KR101710134B1 - 고효율 아이스슬러리 빙축열시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉동기, 축열조 및 열교환기의 각각에 설치된 온도센서로부터 각각의 브라인의 온도를 측정하고, 브라인의 순환 또는 저온가공 과정을 선택적으로 진행함으로써 에너지를 보다 효율적으로 사용할 수 있으며, 기존의 빙축열시스템에서 브라인의 온도측정이 어렵고 신뢰할 수 없었던 문제를 해결하고자 축열조로부터 배출되는 브라인의 온도를 온도센서와 농도계가 함께 측정하고, 측정된 정보를 보정함으로써 보다 정확한 브라인온도 측정이 이뤄져 빙축열시스템의 구동효율이 향상되는 효과가 있는 빙축열시스템에 관한 것이다.

Description

고효율 아이스슬러리 빙축열시스템{High efficiency Ice thermal storage system}

본 발명은 빙축열시스템에 관한 것으로서, 특히 브라인으로 아이스슬러리를 이용해 얼음이나 냉수를 생산해 저장하였다가, 이를 냉방에 사용하는 빙축열시스템에 관한 것이다.

빙축열시스템은 야간 심야시간대에 냉동기로 용매 또는 용수를 얼음이나 냉수로 생산하고, 이를 저장했다가 주간에 냉방을 위해 얼음이나 냉수를 열교환기로공급해 실내공기와 열교환시켜 냉방하는 설비로 높은 에너지 효율과 저렴한 비용이 장점이 특징이다.

보통 빙축열시스템은 여름철 주간 냉방용 전력을 전력수요가 적은 심야시간대로 이동시켜 소비하게 함으로써, 에너지 효율의 향상과 하계 전력피크(peak) 상황 억제 및 심야전력수요를 촉진하고, 전력부하평준화 유도를 목적으로 한다.

그리고 빙축열시스템은 타 냉방설비에 비해 전력요금이 1/3 ~ 1/4 수준에 지나지않아 경제적인 효과와 에너지절감에 큰 효과가 있다.

이러한 빙축열시스템은 값싼 심야전력을 이용하기 때문에 냉방 운전비가 절감될 수 있으며, 공조부하변동에 상관없이 열원기기의 효율적 운전이 가능하고, 공조부하가 어느 정도 증가할 경우에도 열원증설 없이 대응하여 가동이 가능하며, 지역냉방을 위한 저온송수 및 저온 급기방식에도 적용이 용이하며, 다른 냉방기에 비하여 이산화탄소 발생량이 적어 친환경적인 설비로 알려져 있다.

반면, 축열조 및 별도의 난방열원기기의 철치를 위한 충분한 설치공간이 확보되어야 하고, 각 설비들이 고가이기 때문에 초기투자비가 비교대상 냉방기기에 비해 다소 높다. 또한, 제빙과정과 축열조에서의 온도관리에 따라 에너지효율이 크게 작용하기 때문에 운용비용에도 큰 차이를 보일 수 있어서 빙축열시스템의 온도관리에 많은 주의와 운용기술이 필요하다.

때문에 비교대상 냉방기에 비해 초기투자비가 많이 들어가기 때문에, 이 설비를 효율적으로 운용하면서 비교대상 냉방기들보다 더 저렴한 비용으로 운용해야 경쟁력이 있기 때문에, 빙축열시스템을 운용하는 운용자측에서는 이 시스템의 관리와 운용기술 향상에 많은 노력과 비용을 들이고 있다.

빙축열시스템은 심야시간에 냉동기를 가동하여 얼음을 생산하고, 생산된 얼음을 축열조에 저장한 후, 주간에 냉방에 이용하는 것으로서 제빙방식에 따라 물이나 제빙물질의 얼음형태에 따라 정적형(캡슐형, 코일형)과 동적형으로 크게 나뉜다. 동적형은 작은 입자 형태의 얼음으로 슬러쉬 상태에서 이용되는 것이 보통이다. 각각의 얼음은 에너지 효율과 제빙품질과 설비의 특성을 고려하여 선택적으로 사용되고 있다.

빙축열시스템에는 아이스슬러리 방식과 아이스온 코일 방식, 아이스볼 방식이 대표적이다. 아이스슬러리 방식은 직접제빙 또는 동적제빙 방식을 채택할 수 있으며 해빙 효율이 가장 뛰어나다.

또한, 냉동기와 축열회로가 분리되어서 필요시 심야에도 제빙과 냉방이 가능하며, 부하가 증가할 경우 즉각적으로 대응이 가능하며, 축열조 형태에 제약을 받지 않아 시스템 설계와 설치가 유동적으로 이뤄질 수 있는 장점이 있다.

아이스온 코일 방식은 빙축열시스템에서 브라인의 소요량이 가장 적고 축열량에 따른 수위 변화를 통해 축열량을 육안으로 확인할 수 있다.

그러나 운전시간이 경과할수록 축열조 코일의 표면에 스케일이 생성되면서 효율이 감소하고, 해빙후기에 해빙성능이 저하되면서 축열조의 출구온도가 상승하는 문제가 있으며, 브라인과 축열조 내 수질관리가 반드시 필요하고, 축열조의 설치면적이 다른 시스템에 비해 크게 차지하는 단점이 있다.

아이스볼 방식은 볼의 대량 생산이 저렴하게 가능하고, 축열조의 용량에 따라 볼의 개수를 조절하는 것으로 축열량을 가늠할 수 있다.

반면, 볼의 수축과 팽창이 반복되면서 내구성이 저하되고, 브라인의 사용량이 다른 시스템에 비해 가장 많이 소비되며, 축열조 내부 유체 흐름이 불균일할 경우 부분 결빙 또는 과냉각 현상이 발생하면서 설비의 파손이 발생할 수 있고, 브라인 농도관리에 세심한 주의가 필요한 단점이 있다.

이러한 이유로 종래의 빙축열시스템에서는 아이스슬러리를 이용해 제빙부에서 생산된 슬러쉬 상태의 얼음을 펌프를 이용하거나 중력식으로 축열조에 저장시켜 사용하는 방식이 사용되고 있다. 이 시스템에서는 아이스슬러쉬 상태의 브라인을 이용해 동적 제빙방식에 의해 열교환이 이뤄지기 때문에 시스템을 운용하는 과정 중에 브라인의 온도와 농도 등을 세심하게 점검하고, 필요한 제빙, 온도 제어 지시를 신속하게 지시해야 한다. 종래의 빙축열시스템에서는 브라인의 유통관에 온도계를 설치하여 브라인의 온도를 측정하여 제빙 및 온도제어 지시를 내리고 있으나, 온도계를 이용한 브라인의 온도측정 방식은 유통 과정에 있는 브라인에서 잠열의 미세한 온도변화를 측정하는데에는 측정된 온도정보에 대한 신뢰성이 낮고, 실시간 반영이 어렵고, 온도측정 위치와 환경에 따라 측정된 온도정보가 서로 큰 편차를 보이면서 그 결과를 신뢰할 수 없어 시스템의 운영에 큰 어려움이 있다.

공개특허 제2002-0070402호(발명의 명칭: 감열매체형 고효율 빙축열시스템, 공개일 : 2002년 9월 9일)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 축열조에 연결된 배관에 온도센서와 농도계를 함께 설치하여, 축열조를 중심으로 유통되는 브라인의 온도를 동시에 측정하고 보정을 거쳐 신뢰할 수 있는 브라인 온도정보를 획득하고, 이 브라인 온도정보를 이용해 냉동기와 열교환기를 포함한 빙축열시스템의 구동을 제어하여 최적의 시스템 구동환경을 구현하고, 효율적인 에너지 사용과 열교환 효율 향상에 목적이 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에서는 제빙수가 채워지고 액상의 브라인이 출입하면서 상기 제빙수와 열교환을 통해 응축·상변화하면서 상변화가 이뤄지는 축열조와, 상기 축열조에 연결된 배관으로 상기 브라인을 열교환기에 공급하는 브라인공급펌프와, 상기 축열조에 저장된 브라인을 냉동기에 제공해 냉각시키는 브라인순환펌프와, 상기 축열조에 저장된 브라인을 하부에서 취수하고 상부에서 분사하여 강제순환방식으로 교반하는 브라인교반펌프와, 상기 브라인공급펌프로부터 브라인을 공급받아 부하측에 냉열을 전달하는 열교환기를 포함하되, 상기 축열조의 출입배관에는 온도센서와 농도감지기가 구비되어서 배출되는 브라인의 온도와 농도를 측정하고, 측정된 농도정보와 온도정보를 비교해 온도정보를 검증 및 보정한 온도정보를 제어부에 제공해 상기 브라인 온도정보에 따라 축·냉방 구동을 제어할 수 있는 아이스슬러리 빙축열시스템에 의해 목적을 달성한다.

본 발명에 따르면, 축열조를 중심으로 유통되는 브라인의 온도와 농도변화를 함께 측정할 수 있어, 브라인의 온도와 농도 상태를 실시간으로 정확하게 측정함으로써 빙축열시스템의 효율적인 구동이 가능해져 에너지절감을 운용비용 절감에 효과가 있다.

또한, 브라인의 온도정보를 이용해 냉동기와 열교환기 등 빙축열시스템의 주요 구성설비들의 구동을 제어함으로써, 각 구성설비들을 선택적으로 가동하여 전체 시스템의 효율을 향상시키고, 각 구성설비들에 가해지는 부하를 감소시킴으로서 내구성 향상과 에너지 절감 및 열교환 성능과 효율이 동반 상승할 수 있는 효과가 있다.

결과적으로는 전기에너지의 사용이 감소해 운용비용이 절감되고, 최적화된 온도제어가 이루어지면서 시스템 과부하로 발생할 수 있는 설비손상이 방지되면서 시스템의 유지비용이 경감되고, 에너지 절감에 기여하여 화석연료의 사용을 줄이는데 기여할 수 있게 된다.

특히 심야전력을 이용해 경제적인 비용으로 냉방을 할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 빙축열시스템의 구성요소를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명에 실시예에 의한 빙축열시스템의 구성요소를 도시한 구성도,
도 3은 도 2의 실시예에 적용된 축열조의 구성요소를 도시한 구성도,

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제빙수가 채워지고 액상의 브라인이 출입하면서 상기 제빙수와 열교환을 통해 응축·상변화하면서 상변화가 이뤄지는 축열조와, 상기 축열조에 연결된 배관으로 상기 브라인을 열교환기에 공급하는 브라인공급펌프와, 상기 축열조에 저장된 브라인을 냉동기에 제공해 냉각시키는 브라인순환펌프와, 상기 축열조에 저장된 브라인을 하부에서 취수하고 상부에서 분사하여 강제순환방식으로 교반하는 브라인교반펌프와, 상기 브라인공급펌프로부터 브라인을 공급받아 부하측에 냉열을 전달하는 열교환기를 포함하되, 상기 축열조의 출입배관에는 온도센서와 농도감지기가 구비되어서 배출되는 브라인의 온도와 농도를 측정하고, 측정된 농도정보와 온도정보를 비교해 온도정보를 검증 및 보정한 온도정보를 제어부와, 상기 축열조의 배관에는 온도센서와 농도감지기가 함께 구비되어 배출되는 브라인의 온도와 농도를 측정하고, 측정된 농도정보와 온도정보를 비교해 온도정보를 검증 및 보정하여서 사용되는 브라인 온도정보의 신뢰성을 향상시키고, 해당 온도정보에 따라 축·냉방 구동을 제어하여 에너지 효율과 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 고효율 아이스슬러리 빙축열시스템을 제안한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 종래의 빙축열 냉방시스템의 구성을 도시한 것이고, 도 2 내지 3은 본 발명의 실시예에 의한 고효율 아이스슬러리 빙축열시스템의 구성을 보여주는 것으로서, 각 구성의 역활과 기능은 다음과 같다.

도시된 바와 같이 종래의 빙축열 냉방시스템은 냉각탑과 냉동기, 축열조와 열교환기로 이루어지는 것으로, 아이스볼이나 제빙수에 부동액을 혼합한 용액을 냉동기에서 냉각하고, 이를 축열조에 저장하였다가 냉방운전시 열교환기로 제공해 부하측의 열을 흡수시키는 것으로 냉방이 가능한 것이다.

본 발명에 실시예에 의한 고효율 아이스슬러리 빙축열시스템은 냉열저장매체로서 제빙수와 프로필렌글리콜(Pro pylene Glyco) 또는 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol)를 소정의 비율로 혼합한 수용액을 브라인(Brine)으로 사용한다.

상기 브라인(112)의 혼합비율은 빙축열시스템의 특성과 브라인의 동결온도, 냉각성능 등을 고려하여 다양하게 조절할 수 있다.

상기 브라인(112)은 본 발명의 고효율 아이스슬러리 빙축열시스템의 각 구성에서 유통되며 순환과 공급되게 이루어진다.

상기 브라인(112)은 상기 냉동기(300)에 공급되어 -5℃ 정도의 온도로 냉각되어서 상기 축열조(110)에 아이스슬러리의 형태로 공급되어 저장된다.

상기 축열조(110)에서는 저장된 브라인(112)은 저장된 상태에서 그 온도가 2℃ 정도로 상승하게 될 경우, 상기 축열조(110)로부터 브라인(112)를 인출해 상기 냉동기(300)로 공급하고, 냉동기(300)에 공급된 브라인(112)은 다시 냉각되어서 그 온도를 낮춘 후에 다시 축열조(110)로 공급해 내부에 저장되도록 하는 냉각처리 과정이 진행된다.

상기 브라인(112)은 항상 냉열을 저장한 상태를 유지할 수 있도록 상기와 같이 축열조(110)와 냉동기(300) 사이를 순환하는 순환과정을 거치게 된다.

본 발명에서의 냉방운전은 상기 열교환기(400)로 상기 축열조(110)에 저장되었던 브라인(112)을 공급하고, 공급된 브라인(112)와 상기 열교환기(400)에 도착한 실내공기가 서로 만나면서, 유입된 부하측의 열을 상기 브라인(112)가 빼앗아 실내공기로 냉열을 전달하는 열교환 과정을 통해 냉방이 이뤄지며, 이 과정에서 상기 브라인(112)의 온도는 부하측의 열을 흡수하면서 상승하게 된다.

상기와 같은 열교환 과정을 거쳐 온도가 상승된 상기 브라인(112)은 상기 축열조(110)로 다시 공급되어서 내부에 저장되었던 아이스슬러리 상태의 브라인(112)에 분사도포 되어서 서로 열교환하게 된다. 이 과정에서 상기 축열조(110)에 저장되었던 아이스슬러리 상태의 브라인(112)에는 상변화가 일어나며, 전술한 순환과정을 통해 냉각이 완료된 후에는 축열조(110)에 저장되었다가 냉방을 위한 가동시에 다시 열교환기(400)로 공급되어서 상기와 같은 열교환 과정을 거치게 된다.

본 발명의 실시예에 의한 고효율 아이스슬러리 빙축열시스템은 부하측 입출구측의 온도가 12℃/7℃ 정도일 수 있고, 브라인(112)의 입출구측 온도는 0℃/7℃로 설정되어서 냉방이 이뤄지도록 할 수 있지만, 본 발명의 일 실시예를 위한 구체적 설정값으로서 본 발명의 기술적 사상을 제한하거나 한정하여 해석되는 것은 아니다.

이하부터는 본 발명의 실시예로 제시된 도 2를 기준으로 본 발명을 상세하게 설명한다.

상기 축열조(110)의 출구 배관에는 온도센서(10)와 농도계(70)가 설치되어서, 배관을 통해 유통되는 브라인(112)의 온도정보와 농도정보를 제어부에 실시간으로 제공한다.

상기 제어부에서는 상기 축열조(110)의 배관으로 배출되는 브라인(112)의 온도와 농도를 감지하여 그 온도정보 또는 농도정보 중 적어도 어느 하나가 설정값 이상일 경우, 상기 브라인(112)을 상기 축열조(110)로부터 인출해 상기 냉동기(300)로 제공하여서 전술한 냉각처리 과정을 수행하게 되고, 이 과정에서 상기 브라인(112)는 아이스슬러리 형태로 상변화가 이뤄지게 되며, 냉각처리 과정을 통해 아이스슬러리로 상변화된 상기 브라인(112)은 상기 축열조(110)의 상부와 연결된 냉각 브라인 공급관(302)를 통해 상기 축열조(110) 내부로 공급되어 저장되게 된다.

한편, 상기 축열조(110)에 연결된 냉각 브라인 공급관(302)으로는 제빙수 또는 브라인(112)이 필요에 따라 공급될 수 있다.

해빙가속 열교환기(600,700)에서 부하측의 열교환기(400)을 거치면서 열교환을 통해 온도가 상승된 브라인(112)은 상기 축열조(110)으로 이송되어서, 상기 냉각 브라인 공급관(302)를 통해 축열조(110)의 내부에 설치된 샤워노즐(114)를 통해 내부의 전체 면적으로 골고루 분사 도포 된다.

상기 해빙가속 열교환기(600,700)를 거치면서 온도가 상승한 브라인(112)은 상기 축열조(110)의 출구측의 온도가 0~5℃ 이상으로 열교환이 이뤄지면서 온도가 상승해 액체와 가까운 형태로 상변화가 일어나게 되고, 상변화된 브라인(112)은 상기 냉각 브라인 공급관(302)와 샤워노즐(114)를 통해 축열조(110)의 내부에서 아이스슬러리 상태의 브라인(112)의 상부에 분사도포 된다. 이후, 아이스슬러리 상태의 브라인(112)의 해빙을 촉진시키면서 냉각가동을 위해 준비되는 브라인(112)의 생산이 촉진되는 것이다.

상기 축열조(110)는 내부에 수용공간이 형성되고, 외부의 온도변화에 영향을 받지 않도록 보온이 잘 되도록 보온이 가능한 구조물로 이뤄져야 하며, 아이스슬러리 상태의 브라인(112)을 내부로 저장하는데 적합한 내부 수용공간을 가져야 한다.

상기 축열조(110)에는 전술한 바와 같이 상기 냉각 브라인 공급관(302)을 통해 제빙수 또는 브라인(112)이 공급되어서, 저장된 아이스슬러리 상태의 브라인(112)의 상부로 열교환을 마친 브라인(112)이 전체 면적으로 골고루 분사되기 때문에 상기 축열조(110)의 내부 저장공간과 상기 샤워노즐(114)의 분사영역을 고려하여 상기 냉각 브라인 공급관(302)과 연결된 샤워노즐(114)을 구성해야 한다.

한편, 해빙가속 열교환기(600,700)에서는 부하측의 열교환기(400)를 거친 브라인과 열교환 과정을 통해 온도가 상승한 브라인(112)이 축열조(110) 내부 전체 면적에서 골고루 도포될 수 있도록 샤워노즐(114)와 공급관(56)의 수와 설치위치를 선택해 구성할 수 있다.

상기 샤워노즐(114)은 냉동기(300)로부터 냉각된 브라인(112)을 축열조(110) 내에 저장되었던 제빙수 및 브라인(112)의 상부로 분사될 수 있다.

상기 해빙가속 열교환기(600,700)를 거친 브라인(112)는 축열조(110)의 출구측 배관에서의 온도는 0℃~5℃일 수 있으며, 이 열교환을 통해 상승한 온도의 브라인은 상기 샤워노츨(114)를 통해 축열조(110)의 상부에서 분사되어서 저장되었던 아이스슬러리의 해빙성능을 향상시키게 되는 것이다.

한편, 상기 축열조(110)에 저장된 제빙수 또는 브라인(112)은 서로 화학적으로 반응하거나 용해되지 않고, 밀도차에 의해 수직적으로 분리되는 성질이 있으며, 상기 샤워노즐(114)를 통해 공급된 브라인(112)보다 저장된 브라인(112)의 하중이 더 무거운 특징이 있다. 때문에 상기 축열조(110)에 저장된 냉매 즉, 저장되었던 브라인(112)의 상부에는 일정두께의 액상상태의 제빙수층이 형성되고, 하부에는 아이스슬러리 상태의 브라인(112) 층으로 나뉘어 형성되게 된다.

상기와 같은 냉매의 특성으로 인해 상기 축열조(110)는 축냉시, 상기 냉동기(300)에서 냉각되어 액화된 브라인(112)이 상기 샤워노즐(114)을 통해 저장되었던 아이스슬러리 상태의 브라인(112)의 최상부에 분사도포되면, 분사된 브라인(112)은 저장되었던 아이스슬러리 상태의 브라인(112)보다 비중이 크기 때문에 아이스슬러리 상태의 브라인(112)층을 통과해 하강하면서 제빙수와 접촉하게 된다.

이때, 상기 분사된 브라인(112)은 제빙수와 접촉하면서 상변화가 일어나면서 냉각되게 되고, 이 과정에서 기포형태로 상승하면서 상기 축열조(110)의 상부 공간으로 집중되는 현상이 발생하게 된다. 상승한 기포는 기포 표면에 접촉한 제빙수로 냉열을 전달하면서 함께 냉각되고 결빙되게 되어서 냉매로서 사용될 수 있는 상태로 준비되게 된다.

결과적으로 결빙된 제빙수 얼음은 미세결빙 상태가 되어서, 미세결빙층이 형성되고, 주변의 제빙수와 연속적으로 반응하면서 아이스슬러리 상태로 표층이 형성되게 된다.

이후, 냉동기(300)로부터 공급된 냉각된 액상의 브라인(112)이 계속 공급되면서 아이스슬러리 층의 발생이 계속되고, 기존에 형성된 아이스슬러리층이 하강하면서 결과적으로 상기 축열조(110)의 상부 공간에 집중된 브라인(112)은 다시 상기 냉동기(300)로 공급되어서 냉각과정을 거쳐 액화된 브라인(112)이 다시 축열조(110)로 공급되는 순환구조가 반복되게 된다.

한편, 냉방운전시에는 상기 축열조(110)에 저장되었던 브라인(112)이 배관을 통해 브라인공급펌프(50c)에 공급되고, 상기 브라인공급펌프(50c)에 의해 열교환기(400)로 제공되어 상기 브라인(112)에 의한 열교환이 이뤄지게 한다.

상기 배관에는 온도센서(10)센서와 농도계(70)가 함께 구비되어서 배출되는 브라인(112)의 온도와 농도를 각각 측정해 제어부에 제공하고, 상기 제어부에서는 온도정보와 농도정보를 서로 비교하여 상기 브라인(112)의 현재 온도정보를 검증 및 보정해서 각 구성설비의 가동을 지시하게 된다.

상기 제어부는 배출되는 상기 브라인(112)의 온도 및 농도정보를 이용해 설정온도인지를 검증하고, 설정온도를 만족하는 브라인(112)인 경우, 상기 브라인공급펌브(50c)를 구동시켜 제공된 브라인(112)을 공급관(56)을 통해 상기 열교환기(400)로 제공하도록 한다.

반면, 배출되는 상기 브라인(112)이 설정온도 이하일 경우, 상기 제어부는 브라인순환펌프(50b)를 구동시켜 브라인(112)을 순환관(54)을 통해 제1해빙가속 열교환기(600)로 이송시킨다.

상기 제1해빙가속 열교환기(600)는 상기 순환관(54)으로부터 제공된 설정온도 이하의 브라인(112)과, 상기 열교환기(400)에서 회수관(402)을 통해 열교환을 마쳐 온도가 상승한 사용 후 브라인이 만나는 곳으로, 설정온도 이하의 브라인(112)은 열교환기(400)에서 사용된 브라인을 만나면서 가지고 있던 냉열을 전달하면서 온도가 상승하게 되고, 사용 후 브라인(112)은 설정온도에는 못 미치지만 사용전의 브라인(112)과 만나서 냉열을 전달받아 온도가 낮아지게 한다.

그 결과로, 상기 설정온도 이하의 브라인(112)는 상기 제1해빙가속 열교환기(600)를 거치면서 온도가 상승한 상태로 브라인 회수관(602)를 통해 상기 냉동기(300)로 이송되어, 상기 냉동기(300)에서 냉각된 후에 축열조(110)로 공급되게 된다.

한편, 축열조(110)의 출구측 배관에서는 브라인(112)의 온도를 측정해 그 결과를 제어부에 제공하고, 측정된 온도가 설정온도 이상일 경우, 제어부에서는 냉동기(300)의 구동을 명령해 브라인(112)의 냉각을 시작한다.

상기 제어부의 구동명령으로 냉동기(300)와 축열조(110)가 구동하면서 상기 냉동기(300)로 공급되는 브라인은 해빙가속 열교환기(600,700)를 경유해 냉동기로 이송되어서 냉각된다.

그 결과로 상기 냉동기(300)로 공급되는 브라인(112)의 온도는 0℃~5℃ 온도 범위 이상이 되도록 열교환기(400)에 구비된 입력 밸브를 제어해 브라인(112)의 공급을 조절하고, 열교환이 끝나 축열조(110)로 공급되는 브라인(112)의 온도는 하강하게 되는 것이다.

반면, 본 발명의 고효율 아이스슬러리 빙축열시스템이 야간에 구동될 때에는, 상기 냉동기(300)로 공급되는 브라인(112)에 대해서는 해빙가속 열교환기(600,700)를 바이패스 통과하도록 하여 구동 에너지를 절감하게 한다.

상기와 같은 구동에 의해서 본 발명의 고효율 아이스슬러리 빙축열시스템은 열교환 후 온도가 상승한 브라인(112)이 냉각을 위해 냉동기(300)로 공급됨에 있어서, 그 온도 상승분만큼에 해당하는 냉동기(300) 구동이 이뤄지게 되는 것으로, 결과적으로 빙축열시스템에서 가장 많은 에너지를 소모하는 냉동기의 운전효율이 향상되고, 더불어 COP가 브라인의 온도 0℃ 대비 약 25%의 상승효과가 있게 되는 것이다.

반면, 종래의 빙축열시스템에서는 축열조에서 배출된 브라인의 온도를 측정해 설정온도 이하일 경우 직접 냉동기로 제공해 냉각시켜 다시 축열조에 저장되도록 하는 것으로, 브라인의 온도상태의 고려 없이 무조건 설정온도에 미달하는 상황에서는 냉각기를 구동시켜 브라인의 무리한 순환을 해야 했고, 이러한 과정을 반복적으로 수행해 저장된 축적된 브라인이 온도를 측정해 설정온도에 만족하는지를 판단한 후에야 열교환기로 브라인을 공급하는 방식으로서 냉각효율의 저하는 물론 과도한 에너지 소비가 불가피한 문제가 있었다.

그러나 상술한 본 발명의 실시예에서는 축열조(110)로부터 배출된 브라인(112)의 온도 및 농도를 서로 비교해 신뢰할 수 있는 브라인의 온도 정보를 추출하고, 이 온도 정보에 따라 설정온도를 만족한 브라인을 열교환기(400)로 제공해 열교환을 수행하도록 하고, 설정온도를 만족하지 못하는 브라인(112)에 대해서는 열교환기(400)와 해빙가속 열교환기(600,700)로 동시에 제공해 브라인(112)의 열교환이 이루어지도록 함으로써, 설정온도를 기준으로 소정의 온도차를 보이는 브라인(112)이 냉동기(300)로 공급되도록 함으로써 고효율의 냉각운전이 가능하게 되는 것이다.

주지와 같이 냉동기(300)는 냉각설정온도를 기준으로, 냉각 대상물의 온도상태가 냉각설정온도보다 큰 온도차를 보이는 상태에서 냉각을 할 때 냉각효율이 좋아진다.

본 발명에서는 상술한 바와 같이, 축열조(110)로부터 배출된 브라인(112)이 설정온도 이하인 경우, 상기 브라인(112)이 설정온도보다 큰 폭으로 온도차가 발생하도록 제1해빙가속열교환기(600)로 제공해서, 상기 열교환기(400)에서 열교환을 마치고 온도가 상승한 상태의 브라인과 상기 브라인(112)이 열교환 되도록 한다.

때문에 상기 냉동기(300)의 구동효율이 향상되는 것은 물론, 상기 열교환기(400)에서 부하측과의 열교환을 마친 사용 후 브라인이 상기 축열조(110)에 다시 회수될 때 손실된 온도의 일부를 보상시킨 상태로 회수되도록 함으로써, 전체 시스템의 에너지효율도 함께 향상되고, 설정온도와 품질을 만족시키는 브라인의 생산에 소요되는 시간도 단축할 수 있게 되는 것이다.

한편, 전술한 것과 같이 상기 축열조(110)에서 배출되는 브라인(112)은 상기 온도센서(10)와 농도계(70)를 이용해 온도와 농도를 측정해 제어부로 제공하고, 제어부에서는 두 정보를 상호 비교하여 브라인(112)의 온도를 검증, 보정하여서 브라인(112)의 온도상태가 설정온도인지를 판단한다.

상기 브라인(112)이 설정온도에 만족하면, 상기 제어부는 브라인공급펌프(50c)를 구동시켜 열교환기(400)로 브라인(112)을 공급하고, 상기 열교환기(400)에서는 제공된 브라인(112)과 부하측 공기가 서로 만나 열교환이 이루어지도록 한다. 그 결과로 부하측 공기는 냉열을 전달받아 온도가 낮아지게 되고, 브라인(112)은 냉열을 제공하면서 온도가 상승한 상태가 된다.

상기 열교환기(400)에서 사용된 브라인(112)은 회수관(402)을 통해 컨트롤 밸브(60)에 제공되게 된다. 이 과정에서 제어부는 브라인공급펌프(50c)를 통해 상기 축열조(110)내의 상부에 구비된 샤워노즐(114)로 공급되는 브라인(112)의 온도정보를 확인하고, 제공된 온도정보와 설정온도 (5℃~10℃) 이하일 경우, 컨트롤 벨브(60)를 구동해 브라인(112)의 공급을 수행하고, 해빙가속 열교환기(600.700)에 공급되는 브라인(112)의 공급량을 조절하는 것으로 상기 샤워노즐(114)을 통해 축열조(110)내로 분사되는 브라인(112)의 온도가 설정온도 이상이 되도록 하여서 축열조(110)내부로 분사되도록 한다.

이러한 열교환 과정으로 상기 브라인 회수관(602)을 통해 상기 축열조(110)로 투입되는 브라인(112)의 온도는 하강하게 되는 반면, 상기 축열조(110)의 상부의 샤워노즐(114)를 통해 분사되는 브라인(112)의 온도는 상승한 상태이다.

때문에 온도가 상승한 브라인(112)가 축열조(110)의 상부에서 분사도포되어서 저장된 아이스슬러리 상태의 브라인(112)와 접촉하게 되면서 냉열이 전달되고, 아이스슬러리 상태의 브라인(112)가 해빙되면서 액화되어 밀도차가 생기면서 하강하게 된다.

하강한 브라인(112)은 축열조(110)의 내측저부에 설치된 디퓨져(미도시)를 통해 다시 수집되어 펌프(50a, 50b)로 공급되게 된다. 결과적으로 이러한 과정을 통해 해빙이 향상되어 해빙 성능이 향상되는 효과가 있다.

상기 샤워노즐(114)을 통해 분사되는 브라인(112)은 축열조(110) 내의 저장되었던 아이스슬러리와의 온도차이가 크기 때문에 결과적으로 전체적으로 냉각 효율과 성능이 향상되게 된다.

한편, 상기 회수관(402)에 구비된 온도센서(10)로부터 사용 후 브라인의 온도정보를 제공받고, 설정온도 이상일 경우 상기 제1해빙가속열교환기(600)로 상기 브라인(112)을 제공해 상기 축열조(110)로부터 배출된 브라인(112)과 열교환이 이뤄지도록 하고, 회수관(402)을 통해 상기 축열조(110)로 투입시킨다.

반면, 회수관(402)의 브라인이 설정온도 이하일 경우 낮은 온도 상태이기 온도손실이 낮아 재사용이 가능한 상태이므로, 상기 제어부는 컨트롤 밸브(미도시)를 구동시켜 상기 브라인(112)이 상기 축열조(110)로 투입되도록 한다.

한편, 상기 회수관(402)을 통해 상기 축열조(110)에 투입된 브라인(112)은 상기 열교환기(400)의 부하측과 열교환을 통해 냉방을 수행하는 과정에서, 액상상태 이외 기화된 상태일 수 있다. 이 기화증기는 상기 회수관(402) 및 샤워노즐(114)을 통해 축열조(110)의 내부로 공급되고, 아이스슬러리 상태의 브라인(112)의 상부층에 분사되게 되며, 분사과정에서 온도차에 의해 액화 상태로 저장되었던 아이스슬러리 상태의 브라인(112)의 상부층에 도포되게 된다.

분사되어 액화상태가 된 상기 브라인(112)은 기포상태로 상승하면서 아이스슬러리 상태의 브라인(112)과 직접 접촉하게 되며, 전술한 바와 같이 이 과정에서 냉열을 전달받아 아이스슬러리 상태의 브라인(112)이 해빙되면서 액화상태가 되고, 응축·액화되면서 밀도차에 발생해 하강하게 되면서 전술한 바와 같이 브라인(112)의 증기가 발생하게 된다.

상기 축열조(110)에 저장된 아이스슬러리 상태의 브라인(112)과 분사도포된 브라인(112)에서 발생한 증기는 전술한 바와 같이 상기 브라인순환펌프(50b)에 의해 제1해빙가속열교환기(600)에서 열교환을 거친 후 냉동기(300)로 공급되어서 냉각시킨 후에 다시 축열조(110)에 투입시키게 된다.

이와 더불어 본 발명의 빙축열시스템은 상기 축열조(110)에 저장된 브라인(112)이 설정온도를 유지할 수 있도록 상기 브라인교반펌프(50a)에 의해 순환되어 저장된 브라인(112)가 냉각된 상태의 온도를 유지할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 축열조(110)는 내부 수용공간의 높이를 따라 다수의 온도센서(미도시)를 설치하여서, 저장된 브라인(112)의 온도를 수시로 감지해 제어부에 제공하고, 제어부는 저장된 브라인(112)의 온도와 설정온도를 비교해 브라인(112)의 온도가 설정온도를 만족시키지 못하는 경우, 상기 브라인교반펌프(50a)를 구동시켜 저장되었던 브라인(112)을 브라인교반펌프(50a)를 이용해 제2해빙가속열교환기(700)로 이송시킨다.

이 과정에서도 전술한 바와 같이 상기 제어부는 축열조(110)에서 배출되는 브라인(112)의 온도를 온도센서(10)와 농도계(70)로 측정하여서 브라인(112)의 온도상태를 검증하여 필요한 구동을 시행한다.

상기 제2해빙가속열교환기(700)에서는 제공된 브라인(112)과, 상기 회수관(402)을 통해 제공되는 사용 후 브라인이 서로 만나 열교환이 이뤄지게 된다.

이때 제2해빙가속열교환기(700)에 제공된 사용 후 브라인은 이미 상기 제1해빙가속열교환기(600)에서 열교환을 통해 냉열을 전달받아 온도가 낮아진 상태이고, 상기 제2해빙가속열교환기(700)에서는 축열조(110)에서 제공된 낮은 온도의 브라인(112)과 만나 냉열을 제공받기 때문에 이전의 온도상태보다 훨씬 더 낮은 상태의 온도가 되게 된다.

그 결과, 상기 제2해빙가속열교환기(700)에서 열교환을 마친 사용 후 브라인은 회수관(402)을 통해 샤워노즐(114)로 축열조(110) 내부로 투입되면서 교반이 이뤄지고, 저장되었던 브라인(112)과 제빙수와의 온도차이가 크지 않기 때문에 아이스슬러리를 빠르게 생산할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서 사용되는 브라인(112)은 동결성분의 첨가물을 포함한 제빙수로서, 냉동기(300)에서 제빙 되면서 미세한 얼음 입자 상태의 아이스슬러리 상태로 가공되고, 각 과정으로 공급되는 상태에서는 소정의 점성과 밀도를 유지하면서 유동 되는 것이다.

이러한 상태의 브라인의 온도측정을 위해 온도센서(10)를 사용할 경우, 아이스슬러리 상태의 브라인(112)이 유류 하면서 유체의 속도와 밀도 차이가 발생해 정확한 온도를 측정할 수 없는 문제가 있다.

때문에 본 발명에서는 상기 온도센서(10)와 농도계(70)를 브라인의 유통관에 함께 설치하여서, 브라인의 온도와 함께 농도를 측정하고, 측정된 온도 정보와 농도정보를 제어부로 전달해 상기 온도센서(10)에서 측정된 온도정보와 상기 농도계(70)에서 측정된 농도정보를 상호 비교하고 보정해 브라인(112)의 정확한 온도정보를 파악하고 각 구성들의 구동을 결정하거나 냉방운전을 하는데 이용하는 것이다.

상기 농도계(70)는 고출력의 적외선 다이오드 광원으로부터 상기 브라인(112)에 소정의 시간 동안 빛을 조사시켜 굴절된 임계각을 측정하는 방식으로 온도를 측정하는 것이다.

상기 브라인교반펌프(50a)는 제2해빙가속열교환기(700)로 연결된 교반관(52)이 포함되고, 브라인순환펌프(50b)는 제1해빙가속열교환기(600)와 연결된 순환관(54)을 포함하고, 브라인공급펌프(50c)는 열교환기(400)와 연결된 공급관(56)을 포함한다. 각각의 관은 상기 제어부의 구동제어에 따라 선택적으로 개폐되는 밸브와 압력계, 온도센서, 농도계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 브라인교반펌프(50a), 브라인순환펌프(50b) 및 브라인공급펌프(50c)는 인버터를 구비한 펌프로서 상기 제어부의 제어신호에 따라 설정조건에서만 구동이 선택적으로 이뤄져 구동전력을 최소한으로 소비하는 것이다.

상기와 같이 본 발명의 빙축열시스템은 냉동기, 축열조 및 열교환기의 각각에 설치된 온도센서로부터 각각의 브라인의 온도를 측정하고, 브라인의 순환 또는 저온가공 과정을 선택적으로 진행함으로써 에너지를 보다 효율적으로 사용할 수 있으며, 기존의 빙축열시스템에서 브라인의 온도측정이 어렵고 신뢰할 수 없었던 문제를 해결하고자 축열조로부터 배출되는 브라인의 온도를 온도센서와 농도계가 함께 측정하고, 측정된 정보를 보정함으로써 보다 정확한 브라인온도 측정이 이뤄져 빙축열시스템의 구동효율이 향상되는 효과가 있는 것이다.

10 : 온도센서 20 : 플로우스위치
30 : 밸브 40 : 압력계
50 : 펌프 50a : 브라인교반펌프
50b : 브라인순환펌프 50c : 브라인공급펌프
52 : 교반관 54 : 순환관
56 : 공급관 60 : 컨트롤 밸브
62 : 컨트롤 밸브 70 : 농도계
100 : 빙축열시스템 110 : 축열조
112 : 브라인 114 : 샤워노즐
200 : 냉각탑 300 : 냉동기
302 : 냉각 브라인 공급관 400 : 열교환기
402 : 회수관
600 : 제1해빙가속 열교환기 602 : 브라인 회수관
700 : 제2해빙가속 열교환기 702 : 브라인 순환관
704 : 브라인 순환관

Claims (7)

1. 제빙수가 채워지고 액상의 브라인이 출입하면서 상기 제빙수와 열교환을 통해 응축·상변화하면서 상변화가 이뤄지는 축열조와, 상기 축열조에 연결된 배관으로 상기 브라인을 열교환기에 공급하는 브라인공급펌프와, 상기 축열조에 저장된 브라인을 냉동기에 제공해 냉각시키는 브라인순환펌프와, 상기 축열조에 저장된 브라인을 하부에서 취수하고 상부에서 분사하여 강제순환방식으로 교반하는 브라인교반펌프와, 상기 브라인공급펌프로부터 브라인을 공급받아 부하측에 냉열을 전달하는 열교환기를 포함하는 아이스슬러리 빙축열 시스템에 있어서,
   상기 축열조의 출입배관에는 온도센서와 농도감지기가 구비되어서 배출되는 브라인의 온도와 농도를 측정하고, 측정된 농도정보와 온도정보를 비교해 온도정보를 검증 및 보정한 온도정보를 제어부에 제공해 상기 브라인 온도정보에 따라 축·냉방 구동을 제어하고,
   상기 냉동기와 축열조 및 열교환기의 출입배관에는 온도센서가 적어도 하나 이상이 구비되어 각각 측정된 온도정보와 상기 농도정보를 비교하여 온도정보를 보정한 브라인 온도정보를 생성해 축열량과 방냉량을 제어하며,
   상기 열교환기와 상기 냉동기는 회수관으로 연결되는 한편 상기 회수관에는 제1해빙가속열교환기가 구비되어, 상기 제1해빙가속열교환기는 상기 열교환기로부터 제공된 열교환이 끝난 브라인과 상기 브라인순환펌프로부터는 상기 축열조에서 취수한 사용 전 브라인을 제공받아 열교환이 이루어지면서 온도가 상승된 상기 사용 전 브라인을 상기 냉동기에 제공함으로써 냉동효율을 향상시키고,
   상기 브라인교반펌프와 상기 축열조는 브라인순환관으로 연결되고는 한편 상기 브라인순환관에는 제2해빙가속열교환기가 구비되어, 상기 제2해빙가속열교환기는 상기 축열조에서 제공한 사용 전 브라인과 상기 제1해빙가속열교환기 또는 열교환기로부터 사용 후 브라인을 제공받아 열교환이 이루어지면서 온도가 하강된 상기 사용 후 브라인을 상기 축열조에 제공함으로써 브라인 생산효율이 향상되는 것을 특징으로 하는 아이스슬러리 빙축열시스템.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 브라인은 제빙수와 프로필렌글리콜 또는 에틸렌글리콜를 주재료로 사용하는 아이스슬러리인 것을 특징으로 하는 아이스슬러리 빙축열시스템.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 브라인공급펌프, 브라인순환펌프 및 브라인교반펌프 중 적어도 어느 하나는 인버터를 구비한 펌프인 것을 특징으로 하는 아이스슬러리 빙축열시스템.
   

Images