KR20120132035A - 냉각기를 이용한 이중 열원 히트 펌프 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각기를 이용한 이중 열원 히트 펌프 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 선박에 설치되는 냉각 설비의 해수를 이용하여 냉매의 증발열을 얻고 해수만으로 냉매의 증발열을 충분히 얻을 수 없을 때 엔진/발전기 등을 냉각시키고 난 냉각수를 이용하여 냉매의 증발열을 얻을 수 있도록 하여 냉/난방이 가능한 이중 열원 히트 펌프 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 증발기에서 증발된 저온 저압의 기체 냉매를 흡입하여 다음의 응축기에서 응축 액화할 수 있도록 응축온도에 해당하는 포화압력까지 압력을 증대시키는 압축기; 상기 압축기에서 토출된 고온고압의 기체 냉매를 해수와 열교환시켜 기체 냉매의 열을 방출시켜 응축 액화하는 응축기; 응축 액화된 냉매를 좁은 곳을 통해서 급히 넓은 곳으로 방출시켜 냉매를 압력으로부터 해제하여 증발을 일으키게 하고, 증발기에서 충분한 열을 흡수할 수 있도록 냉매 유량을 조절하여 적정량을 증발기로 공급하는 팽창변; 팽창변을 통과한 저온 저압의 냉매를 유입하여 물과 열 교환시키는 장치로서 냉매의 증발열을 이용해 온수와 열교환하여 냉수를 제조하는 증발기; 상기 압축기, 응축기, 팽창변 및 상기 증발기와 연결되며 냉동 사이클에서는 냉수를 제조하여 냉방을 하는데 이용되고, 히트 펌프 사이클에서는 해수 및 엔진/발전기 폐열로부터 열을 흡수하여 냉매를 증발시키는 냉동/히트 시스템; 삼방변 통해 상기 증발기와 연결되며 냉동 사이클에서는 냉매 가스 냉각을 위하여 해수를 취수하며, 히트 펌프 사이클에서는 냉매의 증발열을 얻기 위해 해수를 취수하는 해수 라인 연결부; 삼방변을 통해 상기 응축기와 연결되며 히트 펌프 사이클 운용시 해수의 온도가 낮아서 냉매의 증발열을 충분히 얻을 수 없을 때 엔진이나 발전기 등에서 나온 냉각을 완료한 뜨거워진 냉각수를 순환하여 냉매의 열원으로서 사용하기 위해 냉각을 거친 폐열을 가진 냉각수를 취수하는 폐열 회수라인 연결부; 및 상기 증발기에 연결되며 냉동 사이클에서는 온수를 받아들이고, 히트 펌프 사이클에서는 냉수를 받아들이는 냉수 또는 온수 취수 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각기를 이용한 이중 열원 히트 펌프 장치를 제시한다.

Description

냉각기를 이용한 이중 열원 히트 펌프 장치{Dual Heat Pump System Using Chiller}
본 발명은 냉각기를 이용한 이중 열원 히트 펌프 장치에 관한 것으로, 특히 선박에 설치되는 냉각 설비의 해수를 이용하여 냉매의 증발열을 얻고, 해수만으로 냉매의 증발열을 충분히 얻을 수 없을 때 엔진/발전기 등을 냉각시키고 난 냉각수를 이용하여 냉매의 증발열을 얻을 수 있도록 하여 냉/난방이 가능한 이중 열원 히트 펌프 장치에 관한 것이다.
상선, 해양, 여객선, 특수선 등을 비롯한 대부분의 선박에는 공기조화 및 냉각을 위하여 냉각 설비(Chilling Plant)가 설치되어 있다. 보통 냉각 설비는 여름에 냉수 제조를 위하여만 사용되고 겨울에는 사용되지 않는다.
최근 에너지의 효율적인 이용에 대한 관심이 높아지면서, 냉각 설비를 겨울철 난방용으로 사용하는 히트 펌프 시스템에 대한 관심이 높아지고 있으며, 실제로 육상에서는 냉난방을 겸하는 설비가 많이 개발되어 있다.
선박에서는 겨울철 히트 펌프의 열원으로 사용할 수 있는 해수가 바로 근처에 있으므로 해수열원 히트 펌프 시스템이 많이 개발 및 적용이 될 수 있는 충분한 토양을 갖고 있다.
이러한 좋은 환경을 갖고 있으면서도 선박에서는 선박용 냉각 설비의 응축기(condenser)는 해수를 이용하여 압축기에서 나온 고온, 고압의 증기를 응축하고 뜨거워진 해수를 그냥 바다로 버리고 있으며, 엔진/발전기를 냉각하고 뜨거워진 폐열을 잘 이용하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 배경하에서 안출된 것으로서, 선박에 설치되는 냉각 설비의 해수를 이용하여 냉매의 증발열을 얻고 해수만으로 냉매의 증발열을 충분히 얻을 수 없을 때 엔진/발전기 등을 냉각시키고 난 냉각수를 이용하여 냉매의 증발열을 얻을 수 있도록 하여 냉/난방이 가능한 이중 열원 히트 펌프 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중 열원 히트 펌프 장치는, 증발기(40)에서 증발된 저온 저압의 기체 냉매를 흡입하여 다음의 응축기(20)에서 응축 액화할 수 있도록 응축온도에 해당하는 포화압력까지 압력을 증대시키는 압축기(10);
상기 압축기(10)에서 토출된 고온고압의 기체 냉매를 해수와 열교환시켜 기체 냉매의 열을 방출시켜 응축 액화하는 응축기(20);
응축 액화된 냉매를 좁은 곳을 통해서 급히 넓은 곳으로 방출시켜 냉매를 압력으로부터 해제하여 증발을 일으키게 하고, 증발기(40)에서 충분한 열을 흡수할 수 있도록 냉매 유량을 조절하여 적정량을 증발기(40)로 공급하는 팽창변(30);
팽창변(30)을 통과한 저온 저압의 냉매를 유입하여 물과 열 교환시키는 장치로서 냉매의 증발열을 이용해 온수와 열교환하여 냉수를 제조하는 증발기(40);
상기 압축기(10), 응축기(20), 팽창변(30) 및 상기 증발기(40)와 연결되며 냉동 사이클에서는 냉수를 제조하여 냉방을 하는데 이용되고, 히트 펌프 사이클에서는 해수 및 엔진/발전기 폐열로부터 열을 흡수하여 냉매를 증발시키는 냉동/히트 시스템(50);
삼방변(110)을 통해 상기 증발기(20)와 연결되며 냉동 사이클에서는 냉매 가스 냉각을 위하여 해수를 취수하며, 히트 펌프 사이클에서는 냉매의 증발열을 얻기 위해 해수를 취수하는 해수 라인 연결부(60);
삼방변(110)을 통해 상기 응축기(20)와 연결되며 히트 펌프 사이클 운용시 해수의 온도가 낮아서 냉매의 증발열을 충분히 얻을 수 없을 때 엔진이나 발전기 등에서 나온 냉각을 완료한 뜨거워진 냉각수를 순환하여 냉매의 열원으로서 사용하기 위해 냉각을 거친 폐열을 가진 냉각수를 취수하는 폐열 회수라인 연결부(70); 및
상기 증발기(40)에 연결되며 냉동 사이클에서는 온수를 받아들이고, 히트 펌프 사이클에서는 냉수를 받아들이는 냉수 또는 온수 취수 라인(80)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각기를 이용한 이중 열원 히트 펌프 장치를 제시한다.
본 발명에 의하면 선박의 냉각 설비를 겨울철 난방용으로 이용할 수 있을 뿐만 아니라 엔진/발전기를 냉각시키고 난 뜨거워진 냉각수를 냉각 설비에 적용함으로써 이로 인해 폐열을 난방에 이용하는 만큼 발전기의 부하가 적게 걸리게 될뿐더러 따라서 난방에 필요한 전기도 적게 생산하면 되므로 발전기의 용량을 줄일 수 있고 이에 따라 발전기의 크기, 무게 및 비용을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 이중 열원 히트 펌프 장치의 블록도를 도시한다.
이하 본 발명의 냉각기를 이용한 이중 열원 히트 펌프 장치를 첨부 도면을 참조로 하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 이중 열원 히트 펌프 장치의 블록도를 도시한다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이중 열원 히트 펌프 장치는 압축기(10), 응측기(20), 팽창 변(30) 및 증발기(40)를 구비하고 있으며, 또한 냉동/히트 라인(50), 해수 라인 연결부(60), 폐열 회수 라인 연결부(70) 및 냉수 또는 온수 취수 라인(80)을 구비하고 있다.
냉동/히트 시스템(50)은 상기 압축기(10), 응축기(20), 팽창변(30) 및 상기 증발기(40)와 연결되며 냉동 사이클에서는 냉수를 제조하여 냉방을 하는데 이용되고, 히트 펌프 사이클에서는 해수 및 엔진/발전기 폐열로부터 열을 흡수하여 냉매를 증발시키는 시스템이다. 해수 라인 연결부(60)는 삼방변(110)을 통해 상기 증발기(20)와 연결되며 냉동 사이클에서는 냉매 가스 냉각을 위하여 해수를 취수하며, 히트 펌프 사이클에서는 냉매의 증발열을 얻기 위해 해수를 취수하는 연결부이다. 폐열 회수라인 연결부(70)는 삼방변(110)을 통해 상기 응축기(20)와 연결되며 히트 펌프 사이클 운용시 해수의 온도가 낮아서 냉매의 증발열을 충분히 얻을 수 없을 때 엔진이나 발전기 등에서 나온 냉각을 완료한 뜨거워진 냉각수를 순환하여 냉매의 열원으로서 사용하기 위해 냉각을 거친 폐열을 가진 냉각수를 취수하는 연결부이다. 그리고 냉수 또는 온수 취수 라인(80)은 상기 증발기(40)에 연결되며 냉동 사이클에서는 온수를 받아들이고, 이 온수는 증발기(40)에서 열교환되어 냉수가 제조되어 상기 증발기(40)에 연결된 냉수 또는 온수 배출 라인(90)을 통해 각 필요장비에 보내져 냉방에 이용되며, 상기 냉수 또는 온수 취수 라인(90)은 히트 펌프 사이클에서는 즉 역사이클에서는 냉수를 받아들이고 이 냉수는 증발기(40)가 여기서는 응축기 역할이므로 응축기에서 열교환되어 온수가 제조되어 냉수 또는 온수 배출 라인(90)을 통해 각 필요 장비에 보내져 난방에 이용할 수 있도록 한다.
먼저 냉수제조 사이클에 대해서 설명한다.
압축기(10)는 증발기(40)에서 증발된 저온 저압의 기체 냉매를 흡입하여 다음의 응축기(20)에서 응축 액화할 수 있도록 응축온도에 해당하는 포화압력까지 압력을 증대시킨다. 응축기(20)는 상기 압축기(10)에서 토출된 고온고압의 기체 냉매를 해수 취수 라인(60), 삼방변(110)을 통해 취수된 해수와 열교환키키고 열교환된 뜨거워진 해수는 해수 방출 라인(120)을 통해 배출된다. 이때 해수 방출 라인(120)에 축열조(100)를 달아서 버려지는 뜨거운 해수의 열을 이용하여 난방이 필요한 곳에 이용할 수 있다.
응축기(20)는 또한 열교환된 기체 냉매의 열을 방출하여 응축 액화한다. 그리고 팽창변(30)은 응축 액화된 냉매를 좁은 곳을 통해서 급히 넓은 곳으로 방출시켜(교축 작용) 냉매를 압력으로부터 해제하여 증발을 일으키게 한다. 아울러 증발기(40)에서 충분한 열을 흡수할 수 있도록 냉매 유량을 조절하여 적정량을 증발기(40)로 공급한다.
증발기(40)는 팽창 변(30)을 통과한 저온저압의 냉매를 유입하여 피냉각 물체 예를 들어, 동관, 알루미늄, 공기, 물과 열 교환시키는 장치로서 냉매의 증발열을 이용해 냉수 또는 온수 라인(80)을 통해 들어온 온수와 열교환되어 냉수를 제조하여 냉수 또는 온수 배출 라인(90)을 통해 냉수가 배출되어 AHU(Air Handling Unit;공기조화기), FCU(Fan Coil Unit) 등에 사용된다.
그러면 이하에서는 온수 제조 사이클에 대해서 설명한다.
이 온수 제조 사이클에서는 냉수 제조 사이클과는 반대의 사이클을 가지게 된다. 그리고 증발기(40)는 응축기로서 역할을 하게 되고, 응축기(20)는 증발기로서 역할을 하게 된다.
증발기(40)(이 사이클에서는 응축기이므로 응축기라 함), 즉 응축기는 압축기(10)를 거쳐 나온 고온 고압의 기체 냉매를 차갑게 냉각된 저온의 액체 냉매로 변화시킨다. 압축기를 거친 냉매의 온도는 압력이 올라가면서 100℃까지 올라가게 된다. 이 응축기는 고안 고압의 가스가 물이나 공기와 열교환되는 곳으로서, 상기 냉수 또는 온수 라인(80)을 통해 들어온 냉수가 열교환되어 온수가 제조되어 냉수 또는 온수 배출 라인(90)을 통해 온수가 배출되어 AHU(Air Handling Unit;공기조화기), FCU(Fan Coil Unit) 등에 사용된다. 응축기에서 고온 고압의 냉매와 상기 냉수 또는 온수 라인(80)을 통해 들어온 냉수가 열교환되면서 냉매는 저온으로 떨어지고 팽창변(30)으로 흘러간다.
팽창변(30)은 응축기를 거치면서 냉수에 열을 빼앗긴 고압의 액체 냉매를 저온 저압의 안개와 같은 밀입자 형태의 액체 상태로 응축기(20)(이 역 사이클에서는 증발기이므로 증발기라 함) 즉 증발기 내부로 분사한다. 이 증발기는 냉매와 폐수가 열교환되는 장치로서 상기 팽창변(30)을 거친 냉매가 상기 해수 취수 라인(60), 삼방변(110)을 통해 취수된 해수로부터 온도를 흡수해서 완벽한 기체상태의 냉매로 변화된다. 냉매와 열교환된 해수는 축열조(100)에 저장되어 엔진/발전기 등을 냉각시키는데 사용될 수 있다. 증발기 내에서 냉매가 기체화되어 압축기(10)로 넘어간다. 이때 해수의 온도가 냉매를 증발시키기에 충분한 열을 공급할 수 없을 때에는 상기 폐열 회수 라인 연결부(70)를 통해 취수된 냉각을 거친 뜨거워진 냉각수를 이용할 수도 있다.
압축기(10)는 상기 증발기를 거쳐서 넘어온 중온 저압의 기체를 전기 에너지를 이용하여 고온고압으로 상승시킨다. 고온 고압으로 변한 냉매는 상기 응축기로 넘어와서 전술한 바와 같이 냉수 또는 온수 라인(80)을 통해 들어온 냉수와 열교환하게 되어 온수를 생산하게 된다.
본 발명에 의하면 선박의 냉각 설비를 겨울철 난방용으로 이용할 수 있을 뿐만 아니라 엔진/발전기를 냉각시키고 난 뜨거워진 냉각수를 냉각 설비에 적용함으로써 이로 인해 폐열을 난방에 이용하는 만큼 발전기의 부하가 적게 걸리게 될뿐더러 따라서 난방에 필요한 전기도 적게 생산하면 되므로 발전기의 용량을 줄일 수 있고 이에 따라 발전기의 크기, 무게 및 비용을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 축열조를 두어 열교환기와 열교환된 온수 또는 냉수를 난방 및 엔진/발전기를 냉각시키는데 사용할 수 있다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각기를 이용한 이중 열원 히트 펌프 장치를를 도면을 참조로 하여 설명하였으나 이것은 예시 목적이지 이것으로 본 발명을 한정하고자 함은 아니며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 이하의 부속청구범위에 의해 정해지며, 본 발명의 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형 형태는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 압축기 20: 응축기
30: 팽창변 40: 증발기
50: 냉동/히트 라인 60: 해수 라인 연결부
70: 폐열 회수 라인 연결부 80: 냉수 또는 온수 취수 라인
90: 냉수 또는 온수 배출 라인 100: 축열조
110: 삼방변 120: 해수 방출 라인

Claims (4)

  1. 증발기(40)에서 증발된 저온 저압의 기체 냉매를 흡입하여 다음의 응축기(20)에서 응축 액화할 수 있도록 응축온도에 해당하는 포화압력까지 압력을 증대시키는 압축기(10);
    상기 압축기(10)에서 토출된 고온고압의 기체 냉매를 해수와 열교환시켜 기체 냉매의 열을 방출시켜 응축 액화하는 응축기(20);
    응축 액화된 냉매를 좁은 곳을 통해서 급히 넓은 곳으로 방출시켜 냉매를 압력으로부터 해제하여 증발을 일으키게 하고, 증발기(40)에서 충분한 열을 흡수할 수 있도록 냉매 유량을 조절하여 적정량을 증발기(40)로 공급하는 팽창변(30);
    팽창변(30)을 통과한 저온 저압의 냉매를 유입하여 물과 열 교환시키는 장치로서 냉매의 증발열을 이용해 온수와 열교환하여 냉수를 제조하는 증발기(40);
    상기 압축기(10), 응축기(20), 팽창변(30) 및 상기 증발기(40)와 연결되며 냉동 사이클에서는 냉수를 제조하여 냉방을 하는데 이용되고, 히트 펌프 사이클에서는 해수 및 엔진/발전기 폐열로부터 열을 흡수하여 냉매를 증발시키는 냉동/히트 시스템(50);
    삼방변(110)을 통해 상기 증발기(40)와 연결되며 냉동 사이클에서는 냉매 가스 냉각을 위하여 해수를 취수하며, 히트 펌프 사이클에서는 냉매의 증발열을 얻기 위해 해수를 취수하는 해수 라인 연결부(60);
    삼방변(110)을 통해 상기 응축기(20)와 연결되며 히트 펌프 사이클 운용시 해수의 온도가 낮아서 냉매의 증발열을 충분히 얻을 수 없을 때 엔진이나 발전기 등에서 나온 냉각을 완료한 뜨거워진 냉각수를 순환하여 냉매의 열원으로서 사용하기 위해 냉각을 거친 폐열을 가진 냉각수를 취수하는 폐열 회수라인 연결부(70); 및
    상기 증발기(40)에 연결되며 냉동 사이클에서는 온수를 받아들이고, 히트 펌프 사이클에서는 냉수를 받아들이는 냉수 또는 온수 취수 라인(80)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각기를 이용한 이중 열원 히트 펌프 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 증발기(40)는 히트 펌프 사이클에서는 응축기로서 동작하며, 이 응축기는 압축기(10)를 거쳐 나온 고온 고압의 기체 냉매를 차갑게 냉각된 저온의 액체 냉매로 변화시키고, 상기 응축기(20)는 히트 펌프 사이클에서는 증발기로서 동작하며, 이 증발기는 상기 팽창변(30)을 거친 냉매를 상기 해수 취수 라인(60)을 통해 취수된 해수와 열교환시켜 완벽한 기체상태의 냉매로 변화시키는 것을 특징으로 하는 냉각기를 이용한 이중 열원 히트 펌프 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 팽창변(30)은 상기 응축기를 거치면서 냉수에 열을 빼앗긴 고압의 액체 냉매를 저온 저압의 안개와 같은 밀입자 형태의 액체 상태로 상기 증발기 내부로 분사하며, 압축기(10)는 상기 증발기를 거쳐서 넘어온 중온 저압의 기체를 전기 에너지를 이용하여 고온고압으로 상승시키고, 고온 고압으로 변한 냉매는 상기 응축기로 넘어와서 냉수 또는 온수 라인(80)을 통해 들어온 냉수와 열교환하게 되어 온수를 생산하는 것을 특징으로 하는 냉각기를 이용한 이중 열원 히트 펌프 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축기(20)에 연결되고, 냉동 사이클시 응축기(20)에서 냉매와 열교환된 뜨거운 해수, 그리고 히프 펌프 사이클시 냉매와 열교환된 냉각된 해수를 바다로 방출하는 해수 방출 라인(120)을 포함하고, 상기 해수 방출 라인(120)에 연결되어 선박의 난방 또는 엔진/발전기의 냉각에 이용하기 위해 상기 버려지는 해수를 담아두는 축열조(100)를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉각기를 이용한 이중 열원 히트 펌프 장치.
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