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KR102032836B1 - 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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KR102032836B1
KR102032836B1 KR1020190062255A KR20190062255A KR102032836B1 KR 102032836 B1 KR102032836 B1 KR 102032836B1 KR 1020190062255 A KR1020190062255 A KR 1020190062255A KR 20190062255 A KR20190062255 A KR 20190062255A KR 102032836 B1 KR102032836 B1 KR 102032836B1
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KR
South Korea
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heat exchanger
refrigerant
supply
temperature
compressed air
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Active
Application number
KR1020190062255A
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English (en)
Inventor
이재형
오상민
김종민
손석우
Original Assignee
(주)대주기계
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Publication date
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Abstract

고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치 및 냉각 제어방법에 관한 것으로,
다수의 압축단으로 공기를 압축하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 각 압축단의 압축공기 토출측에 설치되는 열교환기; 냉매 메인공급유로에 설치되고, 제1열교환기를 제외한 나머지 열교환기에 공급되는 냉매의 압력을 감압 조절하는 압력레귤레이터; 열교환기의 토출유로 또는 공급유로에 설치되고, 열교환기의 냉매의 공급을 제어하는 다수의 냉매제어밸브;를 포함하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치를 통해
제3압축단의 유입공기의 온도 또는 최종 압축공기의 온도가 설정온도보다 낮을 때에 제1열교환기에서 토출되는 고온의 냉매를 제2열교환기 또는 제3열교환기로 공급하여 제3압축단의 유입공기의 온도 또는 최종 압축공기의 온도를 상승시킴으로써 제3압축단의 공기압축효율이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 하고 최종 압축공기의 온도를 설정온도로 공급할 수 있게 되는 것이다.

Description

고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치 및 제어방법 { OUTLET AIR COOLING CONTROL APPARATUS AND THE CONTROL METHOD FOR TURBO AIR COMPRESSOR WITH HIGH SPEED AND EFFICIENCY }
본 발명은 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 제3압축단의 유입공기의 온도 또는 최종 압축공기의 온도가 설정온도보다 낮을 때에 제1열교환기에서 토출되는 고온의 냉매를 제2열교환기 또는 제3열교환기로 공급하여 제3압축단의 유입공기의 온도 또는 최종 압축공기의 온도를 상승시킴으로써 제3압축단의 공기압축효율이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 하고 최종 압축공기의 온도를 설정온도로 공급할 수 있도록 한 것에 관한 것이다.
최근 국제사회는 기후변화 문제에 적극적으로 대응 및 CO2 배출 감소를 위한 각종 협약 및 의정서 등을 체결하고 있으며, 이와 병행하여 소비 에너지 절감을 위한 다각적 노력을 기울이고 있다.
이에 세계 각국은 구체적으로 감축목표를 설정하여 국가의 주요 전략으로 채택하고 있으며, 우리나라의 경우, 2030년까지 배출전망치(BAU) 대비 37%까지 온실가스 배출을 감축하는 목표를 설정하고 있다.
그런데 자동차, 전기전자, 기타 중공업 등의 분야에서 많이 사용되는 중형압축기(100HP)의 경우 대부분 오일 윤활 시스템을 이용하는 스크루 방식을 채택하고 있어 폐오일의 발생, CO2 배출 등의 환경문제에 노출되어 있는 상황이다.
이에 전 세계적으로 오일프리(Oil-Free) 압축기 수요가 크게 증가하고 있고, 이에 맞추어 고속 고효율 터보 공기압축기의 개발이 요구되고 있다.
일반적으로 공기압축기(air compressor)는 피스톤, 임펠러, 스크류 등에 공기압축 기구를 사용하여 공기를 필요한 압력으로 압축시켜 탱크 등에 저장하는 장치를 지칭한다.
공기압축기는 압축방식에 따라 크게 원심형과 용적형으로 구분될 수 있다.
원심형은 회전에 의한 원심력을 통해 공기의 압력과 속도를 높이는 것으로, 축류식과 다류식으로 다시 구분될 수 있고, 회전자의 각도에 따라 다익형, 레디얼형, 터보형 등으로 구분되기도 한다.
통상적으로 사용되는 원심형 공기압축기는 터보형이 주를 이루고 있다.
용적형은 왕복동식과 회전식으로 구분될 수 있는데, 왕복동식은 피스톤을 구비하고 실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동됨에 따라 공기를 압축시키는 방식이고, 회전식은 메일(male), 피메일(female) 스크류 로터가 회전되면서 압축 공기를 만들어내는 통상 스크류식 공기압축기로 지칭되는 방식이다.
이처럼 공기압축기는 상당히 다양한 방식 및 종류가 존재하나, 통상적으로는 운용환경에 따라 왕복동식 또는 스크류식이 선택되어 사용된다.
왕복동식은 상대적으로 고압에 유리하나 압축 용량이 피스톤의 크기와 직결되므로 용량면에서는 단점을 가지고 있고, 스크류식은 2개의 스크류 로터가 회전하는 동안 흡입, 압축, 토출이 연속적으로 이뤄지므로 용량 면에서는 유리한 이점이 있지만 왕복동식에 비해 고압의 압축에는 적합하지 않다.
이러한 제약으로 인해, 통상적으로 대용량의 공기를 저압으로 압축시키는 경우에는 스크류식이 주로 사용되고, 보다 적은 용량의 공기를 고압으로 압축시키는 경우에는 왕복동식이 주로 사용된다.
한편, 고압 공기압축기의 일종으로 다단압축식 공기압축기가 알려져 있다.
다단압축식은 하나의 압축기로 충분한 압력에 다다를 수 없는 경우, 복수의 공기압축기를 거쳐 공기가 연속적으로 다단 압축되도록 함으로써, 고압 또는 초고압 영역에서의 압축을 가능케 한다.
이러한 다단압축식 공기압축기는 복수의 왕복동식 공기압축기를 순차적으로 직렬 연결한 구조로 이뤄지게 되며, 복수의 피스톤이 중앙의 크랭크 축에 설치되어 크랭크 축의 회전에 따라 왕복운동됨에 따라 각 단(satge)에서의 압축과정을 수행하게 된다.
그러나 상기와 같이 왕복동식이 조합된 다단압축식 공기압축기는 필요한 압축용량을 충족시키기 위해 저단(low stage)에서 피스톤의 크기가 커지게 되며, 이로 인해 장치의 무게나 부피가 커지게 되어 장치의 소형화에 한계가 있다.
또한, 고단(high stage)으로 갈수록 피스톤의 크기가 급격히 작아지면서 저단과 고단의 피스톤 간에 중량이나 기진력이 크게 차이나게 되고, 이와 같은 중량이나 기진력의 불균형은 구동시 소음 및 진동을 일으키게 된다.
상기와 같은 소형화의 한계나 소음 진동의 문제점은 설치공간이 제한되거나 소음 진동에 민감한 환경에서 보다 크게 문제될 수 있다.
하기의 특허문헌 1에는 냉각 시스템의 효율을 우수하게 유지함과 아울러 구성을 단순하고 컴펙트하게 구성할 수 있는 고속모터 직결구동 3단 터보압축기가 개시되어 있다.
특허문헌 1의 3단 터보압축기는 제1 임펠러와, 제2 임펠러 및 제3 임펠러를 구비하고, 제1,2,3 임펠러를 회전 구동시키는 2개 이상의 구동용 모터를 포함하여 압축을 수행하는 것으로서, 단일개의 냉각용 임펠러를 사용하여 2개 이상의 구동용 모터를 냉각하는 형태이다.
하기의 특허문헌 2에는 저단 영역의 스크류식과 고단 영역의 왕복동식이 조합된 다단압축식 공기압축기가 개시되어 있다.
특허문헌 2의 다단압축식 공기압축기는 케이스 조립체; 베드 조립체; 스크류식 압축기로 구성되는 1단 압축기; 왕복동식 압축기로 구성되는 2개의 2단 압축기; 왕복동식 압축기로 구성되는 3단 압축기; 왕복동식 압축기로 구성되는 4단 압축기; 및 상기 크랭크 축을 회전시켜 상기 2단 내지 4단 압축기의 피스톤에 구동력을 제공하며, 벨트를 통해 상기 1단 압축기의 스크류 로터로 구동력을 제공하는 전동기;를 포함하는 형태이다.
특허문헌 3에는 열교환기를 통해 공기압축기로 흡입되는 원료공기를 순차적으로 냉각하는 공기압축기의 흡입공기 냉각방법이 개시되어 있다.
도 1은 본 발명이 관계하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 종단면도이다.
도 1과 같이 본 발명이 관계하는 고속 고효율 터보 공기압축기는 제1구동축 커버(20)와 제1디퓨저 케이스(40) 사이에 제1압축실이 마련되고, 제2구동축 커버(30와 제2디퓨저 케이스(50) 사이에 제2압축실이 마련되고, 모터(10)의 구동축(11) 양단에 제1압축실에 배치되는 제1임펠러(60)와 제2압축실에 배치되는 제2임펠러(70)가 설치된 형태를 가진다.
상기 고속 고효율 터보 공기압축기에서 모터(10)의 구동축(11)이 회전하게 되면 구동축(11) 양단에 설치된 제1임펠러(60)과 제2임펠러(70)가 회전하게 되고, 제1임펠러(60)의 회전과정에서 제1디퓨저 케이스(40)의 제1흡입구(41)로 흡입된 공기가 제1압축실로 유입되어 제1임펠러(60)에 의해 1차 압축된다.
상기 제1임펠러(60)에 의해 1차 압축된 공기는 제1디퓨저 케이스(40)의 제1토출구(42)를 통해 토출되어 냉각된 후 제2디퓨저 케이스(50)의 제2흡입구(51)을 통해 제2압축실로 공급되어 제2임펠러(70)에 의해 2차 압축되고, 제2임펠러(70)에 의해 2차 압축된 공기는 제2디퓨저 케이스(50)의 제2토출구(52)를 통해 외부로 토출된다.
고속 고효율 터보 공기압축기의 압축단이 3단으로 된 경우 상기 제2임펠러(70)에 의해 2차 압축된 공기는 냉각된 후 제3임펠러(미도시)에 의해 3차 압축되고, 냉각된 후 압축공기가 필요한 곳으로 공급된다.
한편, 다단 공기압축기는 각 압축단을 통과한 후에 압축공기 온도가 상승하게 되고, 각단의 압축비가 다르기 때문에 각 단에서 토출되는 압축공기의 온도는 각 단별로 다르게 상승하게 된다.
예를 들어 3단 공기압축기의 경우 압축비가 1단이 제일 높고, 3단이 제일 낮게 설계되는 것이 보통이므로 압축공기의 토출온도는 1단에서 가장 높게 토출되고, 3단에서 가장 낮게 토출된다.
도 2는 종래 기술에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치의 구성도이다.
종래 기술에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치(200)는 각 압축단(211~213)의 토출측에 열교환기(221~223)가 설치되고, 각 열교환기(221~223)에 동일한 양의 냉매가 동일한 압력으로 공급되어 각 압축단(211~213)에서 토출되는 공기가 냉각되는 형태를 가진다.
종래 기술에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치(200)에서 예를 들어 제1압축부(211)에서 토출되는 공기의 온도가 160℃일 때, 제1열교환기(221)를 통해 냉각된 후 제2압축부(212)로 공급되는 공기의 온도는 40℃가 된다.
또한, 제2압축부(212)에서 토출되는 공기의 온도는 150℃가 되고, 제2열교환기(222)를 통해 냉각된 후 제3압축부(213)로 공급되는 공기의 온도는 35℃가 되고, 제3압축부(213)에서 토출되는 공기의 온도는 140℃가 되고, 제3열교환기(223)를 통해 토출되는 공기의 온도는 30℃가 된다.
표 1은 종래 기술에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 유입공기 냉각 제어장치에서 각 압축단별 공기 온도의 변화를 나타낸 표이다.
구분 압축단 통과 후 열교환기 통과 후
제1단 160℃ 40℃
제2단 150℃ 35℃
제3단 140℃ 30℃
대한민국 등록특허공보 제10-1318800호 (2013년 10월 10일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1752308호 (2017년 06월 23일 등록) 대한민국 공개특허공보 제10-2001-0029096호 (2001년 04월 06일 공개)
그런데 종래 기술에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 유입공기 냉각 제어장치의 경우 각 열교환기(221~223)이 각 압축단(211~213)에서 토출되는 압축공기를 단순 냉각하기 때문에 압축공기의 과도한 냉각이 이루어지게 되어 제3압축단(213)으로 유입되는 압축공기의 온도가 설정온도보다 낮아지거나 제3열교환기(223)를 통과한 최종 압축공기의 온도가 설정온도보다 낮아지게 되는 문제가 있었다.
종래 기술에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 유입공기 냉각 제어장치를 통한 냉각운전과정에서 제3압축단(213)으로 유입되는 압축공기의 온도가 설정온도보다 낮아지게 되면 제3압축단(213)으로 유입되는 압축공기의 밀도가 높아지게 되어 동일 체적 대비 질량유량이 증가되므로 소비 에너지가 증가하게 되고, 설계된 전력 소비량이 증가함에 따라 전동기의 과부하가 발생하게 된다.
또한, 종래 기술에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 유입공기 냉각 제어장치를 통한 냉각운전과정에서 제3열교환기(223)를 통과한 최종 압축공기의 온도가 설정온도보다 낮아지게 되면 설정온도로 압축공기를 공급할 수 없게 되므로 압축공기의 품질이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 최종 압축단으로 유입되는 압축공기의 온도를 제어함으로써 최종 압축단의 공기압축효율을 향상시킬 수 있도록 함은 물론 에너지 소비를 줄일 수 있도록 하고, 전동기의 과부하를 방지할 수 있도록 하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치 및 제어방법을 제공하는 데에 있는 것이다.
본 발명은 그 다른 목적이 최종 압축단 및 최종 열교환기를 통과한 최종 공급 압축공기의 온도를 제어함으로써 압축공기의 품질을 향상시킬 수 있도록 하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치 및 제어방법을 제공하는 데에 있는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치는 다수의 압축단으로 공기를 압축하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 각 압축단의 압축공기 토출측에 설치되는 열교환기; 냉매 메인공급유로에 설치되고, 제1열교환기를 제외한 나머지 열교환기에 공급되는 냉매의 압력을 감압 조절하는 압력레귤레이터; 열교환기의 토출유로 또는 공급유로에 설치되고, 열교환기의 냉매의 공급을 제어하는 다수의 냉매제어밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치는 제1열교환기의 냉매가 토출되는 제1토출유로에 설치되어 제1열교환기의 토출냉매의 제1열교환기의 토출냉매의 제2열교환기의 공급 또는 제3열교환기의 공급을 제어하는 제1냉매제어밸브; 제2열교환기에 냉매를 공급하는 제2공급유로에 설치되어 제1열교환기의 토출냉매의 제2열교환기의 공급을 제어하는 제2냉매제어밸브; 제3열교환기에 냉매를 공급하는 제3공급유로에 설치되어 제1열교환기의 토출냉매의 제3열교환기의 공급을 제어하는 제3냉매제어밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치는 제1열교환기에 메인공급유로를 통해 공급되는 냉매가 감압되지 않은 상태로 제1공급유로를 통해 공급되고, 제2열교환기 및 제3열교환기에 압력레귤레이터를 통해 감압된 냉매가 공급되어 제1열교환기에 공급되는 냉매의 제1공급압력과 제1열교환기에서 토출되어 제2열교환기 및 제3열교환기에 공급되는 냉매의 제3공급압력이 압력레귤레이터를 거쳐 제2열교환기 및 제3열교환기에 공급되는 냉매의 제2공급압력보다 크게 설정된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치는 각 냉매제어밸브의 작동이 메인공급유로 및 제1공급유로의 냉매 제1공급압력, 제2공급유로 및제3공급유로의 제2공급압력, 제4공급유로의 냉매 제3공급압력, 제3압출단 공기유입온도, 공급온도가 입력되는 제어유니트에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법은 다수의 압축단으로 공기를 압축하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 각 압축단의 압축공기 토출측에 설치되는 열교환기; 냉매 메인공급유로에 설치되고, 제1열교환기를 제외한 나머지 열교환기에 공급되는 냉매의 압력을 감압 조절하는 압력레귤레이터; 제1열교환기의 냉매가 토출되는 제1토출유로에 설치되어 제1열교환기의 토출냉매의 제1열교환기의 토출냉매의 제2열교환기의 공급 또는 제3열교환기의 공급을 제어하는 제1냉매제어밸브; 제2열교환기에 냉매를 공급하는 제2공급유로에 설치되어 제1열교환기의 토출냉매의 제2열교환기의 공급을 제어하는 제2냉매제어밸브; 제3열교환기에 냉매를 공급하는 제3공급유로에 설치되어 제1열교환기의 토출냉매의 제3열교환기의 공급을 제어하는 제3냉매제어밸브;를 포함하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법으로, 각 압축단 및 각 열교환기를 작동하는 공기압축기 작동단계; 제3압출단 공기유입온도 및 최종 압축공기 공급온도를 감지하는 단계; 제3압출단 공기유입온도 또는 최종 압축공기 공급온도에 따라 해당 냉매제어밸브의 작동을 제어하여 제3압출단 공기유입온도 또는 최종 압축공기 공급온도를 상승 제어하는 냉매제어밸브 제어단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법의 냉매제어밸브 제어단계는, 제3압출단 공기유입온도가 제1설정온도 미만인가를 판단하는 동시에 최종 압축공기 공급온도가 제3설정온도 미만인가를 판단하는 제1판단단계; 제1판단결과 제3압출단 공기유입온도가 제1설정온도 미만이면 제1열교환기의 제1토출유로에 설치된 제1냉매제어밸브의 제4공급유로 측을 개방하는 동시에 제2공급유로에 설치된 제2냉매제어밸브의 제5공급유로 측을 개방하여 제1토출유로로 토출되는 고온의 냉매를 제2열교환기로 공급함으로써 제3압출단 공기유입온도가 상승되도록 하고, 최종 압축공기 공급온도가 제5설정온도 미만이면 제1냉매제어밸브의 제4공급유로 측을 개방하는 동시에 제3공급유로에 설치된 제3냉매제어밸브의 제6공급유로 측을 개방하여 제1토출유로로 토출되는 고온의 냉매를 제3열교환기로 공급함으로써 함으로써 최종 압축공기 공급온도가 상승되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법의 냉매제어밸브 제어단계는, 제3압출단 공기유입온도가 제2설정온도 초과인가를 판단하는 동시에 최종 압축공기 공급온도가 제4설정온도를 초과인가를 판단하는 제2판단단계; 제2판단결과 제3압출단 공기유입온도가 제4설정온도 초과이면 제1냉매제어밸브의 제4공급유로 측을 밀폐하는 동시에 제2냉매제어밸브의 제5공급유로 측을 밀폐하여 제1열교환기에서 토출되는 고온의 냉매의 제2열교환기로의 공급을 차단하고, 최종 압축공기 공급온도가 제4설정온도를 초과이면 제1냉매제어밸브의 제4공급유로 측을 밀폐하는 동시에 제3냉매제어밸브의 제6공급유로 측을 밀폐하여 제1열교환기에서 토출되는 고온의 냉매의 제3열교환기로의 공급을 차단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치 및 제어방법에 의하면, 최종 압축단에 공급되는 압축공기의 온도가 설정온도보다 떨어지는 때나 최종 열교환기를 통과한 후 다른 설비에 공급되는 최종 압축공기의 온도가 설정온도가 떨어지는 때에 제1열교환기에서 토출되는 고온의 냉매를 해당 열교환기에 공급하는 것에 의해 최종 압축단에 공급되는 압축공기의 온도 또는 최종 열교환기를 통과한 후 다른 설비에 공급되는 최종 압축공기의 온도를 상승시킴으로써 최종 압축단의 공기압축효율이 저하되는 것을 방지할 수 있게 됨은 물론 고품질의 최종 압축공기를 공급할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치 및 제어방법에 의하면, 최종 압축단의 공기압축효율을 높일 수 있게 되어 공기압축에 필요한 에너지를 절감할 수 있게 되고, 전동기의 과부하 및 오동작을 방지할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치 및 제어방법에 의하면, 제1열교환기에서 토출되는 고온의 냉매를 모두 폐기하지 않고 그의 일부를 재활용함으로써 고속 고효율 공기압축기의 냉각 운전비용을 절감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명이 관계하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 종단면도,
도 2는 종래 기술에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치의 구성도,
도 3는 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법의 흐름도,
도 5는 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법의 냉매제어밸브 제어단계의 흐름도.
이하 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치 및 제어방법을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.
도 3는 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치의 구성도이다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치(100)는 고속 고효율 터보 공기압축기의 각 압축단(111~123)에서 토출되는 토출공기를 냉각하기 위한 것으로, 열교환기(121~123), 압력레귤레이터(130), 다수의 냉매제어밸브(V1~V3)를 포함한다.
열교환기(121~123)는 압축단(111~113)에서 토출되는 토출공기를 냉각하는 부분으로, 각 압축단(111~113)의 압축공기 토출측에 설치된다.
압력레귤레이터(130)는 제2열교환기(122) 및 제3열교환기(123)에 공급되는 냉매의 압력을 감압 조절하는 부분으로, 냉매 메인공급유로(L10)에 설치된다.
다수의 냉매제어밸브(V1~V3)는 각 열교환기(121~123)의 냉매의 공급을 제어하는 부분으로, 제1열교환기(121)의 제1토출유로(L12) 및 제2열교환기(122)의 제2공급유로(L21), 제3열교환기(123)의 제3공급유로(L31)에 설치된다.
다수의 냉매제어밸브(V1~V3) 중에서 제1냉매제어밸브(V1)은 제1열교환기(121)의 토출냉매의 제2열교환기(122)의 공급 또는 제3열교환기(123)의 공급을 제어하기 위한 부분으로, 제1토출유로(L12)에 설치된다.
제1냉매제어밸브(V1)에는 제2열교환기(122) 및 제3열교환기(123)와 접속되는 제4공급유로(L41)가 접속된다.
다수의 냉매제어밸브(V1~V3) 중에서 제2냉매제어밸브(V2)는 제1열교환기(121)의 토출냉매의 제2열교환기(122)의 공급을 제어하기 위한 부분으로, 제2공급유로(L21)에 설치된다.
제2냉매제어밸브(V2)에는 제4공급유로(L41)에서 분기된 제5공급유로(L51)가 접속된다.
다수의 냉매제어밸브(V1~V3) 중에서 제3냉매제어밸브(V3)는 제1열교환기(121)의 토출냉매의 제3열교환기(123)의 공급을 제어하기 위한 부분으로, 제3공급유로(L31)에 설치된다.
제3냉매제어밸브(V3)에는 제4공급유로(L41)에서 분기된 제6공급유로(L61)가 접속된다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치(100)는 제3압축단(113)의 유입공기의 온도 또는 최종 압축공기의 온도가 설정온도보다 낮을 때에 제1열교환기(121)에서 토출되는 고온의 냉매를 제2열교환기(122) 또는 제3열교환기(123)로 공급하여 제3압축단(113)의 유입공기의 온도 또는 최종 압축공기의 온도를 상승시킴으로써 제3압축단(113)의 공기압축효율이 저하되는 것을 방지할 수 있게 되고 최종 압축공기의 온도를 설정온도로 공급할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치(100)에서 제1열교환기(121)에는 메인공급유로(L10)를 통해 공급되는 냉매가 감압되지 않은 상태로 제1공급유로(L11)를 통해 공급되고, 제2열교환기(122) 및 제3열교환기(123)에는 압력레귤레이터(130)를 통해 감압된 냉매가 공급된다.
따라서 제1열교환기(121)에 공급되는 냉매의 제1공급압력(P1)은 제2열교환기(122) 및 제3열교환기(123)에 공급되는 냉매의 제2공급압력(P2)보다 크게 된다.(P1>P2)
또한, 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치(100)에서 압력레귤레이터(130)를 통해 감압되어 제2열교환기(122) 및 제3열교환기(123)에 공급되는 냉매의 제2공급압력(P2)은 제1열교환기(121)에서 토출되어 제2열교환기(122) 및 제3열교환기(123)에 공급되는 냉매의 제3공급압력(P3)보다도 작게 설정된다.(P3>P2)
제1열교환기(121), 제2열교환기(122), 제3열교환기(123)를 통과하면서 압축공기를 냉각한 냉매는 제1토출유로(L12), 제2토출유로(L22), 제3토출유로(L32)를 통해 메인토출유로(L20)로 토출된다.
표 2는 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치의 각 열교환기 통과 전후의 냉매온도를 예시한 것이고, 표 3은 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치의 각 부위의 냉매압력를 예시한 것이다.
구분 통과 전 온도(℃) 통과 후 온도(℃)
제1열교환기(121) 25 38
제2열교환기(122) 25 35
제3열교환기(123) 25 32
구분 압력값(Kg/cm2) 비고
제1공급압력(P1) 5.1 메인공급유로(L10), 제1공급유로(L11)
제2공급압력(P2) 4.6 제2공급유로(L21), 제3공급유로(L31)
제3공급압력(P3) 4.9 제4공급유로(L41)
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치(100)에서 각 냉매제어밸브(V1~V3)의 작동은 메인공급유로(L10) 및 제1공급유로(L11)의 냉매 제1공급압력(P1), 제2공급유로(L21) 및제3공급유로(L32)의 제2공급압력(P2), 제4공급유로(L41)의 냉매 제3공급압력(P3), 제3압출단 공기유입온도(T2), 공급온도(T3)가 입력되는 제어유니트(미도시)에 의해 제어된다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치(100)는 메인공급유로(L10)에서 공급되는 냉매가 감압되지 않은 상태로 제1열교환기(121)로 공급되는 동시에 압력레귤레이터(130)를 통해 감압되어 제2열교환기(122) 및 제3열교환기(123)으로 공급되고, 각 열교환기(121~123)는 각 압축단(111~113)에서 토출되는 압축공기를 냉각하게 된다.
상기의 냉각운전과정에서 제어유니트는 제3압출단 공기유입온도(T2)가 제1설정온도(예를 들면 30℃)보다 낮을 때에 제1냉매제어밸브(V1)의 제4공급유로(L41) 측을 개방하는 동시에 제2냉매제어밸브(V2)의 제5공급유로(L51) 측을 개방하여 제1토출유로(L21)에서 토출되는 고온의 냉매를 제4공급유로(L41) 및 제5공급유로(L51)을 통해 제2열교환기(122)로 추가 공급함으로써 제3압출단(113)으로 유입되는 압축공기의 공기유입온도(T2)를 제2설정온도(예를 들면 35℃)까지 상승시키게 된다.
또한, 제어유니트는 제3열교환기(123)를 통과한 최종 압축공기의 공급온도(T3)가 제3설정온도(예를 들면 25℃)보다 낮을 때에 제1냉매제어밸브(V1)의 제4공급유로(L41) 측을 개방하는 동시에 제3냉매제어밸브(V3)의 제6공급유로(L61) 측을 개방하여 제1토출유로(L21)에서 토출되는 고온의 냉매를 제4공급유로(L41) 및 제6공급유로(L61)을 통해 제3열교환기(123)로 추가 공급함으로써 제3열교환기(123)를 통과한 압축공기의 공급온도(T3)를 제4설정온도(예를 들면 30℃)까지 상승시키게 된다.
이처럼 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치(100)는 제3압축단(113)에 유입되는 압축공기의 공기유입온도(T2)가 낮거나 제3교환기(123)를 통과한 압축공기의 공급온도(T3)가 설정온도보다 낮을 때에 제1열교환기(121)에서 토출되는 고온의 냉매를 재활용하여 제2열교환기(122) 또는 제3열교환기(123)에 공급함으로써 제3압축단(113)으로 유입되는 압축공기의 공기유입온도(T2) 또는 제3교환기(123)를 통과한 압축공기의 공급온도(T3)을 설정온도로 맞출 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법의 흐름도이다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법은 전술한 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치(100)의 각 냉매제어밸브(V1~V3)의 작동을 제어하여 제3압출단 공기유입온도(T2) 또는 최종 압축공기 공급온도(T3)룰 제어한다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법은 각 압축단(111~113) 및 각 열교환기(121~123)를 작동하는 공기압축기 작동단계; 제3압출단 공기유입온도(T2) 및 최종 압축공기 공급온도(T3)를 감지하는 단계; 제3압출단 공기유입온도(T2) 또는 최종 압축공기 공급온도(T3)에 따라 해당 냉매제어밸브(V1~V3)의 작동을 제어하여 제3압출단 공기유입온도(T2) 또는 최종 압축공기 공급온도(T3)를 상승 제어하는 냉매제어밸브 제어단계;를 포함한다.
도 5은 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법의 냉매제어밸브 제어단계의 흐름도이다.
본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법에서 냉매제어밸브 제어단계는 제3압출단 공기유입온도(T2)가 제1설정온도(예를 들면 30℃) 미만인가를 판단하는 동시에 최종 압축공기 공급온도(T3)가 제3설정온도 미만(예를 들면 25℃)인가를 판단하는 제1판단단계; 제1판단결과 제3압출단 공기유입온도(T2)가 제1설정온도 미만이면 제1열교환기(121)의 제1토출유로(L12)에 설치된 제1냉매제어밸브(V1)의 제4공급유로(L41) 측을 개방하는 동시에 제2공급유로(L21)에 설치된 제2냉매제어밸브(V2)의 제5공급유로(L51) 측을 개방하여 제1토출유로(L12)로 토출되는 고온의 냉매를 제2열교환기(122)로 공급함으로써 제3압출단 공기유입온도(T2)가 상승되도록 하고, 최종 압축공기 공급온도(T3)가 제5설정온도 미만이면 제1냉매제어밸브(V1)의 제4공급유로(L41) 측을 개방하는 동시에 제3공급유로(L31)에 설치된 제3냉매제어밸브(V3)의 제6공급유로(L61) 측을 개방하여 제1토출유로(L12)로 토출되는 고온의 냉매를 제3열교환기(123)로 공급함으로써 함으로써 최종 압축공기 공급온도(T3)가 상승되도록 하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법에서 냉매제어밸브 제어단계는 제3압출단 공기유입온도(T2)가 제2설정온도(예를 들면 35℃) 초과인가를 판단하는 동시에 최종 압축공기 공급온도(T3)가 제4설정온도(예를 들면 30℃)를 초과인가를 판단하는 제2판단단계; 제2판단결과 제3압출단 공기유입온도(T2)가 제4설정온도 초과이면 제1냉매제어밸브(V1)의 제4공급유로(L41) 측을 밀폐하는 동시에 제2냉매제어밸브(V2)의 제5공급유로(L51) 측을 밀폐하여 제1열교환기(121)에서 토출되는 고온의 냉매의 제2열교환기(122)로의 공급을 차단하고, 최종 압축공기 공급온도(T3)가 제4설정온도를 초과이면 제1냉매제어밸브(V1)의 제4공급유로(L41) 측을 밀폐하는 동시에 제3냉매제어밸브(V3)의 제6공급유로(L61) 측을 밀폐하여 제1열교환기(121)에서 토출되는 고온의 냉매의 제3열교환기(123)로의 공급을 차단하는 단계;를 포함한다.
이처럼 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법은 제3압출단 공기유입온도(T2) 또는 최종 압축공기 공급온도(T3)가 설정온도보다 낮을 때에 제1열교환기(121)에서 토출되는 고온의 냉매를 제2열교환기(122) 또는 제3열교환기(123)로 공급함으로써 제3압출단 공기유입온도(T2) 또는 최종 압축공기 공급온도(T3)를 상승 제어함으로써 제3압출단(113)으로 설계온도보다 낮은 온도의 공기가 유입되어 제3압축단(113)의 공기압축효율이 저하되는 것을 방지할 수 있게 되고, 최종 압축공기의 온도가 설계온도보다 낮은 온도로 공급되는 것을 방지할 수 있게 되어 고속 고효율 터보 공기압축기의 품질을 향상시킬 수 있게 된다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
100 : 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치
111~113 : 압축단
121~123 : 열교환기
130 : 압력레귤레이터
V1~V3 : 냉매제어밸브

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 다수의 압축단(111~113)으로 공기를 압축하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 각 압축단(111~113)의 압축공기 토출측에 설치되는 열교환기(121~123);
    냉매 메인공급유로(L10)에 설치되고, 제1열교환기(121)를 제외한 나머지 열교환기(122,123)에 공급되는 냉매의 압력을 감압 조절하는 압력레귤레이터(130);
    열교환기(121~123)의 토출유로(L12) 또는 공급유로(L21, L31)에 설치되고, 열교환기(121~123)의 냉매의 공급을 제어하는 다수의 냉매제어밸브(V1~V3);를 포함하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치에 있어서,
    제1열교환기(121)의 냉매가 토출되는 제1토출유로(L12)에 설치되어 제1열교환기(121)의 토출냉매의 제1열교환기(121)의 토출냉매의 제2열교환기(122)의 공급 또는 제3열교환기(123)의 공급을 제어하는 제1냉매제어밸브(V1);
    제2열교환기(122)에 냉매를 공급하는 제2공급유로(L21)에 설치되어 제1열교환기(121)의 토출냉매의 제2열교환기(122)의 공급을 제어하는 제2냉매제어밸브(V2);
    제3열교환기(123)에 냉매를 공급하는 제3공급유로(L31)에 설치되어 제1열교환기(121)의 토출냉매의 제3열교환기(123)의 공급을 제어하는 제3냉매제어밸브(V3);를 포함하고,
    제1열교환기(121)에 메인공급유로(L10)를 통해 공급되는 냉매가 감압되지 않은 상태로 제1공급유로(L11)를 통해 공급되고, 제2열교환기(122) 및 제3열교환기(123)에 압력레귤레이터(130)를 통해 감압된 냉매가 공급되어 제1열교환기(121)에 공급되는 냉매의 제1공급압력(P1)과 제1열교환기(121)에서 토출되어 제2열교환기(122) 및 제3열교환기(123)에 공급되는 냉매의 제3공급압력(P3)이 압력레귤레이터(130)를 거쳐 제2열교환기(122) 및 제3열교환기(123)에 공급되는 냉매의 제2공급압력(P2)보다 크게 설정된 것을 특징으로 하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    각 냉매제어밸브(V1~V3)의 작동은 메인공급유로(L10) 및 제1공급유로(L11)의 냉매 제1공급압력(P1), 제2공급유로(L21) 및제3공급유로(L32)의 제2공급압력(P2), 제4공급유로(L41)의 냉매 제3공급압력(P3), 제3압출단 공기유입온도(T2), 공급온도(T3)가 입력되는 제어유니트에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어장치.
  5. 삭제
  6. 다수의 압축단(111~113)으로 공기를 압축하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 각 압축단(111~113)의 압축공기 토출측에 설치되는 열교환기(121~123); 냉매 메인공급유로(L10)에 설치되고, 제1열교환기(121)를 제외한 나머지 열교환기(122,123)에 공급되는 냉매의 압력을 감압 조절하는 압력레귤레이터(130); 제1열교환기(121)의 냉매가 토출되는 제1토출유로(L12)에 설치되어 제1열교환기(121)의 토출냉매의 제1열교환기(121)의 토출냉매의 제2열교환기(122)의 공급 또는 제3열교환기(123)의 공급을 제어하는 제1냉매제어밸브(V1); 제2열교환기(122)에 냉매를 공급하는 제2공급유로(L21)에 설치되어 제1열교환기(121)의 토출냉매의 제2열교환기(122)의 공급을 제어하는 제2냉매제어밸브(V2); 제3열교환기(123)에 냉매를 공급하는 제3공급유로(L31)에 설치되어 제1열교환기(121)의 토출냉매의 제3열교환기(123)의 공급을 제어하는 제3냉매제어밸브(V3);를 포함하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법으로,
    각 압축단(111~113) 및 각 열교환기(121~123)를 작동하는 공기압축기 작동단계;
    제3압출단 공기유입온도(T2) 및 최종 압축공기 공급온도(T3)를 감지하는 단계;
    제3압출단 공기유입온도(T2) 또는 최종 압축공기 공급온도(T3)에 따라 해당 냉매제어밸브(V1~V3)의 작동을 제어하여 제3압출단 공기유입온도(T2) 또는 최종 압축공기 공급온도(T3)를 상승 제어하는 냉매제어밸브 제어단계;를 포함하고,
    냉매제어밸브 제어단계는,
    제3압출단 공기유입온도(T2)가 제1설정온도 미만인가를 판단하는 동시에 최종 압축공기 공급온도(T3)가 제3설정온도 미만인가를 판단하는 제1판단단계;
    제1판단결과 제3압출단 공기유입온도(T2)가 제1설정온도 미만이면 제1열교환기(121)의 제1토출유로(L12)에 설치된 제1냉매제어밸브(V1)의 제4공급유로(L41) 측을 개방하는 동시에 제2공급유로(L21)에 설치된 제2냉매제어밸브(V2)의 제5공급유로(L51) 측을 개방하여 제1토출유로(L12)로 토출되는 고온의 냉매를 제2열교환기(122)로 공급함으로써 제3압출단 공기유입온도(T2)가 상승되도록 하고, 최종 압축공기 공급온도(T3)가 제5설정온도 미만이면 제1냉매제어밸브(V1)의 제4공급유로(L41) 측을 개방하는 동시에 제3공급유로(L31)에 설치된 제3냉매제어밸브(V3)의 제6공급유로(L61) 측을 개방하여 제1토출유로(L12)로 토출되는 고온의 냉매를 제3열교환기(123)로 공급함으로써 함으로써 최종 압축공기 공급온도(T3)가 상승되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    냉매제어밸브 제어단계는,
    제3압출단 공기유입온도(T2)가 제2설정온도 초과인가를 판단하는 동시에 최종 압축공기 공급온도(T3)가 제4설정온도를 초과인가를 판단하는 제2판단단계;
    제2판단결과 제3압출단 공기유입온도(T2)가 제4설정온도 초과이면 제1냉매제어밸브(V1)의 제4공급유로(L41) 측을 밀폐하는 동시에 제2냉매제어밸브(V2)의 제5공급유로(L51) 측을 밀폐하여 제1열교환기(121)에서 토출되는 고온의 냉매의 제2열교환기(122)로의 공급을 차단하고, 최종 압축공기 공급온도(T3)가 제4설정온도를 초과이면 제1냉매제어밸브(V1)의 제4공급유로(L41) 측을 밀폐하는 동시에 제3냉매제어밸브(V3)의 제6공급유로(L61) 측을 밀폐하여 제1열교환기(121)에서 토출되는 고온의 냉매의 제3열교환기(123)로의 공급을 차단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 고효율 터보 공기압축기의 압축공기 냉각 제어방법.
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