KR100702469B1 - 대용량 및 고온 고압 시스템을 위한 감압변환 및질소가압형 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템 - Google Patents

대용량 및 고온 고압 시스템을 위한 감압변환 및질소가압형 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소각장, 열병합발전소 등의 열원시설을 이용하며 밀폐식 팽창 탱크를 구비하는 냉난방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 압력변환을 통하여 팽창탱크 내로 유입되는 배관수의 압력을 감소시킴에 따라 탱크의 안전성 및 신뢰성을 높이고, 배관의 부식을 방지할 수 있는 밀폐식 팽창 탱크를 구비하는 고온고압 또는 대용량 밀폐순환 냉난방 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 팽창탱크 내부에 질소가스를 충진함에 따라, 열매체와 산소의 접촉을 차단하여 배관의 부식을 방지할 수 있으며, 압력변환부를 구비함에 따라 팽창탱크 내의 압력을 저압으로 유지시킬 수 있어, 팽창탱크의 파손이나 폭발을 방지할 수 있고, 질소 소비량이 감소되고, 고무재질의 블레이더를 포함하지 않기 때문에, 블레이더가 파손 및 손상되는 위험을 방지할 수 있으며, 100℃ 이상의 고온수를 사용하는 경우에도 안전성 및 신뢰성이 보장될 뿐만 아니라, 5,000ℓ이상의 대용량 팽창탱크의 적용도 가능하여 고온고압 또는 대규모 플랜트에 이용가능한 탁월한 효과를 갖는다.
팽창탱크, 압력변환수단, 유향제어수단, 질소발생기

Description

대용량 및 고온 고압 시스템을 위한 감압변환 및 질소가압형 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템 {HEATING AND COOLING SYSTEM WITH PRESSURE REDUCED AND NITROGEN GAS CHARGED INCLOSED EXPANSION TANK FOR HIGH TEMPERATURE, PRESSURE AND LARGE SYSTEM}
도 1 은 종래의 개방식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템의 개략도,
도 2 는 종래의 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템의 개략도,
도 3 은 본 발명에 따른 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템의 개략적인 전체 구성도,
도 4 는 본 발명에 따른 냉난방 시스템에 사용되는 밀폐식 팽창탱크의 세부 구성도,
도 5 는 본 발명에 따른 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템의 압력변환부 세부 구성도,
도 6 은 본 발명에 따른 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템의 질소공급부 세부 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 열원시설 10 : 순환배관계
10a : 냉난방기기 10b : 분기관
11 : 개방형 팽창탱크 11' : 밀폐식 팽창탱크
12 : 블레이더 13 : 공기실
14 : 수실 15 : 공기압축수단
16 : 컨트롤러 17 : 밸브수단
20 : 팽창관 30 : 환수관
100 : 압력변환부 110 : 압력변환수단
112 : 감압밸브 113 : 전동밸브
114 : 1차압력유지밸브 116 : 수동밸브
120 : 유향제어수단 122 : 환수펌프
124 : 체크밸브 130 : 팽창탱크
S1 : 제1솔레노이드밸브 S2 : 제2솔레노이드밸브
S3 : 제3솔레노이드밸브 S4 :제4솔레노이드밸브
132 : 압력게이지 134 : 안전밸브
PT1 : 제1압력감지센서 PT2 : 제2압력감지센서
200 : 질소공급부 210 : 질소발생기
220 : 압축기 LT : 탱크수위감지센서
본 발명은 소각장, 열병합발전소 등의 열원시설을 이용하며 밀폐식 팽창 탱 크를 구비하는 냉난방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 압력변환을 통하여 팽창탱크 내로 유입되는 배관수의 압력을 감소시킴에 따라 탱크의 안전성 및 신뢰성을 높이고, 배관의 부식을 방지할 수 있는 밀폐식 팽창 탱크를 구비하는 고온고압 또는 대용량 밀폐순환 냉난방 시스템에 관한 것이다.
현재, 냉난방 시스템으로서, 소각장, 복합열병합발전에 의한 지역냉난방이 활성화되고 있다. 지역냉난방은 일개의 도시 또는 일정한 지역 내의 주거용, 상업용, 공공용 수용가에 집중된 열원시설(예컨대, 열병합발전소)에서 그들이 필요로하는 냉난방, 급탕 및 냉방에 필요한 열을 개별의 열생산시설(유류, 가스보일러 등)을 갖추지 않고 집중화된 열원시설로부터 경제적으로 생산된 열을 배관망을 통하여 공급하는 방식이다. 이러한 지역냉난방 열의 공급은 다음과 같이 이루어진다. 먼저 열원시설에서 만들어진 지역냉난방 열매체를 보온이 양호한 배관망을 통해 수용가 열교환기실까지 공급한다. 열교환기실에 공급된 열매체는 별도의 수용가용 열교환기를 통하여 수용가의 내부 순환 열매체에 열을 전달한뒤, 다시 열원시설로 회수된다. 열교환기실에서 열을 전달받은 수용가 순환수는 각 세대 및 빌딩의 각층에 공급된다. 이러한, 지역냉난방을 위한 열매체로는 주로 물이 사용되는데, 지역냉난방의 특성상 물을 대체로 중고온(100℃ 이상)으로 가열하여 배관을 통하여 순환시키게 된다.
도 1 에는 종래기술에 따른 냉난방 시스템, 특히, 지역냉난방 시스템 구성도 가 개략적으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 냉난방 시스템은 수용가의 냉난방기기(10a)와 연결되는 순환배관계(10)와, 상기 순환배관계(10)의 일측에 배관수를 가열하도록 설치한 열원시설(보일러;1)과, 상기 순환배관계의 일측에 열원시설(1)을 통해 가열된 배관수를 순환시켜주도록 설치한 펌프(P)와, 상기 순환배관계(10)의 일측에 분기되어 온도에 따라 팽창되는 물을 수용하도록 설치한 개방식 팽창탱크(11)로 구성된다.
상기와 같은 종래의 냉난방 시스템의 작동을 살펴보면, 먼저 열원시설(1)을 이용해 순환수를 가열한 후, 이송설비인 펌프(P)를 구동시켜 상기 가열된 물을 순환시켜주면, 상기 순환되는 물은 배관을 따라 건물 내를 지나면서 건물 내에 설치된 냉난방기기(10a)를 통해 냉난방을 행하게 된다. 이때 밀폐된 배관 내를 순환하는 배관수의 온도가 올라감에 따라 상기 배관수는 팽창을 하게 되고, 이렇게 팽창된 배관수는 순환배관계(10)의 일측에 형성한 분기관을 통해 개방식 팽창탱크(11)로 보내지게 되고, 다시 온도가 내려감에 따라 팽창수가 수축을 하게 되면 개방식 팽창탱크(11) 내의 팽창수가 분기관(10b)을 통해 순환배관계(10)로 보내져 순환하게 된다. 이때 팽창탱크 내에 모여있던 팽창수가 증발하거나 상기 배관내로 환수되어 줄어들게 되면, 개방식 팽창탱크(11)의 개구된 상부를 통해 물을 보충하여 계속 순환할 수 있게 되는 것이다.
그러나, 이러한 개방식 팽창탱크(11)는 설치비가 저렴하고 보충수를 공급하 기 용이한 반면, 팽창탱크가 대기에 노출되어 있기 때문에 대기로부터의 공기 혼입 또는 용해로 인한, 배관의 부식 현상이 발생하고, 증발 또는 오버플로우 등에 의한 에너지 손실이 크며, 동파등의 우려가 있으며, 팽창탱크 설치장소를 배관계의 최상부에 설치하여야 하는 단점이 있다.
상기와 같은 개방식 팽창탱크의 단점을 개선한 방식으로서 비격막식 밀폐식 팽창탱크가 개발되었다. 비격막식 밀폐식 팽창탱크는 압력탱크 내에 팽창수와 접촉하는 공기쿠션에 의해 압력이 변화하면서 팽창량을 흡입하는 구조로 되어 있다. 이러한 비격막식 밀폐식 팽창탱크에서는, 사용 중에 공기가 계속 물에 용해되어 소모되고, 에어벤트(air vent)등을 통해 공기가 배관 밖으로 배출되기 때문에 시간이 경과하면 탱크 내의 공기가 없어지고 물만 가득차서 팽창수를 흡수할 수 없게 되는 워터로깅(water logging)현상이 발생하므로 대부분의 경우 공기압축기를 사용하여 공기를 계속 공급한다.
그러나, 상술한 개방식 및 밀폐식 팽창탱크는 모두 배관수가 공기와 직접 접해 있어, 공기혼입에 의한 배관부식 및 순환장애 현상을 해소하지 못하였다.
이러한 단점을 해결하기 위해, 공기와 배관수를 완전히 차단하여 부식을 방지하기 위한 압축기 구비형 밀폐식 팽창탱크가 대한민국 등록특허 제 10-0298056 호에 공지된다.
이러한 밀폐식 팽창탱크가 도 2 에 개략적으로 도시된다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 종래의 압축기를 구비하는 밀폐식 팽창탱크(11')는, 배관의 일측에 설치되며, 공기실(13)과 그 공기실(13) 내에 공기로부터 차단되도록 설치되어 배관내의 배관수 팽창시 팽창수를 유입하고, 배관수 수축시 상기 유입된 팽창수를 배출하는 수실(14)로 이루어진 탱크와, 상기 탱크 내부에 설치되며, 수위를 감지하는 레벨 감지부(도시되지 않음)와, 상기 탱크 내부에 설치되며, 압력을 감지하는 압력 감지부(도시되지 않음)와, 상기 탱크의 일측에 설치되며, 상기 팽창수의 유입으로 탱크내부 압력이 설정치보다 높아질때 상기 공기실내의 공기를 배출하는 밸브수단(17)과, 상기 탱크외부의 일측에 부착되며, 상기 팽창수의 유출로 공기실의 압력이 설정치보다 낮아질 때 상기 공기실내로 공기를 넣어주는 공기압축수단(15)과, 상기 탱크외부의 일측에 장착되며, 상기 압력 감지부의 감지신호를 제공받아 상기 밸브수단 및 공기압축수단의 동작을 제어하는 컨트롤수단(16)으로 구성된다. 압축기가 부착됨에 따라, 공기와 배관수를 완전히 차단함으로써 배관부식을 방지할 수 있다.
그러나, 이러한 압축기를 구비하는 밀폐식 팽창탱크에 있어서는, 팽창수와 공기의 차단을 통하여 배관의 부식을 방지할 수는 있지만, 안전성 및 신뢰성 면에서 불리하다.
일반적으로 배관수의 압력(PA;도2의 A 지점에서의 압력)은 건물 전체에 걸쳐 설치된 배관의 최고 높이에 비례한다. 즉, 건물배관의 최대 높이가 10m 라 가정하면, 배관수의 압력은 10mAq(1kg/㎠·G)가 된다. 그리고, 팽창탱크는 상기 배관에 직렬로 연결되기 때문에 팽창탱크의 압력(PB;도2의 B 지점에서의 압력)은 배관수의 압력(PA)과 동일하다. 건물의 고층화 경향 또는 배관의 장거리 경향에 따라, 건물배관의 최대 높이가 100m 내지 300m 에 이르는 고층 빌딩들에 있어서나, 배관 마찰 손실이 많은 장거리 배관망에 있어서, 배관수의 압력이 10kg/㎠·G 내지 30kg/㎠·G 까지 이를 수 있는데, 이 경우, 종래 방식에 따르면, 비압축성 유체인 열매체의 특성상 어마어마한 크기의 압력이 팽창탱크에 그대로 전달되게 된다.
한편, 종래의 팽창탱크 내의 수실은 대체로 3t 내외의 비교적 얇은 두께를 갖는 고무재질 블레이더(bladder)로 구성되고, 그 안에 팽창수가 충수되기 때문에, 상기와 같이 매우 큰 압력이 전달되는 경우에는 블레이더가 파손될 위험이 존재한다. 또한, 100℃를 초과하는 중고온수의 경우 팽창압력이 크고 블레이더의 상면이 수평을 유지하지 않는 특성으로 충수상태를 정확하게 감지하기 어려워 만수가 발생되기 때문에, 블레이더가 파손되거나, 열에 의해 손상될 위험 또한 존재하여 신뢰성이 떨어지며, 고무 블레이더의 경우 5,000ℓ 이상의 대형 팽창탱크를 사용하고자 하는 경우에는 파손시 교체비용, 시간 및 시스템의 정지 필요성 등의 문제점으로 적용이 어려웠으며, 대용량 시스템에서 소형 병렬로 설치하는 경우에도 이 역시 팽창수의 유입이 탱크별로 평형을 이루지 못해 어느 한 탱크로 팽창수 유입이 치우쳐 만수되는 경향이 있고 블레이더의 파손이 빈번하게 발생하였다. 즉, 고온 고압 및 대용량의 경우 어려움이 존재하였다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술에 따른 밀폐식 팽창탱크의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 팽창수와 산소를 차단하여 배관의 부식을 방지함과 동시에, 팽창탱크의 압력을 감압 조정함에 따라 안전성을 증대시키고, 100℃ 이상의 중고온수를 사용하는 경우 및 대형 탱크 설비시 안전하게 설치 및 사용이 가능한 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적 및 장점들은 이하 더욱 상세히 설명될 것이며, 실시예에 의해 더욱 구체화될 것이다. 또한 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타난 수단 및 이들의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템은 열원시설(1)로부터 가열된 열매체가 순환배관계(10)를 통하여 수용가의 냉난방기기(10a) 또는 이웃하는 열교환기로 공급 및 회수됨에 따라 수행되는 냉난방 시스템에 있어서, 상기 순환배관계(10)의 일측으로부터 분기되어 팽창된 열매체를 일시수용함과 동시에 열매체의 수축시 이를 재차 순환배관계(10)로 환수시키는 팽창탱크(130)와; 상기 팽창탱크(130)로 열매체가 유입되는 팽창관(20)에 설치되어 배관수 압력(PA)을 감압변환시키는 압력변환수단(110)과; 열매체의 수축시 상기 팽창탱크(130)로부터 상기 순환배관계(10)로 열매체가 유출되는 환수관(30)에 설치되어 열매체가 일방향으로만 흐를 수 있도록 방향을 제어하는 유향제어수단(120)과; 상기 팽창탱크(130)의 일측에 연결되어 팽창탱크(130) 내에 질소를 주입하는 질소공급부(200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 팽창탱크(130)는 비격막식 밀폐형 중공 탱크로 구성되는 압력용기인 것이 바람직하다. 상기 압력변환수단(110)은 기계식 1차압력유지밸브(114) 또는 감압밸브(112)와 전동밸브(113)가 직렬로 연결되는 감압유닛으로 구성되는 것이 바람직하며, 한편, 기계식 1차압력유지밸브(114)와, 감압밸브(112) 및 전동밸브(113)가 직렬로 연결되는 감압유닛으로 구성되되, 상기 1차압력유지밸브(144)와 감압유닛은 일정한 압력차를 두고 병렬로 접속되는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 압력변환수단은 시운전, 점검시 그리고 비상시에 사용하기 위한 수동밸브(116)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 유향제어수단(120)은, 상기 팽창탱크(130)로부터 환수되는 열매체에 가압압력을 부여하는 환수펌프(122)와, 상기 열매체를 일방향으로만 흐르도록 통제하는 체크밸브(124)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질소공급부(200)는 공기를 일정한 압력으로 압축하여 공급하는 압축기(220)와, 상기 압축기(220)로부터 공급받은 공기로부터 질소만을 추출하여 상기 팽창탱크(130)에 공급하는 질소발생기(210)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 압력변환수단(110)에 의해 감압된 팽창탱크(130) 내의 압력 최대치는 2kg/㎠·G 정도로써 팽창수가 증발하는 것을 방지하는 압력보다 약간 높은 압력 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 구성 및 작동관계를 첨부된 도면을 참조로 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 도면은 예시적인 실시예를 설명하기 위한 목적일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3 은 본 발명에 따른 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템의 개략적인 전체 구성도, 도 4 는 본 발명에 따른 냉난방 시스템에 사용되는 밀폐식 팽창탱크의 세부 구성도, 도 5 는 본 발명에 따른 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템의 압력변환부 세부 구성도, 도 6 는 본 발명에 따른 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템의 질소공급부 세부 구성도이다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템은, 열원시설(1), 팽창탱크(130), 압력변환부(100), 질소공급부(200)를 포함한다.
상기 열원시설(1)은 지역냉난방을 위하여 일개의 도시 또는 일정한 지역 내에 집중 설비되어 각 수용가에 공급되거나 기존의 지역 배관망에 열을 공급하는 장치로서, 대체로, 열병합발전소, 대규모 소각장의 열교환기 또는 대형 냉난방장치 등이 포함될 수 있다.
상기 열원시설(1)에 의해 가열된 열매체는 순환배관계(10)를 통하여 각 수용가의 열교환기실에 전달되고, 전달된 열매체는 아파트나 빌딩의 각층 수용가 냉난방기기(10a)에 공급되어 냉난방을 수행한 뒤, 다시 순환배관계(10)를 통하여 열원시설(1)에 회수된다.
상기 팽창탱크(130)는 열원시설(1)과 수용가 냉난방기기(10a)를 연결하는 순환배관계(10)에 연결되는 분기관(10b)의 말단에 형성된 탱크이다. 일반적으로 열매체가 가열되면 부피가 팽창되는데, 열매체가 중고온으로 가열되는 경우, 그 팽창압력은 순환배관계(10)의 적정 압력 이상으로 상승할 수 있고, 이러한 경우에는 비압축성 유체인 열매체의 팽창압력에 의해 순환배관계(10)가 파손될 수 있는 위험이 존재하기 때문에 이렇게 팽창된 열매체를 일시적으로 수용하고, 열매체가 수축되는 경우 열매체를 순환배관계(10)로 재차 환수시키는 팽창탱크(130)가 요구되는 것이다.
상기와 같은 팽창탱크(130)의 종류로는, 이미 상술한 바와 같이, 개방형 및 밀폐식 팽창탱크가 있는데, 배관의 부식방지를 위해 밀폐식 팽창탱크가 주로 사용되고, 본 발명에 따른 냉난방 시스템에 있어서도, 상기와 같은 밀폐식 팽창탱크가 사용된다.
이러한 밀폐식 팽창탱크로는, 도 2 에 도시된 바와 같이, 고무재질의 블레이더를 구비하는 타입이 주로 사용되어 왔지만, 안전성 및 신뢰성 면에 문제점이 발생하고 있고, 팽창탱크가 대형화 및 고온 고압화되는 경우 전술한 바와 같은 문제점이 발생한다. 따라서, 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 밀폐형 팽창탱크(130)는 종래의 고무재질 블레이더를 사용하지 않는 비격막식 밀폐형 중공 탱크로 구성된 압력용기이다.
도 4 에는 본 발명에 따른 냉난방 시스템에 사용되는 팽창탱크(130)의 세부 구성도가 도시된다.
팽창탱크(130)는 초기에 질소공급부(200)로부터 질소가스를 공급받아, 팽창탱크(130) 초압으로 충전되어 있고 수위는 최저 수위 LWL(LOW WATER LEVEL)로 유지된다. 열매체가 팽창하면 순환배관계(10)로부터 팽창관(20)을 통하여 열매체가 팽창탱크(130) 내부로 유입되고, 팽창탱크(130)의 수위는 최고 수위 HWL(HIGH WATER LEVEL)까지 상승하며, 팽창수의 유입으로 인한 팽창탱크 내부의 상승압력은 제2압 력감지센서(PT2)에서 감지되어 컨트롤러(도시되지 않음)에 의해 제어되는 제2솔레노이드밸브를 통해 배출됨에 따라 적정 운전압력범위에 놓이게 된다.
팽창수가 다시 순환배관계(10)로 환수되거나, 시간이 경과함에 따라, 질소가스가 미약하게나마 열매체에 용해되어 팽창탱크(130)의 압력이 운전압력 이하로 낮아지게 되면 이를 제2압력감지센서(PT2)가 감지하여 컨트롤러의 제어에 따라 제1솔레노이드밸브(S1)가 개방되어 질소공급부(200)로부터 질소가스가 팽창탱크(130) 내로 유입되어, 팽창탱크(130) 내의 압력을 미리 설정된 적정 운전압력범위 이내로 유지시켜 준다.
수용가에서의 열사용 또는 열원설비(1)의 감소운전 및 정지에 따라 열매체인 배관수의 온도가 낮아져 수축하게 되면, 순환배관계(10)의 압력이 낮아지게 되고, 이를 제1압력감지센서(PT1)가 감지하여 컨트롤러의 제어에 따라 환수펌프(122)가 운전되어 팽창탱크 내의 팽창수를 팽창관(30)을 통해 순환배관계(10)로 환수시킨다. 이 경우, 팽창탱크(130) 내의 수위는 점차 하강하게 되며, 수위가 LWL 이하로 하강하면 이를 탱크수위감지센서가 감지하여 컨트롤러의 제어에 따라 제3솔레노이드밸브(S3)가 개방되어 보충수가 팽창탱크(130) 내로 유입되고, 보충수유입차단수위(MRL)까지 도달하면 보충수의 유입은 차단되며, 팽창탱크(130)는 시스템의 연이은 변화, 즉, 팽창 또는 수축에 대응할 준비를 갖추게 된다.
상기 환수펌프(122)는 탱크내부의 수위에 따라 공회전이 방지되는 안전기능을 아울러 갖추게 된다.
상기 팽창탱크(130)의 내부압력은 팽창탱크(130)의 내부압력을 감지하는 용도로 설치된 제2압력감지센서(PT2)와 컨트롤러에 의해 제어되는 제1솔레노이드밸브(S1) 및 제2솔레노이드밸브(S2)의 개폐 작동에 의하여 제어된다. 상기 팽창탱크(130)에는 추가적으로 팽창탱크(130) 내의 압력이 설정압력 이상으로 상승하는 경우 자동으로 질소가스를 배출하는 안전밸브(134)와, 이상 고압을 표시하고 경고하는 기능을 수행하고 압력값을 표시하는 압력게이지(132)를 더 포함할 수 있다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉난방 시스템에서는, 순환배관계(10)로부터 분기되어 팽창탱크(130)에 연결되는 분기관(10b)에 압력변환부(100)가 구비된다. 상기 압력변환부(100)는 압력변환수단(110)과, 유향제어수단(120)으로 구성된다. 도 4 에는 이러한 압력변환부(100)의 세부 구성도가 도시된다.
상기 압력변환수단(110)은, 순환배관계(10)로부터 분기된 분기관(10b) 중 팽창탱크(130)로 유입되는 열매체가 전달되는 팽창관(20)에 연결된다. 전술한 바와 같이, 고층건물 또는 장거리 배관계의 경우, 배관수 압력(PA)이 매우 높다. 이에 따라, 밀폐식 팽창탱크와 블레이더의 안전성이 문제가 되기 때문에, 본 발명에서는 상기 압력변환수단(110)이 상기 배관수 압력(PA)을 일정범위를 초과하지 않도록 감 압변환하여 팽창탱크로 유출하고 탱크 내부의 압력(PB)을 안전 허용 압력 수준으로 낮추어 준다.
상기 압력변환수단(110)으로는 밸브 1차측 압력(배관수 압력(PA))을 설정압력 이하로 유지시키는 1차압력유지밸브(114)가 사용된다. 상기 1차압력유지밸브(114)는 릴리프밸브(relief valve)라고도 하며, 밸브 1차측의 압력이 설정압력보다 높을때 유체를 밸브 2차측으로 배출하여 밸브 1차측의 압력을 일정 압력 이하로 유지시키는 밸브로서, 파이롯트 콘트롤밸브, 스프링, 다이어프램 등에 의해 밸브디스크에 힘이 가해져 있으며, 밸브 1차측의 압력이 소정의 압력보다 높아지면 밸브디스크를 열어 유체가 밸브 2차측으로 유출되며, 1차측 압력이 낮아지면 닫히게 되는 구조로 되어 있다. 이 밸브는 점검 및 수리를 위해 양측에 수동차단밸브를 부가 설치한다.
상기 압력변환수단(110)은 또한 도 5 에 도시된 바와 같이, 감압밸브(112)와 전동밸브(113)가 직렬로 연결된 감압유닛으로 구성되는 것도 바람직하다. 상기 감압유닛은 상술한 1차압력유지밸브(114)와 소정의 압력차를 두고 병렬로 접속되어 상호 보완적으로 정전시에도 안정적으로 작동하도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 즉, 정상운전시에는 전동식으로 작동되는 감압유닛과 기계식으로 작동되는 1차압력유지밸브(114)가 함께 작동되고, 전기의 공급이 끊기는 경우에는 감압유닛이 작동 중지되더라도 기계식으로 작동되는 1차압력유지밸브(114)가 작동되어 정전시에도 안정적으로 압력변환을 수행할 수 있게 되는 것이다.
여기서 상기 감압밸브(112)는 높은 배관수 압력(PA)이 전동밸브(113)를 통하여 팽창탱크(130)로 유출될때 밸브에서의 감압비가 높아 밸브에서 소음 진동이 발생하는 것을 방지할 목적으로 전동밸브(113) 입구측에 설치되며, 감압유닛의 전후단에는 수동차단 밸브가 설치된다.
상기 전동밸브(113)는 제1압력감지센서(PT1)으로부터 감지된 배관수 압력(PA)을 전달받고 컨트롤러의 제어에 따라 설정압력 이하로 감압된 압력을 갖는 배관수만을 통과시키도록 구성된다.
도 5 에 따르면, 상기 압력변환수단(110)은 또한 수동밸브(116)를 포함한다. 정상운전은 감압밸브(112) 및 전동밸브(113)로 구성되는 감압유닛 및/또는 기계식 1차압력유지밸브(114)가 사용되고, 상기 수동밸브(116)는 시운전, 점검시, 비상시 등에 수동으로 개폐하여 사용하도록 구성된다.
상기와 같은 압력변환부(100)에 의하여, 배관수 압력(PA)은 미리 설정된 안전 허용 압력치로 감압변환되어 팽창탱크(130) 내부로 유입되기 때문에, 즉, 배관수의 압력이 높아질 때에만 팽창탱크로 유출되므로 배관수 압력(PA)과 팽창탱크(130)는 각기 다른 압력으로 운전가능하게 되며 낮은 압력으로 운전될 수 있어서 폭발 및 파손 등의 위험을 방지할 수 있게 되는 것이다.
한편, 상기 압력변환부(100)은 도 3 에 도시된 바와 같이, 팽창탱크(130)로부터 환수되는 열매체의 흐름 방향을 제어하는 유향제어수단(120)을 구비한다.
상기 유향제어수단(120)은, 환수펌프(122)와 체크밸브(124)를 포함한다. 상기 환수펌프(122)는 팽창탱크(130)로부터 배출되는 열매체를 순환배관계(10)로 재차 환수시키는데 필요한 가압압력을 제공하며, 상기 체크밸브(124)는 열매체가 일방향으로만, 즉, 팽창탱크(130)로부터 환수관(30)을 따라 순환배관계(10)로만 흐르게 하는 것으로, 상기 체크밸브(124)에 의해 열매체의 역류를 방지하고, 열매체의 팽창시 열매체가 환수관(30)으로 유입되어 흐르는 것을 방지한다.
상기와 같이 구성되는 압력변환부(100)의 각 밸브체들의 작동은 미리 프로그래밍된 컨트롤러에 의해 수행되는 바, 이러한 컨트롤러에 의한 제어 방식은 통상적인 방식으로 당업자가 용이하게 실시할 수 있는 자명한 사항이므로 여기서는 더 이상의 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명에 따른 냉난방 시스템은 질소공급부(200)를 포함한다. 팽창탱크(130)내에 충진되는 기체는 종래에는 대체로 산소를 다량 포함하는 에어를 사용하여 왔으나, 에어를 사용하는 경우에는, 팽창탱크(130) 내로 유입된 열매체에 산 소가 용해되어 궁극적으로 배관의 부식을 야기하는 문제점이 있어 왔다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 이러한 부식 배관을 방지하기 위하여 산소를 포함하지 않는 질소가스를 충진가스로서 사용하는 것이다. 상기 질소공급부(200)는 팽창탱크(130)에 질소가스를 공급하는 부분이다.
질소공급부(200)는 순도가 높은 질소를 저장하고 제2압력감지센서(PT2)에 의해 팽창탱크(130) 내부의 압력을 감지함에 따라, 팽창탱크(130)내 일정량의 질소가스를 충진 및 배기할 수 있도록 구성된 질소봄베일 수 있다. 또한, 열매체의 팽창시 팽창탱크(130) 내의 질소가스를 저압탱크로 유도한 후 압축하여 재사용하는 방법이 사용될 수도 있다. 이러한 경우에는 장치가 복잡하고, 질소봄베의 계속적인 교체와 다량의 질소가스의 사용으로 인하여 운전비용이 높아질 수 있으므로, 상기 질소공급부(200)로서 질소발생기(210)를 사용하는 것이 경제적인 측면에서 더욱 바람직하다.
도 6 에는 본 발명에 따른 질소공급부(200)의 세부 구성도가 도시된다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 먼저, 압축기(220)에 의해 대기중의 공기가 소정의 압력(일반적으로7kgf/㎠)까지 압축되어 공급되고, 중간 리시버(221)를 거쳐 에어필터(222)에서 공기에 포함된 먼지나 이물질 등이 여과되고, 공기건조기(224)를 거친 건조공기가 오일세퍼레이터(226)로 공급된다. 오일세퍼레이터(226)에서는 공기에 포함된 오일 증기(oil vapour)가 분리되어 제거된다. 이러한 과정을 거쳐 불순물들이 제거 된 건조공기는 질소발생기(210)로 공급되고, 이 질소발생기(210)에 의해 순도 높은 질소가스가 발생된다. 상기 질소발생기(210)는 흡착 방식 또는 분리막 방식이 사용될 수 있다.
흡착 방식 질소발생기(210)는 균일하게 조정된 세공(4Å)을 갖는 흡착제를 사용하여, 세공으로의 확산 속도 차이에 의해 질소 분자(분자경 4.3×3.0Å)와 비교하여 산소 분자(분자경 3.9×2.8Å)가 보다 빨리 흡착되는 성질을 이용하여 질소만을 분리되도록 하는 방식이다. 일반적으로 평형 흡착 량에서는 산소와 질소 사이에 차이가 거의 보이지 않으나, 흡착 속도는 30배 이상의 차이를 나타낸다. 이러한 흡착 방식은 가압 단계(Pressurization Step), 흡착 단계(Adsorption Step), 감압 단계(Blow Down Step), 세정 단계(Purge Step)를 거쳐 순도 높은 질소를 발생시킨다.
분리막 방식 질소발생기(210)는 기체혼합물 중 특정 성분의 기체만을 분리할 수 있는 기체 분리막을 이용한 방식으로, 막에 대한 선택적인 기체투과원리에 의하여 진행된다. 즉, 기체혼합물이 막표면에 접촉하였을때 기체성분은 막속으로 용해, 확산하게 되는데, 이때 각 기체성분의 상대적인 용해도와 투과도는 막물질에 대하여 서로 다르게 나타나게 되는바, 이러한 투과속도에 의해 기체를 분리할 수 있게 되는 것이다.
상술한 바와 같은 방식으로 발생된 질소가스는 버퍼탱크(212)를 거쳐 산소 또는 질소분석기(214)에서 산소함유량을 계측하여 산소가 제거된 뒤, 질소가스리시버(216)에 저장되도록 한다. 저장된 질소가스는 팽창탱크(130)의 제2압력감지센서(PT2) 및 컨트롤러의 통제에 따라 팽창탱크(130)로 공급된다. 이때, 질소가스는 비교적 저압으로 팽창탱크(130)에 충진되는 것이 바람직한데, 헨리의 법칙에 의하면 기체의 압력이 낮을 경우 용해도는 감소하므로, 질소가스가 비교적 저압으로 충진되면 팽창탱크(130) 내의 팽창수에 용해되는 질소가스의 양이 적어지기 때문에 용존 가스로 인한 순환장애의 문제점이 줄어들며, 질소소비량을 줄일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 밀폐식 팽창탱크를 구비하는 냉난방 시스템의 작용 효과에 대하여 설명한다.
도 3 내지 도 6 에 도시된 바와 같이, 열원시설(1)에 의하여 가열된 열매체는 순환배관계(10)를 통하여 수용가의 냉난방기기(10a) 등에 열원을 공급하고 다시 순환배관계(10)를 통하여 회수된다.
열매체의 온도가 상승하여 팽창하는 경우, 팽창수는 팽창관(20)을 통하여 팽창탱크(130)로 유입된다. 이때, 팽창관(20)에 연결된 압력변환수단(110)에 의해 팽창수의 압력이 미리 설정된 압력치 이하로 감압변환되어 팽창탱크(130)의 압력이 안전 허용 범위로 유지된다. 본 발명에 따르면 배관수 압력의 목표 최대치는 25kg/ ㎠·G 이고, 압력변환수단(110)에 의해 감압된 결과 팽창탱크(130) 내의 압력 목표 최대치는 2kg/㎠·G 이내인 것이 바람직하다. 팽창탱크(130) 내의 압력이 2kg/㎠·G 이하로 유지되면 팽창탱크(130) 내의 압력이 비교적 저압이기 때문에, 질소의 용해도가 감소하고(헨리의 법칙), 이에 따라, 질소소비량이 감소하여 유지비가 절감된다. 또한, 120℃에서의 물의 포화증기압은 1.0kg/㎠·G 이므로, 팽창탱크(130) 내의 압력이 1.5kg/㎠·G 내지 2kg/㎠·G 로 유지되면 열매체의 증발(플러싱;flushing)을 방지할 수 있는 장점을 갖는다.
만약 팽창탱크(130) 내로 유입된 팽창수의 수위가 최고수위 HWL 이상으로 상승하게 되면, 제4솔레노이드밸브(S4)가 개방되어 팽창수를 드레인하게 되며, 팽창수가 최저수위 LWL 이하로 내려가면 제3솔레노이드밸브가 개방되어 보충수를 팽창탱크로 유입하여 탱크 내부의 적정 수위를 유지한다. 또한, 팽창수가 유입될 때는 보충수가 유입되지 않도록 전자밸브 상호간의 인터록이 되어 있어 항상 적절한 상태를 유지할 수 있게 된다.
열매체가 환수관(30)을 통하여 환수되는 경우에는, 환수관(30)에 설치된 유향제어수단(120) 내 환수펌프(122)에 의해 순환배관계(10)로 환수되는 가압압력을 부여받고, 체크밸브(124)를 거쳐 열매체가 역류하는 것이 방지되고 한쪽방향으로만 흐르게 되어 다시 순환배관계(10)로 환수될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 실시예를 기준으로 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적 균등범위까지 포함된다 할 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 팽창탱크 내부에 질소가스를 충진함에 따라, 열매체와 산소의 접촉을 차단하여 배관의 부식을 방지할 수 있으며, 압력변환부를 구비함에 따라 팽창탱크 내의 압력을 저압으로 유지시킬 수 있어, 팽창탱크의 파손이나 폭발을 방지할 수 있고, 질소소비량이 감소되고, 고무재질의 블레이더를 포함하지 않기 때문에, 블레이더가 파손 및 손상되는 위험을 방지할 수 있으며, 100℃ 내지 150℃ 이상의 고온수를 사용하는 경우에도 안전성 및 신뢰성이 보장될 뿐만 아니라, 5,000ℓ이상의 대용량 팽창탱크의 적용도 가능하여 대규모 플랜트에 이용가능한 탁월한 효과를 갖는다.

Claims (10)

  1. 열원시설(1)로부터 가열된 열매체가 순환배관계(10)를 통하여 수용가의 냉난방기기(10a) 또는 이웃하는 열교환기로 공급 및 회수됨에 따라 수행되는 냉난방 시스템에 있어서,
    상기 순환배관계(10)의 일측으로부터 분기되어 팽창된 열매체를 일시수용함과 동시에 열매체의 수축시 이를 재차 순환배관계(10)로 환수시키되, 비격막식 밀폐형 중공 탱크로 구성되는 압력용기인 팽창탱크(130)와;
    상기 팽창탱크(130)로 열매체가 유입되는 팽창관(20)에 설치되어 배관수 압력(PA)을 감압변환시키는 압력변환수단(110)과;
    열매체의 수축시 상기 팽창탱크(130)로부터 상기 순환배관계(10)로 열매체가 유출되는 환수관(30)에 설치되어 열매체가 일방향으로만 흐를 수 있도록 방향을 제어하는 유향제어수단(120)과;
    상기 팽창탱크(130)의 일측에 연결되어 팽창탱크(130) 내에 질소를 주입하는 질소공급부(200)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉난방 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력변환수단(110)은 기계식 1차압력유지밸브(114)와, 감압밸브(112) 및 전동밸브(113)가 직렬로 연결되는 감압유닛으로 구성되되, 상기 1차압력유지밸브(144)와 감압유닛은 일정한 압력차를 두고 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는, 냉난방 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 압력변환수단(110)은 시운전, 점검시 그리고 비상시에 사용하기 위한 수동밸브(116)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉난방 시스템.
  7. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 유향제어수단(120)은, 상기 팽창탱크(130)로부터 환수되는 열매체에 가압압력을 부여하는 환수펌프(122)와, 상기 열매체를 일방향으로만 흐르도록 통제하는 체크밸브(124)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉난방 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 질소공급부(200)는 질소봄베인 것을 특징으로 하는, 냉난방 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 질소공급부(200)는 공기를 일정한 압력으로 압축하여 공급하는 압축기(220)와, 상기 압축기(220)로부터 공급받은 공기로부터 질소만을 추출하여 상기 팽창탱크(130)에 공급하는 질소발생기(210)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉난방 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력변환수단(110)에 의해 감압된 팽창탱크(130) 내의 압력 최대치는 2kg/㎠·G 인 것을 특징으로 하는, 냉난방 시스템.
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