KR100290709B1 - 암모니아흡수식시스템의정류기칼럼구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 암모니아 흡수식 시스템의 정류기 칼럼 구조에 관한 것으로서, 특히 정류기 및 에너라이저의 성능을 향상시키는 동시에 정류기 칼럼을 소형화하는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 재생기로부터 발생되어 상승하는 냉매증기와 상부로부터 낙하하는 강용액 간의 열 및 물질 전달을 통해 냉매증기의 순도를 1차적으로 높여주는 에너라이저와, 정류기 내부를 흐르는 강용액과 하부로부터 상승하는 냉매증기 간의 열교환을 통해 냉매증기 내부에 포함되어 있는 흡수제 성분을 응축시켜 냉매증기의 순도를 높여주어 응축기로 보내주는 정류기가 포함되어 있는 암모니아 흡수식 시스템에 있어서, 상기 정류기가 에너라이저의 내부에 위치한 것이다.

Description

암모니아 흡수식 시스템의 정류기 칼럼구조{The structure of rectifier column for Ammonia Absorption System}

본 발명은 암모니아 흡수식 시스템에 관한 것으로서, 특히 정류기와 에너라이저의 구조를 변경하여 성능향상 및 소형화하기 위한 암모니아 흡수식 시스템의 정류기 및 에너라이저 구조에 관한 것이다.

종래의 흡수식 시스템은 도 1 에 도시된 바와 같이, 열을 발생시키는 버너(1)와, 상기 버너(1)로부터 발생되는 열을 가해줌으로써 강용액(암모니아 농도가 강한 용액)으로부터 냉매증기와 약용액(암모니아 농도가 약한 용액)을 생성하는 재생기(2)와, 상기 재생기(2)에서 생성된 냉매증기와 함께 증발되는 물을 응축시켜 고농도의 냉매증기로 정류하는 정류기(3)와, 상기 정류기(3)로부터 전달된 고농도의 냉매증기를 냉각수(cooling water) 또는 브라인(Brine)등의 중간매체에 의해 냉각시켜 액체상태의 냉매로 응축시키는 응축기(4)와, 상기 응축기(4)로부터 응축된 액냉매를 더욱 과냉시키는 프리쿨러(5)와, 상기 프리쿨러(5)로부터 과냉된 액냉매를 냉방수(chilled water)를 사용하여 다시 증발시켜 2상 상태(액상+기상)의 냉매로 비등시키는 증발기(6)와, 상기 증발기(6)로 유입되는 액냉매를 팽창시키는 팽창밸브(7)와, 상기 증발기(6)에서 증발된 2상 상태의 냉매가 프리쿨러(5)를 지나면서 상대적으로 고온의 액냉매와 열교환을 실시한 후 더욱 비등하여 냉매증기 상태로 되고, 이 냉매증기 및 재생기(2)로부터 생성된 약용액이 유입되는 흡수기(8)와, 상기 흡수기(8)로 유입된 냉매증기와 약용액 간의 대향류(counter current) 접촉으로 흡수현상이 발생하여 원래의 재생기(2) 초기 농도의 강용액이 생성되어 흡수기(8)의 하부에 고이게 되고, 이 강용액을 정류기(3)로 펌핑하는 용액펌프(9)와, 상기 재생기(2)에서 흡수기(8)로 유입되는 약용액을 팽창시키는 팽창밸브(10)로 구성하였다.

상기 흡수기(8)는 생성된 강용액이 정류기(3)를 거쳐 재생기(2)로 유입되면서 재생기(2)에서 생성된 약용액과 열교환이 이루어지도록 내부에 강용액이 흐르는 용액냉각흡수기(11)와, 상기 증발기(6)에서 흡수기(8)로 유입된 냉매증기가 상승하면서 열교환이 이루어지도록 내부에 냉각수가 흐르는 수냉각흡수기(12)와, 도 1 의 A부에서 분지된 용액과 약용액과의 열교환에 의해 냉매증기를 발생시켜 재생기에서의 필요열량을 감소시켜주는 GAX흡수기/재생기(13)로 구성하였다.

그리고, 상기 재생기(2)와 정류기(3)의 사이에는 원통형의 쉘(14)내에 배플판(15)이 지그재그로 배치된 에너라이저(Analyzer)(16)가 위치하였다.

도면상의 화살표 →는 강용액의 흐름을 나타내며, ⇒는 냉매증기의 흐름을 나타낸다.

이와같이 구성된 종래의 흡수식 시스템은 재생기(2)내에 있는 강용액이 연소부인 버너(1)에 의해 가열되어 냉매증기와 약용액이 생성되며, 상기 냉매증기는 상승하면서 정류기(3)로 유입된다.

상기 정류기(3)를 통과하는 냉매증기는 흡수기(8)로부터 용액펌프(9)의 펌핑을 통해 정류기(3)의 내부로 유입되는 강용액과 열교환을 수행하면서 그 내부에 포함되어 있는 흡수제 성분이 응축되어 고농도의 냉매증기로 정류되어 진다.

그리고, 재생기(2)에서 생성된 약용액은 강용액보다 비중이 높아 재생기(2) 하부로 가라앉게 되며, 상기 약용액은 고압부인 재생기(2)와 저압부인 흡수기(8)간의 압력차에 의해 팽창밸브(10)에서 팽창된 후 흡수기(8)의 상부로 유입된다.

상기 정류기(3)에서 정류된 고농도의 냉매증기는 응축기(4)로 유입되어 응축기(4) 주위를 흐르는 저온의 냉각수와 열교환을 하여 액냉매 상태로 응축되고, 이 액냉매는 프리쿨러(5)를 지나면서 더욱 과냉 상태의 액냉매가 되고, 과냉된 액냉매는 팽창밸브(7)를 통해 팽창된 후 증발기(6)로 유입된다.

상기 증발기(6)내로 유입된 액냉매는 증발기(6) 주위를 흐르는 고온의 냉수와 열교환을 하여 2상 상태(액상+기상)의 냉매로 비등하고, 이 2상 상태의 냉매는 다시 프리쿨러(5)를 지나면서 상대적으로 고온인 액냉매와 열교환을 하고 더욱 비등하여 냉매증기가 되고, 이 냉매증기는 흡수기(8)의 하부로 유입된다.

상기 흡수기(8)로 유입된 냉매증기는 상승하면서 재생기(2)로부터 유입된 약용액과 대향류(counter current) 접촉하면서 약용액에 흡수되어 강용액이 생성되고, 이때 발생되는 흡수열은 수냉각흡수기(12)내를 흐르는 냉각수와 용액냉각흡수기(11)내를 흐르는 저온의 강용액에 의해 상쇄된다.

여기서, 재생기(2)에서 생성된 약용액은 흡수기(8) 상부로 유입된 후 저온의 강용액이 흐르는 용액냉각흡수기(11)의 열교환코일 표면에 분산 낙하되면서 냉각되어 냉매증기의 흡수를 가속시킨다.

이때, 도 2 와 같이 상기 흡수기(8)의 하부에 고인 강용액은 용액펌프(9)의 펌핑에 의하여 정류기(3)로 유입되었다가 용액냉각흡수기(11)로 유입되고, 이 강용액은 열교환코일 내부를 흐르면서 재생기(2)로부터 생성되어 유입되는 고온의 약용액과 열교환을 하여 온도가 상승된 후 다시 재생기(2)로 유입되어 상기와 같은 작동을 순차적으로 반복하게 된다.

한편, 재생기(2)와 정류기(3)의 사이에 위치한 에너라이저(16)의 상단부로는 용액냉각흡수기(11)로부터 강용액이 유입되며, 이 강용액은 하부로부터 상승하는 냉매증기와 부분적으로 직접 접촉하여 열 및 물질 전달을 하면서 1차적으로 암모니아 냉매증기의 농도를 높여 정류기(3)로 보내주고, 냉매증기와의 열 및 물질전달로 온도가 상승된 강용액은 재생기(2)의 하부로 유입된다.

상기 에너라이저(16)의 상단부에서 하단부까지 지그재그로 구성된 배플판(15)은 상부로부터 떨어지는 강용액과 하부로부터 상승하는 냉매증기의 유로를 형성하면서 이 강용액과 냉매증기의 열교환 면적을 넓혀주는 역할을 하게 된다.

이러한 흡수식 사이클은 냉방 및 난방 기능의 히트펌프(heat pump)로서, 냉방의 경우에는 증발기(6)에서 냉매의 증발잠열로부터 냉방수를 얻을 수 있고, 난방의 경우에는 응축기(4)의 응축잠열 및 수냉각흡수기(12)의 흡수열로부터 난방수를 얻을 수 있다.

이와 같은 동작은 시스템이 작동하는 동안 평형이 이루어진 상태에서 연속적으로 순환되면서 이루어 진다.

그러나 이러한 종래의 정류기 및 에너라이저 구조에 있어서, 재생기에서 발생한 냉매증기에 포함된 흡수제를 응축시켜 보다 고순도의 냉매증기를 응축기로 보내기 위하여 높이가 상당히 커지게 되는 문제점이 있었다.

특히 플레이트(plate) 열교환기를 채용하는 소형 암모니아 흡수식 히트펌프에서는 재생기 칼럼의 높이를 줄이는 것이 중요한 과제로 대두되어 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 정류기를 에너라이저의 내부에 위치시킴으로써 정류기 및 에너라이저의 성능을 향상시키는 동시에 정류기 칼럼을 소형화하는 데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래 암모니아 흡수식 시스템의 사이클 구성도.

도 2 는 종래 암모니아 흡수식 시스템의 정류기 칼럼 구성도.

도 3 은 본 발명에 의한 암모니아 흡수식 시스템의 정류기 칼럼 구성도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

101 : 정류기 101a, 102a : 쉘

101b : 코일 102 : 에너라이저

103 : 분배판 104 : 패킹재

105 : 메쉬 106 : 강용액 입구

107 : 강용액 출구 108 : 냉매증기 입구

109 : 정류기 냉매증기 입구 110 : 정류기 냉매증기 출구

111 : 응축수 배출구 112 : 약용액 입구

113 : 약용액 출구

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3 은 본 발명에 의한 암모니아 흡수식 시스템의 정류기 칼럼 구성도로서, 원통형의 쉘(101a) 내에 코일(101b)이 위치한 구조의 정류기(101)가 에너라이저(102)의 내부에 위치하게 된다.

상기 에너라이저(101)는 원통형의 쉘(102a) 내에 상부로부터 낙하하는 강용액을 고르게 분배하기 위한 분배판(103)과, 상기 분배판(103)으로부터 분배되어 낙하하는 강용액에 의해 젖음 상태를 유지하여 하부로부터 상승하는 냉매증기와 이 강용액 간의 열 및 물질전달 면적을 넓혀주기 위한 패킹재(104)와, 상기 패킹재(104)를 지지하기 위한 밑판의 역할을 하는 메쉬(105)가 형성되어 있다.

도면상의 미설명 부호 106은 강용액 입구, 107은 강용액 출구, 108은 냉매증기 입구, 109는 정류기 냉매증기 입구, 110은 정류기 냉매증기 출구, 111은 응축수 배출구, 112는 약용액 입구, 113은 약용액 출구이고, 화살표 →는 강용액의 흐름을 나타내며, ⇒는 냉매증기의 흐름을 나타낸다.

이와 같이 구성된 상태에서 발생기로부터 발생된 냉매증기가 메쉬(105)를 통해 에너라이저(102)의 내부로 유입되고, 에너라이저(102)의 상부로 유입되어 낙하하는 강용액은 분배판(103)에 의해 고르게 분배되며, 패킹재(104)로 유도되어 이 패킹재(104)를 적시게 된다.

이때, 에너라이저(102)의 내부로 유입된 냉매증기는 패킹재(104)에 젖어 있는 강용액과 열 및 물질전달을 하여 보다 1차적으로 순도가 높아진 상태로 정류기 냉매증기 입구(109)를 통해 정류기(101)로 유입되며, 이후의 동작은 종래와 동일하므로 생략한다.

한편, 상기 정류기(101) 내에서의 열교환작용에 따라 발생된 응축수는 응축수 배출구(111)를 통해 시스템의 외부로 토출된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 재생기로부터 발생되어 상승하는 냉매증기와, 에너라이저의 상부로 유입되어 낙하하는 강용액이 보다 컴팩트한 공간에서 직접 접촉할 수 있게 되어 열 및 물질 전달 성능을 향상시킬 수 있게 되며, 정류기 칼럼(정류기+에너라이저)의 높이가 낮아져 시스템의 소형화가 가능하게 되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 재생기로부터 발생되어 상승하는 냉매증기와 상부로부터 낙하하는 강용액 간의 열 및 물질 전달을 통해 냉매증기의 순도를 1차적으로 높여주는 에너라이저와, 정류기 내부를 흐르는 강용액과 하부로부터 상승하는 냉매증기 간의 열교환을 통해 냉매증기 내부에 포함되어 있는 흡수제 성분을 응축시켜 냉매증기의 순도를 높여주어 응축기로 보내주는 정류기가 포함되어 있는 암모니아 흡수식 시스템에 있어서,

   상기 에너라이저 내부에 상기 정류기가 위치되고, 상기 에너라이저와 상기 정류기 사이에 패킹재을 채워주고, 상기 정류기에는 강용액이 순환되도록 튜브관을 상·하에 대하여 코일 형상을 이루도록 하며, 튜브관의 입구와 출구가 상기 정류기와 상기 에너라이저 측면을 연이어 관통 용접되어 상기 에너라이저 내부에 정류기와 튜브관이 설치되도록 한 것을 특징으로 하는 암모니아 흡수식 시스템의 정류기 칼럼구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 에너라이저의 내부에는 상부로부터 낙하하는 강용액을 고르게 분배하기 위한 분배판과,

   상기 분배판으로부터 분배되어 낙하하는 강용액에 의해 젖음 상태를 유지하여 하부로부터 상승하는 냉매증기와 이 강용액이 보다 넓은 면적에서 접촉하도록 하는 패킹재가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 암모니아 흡수식 시스템의 정류기 칼럼 구조.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 정류기의 하부에는 냉매증기와 강용액 간의 응축과정에서 발생된 응축수를 배출하기 위한 응축수 배출구가 구비된 것을 특징으로 하는 암모니아 흡수식 시스템의 정류기 칼럼 구조.

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