KR101151630B1 - 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간편하고 성능이 우수한 세척수단을 통해 효율적인 폐열 재활용 증발열교환기가 구비된 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치를 제공하기 위하여, 압축기, 응축기, 및 모세관과 냉매배관을 매개로 연결되어 히트펌핑작용을 수행하는 히트펌프의 증발장치에 있어서, 가열된 폐수가 저장되며 상기 증발열교환기가 내측에 배치되도록 구비되는 폐수조; 상기 폐수조 하부에 배치되어 상기 폐수를 흡입하는 흡입배관부; 상기 흡입배관부와 연결되어 상기 폐수를 상측으로 펌핑하는 순환펌프; 및 상기 폐수조 상부에 배치되어 상기 순환펌프에서 펌핑된 폐수를 상기 증발열교환기를 향해 분사하여 세척하는 분사토출배관부를 포함하여 이루어지는 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치를 제공한다.

Description

폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치{evaporating apparatus of heat pump for recycling waste heat}

본 발명은 히트펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 효율적인 폐열 재활용 증발열교환기가 구비된 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치에 관한 것이다.

일반적으로, 유체는 액상에서 기상으로 내지 그 반대방향으로 상변화하는 과정에서 잠열을 흡수하거나 방출하는데, 이러한 유체의 상변화 과정을 이용하여 열을 효율적으로 일측에서 타측으로 수송할 수 있다. 이를 위한, 냉동공조장치는 증발열교환기 및 응축기에서 냉매의 증발 내지 응축 과정에서 잠열(Latent heat)을 흡수하거나 방출하여 열량의 이동을 통하여 대상공간을 냉각 내지 가열 작용을 수행하는 장치이다.

도 1은 일반적인 냉동공조장치로서 히트펌프의 블록도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 상기 히트펌프는 압축기(8)에서 압축된 냉매가 응축기(4)에서 응축되면서 상대적으로 큰 열량(Q)을 대상공간으로 방출하며, 이후 냉매가 순환하여 모세관(2)에서 팽창된 후 증발기(6)에서 증발되면서 열(q)을 흡수하는 기능을 수행한다. 한편, 목욕탕 등과 같이 가열된 물을 폐수로서 지속적으로 방출하는 시설에서는 에너지 절감을 위하여 상기 가열된 물의 폐열을 회수하려는 시도가 이루어져 왔다.

이를 위해, 상기 증발기(6)는 일정온도 이상으로 가열되어 버려지는 폐수가 저장되는 폐수조(9) 내에 구비된다. 따라서, 상기 증발기의 내부를 흐르는 냉매는 상기 폐수의 열량(q)을 흡수하여 재활용함으로써 에너지 효율을 개선할 수 있다.

그러나, 상기 폐수에 함유된 이물질 등이 상기 증발기의 표면에 말착되어 열전달성능을 저하시키는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위하여, 종래에는 상기 폐수조의 하측으로부터 공기방울을 공급하여 상기 이물질 찌꺼기를 털어내는 방식을 시도하였으나, 상기 공기방울이 폐수 속의 비누 내지 샴푸 성분과 화학작용을 일으켜 상기 증발기를 이루는 동파이프에 반응하여 부식속도가 증가되어 전체적인 내구성을 저하시킬 뿐만 아니라 이물질 제거효율이 낮은 문제점이 있었다.

이로 인해, 주기적으로 상기 폐수조를 비우고 수작업으로 상기 증발기를 세척하여 청소하는 작업을 요하므로 유지보수를 위한 작업으로 인한 사용상 불편함이 있었다. 더욱이, 상기 폐수에 공기를 투입하는 경우 상기 폐수를 지나온 공기가 외부로 배출되어 악취를 유발하는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하여 본 발명은 간편하고 성능이 우수한 세척수단을 통해 효율적인 폐열 재활용 증발열교환기가 구비된 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치를 제공하는 것을 해결과제로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 압축기, 응축기, 및 모세관과 냉매배관을 매개로 연결되어 히트펌핑작용을 수행하는 히트펌프의 증발장치에 있어서, 가열된 폐수가 저장되며 증발열교환기가 내측에 배치되되, 상부 일측에는 상기 폐수가 유입되는 유입구가 구비되며, 하단부 일측에는 상기 폐수가 선택적으로 배출되도록 개폐하는 제어밸브가 연결되는 유출구가 구비되는 폐수조; 상기 증발열교환기의 하면부에 대향하여 상호 병렬로 배치되는 복수개의 흡입관을 포함하되, 상기 각 흡입관에는 상기 증발열교환기의 하면부에 대향하여 분산 배치되어 상기 폐수가 흡입되는 복수개의 흡입홀이 형성되는 흡입배관부; 상기 흡입배관부와 연결되어 상기 폐수를 상측으로 펌핑하는 순환펌프; 상기 폐수조 상부에 배치되어 상기 순환펌프에서 펌핑된 폐수를 상기 증발열교환기를 향해 분사하여 세척하도록, 상기 펌핑된 폐수를 상기 증발열교환기를 기준으로 양측으로 분지하여 안내하는 분지관과, 상기 각 분지관의 단부에 연결되어 상기 증발열교환기의 양측면을 따라 연장 배치되되 상기 폐수를 분사하도록 복수개의 분사공이 형성된 연장관을 포함하되, 상기 폐수의 분사각도가 소정범위를 이루도록, 상기 분사공은 상기 연장관의 원주방향을 따라 복수개 형성되는 분사토출배관부; 상기 폐수조의 내측에 상기 폐수의 수위를 감지하도록 구비된 수위계; 및 상기 순환되는 폐수가 상기 분사공을 통하여 상기 증발열교환기의 외면에 직접 분사되어 이물질을 세척하도록, 상기 제어밸브의 개방시 상기 순환펌프가 구동되고 상기 수위계에 의해 감지된 수위가 상기 증발열교환기의 하단부 이하인 경우 상기 제어밸브 폐쇄되도록 상기 순환펌프 및 상기 제어밸브를 제어하는 제어부를 포함하는 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치를 제공한다.

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본 발명의 상기의 해결 수단을 통해서 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 제어부에 의해 상기 제어밸브 및 순환펌프의 조작이 자동으로 제어되어 폐수가 외부로 배출되면서 순환되는 폐수가 증발열교환기의 외면에 직접 분사됨으로써 증발열교환기 외면의 이물질을 깨끗이 제거하여, 이후 상기 히트펌프의 구동시 증발열교환기에서의 폐열회수성능을 개선하여 전체적으로 히트펌프의 효율을 현저히 개선할 수 있으며, 외부의 공기가 유입되지 않으므로 악취 등의 발생 우려를 제거할 수 있다.

둘째, 상기 제어부는 상기 폐수조의 수위가 찬 상태에서 주기적으로 상기 순환펌프를 구동하여 순환세척 작용을 수행할 수 있다. 이때, 상기 폐수조 내의 횡단면적 상에서 넓게 확산 분포되는 복수개의 흡입홀을 통해 폐수가 흡입되어 순환되므로 순환 과정에서 폐수가 증발열교환기의 가장자리 부분까지 골고루 접촉되어 세척작용이 수행될 수 있다.

셋째, 상기 제어부 또는 타이머에 의해 상기 제어밸브 및 순환펌프의 조작이 자동으로 제어되어 폐수의 순환펌핑을 통한 자동 세척이 가능하므로 사용 및 유지보수를 위한 편의성이 개선될 수 있다.

도 1은 일반적인 냉동공조장치로서 히트펌프의 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치 정면투영도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치 측면투영도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치의 투영사시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치 정면투영도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치 측면투영도이다.

도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치(10)는 압축기, 응축기, 및 모세관과 냉매배관을 매개로 연결되어 히트펌핑작용을 수행하도록 이루어진다. 이때, 상기 증발장치의 증발열교환기(11)는 가열된 폐수가 저장되는 폐수조(19)의 내측에 배치된다.

여기서, 상기 폐수조(19)에는 목욕탕 등에서 사용된 후 대략 20~40 ℃로 가열된 상태로 버려지는 폐수가 저장된다. 따라서, 상기 가열된 폐수의 열량을 상기 증발열교환기(11)를 통과하여 흐르는 냉매가 열교환하도록 하여 흡수함으로써 버려지는 열량을 재활용할 수 있다.

또한, 상기 폐수와의 열교환을 통하여 증발열교환기(11)를 흐르는 냉매의 증발온도를 상승시킴으로써 압축기에서 압축되어 응축기로 흐르는 냉매의 작동온도를 80 ℃ 이상으로 유지할 수 있으며, 이를 위한 에너지 소비를 최소화할 수 있어 에너지 효율을 현저히 상승시킬 수 있다.

한편, 상기 폐수조(19) 내에 배치되는 증발열교환기(11) 표면에 누적되는 이물질을 세척하기 위하여, 본 발명에 따른 폐열회수형 히트펌프의 증방장치(10)는 흡입배관부(21), 순환펌프(30), 및 분사토출배관부(25)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 흡입배관부(21)는 상기 폐수조(19) 하부에 배치되어 상기 폐수를 흡입한다. 또한, 상기 순환펌프(30)는 상기 흡입배관부(21)와 연결되어 상기 폐수를 상측으로 펌핑하며, 상기 분사토출배관부(25)는 상기 폐수조(19) 상부에 배치되어 상기 순환펌프(30)에서 펌핑된 폐수를 상기 증발열교환기(11)를 향해 분사하여 세척한다.

상기 증발열교환기(11)는 수평하게 배치되는 복수개의 수평관과 상기 각 수평관을 연결하는 곡관을 포함하여 지그재그 방향으로 하단부로부터 유입된 냉매를 상단부로 안내하도록 수직으로 배치된 나관식 튜브가 수평방향으로 복수개의 열을 이루어 병렬로 배치된 나관식 열교환기로 이루어짐이 바람직하다. 이와 같이, 복수개의 나관식 튜브가 각각 수직으로 배치된 구조를 통해 냉매가 열전달을 통해 가열됨에 따라 상승되는 방향과 상기 나관식 튜브의 수직 배치상태가 일치되어 증발열교환기에서의 열교환 효율이 증대될 수 있다.

한편, 상기 증발열교환기(11)의 표면에는 폐수 중의 때찌꺼기 등의 이물질이 흡착될 수 있으며, 이러한 경우 열교환성능이 저하될 수 있으나, 본 발명의 일실시예에 따라 상기 순환펌프(30)에 의해 가압되어 상기 분사토출배관부(25)를 통해 분사되는 폐수에 의해 세척함으로써 상기 증발열교환기(11)의 열교환효율을 30~40 % 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 증발열교환기의 작동온도가 상승되면 상기 응축기에서 설정된 온도에 도달시키기 위해 압축기에서 냉매 압축에 소요되는 전력소모량을 감축시킬 수 있다.

상기 증발열교환기(11)를 효율적으로 세척하기 위한 상기 흡입배관부(21), 순환펌프(30), 및 분사토출배관부(25)의 구체적인 구성을 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치의 투영사시도이다.

도 4에서 보는 바와 같이, 상기 폐수조(19)의 상부 일측에는 상기 폐수가 유입되는 유입구(19a)가 구비되며, 상기 폐수조(19)의 하부 내지 하단부 일측에는 상기 폐수가 선택적으로 배출되도록 개폐하는 제어밸브(35)가 연결되는 유출구(19b)가 구비된다.

그리고, 상기 흡입배관부(21)는 상기 증발열교환기(11)의 하면부에 대향 배치되되, 상호 병렬로 배치되는 복수개의 흡입관(22)을 포함하되, 상기 각 흡입관(22)에는 복수개의 흡입홀(22a)이 형성됨이 바람직하다. 이를 통해, 상기 흡입홀(22a)은 상기 증발열교환기(11)의 하면부에 대향하여 분산 배치되도록 상기 폐수조 내의 횡단면적 상에서 넓게 확산되어 분포되므로, 상기 흡입홀(22a)을 통한 폐수의 흡입시 폐수는 횡단면적 상에서 균일하게 흡입될 수 있다.

이와 같이 상기 복수개의 흡입홀(22a)을 통해 흡입되는 폐수는 상기 흡입관(22) 및 연결배관(23,24)을 경유하여 흡입안내관(31)을 통해 순환펌프(30)로 전달된 후 가압되어 토출안내관(32)을 통해 상기 분사토출배관부(25)로 공급된다.

여기서, 상기 분사토출배관부(25)는 분지관(26), 연장관(27), 그리고 분사노즐(미도시)을 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

상세히, 상기 분지관(26)은 상기 펌핑된 폐수를 상기 증발열교환기(11)를 기준으로 양측으로 분지하여 안내한다. 또한, 상기 각 분지관(26)의 단부에는 연장관(27)이 연결되되, 상기 연장관(27)은 상기 증발열교환기(11)의 양측면을 따라 연장 배치된다.

그리고, 상기 연장관(27)에는 상기 폐수가 분사되는 복수개의 분사공(27a)이 형성되되, 상기 분사공(27a)은 상기 증발열교환기(11)를 이루는 병렬 배치된 나관식 튜브(12)를 향하여 분사되도록 길이방향을 따라 소정간격을 두고 형성됨이 바람직하다. 또한, 상기 분사공(27a)은 상기 연장관(27)의 원주방향을 따라 복수개 형성되어 상기 폐수의 분사각도가 소정범위를 이루도록 하여 상기 증발열교환기(11)에 대한 상기 폐수의 접촉면적이 증대되도록 함이 바람직하다.

더욱이, 상기 각 분사공(27a)에는 분사노즐이 구비되어 분사되는 폐수가 소정 압력 이상으로 상기 나관식 튜브(12)의 외벽면에 접촉되어 이물질을 원활히 세척하도록 함이 바람직하다.

한편, 상기 폐수조(19)의 내측에는 상기 폐수의 수위를 감지하는 수위계(37)가 구비되며, 상기 제어밸브(35)의 개방시 상기 순환펌프(30)가 구동되며 상기 수위계(37)에 의해 감지된 수위가 상기 증발열교환기(11)의 하단부 이하인 경우 상기 제어밸브(35)가 폐쇄되도록, 상기 순환펌프(30) 및 상기 제어밸브(35)는 제어부 내지 타이머에 의해 작동이 제어됨이 바람직하다.

이하, 상기 순환펌프(30) 및 제어밸브(35)의 구동에 따른 자동화된 증발열교환기의 세척과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 폐수조(19) 내에 폐수의 수위가 상기 증발열교환기(11)의 상단 이상으로 유지된 상태에서 상기 순환펌프(30)가 작동되면, 상기 폐수가 하측으로 흡입되어 상측에서 토출되므로 상기 폐수조(19) 내에서는 전체적으로 폐수가 상측에서 하측으로 순환되는 유동구조를 이룬다. 이러한 순환과정에서 상기 증발열교환기(11)의 표면에 부착된 이물질은 부분적으로 제거될 수 있다.

이때, 상기 폐수조(19) 내의 횡단면적 상에서 넓게 확산 분포되는 복수개의 흡입홀(22a)을 통해 폐수가 흡입되므로 순환되는 폐수가 증발열교환기(11)의 가장자리 부분까지 골고루 접촉되어 세척작용이 수행될 수 있으며, 외부의 공기가 유입되지 않으므로 악취 등의 발생 우려를 제거할 수 있다. 이와 같이, 상기 제어부(미도시)는 상기 폐수조(19)의 수위가 찬 상태에서 주기적으로 상기 순환펌프(30)를 구동하여 순환세척 작용을 수행하도록 설정됨이 바람직하다.

한편, 상기 폐수조(19) 내의 폐수를 배출하면서 세척작용을 수행할 수 있으며, 이러한 경우 순환되어 상기 분사공(27a)을 통해 분사되는 폐수의 압력에 의해 증발열교환기(11)에 묻은 이물질을 더욱 깨끗하게 세척할 수 있다.

상세히, 먼저 히트펌프의 구동을 정지한 후 상기 제어부에 의해 상기 제어밸브(35)가 개방되어 폐수가 외부로 배출되면, 상기 폐수조(19) 내의 수위가 하강된다. 이때, 상기 증발열교환기(11)의 상부가 폐수 외부로 노출되면 상기 순환펌프(30)가 구동되도록 제어되어 상기 분사공(27a)을 통해 분사되는 폐수가 상기 증발열교환기(11)의 외면을 깨끗이 세척할 수 있다.

이후, 상기 폐수의 수위가 증발열교환기(11)의 하단면까지 노출되는 상태가 되면 상기 순환펌프(30)의 구동이 일정시간 후 정지되도록 제어된다. 이와 같은 과정은 제어부에 의해 상기 제어밸브(35) 및 순환펌프(30)의 조작이 자동으로 제어되어 이루어지며, 순환되는 폐수가 증발열교환기(11)의 외면에 직접 분사됨으로써 증발열교환기(11) 외면의 이물질을 깨끗이 제거하여, 이후 상기 히트펌프의 구동시 증발열교환기(11)에서의 폐열회수성능을 현저히 개선하여 전체적으로 히트펌프의 효율을 개선할 수 있다.

또한, 상기 순환펌프(30) 및 제어밸브(35)의 조작을 위하여 별도의 제어부에 의해 제어하는 방식 이외에도 전원공급부에 타이머가 구비되어 각 장치의 작동이 타이머에 의해 설정된 시간에 주기적으로 구동되도록 조작될 수도 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구하는 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형 실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형 실시는 본 발명의 범위에 속한다.

10: 증발장치 11: 나관식 열교환기
12: 나관식 튜브 19: 폐수조
21: 흡입배관부 25: 분사토출배관부
30: 순환펌프 35: 제어밸브
37: 수위계

Claims (5)

1. 압축기, 응축기, 및 모세관과 냉매배관을 매개로 연결되어 히트펌핑작용을 수행하는 히트펌프의 증발장치에 있어서,
   가열된 폐수가 저장되며 증발열교환기가 내측에 배치되되, 상부 일측에는 상기 폐수가 유입되는 유입구가 구비되며, 하단부 일측에는 상기 폐수가 선택적으로 배출되도록 개폐하는 제어밸브가 연결되는 유출구가 구비되는 폐수조;
   상기 증발열교환기의 하면부에 대향하여 상호 병렬로 배치되는 복수개의 흡입관을 포함하되, 상기 각 흡입관에는 상기 증발열교환기의 하면부에 대향하여 분산 배치되어 상기 폐수가 흡입되는 복수개의 흡입홀이 형성되는 흡입배관부;
   상기 흡입배관부와 연결되어 상기 폐수를 상측으로 펌핑하는 순환펌프;
   상기 폐수조 상부에 배치되어 상기 순환펌프에서 펌핑된 폐수를 상기 증발열교환기를 향해 분사하여 세척하도록, 상기 펌핑된 폐수를 상기 증발열교환기를 기준으로 양측으로 분지하여 안내하는 분지관과, 상기 각 분지관의 단부에 연결되어 상기 증발열교환기의 양측면을 따라 연장 배치되되 상기 폐수를 분사하도록 복수개의 분사공이 형성된 연장관을 포함하되, 상기 폐수의 분사각도가 소정범위를 이루도록, 상기 분사공은 상기 연장관의 원주방향을 따라 복수개 형성되는 분사토출배관부;
   상기 폐수조의 내측에 상기 폐수의 수위를 감지하도록 구비된 수위계; 및
   상기 순환되는 폐수가 상기 분사공을 통하여 상기 증발열교환기의 외면에 직접 분사되어 이물질을 세척하도록, 상기 제어밸브의 개방시 상기 순환펌프가 구동되고 상기 수위계에 의해 감지된 수위가 상기 증발열교환기의 하단부 이하인 경우 상기 제어밸브 폐쇄되도록 상기 순환펌프 및 상기 제어밸브를 제어하는 제어부를 포함하는 폐열회수형 히트펌프의 폐수순환 자동세척식 증발장치.
   
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