KR100720714B1 - 쉘-튜브 이단 열교환기를 갖는 대용량 히트펌프 장치 - Google Patents

쉘-튜브 이단 열교환기를 갖는 대용량 히트펌프 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대용량 히트펌프장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대용량 히트펌프 장치에 있어서, 저온저압의 냉매가스를 고온고압의 냉매가스로 압축시키는 압축기와; 상기 압축기로부터 압축된 냉매가스의 방향을 전환시키는 4방변과; 상기 4방변에 방향전환에 의하여 난방시에는 외부로부터 공급되는 물에 의하여 열교환되는 쉘-튜브 열교환기형식 응축기로 전환되고, 냉방시에는 증발기로 전환되는 쉘-튜브 열교환기형식의 실내측 열교환기와; 난방시에는 외부로부터 공급되는 물에 의하여 열교환되는 쉘-튜브 열교환기형식의 증발기로 전환되고, 냉방시에는 응축기로 전환되는 쉘-튜브 열교환기형식의 실외측 열교환기와;
상기 실내측 열교환기와 실외측 열교환기의 중간에 위치하여 고압을 저압으로 교축시키는 팽창밸브로; 이루어지며,
장치의 냉매와 외부의 물이 상호 열교환되도록 형성된 상기 쉘-튜브 열교환기형식의 실내측 열교환기와 실외측 열교환기는, 장치의 냉매를 공급하기 위하여, 독립된 원통 쉘형식의 첫번째 쉘의 끝단과 두번째 쉘의 끝단이 U관에 의하여 상호 연결되도록 형성되며, 상기 쉘의 내부에는 냉매가 공급되도록 다수개의 냉매관이 쉘내부의 길이방향으로 설치되며 각각의 냉매가 공급되며, 상기 U관에 의하여 첫번째 쉘의 냉매관으로 공급되는 냉매가 두번째 쉘의 냉매관으로 연결되도록 형성되며, 외부의 물을 공급하기 위하여, 상기 첫번째 쉘의 일측에는 물 흡입구가 설치되어 외부로부터 물을 쉘의 내부로 공급하여, 냉매관의 냉매와 상호 열교환한 후에, 타측에 설치된 연결관에 의하여 물이 두번째 쉘의 내부로 공급되며, 두번째 쉘로 공급된 물은 내부 냉매관의 냉매와 상호 열교환되며, 물 토출구로부터 토출되도록; 이루어진 쉘-튜브 이단 열교환기를 갖는 대용량 히트펌프 장치에 관한 것이다.
히트펌프, 쉘-튜브, 열교환기

Description

쉘-튜브 이단 열교환기를 갖는 대용량 히트펌프 장치{APPARATUS FOR LARGE-SCALE HEAT PUMP WITH TWO-STEP SHELL-TUBE HEAT EXCHANGER}
도 1은 종래의 히트펌프를 나타낸 개략도.
도 2는 종래의 쉘-튜브형 열교환기를 갖는 히트펌프를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 쉘-튜브 이단 열교환기를 갖는 대용량 히트펌프 장치를 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 쉘-튜브 이단 열교환기를 나타낸 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
1 : 압축기 2 : 4방변
3 : 실내측 열교환기 4 : 팽창밸브
5 : 실외측 열교환기
7 : U튜브관 8 : 유체 흡입구
9 : 유체 토출구 10 : 첫번째 쉘
11: U관 12: 두번째 쉘
13: 연결관
본 발명은 대용량 히트펌프장치에 관한 것으로서, 히트펌프 장치의 냉매와 외부의 물이 상호 열교환되도록 형성된 상기 쉘-튜브 열교환기형식의 실내측 열교환기와 실외측 열교환기는, 장치의 냉매를 공급하기 위하여, 독립된 원통 쉘형식의 첫번째 쉘의 끝단과 두번째 쉘의 끝단이 U관에 의하여 상호 연결되도록 형성되며, 상기 쉘의 내부에는 냉매가 공급되도록 다수개의 냉매관이 쉘내부의 길이방향으로 설치되며 각각의 냉매가 공급되며, 상기 U관에 의하여 첫번째 쉘의 냉매관으로 공급되는 냉매가 두번째 쉘의 냉매관으로 연결되도록 형성되며, 외부의 물을 공급하기 위하여, 상기 첫번째 쉘의 일측에는 물 흡입구가 설치되어 외부로부터 물을 쉘의 내부로 공급하여, 냉매관의 냉매와 상호 열교환한 후에, 타측에 설치된 연결관에 의하여 물이 두번째 쉘의 내부로 공급되며, 두번째 쉘로 공급된 물은 내부 냉매관의 냉매와 상호 열교환되며, 물 토출구로부터 토출되도록; 이루어진 쉘-튜브 이단 열교환기를 갖는 대용량 히트펌프 장치에 관한 것이다.
일반적으로 냉동공조사이클은 냉장고나 공기조화기등에 적용되어 외부로부터 열을 흡수하거나 또는 외부로 열을 방출하여 식품을 신선하게 보관하기도 하고 실내를 냉난방시켜 실내환경을 쾌적하게 유지하기도 한다.
도 1은 종래의 히트펌프를 나타낸 개략도로서, 이러한 일반적인 히트펌프사이클을 살펴보면 먼저, 고온저압의 기체냉매는 압축기(1)에서 압축되어 4방변(2)을 통하여 실내측 열교환기(3)로 이송되고, 실내측 열교환기에서는 이러한 고온고압의 기체냉매가 저온고압의 액체냉매로 전환된다. 다음, 실내측 열교환기(3)로부터 이 송되는 저온고압의 액체냉매는 팽창밸브(4)를 통과하면서 팽창되어 저온저압의 액체냉매로 전환되어 실외측 열교환기(5)로 유입되고, 실외측 열교환기(5)로 유입되는 저온저압의 액체냉매는 주위의 열을 흡수하여 증발함으로써 실내공간을 냉각시킨다.
상기 히트펌프장치에서, 난방시에는 실내측 열교환기는 응축기의 기능을 담당하며, 실외측 열교환기는 증발기의 기능을 담당하는 것이며, 냉방시에는 상기 기능이 전환되는 것이다.
도 2는 종래의 쉘-튜브형 열교환기를 갖는 히트펌프를 나타낸 개략도로서,
이를 설명하면, 통상의 대용량 히트펌프장치의 실내측 열교환기 및 실외측 열교환기는 통상의 쉘-튜브 형식의 열교환기를 사용하고 있으나, 이러한 형식은 물과 물의 상호 열교환되는 현장에서는 열교환효율이 증가하고 있으나, 히트펌프에서는 프레온종류와 같은 냉매와 외부의 물이 상호열교환되고, 있으며, 이는 상기 통상의 쉘-튜브 형식의 열교환기로서는 필요로 하는 온수,냉수의 제조가 원활하지 못한 문제점이 있다.
이는 쉘-튜브 열교환기내부의 냉매관에 유동되는 냉매의 상태는 응축기에서는 가스상태-가스/액상태-액상태로 변환되어 유동되며, 증발기에서는 가스/액상태-액상태의 변환되어, 유동하고 있으나, 통상의 쉘-튜브열교환기는 이러한 냉매의 상변환을 전혀 고려하지 않고 제작되었으며, 내부유체의 상태가 단일상태로 일정한 경우에 한하여 제작되는 문제점이 있는 것이다.
이로 인하여, 쉘-튜브 열교환기로 흡입되는 물의 온도와 토출되는 물의 온도 의 차이가 수요처에서 필요로 하는 온도보다 낮으므로, 원활한 온수 및 냉수의 제조가 어려운 문제점이 있으며, 이를 조정하기 위하여, 히트펌프 장치의 용량을 필요 이상으로 선택하는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 독립된 원통 쉘형식의 첫번째 쉘의 끝단과 두번째 쉘의 끝단이 U관에 의하여 상호 연결되도록 형성되며, 상기 첫번째 쉘의 일측에는 물 흡입구가 설치되어 외부로부터 물을 쉘의 내부로 공급하여, 냉매관의 냉매와 상호 열교환한 후에, 타측에 설치된 연결관에 의하여 물이 두번째 쉘의 내부로 공급되도록 형성된 이단 쉘-튜브형식의 열교환기를 형성하여, 히트펌프의 응축기 및 증발기의 기상-액상/기상-액상상태로 변환되는 2상유동에 대응되는 2단쉘튜브의 열교환기를 장착하여, 대용량의 히트펌프장치의 온수/냉수의 원활한 제조장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 쉘-튜브 이단 열교환기를 갖는 대용량 히트펌프 장치를 나타낸 개략도이며, 도 4는 본 발명에 따른 쉘-튜브 이단 열교환기를 나타낸 개략도로서, 이에 대하여 설명하면,
대용량 히트펌프 장치에 있어서,
저온저압의 냉매가스를 고온고압의 냉매가스로 압축시키는 압축기(1)와; 상기 압축기로부터 압축된 냉매가스의 방향을 전환시키는 4방변(2)과;
상기 4방변(2)에 방향전환에 의하여
난방시에는 외부로부터 공급되는 물에 의하여 열교환되는 쉘-튜브 열교환기형식 응축기로 전환되고, 냉방시에는 증발기로 전환되는 쉘-튜브 열교환기형식의 실내측 열교환기(3)와;
냉방시에는 외부로부터 공급되는 물에 의하여 열교환되는 쉘-튜브 열교환기형식의 증발기로 전환되고, 냉방시에는 응축기로 전환되는 쉘-튜브 열교환기형식의 실외측 열교환기(5)와;
상기 실내측 열교환기(3)와 실외측 열교환기(5)의 중간에 위치하여 고압을 저압으로 교축시키는 팽창밸브(4)로; 이루어지며,
장치의 냉매와 외부의 물이 상호 열교환되도록 형성된 상기 쉘-튜브 열교환기형식의 실내측 열교환기(3)와 실외측 열교환기(5)는
장치의 냉매를 공급하기 위하여, 독립된 원통 쉘형식의 첫번째 쉘(10)의 끝단과 두번째 쉘(12)의 끝단이 U관(11)에 의하여 상호 연결되도록 형성되며, 상기 쉘(10,12)의 내부에는 냉매가 공급되도록 다수개의 냉매관이 쉘(10,12)내부의 길이방향으로 설치되며 각각의 냉매가 공급되며, 상기 U관(11)에 의하여 첫번째 쉘(10)의 냉매관으로 공급되는 냉매가 두번째 쉘(12)의 냉매관으로 연결되도록 형성되며,
외부의 물을 공급하기 위하여, 상기 첫번째 쉘(10)의 일측에는 물 흡입구(8)가 설치되어 외부로부터 물을 쉘(10)의 내부에 형성된 열교환관(8')로 공급하여, 냉매관의 냉매와 상호 열교환한 열전달매체(10')와 열교환한 후에, 타측에 설치된 연결관(13)에 의하여 물이 두번째 쉘(12)의 내부에 형성된 열교환관(9')로 공급되며, 두번째 쉘(12)의 열교환관(9')에 공급된 물은 내부 냉매관의 냉매와 상호 열교환한 열전달매체(12')와 열교환되며, 물 토출구(9)로 토출되도록; 이루어진 쉘-튜브 이단 열교환기를 갖는 대용량 히트펌프 장치에 관한 것이다.
상기의 히트펌프장치에 대한 작동원리를 상세히 설명하면, 다음과 같다.
본 발명에 따른 히트펌프는 4방변(2)에 의하여 난방시에는 외부로부터 공급되는 물에 의하여 열교환되는 쉘-튜브 열교환기형식 응축기로 전환되고, 냉방시에는 증발기로 전환되는 쉘-튜브 열교환기형식의 실내측 열교환기(3)와;
냉방시에는 외부로부터 공급되는 물에 의하여 열교환되는 쉘-튜브 열교환기형식의 증발기로 전환되고, 냉방시에는 응축기로 전환되는 쉘-튜브 열교환기형식의 실외측 열교환기(5)로 이루어 진다.
상기 실내측 열교환기(3) 및 실외측 열교환기(5)에 의하여 형성되는 응축기는 입구측으로부터 일정지역까지는 고압 가스상태이며, 중간지역에는 기상/액상상태의 2상상태이며, 후단지역에는 액상상태로 냉매가 유동된다.
살펴본 바와 같이, 응축기내부에는 급격한 온도변화를 포함하는 냉매가 형성되며, 이러한 냉매온도와 상태에 대응되도록 쉘-튜브 열교환기를 첫번째 쉘(10)과 두번째 쉘(12)로 형성되도록 2단으로 분리하하되, 도 4와 같이 상기 첫번째 쉘(10)과 두번째 쉘(12)의 내부에는 열전달관(8', 9')과 열전달매체(10', 12')가 포함되며, 상기 열전달매체(10', 12')는 서로 교통되지 않게 형성한다. 상기 2단으로 분리되되 각각의 독립된 열교환기에 의하여 외부로부터 물을 공급하여, 냉매와 물이 각각의 냉매상태와 각각 대응되어, 충분히 상호 열교환되도록 함으로서, 열교환효율을 최대로 증가시키도록 하고자 하는 것이다.
구체적으로, 응축기를 예로 설명하면,
첫번째 쉘(10)에는 가스상태 및 액상/기상 상태의 냉매와 열교환되도록 하며, 두번 째 쉘(12)에서는 나머지 액상/기상 상태의 냉매와 액상상태의 냉매와 열교환되도록 형성시키는 것이다. 이로 인하여 열교환되는 외부의 물은 이에 대응되는 각각의 냉매와 상호 열교환되도록 하여, 각각의 냉매지역과 열교환되는 물이 상호 혼합되지 않지 않은 상태에서 열교환되므로, 열교환효율이 증가하게 되는 것이다.
이러한 쉘-튜브 형식의 열교환기는 대용량의 히트펌프에서 수요처로 공급되는 온수 및 냉수의 원활한 공급에 대응되는 최적의 열교환기 형식인 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명의 쉘-튜브 이단 열교환기를 갖는 대용량 히트펌프 장치는 대용량의 온수 및 냉수제조에 최적의 쉘-튜브 형식의 열교환기를 제공하여, 에너지를 절감시키며, 수요처로 원활한 온수 및 냉수를 공급하여, 에너지 절감형 히트펌프 장치를 제공하고자 하는 것이다.

Claims (1)

  1. 대용량 히트펌프 장치에 있어서,
    저온저압의 냉매가스를 고온고압의 냉매가스로 압축시키는 압축기(1)와; 상기 압축기로부터 압축된 냉매가스의 방향을 전환시키는 4방변(2)과;
    상기 4방변(2)에 방향전환에 의하여 난방시에는 외부로부터 공급되는 물에 의하여 열교환되는 쉘-튜브 열교환기형식 응축기로 전환되고, 냉방시에는 증발기로 전환되는 쉘-튜브 열교환기형식의 실내측 열교환기(3)와;
    난방시에는 외부로부터 공급되는 물에 의하여 열교환되는 쉘-튜브 열교환기형식의 증발기로 전환되고, 냉방시에는 응축기로 전환되는 쉘-튜브 열교환기형식의 실외측 열교환기(5)와;
    상기 실내측 열교환기(3)와 실외측 열교환기(5)의 중간에 위치하여 고압을 저압으로 교축시키는 팽창밸브(4)로; 이루어지며,
    장치의 냉매와 외부의 물이 상호 열교환되도록 형성된 상기 쉘-튜브 열교환기형식의 실내측 열교환기(3)와 실외측 열교환기(5)는
    장치의 냉매를 공급하기 위하여, 독립된 원통 쉘형식의 첫번째 쉘(10)의 끝단과 두번째 쉘(12)의 끝단이 U관(11)에 의하여 상호 연결되도록 형성되며, 상기 쉘(10,12)의 내부에는 냉매가 공급되도록 다수개의 냉매관이 쉘(10,12)내부의 길이방향으로 설치되며 각각의 냉매가 공급되며, 상기 U관(11)에 의하여 첫번째 쉘(10)의 냉매관으로 공급되는 냉매가 두번째 쉘(12)의 냉매관으로 연결되도록 형성되며,
    외부의 물을 공급하기 위하여, 상기 첫번째 쉘(10)의 일측에는 물 흡입구(8)가 설치되어 외부로부터 물을 쉘(10)의 내부에 형성된 열교환관(8')로 공급하여, 냉매관의 냉매와 상호 열교환한 열전달매체(10')와 열교환한 후에, 타측에 설치된 연결관(13)에 의하여 물이 두번째 쉘(12)의 내부에 형성된 열교환관(9')로 공급되며, 두번째 쉘(12)의 열교환관(9')에 공급된 물은 내부 냉매관의 냉매와 상호 열교환한 열전달매체(12')와 열교환되며, 물 토출구(9)로 토출되도록; 이루어진 것을 특징으로 하는 쉘-튜브 이단 열교환기를 갖는 대용량 히트펌프 장치.
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