KR100715779B1 - 저온 냉각수 제조장치 - Google Patents

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KR100715779B1
KR100715779B1 KR1020060045073A KR20060045073A KR100715779B1 KR 100715779 B1 KR100715779 B1 KR 100715779B1 KR 1020060045073 A KR1020060045073 A KR 1020060045073A KR 20060045073 A KR20060045073 A KR 20060045073A KR 100715779 B1 KR100715779 B1 KR 100715779B1
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권기현
김병삼
도정룡
이명기
임효묵
차환수
최정희
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한국식품연구원
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Abstract

수조에 저장된 냉각수가 아이스슬러리에 의해 일정하게 온도를 유지한 상태로 장기간동안 지속적으로 냉각되어 저온 냉각수의 공급이 보다 지속적이면서 안정적으로 이루어지도록 하는 저온 냉각수 제조장치가 개시된다. 이 제조장치는 냉각수가 성층화된 상태로 저장되는 수조와, 상기 수조에 연결되는 유입배관 및 배출배관과, 상기 유입배관 및 배출배관의 사이에 연결되어 유동되는 물을 냉각시키는 냉각부를 포함하는 저온 냉각수 제조장치에 있어서; 상기 냉각부는, 상기 유입배관의 끝단과 상기 배출배관의 끝단의 사이에 연결되는 제1열교환관과, 상기 제1열교환관의 일측에 설치되는 제2열교환관을 갖는 열교환기와; 상기 제2열교환관의 일단에 연결되고 관로상에 순환펌프를 갖는 슬러리유입관과; 상기 제2열교환관의 타단에 연결되는 슬러리배출관과; 상기 슬러리유입관 및 슬러리배출관이 연결되고 내부에 아이스슬러리와 물이 저장되는 빙축열조와; 상기 빙축열조의 물을 냉각시켜 고액 2상의 아이스슬러리로 만든 후에 이를 다시 상기 빙축열조에 공급하는 슬러리공급기를; 포함한다.
저온, 냉각수, 제조, 아이스, 슬러리, 열교환기

Description

저온 냉각수 제조장치{Apparatus for manufacturing low-temperature cooling water}

도 1은 본 발명에 따른 저온 냉각수 제조장치를 보인 계통도,

도 2는 본 발명에 따른 슬러리생성기의 개략적인 종단면도,

도 3은 본 발명에 따른 아이스슬러리와 저온 냉각수의 열교환 상태를 보인 그래프,

도 4는 종래의 빙수조 방식을 보인 계통도,

도 5는 종래의 간접 열교환 방식을 보인 계통도,

도 6은 종래의 하베스트형 제빙 장치를 이용한 동적 제빙 방식을 보인 계통도,

도 7은 종래의 아이스슬러리 제빙 장치를 이용한 동적 제빙 방식을 보인 계통도,

도 8은 종래의 저온 냉각수 제조장치를 보인 계통도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 수조 2 : 유입배관

3 : 배출배관

31 : 배출펌프

4 : 냉각부

41 : 열교환기

411 : 제1열교환관 412 : 제2열교환관

42 : 슬러리유입관

421 : 순환펌프

43 : 슬러리배출관 44 : 빙축열조

45 : 슬러리공급기

5 : 공급배관

본 발명은 냉각수의 성층화를 통해 저온의 냉각수를 지속적으로 제조하는 저온 냉각수 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수조에 저장된 냉각수가 아이스슬러리에 의해 일정하게 온도를 유지한 상태로 장기간동안 지속적으로 냉각되어 저온 냉각수의 공급이 보다 지속적이면서 안정적으로 이루어지도록 하는 저온 냉각수 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로 국내뿐만이 아니라 전 세계적으로 저온 냉각수(1 ~ 2℃)의 생산 방식은 크게 빙수조 방식과, 간접 열교환 방식과, 동적 제방 방식의 세 가지로 분류할 수 있다.

상기 빙수조 방식은 수조 내부에 안으로 냉매가 흐르는 고정된 전열관을 설 치하고 전열관 표면에 물을 얼려 얼음을 만들고 이를 녹여 만드는 방식이고, 상기 간접 열교환 방식은 빙점이하의 2차 냉매인 브라인(brine)을 만들고 이 브라인과 냉각수를 정밀하게 제어하면서 열교환을 하여 냉각수를 얻는 방식이며, 상기 동적 제방 방식은 동적인 제빙으로 얼음을 만들고 이 만들어진 얼음을 이용하여 냉각수를 얻는 방식이다.

이와 같은 종래의 냉각수 제조방식을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 4는 종래의 빙수조 방식을 보인 계통도이다.

이에 도시된 바와 같이, 종래의 빙수조 방식은 빙수조의 내부에 나관 형태의 증발기코일을 설치하고, 상기 빙수조의 외부에서 상기 증발기코일과 연결된 냉동기를 가동하여, 상기 빙수조의 물을 상기 증발기코일 주위에 냉각하여 얼음을 만드는 것이다.

그리고, 상기 증발기코일에 주위에 만들어진 얼음은 보충수 배관을 통해 빙수조의 내부로 채워지고 교반기에 의해 순환되는 15℃ 정도의 물에 의해 녹으면서 1℃ 내지 3℃ 정도의 저온 냉각수를 만들게 되고, 이와 같이 만들어진 저온 냉각수는 순환펌프의 작동으로 공급배관을 통해 외부로 공급되고, 상기 공급배관을 통해 공급된 후에 남았고 순환되는 중에 5℃ 내지 7℃로 승온된 냉각수는 환수배관을 통해 상기 수조로 환수된다.

그런데, 종래의 빙수조 방식은 소용량에서는 증발기코일을 동관으로 간단하게 제작할 수 있는 장점이 있으나, 중.대용량(30kW 이상)에서는 증발기의 내부에 오일이 체류하는 문제로 인해 프레온 냉매를 사용하기가 어려워 암모니아 냉매를 사용해야 되는 문제점이 있다.

그리고, 상기 증발기코일의 주위에 만들어진 얼음에 의한 전열의 차단으로 냉동기의 효율저하 및 운전의 신뢰성의 저하되고, 상기 수조 내부의 물과 얼음의 전열 면적의 부족하여 부하의 상승 시에 냉각수의 온도가 상승되는 문제점이 있다.

아울러, 상기 교반기를 통한 교반의 불균일에 의해 수조의 사용효율이 현저히 저하되고, 원활한 냉각수의 제조를 위해서는 상기 수조의 면적이 현저히 넓어야 하며, 개방 시스템으로 위생적이지 못한 문제점이 있다.

도 5는 종래의 간접 열교환 방식을 보인 계통도이다.

이에 도시된 바와 같이, 종래의 간접 열교환 방식은 미세한 운전 상태의 변화에도 냉매의 온도가 쉽게 바뀔 수 있으므로 운전의 안정성을 위하여 냉동기를 가동하게 되고, 상기 냉동기의 가동에 의해 -3 내지 -5℃의 2차 냉매인 브라인(brine)을 생산한 다음 안정적인 온도를 유지하면서 열교환기에서 냉각수와 열교환하여 1 내지 2℃의 저온 냉각수를 얻는 방식이다.

이때, 보충수 배관을 통해 버퍼 탱크에 채워진 후에 환수배관을 통해 환수되면서 5℃ 내지 7℃ 상태로 냉각된 물이 순환펌프에 의해 공급배관을 통해 상기 열교환기로 유입되면서 열교환되어 1 내지 2℃의 저온 냉각수로 공급된다.

그런데, 상기 간접 열교환 방식은 대용량의 빙수조 등이 필요하지 않는 장점은 있으나 환수되는 물의 온도의 변화 등과 같은 부하의 변동에 따른 정밀한 대응이 없을 경우 열교환기의 전열면에서 결빙될 우려가 상존하는 문제점이 있다.

그리고, 상기한 열교환기의 전열면에서 결빙될 시에 발생하는 하자의 치명성 때문에 유량제어 방식으로는 3방변이나 인버터에 의한 유량제어 방식을 사용하고 차단용 2-WAY 밸브, 온도 보상용 바이패스 설비 등 보조 제어 장치를 설치해야하는 등 매우 정밀한 제어와 보조 장치 등이 요구되는 문제점이 있다.

도 6은 종래의 하베스트형 제빙 장치를 이용한 동적 제빙 방식을 보인 계통도이고, 도 7은 종래의 아이스슬러리 제빙 장치를 이용한 동적 제빙 방식을 보인 계통도이다.

이에 도시된 바와 같이, 종래의 동적 제빙 방식은 하베스트형 또는 아이스슬러리 제빙 장치를 이용하여 얼음을 생산하고, 이 생산된 얼음을 축열조에 이송하여 보관하면서 필요시에 이 얼음을 녹여 냉각수를 생산하거나 축열조의 아이스슬러리를 순환시켜 열교환기에서 냉각수와 열교환을 하여 저온의 냉각수를 얻는 방식이다.

그런데, 상기 동적 제빙 방식은 표면적이 넓은 얼음을 사용하므로 낮은 온도의 냉각수를 만들어 사용할 수 있는 장점이 있는 반면 시설이 대형화하고 구성이 복잡한 단점이 있으며 신뢰성이 낮은 문제점이 있다.

그리고, 상기 하베스트형 제빙 장치를 이용한 동적 제빙 방식은 내부에 냉매가 통과하는 빙판위에 물을 흘리면서 제빙을 한 다음에 상기 빙판의 내부에 고온가스(HOT GAS)를 통과시켜 중력에 의한 탈빙을 하는 제빙 장치를 축열조 위에 두어야 하며 중력과 주기적인 고온가스(HOT GAS)의 공급에 의한 탈빙 방법을 사용하므로, 냉동 시스템의 불안정과 설비의 제한(축열조 높이가 높아야 한다)이 있고, 시설비 가 많이 드는 문제점이 있다.

그리고, 상기 아이스슬러리 제빙 장치를 이용한 동적 제빙 방식은 순수한 물을 사용하며 미세 입자의 얼음에 의하여 낮은 온도의 빙수를 직접 사용할 수 있어 가장 낮은 온도의 냉각수를 얻을 수 있으나 과냉각 열교환기의 내부에서 폐색이 자주 발생하여 복수의 열교환기를 두어 폐색이 발생할 전조가 보이면 즉시 열교환기를 바꾸어 운전하여야 하며 매우 정밀한 온도 제어를 하여야 하고 물 자체의 이물질을 완벽하게 제거해야 하는 문제점이 있다.

또한, 예열(냉)열교환기를 두어 과냉각 열교환기에 공급되는 물의 온도를 1℃로 공급해야 하므로 시설이 매우 복잡하여 경제적으로 매우 불리한 문제점이 있다.

상기와 같은 종래 제빙 장치들의 제반 문제점을 해소하기 위해 본 출원인이 기출원한 '저온 냉각수 제조장치'(특허출원 제2006-32473호 2006.04.10.)가 있고, 이를 도 8에 도시하여 그 구성과 작동관계를 설명하면 다음과 같다.

도 8에 도시된 바와 같이 종래의 저온 냉각수 제조장치는 냉각수가 성층화된 상태로 저장되는 수조(100)와, 상기 수조(100)의 상측에 연결되는 유입배관(200)과, 상기 수조(100)의 하측에 연결되고 배출펌프(301)가 관로상에 설치되는 배출배관(300)과, 상기 유입배관(200) 및 배출배관(300)의 사이에 연결되어 유동되는 물을 냉각시키는 냉각부(400)와, 상기 유입배관(200)과 배출배관(300)의 사이로 상기 수조(100)에 설치되는 공급배관(500)을 포함한다.

상기 수조(100)는 냉각수가 저장되는 곳으로, 서로 온도가 달라 밀도차를 갖 는 냉각수가 성층화될 수 있는 용적을 갖는 것이다.

상기 유입배관(200)은 냉각부(400)에 의해 냉각된 물을 수조(100)의 내부로 유입시키는 역할을 하는 것이고, 상기 배출배관(300)은 수조(100)의 내부로 물을 상기 냉각부(400)로 배출시키는 역할을 하는 것이다.

상기 냉각부(400)는 유입배관(200) 및 배출배관(300)이 연결되고 냉동기(401) 및 팽창밸브(402)와 연결되어 일련의 냉동사이클을 이루는 증발기(403)를 포함한다.

상기 냉각부(400)는 수조(100)의 내부 하측에 밀도차에 의해 모여 있는 4℃의 냉각수가 배출펌프(301)의 작동으로 배출배관(300)을 통해 증발기(403)로 유입되어 냉매와 직접 열교환되면서 1℃로 냉각되도록 한 후에 상기 수조(100)의 내부 상측으로 유입배관(200)을 통해 유입시킨다.

상기 증발기(403)는 응축기 역할을 하는 냉동기(401)와 팽창밸브(402)에 관로상으로 연결되고 이 관로상으로 순환되는 저온의 냉매와 수조에서 유입되는 냉각수를 직접 열교환시킨다.

상기 유입배관(200)은 그 끝단에 유입 디퓨저(201)가 장착되고, 상기 배출배관(300)은 그 선단에 배출 디퓨저(302)가 장착된다.

상기 유입 디퓨저(201)는 유입배관(200)의 끝단에 장착되어 상기 유입배관(200)을 통해 수조(100)의 내부로 유동되는 1℃의 냉각수를 상기 수조(100)의 내부 상측으로 수면의 주위에서 균일하면서 저속으로 배출시킴으로써, 1℃의 냉각수를 상기 수조(100)의 내부 상측에 균일하게 분포된 상태로 유입시키는 것이다.

상기 배출 디퓨저(302)는 수조(100)의 내부 하측으로 배출배관(300)의 선단에 장착되어 밀도차에 의해 상기 수조(100)의 내부 하측에 있는 4℃의 냉각수를 균일하게 상기 배출배관(300)으로 유입시킴으로써, 4℃의 냉각수를 상기 수조(100)의 내부 하측에서 균일하게 외부로 배출시키는 것이다.

상기 유입 디퓨저(201)와 배출 디퓨저(302)를 통해 수조(100)의 내부로 냉각수가 균일하게 유입 또는 배출됨으로써, 상기 수조(100)의 내부에 온도 및 밀도차에 의해 냉각수의 성층화가 보다 원활히 이루어지게 된다.

상기 공급배관(500)은 유입배관(200)과 배출배관(300)의 사이로 수조(100)에 설치되고 관로상에 공급펌프(501)를 갖는 것으로, 상기 공급펌프(501)의 작동에 의해 유입 디퓨저(201)의 하부에 있는 1℃ 내지 2℃의 저온 냉각수를 수조의 외부로 배출하여 사용처에 지속적으로 공급시키는 역할을 하는 것이다.

그런데, 상기와 같은 종래 기술에는 다음과 같은 문제점이 있다.

종래의 저온 냉각수 제조장치는 냉각부에 의해 냉각수가 직접 냉각됨으로써, 냉각수의 온도를 일정하게 유지한 상태로 장기간동안 지속적으로 냉각시키기가 매우 어려운 문제점이 있다.

상기와 같은 지속적이고 일정한 온도로의 냉각에 대한 어려움은 저온 냉각수의 지속적이면서 안정적인 공급을 방해하는 주요한 원인이 되고 있는 실정이다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해서 본 출원인이 기출원한 '저온 냉각수 제조장치'(특허출원 제2006-32473호 2006.04.10.) 를 개량한 것으로,

본 발명의 목적은 수조에 저장된 냉각수가 아이스슬러리에 의해 일정하게 온도를 유지한 상태로 장기간동안 지속적으로 냉각되어 저온 냉각수의 공급이 보다 지속적이면서 안정적으로 이루어지도록 하는 저온 냉각수 제조장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 간단한 구조로 미세한 얼음입자인 아이스슬러리의 생성이 안정적으로 이루어져 빙축열조의 내부로 아이스슬러리의 공급이 연속적이면서 안정적으로 이루어지도록 하는 저온 냉각수 제조장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 빙축열조에서 슬러리생성기로 공급되는 물의 공급압력이 손쉽게 증대되어 아이스슬러리에 포함된 물의 흡입 및 공급이 안정적으로 이루어지도록 하는 저온 냉각수 제조장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 빙축열조의 내부로 물과 아이스슬러리를 균일하게 혼합하여 아이스슬러리의 유동성이 증가되면서 배관을 통한 순환이 안정적으로 이루어지도록 하는 저온 냉각수 제조장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 빙축열조의 내측 상부에서 물을 균일하게 분사하여 분사된 물이 균일하게 냉각되면서 아이스슬러리와 원활히 혼합되도록 하는 저온 냉각수 제조장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저온 냉각수 제조장치는 냉각수가 성층화된 상태로 저장되는 수조와, 상기 수조의 상측에 연결되는 유입배관과, 상기 수조의 하측에 연결되고 배출펌프가 관 로상에 설치되는 배출배관과, 상기 유입배관 및 배출배관의 사이에 연결되어 유동되는 물을 냉각시키는 냉각부와, 상기 유입배관과 배출배관의 사이로 상기 수조에 설치되는 공급배관을 포함하는 저온 냉각수 제조장치에 있어서; 상기 냉각부는, 상기 유입배관의 끝단과 상기 배출배관의 끝단의 사이에 연결되는 제1열교환관과, 상기 제1열교환관의 일측에 설치되는 제2열교환관을 갖는 열교환기와; 상기 제2열교환관의 일단에 연결되고 관로상에 순환펌프를 갖는 슬러리유입관과; 상기 제2열교환관의 타단에 연결되는 슬러리배출관과; 상기 슬러리유입관 및 슬러리배출관이 연결되고 내부에 아이스슬러리와 물이 저장되는 빙축열조와; 상기 빙축열조의 물을 냉각시켜 고액 2상의 아이스슬러리로 만든 후에 이를 다시 상기 빙축열조에 공급하는 슬러리공급기를; 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬러리공급기는, 압축기 및 응축기와 팽창밸브 및 증발기가 관로상에 연결되어 일련의 냉동사이클을 이루는 냉동기와, 상기 증발기의 내측에 설치되어 냉매와 열교환에 의해 물을 아이스슬러리로 생성시키는 슬러리생성기와, 상기 슬러리생성기와 빙축열조의 사이에 연결되고 관로상에 물공급펌프를 갖는 물공급관과, 상기 슬러리생성기와 빙축열조의 사이에 연결되어 아이스슬러리를 상기 빙축열조에 공급시키는 슬러리공급관을, 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬러리생성기는, 상기 증발기의 하단에 장착되고 상기 물공급관이 연결되는 하단케이스와, 상기 증발기의 상단에 장착되고 상기 슬러리공급관이 연결되는 상단케이스와, 상기 증발기의 내부를 관통하여 상기 하단케이스와 상단케이스에 연통되게 설치되고 유동되는 물을 냉매와 열교환시켜 얼음을 생성시키는 다 수의 전열관과, 상기 전열관의 내주면에 생성된 얼음을 긁어내는 스크레이퍼를, 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 물공급관은, 상기 빙축열조의 내부로 상기 물공급관의 선단에 장착되어 상기 빙축열조의 내부의 물을 흡입하는 물흡입디퓨저를, 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 물공급관은, 상기 물공급펌프의 일측으로 상기 물공급관에 연결되는 바이패스관과, 상기 바이패스관에 설치되는 보조공급펌프를, 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 빙축열조는, 그 내부에 구비되어 상기 빙축열조에 채워진 물과 아이스슬러리를 균일하게 혼합시키는 교반부를, 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 교반부는, 상기 빙축열조의 외부에 설치되는 교반모터와, 상기 교반모터에 결합되어 회전되고 상기 빙축열조의 내부에 설치되는 회전축과, 상기 회전축의 끝단에 장착되는 교반날을, 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬러리배출관은, 상기 빙축열조의 내부로 상기 슬러리배출관의 끝단에 장착되어 상기 열교환기를 통과하면서 아이스슬러리가 녹아 생성된 물을 상기 빙축열조의 내부 상측에서 하부방향으로 균일하게 분사하는 분사디퓨저를, 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 저온 냉각수 제조장치를 보인 계통도이다.

이에 도시된 바와 같이, 저온 냉각수 제조장치는 냉각수가 성층화된 상태로 저장되는 수조(1)와, 상기 수조(1)의 상측에 연결되어 냉각된 물을 상기 수조(1)에 공급하는 유입배관(2)과, 상기 수조(1)의 하측에 연결되고 배출펌프(31)가 관로상에 설치되어 상기 수조(1)의 물을 외부로 배출시키는 배출배관(3)과, 상기 유입배관(2) 및 배출배관(3)의 사이에 연결되어 상기 배출배관(3)을 통해 배출되는 물을 냉각시킨 후에 상기 유입배관(2)으로 공급시키는 냉각부(4)와, 상기 유입배관(2)과 배출배관(3)의 사이로 상기 수조(1)에 설치되어 저온 냉각수를 외부로 공급하는 공급배관(5)을 포함한다.

상기 냉각부(4)는 열교환을 통해 배출배관(3)을 통해 유입배관(2)으로 유동되는 물을 일정한 온도로 냉각시키는 열교환기(41)와, 상기 열교환기(41)에 연결되는 슬러리유입관(42) 및 슬러리배출관(43)과, 상기 슬러리유입관(42) 및 슬러리배출관(43)이 연결되는 빙축열조(44)와, 상기 빙축열조(44)의 내부에 아이스슬러리를 공급하는 슬러리공급기(45)를 포함한다.

상기 냉각부(4)는 빙축열조(44)에 채워지는 아이스슬러리의 냉기를 열교환기(41)를 통해 간접적으로 열교환시켜 배출배관(3)에서 배출되어 유입배관(2)을 통해 수조(1)로 유입되는 물을 장기간동안 일정한 온도로 냉각시킬 수 있도록 하는 것이다.

상기 열교환기(41)는 유입배관(2)의 끝단과 배출배관(3)의 끝단의 사이에 연결되는 제1열교환관(411)과, 상기 제1열교환관(411)의 일측에 설치되는 제2열교환 관(412)을 갖는 것으로, 상기 제2열교환관(412)을 통해 순환되는 아이스슬러리와 상기 제1열교환관(411)을 통해 물이 열교환되면서 일정한 온도로 냉각되도록 하는 것이다.

상기 슬러리유입관(42)은 제2열교환관(412)의 일단에 연결되고 관로상에 순환펌프(421)를 갖는 것으로, 빙축열조(44)의 내부에 충진된 아이스슬러리가 상기 제2열교환관(412)으로 순환펌프(421)의 작동에 의해 유입된 후에 상기 제2열교환관(412)의 타단에 열되는 슬러리배출관(43)을 통해 다시 상기 빙축열조(44)로 유입된다.

상기 슬러리배출관(43)은 빙축열조(44)의 내부로 그 끝단에 장착되어 열교환기(41)를 통과하면서 아이스슬러리가 녹아 생성된 물을 상기 빙축열조(44)의 내부 상측에서 하부방향으로 균일하게 분사하는 분사디퓨저(431)를 더 포함한다. 상기 분사디퓨저(431)는 빙축열조(44)의 내부로 물을 균일하게 분사함으로써, 물과 아이스슬러리의 혼합이 원활히 이루어질 수 있도록 하는 것이다.

상기 빙축열조(44)는 슬러리유입관(42) 및 슬러리배출관(43)이 연결되고 내부에 아이스슬러리와 물이 저장되는 것으로, 아이스슬러리의 냉기를 일정하게 유지시키는 역할을 한다.

상기 빙축열조(44)는 그 내부에 채워진 물과 아이스슬러리를 균일하게 혼합시키는 교반부(441)를 더 포함한다. 상기 교반부(441)는 물과 아이스슬러리를 균일하게 혼합하여 아이스슬러리의 유동성을 증대시킴으로써, 아이스슬러리가 슬러리유입관(42)과 슬러리배출관(43)을 통해 원활히 유동될 수 있도록 하는 것이다.

이와 같은 역할을 하는 상기 교반부(441)는 빙축열조(44)의 외부에 설치되는 교반모터(441a)와, 상기 교반모터(441a)에 결합되어 회전되고 상기 빙축열조(44)의 내부에 설치되는 회전축(441b)과, 상기 회전축(441b)의 끝단에 장착되는 교반날(441c)을 포함한다. 상기 교반부(441)는 교반모터(441a)의 구동에 의해 회전축(441b)이 회전되면서 빙축열조(44)의 내부로 교반날(441c)이 회전하여 물과 아이스슬러리를 균일하게 혼합하게 되는 것이다.

상기 슬러리공급기(45)는 빙축열조(44)의 물을 냉각시켜 고액 즉 고체 및 액체 2상의 아이스슬러리로 만든 후에 이를 다시 상기 빙축열조(44)에 공급하는 것으로, 상기 빙축열조(44)에 아이스슬러리를 지속적으로 공급하여 일정한 냉기를 유지할 수 있도록 하는 것이다.

이와 같은 역할을 하는 상기 슬러리공급기(45)는 압축기(451a) 및 응축기(451b)와 팽창밸브(451c) 및 증발기(451d)가 관로상에 연결되어 일련의 냉동사이클을 이루는 냉동기(451)와, 상기 증발기(451d)의 내측에 설치되어 냉매와 열교환에 의해 물을 아이스슬러리로 생성시키는 슬러리생성기(452)와, 상기 슬러리생성기(452)와 빙축열조(44)의 사이에 연결되고 관로상에 물공급펌프(453a)를 갖는 물공급관(453)과, 상기 슬러리생성기(452)와 빙축열조(44)의 사이에 연결되어 아이스슬러리를 상기 빙축열조(44)에 공급시키는 슬러리공급관(454)을 포함한다.

상기 슬러리공급기(45)는 빙축열조(44)에서 물공급펌프(453a)의 작동으로 물공급관(453)을 통해 증발기(451d)를 통과하는 물이 냉동기(451)의 작동에 의해 냉각되면서 결빙되어 아이스슬러리를 형성하고, 이와 같이 형성된 아이스슬러리가 슬 러리공급관(454)을 통해 빙축열조(44)로 공급되는 것이다.

상기 물공급관(453)은 그 선단에 장착되어 상기 빙축열조(44)의 내부의 물을 흡입하는 물흡입디퓨저(453b)를 더 포함한다. 상기 물흡입디퓨저(453b)는 아이스슬러리를 걸러내면서 물만을 안정적으로 흡입하여 상기 물공급관(453)을 통한 물의 공급이 안정적으로 이루어질 수 있도록 하는 것이다.

상기 물공급관(453)은 물공급펌프(453a)의 일측으로 이에 연결되는 바이패스관(453c)과, 상기 바이패스관(453c)에 설치되는 보조공급펌프(453d)를 더 포함한다. 상기 바이패스관(453c)과 이에 설치되는 보조공급펌프(453d)는 물공급관(453)에 설치되는 물공급펌프(453a)의 작동에 의해서 빙축열조(44)의 내부에 물의 흡입이 원활하지 않을 때 작동되면서 물의 흡입압력을 높여 물의 안정적인 공급이 보다 원활히 이루어질 수 있도록 하는 것이다.

상기 냉동기(451)의 냉동운전으로 빙축열조(44)와 연결된 증발기(451d)에서 열을 흡수하여 증발한 냉매 가스는 압축기(451a)로 흡입되어 고온 고압의 가스로 바뀌어 응축기(451b)로 보내진다.

상기 응축기(451b)에서 열을 방출하고 냉각된 냉매는 액화하고 팽창 밸브(451c)를 지나 증발기(451d)에서 다시 증발하며 냉동싸이클을 형성한다.

상기 증발기(200)를 통과하는 축열매체인 물은 증발하는 냉매와 열교환에 의하여 열을 빼앗기어 온도가 떨어지며 빙점 이하가 되면 일부가 상변화를 하게 되고, 그에 따라 물이 아이스슬러리로 변환된다.

이와 같이 생성된 아이스슬러리는 물공급펌프(453a)의 압력에 의해 밀리면서 슬러리공급관(454)을 통해 빙축열조(44)의 상부로 공급되어 상기 빙축열조(44)에서 수용액과 얼음으로 분리 된다.

분리된 얼음은 빙축열조(44)의 상부에서부터 쌓이며 빙분율이 높아지면서 얼음은 수면 위와 아래로 나뉘게 된다. 아이스슬러리를 직접 이송시키는 본 제조장치에서는 이러한 분리를 막아 일정한 빙분율을 갖는 아이스슬러리를 빙축열조(44)에서 취출할 수 있는 장치로 교반부(441)가 설치된다.

이와 같이 상기 교반부(441)에 의해 물과 균일하게 혼합된 아이스슬러리는 순환펌프(421)에 의해 슬러리배출관(43)과 슬러리유입관(42)을 지나면서 열교환기(41)를 통과하게 된다.

이때, 아이스슬러리는 열교환기(41)의 내부에서 냉열을 빼앗기고 온열을 취득함으로써 온도가 상승하고 온도가 상승하면서 형성된 물은 슬러리배출관(43)의 끝단에 형성된 분사디퓨저(431)를 통해 빙축열조(44)의 내부 상측에서 하방으로 고르게 분배되어 뿌려지며 상층의 얼음층을 지나면서 얼음을 녹인 후에 다시 냉각된다.

이와 같이 냉각된 물은 빙축열조(44)의 내부를 따라 하부방향으로 내려와 다시 물공급펌프(453a)에 의해 물공급관(453)으로 흡입되어 슬러리생성기(452)로 순환된다.

도 2는 본 발명에 따른 슬러리생성기의 개략적인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 저온 냉각수 제조장치의 슬러리생성기(452)는 증발기(451d)의 하단에 장착되고 물공급관(453)이 연결되는 하단케이스(452a)와, 상기 증발기(451d)의 상단에 장착되고 슬러리공급관(454)이 연결되는 상단케이스(452b)와, 상기 증발기(451d)의 내부를 관통하여 상기 하단케이스(452a)와 상단케이스(452b)에 연통되게 설치되고 유동되는 물을 냉매와 열교환시켜 얼음을 생성시키는 다수의 전열관(452c)과, 상기 전연관의 내주면에 생성된 얼음을 긁어내는 스크레이퍼(452d)를 포함한다.

이와 같이 구성되는 상기 슬러리생성기(452)는 물공급관(453)을 통해 하단케이스(452a)로 유입된 후에 전열관(452c)을 지나면서 결빙되고 이 결빙되어 형성된 얼음이 구동부에 의해 회전되는 스크레이퍼(452d)에 의해 긁히면서 물과 함께 섞여 아이스슬러리를 형성하고, 이와 같이 형성된 아이스슬러리가 상단케이스(452b)를 통해 슬러리공급관(454)으로 배출되는 것이다.

상기 스크레이퍼(452d)는 저온의 냉매에 의해 전열관(452c)의 내벽에 생성되는 결빙을 긁어냄으로써, 이때 생성된 미세한 얼음입자가 상기 전열관(452c)을 통해 유동되는 물과 뒤섞이면서 아이스슬러리를 형성하게 되는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 아이스슬러리와 저온 냉각수의 열교환 상태를 보인 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 열교환기는 열교환 조건을 아이스슬러리를 통해 열공급측의 온도를 일정하게 하고, 저온 냉각수 즉 저온수의 온도가 열교환기의 전열경계면에서 빙점 이하가 되지 않도록 경막 전열계수를 크게 하거나 표면적을 늘여 결빙을 억제하며 낮은 온도의 저온수를 생산하는데 있다.

그래프의 그림에서 전열면은 냉열을 공급하는 아이스슬러리 측과 냉열을 수 수하는 저온수 측이 열교환면을 경계로 분리되어 있으며 온도 구배는 각 부위의 전열 계수에 의하여 결정된다.

아이스슬러리는 일반적으로 물이나 수용액보다도 금속면과의 접촉전열계수가 크며, 따라서 경계면에서의 온도 구배는 적을 수밖에 없으며 금속 역시 전열계수가 크므로 온도 차이가 적다.

따라서 저온수 면의 온도는 쉽게 빙점이하로 떨어질 수 있으므로 일반적인 상태에서의 열교환은 반드시 저온수 표면에 얼음이 발생하게 된다.

그러나 이 경계면의 전열계수를 크게 증가시키면 상대적으로 온도 구배가 커지면서 전열 표면을 0℃ 이상으로 유지할 수 있는 범위가 발생한다.

이 범위 내에서 열교환이 이루어지도록 열교환기 저온수 면의 열전달 계수를 균등화하고 증가시키게 되는 것이다.

본 발명에서는 이러한 조건을 여러 가지로 얻을 수 있으며 경제성이 있는 방식으로 플레이트형 열교환기의 순환 유량을 늘려 사용하는 방식과 탱크 내에 코일형의 열교환기를 장치하고 열교환기의 케이스 내부에 교반장치를 추가로 설치하여 열전달 계수를 증대시키는 방식을 적용할 수도 있다.

이외에도 다양한 방식의 열교환기가 적용될 수 있다는 것은 상식적인 것일 것이다.

플레이트형 열교환기는 현재 상품화된 열교환기를 그대로 사용할 수 있으나 아이스슬러리의 특성상 미세입자의 얼음 이외에 오래된 결정 입자가 혼입될 수 있음을 감안하여 판 사이로 유로가 비교적 큰 열교환기가 사용되며 설계시 아이스슬 러리의 유량과 냉각수 측의 유량비를 크게 하여 냉각수 측 열교환면에서 난류에 의한 열전달 계수의 극적인 증가를 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 아이스슬러리의 유량비를 2.5 ~ 5배로 하였을 때 저온수의 열교환기 출구온도가 1℃까지 폐색없이 열교환이 가능하다.

코일형 열교환기를 사용하는 것은 소용량에서 간단하게 제작할 수 있으므로 널리 사용될 것이다. 코일형에서는 교반기의 설치로 0.7℃ 정도까지 전열면의 표면에 얼음이 없이 열교환이 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 수조에 저장된 냉각수가 아이스슬러리에 의해 일정하게 온도를 유지한 상태로 장기간동안 지속적으로 냉각되어 저온 냉각수의 공급이 보다 지속적이면서 안정적으로 이루어지고 저온 냉각수의 생산성이 현저히 증대되며 축열식으로 비용절감이 이루어지는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 간단한 구조로 미세한 얼음입자인 아이스슬러리의 생성이 안정적으로 이루어져 빙축열조의 내부로 아이스슬러리의 공급이 연속적이면서 안정적으로 이루어지고 슬러리생성기의 제작 및 설치가 간편해지는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 빙축열조에서 슬러리생성기로 공급되는 물의 공급압력이 손쉽게 증대되어 아이스슬러리에 포함된 물의 흡입 및 공급이 안정적으로 이루어지고 사용 및 작동상의 편리성이 증진되는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 빙축열조의 내부로 물과 아이스슬러리를 균일하게 혼합하여 아이스슬러리의 유동성이 증가되면서 배관을 통한 아이스슬러리의 순환이 안정적으 로 이루어지고 그에 따라 아이스슬러리에 의한 열교환이 지속적이면서 원활하게 이루어지는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 빙축열조의 내측 상부에서 물을 균일하게 분사하여 분사된 물이 균일하게 냉각되면서 아이스슬러리와 원활히 혼합되고 그에 따라 물과 아이스슬러리의 혼합액의 생성이 안정적으로 이루어지는 효과를 갖는다.

Claims (8)

  1. 냉각수가 성층화된 상태로 저장되는 수조(1)와, 상기 수조(1)의 상측에 연결되는 유입배관(2)과, 상기 수조(1)의 하측에 연결되고 배출펌프(31)가 관로상에 설치되는 배출배관(3)과, 상기 유입배관(2) 및 배출배관(3)의 사이에 연결되어 유동되는 물을 냉각시키는 냉각부(4)와, 상기 유입배관(2)과 배출배관(3)의 사이로 상기 수조(1)에 설치되는 공급배관(5)을 포함하는 저온 냉각수 제조장치에 있어서;
    상기 냉각부(4)는,
    상기 유입배관(2)의 끝단과 상기 배출배관(3)의 끝단의 사이에 연결되는 제1열교환관(411)과, 상기 제1열교환관(411)의 일측에 설치되는 제2열교환관(412)을 갖는 열교환기(41)와;
    상기 제2열교환관(412)의 일단에 연결되고 관로상에 순환펌프(421)를 갖는 슬러리유입관(42)과;
    상기 제2열교환관(412)의 타단에 연결되는 슬러리배출관(43)과;
    상기 슬러리유입관(42) 및 슬러리배출관(43)이 연결되고 내부에 아이스슬러리와 물이 저장되는 빙축열조(44)와;
    상기 빙축열조(44)의 물을 냉각시켜 고액 2상의 아이스슬러리로 만든 후에 이를 다시 상기 빙축열조(44)에 공급하는 슬러리공급기(45)를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각수 제조장치.
  2. 제1항에 있어서 상기 슬러리공급기(45)는,
    압축기(451a) 및 응축기(451b)와 팽창밸브(451c) 및 증발기(451d)가 관로상에 연결되어 일련의 냉동사이클을 이루는 냉동기(451)와,
    상기 증발기(451d)의 내측에 설치되어 냉매와 열교환에 의해 물을 아이스슬러리로 생성시키는 슬러리생성기(452)와,
    상기 슬러리생성기(452)와 빙축열조(44)의 사이에 연결되고 관로상에 물공급펌프(453a)를 갖는 물공급관(453)과,
    상기 슬러리생성기(452)와 빙축열조(44)의 사이에 연결되어 아이스슬러리를 상기 빙축열조(44)에 공급시키는 슬러리공급관(454)을,
    포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각수 제조장치.
  3. 제2항에 있어서 상기 슬러리생성기(452)는,
    상기 증발기(451d)의 하단에 장착되고 상기 물공급관(453)이 연결되는 하단케이스(452a)와,
    상기 증발기(451d)의 상단에 장착되고 상기 슬러리공급관(454)이 연결되는 상단케이스(452b)와,
    상기 증발기(451d)의 내부를 관통하여 상기 하단케이스(452a)와 상단케이스(452b)에 연통되게 설치되고 유동되는 물을 냉매와 열교환시켜 얼음을 생성시키는 다수의 전열관(452c)과,
    상기 전열관(452c)의 내주면에 생성된 얼음을 긁어내는 스크레이퍼(452d)를,
    포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각수 제조장치.
  4. 제2항에 있어서 상기 물공급관(453)은,
    상기 빙축열조(44)의 내부로 상기 물공급관(453)의 선단에 장착되어 상기 빙축열조(44)의 내부의 물을 흡입하는 물흡입디퓨저(453b)를,
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각수 제조장치.
  5. 제2항에 있어서 상기 물공급관(453)은,
    상기 물공급펌프(453a)의 일측으로 상기 물공급관(453)에 연결되는 바이패스관(453c)과,
    상기 바이패스관(453c)에 설치되는 보조공급펌프(453d)를,
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각수 제조장치.
  6. 제1항에 있어서 상기 빙축열조(44)는,
    그 내부에 구비되어 상기 빙축열조(44)에 채워진 물과 아이스슬러리를 균일하게 혼합시키는 교반부(441)를,
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각수 제조장치.
  7. 제6항에 있어서 상기 교반부(441)는,
    상기 빙축열조(44)의 외부에 설치되는 교반모터(441a)와,
    상기 교반모터(441a)에 결합되어 회전되고 상기 빙축열조(44)의 내부에 설치되는 회전축(441b)과,
    상기 회전축(441b)의 끝단에 장착되는 교반날(441c)을,
    포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각수 제조장치.
  8. 제1항에 있어서 상기 슬러리배출관(43)은,
    상기 빙축열조(44)의 내부로 상기 슬러리배출관(43)의 끝단에 장착되어 상기 열교환기(41)를 통과하면서 아이스슬러리가 녹아 생성된 물을 상기 빙축열조(44)의 내부 상측에서 하부방향으로 균일하게 분사하는 분사디퓨저(431)를,
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각수 제조장치.
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