KR20020078876A - 터보냉동기의 팽창기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 냉동기의 응축기에서 응축된 액냉매를 팽창시켜 증발기로 보내주는 팽창기구로 초음속 노즐을 사용하므로서 출구에서 운동에너지를 키워 증발기로 유입되는 냉매의 정엔탈피를 작게 하여 냉동기의 냉동용량에 해당하는 단위 유량당 냉매의 증발잠열을 더 얻을 수 있는 팽창기구에 관한 것이다.

본 발명은, 터보 냉동기의 응축기에서 응축된 액냉매를 팽창시켜 증발기로 보내주는 팽창기구로서,

상기 응축기와 증발기를 연결하는 냉매배관의 종단상에 냉매의 운동에너지를 키워주기 위한 한 개 혹은 다수의 초음속 노즐을 부설한 것을 특징으로 한다.

Description

터보냉동기의 팽창기구{An expansion device for turbo-chillers}

본 발명은 터보냉동기에 사용되는 팽창기구에 관한 것으로, 특히 터보 냉동기의 응축기에서 응축된 액냉매를 팽창시켜 증발기로 보내주는 팽창기구로 초음속 노즐을 사용하므로서 출구에서 운동에너지를 키워 증발기로 유입되는 냉매의 정엔탈피를 작게 하여 냉동기의 냉동용량에 해당하는 단위 유량당 냉매의 증발잠열을 더 얻을 수 있는 팽창기구에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 단단 압축방식 터보냉동기의 구성도이다. 증발기(2)에서 증발된 냉매가스는 터보압축기(3)에서 압축되어 고온,고압의 가스가 되어 응축기(4)로 보내진다. 냉매가스는 응축기(4)에서 응축되어 액상이 되고 이 액냉매를 응축기 (4) 바닥에서 추기하여 오리피스(1)에서 팽창하고 온도 및 압력강하가 일어난다. 팽창된 냉매는 액상과 기상이 혼재하는 상태로 증발기로 유입된다.

종래에는 팽창기구로 구조가 간단한 오리피스(혹은 밸브) 교축장치를 사용하거나 터빈과 같은 등엔트로피 팽창기구를 사용하여 왔다. 이는 구조가 간단하고 설계가 쉬운 팽창기구로 터보냉동기에 가장 널리 사용되고 있다.

그러나, 등엔탈피 교축과정을 거치므로 팽창전후의 엔탈피값이 같기 때문에 증발기에서 냉매의 증발잠열이 터빈형 팽창기구에 비해 작다. 터빈형 팽창기구는 냉매를 등엔트로피 과정으로 팽창시켜 줌으로써 증발기로 유입되는 냉매의 엔탈피가 낮아 등엔탈피 팽창에 비해 증발열량을 많이 얻을 수 있고, 터빈의 축일을 회수할 수 있으므로 효율면에서 유리하지만, 설계가 까다롭고 장치가 추기되어 경제적으로 불리하다.

따라서 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 터보 냉동기의 응축기에서 응축된 액냉매를 팽창시켜 증발기로 보내주는 팽창기구로 초음속 노즐을 사용하므로서 출구에서 운동에너지를 키워 증발기로 유입되는 냉매의정엔탈피를 작게 하여 냉동기의 냉동용량에 해당하는 단위유량당 냉매의 증발잠열을 더 얻을 수 있는 팽창기구를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,

터보 냉동기의 응축기에서 응축된 액냉매를 팽창시켜 증발기로 보내주는 팽창기구로서,

상기 응축기와 증발기를 연결하는 냉매배관의 종단상에 냉매의 운동에너지를 키워주기 위한 한 개 혹은 다수의 초음속 노즐을 부설한 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 팽창기구를 사용한 터보냉동기의 구성도이고,

도 2는 본 발명의 팽창기구를 사용한 터보냉동기의 구성도이고,

도 3은 본 발명의 팽창기구와 종래 팽창기구를 조합한 터보냉동기의 구성도이고,

도 4는 본 발명의 팽창기구를 사용한 터보냉동기의 냉동싸이클선도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 팽창밸브 2 : 증발기

3 : 터보압축기 4 : 응축기

5 : 초음속 노즐

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 구성은 도 2에 나타난 바와 같다. 도 1에서와 마찬가지로 도 2는 터보냉동기의 구성도로서 증발기(2)와 터보압축기(3) 및 응축기(4)로 구성되며, 팽창기구는 초음속 노즐(5)이 사용된다.

이때 통상 사이클 배관손실에 의해 초음속 노즐(5)입구에서 냉매의 상태는 액냉매와 가스가 혼재한 이상 유동의 형태가 된다. 초음속 노즐(5)입구에서 냉매가스와 액이 균일하게 섞인 상태라고 가정하면 입구에서 음속은 온도 및 건도에 따라 결정된다. 초음속 노즐(5)의 출구에서 증발기(2)로 분사되는 냉매의 속도는 고속일수록 정엔탈피 값이 작아지므로 증발잠열을 많이 얻을 수 있으나 증발기(2) 내에서 냉매액 비산의 우려가 있으므로 증발기(2)의 측면에서 횡방향으로 설치함이 바람직하다.

초음속 노즐(5)에서 분사되는 액냉매의 속도를 60㎧로 설계한다고 가정하고, R134a 냉매를 매질로 하는 상용터보 냉동기의 경우 응축기(4)내의 응축속도는 40℃정도이고, 증발기(2)의 증발온도는 5℃ 정도이다. 응축기(4)에서 초음속 노즐(5)입구까지 압력강하에 의해 노즐입구온도가 39℃라면 음속이 12.9㎧로 노즐출구에서 마하수 4.65로 노즐의 설계가 힘들다. 노즐입구온도가 30℃면 음속이 28.1㎧이며, 출구속도 60㎧를 내기 위해 출구 마하수 2.13인 노즐을 설계, 부착해야 한다. 노즐입구온도를 30℃로 하려면, 10℃의 온도강하가 필요하며 배관손실만으로 이 정도의 온도강하를 얻기 힘들어 이를 위해 별도의 오리피스를 노즐상류에 설치해야 한다.

이와 같이 냉매의 종류, 상태, 온도조건에 따라 종래 오리피스 방식 팽창기구와 노즐을 조합하여 사용해야 한다. 도 3에는 오리피스(1)와 초음속 노즐(5)을 조합하여 팽창기구를 사용한 한 예를 나타내었다.

본 발명의 작용효과는 단단 압축방식의 터보냉동기의 냉동사이클을 나타내는 도 4를 통해 설명되어 진다.

도 3에서 A는 냉매의 포화선이다. 만약 응축기(4)에서 과냉각이 없다면 응축된 냉매의 상태는 포화액이고 도 4에서 ⓐ로 표시된다. 종래의 오리피스 팽창기구를 통해 냉매를 팽창시키면 증발기(2)로 유입되는 냉매의 상태는 ⓑ가 된다. 이때 증발기(2)에서 가용한 증발잠열, 즉 단위유량당 냉동기의 냉동용량은 B로 표시된다. 만약 터빈을 이용하여 응축기(4)의 액냉매를 팽창시키면, 증발기(2)로 유입될 때 상태 ⓓ가 된다. 이때 증발기(2)에서 사용한 증발잠열은 D로 표시된다.

본 발명의 내용과 같이 초음속 노즐(5)을 사용한 팽창기구를 사용하면 증발기로 유입되는 냉매의 상태는 ⓐ와 ⓑ사이의 한 점 ⓒ가 될 것이다. 증발기에서 가용한 증발잠열은 C로 표시하면, B<C<D와 같은 관계가 성립된다.

다음의 설계예에서 본 발명의 효과를 정량적으로 설명할 수 있다.

<설계조건>

냉매 : R134a

응축기 냉매의 응축온도 : 40℃

증발기 냉매의 증발온도 : 5℃

오리피스를 이용한 팽창기구를 적용한 터보냉동기에서 B=144.86kJ/㎏이다.

터빈을 이용한 팽창기구를 적용한 터보냉동기에서 D=148.3kJ/㎏(E에 비해 2.4%증가)이다.

본 발명의 팽창기구를 적용한 터보냉동기에서 응축기와 초음속 노즐(5)출구까지 총엔탈피는 보존되고 노즐출구 속도를 v라고 하면 노즐 출구속도 60㎧일 때 운동에너지 2=1.8kJ/㎏이므로 C=B+1.8=146kJ/㎏(B에 비해 1.3%증가)이다.

위의 예와 같이 노즐을 적절히 설계하면, 냉동기의 증발기에서 처리할 수 있는 종래의 오리피스 방식에 비해 증발잠열을 1.3% 더 얻을 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 터보냉동기의 팽창기구에 따르면, 그 구조가 간단하고 경제적이며, 종래의 오리피스형 팽창기구에 비해 더 많은 증발잠열을 얻을 수 있어 효율적 냉동사이클을 구현할 수 있다.

Claims (4)

1. 터보 냉동기의 응축기에서 응축된 액냉매를 팽창시켜 증발기로 보내주는 팽창기구로서,

   상기 응축기와 증발기를 연결하는 냉매배관의 종단상에 냉매의 운동에너지를 키워주기 위한 한 개 혹은 다수의 초음속 노즐을 부설한 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 팽창기구.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 냉매배관에 온도강하를 위한 오리피스 팽창밸브가 더 추가된 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 팽창기구.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 초음속노즐은, 냉매 상태, 목면적, 출구속도에 따라 축소 확대 직경이 변화되는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 팽창기구.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 초음속 노즐은 고속 냉매에 의한 액 비산을 방지하기 위해 상기 증발기의 횡방향으로 노즐출구를 배치하는 것을 특징으로 하는 터보냉동기의 팽창기구.