KR19990027477A - 터보냉동기의 서징 방지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보냉동기의 개선된 서징 방지장치를 개시한다.

종래에는 응축기와 증발기간에 별도의 바이패스 밸브를 구비하여 압축기의 베인 개도에 따라 냉매가스의 일부를 증발기로 바이패스 시킴으로써 냉매량 감소에 따른 서징을 방지하였는데, 이는 터보냉동기의 제작시 일체로 제작되어 추가설치나 제거가 불가능하였다.

본 발명에서는 냉매라인을 통해 상호 순차적으로 연결되어 냉매를 순환시키는 압축기, 응축기, 유량 조절 오리피스 및 증발기와, 응축기의 냉각수코일과 냉각수라인을 통해 연결되는 냉각탑과, 증발기의 냉수코일과 냉수라인을 통해 연결되는 공기조절유닛을 구비하는 터보냉동기에 있어서, 응축기로 공급되는 냉각수와 공기조절유닛으로 공급되는 냉수의 일부를 선택적으로 열교환시키는 온도 조절 열교환기와, 냉각수라인과 온도 조절 열교환기를 상호 연결하여 온도 조절 열교환기로 냉각수의 일부를 분기시키는 보조 냉각수라인과, 냉수라인과 온도 조절 열교환기를 상호 연결하여 온도 조절 열교환기로 냉수의 일부를 분기시키는 보조 냉수라인과, 보조 냉수라인의 입구측에 설치되어 온도 조절 열교환기에 대한 냉수의 흐름을 제어하는 냉수량 제어 밸브를 구비하여 터보냉동기에 대해 착탈 가능토록 구성함으로써 냉방부하에 관계없이 정상부하 상태로 운전하면서도 서징이 발생되지 않도록 하였으며, 필요에 따라 자유롭게 추가설치 또는 제거할 수 있도록 하였다.

Description

터보냉동기의 서징 방지장치

본 발명은 냉각탑(cooling tower)을 이용하는 대용량의 터보냉동기(turbo chiller)에 관한 것으로, 더 상세하게는 냉동부하의 감소에 따른 압축기(compressor)의 서징(surging)현상을 방지하는 장치에 관한 것이다.

주지하다시피 터보냉동기는 통상의 냉동사이클(cooling cycle)을 이용하는 대용량의 공기조절장치로, 냉매(冷媒)의 상태변화에 따른 기화열(氣化熱)에 의해 냉각작용을 수행하게 된다. 이에 따라 터보냉동기는 특히 대형건물등의 중앙냉방장치에주로 사용되고 있다.

도 1에는 이러한 터보냉동기의 종래의 구성을 개략적으로 도시하였다. 이것은 원심식 압축기(P)에서 고온 고압으로 압축된 냉매가스가 냉매라인(line:L1)을 따라 응축기(condenser:C)의 쉘(shell)로 유입되고, 그 쉘내의 냉각수코일과 냉각탑(T) 사이에서 냉각수라인(L2,L3)을 따라 순환하는 냉각수와의 열교환에 의해 액화된다. 액화된 냉매는 유량 조절 오리피스(flow control orifice:F)를 통해 증발기(evaporator:E)의 쉘로 유입되고, 그 쉘내의 냉수코일과 공기조절유닛(air handling unit:A) 사이에서 냉수라인(L4,L5)을 따라 순환하는 냉수와의 열교환으로 기화됨으로써 냉각된 뒤 압축기(P)로 유입된다. 이에 따라 차가워진 냉수가 공기조절유닛(A)에서 공기와의 열교환에 의해 공기를 냉각시키고, 이 냉기를 덕트(duct:도시하지 않음)를 통해 각 룸(room)으로 공급함으로써 건물을 냉방하게 된다.

한편 이러한 터보냉동기를 봄이나 가을 등 그 전체성능이 필요치 않을때에 운전할 경우에는 외부온도가 그다지 높지 않기 때문에 냉방성능을 적절히 감소시켜 운전하게 된다. 이를 위해 종래에는 설정온도에 따라 압축기(P)의 베인(vane) 개도를 축소시켜 압축기(P)에 대한 냉매유입량을 적절히 감소시킴으로써 그 냉방능력을 감소 운전하고 있다.

그런데 이 경우 압축기(P)에서는 냉매의 유량감소에 의해 그 계(係)가 자려진동(自勵振動)을 일으켜 특유의 일정한 주기로 토출압력 및 토출량이 변동하는 이른 바 서징(surging)현상이 발생하게 된다. 이로 인해 압축기(P)내에서 냉매의 역류가 일어나 그 입,출구측의 압력차가 크게 변하고, 소음진동이 발생할 뿐만 아니라 압축기(P)로 흡입되는 냉매유량이 큰 폭으로 증감되어 모터(motor)의 전류치가 크게 변동하는 등 시스템이 상당히 불안정해지게 된다.

이에 따라 종래에는 응축기(C)와 증발기(E)를 별도의 바이패스라인(L6)으로 직접 연결하고, 이 바이패스라인(L6)에 압축기(P)의 베인과 링크(link)로 연결되는 바이패스 밸브(V)를 구비하여, 베인의 개도 감소에 따라 바이패스 밸브(V)가 동시에 열려 고압의 가스냉매 일부를 증발기(E)로 바이패스 시킴으로써 냉매량 감소에 따른 압축기(P)의 서징을 방지하고 있다.

그러나 이러한 바이패스 밸브(V)는 터보냉동기의 제작시 일체로 제작되는 것이므로 터보냉동기의 설치후 추가설치나 삭제가 불가능한 문제가 있었다. 이로 인해 바이패스 밸브(V)를 구비하지 않은 터보냉동기가 실제 설치되어 여름철 운전을 하고난 후 봄, 가을 등의 운전시에 서징을 일으킬 경우 별다른 대책이 없을 뿐 아니라 봄, 가을 운전이 필요치 않을 경우에는 불필요한 장치의 구비로 원가상승을 유발하게 된다. 또한 냉방부하량에 따라 압축기(P)의 베인 개도가 자동으로 조절되도록 구성해야 함과 함께 별도의 바이패스 밸브(V)를 구비해야 하므로 시스템의 구성이 상당히 어렵고 복잡해지게 된다.

한편 별도로 도시하지는 않았으나 압축기(P)에 그 회전수를 조절하는 인버터(inverter)를 구비하여, 냉방능력의 감소시 유량감소에 따라 압축기(P)의 회전수를 낮춤으로써 서징을 방지하고 있기도 하나, 이 역시 냉방부하량에 따라 압축기(P)의 베인 개도가 조절되도록 구성해야 함은 물론 고가의 인버터 장치가 소요되므로 터보냉동기의 구성이 복잡해지고 원가가 크게 상승하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 종래의 문제들을 감안하여 냉매의 유량을 감소시키지 않고서도 요구되는 냉방부하에 따라 냉방능력을 적절히 감소시킬 수 있으며, 필요에 따라 자유롭게 설치 및 제거할 수 있는 터보냉동기의 서징 방지장치를 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 터보냉동기의 서징 방지장치는, 냉매라인을 통해 상호 순차적으로 연결되어 냉매를 순환시키는 압축기, 응축기, 유량 조절 오리피스 및 증발기와, 응축기의 냉각수코일과 냉각수라인을 통해 연결되는 냉각탑과, 증발기의 냉수코일과 냉수라인을 통해 연결되는 공기조절유닛을 구비하는 터보냉동기에 있어서, 응축기로 공급되는 냉각수와 공기조절유닛으로 공급되는 냉수의 일부를 선택적으로 열교환시키는 온도 조절 열교환기(heat exchanger)와, 냉각수라인과 온도 조절 열교환기를 상호 연결하여 온도 조절 열교환기로 냉각수의 일부를 분기시키는 보조 냉각수라인과, 냉수라인과 온도 조절 열교환기를 상호 연결하여 온도 조절 열교환기로 냉수의 일부를 분기시키는 보조 냉수라인과, 보조 냉수라인의 입구측에 설치되어 온도 조절 열교환기에 대한 냉수의 흐름을 제어하는 냉수량 제어 밸브를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 한 바람직한 특징에 의하면, 냉수량 제어 밸브가 증발기로부터 유출되는 냉수의 출구온도에 연동하여 작동되는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)로 구성된다.

본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 온도 조절 열교환기가 판형 열교환기(plate heat exchanger)로 구성된다.

본 발명의 또다른 바람직한 특징에 의하면, 온도 조절 열교환기가 냉각수라인 및 냉수라인에 대해 착탈 가능하게 결합되어 필요에 따라 선택적으로 설치된다.

이에 따라 본 발명은, 봄이나 가을 등에 압축기로 유입되는 냉매량을 감소시키지 않고서도 요구되는 냉방부하에 따라 터보냉동기의 냉방능력을 적절히 감소시킬 수 있어 냉매량 감소에 따른 압축기의 서징을 근본적으로 방지할 수 있게 됨은 물론 필요에 따라 추가설치 및 삭제할 수 있게 되므로 터보냉동기의 안정성과 신뢰성 및 사용의 편의성 향상 등에 큰 효과를 발휘하게 된다.

도 1은 종래 서징 방지장치를 보인 터보냉동기의 개략적인 시스템도,

도 2는 본 발명에 의한 서징 방지장치를 구비한 터보냉동기의 개략적인 시스템도,

도 3은 본 발명의 작동을 보인 요부 발췌도들이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

P : 압축기(compressor) C : 응축기(condenser)

E : 증발기(evaporator)

F : 유량 조절 오리피스(flow control orifice)

L2 : 냉각수 라인(line) L5 : 냉수 라인

L7 : 보조 냉각수 라인 L8 : 보조 냉수 라인

H : 온도 조절 열교환기 S : 냉수량 제어 밸브

이와 같은 본 발명의 구체적 특징과 다른 이점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.

도 2에서, 본 발명에 의한 터보냉동기는 냉매를 고온 고압으로 압축시키는 원심식 압축기(P)와, 압축된 냉매를 액화시키는 쉘 튜브(tube)형 응축기(C)와, 액상 냉매를 저온 저압의 액체로 변화시키는 유량 조절 오리피스(F) 및 이 저압의 액상 냉매를 기화시키는 쉘 튜브형 증발기(E)가 냉매라인(L1)에 의해 순차적으로 연결된다.

응축기(C)에는 냉매가스와 열교환하는 냉각수를 외기와의 열교환으로 냉각시키는 냉각탑(T)이 냉각수라인(L2,L3)을 통해 그 쉘내의 냉각수코일과 연결되고, 증발기(E)에는 저압의 액냉매와 열교환하는 냉수를 내기와 열교환시켜 냉기를 발생시키는 공기조절유닛(A)이 냉수라인(L4,L5)을 통해 그 쉘내의 냉수코일과 연결된다.

한편 본 발명의 특징에 따라 터보냉동기의 소정위치에는 요구되는 냉방부하량의 감소에 따라 냉각수와 냉수의 일부를 선택적으로 열교환시킴으로써 공기조절유닛(A)으로 공급되는 냉수의 온도를 적절히 감소시키는 온도 조절 열교환기(H)가 구비된다. 이를 위해 본 발명 온도 조절 열교환기(H)는 냉각탑(T)으로부터 응축기(C)로 냉각수를 공급하는 냉각수라인(L2)에서 분기된 보조 냉각수라인(L7) 및 증발기(E)로부터 공기조절유닛(A)으로 냉수를 공급하는 냉수라인(L5)에서 분기된 보조 냉수라인(L8)을 통해 냉각수와 냉수의 일부를 각각 공급받는다.

이러한 온도 조절 열교환기(H)는 요구되는 냉방부하량의 감소시에만 작동하게 되는 바, 예를들어 보조 냉수라인(L8)의 입구측에는 온도 조절 열교환기(H)에 대한 냉수의 흐름을 제어하는 냉수량 제어 밸브(S)가 구비된다. 경주에 따라서는 보조 냉각수 라인의 입구측에도 설치가능한 이 냉수량 제어 밸브(S)는 바람직하기로 증발기(E)에서 배출되는 냉수의 출구온도에 연동하여 작동되는 솔레노이드 밸브로 구성될 수 있다.

한편 온도 조절 열교환기(H)는 여러 가지 형태로 구성될 수 있는데, 예를들어 쉘형으로 구성되어 냉각수 및 냉수를 직접 혼합에 의해 열교환시킬 수 있으나, 이 경우 우수한 열교환효율을 보장할 수 있는데 반해 양자의 수질이 동일해야 하므로 사실상 불가능하게 된다. 또한 쉘 튜브형으로 구성할 수 있으나, 이 경우 장치의 크기가 클 뿐 아니라 열교환효율이 낮아지게 된다. 이에 따라 본 발명 온도 조절 열교환기(H)는 크기가 작고, 열손실이 적으면서도 열교환효율이 상대적으로 우수한 판형 열교환기로 구성되는 것이 바람직할 것이다.

이와 같은 본 발명 온도 조절 열교환기(H)는 예컨대, 봄이나 가을등 터보냉동기의 전체용량이 필요치 않을 경우에만 사용하는 것인 바, 바람직하기로 냉각수라인(L2) 및 냉수라인(L5)에 대해 착탈 가능하게 결합되어 필요시에만 선택적으로 장착하여 사용할 수 있도록 구성된다. 이는 반대로 불필요할 경우 터보냉동기로부터 제거할 수도 있다는 의미이기도 하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 터보냉동기의 작동을 도 3을 병행하여 설명하기로 한다.

도 2 및 도 3에서, 먼저 여름철등 터보냉동기가 정상부하 상태로 운전될 경우에는 압축기(P)에서 압축된 냉매가스는 냉매라인(L1)을 통해 응축기(C)의 쉘로 유입되고, 냉각수라인(L2,L3)을 통해 그 냉각수코일과 냉각탑(T) 사이에서 순환되는 냉각수와 열교환하여 액화된다. 이때 도 3a에 도시한 바와 같이 냉각수의 일부는 보조 냉각수라인(L7)을 통해 온도 조절 열교환기(H)를 경유하여 응축기(C)의 쉘로 유입된다. 이어서 고압의 액냉매는 유량 조절 오리피스(F)를 통해 저압의 액냉매로 변한 뒤 증발기(E)의 쉘로 유입되고, 냉수라인(L4,L5)을 통해 그 냉수코일과 공기조절유닛(A) 사이에서 순환하는 냉수와 열교환하여 기화된 뒤 압축기(P)로 유입된다. 이때 보조 냉수라인(L8)의 입구측에 설치된 냉수량 제어 밸브(S)는 닫힌상태로 있게 되어 온도 조절 열교환기(H)에는 냉수가 흐르지 않게 된다. 이에 따라 증발기(E)에서 냉각된 냉수가 온도 변화없이 그대로 공기조절유닛(A)으로 공급되어 공기와 열교환함으로써 이를 냉각시키고, 냉각된 공기가 덕트(도시하지 않음)를 통해 냉방할 장소로 토출됨으로써 정상적인 냉방을 수행하게 된다.

한편 봄이나 가을등 요구되는 냉방부하가 감소되어 터보냉동기의 전체성능이 필요치 않을 경우에도 종래와 달리 정상부하 상태와 마찬가지로 동일한 냉매량이 압축기(C)로 유입되어 운전된다. 이때 본 발명은 제어부가 설정온도 대비 증발기(E)로부터 배출되는 냉수의 출구온도에 따라 보조 냉수라인(L8)의 냉수량 제어 밸브(S)를 적절히 개방시키게 된다. 그러면 도 3b에 도시한 바와 같이, 증발기(E)로부터 배출된 냉수의 일부가 보조 냉수라인(L8)을 통해 본 발명 온도 조절 열교환기(H)를 경유하게 되고, 이에 따라 냉수의 일부가 온도 조절 열교환기(H)에서 보조 냉각수라인(L7)을 통해 유입되는 냉각수의 일부와 열교환하게 됨으로써 그 온도가 출구온도에 비해 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서 공기조절유닛(A)으로 공급된 냉수와 열교환하여 냉각된 공기의 온도 역시 적절히 낮아져 요구되는 부하량에 따라 냉방능력이 감소하게 된다.

이때 본 발명의 터보냉동기는 냉매량이 감소되지 않으므로 냉방부하 감소에도 불구하고 종래와 같은 압축기(P)의 서징현상이 전혀 발생되지 않는다.

이상에서 본 발명 온도 조절 열교환기(H)가 터보냉동기에 장착된 상태로 설명하였으나, 이는 단순한 예시의 목적일 뿐이며, 그 운전조건에 따라 간단히 착탈하여 사용할 수도 있음은 물론이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 요구되는 냉방부하량에 관계없이 동일한 냉매량에 의해 정상적으로 운전하면서도 그 냉방능력을 적절히 변화시킬 수 있게 되므로, 종래와 같이 냉방부하 감소에 따른 냉매량 감소로 발생되는 압축기의 서징현상을 근본적으로 방지할 수 있게 된다. 또한 터보냉동기와 별도로 필요에 따라 자유롭게 착탈할 수 있어 터보냉동기의 제작성을 향상시킨다. 따라서 본 발명은 터보냉동기의 안정성과 신뢰성 등을 크게 향상시킬 수 있음은 물론 원가절감에도 기여하는 우수한 효과가 있다.

Claims (5)

1. 냉매라인을 통해 상호 순차적으로 연결되어 냉매를 순환시키는 압축기, 응축기, 유량 조절 오리피스 및 증발기와, 상기 응축기의 냉각수코일과 냉각수라인을 통해 연결되는 냉각탑과, 상기 증발기의 냉수코일과 냉수라인을 통해 연결되는 공기조절유닛을 구비하는 터보냉동기에 있어서,

   상기 응축기(C)로 공급되는 냉각수와 상기 공기조절유닛(A)으로 공급되는 냉수의 일부를 선택적으로 열교환시키는 온도 조절 열교환기(H)와,

   상기 냉각수라인(L2)과 상기 온도 조절 열교환기(H)를 상호 연결하여 상기 온도 조절 열교환기(H)로 냉각수의 일부를 분기시키는 보조 냉각수라인(L7)과,

   상기 냉수라인(L5)과 상기 온도 조절 열교환기(H)를 상호 연결하여 상기 온도 조절 열교환기(H)로 냉수의 일부를 분기시키는 보조 냉수라인(L8)과,

   상기 보조 냉수라인(L8) 또는 보조 냉각수라인(L7)의 입구측에 설치되어 상기 온도 조절 열교환기(H)에 대한 냉수의 흐름을 제어하는 냉수량 제어 밸브(S)를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 서징 방지장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉수량 제어 밸브(S)가 상기 증발기(E)로부터 유출되는 냉수의 출구온도에 연동하여 작동되는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 서징 방지장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 냉수량 제어 밸브(S)가 솔레노이드 밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 서징 방지장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 온도 조절 열교환기(H)가 판형 열교환기로 구성되는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 서징 방지장치.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 온도 조절 열교환기(H)가 상기 냉각수라인(L7) 및 냉수라인(L8)에 대해 착탈 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 서징 방지장치.