KR20180064622A

KR20180064622A - 고온증기 생산을 위한 증기 주입 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR20180064622A
Application number: KR1020160164588A
Authority: KR
Inventors: 장기창; 김기봉; 임용훈; 양제복; 윤시원; 김용찬
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2016-12-05
Publication date: 2018-06-15
Also published as: KR101878234B1

Abstract

본 발명은 증기생산을 위한 증기용 플래시탱크 내에 열교환기를 두고, 히트펌프의 응축기 후단의 냉매의 열을 증기용 플래시탱크 내에 공급하여 건도를 향상시킨 섭씨 120도 이상의 고온 증기를 공급할 수 있는 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 히트펌프 시스템에 증기 주입 히트펌프를 적용하고, 이에 캐스케이드 히트펌프를 접목할 수 있으며, 열원 측에 중간열교환기를 두어 열원을 승온함으로써 시스템의 효율을 높이고, 압축기의 후방에서 고온 고압의 냉매를 증기용 플래시탱크의 열교환기로 바이패스 공급하여 효율을 향상시킨 증기 생산 히트펌프 시스템을 제공한다.

Description

고온증기 생산을 위한 증기 주입 히트펌프 시스템{VAPOR INJECTION APPLIED HEAT PUMP SYSTEM FOR MAKING HIGHLY DRIED HOT STEAM}

본 발명은 고온증기 생산을 위한 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 증기생산을 위한 증기용 플래시탱크 내에 열교환기를 두고, 히트펌프의 응축기 후단의 냉매의 열을 증기용 플래시탱크 내에 공급하여 건도를 향상시킨 섭씨 120도 이상의 고온 증기를 공급할 수 있는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

플래시탱크는 증기(스팀)를 공급하기 위한 구조물로서, 플래시탱크 내부에 고온의 고압수가 공급되면 갑자기 부피가 팽창하는 고압수의 일부가 증기로 상 변화를 일으키는 현상을 이용하여, 증기를 보다 효율적으로 생성하고 공급하기 위한 장치이다.

플래시탱크로 들어온 고압수는 순간적으로 부피 팽창을 일으키게 되고, 이는 일부의 증기와 응축수를 생성한다. 하지만 이와 같은 순간적인 압력 강하로 발생하는 증기는 건도가 낮은 증기, 즉 수분을 많이 머금고 있는 증기이다. 건도가 낮은 증기(수분 함유량이 높은 증기)는 배관과 주요 기기의 수명을 단축시키는 원인이 된다. 또한 건도가 낮은 증기는 양질의 증기가 아니므로, 이를 그대로 공급하기에는 무리가 있다.

이에 종래에는 플래시탱크의 증기 출구 전에 디미스터(demister) 또는 미스트 엘리미네이터를 장착하고, 증기 출구 배관 쪽에는 기수분리기를 장착하여, 증기의 건도를 향상시키는 방식이 적용되어 왔다.

그러나 이는 건도가 낮은 증기의 수분을 증기로 상 변화시키는 것이 아니라 물로 응축하는 방식이기 때문에 증기의 건도는 향상될 수 있지만 증기의 양 자체가 줄어든다는 한계가 있다. 따라서 건도가 낮은 습증기를 건도가 높은 증기나 포화 증기 상태로 변화시킬 수 있는 증기 생산 시스템이 요구된다.

한편 섭씨 120도 이상의 증기를 생산하기 위한 히트펌프 시스템에서, 압축기의 토출 측의 기체 상 냉매의 온도는 적어도 섭씨 128도 이상이 되어야 한다. 그런데 운전 특성 상 폐열수를 사용하는 경우라 하더라도 열원 온도는 섭씨 60 내지 70도 정도에 불과하다. 즉 냉매의 증발 온도는 높아도 섭씨 60 내지 70도 정도에 불과한데 압축된 냉매의 온도는 섭씨 128도 이상이 되어야 하므로, 그만큼 압축 과정에서 압축비가 커지게 된다.

히트펌프 시스템에서 압축비가 증가한다는 것은 그만큼 냉매의 과열도가 증가하여 냉매의 밀도를 감소시키게 된다는 의미, 즉 냉매의 비체적이 증가한다는 의미가 된다. 냉매의 밀도 감소는 냉매순환의 질량 유량 감소로 이어지고, 이에 따라 냉매의 응축열량이 작아져 그만큼 증기를 생산하는 효율이 떨어지게 된다.

또한 압축비가 증가한다는 것은 그만큼 압축기가 해야 할 일의 양이 많다는 것으로, 이는 히트펌프 시스템의 효율을 직접적으로 저하시키는 요인이 된다.

한편으로, 증기생산 히트펌프 시스템에 있어서 압축기에서 토출되는 냉매의 온도가 섭씨 128도 이상이어야 하기 때문에, 그보다 임계 온도가 낮은 R134a, R410a 등을 사용할 수 없다. 이들 R134a, R410a는 냉매밀도(가용 엔탈피 차)가 높아 히트펌프의 열 공급 효율을 높여주는 대표적인 냉매이지만, 고온 증기를 생산하는 히트펌프 시스템에 적용할 수는 없다.

임계 온도가 섭씨 128도보다 더욱 높은 섭씨 154도에 이르는 R245fa는 고온 증기를 생산하기 위한 히트펌프 시스템에 적용하는 것이 가능하다. 그러나 이 냉매는 가격이 비쌀뿐더러 냉매밀도가 낮아 증기를 생산하기 위한 응축열량이 낮기 때문에 히트펌프에 적용하였을 때 열 공급 효율이 높지 않아 전체적인 시스템의 효율이 저하될 우려가 있다. 게다가 해당 냉매는 P-h선도, 즉 엔탈피-압력 선도가 등엔트로피 선도보다도 더 누워 있기 때문에, 냉매의 압축 전에 냉매를 상당히 과열된 상태로 만들지 않으면 압축 과정에서 냉매가 액화되어 액 압축이 발생할 우려가 있다. 그런데 이처럼 냉매의 과열도가 높으면 그만큼 비체적이 증가하여 효율이 더욱 낮아지게 된다.

일본 특허공보 제4972421호 일본 특허공보 제5593902호 일본 특허공보 제5593906호 공개특허공보 제2008-28371호

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 증기생산 히트펌프 시스템에 증기 주입(Vapor Injection) 시스템을 접목하여 냉매의 압축 과정에서 기체 냉매의 과열도를 낮추고 냉매질량유량을 증가시키며, 열원의 온도가 낮은 상태에서 비롯되는 과도한 압축비를 줄이기 위해 캐스케이드 시스템을 접목하여, 전체적인 열 효율을 높일 수 있고, 응축 과정에서 증기 생산을 위한 물과 열교환을 한 냉매를 증기용 플래시탱크 내부의 상부에 마련된 코일 형태의 열교환기에 분기하여 증기의 건도를 향상시킬 수 있는 증기생산 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 증기용 플래시탱크 내의 증기 생산 온도를 고려하여 액냉매 분기율을 제어함으로써 플래시탱크 내의 증기 생산 온도를 제어할 수 있는 증기생산 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 압축기에서 냉매의 액압축을 방지하기 위해 압축기에 대한 냉매의 증기 주입 유량을 제어하고, 압축기 토출과열도를 조절하기 위해 압축기에서 토출되는 냉매의 일부를 증기용 플래시탱크의 코일 형태의 열교환기로 분기 공급하는 것을 제어하는 증기생산 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 압축기에서 토출되는 냉매 가스의 일부와 응축기에서 나오는 액 냉매의 일부를 제어하여 증기용 플래시탱크 내부의 열교환기로 공급하여 증기 생산 온도와 건도를 제어할 수 있는 증기생산 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 히트펌프 시스템의 효율 향상을 위해, 증기용 플래시탱크의 열교환기에서 나온 냉매의 일부를 열원 측과 중간열교환기에서 열교환하여 열원 온도를 높이는 것이 가능한 증기생산 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 제2팽창밸브(66)에서 나온 액체 상의 제1냉매가 열원으로부터 열을 흡수하면서 증발하는 제1증발기(61); 상기 제1증발기(61)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 고압으로 압축하는 제1압축기(62); 상기 제1압축기(62)에서 압축된 고온 고압의 제1냉매가 응축되는 제1응축기(63); 상기 제1응축기(63)에서 응축된 액체 상의 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(64); 상기 제1팽창밸브(64)에서 나온 제1냉매가 유입되는 제1냉매용 플래시탱크(65); 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)에서 분리된 액체 상의 제1냉매를 팽창시키는 상기 제2팽창밸브(66); 및 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 상기 제1압축기(62)에 공급하는 제1주입관(67);을 포함하는 증기주입(vapor injection) 히트펌프를 구비하는 증기생산 히트펌프 시스템으로서,

상기 증기생산 히트펌프 시스템은 고압의 유입수가 투입되어 기수 분리되고 증기를 외부로 공급하는 증기용 플래시탱크(30)를 포함하고,

상기 증기용 플래시탱크(30)는, 상기 제1응축기(63)의 제1냉매와 열교환하며 열을 흡수한 고온 고압의 유입수가 유입되는 유입부(32); 및 상기 유입부(32)보다 상부에 구비되며, 상기 유입부를 통해 유입된 후 기화된 증기와 열교환하는 열교환기(18);를 포함하며,

상기 열교환기(18)에는 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매가 유입되어 상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 증기를 가열하고, 상기 열교환기(18)에서 나온 제1냉매는 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)로 유입되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템을 제공한다.

또한 상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 제2팽창밸브(66)에서 나온 액체 상의 제1냉매가 열원으로부터 열을 흡수하면서 증발하는 제1증발기(61); 상기 제1증발기(61)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 고압으로 압축하는 제1압축기(62); 상기 제1압축기(62)에서 압축된 고온 고압의 제1냉매가 응축되는 제1응축기(63); 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매의 적어도 일부가 고온 측으로 유입되고, 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매의 나머지가 제1팽창밸브(64)를 거쳐 저온 측으로 유입되며, 고온 측으로 유입된 제1냉매와 저온 측으로 유입된 제1냉매 간 열교환이 이루어지는 제1서브쿨러(69); 상기 제1서브쿨러(69)의 고온 측에서 나온 제1냉매를 팽창시키는 상기 제2팽창밸브(66); 및 상기 제1서브쿨러(69)의 저온 측에서 나온 기체 상의 제1냉매를 상기 제1압축기(62)에 공급하는 제1주입관(67);을 포함하는 증기주입(vapor injection) 히트펌프를 구비하는 증기생산 히트펌프 시스템으로서,

상기 열교환기(18)에는 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매가 유입되어 상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 증기를 가열하고, 상기 열교환기(18)에서 나온 제1냉매는 상기 제1서브쿨러(69)의 고온 측에 유입되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템을 제공한다.

또한 상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 제4팽창밸브(86)에서 나온 액체 상의 제2냉매가 열원으로부터 열을 흡수하며 증발하는 제2증발기(81); 상기 제2증발기(81)에서 나온 기체 상의 제2냉매를 고압으로 압축하는 제2압축기(82); 상기 제2압축기(82)에서 압축된 고온 고압의 제2냉매가 응축되는 인터쿨러(83); 및 상기 인터쿨러(83)에서 응축된 액체 상의 제2냉매를 팽창시키는 상기 제4팽창밸브(86);를 포함하는 캐스케이드(cascade) 히트펌프와,

제2팽창밸브(66)에서 나온 액체 상의 제1냉매가 상기 인터쿨러(83)로부터 열을 흡수하면서 증발하는 제1증발기(61); 상기 제1증발기(61)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 고압으로 압축하는 제1압축기(62); 상기 제1압축기(62)에서 압축된 고온 고압의 제1냉매가 응축되는 제1응축기(63); 상기 제1응축기(63)에서 응축된 액체 상의 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(64); 상기 제1팽창밸브(64)에서 나온 제1냉매가 유입되는 제1냉매용 플래시탱크(65); 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)에서 분리된 액체 상의 제1냉매를 팽창시키는 상기 제2팽창밸브(66); 및 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 상기 제1압축기(62)에 공급하는 제1주입관(67);을 포함하는 증기주입(vapor injection) 히트펌프를 구비하는 증기생산 히트펌프 시스템으로서,

상기 열교환기(18)에는 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매가 유입되어 상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 증기를 가열하고, 상기 열교환기(18)에서 나온 제1냉매는 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)로 유입되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템를 제공한다.

여기서 상기 캐스케이드 히트펌프는, 상기 인터쿨러(83)에서 응축된 액체 상의 제2냉매를 팽창시키는 제3팽창밸브(84); 상기 제3팽창밸브(84)에서 나온 제2냉매가 유입되는 제2냉매용 플래시탱크(85); 및 상기 제2냉매용 플래시탱크(85)에서 나온 기체 상의 제2냉매를 상기 제2압축기(82)에 공급하는 제2주입관(87);을 더 포함하고, 상기 제4팽창밸브(86)는 제2냉매의 흐름 상 상기 인터쿨러(83)보다 후방에 배치된 상기 제2냉매용 플래시탱크(85)에서 분리된 액체 상의 제2냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 캐스케이드 히트펌프는, 상기 인터쿨러(83)에서 나온 제2냉매의 적어도 일부가 고온 측으로 유입되고, 상기 인터쿨러(83)에서 나온 제2냉매의 나머지가 제3팽창밸브(84)를 거쳐 저온 측으로 유입되며, 고온 측으로 유입된 제2냉매와 저온 측으로 유입된 제2냉매 간 열교환이 이루어지는 제2서브쿨러(89); 및 상기 제2서브쿨러(89)의 저온 측에서 나온 기체 상의 제2냉매를 상기 제2압축기(82)에 공급하는 제2주입관(87);을 더 포함하고, 상기 제4팽창밸브(86)는 제2냉매의 흐름 상 상기 인터쿨러(83)보다 후방에 배치된 상기 제2서브쿨러(89)의 고온 측에서 나온 제2냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 한다.

또한 상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 제4팽창밸브(86)에서 나온 액체 상의 제2냉매가 열원으로부터 열을 흡수하며 증발하는 제2증발기(81); 상기 제2증발기(81)에서 나온 기체 상의 제2냉매를 고압으로 압축하는 제2압축기(82); 상기 제2압축기(82)에서 압축된 고온 고압의 제2냉매가 응축되는 인터쿨러(83); 및

상기 인터쿨러(83)에서 응축된 액체 상의 제2냉매를 팽창시키는 상기 제4팽창밸브(86);를 포함하는 캐스케이드(cascade) 히트펌프와,

제2팽창밸브(66)에서 나온 액체 상의 제1냉매가 상기 인터쿨러(83)로부터 열을 흡수하면서 증발하는 제1증발기(61); 상기 제1증발기(61)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 고압으로 압축하는 제1압축기(62); 상기 제1압축기(62)에서 압축된 고온 고압의 제1냉매가 응축되는 제1응축기(63); 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매의 적어도 일부가 고온 측으로 유입되고, 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매의 나머지가 제1팽창밸브(64)를 거쳐 저온 측으로 유입되며, 고온 측으로 유입된 제1냉매와 저온 측으로 유입된 제1냉매 간 열교환이 이루어지는 제1서브쿨러(69); 상기 제1서브쿨러(69)의 고온 측에서 나온 제1냉매를 팽창시키는 상기 제2팽창밸브(66); 및 상기 제1서브쿨러(69)의 저온 측에서 나온 기체 상의 제1냉매를 상기 제1압축기(62)에 공급하는 제1주입관(67);을 포함하는 증기주입(vapor injection) 히트펌프를 구비하는 증기생산 히트펌프 시스템으로서,

상기 열교환기(18)에는 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매가 유입되어 상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 증기를 가열하고, 상기 열교환기(18)에서 나온 제1냉매는 상기 제1서브쿨러(69)의 고온 측에 유입되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1압축기(62)에서 나온 기체 상의 제1냉매 중 일부는 바이패스관(68)을 통해 상기 열교환기(18)에 유입되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 바이패스관(68)에는 제1냉매의 유량을 제어하는 바이패스 제어밸브(681)가 구비되는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 바이패스 제어밸브(681)는 상기 제1압축기(62)에서 토출되는 기체 상의 제1냉매의 온도가 소정 온도 이상으로 과열된 경우 개방되거나 개방도가 커지는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.

여기서 상기 제1응축기(63)와 상기 열교환기(18) 사이에는 제1냉매의 유량을 제어하는 냉매유입제어밸브(631)가 구비되는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 제1주입관(67)에는 제1냉매의 유량을 제어하는 제1주입제어밸브(671)이 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1주입제어밸브(671)는, 상기 제1압축기(62)의 압축 과정의 실제 과열도가 기 설정된 제1냉매의 기준 과열도보다 높은 경우 개방되거나 개방도가 커지는 것을 특징으로 한다.

상기 열교환기(18)에서 나온 제1냉매는 중간열교환기(91)의 고온 측에 유입되고, 상기 열원의 유체는 상기 중간열교환기(91)의 저온 측에 유입되며, 상기 중간열교환기(91)에서 열교환 후 상기 중간열교환기(91)의 고온 측에서 나온 제1냉매는 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)로 유입되고, 상기 중간열교환기(91)에서 열교환 후 상기 중간열교환기(91)의 저온 측에서 나온 열원의 유체는 상기 제2증발기(81) 쪽으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 열교환기(18)에서 나온 제1냉매가 중간열교환기(91)의 고온 측으로 공급되는 양과 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)으로 공급되는 양을 제어하는 중간공급제어밸브(71)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 중간공급제어밸브(71)는 상기 열원의 유체 온도가 소정의 온도보다 낮은 경우 중간열교환기(91)의 고온 측으로 상기 제1냉매를 공급하거나 더 공급하도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 열교환기(18)에 공급되는 제1냉매의 온도는 상기 유입수의 온도보다 높아, 상기 열교환기(18)가 증기의 건도를 향상시키게 되는 것을 특징으로 한다.

상기 열교환기(18)는 코일 타입이어서 증기의 상승에 방해가 되지 않도록 하며 증기를 가열하여 건도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.

상기 증기용 플래시탱크(30)는, 상기 유입부(32)보다 하부에 마련되어 상기 유입부를 통해 플래시탱크 내부로 유입된 유입수 중 증기가 되지 못하고 응축수가 된 물을 수용하는 응축수 수용부(39); 및 상기 응축수 수용부(39)의 하부에 구비되며 수용된 응축수를 외부로 배출하는 드레인부(34);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 증기용 플래시탱크(30)는, 상기 응축수 수용부의 응축수 수위를 측정하는 레벨게이지(42)를 더 구비하고, 상기 레벨게이지에 의해 측정된 응축수의 수위가 기준 수위를 넘어설 경우 드레인부를 통해 응축수를 배출하는 것을 특징으로 한다.

상기 열교환기(18)로 유입되는 제1냉매의 양은 상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 압력과 증기 온도 중 적어도 어느 하나에 근거하여 제어될 수 있다.

특히 상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 압력이 높을수록 상기 열교환기(18)에 공급되는 제1냉매의 양은 줄어들도록 제어될 수 있다.

또한 상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 증기 온도가 높을수록 상기 열교환기(18)에 공급되는 제1냉매의 양은 줄어들도록 제어될 수 있다.

또한 상기 열교환기(18) 입구의 제1냉매 온도(T1)과 열교환기 출구의 제1냉매 온도(T2)를 비교하여, 두 온도의 차(T1-T2)가 클수록 공급되는 제1냉매의 양은 늘어나고, 온도의 차가 작을수록 공급되는 제1냉매의 양은 줄어들도록 제어될 수 있다.

상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 열교환기(18)와 유입부(32) 사이에는 증기 내의 응축수를 제거하고 증기의 유동을 균일하게 퍼뜨리는 커버 플레이트(50)가 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 커버 플레이트(50)의 외주면의 적어도 일부가 상기 증기용 플래시탱크(30)의 내벽에 의해 지지되고, 상기 커버 플레이트의 외주면에는 증기로부터 제거된 응축수가 증기용 플래시탱크(30)의 바닥으로 흘러내릴 수 있도록 배수로(52)가 형성되며, 상기 커버 플레이트는 중앙부에서 외주면으로 갈수록 점점 낮아지도록 경사진 것을 특징으로 한다.

상기 커버 플레이트(50)의 표면에는 다공부(54)가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 증기용 플래시탱크(30)에는 증기의 압력이 소정 압력 이상으로 상승할 경우 개방되는 안전밸브(46)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 안전밸브는 열교환기(18)보다 상부에 설치되고, 상기 증기의 압력은 열교환기(18)보다 상부에 설치된 압력센서(44)에 의해 측정되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1냉매는 R245fa 인 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 제2냉매는 R134a 또는 R410a인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 코일 타입의 열교환기가 내부에 구비된 증기용 플래시탱크를 통해 간단한 구조로 건도가 향상된 스팀을 공급할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 증기생산 히트펌프 시스템에 증기 주입(Vapor Injection) 시스템을 접목하여 냉매의 압축 과정에서 기체 냉매의 과열도를 낮추고 냉매질량유량을 증가시키며, 과도한 압축비를 줄이기 위해 캐스케이드 시스템을 접목하여, 전체적인 열 효율을 높일 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 응축 과정에서 증기 생산을 위한 물과 열교환을 한 냉매를 증기용 플래시탱크 내부의 상부에 마련된 코일 형태의 열교환기에 분기하여 증기의 건도를 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 증기용 플래시탱크 내의 증기 생산 온도를 고려하여 액냉매 분기율을 제어함으로써 플래시탱크 내의 증기 생산 온도를 제어할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 압축기에 대한 냉매의 증기 주입 유량을 제어하여 압축기에서 냉매의 액압축을 방지할 수 있으며, 압축기에서 토출되는 냉매의 일부를 증기용 플래시탱크의 코일 형태의 열교환기로 분기 공급하는 것을 제어하여 압축기 토출 과열도를 조절함으로써 전체적인 시스템의 효율을 높일 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 압축기에서 토출되는 냉매 가스의 일부와 응축기에서 나오는 액 냉매의 일부를 제어하여 증기용 플래시탱크 내부의 열교환기로 공급하여 증기 생산 온도와 건도를 제어할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 증기용 플래시탱크의 열교환기에서 나온 냉매의 일부를 열원 측과 중간열교환기에서 열교환하여 열원 온도를 높이는 것이 가능하여 저온 열원에 대해서도 히트펌프 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템을 산업 폐열수 분야에서뿐만 아니라, 가정용으로도 사용할 수 있도록 해준다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명에 따른 일실시예에 적용되는 증기용 플래시탱크의 전체적인 구조를 나타낸 모식도,
도 2와 도 3은 본 발명에 따른 일실시예로서 증기 생산 히트펌프 시스템의 증기용 플래시탱크 내에 설치되는 커버 플레이트의 일실시예의 평면도와 측면도,
도 4는 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제1실시예를 나타낸 도면,
도 5는 도 4의 제1냉매에 따른 열역학적 사이클을 엔탈피-압력 선도에 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제2실시예를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제3실시예를 나타낸 도면,
도 8은 도 7의 제1냉매에 따른 열역학적 사이클을 엔탈피-압력 선도에 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제4실시예를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제5실시예를 나타낸 도면,
도 11은 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제6실시예를 나타낸 도면,
도 12는 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제7실시예를 나타낸 도면, 그리고
도 13은 본 발명에 따른 제1냉매로 사용될 수 있는 R245fa의 엔탈피-압력 선도를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

[증기용 플래시탱크의 구조]

도 1은 본 발명에 따른 일실시예로서 증기 생산을 위한 증기용 플래시탱크의 전체적인 구조를 나타낸 모식도이다.

증기용 플래시탱크(30)는 도시된 바와 같이 외부와 격리된 내부 공간을 구비하는 함체이다. 증기용 플래시탱크(30)의 하부 측면에는 유입부(32)가 마련되고, 상단부에는 토출밸브(36)가 마련된다. 그리고 증기용 플래시탱크(30)의 하단부에는 드레인부(34)가 마련된다.

증기용 플래시탱크(30)의 내부 공간에는 유입부(32)를 통해 고온의 고압수가 유입된다. 고온의 고압수가 유입되면서 갑자기 넓은 공간의 증기용 플래시탱크(30) 내부로 유입되면, 부피가 팽창하며 압력이 낮아져 일부 유입수가 기화되어 증기가 생성된다. 기화되지 않은 유입수 부분은 응축수가 되어 증기용 플래시탱크 하부로 떨어지며, 상기 유입부(32)보다 낮은 증기용 플래시탱크(30) 하부 공간은 응축수 수용부(39)가 된다.

상기 증기용 플래시탱크(30)의 측면에는 레벨게이지(42)가 설치된다. 상기 레벨게이지(42)는 증기용 플래시탱크(30) 내에 수용되는 응축수의 수위를 측정 및 감지한다. 그리고 레벨 게이지(42)는, 유입구(32)보다 낮은 위치에 마련된 기준 높이보다 수용부(39)에 수용된 응축수의 수위가 높아지면, 드레인부(34)를 개방하여 응축수를 증기용 플래시탱크(30) 외부로 내보낸다.

증기용 플래시탱크(30) 외부로 내보내진 응축수는, 다시 후술할 제1냉매에 의한 히트펌프의 열역학적 사이클(6)의 응축기 부분과 열교환하며 열을 흡수하는 방식으로 재가열되어 재차 당해 증기용 플래시탱크(30)의 유입부(32)를 통해 증기용 플래시탱크 내부에 고온 고압으로 유입된다. 그리고 증기용 플래시탱크(30)에 공급되는 고압수는 외부에서 지속적으로 보충된다.

한편 상기 유입부(32)를 통해 증기용 플래시탱크(30)로 유입된 고압수로부터 기화된 증기는 위쪽으로 상승하여 올라가게 되며, 위로 올라가던 증기 중 일부는 다시 응축수가 되어 증기용 플래시탱크 바닥으로 떨어질 수 있다.

레벨게이지(42)는 증기용 플래시탱크 내부의 수위가 너무 낮은 경우에는 물을 보충하는 동작을 수행할 수도 있다. 또한 이렇게 보충되는 물, 즉 시수는 증기용 플래시탱크 내부로 직접 공급되지 않고, 드레인부(34)의 배관에 합류하는 방식으로 공급될 수도 있다. 보충되는 물은 상대적으로 온도가 낮을 수 있기 때문에, 고온의 환경을 유지해야 하는 증기용 플래시탱크에 공급되기보다는 외부에서 가열된 후 증기용 플래시탱크 내에 공급되거나, 드레인부(34)를 통해 공급되는 것이 바람직하다.

증기용 플래시탱크(30) 내에서 상기 유입부(32)의 상부에는 커버 플레이트(50)가 설치된다. 도 1을 참조하면, 커버 플레이트(50)는 그 외주면의 적어도 일부가 증기용 플래시탱크(30)의 내벽에 의해 지지됨으로써 증기용 플래시탱크 내에 설치된다.

도 2와 도 3은 본 발명에 따른 일실시예로서 증기용 플래시탱크 내에 설치되는 커버 플레이트의 일실시예의 평면도와 측면도이다. 도 2를 참조하면 커버 플레이트(50)에는 다공부(54)가 구비되어 있다. 다공부(54)는 유입부를 통해 증기용 플래시탱크 내로 유입된 수증기가 증기용 플래시탱크 내에서 떠오를 때 수증기를 골고루 분산시켜주는 기능을 한다. 이는 후술할 코일 형태의 열교환기(18)와 수증기 사이에 열교환이 더욱 원활하게 일어나도록 해준다.

상술한 바와 같이 커버 플레이트(50)의 외주면은 증기용 플래시탱크의 내주면에 고정되며, 커버 플레이트(50)는 도 3과 같이 가운데가 가장 높고 외주로 갈수록 높이가 낮아지는 삿갓 형태일 수 있다. 그리고 그 경사각(a)은 대략 1~3˚ 정도일 수 있다. 경사각이 3˚ 이상이면 증기의 분산 기능이 떨어지고, 경사각이 1˚ 이하이면 커버 플레이트(50)를 통과하던 증기 중 일부가 다시 액화됨으로 인해 커버 플레이트에 맺히는 물이 원활히 이동하지 않고 제자리에 머무르게 되어, 커버 플레이트(50)에 맺힌 물이 수증기의 액화를 가속화하는 문제가 생긴다.

삿갓 형태의 커버 플레이트는 도 2에 도시된 바와 같이 외주에 배수로(52)가 형성되어 있다. 배수로는 도시된 바와 같이 홈 형태일 수 있다. 따라서 삿갓 형태의 커버 플레이트에 맺힌 물은 가장자리로 이동하여 배수로(52)를 통해 증기용 플래시탱크(30) 밑에 있는 응축수 수용부(39)로 떨어질 수 있다.

상술한 레벨 게이지(42)와 유입부(32)는 커버 플레이트(50)보다 하부에 위치한다.

커버 플레이트(50)보다 위쪽에는 열교환기(18)가 위치한다. 열교환기(18)에는 제1냉매가 유입되고, 열교환기 내부의 제1냉매와 증기용 플래시탱크 내부의 증기 사이에서 열교환이 이루어진다. 열교환기 내부의 제1냉매의 온도가 증기용 플래시탱크 내부의 증기 온도보다 높은 경우에는 증기용 플래시탱크 내부의 증기가 열교환기로부터 가열되어 증기 내에 있던 수분이 기화되도록 촉진한다. 따라서 증기용 플래시탱크 내의 열교환기에 공급된 고온의 제1냉매에 의해 증기의 건도가 향상된다.

상술한 제1냉매는 도 13에 도시된 바와 같이 임계온도가 섭씨 154도에 이르는 R245fa일 수 있다.

열교환기(18)는 열교환기 내부를 유동하는 제1냉매가 열교환기 외부, 즉 증기용 플래시탱크 내부 공간으로 혼합되지 않도록 두 공간을 확실히 격리한다. 또한 상승하는 증기에 대한 열교환인 점을 감안하여, 본 발명에서는 도시된 바와 같이 코일 타입의 열교환기를 구성하여 증기와의 열교환 효율을 더욱 높였다. 구체적으로 설명하면, 고온의 내부 압력에 대해 효과적으로 견디도록 하기 위해 증기용 플래시탱크의 측면 자체가 원기둥 형태로 제작될 수 있으며, 이러한 원기둥 형태의 증기용 플래시탱크와 기하학적으로 대응할 수 있는 원기둥 형상을 가지는 코일 타입의 열교환기를 적용함으로써, 본 발명에서는 상승하는 증기에 대한 열교환 효율을 더욱 높일 수 있다. 물론 증기용 플래시탱크의 원기둥 형상의 중심축과 열교환기의 중심축은 서로 정렬될 수 있다.

상술한 바와 같이 열교환기(18)는 증기를 재가열하여 증기 내에 포함된 수분을 확실히 기화시켜 건도를 향상시키기 위한 구성이므로, 이미 증기의 건도가 확보되어 재가열할 필요가 없을 정도로 증기용 플래시탱크 내의 증기 온도가 높다면 열교환기로 제1냉매가 흐르지 않도록 제어할 수 있고, 수증기를 재가열해야 하는 정도에 따라 열교환기로 흐르는 제1냉매의 양을 조절할 수도 있다.

열교환기 내로 흐르는 제1냉매의 유동 여부와 유동량 조절을 하는 제어 인자로서는 증기용 플래시탱크 내의 압력이 있을 수 있다. 증기용 플래시탱크 내에는 압력센서(44)가 설치되어 있어 내부의 압력을 지속적으로 모니터링한다. 증기용 플래시탱크 내의 압력이 높다는 것은 증기용 플래시탱크 내의 증기의 온도가 더 높다는 것을 의미할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 일 실시예에서는 증기용 플래시탱크 내부의 압력이 높을수록 열교환기로 유입되는 제1냉매의 양은 적어지고, 증기용 플래시탱크 내부의 압력이 낮을수록 열교환기로 유입되는 제1냉매의 양은 많아지게 제어할 수 있다.

냉매의 흐름 단속이나 유동량 조절을 하는 다른 제어 인자로서는 증기용 플래시탱크 내의 온도가 있을 수 있다. 이 때에는 증기용 플래시탱크 내부의 온도가 높을수록 열교환기로 유입되는 제1냉매의 양은 적어지고, 증기용 플래시탱크 내부의 온도가 낮을수록 열교환기로 유입되는 제1냉매의 양은 많아지게 제어할 수 있다.

또한 열교환기에 대한 제1냉매의 흐름 단속이나 유동량 조절을 하는 다른 제어 인자로서는 생산되는 증기의 온도가 있을 수 있다. 즉 토출되는 증기의 온도를 측정하여, 증기의 온도가 높으면 제1냉매의 유량을 줄여 열교환기(18)에서 열교환 되는 양을 줄이고, 증기의 온도가 낮으면 제1냉매의 유량을 증기시켜 증기의 온도를 높일 수 있다.

또한 이때 열교환기(18) 제1냉매 유입부의 제1냉매 온도(T1)와 열교환기(18) 제1냉매 유출부의 제1냉매 온도(T2)가 열교환기에 유입되는 제1냉매의 유량을 조절하는 참고 제어 인자일 수 있다. 즉 증기의 질량유량과 열교환기(18) 제1냉매 유입부의 제1냉매 온도(T1)가 일정한 상태에서 상기 제1냉매 온도(T1)과 열교환기 출구의 제1냉매 온도(T2)를 비교하여, 두 온도의 차(T1-T2)가 크면, 증기의 질량유량에 비해 제1냉매의 질량유량이 작다는 의미이며, 이는 제1냉매의 질량유량을 증기시켜 열교환되는 양을 증가시킬 필요가 있다는 의미가 된다. 반대로 두 온도의 차(T1-T2)가 작으면, 증기의 질량유량에 비해 제1냉매의 질량유량이 크다는 의미로서, 이 때에는 제1냉매의 질량유량을 감소시켜 열교환되는 양을 감소시킬 필요가 있다는 의미가 된다. 다만 두 온도의 차이(T1-T2)는 증기의 온도와 관련하여 열교환되는 참고 제어 요소로서, 이는 열교환기(18) 제1냉매 유입부의 제1냉매 온도(T1)와 증기와 냉매의 질량유량에 의해 달라질 수 있다.

이처럼 본 발명에 따르면 건도가 낮은 증기를 열교환기로 2차 가열하여 건도가 높은 고품질의 증기로 만드는 것이 가능하다. 특히 본 발명과 같이 열교환기를 통해 증기를 2차 가열하여 건도를 높이는 경우 종래의 방식 대비 증기의 압력이 더욱 높아질 수 있다.

이러한 점을 감안하여 본 발명에서는 증기용 플래시탱크의 열교환기 상부에 압력센서(44)가 설치된다. 압력센서(44)는 증기용 플래시탱크 내부의 압력 중 특히 열교환기를 지나며 가열되어 상승한 증기의 압력을 지속적으로 모니터링한다. 그리고 모니터링 결과, 내부 압력이 지나치게 높음이 감지된 경우에는 증기용 플래시탱크 상부에 설치된 안전밸브(46)를 통하여 증기 일부를 릴리즈 함으로써 증기용 플래시탱크의 파손이나 폭발을 방지한다. 안전밸브 역시 열교환기보다 상부에 설치되어 있어서, 가장 압력이 높은 증기용 플래시탱크 내부 영역의 압력을 가장 직접적이고 효과적으로 해소할 수 있다.

증기용 플래시탱크 열교환기 상부에는 토출밸브(36)가 설치되어 있어서 산업 현장 등에 공급되는 증기(스팀)의 양을 제어한다. 토출밸브(36)를 통해 토출되어 각 산업 현장에 공급되는 증기는, 열교환기에 의해 2차 가열되어 건도가 향상된 증기로서, 배관과 주요 기기의 수명을 단축시킬 염려가 없으며, 질이 높은 고온의 증기로서 산업 현장에서 활용하기에 더욱 유익하다.

한편 상기 열교환기로 유입되는 제1냉매는, 상기 열교환기로 유입되기 전에, 순환 응축수 및 증기가 생산된 만큼 보충된 양의 시수를, 산업현장에서 버려지는 폐열, 브라인 등의 열원으로부터 열을 흡수한 히트펌프 시스템의 제1응축기에서 가열한 후, 상기 열교환기로 열을 공급할 수 있다.

열교환기로 유입되는 제1냉매의 경우, 본 발명에서 건도를 향상시켜 고품질의 증기를 생산하기 위해 요구되는 온도가 약 섭씨 120도 정도인 것을 감안하면, 가령 R-245fa 냉매를 사용할 수 있다. 그리고 산업 현장의 폐열 등은 섭씨 60도 내외인 경우가 대부분인데, 이는 직접 열교환기로 공급되기에는 낮은 온도이다. 따라서 상기 냉매가 압축-응축-팽창-증발의 과정을 거치도록 하되, 증발 과정에서 상기 산업 현장의 폐열을 회수하도록 하고, 압축을 통해 기체 상의 제1냉매를 고온으로 만든 후 열교환기에 유입되도록 함으로써, 증기용 플래시탱크 내의 증기를 2차 가열하여 건도를 향상시킬 수 있다.

또한 압축된 고온의 냉매가 응축되는 과정에서 발생하는 열을, 상기 증기용 플래시탱크의 드레인부(34)를 통해 유출시킨 응축수와 시수를 가열하는데 사용하거나, 증기용 플래시탱크에 공급되는 물을 가열하는데 사용함으로써, 증기용 플래시탱크 내부로 유입시키는 고온 고압수를 생성할 수 있다.

[고온증기 생산용 히트펌프 시스템의 제1실시예]

도 4는 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제1실시예를 나타낸 도면, 도 5는 도 4의 제1냉매에 따른 열역학적 사이클을 엔탈피-압력 선도에 나타낸 그래프, 그리고 도 13은 본 발명에 따른 제1냉매로 사용될 수 있는 R245fa의 엔탈피-압력 선도를 나타낸 그래프이다.

앞서 설명한 바와 같이 섭씨 120도 이상의 증기를 생산하기 위한 냉매는 임계 온도가 그 이상이어야 한다. 도 13을 참조하면, R245fa는 임계온도가 섭씨 154도에 이르므로, 열역학적 사이클 내에서 열을 전달해 주어야 하는 저온 측 온도(섭씨 120도)보다 높은 온도까지 상승할 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면 열원은 산업 현장에서 버려지는 섭씨 약 60도 정도의 폐열수일 수 있다. 도 13을 참조하면, 섭씨 약 60도에서 120도까지 R245fa의 P-h 선도에서의 증기포화곡선은, 통상적인 냉매들과 달리, 등엔트로피 라인보다 더 누워 있는 상태이다. 따라서 압축 과정에서 액 압축이 발생하는 것을 방지하기 위해서는, 압축이 시작되는 시점에서 증발된 냉매가 상당히 과열된 상태로 압축되는 과열 압축(superheated compression)이 일어나야 한다.

참고로 액 압축(liquid compression)이란, 비압축성의 액체가 압축기의 실린더에 흡입되면 압력이 높아져서 격렬한 충격음과 진동을 수반하면서 압축기를 파손시키는 현상으로서, 액 냉매가 압축기에 유입되면, 실린더 벽 등의 윤활유를 씻어내 버리는 문제점, 윤활유의 농도를 저하시켜 버리는 문제점, 오일 포밍(oil foaming)을 일으켜 급격하게 오일유량을 감소시킬 위험성 등이 있다. 이러한 액 압축은, 팽창밸브의 개도가 클 때, 증발기 팬 등이 정지되는 것과 같이 급격한 부하변동에 대해 팽창밸브가 대응하지 못할 때, 시스템을 정지한 후 저온부인 증발기 쪽에 다량의 액냉매가 모여 있다가 다음 시동 시점에 한꺼번에 압축기에 흡입될 때, 장시간 정지 후 재기동시 오일 포밍이 일어날 때, 히트펌프 시스템에서 냉난방 절환 운전시나 제상 사이클의 개시 등 운전 사이클이 급격하게 변화할 때 주로 발생한다.

본 발명은 상술한 특성을 가지는 R245fa 냉매를 사용하더라도, 히트펌프의 효율을 높이면서 건도가 높은 고온의 증기를 생산할 수 있는 히트펌프 시스템을 제공하기 위한 것이다.

도 4를 참조하면, 섭씨 60도 정도의 산업용 폐열수 등으로 이루어지는 열원(10)의 유체는 제1증발기(61) 쪽으로 공급되어 제1증발기(61) 내의 제1냉매와 열교환을 한다(도 5의 ⑧→①). 이에 따라 제1냉매는 저압의 상태에서 증발되어 열원수의 온도에 상응하는 대략 섭씨 60~70도 정도의 기체 상이 된다.

저온 저압의 기체 상의 제1냉매는 압축기(62)로 유입되어 고온 고압으로 압축된다(도 5의 ①→④). 압축기 토출부에서 상기 제1냉매는 섭씨 약 133도까지 승온된 상태가 된다. 그리고 고온 고압의 기체 상의 제1냉매는 제1응축기(63)를 거치면서, 증기용 플래시탱크(30)에서 드레인부(34)를 통해 배출된 물 및 여기에 보충된 시수를 가열하며 응축된다(도 5의 ④→⑤).

제1응축기(63)에서 제1냉매와 열교환을 통해 약 섭씨 120도 정도로 승온된 고온 고압의 유입수는 유입부(32)를 통해 증기용 플래시탱크(30) 내부로 유입된다. 증기용 플래시탱크(30) 내부로 유입되면서 갑자기 팽창되는 공간에서 고온 고압의 유입수는 압력이 낮아지며 기화가 일어나게 된다. 유입수로부터 기화된 증기는 증기용 플래시탱크(30) 내에서 상부로 이동하고, 미처 기화되지 못한 고온의 물은 증기용 플래시탱크 바닥의 응축수 수용부(39)로 낙하하게 된다. 응축수 수용부(39)에 수용된 고온의 물은 드레인부(34)를 통해 배출되고 보충수인 시수와 합류하며 펌프(48)에 의해 가압수가 된다. 이러한 가압수의 온도는 섭씨 118도 정도가 될 수 있으며, 제1응축기(63) 쪽으로 공급된다. 그리고 제1응축기(63)를 거치며 제1냉매와 열교환하여 가열된 고온 고압의 유입수는 앞서 설명한 증기용 플래시탱크(30)에 제차 유입된다.

한편 상기 제1응축기(63)를 통해 상기 가압수와 열교환을 하고 응축된 제1냉매는 섭씨 약 125도 정도의 액상이며, 이처럼 제1응축기를 통해 응축된 제1냉매의 일부는 상기 증기용 플래시탱크 내에서 상부에 마련된 열교환기(18)로 공급된다. 상기 제1응축기(63)의 후방에서 상기 열교환기(18)로 공급되는 제1냉매의 양은 제1열교환기(18)의 후단과 제1응축기(63)를 연결하는 관로에 있는 냉매유입제어밸브(631)에 의해 제어될 수 있다. 상기 냉매유입제어밸브(631)에 의해 유입되는 제1냉매의 양의 제어 방식의 실시예들에 대해서는 앞서 설명한 바 있다.

또한 제1실시예의 시스템에서 이러한 냉매유입제어밸브(631)의 제어를 통해, 플래시탱크에서 생산되는 증기의 온도를 고려하여 분기율을 결정하는 것이 가능함은 물론이다.

열교환기(18) 내에서 고온의 제1냉매는 상기 증기용 플래시탱크에서 기화되어 상승하는 섭씨 약 120도 정도의 증기와 열교환하여 증기 내에 있는 수분을 제차 가열하여 완전히 기화시킴으로써, 증기의 건도를 높여주고 증기 온도를 한번 더 상승시켜주게 된다.

이처럼 약 섭씨 120도 정도가 되는 증기는 증기용 플래시탱크의 상부를 통해 배관으로 빠져나가 각 수요처에 공급된다.

앞서 설명한 제1응축기(63)에서 나온 액상의 제1냉매 중 열교환기(18) 쪽으로 공급된 냉매를 제외한 나머지 냉매는 제1팽창밸브(64)를 거치며 압력이 낮아진 상태에서 제1냉매용 플래시탱크(65)에 유입된다(도 5의 ⑤→⑥). 또한 열교환기(18)로 공급된 제1냉매 역시, 증기용 플래시탱크(30) 내에서 증기의 건도를 향상시키는 열교환을 한 후, 제1냉매용 플래시탱크(65)로 유입된다.

제1냉매용 플래시탱크(65)는 수액기의 기능을 하여, 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매 중 미처 액화되지 않은 기체 상의 제1냉매가 제1증발기(61)로 유입되지 않도록 차단하고, 제1냉매용 플래시탱크(65)에서 기체 상으로 존재하는 제1냉매를 제1압축기(62)에 공급하게 된다. 제1압축기(62)의 중간압실로 공급되는 제1냉매용 플래시탱크(65) 내의 제1냉매는, 제1주입제어밸브(671)에 의해 그 공급 여부와 공급량이 제어되며, 제1주입관(67)을 통해 주입된다.

상기 제1주입제어밸브(671)는 상기 제1압축기(62)에서 토출되는 기체 상의 제1냉매의 온도가 소정의 온도 이상으로 과열되었는지를 센싱하여, 소정 온도 이상으로 과열된 경우 개방될 수 있으며, 얼마만큼 과열되었는가 하는 정도에 따라 그에 대응하도록 개방도를 조절할 수도 있다.

또한 제1주입제어밸브(671)는, 상기 제1압축기(62)의 압축 과정의 실제 과열도가 기 설정된 제1냉매의 기준 과열도보다 높은 경우 개방되도록 할 수 있고, 과열도의 정도에 따라 개방도가 더 커지도록 제어될 수도 있다.

제1압축기(62)의 중간압실에 상기 증기 주입(vapor injection) 방식을 통해 제1냉매용 플래시탱크(65)의 냉매가 공급되면(도 5의 ⑥→⑦), 제1압축기(62) 내에서 압축되며 승온되던 제1냉매의 온도가 낮아지게 되고(도 5의 ②→③), 이에 따라 압축 과정에서 지나친 과열 압축이 일어나는 현상을 방지할 수 있게 된다. 압축 과정에서 과열도가 높아지면 그만큼 냉매순환 질량유량이 줄어들게 되어 히트펌프 시스템의 효율은 떨어질 우려가 있는데, 본 발명에서는 상기 증기 주입 방식을 적용하여 압축 과정에서 제1냉매의 과열도를 조절함으로써, 냉매순환 질량유량이 지나치게 줄어드는 것을 방지하도록 하였다.

한편 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)에서 액체 상태로 존재하게 되는 제1냉매는 액체 상태로 제2팽창밸브(66)를 통과하며 확실히 감압되고(도 5의 ⑦→⑧), 제1증발기(61)로 공급되어 외부 열원(10)으로부터 열을 받아 증발하게 된다(도 5의 ⑧→①).

제1실시예에 따른 증기생산 히트펌프 시스템에 의하면, 제1압축기(62)의 중간압실에 제1응축기(63) 후방의 제1냉매용 플래시탱크(65)로부터 기체 상의 제1냉매를 공급함으로써 제1압축기(62) 내의 냉매의 온도를 낮추어 제1압축기(62)의 토출 부분에서 제1냉매의 온도를 낮춤으로써 냉매질량유량을 증가시켜 증기생산 히트펌프 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 제1응축기(63) 후방에서 액상의 제1냉매의 일부를 증기용 플래시탱크(30)의 열교환기(18)로 공급하여 증기용 플래시탱크(30) 내의 건도가 낮은 증기와 열교환하도록 함으로써, 증기를 가열하여 그 건도를 더욱 높일 수 있다.

[고온증기 생산용 히트펌프 시스템의 제2실시예]

도 6은 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제2실시예를 나타낸 도면이다.

제2실시예는 상술한 제1실시예와 대비하여, 제1압축기(62)의 후방과 제1응축기(63)의 전방에 해당하는 제1냉매의 유동 경로에서, 제1압축기(62)의 후방에서 토출된 고온 고압의 기체 상의 제1냉매를 바이패스 하여 상기 열교환기(18)로 공급하는 구조가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1냉매의 바이패스는 제1압축기(62)와 제1응축기(63) 사이에서 분기되어 상기 냉매유입제어밸브(631)와 열교환기(18) 사이로 합류되는 바이패스관(68)을 통해 이루어질 수 있으며, 이러한 제1냉매의 바이패스 양은 바이패스제어밸브(681)에 의해 제어될 수 있다.

바이패스 제어밸브(681)는 상기 제1압축기(62)에서 토출되는 기체 상의 제1냉매의 온도가 소정 온도 이상으로 과열된 경우 개방되거나(되고), 과열도의 정도에 비례하여 개방도가 조절될 수 있다.

제2실시예에 따르면, 증기용 플래시탱크(30)에 구비된 열교환기(18)에 공급되는 제1냉매가 제1응축기(63)에서 열교환한 액 냉매의 일부를 활용할 뿐만 아니라, 제1압축기(62)에서 토출되는 가스냉매의 일부를 활용한다는 점에 특징이 있으며, 이를 통해 증기용 플래시탱크(30)에서 생산되는 증기의 온도와 건도를 제어할 수 있다.

또한 제2실시예에 따르면, 제1압축기(62)에서 토출되는 기체 상의 제1냉매의 과열도의 온도가 낮아 액압축이 되지 않도록 하여 신뢰성을 확보하고, 반대로 과열도의 온도가 높아 시스템의 효율을 저하시키는 것을 방지하기 위해, 상기 제1주입제어밸브(671)와 바이패스제어밸브(681)를 제어하여, 제1냉매용 플래시탱크(65)에서 제1압축기(62)로 토출되는 가스 냉매를 분기 제어하고, 제1압축기(62)의 토출부에서 열교환기(18)로 바이패스하는 가스 냉매를 분기 제어할 수 있다.

[고온증기 생산용 히트펌프 시스템의 제3실시예]

도 7은 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제3실시예를 나타낸 도면, 도 8은 도 7의 제1냉매에 따른 열역학적 사이클을 엔탈피-압력 선도에 나타낸 그래프이다.

제3실시예는 제2실시예와 대비하여, 증기 주입(vapor injection) 방식이 제1냉매용 플래시탱크(65)가 아닌 제1서브쿨러(69)를 이용하는 방식으로 변경된 점에서 제2실시예와 차이가 있다.

섭씨 60도 정도의 산업용 폐열수 등으로 이루어지는 열원(10)의 유체는 제1증발기(61) 쪽으로 공급되어 제1증발기(61) 내의 제1냉매와 열교환을 한다(도 8의 ⑦→①). 이에 따라 제1냉매는 저압의 상태에서 증발되어 열원수의 온도에 상응하는 대략 섭씨 60~70도 정도의 기체 상이 된다.

저온 저압의 기체 상의 제1냉매는 압축기(62)로 유입되어 고온 고압으로 압축된다(도 8의 ①→④). 압축기 토출부에서 상기 제1냉매는 섭씨 약 133도까지 승온된 상태가 된다. 그리고 고온 고압의 기체 상의 제1냉매는 제1응축기(63)를 거치면서, 증기용 플래시탱크(30)에서 드레인부(34)를 통해 배출된 물 및 여기에 보충된 시수를 가열하며 응축된다(도 8의 ④→⑤).

제1응축기(63)에서 제1냉매와 열교환을 통해 약 섭씨 120도 정도로 승온된 고온 고압의 유입수는 유입부(32)를 통해 증기용 플래시탱크(30) 내부로 유입되고, 유입수로부터 기화된 증기는 증기용 플래시탱크(30) 내에서 상부로 이동하고, 미처 기화되지 못한 고온의 물은 증기용 플래시탱크 바닥의 응축수 수용부(39)로 낙하하게 된다. 응축수 수용부(39)에 수용된 고온의 물은 드레인부(34)를 통해 배출되고 보충수인 시수와 합류하며 펌프(48)에 의해 가압수가 된다. 이러한 가압수의 온도는 섭씨 118도 정도가 될 수 있으며, 제1응축기(63) 쪽으로 공급된다. 그리고 제1응축기(63)를 거치며 제1냉매와 열교환하여 가열된 고온 고압의 유입수는 앞서 설명한 증기용 플래시탱크(30)에 제차 유입된다.

상기 제1응축기(63)를 통해 상기 가압수와 열교환을 하고 응축된 제1냉매는 섭씨 약 125도 정도의 액상이며, 이처럼 제1응축기를 통해 응축된 제1냉매는, 기본적으로는 제1서브쿨러(69)의 고온 측으로 유입된다. 그리고 제1응축기를 통해 응축된 제1냉매의 일부는 상기 증기용 플래시탱크 내에서 상부에 마련된 열교환기(18)를 거쳐 제1서브쿨러(69)의 고온 측으로 공급된다. 여기서 제1응축기의 후방에서 열교환기로 공급되는 제1냉매의 양은 냉매유입제어밸브(631)에 의해 제어된다. 상기 제1응축기(63)의 후방에서 상기 열교환기(18)로 공급되는 제1냉매의 양의 제어 방식의 실시예들에 대해서는 앞서 증기용 플래시탱크에 대한 실시예에서 설명한 바 있다. 제3실시예의 시스템에서도, 증기용 플래시탱크에서 생산되는 증기의 온도를 고려하여 상기 냉매유입제어밸브(631)를 통해 제1냉매의 분기율을 결정하는 것이 가능함은 물론이다.

열교환기(18) 내에서 고온의 제1냉매는 상기 증기용 플래시탱크에서 기화되어 상승하는 섭씨 약 120도 정도의 증기와 열교환하여 증기 내에 있는 수분을 제차 가열하여 완전히 기화시킴으로써, 증기의 건도를 높여주고 증기 온도를 한번 더 상승시켜주게 된다. 이처럼 약 섭씨 120도 정도가 되는 증기는 증기용 플래시탱크의 상부를 통해 배관으로 빠져나가 각 수요처에 공급된다.

한편 제1응축기를 통해 응축된 제1냉매 중 일부는 제1팽창밸브(64)를 거쳐 제1서브쿨러(69)의 저온 측에 공급된다(도 8의 ⑤→⑧).

제1서브쿨러(69)의 고온 측의 제1냉매와 저온 측의 제1냉매는 열교환하게 된다(도 8의 ⑤→⑥, ⑧→⑨). 제1서브쿨러(69)는 저온 측과 고온 측이 서로 열교환하되, 열교환되는 두 유체는 서로 섞이지 않는다. 제1서브쿨러(69)의 저온 측의 출구는, 제1주입관(67)을 통해 상기 제1압축기(62)의 중간압실로 연결된다. 제1서브쿨러(69)의 저온 측에서 열교환을 통해 가열된 제1냉매는 증발하게 되고(도 8의 ⑨), 상기 제1압축기(62)의 중간압실에 유입되어 제1압축기(62) 내의 기체의 과열도의 온도를 낮추게 된다(도 8의 ⑨→③, ②→③). 여기서 상기 제1응축기(63)에 증기 주입(vapor injection) 형태로 공급되는 기체 상의 제1냉매의 양은 상기 제1팽창밸브(64)의 유량 제어에 의해 결정될 수 있다.

상기 제1팽창밸브(64)는 상기 제1압축기(62)에서 토출되는 기체 상의 제1냉매의 온도가 소정의 온도 이상으로 과열되었는지를 센싱하여, 소정 온도 이상으로 과열된 경우 개방될 수 있으며, 얼마만큼 과열되었는가 하는 정도에 따라 그에 대응하도록 개방도를 조절할 수도 있다.

또한 제1팽창밸브(64)는, 상기 제1압축기(62)의 압축 과정의 실제 과열도가 기 설정된 제1냉매의 기준 과열도보다 높은 경우 개방되도록 할 수 있고, 과열도의 정도에 따라 개방도가 더 커지도록 제어될 수도 있다.

제1압축기(62)의 중간압실에 상기 증기 주입(vapor injection) 방식을 통해 제1서브쿨러(69)의 냉매가 공급되면(도 8의 ⑨→③), 제1압축기(62) 내에서 압축되며 승온되던 제1냉매의 온도가 낮아지게 되고(도 8의 ②→③), 이에 따라 압축 과정에서 지나친 과열 압축이 일어나는 현상을 방지할 수 있게 된다. 압축 과정에서 과열도가 높아지면 그만큼 냉매순환 질량유량이 줄어들게 되어 히트펌프 시스템의 효율은 떨어질 우려가 있는데, 본 발명에서는 상기 증기 주입 방식을 적용하여 압축 과정에서 제1냉매의 과열도를 조절함으로써, 냉매순환 질량유량이 지나치게 줄어드는 것을 방지하도록 하였다.

한편 상기 제1서브쿨러의 고온 측으로부터 유출된 액 냉매는 제2팽창밸브(66)를 통과하며 확실히 감압되고(도 8의 ⑥→⑦), 제1증발기(61)로 공급되어 외부 열원(10)으로부터 열을 받아 증발하게 된다(도 8의 ⑦→①).

제3실시예에 따른 증기생산 히트펌프 시스템의 효과에 대해서는 제2실시예와 중복되는 면이 있어 그 설명은 생략하기로 한다.

[고온증기 생산용 히트펌프 시스템의 제4실시예]

도 9는 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제4실시예를 나타낸 도면이다.

제4실시예의 히트펌프 시스템은, 제2실시예의 히트펌프 시스템에 더하여, 캐스케이드 히트펌프 구조를 더 적용하였다는 점에 특징이 있다.

먼저 캐스케이드를 구성하기 위해, 제2실시예에 있어서 제1냉매 사이클(6)의 제1증발기(61) 대신, 제4실시예의 제1냉매 사이클(6)에서는 인터쿨러(83)가 적용되어 있다는 점에서 차이가 있다. 제2실시예에서는 제1증발기(61)의 제1냉매가 열원(10)으로부터 열을 받아 증발하였다면, 제4실시예에서는 인터쿨러(83)의 제1냉매가 제2냉매 사이클(8)의 제2냉매로부터 열을 받아 증발한다는 점에 차이가 있다.

캐스케이드 히트펌프로 추가되는 제2냉매 사이클(8)을 살펴보면, 제2증발기(81) 내의 제2냉매는 열원(10)의 유체와 증발함으로써 저온 저압의 기체 상의 냉매가 된다. 그리고 제2압축기(82)로 유입되어 압축됨으로써 고온 고압의 기체 상의 제2냉매로 토출된다. 기체 상의 제2냉매는 인터쿨러(83)의 고온 측으로 유입되어 인터쿨러(83)의 저온 측의 제1냉매와 열교환하여, 제1냉매는 증발하고, 제2냉매는 응축된다. 인터쿨러(83)에서 나온 액 상의 제2냉매는 제4팽창밸브(86)를 통해 압력이 낮아지게 되고, 다시 앞서 설명한 제2증발기(81)로 유입되어 증발, 압축, 응축, 팽창의 열역학적 사이클을 이루게 된다. 제4실시예에서 열원과 제1냉매 사이에 있는 제2냉매 사이클(8)은 통상적인 히트 펌프 구조가 적용되었다.

이렇게 캐스케이드 히트펌프 구조를 적용함으로써, 본 발명은, 섭씨 60도 이하의 열원 온도에 대해서도 히트펌프 시스템을 구성할 수 있게 된다.

제2냉매 사이클은 섭씨 60도보다 낮은 온도에서 대략 섭씨 70도의 타겟 온도를 가지도록 설계할 수 있으므로, 가용엔탈피차(냉매밀도)가 큰 R134a 또는 R410a 등을 적용하여 운용 효율을 높일 수 있다.

제4실시예에 의하면, 제1냉매 사이클(6)은 제1냉매용 플래시탱크(65)가 적용된 증기 주입 히트펌프 시스템(제2실시예 참조)을 적용하고, 제2냉매 사이클(8)은 통상적인 캐스케이드 히트펌프 시스템을 적용한 사항이 예시되어 있다. 그러나 제4실시예에 대한 변형예로서, 이러한 캐스케이드 히트펌프 시스템은 제1냉매 사이클(6)로서 제1서브쿨러(69)가 적용된 증기 주입 히트펌프 시스템(제3실시예 참조)을 적용하여 구성할 수 있음은 물론이다.

[고온증기 생산용 히트펌프 시스템의 제5실시예]

도 10은 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제5실시예를 나타낸 도면이다.

도 10에 도시된 제5실시예의 히트펌프 시스템은, 보다 더 다양한 열원을 확보하고 히트펌프 시스템의 효율을 더욱 높이기 위해서, 제4실시예의 열교환기(18)로부터 제1냉매용 플래시탱크(65)로 유입되는 냉매의 일부 또는 전부를 열원 쪽으로 공급하여 중간열교환기(91)에서 열교환되도록 함으로써, 제2증발기(81)에서 제2냉매와 열교환하는 열원 유체를 승온시키는 것을 추가적인 특징으로 한다. 중간열교환기(91)에서 열교환한 제1냉매는, 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)로 리턴한다. 중간열교환기(91)로 공급되는 제1냉매의 온도는, 약 섭씨 121도 정도일 수 있으며, 이는 섭씨 60도 이하의 열원을 사용할 때 열원의 온도를 상승시켜 히트펌프의 효율을 향상시키는데 기여한다.

즉 열교환기(18)에서 나온 제1냉매는 중간열교환기(91)의 고온 측에 유입되고, 열원(10)의 유체는 상기 중간열교환기(91)의 저온 측에 유입되며, 상기 중간열교환기(91)에서 열교환 후 상기 중간열교환기(91)의 고온 측에서 나온 제1냉매는 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)로 리턴되고, 상기 중간열교환기(91)에서 열교환 후 상기 중간열교환기(91)의 저온 측에서 나온 열원의 유체는 상기 제2증발기(81) 쪽으로 공급된다.

이렇게 중간열교환기(91)를 통해 열교환하여 열원의 온도를 높여주게 되면, 제2압축기(82)에서 해야 하는 일의 양이 줄어들게 되고, 이는 시스템 효율의 향상으로 이어질 수 있다.

중간열교환기(91)로 제1냉매를 공급하는 양은 중간공급제어밸브(71)에 의해 결정될 수 있으며, 상기 중간공급제어밸브(71)는 열원의 온도에 따라 개방도가 조절될 수 있다. 가령 열원의 유체 온도가 소정의 온도보다 낮은 경우 중간열교환기(91)의 고온 측으로 상기 제1냉매를 공급하도록 할 수 있음은 물론, 열원의 온도가 소정의 기준 온도보다 낮은 정도에 따라 상기 밸브(71)의 개방도를 조절할 수도 있다.

[고온증기 생산용 히트펌프 시스템의 제6실시예]

도 11은 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제6실시예를 나타낸 도면이다. 도 11에 도시된 제6실시예는, 제5실시예와 대비하여, 제2냉매 사이클(8) 역시 제1냉매용 사이클(6)과 마찬가지로 제2냉매용 플래시탱크(85)를 적용한 증기 주입 히트펌프 시스템을 적용하였다는 점에 차이가 있다.

즉 제5실시예와 대비하여, 제6실시예에서는 인터쿨러(83)에서 나온 액체 상의 제2냉매가 제3팽창밸브(84)를 통해 제2냉매용 플래시탱크(85)에 유입되고, 제2냉매용 플래시탱크(85)의 기체 상의 제2냉매는 상기 플래시탱크(85)와 제2압축기(82)를 연결하는 제2주입관(87)을 통해 제2압축기(82)에 주입될 수 있으며, 그 주입 양은 제2주입관(87)에 마련된 제2주입제어밸브(871)에 의해 제어되고, 제2냉매용 플래시탱크(85)에서 나온 액체 상의 제2냉매는 제4팽창밸브(86)를 거쳐 제2증발기(81)에 공급되는 점에서, 상기 제5실시예와 차이가 있다.

제6실시예에 따르면, 제2냉매 사이클(8)에서도 증기 주입 히트펌프 시스템을 적용함으로써, 지나친 과열 압축으로 인해 제2압축기(82) 후방의 질량 유량이 감소하는 것을 방지하여 시스템의 효율을 더욱 높일 수 있다.

제6실시예에 의하면, 제1냉매 사이클(6)은 제1냉매용 플래시탱크(65)가 적용된 증기 주입 히트펌프 시스템(제2실시예 참조)을 적용하고, 제2냉매 사이클(8)에 제2냉매용 플래시탱크(85)가 적용된 증기 주입 히트펌프 시스템을 캐스케이드로 적용한 사항이 예시되어 있다. 그러나 제6실시예에 대한 변형예로서, 제1냉매 사이클(6)에 제1서브쿨러(69)가 적용된 증기 주입 히트펌프 시스템(제3실시예 참조)을 적용하여 구성할 수 있음은 물론이다.

[고온증기 생산용 히트펌프 시스템의 제7실시예]

도 12는 본 발명에 따른 증기 생산 히트펌프 시스템의 제7실시예를 나타낸 도면이다. 도 12에 도시된 제7실시예는, 제6실시예와 대비하여, 제2냉매 사이클(8)에 제2서브쿨러(89)를 적용한 증기 주입 히트펌프 시스템을 적용하였다는 점에 차이가 있다.

즉 제7실시예에서는 인터쿨러(83)에서 나온 액체 상의 제2냉매의 일부가 제3팽창밸브(84)를 통해 제2서브쿨러(89)의 저온 측에 유입되고, 나머지 제2냉매는 제2서브쿨러(89)의 고온 측에 유입된 후, 저온 측의 제2냉매가 열교환을 통해 증발한 후 제2주입관(87)을 통해 제2압축기(82)에 공급되고, 고온 측의 제2냉매는 제4팽창밸브(86)를 거쳐 제2증발기(81)에 공급될 수 있다.

제7실시예에 따르면, 제2냉매 사이클(8)에서도 증기 주입 히트펌프 시스템을 적용함으로써, 지나친 과열 압축으로 인해 제2압축기(82) 후방의 질량 유량이 감소하는 것을 방지하여 시스템의 효율을 더욱 높일 수 있다.

제7실시예에 의하면, 제1냉매 사이클(6)은 제1냉매용 플래시탱크(65)가 적용된 증기 주입 히트펌프 시스템(제2실시예 참조)을 적용하고, 제2냉매 사이클(8)에 제2서브쿨러(89)가 적용된 증기 주입 히트펌프 시스템을 캐스케이드로 적용한 사항이 예시되어 있다. 그러나 제7실시예에 대한 변형예로서, 제1냉매 사이클(6)에 제1서브쿨러(69)가 적용된 증기 주입 히트펌프 시스템(제3실시예 참조)을 적용하여 구성할 수 있음은 물론이다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

6: 제1냉매 사이클
8: 제2냉매 사이클
10: 열원
18: 열교환기
30: 증기용 플래시탱크
32: 유입부
34: 드레인부
36: 토출밸브
39: 응축수 수용부
42: 레벨게이지
44: 압력센서
46: 안전밸브
48: 펌프
50: 커버 플레이트
52: 배수로
54: 다공부
61: 제1증발기
62: 제1압축기
63: 제1응축기
631: 냉매유입제어밸브
64: 제1팽창밸브
65: 제1냉매용 플래시탱크
66: 제2팽창밸브
67: 제1주입관
671: 제1주입제어밸브
68: 바이패스관
681: 바이패스제어밸브
69: 제1서브쿨러
71: 중간공급제어밸브
81: 제2증발기
82: 제2압축기
83: 인터쿨러
84: 제3팽창밸브
85: 제2냉매용 플래시탱크
86: 제4팽창밸브
87: 제2주입관
871: 제2주입제어밸브
89: 제2서브쿨러
91: 중간열교환기

Claims

제2팽창밸브(66)에서 나온 액체 상의 제1냉매가 열원으로부터 열을 흡수하면서 증발하는 제1증발기(61);
상기 제1증발기(61)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 고압으로 압축하는 제1압축기(62);
상기 제1압축기(62)에서 압축된 고온 고압의 제1냉매가 응축되는 제1응축기(63);
상기 제1응축기(63)에서 응축된 액체 상의 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(64);
상기 제1팽창밸브(64)에서 나온 제1냉매가 유입되는 제1냉매용 플래시탱크(65);
상기 제1냉매용 플래시탱크(65)에서 분리된 액체 상의 제1냉매를 팽창시키는 상기 제2팽창밸브(66); 및
상기 제1냉매용 플래시탱크(65)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 상기 제1압축기(62)에 공급하는 제1주입관(67);을 포함하는 증기주입(vapor injection) 히트펌프를 구비하는 증기생산 히트펌프 시스템으로서,
상기 증기생산 히트펌프 시스템은 고압의 유입수가 투입되어 기수 분리되고 증기를 외부로 공급하는 증기용 플래시탱크(30)를 포함하고,
상기 증기용 플래시탱크(30)는,
상기 제1응축기(63)의 제1냉매와 열교환하며 열을 흡수한 고온 고압의 유입수가 유입되는 유입부(32); 및
상기 유입부(32)보다 상부에 구비되며, 상기 유입부를 통해 유입된 후 기화된 증기와 열교환하는 열교환기(18);를 포함하며,
상기 열교환기(18)에는 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매가 유입되어 상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 증기를 가열하고,
상기 열교환기(18)에서 나온 제1냉매는 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)로 유입되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
제2팽창밸브(66)에서 나온 액체 상의 제1냉매가 열원으로부터 열을 흡수하면서 증발하는 제1증발기(61);
상기 제1증발기(61)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 고압으로 압축하는 제1압축기(62);
상기 제1압축기(62)에서 압축된 고온 고압의 제1냉매가 응축되는 제1응축기(63);
상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매의 적어도 일부가 고온 측으로 유입되고, 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매의 나머지가 제1팽창밸브(64)를 거쳐 저온 측으로 유입되며, 고온 측으로 유입된 제1냉매와 저온 측으로 유입된 제1냉매 간 열교환이 이루어지는 제1서브쿨러(69);
상기 제1서브쿨러(69)의 고온 측에서 나온 제1냉매를 팽창시키는 상기 제2팽창밸브(66); 및
상기 제1서브쿨러(69)의 저온 측에서 나온 기체 상의 제1냉매를 상기 제1압축기(62)에 공급하는 제1주입관(67);을 포함하는 증기주입(vapor injection) 히트펌프를 구비하는 증기생산 히트펌프 시스템으로서,
상기 증기생산 히트펌프 시스템은 고압의 유입수가 투입되어 기수 분리되고 증기를 외부로 공급하는 증기용 플래시탱크(30)를 포함하고,
상기 증기용 플래시탱크(30)는,
상기 제1응축기(63)의 제1냉매와 열교환하며 열을 흡수한 고온 고압의 유입수가 유입되는 유입부(32); 및
상기 유입부(32)보다 상부에 구비되며, 상기 유입부를 통해 유입된 후 기화된 증기와 열교환하는 열교환기(18);를 포함하며,
상기 열교환기(18)에는 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매가 유입되어 상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 증기를 가열하고,
상기 열교환기(18)에서 나온 제1냉매는 상기 제1서브쿨러(69)의 고온 측에 유입되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
제4팽창밸브(86)에서 나온 액체 상의 제2냉매가 열원으로부터 열을 흡수하며 증발하는 제2증발기(81);
상기 제2증발기(81)에서 나온 기체 상의 제2냉매를 고압으로 압축하는 제2압축기(82);
상기 제2압축기(82)에서 압축된 고온 고압의 제2냉매가 응축되는 인터쿨러(83); 및
상기 인터쿨러(83)에서 응축된 액체 상의 제2냉매를 팽창시키는 상기 제4팽창밸브(86);를 포함하는 캐스케이드(cascade) 히트펌프와,
제2팽창밸브(66)에서 나온 액체 상의 제1냉매가 상기 인터쿨러(83)로부터 열을 흡수하면서 증발하는 제1증발기(61);
상기 제1증발기(61)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 고압으로 압축하는 제1압축기(62);
상기 제1압축기(62)에서 압축된 고온 고압의 제1냉매가 응축되는 제1응축기(63);
상기 제1응축기(63)에서 응축된 액체 상의 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(64);
상기 제1팽창밸브(64)에서 나온 제1냉매가 유입되는 제1냉매용 플래시탱크(65);
상기 제1냉매용 플래시탱크(65)에서 분리된 액체 상의 제1냉매를 팽창시키는 상기 제2팽창밸브(66); 및
상기 제1냉매용 플래시탱크(65)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 상기 제1압축기(62)에 공급하는 제1주입관(67);을 포함하는 증기주입(vapor injection) 히트펌프를 구비하는 증기생산 히트펌프 시스템으로서,
상기 증기생산 히트펌프 시스템은 고압의 유입수가 투입되어 기수 분리되고 증기를 외부로 공급하는 증기용 플래시탱크(30)를 포함하고,
상기 증기용 플래시탱크(30)는,
상기 제1응축기(63)의 제1냉매와 열교환하며 열을 흡수한 고온 고압의 유입수가 유입되는 유입부(32); 및
상기 유입부(32)보다 상부에 구비되며, 상기 유입부를 통해 유입된 후 기화된 증기와 열교환하는 열교환기(18);를 포함하며,
상기 열교환기(18)에는 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매가 유입되어 상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 증기를 가열하고,
상기 열교환기(18)에서 나온 제1냉매는 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)로 유입되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 캐스케이드 히트펌프는,
상기 인터쿨러(83)에서 응축된 액체 상의 제2냉매를 팽창시키는 제3팽창밸브(84);
상기 제3팽창밸브(84)에서 나온 제2냉매가 유입되는 제2냉매용 플래시탱크(85); 및
상기 제2냉매용 플래시탱크(85)에서 나온 기체 상의 제2냉매를 상기 제2압축기(82)에 공급하는 제2주입관(87);을 더 포함하고,
상기 제4팽창밸브(86)는 제2냉매의 흐름 상 상기 인터쿨러(83)보다 후방에 배치된 상기 제2냉매용 플래시탱크(85)에서 분리된 액체 상의 제2냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 캐스케이드 히트펌프는,
상기 인터쿨러(83)에서 나온 제2냉매의 적어도 일부가 고온 측으로 유입되고, 상기 인터쿨러(83)에서 나온 제2냉매의 나머지가 제3팽창밸브(84)를 거쳐 저온 측으로 유입되며, 고온 측으로 유입된 제2냉매와 저온 측으로 유입된 제2냉매 간 열교환이 이루어지는 제2서브쿨러(89); 및
상기 제2서브쿨러(89)의 저온 측에서 나온 기체 상의 제2냉매를 상기 제2압축기(82)에 공급하는 제2주입관(87);을 더 포함하고,
상기 제4팽창밸브(86)는 제2냉매의 흐름 상 상기 인터쿨러(83)보다 후방에 배치된 상기 제2서브쿨러(89)의 고온 측에서 나온 제2냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
제4팽창밸브(86)에서 나온 액체 상의 제2냉매가 열원으로부터 열을 흡수하며 증발하는 제2증발기(81);
상기 제2증발기(81)에서 나온 기체 상의 제2냉매를 고압으로 압축하는 제2압축기(82);
상기 제2압축기(82)에서 압축된 고온 고압의 제2냉매가 응축되는 인터쿨러(83); 및
상기 인터쿨러(83)에서 응축된 액체 상의 제2냉매를 팽창시키는 상기 제4팽창밸브(86);를 포함하는 캐스케이드(cascade) 히트펌프와,
제2팽창밸브(66)에서 나온 액체 상의 제1냉매가 상기 인터쿨러(83)로부터 열을 흡수하면서 증발하는 제1증발기(61);
상기 제1증발기(61)에서 나온 기체 상의 제1냉매를 고압으로 압축하는 제1압축기(62);
상기 제1압축기(62)에서 압축된 고온 고압의 제1냉매가 응축되는 제1응축기(63);
상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매의 적어도 일부가 고온 측으로 유입되고, 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매의 나머지가 제1팽창밸브(64)를 거쳐 저온 측으로 유입되며, 고온 측으로 유입된 제1냉매와 저온 측으로 유입된 제1냉매 간 열교환이 이루어지는 제1서브쿨러(69);
상기 제1서브쿨러(69)의 고온 측에서 나온 제1냉매를 팽창시키는 상기 제2팽창밸브(66); 및
상기 제1서브쿨러(69)의 저온 측에서 나온 기체 상의 제1냉매를 상기 제1압축기(62)에 공급하는 제1주입관(67);을 포함하는 증기주입(vapor injection) 히트펌프를 구비하는 증기생산 히트펌프 시스템으로서,
상기 증기생산 히트펌프 시스템은 고압의 유입수가 투입되어 기수 분리되고 증기를 외부로 공급하는 증기용 플래시탱크(30)를 포함하고,
상기 증기용 플래시탱크(30)는,
상기 제1응축기(63)의 제1냉매와 열교환하며 열을 흡수한 고온 고압의 유입수가 유입되는 유입부(32); 및
상기 유입부(32)보다 상부에 구비되며, 상기 유입부를 통해 유입된 후 기화된 증기와 열교환하는 열교환기(18);를 포함하며,
상기 열교환기(18)에는 상기 제1응축기(63)에서 나온 제1냉매가 유입되어 상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 증기를 가열하고,
상기 열교환기(18)에서 나온 제1냉매는 상기 제1서브쿨러(69)의 고온 측에 유입되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 캐스케이드 히트펌프는,
상기 인터쿨러(83)에서 응축된 액체 상의 제2냉매를 팽창시키는 제3팽창밸브(84);
상기 제3팽창밸브(84)에서 나온 제2냉매가 유입되는 제2냉매용 플래시탱크(85); 및
상기 제2냉매용 플래시탱크(85)에서 나온 기체 상의 제2냉매를 상기 제2압축기(82)에 공급하는 제2주입관(87);을 더 포함하고,
상기 제4팽창밸브(86)는 제2냉매의 흐름 상 상기 인터쿨러(83)보다 후방에 배치된 상기 제2냉매용 플래시탱크(85)에서 분리된 액체 상의 제2냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 캐스케이드 히트펌프는,
상기 인터쿨러(83)에서 나온 제2냉매의 적어도 일부가 고온 측으로 유입되고, 상기 인터쿨러(83)에서 나온 제2냉매의 나머지가 제3팽창밸브(84)를 거쳐 저온 측으로 유입되며, 고온 측으로 유입된 제2냉매와 저온 측으로 유입된 제2냉매 간 열교환이 이루어지는 제2서브쿨러(89); 및
상기 제2서브쿨러(89)의 저온 측에서 나온 기체 상의 제2냉매를 상기 제2압축기(82)에 공급하는 제2주입관(87);을 더 포함하고,
상기 제4팽창밸브(86)는 제2냉매의 흐름 상 상기 인터쿨러(83)보다 후방에 배치된 상기 제2서브쿨러(89)의 고온 측에서 나온 제2냉매를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1압축기(62)에서 나온 기체 상의 제1냉매 중 일부는 바이패스관(68)을 통해 상기 열교환기(18)에 유입되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 바이패스관(68)에는 제1냉매의 유량을 제어하는 바이패스 제어밸브(681)가 구비되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 바이패스 제어밸브(681)는 상기 제1압축기(62)에서 토출되는 기체 상의 제1냉매의 온도가 소정 온도 이상으로 과열된 경우 개방되거나 개방도가 커지는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1응축기(63)와 상기 열교환기(18) 사이에는 제1냉매의 유량을 제어하는 냉매유입제어밸브(631)가 구비되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1주입관(67)에는 제1냉매의 유량을 제어하는 제1주입제어밸브(671)이 구비되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 13에 있어서,
상기 제1주입제어밸브(671)는, 상기 제1압축기(62)의 압축 과정의 실제 과열도가 기 설정된 제1냉매의 기준 과열도보다 높은 경우 개방되거나 개방도가 커지는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기(18)에서 나온 제1냉매는 중간열교환기(91)의 고온 측에 유입되고,
상기 열원의 유체는 상기 중간열교환기(91)의 저온 측에 유입되며,
상기 중간열교환기(91)에서 열교환 후 상기 중간열교환기(91)의 고온 측에서 나온 제1냉매는 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)로 유입되고,
상기 중간열교환기(91)에서 열교환 후 상기 중간열교환기(91)의 저온 측에서 나온 열원의 유체는 상기 제2증발기(81) 쪽으로 공급되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 15에 있어서,
상기 열교환기(18)에서 나온 제1냉매가 중간열교환기(91)의 고온 측으로 공급되는 양과 상기 제1냉매용 플래시탱크(65)으로 공급되는 양을 제어하는 중간공급제어밸브(71)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 16에 있어서,
상기 중간공급제어밸브(71)는 상기 열원의 유체 온도가 소정의 온도보다 낮은 경우 중간열교환기(91)의 고온 측으로 상기 제1냉매를 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기(18)에 공급되는 제1냉매의 온도는 상기 유입수의 온도보다 높아, 상기 열교환기(18)가 증기의 건도를 향상시키게 되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기(18)는 코일 타입인 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증기용 플래시탱크(30)는,
상기 유입부(32)보다 하부에 마련되어 상기 유입부를 통해 플래시탱크 내부로 유입된 유입수 중 증기가 되지 못하고 응축수가 된 물을 수용하는 응축수 수용부(39); 및
상기 응축수 수용부(39)의 하부에 구비되며 수용된 응축수를 외부로 배출하는 드레인부(34);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 20에 있어서,
상기 증기용 플래시탱크(30)는, 상기 응축수 수용부의 응축수 수위를 측정하는 레벨게이지(42)를 더 구비하고,
상기 레벨게이지에 의해 측정된 응축수의 수위가 기준 수위를 넘어설 경우 드레인부를 통해 응축수를 배출하는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기(18)로 유입되는 제1냉매의 양은 상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 압력과 증기 온도 중 적어도 어느 하나에 근거하여 제어되는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 22에 있어서,
상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 압력이 높을수록 상기 열교환기(18)에 공급되는 제1냉매의 양은 줄어들도록 제어되는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 22에 있어서,
상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 증기 온도가 높을수록 상기 열교환기(18)에 공급되는 제1냉매의 양은 줄어드는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 22에 있어서,
상기 열교환기(18) 입구의 제1냉매 온도(T1)과 열교환기 출구의 제1냉매 온도(T2)를 비교하여, 두 온도의 차(T1-T2)가 클수록 공급되는 제1냉매의 양은 늘어나고, 온도의 차가 작을수록 공급되는 제1냉매의 양은 줄어드는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증기용 플래시탱크(30) 내의 열교환기(18)와 유입부(32) 사이에는 증기 내의 응축수를 제거하고 증기의 유동을 균일하게 퍼뜨리는 커버 플레이트(50)가 설치되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 26에 있어서,
상기 커버 플레이트(50)의 외주면의 적어도 일부가 상기 증기용 플래시탱크(30)의 내벽에 의해 지지되고,
상기 커버 플레이트의 외주면에는 증기로부터 제거된 응축수가 증기용 플래시탱크(30)의 바닥으로 흘러내릴 수 있도록 배수로(52)가 형성되며,
상기 커버 플레이트는 중앙부에서 외주면으로 갈수록 점점 낮아지도록 경사진 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 26에 있어서,
상기 커버 플레이트(50)의 표면에는 다공부(54)가 형성된 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증기용 플래시탱크(30)에는 증기의 압력이 소정 압력 이상으로 상승할 경우 개방되는 안전밸브(46)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 29에 있어서,
상기 안전밸브는 열교환기(18)보다 상부에 설치되고,
상기 증기의 압력은 열교환기(18)보다 상부에 설치된 압력센서(44)에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1냉매는 R245fa 인 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2냉매는 R134a 또는 R410a인 것을 특징으로 하는 증기생산 히트펌프 시스템.