KR100381373B1 - 흡수식 냉난방기용 흡수용액 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡수식 냉난방기용 흡수용액 조성물에 관한 것으로, LiBr에 대하여 중량비로 LiCl 0.01 ∼ 0.1, LiNO₃0.01 ∼ 0.16, 에틸렌글리콜 0.10 ∼ 0.28가 혼합된 흡수용액을 제공하므로서 LiBr/H₂O 용액보다 흡수성능이 우수하고 결정온도도 낮아 넓은 작동영역에서 공냉 및 수냉형 흡수식 냉난방기의 운전을 가능하게 할 수 있으며. 흡수기 출구 용액온도가 50℃ 이내로서 냉각수 온도와의 온도차가 커지게 되어 흡수식 냉난방기의 열교환면적과 흡수기 용량을 적게할 수 있고 흡수기 입,출구에서 흡수용액의 농도차를 크게 할 경우 용액순환량이 감소하게 되어 흡수식 냉난방기의 성능을 향상시킬 수 있으며, LiBr/H₂O 용액으로는 실용화가 곤란한 공냉형 흡수식 냉난방기의 안정적인 운전도 가능하게 할 수 있었다.

Description

흡수식 냉난방기용 흡수용액 조성물{Absorbent solution composition for use with absorption refrigeration and heating apparatus}

본 발명은 흡수식 냉난방기의 작동매체인 흡수용액 조성물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 수냉형 흡수식 냉난방기의 성능을 향상시킬 수 있고 종래의 흡수용액으로서는 적용이 곤란한 공냉형 흡수식 냉난방기의 작동매체로서도 사용이 가능하며, LiBr에 대하여 중량비로 LiCl 0.01 ∼ 0.1, LiNO₃0.01 ∼ 0.16, 에틸렌글리콜 0.10 ∼ 0.28가 혼합된 것을 특징으로 하는 흡수식 냉난방기의 흡수용액 조성물에 관한 것이다.

흡수식 냉방기는 일반적으로 LPG 및 LNG 등의 가스를 열원으로 하며, 냉매로서 물을 사용하고 흡수용액으로서 할로겐화 금속의 수용액을 사용하여 냉매 및 흡수용액으로 이루어진 냉방사이클을 운전하는 냉방장치로서, 전기를 에너지원으로 하는 기존의 압축식 냉방기와는 달리 1차 열에너지를 이용하므로 하절기의 과다한 전력부하를 해소할 수 있으며, 폐열을 이용하여 열병합시스템에 활용할 수 있는 등의 장점을 지녀 냉방용으로 광범위하게 사용되고 있다.

종래의 흡수식 냉방기는 응축기 및 흡수기 부분의 냉각을 위하여 대형의 열교환장치가 요구되어 소형화가 불가능하였으나, 최근에는 이들 장치의 공냉화를 통해 냉방기를 소형화하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

일반적으로 이중효용 흡수식 냉난방기는 도 1에 도시된 바와 같이 흡수제를 진한 용액으로 분리되도록 하는 고온재생기(1)와 저온재생기(2), 재생기(1, 2)에서 가열에 의해 냉매가 증기 상태로 이동되는 것을 액화되도록 하는 열교환기(3,4)와 응축기(5), 냉매인 물이 증발되도록 하는 증발기(6) 및 증발된 냉매증기가 흡수제에 흡수가 이루어지도록 하는 흡수기(7)로 구성되어 있으며, 작동매체로는 물을, 냉매로는 LiBr/H₂O로 이루어진 흡수용액을 사용하고 있다.

도 1에 있어서, 실선은 흡수용액의 이동경로를 나타내고, 점선은 냉매의 이동경로를 나타내는 것으로, 증발기(6) 및 흡수기(7)의 내부는 진공을 유지하여 낮은 온도에서도 물이 기화될 수 있도록 하여 낮은 온도에서도 비등 즉, 냉매증기가 증발되는 현상이 이루어지도록 하는 것이며, 증발기(6)에 주입된 물을 냉매순환펌프로 강제 순환시켜 노즐에 의해 무화상태로 증발되는 것이고, 증발잠열은 흡수기(7)로 보내진다.

증발잠열은 주위의 열을 빼앗는 것으로, 증발기(6)의 내부 온도는 낮아지게 되어, 증발기(6)의 내부로 배관되는 냉각관이 냉각되며, 그 출력측에 연결된 냉각관에서 실내로 찬 공기를 공급할 수 있도록 하는 것이다.

그리고, 열교환기(3,4)를 거친 냉각관은 일부 온도가 상승된 상태로 다시 증발기(6)로 유입되고, 다시 증발잠열에 의해 냉각되는 것을 반복하여 실내 냉동기로 이용토록 하는 것이다.

상기와 같이 증발잠열을 얻기 위하여 증발되어 증발잠열을 가지고 있는 냉매증기는 흡수기(7)의 내부 상단에 위치된 노즐에 의하여 분무되는 흡수제 용액에 흡수되며, 흡수제의 성질에 의해 냉매증기가 흡수되어 흡수기(7) 하부에는 농도가 저하되어 흡수능력이 떨어진 묽은 용액이 모이고, 정상적으로 흡수식 냉온수기가 작동될 수 있는 진한 흡수용액으로 농축시키기 위하여 고온재생기(1)와 저온재생기 (2)로 강제 이송시킨다.

고온재생기(1)는 버너의 연소열로 흡수기(7)로부터 이송된 묽은 흡수제 용액을 가열하여 냉매증기를 증발시키고 진한 용액으로 농축시키며, 저온재생기(2)는 고온재생기(1)에서 발생한 고온의 냉매증기열을 가열원으로 하여 흡수기(7)로부터 이송된 묽은 용액을 진한 용액으로 농축시키게 하고, 재생기(1,2)로부터 재생되어 적절히 진한 농도를 갖는 흡수용액은 흡수기(7)내의 상단 분사노즐에서 다시 분무되며, 증발기(6)에서 기화되면서 증발잠열을 빼앗은 냉매증기를 다시 흡수하도록 하는 것이고, 고온재생기(1) 및 저온재생기(2)에서 발생된 냉매증기는 공기로 냉각시키는 응축기(5)에서 액화되어 다시 증발기(6)의 냉매로 공급되도록 하는 싸이클을 이루며 실내의 냉방기로 이용하도록 하는 것이다.

이 때 각 구성부품에서 용액의 상태를 듀링선도로 나타내면 도 2와 같다.

즉, 대기압 이하의 진공상태에서 물은 100℃ 이하의 낮은 온도에서 증발하는 원리를 이용하여 절대압력 6 ∼ 10mmHg 범위에서 작동하는 증발기(6)에서 물은 5∼ 10℃ 범위에서 증발한다. 증발된 물의 잠열로부터 냉방에 필요한 냉열을 얻으며, 흡수용액은 증발된 증기를 흡수기(7)에서 흡수하게 되고, 희석된 흡수용액은 흡수기(7)에서 재생기(1,2)로 이동하게 된다(B →C). 재생기(1,2)에서 희석용액은 가스 등의 외부 열원에 의해 가열되어 농축용액으로 농축되며(C →D), 증발된 증기는 응축기(5)에서 응축된다. 재생기(1,2)에서 농축된 농용액은 열교환 과정을 거친 후 흡수기(7)로 이동하게 되어 증기흡수응력을 회복하게 된다.

이러한 흡수식 냉난방기의 흡수용액으로 광범위하게 사용되고 있는 LiBr/H₂O의 경우, 흡수기(7) 압력 8.0mmHg, 흡수기(7) 입구온도 50℃에서 농용액농도(A)는 약 62.0%이고, 출구온도 40℃에서의 희석액농도(B)는 약 58.0%이다. 그러나, 하절기 냉각수 입구온도가 30℃ 이내이므로 냉각수와 흡수용액과의 온도차는 5℃ 이내로 작아 많은 전열면적이 필요하게 되고, 냉각수 입구 온도가 상승하거나 공냉형 흡수식 냉난방기와 같이 냉각 유체가 물이 아닌 공기로 냉각할 경우 열전달 효율이 떨어져 흡수용액의 온도가 높아짐에 따라 흡수기(7) 출구에서의 흡수용액의 평형상태가 B점에서 B'점으로 이동하게 되어 흡수기(7) 입,출구 평형상태점이 A →B에서 A →B'로 이동하게 된다.

따라서, 흡수기(7) 입,출구에서의 흡수용액의 농도차가 4% 이하로 작아지게 되고 동일한 흡수성능을 유지하기 위해서는 흡수식 시스템을 순환하는 흡수용액의 순환유량을 크게 하여야 하나 순환유량이 커짐에 따라 재생에 소요되는 열량이 커지게 되어 전체적으로 흡수식 냉난방기의 효율이 떨어지게 되며, 농도차를 크게 할경우 농용액 상태점인 A가 고농도영역인 A'로 이동하여야 하나 흡수용액의 결정한계로 운전이 불가능해지는 문제점이 있었다.

상기와 같이 LiBr/H₂O 용액의 문제점인 흡수용액의 결정한계를 완화하고 용해도를 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있고, 일본 특개소64-85278호, 소64-85279호, 평1-198678호에서는 LiBr/H₂O 용액에 Lil, LiNO₃, LiCl을 첨가하는 방법을 기재하고 있다.

그러나, Lil의 경우 LiBr/H₂O의 용해도를 향상시켜 결정한계를 크게 완화시키는 작용을 하지만, LiBr 등의 다른 무기물질과 비교시 가격이 매우 비싸고 흡수용액 본래의 목적인 증기흡수력이 떨어지는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 흡수성능이 우수하고 결정온도도 낮아 넓은 작동영역에서 공냉 및 수냉형 흡수식 냉난방기의 운전을 가능하게 할 수 있으며, 흡수식 냉난방기의 열교환면적과 흡수기 용량을 적게할 수 있고 흡수식 냉난방기의 성능을 향상시킬 수 있는 흡수식 냉난방기용 흡수용액 조성물을 제공하는 데 있다.

상기 목적 뿐만 아니라 용이하게 표출되는 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 LiBr에 대하여 중량비로 LiCl 0.01 ∼ 0.1, LiNO₃0.01 ∼ 0.16, 에틸렌글리콜 0.10 ∼ 0.28가 혼합된 흡수용액을 제공하므로서 LiBr/H₂O 용액보다 흡수성능이 우수하고 결정온도도 낮아 넓은 작동영역에서 공냉 및 수냉형 흡수식 냉난방기의 운전을 가능하게 할 수 있으며. 흡수기 출구 용액온도가 50℃ 이내로서 냉각수 온도와의 온도차가 커지게 되어 흡수식 냉난방기의 열교환면적과 흡수기 용량을 적게할 수 있고 흡수기 입,출구에서 흡수용액의 농도차를 크게 할 경우 용액순환량이 감소하게 되어 흡수식 냉난방기의 성능을 향상시킬 수 있으며, LiBr/H₂O 용액으로는 실용화가 곤란한 공냉형 흡수식 냉난방기의 안정적인 운전도 가능하게 할 수 있었다.

도 1은 이중효용 흡수식 냉난방기의 개략적인 구성도이며,

도 2는 LiBr/H₂O용액의 듀링선도이고,

도 3은 LiBr/H₂O용액과 LiBr/에틸렌글리콜/H₂O용액의 결정화온도를 나타내는 그래프이며,

도 4는 LiBr/에틸렌글리콜/H₂O용액의 증기압을 나타내는 그래프이고,

도 5는 LiBr/H₂O흡수용액에 LiNO₃의 혼합비에 따른 결정화온도를 나타내는 그래프이며,

도 6은 LiBr/LiNO₃/H₂O흡수용액(5:1:2, 몰비)에 LiCl의 혼합비에 따른 결정화온도를 나타내는 그래프이고,

도 7은 흡수용액들의 성능시험을 위한 흡수량을 나타내는 그래프이며,

도 8은 본 발명 흡수용액의 듀링선도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1. 고온재생기 2. 저온재생기

3,4. 열교환기 5. 응축기

6. 증발기 7. 흡수기

본 발명을 첨부 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 흡수식 냉난방기용 흡수용액 조성물은 LiBr에 대하여 중량비로 LiCl 0.01 ∼ 0.1, LiNO₃0.01 ∼ 0.16, 에틸렌글리콜 0.10 ∼ 0.28가 혼합된 것으로 특징지워진다.

본 발명에서는 종래의 흡수식 냉난방기용 흡수용액으로 가장 많이 사용되는 LiBr/H₂O 용액의 용해도를 향상시켜 결정한계를 크게 완화시키는 작용을 하는 것으로 알려져 있지만 가격이 상당히 비싸 실제적으로 거의 적용이 되지 않는 Lil를 대체할 수 있는 물질을 조사하되 유기물질을 대상으로 용해도와 증기압을 조사한 결과, 에틸렌글리콜을 첨가한 것이 효과적임을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이 LiBr/H₂O 용액에 에틸렌글리콜을 첨가할 경우,LiBr/H₂O 용액 보다 용해도가 증가함을 알 수 있었고, 도 4에 도시된 바와 같이 에틸렌글리콜을 첨가한 흡수용액이 LiBr/H₂O 용액 보다 증기흡수 구동력인 증기압 강하효과가 있어 증기 흡수력을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.

에틸렌글리콜의 첨가량은 무게비로 5 ∼ 10%가 효과적이며, 에틸렌글리콜의 사용량이 5% 미만일 경우에는 용해도 증가 정도가 미약할 뿐만 아니라 증기압 강하효과가 미약한 단점이 있고, 10%를 초과할 경우에는 용해도 증가 상승 효과와 증기압 강하 상승 효과가 미약하여 경제적이지 못한 문제점이 있다.

또한, 본 발명에서는 LiBr/H₂O 용액에 LiNO₃, LiCl을 첨가시 결정한계를 완화하고 용해도를 하는 효과가 있음이 밝혀진 사실에 대하여 에틸렌글리콜을 첨가시에도 동일한 효과가 있는지를 시험한 결과, 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이 LiBr/H₂O 용액에 LiNO₃, LiCl을 첨가한 용액 보다 흡수 용액으로서의 효과가 우수함을 확인하였다.

LiBr과 LiNO₃의 최적혼합비는 LiBr : LiNO₃= 5 : 1 ∼ 7 : 1의 범위이었으며, LiCl의 최적혼합비는 LiBr : LiNO₃: LiCl = 5 : 1 : 2이었다.

LiBr과 LiNO₃의 최적혼합비와 LiCl의 최적혼합비는 반복실험을 통하여 확인한 것이다.

다음의 실시예 및 실험예는 본 발명을 좀 더 상세히 설명하는 것이지만, 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

LiBr 1㎏에 대하여 질량비가 LiBr : LiNO₃: LiCl : 에틸렌글리콜 = 1 : 0.11 : 0.14 : 0.15가 되도록 각각의 성분들을 혼합하여 본 발명의 이중효용 흡수식 냉난방기용 흡수용액을 제조하였다.

실험예 1

실시예 1에서 제조된 흡수용액, LiBr/H₂O 용액, 일본 특개평1-198678호에 기재된 바와 같이 LiBr 1㎏에 대하여 질량비가 LiBr : Lil : LiNO₃: LiCl = 1 : 0.63 : 0.25 : 0.25가 되도록 각각의 성분들을 혼합한 흡수용액 각각을 용액농도 60%에서 흡수량을 비교 시험한 결과, 일본 특개평1-198678호에 기재된 흡수용액 보다 흡수력이 약 15 ∼ 20%가 향상되었고, LiBr/H₂O 용액 보다 약 5% 정도 향상되는 것으로 나타났으며, 이들의 시험 결과는 도 7에 도시하였다.

실험예 2

실시예 1에서 제조된 흡수용액을 사용하여 흡수식 냉난방기에서 운전을 행하고, 운전사이클을 듀링선도로 도 8에 도시하였다.

냉매증발온도 6.5℃, 흡수기 출구온도 50℃에서 운전할 경우, 흡수기 입,출구에서의 농도차를 4% 즉, 흡수기 입구에서의 흡수용액 농도는 66%, 출구에서의 농도는 62%로 하여 운전하였다.

도 8로부터 알 수 있는 바와 같이 흡수기 출구에서의 평형온도가 50℃ 이내이므로 냉각수 온도가 30℃일 경우, 온도차가 20℃로 LiBr/H₂O 용액 보다 매우 커 흡수기 전열면적을 작게 설계할 수 있고, 냉각수 온도가 상승하여도 운전범위내에서 흡수용액의 결정발생이 일어나지 않으며, 냉각매체가 물이 아닌 공기에 의해 냉각되는 공냉조건에서도 운전이 가능할 뿐만 아니라 운전중지 후 시스템이 외부온도와 평형상태를 이루어도 듀링선도로부터 알 수 있는 바와 같이 흡수용액의 결정이 발생되지 않아 희석운전이 필요하지 않다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 LiBr에 대하여 중량비로 LiCl 0.01 ∼ 0.1, LiNO₃0.01 ∼ 0.16, 에틸렌글리콜 0.10 ∼ 0.28가 혼합된 흡수용액을 제공하므로서 LiBr/H₂O 용액보다 흡수성능이 우수하고 결정온도도 낮아 넓은 작동영역에서 공냉 및 수냉형 흡수식 냉난방기의 운전을 가능하게 할 수 있으며. 흡수기 출구 용액온도가 50℃ 이내로서 냉각수 온도와의 온도차가 커지게 되어 흡수식 냉난방기의 열교환면적과 흡수기 용량을 적게할 수 있고 흡수기 입,출구에서 흡수용액의 농도차를 크게 할 경우 용액순환량이 감소하게 되어 흡수식 냉난방기의 성능을 향상시킬 수 있으며, LiBr/H₂O 용액으로는 실용화가 곤란한 공냉형 흡수식 냉난방기의 안정적인 운전도 가능하게 할 수 있었다.

Claims (3)

1. LiBr에 대하여 중량비로 LiCl 0.01 ∼ 0.1, LiNO₃0.01 ∼ 0.16, 에틸렌글리콜 0.10 ∼ 0.28가 혼합된 것을 특징으로 하는 흡수식 냉난방기용 흡수용액 조성물.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, LiBr 1㎏에 대하여 질량비가 LiBr : LiNO₃: LiCl : 에틸렌글리콜 = 1 : 0.11 : 0.14 : 0.15인 것을 특징으로 하는 흡수식 냉난방기용 흡수용액 조성물.