KR100461995B1 - 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉매를 가열하여 얻은 열에너지를 이용하여 터빈(20) 및 터빈(20)과 동축에 연결된 압축기(40)를 가동하여 증기사이클 및 냉동사이클을 구성하고, 사이클 상에 리쿠퍼레이터(45)와 리히터 및 이코노마이저(55)를 배치하여 전체적인 효율을 높이는 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프에 관한 것이다.
이를 위하여, 펌프(10), 보일러(15), 터빈(20), 응축기(25)로 구성되는 증기냉매동력시스템으로부터 구동력을 얻어 상기 응축기(25), 팽창밸브(30), 증발기 (35), 압축기(40)로 구성되는 냉동시스템을 가동하는 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프에 있어서, 상기 터빈(20) 출구와 상기 응축기(25) 입구 사이의 냉매를 상기 펌프(10) 출구와 상기 보일러(15) 입구 사이의 냉매와 상호 열교환시켜 유용가능한 에너지를 회수하기 위하여 상기 펌프(10)의 출구와 보일러(15)의 입구 사이에 리쿠퍼레이터(45)를 구비한 것을 특징으로 하는 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프를 제공한다.

Description

냉매증기터빈 구동 가스 열펌프{GAS HEAT PUMP DRIVEN BY REFRIGERANT STEAM TURBINE}
본 발명은 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉매를 가열하여 얻은 열에너지를 이용하여 터빈 및 터빈과 동축에 연결된 압축기를 가동하여 증기사이클 및 냉동사이클을 구성하고, 사이클 상에 리쿠퍼레이터와 리히터 및 이코노마이저를 배치하여 전체적인 효율을 높이는 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프에 관한 것이다.
공기조화장치의 냉열원 등에 사용하는 냉동기는 압축기를 동력원으로 하여, 작동물질인 냉매가 증발, 압축, 응축, 팽창인 사이클을 반복함으로써 저온부인 증발기에서 주위의 공기나 물로부터 열을 빼앗아 주위를 냉각함과 동시에 고온부인 응축기에서는 증발기에서 빼앗은 열을 주위의 공기나 물에 방열함으로써 주위를 가열하며, 이와 같이 응축기에서의 방열 작용을 이용하는 경우의 냉동기를 일반적으로 열펌프(Heat Pump)라고 한다.
공기 조화에 사용하는 열펌프는 여름에는 증발기에서의 냉각작용을 이용하지만, 겨울에는 응축기에서의 방열 작용으로 공기나 물을 가열하여 난방을 하는 것이 일반적으로, 열펌프라는 것은 냉방에 국한되지 않고, 공기, 물 또는 지중으로부터 열을 흡수하여, 고온으로 된 열을 열원으로 하여, 난방 및 급탕 등에 이용하는 열을 이송하는 시스템이다.
이 시스템은 열을 저온으로부터 고온으로 이송하므로, 물의 경우 낮은 곳으로부터 높은 곳으로 이송하는 펌프에 견주어 열펌프라고 명명되었고, 압축기를 구동하는 원동기로써 전기모터를 사용하는 열펌프에 대하여, 가스를 사용하여 엔진을 구동하는 열펌프를 가스엔진 구동 열펌프(Gas Engine Driven Heat Pump)라고 하며, 사용되는 엔진으로는 가스엔진 외에 스털링 엔진, 스팀엔진, 가스터빈 등이 있다.
그러나, 종래 가스터빈을 이용한 가스 열펌프는 연소가스가 터빈으로 유입되고 냉매는 압축기로 유입되는 관계로 연소가스와 냉매가 혼합되는 것을 방지하기 위해 별도의 장치를 필요로 하여 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 가격이 상승하는 문제점이 있어 최근에는 증기냉매를 기계적 에너지원으로 사용하는 냉매증기터빈을 이용한 가스 열펌프가 새롭게 사용되고 있다.
도 1은 종래 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 종래 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프는 냉매를 가열하여 고온으로 만드는 보일러(15)와, 상기 보일러(15)에서 나온 고온의 증기냉매가 팽창하면서 일을 하는 터빈(20)과, 액체냉매의 압력을 상승시키는 펌프(10) 및 압축된 증기냉매로부터 열을 방출하여 액체냉매로 환원시켜주는 응축기(25)로 구성되는 증기냉매동력사이클을 이룬다.
또한, 상온에서 응축되기 쉽도록 그 압력을 상승시켜 주는 압축기(40)와, 상기 응축기(25)와, 액화된 고압의 액을 필요한 저온도에 상당하는 포화압력까지 감압 팽창시키는 팽창밸브(30) 및 액체냉매의 증발에 의해 주위로부터 열을 빼앗음으로써 냉동작용을 하는 증발기(35)로 구성되는 냉동사이클을 이룬다.
상기와 같은 구성으로 이루어지는 종래 기술에 따른 냉매증기터빈 구동 가스열펌프의 동작을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
상기 보일러(15), 터빈(20), 응축기(25), 펌프(10)로 구성되는 증기냉매동력사이클에 의하여 상기 터빈(20)과 동축에 연결된 압축기(40)가 가동되어, 상기 압축기(40), 응축기(25), 팽창밸브(30), 증발기(35)로 구성되는 냉동사이클이 작동된다.
이 때, 상기 보일러(15)에서 나온 포화증기는 터빈(20)에서 응축기(25)압력까지 팽창되고, 증발기(35)에서 나온 포화증기는 응축기(25)압력까지 압축되며, 두 경로의 유량비는 터빈(20)에서 생성된 동력으로 압축기(40)를 구동할 수 있도록 결정된다.
또한, 터빈(20)출구와 압축기(40)출구로부터 유입된 냉매는 혼합되어 응축기(25)로 들어가고, 응축기(25)에서 나온 포화액체는 필요한 비율로 분리되어, 각각 펌프(10)와 팽창밸브(30)로 들어감으로써 증기냉매동력사이클과 냉동사이클을 이루게 된다.
그러나, 종래의 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프에서는 터빈(20)을 통과하고 나온 냉매의 온도가 (스팀터어빈과는 달리) 여전히 높아 유용가능한 가용에너지가 많음에도 불구하고 이를 모두 응축기(25)에서 방열하였으므로 전체적인 열펌프사이클의 효율이 낮아지는 불리함이 있었다.
또한, 열을 공급하는 동안의 온도 및 압력의 증가에 따른 랜킨사이클의 효율 증가에도 불구하고 보일러(15)에서 나온 고온의 증기냉매를 단일 터빈(20)으로 팽창시켰으므로 열을 공급하는 동안의 평균온도가 낮아 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점들을 해소하여, 전체적인 열펌프사이클의 효율을 높이기 위한 것이다. 이를 위해 (1) 터빈을 통과하여 응축기로 들어가는 증기냉매가 냉매의 특성상 여전히 고온으로 높은 가용에너지를 가지고 있으므로, 펌프를 통과한 저온의 냉매와 열교환시켜 보일러로 들어가는 냉매를 예열하도록 리쿠퍼레이터를 구비하여, 전체적인 효율을 높인다. (2) 터빈을 다단으로 구성하여 1단터빈을 거친 중간 압력의 냉매를 재열기를 통과시켜 고온으로 만든 후 2단터빈에서 다시 팽창시킴으로써 보일러에서의 평균온도를 높여 전체적인 효율을 증가시키는 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프를 제공하는 데 있다.
(3) 마지막으로 다단 압축기를 구비한 경우에는 제1팽창밸브를 거친 냉매의 가스를 2단압축기에 흡입시켜 1단압축기의 부하를 경감시키고, 증발기 냉매 순환량을 감소시켜 냉동기 효율을 증가시키도록 이코노마이저를 구비한 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 1단 압축 1단 팽창증기터빈 구동 열펌프의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 1단 압축 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 2단 압축 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프의 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 펌프 15: 보일러
20: 터빈 25: 응축기
30: 팽창밸브 35: 증발기
40: 압축기 45: 리쿠퍼레이터(recuperator)
50: 재열기 55: 이코노마이저(economizer)
60: 1단터빈 65: 2단터빈
70: 1단압축기 75: 2단압축기
80: 제1팽창밸브 85: 제2팽창밸브
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 펌프, 보일러, 터빈, 응축기로 구성되는 증기냉매동력시스템으로부터 구동력을 얻어 상기 응축기, 팽창밸브, 증발기, 압축기로 구성되는 냉동시스템을 가동하는 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프에 있어서, 상기 터빈 출구와 상기 응축기 입구 사이의 냉매를 상기 펌프 출구와 상기 보일러 입구 사이의 냉매와 상호 열교환시켜 유용가능한 에너지를 회수하기 위하여 상기 펌프의 출구와 보일러의 입구 사이에 리쿠퍼레이터 (45)를 구비하되;상기 터빈(20)을 상기 보일러(15)에서 나온 고온 고압의 냉매가 유입되어 상기 압축기(40)를 가동하는 1단터빈(60)과, 상기 1단터빈(60)으로부터 공급된 냉매가 유입되어 상기 압축기(40)를 가동하는 2단터빈(65)으로 구성하고, 상기 1단터빈(60) 출구의 냉매 온도를 상승시켜 상기 2단터빈(65)에 공급하기 위하여 상기 1단터빈(60)과 상기 2단터빈(65) 사이에 재열기(50)를 구비한 것을 특징으로 하는 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명하기로 하며, 종전에 설명한 종래의 구조와 동일한 부품에는 동일명칭 및 동일부호를 부여하고 자세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 1단 압축 1단 팽창증기터빈 구동 열펌프의 구성도인데, 종래의 발명과 다른 점은 리쿠퍼레이터가 있다는 것이다.
그리고, 도 3은 본 발명에 따른 1단 압축 2단 팽창 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 2단 압축 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프의 구성도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프는 종래기술과 연계하여, 유사한 구성의 냉매를 가열하여 고온으로 만드는 보일러(15)와, 상기 보일러(15)에서 나온 고온의 증기냉매가 팽창하면서 일을 하는 터빈(20)과, 액체냉매의 압력을 상승시키는 펌프(10) 및 압축된 증기냉매로부터 열을 방출하여 액체냉매으로 환원시켜주는 응축기(25)와, 상온에서 응축되기 쉽도록 그 압력을 상승시켜 주는 압축기(40)와, 상기 응축기(25)에서 액화된 냉매를 필요한 저온도에 상당하는 포화압력까지 감압 팽창시키는 팽창밸브(30) 및 액체냉매의 증발에 의해 주위로부터 열을 빼앗음으로써 냉동작용을 하는 증발기(35)를 포함하여 구성된다.
여기서 본 발명의 요지구성은, 첫번째로 펌프(10)에서 보일러(15)로 들어가는 냉매와 터빈(65)을 통과하고 나온 냉매와의 열교환을 위한 리쿠퍼레이터(45)를 구비하여 가용에너지를 회수하고, 두번째로 증기냉매동력사이클의 효율을 높이기 위하여 터빈(20)을 다단으로 구성하고 재열기(50)를 구비하여, 동력사이클의 고온부의 평균온도를 높임으로서 동력사이클의 효율을 높이는 것이고, 세번째로 냉동사이클의 효율을 증가시키기 위하여 압축기(40) 및 팽창밸브(30)를 다단으로 구성하고 이코노마이저(55)를 구비하여 냉동사이클의 효율을 높이고자 하는 것이다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 1단 압축 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프는 종래의 구성에 추가하여, 상기 터빈(65) 출구와 상기 응축기(25) 입구 사이의 냉매를 상기 펌프(10) 출구와 상기 보일러(15) 입구 사이의 냉매와 상호 열교환시켜 유용가능한 에너지를 회수하기 위하여 상기 펌프(10)의 출구와 보일러(15)의 입구 사이에 리쿠퍼레이터(45)를 구비한다.
도 3에서는 단단팽창 터어빈 대신에 2단 팽창 터어빈 (60) (65)를 사용하고, 1단터어빈 (60)출구에서 나온 상대적으로 저온인 냉매를 다시 재열기(50)를 통과시켜 고온으로 만든 후, 2단 터어빈(65)를 통과시키고, 다시 이를 리쿠퍼레이터로 가용에너지를 회수함으로서 보다 효율적인 증기냉매동력시스템을 이룬다.
이하, 상기와 같은 구성으로 이루어진 1단 압축 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프의 작용 및 효과를 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에 따른 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프의 작동은 크게 증기냉매동력사이클과 냉동사이클로 구성되어 있으며, 냉매증기시스템에서 열에너지를 보일러(15)에 공급하여 1단터빈(60) 및 2단터빈(65)에서 기계적 에너지를 얻은 다음, 상기 1단터빈(60) 및 2단터빈(65)과 동축에 연결된 압축기(40)로 냉매를 압축하여, 냉동사이클을 가동함으로서 냉동능력을 얻는다.
우선, 냉매증기사이클은 응축기(25)에서 나온 액체냉매를 펌프(10)를 가동하여 고압의 액체냉매로 만든 다음 2단터빈(65)으로부터 나오는 여전히 고온인 냉매와 리쿠퍼레이터(45)에서 열교환하여 일단 온도를 일정수준으로 높인 다음 보일러(15)로 보내져 최종 얻고자 하는 최고온의 온도를 얻는다.
이 때, 냉매는 높은 성적계수(COP: coefficient of performance)를 얻기 위해서는 허용하는 한 높은 온도로 가열시켜야 하며, 이를 위해서는 200℃ 이상의 온도를 얻어야 하고, 이 온도영역에서는 거의 모든 냉매의 포화온도보다 높아 과임계상태(supercritical state)가 된다.
상기 보일러(15)에서 열을 공급받은 고온 고압의 냉매는 가용에너지가 높은 상태로 1단터빈(60)으로 유입되어 팽창되고, 1단터빈(60)을 나온 냉매는 1단터빈 (60)의 입구보다 온도가 낮아지므로 재열기(50)에서 재가열한 후 2단터빈(65)을 통과시켜 기계적 에너지를 얻는다.
한편, 2단터빈(65)을 통과한 냉매증기는 여전히 높은 온도를 가지고 있으므로, 전술한 바와 같이 리쿠퍼레이터(45)를 사용하여 펌프(10)를 통과한 고압의 액체냉매와의 열교환을 시킴으로써 유용가능한 에너지를 회수하고, 압축기(40) 출구의 증기냉매와 함께 응축기(25)로 보내어 액체냉매를 얻은 다음, 그 일부를 다시 펌프(10)로 보내어 증기냉매동력사이클을 완성한다.
다음으로, 냉동사이클은 응축기(25)에서 나온 응축된 액체냉매의 일부를 팽창밸브(30)를 통해 팽창시켜 감압시킨 다음 증발기(35)에서 증발잠열을 통해 냉동능력을 얻은 후 압축기(40)로 보내 응축압력까지 압축시키고 다시 응축기(25)로 보내어 액체냉매를 만들어 냉동사이클을 완성한다.
도 4는은 본 발명에 따른 2단 압축 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프의 구성도이고, 도3에 도시된 1단 압축 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프와 비교하여, 증기냉매동력사이클은 동일하나, 압축기(40)가 2단으로 구성된 점에 있어 그 차이가 있다.
2단 압축 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프의 냉동시스템은 증기냉매로부터 열을 방출하여 액체냉매로 환원시켜주는 응축기(25)와, 상기 응축기(25)에서 유입된 냉매를 감압 팽창시키는 제1팽창밸브(80)와, 상기 제1팽창밸브(80)로부터 유입된 건도를 가진 냉매를 증기냉매와 액체냉매로 분리하는 이코노마이저(55)와, 상기 이코노마이저(55)로부터 유입된 액체냉매를 감압 팽창시키는 제2팽창밸브(85)와, 상기 제2팽창밸브(85)에서 감압 팽창된 냉매를 이용하여 흡열하는 증발기(35)와, 상기 증발기(35)를 통과한 증기냉매가 유입되어 압축되는 1단압축기(70)와, 상기 1단압축기(70)에서 나오는 증기냉매 및 상기 이코노마이저(55)에서 유출되는 증기냉매를 압축하여 상기 응축기(25)로 보내 냉동사이클을 이루는 2단압축기(75)로 구성된다.
여기서, 이코노마이저(55)는 제1팽창밸브(80)와 제2팽창밸브(85)의 사이에 위치하고, 2단압축기(75)의 흡입압력은 응축압력보다 낮기 때문에 응축기(25)로부터 이코노마이저(55)로 유입되는 냉매가 가스를 발생하면서 냉매를 냉각시켜 2단압축기(75)의 흡입압력에 해당하는 온도가 되게 하며, 이 때 발생한 가스는 2단압축기(75)에 흡입되어 1단압축기(70)의 부하를 경감시킴으로 냉동기의 효율을 증가시키고, 이코노마이저(55)에 남은 냉매액은 제2팽창밸브(85)를 거쳐 증발기(35)로 흘러 들어감으로서 사이클을 완료하게 된다.
즉, 팽창냉매의 가스를 2단압축기(75)에 흡입시켜 1단압축기(70)의 부하를 경감시키고, 증발기(35)의 냉매 순환량을 감소시켜 냉동기 효율을 증가시키게 된다.
이하, 상기와 같은 구성으로 이루어진 2단 압축 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프의 작용 및 효과를 살펴보면 다음과 같으며, 증기냉매동력사이클의 경우, 1단 압축 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프에서의 증기냉매동력사이클과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
2단 압축 냉동사이클을 이루기 위해서 응축기(25)에서 나온 액체냉매는 제1팽창밸브(80)를 통과하여 감압 팽창된 후 이코노마이저(55)로 들어가고, 중력에 의해 상분리된 후 증기냉매는 2단압축기(75)로 들어가고, 액체냉매는 다시 제2팽창밸브(85)를 거쳐 증발온도를 얻은 다음 증발기(35)로 유입된 후 1단압축기(70)로 유입되어 냉동사이클을 완성한다.
상기와 같은 구성을 이루는 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프는 저온에서 획득한 열과 고온의 보일러(15)에서 획득한 열을 합쳐 상온보다 높은 온도에서 열을 방출할 수 있고, 가스보일러(15)로부터 열에너지를 얻은 다음 저온의 증발기(35)에서열을 빼앗을 수 있으므로 가스구동 냉동기로도 사용할 수 있다.
이상에서, 상기 압축기(40) 및 터빈(20)은 2단으로 구성하는 것으로 예시 및 도시하였으나, 본 발명의 목적은 터빈(20) 및 압축기(40)를 다단으로 구성하여 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프의 효율을 높이는 것에 있는 것으로, 상기와 같은 구성에 한정하지 않고 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 당업자라면 인지할 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프에 의하면, 2단터빈을 통과하여 응축기로 들어가는 여전히 고온인 증기냉매를 펌프를 통과한 저온 고압의 냉매와 리쿠퍼레이터에서 열교환시킴으로써 버려지는 폐열을 회수하고, 1단터빈과 2단터빈의 사이에 재열기를 구비하여 보일러에서의 평균온도를 높여 냉매증기사이클의 효율을 높이며, 압축기를 다단으로 구성한 경우에는 이코노마이저를 구비하여 팽창냉매의 가스를 2단압축기에 흡입시켜 1단압축기의 부하를 경감시키고, 증발기의 냉매 순환량을 감소시켜 냉동기 효율을 증가시켜 전체적인 시스템의 효율을 향상시키는 매우 유용하고 효과적인 발명이다.

Claims (3)

  1. 펌프(10), 보일러(15), 터빈(20), 응축기(25)로 구성되는 증기냉매동력시스템으로부터 구동력을 얻어 상기 응축기(25), 팽창밸브(30), 증발기(35), 압축기 (40)로 구성되는 냉동시스템을 가동하는 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프에 있어서,
    상기 터빈(20) 출구와 상기 응축기(25) 입구 사이의 냉매를 상기 펌프(10) 출구와 상기 보일러(15) 입구 사이의 냉매와 상호 열교환시켜 유용가능한 에너지를 회수하기 위하여 상기 펌프(10)의 출구와 보일러(15)의 입구 사이에 리쿠퍼레이터 (45)를 구비하되;
    상기 터빈(20)을 상기 보일러(15)에서 나온 고온 고압의 냉매가 유입되어 상기 압축기(40)를 가동하는 1단터빈(60)과, 상기 1단터빈(60)으로부터 공급된 냉매가 유입되어 상기 압축기(40)를 가동하는 2단터빈(65)으로 구성하고, 상기 1단터빈(60) 출구의 냉매 온도를 상승시켜 상기 2단터빈(65)에 공급하기 위하여 상기 1단터빈(60)과 상기 2단터빈(65) 사이에 재열기(50)를 구비한 것을 특징으로 하는 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 냉동시스템은 증기냉매로부터 열을 방출하여 액체냉매로 환원시켜주는 응축기(25)와;
    상기 응축기(25)에서 유입된 냉매를 감압 팽창시키는 제1팽창밸브(80)와;
    상기 제1팽창밸브(80)로부터 유입된 건도를 가진 냉매를 증기냉매와 액체냉매로 분리하는 이코노마이저(55)와;
    상기 이코노마이저(55)로부터 유입된 액체냉매를 감압 팽창시키는 제2팽창밸브(85)와;
    상기 제2팽창밸브(85)에서 감압 팽창된 냉매를 이용하여 흡열하는 증발기(35)와;
    상기 증발기(35)를 통과한 증기냉매가 유입되어 압축되는 1단압축기(70)와;
    상기 1단압축기(70)에서 나오는 증기냉매 및 상기 이코노마이저(55)에서 유출되는 증기냉매를 압축하여 상기 응축기(25)로 보내 사이클을 이루는 2단압축기 (75)로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉매증기터빈 구동 가스 열펌프.
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