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KR100814615B1 - 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템 - Google Patents

흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템 Download PDF

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KR100814615B1
KR100814615B1 KR1020070050763A KR20070050763A KR100814615B1 KR 100814615 B1 KR100814615 B1 KR 100814615B1 KR 1020070050763 A KR1020070050763 A KR 1020070050763A KR 20070050763 A KR20070050763 A KR 20070050763A KR 100814615 B1 KR100814615 B1 KR 100814615B1
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KR
South Korea
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heat
absorption
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cooling water
heat exchange
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김수현
이현구
Original Assignee
엘에스전선 주식회사
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Abstract

본 발명은 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템에 관한 것으로, 특히 흡수식 사이클에서 증발기의 증발 잠열과 열교환 하는 저온 냉각수가 압축식 사이클에서 제1 팽창밸브를 통과하면서 일부 형성되는 냉매 증기와 서로 열 교환이 이루어질 수 있도록 하고, 아울러 하나의 구동원에서 제공되는 전력과 배기가스를 이용하여 흡수식 장치와 압축식 장치를 각각 운전시킬 수 있도록 구성함으로써, 자체적인 전력 생산은 물론, 하절기에 지역냉방을 효율적으로 수행할 수 있도록 한 것이다.
본 발명은, 배기가스와 전력을 제공하는 구동원(10); 상기 구동원(10)에서 제공되는 배기가스 배열이 고온 재생기(20)에 전달되도록 구동원(10)과 연결되고 상기 고온 재생기(20)에서 형성되는 냉매 증기가 흡수식 사이클로 운전되도록 흡수기(28), 응축기(24)를 포함하는 흡수식 장치(A); 상기 구동원(10)에서 제공되는 전력이 전력 라인(54)을 따라 압축기(40)에 인가되도록 연결되어 압축기(40)의 구동에 의해 형성되는 고온 고압 기체 냉매가 압축식 사이클로 운전되도록 응축기(42), 제1 및 제2 팽창밸브(44,46), 증발기(48)를 포함하는 압축식 장치(B); 상기 흡수식 장치(A)의 증발기(26)에 설치되어 증발 잠열과 열교환 되도록 냉각수가 순환되는 열교환 라인(34) 및; 상기 제1 팽창밸브(44)와 제2 팽창밸브(46)가 연결되는 라인(50)에 우회 연결되어 일부 형성되는 냉매 증기가 상기 열교환 라인(34)을 흐르는 냉각수와 열 교환되어 응축될 수 있도록 설치되는 열교환 라인(52); 상기 압축 식 장치(B)의 증발기(48)에 설치되어 증발 잠열과 열교환 되는 냉각수를 냉방 수로 사용할 수 있도록 열교환 라인(56)을 포함하여 구성되는 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템이 제공된다.
흡수, 압축, 사이클, 냉방, 열교환, 열, 배기가스, 전력

Description

흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템{Cogeneration System Using Compression Type Cycle and Absorption Type Cycle}
도 1은 본 발명에 따른 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템의 구성을 보여주는 개념도 이다.
도 2a는 도 1의 제2 열교환기와 압축식 장치를 보여주는 요부 도면이다.
도 2b는 도 2a에 대한 p-h선도 이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
10 : 구동원 12 : 제1 열교환기
14 : 고온 워터 자켓 냉각수 라인 16 : 저온 워터 자켓 냉각수 라인
18 : 배기가스 공급라인 20 : 고온 재생기
22,48 : 라인 24,42 : 응축기
26 : 증발기 28 : 흡수기
30 : 배기라인 32,34,36,52,56 : 열교환 라인
38 : 제2 열교환기 40 : 압축기
44 : 제1 팽창밸브 46 : 제2 팽창밸브
54 : 전력라인
본 발명은 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템에 관한 것으로, 본 발명에서는 구동원에서 제공되는 전력 일부와 배기가스의 배열을 이용하여 흡수식 장치 및 압축식 장치를 각각 운전시킬 수 있도록 하고, 아울러 흡수식 사이클에서 증발기의 증발 잠열과 열교환 하는 저온 냉각수와, 압축식 사이클에서 제1 팽창밸브를 통과하면서 형성되는 일부 냉매 증기가 서로 열교환 될 수 있도록 구성함으로써, 자체적인 전력생산은 물론 압축식 사이클이 가지는 냉동용량이 더 증대되어 배열을 이용한 지역냉방을 효율적으로 수행할 수 있도록 한 것이다.
일반적으로, 열 병합발전시스템(Cogeneration System)은, 발전을 통한 전력과 열 공급을 동시에 생산하여 에너지 이용률을 높이는 발전 시스템이다.
구체적으로, 엔진이나 터빈 등과 같은 구동원이 가동하면서 전력과, 배기가스의 배열을 동시에 생산하는 열 병합발전시스템을 이용하게 되면, 수용가에서 난방과 온수 사용을 위한 개별적인 보일러 가동 및 전력회사에서 제공되는 전력에 의존하지 않고 자체적으로 모두 수행할 수 있으므로 에너지 절약효과를 거둘 수 있는 장점이 있다.
위의 열 병합 발전시스템은, 구동원의 종류 혹은 타입에 따라 다소 차이가 있지만 예를 들어 구동원이 가스식 엔진일 경우, 약 120℃의 배기가스와 90℃의 냉각수로 배열이 발생하고, 터빈일 경우에는 약 300℃의 배기가스로 배열이 발생 되며, 이러한 배열을 이용하여 온수 및 난방을 수행하게 된다.
그런데, 상기 열 병합발전시스템에서 배기가스의 배열을 난방이 아닌 냉방의 열원으로 사용할 경우, 성적계수(coefficient of performance)가 낮은 중 온수 흡수식 냉동기를 별도로 설치하여야 하므로 냉방 효율이 좋지 못하다.
또한, 배기가스를 열원으로 사용하는 배기가스 흡수식 냉동기도 사용 가능하지만 역시 성적계수가 높지 않아 효율이 좋지 않고, 앞서 언급된 바와 같이 중 온수 흡수식 냉동기가 필수적으로 설치되어야 한다.
따라서, 위와 같은 문제로 인하여 현재 사용되고 있는 열 병합발전시스템으로는 지역냉방을 수행하기 어려워 에너지 이용에 대한 효율성을 더 높이는데 한계가 있다.
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 하나의 구동원을 통해 흡수식 장치와 압축식 장치를 운전시키고, 하절기에 지역냉방이 효율적으로 수행될 수 있도록 새로운 타입으로 개선된 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 배기가스와 전력을 제공하는 구동원; 상기 구동원에서 제공되는 배기가스 배열이 고온 재생기에 전달되도록 구동원과 연결되고 상기 고온 재생기에서 형성되는 냉매 증기가 흡수식 사이클로 운전되도록 흡수기, 응축기를 포함하는 흡수식 장치; 상기 구동원에서 제공되는 전력이 전력 라인을 따라 압축기에 인가되도록 연결되어 압축기의 구동에 의해 형성되는 고온 고압 기체 냉매가 압축식 사이클로 운전되도록 응축기, 제1 및 제2 팽창밸브, 증발기를 포함하는 압축식 장치; 상기 흡수식 장치의 증발기에 설치되어 증발 잠열과 열교환 되도록 냉각수가 순환되는 열교환 라인 및; 상기 제1 팽창밸브와 제2 팽창밸브가 연결되는 라인에 우회 연결되어 일부 형성되는 냉매 증기가 상기 열교환 라인을 흐르는 냉각수와 열 교환되어 응축될 수 있도록 설치되는 열교환 라인; 상기 압축식 장치의 증발기에 설치되어 증발 잠열과 열교환 되는 냉각수를 냉방 수로 사용할 수 있도록 열교환 라인을 포함하여 구성되는 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템에 기술적 특징이 있다.
또한, 상기에서 구동원과 고온 재생기 사이에 배치되고, 구동원으로부터 제공되는 배기가스가 배기가스 공급라인을 통해 공급되도록 연결되는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기와 고온 재생기 간에 배기가스의 배열을 전달하는 열 매체를 순환시키기 위한 라인을 포함하는 것이 바람직할 것이다.
또한, 상기에서, 구동원으로부터 제공되는 전력이 전력 라인을 따라 압축기에 인가되는 것이 바람직할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템의 구성을 보여주는 개념도 이다.
도면에서 보는 바와 같이, 전력과 열을 생산하는 구동원(10)(예를 들면 가스엔진, 터빈, 연료전지)과 제1 열교환기(12) 간에 연결되는 고온 워터 자켓 냉각수 라인(14) 및 저온 워터 자켓 냉각수 라인(16)을 통하여 냉각수가 각각 순환하면서 구동원(10)을 식혀주고, 아울러 구동원(10)으로부터 제공되는 배기가스가 제1 열교환기(12)로 공급될 수 있도록 배기가스 공급라인(18)이 연결되어 있다.
상기 제1 열교환기(12)와 흡수식 장치(A)의 고온 재생기(20) 간에는 배기가스 배열을 전달하기 위한 열 매체가 순환될 수 있도록 라인(22)을 통해 서로 연결된다. 이러한 상기 흡수식 장치(A)의 구성요소를 살펴보면 고온재생기(20), 응축기(24), 증발기(26), 흡수기(28)로 구성된다.
상기 고온재생기(20)에는 배기가스가 배출될 수 있도록 배기 라인(30)이 형성되며, 응축기(24)와 증발기(26) 및 흡수기(28)에는 각각 발생 되는 열과 열 교환이 이루어지도록 열교환 라인(32,34,36)이 설치되어 된다. 특히 상기 증발기(26)에 증발 잠열과 열교환 되는 열교환 라인(34)은 제2 열교환기(38)를 순환할 수 있도록 설치된다.
위와 같이 구성된 흡수식 장치(A)에서 흡수식 사이클에 대한 흐름과 일련의 동작과정은 일반적인 흡수식 장치 및 흡수식 사이클의 흐름과 동일하므로 생략한다.
한편, 압축기(40), 응축기(42), 제1 팽창밸브(44), 제2 팽창밸브(46), 증발기(48)로 구성되는 압축식 장치(B)에서 제1 팽창밸브(44)와 제2 팽창밸브(46)를 연결하는 라인(50) 상에는 우회하는 형태로 연결되는 열교환 라인(52)이 상기 열교환 라인(34)을 흐르는 냉각수에 의해 열 교환될 수 있도록 제2 열교환기(38)와 연결되어 있다.
상기 압축식 장치(B)의 압축기(40)는 구동원(10)에서 제공되는 전력으로 가동될 수 있도록 전력 라인(54)을 통해 연결되어 있고, 상기 증발기(48)에는 증발 잠열과 열 교환되도록 열교환 라인(56)이 설치되어 있다.
위와 같이 구성된 압축식 장치(B)에서 압축식 사이클에 대한 흐름과 일련의 동작과정은 일반적인 압축식 장치 및 압축식 사이클의 흐름과 동일하므로 생략한다.
위와 같이 구성된 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템에 대한 일련의 동작과정을 하기에서 설명하기로 한다.
가스엔진, 터빈, 연료전기 등과 같이 다양하게 구성되는 구동원(10)이 구동을 하게 되면서 전력과 고온의 배기가스가 발생 된다. 이때 이와 같이 발생 되는 전력 일부는 수용가로 공급되고, 일부 전력은 전력 라인(54)을 통해 압축장치(B)의 압축기(40)를 구동시켜 압축식 사이클에 대한 일련의 동작을 수행하게 된다.
한편, 상기 배기가스는 배기가스 공급라인(18)을 통해 제1 열교환기(12)로 공급되고, 배기가스의 배열과 열교환 되어 고온을 형성하는 열매체가 고온 재생기(20)로 공급되면서 흡수식 사이클에 대한 일련의 동작을 수행하게 된다.
먼저, 흡수식 장치(A)의 흡수식 사이클을 간략히 살펴보면, 고온 재생기(20)에서는 제1 열교환기(12)로부터 열교환 되어 전달되는 고온의 열 매체가 흡수액을 가열시켜 고온의 냉매 증기와 고농축 용액으로 분리시키며 이와 같이 분리된 고온의 냉매 증기는 응축기(24)로 공급된다.
상기 응축기(24)로 공급된 고온의 증기 냉매는 응축되면서 저온의 액체 냉매로 변환되어 증발기(26)로 공급된다.
상기 증발기(26)에서 증발한 냉매 증기는 흡수기(28)로 흡수되어 고온재생기(20)에서 농축한 흡수액에 흡수되고, 다시 고온 재생기(20)로 공급되는 일련의 과정을 반복하게 된다.
위와 같이 흡수식 사이클이 진행되는 동안 흡수식 장치(A)의 증발기(26)와 제2 열교환기(38) 간에 설치된 열교환 라인(34)을 순환하는 냉각수는 저온을 형성하게 되는데, 통상 12℃로 들어가 증발 잠열과 열교환 후 7℃로 나오게 된다.
한편, 상기 압축식 장치(B)의 압축식 사이클을 간략히 살펴보면, 상기에서 언급되었듯이 구동원(10)으로부터 제공되는 일부 전력에 의하여 압축기(40)가 구동을 하게 되면서 고온 고압을 형성하는 냉매 증기는 응축기(42)를 통해 응축되어 냉매액으로 변환된다.
상기 응축기(42)를 통과한 냉매액은 제1 팽창밸브(44)를 통과하면서 라인(50)을 따라 제2 팽창밸브(46)로 이송되는데, 이때 상기 제1 팽창밸브(44)를 통과하면서 증기로 변화된 일부 냉매 증기가 열교환 라인(52)을 따라 흐르게 된다.
그에 따라 상기 제 2열교환기(38)와 증발기(26) 간에 연결된 열교환 라 인(34)으로 흐르는 냉각수에 의해 열을 빼앗기는 열 교환을 통해 응축되며, 응축된 냉매액은 라인(50)을 따라 흐르는 나머지 냉매액과 합쳐져 제2 팽창밸브(46)로 모두 공급된다.
상기 제2 팽창밸브(46)를 통과한 냉매액은 증발기(48)로 공급되면서 증발하게 되는데, 이때 상기 증발기(48)에서 열교환 라인(56)을 따라 순환하는 냉각수와 열교환을 하게 되어 냉각수가 저온을 형성하게 되고, 이와 같이 열 교환된 저온의 냉각수는 수용가로 공급되어 냉방을 수행하게 된다.
도 2a 및 도 2b에서 보는 바와 같이 앞서 설명된 압축식 사이클과, 이에 대한 상태를 p-h선도를 통해 살펴보면, 압축기(40)를 통해 압축된 고온 고압의 냉매증기(b)는 응축기(42)를 지나면서 응축되어 냉매액(c)이 된다.
이러한, 상기 냉매액(c)은 제1 팽창밸브(44)를 통과하면서 일부 형성되는 냉매 증기(d)가 흡수식 장치(A)의 증발기(26)와 제2 열교환기(38)를 순환하는 열교환 라인(34)의 냉각수에 의해 응축되어 냉매액(e)으로 변환된다.
변환된 상기 냉매액(e)은 제1 팽창밸브(44)를 통과한 나머지 냉매액과 다시 합쳐져 제2 팽창밸브(46)를 통과하게 되며, 이와 같이 통과한 냉매액(f)은 증발기(48)에 들어가 증발하면서 열교환 라인(56)으로 흐르는 냉각수의 온도를 급격히 낮추게 되어 냉방을 효율적으로 수행할 수 있게 된다. 이 후 증발기(48)을 통과한 냉매액(a)는 다시 압축기(40)으로 회수되는 순환과정을 반복하게 된다.
즉, p-h선도에 나타낸 바와 같이 압축식 사이클에서의 냉동용량은 qe'에서 qe로 증가함을 알 수 있으며, 이와 같은 냉동용량의 증가에 의해 압축식 장치(B)의 성적계수가 증가하게 되므로 효율적인 냉방을 수행할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템을 사용하게 되면, 하나의 구동원(10)에서 전력을 생산하면서, 아울러 전력의 일부와 배기가스의 배열 이용하여 흡수식 장치(A) 및 압축식 장치(B)를 운전할 수 있도록 구동시켜 수용가에 전력공급은 물론, 하절기에 냉방을 효율적으로 수행할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템을 사용하게 되면, 앞서 설명된 바와 같이 하절기에 냉방을 수행할 수도 있지만, 동절기에 배기가스의 배열을 이용하여 난방도 수행할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 냉난방을 수행할 수 있도록 다양한 형태로 응용할 수 있음은 자명할 것이다. 나아가 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
이와 같이, 본 발명은 흡수식 사이클에서 증발기를 순환하는 저온의 냉수와, 압축식 사이클에서 응축기와 팽창밸브를 통과하면서 일부 형성되는 증기 냉매가 서 로 열 교환될 수 연결하고, 하나의 구동원에서 제공되는 전력 일부와 배기가스의 배열을 이용하여 상기 흡수식 장치 및 압축식 장치를 가동할 수 있도록 구성되어 압축식 사이클에서의 냉동용량 및 성적계수가 증가함으로써, 효율적인 냉방을 수행할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템을 사용하게 되면, 하나의 구동원에서 수용가에 공급하기 위한 전력을 생산하면서, 아울러 전력의 일부와 배기가스의 배열 이용하여 흡수식 장치 및 압축식 장치를 각각 가동시켜 하절기에 냉방을 효율적으로 수행함으로써 에너지 이용 효율을 높일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 상기 흡수식 장치의 가동을 제어하여 냉방 수행이 제어됨으로써, 제어과 쉽고 관리상에 편의를 제공할 수 있는 효과도 기대할 수 있다.

Claims (3)

  1. 배기가스와 전력을 제공하는 구동원(10);
    상기 구동원(10)에서 제공되는 배기가스 배열이 고온 재생기(20)에 전달되도록 구동원(10)과 연결되고 상기 고온 재생기(20)에서 형성되는 냉매 증기가 흡수식 사이클로 운전되도록 흡수기(28), 응축기(24)를 포함하는 흡수식 장치(A);
    압축기(40)의 구동에 의해 형성되는 고온 고압 기체 냉매가 압축식 사이클로 운전되도록 응축기(42), 제1 및 제2 팽창밸브(44,46), 증발기(48)를 포함하는 압축식 장치(B);
    상기 흡수식 장치(A)의 증발기(26)에 설치되어 증발 잠열과 열교환 되도록 냉각수가 순환되는 열교환 라인(34) 및;
    상기 제1 팽창밸브(44)와 제2 팽창밸브(46)가 연결되는 라인(50)에 우회 연결되어 일부 형성되는 냉매 증기가 상기 열교환 라인(34)을 흐르는 냉각수와 열 교환되어 응축될 수 있도록 설치되는 열교환 라인(52);
    상기 압축식 장치(B)의 증발기(48)에 설치되어 증발 잠열과 열교환 되는 냉각수를 냉방 수로 사용할 수 있도록 열교환 라인(56)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동원(10)과 고온 재생기(20) 사이에 배치되고, 구동원(10)으로부터 제공되는 배기가스가 배기가스 공급라인(18)을 통해 공급되도록 연결되는 제1 열교환기(12);
    상기 제1 열교환기(12)와 고온 재생기(20) 간에 배기가스의 배열을 전달하는 열 매체를 순환시키기 위한 라인(22)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동원(10)에서 제공되는 전력이 전력 라인(54)을 따라 압축기(40)에 인가되는 것을 특징으로 하는 흡수식 및 압축식 사이클을 이용한 열 병합발전시스템.
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