KR20060019582A - 절약형 냉동 시스템의 초임계 압력 조절 - Google Patents

절약형 냉동 시스템의 초임계 압력 조절 Download PDF

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KR20060019582A
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토비아스 에이치. 시넬
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Abstract

냉매는 압축기(22), 가스 쿨러(24), 주 팽창 장치(26), 이코노마이저 열 교환기(30) 및 증발기(28)를 포함하는 절약형 냉동 시스템을 통해 순환된다. 냉각 후, 냉매는 이코노마이저 유동로(34)와 주 유동로(32)로 분할된다. 이코노마이저 유동로(34) 내의 냉매는 저압으로 팽창되어 이코노마이저 열 교환기(30)에서 주 유동로 내의 냉매와 열 교환한다. 이후, 주 유동로(32) 내의 냉매는 팽창되고, 증발기(28)에서 가열되고 압축기(22)로 유입되어 사이클을 완료한다. 이코노마이저 열 교환기(30)와 압축기(22) 사이에 위치된 어큐뮬레이터(44)는 시스템 내의 과잉 냉매를 저장하여 시스템 내의 냉매의 양 및 시스템의 고압을 조절한다. 어큐뮬레이터(44) 내의 냉매의 양은 이코노마이저 팽창 장치(36)를 조절함으로써 제어된다. 어큐뮬레이터(44) 내의 냉매의 양을 조절함으로써, 시스템 내의 냉매의 양 및 이에 따라 시스템의 고압이 조절될 수 있다.
이코노마이저 열 교환기, 주 팽창 장치, 증발기, 어큐뮬레이터, 압축기, 가스 쿨러, 이코노마이저 유동로, 이코노마이저 팽창 장치

Description

절약형 냉동 시스템의 초임계 압력 조절{SUPERCRITICAL PRESSURE REGULATION OF ECONOMIZED REFRIGERATION SYSTEM}
본 발명은 대체로 단간 어큐뮬레이터(interstage accumulator)가 이코노마이저 열 교환기와 압축기 사이에 위치되어 시스템의 고압 부품에서의 냉매의 양을 조절함으로써 절약형 냉동 시스템의 고압 부품을 조절하는 시스템에 관한 것이다.
염소 함유 냉매는 오존 파괴 가능성으로 인해 세계적으로 단계적으로 사용 폐지되고 있다. 하이드로플루오로 카본(HFCs)이 대체 냉매로서 사용되어 왔지만, 이러한 냉매들은 지구 온난화에 대한 가능성이 여전히 높다. 이산화탄소나 프로판과 같은 자연" 냉매가 대체 유체로서 제안되어 왔다. 불행하게도, 이러한 유체들의 사용에 따른 문제점이 여전히 존재한다. 이산화탄소는 이를 이용하는 대부분의 공기 조화 시스템이 부분적으로는 임계점 이상에서 가동 또는 최상의 상태에서는 천이 임계(transcritical)로 가동되게 하는 저 임계점을 갖는다. 임의의 아임계(subcritical) 유체의 압력은 (액체 및 증기 모두가 존재할 때) 포화 상태하에서 온도의 함수이다. 하지만, 유체의 온도는 임계 온도보다 높을 때(초임계), 압력은 유체의 밀도의 함수가 된다.
냉동 시스템이 천이 임계 상태로 가동될 때, 시스템의 고압 부품을 조절하는 데 있어서 장점을 갖는다. 시스템의 고압을 조절함으로써, 시스템의 용량 및/또는 효율이 제어되어 최적화될 수 있다.
종래 기술에서, 냉동 시스템의 고압 부품은 가스 쿨러의 출구에 위치된 팽창 밸브를 조정함으로써 조절되어 시스템 용량 및 효율을 제어한다. 또한, 흡입 라인 열 교환기 및 저장 탱크가 시스템 용량 및 효율을 증가시키는데 채용되어 왔다.
시스템 용량은 열 방출 열 교환기를 나오는 액체 냉매를 과냉시키는데 이코노마이저 열 교환기를 채용함으로써 또한 증가될 수 있다. 냉매는 열 방출 열 교환기를 나온 후 2개의 유동로로 분할된다. 이코노마이저 유동로는 저압으로 팽창되고 이코노마이저 열 교환기의 주 유동로와 열 교환한다. 이코노마이저 유동로로부터의 냉매는 압축기 내로 주입된다. 주 유동로 내의 냉매는 주 팽창 장치에 의해 팽창된다. 이코노마이저 유동로 내의 냉매로 주 유동로를 추가로 냉각시킴으로써, 증발기에 대한 입구 엔탈피가 감소되고 냉각 용량을 증가시킨다.
절약형 냉동 시스템은 압축기, 가스 쿨러, 주 팽창 장치, 증발기 및 이코노마이저 열 교환기를 포함한다. 가스 쿨러 내에서 냉각된 후, 냉매는 이코노마이저 유동로와 주 유동로로 분할된다. 이코노마이저 유동로 내의 냉매는 이코노마이저 팽창 장치 내에서 저압으로 팽창되고, 이코노마이저 열 교환기의 주 유동로 내의 냉매와 열 교환한다. 이코노마이저 유동로 내의 냉매는 압축기 또는 다중 상태 압축 공정의 단들(stages) 사이로 복귀된다. 이코노마이저 열 교환기와 압축기 사이에 위치된 어큐뮬레이터는 이코노마이저 열 교환기로부터의 냉매의 양을 저장하여 시스템 내의 냉매의 양을 조절함으로써 시스템의 고압을 조절한다. 바람직하게는, 이산화탄소가 냉매이다. 주 유동로 내의 냉매는 주 팽창 장치에 의해 팽창되고 증발기에서 가열되어 사이클을 완료한다. 시스템의 고압을 조절함으로써, 시스템 효율 및 용량이 최적화될 수 있다.
어큐뮬레이터 내에 저장된 냉매의 양, 이에 따라 시스템 내의 냉매의 양을 조절함으로써, 시스템의 고압이 조절될 수 있다. 어큐뮬레이터 내에 저장된 냉매의 양은 이코노마이저 팽창 장치를 작동시킴으로써 조절된다. 가스 쿨러의 고압은 시스템의 고압에 대응하여 이코노마이저 팽창 장치에서 작동시키는 제어부에 의해 감시된다.
이코노마이저 팽창 장치가 약간 개방되면, 이코노마이저 열 교환기를 통해 더 많은 냉매가 유동하고, 주 유동로 내의 냉매를 냉각시킨다. 이코노마이저 유동로 내의 냉매는 과열되지 않기 때문에, 이코노마이저 열 교환기로부터의 액체 냉매는 어큐뮬레이터 내에 축적되어 시스템 내의 냉매의 양과 시스템의 고압을 모두 감소시킨다. 이코노마이저 팽창 장치가 약간 폐쇄되면, 이코노마이저 열 교환기를 통해 적은 냉매가 유동하여 이코노마이저 유동로 내의 냉매의 과열을 증가시킨다. 냉매가 과열됨에 따라, 더 적은 냉매가 어큐뮬레이터 내에 축적되어 시스템 내의 냉매의 양과 시스템의 고압을 증가시키게 된다. 주 팽창 장치는 증발기 이후 또는 제1단 압축 전에 흡입 과열을 제어하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 특징들 및 장점들은 현재의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 당업자에게 명확해진다. 상세한 설명에 따르는 도면들은 아래와 같이 간략하게 설명될 수 있다.
도1은 이코노마이저 열 교환기를 채용하는 종래의 냉동 시스템의 개략도이다.
도2는 이코노마이저를 사용하는 사이클과 이코노마이저를 사용하지 않는 사이클과 관련하여 엔탈피에 대한 압력을 나타내는 그래프이다.
도3은 어큐뮬레이터를 채용하는 본 발명의 절약형 시스템을 도시하는 도면이다.
도1은 종래의 절약형 냉동 시스템(20)을 개략적으로 도시한다. 시스템(20)은 압축기(22), 열 방출 열 교환기(24)[천이 임계 사이클에서의 가스 쿨러], 주 팽창 장치(26), 열 수용 열 교환기(28)[증발기] 및 이코노마이저 열 교환기(30)를 포함한다. 냉매는 밀폐 회로 시스템(20)을 통해 순환한다. 냉매는 고압 및 엔탈피에서 배출 포트(42)를 통해 압축기(22)를 나온다. 냉매는 가스 쿨러(24)를 통해 유동하여 열을 잃고 더 낮은 엔탈피 및 고압으로 나온다. 이후, 냉매는 2개의 유동로(32, 34)로 분할된다. 이코노마이저 유동로(34) 내의 냉매는 이코노마이저 팽창 장치(36)에서 저압으로 팽창되고, 이코노마이저 열 교환기(30)의 주 유동로(32) 내의 냉매와 열 교환하여 주 유동로(32) 내의 냉매를 냉각시킨다. 이코노마이저 유동로(34) 내의 냉매는 흡입 압력과 배출 압력 사이의 압력으로 이코노마이저 복귀로(56)를 따라 이코노마이저 포트(38)를 통해 압축기(22)로 복귀된다. 주 유동 로(32) 내의 냉매는 주 팽창 장치(26)에 의해 팽창되고, 이후 증발기(28) 내에서 가열된다. 이후에, 냉매는 흡입 포트(40)를 통해 압축기(22)로 유입되어 복귀로(56)로부터의 냉매와 혼합된다.
바람직하게는, 이산화탄소가 냉매로서 사용된다. 이산화탄소가 예시되지만, 다른 냉매들이 이용될 수 있다. 이산화탄소는 저 임계점을 갖기 때문에, 냉매로서 이산화탄소를 이용하는 시스템은 대체적으로 시스템(20)이 천이 임계로 가동될 것이 요구된다. 시스템(20)이 천이 임계로 가동될 때, 시스템(20)의 고압 부품을 조절하는 것이 유리하다. 시스템(20)의 고압을 조절함으로써, 시스템(20)의 용량 및/또는 효율이 제어되어 최적화될 수 있다.
절약형 사이클 및 비절약형 사이클의 열역학적 선도가 도2에 도시된다. 비절약형 시스템에서, 냉매는 점 A로 표시된 고압 및 엔탈피에서 압축기(22)를 나온다. 냉매가 고압으로 가스 쿨러(24)를 통해 유동함에 따라, 이는 열 및 엔탈피를 잃고 점 B로 표시된 저 엔탈피 및 고압으로 가스 쿨러(24)를 나온다. 냉매가 팽창 장치(26)를 통과함에 따라, 압력은 점 C까지 강하한다. 팽창 후, 냉매는 증발기(28)를 통과하여 점 D로 표시된 고 엔탈피 및 저압으로 나온다. 냉매가 압축기(22)를 통과한 후, 이는 다시 고압 및 엔탈피가 되어 사이클을 완료한다.
절약형 사이클에서, 점 B에서 열 방출 열 교환기(24)를 나오는 유동은 2개의 부분으로 분할된다. 유동의 일부(34)는 점 E로 표시된 바와 같이 저압 및 저온으로 팽창된다. 이 유동은 다음에 이코노마이저 열 교환기(30)의 주 유동(32)과 열 교환한다. 주 유동(32)은 점 B'에서 이코노마이저 열 교환기(30)를 나오고, 이코 노마이저 유동은 점 F에서 나온다. 주 유동은 다음에 점 C'로 표시된 바와 같은 저온 및 저압으로 팽창된다. 이 유동은 증발기(28)를 통해 점 D 상태로 향한다. 주 유동은 이후에 압축기(22)에서 압축된다. 압축 과정 동안 또는 다단 압축 과정의 단들 사이에서, 점 F로부터의 이코노마이저 유동이 추가되어 주 유동의 온도를 점 G로 강하되고, 압축 과정이 점 A가 아닌 점 A'이 나오게 하여서 사이클을 완료한다.
시스템(20)의 고압은 가스 쿨러(24)에서의 냉매의 온도와 밀도의 함수이다. 밀도는 질량 및 부피의 함수이고 가스 쿨러(24) 내부의 체적은 통상적으로는 변하지 않기 때문에, 가스 쿨러(24)의 고압은 냉매 질량과 가스 쿨러(24)의 온도만의 함수이다. 따라서, 가스 쿨러(24)의 냉매의 질량을 제어함으로써, 시스템(20)의 고압이 조절될 수 있다.
도3은 본 발명의 시스템(20)을 도시한다. 시스템(20)은 냉매를 저장하도록 이코노마이저 열 교환기(30)와 압축기(22)의 이코노마이저 포트(38) 사이에 위치된 단간 어큐뮬레이터를 추가로 포함한다. 시스템(20)의 냉매의 순(net) 유동이 어큐뮬레이터(44) 내로 향하면, 시스템을 통해 순환되는 냉매가 적게 되고, 가스 쿨러(24)의 압력은 흡입 과열이 일정하게 유지되면 감소되게 된다. 다르게는, 시스템(20) 내에서의 냉매의 순 유동이 어큐뮬레이터(44)로부터 나오면, 시스템(20)을 통해 순환하는 냉매는 더 많게 되고, 가스 쿨러(24)의 압력은 흡입 과열이 일정하게 유지되면 증가하게 된다.
주 팽창 장치(26)는 증발기(28)로 유동하는 주 유동로(32)를 조절함에 따라 압축기(22)의 흡입 과열을 조절한다. 주 팽창 장치(26)가 약간 개방되면, 더 많은 냉매가 증발기(28)를 통해 유동하고, 압축기(22) 흡입부에서의 과열은 감소된다. 주 팽창 장치(26)가 약간 폐쇄되면, 증발기(28)를 통해 더 적은 냉매가 유동하고, 압축기(22)의 흡입 포트(40)에서의 과열은 증가된다.
이코노마이저 팽창 장치(36)는 이코노마이저 유동로(34)를 조절함에 따라 시스템(20)의 고압을 조절한다. 이코노마이저 유동로(56) 내의 과열량은 이코노마이저 팽창 장치(36)에 의해 조절되는 이코노마이저 유동로(34)를 통한 냉매의 유동과 이코노마이저 열 교환기(30)의 최초 치수에 의해 조절된다. 이코노마이저 유동로(56) 내의 과열이 양이면, 고압을 상승시키는 어큐뮬레이터(44)로부터의 냉매의 순 유동이 된다. 이코노마이저 팽창 장치(36)를 조절함으로써, 어큐뮬레이터(44) 내의 냉매의 양, 이에 따라 시스템(20)의 고압이 조절될 수 있다.
이코노마이저 팽창 장치(36)가 약간 개방되면, 이코노마이저 열 교환기(30)를 통해 더 많은 냉매가 유동하고, 주 유동로(32) 내의 냉매를 냉각시켜서 이코노마이저 포트(38)에서의 과열을 감소시킨다. 시스템(20) 내의 냉매의 양은 감소되어 시스템(20)의 고압을 감소시킨다.
액체 냉매가 어큐뮬레이터(44) 내에 축적될지라도, 압축기(22)는 어큐뮬레이터(44)로부터 연속하여 냉매를 끌어들인다. 따라서, 이코노마이저 열 교환기(30)를 나오는 이코노마이저 유동로(56)는 어큐뮬레이터(44)로 유입되는 유동과 어큐뮬레이터(44)로부터 나오는 유동 사이의 밸런스를 유지하도록 포화 상태가 되어야 한 다. 유동이 포화 상태이면, 이코노마이저 열 교환기(30) 유동의 질(quality)이 감소되어 냉매가 어큐뮬레이터(44) 내로 유동하게 하여 고압을 감소시킨다. 유동이 포화 상태가 아니면, 가스 쿨러(24) 내의 냉매는 결국 어큐뮬레이터(44)로부터 시스템(20) 내로 유동하여 고압이 증가된다.
이코노마이저 팽창 장치(36)가 약간 폐쇄되면, 이코노마이저 열 교환기(30)를 통해 더 적은 냉매가 유동하여 이코노마이저 유동로(56) 내의 냉매의 과열이 증가된다. 이코노마이저 유동로(56) 내의 냉매가 과열됨에 따라, 어큐뮬레이터(44) 내에 더 적은 냉매가 축적되어 시스템(20) 내의 냉매의 양과 시스템(20)의 고압을 증가시킨다.
가스 쿨러(24)의 고압은 제어부(46)에 의해 감시된다. 제어부(46)가 가스 쿨러(24)의 고압이 너무 높다고 감지하면, 제어부(46)는 가스 쿨러(24)로부터의 냉매가 이코노마이저 열 교환기(30)를 통해 유동하여 어큐뮬레이터(44)로 유입되도록 이코노마이저 팽창 장치(36)를 개방하여 고압을 감소시킨다. 다르게는, 제어부(46)가 가스 쿨러(24)의 고압이 너무 낮다고 감지하면, 제어부(46)는 가스 쿨러(24)로부터의 냉매가 이코노마이저 열 교환기(30)를 통해 유동하여 어큐뮬레이터(44)로 유입되는 것을 방지하도록 이코노마이저 팽창 장치(36)를 폐쇄하여 고압을 증가시킨다.
증발기(28)의 출구에서의 과열은 TXV 밸브와 같은 열 기계역학적 수단 또는 센서의 조절에 의해 주 팽창 장치(26)의 제어에 의해 또한 조절된다. 주 유동로(32)와 이코노마이즈 유동로(34)가 이코노마이저 열 교환기(30)를 통과하기 전에 분할된 것으로 도시되고 설명되지만, 가스 쿨러(24)를 나오는 전체 유동이 주 유동로(32)와 이코노마이즈 유동로(34)로 분할되기 전에 이코노마이저 열 교환기(30)를 또한 통과할 수 있다는 것이 이해된다.
또한, 단일의 압축기(22)가 도시되고 설명되지만, 다중 압축단 시스템이 다중 압축기가 이용되는 곳에 채용될 수 있다는 것이 이해된다.
상기 설명들은 본 발명의 원리의 단지 일례이다. 본 발명의 다양한 변형예 및 수정예가 상기 교시를 참조하여 가능하다. 본 발명의 바람직한 실시예가 개시되어 있지만, 본 기술 분야의 당업자는 소정의 변형예가 본 발명의 범위 내에 해당된다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위의 범위 내에서 본 발명이 특정하게 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것이 이해된다. 이러한 이유로, 다음의 청구범위가 본 발명의 진정한 범위 및 내용물을 판단하는데 연구되어야 한다.

Claims (15)

  1. 냉매를 고압으로 압축하는 압축기와,
    냉매를 냉각시키는 열 방출 열 교환기와,
    이코노마이저 열 교환기와,
    상기 이코노마이저 열 교환기와 상기 압축기 사이에 위치되어 주입량을 저장하는 어큐뮬레이터와,
    주 통로 내의 상기 냉매를 저압으로 감소시키는 주 팽창 장치와,
    상기 냉매를 증발시키는 열 수용 열 교환기를 포함하고,
    상기 냉매는 이코노마이저 팽창 장치에서 저압으로 감소되는 상기 주 통로와, 이코노마이즈 통로로 분할되고, 상기 주 통로 내의 냉매와 상기 이코노마이즈 통로 내의 냉매는 상기 이코노마이저 열 교환기 내에서, 상기 압축기로 복귀하는 상기 이코노마이즈 통로와 주 팽창 장치로 유동하는 상기 주 통로 사이에서 열 교환하는 냉동 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉매는 이산화탄소인 냉동 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고압은 상기 어큐뮬레이터 내의 주입량이 감소함에 따라 증가되는 냉동 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고압은 상기 어큐뮬레이터 내의 주입량이 증가함에 따라 감소되는 냉동 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열 수용 열 교환기를 통해 유동하는 상기 냉매의 양은 상기 주 팽창 장치가 개방될 때 증가되는 냉동 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열 수용 열 교환기를 통해 유동하는 상기 냉매의 양은 상기 주 팽창 장치가 폐쇄될 때 감소되는 냉동 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 어큐뮬레이터의 주입량은 상기 이코노마이저 유동로 내의 냉매가 가열되는 정도에 의해 제어되는 냉동 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 어큐뮬레이터의 주입량은 상기 이코노마이저 팽창 장치에 의해 제어되는 냉동 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 이코노마이저 유동로 내의 냉매가 과열되지 않을 때 상기 어큐뮬레이터 내의 주입량이 증가되어 상기 고압을 감소시키는 냉동 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 어큐뮬레이터 내의 냉매는 액체인 냉동 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 이코노마이저 유동로 내의 냉매가 과열될 때 상기 어큐뮬레이터 내의 주입량이 감소되어 상기 고압을 증가시키는 냉동 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 시스템의 고압은 제어부에 의해 감시되는 냉동 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어부는 상기 시스템의 고압이 소정의 고압 이상이라는 것을 상기 제어부가 감지할 때 상기 이코노마이저 팽창 장치를 개방하여 상기 고압을 감소시키는 냉동 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제어부는 상기 시스템의 고압이 소정의 고압 이하라는 것을 상기 제어부가 감지할 때 상기 이코노마이저 팽창 장치를 폐쇄하여 상기 고압을 증가시키는 냉동 시스템.
  15. 냉동 시스템의 고압을 조절하는 방법이며,
    냉매를 고압으로 압축시키는 단계와,
    상기 냉매를 냉각시키는 단계와,
    상기 냉매를 주 통로와 이코노마이즈 통로로 분할시키는 단계와,
    상기 이코노마이즈 통로 내의 냉매를 팽창시키는 단계와,
    상기 주 통로 내의 냉매와 상기 이코노마이즈 통로 내의 냉매를 열 교환시키 는 단계와,
    상기 이코노마이즈 통로 내의 냉매를 복귀 라인을 따라 상기 압축 단계로 복귀시키고, 상기 주 통로 내의 냉매를 팽창 단계로 유동시키는 단계와,
    상기 복귀 라인으로부터의 상기 주입량을 저장하는 단계와,
    상기 냉매를 저압으로 팽창시키는 단계와,
    상기 냉매를 증발시키는 단계와,
    시스템의 고압을 조절하도록 상기 저장 단계로부터의 상기 주입량을 조정하는 단계를 포함하는 냉동 시스템의 고압 조절 방법.
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