KR100408960B1 - 다단 압축식 냉동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다단 압축식 냉동기는, 전기 모터 등의 회전장치와 윤활유를 냉각제를 사용하여 효율적으로 냉각시키고, 또한 증발기에 냉각 능력에 기여하는 냉각제의 양을 증가시켜 냉각 능력을 개선한다. 본 발명의 다단 압축식 냉동기는 중간냉각기를 거쳐 증발기에 응축된 냉각제를 공급하는 응축기와, 냉각제를 흡수하고 중간냉각기로부터 증발된 냉각제를 인접 압축기들 사이의 중간 위치로부터 흡수하며 흡수된 냉각제를 일제히 압축하고 또 그것을 응축기로 토출하는 다단 압축식 시스템과, 이 다단 압축식 시스템을 구동하는 회전장치 냉각용 냉각기와, 윤활유 냉각용 냉각기를 포함한다. 중간냉각기로부터 추출된 냉각제는 회전장치 냉각기 및 윤활유 냉각기에 공급되고, 이 냉각제는 냉각 후에 증발기로 복귀된다.

Description

다단 압축식 냉동기{MULTISTAGE COMPRESSION REFRIGERATING MACHINE FOR SUPPLYING REFRIGERANT FROM INTERCOOLER TO COOL ROTATING MACHINE AND LUBRICATING OIL}
본 발명은 원심 냉각기, 스크류 냉각기 등과 같은 다단 압축식 냉동기에 관한 것이다.
다단 압축식 냉동기는 일반 건물, 공장 등의 공조 시스템에서 폭넓게 사용되고 있다. 예컨대, 도 3에 도시된 2단 압축 냉동기는 증발기(51)와, 전기 모터(52)[이하, 모터(52)로 약칭함]로 회전 구동되는 제 1 단 압축기(53) 및 제 2 단 압축기(54)와, 응축기(55)와, 중간냉각기(56)와, 냉각제를 사용하여 모터(52)를 냉각시키는 모터 냉각기(57)와, 냉각제를 사용하여 윤활유를 냉각시키는 윤활유 냉각기(58)를 포함한다.
증발기(51)에서, 액체 냉각제는 관(59)을 통과하는 12℃의 온도를 갖는 냉수(60)에 의해 가열되어, 기화 냉각제(61)가 발생된다. 이 과정에서, 냉수(60)는 증발기(51)에서 열교환을 통해 약 7℃로 냉각된 다음 외부로 반송된다. 따라서, 증발기(51)의 온도는 약 5℃로 유지된다.
증발기(51)에서 발생된 기화 냉각제(61)는 제 1 단 압축기(53) 및 제 2 단 압축기(54)내로 흡수되고, 흡수된 냉각제는 모터(52)에 의해 회전하는 임펠러를 사용하여 2단계로 압축되어, 고온 및 고압의 기화 냉각제(61a)를 토출한다. 여기서, 중간냉각기(56)로부터의 기화 냉각제(61b)도 제 1 단 압축기(53)와 제 2 단 압축기(54) 사이의 경로내로[즉, 제 2 단 압축기(54)의 상류측으로] 도입(또는 흡수)되고, 흡수된 기화 냉각제(61b)도 증발기(51)로부터의 기화 냉각제(61)와 함께 압축된다.
응축기(55)에서, 관(62)을 통해 흐르는 냉각수(63)를 이용하여 제 2 단 압축기(54)로부터 토출된 고온 및 고압의 기화 냉각제(61a)를 냉각하여, 기화 냉각제(61a)를 액체로 응축시킨다. 이 과정에서, 냉각수(63)는 응축기(55)에서 열교환을 통해 가열되고 이어서 외부로 송출된다. 응축된 액체 냉각제(64)는 응축기(55)의 바닥에 수집되므로, 응축기(55) 내부의 온도는 약 40℃이다.
응축기(55)로부터 공급되는 액체 냉각제(64a)의 압력은 제 1 단 팽창 밸브(65)를 이용하여 중간 압력으로 감소되며, 그에 따라 냉각제(64a)는 팽창되고 팽창된 냉각제의 일부는 중간냉각기(56)로부터 기화 냉각제(61b)로서 출력된다. 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 기화 냉각제(61b)는 제 1 단 압축기(53)와 제 2 단 압축기(54) 사이의 중간 위치에 공급된다. 한편, 냉각제(64a)의 증발을 통해 냉각된 나머지의 냉각제(64a)의 압력은 제 2 단 팽창 밸브(66)를 이용하여 더욱 감소되된 다음, 증발기(51)에 공급된다.
또한, 응축기(55)의 하부에 수집된 냉각제(64)의 일부(64b)는 모터(52)와 윤활유의 냉각에 사용된다. 보다 상세하게는, 냉각제(64b)는 윤활유를 냉각시키기 위해 윤활유 냉각기(58)에 먼저 공급되고, 이어서 모터(52)를 냉각시키기 위해 모터 냉각기(57)에 공급된다. 그 다음, 기화된 부분을 포함하는 냉각제(64b)는 증발기(51)에 복귀된다.
그러나, 종래의 다단 압축식 냉동기에 있어서, 약 40℃의 온도를 갖는 응축기(55)의 바닥에 수집된 냉각제(64b)[액체 냉각제(64)의 일부]가 모터(52)와 윤활유의 냉각에 이용되고, 냉각 공정 후의 냉각제(64)는 약 5℃의 내부 온도를 지닌 증발기(51)에 복귀된다. 따라서, 액체 냉각제(64b)는 응축기(55)와 증발기(51) 사이의 압력차로 인해 팽창되고, 그 결과 냉각제(64b)가 증발기(51)에서 증발한다. 따라서, 냉각 용량을 제공하거나 증가시키기 위해 사용되는 액체 냉각제의 양이 감소되고, 그에 따라 냉각 용량이 감소된다.
전술한 상황을 고려하여, 본 발명의 목적은 냉각제를 사용하여 전기 모터와 같은 회전 장치 및 윤활유를 효율적으로 냉각시키고, 또한 증발기에 있어서 냉각 능력에 기여하는 냉각제의 양을 증가시킴으로써 냉각 능력을 개선하기 위한 다단 압축식 냉동기를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 다단 압축식 냉동기로서,
증발기와,
냉각제를 응축시키고 응축된 냉각제를 중간냉각기를 거쳐 증발기에 공급하는 응축기와,
직렬로 접속된 다수의 압축기를 구비한 다단 압축식 시스템으로서, 증발기에서 증발된 냉각제를 흡수하고, 다단 압축식 시스템의 인접한 압축기 사이의 중간 위치로부터 중간냉각기로부터 증발된 냉각제를 흡수하며, 흡수된 냉각제를 일제히 압축하고 또 압축된 냉각제를 응축기로 토출하는, 상기 다단 압축식 시스템과,
다단 압축식 시스템을 구동하는 회전장치와,
회전 장치를 냉각시키기 위한 회전 장치 냉각기와,
회전 장치를 윤활시키는 윤활유 냉각용의 윤활유 냉각기를 포함하며,
중간냉각기로부터 추출된 냉각제는 회전 장치 냉각기 및 윤활유 냉각기에 공급되고, 이 냉각제는 냉각 후에 증발기에 복귀되는
다단 압축식 냉동기를 제공한다.
본 발명에 따르면, 회전 장치 및 냉각제가 효율적으로 냉각될 수 있고, 냉각 능력을 증가시키기 위해 사용되는 (증발기 내의) 액체 냉각제의 양이 절감될 수 있으며, 그에 따라 냉각 능력을 개선하고 작동비용을 감소시킬 수 있다.
각 중간냉각기로부터 다단 압축식 시스템의 인접 압축기 사이의 각 중간 위치에 증발된 냉각제를 공급하기 위해 직렬로 접속된 하나 이상의 중간냉각기를 제공하는 것과, 윤활유 냉각기 및 회전 기계 냉각기에 공급되는 냉각제가 직렬로 접속된 중간냉각기의 최 하류의 위치에 배치된 중간냉각기로부터 추출되는 것이 가능하다.
이 경우에, 냉각 능력이 더욱 향상될 수 있고, 또 비용을 더욱 절감할 수 있다.
통상적으로, 회전 기계는 전기 모터이다.
도 1은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 다단 압축식 냉동기의 일반적인 구성을 도시하는 다이아그램,
도 2는 본 발명에 따른 제 2 실시예의 다단 압축식 냉동기의 일반적인 구성을 도시하는 다이아그램,
도 3은 종래의 다단 압축식 냉동기의 일반적인 구성을 도시하는 다이아그램.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 증발기 2 : 모터
3 : 제 1 단 압축기 4 : 제 2 단 압축기
5 : 응축기 6, 28, 29 : 중간냉각기
7 : 모터 냉각기 8 : 윤활유 냉각기
9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 : 배관
23 : 제 1 팽창 밸브 24 : 제 2 팽창 밸브
26 : 제 3 단 압축기 27 : 제 4 단 압축기
이하, 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 다단 압축식 냉동기의 일반적인 구성을 도시하는 다이아그램이다. 2단 압축기 시스템을 구비한 이러한 다단 압축식 냉동기에 있어서, (ⅰ) 응축기에 응축된 냉각제는 중간냉각기를 거쳐 증발기에 공급되고, (ⅱ) 증발기에서 냉각제를 증발시켜 얻은 제 1 기화 냉각제는 2단 압축기 시스템에 의해 흡수되며, (ⅲ) 중간냉각기를 통해 냉각제를 증발시켜 얻은 제 2 기화 냉각제는 2개의 스테이지 사이의 중간 위치로부터 흡수되고, (ⅳ) 제 1 기화 냉각제 및 제 2 기화 냉각제는 압축되고 응축기내로 토출된다.
따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 다단 압축식 냉동기는 증발기(1)와, 제 1 단 압축기(3)와, 전기 모터(2)[이하, 모터(2)라 약칭함]에 의해 회전 구동되는 제 2 단 압축기(4)와, 응축기(5)와, 중간냉각기(6)와, 모터(2) 냉각용 모터 냉각기(7)와, 냉각제를 사용하여 윤활유를 냉각시키기 위한 윤활유 냉각기(8)를 포함한다.
증발기(1) 및 제 1 단 압축기(3)는 배관(9)을 거쳐 서로 접속되어 있다. 제 1 단 압축기(3) 및 제 2 단 압축기(4)는 배관(10)을 거쳐 서로 접속되어 있다. 제 2 단 압축기(4) 및 응축기(5)는 배관(11)을 거쳐 서로 접속되어 있다. 응축기(5) 및 중간냉각기(6)는 배관(12)을 거쳐 서로 접속되어 있다. 중간냉각기(6) 및 증발기(1)는 배관(13)을 거쳐 서로 접속되어 있다. 중간냉각기(6), 윤활유 냉각기(8) 및 모터 냉각기(7)는 배관(14)을 거쳐 서로 접속되어 있다. 중간냉각기(6), 제 1 단 압축기(3), 제 2 단 압축기(4)는 배관(15) 및 배관(10)을 거쳐 서로 접속되어 있고, 모터 냉각기(7) 및 증발기(1)는 배관(16)을 거쳐 서로 접속되어 있다.
증발기(1) 내에서, 12℃의 온도를 갖는 냉수(18)는 도 1에 도시된 바와 같이 증발기(1)내에 배치된 관(17)을 통과하며, 액체 냉각제는 냉수(18)에 의해 가열되어 기화 냉각제(19)가 생성된다. 이 과정에서, 냉수(18)는 증발기(1)에서 열교환을 통해 대략 7℃까지 냉각된 다음, 증발기(1)의 외부로 이송된다. 그 결과, 증발기(1)의 온도는 대략 5℃로 된다.
증발기(1)에서 생성된 기화 냉각제(19)는 배관(9)을 거쳐 제 1 단 압축기(3) 및 제 2 단 압축기(4)내로 흡수되고, 흡수된 냉각제는 모터(2)에 의해 회전하는 제 1 단 압축기(3)의 임펠러를 이용하여 압축된다. 압축된 기화 냉각제는 배관(10)을 거쳐 제 2 단 압축기(4)내로 흡수되고, 2단 압축기(4)를 이용하여 더 압축됨으로써, 고온 및 고압의 기화 냉각제(19a)를 토출한다. 여기서, 중간냉각기(6)로부터 배관(15)을 거쳐 제 1 단 압축기(3)와 제 2 단 압축기(4) 사이의 배관(10)의 중간 위치로[즉, 제 2 단 압축기(4)의 상류측으로]도 기화 냉각제(19b)가 도입되고, 흡수된 기화 냉각제(19b)도 증발기(1)로부터 기화 냉각제(19)와 함께 압축된다.
응축기(5)에서, 냉각수(21)는 도 1에 도시된 바와 같이 응축기(5)내에 배치된 관(20)을 통과한다. 제 2 단 압축기(4)로부터 토출되고 배관(11)을 거쳐 공급되는 고온 고압의 기화 냉각제(19a)는 냉각수(21)를 사용하여 냉각되고, 그것에 의해 기화 냉각제(19a)가 액체로 응축된다. 이 과정에서, 냉각수(21)는 응축기(5)에서 열교환을 통해 가열된 다음 응축기(5)의 외부로 송출된다. 응축된 액체 냉각제(22)는 응축기(5)의 바닥에 수집된다. 그 결과, 응축기(5) 내측의 온도는 대략 40℃로 된다.
중간냉각기(6)는 응축기(5)와 증발기(1) 사이에 특정 압력차를 유지하고, 냉각제(22)의 일부를 증발시키며, 증발기(1) 내부의 잠열(latent heat)을 증가시킨다. 따라서, 중간냉각기(6)에서, 응축기(5)로부터 공급되는 액체 냉각제(22)의 압력은 배관(12)의 중간에 제공된 제 1 단 팽창 밸브(23)를 사용하여 중간 압력으로 감압되며, 그에 따라 냉각제(22)는 팽창된다. 팽창된 냉각제의 일부는 기화 냉각제(90)로서 사용된다. 앞서 설명한 바와 같이, 기화 냉각제(19b)는 제 1 단 압축기(3)와 제 2 단 압축기(4) 사이의 배관(10)에 공급된다. 한편, 냉각제(22)의 증발에 의해 냉각된 나머지 냉각제의 압력은 배관(13) 중간의 제 2 단 팽창 밸브(24)를 사용하여 추가로 감압된 후에, 증발기(1)에 공급된다. 그 결과, 중간냉각기(6) 내부의 온도는 대략 20℃로 된다.
또한, 중간냉각기(6)내의 냉각제(22)의 일부는 모터(22) 및 윤활유 냉각용으로 사용되는 냉각제(25)로서 추출된다. 보다 상세하게는, 냉각제(25)는 먼저 배관(14) 등을 거쳐 윤활유 냉각기(8)에 공급되어 윤활유를 냉각시킨 다음, 모터 냉각기(7)에 추가로 공급되어 모터(2)를 냉각시킨다. 그 후에, 기화된 부분을 포함하는 냉각제(25)는 배관(16)을 거쳐 증발기(1)로 복귀된다.
상술한 바와 같이, 도 1에 도시된 제 1 실시예의 2단 압축식 냉동기에서, 중간냉각기(6)의 액체 냉각제(22)의 일부가 추출되고, 이 경우 중간냉각기(6)의 온도는 응축기(5)의 온도(즉, 40℃)보다 낮은 약 20℃이고, 중간냉각기(6)와 증발기(1) 사이의 압력차는 응축기(5)와 증발기(1) 사이의 압력차 보다 낮다. 추출된 액체 냉각제(25)는 모터(2) 및 윤활유 냉각용으로 사용되고, 냉각 후에 냉각제는 내부 온도가 약 5℃인 증발기(1)에 복귀된다. 따라서, 중간냉각기(6)와 증발기(1) 사이의 압력차로 인해 팽창하는 액체 냉각제(25)의 양은 냉각제가 응축기(5)로부터 추출되는 경우에 비해서 작다.
따라서, 증발기(1)에서 증발함으로써 냉각 능력을 제공하거나 증가시키도록 사용될 수 있는 액체 냉각제의 양은 증가하고, 단위 냉각 용량당 냉각제의 유량은 감소한다. 따라서, COP(coefficient of performance: 성능 계수)는 증가될 수 있고, 우수한 냉각 효율을 갖는 2단 압축식 냉동기를 얻을 수 있다. 여기서, COP는 "냉각 용량/모터의 입력"으로 규정된다.
도 2는 본 발명에 따른 제 2 실시예의 다단 압축식 냉동기의 구조를 도시하는 다이아그램이다. 제 1 실시예와 구별되는 제 2 실시예의 독특한 특징은 제 1 단 압축기(3) 및 제 2 단 압축기(4) 이외에 제 3 단 압축기(26) 및 제 4 단 압축기(27)를 구비한 4단 압축식 냉동기가 제공되는 것이다. 따라서, 2개의 중간냉각기(28, 29), 이들 요소를 연결하는 배관(30 내지 35)과, 제 3 및 제 4 팽창 밸브(36, 37)도 제 2 실시예에 부가되어 있다.
응축기(5)의 바로 뒤에 제공된 중간냉각기(6)의 하류측에 제공되는 중간냉각기(28, 29)내의 압력은 팽창 밸브(24, 26)를 사용하여 더욱 감소되고, 이들 중간냉각기(28, 29)는 중간냉각기(6, 28)를 통한 냉각제(22)의 증발에 의해 냉각된다.따라서, 중간냉각기(28)의 온도는 약 15℃ 이고, 중간냉각기(29)의 온도는 약 10℃ 이다.
최하류측의 중간냉각기(29)로부터 추출되는 냉각제(25)는 모터(2) 및 윤활유를 냉각시키기 위해 사용된다. 다른 구성 요소 및 기능은 제 1 실시예의 것과 유사하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예의 4단 압축식 냉동기에서, 최하류측의 중간냉각기(29)의 냉각제(22)의 일부가 추출되고, 이 경우 중간냉각기(29)의 온도는 응축기(5)의 온도(약 40℃)보다 상당히 낮은 약 10℃ 이며, 중간냉각기(29)와 증발기(1) 사이의 압력차는 훨씬 더 작다. 이러한 추출된 냉각제(25)는 모터(2) 및 윤활유를 냉각시키기 위해 사용되며, 냉각 후에 냉각제는 약 5℃의 내부 온도를 갖는 증발기(1)로 복귀된다. 따라서, 중간냉각기(29)와 증발기(1) 사이의 압력차로 인해 자동 팽창하는 냉각제(냉각용)의 양은 냉각용 냉각제가 응축기(5)로부터 추출되는 경우에 비해 훨씬 더 감소된다. 따라서, 증발기(1)에서 증발하고 냉각 능력을 제공하기 위해 제공되는 액체 냉각제의 양은 상당히 감소된다. 그 결과, 단위 냉각 용량당 냉각제의 유량은 감소되고, 성능 계수(COP)가 증가되어, 냉각 효율이 우수한 4단 압축식 냉동기를 달성할 수 있다.
본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명의 정신 및 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능하다.
예컨대, 다단 압축식 냉동기의 단의 수는 상기 실시예에서 2개 또는 4개로 제한되지 않으며, 3개 또는 4개 이상도 가능하다.
또한, 상기 실시예에서 회전 장치는 전기 모터이지만, 본 발명은 가스 엔진, 디젤 엔진, 증기 터빈, 가스 터빈 등과 같은 다른 유형의 회전장치를 이용하는 다단 압축식 냉동기에 적용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 회전 장치 및 냉각제를 효율적으로 냉각시킬 수 있고, 냉각 능력을 증가시키기 위해 사용되는 액체 냉각제의 양이 감소되므로, 냉각 능력이 개선되고 작동비용을 감소시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 다단 압축식 냉동기에 있어서,
    증발기와,
    냉각제를 응축시키고, 응축된 냉각제를 중간냉각기(intercooler)를 거쳐 증발기에 공급하는 응축기와,
    직렬로 접속된 다수의 압축기를 갖는 다단 압축식 시스템으로서, 상기 증발기에서 증발된 냉각제를 흡수하고, 중간냉각기에서 증발된 냉각제를 다단 압축식 시스템의 인접 압축기들 사이의 중간 위치로부터 흡수하고, 또 흡수된 냉각제를 일제히 압축하고 압축된 냉각제를 응축기로 토출하는, 상기 다단 압축식 시스템과,
    상기 다단 압축식 시스템을 구동시키는 회전장치와,
    상기 회전장치를 냉각시키기는 회전장치 냉각기와,
    상기 회전장치를 윤활시키는 윤활유를 냉각시키는 윤활유 냉각기를 포함하며;
    상기 중간냉각기로부터 추출된 냉각제는 상기 회전장치 냉각기 및 상기 윤활유 냉각기에 공급되고, 이 냉각제는 냉각후에 증발기에 복귀되는
    다단 압축식 냉동기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 중간냉각기로부터 상기 다단 압축식 시스템의 인접한 압축기들 사이의 각 중간 위치에 증발된 냉각제를 공급하기 위해 하나 이상의 상기 중간냉각기가 직렬로 접속되어 있고,
    상기 윤활유 냉각기 및 상기 회전장치 냉각기에 공급되는 냉각제는 직렬로 접속된 상기 중간냉각기의 최하류의 위치에 배치된 중간냉각기로부터 추출되는
    다단 압축식 냉동기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전장치는 전기 모터인
    다단 압축식 냉동기.
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