KR102561069B1

KR102561069B1 - 브라인 칠러 및 이를 포함하는 이산화탄소 복합 사이클 시스템

Info

Publication number: KR102561069B1
Application number: KR1020230002878A
Authority: KR
Inventors: 한종원
Original assignee: 한종원
Priority date: 2023-01-09
Filing date: 2023-01-09
Publication date: 2023-07-27

Abstract

본 발명은 브라인 칠러 및 이를 포함하는 이산화탄소 복합 사이클 시스템에 관한 것이다. 제1 응축기는 냉수 저장탱크로부터 공급되는 물을 제1 압축기로부터 공급받은 냉매와 열교환시킨 후 냉수 저장탱크로 배출한다. 제1 팽창밸브는 제1 응축기를 거쳐 응축된 냉매를 공급받아 감압한다. 제1 증발기는 제1 팽창밸브를 거쳐 감압된 냉매를 공급받아 증발시킨 후 제1 압축기로 배출한다. 브라인 저장탱크는 제1 증발기로 브라인 펌프에 의해 브라인을 순환시키면서 제1 증발기 내의 냉매와 열교환시켜 브라인을 냉각시킨다. 브라인용 유량 제어 밸브는 브라인 저장탱크로부터 제1 증발기로 공급되는 브라인 공급량을 조절한다. 제1 증발 온도센서는 제1 팽창밸브로부터 제1 증발기로 공급되는 냉매의 증발 온도를 측정한다. 제어기는 제1 증발 온도센서로부터 측정된 정보를 기반으로, 브라인용 유량 제어 밸브를 제어해서 브라인 저장탱크 내의 브라인 온도를 설정 범위로 조절한다.

Description

브라인 칠러 및 이를 포함하는 이산화탄소 복합 사이클 시스템{Brine chiller and carbon dioxide combined cycle system including the same}

본 발명은 이산화탄소 냉매를 사용하는 브라인 칠러 및 복합 사이클 시스템에 관한 기술이다.

최근, 지구온난화 방지를 위한 탄소중립이 세계적 추세가 되면서 에너지를 절약하고 온실가스 배출을 줄이는 효과적인 HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning) 기술로 히트펌프 시스템이 가장 효율적인 대안으로 부각되고 있다. 이와 함께, 국제 환경 규제로 기존 냉매가스(F-gas) 사용이 제한되면서 신냉매 및 자연냉매로 대체한 히트펌프 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체 냉매의 하나로서 이산화탄소 냉매를 사용하는 히트펌프가 주목을 받고 있다.

일반적으로, 히트펌프식 급탕 시스템은 사이클 중 증발기 내의 냉매는 주변의 열매체와의 온도차가 미미한 경우, 증발 효율이 현저히 떨어지게 된다. 기존에 수입되고 있는 이산화탄소 히트펌프식 급탕 시스템은 증발기 내의 냉매를 주변의 공기열로 열교환시키는 것이 일반적이므로, 대기 온도가 영하로 내려가면 효율이 급격히 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 이산화탄소 냉매를 사용하는 사이클은 작동 압력이 높기 때문에, 냉동/냉장을 이산화탄소 냉매로 사용할 경우 일반 배관으로는 적용할 수 없어 배관 비용이 많이 든다.

등록특허공보 제10-1348826호(2013.05.20, 공개)

본 발명의 과제는 친환경적이면서 비용도 절감될 수 있으며, 에너지 효율을 극대화할 수 있는 브라인 칠러 및 이를 포함하는 이산화탄소 복합 사이클 시스템을 제공함에 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 브라인 칠러는 냉수 저장탱크와, 제1 압축기와, 제1 응축기와, 제1 팽창밸브와, 제1 증발기와, 브라인 저장탱크와, 브라인용 유량 제어 밸브와, 제1 증발 온도센서, 및 제어기를 포함한다. 제1 압축기는 이산화탄소 냉매를 압축시킨다. 제1 응축기는 냉수 저장탱크로부터 공급되는 물을 제1 압축기로부터 공급받은 냉매와 열교환시킨 후 냉수 저장탱크로 배출한다. 제1 팽창밸브는 제1 응축기를 거쳐 응축된 냉매를 공급받아 감압한다. 제1 증발기는 제1 팽창밸브를 거쳐 감압된 냉매를 공급받아 증발시킨 후 제1 압축기로 배출한다. 브라인 저장탱크는 제1 증발기로 브라인 펌프에 의해 브라인을 순환시키면서 제1 증발기 내의 냉매와 열교환시켜 브라인을 냉각시킨다. 브라인용 유량 제어 밸브는 브라인 저장탱크로부터 제1 증발기로 공급되는 브라인 공급량을 조절한다. 제1 증발 온도센서는 제1 팽창밸브로부터 제1 증발기로 공급되는 냉매의 증발 온도를 측정한다. 제어기는 제1 증발 온도센서로부터 측정된 정보를 기반으로, 브라인용 유량 제어 밸브를 제어해서 브라인 저장탱크 내의 브라인 온도를 설정 범위로 조절한다.

본 발명에 따른 이산화탄소 복합 사이클 시스템은 브라인 칠러와, 온수 저장탱크와, 제2 압축기와, 제2 응축기와, 제2 팽창밸브와, 제2 증발기와, 냉수 공급부, 및 제2 증발 온도센서를 포함한다. 제2 압축기는 이산화탄소 냉매를 압축시킨다. 제2 응축기는 온수 저장탱크로부터 공급되는 물을 제2 압축기로부터 공급받은 냉매와 열교환시켜 가열한 후 온수 저장탱크로 배출한다. 제2 팽창밸브는 제2 응축기를 거쳐 응축된 냉매를 공급받아 감압한다. 제2 증발기는 제2 팽창밸브를 거쳐 감압된 냉매를 공급받아 증발시킨 후 제2 압축기로 배출한다. 냉수 공급부는 브라인 칠러의 냉수 저장탱크에 저장된 물을 제2 증발기로 공급해서 제2 증발기 내의 냉매와 열교환시킨다. 제2 증발 온도센서는 제2 팽창밸브로부터 제2 증발기로 공급되는 냉매의 증발 온도를 측정한다. 여기서, 제어기는 제2 증발 온도센서로부터 측정된 정보를 기반으로, 냉수 공급부를 제어해서 제2 증발기로 공급되는 물 공급량을 조절함에 따라 냉매의 증발 온도를 설정치로 변경한다.

본 발명의 브라인 칠러에 따르면, 냉동/냉장을 브라인으로 사용해서 펌프와 물 배관만 설비하면 되므로, 친환경적이면서 비용도 절감될 수 있다.

본 발명의 이산화탄소 복합 사이클 시스템에 따르면, 브라인을 냉각시켜 냉장/냉동 공조 설비에 사용할 수 있을 뿐 아니라, 브라인 칠러에서 생성된 물의 열량을 사용해서 증발 효율을 높여 온수를 생산해낼 수 있으므로, 버려지는 열원 없이 열원을 100% 사용하여 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

따라서, 본 발명은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 이산화탄소 히트펌프의 수입 대체 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 브라인 칠러에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 브라인 칠러를 포함한 이산화탄소 복합 사이클 시스템의 일 실시예에 대한 구성도이다.

본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 브라인 칠러에 대한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 브라인 칠러(100)는 냉수 저장탱크(110)와, 제1 압축기(120)와, 제1 응축기(130)와, 제1 팽창밸브(140)와, 제1 증발기(150)와, 브라인 저장탱크(160)와, 브라인용 유량 제어 밸브(166)와, 제1 증발 온도센서(170), 및 제어기(180)를 포함한다.

냉수 저장탱크(110)는 제1 응축기(130)로 공급될 물과, 제1 응축기(130)를 거쳐 열교환된 물을 저장한다. 냉수 저장탱크(110)는 제1 보충수 공급관(112)이 연결되어 물을 보충 받을 수 있다. 냉수 저장탱크(110)에는 저장된 냉수를 필요로 하는 외부로 출탕하기 위한 냉수 배출관(113)이 연결될 수 있다.

냉수 저장탱크(110)와 제1 응축기(130)는 제1 응축기용 물 순환관(111)에 의해 연결될 수 있다. 제1 응축기용 물 순환관(111)은 냉수 저장탱크(110)로부터 물 공급관(111a)에 의해 제1 응축기(130)로 물을 공급한 후 물 회수관(111b)에 의해 냉수 저장탱크(110)로 회수시킬 수 있게 한다.

제1 응축기용 펌프(116)는 제1 응축기용 물 순환관(111)에 설치되어 물을 순환시킬 수 있다. 제1 응축기용 펌프(116)는 냉수 저장탱크(110)의 출수단과 제1 응축기(130)의 입수단 사이에 배치될 수 있다. 제1 응축기용 펌프(116)는 제어기(180)에 의해 구동 제어된다.

제1 출수 온도센서(117)는 제1 응축기(130)로부터 냉수 저장탱크(110)로 출수되는 물 온도를 측정하도록 제1 응축기용 물 순환관(111)에 설치될 수 있다. 제1 출수 온도센서(117)는 제1 응축기(130)의 출수단과 냉수 저장탱크(110)의 입수단 사이에 배치될 수 있다. 제1 출수 온도센서(117)는 측정된 온도 정보를 제어기(180)로 제공한다.

제1 압축기(120)는 이산화탄소 냉매를 압축시킨다. 제1 압축기(120)는 제1 증발기(150)로부터 배출되는 냉매를 저온저압 기체에서 고온고압 기체로 압축시켜 제1 응축기(130)로 공급한다. 제1 압축기(120)는 제어기(180)에 의해 구동 제어된다.

제1 응축기(130)는 냉수 저장탱크(110)로부터 공급되는 물을 제1 압축기(120)로부터 공급받은 냉매와 열교환시킨 후 냉수 저장탱크(110)로 배출한다. 즉, 제1 응축기(130)는 냉매를 기체 상태로부터 초임계 상태로 응축시키는 과정에서 응축열을 발생시키며, 냉수 저장탱크(110)로부터 공급되는 물을 응축열로 가열함으로써, 가열된 물이 냉수 저장탱크(110)에 저장될 수 있게 한다. 제1 응축기(130)는 응축된 냉매를 제1 팽창밸브(140)로 배출한다.

일 예로, 제1 응축기(130)는 판형 열교환기로 구성될 수 있다. 이 경우, 제1 응축기(130)는 다수의 평판들을 통로를 갖도록 일정 간격으로 늘어놓고 그 통로에 하나씩 건너뛰어 냉매와 물이 통과하도록 구성될 수 있다. 다른 예로, 제1 응축기(130)는 냉매가 흐르는 유로와 물이 흐르는 유로가 동축 상으로 형성된 이중 관을 코러게이트(corrugate) 형상으로 가공한 열교환기로 구성될 수도 있으므로, 예시된 바에 한정되지 않는다.

제1 팽창밸브(140)는 제1 응축기(130)를 거쳐 응축된 냉매를 공급받아 감압한다. 제1 팽창밸브(140)는 감압된 냉매를 제1 증발기(150)로 공급한다. 제1 팽창밸브(140)는 전자식 팽창밸브로 이루어져 제어기(180)에 의해 구동 제어될 수 있다.

제1 증발기(150)는 제1 팽창밸브(140)를 거쳐 감압된 냉매를 공급받아 증발시킨 후 제1 압축기(120)로 배출한다. 제1 증발기(150)는 브라인 저장탱크(160)로부터 브라인을 공급받아 배출하는 과정에서 내부의 냉매와 열교환시켜 냉각시킴으로써, 냉각된 브라인이 브라인 저장탱크(160)에 저장될 수 있게 한다. 제1 증발기(150)는 제1 응축기(130)와 유사하게 판형 열교환기 또는 코러게이트형 열교환기 등으로 이루어질 수 있다.

제1 증발기(150)는 제1 냉매 순환관(101)에 의해 제1 압축기(120)와 제1 응축기(130)와 제1 팽창밸브(140)와 순차적으로 연결된다. 이산화탄소 냉매는 제1 압축기(120), 제1 응축기(130), 제1 팽창밸브(140), 제1 증발기(150) 순으로 거쳐 상태 변화하는 초임계 사이클을 반복함으로써, 브라인을 냉각시킬 수 있게 한다.

브라인 저장탱크(160)는 제1 증발기(150)로 브라인 펌프(162)에 의해 브라인을 순환시키면서 제1 증발기(150) 내의 냉매와 열교환시켜 브라인을 냉각시킨다. 브라인 저장탱크(160)와 제1 증발기(150)는 브라인 순환관(161)에 의해 연결될 수 있다. 브라인 순환관(161)은 브라인 저장탱크(160)로부터 제1 증발기(150)로 브라인을 공급한 후 브라인 저장탱크(160)로 회수시킬 수 있게 한다.

브라인 펌프(162)는 브라인 순환관(161)에 설치되어 브라인을 순환시킬 수 있다. 브라인 펌프(162)는 브라인 저장탱크(160)의 출구단과 제1 증발기(150)의 입구단 사이에 배치될 수 있다. 브라인 펌프(162)는 제어기(180)에 의해 구동 제어된다.

브라인용 유량 제어 밸브(166)는 브라인 저장탱크(160)로부터 제1 증발기(150)로 공급되는 브라인 공급량을 조절하도록 브라인 순환관(161)에 설치될 수 있다. 브라인용 유량 제어 밸브(166)는 브라인 펌프(162)의 출구단과 제1 증발기(150)의 입구단 사이에 배치될 수 있다. 브라인용 유량 제어 밸브(166)는 전자식 비례 제어밸브로 이루어질 수 있다. 전자식 비례 제어밸브는 내부 유로를 통과하는 브라인의 유량을 제어기(180)로부터 입력되는 전기신호에 따라 비례적으로 제어할 수 있게 구성된다.

제1 증발 온도센서(170)는 제1 팽창밸브(140)로부터 제1 증발기(150)로 공급되는 냉매의 증발 온도를 측정한다. 제1 증발 온도센서(170)는 제1 팽창밸브(140)와 제1 증발기(150) 사이에 배치된다. 제1 증발 온도센서(170)는 측정된 온도 정보를 제어기(180)로 제공한다.

제어기(180)는 제1 증발 온도센서(170)로부터 측정된 정보를 기반으로, 브라인용 유량 제어 밸브(166)를 제어해서 브라인 저장탱크(160) 내의 브라인 온도를 설정 범위로 조절한다. 제어기(180)는 제1 증발 온도센서(170)로부터 측정된 온도 값을 목표 온도 값과 비교하여 그 차이 값에 비례하는 브라인 순환량으로 조절하도록 브라인용 유량 제어 밸브(166)를 제어할 수 있다. 제어기(180)는 브라인 저장탱크(160)로부터 영하 20~30℃로 냉각된 브라인을 생산함으로써, 냉각된 브라인이 냉장/냉동 공조 설비에 사용되게 할 수 있다.

추가 양상으로, 냉수 바이패스관(191)은 양단이 제1 응축기용 물 순환관(111)의 물 공급관(111a)에 연결될 수 있다. 냉수 바이패스관(191)은 물 공급관(111a)으로부터 입수단을 통해 물을 공급받아 출수단을 통해 물 공급관(111a)으로 배출함으로써, 냉수 저장탱크(110)로부터 제1 응축기(130)로 공급되는 물을 바이패스시킬 수 있다.

열교환기(192)는 냉수 바이패스관(191)으로부터 바이패스되는 물을 제1 압축기(120)로 흡입되는 냉매와 열교환시킴에 따라 제1 응축기(130)로 입수되는 온도를 낮춰 제1 증발기(150)의 증발 온도를 낮출 수 있다. 이때, 제1 압축기(120)로 흡입되는 냉매는 저온 기체이므로 냉수 바이패스관(191)으로부터 바이패스되는 물을 냉각시킴으로써, 냉각된 물이 제1 응축기(130)로 유입되어 응축 온도를 낮출 수 있게 한다. 열교환기(192)는 제1 응축기(130)와 유사하게 판형 열교환기 또는 코러게이트형 열교환기 등으로 이루어질 수 있다.

제1 냉수용 전자 밸브(193)는 열교환기(192)의 입수단 쪽에 배치되어 냉수 바이패스관(191)에 설치될 수 있다. 제1 냉수용 전자 밸브(193)는 냉수 바이패스관(191)과 연결된 내부 유로를 개폐한다. 제1 냉수용 전자 밸브(193)는 개방 동작해서 냉수 저장탱크(110)로부터 열교환기(192)로 물 공급을 허용하고, 폐쇄 동작해서 냉수 저장탱크(110)로부터 열교환기(192)로 물 공급을 차단할 수 있다.

제1 냉수용 전자 밸브(193)는 솔레노이드 밸브 등으로 이루어질 수 있다. 제1 냉수용 전자 밸브(193)는 제어기(180)에 의해 구동 제어된다. 제1 냉수용 전자 밸브(193)는 상시 폐쇄(Normal Close; NC) 타입일 수 있다. 제1 냉수용 전자 밸브(193)는 제어기(180)의 온(ON) 신호에 따라 개방 동작하고, 제어기(180)의 오프(OFF) 신호에 따라 폐쇄 동작할 수 있다.

제2 냉수용 전자밸브(194)는 열교환기(192)의 출수단 쪽에 배치되어 냉수 바이패스관(191)에 설치될 수 있다. 제2 냉수용 전자 밸브(194)는 냉수 바이패스관(191)과 연결된 내부 유로를 개폐한다. 제2 냉수용 전자 밸브(194)는 개방 동작해서 열교환기(192)로부터 제1 응축기(130)로 물 배출을 허용하고, 폐쇄 동작해서 열교환기(192)로부터 제1 응축기(130)로 물 배출을 차단할 수 있다. 제2 냉수용 전자밸브(194)는 제1 냉수용 전자밸브(193)와 동일하게 구성될 수 있다.

제3 냉수용 전자밸브(195)는 냉수 바이패스관(191)의 입수단과 출수단 사이에 배치되어 물 공급관(111a)에 설치될 수 있다. 제3 냉수용 전자밸브(195)는 물 공급관(111a)에 연결된 내부 유로를 개폐한다.

제3 냉수용 전자 밸브(195)는 제1,2 냉수용 전자밸브(193, 194)의 개방 동작시 폐쇄 동작해서 냉수 저장탱크(110)의 물이 열교환기(192)를 거쳐 제1 응축기(130)로 공급될 수 있게 한다. 제3 냉수용 전자 밸브(195)는 제1,2 냉수용 전자밸브(193, 194)의 폐쇄 동작시 개방 동작해서 냉수 저장탱크(110)의 물이 열교환기(192)를 거치지 않고 제1 응축기(130)로 공급될 수 있게 한다. 제3 냉수용 전자밸브(195)는 제1,2, 냉수용 전자밸브(193, 194)와 동일하게 구성될 수 있다.

제어기(180)는 제1 출수 온도센서(117)에 의해 측정된 물 온도가 설정치 초과이면 제3 냉수용 전자 밸브(195)를 폐쇄 동작시키면서 제1,2 냉수용 전자 밸브(193, 194)를 개방 동작시킴에 따라 열교환기(192)로 물을 순환시켜 제1 압축기(120)로 흡입되는 냉매와 열교환시킬 수 있게 한다.

예컨대, 제1 응축기(130)로 유입되는 물의 온도가 20℃를 넘으면, 제1 압축기(120)로부터 토출되는 냉매의 토출 온도가 상승하게 되는데, 제어기(180)는 제1,2,3 냉수용 전자밸브(193, 194, 195)를 제어해서 냉매의 증발 온도를 낮춤으로써, 냉매 토출 온도를 낮출 수 있다. 따라서, 브라인 칠러(100)는 안정적으로 운전할 수 있다.

추가 양상으로, 제1 냉매 바이패스관(102)은 양단이 제1 압축기(120)의 냉매 출구단과 제1 증발기(150)의 냉매 입구단에 연결될 수 있다. 제1 팽창 탱크(103)는 제1 냉매 바이패스관(102)에 설치될 수 있다. 제1 팽창 탱크(103)는 재1 냉매 바이패스관(102)을 통해 냉매를 유입해서 배출한다.

제1 냉매용 전자 밸브(104)는 제1 팽창 탱크(103)의 냉매 입구단 쪽에 배치되어 제1 냉매 바이패스관(102)에 설치될 수 있다. 제1 냉매용 전자 밸브(104)는 제1 냉매 바이패스관(102)과 연결된 내부 유로를 개폐한다. 제1 냉매용 전자 밸브(104)는 개방 동작해서 제1 압축기(120)로부터 제1 팽창 탱크(103)로 냉매 유입을 허용하고, 폐쇄 동작해서 제1 압축기(120)로부터 팽창 탱크(103)로 냉매 유입을 차단할 수 있다. 제1 냉매용 전자 밸브(104)는 솔레노이드 밸브 등으로 이루어질 수 있다.

제1 냉매용 전자 밸브(104)는 제어기(180)에 의해 구동 제어된다. 제1 냉매용 전자 밸브(104)는 상시 폐쇄(Normal Close; NC) 타입일 수 있다. 제1 냉매용 전자 밸브(104)는 제어기(180)의 온(ON) 신호에 따라 개방 동작하고, 제어기(180)의 오프(OFF) 신호에 따라 폐쇄 동작할 수 있다.

제2 냉매용 전자 밸브(105)는 제1 팽창 탱크(103)의 냉매 출구단 쪽에 배치되어 제1 냉매 바이패스관(102)에 설치될 수 있다. 제2 냉매용 전자 밸브(105)는 제1 냉매 바이패스관(102)과 연결된 내부 유로를 개폐한다. 제2 냉매용 전자 밸브(105)는 개방 동작해서 제1 팽창 탱크(103)로부터 냉매 배출을 허용하고, 폐쇄 동작해서 제1 팽창 탱크(103)로부터 냉매 배출을 차단할 수 있다. 제2 냉매용 전자 밸브(105)는 제1 냉매용 전자 밸브(104)와 동일하게 구성될 수 있다.

제어기(180)는 제1 압축기(120)로부터 토출되는 냉매의 토출 압력이 설정치 초과이면 제1 냉매용 전자 밸브(104)를 개방 동작시키면서 제2 냉매용 전자 밸브(105)를 폐쇄 동작시켜 냉매를 제1 팽창 탱크(103)로 바이패스시킨다. 제어기(180)는 제1 압축기(120)로부터 토출되는 냉매의 토출 압력이 설정치 이하이면 제1 냉매용 전자 밸브(104)를 폐쇄 동작시키면서 제2 냉매용 전자 밸브(105)를 개방 동작시켜 제1 팽창 탱크(103)의 압력을 낮춘다. 여기서, 냉매의 토출 압력은 제1 압축기(120)에 설치되는 압력 센서에 의해 측정되어 제어기(180)로 제공될 수 있다.

제어기(180)는 전술한 과정들을 반복하여 제1 팽창 탱크(103)에 의해 냉매의 과다한 압력을 흡수해서 일정한 압력을 유지할 수 있게 함으로써, 브라인 칠러(100)가 안정적으로 운전할 수 있게 한다.

이와 같이, 본 실시예의 브라인 칠러(100)에 의하면, 냉동/냉장을 브라인으로 사용해서 펌프와 물 배관만 설비하면 되므로, 친환경적이면서 비용도 절감될 수 있다. 또한, 본 실시예의 브라인 칠러(100)에 의하면, 제1 응축기(130) 입수 온도가 높더라도 안정적으로 운전할 수 있다. 또한, 본 실시예의 브라인 칠러(100)에 의하면, 운전시 발생될 수 있는 냉매의 과압을 방지하여 안정적으로 운전할 수 있다.

도 2는 전술한 브라인 칠러를 포함한 이산화탄소 복합 사이클 시스템의 일 실시예에 대한 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 복합 사이클 시스템은 브라인 칠러(100)와, 온수 저장탱크(210)와, 제2 압축기(220)와, 제2 응축기(230)와, 제2 팽창밸브(240)와, 제2 증발기(250)와, 냉수 공급부(260), 및 제2 증발 온도센서(270)를 포함한다. 브라인 칠러(100)는 전술한 예와 같이 구성될 수 있다.

온수 저장탱크(210)는 제2 응축기(230)로 공급될 물과, 제2 응축기(230)에 의해 가열된 물을 저장한다. 온수 저장탱크(210)에는 제2 보충수 공급관(212)이 연결되어 물을 보충 받을 수 있다. 온수 저장탱크(210)에는 저장된 온수를 필요로 하는 외부로 출탕하기 위한 온수 배출관(213)이 연결될 수 있다.

온수 저장탱크(210)와 제2 응축기(230)는 제2 응축기용 물 순환관(211)에 의해 연결될 수 있다. 제2 응축기용 물 순환관(211)은 온수 저장탱크(210)로부터 제2 응축기(230)로 물을 공급한 후 온수 저장탱크(210)로 회수시킬 수 있게 한다.

제2 응축기용 펌프(216)는 제2 응축기용 물 순환관(211)에 설치되어 물을 순환시킬 수 있다. 제2 응축기용 펌프(216)는 온수 저장탱크(210)의 출수단과 제2 응축기(230)의 입수단 사이에 배치될 수 있다. 제2 응축기용 펌프(216)는 제어기(180)에 의해 구동 제어된다.

제2 출수 온도센서(217)는 제2 응축기(230)로부터 온수 저장탱크(210)로 출수되는 물 온도를 측정하도록 제2 응축기용 물 순환관(211)에 설치될 수 있다. 제2 출수 온도센서(217)는 제2 응축기(230)의 출수단과 온수 저장탱크(210)의 입수단 사이에 배치될 수 있다. 제2 출수 온도센서(217)는 측정된 온도 정보를 제어기(180)로 제공한다.

응축기용 유량 제어 밸브(218)는 온수 저장탱크(210)와 제2 응축기(230)를 순환하는 물 순환량을 조절하도록 제2 응축기용 물 순환관(211)에 설치될 수 있다. 응축기용 유량 제어 밸브(218)는 제2 응축기용 펌프(216)의 출수단과 제2 응축기(230)의 입수단 사이에 배치될 수 있다. 응축기용 유량 제어 밸브(218)는 전자식 비례 제어밸브로 이루어질 수 있다.

제어기(180)는 제2 출수 온도센서(217)로부터 측정된 정보를 기반으로, 응축기용 유량 제어 밸브(218)를 제어해서 온수 저장탱크(210)로부터 외부로 출탕되는 물 온도를 설정 범위로 조절할 수 있다. 제어기(180)는 제2 출수 온도센서(217)로부터 측정된 온도 값을 목표 온도 값과 비교하여 그 차이 값에 비례하는 물 순환량으로 조절하도록 응축기용 유량 제어 밸브(218)를 제어할 수 있다. 제어기(180)는 온수 저장탱크(210)로부터 70~95℃의 고온수를 생산해서 출탕함으로써, 고온수가 목욕탕, 사우나 또는 숙박업소 등의 다양한 곳에 사용되게 할 수 있다.

제2 압축기(220)는 이산화탄소 냉매를 압축시킨다. 제2 압축기(220)는 증발기(250)로부터 배출되는 냉매를 저온저압 기체에서 고온고압 기체로 압축시켜 제2 응축기(230)로 공급한다. 제2 압축기(220)는 제어기(180)에 의해 구동 제어된다.

제2 응축기(230)는 온수 저장탱크(210)로부터 공급되는 물을 제2 압축기(220)로부터 공급받은 냉매와 열교환시켜 가열한 후, 온수 저장탱크(210)로 배출한다. 즉, 제2 응축기(230)는 냉매를 기체 상태로부터 초임계 상태로 응축시키는 과정에서 응축열을 발생시키며, 온수 저장탱크(210)로부터 공급되는 물을 응축열로 가열함으로써, 가열된 물이 온수 저장탱크(210)에 저장될 수 있게 한다. 제2 응축기(230)는 응축된 냉매를 제2 팽창밸브(240)로 배출한다. 제2 응축기(230)는 판형 열교환기 또는 코러게이트형 열교환기 등으로 이루어질 수 있다.

제2 팽창밸브(240)는 제2 응축기(230)를 거쳐 응축된 냉매를 공급받아 감압한다. 제2 팽창밸브(240)는 감압된 냉매를 증발기(250)로 공급한다. 제2 팽창밸브(240)는 전자식 팽창밸브로 이루어져 제어기(180)에 의해 구동 제어될 수 있다.

제2 증발기(250)는 제2 팽창밸브(240)를 거쳐 감압된 냉매를 공급받아 증발시킨 후, 제2 압축기(220)로 배출한다. 제2 증발기(250)는 냉수 공급부(260)로부터 물을 공급받아 배출하는 과정에서 내부의 냉매를 물과 열교환시킨다. 제2 증발기(250)는 제2 응축기(230)와 유사하게 판형 열교환기 또는 코러게이트형 열교환기 등으로 이루어질 수 있다.

제2 증발기(250)는 제2 냉매 순환관(201)에 의해 제2 압축기(220)와 제2 응축기(230)와 제2 팽창밸브(240)와 순차적으로 연결된다. 이산화탄소 냉매는 제2 압축기(220), 제2 응축기(230), 제2 팽창밸브(240), 제2 증발기(250) 순으로 거쳐 상태 변화하는 초임계 사이클을 반복함으로써, 제2 응축기(230)의 초임계 응축열에 의해 온수를 생산할 수 있게 한다.

냉수 공급부(260)는 브라인 칠러(100)의 냉수 저장탱크(110)에 저장된 물을 제2 증발기(250)로 공급해서 제2 증발기(250) 내의 냉매와 열교환시킨다. 냉수 공급부(260)는 10~15℃의 물을 제2 증발기(250)로 공급함에 따라 제2 증발기(250)의 주변 온도를 상승시킬 수 있다. 냉수 공급부(260)는 증발 온도를 설정치로 변경할 수 있게 제2 증발기(250) 내의 냉매 온도와 제2 증발기(250)의 주변 온도 간에 차이를 발생시킴으로써, 제2 증발기(250)의 증발 효율을 증대시킬 수 있게 한다. 따라서, 본 실시예의 이산화탄소 복합 사이클 시스템은 대기 온도가 영하로 내려가는 동절기에도 증발 효율을 충분히 확보할 수 있으므로, 가동 중단 없이 온수를 생산해낼 수 있다.

냉수 공급부(260)는 증발기용 물 순환관(261)과, 증발기용 펌프(262), 및 증발기용 유량 제어 밸브(263)를 포함할 수 있다. 증발기용 물 순환관(261)은 냉수 저장탱크(110)로부터 제2 증발기(250)로 물을 공급한 후 냉수 저장탱크(110)로 회수시킨다.

증발기용 펌프(262)는 증발기용 물 순환관(261)에 설치되어 물을 순환시킨다. 증발기용 펌프(262)는 냉수 저장탱크(110)의 출수단과 제2 증발기(250)의 입수단 사이에 배치될 수 있다. 증발기용 펌프(262)는 제어기(180)에 의해 구동 제어된다.

증발기용 유량 제어 밸브(263)는 냉수 저장탱크(110)와 제2 증발기(250)를 순환하는 물 순환량을 조절하도록 증발기용 물 순환관(261)에 설치된다. 증발기용 유량 제어 밸브(263)는 증발기용 펌프(262)의 출수단과 제2 증발기(250)의 입수단 사이에 배치될 수 있다. 증발기용 유량 제어 밸브(263)는 전자식 비례 제어밸브로 이루어질 수 있다.

제2 증발 온도센서(270)는 제2 팽창밸브(240)로부터 제2 증발기(250)로 공급되는 냉매의 증발 온도를 측정한다. 제2 증발 온도센서(270)는 제2 팽창밸브(240)와 제2 증발기(250) 사이에 배치된다. 제2 증발 온도센서(270)는 측정된 온도 정보를 제어기(180)로 제공한다.

제어기(180)는 제2 증발 온도센서(270)로부터 측정된 정보를 기반으로, 냉수 공급부(260)를 제어해서 제2 증발기(250)로 공급되는 물 공급량을 조절함에 따라 냉매의 증발 온도를 설정치로 변경한다. 여기서, 제어기(180)는 제2 증발 온도센서(270)로부터 측정된 정보를 기반으로, 증발기용 유량 제어 밸브(263)를 제어해서 물 순환량을 조절함에 따라 냉매의 증발 온도를 설정치로 변경할 수 있다. 따라서, 냉수 공급부(260)로부터 필요한 열량만 사용되어 증발 효율을 높일 수 있다.

또한, 제2 응축기(230)로 유입되는 물의 온도가 높아지면 제2 압축기(220)로부터 토출되는 냉매의 토출 온도가 상승하게 되는데, 냉매의 토출 온도가 기준 온도보다 높아질 경우, 제어기(180)는 냉수 공급부(260)의 증발기용 유량 제어 밸브(263)를 제어해서 냉매의 증발 온도를 낮춤으로써, 냉매 토출 온도를 낮출 수 있다.

이 경우, 토출 온도센서(221)가 제2 압축기(220)로부터 토출되는 냉매의 토출 온도를 측정할 수 있다. 토출 온도센서(221)는 제2 압축기(220)와 제2 응축기(230) 사이에 배치될 수 있다. 토출 온도센서(221)는 측정된 온도 정보를 제어기(180)로 제공한다. 제어기(180)는 토출 온도센서(221)로부터 측정된 정보를 기반으로, 냉매의 증발 온도를 변경시켜 토출 온도를 설정치 이하로 유지시킬 수 있다. 제어기(180)는 토출 온도센서(221)로부터 측정된 온도 정보와 함께 응축기 입수 온도센서(231)로부터 측정된 온도를 제공받아 토출 온도를 설정치 이하로 유지시키도록 냉매의 증발 온도를 변경시킬 수 있다.

이와 같이, 본 실시예의 이산화탄소 복합 사이클 시스템은 제2 응축기(230) 입수 온도에 따라 증발 온도 설정치를 변경시켜 냉매의 토출 온도를 설정치 이하로 유지시킴에 따라 최적화시킬 수 있으므로, 제2 응축기(230) 입수 온도가 높더라도, 예컨대 대략 67℃까지 안정적으로 운전할 수 있다.

추가 양상으로, 제2 냉매 바이패스관(202)은 양단이 제2 압축기(220)의 냉매 출구단과 제2 증발기(250)의 냉매 입구단에 연결될 수 있다. 제2 팽창 탱크(203)는 제2 냉매 바이패스관(202)에 설치될 수 있다. 제2 팽창 탱크(203)는 제2 냉매 바이패스관(202)을 통해 냉매를 유입해서 배출한다.

제3 냉매용 전자 밸브(204)는 제2 팽창 탱크(203)의 냉매 입구단 쪽에 배치되어 제2 냉매 바이패스관(202)에 설치될 수 있다. 제4 냉매용 전자 밸브(205)는 제2 팽창 탱크(203)의 냉매 출구단 쪽에 배치되어 제2 냉매 바이패스관(202)에 설치될 수 있다. 제3,4 냉매용 전자 밸브(204, 205)는 제1,2 냉매용 전자 밸브(104, 105)와 동일하게 구성될 수 있다.

제어기(180)는 제2 압축기(220)로부터 토출되는 냉매의 토출 압력이 설정치 초과이면 제3 냉매용 전자 밸브(204)를 개방 동작시키면서 제4 냉매용 전자 밸브(205)를 폐쇄 동작시켜 냉매를 제2 팽창 탱크(203)로 바이패스시킨다. 제어기(180)는 제2 압축기(220)로부터 토출되는 냉매의 토출 압력이 설정치 이하이면 제3 냉매용 전자 밸브(204)를 폐쇄 동작시키면서 제4 냉매용 전자 밸브(205)를 개방 동작시켜 제2 팽창 탱크(203)의 압력을 낮춘다. 여기서, 냉매의 토출 압력은 제2 압축기(220)에 설치되는 압력 센서에 의해 측정되어 제어기(180)로 제공될 수 있다.

제어기(180)는 전술한 과정들을 반복하여 제2 팽창 탱크(203)에 의해 냉매의 과다한 압력을 흡수해서 일정한 압력을 유지할 수 있게 함으로써, 이산화탄소 복합 사이클 시스템이 안정적으로 운전할 수 있게 한다.

이와 같이, 본 실시예의 이산화탄소 복합 사이클 시스템에 의하면, 브라인을 냉각시켜 냉장/냉동 공조 설비에 사용할 수 있을 뿐 아니라, 브라인 칠러(100)에서 생성된 물의 열량을 사용해서 증발 효율을 높여 온수를 생산해낼 수 있으므로, 버려지는 열원 없이 열원을 100% 사용하여 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

또한, 본 실시예의 이산화탄소 복합 사이클 시스템에 의하면, 제2 응축기(230) 입수 온도에 따라 증발 온도 설정치를 변경시켜 냉매의 토출 온도를 설정치 이하로 유지시킴에 따라 최적화시킬 수 있으므로, 제2 응축기(230) 입수 온도가 높더라도 안정적으로 운전할 수 있다. 또한, 본 실시예의 이산화탄소 복합 사이클 시스템에 의하면, 운전시 발생될 수 있는 냉매의 과압을 방지하여 안정적으로 운전할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100..브라인 칠러 101..제1 냉매 순환관
102..제1 냉매 바이패스관 103..제1 팽창 탱크
104..제1 냉매용 전자 밸브 105..제2 냉매용 전자 밸브
110..냉수 저장탱크 111..제1 응축기용 물 순환관
111a..물 공급관 111b..물 회수관
112..제1 보충수 공급관 113..냉수 배출관
116..제1 응축기용 순환 펌프 117..제1 출수 온도센서
120..압축기 121..토출 온도센서
130..응축기 140..팽창밸브
150..증발기 160..브라인 저장탱크
161..브라인 순환관 162..브라인 펌프
166..브라인용 유량 제어 밸브 170..제1 증발 온도센서
180..제어기 191..냉수 바이패스관
192..열교환기 193..제1 냉수용 전자 밸브
194..제2 냉수용 전자 밸브 195..제3 냉수용 전자 밸브
201..제2 냉매 순환관 202..제2 냉매 바이패스관
203..제2 팽창 탱크 204..제3 냉매용 전자 밸브
205..제4 냉매용 전자 밸브 210..온수 저장탱크
211..제2 응축기용 물 순환관 212..제2 보충수 공급관
213..온수 배출관 216..제2 응축기용 순환 펌프
217..제2 출수 온도센서 218..응축기용 유량 제어 밸브
220..제2 압축기 221..토출 온도센서
230..제2 응축기 231..응축기 입수 온도센서
240..제2 팽창밸브 250..제2 증발기
260..냉수 공급부 261..증발기용 물 순환관
262..증발기용 펌프 263..증발기용 유량 제어 밸브
270..제2 증발 온도센서

Claims

냉수 저장탱크;
이산화탄소 냉매를 압축시키는 제1 압축기;
상기 냉수 저장탱크로부터 공급되는 물을 상기 제1 압축기로부터 공급받은 냉매와 열교환시킨 후 상기 냉수 저장탱크로 배출하는 제1 응축기;
상기 제1 응축기를 거쳐 응축된 냉매를 공급받아 감압하는 제1 팽창밸브;
상기 제1 팽창밸브를 거쳐 감압된 냉매를 공급받아 증발시킨 후 상기 제1 압축기로 배출하는 제1 증발기;
상기 제1 증발기로 브라인 펌프에 의해 브라인을 순환시키면서 상기 제1 증발기 내의 냉매와 열교환시켜 브라인을 냉각시키는 브라인 저장탱크;
상기 브라인 저장탱크로부터 상기 제1 증발기로 공급되는 브라인 공급량을 조절하는 브라인용 유량 제어 밸브;
상기 제1 팽창밸브로부터 상기 제1 증발기로 공급되는 냉매의 증발 온도를 측정하는 제1 증발 온도센서; 및
상기 제1 증발 온도센서로부터 측정된 정보를 기반으로, 상기 브라인용 유량 제어 밸브를 제어해서 상기 브라인 저장탱크 내의 브라인 온도를 설정 범위로 조절하는 제어기;를 포함하며;
상기 제1 응축기로부터 상기 냉수 저장탱크로 출수되는 물 온도를 측정하는 제1 출수 온도센서와,
상기 냉수 저장탱크로부터 물 공급관에 의해 상기 제1 응축기로 물을 공급한 후 물 회수관에 의해 상기 냉수 저장탱크로 회수시키는 제1 응축기용 물 순환관과,
양단이 상기 물 공급관에 연결되는 냉수 바이패스관과,
상기 냉수 바이패스관으로부터 바이패스되는 물을 상기 제1 압축기로 흡입되는 냉매와 열교환시킴에 따라 상기 제1 응축기로 입수되는 온도를 낮춰 상기 제1 증발기의 증발 온도를 낮추는 열교환기와,
상기 열교환기의 입수단 쪽에 배치되어 상기 냉수 바이패스관에 설치되는 제1 냉수용 전자 밸브와,
상기 열교환기의 출수단 쪽에 배치되어 상기 냉수 바이패스관에 설치된 제2 냉수용 전자밸브와,
상기 냉수 바이패스관의 입수단과 출수단 사이에 배치되어 상기 물 공급관에 설치되는 제3 냉수용 전자밸브를 포함하며,
상기 제어기는 상기 제1 출수 온도센서에 의해 측정된 물 온도가 설정치 초과이면 상기 제3 냉수용 전자 밸브를 폐쇄 동작시키면서 상기 제1,2 냉수용 전자 밸브를 개방 동작시킴에 따라 상기 열교환기로 물을 순환시켜 상기 제1 압축기로 흡입되는 냉매와 열교환시키는 것을 특징으로 하는 브라인 칠러.
삭제
제1항에 있어서,
양단이 상기 제1 압축기의 냉매 출구단과 상기 제1 증발기의 냉매 입구단에 연결된 제1 냉매 바이패스관과,
상기 제1 냉매 바이패스관에 설치된 제1 팽창 탱크와,
상기 제1 팽창 탱크의 냉매 입구단 쪽에 배치되어 상기 제1 냉매 바이패스관에 설치되는 제1 냉매용 전자 밸브, 및
상기 제1 팽창 탱크의 냉매 출구단 쪽에 배치되어 상기 제1 냉매 바이패스관에 설치된 제2 냉매용 전자밸브를 포함하며;
상기 제어기는 상기 제1 압축기로부터 토출되는 냉매의 토출 압력이 설정치 초과이면 상기 제1 냉매용 전자 밸브를 개방 동작시키면서 상기 제2 냉매용 전자 밸브를 폐쇄 동작시켜 냉매를 상기 제1 팽창 탱크로 바이패스시키며, 상기 제1 압축기로부터 토출되는 냉매의 토출 압력이 설정치 이하이면 상기 제1 냉매용 전자 밸브를 폐쇄 동작시키면서 상기 제2 냉매용 전자 밸브를 개방 동작시켜 상기 제1 팽창 탱크의 압력을 낮추는 것을 특징으로 하는 브라인 칠러.
제1항 또는 제3항에 기재된 브라인 칠러;
온수 저장탱크;
이산화탄소 냉매를 압축시키는 제2 압축기;
상기 온수 저장탱크로부터 공급되는 물을 상기 제2 압축기로부터 공급받은 냉매와 열교환시켜 가열한 후 상기 온수 저장탱크로 배출하는 제2 응축기;
상기 제2 응축기를 거쳐 응축된 냉매를 공급받아 감압하는 제2 팽창밸브;
상기 제2 팽창밸브를 거쳐 감압된 냉매를 공급받아 증발시킨 후 상기 제2 압축기로 배출하는 제2 증발기;
상기 브라인 칠러의 냉수 저장탱크에 저장된 물을 상기 제2 증발기로 공급해서 상기 제2 증발기 내의 냉매와 열교환시키는 냉수 공급부; 및
상기 제2 팽창밸브로부터 상기 제2 증발기로 공급되는 냉매의 증발 온도를 측정하는 제2 증발 온도센서;를 포함하며,
상기 제어기는 상기 제2 증발 온도센서로부터 측정된 정보를 기반으로, 상기 냉수 공급부를 제어해서 상기 제2 증발기로 공급되는 물 공급량을 조절함에 따라 냉매의 증발 온도를 설정치로 변경하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 복합 사이클 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제2 압축기로부터 토출되는 냉매의 토출 온도를 측정하는 토출 온도센서를 포함하며;
상기 제어기는 상기 토출 온도센서로부터 측정된 정보를 기반으로, 냉매의 증발 온도를 변경시켜 토출 온도를 설정치 이하로 유지시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 복합 사이클 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제2 응축기로부터 상기 온수 저장탱크로 출수되는 물 온도를 측정하는 제2 출수 온도센서, 및
상기 온수 저장탱크와 제2 응축기를 순환하는 물 순환량을 조절하는 응축기용 유량 제어 밸브를 포함하며;
상기 제어기는 상기 제2 출수 온도센서로부터 측정된 정보를 기반으로, 상기 응축기용 유량 제어 밸브를 제어해서 상기 온수 저장탱크로부터 외부로 출탕되는 물 온도를 설정 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 복합 사이클 시스템.