KR20100044943A - 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템 - Google Patents

고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 저단측 사이클을 저단측 냉매가 저단측 압축기->저단측 제1응축기->케스케이드 열교환기->저단측 팽창밸브->저단측 증발기->저단측 압축기를 순환하게 구성하고, 고단측 사이클을 고단측 냉매가 고단측압축기->고단측 응축기->고단측 팽창밸브->케스케이드 열교환기->고단측 압축기를 순환한게 구성한 후, 상기 저단측 제1응축기에 시수를 투입하여 저단측 냉매와의 열교환으로 1차 가열되게 하고, 1차 가열된 시수를 다시 상기 고단측 응축기에 투입하여 고단측 냉매와의 열교환으로 2차 가열되게 하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 의하면, 케스케이드 히트펌프 시스템을 활용하여 종래에 도달할 수 없었던 고온수를 용이하게 생성할 수 있으며, 외기 온도가 섭씨 영하 이하로 떨어지는 경우에도 능력 및 효율 감소를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
Figure P1020080103942
케스케이드 히트펌프, 고온수

Description

고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템{MULTI-CASCADED HEAT PUMP SYSTEM OF HIGH EFFICIENCY FOR PRODUCING WATER OF HIGH TEMPERATURE}
본 발명은 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 저단측 및 고단측의 2원으로 냉동사이클을 구성한 후 저단측의 응축열을 고단측의 증발열로 이용하면서, 저단측 응축기 및 고단측 응축기에서 순차적 및 누적적으로 물에 열량을 공급하여 고온수를 생성할 수 있는 멀티케스케이드 히프펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 CFC계 또는 HFC계 냉매를 이용한 단단 히트펌프 시스템으로 온수를 제조할 수 있는 온수는 50℃~60℃범위를 가지며, CO2냉매를 이용한 CO2히트펌프시스템으로 65℃~90℃의 온수를 제조할 수가 있다. CFC계 또는 HFC계 냉매를 이용하면서도 고온수를 생성하기 위하여, 2개의 냉동사이클을 하나의 열교환기에서 결합하는 이원 히트펌프 시스템 또는 이원 냉동사이클이 다수 개시되어 있다.
한국 특허 제10-0639104에는 케스케이드 열교환기를 갖는 이원 냉동사이클을 이용한 냉난방 및 급탕용 히트펌프시스템가 개시되어 있고, 한국 특허 제10-0690090에는 해수를 열원으로 이용하는 케스케이드 히트펌프 시스템이 개시되어 있다. 또한, 한국 특허 제10-0974271에는 이원압축방식을 이용한 히트펌프 시스템이 개시되어 있고, 한국 특허 제10-0815727에는 이원식 히트펌프를 이용한 건조 시스템이 개시되어 있으며, 한국 특허 제10-0531653에는 보조 히트펌프 시스템의 열원이 보조 열교환기에서 메인 사이클 시스템의 열매체와 열교환되는 이원 히트펌프 시스템이 개시되어 있다.
이들 히트펌프 시스템의 주된 내용은 이원 냉동사이클 조합을 통하여 종래 단단 히트펌프로써 출력할 수 없는 운전범위에 도달 할 수 있음을 보여주고 있을 뿐, 시스템을 고효율화해서 고온수를 생성하는 방법 및 이원 냉동사이클 고유의 성능 특징을 활용하는 방법에 대한 언급이 없다. 더구나 위 특허들에 의하여 개시된 발명들에 의하여는, 현실적으로 온수 최대 출력온도를 90℃까지 올리기 불가능하며, 기재된 만큼의 효율은 아직까지 실질적으로 달성되지 못하고 있는 실정이다. 일반적인 히트펌프에서는 급탕, 난방 등에 사용되는 열원이 공기열원방식인 경우, 특히 겨울철에 외기 온도 저하에 따른 능력 및 효율감소가 문제가 되고 있다. 즉, 겨울철 외기 온도가 섭씨 영하이하로 떨어지면, 실외 열교환기(공기 열교환기)의 주변에 적상이 이루어져 냉매에 의한 열흡수를 방해하고, 외기 온도가 냉매의 증발 임계 온도에 가까워져, 실외 열교환기에서의 열량 흡수 및 증발이 활발하지 않기 때문에 순환 냉매량이 줄어 들고, 그 결과 압축기 토출가스 온도 및 압력이 과도하게 상승된다. 일반적으로 압축기는 고압측 온도 및 압력이 압축기 설계 온도 및 설계 압력 이상이 될 때에는 운전을 계속할 수 없기 때문에, 히트펌프의 운전이 수시로 중단되게 되며, 따라서 CFC계 또는 HFC계 냉매를 이용하면서 65℃이상의 고온수를 제조하는 것은 현재 불가능한 것으로 인식되어 있다.
히트펌프로 65℃~90℃의 온수를 제조하기 위하여, CO2냉매를 이용한 CO2히트펌프시스템이 개발되어 보급되고 있으나, 이러한 시스템도 공기열원방식을 채택하고 외기 온도가 섭씨 영하로 떨어지면, 시스템 용량 감소 및 효율의 감소를 감수해야 하는 점에서 CFC계 또는 HFC계 냉매를 이용한 히트펌프와 다를 것이 없다.
상술한 종래 히프펌프를 이용한 고온수 생성의 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은, 케스케이드 히트펌프 시스템을 활용하여 종래에 도달할 수 없었던 고온수 생성을 가능하게 하고, 히트펌프의 고질적인 문제점인 공기열원 적용시 외기온도저하에 따른 능력 및 효율 감소를 획기적으로 완화시킬 수 있는 고효율의 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하고자 하는 본 발명에 따른 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템은 저단측 사이클을 저단측 냉매가 저단측 압축기->저단측 제1응축기->케스케이드 열교환기->저단측 팽창밸브->저단측 증발기->저단측 압축기를 순환하게 구성하고, 고단측 사이클을 고단측 냉매가 고단측압축기->고단측 응축기->고단측 팽창밸브->케스케이드 열교환기->고단측 압축기를 순환한게 구성한 후, 상기 저단측 제1응축기에 시수를 투입하여 저단측 냉매와의 열교환으로 1차 가열되게 하고, 1차 가열된 시수를 다시 상기 고단측 응축기에 투입하여 고단측 냉매와의 열교환으로 2차 가열되게 하는 것을 특징으로 한다.
상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 케스케이드 히트펌프 시스템을 활용하여 종래에 도달할 수 없었던 고온수를 용이하게 생성할 수 있으며, 외기 온도가 섭씨 영하 이하로 떨어지는 경우에도 능력 및 효율 감소를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템의 구성도이고, 도 2는 저단측 증발기(21a, 21b)에 제상용 히터(34) 및 핫가스 바이패스관(35) 을 더 구비한 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저단측 사이클은 응축기를 저단측 제1응축기(22)와 케스케이드 열교환기(23)와 분리한 후 저단측 냉매가 저단측 압축기(11a, 11b)->저단측 제1응축기(22)->케스케이드 열교환기(23)->저단측 팽창밸브(31a, 31b)->저단측 증발기(21a, 21b)->저단측 압축기(11a, 11b)를 순환하도록 구성한다. 저단측 증발기(21a, 21b)에서 저단측 냉매가 증발을 하고 증발된 저단측 냉매가스는 저단측 압축기(11a, 11b)에서 흡입 된 후 압축이 되며, 압축된 고온고압의 저단측 냉매가스는 저단측 제1응축기(22)에서 과열제거 및 부분응축을 행하게 된 후 케스케이드 열교환기(23)에서 최종응축 및 과냉각이 되며, 저온고압의 저단측 냉매액은 저단측 팽창밸브(31a, 32a)에서 팽창된 후, 저단측 증발기(21a, 21b)로 유입되어 위 과정을 반복하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 고단측 사이클은 고단측 냉매가 고단측압축기(12)->고단측 응축기(24, 25)->고단측 팽창밸브(32)->케스케이드 열교환기(23)->고단측 압축기(12)를 순환하도록 구성한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 고단측 응축기는 고단측 제1응축기(25)와 고단측 제2응축기(24)의 2개로 분리하고 그 냉매 회로 중간에 수액기(33)를 더 구비할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 상기 케스케이드 열교환기(23)에서 저단측 냉매와 저단측 냉매간의 열교환이 이루어지며, 이 때 저단측 냉매는 응축 및 과냉각되고, 고단측 냉매는 증발한다. 케스케이드 열교환기(23) 에서 저단측 냉매액으로부터 열을 받은 고단측 냉매액은 증발을 하고 증발된 고단측 냉매가스는 고단측 압축기(12)에서 흡입 된 후 압축이 되며, 압축된 고온고압의 고단측 냉매가스는 고단측 제1응축기(25)에서 과열제거 및 완전응축이 되며, 고단측 수액기(33)을 거쳐 수액된 고단측 냉매액은 고단측 제2응축기(24)에서 과냉이 되며, 고단측 팽창밸브(32)를 통과한 후 케스케이드 열교환기(23)로 유입되어 위 과정을 반복하게 된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 특징이, 상기 저단측 제1응축기(32)에 시수를 투입하여 저단측 냉매와의 열교환으로 1차 가열되게 하고, 1차 가열된 시수를 다시 상기 고단측 응축기(24, 25)에 투입하여 고단측 냉매와의 열교환으로 2차 가열되게 하는 데 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 물이 저단측 냉매 및 고단측 냉매에 의하여 순차적 및 누적적으로 가열되어 고온에 이를 수 있는 것이다. 고온수 생성은 시수를 저단측 제1응축기(22) → 고단측 제2응축기(24) → 고단측 제1응축기(25) 순으로 통과시키면서, 냉매와 열교환하게 함으로써 달성되며, 최종적으로 90℃의 온수를 제조하는 목적을 달성하게 된다.
본 발명의 다른 특징은 저단측의 팽창밸브, 증발기 및 압축기를 냉매순환량 조절이 가능하게 구성한데 있다. 즉, 상기 케스케이드 열교환기(23) 및 저단측 제1응축기 (22) 사이에는 저단측 팽창밸브(31a, 31b), 저단측 증발기(21a, 21b) 및 저압측 압축기(11a, 11b)로 연결된 부분 회로를 2개 이상 병렬로 연결하여, 운전시 외기 조 건 및 착상 정도에 따라 저단측 압축기 냉매가스 토출량을 조절할 수 있게 한 데 본 발명의 다른 특징이 있는 것이다. 도 1에서 저단측 압축기(11a, 11b)의 고압관측에 마련된 전자밸브(36a, 36b)는 저단측 냉매 토출량을 조절하기 위하여 사용한다.
저단측 사이클 (21a → 11a → 22 → 23 → 31a), (21b → 11b → 22 → 23 → 31b) 중 팽창밸브(31a, 31b), 증발기(21a, 21b) 및 압축기(11a, 11b)로 이루어지는 부분 회로는, 상기 케스케이드 열교환기(23) 출력단에서 분기한 후 상기 저단측 제1응축기(22)의 입력단에서 합류하는 2 이상의 병렬 회로로 구성하며, 병렬로 결합되는 부분 회로의 가동 대수는 증발기에서의 열원을 공기열원으로 할 경우 외기온도 변화에 따라 증감한다. 외기가 낮을 수록 가동 대수를 늘린다.
저단측의 냉매로는 사용조건에 따라 이소부탄(R600a), 부탄(R600), R124, R-134a 등과 같이 표준비점이 -30℃~+10℃사이의 냉매가 바람직하며, 고단측 냉매로는 프로판(R290), 프로필렌(R1270), R22, R407c, R404a, R410a 등과 같이 표준비점이 -60℃~-30℃사이의 냉매가 바람직하다.
이러한 냉매조합은 최근 친환경적 요소인 자연계냉매를 적용할 수가 있게 됨에 따라 친환경적 에너지 절약형 히트펌프를 공급할 수가 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 저단측 사이클에 제상을 위해 압축기(11a, 11b)의 고압고압 냉매가스를 직접 증발기(21a, 21b)에 투입할 수 있는 핫가스 바이패스관(35)을 설치하거나, 제상을 위해 증발기(21a, 21b) 주변에 전기 히터(34)를 설치할 수 있다. 핫가스 바이패스관(35)는 제상시 일정시간 열리는 전자밸브(36c, 36d)가 마련된다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템의 성능 및 작용을 설명하면 다음과 같다.
표 1에 CO2히트펌프와 본 발명에 따른 멀티 케스케이드 히트펌프의 장단점을 비교하였으며, 표 2에는 CO2히트펌프와 본 발명에 따른 멀티 케스케이드 히트펌프의 능력 및 COP(성적계수)를 비교하였다. 본 발명에서 케스케이드 시스템을 도입한 것은 대온도차 시스템을 만족할 수 있기 때문이다.
Figure 112008073487562-PAT00001
Figure 112008073487562-PAT00002
표 2에서 온수 출수 온도는 모두 90℃를 기준으로 한 것이다.
일반적으로 단단압축 시스템에서는 대온도차 히트펌프를 적용하게 되면, 압축기 토출가스온도가 과도하게 상승되는 문제점과 더불어 가열온도, 가열능력 및 성적계수가 급격히 저하가 되는 문제점이 크다.
이러한 문제점을 본 발명에서는 케스케이드 열교환기(23)를 도입함과 동시에 저단측 및 고단측에서 열을 순차 축적함으로써 해결하고 있다. 즉, 본 발명은 저단측에서 제1응축기(22)를 물의 1차 가열기로 사용하고, 그 출력 냉매를 케스케이드 열교환기(23)에서 고단측 냉매와 열교환하게 함으로써, 효율을 증대시키고 있는 것이다. 고단측의 응축열만을 이용하는 종래의 케스케이드 시스템과 달리, 본 발명은 저단측의 응축열을 일차적으로 물의 가열에 이용하고, 이 1차 가열된 물을 고단측의 응축기에 투입하게 되므로, 누적된 열량에 의하여 고온수의 생성이 가능하게 되는 것이다. 케스케이드 시스템을 사용하면, 온도가 낮은 초기가열영역에서는 고단측과 저단측을 동시에 가동해야 하는 점에서 효율면에서 불리하다고 말할 수 있으나, 이 처럼 저단측 응축부분을 일부 활용한 가열방법을 쓰게 되면 효율이 종래 케스케이드 시스템보다 20%이상 커지게 된다. 이러한 이유로 종래 케스케이드 히트펌프시스템과 다리, 본 발명은 저단측 응축부를 저단측 제1응축기(22)(1차 물 가열기)와 케스케이드 열교환기(23)으로 분리한 것이다. 케스케이드 시스템에서 1차 가열기(22)와 케스케이드 열교환기(23)를 분리한 본 발명의 경우와 분리하지 않은 종래의 방법을 비교하여 능력과 효율의 증가를 표 3에 나타내었다.
Figure 112008073487562-PAT00003
위 표에서 냉동 사이클 운전조건은 저단측 냉매 및 고단측 냉매가 각각 R124 및 R410a이고, 응축온도 및 온수 출수 온도가 각각 93℃ 및 90℃이며, 증발온도 및 시수온도가 각각 0℃ 및 18℃이다.
표 3에서 보듯이 저단측 제1응축기(22)와 케스케이드 열교환기(23)를 분리하였을 경우 고단측 응축압력이 내려감에 따라 능력 및 효율이 증대하는 것을 알 수가 있다.
히트펌프의 경우 열원으로 공기열원을 사용할 경우 외기 온도 저하에 따른 능력 및 효율 저하는 피할 수 없는 문제이다. 특히 증발기에 착상이 진행되어지면 코일 내를 통과하는 풍량이 감소하고, 냉매로의 공기 열량 전달이 차단되는데, 이에 따라 냉매의 열 흡수 능력 및 증발 능력이 저하하게 되며, 결과적으로 응축기에서의 가열능력 효율도 급감하게 된다. 통상적으로 히트펌프에서는 이러한 문제를 보완하고자 전기히터를 설치하게 되는데 이러한 방법으로도 히트펌프의 고질적인 문제점은 극복할 수가 없다.
본 발명의 케스케이드 히트펌프 시스템은 저단측과 고단측의 조합으로 이뤄지기 때문에 운전조건에 따라 저단측 압축기(11a, 11b) 및 고단측 압축기(12)간의 토출량 비율은 달라지게 된다. 일반적으로 증발온도와 응축온도차가 커질수록 저단측 토출량은 커지는게 효율에 유리하고, 온도차가 적을수록 저단측 토출량은 작아지도록 설계하는 것이 바람직하다. 이러한 이유로 인하여, 본 발명은 저단측 압축기(11a, 11b)를 2이상 팽창밸브 및 증발기와 함께 병렬로 연결하여 운전 조건에 맞는 최적의 저,고단 압축기의 토출량 비율을 조절 할 수가 있게 하였다. 이러한 방법을 사용할 경우, 외기온도 변화에 따른 능력 및 효율저하 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 열원으로 공기열원을 사용할 경우 생기는 착상에 따른 효율저하도 방지할 수가 있게 된다.
표 4는 케스케이드 시스템에서 본 발명과 같이 저단측의 팽창밸브(31a, 31b), 증발기(21a, 21b) 및 압축기(11a, 11b)를 복수로 하였을 경우와 본 발명과 달리 이들을 단수로 하였을 경우의 능력 및 효율을 보여준다.
Figure 112008073487562-PAT00004
표 4에서 보듯이 냉동사이클 운전 조건에 따라 저단측 압축기(11a, 11b) 용량을 가감하는 것이 능력 및 효율에서 유리함을 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템의 구성도이다.
도 2는 저단측 증발기의 제상용 히터 및 핫가스 바이패스관을 더 구비한 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템의 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11a : 저단측 제1압축기 11b : 저단측 제2압축기
12 : 고단측 압축기 21a : 저단측 제1증발기
21b : 저단측 제2증발기 22 : 저단측 제1응축기
23 : 케스케이드 열교환기 24 : 고단측 제2응축기
25 : 고단측 제1응축기 31a : 저단측 제1팽창밸브
31b : 저단측 제2팽창밸브 32 : 고단측 팽창밸브
33 : 고단측 수액기 34 : 전기히터
35 : 핫가스 바이패스관 36a ~ 36d : 전자밸브

Claims (3)

  1. 저단측 사이클을 저단측 냉매가 저단측 압축기->저단측 제1응축기->케스케이드 열교환기->저단측 팽창밸브->저단측 증발기->저단측 압축기를 순환하게 구성하고, 고단측 사이클을 고단측 냉매가 고단측압축기->고단측 응축기->고단측 팽창밸브->케스케이드 열교환기->고단측 압축기를 순환한게 구성한 후, 상기 저단측 제1응축기에 시수를 투입하여 저단측 냉매와의 열교환으로 1차 가열되게 하고, 1차 가열된 시수를 다시 상기 고단측 응축기에 투입하여 고단측 냉매와의 열교환으로 2차 가열되게 하는 것을 특징으로 하는 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    케스케이드 열교환기 및 저단측 제1응축기 사이에는 저단측 팽창밸브, 저단측 증발기 및 저압측 압축기로 연결된 부분 회로를 2개 이상 병렬로 연결하여, 운전시 외기 조건 및 착상 정도에 따라 저단측 압축기 냉매가스 토출량을 조절할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    저단측 냉매로써는 표준비점이 -30℃ ~ +10℃ 사이인 냉매가 사용되어지며, 고단측 냉매로써는 표준비점이 -60℃ ~ -30℃사이인 냉매가 사용되어지는 것을 특징으로 하는 고온수 생성용 멀티케스케이드 히트펌프 시스템.
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