KR101048460B1 - 개선된 냉각 건조법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 가스, 특히 공기를 냉각 건조하는 냉각 건조법으로서, 메인 부분으로서 냉각 회로(4)의 증발기(3)를 갖는 열교환기(2)의 보조 부분을 통해 상기 가스가 안내되고, 주위 온도(Tamb)와 최저 가스 온도(LAT) 또는 이슬점을 측정하는 것과, 최저 가스 온도(LAT) 또는 이슬점을 미리 정해진 최소 한계값과 최대 한계값 사이로 항시 유지하도록 이러한 측정에 기초하여 냉각 회로(4)를 온/오프시키는 것을 포함하며, 측정된 주위 온도(Tamb)의 함수인 알고리즘에 기초하여 미리 정해진 한계값을 계산하는 것인 냉각 건조법이 제공된다.

열교환기, 증발기, 응축기, 냉각 회로, 주위 온도, 최저 가스 온도

Description

개선된 냉각 건조법{IMPROVED METHOD FOR COOL DRYING}

본 발명은 개선된 냉각 건조법에 관한 것이다.

구체적으로는, 본 발명은 가스, 특히 수증기를 함유하는 공기를 냉각 건조하는 냉각 건조법으로서, 메인 부분으로서 냉각 회로의 증발기를 갖는 열교환기의 보조 부분을 통해 상기 가스가 안내되고, 상기 냉각 회로는 또한 모터에 의해 구동되는 압축기와, 응축기, 및 이 응축기의 유출구와 상기 증발기의 유입구 사이에 있는 팽창 수단을 더 포함하는 것인 냉각 건조법에 관한 것이다.

그러한 방법은 특히 압축 공기를 건조시키는 데 사용된다.

예컨대, 압축기에 의해 공급되는 압축 공기는 대부분의 경우에 수증기로 포화되거나, 환언하자면 100 %의 상대 습도를 갖는다. 이것은 이슬점 미만으로의 온도 강하의 경우 응축이 있을 것이라는 것을 의미한다. 응축된 물은 파이프나 툴에 부식을 일으켜, 어플라이언스가 조기에 마멸할 수 있다.

이것이 전술한 방식으로 실시될 수 있는 냉각 건조에 의해 압축 공기를 건조하는 이유이다. 압축 공기 이외의 다른 공기 또는 다른 가스도 이러한 방식으로 건조할 수 있다.

냉각 건조는 증발기에서 공기 또는 가스의 온도를 낮춤으로써, 공기 또는 가 스 내의 수분을 응축한 후, 응축된 물을 액체 분리기에서 분리한 다음, 공기 또는 가스가 더 이상 포화되지 않도록 공기 또는 가스를 재가열하는 원리에 기초한다.

이것은 공기 이외의 다른 임의의 가스에도 동일하게 적용되며, 이후 공기를 언급할 때마다 공기 이외의 다른 가스에도 동일하게 적용된다.

증발기의 압력 또는 증발기의 온도 측정에 기초하여 냉각 회로를 온/오프시키는 냉각 건조법이 이미 공지되어 있다.

압축 공기의 도입이 기록되면 냉각 회로가 시작되고, 압축 공기의 도입이 다시 중단되는 즉시 냉각 회로도 다시 정지된다.

그러한 공지의 방법의 단점은 냉각 회로가 오프로 된 후에 더 이상의 냉각이 없기 때문에 열교환기가 가열될 것이라는 점이다.

후속하여 열교환기가 여전히 비교적 고온인 동안에 압축 공기가 다시 도입될 때, 공급된 압축 공기에서 온도 및 이슬점 피크가 순간적으로 발생할 수 있는데, 그 이유는 열교환기에서 건조되는 가스가 충분히 냉각되지 않아 상기 건조할 가스에 있는 물이 최대 용량으로 응축되게 하기 때문이다.

압축 공기의 도입이 없을 때에도 냉각 회로가 항시 작동하는 냉각 건조법도 공지되어 있다.

그러한 방법의 주요한 단점은 유휴 상태인 경우에도 냉각 회로가 계속해서 작동되기 때문에 상당량의 에너지를 필요로 한다는 점이다.

열질량(thermal mass)을 사용하는 냉각 건조법도 공지되어 있다. 그러한 공지의 방법에 있어서, 압축 공기를 냉각하기 위해, 예컨대 물과 프로필렌 글리콜의 혼합물 형태인 매개 열질량(intermediary thermal mass)을 사용한다.

냉각 회로는 상기 열질량을 냉각하는 데에만 사용되기 때문에, 이러한 냉각 회로에 있는 압축기는 에너지를 절약할 수 있도록 열질량이 소정 온도에 도달된 즉시 오프로 될 수 있다.

그러한 공지의 방법의 단점은 상기 열질량의 존재로 인해 냉각 회로가 매우 무겁고 크기가 커야 한다는 점이다.

그러한 공지의 방법의 다른 단점은 저장조 및/또는 추가의 열교환기와 같은 추가의 부품으로 인해 냉각 회로의 구성이 비교적 고가이고 복잡하며, 그 조립이 시간 소모적이라는 점이다.

본 발명은 전술한 단점 및 다른 단점 중 하나 또는 복수 개를 해결하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적으로, 본 발명은 적어도 건조할 가스가 공급되지 않을 때의 주위 온도와, 냉각 건조시에 건조할 가스의 온도가 가장 낮은 위치 근처에서의 온도 또는 이슬점을 측정하는 것과, 이러한 측정에 기초하여 최저 가스 온도 또는 이슬점을 미리 정해진 소정의 최대 한계값과 최소 한계값 사이로 항시 유지하도록 냉각 회로를 온/오프시키는 것을 포함하고, 상기 미리 정해진 한계값들 중 하나 또는 모두가 측정된 주위 온도(Tamb)의 함수인 알고리즘에 기초하여 계산되는 것인 전술한바와 같은 방법에 관한 것이다.

여기에서, 최저 공기 온도, 즉 LAT는 냉각 건조 중에 형성되고, 대체로 열교환기의 보조 부분에 있는 건조할 가스를 위한 유입구에서 도달되는 건조할 공기의 최저 온도를 의미한다. LAT는 항상 공기의 이슬점의 양호한 표지를 제공하는데, 그 이유는 양자 간에 소정 관계가 있기 때문이다.

본 발명에 따른 방법의 장점은 냉각 회로를 적시에, 예컨대 압축 공기의 소비가 없기 때문에 압축 공기를 건조시킬 필요가 없을 때 오프시킬 수 있기 때문에 별도의 열질량이 요구되지 않고, 매우 간단한 방식으로 에너지를 절약할 수 있다는 점이다.

그러한 방법의 다른 장점은 측정된 LAT 또는 이슬점이 너무 높은 경우 냉각 회로가 다시 작동하여 피크가 방지되기 때문에 열교환기의 온도가 항상 제한된다는 점이다.

측정된 주위 온도의 함수인 알고리즘에 기초하여 미리 정해진 한계값이 계산되기 때문에, 냉각 건조용 장치에 후속하는 압축 공기 네트워크에서의 부식 또는 응축을 회피하기에 충분히 낮은 임의의 주위 온도로 이슬점이 보장된다.

본 발명의 특징을 보다 잘 설명하기 위해, 첨부 도면을 참고하는 본 발명에 따른 이하의 바람직한 실시예가 단지 예로서 주어진다.

도 1은 본 발명에 따른 냉각 건조법을 적용하기 위한 장치를 나타낸 도면이다.

도 2는 주위 온도의 함수인 한계값의 코스를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1은 메인 부분이 냉각 회로(4)의 증발기(3)를 형성하는 열교환기(2)로 주로 구성되고, 상기 냉각 회로에는 또한 모터(5)에 의해 구동되는 압축기(6), 응축기(7) 및 팽창 밸브(8)가 연속적으로 설치되는 것인 냉각 건조용 장치(1)를 나타낸다.

이러한 냉각 회로는 화살표(9)로 스트림 방향을 나타내는 냉각 유체, 예컨대 프레온 R404a으로 채워진다.

열교환기(2)의 보조 부분은 화살표(11)로 스트림 방향을 나타내는 건조할 습윤 공기를 위한 파이프(10) 부분이다.

열교환기(2) 뒤, 즉 열교환기의 유출구에는 파이프(10)에 액체 분리기(12)가 설치된다.

이 파이프(10)는 열교환기(2)에 도달하기 전에 부분적으로 사전 냉각기(pre-cooler) 또는 축열식 열교환기(13)를 통해 연장한 다음, 액체 분리기(12)를 경유하여 상기 부분에 대해 병류(parallel flow) 또는 향류(counter flow)로 축열식 열교환기(13)를 통해 다시 연장될 수 있다.

상기 파이프(10)의 유출구는, 예컨대 도면에 도시하지 않은, 압축 공기의 소비자, 예컨대 압축 공기에 의해 구동되는 툴에 연결된 압축 공기 네트워크에 연결된다.

열교환기(2)는 액체/공기 열교환기이며, 전체가 공기/공기 열교환기인 가능한 축열식 열교환기(13)를 갖게 형성되도록 구성될 수도 있다.

이 경우, 팽창 밸브(8)는 감온 요소(thermostatic element)가 공지의 방식으 로 파이프(10)에 의해 증발기(3)의 유출구에 제공된 수은구(15)에 결합되는, 즉 냉각 회로 상에 있고 동일한 냉각 매체로 채워지는 증발기(3)와 압축기(6) 사이에 결합되는 감온식 밸브의 형상으로 형성된다.

상기 팽창 밸브(8)는, 예컨대 증발기(3)의 타단부에 설치되는, 또는 증발기에 후속하여 설치되는 온도 게이지에 결합되는 전자 밸브 형태와 같이 매우 다양한 방식으로 구현될 수 있다는 것이 명백하다.

어떤 소형 냉각 건조기(1)에서, 팽창 밸브(8)는 모세관으로 대체된다.

압축기(6)는, 예컨대 동일한 회전 속도로 실질적으로 동일한 체적 유량을 이송하는 용적식 압축기(volumetric compressor), 예컨대 나선형 압축기(spiral compressor)이며, 이 경우 모터(5)는 제어 장치(14)에 결합된 전기 모터이다.

상기 제어 장치(14)는, 예컨대 PLC 형태로 구현될 수 있으며, LAT를 위한 측정 장치(16)와 주위 온도를 위한 측정 장치(17)에도 연결된다.

LAT를 위한 상기 측정 장치(16)는 최저 공기 온도를 실제적으로 기대할 수 있는 지점에 마련되는 것이 바람직하며, 이 경우에는 열교환기(2)의 보조 부분의 바로 뒤, 바람직하게는 액체 분리기(12) 앞에 마련되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, LAT를 측정하는 측정 장치(16)가, 바람직하게는 상기 열교환기(2)의 보조 부분에 있는 유출구 근처에 마련되는 이슬점을 측정하는 측정 장치로 대체되는 것이 포함된다. 이후에 LAT를 측정하는 측정 장치(16)를 언급할 때마다, 본 발명에 따라 이슬점을 측정하는 측정 장치도 적용될 수 있다.

주위 온도를 측정하는 상기 측정 장치(17)는 장치(1)에 의해 건조된 공기를 사용하는 압축 공기 네트워크, 특히 이러한 압축 공기의 최종 사용자 수준, 예컨대 이러한 건조된 압축 공기에 의해 구동되는 툴 근처에 배치되는 것이 바람직하다.

대안으로서, 측정 장치(17)는 다른 위치에 제공될 수도 있다. 건조할 압축 공기가, 예컨대 압축기로부터 나오는 경우에는, 주위 온도를 위한 상기 측정 장치(17)에 대한 양호한 위치 설정은 그러한 압축기의 유입구에서이다.

본 발명에 따른 개선된 방법은 매우 간단하며, 다음과 같다.

건조할 공기는 파이프(10)를 통해, 나아가 열교환기(2)를 통해, 예컨대 향류로 냉각 회로(4)의 증발기(3)에 있는 냉각 유체로 안내된다.

이러한 열교환기(2)에서는 습한 공기가 냉각되고, 그 결과 응축이 이루어져 액체 분리기(12)에서 분리된다.

상기 액체 분리기(12) 뒤에서 절대적인 기준으로는 수분을 덜 함유하지만 여전히 100 %의 상대 습도를 갖는 저온 공기는 축열식 열교환기(13)에서 가열되고, 그 결과 상대 습도는 바람직하게는 50 % 미만으로 감소하는 반면, 건조할 신선한 공기는 열교환기(2)에 공급되기 전에 축열식 열교환기(13)에서 이미 부분적으로 냉각된다.

따라서, 축열식 열교환기(13)의 유출구에서의 공기는 열교환기(2)의 유입구에서보다 건조하다.

LAT가 바람직하게는 소정 한계 내에서 유지되어, 한편으로는 너무 낮은 LAT로 인한 증발기(3)의 동결을 방지할 수 있고, 다른 한편으로는 공기가 응축을 허용하도록 충분히 냉각되는 것을 보장한다.

이러한 목적으로, 본 발명에 따른 냉각 회로(4)는 LAT와 주위 온도의 측정에 기초하여, 예컨대 이러한 냉각 회로(4)에 있는 압축기(6)의 구동 모터(5)를 온/오프시킴으로써 온/오프될 수 있다.

이러한 방식으로, LAT 또는 이슬점이 항시 미리 정해진 최소 한계값(A)과 최대 한계값(B) 사이에 놓이는 것을 보장할 수 있다.

본 발명에 따르면, 이러한 조절은 공기를 건조시키는 동안뿐만 아니라, 건조할 공기가 공급되지 않고 냉각 회로(4)가 공지의 냉각 건조기의 경우와 같이 이론적으로 오프될 수 있는 동안에도 적용된다.

특히, 본 발명에 따른 발명은 적어도 건조할 가스가 공급되지 않는 경우에 적용될 수 있으며, 필요하다면 건조할 공기가 공급되는 경우에도 적용된다.

이러한 목적으로, 냉각 건조시에 건조할 가스의 온도가 가장 낮은 장소 근처, 바람직하게는 열교환기(2)의 보조 부분의 바로 뒤에서 온도 또는 이슬점을 측정한다.

바람직하게는, 측정된 주위 온도(Tamb)의 함수인 알고리즘에 기초하여 상기 한계값들 중 하나 또는 모두(A 및/또는 B)를 계산한다.

도 2는 주위 온도(Tamb)와 상기 최소 한계값(A) 및 최대 한계값(B) 각각의 가능한 관계를 개략적으로 나타낸다.

나타낸 바와 같이, 최소 한계값(A)의 알고리즘은, 주위 온도가 제1 설정값(Ta)보다 작은 경우에는 일정한, 이 경우에는 증발기(3)의 동결을 방지하도록 실질적으로 4 ℃인 계단 함수(step function)에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

주위 온도(Tamb)가, 상기 제1 설정값(Ta)보다 높은 제2 설정값(Tb)보다 높은 경우, 이 경우에도 상기 계단 함수는 일정할 것이다.

최소 한계값(A)의 알고리즘의 상기 계단 함수는 상기 설정값들(Ta, Tb) 사이에서 증가 추이를 가지며, 상기 증가 추이는 이 경우에는 선형이지만, 이것이 필수적인 것은 아니며, 또한 바람직하게는 주위 온도와 상기 계산된 최소 한계값(A) 간의 차이가 일정하고 적어도 10 ℃에 이르는 것이 바람직하다.

이 경우, 최대 한계값(B)의 알고리즘은 또한 임의의 주위 온도(Tamb)에서 상기 최소 한계값(A)의 계단 함수보다 큰 값을 갖고 주위 온도(Tamb)가 제1 설정값(Tc)보다 작은 경우 일정한 계단 함수에 의해 형성된다.

이 경우, 최대 한계값(B)의 계단 함수의 제1 설정값(Tc)은 최소 한계값(A)의 계단 함수의 상기 제1 설정값(Ta)과 일치하지만, 본 발명에 따르면 이것이 필요한 것은 아니다.

주위 온도(Tamb)가 제2 설정값(Td)보다 높아지는 즉시, 최대 한계값(B)의 상기 계단 함수는 이 경우에도 일정하겠지만, 본 발명에 따르면 이것 역시 상이한 코스를 가질 수 있다.

최대 한계값(B)의 알고리즘의 상기 계단 함수는 상기 설정값들(Tc, Td) 사이에서 증가 추이를 갖고, 이 증가 추이는 이 경우에는 선형이지만, 이것이 필수적인 것은 아니며, 또한 그 추이가 최소 한계값(A)의 상기 증가 함수의 추이보다 가파른 것이 바람직하다.

상기 최대 한계값(B)의 목적은, LAT가 너무 높아져, 그 결과 공기가 충분히 냉각되지 않고, 그 결과 공기를 건조시킬 수 있도록 충분한 수분이 응축되지 않는 것을 방지하는 데 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따르면 냉각 건조용 장치(1)가 작동되는 동안에 LAT의 측정값은 연속적으로 상기 제어 수단(14)에 의해 비교되거나, 소정 간격, 즉 규칙적이거나 불규칙적인 간격으로 상기 최소 한계값(A) 및 최대 한계값(B)과 비교된다.

LAT가 일시적으로 최소 한계값(A) 미만으로 떨어질 때, 상기 제어 장치(14)는 상기 열교환기(7)에서의 온도가 상승하고 또한 LAT가 다시 증가하도록 냉각 회로(4)의 압축기(6)를 구동하는 모터(5)를 오프시킴으로써 냉각 회로(4)를 오프시킬 것이다.

측정된 LAT가 최대 한계값(B)을 넘어 상승할 때, 냉각 회로(4)는 다시 온으로 되는데, 그 이유는 이러한 냉각 회로(4)의 압축기(6)를 구동하는 모터(5)가 다시 온으로 되기 때문이며, 그 결과 증발기(3)의 온도가 감소하고, 또한 LAT가 다시 떨어질 것이다.

이것이 요구될 때에만 냉각 회로(4)가 온으로 되기 때문에, 본 발명에 따른 냉각 건조법은 에너지를 절약하는 것을 도울 것이다.

냉각 회로(4)를 적시에 다시 온으로 함으로써, 압축 공기의 공급이 다시 수행될 때, 예컨대 정지 이후에 도입된 압축 공기에서 온도 및 이슬점 피크가 없을 수 있도록 열교환기(2)가 가열되지 않는 것도 보장할 수 있다.

냉각 회로(4)의 작동은 이미 그와 같이 공지되어 있으며, 그 작동은 다음과 같다.

응축기(7)에서는, 압축기(6) 내에서의 압축에 의해 가열된 가스상 냉각 유체가 액체가 될 때까지 냉각된다. 주위로 열을 방출하기 위해, 예컨대 도면에 도시하지 않은 팬 또는 냉각 매체, 예컨대 물 등을 사용할 수 있다.

팽창 밸브(8)로 인해, 액체 냉각 유체는 일정한 증발기 압력으로 팽창하며, 이러한 과정은 온도 강하를 포함한다.

감온식 팽창 밸브(8)를 적용함으로써, 증발기(3) 뒤에는 항시 과열이 존재할 것이고, 따라서 압축기(6)로 진입하는 유체를 냉각하는 위험이 없고, 그 결과 냉각 회로(4)에서 액체 분리기를 필요로 하지 않는다.

상기 과열은 이 경우 증발기(3) 뒤에서 측정되는 증발기 온도로부터 수은구(15)에 의해 측정된 온도를 빼는 것에 의해 공지된 방식으로 측정된다. 이러한 차이는 팽창 밸브(8)에 의해 설정값과 비교되고, 차이가 존재하는 경우에 팽창 밸브(8)는 개방 또는 폐쇄에 의해 이러한 차이를 조정할 것이다.

본 발명에 따르면, 여기서도 에너지를 절약할 수 있도록 주위 온도(Tamb)와 LAT 또는 이슬점의 측정의 기능으로서 응축기(7)로부터의 방열을 처리하는 팬을 작동 및 정지시키는 것이 포함된다.

바람직하게는, 상기 냉각 회로(4)가 오프로 된 후에, 냉각 회로(4)가 재시작할 수 있기 전에 소정의 최소 시간 간격을 고려한다.

따라서, 예컨대 전기 모터로 구현될 수 있는 상기 모터(5)에 권선에의 열축적에 의해 과부하가 걸릴 것이다.

습한 공기 대신에, 수증기를 함유하는 공기 이외의 가스가 동일한 방식으로 동일한 장치에 의해 건조될 수 있다. 이때, LAT는 최저 가스 온도이다.

본 발명은 예로서 설명한 방법으로만 제한되는 것은 아니다. 이와 달리,본 발명에 따른 개선된 냉각 건조법은 본 발명의 범위 내에서 여러 가지 상이한 방식으로 실현될 수 있다.

Claims (11)

1. 수증기를 함유하는 가스의 냉각 건조법으로서,

   메인 부분으로서 냉각 회로(4)의 증발기(3)를 갖는 열교환기(2)의 보조 부분을 통해 상기 가스가 안내되고, 상기 냉각 회로는 모터(5)에 의해 구동되는 압축기(6), 응축기(7), 및 이 응축기(7)의 유출구와 상기 증발기(3)의 유입구 사이의 팽창 수단(8)을 더 포함하는 것인 냉각 건조법에 있어서,

   적어도 건조되는 가스가 공급되지 않을 때의 주위 온도(Tamb)와, 냉각 건조시에 건조되는 가스의 온도가 최저인 위치 근처에서의 온도 또는 이슬점을 측정하는 것과, 이러한 측정에 기초하여 최저 가스 온도(LAT) 또는 이슬점을 미리 정해진 최소 한계값(A)과 최대 한계값(B) 사이로 항시 유지하도록 냉각 회로(4)를 온/오프시키는 것을 포함하며,

   상기 미리 정해진 한계값들(A, B) 중 하나 또는 양자 모두는 측정된 주위 온도(Tamb)의 함수인 알고리즘에 기초하여 계산되고,

   주위 온도의 함수인 최소 한계값(A)의 알고리즘은, 측정된 주위 온도(Tamb)가 제1 설정값(Ta)보다 작은 경우에는 일정한 값을 가지며 주위 온도(Tamb)가 상기 제1 설정값(Ta)보다 큰 제2 설정값(Tb)보다 큰 경우에는 보다 큰 일정한 값을 갖는 계단 함수(step function)와, 이들 설정값(Ta, Tb) 사이에서의 증가 함수에 의해 형성되고,

   주위 온도(Tamb)의 함수인 최대 한계값(B)의 알고리즘은, 측정된 주위 온도(Tamb)가 제1 설정값(Tc)보다 작은 경우에는 일정한 값을 가지며 주위 온도(Tamb)가 제1 설정값(Tc)보다 큰 제2 설정값(Td)보다 큰 경우에는 보다 큰 일정한 값을 갖는 계단 함수와, 이들 설정값들(Tc, Td) 사이에서의 증가 함수에 의해 형성되며,

   상기 최대 한계값(B)의 증가 함수의 변화 추이는 상기 최소 한계값(A)의 증가 함수의 변화 추이보다 가파른 것을 특징으로 하는 냉각 건조법.
2. 제1항에 있어서, 건조되는 가스는 압축기로부터 나오며, 이 압축기의 유입구 근처에서 주위 온도(Tamb)를 측정하는 것을 특징으로 하는 냉각 건조법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열교환기(2)의 보조 부분의 유출구 근처에서 건조되는 가스의 최저 가스 온도(LAT) 또는 이슬점을 측정하는 것을 특징으로 하는 냉각 건조법.
4. 제1항에 있어서, 상기 최소 한계값(A)의 증가 함수는 선형인 것을 특징으로 하는 냉각 건조법.
5. 제4항에 있어서, 상기 최소 한계값(A)의 선형 증가 함수는 측정된 주위 온도(Tamb)와 계산된 최소 한계값(A)의 차가 일정하도록 된 것을 특징으로 하는 냉각 건조법.
6. 제5항에 있어서, 상기 설정값들(Ta, Tb) 사이에서, 주위 온도(Tamb)와 계산된 최소 한계값(A)의 차는 적어도 10 ℃인 것을 특징으로 하는 냉각 건조법.
7. 제1항에 있어서, 상기 최대 한계값(B)의 증가 함수는 선형인 것을 특징으로 하는 냉각 건조법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각 회로(4)가 오프로 된 후에, 냉각 회로가 재시작할 수 있기 전에 소정의 최소 시간 간격을 고려하는 것을 특징으로 하는 냉각 건조법.
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