KR101421497B1

KR101421497B1 - 스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치

Info

Publication number: KR101421497B1
Application number: KR1020130114268A
Authority: KR
Inventors: 전제호
Original assignee: 에스피앤지 주식회사
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-07-22

Abstract

본 발명은 스크류식 공기압축기의 압축공기 생산과정에서 폐열을 회수하여 온수 등의 다양한 열원으로 이용할 수 있도록 한 스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치에 있어서 오일의 냉각기능을 충실히 수행하면서 폐열회수가 이루어지도록 한 것으로, 본 발명은 필터(1)를 통해 스크류(3)내로 유입된 공기가 압축되고 세퍼레이터베셀(5)내에서 압축공기와 오일로 각각 분리되어 압축공기를 생산하는 스크류식 공기압축기와, 상기 세퍼레이터베셀(5)의 메인압력밸브(6)를 통해 배출되는 고온 압축공기를 냉각하는 1차열교환기(7)와, 상기 세퍼레이터베셀(5) 하부에서 썸머스타트 밸브(13)를 통해 배출되는 고온 오일을 냉각하는 2차열교환기(8)로 이루어진 스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치에 있어서, 상기 1차열교환기(7)의 1차회수관(71)과 저장탱크(10)에는 공급관(12)사이에 온도검지센서(16)와 2방향밸브(17)를 설치한 공급관(12)을 연결하여 1차열교환기(7)에서 열교환된 열교환수의 온도가 오일의 냉각온도 보다 높을 경우에 공급관(12)을 통해 저장탱크(10)에 공급할 수 있게 하고, 상기 공급관(12)의 2방향밸브(17)에는 2차열교환기(8)의 2차회수관(81)을 연결하여 열교환수의 온도가 오일의 냉각온도 보다 낮을 경우에 2차회수관(81)으로 공급하여 오일과 열교환될 수 있게 하며, 상기 2방향밸브(17)와 2차회수관(81) 사이에는 냉수를 공급하는 냉수공급관(18)을 연결한 것에 요지가 있다.

Description

스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치{TWO STAGE HEAT EXCHANGER FOR THE SCREW TYPE AIR COMPRESSOR}

본 발명은 스크류식 공기압축기의 압축공기 생산과정 중에 버려지는 폐열을 회수하여 온수로 사용하거나 열 매체로 사용하여 난방 및 히터펌프, 실외기 보조열원, 냉난기 등의 다양한 열원으로 이용할 수 있도록 한 스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치에 관한 것으로, 본 발명의 특징은 고온 오일의 냉각기능을 충실히 수행하면서 폐열회수가 이루어질 수 있도록 한 스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치에 관한 것이다.

대용량 스크류식 공기압축기는 대부분 전력을 이용하여 압축공기를 생산하고 있으나 압축공기로 변환되는 동력(공기압 출력)은 10~15%이며 나머지 85~90%는 단열 압축과정에서 열로 변환되어 외부로 버려지는 등 다량의 에너지를 소모한다.

즉, 대기압의 공기를 압축하는 과정에서 대략 80~100℃의 고온으로 압축된 압축공기와 순환 오일은 냉각을 위해 쿨링장치로 냉각시키는 데 이러한 냉각과정은 다량의 열에너지 소모를 요구할 뿐만 아니라 별도의 동력(스크류 압축 구동동력의 10%이상의)으로 냉각장치를 구동시킴으로써 필연적으로 추가 에너지가 소모된다.

이하에 스크류식 공기압축기의 작동원리를 통해 스크류식 공기압축기의 열 손실 등에 대해 구체적으로 살펴본다. 도 1은 스크류 공기압축기의 구조도이다.

필터①로 대기압의 공기가 흡입되어 필터링되고 필터링된 공기는 밸브②를 통해 스크류③로 투입된다. 또 다른 경로인 오일⑪은 여러 경로를 거쳐 냉각되어 스톱밸브⑮를 통해 스크류③내로 유입되고 유입된 오일은 스크류③내 기밀, 세정, 윤활, 열흡수 등의 활동을 한다. 밸브②는 세퍼레이터 베셀(Seperator Vessel)⑤에서 압력을 감지하여 콤프레샤 콘트롤러에서 설정된 압력에서 개폐되어 필터①로부터 대기압의 공기를 흡입/중지하여 스크류③의 압축공기 생산을 진행/대기(중지)시킨다.

스톱밸브⑮는 세퍼레이터 베셀⑤의 압력을 받아 오일을 공급하며 장비 정지 시 스크류③ 내 압력이 일정압 이하(약 4Bar)가 되면 스톱(체크밸브) 되도록 하여 역류를 방지하고 세퍼레이터 베셀⑤의 압력을 일정압으로 유지한다.

상기 스크류③는 2개의 나선형 스크류가 꼬면서 회전하면 공기가 압축되어 공기의 압축력으로 체크밸브④를 밀어서 압축된 공기와 오일이 혼합(오일포함, 80~100℃)되어 통과하여 세퍼레이터 베셀⑤ 상부로부터 내부로 선회하면서 투입되고 세퍼레이터 베셀⑤ 내에서 가벼운 공기는 상부로, 무거운 오일은 하부로 각각 분리되어 공기는 상부로 배출되고 오일은 하부에 고이게 된다.

세퍼레이터 베셀⑤의 하부⑪에 고인 오일은 썸머스타트 밸브⑬에서 온도가 높으면(예: 40℃) 오일쿨러(Fan Motor구동)⑫로 보내지게 되며, 상기 오일은 냉각되어 필터⑭를 거쳐 스톱밸브⑮를 통해 스크류③로 투입되는 사이클을 반복한다.

상기 과정에서 오일의 온도가 낮으면(40℃이하) 오일쿨러⑫ 통과없이 바이패스되어 곧 바로 필터⑭를 거쳐 스크류③로 투입되는 사이클을 지속한다.

그리고 세퍼레이터 베셀⑤ 상부로 이동한 공기는 메인압력밸브⑥를 통해 배출되어 에어쿨러⑦(Fan Motor구동)에서 냉각되고 워트드레인⑨을 통해 수분이 배출된 압축공기만이 이를 필요로 하는 공기동력 소요처로 공급된다.

상기와 같이 고온의 압축공기는 생산과정에서 압축공기와 오일은 고온의 열을 그대로 방출하여 다량의 열에너지가 낭비되고 있으며 이와 함께 고온의 압축공기와 오일을 냉각시키는 에어쿨러/오일쿨러⑦⑫의 구동을 위한 별도 에너지 소모 역시 불가피하여 이하의 예시와 같이 폐열과 쿨러의 구동력 등에 의해 총 전력 투입량 대비 85~90% 이상의 에너지 손실이 발생된다.

예시) 75Kw(100Hp) 스크류 압축기 소비동력(최대효율 적용)

압축기 Main Motor 75Kw 중 64Kw 열변환, 실제 압축공기일 등 11Kw.

열 냉각 Fan Motor 동력 7.5Kw 소비.

총 소비 전력 : 82.5Kw, 압축 공기 일 변환 11Kw.

∴ 효율 = 11/82.5 = 13.3% (86.7% 낭비).

최소 효율 적용시 = 9. 1% (90.9% 낭비).

종래에도 공기압축기의 압축공기 생산과정에서 버려지는 폐열을 회수하여 이용하기 위한 공기압축기의 열교환장치에 대한 개발이 다양하게 진행되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2010-0089797호에는 제1공기압축기에 연결된 1차압축공기 배관, 제2공기압축기에 연결된 2차압축공기 배관에 설치되어 공기압축기에서 발생되어 폐기되는 열에너지를 활용하여 난방, 냉방, 온수를 생산하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 한 공기압축기 폐열 회수장치가 게재되어 있다.

그리고 대한민국 등록실용신안공보 제20-0117622호에 공기압축기에서 고온의 압축공기의 냉각열을 이용할 수 있게 하여 대기로 버려지던 열에너지를 용이하게 난방 등의 용도로 쓸 수 있도록 한 공기압축기의 폐열회수구조가 게재되어 있으며, 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0033495호에 저온 측 유체가 유통하는 저온실과 고온측 유체가 유통하는 고온실로 이루어진 간단한 구조로 되어 냉각기 네스트와 케이싱 사이의 누설에 의한 열교환효율 저감을 방지한 스크류공기압축기의 열교환기가 게재되어 있다.

또, 대한민국 등록특허공보 제10-0763959호에는 열교환기 내에 복수개의 배플들을 형성하여 수분이 포함된 압축공기가 상기 배플들을 통과할 때 수분이 압축공기로부터 분리될 수 있는 공기압축기용 열교환기가 게재되어 있다.

그 밖에 공장의 동력 공기원 등으로 사용되는 스크류 공기압축기에 설치하여 압축공기 냉각과정에서 열교환이 이루어질 수 있도록 공기압축기에 구비되는 열교환기가 일본국 특개평8-105386호, 특개2002-120585호 등에 기재되어 있다.

특히 참고문헌1에는 압축기로 압축된 압축공기에 혼합된 오일을 오일세퍼레이터에서 분리하여 압축공기는 상부에서, 분리된 오일은 하부에서 각각 배출하고, 배출된 각 공기와 오일은 1,2차열교환기를 차례로 통과하면서 열교환할 수 있게 하여 폐열을 회수할 수 있도록 한 공기압축기의 열회수시스템에 관해 개시되어 있다.

또, 참고문헌2에 스크류 압축기에서 배열회수를 위해 배열회수 열교환기가 개시되어 있다.

상기 참고문헌1에 개시된 열회수시스템은 열교환수가 에어측 1차열교환기와 오일측 2차열교환기를 차례로 거치면서 가열된 열교환수가 급수탱크로 저수되고 저수된 물은 급수펌프를 따라 보일로에 공급되게 함으로써 공기압축기의 폐열을 회수할 수 있도록 구성되어 있다.

이러한 폐열회수시스템은 고온의 압축공기를 냉각하는 1차열교환기와 고온의 오일을 냉각하는 2차열교환기를 통해 효과적으로 폐열을 회수하는 장점이 있는 반면에 오일의 폐열 회수과정에서 오일을 충분히 냉각시킬 수 없는 문제가 있다.

이를 다시 언급하면, 상기 폐열회수시스템은 오일세퍼레이터에서 분리된 고온의 공기와 오일을 차례로 냉각하는 과정에서 폐열을 회수하는 것으로, 40℃이상 고온의 압축공기로부터 열교환이 이루어진 열교환수의 온도가 고온 압축공기와의 열교환에 의해 60℃ 이상으로 가열된 상태인 경우 등에는 60℃ 이상의 고온 오일을 냉각시킬 수 없어 냉각기능이 제대로 수행되지 못하는 문제가 있다.

즉, 고온의 압축공기와 오일을 거쳐 열교환되는 열교환수는 1차적으로 고온의 압축공기와의 열교환에 의해 고온의 오일보다 높은 온도이거나 오일과 비교하여 온도차이가 적은 고온의 열교환수로 가열될 수 있는 데 이러한 적은 온도차에서는 오일을 제대로 냉각시킬 수 없을 뿐만 아니라 폐열회수도 이루어지지 않는다.

또한, 본 장치만으로는 순환수의 환수온도가 압축공기 또는 순환오일 온도 보다 높을 시에 압축공기와 순환오일은 냉각되지 않으며 역효과 발생으로 냉각보다는 오히려 가열되어 공기압축기의 심각한 고장 등을 유발하고, 폐열회수가 아닌 에너지 낭비를 초래한다.

이와 같이 공기압축기의 압축공기 생산에서 압축공기와 오일의 냉각은 폐열회수보다 선행되어야 하는 필수조건으로 최초 열교환수에 의한 고온 압축공기의 열교환(냉각)에는 문제가 없으나 고온 압축공기에 의해 이미 가온된 고온의 열교환수로는 고온의 오일을 (2차로) 냉각시키기에는 문제가 있으므로 공기압축기의 냉각기능 저하로 인한 공기압축기의 기계적 결함 등을 야기함은 물론 생산성 다운 등의 문제를 가져올 수 있다.

따라서 폐열회수의 효율성에 앞서 고온의 압축공기와 오일을 효과적으로 냉각시키면서 이들 고온의 압축공기와 오일로부터 폐열을 회수할 수 있도록 폐열회수 효율성을 극대화하는 방안을 고민하지 않을 수 없다.

(참고문헌1) 일본 공개특허공보 특개2012-087664호, 2012.05.10. (참고문헌2) 일본 공개특허공보 특개2012-067743호, 2012.04.15.

본 발명은 고온의 압축공기를 냉각하는 에어쿨러를 대신하여 1차열교환기를 설치, 고온의 압축공기로부터 1차로 열을 회수하고, 또 고온 오일을 냉각하는 오일쿨러 대신 2차열교환기를 설치하여 고온의 오일로부터 2차로 열을 회수하도록 함으로써 이들 고온의 압축공기와 오일로부터 폐열을 회수할 수 있게 하고 또 이들을 냉각시키기 위한 냉각장치를 대신한 열교환기의 사용으로 압축공기와 오일의 냉각을 위해 요구되는 에너지를 절감하고자 한다.

특히, 본 발명은 상기한 열교환 과정에서 고온의 압축공기로부터 1차로 열교환하여 고온으로 가열된 열교환수를 그 온도의 높고 낮음에 따라 저장탱크로 바로 공급하거나 고온의 오일을 냉각시키기에 적합한 온도로 공급하여 오일을 냉각, 열회수가 이루어지게 함으로써 폐열회수의 효율적인 운용과 함께 고온 오일의 냉각기능을 제대로 발휘할 수 있게 하고자 한다.

이하 본 발명의 해결하고자 하는 과제를 참고문헌1과 비교하여 더욱 구체적으로 살펴본다.

참고문헌1에 기재된 공기압축기의 2단폐열회수장치의 경우는 1,2차 정상적인 열회수 흐름(Flow)인 경우(열교환수 온도가 낮을 경우); 폐열 회수가 가능하나 이또한 오일이 너무 냉각되어(40도 이하) 압축공기에 수분을 포함(증발하지 못해 물로 존재)하면 오일은 물성치가 변하여 윤활,냉각기능등을 수행 못하고 이로 인해 스크류는 고장을 유발한다.

그리고 이를 방지코져, 40도(내지 38도) 바이패스 썸머 스타트 밸브를 추가하여 온도40도(내지 38도)이하시 냉각장치를 통하지않고 스크류로 직접(바이패스) 오일이 스크류로 투입토록 설계되었다.

따라서 1,2차 비정상적인 열회수 흐름의 경우(열교환수 온도가 높을경우); 오일의 폐열 회수가 어렵고 이미 압축공기에서 1차 회수된 에너지의 낭비가 초래되므로 열교환수에 냉수(온도가 낮은 열교환수)를 외부에서 투입하여 폐열를 효과적으로 회수하고 공기압축기를 보호하고자 한다.

상기 과제해결을 위한 본 발명은;

[청구항1]에 기재된 발명에 따르면; 필터를 통해 스크류내로 유입된 공기가 스크류의 회전작동으로 압축되어 세퍼레이터 베셀 내에서 가벼운 공기는 상부로 무거운 오일은 하부로 각각 분리되어 압축공기를 생산하는 스크류식 공기압축기와, 상기 세퍼레이터 베셀 상부로 이동되어 메인압력밸브를 통해 배출되는 고온의 압축공기를 냉각시켜 열교환하는 1차 열교환기와, 상기 세퍼레이터 베셀 하부에서 썸머스타트 밸브를 통해 배출되는 고온의 오일을 냉각시켜 열교환하는 2차 열교환기와, 열교환된 열교환수를 저장하는 저장탱크로 이루어진 스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치에 있어서, 상기 1차열교환기의 1차회수관과 저장탱크에는 공급관 사이에 온도검지센서와 2방향밸브를 설치한 공급관을 연결하여 1차열교환기에서 열교환된 열교환수의 온도가 오일의 냉각온도 보다 높을 경우에 공급관을 통해 저장탱크에 바로 공급할 수 있게 하고, 상기 공급관의 2방향밸브에는 2차열교환기의 2차회수관을 연결하여 열교환수의 온도가 오일의 냉각온도 보다 낮을 경우에 2차회수관으로 공급되어 오일과 열교환될 수 있게 하며, 상기 2방향밸브와 2차 열교환기의 2차회수관 사이에는 2차회수관으로 냉수를 공급할 수 있도록 냉수공급관을 연결한 것을 특징으로 한다.

[청구항2]에 기재된 발명에 따르면; 제1항에 있어서, 상기 2차회수관에 연결된 냉수공급관에는 유량조절밸브를 설치하여; 상기 1차열교환된 열교환수가 공급관을 통해 저장탱크로 공급되면 유량조절밸브를 개방하여 냉수공급관을 통해 2차회수관에 냉수를 공급할 수 있게 하고, 열교환수의 온도가 오일을 충실히 냉각할 수 없는 온도로 검지되는 경우에는 유량조절밸브를 열어 냉수를 혼합함으로써 2차 열교환을 위한 열교환수의 온도를 오일의 냉각이 가능한 온도로 낮추어 2차열교환기에 공급할 수 있게 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 압축공기의 생산과정에서 폐열로 버려지는 고온의 압축공기와 고온의 오일로부터 열에너지를 회수하여 온수나 난방 및 히터펌프, 실외기 보조열원, 흡수식 냉난기 열원 등의 다양한 열원으로 이용함으로써 스크류식 공기압축기의 에너지 낭비를 막고 폐열회수에 따른 에너지 절감 등으로 경제적 이익 등을 도모할 수 있다.

본 발명은 고온의 압축공기와 오일을 냉각시키기 위한 쿨러를 열교환기로 대신함으로써 압축공기와 오일 냉각에 요구되는 에너지를 절감할 수 있으며 스크류식 공기압축기의 에너지효율성을 높일 수 있다.

특히 본 발명은 고온 압축공기와 오일의 폐열회수와 아울러 열교환을 통한 고온의 압축공기와 오일 냉각 기능을 더욱 안정적이고 효율적으로 달성할 수 있는 이익과 효과 등을 기대할 수 있다.

도 1은 기존 스크류식 공기압축기의 구조도.
도 2는 본 발명의 일실시예를 보인 구성도.
도 3은 본 발명의 요부 발췌 확대도
도 4는 본 발명의 일요부 발췌 확대도.
도 5는 본 발명의 구성을 보인 블록도.

본 발명은 스크류식 공기압축기에 있어서, 고온의 압축공기를 냉각하기 위한 에어쿨러를 제거하고 고온의 압축공기로부터 열을 회수하는 1차열교환기(heat exchanger)를 설치하여 열을 1차 회수하고, 또 고온의 오일을 냉각하기 위한 오일쿨러를 제거하고 2차열교환기((heat exchanger)를 설치하여 오일로부터 2차로 열을 회수하는 2단계의 열회수과정을 통해 압축공기 생산과정에서 회수 가능한 열원(85% 폐열)을 회수할 수 있도록 스크류식 공기 압축기의 2단 폐열회수장치를 구성한 것에 특징이 있다.

또, 본 발명은 고온의 압축공기를 냉각하는 1차열교환기에서 열교환을 마친 열교환수의 온도를 검지하여 고온의 오일을 냉각시키기에 부적합한 정도로 온도가 높은 경우에는 저장탱크에 바로 공급하고, 오일의 열교환에 적합한 온도로 낮추어 오일을 효과적으로 냉각시키면서 폐열을 회수할 수 있게 함으로써 오일 냉각 기능을 충실히 수행하면서 폐열회수가 이루어질 수 있도록 구성한 것에 특징이 있다.

1차열교환기는 공기압축기의 스크류에서 생성되어 세퍼레이터 베셀에서 들어온 고온(80~100℃)의 압축공기를 냉수(열교환수)를 이용한 열교환을 통해 폐열을 회수할 수 있게 한다.

상기 과정에서 압축공기의 온도가 사용에 적합한 40℃ 이하인 경우에는 1차열교환기를 통하지 않고 곧바로 워트드레인을 거쳐 토출밸브로 흐르도록 자동 감응식 팽창밸브(바이패스밸브)로 조절한다.

2차열교환기는 상기 1차열교환기에서 열교환한 열교환수가 유입되어 고온(80~100℃)의 오일로부터 폐열을 회수한다.

상기 2차 열교환 과정에서 오일의 온도가 오일 사용에 적합한 온도(60℃; 냉각온도)이하인 경우에는 자동 감응식 팽창밸브(바이패스밸브)에 의해서 2차열교환기를 통하지 않고 오일필터를 거쳐 다시 공기압축기의 스크류 내로 흐르도록 한다. 또 2차 열교환기에는 온도센서를 설치하여 열교환 에너지량 산출과 과열방지를 제어토록 한다.

상기 2단계를 거쳐 열교환이 이루어진 열교환수(60~80℃)는 펌프에 의해 저장탱크로 이송하여 급탕온수 등의 다양한 열원으로 사용한다.

본 발명은 상기한 2단 폐열회수과정에 있어서 1차열교환기에서 열교환한 열교환수를 그 온도의 정도(높고 낮음)에 따라 저장탱크로 바로 공급하거나 2차열교환기에서 열교환한후 저장탱크로 공급하도록 한 등에 특징이 있다.

1차열교환기에서 열교환한 열교환수의 온도가 오일의 냉각온도(60℃) 보다 높은 경우에는 60℃이상인 오일과 2차열교환이 이루어질 수 없으므로 저장탱크에 바로 공급한다.

그리고 1차열교환기에서 압축공기와 열교환한 열교환수의 온도가 오일 온도보다 현저히 낮아 오일 냉각이 가능한 온도(40이상~50℃미만)의 경우에는 1차열교환기의 열교환수를 2차열교환기로 보내어 고온 오일에서 폐열을 회수토록 한다.

또, 상기 압축공기와 1차 열교환한 열교환수가 오일 냉각온도(60℃)와 차이가 작아 고온 오일을 충분히 냉각할 수 없는 온도(50이상~60℃미만)인 경우에는 오일로부터 열교환이 충분히 이루어질 수 있도록 열교환수의 온도를 오일과 열교환이 가능한 온도(40이상~50℃미만)로 낮추어 2차열교환기에 공급함으로써 폐열회수와 더불어 오일의 냉각기능을 효과적이고 안정적으로 수행할 수 있도록 한다.

이하에 본 발명의 구체적인 실시내용을 첨부도면과 함께 상세히 살펴본다.

도 2는 본 발명의 일실시예를 보인 구성도, 도 3는 본 발명의 요부 발췌 확대도, 도 4는 본 발명의 일요부 발췌 확대도, 도 5는 본 발명의 구성을 보인 개념도이다.

본 발명의 상세한 설명을 위해 우선 스크류식 공기압축기의 구성과 작용에 대해 먼저 살펴본다.

스크류(3)에 연결된 필터(1)를 통해 필티링 된 대기압의 공기는 스크류(3)내로 투입되고, 스톱밸브(15)를 통해 스크류(3)내로 유입되는 오일은 스크류(3)내 기밀, 세정, 윤활, 열흡수 활동 등을 한다. 상기 필터(1)와 스크류(3) 사이에는 밸브(2)가 설치되어 세퍼레이터 베셀(5)에서 압력을 감지하여 콤프레샤 콘트롤러에서 설정된 압력(예: Load구간 6Bar이하 개방, Unload 구간 7Bar이상 폐쇄)에서 개폐되어 필터(1)를 통해 대기압의 공기를 흡입 또는 중지하여 스크류(3)의 압축공기 생산을 단속한다.

스크류(3)의 스톱밸브(15)는 세퍼레이터 베셀(5)의 압력을 받아 오일을 공급하며 장비 정지 시 스크류(3)내 압력이 일정압 이하(약 4Bar)가 되면 스톱[체크밸브(4)]시켜 역류를 방지하고 세퍼레이터 베셀(5)을 일정압으로 유지시킨다.

상기한 구성의 스크류(3)는 2개의 나선형 스크류에 의한 나선회전으로 공기를 압축하여 그 공기 압축력으로 체크밸브(4)를 밀어서 오일이 혼합된 압축공기(오일포함, 80~100℃)를 세퍼레이터 베셀(5) 상부로부터 내부로 유입시키고 내부로 유입된 압축공기는 상부에서 선회하면서 가벼운 공기는 상부로, 무거운 오일은 하부로 각각 분리되어 공기는 상부로 배출되고 오일은 하부에 고이게 됨으로써 압축공기를 생산한다.

상기한 스크류식 공기압축기의 압축공기 생산과정에서 세퍼레이터 베셀(5) 상부로 이동되어 메인압력밸브(6)를 통해 배출되는 고온의 압축공기를 1차열교환기(7)에서 열교환하여 폐열을 회수하고 냉각시켜 워트드레인(9)을 통해 수분이 배출된 압축공기를 생산하고 세퍼레이터 베셀(5) 하부에 고인 오일의 온도가 높으면 썸머스타트 밸브(13)를 통해 2차열교환기(8)에서 냉각하여 열교환한 후 필터(14)를 거쳐 스톱밸브(15)를 통해 스크류(3)로 투입되는 사이클을 반복하도록 스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치를 구성한다.

본 발명은 상기한 스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치에 있어서, 1차열교환기(7)에서 열교환한 열교환수의 온도가 오일 냉각온도(60℃) 보다 높은 경우에는 60℃이상인 오일과 2차열교환이 이루어질 수 없으므로 저장탱크(10)에 바로 공급한다.

그리고, 압축공기와 열교환한 열교환수의 온도가 오일온도 보다 낮아 오일 냉각이 가능한 온도(40이상~50℃미만)의 경우에는 1차열교환기(7)에서 열교환한 열교환수를 2차열교환기(8)로 보내어 오일에서 폐열을 회수토록 하고, 열교환수의 온도가 오일의 냉각온도(60℃)와 차이가 작아 오일을 충실히 냉각시킬 수 없는 온도(50이상~60℃미만)인 경우에는 열교환수의 온도를 오일과 열교환이 충분한 온도(오일을 충실히 냉각시킬 수 있는 온도)(40이상~50℃미만)로 낮추어 2차열교환기(8)에 공급하도록 구성한 것에 특징이 있다.

이하 본 발명을 구체적으로 살펴본다.

상기 세퍼레이터 베셀(5)의 상부 메인압력밸브(6)와 워트드레인(9) 사이에는 1차열교환기(7)를 설치하여 고온의 압축공기로부터 열을 회수하여 고온의 압축공기를 냉각시킬 수 있게 한다.

스크류(3)에 압축되어 오일이 혼합된 압축공기(오일포함, 80~100℃)가 세퍼레이터 베셀(5) 내로 유입되어 상부에서 선회하여 가벼운 공기는 상부로, 무거운 오일은 하부로 각각 분리되어 메인압력밸브(6)를 통해 배출되는 고온의 압축공기를 냉각하고 열을 회수할 수 있도록 메인압력밸브(6)와 워트드레인(9) 사이에 1차열교환기(7)를 설치한다.

상기 1차열교환기(7)는 메인압력밸브(6)와 워트드레인(9) 사이에 설치하는 것으로, 그 내부로 냉수가 유입되는 1차회수관(71)을 설치하여 고온(80~100℃)의 압축공기가 1차열교환기(7)를 경유하면서 열교환이 이루지게 한다.

상기 1차회수관(71)은 후술하는 2차열교환기(8)의 2차회수관(81)에 연결하여 1차,2차에 걸쳐 열을 회수한 고온의 열교환수가 저장탱크(10)로 유입되도록 한다.

그리고 상기 메인압력밸브(6)와 워트드레인(9) 사이에는 세퍼레이터 베셀(5)로부터 배출되는 압축공기가 낮은 온도(예시:40℃내)로 유입될 경우 1차 열교환기(7)를 경유하지 않고 곧장 바이패스되어 워트드레인(9)을 경유, 토출밸브로 흐르도록 바이패스관(11)을 형성하고 상기 바이패스관(11)에는 압축공기의 역류를 방지할 수 있도록 체크밸브(도시생략)를 설치한다.

또 상기 2차 열교환기(8)는 세퍼레이터 베셀(5) 하부의 썸머스타트 밸브(13)와 오일필터(14) 사이에 설치하여 세퍼레이터 베셀(5) 하부로부터 오일이 썸머스타트 밸브(13)를 통해 2차 열교환기(8)에서 냉각되어 열교환한 후 오일필터(14)를 거쳐 스톱밸브(15)를 통해 스크류(3)로 투입되는 사이클을 반복하도록 한다. 상기 과정에서 세퍼레이터 베셀(5)에서 배출되는 오일의 온도가 낮을 시(60℃ 이하)에는 2차 열교환기(8)를 거치지 않고 곧장 오일필터(14)를 거쳐서 스크류(3)내로 유입되게 한다.

본 발명은 상기한 2단폐열회수장치에 있어서, 상기 1차열교환기(7)의 1차회수관(71)과 저장탱크(10)에 연결된 공급관(12)사이에 온도검지센서(16)와 2방향밸브(17)를 설치하여 상기 1차열교환기(7)에서 고온 압축공기와 열교환을 통해 가열된 열교환수의 온도가 오일의 냉각온도(60℃이하) 보다 높을 경우 공급관(12)을 통해 저장탱크(10)에 바로 공급되도록 한다.

또 상기 1차회수관(71)과 공급관(12) 사이에 설치된 2방향밸브(17)는 2차열교환기(8)의 2차회수관(81)에 연결하여 열교환수의 온도가 오일 냉각온도(60℃이하) 보다 낮을 경우에는 2차회수관(81)으로 흐르도록 하여 고온 오일을 냉각하는 2차열교환기(8)를 통해 오일을 냉각하고 열을 회수할 수 있게 한다.

그리고 상기 2방향밸브(17)와 2차 열교환기(8)의 2차회수관(81) 사이에는 2차회수관(81)으로 냉수를 공급할 수 있도록 냉수공급관(18)을 유량조절밸브(19)로 연결한다.

이하에 본 발명의 작용 등을 통해 구성을 더욱 구체적으로 살펴본다.

상기 1차열교환기(7)는 1차회수관(71)을 통해 고온(80~100℃)의 압축공기를 냉각시키면서 1차열교환이 이루어지고, 상기 1차열교환된 열교환수의 온도가 온도검지센서(16)에 의해 2차열교환을 위한 오일의 냉각온도(60℃이하)보다 높게 검지되면 2방향밸브(17)를 공급관(12)측으로 개방하여 1차회수관(71)에서 열교환된 고온의 열교환수를 저장탱크(10)에 공급한다.

이때 2방향밸브(17)는 2차회수관(81)측으로 폐쇄됨은 당연하다.

이와 같이 상기 1차열교환된 열교환수의 온도가 오일의 냉각온도(60℃이하)보다 높아 공급관(12)을 통해 열교환수를 저장탱크(10)에 공급하는 경우에는 오일 냉각을 위해 2차열교환기(8)로 냉수를 공급한다.

즉, 상기 1차열교환된 열교환수의 온도가 2차열교환을 위한 오일의 냉각온도(60℃이하)보다 높게 검지되어 공급관(12)을 통해 1차열교환된 열교환수를 저장탱크(10)에 공급하게 되면 2차회수관(81)에 설치된 냉수공급관(18)의 유량조절밸브(19)를 개방하여 냉수공급관(18)을 통해 2차회수관(81)에 냉수를 공급함으로써 오일을 냉각시키고 고온 오일의 열교환수는 저장탱크(10)로 보내게 된다.

그리고 상기 1차열교환된 열교환수의 온도가 오일 냉각온도(60℃이하) 보다 현저히 낮아 오일의 냉각이 가능한 온도(40이상~50℃미만)의 경우에는 2방향밸브(17)를 2차회수관(81)측으로 개방하여 열교환수를 2차열교환기(8)로 보내어 오일에서 2차로 폐열을 회수토록 한다.

상기 과정에서 2방향밸브(17)는 공급관(12)측으로 폐쇄하고, 냉수공급관(18)의 밸브(19) 역시 닫아서 상기 1차열교환된 열교환수만이 오일로부터 2차열교환되게 함으로써 폐열회수효율을 극대화한다.

또한, 열교환수의 온도가 오일 냉각온도(60℃) 보다 차이가 작아서 오일을 충실히 냉각할 수 없는 온도(50이상~60℃미만)로 검지되는 경우에는 2방향밸브(17)를 공급관(12)측으로 폐쇄하고 2차열교환기(8)측으로 개방한 상태에서 냉수공급관(18)의 유량조절밸브(19)를 열어 냉수를 일부 혼합함으로써 2차 열교환을 위한 열교환수의 온도를 오일 냉각이 가능한 온도(오일과 열교환이 가능한 온도)(40이상~50℃미만)로 낮추어 2차열교환기(8)에 공급함으로써 오일을 냉각시키고 이로부터 폐열회수가 이루어지게 한다.

이를 위해 상기 2차열교환기(8)의 2차회수관(81)에는 유입되는 열교환수의 온도를 검지할 수 있도록 온도검지센서(도시생략)를 설치할 수 있다.

상기한 본 발명은 고온의 압축공기와 오일의 1차, 2차 열교환기(7)(8)를 경유하면서 열교환된 열교환수가 저장탱크(10)에 공급되어 급탕온수 등의 열원으로 사용할 수 있는 것으로, 2단계의 폐열회수장치를 통해서 압축공기의 소요동력의 85%의 에너지가 회수가능하고 기존 팬모터 소요동력까지 불필요하게 되어 총 에너지 대비 90%이상 회수 또는 85%이상 절감이 가능하다.

상기한 본 발명에 따른 스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치는 기존에 에어쿨러로 냉각되던 고온의 압축공기로부터 1차로 폐열을 회수하고 기존에 오일쿨러에 의해 냉각되던 고온의 오일로부터 2차로 폐열을 회수함으로써 압축공기의 생산 과정에서 발생되는 폐열의 열원 전부에서 열에너지를 회수할 수 있다.

예시) 75KW 아트라스 콥코(상품명) 스크류 공기 압축기의 회수 열량 공기 중 폐열회수 (아트라스 콥코사(제조사 명) 성능 데이터 자료 참조)

공기 생산량 788 m^3/h, 입구온도 100℃, 출구온도 40℃, 공기비열 0.24Kcal/M^3℃

회수가능 열량 = 0.95(효율) x 788(공기량) x 0.24(비열) x (100-40)(온도차) = 10,880Kal/h(열량) = 12.5Kw(전력환산)

-오일 중 폐열회수-

오일 순환량 1800Kg/h , 입구온도 100℃, 출구온도 40℃, 오일 비열 0.47Kcal/Kg℃

회수가능열량 = 0.95 x 1800 x 0.47 x (100-40) =48,222Kcal/h = 55.8Kw

총 회수 가능 열량 = 10,880 + 48,222 = 59,102 Kcal/h = 68 Kw

총소요 동력 = 75(압축기) + 7. 5(Fan motor) + 0.5(콘트롤, 주변장치) = 83Kw

개조 후 소용 동력 = 75(압축기) +0.5(순환펌프) + 0.5(콘트롤, 주변장치) = 76Kw

에너지 절감(동력절감 및 회수) = 83- 76 + 68 = 75Kw 절감 효과

이상과 같이 본 발명은 스크류식 공기압축기의 압축공기 생산과정에서 에어 및 오일쿨러 대신 1,2차열교환기로 전술한 폐열 에너지 회수가 이루어지고 이들의 냉각을 위한 쿨러용 팬모터 등은 필요하지 않게 됨으로써 이로부터 스크류식 공기압축기의 동력절감을 기대할 수 있어 에너지효율을 높일 수 있는 등의 여러 이익과효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 실시내용을 구체적으로 설명하기 위해 첨부한 도면에 사용된 부호에 대하여 간략시 설명하면 하기와 같다.
1: 필터(Air intake filter) 2:밸브(Air intake valve)
3:스크류(Compression element) 4:체크밸브(Non return valve)
5:세퍼레이터 베셀(Air/Oil seperator vessel)
6:메인압력밸브(Minimum pressure valve)
7:1차열교환기 71:1차회수관
8:2차열교환기 81:2차회수관
9: 워트드레인(Water seperator with drain)
10:저장탱크 11:바이패스관
12:공급관 13:썸머스타트밸브(Thermostatic bypass valve)
14:오일필터(Oil filter) 15:스톱밸브(Oil stop valve)
16:온도검지센서 17:2방향밸브
18:냉수공급관 19:유량조절밸브

Claims

필터(1)를 통해 스크류(3)내로 유입된 공기가 압축되고 세퍼레이터 베셀(5) 내에서 압축공기와 오일로 각각 분리되어 압축공기를 생산하는 스크류식 공기압축기와, 상기 세퍼레이터 베셀(5) 상부로 이동되어 메인압력밸브(6)를 통해 배출되는 고온의 압축공기를 냉각하는 1차열교환기(7)와, 상기 세퍼레이터 베셀(5) 하부에서 썸머스타트 밸브(13)를 통해 배출되는 고온의 오일을 냉각하는 2차열교환기(8)와, 열교환된 열교환수를 저장하는 저장탱크(10)로 이루어진 스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치에 있어서,
상기 1차열교환기(7)의 1차회수관(71)과 저장탱크(10)에는 공급관(12)사이에 온도검지센서(16)와 2방향밸브(17)를 설치한 공급관(12)을 연결하여 1차열교환기(7)에서 열교환된 열교환수의 온도가 오일의 냉각온도 보다 높을 경우에 공급관(12)을 통해 저장탱크(10)에 바로 공급할 수 있게 하고,
상기 공급관(12)의 2방향밸브(17)에는 2차열교환기(8)의 2차회수관(81)을 연결하여 열교환수의 온도가 오일의 냉각온도 보다 낮을 경우에 2차회수관(81)으로 공급되어 오일과 열교환될 수 있게 하며,
상기 2방향밸브(17)와 2차 열교환기(8)의 2차회수관(81) 사이에는 2차회수관(81)으로 냉수를 공급할 수 있도록 냉수공급관(18)을 연결한 것을 특징으로 하는 스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치.
제 1 항에 있어서,
상기 2차회수관(81)에 연결된 냉수공급관(18)에는 유량조절밸브(19)를 설치하여; 상기 1차열교환된 열교환수가 공급관(12)을 통해 저장탱크(10)로 공급되면 유량조절밸브(19)를 개방하여 냉수공급관(18)을 통해 2차회수관(81)에 냉수를 공급할 수 있게 하고,
열교환수의 온도가 오일을 충실히 냉각할 수 없는 온도로 검지되는 경우에는 유량조절밸브(19)를 열어 냉수를 혼합함으로써 2차 열교환을 위한 열교환수의 온도를 오일의 냉각이 가능한 온도로 낮추어 2차열교환기(8)에 공급할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 스크류식 공기압축기의 2단 폐열회수장치.