KR102257601B1 - 판형 열교환기에서 냉매 응축열과 브라인을 열교환시킨 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판형 열교환기에서 냉매 응축열과 브라인을 열교환시킨 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 냉동 시스템 내의 고온 냉매 가스와 제상 시스템 내의 브라인을 판형 열교환기에서 열교환시키고 열교환 상승된 브라인 열을 브라인 냉각기에서 냉각 순환시켜 고온 냉매 가스를 응축시키는 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템에 관한 것이다.

Description

판형 열교환기에서 냉매 응축열과 브라인을 열교환시킨 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템 {Energy saving refrigeration and defrost system that exchanges refrigerant condensation heat and brine in plate heat exchanger}

본 발명은 판형 열교환기에서 냉매 응축열과 브라인을 열교환시킨 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 냉동 시스템 내의 고온 냉매 가스와 제상 시스템 내의 브라인을 판형 열교환기에서 열교환시키고 열교환 상승된 브라인 열을 브라인 냉각기에서 냉각 순환시켜 고온 냉매 가스를 응축시키는 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템에 관한 것이다.

통상의 냉동 시스템은 냉매를 순환시키면서 부하에서 열교환을 통해 정해진 공간을 냉동시키는 시스템으로서 통상 다음과 같은 4 단계 순환 사이클을 통해 열 교환과 주위의 냉동을 실현하고 있다.

증발기에서 열교환된 저온저압의 냉매가스가 압축기를 통과하면서 고온고압의 냉매가스로 전환되고, 전환된 냉매가스가 응축기에 유입되어 액상으로 응축되어 외부로 응축폐열을 방출하게 된다. 이처럼 외부 대기 상으로 응축폐열을 방출시켜 응축기 내의 냉매액의 온도와 압력을 저하시키는 것은 응축폐열을 지속적으로 냉동시스템 외부에서 소모시켜야 하는 것으로 에너지 절감 측면에서는 바람직하지 않은 것이었다.

또한 응축기에서 응축된 고온 고압의 냉매액은 팽창변을 지나면서 유량이 조정되어 저온저압으로 변화되고 저온저압 상태의 냉매액이 증발기 내로 유입되어 분사되면서 급팽창되어 주위로부터 기화열을 흡수시켜 열교환 됨으로써 주위의 공간을 냉각시킬 뿐만 아니라 증발기 외부에 성에를 발생시키는 것이었다.

이때 외부 공기의 열을 흡수하는 증발기 표면온도는 외부 공기의 온도에 비하여 상대적으로 낮고 이로 인하여 증발기 표면에는 상대적으로 고온 습윤 상태인 외부 공기로부터 응결된 수분이 달라붙게 되어 성에가 생성되는 것이다. 이와 같이 증발기 표면에 생성된 성에는 시간이 지남에 따라 점점 두꺼워지고 이로 인해 증발기를 통과하는 공기의 열교환 효율이 떨어져 냉각 효율이 떨어지고 과다한 전력 소모가 발생하게 되는 것이다.

그 후 증발기를 통과시킨 저온저압의 냉매가스는 다시 압축기로 순환되어 냉동 사이클을 반복하게 되는 것이다.

외부 대기상으로 방출된 응축 폐열을 이용하여 증발기 표면에 생성된 성에를 제상시키기 위한 시스템을 본 발명자는 이미 하기 3건의 특허문헌을 통해 개시한 바 있다.

대한민국 등록특허 제10-1525530호 '응축 폐열 제상 과냉각 냉동장치 및 그 제어 방법'에서는 응축 폐열을 열교환기(120) 내의 응축열 흡수배관(122)을 통해 흡수시킨 후 이를 응축열 저장 부재(160)에 회수 저장시키고 응축열 저장 부재에 저장된 응축열을 이용하여 제상수 공급관(142)에 제상수를 공급시켜 증발기 외부의 성에를 제상시키는 냉동장치와 제어 방법을 개시한 바 있다.

그러나 상기 특허문헌에 개시된 응축열 저장 부재의 경우 일정 온도 이상의 온도를 유지하기 위해서는 연속하여 응축열을 응축열 저장 부재에 흡수 공급시켜야 하는 문제점이 있어 냉동장치 시스템을 일부 중단시킬 경우 충분한 응축열을 저장할 수 없는 문제점이 있었다.

한편 대한민국 공개특허공보 제10-2016-59010호 '토출가스 폐열을 이용한 냉동장치 제상 시스템'에서는 실외응축기(3)에서 발생하는 토출가스 폐열을 응축열회수열교환기(2)를 통해 회수시켜 제상수를 가온하고 가온된 제상수를 제상수 공급관에 공급하여 증발냉각기(4) 배관의 성에를 제거시킨 후 응축열 저장탱크(5)로 회수 순환시킴을 특징으로 하는 토출가스 폐열을 이용한 냉동장치 제상 시스템을 개시한 바 있다.

그러나 상기 공개특허문헌에 개시된 토출가스 폐열을 응축열회수열교환기를 통해 회수시켜 제상수를 가온하여 성에를 제거시키는 냉동장치 제상 시스템 역시 응축열 저장탱크에서 토출가스 폐열을 일정시간 이상 보관하기 어려운 문제가 있어 상업화에 어려움이 있었던 것이다.

또한 대한민국 등록특허 제10-1962878호 '냉동기 토출 가스에 의한 응축 폐열 회수를 이용한 냉동 시스템'에서는 압축기, 응축기, 압축기에서 압축된 냉매를 응축기에 전달하는 메인 유로, 압축기에서 배출되는 냉매의 열을 일부 저장하는 축열 저장조, 압축기에서 압축된 냉매를 축열 저장조에 전달하는 보조 유로계로 구성된 냉동기 토출 가스에 의한 응축폐열 회수를 이용한 냉동 시스템을 개시한 바 있다.

그러나 상기 특허문헌 내에 개시된 축열 저장조(60)는 지정된 온도인 통상 40℃ 정도의 온도까지만 열을 저장할 수 있게 설계되어 충분한 응축폐열을 축열 저장조에 저장하기 어려웠을 뿐 아니라 보조 유로(100)와 메인 유로(210)에서 응축 폐열의 손실이 발생하여 열에너지 효율 면에서 바람직한 것이 아니었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명자는 통상 사용되는 냉동 시스템 내의 응축기와 상기 특허문헌에 개시된 응축열 저장 탱크를 대체할 수 있는 판형 열교환기를 시스템 내에 도입하고, 판형 열교환기 내에서 냉매 가스와 브라인의 열교환을 통해 냉매 가스를 냉각시켜 응축시키고 열교환 승온된 브라인 제상액을 브라인 냉각기에서 냉각 순환시켜 연속적으로 냉매 가스와 브라인을 열교환시켜 에너지 절감이 가능한 냉동 및 제상 시스템을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 된 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 냉동 시스템 내의 응축기와 응축열 저장 탱크를 대체할 수 있는 판형 열교환기를 시스템 내에 도입코자 한 것이다. 이에 따라 판형 열교환기 내에서 냉매 가스와 브라인의 열교환을 통해 냉매 가스를 냉각시켜 응축시키고 열교환 승온된 브라인 제상액을 브라인 냉각기에서 냉각 순환시켜 연속적으로 냉매 가스와 브라인을 열교환시켜 에너지 절감이 가능한 냉동 및 제상 시스템을 개발코자 한 것이다.

본 발명의 목적은 ⅰ) 냉동 운전시 압축기(1)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스를 판형 열교환기(3)에서 브라인과 열교환 응축시킨 후 액체 상태의 냉매를 팽창변을 통과시켜 증발기(8)에서 기화열을 흡수하여 부하를 냉동시킨 후 다시 압축기로 순환시키고, 판형 열교환기에서 냉매 가스의 응축을 위해 열교환 승온된 브라인은 브라인 냉각기(4)로 유입되어 냉각시킨 후 브라인 순환 펌프(15)를 통해 판형 열교환기(3)로 유입 순환시키는 냉동 시스템; 및 ⅱ) 제상 운전시 성에 감지 센서(14)에서 감지된 신호에 의해 냉매 순환에 의한 냉동 시스템을 중단시킨 후, 전자 밸브(11)와 체크 밸브(12)를 열고 브라인 순환 시스템을 작동시켜 증발기(8) 상의 성에를 제상시키는 제상 시스템;으로 구성된 판형 열교환기에서 냉매 응축열과 브라인을 열교환시킨 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템을 제공하는 것이다.

이때 상기 판형 열교환기는 냉매 유입구를 통해 유입된 70~80 ℃의 냉매 가스를 다수의 전열판에서 브라인 유입구에서 유입된 25~30 ℃의 브라인과 열교환시킨 후 응축된 30~40 ℃의 냉매액을 냉매 유출구를 통해 부하로 유출시키고, 열교환 승온된 35~45 ℃의 브라인을 브라인 냉각기로 유입 냉각 순환시킴을 특징으로 한다.

또한 상기 브라인 냉각기는 에어 냉각핀이 부착된 S자 지그재그형 냉각관으로 브라인을 유입 유출시켜 브라인을 냉각시키고, 브라인 온도 상승시 브라인 냉각기 외부를 살수시켜 냉각 효율을 극대화 시킴을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 압축기로부터 냉매 가스를 하나의 판형 열교환기에서 응축시키고 다수의 증발기 부하에서 기화시키는 냉동 시스템과 전술한 제상 시스템으로 구성된 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템에 있어서, 상기 증발기의 제상 운전은 냉매 순환에 의한 냉동 시스템을 작동시키면서 다수의 증발기 중 일부 또는 전부에 선택적으로 제상 가능함을 특징으로 하는 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적 목적은 ⅰ) 압축기로부터 냉매 가스를 판형 열교환기에서 응축시키고 증발기 부하에서 기화시키는 다수의 전술한 냉동 시스템; ⅱ) 다수의 판형 열교환기와 연결된 하나의 브라인 냉각기를 지니는 브라인 냉각 순환 경로; 및 ⅲ) 다수의 전술한 제상 시스템;으로 구성된 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템에 있어서, 상기 증발기의 제상 운전은 제상을 요하는 일부의 냉동 시스템을 선택적으로 중단시키고, 브라인 냉각 순환 경로를 작동시키며 제상을 요하는 증발기에 선택적으로 제상 시스템을 작동시켜 제상 가능함을 특징으로 하는 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 효과는 냉동 시스템 내의 응축기와 응축열 저장 탱크를 대체할 수 있는 판형 열교환기를 시스템 내에 도입하여 판형 열교환기 내에서 냉매 가스와 브라인의 열교환을 통해 냉매 가스를 냉각시켜 응축시키고 열교환 승온된 브라인 제상액을 브라인 냉각기에서 냉각 순환시켜 연속적으로 냉매 가스와 브라인을 열교환시켜 에너지 절감이 가능한 냉동 및 제상 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 판형 열교환기에서 냉매 응축열과 브라인을 열교환시킨 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템의 전체 구성도이다.
청색으로 표시된 부분은 냉동 시스템 내에서 냉매 순환을 나타내는 부분이며 적색으로 표시된 부분은 제상 시스템 내에서 브라인 순환을 나타내는 부분이다. 또한 검정색으로 표시된 부분은 브라인과 냉매의 연속적 열교환을 위해 브라인의 냉각과 순환을 나타내는 부분이다.
도 2는 본 발명의 판형 열교환기의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 브라인 냉각기의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템의 또 다른 실시형태를 나타낸 전체 구성도이다.
도 5는 본 발명의 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템의 추가적 실시형태를 나타낸 전체 구성도이다.

본 발명은 ⅰ) 냉동 운전시 압축기(1)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스를 판형 열교환기(3)에서 브라인과 열교환 응축시킨 후 액체 상태의 냉매를 팽창변을 통과시켜 증발기(8)에서 기화열을 흡수하여 부하를 냉동시킨 후 다시 압축기로 순환시키고, 판형 열교환기에서 냉매 가스의 응축을 위해 열교환 승온된 브라인은 브라인 냉각기(4)로 유입되어 냉각시킨 후 브라인 순환 펌프(15)를 통해 판형 열교환기(3)로 유입 순환시키는 냉동 시스템; 및 ⅱ) 제상 운전시 성에 감지 센서(14)에서 감지된 신호에 의해 냉매 순환에 의한 냉동 시스템을 중단시킨 후, 전자 밸브(11)와 체크 밸브(12)를 열고 브라인 순환 시스템을 작동시켜 증발기(8) 상의 성에를 제상시키는 제상 시스템;으로 구성된 판형 열교환기에서 냉매 응축열과 브라인을 열교환시킨 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템에 관한 것이다.

또한 본 발명은 압축기로부터 냉매 가스를 하나의 판형 열교환기에서 응축시키고 다수의 증발기 부하에서 기화시키는 냉동 시스템과 전술한 제상 시스템으로 구성된 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템에 있어서, 상기 증발기의 제상 운전은 냉매 순환에 의한 냉동 시스템을 작동시키면서 다수의 증발기 중 일부 또는 전부에 선택적으로 제상 가능함을 특징으로 하는 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템에 관한 것이다.

또한 본 발명은 ⅰ) 압축기로부터 냉매 가스를 판형 열교환기에서 응축시키고 증발기 부하에서 기화시키는 다수의 전술한 냉동 시스템; ⅱ) 다수의 판형 열교환기와 연결된 하나의 브라인 냉각기를 지니는 브라인 냉각 순환 경로; 및 ⅲ) 다수의 전술한 제상 시스템;으로 구성된 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템에 있어서, 상기 증발기의 제상 운전은 제상을 요하는 일부의 냉동 시스템을 선택적으로 중단시키고, 브라인 냉각 순환 경로를 작동시키며 제상을 요하는 증발기에 선택적으로 제상 시스템을 작동시켜 제상 가능함을 특징으로 하는 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템에 관한 것이다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의해 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 판형 열교환기에서 냉매 응축열과 브라인을 열교환시킨 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템의 전체 구성도이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 냉동 운전시에는 압축기(1)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스를 판형 열교환기(3)에서 브라인과 열교환 응축시킨 후 액체 상태의 냉매를 수액기(5)와 액열기(9)를 통과시킨 후 팽창변 및 증발기(8)에서 기화열을 흡수하여 부하를 냉동시킨 후 다시 압축기로 순환시킨다.

청색으로 표시된 부분은 냉동 시스템 내에서 냉매 순환을 나타내는 부분이며 적색으로 표시된 부분은 제상 시스템 내에서 브라인 순환을 나타내는 부분이다. 또한 검정색으로 표시된 부분은 브라인과 냉매의 연속적 열교환을 위해 브라인의 냉각과 순환을 나타내는 부분이다.

또한 판형 열교환기(3)에서 냉매 가스의 응축을 위해 열교환 승온된 브라인은 브라인 냉각기(4)로 유입되어 냉각시킨 후 브라인 순환 펌프(15)를 통해 판형 열교환기(3)로 유입 순환시킨다.

한편 제상 운전시에는 성에 감지 센서(14)에서 감지된 신호에 의해 냉매 순환에 의한 냉동 시스템을 중단시킨 후, 전자 밸브(11)와 체크 밸브(12)를 열고 브라인 순환 시스템을 작동시켜 증발기(8) 상의 성에를 제상시킨다.

이때 제상수로 사용되는 브라인은 물과 프로필렌글리콜의 혼합액으로 물 1 중량부에 프로필렌글리콜 0.2~0.5 중량부가 바람직하다.

냉동 시스템과 제상 시스템의 작동은 통상 시스템 외부에 설치된 제어판에 의해 결정되고 제어판을 통해 시스템 내의 각종 센서의 작동과 센서 작동을 통한 시스템 내의 각종 단위 기계장치의 에너지 절감형 작동이 가능하다.

도 2는 본 발명의 판형 열교환기의 구조를 나타낸 모식도이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 판형 열교환기(3)는 냉매 유입구(101)를 통해 유입된 70~80 ℃의 냉매 가스를 다수의 전열판(120)에서 브라인 유입구(111)에서 유입된 25~30 ℃의 브라인과 열교환시킨 후 응축된 30~40 ℃의 냉매액을 냉매 유출구(104)를 통해 부하로 유출시키고, 열교환 승온된 35~45 ℃의 브라인을 브라인 냉각기(4)로 유입 냉각 순환시킨다.

판형 열교환기 내에는 냉매 순환 전열판과 브라인 순환 전열판이 서로 교차적으로 포개져 있으며 이를 통해 효과적인 열교환을 가능케 한다.

도 3은 본 발명의 브라인 냉각기의 구조를 나타낸 모식도이다.

도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 브라인 냉각기는 에어 냉각핀이 부착된 S자 지그재그형 냉각관으로 브라인을 유입 유출시켜 브라인을 냉각시킨다.

30~45 ℃의 승온된 브라인은 브라인 유입구(201)를 통해 유입시키고 에어 냉각핀(203)이 설치된 냉각관(202)을 통과하면서 냉각된다. 냉각된 브라인은 브라인 유출구(204)를 통해 유출된 후 다시 판형 열교환기로 순환 공급된다.

한편 브라인 온도 상승시 브라인 냉각기 외부를 살수시켜 냉각 효율을 극대화시켜 브라인 유입구(111)에 25~30 ℃의 브라인이 유입되도록 한다.

도 4는 본 발명의 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템의 또 다른 실시형태를 나타낸 전체 구성도이다.

도 4에 나타난 바와 같이, 압축기로부터 냉매 가스를 하나의 판형 열교환기에서 응축시키고 다수의 증발기 부하에서 기화시키는 냉동 시스템과 전술한 제상 시스템으로 구성된 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템을 제공하는 것이다.

즉 하나의 냉동 시스템 내에 3개의 증발기 부하가 서로 병렬 상태로 연결되도록 구성될 수 있으며, 이러한 실시형태의 경우 판형 열교환기 내에서 냉매 가스의 충분한 응축이 가능하기 때문에 이러한 응축열을 3개의 증발기에서 나누어 증발시켜 3곳의 부하를 동시에 냉동시키고 기화된 냉매 가스는 압축기로 순환 유입시킬 수 있다.

상기 증발기의 제상 운전은 냉매 순환에 의한 냉동 시스템을 작동시키면서 다수의 증발기 중 일부 또는 전부에 선택적으로 제상 가능함을 특징으로 한다.

도 5는 본 발명의 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템의 추가적 실시형태를 나타낸 전체 구성도이다.

도 5에 나타난 바와 같이, ⅰ) 압축기로부터 냉매 가스를 판형 열교환기에서 응축시키고 증발기 부하에서 기화시키는 다수의 전술한 냉동 시스템; ⅱ) 다수의 판형 열교환기와 연결된 하나의 브라인 냉각기를 지니는 브라인 냉각 순환 경로; 및 ⅲ) 다수의 전술한 제상 시스템;으로 구성된 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템을 추가적으로 제공할 수 있다.

상기 증발기의 제상 운전은 제상을 요하는 일부의 냉동 시스템을 선택적으로 중단시키고, 브라인 냉각 순환 경로를 작동시키며 제상을 요하는 증발기에 선택적으로 제상 시스템을 작동시켜 제상 가능함을 특징으로 한다.

1: 압축기
2: 유분리기
3: 판형 열교환기
4: 브라인 냉각기
5: 수액기
6: 전자 밸브
7: 팽창변
8: 증발기
9: 액열기
10: 전자 밸브
11: 전자 밸브
12: 체크 밸브
13: 3방 밸브
14: 성에 감지 센서
15: 브라인 순환 펌프
101: 냉매 유입구
102: 냉매 유입공
103: 냉매 유출공
104: 냉매 유출구
111: 브라인 유입구
112: 브라인 유입공
113: 브라인 유출공
114: 브라인 유출구
120: 전열판
121: 가스켓
201: 브라인 유입구
202: 냉각관
203: 에어 냉각핀
204: 브라인 유출구

Claims (5)

1. ⅰ) 냉동 운전시 압축기(1)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스를 판형 열교환기(3)에서 브라인과 열교환 응축시킨 후 액체 상태의 냉매를 팽창변을 통과시켜 증발기(8)에서 기화열을 흡수하여 부하를 냉동시킨 후 다시 압축기로 순환시키는 냉동 및 냉매 순환부;
   ⅱ) 판형 열교환기에서 냉매 가스의 응축을 위해 열교환 승온된 브라인은 브라인 냉각기(4)로 유입되어 냉각시킨 후 브라인 순환 펌프(15)를 통해 판형 열교환기(3)로 유입 순환시키는 브라인 냉각 및 순환부;
   ⅲ) 제상 운전시 성에 감지 센서(14)에서 감지된 신호에 의해 냉매 순환에 의한 냉동 및 냉매 순환을 중단시킨 후, 전자 밸브(11)와 체크 밸브(12)를 열고 브라인 순환을 작동시켜 냉동 및 냉매 순환부의 증발기(8) 상의 성에를 제상시키는 제상 및 브라인 순환부; 및
   ⅳ) 냉매 응축열과 브라인을 열교환시키는 판형 열교환기(3);
   로 구성된 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템;에 있어서,
   상기 판형 열교환기는 냉매 유입구를 통해 유입된 70~80 ℃의 냉매 가스를 다수의 전열판에서 브라인 유입구에서 유입된 25~30 ℃의 브라인과 열교환시킨 후 응축된 30~40 ℃의 냉매액을 냉매 유출구를 통해 부하로 유출시키고, 열교환 승온된 35~45 ℃의 브라인을 브라인 냉각기로 유입 냉각 순환시킴을 특징으로 하는 에너지 절감형 냉동 및 제상 시스템.
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