KR100355978B1 - 응축물 용액 결합에 의한 흡수 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

다중 효용 흡수 냉각 시스템은 연속적인 고온 및 고압에서 작동되도록 스테이지를 이루는 복수쌍의 발생기들과 응축기들을 포함한다. 용액간 열교환기는 다양한 스테이지들의 흡수기와 발생기 사이를 순환하는 강성 및 약성 용액 사이의 열을 교환하도록 각각의 스테이지와 연관된다. 응축물 대 용액 열교환기는 고온 스테이지의 응축기로부터의 응축물을 저온 스테이지의 발생기에 전달된 용액과 열전달 관계에 있도록 적어도 하나의 스테이지 내에 포함된다. 응축물 대 용액 열교환기로부터의 응축물은 응축물 대 용액 열교환기에 의해 제공되는 스테이지의 작동 압력보다 낮은 압력에서 작동되는 시스템 성분으로 팽창된다.

Description

응축물 용액 결합에 의한 흡수 냉각 시스템 {ABSORPTION REFRIGERATION SYSTEM WITH CONDENSATE SOLUTION COUPLING}

본 발명은 다중 효용 흡수 시스템에 관한 것으로서, 특히 다중 효용 흡수 냉각 시스템의 성능 계수(COP)를 향상시키는 기술에 관한 것이다.

다중 효용 흡수 냉각 시스템이 발전함에 따라, 특히 3개의 증기 발생기 및 냉매 응축기 유닛들을 이용하는 3중 효용 시스템이 주목되고 있다. 각각의 유닛의 발생기는 하나 이상의 시스템 흡수기들에 결합되고, 또한 각각의 유닛의 응축기는 하나 이상의 시스템 증발기들에 결합된다. 3중 효용 시스템은 알레펠드(Alefeld)의 미국 특허 제4,531,374호(도44G)에 개시되어 있다. 3개의 발생기 및 응축기 유닛들은 연속적인 고압 및 고온에서 작동되도록 스테이지를 이루고 있다. 시스템 흡수기 섹션으로부터 전달된 흡수 용액으로부터 냉매를 증발시키도록 최고 압력 및 온도에서 작동되는 발생기로 외부 열이 제공된다. 냉매는 중간 스테이지의 발생기에서 응축되므로, 냉매 증기를 중간 스테이지 발생기로부터 추가적으로 방출시킨다. 중간 스테이지 발생기로부터의 증기는 제3 저압 발생기 내에서 응축된다. 제3 스테이지 발생기에서 생성된 냉매 증기는 차례로 제3 스테이지 응축기 내에서 응축되고, 냉각 효과를 제공하는 다른 2개의 응축기들의 냉매 증기와 함께 시스템 증발기로 보내진다.

다수의 단일 및 2중 효과 흡수 냉각 시스템에서, 강성(strong) 및 약성(weak) 흡수 용액이 시스템 흡수기와 하나 이상의 냉매 발생기 사이를 이동할 때 그 사이에서 에너지(열)를 전달시키는 용액간 열교환기들이 제공된다. 이것을 설명하기 위해, 냉매에서 풍부한 흡수 용액은 약성 용액으로 인용되고, 냉매에서 비교적 고갈된 흡수 용액은 강성 용액으로 인용될 것이다. 용액간 열교환기들은 용액 내에 존재하는 이용 가능한 에너지를 회수하기 위해 고온의 상대적으로 강성의 용액 흐름으로부터 저온의 상대적으로 약성의 용액 흐름으로 열을 전달하는데 이용된다. 이러한 용액 열교환기들의 효율은 필요 비용과 시스템 유체 취급 능력에 의해 제한된다.

데볼트(DeVault) 등의 미국 특허 제5,205,136호에서는, 3중 효용 흡수 냉각 사이클의 효율을 더욱 향상시킨 방법이 개시되어 있다. 이러한 방법은 2중 응축기 결합 또는 단순히 DCC(double condenser coupling)로 인용된다. 여기서, 고온 스테이지에서 조성된 고온 냉매 증기는 응축되어 중간 온도 스테이지의 발생기를 구동하는데 이용된다. 그에 따른 액체 냉매 내에 포함된 열은 이 액체 냉매를 더욱 과냉각(subcooling)시킴으로써 저온 스테이지의 발생기를 구동하는데 이용된다. 중간 온도 및 저온 발생기들로부터의 응축물은 저온 응축기로부터의 응축물과 함께 소정의 냉매 효과를 생성하도록 시스템 증발기로 모두 팽창된다. 이러한 시스템이 종래 기술의 3중 효과 시스템들에 대해 개선된 것이더라도, 시스템 내에서 응축물 내의 이용가능한 열 모두가 충분히 이용되는 것은 아니다.

에릭슨(Erickson) 등의 미국 특허 제5,653,116호는 2개의 밀봉 루프를 포함하는 스플릿형 3중 효용 흡수 냉각 시스템을 개시하고 있다. 하나의 루프는 2중 효용 루프이고, 다른 하나의 루프는 2중 효용 루프의 고압 섹션과 중첩되는 단일 효용 루프이다. 열교환기들은 루프들 내에 그리고 약성 및 강성 용액 사이에 열을 교환하는 루프들 사이에 그리고 냉매 응축물과 비교적 약성인 용액 사이에 제공된다. 도2에 도시된 시스템의 한 형태에서, 2중 효용 루프의 제2 스테이지 내에서 조성된 응축물은 그 루프 내의 흡수기와 저온 발생기 사이를 통과하는 약성 용액과 열전달 관계에 있게 된다. 이 응축물은 약성 용액으로의 열을 방치한 채로 상부 스테이지 응축기로부터 저온 스테이지 응축기로 바로 통과된다.

그러므로, 본 발명의 주 목적은 다중 효용 흡수 냉각 시스템들을 개선하는 것이다.

도1은 시스템 성분들 사이의 열역학적 관계를 부가적으로 도시하며, 시스템 증발기로의 직접적인 응축물 팽창에 의한 단일 응축물 대 용액 결합을 이용하는 병렬 유동 3중 효용 시스템을 도시하는 본 발명의 제1 실시예의 개략도.

도2는 저온 응축기 다음에 증발기로의 상부 스테이지 응축물 팽창에 의한 응축물 대 용액 결합을 이용하는 병렬 유동 3중 효용 흡수 시스템을 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 개략도.

도3은 하부 스테이지 응축기 그리고 다음에 증발기로의 상부 스테이지 응축물들의 팽창에 의한 2중의 응축물 대 용액 결합을 이용하는 병렬 유동 3중 효용 흡수 시스템을 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하는 개략도.

도4는 저온 응축기 그리고 다음에 증발기로의 응축물 팽창에 의한 2중의 응축물 대 용액 결합을 이용하는 직렬 유동 3중 효용 흡수 시스템을 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하는 또 다른 개략도.

도5는 용액간 열교환기와 직렬로 연결된 본 발명에 이용되는 응축물 대 용액 열교환기를 도시하는 개략도.

도6은 용액간 열교환기와 일체로 구성된 응축물 대 용액 열교환기를 도시하는 개략도.

도7은 스테이지들 중의 하나의 스테이지로 들어가는 약성 용액에 열을 제공하도록 배열된 연도 가스 회로, 냉매 회로 및 2개의 용액 회로들을 갖는 일체식의 4개의 회로 열교환기를 도시하는 도6과 유사한 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 3중 효용 흡수 시스템

12 : 고온 발생기

14 : 중간 온도 발생기

16 : 저온 발생기

18 : 용액 공급 라인

19 : 용액 복귀 라인

20 : 고온 응축기

21 : 증기 라인

34 : 고온 용액간 열교환기

35 : 중간 온도 용액간 열교환기

36 : 저온 용액간 열교환기

본 발명의 상기 및 기타 목적들은 각각의 연속 유닛이 고압 및 고온에서 작동되도록 루프 내에 스테이지를 이룬 적어도 3쌍의 발생기 및 응축기 유닛들을 구비한 다중 효용 단일 루프 흡수 냉각 시스템에 의해 달성된다. 최고 온도의 스테이지의 발생기는 외부 동력원에 의해 구동되고, 각각의 저온 스테이지의 발생기는 다음의 고온 스테이지의 냉매 응축기에서 조성된 열에 의해 구동된다. 용액간 열교환기는 발생기로 전달된 용액과 발생기로부터 방출된 용액 사이의 에너지를 교환하도록 각각의 스테이지의 발생기와 연관된다. 또한, 응축물 대 용액 열교환기는 고온 스테이지의 응축물과 저온 스테이지의 발생기로 보내진 용액 사이의 열을 교환하기 위해 고온 스테이지 앞의 온도 스테이지의 발생기들 중 적어도 하나와 연관된다.

본 발명의 한 형태에서, 스테이지들 중 적어도 하나와 연관된 용액간 열교환기 및 응축물 대 용액 열교환기는 모두 연관된 스테이지의 발생기로 들어가는 약성 용액에 열을 제공하도록 일체로 구성된다. 고온 스테이지의 발생기에 동력을 공급하는데 이용되는 외부 열원으로부터 발산되는 연도 가스들로부터 일체식 열교환기 내의 약성 용액으로 추가적인 열이 가해질 수도 있다.

본 발명의 상기 및 기타 목적들을 보다 잘 이해하기 위해, 첨부된 도면과 관련하여 설명된 본 발명의 다음의 상세한 설명이 참조된다.

본 발명은 단일 루프 다중 효용 흡수 냉각 시스템을 포함하나, 예시적인 목적으로 3중 효용 시스템을 특별히 참조하여 본 시스템을 설명한다.

도1을 참조하면, 3중 효용 흡수 시스템(10)이 도시된다. 그 시스템은 제1 고온 발생기(12), 제2 중간 온도 발생기(14) 및 제3 저온 발생기(16)를 포함한다. 또한, 발생기들은 용액 공급 라인(18)을 통해 흡수기로부터 약성 흡수 용액을 수용하기 위해 흡수기(30)에 병렬로 연결된다. 강성 용액은 용액 복귀 라인(19)에 의해 흡수기로 복귀된다. 각각의 발생기는 연관된 응축기와 작동적으로 연결되거나 쌍을 이룬다. 고온 발생기는 증기 라인(21)에 의해 고온 응축기(20)로 연결되고, 중간 온도 발생기(14)는 증기 라인(24)에 의해 중간 온도 응축기(23)에 연결되고, 저온 발생기(16)는 증기 라인(26)에 의해 저온 응축기(25)에 연결된다. 각각의 응축기는 연관된 발생기와 실질적으로 동일한 압력으로 작동되고, 발생기로부터 수용되는 냉매 증기를 액체로 응축시키도록 배열된다. 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 응축된 냉매는 소정의 냉각 효과를 생성하도록 시스템 증발기(28)로 팽창된다. 증발기에서 조성된 기화 냉매는 증기 라인(29)에 의해 흡수기로 통과되고, 그곳에서 흡수제와 혼합되며, 이 사이클이 반복된다. 도시되지는 않았지만, 본 시스템은 다양한 시스템 성분들 사이에 용액을 이동시키도록 필요시에 하나 이상의 펌프들을 포함한다.

고온 발생기(12)에는 외부 열원(17)이 장착되는데, 그 외부 열원은 전형적으로 냉매를 증발시키고 증기를 응축기(20)로 방출시키는 온도로 발생기 내의 용액을 가열하도록 마련된 천연 가스, 오일, 증기 등이 이용된다. 고온 응축기(20) 및 중간 온도 발생기(14) 사이에 연장된 점선(32)으로 도시된 바와 같이, 응축 공정 중에 방출된 열은 중간 온도 발생기(14)로 에너지를 제공하는데 이용된다. 도시되지는 않았지만, 실제로 응축기(20)는 발생기(14)와 동일한 쉘 내에 내장될 수 있는데, 응축기의 열교환기 튜브들은 내부에 수용된 냉매를 증발시키기 위해 발생기로 전달된 상대적으로 약한 흡수 용액과 열전달 관계를 이룬다.

용액 유동 라인(18, 19)은 강성 및 약성 용액이 발생기 스테이지들과 흡수기 사이를 이동함에 따라 용액 열교환기들을 통과한다. 이들은 고온의 용액간 열교환기(34)와, 중간 온도의 용액간 열교환기(35) 및 저온의 용액간 열교환기(36)를 포함한다. 복귀하는 상대적으로 강한 용액이 각각의 스테이지를 벗어남에 따라, 그 용액은 복귀 라인 내에 장착된 적절한 스로틀링 밸브(37)에 의해 저압으로 팽창된다.

중간 온도 발생기(14)로부터의 냉매 증기는 증기 라인(24)에 의해 중간 응축기(23)로 통과되고 액체 응축물로 환원된다. 또, 점선(40)으로 도시된 바와 같이, 응축기(23)로부터의 열은 저온 발생기(16)에 에너지를 공급하는데 이용된다. 저온 발생기 내의 흡수 용액은 또 다시 가열되고, 발생기 내에 수용된 냉매는 증발되어 증기 라인(26)을 통해 제3 저온 응축기(25)로 통과된다. 응축기(23)로부터의 응축물은 라인(41)과 스로틀링 밸브(42)를 통과하여 시스템 증발기(28) 내로 팽창된다.응축기(25)로부터의 응축물은 유사하게 라인(44)과 밸브(46)를 통해 시스템 증발기로 통과된다.

전술된 바와 같이, 고온 응축기(20) 내에 응축된 고압 냉매는 중간 스테이지 발생기(14)를 가열하는데 이용되고, 액체 라인(53)을 통해 고온 액체로서 고온 응축기(20)로부터 방출된다. 응축물이 고온 응축기로부터 방출될 때, 용액간 열교환기(35)에 의해 제공된 열을 증대시키도록 발생기로 용액을 이동시킴에 따라 응축물은 약성 용액과 열전달 관계에 있게 된다. 응축물로부터 약성 용액으로의 열전달은 용액간 열교환기로부터 상류측으로 배치된 응축물 대 용액 열교환기(50)에서 발생된다. 용액간 열교환기에 관련한 응축물 대 용액 열교환기의 위치 설정은 별로 중요하지 않고, 응축물 대 용액 열교환기는 사이클 온도와 설계에 따라서 상류측(고온 스테이지로의 방향)이나 하류측(저온 스테이지로의 방향)에 위치될 수도 있고, 또는 용액간 열교환기와 일체로 구성될 수도 있다. 응축물 대 용액 열교환기로부터 방출된 과냉각된 응축물은 팽창 밸브(54)에 의해 시스템 증발기(28)로 직접 팽창된다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는 적절한 응축물 온도 수준을 기초로 하고 응축물 내의 이용 가능한 에너지를 다음의 더 고온의 발생기로 들어가는 약성 용액으로 교환함으로써 시스템의 효율을 높인 내부 열전달을 이용한다.

도5를 참조하면, 전술한 시스템에서 이용되는 비일체식 열교환기 구조의 확대 측면도가 도시된다. 응축물 용액 열교환기는 응축물 라인(53)과 약성 용액 라인(18)이 통과하는 하우징(60)을 포함한다. 본 기술 분야에서 공지되고 이용되는 임의의 적절한 설계의 열전달 장치(61)는 하우징 내에 수용되어 고온 응축물로부터 다음의 더 고온의 발생기로 이동되는 용액으로 에너지를 효율적으로 전달한다. 약성 용액 라인(18) 및 강성 용액 라인(19)이 통과하는 제2의 용액간 열교환기 하우징(63)은 하우징(60)으로부터 용액 유동 방향으로 하류측에 위치한다. 또, 열전달 장치(65)는 그 2개의 유동 사이에서 효율적으로 에너지를 교환하도록 하우징 내에 수용된다. 명백하게도, 그 2개의 열교환기의 상대 위치들은 용액간 열교환기가 응축물 대 용액 열교환기의 상류측에 있도록 뒤바뀌어질 수 있다.

도6은 본 시스템에서 적절히 이용되는 일체식 열교환기에 관한 것으로서, 응축물 라인(53)과 2개의 용액 라인(18, 19)이 단일 열교환기 하우징(67)을 통과하도록 구성되어 있다. 열전달 장치(68)는 다음의 더 고온의 발생기로 이동함에 따라 응축물과 강성 용액으로부터 약성 용액으로 이용 가능한 에너지를 전달하도록 배열된다.

도7은 버너 또는 흡수기(30)(도1)로부터 회수된 연도(flue) 가스로부터의 열을 부가적으로 이용하는 일체식 열교환기의 또 다른 실시예이다. 열교환기는 연도 가스 회수 라인(71)이 통과하는 하우징(70) 내에 수용된다. 또한, 약성 용액 라인(18) 및 강성 용액 라인(19)이 하우징을 통해 연장 배열되어 있다. 고온 발생기로부터의 냉매 증기는 라인(53)을 거쳐 하우징으로 통과되고, 그 다음에 고온 응축기로 통과된다. 또, 이용 가능한 에너지를 추출하도록 적절한 열전달 장치(73)가 하우징에 내장된다.

도2는 도1에 도시된 것과 유사한 3중 효용 병렬식 흡수 냉각 시스템을 개략적으로 도시하는데, 도면에서 동일한 참조 부호는 전술한 것과 동일한 부품을 나타낸다. 이 실시예에서, 중간 응축기(23)로부터 방출되는 냉매 응축물은 스로틀링 밸브(81)와 라인(80)을 통해 저온 응축기(25)로 보내진다. 유사하게, 응축물 대 용액 열교환기(50)로부터 벗어난 응축물은 스로틀링 밸브(83)와 라인(82)을 통해 동일한 응축기로 보내진다. 도시된 바와 같이, 중간 온도 응축기와 응축물 용액 열교환기로부터의 모든 응축물은 저온 응축기 내에서 배제되어, 냉각 효과를 생성하도록 증발기가 취급해야 하는 열량을 감소시키고 응축물이 포함된 응축기 내에서 열을 제거하는 작용을 한다. 이러한 개조는 사이클 COP를 약 3%까지 증가시키는 것으로 생각된다.

도3은 본 발명의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시하는 도면으로서, 3중 효용 흡수 시스템의 발생기들이 흡수기와 병렬 유동 관계로 다시 배치되고 2개의 응축물 대 용액 열교환기들로부터 저온 응축기로의 응축물 팽창에 의한 2중의 응축물 대 용액 결합 배열을 특징으로 한다. 또, 여기서 동일한 참조 부호들은 전술된 것과 동일한 부품들을 나타낸다. 이 실시예에서, 제1 응축물-용액 열교환기(50)를 벗어나는 응축물은 라인(86)과 스로틀링 밸브(87)를 통해 혼합기(85)로 보내진다. 중간 온도 응축기(23)에서 조성된 응축물은 또한 라인(88)을 거쳐 혼합기를 통과하고 열교환기(50)로부터의 응축물과 혼합된다. 혼합된 응축물은 라인(99)을 거쳐 제2 응축물 대 용액 열교환기(89)를 통과하는데, 여기서 혼합된 응축물은 시스템 흡수기로부터 제1 용액 열교환기(36)로 이동하는 용액과 열전달 관계로 배치된다. 혼합되고 과냉각된 응축물은 부가적인 열 제거를 위해 라인(90)과 스로틀링 밸브(91)를 통해 저온 응축기로 보내진다.

도4는 본 발명의 개시 내용을 구체화하는 3중 효용 시스템을 도시하는 것으로서, 여기서 3개의 스테이지들의 발생기(12, 14, 16)들이 흡수기(30)와 직렬 유동 관계로 연결되어 있다. 또, 여기서 이 시스템은 도3을 참조하여 자세히 전술된 바와 같이 2중의 응축물 대 용액 결합을 이용한다. 라인(86)에서 과냉각된 응축물은 혼합기(85) 내에서 라인(88) 내의 응축물과 혼합된다. 혼합된 응축물은 증발기로 들어가기 전에 부가적인 열 제거를 위해 라인(90)과 밸브(91)를 통해 저온 응축기로 보내진다.

본 발명의 다중 효용 흡수 시스템에 의하면 다중 효용 흡수 냉각 시스템의 성능 계수(COP)를 향상시킨다.

Claims (22)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 증발기 수단 및 흡수기 수단과,

    고온 스테이지, 중간 온도 스테이지 및 저온 스테이지를 포함하고, 고온 스테이지에서 조성된 열이 중간 온도 스테이지의 발생기를 구동하는데 이용되며, 중간 온도 스테이지에서 조성된 열이 저온 스테이지의 발생기를 구동하는데 이용되도록 스테이지들 내에서 작동적으로 연결된 3쌍의 발생기 및 응축기 유닛들과,

    흡수기 수단으로부터 각각의 스테이지의 발생기로 약성 용액을 공급하고, 강성 용액을 각각의 스테이지의 발생기로부터 다시 흡수기 수단으로 복귀시키는 유동 수단과,

    중간 스테이지의 발생기로 들어 온 약성 용액과 고온 스테이지로부터의 응축물이 열전달 관계를 이루도록 구성된 제1 응축물 대 용액 열교환기와,

    저온 스테이지의 발생기로 들어 온 약성 용액과 중간 온도 스테이지로부터의 응축물이 열전달 관계를 이루도록 구성된 제2 응축물 대 용액 열교환기와,

    중간 스테이지 응축기 및 제1의 응축물 대 용액 열교환기로부터의 응축물을 수집하고, 수집된 응축물을 제2의 응축물 대 용액 열교환기로 보내는 혼합 수단과,

    응축물 대 용액 열교환기들로부터의 응축물을 시스템의 저압 성분으로 팽창시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 루프 3중 효용 흡수 냉각 시스템.
13. 제12항에 있어서, 흡수기 수단으로 복귀되는 강성 용액과 각각의 스테이지의 발생기를 통과하는 약성 용액을 배치하는 각각의 스테이지와 연관된 용액간 열교환기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
14. 제13항에 있어서, 유동 수단은 스테이지들의 발생기들을 병렬 유동 관계로 연결하도록 배열된 것을 특징으로 하는 시스템.
15. 제13항에 있어서, 유동 수단은 스테이지들의 발생기들을 직렬 유동 관계로 연결하도록 배열된 것을 특징으로 하는 시스템.
16. 삭제
17. 제13항에 있어서, 중간 온도 및 저온 스테이지들과 연관된 용액간 열교환기들은 제1 및 제2 응축물 대 용액 열교환기들의 상류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
18. 제13항에 있어서, 중간 온도 및 저온 스테이지들과 연관된 용액간 열교환기들은 제1 및 제2 응축물 대 용액 열교환기들의 하류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
19. 삭제
20. 제12항에 있어서, 제2 응축물 대 용액 열교환기로부터 나온 응축물을 저온 스테이지의 응축기로 팽창시키는 스로틀링 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
21. 제12항에 있어서, 제2 응축물 대 용액 열교환기로부터 나온 응축물을 증발기 수단으로 팽창시키는 스로틀링 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
22. 제13항에 있어서, 스테이지들 중 하나의 스테이지와 연관된 응축물 대 용액 열교환기는 용액간 열교환기와 일체로 구성됨으로써, 강성 용액과 응축물로부터의 열이 연관된 스테이지의 발생기로 보내지는 약성 용액으로 전달되는 것을 특징으로 하는 시스템.