열 펌프를 동작시키기 위한 방법 및 열 펌프

열 펌프를 동작시키기 위한 방법 및 열 펌프{METHOD FOR OPERATING A HEAT PUMP AND HEAT PUMP}

본 발명은 특허 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 열 펌프(heat pump)를 동작시키기 위한 방법 및 특허 청구항 제 8 항의 전제부에 따른 열 펌프에 관한 것이다.

앞서-언급된 유형의 열 펌프들은 종종 산업용의 유용한 열을 제공하기 위해 이용된다. 열 펌프는, 기술적 작업을 이용함으로써, 더 낮은 온도에서는 열원으로부터 열의 형태로 열 에너지(thermal energy)를 흡수하고 그리고 압축 기계의 구동 에너지와 함께, 그 열 에너지를 더 높은 온도에서는 폐열(waste heat)로서 열 싱크(heat sink)에 릴리스(release)하는 기계이다. 열의 일시적 저장 또는 전달을 위해 유체가 이용되며, 유체는 압축 기계에 의해 열 펌프 내에서의 사이클 프로세스(cycle process)에서 압축 및 전달된다.

열 펌프들 또는 증기 압축 열 펌프들에서, 압축기가 압축 기계로서, 즉, 구동 기계로서 이용되는 것이 알려져 있다. 열 펌프들에서 이용되는 상업적 압축기들은 특히, 변위 압축기들, 스크루 압축기(screw compressor)들 또는 예컨대, 터보압축기(turbocompressor)들을 포함한다. 열 펌프들로부터의 유용한 폐열의 온도 레벨(temperature level)은 현재, 이용되는 압축기 컴포넌트(compressor component)들의 온도 적합성에 의해 주로 제한된다. 압축기는 예컨대, 주어진 온도에서 가스상 유체(gaseous fluid)를 인출하고, 그 가스상 유체를 원하는 더 높은 압력으로 압축한다. 인출 가스(drawn-in gas)의 등엔트로피 지수(isentropic exponent)의 값에 따라, 압축 프로세스는 압축의 결과로서, 가스 온도를 상이한 정도들로 "최종 압축 온도"까지 증가시킨다. 인출 가스의 온도가 70℃의 값을 초과하자마자 압축기가 고장나는 것은 흔한 경우이다. 경험은, 이용되는 압축기들이 "밀폐적으로 밀봉된 회전 압축기(hermetically sealed rotary compressor)들"인 경우, 대략 이러한 크기의 온도 값이 특히 임계적임을 보여준다. 예컨대, 기밀식 압축기 컴포넌트 피트들(tight compressor component fit)들, 예컨대, 스크루 압축기(screw compressor)들의 스크루 쌍 피트(screw pair fit)는 온도-관련 열적 팽창에 의해 특정한 정도로 영향을 받는다. 예컨대, 스크루 압축기의 상이한 컴포넌트들이 불균일 온도 노출로 인해 상이한 정도들로 열적으로 팽창되는 경우, 회전 컴포넌트들이 하우징(housing)과 접촉할 수 있거나 또는 회전 컴포넌트들이 서로 접촉할 수 있으며, 이는 각각의 압축기의 장애를 초래한다. 경험은, 높은 유체 온도들에서의 오일-윤활 압축기(oil-lubricated compressor)들의 윤활이 추가의 문제임을 보여준다. 윤활의 목적을 위해 압축기들에서 이용되는 적절한 오일들은, 연장된 기간들 동안 최대 활용 온도 한계를 초과하지 않아야 한다. 연장된 기간 동안 이러한 활용 온도 한계가 초과되는 경우, 오일의 코크스화(coking)가 발생되며, 그 결과로 압축기 윤활 기능이 손상된다. 이용되는 윤활 오일들에 대한 최대 온도 한계가 대략 140℃의 크기이며, 오일의 윤활 기능이 유지될 경우, 연장된 기간들 동안 이러한 온도 한계가 초과되지 않아야 함이 알려져 있다.

본 발명의 목적은 특히 높은 유체 온도들에서의 연속적인 동작을 위해 적절한, 앞서-기술된 유형의 방법 및 열 펌프를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 특허 청구항 제 1 항의 특징들을 가진 방법에 의해 그리고 특허 청구항 제 8 항의 특징들을 가진 열 펌프에 의해 달성된다. 본 발명의 편리한 추가의 발전들을 가진 유리한 구성들은 종속 특허 청구항들에서 표시된다.

열 펌프를 동작시키기 위한 본 발명에 따른 방법에서, 이온성 액체(ionic liquid)가 유체 압축 동안 이용된다.

이온성 액체들이 가연성이 아니고 그리고 열적으로 안정적이라면, 이온성 액체들은 유체의 압축을 위해 특히 적절하다. 다시 말해, 상승된 온도들에 대한 이온성 액체의 노출은 따라서 특히 비-임계적인데, 그 이유는 이온성 액체의 점화가 예상되지 않기 때문이다. 이온성 액체들의 매우 낮은 증기압으로 인해, 사실상 이온성 액체들에 따른 어떠한 주목할만한 증발 현상들도 발생하지 않는다. 이온성 액체들의 열적 안정성으로 인해, 특히 오일들과 비교하여, 더 높은 동작 온도들에서 어떠한 코크스화의 위험성도 존재하지 않는다. 이온성 액체는 유기 염(organic salt)들을 의미하는 것으로 이해되며, 유기 염들의 이온(ion)들은 전하 비편재화(charge delocalization) 및 입체 효과(steric effect)들을 통해 안정적 결정 격자의 형성을 방지한다. 그러므로, 심지어 낮은 열 에너지들도 격자 에너지(lattice energy)를 극복하기에 충분하고 그리고 고체 결정 구조를 분해한다. 따라서, 이온성 액체들은, 물과 같은 용매에서 용해되어 있지 않으면서 100℃ 미만의 온도들에서 액체인 염들이다. 이온성 액체들에 포함된 이온들은 양으로 하전된 이온(positively charged ion)들, 즉, "양이온(cation)들" 및 음으로 하전된 이온들, 즉, "음이온(anion)들"로 세분될 수 있다. 이온성 액체에 포함된 다양한 유형들의 양이온들 및 음이온들을 변화시킴으로써 그리고 양이온들 및 음이온들의 상이한 농도들을 확립함으로써, 이온성 액체의 물리-화학적 특성들은 특히 넓은 한계들 내에서 변화될 수 있고 그리고 기술적 요건들과 관련하여 최적화될 수 있다. 예컨대, 조성 및 이온 농도를 변화시킴으로써, 이온성 액체의 용해성 및 용해점이 영향받을 수 있다.

본 발명의 하나의 유리한 구성에서, 유체는 열량(quantity of heat)을 이온성 액체에 릴리스한다. 유체가 자신의 열량 중 일부를 이온성 액체에 릴리스하는 경우, 원하지 않는 유체 온도 상승이 특히 효율적으로 방지된다. 다시 말해, 이온성 액체는 이와 같이, 유체의 압축시에 유체를 냉각시키기 위해 이용된다. 예컨대, 유체가 특히 큰 열량을 이온성 액체에 릴리스할 수 있고 그리고 그 결과로 유체의 최종 압축 온도가 비-임계 레벨(non-critical level)에서 유지될 수 있도록, 이온성 액체의 온도가 더 낮아질 수 있다.

또한, 열량이 열 교환기에 의해 릴리스되는 것이 유리함이 증명되었다. 이전에 유체에 의해 이온성 액체에 릴리스된 열량이 열 교환기에 의해 특히 효과적으로 방산될 수 있고, 이에 의해, 이온성 액체가 한번 더 냉각되고, 이온성 액체는 다시 유체로부터의 열을 흡수할 수 있다.

열량이 열 교환기에 의해 적어도 부분적으로 증발 장치 및/또는 외부 소비기(external consumer)에 전달되는 것이 특히 유리하다. 방산되는 열량이 열 펌프의 증발 장치에 전달되는 경우, 열 펌프는 특히 에너지-효율적인 방식으로 동작될 수 있는데, 그 이유는, 열 교환기에 의해 증발 장치에 공급되는 열량에 따라, 유체의 증발을 허용하는데 있어서 그에 상응하게 더 적은 추가 에너지량이 증발 장치에 릴리스되어야 하기 때문이다. 다시 말해, 열 교환기에 의해 공급되는 열량으로 인해, 열 펌프의 증발 장치에 공급되는 추가의 외적인 열량이 감소될 수 있고, 이에 의해, 열 펌프의 동작을 위한 에너지 입력(energy input)이 전체적으로 감소될 수 있다. 더욱이, 열 교환기에 의해 전달되는 열량을 외부 소비기에게 공급하는 것이 가능하다. 이러한 외부 소비기는 예컨대, 열전 발전기(thermoelectric generator) 또는 스털링 엔진(Stirling engine)의 형태를 취할 수 있다. 다시 말해, 열량이, 다른 형태의 에너지, 즉, 예컨대, 전기 또는 기계 에너지로 특히 효율적으로 변환될 수 있고, 그리고 그 자체로 유용해질 수 있다.

추가의 유리한 구성에서, 액체 링 압축기(liquid ring compressor)가 압축 장치로서 이용된다. 액체 링 압축기는 실질적으로 원통형 하우징(cylindrical housing)으로 이루어지며, 원통형 하우징은 회전자 상에 성상 배열(stellate arrangement)로 균등하게 분포된 블레이드(blade)들을 가진 편심으로(eccentrically) 배열된 상기 회전자를 에워싼다. 하우징의 길이방향 원통 축은 여기서, 편심으로 배열된 회전자의 구동 축과 평행하게 연장된다. 회전자의 회전에 대한 원심력의 결과로서 하우징에 대해 동심인 액체 링을 형성하는 이온성 액체가 상기 하우징 내에 위치된다. 성상 배열로 배열된 회전자의 블레이드들의 침지(immersion)를 통해, 임펠러 챔버(impeller chamber)들이 형성되며, 이들은 이온성 액체의 액체 링에 의해 밀봉된다. 다시 말해, 액체 링의 그리고 각각의 경우에서 회전자 상에 배열된 2개의 블레이드들 및 회전자 그 자체의 상호작용에 의해, 대응하는 임펠러 챔버가 형성되며, 각각의 임펠러 챔버는, 원통형 하우징을 정의하는 각각의 커버(cover)들에 의해 단부면에서 정의된다. 회전자의 편심률(eccentricity)로 인해, 유체에 대응하는 가스(gas)가 회전자의 회전에 따라 압축되는데, 그 이유는 각각의 블레이드들이 회전자의 편심률로 인해 액체 링으로 더 깊이 침지되기 때문이다. 그 다음으로, 유체는, 각각의 블레이드들이 단지 작은 정도로만 액체 링에 침지되고 그리고 그에 따라 챔버 볼륨(chamber volume)이 챔버 볼륨의 최대치인 위치에서 액체 링 압축기에 의해 인출된다. 편심 회전자의 레볼루션(revolution)의 실질적으로 절반을 이용시, 블레이드들은 그 다음으로, 편심률의 결과로, 액체 링에 최대로 침지되고, 이에 의해, 챔버에 포함된 유체는 최대 달성가능한 값으로 압축된다. 이러한 최대 압축의 달성시, 압축된 유체는 하우징을 정의하는 액체 링 압축기의 커버들의 구멍들을 통해 원통형 하우징으로부터 나간다. 이러한 방식으로, 유체가 액체 링 압축기에 의해 열 펌프에서 이동된다. 이온성 액체가 액체 링 압축기에서 액체 링을 형성하기 때문에, 액체 링 압축기는 심지어 상승된 유체 온도들에서도 특히 고장안전(failsafe) 방식으로 동작할 수 있다. 액체 링 압축기의 챔버들은 액체 링에 의해 방사상 방향으로 밀봉되고, 이에 의해, 하우징과의 블레이드들의 접촉이 완전히 방지될 수 있다. 따라서, 접촉-관련 불꽃(contact-related sparking)이 배제되고, 그러므로 또한, 폭발성 유체들의 전달 및 압축을 가능하게 한다.

이온성 액체가 압축 동안 우세한 물리적 상태들에서 유체와 관련하여 혼화성 갭(miscibility gap)을 갖는 것이 유리함이 추가로 증명되었다. 물질 혼합물의 경우에서, 혼화성 갭은, 대응하는 물질 혼합물의 성분들이 혼합되지 않는, 즉, 불용해성(insoluble)인 열역학적 상태를 나타낸다. 다시 말해, 이러한 열역학적 상태에서, 물질 혼합물은 상이한 조성들을 가진 적어도 2개의 상이한 페이즈(phase)들에 있다. 이러한 페이즈들은 서로 열역학적 평형(thermodynamic equilibrium)에 있다.

이온성 액체를 유체로부터 분리시키기 위해, 분리 장치가 압축 장치의 다운스트림(downstream)에서 이용되는 것이 특히 유리하다. 가스/액체 분리기의 형태의 분리 장치를 이용함으로써, 이온성 액체가 유체로부터 특히 효과적으로 분리될 수 있다. 이온성 액체 및 유체가 액체 링 압축기에 의한 유체의 압축 동안 접촉된다는 점 때문에, 이온성 액체의 부분들이 압축된 유체와 함께 액체 링 압축기를 나가고 그리고 그에 따라 열 펌프 회로(heat pump circuit)에 진입하는 것이 그러므로 발생할 수 있다. 가스/액체 분리기를 이용함으로써, 이온성 액체가 액체 링 압축기의 다운스트림의 열 펌프의 유체-전달 회로(fluid-conveying circuit)로부터 특히 광범위하게 분리될 수 있다.

본 발명에 따른 방법과 관련하여 앞서 설명된 이점들은 특허 청구항 제 8 항에서 청구되는 바와 같은 열 펌프에 동일한 방식으로 적용된다.

이온성 액체가 2차 회로(secondary circuit)를 통해 유체에 추가될 수 있다면 특히 유리하다. 이온성 액체가 2차 회로를 통해 유체에 추가될 수 있는 경우, 유체의 압축을 통해 이온성 액체에 릴리스되는 열량은 특히 광범위하게 방산될 수 있다. 이러한 2차 회로는 열 펌프의 유체 회로와 독립적인 회로에 대응하며, 그 독립적인 회로는 방산되는 열량을 열 교환기에 전달하기에 특히 잘 적절하고, 열 교환기에 의해 이온성 액체가 다시 냉각된다. 다시 말해, 2차 회로에 의해, 액체 링 압축기가 그에 따라 이온성 액체에 의해 연속적으로 냉각될 수 있다.

이온성 액체가 적어도 실질적으로 압축 장치의 다운스트림의 분리기에서 분리가능한 것이 유리함이 추가로 증명되었다. 이온성 액체의 광범위한 분리가 특히 중요한데, 그 이유는, 유체와 이온성 액체가 상이한 물질 특성들을 갖기 때문이다. 이온성 액체가 유체와 함께 다양한 작업 프로세스(working process)들(압축, 응축, 팽창 및 증발)을 통과하기에 적절하지 않기 때문에, 이온성 액체의 분리는 열 펌프의 효율성 및 기능성의 특히 광범위한 유지를 허용한다.

본 발명의 추가의 이점들, 특징들 및 상세들은 청구항들, 다음의 바람직한 실시예들의 설명에 의해, 그리고 도면을 참조하여 알려진다. 단일 도면(도 1)은 액체 링 압축기에 의해 동작되는 열 펌프를 위한 열역학적 증기 압축 사이클(thermodynamic vapor compression cycle)의 사이클 프로세스의 개략도이다.

도 1은 액체 링 압축기(3)의 형태를 취하는 압축 장치에 의해 화살표(10)의 방향을 따라 유체가 전달되는 열 펌프(1)의 개략도이다. 유체는 먼저, 증발기(2)의 형태를 취하는 증발 장치에 의해 증발되고, 그 다음으로, 액체 링 압축기(3)에 의해 압축된다. 액체 링 압축기(3)는 액체 회로(8)와 유체공학적으로(fluidically) 커플링되고(coupled), 액체 링 압축기(3)는 액체 회로(8)에 의해 이온성 액체를 공급받는다. 이온성 액체에 의해, 액체 링 압축기(3)의 액체 링이 형성되고, 이러한 액체 링은 유체를 압축하도록 기능한다. 이온성 액체는 열 펌프(1)의 유체와 유체 접촉(fluidic contact)되고, 액체 링 압축기(3)에 적용되는 동작 파라미터(operating parameter)들의 경우에서 그리고 이온성 액체 및 유체의 주어진 조성의 경우에서, 유체와 관련하여 혼화성 갭을 보인다. 유체와의 이온성 액체의 접촉을 통해, 이온성 액체는 그에 따라, 유체의 열량 중 일부를 흡수하고, 이러한 열량은 액체 회로(8) 내에서의 이온성 액체의 이동에 의해 연속적으로 방산된다. 이온성 액체에 의한 액체 링 압축기(3)에서의 유체의 압축 동안, 이온성 액체 중 일부는 미디어 회로(media circuit)(9)로 흐르고, 미디어 회로(9)는 열 펌프의 유체 회로에 대응한다. 미디어 회로(9)로부터 이온성 액체의 이러한 비율을 다시 제거하기 위해, 분리기(4)의 형태를 취하는 분리 장치가 이용된다. 다시 말해, 분리기(4)에 의해, 이온성 액체가 미디어 회로(9)에 포함된 유체로부터 분리되며, 그 결과, 이온성 액체가 액체 회로(8)에 재공급된다. 액체 링 압축기(3)에 의한 압축 동안 유체로부터 이온성 액체로 릴리스되는 열을 액체 회로(8)로부터 방산하기 위해, 열 교환기(7)가 액체 회로(8)에 통합되고, 열 교환기(7)에 의해, 방산된 열량이 적어도 실질적으로 열 싱크(11)에 방산되며, 열 싱크(11)는 외부 소비기 및/또는 증발기(2)에 커플링된다. 열의 적어도 일부를 증발기(2)에 공급함으로써, 증발기(2)의 동작을 위한 에너지 입력이 감소될 수 있다. 열 싱크(11)에 릴리스되는 열량은, 여기서 더 이상 상세하게 도시되지 않는 소비기에게 열 에너지를 공급하기 위해 이용될 수 있다.

열 펌프(1)는 추가로, 화살표(10)의 방향으로 분리기(4)의 다운스트림에 배열된 응축 장치를 포함하며, 응축 장치는 응축기(5)의 형태를 취하고, 유체를 응축시키도록 기능한다. 응축기(5)에 의한 유체의 응축 이후에, 유체는 팽창 밸브(expansion valve)(6)의 형태를 취하는 팽창 장치에 의해 팽창된다. 유체의 팽창 이후에, 유체는 증발기(2)에 한번 더 진입한다. 그에 따라, 미디어 회로(9)는 폐쇄된다.