KR20190063331A - 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하철 등 대단위 공공시설에서 미활용되고 있는 지하수를 활용하여 시설을 냉난방할 수 있도록 스케일이 덜 발생되는 구조와 자동 세정을 위해 사이클론 구조가 복합적으로 적용된 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템에 관한 기술이다.
구체적으로, 본 발명에 따른 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템은, 외피를 형성하는 쉘; 상기 쉘의 내부의 중심축에 위치하는 코일과 상기 코일을 둘러싸는 지하수유로부를 구비하여, 상기 코일과 상기 지하수유로부 사이에 열을 교환시키는 열교환부; 및 상기 열교환부에 발생되는 스케일을 제거하기 위해 세정수를 유입시켜 역유동을 발생시키는 사이클론부를 구비하는 세정부를 포함하여 구성되고, 상기 열교환부는, 상기 코일에 흐르는 냉매와 상기 지하수유로부에 흐르는 지하수 사이에 열을 교환시키는 것을 특징으로 한다.

Description

미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템{System for automatically cleaning heat exchanger using unutilized energy of groundwater}

본 발명은 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하철 등 대단위 공공시설에서 미활용되고 있는 지하수를 활용하여 시설을 냉난방할 수 있도록 스케일이 덜 발생되는 구조와 자동 세정을 위해 사이클론 구조가 복합적으로 적용된 미활용에너지 활용 지하수 히트펌프용 열교환기에 관한 기술이다.

기존 지하역사의 냉방 시스템은 부하변동 대응이 미흡하여 전기요금의 압박으로 인해 제대로 가동하지 못하고 일부는 직팽식 히트펌프로 대체하여 운영중인 실정이다.

상기 직팽식 히트펌프는 수배관을 연결, 보일러 및 칠러를 구성하여 냉수, 온수를 이용한 온도 조절을 하던 기존의 수냉식과 달리, 실외기와 연결하여 냉매를 직접 코일에 흐르게 함으로써 냉각을 행하고, 전기 히터 및 전열기 등의 보조 난방 열원을 통한 난방을 수행하는 독립 공조용 공조기이다.

그러나, 상기 직팽식 히트펌프는 냉각 매체로서 공기를 사용하는 공랭식의 한계를 지니기 때문에 실외 온도 변화에 따라서 성능이 변하며 큰 부하대응이 필요한 시기에는 성능이 저하되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 대한민국 등록특허공보 제10-1658405호와 같이, 건축물이나 도로 등의 시설에 설치된 집수구조체에 의해 수집된 유출지하수를 히트펌프의 열원으로 하여 냉난방에 이용할 수 있는, 유출지하수를 이용한 히트펌프 냉난방 시스템이 개시되었다.

상기 유출지하수를 이용한 히트펌프 냉난방 시스템은 한 쌍의 열교환기와 압축기와 사방밸브 및 팽창밸브가 구비된 히트펌프 유닛과, 지중에 매설되어 유출지하수를 수집하는 집수구조체와, 수집된 상기 유출지하수에 포함된 이물질을 거르는 필팅부와, 상기 필팅부를 거친 상기 유출지하수를 상기 히트펌프 유닛으로 공급하는 급수부를 포함하여 열원으로 활용된 유출지하수를 중수로 활용할 수 있다.

그러나, 지하수의 이물질을 일부 거르기 위한 필터부를 구비하는 수냉식 열교환기의 경우라도 여전히 열교환기에는 지하수에 용존된 이온 등으로 인하여 스케일을 포함하는 파울링 문제가 발생할 수 있어 필터부는 파울링 문제의 해결방안이 될 수 없다.

또한, 파울링 문제가 심각해지면 열교환기 자체를 교체해야 하며, 지하철과 같은 대단위 공공시설에서 사용될 가능성이 높은 열교환기를 교환할 경우 큰 불편함이 초래될 수밖에 없다.

대한민국 등록특허공보 제10-1658405호(2016.09.22.)

본 발명은 상술한 바와 같은 선행 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연중 일정한 온도(15~20℃)를 유지하는 지하철 역사의 지하수를 이용하여 미활용에너지가 풍부한 수열원 냉방시스템으로 변경하여 높은 성능으로 소비전력을 줄일 수 있는 미활용에너지 활용 지하수 히트펌프용 열교환기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 열교환기에 오염 저감 구조와 자동세정 구조를 복합적으로 갖추어 지하수의 단점인 파울링 문제를 해결할 수 있는 미활용에너지 활용 지하수 히트펌프용 열교환기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템은, 외피를 형성하는 쉘; 상기 쉘의 내부의 중심축에 위치하는 코일과 상기 코일을 둘러싸는 지하수유로부를 구비하여, 상기 코일과 상기 지하수유로부 사이에 열을 교환시키는 열교환부; 및 상기 열교환부에 발생되는 스케일을 제거하기 위해 세정수를 유입시켜 역유동을 발생시키는 사이클론부를 구비하는 세정부를 포함하여 구성되고, 상기 열교환부는, 상기 코일에 흐르는 냉매와 상기 지하수유로부에 흐르는 지하수 사이에 열을 교환시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템은, 상기 열교환부에 의한 열교환 효율이 기준값 미만으로 결정되면, 상기 냉매와 상기 지하수 사이에 열이 교환되는 열교환모드에서 상기 세정부가 가동되는 세정모드로 자동 변환시키는 제어회로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템은, 상기 열교환 효율이, 상기 코일의 냉매유입구와 냉매유출구 간의 온도차, 혹은 상기 지하수유로부의 지하수유입구와 지하수유출구 간의 온도차에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템은, 상기 세정모드로 변환하기 전에, 상기 제어회로가 상기 지하수유입구와 상기 지하수유출구에 각각 구비된 지하수유입밸브와 지하수유출밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 세정부는, 프리필터와 워터제트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템은, 기존 공기열원방식에서 미활용에너지가 풍부한 수열원 냉방시스템으로 변경하여 성능을 높일 수 있고 소비전력을 절약할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템은, 열교환기에 오염 저감 구조를 도출하고 자동세정이 가능한 시스템 개발을 통하여 파울링 발생의 단점을 해결할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템의 열교환모드를 작동시키는 구성요소들을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템의 세정모드를 작동시키는 구성요소들을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템 외부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템 내부를 나타내는 도면이다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템(1)은 외피를 형성하는 쉘(10), 상기 쉘(10)의 내부의 중심축에 위치하고 구리로 제조되는 코일(21)과 상기 코일(21)을 둘러싸는 지하수유로부(22)를 구비하여, 상기 코일(21)과 상기 지하수유로부(22) 사이에 열을 교환시키는 열교환부(20), 및 상기 열교환부(20)에 발생되는 스케일을 제거하기 위한 세정부(30)를 포함하여 구성된다.

도 1과 도 2는 각각 상기 열교환부(20)와 상기 지하수유로부(30)의 특징을 보다 잘 나타내기 위해 제시되었으며, 별도로 분리된 구성이 아님을 주의하여야 한다.

먼저, 상기 열교환부(20)는 상기 코일(21)에 흐르는 냉매와 상기 지하수유로부(22)에 흐르는 지하수 사이에 열을 교환시키도록 구성되어 있으며, 상기 냉매가 유입 및 유출되는 냉매유입구(21a)와 냉매유출구(21b), 및 상기 지하수가 유입 및 유출되는 지하수유입구(22a)와 지하수유출구(22b)가 각각 구비된다.

상기 냉매유입구(21a)와 상기 냉매유출구(21b), 상기 지하수유입구(22a)와 상기 지하수유출구(22b)는 도 1에 도시된 바와 같이 중심축을 기준으로 대칭되게 형성될 수 있으나, 동일한 기능을 수행하는 한 형상은 이에 한정되지 않는다.

상술한 상기 열교환부(20)에 의해, 본 발명에 따른 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템(1)은 연중 일정한 온도(15~20℃)를 유지하는 미활용되는 지하수를 이용하여 히트펌프의 성능을 훨씬 향상시킬 수 있다.

다음으로, 상기 세정부(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 세정수를 유입시켜 역유동을 발생시키는 사이클론부(31), 입경이 비교적 큰 물질을 걸러낼 수 있는 프리필터(32) 및 물의 유동으로 상기 열교환부(20)에 발생되는 스케일을 추가적으로 워터제트(33a-33b)가 구비된다.

상기 사이클론부(31)는 상기 쉘(10)의 구조에 적합하게 형성되며, 상기 열교환부(20)에 발생되는 스케일을 세정하기 위한 세정수를 유입 및 유출시키는 사이클론 유입부(31a)와 사이클론 유출부(31b)를 포함한다.

상기 스케일은 열전달조작에서 액으로부터 석출하여 열전달 표면에 부착하는 얇은 층 모양의 고체로써, 열전도도가 작기 때문에 열교환기 전체의 열전달계수를 현저히 저하시킨다. 일반적으로 스케일 부착은 온도 상승과 더불어 용해도가 감소하는 특성을 가진 무기염류의 석출과 액체 중의 고체 현탁물질의 부착이 원인이다.

또한, 상기 사이클론부(31)는 세정 후 찌꺼기를 모으는 집진상자(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 프리필터(32)는 상기 열교환부(20)에 발생되는 스케일의 세정능력을 향상시키기 위해 추가적으로 구비될 수 있는 것으로, 상기 지하수유입구(22a) 내부에 장착될 수 있다.

상기 워터제트(33a-33b)는 상기 열교환부(20)에 발생되는 스케일의 세정능력을 향상시키기 위해 추가적으로 구비될 수 있는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 양측에 각각 한 개씩 구비될 수 있으며, 다수 개의 쌍으로 구비될 수도 있다.

한편, 상술한 파울링 문제를 저감시키기 위해, 상기 쉘(10) 내부에는 열교환을 실시하는 상기 열교환부(20)와 상기 열교환부(20)를 세정하는 상기 세정부(30)가 함께 구비되며, 상기 열교환부(20)와 상기 세정부(30) 각각의 기능으로 인해 열교환과 세정은 동시에 일어날 수 없다.

따라서, 본 발명에 따른 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템은 상기 열교환부(20)가 작동하는 열교환모드와 상기 세정부(30)가 작동하는 세정모드로 구분될 수 있으며, 상기 열교환모드에서 상기 세정모드로, 상기 세정모드에서 상기 열교환모드로 자동으로 전환시키는 제어회로(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 열교환부(20)에 의한 열교환 효율이 기준값 미만으로 결정되면, 상기 냉매와 상기 지하수 사이에 열이 교환되는 상기 열교환모드에서 상기 세정부(30)가 가동되는 세정모드로 자동 변환되며, 세정기능을 통해 열교환 효율이 기준값 이상(열교환기의 상태가 양호)이면 다시 상기 열교환모드로 자동 변환된다.

상기 열교환 효율은 스케일링으로 인해 열교환이 저감되는 것을 나타내는 지표로써, 상기 코일(21)의 상기 냉매유입구(21a)와 냉매유출구(21b) 간의 온도차, 혹은 상기 지하수유로부(22)의 상기 지하수유입구(22a)와 상기 지하수유출구(22b) 간의 온도차에 의해 결정될 수 있다.

또한, 상기 제어회로는 상기 세정모드로 변환하기 전에 상기 지하수유입구(22a)와 상기 지하수유출구(22b)에 각각 구비된 지하수유입밸브(23a)와 지하수유출밸브(23b)를 폐쇄하며, 이는 상기 세정모드와 상기 열교환모드를 동시에 작동되지 않기 위한 구성일 것이다.

상기 밸브의 종류는 유로를 개방, 폐쇄하기 위한 것이라면 특정한 종류에 한정되지 않는다.

본 발명의 일실시예에 따른 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템의 외부 및 내부 형상은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같다.

상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템
10 : 쉘
20 : 열교환부
21 : 코일
21a : 냉매유입구
21b : 냉매유출구
22 : 지하수유로부
22a : 지하수유입구
22b : 지하수유출구
23a : 지하수유입밸브
23b : 지하수유출밸브
30 : 세정부
31 : 사이클론부
31a : 사이클론 유입구
31b : 사이클론 유출구
32 : 프리필터
33a : 워터제트
33b : 워터제트

Claims (5)

1. 외피를 형성하는 쉘;
   상기 쉘의 내부의 중심축에 위치하는 코일과 상기 코일을 둘러싸는 지하수유로부를 구비하여, 상기 코일과 상기 지하수유로부 사이에 열을 교환시키는 열교환부; 및
   상기 열교환부에 발생되는 스케일을 제거하기 위해 세정수를 유입시켜 역유동을 발생시키는 사이클론부를 구비하는 세정부를 포함하여 구성되고,
   상기 열교환부는,
   상기 코일에 흐르는 냉매와 상기 지하수유로부에 흐르는 지하수 사이에 열을 교환시키는 것을 특징으로 하는 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열교환부에 의한 열교환 효율이 기준값 미만으로 결정되면, 상기 냉매와 상기 지하수 사이에 열이 교환되는 열교환모드에서 상기 세정부가 가동되는 세정모드로 자동 변환시키는 제어회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 열교환 효율은,
   상기 코일의 냉매유입구와 냉매유출구 간의 온도차, 혹은 상기 지하수유로부의 지하수유입구와 지하수유출구 간의 온도차에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 세정모드로 변환하기 전에,
   상기 제어회로는 상기 지하수유입구와 상기 지하수유출구에 각각 구비된 지하수유입밸브와 지하수유출밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 세정부는,
   프리필터와 워터제트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미활용에너지 활용 지하수 열교환기 자동 세정 시스템.

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