KR20100027342A - 복수의 판형 열교환기 재배치를 통한 한랭지형 물/가스 형식의 열 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판형 열교환기의 재배치를 통한 한랭지형 물/가스 형식의 열 펌프 시스템의 구조에 관한 것이다. 본 발명의 주요 구성은 냉매가 제1 판형 열교환기(201)와 제2 판형 열교환기(202)를 흐르고 제1 판형 열교환기(201)와 제2 판형 열교환기(202)에서 열 펌프 내부의 열에너지를 다단계로 열을 교환하여 난방 및 온수를 생산하며 다시 제3 판형 열교환기(203)로 흘러 냉매에 남는 미열을 제3 판형 열교환기(203)에서 열을 교환하여 증발기로부터 미량의 열 획득이 이루어진 상태에서도 지속적으로 열 축적이 발생하여 극저온 시 제상으로 인한 열손실이 최소화되어 열 효율을 높이도록 된 것이다.

냉난방 시스템, 열 펌프, 냉난방 온수공급기, 냉온 풍기, 판형 열교환기

Description

복수의 판형 열교환기 재배치를 통한 한랭지형 물/가스 형식의 열 펌프{Several heat exchanger setup to reconstruct water/gas heat pump desine}

본 발명은 한랭지역(-10℃ 이하)에 난방 및 온수생산을 목적으로 가동되는 열 펌프의 판형 열교환기의 배치 및 연결구조에 관한 것이며, 특히, 난방효율을 향상시키기 위해 복수의 판형 열교환기를 이용하여 다단계의 열 교환을 통한 난방 및 온수 생산과 증발기의 제상 장치에 관한 것이다.

열 펌프는 여름철 냉방목적으로 가동되는 경우에는 실내기가 증발기로 사용되어, 실내 공간에 차가운 공기를 공급한다. 또한, 겨울철 난방목적으로 가동되는 경우에 열역학 사이클이 역으로 작동되며, 실내기가 응축기로 사용되어, 실내공간에 따뜻한 공기를 공급한다. 열 펌프는 상기와 같이 하나의 시스템으로 냉방과 난방을 할 수 있지만 동절기 실외온도가 영상 5℃ 이하에는 실외기 표면에 착상현상이 생기게 되어 원활한 열 펌프의 구동을 방해하게 되고, 효율이 저하되는 문제가 있다.

종래에는 상기와 같이 실외기의 표면에 서리가 착상되는 경우에 열 펌프를 역 사이클로 제상 가동시켜 착상된 서리를 제거하거나 추가로 제상용 전열기를 설치 또 는 우회로를 이용하여 지속적인 열 냉매를 증발기에 유입시켜 제상을 하는 기술이 있으며, 근래에는 압축기의 인버터 주파수의 변동을 이용하여 열의 취득을 높이는 기술이 있다. 종래의 역 사이클 제상기술의 경우 제상 감지장치의 유무와 상관없이 제상 사이클의 가동 시간 동안 난방이 중단되므로 한랭지 환경에서는 장치 무 가동 시간이 증가하여 전체적인 열효율이 저하되어 장치고장의 원인이 되기도 한다. 그리고 종래의 전열기 추가 제상기술은 전열기를 가동하는 만큼의 전력소모가 증가하여 전체적인 열효율이 하락하는 문제점이 있다. 또한, 단일 열교환기로 구성된 열 펌프 시스템에서의 우회로를 통한 열 냉매를 유입시키는 제상기술의 경우에는 과다하게 제상 외에 증발기에서 열이 손실되는 문제점이 있고 최근의 압축기 인버터 주파수 변동기술의 경우 한랭지에서 추가적인 열량을 보충하기에는 효율성이 떨어진다. 전체적으로 봤을 때 기존의 열 펌프의 경우 한랭지 외기 환경에서 제상에 과다한 에너지를 소모하여 결과적으로 전체적인 열효율의 떨어지는 공통적 문제점을 가지고 있다.

열에너지는 0K(－273.16℃)이전까지 단열상태가 아닌 경우에는 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하게 마련이다. 증발기에서 냉매의 R22(CHCl₂F₂)기준으로 열 교환 효율은 떨어지지만 상압 기준 -41℃까지 증발이 가능하며 증발을 통한 외기에서의 열 획득이 가능하다. 따라서 지속적으로 외부 열 획득을 하면서 다중 열 압축을 하면 충분히 얻고자하는 열을 획득할 수 있기 때문에 기존의 히트펌프가 한랭지 운전상태가 나쁜 것을 실외기의 동결에서 찾는 것은 잘못된 것이다. 그러므로 동절기에 증발기 이후 냉매의 흐름이 액 상태로 압축기로 흐르는 것을 막는 것에 우선하여 압축기를 보호하면서 미활용 열을 재활용하는데 초점을 두어야 한다.

본 발명은 앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 간단히 시스템 내부에 2개의 판형 열교환기를 설치하여 제상에 이용되는 열을 최소화하고 다수의 열을 난방 및 온수생산에 활용하고 남은 미열을 1개의 추가적 판형 열교환기를 이용하여 우회로를 통한 하절기 압축기 유입 냉매의 과냉각 및 동절기 증발기 제상에 따른 에너지 손실 문제를 해결함으로 종래 기술이 갖는 구조적 복잡성에 따른 제작비용의 증가와 열효율 저하를 해결하는 한랭지형 냉난방 온수 공급 시스템의 제공에 있다.

상기된 바와 같은 본 발명은 외기가 극저온인 상태 (-10℃ 이하)에서 증발기의 제상에 시스템의 열 소모가 발생하지 않고 증발기에서의 외기의 극저온 시 증발기 측의 극미량 열 획득만으로도 지속적 열 축적만이 발생하게 된다. 따라서 증발기의 제상에서 소요 또는 손실되는 열에너지를 최소화되고 난방 및 온수생산에 활용하며, 냉방 시의 과열도 제어를 통한 구동안정성의 확보와 절전효율 상승으로 인한 성적계수의 향상 및 한랭지에서의 성능의 개선과 제작비용을 절감시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 추가 판형 열교환기를 장착한 열 펌프의 실시 예를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 하절기 냉매의 흐름의 실시 예를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 동절기 냉매 흐름의 실시 예를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 본 발명의 열 펌프의 사이클 중 난방시의 사이클을 실시 예로서 설명하고자 한다. 본 발명에 따른 동절기 냉매의 흐름의 실시 예를 첨부된 도면 3에 상세히 설명하였다.

대체적인 냉매의 일반 순환 경로는 냉매가스가 고압/고온으로 압축하는 압축기(100)로 공급되어, 상기 압축기(100)로부터 공급된 냉매가스가 압축기(100)의 진동으로부터 시스템을 보호하기 위하여 설치된 유연관(101)을 지나 냉매에 유입될 수 있는 압축기(100) 윤활유 등의 제거를 위한 유분리기(501)로 보내어 진다. 열 교환되는 제1열교환기(201)로 흘러, 상기 제1열교환기(201)의 냉매가스와 온수탱크(900)의 상층부의 미온수와 1차 열 교환 되어 온수탱크(900)에 저장되며, 상기 제1 판형 열교환기(201)에서 흐른 냉매가스는 다시 제2 판형 열 교환기(202)로 흘러 온수탱크(900)의 하층부 상온수와 열교환을 하여 상온수에 열을 공급함으로써 열 미활용을 최소화한 상태로 제 3 판형 열교환기(203)로 이동한다. 제 3판형 열교환기(203)를 지난 냉매는 제 2차 체크밸브(302)를 지나 냉매에 잔류 되어 있는 열을 활용하기 위하여 제1차 팽창밸브(401)로 흐르거나 냉매를 액체 상태로 저장하는 수액기(700)으로 이동하게 된다. 수액기(700)에서의 냉매는 제3 팽창밸브(403)과 증발기(800)를 통과하면서 팽창, 기화하여 주변 공기로부터 열이 냉매로 이동되게 된다. 증발기(800)를 지난 냉매는 4방 밸브(307)와 지나 축열기(600)를 지나 냉매에 포함되어 있을 수 있는 이물질을 배관필터(504)에서 걸러낸 후 압축기(100)로 흐르게 된다.

일반 냉매의 흐름과 달리 수액기(700)에서 압축기(100)에서 전달되는 전체 시스템 흐름에 의해 제 3차 판형 열교환기(203) 측으로의 밀려나오는 냉매의 흐름은 제 2 팽창밸브 (402)에서 단열 팽창된 상태로 이동하여 온수탱크(900)로의 열 공급을 마친 상압으로 전환했을 때 약 30 ~ 35℃의 미열에너지를 포함하는 냉매와 제 3차 판형 열교환기(203)에서 열 교환을 한다. 열 교환된 냉매는 증발기(800)측에서 유입된 냉매와 증발기(800)에서 이동된 압축기(100)을 보호하기 위한 액열기(600)직전의 T자관에서 혼합되어 증발기(800) 측에서 유입되는 냉매의 과냉 상태를 상당 부분 해결하게 된다. 미처 기화되지 못한 냉매는 축열기(600)에서 기체와 액체가 분리된 후 기체 상태의 냉매만이 냉매 내의 이물질을 제거하기 위한 배관필터(504)를 통과하고 유연관(102)을 지나 압축기(100)에서 재압축되어 온수 생산 후 남는 잔열이 다시 재압축을 통한 완전 열 활용이 되게 된다.

따라서 전체적으로 봤을 때 동절기 극저온 상태인 -10℃이하의 환경에서는 외기에서 획득하는 열에너지는 상당히 미량이다. 증발기에서의 열에너지 증발기의 제상에 시스템의 열 소모가 발생하지 않고 증발기(800)에서의 동절기 미량의 열 획득만으로도 지속적 열 축적만이 발생하고 한랭지 환경에서의 압축기(100)를 보호하기 위해 사용된 열은 다시 압축기(100)를 통하여 재 열압축이 된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은

냉매가스를 단열 압축하기 위한 압축기(100)와, 압축기(100)의 진동이 시스템 전반으로의 전달을 최소화하기 위한 유연성 배관연결 부분(101, 102)과, 압축기(100)에 사용되던 윤활유의 시스템 내부로의 유입을 차단하기 위한 유 분리기(501)와, 다시 압축기(100)로 냉매가 유입되는 것을 막기 위한 제1차 체크밸브(301)와, 상기 압축기(100)로부터 단열 압축된 냉매의 열과 물탱크(900)의 상온수와의 열 교환을 위한 제 1차 판형 열교환기(201)와, 물탱크(900)의 미온수와의 열 교환을 위한 제 2차 판형 열교환기(202)와, 동절기의 제상 및 하절기 과냉각에 사용되는 열원 확보용 제 3차 판형 열교환기(203)와, 열 교환 된 냉매를 액화상태로 냉매를 저장하는 수액기(700)와 액화된 냉매를 단열 팽창하여 기화시키기 위한 제 1차 팽창 밸브(401)와 수리 및 냉난방 전환을 위한 정지 볼 밸브(304)(305)(306)와 냉난방 전환 시 냉매의 역류를 방지하기 위한 제2차 체크밸브(303)와 리시버탱크로부터 제3차 판형 열교환기로 보내는 냉매를 기화시키기 위한 제2차 팽창 밸브(402)와, 제3차 판형 열교환기(203)에서 열교환 된 냉매의 재역류를 막기 위한 제 3차 체크밸브(302)와, 기화된 냉매의 충전과 부품의 교환 과정에서 유입될 수 있는 수분의 제거를 위한 배관필터(504)와 냉매의 흐름 상태를 확인하기 위한 확인창(503)과, 증발기(800)로 보내지는 냉매를 기화시키기 위한 제 3차 팽창밸브(403)와, 외부 공기와의 열 교환을 위한 증발기(800)와, 냉난방 전환에 냉매 흐름의 방향을 바꾸기 위한 4방 밸브(307)와, 열 축적 보상과 압력 변화 등에 대한 압축기(100) 보호를 위한 축열 기(600)와, 시스템상의 각종 이물질 등의 제거를 위한 흡입 분리관(502)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

100: 압축기 101, 102: 유연관

201: 제1 판형 열교환기 202: 제2 판형 열교환기 203: 제3 판형 열교환기

301: 제 1차 체크밸브 302: 제 3차 체크밸브 303: 제 2차 체크밸브

304, 305, 306: 정지 볼 밸브

307: 4방 밸브

401: 제 1차 팽창 밸브 402: 제 2차 팽창 밸브 403: 제 3차 팽창 밸브

501: 유분리기 502: 흡입 분리관 503: 관측창 504: 배관필터

600: 축열기 700: 수액기 800: 증발기 900: 물탱크

Claims (2)

1. 냉매의 물성을 변형시키기 위한 압축기(100) 및 팽창밸브(401, 402, 403)와;시스템으로 공급되는 냉매의 물성을 유지 보급하기 위한 수액기(700)와, 냉매의 열을 냉매와 외부의 물/공기와 열 교환하는 증발기(800)와 냉매의 열 및 냉기를 시스템과 물탱크(900)에 전달하는 3개의 판형 열교환기(201, 202, 203)와; 냉매가 흐르는 방향을 전환하는 4방 밸브(307)를 포함한 각종 제어수단(301, 302, 303, 304, 305, 306)과; 시스템 관측 보호 장치(501, 502, 503, 504, 600)가 구비한 한랭지형 냉난방/온수공급용 전기 열 펌프
2. 1항에 있어서 증발기(800)의 제상과 압축기(100) 유입 냉매의 과냉각을 해결하기 위한 제3 판형 열교환기(403)와; 온수와 냉수를 생산하기 위한 제1 판형 열교환기(401)와 제2 판형 열교환기(402)의 배치와; 생산된 냉/온수를 저장하기 위한 물탱크(900)의 배치를 포함한 온수공급 전기 열 펌프

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