KR100644407B1 - 이산화탄소 고압 냉매를 이용한 공조냉동사이클 - Google Patents

이산화탄소 고압 냉매를 이용한 공조냉동사이클 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 냉매를 공조냉동사이클에 관한 것으로서, 작동유체로서, 이산화탄소 냉매를 흡입하여, 초임계 상태로 압축하며, 토출되도록 형성된 압축기와; 상기 압축기로부터 토출된 고온고압의 냉매를 냉각수에 의하여 냉각되는 동관재질의 2중관 형식의 다수개의 고온고압측 열교환기와; 상기 고온고압측 열교환기로부터 토출되는 냉매를 팽창시켜 감압하면서 냉매유량을 조절하는 압력제어밸브와;상기 압력제어밸브를 거친 냉매를 냉각수에 의하여 열교환시켜 증발시키는 동관재질의 2중관 형식의 증발기와; 상기 압력제어밸브에 연계되어 교축량이 설정값에 조정되도록 증발기의 출구측에 장착된 저압측 센서와; 상기 압축기의 내부에 포함된 오일이 오일 순환관에 의하여 순환되고, 오일온도를 냉각시키도록 형성된 오일쿨러와 상기 고온고압측 열교환기와 각각 연결되어, 고온고압의 냉매를 냉각시키며, 상대적으로 뜨거운 물을 저장/제조하는 고온 축열탱크와; 상기 증발기와 연결되어, 저온저압의 냉매를 증발시키며, 상대적으로 차거운 물을 저장/제조하는 저온 축열탱크)와; 상기 오일쿨러와 연결되어, 고온고압의 오일을 냉각시키며, 뜨거운 물을 저장/제조하는 고온 축열탱크;로 이루어 진 이산화탄소 고압 냉매를 이용한 공조냉동사이클에 관한 것이다.
이는 고온고압의 이산화탄소 냉매를 이용하여 고온고압측의 열교환기의 고온냉매를 이용하여, 90 내지 100℃ 정도의 급탕용 물을 생산하고, 저온저압의 증발기 의 냉매온도를 이용하여 급수용 물을 생산하고, 오일쿨러를 장착하여 압축기의 오 일온도를 이용하여, 지하수, 폐수의 온도를 상승한 급탕용 물을 생산하고, 증발기 출구측의 압력을 감지하여 팽창밸브의 해당되는 압력제어밸브를 설정값 범위에 조정되도록 제어되는 이산화탄소 고압 냉매를 이용한 공조냉동사이클을 제공하고자 하는 것이다.
이산화탄소, 냉매, 열교환기, 폐수, 축열

Description

이산화탄소 고압 냉매를 이용한 공조냉동사이클 {Air Conditioning System with CO2Refrigerant }
도 1은 이산화탄소를 이용한 냉동사이클의 p-h 선도를 나타낸 도면
도 2는 일반적인 이산화탄소 냉매용 냉동사이클
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 고압 냉매를 이용한 공조냉동사이클
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
1 : 압축기 2 : 어큐뮬레이터
3 : 증발기 4 : 압력제어밸브
5a,5b : 고온고압측 열교환기 6: 오일쿨러
7 : 저압측 센서 8a,8b,10: 고온축열탱크
9 : 저온축열탱크 10: 고온 축열탱크
11: 제어부 11a, 11b,13:고온용 밸브
12: 저온용 밸브 13:오일순환관
본 발명은 이산화탄소 냉매을 공조냉동사이클에 관한 것으로서, 작동유체로 서, 이산화탄소 냉매를 흡입하여, 초임계 상태로 압축하며, 토출되도록 형성된 압축기와; 상기 압축기로부터 토출된 고온고압의 냉매를 냉각수에 의하여 냉각되는 동관재질의 2중관 형식의 다수개의 고온고압측 열교환기와; 상기 고온고압측 열교환기로부터 토출되는 냉매를 팽창시켜 감압하면서 냉매유량을 조절하는 압력제어밸브와;상기 압력제어밸브를 거친 냉매를 냉각수에 의하여 열교환시켜 증발시키는 동관재질의 2중관 형식의 증발기와; 상기 압력제어밸브에 연계되어 교축량이 설정값에 조정되도록 증발기의 출구측에 장착된 저압측 센서와; 상기 압축기의 내부에 포함된 오일이 오일 순환관에 의하여 순환되고, 오일온도를 냉각시키도록 형성된 오일쿨러와 상기 고온고압측 열교환기와 각각 연결되어, 고온고압의 냉매를 냉각시키며, 상대적으로 뜨거운 물을 저장/제조하는 고온 축열탱크와; 상기 증발기와 연결되어, 저온저압의 냉매를 증발시키며, 상대적으로 차거운 물을 저장/제조하는 저온 축열탱크)와; 상기 오일쿨러와 연결되어, 고온고압의 오일을 냉각시키며, 뜨거운 물을 저장/제조하는 고온 축열탱크;로 이루어 진 이산화탄소 고압 냉매를 이용한 공조냉동사이클에 관한 것이다.
일반적으로 , R134a와 같은 종래 사용되던 일반적인 냉매가 오존층파괴 및 지구온난화라는 환경파괴의 주범으로 알려짐에 따라 환경을 보호하기 위하여 사용 규제가 확대되고 있는데, 상기 냉매를 대체할 수 있는 것으로 이산화탄소가 있으며, 이 이산화탄소를 사용하는 초임계 냉동 사이클이 주목을 받고 있다.
상기 이산화탄소 냉매는 두가지 큰 장점이 있는데, 작동압축비가 낮아 압축효율이 우수한 점과, 우수한 열전달 특성때문에 온도 어프로치(temperature approach)(2차 유체인 공기의 입구온도-냉매의 출구온도차)가 기존의 냉매에 비해 매우 작아 고온고압측 열교환기의 경우 유입되는 공기의 온도까지 냉매의 온도를 내릴 수 있을 만큼 열전달 특성이 우수한 장점이 있다.
또한, 열역학적 물성치가 우수하여 이산화탄소의 체적냉방용량(capcity volume ratio=증발잠열×기체밀도)이 R134a에 비해 7~8배에 달하며, 이에 따라 초임계 냉동 사이클을 구성하는 압축기의 배체 체적율을 크게 줄일 수 있다.
또한, 이산화탄소는 그 표면장력이 작아 비등 열전달이 우수하며, 비열이 크고 액체점도가 낮아 압력강하면에서도 R134a에 비해 유리한 잇점이 있다.
그러나, 이산화탄소를 냉매로 하는 초임계 냉동 사이클은 증발 압력뿐만 아 니라 고온고압측 열교환기 압력(기존의 응축압력)이 R134a를 냉매로 하는 일반적인 냉동 사이클에 비해 매우 높다.
즉, 초임계 냉동 사이클에 있어서 증발압력은 일반 냉동사이클에 비해 대략 10배, 고온고압측 열교환기 압력은 대략 7배(약120bar)높다.
이 때문에 고압으로부터 각 부품(압축기, 고온고압측 열교환기등)을 보호하기 위한 장치 및 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다.
도 1에는 이러한 열교환 매체인 이산화탄소를 이용한 냉동 사이클을 나타내 보였다.
도시된 바와 같이, P1의 고온고압측 열교환기 압력하에서 고온 고압측 열교환기(기존 공조시스템의 응축기에 해당)의 출구측에서 열교환 매체인 이산화탄소의 온도가 낮을수록 냉동성능은 좋아진다. 즉, 고온 고압측 열교환기의 출구온도가 t1 일 때 냉동사이클은 1-2-3-4-1의 궤적을 이루게 되며 이때의 냉동효과는 Q1이 된다.
그러나, 고온 고압측 열교환기 출구의 온도가 t1보다 낮은 t2인 경우 냉동사이클은 1-2-3'-4'-1의 궤적을 그리게 되어 냉동효과는 Q1에 비해 Q2로 커지게 되어 냉동효과가 상승한다.
이러한 이유로 인해 고온 고압측 열교환기 출구의 온도를 강제적으로 낮추기 위해 온도가 낮은 증발기 출구측 냉매와 열교환시키는 내부열교환기를 설치하고 있다.
그리고 이산화탄소의 냉동사이클에 있어서, 고온 고압측 열교환기의 출구온도가 t1으로 일정하고 고온 고압측 열교환기의 이산화탄소 쿨링 압력이 P1일때에 사이클은 1-2-3-4-1로 냉동 효과는 Q1이 되지만, 이산화탄소의 쿨링압력이 P1보다 낮은 P2일때의 사이클은 1- 2'-3'-4'-1로 되어 냉동효과는 Q3로 크게 감소하여 동일한 온도 조건에서 압력의 변에 따라 성능 차이가 커짐을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 이산화탄소의 냉동사이클로부터 알 수 있는 바와 같이 이산화탄소를 열교환 매체로 사용하는 공기조화장치에 있어서, 고온 고압측 열교환기의 출구온도는 외기온도에 따라 변화하므로 온도제어가 불가능하며, 공기조화 시스템의 냉동효율을 최적으로 제어하기 위해 고온 고압측 열교환기 압력을 제어하여 냉동효율을 향상시킬 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 냉매를 증발 및 압축하여 저온측에서 고온측으로 열을 이송시킴과 동시에 고압측의 냉매 압력이 냉매의 입계 압력 이상으로 된 초임 계 증기 압축기식 냉동 사이클이고, 냉매를 흡입 압축하는 압축기(1)와, 상기 압
축기(1)로부터 토출한 냉매를 냉각하는 고온 고압측 열교환기(5)와, 상기 고온 고압측 열교환기(5)로부터 유출된 냉매를 감압함과 동시에 개도 조절이 가능한 압력제어밸브(4)와, 상기 압력제어밸브(4)에 의해 감압된 냉매를 증발시키는 증발기(3)와, 고압측의 냉매 온도를 검출하는 고압 냉매 온도 검출수단과, 사이클 제어수단), 설정온도 입력수단을 구비한 초임계 증기 압축기식 냉동사이클이 개시되어 있다.
이러한 고온고압용 및 저온저압용 냉매를 이용하여, 지하수, 폐수, 상수도와 상호 열교환하도록 형성하여, 고온축열용 탱크, 저온축열용탱크에 이를 생산/제조하여 필요처에 이용하는 초임계 증기 압축기식 냉동사이클의 필요성이 요구되며, 또한, 상기와 같은 냉동 사이클에는 성능(capacity) 및 효율(COP) 향상과 안전(safety)를 위해 열교환기의 최적 설계가 절실히 요청된다.
본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 고온고압의 이산화탄소 냉매를 이용하여 고온고압측의 열교환기의 고온냉매를 이용하여, 90 내지 100℃ 정도의 급탕용 물을 생산하고, 저온저압의 증발기 의 냉매온도를 이용하여 급수용 물을 생산하고, 오일쿨러를 장착하여 압축기의 오일온도를 이용하여, 지하수, 폐수의 온도를 상승한 급탕용 물을 생산하고, 증발기 출구측의 압력을 감지하여 팽창밸브의 해당되는 압력제어밸브를 설정값 범위에 조정되도록 제어되도록 하는 이산화탄소 고압 냉매를 이용한 공조냉동사이클을 제공하고자 하는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 고압 냉매를 이용한 공조냉동사이클을 나타낸 개략도로서, 이에 대하여 설명하면,
작동유체로서, 이산화탄소 냉매를 흡입하여, 초임계 상태로 압축하며, 토출되도록 형성된 압축기(1)와;
상기 압축기(1)로부터 토출된 고온고압의 냉매를 냉각수에 의하여 냉각되는 동관재질의 2중관 형식의 다수개의 고온고압측 열교환기(5a, 5b)와;
상기 고온고압측 열교환기(5a,5b)로부터 토출되는 냉매를 팽창시켜 감압하면서 냉매유량을 조절하는 압력제어밸브(4)와;
상기 압력제어밸브(4)를 거친 냉매를 냉각수에 의하여 열교환시켜 증발시키는 동관재질의 2중관 형식의 증발기(3)와;
상기 압력제어밸브(4)에 연계되어 교축량이 설정값에 조정되도록 증발기(4)의 출구측에 장착된 저압측 센서(7)와;
상기 증발기(3)와 압축기(1)사이에 설치되어, 냉매를 상분리하여 기상냉매만이 압축기(1)로 공급되도록 하는 어큐물레이터(2)와;
상기 압축기(1)의 내부에 포함된 오일이 오일 순환관(13)에 의하여 순환되고, 오일온도를 냉각시키도록 형성된 오일쿨러(6)와;
상기 고온고압측 열교환기(5a,5b)와 각각 연결되어, 고온고압의 냉매를 냉각시키며, 상대적으로 뜨거운 물을 저장/제조하는 고온 축열탱크(8a,8b)와;
상기 증발기(3)와 연결되어, 저온저압의 냉매를 증발시키며, 상대적으로 차 거운 물을 저장/제조하는 저온 축열탱크(9)와
상기 오일쿨러(6)와 연결되어, 고온고압의 오일을 냉각시키며, 뜨거운 물을 저장/제조하는 고온 축열탱크(10);와
상기 고온고압측 열교환기(5a,5b)와 고온 축열탱크(8a,8b)를 연결하는 연결관 사이에 장착된 고온용 밸브(11a, 11b)와;
상기 증발기(3)와 저온 축열탱크(9)를 연결하는 연결관 사이에 장착된 저온용 밸브(12)와;
상기 오일쿨러(6)와 고온 축열탱크(10)를 연결하는 연결관 사이에 장착된 고온용 밸브(13)와;
상기 고온 축열탱크(8a,8b,10), 저온 축열탱크(9), 및 오일쿨러(6)의 내부온도를 감지하여, 압축기(1) 회전수 및 압력제어밸브(4)의 개폐량을 조정하며, 고온용 밸브(11a, 11b,13)와 저온용 밸브(12)의 개폐량을 조정하도록 형성된 제어부(11);로 이루어 진 이산화탄소 고압 냉매를 이용한 공조냉동사이클에 관한 것이다.
상기의 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하면, 다음과 같다.
본 발명의 이산화탄소 냉매용 냉동사이클은 냉매를 증발 및 압축하여 저온측에서 고온측으로 열을 이송시킴과 동시에 고압측의 냉매 압력이 냉매의 입계 압력 이상으로 된 초임계 증기 압축기식 냉동 사이클이고, 냉매를 흡입 압축하는 압축기(1)와, 상기 압축기(1)로부터 토출한 냉매를 냉각하는 고온 고압측 열교환 기(5a,5b)와, 상기 고온 고압측 열교환기(5a,5b)로부터 유출된 냉매를 감압함과 동시에 개도 조절이 가능한 압력제어밸브(4)와, 상기 압력제어밸브(4)에 의해 감압된 냉매를 증발시키는 증발기(3)와, 고압측의 냉매 온도를 검출하는 고압 냉매 온도 검출수단과, 사이클 제어수단), 설정온도 입력수단을 구비한 초임계 증기 압축기식 냉동사이클이 개시되어 있다.
지구의 온난화와 오존층 파괴를 최소화하기 위한 대체냉매중에서 이산화탄소(CO2 )는 안정성, 무취, 무독, 비부식성, 비연소, 비폭발성의 물질로서 윤활유와 양호한 상용성을 갖고 있을 뿐만 아니라 다른 냉매에 비하여 가스의 비체적이 작아서 소형 에이컨 시스템의 제작에 용이한 장점을 포함하고 있다.
반면에 냉매로서 이산화탄소(CO2 )는 낮은 임계온도(31℃)로 인하여 임계점보다 낮은 쪽에서 증발기를 가동하고 임계점보다 높은 쪽에서는 고온고압측 열교환기를 가동하는 초임계사이클을 구성해야 하므로; 에너지 효율이 높은 고온측/저온측의 열에너지를 이용하여, 지하수, 폐수, 상수도의 상온온도와 열교환시켜, 급탕용, 급수용의 물을 생산/제조하도록 하는 것이다.
급탕용 물을 생산하기 위한 실시예로서, 상기 압축기(1)로부터 토출된 고온고압의 냉매는 동관재질의 2중관 형식의 다수개의 고온고압측 열교환기(5a, 5b)의 내부를 유동하게 되며, 내부온도는 대략 200℃정도의 냉매온도를 포함하고 있으며, 이러한 고온고압측 열교환기(5a,5b)와 각각 연결되어, 고온고압의 냉매를 냉각시키며, 상대적으로 뜨거운 물을 저장/제조하는 고온 축열탱크(8a,8b)를 형성하는 것이다.
또한, 상기 오일쿨러(6)와 연결되어, 고온고압의 오일온도를 냉각시키며, 공급물에 비하여 상대적으로 뜨거운 물을 저장/제조하는 고온 축열탱크(10)를 형성하는 것이다.
이는 다수개의 고온축열탱크를 마련하여 필요에 의하여 각각 다른 온도를 갖는 물을 생산하는데 필요로 하며, 이는 제어부(11)에 연결된 고온용 밸브(11a,11b,13)의 개폐량을 조정하여 필요온도를 제어하는 것이다.
일반적은 급수용/냉수용 물을 생산하는 실시예로서는 증발기(3)와 연결되어, 저온저압의 냉매를 냉각시키며, 공급물에 비하여 상대적으로 차가운 물을 저장/제조하는 저온 축열탱크(9)를 형성하는 것이다.
이는 저온축열탱크를 마련하여 필요에 의하여 냉수용 물을 생산하는데 필요로 하며, 이는 제어부(11)에 연결된 저온용 밸브(12)의 개폐량을 조정하여 필요온도를 제어하는 것이다.
본 발명에 따른 제어부의 기능을 설명하면, 다음과 같다.
상기 제어부(11)는 고온 축열탱크(8a,8b,10), 저온 축열탱크(9), 및 오일쿨러(6)의 내부온도를 감지하여, 압축기(1) 회전수 및 압력제어밸브(4)의 개폐량을 조정하는 것이다.
압축기(1)의 회전수 및 압력제어밸브(4)의 개폐량의 조정에 의하여 이산화탄소 내매 사이클의 운전형태가 변경되며, 이로 인하여 압력 및 온도가 변경되며, 이에 연계된 고온/저온축열탱크에서 생산되는 물의 온도가 변화되는 것이다.
또한, 상기 제어부(11)는 고온 축열탱크(8a,8b,10), 저온 축열탱크(9), 및 오일쿨러(6)에 연결된 고온용 밸브(11a, 11b,13)와 저온용 밸브(12)의 개폐량을 조정하도록 형성되는 것이다.
이는 고온측 열교환기와 저온측 열교환기와 열교환되는 물의 공급량을 조정하여 필요한 냉동사이클의 운전조건이 설정되는 것이다.
이는 외부의 20℃ 정도의 냉각수가 유입하여, 150bar, 200℃정도의 유입냉매를 냉각시키는 것이다. 상기 이산화탄소 냉매는 고온고압의 특성상 조속히 외부의 냉각수에 의하여 냉각되도록 형성시키며, 저온저압의 냉매를 증발시키는 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 고압 냉매를 이용한 공조냉동사이클은 제어부를 이용하여 고온용/저온용 물을 생산.제조하며, 이를 위하여 고온고압용 열교환기, 증발기, 오일쿨러에 각각 연계하는 저장용 탱크를 형성하여, 필요한 온도의 물을 생산하여 필요처에 공급하는 최적의 공조냉동사이클를 제공하고자 하는 것이다.

Claims (1)

  1. 작동유체로서, 이산화탄소 냉매를 흡입하여, 초임계 상태로 압축하며, 토출되도록 형성된 압축기(1)와;
    상기 압축기(1)로부터 토출된 고온고압의 냉매를 냉각수에 의하여 냉각되는 동관재질의 2중관 형식의 다수개의 고온고압측 열교환기(5a, 5b)와;
    상기 고온고압측 열교환기(5a,5b)로부터 토출되는 냉매를 팽창시켜 감압하면서 냉매유량을 조절하는 압력제어밸브(4)와;
    상기 압력제어밸브(4)를 거친 냉매를 냉각수에 의하여 열교환시켜 증발시키는 동관재질의 2중관 형식의 증발기(3)와;
    상기 압력제어밸브(4)에 연계되어 교축량이 설정값에 조정되도록 증발기(4)의 출구측에 장착된 저압측 센서(7)와;
    상기 증발기(3)와 압축기(1)사이에 설치되어, 냉매를 상분리하여 기상냉매만이 압축기(1)로 공급되도록 하는 어큐물레이터(2)와;
    상기 압축기(1)의 내부에 포함된 오일이 오일 순환관(13)에 의하여 순환되고, 오일온도를 냉각시키도록 형성된 오일쿨러(6)와;
    상기 고온고압측 열교환기(5a,5b)와 각각 연결되어, 고온고압의 냉매를 냉각시키며, 상대적으로 뜨거운 물을 저장/제조하는 고온 축열탱크(8a,8b)와;
    상기 증발기(3)와 연결되어, 저온저압의 냉매를 증발시키며, 상대적으로 차거운 물을 저장/제조하는 저온 축열탱크(9)와
    상기 오일쿨러(6)와 연결되어, 고온고압의 오일을 냉각시키며, 뜨거운 물을 저장/제조하는 고온 축열탱크(10);와
    상기 고온고압측 열교환기(5a,5b)와 고온 축열탱크(8a,8b)를 연결하는 연결관 사이에 장착된 고온용 밸브(11a, 11b)와;
    상기 증발기(3)와 저온 축열탱크(9)를 연결하는 연결관 사이에 장착된 저온용 밸브(12)와;
    상기 오일쿨러(6)와 고온 축열탱크(10)를 연결하는 연결관 사이에 장착된 고온용 밸브(13)와;
    상기 고온 축열탱크(8a,8b,10), 저온 축열탱크(9), 및 오일쿨러(6)의 내부온도를 감지하여, 압축기(1) 회전수 및 압력제어밸브(4)의 개폐량을 조정하며, 고온용 밸브(11a, 11b,13)와 저온용 밸브(12)의 개폐량을 조정하도록 형성된 제어부(11);로 이루어 진 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고압 냉매를 이용한 공조냉동사이클.
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