KR20010031306A - 재생 가스 순환 공정에 따라 작동되는 가열 및 냉동 기계작동 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부일로이머 열 펌프(Vuilleumier heat pump)와 같은 재생 가스 순환 공정에 따라 작용되는 가열 및 냉동 기계를 작동시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 열 공급원으로서 버너(34)를 포함하며, 상기 버너의 효율을 증가시키기 위해 또는 가열 및 냉동 기계의 출력 지수를 증가시키기 위해 버너(34)로 이송되는 연소 공기는 열 교환기내에서 배기 가스에 의해 예열된다. 본 발명에 따르면, 연소 공기의 예열은 가열 및 냉동 기계의 출력을 증가시키기 위해 적어도 부분적으로 방지되며, 고온의 배기 가스 유동은 버너 출력을 증가시키면서 배기수 열 교환기(50)로 공급된다. 더욱이, 가열 및 냉동 기계의 출력은 가열 및 냉동 기계의 펌프의 크기 또는 설계 데이터를 변화시킬 필요 없이 증가될 수 있다.

Description

재생 가스 순환 공정에 따라 작동되는 가열 및 냉동 기계 작동 방법 및 장치{Method And Device For Operating A Heating And Refrigerating Machine Which Functions According To A Regenerative Gas Circulation Process}

독일특허 DE 195 16 499 A1호로 부터 가열 및 냉동 기계의 특징을 위한 방법이 공개되었으며, 이 방법은 열역학적인 구동 에너지원(thermal power source)을 발생시키는데 필요한 필수적인 연소 공기를 연소시 발생하는 배기 가스를 이용하여 예열(preheating)시키는 것이다. 즉, 연소 공기의 예열이 직접 버너(burner)의 효율 또는 가열 및 냉동 기계의 출력 지수(performence number)를 전체적으로 증가시키도록 하는 것이며; 이와 동시에 가열 및 냉동 기계는 설정 구조물의 크기에 대한 최대 열용량(heating capacity)이 최적의 출력 지수에 따라서 결정되도록 설계하려는 것이다.

더높은 열용량을 공급하기 위해서 예를 들어서 열 펌프(heat pump)를 가동시키것 이외에도 병렬 2중 운전 방식에 의한 제 2 열 발생기(heat generator) 또는 종래의 가스열, 열역학적 또는 전기적인 가열 요소 등이 사용되고 있다.

본 발명은 청구항의 특징에 따라서 재생 가스 순환 공정에 따라 작동하는 가열 및 냉동 기계를 작동시키기 위한 방법 및 이 방법을 실행하기 위한 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 방법에 따라 작동되는 가열 및 냉동 기계의 개략 종단면도.

본 발명의 제어 방법 및 이 제어 방법을 실행하기 위한 장치는 가열 및 냉동 기계의 배출 출력 또는 전체 출력이 적합한 방법으로서 증가하더라도, 설정된 열 출력(heating power)을 위해 설계된 가열 및 냉동 기계의 구조물은 동일한 크기를 유지할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

연소 출력이 증가하며 다른 열 에너지 사용을 위해 고온의 배기 가스의 유동이 배기 가스-물-열교환기(combustion gas-water-heat exchanger)로 이송됨으로서, 부분적으로 또는 완전히 연소 공기를 예열시키지 않아도 되며, 극도로 낮은 외부 온도와 이 온도에 따른 높은 열 에너지 공급 상태에서는 예를 들어서 20 [kW]의 배출 출력의 요구에도 15 [kW] 정도로 설계된 가열 및 냉동 기계의 사용을 가능하도록 하고 있다.

독일 규격(DIN 4702/8)에 근거로 하여 외부 온도와 이 외부 온도와 관계된 열용량 공급의 분포도에 대한 데이터는, 열 발생기의 약 80%의 부하보다 낮더라도 도 매년마다 누적된 열용량 배출의 96%를 공급하는데 충분하다는 것을 보여주고 있다. 따라서 나머지 부족한 4%의 열용량 공급을 위해서 2중으로 장착된 형태의 본 발명의 제어 방법이 이용될 수 있다.

종속항에서 실행되고 있는 특징을 통해서 재생 가스 순환 공정에 따라 작동하는 가열 및 냉동 기계의 작동을 위한 방법 및 장치를 위한 다른 적합한 형태가 가능하다. 적합한 방법으로서 연소 공기의 예열은 배기 가스-물-열교환기을 거쳐서 바이패스관(Bypass channel)에 의해 제어되고 있다.

요구되는 열출력에 따른 연속적인 연소 공기의 예열을 제어하기 위해서, 바이패스관은 바이패스 플랩(Bypass flap)에 의해서 조정되도록 제안하고 있다.

연소 출력의 증가는 적합한 방법으로 공기 지수를 유지한 상태에서 연소에 필요한 유동 공기와 연소 가스량을 펌프를 이용하여 증가시킴으로서 이루어진다.

하나의 실시예가 도면에 도시되어 있으며 이어서 다음의 기술에서 상세히 설명되고 있다.

도 1에는 부일로이머 열 펌프(Vuilleumier heat pump)의 압력 용기(10)의 상부가 도시되어 있으며, 도면에 도시되지 않은 상기 열펌프의 하부 부분에는 기어가 장착되어 있다. 압력 용기(10)의 상부에는 고온 피스톤(12)이 장착되어 있으며, 이 피스톤(12)은 고온의 작업 공간(14)을 형성하고 있다. 이 피스톤(12)은 크랭크(16)에 의해서 도면에서는 도시되어 있지 않은 기어와 연결되어 있다. 크랭크(16)는 저온 피스톤(18)을 관통하고 있으며, 또한 피스톤(18)은 크랭크(16)를 둘러싸고 있는 고온의 중공 크랭크(20)에 의해 기어와 연결된다. 항아리형의 저온 피스톤(18)의 내부에서는 저온의 작업 공간(22)이 형성되어 있다. 고온 피스톤(12)과 저온 피스톤(18) 사이에는 고온의 작업 공간(24)이 형성되어 있다.

세개의 작업 공간(14, 22, 24)은 축열기(regenerator)(26, 28) 또는 열교환기(30, 32)와 중간 접속된 상태에서 서로 연결되어 있다. 고온의 축열기(26) 뿐만아니라 저온의 축열기(28) 및 고온의 열교환기(30)가 압력 용기(10)의 내부 측면에 직접 장착되며, 저온의 열교환기(32)는 저온 피스톤(18) 내부에서 피스톤(16, 20)으로 관통된 고정 부재에 장착되어 있다.

열교환기(30, 32)와 순차적으로 접속되어 있는 축열기(26, 28)는 링모양으로 형성되어 있으며, 고압하에 형성되어 있는 처리 가스에 의해서 축방향으로 유동되도록 되어 있다. 상기 처리 가스는 또한 열교환기(30, 32)의 측면을 가압하게 되며, 열교환기(30, 32)는 자신의 또 다른 측면과 도시되지 않은 히트 사이클 진행 경로와 서로 연결되어 있다.

고온의 작업 공간(14)으로의 열공급은 연소 가스에 의해 구동되는 버너(34)에 의해서 이루어지며, 버너(34)는 내부에 아취형으로 융기 형태에 따라서 버너 표면(34a)과 두개의 버너 분배기(34b, 34c)로 이루어져 있으며, 버너 분배기(34b, 34c)는 연소 가스-공기-혼합물의 균일한 분배를 담당하고 있다. 연소에 필요한 연소 가스는 버너 노즐(36a)에 의해서 공급되며 연소 공기는 펌프(37)에 의해 버너 공기관(38)을 통해서 공급되고 있다. 버너 챔버(40)에서는 점화 플러그(42)에 의해 버너 표면(34a)에서 버너 가스-공기 혼합물이 점화되며, 이곳에서 열 에너지가 방출되는 상태에서 반응하게 된다. 부일로이머-열 펌프의 작동 방법은 이미 공지되었기 때문에, 개별적인 열역학적 사이클은 상세히 설명하지 않기로 한다.

연소 공기관(38)은 바이패스관(38b)에서 유동 배출 방향으로 장착되어 있으며, 바이패스관(38b)은 버너(34)에 직접 안내되어 있으며, 이와 동시에 버너 공기관의 부분(38a)이 압력 용기(10)의 벽의 주위로 안내되는 링모양의 부분(38c)과 연결되어 있으며, 부분(38c)의 방사상 내부에 장착되어 있는 벽은 압력 용기(10)의 벽의 부분을 형성하게 되며, 또한 압력 용기(10)의 벽은 도면에서 도면 부호 10a로 표시하고 있다. 이와 동시에 연소 공기관의 부분(38c)은 직접 버너(34)로 안내되며, 또한 부분(38c)은 압력 용기 벽 부재(10b)의 영역에서 링모양의 배출관(44)으로 분리된다. 연소 표면(34a)과 하기에 열 발생기 캡으로 표시되는 압력 용기 벽의 아취형 부분(10c) 사이에서 배기 가스를 유도하기 위한 하나의 유도 강판(46)이 장착되어 있으며, 상기 배기 가스는 유도 강판(46)에 장착된 중앙 개방구(47)를 통해 강제적으로 열 발생기 캡(10c)에 따라서 안내된다. 유도 강판(46)과 열 발생기 캡(10c)사이에 형성된 관은 측면적으로 배기관(44)으로 전이된다. 압력 용기 벽 부재(10b)의 영역에서 직접 압력 용기벽과 접해있는 배기관(44)은 압력 용기 벽 부재(10a)로 전이될 경우 압력 용기의 벽에 의해서 안내되어, 관부분(48)으로 전이되고, 관부분(48)은 배기 가스-물-열교환기(50)로 안내된다. 상기 압력 용기 벽 부재(10b)는 배기 가스-물-열교환기(50)로 안내된다. 압력 용기 벽 부재(10b)의 영역에서 배기 가스관의 배기 가스와 연소 공기관의 부분(38c)의 연소 공기 사이에서의 열교환이 이루어진다.

연소 공기관(38)에서는 연소 공기의 유동량를 조정하는 바이패스 플랩(52)이 장착되어 있으며, 바이패스 플랩(52)은 순간 요구되는 열용량 공급 또는 열 펌프의 부하 상태에 따라서 조정된다.

열용량의 요구가 낮으므로 부분 구동 운전(partial driving)에서 작동하게 되면, 바이패스 플랩(52)은 일점 쇄선으로 도시된 라인으로 위치하게 되어, 바이패스관(38b)은 완전히 폐쇄되며 전체적으로 연소 공기는 연소 공기관의 부분(38a)을 통해 버너(34)로 이송된다. 약 20℃ 정도로 펌프(37)에서 연소 공기관(38)으로 이송되는 연소 공기 유동은 링모양으로 형성된 연소 공기관의 부분(38c)에서, 특히 배기 가스와의 열교환을 통해서 연소 공기가 버너(34)로 진입할 경우의 온도로서 약 500℃ 정도가 되도록 예열된다.

약 700℃ 정도의 처리 가스와의 열교환을 통해 냉각된 배기 가스는 유도 강판(46)에 장착된 중앙 개방구(47)를 통해 버너 챔버(40)를 떠나고, 이어서 배기 가스관(44) 영역에서 약 200℃ 정도의 연소 공기에 의해 계속 냉각된다. 이러한 온도로서 관부분(48)을 통해서 배기 가스-물-열교환기(50)로 진입하는 배기 가스는 약 30℃ 정도로 냉각되며, 또한 이슬점(dew point)이 서로 다르기 때문에 배기 가스가 포함하고 있는 증기의 응축 엔탈피(condensation enthalphy)가 이용된다. 이와 동시에 배기 가스-물-열교환기(50)를 통해서 나온 열유동은 열 펌프에 의해 자체적으로 발생하고 있는 열유동 이외에도 장치의 전체 출력 상황과도 관계한다.

열 펌프의 출력은 열 발생기 캡의 온도를 통해서 그리고 이에 따른 연소 출력을 통해서 제어될 수 있다. 연소 출력이 변화되면, 열 발생기 캡의 온도 또한 변화되며, 이와 동시에 처리 가스의 온도도 변화되며, 결국 열교환기(30, 32, 50)를 통해서 교환된 열유동량 또한 변화된다.

상기 기술하고 있는 연소 공기의 예열에 의한 열출력의 증가는 단지 설정된 범위내에서만 가능한데, 이는 버너에 의한 구동 열유동량의 다른 증가의 경우 열역학적인 NO_X의 상당한 증가의 함수가 되는 연소 온도의 값을 고려하여야 하기 때문이다; 그러나 이에 대해서는 열 발생기 캡의 재료의 내열성에 대해서는 종래의 기술로는 실현될 수 없는 것이다.

연소 출력이 증가하며 냉각되지 않은 고온의 배기 가스 유동이 배기 가스-물-열교환기(50)에 이송됨으로서, 열용량의 공급을 증가하여야 할 경우 배기 가스 교환을 통해서 부분적으로 또는 완전히 연소 공기의 공기 예열이 불필요하게 하는 본 발명의 제어 방법이 여기서 사용될 수 있다. 따라서 연소 공기의 예열은 바이패스 플랩(52)을 통해서 부분적으로 또는 완전히 방지될 수 있으며, 이와 동시에 열용량의 요구가 크다 할지라도 적어도 부분적으로 바이패스관(38b)의 바이패스 플랩(52)에 의해 배출됨으로서, 전혀 예열되지 않거나 또는 단지 부분적으로 예열되는 연소 공기 유동이 버너(34)에 공급된다.

극도의 상황, 예를 들어서 열 펌프의 최대 운전(full driving)의 경우에 바이패스 플랩(52)은 도면에서 점선으로 도시되고 있는 위치에 있게 되며, 따라서 전체의 연소 유동 공기는 바이패스관(38b)을 통해 버너(34)로 이송된다. 이에 따라 열 펌프가 열교환기(30, 32)를 통해서 배출 또는 수용되는 열유동량을 감소시키게 되는데, 이는 열 발생기 캡의 온도가 낮을 경우 압력 용기(10)에서 존재하는 처리 가스가 적어도 심하게 가열되기 때문이다. 따라서 이에 따른 출력 손실은, 연소 출력이 펌프의 회전수에 의해서 열 발생기 캡이 완전 공기 예열에 의한 최적 운전 방법시와 같은 동일한 온도값에 도달할 때까지 증가시킴으로서 상쇄가 된다. 이와동시에 공압식 연속 가스-연소 공기-작용 제어기는 요구하고 있는 연소 공기량에 따라 가스 공급을 조정하게 되며, 따라서 공기 지수는 버너(34)의 전체의 출력 영역에서 일정한 값을 유지하게 된다.

연소 출력의 증가를 통해서 수용 또는 배출된 열유동은 열 펌프의 열교환기(30, 32)를 통해서 일정하게 유지되며, 이와 동시에 전혀 냉각되지 않거나 단지 부분적으로 연소 공기에 의해서 냉각된 보다 큰 배기 가스 유동이 배기 가스-물-열교환기(50)에 이송되며, 따라서 최대 약 20% 정도 큰 열용량이 배기 가스-물-열교환기(50)에 의해 물 순환 공정과 연결된다. 이러한 운전 방식에 있어서 열 펌프의 출력 지수 또는 효율이 약간 감소하기도 하지만, 매년마다 감소하고 있는 열용량의 공급과 관계하면 열펌프의 구조 또는 출력 크기에 대한 최적화가 이루어질수 있기 때문에 장점을 갖는다.

가열 및 냉각 기계의 배출 출력을 증가시키기 위해 기술한 제어 방법은 단지 부일로이머-열펌프의 사용에만 국한하지 않으며, 더욱이 다른 열역학적 구동 기계, 예를 들어서 교반 엔진(stirring engine)에도 사용될 수 있다.

Claims (6)

1. 열 공급원으로서 버너를 포함하며, 상기 버너의 열효율을 증가시키기 위해 또는 가열 및 냉동 기계의 출력 지수를 최대화하기 위해 버너로 이송되는 연소 공기가 열교환기에서 배기 가스에 의해 예열되는 부일로이머-열 펌프와 같은 재생 가스 순환 공정에 따라 작동되는 가열 및 냉동 기계 작동 방법에 있어서,

   상기 연소 공기의 예열은 상기 가열 및 냉동 기계의 배출 출력을 증가시키기 위해 적어도 부분적으로 방지되며, 고온의 배기 가스 유동은 버너 출력을 증가시키면서 배기 가스-물-열교환기(50)에 공급되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉동 기계 작동 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연소 공기의 예열은 배기 가스 열교환기를 둘러싼 바이패스관(38b)에 의해서 제어되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉동 기계 작동 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 바이패스관(38b)으로 이송되는 연소 공기는 바이패스 플랩(52)에 의해서 제어되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉동 기계 작동 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 펌프(37)를 통해서 이송되는 연소 공기 유동과 연소 가스량은 공기 지수를 유지하면서 증가하는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉동 기계 작동 방법.
5. 연소 공기의 예열을 조정하는 바이패스관(38b) 및, 배기 가스관(44)을 통해 버너(34)와 연결되어 있는 배기 가스-물-열교환기(50)를 구비하는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 가열 및 냉동 기계 작동 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 바이패스관(38b)의 개방구는 연소 공기관(38)에 장착된 바이패스 플랩(52)에 의해서 제어되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉동 기계 작동 장치.