KR20110032860A - An environment friendly refrigeration system using waste heat of a large-capacity compressor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압축기 각 단의 토출구에서 발생하는 고온 상태를 효과적으로 회수하여 자연 냉매인 물을 가열하는 친환경 설비로서, 압축기 폐열을 통해 항상 일정한 온도로 물을 가열할 수 있어 환경 영향을 적게 받아 물의 가열성을 향상시키며, 기상상태나 시간의 제약을 전혀 받지 않아 활용도가 증가할 뿐만 아니라 압축기의 고온 폐열을 이용함에 따라 온도 회수율을 높일 수 있도록 한 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치에 관한 것이다.The present invention relates to a cooling apparatus using waste heat of a compressor, and more particularly, to an environment-friendly facility for heating water, which is a natural refrigerant, by effectively recovering a high temperature state generated at the discharge port of each stage of the compressor, and always maintaining a constant temperature through the compressor waste heat. Water can be heated to reduce the environmental impact and improve the heatability of the water.It is not subject to any weather conditions or time constraints to increase its utilization, and to increase the temperature recovery rate by using the high temperature waste heat of the compressor. It relates to a cooling device using the waste heat of the compressor.
종래 냉방이나 냉동효과를 얻기 위하여 많은 방법들이 고안되어 있다.Many methods have been devised to achieve a conventional cooling or freezing effect.
이러한 방법들은 처연 얼음이나 인공적 얼음을 이용하는 가장 기본적인 재래식 방법, 각종 냉매를 이용하는 기계식 압축방법, 냉매와 흡수제를 이용하는 흡수방법, 압력을 낮추어 냉각효과를 얻는 진공방법 그리고 반도체에 전류를 통하게 하 는 경우에 발생하는 펠티에(Peltier) 효과를 이용하는 전자냉동 방법 등으로 구분할 수 있다.These methods include the most basic conventional methods using frost or artificial ice, mechanical compression using various refrigerants, absorption using refrigerants and absorbents, vacuum methods to lower the pressure to obtain cooling effects, and to pass current through semiconductors. It can be classified into an electronic refrigeration method using the generated Peltier effect.
휘발성 액체 즉 냉매(Refrigerant)를 사용하면, 냉매를 압축, 응축, 증발 후 다시 압축하는 일련의 반복과정을 통하여 주위의 매체와 열 교환을 하게 된다. 이러한 기계식 압축방법의 경우, 압축기를 구동하는데 상당한 동력이 소요될 뿐만 아니라, 지구 온난화의 주원인인 각종 냉매를 사용하여야 하는 단점이 있지만, 냉동 사이클의 성적계수(Coefficient of Performance,COP)가 타의 방법보다 높아 종래 많이 사용되었다.When using a volatile liquid, that is, a refrigerant, heat exchange with the surrounding medium is performed through a series of iterative processes of compressing, condensing, and evaporating the refrigerant. This mechanical compression method requires a considerable amount of power to operate the compressor and has the disadvantage of using various refrigerants, which are the main causes of global warming, but the coefficient of performance (COP) of the refrigeration cycle is higher than that of other methods. It has been used a lot in the past.
또, 흡수식은 냉매가 증발할 때 발생하는 증기를 다량으로 흡수할 수 있는 물질 즉 흡수제(Absorption Material)를 사용하며, 흡수제에서 발생하는 화학적 흡수과정을 이용하는 방법이다. 최근 지구 온난화의 문제로 인하여 CFC나 HCFC 계통의 냉매사용을 극구 제한하고 있어, 환경 친화적인 냉동제로 LiBr(Lithium Bromide)과 물 그리고 암모니아와 물을 이용하는 냉동장치에 태양열을 적용하는 흡수식 냉난방장치가 많이 제안되어 있다.In addition, the absorption type uses a material capable of absorbing a large amount of vapor generated when the refrigerant evaporates, that is, an absorption material, and uses a chemical absorption process generated in the absorbent. Recently, due to the problem of global warming, the use of CFC or HCFC system refrigerants is extremely limited, and there are a lot of absorption air-conditioning and heating devices that apply solar heat to LiBr (Lithium Bromide), water, and refrigeration units using ammonia and water as environmentally friendly refrigerants. It is proposed.
기존의 흡수식 냉방시스템은 증발기에서 물이 진공 압력 하에서 증발하여 흡수기 내의 LiBr 수용액에 의해 흡수된다. 물을 흡수한 묽은 용액은 열교환탱크를 통해 솔라 집열기로부터 얻어지는 솔라 열원에 의해 가열되어 증발하고, 진한 용액으로 되어 흡수기로 보내진다.In conventional absorption cooling systems, water is evaporated in the evaporator under vacuum pressure and absorbed by the aqueous LiBr solution in the absorber. The dilute solution which absorbs water is heated and evaporated by the solar heat source obtained from the solar collector through the heat exchange tank, and made into a thick solution and sent to the absorber.
열교환탱크에서 발생된 증기는 응축기에서 물로 응축되어 증발기로 보내지며, 이 과정에서 냉매의 증발잠열만큼의 주위로부터 열을 빼앗아 냉방상태를 얻게 된다.The steam generated in the heat exchange tank is condensed into water in the condenser and sent to the evaporator. In this process, heat is removed from the ambient as much as the latent heat of evaporation of the refrigerant to obtain a cooling state.
이러한 흡수식 냉방시스템의 원활한 작동을 위해서는 다수 개의 순환펌프가 필요하며, 냉각수 공급을 위한 냉각탑의 설치가 필요하다.In order to smoothly operate the absorption cooling system, a plurality of circulation pumps are required, and a cooling tower for supplying cooling water is required.
아울러, 태양열은 기온변동이나 집열기의 특성에 의존하여 다소 다르지만, 보일러 등을 이용하여 얻어지는 온도 보다 에너지 준위가 매우 낮다. 따라서, 종래 태양열로 이젝터를 구동하는 방법은 적극적으로 검토되지 못한 것이 사실이다.In addition, although the solar heat is somewhat different depending on the temperature fluctuations and the characteristics of the collector, the energy level is much lower than the temperature obtained by using a boiler or the like. Therefore, it is true that the method of driving the ejector with conventional solar heat has not been actively studied.
기존에 태양열을 이용한 냉방장치는 태양열을 이용하기 때문에 기상 변화나 주야나 하·동절기 등 시간에 영향을 많이 받아 활용성이 저감되는 문제점이 있다.Conventional cooling device using solar heat has a problem that its utilization is reduced due to a lot of time influences such as weather change, day and night or summer and winter because it uses solar heat.
그리고, 기존의 태양열을 이용한 냉방장치는 집열판을 이용해야 하기 때문에 설비 공간이 많이 필요하게 되는 문제점이 있다.In addition, since the conventional cooling device using solar heat has to use a heat collecting plate, there is a problem in that a lot of facility space is required.
아울러, 기존의 태양열을 이용한 냉방장치는 현재의 기술로 최대 70여도까지만 온도를 회수할 수 있어 온도 회수율이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.In addition, the conventional cooling device using solar heat can recover the temperature only up to about 70 degrees with the current technology, there is a problem that the temperature recovery rate is lowered. Therefore, there is a need for improvement.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 압축기 폐열을 통해 항상 일정한 온도로 물을 가열할 수 있어 환경 영향을 적게 받아 물의 가열성을 향상시키며, 기상이나 시간의 제약을 전혀 받지 않아 활용도가 증가할 뿐만 아니라 압축기의 고온 폐열을 이용함에 따라 온도 회수율을 높일 수 있도 록 한 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been made to improve the above problems, it is possible to heat the water at a constant temperature at all times through the compressor waste heat to improve the heating properties of the water is less affected by the environment, it is not subject to any weather or time constraints The purpose of the present invention is to provide a cooling device using the waste heat of the compressor to increase the utilization as well as increase the temperature recovery rate by using the high temperature waste heat of the compressor.
본 발명에 따른 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치는: 유동성과 전열성을 갖는 제 1열교환매체를 저장하는 저장탱크, 유동파이프에 형성되어 유동되는 유동매체를 고온으로 가열 후 토출하는 압축기, 및 가열된 유동매체와 열교환하는 제 1열교환매체를 통해 열을 회수하는 파워사이클부를 포함한다.A cooling apparatus using waste heat of a compressor according to the present invention includes: a storage tank for storing a first heat exchange medium having fluidity and heat transfer property, a compressor for forming a flow pipe and heating and discharging the flow medium flowing to a high temperature, and And a power cycle unit for recovering heat through the first heat exchange medium that exchanges heat with the fluid medium.
상기 파워사이클부는, 상기 저장탱크에서 상기 유동파이프로 연장 형성되는 토출유로관, 상기 토출유로관에서 연장되어 상기 유동파이프의 둘레면에 접촉 형성되어 기 유동매체의 열을 상기 제 1열교환매체로 전달 안내하는 코일가열관, 및 상기 코일가열관에서 상기 저장탱크로 연장되어 가열된 상기 제 1열교환매체를 상기 저장탱크로 유입 안내하는 유입유로관을 포함한다.The power cycle part may include a discharge flow path tube extending from the storage tank to the flow pipe and extending from the discharge flow path tube to be in contact with the circumferential surface of the flow pipe to transfer heat from the flow medium to the first heat exchange medium. And a guide coil heating tube, and an inflow passage tube extending from the coil heating tube to the storage tank to guide the first heat exchange medium to the storage tank.
상기 코일가열관은 단열부재로 보호됨이 바람직하다.The coil heating tube is preferably protected by a heat insulating member.
상기 저장탱크는 상기 유동파이프보다 높은 위치에 형성되고, 상기 토출유로관은 순환펌프를 구비하며, 상기 유입유로관은 유량조절밸브를 형성함이 바람직하다.The storage tank is formed at a position higher than the flow pipe, the discharge flow path pipe is provided with a circulation pump, the inflow flow path pipe is preferably formed a flow control valve.
상기 저장탱크는 저장된 상기 제 1열교환매체를 보조적으로 가열하기 위해 보조히터를 구비함이 바람직하다.The storage tank is preferably provided with an auxiliary heater for auxiliary heating of the stored first heat exchange medium.
상기 열교환탱크에는 제 2열교환매체를 순환시키며 냉기를 발생시키는 냉방사이클부가 형성됨이 바람직하다.Preferably, the heat exchange tank is provided with a cooling cycle part that circulates the second heat exchange medium and generates cold air.
상기 유동파이프는 내측면에 와류발생돌부를 돌출 형성함이 바람직하다.The flow pipe is preferably formed to project the vortex generating protrusions on the inner side.
아울러, 상기 와류발생돌부는 사이에 구(球) 형상의 유동자를 구비함이 바람직하다.In addition, the vortex generating protrusion is preferably provided with a sphere-shaped fluid therebetween.
특히, 상기 와류발생돌부는 서로 마주하는 부위를 상기 유동파이프에 대해 수직한 수직면을 형성함이 바람직하다.In particular, it is preferable that the vortex generating protrusions form a vertical surface perpendicular to the flow pipe at portions facing each other.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치는 종래 기술과 달리 압축기 폐열을 통해 항상 일정한 온도로 물을 가열할 수 있어 환경 영향을 적게 받아 물의 가열성을 향상시키며, 기상이나 시간의 제약을 전혀 받지 않아 활용도가 증가할 뿐만 아니라 압축기의 고온 폐열을 이용함에 따라 온도 회수율을 높일 수 있다.As described above, the cooling device using the waste heat of the compressor according to the present invention can heat the water at a constant temperature at all times through the waste heat of the compressor, unlike the prior art, thereby improving the heatability of the water due to less environmental influence, Not only is it time-limited, the utilization is not only increased, but the high temperature waste heat of the compressor can be used to increase the temperature recovery rate.
본 발명은 압축기 가열 사이클의 압력을 높이고, 물의 증발효과를 높이기 위하여 냉방 사이클의 압력을 낮춰 이젝터의 유효 구동압력비를 증가킬 수 있다.The present invention can increase the effective operating pressure ratio of the ejector by lowering the pressure of the cooling cycle to increase the pressure of the compressor heating cycle, and to increase the evaporation effect of the water.
그리고, 본 발명은 저장탱크와 응축기의 위치를 파워사이클부 위쪽에 설치하여 냉방 사이클 내 유체의 열사이폰 순환효과를 높일 수 있다.In addition, the present invention can increase the thermosiphon circulation effect of the fluid in the cooling cycle by installing the positions of the storage tank and the condenser above the power cycle unit.
아울러, 본 발명은 열교환탱크를 저장탱크 내부에 설치하여 압축기의 폐열을 통해 물의 열 교환을 효율적으로 수행하도록 하여 발전효율을 증가시킬 수 있다.In addition, the present invention can increase the power generation efficiency by installing a heat exchange tank inside the storage tank to efficiently perform heat exchange of water through the waste heat of the compressor.
또한, 본 발명은 종래의 각종 순환펌프나, 냉각탑 등이 불필요하여 단순한 구조를 실현할 수 있다.In addition, the present invention does not require various conventional circulation pumps, cooling towers, and the like, and can realize a simple structure.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of a cooling device using the waste heat of the compressor according to the present invention. In this process, the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, the terms described below are defined in consideration of the functions of the present invention, which may vary depending on the intention or custom of the user, the operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout this specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치의 사이클을 개략적으로 나타낸 다이어그램이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치의 다단 사이클을 개략적으로 나타낸 요부 다이어그램이다.1 is a diagram schematically illustrating a cycle of a cooling apparatus using waste heat of a compressor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of a multi-stage cycle of a cooling apparatus using waste heat of a compressor according to an embodiment of the present invention. This is the main part diagram.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 여러 실시예에 따른 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치에서 와류발생 상태를 보인 관의 단면도이다.3 to 5 are cross-sectional views of the tube showing the vortex generation state in the cooling device using the waste heat of the compressor according to various embodiments of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치에서의 토출온도-압축비 선도이다.6 is a discharge temperature-compression ratio diagram in a cooling apparatus using waste heat of a compressor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치는 열교환탱크(10), 저장탱크(20), 유동파이프(30), 압축기(40) 및 파워사이클부(100)를 포함한다.1, the cooling device using the waste heat of the compressor according to an embodiment of the present invention, the
열교환탱크(10)는 내부에 유동성과 전열성을 갖는 제 1열교환매체를 저장한 다. 이때, 제 1열교환매체는 다양한 매질로 적용 가능하나, 물로 함이 바람직하다.The
아울러, 저장탱크(20)는 열교환탱크(10) 내부에 구비된다.In addition, the
이때, 저장탱크(20)는 유동성과 전열성을 갖는 제 2열교환매체를 저장한다. 이 제 2열교환매체는 다양한 매질로 가능하나, 물로 함이 바람직하다.At this time, the
특히, 도시하지는 않았지만, 저장탱크(20)는 열교환탱크(10) 내부에서 충분히 밀봉 처리됨에 따라 제 1열교환매체와 제 2열교환매체는 혼합되지 않는다.In particular, although not shown, the
따라서, 저장탱크(20) 열교환탱크(10)의 제 1열교환매체 속에 잠겨있기 때문에 제 1열교환매체와 직접적으로 열교환하면서 열교환시 외부와 접촉에 따른 열유실을 최소화할 수 있게 된다. Therefore, since the
특히, 저장탱크(20)는 다양한 형상 및 다양한 재질로 적용 가능하다.In particular, the
또한, 유동파이프(30)는 유동매체를 유동 안내하는 역할을 한다. 특히, 유동매체는 다양한 매질로 적용 가능하나, 공기로 함이 바람직하다.In addition, the
따라서, 유동파이프(30)는 유동매체를 유동 안내하는 파이프로 한다.Therefore, the
이 유동파이프(30)는 다양한 형상 및 다양한 재질로 적용 가능하다. 그리고, 유동파이프(30)는 폐곡선을 형성하여 유동매체를 순환 유동 안내할 수도 있으나, 일측으로 유동매체를 공급하고, 타측으로 유동매체를 토출함이 바람직하다.The
아울러, 압축기(40)는 유동파이프(30)에 형성되어 유동파이프(30)의 일측에서 타측방향으로 유동하는 유동매체를 고온으로 압축 가열 후 토출하는 역할을 한다.In addition, the
따라서, 유동매체는 압축기(40)를 통과함으로써 고온, 고압 상태가 된다.Therefore, the fluid medium is brought into a high temperature and high pressure state by passing through the
이 압축기(40)가 유동파이프(30)에 연결되는 방식은 볼팅 등 다양하게 적용 가능하다.The
특히, 대용량 공기 압축기의 경우, 대기의 공기를 압축하는 과정은 단열압축과정(Adiabatic Compression Process)에 가깝다. In particular, in the case of a large-capacity air compressor, the process of compressing the air in the atmosphere is close to the adiabatic compression process.
따라서, 다음의 식으로 주어지는 바와 같이, 공기를 압축하는 과정에서 공기의 온도가 증가하게 된다. Thus, as given by the following equation, the temperature of the air increases in the process of compressing the air.
즉,In other words,
여기서, P1과 T1은 압축 전의 공기의 압력과 온도이고, P2와 T2는 각각 압축후의 공기의 압력과 온도이며, k는 공기의 비열비(Ratio of Specific Heats)이다.Here, P1 and T1 are the pressure and temperature of the air before compression, P2 and T2 are the pressure and temperature of the air after compression, respectively, and k is the ratio of specific heats of the air.
한편, 파워사이클부(100)는 이 원리를 통해 얻어지는 고온의 열을 유동매체와 열교환하는 역할을 한다.On the other hand, the
즉, 파워사이클부(100)는 제 1열교환매체를 열교환탱크(10) 내부로 순환시키며 압축기(40)의 폐열을 이용하여 열교환탱크(10) 내부에 저장되는 제 1열교환매체에 열에너지를 최대한 공급하는 역할을 한다.That is, the
더욱 상세히, 파워사이클부(100)는 토출유로관(110), 코일가열관(120) 및 유입유로관(130)을 포함한다.In more detail, the
토출유로관(110)은 열교환탱크(10) 내부에서 유동파이프(30)로 연장 형성되 고, 코일가열관(120)은 토출유로관(110)에서 연장되어 유동파이프(30)의 둘레면에 직접적으로 접촉되게 형성되며, 유입유로관(130)은 코일가열관(120)에서 연장되어 저장탱크(20) 내부로 삽입되는 역할을 한다.The discharge
따라서, 열교환탱크(10)에 저장된 제 1열교환매체는 토출유로관(110), 코일가열관(120) 및 유입유로관(130)을 따라서 순환하게 된다.Accordingly, the first heat exchange medium stored in the
이때, 유동파이프(30) 내부에는 고온 고압 상태의 유동매체가 유동하게 된다. At this time, the flow medium in the high temperature and high pressure state flows inside the flow pipe (30).
아울러, 유동파이프(30)와 코일가열관(120)은 열전달성이 우수한 재질로 이루어짐이 바람직하다. 물론, 토출유로관(110), 코일가열관(120) 및 유입유로관(130)은 일체로 성형됨이 바람직하다.In addition, the
그래서, 코일가열관(120)이 유동파이프(30)와 접촉하기 때문에 제 1열교환매체는 유동매체와 열교환함에 따라 가열된 상태로 열교환탱크(10) 내부로 유입된다.Thus, since the
여기서, 코일가열관(120)은 유동파이프(30) 둘레면에 다양한 방식으로 접촉할 수 있으나, 코일 방식으로 감겨 접촉 면적을 극대화함이 바람직하다.Here, the
또한, 토출유로관(110)과 코일가열관(120) 및 유입유로관(130)은 다양한 직경 및 다양한 개수로 구비될 수 있음으로 한정하지 않는다.In addition, the discharge
아울러, 토출유로관(110)의 일부, 코일가열관(120) 및 유입유로관(130)의 일부가 유동파이프(30) 내부에 축 삽입될 수도 있다.In addition, a part of the
한편, 유동파이프(30)와 코일가열관(120)이 접촉한 부위는 외부로부터 최대한 밀폐되어 열교환 손실을 줄이도록 함이 바람직하다.On the other hand, the portion where the
따라서, 유동파이프(30) 둘레면에 감긴 코일가열관(120)은 단열부재(140)에 감싸지게 설치됨이 바람직하다.Therefore, the
물론, 단열부재(140)는 토출유로관(110)과 코일가열관(120) 및 유입유로관(130) 전체를 감싸 열손실을 최소화함이 바람직하다.Of course, the
이때, 유동파이프(30)는 코일가열관(120)과 접촉한 일부만 단열부재(140)에 의해 감싸지게 구비될 수도 있고, 전체를 단열부재(140)로 감쌀 수도 있다.At this time, the
편의상, 단열부재(140)는 보온패드 등 다양하게 적용 가능하여 도식적으로 도시한다.For convenience, the
그리고, 열교환탱크(10)의 제 1열교환매체가 자연적으로 토출유로관(110)을 통해 코일가열관(120)으로 유동하도록 함이 바람직하다.In addition, the first heat exchange medium of the
그래서, 열교환탱크(10)는 유동파이프(30)보다 높은 위치에 구비된다. 이는, 제 1열교환매체가 낙차(△h)에 의한 위치에너지를 운동에너지로 변환할 수 있도록 함으로써 제 1열교환매체의 순환을 효과적으로 발생시킬 수 있도록 하기 위함이다.Thus, the
또한, 후술할, 응축기(230)가 유동파이프(30)보다 높은 위치에 구비된다.In addition, the
그리고, 열교환탱크(10)가 유동파이프(30)보다 높은 위치에 구비됨으로써 제 1열교환매체는 자연적으로 순환 가능하지만, 유동 유량의 흐름속도에 한계가 있을 수 있다.And, since the
그래서, 토출유로관(110) 상에는 순환펌프(150)가 구비됨이 바람직하다.Therefore, it is preferable that the
이는, 열교환탱크(10) 내부에 저장된 제 1열교환매체를 순환펌프(150)의 가동으로 강제 순환시킴으로써 순환 유량 및 순환 유속을 일정하게 유지하도록 하기 위함이다.This is to maintain a constant circulation flow rate and circulation flow rate by forcibly circulating the first heat exchange medium stored in the
한편, 열교환탱크(10)는 내부에 제 1열교환매체를 가득 채운다.On the other hand, the
특히, 토출유로관(110)에 순환펌프(150)가 구비되는 방식은 일반적인 것으로 한다. 물론, 순환펌프(150)는 유입유로관(130)에 형성될 수도 있고, 다양한 모델을 적용할 수도 있다.In particular, the manner in which the
그리고, 유입유로관(130)은 유량조절밸브(160)를 구비한다.In addition, the
이 유량조절밸브(160)는, 후술할, 냉방사이클부(200)에서 발생하는 냉방부하의 크기에 따라 토출유로관(110)과 코일가열관(120) 및 유입유로관(130) 내부를 순환하는 제 1열교환매체의 유량을 조절하는 역할을 한다. The flow
특히, 유량조절밸브(160)는 순환펌프(150)와, 도시하지는 않았지만, 메인관부재(210)에 형성된 유량계와 전기적으로 연결되어 상호 제어됨이 바람직하다.In particular, the flow
물론, 유량조절밸브(160)는 토출유로관(110)에 형성될 수도 있고, 다양한 모델로 적용 가능하다.Of course, the
또한, 열교환탱크(10)에 저장되어 순환하며 가열되는 제 1열교환매체는 압축기(40)의 작동 오류나 설정된 온도까지 상승하지 않을 수 있기 때문에 열교환탱크(10)는 보조히터(170)를 구비한다. In addition, since the first heat exchange medium stored in the
이 보조히터(170)는 열교환탱크(10)에 저장된 제 1열교환매체를 보조적으로 가열하는 역할을 한다. 이는, 열교환탱크(10) 내부에 구비된 저장탱크(20)에 충분한 열에너지를 지속적으로 공급할 수 있도록 하기 위함이다.The
여기서, 보조히터(17)는 열교환탱크(10)의 내측벽에 고정 설치되는 등 다양 하게 부착 적용 가능하다.Here, the auxiliary heater 17 is fixed to the inner wall of the
특히, 저장탱크(20)는 열교환탱크(10) 내부에 설치되어 압축기(40)에 의해 가열된 제 1열교환매체로부터 열전달을 충분히 공급받게 된다.In particular, the
이때, 저장탱크(20)는 내부에 제 2열교환매체를 저장한다.At this time, the
여기서, 제 1열교환매체는 열교환탱크(10) 내외부를 순환하게 되고, 제 2열교환매체는 저장탱크(20) 내외부를 순환하게 된다.Here, the first heat exchange medium circulates inside and outside the
이때, 열교환탱크(10)와 저장탱크(20)는 전열성이 우수한 스틸 등의 재질로 이루어지고 유동매체와 제 1열교환매체의 열교환이 충분히 이루어지도록 최대한 근접되게 위치하거나 외측면끼리 접하게 설치될 수 있으나, 저장탱크(20)가 열교환탱크(10) 내부에 장착됨이 바람직하다.At this time, the
또한, 도 2는 본 발명의 다른 실시예로써 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치 중 파워사이클부(100)는 다단으로 실현된다. 편의상, 파워사이클부(100)는 3단으로 이루어지는 것으로 도시한다.In addition, Figure 2 is another embodiment of the present invention the
즉, 3개의 압축기(40a,40b,40c) 각각에는 유동파이프(30a,30b,30c)가 각각 독립적으로 연결된다.That is, the
특히, 압축기(40a~40c)의 효율 및 설계/제작의 용이성의 관점으로부터 압축비가 9 내지 10이상으로 되면 압축과정을 다단으로 설계하게 된다. In particular, when the compression ratio becomes 9 to 10 or more from the viewpoint of the efficiency of the
이때, 1단에서 압축된 공기의 온도는 증가하게 되므로 2단 입구에서 고온의 공기를 압축하여야 한다.At this time, since the temperature of the compressed air in the first stage is increased, the hot air should be compressed at the second stage inlet.
즉,In other words,
를 만족하게 된다.Will be satisfied.
여기서, Lad는 등엔트로피 과정으로 압력 P1에서 P2까지 압축하는데 필요한 동력(kW)이며, P1은 압축기의 흡입공기의 절대압력(MPa), 그리고 P2는 토출 공기의 절대압력(MPa) 그리고 Q1은 흡입유량(m3/min)이다. Where Lad is the power (kW) required to compress the pressure P1 to P2 in an isentropic process, P1 is the absolute pressure of the intake air of the compressor (MPa), and P2 is the absolute pressure of the discharged air (MPa) and Q1 is the suction Flow rate (m 3 / min).
따라서, 공기를 압축하는데 소요되는 일의 크기는 공기의 온도가 높을수록 그리고 압축비가 증가할수록 커지게 된다. Thus, the amount of work required to compress the air becomes larger as the temperature of the air increases and as the compression ratio increases.
특히, 고압축비의 압축기의 경우, 압축 일(Lad)을 줄이기 위하여 다단으로 압축하게 된다. 이 경우 1단에서 압축한 공기를 빼내어 냉각(Inter Cooler라고 함)한 후 다시 2단 압축을 거치게 되고 그 후 다시 냉각하여 3단 압축과정을 거친다. In particular, in the case of a compressor with a high compression ratio, it is compressed in multiple stages to reduce the compression (Lad). In this case, the air compressed in the first stage is extracted and cooled (called Inter Cooler), and then subjected to two stage compression again, and then cooled again to undergo a three stage compression process.
또한, 하나의 저장탱크(20)에는 토출유로관(110a), 코일가열관(120a) 및 유입유로관(130a)이 폐곡선을 이루고, 토출유로관(110b,), 코일가열관(120b) 및 유입유로관(130b)이 폐곡선을 형성하며, 토출유로관(110c), 코일가열관(120c) 및 유입유로관(130c)이 폐곡선을 형성하게 된다.In addition, in one
물론, 단열부재(140a,140b,140c), 순환펌프(150a,150b,150c) 및 유량조절밸브(160a,160b,160c)는 상술한 위치에 각각 대응되게 형성된다.Of course, the
그리고, 각 구성요소의 기능은 상술한 것으로 대체한다. 아울러, 미설명된 도면부호는 상술한 것으로 대체한다.In addition, the function of each component replaces the above-mentioned thing. In addition, the reference numerals are replaced with those described above.
한편, 파워사이클부(100)를 통해 열을 얻은 열교환탱크(10)의 열기는 저장탱크(20) 내부의 제 2열교환매체와 열교환하게 된다.On the other hand, the heat of the
특히, 냉방사이클부(200)는 메인관부재(210), 이젝터(220), 응축기(230), 분기관부재(240), 팽창밸브(250) 및 증발기(260)를 포함한다.In particular, the
이때, 파워사이클부(100)와 냉방사이클부(200)는 매채로서 물을 이용하며, 파워사이클부(100)는 대기압 상태나 또는 대기압보다 약간 높은 압력을 유지하도록 설정되며, 냉방사이클부(200)는 설정된 저장탱크(20) 온도에서 물의 포화증기압을 용이하게 달성하기 위하여 대기압 보다 낮은 압력으로 설정된다.At this time, the
이와 같이, 두 사이클부(100,200)에서 발생하는 압력비는 이젝터(220)의 구동압력비로 할 수 있으며, 이젝터(220)를 효과적으로 구동할 수 있다.As such, the pressure ratio generated by the two
특히, 냉방사이클부(200)의 작동은, 압축기(40)의 폐열에서 얻어진 열로 열교환탱크(10) 내의 저장탱크(20)에 저장된 제 2열교환매체를 가열함으로써 이 제 2열교환매체로서 대기압 보다 낮은 진공압력에서 포화증기를 생성한다.In particular, the operation of the
이 포화증기는 이젝터(220)의 구동유체 즉, 제 2열교환매체로 사용되며, 이젝터(220)의 축소확대노즐(222)을 통하여 초음속으로 방출된다.The saturated steam is used as a driving fluid of the
이 경우, 초음속 기류에서 발생하는 전단작용과 압력강하 작용으로 증발기(260)에서 발생하는 저압의 증기를 흡인하게 된다.In this case, the low pressure steam generated in the
이러한 작용으로 인하여, 증발기(260) 내부에서 물의 온도는 감소하게 된다.Due to this action, the temperature of the water inside the
한편, 이젝터(220)의 혼합부(226)에서 구동유체와 흡인된 두 유체는 혼합하여 디퓨저(228)에서 감속하여 응축기(230) 입구에서 발생하는 압력까지 압력을 회 복하게 된다.On the other hand, the two fluids sucked with the driving fluid in the
이와 같이 압축된 증기는 응축기(230) 내부에서 물로 냉각되어 일부는 팽창밸브(250)를 거쳐 증발기(260)로, 그리고 나머지는 저장탱크(20)로 유입되면서 사이클을 완성하게 된다.The compressed steam as described above is cooled with water in the
이때, 응축기(230)에서 생성된 물의 압력을 저장탱크(20) 압력까지 증가시키기 위해서는 저장탱크(20)를 응축기(230) 보다 훨씬 아래에 설치함이 바람직하다.At this time, in order to increase the pressure of the water generated in the
그러면, 기존의 순환펌프를 사용하지 않고도 가열과 냉방 두 사이클 내부에서 물을 효과적으로 순환시킬 수 있다.Then, the water can be effectively circulated inside two cycles of heating and cooling without using a conventional circulation pump.
특히, 저장탱크(20)에서 가열되어 고온 고압 상태의 기상(氣象)으로 변환된 제 2열교환매체는 냉방사이클부(300) 측으로 순환하며 냉기를 발생한 후 저장탱크(20)로 유입된다. In particular, the second heat exchange medium heated in the
더욱 상세히, 메인관부재(210)는 제 2열교환매체를 순환시키기 위해 저장탱크(20)에 폐곡선을 그리도록 형성된다. 즉, 메인관부재(210)는 저장탱크(20)로부터 토출되는 제 2열교환매체를 순환시켜 다시 저장탱크(20)로 공급하는 역할을 한다.More specifically, the
이때, 메인관부재(210)는 저장탱크(20)에 밀봉된 채 연결되고, 제 2열교환매체는 저장탱크(20) 둘레면이나 내부에서 유동하며 저장탱크(20)를 내포한 열교환탱크(10)로부터 열에너지를 공급받게 된다.At this time, the
저장탱크(20), 이젝터(220) 및 응축기(230)는 폐곡선을 이루는 메인관부재(210)에 연결되어 제 2열교환매체의 순환이 가능하도록 한다.The
그리고, 팽창밸브(250)와 증발기(260)는 폐곡선을 이루는 메인관부재(210)를 가로지르는 분기관부재(240)에 연결된다.In addition, the
이때, 도시하지는 않았지만, 메인관부재(210)는 저장탱크(20), 이젝터(220) 및 응축기(230)에 충분히 밀봉 처리 가능한 다양한 방식에 의해 연결된다.At this time, although not shown, the
아울러, 도시하지는 않았지만, 분기관부재(240)는 팽창밸브(250)와 증발기(260)에 충분히 밀봉 처리 가능한 다양한 방식에 의해 연결된다.In addition, although not shown, the
또한, 도시하지는 않았지만, 메인관부재(210)와 분기관부재(240)는 서로 분리 가능하게 밀봉 처리되도록 접속될 수도 있고, 용접 등의 방식에 의해 일체로 연결될 수도 있다.In addition, although not shown, the
상세하게, 메인관부재(210)는 제 2열교환매체를 저장탱크(20) 내부에서 가열되어 고온 고압의 기상(氣象) 상태인 제 2열교환매체를 순환시키기 위해 폐곡선을 형성하게 된다.In detail, the
이 제 2열교환매체는 메인관부재(210)를 따라 이젝터(220)로 자연적으로 유동하게 된다.The second heat exchange medium naturally flows to the
즉, 저장탱크(20)에서 고온 고압의 기상인 제 2열교환매체는 기체 상태임에 따라 비중이 낮음에 따라 메인관부재(210)를 통해 자연적으로 상승하면서 이젝터(220)로 유입된다.That is, the second heat exchange medium, which is a gaseous state of high temperature and high pressure in the
이때, 저장탱크(20)는 제 2열교환매체로 가득 채워진 상태이다.At this time, the
아울러, 이젝터(220)는 메인관부재(210)에 형성되어 저장탱크(20)에서 토출된 고온 고압의 기상(氣象)인 제 2열교환매체의 압력에너지를 속도에너지로 변환해서 감압 팽창시키는 역할을 한다.In addition, the
이때, 이젝터(220)는 증발기(260)를 통과하며 저온 저압의 기상인 제 2열교환매체를 유입하게 된다.At this time, the
즉, 이젝터(220)는 저장탱크(20)로부터 토출되는 고온 고압의 기상인 제 2열교환매체를 유입하는 축소확대노즐(222), 이 축소확대노즐(222)을 통과한 제 2열교환매체의 초음속 기류에 의해 발생하는 전단작용과 압력강하 작용으로 증발기(260)에서 발생하는 저온 저압의 기상인 제 2열교환매체를 흡입하는 흡입구(224), 고온 고압의 제 2열교환매체와 저온 저압의 제 2열교환매체를 혼합하여 온도를 강하 유도하는 혼합부(226) 및 혼합되어 감온된 제 2열교환매체를 감속시켜 줄어든 압력을 보상하는 디퓨저(228)로 이루어진다.That is, the
특히, 이젝터(220)는 다양한 형상 및 다양한 재질로 이루어질 수 있다.In particular, the
또한, 응축기(230)는 메인관부재(210)에 형성되어 이젝터(220)를 통과함으로써 감압 팽창된 제 2열교환매체 열을 상온의 공기 중에 방출하여 응축 액화하는 역할을 한다.In addition, the
따라서, 응축기(230)를 통과한 제 2열교환매체는 저장탱크(20)로 유입됨에 따라 순환하게 된다.Therefore, the second heat exchange medium passing through the
한편, 분기관부재(240)는 응축기(230)에서 연장된 메인관부재(210)에서 분기되어 이젝터(220)에 연결된다. 이 분기관부재(240)는 용접 등의 방식에 의해 메인관부재(210)에 연결된다.On the other hand, the
그리고, 팽창밸브(250)는 분기관부재(240)에 형성되어 메인관부재(210)에서 응축 액화된 후 일부가 분기되어 유동하는 제 2열교환매체를 저온, 저압으로 단열 팽창시켜 액화하는 역할을 한다.In addition, the
아울러, 증발기(260)는 분기관부재(240)에 형성되어 팽창밸브(250)로부터 단열 팽창된 제 2열교환매체로부터 증발잠열을 흡수하여 냉각작용을 하는 역할을 한다.In addition, the
더불어, 열을 흡수하여 증발한 저온, 저압의 기상인 제 2열교환매체는 외력에 의해 이젝터(220)로 이송 안내된다.In addition, the second heat exchange medium, which is a low-temperature, low-pressure gaseous phase that absorbs heat and evaporates, is transferred to the
특히, 압축기(40)를 통과한 유동매체는 더욱 열 에너지를 발생할 수 있도록 함이 바람직하다.In particular, it is preferable that the fluidized medium passing through the
이는, 저장탱크(20)로 유입되는 제 2열교환매체의 온도가 높아짐으로써 토출되는 냉기의 온도가 감온됨과 아울러 냉방력이 향상되도록 하기 위함이다.This is to increase the temperature of the cold air discharged by increasing the temperature of the second heat exchange medium flowing into the
제 1실시예로써, 도 3을 참조하면, 유동파이프(30)는 내측면에 와류발생돌부(310a)를 돌출 형성한다.As a first embodiment, referring to FIG. 3, the
유동파이프(30) 내부에서 순환하는 유동매체의 흐름이 층류(Laminar Flow)인 경우에 비하여 난류(Turbulent Flow)가 되면 열교환이 촉진됨으로써, 이 와류발생돌부(310a)는 저항을 통해 유동매체에 열 에너지를 공급하기 위함이다.Heat flow is promoted when the flow of the circulating fluid circulating inside the
특히, 와류발생돌부(310a)는 삼각익 형태로 형성되어 와류성분을 효과적으로 증가시키도록 함이 바람직하다.In particular, the
물론, 와류발생돌부(310a)는 다양한 형상 및 다양한 재질로 변형 가능하다. 그리고, 와류발생돌부(310a)는 개수에 한정되지 않고, 도시하지는 않았지만, 유동파이프(30)에 볼팅 등의 방식에 의해 분리 가능하게 형성될 수 있다.Of course, the
한편, 제 2실시예로써, 도 4를 참조하면, 와류발생돌부(310b)는 유동파이프(30)의 내측을 중심방향으로 돌출하게 형성된다. 즉, 와류발생돌부(310b)는 유동파이프(30)의 성형시 자연적으로 형성된다.Meanwhile, as a second embodiment, referring to FIG. 4, the
이때, 와류발생돌부(310b)는 다양한 형상 및 다양한 개수로 변형 가능하다.At this time, the
또한, 제 3실시예로써, 도 5를 참조하면, 와류발생돌부(310c)는 유동파이프(30)의 내측면에서 유동매체의 유동 방향에 대해 일정한 간격 유격되는 와류발생돌부(310c)를 돌출 형성한다.In addition, as a third embodiment, referring to FIG. 5, the
그리고, 일정간격 유격된 와류발생돌부(310c) 사이에는 구(球) 형상의 유동자(320)가 구비된다.A
이 유동자(320)는 유동매체의 유동에 의하여 상대적으로 하류에서 발생하는 와류(Karman Vortex)로 인하여 자체적으로 유동의 상하류 방향 또는 유도에 수직한 방향으로 불규칙하게 진동하게 된다. The fluid 320 vibrates irregularly in an upstream or downstream direction of the flow or in a direction perpendicular to the induction due to a vortex (Karman Vortex) generated relatively downstream by the flow of the fluid medium.
이러한 유동자(320)의 진동은 유동파이프(30) 내부에서 와류를 더욱 조장하게 되어 열교환 성능을 향상시킬 수 있게 된다.The vibration of the fluid 320 is to further promote the vortex inside the
여기서, 유동자(320)는 다양한 형상으로 적용 가능하고, 유동하는 유동매체의 비중과 유사하거나 비중이 작은 재질로 형성됨이 바람직하다.Here, the fluid 320 may be applied in various shapes, and may be formed of a material similar to or specific to the specific gravity of the flowing fluid medium.
특히, 유동파이프(30)는 유동자(320)를 내부에 설치하거나 교환 가능하도록 분리 가능하게 형성됨이 바람직하다.In particular, the
아울러, 와류발생돌부(310c)는 유동매체의 유동 방향에 대해 서로 마주하는 부위를 유동파이프(30)의 축방향에 대해 수직한 수직면(330)을 형성한다.In addition, the
이는, 유동자(320)의 이탈을 방지하기 위함이고, 수직면(330) 부위에서 충분한 와류를 발생시킴으로써 유동매체에 공급하는 열 에너지를 증가시키기 위함이다.This is to prevent the departure of the fluid 320 and to increase the thermal energy supplied to the fluid by generating sufficient vortex in the
도 6에는 플랜트에 다수 설치되어 있는 전형적인 대형 원심식 터보 압축기의 토출구에서 발생하는 공기의 온도를 압축비의 함수로 나타낸다. 그림으로부터 압축비가 증가할수록 압축기의 토출구에서 발생하는 공기의 온도는 증가한다. 다단 압축기인 경우, 1단 토출구에서 압축가열된 공기를 냉각하여, 다시 2단에서 압축하고, 다시 냉각하여 3단에서 압축하는 경우에도 토출구에서 압축공기의 온도는 1단에 비하여 다소 낮으나, 여전히 매우 높은 온도로 된다. 이러한 고온으로 인하여, 압축기 토출구에는 대형 후냉각기(After Cooler)가 필요하게 될 뿐만 아니라 공장 내부의 온도상승을 야기하여 조업환경에 악영향을 미치게 된다.6 shows the temperature of air generated at the discharge port of a typical large centrifugal turbo compressor installed in a large number of plants as a function of the compression ratio. From the figure, as the compression ratio increases, the air temperature at the discharge port of the compressor increases. In the case of a multi-stage compressor, the temperature of the compressed air at the discharge port is somewhat lower than that of the first stage even though the compressed heated air is cooled in the first stage outlet, compressed in the second stage, and then cooled again and compressed in the third stage, but still very much. It becomes a high temperature. Due to this high temperature, not only a large after cooler is required at the discharge port of the compressor but also a temperature increase inside the factory, which adversely affects the operating environment.
그래서, 고압축비의 압축기의 경우, 압축 일(Lad)을 줄이기 위하여 다단으로 압축하게 된다. 이 경우 1단에서 압축한 공기를 빼내어 냉각(Inter Cooler라고 함)한 후 다시 2단 압축을 거치게 되고 그 후 다시 냉각하여 3단 압축과정을 거치게 된다.Thus, in the case of a compressor having a high compression ratio, it is compressed in multiple stages to reduce the compression (Lad). In this case, the compressed air is extracted from the first stage and cooled (called Inter Cooler), and then subjected to two stage compression again, and then cooled again to undergo a three stage compression process.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art to which the art belongs can make various modifications and other equivalent embodiments therefrom. I will understand. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the claims below.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치의 사이클을 개략적으로 나타낸 다이어그램이다.1 is a diagram schematically showing a cycle of a cooling apparatus using waste heat of a compressor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치의 다단 사이클을 개략적으로 나타낸 요부 다이어그램이다.2 is a main diagram schematically showing a multi-stage cycle of a cooling apparatus using waste heat of a compressor according to an embodiment of the present invention.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 여러 실시예에 따른 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치에서 와류발생 상태를 보인 관의 단면도이다.3 to 5 are cross-sectional views of the tube showing the vortex generation state in the cooling device using the waste heat of the compressor according to various embodiments of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 폐열을 이용한 냉방장치에서의 토출온도-압축비 선도이다.6 is a discharge temperature-compression ratio diagram in a cooling apparatus using waste heat of a compressor according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명><Explanation of symbols on main parts of the drawings>
10: 열교환탱크 20: 저장탱크10: heat exchange tank 20: storage tank
30: 유동파이프 40: 압축기 30: flow pipe 40: compressor
100: 파워사이클부 110: 토출유로관100: power cycle unit 110: discharge flow path tube
120: 코일가열관 130: 유입유로관120: coil heating tube 130: inlet flow tube
140: 단열부재 150: 순환펌프140: heat insulating member 150: circulation pump
160: 유량조절밸브 170: 보조히터160: flow control valve 170: auxiliary heater
200: 냉방사이클부 210: 메인관부재200: cooling cycle section 210: main pipe member
220: 이젝터 230: 응축기220: ejector 230: condenser
240: 분기관부재 250: 팽창밸브240: branch pipe member 250: expansion valve
260: 증발기 310a,310b,310c: 와류발생돌부260: evaporator 310a, 310b, 310c: vortex generation protrusion
Claims (10)
Priority Applications (1)
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- 2009-09-24 KR KR1020090090581A patent/KR101091818B1/en active IP Right Grant
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