KR20140059215A

KR20140059215A - 액체-공기 열 교환 장치를 작동시키기 위한 방법

Info

Publication number: KR20140059215A
Application number: KR1020147005384A
Authority: KR
Inventors: 알렉산드르 졸로구벤코
Original assignee: 멘투스 홀딩 아게
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-05-15
Also published as: CN103765121B; EP2751494A2; WO2013030080A3; US20140216710A1; CN103765121A; WO2013030080A2; ES2565815T3; RU2014112116A; EP2751494B1; JP2014529054A; BR112014004693A2; CH705453A1; CH705453B1

Abstract

본 발명은 적어도 제1 수동 열 교환 스테이지(2)에서 액체와 공기 사이에서 열이 교환되는, 액체-공기 열 교환 장치를 작동시키기 위한 방법으로서, 주위 공기의 이슬점 온도를 결정하는 단계; 주위 공기의 이슬점 온도가 액체의 온도보다 높은지를 결정하고, 만약 그렇다면 열 교환 장치를 펄스 작동으로 지칭되는 작동 모드로 다음의 단계, 즉 사전결정된 시간 주기 동안 액체가 제1 열 교환 스테이지(2)를 통해 유동하도록 허용하는 단계; 액체가 제1 스테이지를 통해 유동하는 것을 막고, 공기가 제1 열 교환 스테이지(2)로부터 유출된 후 공기의 온도를 측정하고 모니터하는 단계로서, 공기가 제1 열 교환 스테이지로(2)부터 유출된 후 측정된 공기의 온도는 제1 온도 상승을 나타내고, 이어서 대략 일정한 레벨에서 일정 시간 동안 유지되며, 이어서 제2 온도 상승을 나타내는 단계; 제2 온도 상승을 검출하고, 제2 온도 상승이 검출된 후 액체가 제1 열 교환 스테이지(2)를 통해 유동하는 것을 종료시키고 막는 단계; 및 공기의 이슬점 온도가 액체의 온도보다 높을 때까지 상기 단계들을 반복하는 단계에 따라 작동시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.

Description

액체-공기 열 교환 장치를 작동시키기 위한 방법{METHOD FOR OPERATING A LIQUID-TO-AIR HEAT EXCHANGING DEVICE}

본 발명은 액체-공기 열 교환기 장치를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.

이러한 방법은 공기가 수직 방향으로 연장되는 제1 유동 채널을 통해 안내되고 액체가 제2 유동 채널을 통해 안내되는 수동 열 교환기 스테이지(passive heat exchanger stage)를 포함하는 액체-공기 열 교환기 장치를 작동시키는데 적합하며, 여기에서 이러한 스테이지 내의 두 유동 채널은 열 수동 분리 벽(thermally passive separating wall)에 의해 분리된다. 용어 "열 수동(thermally passive)"은 어떠한 일도 수행함이 없이 열의 교환이 일어남을 의미한다. 유동 채널은 열 수동 분리 벽과 우수한 열 접속을 이루는 복수의 플레이트 핀(plate fin)을 포함한다. 공기를 위한 유동 채널 내에서 플레이트 핀 사이의 거리는 그 표면의 크기에 비해 상대적으로 작아 열 교환이 효율적이다.

공기가 비교적 높은 대기 습도를 가지면, 특히 더운 여름날에 공기의 이슬점이 액체의 온도보다 높은 일이 일어날 수 있다. 이는 공기 내에 함유된 습기가 플레이트 핀 상에 응축액으로서 침착되는 결과로 이어진다. 열 교환기 장치의 전체 크기가 보통 좁은 범위로 제한되기 때문에, 특히 공기 유동의 수직 안내의 경우에, 생성된 물이 완전히 낙하하여 배수되도록 플레이트 핀을 형성하기 어렵다. 이는 물이 플레이트 핀 사이의 중간 공간을 점차 차단하여, 발생하는 공기 저항으로 인해 공기의 추가의 효과적인 냉각을 사실상 막는 결과로 이어진다.

GB 2461365로부터, 냉각을 위해서도 사용될 수 있는 적어도 하나의 방열기를 갖춘 중앙 난방 시스템이 알려져 있다. 냉각 작동시, 방열기를 통해 순환하는 액체로부터 열 교환기에 의해 열이 회수된다. 추출된 열은 제2 열 교환기에 의해 축열 유닛에 공급된다. 두 열 교환기는 압축기-작동식 히트 펌프의 일부이다. 습기가 방열기 상에 응축될 수 있는 것을 방지하기 위해, 공기의 이슬점이 방열기의 주위 환경에서의 온도 및 습도의 측정에 의해 결정되고, 결정된 이슬점 온도가 방열기의 온도에 가까워질 때, 냉각 출력이 감소된다.

EP 508766으로부터, 시험 요소 상에서 물의 응축이 일어나는 냉각 작업시 온도가 결정되고, 이 경우에 냉각 액체의 온도가 응축 온도보다 높은 것이 보장되는, 공기 조화 시스템을 제어하기 위한 방법이 알려져 있다. 이는 예를 들어 냉각 작업을 중단함으로써 일어난다.

이러한 선행 기술로부터 알려진 해법은 응축액의 축적을 방지하는 공동의 목적을 갖고, 이를 냉각 성능을 감소시키거나 냉각 작업을 중단함으로써 달성한다.

본 발명은 전술된 문제점을 치유하는데 목적을 두고 있다.

위에 언급된 바와 같은 목적은 본 발명에 따르면 특허청구범위 제1항의 특징에 의해 달성된다. 유리한 실시 형태가 종속항에 제공된다.

본 발명은 공기를 위한 제1 유동 채널과 액체를 위한 제2 유동 채널을 포함하는 액체-공기 열 교환기 장치의 작동에 관한 것이다. 열 교환기 장치는 제1 유동 채널과 제2 유동 채널이 열 수동 분리 벽에 의해 분리되는 제1 수동 열 교환기 스테이지와, 선택적으로 공기가 능동적으로, 즉 일측으로부터 타측으로의 열의 펌핑에 의해 냉각되거나 가열되는 제2 열 교환기 스테이지를 포함한다. 열 수동 분리 벽은 열을 매우 잘 전도하는 재료로 구성된다. 대응하는 응축액 배액 시스템이 유리하게는 제2 열 교환기 스테이지 내에 구성된다. 제1 및 제2 유동 채널은 각각 또한 평행하게 연장되는 복수의 유동 채널일 수 있다. 공기를 위한 유동 채널 또는 채널들은 플레이트 핀을 포함한다.

본 발명은 전술된 목적을 달성하기 위한 방법을 제시한다. 이 방법은 두 부분, 즉 공기의 이슬점 온도가 액체의 온도보다 높은지가 결정되는 제1 부분을 포함한다. 이는 하기의 단계에 의해 수행된다:

주위 공기의 이슬점 온도, 즉 공기가 제1 열 교환기 스테이지로 유입되기 전의 공기의 이슬점 온도를 결정하는 단계;

공기의 결정된 이슬점 온도를 상위 제어 장치에 의해 측정되거나 전송되는 액체의 온도와 비교하는 단계.

공기의 이슬점 온도는 예를 들어 하기의 단계에 의해 결정될 수 있다:

공기가 제1 열 교환기 스테이지 내로 유입되기 전에 공기의 온도와 공기의 습도를 측정하는 단계; 및 이어서,

공기의 측정된 온도와 측정된 습도로부터 공기의 이슬점 온도를 결정하는 단계.

공기의 측정된 온도 T와 측정된 습도로부터 공기의 이슬점 온도를 결정하는 것은 예를 들어 몰리에 선도(Mollier diagram)에 의해 수행될 수 있다. T_p1로 표기되는 이슬점 온도는 대안적으로 하기의 방정식에 의해 계산에 의해 결정될 수 있으며,

여기에서 온도 T 및 T_p1의 측정 단위는 섭씨 온도이고, 공기 습도 phi는 백분율로 표시되는 상대 공기 습도로서 입력된다.

공기의 h-x 선도(h는 엔탈피를 가리키고, x는 절대 습도를 가리킴)의 두 다른 양, 예컨대 건구 온도, 습구 온도, 비엔탈피 및 공기 밀도 중 둘을 측정하고 그것으로부터 공기의 이슬점 온도를 측정하는 것도 또한 가능하다.

공기의 이슬점 온도가 액체의 온도보다 높으면 그리고 공기의 이슬점 온도가 액체의 온도보다 높은 한, 열 교환기 장치를 펄스식 작동(pulsed operation)으로 지칭되는 작동 모드로 작동시키는 것으로 구성되는 이 방법의 제2 부분이 수행된다. 펄스식 작동은 동일한 순서로 연속적으로 반복되는 하기의 단계를 포함한다:

사전결정된 시간 주기 동안 액체가 제1 열 교환기 스테이지를 통해 유동하도록 허용하는 단계;

액체가 제1 열 교환기 스테이지를 통해 유동하는 것을 막고, 제1 열 교환기 스테이지로부터 유출된 후 공기 온도를 측정하고 모니터하는 단계로서, 제1 열 교환기 스테이지로부터 유출된 후 측정된 공기 온도는 제1 온도 상승을 나타내고, 이어서 매우 근사적으로 일정한 그리고 유입 공기의 습구 온도에 해당하는 레벨에서 일정 시간 주기 동안 유지되며, 이어서 제2 온도 상승을 나타내는 단계;

제2 온도 증가를 검출하고, 일단 제2 온도 증가가 검출되었으면 액체가 제1 열 교환기 스테이지를 통해 유동하는 것을 막는 것을 종료시키는 단계; 및

공기의 이슬점 온도가 액체의 온도보다 높은 한 이들 단계를 반복하는 단계.

공기의 이슬점 온도가 액체의 온도보다 높은지가 이 방법의 그 제1 부분에서 펄스식 작동으로 주기적으로 또는 비주기적으로 검사되는 조건이 수행된다.

펄스식 작동에서, 공기의 냉각이 중단되지 않는 방식으로 계속되는 동안, 축적 단계 후에 주기적으로 증발에 의해 응축액을 제거하는 단계가 이어진다. 펄스식 작동이 플레이트 핀 사이에서의 물의 일시적인 축적을 허용하지만, 그것은 여전히 공기 유동의 차단을 초래할 응축액에 의한 플레이트 핀의 막힘을 방지하고, 물 유동의 차단 시간을 최소로 감소시키며, 따라서 열 교환기 장치의 효율을 증가시킨다.

본 발명에 따른 방법이 수행될 수 있는 것을 보장하기 위해, 열 교환기 장치는 이 목적에 필요한 온도 및 습도 센서를 구비한다.

열 교환기 장치가 열이 에너지의 공급에 의해 액체와 공기 사이에서 펌핑되는 제2 능동 스테이지를 포함하면, 액체가 제1 열 교환기 스테이지를 통해 유동하는 것을 막는 단계는 제1 변형에 따르면 액체가 또한 제2 열 교환기 스테이지를 통해 유동하지 않는 것과 제2 열 교환기 스테이지가 작동정지되는 것을 또한 보장하거나, 또는 액체가 제1 열 교환기 스테이지를 통해 유동하는 것을 막는 단계는 제2 변형에 따르면 액체가 제1 열 교환기 스테이지 옆을 지나 안내되어(바이패스), 그것이 여전히 제2 열 교환기 스테이지를 통해 유동할 수 있는 것을 보장한다.

이하에서는 본 발명이 예시적인 실시 형태와 도면에 의해 더욱 상세히 설명된다. 도면은 축척에 맞게 도시되지 않는다.

본 발명에 의하면, 선행 기술의 문제점을 치유한 액체-공기 열 교환기 장치를 작동시키기 위한 방법이 제공된다.

도 1 및 도 2는 본 발명을 이해하는데 필요한 액체-공기 열 교환기 장치의 일부의 측면도 또는 평면도를 개략적으로 도시하며, 이러한 열 교환기 장치는 본 발명에 따른 방법에 따른 작동을 위해 구성된다.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 예시하기 위한 3개의 다이어그램을 도시한다.

도 1 및 도 2는 본 발명을 이해하는데 필요한 액체-공기 열 교환기 장치(1)의 일부의 측면도 및 평면도를 개략적으로 도시하며, 이러한 열 교환기 장치는 제1 수동 열 교환기 스테이지(2)와 선택적으로 하류의 능동 열 교환기 스테이지(3)를 포함한다. 제1 열 교환기 스테이지(2)는 공기를 위한 적어도 하나의 유동 채널(4)(바람직하게는 수개의)과 액체를 위한 적어도 하나의 유동 채널(5)(바람직하게는 수개의)을 포함한다. 공기를 위한 유동 채널(4)과 액체를 위한 유동 채널(5)은 교번하여 연속하여 배치되고, 열을 잘 전도하는 열 수동 분리 벽에 의해 분리된다. 공기를 위한 유동 채널(4)은 열 수동 분리 벽과 우수한 열 접속(thermal connection)을 이루는 복수의 플레이트 핀(6)을 포함한다. 플레이트 핀(6) 사이의 거리는 공기와 액체 사이의 열 교환이 효율적이도록 작다. 공기를 위한 유동 채널(4)은 이 실시예에서 수직 방향으로 연장된다.

선택적인 제2 능동 열 교환기 스테이지(3)는 상이한 방식으로 형성될 수 있다. 그것은 내부에서 냉각 액체가 순환하는, 예를 들어 압축기를 갖춘 냉각 회로를 포함할 수 있으며, 여기에서 공기는 냉각 회로와 열을 교환한다.

도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서, 제2 열 교환기 스테이지(3)는 전기 에너지를 공급함으로써, 즉 적어도 하나의 펠티에 소자(Peltier element)(10)에 의해 액체와 공기 사이에서 열이 교환될 수 있도록 형성된다. 제2 열 교환기 스테이지(3)는 공기를 위한 적어도 하나의 유동 채널(7), 액체를 위한 적어도 하나의 유동 채널(8), 및 공기가 가열되도록 의도될 때 열을 액체로부터 공기로 펌핑하는 그리고 공기가 냉각되도록 의도될 때 열을 공기로부터 액체로 펌핑하는 적어도 하나의 개재된 펠티에 소자(10)를 포함한다. 액체는 이 실시예에서 응집 상태의 어떠한 변화도 겪지 않는다. 예시된 실시예에서, 공기는 평행하게 배치되는 그리고 적어도 하나의 펠티에 소자(10)와 우수한 열 접속을 이루는 플레이트 핀(9) 사이에서 유동한다.

열 교환기 장치(1)는 또한 그 목적이 더욱 상세히 후술될 밸브(11)와 선택적으로 바이패스 라인(12)을 포함한다.

당업자는 흔히 용어 "펠티에 소자"에 대한 동의어로서 용어 "열전 소자" 또는 용어 "펠티에 히트 펌프"를 사용한다. 열전 소자는 특히 펠티에 효과에 기반하지만, 그것들은 또한 열 터널링(thermo tunnelling)으로 알려진 원리와 같은 다른 열전 효과에 기반할 수 있다.

열 교환기 장치(1)는 외부 액체 회로에 연결될 수 있는 입구(13) 및 출구(14)를 포함한다. 액체 회로 내에서 순환하는 액체는 외부 중앙 장치에 의해 사전결정된 온도로 가열되거나 냉각된다. 사용되는 액체는 보통 물 또는 수성 액체(liquid on water basis)이지만, 임의의 다른 적합한 액체를 사용하는 것이 가능하다. 공기를 위한 유동 채널(4)은 수직 방향으로 연장된다. 액체를 위한 유동 채널은 입구(13)와 출구(14)를 서로 연결하는 라인 시스템으로서 설계된다. 열 교환기 장치(1)는 또한 제1 열 교환기 스테이지(2) 및 제2 열 교환기 스테이지(3)(존재하는 경우)를 통한 공기의 강제 안내를 위한 팬과 필요한 배플 플레이트 및 안내 요소와, 제2 열 교환기 스테이지(3) 내에 축적되는 응축액을 위한 배액부(drain)(15)를 포함한다. 액체의 유동 방향은 화살표(16)로 도시되고, 공기의 유동 방향은 화살표(17)로 지시된다.

열 교환기 장치(1)는 또한 본 발명에 따른 작동에 필요한, 제1 열 교환기 스테이지(2) 앞에 배치되는 온도의 측정을 위한 적어도 하나의 온도 센서(18) 및 공기의 습도를 측정하기 위한 습도 센서(19)인 센서, 제1 열 교환기 스테이지(2) 뒤에 배치되는 공기의 온도를 측정하는 온도 센서(24), 및 제어 장치(21)를 포함한다. 액체의 온도는 예를 들어 입구에 배치되는 온도 센서(22)에 의해 측정되거나 외부 중앙 장치로부터 제어 장치(21)로 전송된다. 제어 장치(21)는 센서에 의해 전송된 데이터를 평가하고, 제1 열 교환기 스테이지(2)를 통한 액체의 유량과 또한 적어도 하나의 펠티에 소자(10)를 제어한다.

도 3은 실시예에 기초하여 시간 t의 함수로서 본 발명에 따른 방법의 하기의 특징을 예시하는 서로 상하로 배치되는 3개의 다이어그램을 도시한다.

중간 다이어그램은 제1 열 교환기 스테이지(2)를 통한 액체의 유량을 도시한다. 제1 열 교환기 스테이지(2)를 통한 액체의 유량은 사전결정된 시간 주기 T₁ 동안 허용되고 이어서 중단되며, 여기에서 제1 열 교환기 스테이지(2)를 통한 액체의 유동의 중단은 밸브(11)를 폐쇄함으로써 또는 바이패스 라인(12)이 있는 경우에, 액체가 바이패스 라인(12)을 통해 유동하여 제1 열 교환기 스테이지(2) 옆을 지나 안내되도록 밸브(11)를 전환함으로써 일어난다.

하부 다이어그램은 제1 열 교환기 스테이지를 통한 액체의 유동의 중단이 또한 제2 열 교환기 스테이지(3)를 통한 액체의 유동의 중단을 일으키는 경우에 적어도 하나의 펠티에 소자(10)를 통해 흐르는 전류를 도시한다. 적어도 하나의 펠티에 소자(10)를 통해 흐르는 전류는 제1 열 교환기 스테이지(2)를 통한 액체의 유동이 중단될 때마다 동시에 또는 시간 지연을 갖고서 통전차단되어, 적어도 하나의 펠티에 소자(10)가 과열되지 않을 것이다. 제2 열 교환기 스테이지(3)를 통한 액체의 유동이 중단되지 않는 경우에, 적어도 하나의 펠티에 소자(10)는 작동정지되지 않는다.

상부 다이어그램은 제1 열 교환기 스테이지(2)를 빠져나간 후 공기의 온도의 추이, 즉 온도 센서(20)에 의해 측정되는 온도의 추이를 도시한다. 이 도면은 제1 온도 증가(23)(이 실시예에서 18℃로부터 대략 22℃로), 대략 일정한 레벨(24) 및 제2 온도 증가(25)(이 실시예에서 대략 22℃로부터 대략 27℃로)를 명확하게 보여준다.

다이어그램에 도시된 바와 같은 온도의 추이는 하기의 반복되는 단계 A-D로 구성된다:

단계 A: 제1 열 교환기 스테이지(2)를 통한 액체의 유동이 중단되지 않는다. 공기가 이 실시예에서 대략 18℃로 냉각된다. 물이 점차 플레이트 핀(6) 사이에 응축되며, 이는 점차 공기의 유동 저항을 증가시킨다.

단계 B 내지 D: 제1 열 교환기 스테이지(2)를 통한 액체의 유동이 중단된다.

단계 B: 공기의 온도가 대략 일정한 레벨(24)로 증가한다.

단계 C: 공기의 온도가 레벨(24)에서 유지되는데, 왜냐하면 이 과정에서 플레이트 핀(6) 사이에 축적된 물이 증발하여 공기를 단열 냉각시키기 때문이다.

단계 D: 일단 플레이트 핀(6) 사이에서 물이 증발되었으면 공기의 온도가 더욱 증가한다.

도 3은 펄스식 작동을 매우 명확하게 보여준다. 개별 사이클(한 사이클이 일련의 단계 A-D를 포함함)의 지속 시간이 전형적으로 수분 내지 수십 분의 범위 내에 놓이고, 공기의 이슬점 온도가 보통 단지 느리게 변화하기 때문에, 이슬점 온도는 펄스식 작동 중 때때로, 예컨대 30분 또는 1시간당 한번 또는 또한 다른 간격으로 측정되기만 하면 된다.

1: 열 교환기 장치 2: 제1 열 교환기 스테이지
3: 제2 열 교환기 스테이지 4: 공기를 위한 유동 채널
5: 액체를 위한 유동 채널 6: 플레이트 핀
7: 공기를 위한 유동 채널 8: 액체를 위한 유동 채널
9: 플레이트 핀 10: 펠티에 소자
11: 밸브 12: 바이패스 라인
13: 입구 14: 출구
15: 배액부 18: 온도 센서
19: 습도 센서 20: 온도 센서
21: 제어 장치 22: 온도 센서

Claims

액체-공기 열 교환기 장치를 작동시키기 위한 방법으로서, 공기가 적어도 제1 수동 열 교환기 단계(2)에서 적어도 하나의 제1 유동 채널(4)을 통해 유동하고, 상기 유동 채널은 플레이트 핀(6)을 포함하며, 액체가 열 수동 분리 벽에 의해 적어도 하나의 제1 유동 채널(4)로부터 분리되는 적어도 하나의 제2 유동 채널(5)을 통해 유동하는 방법에 있어서,
주위 공기의 이슬점 온도를 결정하는 단계;
주위 공기의 이슬점 온도가 액체의 온도보다 높은지를 결정하고, 만약 그렇다면 열 교환기 장치를 펄스식 작동으로 지칭되는 작동 모드로 다음의 단계, 즉
사전결정된 시간 주기 동안 액체가 제1 열 교환기 스테이지(2)를 통해 유동하도록 허용하는 단계;
액체가 제1 열 교환기 스테이지(2)를 통해 유동하는 것을 막고, 제1 열 교환기 스테이지로부터 공기의 유출 후 공기의 온도를 측정하고 모니터하는 단계로서, 제1 열 교환기 스테이지로(2)부터 유출된 후 측정된 공기의 온도는 제1 온도 증가를 나타내고, 이어서 대략 일정한 레벨에서 특정 시간 주기 동안 유지되며, 이어서 제2 온도 증가를 나타내는 단계;
제2 온도 증가를 검출하고, 일단 제2 온도 증가가 검출되었으면 액체가 제1 열 교환기 스테이지(2)를 통해 유동하는 것을 막는 것을 종료시키는 단계; 및
주위 공기의 이슬점 온도가 액체의 온도보다 높은 한 이들 단계를 반복하는 단계
에 따라 작동시키는 단계
를 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
주위 공기의 이슬점 온도는,
공기가 제1 열 교환기 스테이지(2) 내로 유입되기 전에 공기의 온도와 공기의 습도를 측정하는 단계; 및
공기의 측정된 온도와 측정된 습도로부터 공기의 이슬점 온도를 결정하는 단계
에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
열이 제2 능동 열 교환기 스테이지(2)에서 에너지의 공급에 의해 액체와 공기 사이에서 펌핑되는, 제1항 또는 제2항에 따르는 방법에 있어서,
액체가 제1 열 교환기 스테이지(2)를 통해 유동하는 것을 막는 단계는 또한 액체가 제2 열 교환기 스테이지(3)를 통해 유동하지 않는 것과 제2 열 교환기 스테이지(3)가 작동정지되는 것을 보장하는 것을 특징으로 하는 방법.
열이 제2 능동 열 교환기 스테이지(2)에서 에너지의 공급에 의해 액체와 공기 사이에서 교환되는, 제1항 또는 제2항에 따르는 방법에 있어서,
액체가 제1 열 교환기 스테이지(2)를 통해 유동하는 것을 막는 단계는 액체가 제1 열 교환기 스테이지(2)를 우회하여, 그것이 여전히 제2 열 교환기 스테이지(3)를 통해 유동할 수 있는 것을 보장하는 것을 특징으로 하는 방법.