KR102508257B1 - 냉각을 위한 장치 및 프로세스 - Google Patents

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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

작업 회로(10) 내에서 순환되는 작업 유체와의 열 교환에 의해서, 적어도 하나의 성분(15)으로부터 열을 추출하기 위한 냉장 장치로서, 작업 회로(10)는 직렬로: 유체의 압축을 위한 메커니즘(13), 바람직하게 등압적 또는 실질적으로 등압적인, 유체의 냉각을 위한 메커니즘, 유체의 팽창을 위한 메커니즘(8), 및 유체의 가열을 위한 메커니즘(9, 6)을 포함하고, 압축 메커니즘(13, 4)은 원심성 압축의 유형이고, 회로(10) 내에 직렬로 배열된 2개의 압축 스테이지(13, 4)로 구성되며, 장치는 각각 2개의 압축 스테이지(13, 4)의 2개의 전기 구동 모터(2, 7)를 포함하며, 팽창 메커니즘은 압축 스테이지(13, 4) 중 하나의 모터(2)에 커플링된 터빈(8)으로 구성되며, 팽창 메커니즘의 터빈(8)이 제1 압축 스테이지의 구동 모터(2)에 커플링된다.

Description

냉각을 위한 장치 및 프로세스{DEVICE AND PROCESS FOR COOLING}
본 발명은 저온 냉장을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 특히, 작업 유체를 포함하는 작업 회로를 포함하는, - 100 ℃ 내지 - 273 ℃의 저온 냉장을 위한 장치에 관한 것이고, 그러한 장치는, 작업 회로 내에서 순환되는 작업 유체와의 열 교환에 의해서, 적어도 하나의 성분으로부터 열을 추출하기 위한 것이고, 그러한 작업 회로는 직렬로: 바람직하게 등엔트로피적(isentropic) 또는 실질적으로 등엔트로피적인, 유체의 압축을 위한 메커니즘, 바람직하게 등압적 또는 실질적으로 등압적인, 유체의 냉각(cooling)을 위한 메커니즘, 바람직하게 등엔트로피적 또는 실질적으로 등엔트로피적인, 유체의 팽창을 위한 메커니즘, 및 바람직하게 등압적 또는 실질적으로 등압적인, 유체의 가열을 위한 메커니즘을 포함하고, 압축 메커니즘은 원심성 압축의 유형이고 2개의 압축 스테이지로 구성되며, 제1 압축 스테이지 및 제2 압축 스테이지는 회로 내에서 직렬로 각각 배열되고, 장치는 2개의 압축 스테이지의 2개의 각각의 전기 구동 모터를 포함하며, 팽창 메커니즘은 압축 스테이지 중 하나의 모터에 커플링된 터빈으로 구성된다.
본 발명은 특히 소위 "터보 브레이톤(Turbo Brayton)" 사이클 또는 "터보 브레이톤 쿨러"를 갖는 냉장기에 관한 것이다.
본 발명은 특히 극저온 냉장기, 즉 - 100 ℃ 또는 173K 이하, 예를 들어 특히 - 100 ℃ 내지 - 273 ℃의 온도에 도달하는 냉장기에 관한 것이다.
문헌 JP3928230B2는, 터빈 및 압축기가 구동 샤프트의 2개의 단부에 각각 위치되는, 고속 모터를 이용하는 터보-브레이톤 유형의 냉장기를 설명한다.
냉장기의 에너지 효율을 개선하기 위해서, 하나의 해결책은 하나 이상의 고효율 원심성 압축기를 이용하는 것으로 구성된다. 원심성 압축기는, 그 특정 속력이 최적 값과 같거나 그에 근접하는 경우에, 큰 효율을 갖는다. 최적 값은, 상이한 특정 속력들을 갖는 많은 수의 원심성 압축기의 효율 측정치를 수집함으로써, 당업자에 의해서 실험적으로 결정된다. 이는, 이하에서 규정된 유닛의 시스템으로 계산할 때, 전형적으로 0.75이다.
만약 이러한 특정 속력이 최적 값 초과 또는 미만이라면, 효율은 더 낮다. 원심성 압축기의 특정 속력(ws)은 이하의 식에 의해서 규정되고: ws = w.Q0.5/Δhs0 .75
여기에서 w는 초당 라디안(radians per second)의 압축기의 회전 속력이고, Q는 m3/s의 압축기 유입구에서의 부피 유량이며, Δhs는, 압축기가 등엔트로피적이라고 가정할 때, 압축 스테이지를 통한 엔탈피의 증가(J/kg)이다.
알려져 있는 장치가 도 1에 도시되어 있다. 하나의 모터(2)가 압축기(13) 및 터빈(8)을 구동한다. 본 발명자는, 이러한 유형의 장치에서, 압축기가 양호한 특정 속력에서 동작될 수 없다는 것을 발견하였다. 사실상, 이러한 구조 고유의 적은 부피 유량은 최적 값에 비해서 느린 특정 속력을 초래한다.
도 2에 도시된 다른 공지된 해결책은 일 단부에서 원심성 압축기를 구비하는 제2 모터(7)를 이용하는 것, 그리고 이러한 기계를 이미 존재하는 압축기(13)의 상류에 배치하는 것으로 구성된다.
냉장기와 관련하여 최적의 전체적인 엔탈피의 변화(Δhs)가 있기 때문에, 그러한 냉장기는 종래 기술에 비해서 달라지지 않는다. 이러한 신규 구조는 전체적인 엔탈피의 변화(Δhs)를 2개의 압축 스테이지(4, 13)에 걸쳐 분배할 수 있고, 결과적으로 하나의 압축 스테이지의 엔탈피의 변화(Δhs)를 감소시키고 2개의 압축 스테이지(4, 13)의 특정 속력을 증가시키고 최적 특정 속력에 접근시키거나 도달하게 한다.
그러나, 본 발명자는, 실제로, 이러한 개선이 제1 압축 스테이지(4)에만 유리하다는 것을 발견하였다. 사실상, 제1 압축 스테이지(4)가 최적 특정 속력에서 동작되는 경우에, 제2 압축 스테이지(13)는 전형적으로 최적 특정 속력의 절반인 특정 속력에서 동작될 것이다. 이는 이러한 스테이지의 효율에 영향을 미치고(전형적으로 10 포인트(point) 더 낮은 효율), 결과적으로 냉장기의 전체적인 효율에 강한 영향을 미친다.
이는 이하의 계산예에서 설명될 수 있다(여기에서 2개의 모터(2, 7)의 기계적 동력 및 회전 속력이 동일한 것으로 가정한다).
이러한 예에서, 전형적으로 제2 모터(2)가 50% 만큼 모터의 동력을 상승시키도록 돕는 터빈(8)의 존재로 인해서, 제2 압축 스테이지(13)의 기계적 동력(P2)은 제1 압축 스테이지(4)의 기계적 동력(P1)의 150%와 같다. 원심성 압축기(P)의 기계적 동력이 질량 유량(
Figure 112018099399349-pat00001
) 곱하기 엔탈피 증가(Δh)와 동일하고
Figure 112018099399349-pat00002
2개의 압축 스테이지의 질량 유량이 동일하기 때문에, 제2 압축 스테이지의 엔탈피 증가(Δh2)는 제1 압축 스테이지의 엔탈피 증가의 150%와 같다: Δh2 = 150%Δh1.
Δh는 압축 스테이지를 통한 실제 (측정된) 엔탈피의 증가(J/kg)(즉, 압축기가 반드시 등엔트로피적이지는 않다)이다.
또한, 2개의 압축 스테이지의 효율이 동일하다고 가정하면, Δhs2 = 150%Δhs1가 된다.
제2 압축 스테이지(13)의 부피 유량(Q2)이 제1 압축 스테이지의 부피 유량(Q1)의 56%와 같은데, 이는 압축비가 제1 압축 스테이지(4)의 레벨에서 전형적으로 1.8이기 때문이다: Q2 = 56% Q1.
제1 압축 스테이지(4)의 특정 속력(ws1)은 w.Q10.5/Δhs10 . 75 이다.
그에 따라, 제2 압축 스테이지(13)의 특정 속력(ws2)은 ws2 = w.Q20.5/Δhs20 .75 = w.(56%Q1)0.5/(150% Δhs1)0.75 = 55%.w.Q10.5/Δhs10 .75 = 55%.ws1 이다.
제1 압축 스테이지의 특정 속력(ws1)이 최적 특정 속력과 같다고 가정하면, 제2 스테이지는 최적 특정 속력의 55%에서 동작된다.
이는 시스템의 효율을 최적화하지 못한다.
본 발명의 하나의 목적은 상술된 종래 기술의 단점의 일부 또는 모두를 극복하는 것이다.
이러한 목적을 위해서, 전술한 서문에서 주어진 일반적인 규정에 보다 일치되는, 본 발명에 따른 장치는 본질적으로, 팽창 메커니즘의 터빈이 제1 압축 스테이지의 구동 모터에 커플링되는 것을 특징으로 한다.
즉, 장치는 2개의 스테이지가 직렬로 장착된 원심성 압축기 및 압축기를 구동하기 위한 2개의 모터, 바람직하게 전기 모터를 이용하는 역 브레이톤 사이클(reverse Brayton cycle)을 갖는 냉장기일 수 있다. 저압 스테이지(제1 압축기) 및 팽창 터빈이 하나의 그리고 동일한 모터(제1 모터)의 회전자 상에 장착되고, 고압 스테이지는 제2 모터의 회전자 상에 장착된다.
또한, 본 발명의 실시예가 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 제1 압축 스테이지의 전기 구동 모터가 출력 샤프트를 포함하고, 출력 샤프트의 일 단부는 제1 압축 스테이지를 지지하고(carry) 직접적인 커플링에 의해서 제1 압축 스테이지가 회전되게 하며, 그 타단부는 직접적인 커플링에 의해서 터빈에 의해서 회전되게 하며,
- 2개의 모터가 동일하거나 유사하며,
- 냉각 메커니즘은, 유체가 제2 압축 스테이지에 진입하기 전에 제1 압축 스테이지를 떠나는 유체를 냉각하기 위한, 제1 압축 스테이지와 제2 압축 스테이지 사이에 위치된 중간 냉각 교환기를 포함하고,
- 모터는 고속 모터, 즉 kW의 동력(P) 곱하기 분당 회전수의 속력(N)의 제곱(P.N2)이 5.1010 내지 5.1012인 모터이고,
- 2개의 모터의 회전 속력이 동일하며,
- 2개의 모터의 기계적 동력이 동일하며,
- 제2 압축 스테이지의 구동 모터가 또한, 모터 또는 모터들의 냉각 유체를 순환시키도록 구성된 순환 펌프 또는 부가적인 압축기를 기계적으로 구동하고,
- 2개의 압축 스테이지 각각은 압축기의 에너지 효율을 최대화함으로써 결정된 최적 특정 속력을 가지는 원심성 압축기로 구성되고, 장치는 압축기의 특정 속력을 최적 특정 속력의 70% 내지 130% 그리고 바람직하게 80% 내지 120%에서, 보다 더 바람직하게 최적 특정 속력의 90% 내지 110%에서 유지하도록 구성되고,
- 2개의 압축 스테이지는 압축기의 에너지 효율을 최대화함으로써 결정된 최적 특정 속력을 각각 가지는 원심성 압축기로 구성되고, 각각의 압축기는 규정된 부피 유량 및 규정된 기계적 동력을 가지며, 제1 압축기의 부피 유량 대 제2 압축기의 부피 유량의 비율은 1.1 내지 2.5이고 바람직하게 1.8과 같고, 제1 압축기를 구동하는 기계적 동력 대 제2 압축기를 구동하는 기계적 동력의 비율은 1.1 내지 2.5이고 바람직하게 1.5와 같으며, 2개의 모터의 회전 속력들의 비율은 0.5 내지 1.5이고 바람직하게 1과 같고,
- 장치는 장치를 제어하기 위한 전자 유닛을 포함하고 데이터 저장 및 프로세싱을 위한 유닛을 포함하며, 전자 제어 유닛은 특히 모터의 적어도 하나를 제어하도록 구성되며,
- 작업 회로가 바람직하게 폐쇄되고,
- 2개의 모터가 전기적 유형이며,
- 모터는 동일한 전자기적 고정자 및/또는 동일한 전자기적 회전자 및/또는 동일한 베어링 및/또는 동일한 냉각 시스템을 가지며,
- 냉각 메커니즘은, 유체가 터빈에 진입하기 전에 제2 압축 스테이지를 떠나는 유체를 냉각하기 위한, 제2 압축 스테이지와 터빈 사이에 위치된 적어도 하나의 냉각 교환기를 포함하고,
- 냉각 교환기의 적어도 하나는, 작업 유체가 터빈을 떠난 후에 및/또는 냉각하고자 하는 성분과의 열 교환 후에 작업 유체와의 열 교환을 또한 제공하는 향류 교환기(countercurrent exchanger)이며,
- 제2 압축 스테이지의 구동 모터는, 제2 압축 스테이지를 수반하고 직접적인 커플링에 의해서 제2 압축 스테이지가 회전되게 하는 출력 샤프트를 포함하고,
- 팽창 터빈 또는 터빈들은 구심성(centripetal) 팽창의 유형이고,
- 모터의 출력 샤프트는 자기 유형 또는 가스 동적 유형(gas dynamic type)의 베어링 상에 장착되고, 상기 베어링은 압축기 및 터빈을 각각 지탱하기 위해서 이용되며,
- 가열 메커니즘은, 냉각 또는 가열되는지의 여부에 따라 작업 유체가 향류로 통과하는, 공통 열 교환기를 포함하고,
- 작업 회로는 작업 유체의 저장을 위한 버퍼 탱크를 형성하는 저장용기를 포함하고,
- 작업 유체는 가스 상이고, 헬륨, 네온, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 메탄, 또는 임의의 다른 적합한 유체로부터의 순수 가스 또는 순수 가스들의 혼합물로 이루어지며,
- 작업 유체는 회로 내에서 역 에릭슨 유형(reverse Ericsson type)의 열역학적 작업 사이클(온도(T), 엔트로피(S))에 제공된다.
- 본 발명은 또한 전술한 또는 후술되는 특성 중 어느 하나에 따른 냉장 장치를 이용한 저온 공급원(cold source)의 냉장 방법에 관한 것이고, 열 교환은 팽창 메커니즘을 떠난 후의 냉각된 작업 유체와 냉각하고자 하는 성분 사이에서 발생된다.
다른 가능한 특별한 특징에 따라:
- 압축기의 특정 속력은 그 최적 특정 속력의 70% 내지 130% 그리고 바람직하게 80% 내지 120% 그리고 보다 더 바람직하게 90% 내지 110%에서 유지된다.
본 발명은 또한 전술한 또는 후술되는 특징의 임의 조합을 포함하는 임의의 대안적인 장치 또는 방법에 관한 것일 수 있다.
다른 특별한 특징 및 장점은 도면을 참조한 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 종래 기술로부터의 제1 실시예의 예에 따른 냉장 장치의 구성 및 동작을 도시한 개략적인 부분도를 도시한다.
도 2는 종래 기술로부터의 제2 실시예의 예에 따른 냉장 장치의 구성 및 동작을 도시한 개략적인 부분도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 가능한 실시예의 예에 따른 냉장 장치의 구성 및 동작을 도시한 개략적인 부분도를 도시한다.
도 3에 도시된 (- 100 ℃ 내지 - 273 ℃ 및 예를 들어 극저온) 저온 냉장 장치는, 작업 유체가 극저온 온도에 도달하게 하는 열역학적 사이클에 제공되는 작업 유체를 포함하는 폐쇄 작업 회로(10)를 포함한다. 냉각된 작업 유체는 (예를 들어 직접적으로 또는 열 교환기(9)를 통해서) 성분 또는 유체(15)로부터 열을 추출하기 위해서 그러한 성분 또는 유체와 열 교환한다.
작업 회로(10)는 직렬로 배열된: (바람직하게 등엔트로피적 또는 실질적으로 등엔트로피적으로) 유체를 압축하기 위한 메커니즘(13, 4), (바람직하게 등압적 또는 실질적으로 등압적으로) 유체를 냉각하기 위한 메커니즘(3, 5, 6), (바람직하게 등엔트로피적 또는 실질적으로 등엔트로피적으로) 유체를 팽창시키기 위한 메커니즘(8), 및 (바람직하게 등압적 또는 실질적으로 등압적으로) 유체를 가열하기 위한 메커니즘(9, 6)을 포함한다.
압축 메커니즘은 원심성 압축의 유형이며, 다시 말해서 이는 (바람직하게 전적으로) 원심성 유형의 압축기를 이용한다.
압축 메커니즘은 바람직하게, 각각 회로(10) 내에 직렬로 배열된 제1 압축 스테이지(13) 및 제2 압축 스테이지(4)인, 2개의 압축 스테이지(13, 4)(즉, 2개의 압축기)로 구성된다.
장치(1)는 2개의 압축 스테이지(13, 4)를 각각 구동하기 위한 2개의 모터(2, 7), 바람직하게 전기 모터를 포함한다.
팽창 메커니즘은 압축 스테이지 중 (모터에 커플링된) 하나의 압축 스테이지(13)의 모터(2)를 구동하는 (바람직하게 구심성 유형의) 터빈(8)을 포함한다(또는 터빈으로 구성된다). 더 정확하게, 팽창 메커니즘의 터빈(8)은 모터(2)(즉, 직렬의 2개의 압축기 중 제1 압축기(13)의 구동 모터(2))가 제1 압축 스테이지를 구동하는 것을 돕는다.
따라서, 장치는 2개의 모터(2, 7)를 이용하고, 제2 모터는, 그 단부 중 하나만에서, 제2 원심성 압축기(4)를 구동한다. 이러한 제2 압축기(4)는 제1 압축기(13)의 하류에 위치된다(하류는 회로(10) 내의 작업 유체의 순환 방향을 기준으로 한다).
이러한 신규 구조는 전체적인 엔탈피의 증가(Δhs)를 2개의 압축 스테이지에 걸쳐 분배할 수 있고, 결과적으로 하나의 스테이지의 엔탈피 증가(Δhs)를 감소시키고 압축 스테이지의 특정 속력을 증가시켜, 각각의 압축기에 대한 최적 특정 속력에 접근시킨다.
전체적인 엔탈피의 증가(Δhs)는 도 2의 종래 기술에 비해서 변경되지 않는다.
이러한 전체적인 엔탈피의 증가(Δhs)가 2개의 압축 스테이지(13, 4) 사이에 분배되어, 다시, 압축 스테이지의 특정 속력이 증가될 수 있게 하고 최적 특정 속력에 접근 또는 도달하게 할 수 있다.
이러한 신규 구조로 인해서, (종래 기술의 경우에서와 같이 제1 스테이지만이 아니라) 2개의 압축 스테이지(13, 4)가 최적 특정 속력에서 또는 그에 근접하여 동작될 수 있다.
이는, 2개의 모터(2, 7)의 기계적 동력 및 회전 속력(w)이 동일한 것으로 가정한, 이하의 계산예에서 설명될 수 있다.
이러한 예에서, 전형적으로 제1 모터(2)가 50% 만큼 그 동력을 상승시키도록 돕는 터빈(8)의 존재로 인해서, 제1 압축 스테이지의 기계적 동력(P1)은 제2 압축 스테이지의 기계적 동력(P2)의 150%와 같다.
기계적 동력(P)이 질량 유량(
Figure 112018099399349-pat00003
) 곱하기 엔탈피 증가(Δh)와 동일하고
Figure 112018099399349-pat00004
, 2개의 압축 스테이지의 질량 유량이 동일하기 때문에, 제1 압축 스테이지의 엔탈피 증가(Δh1)는 제2 압축 스테이지의 엔탈피 증가(Δh2)의 150%와 같고, 즉 Δh1 = 150%Δh2이다.
또한, 2개의 압축 스테이지의 효율이 동일한 것으로 가정하면, Δhs1 = 150%Δhs2가 된다.
제1 압축 스테이지(13)의 부피 유량(Q1)이 제2 압축 스테이지의 부피 유량(Q2)의 180%와 같은데, 이는 압축비가 제1 압축 스테이지의 레벨에서 전형적으로 1.8이기 때문이다. 즉: Q1 = 180% Q2이다.
제1 압축 스테이지의 특정 속력(ws1)은 ws1 = w.Q10.5/Δhs10 .75 = w.(180%Q2)0.5/(150%Δhs2)0.75 = 99%.w.Q20.5/Δhs20.75 = 99%.ws2 이다.
제2 압축 스테이지의 특정 속력(ws2)이 최적 특정 속력과 같다고 가정하면, 제1 스테이지는 최적 특정 속력의 99%에서 동작된다.
즉, (동일한) 제1 및 제2 압축기(13, 4)의 특정 속력(ws1, ws2)은 최적 특정 속력의 99% 내지 100%와 같다.
따라서, 본 발명에 따른 구조는, 2개의 압축 스테이지(13, 4)가 최적 특정 속력에서 동작되도록 하는 방식으로 장치를 동작시킬 수 있게 한다.
앞서서 주어진 예에서, 2개의 모터(2, 7)가 동일하고, 2개의 모터(2, 7)의 속력(w)이 동일하며, 2개의 압축기(13, 4)의 특정 속력(ws)은 동일하고 최적이다.
물론, 또한 2개의 모터의 기계적 동력 및/또는 회전 속력이 상이한 경우에 최적 특정 속력에서 또는 그에 근접하여 동작되도록, 2개의 압축 스테이지(13, 4)가 상이한 속력들로 제어될 수 있다.
그에 따라, 냉장 장치의 에너지 효율이 종래 기술에 비해서 개선된다.
도 3에 도시된 냉장 장치(1)는 주로 제1 압축 스테이지(13)(회전 압축기)로 구성되고, 그러한 제1 압축 스테이지(13)의 회전자는 제1 고속 모터(2)에 의해서 구동된다. 고속 모터는, kW의 동력(P) 곱하기 분당 회전수의 속력(N)의 제곱(P.N2)이 5.1010보다 큰(예를 들어, 5.1010 내지 5.1012인) 모터를 의미한다. 제1 고속 모터(2)는 또한, 그 회전 샤프트의 타 단부에서, 팽창기(8)(팽창 터빈, 바람직하게 구심적)를 수용하고, 이는 모터(2)가 제1 압축 스테이지(13)를 구동하도록 돕는다. 장치는 제2 압축 스테이지(4)를 포함하고, 제2 압축 스테이지(4)의 회전자는 제2 고속 모터(7)에 의해서 구동된다.
제1 압축 스테이지(13)는 저압(전형적으로 5 bar abs의 압력 및 15 ℃의 온도의 가스)으로부터 시작되는 작업 유체(가스 또는 가스 혼합물)을 압축한다. 제1 압축 스테이지(13)는 (예를 들어, 9 bar abs의 압력 및 77 ℃의 온도의) 압축된 가스를 회로(10)의 파이프(12)를 통해서 전달한다. 바람직하게 (예를 들어, 전형적으로 15 ℃까지) 압축의 열의 전부 또는 일부를 제거하기 위한 냉각 교환기(3)("인터쿨러")가 이러한 "중간-압력" 파이프(12) 상에 장착될 수 있다. 이러한 냉각 교환기(3)는 예를 들어 열-전달 유체와의 직접적 또는 간접적 열 교환을 제공한다.
즉, 이러한 냉각 교환기(3)의 하류에서, 작업 가스의 압축이 등온적인 것으로 설명될 수 있다.
이어서, 제2 압축 스테이지(4)가 중간 압력(전형적으로 9 bar abs 및 15 ℃)으로부터 시작되는 작업 유체를 압축하고, 파이프(11)를 통해서 (전형적으로 13.5 bar abs 및 56 ℃의 온도로) 전달한다. 이러한 소위 "고압" 파이프(11)는 바람직하게 제2 압축의 열의 전부 또는 일부를 제거(예를 들어, 전형적으로 15 ℃까지 냉각)하기 위한 열 교환기(5)("인터쿨러")를 포함한다. 이러한 냉각 교환기(5)는 예를 들어 열-전달 유체와의 직접적 또는 간접적 열 교환을 제공한다. 즉, 이러한 냉각 교환기(5)의 하류에서, 작업 가스의 압축이 등온적인 것으로 설명될 수 있다.
이어서, 작업 유체는 교환기(6) 내에서 (예를 들어, 전형적으로 - 145 ℃까지) 냉각된다. 이러한 교환기(6)는, 압축기의 단부에서의 비교적 고온의 작업 가스와 팽창 후의 비교적 저온의 작업 가스 사이의 열 교환을 제공하는, 향류 교환기일 수 있고, 냉각하고자 하는 성분(15)과 열 교환할 수 있다.
이어서, 작업 유체는 팽창 스테이지(터빈(8))로 진입되고, 팽창 스테이지는 작업 유체를 고압(전형적으로, 13.5 bar abs 및 -145 ℃의 온도)으로부터 시작하여 저압(전형적으로 5 bar abs 및 - 175 ℃의 온도)까지 팽창시킨다. 이어서, 팽창된 작업 유체는 파이프를 통해서, 예를 들어 물체 또는 유체(15)를 냉각하기 위해서, 유체로부터 열을 추출하기 위해서 이용되는 열 교환기(9) 내로 전달된다. 유체의 온도는 이러한 교환기(9) 내에서 (예를 들어, 전형적으로 - 145 ℃까지) 상승된다.
이어서, 작업 유체는 전술한 향류 열 교환기(6) 내에서 (예를 들어, 전형적으로 15 ℃까지) 가열될 수 있다
2개의 압축 스테이지의 특정 속력(ws)이 최적 값에 가능한 한 근접하도록, 2개의 압축 스테이지(13, 4)의 압축비가 선택될 수 있다.
모터(2 및 7)가 동일하도록, 압축기(13, 4)의 압축비가 바람직하게 선택될 수 있다. 다시 말해서, 예를 들어, 모터의 고정자 및/또는 회전자 및/또는 베어링이 동일하다.
따라서, "동일한 또는 유사한 모터"는, 엄격하게 동일한, 또는 상이하지만 유사한 또는 동일한 기술적 특성(공급된 작업 등)을 가지는, 특히 그 최대 토크가 동일하거나 대략적으로 동일한 모터들을 나타낸다. 예를 들어, 모터의 작업-발생 메커니즘들이 동일하고, 또는 동일하거나 130%에 근접한 성능을 갖는다.
모터(2, 7)의 이러한 표준화는 또한 유지보수와 관련된 장점(더 적은 수의 상이한 구성요소들, 스케일 효과(scale effect)로 인한 더 낮은 생산비)을 제공한다.
비록 단순하고 저렴한 구성이지만, 본 발명은 냉장 장치의 효율을 개선할 수 있다.

Claims (16)

  1. 작업 유체를 포함하는 작업 회로(10)를 포함하는, - 100 ℃ 내지 - 273 ℃의 저온 냉장을 위한 장치이며, 상기 장치는, 작업 회로(10) 내에서 순환되는 작업 유체와의 열 교환에 의해서, 적어도 하나의 성분(15)으로부터 열을 추출하기 위한 것이고, 작업 회로(10)는 직렬로: 유체의 압축을 위한 메커니즘(13), 유체의 냉각을 위한 메커니즘, 유체의 팽창을 위한 메커니즘(8), 및 유체의 가열을 위한 메커니즘(9, 6)을 포함하고, 압축 메커니즘(13, 4)은 원심성 압축의 유형이고 단 2개의 압축 스테이지(13, 4)로 구성되며, 제1 압축 스테이지(13) 및 제2 압축 스테이지(4)는 각각 회로(10) 내에 직렬로 배열되고, 상기 장치는 각각 2개의 압축 스테이지(13, 4)의 단 2개의 전기 구동 모터(2, 7)를 포함하며, 팽창 메커니즘은 압축 스테이지(13, 4) 중 하나의 모터(2)에 커플링된 단 하나의 터빈(8)으로 구성되는, 장치에 있어서, 팽창 메커니즘의 터빈(8)이 제1 압축 스테이지의 구동 모터(2)에 커플링되고, 상기 제2 압축 스테이지(4)는 제1 압축 스테이지(13)의 하류에 위치하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 압축 스테이지(13)의 전기 구동 모터(2)가 출력 샤프트를 포함하고, 출력 샤프트의 일 단부는 제1 압축 스테이지를 지지하고 직접적인 커플링에 의해서 제1 압축 스테이지(13)가 회전되게 하며, 그 타단부는 터빈(8)을 지지하고 직접적인 커플링에 의해서 터빈(8)에 의해서 회전되게 하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    2개의 모터(2, 7)가 동일하거나 유사한 것을 특징으로 하는, 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    냉각 메커니즘은, 유체가 제2 압축 스테이지(4)에 진입하기 전에 제1 압축 스테이지(13)를 떠나는 유체를 냉각하기 위한, 제1 압축 스테이지(13)와 제2 압축 스테이지(4) 사이에 위치된 중간 냉각 교환기(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    모터(2, 7)는 고속 모터, 즉 kW의 동력(P) 곱하기 분당 회전수의 속력(N)의 제곱의 곱(P.N2)이 5.1010 내지 5.1012인 모터인 것을 특징으로 하는, 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    2개의 모터(2, 7)의 회전 속력이 동일한 것을 특징으로 하는, 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    2개의 모터(2, 7)의 기계적 동력이 동일한 것을 특징으로 하는, 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제2 압축 스테이지(4)의 구동 모터(7)가 또한, 모터 또는 모터들(2, 7)의 냉각 유체를 순환시키도록 구성된 순환 펌프(14) 또는 부가적인 압축기를 기계적으로 구동하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    2개의 압축 스테이지(13, 4) 각각은 압축기의 에너지 효율을 최대화함으로써 결정된 최적 특정 속력을 가지는 원심성 압축기로 구성되고, 장치는 압축기(13, 4)의 특정 속력을 최적 특정 속력의 70% 내지 130%, 또는 80% 내지 120%, 또는 90% 내지 110%에서 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    2개의 압축 스테이지(13, 4)는 압축기의 에너지 효율을 최대화함으로써 결정된 최적 특정 속력을 각각 가지는 원심성 압축기로 구성되고, 각각의 압축기는 규정된 부피 유량(Q1, Q2) 및 규정된 기계적 동력(P1, P2)을 가지며, 제1 압축기(13)의 부피 유량(Q1) 대 제2 압축기(4)의 부피 유량(Q2)의 비율(Q1/Q2)은 1.1 내지 2.5, 또는 1.8과 같고, 제1 압축기(13)를 구동하는 기계적 동력(P1) 대 제2 압축기(4)를 구동하는 기계적 동력(P2)의 비율(P1/P2)은 1.1 내지 2.5, 또는 1.5와 같으며, 2개의 모터의 회전 속력들의 비율(w1/w2)은 0.5 내지 1.5, 또는 1과 같은 것을 특징으로 하는, 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    - 2개의 모터의 회전 속력의 비율(w1/w2), 제1 압축기(13)의 부피 유량(Q1) 대 제2 압축기(4)의 부피 유량(Q2)의 비율(Q1/Q2)의 0.5 승(power),
    - 압축이 등엔트로피적인 것으로 가정한 제2 압축기(4)의 스테이지를 통한 엔탈피 증가 대 압축이 등엔트로피적인 것으로 가정한 제1 압축기(13)의 스테이지를 통한 엔탈피의 증가의 비율(Δhs2/Δhs1)의 0.75 승,
    사이의 곱: (w1/w2).(Q1/Q2)0.5.(Δhs2/Δhs1)0.75 이 0.70 내지 1.30, 또는 0.80 내지 1.20, 또는 0.90 내지 1.10인 것을 특징으로 하는, 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    장치의 전자 유닛(16)을 포함하고, 데이터 저장 및 프로세싱을 위한 유닛을 포함하며, 전자 제어 유닛(16)은 모터(13, 4) 중 적어도 하나를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  13. 제1항 또는 제2항에 따른 냉장 장치(1)를 이용한 냉각 공급원(15)의 냉장 방법이며, 열 교환이 팽창 메커니즘(8)을 떠난 후의 냉각된 작업 유체와 냉각하고자 하는 성분(15) 사이에서 발생되는, 냉장 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    압축기(13, 4)의 특정 속력은 그 최적 특정 속력의 70% 내지 130%, 또는 80% 내지 120%, 또는 90% 내지 110%에서 유지되는 것을 특징으로 하는, 냉장 방법.
  15. 작업 유체를 포함하는 작업 회로(10)를 포함하는, - 100 ℃ 내지 - 273 ℃의 저온 냉장을 위한 장치이며, 상기 장치는, 작업 회로(10) 내에서 순환되는 작업 유체와의 열 교환에 의해서, 적어도 하나의 성분(15)으로부터 열을 추출하기 위한 것이고, 작업 회로(10)는 직렬로: 등엔트로피적 또는 실질적으로 등엔트로피적인, 유체의 압축을 위한 메커니즘(13), 등압적 또는 실질적으로 등압적인, 유체의 냉각을 위한 메커니즘, 등엔트로피적 또는 실질적으로 등엔트로피적인, 유체의 팽창을 위한 메커니즘(8), 및 등압적 또는 실질적으로 등압적인, 유체의 가열을 위한 메커니즘(9, 6)을 포함하고, 압축 메커니즘(13, 4)은 원심성 압축의 유형이고 단 2개의 압축 스테이지(13, 4)로 구성되며, 제1 압축 스테이지(13) 및 제2 압축 스테이지(4)는 각각 회로(10) 내에 직렬로 배열되고, 상기 장치는 각각 2개의 압축 스테이지(13, 4)의 단 2개의 전기 구동 모터(2, 7)를 포함하며, 팽창 메커니즘은 압축 스테이지(13, 4) 중 하나의 모터(2)에 커플링된 단 하나의 터빈(8)으로 구성되는, 장치에 있어서, 팽창 메커니즘의 터빈(8)이 제1 압축 스테이지의 구동 모터(2)에 커플링되고, 상기 제2 압축 스테이지(4)는 제1 압축 스테이지(13)의 하류에 위치하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  16. 제9항에 있어서,
    2개의 압축 스테이지(13, 4)는 압축기의 에너지 효율을 최대화함으로써 결정된 최적 특정 속력을 각각 가지는 원심성 압축기로 구성되고, 각각의 압축기는 규정된 부피 유량(Q1, Q2) 및 규정된 기계적 동력(P1, P2)을 가지며, 제1 압축기(13)의 부피 유량(Q1) 대 제2 압축기(4)의 부피 유량(Q2)의 비율(Q1/Q2)은 1.1 내지 2.5, 또는 1.8과 같고, 제1 압축기(13)를 구동하는 기계적 동력(P1) 대 제2 압축기(4)를 구동하는 기계적 동력(P2)의 비율(P1/P2)은 1.1 내지 2.5, 또는 1.5와 같으며, 2개의 모터의 회전 속력들의 비율(w1/w2)은 0.5 내지 1.5, 또는 1과 같은 것을 특징으로 하는, 장치.
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