KR101214209B1 - 응축열을 이용한 가열 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 응축열을 이용한 가열시스템에 관한 것으로, 이를 위해 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기로 구성되어 일련의 폐회로를 구성하고, 냉매의 응축잠열과 열교환되어 상수를 온수로 전환시킬 수 있도록 상기 응축기의 방열관을 내입시켜 구성되는 제 1폐열회수기를 포함하는 냉동사이클에 있어서, 상기 압축기에서 토출되는 냉매의 응축현열을 회수할 수 있도록 응축기와 압축기의 사이에 배치되는 제 2폐열회수기;와, 상기 제 1폐열회수기의 온수가 제 2폐열회수기의 내부로 공급되어 응축현열과 열교환 될 수 있도록 상기 제 1폐열회수기와 제 2폐열회수기를 연결하는 온수연결라인; 및 상기 제 2폐열회수기에서 배출되는 온수를 공급받아 가열하여 스팀화시키는 가열수단;을 포함하여 이루어지되, 상기 제 1폐열회수기는 상수공급라인을 통해 상수가 공급되고, 상기 제 2폐열회수기는 온수연결라인을 통해 제 1폐열회수기의 온수를 공급받아 온수배출라인을 통해 상기 가열수단에 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

응축열을 이용한 가열 시스템{HITING SYSTEM USING HEAT OF CONDENSATION}
본 발명은 응축열을 이용한 가열 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 응축기 내부의 응축잠열과, 압축기에서 토출시 버려지는 응축현열을 회수하여 피대상물을 가열할 수 있는 열원으로 사용할 수 있도록 구성된 응축열을 이용한 가열 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 냉동사이클은 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기로 구성된다.
냉동사이클 구성부의 각 기능은, 증발기에서 증발을 일으키고 증발기를 통과하여 열을 흡수한 냉매가스는 압축기로 유입되고 압축된 고온, 고압의 냉매가스는응축기로 유입되며, 응축기로 유입된 냉매가스는 응축기를 통하는 응축매체(물 또는 공기)로부터 열을 흡수하여 고온, 고압가스를 액화시키며, 액화된 냉매는 팽창변를 통과하면서 응축기압력에서 증발기 압력으로 급강하되고 증발기 내에서 냉매가 증발을 일으키면서 피냉각매체를 냉각 또는 냉동시킨다. 이와 같은 냉동사이클 과정은 계속 반복하게 된다.
상기에서 응축기는 냉동사이클에서 필수적인 것으로써, 응축기를 통하여 제거되어야 될 열을 공냉식 또는 수냉식 응축으로 구별된다.
그러나 통상 응축기로부터 배출되는 응축열은 에너지 또는 열로 재사용됨이 없이 대기로 방출하여 버리는 것이 일반적이다.
근래에 들어 수냉식 응축기로부터 발생하는 폐열을 재활용하고자 하는 기술이 개발되었다.
하지만 이러한 응축기의 폐열을 이용한 기술은 포화상태의 응축잠열을 이용한 것으로 냉매측 효율은 70%정도이고, 냉매와 열교환된 온수의 전환 효율을 80%정도이다.
즉, 압축기에서 응축기로 토출되는 과정 중에 고온의 냉매에 포함된 응축현열이 대기중에 30% 정도 소실되는 문제점이 있었다.
따라서 응축기 내부의 응축잠열과, 압축기에서 토출시 버려지는 응축현열을 회수할 수 있는 기술이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 응축기 내부의 응축잠열과, 압축기에서 토출되는 응축현열을 회수할 수 있도록 응축기와 연결된 제 1폐열회수기에서 열교환된 온수를 압축기와 응축기의 사이에 배치된 제 2폐열회수기로 공급시켜 열에너지 효율을 높일 수 있는 구조의 응축열을 이용한 가열 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 제 1발명은 응축열을 이용한 가열 시스템에 관한 것으로, 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기로 구성되어 일련의 폐회로를 구성하고, 냉매의 응축잠열과 열교환되어 상수를 온수로 전환시킬 수 있도록 상기 응축기의 방열관을 내입시켜 구성되는 제 1폐열회수기를 포함하는 냉동사이클에 있어서, 상기 압축기에서 토출되는 냉매의 응축현열을 회수할 수 있도록 응축기와 압축기의 사이에 배치되는 제 2폐열회수기;와, 상기 제 1폐열회수기의 온수가 제 2폐열회수기의 내부로 공급되어 응축현열과 열교환 될 수 있도록 상기 제 1폐열회수기와 제 2폐열회수기를 연결하는 온수연결라인; 및 상기 제 2폐열회수기에서 배출되는 온수를 공급받아 가열하여 스팀화시키는 가열수단;을 포함하여 이루어지되, 상기 제 1폐열회수기는 상수공급라인을 통해 상수가 공급되고, 상기 제 2폐열회수기는 온수연결라인을 통해 제 1폐열회수기의 온수를 공급받아 온수배출라인을 통해 상기 가열수단에 연결되는 것을 특징으로 한다.
제 2발명은, 제 1발명에서, 상기 제 2폐열회수기는 압축기와 상통하는 냉매관이 연결되는 열회수탱크와, 상기 냉매관과 연결되되 상기 열회수탱크에 내부에 일측상단에 배치되는 제 1분배관와, 상기 제 1분배관의 길이방향을 따라 일정간격을 두고 배치되고 각각 냉매의 순환경로를 증대시켜 열교환이 용이하도록 지그재그 형태로 배치되는 다수의 방열관과, 상기 각 방열관이 연결되되 상기 열회수탱크의 내부 타측하단에 배치되는 제 2분배관과, 상기 열회수탱크의 양측 내벽 높이방향을 따라 상기 각 방열관의 사이 사이 마다 교차되도록 층상 배치되는 구획격판과, 온수가 구획격판을 따라 유출입될 수 있도록 상기 제 1분배관 및 제 2분배관과 대향되게 상기 열회수탱크의 전방하단 및 후방상단에 배치되는 온수유입구 및 온수유출구로 구성되되, 상기 온수유입구는 온수연결라인과 연결되고, 상기 온수유출구는 온수배출라인과 연결되는 것을 특징으로 한다.
제 3발명은, 제 1발명에서, 상기 가열수단은 스팀공급라인을 통해 피대상물을 가열한 후 냉각된 응결수를 재공급받을 수 있도록 응결수수거라인을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
제 4발명은, 제 1발명에서, 상기 압축기와 상기 제 2폐열회수기와 연결되는 냉매관에는 초기 운용시 압축기에서 토출되는 고온의 가스냉매를 응축기로 직접 토출할 수 있도록 바이패스냉매관을 더 포함하되, 상기 냉매관과 바이패스냉매관의 연결지점에는 제 3방향밸브가 구비되어 제 1폐열회수기를 통해 온수가 토출되면, 상기 3방향밸브는 바이패스냉매관을 차단하여 냉매가 제 1폐열회수기로 경유하여 응축기로 토출될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 응축열을 이용한 가열 시스템에 따르면, 응축기 내부의 응축잠열과, 압축기에서 토출되는 응축현열을 회수할 수 있도록 응축기와 연결된 제 1폐열회수기에서 열교환된 온수를 압축기와 응축기의 사이에 배치된 제 2폐열회수기로 공급시켜 별도의 열에너지로써의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 응축기의 폐열을 가열에너지로 전환하여 난방온수 또는 식품 살균 등의 용도로 사용할 수 있어 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 응축열을 이용한 가열 시스템의 구성도,
도 2는 도 1에서 발췌된 제 1폐열회수기의 구성도,
도 3는 본 발명의 따른 응축열을 이용한 가열 시스템의 냉매와 온수의 열교환을 나타내는 개념도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 응축열을 이용한 가열 시스템에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 응축열을 이용한 가열 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1에서 발췌된 제 1폐열회수기의 구성도이다.
먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 응축기(20) 내부의 응축잠열과, 압축기(10)에서 토출되는 응축현열을 회수하여 피대상물을 가열할 수 있는 열원으로 사용할 수 있도록 구성된 응축열을 이용한 가열 시스템에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 응축기(20)의 방열관을 내입시켜 구성되는 제 1폐열회수기(21)를 포함하는 냉동사이클에 있어서, 제 1폐열회수기(21)에서 열교환된 온수를 압축기(10)와 응축기(20)의 사이에 배치된 제 2폐열회수기(50)로 공급시켜 열에너지 효율을 높일 수 있도록 구성된다.
본 발명은 크게 4부분으로 구성되는데, 이는 제 1폐열회수기(21)와, 제 2폐열회수기(50)와, 온수연결라인(561) 및 가열수단(60)으로 구성된다.
먼저 일련의 제 1폐열회수기(21)는 실시간으로 상수를 공급받을 수 있도록 상수공급라인(211)이 연결되며, 상기 상수는 제 1폐열회수기(21)의 내부에 내입된 냉매관을 통해 응축잠열과 열교환됨에 따라 온수로 전환되어 배출된다.
여기서 상기 온수연결라인(561)은 상기 제 1폐열회수기(21)의 온수가 제 2폐열회수기(50)의 내부로 공급될 수 있도록 상기 제 1폐열회수기(21)와 제 2폐열회수기(50)를 연결하는 기능을 한다.
그리고 상기 제 2폐열회수기(50)는 상기 압축기(10)에서 토출되는 냉매의 응축현열을 회수할 수 있도록 응축기(20)와 압축기(10)의 사이에 배치된다.
따라서 상기 제 2폐열회수기(50)는 상기 온수연결라인(561)을 통해 제 1폐열회수기(21)에서 열교환된 온수를 공급받아 압축기(10)에서 토출되는 고온의 기상냉매와 2차로 열교환시켜 냉매의 응축현열을 회수할 수 있도록 구성된다.
한편 상기 제 2폐열회수기(50) 내의 온수는 온수배출라인(571)을 통해 최종적으로 가열수단(60)에 공급되며, 상기 가열수단(60)은 작은 열량으로 온수를 가열하여 스팀상태로 피대상물을 가열할 수 있도록 구성된다.
여기서 상기 피대상물은 보일러 난방 또는 식품 살균 등 다양한 용도로 사용될 수 있음은 물론이다.
한편 상기 가열수단(60)은 스팀공급라인(62)을 통해 피대상물을 가열한 후 냉각된 응결수를 재공급받을 수 있도록 응결수수거라인(61)을 더 포함구조이다.
이 때 상기 응결수수거라인(61)은 온수배출라인(571)과 연결되어 가열수단(60)으로 재공급될 수 있도록 구성되며, 이는 버려지는 응결수의 열원을 재사용하여 회수할 수 있도록 한 구성이다.
한편 상기 제 2폐열회수기(50)의 세부 구성은 도 2와 같다.
이러한 제 2폐열회수기(50)는 열회수탱크(51)와, 제 1분배관(52)과, 방열관(53)과, 제 2분배관(54)과, 구획격판(55)과, 온수유입구(56)와, 온수유출구(57)로 구성된다.
여기서 열회수탱크(51)는 압축기(10)와 상통하는 냉매관과 연결되어 구성된다.
그리고 상기 제 1분배관(52)은 냉매관과 연결되되 상기 열회수탱크(51)에 내부에 일측상단에 설치된다.
그리고 상기 방열관(53)은 상기 제 1분배관(52)의 길이방향을 따라 일정간격을 두고 배치되고 각각 냉매의 순환경로를 증대시켜 열교환이 용이하도록 지그재그 형태로 배치된다.(도 2의 (b)에 도시)
상기 제 2분배관(54)은 상기 각 방열관(53)과 연결되되 상기 열회수탱크(51)의 내부 타측하단에 배치되는 구조이다.
상기에서 제 1분배관(52)과 제 2분배관(54)과 방열관(53)은 상호 일체로 연결되는 구조이다.(도 2의 (b)에 도시) 이 때 압축기(10)와 연결되는 냉매관은 제 1분배관(52)과 연결되고, 상기 응축기(20)와 연결되는 냉매관은 제 2분배관(54)과 연결된다.
그리고 상기 구획격판(55)은 상기 열회수탱크(51)의 양측 내벽 높이방향을 따라 상기 각 방열관(53)의 사이 사이 마다 교차되도록 층상 배치된다.(도 2의 (C)에 도시)
아울러 온수가 유입되는 온수유입구(56)와, 온수가 배출되는 온수유출구(57)는 상기 제 1분배관(52) 및 제 2분배관(54)과 대향되게 상기 열회수탱크(51)의 전방하단 및 후방상단에 배치된다.(도 2의 (a)에 도시)
따라서 압축기(10)를 통해 배출되는 고온의 가스냉매는 제 1분배관(52)을 통해 유입되고, 방열관(53)을 거쳐 제 2분배관(54)으로 토출되고, 반대로 제 1폐열회수기(21)의 온수는 온수연결라인(561)을 통해 상기 열회수탱크(51)의 온수유입구(56)로 유입되어 각 구획격판(55)을 순환하면서 상기 방열관(53)과 열교환되어 온수유출구(57)와 연결된 온수배출라인(571)을 통해 고온수로 변환되어 배출된다.
여기서 상기 제 2폐열회수기(50)는 압축기(10)에서 토출되는 고온의 가스냉매를 응축시켜 액화시키지 않고, 다만 응축현열만을 회수하기 위한 것이다. 때문에 제 2폐열회수기(50)를 통과한 기상냉매는 현혈온도만 하강한 상태에서 포화가스 상태로 응축기(20)로 토출된다.
아울러 상기 제 2폐열회수기(50)는 고온의 가스냉매의 응축현열만을 회수하기 위한 크기로 한정하는 것이 바람직하다.
한편 본 발명은 압축기(10)와 상기 제 2폐열회수기(50)와 연결되는 냉매관에는 초기 운용시 압축기(10)에서 토출되는 고온의 가스냉매를 응축기(20)로 직접 토출할 수 있도록 바이패스냉매관(70)을 더 포함는 구조이다.
또한 상기 냉매관(P)과 바이패스냉매관(70)의 연결지점에는 제 3방향밸브(71)가 구비되어 제 1폐열회수기(21)를 통해 온수가 토출되면, 상기 3방향밸브(71)는 바이패스냉매관(70)을 차단하여 냉매가 제 1폐열회수기(21)로 경유하여 응축기(20)로 토출될 수 있도록 구성된다.
이하에서는 본 발명에 따른 응축열을 이용한 가열 시스템에 작동에 관하여 간단히 도 1를 참조하고 도 3를 첨부하여 부연 설명하기로 하며, 설명되는 온수 및 냉매의 온도를 이에 한정하지 아니하고 실시예로 이해하기 쉽게 설명하기로 한다.
도 3는 본 발명의 따른 응축열을 이용한 가열 시스템의 냉매와 온수의 열교환을 나타내는 개념도이다.
먼저 도 1와 같이, 초기 운용시 압축기(10)를 통과한 110℃ 정도의 기상냉매는 바이패스냉매관(70)를 따라 응축기(20)로 토출된다. 이 때 3방향밸브(71)는 바이패스냉매관(70)만을 개방한 상태이다.
따라서 응축기(20)로 토출되는 냉매는 바이패스냉매관(70)를 통해 현혈온도만 하강한 상태에서 70℃ 정도의 포화가스 상태로 응축기(20)로 유입된다.
응축기(20)로 유입된 포화가스 상태의 기상냉매는 제 1폐열회수기(21)를 통해 액상으로써의 상태변화에 의한 응축잠열과 열교환되어 30℃로 하강하여 액상냉매로 전환되어 팽창변(30)로 토출된다.
이 때 상기 제 1폐열회수기(21)는 상수공급라인(211)을 통해 20℃ 정도의 상수가 공급되며, 상기 상수는 70℃ 정도의 포화가스에 포함된 기상냉매의 응축잠열과 열교환되어 60℃ 정도의 온수로 전환되어 온수연결라인(561)을 통해 제 2폐열회수기(50)로 공급된다.
그리고 상기 액상의 저온냉매는 팽창변(30)과 증발기(40) 및 압축기(10)를 거쳐 다시 110℃ 정도의 기상냉매로 변환된다.
이 후 110℃ 정도의 기상냉매는 제 2폐열회수기(50)로 토출되는데, 이는 3방향밸브(71)가 바이패스냉매관(70)를 차단하고, 제 2폐열회수기(50)로 연결되는 냉매관(P)을 개방하여 가능하다.(본 발명에서 제 1폐열회수기 내부 온수의 온도를 측정하는 온도센서 및 상기 온도센서에 따라 제 3방향밸브를 제어하는 제어부가 구비될 수 있는데, 이는 일반적인 구성이므로 생략하여 설명하기로 한다)
아울러 상기 제 2폐열회수기(50)로 공급되는 110℃ 정도의 기상냉매는 초기 운용시 소실되는 현열온도를 제 1폐열회수기(21)의 온수와 열교환되게 함으로써, 60℃ 정도의 온수와 재차 열교환되어 제 2폐열회수기(50)에서 70℃ 정도의 온수로 가열하게 된다.
이 후 냉매는 제 2폐열회수기(50)를 통해 현혈온도만 하강한 상태에서 70℃ 정도의 포화가스 상태로 응축기(20)로 유입되어 일련을 과정을 거쳐 순환된다.
그리고 70℃ 정도의 제 2폐열회수기(50) 내의 온수는 온수배출라인(571)을 통해 최종적으로 가열수단(60)에 공급되며, 상기 가열수단(60)은 작은 열량으로 온수를 가열하여 스팀상태로 피대상물을 가열할 수 있도록 구성된다.
아울러 상기 가열수단(60)은 스팀공급라인(62)을 통해 피대상물을 가열한 후 냉각된 응결수를 응결수수거라인(61)을 재공급받는다.
이 때 상기 응결수수거라인(61)은 온수배출라인(571)과 연결되어 가열수단(60)으로 재공급될 수 있도록 구성되며, 이는 버려지는 응결수의 열원을 재사용하여 회수할 수 있도록 구성된다.
이상에서와 같이 본 발명은 응축기 내부의 응축잠열과, 압축기에서 토출되는 응축현열을 모두 회수하여 피대상물을 가열할 수 있는 열원으로 재사용할 수 있어 에너지를 절약할 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.
10: 압축기
20: 응축기 21: 제 1폐열회수기 211: 상수공급라인
30: 팽창변
40: 증발기
50: 제 2폐열회수기 51: 열회수탱크 52: 제 1분배관
53: 방열관 54: 제 2분배관
55: 구획격판 56: 온수유입구
561: 온수연결라인
57: 온수유출구 571: 온수배출라인
60: 가열수단 61: 응결수수거라인 62: 스팀공급라인
70: 바이패스냉매관 71: 3방향밸브
P: 냉매관

Claims (4)

  1. 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기로 구성되어 일련의 폐회로를 구성하고, 냉매의 응축잠열과 열교환되어 상수를 온수로 전환시킬 수 있도록 상기 응축기의 방열관을 내입시켜 구성되는 제 1폐열회수기를 포함하는 냉동사이클에 있어서,
    상기 압축기에서 토출되는 냉매의 응축현열을 회수할 수 있도록 응축기와 압축기의 사이에 배치되는 제 2폐열회수기;
    상기 제 1폐열회수기의 온수가 제 2폐열회수기의 내부로 공급되어 응축현열과 열교환 될 수 있도록 상기 제 1폐열회수기와 제 2폐열회수기를 연결하는 온수연결라인; 및
    상기 제 2폐열회수기에서 배출되는 온수를 공급받아 가열하여 스팀화시키는 가열수단;을 포함하여 이루어지되,
    상기 제 1폐열회수기는 상수공급라인을 통해 상수가 공급되고,
    상기 제 2폐열회수기는 온수연결라인을 통해 제 1폐열회수기의 온수를 공급받아 온수배출라인을 통해 상기 가열수단에 연결되는 것을 특징으로 하는 응축열을 이용한 가열 시스템
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2폐열회수기는 압축기와 상통하는 냉매관이 연결되는 열회수탱크와, 상기 냉매관과 연결되되 상기 열회수탱크에 내부에 일측상단에 배치되는 제 1분배관와, 상기 제 1분배관의 길이방향을 따라 일정간격을 두고 배치되고 각각 냉매의 순환경로를 증대시켜 열교환이 용이하도록 지그재그 형태로 배치되는 다수의 방열관과, 상기 각 방열관이 연결되되 상기 열회수탱크의 내부 타측하단에 배치되는 제 2분배관과, 상기 열회수탱크의 양측 내벽 높이방향을 따라 상기 각 방열관의 사이 사이 마다 교차되도록 층상 배치되는 구획격판과, 온수가 구획격판을 따라 유출입될 수 있도록 상기 제 1분배관 및 제 2분배관과 대향되게 상기 열회수탱크의 전방하단 및 후방상단에 배치되는 온수유입구 및 온수유출구로 구성되되,
    상기 온수유입구는 온수연결라인과 연결되고, 상기 온수유출구는 온수배출라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 응축열을 이용한 가열 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가열수단은 스팀공급라인을 통해 피대상물을 가열한 후 냉각된 응결수를 재공급받을 수 있도록 응결수수거라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 응축열을 이용한 가열 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 압축기와 상기 제 2폐열회수기와 연결되는 냉매관에는 초기 운용시 압축기에서 토출되는 고온의 가스냉매를 응축기로 직접 토출할 수 있도록 바이패스냉매관을 더 포함하되,
    상기 냉매관과 바이패스냉매관의 연결지점에는 제 3방향밸브가 구비되어 제 1폐열회수기를 통해 온수가 토출되면, 상기 3방향밸브는 바이패스냉매관을 차단하여 냉매가 제 1폐열회수기로 경유하여 응축기로 토출될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 응축열을 이용한 가열 시스템.
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