KR100952714B1 - Integrated air conditioning system including refrigerating, cooling, heating and supplying warm water using natural coolant - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 친환경적인 이산화탄소(R744)를 냉매로 하여 대기오염을 유발하지 않고 고효율의 냉동, 냉장 및 냉방, 난방 및 급탕을 동시에 실현할 수 있도록 된 일체형 공기조화 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated air conditioning system that can realize high-efficiency refrigeration, refrigeration and cooling, heating and hot water supply at the same time without causing air pollution by using environmentally friendly carbon dioxide (R744) as a refrigerant.
일반적으로 히트펌프는 열을 온도가 낮은곳에서 온도가 높은곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미하는데, 사이클의 구성과 작동방법은 냉동기와 같으며 단지 저온열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 냉동기가 되고, 고온열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 히트펌프가 되는 것이다. In general, a heat pump means a device capable of moving heat from a low temperature to a high temperature. The structure and operation of a cycle are the same as those of a freezer. In the case of using high temperature heat, it becomes a heat pump.
히트펌프 사이클의 기본적인 구성요소는 압축기, 고온부 열교환기인 제1열교환기, 팽창밸브, 저온부 열교환기인 제2열교환기의 4개 요소로 구분되며 냉매는 압축, 응축, 팽창, 증발의 변화를 계속하면서 순환한다.The basic components of the heat pump cycle are divided into four components: the compressor, the first heat exchanger, which is a high temperature heat exchanger, the expansion valve, and the second heat exchanger, which is a low temperature heat exchanger. The refrigerant is circulated while continuing to change the compression, condensation, expansion, and evaporation. do.
상기의 히트펌프의 원리를 이용하여 목욕탕이나 공장등에서 사용하는 온수를 생성할 수 있는 냉난방 냉온수 복합 시스템은 상기 고온부 열교환기에 외부로부터 유입된 물과 냉매를 열교환시켜 온수를 얻을 수 있고 이를 이용하여 난방기능도 수행할 수 있다.Cooling and heating cold and hot water composite system that can generate hot water used in the bathroom or factory using the principle of the heat pump can heat the water and refrigerant introduced from the outside to the high temperature heat exchanger to obtain hot water and use the heating function Can also be performed.
이러한 냉난방 냉온수 복합 시스템은 냉매의 열에너지로 외부로부터 유입된 물을 가열시키고, 외부 공기로부터 열에너지를 공급받아 상기 냉매를 증발시켜 사이클을 순환하도록 되어 있다.The air conditioning hot and cold water composite system is to heat the water introduced from the outside by the heat energy of the refrigerant, and receives the heat energy from the outside air to evaporate the refrigerant to circulate the cycle.
종래에는 프레온을 냉매로 사용하여 이러한 냉난방 냉온수 복합 시스템을 구현하였다. 그러나, 지구온난화 방지 및 친환경적 차원에서 세계적으로 프레온 냉매는 규제되고 있는 경향이 있으며, 도쿄의정서에 의해 2014년부터 대기의 오존층을 파괴하는 프레온의 사용이 커다란 제약을 받게 됨에 따라 그 프레온을 대체하여 다른 냉매를 사용한 냉난방 시스템이 필요하게 되었다.Conventionally, using a freon as a refrigerant to implement such a cooling and heating cold and hot water composite system. However, freon refrigerants tend to be regulated globally in terms of global warming prevention and eco-friendliness, and since the Tokyo Protocol has severely restricted the use of freon to destroy the atmospheric ozone layer from 2014, it has been replaced by other freons. There is a need for a cooling and heating system using a refrigerant.
이와 같은 필요성에 의해 역사적으로 오래된 냉매인 이산화탄소를 프레온의 대체 냉매로서 사용하려는 시도가 행해지고 있다. 그러나 이산화탄소를 냉매로 하는 종래의 시스템은 열효율이 낮은 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 다단압축 시스템을 채용하기도 하지만 시스템의 구성이 복잡해지고 제조비용이 증가하는 문제점이 있다.Due to such a necessity, attempts have been made to use carbon dioxide, which is an old refrigerant, as an alternative to Freon. However, the conventional system using carbon dioxide as a refrigerant has a problem of low thermal efficiency. In order to solve this problem, a multistage compression system may be employed, but there is a problem in that the configuration of the system is complicated and the manufacturing cost increases.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서 천연 냉매인 이산화탄소를 냉매로 하여 단단압축 시스템을 사용하여 고효율의 냉동, 냉장, 냉방, 난방 및 급탕을 일체로 할 수 있는 공기조화 시스템을 제공하고자 하는 데 있다.An object of the present invention is to solve the above problems as an air conditioning system that can be integrated with high-efficiency refrigeration, refrigeration, cooling, heating and hot water using a single stage compression system using a carbon dioxide which is a natural refrigerant as a refrigerant. Is to provide.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자연냉매를 이용한 냉동, 냉장 및 냉방, 난방, 급탕 일체형 공기조화 시스템은, 이산화탄소로 된 냉매를 초임계 상태의 고온고압 상태로 압축하는 압축기;Refrigeration, refrigeration and cooling, heating, hot water integrated air conditioning system using a natural refrigerant according to the present invention for achieving the above object, a compressor for compressing a refrigerant made of carbon dioxide into a high temperature and high pressure state of a supercritical state;
상기 압축기로부터 유입되는 냉매와 외부의 열원과의 열교환을 행하게 하는 제1열교환 모듈;A first heat exchange module configured to perform heat exchange between the refrigerant introduced from the compressor and an external heat source;
상기 제1열교환 모듈로부터 유입되는 냉매와 후술하는 제2열교환 모듈로부터 유입되는 냉매가 서로 열교환을 행하게 하는 내부 열교환기;An internal heat exchanger configured to exchange heat between the refrigerant introduced from the first heat exchange module and the refrigerant introduced from the second heat exchange module described later;
상기 제1열교환 모듈로부터 유입되어 상기 내부 열교환기를 통과한 냉매의 상태를 초임계 상태에서 서브임계 상태로 변환하는 제1압력조절밸브;A first pressure regulating valve for converting a state of the refrigerant flowing from the first heat exchange module and passing through the internal heat exchanger from a supercritical state to a subcritical state;
상기 제1압력조절밸브로부터 유입된 액상의 냉매를 저장하는 냉매탱크;Refrigerant tank for storing the liquid refrigerant flowing from the first pressure control valve;
상기 냉매탱크로부터 상기 내부 교환기로 유입되는 냉매유로 상에 설치되어, 상기 냉매탱크 내에 존재하는 기체 상태의 냉매를 선택적으로 배출시켜 그 냉매탱크 내의 압력을 일정하게 조절하는 제2압력조절밸브;A second pressure regulating valve installed on the refrigerant flow path flowing from the refrigerant tank to the internal exchanger to selectively discharge the gaseous refrigerant present in the refrigerant tank to constantly regulate the pressure in the refrigerant tank;
상기 냉매탱크로부터 액상의 냉매가 유입되어 단열팽창함으로써 그 냉매를 저온 저압의 습포화 증기상태로 변환시키는 팽창밸브; 및An expansion valve for converting the refrigerant into a low-temperature, low-pressure wetted vapor state by introducing a liquid refrigerant from the refrigerant tank and adiabatic expansion; And
상기 팽창밸브로부터 유입된 저온 저압의 습포화 증기상태의 냉매를 외부의 열원과 열교환하는 제2열교환 모듈;을 포함하며,And a second heat exchange module configured to heat-exchange the refrigerant in a low-temperature low-pressure wetted vapor state introduced from the expansion valve with an external heat source.
상기 제2열교환 모듈로부터 유입된 냉매는 상기 내부 열교환기를 통과하여 상기 압축기로 순환하는 점에 특징이 있다.The refrigerant introduced from the second heat exchange module is circulated through the internal heat exchanger to the compressor.
상기 제1열교환 모듈로부터 상기 내부 열교환기로 유입되는 냉매유로 상에 설치되어 그 냉매의 온도 및 압력을 각각 측정하는 제1온도센서 및 제1압력센서;A first temperature sensor and a first pressure sensor installed on the refrigerant flow path flowing from the first heat exchange module to the internal heat exchanger and measuring the temperature and the pressure of the refrigerant, respectively;
상기 냉매탱크의 압력을 측정하는 제2압력센서; 및A second pressure sensor measuring a pressure of the refrigerant tank; And
상기 제1온도센서, 상기 제1압력센서, 상기 제2압력센서의 측정값을 입력받아 상기 제1압력조절밸브와 상기 제2압력조절밸브의 개폐를 제어하는 밸브 제어기; 를 포함한 것이 바람직하다.A valve controller configured to control the opening and closing of the first pressure regulating valve and the second pressure regulating valve by receiving measurement values of the first temperature sensor, the first pressure sensor, and the second pressure sensor; It is preferable to include.
상기 제1열교환 모듈은 외부의 온수탱크로부터 유입된 물과 열교환하여 온수를 생성하는 급탕 시스템을 포함한 것이 바람직하다.The first heat exchange module preferably includes a hot water supply system that generates hot water by heat exchange with water introduced from an external hot water tank.
상기 제1열교환 모듈은 외부의 공기와 열교환하여 그 외부의 공기를 난방하는 난방시스템을 포함한 것이 바람직하다.The first heat exchange module preferably includes a heating system that heats the outside air by exchanging heat with the outside air.
상기 제2열교환 모듈은 외부의 공기와 열교환하여 그 외부의 공기를 냉방하는 냉방시스템을 포함한 것이 바람직하다.The second heat exchange module preferably includes a cooling system that cools the outside air by exchanging heat with the outside air.
본 발명은 천연 냉매인 이산화탄소를 냉매로 하여 그 냉매를 초임계 상태로 부터 서브임계 상태로 변환하는 제1압력조절밸브, 제2압력조절밸브 및 냉매탱크를 구비함으로써 시스템의 열용량을 현저하게 증가시켜 종래의 이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화 시스템보다 현저하게 향상된 성능을 가진 자연냉매를 이용한 냉동, 냉장 및 냉방, 난방, 급탕 일체형 공기조화 시스템을 제공한다.The present invention provides a first pressure regulating valve, a second pressure regulating valve and a refrigerant tank for converting a refrigerant from a supercritical state into a subcritical state using carbon dioxide, which is a natural refrigerant, to significantly increase the heat capacity of the system. It provides a freezing, refrigeration and cooling, heating, hot water integrated air conditioning system using a natural refrigerant having a significantly improved performance than the conventional air conditioning system using a carbon dioxide refrigerant.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템의 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 시스템 구성도에서 냉방 및 급탕 사이클 작동시 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다. 도 3은 도 1에 도시된 시스템 구성도에서 난방 사이클 작동시 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다. 도 4는 도 1에 도시된 시스템 구성도에서 급탕 사이클 작동시 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.1 is a block diagram of a system according to a preferred embodiment of the present invention. 2 is a view showing the flow of the refrigerant during the cooling and hot water cycle operation in the system configuration shown in FIG. 3 is a view showing the flow of the refrigerant during the heating cycle operation in the system configuration shown in FIG. 4 is a view showing the flow of the refrigerant during the hot water supply cycle operation in the system configuration shown in FIG.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 자연냉매를 이용한 냉동, 냉장 및 냉방, 난방, 급탕 일체형 공기조화 시스템(100, 이하 "공기조화 시스템"이라 함)은 이산화탄소를 냉매로 하여 고효율의 열교환 능력을 보여주는 시스템이다.1 to 4, refrigeration, refrigeration and cooling, heating, and hot water integrated air conditioning system (100, hereinafter referred to as “air conditioning system”) using natural refrigerants according to an exemplary embodiment of the present invention may include carbon dioxide. It is a system that shows high efficiency heat exchange ability with refrigerant.
상기 공기조화 시스템(100)은 압축기(1)와, 제1열교환 모듈(110)과, 내부 열교환기(5)와, 제1압력조절밸브(7)와, 냉매탱크(8)와, 제2압력조절밸브(9)와, 팽창밸브(15,16)와, 제2열교환 모듈(120)을 포함하고 있다.The
상기 압축기(1)는 저온 기체상태의 이산화탄소 냉매를 초임계 상태의 고온고 압 상태로 압축하는 장치이다. 상기 압축기의 구체적인 구조는 공지된 것이므로 상세한 서술은 생략하기로 한다.The
상기 제1열교환 모듈(110)은 상기 압축기(1)로부터 유입되는 고온 냉매가스와 외부의 열원과의 열교환을 행하게 한다. 상기 제1열교환 모듈(110)은 상기 압축기(1)로부터 발생된 고온 고압의 냉매로부터 외부의 열원에 열을 전달하여 외부의 열원의 온도를 높이는 작용을 한다.The first
상기 제1열교환 모듈(110)은 외부의 온수탱크로부터 유입된 물과 열교환하여 온수를 생성하는 급탕 시스템을 포함하고 있다. 상기 제1열교환 모듈(110)은 외부의 공기와 열교환하여 그 외부의 공기를 난방하는 난방시스템을 포함할 수 있다.The first
상기 제1열교환 모듈(110)은 제1삼방밸브(A)와, 제2삼방밸브(B)와, 온수 생성용 열교환기(2)와, 온수탱크(3)를 포함하고 있다. The first
상기 제1삼방밸브(A)는 상기 압축기(1)로부터 유입되는 냉매의 유동방향을 선택적으로 조절하기 위해 마련된 것이다. 상기 제1삼방밸브(A)는 후술하는 제2삼방밸브(B) 및 후술하는 증발기(10)와 병렬적 유로로 연결되어 있다. 상기 제2삼방밸브(B)는 상기 제1삼방밸브(A)로부터 유입되는 냉매의 유동방향을 선택적으로 조절하기 위해 마련된 것이다. 상기 제2삼방밸브(B)는 후술하는 온수 생성용 열교환기(2) 및 후술하는 제3삼방밸브(C)와 병렬적 유로로 연결되어 있다.The first three-way valve (A) is provided to selectively control the flow direction of the refrigerant flowing from the compressor (1). The first three-way valve (A) is connected in parallel with the second three-way valve (B) to be described later and the
상기 온수 생성용 열교환기(2)는 상기 제2삼방밸브(B)로부터 유입된 냉매를 외부로부터 유입된 물과 열교환하여 온수를 생성하는 작용을 한다. 상기 온수 생성용 열교환기(2)에 물을 공급하기 위해 상기 온수 생성용 열교환기(2)와 물이 출입 하기 위한 수로로 연결된 온수탱크(3)가 마련되어 있다. 상기 온수탱크(3)와 상기 온수 생성용 열교환기(2) 사이에 수로 상에 배치되어 물의 흐름을 제어하는 온수순환펌프(13)가 마련되어 있다. 상기 온수순환펌프(13)는 상기 온수 생성용 열교환기(2)로 유입되는 물의 흐름을 조절한다. 상기 온수탱크(3)에 저장된 물의 온도를 측정하기 위한 제2온도센서(18)가 설치되어 있다. 상기 제2온도센서(18)에서 측정된 온도를 기초로 상기 제2삼방밸브(B)를 조절하여 냉매가 상기 온수 생성용 열교환기(2)로 유입되지 않도록 바이패스할 수 있다. 상기 온수탱크(3)에 저장된 온수는 급탕관을 통해 외부에서 사용할 수 있다. 또한, 상기 온수탱크(3)에는 급수관을 통해 외부에서 냉수를 공급할 수 있다.The
상기 온수 생성용 열교환기(2)외 보조 열교환기(4)는 제3삼방밸브(C)를 사이에 두고 냉매유로로 연결되어 있다. 상기 제3삼방밸브(C)는 상기 온수 생성용 열교환기(2) 또는 상기 제2삼방밸브(B)로부터 유입되는 냉매의 유동방향을 선택적으로 조절하여 상기 보조 열교환기(4)로 보내거나 후술하는 서브 쿨러(11)로 보내는 역할을 한다. 상기 보조 열교환기(4)로 유입된 냉매는 외부의 공기와 열교환하여 온도가 낮아진다. 필요에 따라 상기 보조 열교환기(4)에 스프레이 펌프(14)에 의해 분사되는 스프레이 노즐(20)로 물을 뿌려줌으로써 열교환 효과를 증가시킬 수 있다. 상기 보조 열교환기(4)에 뿌려지는 물은 외부로부터 스프레이 펌프(14)에 의해 공급될 수 있다. 상기 보조 열교환기(4)를 통과한 냉매는 제4삼방밸브(D)를 거쳐 후술하는 내부 열교환기(5)로 유입된다. 한편, 상기 제4삼방밸브(D)와 후술하는 냉매탱크(8) 사이의 유로에는 팽창밸브(16)가 구비되어 있다. 상기 제4삼방밸브(D)를 통과하여 상기 내부 열교환기(5)로 향하는 냉매의 온도를 제2온도센서(18)로 측정하여 그 값을 기초로 상기 스프레이 펌프(14)를 제어할 수 있다.The
상기 내부 열교환기(5)는 상기 제1열교환 모듈(110)로부터 유입되는 냉매와 후술하는 제2열교환 모듈(120)로부터 유입되는 냉매가 서로 열교환을 행하게 하도록 하기 위해 마련된 것이다. 즉 상기 내부 열교환기(5)는 냉매가 상호 교차하면서 동일 냉매 상호 간에 열교환이 일어난다.The
상기 제1열교환 모듈(110)로부터 상기 내부 열교환기(5)로 유입되는 냉매의 온도 및 압력을 측정하기 위한 제1온도센서(21) 및 제1압력센서(22)가 구비되어 있다. 상기 제1온도센서(21) 및 상기 제1압력센서(22)에서 측정된 값은 후술하는 밸브 제어기(17)에 입력된다.A
상기 제1압력조절밸브(7)는 상기 제1열교환 모듈(110)로부터 유입되어 상기 내부 열교환기(5)를 통과한 냉매의 상태를 초임계 상태에서 서브임계 상태로 변환한다. 상기 냉매탱크(8)는 상기 제1압력조절밸브(7)로부터 유입된 액상의 냉매를 저장하기 위한 탱크이다. 상기 냉매탱크(8)에는 액체 상태의 냉매와 기체상태의 냉매가 혼재하고 있다. 상기 냉매탱크(8) 내의 압력을 측정하기 위해 제2압력센서(6)가 마련되어 있다.The first
상기 제2압력조절밸브(9)는 상기 냉매탱크(8)와 상기 내부 열교환기(5)를 연결하는 냉매유로 상에 설치되어 있다. 상기 제2압력조절밸브(9)는 상기 냉매탱크(8) 내에 존재하는 기체 상태의 냉매를 선택적으로 배출시켜 그 냉매탱크(8) 내의 압력을 일정하게 조절한다.The second
상기 제1온도센서(21), 상기 제1압력센서(22) 및 상기 제2압력센서(6)로부터 측정된 값은 상기 밸브 제어기(17)로 입력된다. 상기 밸브 제어기(17)는 입력된 온도 및 압력값을 기초로 상기 제1압력조절밸브(7)와 상기 제2압력조절밸브(9)의 개폐를 제어한다.Values measured from the
상기 팽창밸브(15,16)는 상기 냉매탱크(8)로부터 액상의 냉매가 유입되어 단열팽창함으로써 그 냉매를 저온 저압의 습포화 증기상태로 변환시킨다. 상기 팽창밸브(15,16)는 공지된 구조의 팽창밸브(15,16)를 채용할 수 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.The
상기 제2열교환 모듈(120)은 상기 팽창밸브(15,16)로부터 유입된 저온 저압의 습포화 증기상태의 냉매를 외부의 열원과 열교환하기 위해 마련된 것이다. 상기 제2열교환 모듈은 외부의 공기와 열교환하여 그 외부의 공기를 냉방하는 냉방시스템을 포함할 수 있다.The second
상기 제2열교환 모듈(120)은 증발기(10)와, 제5삼방밸브(E)와, 서브 쿨러(11)를 포함하고 있다.The second
상기 증발기(10)는 상기 팽창밸브(15)로부터 유입된 저온 저압의 습포화 증기상태의 냉매를 외부의 열원으로부터 열을 흡수하여 과열도가 증가된 기체상태로 변화시킨다. 상기 제5삼방밸브(E)는 상기 증발기(10)로부터 유입된 냉매를 후술하는 서브 쿨러(11)로 보낼지 또는 상기 내부 열교환기(5)로 보낼지를 선택적으로 조절하기 위해 마련되었다. 상기 제5삼방밸브(E)와 상기 내부 열교환기(5) 사이에는 기액 분리기(12)와 팽창밸브(23)가 마련되어 있다. 상기 서브 쿨러(11)는 상기 제1 열교환 모듈(110)로부터 유입되는 냉매와 상기 증발기(10)로부터 유입되는 냉매를 열교환 하도록 하기 위해 마련된 것이다. The
상기 제2열교환 모듈(120)로부터 유입된 냉매는 상기 내부 열교환기(5)를 통과하여 상기 압축기(1)로 순환하게 된다.The refrigerant introduced from the second
이하, 이러한 구성을 가지는 공기조화 시스템(100)을 냉방 및 급탕 사이클, 난방 사이클, 급탕 사이클로 운전할 때 냉매의 흐름을 따라 본 발명의 작용을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the operation of the present invention will be described in detail along the flow of the refrigerant when the
도 2를 참조하여 냉방 및 급탕 사이클을 설명하기로 한다. 상기 압축기(1)는 이산화 탄소 냉매(R744)를 초임계 압력인 100bar 이상의 압력과 130℃ 이상의 온도 상태로 압축한다. 상기 압축기(1)로부터 유입된 냉매는 상기 제1삼방밸브(A)의 ⓐ-ⓑ 방향으로 유동하여 상기 제2삼방밸브(B)에서 ⓐ-ⓑ 방향으로 유동하여 온수 생성용 열교환기(2)로 유입된다. 이때 상기 온수순환펌프(13)가 가동되어 온수탱크(3)에 있는 물을 온수 생성용 열교환기(2)로 유입시킨다. 상기 온수 생성용 열교환기(2)에서 고온 고압의 냉매와 물이 열교환 되면서 급탕용 온수를 생산할 수 있다. 이때 상기 온수탱크(3)의 온수 설정 온도에 따라 상기 제2삼방밸브(B)가 작동하여 ⓐ-ⓑ 방향에서 ⓐ-ⓒ 방향으로 바이패스할 수 있다. 온수생성 사이클은 상기 온수탱크(3)에 설치되어 그 온수탱크(3) 내에 저장된 물의 온도를 제어하는 온도조절기(19)에 의해 제어가 가능하다. 온수생성을 마친 초임계 압력의 고온 냉매가스는 상기 제3삼방밸브(C)의 ⓐ-ⓑ 방향으로 유동하여 보조 열교환기(4)에 의해 외부의 공기열원과 열교환함으로써 공기열원에 열을 방출하여 냉매가스의 온도를 낮춘 다. 냉매는 상기 제4삼방밸브(D)의 ⓐ-ⓑ 방향으로 유동하여 냉매유로 L5를 따라 상기 내부 열교환기(5)로 유입된다. 이 과정에서 제2온도센서(18)에 의해 냉매의 온도가 임계 온도 31℃ 이상인 경우에는 스프레이 펌프(14)가 작동하여 스프레이 노즐(20)에 의해 상기 보조 열교환기(4) 표면에 물을 분사한다. 상기 보조 열교환기(4)는 상기 스프레이 펌프(14)에 의해 분사된 물의 잠열에 의해 냉각되어 그 보조 열교환기(4)를 통과하는 냉매의 과열도를 조절할 수 있다. 냉매는 상기 냉매라인 L5를 통하여 집합분기점 J에서 냉매라인 L6을 지나 내부 열교환기(5)에 도달한다. 상기 내부 열교환기(5)에서는 상기 증발기(10)에서 증발과정이 끝난 저온의 냉매가스와 상기 냉매라인 L6을 통하여 유입된 냉매 간에 상호 열교환이 일어난다. 그 결과 상기 내부 열교환기(5)로부터 상기 제1압력조절밸브(7)로 유동하는 냉매는 임계온도 31℃ 이하로 과열도가 조절되며 이때 상기 내부 열교환기(5)로부터 상기 압축기(1)로 유동하는 저압 냉매가스의 과열도도 향상된다. 이때 상기 냉매라인 L6로부터 유입되어 상기 내부 열교환기(5)를 통과한 냉매는 임계점 상태의 초임계 압력 및 온도를 유지하게 되며 제1압력조절밸브(7)을 통과하여 서브임계 압력인 45bar 및 10℃ 이하로 변환된다. 이때 변화된 냉매액은 냉매탱크(8)에 일정유량을 유지하며 유입된다. 이때 상기 냉매탱크(8)의 압력은 상기 제2압력조절밸브(9)에 의하여 유지될 수 있다. 상기 제1압력조절밸브(7)과 상기 제2압력조절밸브(9)의 조절은 집합분기점 J 를 지난 냉매라인 L6 상에 설치된 제1온도센서(21)와 제1압력센서(22) 및 상기 냉매탱크(8)에 설치된 제2압력센서(6)의 값에 의해 밸브 제어기(17)에 의해 가능하다. 상기 밸브 제어기(17)는 자동제어 또는 수동제어가 가능 하다.A cooling and hot water cycle will be described with reference to FIG. 2. The
한편, 상기 냉매탱크(8)에 저장된 서브임계 상태의 냉매액은 집합분기점 K에서 냉매라인 L1 방향으로 유동하여 전자밸브와 팽창밸브(15)를 통과하여 저온 저압의 습포화 증기로 상변화하여 상기 증발기(10)에 유입된다. 상기 증발기(10)에서 냉매는 실내공기와 열교환되어 그 실내를 냉방한다. 냉방이 끝난 저온 증기 상태의 냉매가스는 제5삼방밸브(E)의 ⓐ-ⓑ 방향으로 유동하여 기액 분리기(12)에서 분리된 액상의 냉매는 팽창밸브(23)에 의하여 재증발하여 기체상태가 된 후 상기 내부 열교환기(5)를 거쳐 상기 압축기(1)로 유입된다. 상기 내부 열교환기(5)에서는 상기 냉매라인 L6으로 유입된 고온 고압의 초임계 상태의 냉매와 상기 제5삼방밸브(E)에서 유입된 냉매간에 열교환이 일어난다. 따라서 상기 압축기(1)로 유입되는 냉매가스의 과열도가 향상된다.On the other hand, the refrigerant liquid in the sub-critical state stored in the
이제, 도 3을 참조하여 난방 사이클을 설명하기로 한다. 상기 압축기(1)는 초임계 압력인 100bar 이상의 압력과 130℃ 이상의 온도 상태인 냉매를 생성한다. 상기 압축기(1)에서 유출된 냉매는 상기 제1삼방밸브(A)에서 ⓐ-ⓒ 방향으로 유동하여 냉매라인 L7 을 따라서 이동하여 집합분기점 M 에서 상기 증발기(10)로 유입된다. 이때 상기 증발기(10)는 열교환기로서 난방을 위한 장치가 된다. 즉 상기 증발기(10)를 통과하는 고온 고압의 냉매가스는 주위의 공기에 열을 전달하여 주위를 난방하고 냉매 자신은 온도가 낮아진다. 즉, 이 사이클에서 상기 증발기(10)는 난방용 열교환기 역할을 하는 것이다. 상기 증발기(10)를 통과한 고온 고압의 냉매가스는 상기 제5삼방밸브(E)의 ⓐ-ⓒ 방향으로 유동하여 동절기 흡입가스용 열교환기 인 상기 서브 쿨러(11)에서 상기 보조 열교환기(4)에서 유입된 저온의 흡입 냉매가스와 열교환된다. 상기 서브 쿨러(11)는 저온의 흡입 냉매가스의 과열도를 상승시킨다. 한편, 상기 제5삼방밸브(E)로부터 유입되어 상기 서브 쿨러(11)를 통과한 냉매가스는 냉매라인 L4 를 통과하여 집합분기점 J 를 통과하여 냉매라인 L6 을 따라 유동하여 상기 내부 열교환기(5)에 유입된다. 상기 내부 열교환기(5)를 통과한 고온 고압의 냉매가스는 임계온도인 31℃ 정도로 유지되고 압력은 72bar 정도로 유지된다. 그 냉매는 상기 제1압력조절밸브(7)을 통과하여 서브임계 상태인 압력 45bar 이하이며 온도는 10℃ 정도로 변화된다. 이때 변화된 냉매액은 냉매탱크(8)에 일정량을 유지하게 된다. 상기 냉매탱크(8) 내의 압력은 제2압력조절밸브(9)에 의해 조절된다. 상기 제2압력조절밸브(9)는 상기 냉매탱크(8) 내의 기체 상태의 냉매를 냉매라인 L8을 통하여 집합분기점 O 를 통해 상기 내부 열교환기(5)로 유입시킨다. 이 과정에서 상기 제1압력조절밸브(7)과 상기 제2압력조절밸브(9)는 상기 제1온도센서(21), 상기 제1압력센서(22) 및 상기 제2압력센서(6)로부터 입력된 값에 기초하여 상기 밸브 제어기(17)가 정밀하게 제어한다. 상기 밸브 제어기(17)는 자동 또는 수동으로 조작될 수 있음은 앞서 상술한 바와 같다.The heating cycle will now be described with reference to FIG. 3. The
이 과정에서 상기 냉매탱크(8)의 서브임계 상태의 냉매액을 집합분기점 K 에서 냉매라인 L2 방향으로 유동시켜 전자밸브와 팽창밸브(16)를 통과시켜서 저온 저압의 습포화 수증기로 상변화시킨다. 이어서 냉매는 제4삼방밸브(D)의 ⓒ-ⓐ 방향으로 이동하여 상기 보조 열교환기(10)에서 냉각된 후 상기 서브 쿨러(11)에서 상기 증발기(10)에서 난방을 완료한 임계점 이상인 고온 고압의 냉매가스와 열교환된 다. 상기 서브 쿨러(11)에서는 고온 냉매와 저온 냉매간에 열교환이 이루어져서 저온 냉매는 과열도가 상승하여 기액 분리기(12)에 유입되어 기체와 액체로 분리된 후 기체상태의 냉매는 상기 내부 열교환기(5)에 유입된다. 이때 냉매라인 L4에서 유입된 고온 고압의 냉매가스는 집합분기점 J 점에서 냉매라인 L6 을 따라 상기 내부 열교환기(5)로 유입된다. 따라서 상기 내부 열교환기(5)에서 저온의 냉매가스는 과열도가 증가하여 상기 압축기(1)로 유입된다. 이때 상기 보조 열교환기(4)는 겨울철에 성에가 발생할 경우에 제상은 전기히터 방식 또는 온수 스프레이 방식 또는 순간적인 난방 사이클을 적용하여 수행할 수 있다.In this process, the coolant liquid in the subcritical state of the
이제 도 4를 참조하여 급탕 사이클을 설명하기로 한다. 상기 압축기(1)에서 초임계 압력인 100bar 이상의 압력과 130℃ 이상의 온도의 냉매가 생성된다. 상기 압축기(1)에 배출된 냉매가스는 상기 제1삼방밸브(A)에서 ⓐ-ⓑ 방향으로 이동하고 상기 제2삼방밸브(B)에서 ⓐ-ⓑ 방향으로 이동하여 상기 온수 생성용 열교환가(2)에 유입된다. 이때 상기 온수순환펌프(13)가 작동하여 온수탱크(3)에 있는 물을 온수 생성용 열교환기(2)에 순환하여 고온 고압의 냉매가스로부터 물로 열이 전달되도록 하여 급탕용 온수를 생산할 수 있다. 이러한 급탕 시스템의 제어는 온수탱크(3)에 설치되어 있는 온수 제어용 온도 조절기(19)에 의해 가능하다. 이때 온수 생산을 마친 임계점 이상의 냉매가스는 냉매라인 L3 을 통하여 집합분기점 J 에서 냉매라인 L6 을 통과하여 내부 열교환기(5)에 유입된다. 상기 내부 열교환기(5)에서 고온 고압의 냉매가스는 보조 열교환기(4)에서 유입된 저온 저압의 냉매가스와 열교환하여 저온 저압의 냉매가스의 과열도를 증가시킨다. 상기 내부 열교환기(5) 에서 배출된 고온 고압의 냉매가스는 임계점 온도인 31℃ 정도로 유지되고 압력은 임계 압력인 72bar 정도로 유지된다. 고온 고압의 냉매가스는 상기 제1압력조절밸브(7)을 통과하면서 냉매 압력이 45bar 이하 온도 10℃ 이하의 서브임계 상태로 변화한다. 상기 제1압력조절밸브(7)를 통과하는 냉매는 상기 냉매탱크(8)에 일정량이 유지된다. 상기 냉매탱크(8)의 압력은 상기 제1압력조절밸브(7) 및 상기 제2압력조절밸브(9)에 의해 일정하게 조절된다. 이 과정에서 상기 제1압력조절밸브(7)과 상기 제2압력조절밸브(9)는 상기 제1온도센서(21), 상기 제1압력센서(22) 및 상기 제2압력센서(6)의 측정값에 기초하여 밸브 제어기(17)에 의해 정밀하게 제어된다. 상기 밸브 제어기(17)는 자동 또는 수동으로 작동될 수 있음은 전술한 바와 같다. 또한, 상기 냉매탱크(8)에 저장된 냉매액은 집합분기점 K 점에서 냉매라인 L2 방향으로 이동하여 전자밸브와 팽창밸브(16)를 통과하여 저온 저압의 습포화 증기상태로 변화된다. 저온 저압의 습포와 증기 상태의 냉매는 제4삼방밸브(D)에서 ⓒ-ⓐ 방향으로 이동하여 보조 열교환기(4)에서 강제순환하는 외부 공기와 열교환을 함으로써 대기의 열을 흡수하여 증발과정을 완료한다. 상기 보조 열교환기(4)를 통과한 저온의 냉매는 제3삼방밸브(C)에서 ⓐ-ⓒ 방향으로 이동하여 동절기 흡입가스 보상 열교환기인 상기 서브 쿨러(11)를 통과하여 기액 분리기(12)에서 기체와 액체로 분리되며 액상의 냉매는 팽창밸브(23)에 의해 재증발된 후 기체로 상기 내부 열교환기(5)로 유입된다. 상기 내부 열교환기(5)에서는 냉매라인 L3, 접합분기점 J 및 냄매라인 L6을 통해 유입된 초임계 상태의 냉매와 저압 냉매가스와 열교환이 일어난다. 상기 내부 열교환기(5)를 통과한 저온 저압의 냉매는 과열도가 증가한 상태로 상기 압축기(1)로 유입된다. 이 사이클에서 겨울철에 상기 보조 열교환기(4)의 성에제거는 전술한 바와 같이 전기히터 방식이나 온수 스프레이 방식 또는 순간 난방 사이클을 적용하여 행할 수 있다.The hot water supply cycle will now be described with reference to FIG. 4. In the compressor (1), a refrigerant having a supercritical pressure of 100 bar or more and a temperature of 130 ° C. or more is produced. The refrigerant gas discharged from the
이와 같이 본 발명에 따른 공기조화 시스템은 히트펌프의 원리를 이용하여 천연 냉매인 이산화탄소를 냉매로 채용함으로써 지구 온난화 방지에 큰 효과가 있다. 또한, 본 발명의 핵심적 구성요소인 제1압력조절밸브(7), 제2압력조절밸브(9) 및 냉매탱크(8)는 초임계 상태의 냉매를 일정한 서브임계 상태의 냉매로 변화시킴으로써 열효율을 현저하게 향상시키는 효과를 제공한다. 또한, 상기 제1압력조절밸브(7), 상기 제2압력조절밸브(9) 및 냉매탱크(8)는 자동 수동 작동으로 제어될 수 있는 밸브 제어기(17)에 의해 정밀하게 제어됨으로써 초임계 상태의 냉매를 서브임계 상태의 냉매로 효과적으로 전환시키는 효과를 제공한다.As described above, the air conditioning system according to the present invention has a great effect in preventing global warming by employing carbon dioxide, which is a natural refrigerant, as a refrigerant using the principle of a heat pump. In addition, the first pressure control valve (7), the second pressure control valve (9) and the refrigerant tank (8), which are the key components of the present invention, change thermal efficiency by changing the refrigerant in a supercritical state into a refrigerant in a predetermined subcritical state. Provide significant improvement. In addition, the first
도 1 내지 도 4에 도시된 구성요소 중 식별부호를 표기하지 않았거나 상세한 서술이 생략된 구성요소는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.Components having no identification code or detailed description of components shown in FIGS. 1 to 4 may be easily understood by those skilled in the art.
이상, 바람직한 실시예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시예가 구체화될 수 있을 것이다.The present invention has been described above with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above examples, and various forms of embodiments may be embodied without departing from the technical spirit of the present invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템의 구성도이다.1 is a block diagram of a system according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시된 시스템 구성도에서 냉방 및 급탕 사이클 작동시 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.2 is a view showing the flow of the refrigerant during the cooling and hot water cycle operation in the system configuration shown in FIG.
도 3은 도 1에 도시된 시스템 구성도에서 난방 사이클 작동시 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.3 is a view showing the flow of the refrigerant during the heating cycle operation in the system configuration shown in FIG.
도 4는 도 1에 도시된 시스템 구성도에서 급탕 사이클 작동시 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.4 is a view showing the flow of the refrigerant during the hot water supply cycle operation in the system configuration shown in FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 압축기 2 : 온수 생성용 열교환기1: compressor 2: heat exchanger for generating hot water
3 : 온수탱크 4 : 보조 열교환기3: hot water tank 4: auxiliary heat exchanger
5 : 내부 열교환기 6 : 제2압력센서5: internal heat exchanger 6: second pressure sensor
7 : 제1압력조절밸브 8 : 냉매탱크7: first pressure control valve 8: refrigerant tank
9 : 제2압력조절밸브 10 : 증발기9: second pressure control valve 10: evaporator
11 : 서브 쿨러 12 : 기액 분리기11: sub cooler 12: gas-liquid separator
13 : 온수순환펌프 14 : 스프레이 펌프13: hot water circulation pump 14: spray pump
15,16 : 팽창밸브 17 : 밸브 제어기15,16: expansion valve 17: valve controller
18 : 제2온도센서 19 : 온수 제어용 온도 조절기18: second temperature sensor 19: temperature controller for hot water control
20 : 스프레이 노즐 21 : 제1온도센서20: spray nozzle 21: the first temperature sensor
22 : 제1압력센서 23 : 팽창밸브22: first pressure sensor 23: expansion valve
A : 제1삼방밸브 B : 제3삼방밸브A: first three-way valve B: third three-way valve
C : 제4삼방밸브 D : 제5삼방밸브C: 4th three-way valve D: 5th three-way valve
E : 제2삼방밸브E: 2nd three-way valve
J, K, M, O : 접합분기점J, K, M, O: Junction Junction
L1, L2, L3, L5, L6, L7, L8 : 냉매유로L1, L2, L3, L5, L6, L7, L8: refrigerant flow path
100 : 냉동, 냉장 및 냉방, 난방, 급탕 일체형 공기조화 시스템100: refrigeration, refrigeration and cooling, heating, hot water integrated air conditioning system
110 : 제1열교환 모듈110: first heat exchange module
120 : 제2열교환 모듈120: second heat exchange module
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020090115193A KR100952714B1 (en) | 2009-11-26 | 2009-11-26 | Integrated air conditioning system including refrigerating, cooling, heating and supplying warm water using natural coolant |
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Publications (1)
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ID=42219880
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KR1020090115193A KR100952714B1 (en) | 2009-11-26 | 2009-11-26 | Integrated air conditioning system including refrigerating, cooling, heating and supplying warm water using natural coolant |
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---|---|---|---|---|
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- 2009-11-26 KR KR1020090115193A patent/KR100952714B1/en not_active IP Right Cessation
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