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KR20100038172A - 냉동 장치 및 이와 관련된 냉매를 순환시키는 방법 - Google Patents

냉동 장치 및 이와 관련된 냉매를 순환시키는 방법 Download PDF

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KR20100038172A
KR20100038172A KR1020097026526A KR20097026526A KR20100038172A KR 20100038172 A KR20100038172 A KR 20100038172A KR 1020097026526 A KR1020097026526 A KR 1020097026526A KR 20097026526 A KR20097026526 A KR 20097026526A KR 20100038172 A KR20100038172 A KR 20100038172A
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KR
South Korea
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main
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downstream
expansion means
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KR1020097026526A
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마우리치오 아스카니
Original Assignee
안젤란토니 인두스트리 에스.피.에이.
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Publication date
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Abstract

메인 컴프레서(190), 상기 메인 컴프레서(190)의 하류에서 상기 메인 컴프레서(190)와 유체적으로 연통되는 응축기(140), 상기 응축기(140) 하류에 있는 메인 팽창 수단(170), 및 상기 메인 팽창 수단(170) 하류에서 상기 메인 팽창 수단(170)과 유체적으로 연통되는 증발기(180)에 의해 형성되는 냉동 장치는, 상기 증발기(180)와 상기 메인 컴프레서(190) 사이에서 유체적으로 연통되는 터보컴프레서 유닛(160); 및 열교환기(150, 152);를 포함한다. 상기 열교환기(150, 152)는, 상류에서는 입구 라인(145)에 의해 상기 응축기(140)로 연결되며, 하류에서는 출구 라인(149)에 의해 상기 메인 팽창 수단(170)으로 연결되는 핫 브랜치(150c); 및 상류에서는 상기 입구 라인(145)에서 분기된 브랜치(146)에 장착되는 팽창 수단(142, 144)으로 연결되며, 하류에서는 상기 터보컴프레서 유닛(160)의 터빈부(162)로 연결되는 콜드 브랜치(150f);를 구비한다. 본 발명은 또한 전술한 냉동 장치 안에서 냉매를 순환시키는 방법에 관련된다.
Figure P1020097026526
냉동 장치, 열교환기, 터빈, 예압축

Description

냉동 장치 및 이와 관련된 냉매를 순환시키는 방법 {REFRIGERATING DEVICE AND METHOD FOR CIRCULATING A REFRIGERATING FLUID ASSOCIATED WITH IT}
본 발명은 냉동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가정용 에어컨 시스템뿐만이 아니라 산업용 냉동 설비에 있는 유체를 순환시키는데 적합한 냉동 장치 및 이와 관련된 냉매를 순환시키는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 냉매를 순환시키는 장치는, 냉매를 기상(gaseous state)으로 압축하여 높은 온도 및 압력을 만드는 컴프레서; 압축된 기상의 냉매를 응축시킴으로써 기상의 냉매가 액상(liquid state)으로 변환되어 외부 환경으로 열을 내보내는 응축기; 냉매의 온도 및 압력을 낮추도록 의도되는 모세관 또는 등엔탈피 교축 밸브(isoenthalpic throttling valve)와 같은 팽창 유닛; 및 냉매가 액상에서 기상으로 이동함으로써 상기 팽창 유닛으로부터 수용된 낮은 온도 및 압력에서 외부 환경으로부터 열을 흡수하여 외부 환경을 냉각시키고 흡수된 열을 냉매로 전달하는 증발기;를 포함한다.
최근에는 냉동 장치의 성능을 향상시키기 위하여 많은 시도들이 이루어지고 있다. 이런 시도들 중 일부는 그 실현 가능성을 손상시키는 기술적 성질의 장애물에 직면하였으며, 다른 시도들은 향상된 효율 측면에서 효과를 가져왔으나 냉동 설 비를 상당히 복잡하게 만든다. 이런 관점과 관련된 한 가지 예는 2단 압축(dual-stage compression) 냉동 설비가 될 수 있으며, 여기에서는 두 개의 독립적인 컴프레서의 존재가 컴프레서 부하의 균형 및 전체 냉동 설비의 더욱 복잡한 운영과 같은 문제점을 야기한다.
본 발명의 목적은, 효율 측면에서 향상된 냉동 장치 및 이와 관련된 냉매를 순환시키는 방법을 제공함으로써 전술한 바와 같은 문제점을 제거하거나 적어도 감소시키는 것이다.
본 발명의 첫 번째 측면에 따르면, 메인 컴프레서, 상기 메인 컴프레서의 하류에서 상기 메인 컴프레서와 유체적으로 연통되는 응축기, 상기 응축기 하류에 있는 메인 팽창 수단, 및 상기 메인 팽창 수단 하류에서 상기 메인 팽창 수단과 유체적으로 연통되는 증발기를 포함하는 냉동 장치가 제공된다.
여기서 상기 냉동 장치는, 상기 증발기와 상기 메인 컴프레서 사이에서 연결되는 터보컴프레서 유닛; 및 적어도 한 개의 열교환기;를 포함하고, 상기 적어도 한 개의 열교환기는, 상류에서는 입구 라인에 의해 상기 응축기로 연결되며, 하류에서는 출구 라인에 의해 상기 메인 팽창 수단으로 연결되는 핫 브랜치; 및 상류에서는 상기 입구 라인에서 분기된 브랜치에 장착되는 팽창 수단으로 연결되며, 하류에서는 상기 터보컴프레서 유닛의 터빈부로 연결되는 콜드 브랜치;를 구비한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명에 의한 냉동 장치 안에서 냉매를 순환시키는 방법이 제공되는데, 이런 냉매 순환 방법은,
- 메인 컴프레서에서 냉매를 압축하는 메인 압축 단계;
- 상기 메인 컴프레서의 하류에서 상기 메인 컴프레서와 유체적으로 연통되는 응축기에서 상기 냉매를 응축시키는 응축 단계;
- 상기 응축기 하류에 있는 메인 팽창 수단에서 상기 냉매를 팽창시키는 메인 팽창 단계; 및
- 상기 메인 팽창 수단 하류에서 상기 메인 팽창 수단과 유체적으로 연통되는 증발기에서 상기 냉매를 증발시키는 증발 단계;를 포함하는 냉매 순환 방법으로서,
- 상기 응축 단계 및 상기 메인 팽창 단계 사이에는, 적어도 한 개의 열교환기 내부에서, 상기 열교환기의 핫 브랜치 안에서 순환하는 압축된 상기 냉매와 상기 열교환기 상류에서 추출되어 팽창 수단 안에서 냉각되고 상기 열교환기의 콜드 브랜치 안으로 진입하는 압축된 상기 냉매와 관련된 냉매 추출 양 사이에서 열교환을 시키는 적어도 한 개의 열교환 단계; 및
- 상기 메인 팽창 단계와 상기 메인 압축 단계 사이에는, 터보컴프레서 유닛 안에서 상기 냉매를 예압축하는 예압축 단계;를 포함한다.
상기 예압축 단계는, 상기 터보컴프레서 유닛의 적어도 한 개의 터빈부 안에서, 상기 열교환기의 상기 콜드 브랜치를 떠나는 추출된 냉매를 팽창시키는 단계;를 포함한다.
첨부된 도면을 참조하여, 오직 예시적인 방법으로 제공된 본 발명의 바람직 한 일 실시 예의 후술되는 상세한 설명으로부터 본 발명의 특징 및 효과가 더욱 명확해질 것이다. 여기서,
도 1은 선행 기술에 따르는 냉동 장치를 보여주는 개략도;
도 2는 도 1의 냉동 장치 안에서 순환하는 냉매의 압력-엔탈피 선도;
도 3은 본 발명에 따르는 냉동 장치의 개략도; 그리고
도 4는 도 3에의 냉동 장치 안에서 순환하는 냉매의 압력-엔탈피 선도이다.
첨부된 도면에서, 동일하거나 유사한 부품 및 구성요소들은 동일한 참조 부호로 표시되었다.
도 1 및 도 2는 각각 통상적인 유형의 냉동 장치(10) 및 그 안에서 순환하는 냉매의 p-h(압력-엔탈피) 선도를 도시한 것이다. 이런 냉동 장치(10)는 특히 음식물을 냉동하는데 적합하다. 도시된 바와 같이, 냉동 장치(10)는 컴프레서(12), 상기 컴프레서(12)와 유체적으로 연통되는(in fluid communication) 응축기(14), 상기 응축기(14)와 유체적으로 연통되는 등엔탈피 교축 밸브(16; isoenthalpic throttling valve), 및 상류에서는 상기 등엔탈피 교축 밸브(16)와 유체적으로 연결되고 하류에서는 상기 컴프레서(12)와 유체적으로 연통되는 증발기에 의해 형성된다.
냉매(예컨대, 프레온)는 예컨대 35℃ 및 1.33 bar (p-h선도에서 1* 지점)와 같이 낮은 온도 및 압력에서 과열 증기(superheated vapour)의 형태로 컴프레 서(12)로 진입하고, 압축되고 나서 예컨대 +65℃ 및 16 bar (p-h선도에서 2* 지점)와 같이 높은 온도 및 압력에서 응축기(14)로 진입한다. 응축기(14) 내부에서 냉매는 냉각되어, 과열 증기 상태(2* 지점)로부터 액상(p-h선도에서 3* 지점)으로 이동하고 qout 만큼의 열을 외부 환경으로 내보낸다. 응축기(14)를 떠나는 액상의 냉매는 등엔탈피 교축 밸브(16)를 통과하면서 팽창되어 외부 환경과의 열교환 없이 압력이 감소된다 (등엔탈피 변환). 이런 교축 부재를 떠나는 냉매(p-h선도에서 4* 지점)는 증발기로 진입하고, 증발기에서는 냉매가 액상으로부터 과열 증기 상태(p-h선도에서 1* 지점)로 이동하여 qin 만큼의 열을 외부 환경으로부터 흡수한다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예를 도시하는 도 3을 참조하면, 일반적으로 참조 부호 100으로 표기된 냉매를 순환시키는 장치는 통상적인 냉동 장치의 구성요소, 즉 메인(main) 응축기(140), 메인 등엔탈피 교축 밸브와 같은 메인 팽창 수단(170), 증발기(180), 및 메인 컴프레서(190)에 의해 형성된다.
앞서서 언급한 통상적인 장치에는 이상적으로 블록(도 3에서 파선에 의해 정의됨) 안에 있는 일정한 구성요소가 추가되는데, 이런 구성요소는 응축기(140)와 메인 교축 밸브(170) 사이에 순차적으로 배치되는 제1, 2열교환기(150, 152) 및 메인 컴프레서(190)와 증발기(180) 사이에 삽입되는 터보컴프레서 유닛(160; turbocompressor unit)을 포함한다. 제1, 2열교환기(150, 152)는 예컨대 냉동부에서 일반적으로 사용되는 판형(plate type) 또는 다관형(tube-bundle type) 열교환 기가 될 수 있다. 터보컴프레서 유닛(160)에는 압축부(166) 및 제1, 2터빈부(162, 164)가 제공되며, 제1, 2터빈부(162, 164) 각각은 개별적인 열교환기(150, 152)의 출구에 의해 공급된다.
더욱 상세하게 응축기(140)는 입구 라인(145; inlet line)에 의해 제1열교환기(150)에서의 더 높은 온도에 있는 냉매를 위한 회로 ― 이하, "핫 브랜치(150c; hot branch)"로 지칭함 ― 로 연결된다. 입구 라인(145)은 입구 라인(145)에서 분기되고 제1팽창 수단(예컨대, 제1교축 밸브(142))을 통합한 라인(146)을 갖는데, 이는 제1열교환기(150)에서의 더 낮은 온도에 있는 냉매를 위한 회로 - 이하, "콜드 브랜치(150f; cold branch)"로 지칭함 - 로 진행한다. 제1열교환기(150)에서의 핫 브랜치(150c)의 출구는 연결 라인(147)에 의해 제2열교환기(152)에서의 더 높은 온도에 있는 냉매를 위한 회로 ― 이하, "핫 브랜치(152c; hot branch)"로 지칭함 ― 의 입구로 연결되며, 제1열교환기(150)에서의 콜드 브랜치(150f)의 출구는 터보컴프레서 유닛(160)의 제1터빈부(152)의 입구로 연결된다.
제1, 2열교환기(150, 152)를 함께 연결하는 연결 라인(147)은 제2팽창 수단(예컨대, 제2교축 밸브(144))이 제공되는 브랜치(148)를 갖는데, 이는 제2열교환기(152)에서의 더 낮은 온도에 있는 냉매를 위한 회로 - 이하, "콜드 브랜치(152f; cold branch)"로 지칭함 - 로 진행한다. 제2열교환기에서의 핫 브랜치(152c)의 출구는 출구 라인(149; outlet line)에 의해 메인 교축 밸브(170)로 연결되며, 콜드 브랜치(152f)의 출구는 터보콤프레서 유닛(150)의 제2터빈부(164)의 입구로 연결된다.
증발기(180)의 출구는 터보컴프레서 유닛(160)의 압축부(166)의 입구로 연결되며, 압축부(166)의 출구는 메인 컴프레서(190)와 유체적으로 연통된다.
이하, 도 3에 따르는 냉동 장치의 작동 원리가 도 4에 도시된 바와 같은 냉동 장치를 순환하는 냉매와 관련된 p-h 선도를 참조하여 설명될 것이다. 현재 논의되고 있는 특정한 실시 예에서는 냉동 장치가 음식물을 급격히 냉각하는데 사용된다. 이런 목적을 위하여, 냉동 장치 안에서 순환하는 냉매의 온도는 Tmin = -40℃ 와 Tmax = 63.7℃ 사이에서 변하고, 선택된 냉매는 프레온이다. 본 발명에 따르는 냉동 장치는 예컨대 구내(domestic premises)의 공기 조화(air-conditioning)와 같이 다양한 용도에 적합하며 의도된 용도에 따라 냉동 장치 안에서 순환하는 냉매의 종류뿐만이 아니라 p-h 선도에서의 물리적 상태(1-14)의 압력 및 온도는 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 할 것이다.
온도 T5 = 35 ℃ 및 압력 p5 = 16.1 bar (p-h 선도에서의 5 지점)에 있는 ― 즉, 액상/기상 평형 상태(liquid/vapour equilibrium state)에 있는 ― 냉매(전형적으로 프레온)는 응축기(140)로부터 나온다. 응축기(140)로부터 나오는 냉매의 일부 ― 이하, 제1블리드-오프(s1; bleed-off)로 지칭함 ― 는 입구 라인(145)의 브랜치(146)에 의해 제1등엔탈피 교축 밸브(142)로 이송되며, 여기서 최대 온도(Tmax = 35 ℃) 및 최소 온도(Tmin = -35 ℃) 사이의 온도 범위로 냉각되며 ― 바람직하게는 T9 = 7 ℃ (p-h 선도에서의 9 지점; p9 = 7.48 bar)의 온도로 냉각됨 ― 그리고 나서 제1열교환기(150)의 콜드 브랜치(150f)로 이송된다. 반면에 냉매의 나머지 부분(1-s1)은 T5의 온도와 p5의 압력으로 제1열교환기(150)의 핫 브랜치(150c)에 직접 들어간다.
제1열교환기(150) 안에서는, 핫 브랜치(150c)에 있는 냉매의 일부가 열을 콜드 브랜치(150f)에 있는 냉매의 일부로 전달하여 온도 T5 = 35 ℃에서 온도 T6 = 12 ℃로 냉각되고 p-h 선도에서의 과냉각(subcooled) 액체 영역(6 지점; p6 = 16.1 bar)으로 진입한다. 반면에 콜드 브랜치(150f)에 있는 냉매의 일부는 핫 브랜치(150c)에 있는 냉매의 일부로부터 열을 흡수하여 온도 T9 = 7 ℃에서 온도 T10 = 12 ℃로 가열되고 p-h 선도에서의 과열 증기 영역(10 지점, p10 = 7.48 bar)으로 진입한다.
제1열교환기(150)의 하류에서는 냉매의 일부가 추출됨으로써 핫 브랜치(150c)를 떠나는 과냉각된 유체의 일부(s2)가 제2등엔탈피 교축 밸브(144)를 통과하며, 여기서 온도 T6 = 12 ℃에서 온도 T12 = -17 ℃(p-h선도에서의 12 지점; P12 = 3.38 bar)로 더욱 냉각되고 나서 제2열교환기(152)의 콜드 브랜치(152f)로 진입한다. 반면에 제1열교환기(150)를 떠나는 냉매의 나머지 부분(1-s1-s2)은 T6의 온도와 p6의 압력으로 제2열교환기(152)의 핫 브랜치(152c)로 진입한다.
제2열교환기(152) 안에서는, 핫 브랜치(152c)에 있는 냉매의 일부가 열을 콜 드 브랜치(152f)에 있는 냉매의 일부로 방출함으로써 온도 T6 = 12 ℃에서 온도 T7 = -12 ℃로 냉각되고 도 4에서 더욱 왼쪽인 과냉각 액체 영역(p-h 선도에서의 7 지점; p7 = 16.1 bar)으로 이동한다. 반면에 콜드 브랜치(152f)에 있는 냉매의 일부는 핫 브램치(152c)에 있는 냉매의 일부로부터 열을 흡수하여 온도 T12 = -17 ℃에서 온도 T13 = -12 ℃로 가열되고 p-h선도에서의 과열 증기 영역(13 지점; p13 = 3.38 bar)으로 진입한다.
각각 제1, 2열교환기(150, 152)를 떠나는 제1, 2블리드-오프(s1, s2)는 과열 증기 상태에 있는 냉매의 형태로 터보컴프레서 유닛(160)의 제1, 2터빈부(162, 164)에 개별적으로 진입한다. 제1터빈부(162) 안에서는, 냉매가 팽창과정을 겪으면서 압력 p10 = 7.48 bar(T10 = 12 ℃)에서 압력 p11 = 2.03 bar(T11 = -25 ℃)으로 이동한다. 이와 유사하게 제2터빈부(164) 안에서는, 냉매가 팽창과정을 겪으면서 압력 p13 = 3.38 bar(T13 = -12 ℃)에서 압력 p14 = 2.3 bar(T14 = -25.6 ℃)으로 이동한다.
제2열교환기(152)의 핫 브랜치(152c)를 떠나는(p-h 선도에서의 7 지점) 냉매의 일부(1-s1-s2)는 메인 교축 밸브(170)로 진입하여 온도 T7 = -12 ℃에서 온도 T8 = -40 ℃(p-h 선도에서의 8 지점; p8 = 1.33 bar)로 냉각되고 나서 증발기(180)로 진입하는데, 여기서 외부 환경으로부터 Qin 만큼의 열을 흡수함으로써 '액체+증기' 상태에서 과열 증기 상태(p-h 선도에서의 1 지점)로 이동한다. 증발기(180)를 떠나는 과열 증기 상태의 냉매는 터보컴프레서 유닛(160)의 압축부(166)로 진입한다.
압축부(166)는 터빈(162, 164)에 의해 작동되는데, 터빈(162, 164)은 그 내부에서 제1, 2열교환기(150, 152)에 의해 공급된 과열 증기 상태에 있는 추출된 냉매(s1, s2) 안에 포함된 운동 에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다. 냉매가 메인 컴프레서(190)로 진입하기 전에, 압축부(166)는 증발기(180)에 의해 공급되는 냉매의 예압축(pre-compression)을 수행한다 (p-h 선도에서의 3 지점; T3 = -22.1 ℃, p3 = 2.03 bar).
이런 예압축 단계는 상당한 장점을 제공한다. 첫째로, 기계적 에너지가 터빈(162, 164) 내부에서 팽창하는 블리드-오프(s1, s2)에 의해 제공되기 때문에 외부 에너지원을 사용할 필요가 없어진다. 둘째로, 냉매가 최대 비체적(specific volume) 상태에 있을 때 터보컴프레서 유닛(160)이 LTC만큼의 일(도 4 참조)을 수행하여 냉매를 압축함으로써, 메인 컴프레서(190)는 그만큼의 일(구조적 특성의 관점에서 볼 때 이런 일은 효율과 특히 처리가능한 질량유량을 저해함)을 수행하지 않게 되어 컴프레서 자체로 공급하는 전기 에너지가 결과적으로 줄어든다. 또한, 터보컴프레서 유닛(160)은 외부적 제어의 도움없이 서로 다른 부하 조건(load condition)에 대하여 독립적으로 조절될 수 있는 가능성을 가지면서 메인 컴프레서(190)와 유체적/역학적(fluid/dynamic)으로 연결될 수 있게 된다. 마지막으로, 블리드-오프(s1, s2)를 따르게 되면 동시에 증발기(180)로 들어오는 냉매의 유량이 감소되는 점에도 불구하고, 열교환기(150, 152)에서 발생하는 냉매의 냉각이 증발기(180)의 성능을 증가시킨다는 점이 중요하다.
터보컴프레서 유닛(160)에서 예압축된 냉매는 메인 컴프레서(190)로 진입하고, 여기서 냉매는 압력 p4 = 16.1 bar(p-h 선도에서의 4 지점; T4 = 63.7 ℃)로 압축되고 나서 응축기(140)의 입구로 이송된다.
본 발명에 따라 냉매를 순환하는 장치에 의하면(즉, 터보컴프레서 유닛에 의해 수행되는 예압축 단계를 포함함), 생산된 냉각량을 구성하는 저온부 열원으로부터 가져오는 열(Q)과 냉매를 순환하는 냉동 장치를 작동시키기 위하여 소모되는 일(L) 사이의 비율로 정의되는 성능 계수(COP)가 도 1, 2에 도시된 유형의 통상적인 냉동 장치의 성능 계수보다 더 높아지게 됨을 발견하였다.
특히, 블리드-오프(s1, s2)의 압력이 각각 p9 = 7.48 bar 및 p12 = 3.38 bar이고, 열교환기(150, 152)에서의 최소 온도 차이가 ΔTmin = 5 ℃이고, 제1, 2터빈부(162, 164)의 효율이 ηT = 0.85이고, 압축부(166)의 효율이 ηC = 0.80이고, 메인 컴프레서(190)의 효율이 ηCP = 0.75라고 가정할 경우에, 도 4에 따르는 p-h 선도의 물질적 상태 1-14에 대하여 얻어진 압력 값(p), 온도 값(T), 및 엔탈피 값(h)을 다음의 표 1에 나타내었다.
물리적 상태 압력 [bar] 온도 [℃] 엔탈피 [KJ/Kg]
1 1.33 -35 347.6
2 2.03 -20 358.1
3 2.03 -22.1 356.6
4 16.1 63.7 415.0
5 16.1 35 254.8
6 16.1 12 217.5
7 16.1 -12 183.4
8 1.33 -40 183.4
9 7.48 7 254.8
10 7.48 12 376.7
11 2.03 -25 354.3
12 3.38 -17 217.5
13 3.38 -12 362.5
14 2.03 -25.6 353.8
성능 계수(COP)는 일반적으로 생산된 "냉각량(amount of cold)"을 구성하는 저온부 열원으로부터 끌어오는 열(Q)과 냉매를 순환하는 냉동 장치를 작동시키기 위하여 소모되는 일(L) 사이의 비율로 정의된다. 상세하게, 성능 계수(COP)는 증발기(180)가 외부 환경으로부터 끌어오는 열(Qin)과 메인 컴프레서(190)가 수행하는 일(LCP) 사이의 비율로 정의된다. 여기서,
Figure 112009078534987-PCT00001
Figure 112009078534987-PCT00002
이로부터 표 1에 나타난 값에 기초할 경우 다음과 같은 성능 계수가 얻어진다.
Figure 112009078534987-PCT00003
도 1, 2에 도시된 유형의 통상적인 냉동 장치 안에서 순환하는 냉매의 전형적인 압력 값, 온도 값, 및 엔탈피 값을 아래의 표 2에 정리하였다.
물리적 상태 압력 [bar] 온도 [℃] 엔탈피 [KJ/Kg]
1 1.33 -35 347.6
2 16.1 65.3 416.9
3 16.1 35 254.8
4 1.33 -40 254.8
여기서는 다음과 식이 적용된다.
Figure 112009078534987-PCT00004
Figure 112009078534987-PCT00005
표 2에 나타난 값에 기초할 경우 다음과 같은 성능 계수가 얻어진다.
Figure 112009078534987-PCT00006
통상적인 유형의 냉동 장치와 비교하여 새로운 냉동 장치로 인한 퍼센트 이득(Δ)은 다음과 같다.
Figure 112009078534987-PCT00007
지금까지 제공된 설명으로부터 본 발명에 따르는 냉동 장치는 터보컴프레서 유닛(160)의 존재 및 메인 컴프레서(190) 상류에서 냉동 장치 안에서 순환하는 냉매의 예압축 때문에 약 30%에 달하는 성능 향상이 얻어질 수 있다. 이 과정에서 외부로부터 공급되는 동력의 사용 없이 바람직하게는 터보컴프레서(160)의 적어도 한 개의 터빈부(162, 164)가 제공하는 기계적 에너지를 사용하였다. 적어도 한 개의 터빈부(162, 164)가 제공하는 기계적 에너지는 응축기(140) 하류에서 추출된 냉매의 블리드-오프(s1, s2)를 팽창시킴으로써 얻어진다.
본 발명은 바람직한 일 실시 예를 참조하여 설명되었으나, 해당 분야에서 통상적인 기술을 가진 자는 첨부된 청구항에 의해 정의되는 보호 범위 내에서 본 발명에 다양한 수정 및 변형이 가해질 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 두 개의 열교환기 및 두 개의 터빈이 있는 터보컴프레서 유닛 대신에 하나의 열교환기 및 하나의 터빈이 있는 터보컴프레서 유닛을 사용하는 것도 가능하다. 이런 특정한 경우에서, 상기 하나의 열교환기는 응축기와 메인 교축 밸브 사이에서 연결되는 핫 브랜치 및 터보컴프레서 유닛의 상기 하나의 터빈부의 입구와 유체적으로 연통되는 콜드 브랜치를 구비할 수 있다. 또한, 복수의 터빈부를 갖는 하나의 터보컴프레서 유닛 대신에 복수의 터보컴프레서 유닛이 각각 하나의 터빈부를 갖는 것으로 실시하는 것도 가능할 것이다.

Claims (7)

  1. 메인 컴프레서(190), 상기 메인 컴프레서(190)의 하류에서 상기 메인 컴프레서(190)와 유체적으로 연통되는 응축기(140), 상기 응축기(140) 하류에 있는 메인 팽창 수단(170), 및 상기 메인 팽창 수단(170) 하류에서 상기 메인 팽창 수단(170)과 유체적으로 연통되는 증발기(180)를 포함하는 냉동 장치에 있어서,
    상기 증발기(180)와 상기 메인 컴프레서(190) 사이에서 유체적으로 연통되는 터보컴프레서 유닛(160); 및
    적어도 한 개의 열교환기(150, 152);를 포함하고,
    상기 적어도 한 개의 열교환기(150, 152)는,
    상류에서는 입구 라인(145)에 의해 상기 응축기(140)로 연결되며, 하류에서는 출구 라인(149)에 의해 상기 메인 팽창 수단(170)으로 연결되는 핫 브랜치(150c); 및
    상류에서는 상기 입구 라인(145)에서 분기된 브랜치(146)에 장착되는 팽창 수단(142, 144)으로 연결되며, 하류에서는 상기 터보컴프레서 유닛(160)의 터빈부(162)로 연결되는 콜드 브랜치(150f);를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 한 개의 열교환기(150, 152)는 다관형 열교환기인 것을 특징으 로 하는 냉동 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 한 개의 열교환기(150, 152)는 판형 열교환기인 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 팽창 수단(142, 144)은 등엔탈피 교축 밸브인 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 한 개의 열교환기는 상기 응축기(140)와 상기 메인 팽창 수단(170) 사이에서 순차적으로 배치되는 제1, 2열교환기(150, 152)를 포함하고,
    상기 터보컴프레서 유닛(160)은 제1, 2터빈부(162, 164)를 포함하고,
    상기 제2열교환기(152)는,
    연결 라인(147)에 의해 상기 제1열교환기의 상기 핫 브랜치(150c)와 유체적으로 연통되는 핫 브랜치(152c); 및
    상류에서는 상기 연결 라인(147)에서 분기된 브랜치(148)에 장착되는 팽창 수단(144)에 연결되며, 하류에서는 상기 터보컴프레서 유닛(160)의 상기 제2터빈부(164)로 연결되는 콜드 브랜치(152f);를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동 장 치.
  6. - 메인 컴프레서(190)에서 냉매를 압축하는 메인 압축 단계;
    - 상기 메인 컴프레서(190)의 하류에서 상기 메인 컴프레서(190)와 유체적으로 연통되는 응축기(140)에서 상기 냉매를 응축시키는 응축 단계;
    - 상기 응축기(140) 하류에 있는 메인 팽창 수단(170)에서 상기 냉매를 팽창시키는 메인 팽창 단계; 및
    - 상기 메인 팽창 수단(170) 하류에서 상기 메인 팽창 수단(170)과 유체적으로 연통되는 증발기(180)에서 상기 냉매를 증발시키는 증발 단계;를 포함하는 냉매 순환 방법에 있어서,
    - 상기 응축 단계 및 상기 메인 팽창 단계 사이에는,
    적어도 한 개의 열교환기(150, 152) 내부에서,
    상기 열교환기(150, 152)의 핫 브랜치(150c, 152c) 안에서 순환하는 압축된 상기 냉매와
    상기 열교환기(150, 152) 상류에서 추출되어 팽창 수단(142, 144) 안에서 냉각되고 상기 열교환기(150, 152)의 콜드 브랜치(150f, 152f) 안으로 진입하는 압축된 상기 냉매와 관련된 냉매 추출 양(s1, s2) 사이에서 열교환을 시키는 적어도 한 개의 열교환 단계; 및
    - 상기 메인 팽창 단계와 상기 메인 압축 단계 사이에는, 터보컴프레서 유닛(160) 안에서 상기 냉매를 예압축하는 예압축 단계;를 포함하고,
    상기 예압축 단계는,
    상기 터보컴프레서 유닛의 적어도 한 개의 터빈부(162, 166) 안에서, 상기 열교환기(150, 152)의 상기 콜드 브랜치(150f, 152f)를 떠나는 냉매 추출 양(s1, s2)을 팽창시키는 적어도 한 개의 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매 순환 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 응축 단계 및 상기 메인 팽창 단계 사이에 있는 상기 적어도 한 개의 열교환 단계의 하류에서는,
    - 상기 적어도 한 개의 열교환기(150)에 순차적으로 배치되는 제2열교환기(152)에서,
    상기 적어도 한 개의 열교환기(150)의 상기 핫 브랜치(150c)를 떠나 상기 제2열교환기(152)의 핫 브랜치(152c) 안에서 순환하는 상기 냉매와
    상기 제2열교환기(152) 상류에서 추출되어 팽창수단(144) 안에서 냉각되고 콜드 브랜치(152f) 안으로 순환하는 상기 냉매와 관련된 냉매 추출 양(s2) 사이에서 열교환을 시키는 제2열교환 단계;를 포함하고,
    상기 메인 팽창 단계와 상기 메인 압축 단계 사이에 있는 상기 예압축 단계는, 상기 터보컴프레서 유닛(160)의 제1, 2터빈부(162, 164)에서 각각의 열교환기(150, 152)로부터 추출된 냉매가 팽창됨으로써 동력이 제공되는 것을 특징으로 하는 냉매 순환 방법.
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