KR101987884B1 - 스팀 직접 생산 방식과 플래시스팀 방식을 결합한 스팀히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 히트펌프의 냉매로 물을 직접 가열하여 스팀을 생산하고, 아울러 냉매로 가열된 고온 가압수를 플래시탱크에 공급하여 재증발 스팀을 생산할 수 있는 복합식 스팀히트펌프를 제공한다.
상기 냉매는 쉘앤튜브 또는 플레이트앤쉘 방식의 만액식 응축기의 튜브나 플레이트를 통해 유동하고, 물은 쉘 내부에 채워질 수 있다. 쉘 내부에서 증발되어 생산된 스팀은 수요처로 공급될 수 있고, 쉘 내부에서 증발되지 않은 고온 가압수는 플래시탱크에서 재증발되어 수요처로 공급될 수 있으며, 플래시탱크의 고온수는 다시 만액식 응축기의 쉘에 재공급될 수 있다.
상기 만액식 응축기에서 생산되는 스팀의 온도가 높으면, 상기 플래시탱크의 개수를 늘려 서로 다른 온도의 스팀을 동시에 생산하는 것이 가능하다.

Description

스팀 직접 생산 방식과 플래시스팀 방식을 결합한 스팀히트펌프{Integrated Steam Heat PumpSystem for Making Steam Directly and by Using Flash Tank}

본 발명은 물을 가열하여 스팀을 직접 생산하는 방식과 함께 플래시 스팀 생산 방식을 접목하여 스팀 생산 효율을 높이고 다양한 온도의 스팀을 생산할 수 있는 스팀히트펌프에 관한 것이다.

보일러로 스팀을 생산하여 필요한 곳에 보내는 방식은 수요처에 필요한 온도 이상으로 스팀을 가열하여 고압으로 수요처에 보내고, 스팀이 이송되는 과정에서 액화되는 부분은 기수분리기를 통해 분리하며, 수요처 현장에서 저압으로 낮춰 공급한다.

기존 보일러 방식으로 스팀을 생산하여 필요한 곳에 스팀을 보냈던 중앙공급방식은 스팀을 이송하는 과정에서 생기는 열손실, 배관 비용 등 여러 가지의 단점을 가지고 있다.

이에 히트펌프를 이용하여 스팀을 생산하되, 스팀이 필요한 수요처 근처에 스팀히트펌프를 설치하여 분산 적용이 가능하게 하는 스팀히트펌프의 개발이 국, 내외에서 활발히 이루어지고 있다.

스팀히트펌프는 보일러 방식에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있다. 상기 스팀히트펌프는 플래시탱크를 사용하여 플래시스팀(재증발스팀)을 만드는 방식으로 스팀을 생산하는 것이 일반적이다.

도 1에는 플래시탱크를 이용한 스팀히트펌프 시스템의 개략도가 도시되어 있다.

제1히트펌프(30)에는 제1냉매가 순환한다. 제1냉매는 제1열교환기(31)에서 열원(10)의 열을 흡수하여 증발하고, 제1압축기(32)에서 압축된 후 응축기(33)에서 물과 열교환하여 응축된다. 그리고 제1팽창밸브(34)에서 팽창한 후 다시 상기 제1열교환기(31)로 이동하며 순환한다.

응축기(33)에서 냉매가 응축함에 따라 가열된 가압수는 플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)로 유입된다. 플래시탱크(50)는 스팀을 공급하기 위한 구조물로서, 플래시탱크(50) 내부에 고온의 가압수가 공급되면 갑자기 부피가 팽창하는 가압수의 일부가 스팀으로 상 변화를 일으키게 되고, 이를 통해 스팀이 생산된다.

가압수로부터 상 변화한 스팀은 본체(51)를 따라 상부로 이동하며 기수분리판(54)에서 물이 분리된 후 플래시스팀 배출구(56)를 통해 배출되어 수요처에 공급된다.

가압수 유입구(52)를 통해 상기 플래시탱크(50)의 본체(51) 내부로 들어온 가압수는 순간적으로 부피 팽창을 일으키게 되고, 이로 인해 일부가 상변화하여 스팀이 생산된다. 하지만 이와 같이 순간적인 압력 강하와 유입 가압수의 잠열만으로 스팀을 생산하는 방식은 스팀 생산 효율이 낮다. 즉 플래시탱크로 유입되는 가압수의 약 10 내지 15 % 정도만이 스팀으로 상 변화를 하게 되고, 나머지는 물의 상을 유지한다.

플래시탱크 하부에 저장되는 물은 펌프(59)에 의해 유동하여 다시 상기 제1히트펌프(30)의 응축기(33)로 이동한 후 제1냉매와 열교환하여 가열되고, 다시 고온 가압수가 되어 상기 플래시탱크(50)에 공급된다.

이러한 과정에 의해 생산되는 스팀의 양은, 순환하는 물의 10 내지 15 % 정도로서, 스팀 변환율이 낮다는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 스팀히트펌프에서 스팀을 생산하는 방식에, 보일러와 같이 물을 끓여 직접 생산하는 방식의 시스템을 접목시켜 스팀 생산 효율을 높인 스팀히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 보일러 방식의 스팀생산과 플래시탱크를 활용한 스팀 생산 구조를 결합한 스팀히트펌프의 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 만액식 열교환기를 보일러 방식으로 스팀 생산을 효율적으로 할 수 있는 스팀히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 만액식 열교환기에서 물을 가열하는 냉매를 위한 히트펌프 시스템에 캐스캐이드(cascade) 방식을 적용하고/거나 냉매증기주입(vapor injection) 방식을 적용하여 보일러 가열 효율을 더 높인 스팀히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 다양한 온도의 스팀을 동시에 생산할 수 있는 스팀히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 히트펌프의 응축기를 만액식 응축기로 사용하고, 물을 만액하고 히트펌프의 냉매로 물을 가열함으로써 직접 스팀을 생산하는 구조를 제공한다.

상기 응축기로서는 만액식 쉘앤튜브(shell and tube)방식의 열교환기, 또는 만액식 플레이트앤쉘(plate and shell) 방식의 열교환기를 사용할 수 있다.

상기 히트펌프의 냉매는 상기 튜브 또는 플레이트를 지나며 쉘 내에 채워져 있는 물과 열교환하여 물을 가열할 수 있다.

이와 함께, 상기 만액식 응축기에서 가열된 고온 가압수를 플래시탱크에 공급하여 플래시스팀(재증발스팀)을 만드는 구조를 함께 사용하는 구조를 제공한다.

상기 히트펌프는 2 이상의 히트펌프를 연결하는 캐스케이드 방식일 수 있다. 아울러 각 히트펌프의 압축기에 냉매증기주입 방식을 적용할 수 있다. 또한 압축기에 주입될 냉매증기를 위해 플래시탱크나 서브쿨러가 적용될 수 있다.

구체적으로 본 발명은, 제1냉매가 열원(10)으로부터 열을 공급받아 증발하는 제1열교환기(31); 상기 제1열교환기(31)에서 증발된 제1냉매가 압축되는 제1압축기(32); 상기 제1압축기(32)에서 토출되는 고온 고압의 제1냉매가 응축되는 응축기(33); 및 상기 응축기(33)에서 응축된 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(34);를 포함하는 제1히트펌프(30)에 의해 스팀을 생산하는 스팀히트펌프를 제공한다.

상기 응축기(33)는: 물이 수용되고 상부에 스팀 수용공간(334)이 마련된 쉘(330); 상기 물이 수용되는 쉘(330) 내부 공간에 설치되고, 제1냉매 이동 통로를 제공하는 냉매 유동라인(332); 상기 쉘(330)에 마련되고, 상기 제1냉매를 상기 냉매 유동라인(332)으로 유입시키는 입구인 냉매유입구(331); 상기 쉘(330)에 마련되고, 상기 냉매 유동라인(332)을 유동한 제1냉매를 쉘(330) 외부로 배출하는 냉매유출구(333); 상기 쉘 내부의 공간에 물을 공급하는 시수 유입구(3367); 및 상기 스팀 수용공간(334)과 연통하고, 상기 스팀 수용공간(334)에 수용된 스팀을 배출하는 보일러스팀 배출구(336);를 포함할 수 있다.

상기 냉매 유동라인(332)을 흐르는 제1냉매와, 상기 쉘(330)에 수용된 물이 열 교환을 하여 상기 물로부터 스팀이 생산되고, 생산된 스팀은 상기 쉘(330)의 상부에 마련된 스팀 수용공간(334)에 수용될 수 있다.

또한 본 발명은, 제2냉매가 열원(10)으로부터 열을 공급받아 증발하는 제2열교환기(71); 상기 제2열교환기(71)에서 증발된 제2냉매가 압축되는 제2압축기(72); 상기 제2압축기(72)에서 토출되는 고온 고압의 제2냉매가 유입되어 열교환하는 제1열교환기(31); 및 상기 제1열교환기(31)에서 열교환하여 응축된 제2냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브(74);를 포함하는 제2히트펌프(70)와, 상기 제1열교환기(31)에서 상기 제2냉매로부터 열을 공급받아 증발된 제1냉매가 압축되는 제1압축기(32); 상기 제1압축기(32)에서 토출되는 고온 고압의 제1냉매가 응축되는 응축기(33); 및 상기 응축기(33)에서 응축된 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(34);를 포함하는 제1히트펌프(30)에 의해 스팀을 생산하는 스팀히트펌프를 더 제공한다.

상기 제2히트펌프(70)는: 상기 제2팽창밸브(74)에서 팽창된 제2냉매가 유입되는 제2냉매용 플래시탱크(75); 상기 제2냉매용 플래시탱크(75)에서 나온 기체 상의 제2냉매를 상기 제2압축기(72)에 공급하는 제2주입관(77); 및 상기 제2냉매용 플래시탱크(75)에서 분리된 액체 상의 제2냉매를 팽창시키는 제4팽창밸브(76);를 더 포함할 수 있다.

이와 달리, 상기 제2히트펌프(70)는: 상기 제1열교환기(31)에서 나온 제2냉매의 적어도 일부가 고온 측으로 유입되고, 상기 제1열교환기(31)에서 나온 제2냉매의 나머지 일부가 제4팽창밸브(76)를 거쳐 저온 측으로 유입되며, 고온 측으로 유입된 제2냉매와 저온 측으로 유입된 제2냉매 간 열교환이 이루어지는 제2서브쿨러(79); 및 상기 제2서브쿨러(79)의 저온 측에서 나온 기체 상의 제2냉매를 상기 제2압축기(72)에 공급하는 제2주입관(77);을 더 포함하고, 제2팽창밸브(74)가 상기 제2서브쿨러(79)의 고온 측에서 나온 제2냉매를 팽창시킬 수 있다.

상기 제1히트펌프(30)는: 상기 제1팽창밸브(34)에서 팽창된 제1냉매가 유입되는 제1냉매용 플래시탱크(35); 상기 제1냉매용 플래시탱크(35)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 상기 제1압축기(32)에 공급하는 제1주입관(37); 및 상기 제1냉매용 플래시탱크(35)에서 분리된 액체 상의 제1냉매를 팽창시키는 제3팽창밸브(36);를 더 포함할 수 있다.

이와 달리 상기 제1히트펌프(30)는: 상기 응축기(33)에서 나온 제1냉매의 적어도 일부가 고온 측으로 유입되고, 상기 응축기(33)에서 나온 제1냉매의 나머지 일부가 제3팽창밸브(36)를 거쳐 저온 측으로 유입되며, 고온 측으로 유입된 제1냉매와 저온 측으로 유입된 제1냉매 간 열교환이 이루어지는 제1서브쿨러(39); 및 상기 제1서브쿨러(39)의 저온 측에서 나온 기체 상의 제1냉매를 상기 제1압축기(32)에 공급하는 제1주입관(37);을 더 포함하고, 상기 제1팽창밸브(34)가 상기 제1서브쿨러(39)의 고온 측에서 나온 제1냉매를 팽창시킬 수 있다.

상기 응축기(33)는, 상기 쉘(330) 내부에 수용된 고온 가압수를 배출하는 가압수 유출구(338)를 구비하고, 상기 스팀히트펌프는 상기 가압수 유출구(338)에서 배출된 고온 가압수를 이용하여 플래시스팀을 생산하는 스팀플래시탱크(50)를 더 포함할 수 있다.

상기 스팀플래시탱크(50)는: 내부가 비어 있는 중공의 본체(51); 상기 본체(51)에 마련되고, 상기 가압수 유출구(338)에서 유출된 유출된 고온 가압수를 상기 본체(51) 내부로 유입시키는 가압수 유입구(52); 상기 본체(51) 상부에 마련되고, 상기 고온 가압수가 유입되며 증발되고 상부로 상승한 스팀을 배출하는 플래시스팀 배출구(56); 및 상기 본체(51)의 하부에 마련되며, 본체(51) 내부에 저장된 물을 배출하는 물 유출구(53);를 포함하고, 상기 물 유출구(53)에서 배출된 물은 상기 제1응축기(33)의 고온순환수 유입구(337)를 통해 상기 응축기(33)의 쉘(330) 내부에 유입될 수 있다.

상기 스팀플래시탱크(50)는 2 이상 구비되고, 상기 2 이상의 스팀플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)는 각각 상기 가압수 유출구(338)에 대해 병렬로 연결될 수 있다.

이와 달리, 하나의 스팀플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)는 상기 가압수 유출구(338)와 연결되고, 다른 하나의 스팀플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)는 상기 하나의 스팀플래시탱크(50)의 물 유출구(53)와 연결되는 방식으로 직렬 연결될 수도 있다.

상기 응축기(33)는 쉘앤튜브(Shell and Tube)방식의 열교환기로서, 튜브에 의해 상기 냉매 유동라인(332)이 구성되고, 쉘에 물이 채워지는 만액식 열교환기일 수 있다.

여기서 상기 튜브는 수평방향으로 연장되고, 상기 쉘(330) 내부에는, 쉘 내부에서 물이 채워지는 공간의 상부를 수직 방향으로 막거나 하부를 수직 방향으로 막는 베플(339)이 쉘(300)의 길이방향을 따라 교호로 이격 배치되며, 상기 쉘(330)의 길이방향 일측 하부에 고온순환수 유입구(337)가 마련되고, 상기 쉘(330)의 길이방향 타측 측부에 상기 가압수 유출구(338)가 마련될 수 있다.

보충수는 상기 시수 유입구(3367)를 통해 보충될 수 있다.

이와 달리 상기 응축기는 플레이트앤쉘(Plate and Shell) 방식의 열교환기로서, 플레이트에 의해 상기 냉매 유동라인(332)이 구성되고, 쉘에 물이 채워지는 만액식 열교환기일 수 있다.

상기 응축기(33)의 상부에는 상기 스팀 수용공간(334)에 수용된 스팀의 압력을 측정하는 센서(335)를 더 포함하고, 상기 센서(335)에서 측정된 압력이 소정 기준을 넘어설 때 상기 보일러스팀 배출구(336)를 개방할 수 있다.

상기 가압수 유출구(338)와 가압수 유입구(52) 사이에는, 고온 가압수의 흐름과 압력을 제어하는 밸브가 설치될 수 있다.

본 발명의 스팀히트펌프 시스템은 보일러 방식의 스팀 생산 방식과 플래시탱크를 이용한 스팀 생산 방식을 접목하여 보일러 방식의 장점과 플래시탱크 방식의 장점을 모두 발휘하고 보일러 방식의 단점과 플래시탱크 방식의 단점을 상호 보완할 수 있다.

본 발명에 따르면, 물을 가열하기 위해 만액식 응축기를 사용할 수 있으며, 이를 통해 스팀 생산 효율을 더욱 높일 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 만액식 응축기에 플래시탱크를 접목하여 물을 대향류나 직교류 방식으로 순환시킴으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 스팀히트펌프 시스템에 의하면, 다양한 온도(압력)의 스팀을 동시에 생산할 수 있다.

또한 본 발명의 스팀히트펌프 시스템에 의하면, 물을 가열하는 히트펌프의 효율이 높아, 스팀의 생산 효율을 높일 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 종래의 스팀히트펌프의 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제1실시예로서 스팀히트펌프의 개요도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제2실시예로서 스팀히트펌프의 개요도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제3실시예로서 스팀히트펌프의 개요도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제4실시예로서 스팀히트펌프의 개요도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제5실시예로서 스팀히트펌프의 개요도이다.
도 7은 본 발명에 따른 제6실시예로서 스팀히트펌프의 개요도이다.
도 8은 본 발명에 따른 제7실시예로서 스팀히트펌프의 개요도이다.
도 9는 본 발명에 따른 제1냉매로 사용될 수 있는 R245fa의 엔탈피-압력 선도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 냉매용 플래시탱크를 이용한 냉매증기주입 방식의 히트펌프에 따른 엔탈피-압력 선도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 서브쿨러를 이용한 냉매증기주입 방식의 히트펌프에 따른 엔탈피-압력 선도를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

[제1실시예]

이하 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 스팀히트펌프의 제1실시예를 설명한다.

제1냉매가 순환하는 제1히트펌프(30)는 물을 가열하기 위한 열을 물에 공급하기 위한 구성이다. 제1냉매는 제1열교환기(31), 제1압축기(32), 응축기(33), 제1팽창밸브(34)를 순서대로 거치며 순환한다.

섭씨 120도 이상의 고온 스팀을 생산하기 위한 냉매의 임계온도는 그 이상이어야 한다. 도 9를 참조하면, R245fa는 임계온도가 섭씨 154도에 이르므로, 열역학적 사이클 내에서 열을 전달해 주어야 하는 저온 측 온도(섭씨 120도)보다 높은 온도까지 상승할 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면 열원은 산업 현장에서 버려지는 섭씨 약 60도 정도의 폐열수일 수 있다. 도 9를 참조하면, 섭씨 약 60도에서 120도까지 R245fa의 P-h 선도에서의 증기포화곡선은, 통상적인 냉매들과 달리, 등엔트로피 라인보다 더 누워 있는 상태이다. 따라서 압축 과정에서 액 압축이 발생하는 것을 방지하기 위해서는, 압축이 시작되는 시점에서 증발된 냉매가 상당히 과열된 상태로 압축되는 과열 압축(superheated compression)이 일어나야 한다.

참고로 액 압축(liquid compression)이란, 비압축성의 액체가 압축기의 실린더에 흡입되면 압력이 높아져서 격렬한 충격음과 진동을 수반하면서 압축기를 파손시키는 현상으로서, 액 냉매가 압축기에 유입되면, 실린더 벽 등의 윤활유를 씻어내 버리는 문제점, 윤활유의 농도를 저하시켜 버리는 문제점, 오일 포밍(oil foaming)을 일으켜 급격하게 오일유량을 감소시킬 위험성 등이 있다. 이러한 액 압축은, 팽창밸브의 개도가 클 때, 증발기 팬 등이 정지되는 것과 같이 급격한 부하변동에 대해 팽창밸브가 대응하지 못할 때, 시스템을 정지한 후 저온부인 증발기 쪽에 다량의 액냉매가 모여 있다가 다음 시동 시점에 한꺼번에 압축기에 흡입될 때, 장시간 정지 후 재기동시 오일 포밍이 일어날 때, 히트펌프 시스템에서 냉난방 절환 운전시나 제상 사이클의 개시 등 운전 사이클이 급격하게 변화할 때 주로 발생한다.

본 발명은 상술한 특성을 가지는 R245fa 냉매를 제1냉매로 사용하여, 고온의 스팀을 생산하는 것을 예시한다. 다만 냉매가 이에 한정되는 것은 아니며, 스팀의 생산에 적합한 다양한 냉매를 사용할 수 있다.

제1열교환기(31)는 증발기로서, 제1냉매는 상기 제1열교환기에서 열원(10)으로부터 열을 전달받아 증발한다. 열원(10)으로부터 공급되는 열매체는 펌프(11)에 의해 상기 제1열교환기(31)를 통과하고, 제1냉매 역시 상기 제1열교환기(31)를 통과한다. 제1열교환기(31) 내에서 상기 제1냉매는 상기 열원(10)의 열매체로부터 열을 전달받아 증발한다.

제1열교환기(31)에서 증발한 제1냉매는 배관을 타고 압축기(32)에 유입된다. 제1압축기(32)에서 상기 기체 상의 제1냉매는 압축되어 고압의 기체 상의 냉매가 되고, 압력과 함께 온도가 함께 오르게 된다.

제1압축기(32)에서 압축된 고온 고압의 제1냉매는 응축기(33)에 유입된다.

도 2에 도시된 응축기는 쉘앤튜브 방식의 열교환기로서, 전체적인 외관을 구성하고 내부에 유체가 채워질 수 있는 쉘(330)과, 쉘 내부에 수용된 냉매 유동라인(332)을 포함한다.

냉매 유동라인(332)은 튜브일 수 있다. 튜브 내부에는 제1냉매가 흐르고, 쉘(330) 내부에는 물이 채워져 있다. 냉매 유동라인(332)의 일측 단부는 쉘(330)의 냉매 유입구(331)와 연통하고, 냉매 유동라인(332)의 타측 단부는 쉘(330)의 냉매 유출구(334)와 연통한다.

도 2에 도시된 냉매 유동라인(332)의 튜브는, 쉘(330) 내부에 채워진 물과의 접촉 면적을 높이기 위해, 수평의 제1방향과 수평의 제2방향으로 연장된 형태로 이루어진다. 아울러 냉매는 쉘(330) 내부에 있는 물에 열을 전달하며 점점 온도가 내려가고, 쉘 내부에 채워진 물은 상부로 갈수록 더 뜨겁게 가열되어야 하므로, 냉매 유입구(331)는 쉘의 상부에 위치하고, 냉매 유출구(334)는 쉘의 하부에 위치한다.

도 2에는 냉매 유입구(331)와 냉매 유출구(334)가 서로 대향하는 단부에 배치되어 있는 구조가 개시되어 있으나, 이들이 같은 단부에 배치되어도 무방하다.

쉘(330)에서 상기 냉매 유동라인(332)이 배치되는 공간에는 물이 채워진다. 쉘(330)의 상부에는 제1냉매로부터 가열되어 물에서 스팀으로 상 변화한 스팀이 임시적으로 수용되는 스팀 수용공간(334)이 마련된다.

상기 제1냉매는 상기 응축기(33)에서 열교환하며 상기 쉘(330) 내부의 물을 가열하며 응축된다. 상기 물은 상기 제1냉매로부터 열을 제공받아 증발하여 스팀이 생산된다. 상기 제1냉매는 임계 온도가 섭씨 154도에 이르는 R245fa일 수 있다.

상기 응축기(33)에서 응축된 제1냉매는 제1팽창밸브(34)를 거치며 팽창된다. 상기 제1팽창밸브는 전자식 팽창밸브(EEV)일 수 있다. 상기 제1팽창밸브에서 팽창된 제1냉매는 다시 제1열교환기(31)로 이동한다.

상기 쉘(330)에서 제1냉매에 의해 생산된 스팀은 상기 스팀 수용공간(334)에 임시 저장된다. 상기 수용공간(334)의 상부에는 상기 수용공간(334)에 체류하고 있는 스팀의 온도를 감지하기 위한 센서(335)가 설치된다. 상기 센서(335)는 온도 센서일 수 있다. 온도 센서는 상기 스팀의 온도를 직접 측정하여 원하는 온도의 스팀이 생산되었음을 확인하였을 때 상기 스팀이 보일러스팀 배출구(336)를 통해 배출되어 수요처에 공급되도록 한다.

상기 응축기 내에서 직접 생산된 스팀에 대해서는 스팀의 압력을 측정하여 온도를 추정하는 것도 가능하다. 상기 응축기 내부가 상당히 고온 고압의 환경인 것을 감안하면, 압력을 측정하여 온도를 추정하는 것이 되려 더 높은 정확도를 가질 수 있다. 아울러 위와 같은 환경에서는 압력 측정 센서나 게이지를 설치하는 것이 더 간단할 수 있다.

보일러스팀 배출구(336)에 컨트롤밸브를 설치하고, 이를 상기 온도 또는 압력 센서(335)와 연동하며, 컨트롤밸브에 포화 압력을 설정하면, 설정된 포화 압력에 준하는 스팀이 계속적으로 토출되도록 제어될 수 있다. 구체적으로, 스팀의 압력이 설정 압력보다 낮으면 제어기에서는 컨트롤밸브를 닫아 스팀의 토출을 차단하고, 스팀의 압력이 설정 압력에 도달하면 제어기에서는 컨트롤밸브를 열어 스팀을 토출하도록 할 수 있다. 상기 컨트롤밸브는 비례제어밸브일 수 있다.

상기 응축기는 상기 쉘(330) 내부로 보충수를 공급하는 통로가 되는 시수 유입구(3367)가 마련될 수 있다. 도 2에서는 시수 유입구(3367)가 쉘 상부에 설치된 구조가 예시되어 있으나, 이는 쉘 하부에 마련될 수도 있다.

통상 플래시탱크를 이용한 재증발 스팀을 생산하던 기존의 스팀히트펌프 구조와 달리, 본 발명에 따른 스팀히트펌프는 히트펌프를 통해 물을 직접 가열하여 스팀을 생산하므로, 생산능력이 탁월하다. 또한 스팀을 생산하기 위한 보일러의 기능을, 상술한 만액식 응축기를 통해 구현할 수 있다.

[제2실시예]

이하 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 스팀히트펌프의 제2실시예를 설명한다. 제2실시예를 설명함에 있어서, 제1실시예와 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

제1냉매가 순환하는 제1히트펌프(30)는 물을 가열하기 위한 열을 물에 공급하기 위한 구성이다. 제1냉매는 제1열교환기(31), 제1압축기(32), 응축기(33), 제1팽창밸브(34)를 순서대로 거치며 순환한다.

도 3에 도시된 응축기는 쉘앤튜브 방식의 열교환기로서, 전체적인 외관을 구성하고 내부에 유체가 채워질 수 있는 쉘(330)과, 쉘 내부에 수용된 냉매 유동라인(332)을 포함한다.

냉매 유동라인(332)은 튜브일 수 있다. 튜브 내부에는 제1냉매가 흐르고, 쉘(330) 내부에는 물이 채워져 있다. 냉매 유동라인(332)의 일측 단부는 쉘(330)의 냉매 유입구(331)와 연통하고, 냉매 유동라인(332)의 타측 단부는 쉘(330)의 냉매 유출구(334)와 연통한다.

도 3에 도시된 냉매 유동라인(332)의 튜브는, 쉘(330) 내부에 채워진 물과의 접촉 면적을 높이기 위해, 수평의 제1방향과 수평의 제2방향으로 연장된 형태로 이루어진다. 아울러 냉매는 쉘(330) 내부에 있는 물에 열을 전달하며 점점 온도가 내려가고, 쉘 내부에 채워진 물은 상부로 갈수록 더 뜨겁게 가열되어야 하므로, 냉매 유입구(331)는 쉘의 상부에 위치하고, 냉매 유출구(334)는 쉘의 하부에 위치한다.

도 3에는 냉매 유입구(331)와 냉매 유출구(334)가 서로 같은 단부에 배치되어 있는 구조가 예시되어 있다. 그리고 상기 냉매 유동라인(332)을 구성하는 튜브는 U 자 형태의 곡관 다발을 포함한다.

상기 튜브의 일측 단부 상측에는 상기 냉매 유입구(331)와 연통하는 제1공간(3311)이 존재하고, 상기 제1공간(3311)이 상기 곡관 다발의 입구와 연통한다. 상기 튜브의 일측 단부 하측에는 상기 냉매 유출구(333)와 연통하는 제2공간(3333)이 존재하고, 상기 제2공간(3333)은 상기 곡관 다발의 출구와 연통한다. 상기 제1공간과 제2공간은 쉘 내부의 물이 들어오지 않도록 격리된 공간으로서, 냉매가 유동하는 공간이다. 물론 제1공간과 제2공간 간에도 서로 격리되어 있으므로, 제1공간의 냉매는 튜브를 거쳐야 제2공간에 이르게 된다.

따라서 상기 냉매 유입구(331)를 통해 유입된 제1냉매는 상기 제1공간(3311)을 거쳐 상기 복수 개의 곡관 다발에 분기되어 유입되어 흐르고, 복수 개의 곡관 다발을 유동하며 그와 접하고 있는 쉘(330) 내부의 물과 열교환하여 물을 가열한다. 그리고 복수 개의 곡관 다발을 유동한 제1냉매는 상기 제2공간(3333)을 거쳐 상기 냉매유출구(333)를 통해 상기 응축기(33)로부터 토출된다.

쉘(330)에서 상기 냉매 유동라인(332)이 배치되는 공간에는 물이 채워진다. 쉘(330)의 상부에는 제1냉매로부터 가열되어 물에서 스팀으로 상 변화한 스팀이 임시적으로 수용되는 스팀 수용공간(334)이 마련된다.

상기 제1냉매는 상기 응축기(33)에서 열교환하며 상기 쉘(330) 내부의 물을 가열하고, 응축된다. 상기 물은 상기 제1냉매로부터 열을 제공받아 증발하여 스팀이 생산된다. 가령 상기 제1냉매는 임계 온도가 섭씨 154도에 이르는 R245fa일 수 있다. 그러나 이는 일 예시에 지나지 아니하며, 필요한 스팀을 생산하는데 적합한 냉매라면 어떠한 냉매라도 사용 가능하다.

본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 응축기(33)의 쉘(330) 내부에서 가열된 고온 가압수의 일부가 배출되어 스팀플래시탱크(50)에 공급될 수 있다.

스팀플래시탱크(50)에 고온 가압수를 공급하기 위해, 상기 응축기(33)의 쉘(330) 내부에는 상기 물이 채워지는 공간의 상부를 수직 방향으로 막는 베플(339)과 상기 물이 채워지는 공간의 하부를 수직 방향으로 막는 베플(339)이 길이방향을 따라 교호로 이격 배치된다.

그리고 응축기(33)의 일측 단부의 하부에는 고온순환수 유입구(337)가 마련되고, 상기 응축기(33)의 타측 단부의 상부에는 가압수 유출구(338)가 마련된다. 상기 고온순환수 유입구(337)로는 상기 스팀플래시탱크(50)에서 고온순환수가 유입된다.

상기 고온순환수 유입구(337)로 유입된 고온수는 상기 베플(339)에 의해 막혀 있는 곳을 우회하며 쉘(330)의 일측 단부에서 타측 단부로 유동하며 채워지게 된다. 상기 베플(339)을 우회하는 과정에서 상기 고온수는 튜브의 연장 방향과 교차하는 방향으로 흐르게 되므로, 열교환이 원활하게 일어나게 된다.

상기 가압수 유출구(338)는 타측 단부 상측에 마련되고, 쉘(330)에 내장된 물의 수위의 위쪽에 연통하는 위치에 마련되고, 가장 고온 고압의 물이 빠질 수 있도록 한다.

상기 가압수 유출구(338)에서 배출된 고온 가압수는 스팀플래시탱크(50)에 공급된다.

스팀플래시탱크(50)는, 내부가 비어 있고 상하로 세워진 중공의 본체(51)를 포함한다.

상기 본체(51)의 측면에는 상기 가압수 유출구(338)에서 유출된 고온 가압수가 유입되는 가압수 유입구(52)가 마련된다. 가압수 유입구(52)를 통해 유입된 고온 고압의 물의 일부는 갑자기 팽창하는 부피에 의해 스팀으로 상 변환되어 플래시탱크 내부에서 상부로 이동한다.

상기 본체(51)의 내부 공간의 상부에는 기수분리판(54)이 설치되어 있다. 따라서 고온 가압수로부터 상 변환되어 상승하는 스팀에 함유된 물은 상기 기수분리판(54)에서 걸러지고, 습기가 제거된 건조한 스팀이 상기 기수분리판(54) 상부로 올라간다.

스팀플래시탱크의 상부에는 상부로 상승한 스팀을 배출하는 플래시스팀 배출구(56)가 마련되어 있다. 그리고 플래시탱크의 상부에는 상기 중공부의 상부에 머무르는 스팀의 온도를 측정하는 센서(55)가 설치되어 있다.

상기 센서(55)는 온도 센서일 수 있다. 온도 센서는 상기 스팀의 온도를 직접 측정하여 원하는 온도의 스팀이 생산되었음을 확인하였을 때 상기 스팀이 상기 플래시스팀 배출구(56)를 통해 배출되어 수요처에 공급되도록 한다.

상기 스팀에 대해서는 스팀의 압력을 측정하여 온도를 추정하는 것도 가능하다. 상기 플래시탱크에서 생산된 스팀의 온도가 고온인 것을 감안하면, 압력을 측정하여 온도를 추정하는 것이 되려 더 높은 정확도를 가질 수 있다. 아울러 위와 같은 환경에서는 압력 측정 센서나 게이지를 설치하는 것이 더 간단할 수 있다.

플래시스팀 배출구(56)에 컨트롤밸브를 설치하고, 이를 상기 온도 또는 압력 센서(55)와 연동하며, 컨트롤밸브에 포화 압력을 설정하면, 설정된 포화 압력에 준하는 스팀이 계속적으로 토출되도록 제어될 수 있다. 구체적으로, 스팀의 압력이 설정 압력보다 낮으면 제어기에서는 컨트롤밸브를 닫아 스팀의 토출을 차단하고, 스팀의 압력이 설정 압력에 도달하면 제어기에서는 컨트롤밸브를 열어 스팀을 토출하도록 할 수 있다. 상기 컨트롤밸브는 비례제어밸브일 수 있다.

상기 본체(51)의 하부에는 상기 가압수 유입구(52)를 통해 유입된 물 중 스팀으로 상 변환되지 않은 고온수가 저장된다. 그리고 상기 본체(51)의 하부에는 상기 고온수를 배출하는 물 유출구(53)가 마련되어 있다.

상기 물 유출구(53)의 밸브(58)가 개방되면 상기 본체(51) 내부에 저장되어 있던 고온수는 펌프(59)에 의해 다시 고온순환수 유입구(337)로 공급되어 상기 응축기(33)의 쉘(330) 내부에 재 공급된다.

상기 스팀플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)와 상기 가압수 유출구(338) 사이에는 밸브(미도시)가 있어, 상기 스팀플래시탱크(50)에 공급되는 고온 가압수의 흐름과 압력을 제어할 수 있다. 구체적으로, 응축기(33)의 가압수 유출구(338)에서 스팀플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)로 연결된 배관을 순환하는 가압수의 양과 압력은 컨트롤 밸브를 설치하여 제어할 수 있다. 또한, 응축기(33)에서 생산되는 스팀의 압력과 플래시탱크(50)에서 생산되는 스팀의 압력은 서로 다르게 유지되어야 하므로, 상기 응축기(33)의 가압수 유출구(338)에서 스팀플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)로 연결된 배관에 체크밸브를 두어 가압수가 응축기(33)에서 스팀플래시탱크(50) 쪽으로만 순환할 수 있도록 한다. 만약 체크밸브를 사용하지 않은 환경에서 가압수가 상기 배관을 통해 순환하지 않으면, 스팀플래시탱크와 응축기 내부 간의 압력 평형이 이루어져 서로 다른 압력의 스팀을 생산할 수 없다.

상기 스팀플래시탱크(50)에서 생산되는 스팀은 상기 응축기(33)에서 생산되는 스팀보다 낮은 온도를 가진다. 따라서 이들을 함께 사용하여 스팀을 생산하면, 서로 다른 온도를 가지는 스팀을 생산하는 것이 가능하다. 아울러 응축기(33)에서 생산되는 스팀의 온도가 더욱 높다면, 상기 스팀플래시탱크(50)를 2 이상 연결하여, 서로 다른 온도를 가지는 스팀을 더 다양하게 생산하는 것이 가능하다.

도시하지는 아니하였으나, 가령, 스팀플래시탱크(50)는 2 이상 구비되고, 상기 2 이상의 스팀플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)는 각각 상기 가압수 유출구(338)에 대해 병렬로 연결될 수 있다. 그리고 서로 다른 스팀플래시탱크(50)에 공급되는 고온 가압수는 각각의 밸브에 의해 제어될 수 있다. 따라서 상기 밸브에 의해 고온 가압수의 감압 정도를 달리 하면, 2 이상의 스팀플래시탱크(50)에서 서로 다른 온도의 스팀을 생산하는 것이 가능하다.

아울러, 스팀플래시탱크(50)가 2 이상 구비되고, 상기 2 이상의 스팀플래시탱크(50)가 직렬로 연결되도록 할 수도 있다. 즉 하나의 스팀플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)는 상기 가압수 유출구(338)와 연결되고, 다른 하나의 스팀플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)는 상기 하나의 스팀플래시탱크(50)의 물 유출구(53)와 연결되며, 다른 하나의 스팀플래시탱크(50)의 물 유출구(53)가 상기 응축기(33)의 고온순환수 유입구(337)와 연결되는 방식으로 2개의 스팀플래시탱크(50)를 설치하는 것도 상정 가능하다. 이와 같은 스팀플래시탱크의 연결구조에 따르면, 스팀플래시탱크(50)를 거칠수록 점점 낮은 온도의 스팀을 생산할 수 있다.

이와 같은 스팀 생산 방식에 따르면, 2 이상의 방식으로 스팀을 생산하므로, 스팀 생산 효율과 생산량을 더욱 높일 수 있고, 서로 다른 온도를 가지는 스팀을 동시에 생산하는 것이 가능하다.

[제3실시예]

이하 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 스팀히트펌프의 제3실시예를 설명한다. 제3실시예를 설명함에 있어서, 제2실시예와 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

제1냉매가 순환하는 제1히트펌프(30)는 물을 가열하기 위한 열을 물에 공급하기 위한 구성이다. 제1냉매는 제1열교환기(31), 제1압축기(32), 응축기(33), 제1팽창밸브(34)를 순서대로 거치며 순환한다.

도 4에 도시된 응축기는 쉘앤튜브 방식의 열교환기로서, 전체적인 외관을 구성하고 내부에 유체가 채워질 수 있는 쉘(330)과, 쉘 내부에 수용된 냉매 유동라인(332)을 포함한다.

냉매 유동라인(332)은 튜브일 수 있다. 상기 튜브는 수평 방향으로 연장된다.

상기 쉘(330)의 일측 단부의 상부에는 냉매 유입구(331)가 위치하고, 하부에는 냉매 유출구(333)가 위치한다. 상기 냉매 유입구(331)는 제1공간(3311)과 연통하고, 상기 냉매 유출구(333)는 제2공간(3333)과 연통한다.

상기 쉘(330)의 타측 단부에는 제3공간(3322)이 마련된다. 상기 쉘(330) 내부에는 복수 개의 튜브가 수평 방향으로 다발을 이루며 설치된다. 이들 중 상반부에 위치하는 튜브는 일측 단부에서 상기 제1공간(3311)과 연통하고, 타측 단부에서 상기 제3공간(3322)과 연통한다. 아울러 하반부에 위치하는 튜브는 일측 단부에서 상기 제2공간(3333)과 연통하고, 타측 단부에서 상기 제3공간(3322)과 연통한다.

상기 제1공간 내지 제3공간은 쉘 내부의 물이 들어오지 않도록 격리된 공간으로서, 냉매가 유동하는 공간이다. 물론 제1공간과 제2공간 간에도 서로 격리되어 있으므로, 제1공간의 냉매는 튜브를 거쳐야 제2공간에 이르게 된다.

따라서 상기 냉매 유입구(331)를 통해 유입된 제1냉매는 상기 제1공간(3311)을 거쳐 상반부에 배치된 수평 관다발에 분기 유입되어 흐르고, 상기 제3공간(3322)에서 다시 합류한다. 상기 제3공간(3322)의 제1냉매는 하반부에 배치된 수평 관다발에 분기 유입되어 흐르고, 상기 제2공간(3333)을 거쳐 상기 냉매유출구(333)를 통해 상기 응축기(33)로부터 토출된다.

쉘(330)에서 상기 냉매 유동라인(332)이 배치되는 공간에는 물이 채워진다. 쉘(330)의 상부에는 제1냉매로부터 가열되어 물에서 스팀으로 상 변화한 스팀이 임시적으로 수용되는 스팀 수용공간(334)이 마련된다.

튜브 내부에는 제1냉매가 흐르고, 쉘(330) 내부에는 물이 채워져 있다. 제1냉매는 쉘(330) 내부에 있는 물에 열을 전달하며 점점 온도가 내려가고, 쉘 내부에 채워진 물은 상부로 갈수록 더 뜨겁게 가열되어야 하므로, 냉매 유입구(331)는 쉘의 상부에 위치하고, 냉매 유출구(334)는 쉘의 하부에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 응축기(33)의 쉘(330) 내부에는 상기 물이 채워지는 공간의 상부를 수직 방향으로 막는 베플(339)과 상기 물이 채워지는 공간의 하부를 수직 방향으로 막는 베플(339)이 길이방향을 따라 교호로 이격 배치된다.

그리고 응축기(33)의 일측 단부의 하부에는 고온순환수 유입구(337)가 마련되고, 상기 응축기(33)의 타측 단부의 상부에는 가압수 유출구(338)가 마련된다. 상기 고온순환수 유입구(337)로는 상기 스팀플래시탱크(50)에서 고온수가 유입된다.

상기 가압수 유출구(338)는 타측 단부 상측에 마련되고, 쉘(330)에 내장된 물의 수위의 위쪽에 연통하는 위치에 마련되고, 가장 고온 고압의 물이 빠질 수 있도록 한다.

상기 가압수 유출구(338)에서 배출된 고온 가압수는 스팀플래시탱크(50)에 공급될 수 있다.

이와 같은 스팀 생산 방식에 따르면, 2 이상의 방식으로 스팀을 생산하므로, 스팀 생산 효율과 생산량을 더욱 높일 수 있고, 서로 다른 온도를 가지는 스팀을 동시에 생산하는 것이 가능하다

[제4실시예]

이하 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 스팀히트펌프의 제4실시예를 설명한다. 제3실시예를 설명함에 있어서, 제2실시예와 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

제4실시예에 따르면, 응축기로서 플레이트앤쉘(plate and shell) 방식의 만액식 열교환기가 사용된다. 상기 응축기(33)는, 내부에 유체가 채워질 수 있는 원통형의 쉘(330)과, 상기 쉘 내부에 수용된 냉매 유동라인(332)을 포함한다.

상기 냉매 유동라인(332)은 플레이트일 수 있다. 상기 플레이트는 세워진 형태로 상호 소정 간격 이격되며 적층 설치된다. 상기 플레이트 내부는 냉매가 유동할 수 있는 공간이 마련되며, 상기 쉘(330)의 일측 단부 상부에 마련된 냉매유입구(331)가 모든 플레이트에 연통하고, 마찬가지로 쉘(330)의 일측 단부 하부에 마련된 냉매유출구(333) 역시 모든 플레이트에 연통한다.

따라서 상기 냉매유입구(331)를 통해 유입된 냉매는, 상기 복수 개의 플레이트로 분기되어 흐르며 다시 상기 냉매유출구(333)에서 모여 상기 응축기(33)로부터 배출된다.

상기 쉘(330)의 내부에는 물이 채워진다. 그리고 상기 쉘(330)의 내부 공간의 상부에는 스팀이 임시적으로 수용되는 스팀 수용공간(334)이 마련된다.

상기 제1냉매는 상기 응축기(33)에서 열교환하며 상기 쉘(330) 내부의 물을 가열하고, 응축된다. 상기 물은 상기 제1냉매로부터 열을 제공받아 증발하여 스팀이 생산되며, 상기 스팀은 상기 스팀 수용공간(334)에 잠시 머무른다.

상기 응축기(33)의 쉘(330) 내부에서 제1냉매와 열교환하여 가열된 고온 가압수의 일부는 스팀플래시탱크(50)에 공급될 수 있으며, 스팀플래시탱크(50)에서는 상기 고온 가압수로부터 재증발 스팀을 생산할 수 있다.

스팀플래시탱크(50)에서 재증발되지 아니한 고온수는 다시 상기 응축기(33)의 고온순환수 유입구(337)로 재유입될 수 있다.

앞서 제 1 내지 제 4 실시예에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 스팀히트펌프의 보일러로서는 만액식 응축기(33)를 사용할 수 있다. 만액식 응축기(33)의 쉘(330)에는 물이 채워지고, 쉘(330)의 중공부 상부에는 스팀 수용공간(334)이 마련된다. 튜브(제1 내지 제3실시예)나 플레이트(제4실시예)에 의해 규정되는 냉매 유동라인(332)을 흐르는 제1냉매는, 상기 쉘 내부에 채워진 물과 열교환하며 응축된다.

상기 만액식 응축기는 제1냉매로 물을 직접 가열하여 스팀을 생산하는 직접 스팀 생산 방식이며, 상기 쉘(330)에서 가열된 고온 가압수가 공급되는 플래시탱크(50)는 재증발스팀을 생산하는 방식이다. 이와 같이 본 발명은 두 가지 방식을 모두 사용하여 스팀 생산 효율을 높일 수 있다.

상기 만액식 응축기로서, 쉘앤튜브 방식의 열교환기는 TEMA 타입 열교환기 어느 것이나 사용 가능하다. 플레이트앤쉘 방식의 열교환기에 있어서도, 다양한 방식이 적용 가능하고, 케틀(kettle) 타입 열교환기를 사용하는 것 역시 가능하다.

[제5실시예]

이하 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 스팀히트펌프의 제5실시예를 설명한다. 제5실시예를 설명함에 있어서, 제2실시예와 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

제2실시예와 대비하여 제5실시예에 있어서는, 히트펌프를 캐스케이드 방식으로 구현하여 열 효율을 더 높인 것을 특징으로 한다. 히트펌프가 단일 사이클인 경우에는 섭씨 60도 이상의 폐열수를 사용하여 압축기의 압축비를 낮출 수 있으나(압축비가 높으면 압축기가 손상되거나 에너지 소비율이 높아짐), 캐스케이드 방식을 사용할 경우에는 더 낮은 온도의 열원을 사용할 수 있다.

캐스케이드를 구현하기 위해, 제5실시예에 있어서, 제1히트펌프(30)의 제1열교환기(31)는 인터쿨러가 사용될 수 있다. 제2실시예에서 제1열교환기(31)를 유동하는 제1냉매가 열원(10)으로부터 열을 받아 증발하였다면, 제5실시예에서는 제1냉매가 상기 제1열교환기(31)에서 제2히트펌프(70)의 제2냉매로부터 열을 받아 증발한다는 점에 차이가 있다.

캐스케이드 히트펌프로 추가되는 제2히트펌프(70)를 살펴보면, 제2열교환기(71) 내의 제2냉매는 열원(10)의 유체와 열교환하여 증발함으로써 저온 저압의 기체상의 냉매가 된다. 그리고 제2압축기(72)로 유입되어 압축됨으로써 고온 고압의 기체 상의 제2냉매가 되어 상기 제2압축기(72)로부터 토출된다.

제2압축기(72)로부터 나온 기체 상의 제2냉매는 상기 제1열교환기(31), 즉 인터쿨러의 고온 측으로 유입된다. 그리고 인터쿨러 내에서 상기 제2냉매는, 상기 제1열교환기(31)의 저온 측에 유입된 제1히트펌프(30)의 제1냉매와 열교환하며 응축된다. 물론 이에 따라 상기 제2냉매는 제1열교환기(31), 즉 인터쿨러에서 증발하게 된다.

인터쿨러에서 나온 액 상의 제2냉매는 제2팽창밸브(74)를 통해 압력이 강하되고, 다시 앞서 설명한 제2열교환기(71)로 유입된다. 이와 같은 과정을 거치며, 상기 제2냉매는 증발, 압축 응축, 팽창의 열역학적 사이클을 순환하게 된다.

제5실시예에서 상기 제1히트펌프(30)와 상기 열원(10) 사이에 있는 상기 제2히트펌프(70)는 통상적인 히트펌프 구조가 적용되었다. 이와 같이 캐스케이드 히트펌프 구조를 적용하면, 섭씨 60도 이하의 열원에 대해서도 히트펌프 시스템을 구성할 수 있다. 제2히트펌프(70)는 섭씨 60도보다 낮은 온도에서 대략 섭씨 70도의 타겟 온도를 가지도록 설계할 수 있으므로, 가용 엔탈피차(냉매밀도)가 큰 R134a 또는 R410a 등을 적용하여 운용 효율을 높일 수 있다. 그러나 이는 일 예시에 지나지 아니하며, 필요한 스팀을 생산하는데 적합한 냉매라면 어떠한 냉매라도 사용 가능하다.

[제6실시예]

이하 도 7과 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 스팀히트펌프의 제6실시예를 설명한다. 제6실시예를 설명함에 있어서, 제5실시예와 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

제 6실시예에서는, 제 5실시예와 대비하여, 각 히트펌프(30, 70)에 냉매용 플래시탱크(35, 75)를 이용한 냉매증기주입(vapor injection)을 추가하였다는 점에 특징이 있다.

도 7과 도 10을 참조하면, 산업용 폐열수 등으로 이루어지는 열원(10)의 유체는 펌프(11)에 의해 공급되어 제2히트펌프(70)의 제2열교환기(71)에 공급되어, 제2열교환기(71) 내의 제2냉매와 열교환을 한다(도 10의 ⑧→①). 이에 따라 제2냉매는 저압의 상태에서 증발되어 열원수의 온도에 상응하는 온도의 기체 상이 된다.

저온 저압의 기체 상의 제2냉매는 제2압축기(72)로 유입되어 고온 고압으로 압축된다(도 10의 ①→④). 제2압축기(72)에 의해 압축된 고온 고압의 기체 상의 제2냉매는 제1열교환기(31)를 거치면서, 제1히트펌프(30)의 제1냉매를 가열하여 기체 상으로 증발시키고, 제2냉매는 응축된다(도 10의 ④→⑤).

제1열교환기(31)에서 나온 액상의 제2냉매는 제2팽창밸브(74)를 거치며 압력이 낮아진 상태에서(도 10의 ⑤→⑥), 제2냉매용 플래시탱크(75)에 유입된다. 제2냉매용 플래시탱크(75)는 수액기의 기능을 한다. 제2냉매용 플래시탱크(75)에서는 제2냉매의 잠열에 의해 재증발하는 기체 상의 제2냉매(도 10의 ⑥→⑨)와, 잠열이 빠진 액체 상의 제2냉매(도 10의 ⑥→⑦)로 분리된다.

상기 제2냉매용 플래시탱크(75)는 제1열교환기(31)에서 나온 제2냉매 중 미처 액화되지 않은 기체 상의 제2냉매가 제2열교환기(71)로 유입되지 않도록 차단하고, 제2냉매용 플래시탱크(75)에서 기체 상으로 존재하는 제2냉매를 제2압축기(72)에 공급하게 된다. 제2압축기(72)의 중간압실로 공급되는 제2냉매용 플래시탱크(75) 내의 제2냉매는, 제2주입제어밸브(771)에 의해 그 공급 여부와 공급량이 제어되며, 제2주입관(77)을 통해 주입된다.

상기 제2주입제어밸브(771)는 상기 제2압축기(72)에서 토출되는 기체 상의 제2냉매의 온도가 소정의 온도 이상으로 과열되었는지를 센싱하여, 소정 온도 이상으로 과열된 경우 개방될 수 있으며, 얼마만큼 과열되었는가 하는 정도에 따라 그에 대응하도록 개방도를 조절할 수도 있다.

또한 제2주입제어밸브(771)는, 상기 제2압축기(72)의 압축 과정의 실제 과열도가 기 설정된 제2냉매의 기준 과열도보다 높은 경우 개방되도록 할 수 있고, 과열도의 정도에 따라 개방도가 더 커지도록 제어될 수도 있다.

제2압축기(72)의 중간압실에 상기 냉매증기주입(vapor injection) 방식을 통해 제2냉매용 플래시탱크(75)의 기체 상의 냉매가 공급되면(도 10의 ⑨→③), 제2압축기(72) 내에서 압축되며 승온되던 제2냉매의 온도가 낮아지게 되고(도 10의 ②→③), 이에 따라 압축 과정에서 지나친 과열 압축이 일어나는 현상을 방지할 수 있게 된다. 압축 과정에서 과열도가 높아지면 그만큼 냉매순환 질량유량이 줄어들게 되어 히트펌프 시스템의 효율은 떨어질 우려가 있는데, 본 발명에서는 상기 냉매증기주입 방식을 적용하여 압축 과정에서 제2냉매의 과열도를 조절함으로써, 냉매순환 질량유량이 지나치게 줄어드는 것을 방지하도록 하였다.

한편 상기 제2냉매용 플래시탱크(75)에서 액체 상태로 존재하게 되는 제2냉매는 액체 상태로 제4팽창밸브(76)를 통과하며 확실히 감압되고(도 10의 ⑦→⑧), 제2열교환기(71)로 공급되어 외부 열원(10)으로부터 열을 받아 증발하게 된다(도 10의 ⑧→①).

한편 제1히트펌프(30)의 관점에서 다시 도 7과 도 10을 참조하면, 상기 제1열교환기(31)에서 고온 고압의 기체상의 제2냉매로부터 열을 전달받은 제1냉매는, 저온 저압의 상태에서 증발되어 제1열교환기(31) 내의 제2냉매의 온도에 상응하는 온도의 기체상이 된다(도 10의 ⑧→①).

저온 저압의 기체 상의 제1냉매는 제1압축기(32)로 유입되어 고온 고압으로 압축된다(도 10의 ①→④). 제1압축기(32)에 의해 압축된 고온 고압의 기체 상의 제1냉매는 응축기(33)를 거치면서, 쉘(330) 내부의 물을 가열하여 기체 상의 스팀을 생산하고, 제1냉매는 응축된다(도 10의 ④→⑤).

응축기(33)에서 나온 액상의 제1냉매는 제1팽창밸브(34)를 거치며 압력이 낮아진 상태에서(도 10의 ⑤→⑥), 제1냉매용 플래시탱크(35)에 유입된다. 제1냉매용 플래시탱크(35)는 수액기의 기능을 한다. 제1냉매용 플래시탱크(35)에서는 제1냉매의 잠열에 의해 재증발하는 기체 상의 제1냉매(도 10의 ⑥→⑨)와, 잠열이 빠진 액체 상의 제1냉매(도 10의 ⑥→⑦)로 분리된다.

상기 제1냉매용 플래시탱크(35)는 응축기(33)에서 나온 제1냉매 중 미처 액화되지 않은 기체 상의 제1냉매가 제1열교환기(31)로 유입되지 않도록 차단하고, 제1냉매용 플래시탱크(35)에서 기체 상으로 존재하는 제1냉매를 제1압축기(32)에 공급하게 된다. 제1압축기(32)의 중간압실로 공급되는 제1냉매용 플래시탱크(35) 내의 제1냉매는, 제1주입제어밸브(371)에 의해 그 공급 여부와 공급량이 제어되며, 제1주입관(37)을 통해 주입된다.

상기 제1주입제어밸브(371)는 상기 제1압축기(32)에서 토출되는 기체 상의 제1냉매의 온도가 소정의 온도 이상으로 과열되었는지를 센싱하여, 소정 온도 이상으로 과열된 경우 개방될 수 있으며, 얼마만큼 과열되었는가 하는 정도에 따라 그에 대응하도록 개방도를 조절할 수도 있다.

또한 제1주입제어밸브(371)는, 상기 제1압축기(32)의 압축 과정의 실제 과열도가 기 설정된 제2냉매의 기준 과열도보다 높은 경우 개방되도록 할 수 있고, 과열도의 정도에 따라 개방도가 더 커지도록 제어될 수도 있다.

제1압축기(32)의 중간압실에 상기 냉매증기주입(vapor injection) 방식을 통해 제1냉매용 플래시탱크(35)의 기체 상의 냉매가 공급되면(도 10의 ⑨→③), 제1압축기(32) 내에서 압축되며 승온되던 제1냉매의 온도가 낮아지게 되고(도 10의 ②→③), 이에 따라 압축 과정에서 지나친 과열 압축이 일어나는 현상을 방지할 수 있게 된다. 압축 과정에서 과열도가 높아지면 그만큼 냉매순환 질량유량이 줄어들게 되어 히트펌프 시스템의 효율은 떨어질 우려가 있는데, 본 발명에서는 상기 냉매증기주입 방식을 적용하여 압축 과정에서 제2냉매의 과열도를 조절함으로써, 냉매순환 질량유량이 지나치게 줄어드는 것을 방지하도록 하였다.

한편 상기 제1냉매용 플래시탱크(35)에서 액체 상태로 존재하게 되는 제1냉매는 액체 상태로 제3팽창밸브(36)를 통과하며 확실히 감압되고(도 10의 ⑦→⑧), 제1열교환기(31)로 공급되어 제2냉매로부터 열을 받아 증발하게 된다(도 10의 ⑧→①).

제6실시예에서는 제1히트펌프(30)와 제2히트펌프(70)에 모두 냉매용 플래시탱크를 이용한 냉매증기주입 구조를 적용하였으나, 두 히트펌프 중 어느 하나에만 이것을 적용할 수도 있다. 아울러 이는 후술할 제7실시예의 서브쿨러를 이용한 냉매증기주입 구조와 함께 적용할 수도 있다. 가령 제1히트펌프(30)에는 냉매용 플래시탱크를 이용한 냉매증기주입 구조가 적용되고, 제2히트펌프(70)에는 후술할 서브쿨러를 이용한 냉매증기주입 구조가 적용될 수 있고, 그 반대로 적용될 수도 있다.

[제7실시예]

이하 도 8과 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 스팀히트펌프의 제7실시예를 설명한다. 제7실시예를 설명함에 있어서, 제5실시예와 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

제7실시예에서는, 제5실시예와 대비하여, 각 히트펌프(30, 70)에 서브쿨러(냉매용 플래시탱크(35, 75)를 이용한 냉매증기주입(vapor injection)을 추가하였다는 점에 특징이 있다.

도 8과 도 11을 참조하면, 산업용 폐열수 등으로 이루어지는 열원(10)의 유체는 펌프(11)에 의해 공급되어 제2히트펌프(70)의 제2열교환기(71)에 공급되어, 제2열교환기(71) 내의 제2냉매와 열교환을 한다(도 11의 ⑧→①). 이에 따라 제2냉매는 저압의 상태에서 증발되어 열원수의 온도에 상응하는 온도의 기체 상이 된다.

저온 저압의 기체 상의 제2냉매는 제2압축기(72)로 유입되어 고온 고압으로 압축된다(도 11의 ①→④). 제2압축기(72)에 의해 압축된 고온 고압의 기체 상의 제2냉매는 제1열교환기(31)를 거치면서, 제1히트펌프(30)의 제1냉매를 가열하여 기체 상으로 증발시키고, 제2냉매는 응축된다(도 11의 ④→⑤).

상기 제1열교환기(31)를 통해 상기 제1냉매와 열교환을 하고 응축된 제2냉매는, 기본적으로는 제2서브쿨러(79)의 고온 측으로 유입된다.

한편 제1열교환기(31)를 통해 응축된 제2냉매 중 일부는 제4팽창밸브(76)를 거쳐(도 11의 ⑤→⑧), 제2서브쿨러(79)의 저온 측에 공급된다.

제2서브쿨러(79)의 고온 측의 제2냉매와 저온 측의 제2냉매는 열교환하게 된다(도 11의 ⑤→⑥, ⑧→⑨). 제2서브쿨러(79)는 저온 측과 고온 측이 서로 열교환하되, 열교환되는 두 유체는 서로 섞이지 않는다. 제2서브쿨러(79)의 저온 측의 출구는, 제2주입관(77)을 통해 상기 제2압축기(72)의 중간압실로 연결된다. 제2서브쿨러(79)의 저온 측에서 열교환을 통해 가열된 제2냉매는 증발하게 되고(도 11의 ⑨), 상기 제2압축기(72)의 중간압실에 유입되어 제2압축기(72) 내의 기체의 과열도의 온도를 낮추게 된다(도 11의 ⑨→③, ②→③). 여기서 상기 제1열교환기(31)로부터, 냉매증기주입(vapor injection) 형태로 상기 제2압축기(72)의 중간압실에 공급되는 기체 상의 제2냉매의 양은 상기 제4팽창밸브(76)의 유량 제어에 의해 결정될 수 있다.

상기 제4팽창밸브(76)는 상기 제2압축기(72)에서 토출되는 기체 상의 제2냉매의 온도가 소정의 온도 이상으로 과열되었는지를 센싱하여, 소정 온도 이상으로 과열된 경우 개방될 수 있으며, 얼마만큼 과열되었는가 하는 정도에 따라 그에 대응하도록 개방도를 조절할 수도 있다.

또한 제4팽창밸브(76)는, 상기 제2압축기(72)의 압축 과정의 실제 과열도가 기 설정된 제2냉매의 기준 과열도보다 높은 경우 개방되도록 할 수 있고, 과열도의 정도에 따라 개방도가 더 커지도록 제어될 수도 있다.

제2압축기(72)의 중간압실에 상기 냉매증기주입(vapor injection) 방식을 통해 제2서브쿨러(79)의 냉매가 공급되면(도 11의 ⑨→③), 제2압축기(72) 내에서 압축되며 승온되던 제2냉매의 온도가 낮아지게 되고(도 11의 ②→③), 이에 따라 압축 과정에서 지나친 과열 압축이 일어나는 현상을 방지할 수 있게 된다. 압축 과정에서 과열도가 높아지면 그만큼 냉매순환 질량유량이 줄어들게 되어 히트펌프 시스템의 효율은 떨어질 우려가 있는데, 본 발명에서는 상기 냉매증기주입 방식을 적용하여 압축 과정에서 제2냉매의 과열도를 조절함으로써, 냉매순환 질량유량이 지나치게 줄어드는 것을 방지하도록 하였다.

한편 상기 제2서브쿨러(79)의 고온 측으로부터 유출된 액 냉매는 제2팽창밸브(74)를 통과하며 확실히 감압되고(도 11의 ⑥→⑦), 제2열교환기(71)로 공급되어 외부 열원(10)으로부터 열을 받아 증발하게 된다(도 11의 ⑦→①).

한편 제1히트펌프(30)의 관점에서 다시 도 8과 도 11을 참조하면, 상기 제1열교환기(31)에서 고온 고압의 기체상의 제2냉매로부터 열을 전달받은 제1냉매는, 저온 저압의 상태에서 증발되어 제1열교환기(31) 내의 제2냉매의 온도에 상응하는 온도의 기체 상이 된다(도 11의 ⑧→①).

저온 저압의 기체 상의 제1냉매는 제1압축기(32)로 유입되어 고온 고압으로 압축된다(도 11의 ①→④). 제1압축기(32)에 의해 압축된 고온 고압의 기체 상의 제1냉매는 응축기(33)를 거치면서, 쉘(330) 내부의 물을 가열하여 기체 상의 스팀을 생산하고, 제1냉매는 응축된다(도 11의 ④→⑤).

상기 응축기(33)를 통해 쉘(330) 내부의 물과 열교환을 하고 응축된 제1냉매는, 기본적으로는 제1서브쿨러(39)의 고온 측으로 유입된다.

한편 응축기(33)를 통해 응축된 제1냉매 중 일부는 제3팽창밸브(36)를 거쳐(도 11의 ⑤→⑧), 제1서브쿨러(39)의 저온 측에 공급된다.

제1서브쿨러(39)의 고온 측의 제1냉매와 저온 측의 제1냉매는 열교환하게 된다(도 11의 ⑤→⑥, ⑧→⑨). 제1서브쿨러(39)는 저온 측과 고온 측이 서로 열교환하되, 열교환되는 두 유체는 서로 섞이지 않는다. 제1서브쿨러(39)의 저온 측의 출구는, 제1주입관(37)을 통해 상기 제1압축기(32)의 중간압실로 연결된다. 제1서브쿨러(39)의 저온 측에서 열교환을 통해 가열된 제2냉매는 증발하게 되고(도 11의 ⑨), 상기 제1압축기(32)의 중간압실에 유입되어 제1압축기(32) 내의 기체의 과열도의 온도를 낮추게 된다(도 11의 ⑨→③, ②→③). 여기서 상기 응축기(33)로부터, 냉매증기주입(vapor injection) 형태로 상기 제1압축기(32)의 중간압실에 공급되는 기체 상의 제1냉매의 양은 상기 제3팽창밸브(36)의 유량 제어에 의해 결정될 수 있다.

상기 제3팽창밸브(36)는 상기 제1압축기(32)에서 토출되는 기체 상의 제1냉매의 온도가 소정의 온도 이상으로 과열되었는지를 센싱하여, 소정 온도 이상으로 과열된 경우 개방될 수 있으며, 얼마만큼 과열되었는가 하는 정도에 따라 그에 대응하도록 개방도를 조절할 수도 있다.

또한 제3팽창밸브(36)는, 상기 제1압축기(32)의 압축 과정의 실제 과열도가 기 설정된 제1냉매의 기준 과열도보다 높은 경우 개방되도록 할 수 있고, 과열도의 정도에 따라 개방도가 더 커지도록 제어될 수도 있다.

제1압축기(32)의 중간압실에 상기 냉매증기주입(vapor injection) 방식을 통해 제1서브쿨러(39)의 냉매가 공급되면(도 11의 ⑨→③), 제1압축기(32) 내에서 압축되며 승온되던 제1냉매의 온도가 낮아지게 되고(도 11의 ②→③), 이에 따라 압축 과정에서 지나친 과열 압축이 일어나는 현상을 방지할 수 있게 된다. 압축 과정에서 과열도가 높아지면 그만큼 냉매순환 질량유량이 줄어들게 되어 히트펌프 시스템의 효율은 떨어질 우려가 있는데, 본 발명에서는 상기 냉매증기주입 방식을 적용하여 압축 과정에서 제1냉매의 과열도를 조절함으로써, 냉매순환 질량유량이 지나치게 줄어드는 것을 방지하도록 하였다.

한편 상기 제1서브쿨러(39)의 고온 측으로부터 유출된 액 냉매는 제1팽창밸브(34)를 통과하며 확실히 감압되고(도 11의 ⑥→⑦), 제1열교환기(31)로 공급되어 제2히트펌프(70)의 제2냉매로부터 열을 받아 증발하게 된다(도 11의 ⑦→①).

제7실시예에서는 제1히트펌프(30)와 제2히트펌프(70)에 모두 서브쿨러를 이용한 냉매증기주입 구조를 적용하였으나, 두 히트펌프 중 어느 하나에만 이것을 적용할 수도 있다. 아울러 이는 전술한 제6실시예의 냉매용 플래시탱크를 이용한 냉매증기주입 구조와 함께 적용할 수도 있다. 가령 제1히트펌프(30)에는 서브쿨러를 이용한 냉매증기주입 구조가 적용되고, 제2히트펌프(70)에는 전술한 냉매용 플래시탱크를 이용한 냉매증기주입 구조가 적용될 수 있고, 그 반대로 적용될 수도 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

10: 열원
11: 펌프
30: 제1히트펌프
31: 제1열교환기(증발기)
32: 제1압축기
33: 응축기
330: 쉘
331: 냉매유입구
3311: 제1공간
332: 냉매 유동라인(튜브/플레이트)
3322: 제3공간
333: 냉매유출구
3333: 제2공간
334: 스팀 수용공간
335: 센서(압력/온도)
336: 보일러스팀 배출구
3367: 시수 유입구
337: 고온순환수 유입구
338: 가압수 유출구
339: 베플
34: 제1팽창밸브
35: 제1냉매용 플래시탱크
36: 제3팽창밸브
37: 제1주입관
371: 제1주입제어밸브
38: 제1바이패스관
39: 제1서브쿨러
50: 스팀플래시탱크
51: 본체
52: 가압수 유입구
53: 물 유출구
54: 기수분리판
55: 센서(압력/온도)
56: 플래시스팀 배출구
58: 밸브
59: 펌프
70: 제2히트펌프
71: 제2열교환기(증발기)
72: 제2압축기
74: 제2팽창밸브
75: 제2냉매용 플래시탱크
76: 제4팽창밸브
77: 제2주입관
771: 제2주입제어밸브
78: 제2바이패스관
79: 제2서브쿨러

Claims (15)

1. 제1냉매가 열원(10)으로부터 열을 공급받아 증발하는 제1열교환기(31); 상기 제1열교환기(31)에서 증발된 제1냉매가 압축되는 제1압축기(32); 상기 제1압축기(32)에서 토출되는 고온 고압의 제1냉매가 응축되는 응축기(33); 및 상기 응축기(33)에서 응축된 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(34);를 포함하는 제1히트펌프(30)
   에 의해 스팀을 생산하는 스팀히트펌프로서,
   상기 응축기(33)는:
   물이 수용되고 상부에 스팀 수용공간(334)이 마련된 쉘(330);
   상기 물이 수용되는 쉘(330) 내부 공간에 설치되고, 제1냉매 이동 통로를 제공하는 냉매 유동라인(332);
   상기 쉘(330)에 마련되고, 상기 제1냉매를 상기 냉매 유동라인(332)으로 유입시키는 입구인 냉매유입구(331);
   상기 쉘(330)에 마련되고, 상기 냉매 유동라인(332)을 유동한 제1냉매를 쉘(330) 외부로 배출하는 냉매유출구(333);
   상기 쉘 내부의 공간에 물을 공급하는 시수 유입구(3367); 및
   상기 스팀 수용공간(334)과 연통하고, 상기 스팀 수용공간(334)에 수용된 스팀을 배출하는 보일러스팀 배출구(336);를 포함하고,
   상기 냉매 유동라인(332)을 흐르는 제1냉매와, 상기 쉘(330)에 수용된 물이 열 교환을 하여 상기 물로부터 스팀이 생산되고, 생산된 스팀은 상기 쉘(330)의 상부에 마련된 스팀 수용공간(334)에 수용되며,
   상기 제1히트펌프(30)는:
   상기 응축기(33)에서 나온 제1냉매의 적어도 일부가 고온 측으로 유입되고, 상기 응축기(33)에서 나온 제1냉매의 나머지 일부가 제3팽창밸브(36)를 거쳐 저온 측으로 유입되며, 고온 측으로 유입된 제1냉매와 저온 측으로 유입된 제1냉매 간 열교환이 이루어지는 제1서브쿨러(39); 및
   상기 제1서브쿨러(39)의 저온 측에서 나온 기체 상의 제1냉매를 상기 제1압축기(32)에 공급하는 제1주입관(37);를 더 포함하고,
   상기 제1팽창밸브(34)는 상기 제1서브쿨러(39)의 고온 측에서 나온 제1냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 스팀히트펌프.
   
2. 제2냉매가 열원(10)으로부터 열을 공급받아 증발하는 제2열교환기(71); 상기 제2열교환기(71)에서 증발된 제2냉매가 압축되는 제2압축기(72); 상기 제2압축기(72)에서 토출되는 고온 고압의 제2냉매가 유입되어 열교환하는 제1열교환기(31); 및 상기 제1열교환기(31)에서 열교환하여 응축된 제2냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브(74);를 포함하는 제2히트펌프(70)와,
   상기 제1열교환기(31)에서 상기 제2냉매로부터 열을 공급받아 증발된 제1냉매가 압축되는 제1압축기(32); 상기 제1압축기(32)에서 토출되는 고온 고압의 제1냉매가 응축되는 응축기(33); 및 상기 응축기(33)에서 응축된 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(34);를 포함하는 제1히트펌프(30)
   에 의해 스팀을 생산하는 스팀히트펌프로서,
   상기 응축기(33)는:
   물이 수용되고 상부에 스팀 수용공간(334)이 마련된 쉘(330);
   상기 물이 수용되는 쉘(330) 내부 공간에 설치되고, 제1냉매 이동 통로를 제공하는 냉매 유동라인(332);
   상기 쉘(330)에 마련되고, 상기 제1냉매를 상기 냉매 유동라인(332)으로 유입시키는 입구인 냉매유입구(331);
   상기 쉘(330)에 마련되고, 상기 냉매 유동라인(332)을 유동한 제1냉매를 쉘(330) 외부로 배출하는 냉매유출구(333);
   상기 쉘 내부의 공간에 물을 공급하는 시수 유입구(3367); 및
   상기 스팀 수용공간(334)과 연통하고, 상기 스팀 수용공간(334)에 수용된 스팀을 배출하는 보일러스팀 배출구(336);를 포함하고,
   상기 냉매 유동라인(332)을 흐르는 제1냉매와, 상기 쉘(330)에 수용된 물이 열 교환을 하여 상기 물로부터 스팀이 생산되고, 생산된 스팀은 상기 쉘(330)의 상부에 마련된 스팀 수용공간(334)에 수용되며,
   상기 제1히트펌프(30)는:
   상기 응축기(33)에서 나온 제1냉매의 적어도 일부가 고온 측으로 유입되고, 상기 응축기(33)에서 나온 제1냉매의 나머지 일부가 제3팽창밸브(36)를 거쳐 저온 측으로 유입되며, 고온 측으로 유입된 제1냉매와 저온 측으로 유입된 제1냉매 간 열교환이 이루어지는 제1서브쿨러(39); 및
   상기 제1서브쿨러(39)의 저온 측에서 나온 기체 상의 제1냉매를 상기 제1압축기(32)에 공급하는 제1주입관(37);를 더 포함하고,
   상기 제1팽창밸브(34)는 상기 제1서브쿨러(39)의 고온 측에서 나온 제1냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 스팀히트펌프.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제2히트펌프(70)는:
   상기 제2팽창밸브(74)에서 팽창된 제2냉매가 유입되는 제2냉매용 플래시탱크(75);
   상기 제2냉매용 플래시탱크(75)에서 나온 기체 상의 제2냉매를 상기 제2압축기(72)에 공급하는 제2주입관(77); 및
   상기 제2냉매용 플래시탱크(75)에서 분리된 액체 상의 제2냉매를 팽창시키는 제4팽창밸브(76);
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀히트펌프.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 제2히트펌프(70)는:
   상기 제1열교환기(31)에서 나온 제2냉매의 적어도 일부가 고온 측으로 유입되고, 상기 제1열교환기(31)에서 나온 제2냉매의 나머지 일부가 제4팽창밸브(76)를 거쳐 저온 측으로 유입되며, 고온 측으로 유입된 제2냉매와 저온 측으로 유입된 제2냉매 간 열교환이 이루어지는 제2서브쿨러(79); 및
   상기 제2서브쿨러(79)의 저온 측에서 나온 기체 상의 제2냉매를 상기 제2압축기(72)에 공급하는 제2주입관(77);를 더 포함하고,
   상기 제2팽창밸브(74)는 상기 제2서브쿨러(79)의 고온 측에서 나온 제2냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 스팀히트펌프.
   
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7. 청구항 1에 있어서,
   상기 응축기(33)는, 상기 쉘(330) 내부에 수용된 고온 가압수를 배출하는 가압수 유출구(338)를 구비하고,
   상기 스팀히트펌프는 상기 가압수 유출구(338)에서 배출된 고온 가압수를 이용하여 플래시스팀을 생산하는 스팀플래시탱크(50)를 더 포함하며,
   상기 스팀플래시탱크(50)는:
   내부가 비어 있는 중공의 본체(51);
   상기 본체(51)에 마련되고, 상기 가압수 유출구(338)에서 유출된 유출된 고온 가압수를 상기 본체(51) 내부로 유입시키는 가압수 유입구(52);
   상기 본체(51) 상부에 마련되고, 상기 고온 가압수가 유입되며 증발되고 상부로 상승한 스팀을 배출하는 플래시스팀 배출구(56); 및
   상기 본체(51)의 하부에 마련되며, 본체(51) 내부에 저장된 물을 배출하는 물 유출구(53);를 포함하고,
   상기 물 유출구(53)에서 배출된 물은 상기 응축기(33)의 고온순환수 유입구(337)를 통해 상기 응축기(33)의 쉘(330) 내부에 유입되는 것을 특징으로 하는 스팀히트펌프.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 스팀플래시탱크(50)는 2 이상 구비되고,
   상기 2 이상의 스팀플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)는 각각 상기 가압수 유출구(338)에 대해 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 스팀히트펌프.
   
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 스팀플래시탱크(50)는 적어도 2개 구비되고,
   하나의 스팀플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)는 상기 가압수 유출구(338)와 연결되고, 다른 하나의 스팀플래시탱크(50)의 가압수 유입구(52)는 상기 하나의 스팀플래시탱크(50)의 물 유출구(53)와 연결되는 방식으로 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 스팀히트펌프.
   
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 응축기(33)는 쉘앤튜브(Shell and Tube) 방식의 열교환기로서,
    튜브에 의해 상기 냉매 유동라인(332)이 구성되고,
    쉘에 물이 채워지는 만액식 열교환기인 것을 특징으로 하는 스팀히트펌프.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 튜브는 수평방향으로 연장되고,
    상기 쉘(330) 내부에는, 쉘 내부에서 물이 채워지는 공간의 상부를 수직 방향으로 막거나 하부를 수직 방향으로 막는 베플(339)이 쉘(300)의 길이방향을 따라 교호로 이격 배치되며,
    상기 쉘(330)의 길이방향 일측 하부에 상기 고온순환수 유입구(337)가 마련되고, 상기 쉘(330)의 길이방향 타측 측부에 상기 가압수 유출구(338)가 마련된 것을 특징으로 하는 스팀히트펌프.
    
12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

    청구항 11에 있어서,
    보충수는 상기 시수 유입구(3367)를 통해 보충되는 스팀히트펌프.
    
13. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 응축기는 플레이트앤쉘(Plate and Shell) 방식의 열교환기로서,
    플레이트에 의해 상기 냉매 유동라인(332)이 구성되고,
    쉘에 물이 채워지는 만액식 열교환기인 스팀히트펌프.
    
14. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축기(33)의 상부에는 상기 스팀 수용공간(334)에 수용된 스팀의 압력을 측정하는 센서(335)를 더 포함하고,
    상기 센서(335)에서 측정된 압력이 소정 기준을 넘어설 때 상기 보일러스팀 배출구(336)를 개방하는 것을 특징으로 하는 스팀히트펌프.
    
15. ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

    청구항 7에 있어서,
    상기 가압수 유출구(338)와 가압수 유입구(52) 사이에는, 고온 가압수의 흐름과 압력을 제어하는 밸브가 설치된 스팀히트펌프.

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