KR100981020B1 - Turbocharger refrigerator using directly high pressure gas - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고압기체 직접 구동 냉동사이클에 관한 것으로, 대체에너지 또는 공장 폐열을 냉동사이클의 구동 에너지 원으로 직접적으로 사용할 수 있는 냉동 사이클을 제공함으로서, 산업 또는 건물의 냉동 소요 분야에 있어서 환경 친화적이며 저 비용의 냉동 환경을 확보할 수 있도록 하기 위한 것이다. The present invention relates to a high-pressure gas direct drive refrigeration cycle, by providing a refrigeration cycle that can directly use alternative energy or factory waste heat as a driving energy source of the refrigeration cycle, it is environmentally friendly and low in the field of refrigeration requirements of industrial or building This is to ensure a cost freezing environment.
이를 위하여 본 발명은, 고압 기체의 압력에너지를 동력으로 전환하는 랭킨 사이클(rankine cycle)과 기존의 증기 압축 사이클을 복합적으로 구성하여, 상기 두 종류의 사이클에서 하나의 응축기를 공통으로 사용하도록 구성한 고압기체 직접구동 냉동사이클을 제공한다.To this end, the present invention comprises a combination of a Rankine cycle and a conventional vapor compression cycle for converting the pressure energy of the high-pressure gas into power, a high pressure configured to use a common condenser in the two types of cycles Provide a gas direct drive refrigeration cycle.
냉동사이클, 폐열, 고압 기체, 압력에너지, 터보차져Refrigeration cycle, waste heat, high pressure gas, pressure energy, turbocharger
Description
도 1a는 고압 기체의 운동에너지를 냉동 사이클의 구동에너지 원으로 사용하는 기존의 이젝터 냉동 사이클에 관한 구성도Figure 1a is a block diagram of a conventional ejector refrigeration cycle using the kinetic energy of the high pressure gas as a driving energy source of the refrigeration cycle
도 1b는 고압 기체의 운동에너지를 냉동 사이클의 구동에너지 원으로 사용하는 기존의 이젝터 냉동 사이클에서의 압력-엔탈피 선도Figure 1b is a pressure-enthalpy diagram in a conventional ejector refrigeration cycle using kinetic energy of high pressure gas as the driving energy source for the refrigeration cycle.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 고압기체 직접구동 냉동사이클의 개략 구성도Figure 2a is a schematic diagram of a high-pressure gas direct drive refrigeration cycle according to an embodiment of the present invention
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 의한 고압기체 직접구동 냉동사이클에서의 압력-엔탈피 선도Figure 2b is a pressure-enthalpy diagram in the high-pressure gas direct drive refrigeration cycle according to an embodiment of the present invention
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 발생기 출구 2 : 분사노즐 출구1: Generator outlet 2: Injection nozzle outlet
3 : 혼합부 4 : 디퓨져3: mixing section 4: diffuser
5 : 출구 6 : 응축기 출구5: outlet 6: condenser outlet
7 : 증발기 입구 8 : 증발기 출구7: evaporator inlet 8: evaporator outlet
9 : 이젝터 흡입부 10 : 발생기 입구9: ejector suction part 10: generator inlet
11 : 급액펌프 12 : 팽창밸브 11: feed pump 12: expansion valve
13 : 증발기 14 : 고온 유체13: evaporator 14: hot fluid
15 : 발생기 16 : 응축기15
17 : 냉각수 18 : 저온유체17: coolant 18: low temperature fluid
19 : 이젝터 20 : 터보차져19: ejector 20: turbocharger
21 : 재생기 22 : 냉매21: regenerator 22: refrigerant
본 발명은 고압 기체를 구동 에너지원으로 직접적으로 사용하는 냉동 사이클에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양열 또는 공장 폐열 등의 대체 에너지를 냉동 사이클의 구동 에너지원으로 직접적으로 사용할 수 있도록 함으로써, 산업 또는 건물의 냉동 소요 분야에 있어서 환경 친화적이며 저비용의 냉동 환경을 확보할 수 있도록 하는 고압기체 직접구동 냉동사이클에 관한 것이다.The present invention relates to a refrigeration cycle using a high-pressure gas directly as a driving energy source, and more particularly, by allowing alternative energy such as solar heat or factory waste heat to be used directly as a driving energy source of the refrigeration cycle, The present invention relates to a high-pressure gas direct drive refrigeration cycle that is environmentally friendly and secures a low-cost refrigeration environment.
현재 상용화되어 있는 거의 모든 냉동 장치는 히트펌프의 원리에 의한 증기 압축 사이클 방식이거나 흡수식 냉동 사이클을 채택하고 있다. 이러한 기존 냉각 방식에서는 사이클의 구동을 위하여 축 동력 또는 열에너지가 소요되며 이러한 에너지는 주로 화석 연료의 연소를 통하여 얻고 있으므로 냉방환경을 얻기 위하여는 에너지 비용의 부담은 물론 지구온난화 가스 배출 등의 환경 문제를 감수하여야 한다.Nearly all currently available refrigeration units employ steam compression cycles or absorption refrigeration cycles based on the principle of heat pumps. In this conventional cooling method, axial power or heat energy is required to drive the cycle. Since this energy is mainly obtained through the combustion of fossil fuels, it is not only burdened with energy costs but also environmental problems such as global warming gas emissions to obtain a cooling environment. You must take it.
따라서 생활 수준의 향상에 따른 냉방소요의 증가에 경제적으로 대응함과 동 시에 환경 오염 문제를 저감시킬 수 있는 냉동기술의 개발은 현재 공기조화 및 냉동 기술 분야에서 해결하여야 할 과제이다.Therefore, the development of refrigeration technology that can economically cope with the increase in cooling requirements due to the improvement of living standards and at the same time reduce the environmental pollution problem is a task to be solved in the field of air conditioning and refrigeration technology.
이러한 관점에서, 대체 에너지인 태양열을 냉동사이클에 대한 구동 에너지 원으로 사용하거나 공장의 폐열을 이용하여 냉열을 얻을 경우 환경 문제의 경감은 물론 에너지의 효율적 이용을 통한 비용절감이 기대되어 이에 대한 중요성이 점차 높아지고 있고, 이러한 목적에 부합될 수 있는 냉동 기술로서는 이젝터 냉동 사이클이나 태양열 또는 폐열을 이용한 흡수식 냉동 사이클이 그 대표적인 사례이다.In view of this, if solar energy, which is an alternative energy, is used as a driving energy source for the refrigeration cycle, or if cooling heat is obtained by using waste heat of the plant, it is expected to reduce environmental problems and reduce costs through efficient use of energy. Increasingly, as a refrigeration technology that can meet this purpose, an ejector refrigeration cycle or an absorption refrigeration cycle using solar or waste heat is a representative example.
그러나 상기 이젝터 냉동사이클의 경우는 장치가 간단하고 태양열 또는 폐열에 의하여 발생되는 고압 기체의 압력 에너지를 직접적으로 이용할 수 있는 장점이 있지만 사이클의 성적계수가 증기 압축식 사이클이나 흡수식 냉동 사이클에 비하여 극히 낮기 때문에 에너지 이용 효율이 저조하다는 단점을 가지고 있으며, 상기 흡수식 냉동사이클의 경우는 이젝터 냉동 사이클에 비해서 에너지 이용 효율은 높지만 장치의 구성이 복잡하기 때문에 운영과 유지 측면에서 불리하고 이러한 장애 요인에 의하여 보급이 활발하게 이루어지지 않고 있는 실정이다.However, the ejector refrigeration cycle has the advantage that the device is simple and can directly use the pressure energy of the high pressure gas generated by solar heat or waste heat, but the grade coefficient of the cycle is extremely low compared to the steam compression cycle or the absorption refrigeration cycle. As a result, the energy use efficiency is low, and the absorption refrigeration cycle has a higher energy use efficiency than the ejector refrigeration cycle, but it is disadvantageous in terms of operation and maintenance due to the complicated configuration of the device. The situation is not active.
따라서 경제적이며 환경 친화적인 냉동사이클을 실현하기 위해서는 이젝터 냉동 사이클과 같이 폐열 또는 태양열을 직접적으로 이용할 수 있으면서도 장치의 구성이 간단하고 효율이 높은 냉동 사이클을 개발하는 것이 요구되어 지고 있다.Therefore, in order to realize an economical and environmentally friendly refrigeration cycle, it is required to develop a refrigeration cycle that is simple in construction and has high efficiency while directly utilizing waste heat or solar heat, such as an ejector refrigeration cycle.
도 1a와 도 1b는 고압 기체의 운동에너지를 냉동 사이클의 구동에너지 원으로 사용하는 기존의 이젝터 냉동 사이클에 관한 구성도와 압력-엔탈피 선도를 각각 도시한 것으로서, 기존의 이젝터 냉동 사이클은 도 1a에 도시된 바와 같이 발생기(15)에서 생성된 기체 상태의 냉매는 이젝터(19)에서 고압으로 분사되어 증발기 출구(8)의 냉매를 흡입하여 이젝터(19)의 혼합부(3)에서 서로 혼합된 다음 디퓨져(4)를 통과하면서 압력 회복이 이루어진 후 응축기(16)에서 액화되도록 구성되어 있다. 참고로 도 1b에 예시된 압력-엔탈피 선도 상의 파라미터 mh는 고압측(랭킨사이클 부분)가스의 순환 질량 유량이고, mc는 저압측(냉동사이클 부분)가스의 순환 질량 유량이고, Po 및 To는 각각 대기압 및 대기온도이며, Qc와 Qe와 Qg 및 Qr은 각각 응축기, 증발기, 발생기 및 재생기의 교환열량을 나타낸다.1A and 1B show a schematic diagram and a pressure-enthalpy diagram of a conventional ejector refrigeration cycle using kinetic energy of a high pressure gas as a driving energy source of a refrigeration cycle, respectively. The conventional ejector refrigeration cycle is illustrated in FIG. 1A. As described above, the gaseous refrigerants generated by the
상기 액화된 냉매(22)는 그 일부가 팽창밸브(12)를 거치면서 감압되어 증발기(13)로 공급되고 저온유체(18)로부터 열을 흡수하여 증발된 후 다시 이젝터(19)에 의하여 흡입되는 순환 과정을 거치게 된다. 이 과정에서 증발기(13)에서 저온유체(18)로부터 흡수된 열이 응축기(16)에서 방출되는 냉동 사이클이 이루어 지게 되는 것이다. The
한편 상기 응축기(16)에서 액화된 냉매(22)의 나머지는 급액펌프(11)에 의하여 가압되어 발생기(15)로 공급되고, 발생기(15)에서는 태양열 또는 공장 폐열로 부터 생성되는 고온 유체(14)에 의하여 증발된 후 이젝터(19)로 다시 보내어진다.Meanwhile, the remainder of the
이와 같은 종래의 기술에 의하면, 냉매(22) 증기의 압축이 이젝터(19)에서 이루어 지기 때문에 기계적 구동부가 없고, 따라서 장치가 매우 간단해 진다는 장점은 있으나 상기와 같은 발생기(15)에서 고압 증기의 발생에 소요되는 열량(Qg)에 대한 증발기(13)에서 외부로부터 열을 흡수하여 냉동 효과를 얻게 되는 열량(Qe)의 비율이 최대 16% 이하로서 기존의 증기 압축식 냉동사이클의 성적계수에 비하여 대 단히 낮아 효율이 저하된다는 것이 결정적인 문제점으로 지적되어 오고 있다.According to this conventional technique, since the compression of the
또한 상기 이젝터를 이용하는 냉동 사이클에서는 열원으로서 발생기(15)에 공급된 열량(Qg)의 대부분은 응축기(16)를 통하여 방출되어야 하는 데, 얻어질 수 있는 냉열(Qe)에 비하여 응축기의 크기가 과대해지기 때문에 낮은 성적계수 저하의 문제와 더불어 과대한 응축기(16)의 크기가 실제 보급에 있어서 중요한 장애요인이 되고 있는 실정이다.In addition, in the refrigerating cycle using the ejector, most of the heat quantity Qg supplied to the
그러나 상기 이젝터(19)는 고압기체와 저압기체의 운동량 교환에 의하여 저압증기에 대한 압축효과를 얻는 방식이기 때문에 근본적으로 터빈 또는 실린더를 이용한 기계적 방식에 비하여 압축 효율이 낮아지게 되며, 이러한 효율저하 문제를 극복하기 위해서 이젝터(19)의 분사 노즐 출구부(2)와 혼합부(3) 사이에 회전차를 설치하여 기계적인 압축력을 얻고자 하는 기술이 제시되기도 하였으며, 열에너지를 직접적인 구동 에너지원으로 사용할 수 있는 이젝터 냉동 사이클의 장점을 활용하면서 사이클의 효율을 증대하기 위해서는 이젝터(19)의 효율 개선이 필수적으로 요구되고 있었다.However, since the
본 발명은 상기의 요구에 부응하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명은 대체에너지 또는 공장 폐열을 냉동사이클의 구동 에너지 원으로 직접적으로 사용할 수 있는 냉동 사이클을 제공함으로서, 산업 또는 건물의 냉동 소요 분야에 있어서 환경 친화적이며 저 비용의 냉동 환경을 확보할 수 있도록 하는 고압기체 직접구동 냉동사이클을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to meet the above requirements, the present invention provides a refrigeration cycle that can directly use alternative energy or plant waste heat as a driving energy source of the refrigeration cycle, in the field of refrigeration requirements of industrial or building Its purpose is to provide a high pressure gas direct drive refrigeration cycle that is environmentally friendly and ensures a low cost refrigeration environment.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 고압 기체의 압력에너지를 동력으로 전환하는 랭킨 사이클(rankine cycle)과 기존의 증기 압축 사이클을 복합적으로 구성하여, 상기 두 종류의 사이클에서 하나의 응축기를 공통으로 사용하도록 구성한 고압기체 직접구동 냉동사이클을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a combination of a Rankine cycle and a conventional steam compression cycle for converting the pressure energy of the high-pressure gas into power, a common condenser in the two types of cycles It provides a high-pressure gas direct drive refrigeration cycle configured to use.
상기 본 발명에 의한 냉동 사이클은, 태양열 또는 공장 폐열로부터 얻어지는 고온유체에 의해 냉매를 증발 가압시키는 발생기와; 팽창기와 압축기가 일체화되어 있으며 상기 발생기에서 증발 가압된 냉매를 팽창기에 공급하여 팽창기가 회전할 때 팽창기와 동일 축 상에 연결된 압축기가 회전되도록 하여 증발기로부터 냉매 증기의 흡입이 이루어지도록 하는 터보차져와; 상기 터보차져의 출구와 응축기 사이에 설치되어 과열 증기가 보유하는 열량을 회수하고 급액펌프에 의하여 가압된 액화 냉매로부터 열량을 회수하는 재생기와; 상기 터보차져의 팽창기와 압축기를 통과하고 난 냉매를 합류시켜 재생기 출구에서 액화시키는 응축기와; 상기 응축기를 통해 액화된 냉매의 일부를 증발기에 공급하는 팽창밸브와; 상기 응축기를 통해 액화된 냉매의 나머지 일부를 재생기를 거쳐 발생기에 공급하는 급액펌프로 구성함으로써, 하나의 응축기에서 액화된 냉매가 상기 팽창밸브와 급액펌프에 의해 분기되는 두 개의 폐회로를 통해 순환되도록 하여 열 에너지로부터 얻어지는 고압기체를 직접 냉동 사이클의 구동 에너지 원으로 사용할 수 있게 될 것이다.The refrigeration cycle according to the present invention includes a generator for evaporating and pressurizing the refrigerant by a high temperature fluid obtained from solar heat or factory waste heat; A turbocharger integrated with an expander and a compressor and supplying a refrigerant evaporated and pressurized by the generator to the expander so that a compressor connected to the same axis as the expander rotates when the expander rotates to allow suction of refrigerant vapor from the evaporator; A regenerator installed between the outlet of the turbocharger and the condenser to recover the amount of heat retained by superheated steam and to recover the amount of heat from the liquefied refrigerant pressurized by the liquid feed pump; A condenser for condensing the refrigerant passing through the expander and the compressor of the turbocharger and liquefying at the outlet of the regenerator; An expansion valve for supplying a part of the refrigerant liquefied through the condenser to the evaporator; By supplying the remaining portion of the refrigerant liquefied through the condenser to the generator via a regenerator, the liquefied refrigerant in one condenser is circulated through the two closed circuit branched by the expansion valve and the liquid feed pump The high pressure gas obtained from the thermal energy will be able to be used directly as a driving energy source for the refrigeration cycle.
본 발명의 이들 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다. These objects, features and advantages of the present invention will be more readily understood by reference to the accompanying drawings and the following detailed description.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention with reference to the accompanying drawings in detail as follows.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 고압기체 직접구동 냉동사이클의 개략 구성도로서, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 냉각장치의 바람직한 실시예를 도시하고 있다.Figure 2a is a schematic configuration diagram of a high-pressure gas direct drive refrigeration cycle according to an embodiment of the present invention, showing a preferred embodiment of the cooling device that can achieve the object of the present invention.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 고압기체 직접구동 냉동사이클에는 태양열 또는 공장 폐열로부터 얻어지는 고온유체(14)에 의해 냉매를 증발 가압시키는 발생기(15)와 응축기(16) 및 증발기(13) 사이에 터보차져(20)가 구비되어 있고, 상기 터보차져(20)는 팽창기와 압축기가 동일축 상에 일체화되어 팽창기가 회전할 때 팽창기와 동일 축 상에 연결된 압축기가 회전되도록 구성되어 있으며 상기 발생기(15)에서 증발 가압된 냉매를 팽창기에 공급하여 팽창기가 회전할 때 압축기가 동시에 회전되도록 하여 증발기로부터 냉매 증기의 흡입이 이루어지도록 구성되어 있다. 그리고 상기 터보차져(20)의 출구(5)와 응축기(16) 사이에 설치되어 과열 증기가 보유하는 열량(Qr)을 회수하고 상기 응축기(16)에서 액화된 후 급액펌프(11)에 의하여 가압된 냉매로부터 열량을 회수하여 냉동 사이클의 열효율을 높힐 수 있게 하는 재생기(21)와, 상기 재생기의 출구에 설치되어 상기 터보차져의 팽창기와 압축기를 통과하고 난 냉매를 냉각수(17)를 이용하여 액화시키는 응축기(16)를 구비하고, 상기 응축기(16)를 통해 액화된 냉매의 일부를 증발기(13)에 공급하는 팽창밸브(12)와 상기 응축기(16)를 통해 액화된 냉매의 나머지 일부를 재생기(21)를 통해 발생기(15)에 공급하는 급액펌프(11)로 분기되는 냉매순환을 위 한 두 개의 폐회로를 구성하여, 열 에너지로부터 얻어지는 고압기체를 직접적으로 이용하여 냉동 사이클의 구동 에너지 원으로 사용할 수 있도록 구성한다.As shown in Figure 2a, the high-pressure gas direct drive refrigeration cycle according to the present invention, the
도 2b는 본 발명에 의한 압력기체 직접구동 냉동사이클의 압력-엔탈피 선도로서, 이와 같이 구성되는 본 발명의 고압기체 직접구동 냉매사이클에 의한 냉매 순환과정 및 그게 따른 작용 효과를 설명하면 다음과 같다. Figure 2b is a pressure-enthalpy diagram of a pressure gas direct drive refrigeration cycle according to the present invention, the refrigerant circulating process by the high-pressure gas direct drive refrigerant cycle of the present invention configured as described above and the effects thereof are as follows.
상기 발생기(15)에서 외부의 고온 유체(14)를 이용하여 고압 증기를 발생시키고, 이를 팽창기와 압축기가 일체화 되어 있는 터보차져(20)의 팽창기에 공급하여 팽창기가 회전할 때 팽창기와 동일 축 상에 연결된 압축기가 회전하도록 한다. 이와 같이 하게 되면 비교적 간단한 기계적 장치의 구성으로 고압의 기체가 보유하고 있는 압력에너지를 이젝터에 비하여 효율적으로 증기 압축에너지로 사용할 수 있게 되는 유익한 장점이 있게 된다.The
특히 상기 터보차져(20)의 압축기에는 증발기(13)에서 기화된 냉매(22) 증기가 흡입되어 압축된 후 그 출구(5)에서 터보차져(20)의 팽창기를 통과하고 난 고온 기체와 혼합되어 진다. 이때 혼합된 기체는 외부 기준온도(To)와 발생기(15)의 출구(1) 기체 사이의 온도를 유지하게 됨으로서 응축기(16)에서 외부의 냉각유체(17)와 열전달이 이루어져 응축된다. 상기 터보차져(20)의 출구(5)와 응축기(16) 사이에는 재생기(21)를 설치하여 과열증기가 보유하는 열량(Qr)을 회수할 수 있도록 한다. 이와 같은 재생기(16)는 냉동 사이클의 효율 개선에 기여하며 결과적으로 응축기(16)의 크기를 줄일 수 있게 하는 역할을 한다.In particular, in the compressor of the
상기 응축기(16)에서 액화된 냉매(22)의 일부는 팽창밸브(12)을 통과하여 감 압되어진 후 증발기(13)에서 기화되고 터보차져(20)의 압축기에 흡입되는 냉동 사이클을 형성하게 되는 것이다. A portion of the refrigerant 22 liquefied in the
또한 상기 응축기(16)에서 액화된 냉매(22)의 나머지는 급액펌프(11)에 의하여 가압된 다음 발생기(15)로 보내어지고, 그 중간에는 재생기(21)를 통과하게 함으로서 사이클의 열효율을 높힐 수 있게 함으로서 동력 사이클이 형성되어 지는 것이다.In addition, the remainder of the refrigerant 22 liquefied in the
이상의 본 발명은 고압 기체의 압력에너지를 동력으로 전환하는 랭킨 사이클(rankine cycle)과 기존의 증기 압축 사이클이 복합적으로 구성된 것이며, 상기 두 종류의 사이클에서 하나의 응축기(16)를 공용하도록 구성되어 있는 것으로서, 이와 같은 본 발명에 의하면 태양열이나 공정 폐열을 열에너지의 형태로 직접적으로 냉동사이클의 구동 에너지원으로 사용할 수 있게 함으로서 이젝터와 같이 간단하고 저비용으로 공업 또는 건물등에서 요구하는 냉열을 얻을 수 있게 하며, 터보챠져(20)를 이용하여 기계적 방법으로 냉매증기를 흡입함으로서 에너지 이용효율을 높게 할 수 있는 유익한 장점을 얻게 되는 것이다.The present invention is a combination of a Rankine cycle and a conventional steam compression cycle for converting the pressure energy of the high-pressure gas into power, which is configured to share a
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