KR100984130B1

KR100984130B1 - 기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치

Info

Publication number: KR100984130B1
Application number: KR1020100030076A
Authority: KR
Inventors: 최상곤; 임효묵
Original assignee: 주식회사삼원기연
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2010-09-28

Abstract

본 발명은 기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치에 관한 것으로 특히, 소정용적을 갖는 탱크로 이루어진 축열조와; 상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 상면에 분사노즐들을 구비하고 상기 축열조의 중간부에서 설치되어 있는 축열매체 분사장치를 통해 분사시켜 축열조 내부의 축열매체에 대한 유동량을 증가시켜 축열조 중, 상부의 얼음층을 교란시킬 수 있도록 하는 유동량 증가용 보조펌프와; 상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 제빙기 측으로 이송시켜 주는 주 순환펌프와; 0%의 IPF를 갖고 상기 주 순환펌프를 통해 이송되어온 축열매체를 상변화시켜 아이스슬러리로 만드는 제빙기와; 상기 제빙기의 출구와 축열조의 저면 유입구 및 부하배관 사이에 설치되어 제어부에서 출력되는 제어신호에 부응하여 절체되며 제빙기를 통해 제빙된 후 배출되는 축열매체를 축열조 또는 부하 측 열교환기들에 공급시켜 주는 삼방변과; 상기 축열조 내의 상방부에 설치되어 부하 측 열교환기들을 통과하며 열교환이 이루어져 IPF가 0%인 열매체를 귀환배관을 통해 송급받아 축열조의 상면에서 아이스슬러리에 균일하게 분사시켜 주는 환수 열매체 분사노즐로 구성한 것을 특징으로 한다.
이와 같이 축열조에 기계적인 교반장치를 설치하지 않고 아이스슬러리 축열 및 순환 냉각장치를 구성함으로써 경제성이 있는 아이스슬러리의 직접순환 냉각방식이 가능함은 간단하면서도 신뢰성이 높은 아이스슬러리의 직접순환 시스템이 가능하며, 또한 높은 열 수송 밀도에 의해 배관 및 배관 부속의 크기를 크게 줄일 수 있어 아이스슬러리 수송용 펌프의 동력을 절감시킬 수 있음과 동시에 수송 중의 열 손실 억제 등의 효과를 얻을 수 있고, 배관 설비비를 크게 줄일 수 있으며, 또 부하 측에 온도가 일정한 아이스슬러리를 2차 냉매로 공급시킬 수 있으므로 매우 일정한 온도의 유지가 가능한 냉각장치를 구성할 수 있고, 제빙기에 아이스슬러리가 유입되면 운전이 어려워지는 제빙기를 아이스슬러리 직접 순환시스템에 사용할 수 있고, 특히 대규모 축열식 아이스슬러리 직접 순환 시스템이 가능하게 할 수 있는 것이다.

Description

기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치{ICE SLURRY STORAGE ＆ DIRECT DELIVERY DEVICE WITHOUT MECHANICAL AGITATION DEVICE}

본 발명은 기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기계적인 교반장치를 사용하지 않고 아이스슬러리 축열 및 순환 냉각장치를 구성하여 경제성이 있는 아이스슬러리의 직접순환 냉각방식이 가능하도록 함은 물론 복잡하지 않고 신뢰성이 높은 아이스슬러리의 직접순환 시스템이 가능하며, 또한 높은 열 수송 밀도에 의하여 배관 및 배관 부속의 크기를 크게 줄여 수송펌프 동력 절감과 수송 중의 열 손실 억제 등의 효과를 얻을 수 있고, 배관 설비비를 크게 줄일 수 있으며, 부하 측에 온도가 일정한 아이스슬러리를 2차 냉매로 공급하여 매우 일정한 온도의 유지가 가능한 냉각장치를 구성할 수 있으며, 제빙기에 아이스슬러리가 유입되면 운전이 어려워지는 제빙기를 아이스슬러리 직접 순환시스템에 사용할 수 있고, 특히 대규모 축열식 아이스슬러리 직접 순환 시스템이 가능하도록 발명한 것이다.

일반적으로 고액 2상 물질인 아이스슬러리를 이용하여 냉각하는 냉각시스템에서 아이스슬러리를 직접 부하측에 순환 시키는 직접 순환 방식이 수송동력을 절감하고, 배관 크기를 줄일 수 있으며, 일정한 온도를 유지하며 열전달을 할 수 있어 에너지 절감과 투자비 절감 및 냉열 사용 조건의 최적화에 크게 기여할 수 있음에 따라 순환매체의 공급 및 귀환 온도차만을 이용하는 현열 수송 방식보다 유리하다는 것은 이미 여러 사람에 의하여 증명되었다.

특히 공조 및 냉장 분야에 속하는 중/저온에서 유용하게 사용될 수 있는 아이스슬러리의 경우 고상의 얼음 밀도가 액상의 수용액 밀도보다 상당히 낮아 저장 탱크나, 배관 내부에서 유속이 떨어질 경우 상분리가 일어나 고체 성분끼리의 집적(엉겨 붙음)에 의한 막힘, 필요한 IPF(빙분율)의 아이스슬러리 확보 곤란 등 여러 가지 문제를 일으키므로 지금까지는 아이스슬러리를 생산하여 기계적 교반장치가 있는 교반 축열조에서 교반 혼합하여 일정 성분이 되도록 하여 수송하는 방식을 사용해오고 있다.

하지만 이러한 기계적 교반 축열조를 사용하는 방식은 축열조 내부 전체를 교반하게 되므로 실용화하기에는 몇 가지 문제가 있어 효과적인 제빙 장치의 부재와 함께 아이스슬러리 직접 순환시스템이 일반적으로 사용되지 못하는 중요한 요인이 되고 있다.

이때, 이러한 교반 축열조 방식의 가장 큰 문제는 설비가 복잡해진다는 것이다.

즉, 교반용 모터와 감속장치, 교반 날개 및 지지 장치는 기계적 교반에 필요한 설비가 복잡해질 수밖에 없는 이유가 되는데, 특히 대규모 축열조에서는 교반장치를 설치하는 것이 매우 어려운 기술적 과제가 되며, 축열조의 형상을 제한하는 중요 요인이 될 수밖에 없다.

따라서 대규모 축열조에 교반장치를 설치하는 것은 경제성을 확보하기가 거의 불가능하다.

이와 같이 설비가 복잡해지는 문제점과 아울러 교반에 필요한 동력 소모가 크다는 부분 또한 큰 문제이다.

중소규모 시스템에서는 전체 시스템에서 교반에 소요되는 동력 비중이 상당히 커서(교반 동력 ≥ 수송동력) 시스템 전체의 효율을 떨어뜨릴 수 있으며, 대규모 설비에서도 사정은 이와 비슷하다.

더구나, 이러한 복잡한 설비에도 불구하고 교반 축열조 방식에서는 필요한 IPF의 아이스슬러리를 공급하는 것이 매우 어렵다.

부하가 가장 큰 시점에 높은 IPF의 아이스슬러리가 필요하게 되나, 축열조에서는 IPF를 임의로 조절하는 것이 어렵기 때문에 큰 동력을 들여 교반을 하면서도 정작 필요한 시간에 필요한 냉열량을 공급하는 것이 매우 어려운데, 이러한 제어의 어려움 또한 교반 축열조 방식의 문제점 중의 하나가 된다.

또한 이러한 교반 축열조 방식에서는 축열조에 연결되어 아이스슬러리를 공급하는 제빙기의 구조를 제한한다. 교반 축열조는 축열조 내부의 열 매체 전체가 교반되므로 축열조에서 추출된 열 매체는 다수의 얼음 입자가 포함된 아이스슬러리일 수밖에 없어 축열조의 교반이 이루어지는 동안 제빙기에 아이스슬러리가 유입될 수밖에 없으므로 제빙기 내부로 아이스슬러리가 유입되어도 운전에 지장이 없는 특성을 갖는 제빙 장치만 사용될 수 있는데, 사실 이러한 문제점은 지금까지 아이스슬러리 직접 순환시스템이 보급되지 못하는 큰 이유 중의 하나가 되고 있다.

한편, 종래 국내에서 선 출원된 특허 040535888호 및 040535889호에서는 축열조 내부에 격벽 혹은 구분된 공간을 두고, 얼음 입자가 없는 공간을 확보하여 아이스슬러리 제어와 제빙기로 보내는 순환 매체를 확보할 공간을 제안하고 있으나, 실제로 이러한 구조를 위해서는 수직으로 매우 큰 거리를 두거나 매우 작은 입자(40㎛이하)만 통과할 수 있는 메쉬 망을 사용해야하며 메쉬 망의 작은 구멍은 먼지 등의 오염 물질에 의하여 쉽게 막히게 되므로 실용성이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 해외 특허 중 미국 특허 US6301904호에서는 아이스슬러리에 대한 직접 순환 및 수송 시스템에 대하여 여러 가지 방법을 제시하고 있으나, 주로 중소 규모의 설비로 고밀도의 아이스슬러리를 수송하여 식품 냉각 등에 이용하는 방법에 대한 것이다.

축열조 내부의 교반을 통해 얻은 아이스슬러리를 순환시키고 제어하는 방법으로 교반은 축열조 전체를 교반하거나 축열조 상부에서 고IPF의 얼음층에 하부의 브라인을 섞어 교반하여 추출하는 시스템을 사용한다. 제빙 장치에서 직접 얼음을 보내는 경우도 있으나 이때는 축열조를 사용하지 않는다.

한편, 도 1은 종래 아이스슬러리 직접 순환 시스템에 대한 개략적인 구성도를 도시한 것으로 이에 따르면, 소정용적을 갖는 탱크로 이루어진 축열조(1)와; 상기 축열조(1)의 상면에 설치되는 교반용 모터(23a)의 축에 날개(23b)가 구비된 구성을 갖고 축열조(1) 내의 축열매체 상태를 균일하게 교반시켜 주는 교반장치(23)와; 상기 축열조(1)의 저부에 형성된 아이스슬러리 취출구(1a)와 제빙기(22)의 입구 사이에 설치되어 축열조(1) 내의 축열매체를 제빙기(22) 측으로 이송시켜 주는 제빙용 펌프(19)와; 비교적 낮은(0-25%) IPF를 갖고 상기 제빙용 펌프(19)를 통해 이송되어온 축열매체를 추가적으로 상변화 시켜 상대적으로 높은(10-30%) IPF를 갖도록 제빙시킨 후 축열조(1)의 저면에 형성된 아이스슬러리 유입구(1b)를 통해 축열조(1) 내로 공급해 주는 제빙기(22)와; 상기 축열조(1) 내에서 교반장치(23)에 의해 잘 교반되어 높은 IPF를 갖는 아이스슬러리를 축열조(1)의 중간부에 형성된 아이스슬러리 취출구(1a)를 통해 취출시켜 공급배관(21)을 통해 수개의 부하 측 열교환기(12) 측으로 강제 이송시켜 주는 부하 측 순환용 펌프(20)와; 상기 축열조(1) 내의 상방부에 설치되어 부하 측 열교환기(12)들을 통과하며 열교환이 이루어져 IPF가 0%인 열매체를 귀환배관(13)을 통해 송급받아 축열조(1)의 상면에서 아이스슬러리에 균일하게 분사시켜 주는 환수 열매체 분사노즐(14)로 구성되어 있다.

즉, 종래의 아이스슬러리 직접 순환 시스템은 교반용 모터(23a)와 날개(23b)를 구비한 교반장치(23)에 의해 그 내부에 담겨진 아이스슬러리의 교반이 가능한 축열조(10)가 구비되어 있고, 상기 축열조(10)에는 제빙용 펌프(19) - 제빙기(22) - 축열조(1)를 순환하는 축열 루프와, 부하 측 순환용 펌프(20) - 공급배관(21) - 부하 측 열교환기(12)를 순환하는 아이스슬러리 순환 루프가 있으며, 부하 측 열교환기(12)들을 통과하며 열교환이 이루어진 후 귀환배관(13) - 환수 열매체 분사노즐(14)를 통해 더워져서 돌아오는 축열매체는 순환 루프의 귀환 측을 통하여 다시 축열조(1)로 복귀한다.

이때, 상기 축열조(1)에는 탱크 본체에 축열매체가 수용되며 축열매체를 교반시키는 교반장치(23)가 탱크 내부를 교반하여 탱크 내부의 상태를 균일화하여 아이스슬러리를 취출할 수 있도록 한다.

연속적인 부하 및 취출 조건에서는 교반장치(23) 역시 연속적으로 가동할 것이나, 부하 변동이 크거나 부하가 주간 시간에만 집중된다든지 할 때에는 교반장치는 연속 교반이 아니라 필요한 시점에만 교반할 수 있도록 할 수 있으며, 교반장치의 교반 능력을 가변화할 수도 있다.

교반장치(23)는 교반 날개(23b)와 여기에 회전 동력을 발생하여 공급하는 동력공급장치로서 모터(22a)와, 동력을 전달하는 축 등으로 이루어져 있으며, 교반 날개(23b)는 탱크의 형상, 크기, 요구하는 아이스슬러리의 IPF 등에 의하여 형태 및 수량이 달라질 수 있다.

대부분의 상용화 규모에서 교반 날개(23b)는 복 수개의 날개를 갖게 되며, 단일 동력장치에 의해서가 아니라 복 수개의 동력장치에 의하여 교반이 이루어질 수도 있으며, 또한 동력장치 역시 축열조(1)의 축열매체 내부에 잠긴 형태로 이루어질 수도 있다.

이러한 교반장치(23)에 의하여 축열조(1) 내부는 비교적 균등한 IPF가 되도록 교반되며, 얼음 입자는 잘게 쪼개져서 순환을 위한 흡입구로 쉽게 흡일될 수 있는 상태가 되며 안정적인 IPF 공급이 가능해진다.

또한, 축열조(1)에는 아이스슬러리를 내보내는 출구가 단수 혹은 복 수개로 구비되어 있고, 출구에서 나온 축열매체는 제빙 루프로 순환하거나 부하 측 공급배관(21) 루프로 순환하게 되는데, 경우에 따라서는 출구 하나로 2개의 르프를 연결하여 열매체를 내보낼 수도 있다.

또, 부하 측 열교환기(12)에서 돌아온 열매체는 대게 축열조(1) 상부에서 수개의 분사노즐을 구비한 환수 열매체 분사노즐(14)통해 골고루 분사되어 축열조(1) 내부 아이스슬러리와 혼합되는데, 이때 상기 축열조(1)의 탱크 높이가 매우 높거나 환수 열매체 분사노즐(14) 사용이 곤란할 경우에는 이러한 방식과 달리 열매체를 축열조 탱크 내부의 아이스슬러리에 직접 분사하여 교반되도록 할 수도 있다.

그리고 축열 루프로 순환되는 열매체는 제빙용 펌프(19)에 의하여 강제로 제빙기(22)를 통과하며 냉동기에 의하여 냉각되면서 일부가 상변화하여 아이스슬러리가 되거나 유입된 아이스슬러리보다 IPF가 높은 아이스슬러리가 되어 축열조(1)로 귀환한다.

이때, 귀환은 축열조(1) 상부를 통하여 이루어질 수도 있으나, 내부 교반에 도움이 되도록 축열조 하부를 통해서 집중 분사 되도록 하는 것이 유리하여 이 방식을 사용하고 있고,

상기 축열조(1) 내부에서 교반이 충분히 이루어 진다면(과냉각도=0, 균일도 =0) 축열조 내부의 IPF는 축열매체인 아이스슬러리의 온도를 통해서 확인할 수 있으며, 축열매체 중의 첨가제 성분은 상변화를 하지 않고 물 성분만 동결하게 되므로 상변화한 얼음이 많아질수록 즉, IPF가 높아질수록 동결하지 않은 수용액의 첨가제 농도가 높아지게 되어 빙점이 낮아지게 되므로 아이스슬러리의 온도가 낮아지게 되는 이러한 현상을 이용하여 아이스슬러리의 온도를 측정하여 IPF를 제어할 수 있게 된다.

또한, 부하 측 열교환기(12)들로 순환되는 IPF를 측정하여 제빙기(22)의 가동 여부를 제어할 수도 있으나, 상용화된 측정장치가 마땅하지 않은 상황에서는 온도감지에 의한 제어방식의 사용이 불가피하다.

다만 이때 주의해야할 것은 축열조 탱크 내의 교반이 충분하게 이루어져 과냉각도가 적어야 하며, 탱크로 유입되는 부하로부터 귀환한 더워진 열매체가 축열조 내부의 아이스슬러리와 충분히 열교환 후 균일화한 상태에서 아이스슬러리의 온도를 측정하여야 실질적인 축열조 내부 대표값이 되므로 온도센서의 위치선정 및 출구 위치선정이 중요하다.

한편, 상기에서 부하 측 열교환기(12)로 가는 루프로 보다 높은 IPF를 갖는 아이스슬러리가 취출되어야 하므로 아이스슬러리의 출구 위치는 축열조(1) 탱크의 중간 부근에 위치하며, 교반을 정지하거나 교반 상태에서 취출하더라도 보다 낮은 IPF의 아이스슬러리를 취출하여 제빙기(22) 측으로 보내는 배관의 출구는 축열조(1)의 하부에 위치하도록 해야 한다.

그러나, 이러한 구성을 갖는 종래 순환방식은 앞서 언급한 바와 같이 설비가 복잡해지고 대용량이 될 경우 균등 교반은 매우 어렵게 되는데, 특히 교반장치는 교반 날개를 수용할 긴 축을 갖게 되므로 축의 고정과 지지 역시 커다란 숙제가 되고, 적절한 교반을 위해서 감속장치가 필요하며 감속장치를 고정하는 틀이 또한 필요하고, 교반장치를 동력장치인 모터와 함께 축열조 내부로 보내더라도 교반장치, 감속장치 등으로 인하여 구조적으로 매우 복잡하며, 특히 탱크의 크기가 커질 경우 균일한 교반은 거의 불가능하게 되는 단점이 있다.

뿐만 아니라 부하 측 열교환기에서 일정한 IPF의 아이스슬러리를 요구하지 않는 공조 및 냉각 분야에서는 부하가 커질수록 높은 IPF의 아이스슬러리가 필요한데 비하여 이러한 교반 축열조에서 아이스슬러리의 IPF를 높이기 위해서는 보다 많은 아이스슬러리를 축열조로 보충해야 하는바 그 응답성이 떨어질 수밖에 없어 직접제어에는 많은 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 기계적인 교반장치를 사용하지 않고 아이스슬러리 축열 및 순환 냉각장치를 구성함으로써 경제성이 있는 아이스슬러리의 직접순환 냉각방식이 가능함은 간단하면서도 신뢰성이 높은 아이스슬러리의 직접순환 시스템이 가능하며, 또한 높은 열 수송 밀도에 의해 배관 및 배관 부속의 크기를 크게 줄일 수 있어 아이스슬러리 수송용 펌프의 동력을 절감시킬 수 있음과 동시에 수송 중의 열 손실 억제 등의 효과를 얻을 수 있고, 배관 설비비를 크게 줄일 수 있으며, 또 부하 측에 온도가 일정한 아이스슬러리를 2차 냉매로 공급시킬 수 있으므로 매우 일정한 온도의 유지가 가능한 냉각장치를 구성할 수 있고, 제빙기에 아이스슬러리가 유입되면 운전이 어려워지는 제빙기를 아이스슬러리 직접 순환시스템에 사용할 수 있고, 특히 대규모 축열식 아이스슬러리 직접 순환 시스템이 가능하게 할 수 있는 기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 장치의 일 실시 예는, 소정용적을 갖는 탱크로 이루어진 축열조와; 상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 상부에 분사노즐들을 구비하고 상기 축열조의 중간부에 설치되어 있는 축열매체 분사기를 통해 분사시켜 축열조 내부의 축열매체에 대한 유동량을 증가시켜 축열조 중, 상부의 얼음층을 교란시킬 수 있도록 하는 유동량 증가용 보조펌프와; 상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 제 1 제빙기 측으로 이송시켜 주는 주 순환펌프와; 0%의 IPF를 갖고 상기 주 순환펌프를 통해 이송되어온 축열매체를 0-10%의 IPF를 갖도록 제빙시켜 주는 제 1 제빙기와; 상기 제 1 제빙기의 출구와 축열조의 저면 유입구 및 부스터 순환펌프 사이에 설치되어 제어부에서 출력되는 제어신호에 부응하여 절체되며 제 1 제빙기를 통해 제빙된 후 배출되는 축열매체를 축열조 또는 부하 측 열교환기들에 공급시켜 주는 제 1 삼방변과; 상기 제 1 제빙기 및 제 1 삼방변을 통해 이송되어 온 아이스슬러리를 수개의 부하 측 열교환기로 강제 이송시켜 주는 부스터 순환펌프와; 상기 축열조 내의 상방부에 설치되어 부하 측 열교환기들을 통과하며 열교환이 이루어져 IPF가 0%인 열매체를 귀환배관을 통해 송급받아 축열조의 상면에서 아이스슬러리에 균일하게 분사시켜 주는 환수 열매체 분사노즐;로 구성한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 유동량 증가용 보조펌프와 주 순환펌프의 입구와 연결되는 축열조의 축열매체 취출구에는 축열매체에 포함되어 있는 아이스슬러리 중 입자가 큰 아이스슬러리가 유동량 증가용 보조펌프 및 주 순환펌프 측으로 배출되는 것을 방지하는 흡입 헤더를 더 구비시킨 것을 특징으로 한다.

또, 상기 축열조의 축열매체 취출구와 부하 측 열교환기들의 입구 사이에 역류를 방지하여 축열매체가 부하 측으로 순환하도록 하는 제 1 체크밸브와, 제 1 삼방변이 축열조 측으로 절체되어 제 1 제빙기에서 제빙된 축열매체가 축열조 측으로만 공급될 때 축열조 내의 축열매체를 부하 측 열교환기들로 직접 공급시켜 저부하 시의 부하에 대응할 수 있게 하는 축열매체 직접 공급펌프를 부가 설치하고, 상기 제 1 삼방변과 주 순환펌프 사이에 부하 측 열교환기로 공급되는 축열매체의 역류를 방지하는 제 2 체크밸브를 부가 설치한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 제빙기의 출구와 제 1 삼방변의 입구 사이에는 제 1 제빙기에서 배출되는 낮은 IPF를 갖는 축열매체를 높은 IPF를 갖는 축열매체로 제빙시켜 주는 제 2 제빙기를 부가 설치한 것을 특징으로 한다.

또, 필요에 따라서는 제 2 제빙기 이외에 다수의 제빙기(예를 들어 제 3 및 제 4 제빙기)를 동일한 방식으로 추가 설치할 수도 있다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 장치의 다른 실시 예는, 소정용적을 갖는 탱크로 이루어진 축열조와; 상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 상부에 분사노즐들을 구비하고 상기 축열조의 중간부에 설치되어 있는 축열매체 분사기를 통해 분사시켜 축열조 내부의 축열매체에 대한 유동량을 증가시켜 축열조 중, 상부의 얼음층을 교란시킬 수 있도록 하는 유동량 증가용 보조펌프와; 상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 제 1 제빙기 측으로 이송시켜 주는 주 순환펌프와; 0%의 IPF를 갖고 상기 주 순환펌프를 통해 이송되어온 축열매체를 낮은 IPF를 갖도록 제빙시켜 주는 제 1 제빙기와; 상기 제 1 제빙기의 출구와 축열조의 저면 유입구 및 IPF 컨트롤러의 일측 입구 사이에 설치되어 제어부에서 출력되는 제어신호에 부응하여 절체되며 제 1 제빙기를 통해 제빙된 후 배출되는 축열매체를 축열조 또는 IPF 컨트롤러에 공급시켜 주는 제 1 삼방변과; 상기 제 1 삼방변의 일측 출구와 부스터 순환펌프의 입구 및 축열조의 저면 유입구 사이에 설치되어 제 1 삼방변을 통해 유입되는 축열매체 중 아이스슬러리의 수용액 성분을 취출하는 방식을 통해 IPF를 높여 부스터 순환펌프 및 축열조 측으로 공급시켜 주는 IPF 컨트롤러와; 상기 IPF 컨트롤러를 통해 이송되어 오는 높은 IPF의 축열매체를 수개의 부하 측 열교환기로 강제 이송시켜 주는 부스터 순환펌프와; 상기 축열조 내의 상방부에 설치되어 부하 측 열교환기들을 통과하며 열교환이 이루어져 IPF가 0%인 열매체를 귀환배관을 통해 송급받아 축열조의 상면에서 아이스슬러리에 균일하게 분사시켜 주는 환수 열매체 분사노즐;로 구성한 것을 특징으로 한다.

또, 상기 제 1 제빙기의 출구와 제 1 삼방변의 입구 사이에는 제 1 제빙기에서 배출되는 낮은 IPF를 갖는 축열매체를 높은 IPF를 갖는 축열매체로 제빙시켜 주는 제 2 제빙기를 부가 설치한 것을 특징으로 한다.

이 밖에도 필요에 따라서는 제 2 내제 제 4 제빙기를 부가 설치하여 부하 측에서 요구하는 보다 많은 냉열을 동일한 배관과 동일한 유량으로 수송시킬 수 있게 할 수도 있다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 장치의 또 다른 실시 예는, 소정용적을 갖는 탱크로 이루어진 축열조와; 상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 상부에 분사노즐들을 구비하고 상기 축열조의 중간부에 설치되어 있는 축열매체 분사기를 통해 분사시켜 축열조 내부의 축열매체에 대한 유동량을 증가시켜 축열조 중, 상부의 얼음층을 교란시킬 수 있도록 하는 유동량 증가용 보조펌프와; 상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 제 1 제빙기 측으로 이송시켜 주는 주 순환펌프와; 0%의 IPF를 갖고 상기 주 순환펌프를 통해 이송되어온 축열매체를 낮은 IPF를 갖도록 제빙시켜 주는 제 1 제빙기와; 상기 제 1 제빙기에서 배출되는 축열매체 중 아이스슬러리의 수용액 성분을 취출하는 방식을 통해 IPF를 높여 제 1 및 제 2 삼방변 측으로 공급시켜 주는 IPF 컨트롤러와; 상기 IPF 컨트롤러의 일측 및 타측 입구와 축열조의 저면 유입구 및 부스터 순환펌프의 입구 사이에 각각 설치되어 제어부에서 출력되는 제어신호에 부응하여 절체되며 IPF 컨트롤러를 통해 IPF가 높여진 후 배출되는 축열매체를 축열조 또는 부스터 순환펌프에 IPF를 조절하여 공급시켜 주는 제 1 및 제 2 삼방변과; 상기 제 1 및 제 2 삼방변의 일측 출구와 수개의 부하 측 열교환기 입구 사이에 설치되어 상기 제 1 및 제 2 삼방변을 통해 이송되어 오는 조절된 IPF의 축열매체를 수개의 부하 측 열교환기로 강제 이송시켜 주는 부스터 순환펌프와; 상기 축열조 내의 상방부에 설치되어 부하 측 열교환기들을 통과하며 열교환이 이루어져 IPF가 0%인 열매체를 귀환배관을 통해 송급받아 축열조의 상면에서 아이스슬러리에 균일하게 분사시켜 주는 환수 열매체 분사노즐;로 구성한 것을 특징으로 한다.

또, 상기 제 1 제빙기의 출구와 IPF 컨트롤러의 입구 사이에는 제 1 제빙기에서 배출되는 낮은 IPF를 갖는 축열매체를 높은 IPF를 갖는 축열매체로 추가 제빙시켜 IPF 컨트롤러로 공급해 주는 제 2 제빙기를 부가 설치한 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 장치에 의하면, 축열조에 기계적인 교반장치를 설치하지 않고 아이스슬러리 축열 및 순환 냉각장치를 구성함으로써 경제성이 있는 아이스슬러리의 직접순환 냉각방식이 가능하므로 간단하면서도 신뢰성이 높은 아이스슬러리의 직접순환 시스템이 가능하며, 또한 높은 열 수송 밀도에 의해 배관 및 배관 부속의 크기를 크게 줄일 수 있어 아이스슬러리 수송용 펌프의 동력을 절감시킬 수 있음과 동시에 수송 중의 열 손실 억제 등의 효과를 얻을 수 있고, 배관 설비비를 크게 줄일 수 있으며, 또 부하 측에 온도가 일정한 아이스슬러리를 2차 냉매로 공급시킬 수 있으므로 매우 일정한 온도의 유지가 가능한 냉각장치를 구성할 수 있고, 제빙기에 아이스슬러리가 유입되면 운전이 어려워지는 제빙기를 아이스슬러리 직접 순환시스템에 사용할 수 있고, 특히 대규모 축열식 아이스슬러리 직접 순환 시스템이 가능하게 할 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.

도 1은 종래 아이스슬러리 직접 순환 시스템에 대한 개략적인 구성도.
도 2 내지 도 4는 본 발명 장치의 일 실시 예에 따른 개략적인 구성도.
도 5 및 도 6은 본 발명 장치의 다른 실시 예에 따른 개략적인 구성도.
도 7 및 도 8은 본 발명 장치의 또 다른 실시 예에 따른 개략적인 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 내지 도 4는 본 발명 장치의 일 실시 예에 따른 개략적인 구성도를 나타낸 것이고, 도 5 및 도 6은 본 발명 장치의 다른 실시 예에 따른 개략적인 구성도를 나타낸 것이며, 도 7 및 도 8은 본 발명 장치의 또 다른 실시 예에 따른 개략적인 구성도.를 나타낸 것이다.

이에 따르면 본 발명 장치의 일 실시 예는,

소정용적을 갖는 탱크로 이루어진 축열조(1)와;

상기 축열조(1)의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 상부에 분사노즐(2a)들을 구비하고 상기 축열조(1)의 중간부에 설치되어 있는 축열매체 분사기(2)를 통해 분사시켜 축열조(1) 내부의 축열매체에 대한 유동량을 증가시켜 축열조 중, 상부의 얼음층을 교란시켜 주는 유동량 증가용 보조펌프(3)와;

상기 축열조(1)의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 제 1 제빙기(5) 측으로 이송시켜 주는 주 순환펌프(4)와;

0%의 IPF를 갖고 상기 주 순환펌프(4)를 통해 이송되어온 축열매체를 낮은(0-10%) IPF를 갖도록 제빙시켜 주는 제 1 제빙기(5)와;

상기 제 1 제빙기(5)의 출구와 축열조(1)의 저면 유입구(1b) 및 부스터 순환펌프(11) 사이에 설치되어 제어부(10)에서 출력되는 제어신호에 부응하여 절체되며 제 1 제빙기(5)를 통해 제빙된 후 배출되는 축열매체를 축열조(1) 또는 부하 측 열교환기(12)들에 공급시켜 주는 제 1 삼방변(8)과;

상기 제 1 제빙기(5) 및 제 1 삼방변(8)을 통해 이송되어 오는 축열매체를 수개의 부하 측 열교환기(12)로 강제 이송시켜 주는 부스터 순환펌프(11)와;

상기 축열조(1) 내의 상방부에 설치되어 부하 측 열교환기(12)들을 통과하며 열교환이 이루어져 IPF가 0%인 열매체를 귀환배관(13)을 통해 송급받아 축열조(1)의 상면에서 아이스슬러리에 균일하게 분사시켜 주는 환수 열매체 분사노즐(14);로 구성한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 유동량 증가용 보조펌프(3)와 주 순환펌프(4)의 입구와 연결되는 축열조(1)의 축열매체 취출구(1a)에는 축열매체에 포함되어 있는 아이스슬러리 중 입자가 큰 아이스슬러리가 유동량 증가용 보조펌프(3) 및 주 순환펌프(4) 측으로 배출되는 것을 방지하는 흡입 헤더(15)를 더 구비시킨 것을 특징으로 한다.

또, 상기 축열조(1)의 축열매체 취출구(1a)와 부하 측 열교환기(12)들의 입구 사이에 축열매체의 역류를 방지하는 제 1 체크밸브(16)와, 제 1 삼방변(8)이 축열조(1) 측으로 절체되어 제 1 제빙기(5)에서 제빙된 축열매체가 축열조(1) 측으로만 공급될 때 축열조(1) 내의 축열매체를 부하 측 열교환기(12)들로 직접 공급시켜 주는 축열매체 직접 공급펌프(18)를 순차적으로 부가 설치하고, 상기 제 1 삼방변(8)과 주 순환펌프(4) 사이에는 부하 측 열교환기(12)로 공급되는 축열매체의 역류를 방지하여 부하 측에 공급시켜 줄 수 있도록 하는 제 2 체크밸브(17)를 부가 설치한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 제빙기(5)의 출구와 제 1 삼방변(8)의 입구 사이에는 제 1 제빙기(5)에서 배출되는 0-10%의 IPF를 갖는 축열매체를 0-20%의 IPF를 갖는 축열매체로 제빙시켜 주는 제 2 제빙기(6)를 부가 설치한 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명 장치의 다른 실시 예는,

소정용적을 갖는 탱크로 이루어진 축열조(1)와;

상기 제 1 제빙기(5)의 출구와 축열조(1)의 저면 유입구(1b) 및 IPF 컨트롤러(7)의 일측 입구 사이에 설치되어 제어부(10)에서 출력되는 제어신호에 부응하여 절체되며 제 1 제빙기(5)를 통해 제빙된 후 배출되는 축열매체를 축열조(1) 또는 IPF 컨트롤러(7)에 공급시켜 주는 제 1 삼방변(8)과;

상기 제 1 삼방변(8)의 일측 출구와 부스터 순환펌프(11)의 입구 및 축열조(1)의 저면 유입구(1b) 사이에 설치되어 제 1 삼방변(8)을 통해 유입되는 축열매체 중 아이스슬러리의 수용액 성분을 취출하는 방식을 통해 IPF를 높여 부스터 순환펌프(11) 및 축열조(1) 측으로 공급시켜 주는 IPF 컨트롤러(7)와;

상기 IPF 컨트롤러(7)를 통해 이송되어 오는 높은(0-30%) IPF의 축열매체를 수개의 부하 측 열교환기(12)로 강제 이송시켜 주는 부스터 순환펌프(11)와;

또, 상기 제 1 제빙기(5)의 출구와 제 1 삼방변(8)의 입구 사이에는 제 1 제빙기(5)에서 배출되는 낮은(0-10%)의 IPF를 갖는 축열매체를 높은(0-20%)의 IPF를 갖는 축열매체로 제빙시켜 주는 제 2 제빙기(6)를 부가 설치한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명 장치의 또 다른 실시 예는,

소정용적을 갖는 탱크로 이루어진 축열조(1)와;

0%의 IPF를 갖고 상기 주 순환펌프(4)를 통해 이송되어온 축열매체를 낮은(0-10%)의 IPF를 갖도록 제빙시켜 주는 제 1 제빙기(5)와;

상기 제 1 제빙기(5)에서 배출되는 축열매체 중 아이스슬러리의 수용액 성분을 취출하는 방식을 통해 IPF를 높여 제 1 및 제 2 삼방변(8)(9) 측으로 공급시켜 주는 IPF 컨트롤러(7)와;

상기 IPF 컨트롤러(7)의 일측 및 타측 입구와 축열조(1)의 저면 유입구(1b) 및 부스터 순환펌프(11)의 입구 사이에 각각 설치되어 제어부(10)에서 출력되는 제어신호에 부응하여 절체되며 IPF 컨트롤러(7)를 통해 IPF가 높여진 후 배출되는 축열매체를 축열조(1) 또는 부스터 순환펌프(11)에 IPF를 조절하여 공급시켜 주는 제 1 및 제 2 삼방변(8)(9)과;

상기 제 1 및 제 2 삼방변(8)(9)의 일측 출구와 수개의 부하 측 열교환기(12) 입구 사이에 설치되어 상기 제 1 및 제 2 삼방변(8)(9)을 통해 이송되어 오는 조절된 IPF의 축열매체를 수개의 부하 측 열교환기(12)로 강제 이송시켜 주는 부스터 순환펌프(11)와;

또, 상기 제 1 제빙기(5)의 출구와 IPF 컨트롤러(7)의 입구 사이에는 제 1 제빙기(5)에서 배출되는 0-10%의 IPF를 갖는 축열매체를 0-20%의 IPF를 갖는 축열매체로 제빙시켜 IPF 컨트롤러(7)로 공급해 주는 제 2 제빙기(6)를 부가 설치한 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명 장치에 대한 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명 장치의 일 실시 예는 도 2에 도시된 바와 같이, 축열조(1)와 축열매체 분사기(2), 유동량 증가용 보조펌프(3), 주 순환펌프(4), 제 1 제빙기(5), 제 1 삼방변(8), 부스터 순환펌프(11), 부하 측 열교환기(12) 및 환수 열매체 분사노즐(14)로 이루어진 것을 주요기술 구성요소로 한다.

이때, 상기 축열조(1)는 소정용적을 갖는 탱크로 이루어진 것으로 본 발명 장치 자체에서는 부하가 적은 시간이나 심야 시간대 등에 아이스슬러리를 생산하여 일부만 소비하고 나머지는 축열조(1)에 보관하게 된다.

한편, 상기 축열조(1) 내부의 상방부에는 수개의 노즐을 구비한 환수 열매체 분사노즐(14)이 설치되어 부하 측 열교환기(12)들을 통과하며 열교환이 이루어져 IPF가 0%인 열매체가 축열조(1)의 내부에 담수된 축열매체(즉, 아이스슬러리) 중 상방부로 부상된 상태를 갖는 어름 입자층에 균일하게 분사되는 형태를 갖는다.

또 상기 축열조(1)의 중간부에서 가로방향으로는 수개의 분사노즐(2a)이 상방부를 향해 구비된 축열매체 분사기(2)가 설치된 구성을 갖는데, 이때 상기 축열매체 분사기(2)는 유동량 증가용 보조펌프(3)와 연결된 형태를 갖고 있어 상기 유동량 증가용 보조펌프(3)에 의해 축열조(1)의 저부로부터 강제로 뽑아내어 축열매체 분사기(2)의 분사노즐(2a)들을 통해 축열조(1)의 중간부에서 상방향을 향해 강하게 분사시키는 축열매체의 분사력에 의해 축열조(1) 내의 축열매체에 대한 유동량을 증가시킬 수 있어 축열조 중, 상부에 대부분 위치되는 얼음층의 교란을 통해 축열조 내의 축열매체 전체에 대한 열교환 효과를 대폭 증대(즉, 빠른 사긴 내에 축열조 내의 축열매체에 대한 온도를 낮은 온도로 평균화)시킬 수 있다.

또한, 상기 축열조(1)의 저부 일측에 형성된 축열매체 취출구(1a)의 내측(즉, 축열조의 내부)에는 흡입 헤더(15)가 설치되어 있고 외측에는 상기 축열매체 분사기(2)와 연결되는 유동량 증가용 보조펌프(3)와 함께 제 1 제빙기(5)와 연결되는 주 순환펌프(4)가 공통으로 연결된 형태를 갖고 있다.

따라서, 상기 축열조(1) 내의 축열매체가 유동량 증가용 보조펌프(3) 및 주 순환펌프(4)를 통해 각각 축열매체 분사기(2)와 제 1 제빙기(5)로 각각 송수될 때 상기 흡입 헤더(15)가 축열매체에 포함되어 있는 아이스슬러리 중 입자가 큰 아이스슬러리를 걸러주는 기능을 수행하게 되어 비교적 입자가 큰 아이스슬러리가 유동량 증가용 보조펌프(3) 및 주 순환펌프(4) 측으로 배출되지 않게 되므로 유동량 증가용 보조펌프(3) 및 주 순환펌프(4)가 비교적 큰 입자를 갖는 아이스슬러리에 의해 막히거나 고장이 나게 되는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.

또, 상기 유동량 증가용 보조펌프(3)와 주 순환펌프(4)는 전술한 바와 같이 상기 축열조(1)의 저부로부터 아이스슬러리 또는 브라인 상태의 축열매체를 강제로 뽑아내어 유동량 증가용 보조펌프(3) 및 제 1 제빙기(5) 측으로 이송시켜 주는 기능을 수행하게 된다.

또한, 상기 제 1 제빙기(5)는 0%의 IPF를 갖고 상기 축열조(1)로부터 주 순환펌프(4)를 통해 이송되어온 축열매체를 냉매와 열교환을 통해 냉각시켜 부분적으로 상변화시키는 과정을 통해 0-10%의 상대적으로 낮은 IPF를 갖도록 제빙시켜 주는 기능을 수행한다.

이때, 상기 제빙기는 본 발명 장치의 축열조(1)와 부하 측 열교환기(12)에 아이스슬러리를 공급하는 기능을 하는 것으로, 그 내부에는 압축기와 응축기 및 증발기 등을 구비함은 물론 실제로 제빙을 실시하는 제빙장치에는 구동장치 및 여기에 연결되는 스크래퍼가 구비되어 있어 열교환 시 열교환기 표면에 빙 입자가 축적되는 것을 방지하게 되며, 최근의 연구 개발에서 스크래퍼가 없는 제빙장치 구현을 위해서 여러 가지 방식이 제안되고 있으나 직접 수송에 사용할 수 있는 제빙기는 보다 까다로운 조건이 필요하며 경우에 따라서는 다량의 빙 입자가 제빙기로 유입되어도 운전에 지장이 없는 운전 특성을 갖추어야 한다.

그리고 상기 제 1 삼방변(8)은 제 1 제빙기(5)의 출구와 축열조(1)의 저면 유입구(1b) 및 부스터 순환펌프(11) 사이에 설치된 상태에서 제어부(10)에서 출력되는 제어신호에 부응하여 절체되며 제 1 제빙기(5)를 통해 제빙된 후 배출되는 축열매체를 축열조(1) 또는 부하 측 열교환기(12)들에 공급시켜 주는 기능을 수행하게 되는데, 상기 제 1 삼방변(8)은 부하가 적은 시간대에는 주로 축열조(1)로 많은 양의 아이스슬러리를 보내어 축열하고, 적은 양의 아이스슬러리를 부하 측 열교환기(12)로 순환시킨다.

이때 상기 제 1 삼방변(8)에 의해 양쪽으로 분산되는 아이스슬러리의 유량비는 축열조(1)로 귀환되는 열매체의 온도를 제어하여 제어부(10)에서 제 1 삼방변(8)의 개도를 조절하여 부하 측 열교환기(12)에 흐르는 아이스슬러리의 유속이 한계 유속 이상이 되도록 제어하여야 한다.

그런데, 상기에 있어서 부하가 너무 적어 아이스슬러리가 순환하면서 폐색이 일어나지 않은 최소 유속 이하가 부득이한 경우에는 도 2와 같이 별도의 부스터 순환펌프(11)를 이용하여 IPF가 0%인 축열매체를 부하 측 열교환기(12)로 순환시키는 방식을 사용하거나, 도 5 내지 도 8과 같이 IPF 컨트롤러(7)에서 추출한 브라인을 부하 측 열교환기(12)로 보내는 등 여러 가지 방법으로 브라인만을 부하 측 열교환기(12)로 보낼 수 있도록 한다.

경우에 따라서는 축열조(1)로 아이스슬러리를 공급하는 아이스슬러리 공급관측의 배관 중간부에 정유량 밸브를 설치하여 일정량 이상의 아이스슬러리가 부하 측 열교환기(12)로 순환하도록 하여야 하며, 부하 측 열교환기(12)의 배관 저항이 클 경우 이를 보상하기 위한 부스터 순환펌프(11)을 부하 측 배관 중간에 설치할 수 있다.

이와 같은 부스터 순환펌프(11)는 제 1 제빙기(5) 및 제 1 삼방변(8)을 통해 이송되어 오는 0-30% IPF의 축열매체를 수개의 부하 측 열교환기(12)로 강제 이송시켜 주는 기능을 수행하게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에서는 도 3과 같이 상기 축열조(1)의 축열매체 취출구(1a)와 부하 측 열교환기(12)들의 입구 사이에 제 1 체크밸브(16)와 축열매체 직접 공급펌프(18)를 순차적으로 부가 설치하여, 제 1 삼방변(8)이 축열조(1) 측으로 절체되어 제 1 제빙기(5)에서 제빙된 축열매체가 축열조(1) 측으로만 공급될 때 또는 축열조(1) 내의 축열매체 온도가 원하는 온도를 가질 경우 축열매체 자체를 제 1 제빙기(5)를 거치지 않고 직접 부하 측 열교환기(12)들에 공급시켜 줄 수 있도록 하되, 축열조(1) 내의 축열매체를 부하 측 열교환기(12)에 직접 공급시켜 주고자 할 때에는 제 1 체크밸브(16)를 통해 역류를 방지해야 하며, 축열매체 직접 공급펌프(18)를 통해 축열조(1) 내의 축열매체를 부하 측 열교환기(12)들로 직접 공급시켜 주면된다.

뿐만 아니라, 본 발명의 일 실시 예에서는 상기 제 1 삼방변(8)과 주 순환펌프(4) 사이에도 제 2 체크밸브(17)를 설치하여 주 순환펌프(4)와 제 1 제빙기(5) 및 제 1 삼방변(8)을 통해 이송되어 오는 축열매체를 부스터 순환펌프(11)를 통해 부하 측 열교환기(12)들에 강제로 공급할 때 공급할 때 순환펌프 흡입구로 재순환하지 않도록 역류를 방지하여 공급할 수 있도록 하여야 한다.

상기와 같이 부하 측 열교환기(12)들의 입구 측에 부스터 순환펌프(11)와 축열매체 직접 공급펌프(18)를 동시에 설치하는 이유는, 부하 측 변동이 심하고 축열과 부하 운전이 동시에 이루어지는 시간이 길며 동시 운전 시 부하의 크기가 매우 적어 아이스슬러리 폐색이 우려될 경우 저 부하 시에는 아이스슬러리를 보내지 않고 축열조(1)에서 취출한 브라인을 직접 부하로 보내기 위한 것으로, 상기 부스터 순환펌프(11)는 저 부하 시 순환을 위한 펌프로 주 순환펌프(4)와 동시에 가동시킬 수도 있고 별도로 가동할 수도 있다.

또, 본 발명의 일 실시 예에서는 도 4와 같이 상기 제 1 제빙기(5)의 출구와 제 1 삼방변(8)의 입구 사이에 제 2 제빙기(6)를 더 설치하여 제 1 제빙기(5)에서 배출되는 낮은(0-10%) IPF를 갖는 축열매체를 제 1 삼방변(8)으로 직접 공급시키지 않고 상기 제 2 제빙기(6)를 통해 0-20%의 고 IPF를 갖는 축열매체로 냉매와 열교환을 통해 냉각시켜 추가적으로 상변화시키는 과정을 통해 재차 제빙시켜 공급할 수 있도록 함으로써 상기 부하 측 열교환기(12)에 보다 높은 IPF(빙분율)을 갖는 축열매체를 공급함으로써 냉열 수송량을 증가시켜 부하에 대응할 수 있도록 하게 된다.

뿐만 아니라 비록 도시는 생략하였으나 부하 측의 부하에 따라 제 2 제빙기(5) 이외에도 다수의 제빙기(예를 들어 제 3 및 제 4 제빙기)를 동일한 방식으로 추가 설치하여 사용할 수도 있다.

한편, 본 발명 장치의 다른 실시 예는 도 5에 도시된 바와 같이, 축열조(1)와 축열매체 분사기(2), 유동량 증가용 보조펌프(3), 주 순환펌프(4), 제 1 제빙기(5), 제 1 삼방변(8), IPF 컨트롤러(7), 부스터 순환펌프(11), 부하 측 열교환기(12) 및 환수 열매체 분사노즐(14)로 이루어진 것을 주요기술 구성요소로 한다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명 장치의 다른 실시 예는 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시 예의 모든 구성요소에 IPF 컨트롤러(7)를 부가 설치한 구성과 동일한 것이므로 일 실시 예에서 설명된 구성요소들의 작동관계는 중복된 설명을 피하기 위해 생략하고, IPF 컨트롤러(7)에 대한 작동관계만을 설명하기로 한다.

상기에 있어서 IPF 컨트롤러(7)는 제 1 삼방변(8)의 일측 출구와 부스터 순환펌프(11)의 입구 및 축열조(1)의 저면 유입구(1b) 사이에 설치된 상태에서 제 1 삼방변(8)을 통해 유입되는 축열매체 중 아이스슬러리의 수용액 성분을 취출하는 방식을 통해 IPF를 높여 부스터 순환펌프(11) 및 축열조(1) 측으로 공급시켜 주는 기능을 수행하게 된다.

이로써 추가적인 제빙기에 의하지 않고서 1개의 제빙기로 IPF를 조절하며 부하 측 열교환기(12)들의 부하를 대응할 수 있는데, 이 때 바람직하기로는 부하 측에 일정한 압력으로 아이스슬러리를 보낼 수 있도록 펌프 용량을 가변화하여 IPF 0%인 축열매체의 상당부분이 축열조(1)로 귀환되도록 하는 방식을 통해 부족해진 부하 측으로의 아이스슬러리 순환량을 확보하는 것이 좋다.

이때, 상기 IPF 컨트롤러(7)는 한 개의 유입구와 두 개의 출구를 갖는 구조로써 그 내부에 부하 측 열교환기(12)로 얼음입자가 흐르도록 일측 출구에는 메쉬 또는 라인 필터형의 분리장치를 설치하고, 중력 혹은 원심력 등을 이용하여 축열조(1)로 귀환하는 타측 출구로는 브라인만 빠져나가도록 하고 있는데, 실제 사용조건에서는 IPF 컨트롤러(7)가 연속적으로 작동하여도 문제가 발생하지 않도록 하는 부대장치가 필요하나, 자세한 내용에 대해서 여기서는 생략하기로 한다.

다만 아이스슬러리를 포함한 모든 유체는 흐르기 쉬운 유로를 우선적으로 선택하므로 분리 과정에서 아이스슬러리 측 유량보다 브라인 측 유량이 심하게 변할 수 있어 부하 측 열교환기(12)에 충분한 유량 공급이 불가능하게 될 수 있는데, 이를 방ㄹ지하기 위해서 전술한 바와 같이 축열부 측 배관에 정유량 조절밸브 등을 부착하거나 부하 측 열교환기에 추가적인 펌프 등을 설치할 필요가 있을 수 있다.

또, 본 발명의 다른 실시 예에서도 도 6과 같이 상기 제 1 제빙기(5)의 출구와 제 1 삼방변(8)의 입구 사이에 제 2 제빙기(6)를 더 설치하여 제 1 제빙기(5)에서 배출되는 낮은(0-10%) IPF를 갖는 축열매체를 제 1 삼방변(8)으로 직접 공급시키지 않고 상기 제 2 제빙기(6)를 통해 높은(0-20%) IPF를 갖는 축열매체로 냉매와 열교환을 통해 냉각시켜 부분적으로 상변화시키는 과정을 통해 재차 제빙시켜 공급할 수 있도록 함으로써 상기 부하 측 열교환기(12)에 보다 높은 IPF(빙분율)를 갖는 축열매체를 공급할 수 있으므로 냉열 수송량을 증가시켜 부하에 대응할 수 있도록 하게 된다.

한편, 본 발명 장치의 또 다른 실시 예는 도 7에 도시된 바와 같이, 축열조(1)와 축열매체 분사기(2), 유동량 증가용 보조펌프(3), 주 순환펌프(4), 제 1 제빙기(5), IPF 컨트롤러(7), 제 1 및 제 2 삼방변(9), 부스터 순환펌프(11), 부하 측 열교환기(12) 및 환수 열매체 분사노즐(14)로 이루어진 것을 주요기술 구성요소로 한다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명 장치의 또 다른 실시 예는 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시 예의 모든 구성요소에 IPF 컨트롤러(7)를 부가 설치하되, 삼방변은 일 실시 예와 달리 2개 즉, 제 1 및 제 2 삼방변(8)(9)으로 구분하여 설치한 형태를 갖는 것이므로 일 실시 예에서 설명된 구성요소들의 작동관계는 중복된 설명을 피하기 위해 생략하고, IPF 컨트롤러(7)와 제 1 및 제 2 삼방변(8)(9)에 대한 작동관계만을 설명하기로 한다.

상기에 있어서 IPF 컨트롤러(7)는 한 개의 유입구와 두 개의 출구를 갖고 제 1 제빙기(5)의 출구와 제 1 및 제 2 삼방변(8)(9)의 일측 입구 사이에 설치된 상태에서 상기 제 1 제빙기(5)에서 배출되는 낮은(0-10%) IPF 축열매체에서 아이스슬러리의 수용액 성분을 취출하는 방식을 통해 IPF를 높여 제 1 및 제 2 삼방변(8)(9) 측으로 분기 공급시켜 주는 기능을 수행하게 된다.

또, 상기 제 1 및 제 2 삼방변(8)(9)은 IPF 컨트롤러(7)의 일측 및 타측 입구와 축열조(1)의 저면 유입구(1b) 및 부스터 순환펌프(11)의 입구 사이에 각각 설치된 상태에서 제어부(10)에서 출력되는 제어신호에 부응하여 절체되며 IPF 컨트롤러(7)를 통해 IPF가 높여진 후 배출되는 축열매체를 축열조(1) 또는 부스터 순환펌프(11)에 동시에 공급시켜 주는 기능을 수행하게 된다.

이 때, 상기 제 1 및 제 2 삼방변(8)(9)은 서로 연관하여 작동함으로써 부하 측 열교환기(12)의 제어신호에 의하여 부하에서 필요한 IPF의 축열매체를 혼합하여 보낼 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에서도 도 8과 같이 상기 제 1 제빙기(5)의 출구와 IPF 컨트롤러(7)의 입구 사이에 제 2 제빙기(6)를 더 설치하여 제 1 제빙기(5)에서 배출되는 낮은(0-10%) IPF를 갖는 축열매체를 제 1 삼방변(8)으로 직접 공급시키지 않고 상기 제 2 제빙기(6)를 통해 높은(0-20%) IPF를 갖는 축열매체로 냉매와 열교환을 통해 냉각시켜 부분적으로 상변화시키는 과정을 통해 재차 제빙시거나, 또는 도시 생략된 제 3 및 제 4 제빙기 등을 통해 충분한 IPF의 축열매체로 상변환시킨 후 제 1 및 제 2 삼방변(8)(9)을 통해 축열조(1) 측과 부하 측 열교환기(12) 측으로 동시에 공급할 수 있도록 함으로써 상기 부하 측 열교환기(12)에서 보다 높은 IPF(빙분율)을 갖는 축열매체를 공급할 수 있으므로 냉열 수송량을 증가시켜 부하에 대응할 수 있게 된다.

이와 같이 제 1 및 제 2 제빙기(5)(6)를 설치하여 사용하는 시스템 제어는 축열 위주 운전이 필요할 때와, 부하 대응 운전이 필요할 때 또는 부하 운전과 축열 운전이 동시에 필요할 경우(즉, 동시운전 시) 모두에 대응할 수 있도록 하기 위한 것으로, 이렇게 제 1 및 제 2 제빙기(5)(6)를 설치하여 사용할 경우 각 운전 모드 상의 전환이 원만하게 이루질 수 있게 된다.

한편, 일반적으로 사용되는 빙 축열 시스템은 주로 주간에만 부하가 집중되고 야간에는 축열 위주로 운전을 하게 되나, 아이스슬러리를 사용하는 용도의 부하는 이러한 부하패턴을 갖는 경우도 있고, 이와 달리 24시간 부하가 있으며 야간에 부하가 적고 주간에 부하가 큰 특성을 갖는 경우가 많다.

여기서 축열과 관련된 부분에 대한 제어는 상기한 실시 예 모두에서 축열조(1) 혹은 축열조에서 추출되는 아이스슬러리 또는 브라인의 온도(T1)를 감지하여 현재 축열조의 축열 량을 파악할 수 있으므로 이를 이용하여 제어하는 것이 편리하다.

이는 축열조 내부에 빙 입자가 많아지면 얼지 않고 남아있는 브라인의 농도가 높아지며 연속적인 냉각과 부하 측의 부하에 의한 축열조 내부 온도 변화가 무시할 수 있는 고 IPF 상태에서 높아진 농도에 대응하는 아이스슬러리의 빙점 온도로 축열조 내부의 온도가 낮아지므로 축열조 하부 또는 출구의 브라인 온도를 측정하여 축열조 내부 IPF를 추정할 수 있으며, 이로써 축열조의 충분한 축열이 완성된 것을 확인할 수 있다.

다만 축열조에 높은 온도로 귀환하는 브라인의 양이 상당할 경우 축열조에서 충분한 열교환이 이루어지지 못할 수 있으며, 이때는 브라인의 온도는 실제의 빙점온도보다 상당히 높은 값을 가질 수 있으므로 제어 설정 시 이를 감안하여 오차를 줄여야 한다.

또, 부하 측 열교환기(12)의 부하 발생 및 변동에 대응하는 제어는 부하 부분의 용량에 따라 귀환되는 아이스슬러리 또는 브라인의 온도(T2)가 달라지므로 부하 측에서 귀환하는 브라인 온도를 이용하여 공급하는 아이스슬러리의 IPF를 제어하거나, 브라인을 공급하거나 하는 것이 타당한데, 이때 부하의 변동 형태가 사용조건에 따라 달라지므로 이에 적합한 제어를 위해서는 특별히 많은 주의가 필요하며, 특히 부하의 크기가 커지거나 축열 량으로 이후 부하시간에 대응하는 것이 어렵다는 판단이 있을 경우 필요한 동시 운전의 제어는 큰 주의가 필요하다.

일반적인 축열 설비에서는 주,야간의 에너지 비용이 다른 점을 이용하기 위하여 심야 시간에는 축열 운전을 주로 하고, 주간에는 축열과 부하 운전을 동시에 하며, 부하의 크기에 따라 부하 운전 및 동시 운전을 선택할 수 있게 하고 있다.

따라서, 현재의 시간에 구애받지 않고 운전 모드를 부하의 크기에 의하여 제어하는 방법을 주로 적용하고 있으나, 아이스슬러리 설비의 경우 이러한 경우 이외에 축열 시간인 심야에도 부하가 존재하는 경우가 많으므로 주간의 동시 운전 조건과 심야 시간의 동시 운전 조건에 대해 구분되는 제어를 할 수 있어야 한다.

이는 주간의 동시 운전 조건은 큰 부하가 필요하거나 예상되는 시간에 하므로 아이스슬러리를 순환하는 것이 필요하며, 또 IPF를 높일 필요가 있으나 야간의 축열 중의 심야부하는 그 크기가 적은 것이 일반적이므로 이때의 부하 측 배관에 아이스슬러리를 순환시키는 것은 정유량의 경우 낭비가 되며 변유량의 경우 폐색의 원인이 될 수 있으므로 반드시 다른 순환 대책이 필요하다.

본 발명에서는 이에 대응하기 위하여 별도의 저 부하 용 순환펌프(도 3의 18)를 두거나 IPF 컨트롤러에서 브라인만을 추출하여 순환시킬 수 있는 배관(도 7 및 도 8에서 2개의 삼방변 이용)을 갖도록 하였다.

이를 위해서 제어에 필수적인 장치로 24시간 타이머를 두어 현재시간을 구분하여 제어에 사용해야 한다. 즉 동시 운전이 필요한 경우에 현재의 시간이 축열이 필요한 심야 시간일 경우에는 저부하 순환 루프를 사용하며, 현재의 시간이 축열보다 부하운전이 필요한 시간대에는 주 순환 루프를 이용하여 순환시키도록 해야 한다.

실제 운전에서는 축열은 운전모드와 구분이 운전되는 장비 가동보다 축열조에서 추출되는 온도와 부하 측에서 귀환하는 열매체의 온도차이에 의하여 이루어지므로 T2가 T1 + 제빙기 온도 강하 + 배관 손실 온도 차보다 클 경우 부하 운전 모드가 되며, 이보다 적을 경우는 축열 모드가 된다.

축열 모드에서 T1의 온도가 축열 완료 설정 온도보다 높으면 제빙기를 가동하도록 하며, 축열 완료 설정 온도보다 낮으면 제빙기의 가동이 멈추도록 한다.

일단 축열 완료 온도에 이르고 나면 부하 또는 외부로부터의 열 침입에 의하여 축열완료 온도보다 상승하더라도 일정 기간 동안은 축열 운전이 반복적으로 이루어지지 않도록 제한하도록 하여야 한다.

축열시간대의 부분 부하는 이러한 제어를 까다롭게 하므로 부하 특성에 적절한 제어시스템 보완이 필요하며, T1의 온도 검출구를 축열조 내부로 하고 검출부위의 충분한 교반 등에 의한 정확한 IPF 대응 온도 값을 나타내도록 하는 것도 보완의 한 방법이며, 별도의 IPF 측정장치를 축열조 내부에 두는 것도 한 방법일 수 있다.

또한, 부하 운전 모드에서는 부하의 크기에 따라 공급하는 매체의 양을 조절하거나 IPF를 조절할 필요가 있는데, 이때 IPF의 조절은 배관 중의 IPF 측정장치를 사용하여 현 부하상태를 고려한 제빙기 작동 신호에 의하여 제어를 하는 방법을 사용할 수 있으나, IPF 측정장치의 구조가 복잡하며 정확성이 떨어지는 점을 고려하여 T2로써 현재의 부하를 파악하고, T2를 일정 온도로 제어하는 방식을 통해 IPF를 제어하며, 장비 가동 신호를 주는 것이 쉬운 제어 방법이 된다.

저 부하 운전에서는 매체의 순환량이 클 필요가 없으므로 적은 양의 매체만 필요하고 T2가 낮아지므로 T2의 온도가 낮아질 경우 제빙기를 순차적으로 가동 중지하며, T2가 높아질 경우 제빙기를 순차적으로 가동함으로써 부하에 대응할 수 있다.

상술한 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

1 : 축열조
1a : 축열매체 취출구 1b : 유입구
2 : 축열매체 분사기 2a : 분사노즐
3 : 유동량 증가용 보조펌프 4 : 주 순환펌프
5, 6 : 제 1 및 제 2 제빙기 7 : IPF 컨트롤러
8, 9 : 제 1 및 제 2 삼방변 10 : 제어부
11 : 부스터 순환펌프 12 : 부하 측 열교환기
13 : 귀환배관 14 : 환수 열매체 분사노즐
15 : 흡입 헤더 16, 17 : 제 1 및 제 2 체크밸브
18 : 축열매체 직접 공급펌프

Claims

소정용적을 갖는 탱크로 이루어진 축열조와;
상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 상부에 분사노즐들을 구비하고 상기 축열조의 중간부에 설치되어 있는 축열매체 분사기를 통해 분사시켜 축열조 내부의 축열매체에 대한 유동량을 증가시켜 축열조 중, 상부의 얼음층을 교란시킬 수 있도록 하는 유동량 증가용 보조펌프와;
상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 제 1 제빙기 측으로 이송시켜 주는 주 순환펌프와;
0%의 IPF를 갖고 상기 주 순환펌프를 통해 이송되어온 축열매체를 0-10%의 IPF를 갖도록 제빙시켜 주는 제 1 제빙기와;
상기 제 1 제빙기의 출구와 축열조의 저면 유입구 및 부스터 순환펌프 사이에 설치되어 제어부에서 출력되는 제어신호에 부응하여 절체되며 제 1 제빙기를 통해 제빙된 후 배출되는 축열매체를 축열조 또는 부하 측 열교환기들에 공급시켜 주는 제 1 삼방변과;
상기 제 1 제빙기 및 제 1 삼방변을 통해 이송되어 오는 축열매체를 수개의 부하 측 열교환기로 강제 이송시켜 주는 부스터 순환펌프와;
상기 축열조 내의 상방부에 설치되어 부하 측 열교환기들을 통과하며 열교환이 이루어져 IPF가 0%인 열매체를 귀환배관을 통해 송급받아 축열조의 상면에서 아이스슬러리에 균일하게 분사시켜 주는 환수 열매체 분사노즐;로 구성한 것을 특징으로 하는 기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치.
청구항 1에 있어서,
상기 축열조의 축열매체 취출구와 부하 측 열교환기들의 입구 사이에 축열매체의 역류를 방지하는 제 1 체크밸브와, 제 1 삼방변이 축열조 측으로 절체되어 제 1 제빙기에서 제빙된 축열매체가 축열조 측으로만 공급될 때 축열조 내의 축열매체를 부하 측 열교환기들로 직접 공급시켜 주는 축열매체 직접 공급펌프를 부가 설치하고, 상기 제 1 삼방변과 주 순환펌프 사이에 부하 측 열교환기로 공급되는 축열매체의 역류를 방지하는 제 2 체크밸브를 부가 설치한 것을 특징으로 하는 기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제 1 제빙기의 출구와 제 1 삼방변의 입구 사이에는 제 1 제빙기에서 배출되는 0-10%의 IPF를 갖는 축열매체를 0-20%의 IPF를 갖는 축열매체로 제빙시켜 주는 제 2 제빙기를 부가 설치한 것을 특징으로 하는 기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치.
소정용적을 갖는 탱크로 이루어진 축열조와;
상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 상부에 분사노즐들을 구비하고 상기 축열조의 중간부에 설치되어 있는 축열매체 분사기를 통해 분사시켜 축열조 내부의 축열매체에 대한 유동량을 증가시켜 축열조 중, 상부의 얼음층을 교란시킬 수 있도록 하는 유동량 증가용 보조펌프와;
상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 제 1 제빙기 측으로 이송시켜 주는 주 순환펌프와;
0%의 IPF를 갖고 상기 주 순환펌프를 통해 이송되어온 축열매체를 0-10%의 IPF를 갖도록 제빙시켜 주는 제 1 제빙기와;
상기 제 1 제빙기의 출구와 축열조의 저면 유입구 및 IPF 컨트롤러의 일측 입구 사이에 설치되어 제어부에서 출력되는 제어신호에 부응하여 절체되며 제 1 제빙기를 통해 제빙된 후 배출되는 축열매체를 축열조 또는 IPF 컨트롤러에 공급시켜 주는 제 1 삼방변과;
상기 제 1 삼방변의 일측 출구와 부스터 순환펌프의 입구 및 축열조의 저면 유입구 사이에 설치되어 제 1 삼방변을 통해 유입되는 축열매체 중 아이스슬러리의 수용액 성분을 취출하는 방식을 통해 IPF를 높여 부스터 순환펌프 및 축열조 측으로 공급시켜 주는 IPF 컨트롤러와;
상기 IPF 컨트롤러를 통해 이송되어 오는 0-20% IPF의 축열매체를 수개의 부하 측 열교환기로 강제 이송시켜 주는 부스터 순환펌프와;
상기 축열조 내의 상방부에 설치되어 부하 측 열교환기들을 통과하며 열교환이 이루어져 IPF가 0%인 열매체를 귀환배관을 통해 송급받아 축열조의 상면에서 아이스슬러리에 균일하게 분사시켜 주는 환수 열매체 분사노즐;로 구성한 것을 특징으로 하는 기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치.
청구항 4에 있어서,
상기 제 1 제빙기의 출구와 제 1 삼방변의 입구 사이에는 제 1 제빙기에서 배출되는 0-10%의 IPF를 갖는 축열매체를 0-20%의 IPF를 갖는 축열매체로 제빙시켜 주는 제 2 제빙기를 부가 설치한 것을 특징으로 하는 기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치.
소정용적을 갖는 탱크로 이루어진 축열조와;
상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 상부에 분사노즐들을 구비하고 상기 축열조의 중간부에 설치되어 있는 축열매체 분사기를 통해 분사시켜 축열조 내부의 축열매체에 대한 유동량을 증가시켜 축열조 중, 상부의 얼음층을 교란시킬 수 있도록 하는 유동량 증가용 보조펌프와;
상기 축열조의 저부로부터 축열매체를 뽑아내어 제 1 제빙기 측으로 이송시켜 주는 주 순환펌프와;
0%의 IPF를 갖고 상기 주 순환펌프를 통해 이송되어온 축열매체를 0-10%의 IPF를 갖도록 제빙시켜 주는 제 1 제빙기와;
상기 제 1 제빙기에서 배출되는 축열매체 중 아이스슬러리의 수용액 성분을 취출하는 방식을 통해 IPF를 높여 제 1 및 제 2 삼방변 측으로 공급시켜 주는 IPF 컨트롤러와;
상기 IPF 컨트롤러의 일측 및 타측 입구와 축열조의 저면 유입구 및 부스터 순환펌프의 입구 사이에 각각 설치되어 제어부에서 출력되는 제어신호에 부응하여 절체되며 IPF 컨트롤러를 통해 IPF가 높여진 후 배출되는 축열매체를 축열조 또는 부스터 순환펌프에 공급시켜 주는 제 1 및 제 2 삼방변과;
상기 제 1 및 제 2 삼방변의 일측 출구와 수개의 부하 측 열교환기 입구 사이에 설치되어 상기 제 1 및 제 2 삼방변을 통해 이송되어 오는 0-20% IPF의 축열매체를 수개의 부하 측 열교환기로 강제 이송시켜 주는 부스터 순환펌프와;
상기 축열조 내의 상방부에 설치되어 부하 측 열교환기들을 통과하며 열교환이 이루어져 IPF가 0%인 열매체를 귀환배관을 통해 송급받아 축열조의 상면에서 아이스슬러리에 균일하게 분사시켜 주는 환수 열매체 분사노즐;로 구성한 것을 특징으로 하는 기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치.
청구항 6에 있어서,
상기 제 1 제빙기의 출구와 IPF 컨트롤러의 입구 사이에는 제 1 제빙기에서 배출되는 0-10%의 IPF를 갖는 축열매체를 0-20%의 IPF를 갖는 축열매체로 제빙시켜 IPF 컨트롤러로 공급해 주는 제 2 제빙기를 부가 설치한 것을 특징으로 하는 기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치.
청구항 1 또는 청구항 4 또는 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유동량 증가용 보조펌프와 주 순환펌프의 입구와 연결되는 축열조의 축열매체 취출구에는 축열매체에 포함되어 있는 아이스슬러리 중 입자가 큰 아이스슬러리가 유동량 증가용 보조펌프 및 주 순환펌프 측으로 배출되는 것을 방지하는 흡입 헤더를 더 구비시킨 것을 특징으로 하는 기계적 교반장치를 사용하지 않는 축열식 아이스슬러리 직접 순환 냉각장치.