KR200334105Y1 - 히트펌프와 브라운가스 복합 에너지시스템 - Google Patents

Abstract

본 고안은 히트펌프와 브라운가스의 복합 에너지시스템에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는 브라운가스발생장치의 일구성요소인 전해액 냉각기와 히트펌프의 증발기를 함께 구성한 병합열교환기를 사용하여 전해액으로부터 빼앗은 열을 히트펌프의 흡수열로 이용할 수 있도록 함으로써 히트펌프의 에너지 이용효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 아울러 브라운가스를 연료로 사용하는 브라운가스 보일러, 히터 등을 히트펌프와 복합 구성함으로써 히트펌프만으로는 부족하기 쉬운 열을 브라운가스로 보충 할 수 있도록 구성한 것이다.

본 고안은 공기를 열원으로 사용하는 히트펌프와 물을 열원으로 사용하는 브라운가스발생장치 및 보일러를 복합구성한 것으로, 결과적으로 화석연료를 대체하여 자연에너지인 공기와 물만으로 난방 등을 할 수 있게 한 것이 특징이다.

Description

히트펌프와 브라운가스 복합 에너지시스템{Combination Energy System of Heat Pump and Brown Gas}

본 고안은 히트펌프(Heat Pump)와 브라운가스의 복합 에너지시스템에 관한 것으로서 브라운가스발생장치의 일구성요소인 전해액 냉각기를 히트펌프의 증발기와 병합구성하여 전해액으로부터 빼앗은 열을 히트펌프의 흡수열로 이용함으로써 히트펌프의 능률을 높이는 한편, 히트펌프 히팅시스템에서 히트펌프만으로 부족한 열은 브라운가스를 연료로 사용하는 브라운가스 보일러를 가동하여 보충하는 열복합에너지시스템에 관한 것이다.

히트펌프는 기계적인 일을 가해 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원을 만들어 주는 장치를 말하며 냉동기의 원리를 반대로 이용한 것이다.

일반적으로 이용되고 있는 냉동기는 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브로 이루어진 것으로 전동기에 의해 압축기를 운전하여 기체상태인 냉매를 압축하여 응축기로 보내고 이것을 냉동기 밖에 있는 물이나 공기 등으로 냉각해서 액화한다. 이 액체상태로 된 냉매가 팽창밸브에서 유랑이 조정되면서 증발기로 분사되면 급팽창하여 기화되고 증발기 주위로부터 열을 흡수하여 용기 속을 냉각한다.

이와 같이 압축, 응축, 핑창, 기화의 4단계 변화를 냉동사이클이라 하며 히트펌프사이클은 이의 역사이클에 해당한다.

히트펌프의 원리는 1850년 켈빈에 의해 제창되어 1934년 미국에서 냉난방용으로 실용화되었다. 히트펌프는 여름철에는 에어컨으로 겨울철에는 히터로 사용할 수 있는 우수한 성능으로 외국에서 많이 사용되고 있으나 우리나라의 경우 겨울철 외기온도가 너무 낮아 효율상의 문제로 사용하기 곤란한 것이 문제이며 증발기의 제상(Defrost)문제도 해결하여야 하는 문제를 안고 있다.

브라운가스발생기는 물의 전기분해방식에 의해 수소와 산소의 혼합가스인 브라운가스를 생산하는 장치이다. 브라운가스는 요즈음 새로운 연소방법에 의한 연소장치의 개발로 경제성을 확보함으로써 대체에너지로 각광받고 있다. 이러한 물연료상용화의 과정에서 브라운가스를 대량으로 요구하고 있으므로 전기분해장치의 대형화가 필수적으로 요구됨으로써 대형화에 따른 전해액냉각문제가 해결되어야 한다.

다시 말하면 전해액냉각방법에 있어서 브라운가스발생량 2000ℓ/h급 이하의 중소형발생기는 냉각팬에 의한 공냉식 방법을 채택하여 전해액 온도를 50℃이하로 운전함으로써 별 문제없이 사용되어 왔다. 그러나 요즈음 새로 나온 4000ℓ/h급 이상의 대형 브라운가스발생기의 냉각기를 공냉식으로 할 경우 열교환기의 구조가 커지고 냉각효율도 좋지 않은 것이 문제점이다. 만약 전해액 온도가 높아지면 전해조의 내구성문제가 발생하고 가스에 수분이 다량 섞이게 되어 가스의 질을 떨어뜨린다.

따라서 본 고안의 목적은 히트펌프의 증발기와 전해액 냉각기를 병합구성하여 전해액 온도를 상온으로 유지하게 하여 냉각문제를 해결하고, 아울러 히트펌프의 흡수율을 높여줌으로써 상기 히트펌프의 제반 문제점을 완벽하게 해결하기 위한 것이다.

결과적으로 본 고안은 공기 중의 자연에너지를 열원으로 하여 저온난방을 달성하고 물연료 즉 브라운가스를 연료로 사용하는 브라운가스 보일러, 히터 등을 복합구성하여 고온난방을 달성함으로써 결국 자연에너지인 공기와 물을 이용하는 히트펌프와 브라운가스 복합 에너지시스템을 이룩하기 위한 것이다.

히트펌프는 전열기나 보일러처럼 직접 열을 만드는 장치가 아니라 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 저온의 열원을 보다 고온으로 만들어 난방 또는 냉방으로 이용하는 아주 유용한 공조기계이며 공기 중의 잠열을 이용하거나 지하수를 이용할 수 있는 것이 장점이다.

그러나 작동온도가 낮고 에너지밀도 및 승온폭이 낮아서 높을 열을 만들 수 없는 것이 문제점이다. 예를 들어 공기를 열원으로 하는 히트펌프를 목욕탕에 설치했을 경우 온수의 온도를 55℃ 정도 밖에 올릴 수 없으므로 목욕탕에서 요구하는 80℃를 충족할 수 없어 나머지 25℃는 다른 방법으로 올려야 한다. 이러한 단점 때문에 히트펌프만으로는 필요한 난방을 할 수 없어 결국 대체에너지로서의 구실을 못하고 보조난방에 그칠 수밖에 없는 것이다.

또 다른 문제점으로서 실외에 설치하는 증발기는 외부에 노출되기 때문에 실외의 온도가 낮을 경우 냉매의 열에 의해 녹아내리던 제상수가 다시 결빙되므로 열교환기의 역할을 못하게 하기도 한다.

이와 관련 본 고안의 병합열교환기는 전해액 냉각기가 열을 내뿜어 온풍기 역할을 하므로 증발기의 제상문제점 역시 해결해주는 것이다.

상기와 같이 본 고안의 목적은 브라운가스발생장치의 전해액 냉각기와 히트펌프의 증발기를 함께 구성한 병합열교환기를 사용하여 전해액으로부터 빼앗은 열을 히트펌프의 흡수열로 이용할 수 있도록 함으로써 히트펌프의 에너지이용능률을 높이기 위한 것이다. 본 고안의 또 다른 목적은 브라운가스를 연료로 사용하는 브라운가스 보일러, 히터 등을 복합구성하여 히트펌프에 의한 난방시스템만으로는 부족하기 쉬운 열을 보충하기 위한 것이며, 결과적으로 공기를 열원으로 사용하는 히트펌프와 물을 열원으로 사용하는 브라운가스발생장치 및 보일러를 복합구성하여 자연에너지인 공기와 물을 대체에너지로 사용하기 위한 것이다.

따라서 본 고안은 상기 여러 가지 사정을 고려하여 안출한 것으로서 우선 전해액 냉각기를 병합구성하기 위한 증발기의 선택이 중요하다. 증발기의 종류에는 셀튜브식 증발기, 셀코일식 증발기, 플레이트형 증발기, 핀코일식 증발기, 나관코일식 증발기, 탱크용 증발기 등이 있으나 본 고안의 히트펌프는 외부공기를 열원으로 하는 공기열원방식이므로 핀코일식 증발기를 선택하는 것이 좋다.

이와 관련 병합열교환기 내부에 설치되는 전해액 냉각기 역시 핀코일관으로 구성한 공냉식 냉각기가 좋다. 따라서 본 고안의 일실시예에 따른 병합열교환기는 몸체의 일측에 공기투입구가 형성되고 반대측에는 공기배출구가 형성된 것으로 공기투입구 측에 전해액 냉각기가 조립되고 그 다음에 냉매증발기와 배풍팬의 순서로 조립구성한 것이다.

전해액 순환펌프에 의해 공급되는 전해액은 병합열교환기 내부에 설치한 냉각기를 통과하면서 냉각되어 온도가 콘트롤 되고 히트펌프의 평창변을 통과한 냉매는 냉매증발기에서 기화되면서 열을 빼앗아 가고 다시 압축기에 의해 압축되어 응축기에서 액화되면서 열을 방출하는 사이클을 되풀이하게 된다.

이 때 전해액 냉각기가 필요로 하는 냉각팬의 용량보다 냉매증발기의 팬의 용량이 몇 배가 더 큰 것이 보통이므로 전해액은 충분히 냉각시킬 수 있어 전해액을 상온상태로 운전하는 것이 가능하다.

상기 히트펌프 사이클에서 응축기의 형식을 공냉식 응축기로 사용하면 그 자체가 온풍기가 되고 수냉식 응축기를 사용하면 온수난방이 된다. 그러나 외부공기만을 열원으로 할 경우 겨울철에는 난방을 충분히 할 수 없고 더구나 산업용 에너지로는 사용하기 곤란하다. 따라서 본 고안은 브라운가스 히터, 보일러 등을 복합구성하여 부족한 만큼의 열원을 공급받도록 하는 것이다.

이와 관련 본 출원자가 선출원하여 등록한 특허 제367223호 "브라운가스보일러"에서 보는 바와 같이 LPG나 LNG가 아닌 브라운가스(물)을 연료로 사용하여 얼마든지 난방을 할 수 있고 또한 산업용 연료로도 사용할 수 있다.

그러므로 공기 중의 자연에너지를 열원으로 하는 히트펌프의 장점을 살리면서 부족한 부분은 얼마든지 브라운가스로 보충할 수 있는 것이다.

도1은 일반적인 히트펌프 사이클을 도시한 시스템도.

도2는 본 고안의 일실시예에 따른 병합열교환기의 횡단면도.

도3은 본 고안의 일실시예에 따른 전체공정을 보여주는 복합 에너지시스템도.

<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 히트펌프 11: 냉매흐름관 12: 압축기

13: 사방밸브 14: 응축기 15: 팽창밸브

16: 증발기 20: 병합열교환기 21: 케이스

22: 공기입구 23: 공기출구 24: 팬

25: 전해액 냉각기 30: 브라운가스발생장치 31: 전해액흐름관

32: 전해액순환펌프 33: 전해조

34: 브라운가스공급라인 35: 브라운가스버너 40: 브라운가스보일러

41: 온수라인 42: 온수순환펌프

50: 축열탱크 51: 급수라인 52: 급수펌프

이하, 본 고안의 일실시예에 따른 히트펌프와 브라운가스 복합 에너지시스템에 대해서 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도1은 일반적인 히트펌프의 사이클을 도시한 시스템도이고,

도2는 본 고안의 일실시예에 따른 병합열교환기의 횡단면도이며,

도3은 본 고안의 일실시예에 따른 각 시스템별 전체공정을 보여주는 복합에너지 시스템도이다.

본 고안의 전체적인 구성은 압축기(12)와 응축기(14)와 팽창밸브(15)와 병합열교환기(20) 등으로 구성한 히트펌프(10)와, 상기 병합열교환기(20)을 겸용하고 전해액순환펌프(32)와 전해조(33)로 구성된 브라운가스발생장치(30)와 브라운가스를 연료로 사용하여 물을 끓이는 브라운가스보일러(40)로 구성되어 있고 또한, 그리고 냉수를 히트펌프(10)에 의해 약 55℃의 온수를 만든 후 축열탱크(50)에 저장하고 상기 축열탱크(50)의 물을 브라운가스보일러(40)에 의해 80℃ 이상의 온수를 만들어 수요처에 공급하는 방식으로 구성되어 있는 것이다.

상기 히트펌프(10)의 싸이클은 냉매흐름관(11)을 따라 압축기(12)와, 응축기(14)와, 팽창밸브(15)와, 증발기(16)가 내설되어 있는 역할을 하는 병합열교환기(20)로 구성되어 있고 사방밸브(13)의 작동에 따라 난방과 냉방을 별도로 할 수 있다.

상기 병합열교환기(20)는 케이스(21) 양측에 공기입구(22)와 출구(23)를 형성하고 상기 케이스(21) 내부에 전해액냉각기(25)와 히트펌프용 증발기(16)를 병합구성한 것으로 팬(24)의 작동에 의한 공기흐름에 의해 전해액냉각기(25)로부터 열을 뽑아 히트펌프의 증발기(16)용 열원으로 이용하도록 구성한 것이다.

상기 브라운가스발생장치(30)는 전해액 흐름관(31)로 연결된 전해조(33)와 전해액 순환펌프(32)와 전해액냉각기(25)로 구성되어 있고, 또한 상기 전해액냉각기(25)는 몸체에서 분리되어 병합열교환기(20)에 내장되어 있는 것이다.

축열탱크(50)는 급수라인(61)의 급수펌프(62)에 의해 공급되는 냉수를 히트펌프(10)의 응축기(16)를 통과시켜 약 55℃정도의 온수를 만들어 저장시키는 장치이다.

상기 브라운가스보일러(40)는 브라운가스발생장치(30)에 연결된 브라운가스공급라인(34)에 연결된 브라운가스버너(35)에 의해 착화되어 물을 보일링하는 것으로 히트펌프(10)로부터 축열탱크(50)에 공급되는 약 55℃의 온수를 온수순환펌프(42)에 의해 순환시켜 80℃이상으로 승온시켜 저장시키는 장치이고 축열탱크(50) 출구에 마련된 온도센서에 의해 브라운가스보일러(40)는 자동운전된다.

상기 브라운가스보일러(40)를 스팀보일러로 구성할 경우 히트펌프(10)에 의해 예열된 온수를 스팀으로 발생시켜 염색공장 등의 산업용으로 이용함으로써 생산공장의 에너지비용을 크게 절감할 수 있다.

본 고안은 브라운가스발생장치의 대형화에 따른 전해액 냉각문제를 해결하여 전해액냉각기를 분리함으로써 발생장치 본체를 부피가 작고 콤팩트하게 만들고 전해액온도를 상온으로 운전함으로써 가스의 질을 좋게 하고 전해효율을 크게 향상시켰다.

또한 본 고안은 히트펌프의 증발기와 전해액냉각기를 병합열교환기 내부에 함께 구성함으로써 히트펌프의 문제점인 제설문제를 해결하였다.

무엇보다도 본 고안에 의한 효과는 히트펌프가 사계절이 뚜렷하고 온도가 극히 낮은 우리나라의 경우 특히 중부이북의 경우 혹한기에는 저온의 외기로부터 실외열교환기(증발기)로부터 흡수되는 열량이 극히 제한되어 난방을 할 수 없기 때문에 제품을 구입할 수 없다는 종래의 견해를 불식하고 자연에너지인 공기를 대체에너지로 이용할 수 있게 한 것이다.

따라서 본 고안의 병합열교환기를 포함한 히트펌프와 브라운가스의 복합 에너지시스템은 자연에너지인 공기와 물을 열원으로 하는 열복합 이용시스템에 관한 것으로서 대체에너지의 중요성에 비추어 아주 유용한 고안인 것이다.

Claims (4)

1. 압축기(12)와 응축기(14)와 팽창밸브(15)와 병합열교환기(20)로 구성한 히트펌프(10)과, 상기 병합열교환기(20)을 겸용하고 전해액순환펌프(32)와 전해조(33)로 구성된 브라운가스발생장치(30)와, 상기 브라운가스발생장치(30)으로부터 브라운가스를 공급받는 브라운가스보일러(40)와, 축열탱크(50)로 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프와 브라운가스 복합 에너지시스템.
2. 상기 1항에 있어서, 병합열교환기(20)는 좌우양측에 공기입구(22)와 출구(23)가 형성되어 있고 공기출구(23) 측에 팬(24)이 내설된 케이스(21)의 내부에 공기흐름과 직각방향으로 전해액냉각기(25)와 히트펌프용 증발기(16)를 구성한 것을 특징으로 하는 히트펌프와 브라운가스 복합 에너지시스템.
3. 상기 1항에 있어서, 브라운가스발생장치(30)는 전해액냉각기(25)를 몸체와 분리하여 병합열교환기(20) 내부에 구성한 것을 특징으로 하는 히트펌프와 브라운가스 복합 에너지시스템.
4. 상기 1항에 있어서, 축열탱크(50)는 급수펌프(52)에 의해 공급되는 냉수를 히트펌프(10)의 응축기(14)를 통과시키면서 온수로 만들어 저장하고 또한 축열탱크(50)의 온수를 온수순환펌프(42)에 의해 브라운가스보일러(40)의 수관을 통과하도록 하여 열탕으로 승온시켜 다시 축열탱크(50)에 저장하는 시스템으로 구성한 것을 특징으로 하는 히트펌프와 브라운가스 복합 에너지시스템.