KR101176571B1 - 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템에 관한 것으로, 2개의 히트펌프 사이클의 냉매를 직접적으로 열교환시켜 열교환효율을 높임과 아울러 압축기의 무리한 구동을 이용하지 않으면서 적은 열원으로 적정 온도의 온수를 생산함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템은, 1차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제1압축기(110), 상기 제1압축기에 의해 압축된 1차 냉매를 응축하는 제1응축기(120), 상기 제1응축기에 의해 응축된 1차 냉매를 감압하는 제1팽창밸브(130), 상기 제1팽창밸브에 의해 감압된 1차 냉매를 증발하는 제1증발기(140)로 이루어진 1차 히트펌프 사이클과; 2차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제2압축기(210), 상기 제2압축기에 의해 압축된 2차 냉매를 응축하는 제2응축기(220), 상기 제2응축기에 의해 응축된 2차 냉매를 감압하는 제2팽창밸브(230), 상기 제2팽창밸브에 의해 감압된 2차 냉매를 증발하는 제2증발기(240)로 이루어진 2차 히트펌프 사이클과; 상기 1차 히트펌프 사이클의 제1응축기를 흐르는 1차 냉매와 상기 2차 히트펌프 사이클의 제2증발기를 통과하는 2차 냉매를 열교환시키는 제1열교환기(300)와; 상기 1차 히트펌프 사이클의 제1응축기에서 토출된 1차 냉매 중 일부 냉매를 감압하는 제3팽창밸브(410), 상기 제3팽창밸브에 의해 감압된 1차 냉매를 상기 제1압축기에 복귀시키는 동시에 상기 2차 히트펌프 사이클의 제2응축기에서 토출되는 2차 냉매를 상기 1차 냉매와 열교환시켜 상기 제1열교환기에 공급되도록 하는 제2열교환기(400)를 포함한다.

Description

2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템{HOT WATER GENERATING SYSTEM USING 2 STEP HEAT PUMP CYCLES}
본 발명은 온수 생산 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2개의 히트펌프 사이클의 냉매를 직접적으로 열교환시켜 열교환효율을 높임과 아울러 압축기의 무리한 구동을 이용하지 않으면서 적은 열원으로 적정 온도의 온수를 생산할 수 있는 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 히트펌프 시스템은, 기본적으로 냉방 사이클과 난방 사이클을 동일한 유닛 안에 내장하여 냉각, 가열이 겸용으로 이루어지며, 한 대의 유닛으로 하절기에는 냉방 사이클에 의해 냉방을 수행하고, 동절기에는 역사이클로 전환시켜 난방 및 급탕을 수행하는 시스템이다.
종래 기술에 의한 히트펌프 시스템은 냉매가스를 고온 고압으로 압축시키는 압축기와, 공기와 열교환 하기 위한 공기측열교환기와, 실내 냉, 난방 공간을 순환하는 물과 열교환하기 위한 냉온수열교환기와, 순환하는 물을 급탕하는 급탕열교환기와, 냉, 난방 모드별로 압축기로부터 토출되는 냉매의 흐름 방향을 공기측열교환기 또는 냉온수열교환기, 급탕열교환기로 전환시키는 전자4방밸브와, 각 열교환기로부터 토출된 냉매액을 저온 저압으로 팽창시키며 냉, 난방 모드에 따라 선택적으로 작동하는 냉난방팽창밸브와, 기체상태의 냉매를 압축기로 송출하고, 액체 상태의 냉매는 증발시킨 후, 압축기로 보내지는 액분리기, 그리고 냉매를 일시 저장함과 아울러 냉매액에 함유된 미응축 냉매나 불응축 가스를 분리하여 액체상태의 냉매를 냉난방팽창밸브측으로 보내는 수액기로 이루어진다.
이와 같은 종래의 히트펌프 시스템에서 냉방을 위한 운전 사이클은, 압축기에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스가 전자4방밸브를 통해 공기측열교환기로 보내지고, 공기측열교환기에서 외부 공기에 의해 열을 빼앗기면서 응축된다. 공기측열교환기에서 응축된 냉매액은 냉난방팽창밸브를 통과하면서 저온 저압 상태로 팽창된 다음 냉온수열교환기로 유입된다. 냉온수열교환기에는 실내의 부하측을 순환한 물이 입수관을 통해 유입되어 흐르고 있으므로, 냉온수열교환기에 유입된 냉매는 물의 열원을 받아 증발되어 저온저압의 냉매 가스로 상변화 한다. 이 과정에서 냉온수열교환기를 흐르는 물을 대략 7℃로 냉각시키게 되고, 냉각된 물은 출수관을 통하여 실내의 필요한 곳으로 보내어져 실내를 냉방하게 된다.
여기서 냉온수열교환기에서 증발된 냉매 가스는, 전자4방밸브를 통해 액분리기로 유입되어 기, 액분리된 후 기체 상태로 압축기로 귀환됨으로써 냉방사이클이 완료된다.
그리고 종래의 난방 운전 사이클은, 압축기에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 전자4방밸브를 통해 냉온수열교환기로 보내져서 냉온수열교환기를 흐르는 입구 수온을 대략 45℃의 온수를 만들어 실내 난방에 사용된다. 이 과정에서 냉매 가스는 응축되어 냉매액으로 상변화되고, 냉온수열교환기를 나온 냉매액은 전자4방밸브를 통하여 수액기로 유입된 후 액체 상태로 냉난방팽창밸브로 유입되어 저온 저압으로 팽창된다. 냉난방팽창밸브를 지난 냉매액은 공기측열교환기로 유입되어서 외부 공기의 열원을 흡수하면서 증발하게 되고, 증발된 냉매 가스는 전자4방밸브를 통해 액분리기를 거쳐 압축기로 귀환됨으로써 난방 사이클이 완료된다.
한편, 급탕은, 난방의 운전 사이클에서 고온 고압의 냉매 가스가 전자4방밸브를 통해 냉온수열교환기가 아닌 급탕열교환기로 보내짐으로써, 20℃ 내외의 입구 수온을 승온시켜 대략 70℃ 이하의 급탕이 이루어지게 된다.
그런데, 이와 같은 종래의 히트펌프 시스템은 냉수와 온수를 병행하여 토출하는 시스템으로써, 고온수의 공급에 많은 문제점을 가지고 있었다. 즉, 온수의 온도를 대략 50℃ 이상의 고온으로 높이기 위해서는 압축기를 장시간 가동하여야 하기 때문에 효율적인 측면과 아울러 압축기에 무리를 주게 되며, 압축기와 증발기 사이의 배관에 성에가 끼는 결빙 현상이 생기게 되었다. 따라서 종래에는 고온수를 공급하기 위해서는 별도의 보조 히터를 설치하여야 하는 등의 비효율적인 측면이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2개의 히트펌프 사이클냉매를 직접적으로 열교환시켜 열교환효율을 높임과 아울러 압축기의 무리한 구동을 이용하지 않으면서 적은 열원으로 적정 온도의 온수를 생산할 수 있는 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템은, 1차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제1압축기, 상기 제1압축기에 의해 압축된 1차 냉매를 응축하는 제1응축기, 상기 제1응축기에 의해 응축된 1차 냉매를 감압하는 제1팽창밸브, 상기 제1팽창밸브에 의해 감압된 1차 냉매를 증발하는 제1증발기로 이루어진 1차 히트펌프 사이클과; 2차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제2압축기, 상기 제2압축기에 의해 압축된 2차 냉매를 응축하는 제2응축기, 상기 제2응축기에 의해 응축된 2차 냉매를 감압하는 제2팽창밸브, 상기 제2팽창밸브에 의해 감압된 2차 냉매를 증발하는 제2증발기로 이루어진 2차 히트펌프 사이클과; 상기 1차 히트펌프 사이클의 제1응축기를 흐르는 1차 냉매와 상기 2차 히트펌프 사이클의 제2증발기를 통과하는 2차 냉매를 열교환시키는 제1열교환기와; 상기 1차 히트펌프 사이클의 제1응축기에서 토출된 1차 냉매 중 일부 냉매를 감압하는 제3팽창밸브, 상기 제3팽창밸브에 의해 감압된 1차 냉매를 상기 제1압축기에 복귀시키는 동시에 상기 2차 히트펌프 사이클의 제2응축기에서 토출되는 2차 냉매를 상기 1차 냉매와 열교환시켜 상기 제1열교환기에 공급되도록 하는 제2열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템에 의하면, 1단 히트펌프 사이클을 통해 원수(또는 공기)로부터 열을 회수하고, 2단 히트펌프 사이클의 냉매와 1단 히트펌프 사이클의 냉매를 직접 열교환시켜 공급수를 가열함으로써 각각의 히트펌프 사이클의 압축기를 무리하게 구동하지 않아도 원하는 출력을 얻을 수 있으므로 소비전력을 줄일 수 있고 비용을 절감할 수 있고, 2차 냉매를 1차 냉매의 일부와 열교환시켜 2차 증발기에 공급되는 2차 냉매의 온도를 낮춤으로써 효율을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템의 다른 예시도.
도 1에서 보이는 것처럼, 본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산시스템은, 1차 히트펌프 사이클(100) 및 1차 히트펌프 시스템(100)과 열교환을 통하여 온수를 생산하는 2차 히트펌프 사이클(200)로 이루어진다.
1차 히트펌프 사이클(100)은, 1차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제1압축기(110), 제1압축기(110)에 의해 압축된 1차 냉매를 응축하는 제1응축기(120), 제1응축기(120)에 의해 응축된 1차 냉매를 감압하는 제1팽창밸브(130), 제1팽창밸브(130)에 의해 감압된 1차 냉매를 증발하는 제1증발기(140)로 이루어진다.
제1증발기(140)를 통과하는 1차 냉매는 공랭식, 수랭식 등으로 증발한다.
2차 히트펌프 사이클(200)은 2차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제2압축기(210), 제2압축기(210)에 의해 압축된 2차 냉매를 응축하는 제2응축기(220), 제2응축기(220)에 의해 응축된 2차 냉매를 감압하는 제2팽창밸브(230), 제2팽창밸브(230)에 의해 감압된 2차 냉매를 증발하는 제2증발기(240)로 이루어진다.
2차 히트펌프 사이클(200)의 제2증발기(240)를 통과하는 2차 냉매는 1차 히트펌프 사이클(100)의 제1응축기(120)를 통과하는 1차 냉매와 열교환한다.
여기서 1차 냉매와 2차 냉매는 별도의 매개체를 사용하지 않고 직접적으로 열교환되도록 제1열교환기(300)를 통해 이루어진다. 즉, 제1열교환기(300)는 서로 구획된 2개의 유로를 갖는 것으로, 어느 하나의 유로에는 1차 냉매가 순환하고 다른 하나의 유로에는 2차 냉매가 흐르게 된다. 1차 냉매가 흐르는 유로는 1차 히트펌프 사이클(100)의 제1응축기(120)이며 2차 냉매가 흐르는 유로는 2차 히트펌프 사이클(200)의 제2증발기(240)인 것이다.
이와 같이 1차 냉매와 2차 냉매가 직접 열교환함으로써 열손실을 극소화할 수 있다.
2차 히트펌프 사이클(200)의 제2응축기(220)를 흐르는 2차 냉매는 온수탱크(1)에 저장되는 물을 가열하여 온수를 생산한다.
온수는 2차 히트펌프 사이클(200)의 2차 냉매의 온도에 따라 온도가 달라질 것이며, 제2증발기(240)에 유입되는 2차 냉매의 온도를 낮추어 증발효율을 향상함으로써 제2응축기(220)를 통과하는 2차 냉매의 온도를 높일 수 있도록 제2열교환기(400)가 포함된다.
제2열교환기(400)는 2차 히트펌프 사이클(200)의 제2응축기(220)에서 토출된 2차 냉매의 온도를 낮추는 것으로, 2차 냉매의 온도를 낮추기 위한 열교환매체로 1차 히트펌프 사이클(100)의 1차 냉매를 선택하였다.
물론, 2차 냉매의 온도를 낮추는 열교환매체는 1차 냉매 이외에 다른 것도 가능하지만, 1차 히트펌프 사이클(100)의 1차 냉매의 온도를 낮춰 증발을 통해 제1압축기(110)에 복귀시킴으로써 제1증발기(140)의 부하를 경감하여 1차 히트펌프 사이클의 효율도 증가할 수 있도록 하기 위함이다.
제2열교환기(400)는 1차 히트펌프 사이클(100)의 제1응축기(120)와 제1팽창밸브(130)의 사이와 제1압축기(110)의 복귀포트에 연결되고, 2차 히트펌프 사이클(200)의 제2응축기(220)와 제2팽창밸브(230)의 사이에 연결된다.
즉, 제1응축기(120)에서 토출되는 1차 냉매는 제1팽창밸브(130)와 제3팽창밸브(410)로 분할된다. 제1팽창밸브(130)와 제3팽창밸브(410)의 입구측에 배관되는 파이프의 단면적을 달리함으로써 1차 냉매의 분할을 조절할 수 있다.
도 2에서 보이는 바와 같이, 제2열교환기(400)는 필요시에만 가동하도록 제1,2밸브(500,600)에 의해 개폐될 수 있다.
제1,2밸브(500,600)는 각각 3way 밸브로서, 제1밸브(500)는 제1응축기(120)에서 토출된 1차 냉매 모두가 제1팽창밸브(130)에 공급되거나 일부의 1차 냉매가 제3팽창밸브(410)에 공급되도록 하며, 제2밸브(600)는 제2응축기(220)에서 토출된 2차 냉매를 제2팽창밸브(230) 또는 제2열교환기(400)에 공급하도록 유로를 형성한다.
제1,2밸브(500,600)는 수동 조작에 의해 유로를 전환할 수도 있고, 제2응축기(220)에서 토출되는 2차 냉매의 온도를 근거로 하여 자동으로 작동될 수도 있다. 자동의 경우 온도센서(510)와 컨트롤러(520)가 갖추어지며, 예를 들어, 제2응축기(220)에서 토출되는 2차 냉매의 적정온도를 60℃라 할 때 2차 냉매의 온도가 60℃ 이상이면 제1,2밸브(500,600)는 1,2차 냉매가 제2열교환기(400)에서 열교환되도록 유로를 형성하고, 2차 냉매의 온도가 60℃이하이면 1,2차 냉매가 제2열교환기(400)를 거치지 않도록 한다.
본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템의 작용은 다음과 같다.
1차 냉매는 1차 히트펌프 사이클(100)의 제1압축기(110) - 제1응축기(120) - 제1팽창밸브(130) - 제1증발기(140) - 제1압축기(110)를 연속 순환하면서 상변화된다.
2차 냉매는 2차 히트펌프 사이클(200)의 제2압축기(210) - 제2응축기(220) - 제2팽창밸브(230) - 제2증발기(240) - 제2압축기(210)를 연속 순환하면서 상변화된다.
이와 같이 1차/2차 히트펌프 사이클(100,200)이 가동하는 중에 1차 히트펌프 사이클(100)의 제1증발기(140)를 통과하는 1차 냉매는 외부 공기, 원수와 열교환한다.
외부 공기나 원수와 열교환된 1차 냉매는 제1압축기(110)를 거쳐 제1응축기(120)를 통과하게 되며, 이때, 제1응축기(120)를 흐르는 1차 냉매는 2차 히트펌프 사이클(200)의 제2증발기(240)를 통과하는 2차 냉매와 열교환하게 된다. 즉, 1차 냉매와 2차 냉매는 제1열교환기(300)를 통과하면서 서로 열교환되어 1차 냉매는 응축되고 2차 냉매는 증발된다.
1차 냉매와 열교환된 2차 냉매는 제2압축기(210)를 거쳐 제2응축기(220)를 통과하게 된다. 2차 응축기(220)를 흐르는 2차 냉매는 공급수와 열교환하여 응축되며, 공급수는 가열되어 온수가 생산된다.
이하, 본 발명에 의한 작용을 구체적으로 설명하면, 제1응축기(120)에서 토출된 1차 냉매는 제1,3팽창밸브(130,410)로 분할되어, 일부 1차 냉매는 제1팽창밸브(130) - 제1증발기(140) - 제1압축기(110)를 순환하고 나머지 1차 냉매는 제3팽창밸브(410)를 통해 감압된 후 제2열교환기(400)에 공급된다.
한편, 제2응축기(220)에서 토출된 2차 냉매는 제2열교환기(400)를 통과하면서 제2열교환기(400)를 흐르는 1차 냉매와 열교환된 후 제2팽창밸브(230)에 공급된다. 이 과정에서 2차 냉매는 1차 냉매에 열을 빼앗겨 온도가 낮아지고 따라서, 제2팽창밸브(230)에 의한 감압과 제2증발기(240)에 의한 증발율이 높아지게 되고, 결과적으로 제2응축기(220)에 의한 응축효율이 향상되어 온수의 온도를 더욱 높일 수 있다.
제1,2밸브(500,600)가 적용된 경우 제2응축기(220)에서 토출되는 2차 냉매의 온도가 설정 온도보다 낮으면 제2밸브(600)에 의해 제2응축기(220)와 제2팽창밸브(230)가 연결되고, 제1밸브(500)에 의해 제1응축기(120)와 제1팽창밸브(130)만 연결되고, 반대로 2차 냉매의 온도가 설정온도보다 높으면 제2밸브(600)에 의해 제2응축기(220)와 제2열교환기(400)가 연결되고 제1밸브(500)에 의해 제1응축기(120)와 제1,3팽창밸브(130,410)가 연결된다.
100,200 : 제1,2히트펌프 사이클, 110,210 : 제1,2압축기
120,220 : 제1,2응축기, 130,230,410 : 제1,2,3팽창밸브
140,240 : 제1,2증발기, 300,400 : 제1,2열교환기
500,600 : 제1,2밸브, 510 : 온도센서
520 : 컨트롤러,

Claims (3)

1차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제1압축기(110), 상기 제1압축기에 의해 압축된 1차 냉매를 응축하는 제1응축기(120), 상기 제1응축기에 의해 응축된 1차 냉매를 감압하는 제1팽창밸브(130), 상기 제1팽창밸브에 의해 감압된 1차 냉매를 증발하는 제1증발기(140)로 이루어진 1차 히트펌프 사이클과;
2차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제2압축기(210), 상기 제2압축기에 의해 압축된 2차 냉매를 응축하는 제2응축기(220), 상기 제2응축기에 의해 응축된 2차 냉매를 감압하는 제2팽창밸브(230), 상기 제2팽창밸브에 의해 감압된 2차 냉매를 증발하는 제2증발기(240)로 이루어진 2차 히트펌프 사이클과;
상기 1차 히트펌프 사이클의 제1응축기를 흐르는 1차 냉매와 상기 2차 히트펌프 사이클의 제2증발기를 통과하는 2차 냉매를 열교환시키는 제1열교환기(300)와;
상기 1차 히트펌프 사이클의 제1응축기에서 토출된 1차 냉매 중 일부 냉매를 감압하는 제3팽창밸브(410)와;
상기 제3팽창밸브에 의해 감압된 1차 냉매를 상기 제1압축기에 복귀시키는 동시에 상기 2차 히트펌프 사이클의 제2응축기에서 토출되는 2차 냉매를 상기 1차 냉매와 열교환시켜 상기 제1열교환기에 공급되도록 하는 제2열교환기(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 제1응축기에서 토출된 1차 냉매가 상기 제1팽창밸브(130)에 공급되거나 상기 제1,3팽창밸브(130,410)로 분할되도록 유로를 전환하는 제1밸브(500), 2차 냉매가 상기 2차 히트펌프 사이클의 제2응축기에서 토출된 후 상기 2차 히트펌프 사이클의 제2팽창밸브(230) 또는 제2열교환기(400) 중 어느 하나로 흐르도록 유로를 전환하는 제2밸브(600)가 포함된 것을 특징으로 하는 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템.
청구항 2에 있어서, 상기 2차 히트펌프 사이클의 제2응축기에서 토출되는 제2냉매의 온도를 측정하는 온도센서(510)와; 상기 온도센서의 감지 값을 근거로 하여 상기 제1,2밸브를 제어하는 컨트롤러(520)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템.
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