KR101287646B1 - 히트펌프형 공기보일러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히트펌프형 공기보일러에 관련되며, 구성에 특징을 살펴보면, 압축기(1)와 연결되어 물을 75~85도로 가열하도록 구비되는 이중관열교환기(10); 상기 이중관열교환기(10)를 통과한 가스가 주입되어 물을 50~60도로 승온하도록 구비되는 판형열교환기(20); 상기 판형열교환기(20)를 통과한 가스는 팽창변(30)과 주증발기(40)를 거쳐 압축기(1)로 회수되고, 상기 판형열교환기(20)와 이중관열교환기(10)는 연결관(50)에 의해 연결되어 물이 1차로 승온 후 2차로 급탕가열되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명은 이중관열교환기와 판형열교환기가 연결관으로 연결되어 가스와 물이 서로 반대방향으로 순환되며 1차로 승온후, 2차로 급탕가열됨에 따라 고온수가 신속하게 발생되고, 특히 급탕 온도까지 도달하는 시간이 단축되어 에너지효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

히트펌프형 공기보일러{Heat Pump type air boiler}
본 발명은 히트펌프형 공기보일러에 관련되며, 보다 상세하게는 히트펌프를 이용하여 물을 급탕가열하는 히트펌프형 공기보일러에 관한 것이다.
통상적으로 히트펌프는 가스(고압,저압)가 주변에 있는 열원을 흡수하고, 흡수된 열원을 공기나 물의 온도를 올리는 에너지로 사용하는 것으로, 주로 공기열, 지열, 폐열, 폐수열, 하천수열, 해수열 등 일정온도를 가지고 있는 열원을 그대로 채취하거나, 열교환기를 통하여 온도를 채취하여, 이를 에너지로 활용하게 된다.
그리고, 히트펌프는 주로 온수를 발생하는 보일러형태로 널리 활용되는바, 이때 온수는 입수온도와 출수온도의 편차로 인해 열교환되거나 열교환기에 입수되는 유량을 감소시켜 온도를 높이고 있지만, 온도상승에 한계가 따르고 또 80도이상의 급탕온수 생산이 불가능한 실정이다.
이에 종래에 개시된 히트펌프를 이용한 보일러를 살펴보면, 특허등록번호 제10-491787호에서 증발기를 통해 배출되는 가스와 상온수가 서로 교차되도록 형성된 다중관 구조의 열교환기를 통과할 때, 가스와 상온수를 엇갈리도록 교차시킴으로써 상온수를 고온수로 사용할 수 있도록 하고 있다.
그러나, 상기 종래기술은 히트펌프를 이용하여 고온수를 생산하기 위한 기술이나, 사용상에 있어 많은 문제점이 제기되었다.
첫째, 동절기 증발기의 적상현상으로 인해 수시로 압축기를 역구동하여 제상기능을 수행해야 하므로 히트펌프의 에너지효율이 저하되는 문제점이 따랐다.
둘째, 순환가스의 온도 및 압력변화에 대응하여 이를 안정적으로 조절하기 위한 구성이 결여됨에 따라 자칫 가스의 압력 상승으로 인해 폭발사고의 위험성이 높은 실정이다.
이에 따라 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 착안 된 것으로서, 급탕 온도까지 도달하는 시간을 단축하여 에너지효율을 높이고, 한냉지 영하기온에서 증발기의 적상현상을 방지하여 급탕온수를 안정적으로 공급하기 위한 히트펌프형 공기보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 특징은, 압축기(1)와 연결되어 물을 75~85도로 가열하도록 구비되는 이중관열교환기(10); 상기 이중관열교환기(10)를 통과한 가스가 주입되어 물을 50~60도로 승온하도록 구비되는 판형열교환기(20); 상기 판형열교환기(20)를 통과한 가스는 팽창변(30)과 주증발기(40)를 거쳐 압축기(1)로 회수되고, 상기 판형열교환기(20)와 이중관열교환기(10)는 연결관(50)에 의해 연결되어 물이 1차로 승온 후 2차로 급탕가열되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 연결관(50)상에 설치되어 판형열교환기(20)에서 이중관열교환기(10)로 이송되는 물의 양을 조절하는 워터밸브(52)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 워터밸브(52)는 팽창변(30)으로 유입되기 직전의 가스압력과 정비례하게 물의 이송량을 조절되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 판형열교환기(20)와 팽창변(30)사이에 제1삼방변(60)이 설치되고, 제1삼방변(60)의 작동에 의해 가스가 팽창변(30)으로 이송되거나, 주증발기(40)와 인접하게 설치되는 프리쿨러(62)를 거쳐 열보정 후 팽창변(30)으로 이송되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1삼방변(60)의 작동에 의해 가스의 이송방향이 판형열교환기(20)에서 팽창변(30)으로 전환시 프리쿨러(62)에 잔류하는 가스가 팽창변(30)을 거치지 않고 주증발기(40)로 공급되도록 프리쿨러(42)와 주증발기(40)가 보조관(62a)과 밸브(62b)에 의해 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 판형열교환기(20) 또는 프리쿨러(62)를 통과한 가스는 제2삼방변(70)의 작동에 의해 팽창변(30)으로 공급되거나, 보조증발기(80)를 거쳐 팽창변(30)으로 이송되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 보조증발기(80)는 주증발기(40)를 통과한 가스가 주입되는 입구(82) 및 가스가 배출되는 출구(84)가 구비되는 증발기본체(81)와, 증발기본체(81) 내부에 설치되어 제2삼방변(70)을 통하여 공급되는 가스가 이송되는 방열코일(86)이 구비되는 것을 특징으로 한다.
이상의 구성 및 작용에 의하면, 본 발명은 이중관열교환기와 판형열교환기가 연결관으로 연결되어 가스와 물이 서로 반대방향으로 순환되며 1차로 승온후, 2차로 급탕가열됨에 따라 고온수가 신속하게 발생되고, 특히 급탕 온도까지 도달하는 시간이 단축되어 에너지효율이 향상되는 효과가 있다.
또, 워터밸브에 의한 물과 가스의 열효환율을 조절하므로서 순환가스의 온도 및 압력이 설정값으로 유지되어 급탕운전이 안정적으로 이루어지는 효과가 있다.
또한, 프리쿨러에 의해 가스에서 방출되는 폐열이 증발기로 열교환(열보정)되어 한냉지 영하기온에서도 증발기의 적상현상이 방지되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 히트펌프형 공기보일러를 전체적으로 나타내는 구성도.
도 2a 내지 2b는 본 발명에 따른 히트펌프형 공기보일러의 주증발기 작동상태를 나타내는 구성도.
도 3a 내지 3b는 본 발명에 따른 히트펌프형 공기보일러의 보조증발기 작동상태를 나타내는 구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 히트펌프형 공기보일러에 관련되며, 이때 히트펌프형 공기보일러는 급탕 온도까지 도달하는 시간을 단축하여 에너지효율을 높이고, 한냉지 영하기온에서 증발기의 적상현상을 방지하여 급탕온수를 안정적으로 공급하기 위해 이중관열교환기(10), 판형열교환기(20), 팽창변(30)과 주증발기(40), 연결관(50)을 포함하여 주요구성으로 이루어진다.
본 발명에 따른 이중관열교환기(10)는 압축기(1)와 연결되어 물을 75~85도로 급탕가열하도록 구비된다. 이중관열교환기(10)는 고온고압의 가스가 이송되는 관과 물이 이송되는 관이 이중관(내관은 물순환관, 외관은 가스관)으로 형성되고, 물이 이송되는 중에 가스와 열교환되어 급탕가열된다.
이때, 이중관열교환기(10)로 유입되는 물은 후술하는 판형열교환기(20)를 거쳐 입수온도 대비 25~35도로 1차 승온된 상태로 공급됨에 따라 이중관열교환기(10)를 통과시 고온(90~100도)의 가스와 열교환되어 1차 승온 온도보다 높은 75~85도의 급탕온수를 발생하게 되고, 이때 가스 대 물의 열교환효율을 높이기 위해 이중관열교환기를 구성하는 내ㆍ외관 또는 어느 일측관을 나선형 또는 코일형태로 형성하여 열전달면적을 확장형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 판형열교환기(20)는 이중관열교환기(10)를 통과한 가스가 주입되어 물을 50~60도로 승온한다. 판형열교환기(20)는 판과 판사이에 물과 가스가 서로 교차 순환되면서 열교환되는 장치로서, 이때 판형열교환기(20)는 이중관열교환기(10)를 통과한 물이 저장되는 물탱크(T)와 연결되어 물이 순환가열된다.
이처럼, 압축기(1)에서 발생되는 가스는 이중관열교환기(10)를 거쳐 판형열교환기(20)로 이동하고, 물탱크(T)에 저장된 물은 가스의 이동방향과 반대방향 즉, 판형열교환기(20)를 통과 후 1차 승온된 상태로 연결관(50)을 통하여 이중관열교환기(10)로 이송되어 급탕온수로 가열되며, 가열된 물은 물탱크(T)로 저장되는 순환 사이클을 가진다.
그리고, 판형열교환기(20)를 통과한 가스는 팽창변(30)과 주증발기(40)를 거쳐 열에너지를 보상받은 상태로 압축기(1)로 회수되어 상기 작동을 반복 수행하게 된다.
이때, 상기 연결관(50)상에 설치되어 판형열교환기(20)에서 이중관열교환기(10)로 이송되는 물의 양을 조절하는 워터밸브(52)가 구비된다. 워터밸브(52)는 판형열교환기(20)와 이중관열교환기(10)에 의한 물의 열교환율을 조절하여 순환가스의 압력 및 온도를 안정적으로 유지하기 위한 구성으로서, 팽창변(30)으로 유입되기 직전의 가스압력(온도)와 정비례하게 물의 이송량이 조절되도록 구비된다.
즉, 순환가스의 압력 및 온도가 상승(45이상)시 워터밸브(52)가 개방되면서 유량을 증가시켜 열회수율을 높이므로 가스의 압력 및 온도가 하강하고, 이와 반대로 순환가스의 압력 및 온도가 하강(45도 이하)시 워터밸브(52)가 유량을 감소시켜 열회수율을 낮추므로 가스의 압력 및 온도가 전체적으로 상승하는 방식으로, 순환가스의 압력 및 온도가 설정값으로 유지된다.
또한, 상기 판형열교환기(20)와 팽창변(30)사이에 제1삼방변(60)이 설치되고, 제1삼방변(60)의 작동에 의해 가스가 팽창변(30)으로 이송되거나, 주증발기(40)와 인접하게 설치되는 프리쿨러(62)를 거쳐 열보정 후 팽창변(30)으로 이송되도록 구비된다. 제1삼방변(60)은 판형열교환기(20)를 통과한 가스의 온도에 따라 작동되는바, 온도가 50도이하일 경우 도 2a처럼 팽창변(30)으로 가스를 순환시키고, 50도 이상일 경우 도 2b와 같이 방열판형태의 프리쿨러(62)를 거쳐 열을 회수 후 팽창변으로 이송시킨다.
이때 프리쿨러(62)는 1개 또는 2개가 복열로 설치되고, 프리쿨러(62)에서 방출되는 열은 팬에 의해 주증발기(40)로 이동하여 동절기 재상기능을 수행함은 물론 주증발기(40)를 통과하는 가스와 열교환(열보정)되면서 폐열을 재활용하게 된다. 이에 종래와 같이 동절기 적상현상을 방지하기 위해 히트펌프를 주기적으로 역구동하여 재상기능을 수행해야 하는 작동상에 문제점이 해소되므로 불필요한 에너지소모로 인한 보일러효율이 저하현상이 방지된다.
또한, 상기 제1삼방변(60)의 작동에 의해 가스의 이송방향이 판형열교환기(20)에서 팽창변(30)으로 전환시 프리쿨러(62)에 잔류하는 가스가 팽창변(30)을 거치지 않고 주증발기(40)로 공급되도록 프리쿨러(42)와 주증발기(40)가 보조관(62a)과 밸브(62b)에 의해 연결된다. 즉 판형열교환기(20)를 통과한 가스가 프리쿨러(42)를 경유하여 이송하는 중에 가스의 온도가 50도 이하로 하강하면, 제1삼방변(60)의 작동에 의해 프리쿨러(42)측으로 가스의 이송이 단절되면서 팽창변(30)으로 가스가 이송되도록 제어되는바, 이때 프리쿨러(42)에 잔류하는 일부가스가 밸브(62b)의 작동에 의해 보조관(62a)을 타고 주증발기(40)로 공급되어 가스 온도를 승온시키는 방식으로 폐열을 활용하게 된다.
한편, 가스의 온도에 대응하여 제1삼방변(60)에 의해 프리쿨러(42)측으로 이송되는 가스가 단절되고, 팽창변(30)으로 가스가 이송되도록 설정시 프리쿨러(42)측으로 가스가 역류하는 것을 방지하기 위해 체크밸브가 구비된다.
또한, 상기 판형열교환기(20) 또는 프리쿨러(62)를 통과한 가스는 제2삼방변(70)의 작동에 의해 팽창변(30)으로 공급되거나, 보조증발기(80)를 거쳐 팽창변(30)으로 이송되도록 구비된다. 보조증발기(80)는 상기 주증발기(40)를 통과한 후에도 가스의 온도가 고온(43도이상)으로 유지시, 가스를 2차 냉각하기 위한 구성으로, 가스가 43도이하일 경우 도 3a처럼 팽창변(30)으로 이송되나, 43도이상일 경우 3b와 같이 보조증발기(80)에 의해 압축기(1)로 투입 직전의 가스와 열교환된다.
이때, 보조증발기(80)는 주증발기(40)를 통과한 가스가 주입되는 입구(82) 및 가스가 배출되는 출구(84)가 구비되는 증발기본체(81)와, 증발기본체(81) 내부에 설치되어 제2삼방변(70)을 통하여 공급되는 가스가 이송되는 방열코일(86)이 구비된다.
이에 방열코일(86)을 통과하면서 방출되는 가스의 열이 주증발기(40)를 통과한 가스와 열교환(열보정)되어 압축기(1)로 공급됨에 따라 폐열에 의해 가스가 승온되어 열효율이 향상되는 이점이 있다.
그리고, 가스의 온도에 대응하여 제2삼방변(70)에 의해 보조증발기(80)로 이송되는 가스가 단절되면서 팽창변(30)으로 가스가 이송되도록 전환시, 가스가 보조증발기(80)상으로 역류하는 것을 방지하기 위해 체크밸브가 설치된다.
한편, 제1삼방변(60)을 통과한 가스는 기체와 액체의 혼합상태로 이송되므로 수액분리기(61)를 설치하여 제2삼방변(70)으로 이송되는 가스는 액상으로 공급되도록 구비된다.
10: 이중관열교환기 20: 판형열교환기
30: 팽창변 40: 주증발기
50: 연결관

Claims (7)

  1. 압축기(1)와 연결되어 물을 75~85도로 가열하도록 구비되는 이중관열교환기(10);
    상기 이중관열교환기(10)를 통과한 가스가 주입되어 물을 50~60도로 승온하도록 구비되는 판형열교환기(20);
    상기 판형열교환기(20)를 통과한 가스는 팽창변(30)과 주증발기(40)를 거쳐 압축기(1)로 회수되고,
    상기 판형열교환기(20)와 이중관열교환기(10)는 연결관(50)에 의해 연결되어 물이 1차로 승온 후 2차로 급탕가열되도록 구비되고,
    상기 판형열교환기(20)와 팽창변(30)사이에 제1삼방변(60)이 설치되고, 제1삼방변(60)의 작동에 의해 가스가 팽창변(30)으로 이송되거나, 주증발기(40)와 인접하게 설치되는 프리쿨러(62)를 거쳐 열보정 후 팽창변(30)으로 이송되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 히트펌프형 공기보일러.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연결관(50)상에 설치되어 판형열교환기(20)에서 이중관열교환기(10)로 이송되는 물의 양을 조절하는 워터밸브(52)가 구비되는 것을 특징으로 하는 히트펌프형 공기보일러.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 워터밸브(52)는 팽창변(30)으로 유입되기 직전의 가스압력과 정비례하게 물의 이송량을 조절되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 히트펌프형 공기보일러.
  4. 삭제
  5. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1삼방변(60)의 작동에 의해 가스의 이송방향이 판형열교환기(20)에서 팽창변(30)으로 전환시 프리쿨러(62)에 잔류하는 가스가 팽창변(30)을 거치지 않고 주증발기(40)로 공급되도록 프리쿨러(42)와 주증발기(40)가 보조관(62a)과 밸브(62b)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 히트펌프형 공기보일러.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 판형열교환기(20) 또는 프리쿨러(62)를 통과한 가스는 제2삼방변(70)의 작동에 의해 팽창변(30)으로 공급되거나, 보조증발기(80)를 거쳐 팽창변(30)으로 이송되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 히트펌프형 공기보일러.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 보조증발기(80)는 주증발기(40)를 통과한 가스가 주입되는 입구(82) 및 가스가 배출되는 출구(84)가 구비되는 증발기본체(81)와, 증발기본체(81) 내부에 설치되어 제2삼방변(70)을 통하여 공급되는 가스가 이송되는 방열코일(86)이 구비되는 것을 특징으로 하는 히트펌프형 공기보일러.
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