KR20050119598A

KR20050119598A - 히트파이프 루프를 이용한 응축열 회 수식 냉매 압축기열량계

Info

Publication number: KR20050119598A
Application number: KR1020040044739A
Authority: KR
Inventors: 박영무; 최창균
Original assignee: 박영무; 최창균
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2005-12-21

Abstract

본 발명은 증기 압축식 냉동기의 냉매 압축기(COMPRESSOR)의 성능 즉, 성능계수(COP), 냉매유량, 냉동용량, 압축기 소요동력을 산정하는 열량계(CALORIMETER)에 소요되는 전기에너지를 획기적으로 절약하는 방안에 관한 것이다. 기존의 열량계는 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기로 구성된 냉동회로(도1, 도2)에서 응축기에서 발생하는 응축열은 공기 혹은 냉각수를 통하여 방출하고 증발기에서 흡수하는 증발열 즉 냉동부하는 전기에너지로 공급한다. 따라서 기존의 열량계에서는 크게 피측정용 압축기의 구동에 필요한 전기 에너지, 응축열을 방출하는데 필요한 냉각수의 온도조절용 냉동기와 전열기에서 소모되는 전기에너지, 그리고 증발기의 냉동부하 공급용 전기에너지가 소모된다.

본 발명에서는 냉동회로의 응축기에서 발생하는 응축열을 회수하여 증발기에서 흡수하는 증발열 즉 냉동부하로 공급함으로서 기존의 열량계에서 응축열 방출에 필요한 항온조 구동용 냉동기와 전열기에서 소모되는 전기에너지 그리고 증발기의 냉동부하 공급용 전기에너지를 절약할 수 있다. 이를 실현하기위하여 특수한 형태의 히트파이프루프(도4,320)를 발명하였으며 히트파이프루프와 압축기의 냉동회로를 열역학적으로 연결하고 전체 시스템을 정밀하게 제어 계측하는 기술을 발명하였다.

본 발명에서 압축기 냉동회로의 응축기는 히트파이프루프(320)의 증발용기(321) 내에 설치하여 증발용기(321) 속에 있는 2차냉매가 증발하면서 응축열을 흡수하며, 압축기 냉동회로(310)의 증발기(315)는 히트파이프루프(320)의 응축용기(323) 내에 설치하여 2차냉매가 응축기용기(323) 내에 있는 증발기 외벽에서 응축하면서 증발기(315)에 냉동부하를 공급한다. 증발기 용기(321)에서 증발한 2차 냉매 증기는 증발용기(321)와 응축용기(323) 사이에서 증기의 응축으로 발생한 압력차에 의하여 기상연결부(322)를 거쳐 응축용기로 전달되며 응축용기(323)에서 응축된 액상의 2차냉매는 유량계(FM)와 저장탱크(330)를 거처 루프상의 증발용기(321)로 다시 돌아가 히트파이프루프(320) 사이클이 완성된다.

본 발명에서 압축기 냉동용량은, 압축기 성능 산정에 필요한 조건 즉 지정된 응축온도, 증발온도, 과열도, 과냉도의 조건하에서 전체 시스템이 정상상태 운전 시, 응축용기의 입출구에서의 2차냉매의 온도, 압력, 히트파이프루프 상의 액상의 유량을 측정하며 압축기 냉동회로의 압축기 입구온도와 출구 압력을 측정하고 냉매의 열역학 물성표를 이용하여 산정한다. 그리고 압축기 구동·전기 에너지는 압축기의 소요 전기에너지를 직접 측정한다.

상기 원리에 따라 본 발명은 전기에너지를 획기적으로 절약할 뿐만 아니라 기존의 열량계와는 달리 냉각수를 사용하지 않으므로 수돗물을 절약할 수 있으며 냉각수 공급 시설이 필요하지 않으므로 장치의 설치 및 이동이 매우 간편하다.

Description

히트파이프 루프를 이용한 응축열 회 수식 냉매 압축기 열량계{Refrigerant compressor calorimeter combined with heat pipe loop recovering condensation heat}

먼저 본 발명에서 사용하는 용어는 다음과 같이 정의한다.

압축기 냉동회로(310) : 압축기(311)-응축기(312)-보조응축기(313)-팽창변(314)-증발기(315)로 구성된 1차냉매 회로(310)

1차냉매 : 압축기 냉동회로(310)를 순환하는 냉매

히트파이프루프(320): 응축용기(321), 증발용기(323), 기상연결부(322), 액상연결부, 유량계(FM), 저장탱크로 구성된 2차냉매 회로

2차냉매 : 히트파이프루프를 순환하는 냉매

주응축기(312) : 압축기 냉동회로에서 히트파이프루프의 증발용기 내에 설치된 응축기..

보조응축기(313) : 압축기 냉동회로상의 공랭식 응축기

증발기(315) : 압축기 냉동회로에서 히트파이프루프의 응축용기 속에 설치된 열교환기.

응축용기(321) : 히트파이프루프에서 1차 냉매의 응축열을 회수하여 2차냉매가 증발하는 용기

증발용기(323) : 히트파이프루프에서 증발기의 냉동부하를 공급하고 2차냉매가 응축하는 용기

증발기 냉동부하 : 1차 냉매가 증발기에서 증발하는데 필요한 열량

압축기 냉동용량 : 압축기를 사용하여 제공할 수있는 냉동에너지 양.

본 발명은 압축기(311), 주응축기(312), 보조응축기(313), 팽창변(314), 증발기(315)로 구성된 냉동회로(1차 냉매 회로)에서 핵심 역할을 하는 냉매 압축기의 성능을 평가하는 냉매 압축기 열량계 설계 기술에 속한다. 냉매 압축기(311)의 성능은 지정된 응축온도, 증발온도, 과열도, 과냉도의 조건하에서 압축기 소요 전력, 냉매유량, 냉동용량을 산정함으로서 평가한다. 이를 위하여 압축기로 흡입되는 냉매증기의 압력과 온도는 측정 기간동안 일정한 값으로 각각 정밀하게 유지 제어 되어야 한다.

기존의 냉매압축기 열량계는 도2에서와 같이 측정용 압축기 냉동회로의 응축온도와 과냉도를 일정값으로 유지하기 위하여 응축기 챔버 내부에 온도 조절용 냉동기의 증발기와 전열기를 함께 설치한다. 이때 응축온도 조절용 냉동기의 냉동 용량은 열량계(CALORIMETER)가 측정할 수 있는 최대 용량의 압축기가 가동 될 때 방출하는 응축열을 흡수할 수 있어야 하며 내부에 설치된 온도 조절용 전열기의 용량 Q _CON.CHAM 도 같은 크기가 되어야한다. 마찬가지로 증발온도 및 압축기로 흡입되는 냉매증기의 과열도를 일정하게 유지하기위하여 증발기 챔버 내에는 측정용 압축기의 증발기와 함께 전열기를 설치한다. 압축기 냉동회로가 일정한 증발온도와 과열도하에서 정상상태 운전시 이를 유지하는데 소요되는 전열기의 전기에너지가 증발기의 냉동부하이다. 따라서 전열기의 용량Q _EVA.CHAM 은 측정할 수 있는 최대 용량의 압축기의 냉동용량보다 커야한다.

따라서 기존의 열량계에서 상기와 같이 응축온도와 증발온도를 제어할 때 많은 양의 전력을 소비할 수밖에 없는 주 요인은 1) 응축기의 방열량을 회수하여 재사용하지 않고 모두 방출해야하며 2) 동시에 응축온도와 과냉도를 정밀하게 제어하기 위해서 별도의 냉동기와 전열기를 가동하여야 하기 때문이다. 즉 응축기의 방열량을 흡수하기위하여 온도가 제어되지 않은 냉각수나 공기를 직접 이용할 수없으므로 별도의 냉동기와 전열기를 사용하는 응축기용 항온 챔버(CONDENSATE CHAMBER)가 필요하다. 응축기용 항온 챔버의 온도는 압축기의 성능 측정 조건인 응축온도에 따라 조절되어야한다. 그러나 한번 설치된 냉동기의 용량은 변경하기 어려우므로 충분한 냉동용량의 냉동기를 설치하여 냉각열량을 일정하게 유지 한 후에 이와 병행하여 전열기로 열(전력에너지)를 공급하여 챔버온도를 일정하게 제어한다. 3) 증발기의 증발온도와 과열도를 일정하게 유지하기위하여 열전달 매체가 가득찬 단열된 증발기 챔버를 만들고 이 속에 피측정용 압축기 냉동회로의 증발기와 전열기를 설치한다. 그리고 압축기 냉동 회로의 증발온도와 과열도가 일정하게 유지되는 정상상태 운전시 전열기에서 소모되는 전력을 측정한다. 측정된 전력 즉 전열기에 공급되는 전력에너지가 증발기의 냉동부하가 된다. 따라서 증발기 챔버 내부에 피측정용 압축기의 최대 냉동용량 이상의 전력을 소모하는 전열기가 필요하다.

상기한 기존의 열량계와는 달리 본 발명의 열량계에서는 냉동회로의 응축기에서 발생하는 응축열을 회수하여 증발기에서 흡수하는 증발열 즉 냉동부하로 공급한다. 이를 실현하기위하여 특수한 형태의 히트파이프루프(도4,320)를 발명하였으며 히트파이프루프와 압축기의 냉동회로를 열역학적으로 연결하고 전체 시스템을 정밀하게 제어 계측하는 기술을 발명하였다. 즉 본 발명에서 압축기 냉동회로(310)의 응축기(312)는 히트파이프루프의 증발용기(321)내에 설치하여 증발용기(321)속의 2차냉매가 증발하면서 응축기에서 방출되는 응축열을 흡수하며 압축기 냉동회로(310)의 증발기(315)는 히트파이프루프(310)의 응축용기(323)내에 설치하여 증발용기에서 증발되어 응축용기로 이송된 2차냉매 증기가 응축용기(323)내에있는 증발기(315)의 외벽에서 응축하면서 증발기의 냉동부하를 공급한다. 이 때 2차 냉매 증기는 응축용기(323)와 증발용기(321) 사이에서 발생한 압력차에 의하여 히트파이프루프의 기상연결부(322)를 거쳐 응축용기로 전달된다. 응축용기에서 응축된 2차 냉매는 유량계(FM)와 저장탱크(336)를 거처 루프상의 증발용기(321)로 다시 돌아가 히트파이프루프 사이클이 완성된다. 이 과정을 그림을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

압축기 냉동회로의 주응축기(312)는 히트파이프루프의 증발용기(321) 내부에, 압축기 냉동회로의 증발기(315)는 히트파이프루프의 응축용기(323) 내부에 각각 설치하고 증발용기(321)와 응축용기(323)를 기상연결부(322)로 연결하여 밀봉하고 밀봉된 용기내부의 불응축 기체를 배출한 후에 일정량의 2차 냉매를 주입하여 히트파이프 루프(320)를 형성한 후, 철저하게 단열하여 히트파이프 루프(320)에서 대기 중으로 열이 유실되는 것을 최소화한다.

측정용 압축기(311)를 가동 하면 주응축기(312)에서 방출하는 응축열 때문에 증발용기(312)내부의 온도는 상승하고 증발기(315)가 있는 응축용기(323) 내부온도는 증발기가 열을 흡수하므로 응축용기(323) 내부터 온도가 낮아진다. 이 때 응축용기(323)내부의 증발기(315)를 감싸고 있는 2차 냉매증기는 응축하여 압력이 낮아지므로 증발용기(321) 내부에서 증발한 2차냉매 증기는 압력이 낮은 응축용기(323)로 고속 이동한다. 증발용기(321)내부에서 증발된 냉매양과 응축용기(323)내부에서 응축된 2차냉매양이 같을 때에는 히트파이프루프(320)내부의 온도 및 압력은 정상상태를 유지하게 되지만 만약 증발용기(321)내에있는 주응축기(312)에서 발생하는 열이 많아 증발되는 냉매 양이 증가 할 때는 히트파이프루프(320)내의 온도 및 압력은 증가한다. 그러나 도1의 냉동기 회로의 이론에 따라 냉동회로에서 방출되는 열량은 항상 증발기의 냉동용량보다 압축기 구동에너지 만큼 크다. 따라서 히트파이프루프 내의 온도와 압력을 정상상태로 유지하기 위해서 압축기 구동 에너지를 루프내에 있는 압축기 냉동회로의 주응축기외에 보조응축기에서 방출해야한다. 본 발명에서는 히트파이프루프의 정상상태를 유지하기 위하여 보조응축기의 용량을 다음과 같이 제어한다. 즉 히트파이프루프(320)내부의 온도 및 압력이 증가하면 시료압축기 냉매회로의 응축온도가 상승하게 되므로 시료압축기 출구 압력이 상승한다. 이때 시료압축기 출구 압력 신호에 따라 보조응축기(313)의 냉각 팬의 속도를 조절하여 보조응축기의 방열량을 조절함으로서 증발용기(321)내부의 응축기(312)에서 항상 일정량의 2차 냉매를 증발하게 하므로 히트파이프루프(320)내부의 온도 및 압력은 일정상태를 유지하게 된다.

히트파이프루프의 응축용기(323) 내부에있는 증발기(315) 주위에서 2차냉매가 응축함에따라 2차냉매는 증발용기(321)에서 응축용기(323)로 이동하고 이에따라 증발용기(321)내부의 2차 냉매 액위가 변한다. 증발용기 내부에있는 수직코일형 주응축기의 일부는 2차냉매 액속에 잠겨있고 일부는 증기에 접해있다. 액상의 2차 냉매가 주응축기 외벽에서 응축열을 받아 증발하므로 2차냉매 액위가 변하며 이에따라 주응축기의 방열용량이 변하다. 따라서 증발용기 내의 액위를 조절함으로서 주응축기의 용량을 조절할 수있다. 본 발명에서는 액면의 변위 추이를 액면조절기에서 검출하고 변위에 해당하는 액면조절기(LC1)의 출력값(4~20mA)을 이용하여 냉매이송펌프(PUMP2) 회전속도를 제어한다. 냉매이송펌프의 회전속도에따라 히트파이프루프의 증발용기(321)내부로 주입되는 2차 냉매량을 제어하여 증발용기(321)의 내부 액면을 항상 일정하게 유지할수있으므로 1차냉매 응축기의 용량이 일정하게 되어 방열량이 일정하게 유지되며 결국 2차 냉매의 증발량도 항상 일정하게 유지된다.

마찬가지로 히트파이프루프의 응축용기(323) 내부에있는 증발기(315)의 일부는 2차냉매의 액 속에 잠겨이있고 일부는 증기에 접해있다. 따라서 증발기 외벽에서 응축되는 냉매양에 따라 응축용기(323) 내부의 액위(LEVEL)가 변하며 이에따라 증발기의 용량이 변한다. 즉 히트파이프루프의 응축용기(323) 내부 액면이 상승하여 2차냉매 증기와 1차냉매 증발기(315)의 접촉면이 줄어들면 증발기의 용량이 감소하고, 액위가 낮아져 증기와 접촉하는 증발기 외벽의 면적이 증가하면 증발기의 용량이 증가한다. 따라서 응축용기(323)내부의 액면의 고저에 따라 측정용 압축기(311)로 흡입되는 냉매증기의 온도와 과열도가 변한다.

그러므로 히트파이프루프의 응축용기(323)내부 액체이송펌프(PUMP1)의 회전속도를 제어하여 2차냉매 이송량을 조절함으로서 압축기 입구의 1차냉매 증기의 온도와 과열도를 제어할 수있다. 본 발명에서는 압축기 입구온도(T5)에 따라 인버터(INV2)의 속도지령 입력신호(4∼20mA)를 조절하고 이 신호에따라 냉매이송량을 제어하며 결국 측정용 압축기(311)에 흡입되는 냉매증기의 온도와 과열도를 일정하게 유지하게 한다. 이와 같이 하여 측정용 냉매압축기(311)에 의하여 작동하는 냉동회로의 응축온도, 증발온도, 및 압축기(311)로 흡입되는 냉매증기의 온도와 과열도가 일정하게 유지되는 정상상태를 획득하며 측정용 압축기냉매회로(310)가 정상상태로 안정된후 열량계의 성능 산정에 필요한 온도, 압력 그리고 유량을 측정한다.

상기와 같이 히트파이프루프를 이용하여 압축기냉매회로의 응축열을 회수하여 증발열로 이용하므로 열량계 운전에 소비되는 전력에너지를 획기적으로 절약한다. 또한 냉각수가 필요하지 않으므로 장치를 소형화 할 수있으며 설치 및 이동간편하다. 따라서 소비전력을 절감하며, 제작비를 절감함과 동시에 운반 및 설치비용을 획기적으로 절감할 수 있는 경제적인 열량계를 설계 제작하는데 본 발명의 목적이 있다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적과제는 피측정용 압축기냉동회로와 냉동회로의 응축열을 회수하여 냉동부하로 공급하는 특수한 형태의 히트파이프루프(320)를 열역학적으로 연결하는 기술과 이와 관련된 측정 및 제어기술이다.

이러한 기술적 과제를 해결하기위하여 본 발명에서 고안한 기술은 첫째 피측정용 압축기 냉동회로의 응축기를 히트파이프루프(320)상의 증발용기(321) 속에 설치한 주응축기와 공랭식 보조응축기로 구성하였으며 증발기는 히트파이프루프의 응축용기(323) 속에 설치하였다. 이렇게 함으로서 응축기에서 방출된 열의 대부분을 증발용기 속의 2차 냉매가 증발할 때 흡수하며, 압력차에 의하여 응축용기로 이동된 증기상의 2차냉매가 응축용기(323) 속에 설치된 증발기 외벽에서 응축하면서 증발기의 냉동부하를 공급하는 기술이다. 그리고 냉동회로상에서 방출하여야할 열의 일부는 공랭식 보조응축기에서 방출한다. 이렇게 함으로서 피측정용 압축기 냉동회로와 히트파이프루프는 열역학적으로 연결되었으며 주응축기에서 방출된 대부분의 응축열을 증발기로 회수하여 궁극적인 에너지 절약이 가능하게 되었다. 둘째 히트파이프루프의 증발용기와 응축용기 속에 들어있는 피측정용 압축기 냉동회로의 주응축기와 증발기의 용량을 조절하는 기술이다. 각 용기에 들어있는 증발기와 주응축기는 수직코일형 열교환기이며 각 코일의 일부는 2차냉매의 액속에 잠겨있고 일부는 2차 냉매 증기에 둘러 싸여있게 된다. 증발용기 내에서는 비등열전달이 지배적이며 응축용기 내에서는 응축열전달이 지배적이므로 증발용기에서는 2차냉매 액위가 높을 수록 주응축기의 용량이 커지고 응축용기에서는 2차 냉매의 액위가 낮을 수록 증발기의 용량이 커진다. 따라서 각 용기 내의 액위를 제어하여 피 측정용 압축기의 용량에 부합하는 증발기 용량과 주응축기 용량을 제어하는 기술이 과제이다. 셋째 히트파이프루프(320)상의 증발용기(321)에서 응축용기(323)로 2차냉매 증기가 이동하는 기상연결부(322)에서는 두개의 용기 간 압력차에 따라 증발용기에서 증발한 2차 냉매증기가 응축용기로 외부 동력 없이 고속으로 이동한다. 그러나 응축용기에서 증발용기로 연결된 액상 연결부에서는 그 사이에 유량계와 저장탱크가 설치되므로 액상의 2차냉매가 자동으로 이동 하지 않으므로 강제 이송하여야한다. 이 때 증발용기와 응축용기 내의 액상의 2차 냉매량을 일정하게 유지하기 위하여 2차냉매가 증발용기에서 증발하여 응축부로 이송된 양만큼 보충하는 기술과 응축용기에서 응축 되어 증가된 액상의 냉매양을 이송하여 2차냉매의 순환상태를 정상상태로 유지하는 기술, 넷째로 열량계 측정 범위내에 있는 여러 용량의 압축기의 성능을 시험할 수 있도록, 압축기의 용량에 따라 주응축기와 증발기의 용량을 조절하기 위하여 응축용기와 증발용기 내의 액상의 2차 냉매의 액위를 손쉽게 설정하는 기술 다섯째 열량계가 정상상태로 운전 될 때, 피측정용 압축기 냉동회로의 1차냉매와 히트파이프 루프(320)를 순환하는 2차냉매 각 부위의 온도 및 압력(311)을 정확하게 측정하여 엔탈피 값을 도출하고 순환하는 냉매의 질량을 측정하여 측정압축기의 냉동용량을 정확하게 측정하는 기술이다.

상기와 같은 기술적과제를 해결하기 위한 본 발명의 구성은 피측정용 압축기(311)가 연결된 냉동회로(310), 2차 냉매가 순환하는 히트파이프루프(320),온도 및 압력 감지기와 이 감지기로부터 감지된 신호를 받아 장치를 제어하는 전기 전자 제어장치, 및 각종 측정을 위한 MICROPROCESS CONTROLLER를 중심으로 한 제어 SYSTEM으로 구성되어 있다.

○ 압축기 냉동회로310)는 피측정압축기(311), 응축기(312), 보조응축기(313), 자동팽창변(314), 증발기(315)로 구성 되고

○ 히트파이프루프는 압축기 냉동회로의 응축열을 회수하는 증발용기(321), 회수된 응축열로 증발기(315)의 냉각부하에너지를 공급하는 응축용기(323). 이들 두개의 용기를 연결하는 기상연결부(322), 증발용기(321)의 2차 냉매의 액위를 감지하는 증발용기 액면조절기(LC1), 응축용기의 2차 냉매의 액위를 감지하는 응축용기 액면조절기(LC2)와 상기 두개의 액면 조절기로부터 신호를 받아 응축용기에서 2차냉매를 배출하고 증발용기에 2차냉매를 주입하는 두개의 이송펌프(PUMP1, PUMP2), 이 두개의 이송 펌프가 작동하여 히트파이프루프(320) 내의 2차 냉매 유량을 일정하게 유지되도록 하는데 필요한 2차냉매 저장탱크(330), 증발용기와 저장탱크의 내부를 예열 하는 전열기(HEATER1,2) 및 이송펌프 작동시 액상의 냉매를 주입, 배출 하는 통로를 제어하는 전동기 구동 BALL TYPE VALVE(MV1 - MV5)로 구성된다.

○ 전기전자제어장치는 온도감지기(T1-5), 압력전송기(P1-4), 온도지시조절기(TIC1-3), 압력지시조절기(PIC1,2), 전력을 개폐하는 차단기 와 전자개폐기, 전동기의 회전속도를 조절하는 INVERTER(INV1-3), 전열기에 공급되는 전기의 전압을 제어 하는 전력조절기(PR1-2)로 구성된다.

○ MICRO PROCESS CONTROLLER를 중심으로 한 측정 및 제어 SYSTEM은 MICRO PROCESS CONTROLLER, ISOLATED INTERFACE CARD,통신용 CONVERTER, MONITERING OPERATION PANEL 및 PC와 이를 운영하는 SOFTWARE로 구성된다

상기 본 발명의 구성에서 원리 및 방법을 실현하기 위하여 첨부된 도면을 참고하여 기능 및 작동을 설명하면 다음과 같다.

1) 피측정용 압축기를 가동하기 전 장치의 예열 및 2차 냉매 배출 및 주입 (도5, 도8 참조)

① 증발용기(321) 및 응축용기(323)에 설치된 액위조절기(LC1, LC2)의 위치를 피측정용 압축기의 용량에 맞게 일정위치에 이동 한다.

② 증발용기(321) 응축용기(323) 두개의 용기에 채워져 있는 액상의 2차냉매량이 ①항의 액위조절기(LC1, LC2) 위치에 따라 냉매를 배출과 주입을 할 때 전동 BALL TYPE VALVE와 이송 펌프의 작동 순서

★ 증발용기(321)에서 2차냉매를 배출할때는 밸브 MV3, MV5, MV2가 열리고 MV1, MV5는 닫은 후 PUMP1이 작동한다.

★ 응축용기(323)에서 2차냉매를 배출할 때는 밸브 MV1, MV2가 열리고 MV3, MV4, MV5는 닫은 후 PUMP1이 작동 한다.

★ 증발용기(321)에 2차냉매를 주입할 때는 밸브 MV3, MV4가 열리고 MV1, MV2, MV5는 닫은 후 PUMP2가 작동 한다

★ 2응축용기(323)에 2차냉매를 주입할 때는 밸브 MV1, MV5, MV4가 열리고 MV2 MV3은 닫은후 PUMP2가 작동 한다.

③ 증발용기(321)와 응축용기(323)에 차있는 냉매의 온도, 1차냉매회로의 응축온도, 증발온도, 압축기로 흡입되는 냉매증기온도와 과열도가 각각 정해진 온도에 도달하는 시간을 단축할 수 있도록 2차냉매 증발용기(321)저부에 전열기(HEATER1)를 설치한다. 이 전열기에 공급되는 전력은 온도지시조절기(TIC1)을 통하여 공급하며 예열 시 즉 측정용 압축기의 가동 초기에만 공급하고 각부의 온도가 정상 값으로 도달한 후에는 자동 차단된다.

④ 저장탱크(330)에 차있는 냉매온도는 실내온도보다 높은 약 37℃를 유지하기 위하여 저장탱크 저부에 전열기(HEATER2)를 설치하고 온도지시조절기(TIC2)를 통하여 조절 공급한다.

2) 피측정용 압축기(311)의 냉동용량을 측정할 때 냉동회로의 각부 온도 및 압력을 제어하는 각 구성품의 작동(도6, 도8 참조)

① 피측정용 압축기(311)의 토출압력 (응축온도)제어

증발용기(321)의 내부에 있는 주응축기(312)의 액면조절기(LC1) 위치에 따라 2차냉매의 증발량이 정해진다. 따라서 먼저 액위조절기(LC1)의 위치를 피측정용 압축기(311)의 용량에 따라 설정한다. (피측정압축기 용량이 증가하면 액위조절기(LC1)의 위치는 올라간다.) 증발용기 속에있는 주응축기(312)에서 대부분의 응축열을 방열하고 용기 외부에 설치된 공냉식 보조응축기(313)에서 여분의 응축열을 방출하므로 압축기 토출압력의 미세한 제어는 보조응축기의 냉각팬의 속도조절을 통하여 가능하다. 즉 피측정용 압축기(311)의 토출압력(P4)을 일정값으로 유지하기 위하여 피측정용 압축기(311)의 토출배관에 연결된 압력전송기(P4)의 신호를 받아 토출압력지시조절기(PIC1) 신호의 크기를 설정하며 이에 따라 보조응축기(313)의 냉각팬의 전동기(M) 회전속도를 조절하는 INVERTER (INV1)에 회전속도 지령신호(4~20mA)를 주어 냉각팬의 속도를 제어한다.

② 피측정용 압축기(311)의 흡입압력 (증발온도) 제어

피측정용 압축기(311)의 흡입 배관에 연결된 압력전송기(P3)의 신호를 받는 압력지시조절기(PIC2)에서 흡입압력으로 설정된 압력(P3)을 유지하기 위하여 팽창변(EV1)의 개도를 조절하는 VALVE CONTROL MOTOR UNIT(VCM)에 개도 조절신호를(4~20rnA)주어 제어한다.

③ 피측정용 압축기 흡입냉매 증기온도(과열도) 제어

설정된 온도(과열도)를 유지하기 위하여, 피측정용 압축기(311)의 흡입배관에 삽입된 온도 감지기(T5)의 신호를 받는 온도지시조절기(TIC3)에서, 2차 냉매 응축용기에 저장된 액상의 냉매를 이송하는 펌프(PUMP1)의 회전속도를 제어하는 인버터(INV2)에 회전속도 지령신호(4∼20mA)를 보낸다. 이 신호에 따라 PUMP1의 회전속도 - 2차냉매의 이송량 - 응축용기(323) 내부의 액위가 제어된다. 액위에 따라 증발기의 용량이 결정되어 피측정용 압축기(311)로 흡입되는 냉매증기의 온도(과열도)가 제어된다.

④ 상기 ①항②항③항의 제어기능을 하는 히트파이프루프(320)의 증발용기(321)와 응축용기(323)에 저장된 액상의 2차냉매량을 유지하기 위하여 액위조절기 (LC1, LC2)의 신호를 받아 구동되는 이송펌프(PUMP1,PUMP2)의 냉매 이송량은 지령신호를 따르며 전동 BALL TYPE밸브 (MV1∼MV5)는 유체의 이동방향에 영향을 받지 않고 개폐를 위한 전기적 신호에 따라 정확하게 유체를 이동 차단한다.

구조적으로 냉매저장탱크(330)보다 높은 위치에 있는 응축용기(323)로부터 중력에의하여 냉매가 이송되는 것을 방지하기 위하여 유량조절변(CV1)를 설치한다. 유량조절변(CV1)는 냉매이송펌프(PUMP1)가 작동하여 이송펌프의 토출압력이 일정 압력 이상이 되면 냉매가 이송되고 그 이하에서는 이송되지 않는다.

냉매저장탱크(330) 보다 높은 위치에 있는 증발용기(321)로부터 중력에 의하여 저장된 냉매가 저장탱크(330)로 이송되는 것을 방지하기 위하여 역류금지변(RV1)를 설치한다.

3) 히트파이프 루프를 순환하는 2차냉매의 엔탈피와 질량을 측정하여 피측정압축기(311)의 성능 평가(도7, 도8 참조)

피측정용 압축기 냉동회로와 히트파이프루프 가 정상상태 운전이 되면 이송펌프의 냉매 이송량이 일정하게 유지되며 히트파이프 루프내 각부에서 2차냉매의 온도 및 압력이 안정된다. 그리고 피 측정 압축기 냉매회로(310) 각 부에서도 온도와 압력이 시간에 따라 변하지않고 일정하게 된다. 이와 같이 열량계의 정상상태 운전을 확립한 후 압축기 냉방용량 산정에 필요한 각부의 온도와 압력을 측정한다.

압축기의 냉방용량을 산정하기위하여 먼저 증발기의 냉방부하를 다음과 같이 구한다. 1) 증발기(315)내부에서 증발열로 흡수하는 열량은 도7에서와 같이 히트파이프루프 응축용기(323)입구에서의 2차 냉매 증기의 압력(P1)과 온도(T3)를 측정하고 이에 해당하는 엔탈피(h1)를 구하고 응축용기(323)출구에서의 2차 냉매 압력(P2), 온도(T4)를 측정하여 이에 해당하는 엔탈피(h2)를 구한다. 2) 2차 냉매 이송펌프(PUMP1)가 이송한 액체의 유량(mr2)을 측정한다. 3) 증발기의 냉동부하는 mr2(h2 - h1) 이 된다.

입축기의 냉매 유량은 다음과 같이 구한다. 1) 압축기 냉동회로의 압축기 입구(증발기 출구)에서의 온도와 압력을 측정하고 엔탈피(hevp,e)를 구한다. 2) 증발기 입구(응축기 출구)에서의 압력과 온도를 구하고 엔탈피(hevp,i)를 구한다. 3) 앞에서 구한 증발기 냉동용량을 (hevp,e - hevp,i)로 나누어 압축기의 냉매유량, mr1,을 구한다.

마지막으로 압축기의 냉동용량은 다음과 같이 구한다. (1) 응축기 압력에 해당하는 1차 냉매의 포화액체의 엔탈피, hcon,sat를 구한다. (2) 압축기 입구(증발기 출구)에서의 엔탈피(hevp,e)를 구한다. (3) 압축기의 냉방용량 Qcom,ref = mr1 * (hevp,e - hcon,sat) 로 계산된다.

압축기의 소비 전력 ,Wcom, 은 전력계에서 측정한다. 압축기의 성능계수(COP)는 다음과 같이 구한다.

COP = Qcom,ref / Wcom

본 발명에서 고안한 히트파이프루프식 열회수 열량계를 이용하면 종래의 열량계에서 방열시키던 열을 회수하여 사용하며 응축기 항온조용 냉동기와 전열기 그리고 증발기 부하용 전열기가 필요하지 않으므로 전기에너지 소비량을 획기적으로 절약할 수 있으며 냉각수를 소모하지 않으므로 장치를 소형화할 수 있을 뿐만아니라 열량계의 설치와 이동이 간편하므로 열량계 설치를 위하여 별도의 실험실을 준비하지 않아도 된다. 따라서 본 발명을 활용하면(1) 기존의 열량계를 사용할 때보다 전기에너지를 약 50%이상 절약할 수 있으며 (2) 냉각수가 필요 없으므로 수돗물의 낭비가 없으며 (3) 냉각수 공급 시스템이 필요 없으므로 장치의 설치가 간편하고 (4) 이동식으로 제작할 수 있으므로 열량계를 위한 별도의 실험실을 마련할 필요가 없다.

도1 : p-h선도 상의 에너지 흐름을 나타낸 냉동기 기본회로

도2 : 기존 압축기 열량계의 에너지 흐름을 나타낸 개략도

도3 : 발명에 의한 압축기 열량계의 에너지 흐름을 나타낸 개략도

도4 : 발명에 의한 응축열회수식 열량계의 전체 구성도

도5 : 발명에 의한 응축열회수식 열량계의 예열 제어 계통도

도6 : 발명에 의한 응축열회수식 열량계의 1차냉매회로의 온도 및 압력제어 계통도

도7 : 발명에 의한 응축열회수식 열량계의 증발열량 측정계통도

도8 : 제어장치 부록도

[도면의 중요부분의 부호설명]

W _COM : 압축기 소비 전력량

Q _EVP : 증발기 흡수열량(냉동용량)

Q _CON : 응축기 방출열량

W _COM1 : 측정용 압축기 소비전력량

W _COM2 : 응축기 챔버 용 냉동기 소비전력량

Q _EVA.CHAM : 증발기 챔버 용 전열기 공급전력량

Q _CON.CHAM : 응축기 챔버 용 전열기 공급전력량

310 : 측정용 압축기 냉동회로

311 : 측정용 압축기 312 : 측정용 압축기 냉동회로의 응축기

313 : 측정용 압축기 냉동회로 보조응축기

314 : 측정용 압축기 냉동회로 팽창변

315 : 측정용 압축기 냉동회로의 증발기

320 : 히트파이프루프

321 : 2차 냉매 증발 용기 322 : 기상 연결부 배관

323 : 2차 냉매 응축 용기

LC1 : 2차 냉매 증발 용기 내부 액면 조절기

LC2 : 2차 냉매 응축용기 내부 액면조절기

PUMP1 : 2차 냉매 응축용기 액상냉매 이송펌프

CV1 : 압력 조절 변

FM : 질량유량계

PUMP2 : 2차 냉매 증발 용기 액상냉매 공급펌프

MV1 - MV5 : 전동기 구동 BALL TYPE VALVE

330 : 2차 냉매 저장탱크

T1∼T5 : 온도감지기

TIC1∼TIC3 : 온도지시조절기

P1∼P4 : 압력 전송기

PIC1~PIC2 : 압력지시조절기

INV1∼INV3 : 전동기 회전속도 조절용 INVERTER

EV1 : EXPANSION VALVE(팽창변)

VCM : 밸브 CONTROL MOTOR UNIT

M : 전동기

Claims

도4에서와 같이 냉동회로의 응축기에서 발생하는 응축열을 회수하여 증발기에서 흡수하는 증발열 즉 냉동부하로 공급하기위하여 특수한 형태의 히트파이프루프(도4,320)를 이용하여 히트파이프루프와 압축기의 냉동회로를 열역학적으로 연결하여 전체 시스템을 정밀하게 제어 계측하는 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 압축기 냉동회로의 응축기(312)는 히트파이프루프의 증발용기(321)내에 설치하여 응축기에서 방출되는 열을 받아 증발용기 속의 2차냉매가 증발하며, 압축기 냉동회로의 증발기(315)는 히트파이프루프의 응축용기(323)내에 설치하여 2차 냉매의 응축열을 받아 증발기 속의 1차 냉매가 증발한다. 두 용기는 기상연결부(322)로 밀폐 연결되며 내부의 불응축성 기체(공기)는 완전하게 제거한다. 용기내의 2차냉매는 열역학적 특성이 일정한 순수냉매이다.

압축기 냉동회로(310)의 응축열과 증발기의 증발열의 차이 즉 압축기의 압축 일에 해당하는 열은 압축기 냉동회로에 설치한 별도의 공냉식 보조응축기에서 방열한다. 보조응축기를 통하여 외기로 방출되는 열량을 제어하여 피 측정 압축기(311) 토출압력을 일정하게 유지되한다. 즉 압력조절기(PIC1)의 출력신호(4~20mA)로 보조응축기의 냉각홴 구동 전동기(M)의 회전속도를 제어하여 피측정 압축기(311)의 토출압력을 일정하게 유지한다.

히트파이프루프(320)의 증발용기(321)에서 증발한 2차냉매증기는 응축용기(323)와 증발용기(321)사이에서 발생하는 압력차에 의하여 히트파이프루프의 기상연결부를 거쳐 응축용기로 전달되어 내부에 설치된 증발기의 외벽에서 응축된다. 응축용기에서 응축된 2차 냉매는 유량계와 저장탱크를 거처 루프상의 증발용기로 다시 돌아가 히트파이프루프 사이클이 완성된다.

히트파이프루프의 응축용기 내부에서 응축된 액상의 냉매는 응축 양만큼 응축용기(323)에서 배출되어 유량계를 거처 저장탱크로 보내지며 저장탱크에 저장된 2차냉매는 증발용기(321)에서 증발된 양 만큼 액상의 냉매로 증발용기에 보충한다. 히트파이프 루프(320)와 압축기 냉동회로가 정상상태에 도달하면 히트파이프루프 내의 2차냉매유량이 일정하게 유지되며 압축기 냉동회로 응축기의 응축 방열량과 증발기의 증발 흡수열, 그리고 각 부의 온도와 압력이 일정하게 유지된다.

압축기 냉동회로(310)의 냉동용량은, 압축기 성능 산정에 필요한 조건 즉 지정된 응축온도, 증발온도, 과열도, 과냉도의 조건하에서 전체 시스템이 정상상태 운전시, 히트파이프루프 상의 응축용기의 입출구에서의 온도와 압력, 유량 그리고 압축기 냉동회로의 압축기 입구 온도와 출구 압력을 측정하고 1차 냉매의 열역학 물성표를 이용하여 산정하며 압축기 구동 전기 에너지는 압축기의 소요 전기에너지를 직접 측정한다.

상기와 같이 냉동기의 성능을 평가할 때 피측정압축기(311)의 냉동회로(310)의 응축열을 대기로 방출하지 않고 증발기 냉각부하열로 사용함과 동시에 압축기의 열량을 측정하는 압축기 열량계의 열량측정 방법.
상기 1항에 있어서 피측정 압축기(311)의 냉동회로(310)의 응축열을 회수하여 증발열로 이용할 때 열의전달과정중 전달매체의 증발, 흡열, 응축 발열을 이용하는 즉 물질의 상태변화에 의한 잠열을 이용하므로 증발시 발생하는 증발압과 응축시 발생하는 응축압간의 압력차로 열이 급속하게 이동됨과 동시에 항상 필요한 열만 이동하므로 열적평행을 유지하게 하는 압축기 냉동회로의 증발기의 냉동부하열 전달방법.
상기 1항과 2항의 방법을 실시하는 장치의 구성에서 피측정 압축기(311)의 냉동회로(310)의 응축기를 히트파이프 루프(320), 증발용기(321)에 피측정 압축기 냉동회로(310)의 증발기(315)는 히트파이프 루프(320)의 응축용기(323)에각각 두고 기상연결부(322)로 연결하여 밀봉하고 내부의 공기등 불응축성 기체를 배출하고 열역학적 물성이 일정한 순수냉매를 2차냉매로 주입하여 히트파이프 형태로 구성된 냉동압축기 열량계의 응축열을 회수하여 증발기의 냉각부하열로 공급하는 압축기열량계의 응축열 회수장치.
상기1항과 2항의 방법을 실시하는 히트파이프 루프(320)의 응축용기(323)에서 응축된 액상의 2차냉매와 증발용기(321)에서 증발하기전 액상의 2차냉매의 양을 일정하게 유지하기 위하여 전동 BALL TYPE VALVE(MV1~MV5)가 브릿지로 연결배관되고 상기 두개의 용기에서 액상의 냉매를 배출하는 펌프(PUMP1)와 주입하는 펌프(PUMP2)가 2차냉매저장탱크(330)을 사이에 두고 연결되어 장치의 운전시 필요에따라 응축용기(323), 증발용기(321)의 냉매를 배출하기도 하고 주입하기도 할수있게 구성된 압축기 열량계의 액상의 2차냉매 이송장치.
상기1항의 압축기 냉매회로(310)의 토출압력(응축온도)을 제어하는 수단으로 공랭식 보조응축기(313)의 구동전동기(M)의 회전속도를 제어함으로 얻어지는 압축기열량계의 토출압력 제어장치.
상기1항의 압축기 냉매회로(310)의 과열도를 제어하는 수단으로 2차냉매 응축용기(323)내부에 압축기 냉매회로(310)의 증발기는 수직코일형으로 감겨있고 하부에는 액상의 2차냉매에 잠겨있고 상부에는 기상의 2차냉매와 접하게하여 증발기(315)내부의 냉매가 증발할 때 흡수되는 증발열 및 증발한 증기의 과열도를 결정하는 열의양을 응축용기 내부 2차냉매액면 변위로조절한다. 즉 피측정 압축기로 흡입되는 냉매증기의 과열도 측정 온도감지기(T3), 온도지시조절기(TIC3)와 액상냉매배출 펌프(PUMP1)로 구성된 압축기 열량계의 과열도 조절장치.