KR101885695B1 - 액화가스 기화열을 이용한 냉각 시스템 - Google Patents

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Abstract

일정한 양(V)의 액화가스를 제1 이송 파이프(11)를 통하여 토출하는 액화가스 저장탱크(10)와;
상기 제1 이송 파이프(11)와 밸브(21)를 개재하여 연결되며, 제1-1 냉매(L1)를 이용하여 상기 제1 이송 파이프(11)로 공급되는 액화가스의 일부(x)와 열교환을 하고, 제1 물류창고(31)로 상기 제1-1 냉매(L1)를 전달하여 상기 제1 물류창고(31)의 온도를 유지하는 제1 열교환기(20)와;
상기 제1 이송 파이프(11)와 연결되며, 남은 액화가스(V-x)를 기화하여 제1-2 냉매(L2)와 열교환이 이루어지는 제2 열교환기(40)와;
상기 제2 열교환기(40)로부터 상기 제1-2 냉매(L2)를 공급받아서 제2 냉매(L3)와 열교환이 이루어지도록 하며, 상기 제2 냉매(L3)를 제2 물류창고(32)로 공급하는 냉매 열교환기(50)를 포함하는 액화가스 기화열을 이용한 물류창고 냉각 시스템이 개시된다.

Description

액화가스 기화열을 이용한 냉각 시스템{REFRIGERATING SYSTEM FOR COLD STORE USING EVAPORATION HEAT OF LNG LIQUID GAS}
본 발명은 물류창고를 냉각함에 있어서 엘엔지(LNG)와 같은 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 기화함으로서 발생되는 냉기를 이용하는 냉동창고의 설정온도를 유지하는 엘엔지 액화가스 기화열을 이용한 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 물류창고는 농산물, 어류, 육류 등을 냉장 또는 냉동 보관하는 냉장/냉동 창고를 구비하고 있다.
이러한 물류창고를 운영하기 위하여 물류창고 내부를 일정 온도 이하로 냉각하기 위한 냉각 시스템을 구비할 필요가 있으며, 일반적인 냉각 시스템은 잘 알려진 바와 같이 냉매를 소정의 경로 즉, 크게 압축, 응축, 팽창, 증발을 순차적으로 진행되는 과정에서 냉기를 발생시키는 냉동 사이클을 이용하게 된다.
이와 같은 냉동 사이클을 간단히 설명하면, 냉매를 압축하여 고온고압의 기체상태로 토출하는 압축기와, 압축된 냉매를 외기와 열교환(열방출)하여 상온고압의 액체상태로 변화시키는 응축유닛과, 응축된 냉매를 단열팽창하여 저온저압의 기체 상태로 상변화시키는 팽창밸브와, 저온저압의 액체상태 냉매를 실내 발생 열과 열교환하여 저압의 기체상태에서 다시 압축기로 송출하는 증발유닛으로 구성된다.
이와 같은 냉동 사이클은 특히 압축기를 필요로 하며, 상당량의 전력을 소모하게 된다.
한편, 친환경 에너지로서 LNG가 이용되고 있으며, LNG의 이용을 위하여 해안에는 다수의 엘엔지 액화가스 저장 탱크가 설치되어 있는 LNG 기지가 건설되고 있다.
엘엔지 액화가스 저장탱크는 액화된 LNG 가스를 저장하고 있으며, 수요처에 적절한 양의 엘엔지 가스를 공급하기 위하여 액화 가스를 기화시킨 후 수요처(도시가스 등의 배관)에 공급하고 있다.
엘엔지 액화가스를 기화시키기 위하여 통상 기화기가 사용되며, 기화기는 외부로부터 물 또는 외기 공기의 열을 공급받아 열교환함으로써 액화가스를 상변화를 거쳐 상온의 가스 상태로 송출하게 된다.
이와 같은 기화기를 운영하기 위하여 막대한 양의 물이 필요하게 되며, 또한 이러한 많은 양의 물을 공급하기 위한 펌프가 필요하여 막대한 전력 소모가 발생하게 된다.
이와 같이 기화기에 물을 공급하기 위하여 별도의 수조를 마련하고 이 수조에 저장된 물을 기화기로 순환시킬 수도 있지만, 대부분은 직접 바닷물을 이용하여 액화가스를 기화시키게 된다.
한편, 본 발명을 물류창고에 적용하기 위하여, 발명자가 노력해 본 결과 엘엔지 공급자는 일정량의 엘엔지를 지속적으로 냉동 물류창고에 공급시키는 조건으로 엘인지를 공급한다. 즉, 일정량의 엘인지의 냉열이 냉동 물류창고에 공급되며, 엘엔지 공급자로부터 공급받는 엘엔지의 양을 냉동 물류창고 운영자가 조절할 수 없는 문제가 있다. 이로 인하여, 공급받은 일정량의 엘엔지를 사시사철 완벽히 기화시켜서 물류창고에 사용할 수 있는 새로운 냉각 시스템의 개발이 필요하다.
한국특허등록 제10-0981398호(엘엔지 액화가스 기화열을 이용한 물류창고 냉각)
본 발명은 액화가스의 기화로 발생되는 냉열을 바닷물로 폐기하지 않고 그 냉열을 이용하여 물류창고의 내부를 냉각하는 냉원으로 이용하는 냉각 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 액화가스 공급처에서 일정한 양의 액화가스를 공급하더라도, 기화시 이를 제어하여 물류창고에 사용할 수 있는 냉각 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면,
일정한 양(V)의 액화가스를 제1 이송 파이프(11)를 통하여 토출하는 액화가스 저장탱크(10)와;
상기 제1 이송 파이프(11)와 밸브(21)를 개재하여 연결되며, 제1-1 냉매(L1)를 이용하여 상기 제1 이송 파이프(11)로 공급되는 액화가스의 일부(x)와 열교환을 하고, 제1 물류창고(31)로 상기 제1-1 냉매(L1)를 전달하여 상기 제1 물류창고(31)의 온도를 유지하는 제1 열교환기(20)와;
상기 제1 이송 파이프(11)와 연결되며, 남은 액화가스(V-x)를 기화하여 제1-2 냉매(L2)와 열교환이 이루어지는 제2 열교환기(40)와;
상기 제2 열교환기(40)로부터 상기 제1-2 냉매(L2)를 공급받아서 제2 냉매(L3)와 열교환이 이루어지도록 하며, 상기 제2 냉매(L3)를 제2 물류창고(32)로 공급하는 냉매 열교환기(50)를 포함하는 액화가스 기화열을 이용한 물류창고 냉각 시스템이 제공된다.
또한,
상기 제2 냉매(L3)로서 상기 제2 물류창고(32)의 온도를 일정하게 유지하지 못할 경우, 상기 제2 냉매(L3)를 직접 압축, 응축, 과냉각후 상기 제2 물류창고(32)에 공급하여 상기 제2 물류창고(32)의 온도를 일정하게 유지하는 냉동기(60)와;
상기 제1 물류창고(31)의 설정 온도를 유지하기 위하여 상기 밸브(21)를 제어하여 상기 제1 열교환기(20)로 공급되는 상기 액화가스의 일부(x)를 제어하며, 상기 제2 물류창고(32)의 설정 온도를 유지하기기 위하여 상기 냉동기(60)를 제어하는 제어부를 포함하는 액화가스 기화열을 이용한 물류창고 냉각 시스템이 제공된다.
또한,
상기 제1 이송 파이프(11)와 상기 제2 열교환기(40) 사이에 밸브(22)가 개재되며,
상기 제1 이송 파이프(11)의 말단에는 비상용 기화기(70)가 더 결합되는 것을 특징으로 하는 물류창고 냉각 시스템이 제공된다.
본 발명은 액화가스의 기화로 발생되는 냉열을 바닷물로 폐기하지 않고 그 냉열을 이용하여 물류창고의 내부를 냉각하는 냉원으로 이용하는 냉각 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 액화가스 공급처에서 일정한 양의 액화가스를 공급하더라도, 수요처의 부하 변동을 냉동기의 지원 운전으로 온도를 제어하여 물류창고 및 냉열 이용 시설에 사용할 수 있는 냉각 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 기화열을 이용한 냉각 시스템의 구성도.
이하에는, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하되, 이는 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로써 본 발명의 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 기화열을 이용한 냉각 시스템의 구성도이다.
본 실시예의 물류창고 냉각 시스템(100)은,
일정한 양(V)의 액화가스를 제1 이송 파이프(11)를 통하여 토출하는 액화가스 저장탱크(10)와;
상기 제1 이송 파이프(11)와 밸브(21)를 개재하여 연결되며, 제1-1 냉매(L1)를 이용하여 상기 제1 이송 파이프(11)로 공급되는 액화가스의 일부(x)와 열교환을 하고, 제1 물류창고(31)로 상기 제1-1 냉매를 전달하여 상기 제1 물류창고의 온도를 유지하는 제1 열교환기(20)와;
상기 제1 이송 파이프(11)와 밸브(22)를 개재하여 연결되며, 남은 액화가스(V-x)를 기화하여 제1-2 냉매(L2)와 열교환이 이루어지는 제2 열교환기(40)와;
상기 제2 열교환기(40)로부터 상기 제1-2 냉매(L2)를 공급받아서 제2 냉매(L3)와 열교환이 이루어지도록 하며, 상기 제2 냉매(L3)를 제2 물류창고(32)로 공급하는 냉매 열교환기(50)와;
상기 제2 냉매(L3)로서 상기 제2 물류창고(32)의 온도를 일정하게 유지하지 못할 경우, 상기 제2 냉매(L3)를 직접 압축, 응축, 과냉각후 상기 제2 물류창고(32)에 공급하여 상기 제2 물류창고(32)의 온도를 일정하게 유지하는 냉동기(60)와;
상기 제1 물류창고(31)의 설정 온도를 유지하기 위하여 상기 밸브(21)를 제어하여 상기 제1 열교환기(20)로 공급되는 상기 액화가스의 일부(x)를 제어하며, 상기 제2 물류창고(32)의 설정 온도를 유지하기기 위하여 상기 냉동기(60)를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명은 제2 냉매(L3)의 과냉각을 제어하는 밸브(22)를 제어하여 액화 가스를 기화시키는 비상용 기화기(70)를 포함한다.
액화가스 저장탱크(10)는 엘엔지(LNG)가스가 저장된 탱크로서, 수요처에 공급하기 위해서는 기화시켜야 한다. 이때, 기화열로 인하여 많은 열을 공급해야한다. 따라서, 열교환으로 인한 냉각수가 종래에는 필요하였다. 본 실시예의 물류창고 냉각 시스템(100)은 액화가스 저장탱크(10)의 액화가스가 기화하면서 발생되는 냉기를 이용하여 물류창고에 공급함으로써, 저렴하게 물류창고를 유지할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.
액화가스 저장탱크(10)는 엘엔지 가스 공급처에서 일정한 양의 액화가스를 액화가스 저장탱크(10)로 공급하기 때문에, 본 시스템에 사용되는 액화가스도 일정하게 외부로 토출되어야 한다.
액화가스 저장탱크(10)의 액화가스는 제1 이송 파이프(11)를 통하여 외부로 토출된다. 이때 일정한 양(V)의 액화가스가 외부로 토출되며, 이는 시간과 날짜 및 계절의 변화에도 일정한 양으로 토출된다. 액화가스 공급처와 계약시, 일정한 양을 공급하기로 계약이 된다. 액화가스의 특성상 본 시스템의 운영자가 원하는 양을 정밀하게 공급받는 액화가스의 양을 조절할 수 없다. 즉, 여름에는 많은 양의 액화가스가 필요하고, 겨울에는 많은 양이 필요하지 않더라도 이를 냉열 이용자가 원하는 만큼 조절하여 공급받지 못하는 문제점이 있다. 액화가스의 공급자로부터 액호가스를 실시간으로 변동되도록 공급받을 수 없는 이유는 대한 안전상의 문제가 수반되기 때문이다.
제1 열교환기(20)는 제1 이송 파이프(11)와 밸브(21)를 개재하여 연결된다. 밸브(21)를 제어하여 제1 열교환기(20) 내부로 액화가스의 일부(x)가 공급된다. 제1 열교환기(20)에서는 제1-1 냉매(L1)를 이용하여 액화가스와 열교환이 이루어진다. 액화가스의 온도는 섭씨 -150도 정도이다. 제1-1 냉매(L1)를 이용하여 열교환함으로써, 제1-1 냉매(L1)의 온도는 섭씨 -85도 정도이다. 열교환된 제1-1 냉매(L1)는 제1 물류창고(31)로 공급되어 설정된 온도를 유지한다. 제1 물류창고(31)는 제2 물류창고(32)보다 더 낮은 온도를 유지한다.
밸브(21)를 제어하여 제1 열교환기(20)로 공급되는 액화가스의 양(x)를 제어함으로써, 제1 물류창고(31)의 온도는 일정하게 유지된다. 하루 중에도 낮과 밤, 계절에 따라서 물류창고의 필요한 냉각 열량은 변화되는 반면, 본 시스템에서 액화 가스(V)의 토출량은 일정하다.
액화가스 저장탱크(10)에서 제1 이송 파이프(11)로 공급된 액화가스(V) 중에서 일부(x)가 제1 열교환기(20)로 공급되면, 나머지 액화가스(V-x)는 제2 열교환기(40)로 공급된다. 일단, 액화가스 저장탱크(10)에서 토출된 액화가스(V)는 모두 기화되어야 한다. 따라서, 제2 열교환기(40)는 남은 액화가스(V-x)를 모두 기화시켜야 한다. 시스템의 오류나 기타 문제로 인하여, 제2 열교환기(40)가 남은 액화가스(V-x)를 모두 기화시킬 수 없을 때에는, 비상용으로 제1 이송 파이프(11)의 말단에 결합된 비상용 기화기(70)에서 기화가 일어난다.
제2 열교환기(40)에서 비롯된 냉기는 최종적으로는 제2 물류창고(32)의 온도유지에 사용된다. 이때, 제2 열교환기(40)에서 생성된 냉기는 제2 물류창고(32)의 온도를 유지하는 데, 필요한 냉기보다 적은 양이어야 한다. 즉, 제2 물류창고(32)를 유지하기 위하여 상대적으로 100의 냉기가 필요하다면, 나머지 액화가스(V-x)로서 제2 열교환기(40)에서 생성된 냉기는 100이하의 냉기(예를 들어 50)여야 한다. 나머지 부족분은 기계식 냉동기(60)가 작동하여 냉기를 제2 물류창고(32)에 공급한다. 만약, 제2 열교환기(40)가 100이상의 냉기를 생성해내면, 제2 냉매(L3)가 과냉각 되고, 냉동기의 COP가 감소하게 되며, 최종적으로 액화가스를 공급 받을 수 없게 되어 기화기를 통해 기화 시켜야 하는 상황이 발생한다.
외부의 환경,온도, 계절에 따라서, 제1 물류창고(31)에서 사용되는 액화가스(x)의 양이 다르고, 이에 따라 제2 물류창고(32)에서 사용되는 액화가스(V-x)의 양도 변동된다. 따라서, 본 냉열 사용자는 전체 액화가스(V)는 겨울철 부하 또는 시스템의 최저 부하에 맞도록 선정하고 변동 부하에 대해 냉동기를 적용하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 겨울에는 액화가스 저장탱크(10)에서 상대적으로 100에 해당하는 액화가스가 제1 이송 파이프(11)로 공급되면, 제1 물류창고(31)는 적은 양의 액화가스만 필요로 하기 때문에 60정도만 사용한다. 그리고, 나머지 40은 제2 물류창고(32)에 사용된다. 제2 물류창고(32)를 유지하기 위해서 50의 냉기가 필요하다면, 냉동기(60)가 작동하여 10만큼의 냉기를 생성하여 제2 물류창고(32)에 공급하면 된다.
여름에는 액화가스 저장탱그(10)에서 100에 해당하는 액화가스가 제1 이송 파이프(11)로 공급되면, 제1 물류창고(31)는 많은 양의 액화 가스가 필요하기 때문에 80을 사용한다. 그리고, 나머지 20은 제2 물류창고(32)에 사용된다. 제2 물류창고(32)를 유지하기 위해서는 50의 냉기가 필요하다면, 냉동기(60)가 작동하여 30만큼의 냉기를 추가로 생성하여 제2 물류창고(32)에 공급하면 된다.
제어부는 냉동기(60)를 제어함으로써, 부족한 냉기를 제2 물류창고(32)에 공급할 수 있다.
한편, 제2 열교환기(40)에는 제1-2 냉매(L2)를 사용한다. 액화가스의 온도가 섭씨 -150도이기 때문에, 액화가스와 열교환이 이루어지는 제1-2냉매(L2)가 얼지 않는 특성의 냉매를 사용하고 열교환후 섭씨 -45도 정도되는 냉매를 사용한다. 제1-1냉매(L1)와 제1-2 냉매(L2)는 동일한 것일 수 있다.
반면,기계식 냉동기(60)에 사용될 수 있는 냉매는 섭씨 -60도~-30도 정도이다. 따라서, 제2 열교환기(40)에서 제1-2 냉매(L2)를 직접적으로 기계식 냉동기(60)와 연동할 수 없는 상황이다. 단, 제2 냉매(L3)의 동결점이 충분히 저온일 경우 연동도 가능할수 있으나, 현재 냉동기에 일반적으로 사용되는 냉매는 동결 될 수 있어 어려움이 있다.
따라서, 냉동기(60)와 제2 열교환기(40) 사이에 냉매 열교환기(50)를 두어, 제2 열교환기(40)의 제1-2 냉매(L2)와 냉동기(60)에 사용되는 제2 냉매(L3) 사이에 열교환이 이루어지도록 한다. 제2 물류창고(32)는 제2 냉매(L3)에서 냉기를 얻어 설정된 온도를 유지한다. 제2 냉매(L3)는 제1-2 냉매(L2)로 부터 냉기를 얻으며, 또한 냉동기(60)로부터 냉기를 얻어서 제2 물류창고(32)에 전체 냉기를 공급한다. 냉동기(60)를 제어부가 제어함으로서 제2 물류창고(32)에 설정된 온도를 유지할 수 있다.
그 결과, 액화가스 저장탱그(10)에서 제1 이송 파이프(11)로 일정하게 공급되는 액화가스(V)를 모두 기화함으로써 생성되는 냉기를 제1 물류창고(31) 및 제2 물류창고(32)에서 소모될 수 있다. 아울러, 부족한 냉기는 냉동기(60)로 제어가능하다.
한편, 본 시스템에 응급상황으로 인한 문제가 발생시 밸브(21,22)를 제어하여 비상 기화기(70)에서 액화가스를 기화시킬 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대해서 상세히 설명하였으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 이로써 본 발명의 특허청구범위를 한정하는 것은 아니다. 본 실시예를 바탕으로 균등한 범위까지 당업자가 변형 및 추가하는 범위도 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.
액화가스 저장탱크(10) 제1 이송 파이프(11)
제1 물류창고(31) 제1 열교환기(20)
밸브(21,22) 제2 열교환기(40)
냉매 열교환기(50) 냉동기(60)
비상 기화기(70)

Claims (3)

  1. 일정한 양(V)의 액화가스를 제1 이송 파이프(11)를 통하여 토출하는 액화가스 저장탱크(10)와;
    상기 제1 이송 파이프(11)와 밸브(21)를 개재하여 연결되며, 제1-1 냉매(L1)를 이용하여 상기 제1 이송 파이프(11)로 공급되는 액화가스의 일부(x)와 열교환을 하고, 제1 물류창고(31)로 상기 제1-1 냉매(L1)를 전달하여 상기 제1 물류창고(31)의 온도를 유지하는 제1 열교환기(20)와;
    상기 제1 이송 파이프(11)와 연결되며, 남은 액화가스(V-x)를 기화하여 제1-2 냉매(L2)와 열교환이 이루어지는 제2 열교환기(40)와;
    상기 제2 열교환기(40)로부터 상기 제1-2 냉매(L2)를 공급받아서 제2 냉매(L3)와 열교환이 이루어지도록 하며, 상기 제2 냉매(L3)를 제2 물류창고(32)로 공급하는 냉매 열교환기(50)를 포함하는 액화가스 기화열을 이용한 물류창고 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 냉매(L3)로서 상기 제2 물류창고(32)의 온도를 일정하게 유지하지 못할 경우, 상기 제2 냉매(L3)를 직접 압축, 응축, 과냉각후 상기 제2 물류창고(32)에 공급하여 상기 제2 물류창고(32)의 온도를 일정하게 유지하는 냉동기(60)와;
    상기 제1 물류창고(31)의 설정 온도를 유지하기 위하여 상기 밸브(21)를 제어하여 상기 제1 열교환기(20)로 공급되는 상기 액화가스의 일부(x)를 제어하며, 상기 제2 물류창고(32)의 설정 온도를 유지하기기 위하여 상기 냉동기(60)를 제어하는 제어부를 포함하는 액화가스 기화열을 이용한 물류창고 냉각 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 이송 파이프(11)와 상기 제2 열교환기(40) 사이에 밸브(22)가 개재되며,
    상기 제1 이송 파이프(11)의 말단에는 비상용 기화기(70)가 더 결합되는 것을 특징으로 하는 물류창고 냉각 시스템.

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