KR101811957B1 - Cascade Heat Pump with Two Stage Expansion Structure using CO2 Refrigerant and Method for Circulating thereof - Google Patents
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Abstract
Description
아래의 실시예들은 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프 및 그 순환 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, CO2 및 다른 냉매를 혼합한 혼합냉매를 사용하는 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프 및 그 순환 방법에 관한 것이다. The following embodiments relate to a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant and a circulation method thereof. More particularly, the present invention relates to a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant using a mixed refrigerant in which CO 2 and other refrigerants are mixed, and a circulation method thereof.
일반적으로 열펌프(Heat Pump)는 냉매를 압축, 응축, 팽창 및 증발시키는 과정을 수행하여 실내 공간을 냉방 또는 난방시키는 장치이다. 열펌프는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 포함하여 이루어지며, 냉매가 증발기 내에서 증발하면서 주위에서 열을 빼앗아 기체가 되고 다시 응축기에 의해 주위에 열을 방출하여 액화하는 냉동 사이클이다. In general, a heat pump is a device that compresses, condenses, expands, and evaporates a refrigerant to cool or heat the indoor space. The heat pump includes a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator. The refrigerant is evaporated in the evaporator to absorb heat from the surroundings and become a gas. The refrigerant is again liquefied by releasing heat around the condenser.
이러한 열펌프에 사용되는 R134a와 같은 일반적인 냉매가 오존층파괴 및 지구온난화라는 환경파괴의 주범으로 알려짐에 따라 환경을 보호하기 위하여 사용 규제가 확대되고 있다. 이에, 상기 냉매를 대체하기 위한 이산화탄소(CO2)를 사용하는 초임계 냉동 사이클이 주목을 받고 있다.General refrigerants such as R134a used in these heat pumps are known to be the main cause of environmental destruction such as ozone layer destruction and global warming. Accordingly, a supercritical refrigeration cycle using carbon dioxide (CO 2 ) for replacing the refrigerant has attracted attention.
이산화탄소(CO2) 냉매는 작동압축비가 낮아 압축효율이 우수하고, 우수한 열전달 특성 때문에 온도 어프로치(temperature approach)(2차 유체인 공기의 입구온도-냉매의 출구 온도차)가 기존의 냉매에 비해 매우 작아 고온고압측 열교환기의 경우 유입되는 공기의 온도까지 냉매의 온도를 내릴 수 있을 만큼 열전달 특성이 우수한 장점이 있다.The carbon dioxide (CO 2 ) refrigerant has an excellent compression efficiency due to its low operating compression ratio, and because of its excellent heat transfer characteristics, the temperature approach (inlet temperature of the secondary fluid - temperature difference of the outlet of the refrigerant) In the case of the high temperature and high pressure side heat exchanger, there is an advantage that the heat transfer characteristic is excellent enough to lower the temperature of the refrigerant up to the temperature of the incoming air.
그리고 열역학적 물성치가 우수하여 이산화탄소의 체적냉방용량(capacity volume ratio = 증발잠열 x 기체밀도)이 R134a에 비해 7~8배에 달하며, 이에 따라 초임계 냉동 사이클을 구성하는 압축기의 배체 체적률을 크게 줄일 수 있다.The volume capacity ratio (capacity volume ratio) of the carbon dioxide is 7 to 8 times higher than that of R134a because of its excellent thermodynamic properties. Therefore, the volume volume of the compressor constituting the supercritical refrigeration cycle is greatly reduced .
또한 이산화탄소는 그 표면장력이 작아 비등 열전달이 우수하며, 비열이 크고 액체점도가 낮아 압력강하면에서도 R134a에 비해 유리하다.In addition, carbon dioxide has excellent boiling heat transfer due to its small surface tension, and has a high specific heat and low liquid viscosity, which is more advantageous than R134a even under pressure.
그러나, 이산화탄소를 냉매로 하는 초임계 냉동 사이클은 증발 압력뿐만 아니라 고온고압 측 열교환기 압력(기존의 응축압력)이 R134a를 냉매로 하는 일반적인 냉동 사이클에 비해 매우 높다. 즉, 초임계 냉동 사이클에 있어서 증발압력은 일반 냉동사이클에 비해 대략 10배, 고온고압측 열교환기 압력은 대략 7배(약 120bar) 높다.However, the supercritical refrigeration cycle using carbon dioxide as the refrigerant is very high in comparison with the general refrigeration cycle in which R134a is refrigerant as well as the evaporation pressure and the high-temperature high-pressure side heat exchanger pressure (conventional condensation pressure). That is, in the supercritical refrigeration cycle, the evaporation pressure is about 10 times higher than that of the general refrigeration cycle, and the high-temperature and high-pressure heat exchanger pressure is about 7 times (about 120 bar) higher.
예컨대, 냉동기의 고압냉매 기체의 응축공정은 대기나 물에 의하여 냉각시키며, CO2를 냉동기에 적용하게 되면 임계점보다 높은 120~130bar의 고압이 적용되어야 한다. 이에 따라 고압측의 열을 이용하여 90℃ 정도의 온수나 난방 기능을 얻게 된다. For example, the condensing process of the high pressure refrigerant gas of the freezer is cooled by air or water. When CO 2 is applied to the refrigerator, a high pressure of 120 to 130 bar higher than the critical point should be applied. Accordingly, hot water or heating function of about 90 ° C can be obtained by using heat on the high-pressure side.
이러한 응축열을 이용하는 기기를 열펌프라 하며, 열펌프의 냉동사이클 효율을 나타내는 COP(성적계수)가 냉동기 COP에 1.0이 더해져 COP가 3~4로 높게 된다. 이는, 전기 1의 에너지가 가해져 열 3~4배를 이용하는 의미이다. The equipment using this condensation heat is called a heat pump, and the COP (coefficient of performance), which indicates the refrigerating cycle efficiency of the heat pump, is added to the refrigerator COP by 1.0, so that the COP becomes 3 ~ 4. This means that the energy of
그러나 CO2 열펌프는 저압 증발기 측의 압력이 30bar 정도로 높아 0℃ 정도의 증발기 기화 온도를 얻게 되므로 겨울철 외기가 낮으면 실외기(증발기)의 냉매 기화가 되지 않아 보조 열원이 필요하게 된다. 이러한 실외기의 열을 냉장이나 에어컨에 사용할 수는 있으나 지속적인 부하를 제공할 수 없다. However, since the CO 2 heat pump has a high pressure of about 30 bar on the side of the low-pressure evaporator, the evaporator vaporization temperature of about 0 ° C is obtained. Therefore, if the outdoor air temperature is low in winter, the refrigerant vaporization of the outdoor unit (evaporator) can not be performed. The heat of these outdoor units can be used for refrigeration or air conditioning, but they can not provide sustained load.
한국공개특허 10-2012-0055065호는 이러한 이산화탄소 냉매를 이용한 산업용 히트펌프 시스템 및 그 성능 평가 방법에 관한 것으로, 저탄소 친환경적인 이산화탄소 냉매를 이용한 산업용 히트펌프 및 그 히트펌프 시스템의 성능 평가 방법에 관한 기술을 기재하고 있다. Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0055065 relates to an industrial heat pump system using the carbon dioxide refrigerant and a performance evaluation method thereof, and relates to an industrial heat pump using a low-carbon eco-friendly carbon dioxide refrigerant and a technology for evaluating a performance of the heat pump system .
실시예들은 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프 및 그 순환 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 CO2 및 다른 냉매를 혼합한 혼합냉매를 사용하여 난방 및/또는 냉동 효율을 높이는 기술을 제공한다. Embodiments describe a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant and a circulating method thereof, and more specifically, a method of increasing the efficiency of heating and / or refrigeration using a mixed refrigerant in which CO 2 and another refrigerant are mixed Technology.
실시예들은 응축기와 액기분리기 사이에 팽창장치를 설치하여 작동유체인 냉매를 팽창시킴으로써, 증발기에서 겨울철 낮은 외기에도 용이하게 증발할 수 있는 저온 냉매를 얻을 수 있는 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프 및 그 순환 방법을 제공하는데 있다. Embodiments having a two-stage expansion structure using a condenser and the reservoir thereby to install the expansion device between the separator to expand the working fluid chain refrigerant, CO 2 refrigerant to get a low-temperature refrigerant that can be easily evaporated even in winter low outside air in the evaporator A multi-stage heat pump and a circulation method thereof.
실시예들은 비점이 서로 다른 CO2와 HFC계 혼합냉매를 사용하여 CO2를 50~90%로 증가시킬 수 있도록 함으로써, 고압 측 압력이 보다 낮은 압력의 적용이 가능하게 되어 난방용 온수의 효과도 제공하여 에너지를 절약할 수 있는 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프 및 그 순환 방법을 제공하는데 있다.Embodiments can increase the CO 2 to 50 to 90% by using CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points, and it is possible to apply a lower pressure to the high pressure side, thereby providing the effect of the hot water for heating Stage heat pump using a CO 2 refrigerant capable of saving energy and a circulation method thereof.
일 실시예에 따른 압축기, 응축기, 액기분리기, 팽창장치, 및 증발기를 포함하는 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프에 있어서, 상기 응축기와 상기 액기분리기 사이에 구성되어 상기 응축기를 통과한 냉매의 압력을 저하시키는 제1 팽창장치를 포함하고, 상기 제1 팽창장치에 의해 상기 냉매는 고압에서 중간압으로 팽창되고, 상기 팽창장치에 의해 상기 중간압에서 저압으로 팽창되어 2단의 팽창공정을 수행할 수 있다. A multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure including a compressor, a condenser, a liquid separator, an expansion device, and an evaporator according to an embodiment, the multi-stage heat pump comprising: Wherein the refrigerant is inflated from a high pressure to an intermediate pressure by the first expansion device and expanded from the intermediate pressure to a low pressure by the expansion device to perform a two stage expansion process .
여기에서, 상기 냉매는 이산화탄소(CO2)와 적어도 하나 이상의 다른 냉매가 혼합된 혼합냉매로 이루어질 수 있다. Here, the refrigerant may be a mixed refrigerant in which carbon dioxide (CO 2 ) and at least one other refrigerant are mixed.
상기 냉매는 비점이 서로 다른 이산화탄소(CO2)와 HFC계 혼합냉매로 이루어져, 상기 이산화탄소(CO2)의 비율을 50% 내지 90%로 증가시켜 상기 고압에서의 압력을 저하시켜 난방용 온수 및 온풍을 제공 가능하다. The refrigerant is composed of carbon dioxide (CO 2 ) and HFC-based mixed refrigerant having different boiling points, and the ratio of the carbon dioxide (CO 2 ) is increased from 50% to 90% to lower the pressure at the high pressure, Available.
상기 냉매는 2개 이상의 혼합냉매로 이루어져, 상기 응축기의 열을 난방용 온수로 사용하는 열펌프 기능과 동시에 상기 증발기의 저온은 외기 열에 의하여 증발하거나 냉동장치에 적용 가능하다. The refrigerant is composed of two or more mixed refrigerants, and functions as a heat pump that uses the heat of the condenser as hot water for heating. At the same time, the low temperature of the evaporator can be evaporated by the heat of the outside air or applied to a refrigerating device.
상기 액기분리기는 상기 제1 팽창장치에 의해 상기 응축기를 통과한 냉매의 압력을 저하시킴에 따라 비점이 낮은 상기 다른 냉매와 상기 이산화탄소(CO2)의 일부를 액체로 분리하고, 나머지 상기 이산화탄소(CO2)를 기체로 분리시킬 수 있다. The liquid-liquid separator separates a part of the other refrigerant and the carbon dioxide (CO 2 ) having a low boiling point into a liquid as the pressure of the refrigerant passing through the condenser is lowered by the first expansion device, and the remaining CO 2 2 ) can be separated into gas.
상기 액기분리기를 통과한 상기 냉매를 냉각시키는 제2 예냉기를 더 포함하고, 상기 팽창장치는, 상기 액기분리기와 상기 제2 예냉기 사이에 배치되어, 상기 액기분리기에서 토출된 고압의 기체 상태인 상기 이산화탄소(CO2)의 압력을 낮추는 제2 팽창장치; 및 상기 제2 예냉기와 상기 증발기 사이에 배치되어, 상기 액기분리기에서 토출된 액체 상태인 상기 다른 냉매와 상기 이산화탄소(CO2)의 일부를 상기 제2 예냉기에서 냉각된 후 압력을 낮추어 상기 증발기로 토출하는 제3 팽창장치를 포함할 수 있다. Further comprising a second precooler for cooling the refrigerant that has passed through the liquid separator, wherein the expansion device is disposed between the liquid separator and the second precooler, A second expansion device for lowering the pressure of carbon dioxide (CO 2 ); And in the second precooling group it is disposed between the evaporator and the reservoir of liquid in the other refrigerant and to lower the evaporator pressure and then a portion of the carbon dioxide (CO 2) the cooling of the second example, cold air discharged from the separator And a third expansion device for discharging the refrigerant.
상기 증발기는 상기 제3 팽창장치를 통과한 상기 다른 냉매와 상기 이산화탄소(CO2)의 일부를 외기 열에 의해 기화시킬 수 있다. The evaporator can vaporize the other refrigerant passing through the third expansion device and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) by the outside air heat.
상기 증발기의 토출구와 상기 응축기의 토출구가 연결되는 제1 예냉기를 더 포함하고, 상기 제1 예냉기는, 상기 증발기에서 기화된 상기 냉매와 상기 응축기를 통과한 상기 이산화탄소(CO2)가 혼합되어 냉각시킨 후 상기 압축기로 이동될 수 있다. And a first precooler connected to a discharge port of the evaporator and a discharge port of the condenser, wherein the first precooler is configured to mix the refrigerant vaporized in the evaporator and the carbon dioxide (CO 2 ) passing through the condenser, And then to the compressor.
상기 제2 예냉기에서 토출된 냉매와 상기 증발기에서 토출된 냉매의 서로 다른 압력차를 보정하여 상기 압축기로 보내는 이젝터나 EPR(Evaporator Pressure Regulator, 증발압력제어장치)를 더 포함할 수 있다. And an ejector or an evaporator pressure regulator (EPR) for correcting different pressure differences between the refrigerant discharged from the second cold air and the refrigerant discharged from the evaporator to the compressor.
상기 증발기는 외기 온도가 낮은 경우에도 난방 기능을 수행하도록, 상기 제1 팽창장치에 의해 상기 냉매가 고압에서 중간압으로 팽창된 후, 상기 제3 팽창장치에 의해 상기 중간압에서 저압으로 팽창되는 2단의 팽창공정을 수행된 상기 냉매가 유입되어 기화 온도가 낮아질 수 있다. Wherein the refrigerant is inflated from a high pressure to an intermediate pressure by the first expansion device and then expanded to a low pressure from the intermediate pressure by the third expansion device so as to perform a heating function even when the outdoor air temperature is low. The refrigerant having undergone the expansion process may be introduced and the vaporization temperature may be lowered.
다른 실시예에 따른 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프의 순환 방법에 있어서, 압축기에서 토출된 이산화탄소(CO2)와 적어도 하나 이상의 다른 냉매가 혼합된 냉매가 응축기에서 응축되는 단계; 상기 응축기를 통과한 상기 냉매를 제1 팽창장치를 이용하여 팽창시켜 압력을 저하시키는 단계; 상기 제1 팽창장치를 통과한 상기 냉매를 액기분리기를 이용하여 비점이 낮은 상기 다른 냉매와 상기 이산화탄소(CO2)의 일부를 액체로 분리하고, 나머지 상기 이산화탄소(CO2)를 기체로 분리시키는 단계; 상기 액기분리기에서 토출된 고압의 기체 상태인 상기 이산화탄소(CO2)를 제2 팽창장치를 이용하여 팽창시켜 압력을 저하시켜 제2 예냉기로 이동시키는 단계; 상기 액기분리기에서 토출된 액체 상태인 상기 다른 냉매와 상기 이산화탄소(CO2)의 일부를 상기 제2 예냉기에서 냉각시킨 후 제3 팽창장치를 이용하여 팽창시켜 압력을 낮추어 증발기로 토출하고, 상기 증발기에서 상기 다른 냉매와 상기 이산화탄소(CO2)의 일부를 외기 열에 의해 기화시키는 단계; 및 상기 제2 예냉기를 통과한 상기 이산화탄소(CO2)와 상기 증발기에 의해 기화된 상기 다른 냉매와 상기 이산화탄소(CO2)의 일부가 서로 열교환 후 상기 압축기로 이동되는 단계를 포함한다. In another aspect of the present invention, there is provided a circulation method of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure, comprising: condensing a refrigerant mixed with carbon dioxide (CO 2 ) discharged from a compressor and at least one other refrigerant in a condenser; Expanding the refrigerant passing through the condenser using a first expansion device to lower the pressure; Separating the refrigerant having passed through the first expansion device from the other refrigerant having a low boiling point and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) into a liquid using a liquid separator and separating the remaining carbon dioxide (CO 2 ) into a gas ; Expanding the carbon dioxide (CO 2 ) in a gaseous state at a high pressure discharged from the liquid-liquid separator using a second expansion device to lower the pressure and moving the second carbon dioxide to a second precooler; Cooling the second refrigerant and the carbon dioxide (CO 2 ) in the second liquid cooler discharged from the liquid-liquid separator by using the third expansion device to lower the pressure of the refrigerant and discharge it to the evaporator, Vaporizing a part of the other refrigerant and the carbon dioxide (CO 2 ) by outside heat; And a step in which the carbon dioxide (CO 2 ) passed through the second precooler, the other refrigerant vaporized by the evaporator, and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) are exchanged with each other and then transferred to the compressor.
여기에서, 상기 냉매는 비점이 서로 다른 이산화탄소(CO2)와 HFC계 혼합냉매로 이루어져, 상기 이산화탄소(CO2)의 비율을 50% 내지 90%로 증가시켜 상기 고압에서의 압력을 저하시킬 수 있으며 난방용 온수의 제공이 가능하게 된다. Here, the refrigerant may be composed of carbon dioxide (CO 2 ) and HFC-based mixed refrigerant having different boiling points, and the ratio of the carbon dioxide (CO 2 ) may be increased to 50% to 90% to lower the pressure at the high pressure It becomes possible to provide hot water for heating.
실시예들에 따르면 응축기와 액기분리기 사이에 팽창장치를 설치하여 작동유체인 냉매를 팽창시킴으로써, 증발기에서 겨울철 낮은 외기에도 용이하게 증발할 수 있는 저온 냉매를 얻을 수 있는 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프 및 그 순환 방법을 제공할 수 있다. According to the embodiments, by providing an expansion device between the condenser and the liquid-liquid separator to expand the refrigerant as a working oil, a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant, which can obtain a low-temperature refrigerant that can easily evaporate even in low- And a circulation method thereof.
실시예들에 따르면 비점이 서로 다른 CO2와 HFC계 혼합냉매를 사용하여 CO2를 50~90%로 증가시킬 수 있도록 함으로써, 고압 측 압력이 보다 낮은 압력의 적용이 가능하게 되어 난방용 온수의 효과도 제공하여 에너지를 절약할 수 있는 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프 및 그 순환 방법을 제공할 수 있다.According to the embodiments, CO 2 can be increased to 50 to 90% by using CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points, so that it is possible to apply lower pressure on the high pressure side, To provide a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant capable of saving energy and a circulation method thereof.
더욱이, 실시예들에 따르면 비점이 서로 다른 CO2와 HFC계 혼합냉매를 사용하여 CO2를 50~90%로 증가시킬 수 있도록 함으로써, 친환경적인 이산화탄소를 냉매로 하는 열펌프를 제공하여 오존층에 악영향을 미치는 냉매를 사용하는 열펌프를 대체함으로써 온실가스 배출감소에도 기여할 수 있을 뿐 아니라, 이산화탄소를 냉매로 사용하는 열펌프에서 발생되는 저압 증발기 측의 압력이 높아 0℃ 정도의 증발기 기화 온도를 얻게 되므로 겨울철 외기가 낮으면 실외기(증발기)의 냉매 기화가 되지 않아 보조 열원이 필요한 문제점을 해결할 수 있다. Further, according to the embodiments, it is possible to increase CO 2 to 50 to 90% by using CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points, thereby providing a heat pump using refrigerant of environmentally friendly carbon dioxide, It is possible to contribute to the reduction of greenhouse gas emission by replacing the heat pump using the refrigerant having a low temperature and the high pressure of the low pressure evaporator generated from the heat pump using the carbon dioxide as the refrigerant, If the outdoor air temperature is low in winter, the refrigerant vaporization of the outdoor unit (evaporator) can not be performed, thereby solving the problem of requiring a supplementary heat source.
도 1은 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 이젝터가 포함된 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프의 2단 팽창공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 2단 팽창의 중간압력에 따른 COP 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프의 순환 방법을 나타내는 흐름도이다. 1 is a view schematically showing a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to an embodiment.
2 is a view schematically showing a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant including an ejector according to another embodiment.
3 is a view for explaining a two-stage expansion process of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to an embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a COP change according to an intermediate pressure of a two-stage expansion according to an embodiment. FIG.
5 is a flowchart showing a circulation method of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to another embodiment.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments described may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. The shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity.
아래의 실시예들은 응축기와 액기분리기 사이에 팽창장치를 가설하고 2단 팽창공정을 적용함으로써, 증발기에서 겨울철 낮은 외기 환경에서도 용이하게 증발할 수 있는 저온 냉매액을 얻을 수 있는 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프(Cascade Heat Pump)를 제공할 수 있다. 또한, 비점이 서로 다른 CO2와 HFC계 혼합냉매를 사용하여 CO2를 50~90%로 증가시킬 수 있도록 함으로써 고압 측 압력이 크게 낮은 압력이 적용 가능하고 난방용 온수를 제공할 수 있다.In the following examples, an expansion device is installed between a condenser and a liquid separator, and a two-stage expansion process is applied. By using the CO 2 refrigerant capable of obtaining a low-temperature refrigerant that can be easily evaporated even in a low- It is possible to provide a multi-stage heat pump (Cascade Heat Pump) having a simple expansion structure. Also, CO 2 can be increased to 50 to 90% by using CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points, so that the pressure at a high pressure side can be applied at a low level, and hot water for heating can be provided.
이에 따라 고압측 압력을 CO2 열펌프 공정 130bar보다 크게 낮은 60~80bar 정도로 낮은 압력의 적용이 가능하게 되며, 2개 이상의 혼합냉매 적용으로 응축기 열을 온수로 사용하는 열펌프 기능과 동시에 증발기의 저온은 냉동에의 적용이 가능하다. 또한, 증발기 기화온도가 낮아 외기 온도가 낮은 겨울에도 외기 열을 흡입하여 용이하게 기화되어 난방 기능의 수행이 가능하며, 3.0~4.0의 높은 COP(성적계수)로 향상시키는 공정을 제공함으로써 에너지절약 효과를 제공할 수 있다.
As a result, it is possible to apply a pressure as high as 60 ~ 80bar, which is much lower than the CO 2 heat pump process of 130 bar, and it is possible to use a heat pump function using condenser heat as hot water by applying two or more mixed refrigerants, Can be applied to freezing. In addition, it is possible to perform the heating function by easily sucking the outside heat by sucking the outside heat even in the winter when the evaporator is low in the vaporization temperature, and it is possible to improve the COP (coefficient of performance) Can be provided.
도 1은 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프를 개략적으로 나타내는 도면이다. 1 is a view schematically showing a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프(100)는 압축기(110), 응축기(120), 제1 팽창장치(140), 액기분리기(150), 제2 팽창장치(141), 제3 팽창장치(142), 증발기(160)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 실시예에 따라 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프(100)는 제1 예냉기(130) 및 제2 예냉기(131) 중 적어도 어느 하나 이상을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 1, a
압축기(110)는 작동유체로서 냉매를 흡입하여, 임계점보다 높은 상태로 압축한 후 토출되도록 한다. The
여기에서, 냉매는 이산화탄소(CO2)와 적어도 하나 이상의 다른 냉매가 혼합된 혼합냉매로 이루어질 수 있다. Here, the refrigerant may be a mixed refrigerant in which carbon dioxide (CO 2 ) and at least one or more other refrigerants are mixed.
더 구체적으로, 냉매는 비점이 서로 다른 이산화탄소(CO2)와 HFC계 혼합냉매로 이루어져, CO2의 비율을 50% 내지 90%로 증가시켜 고압에서의 압력을 저하시켜 난방용 온수를 제공하거나 온풍을 제공할 수 있다. More specifically, the refrigerant is composed of carbon dioxide (CO 2 ) having different boiling points and HFC-based mixed refrigerant, thereby increasing the CO 2 ratio from 50% to 90% to lower the pressure at high pressure to provide hot water for heating, .
또한, 냉매는 2개 이상의 혼합냉매로 이루어져 응축기의 열을 난방용 온수로 사용하는 열펌프 기능과 동시에 증발기의 저온은 냉동장치에 적용 가능하다. Further, the refrigerant is composed of two or more mixed refrigerants, and functions as a heat pump that uses the heat of the condenser as hot water for heating, and at the same time, the low temperature of the evaporator is applicable to the refrigerating apparatus.
응축기(120)는 압축기에서 토출된 냉매를 응축하는 것으로, 응축기에서 발생되는 열을 이용하여 난방을 할 수 있다. 특히, 냉매로 CO2를 포함하는 냉매를 사용하는 경우, CO2는 임계점보다 높은 고압이 적용되어 고압 측의 열을 이용하여 온수나 난방 기능을 얻을 수 있다. The
예컨대, CO2를 열펌프에 적용하는 경우 임계점보다 높은 120~130bar의 고압이 적용되어 고압 측의 열을 이용하여 90도 정도의 온수나 난방 기능을 얻을 수 있다. For example, when CO 2 is applied to a heat pump, a high pressure of 120 to 130 bar higher than the critical point is applied, and hot water or heating function of about 90 degrees can be obtained by using the heat on the high pressure side.
이러한 응축기(120)는 소정 압력과 소정 온도에서 비점이 낮은 냉매가 임계점 상부의 기체 상태로 존재할 수 있다. In this
예를 들어, 응축기(120)에서 압력 60~80bar, 40℃에서 냉매 CO2 가스와 비점이 낮은 다른 냉매가 임계점 상부의 기체 상태로 존재할 수 있다. For example, refrigerant CO 2 gas at a pressure of 60 to 80 bar at 40 ° C in the
제1 예냉기(130)는 응축기(120)와 제1 팽창장치(140) 사이에 배치될 수 있으며, 증발기(160)의 토출구와도 연결될 수 있다. 이러한 제1 예냉기(130)는 성능 향상을 위한 장치로, 생략될 수 있다. The first
제1 팽창장치(140)는 응축기와 액기분리기 사이에 구성되어 응축기를 통과한 냉매를 팽창시켜 압력을 저하시킬 수 있다. The
이와 같이, 제1 팽창장치(140)에 의해 냉매는 고압에서 중간압으로 팽창되고, 팽창장치에 의해 중간압에서 저압으로 팽창되어 2단의 팽창공정을 수행할 수 있다. Thus, the refrigerant is expanded from the high pressure to the intermediate pressure by the
액기분리기(150)는 제1 팽창장치(140)에 의해 응축기(120)를 통과한 냉매의 압력을 저하시킴에 따라 비점이 낮은 다른 냉매와 CO2의 일부를 액체로 분리하고, 나머지 CO2를 기체로 분리시킬 수 있다.
기존의 오토 다단 시스템과 달리, 일 실시예에 따르면 응축 공정 후 제1 팽창장치(140)에서 압력을 저하시키면 비점이 낮은 다른 냉매 전체와 CO2의 일부는 액체로, 나머지 CO2는 기체로 액기분리기(150)에서 얻어질 수 있다. Unlike a conventional automatic multi-stage system, after condensing process, according to one embodiment a first portion of when lowering the pressure in the
제2 예냉기(131)는 액기분리기(150)의 하부 냉매액을 냉각시킬 수 있다. The second
더 구체적으로, 제2 예냉기(131)는 액기분리기(150)에서 토출된 액체 상태인 다른 냉매와 CO2의 일부를 냉각시킬 수 있다. 또한, 제2 팽창장치(141)에 의해 액기분리기(150)에서 토출된 고압의 기체 상태인 CO2의 압력을 최종압력으로 낮춘 다음 제2 예냉기(131)를 통과할 수 있다. More specifically, the second
예컨대, 고압의 기체 CO2는 압력을 8~12bar 정도로 팽창시켜 온도를 -20℃ 기체로 하여 제2 예냉기에서 액기분리기의 액체를 보다 과냉각(Subcooling)시킬 수 있다. For example, high-pressure gaseous CO 2 can expand the pressure to about 8 to 12 bar and make the liquid at -20 캜 gas, thereby subcooling the liquid of the liquid-liquid separator in the second example cold air.
팽창장치는 제2 팽창장치(141) 및 제3 팽창장치(142)를 포함하여 이루어질 수 있다. The expansion device may include a second expansion device (141) and a third expansion device (142).
제2 팽창장치(141)는 액기분리기(150)와 제2 예냉기(131) 사이에 배치되어, 액기분리기(150)에서 토출된 고압의 기체 상태인 이산화탄소(CO2)를 팽창시켜 압력을 낮출 수 있다. 제2 팽창장치(141)를 통과한 냉매는 제2 예냉기(131)로 유입될 수 있다. The
제3 팽창장치(142)는 제2 예냉기(131)와 증발기(160) 사이에 배치되어, 액기분리기(150)에서 토출된 액체 상태인 다른 냉매와 CO2의 일부를 제2 예냉기(131)에서 냉각된 후 압력을 낮추어 증발기(160)로 토출할 수 있다. The
증발기(160)는 제3 팽창장치(142)를 통과한 다른 냉매와 CO2의 일부를 외기 열에 의해 기화시킬 수 있다. The
예를 들어 예냉된 냉매액은 압력이 10bar로 팽창되면서 온도가 -15℃정도로 저하되어 증발기(160)에서 외기 열에 의하여 기화될 수 있다. For example, the precooled refrigerant liquid may be evaporated by the outside air heat in the
더 구체적으로, 증발기(160)는 제1 팽창장치(140)에 의해 냉매가 고압에서 중간압으로 팽창된 후, 제3 팽창장치(142)에 의해 중간압에서 저압으로 팽창되는 2단의 팽창공정을 수행된 냉매가 유입되어 기화 온도가 낮아져 외기 온도가 낮은 경우에도 증발이 용이하게 일어나 응축기에서 난방 기능을 수행할 수 있다. More specifically, the
이후, 증발기(160)에서 기화된 냉매와 제2 팽창장치(141)를 통과하여 제2 예냉기(131)를 통과한 CO2 가스는 혼합되어 압축기(110)로 이동될 수 있다. 여기에서 증발기(160)에서 기화된 냉매와 제2 팽창장치(141)를 통과하여 제2 예냉기(131)를 통과한 CO2 가스가 압축기(110)로 이동되는 중단에 제1 예냉기(130)가 추가 설치된 경우, 제1 예냉기(130)를 통과한 후 압축기(110)로 이동될 수 있다. Thereafter, the refrigerant vaporized in the
이후, 제1 예냉기(130)에서는 증발기(160)로부터 압축기로(110) 흡입되는 혼합기체와 응축기(120)를 통과한 혼합냉매가 열교환된다. 즉, 응축기(120)를 통과한 고압의 냉매가 증발기(160)에서 압축기(110)로 흡입되는 차가운 기체에 의하여 냉각(Cooling)된다.In the
예를 들어, 증발기(160)에서 기화된 냉매는 CO2 기체와 합해져 제1 예냉기(130)를 거친 후 압축기(110)에서 압축되어 토출 온도는 120~130℃가 될 수 있다.For example, the refrigerant vaporized in the
제1 예냉기(130)에서는 5℃정도를 예냉시킬 수 있으며, 일례로 증발기(160) 출구 온도를 5도 가열하고, 응축기(120)의 온도를 5도 저하시킬 수 있다. The first example cooler 130 can precool about 5 degrees Celsius, for example, the outlet temperature of the
이와 같이, 본 실시예들은 오토 다단 사이클을 개선한 것으로, 응축기와 액기분리기 사이에 팽창장치가 가설되며 팽창과정이 2단으로 구성될 수 있다. 즉, 고압 - 중간압 - 저압의 2단 팽창 구조로 구성될 수 있다. As described above, the present embodiments improve the auto multistage cycle, and an expansion device is installed between the condenser and the liquid separator, and the expansion process can be configured in two stages. That is, it can be constituted by a high-pressure-intermediate-low-pressure two-stage expansion structure.
실시예들에 따르면 비점이 서로 다른 CO2와 HFC계 혼합냉매를 동일하게 사용할 수도 있으며, CO2를 50~90%로 증가시킬 수도 있다. 이에, 고압 측 압력은 60~80bar 정도로 낮은 압력의 적용이 가능하다. According to the embodiments, CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points may be used in the same manner, and CO 2 may be increased to 50 to 90%. Therefore, it is possible to apply a pressure as high as 60 to 80 bar on the high pressure side.
그리고, 2개 이상의 혼합냉매를 적용함으로써 응축기 열을 온수로 사용하는 열펌프 기능과 동시에 증발기의 저온을 냉동에 적용 가능하고, 또한 증발기 기화온도가 낮아 외기 온도가 낮은 겨울에도 증발기(160)에서 증발이 용이하여 난방 기능을 수행할 수 있고, 3.0~4.0의 높은 COP 효율을 얻을 수 있다.
In addition, by applying two or more mixed refrigerants, it is possible to apply a low temperature of the evaporator to the refrigerator while simultaneously using the condenser heat as a hot water, and evaporate at the
도 2는 다른 실시예에 따른 이젝터가 포함된 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프를 개략적으로 나타내는 도면이다. 2 is a view schematically showing a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant including an ejector according to another embodiment.
도 2를 참조하면, 다른 실시예에 따른 이젝터가 포함된 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프(200)는 압축기(210), 응축기(220), 제1 팽창장치(240), 액기분리기(250), 제2 팽창장치(241), 제3 팽창장치(242), 증발기(260), 및 이젝터(270) 또는 EPR(증발압력제어장치)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 실시예에 따라 이젝터가 포함된 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프(200)는 제1 예냉기(230) 및 제2 예냉기(231) 중 적어도 어느 하나 이상을 더 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 2, a
여기에서, 다른 실시예에 따른 이젝터가 포함된 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프(200)는 도 1에서 설명한 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프의 구성과 일부 중복되어 중복되는 구성에 대한 설명은 생략하고 상이한 구성을 중심으로 설명한다. Here, the
이젝터(270)는 제2 예냉기(231)에서 토출된 냉매와 증발기(260)에서 토출된 냉매가 유입된 후 서로 다른 압력차를 보정하여 압력차가 보정된 냉매를 압축기(210)로 유입시킬 수 있다. The
이와 같이, 다른 실시예에 따른 이젝터나 EPR이 포함된 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프(200)에서 증발기 온도를 더 낮추고 싶은 경우 이젝터(270)를 추가 설치할 수 있다. 이젝터(270)는 서로 압력이 다른 경우에 작은 압력차를 보정하기 위해 사용될 수 있다.In this way, in the
예컨대, 증발기 온도를 -20℃ 이하로 낮추려면 저압 측 압력이 6bar로 CO2 기체 압력인 8~12bar 보다 낮게 되는 압력차가 발생하므로 이의 흡입을 위하여 이젝터(270)나 EPR을 적용할 수 있다. For example, in order to lower the evaporator temperature to below -20 캜, a pressure difference occurs in which the low-pressure side pressure is lower than 8 to 12 bar which is a CO 2 gas pressure of 6 bar, so that the
이와 같이 이젝터(270)는 5bar 이내의 적은 압력차를 보정하기 위한 것으로, 기존의 이젝터 적용 CO2 열펌프 시스템에 적용되는 냉동기의 주된 구동용 고압 이젝터의 기능과는 크게 차이가 있다.
In this way, the
도 3은 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프의 2단 팽창공정을 설명하기 위한 도면이다. 3 is a view for explaining a two-stage expansion process of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to an embodiment.
도 3a를 참조하면, 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프(300)는, 도 1에서 설명한 바와 같이, 압축기(310), 응축기(320), 제1 예냉기(330), 제1 팽창장치(340), 액기분리기(350), 제2 팽창장치(341), 제3 팽창장치(342), 제2 예냉기(331), 증발기(360)를 포함하여 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 3A, a
도 3b는 CO2 및 R143a의 혼합냉매의 비율이 85:15인 경우의 p-h 선도를 나타낸다. FIG. 3B shows the ph diagram in the case where the ratio of the mixed refrigerant of CO 2 and R 143a is 85:15.
도 3b에 도시된 바와 같이, 응축기에서 압력 70bar, 40℃(지점 1)에서 냉매 CO2 가스와 비점이 낮은 다른 냉매가 임계점 상부의 기체 상태로 존재할 수 있다. As shown in FIG. 3B, refrigerant CO 2 gas at the pressure of 70 bar and 40 ° C (point 1) in the condenser and other refrigerant having a low boiling point may exist in the gas state above the critical point.
이 지점 1의 기체는 제1 예냉기(330)에서 증발기(360) 출구기체인 지점 11~12의 에너지 양에 의하여 지점 2까지 과냉된다. The gas at
과냉각된 기체(지점 2)는 중가압력 25bar까지 팽창(지점 3)되고 액기분리기(350)에 포집된다. 액기분리기(350)의 액체의 엔탈피는 포화액인 지점 7이고, 기체는 포화기체인 지점 4이다.The subcooled gas (point 2) expands (point 3) to a
지점 4의 CO2 기체는 최종압력인 12bar인 지점 5까지 팽창하여 온도 -13℃의 기체가 된 후, 제2 예냉기(331)에서 지점 7의 포화액을 지점 8까지 과냉시키면서 자신은 가열되어 지점 6이 된다. The CO 2 gas at point 4 expands to point 5, which is the final pressure of 12 bar, to become a temperature -13 ° C gas, then subcooling point 4 to the
과냉된 지점 8의 액체는 최종압 12bar까지 제2 팽창장치(342)에서 팽창되어 지점 9가 되고 외기 열에 의하여 기화되어 지점 10의 포화기체가 된다.The liquid at the
지점 11의 기체는 지점6의 과열기체와 혼합되어 지점 11의 기체가 된 후 제1 예냉기(330)에서 지점 12로 되어 압축기(310)에 흡입된다.The gas at the
압축기(310)에서 다시 70bar까지 등엔트로피 과정으로 압축되어 지점 13의 온도 130℃의 기체가 된다. 이 기체는 응축기에서 온수나 난방 제공의 열펌프 기능을 하고 지점 1의 저온 기체가 된다. 여기에서, 다른 냉매는 CO2가 아닌 다른 종류의 냉매를 의미하며, 적어도 하나 이상의 냉매로 이루어질 수 있다. 예컨대, 다른 냉매는 R143A, R410A, R152A, R32, R717, R290 등 각종 대체 냉매가 사용될 수 있다. And is compressed by the isentropic process from the
기존의 오토 다단 시스템과 달리, 응축 공정 후 제1 팽창장치에서 압력을 저하시키면 비점이 낮은 다른 냉매 전체와 CO2의 일부는 액체로, 나머지 CO2는 기체로 액기분리기에서 얻어질 수 있다. Unlike a conventional automatic multi-stage system, a portion of the condensation process after the first expansion device is decreased when the pressure across the other low boiling point refrigerant and the CO 2 is in a liquid, and the remaining CO 2 may be obtained from the reservoir with a gas separator.
고압의 기체 CO2는 압력을 8~12bar 정도로 팽창시켜 온도를 -20℃ 기체로 하여 제2 예냉기에서 액기분리기의 액체를 보다 과냉각(Subcooling)시킬 수 있다. The gas CO 2 at high pressure can expand the pressure to about 8 to 12 bar to make the liquid at -20 ° C. gas and subcooled the liquid of the liquid separator at the second example cold air.
제1 예냉기에서는 5℃ 정도를 예냉시킬 수 있다. 예컨대 증발기 출구 온도를 5도 가열하고, 응축기의 온도를 5도 저하시킬 수 있다. 여기에서 제1 예냉기는 성능 향상을 위한 설비로, 생략될 수 있다.
First example: It is possible to precool about 5 캜 in cold air. For example, the evaporator outlet temperature may be heated by 5 degrees and the condenser temperature may be decreased by 5 degrees. Here, the first precooler is a facility for improving the performance and may be omitted.
아래에서는 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프의 성능 평가를 확인할 수 있다. In the following, performance evaluation of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to an embodiment can be confirmed.
예컨대, 냉매의 열역학적 물성치(엔탈피, 엔트로피, 압력, 온도 등)와 성능 평가는 EES(engineering equation solver) 소프트웨어 등을 이용하여 계산될 수 있다. For example, the thermodynamic properties (enthalpy, entropy, pressure, temperature, etc.) of the refrigerant and the performance evaluation can be calculated using engineering equation solver (EES) software or the like.
표 1은 기존의 CO2 열펌프에 CO2만을 냉매로 적용한 경우를 나타낸다. Table 1 shows the case where only CO 2 is applied to the existing CO 2 heat pump as refrigerant.
[표 1][Table 1]
표 1을 참조하면, 기존의 CO2 열펌프에 CO2만을 냉매로 적용한 경우 고압과 저압에 따른 열펌프의 냉동사이클 효율을 나타내는 COP(성적계수)를 확인할 수 있다. As shown in Table 1, COP (coefficient of performance) indicating the refrigerating cycle efficiency of the heat pump according to the high and low pressures can be confirmed when only CO 2 is applied to the existing CO 2 heat pump.
여기에서, 열펌프의 냉동사이클 효율을 나타내는 COP(성적계수)는 응축기에서의 방열량을 고온과 저온에서의 압축기의 압축일량으로 나누어 산정할 수 있다. Here, the COP (coefficient of performance) indicating the refrigeration cycle efficiency of the heat pump can be calculated by dividing the amount of heat radiation in the condenser by the amount of compression of the compressor in the high temperature and the low temperature.
예컨대, 열펌프의 COP = Qc/W, 냉동장치의 COP = Qe/W로 나타낼 수 있다. 이때, 열펌프는 응축기열량/압축일량을 나타내며, 냉동장치는 증발기흡입량/압축일량을 나타낼 수 있다. For example, COP = Qc / W of the heat pump and COP = Qe / W of the refrigerating device. At this time, the heat pump represents the condenser heat quantity / compression quantity, and the refrigerating device can represent the evaporator suction quantity / compression quantity.
표 2는 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프에 CO2와 다른 냉매를 혼합냉매로 적용한 경우를 나타낸다. Table 2 shows a case where CO 2 and another refrigerant are mixed with a refrigerant in a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to an embodiment.
[표 2][Table 2]
표 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프에 혼합냉매로 CO2와 R143a를 70:30으로 적용한 경우를 나타내며, 고압, 중간압, 및 저압에 따른 열펌프의 냉동사이클 효율을 나타내는 COP(성적계수)를 확인할 수 있다. Referring to Table 2, CO 2 and R 143 a are applied as mixed refrigerant to a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to an embodiment, in which the high pressure, intermediate pressure, and low pressure The COP (coefficient of performance) indicating the refrigerating cycle efficiency of the heat pump according to the present invention can be confirmed.
표 1 및 표 2를 참조하여 고압/저압이 70bar/12bar인 경우를 비교하면, 기존 CO2 열펌프의 COP는 1.3725인 반면, 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프는 저압임에도 3.3635로 245% 향상되며, 2단 팽창이 없이 단단 팽창으로도 COP가 3.3606이 되는 것을 확인할 수 있다. When referring to Table 1 and Table 2, comparing the case where the high pressure / low pressure of 70bar / 12bar, COP of the conventional CO 2 heat pumps are multi-stage having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant according to 1.3725, while the embodiment The heat pump is improved by 245% to 3.3635 even at low pressure, and it is confirmed that the COP becomes 3.3606 even with the short expansion without the two-stage expansion.
따라서 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프는 CO2와 다른 냉매를 혼합냉매로 적용함으로써 CO2만 사용하는 경우보다 COP 증가 효과가 있다.
Therefore, the multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant according to the embodiment has a COP increase effect than using CO 2 refrigerant and the other only by applying the CO 2 to the mixed refrigerant.
도 4는 일 실시예에 따른 2단 팽창의 중간압력에 따른 COP 변화를 나타내는 도면이다. FIG. 4 is a diagram illustrating a COP change according to an intermediate pressure of a two-stage expansion according to an embodiment. FIG.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프에 혼합냉매로 CO2와 R143a를 70:30으로 적용한 경우 2단 팽창의 중간 팽창 압력이 25bar에서 최대 COP를 얻을 수 있다. Referring to FIG. 4, when CO 2 and R143a are mixed in 70:30 as a mixed refrigerant in a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to an embodiment, when the intermediate expansion pressure of the second stage expansion is 25 bar The maximum COP can be obtained.
따라서 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프에 CO2와 다른 냉매를 혼합냉매로 적용한 경우 2단 팽창의 중간 압력에서 최대 COP를 얻을 수 있다.Therefore, when CO 2 and other refrigerant are used as the mixed refrigerant in the multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure using the CO 2 refrigerant according to the embodiment, the maximum COP can be obtained at the intermediate pressure of the two-stage expansion.
또한, 일 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프는 열펌프로 적용될 때, 실외기인 증발기의 증발온도가 -10 ~ -15℃로 낮아 겨울철 외기온도 저하에도 보조 열원이 없이 난방과 온수 열펌프의 기능을 수행할 수 있다. 이와 같이, COP의 향상과 압축 동력 감소로 에너지절약 효과를 얻을 수 있다.
In addition, when a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to an embodiment is applied as a heat pump, the evaporation temperature of the evaporator as an outdoor unit is low to -10 to -15 ° C., Can function as a heating and hot water heat pump without. Thus, the energy saving effect can be obtained by improving the COP and decreasing the compression power.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프의 순환 방법을 나타내는 흐름도이다. 5 is a flowchart showing a circulation method of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to another embodiment.
도 5를 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프의 순환 방법은 압축기에서 토출된 이산화탄소(CO2)와 적어도 하나 이상의 다른 냉매가 혼합된 냉매가 응축기에서 응축되는 단계(510), 응축기를 통과한 냉매를 제1 팽창장치를 이용하여 팽창시켜 압력을 저하시키는 단계(520), 제1 팽창장치를 통과한 냉매를 액기분리기를 이용하여 비점이 낮은 다른 냉매와 이산화탄소(CO2)의 일부를 액체로 분리하고, 나머지 이산화탄소(CO2)를 기체로 분리시키는 단계(530), 액기분리기에서 토출된 고압의 기체 상태인 이산화탄소(CO2)를 제2 팽창장치를 이용하여 팽창시켜 압력을 저하시켜 제2 예냉기로 이동시키는 단계(540), 액기분리기에서 토출된 액체 상태인 다른 냉매와 이산화탄소(CO2)의 일부를 제2 예냉기에서 냉각시킨 후 제3 팽창장치를 이용하여 팽창시켜 압력을 낮추어 증발기로 토출하고, 증발기에서 다른 냉매와 이산화탄소(CO2)의 일부를 외기 열에 의해 기화시키는 단계(550), 및 제2 예냉기를 통과한 이산화탄소(CO2)와 증발기에 의해 기화된 다른 냉매와 이산화탄소(CO2)의 일부는 서로 열교환 후 압축기로 이동되는 단계(560)를 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 5, in a circulation method of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to another embodiment, a refrigerant in which carbon dioxide (CO 2 ) discharged from a compressor and at least one other refrigerant are mixed (510) condensing in the condenser, expanding the refrigerant passing through the condenser by using a first expansion device to reduce the pressure (520), cooling the refrigerant passing through the first expansion device to a low boiling point another refrigerant and the carbon dioxide separation part of the (CO 2) in liquid, and the remaining carbon dioxide step 530, the gas phase of the discharged high-pressure in the reservoir separator carbon dioxide (CO 2) separating the (CO 2) in a gaseous second when expanded by using the expansion device cools the part of step 540, the liquid refrigerant and the other carbon dioxide discharged from the separator reservoir (CO 2) for moving the second group precooling by reducing the pressure in the second example Frost After the third to the expansion using the expansion device to lower the discharge to the evaporator pressure and, passing from the evaporator other refrigerants as carbon dioxide (CO 2) step 550 of vaporizing by some heat air in, and the second precooling a group CO ( CO 2 ) and the other refrigerant vaporized by the evaporator and a portion of the carbon dioxide (CO 2 ) are exchanged with each other and then transferred to the compressor (step 560).
실시예들에 따르면, 응축기와 액기분리기 사이에 팽창장치를 설치하여 작동유체인 냉매를 팽창시킴으로써, 증발기에서 겨울철 낮은 외기에도 용이하게 증발할 수 있는 저온 냉매액을 얻을 수 있다. 또한, 비점이 서로 다른 CO2와 HFC계 혼합냉매를 사용하여 CO2를 50~90%로 증가시킬 수 있도록 함으로써, 고압 측 압력이 보다 낮은 압력의 적용이 가능하게 되어 난방용 온수의 효과도 제공하여 에너지를 절약할 수 있다. According to the embodiments, by providing an expansion device between the condenser and the liquid-liquid separator to expand the refrigerant as a working oil, a low-temperature refrigerant liquid that can be easily evaporated even in low outside temperatures in winter can be obtained. In addition, CO 2 can be increased to 50 to 90% by using CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points, so that it is possible to apply a lower pressure on the high pressure side, thereby providing the effect of hot water for heating Energy can be saved.
아래에서는 또 다른 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프의 순환 방법을 하나의 예를 들어 더 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, a circulation method of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant according to another embodiment will be described in more detail with an example.
또 다른 실시예에 따른 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프의 순환 방법은 도 1 내지 도 4에서 설명한 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프를 이용하여 더 구체적으로 설명할 수 있다. 여기에서, CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프는 압축기, 응축기, 제1 팽창장치, 액기분리기, 제2 팽창장치, 제3 팽창장치, 및 증발기를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 실시예에 따라 CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프는 제1 예냉기, 제2 예냉기, 및 이젝터 또는 EPR 중 적어도 어느 하나 이상을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 한편, CO2 냉매를 이용한 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프의 순환 방법은 작동 유체로 CO2 냉매를 포함한 냉매가 순환되는 방법을 나타낼 수 있다. The circulation method of the multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure using the CO 2 refrigerant according to another embodiment is more specifically described using the multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure using the CO 2 refrigerant described in FIGS. 1 to 4 . Here, the multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant may include a compressor, a condenser, a first expansion device, a liquid separator, a second expansion device, a third expansion device, and an evaporator. Also, according to the embodiment, the multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure using the CO 2 refrigerant may further include at least one of the first example cooler, the second cooler, and the ejector or EPR. On the other hand, the circulation method of the multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant can be shown how a refrigerant is circulated, including the CO 2 refrigerant as the working fluid.
단계(510)에서, 응축기는 압축기에서 토출된 CO2와 적어도 하나 이상의 다른 냉매가 혼합된 냉매를 응축시킬 수 있다. In
여기에서, 냉매는 이산화탄소(CO2)와 적어도 하나 이상의 다른 냉매가 혼합된 혼합냉매로 이루어질 수 있다. Here, the refrigerant may be a mixed refrigerant in which carbon dioxide (CO 2 ) and at least one or more other refrigerants are mixed.
더 구체적으로, 냉매는 비점이 서로 다른 이산화탄소(CO2)와 HFC계 혼합냉매로 이루어져, CO2의 비율을 50% 내지 90%로 증가시켜 고압에서의 압력을 저하시켜 난방용 온수를 제공 가능하다. More specifically, the refrigerant is composed of carbon dioxide (CO 2 ) having different boiling points and HFC-based mixed refrigerant, thereby increasing the ratio of CO 2 to 50% to 90%, thereby lowering the pressure at high pressure to provide hot water for heating.
단계(520)에서, 제1 팽창장치는 응축기를 통과한 냉매를 팽창시켜 압력을 저하시킬 수 있다. In
이와 같이, 제1 팽창장치에 의해 냉매는 고압에서 중간압으로 팽창되고, 팽창장치에 의해 중간압에서 저압으로 팽창되어 2단의 팽창공정을 수행할 수 있다. As described above, the refrigerant expands from the high pressure to the intermediate pressure by the first expansion device, and is expanded from the intermediate pressure to the low pressure by the expansion device, so that the two-stage expansion process can be performed.
단계(530)에서, 액기분리기는 제1 팽창장치를 통과한 냉매를 비점이 낮은 다른 냉매와 CO2의 일부를 액체로 분리하고, 나머지 CO2를 기체로 분리시킬 수 있다. In
단계(540)에서, 제2 팽창장치는 액기분리기에서 토출된 고압의 기체 상태인 CO2를 팽창시켜 압력을 저하시켜 제2 예냉기로 이동시킬 수 있다. In
단계(550)에서, 제3 팽창장치는 액기분리기에서 토출된 액체 상태인 다른 냉매와 CO2의 일부를 제2 예냉기에서 냉각시킨 후 팽창시켜 압력을 낮추어 증발기로 토출시킬 수 있다. In
이후, 증발기에서 다른 냉매와 CO2의 일부를 외기 열에 의해 기화시킬 수 있다. Then, other refrigerant and a part of CO 2 in the evaporator can be vaporized by the outside air heat.
단계(560)에서, 제2 예냉기를 통과한 CO2와 증발기에 의해 기화된 다른 냉매와 CO2의 일부는 서로 열교환되어 압축기로 이동될 수 있다. In
이때, 이젝터나 EPR(증발압력제어장치)를 이용하여 제2 예냉기에서 토출된 냉매와 증발기에서 토출된 냉매의 서로 다른 압력차를 보정하여 압축기로 이동시킬 수도 있다. At this time, the pressure difference between the refrigerant discharged from the second cold air and the refrigerant discharged from the evaporator may be corrected using an ejector or an EPR (evaporation pressure control device), and the refrigerant may be moved to the compressor.
제1 예냉기를 통과하며 냉각시킨 후 압축기로 이동될 수 있다. Passed through the first quencher, cooled, and then moved to the compressor.
제1 예냉기는 증발기에서 기화된 냉매와 응축기를 통과한 CO2가 서로 열교환되어, 압축기로 흡입되는 저온 기체가 응축기 배출 기체 온도를 더 낮추게 된다. In the first precooler, the refrigerant vaporized in the evaporator and the CO 2 passing through the condenser are heat-exchanged with each other, so that the low-temperature gas sucked into the compressor further lowers the temperature of the condenser exhaust gas.
이와 같이, 실시예들에 따르면 응축기와 액기분리기 사이에 팽창장치를 설치하여 작동유체인 냉매를 팽창시키고, 비점이 서로 다른 CO2와 HFC계 혼합냉매를 사용하여 CO2를 50~90%로 증가시킴으로써, 이산화탄소를 냉매로 사용하는 열펌프에서 발생되는 저압 증발기 측의 압력이 높아 0℃ 정도의 증발기 기화 온도를 얻게 되므로 겨울철 외기가 낮으면 실외기(증발기)의 냉매 기화가 되지 않아 보조 열원이 필요한 문제점을 해결할 수 있다. As described above, according to the embodiments, an expansion device is installed between the condenser and the liquid-liquid separator to expand the refrigerant as a working oil, and CO 2 is increased to 50 to 90% by using CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points , Since the pressure of the low-pressure evaporator generated from the heat pump using the carbon dioxide as the refrigerant is high, the evaporator vaporization temperature of about 0 ° C is obtained. Therefore, if the outdoor air temperature is low in winter, the refrigerant vaporization of the outdoor unit (evaporator) Can be solved.
이에 따라 친환경적인 이산화탄소를 냉매로 하는 열펌프를 제공하여 오존층에 악영향을 미치는 냉매를 사용하는 열펌프를 대체함으로써 온실가스 배출감소에도 기여할 수 있다. Accordingly, by providing a heat pump that uses eco-friendly carbon dioxide as a refrigerant, it can contribute to reduction of greenhouse gas emissions by replacing a heat pump using a refrigerant that adversely affects the ozone layer.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물이나 균등냉매로 HFC 대신에 오존에 영향을 미치는 HCFC계 냉매이거나 암모니아(R717), 프로판(R290) 등에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Or even if it is an HCFC-based refrigerant that affects ozone instead of HFC or is replaced or replaced by ammonia (R717), propane (R290) or the like as an equivalent or equivalent refrigerant.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
Claims (10)
비점이 서로 다른 이산화탄소(CO2)와 적어도 하나 이상의 다른 냉매로 이루어진 혼합 냉매를 압축하는 압축기;
상기 압축기 다음에 배치되어, 상기 압축기를 통과한 냉매를 응축하는 응축기;
상기 응축기 다음에 배치되어, 상기 응축기를 통과한 냉매를 팽창시켜 압력을 저하시키는 제1 팽창장치;
상기 제1 팽창장치 다음에 배치되어, 상기 제1 팽창장치에 의해 상기 응축기를 통과한 냉매의 압력을 저하시킴에 따라 비점이 낮은 상기 다른 냉매와 상기 이산화탄소(CO2)의 일부를 액체로 분리하고 상기 이산화탄소(CO2)의 나머지를 기체로 분리시키는 액기분리기:
상기 액기분리기 다음에 배치되어, 상기 액기분리기를 통과한 냉매를 냉각시키는 제2 예냉기;
상기 액기분리기와 상기 제2 예냉기 사이에 배치되어, 상기 액기분리기에서 토출된 기체 상태의 상기 이산화탄소(CO2)를 팽창시켜 압력을 저하시키는 제2 팽창장치;
상기 제2 예냉기와 증발기 사이에 배치되어, 상기 액기분리기에서 토출된 액체 상태의 상기 다른 냉매와 상기 이산화탄소(CO2)의 일부를 상기 제2 예냉기에서 냉각된 후 팽창시켜 압력을 저하시켜 상기 증발기로 토출하는 제3 팽창장치; 및
상기 응축기와 상기 제1 팽창장치 사이에 배치되고 상기 증발기의 토출구와 연결되는 제1 예냉기
를 포함하고,
상기 혼합 냉매는,
상기 응축기의 열을 난방용 온수로 사용하는 열펌프 기능과 동시에 상기 증발기의 저온은 냉동장치에 적용 가능하고,
상기 증발기는,
외기 온도가 낮은 경우에도 난방 기능을 수행하도록, 상기 제1 팽창장치에 의해 냉매가 고압에서 중간압으로 팽창된 후 상기 제3 팽창장치에 의해 상기 중간압에서 저압으로 팽창되는 2단의 팽창공정을 수행된 냉매가 유입되어 기화 온도가 낮아지고,
상기 증발기에서 기화된 냉매와 상기 제2 팽창장치를 통과한 상기 이산화탄소(CO2)가 혼합된 후 상기 제1 예냉기에서 상기 응축기를 통과한 냉매와 열교환 되어 냉각 후 상기 압축기로 이동되는 것
을 특징으로 하는 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프. In a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure,
A compressor for compressing a mixed refrigerant composed of carbon dioxide (CO 2 ) having different boiling points and at least one or more other refrigerants;
A condenser disposed next to the compressor for condensing the refrigerant passing through the compressor;
A first expansion device disposed downstream of the condenser, the first expansion device expanding the refrigerant passing through the condenser to lower the pressure;
And a second expansion device disposed downstream of the first expansion device to separate a part of the other refrigerant having a low boiling point and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) into a liquid as the pressure of the refrigerant passing through the condenser is lowered by the first expansion device A liquid separator for separating the remainder of the carbon dioxide (CO 2 ) into gas;
A second cold air cooler disposed next to the liquid cooler separator to cool the coolant having passed through the liquid cooler separator;
A second expansion device disposed between the liquid crystal separator and the second preliminary cooling device for expanding the gaseous carbon dioxide (CO 2 ) discharged from the liquid crystal separator to lower the pressure;
And a second precooler disposed between the second precooler and the evaporator for expanding the other refrigerant in the liquid state and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) To the third expansion device; And
A first example cooler disposed between the condenser and the first expansion device and connected to the discharge port of the evaporator,
Lt; / RTI >
The mixed refrigerant may include,
A heat pump function using the heat of the condenser as hot water for heating and a low temperature of the evaporator can be applied to a refrigeration apparatus,
Wherein the evaporator comprises:
Stage expansion process in which the refrigerant is inflated from the high pressure to the intermediate pressure by the first expansion device and then expanded from the intermediate pressure to the low pressure by the third expansion device so as to perform the heating function even when the outdoor air temperature is low The carried refrigerant is introduced and the vaporization temperature is lowered,
The refrigerant vaporized in the evaporator and the carbon dioxide (CO 2 ) passing through the second expansion device are mixed with each other, and then the refrigerant is heat-exchanged with the refrigerant passing through the condenser in the first preliminary cooling air, cooled and then moved to the compressor
Stage expansion mechanism.
상기 혼합 냉매는,
비점이 서로 다른 이산화탄소(CO2)와 HFC계 혼합냉매로 이루어져, 상기 이산화탄소(CO2)의 비율을 50% 내지 90%로 증가시켜 상기 고압에서의 압력을 저하시켜 난방용 온수 및 온풍을 제공 가능한 것
을 특징으로 하는 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프. The method according to claim 1,
The mixed refrigerant may include,
(CO 2 ) and HFC-based mixed refrigerant having different boiling points, and the ratio of the carbon dioxide (CO 2 ) is increased from 50% to 90% to lower the pressure at the high pressure to provide hot water for heating and hot air
Stage expansion mechanism.
상기 제2 예냉기에서 토출된 냉매와 상기 증발기에서 토출된 냉매의 서로 다른 압력차를 보정하여 상기 압축기로 보내는 이젝터 또는 증발압력제어장치(EPR)
를 더 포함하는 2단 팽창 구조를 갖는 다단 열펌프.The method according to claim 1,
An ejector or an evaporation pressure control device (EPR) for correcting different pressure differences between the refrigerant discharged from the second cold air and the refrigerant discharged from the evaporator and sending the corrected differential pressure to the compressor,
Stage expansion mechanism.
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