KR-102960560-B1 - Vessel combustion engine with the temperature control of the intake air and exhaust gas

KR102960560B1KR 102960560 B1KR102960560 B1KR 102960560B1KR-102960560-B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관은, 공기가 흡입되는 흡기관과 연소가스가 배기되는 배기관이 각각 형성된 연소유닛과, 배기관에 연결되어 연소가스와 열매(熱媒)유체를 열교환하는 제1 열교환기와, 흡기관에 연결되어 공기와 열매유체를 열교환하는 제2 열교환기와, 제1 열교환기와 제2 열교환기를 연결하여 열매유체를 제1 열교환기에서 제2 열교환기로 공급하는 열매공급관, 및 제2 열교환기와 제1 열교환기를 연결하여 열매유체를 제2 열교환기에서 제1 열교환기로 순환시키는 열매순환관을 포함할 수 있다.

Inventors

박성종

Assignees

삼성중공업 주식회사

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20210325

Claims (4)

공기가 흡입되는 흡기관과 연소가스가 배기되는 배기관이 각각 형성된 연소유닛; 상기 배기관에 연결되어 상기 연소가스와 열매(熱媒)유체를 열교환하는 제1 열교환기; 상기 흡기관에 연결되어 상기 공기와 상기 열매유체를 열교환하는 제2 열교환기; 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기를 연결하여 상기 열매유체를 상기 제1 열교환기에서 상기 제2 열교환기로 공급하는 열매공급관, 및 상기 제2 열교환기와 상기 제1 열교환기를 연결하여 상기 열매유체를 상기 제2 열교환기에서 상기 제1 열교환기로 순환시키는 열매순환관을 포함하되, 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기는 각각, 복수 개로 이루어져 상기 열매공급관과 상기 열매순환관에 병렬로 연결된 제1 열교환기유닛과 제2 열교환기유닛을 포함하고, 상기 제1 열교환기유닛은, 중앙에 상기 배기관이 관통하고 내부에 상기 열매유체의 수용공간이 형성된 링 형상으로 형성되며, 복수 개가 상기 배기관을 따라 직렬로 배열되어 독립적으로 동작하고, 상기 제2 열교환기유닛은, 중앙에 상기 흡기관이 관통하고 내부에 상기 열매유체의 수용공간이 형성된 링 형상으로 형성되며, 복수 개가 상기 흡기관을 따라 직렬로 배열되어 독립적으로 동작하는 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관.
삭제
삭제
제1 항에 있어서, 상기 열매공급관과 상기 열매순환관은 각각, 공통배관과, 상기 공통배관의 양단부가 분기되어 각각 상기 제1 열교환기유닛과 상기 제2 열교환기유닛으로 결합되는 분기관, 및 상기 분기관에 각각 형성된 제어밸브를 포함하는 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관.

Description

흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관{Vessel combustion engine with the temperature control of the intake air and exhaust gas} 본 발명은 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회수된 연소가스의 열에너지로 흡기를 데워 에너지 효율을 높일 수 있는 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관에 관한 것이다. 일반적으로, 선박의 추력을 위한 엔진이나 발전을 위한 엔진과 같은 내연기관은 외부에서 흡입된 공기와 연료를 함께 연소하여 기관 내부의 온도 및 압력 상태를 극적으로 변화시키며 동력을 발생시킨다. 이 때, 외부에서 흡입되는 공기의 온도가 너무 낮을 경우, 연소가 원활하게 되지 않으므로, 선박이 극저온 지방을 운항할 때에는 흡입된 공기를 데운 후 내연기관에 공급하고 있으며, 이에 따라, 별도의 히터 가동에 따른 에너지가 소모되고 있다. 한편, 연소된 연료는 연소가스 형태로 배출되며, 고온 고압의 연소가스가 배출될 때 연소가스의 급격한 팽창에 따른 배기소음도 함께 방사된다. 연소가스는 과량의 열에너지를 포함하고 있으므로, 그대로 대기 중에 배출할 경우, 외부 환경에 부정적인 영향을 끼치는 것은 물론, 연소가스의 열에너지가 소실되어 에너지 효율 면에서도 큰 손실이 된다. 특히, 배출되는 연소가스의 온도가 높을수록 음속이 빨라져 배기소음의 크기가 커지게 되므로, 배기관에 설치되는 소음기와, 소음기 내부에 설치되어 특정 주파수의 소음을 저감시키는 공명기의 크기를 크게 설계해야 하며, 소음기와 공명기의 크기가 커지면, 배기관 내 많은 공간을 차지하는 문제가 있다. 또한, 소음기에 고가의 내열 재료를 적용해야 하므로, 비용이 증가하는 문제도 있다. 이에, 연소가스의 열에너지를 회수하여 효율적으로 사용할 수 있는 구조의 선박용 연소기관이 필요하게 되었다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 열교환기유닛을 확대하여 도시한 도면이다. 도 3 및 도 4는 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관의 동작을 설명하기 위한 작동도이다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관에 관하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관은 연료를 연소하여 동력을 발생시키는 장치로, 예를 들어, 극저온 지방을 운항하는 선박에 설치될 수 있다. 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관은 연소가스의 열에너지를 회수한 열매유체를 순환시켜 흡기를 데우므로, 별도의 히터를 가동할 필요가 없어 에너지를 줄일 수 있고 열에너지의 소실을 방지하여 에너지 효율을 높일 수 있다. 특히, 열에너지가 회수되어 연소가스의 온도가 낮아짐에 따라, 소음기의 소음 저감 성능이 최대로 유지될 수 있음은 물론, 소음기 및 공명기의 크기를 줄일 수 있어 배기관 내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다. 또한, 배기관 및 소음기에 작용하는 열응력을 줄일 수 있어 소음기에 사용되는 재료를 다양하게 선택할 수 있으며, 이에 따라, 고가의 내열 재료를 적용할 필요가 없어 비용도 절감할 수 있는 특징이 있다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관(1)에 관하여 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 열교환기유닛을 확대하여 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 흡배기 온도 조절 기능을 갖는 선박용 연소기관(1)은 연소유닛(10)과, 제1 열교환기(20)와, 제2 열교환기(30)와, 열매공급관(40), 및 열매순환관(50)을 포함한다. 연소유닛(10)은 연료를 연소하여 기계적 에너지를 발생시키는 장치로서, 예를 들어, 가솔린엔진, 디젤엔진, 가스엔진 등의 내연기관일 수 있다. 연소유닛(10)은 공기가 흡입되는 흡기관(11)과, 연소가스가 배기되는 배기관(12)이 형성되어, 흡기관(11)을 통해 흡입한 공기를 연료와 혼합한 후 연소시켜 동력을 얻으며, 연소과정에서 발생한 연소가스는 배기관(12)을 통해 외부로 배출한다. 흡기관(11) 상에는 공기를 압축하는 압축기(도시되지 않음)를 비롯하여 압축공기의 온도를 낮추어 밀도를 상승시키는 인터쿨러(도시되지 않음) 등이 설치될 수 있으며, 배기관(12) 상에는 배기소음을 저감시키는 소음기(도시되지 않음)를 비롯하여 연소가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적촉매환원반응기(도시되지 않음) 등이 설치될 수 있다. 도면 상에는 흡기관(11)과 배기관(12)이 서로 나란하게 연장되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 흡기관(11)과 배기관(12)의 배치는 다양하게 변형될 수 있다. 배기관(12)과 흡기관(11)에는 각각 제1 열교환기(20)와 제2 열교환기(30)가 연결된다. 제1 열교환기(20)는 연소가스와 열매(熱媒, heat medium)유체를 열교환하여 연소가스의 온도는 낮추고 열매유체의 온도를 높이는 장치로, 배기관(12) 상에 설치된다. 여기서, 열매유체라 함은, 열을 저장할 수 있는 유체를 통칭하며, 예를 들어, 증류수 또는 증류과정을 거친 청수(fresh water)일 수도 있고, 프레온, 암모니아, 부탄, 이소펜탄, 실리콘 오일 등 유기화합물로 이루어진 냉매(refrigerant) 중에서 선택된 어느 하나, 보다 구체적으로, R134a, R245fa, R401, R410 등일 수도 있다. 배기관(12) 상에 제1 열교환기(20)가 설치됨으로써, 연소가스의 열에너지가 열매유체에 회수되어 연소가스의 온도가 낮아질 수 있으며, 이로 인해, 소음기의 소음 저감 성능이 최대로 유지될 수 있고, 소음기 및 공명기의 크기를 줄일 수 있어 배기관(12) 내 공간 활용도가 증대될 수 있다. 또한, 배기관(12) 및 소음기에 작용하는 열응력을 줄일 수 있어 소음기에 사용되는 재료를 다양하게 선택할 수 있으며, 이에 따라, 고가의 내열 재료를 적용할 필요가 없어 비용도 절감할 수 있다. 제1 열교환기(20)의 구조에 대해서는 후술하여 보다 구체적으로 설명한다. 제2 열교환기(30)는 공기와 열매유체를 열교환하여 공기의 온도를 높이는 장치로, 흡기관(11) 상에 설치된다. 즉, 제1 열교환기(20)에서 연소가스와 열교환하여 온도가 높아진 열매유체는, 제2 열교환기(30)에서 공기와 열교환하여 공기에 열에너지를 전달하며, 이로 인해, 연소유닛(10)으로 공급되는 공기의 온도가 높아질 수 있다. 연소가스의 열에너지를 회수한 열매유체로 흡기를 데움으로써, 선박이 극저온 지방을 운항하더라도 별도의 히터를 가동하여 흡기를 데울 필요가 없으며, 이에 따라, 히터의 가동에 소모되던 에너지를 줄일 수 있다. 제2 열교환기(30)는 제1 열교환기(20)보다 높은 위치에 위치할 수 있다. 제2 열교환기(30)가 제1 열교환기(20)보다 높은 위치에 위치하면, 후술할 열매순환관(50) 상에 별도의 펌프가 설치되지 않더라도 높이 차에 의해 열매유체가 용이하게 순환할 수 있다. 그러나, 제2 열교환기(30)가 제1 열교환기(20)보다 높은 위치에 위치하는 것으로 한정될 것은 아니며, 필요에 따라, 제1 열교환기(20)가 제2 열교환기(30)보다 높은 위치에 위치할 수도 있고, 제1 열교환기(20)와 제2 열교환기(30)가 동일한 높이에 위치할 수도 있다. 제2 열교환기(30)의 구조에 대해서는 후술하여 보다 구체적으로 설명한다. 제1 열교환기(20)와 제2 열교환기(30)는 열매공급관(40)과 열매순환관(50)에 의해 서로 연결된다. 열매공급관(40)은 제1 열교환기(20)와 제2 열교환기(30)를 연결하여 열매유체를 제1 열교환기(20)에서 제2 열교환기(30)로 공급한다. 즉, 제1 열교환기(20)에서 연소가스와 열교환하여 온도가 높아진 열매유체는 열매공급관(40)을 통해 제2 열교환기(30)로 공급된다. 열매공급관(40) 상에는 펌프(도면부호 미도시)가 설치되므로, 열에너지를 회수한 열매유체는 열에너지를 소실하지 않고 신속하게 제2 열교환기(30)로 공급될 수 있다. 열매순환관(50)은 제2 열교환기(30)와 제1 열교환기(20)를 연결하여 열매유체를 제2 열교환기(30)에서 제1 열교환기(20)로 순환시킨다. 즉, 제2 열교환기(30)에서 공기와 열교환하여 온도가 낮아진 열매유체는 열매순환관(50)을 통해 제1 열교환기(20)로 순환된다. 열매공급관(40)과 열매순환관(50)의 구조에 대해서는 후술하여 보다 구체적으로 설명한다. 전술한 제1 열교환기(20)는 복수 개로 이루어져 열매공급관(40)과 열매순환관(50)에 병렬로 연결된 제1 열교환기유닛(20a)을 포함하며, 각각의 제1 열교환기유닛(20a)은 중앙에 배기관(12)이 관통하고 내부에 열매유체의 수용공간(21)이 형성된 링 형상의 부재로 형성될 수 있다. 복수 개의 제1 열교환기유닛(20a)은 배기관(12)을 따라 직렬로 연결되어 독립적으로 동작할 수 있으며, 예를 들어, 연소가스가 유입되는 배기관(12)의 입구(12a) 측과 근접한 제1 열교환기유닛(20a)이 상대적으로 먼저 동작할 수 있다. 연소가스가 유입되는 배기관(12)의 입구(12a) 측과 근접한 제1 열교환기유닛(20a)이 먼저 동작하면, 열매유체가 고온의 연소가스와 상대적으로 빨리 열교환할 수 있어 열에너지가 보다 효과적으로 회수될 수 있다. 또한, 복수 개의 제1 열교환기유닛(20a)은 각각의 수용공간(21)의 용량이 서로 같