KR100661676B1

KR100661676B1 - 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템

Info

Publication number: KR100661676B1
Application number: KR1020040074962A
Authority: KR
Inventors: 이용흥; 최정숙; 조흠원
Original assignee: (주)델타씨앤씨; 이용흥; 조흠원; 최정숙
Priority date: 2004-09-20
Filing date: 2004-09-20
Publication date: 2006-12-26
Also published as: KR20060026514A

Abstract

본 발명은 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축기 --> 응축기 --> 팽창변 --> 증발기 --> 압축기로 이루어지는 히트펌프시스템에서, 상기 증발기의 내부를 경유하며, 증발기내의 냉매라인과 열교환을 하는 부동액라인과, 상기 부동액라인과 열교환을 하는 냉수라인 및 상기 냉수라인과 열교환을 하는 냉각수라인을 포함하는 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템에 관한 것이다.

이러한 본 발명은, 히트펌프시스템의 증발기의 내부를 경유하여 증발기내의 냉매라인과 열교환을 하는 부동액라인과, 상기 부동액라인과 열교환을 하는 냉수라인 및 상기 냉수라인과 열교환을 하는 냉각수라인이 추가로 구비되므로서, 히트펌프와 열병합발전소를 동시에 설치하는 곳에서 열병합발전소에 별도의 냉각탑을 구비하지 않아도 되는 효과가 있다.

히트펌프, 열량흡수, 프레온, 열원, 에너지, 냉수생성, 증발기, 열병합발전소

Description

히트펌프를 이용한 폐열회수시스템{HEAT RECYCLING SYSTEM USING HEATPUMP}

도1은 종래기술에 있어서 히트펌프시스템 개략도.

도2는 본 발명에 따른 일실시예를 도시한 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템 개략도.

도3은 본 발명에 따른 다른 실시예를 도시한 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템 개략도.

도4는 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 도시한 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템 개략도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호설명 ***

10. 압축기 20. 응축기 22. 보조탱크

24. 온수탱크 30. 팽창변 40. 증발기

42. 팬 50. 제2응축기 60. 액열기

62. 센서 70. 냉수 열교환기 72. 부동액라인

74. 냉수라인 76. 냉수탱크 80. 냉각수 열교환기

82. 열병합발전소 84. 냉각수라인

본 발명은 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축기 --> 응축기 --> 팽창변 --> 증발기 --> 압축기로 이루어지는 히트펌프시스템에서, 상기 증발기의 내부를 경유하며, 증발기내의 냉매라인과 열교환을 하는 부동액라인과, 상기 부동액라인과 열교환을 하는 냉수라인 및 상기 냉수라인과 열교환을 하는 냉각수라인을 포함하는 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템으로서, 히트펌프와 열병합발전소를 동시에 설치하는 곳에서 열병합발전소에 별도의 냉각탑을 구비하지 않아도 되는 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템에 관한 것이다.

도1은 통상적인 종래의 히트펌프시스템이다.

도1을 살펴보면, 히트펌프시스템에서 냉매는 압축기(10), 응축기(20), 팽창변(30), 증발기(40)을 경유하여 다시 압축기(10)로 인입되는 과정을 거친다.

압축기(10)에서는 냉매를 압축하여야 하므로 압축모타를 구동하기 위하여 전기가 소비되며, 증발기(40)에서는 외부의 열을 공급하기 위하여 팬(42)을 설치하여야 하며 외부공기를 불어넣기 위해 팬(42)을 돌릴 때 전기가 소비된다.

압축기(10)를 거친 과열증기는 열교환기인 응축기에서 액상으로 전환되며 잠열을 방출하고, 응축기(20)를 경유하는 온수라인과 열교환 되어 열교환된 뜨거운 물이 온수탱크에 채워지게 된다. 보조탱크(22)는 온수라인과 연결되어 있으며, 원 수인 수도관이 직접연결될 수도 있다.

종래에는 증발기(40)는 그 온도가 0 ~ 5℃임에도 불구하고, 외부에서 공기를 불어넣어 증발기(40)의 온도를 높이려고만 할 뿐, 증발기(40)의 낮은 온도를 이용하고자 하는 시도는 찾아보기 힘들었다.

증발기(40)의 낮은 온도를 이용하고자 하는 경우에도 냉수라인 또는 냉각수라인이 동결되어 시스템의 작동이 정지하는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 히트펌프시스템의 증발기의 내부를 경유하며, 증발기내의 냉매라인과 열교환을 하는 부동액라인과, 상기 부동액라인과 열교환을 하는 냉수라인 및 상기 부동액라인 또는 냉수라인과 열교환을 하는 냉각수라인을 포함하므로써, 히트펌프와 열병합발전소를 동시에 설치하는 곳에서 열병합발전소에 별도의 냉각탑을 구비할 필요가 없는 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템를 제공하고자 하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템은, 하기 증발기로부터 전달된 건조포화증기상태의 냉매를 고온의 포화증기상태로 압축하는 압축기와, 상기 압축기로부터 전달된 냉매를 액상으로 상변환하여 응축시키며 외부와 열교환을 이루는 응축기와, 상기 응축기를 거친 냉매를 팽창시켜 습증기로 변환시키는 팽창변과, 상기 팽창변을 경유한 냉매를 증발시켜 건조포화증기상태로 변환시키는 증발기와, 상기 증발기 내부를 경유하면서, 증발기내의 냉매라인과 열교환을 하는 부동액라인은 냉각수 열교환기를 거쳐 냉수라인과 열교환을 하는 열병합발전 등의 냉각수라인과 경유한다.

상기 부동액라인은 상기 열병합발전의 가동상태에 따라 순환속도가 제어되는 것이 바람직하다.

상기 부동액라인은 상기 열병합발전의 가동이 중지되면, 부동액의 순환이 정지되는 것이 바람직하다.

또 다른 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템은, 하기 증발기로부터 전달된 건조포화증기상태의 냉매를 고온의 포화증기상태로 압축하는 압축기와, 상기 압축기로부터 전달된 냉매를 액상으로 상변환하여 응축시키며 외부와 열교환을 이루는 응축기와, 상기 응축기를 거친 냉매를 팽창시켜 습증기로 변환시키는 팽창변과, 상기 팽창변을 경유한 냉매를 증발시켜 건조포화증기상태로 변환시키는 증발기와, 상기 증발기 내부를 경유하면서, 증발기내의 냉매라인과 열교환을 하는 부동액라인은 냉각수 열교환기를 거쳐 냉수라인과 열교환하는 열병합발전 등의 냉각수라인과 경유한다.

이하 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나, 이들 도면은 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도2는 본 발명에 따른 일실시예를 도시한 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템 개략도이다.

도2를 살펴보면, 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템은, 압축기(10), 응축기(20), 보조탱크(22), 온수탱크(24), 팽창변(30), 증발기(40), 냉각팬(42), 냉수 열교환기(70), 부동액라인(72), 냉수라인(74), 냉수탱크(76), 냉각수 열교환기(80), 열병합발전소(82), 냉각수라인(84)으로 구성된다.

히트펌프시스템에서 냉매는 압축기(10), 응축기(20), 제2응축기(50), 팽창변(30), 증발기(40)을 경유하여 다시 압축기(10)로 인입되는 과정을 거친다.

본 발명에서 냉매는 R22프레온가스를 사용한다.

압축기(10)에서는 증발기(40)로부터 전달된 건조포화상태의 냉매를 압축하여 과열증기상태로 전환시킨다.

압축기(10)를 거친 과열증기는 열교환기인 응축기(20)에서 액상으로 전환되어 다시 증발기(40)로 향하게 되지만 도중에 팽창면(30)을 통과할 때 압력이 급격히 강하하면서 응축기(20)를 경유하는 온수라인과 열교환 되어 열교환된 뜨거운 물이 온수탱크에 채워지게 된다. 보조탱크(22)는 온수라인과 연결되어 있으며, 원수인 수도관이 직접연결될 수도 있다.

본 발명의 일실시예에서는 응축기(20)는 판형열교환기를 사용하였으나, 경우에 따라서 다양한 형태의 열교환기를 사용할 수 있다.

응축기(20)를 경유한 냉매는 팽창변(30)으로 인입되며 습증기로 변환된다.

도시되지는 않았지만, 팽창변(30)의 전단계에 경유하는 냉매 중 액상으로 변환되지 않은 것을 액상으로 변환시키는 수액기가 추가로 포함될 수 있다. 수액기 는 응축기(20)의 출구의 라인을 증발기(40)를 경유하도록 하므로써 온도를 낮추어 기체상태의 냉매를 액체상태로 바꾼다.

팽창변(30)을 경유한 습증기상태의 냉매는 증발기(40)로 인입된다. 증발기(40)로 인입된 습증기는 순간적으로 -20 ~ -30℃로 온도가 급강하하며 외부와 열교환되며 온도가 상승한다. 순간적인 온도강하를 고려하지 않고 외적인 부분만 살펴보면, 팬(42)에 의한 바람에 의해 증발기(40)로 인입되는 대략 15℃의 저온저압습증기는 증발기(40)를 경유하여 0~5℃의 저온저압건조포화증기로 변환된다.

증발기(40)를 경유한 저온저압 건조포화증기는 상기 압축기(10)로 인입되며, 새로운 사이클을 형성한다.

증발기(40)에는 별도의 부동액라인(72)이 설치된다. 부동액라인(40)의 내부에는 부동액으로 채워져 있다. 증발기(40)내부를 경유하는 냉매라인의 외부는 0 ~ 5℃ 또는 영하로 내려가므로 증발기(40)내부에 통상의 냉수라인이 경유하는 경우 냉수라인은 동파되므로 부동액라인(40)을 경유시킨다.

부동액라인(72)은 외부로 인출되어 별도의 냉각수 열교환기(80)로 인입되어 폐회로를 형성한다.

냉각수 열교환기(80)의 다른 측면에는 냉각수라인(84)이 경유된다. 냉각수라인(84)은 열병합발전소(82)로부터 인출되어 냉각수 열교환기(80)를 경유하여 다시 열병합발전소(82)로 되돌아간다.

냉각수라인(84)에 물이 흐르지 않으면 부동액라인(72)과 같이 온도까지 떨어져 냉각수라인(84)이 동파될수 있으므로, 냉각수라인(84)에 물이 흐르지 않거나 일 정속도 이상이 되지 않으면 부동액라인(72)은 그 흐름이 정지된다.

냉각수라인(84)은 열병합발전소(82)에서 전기를 생산하고 나온 폐열을 직접사용하거나, 상기 폐열을 지역난방 또는 공정용 열원으로 사용하고 남는 폐열을 사용할 수도 있다.

여기서, 냉각수라인(84)에 공급되는 냉각수는 열병합발전소(82)에서 인출되는 것으로 기재되어 있지만, 공장등의 폐열원, 온도가 높은 폐수 등 다양한 열원으로 대체될 수 있다.

도3은 본 발명에 따른 다른 실시예를 도시한 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템 개략도이다.

도3에서는, 도2의 부동액라인(72), 냉각수라인(83)사이에 냉수 열교환기(70), 냉수라인(74)이 추가적으로 삽입되어 구성되어 있다.

부동액라인(72)은 외부로 인출되어 냉수 열교환기(70)의 일측면으로 인입되며, 냉수 열교환기(70)의 다른 측면에는 냉수라인(74)이 형성되어 있다.

냉수 열교환기(70)의 냉수라인을 경유하여 냉수가 된 물은 냉수탱크(76)로 유입된다. 냉수탱크(76)의 물은 냉수OUT 라인을 통하여 외부로 유출될 수 있다.

냉수탱크(76)에서 소모된 물은 원수로부터 공급된다. 상기 원수라인은 냉수탱크(76)에 직접 원수를 공급하도록 설계될 수도 있다.

냉수탱크(76)의 냉수는 인출되어 냉각수 열교환기(80)를 경유하여 다시 냉수 열교환기(70)로 인입되는 냉수라인(74)의 회로를 형성한다.

냉각수라인(84)은 냉각수 열교환기(80)를 경유하며 냉수라인(74)과 열교환을 한다.

도4는 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 도시한 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템 개략도이다.

도4가 도3과 다른 점은 본 발명의 특징인 증발기(40)의 구조보다는 히트펌프시스템에서의 차이이며, 이를 기술하면 다음과 같다.

응축기(20)를 거친 냉매가 제2응축기(50)를 거친다. 제2응축기(50)는 코일형응축기를 사용한다. 제2응축기(50)는 응축기(20)을 거친 냉매로부터 추가적으로 열원을 뽑기 위한 것으로 상기 코일형응축기를 증발기(40)에 위치시켜 목적을 달성한다. 제2응축기(50)에서 생성된 열은 증발기(40)의 열원으로 사용된다.

제2응축기(50)를 경유한 냉매는 팽창변(30)으로 인입된다.

외기의 온도가 5℃이하 또는 영하로 떨어지는 경우에, 증발기(42)를 경유한 저온저압 건조포화증기의 온도는 0~5℃보다 낮게 되며, 온도가 낮은 냉매가 압축기(10)로 인입되면 압축기(10)의 출구의 온도가 낮아 응축기(20)에서 온수의 온도를 제대로 높일 수 없게 된다. 따라서, 응축기(20) 또는 제2응축기(50)의 출구에서 냉매를 소량 인출하여 압축기(10)의 입구로 주입시키는 액열기(60)를 개재시키므로써, 압축기(10)로 인입되는 저온저압 건조포화증기의 온도를 상승시킨다. 액열기는 필요에 따라 응축기(20) 또는 제2응축기(50)의 출구에서 인출하는 냉매의 양을 조절할 수 있는 밸브구조로 형성되어 있다. 액열기(60)의 밸브는 압축기(10)의 출 구에 장착된 센서(62)에서 검출된 냉매의 온도에 따라 개폐 또는 개폐의 정도가 조절된다. 액열기(60)에 의해 압축기(10)의 출구로 나오는 냉매의 온도를 조절하여 적절한 온도가 되도록 할 수 있다.

도3의 증발기(40)를 경유하는 부동액라인(72), 냉수열교환기(70), 냉수라인(74), 냉수탱크(76), 냉각수 열교환기(80), 열병합발전소(82), 냉각수라인(84) 등은 도2와 동일하다.

도3 또는 도4에서 도2와 다르게 부동액라인(72)와 냉각수라인(84)의 사이에 냉수라인(74)가 개재되는 것은, 냉각수라인(84)의 수량 및 온도제어와 관계가 있다. 부동액라인(72)은 그 수량이 극히 적고 지속적으로 순환시켜야 하는 반면, 냉각수라인(84)은 그 수량이 극히 많고, 열병합발전소(82)의 발전량, 지역난방 정도 등에 따라 그 양과 온도의 차이가 많으므로, 부동액라인(72)으로 직접 냉각수라인(84)의 열원을 흡수하는 경우에는 충분한 열교환이 이루어지기 어렵다. 따라서, 중간에 냉수라인(74)를 개재시켜 충분한 수량의 냉각수로 충분한 열교환이 가능하게 하며, 냉각수라인(84)의 수량 또는 온도의 변화에 대응하도록 하였다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 히트펌프시스템의 증발기의 내부를 경유하여 증발기내의 냉매라인과 열교환을 하는 부동액라인과, 상기 부동액라인과 열교환을 하는 냉수라인 및 상기 냉수라인과 열교환을 하는 냉각수라인이 추가로 구비되므로 서, 히트펌프와 열병합발전소를 동시에 설치하는 곳에서 열병합발전소에 별도의 냉각탑을 구비하지 않아도 되는 효과가 있다.

Claims

히트펌프를 이용한 폐열회수시스템에 있어서,

하기 증발기로부터 전달된 건조포화증기상태의 냉매를 고온의 포화증기상태로 압축하는 압축기와,

상기 압축기로부터 전달된 냉매를 액상으로 상변환하여 응축시키며 외부와 열교환을 이루는 응축기와,

상기 응축기를 거친 냉매를 팽창시켜 습증기로 변환시키는 팽창변과,

상기 팽창변을 경유한 냉매를 증발시켜 건조포화증기상태로 변환시키는 증발기와,

상기 증발기 내부를 경유하며, 증발기내의 냉매라인과 열교환을 하는 부동액라인과,

상기 부동액라인은 냉각수 열교환기를 거쳐 냉수라인과 열교환을 하는 열병합발전 등의 냉각수라인과 경유하는것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템.
제1항에 있어서,

상기 부동액라인은 상기 열병합발전의 가동상태에 따라 순환속도가 제어되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 부동액라인은 상기 열병합발전의 가동이 중지되면, 부동액의 순환이 정지되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 폐열회수시스템.
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