KR20060066154A - 냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압가스냉매의 상태변화특성으로 증발기의 열흡수냉방작용 또는 응축기의 열방출난방작용을 밸브조작으로 전환하고, 히트펌프에 유체기기의 기능을 추가시켜 냉매가스의 흐름으로 동력을 획득하여 전기를 발전하는 것만큼 에너지를 절약토록 냉매가스터빈발전기를 결합시켜 복합에너지장치를 구성하는 것으로 냉매가스터빈발전기이용 절전형 히트펌프에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 압축기-응축기-팽창변-증발기의 냉매순환배관으로 구성되었던 히트펌프 싸이클에서 팽창변을 대체하여 냉매가스터빈 발전기를 설치해서 배관에 흐르는 냉매운동으로 회전력을 얻고 발전하는 장치이다.

히트펌프 배관에서 가장 좁은 규격의 배관으로 설계되어 유체저항 때문에 고/저압의 압력차만 일으켰던 팽창변을 대체하여 팽창변의 단면적과 동일한 규격으로 제작된 냉매가스터빈 발전기를 설치해서, 유체저항으로 고/저압의 압력차는 그대로 유지하여 히트펌프 기능을 하고, 냉매흐름의 운동으로 냉매가스터빈발전기를 구동시켜 히트펌프를 운전할 때 무비용 전기를 생산하는 신재생에너지장치인 냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프를 제공한다.

냉매가스터빈, 유체저항, 히트펌프 싸이클, 신재생 에너지장치

Description

냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프{omitted}

제 1도는 본 발명품 냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프에서 실내기가 냉방용으로 작동할 때 4Way 밸브 개폐와 냉매흐름의 배관도.

제 2도는 제 1도의 전체 시스템과 동일한 배관계통의 장치에서 4Way 밸브 조작을 바꾸어 난방용으로 작동할 때 냉매흐름을 표기한 배관도.

제 3도는 제 1도와 제 2도에서 팽창변 대신에 설치된 냉매가스터빈발전기의 내부구조와 부분품의 결합상태를 표기한 정면절개 단면 조립도.

제 4도는 고압가스냉매압축기의 히트펌프에서 열 이동 특성과 동력에너지의 등가변환관계를 설명한 히트펌프 에너지보존법칙의 원리 계통도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 냉매가스터빈발전기

101 : 발전기 102 : 축류형터빈 통공휠(외측/ 내측)

103 : 회전자축 104 : 베어링

105 : 외측 터빈통공 입구배관 106 : 외측 터빈통공 출구배관

107 : 내측 터빈통공 입구배관 108 : 내측 터빈통공 출구배관

200 : 냉매압축기

201 : 압축기토출배관 4Way 밸브 202 : 터빈토출배관 4Way 밸브

300 : 실내기 (도 1에서는 증발기, 도 2에서는 응축기)

400 : 실외기 (도 1에서는 응축기, 도 2에서는 증발기)

본 발명 냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프는 입력 에너지에 대비하여 출력 에너지가 4배로 높은 히트펌프를 여름철에는 냉방용과 겨울철에는 난방용으로 전환할 수 있도록 4Way 밸브를 설치하여 사용자의 필요에 따라 다기능으로 활용할 수 있는 배관계통의 시스템으로 구성하며,

순환시스템으로 구성된 히트펌프의 배관계통내부에 흐르는 유체냉매의 운동에너지를 유체기기(냉매가스터빈 발전기)의 회전동력으로 획득하는 냉매가스터빈 발전기를 설치해서, 히트펌프를 가동할 때는 항상 무비용으로 전기를 생산하므로 발전되는 전력량만큼의 에너지를 절약하는 장치를 구성한다.

에너지변환장치 중에서 히트펌프는 냉매압축기의 입력보다 증발기의 출력인 열흡수냉방능력(COP)이 4배가 되는 것은 기술적으로 매우 중요한 사실이다. 냉방전용 에어컨으로 구성된 히트펌프를 가동하기 위해서는 냉매 압축기만 인위적으로 구동하면 되었고, 냉매가 증발하고 주위 열을 흡수하여 얻어지는 냉각작용의 효과로서 4배의 출력을 이용했는데, 이때 실외기(응축기)에서는 여름철에는 필요 없는 열이었기 때문에 5배의 응축열을 방출하여 버렸다.

히트펌프에서 나타나는 에너지변환상태를 다시 재정리해보면,

인위적으로 투입하는 냉매압축기동력(제 1입력에너지)과 증발기가 흡수하는 4배의 기화열(제 2입력에너지)의 합이 히트펌프의 입력에너지인 것이며,

실외기(응축기)에서 버리는 5배의 응축열(총 출력에너지)이 실제 히트펌프의 출력에너지로서 전체적인 에너지보존법칙이 정확하게 정립되는 것이다.

본 발명은 냉매배관계통에 4Way밸브를 설치하여 실내기의 기능을 전환하여 여름철에는 증발기의 기능으로 운전하여 냉방기로, 겨울철은 난방기의 기능으로 유체냉매가 흐르는 방향을 바꾸어서 사용자의 필요에 따라 이용하고, 히트펌프의 배관계통내부에서 냉매가 일정한 방향으로만 흐르는 배관계통에 냉매가스터빈 발전기를 설치해서, 히트펌프를 가동할 때는 항상 무비용으로 전기를 발전하는 냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프를 구성한다.

종래에는 고압기스 냉매가 저온에서 증발하면서 열을 흡수하는 특성을 응용하는 제품으로 여름철에 사용하는 냉방용 에어컨이나 냉동 창고나 냉장고의 열을 외부로 배출하여 온도를 저온으로 낮추어 냉각하는데 주로 이용했다.

저온(영하 약 30℃)에서 증발하는 냉매가 상온에서 상태변화(액체/ 기체)를 쉽게 일으키는 특성을 이용하여 냉각용의 역랭킨싸이클로만 발전되었으나 최근에 이르러서야 에어컨의 냉매압축기에 입력되는 동력에너지에 비하여 증발기에서 흡수하는 열에너지가 4배(냉동능력의 COP=4)가 됨을 중요하게 인식하기 시작하였고, 에어컨의 응축기에서 방출하여 버리는 열에너지가 5배(압축기의 입력동력(1)과 증발기 흡수열(4)의 합인; 1+4 = 5)가 되는 귀한 열에너지를 무관심하게 낭비하고 있다는 사실이 널리 인식되면서부터, 여름철에는 증발기의 냉방작용을 이용하고, 겨울 철은 응축기의 난방작용으로 활용하는 냉방/ 난방 겸용의 다용도의 히트펌프기술을 개발하고 있으나,

여름철과 겨울철의 주위환경 온도변화 특성에 대응치 못하고 있는 현실이며 특히 히트펌프 내부에 흐르는 냉매의 운동에너지를 회전동력으로 획득하여 활용할 수 있는 랭킨싸이클에너지변환의 원천기술 개발은 미약한 실정이다.

이와 같은 이유는 열 이동으로 유체의 상태변화를 일으키고 유체가 흐르는 운동에너지를 동력으로 변환하는데(랭킨싸이클 = 열-유체의 상태변화-동력) 중요한 기능을 하는 유체기기의 생산설비 및 응용기술이 낙후되어있으며, 역랭킨싸이클에너지변환 기술인 고압가스냉동/ 냉장, 에어컨 등 히트펌프의 제조 설치기술이 랭킨싸이클 에너지변환기술과 결합되지 못했기 때문이다.

산업체나 학계 연구소에서도 유체공학, 냉동공학, 열역학 기술의 각 분야가 상호 연계되는 공통성을 가진 기술임에도 불구하고 각각 분리된 벽을 쌓고 독자적인 분야의 연구개발에만 치중하고 있기 때문에, 단편적인 제품의 제조 및 생산기술에만 치중하고 있는 산업체는 유체기기, 냉동기, 에어컨, 열기관장치가 분산되어 신재생에너지기술이 체계적으로 개발되지 않는 실정이다,

본 발명에서는 순환시스템의 에너지변환장치인 히트펌프의 기능을 다양하게 활용하는 것으로서, 입력에너지에 비해 출력에너지가 4배로 높은 히트펌프를 여름철은 냉방용/ 겨울철에는 난방용으로 전환할 수 있도록 4Way 밸브를 설치하여 밸브조작으로 냉매의 흐름을 전환할 수 있는 배관계통을 구성하며, 순환시스템으로 구 성된 히트펌프의 배관계통내부에 흐르는 유체냉매의 운동에너지를 유체기기(냉매가스터빈 발전기)의 회전동력으로 획득하는 냉매가스터빈 발전기를 설치해서, 히트펌프를 가동할 때는 항상 무비용으로 전기를 생산하는 냉매가스터빈 발전기이용 절전형히트펌프를 구성한다.

본 발명의 냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프시스템을 제작 구성한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명 시스템을 구성하는 중요한 부분품의 작동특성과 전체 순환시스템의 배관계통을 구성하는 방법을 설명코자 한다.

제 1도는 본 발명품 냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프에서 실내기가 냉방용으로 작동할 때 4Way 밸브의 개폐와 냉매흐름의 배관도이며,

제 2도는 제 1도의 전체 시스템과 동일한 배관계통의 장치에서 4Way 밸브 조작을 바꾸어 난방용으로 작동할 때 냉매흐름을 표기한 배관도이다.

본 발명의 기본적인 장치구성은 기존의 냉방기로 이용하는 에어컨과 유사한 냉동 4싸이클; 냉매압축기-응축기-냉매가스터빈발전기-증발기로 구성되며, 응축기와 증발기의 기능을 전환하도록, 2개의 4Way 밸브(201, 202)를 설치하고, 제 1도와 제 2도의 도면에 따라 동 튜브를 립블로 결합 구성한다.

냉방/ 난방 겸용의 히트펌프순환배관계통의 구성은 팽창변 대신에 설치하는 냉매가스터빈 발전기(100)에 흐르는 냉매가 항상 일정한 방향으로 흐르도록 압축기토출배관 4Way 밸브(201)의 입구측에는 냉매압축기(200)의 토출측에, 출구측에는 냉매가스터빈발전기(100)의 내측터빈휠의 유로에 결합시키고,

압축기토출배관 4Way 밸브(201)의 우측에는 실내기(300)에 연결, 좌측에는 실외기(400)에 연결하여 밸브조작으로 냉매흐름의 방향을 전환토록 하며,

터빈토출배관 4Way 밸브(202)도 냉매가스터빈발전기(100)의 외측터빈휠의 유로에 입구측과 출구측을 연결하여 밸브조작에 관계없이 일정한 방향으로 냉매가 흐르도록 배관계통을 구성하고, 좌측과 우측에 연결된 실내기(300)와 실외기(400)는 밸브 조작으로 냉매흐름의 방향을 전환토록 결합 구성한다.

좁은 관로 때문에 유체저항으로 냉매흐름을 방해하여 고/저압의 압력차를 형성하는 팽창변 대신에 설치된 냉매가스터빈발전기(100)는 팽창변과 같은 단면적으로 유체저항을 일으키는 좁은 노즐과 터빈휠(102)에 의해서 팽창변 역할을 하여 증발열흡수/ 응축열방출작용으로 히트펌프의 기능을 수행하고, 노즐에서 고속으로 사출하는 냉매의 흐름으로 냉매가스터빈발전기(100)를 구동하여 히트펌프를 가동할 때는 항상 무비용의 전기를 발전하는 것이다.

고/저압의 압력차에 의해서 흐르는 냉매의 운동을 기계적인 회전동력으로 획득하는 냉매가스터빈발전기(100)를 히트펌프의 배관에 설치하는 것이다.

제 3도는 제 1도와 제 2도에서와 같이 팽창변 대신에 설치된 냉매가스터빈발전기(100)의 내부구조와 결합상태를 표기한 정면절개 단면 조립도로서,

중앙 회전자축(103)으로 구동되는 발전기(101)가 축류형터빈통공휠(102)의 회전자축(103)과 일체로 연결되어 회전하고, 좌측의 외부케이스에 고정되며, 안쪽에 있는 발전기(101)의 외곽에서 회전동력을 얻도록 설치된 축류형터빈통공휠(102)에는 상반된 방향으로 독립된 유로를 통해 냉매가스가 흐르게 되는데 외측터빈통공 입구배관(105)으로 유입되는 냉매는 외측터빈통공출구배관(106)으로 직진하고, 내측터빈통공입구배관(107)으로 유입되는 냉매는 내측터빈통공출구배관(108)으로 직진하면서 유체운동을 동력으로 획득하는 축류형터빈통공휠(102)과 발전기(101)의 회전자축(103)이 일체로 체결된다.

제 4도는 고압가스냉매압축기의 히트펌프에서 열 이동 특성과 동력에너지의 등가 변환관계를 설명하고 있는 히트펌프 에너지보존법칙의 원리계통도이다. 에너지변환장치 중에서 히트펌프는 냉매압축기의 입력이 1일 때 증발기의 출력효과인 열흡수 냉방능력(COP)이 4배인 것은 매우 중요한 사실이다.

여름철의 냉방전용 에어컨으로 구성된 히트펌프를 가동하기 위해서는 냉매압축기(200)만 인위적으로 구동하면 되었고, 증발기(400)는 냉매가 증발하고 주위의 열을 흡수하기 때문에 시원해지는 냉각작용 효과를 4대의 출력으로 이용했는데, 이때 실외에 있는 응축기(300)에서는 무더운 여름철에는 사용하지 못한 불필요한 열이기 때문에 5배의 응축열을 방출해 버렸던 것이다. 그러나 열을 이용하여 동력을 획득하는 열역학에너지기술개발의 관점에서는 귀중한 열에너지자원을 활용하는 방법과 기술이 없어서 낭비하고 있었다.

히트펌프에서 나타나는 에너지변환상태를 다시 재정리해보면,

인위적으로 투입하는 냉매압축기동력(제 1입력에너지)과 증발기가 흡수하는 4배의 기화열(제 2입력에너지)의 합이 히트펌프의 총 입력에너지인 것이며, 실외기(응축기)에서 버리는 5배의 응축열(출력에너지)이 실제로 히트펌프의 총 출력에너지로서 전체적인 에너지보존법칙이 정확하게 정립되는 것이다.

순환시스템으로 구성된 히트펌프의 배관계통내부에 흐르는 유체냉매의 운동에너지를 냉매가스터빈발전기(100)의 회전동력으로 획득하는 유체기기로서 개발된 냉매가스터빈 발전기(101)를 설치해서, 히트펌프를 가동할 때는 항상 무비용으로 전기를 생산하므로 발전되는 전력량만큼의 에너지를 절약하는 냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프를 냉매순환배관계통으로 구성한다.

본 발명은 냉매배관계통에 4Way밸브를 설치하여 실내기의 기능을 전환하여 여름철에는 증발기의 기능으로 사용하여 냉방기로, 겨울철은 난방기의 기능으로 바꾸어서 응축열을 사용하는 난방기로 사용자의 필요에 따라 활용하고, 히트펌프의 배관계통내부에서 냉매가 일정한 방향으로만 흐르는 배관계통에 냉매가스터빈 발전기를 설치해서, 히트펌프를 가동할 때는 항상 무비용으로 전기를 발전하는 냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프를 제작한다.

생명체가 살아가는 근본은 에너지의 전달과 변환 그리고 활용과정인 것이며, 현대문명의 산업사회에서 국가경쟁력은 에너지의 활용기술이라 할 수 있다.

사람들이 생활하기에 적절한 온도를 유지(약 15도 - 25도)하는 데에 필요한 에너지로 여름철에는 냉방용 에어컨을 가동하고, 겨울철에는 난방을 하는데 열과 유체역학에너지 변환장치로서 고효율 히트펌프의 기능을 경제적으로 활용할 수 있는 냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프가 개발된 것이다.

산업사회의 바탕이 되는 전기를 발전하는 실용적인 기술은 열과 유체역학을 다양하게 이용하는 열기관의 랭킨싸이클과, 냉동기의 역랭킨싸이클이었으나, 상호 연관되는 결합장치를 개발하지 못하고 분리된 상태로 독자적인 제품의 제작에만 치중함으로서 순환하고 흐르는 속성을 가진 열/유체역학 에너지를 제대로 활용하지 못하여 지구촌의 에너지문제를 약화시켜왔던 것이다.

본 발명은 순환시스템으로 구성된 히트펌프의 기능을 다양화 시켜서 냉방과 난방용으로 이용하면서, 냉매를 사용유체로 저압터빈의 동력으로 획득하여 전기를 발전하여 재활용하는 신재생에너지장치로서 매우 유용한 기술이며, 에너지자원확보의 경쟁이 치열한 현실에서 새로운 에너지정책에 기여하는 원천기술의 발명으로 냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프를 제공한다.

Claims (1)

1. 기본냉동 4싸이클에서 팽창변 대신에 냉매가스터빈발전기(100)를 결합시킨 절전형 히트펌프를 구성하는데, 냉매압축기(200)-응축기(300)-냉매가스터빈발전기(100)-증발기(400)로 냉매순환 배관계통을 동튜브로 연결 구성하며; 응축기(300)와 증발기(400) 기능을 상호간에 바꾸는 냉매 배관계통을 결합; 압축기토출배관 4Way밸브(201) 입구측은 냉매압축기(200)의 토출측과 연결, 출구측은 냉매가스터빈발전기(100)의 내측터빈휠의 유로배관에 결합시키고, 압축기토출배관 4Way밸브(201)의 우측에는 실내기(300)에 연결, 좌측에는 실외기(400)에 연결하여 밸브조작으로 냉매흐름을 바꾸는 특성의 배관구성, 터빈토출배관 4Way밸브(202)는 냉매가스터빈발전기(100)의 외측 터빈휠의 유로에 입구측과 출구측을 연결하여 밸브조작에 관계없이 일정한 방향으로 냉매가 흐르는 배관에 냉매가스터빈발전기(100)의 입/출구 배관을 연결하여, 다기능 히트펌프로, 2개의 4Way 밸브 조작에 따라 냉방/ 난방으로 필요에 따라서 기능을 전환하고, 냉매흐름 방향과 속도가 일정하게 배관을 구성하여 전기를 생산함을 특징으로 하는 냉매가스터빈발전기이용 절전형히트펌프.

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