KR20140123968A

KR20140123968A - 캐스캐이드식 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20140123968A
Application number: KR1020147023670A
Authority: KR
Inventors: 위상 라쉐드
Original assignee: 아르끄마 프랑스
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2014-10-23
Also published as: EP2807431A1; FR2986309A1; WO2013110866A1; US20140352336A1; FR2986309B1; JP2015505029A; CN104067072A; JP5901797B2; EP2807431B1

Abstract

본 발명은 하기를 포함하는, 적어도 제 1 열 교환 유체를 함유하는 제 1 증기 압축 회로 (10) 및 적어도 제 2 열 교환 유체를 함유하는 제 2 증기 압축 회로 (20) 에 의해 유체 또는 바디를 냉각시키는 방법에 관한 것이다:
- 외부 주변물의 온도를 측정함; 및
- 외부 주변물의 온도에 따라, 증발을 위한 제 2 열-교환 유체의 온도를 설정함.
본 발명은 또한 이러한 방법을 실행하는데 적합한 설비에 관한 것이다.

Description

캐스캐이드식 냉각 시스템 {CASCADE REFRIGERATION SYSTEM}

본 발명은 최적으로 작동하게 고안된 캐스캐이드식 냉각 시스템 및 이러한 시스템에서 수행되는 냉각 방법에 관한 것이다.

냉각 시스템은 일반적으로 저압에서의 유체 증발 (여기서 유체는 열을 흡수함); 증발 유체의 고압까지의 압축; 고압에서 액체를 산출하기 위한 증발 유체의 응축 (여기서, 유체는 열을 방출함); 및 사이클을 완료하기 위한 유체의 압력 감소를 포함하는 열역학적 사이클을 기초로 한다.

열-교환 유체 (이는 순수한 화합물 또는 화합물의 혼합물일 수 있음) 의 선택은, 한편으로는 유체의 열역학적 특성에 의해 및 다른 한편으로는 추가적 제약에 의해 좌우된다. 따라서, 중요한 기준은 환경에 있어서 고려되는 유체의 영향이다. 특히, 염소화 화합물 (클로로플루오로카본 및 히드로클로로플루오로카본) 은 오존층에 손상을 주는 단점을 나타낸다. 따라서, 비염소화 화합물, 예컨대 히드로플루오로카본, 플루오로에테르 및 플루오로올레핀이 향후 이에 일반적으로 바람직하다.

또다른 환경적 제약은 지구 온난화 지수 (GWP) 이다. 따라서, 가능한 낮은 GWP 및 양호한 에너지 성능을 나타내는 열-교환 조성물을 개발하는 것이 필수적이다.

일부 특수 냉각 시스템은 여러 냉각 회로의 사용 및 특히 함께 연결된 2 개의 회로, 즉 고온 회로 및 저온 회로를 기반으로 한다: 이러한 시스템은 "캐스캐이드식" 시스템으로 칭해진다. 두 회로는 일반적으로 상이한 열-교환 유체를 포함한다.

캐스캐이드식 시스템은 안전과 관련하여 다수의 이점을 나타낸다. 특히, 비용 또는 성능의 이유로, 고온 회로에서 특정 열-교환 유체를 사용하고 저온 회로에서 덜 가연성 또는 덜 독성인 또다른 열-교환 유체를 사용할 수 있다. 따라서, 가장 가연성 또는 가장 독성인 열-교환 유체의 총 충전이 최소화되고, 이러한 가장 가연성 또는 가장 독성인 열-교환 유체는 비피압 영역 (unconfined region) 및/또는 누출시에 대중 또는 개인과 접촉될 위험성이 없는 영역에 제한된다.

예를 들어, 이산화탄소는 이의 비가연성으로 인해, 및 환경적 관점에서 매우 유리한 열-교환 유체이다. 그러나 이의 낮은 임계점으로 인해, 이는 일반적으로 통상적 열-교환 유체 (탄화수소, 히드로플루오로카본 등) 보다 덜 효과적이다. 최적 용액은 저온 회로에 이산화탄소를 및 고온 회로에서 통상적 열-교환 유체를 포함하는 캐스캐이드식 시스템을 사용하는 것으로 이루어질 수 있다.

문헌 WO 2008/150289 및 WO 2011/056824 는 캐스캐이드식 냉각 시스템의 예를 제공한다.

Applied Thermal Engineering, 29, 1577-1583 (2009) 에서의 Dopazo 등에 의한 논문 Theoretical analysis of a CO₂-NH₃ cascade refrigeration system for cooling applications at low temperatures, 및 또한 International Journal of Refrigeration, 32, 1358-1365 (2009) 에서의 Bingming 등에 의한 논문 Experimental investigation on the performances of NH₃/CO₂ cascade refrigeration system with twin-screw compressor 는 저온 회로에서 이산화탄소 및 고온 회로에서 암모니아를 사용하는 캐스캐이드식 시스템의 성능을 기재하고 있다.

그러나, 캐스캐이드식 냉각 시스템의 성능 및 효율을 개선시키는 것에 대한 요구가 여전히 존재하며, 특히 이러한 시스템의 전체적 에너지 소비 및 또한 관련된 환경적 영향을 최소화하는 것에 대한 요구가 여전히 존재한다.

본 발명은 첫 번째로, 제 1 열-교환 유체를 포함하는 하나 이상의 제 1 증기 압축 회로 및 제 2 열-교환 유체를 포함하는 하나 이상의 제 2 증기 압축 회로에 의해 유체 또는 바디를 냉각시키는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 하기를 포함하고:

- 제 1 증기 압축 회로에서:

■ 상기 유체 또는 바디와의 열 교환에 의한 제 1 열-교환 유체의 일부 이상 증발;

■ 제 1 열-교환 유체의 압축;

■ 제 2 열-교환 유체와의 열 교환에 의한 제 1 열-교환 유체의 일부 이상 응축;

■ 제 1 열-교환 유체의 압력 감소;

- 제 2 증기 압축 회로에서:

■ 제 1 열-교환 유체와의 열의 교환에 의한 제 2 열-교환 유체의 일부 이상 증발;

■ 제 2 열-교환 유체의 압축;

■ 외부 매질과의 열 교환에 의한 제 2 열-교환 유체의 일부 이상 응축;

■ 제 2 열-교환 유체의 압력 감소;

상기 방법은 또한 하기를 포함한다:

- 외부 매질의 온도 측정; 및

- 외부 매질의 온도의 함수로서, 증발시에 제 2 열-교환 유체의 온도 조절.

구현예에 따르면, 증발시에 제 2 열-교환 유체의 온도 조절은 연속적으로 수행되거나 1 시간마다 1 회 이상 수행된다.

한 구현예에 따르면, 방법은 외부 매질의 온도 변화의 검출을 포함하고, 증발시에 제 2 열-교환 유체의 온도 조절은 외부 매질의 온도 증가가 검출되는 경우에 증발시 제 2 열-교환 유체의 온도 증가 및 외부 매질의 온도 감소가 검출되는 경우에 증발시 제 2 열-교환 유체의 온도 감소를 포함한다.

한 구현예에 따르면, 방법은 외부 매질의 온도 측정의 함수로서 최적 증발 온도의 계산을 포함한다.

한 구현예에 따르면, 증발시에 제 2 열-교환 유체의 온도는 최적 증발 온도로 조절된다.

한 구현예에 따르면, 최적 증발 온도는 제 1 증기 압축 회로 및 제 2 증기 압축 회로의 성능의 전체 계수가 최대치인 증발 온도에 해당한다.

한 구현예에 따르면, 최적 증발 온도는 화학식 T_opt = A x T_ext + B 로 정의되고, 여기서 T_ext 는 ℃ 로의 외부 매질 온도이고, A 는 무차원 상수이고, B 는 ℃ 로의 상수이다.

한 구현예에 따르면, 상수 A 는 0.3 내지 0.6, 바람직하게는 0.4 내지 0.45 의 값을 갖고, 상수 B 는 -50 ℃ 내지 0 ℃, 바람직하게는 -30 ℃ 내지 -20 ℃ 의 값을 갖는다.

한 구현예에 따르면, 유체 또는 바디는 -50 내지 -15 ℃, 바람직하게는 -40 내지 -25 ℃ 의 온도로 냉각된다.

한 구현예에 따르면:

- 제 1 열-교환 유체는 이산화탄소, 탄화수소, 히드로플루오로카본, 에테르, 히드로플루오로에테르, 플루오로올레핀 및 이의 혼합물로부터 선택되고, 바람직하게는 이산화탄소이고; 및/또는

- 제 2 열-교환 유체는 암모니아, 탄화수소, 히드로플루오로카본, 에테르, 히드로플루오로에테르, 플루오로올레핀 및 이의 혼합물로부터 선택되고, 바람직하게는 테트라플루오로프로펜, 더욱 특히 바람직하게는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 또는 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜이다.

한 구현예에 따르면, 제 2 열-교환 유체의 압축은 하나 이상의 압축기에 의해 수행되고, 증발시에 제 2 열-교환 유체의 온도 조절은 상기 압축기의 제어에 의해 수행된다.

한 구현예에 따르면, 상기 압축기의 제어는 압축기의 회전 속도 조절을 포함하거나 압축기의 연속적 개시 및 셧다운에 의해 수행된다.

한 구현예에 따르면, 방법은 생성물, 바람직하게는 식품 (이는 고냉동 또는 냉동됨) 을 포함하는 칸을 냉각시키는 방법이다.

본 발명은 또한 적어도 하기를 포함하는, 유체 또는 바디를 냉각시키기 위한 설비에 관한 것이며:

- 제 1 열-교환 유체를 포함하는 제 1 증기 압축 회로;

- 제 2 열-교환 유체를 포함하는 제 2 증기 압축 회로;

- 제 1 열-교환 유체 및 제 2 열-교환 유체 사이에서 열을 교환하는데 적절한 캐스캐이드식 열 교환기;

상기 제 1 증기 압축 회로는 하기를 포함하고:

- 제 1 열-교환 유체와 상기 유체 또는 바디 사이에서 열을 교환하는데 적절한 제 1 증발기;

- 하나 이상의 제 1 압축기;

- 제 1 팽창 장치;

상기 제 2 증기 압축 회로는 하기를 포함하고:

- 하나 이상의 제 2 압축기;

- 제 2 열-교환 유체와 외부 매질 사이에서 열을 교환하는데 적절한 제 2 응축기;

- 제 2 팽창 장치;

상기 설비는 하기를 또한 포함한다:

- 외부 매질의 온도를 측정하는 장치; 및

- 외부 매질의 온도 측정의 함수로서, 캐스캐이드식 열 교환기에서의 증발 온도를 제어하는 수단.

한 구현예에 따르면, 설비는 또한 외부 매질 온도 측정의 함수로서 최적 증발 온도를 계산하기 위한 모듈을 포함한다.

한 구현예에 따르면, 캐스캐이드식 열 교환기에서 증발 온도의 조절용 수단은 캐스캐이드식 열 교환기의 증발 온도를 최적 증발 온도로 조절하는데 적절하다.

한 구현예에 따르면, 최적 증발 온도는 식 T_opt = A x T_ext + B (식 중, T_ext 는 ℃ 로의 외부 매질 온도이고, A 는 무차원 상수이고, B 는 ℃ 로의 상수임) 로 정의된다.

한 구현예에 따르면, 설비는 바디 또는 유체를 -50 내지 -15 ℃, 바람직하게는 -40 내지 -25 ℃ 의 온도로 냉각시키는데 적절하다.

한 구현예에 따르면:

- 제 2 열-교환 유체는 암모니아, 탄화수소, 히드로플루오로카본, 에테르, 히드로플루오로에테르, 플루오로올레핀 및 이의 혼합물로부터 선택되고, 바람직하게는 테트라플루오로프로펜이고, 더욱 특히 바람직하게는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 또는 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜이다.

한 구현예에 따르면, 캐스캐이드식 열 교환기에서 증발 온도를 조절하는 수단은 제 2 압축기의 제어 수단을 포함한다.

한 구현예에 따르면, 제 2 압축기의 제어 수단은 제 2 압축기의 회전 속도를 조절하기에 적절하거나, 제 2 압축기의 연속적 개시 및 셧다운에 적절하다.

한 구현예에 따르면, 설비는 제품, 바람직하게는 식품 (이는 고냉동 또는 냉동됨) 을 받기에 적절한 칸을 포함한다.

본 발명은 당업계의 최신 기술에서 느껴지는 요구를 만족시킬 수 있게 한다. 더욱 특히, 이는 전체 에너지 소비 및 환경적 영향이 최소화되는 냉장 공정 및 상응하는 설비를 제공한다.

이는 외부 온도 (주변 온도) 의 함수로서 고온 회로의 열-교환 유체의 증발 온도를 조절하여 달성된다. 상기 조절은 시스템의 전체 성능을 최적화시킬 수 있게 한다는 것을 밝혀냈다.

도면의 간략한 설명

도 1 은 본 발명에 따른 설비의 도해이다.

도 2 는 하기를 나타내는 그래프이다: (1) 예로서 취해진 대표적 날 동안의 주변 온도 변화 (백색 원, 세로좌표의 왼쪽 축, ℃ 로의 값); 및 (2) 이러한 대표적 날 동안의 고냉동 식품의 보존에 필요한 냉장 능력의 통상적 변화의 예 (검은색 사각형, 세로좌표의 오른쪽 축, kW 로의 값); 이는 상기 날의 시간의 함수로서임 (가로 좌표의 축).

도 3 은 고온 회로의 열-교환 유체가: (1) HFO-1234yf (백색 사각형); 또는 (2) HFO-1234ze (흑색 원) 인 캐스캐이드식 냉각 시스템에 관한, 주변 온도의 함수 (℃, 가로 좌표의 축) 로서의 최적 증발 온도 (℃, 세로 좌표의 축) 를 설명하는 그래프이다.

도 4 는 냉각 시스템이 본 발명에 따르는지 (회색 막대, 주변 온도의 함수로서 조절된 고온 열-교환 유체의 증발 온도) 또는 통상적 시스템인지 (흑색 막대, -10 ℃ 에서 설정된 고온 열-교환 유체의 증발 온도) 에 따라, 대표적 날 동안의 냉각 시스템의 전체 에너지 소비 (kWh) 를 설명하는 그래프이다. 두 일련의 데이터는 (1) 고온 회로의 열-교환 유체가 HFO-1234yf 인 경우, 및 (2) 고온 회로의 열-교환 유체가 HFO-1234ze 인 경우에 해당한다.

도 5 는 다양한 시나리오에서 대표적 날 동안 캐스캐이드식 냉각 시스템의 TEWI 지수를 설명하는 그래프이다: 고온 회로에서 통상적인 냉각 시스템 및 HFO-1234yf (R1234yf 막대); 고온 회로에서 본 발명에 따른 냉각 시스템 및 HFO-1234yf (opti R1234yf 막대); 고온 회로에서 통상적인 냉각 시스템 및 HFO-1234ze (R1234ze 막대); 고온 회로에서 본 발명에 따른 냉각 시스템 및 HFO-1234ze (opti R1234ze 막대). 상기 값은 참조 상황 (고온 회로에서 통상적인 냉각 시스템 및 HFO-1234yf) 에 대한 TEWI 지수의 백분율에 해당한다. 통상적인 시스템은 고온 열-교환 유체의 증발 온도가 -10 ℃ 에서 설정되는 시스템이고, 본 발명에 따른 시스템은 고온 열-교환 유체의 증발 온도가 주변 온도의 함수로서 조절되는 시스템이다.

도 6 은 도 4 의 그래프와 동등한 그래프이지만, 고온 열-교환 유체의 증발 온도가 -18 ℃ 로 설정되는 통상적 시스템을 사용한다.

도 7 은 도 5 의 그래프와 동등한 그래프이지만, 고온 열-교환 유체의 증발 온도가 -18 ℃ 로 설정되는 통상적 시스템을 사용한다.

본 발명은 이제 더 상세하게 기재될 것이나, 하기 상세한 설명에 제한되지는 않는다.

용어 "열-교환 화합물" 또는 "열-교환 유체" (또는 냉매) 각각은 증기 압축 회로에서 저온 및 저압에서의 증발에 의해 열을 흡수할 수 있고 고온 및 고압에서 응축에 의해 열을 방출할 수 있는 화합물 또는 유체를 각각 의미하는 것으로 이해된다. 일반적으로, 열-교환 유체는 단지 하나, 둘, 셋 또는 셋 초과의 열-교환 화합물을 포함할 수 있다.

용어 "열-교환 조성물" 은 열-교환 유체 및 임의로는 예상되는 적용물을 위한 열-교환 화합물이 아닌 하나 이상의 첨가제를 포함하는 조성물을 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명은 유체 또는 바디의 냉각을 위한 설비 및 관련된 냉각 프로세스를 목표로 한다. 이러한 설비는 고정식 또는 이동식 에어 컨디셔닝 설비 또는 바람직하게는 고정식 또는 이동식 냉각 및/또는 냉동 및/또는 극저온 설비일 수 있다.

도 1 을 참조로 하여, 한 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 설비는 제 1 열-교환 유체를 포함하는 제 1 증기 압축 회로 (10) (또는 저온 회로), 및 제 2 열-교환 유체를 포함하는 제 2 증기 압축 회로 (20) (또는 고온 회로) 를 포함한다. 캐스캐이드식 열 교환기 (30) (또는 증발기-응축기 또는 냉매-대-냉매 열 교환기) 은 두 증기 압축 회로 사이의 열 커플링을 제공한다.

제 1 증기 압축 회로 (10) 은 하나 이상의 제 1 증발기 (11), 하나 이상의 제 1 압축기 (12) 및 하나 이상의 제 1 팽창 장치 (14) 를 포함한다. 제 1 압축기 (12) 및 제 1 팽창 장치 (14) 사이에서, 상기 회로는 이러한 제 1 회로를 위한 컨덴서 (제 1 컨덴서) 로서 작용하는 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 을 통과한다.

유체 수송 라인은 회로의 모든 부품 사이에 제공된다.

증기 압축 회로 (10) 은 통상적 증기 압축 사이클에 따라 작동한다. 사이클은 비교적 저압에서 (제 1 증발기 (11) 에서) 액체 상 (또는 액체/증기 2-상 시스템) 으로부터 증기 상으로의 제 1 열-교환 유체의 상태 변화, 이후 (제 1 압축기 (12) 에서) 비교적 고압까지의 증기 상의 유체 압축, 비교적 고압에서 (캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서) 증기 상으로부터 액체 상으로의 열-교환 유체의 상태 변화 (응축), 및 (제 1 팽창 장치 (14) 에서) 사이클의 재개를 위한 압력의 감소를 포함한다.

제 2 증기 압축 회로 (20) 은 하나 이상의 제 2 압축기 (22a), (22b), (22c), 하나 이상의 제 2 응축기 (23), 및 하나 이상의 제 2 팽창 장치 (24) 를 포함한다.

제 2 팽창 장치 (24) 및 제 2 압축기 (22a), (22b), (22c) 사이에서, 회로는 이러한 제 2 회로를 위한 증발기 (제 2 증발기) 로서 작용하는 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 을 통과한다.

유체 수송 라인은 회로의 모든 부품 사이에 제공된다.

제 2 증기 압축 시스템 (20) 은 제 1 과 유사하게 작동한다.

액체 상태의 유체의 비축을 형성하기 위해 회로에 어큐물레이터 (accumulator) (27) 을 제공할 수 있다. 어큐물레이터에서의 액체 수준은 사용 조건의 함수로서 설비의 요건에 따라 변화한다.

제 1 열-교환 유체는 제 1 증발기 (11) 에서 냉각되는 유체 또는 바디의 일부로부터 열을 받는다. 예를 들어, 냉각하고자 하는 바디가 하나 이상의 냉동 또는 고냉동 제품 (특히 식품) 으로 이루어질 때, 이러한 바디는 적어도 그 벽의 일부가 증발기 (11) 과 직접 접촉하는 (또는 적어도 그 벽의 일부가 제 1 증발기 (11) 에 속하는) 칸에 놓여질 수 있다.

대안적으로, 냉각되는 유체 또는 바디와 제 1 열-교환 유체 사이의 열 교환은 열-교환 유체 예컨대 공기 또는 그밖에 글리콜 화합물을 (상태 변화와 함께 또는 상태 변화 없이) 포함하는 보조 회로를 통해 수행될 수 있다. 결국, 제 1 열-교환 유체는 두 회로 사이의 커플링을 제공하는 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 제 2 열-교환 유체에 열을 빼앗긴다. 제 1 열-교환 유체로부터 제 2 열-교환 유체로의 열의 교환은, 한 편으로는 제 1 열-교환 유체의 응축을 다른 한 편으로는 제 2 열-교환 유체의 증발을 산출한다.

마지막으로, 제 2 응축기 (23) 은 제 2 열-교환 유체가 외부 매질에 열을 빼앗기는 것을 허용한다. 외부 매질은 바람직하게는 둘러싸인 공기이다.

제 2 열-교환 유체와 외부 매질 사이의 열 교환은 (상태 변화와 함께 또는 상태 변화 없이) 열-교환 유체의 보조 회로를 통해 또는 직접 수행될 수 있다.

특히 상기 언급된 회로에서, 단일-단계 또는 다단계 원심 압축기 또는 원심 소형압축기의 압축기로서의 사용이 이루어질 수 있다. 회전, 피스톤 또는 축 압축기가 또한 사용될 수 있다. 압축기는 기어에 의해 또는 (예를 들어 이동식 적용물을 위해, 자동차로부터의 배기 가스에 의해 공급되는) 가스 터빈 또는 전자 모터에 의해 구동될 수 있다.

본 발명의 실행을 위한 열 교환기로서, 동방향 열 교환기 또는 바람직하게는 역방향 열 교환기의 사용이 이루어질 수 있다. 또한 마이크로채널 교환기를 사용할 수 있다.

장치의 아이템 (응축기, 팽창 장치, 증발기, 압축기) 각각은 직렬로 및/또는 평행으로 배열된 다수의 장치 또는 하나의 장치로 이루어질 수 있다. 평행의 여러 장치가 사용될 때, 도 1 에서의 제 2 압축기 (22a), (22b), (22c) 의 경우와 같이, 분별기 (25) 및 수집기 (26) 이 필요에 따라 제공되어, 유체를 다양한 장치에 분배하고 다양한 장치로부터 생성된 유체를 수집한다.

단일 제 2 증기 압축 (고온) 회로에 연결된 여러 제 1 증기-압축 (저온) 회로 또는 또한 단일 제 1 증기 압축 (저온) 회로에 연결된 여러 제 2 증기 압축 (고온) 회로가 또한 제공될 수 있다.

제 1 열-교환 유체는 바람직하게는 이산화탄소, 탄화수소, 히드로플루오로카본, 에테르, 히드로플루오로에테르, 플루오로올레핀 및 이의 혼합물로부터 선택된다. 이는 특히 이산화탄소일 수 있다.

제 2 열-교환 유체는 바람직하게는 암모니아, 탄화수소, 히드로플루오로카본, 에테르, 히드로플루오로에테르, 플루오로올레핀 및 이의 혼합물로부터 선택된다. 이는 특히 테트라플루오로프로펜 및 더욱 특히 바람직하게는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 (HFO-1234yf) 또는 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜 (HFO-1234ze) (시스 또는 트랜스 형태 또는 시스 및 트랜스 형태의 혼합물 형태) 일 수 있다.

한 구현예에 따르면, 제 1 열-교환 유체는 이산화탄소이고, 제 2 열-교환 유체는 HFO-1234yf 이다.

또다른 구현예에 따르면, 제 1 열-교환 유체는 이산화탄소이고, 제 2 열-교환 유체는 HFO-1234ze 이다.

제 2 열-교환 유체에 대한 기타 가능한 예는 하기이다:

- HFO-1234yf 및 HFC-134a (1,1,1,2-테트라플루오로에탄) 의 혼합물, 이는 바람직하게는 2성분 혼합물이고 바람직하게는 50% 내지 65% 의 HFO-1234yf 및 이상적으로는 약 56% 의 HFO-1234yf 를 포함함.

- HFO-1234ze 및 HFC0-134a 의 혼합물, 이는 바람직하게는 2성분 혼합물이고 바람직하게는 50% 내지 65% 의 HFO-1234ze 및 이상적으로는 약 58% 의 HFO-1234ze 를 포함함.

- HFO-1234yf 및 HFO-1234ze 의 혼합물, 이는 바람직하게는 2성분 혼합물이고, 바람직하게는 35% 내지 65% 의 HFO-1234yf 및 이상적으로는 약 50% 의 HFO-1234yf 를 포함함.

- HFO-1234yf, HFO-1234ze 및 HFC-134a 의 혼합물, 이는 바람직하게는 3성분 혼합물이고 바람직하게는 40% 내지 45% 의 HFC-134a, 35% 내지 50% 의 HFO-1234ze 및 5% 내지 25% 의 HFO-1234yf 를 포함함.

- HFO-1234yf 및 암모니아의 혼합물, 이는 바람직하게는 2성분 혼합물이고 바람직하게는 15% 내지 30% 의 암모니아를 포함함.

- HFO-1234yf, HFC-152a (1,1-디플루오로에탄) 및 HFC-134a 의 혼합물, 이는 바람직하게는 3성분 혼합물이고 바람직하게는 2% 내지 15% 의 HFC-134a, 2% 내지 20% 의 HFC-152a 및 65% 내지 96% 의 HFO-1234yf 를 포함함.

- HFO-1234ze, HFC-134a 및 HFO-1336mzz (1,1,1,4,4,4-헥사-플루오로부트-2-엔) 의 혼합물, 이는 바람직하게는 3성분 혼합물임.

상기 범위에서, 상이한 화합물의 비율은 중량에 의한 비율이다.

다양한 첨가제는 증기 압축 회로에서 본 발명의 맥락에 있어서 열-교환 유체에 첨가될 수 있다. 이는 특히 윤활제, 안정화제, 계면활성제, 추적자, 형광제, 방향제 및 가용화제일 수 있다.

안정화제(들) 은 존재하는 경우, 바람직하게는 열-교환 조성물 중 5 중량% 이하를 나타낸다. 안정화제 중에서, 니트로메탄, 아스코르브산, 테레프탈산, 아졸, 예컨대 톨루트리아졸 또는 벤조트리아졸, 페놀계 화합물 예컨대 토코페롤, 히드로퀴논, t-부틸히드로퀴논 또는 2,6-디-(tert-부틸)-4-메틸페놀, 에폭시드 (알킬 (임의로 플루오르화 또는 퍼플루오르화됨) 또는 알케닐 또는 방향족), 예컨대 n-부틸 글리시딜 에테르, 헥산디올 디글리시딜 에테르, 알릴 글리시딜 에테르 또는 부틸페닐 글리시딜 에테르, 포스파이트, 포스포네이트, 티올 및 락톤이 언급될 수 있다.

추적자 (검출될 수 있는 작용제) 로서 중수소화 또는 비중수소화 히드로플루오로카본, 중수소화 탄화수소, 퍼플루오로카본, 플루오로에테르, 브롬화 화합물, 요오드화 화합물, 알코올, 알데히드, 케톤, 질소 산화물 및 이의 조합이 언급될 수 있다. 추적자는 열-교환 화합물 또는 열-교환 유체를 제조하는 화합물과 상이하다.

가용화제로서, 탄화수소, 디메틸 에테르, 폴리옥시알킬렌 에테르, 아미드, 케톤, 니트릴, 클로로카본, 에스테르, 락톤, 아릴 에테르, 플루오로에테르 및 1,1,1-트리플루오로알칸이 언급될 수 있다. 가용화제는 열-교환 화합물 또는 열-교환 유체를 제조하는 화합물과 상이하다.

형광제로서, 나프탈리미드, 페릴렌, 쿠마린, 안트라센, 페난트라센, 잔텐, 티오잔텐, 나프톡산텐, 플루오레세인 및 이의 유도체 및 조합물이 언급될 수 있다.

방향제로서, 알킬 아크릴레이트, 알릴 아크릴레이트, 아크릴산, 아크릴 에스테르, 알킬 에테르, 알킬 에스테르, 알킨, 알데히드, 티올, 티오에테르, 디술피드, 알릴 이소티오시아네이트, 알칸산, 아민, 노르보르넨, 노르보르넨 유도체, 시클로헥센, 방향족 헤테로시클릭 화합물, 아스카리돌, o-메톡시(메틸)페놀 및 이의 조합이 언급될 수 있다.

특히 윤활제 또는 윤활 오일로서, 미네랄 기원의 오일, 실리콘 오일, 천연 기원의 파라핀, 나프텐, 합성 파라핀, 알킬벤젠, 폴리(α-올레핀), 폴리올 에스테르, 폴리알킬렌 글리콜 및/또는 폴리비닐 에테르로부터 선택되는 화합물이 선택될 수 있다. 폴리올 에스테르 및 폴리비닐 에테르가 바람직하다. 폴리알킬렌 글리콜이 매우 특히 바람직하다.

본 발명은 매우 특히 유체 또는 바디가 -50 내지 -15 ℃, 바람직하게는 -40 내지 -25 ℃ 의 온도로 냉각되기에 적절하다. 외부 매질의 온도는 전형적으로 -10 내지 50 ℃, 특히 0 내지 40 ℃, 매우 특히 10 내지 35 ℃ 에서 변화한다.

제 1 열-교환 유체의 증발 온도 (제 1 증발기 (11) 의 온도) 는 바람직하게는 -60 내지 -20 ℃, 더욱 특히 -50 내지 -25 ℃ 이다.

제 2 열-교환 유체의 응축시 온도 (제 2 응축기 (23) 의 온도) 는 외부 온도에 가변적이고, 이는 전형적으로 20 내지 60 ℃, 더욱 특히 20 내지 45 ℃ 이다. 이는 예를 들어 외부 온도에 대해 +10 ℃ 일 수 있다.

캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 제 1 열-교환기 유체의 응축 온도는 이러한 동일한 교환기에서 제 2 열-교환 유체의 증발 온도에 가변적이다. 이는 예를 들어, 상기 증발 온도에 대해 +5 ℃ 일 수 있다.

또한, 본 발명은 외부 매질의 온도를 측정하는 장치 (41) 및 또한 측정되는 외부 매질 온도의 함수로서, 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 증발 온도 조절 수단 (42) 를 제공한다.

설비의 전체 성능이 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 제 2 열-교환 유체의 온도가 외부 온도의 함수로서 조절될 때 최적 (즉, 냉각되는 유체 또는 바디의 주어진 냉각 온도를 위한, 에너지 소비가 최소임) 이라는 것이 본 발명자들에 의해 밝혀졌다. 더 양호한 효율을 위해 외부 온도가 높으면 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 제 2 열-교환 유체의 온도가 높아야 하고, 역으로도 마찬가지이다.

바람직한 구현예에 따르면, 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 증발 온도는 최적 증발 온도로 조절되고, 이는 측정되는 외부 매질 온도의 함수로서 계산 모듈에 의해 측정된다.

최적 증발 온도는, (냉각된 유체 또는 바디의 주어진 냉각 능력 및/또는 주어진 냉각 온도를 위하여) 설비 성능의 전체 계수가 최대치이고 설비의 전체 에너지 소비가 최소치인 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서의 증발 온도인 것으로 바람직하게 정의된다.

주어진 설비의 경우 최적 증발 온도는, 도 3 과 관련하여 아래 실시예 1 에서 제공된 데이터를 사용하여 직접; 또는 논의되고 있는 설비에 관하여, 아래 실시예 1 에 제시된 것과 동일한 계산을 수행하여; 또는 또한 고온 회로의 상이한 증발 온도에 대한 설비의 에너지 소비를 측정하고 외부 온도에 대한 보정을 확립함으로써 실험적으로 또는 경험적으로 측정될 수 있다.

최적 증발 온도를 측정하는 수단은 설비에 포함될 수 있다. 대안적으로 및 바람직하게는, 외부 온도에 최적 증발 온도를 연관시킨 함수는 사전에 측정되고, 이후 오로지 이러한 함수가 상기 언급된 계산 모듈에 포함된다.

캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 증발 온도는 또한 기타 제한을 고려하기 위하여, 최적 증발 온도와 상이한 온도로 조절될 수 있다. 예를 들어, 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 증발 온도의 가능한 변화를 특정 온도 범위 T₁-T₂로 제한하는 것이 적절할 수 있다. 이러한 경우에, 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 의 증발 온도는 후자가 T₁-T₂범위에 속하는 경우 최적 증발 온도로 조절되거나, 그밖에 이는 최적 증발 온도가 T₁미만인 경우에 온도 T₁ 로 조절되고, 마지막으로 이는 최적 증발 온도가 T₂ 초과인 경우 온도 T₂ 로 조절된다.

많은 기타 변형이 가능하다. 특히 과도하게 빈번한 또는 과도하게 급작스러운 조절을 방지하기 위해, 외부 매질 온도의 함수로서 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 증발 온도의 이력 조절 또는 지연 조절을 제공할 수 있다.

일반적으로, 최적 증발 온도는 외부 매질 온도의 증가 함수이다. 이에 따라, 외부 매질의 온도 증가가 검출될 때 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 의 증발 온도가 증가되는 것이 바람직하고, 외부 매질의 온도 감소가 검출될 때 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 의 증발 온도가 감소되는 것이 바람직하다. 또는, 또다른 구현예에 따르면, 조절은 T₂　>　T₁인 외부 매질의 모든 주어진 온도 T₁ 및 T₂ 에 대하여, 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 의 증발 온도가 각각 T₂' 가 T₁' 와 동일하거나 더 큰 온도 T₁' 및 T₂' 로 조절되는 정도이다.

캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 증발 온도의 조절은 제 2 압축기 (22a), (22b), (22c) 를 제어하여 수득될 수 있다. 예를 들어, 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 증발 온도의 조절 수단 (42) 은 제 2 압축기 (22a), (22b), (22c) 의 회전 속도를 조절하는 수단, 또는 제 2 압축기 (22a), (22b), (22c) 를 연속적으로 개시 및 셧다운하는 수단을 포함할 수 있다.

캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 증발 온도의 조절은 지속적으로 또는 별도의 순간에 및 예를 들어 정기적 시간 간격으로 (매 분, 매 15, 30, 45 또는 60 분 등) 수행될 수 있다. 온도 조절은 또한 참조로 특정 기간, 예를 들어 10 분, 30 분 또는 1 시간에 걸쳐 측정된 외부 매질의 온도의 평균을 취하여 수행될 수 있다.

실시예

하기 실시예는 제한 없이 본 발명을 설명한다.

실시예 1 - 최적 증발 온도의 입증

도 2 는 1 일 동안 외부 매질의 온도 (주변 온도) 변화의 전형적 예, 및 또한 슈퍼마켓 유형의 가게에서 냉동 또는 고냉동 제품을 포함하는 칸을 냉각시키기 위한 상기 일 동안의 냉각 능력 요건의 전형적 예를 제공한다.

냉각 설비는 도 1 에 도식적으로 나타낸 유형이다. 저온 회로는 이산화탄소를 포함하고, 고온 회로는 HFO-1234yf 또는 HFO-1234ze 를 포함한다.

저온 회로의 경우, 증발 온도는 -40 ℃ 이고, 과열은 25 ℃ 이고 과랭은 5 ℃ 이다. 압축기는 하기 수식에 따른 등온위 효율 (isentropic efficiency) 을 갖는 축 압축기이다: η_iso = 0.00476ι² - 0.09238 ι + 0.8981 (식 중, ι 는 압력의 비율임) (Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in CO₂/NH₃ cascade refrigeration systems, Tzong-Shring 등, International Journal of Refrigeration, vol. 29, No. 7, 2006, pp.1100-1108 참조).

응축 온도는 고온 회로에서의 증발 온도를 5 ℃ 초과한다.

고온 회로에 관하여, 증발 온도는 일정한 값 (-10 ℃ 또는 -18 ℃) 에 고정되거나 외부 온도의 함수로서 변화될 수 있다. 과열은 25 ℃ 이고, 과랭은 5 ℃ 이다. 압축기는 하기 수식에 따른 등온위 효율을 갖는 축 압축기이다: η_iso = 0.00060079ι² - 0.03002352 ι + 0.90880781 (참고 문헌: ASHRAE 2008 Handbook, HVAC system and equipments, Chapter 37, p. 22, Twin screw compressor, 도 34). 응축 온도는 외부 온도를 10 ℃ 초과한다.

매개변수로서 증발 온도 (고온 단계에서의 증발 온도) 에 따라, 성능의 계수 (COP: coefficient of performance) 는 주변 온도의 함수로서 최적화된다. 전체 설비에 대한 COP 의 값은 하기 식에 해당한다:

(식 중, COP₁ 및 COP₂ 는 저온 및 고온 회로 성능의 계수임).

주변 온도 (T_ext) 및 고온 회로에서의 최적 증발 온도 (T_opt) 사이의 상관 관계는 도 3 에서 볼 수 있다.

경향 방정식은 시험된 두 냉매에 대해 매우 유사하다:

- HFO-1234yf, T_opt = 0.4411 X T_ext - 26.549 (℃).

- HFO-1234ze, T_opt = 0.4208 X T_ext - 26.107 (℃).

실시예 2 - 본 발명에 의해 제공된 이득

이러한 실시예에서, 실시예 1 에 입증된 최적 증발 온도는 에너지 절약을 달성하는데 사용된다.

따라서, 도 4 의 그래프는 하기 사이의 비교를 설명한다: (1) 본 발명에 따라, 즉 시시각각 주변 온도의 함수로서 그 최적 값에 관한 고온 회로의 증발 온도 (도 3 에서 측정됨) 로의 조절에 따라 작동되는 설비의 전체 에너지 소비 (회색), 온도가 도 2 의 곡선에 따라 상기 일 동안 변화됨이 가정됨; 및 (2) -10 ℃ (이는 가장 통상 선택되는 값임) 인 고온 회로에서의 일정한 증발 온도에 따른, 통상적으로 작동하는 동일한 설비의 전체 에너지 소비 (흑색).

도 5 의 그래프는 표준 EN　378-1:2008+A1:2010 에 대한 부록 B 에 정의된 바와 같은 TEWI (총 등가 가온 영향 (Total Equivalent Warming Impact)) 지수에 대한 동일한 두 상황 사이의 비교를 설명한다. 그래프에서, 지수는 고온 회로에서 HFO-1234yf 를 사용해 통상적으로 작동하는 설비에 관한 100 의 참조값에 대한 것이다.

도 6 및 7 의 그래프는 통상적으로 작동되는 설비가 -10 ℃ 대신 -18 ℃ 인 고온 회로에서 일정한 증발 온도로 작동하는 것을 제외하고는 도 4 및 5 의 것과 유사하다.

본 발명이 도 2 의 대표적 날의 것보다 더 따뜻하거나 더 차가운 주변 온도의 경우에서의 매일 에너지 소비를 정확하게 예상 (특히 도 3 의 그래프를 기초로) 할 수 있게 한다는 것이 또한 확인되었다.

Claims

제 1 열-교환 유체를 포함하는 하나 이상의 제 1 증기 압축 회로 (10) 및 제 2 열-교환 유체를 포함하는 하나 이상의 제 2 증기 압축 회로 (20) 에 의해 유체 또는 바디를 냉각시키는 방법으로서, 하기를 포함하고:
- 제 1 증기 압축 회로 (10) 에서:
■ 상기 유체 또는 바디와의 열 교환에 의한 제 1 열-교환 유체의 일부 이상 증발;
■ 제 1 열-교환 유체의 압축;
■ 제 2 열-교환 유체와의 열 교환에 의한 제 1 열-교환 유체의 일부 이상 응축;
■ 제 1 열-교환 유체의 압력 감소;
- 제 2 증기 압축 회로 (20) 에서:
■ 제 1 열-교환 유체와의 열 교환에 의한 제 2 열-교환 유체의 일부 이상 증발;
■ 제 2 열-교환 유체의 압축;
■ 외부 매질과의 열 교환에 의한 제 2 열-교환 유체의 일부 이상 응축;
■ 제 2 열-교환 유체의 압력 감소;
또한 하기를 포함하는 방법:
- 외부 매질의 온도 측정; 및
- 외부 매질 온도의 함수로서, 증발시에 제 2 열-교환 유체 온도의 조절.
제 1 항에 있어서, 증발시에 제 2 열-교환 유체 온도의 조절이 연속적으로 수행되거나 1 시간 당 1 회 이상 수행되는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 외부 매질의 온도 변화의 검출을 포함하고, 여기서 증발시의 제 2 열-교환 유체의 온도 조절이 외부 매질의 온도 증가가 검출되는 경우에 증발시 제 2 열-교환 유체의 온도 증가, 및 외부 매질의 온도 감소가 검출되는 경우에 증발시 제 2 열-교환 유체의 온도 감소를 포함하는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 매질의 온도 측정의 함수로서의 최적 증발 온도의 계산을 포함하는 방법.
제 4 항에 있어서, 증발시에 제 2 열-교환 유체의 온도가 최적 증발 온도로 조절되는 방법.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 최적 증발 온도가 제 1 증기 압축 회로 및 제 2 증기 압축 회로의 성능의 전체 계수가 최대치인 증발 온도에 해당하는 방법.
제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 최적 증발 온도가 수식 T_opt = A x T_ext + B (식 중, T_ext 은 ℃ 로의 외부 매질 온도이고, A 는 무차원 상수이고, B 는 ℃ 로의 상수임) 에 의해 정의되는 방법.
제 7 항에 있어서, 상수 A 가 0.3 내지 0.6, 바람직하게는 0.4 내지 0.45 의 값을 갖고, 상수 B 가 -50 ℃ 내지 0 ℃, 바람직하게는 -30 ℃ 내지 -20 ℃ 의 값을 갖는 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 또는 바디가 -50 내지 -15 ℃, 바람직하게는 -40 내지 -25 ℃ 의 온도로 냉각되는 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 하기와 같은 방법:
- 제 1 열-교환 유체는 이산화탄소, 탄화수소, 히드로플루오로카본, 에테르, 히드로플루오로에테르, 플루오로올레핀 및 이의 혼합물로부터 선택되고, 바람직하게는 이산화탄소임; 및/또는
- 제 2 열-교환 유체는 암모니아, 탄화수소, 히드로플루오로카본, 에테르, 히드로플루오로에테르, 플루오로올레핀 및 이의 혼합물로부터 선택되고, 바람직하게는 테트라플루오로프로펜, 더욱 특히 바람직하게는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 또는 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜임.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 2 열-교환 유체의 압축이 하나 이상의 압축기 (22a, 22b, 22c) 에 의해 수행되고, 증발시에 제 2 열-교환 유체의 온도 조절이 상기 압축기 (22a, 22b, 22c) 의 제어에 의해 수행되는 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 압축기 (22a, 22b, 22c) 의 제어가 압축기 (22a, 22b, 22c) 의 회전 속도 조절을 포함하거나, 압축기 (22a, 22b, 22c) 의 연속적 개시 및 셧다운에 의해 수행되는 방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 고냉동 또는 냉동된 제품, 바람직하게는 식품을 포함하는 칸을 냉각시키는 방법.
적어도 하기를 포함하는, 유체 또는 바디의 냉각 설비:
- 제 1 열-교환 유체를 포함하는 제 1 증기 압축 회로 (10);
- 제 2 열-교환 유체를 포함하는 제 2 증기 압축 회로 (20);
- 제 1 열-교환 유체 및 제 2 열-교환 유체 사이의 열 교환에 적절한 캐스캐이드식 열 교환기 (30);
상기 제 1 증기 압축 회로 (10) 는 하기를 포함함:
- 제 1 열-교환 유체와 상기 유체 또는 바디 사이의 열 교환에 적절한 제 1 증발기 (11);
- 하나 이상의 제 1 압축기 (12);
- 제 1 팽창 장치 (14);
상기 제 2 증기 압축 회로 (20) 는 하기를 포함함:
- 하나 이상의 제 2 압축기 (22a, 22b, 22c);
- 제 2 열-교환 유체 및 외부 매질 사이의 열 교환에 적절한 제 2 응축기 (23);
- 제 2 팽창 장치 (24);
상기 설비는 또한 하기를 포함함:
- 외부 매질 (41) 의 온도 측정용 장치; 및
- 외부 매질의 온도 측정의 함수로서, 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 증발 온도 (42) 의 조절 수단.
제 14 항에 있어서, 외부 매질의 온도 측정의 함수로서, 최적 증발 온도의 계산을 위한 모듈을 추가로 포함하는 설비.
제 15 항에 있어서, 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 증발 온도 조절 수단 (42) 이 최적 증발 온도로의 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 의 증발 온도 조절에 적절한 설비.
제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 최적 증발 온도가 제 1 증기 압축 회로 및 제 2 증기 압축 회로의 성능의 전체 계수가 최대치인 증발 온도에 해당하는 설비.
제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 최적 증발 온도가 수식 T_opt = A x T_ext + B (식 중, T_ext 는 ℃ 로의 외부 매질의 온도이고, A 는 무차원 상수이고, B 는 ℃ 로의 상수임) 에 의해 정의되는 설비.
제 18 항에 있어서, 상수 A 가 0.3 내지 0.6, 바람직하게는 0.4 내지 0.45 의 값을 갖고; 상수 B 가 -50 ℃ 내지 0 ℃, 바람직하게는 -30 ℃ 내지 -20 ℃ 의 값을 갖는 설비.
제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 바디 또는 유체를 -50 내지 -15 ℃, 바람직하게는 -40 내지 -25 ℃ 의 온도로 냉각시키기에 적절한 설비.
제 14 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 하기와 같은 설비:
- 제 1 열-교환 유체는 이산화탄소, 탄화수소, 히드로플루오로카본, 에테르, 히드로플루오로에테르, 플루오로올레핀 및 이의 혼합물로부터 선택되고, 바람직하게는 이산화탄소임; 및/또는
- 제 2 열-교환 유체는 암모니아, 히드로카본, 히드로플루오로카본, 에테르, 히드로플루오로에테르, 플루오로올레핀 및 이의 혼합물로부터 선택되고, 바람직하게는 테트라플루오로프로펜, 더욱 특히 바람직하게는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 또는 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜임.
제 14 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 캐스캐이드식 열 교환기 (30) 에서 증발 온도 조절 수단 (42) 이 제 2 압축기 (22a, 22b, 22c) 의 제어 수단을 포함하는 설비.
제 22 항에 있어서, 제 2 압축기 (22a, 22b, 22c) 의 제어 수단이 제 2 압축기 (22a, 22b, 22c) 의 회전 속도 조절에 적절하거나, 제 2 압축기 (22a, 22b, 22c) 의 연속적 개시 및 셧다운에 적절한 설비.
제 14 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 고냉동 또는 냉동된 제품, 바람직하게는 식품을 받기에 적절한 칸을 포함하는 설비.