KR100334886B1

KR100334886B1 - 터보냉동기용 팽창밸브

Info

Publication number: KR100334886B1
Application number: KR1019990051722A
Authority: KR
Inventors: 이현구; 정진희
Original assignee: 권문구; 엘지전선 주식회사
Priority date: 1999-11-20
Filing date: 1999-11-20
Publication date: 2002-05-02
Also published as: KR20010047476A

Abstract

팽창부에 임계유동이 형성되지 않으며 교축조절이 용이한 터보냉동기용 팽창밸브에 관한 것으로, 응축기와 증발기의 사이에 개재되어 냉매액을 교축시켜 압력강화시키기 위한 터보냉동기용 교축장치로서,

직경(D)인 유동면적을 갖는 교축 배관(52)과; 상기 교축 배관(52)의 냉매 유로상에 적어도 하나의 원판형 밸브디스크(54)를 회동 조작가능하게 설치하되, 상기 밸브디스크(54)상에는 교축 입구에서 냉매의 상태에 따라 밀도 및 음속을 산출하여 결정된 임계 목 면적비에 의해 천공율(ε)을 설정하고, 이 천공율(ε)에 따라 직경 (d)으로 관통된 다수개의 홀(55)을 형성시켜 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

터보냉동기용 팽창밸브{An expansion valve for centrifugal chillers}

본 발명은 냉동사이클의 교축장치에 관한 것으로, 특히 팽창부에 임계유동이 형성되지 않으며 교축조절이 용이한 터보냉동기용 팽창밸브에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 1단 압축방식의 냉동싸이클 선도이다.

증발기에서 증발된 냉매가스(상태①)는 압축기에서 압축되어 고온 고압의 과열냉매가스(상태②)로 응축기로 보내져서 냉각수와 열교환을 통해 열을 버리고 포화냉매가스(상태③)에서 냉매액(상태④)으로 응축된다.

응축된 냉매액은 밸브 혹은 오리피스로 구성된 교축장치를 거쳐 다시 증발기내로 돌아가는 순환을 계속하게 된다.

응축기 출구④에서 냉매의 상태는 고온(상용 터보 냉동기의 경우 약40℃) 포화액 또는 과냉액이다. 터보 냉동기 제작 및 구조상의 문제로 교축장치가 바로 응축기 바닥에 설치하기 힘들기 때문에 쉘-튜브형식의 응축기와 증발기 사이에 냉매배관을 하고 그 가운데 교축장치를 설치하게 된다.

따라서 응축기의 냉매액이 교축장치 입구에 도달하면서 배관손실 등에 의해 약간의 플래시 가스가 발생(상태⑤)하게 된다.

팽창부 출구에서 증발기 하단의 디스트리뷰터까지 팽창이 일부 일어나므로 실제 교축장치 하류의 냉매 상태는 도 1에서 ⑥과 같다.

터보냉동기에 사용되는 교축장치로 종래에는 도 2,3과 같이 다공판 오리피스 형태의 고정식 교축장치 혹은 구조가 간단한 버터플라이밸브 등을 한 개 혹은 여러개 또는 이들을 오리피스와 조합하여 사용하였다. 교축장치 입구 냉매상태가 응축된 포화액 냉매 또는 과냉액 냉매인 경우 목 면적비(팽창밸브를 통과하는 유효유동면적/배관유동면적)만 잘 정해주면 한 개의 교축장치로 원하는 압력강하(단단 R123)터보냉동기의 경우 팽창부 압력강하는 약 3bar, R134a 터보냉동기의 경우 팽창부 압력강하는 약 7bar를 요구)를 얻을 수 있다.

그러나 플래시 가스를 함유한 액냉매에서는 음속이 급격히 감소하기 때문에 팽창부에서 자칫 임계유동에 도달하여 쵸크가 되면 냉매의 순환유량 미달로 냉동용량을 얻을 수 없다.

이와 같은 이유로 교축장치로 고정식 오리피스를 사용할 경우 팽창부 입구의냉매의 상태를 잘 예측하여 목 면적비를 결정해야 하며, 한번의 교축으로 원하는 압력 강하를 얻을 수 없는 경우 몇 개의 오리피스를 조합하여 사용하기도 한다.

반면, 버터플라이 밸브와 같은 가변식 교축장치를 사용할 경우, 밸브 개도에 따라 목 면적비를 조절하기 쉬우므로 팽창부 설계가 용이한 장점이 있다.

그러나 밸브의 개도 조정이 힘들뿐만 아니라 일정 개도 이하가 되면 쵸크가 되는 단점이 있다.

본 발명은 종래 교축장치에서 나타나는 이러한 문제점을 보완하기 위해 종래의 버터플라이 밸브방식의 교축장치에서 밸브디스크를 다공판으로 교체하여 밸브 전폐시까지 쵸크가 걸리지 않게 하면서 개도 조정에 따라 교축조절이 미세하게 이뤄지도록 한 터보냉동기용 팽창밸브를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,

응축기와 증발기의 사이에 개재되어 냉매액을 교축시켜 압력 강화시키기 위한 터보냉동기용 교축장치로서,

직경(D)인 유동면적을 갖는 교축 배관(52)과;

상기 교축 배관(52)의 냉매 유로상에 적어도 하나의 원판형 밸브디스크(54)를 회동 조작 가능하게 설치하되, 상기 밸브디스크(54)상에는 교축 입구에서 냉매의 상태에 따라 밀도 및 음속을 산출하여 결정된 임계 목면적비에 의해 천공율(ε)을 설정하고, 이 천공율(ε)에 따라 직경(d)으로 관통된 다수개의 홀(55)을 형성시켜 포함한 것을 특징으로 한다.

도 1은 1단 터보냉동기의 냉동 싸이클 선도 그래프.

도 2 및 도 3은 종래 터보냉동기용 교축장치의 서로 다른 예시도.

도 4는 교축과정중 냉매의 음속 및 밀도변화를 선도로 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 팽창밸브의 구성도 및 요부확대 평면도.

먼저, 터보냉동기에는 HCFC계열의 R123과 HFC계열의 R134a 냉매가 대체 냉매로 가장 많이 쓰이고 있다.

40℃ 포화액일 때 R123 냉매의 경우 음속은 644m/s이고, R134a 냉매의 경우 음속은 436m/s이다.

응축기에서 교축장치까지 배관 압력손실에 의해 팽창부 입구에서 약간의 플래시 가스가 발생하게 되면 유체의 음속은 급격히 감소한다.

이상 유체의 상태를 기체와 액체가 골고루 섞인 상태(homogeneous two phase flow)라고 가정하고, 응축기 하단에서 40℃ 냉매 포화액이 도 1의 상태④에서 상태 ⑦까지 팽창할때 R123 및 R134냉매의 음속변화를 나타내면 도 4와 같다.

그림에서 x축은 냉매의 온도이며 팽창부를 거치면서 우에서 좌로 냉매의 상태가 이동한다.

그림에서 실선은 R134a 냉매를 점선은 R123냉매를 각각 나타내며, 냉매의 온도강하에 따라 감소하는 곡선은 교축 과정중 좌측 y축에 해당하는 냉매의 건도변화를, 냉매의 온도변화에 따라 증가하는 곡선은 냉매의 교축과정중 우측 y축에 해당하는 냉매의 음속변화를 나타낸다.

배관압력 손실에 의해 냉매가 1℃ 온도강하하면, 즉 냉매온도 39℃일 때 R123의 건도는 0.006이며, 유체의 음속은 3.7m/s이고, 같은 경우 R134a의 건도는 0.009, 음속은 12.9m/s로 포화액에 비해 33∼160배 감소한다.

이와 같이 교축장치 입구에서 이상 유체의 음속이 작아지기 때문에 쵸크가걸리지 않는 목 면적비에 제약을 받게 된다.

본 발명의 터보냉동기용 팽창밸브는 도 5에서와 같이 직경(D)인 유동면적을 갖는 교축 배관(52)과, 상기 교축 배관(52)의 냉매 유로상에 적어도 하나의 원판형 밸브디스크(54)를 회동 조작 가능하게 설치하되, 상기 밸브디스크(54)상에는 교축 입구에서 냉매의 상태에 따라 밀도 및 음속을 산출하여 결정된 임계 목면적비에 의해 천공율(ε)을 설정하고, 이 천공율(ε)에 따라 직경(d)으로 관통된 다수개의 홀(55)을 형성시켜 포함한 것을 특징으로 한다.

이때 상기 홀(55)의 개수(N)는 천공율(ε)×(D/d)²로 결정된다.

또한 상기 밸브디스크(54)의 개도 조정에 따라 교축조절이 가능하도록 한 것을 특징으로 한다.

즉, 팽창부 입구에서 냉매의 상태에 따라 밀도, 음속을 계산하여, 임계 목 면적비를 결정하고, 이에 따라 밸브디스크(54)의 천공율(ε)을 결정한다.

밸브디스크(54)의 천공율(ε)은 도 5에서 홀(55)의 직경(d)과 개수(N)로 조정한다.

한 개의 밸브로 요구되는 압력 강하를 낼 수 없는 경우 2개 혹은 3개를 조합하여 사용하되, 각각의 밸브 입출구 상태를 밸브 전폐시 이론적 압력 강하량에 따라 예측하고, 이에 따라 결정된 임계 목 면적비에 맞추어 밸브디스크(54)의 천공율 (ε)을 결정하면 된다.

실제 핑창부에서 냉매의 상태는 기체와 액체가 골고루 섞인 상태가 아니기때문에 교축(목 면적비)의 미세한 조정이 필요하다.

이 경우 각각의 밸브 개도를 조정하여 최적의 냉동사이클을 구성하게 되는 것이다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

터보 냉동기의 기준용량은 500RT급(미국 냉동톤)을 예로 든다.

R123냉매를 사용하고 도 1과 같이 1단 사이클을 구성하면, 단위 질량당 증발잠열은 상태 ①에서 냉매의 엔탈피와 상태⑦에서 엔탈피의 차가 된다.

증발기 냉매 포화온도를 5도, 냉매 단위질량당 증발잠열은 143kJ/㎏이고, 500RT는 1,757kW에 해당하므로 냉매 질량 유량이 12.3kg/s 필요하다.

응축기에서 증발기에 이르는 팽창부 배관의 최소 직경은 상태 ⑦에 의해 결정된다.

도 4에 나타난 바와 같이 이상 유동의 경우 건도에 따라 음속과 밀도의 변화가 심하다.

음속은 교축과정을 통해 증가하고, 밀도는 교축을 통해 급격히 감소한다.

냉매의 질량유량에서 각 상태의 밀도 및 음속을 나누면, 임계유동이 형성되지 않는 최소 유동면적이 구해진다. 이를 정리하면, 표 1과 같다.

냉매	교축과정중 냉매온도(℃)	임계유동이 되는 유동면적(비)
R123	39	0.234
	36	0.265
	7	0.9
	5	1.0(내경155mm배관기준)
R134a	39	0.32
	36	0.351
	7	0.93
	5	1.0(내경63mm배관기준)

상태 ⑦에서 최소유동 면적은 0.0186㎡이고, 관경 155㎜에 해당하므로, 팽창부 배관을 155㎜ 이상으로 하고, 팽창밸브를 냉매온도가 39℃인 곳에 설치하면, 최소유동면적, 즉 밸브디스크의 천공율이 23.4％ 보다 커야 밸브 전폐시까지 임계유동이 형성되지 않는다.

한편, 이러한 밸브 1개 만으로 교축에 필요한 압력 강하를 얻지 못할 경우 2개 혹은 3개를 같은 요령으로 설계,조합하여 사용할 수 있다.

R134a 냉매의 경우 R123냉매에 비해 냉매의 밀도가 크기 때문에 체적유량이 작아 교축 과정중 최소 유동면적을 크게 요구하지 않는다.

표 1에서와 같이 증발기 입구(상태⑦)에서 최소 유동면적을 확보하기 위해 팽창부의 배관은 내경 63㎜이면 된다.

팽창밸브를 냉매온도 39℃인 곳에 설치하면, 밸브 디스크의 천공율은 32％ 이상이 요구된다.

R123의 경우 배관(52)의 직경(D)은 150mm로 선정하고, 목면적비 4.3 : 1(천공율 23.4%)를 맞추기 위해 도 5에서 홀(55)의 직경(d)이 6.8㎜일 때 그 개수 114개를 밸브 디스크(54)면에 방사형으로 분포시켜 가공하면 된다.

한편, R134a 냉매인 경우 대용량의 터보냉동기와의 배관 호환성을 위해 팽창부 배관(52)으로 내직경(D) 125㎜인 원형 파이프를 사용하면, 목면적비가 12 : 1일 때 천공율(8.3%)이고, 직경(d)이 6.8㎜인경우 홀(55)의 개수(N)는 28개로 결정된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 임계유동이 형성되지 않도록 교축밸브의 밸브디스크에 천공율을 결정하여 구멍을 천공하고, 동시에 미세조정이 가능하도록 구성함으로써 교축조절이 용이하고, 최적의 냉동싸이클을 제공할 수 있다.

Claims

응축기와 증발기의 사이에 개재되어 냉매액을 교축시켜 압력강화시키기 위한 터보냉동기용 교축장치로서,

직경(D)인 유동면적을 갖는 교축 배관(52)과;

상기 교축 배관(52)의 냉매 유로상에 원판형 밸브디스크(54)를 회동 조작가능하게 설치하되, 상기 밸브디스크(54)상에는 교축 입구에서 냉매의 상태에 따라 밀도 및 음속을 산출하여 결정된 임계 목면적비에 의해 천공율(ε)을 설정하고, 이 천공율(ε)에 따라 직경(d)으로 관통된 다수개의 홀(55)을 형성시켜 포함한 것을 특징으로 하는 터보냉동기용 팽창밸브.
제 1항에 있어서,

상기 홀(55)의 개수(N)는 천공율(ε)×(D/d)²로 결정됨을 특징으로 하는 터보냉동기용 팽창밸브.
제 1항에 있어서,

상기 밸브디스크(54)의 개도 조정에 따라 교축조절이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 터보냉동기용 팽창밸브.