KR101536819B1 - 열펌프 건조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열펌프의 응축열을 이용하여 피건조물을 건조하고, 증발기에서 발생하는 냉열을 이용하여 건조과정에서 발생하는 습기를 응축 제거함으로써 피건조물을 효율적으로 건조하는 열펌프 건조기에 관한 것이며, 보다 상세히는 열펌프 건조기 특성상 건조기 내부 온도를 50℃ 이하로 제한하여야 하는 기존 열펌프 건조기의 문제를 해소하기 위하여 열펌프 효율을 감소시키지 않으면서 건조기 내부 온도를 80℃까지 유지할 수 있도록 구성한 열펌프 건조기에 관한 것이다.

Description

열펌프 건조기{HEAT PUMP DRYER}

본 발명은 열펌프의 응축열을 이용하여 대상물을 건조하고, 증발부에서 발생하는 냉열을 이용하여 건조과정에서 발생하는 습기를 응축 제거함으로써 건조효율을 높인 열펌프 건조기에 관한 것이며, 보다 상세히는 히트펌프 건조기에서 응축부에서 남는 열을 증발부에서 흡수하여 효율을 개선하고 외부 열원을 사용하지 않고 신속하고 고온의 초기 승온이 가능하며, 동절기 증발부에 성에가 끼는 것을 사전에 예방하고 건조 운전 중에 제상이 이루어지며, 상대적으로 고온유지가 가능한 열펌프 건조기에 관한 것이다.

열펌프 건조기는 압축기-응축부-팽창밸브-증발부-압축기로 순환하는 냉각싸이클과 응축부-냉각기-건조실로 이루어지는 열유동 순환을 이용하여 응축부에서 얻은 고온열풍으로 대상물을 건조하고, 증발부에서 얻은 냉열을 이용하여 건조기 내부 수분을 응축 제거하여 대상물을 효율적으로 건조하는 시스템이다.

이와 같은 열펌프 건조기는 열의 생산과 폐열의 흡수 및 수분응축이 단일 시스템 내에서 연속적으로 이루어지기 때문에 폐열을 그대로 방출하는 기존 열풍건조방식에 비하여 약 60~80%의 에너지를 절약할 수 있는 장점이 있어 농수산물 건조, 공업생산품의 제조 공정 등 다양한 분야에서 유용하게 활용될 수 있다.

수분을 포함하는 대상물의 건조효율은 건조실 내부의 적정온도와 낮은 습도유지에 의해 결정된다. 열펌프 건조는 냉각싸이클을 구성하는 응축부에서 발생하는 열을 이용해 대상물을 가열하고, 발생한 수분은 증발부에서 얻은 냉열을 이용하여 응축 제거하는 원리를 적용함으로써 건조실 내부에 응축부와 증발부를 포함한 열펌프시스템을 분리 또는 패키지 형으로 설치하는 구조가 일반적으로 적용되어 왔다.

그러나 기존 히트펌프 건조기는 효율이 높은 건조 시스템임에도 다음과 같은 문제점 때문에 저온건조 또는 냉동건조 등의 제한적 목적으로 활용되는 한계가 있었다.

첫째, 초기 승온이 어려운 문제가 있다.

대상물의 건조 효율을 높이기 위하여 건조실 내부 온도를 최소 50℃ 이상 유지할 필요가 있으며, 이용목적에 따라 70~80℃의 고온이 요구되는 경우가 대부분이다.

히트펌프 시스템은 건조 원리상 응축부와 증발부가 밀폐된 건조실 내부에 설치됨으로써 응축열과 증발열이 거의 열평형을 이루어 실내 온도 상승이 어렵다. 따라서 초기 승온을 위하여 별도의 열원을 건조실 내부에 설치하여야 하는 문제점이 있다.

둘째, 50℃ 이상 고온 유지가 어렵다.

건조기의 효율적인 운용을 위하여 70~80℃온도 유지가 가능하여야 한다. 예를 들어, 대표적인 건조 농산물의 하나인 고추의 경우 수분함량이 대략 80%에서 15%까지 건조가 이루어져야 하고, 최적 건조온도가 대략 60℃로서 이보다 낮을 경우 탈색과 부패 상태의 하품과율이 증가한다. 열펌프 건조기의 지속 건조 온도인 40~50℃로 건조할 경우 탈색율이 30% 까지 발생하는 것으로 알려져 있어 열펌프 건조기에서 건조온도의 상향유지는 활용성과 건조효율 개선에 중요한 요소이다.

히트펌프 건조기에서 건조기 내부온도를 50℃ 이상 유지할 경우에는 냉매의 응축부 인입온도와 배출온도차가 충분하지 않아 응축 액화되지 않는 가스가 팽창밸브로 인가되어 순환사이클의 효율을 떨어뜨리고 증발온도가 높아진다. 일반적인 히트펌프(고가의 고온용 압축기를 사용하지 않는)에서 압축기 배출 냉매온도는 대략 110℃ 내외이고, 건조기 내부온도를 50℃이하로 유지하면 응축부에서 열교환에 의해 열을 빼앗겨 팽창밸브로 인입됨으로써 증발과 응축간의 균형이 이루어져 싸이클의 문제가 발생하지 않고 지속적인 건조 운전이 가능하다.

그러나 건조실 내부온도를 외부 열원 등을 사용하여 50℃이상으로 높이면, 응축 후 냉매의 높은 온도로 인해 (즉, 응축부에서 열교환이 충분히 이루어지지 못함으로써 응축 후에도 남는 열이 발생), 냉매의 일부가 가스상태로 팽창밸브에 인입됨으로써 팽창효율이 감소되고, 고온의 냉매가스가 압축기로 인입 고온 압축에 따른 기계적 무리와 오일의 탄화에 의한 압축기 소손이 발생하여 수명이 단축 된다.

이러한 문제점 때문에 시스템에 의해 고온을 얻기 위한 많은 시도와 기술개발노력이 진행 중에 있다. 예를 들어, 단일 압축기의 경우 상대적으로 고압으로 운전하는 고압운전방법, 2개의 압축기를 직렬로 연결하여 압축도를 단계적으로 높이는 2단 압축방법, 특수 고온 고압용 압축기를 사용하여 고압운전방법이 알려져 있다.

단일압축기를 사용한 고압운전방법은 압축기의 적정 운전압력보다 높여 운전하는 방법으로 정상운전에 비하여 5~10 ℃의 온도 상승효과를 제공하지만 20kg/㎠전후의 정상운전 압 보다 5~7kg/㎠ 더 높은 압력으로 운전하기 때문에 압축기에 기계적 무리를 가하여 지속운전이 불가능하며, 마모 및 오일의 탄화에 의해 압축기의 내구수명이 극히 짧아져 고가의 압축기를 주기적으로 교환해야 하는 문제점이 있다.

2단 압축 방법은 일반 냉매를 사용하여 1차 압축기에서 50℃ 생산에 맞게 압축한 후 고온용 냉매를 사용한 2차 압축기에서 70℃ 생산에 맞게 단계적으로 압축함으로써 기존에 비하여 대략 20℃ 높은 실내온도 유지가 가능하고 냉동분야에서 더 낮은 온도를 얻는 방법으로 유용하게 사용되고 있으나 응축 남는 열을 증발 전에 방출시켜 버려야 함으로 에너지효율이 낮고, 응축과 증발에 의한 순환싸이클에 사소한 문제가 집적되어 싸이클 상의 문제가 유발되는 등 기술적으로 안정화가 이루어지지 않는 문제점이 있고, 고압용 압축기의 적용과 고압 부품의 사용에 의해 기존 기술 대비 대략 3배 이상의 비용 상승요인이 발생하는 단점이 있다.

특수 고온 고압용 압축기를 사용하는 방법은 동일 냉매를 사용하여 고압고온 운전이 이루어지는 장점이 있고 기존에 비하여 대략 10℃의 온도 상승효과를 제공하고 있으나 고가의 압축기를 적용하여야 하고 기계적 성능에 대한 검증이 완료되지 않는 문제점이 있다.

대한민국 특허공고 90-000269 (1990년01월24일)는 건조고내의 공기를 증발기에 흡입하기 전에 냉동기의 능력을 충분히 발휘할 수 있는 약 40℃ 이하의 적정온도까지 사전에 저하시키는 동시에 증발기 흡입공기량을 제한하여 건조고내의 건조공기를 고온으로 유지하면서 냉동장치를 이상 상태로 장기간 연속운전이 가능하도록 한 기술을 제시하고 있다.

대한민국 특허공개 10-2011-0068616(2011년06월22일)는 각기 압축기-응축기-팽창밸브-증발기로 이루어지는 제1히트펌프와 제2히트펌프를 2싸이클로 구성하여 각각의 응축기와 증발기를 통한 열교환이 이루어지도록 배열하여 응축부에서는 흡입온도를 단계적으로 상승시켜 건조기로 투입하고, 증발부에서는 건조기로 부터 흡입한 고온의 공기를 단계적으로 강하시켜 응축부로 전달하는 구조로서 고온측에 위치한 히트펌프의 냉매 및 압축기를 고온에 견딜 수 있는 요소로 구성하여 건조기 내부온도를 고온으로 유지하더라도 고온측 증발기 및 압축기에서 이를 수용하는 구조를 제시하고 있다.

전자는 건조장치로서 무리없이 장기간 연속가동시키기 위해서 증발기에 고온의 건조고내 공기를 직접 대량으로 흡입시키지 않아야 된다는 원리와 대량의 건조고내 공기를 증발기에 무제한으로 흡입시키지 않고 흡입공기량을 제한함으로써 건조고내의 건조공기를 고온으로 유지하면서 냉동장치를 이상 상태로 장기간 연속운전이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 것으로 다양하게 응용되고 있으나 건조고 내의 일부 공기만 증발기에 통과시킴으로써 건조고 내의 수증기를 충분히 응축 배출할 수 없기 때문에 건조 성능의 향상에 한계가 있고, 증발기를 통과하는 공기의 일부를 외부공기로 대체함으로서 열 손실이 발생하여 전체적인 에너지 효율이 낮아지는 문제점이 있었다.

후자의 경우에는 히트펌프를 2중으로 구성하여 증발기의 냉각능력을 높임으로써 건조실 내부를 고온으로 유지할 수 있는 장점을 제공하고 있으나 시스템을 2중으로 구성하여야 하고, 그 중 하나의 시스템은 고온의 열과 압력에 견디는 고가의 냉매와 압축기를 구비하여야 함으로 설비비가 높은 문제가 있었다.

셋째, 건조 수요가 높은 동절기에 착상과 제상에 따른 운전 제한요건이 있다.

히트펌프의 증발코일은 노점 이하에서 착상이 발생하며, 증발코일에서의 착상은 액 압축에 의한 압축기 소손, 증발코일 및 핀의 동결파손, 송풍팬의 훼손 등을 초래하는 원인으로써 외기 온도가 낮은 겨울철에 착상이 더욱 심해지기 때문에 주기적 제상운전을 필요로 한다. 통상적으로 제상운전은 5~10분간 이루어지고, 제상운전 종료 후에도 수증기에 의한 전기부품의 소손을 방지하기 위해 대략 5분 정도 운전을 정지함으로써 잦은 제상은 온수 생산의 중단과 에너지소비를 증가시키는 요인이 된다.

기존 히트펌프에서 제상은 4방 밸브를 사용한 역싸이클운전, 전기히터제상 중 하나를 일반적으로 적용하고 있다.

역싸이클링 제상은 냉동싸이클을 역으로 가동하여 제상하는 방법으로 제상 운전시 응축코일이 증발코일 역활을 하여 이와 열교환 상태인 건조기 내부가 냉각되는 단점이 있고, 전기히터에 의한 제상은 제상시간이 길어지거나 골고루 제상이 되지 않는 단점들이 있어 히트펌프의 효율향상에 걸림돌이 되고 있다.

KR 1019900000269 A KR 1020010068616 A JP 201200052744 A

본 발명은 히트펌프 건조기에서 별도의 외부 열원에 의하지 않고 냉동싸이클 가동만으로 초기 승온이 가능한 열펌프 건조기를 제시하고, 건조실 내부 온도를 70~80℃까지 지속적으로 유지할 수 있도록 하여 다양한 대상물의 건조에 이용할 수 있도록 하며, 증발부에서의 착상을 지연하여 제상 주기를 연장하고 제상 시에 건조실 내부 온도가 떨어지는 것을 방지하는 고효율 히트펌프 건조기를 제시할 목적으로 안출된 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 제시된 본 발명은, 압축기-응축부-팽창밸브-증발부-압축기로 이루어지는 열펌프의 냉매 순환과정에서 발생한 응축열을 이용하여 건조고 내의 대상물을 가열 건조하고, 증발부에서 발생한 냉열을 이용하여 열회수와 고내 습기를 응축 제거하는 열펌프 건조기에 있어서, 상기 팽창밸브-증발부-압축기 및 그 연결라인은 건조고 외부에 설치하고; 건조고는 밀폐된 박스형으로서 내부에 건조실과 열유동통로를 형성하고; 건조고 외부에 냉수를 채운 냉수탱크를 구비하고 냉수순환펌프와 순환관 및 냉각기 의해 냉수탱크의 냉수가 냉각기의 냉각코일을 경유하여 순환하는 별도의 냉수순환싸이클을 구성하고; 상기 응축부 및 냉각기는 상기 건조고 내 열유동통로에 송풍기와 함께 설치함으로써 응축부-냉각기-건조실-응축부로 순환되는 폐쇄형열유동싸이클을 구성하며; 응축부의 아웃라인을 증발부의 증발코일 외각에 나란히 배치하고 응축부 아웃라인의 끝에 상기한 팽창밸브(제1팽창밸브)와 별도의 바이패스라인(제1바이패스라인) 및 그 개폐밸브를 병렬로 설치하여 응축부의 아웃라인을 통한 냉매가 제1팽창밸브 또는 제1바이패스라인을 선택 통과하여 증발코일에 인입되도록 하고, 증발부와 압축기의 연결라인에 열교환기를 설치하여 냉수탱크와 연결한 열교환싸이클에 의해 열교환이 이루어지도록 하며, 증발부와 열교환기 사이에 제2팽창밸브와 제2바이패스라인 및 그 개폐밸브를 병렬로 설치하여 증발부를 경유한 냉매가 제2팽창밸브 또는 제2바이패스라인을 선택 통과하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 건조기 내부 수분 응축을 위한 냉각기와 열펌프를 구성하는 증발부가 냉매의 순환싸이클에서 각기 분리됨으로써 열펌프 싸이클이 건조고 내부 온도에 의해 제한을 받지 않는다.

또한 응축부의 아웃라인이 증발부의 증발코일과 병행 설치되고 팽창밸브 와 제2팽창밸브 및 그 바이패스라인에 의해 냉매의 흐름이 선택됨으로써 다음과 같은 운전방식을 적용할 수 있다.

① 초기 승온

제1바이패스라인이 닫히고, 제2바이패스라인이 열리며, 냉수순환싸이클 및 냉수와의 열교환은 정지 상태에서, 압축기-응축부-제1팽창밸브-증발부- 제2바이패스라인- 열교환기(단순통과)-압축기로 연속되는 열펌프싸이클이 가동되어 증발열에 관계없이 응축열에 의해서만 건조고 온도를 높일 수 있어 외부 열원 없이도 일반 열펌프 건조기의 최대온도(약50℃)까지 신속하고 안정적으로 높일 수 있다.

더 높은 온도를 위하여 설정온도를 50℃이상으로 높인 경우에도 나란히 설치된 응축부아웃라인과 증발코일 구조에 의해 냉매에 남아있는 열이 팽창밸브로 인입되기 전에 증발부에 이용 흡수되며 충분히 응축액화됨으로써 팽창밸브 및 증발기 효율을 유지하며, 상대적으로 고온인 대략 80℃까지의 고내 온도상승이 가능하고, 건조운전시에도 고온의 유지가 가능하다.

② 건조운전

제1바이패스라인이 개방되고 제2팽창밸브가 동작하며, 냉각수의 열교환과 냉수순환싸이클이 정상 작동한 상태에서, 압축기 - 응축부 - 제1바이패스라인 -증발코일(단순통과)- 제2팽창밸브- 열교환기(열교환)-압축기로 연속되는 열펌프싸이클이 가동되고, 냉수순환싸이클이 가동되어 건조고 내부에서 가열에 의한 건조와 응축에 의한 수분제거가 연속적으로 이루어진다.

건조고 내부 온도를 상대적으로 고온(80℃)으로 유지한 경우에도 대략 10℃를 유지하는 냉각수와 열교환을 통하여 압축기 인입 냉매는 10도 이하의 적정온도를 유지하고, 냉각수 탱크 내의 물이 완충작용을 하여 안정된 상태로 고온지속운전이 가능하게 된다.

건조운전에서 증발부를 구성하는 팬은 건조고 내부온도를 더욱 높이는 운전의 경우를 제외하고, 정상운전 상태에서 동작을 정지함으로써 소비전력을 절감할 수 있고, 응축 후 남는열을 흡수하여 재 이용함으로써 고효율의 운전이 가능하다. 건조 운전 중 실내온도가 설정온도에 도달한 경우에는 건조고내 응축기의 팬이 정지함으로써 설정온도에 도달한 실내온도를 유지할 수 있다.

③ 제상운전

응축부의 아웃라인이 증발부의 증발코일과 병행 설치됨으로서 동절기의 승온 운전시 착상을 지연시킬 수 있으며, 제상운전시에 건조고 응축부는 응축용 팬을 용량 제어함으로써 더욱 뜨거운 압축가스열을 증발부로 보내 제상을 실시하고 제1 바이패스라인 개방, 제2팽창밸브 사용하는 시스템으로 일시 전환되어 증발냉열을 수조에서 흡수하게 되며 건조고 응축부는 가열기로 그대로 기능함으로서 승온 운전이 지속되고, 기존 역싸이클 운전에 의한 제상시의 고내 온도강하에 의한 에너지효율 감소 문제를 해소할 수 있다.

도 1은 본 발명의 기본 구성도
도 2는 본 발명의 승온운전 싸이클
도 3은 본 발명의 제상운전 싸이클
도 4는 본 발명의 건조운전 싸이클

이하 첨부된 도면에 의한 실시 예에 의해 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 기본 구성을 도시한 것으로, 본 발명은 압축기(11)-응축부(12)-팽창밸브(13)-증발부(14)-압축기(11)로 이루어지는 열펌프(10)의 냉매 순환과정에서 발생한 응축열을 이용하여 건조고(20) 내의 대상물을 가열 건조하고, 증발부(14)에서 발생한 냉열을 이용하여 열회수와 고내 습기를 응축 제거하는 열펌프 건조기에 있어서, 상기 팽창밸브(13)-증발부(14)-압축기(11) 및 그 연결라인은 건조고 외부에 설치하고; 건조고(20)는 밀폐된 박스형으로서 내부에 건조실(21)과 열유동통로(22)를 형성하고; 건조고 외부에 냉수를 채운 냉수탱크(31)를 구비하고 냉수순환펌프(32)와 순환관(33) 및 냉각기(34) 의해 냉수탱크의 냉수가 냉각기의 냉각코일을 경유하여 순환하는 별도의 냉수순환싸이클(30)을 구성하고; 상기 응축부(12)및 냉각기(34)는 상기 건조고 내 열유동통로에 송풍기(41)와 함께 설치함으로써 응축부(12)-냉각기(34)-건조실(21)-응축부(12)로 순환되는 폐쇄형 열유동 싸이클(40)을 구성하며; 응축부(12)의 아웃라인(121)을 증발부(14)의 증발코일(141) 외각에 나란히 배치하고 응축부 아웃라인(121)의 끝에 상기한 팽창밸브(제1팽창밸브;13)와 별도의 바이패스라인(제1바이패스라인;16) 및 그 개폐밸브(161)를 병렬로 설치하여 응축부의 아웃라인을 통한 냉매가 제1팽창밸브(13) 또는 제1바이패스라인(16)을 선택 통과하여 증발코일(141)에 인입되도록 하고, 증발부(14)와 압축기(11)의 연결라인(142)에 열교환기(17)를 설치하여 냉수탱크(31)와 연결한 열교환싸이클(50)에 의해 열교환이 이루어지도록 하며, 증발부와 열교환기 사이에 제2팽창밸브(18)와 제2바이패스라인(19) 및 그 개폐밸브(191)를 병렬로 설치하여 증발부를 경유한 냉매가 제2팽창밸브 또는 제2바이패스라인을 선택 통과하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 열펌프(10)는 냉매가스를 압축하는 압축기(11)와 건조고 내에 설치되어 고 내부를 가열하는 응축부(12)와, 팽창밸브(13)와, 증발부(14), 각기 선택적으로 작동하거나 냉매를 단순 통과시키는 제1팽창밸브(13), 제2팽창밸브(18), 열교환기(17), 제1바이패스라인(16), 제2바이패스라인(19)를 포함하여 구성된다.

상기에서 응축부(12)는 건조고 내 열유동통로(22)에 설치하고, 그 외의 요소는 건조고 외부의 독립된 공간 또는 케이싱에 팩키지 구조로 설치된다.

본 발명에 적용되는 압축기(11)은 냉동기에 일반적으로 적용하는 일반 콤프레셔가 적용되고, 고온 유지 성능에도 고온용 콤프레셔를 사용할 필요가 없다.

증발부(14)는 증발코일(141)과 핀(미도시)으로 구성되고, 증발코일의 외각에 나란하게 응축부(12)의 아웃라인(121)을 배치한 구조를 갖는다.

상기 증발부는 건조고 외부에 설치하고, 냉수와의 열교환에 의해 냉기를 냉각기(34)에 제공함으로써 기존 열펌프 건조기와 차이를 갖는다. 즉, 증발부를 건조고 외부에 설치하고, 열교환에 의해 간접적으로 냉각기에 냉열을 제공함으로써 증발부가 건조고 내부 온도에 직접 영향 받지 않고, 냉각수가 완충작용을 하도록 구성된다.

본 발명에서 열펌프는 제1팽창밸브와 제2팽창밸브를 포함하여 구성되고, 각각의 팽창밸브는 바이패스라인 및 그 개폐밸브와 함께 구성되어 제1 또는 제2 팽창밸브 중 어느 하나가 가동되면 다른 하나는 바이패스라인의 개방에 의해 기능이 정지되는 구조를 갖는다.

열교환기(17)는 냉매의 압축기 인입단계에서 냉수탱크의 냉수와 열교환 목적으로 설치되며, 후술하는 바와 같이 정상 건조 운전시와 제상운전시에 증발부 기능을 수행하고, 초기 승온시에는 열교환기능을 수행하지 않고 냉매 흐름관의 역할을 수행한다.

상기한 열펌프의 구조에 의해 증발부의 기능은 가동하는 팽창밸브에 의해 정해지며, 가동하는 팽창밸브는 바이패스라인의 개폐에 의해 결정된다.

즉, 제1바이패스라인이 닫힌 상태에서 고압의 액상 냉매가 제1팽창밸브(13)를 통과 팽창함으로써 증발부(14)에서 증발 기능을 수행하고, 제1바이패스라인이 열린 상태에서는 고압의 액상 냉매가 제1바이패스라인으로 통과하여 제1팽창밸브(13) 기능은 정지되고, 증발코일은 응축부(12)의 아웃라인(121)의 연장선이 된다.

제2바이패스라인 및 제2팽창밸브는 제1바이패스라인 및 제1팽창밸브와 반대로 작동하여 제1바이패스라인을 통과한 고압액상냉매는 제2팽창밸브에 의해 팽창하고, 그 경우 증발부 기능은 열교환기(17)에서 이루어진다.

본 발명에서, 건조고(20)는 단열성능이 우수한 폴리우레탄 패널을 사용하여 박스형상으로 조립구성하거나 단열성능을 갖도록 구성한 콘크리트 구조물로 구성하며, 내부 공간에, 바람직하게는 하부에 건조대상을 적치하여 건조할 수 있는 건조실(21)을 설치하고 상부 공간에 격벽으로 구분되는 열유동통로(22)를 형성하여 열펌프의 가동시 건조실 내부 공기가 열유동통로를 통하여 폐쇄된 상태로 순환하도록 구성한다. 또한, 건조대상의 입출고가 가능하도록 출입구가 구비되고 필요에 따라 환기에 필요한 통기구가 설치될 수 있으며, 상기 통기구는 열유동통로와 결합하여 필요에 따라 폐쇄된 열유동통로를 개방형태로 사용할 수 있도록 구성할 수 있다.

상기 열유동통로에는 송풍기(41)가 설치되어 응축부(12)-냉각기(34)-건조실(21)로 순환되도록 구성한 폐쇄형 열유동 싸이클(40)을 구성한다.

냉수순환싸이클(30)은 일정한 량의 물을 저장할 수 있는 냉수탱크(31)와, 냉수탱크의 물을 냉각기(34)로 순환 공급하기 위한 냉수순환펌프(32) 및 순환관(33)으로 이루어져 냉수탱크의 냉수가 냉각기를 경유하여 순환한다.

냉수탱크(31) 용량은 열펌프 용량에 비례하여 증감할 수 있는 것으로 정상 운전시 5~10℃ 온도를 유지하도록 용량을 정함으로써 냉각기(34)에서 제습이 원활하게 이루어지며, 외기의 영향을 받지 않도록 단열 피복하는 것이 바람직하고, 도시되지는 않았으나 일정한 수위를 유지하도록 급수장치 및 드레인밸브가 설치되고,혹한기에 대응할 수 있도록 전기히터를 내장할 수 있다.

냉각기(34) 하부에는 응축수를 집수하여 배출하기 위한 배수관(35)을 설치한다.

열교환싸이클(50)은 열펌프에서 생성한 냉열을 냉수탱크의 냉각수에 흡수하도록 열교환기(17)과 냉수탱크(31)을 연결하는 열교환관(51) 및 순환펌프(52)로 구성된다.

상기 냉수는 열펌프로부터 냉열을 공급받아 냉각되고, 한편으로 건고고 내부에 설치된 냉각기로부터 열을 흡수하여 상시 열평형을 유지하고 시스템 가동중 5~10도 온도를 유지한다.

삭제

이상의 구성에 의한 본 발명의 운전사이클은 도 2 내지 도 4에 의해 설명할 수 있으며, 운전싸이클의 제어는 열펌프의 기본적 제어에 추가되어 열유동싸이클,열교환싸이클, 제1,제2팽창밸브의 제어에 의해 초기 승온운전 싸이클,제상운전싸이클, 건조운전싸이클로 구분되는 다양한 운전방식을 적용할 수 있다.

① 초기 승온운전 싸이클

초기 승온운전싸이클은 종래 열펌프건조기에서 외부 열원에 의해 실행되던 기능이며, 본 발명은 외부열원을 사용하지 않고 열펌프의 가동에 의해 건조고내 온도를 승온시키는 기술이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1바이패스라인(16)이 닫히고, 제2바이패스라인(19)이 열리며, 열유동싸이클은 가동되고, 냉수순환싸이클(30) 및 열교환싸이클(50)이 정지 상태에서, 열펌프가 가동된다.

냉매는 압축기(11)-응축부(12)을 거치면서 건조고 내부를 가열 승온시키고, 제1팽창밸브(13)- 증발부(14)를 거쳐 기화되고, 기화 냉매는 제2바이패스라인(19)- 열교환기(17)을 단순 통과하여 압축기로 인입되는 순환싸이클이 건조고 내 설정온도에 이를 때까지 반복된다.

한편, 50℃ 이상으로 고내 온도를 설정한 경우에, 응축부로 인입되는 냉매 온도와 고 내부 온도차가 충분히 크지 않기 때문에 응축부에서 열을 빼앗겼지만 과열상태이며, 일부 가스 상 냉매와 함께 응축부 아웃라인(121)으로 배출되며, 과열상태의 냉매는 증발코일과 나란히 설치되는 응축부 아웃라인(121)을 통과하는 동안 증발코일과 열교환이 이루어져 제1팽창밸브 인입시에는 과열도가 해소되어 팽창과 기화가 정상적으로 이루어진다.

건조고 내부 온도는 응축열에 의해서만 상승되고, 증발열은 증발부에서 외부로 방출되고 응축열의 일부는 냉매를 통하여 흡수되어 재활용 된다.

따라서, 증발열에 영향을 받지 않고 응축열에 의해서만 건조고 온도를 높일 수 있어 외부 열원 없이도 일반 열펌프 건조기의 최대온도(약50℃)까지 신속하고 안정적으로 높일 수 있다.

또한, 응축부아웃라인과 증발코일이 서로 접하여 열 교환함으로써 응축부에서 고온의 냉매가 배출되는 경우에도 팽창밸브로 인가되는 냉매의 온도는 적절히 유지됨으로써 건조기 내부온도를 상대적으로 고온(최대 80℃)까지 올릴 수 있고, 승온시간을 단축할 수 있으며, 에너지 효율을 향상할 수 있다.

또한, 동절기 가동시 증발코일에서의 착상을 지연시킬 수 있고, 그에 따른 제상주기가 길어져 효율적인 운전이 가능하다.

② 제상운전

제상운전은 겨울철 초기 승온시 증발코일의 착상을 제거하기 위해 실시된다.

제상운전은 도 3에 도시한 바와 같이, 제1바이패스라인(16)이 개방되고 제2바이패스라인(19)가 닫힘으로써 제1팽창밸브는 동작하지 않고 제2팽창밸브(18)가 동작하며, 열유동싸이클, 냉수순환싸이클,열교환싸이클은 정상적으로 가동된다.

냉매는 압축기(11)-응축부(12)을 거치면서 건조고 내부를 가열 하고, 제1바이패스라인(16)과 증발코일을 경유하여 제2팽창밸브(18)에서 팽창되고, 열교환기(17)에서 냉수탱크의 냉수와 열교환에 의해 기화되어 압축기(11)에 인가되는 순환싸이클로 운전되면서 응축부에서 배출되는 뜨거운 냉매가 증발코일을 경유하는 동안 그 열에 의해 제상이 이루어진다.

본 발명은 응축부 아웃라인이 증발부의 증발코일과 병행 설치됨으로서 동절기라도 착상이 지연되며, 제상운전시에 건조고 응축부는 가열기로 그대로 기능함으로서 건조운전이 지속되고, 기존 역싸이클 운전에 의한 제상시의 고내 온도강하에 의한 에너지효율 감소 문제를 해소할 수 있다.

③ 건조운전

본 발명에 의한 건조운전은 증발기를 정지한 상태에서 열교환기가 증발부 기능을 수행하는 방식으로 이루어진다.

즉, 도 4에 도시한 바와 같이 제1바이패스라인(16)이 개방되고 제2바이패스라인(19)가 닫힘으로써 제1팽창밸브는 동작하지 않고 제2팽창밸브(18)이 동작하며, 열유동싸이클, 냉수순환싸이클,열교환싸이클이 정상적으로 가동된다.

냉매는 압축기(11)-응축부(12)을 거치면서 건조고 내부를 가열 하고, 제1바이패스라인(16)과 증발코일을 경유하여 제2팽창밸브(18)에서 팽창되고, 열교환기(17)에서 냉수탱크의 냉수와 열교환에 의해 기화되어 압축기(11)에 인가되는 싸이클로 운전된다.

따라서, 증발부(14)의 증발코일은 응축부 아웃라인의 연장선으로 작용하며, 열교환기(17)가 증발부로서 기능하여 냉수탱크 내의 물을 냉각한다.

냉수탱크의 물은 냉수순환싸이클의 가동에 의해 건조고 내부의 냉각기에 공급되어 건조과정에서 발생한 수분을 응축하며, 응축수는 배수관(35)를 통하여 건조고 외부로 배출한다.

냉수순환싸이클의 가동에 의해 냉수탱크의 물을 가온되며, 열교환에 의해 차가워진 물과 혼합되어 5~10℃의 온도를 유지한다.

본 발명의 건조운전은 고내온도를 80℃까지 유지할 수 있어 다양한 대상을 건조할 수 있고, 열에너지의 대부분을 회수하여 재활용함으로써 고효율의 운전이 가능하다.

이상의 구성에 의한 본 발명은 건조고 내부 열유동과 증발부가 냉각수에 의해 간접 열교환하고 냉각수탱크의 냉각수가 증발부의 냉각부하를 안정되게 유지함으로써 건조고 내부 온도를 상대적으로 고온으로 유지할 수 있다.

또한, 건조고 내부 열순환을 폐쇄형으로 구성함으로써 외부 온습도에 영향을 받지않을 뿐 아니라 폐열 회수율을 향상할 수 있고, 전체 통풍량이 냉각기를 경유함으로 제습성능이 우수하여 전체적인 건조효율을 향상할 수 있고, 범용 열펌프 시스템을 적용하여 건조기를 구성하고, 단일 사이클에 의해 고온 지속운전이 가능함으로 기존 고온 압축기와 고온전용 냉매 사용하거나 열펌프를 2단으로 구성하는 것에 비하여 경제적으로 구성할 수 있다.

10: 열펌프
11: 압축기 12: 응축부 121: 아웃라인
13:팽창밸브 14: 증발부 141:증발코일
142: 연결라인
16: 제1바이패스라인 161: 개폐밸브
17: 열교환기 18: 제2팽창밸브 19: 제2바이패스라인
191: 개페밸브
20: 건조고
21: 건조실 22:열유동통로
30: 냉수순환싸이클
31:냉수탱크 32:냉수순환펌프 33:순환관 34:냉각기
35: 배수관
40: 열유동싸이클
41: 송풍기
50:열교환싸이클 51: 열교환관 52: 순환펌프

Claims (1)

1. 압축기(11)-응축부(12)-팽창밸브(13)-증발부(14)-압축기(11)로 이루어지는 열펌프(10)의 냉매 순환과정에서 발생한 응축열을 이용하여 건조고(20) 내의 대상물을 가열 건조하고, 증발부(14)에서 발생한 냉열을 이용하여 열회수와 고내 습기를 응축제거 하는 열펌프 건조기에 있어서, 상기 팽창밸브(13)-증발부(14)-압축기(11) 및 그 연결라인은 건조고 외부에 설치하고; 건조고(20)는 밀폐된 박스형으로서 내부에 건조실(21)과 열유동통로(22)를 형성하고; 건조고 외부에 냉수를 채운 냉수탱크(31)를 구비하고 냉수순환펌프(32)와 순환관(33) 및 냉각기(34) 의해 냉수탱크의 냉수가 냉각기의 냉각코일을 경유하여 순환하는 별도의 냉수순환싸이클(30)을 구성하고; 상기 응축부(12)및 냉각기(34)는 상기 건조고 내 열유동통로에 송풍기(41)와 함께 설치함으로써 응축부(12)-냉각기(34)-건조실(21)-응축부(12)로 순환되는 폐쇄형 열유동 싸이클(40)을 구성하며; 응축부(12)의 아웃라인(121)을 증발부(14)의 증발코일(141) 외각에 나란히 배치하고 응축부 아웃라인(121)의 끝에 상기한 팽창밸브(제1팽창밸브;13)와 별도의 바이패스라인(제1바이패스라인;16) 및 그 개폐밸브(161)를 병렬로 설치하여 응축부의 아웃라인을 통한 냉매가 제1팽창밸브(13) 또는 제1바이패스라인(16)을 선택 통과하여 증발코일(141)에 인입되도록 하고, 증발부(14)와 압축기(11)의 연결라인(142)에 열교환기(17)를 설치하여 냉수탱크(31)와 연결한 열교환싸이클(50)에 의해 열교환이 이루어지도록 하며, 증발부와 열교환기 사이에 제2팽창밸브(18)와 제2바이패스라인(19) 및 그 개폐밸브(191)를 병렬로 설치하여 증발부를 경유한 냉매가 제2팽창밸브 또는 제2바이패스라인을 선택 통과하도록 구성한 것을 특징으로 하는 열펌프 건조기.
   

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