KR20170005047A - 개선된 증발 응축기 - Google Patents

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Abstract

냉장 또는 공조 시스템에서 이용하기 위한 증발 응축기(10)가 응축 코일 구역(13) 내에 배열된 하나 이상의 응축 코일(12)을 포함한다. 코일은 시스템의 냉매를 내부에서 응축시킨다. 응축기는 또한 하나 이상의 응축 코일(12)을 습윤시키기 위한 메커니즘(14, 15)을 포함한다. 응축기는 하나 이상의 응축 코일 및 습윤 메커니즘(14, 15)을 지나서 유동된 기류(A)로부터 자유 물을 제거하도록 배열된 비산 제거기(30)를 더 포함한다. 응축기는, 기류가 하나 이상의 응축 코일(12)을 일단 지나서 유동되면, 그 기류가 발산 구역(40) 내로 그리고 그러한 발산 구역(40)을 통해서 비산 제거기(30)로 유동되도록, 응축 코일 구역(13)으로부터 비산 제거기(30)를 향해서 발산되는 발산 구역(40)을 부가적으로 포함한다.

Description

개선된 증발 응축기{improved evaporative condenser}
개선된 증발 응축기 및 증발 응축 프로세스가 냉각 및 공조 시스템에서의 이용을 위해서 개시되어 있다. 응축기 및 프로세스가 화학적 냉매(예를 들어, 수소화불화탄소) 및 천연 냉매(예를 들어, 탄화수소(예를 들어, 프로판 및 이소부탄), CO2, 암모니아, 등) 모두와 함께 이용될 수 있다.
기존의 증발 응축기는 다양한 냉장 및 공조 시스템에서 냉매의 응축을 통해서 열을 제거하기 위해서 이용된다. 보다 구체적으로, 증발 응축기는, 위쪽을 통과하고 물의 일부가 내부로 증발되는 기류에 의해서, 냉매를 응축하기 위한 하나 이상의 습윤형(wetted)(예를 들어, 분무형) 응축 코일을 포함하고, 그에 의해서 응축 코일 내의 냉매로부터 열을 제거하고 냉매가 그 내부에서 응축되게 한다. 증발 응축기는 또한 비산(drift) 제거기(또는, 보다 단순히, 제거기, "비산"은 대기로 달리 전달될 수 있는 물이다)를 포함한다. 비산 제거기는, 기류를 대기로 방출하기에 앞서서, 기류가 응축 코일을 통과할 때 기류와 함께 통과하는 자유 물(free water) 및 물 분무를 제거한다.
기존의 증발 응축기에서, 증발 응축기를 통한 일정한 공기 유량 및 기류 속도를 보장하기 위해서, 응축 코일의 계획 지역(plan area)이 비산 제거기의 계획 지역에 합치된다.
기존의 증발 응축기에서, 열교환 효율은, 응축 코일 위를 유동하는 공기의 속도에 의해서 제한된다. 공기의 속도는 다시, 통과하는 공기로부터 자유 물을 제거할 수 있는 비산 제거기의 능력에 의해서 제한된다. 기존의 증발 응축기에서, 그렇게 제거되는 물은, 응축 코일의 습윤화에서의 재사용을 위해서 재순환된다. 그러나, 비산 제거기를 통해서 대기로 유동하는 공기와 함께 전달되는 임의의 물이 레지오넬라와 같은 박테리아를 포함할 수 있고, 그에 따라 기류로부터 가능한 한 많은 자유 물을 제거하는 것이 요구된다.
예를 들어, 많은 기존의 증발 응축기에서, 충분한 물 제거를 보장하기 위해서 3.5 내지 4 m/s 정도로 빠른 비산 제거기를 통한 최대 공기 속도를 지정하는 것이 알려져 있으나, 그렇게 빠른 최대 공기 속도에서, 박테리아(예를 들어, 레지오넬라)가 비-제거된 자유 물과 함께 비산 제거기를 통과할 상당한 위험이 여전히 존재하는 것으로 추측된다. 3.5 m/s 의 비산 제거기를 통한 더 안전한 최대 공기 속도가 제시되었다. 그러나, 이는 다시, 응축 코일 위에서 유동할 수 있는 공기의 속도에 대한 제한을 설정할 것이다.
배경 기술에 대한 전술한 언급은, 그러한 기술이 당업자의 공통되는 일반적인 지식의 일부를 형성한다는 것에 대한 인정을 반드시 구성하는 것은 아니다. 전술한 언급은 또한 본원에서 개시된 바와 같은 응축기 및 프로세스의 적용예를 제한하기 위한 것은 아니다.
냉장 또는 공조 시스템에서 이용하기 위한 증발 응축기가 본원에서 개시되어 있다. 본원에서 개시된 바와 같은 증발 응축기는 화학적 냉매(예를 들어, 수소화불화탄소, 수소염화불화탄소, 과불화탄소, 하이드로플루오로올레핀 등) 및 천연 냉매(예를 들어, 프로판 및 이소부탄과 같은 탄화수소, CO2, 암모니아, 등)를 응축할 수 있다.
본원에서 개시된 바와 같은 증발 응축기는, 시스템의 냉매를 내부에서 응축하기 위한 하나 이상의 응축 코일을 포함한다. 하나 이상의 응축 코일이 증발 응축기의 응축 코일 구역 내에 배열될 수 있다. 응축 코일 구역이, 일정한 횡단면적을 가지는 공기 플리넘(plenum)을 포함할 수 있다.
본원에서 개시된 바와 같은 증발 응축기는 또한 (예를 들어, 물을 응축 코일로 분무하는 것에 의해서) 하나 이상의 응축 코일을 습윤시키기 위한 메커니즘을 포함한다.
본원에서 개시된 바와 같은 증발 응축기는, 하나 이상의 응축 코일 및 습윤 메커니즘을 지나서 유동된 기류로부터 자유 물을 제거하도록 배열된 비산 제거기를 더 포함한다.
본 개시 내용에 따라서, 본원에서 개시된 바와 같은 증발 응축기는, 응축 코일 구역으로부터 비산 제거기를 향해서 발산되는 발산 구역을 포함한다. 기류가 하나 이상의 응축 코일을 일단 지나서 유동되면, 그러한 기류가 발산 구역 내로 그리고 발산 구역을 통해서 비산 제거기로 유동하도록, 발산 구역이 구성된다. 예를 들어, 발산 구역이, 횡단면적이 점진적으로 증가되는 공기 플리넘을 포함할 수 있다.
발산 구역은, 응축 코일 구역을 진출하는(leaving) 기류가 감속되게 할 수 있다. 이는, 응축 코일 위를 지나는 공기의 속도가, 비산 제거기를 통과하는 공기의 속도에 비해서, 더 빠를 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 더 빠른 속도는 관의 부착물(fouling)을 감소시키는데 도움이 될 수 있다.
또한, 비산 제거기에 비해서 감소된 계획 지역을 가지는 응축 코일 번들이 이용될 수 있다는 것이 놀랍게도 발견되었다. 이러한 것의 추가적인 결과는, 동일한 응축기 성능을 위해서 적은 응축 코일이 요구된다는 것이다. 이는, 낮은 비용의 증발 응축기가 생산될 수 있다는 것을 의미하는데, 이는 응축 코일 번들이 그러한 응축기의 하나의-가장 고가의 구성요소를 나타내기 때문이다.
또한, 냉매의 증가된 유동이 응축 코일 번들을 통과할 수 있는데, 이는 더 빠른 공기 속도가 상대적으로 더 많은 양의 냉매의 응축을 생성할 수 있기 때문이다.
또한, 이는, 공지된 용융 아연 도금(hot-dipped galvanized) 탄소강 응축 관의 이용에 대한 대안으로서, 더 고가인 및/또는 더 강한 재료(예를 들어, 스테인리스 스틸)을 이용하여 하나 이상의 응축 코일을 형성할 수 있다는 것을 의미하고, 결과적으로 코일(관)을 위해서 더 긴 수명, 적은 부식 및, 선택적으로, 더 얇은 벽의 재료가 이용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 그리고 만약 바람직하다면, DN 8, 10, 15, 및 20 (스케쥴(Schedule) 40) 무이음매(seamless), 용융 무이음매 아연 도금된 탄소강 관이 하나 이상의 응축 코일을 형성하기 위해서 여전히 이용될 수 있다.
하나의 실시예에서, 하나 이상의 응축 코일의 각각이 스테인리스 스틸 관(예를 들어, 4.76 내지 31.8 mm의 외경 및 0.5 내지 1.6 mm 두께의 304 또는 316 스테인리스 스틸)을 이용할 수 있다. 304 스테인리스 스틸의 이용이 더 양호한 전도도를 제공할 수 있는 한편, 316 스테인리스 스틸은 더 양호한 내식성을 제공할 수 있다. 그러한 관 재료는, 아연 도금된 연탄소강으로 이루어진 공지된 응축 코일 관에 비해서, 유리하게 작업을 수행할 수 있다. 매우 작은 직경의 관의 이용이 특정의 소규모 적용예에 적합할 수 있다.
스테인리스 스틸 관 재료의 이용은 (즉, 내식성/내화학성(chemical resistance), 증가된 냉매 압력 용량, 등으로 인해서) 또한, 프로판 및/또는 이소부탄 탄화수소, CO2, 암모니아, 등과 같은 천연 냉매가 이용되게 할 수 있다.
일 실시예에서, 하나 이상의 응축 코일이 응축 코일 구역 내에서 (예를 들어, 둘 이상의 포개진(nested) 코일로 이루어진) 번들로서 배열될 수 있다. 예를 들어, 응축 코일 구역이 대체로 일정한 횡단면적의 응축기의 단면(예를 들어, 원형, 정사각형, 직사각형, 등의 중공형 단면의 공기 플리넘)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 점진적으로 감소되는 방식으로 기류를 감속시키도록, 그러한 구역의 발산 부분이 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 발산 구역은, 기류가 통과하여 유동하는 중공형의 절두체(중공형 공기 플리넘)를 포함할 수 있다. 그러한 중공형의 절두체가 응축 코일 플리넘의 공기 배출 측면 상에 위치될 수 있다. 예를 들어, 응축 코일 플리넘이 원형 단면일 때, 각각의 발산 절두체는 원뿔형 절두체, 또는 정사각-대-원형 절두체-유사 각기둥을 포함하고; 응축 코일 플리넘이 정사각형 단면일 때, 발산 절두체가 정사각형의 절두체를 포함할 수 있을 것이고; 기타 등등일 수 있다.
일 실시예에서, 비산 제거기가 발산 구역의 공기 진출 측면에 바로 위치될 수 있다.
일 실시예에서, 응축기는, 응축 코일 구역의 공기 진입 측면에 위치되는 공기 유입구 챔버를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 하나 이상의 응축 코일을 습윤시키기 위한 메커니즘이 하나 이상의 분무 노즐을 포함할 수 있다. 분무 노즐은, 하나 이상의 응축 코일을 통한 기류 유동에 반대되는 방향으로 하나 이상의 응축 코일 상으로 물을 분무하도록, 발산 구역에 대해서 배열될 수 있다. 예를 들어, 분무 노즐이 발산 구역 내에 배열될 수 있고, 응축 코일 구역 내로 일반적으로 액체 원뿔로서 물을 분무할 수 있다.
대안적으로, 하나 이상의 응축 코일을 습윤시키기 위한 메커니즘이, 톱니형 연부, 내부 슬롯, 등을 가지는 것과 같은, 물 분배 채널을 포함할 수 있다.
응축기가 (예를 들어, 공기 유입구 챔버의 기저부에 위치된) 물 수집 구역을 포함할 수 있다. 수집 구역은, 응축 코일 구역을 통과하는 물을 수집할 수 있다.
응축기는, 응축기 효율을 최대화하기 위해서, 수집된 물을 습윤 메커니즘으로 재순환시키기 위한 재순환 시스템을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 재순환 시스템은, 수집된 물을 배관을 통해서 습윤 메커니즘으로 펌핑하기 위한 펌프를 포함할 수 있다. 예를 들어, 취출 파이프(offtake pipe)가 공기 유입구 챔버의 기저부로부터 펌프까지 연장될 수 있고, 전달 파이프가 펌프 배출구로부터 습윤 메커니즘(예를 들어, 분무 노즐, 분배 배관, 등)까지 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 재순환 시스템이, 필요에 따라서, 증발 응축기의 효과적인 동작을 위해서 (예를 들어, 물 수집 구역 내에서) 미리 결정된 양의 물을 유지하기 위한 물 보급(make-up) 메커니즘을 더 포함할 수 있다. 그러한 보급부 물이, 비산 제거기에 의해서 제거되는(포획되는) 물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 증발 응축기가 열 교환기(예를 들어, 별개의, 측방향으로 위치된 구분된 열 교환 유닛)를 더 포함할 수 있다. 물을 습윤 메커니즘으로 재순환시키기에 앞서서, 수집된 물이 열교환기를 통과할 수 있다. 또한, 응축된 냉매가 열교환기를 통과하여, 재순환되는 수집된 물과 열을 교환할 수 있다. 응축된 냉매를 과냉각(sub-cool)시켜 증발 응축기의 동작 효율을 더 개선하기 위해서, 그러한 열교환기가 이용될 수 있다.
또한, 증발 응축기가 본원에서 개시되어 있고, 그러한 증발 응축기는 응축 코일 구역을 통과한 물을 수집하기 위한 수집 구역을 포함하고, 그리고 수집된 물이, 그러한 물을 습윤 메커니즘으로 재순환 시키기에 앞서서, 통과되고, 재순환되는 수집된 물과의 열교환을 위해서 응축된 냉매가 통과되는, 열 교환기를 포함한다.
또한, 냉장 또는 공조 사이클의 일부를 형성하는 증발 응축 프로세스가 본원에서 개시된다.
그러한 프로세스는 냉매를 하나 이상의 응축 코일을 통해서 통과시키는 단계를 포함한다. 그러한 프로세스는 또한 하나 이상의 응축 코일을 물로 습윤시키는 단계를 포함한다. 프로세스는 하나 이상의 습윤된 응축 코일 위로 기류를 통과시키는 단계를 더 포함하고, 그에 의해서 냉매가 코일 내에서 응축되게 하고, 그리고 그에 의해서 물의 일부가 기류 내로 증발되게 한다. 프로세스는, 하나 이상의 응축 코일을 진출하는 기류 내에 존재하는 물을 제거하는 단계를 부가적으로 포함한다.
본 개시 내용에 따라서, 기류 내에 존재하는 물을 제거하는 단계에 앞서서 하나 이상의 응축 코일을 진출하는 기류의 속도가 감속되도록, 프로세스가 실시된다.
앞서서 개략적으로 설명한 바와 같이, 이는, (앞서서 개략적으로 설명한 바와 같은 부수적인 장점을 가지고) 비산 제거기에 비해서 하나 이상의 응축 코일의 감소된 계획 지역(그리고 그에 따른 적은 양)을 초래할 수 있다.
또한, 하나 이상의 응축 코일을 물로 습윤시키기 위해서, 하나 이상의 응축 코일을 통과하는 물이 수집되고 재순환되는 증발 응축 프로세스가 본원에서 개시되어 있다. 또한, 그러한 프로세스에서, 하나 이상의 응축 코일을 습윤시키기 위해서 물을 재순환시키기에 앞서서, 응축된 냉매와 수집된 물 사이에서 열이 교환될 수 있다.
본원에서 개시된 바와 같은 프로세스가 앞서서 설명된 바와 같은 증발 응축기 내에서 발생될 수 있다.
본원에서 개시된 바와 같은 프로세스에서, 하나 이상의 응축 코일 내에서 응축된 냉매가 천연 냉매(예를 들어, 프로판 및/또는 이소부탄과 같은 탄화수소, CO2, 암모니아, 등) 또는 화학적 냉매(예를 들어, 수소화불화탄소, 수소염화불화탄소, 과불화탄소, 하이드로플루오로올레핀, 등)를 포함할 수 있다.
'발명의 내용' 항목에서 설명한 된 바와 같은 응축기 및 프로세스의 범위 내에 포함될 수 있는 임의의 다른 형태에도 불구하고, 첨부 도면을 참조하여, 구체적인 실시예를 단지 예로서 이제 설명할 것이다.
도 1은, 하나 이상의 응축 코일이 내부에 배열되는 응축 코일 구역, 및 응축 코일 구역으로부터 멀리 연장되는 발산 구역을 가지는 증발 응축기의 횡단면적인 측면 개략도를 도시한다.
도 2는, 측면 열교환기를 더 포함하는 증발 응축기의 변형예를 보여주기 위해서, 도 1의 상세부분을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 각각, 하나 이상의 응축 코일이 내부에 배열되는 수렴-발산 구역을 가지는 증발 응축기의 횡단면 및 측면 개략도를 도시한다.
도 4는, 도 1과 유사한, 그러나 예에 따른 상이한 프로세스 매개변수에 대한 증발 응축기의 횡단면적 측면 개략도를 도시한다.
도 5는 예에 따른 CO2 및 물 온도 프로파일을 도시하는 그래프이다.
도 6은 예에 따른 CO2 열 용량 프로파일을 도시하는 그래프이다.
도 7은 예에 따른 관 번들을 따른 물 유동을 도시하는 그래프이다.
도 8은 예에 따른 전체적인 열전달 계수 및 압력 손실을 도시하는 그래프이다.
도 9는, 예에 따른, 5 K 유용한 흡입 과열(useful suction superheat) 및 5℃ CO2 액체 온도에서, 5℃ 포화(sat.) 흡입에서의 상업적으로 입수가 가능한 초임계적 CO2 압축기를 기초로 하는 열 제거 프로파일(heat rejection profile)을 도시하는 그래프이다.
도 10은, 예에 따른, 50 Hz 30 kW/27.2 m3/h에서의 상업적으로 입수가 가능한 초임계적 CO2 압축기의 성능을 도시하는 그래프이다.
도 11은, 예에 따른, 포화 응축 온도(Saturated Condensing Temperature)를 가지는 NH3, R22 R507A, 프로판 및 R134a의 COP 변동을 도시하는 그래프이다.
냉장 또는 공조 시스템/사이클의 일부를 형성하는 증발 응축기의 구체적인 형태, 및 증발 응축 프로세스를 이제 설명할 것이다.
10 및 100으로 표시된 증발 응축기 실시예가 각각 도 1 및 도 2 그리고 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다. 증발 응축기 실시예(10 및 100)는 (전술한 바와 같은) 화학적 및 천연 냉매 모두를 이용할 수 있다. 도 4 내지 도 11은 예에서 설명된 실시예에 관한 것이다.
도 1 내지 도 3에서, 증발 응축기(10 및 100)의 유사한 구성요소가 유사하게, 그러나 도 3의 실시예에 대해서 100을 부가하여 번호 부여되어 있다. 간결함을 위해서, 이하의 설명은, 도 3의 실시예에서 다시 나타나고, 그에 따라 설명된 것으로 취급되어야 하는, 그러한 유사한 또는 동일한 구성요소를 재-설명하지 않는다는 것을 추가적으로 이해하여야 한다.
도 1 및 도 2의 바람직한 증발 응축기(10)는, (응축을 위해서) 내부에서 유동하는 시스템의 선택된 냉매를 가지는 둘 이상의 포개진 응축 코일 번들(12)을 포함한다. 응축 코일 번들(12)이 직사각형 공기 유동 플리넘(13) 형태의 응축 코일 구역 내에 배열된다.
증발 응축기(10)가 또한, (예를 들어, 도시된 바와 같이 3 kg/m2 의 비율(rate)의) 물의 원뿔(16)을 응축 코일 번들(12)에 분무하는 것에 의해서 응축 코일 번들(12)을 습윤시키기 위한, 분배기 관(15) 내에 형성된 분무 노즐(14) 형태의 메커니즘을 포함한다. 대안적으로, 톱니형 연부 또는 내부 슬롯을 가지는 것과 같은, 물 분배 채널이 이용될 수 있다.
분무 노즐(14)은, 도시된 바와 같이 관통하는 기류 유동에 반대되는 방향으로 응축 코일 번들(12) 상으로 물을 분무하도록 배열된다.
증발 응축기(10)는 또한 응축기의 상부 단부에서 팬 하우징 내에 배열된 팬을 포함한다. 그러한 배열이, 응축기의 최상부 단부에 위치된(도 3a 참조) 팬 하우징(120) 내에 배열된 팬(118)으로서 도 3의 실시예에서 실제로 도시되어 있다. 동일한 또는 유사한 배열이 도 1 및 도 2의 실시예에서 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 팬은 공기가 공기 유입구(21)를 통해서 공기 유입구 챔버(22) 내로 인입되게 할 수 있고, 그러한 공기 유입구 챔버(22)는 응축기(10)의 하부 단부를 향해서 배열된다.
도 1 및 도 2의 실시예에서, 기류(A)가 예를 들어 8.1 m3/s의 부피 유량으로 진입하여, 팬에 의해서 위쪽으로 그리고 응축 코일 번들(12)을 통해서 유동되기에 앞서서, 먼저 메시 필터를 통과하고 이어서 공기 유입구 챔버(22) 내로 전달된다. 공기 압력차가 팬에 의해서 예를 들어 160 Pa로 유지될 수 있다.
도 3의 실시예에서, 기류(A)가 예를 들어 3 m/s의 속도 및 예를 들어 23℃의 습구(wet bulb) 온도로 진입하고, 팬(118)에 의해서 위쪽으로 그리고 응축 코일 번들(12)을 통해서 유동되기에 앞서서, 먼저 공기 오염에 따라서 선택적인 메시 필터(124) 및 공기 유입구 슬롯(126)을 통과하고 이어서 공기 유입구 챔버(122) 내로 전달된다.
증발 응축기(10)는, 응축기의 상부 단부에 인접하여 응축기 내에 배열되는 비산 제거기(30)를 더 포함한다. 비산 제거기(30)는, 기류가 응축 코일 번들(12) 및 분무 노즐(14)을 통해서 일단 유동되면, 그러한 기류로부터 자유 물을 제거한다.
도 1 및 도 2의 실시예에서, 증발 응축기(10)는, 절두체-형상의 플리넘(40) 형태의 발산 공기 유동 구역이 바로 이어지는 직사각형 공기 유동 플리넘(13)을 포함한다. 직사각형 공기 유동 플리넘(13)이 (예를 들어, 굽혀진 그리고 용접된 플라스틱 또는 금속 시트/판으로 이루어진) 정사각형, 직사각형, 등의 중공형 섹션일 수 있다. 발산 플리넘(40)이 또한 (예를 들어, 굽혀진 그리고 용접된 플라스틱 또는 금속 시트/판으로 이루어진) 중공형 섹션일 수 있으나, 절두체를 구성하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 플리넘(13)이 정사각형 섹션일 때, 발산 플리넘(40)이 정사각형 또는 직사각형 절두체를 포함한다.
그러나, 도 3의 실시예에서, 증발 응축기(100)가, 응축 코일 번들(12)을 포함하는 중간의 직사각형 공기 유동 플리넘(113)의 어느 한 측면 상에 위치되는 수렴 공기 유동 구역(135) 및 발산 공기 유동 구역(140) 모두를 이용한다. 플리넘(113)이 일정한 횡단면적을 가지고 수렴 공기 유동 구역(135) 및 발산 공기 유동 구역(140)을 상호 연결한다. 중간 공기 유동 플리넘(113)이 다시 정사각형, 직사각형, 등의 중공형 섹션(예를 들어, 시트/판)으로 이루어질 수 있다. 수렴 공기 유동 구역(135) 및 발산 공기 유동 구역(140)이 다시 중공형 섹션(예를 들어, 시트/판)으로 이루어질 수 있으나, 각각이 절두체를 구성하도록 형성된다. 예를 들어, 중간 구역(113)이 정사각형 섹션일 때, 수렴 및 발산 절두체 각각이 정사각형 또는 직사각형 절두체를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2의 실시예에서, 기류(A)가 비산 제거기(30)에 비해서 응축 코일 번들(12)에서 이미 더 빠른 속도가 되도록, 팬이 동작된다. 응축 코일 번들(12)을 지나서 유동된 후에, 기류(A)가 발산 공기 유동 플리넘(40) 내로 유동하여, 물 원뿔(16)을 통과한다. 발산 공기 유동 플리넘(40)의 점진적으로 증가되는 횡단면으로 인해서, 공기 유동은, 비산 제거기(30)에 도달하여 통과하기 전에, 수용 가능한 속도까지 감속될 수 있다. 이러한 속도가, 환경적으로 수용될 수 있는 기류 내의 최소량의 자유 물이 그러한 기류로부터 제거될 수 있게 하는 레벨이 되도록, 증발 응축기(10), 및 특히, 발산 공기 유동 플리넘(40)이 구성된다. 이와 관련하여, 비산 제거기(30)에서의 공기 유량이 약 3.5 m/s까지 감속될 수 있다.
비산 제거기(30)가 발산 공기 유동 플리넘(40)의 공기 출구에 바로 배열된다는 것을 확인할 수 있을 것이고, 그에 의해서 공기 유동이 필요한 것 보다 더 감속되지 않는다.
그에 따라, 도 1 및 도 2의 실시예는 수렴 공기 유동 구역을 이용하지 않는다. 오히려, 공기 유입구 챔버(22)로부터의 그리고 응축 코일 번들(12)을 통한 공기 유동 속도가 약 5 m/s이고, 공기 유동이 발산 공기 유동 플리넘(40)에 도달할 때까지, 공기 유동은 비산 제거기(30)에서의 약 3.5 m/s까지 점진적으로 감속된다.
그러나, 도 3의 실시예에서, 응축 코일 번들(112)이 중간 공기 유동 구역(113) 내에 배열된다. 기류(A)가 통과하여 유동하도록 그리고, 수렴 공기 유동 구역(135) 내에서, 중간 공기 유동 플리넘(113) 내에 위치된 응축 코일 번들(112)까지 (예를 들어, 약 5 m/s까지) 가속되도록, 이러한 구역들이 구성된다. 응축 코일 번들(112)을 통해서 유동된 후에, 기류(A)가 발산 공기 유동 구역(140) 내로 유동되고, 물 원뿔(16)을 통과하며, 비산 제거기(130)에 도달하기 전에 감속된다. 다시, 비산 제거기(130)가 발산 공기 유동 플리넘(140)의 공기 출구에 바로 배열된다.
예를 들어 점진적으로 증가되는 방식으로, 기류(A)가 가속되도록, 수렴 공기 유동 구역(135)이 구성된다. 반대로, 예를 들어 점진적으로 감소되는 방식으로, 기류가 감속되도록, 발산 공기 유동 구역(140)이 구성된다. 이는, 공기 유입구 챔버(122) 내로 그리고 비산 제거기(130)를 통해서 전달되는 공기의 속도에 비해서, 중간 공기 유동 구역(113)을 통해서 그리고 응축 코일 번들(112) 위로 지나는 공기의 속도가 증가된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 도시된 구성에서, 중간 공기 유동 구역(113) 내의 공기 유량이, 비산 제거기를 통한 3.5 m/s 공기 속도 약 2배인(즉, 약 45% 더 큰) ~ 5 m/s이다.
어느 하나의 실시예에서, 그리고 응축 코일 번들(12, 112) 위를 지나는 이러한 증가된 공기 유량의 결과로서, 비산 제거기(30, 130)에 비해서 감소된 계획 지역을 가지는 응축 코일 번들이 이용될 수 있다는 것이 놀랍게도 발견되었다. 이러한 증가된 공기 유량의 추가적인 결과로서, 동일한 응축기 열 제거 성능을 위해서 적은 응축 코일이 필요하다는 것이 놀랍게도 발견되었다.
결과적으로, 낮은 비용의 증발 응축기가 생산될 수 있는데, 이는 응축 코일 번들이 응축기의 하나의-가장 고가의 구성요소를 나타내기 때문이다. 대안적으로, 공지된 두꺼운 벽의, 용융 아연 도금된 탄소 강 응축 관을 코일 번들(12, 112)을 위해서 이용하는 대신에, 스테인리스 스틸 관과 같은 더 고가의 및/또는 더 강한 재료를 이용하여 코일 번들(12, 112)을 형성할 수 있다. 그러한 경우에, 결과적으로, 긴 코일 수명, 적은 부식성 및, 원하는 경우에, 코일 번들 내의 관을 위한 더 얇은 벽 재료가 이루어진다. 이와 관련하여, 코일 번들(12, 112)이, 4.76 내지 31.8 mm의 외경 및 0.5 내지 1.6 mm 두께의 304 또는 316 스테인리스 스틸과 같은, 스테인리스 스틸 관을 포함할 수 있다. 그러한 관은, 아연 도금된 연탄소강으로 이루어진 공지된 응축 코일 관에 비해서, 양호하게 기능하는 것으로 관찰되었다. 그러한 스테인리스 스틸 관 재료에 의해서 제공되는 내식성 및 내화학성 뿐만 아니라, 증가된 냉매 압력 용량은 또한, 프로판 및/또는 이소부탄 탄화수소, CO2, 암모니아, 등과 같은 천연 냉매가 증발 응축기(10, 100) 내에서 이용되게 할 수 있다.
응축 코일에 걸친 증가된 공기 유량의 다른 결과는, 증가된 냉매의 유동이 응축 코일 번들(12, 112)을 통과할 수 있다는 것인데, 이는 더 빠른 공기 속도가 상대적으로 더 많은 양의 냉매의 응축을 생성할 수 있기 때문이다.
응축기(10)는 또한, 공기 유입구 챔버(22)의 기저부에(즉, 공기 유입구 챔버에 인접하여) 위치되는 수반(basin)(50) 형태의 물 수집 구역을 포함한다. 수반(50)은, 응축 코일을 통해서 또는 응축 코일로부터 전달되는 과다한 분무 물을 수집한다.
응축기 효율을 최대화하기 위해서, 응축기(10)는, 수집된 물을, 분무 노즐(14)로 공급하기 위한 분배 관(15)으로 재순환시키기 위한 재순환 시스템을 부가적으로 포함한다. 이와 관련하여, 재순환 시스템은, 수집된 물을 배관을 통해서 분배 관(15)으로 펌핑하기 위한 펌프(52)를 포함한다. 펌프(52)는 취출 파이프(54)를 통해서 수반(50)의 외부로 물을 인출한다. 이어서, 전달 파이프 섹션(56)이 펌프 배출구로부터 연장되어 분배 관(15)과 연결된다.
재순환 시스템이 또한, 증발 응축기의 효과적인 동작을 위해서 수반(50) 내에서 미리 결정된 양의 물을 유지하기 위한 (예를 들어, 383 kg/h의) 물 보급부(58)를 포함한다. 그러한 보급부 물이, 비산 제거기(30)에 의해서 제거된(포획된) 물의 공급을 포함할 수 있다.
도 2의 상세 부분에서 도시된 증발 응축기의 변형예에서, 응축기(10)가 측면 열교환기 유닛(60)을 더 포함할 수 있다. 수반(50) 내의 물은, 전달 파이프 섹션(56)을 통해서 분배기 관(15)으로 재순환되기에 앞서서, 펌프(52)를 통해서 그리고 열교환기 유닛(60) 내로 그리고 열교환기 유닛(60)을 통해서 펌핑될 수 있다. 그러한 유닛은 또한 도 3의 실시예에 피팅될(fitted) 수 있다.
이러한 변형예에서, 응축기 관 내의 응축된 냉매가 또한 냉매 전달 파이프(62)를 통해서 열교환기 유닛(60)으로 그리고 열교환기 유닛을 통해서 전달되어, 수반(50)으로부터의 재순환된 물과 열교환될 수 있다. 열교환기 유닛(60) 내에서, 비교적 저온인 수반의 물이, 예를 들어 30℃로부터 약 26.5℃까지, 응축된 냉매를 과냉시킬 수 있다. 이는, 냉장 시스템의 동작 효율을 더 개선할 수 있다. 스트림(64)으로서 열교환기 유닛(60)을 진출하는 냉매(예를 들어, CO2)가 과냉된 온도(예를 들어, 약 26.5℃)일 수 있다.
예
응축기 및 프로세스의 이론적 기초를 설명하기 위해서, 그리고 동작 중의 응축기 및 프로세스를 보다 잘 이해하도록, 본 응축기 및 프로세스의 비제한적인 예를 이제 제공할 것이다.
예 1 - 프로세스 디자인 모델
도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같은, 증발 응축기의 준임계적(subcritical) CO2 에 대한 적용예를 위한 디자인 모델이 개발되었다. 보다 구체적으로, 준임계적 CO2의 응축을 위해서 증발 응축 기술을 적용하는 것의 장점을 실험하였다. 그러한 장점에는, 초임계적 동작, 낮은 에너지 소비, 및 낮은 작동 및 운영 비용에 비해 낮은 디자인 압력이 포함되었다. 고온 가스 제상(defrosting)이 또한 준임계적 CO2 냉장 플랜트 동작의 표준적인 특징이 될 수 있다는 것에 주목하였다.
그러나, 첫 번째로, 암모니아가, 진입 공기 습구 온도가 24℃인 증발 응축기 내에서 30℃에서 응축될 수 있다는 것에 주목하였다. 개발된 디자인 모델에서, 30℃(즉, 임계점 아래의 1.1 K)에서의 준임계적 CO2 응축을 위한 증발 응축기가 24℃의 습구를 위해서 디자인될 수 있다는 것이 확인되었다.
두 번째로, 스페인, 이탈리아, 그리스 및 터키의 온난 기후를 포함하는 유럽의 많은 국가의 평균 기후 조건은 증발 응축기가 30℃에서 준임계적 CO2를 응축하는데 있어서 적합하다는 것에 주목하였다. 캐나다, 미국 및 중국의 많은 부분, 그리고 남회귀선 아래의 호주의 대부분이 또한, 준임계적 CO2 응축을 위한 증발 응축기의 적용에 적합한 기후를 가진다는 것에 주목하였다. 30℃에서의 준임계적 CO2의 열역학적 성질 및 운송 성질이 온도에 따라 상당히 변화된다는 것에 주목하였다. 그에 따라, 이러한 변화가 특별한 디자인에 대한 CO2 온도 프로파일, 열 전달 및 압력 손실에 미치는 영향이 또한 확인되었다.
예를 들어, 평균 기후 조건에 대한 조사로, 스페인, 이탈리아, 그리스 및 터키를 포함하는 유럽의 많은 국가가, 많은 장소에서 시간의 100 % 동안 30℃ 이하의 응축 온도에서의 준임계적 조건에서의 CO2의 응축을 위해서 증발 응축기가 적용될 수 있는 기후를 갖는다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어, 5% 디자인 습구 온도 입사(incidence)가 24℃를 초과하는 유럽 내의 유일한 장소는 터키의 아다나였다(여기에서, 1 및 2.5% 습구 입사 디자인 레벨이 26℃이다) 그리스의 테살로니키에서, 1% 습구 디자인 입사가 25℃이나, 2.5% 및 5% 습구 디자인 입사 레벨은 24℃ 이다. 24℃의 다음으로 가장 높은 1% 습구 디자인 입사 레벨이 지브롤터, 바르셀로나, 발렌시아, 밀란, 이스탄불, 및 이즈미르에서 발생되었다.
마지막으로, 온대 및 많은 아열대 기후에서의 CO2를 위한 증발 응축기의 이용은, CO2 냉매를 임의의 화학적 냉매 만큼 도처에 존재하게 만들 수 있고, (예를 들어, 사무실 건물 및 병원의 가열 및 냉각과 같은) 간접적인 적용예에서 이용될 필요가 있을 때, 암모니아와의 경쟁에서 우세할 수 있다는 결론에 도달하였다.
CO2 냉장이 약 20년 전에 부활되었을 때, 공기 냉각된 가스 냉각(일부에서는, 핀형(finned) 코일 가스 냉각기의 공기 유입구 면 상으로 물을 분무하는 것에 의한 단열적(adiabatic) 보조가 이루어진다)이 거의 전반적으로 적용되었다. 이러한 것은 사실상 모든 CO2 냉장 시스템이 초임계적 모드로 작동될 것을 요구하는 결과를 초래하였는데, 이는 공기 냉각 온도가 31.1℃의 CO2 임계 온도에 근접하거나, 초과하기 때문이라는 것에 주목하였다.
빈번하게, 공기 냉각형 가스 냉각기로부터의 여름 디자인 CO2 배출 온도가 임계 온도 보다 높았고, 이러한 것은, 합리적인 COP를 보장하기 위해서, 압축기가 90 바(bar) 이상의 압력에서 동작될 것을 요구하는 결과를 초래하였다. 초임계적 CO2 압축기의 여름 디자인 COP가 일반적으로 공기 냉각형 HFC 또는 증발적으로 냉각되는 암모니아 시스템의 여름 디자인 COP 보다 낮았다.
그에 따라, 완전한 준임계적 CO2 냉장 사이클을 허용할 수 있는 레벨까지 응축기 냉각 매체의 온도를 낮추는 것이 제시되었다. 이는 증발 응축기로 달성되었고, 여기에서 주위 공기 습구(WB) 온도가, 공기 냉각형 응축기 또는 가스 냉각기의 경우의 주위 공기 건구(Dry Bulb)(DB) 온도가 아니라, 효과적인 냉각 매체 온도였다.
주목되는 문제에는 물 공급, 물 소비 및 물 처리의 필요성, 그리고 일부 압축기 공급자에 의해서 현재 규정되는 것과 같은 최소 응축 온도의 제어가 포함된다. 다른 문제는 우연한 초임계적 조건을 취급하기 위한 제어 전략이었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 권장사항이 만들어 졌다.
CO 2 증발 응축기를 위한 평가 모델
평가 예(Rating example)
도 4는, 이제 더 설명하고자 하는 증발 응축기의 개략적인 흐름도를 도시한다. 도 4의 흐름도에서, 물이 관 뱅크(tube bank)에 걸쳐 재순환되고, 그에 따라 분무 물 온도가 수반의 물 온도와 같았다.
구체적인 매개변수가: (a) 공기 속도 및 습구 및 건구 온도, (b) 분무 물 유량, (c) 번들 치수, 및 (d) 30℃ 및 7.2 MPa의 포화된 액체를 포함하는 진출 CO2 였다.
증발 냉각기 내의 질량 및 에너지 균형
큐레시(Qureshi)(2006) 및 하인즈(Heyns)(2009)는 증발 냉각에서의 공기-물-프로세스 유체 상호 작용을 설명하는 5개의 연립 비-선형 미분 방정식(simultaneous non-linear differential equation)을 발표하였다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
이러한 방정식은 40개의 구간(interval)으로 분할된 패스 렝스(pass length)를 가지는 마이크로소프트 엑셀 스프레드시트 이전의 마이크로소프트의 VBA로 기록된 4차 룬게-쿠타 루틴(Runge-Kutta routine)을 이용하는 프로그램을 작성하는 것에 의해서 풀이되었다. 이러한 공식(solution)은 시행착오인데, 이는, 공기 출구에서의 계산된 물 온도와 동일해질 때까지, 공기 진입부에서의 수반의 물 온도가 추측되고 반복적으로 조정되기 때문이다.
이러한 공식은 CO2 출구로부터 진입부까지 관 통과를 따라서 "역으로(backwards)" 진행되었고, 30℃에서의 포화된 액체 냉매로 공기 유입구에서 시작되고, 가열되는 것과 같이, 진행되고, 계산된 배출 온도에서의 과열된 증기로 종료된다. 프로그램은 2-상 응축 및 단일 상 증기 탈-과열(de-superheating) 모두를 허용한다.
모델 입증
수치적 공식(solution)을 확인할 수 있는, 5개의 방정식에 대한 분석적 공식은 없다. 그러나, 2개의 발견에 주목하였다: 진출하는 그리고 진입하는 물의 온도가 동일할 때; (a) CO2 엔탈피 변화가 습한 공기 엔탈피 변화와 동일하였고, (b) 30℃에서의 암모니아 응축에 대해서 계산된 열 부하(heat duty)는, 일정한 응축 온도를 기초로 하는 단순화된 메르켈 모델(Merkel model)(Merkel,1926)을 이용하여 계산된 부하의 9% 이내였다.
모델 예측
도 5 및 도 6은 CO2 및 물 온도 프로파일을 도시한다. CO2 온도 프로파일의 형상(도 5)은 놀라운 것이었다 - 이는 예상 보다 훨씬 더 편평하였다. 교환기 표면의 약 37% 초과에서, CO2 증기 온도가 일정수(interval number) 29에서 32℃로부터 30℃로 단지 감소되었다. 이는 30℃ 바로 위의 매우 큰 열 용량(도 6)의 결과였다.
그러한 모델은, 교환기 표면의 67%가 감열 냉각(sensible cooling)을 위해서 필요할 수 있다는 것을 예측하였다. 임계점에 근접한, 30℃에서 CO2 에 대한 엔탈피 데이터는, 제거(rejection)가, 단지 10%인 암모니아와 달리, 제거의 68%가 감열 냉각이었다는 것을 보여준다.
물 온도 프로파일은, 감열 냉각이 비교적 적었던 프로파일에 비해서, 좌측으로 빗나가서, 임계점 근처에서 CO2 에 대한 감열 냉각의 보다 큰 비율을 반영한다.
물 증발
도 7은 관 번들을 따른 물 유동을 도시한다. 다른 놀라운 점은, 물이 번들의 상단에서 공기로 증발되지 않았다는 것이다. 여기에서, 물 온도가 상승에도 불구하고 낮았고, 물이 공기-물 계면에서의 절대 습도(humidity ratio) 보다 높은 절대 습도를 가지는 공기와 접촉하였으며, 그에 따라 일부 응축이 발생되었고 물 유동이 증가되었다.
성질 변화의 영향
도 8은 각각의 공식 구간(solution interval)에 걸친 전체적인 열전달 계수 및 압력 손실에 미치는, 온도에 따른 열 용량, 밀도, 점도 및 열전도도 변화의 영향을 도시한다. 구간 영(zero)은, 고온 방출 가스가 진입하는 곳이었다. CO2 온도가 32℃에 접근됨에 따라 전체적인 열전달 계수의 상당한 증가가 있었고, 증기 상이 2개의 상으로 전환됨에 따라 미터당 압력 손실이 상응하게 감소되었다.
그러한 모델에서, 0.845가 방정식(3)에서의 루이스 수(Lewis number)로 사용되었다. 1.00의 루이스 수에서, 동일한 열 부하를 위해서 요구되는 표면적이 단지 1.4% 감소되었다.
논평
30℃에서의 CO2 응축이 그 임계점에 매우 근접하였다는 점에서, 모델링된 경우는 극단적이었다. 낮은 응축 온도에서, 감열 냉각의 비율이 감소될 것이고, 온도에 따른 성질의 변경이 크게 감소될 것임에 주목하였다. 도 9를 참조하였다.
메르켈의 단순화된 모델에 의해서 예측된 열 제거가 30℃에서의 CO2 응축을 가지는 미분(differential) 모델 보다 약 22% 낮았다는 것에 더 주목하였고, 이는, 감열 냉각의 상당한 부분을 고려하면, 예상치 못한 것이 아니었다.
CO 2 압축기 준임계적 에너지 성능
사이클 성능에 미치는 응축 온도의 영향
도 10에서 5개의 COP 플롯(plot)이, 50 Hz 및 30 kW 4 극 모터에서 27.2 m3/h의 배기 부피를 가지는 상업적으로 이용 가능한, 반-밀봉형(semi-hermetic)의, 초임계적 CO2 압축기에 대해서 생성되었다.
도 10의 곡선 1을 참조하면, COP의 범위는 +30℃ 포화 응축 온도(Saturated Condensing Temperature)(SCT)에서의 6.27로부터 +10℃의 포화 흡입 온도(Saturated Suction Temperature)(SST)의 +16℃의 SCT에서의 18.0까지였다. +10℃ SST 는 +11℃의 증발 온도(Evaporating Temperature)(ET)를 허용할 것이고, 흡입 압력 강하는 1 K 비등점 억제에 상응한다. 11℃는 공조(AC) 공기의 직접적인 냉각에 대한 합리적으로 효율적인 증발 온도로서 주목되었고, 냉각 코일에 걸친 공기 온도의 비교적 큰 확산을 허용하고, 그에 따라 계산할 필요가 있을 수 있는 공기의 부피를 제한하며, 그에 의해서 팬 에너지 소비 및 결과적인 기생(parasitic) 열 부하를 감소시킨다. 이는 다시 압축기 내로의 필요 에너지 입력의 감소를 초래할 것이고, 그에 의해서 시스템의 전체 에너지 효율을 전체적으로 높일 것이다.
곡선 2는, 30℃에서의 4.45 내지 11.67로부터, +5℃의 SST에서의 16℃ SCT 까지의 범위의 COP를 보여준다. 이는, 기존 건물 내로의 개장(retrofitting) 및 새로운 건물에 대한 적용을 위한 AC를 위한 냉각된 물 생산을 허용할 것이다.
전술한 2가지 경우 모두에서, AC 압축기가, 약 0℃에서 냉각 저장 온도를 유지하는 것과 같은, -5℃ SST에서의 냉장 부하, 및 그리고 저온 저장 및 송풍 동결(blast freezing) 적용예에 적용된 2 스테이지 CO2 시스템을 위한 큰 스테이지 부하를 위한 병렬 압축기들로서 또한 작용할 수 있다.
그러한 경우에, 큰 스테이지 압축기(high stage compressor)가 +5℃ 및 + 10℃의 가상의 CO2 가스 냉각기 출구 온도로 동작될 수 있고, 이는 COP 곡선 3 및 4를 각각 초래하였다. COP 곡선 3은, +30 내지 +16℃ 범위의 SCT 및 +5℃의 가상 가스 냉각기 출구에서 -5℃의 SST에서 4.7 내지 7.88의 범위였다. COP 곡선 4는 +10℃의 가상 가스 냉각기 출구에서의 4.45 내지 7.04 범위의 COP, 그리고 -5℃의 SST 및 +30 내지 +16℃ 범위의 SCT를 도시한다. 성능이 곡선 3에 근접하게 하기 위해서 이것이 압축기 흡입부 내의 흡입 열 교환기(Suction Heat Exchanger)(SHEX)로 개선될 수 있다는 것에 주목하였다.
주위 습구 온도가 응축기 성능에 미치는 영향
도 4는 CO2, 공기 및 물에 대한 일반적인 상세 부분을 도시한다. 주변 습구 온도가 응축기 성능에 미치는 영향이 이하의 표에 기재된 결과에서 나타난다.
Figure pct00007
주의. 관 번들: 84 회로, 8 통과, 146.2 m2
암모니아, R22, R507A, 프로판 및 R134a의 상대적인 에너지 효율
동일한 동작 조건에서의 이러한 냉매에 대한 COP가 도 11에 도시되었다. 결과는, 암모니아가 이들 중 최적의 냉매였다는 것을 확인하였다. 놀라운 것은 R134a의 낮은 COP였다. 16 및 35℃의 SCT에서, R134a COP가 각각 42였으며, 암모니아의 COP 보다 31% 더 낮았다. 또한, +16℃ SCT에서의 R134a 압축기의 COP가 3.84이었고, 동일한 흡입 조건의 +35℃ SCT에서의 암모니아 압축기의 COP와 대략적으로 동일하였다. 이는, R134a가 큰 직접적 및 간접적 지구 온난화 지수(Global Warming Potential)(GWP) 모두를 갖는다는 것을 확인하였다. R507A의 성능은 25 내지 35℃ SCT에서 R22 보다 11 내지 16% 효율이 낮았다. HFC R507A는 HCFC R22와 같은 오존 파괴 지수(Ozone Depletion Potential)를 가지지 않으나, R507A의 100년 GWP는 3,895였고, 이는 R22의 1,810의 100년 GWP의 2배 초과이다.
전체적인 열 전달 인자, Uo
다시 도 8을 참조하면, Uo가 암모니아 응축의 경우에 익숙한 Uo 보다 매우 상당히 더 컸고, 여기에서 Uo는 2.6 내지 3.05 m/s의 표층(superficial) 공기 속도에서 약 450 내지 550 w/m2.K 범위이다. 비산 제거기가 상향 공기 드래프트(draft) 내에서 현탁된(suspended) 자유 물의 대부분을 잡을 수 있도록 보장하기 위해서, 3 m/s의 표층 공기 속도가 모델에서 최대로서 선택되었다.
도 4의 CO2 증발 응축기에 대한 도 8의 평균 Uo는 약 1,050 w/m2.K였다. 이는, 응축 관 번들로 진입하는 사실상 동일한 표층 공기 속도에서의 암모니아에 대한 평균 값의 2배 초과라는 것에 주목하였다.
이는, 도 9에서 도시된 바와 같이, 30℃ 응축에서 제거하고자 하는 열의 68%가 감열 과열이고 단지 32%가 실제적으로 30℃에서의 응축의 잠열이라는 것을 고려하였을 때, 놀라운 것이었다. 큰 전체적 열 전달 인자가, 15 kPa의 계산된 압력 강하를 유발하는 55 미터 상당 길이 회로(metre equivalent length circuit)에서 벗어난 76에서 338.7 kg/m2.s의 큰 CO2 질량 흐름에 기인하였다. 이는, 하나의 응축기가 동작 중이 아닌 경우에 동작 응축기 내의 액체 유지를 피하기 위한 너무 큰 드롭 레그(drop leg)를 필요로 하지 않고, CO2 응축기들이 병렬로 동작되는 것을 돕기 위해서 수용될 수 있는 최대 값이다.
증발기들에서와 같이, CO2 의 큰 ΔP/ΔT 비율은 큰 열전달율을 제공하는 응축기 회로 내의 큰 질량 흐름을 허용하여, 더 적은 수의 회로를 허용하며, 그러한 더 적은 수의 회로는 관 번들의 보다 경제적인 제조를 또한 가능하게 한다.
증발 응축기 내의 암모니아 질량 흐름이 약 25 내지 40 kg/m2.s 범위 였고, 빈번하게 25 미만이었다는 것에 주목하였다. 압력 강하는 암모니아 응축기와 관련되었는데, 이는 암모니아 증발 응축기 내의 과다한 압력 강하가 방출 압력을, 그에 따라 포화 응축 온도(SCT)를 상승시키기 때문이고, 결과적으로 에너지 소비가 증가된다.
최소 공기 유동의 결과
다시 도 4를 참조하면, 계산된 진출 공기 건구 온도는 100 % RH에서 29.3℃이고, 그에 따라 진출 습구 온도가 또한 29.3℃였다. 이는 30℃의 SCT 보다 단지 0.7ㅀK 더 낮았다. 이는, 상단 관이 77℃의 온도였고 감열 과열의 큰 비율이 47.7ㅀK의 이용 가능한 큰 진출 접근 TD가 있도록 보장하기 때문에 가능하였다. 이러한 것이, 암모니아 SCT와 진출 습구 사이의 최소 진출 온도 접근(approach)이 디자인 조건에서 드물게 3 K 미만이고 2.5 K이상인, 암모니아 증발 응축기에서는 불가능하였다는 것에 주목하였다. 적은 공기 유동 또한 최소 팬 에너지 소비를 초래하였다.
결론
완전한 규모의 원형(prototype) CO2 증발 응축기의 만족스러운 성능 테스팅에 따라, 24 내지 25℃의 최대 디자인 습구(WB) 온도를 가지는 높은 위도 아열대 지방에서의 증발 응축기의 적용이 큰 가능성(promise)을 나타냈다는 결론에 도출하였다. CO2 증발은, 더 고온의 기후 그리고 시원한(cool) 기후 부터 주위 WB 온도가 낮은 저온 기후까지의 지역에서 보다 더 큰 가능성을 보여주었다.
전술한 결론에 따라서, 준임계적 CO2 압축기 방출 가스의 응축에 대한 증발 응축기의 적용에 적합한 지역은 (지중해 국가를 포함하는) 거의 모든 유럽, 멕시코만과 대서양을 접경하는 남부 주를 제외한 미국, 그리고 미네소타와 같은 먼 북쪽까지의 많은 중서부 주를 제외한 미국에서 가능하였다.
실험은 또한, 28 내지 29℃의 주위 습구 온도 및 3 K의 주위 공기 WB 대 CO2 출구 온도 접근을 가지는 증발 가스 냉각이 전체적으로 가능하였다는 것을 보여준다. 이는, 초임계적 모드에서, 응축 상(도 9) 및 도 6에 도시된 것과 유사한 큰 열 용량과 결합된 비교적 큰 초임계적 유체 밀도가 없이, 더 큰 LMTD에서의 감열 열 전달만이 존재하였다는 사실에 기인한다.
준임계적에서의 CO2의 응축 및 초임계적 CO2 에서의 가스 냉각 모두에 대한 증발 냉각의 적용은, 임계점 미만에서 동작되는 통상적인 냉매로 달성되는 COP와 필적하고, 많은 경우에 그보다 더 높은, 큰 COP에서의 효율적인 냉각을 초래하였다. 이는, CO2 냉장의 세계적인 적용을 위한 길을 열었다. 이는, CO2가 냉각된 물에 대한 +5 및 +10℃ 압축기 포화 흡입 온도에서의 공조 부하를 위해서 이용되는 적용예에, 그리고 DX 또는 펌핑된 CO2 AC 적용예 각각에서 특히 사실이다.
AC 압축기가 또한, 냉각 및 냉동 부하 모두가 도 10에 도시된 바와 같이 큰 COP로부터 매우 큰 COP에서 요구되는 슈퍼마켓과 같은 설비 내의 임의의 잔여 냉장 부하를 위한 병렬 압축기들로서 또한 작용할 수 있다는 것에 추가적으로 주목하였다.
사실상, 도 10 및 도 11과 비교할 때, 준임계적 응축 상에서, CO2가 R22, R507A 및 R134a와 같은 통상적인 화학적 냉매 보다 뛰어난 기능을 한다는 것이 분명하였고, 이는 또한 피어슨(Pearson)(2010)이 발견한 바와 같다. 부가적으로, 대부분의 동작 조건하에서 CO2는 암모니아 및 프로판에 필적하거나 더 우수한 성능을 나타냈고, 그리고 특히 병렬 압축이 관련되는 곳에서 그러하였다.
예를 들어 28℃의 높은 습구 온도에서 통상적인 증발 응축기가 40℃ SCT에서 동작되어, 결과적으로 도 9에 도시된 바와 같이 NH3, R22, R507A, 프로판 및 R134a 각각에 대해서 3.37, 3.34, 2.71, 2.96 및 2.38의 COP를 초래할 수 있을 것이다. 그에 따라, 매우 효율적인 CO2 냉장을 개발하기 위해서, 더 큰 압축기가 요구되고, 예를 들어 CNG 연료 압축기의 수정된 버전이 요구된다.
용어
예에서:
Figure pct00009
모델 매개변수
1. NIST(2011) 데이터가 포화된 그리고 과열된 CO2의 열역학적 및 운송 성질에 대해서 이용되었고;
2. 방정식(6)에서의 hw 가 미주시마 및 미야시타(Mizushima and Miyasita)(1967), 큐레시 및 주베이어(Qureshi and Zubair)(2006)의 방정식(A.8)으로부터 계산되었고;
3. 방정식(3)의 hd가 미주시마 및 미야시타(1967), 큐레시 및 주베이어(2006)의 방정식(A.13)으로부터 계산되었고;
4. 2상 CO2 유동에 대해서, 방정식(6)의 hi가 사하(Shah's)(2009), 큐레시 및 주베이어(2006)의 방정식(A.6) 및 (A.7)로부터 계산되었고; 압력 손실이 뮐러-스타인하겐 및 헥 상관관계(Mㆌller-Steinhagen and Heck correlation)(ASHRAE, 2005)로부터 계산되었고;
5. 단일 상 CO2 증기 유동에 대해서, 방정식(6)의 hi가 디투스-보엘터 상관관계(Dittus-Boelter correlation) Nu = 0.023Re0.8 Pr0.3로 부터 계산되었고; 압력 손실이 마찰 인자 = 0.079Re-0.25로 부터 계산되었으며;
6. 관 뱅크에 걸친 공기 압력 강하가 밀스(Mills)(1999), 섹션 4.5.1, p. 316로부터 계산되었다.
이하의 참조는 모델 형성을 위해서 이용되었다:
1. ASHRAE, 2005, 2005 Fundamentals, page 4.12-13
2. Heyns J, Krㆆger D, 2009, Performance characteristics of an air-cooled steam condenser incorporating a hybrid (dry/wet) dephlegmator, Appendix A, PIER Report, CEC-500-2013-065-APA
3. Merkel, F., 1926, Verdunstungskuling , VDI-Zeitschrift, Vol. 70, pp. 123 - 128
4. Mills A.F., 1999, Basic Heat & Mass Transfer, 2nd ed., A.F., Prentice Hall.
5. Mizushima, T., R. Ito and H. Miyasita, 1967, Experimental study of an evaporative cooler, International Chemical Engineering, Vol. 7, pp. 727-732
6. NIST 2011, http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/Thermophysical Properties of Fluid Systems
7. Qureshi B, Zubair S, 2006, A comprehensive design and rating study of evaporative coolers and condensers. Part I Performance evaluation, Int. J. Refrigeration, 29: 645-658.
8. Shah M, 2009, An improved and extended general correlation for heat transfer during condensation in plain tubes, HVAC&R Research, 15 (5)
9. Pearson, S. Forbes, 2010, Use of carbon dioxide for air conditioning and general refrigeration, IIR-IOR 1st Cold Chain Conference, Cambridge, UK.
예 2 - 디자인 모델 출력
이하의 데이터 지점은 표층 공기 속도에 따른 응축기 용량 변경을 설명하기 위해서 디자인 모델에 의해서 생성되었다:
Figure pct00010
Figure pct00011
Figure pct00012
Figure pct00013
Figure pct00014
Figure pct00015
Figure pct00016
Figure pct00017
Figure pct00018
Figure pct00019
많은 수의 응축기 및 프로세스 실시예 및 모델이 설명되었지만, 응축기 및 프로세스가 많은 다른 형태로 구현될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.
예를 들어, 플리넘(13)이 원형 섹션일 수 있고, 그에 의해서 발산 플리넘(40)이 원뿔형 절두체, 또는 정사각형으로부터 원형으로의 절두체-유사 각기둥을 포함한다. 그러나, 그러한 구성은 덜 바람직한데, 이는 그러한 구성이 응축기 내의 물의 자유 배수를 촉진하지 않기 때문이다.
이하의 청구항에서, 그리고 전술한 설명에서, 언어 표현 또는 필수적인 암시로 인해서 문맥에서 다른 것을 요구하는 경우를 제외하고, "포함한다" 및 "포함하는" 또는 "포함하고 있는"과 같은 변경이 포괄적인 의미로 사용되었고, 다시 말해서 기술된 특징의 존재를 구체화하도록 그러나 본원에서 개시된 바와 같은 여러 가지 응축기 및 프로세스의 실시예의 추가적인 특징의 존재나 부가를 배제하지 않도록 사용되었다.

Claims (19)

  1. 냉장 또는 공조 시스템에서 이용하기 위한 증발 응축기로서:
    - 시스템의 냉매를 내부에서 응축하기 위한, 응축 코일 구역 내에 배열된 하나 이상의 응축 코일;
    - 상기 하나 이상의 응축 코일을 습윤시키기 위한 메커니즘;
    - 상기 하나 이상의 응축 코일 및 습윤 메커니즘을 지나서 유동된 기류로부터 자유 물을 제거하도록 배열된 비산 제거기;
    - 상기 기류가 상기 하나 이상의 응축 코일을 일단 지나서 유동되면, 상기 기류가 발산 구역 내로 그리고 상기 발산 구역을 통해서 상기 비산 제거기로 유동되도록, 상기 응축 코일 구역으로부터 상기 비산 제거기를 향해서 발산되는 발산 구역을 포함하는, 응축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 응축 코일이 상기 응축 코일 구역 내에서 번들로서 배열되는, 응축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 응축 코일 구역이 일반적으로 일정한 횡단면적의 응축기의 섹션을 포함하는, 응축기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    내부에서 유동하는 상기 기류가 상기 비산 제거기에 도달하기 전에 감속되게 하도록 상기 발산 구역이 구성되는, 응축기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발산 구역이, 상기 기류가 통과하여 유동하는 중공형의 절두체를 포함하는, 응축기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비산 제거기가 상기 발산 구역의 공기 진출 측면에 바로 위치되는, 응축기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축기가, 상기 응축 코일 구역의 공기 진입 측면에 위치되는 공기 유입구 챔버를 더 포함하는, 응축기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 응축 코일을 습윤시키기 위한 상기 메커니즘이, 상기 하나 이상의 응축 코일을 통한 상기 기류 유동에 반대되는 방향으로 상기 하나 이상의 응축 코일 내로 물을 분무하기 위해서 상기 발산 구역에 대해서 배열되는 분무 노즐을 포함하는, 응축기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 노즐이, 물을 일반적으로 액체 원뿔로서 상기 하나 이상의 응축 코일 상으로 분무하도록 상기 발산 구역 내에 배열되는, 응축기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    응축 코일 구역을 통과한 물을 수집하기 위한 수집 구역, 및 수집된 물을 상기 습윤 메커니즘으로 재순환시키기 위한 재순환 시스템을 더 포함하는, 응축기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 재순환 시스템이 수집된 물을 배관을 통해서 상기 습윤 메커니즘으로 펌핑하기 위한 펌프 및, 필요에 따른, 상기 증발 응축기의 효율적인 동작을 위한 미리 결정된 양의 물을 유지하기 위한 물 보급 메커니즘을 포함하는, 응축기.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    열교환기를 더 포함하고, 상기 수집된 물은, 상기 습윤 메커니즘으로 재순환되기에 앞서서, 상기 열교환기를 통과하고, 상기 응축된 냉매가 상기 열교환기를 통과하여 상기 재순환되는 수집된 물과 열교환하는, 응축기.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 응축 코일의 각각이 스테인리스 스틸 관을 포함하는, 응축기.
  14. 냉장 또는 공조 시스템에서 이용하기 위한 증발 응축기로서:
    - 시스템의 냉매를 내부에서 응축하기 위한, 응축 코일 구역 내에 배열된 하나 이상의 응축 코일;
    - 상기 하나 이상의 응축 코일을 습윤시키기 위한 메커니즘;
    - 상기 하나 이상의 응축 코일 및 습윤 메커니즘을 지나서 유동된 기류로부터 자유 물을 제거하도록 배열된 비산 제거기;
    - 응축 코일 구역을 통과한 물을 수집하기 위한 수집 구역;
    - 수집된 물을 상기 습윤 메커니즘으로 재순환시키기 위한 재순환 시스템; 및
    - 열교환기로서, 상기 수집된 물이, 상기 습윤 메커니즘으로 재순환되기에 앞서서, 상기 열교환기를 통과하고, 상기 응축된 냉매가 상기 열교환기를 통과하여 상기 재순환되는 수집된 물과 열교환하는, 열교환기를 포함하는, 응축기.
  15. 제14항에 있어서,
    제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에서 규정된 바와 다른, 응축기.
  16. 냉장 또는 공조 사이클의 일부를 형성하기 위한 증발 응축 방법으로서:
    - 냉매를 하나 이상의 응축 코일을 통해서 통과시키는 단계;
    - 상기 하나 이상의 응축 코일을 물로 습윤시키는 단계;
    - 상기 하나 이상의 습윤된 응축 코일 위로 기류를 통과시키는 단계로서, 그에 의해서 냉매가 상기 코일 내에서 응축되게 하고, 그리고 그에 의해서 물의 일부가 기류 내로 증발되게 하는, 기류를 통과시키는 단계;
    - 상기 하나 이상의 응축 코일에서 진출하는 상기 기류 내에 존재하는 물을 제거하는 단계를 포함하고;
    상기 기류 내에 존재하는 물을 제거하기에 앞서서, 상기 하나 이상의 응축 코일에서 진출하는 상기 기류의 속도가 감속되는, 방법.
  17. 냉장 또는 공조 사이클의 일부를 형성하기 위한 증발 응축 방법으로서:
    - 냉매를 하나 이상의 응축 코일을 통해서 통과시키는 단계;
    - 상기 하나 이상의 응축 코일을 물로 습윤시키는 단계;
    - 상기 하나 이상의 응축 코일을 통과하는 물을 수집하고 상기 하나 이상의 응축 코일을 물로 습윤시키기 위해서 수집된 물을 재순환시키는 단계;
    - 상기 하나 이상의 습윤된 응축 코일 위로 기류를 통과시키는 단계로서, 그에 의해서 냉매가 상기 코일 내에서 응축되게 하고, 그리고 그에 의해서 물의 일부가 기류 내로 증발되게 하는, 기류를 통과시키는 단계;
    - 상기 하나 이상의 응축 코일에서 진출하는 상기 기류 내에 존재하는 물을 제거하는 단계; 및
    - 상기 하나 이상의 응축 코일을 습윤시키기 위해서 물을 재순환시키기에 앞서서, 상기 응축된 냉매와 상기 수집된 물 사이에서 열교환하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 방법이 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 증발 응축기 내에서 일어나는, 방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 응축 코일 내에서 응축된 냉매가 본원에 기재된 바와 같은 화학적 또는 천연 냉매를 포함하는, 방법.
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