WO2015115688A1 - 진공증발을 이용한 냉방시스템 및 냉방구현방법 - Google Patents

진공증발을 이용한 냉방시스템 및 냉방구현방법 Download PDF

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WO2015115688A1
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WO
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vacuum
water
cooling
pipe
vacuum chamber
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PCT/KR2014/000872
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English (en)
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Inventor
임용훈
최규성
이재용
Original Assignee
한국에너지기술연구원
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B19/00—Machines, plants or systems, using evaporation of a refrigerant but without recovery of the vapour
    • F25B19/02—Machines, plants or systems, using evaporation of a refrigerant but without recovery of the vapour using fluid jet, e.g. of steam
    • F25B19/04—Machines, plants or systems, using evaporation of a refrigerant but without recovery of the vapour using fluid jet, e.g. of steam using liquid jet, e.g. of water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect

Definitions

  • the present invention relates to a cooling system for realizing indoor cooling, and more particularly to a cooling system and a method for realizing cooling using vacuum evaporation to realize cooling by vacuum evaporation method using water having a very large latent heat of evaporation as a refrigerant. It is about.
  • EHP Electronic Heat Pump
  • the conventional EHP method is to implement cooling through forced convection of the cold air, the room temperature distribution is uneven, the room temperature maintaining performance is poor, and cold air is directly contacted may cause discomfort to the occupants.
  • the use of expensive refrigerants can be expensive in terms of equipment costs and maintenance, and economic losses and environmental pollution due to leakage of refrigerants can be caused.
  • renewable energy sources geothermal, solar, wind, etc.
  • renewable energy has a disadvantage in that it is not useful for integrating into an EHP type cooling system because of the non-continuous and intermittent power characteristics.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a low-cost, high-efficiency cooling system that can realize high-efficiency cooling with a significant reduction in maintenance costs by a vacuum evaporation method using water as a refrigerant.
  • Another problem to be solved by the present invention by using a natural convection method rather than forced air blowing method, it is possible to achieve uniformity of the room temperature distribution, to improve room temperature maintenance performance and to eliminate the discomfort of the occupants due to direct contact with cold air It is to provide a cooling system.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a cooling system that can increase the utilization of the renewable energy source to achieve an effective reduction of the cooling required power consumption.
  • the vacuum heat exchange unit is arranged on the wall surface of the cooling target space and the spray pipe for water injection disposed inside the vacuum cooling tube that is maintained in a vacuum state;
  • An external vacuum chamber connected to the vacuum heat exchange unit through a vacuum pipe and forming a vacuum for maintaining the inside of the vacuum cooling tube in a vacuum state;
  • a water reservoir connected to a spray pipe disposed in the vacuum cooling pipe through a water pipe, and storing water to be sprayed into the vacuum cooling pipe through the spray pipe of the vacuum heat exchange unit. It provides a cooling system using vacuum evaporation that maintains the tube vacuum continuously so that continuous cooling can be caused by repeated evaporation of water.
  • the vacuum heat exchange unit may have a configuration in which at least two or more of the vacuum cooling tubes incorporating the spray pipes are continuously arranged in left or right directions.
  • the spray pipe may be disposed in the longitudinal direction inside the vacuum cooling tube, and may be configured to include a plurality of spray nozzles spaced apart at regular intervals.
  • the heat dissipation fins are formed inside and outside the one side wall of the vacuum cooling tube, and water sprayed from the spray pipe may be configured to face the heat dissipation fins.
  • the vacuum heat exchange unit may further include a water collecting tank disposed under the vacuum heat exchange unit for collecting the condensate on the surface.
  • the hinge angle of the vacuum heat exchange unit to the water collection tank so as to adjust the inclination angle of the vacuum heat exchange unit with respect to the water collection tank.
  • the condensate collected in the water collecting tank may be recovered to the water storage tank through the drain pipe by connecting the water collecting tank to the water storage tank through the drain pipe.
  • a control valve for opening and closing the vacuum pipe flow path according to the formation of the vacuum in the vacuum chamber and the recovery of the saturated steam, and a blower may be further installed to smoothly remove the steam inside the vacuum cooling tube.
  • the vacuum chamber applied to an aspect of the present invention may be a vacuum state is implemented by driving a vacuum pump.
  • the vacuum chamber may be connected to a water storage tank or a separate water tank through a water supply pipe, and may have an air valve at one upper side and a drain pipe at a lower end thereof.
  • the chamber which reaches the saturated steam limit pressure while operating a plurality of vacuum chambers is made into a high vacuum state through the vacuum forming process, and in order to allow continuous cooling operation using the vacuum state of other vacuum chambers, It is preferable to constitute a plurality of the same vacuum chambers.
  • the vacuum chamber may achieve an internal vacuum state through a vacuum pump.
  • the vacuum of the vacuum chamber can be achieved through a vacuum forming step of closing the air valve and opening the drain pipe at the bottom to discharge water out of the chamber to make the interior of the vacuum chamber into a vacuum state.
  • a vacuum pump driving step for additionally extracting the residual vapor in the vacuum chamber after the vacuum forming step may further include.
  • the cooling can be realized by using a vacuum chamber that is stored in advance. It can be actively utilized, and as it uses renewable energy sources, power reduction can be achieved, thus contributing to power demand reduction.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram schematically showing the overall configuration of a cooling system using a vacuum evaporation according to the present invention.
  • FIG. 2 is a front schematic view of the vacuum heat exchange unit shown through FIG.
  • FIG. 3 is a side internal configuration diagram of the vacuum heat exchange unit shown in FIG.
  • Figure 4 is a graph showing the temperature gradient between the inside and the outside of the vacuum cooling tube when the vacuum cooling tube is made of a metal material and the thermoelectric element.
  • 5 is a graph for explaining the movement of water vapor according to the pressure gradient between the vacuum cooling tube and the vacuum chamber.
  • FIG. 6 is an enlarged view of an essential part of the present invention showing an enlarged view of a vacuum heat exchange unit in which a water tank is disposed at a lower portion thereof;
  • FIG. 7 shows a preferred embodiment of a vacuum chamber.
  • FIG. 8 is a view schematically showing a vacuum chamber configuration according to the first vacuum securing method.
  • FIG. 9 is a view schematically showing the configuration of a vacuum chamber according to a second method of vacuum securing.
  • FIG. 10 is a view illustrating a vacuum forming process according to the second vacuum securing method shown in FIG. 9;
  • FIG. 11 is a view in which a reservoir filled with water at a predetermined level is disposed at an end of a drain pipe in forming a vacuum according to a second method of securing a vacuum;
  • the cooling system using the vacuum evaporation is a vacuum evaporation method using water as a refrigerant, with natural convective radiative cooling using an endothermic effect of water evaporation in a vacuum cooling tube, and vacuum heat exchange during cooling. It is a complex cooling system in which dehumidification cooling can be performed in parallel by recovering condensate formed on the surface of the unit and discharging it out of the cooling target space.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram schematically showing the overall configuration of a cooling system using a vacuum evaporation according to the present invention.
  • 2 is a front schematic view of the vacuum heat exchange unit shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a side schematic view showing an internal structure of the vacuum heat exchange unit shown in FIG. 2.
  • the cooling system of the present invention is largely composed of a vacuum heat exchange unit 10, an external vacuum chamber 30, and a water storage tank 50.
  • the vacuum heat exchange unit 10 is disposed on the wall surface of the cooling target space A to absorb heat in the space, and the vacuum chamber 30 moves the inside of the vacuum cooling tube 12 constituting the vacuum heat exchange unit 10 into a vacuum state. Function to maintain.
  • the water reservoir 50 stores water of a predetermined temperature to be injected into the vacuum cooling tube 12.
  • the vacuum heat exchange unit 10 uses the principle of absorbing ambient heat as the water sprayed through the spray pipe 14 to the vacuum cooling tube 12 in a high vacuum state evaporates at the same time as the spray, and the vacuum heat exchange unit 10 Since the inlet of the water particles is possible until the pressure of the vacuum cooling tube 12 reaches a saturated steam pressure corresponding to the temperature of the water particles, continuous cooling can be realized for a certain period of time.
  • the vacuum heat exchange unit 10 is connected to the vacuum chamber 30 through the vacuum pipe 20 to recover the vacuum state intermittently or continuously, and is disposed inside the vacuum cooling tube 12 of the vacuum heat exchange unit 10.
  • the spray pipe 14 is connected to the water storage tank 50 through the water supply pipe 40 to receive water and periodically spray the inside of the vacuum cooling tube 12 in a high vacuum state so that the endothermic evaporation continuously occurs.
  • the vacuum heat exchange unit 10 maintains a high vacuum, and a plurality of vacuum cooling tubes 12 having a predetermined volume in which the spray pipe 14 is installed are sequentially arranged left and right or up and down so that continuous cooling occurs when viewed as a whole.
  • the spray pipe 14 may be disposed in the longitudinal direction inside the vacuum cooling tube 12 and may include a plurality of spray nozzles 140 at equal intervals.
  • the water supply pipe (40) connecting the water reservoir (50) and the spray pipe (14) is provided with an electronic control valve (solenoid valve, 45) can be properly controlled to supply water to the spray pipe side, the spray pipe (14)
  • the vacuum cooling tube 12, which has a built-in structure, may be configured to maximize the cooling effect by configuring a metal material having excellent thermal conductivity.
  • the vacuum pipe 20 is connected to the upper end and the lower end of the vacuum cooling tube 12, respectively, to maintain the vacuum state of the vacuum cooling tube 12, and at the same time, the water vapor by the evaporation action in the high vacuum vacuum cooling tube 12 is vacuum chamber ( The function of the steam recovery pipe is performed in parallel so that it can be recovered.
  • the heat dissipation fin 120 may be provided to improve the cooling performance by increasing the heat dissipation area, and when the heat dissipation fin 120 is applied, vacuum cooling in the high vacuum state. In the water sprayed as a refrigerant inside the tube 12 is sprayed toward the heat dissipation fin 120, it is good to maximize the cooling performance.
  • One side wall of the vacuum cooling tube 12 may be considered to further increase the effect of cooling by configuring a thermoelectric element instead of a general metal. That is, instead of constituting the side wall of the vacuum cooling tube 12 with a general metal material and configuring the side wall with a thermoelectric element and applying electric power, as shown in FIG. It can absorb and double the cooling effect.
  • the temperature of the evaporated water is lowered under high vacuum depending on the evaporation temperature characteristic according to the saturated steam pressure of the water. Therefore, when water is sprayed on the high vacuum vacuum cooling tube 12, evaporation occurs at a low temperature, and at this time, an endothermic reaction that absorbs the necessary evaporation heat from the surroundings occurs, and thus the vacuum cooling tube 12 maintains a very low temperature condition. Cooling effect is induced to lower the temperature.
  • the vacuum cooling tube 12 is connected to the large-capacity vacuum chamber 30 and the vacuum pipe 20, thereby increasing the pressure and vacuum chamber 30 due to evaporation of water generated in the vacuum cooling tube 12.
  • a pressure gradient P2> P1 as shown in FIG. 5 is generated, whereby water vapor generated by evaporation in the vacuum cooling tube 12 is naturally recovered to the vacuum chamber 30 through the vacuum tube 20.
  • a separate blower 80 may be further installed in the middle of the vacuum pipe 20 connecting the vacuum cooling pipe 12 and the external vacuum chamber 30. That is, when the pressure gradient between the external vacuum chamber 30 and the vapor pressure due to evaporation inside the vacuum cooling tube 12 gradually decreases due to the introduction of a plurality of water vapors due to continuous cooling, the inside of the vacuum cooling tube 12 Blower 80 may be driven for smooth removal.
  • reference numeral 70 denotes a control valve for controlling the opening and closing of the flow path of the vacuum pipe, the control valve 70 as a vacuum chamber to achieve a vacuum for the vacuum cooling tube, or conversely occurs during the achievement of the vacuum cooling tube cooling In order to recover the steam back to the vacuum chamber side serves to selectively open and close the vacuum pipe flow path.
  • the vacuum heat exchange unit 10 may be provided with a collecting tank 60 for collecting the condensed water formed on the surface of the vacuum heat exchange unit 10 during the cooling process.
  • the sump tank 60 is not particularly limited as long as it is a container that can collect the condensate water, and the inclination angle of the vacuum heat exchange unit 10 with respect to the sump tank 60 is connected to the hinge H on one side of the sump tank 60 as shown in FIG. 6. It can also be configured to be adjustable.
  • the heat dissipation angle of the vacuum heat exchange unit 10 can be adjusted to an angle at which optimal cooling can be realized, if necessary, and the vacuum heat exchange unit (10) It is also preferable to enable angle control of the vacuum heat exchange unit 10 with respect to the sump tank 60 at an angle capable of collecting the condensed water due to condensation on the surface more effectively.
  • the water collecting tank 60 may be connected to the water storage tank 50 through the drain pipe 65, so that the condensed water collected in the water collecting tank 60 may be recovered to the water storage tank 50.
  • the sump 60 is placed above the water reservoir 50 so that natural drainage occurs, or a pump P is disposed in the middle of the drain pipe 65 so that the condensed water is forcibly transported. You may.
  • a means for detecting the amount of water collected in the water collection tank 60 for example, a water level sensor 62, is intermittently provided only when the condensate reaches a certain level.
  • the pump may operate, and the condensed water recovered by the water storage tank 50 may be sent to the vacuum heat exchange unit 10 again after a predetermined temperature increase treatment to be used as a refrigerant for cooling.
  • the vacuum chamber 30 performs an important function for maintaining the interior of the vacuum cooling tube 12 in a vacuum.
  • the vacuum chamber 30 is not limited to the size of a specific capacity because its capacity may vary depending on the cooling capacity according to the cooling target space volume, and is capable of securing a sufficient vacuum in advance when no cooling load occurs. You just need
  • the vacuum chamber 30 may be configured with a single large capacity, it is preferable to configure a plurality of vacuum chambers 30 having the same capacity as shown in FIG. That is, in the case of a large cooling load, the system can be continuously operated by operating a system to simultaneously secure a vacuum through some vacuum chambers 30 during the cooling operation.
  • the system can be operated so that the vacuum chamber in which water vapor is introduced without deterioration of the cooling operation and the function as the vacuum chamber is degraded can be restored again.
  • a method of using a well-known vacuum pump 90 as shown through FIG. 8 may be considered.
  • the vacuum pump 90 as the power supply, surplus power produced in self-generating facilities such as grid power and cogeneration, or renewable power (solar pipe, geothermal, wind, etc.) power generation power may be used. .
  • the power generated by using renewable energy sources is not controlled by the user's intention, but is generated intermittently depending on the external conditions for each renewable energy source.
  • the vacuum pump 90 is operated with renewable energy generation power generated during the period when there is no cooling demand to secure the vacuum of the external vacuum chamber 30, and to secure it in advance when a cooling load is generated in the future.
  • the vacuum heat exchange unit 10 By operating the vacuum heat exchange unit 10 using the vacuum of the vacuum chamber 30 placed, it is possible to minimize the grid power operation at the time of the cooling load generation.
  • the vacuum chamber 30 having a configuration in which the water storage tank 50 or a separate water tank is connected through the water supply pipe 32, an air valve 34 is provided at one upper side, and a drain pipe 36 is installed at the lower end. It is possible to secure a vacuum.
  • FIG. 10 Another method for the vacuum shown in FIG. 10 is to supply water to the water supply pipe 32 to fill the vacuum chamber 30 with water, and then to the vacuum chamber 30 in a state in which all flow paths except the drain pipe 36 are blocked. By draining the filled water, the inside of the chamber is vacuumed.
  • the power required to secure the vacuum performed through the other means for securing the vacuum is only the pumping power required to transfer liquid water into the vacuum chamber 30, so that the vacuum pump 90 is electrically operated as in the previous embodiment.
  • the vacuum can be achieved with much less power than the power required to form a vacuum by releasing steam in the vacuum chamber 30 by
  • the pressure in the vacuum chamber 30 may drop below the saturation pressure of some of the remaining water, and the vacuum chamber 30 as the remaining water evaporates.
  • the pressure in) may be slightly increased. In this case, if the level can be maintained below a certain level, there is no big problem even if the pressure is operated at the initial vacuum chamber 30 pressure. If the pressure is higher than that, the steam is operated through the operation of the vacuum pump 90 as shown in FIG. You can also extract more.
  • the end of the drain pipe is preferably configured to be located in the water of the reservoir 38 is provided separately.
  • the reservoir 38 separately provided maintains the water level such that the end of the drain pipe 36 is submerged in water before opening the drain pipe valve 37, and the end of the drain pipe 36 is directly exposed to air. If the condition is not satisfied, a higher vacuum can be achieved by opening the valve 37 to discharge the water filled in the vacuum chamber.
  • the water level h of the reservoir 38 is not limited to a specific value as long as the end of the drain pipe 36 is not directly exposed to air, and the pressure head of the water in the vacuum chamber 30 is not limited to that of the reservoir 38. Since it is much larger than the pressure by the water level h, the water filled in the vacuum chamber 30 can be discharged naturally without any mechanical assistance such as a pump.
  • the temperature of the water introduced into the process for ensuring the vacuum performed through the above-described other means is suitably a temperature of 20 ° C or less. That is, since the saturation pressure of the water around 20 °C is very low level, as a result, a very low saturation pressure can be obtained by the above process.
  • the water flowing into the vacuum tube is a medium for cooling and cooling is possible at room temperature water, but even in a low vacuum state, the water temperature is 50 ⁇ 60 °C hot water is suitable, at this time saturated steam pressure is Since a certain level of difference occurs compared to the saturated steam pressure of 20 ° C time, it is possible to achieve a cooling effect using the vacuum evaporation phenomenon of water through operation in this region.
  • the dehumidification cooling can be performed in parallel by recovering the condensed water formed on the surface of the heat exchange unit and discharging it to the outside of the cooling target space.
  • cooling system that uses water as a refrigerant and uses natural convection instead of forced air blowing, it is possible to maintain a uniform distribution of room temperature through natural convection, and to improve room temperature keeping performance. It is possible to provide a satisfactory cooling convenience, such as to eliminate the discomfort of the occupants in the room due to the direct contact of the cold air as in the blowing method.

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Abstract

진공증발을 이용한 냉방시스템이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 냉방시스템은, 냉방 대상 공간 벽면에 설치되며 진공상태로 유지되는 진공냉각관 내부에 물 분사용 분무배관을 배치시킨 구성의 진공열교환유닛, 진공배관을 통해 상기 진공열교환유닛과 연결되며 상기 진공냉각관 내부 진공상태 유지를 위한 진공을 형성시키는 외부 진공챔버, 그리고 송수관을 통해 상기 진공냉각관 내에 배치되는 분무배관과 연결되며 진공열교환유닛의 분무배관을 통해 진공냉각관 내부로 분사될 물을 저장하는 물 저장조로 시스템을 구성한 것을 요지로 한다.

Description

진공증발을 이용한 냉방시스템 및 냉방구현방법
본 발명은 실내 냉방 구현을 위한 냉방시스템에 관한 것으로, 특히 증발 잠열이 매우 크고 일상에서 쉽게 얻을 수 있는 물을 냉매로 하여 진공 증발 방식으로 냉방을 구현하는 진공증발을 이용한 냉방시스템 및 냉방구현방법에 관한 것이다.
실내 냉방 구현을 위한 다양한 냉방 방식 중 하나인 EHP(Electric Heat Pump) 냉방 방식은 전기로 압축기를 구동시키는 신개념 냉난방 시스템으로, 타 냉방 방식에 비해 에너지 효율(COP=생산열량/소비전력)이 높다는 장점이 있으나 냉매의 고압 압축방식을 이용하므로 전력소비가 많은 단점이 있다.
또한 종래 EHP 방식은 냉기의 강제 대류를 통해 냉방을 구현하는 방식이기 때문에, 실내 온도 분포가 불균일하고 실온유지 성능이 불량하며, 냉기가 직접 접촉됨에 따라 재실자에게 불쾌감을 줄 수 있다. 특히 고가의 냉매 사용으로 설비비와 유지보수에 많은 비용이 들고, 냉매 누설로 인한 경제적 손실과 환경오염이 유발될 수 있다.
냉방 구현을 위한 다양한 냉방 방식 중 폐열 및 가스 직화 방식을 이용하여 진공상태에서의 물의 증발 잠열을 이용하는 흡수식 냉동 방식도 있다. 이 방식은 물의 증발 잠열을 이용한다는 점에서 EHP 냉동 방식에 비해 전력소비 저감 측면의 장점이 있으나 설비구조가 상당히 복잡하고, 에너지 효율(COP)이 상당히 낮다는 단점이 있다.
한편, 그리드 전력 수요에 대한 의존도를 저감하기 위한 방안으로 신재생 에너지(지열, 태양열, 풍력 등)원을 이용하는 방안이 고려될 수 있다. 그러나 신재생 에너지는 연속적이지 못하고 단속적으로 발생하는 전력 특성 때문에 EHP 방식의 냉방 시스템에 접목시킴에 있어 활용도가 떨어지는 단점이 있다.
즉, 냉매의 증발, 압축, 액화, 팽창 과정이 연속적으로 발생하는 사이클로 구성되는 EHP 사이클에서 압축과정이 공급 전력의 급격한 변동으로 인해 부하가 급변할 경우 압축기 자체뿐 아니라 전체 시스템 구성 요소들의 내구성에 문제가 야기될 수 있으며, 때문에 단속적인 발생 특성을 갖는 신재생에너지 전력의 활용에는 곤란함이 수반될 수 밖에 없다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 물을 냉매로 하는 진공증발 방식으로 유지비용의 대폭적인 경감과 함께 고효율의 냉방을 구현할 수 있는 저비용 고효율의 냉방시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 냉기 강제 송풍 방식이 아닌 자연 대류 방식을 이용하여, 실내 온도 분포의 균일함을 도모하고 실온유지 성능을 향상시키며 냉기 직접 접촉에 따른 재실자가 불쾌감을 해소할 수 있는 냉방시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 신재생 에너지원의 활용도를 높여 냉방소요 전력 사용량의 효과적인 저감을 도모할 수 있는 냉방시스템을 제공하고자 하는 것이다.
과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따르면, 냉방 대상 공간 벽면에 설치되며 진공상태로 유지되는 진공냉각관 내부에 물 분사용 분무배관을 배치시킨 구성의 진공열교환유닛; 진공배관을 통해 상기 진공열교환유닛과 연결되며 상기 진공냉각관 내부를 진공상태로 유지시키기 위한 진공을 형성시키는 외부 진공챔버; 및 송수관을 통해 상기 진공냉각관 내에 배치되는 분무배관과 연결되며 진공열교환유닛의 상기 분무배관을 통해 진공냉각관 내부로 분사될 물을 저장하는 물 저장조;를 포함하며, 진공챔버를 통해 상기 진공냉각관의 진공상태를 지속적으로 유지시켜 반복적인 물의 증발에 의해 지속적인 냉각이 유발될 수 있도록 한 진공증발을 이용한 냉방시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에서 상기 진공열교환유닛은 분무배관을 내설한 적어도 둘 이상의 상기 진공냉각관을 좌우 또는 상하로 연속 배치시킨 구성일 수 있다.
그리고 상기 분무배관은 진공냉각관 내부에 길이방향으로 배치되며, 일정한 간격으로 이격 배치되는 여러 개의 분무노즐을 구비하는 구성일 수 있다.
바람직하게는, 상기 진공냉각관 일 측벽 내·외부에 방열핀을 형성하고, 분무배관에서 분무되는 물이 상기 방열핀을 향하도록 구성하는 것이 좋다.
상기 진공열교환유닛 표면 응축수 포집을 위해 진공열교환유닛 하부에 배치되는 집수조를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 집수조에 진공열교환유닛을 힌지 연결시켜 집수조에 대해 진공열교환유닛의 경사각을 조절할 수 있도록 구성함이 바람직하다.
이때, 상기 집수조를 배수관을 통해 물 저장조에 연결시킴으써 집수조에 집수된 응축수는 배수관을 타고 다시 물 저장조로 회수되도록 할 수 있다.
상기 진공배관 중간에는 진공챔버 내 진공형성과 포화수증기 회수에 따른 진공배관 유로 개폐를 위한 제어밸브와 진공냉각관 내부 수증기의 원활한 제거를 위해 송풍기가 더 설치될 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 적용된 상기 진공챔버는 진공펌프 구동으로 진공 상태가 구현되는 것일 수 있다.
이와는 다르게 상기 진공챔버는, 급수관을 통해 물 저장조 또는 별도의 수조와 연결되고, 상부 일측에는 에어밸브를 구비하며, 하단에는 배수관을 설치한 구성일 수 있다.
또한, 다수의 진공챔버를 운영하면서 포화증기 한계 압력에 도달한 챔버는 진공형성 과정을 거쳐 고진공의 상태로 만들어주고, 그 사이 다른 진공챔버의 진공상태를 이용하여 연속적인 냉방운전이 가능하도록, 용량이 동일한 상기 진공챔버를 다수로 구성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면,
(a) 진공챔버를 이용하여 진공냉각관을 고진공상태로 유지시키는 단계;
(b) 고진공상태를 유지하는 진공냉각관 내부에 소정 온도의 물을 분무하여 증발 흡열작용을 유발시키는 단계; 및
(c) 물 증발에 따른 진공냉각관 내부의 수증기를 진공챔버로 회수하는 단계;를 포함하는 진공증발을 이용한 냉방구현방법을 제공한다.
여기서 상기 진공챔버는 진공펌프를 통해 내부 진공상태가 달성될 수 있다.
이와는 다르게, 진공배관을 통해 진공챔버로 수증기가 유입되도록 하는 수증기 유입단계;
수증기 유입으로 진공챔버 내 압력이 일정 수준의 증기압에 도달하면 진공챔버 일측에 구비되는 에어밸브를 열어 대기를 유입시키고 진공챔버 내부 압력을 포화증기압 이상으로 증가시켜 챔버에 유입된 수증기가 응축되도록 하는 수증기 응축단계;
수증기 응축과정에서 생성된 응축수의 진공챔버 바닥 측 집수와 함께 급수관을 열고 물을 유입시켜 진공챔버 내 잔여공기를 상기 에어밸브를 통해 진공챔버 밖으로 강제 배기시키는 배기단계; 및
일정 수준까지 진공챔버 내에 물이 채워지면 에어밸브를 닫고 하단의 배수관을 개방해 챔버 밖으로 물을 배출시켜 진공챔버 내부를 진공상태로 만드는 진공형성단계;를 통해 진공챔버의 진공이 달성될 수 있다.
이 경우, 상기 진공형성단계 이후 진공챔버 내 잔류 증기를 추가로 뽑아내기 위한 진공펌프구동단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 값싸고 환경 친화적 특성을 갖는 물을 냉매로 하는 진공증발 방식을 이용해 지속적인 냉방을 구현함으로써, 냉방 시스템 구현 및 시스템 구동에 따른 유지비용의 대폭적인 경감을 도모할 수 있어 경제적 측면에서 유리하며, 냉매 누설로 인한 환경 피해가 전혀 없어 환경적 측면에서도 유리하다는 장점이 있다.
또한, 냉기 강제 송풍 방식이 아닌 자연 대류 방식을 이용하는 냉방시스템으로서, 자연 대류를 통해 실내 온도 분포를 균일하게 유지시키는 것이 가능하며, 실온유지 성능을 향상시킬 수 있고, 종래 강제 송풍 방식에서와 같은 냉기의 직접 접촉에 따른 재실자 불쾌감을 해소할 수 있는 등 만족도 높은 냉방 편의를 제공할 수 있다.
더욱이, 냉방수요가 없는 시간 동안 생산되는 전력을 진공상태로 저장한 후 냉방수요가 발생했을 때 기 저장된 진공상태의 챔버를 이용해 냉방을 구현할 수 있어, 종래 EHP 냉방방식에 비해 신재생 에너지원을 보다 적극 활용할 수 있으며, 신재생 에너지원을 이용하는 만큼 전력저감을 달성할 수 있어 전력수요 저감에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 진공증발을 이용한 냉방시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 시스템 구성도.
도 2는 도 1을 통해 도시된 진공열교환유닛의 정면 개략도.
도 3은 도 2에 나타난 진공열교환유닛의 측면 내부 구성도
도 4는 진공냉각관 측벽을 금속재질로 구성한 경우와 열전소자로 구성한 경우 진공냉각관 내부와 외부의 온도구배를 비교 도시한 그래프.
도 5는 진공냉각관과 진공챔버 간 압력구배에 따른 수증기의 이동을 설명하기 위한 그래프.
도 6은 하부에 집수조가 배치된 진공열교환유닛 측을 확대 도시한 본 발명의 주요부 확대도.
도 7은 진공챔버의 바람직한 실시예를 나타낸 도면.
도 8은 진공확보 제1 방안에 따른 진공챔버 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 9는 진공확보 제2 방안에 따른 진공챔버 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 10은 도 9에 도시된 진공확보 제2 방안에 의한 진공형성과정을 나타내는 도면.
도 11은 진공확보 제2 방안에 의한 진공형성에 있어 배수관의 끝단부에 일정 수위로 물이 채워진 저수조를 배치시킨 도면.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 진공증발을 이용한 냉방시스템은, 물을 냉매로 이용하는 진공 증발 방식으로, 진공냉각관 내에서 물 증발에 따른 흡열작용을 이용하는 자연 대류식 복사냉방과 함께, 냉방 시 진공열교환유닛 표면에 형성되는 응축수를 회수해 냉방 대상 공간 외부로 배출시킴으로써 제습냉방이 병행될 수 있도록 한 복합 냉방 시스템이다.
도 1은 본 발명에 따른 진공증발을 이용한 냉방시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 시스템 구성도이다. 그리고 도 2는 도 1을 통해 도시된 진공열교환유닛의 정면 개략도이며, 도 3은 도 2에 나타난 진공열교환유닛의 내부 구조를 보인 측면 개략도이다.
본 발명의 냉방시스템은 크게, 진공열교환유닛(10), 외부 진공챔버(30), 물 저장조(50)로 구성된다. 진공열교환유닛(10)은 냉방 대상 공간(A) 벽면에 배치되어 공간 내 열을 흡수하며, 진공챔버(30)는 진공열교환유닛(10)을 구성하는 진공냉각관(12) 내부를 진공상태로 유지시키기 위해 기능한다. 그리고 물 저장조(50)는 진공냉각관(12) 내부로 분사될 소정온도의 물을 저장한다.
진공열교환유닛(10)은 고진공 상태의 진공냉각관(12)에 분무배관(14)을 통해 분무된 물이 분무와 동시에 증발됨에 따라 주변 열을 흡수하는 원리를 이용하며, 진공열교환유닛(10)의 진공냉각관(12)의 압력이 물 입자의 온도에 해당하는 포화증기압에 도달할 때까지 물 입자의 유입이 가능하므로 일정 기간 동안 지속적인 냉방을 구현할 수 있다.
진공열교환유닛(10)은 진공배관(20)을 통해 상기 진공챔버(30)와 연결되어 간헐 또는 지속적으로 진공상태를 회복하며, 진공열교환유닛(10)의 진공냉각관(12) 내부에 배치되는 분무배관(14)이 송수관(40)을 통해 상기 물 저장조(50)에 연결되어 물을 제공받고 고진공 상태의 상기 진공냉각관(12) 내부에 주기적으로 분무함으로써 증발 흡열작용이 지속적으로 발생한다.
진공열교환유닛(10)은 고진공을 유지하며 분무배관(14)을 내설한 일정 체적의 진공냉각관(12) 여러 개가 좌우 또는 상하로 연속 배치되어 순차적으로 동작함으로써 전체적으로 봤을 때 연속적인 냉방이 일어나는 것처럼 구성하는 것이 좋으며, 이때 분무배관(14)은 진공냉각관(12) 내부에 길이방향으로 배치되고 균등간격으로 여러 개의 분무노즐(140)을 구비하는 구성일 수 있다.
물 저장조(50)와 분무배관(14)을 연결하는 상기 송수관(40)에는 전자제어밸브(솔레노이드밸브, 45)가 설치되어 분무배관 측으로 물의 공급 주기가 적절히 제어될 수 있으며, 분무배관(14)을 내설한 상기 진공냉각관(12)은 열전도성이 우수한 금속재질 구성하여 냉방효과가 극대화될 수 있도록 구성하는 것이 좋다.
진공배관(20)은 진공냉각관(12) 상단부와 하단부에 각각 연결되어 진공냉각관(12)의 진공상태를 유지시키는 동시에, 고진공 진공냉각관(12) 내 증발 작용에 의한 수증기가 진공챔버(30)로 회수될 수 있도록 증기 회수관의 기능을 병행한다.
고진공 상태를 유지하는 진공냉각관(12) 일 측벽 내·외부에는 방열 면적 증대를 통한 냉방성능의 향상을 위해 방열핀(120)을 갖출 수 있으며, 방열핀(120)을 적용한 경우에는 고진공 상태의 진공냉각관(12) 내부에 냉매 역할을 하는 물이 분무됨에 있어 상기 방열핀(120)을 향해 분무되도록 함으로써 냉방성능이 극대화될 수 있도록 하는 것이 좋다.
진공냉각관(12)의 일 측벽을 일반 금속 대신 열전소자로 구성함으로써 냉각의 효과를 더 증대시키는 방안이 고려될 수도 있다. 즉, 일반 금속재로 진공냉각관(12)의 측벽을 구성하는 대신 열전소자로 측벽을 구성하고 전력을 인가하면, 도 4와 같이 일반 금속대비 더 큰 온도구배가 발생하여 외부의 열을 좀 더 빨리 흡수할 수 있게 되고 냉방 효과를 배가시킬 수 있다.
물의 포화증기압에 따른 증발 온도 특성에 따라 고진공 상태에서는 증발하는 물의 온도가 낮아지게 된다. 따라서 고진공 진공냉각관(12)에 물을 분무하게 되면 낮은 온도에서 증발이 일어나고 이때 필요한 증발 열을 주변으로부터 흡수하는 흡열반응이 일어나 진공냉각관(12)은 매우 낮은 온도조건을 유지하게 되며 외기의 온도를 낮추는 냉방효과가 유발된다.
앞서도 설명했듯이, 진공냉각관(12)은 대용량의 진공챔버(30)와 진공배관(20)으로 연결됨으로써, 진공냉각관(12)에서 발생하는 물의 증발로 인해 상승된 압력과 진공챔버(30) 간 도 5와 같은 압력구배(P2>P1)가 발생하며, 이로 인해 상기 진공냉각관(12) 내 증발로 인해 발생한 수증기는 진공배관(20)을 통해 자연스럽게 진공챔버(30)로 회수된다.
진공냉각관(12)과 외부 진공챔버(30)를 연결하는 진공배관(20) 중간에는 별도의 송풍기(80)가 더 설치될 수도 있다. 즉, 지속적 냉방에 따른 다수의 수증기 유입으로 인해 외부 진공챔버(30)와 상기 진공냉각관(12) 내부 증발에 의한 수증기압과의 압력구배가 점차 낮아질 경우, 상기 진공냉각관(12) 내부 수증기의 원활한 제거를 위해 송풍기(80)가 구동될 수 있다.
도 1 및 도 3에서 도면부호 70은 진공배관의 유로 개폐를 단속하는 제어밸브로서, 상기 제어밸브(70)는 진공챔버로서 진공냉각관에 대한 진공을 달성하거나, 반대로 진공냉각관 냉각 달성 중 발생한 수증기가 다시 진공챔버 측으로 회수되도록 함에 있어 진공배관 유로의 선택적 개폐를 위해 기능한다.
진공열교환유닛(10) 하방에는 냉방과정에서 진공열교환유닛(10) 표면에 맺힌 응축수의 집수를 위한 집수조(60)가 구비될 수 있다. 집수조(60)는 응축수를 집수할 수 있는 용기 형태라면 특별한 제한은 없으며, 도 6과 같이 집수조(60) 일측에 힌지(H) 연결하여 집수조(60)에 대해 진공열교환유닛(10)의 경사각이 조절될 수 있도록 구성할 수도 있다.
즉, 집수조(60)에 진공열교환유닛(10)이 힌지 연결시킴으로써, 필요에 따라 진공열교환유닛(10)의 방열 각도를 최적의 냉방이 구현될 수 있는 각도로 조절될 수 있도록 하며, 진공열교환유닛(10) 표면의 결로에 의한 응축수를 보다 효과적으로 집수할 수 있는 각도로 집수조(60)에 대한 진공열교환유닛(10)의 각도 제어 또한 가능하게 하는 것이 좋다.
집수조(60)는 배수관(65)을 통해 상기 물 저장조(50)에 연결될 수 있으며, 따라서 집수조(60)에 집수된 응축수는 상기 물 저장조(50)로 회수될 수 있다. 응축수를 물 저장조로 회수함에 있어서는, 집수조(60)를 물 저장조(50)보다 높은 곳에 위치시켜 자연배수가 일어나도록 하거나, 배수관(65) 중간에 펌프(P)를 배치하여 응축수가 강제로 수송되도록 할 수도 있다.
펌프(P)를 이용한 강제 수송의 경우에는 상기 집수조(60)에 집수량을 검출할 수 있는 수단 예컨대, 수위감수지센서(62) 등을 설치하여, 응축수가 일정 수위에 도달한 경우에만 간헐적으로 펌프가 동작할 수 있도록 하며, 물 저장조(50)로 회수된 응축수는 소정의 승온 처리 후 다시 진공열교환유닛(10)으로 보내져 냉방구현을 위한 냉매로서 이용될 수 있다.
진공챔버(30)는 진공냉각관(12)의 내부를 진공으로 유지시키기 위한 중요한 기능을 수행한다. 진공챔버(30)는 냉방 대상 공간 체적에 따른 냉방용량에 따라 그 용량이 달라질 수 있으므로 특정 용량의 크기로 한정되지 않으며, 냉방부하가 발생하지 않는 시점에서 사전에 충분한 진공상태를 확보할 수 있는 용량이면 된다.
진공챔버(30)는 단일 대용량의 구성도 가능하지만, 도 7을 통해 도시한 바와 같이 동일 용량의 다수의 진공챔버(30)로 구성하여 순차적인 운전이 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 냉방부하가 큰 경우를 대비해 냉방 가동 중에도 일부 진공챔버(30)를 통해 진공을 동시에 확보할 수 있도록 시스템을 운영함으로써 연속적인 냉방이 가능하도록 할 수 있다.
또한 진공챔버(30)를 다수로 구성하면, 냉방 가동의 중단 없이도 수증기가 유입되어 진공챔버로서의 기능이 저하된 진공챔버가 다시 진공상태를 회복할 수 있도록 시스템을 운영할 수 있다.
진공챔버(30)의 진공을 확보하기 위한 수단으로서, 도 8을 통해 도시한 바와 같은 잘 알려진 진공펌프(90)를 이용하는 방안이 고려될 수 있다. 진공펌프(90) 이용의 경우 공급전력으로는, 그리드 전력, 열병합발전 등의 자가 발전 설비에서 생산되는 잉여전력, 혹은 신재생 에너지(태양관, 지열, 풍력 등) 발전 전력 등이 이용될 수 있다.
이중에서 신재생 에너지원을 이용하여 발전되는 전력은 그리드 전력이나 열병합발전 등 자가발전 수단과는 달리, 사용자의 의도에 의해 제어될 수 있는 것이 아니라 신재생 에너지원 별 외기 조건에 따라 단속적으로 발생하는 특성이 있는 관계로, 경우에 따라 그리드 또는 자가 발전에 의한 잉여 전력을 함께 이용하는 인버터 방식으로 운영될 수 있도록 시스템을 구축하는 것이 바람직하다.
신재생 에너지를 이용함에 있어서는, 냉방수요가 없는 기간 동안 발생된 신재생 에너지 발전 전력으로 진공펌프(90)를 가동하여 외부 진공챔버(30)의 진공을 확보하고, 추후 냉방부하 발생 시 미리 확보해 놓은 진공챔버(30)의 진공을 이용하여 진공열교환유닛(10)을 가동함으로써 냉방부하 발생 시점에 그리드 전력 가동을 최소화할 수 있다.
진공챔버(30)의 진공을 확보하기 위한 다른 수단으로서, 도 9에 도시된 바와 같은 형태의 진공챔버(30)를 이용하는 방안이 고려될 수도 있다. 즉, 급수관(32)을 통해 물 저장조(50) 또는 별도의 수조와 연결하고, 상부 일측에는 에어밸브(34)를 구비하며, 하단에는 배수관(36)을 설치한 구성의 진공챔버(30)를 통해 진공확보가 가능하다.
도 9에 도시된 진공확보 수단을 통해 행해지는 진공확보 과정에 대해서는 이후 도 10을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 10에 나타난 진공을 위한 다른 방안은, 급수관(32)으로 물을 공급해 진공챔버(30)에 물을 가득 채운 후, 배수관(36)을 제외한 모든 유로를 차단한 상태에서 진공챔버(30)에 채워진 물을 배수시킴으로써 챔버 내부를 진공상태로 만드는 방안이다. 도 10의 단계별 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
진공챔버(30)가 진공냉각관(12)에서 증발된 수증기 유입으로 인해 일정 수준의 증기압에 도달하게 되면, 진공냉각관(12)과의 압력구배가 거의 없어져 더 이상 증기를 수용할 수 없는 상태에 이르게 된다(도 10의 (a)).
진공챔버(30)가 더 이상의 증기를 수용할 수 없는 상태에 도달했을 때 진공챔버(30) 일측에 설치되는 에어밸브(34)를 개방하여 대기를 유입시키면, 대기 유입으로 챔버 안의 압력은 순식간에 포화증기압 이상으로 증가하고 챔버 안에 있는 증기는 순식간에 응축되어 진공챔버(30) 바닥으로 모이게 된다(도 10의 (b)).
계속해서, 진공챔버(30)에 연결된 급수관(32) 및 펌프(미도시)를 통해 진공챔버(30) 내에 물을 유입시키면, 수위가 상승하면서 진공챔버(30) 내의 잔여 공기는 개방되어 있는 상기 에어밸브(34)를 통해 챔버 밖으로 강제로 밀려나게 된다. 물론, 공기 일부는 물의 공기 용해도의 상한만큼 물속에 용해되기도 하지만 대부분의 공기는 빠져나간다(도 10의 (c)).
도 10의 (d)를 통해 도시한 바와 같이 진공챔버(30)가 수용 가능한 최고수위까지 물이 채워지면 에어밸브(34)를 다시 닫고, 도 10의 (e) ~ (g)를 통해 도시한 바와 같이 진공챔버(30) 하단에 설치되는 배수관(36)을 개방해 물이 진공챔버(30) 밖으로 배출되도록 하면, 진공챔버(30) 내 공간은 매우 높은 수준의 진공상태가 달성된다.
상기한 진공확보를 위한 다른 수단을 통해 행해지는 진공확보에 있어 소요되는 동력은 액체인 물을 상기 진공챔버(30) 내로 이송시키는데 필요한 펌핑 동력뿐이어서, 앞선 실시예와 같이 전기로 진공펌프(90)를 가동하여 진공챔버(30) 내 증기를 배출하여 진공을 형성하는데 소요되는 전력보다 훨씬 적은 전력으로 진공을 달성할 수 있다.
물론, 챔버로부터 물이 배출되는 과정에서 물의 수위가 최 하단에 도달할 즈음에는 진공챔버(30) 내의 압력이 남아 있는 일부 물의 포화압력 이하로 떨어질 수 있으며, 이때 잔여 물이 증발하면서 진공챔버(30) 내의 압력이 다소 증가될 수도 있다. 이 경우 일정 수준 이하로 유지될 수 있는 수준이라면 해당 압력을 초기 진공챔버(30) 압으로 운전해도 큰 문제가 없으며, 그 이상이라면 도 10의 (h)와 같이 진공펌프(90) 가동을 통해 증기를 추가로 뽑아낼 수도 있다.
도 10의 진공챔버(30) 내 저장된 물을 배수관(36)을 통해 배출함에 있어 배수관(36)의 끝단이 대기중에 그대로 노출된 조건에서 방출이 행해지면, 상기 배수관의 끝단을 통해 공기가 유입되어 진공챔버(30) 내부로 일부 침투될 수 있다. 따라서 도 11과 같이, 배수관 끝단이 별도 마련되는 저수조(38)의 물 속에 위치되도록 구성함이 바람직하다.
즉 별도 구비되는 상기 저수조(38)는 배수관 밸브(37)를 개방하기 전 배수관(36)의 끝단이 물에 잠길 수 있는 정도의 수위가 유지되도록 하며, 배수관(36)의 끝단이 공기중에 직접 노출되지 않는 조건을 만족할 경우 밸브(37)를 개방하여 진공챔버 안에 채워져 있는 물이 배출되도록 함으로써 보다 높은 진공을 달성할 수 있다.
저수조(38)의 수위(h)는 배수관(36)의 끝단이 공기중에 직접 노출되지 않을 정도이면 되므로 특정 수치로 한정되는 것은 아니며, 진공챔버(30) 안의 물의 압력 수두가 상기 저수조(38)의 수위(h)에 의한 압력보다 훨씬 크기 때문에, 펌프와 같은 별도의 기계적 도움 없이도 자연스럽게 진공챔버(30) 안에 채워진 물이 배출될 수 있는 것이다.
지속적인 진공챔버(30) 내의 물 배출로 인해 상기 저수조(38)와 진공챔버(30) 내 압력이 같아져 챔버(30) 안의 물의 방류가 자연스럽게 정지하거나 혹은 진공챔버(30) 내 고진공으로 인한 물의 증발로 인해 저수조(38)의 물이 진공챔버(30) 쪽으로 역류하는 경우에는 배수관(36)에 구비되는 상기 밸브(37)를 제어하여 물의 유입을 차단시킬 수도 있다.
상기한 다른 수단을 통해 행해지는 진공확보를 위한 과정에 투입되는 물의 온도는 20℃ 이하의 시수 온도가 적당하다. 즉, 20℃ 내외의 물의 포화 압력은 매우 낮은 수준이므로 결과적으로 위와 같은 과정으로 매우 낮은 포화 압력을 얻을 수 있기 때문이다.
한편, 진공관으로 유입되며 냉방구현을 위한 매개체인 물은 상온의 물도 가능하지만, 저진공 상태라도 원활한 증발이 이루어질 수 있도록, 물의 온도는 50~60℃ 수준의 온수가 적당하며, 이때 포화증기압은 상기 20℃ 시수의 포화증기압 대비 일정 수준의 차이가 발생하므로, 이 영역에서의 운전을 통해 물의 진공 증발 현상을 이용한 냉각 효과를 달성할 수 있다.
상기한 구성의 본 발명의 실시예에 따른 진공증발 냉방시스템에 의하면, 진공냉각관을 지속적으로 진공상태로 유지시켜 반복적인 물의 증발에 따른 흡열작용을 이용하는 자연 대류식 복사냉방과 함께, 냉방 시 진공열교환유닛 표면에 형성되는 응축수를 회수해 냉방 대상 공간 외부로 배출시킴으로써 제습냉방을 병행할 수 있다.
즉, 물을 냉매로 하며 냉기 강제 송풍 방식이 아닌 자연 대류 방식을 `이용하는 냉방시스템으로서, 자연 대류를 통해 실내 온도 분포를 균일하게 유지시키는 것이 가능하며, 실온유지 성능을 향상시킬 수 있고, 종래 강제 송풍 방식에서와 같은 냉기의 직접 접촉에 따른 재실자 불쾌감을 해소할 수 있는 등 만족도 높은 냉방 편의를 제공할 수 있다.
또한, 값싸고 환경 친화적인 특성을 갖는 물을 냉매로 하는 진공증발 방식을 이용해 지속적인 냉방을 구현함으로써, 냉방 시스템 구현 및 시스템 구동에 따른 유지비용의 대폭적인 경감을 도모할 수 있어 경제적 측면에서 유리하며, 냉매 누설로 인한 환경 피해가 전혀 없어 환경적 측면에서도 유리한 점이 있다.
더욱이, 냉방수요가 없는 시간 동안 생산되는 전력을 진공상태로 저장한 후 냉방수요가 발생했을 때 기 저장된 진공상태의 챔버를 이용해 냉방을 구현할 수 있는 시스템 구현이 가능하여, 종래 EHP 냉방방식에 비해 신재생 에너지원을 보다 적극 활용할 수 있으며, 신재생 에너지원을 이용하는 만큼 전력저감을 달성할 수 있어 전력수요 저감에 기여할 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
공동 또는 단독주택, 공공건축물, 상업용 건축물 등에 냉방시스템을 구축함에 있어 다양한 형태로 적용 가능하다.
[부호의 설명]
10 : 진공열교환유닛 12 : 진공냉각관
14 : 분무배관 20 : 진공배관
30 : 진공챔버 32 : 급수관
34 : 에어밸브 40 : 송수관
50 : 물 저장조 60 : 집수조
36 , 65 : 배수관 70 : 제어밸브
80 : 송풍기 90 진공펌프

Claims (17)

  1. 냉방 대상 공간 벽면에 설치되며 진공상태로 유지되는 진공냉각관 내부에 물 분사용 분무배관을 배치시킨 구성의 진공열교환유닛;
    진공배관을 통해 상기 진공열교환유닛과 연결되며 상기 진공냉각관 내부를 진공상태로 유지하기 위한 진공을 형성시키는 외부 진공챔버; 및
    송수관을 통해 상기 진공냉각관 내에 배치되는 분무배관과 연결되며 진공열교환유닛의 상기 분무배관을 통해 진공냉각관 내부로 분사될 물을 저장하는 물 저장조;를 포함하며,
    진공챔버를 통해 상기 진공냉각관의 진공상태를 지속적으로 유지시켜 반복적인 물의 증발에 의해 지속적인 냉각이 유발될 수 있도록 한 진공증발을 이용한 냉방시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공열교환유닛은 분무배관을 내설한 적어도 둘 이상의 상기 진공냉각관을 좌우 또는 상하로 연속 배치시킨 구성인 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방시스템..
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분무배관은 진공냉각관 내부에 길이방향으로 배치되며, 일정한 간격으로 이격 배치되는 여러 개의 분무노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방시스템..
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 진공냉각관 일 측벽 내·외부에 방열핀이 형성되고, 분무배관에서 분무되는 물이 상기 방열핀을 향하도록 한 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방시스템..
  5. 제 4 항에 있어서,
    방열핀을 형성한 상기 진공냉각관 일 측벽이 열전소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공열교환유닛 표면 응축수 포집을 위해 진공열교환유닛 하부에 배치되는 집수조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방시스템..
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 집수조에 진공열교환유닛이 힌지 연결되어 집수조에 대해 진공열교환유닛의 경사각을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방시스템..
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 집수조를 배수관을 통해 물 저장조에 연결시킨 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방시스템..
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공배관 중간에 배치되는 제어밸브와 송풍기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방시스템..
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공챔버는 진공펌프 구동으로 진공 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방시스템..
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공챔버는, 급수관을 통해 물 저장조 또는 별도의 수조와 연결되고, 상부 일측에는 에어밸브를 구비하며, 하단에는 배수관이 설치된 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방시스템..
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 배수관의 끝단이 잠길 수 있을 정도의 수위로 물이 채워진 저수조;를 더 포함함을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방시스템.
  13. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    용량이 동일한 상기 진공챔버가 다수로 구비되는 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방시스템..
  14. (a) 진공챔버를 이용하여 진공냉각관을 고진공상태로 유지시키는 단계;
    (b) 고진공상태를 유지하는 진공냉각관 내부에 소정 온도의 물을 분무하여 증발 흡열작용을 유발시키는 단계; 및
    (c) 물 증발에 따른 진공냉각관 내부의 수증기를 진공챔버로 회수하는 단계;를 포함하는 진공증발을 이용한 냉방구현방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    진공펌프를 이용하여 상기 진공챔버를 진공상태로 만드는 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방구현방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    진공배관을 통해 진공챔버로 수증기가 유입되도록 하는 수증기 유입단계;
    수증기 유입으로 진공챔버 내 압력이 일정 수준의 증기압에 도달하면 진공챔버 일측에 구비되는 에어밸브를 열어 대기를 유입시키고 진공챔버 내부 압력을 포화증기압 이상으로 증가시켜 챔버에 유입된 수증기가 응축되도록 하는 수증기 응축단계;
    수증기 응축과정에서 생성된 응축수의 진공챔버 바닥 측 집수와 함께 급수관을 열고 물을 유입시켜 진공챔버 내 잔여공기를 상기 에어밸브를 통해 진공챔버 밖으로 강제 배기시키는 배기단계; 및
    일정 수준까지 진공챔버 내에 물이 채워지면 에어밸브를 닫고 하단의 배수관을 개방해 챔버 밖으로 물을 배출시켜 진공챔버 내부를 진공상태로 만드는 진공형성단계;를 통해 진공챔버의 진공을 달성하는 것을 특징으로 하는 진공증발을 이용한 냉방구현방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    진공형성단계 이후 진공챔버 내 잔류 증기를 추가로 뽑아내기 위한 진공펌프구동단계;를 더 포함하는 진공증발을 이용한 냉방구현방법.
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