KR100773630B1 - 초임계 냉동 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래 냉매에서 보다 전력 소비가 보다 적은 환경 친화적 냉매를 사용할 수 있는 냉동 부하에 냉동을 제공하는 방법에 관한 것으로, 회로의 저측면압은 냉매 유체의 임계압을 초과하고 냉매 유체는 팽창 전에 보다 높은 초입계압으로 압축된다.

Description

초임계 냉동 시스템{SUPERCRITICAL REFRIGERATION SYSTEM}
도 1은 본 발명을 실시하는데 사용될 수 있는 양호한 구성의 개략도.
* 도면의 부호에 대한 간단한 설명 *
100 : 가스 냉각기 110 : 열교환기
120 : 팽창기 130 : 압축기
140 : 열교환기
본 발명은, 일반적으로 냉동, 특히 종래 냉매 유체에서 보다는 환경 충격이 적은 냉매 유체를 사용하는 냉동의 실행에 관한 것이다.
클로로플루오르카본(Chlorofluorocarbon; CFC)과 같은 종래 냉매는 이들의 높은 환경 충격에 의해서 점차적으로 사용하지 않고 다른 보다 환경 친화적인 냉매 유체에 의해 대체되고 있다. 그러나, 일반적으로, 이런 대체 냉매 유체를 사용하는 냉동 사이클 또는 회로는 동등한 냉동 결과에서 보면 종래 냉매를 사용하는 것보다 보다 많은 전력을 소모한다. 이것은 이런 대체 냉매를 사용하는 장점을 현저하게 줄인다.
따라서, 본 발명의 목적은 냉동을 실행함에 있어서 환경 친화적인 냉매 유체를 보다 효과적으로 사용할 수 있는 냉동을 제공하는 방법을 제공하는 것이다.
본 명세서로부터 당업자가 용이하게 인식할 수 있는 상기 목적 및 기타 목적들은 본 발명에 따라 달성될 수 있으며, 본 발명은 다음과 같다. 즉:
냉동 부하(refrigeration load)에 냉동을 제공하는 방법으로서:
(A) 고온 초임계압 냉매 유체(warm temperature supercritical pressure refrigerant fluid)를 제공하고 상기 고온 초임계압 냉매 유체가 보다 높은 초임계압 상태가 되도록 압축하는 단계와,
(B) 상기 보다 높은 초임계압 냉매 유체를 냉각하고 냉각된 보다 높은 초임계압 냉매 유체를 팽창시켜 저온 초임계압 냉매 유체를 생성하는 단계와,
(C) 상기 저온 초임계압 냉매 유체를 냉각중인 보다 높은 초임계압 냉매 유체와의 간접 열교환 및 냉동 부하와의 간접 열교환에 의해 가온하여, 상기 고온 초임계압 냉매 유체를 생성하는 단계를 포함한다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "임계압(critical pressure)"은 액체 상태와 기체 상태를 분간할 수 없는 유체의 압력을 의미한다. 초임계압 유체는 유체의 임계압 보다 높은 압력에 있는 유체이다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "임계 온도"는 그 이상의 온도에서 확연한 액체상이 압력에 상관없이 더 이상 형성될 수 없는 유체의 온도를 의미한다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "팽창"은 압력의 감소를 달성하는 의미한다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "팽창 장치"는 유체를 팽창시키는 장치를 의 미한다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "압축기"는 유체를 압축하는 장치를 의미한다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "냉동"은 서브앰비언트(subambient) 온도 시스템으로부터 열을 배출할 수 있는 능력을 의미한다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "냉매 유체"는 온도, 압력 및 가능한 상(相)이 변화되면서 보다 저온에서는 열을 흡수하여 보다 고온에서는 열을 배출하는 냉동 공정 중의 유체를 의미한다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "간접 열교환"은 유체들을 서로 어떠한 물리적 접촉 또는 상호 혼합 없이 유체의 열교환시킨다는 의미이다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "냉동 부하"는 자체의 온도를 낮추기 위해서 또는 자체의 온도가 상승하는 것을 방지하기 위해서 에너지 감소 또는 열의 제거를 필요로 하는 유체 또는 물체를 의미한다.
삭제
일반적으로, 본 발명은 냉동 사이클 전체에 걸쳐서 초임계압에서 작동하는 냉동 사이클내에서 냉동을 실행함에 있어, 이산화탄소 또는 질소와 같은 종래사용하지 않은 냉매 유체를 사용하는 것을 포함한다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 도 1 을 참조하면, 고온 초임계압 냉매 유체(40)는 압축기(130)와 같은 압축 장치에 제공된다. 펌프는 압축 장치로서 압축기(130) 대신에 사용될 수 있다. 이산화탄소의 임계압은 1066.3 psia(pounds per square inch absolute)이다. 냉매 유체가 이산화탄소를 포함하면, 스트림(40)내의 냉매 유체의 압력, 저측면압으로도 불리는 압력은 일반적으로 1100 내지 1500psia의 범위 내에 있다. 질소의 임계압은 33.5기압이다. 냉매 유체가 질소를 포함하면, 스트림(40)내의 냉매 유체의 압력은 일반적으로 35 내지 70기압의 범위내에 있다.
고온 초임계압 냉매 유체(40)는 압축기(130)를 통해서 보다 높은 초임계 압력으로 압축되어 보다 높은 초임계압 냉매 유체(50)로 된다. 압축력은 에너지 입력 Q- 130에 의해 나타난다. 이런 입력값은 직접 전류 입력값으로부터 얻을 수 있거나 내연기관으로부터 얻은 샤프트 작동에 의해 얻을 수 있다. 냉매 유체가 이산화탄소를 포함하면, 스트림(50)내의 냉매 유체의 압력은 일반적으로 1500 내지 3000psia의 범위 내에 있다. 냉매 유체가 질소를 포함하면, 보다 높은 초임계압 냉매 유체(50)내의 냉매 유체의 압력, 고측면압으로 불리는 압력은 일반적으로 50 내지 100기압의 범위내에 있다. 통상적으로, 보다 높은 초임계압 냉매 유체(50)의 고측면압은 1.5 내지 3.0 배 범위만큼 초입계압 냉매 유체(40)의 저측면압을 초과한다.
보다 높은 초임계압 냉매 유체(50)는 공기와 간접 열교환, 또는 다른 시설물 또는 열 전달 유체에 의해 가스 냉각기(100)내에서 냉각된다. 가스 냉각기(100)내에서 추출된 에너지는 에너지 스트림 Q-100으로 나타난다. 보다 높은 초임계압 냉매 유체(10)는 가스 냉각기(100)로부터 내부 열교환기(110)로 통과하며, 여기서 아래에 상세히 설명되어 있는 바와 같이 고온(warming) 냉매 유체와 간접 열교환에 의해 냉각된다.
냉각된 보다 높은 초임계압 냉매 유체는 스트림(20)으로서 열교환기(110)로부터 팽창 장치까지 통과되며, 팽창 장치는 도 1에서 도시한 실시예에서 농후상 터보팽창기(120)(dense phase turboexpander)이며, 여기서 보다 높은 초임계압 냉매 유체는 냉매 유체의 임계압보다 여전히 큰 저측면압까지 팽창하며, 이런 팽창으로부터 얻은 에너지는 Q-120으로 도시된다. 대안적으로, 팽창 장치는 등엔탈피 밸브(isenthalpic valve)이다. 팽창 장치를 통한 냉매 유체의 팽창은 더욱더 냉매 유체를 냉각하고, 냉매 유체는 팽창 장치로부터 스트림(30)으로서 저온 초임계압 냉매 유체로 나타난다.
이산화탄소의 임계 온도는 88℉이다. 냉매 유체가 이산화탄소를 포함하면, 스트림(30)내의 저온 초임계압 냉매 유체의 온도는 임계 온도보다 낮고 일반적으로 0내지 60℉의 범위내에 있다. 질소의 임계 온도는 -230℉이다. 냉매 유체가 질소를 포함하면, 스트림(30)내의 저온 초임계압 냉매 유체의 온도는 임계 온도보다 높으며 일반적으로 -70 내지 -200℉의 범위내에 있다.
저온 초임계압 냉매 유체(30)는 가온되어 보다 높은 초임계압 냉매 유체를 냉각하고 냉동 부하에 냉동을 제공한다. 이들 두 열교환 단계는 단일 열교환기내에서 수행될 수 있다. 도 1에서 도시한 본 발명의 실시예는 이들 두 개의 열교환 단계를 각각 수행하는 두 개의 개별 열교환기를 사용한다.
도 1을 다시 참조하면, 저온 초임계압 냉매 유체(30)는 스트림(31)과 스트림(32)으로 나누어진다. 스트림(31)내의 저온 초임계압 냉매 유체는 내부 열교환기(110)를 지나며, 여기서 냉매 유체는 가온되어 보다 높은 초임계압 냉매 유체를 간접 열교환에 의해 냉각하여, 이로부터 스트림(33)내의 고온 초임계압 냉매 유체로서 나타난다.
스트림(32)내의 저온 초임계압 냉매 유체는 부하 열교환기(140)를 지나, 여기서 냉매 유체는 냉동 부하와 간접 열교환에 의해 가온됨으로써 냉동 부하에 냉동을 제공한다. 도 1에 도시한 본 발명의 실시예에서, 냉동 부하는 스트림(60)내의 유체이며, 스트림은 공기, 물 또는 다른 처리 유체일 수 있으며, 스트림(70)내의 냉동된 유체로서 부하 열교환기(140)로부터 나타난다. 본 발명의 특별히 유용한 적용 분야는 냉매 유체가 이산화탄소를 포함하는 것으로, 자동차 공기 공조 시스템용 냉동을 제공하는 것이다. 이 경우에 스트림(60 및 70) 내의 유체는 공기일 것이다.
이렇게 만들어진 고온 냉매 유체는 부하 열교환기(140)로부터 스트림(33)과 결합되어지는 스트림(34)내의 고온 초임계압 냉매 유체로서 나타나서 고온 초임계압 냉매 유체 스트림(40)을 형성한다. 상술한 바와 같이, 열교환기(110, 140)는 단일 열교환기로 조합될 수 있다. 이런 경우에, 스트림(30)은 스트림(31)과 스트립(32)으로 나누어질 필요가 없으며 스트림(40)으로서 열교환기로부터 나타난다. 대안적으로, 도 1에 도시한 스트림(31)과 스트림(32)으로의 분리는 이들 스트림의 양쪽을 단일 열교환기로 통과시키고 그 다음에 도 1에 도시한 바와 같은 유사한 방법으로 재조합함으로써 수행될 수 있다.
냉매 유체가 이산화탄소를 포함하면, 스트림(40)내의 고온 초임계압 냉매 유체의 온도는 임계 온도를 초과하고 일반적으로 90내지 120℉의 범위내에 있다. 냉매 유체가 질소를 포함하면, 스트림(40)내의 고온 초임계압 냉매 유체의 온도는 임계 온도를 초과하고 일반적으로 -70 내지 120℉의 범위내에 있다. 스트림(40)내의 고온 초임계압 냉매 유체는 압축기(130)에 제공되고 냉동 회로는 완성된다.
본 발명과 본 발명으로부터 얻을 수 있는 장점을 설명하기 위해서, 도 1에 도시한 실시예의 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했으며, 여기서 이산화탄소가 냉매 유체이고 Rankine 사이클을 사용하는 종래의 냉동 시스템(냉매 유체는 R134a(테트라플루오로에탄, CF3CH2F))과 비교했다. 이 예와 비교예에서, 냉동 부하는 100℉ 로부터 45℉까지 냉각되는 공기이다. 예는 예시적 목적으로 기재한 것이고 본 발명을 제한하고자 하는 의도는 없다.
예와 비교예의 결과는 표 1에 도시되어 있다. 여기서 칼럼 A는 본 발명을, 칼럼 B는 종래 냉동 시스템을 언급한다.
표 1
A B
상(phases) 1 2
저측면압(psia) 1600 50
고측면압(psia) 2834 139
상대 전력 소비 0.66 1.00
표 1에 나타난 결과로부터 알 수 있듯이, 이 예에서 본 발명은 종래 냉동 시스템의 것보다 약 1/3 낮은 전력 소비로 작동한다.
양호하게, 본 발명의 방법에서 사용된 냉매 유체는 이산화탄소만을 또는 질소 만을 포함한다. 비록 특정의 바람직한 실시예를 참조하여 본원 발명을 상세히 설명하였지만, 소위 당업자는 청구범위의 범위 및 사상내에서 본 발명의 다른 실시예를 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어 C2H6, N2O, B2H6 및 C2H4와 같은 다른 냉매 유체와 냉매 유체 혼합물은 냉매 유체로 사용될 수 있다.
본 발명의 효과는 냉동을 생성함에 있어서 환경 친화적인 냉매 유체를 보다 효과적으로 사용할 수 있는 냉동을 제공하는 방법을 제공한다.

Claims (8)

  1. 냉동 부하에 냉동을 제공하는 방법으로서:
    (A) 고온 초임계압 냉매 유체를 제공하고 상기 고온 초임계압 냉매 유체가 보다 높은 초임계압 상태가 되도록 압축하는 단계와,
    (B) 상기 보다 높은 초임계압 냉매 유체를 냉각하고 상기 냉각된 보다 높은 초임계압 냉매 유체를 팽창시켜 저온 초임계압 냉매 유체를 생성하는 단계와, 그리고
    (C) 상기 저온 초임계압 냉매 유체를 상기 냉각중인 보다 높은 초임계압 냉매 유체와의 간접 열교환 및 냉동 부하와의 간접 열교환에 의해 가온하여, 상기 고온 초임계압 냉매 유체를 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 고온은 상기 냉매 유체의 임계 온도를 초과하는 온도인,
    냉동 부하에 냉동을 제공하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유체는 이산화탄소를 포함하는,
    냉동 부하에 냉동을 제공하는 방법.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 저온은 상기 냉매 유체의 임계 온도보다 낮은,
    냉동 부하에 냉동을 제공하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유체는 질소를 포함하는,
    냉동 부하에 냉동을 제공하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 고온은 상기 냉매 유체의 임계 온도를 초과하는,
    냉동 부하에 냉동을 제공하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 저온은 상기 냉매 유체의 임계 온도를 초과하는,
    냉동 부하에 냉동을 제공하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각중인 보다 높은 초임계압 냉매 유체와의 간접 열교환에 의한 상기 저온 초임계압 냉매 유체의 가온 및, 상기 냉동 부하와의 간접 열교환에 의한 상기 저온 초임계압 냉매 유체의 가온은 개별 열교환기내에서 수행되는,
    냉동 부하에 냉동을 제공하는 방법.
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