KR100378533B1 - An expansion device for turbo-chillers - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터보 냉동기의 응축기에서 응축된 액냉매를 팽창시켜 증발기로 보내주는 팽창기구로 초음속 노즐을 사용하므로서 출구에서 운동에너지를 키워 증발기로 유입되는 냉매의 정엔탈피를 작게 하여 냉동기의 냉동용량에 해당하는 단위 유량당 냉매의 증발잠열을 더 얻을 수 있는 팽창기구에 관한 것이다.The present invention corresponds to the freezing capacity of the freezer by reducing the enthalpy of the refrigerant flowing into the evaporator by increasing the kinetic energy at the outlet by using a supersonic nozzle as an expansion mechanism for expanding the liquid refrigerant condensed in the condenser of the turbo freezer and sending it to the evaporator. It relates to an expansion mechanism that can further obtain the latent heat of evaporation of the refrigerant per unit flow rate.

본 발명은, 터보 냉동기의 응축기에서 응축된 액냉매를 팽창시켜 증발기로 보내주는 팽창기구로서,The present invention is an expansion mechanism for expanding the liquid refrigerant condensed in the condenser of the turbo refrigerator to send to the evaporator,

상기 응축기와 증발기를 연결하는 냉매배관의 종단상에 냉매의 운동에너지를 키워주기 위한 한 개 혹은 다수의 초음속 노즐을 부설한 것을 특징으로 한다.Characterized in that one or a plurality of supersonic nozzles for increasing the kinetic energy of the refrigerant on the end of the refrigerant pipe connecting the condenser and the evaporator.

Description

터보냉동기의 팽창기구{An expansion device for turbo-chillers}An expansion device for turbo-chillers

본 발명은 터보냉동기에 사용되는 팽창기구에 관한 것으로, 특히 터보 냉동기의 응축기에서 응축된 액냉매를 팽창시켜 증발기로 보내주는 팽창기구로 초음속 노즐을 사용하므로서 출구에서 운동에너지를 키워 증발기로 유입되는 냉매의 정엔탈피를 작게 하여 냉동기의 냉동용량에 해당하는 단위 유량당 냉매의 증발잠열을 더 얻을 수 있는 팽창기구에 관한 것이다.The present invention relates to an expansion mechanism for use in a turbo-cooler, and in particular, to expand the liquid refrigerant condensed in the condenser of the turbo-cooler and to send it to the evaporator. It relates to an expansion mechanism that can further obtain the latent heat of evaporation of the refrigerant per unit flow rate corresponding to the freezing capacity of the refrigerator by reducing the enthalpy of.

도 1은 일반적인 단단 압축방식 터보냉동기의 구성도이다. 증발기(2)에서 증발된 냉매가스는 터보압축기(3)에서 압축되어 고온,고압의 가스가 되어 응축기(4)로 보내진다. 냉매가스는 응축기(4)에서 응축되어 액상이 되고 이 액냉매를 응축기 (4) 바닥에서 추기하여 오리피스(1)에서 팽창하고 온도 및 압력강하가 일어난다. 팽창된 냉매는 액상과 기상이 혼재하는 상태로 증발기로 유입된다.1 is a block diagram of a typical single stage turbo compressor. The refrigerant gas evaporated in the evaporator 2 is compressed by the turbo compressor 3 to be a gas of high temperature and high pressure and is sent to the condenser 4. The refrigerant gas is condensed in the condenser 4 to become a liquid phase, and the liquid refrigerant is added at the bottom of the condenser 4 to expand in the orifice 1 and temperature and pressure drop occur. The expanded refrigerant flows into the evaporator in a mixture of liquid and gaseous phases.

종래에는 팽창기구로 구조가 간단한 오리피스(혹은 밸브) 교축장치를 사용하거나 터빈과 같은 등엔트로피 팽창기구를 사용하여 왔다. 이는 구조가 간단하고 설계가 쉬운 팽창기구로 터보냉동기에 가장 널리 사용되고 있다.Conventionally, an orifice (or valve) throttling device having a simple structure as an expansion mechanism has been used, or an isentropic expansion mechanism such as a turbine has been used. It is an expansion mechanism that is simple in structure and easy to design, and is widely used in turbo chillers.

그러나, 등엔탈피 교축과정을 거치므로 팽창전후의 엔탈피값이 같기 때문에 증발기에서 냉매의 증발잠열이 터빈형 팽창기구에 비해 작다. 터빈형 팽창기구는 냉매를 등엔트로피 과정으로 팽창시켜 줌으로써 증발기로 유입되는 냉매의 엔탈피가 낮아 등엔탈피 팽창에 비해 증발열량을 많이 얻을 수 있고, 터빈의 축일을 회수할 수 있으므로 효율면에서 유리하지만, 설계가 까다롭고 장치가 추기되어 경제적으로 불리하다.However, since the enthalpy value before and after expansion is the same, the latent heat of evaporation of the refrigerant in the evaporator is smaller than that of the turbine type expansion mechanism. Turbine-type expansion mechanism is advantageous in terms of efficiency because the enthalpy of the refrigerant flowing into the evaporator is low by expanding the refrigerant through isotropic process to obtain more heat of evaporation than isotropic expansion and recovering turbine days. The design is difficult and the device is additionally disadvantageous economically.

따라서 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 터보 냉동기의 응축기에서 응축된 액냉매를 팽창시켜 증발기로 보내주는 팽창기구로 초음속 노즐을 사용하므로서 출구에서 운동에너지를 키워 증발기로 유입되는 냉매의정엔탈피를 작게 하여 냉동기의 냉동용량에 해당하는 단위유량당 냉매의 증발잠열을 더 얻을 수 있는 팽창기구를 제공함에 그 목적이 있다.Therefore, the present invention is to solve the above problems of the prior art, by expanding the kinetic energy at the outlet by using a supersonic nozzle as an expansion mechanism for expanding the liquid refrigerant condensed in the condenser of the turbo freezer to send to the evaporator is introduced into the evaporator It is an object of the present invention to provide an expansion mechanism capable of further obtaining a latent heat of evaporation of a refrigerant per unit flow rate corresponding to a freezing capacity of a refrigerator by reducing the enthalpy of refrigerant.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,Specific means of the present invention for achieving the above object,

터보 냉동기의 응축기에서 응축된 액냉매를 팽창시켜 증발기로 보내주는 팽창기구로서,An expansion mechanism that expands the liquid refrigerant condensed in the condenser of the turbo refrigerator and sends it to the evaporator.

상기 응축기와 증발기를 연결하는 냉매배관의 종단상에 냉매의 운동에너지를 키워주기 위한 한 개 혹은 다수의 초음속 노즐을 부설한 것을 특징으로 한다.Characterized in that one or a plurality of supersonic nozzles for increasing the kinetic energy of the refrigerant on the end of the refrigerant pipe connecting the condenser and the evaporator.

도 1은 종래 팽창기구를 사용한 터보냉동기의 구성도이고,1 is a configuration diagram of a turbo chiller using a conventional expansion mechanism,

도 2는 본 발명의 팽창기구를 사용한 터보냉동기의 구성도이고,2 is a configuration diagram of a turbo chiller using the expansion mechanism of the present invention,

도 3은 본 발명의 팽창기구와 종래 팽창기구를 조합한 터보냉동기의 구성도이고,3 is a configuration diagram of a turbocooler combining the expansion mechanism and the conventional expansion mechanism of the present invention,

도 4는 본 발명의 팽창기구를 사용한 터보냉동기의 냉동싸이클선도이다.4 is a refrigeration cycle diagram of a turbo chiller using the expansion mechanism of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1 : 팽창밸브 2 : 증발기1: expansion valve 2: evaporator

3 : 터보압축기 4 : 응축기3: turbo compressor 4: condenser

5 : 초음속 노즐5: supersonic nozzle

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 구성은 도 2에 나타난 바와 같다. 도 1에서와 마찬가지로 도 2는 터보냉동기의 구성도로서 증발기(2)와 터보압축기(3) 및 응축기(4)로 구성되며, 팽창기구는 초음속 노즐(5)이 사용된다.The configuration of the present invention is as shown in FIG. As in FIG. 1, FIG. 2 is a configuration diagram of a turbo chiller, and includes an evaporator 2, a turbo compressor 3, and a condenser 4, and an expansion mechanism uses a supersonic nozzle 5.

이때 통상 사이클 배관손실에 의해 초음속 노즐(5)입구에서 냉매의 상태는 액냉매와 가스가 혼재한 이상 유동의 형태가 된다. 초음속 노즐(5)입구에서 냉매가스와 액이 균일하게 섞인 상태라고 가정하면 입구에서 음속은 온도 및 건도에 따라 결정된다. 초음속 노즐(5)의 출구에서 증발기(2)로 분사되는 냉매의 속도는 고속일수록 정엔탈피 값이 작아지므로 증발잠열을 많이 얻을 수 있으나 증발기(2) 내에서 냉매액 비산의 우려가 있으므로 증발기(2)의 측면에서 횡방향으로 설치함이 바람직하다.At this time, the state of the refrigerant at the inlet of the supersonic nozzle 5 becomes a form of an ideal flow in which the liquid refrigerant and the gas are mixed due to the normal cycle piping loss. Assuming that the refrigerant gas and the liquid are uniformly mixed at the inlet of the supersonic nozzle 5, the speed of sound at the inlet is determined by temperature and dryness. Since the velocity of the refrigerant injected from the outlet of the supersonic nozzle 5 to the evaporator 2 is high, the enthalpy value decreases, so that latent heat of evaporation can be obtained. However, since the refrigerant liquid may be scattered in the evaporator 2, the evaporator 2 It is preferable to install in the transverse direction in terms of).

초음속 노즐(5)에서 분사되는 액냉매의 속도를 60㎧로 설계한다고 가정하고, R134a 냉매를 매질로 하는 상용터보 냉동기의 경우 응축기(4)내의 응축속도는 40℃정도이고, 증발기(2)의 증발온도는 5℃ 정도이다. 응축기(4)에서 초음속 노즐(5)입구까지 압력강하에 의해 노즐입구온도가 39℃라면 음속이 12.9㎧로 노즐출구에서 마하수 4.65로 노즐의 설계가 힘들다. 노즐입구온도가 30℃면 음속이 28.1㎧이며, 출구속도 60㎧를 내기 위해 출구 마하수 2.13인 노즐을 설계, 부착해야 한다. 노즐입구온도를 30℃로 하려면, 10℃의 온도강하가 필요하며 배관손실만으로 이 정도의 온도강하를 얻기 힘들어 이를 위해 별도의 오리피스를 노즐상류에 설치해야 한다.It is assumed that the speed of the liquid refrigerant injected from the supersonic nozzle 5 is 60 kPa. In the case of a commercial turbo refrigerator using R134a refrigerant as a medium, the condensation rate in the condenser 4 is about 40 ° C. Evaporation temperature is about 5 ℃. If the nozzle inlet temperature is 39 ° C. due to the pressure drop from the condenser 4 to the inlet of the supersonic nozzle 5, it is difficult to design the nozzle with a Mach number 4.65 at the nozzle outlet with a sound velocity of 12.9 kPa. If the nozzle inlet temperature is 30 ℃, the speed of sound should be 28.1㎧ and the nozzle with outlet Mach number 2.13 should be designed and attached to give the outlet speed of 60㎧. If the nozzle inlet temperature is set to 30 ° C, a temperature drop of 10 ° C is required and it is difficult to obtain this kind of temperature drop only by the loss of piping.

이와 같이 냉매의 종류, 상태, 온도조건에 따라 종래 오리피스 방식 팽창기구와 노즐을 조합하여 사용해야 한다. 도 3에는 오리피스(1)와 초음속 노즐(5)을 조합하여 팽창기구를 사용한 한 예를 나타내었다.As such, according to the type, condition, and temperature of the refrigerant, a combination of a conventional orifice expansion device and a nozzle should be used. 3 shows an example in which an expansion mechanism is used in combination with the orifice 1 and the supersonic nozzle 5.

본 발명의 작용효과는 단단 압축방식의 터보냉동기의 냉동사이클을 나타내는 도 4를 통해 설명되어 진다.The working effect of the present invention is explained with reference to FIG. 4, which shows a refrigeration cycle of a turbo compressor of a single stage compression type.

도 3에서 A는 냉매의 포화선이다. 만약 응축기(4)에서 과냉각이 없다면 응축된 냉매의 상태는 포화액이고 도 4에서 ⓐ로 표시된다. 종래의 오리피스 팽창기구를 통해 냉매를 팽창시키면 증발기(2)로 유입되는 냉매의 상태는 ⓑ가 된다. 이때 증발기(2)에서 가용한 증발잠열, 즉 단위유량당 냉동기의 냉동용량은 B로 표시된다. 만약 터빈을 이용하여 응축기(4)의 액냉매를 팽창시키면, 증발기(2)로 유입될 때 상태 ⓓ가 된다. 이때 증발기(2)에서 사용한 증발잠열은 D로 표시된다.In FIG. 3, A is a saturation line of the refrigerant. If there is no subcooling in the condenser 4, the state of the condensed refrigerant is a saturated liquid and is indicated by ⓐ in FIG. When the refrigerant is expanded through the conventional orifice expansion mechanism, the state of the refrigerant flowing into the evaporator 2 becomes ⓑ. At this time, the latent heat of evaporation available in the evaporator 2, that is, the freezing capacity of the freezer per unit flow rate is indicated by B. If the liquid refrigerant of the condenser 4 is expanded using a turbine, the state ⓓ when entering the evaporator 2. At this time, the latent heat of evaporation used by the evaporator 2 is represented by D.

본 발명의 내용과 같이 초음속 노즐(5)을 사용한 팽창기구를 사용하면 증발기로 유입되는 냉매의 상태는 ⓐ와 ⓑ사이의 한 점 ⓒ가 될 것이다. 증발기에서 가용한 증발잠열은 C로 표시하면, B<C<D와 같은 관계가 성립된다.If an expansion mechanism using the supersonic nozzle 5 is used as described in the present invention, the state of the refrigerant flowing into the evaporator will be one point ⓒ between ⓐ and ⓑ. The latent heat of evaporation available in an evaporator is represented by C, and a relationship such as B <C <D is established.

다음의 설계예에서 본 발명의 효과를 정량적으로 설명할 수 있다.In the following design example, the effect of the present invention can be explained quantitatively.

<설계조건><Design condition>

냉매 : R134aRefrigerant: R134a

응축기 냉매의 응축온도 : 40℃Condensation Temperature of Condenser Refrigerant: 40 ℃

증발기 냉매의 증발온도 : 5℃Evaporator Temperature of Evaporator Refrigerant: 5 ℃

오리피스를 이용한 팽창기구를 적용한 터보냉동기에서 B=144.86kJ/㎏이다.B = 144.86 kJ / kg in a turbocooler with an expansion device using an orifice.

터빈을 이용한 팽창기구를 적용한 터보냉동기에서 D=148.3kJ/㎏(E에 비해 2.4%증가)이다.In a turbocooler with an expansion mechanism using a turbine, D = 148.3 kJ / kg (2.4% increase over E).

본 발명의 팽창기구를 적용한 터보냉동기에서 응축기와 초음속 노즐(5)출구까지 총엔탈피는 보존되고 노즐출구 속도를 v라고 하면 노즐 출구속도 60㎧일 때 운동에너지 2=1.8kJ/㎏이므로 C=B+1.8=146kJ/㎏(B에 비해 1.3%증가)이다.The total enthalpy up to the condenser and the supersonic nozzle (5) outlet is preserved in the turbo chiller to which the expansion mechanism of the present invention is applied, and if the nozzle outlet speed is v, the kinetic energy is 2 = 1.8 kJ / kg at the nozzle outlet speed of 60 kC. + 1.8 = 146 kJ / kg (1.3% increase over B).

위의 예와 같이 노즐을 적절히 설계하면, 냉동기의 증발기에서 처리할 수 있는 종래의 오리피스 방식에 비해 증발잠열을 1.3% 더 얻을 수 있었다.By properly designing the nozzle as in the above example, 1.3% of the latent heat of evaporation was obtained compared to the conventional orifice system which can be processed in the evaporator of the refrigerator.

상술한 바와 같이, 본 발명의 터보냉동기의 팽창기구에 따르면, 그 구조가 간단하고 경제적이며, 종래의 오리피스형 팽창기구에 비해 더 많은 증발잠열을 얻을 수 있어 효율적 냉동사이클을 구현할 수 있다.As described above, according to the expansion mechanism of the turbocooler of the present invention, its structure is simple and economical, it is possible to obtain more latent heat of evaporation than the conventional orifice-type expansion mechanism can implement an efficient refrigeration cycle.

Claims (4)

터보 냉동기의 응축기에서 응축된 액냉매를 팽창시켜 증발기로 보내주는 팽창기구로서,An expansion mechanism that expands the liquid refrigerant condensed in the condenser of the turbo refrigerator and sends it to the evaporator. 상기 응축기와 증발기를 연결하는 냉매배관의 종단상에 냉매의 운동에너지를 키워주기 위한 한 개 혹은 다수의 초음속 노즐을 부설한 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 팽창기구.And one or a plurality of supersonic nozzles for increasing kinetic energy of the refrigerant on an end of the refrigerant pipe connecting the condenser and the evaporator. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 냉매배관에 온도강하를 위한 오리피스 팽창밸브가 더 추가된 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 팽창기구.The expansion mechanism of the turbo-cooler, characterized in that the refrigerant pipe further comprises an orifice expansion valve for reducing the temperature. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 초음속노즐은, 냉매 상태, 목면적, 출구속도에 따라 축소 확대 직경이 변화되는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 팽창기구.The supersonic nozzle is a expansion mechanism of the turbo-cooler, characterized in that the reduced enlarged diameter changes in accordance with the refrigerant state, the area of the wood, the outlet speed. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 초음속 노즐은 고속 냉매에 의한 액 비산을 방지하기 위해 상기 증발기의 횡방향으로 노즐출구를 배치하는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 팽창기구.The supersonic nozzle is a turbo chiller expansion mechanism, characterized in that the nozzle outlet is arranged in the transverse direction of the evaporator to prevent liquid splashing by the high-speed refrigerant.
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