KR200456118Y1 - 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박 - Google Patents

Abstract

본 고안은 주기관, 보조기관 및 보일러 드레인 냉각기의 냉각수와 같은 온도에서 쉽게 기화되고 상온 또는 해수온과 같은 온도에서 쉽게 액화되는 작동유체를 이용하여 증발기와 응축기를 반복 순환시켜 기화, 액화과정을 반복하게 함으로써 발전을 하는 유기 랜킨 사이클 장치를 선박의 각종 열기관의 냉각시스템에 장착함으로써 기존에 해상에 방출되던 에너지를 재활용함으로써 연료유를 절약하고 온실가스 배출을 저감할 수 있도록 한 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박에 관한 것으로; 청수로 냉각하는 열기관, 청수와 해수가 흐르며, 서로 열교환하는 열교환기, 상기 열기관과 열교환기를 연결하며 열기관으로부터 배출된 온청수가 흐르는 온청수라인, 상기 열기관과 열교환기를 연결하며 열교환기로부터 배출된 냉청수가 흐르는 냉청수라인, 선체 외부로부터 유입된 해수가 열교환기로 흐르도록 안내하는 냉해수라인, 열교환기에서 청수와 열교환 배출된 해수가 배출되는 온해수라인, 증발기, 터빈, 응축기 및 펌프를 작동유체가 순환하면서 전력을 생산하는 유기 랜킨 사이클 장치를 포함하여 구성되되; 상기 유기 랜킨 사이클 장치의 증발기는 상기 온청수라인과 열교환하고, 응축기는 상기 냉해수라인과 열교환하도록 구성됨을 특징으로 한다.

Description

온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박{ENERGY SAVING SHIP WITH POWER GENERATION SYSTEM USING ORC}

본 고안은 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기 랜킬 사이클 장치를 설치하되, 이 유기 랜킨 사이클 장치는 선박 열기관의 냉각수 및 해수와 열교환함으로써 전력을 생산하도록 한 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박에 관한 것이다.

일반적으로 선박은 주기관에서 화석 연료를 연소시켜 발생하는 열에너지를 프로펠러가 장착된 추진축의 회전 운동에너지로 변환하여 추진을 하게 된다.

일례로 약 8,000TEU급 컨테이너 선박의 경우, 주기관에서 추진을 위해 사용되는 연료는 시간당 15톤에 달하며, 이와 같이 다량의 연료유를 연소시킬 경우 발생하는 열도 상당하게 된다.

이 열에너지의 일부는 운동에너지로 변환되어 선박의 추진에 이용되지만 운동에너지로 변환되지 않는 부분은, 통상 청수(淸水) 및 해수(海水)를 이용한 냉각시스템을 가동시켜 기관 외부로 배출시켜 주기관의 과열을 방지해 주고 있다.

따라서, 선박 항해중에는 항시 냉각시스템이 가동되기 때문에 중형 또는 대형 선박의 경우 대량의 온수와 냉수가 선체 내부에서 순환을 하게 된다.

선박 주기관(11)의 냉각시스템의 순환과정을 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 이 냉각시스템에서는 냉청수라인(14)을 통해 유입되는 냉청수를 이용해 주기관(11)의 열을 흡수하고, 열을 흡수해서 온도가 높아진 온청수를 온청수라인(13)을 통해 열교환기(12)로 배출하여 열교환기(12) 내에서 냉해수라인(15)을 통해 유입된 해수와 열교환시킴으로써 주기관(11)을 냉각되게 된다.

이때, 온청수로부터 열을 흡수해 온도가 높아진 온해수는 온해수라인(16)을 통해 해양으로 배출되게 된다.

선박의 추진을 위해 이용되는 주기관 이외에, 선체 내의 각종 펌프, 거주 구역 내부의 각종 시설, 화물의 적하 및 양하를 위해 사용되는 크레인 등 선박에서 사용되는 각종 전기장치에 공급되는 전력을 생산하는 보조기관, 보일러 등의 설비의 경우에도 대량의 연료유 사용으로 인한 기계장치의 과열을 방지하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같은 주기관(11)과 동일한 순환과정을 갖는 냉각시스템이 작동하게 된다.

그러나 이와 같은 순환 과정에서는 대량의 열이 재이용되지 못하고 해상 등으로 버려지는 문제점이 있다.

그리고 근래에 범지구적인 온실가스 규제 움직임에 선박도 자유롭지 못한 상황에서 선체 내에서 이용할 수 있는 에너지 자원을 최대한 활용하여 에너지를 절감하고 화석연료의 사용을 감축하여 온실가스 배출을 저감할 수 있는 기술의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하고 현 실정에 요구되는 사항을 충족하기 위해 안출된 것으로서, 본 고안은 주기관, 보조기관 및 보일러 드레인 냉각기의 냉각수와 같은 온도에서 쉽게 기화되고 상온 또는 해수온과 같은 온도에서 쉽게 액화되는 작동유체를 이용하여 증발기와 응축기를 반복 순환시켜 기화, 액화과정을 반복하게 함으로써 발전을 하는 유기 랜킨 사이클 장치를 선박의 각종 열기관의 냉각시스템에 장착함으로써 기존에 해상에 방출되던 에너지를 재활용하여 연료유를 절약하고 온실가스 배출을 저감할 수 있도록 한 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

특히, 본 고안은 고열원인 주기관, 보조기관 및 보일러 드레인 냉각기의 냉각수를 고열원(高熱源)으로, 해수를 저열원(低熱源)으로 하여 온도차(溫度差)를 이용한 발전장치를 구성함으로써, 에너지 재활용 효율을 극대화할 수 있는 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박을 제공하고자 하는데 목적 있다.

상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명인 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박은,

청수로 냉각하는 열기관,

청수와 해수가 흐르며, 서로 열교환하는 열교환기,

상기 열기관과 열교환기를 연결하며 열기관으로부터 배출된 온청수가 흐르는 온청수라인,

상기 열기관과 열교환기를 연결하며 열교환기로부터 배출된 냉청수가 흐르는 냉청수라인,

선체 외부로부터 유입된 해수가 열교환기로 흐르도록 하는 냉해수라인,

열교환기에서 청수와 열교환된 해수가 배출되는 온해수라인,

증발기, 터빈, 응축기 및 펌프를 작동유체가 순환하면서 전력을 생산하는 유기 랜킨 사이클 장치를 포함하여 구성되되;

상기 유기 랜킨 사이클 장치의 증발기는 상기 온청수라인과 열교환하고, 응축기는 선외로부터 유입되는 해수와 열교환하도록 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은,

상기 냉해수라인과 온해수라인을 연결하며 열교환기를 바이패스하는 해수 분기라인을 더 포함하여 구성되되;

상기 응축기는 상기 해수 분기라인과 열교환하도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 과제해결수단을 통해, 본 고안은 선박 열기관의 과열방지를 위해 구동하는 고온의 냉각수와, 저온의 해수를 이용하여 증발기와 응축기에서 작동유체의 기화와 액화를 반복시킴으로써 지속적으로 터빈을 구동하여 전력을 생산하여 기존 선박의 시스템에서 방출되어 버려지는 자원을 재활용할 수 있는 이점이 있다.

특히 중, 대형 선박의 경우에 냉각시스템의 가동을 위하여 순환되는 온수 및 냉수의 유량이 상당하고 또한 이 냉각시스템은 항시 가동되어야 하므로 지속적으로 대량의 전력을 생산함으로써 연료유 사용을 절감하고 아울러 선박 온실가스 배출 저감 효과도 기대할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 선박의 열기관의 냉각시스템의 냉각장치를 도시한 개념도이다.
도 2는 유기 랜킨 사이클 장치를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 고안에 따른 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 고안에 따른 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박의 또 다른 일 실시예를 도시한 개념도이다.

본 고안에 따른 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 유기 랜킨 사이클 장치를 도시한 개념도이며, 도 3은 본 고안에 따른 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박의 일 실시예를 도시한 개념도이며, 도 4는 본 고안에 따른 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박의 또 다른 일 실시예를 도시한 개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 유기 랜킨 사이클(Organic rankine cycle) 장치(20)는 증발기(21)에서 외부 열원로부터 열을 흡수하여(정압가열과정) 작동유체가 기화되면 사이클 장치(20) 내의 압력이 급격히 증가하게 되고, 증가된 압력으로 인해 사이클 내부에 설치된 터빈(22)이 회전하게 되며, 이때 회전하는 터빈(22)의 회전 운동에너지를 전기에너지로 전환함으로써 전력을 생산하게 되는 것이다(단열팽창과정).

그리고 터빈(22)을 구동하고 통과된 기체는 다시 응축기(23)로 유입, 외부 열원과의 열교환을 통해 열을 잃고(정압방열과정) 응축하게 되고(단열압축과정), 이때 액화된 작동유체를 펌프(24)를 이용해 증발기(21)로 재순환시켜 지속적으로 전력을 생산하게 된다.

이러한 유기 랜킨 사이클 장치(20)는 고온측의 외부 열원(고열원)의 온도가 높을수록, 그리고 저온측의 외부 열원(저열원)의 온도가 낮을수록 효율이 높아지는 특징이 있다.

본 고안은 도 2에 도시된 바와 같은 유기 랜킨 사이클 장치(20)를 선박의 주기관, 보조기관, 보일러와 같은 각종 열기관(11)의 냉각시스템에 도 3에 도시된 바와 같이 설치하여 전력을 생산하도록 한 것이다.

구체적으로 설명하면, 본 고안에 따른 선박에는 일반적으로 순환하는 청수(淸水,Fresh water)로 냉각을 하는 열기관(11)이 구비되며, 이 열기관(11)에 의해 가열되어 고온(高溫)인 청수는 해수(海水,Sea water)가 순환하는 열교환기(12)를 통과함으로써 해수와 열교환하여 냉각이 이루어진다.

이를 위해, 열기관(11)과 열교환기(12) 사이에는 온청수(溫淸水)라인(13)이 설치되는데, 이 온청수라인(13)은 열기관(11)으로 배출된 온청수가 흘러 열교환기(12)로 유입되도록 하는 배관이다.

또한, 열기관(11)과 열교환기(12) 사이에는 냉청수(冷淸水)라인(14)이 설치되는데, 이 냉청수라인(14)은 열교환기(12)에서 해수와 열교환함으로써 냉각되어 배출되는 냉청수가 흘러서 열기관(11)으로 유입되도록 하는 배관이다.

그리고 본 고안에서는 선체 외부로부터 유입된 해수(海水)가 열교환기(12)로 흐르도록 안내하는 냉해수(冷海水)라인(15)과, 열교환기(12)에서 청수와 열교환 배출된 해수가 배출되는 온해수(溫海水)라인(16)이 구비된다.

이러한 구성을 통해, 청수는 열기관(11) --> 온청수라인(13) --> 열교환기(12) --> 냉청수라인(14) --> 열기관(11)의 순으로 순환하게 되고, 해수는 선외(船外) --> 냉해수라인(15) --> 열교환기(12) --> 온해수라인(16) --> 선외(船外)로 배출되면서, 청수와 해수는 열교환기(12)에서 열교환하게 된다.

그리고 본 고안에서는, 상술한 바와 같이, 증발기(21), 터빈(22), 응축기(23) 및 펌프(24)를 작동유체가 순환하면서 전력을 생산하는 유기 랜킨 사이클 장치(20)가 구비되는데, 여기서, 유기 랜킨 사이클 장치(20)의 증발기(21)는 온청수라인(13)과, 유기 랜킨 사이클의 응축기(23)는 냉해수라인(15)과 열교환할 수 있도록 구성된다.

이와 같은 구성을 통해, 유기 랜킨 사이클 장치(20)의 증발기(21)에서는 작동유체가 온청수라인(13)으로부터 열을 흡수하여 기화하고 기화한 작동유체는 터빈(22)을 돌려 전력을 생산한다.

그리고 기화한 상태의 작동유체는 응축기(23)에서 상기 냉해수라인(15)으로 열을 방출하고 응축하여 액화하고, 액화한 상태로 펌프(24)에 의해 증발기(21)로 이송되게 되며, 이러한 과정을 통해 본 고안에서는 전력을 생산하여 에너지를 절약하게 되는 것이다.

이하, 응용례로서, 본 고안에 따른 온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박의 또 다른 일 실시예에 대해 설명한다.

이 실시예에서는, 앞서 설명한 실시예와 마찬가지로 증발기(21), 터빈(22), 응축기(23) 및 펌프(24)를 작동유체가 순환하면서 전력을 생산하는 유기 랜킨 사이클 장치(20)가 구비되며, 유기 랜킨 사이클 장치(20)의 증발기(21)는 온청수라인(13)과 열교환하며, 유기 랜킨 사이클의 응축기(23)는 해수라인과 열교환하되, 냉해수라인(15)과 온해수라인(16)을 연결하며 열교환기(12)를 바이패스하는 해수 분기라인(17)을 두고, 유기 랜킨 사이클의 응축기(23)가 이 해수 분기라인(17)과 열교환할 수 있도록 구성된다.

이와 같은 구성을 통해, 유기 랜킨 사이클 장치(20)의 증발기(21)에서는 작동유체가 온청수라인(13)으로부터 열을 흡수하여 기화하고 기화한 작동유체는 터빈(22)을 돌려 전력을 생산한다.

그리고 기화한 상태의 작동유체는 응축기(23)에서 상기 해수 분기라인(17)으로 열을 방출하고 응축하여 액화하고, 액화한 상태로 펌프(24)에 의해 증발기(21)로 이송되게 되며, 이러한 과정을 통해 본 고안에서는 전력을 생산하여 에너지를 절약하게 되는 것이다.

이 실시예에서는 증발기(21)와 열교환한 해수를 열교환기(12)로 공급하지 않고 바로 선외로 배출함으로써 해수의 온도 상승으로 인한 열교환기(12)에 효율감소와 같은 악영향을 주지 않을 수 있는 이점이 있다.

11: 열기관 12: 열교환기
13: 온청수라인 14: 냉청수라인
15: 냉해수라인 16: 온해수라인
20: 유기 랜킨 사이클 장치 21: 증발기
22: 터빈 23: 응축기
24: 펌프

Claims (2)

1. 청수로 냉각하는 열기관,
   청수와 해수가 흐르며, 서로 열교환하는 열교환기,
   상기 열기관과 열교환기를 연결하며 열기관으로부터 배출된 온청수가 흐르는 온청수라인,
   상기 열기관과 열교환기를 연결하며 열교환기로부터 배출된 냉청수가 흐르는 냉청수라인,
   선체 외부로부터 유입된 해수가 열교환기로 흐르도록 하는 냉해수라인,
   열교환기에서 청수와 열교환된 해수가 배출되는 온해수라인,
   상기 냉해수라인과 온해수라인을 연결하며 열교환기를 바이패스하는 해수 분기라인 및
   증발기, 터빈, 응축기 및 펌프를 작동유체가 순환하면서 전력을 생산하는 유기 랜킨 사이클 장치를 포함하여 구성되되;
   상기 유기 랜킨 사이클 장치의 증발기는 상기 온청수라인과 열교환하고, 응축기는 상기 해수 분기라인과 열교환하도록 구성됨을 특징으로 하는
   온도차를 이용한 발전장치를 장착한 에너지절약형 선박
   
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