KR20120036899A - 미임계 조건 및 트랜스임계 조건에 대한 열교환기 조립체의 작동 방법 및, 열교환기 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초기에 적어도 2개의 열교환기(2)를 미임계 조건에 대해 병렬로 배열함으로써, 미임계 조건 및 트랜스임계 조건에 대해 열교환기(2)의 조립체(1)를 작동시키는 방법에 관한 것이다.

Description

미임계 조건 및 트랜스임계 조건에 대한 열교환기 조립체의 작동 방법 및, 열교환기 조립체{METHOD OF OPERATING AN ASSEMBLY OF HEAT EXCHANGERS FOR SUBCRITICAL AND TRANSCRITICAL CONDITIONS, AND AN ASSEMBLY OF HEAT EXCHANGERS}

본 발명은 초기에 적어도 2개의 열교환기를 미임계 조건에 대해 병렬로 배열함으로써, 미임계 조건 및 트랜스임계 조건에 대해 열교환기의 조립체를 작동시키는 방법, 열교환기의 조립체에 관한 것이다.

종래의 냉동 시스템(refrigeration system)에서, 냉매로부터의 열 방출은 냉매의 응축에 기초한다. 온도는 임계점이며, 응축 동안 일정하다. 임계점 아래에서의 열교환기의 조립체의 작동은 미임계 모드(subcritical mode)로 규정된다. 이러한 미임계 모드에서 열교환기를 병렬로 배열하는 것은 이미 공지되어 있다.

그러나 CO₂를 냉매로써 사용하는 열 펌프 및 냉동 적용례의 경우, 트랜스임계 모드(transcritical mode), 즉 임계점보다 위 및 임계점보다 아래에서 작동할 필요가 있다. 냉매로써 CO₂를 사용하는 트랜스임계 냉동 시스템은 본 기술분야에서 잘 알려져 있다. CO₂의 임계 온도는 31.0℃이며, 임계 압력은 73.8bar이다. 더 높은 온도 및 압력에서는 액체와 증기 사이의 뚜렷한 차이를 구별할 수 없으며, CO₂는 소위 초임계(super-critical) 유체 영역으로 불린다. 이러한 두 가지 작동 모드에 대한 열 조건은 극적으로 상이하다. 트랜스임계 모드 동안, 저온측, 통상적으로 브라인(brine) 또는 물의 유량은 미임계 모드 동안보다 훨씬 적다. 열적으로, 냉매의 고온측에서의 공정은 또한 매우 상이하다. 트랜스임계 모드에서, 핀치 지점 및 출구에서 폐쇄 접근법으로 큰 온도 감소가 요구된다. 이들 모두는 시스템을 최적의 방식으로 작동시킬 수 있는 열교환기의 서로 다른 두 가지 설계를 요구한다.

열교환기에서 필요한 온도차, 즉 대략 10℃를 고려하면, CO₂의 응축에 기초하여 방출되는 열에 대한 상한은 20℃ 주변 온도 부근일 것이다. 이 온도 아래에서, CO₂는 임계점 아래에 머물며, 냉동 시스템은 미임계 모드에서 작동한다. 수퍼마켓에서 사용되는 냉동 시스템의 경우, 주변 온도는 세상의 많은 곳에서 여름 동안 20℃를 초과할 것이다. 이러한 온도에서, CO2의 냉각은 단일상(single-phase) 냉각, 즉 기체 냉각이다. CO2는 시스템의 고압측에서 임계점 위에 있으며, 냉동 시스템은 트랜스임계 모드에서 작동한다.

냉동 시스템의 효율 및 냉각 능력은 미임계 작동에서보다 트랜스임계 작동에 더 낮다. 공지된 CO₂ 냉동 시스템의 중요한 단점은 시스템이 대략 20℃ 위의 상승된 주변 온도에서, 즉 높은 성능이 실제로 요구될 때, 성능이 저하된다는 것이다. 본 발명의 목적은 트랜스임계 작동 동안 개선된 성능을 갖춘 트랜스임계 냉동 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 기체 냉각기 및 응축기를 위한 열교환기 설계에 대한 모순되는 요구사항인 전술한 문제점에 대한 해결책을 구성하는 것이다. 미임계 조건에 의해 통상적으로 결정되고 이를 트랜스임계 작동을 위해 사용하는 열교환기에 대한 설계를 구하는 대신, 시스템에서 다중 열교환기를 사용할 수 있다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 이러한 목적은 트랜스임계 조건에서 적어도 하나의 열교환기를 다른 열교환기들과 직렬로 배열시키며, 조립체의 대향 단부에 입구와 출구를 배열하고, 상기 입구를 각 열교환기의 제1 덕트에 연결하는 제1 도관을 제1 열교환기 뒤에서 각각의 제2 열교환기들 사이에서 폐쇄하고, 상기 출구를 각각의 열교환기의 제2 덕트에 연결하는 제2 도관을 다른 열교환기들 사이에서 폐쇄함으로써, 병렬 배열된 열교환기들을 직렬 배열로 스위칭하는 것에 의해 달성된다.

상기 방법은 응축 동안 병렬 배열된 다중 열교환기를 사용하는 것, 및 트랜스임계 작동 동안 다중 열교환기를 직렬 또는 직병렬 조합으로 사용하도록 변경하는 것을 포함한다.

이는 실질적으로 트랜스임계 모드에서 시스템 효율을 개선시키는데, 이는 열 길이 및 열전달이 증가되며 그로 인해 냉매의 출구 온도가 낮아질 수 있기 때문이다.

추가로, 상기 입구를 각 열교환기의 제1 덕트에 연결하는 제1 도관을 제1 열교환기 뒤에서 그리고 각각의 제2 열교환기 사이에서 폐쇄하고, 상기 출구를 각 열교환기의 제2 덕트에 연결하는 제2 도관을 다른 열교환기들 사이에서 폐쇄함으로써, 열교환기들은 병렬 배열에서 직렬 배열로 스위칭된다.

냉매 및 브라인과 같은 2개의 본질적으로 액체 매질들 사이의 열전달을 위해, 상기 열교환기들에 이중 회로를 제공함으로써, 각각의 회로를 병렬 배열과 직렬 배열 사이에서 스위칭하는 장점이 있다.

이로 인해, 유연성이 증가되며 미임계 모드 및 트랜스임계 모드 모두에 대한 시스템의 성능을 최적화하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 양태는 조립체의 대향 단부에서 입구 및 출구를 가지며, 상기 입구 및 각 열교환기의 제1 덕트에 연결된 제1 도관, 및 상기 출구 및 각 열교환기의 제2 덕트에 연결된 제2 도관을 갖는 열교환기의 조립체에 관한 것으로, 제1 도관에서는 제1 열교환기 뒤에서 그리고 각각의 제2 열교환기들 사이에 밸브가 위치되며, 제2 도관에서는 다른 열교환기들 사이에 위치되고, 열교환기는 모든 밸브가 개방 위치에서 병렬 배열되고, 모든 밸브가 폐쇄 위치에서 직렬 배열되는 것을 특징으로 한다.

이제, 본 발명의 이러한 그리고 다른 양태가 본 발명의 현재의 바람직한 실시예를 도시하는 첨부 도면을 참조로 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1a는 본 발명에 따라 제1 병렬 배열된 작동 조건에 따른 열교환기의 조립체의 개략도를 도시한다.
도 1b는 도 1a에 따른 작동 조건에 대한 온도/위치 그래프를 도시한다.
도 2a는 본 발명에 따라 제2 직렬 배열된 작동 조건에 따른 열교환기의 조립체의 개략도를 도시한다.
도 2b는 도 2a에 따른 작동 조건에 대한 온도/위치 그래프를 도시한다.

도 1a 및 도 2a는 열교환기(2)들의 조립체(1)을 도시한다. 열교환기(2)들은 각각 냉매 및 브라인과 같은 2개의 본질적인 액체 매질 사이에서 열전달을 위해 이중 회로(dual-circuit)를 갖는다. 그러나 본 발명은 단 하나의 액체 매질을 구비한 열교환기에 또한 적용가능하다. 열교환기(2)들의 조립체(1)는 예컨대 냉매 회로 내의 압축기(미도시)로부터의 입구(A), 및 예컨대 조립체(1)의 대향 단부에서 팽창 밸브(미도시)로의 출구(B)를 갖는다. 조립체(1)는 조립체(1)의 대향 단부에서 브라인 회로에 대한 대응하는 입구(C) 및 출구(D)를 갖는다. 추가로, 조립체(1)는 상기 입구(A) 및 각각의 열교환기(2)의 제1 덕트(5)에 연결된 제1 도관(4), 및 상기 출구(B) 및 각각의 열교환기(2)의 제2 덕트(7)에 연결된 제2 도관(6)을 갖는다. 또한, 밸브(3)는 제1 도관(4)에서 제1 열교환기(2) 뒤에서 각각의 제2 열교환기(2) 사이에 위치되며, 제2 도관(6)에서는 다른 열교환기(2)들 사이에 위치되고, 열교환기(2)는 도 1a에 도시된 바와 같이 모든 밸브(3)가 개방 위치에서 병렬로 배열되며, 도 2a에 도시된 바와 같이 모든 밸브(3)가 폐쇄 위치에서 직렬로 배열된다.

도 1a에서, 열교환기(2)는 미임계 조건에 대해, 즉 냉매의 응축 조건 아래의 온도에서 병렬로 배열된다. 열전달은 도 1b에 도시되며, 위쪽의 커브는 더 높거나 더 낮은 일정한 온도를 갖는 응축 동안 냉매의 입구(A)로부터 출구(B)로의 온도 강하에 대응하며, 아래쪽의 커브는 브라인의 입구(C)로부터 출구(D)로의 온도 상승에 대응한다. 도 2a에서, 열교환기(2)는 트랜스임계 조건에서, 즉 냉매의 응축 조건보다 높은 온도에서 서로 직렬로 배열된다. 열전달은 도 2b에 도시되며, 위쪽의 커브는 냉매의 입구(A)로부터 출구(B)로의 온도 강하에 대응하며, 아래쪽의 커브는 브라인의 입구(C)로부터 출구(D)로의 온도 상승에 대응한다. 열교환기(2)는 각각의 제2 열교환기 사이에서 각각의 열교환기(2)의 제1 덕트(5)에 연결된 제1 도관(4)에서, 그리고 다른 열교환기(2)들 사이에서 각각의 열교환기(2)의 제2 덕트(7)에 연결된 제2 도관(6)에서 교호식으로 배열된 밸브(3)를 폐쇄함으로써 병렬 배열에서 직렬 배열로 스위칭된다.

브라인 회로(미도시)는 입구(C) 및 출구(D)와 각각 연통하는 대응 도관(8) 및 도관(9), 그리고 밸브(10)를 갖는다. 브라인 회로는 병렬 배열 및 직렬 배열 사이에서 유사하게 스위칭될 수 있다. 밸브(10)는 도관(8)에서 입구(C)와 관련된 제1 열교환기(2) 뒤에서 각각의 제2 열교환기(2) 사이에 위치되며, 제2 도관(9)에서는 다른 열교환기(2)들 사이에 위치되고, 열교환기(2)는 도 1a에 도시된 바와 같이 모든 밸브(10)가 개방 위치에서 병렬로 배열되며, 도 2a에 도시된 바와 같이 모든 밸브(10)가 폐쇄 위치에서 직렬로 배열된다.

본 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 결코 전술한 바람직한 실시예로 제한되지 않는다는 것을 인지할 것이다. 반면에, 많은 변경 및 개조가 첨부된 특허청구범위의 범위 내에서 가능하다. 예를 들어, 이중 회로 열교환기의 단 하나의 회로가 본 발명에 따라 작동될 수 있다.

Claims (4)

1. 초기에 적어도 2개의 열교환기(2)를 미임계 조건에 대해 병렬로 배열함으로써, 미임계 조건 및 트랜스임계 조건에 대한 열교환기(2)의 조립체(1)를 작동하는 방법에 있어서,
   트랜스임계 조건에서 적어도 하나의 열교환기(2)를 다른 열교환기들과 직렬로 배열시키며,
   조립체(1)의 대향 단부에 입구(A)와 출구(B)를 배열하고,
   상기 입구(A)를 각 열교환기(2)의 제1 덕트(5)에 연결하는 제1 도관(4)을 제1 열교환기(2) 뒤에서 각각의 제2 열교환기(2)들 사이에서 폐쇄하고, 상기 출구(B)를 각각의 열교환기(2)의 제2 덕트(7)에 연결하는 제2 도관(6)을 다른 열교환기들 사이에서 폐쇄함으로써, 병렬 배열된 열교환기(2)들을 직렬 배열로 스위칭하는 것을 특징으로 하는
   열교환기(2)의 조립체(1)를 작동하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   냉매 및 브라인과 같은 2개의 본질적으로 액체 매질들 사이의 열전달을 위 이중 회로를 갖는 상기 열교환기(2)들을 제공하며,
   각각의 회로가 병렬 배열과 직렬 배열 사이에서 스위칭되는 것을 특징으로 하는
   열교환기(2)의 조립체(1)를 작동하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   트랜스임계 조건에서 모든 열교환기(2)를 직렬로 배열하는 것을 특징으로 하는
   열교환기(2)의 조립체(1)를 작동하는 방법.
4. 조립체(1)의 대향 단부에서 입구(A) 및 출구(B)를 가지며, 상기 입구(A) 및 각 열교환기(2)의 제1 덕트(5)에 연결된 제1 도관(4), 및 상기 출구(B) 및 각 열교환기(2)의 제2 덕트(7)에 연결된 제2 도관(6)을 갖는 열교환기(2)의 조립체(1)에 있어서,
   제1 도관(4)에서는 제1 열교환기(2) 뒤에서 각각의 제2 열교환기(2)들 사이에, 그리고 제2 도관(6)에서는 다른 열교환기(2)들 사이에 밸브(3)가 위치되고,
   열교환기(2)는 모든 밸브(3)가 개방 위치에서 병렬 배열되고, 모든 밸브(3)가 폐쇄 위치에서 직렬 배열되는 것을 특징으로 하는
   열교환기(2)의 조립체(1)를 작동하는 방법.

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