KR20020016545A - 커플링 유체 안정화 회로를 갖는 냉동 시스템 - Google Patents

커플링 유체 안정화 회로를 갖는 냉동 시스템 Download PDF

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KR20020016545A
KR20020016545A KR1020010050918A KR20010050918A KR20020016545A KR 20020016545 A KR20020016545 A KR 20020016545A KR 1020010050918 A KR1020010050918 A KR 1020010050918A KR 20010050918 A KR20010050918 A KR 20010050918A KR 20020016545 A KR20020016545 A KR 20020016545A
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단테패트릭 보나퀴스트
케네쓰카이 옹
리차드아모리 빅터
베이람 아르맨
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조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 냉동이 냉동 회로에 의해 비교적 일정한 양으로 발생되어, 안정화 보존기를 갖는 커플링 유체 안정화 회로를 사용하여 냉동 로우드로의 전달을 위해 커플링 유체로 이동되는 냉동 시스템에 관한 것이다.

Description

커플링 유체 안정화 회로를 갖는 냉동 시스템 {REFRIGERATION SYSTEM WITH COUPLING FLUID STABILIZING CIRCUIT}
본 발명은 일반적으로 냉동에 관한 것으로, 특히 변하기 쉬운 요구량을 갖는냉동 적용에 사용하기에 유용하다.
냉동은 화학, 식품 및 약제 제조 뿐만 아니라 기타 물질 처리 산업에서 중요하다. 일반적으로 냉동은 증기 압축 냉동 회로를 사용하여 이루어지며, 여기에서 냉매 유체는 압축되고, 냉각되고, 팽창되어 냉동된 후, 가온되어 냉동 로우드(refrigeration loads)에 냉동을 공급한다.
일부 냉동 로우드가 비교적 변하지 않는 냉동 요구량을 가질지라도, 많은 냉동 로우드는 시간에 따라 증가하고 감소하는 냉동 요구량을 갖는다. 효율 면에서, 냉동 로우드에 공급되는 냉동의 양을 변화시켜, 변하기 쉬운 냉동 요구량을 갖는 냉동 로우드의 냉동 요구량과 조화시키는 것이 바람직하다.
이러한 문제를 해결하는 한 가지 방법은 냉동 회로내에서 냉매 유체의 순환율을 조절함으로써 냉동 회로의 냉동량을 조정하는 것이다. 불행하게도, 냉동 회로는 연속적으로 조작되는 경우와 최대 용량 및 그 전후에서가 가장 효율적이다. 이러한 문제를 해결하는 또 다른 방법은 액체 질소 또는 액체 이산화탄소와 같은 극저온 액체를 사용하여, 필요한 경우 냉동 로우드에 냉동 회로에 의해 제공된 냉동을 증대시키는 것이다. 그러나, 이 방법은 한제(cryogen)의 비용으로 인해 비용이 많이 든다.
본 발명의 목적은 변하는 냉동 요구량을 갖는 냉동 로우드에 냉동을 효과적으로 제공하기 위한 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 냉동 회로가 밸브 팽창을 이용하여 냉동을 발생시키는 본 발명의 바람직한 구체예의 개략도이다.
도 2는 냉동 회로가 터보 팽창을 이용하여 냉동을 발생시키는 본 발명의 바람직한 구체예의 개략도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명
1: 압축기 3: 냉각기
4: 냉매 열교환기 5: 커플링 유체 열교환기
6: 주울-톰슨 트로틀(Joule-Thompson throttle) 밸브
7: 냉동 로우드 8: 펌프
9: 안정화 보존기 10, 11, 12: 밸브
13: 서지(surge) 드럼
본원의 판독시에 당업자들에게 자명해질 상기 및 기타 목적들은 본 발명에 의해 수득된다.
본 발명의 한 가지 일면은 냉동 로우드에 냉동을 제공하는 방법으로서,
(A) 냉매 유체를 압축시키고, 압축된 냉매 유체를 냉각시키고, 냉각된 냉매 유체를 팽창시켜 냉동을 발생시키는 단계;
(B) 커플링 유체와의 간접 열교환에 의해 냉각된 냉매 유체를 가온시켜 가온된 냉매 유체와 냉각된 커플링 유체를 생성시키는 단계;
(C) 냉각된 커플링 유체를 가온시켜 냉동 로우드에 냉동을 제공하는 단계; 및
(D) 일부 냉각된 커플링 유체를 안정화 저장기내로 주기적으로 이동시키고, 일부 냉각된 커플링 유체를 안정화 저장기로부터 냉동 로우드에 주기적으로 이동시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 일면은 냉동 로우드에 냉동을 제공하는 장치로서,
(A) 압축기, 냉매 열교환기, 팽창기, 냉매 유체를 압축기에서 냉매 열교환기로 이동시키는 수단, 및 냉매 유체를 냉매 열교환기에서 팽창기로 이동시키는 수단;
(B) 냉동 로우드, 커플링 유체 열교환기, 냉매 유체를 팽창기에서 커플링 유체 열교환기로 이동시키는 수단;
(C) 커플링 유체를 커플링 유체 열교환기에서 냉동 로우드로 이동시키는 수단, 및 커플링 유체를 냉동 로우드에서 커플링 유체 열교환기로 이동시키는 수단;및
(D) 안정화 보존기, 커플링 유체를 커플링 유체 열교환기에서 안정화 보존기내로 이동시키는 수단, 및 커플링 유체를 안정화 보존기에서 냉동 로우드로 이동시키는 수단을 포함하는 장치에 관한 것이다.
본원에서 사용되는 용어 "간접 열교환"은 두가지 유체가 어떠한 물리적 접촉 또는 서로 간의 유체 혼합없이 열교환 관계를 갖게 되는 것을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "팽창"은 압력에서 감소를 수행하는 것을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "팽창기"는 유체의 팽창을 수행하기 위한 장치를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "압축기"는 유체의 압축을 수행하기 위한 장치를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "다성분 냉매 유체"는 2종 이상을 포함하는 유체로서, 냉동을 발생시킬 수 있는 유체를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "냉동"은 이차 주위 온도 시스템으로부터 열을 거로우드는 용량을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "터보팽창" 및 "터보팽창기"는 각각 터빈을 통해 고압 유체의 흐름이 유체의 압력과 온도를 감소시킴으로써 냉동을 발생시키는 방법 및 장치를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "냉동 유체"는 온도, 압력 및 가능하게는 상 변화를 일으켜서 저온에서 열을 흡수하고 고온에서는 열을 거로우드는 냉동 공정중에 작업유체로서 사용되는 순수 성분 또는 혼합물을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "가변성 로우드 냉매"는 성분들중 액체상이 혼합물의 기포점과 이슬점 사이에서 지속적이고 증가하는 온도 변화를 겪는 다성분 냉매, 즉, 2종 이상의 성분의 혼합물을 의미한다. 혼합물의 기포점은, 혼합물이 전부 액체상으로 존재하나 열을 가하면 액체상과 평형을 이루는 증기상의 형성이 개시되는 특정 압력에서의 온도이다. 혼합물의 이슬점은, 혼합물이 전부 증기상으로 존재하나 열을 축출하면 증기상과 평형을 이루는 액체상의 형성이 개시되는 특정 압력에서의 온도이다. 따라서, 혼합물의 기포점과 이슬점 사이의 온도 영역은 액체상 및 증기상 둘 모두가 평형한 상태로 공존하는 영역이다. 본 발명의 실시에서, 다성분 냉각 유체의 기포점과 이슬점 사이의 온도차는 일반적으로 10℃ 이상, 바람직하게는 20℃ 이상, 매우 바람직하게는 50℃ 이상이다.
본원에서 사용되는 용어 "냉동 로우드"는 에너지의 감소, 또는 열 제거, 온도 감소를 필요로 하는 스트림 또는 물체를 의미한다.
본 발명은 이제 도면을 참조로 하여 설명될 것이다. 도 1에 있어서, 냉매 유체(100)은 압축기(1)을 통과함으로써 일반적으로 30 내지 1000psia(pounds per square inch absolute)의 압력으로 압축된다. 압축된 냉매 유체(110)은 냉각기(3)에서 압축열로 냉각되며, 부분적으로 응축될 수 있으며, 그후 스트림(130)으로 냉매 열교환기(4)로 이동한다. 냉매 열교환기(4)에서, 냉매 유체는 하기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 가온되는 냉매 유체와의 간접 열교환에 의해 냉각되고, 완전히 응축될 수 있다. 냉각된 냉매 유체는 냉매 열교환기(4)로부터 배출되어스트림(140)으로 팽창기(도 1에 예시된 본 발명의 구체예에서 주울-톰슨 트로틀 (Joule-Thompson throttle) 밸브(6)이다)로 이동한다. 냉매 유체는 팽창기를 통과함으로써 팽창되어 냉동된다. 냉동된 냉매 유체(150)(일반적으로 2상 유체)는 커플링 유체 열교환기(5)로 이동하여, 여기에서 하기에서 더욱 자세하게 설명되는 바와 같이, 커플링 유체와의 간접 열교환에 의해 가온된다. 가온된 냉매 유체(일반적으로 열교환기(5)에 유입될 때 보다 더 큰 증기상을 갖는다)는 스트림(120)으로 커플링 유체 열교환기(5)에서 냉매 열교환기(4)로 이동한다. 냉매 열교환기(4) 내부에서, 가온된 냉매 유체는 추가로 가온되고 일반적으로 간접 열교환에 의해 전체적으로 증발되어 이전에 설명된 바와 같이 냉매 유체를 냉각시킨다. 추가로 가온된 냉매 유체는 냉매 열교환기(4)로부터 배출되어 스트림(100)으로 압축기(1)로 이동하여 냉동 회로를 완성시킨다.
효과적인 어느 냉매 유체든지 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 냉매 유체의 예로는 암모니아, R-410A, R-507A, R-134A, 프로판, R-23, 및 플루오로카르본, 히드로플루오로카르본, 히드로클로로플루오로카르본, 대기 가스 및/또는 탄화수소의 혼합물과 같은 혼합물이 포함된다.
바람직하게 본 발명의 실시예 사용되는 냉매 유체는 상이한 온도 수준에서 보다 효율적으로 냉동을 제공할 수 있는 다성분 냉매 유체이다. 다성분 냉매 유체가 본 발명의 실시에서 사용되는 경우에, 플루오로카르본, 히드로플루오로카르본, 히드로클로로플루오로카르본, 히드로에테르, 대기 가스 및 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함하는 것이 바람직하며, 예를 들어 다성분 냉매유체는 단지 2개의 플루오로카르본으로 구성될 수 있다. 바람직하게 본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉매는 가변성 로우드 냉매이다.
본 발명에 유용한 한 가지 바람직한 다성분 냉매는 바람직하게는, 플루오로카르본, 히드로플루오로카르본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 성분 및 플루오로카르본, 히드로플루오로카르본, 히드로클로로플루오로카르본, 플루오로에테르, 대기 가스 및 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 성분을 포함한다.
본 발명의 한 가지 바람직한 구체예에서, 다성분 냉매는 플루오로카르본 만으로 이루어진다. 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에서, 다성분 냉매는 플루오로카르본 및 히드로플루오로카르본 만으로 이루어진다. 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에서, 다성분 냉매는 플루오로카르본, 플루오로에테르 및 대기 가스 만으로 이루어진다. 더욱 바람직하게는, 다성분 냉매의 각 성분은 플루오로카르본, 히드로플루오로카르본, 플루오로에테르 또는 대기 가스이다.
커플링 유체(225)는 커플링 유체 열교환기(5)로 이동하여, 여기에서 이전에 설명된 바와 같이 가온되는 냉매 유체와의 간접 열교환에 의해 냉각된다. 냉각된 커플링 유체(226)(보편적으로 액체 형태이다)는 펌프(8)을 통해 스트림(201)로 펌핑되고 밸브(11)을 통해 냉동 로우드(7)로 이동하며, 여기에서 커플링 유체는 가온되어 냉동 로우드에 냉동을 제공한다. 열전달은 간접 열교환에 의해 이루어지거나 직접적인 접촉에 의해 이루어질 수 있다. 냉동 로우드는 단일의 본체를 포함하거나 다수의 별도 본체를 포함할 수 있다. 냉동 로우드는 소량의 냉동톤(12,000BTU/hr)에서 몇천의 냉동 톤일 수 있다.
본 발명은 안정화 보존기(9)를 포함하는 커플링 유체 안정화 회로를 특징으로 한다. 냉동 로우드의 냉동 요구량이 냉동 회로에 의해 효율적으로 생성되는 냉동량과 거의 균등한 경우, 안정화 회로의 밸브(10 및 12)는 폐쇄되고, 밸브(11)은 개방되어, 앞서 설명된 바와 같이 냉각된 커플링 유체는 라인(201)로 냉동 로우드(7)로 흐른다. 냉동 로우드의 냉동 요구량이 비효율적인 부용량 모드에서 냉동 회로를 조작할 때 보다 냉동 회로의 유효 냉동양 미만으로 감소하는 경우에, 밸브(11)이 부분적으로 폐쇄되고 밸브(10)이 일부 또는 전체가 개방됨으로써, 냉각된 커플링 유체의 일부를 라인(227)로 안정화 보존기(9)로 전환시킨다. 냉동 로우드의 냉동 요구량이 냉동 회로의 유효 용량 보다 크도록 증가하는 경우에, 밸브(12)가 개방되어 냉각된 커플링 유체가 라인(228)을 통해 안정화 보존기(9)로 이동하고, 밸브(11) 뿐만 아니라 밸브(12)를 통해 냉동 로우드로 이동한다. 결과적으로, 안정화 보존기(9)는 용량까지 충전되고, 밸브(10)은 폐쇄되며, 밸브(12)는 개방되어, 냉동 로우드(7)의 냉동 요구량의 일부가 안정화 보존기(9)에서의 액체 수준이 공칭 수준으로 감소할때까지 안정화 보존기로부터 공급된다. 도 1에 도시된 커플링 유체 안정화 보존기가 냉각된 커플리 유체가 냉동 로우드로 이동하는 주 라인과 연결되는 유입량과 배출량을 갖는 것으로 도시되어 있을지라도, 당업자들은 커플링 유체 안정화 회로가 커플링 유체 열교환기(5) 및/또는 냉동 로우드(7)과 바로 연결될 수 있음을 인지할 것이다. 당업자들에게 인지되는 바와 같이, 안정화 보존기로의 냉각된 커플링 유체의 이동은 주기적, 즉 간헐적이며, 안정화 보존기로부터 냉도 로우드로의 냉각된 커플링 유체의 이동도 또한 주기적이다. 안정화 보존기로의 유입의 주기는 동일하게 지속되거나 상이하게 지속될 수 있고, 일정한 패턴을 이루거나 완전히 불규칙할 수 있으며, 안정화 보존기로부터의 배출 주기의 경우에도 마찬가지이다.
도 1에 있어서, 바람직하게 스트림(202)의 가온된 커플링 유체는 냉동 로우드와의 열교환에 의해 완전히 증발된다. 결과적으로, 스트림(202)는 서지 드럼(13)으로 이동하며, 여기에서 스트림(202)의 잔여 액체는 냉동 로우드의 냉동 요구량이 그다지 낮지 않는 경우에 시스템이 과로우드되지 않도록 축적된다. 증기 커플링 유체는 스트림(203)으로 서지 드럼(13)으로부터 이동하며, 액체 커플링 유체는 스트림(200)으로 서지 드럼으로부터 이동한다. 이러한 2개의 스트림이 합쳐져서 커플링 유체 열교환기(5)에 이동하기 위한 스트림(225)를 형성하여 회로를 완성하게 된다. 바람직하게는, 본 발명의 실시에 유용한 커플링 유체는 낮은 점도, 높은 열전도성, 높은 민감성 열 및 낮은 빙점을 갖는다. 또한, 내식성, 불활성 및 비독성인 커플링 유체가 바람직하다.
본 발명의 실시에 사용될 수 있는 유용한 커플링 유체의 예로는 C5F12및 C6F14와 같은 플루오로카르본, C5H2F10, C3H3F5, C4H4F6, C4H5F5및 C3H2F6과 같은 히드로플루오로카르본, C3HCl2F5, C2HCl2F3및 C2HClF4와 같은 히드로클로로플루오로카르본, C4F9-O-C2H5, C4F9-O-CH3, 및 C3F7-O-CH3와 같은 히드로플루오로에테르, C7H16, C6H14및C5H12와 같은 탄화수소 뿐만 아니라, 비점이 비슷한 이들 성분의 혼화성 혼합물, 및 C4F9-O-C2H5와 C4F9-O-CH3의 이원 유체 및 C4F9-O-C2H5와 C2HClF4의 이원 유체와 같은 상기 성분의 공비 혼합물이 포함된다.
도 2는 본 발명의 또 다른 구체예를 예시한 것이다. 도 2의 부호는 도 1과 공통 부분에 대해서는 동일하며, 이러한 공통 부분은 다시 상세하게 설명하지 않을 것이다. 도 2에 예시된 구체예에서, 냉각된 냉매 유체(140)은 터보팽창기(60)을 통과함으로써 팽창되어 냉동되고 저압 가스(15)을 형성한다. 보편적으로 터보팽창은 도 1에 예시된 구체예와 관련하여 설명된 밸브 팽창의 경우 보다 더 많은 냉동을 발생시킨다. 터보팽창기(60)으로부터 유도된 팽창 작업은 소산되어야 한다. 이것은 브레이크, 압축기 또는 발생기와 같은 적합한 로우드 장치를 통해 수행될 수 있다. 유용한 방식으로 팽창 작업을 회수하는 장치가 바람직하다.
본 발명이 특정의 바람직한 구체예를 참조로 하여 상세하게 기술되었을지라도, 당업자들은 첨부되는 청구범위의 범위내에서 본 발명의 다른 구체예가 존재할 수 있음을 인지할 것이다.
본 발명에 따라 변하는 냉동 요구량을 갖는 냉동 로우드에 냉동을 효과적으로 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 냉동 로우드(refrigeration load)에 냉동을 제공하는 방법으로서,
    (A) 냉매 유체를 압축시키고, 압축된 냉매 유체를 냉각시키고, 냉각된 냉매 유체를 팽창시켜 냉동을 발생시키는 단계;
    (B) 커플링 유체와의 간접 열교환에 의해 냉각된 냉매 유체를 가온시켜 가온된 냉매 유체와 냉각된 커플링 유체를 생성시키는 단계;
    (C) 냉각된 커플링 유체를 가온시켜 냉동 로우드에 냉동을 제공하는 단계; 및
    (D) 일부 냉각된 커플링 유체를 안정화 저장기내로 주기적으로 이동시키고, 일부 냉각된 커플링 유체를 안정화 저장기로부터 냉동 로우드에 주기적으로 이동시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 냉매 유체가 다성분 냉매 유체임을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 냉매 유체가 가변성 로우드 냉매임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2항에 있어서, 냉매 유체가 플로오로카르본, 히드로플루오로카르본, 히드로클로로플루오로카르본, 플루오로에테르, 대기 가스 및 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상의 성분을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 커플링 유체가 2 이상의 성분을 포함하는 혼합물임을 특징으로 하는 방법.
  6. 냉동 로우드에 냉동을 제공하는 장치로서,
    (A) 압축기, 냉매 열교환기, 팽창기, 냉매 유체를 압축기에서 냉매 열교환기로 이동시키는 수단, 및 냉매 유체를 냉매 열교환기에서 팽창기로 이동시키는 수단;
    (B) 냉동 로우드, 커플링 유체 열교환기, 냉매 유체를 팽창기에서 커플링 유체 열교환기로 이동시키는 수단;
    (C) 커플링 유체를 커플링 유체 열교환기에서 냉동 로우드로 이동시키는 수단, 및 커플링 유체를 냉동 로우드에서 커플링 유체 열교환기로 이동시키는 수단; 및
    (D) 안정화 보존기, 커플링 유체를 커플링 유체 열교환기에서 안정화 보존기내로 이동시키는 수단, 및 커플링 유체를 안정화 보존기에서 냉동 로우드로 이동시키는 수단을 포함하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 팽창기가 팽창 밸브임을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6항에 있어서, 팽창기가 터보팽창기임을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 6항에 있어서, 냉매 유체를 커플링 유체 열교환에서 냉매 열교환기로 이동시키는 수단, 및 냉매 유체를 냉매 열교환기에서 압축기로 이동시키는 수단을 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 6항에 있어서, 커플링 유체를 냉동 로우드에서 커플링 유체 열교환기로 이동시키는 수단이 서지(surge) 드럼을 포함함을 특징으로 하는 장치.
KR1020010050918A 2000-08-25 2001-08-23 커플링 유체 안정화 회로를 갖는 냉동 시스템 KR20020016545A (ko)

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