KR101980332B1 - 상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉동 시스템 - Google Patents

상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉동 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉동 시스템에 관한 것으로서, 냉매는 상변화 웨이브 로터 증압기(1)를 거쳐 사전 증압을 진행한 후, 증기 압축기(2) 및 응축기(3)를 거쳐 각각 저온과 고온 냉매의 2가지 루트로 나눈다. 여기에서 저온 냉매는 오토-케스케이드 과냉기(6)를 거쳐 온도를 강하시킨 후 저온 스로틀 밸브(7)와 증발기(8)를 거쳐 냉각 과정을 완료하고, 그 후 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 저압 증기 입구로 진입하고, 고온 냉메는 고온 스로틀 밸브(4)와 오토-케스케이드 과냉기(6)를 거친 후 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 구동 증기 입구로 진입한다.

Description

상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉동 시스템
본 발명은 기계 냉동 기술 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉동 시스템에 관한 것이다.
국민 경제가 고속 성장함에 따라 더욱 낮은 온도에 대한 수요가 갈수록 높아지고 있다. 현재 비교적 낮은 온도의 생산 장소에서 일원 증기 압축식 냉동 순환으로는 요구 기준을 충족시킬 수 없으며, 케스케이드 냉동 순환이 이미 광범위하게 활용되고 있다. 그러나 전형적인 케스케이드 냉동 시스템은 케스케이드 수가 증가할수록 시스템 구조가 복잡하고 비용이 높아진다. 종래의 케이케이드 냉동 시스템과 비교할 때, 오토-케스케이드 시스템은 특수한 케스케이드 시스템으로서 구조가 간단하고 신뢰성이 높으며 비용이 낮은 장점 등을 가지고 있다. 그러나 오토-케스케이드의 고온 냉매와 저온 냉매는 압축 전에 간단히 혼합하기 때문에 충분한 저온 증압 효과를 낼 수 없고, 이로 인해 일원 압축기의 압력비가 과도하게 크고 배기 온도가 과도하게 높고 냉동 성능이 저하되는 문제 등이 초래된다.
비정상 증압 특성 기반의 상변화 웨이브 로터 증압기를 채택하면, 증압 효율이 종래의 안정 증압 과정보다 높다. 상기 기술은 피스톤이나 블레이드 등 부품이 필요 없으며, 생산한 이동성 충격파만 통과하면 고/저압 유체 간의 직접적인 에너지 교환을 높은 효율로 완성할 수 있고, 효과적으로 압축기의 압력비를 낮춰 시스템 냉각 성능을 행상시킬 수 있다. 예를 들어 발명특허 CN102606547A, CN102606548A, CN103206801A 및 CN103206800A에서 제안한 핵심 설비의 증압 메커니즘과 오토-케스케이드 냉각 시스템을 반복적으로 교대시키면 본 발명의 주요 사상을 구성할 수 있다.
오토-케스케이드 시스템의 고온 냉매와 저온 냉매를 압축 전에 간단하게 혼합하면 충분한 저온 증압 효과를 낼 수 없고, 이로 인해 일원 압축기의 압력비가 과도하게 커지며 배기 온도가 과도하게 높아지고 냉각 성능이 저하되는 문제 등이 발생한다.
본 발명의 목적은, 상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉각 시스템을 제안함으로써, 오토-케스케이드 냉각 순환 장치에 상변화 웨이브 로터 증압기를 도입하고 상변화 웨이브 로터 증압기의 특성을 이용해 저온 상승, 사전 증압의 목적을 달성하는 데에 있다.
본 발명에서 채택하는 기술방안은 이하와 같다. 상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉각 시스템에 있어서, 오토-케스케이드 냉각 장치와 증압 장치를 포함하고, 상기 오토-케스케이드 냉각 장치는 응축기, 고온 스로틀 밸브, 비응축 가스 펌프, 저온 스로틀 밸브 및 증발기를 포함하고, 하나의 오토-케스케이드 과냉기를 더 포함하고, 상기 오토-케스케이드 과냉기는 고온 냉매와 저온 냉매에 대해 열교환을 진행하고, 동시에 비응축 가스를 배출하고, 상기 증압 장치는 상변화 웨이브 로터 증압기와 증기 압축기로 구성되고, 상기 상변화 웨이브 로터 증압기의 중간압 증기 출구는 증기 압축기의 입구와 연결되고, 증기 압축기의 출구는 응축기 입구와 연결되고, 응축기 출구는 2개의 루트로 나뉘고; 한 루트는 오토-케스케이드 과냉기의 열 단부 입구와 연결되고, 오토-케스케이드 과냉기의 열 단부 출구는 저온 스로틀 밸브 입구와 연결되고, 저온 스로틀 밸브의 출구는 증발기의 냉각 단부 입구와 연결되고, 증발기의 냉각 단부 출구는 상변화 웨이브 로터 증압기의 저압 증기 입구와 연결되고; 다른 루트는 고온 스로틀 밸브의 입구와 연결되고, 고온 스로틀 밸브의 출구는 오토-케스케이드 과냉기의 냉각 단부 입구와 연결되고, 오토-케스케이드 과냉기의 냉각 단부 출구는 상변화 웨이브 로터 증압기의 구동 증기 입구와 연결되고; 오토-케스케이드 과냉기의 비응축 가스 출구는 비응축 가스 펌프와 연결되고, 증발기의 열 단부 입구와 출구는 냉매 관로에 의해 연결된다.
상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉각 시스템에 있어서,
상변화 웨이브 로터 증압기 구동 증기 입구로 진입하는 고압 증기는 등엔트로피 팽창 과정을 거치고 상변화 웨이브 로터 증압기 저압 증기 입구로 유입되는 저압 포화 증기와 등엔트로피보다 낮은 압축을 거친 후 중간압 증기로 등압 혼합되고, 그런 다음 증압 증기 출구를 경유해 배출되고 증기 압축기로 진입해 고온 고압 과열 증기로 압축되고, 과냉기를 거친 후 고압 포화 액체 형식으로 저온 냉매와 고온 냉매의 두 가지 루트로 나뉘고; 저온 냉매는 오토-케스케이드 과냉기를 거쳐 비응축 가스를 배출하고 과냉 액체로 강온되고, 저온 스로틀 밸브를 통해 설정한 온도까지 강온, 강압시키고, 저온 저압 기액 혼합물 형식으로 증발기에 유입되고, 정압 흡열을 통해 저압 포화 증기로 전환해 냉각 순환을 완료한 후 상변화 웨이브 로터 증압기의 저압 증기로 삼고; 고온 냉매는 고온 스로틀 밸브를 거쳐 강온, 강압시키고, 오토-케스케이드 과냉기에 넣어 흡열시키고, 고온 고압 증기 형식으로 상변화 웨이브 로터 증압기의 구동 증기로 삼는 단계를 포함한다.
본 발명의 유익한 효과는 이하와 같다.
1. 상변화 웨이브 로터 증압기의 구동 증기는 오토-케스케이드 시스템 잔열에서 제공하기 때문에 에너지를 절약할 수 있어 친환경적이다.
2. 상변화 웨이브 로터 증압기의 비정상 증압 특성은 증기 압축기의 압력비를 효과적으로 떨어뜨려 저온 상승, 사전 증압의 효과를 구현할 수 있다.
3. 상변화 웨이브 로터 증압기는 증압 특성 외에도 우수한 액체 속성 조작 성능을 갖추고 있을 뿐만 아니라, 구조적으로 사이즈가 작고 회전속도가 낮아 설비를 개발하기 쉬운 장점 등을 가지고 있다.
4. 오토-케스케이드 과냉기를 사용함으로써 오토-케스케이드 시스템의 구조를 크게 간소화시켜 비용을 절감시켜 준다.
도 1은 상변화 웨이브 로터를 사용하는 오토-케스케이드 냉각 시스템도이고; 및
도 2는 상변화 웨이브 로터를 사용하는 오토-케스케이드 냉각 시스템의 p-h도이다.
이하에서는, 본 발명의 예시적인 실시형태들을 도면을 통해 보다 상세히 설명한다.
혼합 냉매를 이용한 상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉각 시스템에 관한 것이다.
도 1은 혼합 냉매의 상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉각 시스템을 도시한 것이다. 상기 도면에서 도시한 혼합 냉매의 상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉각 시스템은 오토-케스케이드 냉각 장치와 증압 장치를 포함한다. 오토-케스케이드 냉각 장치는 응축기(3), 고온 스로틀 밸브(4), 비응축 가스 펌프(5), 저온 스로틀 밸브(7), 증발기(8) 및 오토-케스케이드 과냉기(6)를 포함하고, 오토-케스케이드 과냉기(6)를 채택해 고온 냉매와 저온 냉매를 열교환 시키고, 동시에 비응축 가스를 배출한다. 상기 증압 장치는 상변화 웨이브 로터 증압기(1)와 증기 압축기(2)로 구성된다. 상기 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 중간압 증기 출구(Mp)는 증기 압축기(2)의 입구와 연결되고, 증기 압축기(2)의 출구는 응축기(3) 입구와 연결되고, 응축기(3) 출구는 2개의 루트로 나뉜다. 한 루트는 오토-케스케이드 과냉기(6)의 열 단부 입구와 연결되고, 오토-케스케이드 과냉기(6)의 열 단부 출구는 저온 스로틀 밸브(7) 입구와 연결되고, 저온 스로틀 밸브(7)의 출구는 증발기(8)의 냉각 단부 입구와 연결되고, 증발기(8)의 냉각 단부 출구는 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 저압 증기 입구(Lp)와 연결된다. 다른 루트는 고온 스로틀 밸브(4)의 입구와 연결되고, 고온 스로틀 밸브(4)의 출구는 오토-케스케이드 과냉기(6)의 냉각 단부 입구와 연결되고, 오토-케스케이드 과냉기(6)의 냉각 단부 출구는 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 구동 증기 입구(Hp)와 연결된다. 오토-케스케이드 과냉기(6)의 비응축 가스 출구는 비응축 가스 펌프(5)와 연결되고, 증발기(8)의 열 단부 입구와 출구는 냉매 관로에 의해 연결된다.
상변화 웨이브 로터 증압기(1) 구동 증기 입구(Hp)로 유입되는 고압 증기는 등엔트로피 팽창 과정을 거쳐 상변화 웨이브 로터 증압기(1) 저압 증기 입구(Lp)로 진입하는 저압 포화 증기와 등엔트로피보다 낮은 압축을 거친 후 중간압 증기로 등압 혼합되고, 그 후 증압 증기 출구(Mp)를 경유해 배출되고 증기 압축기(2)로 진입해 고온 고압 과열 증기로 압축되고, 응축기(3)를 거친 후 고압 포화 액체 형식으로 저온 냉매와 고온 냉매의 두 가지 루트로 나뉜다. 저온 냉매는 오토-케스케이드 과냉기(6)를 거쳐 비응축 가스를 배출하고 과냉 액체로 강온되고, 저온 스로틀 밸브(7)를 통해 설정한 온도까지 강온, 강압시키고, 저온 저압 기액 혼합물 형식으로 증발기(8)에 진입하고, 정압 흡열을 통해 저압 포화 증기로 전환해 냉각 순환을 완료한 후 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 저압 증기로 삼는다. 고온 냉매는 고온 스로틀 밸브(4)를 거쳐 강온, 강압시키고, 오토-케스케이드 과냉기(6)에 넣어 흡열시키고, 고온 고압 증기 형식으로 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 구동 증기로 삼는다.
도 2는 혼합 냉매의 상변화 웨이브 로터를 사용하는 오토-케스케이드 냉각 시스템의 p-h도를 도시한 것이다. 상기 도면에서 도시하는 바와 같이, Fa 지점의 고압 과열 증기는 상변화 웨이브 로터 증압기(1)에서 Fa’ 지점까지 등압 팽창하고 A 지점의 저압 포화 증기와 상변화 웨이브 로터 증압기(1)에서 A’ 지점까지 등엔트로피보다 낮게 압축되어 B 지점까지 등압 혼합되고, B 지점의 과열 증기는 증기 압축기(2)를 거쳐 C 지점까지 고온 고압 과열 증기로 압축되고, 응축기(3)를 통해 D 지점까지 고압 포화 액체로 등압 강온되고, D 지점 고압 포화 액체는 저온 냉매와 고온 냉매의 두 루트로 나뉜다. 저온 냉매는 오토-케스케이드 과냉기(6)를 거쳐 열교환으로 강온되어 G 지점의 고압 과냉액에 도달하고 비응축 가스 펌프(5)를 통해 비응축 가스를 배출하고, 저온 스로틀 밸브(7)를 거쳐 등엔탈피 강온, 강압되어 H 지점의 저압 포화 증기가 되고, 증발기(8)를 통해 열교환, 승온되어 A 지점의 저압 포화 증기가 되어 냉각 순환을 완료한 후, 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 저압 증기 입구(Lp)로 유입되고, 고온 냉매는 고온 스로틀 밸브(4)를 거쳐 등엔탈피 강온, 강압되어 E 지점의 고압 과포화 증기가 되고, 오토-케스케이드 과냉기(6)를 거쳐 열교환 승온되어 Fa 지점의 고압 과열 포화 증기 상태가 되어 상변화 웨이브 로터 증압기(1) 구동 증기 입구(Hp)에 유입된다.
단일 냉매의 다원 증기 압축 냉각 시스템에 있어서, 원칙적인 프로세스와 설비 배치방식은 같으나, 혼합 냉매를 단일 냉매로 교체해 단일 냉매를 이용한 다원 증기 압축 냉각 시스템을 구현할 수 있다.
Fb 지점의 고압 과포화 증기는 상변화 웨이브 로터 증압기(1)에서 Fb’ 지점까지 등엔트로피 팽창되고, A 지점의 저압 포화 증기와 상변화 웨이브 로터 증압기(1)에서 A’ 지점까지 등엔트로피보다 낮게 압축되어 B 지점까지 등압 혼합되고, B 지점의 과열 증기는 증기 압축기(2)를 거쳐 C 지점의 고온 고압 과열 증기로 압축되고, 응축기(3)를 통해 D 지점의 고압 포화 액체로 등압 강온되고, D 지점의 고압 포화 액체는 저온 냉매와 고온 냉매의 2가지 루트로 나뉜다. 저온 냉매는 오토-케스케이드 과냉기(6)를 거쳐 열교환으로 강온되어 G 지점의 고압 과냉액에 도달하고 비응축 가스 펌프(5)를 통해 비응축 가스를 배출하고, 저온 스로틀 밸브(7)를 거쳐 등엔탈피 강온, 강압되어 H 지점의 저압 포화 증기가 되고, 증발기(8)를 통해 열교환, 승온되어 A 지점의 저압 포화 증기가 되어 냉각 순환을 완료한 후, 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 저압 증기 입구(Lp)로 유입되고, 고온 냉매는 고온 스로틀 밸브(4)를 거쳐 등엔탈피 강온, 강압되어 E 지점의 고압 과포화 증기가 되고, 오토-케스케이드 과냉기(6)를 거쳐 열교환 승온되어 Fb 지점의 고압 과열 포화 증기 상태가 되어 상변화 웨이브 로터 증압기(1) 구동 증기 입구(Hp)에 유입된다.
상변화 웨이브 로터 증압기의 구동 증기는 오토-케스케이드 시스템 잔열에서 제공하기 때문에 에너지를 절약할 수 있어 친환경적이다. 상변화 웨이브 로터 증압기의 비정상 증압 특성은 증기 압축기의 압력비를 효과적으로 떨어뜨려 저온 상승, 사전 증압의 효과를 구현할 수 있다. 상변화 웨이브 로터 증압기는 증압 특성 외에도 우수한 액체 속성 조작 성능을 갖추고 있을 뿐만 아니라, 구조적으로 사이즈가 작고 회전속도가 낮아 설비를 개발하기 쉬운 장점 등을 가지고 있다. 오토-케스케이드 과냉기를 사용함으로써 오토-케스케이드 시스템의 구조를 크게 간소화시켜 비용을 절감시켜 준다.
1: 상변화 웨이브 로터 증압기
2: 증기 압축기
3: 응축기
4: 고온 스로틀 밸브
5: 비응축 가스 펌프
6: 오토-케스케이드 과냉기
7: 저온 스로틀 밸브
8: 증발기
Hp: 구동 증기 입구
Lp: 저온 증기 입구
Mp: 증압 증기 출구

Claims (2)

  1. 오토-케스케이드 냉각 장치와 증압 장치를 포함하고, 상기 오토-케스케이드 냉각 장치는 응축기(3), 고온 스로틀 밸브(4), 비응축 가스 펌프(5), 저온 스로틀 밸브(7) 및 증발기(8)를 포함하고, 하나의 오토-케스케이드 과냉기(6)를 더 포함하고, 상기 오토-케스케이드 과냉기(6)는 고온 냉매와 저온 냉매에 대해 열교환을 진행하고, 동시에 비응축 가스를 배출하고, 상기 증압 장치는 상변화 웨이브 로터 증압기(1)와 증기 압축기(2)로 구성되고, 상기 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 중간압 증기 출구(Mp)는 증기 압축기(2)의 입구와 연결되고, 증기 압축기(2)의 출구는 응축기(3) 입구와 연결되고, 응축기(3) 출구는 2개의 루트로 나뉘고; 한 루트는 오토-케스케이드 과냉기(6)의 열 단부 입구와 연결되고, 상기 오토-케스케이드 과냉기(6)의 열 단부 출구는 저온 스로틀 밸브(7) 입구와 연결되고, 상기 저온 스로틀 밸브(7)의 출구는 증발기(8)의 냉각 단부 입구와 연결되고, 상기 증발기(8)의 냉각 단부 출구는 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 저압 증기 입구(Lp)와 연결되고; 다른 루트는 고온 스로틀 밸브(4)의 입구와 연결되고, 상기 고온 스로틀 밸브(4)의 출구는 오토-케스케이드 과냉기(6)의 냉각 단부 입구와 연결되고, 상기 오토-케스케이드 과냉기(6)의 냉각 단부 출구는 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 구동 증기 입구(Hp)와 연결되고; 상기 오토-케스케이드 과냉기(6)의 비응축 가스 출구는 비응축 가스 펌프(5)와 연결되고; 상기 증발기(8)의 열 단부 입구와 출구는 냉매 관로에 의해 연결되며,
    상기 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 구동 증기 입구(Hp)로 진입하는 고압 증기는 등엔트로피 팽창 과정을 거치고 상변화 웨이브 로터 증압기(1) 저압 증기 입구(Lp)로 유입되는 저압 포화 증기와 등엔트로피보다 낮은 압축을 거친 후 중간압 증기로 등압 혼합되고, 그 후 증압 증기 출구(Mp)를 경유해 배출되고 증기 압축기(2)로 진입해 고온 고압 과열 증기로 압축되고, 응축기(3)를 거친 후 고압 포화 액체 형식으로 저온 냉매와 고온 냉매의 두 가지 루트로 나뉘고; 저온 냉매는 오토-케스케이드 과냉기(6)를 거쳐 열교환으로 강온되어 고압 과냉액에 도달하고 비응축 가스 펌프를 통해 비응축 가스를 배출하고, 저온 스로틀 밸브(7)를 통해 설정한 온도까지 강온, 강압시키고, 저온 저압 기액 혼합물 형식으로 증발기(8)에 유입되고, 정압 흡열을 통해 저압 포화 증기로 전환해 냉각 순환을 완료한 후 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 저압 증기로 삼고; 고온 냉매는 고온 스로틀 밸브(4)를 거쳐 강온, 강압시키고, 오토-케스케이드 과냉기(6)에 넣어 흡열시키고, 고온 고압 증기 형식으로 상변화 웨이브 로터 증압기(1)의 구동 증기로 삼는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉각 시스템.
  2. 삭제
KR1020177031112A 2015-12-24 2016-09-18 상변화 웨이브 로터를 사용한 오토-케스케이드 냉동 시스템 KR101980332B1 (ko)

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