된 기체 냉매를 액체 냉매로 변환시키는 응축기(20)를 갖는다. The present invention includes a
본 발명은 저온 폐열에서 기체 상태인 냉매가 냉매 터빈(18)을 가동하는데 이 냉매 터빈(18)은 폐열의 양이 많으면 축류형 터빈을 적용하고, 폐열의 양이 적은 곳에서는 반경류형 터빈을 설치하여 가동하게 된다. The present invention operates a
그리고 본 발명은 상기 응축기(20)에 연결되어 액체 냉매를 받고 고압의 액체 냉매로 압축하며, 상기 냉매 터빈(18)의 축 일단에 내부 임펠러 회전축이 연결된 펌프(21)를 갖추며, 상기 펌프(21)는 물을 가압하는 일반 펌프 대신에 소형이면서 고속에서 작동하여 높은 효율을 얻는 터보펌프를 사용하여 냉매를 가압하는 방식이다. The present invention provides a
또한 본 발명은 상기 펌프(21)에 연결되어 액체 냉매를 기체 냉매로 변환시키는 기화기(22)를 갖는다. The invention also has a
본 발명에서 폐열의 흡수는 상기 기화기(22)에서 이루어지며, 이 폐열은 500℃ 온도 이하일 수 있으며, 이에 의하여 고압의 액체상태인 냉매가 기체 상태인 고압 냉매로 바뀌게 되며, 고압의 기체 냉매(23)는 냉매 터빈(18)의 블레이드에 공기력을 가하여 회전력을 얻는다. Absorption of waste heat in the present invention is made in the
그리고 본 발명은 상기 냉매 터빈(18)의 축 타단에 내부 로터의 축이 일체로 연결되어 상기 냉매 터빈(18)과 일체로 회전하여 발전하는 냉매 발전기(19)를 포함하여 구성된다. In addition, the present invention includes a
본 발명에 따른 저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치(1)는 터빈(18)의 축으로 펌프(21)의 축과 같이 사용하므로 터빈(18)에서 형성된 에너지의 일부를 펌프(21)를 가동하는데 소모하게 되며, 실제 작동 상에서 터빈(18)에서 얻어지는 에너지 양에 비하여 펌프(21)에서 소모하는 에너지의 양은 아주 적은 특징을 갖는다. Refrigerant use turbine generator for utilization of the low temperature waste heat according to the present invention (1) is used as the shaft of the
상기 터빈(18)의 축은 냉매발전기(19)의 축으로도 동시에 사용되는 특징을 갖고 있으며, 이러한 단축으로 작동하는 경우에 펌프(21)를 가동하기 위한 외부로부터의 전력공급이 없어도 되는 특징을 갖는다. The shaft of the
따라서 본 발명에 따른 저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치(1)는 구조도 단순하게 되고, 에너지의 변환으로 인한 효율의 감소도 줄어들게 되며, 추가적으로 냉매발전기(19)는 초기의 가동 시에는 단순한 조작으로 순간 기동모터로 작동하게 되어 기동을 위한 추가적인 장치가 필요 없는 단순한 구조이다. Therefore, the refrigerant using
또한 냉매를 기화시키는 기화기(22)와 냉매를 응축하는 응축기(20)는 일반적인 열교환기의 형태로 폐열을 이용한 열교환이나 대기의 공기를 이용한 응축과정에서 쉽게 사용되는 구조로 공간의 축소와 저비용의 장치로 이루어진다. In addition, the
그리고 냉매발전기(19)의 축은 냉매 터빈(18)의 축과 일체형으로 사용하므로 회전력에 부담이 되는 추가적인 질량의 원인이 될 수 있지만, 이를 최소화하기 위하여 축의 로터 부분에 마그네트(30)를 부착하고, 고정자의 부분에 코일(31)을 설치하여 일반적인 발전기(19)나 모터와는 반대의 배치 구조로 되어 있어서 터빈(18)의 회전력에 부담이 될 수 있는 추가적인 질량을 최소화할 수 있고, 그에 따른 효율의 감소가 발생하지 않는다. And because the shaft of the
한편 상기 냉매 터빈(18)에서 발생된 회전력은 터빈(18)의 축(27)에 연결된 펌프(21)와 냉매발전기(19)를 동시에 기동하게 되는데, 냉매발전기(19)에서는 발전을 얻게 되며, 냉매 터빈(18)에서 배출된 저압의 기체 냉매(24)는 응축기(20)을 지나면서 열을 방출하고 저압의 액체 냉매(25)로 변경된다. Meanwhile, the rotational force generated by the
또한 액체상태인 냉매는 냉매 터빈(18)과 동일 축으로 연결된 펌프(21)에 의하여 가압 되어 고압의 액체 냉매(26)로 변경되며, 기화기(22)에서 흡수하는 폐열에 의하여 또다시 기체 상태로 변경되며 터빈(18)을 가동하게 되는 사이클을 형성한다. In addition, the liquid refrigerant is pressurized by the
그리고, 상기 응축기(20)는 그 외 표면이 대기공기 또는 강, 호수, 바다에 있는 저온의 물에 노출되어 냉매를 응축시키는 구조이다. In addition, the
상기 응축기(20)는 기체상태의 대기공기를 이용할 수도 있으며, 강, 호수, 바다에 있는 저온의 물을 사용하여도 작동에는 문제가 없으며. 기화기(22)의 온도와, 응축기(20)에서의 온도차가 크면 클수록 발전량이 커지므로 저온의 폐열이 방출되는 지역에 따라서 응축기(20)의 사용방식은 다르게 할 수도 있다. The
상기에서 본 발명은 냉매 터빈(18)의 축(27)을 펌프(21)와 냉매발전기(19) 의 축으로 같이 사용하는 구조이나, 폐열 발생공간의 위치 제한 조건 등에 따라서 냉매 터빈(18)과 냉매발전기(19)는 같은 회전축으로 구성하고, 펌프(21)는 별개의 축을 사용하여 가동하여도 냉매 발전시스템의 사이클에는 아무런 문제가 되지가 않는다. As described above, the present invention uses the
도 4는 도 3의 발전방식에 대한 사이클 선도로서, 압력과 엔탈피의 관계를 나타내고 있으며 압력이 높은 경우에는 온도도 높으며, 압력이 낮은 경우에는 온도도 낮은 온도가 형성된다. FIG. 4 is a cycle diagram of the power generation method of FIG. 3, which shows the relationship between pressure and enthalpy. When the pressure is high, the temperature is high, and when the pressure is low, the temperature is also low.
이와 같은 사이클 선도에서 냉매의 포화 선도(28)의 안쪽에서는 기체 상태와 액체상태가 혼합된 이상(two-phase) 상태이며, 사이클 선도에서 위쪽은 고압의 액체 냉매(26)에서 고압의 기체 냉매(23)로 바뀌면서 기화기(22)에 의하여 이상 상태가 형성되고, 이러한 이상 상태에서는 온도와 압력이 일정하게 유지된다. In this cycle diagram, a gaseous state and a liquid state are mixed in a two-phase state inside the
마찬가지로 아래쪽의 저압의 기체 냉매(24)에서 저압의 액체 냉매(25)로 바뀌게 되는 경우에도 응축기(20)에 의하여 상(phase)의 변화가 발생되고, 이 경우에도 이상 상태가 되면서 온도와 압력의 변화가 일정하게 형성된다. Similarly, in the case where the low
상기 사이클의 우측은 고압의 기체 냉매(23)가 냉매 터빈(18)을 작동하고 저압의 기체 냉매(24)로 변경하는 경우인데, 냉매 터빈(18)에서의 작동은 기체상태의 냉매에서 엔트로피 선도를 기준으로 나타낸 것이며, 반면에 사이클 선도의 좌측에는 저압의 액체 냉매(25)를 펌프(21)에 의하여 고압의 액체 냉매(26)로 변경하는 경우에 얻어지는 선도로써 액체상태의 냉매에서 엔트로피 선도를 기준으로 얻어진 결과를 도시하고 있다. The right side of the cycle is the case where the high
도 5는 본 발명에서 얻어지는 에너지의 효과를 나타내는 사이클 선도로써 냉매 터빈(18)에서 얻어지는 획득에너지(29a)의 크기를 보여주며, 냉매를 가압하게 되는 펌프(21)에서 소모하게 되는 소모에너지(29b)의 크기를 나타낸다. 5 is a cycle diagram showing the effect of energy obtained in the present invention, which shows the magnitude of the acquired energy 29a obtained in the
이들을 비교하여 보면 획득에너지(29a)가 소모에너지(29b)에 비하여 상당히 큼을 알 수 있으며, 이러한 현상은 기체상태에서의 냉매 작동상태와 액체상태에서 냉매의 작동상태가 다르기 때문이다. Comparing them, it can be seen that the acquired energy 29a is considerably larger than the consumed
이들은 같은 압력의 차이가 있음에도 불구하고, 기체상태에서는 압력의 변화에 따라 에너지인 엔탈피의 변화가 액체상태에 비하여 상당히 크기 때문에 획득에너지(29a)가 소모에너지(29b)에 비하여 커지게 되며, 같은 장치에서라도 기화기(22)에서의 압력이 높으면 높을수록 획득에너지가 증가하고, 반면에 응축기(20)에서의 압력은 낮으면 낮을수록 획득에너지(29a)는 증가하게 되므로 발전 사이클의 효율은 증가하게 된다. Although they have the same pressure difference, the acquired energy 29a becomes larger than the consumed
또한 냉매의 압력이 증가하면 온도도 상승하게 되고, 만일 압력이 감소하게 되면 온도는 감소하므로, 본 장치의 사이클은 온도와 직접적인 관계를 갖고 있음을 나타내고 있다. 하지만 본 장치의 기화기(22)에서의 온도와 응축기(20)에서의 온도차가 40℃ 정도만 되어도 무난하게 에너지를 얻을 수 있으므로, 일반 대기의 온도가 20℃ 이라면 폐열의 온도가 60℃ 만 되어도 충분한 에너지를 얻게 되며, 만일 대기의 온도를 더욱더 낮아지면 더욱더 낮은 온도의 폐열이라도 동일하게 에너지를 얻게 되는 장점이 있다. In addition, as the pressure of the refrigerant increases, the temperature also increases, and if the pressure decreases, the temperature decreases, indicating that the cycle of the apparatus has a direct relationship with the temperature. However, since the energy difference between the temperature in the
또한 겨울철에는 버려지는 폐열을 이용하여 발전을 하고, 발전과정에서 응축기(20)에 의하여 방출되는 열을 난방으로도 활용가능하게 되며, 특히, 여름철인 경우에 대기온도보다 낮은 지열의 냉기를 이용하면, 보다 많은 에너지를 얻게 되며, 만일 폐열의 발생장소가 호수, 강, 바다 근처에 있다면 대기온도보다 찬 물을 사용하는 경우에도 동일한 온도의 폐열이라도 보다 많은 에너지를 획득할 수 있는 것이다. In addition, it generates electricity by using waste heat discarded in winter, and heat generated by the
도 6은 본 발명에 따른 저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치(1)를 도시한 것으로서, 냉매 터빈(18), 펌프(21), 냉매발전기(19)가 하나의 축으로 조립된 형상을 나타내는 구조도이다. 6 illustrates a refrigerant
상기에서 냉매 터빈(18)은 대형에 적합한 축류형으로 사용되며, 이러한 구성을 위한 기본적인 부품으로는 터빈(18) 축의 끝 부분에 조립된 냉매발전기(19)의 로터에 장착된 마그네트(30)와 그 주위를 감싸고 있는 발전기(19)의 코일(31)이 있다.
그리고 펌프(21)의 내부에는 펌프 임펠러(32)가 필요하며, 축류 터빈(18)의 블레이드(33)와, 상기 블레이드를 부착하는 디스크(34)와, 터빈(18)과 펌프(21) 사이에 실(seal)(35)이 적용되며, 각 로터(rotor)를 지지하는 베어링(36) 등으로 구성되는 특징을 갖는다. 이러한 구조에서는 펌프(21)를 가동하기 위한 다른 모터가 필요 없으므로 저비용의 구조이며, 에너지 변환에 따른 효율의 저감도 발생하지 않 는 장점이 있다. A
또한 단일 축으로 인한 정밀한 조립이 가능하며, 기동 시에는 냉매 발전기(19)를 순간 기동모터로 적용하므로 그 작동이 단순하며, 제작 시 비용이 감소되는 구조로 이루어져 있다. In addition, it is possible to precise assembly due to a single axis, since the
한편 도 7은 본 발명의 변형 구조를 나타낸 것이다. 이와 같은 변형 구조의 본 발명은 도 3 및 도 6에 관련하여 설명한 구조와 대부분 기본원리가 동일하며, 단지 배치 구조에서 차이가 있다. 따라서 본 발명의 변형 구조에서는 도 3 및 도 6에 관련하여 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고, 다소 배치 구조가 다른 부분에 대해서는 동일 부호에 첨자(')를 부여하여 도면상에 표시하기로 한다. 7 shows a modified structure of the present invention. The present invention of such a modified structure is mostly the same as the structure described with reference to Figures 3 and 6, the difference is only in the arrangement structure. Therefore, in the modified structure of the present invention, the same reference numerals will be given to the same parts in relation to FIGS. 3 and 6, and the subscripts (') will be given to the same reference numerals for parts having a different arrangement structure and will be displayed on the drawings. .
본 발명의 변형 구조에 따른 저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치(1')는 냉매 터빈(18')의 축 일단에 펌프(21')의 내부 임펠러(32') 회전축이 연결되고, 상기 냉매 터빈(18')의 축 타단에는 냉매 발전기(19')의 내부 마그네트(30')의 축이 일체로 연결되어 상기 냉매 터빈(18')과 일체로 회전하여 발전하는 구조이다. Refrigerant using turbine power generator (1 ') for utilization of the low-temperature waste heat according to the modified structure of the present invention is connected to the rotary shaft of the internal impeller 32' of the pump 21 'to one end of the shaft of the refrigerant turbine 18', The shaft of the internal magnet 30 'of the refrigerant generator 19' is integrally connected to the other end of the shaft of the refrigerant turbine 18 'so as to rotate and generate power integrally with the refrigerant turbine 18'.
이와 같은 본 발명의 변형 구조는 저온 폐열의 용량이 많지 않은 경우에 냉매 터빈(18')을 구심형 터빈을 사용하게 되며, 이는 축류형을 사용하는 경우보다 효과적인 것을 나타낸다. 이러한 구조에서는 상기 터빈(18')은 구심형 터빈의 임펠 러(37')를 나타내고 있으며, 조립 방식에 따라서 냉매발전기(19')를 터빈(18')의 위치에 설치할 수도 있으며, 이는 필요에 따라서 위치를 조정할 수 있음을 보여주고 있다. 또한 그 작동의 원리는 앞서의 축류형 터빈을 설치한 경우와 차이가 없다. Such a modified structure of the present invention uses a centrifugal turbine as the refrigerant turbine 18 'when the capacity of the low temperature waste heat is not large, which is more effective than when using the axial flow type. In this structure, the turbine 18 'represents an impeller 37' of a centrifugal turbine, and depending on the assembly method, the refrigerant generator 19 'may be installed at the position of the turbine 18', which is necessary. Therefore, the position can be adjusted. In addition, the principle of operation is not different from the case of installing the axial turbine.
상기와 같이 본 발명은 저온의 폐열을 이용하여 발전을 하는 경우에 열 흡수와 방출이 용이한 냉매를 사용하여 이를 달성하였고, 에너지의 획득을 터빈과 발전기를 사용하여 이루는 것이다. 그리고 사이클을 완성하기 위하여 펌프, 기화기, 응축기를 사용하며, 단일 축을 사용하여 부품수의 감소와 사이클의 효율을 증대시킬 수 있는 것이다. As described above, the present invention achieves this by using a refrigerant that is easy to absorb and release heat when generating power using low temperature waste heat, and achieves energy using a turbine and a generator. Pumps, vaporizers and condensers are used to complete the cycle, and a single shaft can be used to reduce component count and increase cycle efficiency.
본 발명에 의해서 얻어진 적은 부피, 단순구조의 저온 폐열을 이용하는 발전장치는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위한 것일 뿐이고, 이러한 특정 사항들 또는 특정 구조에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고서도 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이다. 그렇지만 그와 같은 수정 또는 변형 구조들은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속하게 됨을 미리 밝혀 두고자 한다. The power generation apparatus using the low volume, simple structure, low temperature waste heat obtained by the present invention is only for the general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to these specific matters or specific structures. Those skilled in the art may variously modify or change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. Nevertheless, it will be apparent that all such modifications or variations will fall within the scope of the present invention.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 종래의 발전장치에서는 연료를 사용하여 고온으로 만들어 발전하거나, 혹은 아주 높은 온도의 열원을 이용하여 발전이 가능하였고, 온도가 낮은 폐열의 경우에는 활용을 하지 못하였지만, 본 발명에서는 냉매를 사용하여 온도가 낮은 폐열의 경우라도 발전을 할 수 있는 것이다. As described above, according to the present invention, power generation is possible by using a fuel at a high temperature in a conventional power generation device, or power generation is possible by using a very high temperature heat source. In the present invention, it is possible to generate power even in the case of waste heat having a low temperature by using a refrigerant.
본 발명은 기화기와 응축기의 온도차가 40℃ 정도만 되어도 에너지를 충분히 획득하게 되며, 온도차가 커지게 되면, 더 많은 에너지를 얻게 되고, 만일 온도차가 줄어들게 되면 획득하는 에너지가 줄어드는 정도의 현상만 발생되므로 종래의 장치에서 고열만을 이용하는 경우에 비하여 상당히 효과적이다. According to the present invention, even if the temperature difference between the vaporizer and the condenser is only about 40 ° C., the energy is sufficiently obtained. When the temperature difference is increased, more energy is obtained, and if the temperature difference is reduced, only the degree of energy reduction is generated. Compared to the case of using only high heat in the device, it is quite effective.
또한 종래의 장치에서는 획득할 수 없는 저온의 에너지를 얻게 될 뿐만 아니라, 종래의 장치에서는 에너지의 획득이 불가능하여 버려졌었던 저온 폐열을 활용할 수 있음으로써 에너지 재생이 가능하여 산업체에서의 에너지 비용의 절감이 가능한 것이다. In addition, it is possible to obtain low-temperature energy that cannot be obtained in the conventional apparatus, and to utilize energy waste temperature that has been discarded because the energy cannot be obtained in the conventional apparatus, thereby regenerating energy, thereby reducing energy costs in the industry. This would be possible.
뿐만 아니라 본 발명은 대체 에너지원으로 지열 등을 활용하여 자가 발전을 이룰 수 있는 장치로서 에너지 관련 분야에서는 매우 유용한 효과가 얻어지는 것이다. In addition, the present invention is a device that can achieve self-generation by using geothermal heat as an alternative energy source is a very useful effect in the field of energy.
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