KR100630316B1 - 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템 - Google Patents

2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템 Download PDF

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박성룡
백영진
장기창
라호상
이영수
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템으로서, 더욱 상세하게는 플래쉬 타입 중간냉각기를 적용하여 용액 펌프를 통해 나온 희용액의 일부를 압축기 출구 고온의 증기를 냉각시키는데 사용하도록 함으로써 고단 압축기의 입구온도를 크게 낮아지도록 하며, 플래쉬 탱크내 수위 감지기를 이용하여 액상의 설정된 높이 이상되지 않도록 중간냉각용 조절밸브의 개도를 조절하며, 액상의 설정된 높이 이상이 될 경우 용액 리턴 밸브를 개방하여 용액을 디소버로 리턴시키는 특징을 갖는 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
이는 종래의 증기압축식 히트펌프의 원리에 흡수식 사이클의 장점을 적용하여 기존의 히트펌프 기술로는 불가능했던 90℃ 이상의 고온수를 시스템의 성능계수 저하 없이 냉수와 동시에 제조 할 수 있으며, 중간냉각에 의하여 과도한 압축기 토출가스온도를 낮춤으로써 압축기의 안정적인 작동을 보장하며, 시스템의 운전 조건에 관계없이 항상 고효율 및 안전운전을 보장할 수 있도록 하는 것이다.
하이브리드 히트펌프, 고온수, 냉난방, 중간냉각기, 나노유체

Description

2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템 {Two-Stage Hybrid Heat Pump Hot/Chilled Water Maker}
도 1은 본 발명에 따른 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 디소버(desorber)
2 : 희용액펌프(weak solution pump)
3 : 용액열교환기(solution heat exchanger)
4 : 업소버(absorber)
5 : 전자팽창밸브(EEV, Electronic Expansion valve)
6 : 압축기(compressor)
7 : 냉수측 시수 또는 열원수 입구(city water or heat source inlet)
8 : 냉수 출구(chilled water outlet)
9 : 온수측 시수 또는 히트싱크 입구(city water or heat sink inlet)
10 : 고온수 출구(hot water outlet)
11 : 어큐뮬레이터(bladder type accumulator)
12 : 시스템 제어기(system controller)
13 : 냉수측 시수 또는 열원수 입구 온도 센서 (city water or heat source temperature sensor)
14 : 냉수 출구 온도 센서(chilled water temperature sensor)
15 : 온수측 시수 또는 히트싱크 입구 온도 센서 (city water or heat sink temperature sensor)
16 : 고온수 출구 온도 센서(hot water temperature sensor)
17 : 고단압축기(high-stage compressor)
18 : 플래쉬 타입 중간냉각기(flash type intercooler)
19 : 플래쉬 탱크내 수위 감시기(liquid level sensor in the flash tank)
20 : 중간냉각용 조절 밸브(control valve)
21 : 용액 리턴 밸브(solution return valve)
본 발명은 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템으로서, 더욱 상세하게는 플래쉬 타입 중간냉각기를 적용하여 용액 펌프를 통해 나온 희용액의 일부를 압축기 출구 고온의 증기를 냉각시키는데 사용하도록 함으로써 고단 압축기의 입구온도를 크게 낮아지도록 하며, 플래쉬 탱크내 수위 감지기를 이용하여 액상의 설정된 높이 이상되지 않도록 중간냉각용 조절밸브의 개도를 조절하며, 액상의 설정된 높이 이상이 될 경우 용액 리턴 밸브를 개방하여 용액을 디소버로 리턴시키는 특징을 갖는 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
종래의 히트펌프 기술로 90℃ 이상의 고온수를 제조하는 시스템은 크게 두가지의 기술을 이용한 것으로 대표할 수 있는데, 우선 보일러 및 전기 가열기 등의 보조 열원을 이용한 시스템의 경우, 안정적인 고온수의 공급이 가능한 반면 추가 에너지 입력에 따른 시스템 성능계수 저하가 필연적으로 수반된다. 또한, 응축기 전체 영역의 일부에 해당하는 desuperheating 구간(압축기 토출가스가 응축온도까지 냉각되는 과정)에서의 열량을 이용하는 시스템의 경우, 큰 성능 저하는 없으나, 고온수의 생산 유량이 적어 실용적이지 못한 문제점이 있으며, 특히 압축기의 토출온도가 과도하여 사용조건이 매우 제한적이며, 불안정적인 운전조건이 되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 플래쉬 타입 중간냉각기를 적용하여 용액 펌프를 통해 나온 희용액의 일부를 압축기 출구 고온의 증기를 냉각시키는데 사용하도록 함으로써 고단 압축기의 입구온도를 크게 낮아지도록 하며, 플래쉬 탱크내 수위 감지기를 이용하여 액상의 설정된 높이 이상되지 않도록 중간냉각용 조절밸브의 개도를 조절하며, 액상의 설정된 높이 이상이 될 경우 용액 리턴 밸브를 개방하여 용액을 디소버로 리턴시킴으로써, 압축기의 안정적 인 작동을 보장하며, 매우 넓은 운전 조건에 대하여 항상 고효율로 작동되는 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수제조 히트펌프 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
이하 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템의 개략도로서, 먼저 구성 및 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.
디소버(1)에서는 전자팽창밸브(5)를 통과하여 저온, 저압이 된 냉매-흡수제 혼합물 중 주로 증기압이 높은 냉매가 냉수측 시수 또는 열원수 입구(7)를 통과하여 시스템으로 들어온 시수 등을 열원으로 증발하게 되며, 이 과정에서 흡수제도 소량 증발한다. 이 때, 증발과정에 있어서 2차 유체인 시수 등은 증발열로 인하여 냉각되어 냉수 출구(8)로 유출된다. 증발과정을 통하여 생성된 증기는 압축기(6)를 통해 압축되며, 남아 있는 희용액은 희용액펌프(2)를 통해 압축되어 고압의 용액이 된다. 이 때, 용액의 일부가 중간냉각용 조절 밸브(20)를 통하여 플래쉬 타입 중간냉각기(18)로 유입되며, 압축기(6)로 부터 나온 고온 증기를 냉각한다. 플래쉬 타입 중간냉각기(18) 내에서 포화된 냉매는 다시 고단압축기(17)를 통해 압축되며, 이렇게 압축된 증기와 고압 용액이 업소버(4)에서 만나고 흡수과정이 발생한다. 업소버(4)에서 증기의 흡수가 일어나는 동안 발생하는 흡수열은 온수측 시수 또는 히트싱크 입구(9)를 통하여 시스템으로 들어온 시수 등을 가열하여 고온수를 제조하는데 사용된다. 제조된 고온수는 고온수 출구(10)를 통하여 유출된다. 다음, 농용 액은 전자팽창밸브(5)를 통해 압력이 낮아지고 디소버(1)로 다시 돌아가는 과정을 이루게 된다. 또한 용액열교환기(3)에서는 온도가 높은 농용액과 온도가 낮은 희용액 사이에 열교환이 이루어진다. 이 때, 플래쉬 타입 중간냉각기(18) 내에는 플래쉬 탱크내 수위 감시기(19)가 구비되어 있어서, 액상의 설정된 높이 이상되지 않게끔 중간냉각용 조절밸브(20)의 개도를 조절할 수 있도록 시스템 제어기(12)로 신호를 전달한다. 또한, 시스템 제어기(12)는 플래쉬 탱크내 수위 감시기(19)의 신호를 입력으로 하여 액상의 설정된 높이 이상이 될 경우 용액 리턴 밸브(21)를 개방하여 용액을 디소버(1)로 리턴시킨다.
본 발명은 이러한 전자팽창밸브(5)를 통과하여 저온, 저압이 된 냉매-흡수제 혼합물 중 주로 증기압이 높은 냉매가 증발되는 디소버(1)와, 상기 디소버(1)에서 증발과정을 통하여 생성된 증기를 압축시키는 압축기(6)와, 남아 있는 희용액을 압축하여 고압의 용액으로 형성하는 희용액 펌프(2)와, 상기 압축된 증기와 고압 용액이 만나서 흡수과정을 발생시키는 업소버(4)로 이루어진 히트펌프 시스템에서 상기 압축기(6)로부터 압축된 기상의 냉매를 냉각 시킬 수 있는 플래쉬 타입 중간냉각기(18)와, 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 증기를 업소버(4) 내로 압축 토출 시키는 고단압축기(17)와, 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 고온의 증기를 희용액 펌프(2)로부터 토출되는 희용액과 혼합하도록 조절하는 중간냉각용 조절밸브(20)와, 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 액상용액을 디소버(1)로 리턴시키는 용액리턴밸브(21)를 부가하여 이루어진 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템과 이를 통합 제어하기 위한 시스템 제어기(12)에 관한 것이다.
또한, 상기의 시스템은 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 플래쉬 탱크내 수위 감지기(19)를 이용하여 액상의 설정된 높이 이상되지 않도록 중간냉각용 조절밸브(20)의 개도를 조절하며, 고단압축기(17)의 입구온도를 압축기(6)출구의 온도에 비하여 크게 낮아 질 수 있도록 한 것이다. 그리고 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 플래쉬 탱크내 수위 감지기(19)를 이용하여 액상의 설정된 높이 이상이면 용액 리턴 밸브(21)를 개방하여 용액을 디소버(1)로 리턴시키는 것이다.
상기와 같은 작동원리에 의한 고온수 제조 시스템은 다음과 같다. 본 발명에 따른 하이브리드 히트펌프 고온수 제조 시스템은 전자팽창밸브(5)를 통과하여 저온, 저압이 된 냉매-흡수제 혼합물 중 주로 증기압이 높은 냉매가 증발시키는 디소버(1)와, 상기 디소버(1)에서 증발과정을 통하여 생성된 증기를 압축시키는 압축기(6)와, 남아 있는 희용액을 압축되어 고압의 용액으로 형성하는 희용액 펌프(2)와, 상기 압축된 증기와 고압 용액이 만나서 흡수과정을 발생시키는 업소버(4)로 이루어지되, 상기 업소버(4)에서 증기의 흡수가 일어나는 동안 발생하는 흡수열을 이용하여 온수측 시수 또는 히트싱크 입구(9)를 통하여 시스템으로 들어온 시수 등을 가열하여 고온수를 제조하는데 사용되는 시스템인 것이다.
또한, 상기와 같은 작동원리에 의한 냉수 제조시스템은 다음과 같다. 본 발명에 따른 하이브리드 히트펌프 냉수 제조 시스템은 전자팽창밸브(5)를 통과하여 저온, 저압이 된 냉매-흡수제 혼합물 중 주로 증기압이 높은 냉매가 증발되는 디소버(1)와, 상기 디소버(1)에서 증발과정을 통하여 생성된 증기를 압축시키는 압축기(6)와, 남아 있는 희용액을 압축되어 고압의 용액으로 형성하는 희용액 펌프(2)와, 상기 압축된 증기와 고압 용액이 만나서 흡수과정을 발생시키는 업소버(4)로 이루어지되, 상기 디소버(1)에서 냉수측 시수 또는 열원수 입구(7)를 통과하여 디소버(1)로 들어온 시수 등이 냉각되어 냉수를 제조하는데 사용되는 시스템인 것이다.
이상과 같은 과정에 있어서, 냉매 및 흡수제에 나노입자를 주입하여 열전달 성능을 현저히 향상시킬 수 있도록 한다. 이 때 냉매-흡수제 조합으로서 물-LiBr 조합, 암모니아-물 조합, R22-DEGDME 조합, R22-DMETEG(E181) 조합, 이산화탄소-아세톤 조합, 그리고 TFE-DMETEG(E181) 조합 등을 이용할 수 있으며, 특히 암모니아-물 조합이 이용되는 경우에는 금속계 이외의 산화물계 나노입자를 적용하여 내식성과 안정성을 확보할 수 있도록 한다.
암모니아-물 조합이 냉매-흡수제로써 이용되는 경우, 금속계 이외의 산화물계 나노입자를 적용하여 내식성과 안정성을 확보할 수 있으며, 상기 나노입자는 그 크기가 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 냉수측 시수 또는 열원수 입구 온도(13), 냉수 출구 온도(14), 온수측 시수 또는 히트싱크 입구 온도(15), 고온수 출구 온도(16), 플래쉬 탱크내 수위 감시기(19)의 출력 신호를 제어 입력변수로 하고, 희용액펌프(2) 회전수, 전자팽창밸브(5) 개도, 압축기(6) 회전수, 어큐뮬레이터(11)의 충진량, 고단압축기(17) 회전수, 중간냉각용 조절 밸브(20) 개도 및 용액 리턴 밸브(21) 개도를 제어 출력변수로 하는 시스템 제어기(12)를 적용함으로써, 작동유체의 농도 및 업소버(4)와 디소버(1) 내에서의 온도구배를 최적 제어하며, 시스템의 운전 조건 변화에 대응하여 항상 원활한 중간냉각을 수행할 수 있도록 플래쉬 타입 중간냉각기(18) 내의 용액 의 수위를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 기존의 히트펌프 기술로는 불가능했던 90℃ 이상의 고온수를 시스템의 성능계수 저하 없이 냉수와 동시에 제조 할 수 있고, 더 나아가 플래쉬 타입 중간냉각기를 적용하여 용액 펌프를 통해 나온 희용액의 일부를 압축기 출구 고온의 증기를 냉각시키는데 사용하도록 함으로써 과도한 토출 가스 온도를 낮춰 압축기의 안정적인 작동을 보장하며, 시스템의 운전 조건에 관계없이 항상 고효율 및 안전운전을 보장할 수 있도록 하는 것이다. 또한, 플래쉬 탱크 내 수위 감지기를 이용하여 액상의 설정된 높이 이상되지 않도록 중간냉각용 조절밸브의 개도를 조절하며, 액상의 설정된 높이 이상이 될 경우 용액 리턴 밸브를 개방하여 용액을 디소버로 리턴시키도록 하는 것이다. 그리고, 그 작동유체로서 나노입자가 함유된 나노유체를 주입하여 열전달 성능을 현저히 향상시킬 수 있으며, 또한, 작동유체의 농도 제어를 통하여 시스템의 용량을 쉽게 조절 할 수 있다. 이와 동시에 2차 유체의 온도 구배에 맞도록 작동 유체의 온도구배를 조절함으로써 열교환 과정의 비가역성을 최소화시켜, 폭넓은 제어 범위에 대하여 항상 최적의 효율을 갖도록 운전 제어를 할 수 있다. 이상과 같은 특징으로 인하여, 본 발명은 기존 히트펌프의 문제점인 고온수 생산시 극단적인 효율 저하, 좁은 운전 범위, 용량 제어시 효율저하 등의 문제를 근본적으로 해결함으로써, 운전 조건에 관계없이 항상 고효율 및 안전운전을 보장할 수 있도록 한다.

Claims (9)

  1. 전자팽창밸브(5)를 통과하여 저온, 저압이 된 냉매-흡수제 혼합물 중 주로 증기압이 높은 냉매가 증발되는 디소버(1)와, 상기 디소버(1)에서 증발과정을 통하여 생성된 증기를 압축시키는 압축기(6)와, 남아 있는 희용액을 압축되어 고압의 용액으로 형성하는 희용액 펌프(2)와, 상기 압축된 증기와 고압 용액이 만나서 흡수과정을 발생시키는 업소버(4)와, 상기 압축기로부터 압축된 기상의 냉매를 냉각시키기 위한 플래쉬 타입 중간냉각기(18)와, 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 증기를 업소버(4) 내로 압축토출 시키는 고단압축기(17)와, 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 고온의 증기를 희용액 펌프(2)로부터 토출되는 희용액과 혼합하도록 조절하는 중간냉각용 조절밸브(20)와, 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 액상용액을 디소버(1)로 리턴시키는 용액 리턴 밸브(21)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템.
  2. 전자팽창밸브(5)를 통과하여 저온, 저압이 된 냉매-흡수제 혼합물 중 주로 증기압이 높은 냉매가 증발되는 디소버(1)와, 상기 디소버(1)에서 증발과정을 통하여 생성된 증기를 압축시키는 압축기(6)와, 남아 있는 희용액을 압축되어 고압의 용액으로 형성하는 희용액 펌프(2)와, 상기 압축된 증기와 고압 용액이 만나서 흡수과정을 발생시키는 업소버(4)와, 상기 압축기로부터 압축된 기상의 냉매를 냉각 시키기 위한 플래쉬 타입 중간냉각기(18)와, 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 증기를 업소버(4)내로 압축토출 시키는 고단압축기(17)와, 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 고온의 증기를 희용액 펌프(2)로부터 토출되는 희용액과 혼합하도록 조절하는 중간냉각용 조절밸브(20)와, 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 액상용액을 디소버(1)로 리턴시키는 용액리턴밸브(21)로 이루어지되, 상기 업소버(4)에서 증기의 흡수가 일어나는 동안 발생하는 흡수열을 이용하여 온수측 시수 또는 히트싱크 입구(9)를 통하여 시스템으로 들어온 시수 등을 가열하여 고온수를 제조하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템.
  3. 전자팽창밸브(5)를 통과하여 저온, 저압이 된 냉매-흡수제 혼합물 중 주로 증기압이 높은 냉매가 증발되는 디소버(1)와, 상기 디소버(1)에서 증발과정을 통하여 생성된 증기를 압축시키는 압축기(6)와, 남아 있는 희용액을 압축되어 고압의 용액으로 형성하는 희용액 펌프(2)와, 상기 압축된 증기와 고압 용액이 만나서 흡수과정을 발생시키는 업소버(4)와, 상기 압축기로부터 압축된 기상의 냉매를 냉각시키기 위한 플래쉬 타입 중간냉각기(18)와, 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 증기를 업소버(4)내로 압축토출 시키는 고단압축기(17)와, 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 고온의 증기를 희용액 펌프(2)로부터 토출되는 희용액과 혼합하도록 조절하는 중간냉각용 조절밸브(20)와, 상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18)내의 액 상용액을 디소버(1)로 리턴시키는 용액리턴밸브(21)로 이루어지되, 상기 디소버(1)에서 냉수측 시수 또는 열원수 입구(7)를 통과하여 디소버(1)로 들어온 시수 등이 냉각되어 냉수를 제조하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    디소버(1)와 업소버(4)사이에 위치하며, 온도가 높은 농용액과 온도가 낮은 희용액 사이에 열교환이 이루어지도록 마련된 용액열교환기(3)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    히트펌프 시스템 내의 냉매 충진량을 제어할 수 있도록 마련된 어큐뮬레이터(11)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    작동유체의 농도 제어를 통하여 시스템의 용량을 조절 가능하게 하며, 냉수 측 시수 또는 열원수 입구 온도(13), 냉수 출구 온도(14), 온수측 시수 또는 히트싱크 입구 온도(15), 고온수 출구 온도(16), 플래쉬 탱크내 수위 감시기(19)의 출력 신호를 제어 입력변수로 하고, 희용액펌프(2) 회전수, 전자팽창밸브(5) 개도, 압축기(6) 회전수, 어큐뮬레이터(11)의 충진량, 고단압축기(17) 회전수, 중간냉각용 조절 밸브(20) 개도 및 용액 리턴 밸브(21) 개도를 제어 출력변수로 하는 시스템 제어기(12)를 적용함으로써, 작동유체의 농도 및 업소버(4)와 디소버(1) 내에서의 온도구배를 최적 제어하며, 시스템의 운전 조건 변화에 대응하여 항상 원활한 중간냉각을 수행할 수 있도록 플래쉬 타입 중간냉각기(18) 내의 용액의 수위를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 시스템 제어기(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    플래쉬 타입 중간냉각기(18)를 구비하여, 압축기(6)에서 토출된 고온의 증기를 희용액 펌프(2)로부터 토출되는 희용액과 혼합, 냉각시킴으로써, 고단압축기(17)의 입구온도를 압축기(6) 출구의 온도에 비하여 크게 낮아지도록 하여, 압축기의 안정적인 작동을 보장할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 플래쉬 타입 중간냉각기(18) 내에 플래쉬 탱크내 수위 감시기(19)를 구비하여, 액상의 설정된 높이 이상되지 않게끔 중간냉각용 조절밸브(20)의 개도를 조절할 수 있도록 시스템 제어기(12)로 신호를 전달하며, 또한, 시스템 제어기(12)는 플래쉬 탱크내 수위 감시기(19)의 신호를 입력으로 하여 액상의 설정된 높이 이상이 될 경우, 용액 리턴 밸브(21)를 개방하여 용액을 디소버(1)로 리턴시키는 것을 특징으로 하는 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    작동유체로서 나노입자가 함유된 나노유체를 주입함으로써, 시스템 구성 요소 각부에서의 열전달 성능을 현저히 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 2단 압축 하이브리드 고온수/냉수 제조 히트펌프 시스템.
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