작동 유체의 손실 없이 부품 교체가 가능한 가정용 열병합 발전시스템

작동 유체의 손실 없이 부품 교체가 가능한 가정용 열병합 발전시스템{DOMESTIC COMBINED HEAT AND POWER SYSTEM WHERE COMPONENTS ARE REPLACEABLE WITHOUT LOSS OF WORKING FLUID}

본 발명은 가정용 열병합 발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 작동 유체의 손실 없이 부품을 교체할 수 있는 가정용 열병합 발전시스템에 관한 것이다.

아파트 단지 등 공동주택단지의 난방방식은 난방하는 장소에 열량을 공급하는 방법에 따라서 중앙난방, 지역난방, 개별난방이 있다.

중앙난방은 지하실 또는 별도의 장소에 보일러 등의 열원을 설치하고, 이로부터 각 가정에 증기, 온수 또는 온풍 등의 열매체를 공급하여 난방하는 방식이다.

지역난방은 아파트 단지 등에 개별적으로 열 생산 시설을 갖추는 대신에 열병합발전소, 쓰레기 소각로 등 집중된 대규모의 열 생산 시설에서 생산된 온수를 지하에 매설된 배관을 통하여 일정 지역의 아파트 단지 등에 공급하는 난방방식이다.

개별난방은 각각의 가정에서 개별의 난방기를 채용하여 단독으로 난방하는 방식이다. 개별난방은 각 가정이 원하는 시간에 난방을 하도록 조절할 수 있고, 사용한 만큼만 요금을 내는 장점이 있다. 그러나 개별난방은 소규모 보일러를 사용하기 때문에 열효율이 떨어져 연료비가 지역난방보다 더 든다는 단점이 있다.

이와 같은 단점을 해결하기 위한 방안으로서 에너지 효율이 높은 가정용 열병합 발전시스템(Combined Heat and Power System)이 제시되고 있다. 가정용 열병합 발전시스템은 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 종합 에너지 시스템으로 일반적으로 고온부는 전력을 생산하기 위한 동력원으로 사용하고, 저온부는 열원으로 사용한다.

도 1은 종래의 가정용 열병합 발전시스템을 간략하게 도시한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 보일러(1)에서 작동 유체를 가열한 후 고온·고압의 가스 상태의 작동 유체를 이용해서 교류 발전기(4)와 연결된 팽창기(2)를 가동시켜 전기를 생산한 후 팽창기(2)에서 배출되는 저온·저압의 작동 유체를 이용하여 열교환 방식으로 온수통(3)에 저장된 온수를 가열한다.

종래의 가정용 열병합 발전시스템에서 순환펌프(5), 팽창기(2) 등 주요 부품의 교체가 필요한 경우에는 순환배관 내의 작동 유체를 모두 외부의 컨테이너로 배출시킨 후 부품을 교체하고, 다시 순환배관에 작동 유체를 공급하는 방법을 사용하였다.

상술한 종래의 가정용 열병합 발전시스템은 부품의 교체를 위해 순환배관 내부의 작동 유체 모두를 외부로 배출하여야 하며, 또한, 부품 교체 후 작동 유체 모두를 다시 주입하여야 하므로, 부품의 교체에 많은 시간이 소요된다는 문제가 있었다. 또한, 부품 교체 시간동안 작동 유체를 보관하기 위한 별도의 컨테이너가 필요하다는 문제도 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 작동 유체의 손실을 방지하면서도 빠른 시간 안에 부품을 교체할 수 있는 가정용 열병합 발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 작동 유체를 보관하기 위한 별도의 컨테이너가 필요 없는 가정용 열병합 발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템은 작동 유체가 흐르는 순환배관 및 상기 순환배관에 설치되어 상기 작동 유체를 순환시키는 순환펌프와, 상기 순환배관에 흐르는 상기 작동 유체를 가열하여 고온·고압의 가스 상태로 변환시키는 보일러와, 오일에 의해서 윤활되며 상기 고온·고압의 가스 상태의 상기 작동 유체의 팽창력을 회전력으로 변환하는 팽창기와, 상기 팽창기를 원동기로 하여 전기에너지를 생산하는 발전기와, 상기 팽창기에서 배출된 저온·저압의 가스 상태의 상기 작동 유체와 열교환을 하여, 저장된 온수를 가열하고, 저온·저압의 가스 상태의 상기 작동 유체를 저온·저압의 액체 상태로 변환시키는 온수통을 포함하는 가정용 열병합 발전시스템으로서, 상기 보일러, 팽창기, 유분리기, 온수통, 순환펌프 중 적어도 하나의 부품의 상류 측과 하류 측에 각각 차단 밸브가 설치되며, 한 쌍의 차단 밸브 중 어느 하나의 차단 밸브와 상기 부품 사이의 순환배관에는 유출 포트가 설치되며, 그 부품이 설치되지 않은 한 쌍의 차단 밸브의 사이 순환배관에는 유입 포트가 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 가정용 열병합 발전시스템은 상기 유출 포트와 유입 포트를 연결하는 연결배관과 상기 연결배관에 설치된 펌프를 더 포함할 수 있다.

상기 작동 유체는 메탄올, 에탄올, HFC계열의 냉매 또는 HCFC계열의 냉매인 것이 바람직하다.

또한, 펌프 공동현상(cavitation)을 방지하기 위해서, 상기 순환펌프의 상류 측 순환배관에 상기 작동 유체를 저장하도록 구성된 저장통이 설치된 것이 바람직하다.

또한, 상기 팽창기의 하류 측에 설치되어, 팽창기에서 배출된 작동 유체로부터 오일을 분리하도록 구성된 유분리기와, 유분리기에서 분리된 오일을 온수통을 바이패스하여 순환펌프 상류 측 순환배관 또는 순환펌프에 공급하는 오일공급유로를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 순환펌프는 상기 순환펌프의 내부 압력이 미리 정해진 압력 이상으로 증가하면 상기 순환펌프를 보호하기 위해 작동 유체를 상기 순환펌프의 외부로 배출시키도록 구성된 토출 밸브를 포함하며, 상기 토출 밸브에서 배출된 작동 유체가 상기 순환펌프의 상류 측 순환배관에 전달되도록, 상기 순환펌프의 토출 밸브와 상기 순환펌프의 상류 측 순환배관을 연결하는 회수배관을 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템은 작동 유체의 손실을 방지하면서, 빠른 시간 안에 부품을 교체할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 작동 유체를 보관하기 위한 별도의 컨테이너가 필요하지 않다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 가정용 열병합 발전시스템을 간략하게 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 일실시예를 간략하게 도시한 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 팽창기를 간략하게 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 다른 실시예를 간략하게 도시한 개념도이다.
도 5 내지 6은 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 또 다른 실시예를 간략하게 도시한 개념도이다.
도 7은 도 6에 도시된 실시예에서 팽창기의 교체 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 일실시예를 간략하게 도시한 개념도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 일실시예는 작동 유체가 흐르는 순환배관(10) 및 순환펌프(11), 작동 유체를 가열하는 보일러(20), 팽창기(30), 발전기(39),온수동(40) 및 유분리기(50)를 포함한다.

작동 유체는 온도 및 상 변화에 의해서 열에너지를 흡수하고 방출하는 역할을 한다. 작동 유체는 가정용 열병합 발전시스템의 각각의 구성요소들을 서로 연결하고 있는 순환배관(10)을 따라서 이용하면서 열에너지를 전달한다.

본 발명에 있어서 작동 유체로는 메탄올, 에탄올, HFC계열의 냉매 또는 HCFC계열의 냉매를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템에서는 온수통(40)이 응축기로서의 역할을 하므로, 온수통(40)에 저장된 온수의 온도에 비해서 작동 유체의 응축온도가 높아야 온수통(40)에서의 열교환을 통해 작동 유체가 응축되기 때문이다. 순환펌프(11)는 액체만 펌핑할 수 있으므로, 작동 유체는 팽창 후 반드시 응축되어야 한다. 응축온도가 낮은 다른 작동 유체를 사용할 경우에는 온수통(40) 외에 별도의 응축기가 더 필요할 수 있다.

순환배관(10)에는 작동 유체를 순환시키기 위한 순환펌프(11)가 설치된다. 순환펌프(11)는 순환펌프(11)를 윤활하기 위한 오일이 필요하다.

보일러(20)는 물이나 기름이 저장된 탱크(21)와 그 탱크(21)를 가열하는 가열장치(22)를 포함한다. 가열장치(22)는 탱크(21)의 아래에 배치되며, 가열장치(22)에 공급되는 기름이나 가스와 같은 연료를 태워서 탱크(21)를 가열한다. 보일러(20)의 탱크(21) 내부에는 열교환을 위한 코일형태의 배관(23)이 설치되어 있으며, 순환배관(10)은 이 배관(23)과 연결된다.

보일러(20)를 통과한 작동 유체는 보일러(20) 내부의 탱크(21)에 저장된 물이나 기름으로부터 열을 흡수하여 고온·고압의 가스 형태로 변환된다.

고온·고압의 가스 형태의 작동 유체는 팽창기(30)로 유입되어 팽창기(30)의 회전자(34)를 회전시킨다. 팽창기(30)는 윤활유에 의해 윤활 및 시일을 행하는 오일 윤활식 스크루 팽창기 또는 스크롤 팽창기일 수 있다. 팽창기(30)가 회전하면 팽창기(30)에 연결된 회전형 발전기(39)에서 발전이 이루어진다. 팽창기(30)를 회전시키는 과정에서 열에너지를 소모한 작동 유체는 저온·저압의 가스 형태로 팽창기(30)에서 배출된다.

도 3은 도 2에 도시된 팽창기를 간략하게 도시한 개념도이다. 도 3을 참고하면, 팽창기(30)는 하우징(33)과 회전자(34)를 포함한다.

하우징(33)은 작동 유체 유입 영역(351)과 폐 작동 유체 유출 영역(352)으로 나뉘는 내부공간(35)을 형성한다. 하우징(33)에는 팽창기(30) 상류 측 순환배관(10)과 연결되어 작동 유체 유입 영역(351)에 고온·고압의 가스 상태의 작동 유체를 공급하는 유입구(36)가 형성된다. 또한, 폐 작동 유체 유출 영역(352)과 연결되어 저온·저압의 가스 상태로 변화된 작동 유체를 팽창기(30) 하류 측 순환배관(10)에 공급하는 유출구(37)가 형성된다.

회전자(34)는 하우징(33)의 내부공간(35)에 설치되어 고온·고압의 가스 상태의 작동 유체의 열에너지에 의해서 회전하면서 작동 유체의 열에너지를 소비하여 작동 유체를 저온·저압의 가스 상태로 변환시키는 역할을 한다. 회전자(34)는 회전자 샤프트(341)와 회전자 샤프트(341)의 길이 방향을 따라서 설치된 날개(342)를 포함한다.

회전자(34)가 원활하게 회전하기 위해서는 고온·고압 상태에서도 점성을 유지하는 오일이 작동 유체와 함께 팽창기(30)의 내부로 공급되어야 한다. 오일은 유입구(36)를 통해서 작동 유체와 함께 팽창기(30)의 내부로 공급된다. 그리고 유출구(37)를 통해서 작동 유체와 함께 배출된다.

회전형 발전기(39)는 팽창기(30)를 원동기로 하여 전기에너지를 생산한다. 즉, 팽창기(30)가 회전하면 팽창기(30)에 연결된 회전형 발전기(39)의 회전자(미도시)가 회전하면서 발전이 이루어진다.

유분리기(50)는 팽창기(30)에서 배출된 작동 유체로부터 오일을 분리한다. 유분리기(50)는 종래의 기술로부터 알려져 있으므로, 자세하게 설명하지 않는다. 유분리기(50)에 의해 분리된 오일은 온수통(40)을 바이패스하는 오일공급유로(51)를 통해서 순환펌프(11)에 인접한 순환펌프(11) 상류 측 순환배관(10) 또는 순환펌프(11)에 직접 공급된다. 오일공급유로(51)는 고압부에서 저압부로 오일을 공급하므로, 별도의 오일 공급 펌프가 필요하지 않다. 또한, 오일은 온수통(40)에서 열교환에 의해서 냉각되기 전에 회수되어, 오일공급유로(51)로 흐르기 때문에 충분한 유동성이 있어서 순환펌프(11)에 쉽게 공급될 수 있다. 순환펌프(11)를 지난 오일은 작동 유체와 함께 보일러(20)를 거쳐서 다시 팽창기(30)에 공급된다.

다시, 도 2를 참고하면, 팽창기(30)에서 배출된 작동 유체는 온수가 저장되어 있는 온수통(40) 내부에 설치된 코일형태의 배관(41)을 통과하면서 저온·저압의 액체 형태로 상변화를 일으키면서 열에너지를 온수통(40) 내부의 온수에 전달한다. 이때, 작동 유체의 내부에는 오일이 포함되어 있지 않기 때문에 코일형태의 배관(41)에서 오일이 냉각에 따른 점도 상승으로 배관(41)의 내면에 부착되는 일이 발생하지 않는다. 배관(41)의 내면에 오일이 부착되면 열전도율이 떨어져서, 온수통(40)에 저장된 물에 충분한 열을 전달하지 못한다.

온수통(40)은 온수를 사용하는 각종 부하(6)들과 연결되어 있다. 예를 들어, 온수통(40)은 세면대, 욕조, 샤워기 등의 온수 부하(6)들과 연결될 수 있다. 온수 부하(6)에서 온수를 사용하면, 온수통(40)과 연결된 상수도 배관(미도시)을 통해서 냉수가 보충된다.

도 4는 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 다른 실시예를 간략하게 도시한 개념도이다. 도 4에 따른 실시예는 부분적으로 도 2에 도시된 실시예와 일치한다. 따라서 반복을 생략하기 위해서 상술한 설명을 참조한다. 여기서 동일한 세부 부재에 대해서 동일한 부재번호가 사용된다.

본 실시예의 독특한 점은 순환펌프(11)의 상류 측에 펌프 공동현상(cavitation)을 방지하기 위한 저장통(13)이 설치된다는 점이다. 펌프 공동현상은 유체의 속도 변화에 의한 압력 변화로 인해 유체 속에 공동이 생기는 현상을 말하며, 소음, 진동, 부식의 원인이 된다. 저장통(13)은 펌프 상류 측에 설치되어, 작동 유체를 저장하였다가 펌프에 공급하는 역할을 한다. 즉, 저장통(13)은 펌프에 공급되는 작동 유체의 유량을 일정하게 하는 버퍼 역할을 하여, 작동 유체의 유량이나 유속의 변화에 의해서 펌프 공동현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 또 다른 실시예를 간략하게 도시한 개념도이다. 도 5에 따른 실시예는 부분적으로 도 2에 도시된 실시예와 일치한다. 따라서 반복을 생략하기 위해서 상술한 설명을 참조한다. 여기서 동일한 세부 부재에 대해서 동일한 부재번호가 사용된다.

본 실시예의 독특한 점은 순환펌프(11)와 순환펌프(11)의 전단 상류 측 순환배관(10)을 연결하는 회수배관(14)을 더 포함한다는 점이다. 그리고 순환펌프(11)는 과도한 압력에 의한 순환펌프(11)의 손상을 방지하기 위해서, 순환펌프(11)에 과도한 압력이 인가될 때 작동 유체를 순환펌프(11)의 외부로 배출시키는 토출 밸브(11a)를 구비한다. 그러나 순환펌프(11)의 보호를 위해 작동 유체가 외부로 배출되면 시스템 내의 작동 유체가 부족해질 수 있다는 문제가 있다. 작동 유체를 추가로 보충할 수는 있으나, 시간과 비용이 소요된다. 본 실시예에서 회수배관(14)은 순환펌프(11)의 토출 밸브(11a)에서 배출된 작동 유체를 외부로 배출시키는 것이 아니라 압력이 낮은 순환펌프(11)의 상류 측으로 전달하는 역할을 한다. 본 실시예는 순환펌프(11)를 과압으로부터 보호하는 동시에 작동 유체의 손실도 방지할 수 있다는 장점이 있다.

도 6은 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 또 다른 실시예를 간략하게 도시한 개념도이다. 도 6에 따른 실시예는 부분적으로 도 2에 도시된 실시예와 일치한다. 따라서 반복을 생략하기 위해서 상술한 설명을 참조한다. 여기서 동일한 세부 부재에 대해서 동일한 부재번호가 사용된다.

본 실시예의 독특한 점은 본 시스템의 부품들 중에서 교체될 가능성이 있는 부품의 상류 측과 하류 측에 각각 차단 밸브(15)가 설치되며, 한 쌍의 차단 밸브(15) 중 어느 하나의 차단 밸브와 주요 부품 사이의 순환배관(10-1)에는 유출 포트(16)가 설치되며, 그 부품이 설치되지 않은, 한 쌍의 차단 밸브(15)의 사이 순환배관(10-2)에는 유입 포트(17)가 설치된다는 점이다.

교체될 가능성이 높은 부품으로는, 예를 들어, 순환펌프(11), 팽창기(30), 보일러(20), 유분리기(50) 등이 있다. 본 실시예는 작동 유체의 손실 없이, 손쉽게 부품의 교체가 가능하다는 장점이 있다.

예를 들어, 팽창기(30)에 이상이 있는 경우에는 팽창기(30) 주위에 설치된 한 쌍의 차단 밸브(15b)를 이용하여 차단 밸브(15b) 사이의 순환배관(10-1) 및 팽창기(30)에 저장된 작동 유체를 나머지 순환배관(10-2)으로부터 격리시킨다. 그리고 도 7에 도시된 바와 같이, 유출 포트(16b)와 유입 포트(17)를 별도의 펌프(18)가 설치된 연결배관(19)을 이용하여 서로 연결한다. 그리고 펌프(18)를 가동하면, 차단 밸브(15b) 사이의 순환배관(10-1) 및 팽창기(30)에 저장된 작동 유체가 유입 포트(17)를 통해서 나머지 순환배관(10-2)으로 유입된다. 그리고 팽창기(30)를 교체하고, 한 쌍의 차단 밸브(15b)를 개방하면, 작동 유체의 손실 없이 팽창기(30)의 교체가 가능하다. 팽창기(30)를 예로 들어 설명하였으나, 다른 부품들도 같은 방법으로 간단하게 교체할 수 있음은 자명하다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

예를 들어, 보일러(20)는 탱크(21)를 구비하는 것으로 설명하였으나, 별도의 탱크 없이 순환배관(10)을 직접 가열하는 방식의 보일러도 사용될 수 있다. 이때, 열전달 효율을 향상시키기 위해 가열되는 위치의 순환배관(10)에는 핀이 달려있을 수 있다.

10: 순환배관 11: 순환펌프
13: 저장통 14: 회수배관
15: 차단밸브 16: 유출포트
17: 유입포트 18: 펌프
19: 연결배관 20: 보일러
21: 탱크 22: 가열장치
30: 팽창기 33: 하우징
34: 회전자 35: 내부공간
351: 냉매 유입 영역 352: 폐 냉매 유출 영역
36: 유입구 37: 유출구
39: 발전기 40: 온수통
50: 유분리기 51: 오일공급유로