KR101729176B1

KR101729176B1 - 이산화탄소를 2차유체로 이용하는 캐스케이드 냉동 사이클의 안전 시스템 및 운용방법

Info

Publication number: KR101729176B1
Application number: KR1020150125208A
Authority: KR
Inventors: 김영득; 윤홍선; 이성재; 윤린; 김영근; 권준호
Original assignee: 인덕대학교 산학협력단
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2017-04-21
Also published as: KR20170028522A

Abstract

본 발명은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 캐스케이드 열교환기, 상기 압축기/응축기/팽창밸브/캐스케이드 열교환기를 연결하는 1차측 배관을 포함하는 1차측 회로와; 상기 캐스케이드 열교환기를 통과한 이산화탄소를 저장하는 탱크와, 상기 탱크의 이산화탄소를 배출시키는 펌프와, 펌프로부터 배출된 이산화탄소를 공급받는 복수 개의 쇼 케이스와, 상기 쇼 케이스로 공급되는 이산화탄소를 차단할 수 있는 공급측 밸브와, 상기 쇼 케이스를 통과한 이산화탄소가 상기 캐스케이드 열교환기로 공급되는 것을 차단할 수 있는 환수측 밸브와, 탱크/펌프/공급측 밸브/쇼 케이스/환수측 밸브/캐스케이드 열교환기를 연결하는 2차측 배관으로 이루어진 2차측 회로를 포함하여 이루어진 캐스케이드 냉동 사이클에 있어서, 환수측 밸브와 캐스케이드 열교환기 사이에서 분기되어 상기 펌프와 공급측 밸브 사이로 연결되는 재가동용 배관과, 상기 재가동용 배관상에 설치되는 재가동용 밸브로 이루어진 재가동용 회로와; 환수측 밸브와 최하류의 쇼 케이스 사이에서 분기되어 상기 캐스케이드 열교환기와 탱크 사이로 연결되는 다운용 배관과, 상기 다운용 배관에 순차적으로 설치되는 다운용 밸브, 어큐뮬레이터, 다운용 압축기, 다운용 응축기, 다운용 팽창밸브로 이루어진 다운용 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

이산화탄소를 2차유체로 이용하는 캐스케이드 냉동 사이클의 안전 시스템 및 운용방법{Safety System And Method For Cascade Refrigeration Cycle Using Carbon Dioxide As A Second Refrigerant}

본 발명은 이산화탄소를 2차유체로 이용하는 캐스케이드 냉동 사이클의 안전 시스템 및 그 운용방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대형 마트 또는 중·소형 슈퍼마켓 등에서 식품 보관 또는 전시용으로 사용되는 냉장·냉동 쇼 케이스(Show Case)에 사용되는 캐스케이드(Cascade) 냉동 사이클의 안전적인 운용을 위한 안전 시스템 및 운용방법에 관한 것이다.

최근 대형 마트 등에서 사용되는 쇼 케이스는 각 쇼 케이스에서 HFC 또는 HCFC 계열 냉매가 압축기-응축기-팽창밸브-증발기의 회로를 순환하며 쇼 케이스를 냉장·냉동시키는 직접 팽창방식보다는 2차유체를 사용하는 브라인 순환형 캐스케이드 냉동 사이클 방식을 사용하는 경우가 많다.

본 발명의 대상이 되는 캐스케이드 냉동 사이클 방식은 도 1에 도시된 바와 같이, R-134a, R-404A 와 같은 HFC 계열의 냉매를 사용하는 1차측 회로와 상기 1차측 회로의 냉기를 이산화탄소가 2차유체로서 전달받아 쇼 케이스에 전달하는 2차측 회로로 구성된다.

1차측 회로는 압축기(10),응축기(11),팽창밸브(12), 캐스케이드 열교환기(13), 그리고 이들을 연결하는 1차측 배관(16)을 포함하여 이루어진다.

2차측 회로는 다음과 같이 구성된다. 상기 캐스케이드 열교환기(13)는 2차유체인 이산화탄소를 냉각 응축시키고, 냉각 응축된 이산화탄소는 탱크(3)에 저장되며 펌프(1)에 의해 2차측 배관(8)을 통해 복수의 쇼 케이스(30)로 공급된다. 쇼 케이스(30)의 증발기(31)에서 열을 흡수한 기상 또는 기액상의 이산화탄소는 캐스케이드 열교환기(13)에서 다시 응축된다. 쇼 케이스(30)는 복수 개가 2차측 배관(8)에 병렬로 설치된다.

쇼 케이스(30)는 통상 마트의 매장 내에 즉 실내에 설치되며, 나머지 구성은 실외에 설치된다. 2차측 회로는 실내로 인입되는 이산화탄소의 공급을 제어할 수 있는 공급측 밸브(4)와, 쇼 케이스(30)를 통과한 이산화탄소가 캐스케이드 열교환기(13)로 환수되는 것을 제어할 수 있는 환수측 밸브(5)를 구비하고 있다.

펌프(1)에 의해 탱크(3)로부터 배출된 이산화탄소는 펌프(1)의 배출단 측에 연결된 바이패스용 배관(7)에 의해 탱크(3)로 일부 환수된다. 바이패스용 배관(7)에 의해 환수되는 이산화탄소의 양은 바이패스 밸브(6)에 의해 제어된다. 이와 같은 바이패스 회로는 쇼 케이스(30)의 운용 갯수에 따라 공급되는 이산화탄소의 양을 조절하기 위해 사용된다.

캐스케이드 냉동 사이클 방식은 직접 팽창방식에 비해 냉매를 1/10 정도만 충진시켜 사용할 수 있고, 1차측 회로를 구성하는 공간이 크게 필요치 않을 뿐만 아니라 1차측 회로의 유지보수가 용이하며, 1차측 배관(16)을 짧게 할 수 있으므로 1차측 냉매의 누설 방지를 쉽게 관리할 수 있고 또한 1차측 배관을 따라 과냉 및 낮은 응축압력의 유지가 가능하여 연간 에너지 소비를 7%이상 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다. 1차측 회로를 실외에 구비함으로써 1차측 회로에 실내에 사용하기 어려운 탄화수소계 냉매나 암모니아를 사용하는 것이 가능하다.

상기 장점을 구비한 캐스케이드 냉동 사이클 방식에도 다음과 같은 문제점이 있다.

2차측 회로의 운전 압력이 HCFC와 HFC 계열 냉매를 사용하는 직접 팽창방식보다 높게 형성되며, 냉동 사이클을 멈추었을 때 도 2에서 알 수 있듯이 이산화탄소 냉매의 상온에서의 포화압력이 약 60 bar에 달하여 이에 대한 안전대책이 절실히 요구되는 실정이다.

윤린, 슈퍼마켓 적용 이산화탄소 냉동 시스템, 대한설비공학회 설비저널 2010년 4월호, 45-50쪽

이산화탄소를 2차유체로 이용하는 캐스케이드 냉동 사이클에서 작동을 장시간 멈추었을 때, 상온에서 이산화탄소의 포화압력이 높아지고 이에 따라 실내에 설치된 쇼 케이스나 2차측 배관에서 폭발이 발생할 위험이 있다. 본 발명은 이러한 위험을 방지하여 안전하게 운용할 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 한다.

압축기, 응축기, 팽창밸브, 캐스케이드 열교환기, 상기 압축기/응축기/팽창밸브/캐스케이드 열교환기를 연결하는 1차측 배관을 포함하는 1차측 회로와;

상기 캐스케이드 열교환기를 통과한 이산화탄소를 저장하는 탱크와, 상기 탱크의 이산화탄소를 배출시키는 펌프와, 펌프로부터 배출된 이산화탄소를 공급받는 복수 개의 쇼 케이스와, 상기 쇼 케이스로 공급되는 이산화탄소를 차단할 수 있는 공급측 밸브와, 상기 쇼 케이스를 통과한 이산화탄소가 상기 캐스케이드 열교환기로 공급되는 것을 차단할 수 있는 환수측 밸브와, 탱크/펌프/공급측 밸브/쇼 케이스/환수측 밸브/캐스케이드 열교환기를 연결하는 2차측 배관으로 이루어진 2차측 회로를 포함하여 이루어진 캐스케이드 냉동 사이클에 있어서,

환수측 밸브와 캐스케이드 열교환기 사이에서 분기되어 상기 펌프와 공급측 밸브 사이로 연결되는 재가동용 배관과, 상기 재가동용 배관상에 설치되는 재가동용 밸브로 이루어진 재가동용 회로와;

환수측 밸브와 최하류의 쇼 케이스 사이에서 분기되어 상기 캐스케이드 열교환기와 탱크 사이로 연결되는 다운용 배관과, 상기 다운용 배관에 순차적으로 설치되는 다운용 밸브, 어큐뮬레이터, 다운용 압축기, 다운용 응축기, 다운용 팽창밸브로 이루어진 다운용 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

펌프와 재가동용 밸브 사이에서 또는 펌프와 공급측 밸브 사이에서 분기되어 탱크로 연결된 바이패스용 배관과, 상기 바이패스용 배관상에 설치되는 바이패스 밸브로 이루어지는 바이패스 회로를 더 구비하는 것도 바람직하다.

상기 다운용 회로는 다운용 밸브와 어큐뮬레이터 사이에 다운용 열교환기를 설치하고, 다운용 응축기에서 다운용 팽창밸브를 연결하는 다운용 배관이 상기 다운용 열교환기를 거치도록 하는 것도 바람직하다.

상기 쇼 케이스의 이산화탄소를 상기 탱크에 수집하기 위한 다운용 회로를 구비하고, 상기 쇼 케이스에 이산화탄소를 공급하지 않는 상태에서 상기 캐스케이드 열교환기를 통해 2차측 회로의 이산화탄소를 냉각시킬 수 있는 재가동용 회로를 구비하는 단계와;

캐스케이드 열교환기를 통해 냉각된 이산화탄소를 쇼 케이스에 공급하는 정상가동 단계와;

쇼 케이스의 이산화탄소를 상기 다운용 회로를 사용하여 탱크에 수집하고 냉동 사이클을 정지시키는 정지 단계와;

재가동용 회로를 통해 캐스케이드 열교환기를 통해 탱크의 이산화탄소를 냉각시키는 재가동 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 이산화탄소를 2차유체로 이용하는 캐스케이드 냉동 사이클을 안전하게 작동시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 캐스케이드 냉동 사이클의 시스템을 설명한 도.
도 2는 각종 냉매의 포화압력 곡선
도 3은 본 발명의 일 실시예로 캐스케이드 냉동 사이클의 안전 시스템을 나타낸 도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예로 캐스케이드 냉동 사이클의 안전 시스템을 나타낸 도.

이하, 본 발명을 그 실시예에 따라 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3에는 본 발명의 일 실시예로 캐스케이드 냉동 사이클을 이용한 시스템을 도시하였다.

압축기(10), 응축기(11), 팽창밸브(12), 캐스케이드 열교환기(13), 상기 압축기(10)/응축기(11)/팽창밸브(12)/캐스케이드 열교환기(13)를 연결하는 1차측 배관(16)을 포함하는 1차측 회로는 종래의 기술인 도 1의 구성과 동일하다. 1차측 회로는 HFC 또는 HCFC 계열 냉매를 사용하고 있다.

본 발명에서의 캐스케이드 냉동 사이클은 2차유체로 이산화탄소를 사용하는 것이다. 이산화탄소가 냉매로서 작용하는 2차측 회로는 상기 캐스케이드 열교환기(13)를 통과한 이산화탄소를 저장하는 탱크(3)와, 상기 탱크(3)로부터 이산화탄소를 배출시키는 펌프(1)와, 펌프(1)로부터 배출된 이산화탄소를 공급받는 복수 개의 쇼 케이스(30)와, 상기 쇼 케이스(30)로 공급되는 이산화탄소를 차단할 수 있는 공급측 밸브(4)와, 상기 쇼 케이스(30)를 통과한 이산화탄소가 상기 캐스케이드 열교환기(13)로 공급되는 것을 차단할 수 있는 환수측 밸브(5)와, 탱크(3)/펌프(1)/공급측 밸브(4)/쇼 케이스(30)/환수측 밸브(5)/캐스케이드 열교환기(13)를 연결하는 2차측 배관(8)을 포함하여 이루어진다.

본 실시예에서는 상기 1차측 회로 및 2차측 회로 이외에 재가동용 회로와 다운용 회로를 더 구비하고 있다.

재가동용 회로는 환수측 밸브(5)와 캐스케이드 열교환기(13) 사이에서 분기되어 상기 펌프(1)와 공급측 밸브(4) 사이로 연결된 재가동용 배관(9)과, 재가동용 배관(9)상에 설치된 재가동용 밸브(40)로 이루어진다.

펌프(1)와 재가동용 밸브(40) 사이에서 분기되어 바이패스 밸브(6)를 거쳐 탱크(3)로 연결된 바이패스 회로를 더 구비하는 것도 바람직하다. 바이패스 회로는 펌프(1)와 공급측 밸브(4) 사이의 일 지점에서 분기되어 탱크(3)로 환수될 수 있도록 하는 것도 가능하다. 이러한 바이패스 회로는 2차측 회로의 출력을 조절할 수 있는 것이므로 필요에 따라 선택적으로 적용하는 것이 가능하며, 바이패스 회로는 바이패스용 배관(7)에 의해 연결된다.

다운용 회로는 환수측 밸브(5)와 최하류의 쇼 케이스(30) 사이에서 분기되어 다운용 밸브(24), 어큐뮬레이터(25), 다운용 압축기(20), 다운용 응축기(21), 다운용 팽창밸브(22)를 거쳐 상기 상기 캐스케이드 열교환기(13)와 탱크(3) 사이로 연결되도록 이루어져 있다. 이와 같은 연결은 다운용 배관(2)에 의해 이루어진다.

본 실시예의 작동관계는 다음과 같다.

쇼 케이스가 냉장 또는 냉동의 역할을 수행하는 정상적인 작동상태인 경우, 1차측 회로는 냉매를 냉각시켜 캐스케이드 열교환기(13)로 공급하게 된다.

2차측 회로는 캐스케이드 열교환기(13)에서 이산화탄소를 냉각시켜 탱크(3)에 저장하고, 펌프(1)는 탱크(3)의 이산화탄소를 쇼 케이스(30)로 공급한다. 쇼 케이스(30)에서 열교환을 이룬 이산화탄소는 다시 캐스케이드 열교환기(13)로 지나며 다시 냉각되게 된다.

쇼 케이스(30)에서의 열교환은 당연히 쇼 케이스(30)의 증발기(31)에서 이루어지는 것이다.

본 실시예에서는 바이패스 회로가 구비되어 있는데, 바이패스 밸브(6)는 2차측 회로의 출력을 조절하기 위해 개도가 조정되며, 바이패스 밸브(6)는 펌프(1)로부터 배출된 이산화탄소의 일부를 탱크(3)로 환수시키게 된다. 바이패스 회로가 없는 경우는 1차측 회로의 출력에 따라 2차측 회로의 출력을 조절하는 것도 가능하다.

정상작동 시에는 다운용 밸브(24), 재가동용 밸브(40)는 모두 폐쇄된 상태이다.

쇼 케이스(30)의 수리 또는 장기적인 휴무 등에 의해 쇼 케이스의 작동을 멈추어야 할 경우에는 다음과 같은 정지단계를 거치게 된다.

펌프(1)와 1차측 회로를 정지시키고, 공급측 밸브(4) 및 환수측 밸브(5)를 폐쇄한다.

다음으로 다운용 밸브(24)를 개방하고 다운용 압축기(20) 및 다운용 응축기(21)를 가동시킨다. 이에 따라 공급측 밸브(4)와 환수측 밸브(5) 사이에 배치된 관로의 이산화탄소는 다운용 회로에 의해 냉각되어 탱크(3)로 공급되게 되며 쇼 케이스(30)의 이산화탄소가 거의 제거되게 된다. 이후, 다운용 밸브(24)를 폐쇄하고 다운용 압축기(20) 및 다운용 응축기(21)의 작동을 정지시킴으로써 정지단계가 마무리되게 된다. 정지단계에 의해 쇼 케이스(30)가 있는 실내 측 배관의 이산화탄소 농도가 낮아지며, 잔류 이산화탄소의 온도가 상온에 달하더라도 그 압력이 그다지 높아지지 않기 때문에 쇼 케이스(30)가 폭발하는 등의 위험은 사라지게 된다. 또한 탱크(3)에 저장된 이산화탄소는 탱크 주변의 일상적인 온도변화에 의해 폭발을 일으키지 않음은 당연하다 할 것이다.

다시 쇼 케이스(30)를 가동시키기 위해서는 재가동 단계를 거치게 된다. 재가동 단계에서는 먼저 1차측 회로와 펌프(1)를 작동시키고, 재가동용 밸브(40)를 개방한다. 1차측 회로의 작동에 따라 캐스케이드 열교환기(13)에는 냉기가 발생하며, 이러한 냉기는 2차유체인 이산화탄소에 전달되어, 탱크(3)와 펌프(1)를 거쳐 재가동용 회로를 순환하게 된다. 탱크(3)의 이산화탄소가 충분히 냉각되면, 재가동용 밸브(40)를 폐쇄하고, 공급측 밸브(4) 및 환수측 밸브(5)를 개방한다. 이에 따라 이산화탄소는 탱크(3)-펌프(1)-쇼 케이스(30)-캐스케이드 열교환기(13)을 순환하는 정상단계로 진입하게 된다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 것이다. 도 3의 실시예와 대비해 보면, 다운용 회로에서 다운용 밸브(24)와 어큐뮬레이터(25) 사이에 다운용 열교환기(26)를 설치하고, 다운용 응축기(21)에서 다운용 팽창밸브(22)를 연결하는 배관이 상기 다운용 열교환기(26)를 거치도록 이루어져 있다. 이에 따라 다운용 회로를 통과하는 이산화탄소가 다운용 열교환기(26)에 의해 그 온도가 낮아진 상태로 다운용 압축기(20)로 공급되게 된다. 정지단계에서 쇼 케이스(30)로부터 다운용 회로로 공급되는 이산화탄소의 농도가 낮아짐에 따라 다운용 압축기(20)의 효율이 감소하여 이산화탄소의 냉각이 충분히 이루어지지 않을 수 있는 문제를 도 4의 구성에 의해 해결할 수 있는 것이다.

이상, 본 발명을 그 실시예에 따라 설명하였다. 본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 한정되어 해석되는 것이 아니라, 청구범위에 기재된 사항에 따라 합리적으로 해석되어야 함은 물론이다.

1 : 펌프 2 : 다운용 배관 3 : 탱크 4 : 공급측 밸브
5 : 환수측 밸브 6 : 바이패스 밸브 7 : 바이패스용 배관
8 : 2차측 배관 9 : 재가동용 배관 10 : 압축기
11 : 응축기 12 : 팽창밸브 13 : 캐스케이드 열교환기 16 : 1차측 배관
20 : 다운용 압축기 21 : 다운용 응축기 22 : 다운용 팽창밸브
24 : 다운용 밸브 25 : 어큐뮬레이터 26 : 다운용 열교환기
30 : 쇼 케이스 31 : 증발기 40 : 재가동용 밸브

Claims

압축기, 응축기, 팽창밸브, 캐스케이드 열교환기, 상기 압축기/응축기/팽창밸브/캐스케이드 열교환기를 연결하는 1차측 배관을 포함하는 1차측 회로와;
상기 캐스케이드 열교환기를 통과한 이산화탄소를 저장하는 탱크와, 상기 탱크의 이산화탄소를 배출시키는 펌프와, 펌프로부터 배출된 이산화탄소를 공급받는 복수 개의 쇼 케이스와, 상기 쇼 케이스로 공급되는 이산화탄소를 차단할 수 있는 공급측 밸브와, 상기 쇼 케이스를 통과한 이산화탄소가 상기 캐스케이드 열교환기로 공급되는 것을 차단할 수 있는 환수측 밸브와, 탱크/펌프/공급측 밸브/쇼 케이스/환수측 밸브/캐스케이드 열교환기를 연결하는 2차측 배관으로 이루어진 2차측 회로를 포함하여 이루어진 캐스케이드 냉동 사이클에 있어서,

환수측 밸브와 캐스케이드 열교환기 사이에서 분기되어 상기 펌프와 공급측 밸브 사이로 연결되는 재가동용 배관과, 상기 재가동용 배관상에 설치되는 재가동용 밸브로 이루어진 재가동용 회로와;

환수측 밸브와 최하류의 쇼 케이스 사이에서 분기되어 상기 캐스케이드 열교환기와 탱크 사이로 연결되는 다운용 배관과, 상기 다운용 배관에 순차적으로 설치되는 다운용 밸브, 어큐뮬레이터, 다운용 압축기, 다운용 응축기, 다운용 팽창밸브로 이루어진 다운용 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 2차유체로 이용하는 캐스케이드 냉동 사이클의 안전 시스템.
제 1 항에 있어서,
펌프와 재가동용 밸브 사이에서 또는 펌프와 공급측 밸브 사이에서 분기되어 탱크로 연결된 바이패스용 배관과, 상기 바이패스용 배관상에 설치되는 바이패스 밸브로 이루어지는 바이패스 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 2차유체로 이용하는 캐스케이드 냉동 사이클의 안전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 다운용 회로는 다운용 밸브와 어큐뮬레이터 사이에 다운용 열교환기를 설치하고, 다운용 응축기에서 다운용 팽창밸브를 연결하는 다운용 배관이 상기 다운용 열교환기를 거치도록 하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 2차유체로 이용하는 캐스케이드 냉동 사이클의 안전 시스템.
압축기, 응축기, 팽창밸브, 캐스케이드 열교환기, 상기 압축기/응축기/팽창밸브/캐스케이드 열교환기를 연결하는 1차측 배관을 포함하는 1차측 회로와;
상기 캐스케이드 열교환기를 통과한 이산화탄소를 저장하는 탱크와, 상기 탱크의 이산화탄소를 배출시키는 펌프와, 펌프로부터 배출된 이산화탄소를 공급받는 복수 개의 쇼 케이스와, 상기 쇼 케이스로 공급되는 이산화탄소를 차단할 수 있는 공급측 밸브와, 상기 쇼 케이스를 통과한 이산화탄소가 상기 캐스케이드 열교환기로 공급되는 것을 차단할 수 있는 환수측 밸브와, 탱크/펌프/공급측 밸브/쇼 케이스/환수측 밸브/캐스케이드 열교환기를 연결하는 2차측 배관으로 이루어진 2차측 회로를 포함하여 이루어진 캐스케이드 냉동 사이클에 있어서,
상기 쇼 케이스의 이산화탄소를 상기 탱크에 수집하기 위한 다운용 회로를 구비하고, 상기 쇼 케이스에 이산화탄소를 공급하지 않는 상태에서 상기 캐스케이드 열교환기를 통해 2차측 회로의 이산화탄소를 냉각시킬 수 있는 재가동용 회로를 구비하는 단계와;
캐스케이드 열교환기를 통해 냉각된 이산화탄소를 쇼 케이스에 공급하는 정상가동 단계와;
쇼 케이스의 이산화탄소를 상기 다운용 회로를 사용하여 탱크에 수집하고 냉동 사이클을 정지시키는 정지 단계와;
재가동용 회로를 통해 캐스케이드 열교환기를 통해 탱크의 이산화탄소를 냉각시키는 재가동 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 2차유체로 이용하는 캐스케이드 냉동 사이클의 안전 시스템 운용방법.