KR200310320Y1 - 축냉축열식 히터펌프 축열 교환장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 축열식 히터펌프에 관한 것으로써, 여름철에는 축냉축열조에 축냉을 하여 실내기로 냉수를 보내어 냉방을 수행할 수 있도록 구성하고 겨울철에는 축냉축열조에 온수를 축열하여 온수로 사용하거나 난방수로 사용할 수 있도록 구성한 것으로써, 특히 직팽식 관외착빙형 빙축조를 축냉과 축열조로 이용할 수 있도록 구성하는 것은 축냉사이클과 축열사이클의 냉매량이 서로 같음에 따라 축냉사이클일때는 압축기의 토출측에 고온고압이 형성되고 축열사이클일때는 압축기의 흡입측에 저온저압이 형성되어 압축기의 운전에 많은 지장을 초래한다.

본 고안은 증발기를 냉매열교환기로 구성하고 축냉축열조의 전열코일 내부에는 냉매열교환기에서 냉매와 열교환한 브라인을 순환하게 함으로써 히터펌프시스템을 이용한 축냉축열시스템을 제공하는 것이다.

Description

축냉축열식 히터펌프 축열 교환장치{omitted}

본 고안은 축열식 히터펌프에 관한 것으로써, 여름철에는 축열조에 축냉을 하여 실내기로 냉수를 보내어 냉방을 수행할 수 있도록 구성하고 겨울철에는 축열조에 온수를 축열하여 온수로 사용하거나 난방수로 사용할 수 있도록 구성한 것이다.

냉방 혹은 난방 부하에 따라 즉시 가동하는 히터펌프사이클 냉동운전 특성은 여름철 냉방부하가 큰 한 낮에는 기온이 매우 높아서 응축 성능 부실로 인한 성적계수가 높지 않은 편이지만 한 밤중에는 기온이 낮아지게 되어 상대적으로 성적계수는 높게 나타난다. 난방부하가 발생하는 겨울철의 한 밤중과 새벽녘에는 기온이 낮아서 히터펌프사이클 난방운전 특성은 증발 성능부실로 인한 성적계수가 높지 않은 편이지만 한 낮에는 햇볕의 영향으로 기온이 상승하여 성적계수는 상대적으로 높게 나타난다.

이와 같은 이유로 냉방 혹은 난방의 부하가 발생하는 시점에서 즉시 히터펌프를 가동하는 것보다 성적이 좋은 시간대에 축열하여 두었다가 필요에 따라 냉방 혹은 난방을 수행하는 것 즉, 부하의 시간적 이동에 따른 경제적 이익을 창출하는 것으로써 축열조에 대한 장치비의 증가와 축열조의 냉수 혹은 온수의 순환을 위한 펌프 가동에 따른 전력이 소모됨이 폐단으로 지적될 수 있지만 에너지 절약 측면에서 바라보면 경제적인 효과가 훨씬 유리하다. 특히 값싼 심야전기를 이용하여 축냉 혹은 축열하여 두었다가 요구 부하에 대응할 경우의 경제적인 효과는 훨씬 커지게 된다.

이러한 효과를 얻기 위하여 종래의 직팽식 관외착빙형 빙축열시스템을 히터펌프 사이클로 변경하게 된다. 그러나 응축기와 축열조 내 전열코일의 내체적을 비교해 보면 전열코일이 훨씬 큼에 따라 축냉사이클일 때는 문제가 없지만 축열사이클일 때는 응축을 담당하는 전열코일의 내 체적이 큰 관계로 액상의 냉매가 전열코일에 가득 차게 되고 따라서 고온고압이 제대로 형성되지 않음에 따라 고밀도의 온수를 얻어 낼 수가 없으며 압축기의 흡입측에는 이상 저온저압이 형성되어 압축기를 수시로 정지시키는 문제가 발생한다.

본 고안은 요구되는 냉방부하 혹은 난방부하에 따라 히터펌프를 가동하여 즉시 부하에 대응하는 일반적인 히터펌프의 구성 기술의 토대에서 축열조는 직팽식 관외착빙형 빙축열시스템을 이용함에 있어서 나타나는 문제점의 하나인 축냉사이클과 축열사이클의 각 냉매 순환량이 서로 달라야 함에 착안 것으로써, 축냉사이클에서 축열사이클로 변환하더라도 냉매의 순환량에 구애받음이 없는 축냉축열식 히터펌프시스템을 제공하는 것이다.

도1은 히터펌프싸이클을 이용한 축냉 및 축열 시스템의 계통도

도2는 본 고안의 축냉축열식 히터펌프 축열 교환장치 계통도

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

100 : 히터펌프 1 : 압축기 2 : 사방변

3 : 응축기 4 : 팬 5 : 양방향팽창변

10 : 전열코일 13 : 어큠레이터 15 : 물

16 : 용수순환펌프 19 : 냉매열교환기 20 : 브라인순환펌프

200 : 축냉축열조

도1과 도2에 있어서 같은 기능을 가진 것에는 같은 부호를 사용함.

도1은 종래의 직팽식 관외착빙형 빙축열시스템의 계통에서 사방변을 장치하여 냉매의 흐름을 바꿀 수 있는 축냉축열식 히터펌프의 계통도로써 공지된 기술로 응용과 구성이 가능할 것으로 판단하고 있다.

다만, 이와 같은 구성은 축냉사이클과 축열사이클의 냉매 순환량이 같음으로 도시하고 있지는 않지만 무수히 많은 전열코일은 응축기의 역할을 수행함에 따라 응축된 액상의 냉매가 전열코일의 내부에 채워지게 되고, 그 량의 냉매는 축냉사이클로 운전하게 될 때 압축기의 토출관과 응축기 그리고 팽창변사이의 고온고압의 관속에 채워지게 되는데 전열코일의 내체적과 응축기의 내체적을 서로 비교해 보면 월등하게 응축기의 내체적이 작음을 알 수 있다. 이러한 내 체적의 차이로 말미암아 축열사이클을 기준으로 냉매량을 봉입한 상태에서 축냉사이클인 경우에는 응축기에 이상 고온고압이 형성되고, 축냉사이클을 기준으로 냉매량을 봉입한 상태에서 축열사이클인 경우에는 응축기를 담당하는 전열코일에 고온 고압이 형성되지 않음으로 고밀도의 온수를 얻을 수 없게 됨과 동시에 압축기의 흡입관은 이상 저온저압이 된다.

직팽식 관외착빙형 빙축시스템에서 사방변을 부가 장치하고 축냉사이클과 축열사이클의 효과를 얻기 위하여 단순하게 냉매의 흐름 방향만 바꾸어서는 목적하는 바를 달성할 수가 없게 된다.

도2는 본 고안에 의한 축냉축열식 히터펌프 전열코일의 배관 계통도인데 도상 실선의 →는 축냉사이클이고 여기서 정방향이라 칭하며 점선의는 축열사이클인데 여기서 역방향이라 칭하여 살펴보면,

실외기(100)에는 압축기(1)의 토출관(6)에 연결된 사방변(2)과 사방변의 정방향에 응축코일입구관(7)이 연결되어 응축코일(3)이 장치되고, 응축코일출구관(8)에는 양방향팽창변(5)이 장치되었으며 양방향팽창변의 다른 일측은 냉매열교환기(19)가 장치되었다.

압축기(1)의 흡입 방향에는 어큠레이터(13)와 연결하는 압축기흡입관(14)이 연결하고 있으며 어큠레이터의 흡입방향에는 사방변(2)에 있어서 정방향의 다른 하나의 출구에 어큠레이터흡입관(12)이 연결되었다. 그리고 사방변(2)의 다른 하나의 입구에는 흡입관(11)이 냉매열교환기(19)의 다른 일측과 연결하고 있다.

냉매열교환기(19)에 있어서 냉매가 아닌 다른 측 열매체의 입출구는 브라인입구관(21)과 브라인출구관(22)으로 구성되었으며 브라인출구관(22)에는 브라인순환펌프(20)가 장치되었다.

한편 축냉축열조(200)에는 전열코일(10)이 착빙에 용이하도록 여러 갈래로 분배되고 분배된 전열코일은 서로 연결된 'S'자 형상을 가지고 내장되어 있고 전열코일의 입출구 양단은 축냉축열조 바깥의 브라인입구관(21)과 브라인출구관(22)에 각각 연결되어 있다.

상기 정방향에서 토출관(6)과 응축코일입구관(7)은 고온고압의 가스관이고 흡입관(11)과 어큠레이터흡입관(12)은 저온저압의 액관인데 만약 축열모드인 역방향인 경우에는 응축코일입구관(7)과 어큠레이터흡입관(12)은 저온저압의 액관이고 흡입관(11)은 고온고압의 가스관이 된다.

도상 (24)는 감온센서이고 (23)은 수위센서이며 (17)은 실내로 순환하는 용수의 환류관이고 (18)은 용수의 공급관이며 (16)은 용수순환펌프이다.

전열코일(10)과 브라인입구관(21), 브라인출구관(22), 냉매열교환기(19)의 열매체 측 모두의 내부에는 브라인이 채워져 있고 축냉축열조(200)에는 물이 채워져 있다.

이상과 같이 구성하고 작용효과를 설명한다.

도2를 참고하여 살펴보면,

운전을 개시하기 전에 도시하지 않은 운전/정지 스위치, 같은 축냉/축열 선택스위치의 상태 여하에 따라 시스템의 운전개시가 결정된다.

먼저, '축냉'을 선택한 경우로써, 축냉축열조의 수위가 정상이고 냉매관의 고압부와 저압부가 정상이며 과전류가 흐르지 않는 조건에서 제빙이 완료되어 있지않으면 압축기(1)가 가동하고 사방변(2)이 정방향으로 개방되며 응축기(3)의 팬(4)이 가동하고 아울러 브라인순환펌프(20)가 가동한다.

압축기(1)의 가동에 따라 고온고압의 냉매는 토출관(6)에서 사방변(2)을 통과하고 응축입구관(7)을 통하여 응축기(3)에 이르게 된다. 팬(4)의 가동으로 응축기를 통과하는 냉매는 열을 버리고 응축되어 응축출구관(8)을 통과하고 다시 양방향팽창변(5)을 통과하면서 저압 상태가 됨에 따라 증발을 시작한다. 저압 상태의 냉매는 냉매열교환기(19)에서 다른 열매체인 브라인으로부터 열을 얻어서 활발하게 증발하게 되고 증발된 기체상태의 냉매는 흡입관(11)을 통하여 사방변(2)에 이르게 되고 사방변을 통과한 기체의 냉매는 어큠레이터입구관(12)을 통하여 어큠레이터(13)에 이르게 되며 미처 증발하지 않은 액상의 냉매가 압축기에 흡입되는 것을 방지할 목적의 어큠레이터를 통과한 냉매는 압축기의 흡입관(14)을 통하여 회귀한다.

한편 냉매열교환기(19)에서 냉매의 증발로 인하여 열을 빼앗긴 저온의 브라인은 브라인순환펌프(20)의 순환력으로 브라인출구관(22)을 통하여 축냉축열조(200) 내 전열코일(10)로 순환하게 되고 전열코일의 내부를 순환하는 과정에서 저온의 브라인은 물과 열교환을 실시하게 된다. 저온의 브라인과 열교환한 물은 빙점이하에서 응고하여 얼음으로 상변화하게 되고 물로부터 열을 얻은 브라인은 브라인입구관(21)을 흘러 냉매열교환기(19)에서 다시 냉매와 열교환을 실시하게 된다.

운전 중에 냉매의 압력이 고압부에서 고압 초과 또는 저압부에서 저압 미달인 경우와 압축기에 과전류가 흐르거나 얼음의 체적변화로 인하여 축냉축열조 레벨센서(23)로부터 일정 수위 변화를 인식하게 되면 제빙의 완성을 결정짓게 되어 압축기(1)는 정지한다.

도시하지 않고 있지만 고압 초과와 저압 미달은 압력 스위치로 인식하게 되고 과전류의 검출은 과전류계전기를 통하여 인식하게 된다.

다음 '축열'을 선택한 경우를 살펴보면, 사방변(2)은 역방향으로 개방된 상태이며 응축기(3)의 팬(4)이 가동하고 아울러 브라인순환펌프(20)가 가동한다. 이어 축냉축열조(200)의 수위는 저수위가 아니고 냉매관의 고압부와 저압부가 정상이며 과전류가 흐르지 않는 조건에서 감온센서(24)를 통하여 인식한 축열온도가 미달된 상태이면 압축기(1)가 가동한다.

압축기의 가동에 따라 압축된 고온고압의 기체 상태의 냉매는 사방변(2)을 통하여 흡입관(11)을 흘러 냉매열교환기(19)에 이르게 되고 냉매는 상대측 열매체인 브라인과 열교환으로 실시함에 따라 응축하게 되어 액체상태로 상변화하게 된다. 액상의 냉매는 연결관(9)을 통하여 양방향팽창변(5)에 이르게 되고 양방향팽창변을 통과하면서 저압 상태가 되어 증발하기 시작하고 응축기(3)에 이르러 활발한 증발을 하게되고 증발한 기체의 냉매는 사방변(2)을 통하고 어큠레이터(13)에 이르고 다시 압축기(1)로 회귀하게 된다. 이러한 축열과정에서 축냉축열조(200) 내 물의 온도가 일정에 이르게 되면 감온센서(24)가 이를 인식함에 따라 압축기(1)와 팬(4)은 정지한다.

한편, 냉매열교환기(19)에서 냉매로부터 열을 얻은 고온의 브라인은 브라인순환펌프(20)의 순환력으로 인하여 브라인출구관(22)을 통하여 축냉축열조(200) 내 전열코일(10)의 내부로 순환하게 되고, 고온의 브라인은 전열코일에서 물과 열교환을 실시함 따라 브라인의 온도는 저감하는 반면 물은 온도가 상승하게 되고 온도가 저하된 브라인은 브라인입구관(21)을 통하여 냉매열교환기(19)로 회귀하게 된다.

이상과 같은 축냉을 목적으로 구축한 관외착빙형 빙축열시스템을 축냉과 축열이 가능한 히터펌프사이클로 변환하더라도 봉입된 냉매의 량에 관계없이 축열사이클에서 상대적인 직팽식 관외착빙형 빙축시스템 보다 높은 압력을 얻게 되고 아울러 고밀도의 온수를 얻을 수 있게 됨과 동시에 압축기(1) 흡입관(14)의 이상 저온저압을 방지하게 되며 아울러 앞선 설명에서 지적한 바와 같이 축열사이클을 기준으로 냉매량을 봉입한 상태에서 축냉사이클인 경우에 나타나는 응축기(3)의 이상 고온고압이 형성되는 폐단을 방지하는 효과가 있다.

이상과 같은 구성으로 작용효과를 얻고자 함은 심야전력을 이용한 관외착빙형 빙축시스템에 있어서 여름철 축냉 설비로는 효과가 지대하지만 겨울철에는 무용지물이 되고 더구나 동파방지를 위하여 축냉조 내의 물과 각 배관의 물을 모두 배수시켜야 하는 수고스러움이 있는 것이 사실이다.

축냉 설비 이용 효율을 높이고 배수시키는 수고스러움을 들기 위하여 한 방향의 냉동사이클을 양방향의 히터펌프 사이클로 전환하는 것이 마땅하고 나아가 부하의 시간적 이동으로 경제적인 이득이 있으며 특히 값싼 심야전력을 이용한 소비자의 이득은 매우 큰 효과가 있으며 히터펌프시스템으로 구성함에 따라 같은 심야전력을 이용한 축열식 전기보일러 대비 성적계수가 2배 이상이 됨으로 에너지 절약효과가 있는 구성이다.

직팽식 관외착빙형 빙축열시스템을 축냉축열식 히텀펌프시스템으로 변경하더라도 냉매의 흐름 방향에 대한 정역 변환만으로 축냉과 축열을 교호 작용할 때 나타나는 냉매량에 대한 문제점을 해결한 본 고안은 상기와 같은 이득을 얻기에 충분한 것이다.

Claims (1)

1. 히터펌프사이클을 구성하는 압축기(1)와 응축기(3)와 사방변(2)과 양방향팽창변(5)과 증발기와 그리고 축냉축열조(200)로 구성한 것에 있어서, 상기 증발기는 축냉모드에서 증발기이며 축열모드는 응축기의 역할을 담당하는 것으로써; 상기 증발기는 브라인과 열교환하는 냉매열교환기로 구성하고 냉매열교환기의 브라인측 입구관 혹은 출구관 중 어느 한쪽에 브라인순환펌프를 장치하여 브라인을 축냉축열조 내 장치된 전열코일로 순환하게 한 것을 특징으로 하는 축냉축열식 히터펌프 축열 교환장치.