KR100569779B1 - 냉, 온수겸용 폐열회수식 복합형 히트펌프 장치 - Google Patents

냉, 온수겸용 폐열회수식 복합형 히트펌프 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉, 온수 및 냉, 난방이 필요한 사우나, 목욕탕, 호텔, 모텔, 콘도, 골프장, 골프 연습장, 스포츠 센터, 수영장, 기타 등의 에너지 소비가 많은 장소에서 냉, 온수 및 샤워수와 온탕 등의 냉, 난방에 필요한, 45℃∼60℃의 온수와 7℃∼12℃의 냉수를 하나의 장치로 생산할 수 있고 또한 동절기에는 폐수에 포함된 폐열을 이용하고 하절기 및 중간기에는 대기의 무한정한 공기열원을 이용함으로써 에너지소비를 현저하게 절감 할 수 있도록 한 냉, 온수겸용 폐열 회수식 복합형 히트펌프 장치에 관한 것이다.
본 발명은 외부에서 저온의 급수를 흡입하는 온수펌프(11), 폐수조(1)에서 폐수를 유입하는 폐수펌프(12), 상기 온수펌프(11)에서 토출되는 저온의 급수와 폐수펌프(12)에서 토출되는 상대적으로 높은 온도의 폐수사이에 열교환작용에 의하여 저온의 급수를 예열시키는 예열기(13), 상기 예열기(13)에서 예열된 급수를 냉매의 과냉각작용과 열교환작용에 의하여 가열하는 것으로서 병렬방식으로 연결되어 있는 다수의 냉매 과냉각기(14a)(14b)(14c), 상기 냉매 과냉각기(14a)(14b)(14c)로부터 유입되는 급수와 온수혼합밸브(17)에서 유입되는 환수의 혼합수를 냉매의 응축작용과 열교환작용에 의하여 가열하는 것으로서 직렬방식으로 연결되어 있는 다수의 온수용 응축기(15a)(15b)(15c), 상기 온수용 응축기(15a)(15b)(15c)에서 유입되는 온수를 저장하는 온수 저장탱크(16), 상기 온수저장탱크(16)의 온수를 환수하는 환수펌프(17), 상기 환수펌프(17)에서 토출되는 고온의 환수를 냉매 과냉각기 (14a)(14b)(14c)로부터 유출되는 급수와 혼합시키는 온수혼합밸브(18)로 구성되어 있는 온수장치(10); 동절기에 상기 예열기(13)에서 일부 폐열을 방출한 후 토출되는 폐수의 폐열을 흡수하여 냉매를 증발시키는 것으로서 직렬로 연결되어 있는 다수의 폐열증발기(41a)(41b)(41c); 동절기를 제외한 하절기 및 중간기에 공기의 열원을 이용하여 냉매를 증발시키는 공랭식 증발기(30a)(30b)(30c); 그리고 상기 다수의 폐열증발기(41a)(41b)(41c) 또는 공랭식 증발기(30a)(30b)(30c)로부터 공급되는 저온, 저압의 기체상태의 냉매가스를 압축하여 고온, 고압의 과열증기의 상태로 변화시켜 상기 온수용 응축기(15a)(15b)(15c)로 보내는 다수의 압축기(42a)(42b)(42c)를 포함한다.
히트펌프, 공랭식, 수냉식, 폐열회수, 공기열원, 온수, 냉수, 냉방, 난방

Description

냉, 온수겸용 폐열회수식 복합형 히트펌프 장치{heat pump device using wasted heat for cold and hot water}
도 1은 본 발명에 따른 냉, 온수겸용 폐열 회수식 복합형 히트펌프 장치의 수배관 계통도로서 동절기 폐수이용상태의 계통도,
도 2는 본 발명에 따른 냉, 온수겸용 폐열회수식 복합형 히트펌프 장치의 하절기 공기열원을 이용하는 장치의 계통도,
도 3은 본 발명의 따른 냉, 온수겸용 폐열 회수식 복합형 히트펌프 장치의 동, 하절기 냉매 배관 계통도,
도 4는 본 발명의 구성요소인 예열기 및 폐열 증발기의 폐수계열 자동세척장치의 계통도이다.
<도면 각 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 폐수조 10: 온수장치
11: 온수펌프 12: 폐수펌프
13: 예열기 14a, 14b, 14c : 냉매 과냉각기
15a, 15b, 15c :온수용 응축기 16: 온수 저장탱크
17: 환수펌프 18: 온수혼합밸브
19: 폐수바이패스관 19a, 19b: 바이패스밸브
20: 냉수장치 21: 냉수펌프
22a, 22b, 22c : 냉수용 증발기 23: 냉수저장탱크
24: 냉수혼합밸브 30a, 30b, 30c : 공랭식 증발기
41a, 41b, 41c: 폐열증발기 42a, 42b, 42c: 압축기
43: 수액기 44: 필터 드라이어
45: 액면계 46: 전자변
47: 팽창변 48: 역지변
50: 세척용 탱크 51, 52: 배관
본 발명은 히트펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉, 온수를 직접 이용하거나 냉, 난방이 필요한 사우나, 목욕탕, 호텔, 모텔, 콘도, 골프장, 골프 연습장, 스포츠 센터, 수영장, 기타 등 에너지 소비가 많은 대형 장소에 45℃∼60℃의 온수와 7℃∼12℃의 냉수를 하나의 장치로 공급할 수 있으며 또한 동절기에는 폐수에 포함된 폐열을 회수하여 냉매를 증발하고 하절기 및 중간기에는 대기의 공기열원을 흡수하여 냉매를 증발시킴으로써 에너지소비를 현저하게 절감 할 수 있도록 한 냉, 온수겸용 폐열 회수식 복합형 히트펌프 장치에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프 장치의 방법에는 공기열원, 폐열, 지열, 태양열, 태양광 등을 이용하는 다양한 방법들이 있으나 종래의 히트펌프 장치의 보편적인 기술 로서는 공기열원을 흡수하는 공랭식 냉, 난방기가 주종을 이루고 있다. 이 장치는 비교적 장비가 간단하고 제작비용이 저렴하여 판매시장의 범위가 다양하고 그에 따라 이 장치에 대한 기술은 지속적으로 발전하고 있다.
그러나 이와 같은 종래의 히트펌프 장치는 동절기에는 대기온도가 영하로 떨어지므로 히트펌프 장치의 성능 및 효율을 결정하는 냉매증발온도가 영하의 저온으로 유지되어 성적계수(COP)가 현저하게 떨어지고 저온부인 증발기와 압축기의 흡입부의 결빙현상으로 기기의 효율적인 운전이 어렵고 안전성이 결여되는 단점이 있다. 따라서 최근에는 기술개발의 발전으로 인버터방식의 압축기와 다양한 기술로 기기의 안전성과 결빙현상의 문제점은 해결하였으나 성적계수(COP)가 현저하게 감소하는 것은 여전히 최대의 숙제로 남고 있다.
또한 히트펌프 장치에 있어서 매우 중요한 특징인 고온수를 생산함에 있어 고압부의 응축압력 및 응축온도가 대단히 높은 온도로 유지되어야 하므로 영하의 저온증발온도로는 흡입하는 열량으로는 고온의 응축압력과 응축온도를 유지하기 어렵고 냉동효과가 더욱더 현격하게 감소되어 경제성이 상실되어 에너지소비가 많은 대용량의 시설에는 적용하기 어렵다.
그리고 종래 냉, 난방기의 냉, 난방을 함에 있어서 하절기에는 실내기인 증발기와 실외기인 응축기의 역할과, 동절기에는 실내기인 응축기와 실외기인 증발기의 역할을 사방변으로 냉매의 증발과 응축을 정반대로 교체하는 방식이며 공기를 대상으로 냉, 난방을 하는 방법이다. 그리고 현장여건상 공랭식으로는 다양한 장소의 조건을 충족하기 쉽지 않고 이러한 장소의 시공에 여러 가지 문제점을 내포하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 45℃∼60℃의 온수와 7℃∼12℃의 냉수를 하나의 장치로 공급할 수 있으며 또한 하절기 및 중간기를 제외한 동절기에는 수냉식 방식을 중심으로 폐수에 포함된 폐열을 회수하여 이용하며 하절기 및 중간기에는 대기의 공기열원을 흡수하여 이용함으로써 에너지소비를 현저하게 절감 할 수 있도록 한 냉, 온수겸용 폐열 회수식 복합형 히트펌프 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 하고 있다.
본 발명은 또한 동절기에도 대기온도와 관계없이 온수생산에 사용되는 냉매의 증발온도를 상온으로 유지하도록 하여 성적계수(COP)를 대폭 상승시키고 성능이 극대화된 냉, 온수겸용 폐열 회수식 복합형 히트펌프 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 하고 있다.
본 발명은 또한 해당사업장에 대폭적인 에너지절감으로 수익증대와 경쟁력 확보를 제공할 수 있도록 한 냉, 온수겸용 폐열회수식 복합형 히트펌프 장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 히트펌프 장치는 외부에서 저온의 급수를 흡입하는 온수펌프, 폐수조에서 폐수를 유입하는 폐수펌프, 상기 온수펌프에서 토출되는 저온의 급수와 폐수펌프에서 토출되는 상대적으로 높은 온도의 폐수사이에 열교환작용에 의하여 저온의 급수를 예열시키는 예열기, 상기 예열기에서 예 열된 급수를 냉매의 과냉각작용과 열교환작용에 의하여 가열하는 것으로서 병렬방식으로 연결되어 있는 다수의 냉매 과냉각기, 상기 냉매 과냉각기로부터 유입되는 급수와 후술하는 온수혼합밸브에서 유입되는 환수의 혼합수를 냉매의 응축작용과 열교환작용에 의하여 가열하는 것으로서 직렬방식으로 연결되어 있는 다수의 온수용 응축기, 상기 온수용 응축기에서 유입되는 온수를 저장하는 온수 저장탱크, 상기 온수저장탱크의 온수를 환수하는 환수펌프, 상기 환수펌프에서 토출되는 고온의 환수를 냉매 과냉각기로부터 유출되는 급수와 혼합시키는 온수혼합밸브로 구성되어 있는 온수장치; 동절기에 상기 예열기에서 일부 폐열을 방출한 후 토출되는 폐수의 폐열을 흡수하여 냉매를 증발시키는 것으로서 직렬로 연결되어 있는 다수의 폐열증발기; 동절기를 제외한 하절기 및 중간기에 공기의 열원을 이용하여 냉매를 증발시키는 공랭식 증발; 그리고 상기 다수의 폐열증발기 또는 공랭식 증발기로부터 공급되는 저온, 저압의 기체상태의 냉매가스를 압축하여 고온, 고압의 과열증기의 상태로 변화시켜 상기 온수용 응축기로 보내는 다수의 압축기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 히트펌프장치는 또한 상온의 급수를 흡입하는 냉수펌프, 상기 냉수펌프에서 토출되는 상온의 급수로부터 냉매의 증발작용 및 열교환작용에 의하여 열원을 흡수하여 저온의 냉수로 변화시키는 것으로서 병렬로 연결되어 있는 다수의 냉수용 증발기, 상기 냉수용 증발기에서 병렬방식으로 토출되는 냉수를 저장하는 냉수저장탱크, 그리고 상기 냉수저장탱크에서 냉수를 일부 환수되도록 하여 상온의 급수와 혼합되도록 하여 급수의 온도를 낮게 하는 냉수혼합밸브로 구성되어 있는 냉수장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 냉, 온수겸용 폐열 회수식 복합형 히트펌프 장치의 수배관 계통도로서 동절기 폐수이용상태의 계통도이고, 도 2는 본 발명에 따른 냉, 온수겸용 폐열회수식 복합형 히트펌프 장치의 하절기 공기열원을 이용하는 장치의 계통도이며, 도 3은 본 발명의 따른 냉, 온수겸용 폐열 회수식 복합형 히트펌프 장치의 동, 하절기 냉매 배관 계통도이고, 도 4는 본 발명의 구성요소인 예열기 및 폐열 증발기의 폐수계열 자동세척장치의 계통도이다.
도1 및 도2에 도시된 바와 같이 본 발명의 히트펌프 장치는 외부에서 저온의 급수를 흡입하는 온수펌프(11), 폐수조(1)에서 폐수를 유입하는 폐수펌프(12), 상기 온수펌프(11)에서 토출되는 저온의 급수와 폐수펌프(12)에서 토출되는 상대적으로 높은 온도의 폐수사이에 열교환작용에 의하여 저온의 급수를 예열시키는 예열기(13), 상기 예열기(13)에서 예열된 급수를 냉매의 과냉각작용과 열교환작용에 의하여 가열하는 것으로서 병렬방식으로 연결되어 있는 다수의 냉매 과냉각기(14a)(14b)(14c), 상기 냉매 과냉각기(14a)(14b)(14c)로부터 유입되는 급수와 후술하는 온수혼합밸브(17)에서 유입되는 환수의 혼합수를 냉매의 응축작용과 열교환작용에 의하여 가열하는 것으로서 직렬방식으로 연결되어 있는 다수의 온수용 응축기(15a)(15b)(15c), 상기 온수용 응축기(15a)(15b)(15c)에서 유입되는 온수를 저장하는 온수 저장탱크(16), 상기 온수저장탱크(16)의 온수를 환수하는 환수펌프(17), 상기 환수펌프(16)에서 토출되는 고온의 환수를 냉매 과냉각기(14a)(14b)(14c)로부터 유출되는 급수와 혼합시키는 온수혼합밸브(18)로 구성되어 있는 온수장치(10); 동절기에 상기 예열기(13)에서 일부 폐열을 방출한 후 토출되는 폐수의 폐열을 흡수하여 냉매를 증발시키는 것으로서 직렬로 연결되어 있는 다수의 폐열증발기(41a)(41b)(41c); 동절기를 제외한 하절기 및 중간기에 공기의 열원을 이용하여 냉매를 증발시키는 공랭식 증발기(30a)(30b)(30c); 그리고 상기 다수의 폐열증발기(41a)(41b)(41c) 또는 공랭식 증발기(30a)(30b)(30c)로부터 공급되는 저온, 저압의 기체상태의 냉매가스를 압축하여 고온, 고압의 과열증기의 상태로 변화시켜 상기 온수용 응축기(15a)(15b)(15c)로 보내는 다수의 압축기(42a)(42b)(42c)를 포함한다.
그리고 본 발명의 히트펌프장치는 도 1에 도시된 바와 같이 상온의 급수를 흡입하는 냉수펌프(21), 상기 냉수펌프(21)에서 토출되는 상온의 급수로부터 냉매의 증발작용 및 열교환작용에 의하여 열원을 흡수하여 저온의 냉수로 변화시키는 것으로서 병렬로 연결되어 있는 다수의 냉수용 증발기(22a)(22b)(22c), 상기 냉수용 증발기(22a)(22b)(22c)에서 병렬방식으로 토출되는 냉수를 저장하는 냉수저장탱크(23), 그리고 상기 냉수저장탱크(23)에서 냉수를 일부 환수되도록 하여 상온의 급수와 혼합되도록 하여 급수의 온도를 낮게 하는 냉수혼합밸브(24)로 구성되어 있는 냉수장치(20)도 포함한다.
그리고 본 발명의 히트펌프 장치는 하절기에 폐수가 운전되지 않는 다수의 폐열증발기(41a)(41b)(41c)를 우회하여 배수시키는 폐수바이패스관(19) 및 바이패 스밸브(19a)(19b)를 포함한다.
또한 본 발명의 히트펌프 장치는 폐수배관을 세척하기 위하여 세척제가 투입되는 세척제탱크(50), 상기 세척제탱크(50)와 폐수펌프(12)의 유입배관에 연결된 배관(51), 상기 배관(51)상에 설치된 C밸브, 폐수조(1)의 폐수를 개폐하는 E밸브, 상기 배관(51)으로부터 분기되어 마지막 폐열증발기(41c)의 배출배관에 연결되어 있는 배관(52), 폐수 및 세척제의 배수를 개폐하는 F밸브, 그리고 상기 세척제탱크(50)에 깨끗한 급수를 개폐하는 G밸브를 포함한다.
본 발명의 냉, 온수겸용 폐열 회수식 복합형 히트펌프장치의 작용에 대하여 설명한다.
먼저 동절기에 폐열을 이용하여 온수를 생산하는 과정에 대하여 설명한다.
동절기에 온수펌프(11)로 공급되는 급수의 온도는 7℃∼12℃ 이고 폐수조(1)의 폐수온도는 평균 32℃∼37℃ 이다. 상기 폐수온도의 산출은 다음과 같이 행해진 것이다. 동절기에 온수저장탱크(16)에서 초기 60℃의 온도로 온수를 공급을 한다고 가정하면, 온수사용자는 인체에 적당한 샤워 및 온탕의 온수온도 범위는 39℃∼42℃이므로 60℃의 온수와 차가운 냉수를 희석하여 39℃∼42℃의 온수온도로 낮추어 사용하게 된다. 따라서 사용후 폐수조(1)에 저장되는 폐수의 온도는 평균 32℃∼37℃ 가 된다. 이때 폐수량은 차가운 냉수와 온수를 합산한 것이 된다. 전체 폐수량 중에서 온수량은 60%, 냉수량은 40% 이다.
예열기(13)에서는 상기 온수펌프(11)로부터 공급되는 저온 7℃∼12℃의 급수를 폐수펌프(12)로부터 공급되는 32℃∼37℃의 폐수와의 열교환작용에 의하여 23℃∼ 28℃로 예열한다.
23℃∼28℃로 예열된 급수는 냉매과냉각기(14a)(14b)(14c)에서 냉매의 과냉각작용 및 열교환작용에 의하여 27℃∼32℃까지 가열된다. 27℃∼32℃의 급수는 온수저장탱크(16)에서 환수되는 60℃의 온수와 혼합되어 35℃∼45℃가 된다.
이어서 35℃∼45℃의 혼합수는 온수용 응축기(15a)(15b)(15c)에서 냉매의 응축작용 및 열교환작용에 의하여 단계적으로 45℃에서 60℃까지 가열된 후 온수저장탱크(16)에 저장된다. 온수용 응축기(15a)(15b)(15c)는 3개가 직렬로 연결되어 있으므로 각 응축기에서 5℃씩 응축하여 전체적으로 15℃ 상승시킨다.
온수저장탱크(16)의 온수의 온도를 소정온도 유지시키기 위하여 온수혼합밸브(18)를 개방하여 환수펌프(17)에 의하여 온수의 일부를 냉매 과냉각기(14a)(14b)(14c)에서 유출되는 급수와 혼합, 순환시킨다. 따라서 온수를 그대로 사용할 수도 있으며 난방배관을 순환하도록 하여 난방으로도 사용할 수 있다.
한편 예열기(13)를 통과한 폐수의 온도는 20℃∼25℃이며 폐수는 냉매가스의 냉매증발에 의한 폐열흡입방식인 폐열증발기(41a)(41b)(41c)를 통과하면서 열교환작용에 의하여 냉매를 증발시킨 후 배수된다. 폐열증발기(41a)(41b)(41c)는 폐수의 열을 최대한 이용하기 위하여 3개가 직렬로 연결되어 있다.
폐열증발기(41a)(41b)(41c)는 3단계 직렬방식으로 되어 있으므로 한 단계에 Δt 4℃∼Δt 6℃의 온도차에 의해 전체적으로 Δt 16℃이상으로 온도차 범위를 최대한 크게 하여 많은 폐열을 흡수하므로 그만큼 폐수의 량을 작게 할 수가 있다. 1단계 폐열증발기(41a)는 예열기(13)에서 오는 20℃∼ 25℃의 폐수에 의해서 동절기 영하의 대기온도와 관계가 없이 상온 15℃의 냉매 증발온도를 유지하고, 2단계 폐열증발기(41b)에서는 상기 1단계 폐열증발기에서 배출되는 17℃∼20℃의 폐수를 공급받아 상온 10℃의 냉매 증발온도를 유지하며, 3단계 폐열증발기(41c)에서는 상기 2단계 폐열증발기(41b)에서 배출되는 12℃∼17℃의 폐수를 공급받아 상온 5℃의 냉매 증발온도를 유지한다. 상기 3단계 폐열증발기(41c)에서 최종적으로 배출되는 폐수의 온도는 8℃∼5℃이다. 그리고 하절기에 이용되지 않는 폐열증발기(41a)(41b)(41c)를 우회하여 폐수를 배출하기 위하여 폐수 바이패스관(19) 및 바이패스밸브(19a)(19b)가 구성되어 있다.
다음에는 주로 하절기에 냉수를 생산하는 냉수장치에 대하여 설명한다.
냉수장치(20)는 하절기에 냉탕 및 냉방의 목적에 필요한 냉각기능의 장치로서 하나의 압축기(42a)(42b)(42c)로 전술한 온수는 물론이고 냉탕 및 냉방을 동시에 가능하게 하는 수냉식 방식에 근거한 장치이다.
냉수펌프(21)에서 상온의 급수를 흡입하여 병렬 연결된 다수의 냉수 증발기(22a)(22b)(22c)로 보내면 각각 냉수 증발기에서 냉매의 증발작용 및 열교환작용에 의해 상온 5℃의 냉매증발온도로 냉각되고 냉수저장탱크(23)로 들어간다.
폐열증발기(41a)(41b)(41c)와 냉수증발기(22a)(22b)(22c)는 항상 온수를 생산하면서 가동 중에도 전환제어장치에 의해서 자동으로 제어가 가능하며 냉수저장탱크(23)에서 냉수를 냉탕으로 보내면 냉탕용이고 냉방용은 팬코일 유니트(FAN COIL UNIT)를 설치하여 냉수를 순환하면 냉방으로 사용할 수가 있다.
별도의 냉수증발기(22a)(22b)(22c)가 필요한 이유는 3개의 폐열증발기 (41a)(41b)(41c)의 냉매 증발온도가 서로 다르게 이루어지고, 폐수는 오염관계로 인하여 냉각수로 사용하기 곤란하며 또한 냉방에 필요한 낮은 냉매증발온도가 요구가 되기 때문이다.
냉탕에서 냉수를 사용하면 사용한 만큼 자연적으로 외부에서 급수가 흡입이 되고 냉방 시에는 팬 코일 유니트와 배관에 냉수가 완전 보충이 완료되면 자연적으로 급수의 보충이 중단되고 냉수혼합밸브(24)가 개방되어 순환이 이루어진다.
다음은 하절기에 공기의 열원을 이용하는 공랭식 증발기(30)에 대하여 설명한다.
공랭식증발기(30)는 동절기를 제외한 하절기 및 중간기에는 대기의 무한한 열원을 흡수하는 방식으로 가동된다. 공랭식증발기(30)의 운전방식은 크게 두가지 방법으로 구분이 되는데, 첫째는 온수만 생산 공급하는 온수전용 방식과 둘째는 온수를 생산 공급하면서 동시에 냉풍으로 냉방이 가능한 냉방겸용 방식으로도 가능한 구조이다. 또한 필요에 따라 냉, 온수 및 냉, 난방을 현장설치조건에 맞추어 공랭식 및 수냉식 방식으로 다양하게 선택 할 수 있어 현장설치조건에 매우 뛰어난 호환성을 가진다.
3개의 공랭식증발기(41a)(41b)(41c)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 병렬방식에 의한 각각 개별적인 방식으로 운전이 되므로 온수전용은 냉매 증발온도가 동일한 15℃의 운전조건으로 가동이 되고 냉방겸용은 냉매 증발온도가 동일한 5℃의 운전조건으로 가동이 되어 냉동효과 및 성적계수가 매우 뛰어난 냉, 온수 및 냉방장치이다.
다음은 동, 하절기 때 냉, 온수 및 냉, 난방 조절을 행하는 냉매배관 계통에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다.
전술한 수배관 계통의 냉, 온수의 생산이 이루어지면 냉매배관의 압축기(42a)(42b)(42c)는 각종 증발기에서 차가운 저온, 저압의 기체상태의 냉매가스를 공급받아 압축한다. 상기 압축기(42a)(42b)(42c)에서 차가운 저온, 저압의 기체상태의 냉매가스를 압축하면 냉매가스는 뜨거운 고온, 고압의 과열증기의 상태로 변하게 된다.
첫 번째 압축기(42a)는 응축온도가 50℃이고 토출되는 과열증기는 60℃∼65℃이며, 두 번째 압축기(42b)는 응축온도가 55℃이고 토출되는 과열증기는 70℃∼75℃이며, 세 번째 압축기(42c)는 응축온도가 60℃이고 토출되는 과열증기는 75℃∼80℃로 되어 온수용 응축기(15a)(15b)(15c)로 공급을 하면 열 교환으로 열을 방열하게 되면 온수용 응축기(15a)(15b)(15c)의 수배관의 온수가 뜨거워지면서 냉매가스는 냉각으로 인하여 응축현상이 발생되어 고온, 고압의 액(LIQUID)상태로 변화된다.
상기 온수용 응축기(15a)에서 토출되는 고온, 고압의 액 냉매온도는 50℃∼55℃이고 응축기(15b)에서 토출되는 고온, 고압의 액 냉매온도는 55℃∼60℃이며 응축기(15c)에서 토출되는 고온, 고압의 액 냉매온도는 60℃∼65℃이다.
이 냉매가스를 각각 냉매 과냉각기(14a)(14b)(14c)에서 공급받아 예열기(13)에서 오는 상온의 23℃∼28℃급수와 열교환되어 고온, 고압의 액 냉매가 동일하게 각각 30℃까지 과냉각된다. 따라서 냉동효과 및 성적계수를 증가시키고 또한 응축 기에서 토출되는 고온의 액 냉매온도와 과냉각 액 냉매온도차가 크게 형성되므로 성능 및 효율이 더욱 증가된다.
상기 냉매 과 냉각기(14a)(14b)(14c)에서 토출되는 냉매 액은 수액기(RECEIVER TANK)(43)에 일시 저장하고 냉동부하의 변화에도 관계없이 순수하게 냉매 액을 폐열증발기(41a)(41b)(41c)로 공급된다. 상기 수액기(43)에서 토출되는 냉매 액은 필타 드라이어(FILTER DRYER)(44)에서 수분이 제거되고 이물질이 여과처리된다. 그리고 액면계(SIGHT GLASS)(45)에서 필타 드라이어(44)에서 통과되는 냉매 액의 상태와 흐름을 육안으로 확인할 수 있다.
상기 액면계(45)를 통과하는 고온, 고압의 냉매 액의 흐름을 계절별 가동 환경조건의 필요에 따라 전자변(46)에 의해서 폐열증발기(41a)(41b)(41c), 또는 공랭식 증발기(30a)(30b)(30c) 및 냉수증발기(22a)(22b)(22c)로 보내진다.
즉 냉매는 동절기에는 폐열증발기(41a)(41b)(41c)로 보내지고, 동절기를 제외한 하절기 및 중간기에는 공랭식증발기(30a)(30b)(30c)와 냉수증발기(22a)(22b)(22c)로 공급된다.
팽창변(EXPANSION VALVE)(47)은 상기 전자변(46)을 통과하는 고온, 고압의 냉매 액을 압력을 감소시켜 저온, 저압으로 증발압력 및 증발온도를 유지하고 온도식 자동유량조절기능을 한다.
동절기에는 저온, 저압의 팽창된 냉매증기가 폐열증발기(41a)(41b)(41c)로 보내져 여기서 폐수의 열을 흡수하여 증발한다. 3개의 폐열증발기(41a)(41b)(41c)가 단계적인 직렬방식으로 구성되는 관계로 증발온도는 각각 15℃, 10℃, 5℃이다. 증발온도 15℃의 폐열증발기(41a)는 압축기(42c) 및 응축온도 60℃의 응축기(15c)에 연결이 되고 증발온도 10℃의 폐열증발기(41b)는 압축기(42b) 및 응축온도 55℃의 응축기(15b)와 연결이 되며 증발온도 5℃의 폐열증발기(41c)는 압축기(42a) 및 응축온도 50℃의 응축기(15a)와 연결된다.
증발온도와 응축온도의 온도차가 작을수록 성적계수가 커지며 증발온도가 높을수록 성적계수가 상승되므로 상기와 같이 일률적으로 Δt 45℃의 온도차가 유지되도록 한다.
동절기를 제외한 하절기 및 중간기 때에는 냉매가 공랭식증발기(30a)(30b)(30c)와 냉수증발기(22a)(22b)(22c)로 흐르는데, 여기서는 폐열을 이용하지 않기 때문에 증발온도가 동일하고 병렬방식으로 유지되므로 증발온도에 관계없이 연결이 가능하다.
역지변(48)은 열원을 흡수하여 토출되는 저온, 저압의 냉매증기의 정상적인 흐름을 유지하고, 운전되지 않는 증발기의 저온, 저압의 냉매증기를 반대방향의 흐름을 방지하는 역할을 한다. 각종 증발기를 통과한 저온, 저압의 냉매증기는 다시 압축기(42a)(42b)(42c)로 들어가 순환을 계속한다.
다음에는 동절기를 제외한 하절기 및 중간기에만 사용되는 폐수바이패스 밸브(19)와 폐수계열 자동세척장치에 대하여 설명한다.
하절기에는 온수생산을 공랭식증발기방식으로 가동이 되므로 폐수는 예열기(13)에서만 폐열을 회수하므로 폐열증발기(41a)(41b)(41c)로 보내지 않고 바로 바이패스밸브(19a)를 개방하고 바이패스밸브(19b)를 차단하여 폐수바이패스관(19)을 통하여 배수처리된다.
이는 폐열증발기(41a)(41b)(41c)의 가동정지기간 중에 오염방지와 수명을 연장하는 효과가 있다.
그리고 폐수의 오염물질과 이물질 등으로 인하여 폐수펌프, 예열기, 폐열증발기 등에 심각한 오염을 초래하여 효율 및 성능을 저하시키므로 주기적으로 부단히 세척이 필요하다.
세척 작업시 사전준비사항으로 폐수펌프(12)를 일시정지하고 예열기(13) 및 각 폐열증발기(41a)(41b)(41c) 내의 상부 일부분에 있는 폐수를 D밸브와 F밸브를 닫힘(OFF)상태에서 열림(ON)으로 하여 폐수를 배수하고 세척용 탱크(50)에 세척제를 투입할 수 있도록 한다. 상기 세척제를 투입할 수 있도록 폐수의 배수가 마감되면 D밸브 및 F밸브를 열림(ON)상태에서 닫힘(OFF)으로 하고 폐수조(1)에서 폐수를 흡입하고 E밸브를 차단한다. 이 상태에서 C밸브를 개방한 상태에서 세척용 탱크(50)에 세척제를 만수가 되도록 투입한 후 폐수펌프(12)를 가동한다. 이 때 세척제는 폐수펌프(12)에 의하여 예열기(13) 및 폐열증발기(41a)(41b)(41c), 배관(52)(51) 등 폐수계통 전체를 반복 순환하여 약 30여 분간 세척을 행한다.
상기 세척을 마무리한 뒤에 폐수펌프(12)를 일시 정지한 후 F밸브를 개방하여 폐수를 배수처리한다. 다음에 G밸브를 개방하여 깨끗한 급수를 공급할 수 있도록 하여 일시정지 한 폐수펌프(12)를 가동하여 깨끗한 급수가 폐수계통의 배관을 흐르도록 하여 충분하게 이물질 및 물때를 제거한다. 다음에 C밸브와 G밸브를 열림(ON)상태에서 닫힘(OFF)하고 하절기전용 바이패스밸브(19a)를 개방하고 바이패스밸 브(19b)를 폐쇄하여 폐열증발기쪽을 완벽하게 배수처리한다.
본 발명의 자동세척장치를 이용하면 운영자가 세척 작업 시 부품의 분해조립이 필요치 않고 간단하고 편리하게 세척작업이 이루어지며 폐수계통 세척은 하절기정지기간 중에 실시하므로 세척작업으로 인한 어떠한 경우에도 본 발명 장치의 운전이 정지되지 않고 장치의 성능 및 효율을 유지하고 안정적 운전을 확보할 수 있다.
이 폐수계통 자동세척장치는 동절기를 제외한 하절기 및 중간기 때에 폐열증발기의 가동정지기간 중에 년 1회 실시하며 본 장치는 공랭식증발기로 정상적인 운전가동을 유지하면서 실시할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 히트펌프 장치는 45℃∼60℃의 온수와 7℃∼12℃의 냉수를 하나의 장치로 공급할 수 있으며 또한 동절기에는 수냉식 방식을 중심으로 폐수에 포함된 폐열을 회수하여 이용하며 하절기 및 중간기에는 대기의 공기열원을 흡수하여 이용함으로써 에너지소비를 현저하게 절감 할 수 있으며, 동절기에도 대기온도와 관계없이 온수생산에 사용되는 냉매의 증발온도를 상온으로 유지하도록 하여 성적계수(COP)를 대폭 상승시키고 성능이 극대화되며, 냉, 온수 및 냉, 난방이 필요한 사우나, 목욕탕, 호텔, 모텔, 콘도, 골프장, 골프 연습장, 스포츠 센터, 수영장, 기타 등의 에너지 소비가 많은 장소에서 대폭적으로 에너지를 절감할 수 있어 수익증대와 경쟁력 확보를 할 수 있게 하는 효과를 발휘한다.

Claims (4)

  1. 외부에서 저온의 급수를 흡입하는 온수펌프(11), 폐수조(1)에서 폐수를 유입하는 폐수펌프(12), 상기 온수펌프(11)에서 토출되는 저온의 급수와 폐수펌프(12)에서 토출되는 상대적으로 높은 온도의 폐수사이에 열교환작용에 의하여 저온의 급수를 예열시키는 예열기(13), 상기 예열기(13)에서 예열된 급수를 냉매의 과냉각작용과 열교환작용에 의하여 가열하는 것으로서 병렬방식으로 연결되어 있는 다수의 냉매 과냉각기(14a)(14b)(14c), 상기 냉매 과냉각기(14a)(14b)(14c)로부터 유입되는 급수와 온수혼합밸브(17)에서 유입되는 환수의 혼합수를 냉매의 응축작용과 열교환작용에 의하여 가열하는 것으로서 직렬방식으로 연결되어 있는 다수의 온수용 응축기(15a)(15b)(15c), 상기 온수용 응축기(15a)(15b)(15c)에서 유입되는 온수를 저장하는 온수 저장탱크(16), 상기 온수저장탱크(16)의 온수를 환수하는 환수펌프(17), 상기 환수펌프(16)에서 토출되는 고온의 환수를 냉매 과냉각기(14a)(14b)(14c)로부터 유출되는 급수와 혼합시키는 온수혼합밸브(18)로 구성되어 있는 온수장치(10);
    동절기에 상기 예열기(13)에서 일부 폐열을 방출한 후 토출되는 폐수의 폐열을 흡수하여 냉매를 증발시키는 것으로서 직렬로 연결되어 있는 다수의 폐열증발기(41a)(41b)(41c);
    동절기를 제외한 하절기 및 중간기에 공기의 열원을 이용하여 냉매를 증발시키는 공랭식 증발기(30a)(30b)(30c), 그리고
    상기 다수의 폐열증발기(41a)(41b)(41c) 또는 공랭식 증발기(30a)(30b)(30c)로부터 공급되는 저온, 저압의 기체상태의 냉매가스를 압축하여 고온, 고압의 과열증기의 상태로 변화시켜 상기 온수용 응축기(15a)(15b)(15c)로 보내는 다수의 압축기(42a)(42b)(42c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉, 온수겸용 복합형 히트펌프장치.
  2. 제1항에 있어서, 상온의 급수를 흡입하는 냉수펌프(21), 상기 냉수펌프(21)에서 토출되는 상온의 급수로부터 냉매의 증발작용 및 열교환작용에 의하여 열원을 흡수하여 저온의 냉수로 변화시키는 것으로서 병렬로 연결되어 있는 다수의 냉수용 증발기(22a)(22b)(22c), 상기 냉수용 증발기(22a)(22b)(22c)에서 병렬방식으로 토출되는 냉수를 저장하는 냉수저장탱크(23), 그리고 상기 냉수저장탱크(23)에서 냉수를 일부 환수되도록 하여 상온의 급수와 혼합되도록 하여 급수의 온도를 낮게 하는 냉수혼합밸브(24)로 구성되어 있는 냉수장치(20)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 냉, 온수겸용 복합형 히트펌프장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하절기에 폐수가 상기 다수의 폐열증발기(41a)(41b)(41c)를 우회하도록 하는 폐수바이패스관(19) 및 바이패스밸브(19a)(19b)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 냉, 온수겸용 복합형 히트펌프장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 폐수배관을 세척하기 위하여 세척제가 투입되는 세척제탱크(50), 상기 세척제탱크(50)와 폐수펌프(12)의 유입배관에 연결된 배관(51), 상기 배관(51)상에 설치된 C밸브, 폐수조(1)의 폐수를 개폐하는 E밸브, 상기 배관(51)으로부터 분기되어 폐열증발기(41c)의 배출배관에 연결되어 있는 배관(52), 폐수 및 세척제의 배수를 개폐하는 F밸브, 그리고 상기 세척제탱크(50)에 깨끗한 급수를 개폐하는 G밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉, 온수겸용 복합형 히트펌프장치.
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