KR100409240B1 - 암모니아-물 흡수식 단효용 열펌프 시스템의 흡수기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각수, 냉매, 냉매 흡수용액의 순환으로 물질전달과 열전달이 동시에 수행되도록 하는 열흡수식 열펌프 시스템에 있어서: 냉각구 출입구(11)(12)를 구비하는 중앙공간과, 용액 유입구(13) 및 냉매 유입구(14)를 구비하는 하부공간과, 혼합용액 배출구(15)를 구비하는 상부공간으로 구획되는 통형의 몸체(10); 상기 몸체(10)의 중앙공간을 통과하며 하부공간과 상부공간을 연통하도록 장착되는 관다발(20); 및 상기 용액 유입구(13)와 냉매 유입구(14)의 유로가 구분된 경로를 통해 연통되도록 상기 관다발(20)의 하단에 장착되는 분배기(30)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 열 및 물질전달 능력이 향상되어 시스템의 고효율화에 기여하며 흡수식 열펌프의 상용화, 소형화 및 고효율화로 인한 적용범위를 확대하므로 대체 시스템으로서의 흡수식 열펌프산업상 매우 유용하다.

Description

암모니아-물 흡수식 단효용 열펌프 시스템의 흡수기 {Absorber for ammonia-water absorption single effect heat pump system}

본 발명은 암모니아-물 흡수식 열펌프에 사용되는 흡수기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 쉘 앤 튜브 형식의 열교환방식, 기포분사형 흡수방식 및 2중 기포 분배방식을 도입하여 열 및 물질전달이 향상되도록 하는 암모니아-물 흡수식 열펌프에 사용되는 흡수기에 관한 것이다.

1992년 몬트리올 협정에서는 CFC 및 HCFC의 사용을 각각 1997과 2002년부터 전면 금지시키기로 하였고, 1997년에는 2008∼2012년까지 전세계 온실가스 배출량을 5.2% 줄이는 것을 골자로 하는 교토 선언이 합의되었다. 이러한 상황을 타개하기 위한 많은 연구 중 흡수식 열펌프는 환경친화적인 자연냉매를 사용하는 열구동 시스템으로 다시 주목을 받고 있다.

그 중에서도 암모니아-물 흡수식 열펌프는 냉동, 가정용 및 소형 산업용에 폭넓게 사용될 수 있는 시스템이다. 각 유닛(Unit) 중 흡수기는 냉매와 냉매 흡수용액과의 물질전달과 냉각수로의 열전달이 동시에 일어나는 시스템의 핵심요소라고 할 수 있다. 고급의 열원으로 활용되도록 효과적인 흡수에 의한 저압유지로 효율향상을 도모하기 위해서는 고효율의 흡수기가 필요조건이다.

그런데 통상 종래의 흡수기는 냉매 흡수용액이 흡수기 벽면으로 흘러내리고 냉매가 흡수되는 박막형 흡수기 단위체가 적층되어 있는 평판형 열교환기 형태를 이루고 있다.

본 발명자들은 상기와 같은 점을 감안하여 쉘 앤 튜브 형식의 열교환방식, 기포분사형 흡수방식 및 2중 기포 분배방식을 암모니아-물 흡수식 단효용 열펌프 시스템의 흡수기에 도입함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 쉘 앤 튜브 형식의 열교환방식, 기포분사형 흡수방식 및 2중 기포 분배방식을 도입하여 암모니아 냉매가 기포 상태로 용액에 분배 및 혼합됨에 따라 열 및 물질전달 능력이 향상되도록 하는 암모니아-물 흡수식 단효용 열펌프 시스템의 흡수기를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 암모니아-물 흡수식 열펌프용 흡수기의 내부구성도,

도 2는 도 1의 각각 A-A 및 B-B 부분을 절단하여 나타내는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 흡수기 단위체를 이용하여 물질전달 및 열전달을 실험하기 위한 시스템의 개략도,

도 4는 본 발명 및 종래의 흡수기 단위체에서 물질전달 및 열전달의 비교결과를 나타내는 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 흡수기를 암모니아-물 흡수식 단효용 열펌프 시스템에 적용하는 배관도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 몸체 11, 12: 냉각수 출입구

13: 용액 유입구 14: 냉매 유입구

15: 혼합용액 배출구 18: 격판(baffle)

20: 관다발 30: 분배기

33, 34: 통공판

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 냉각수, 냉매, 냉매 흡수용액의 순환으로 물질전달과 열전달이 동시에 수행되도록 하는 열흡수식 열펌프 시스템에 있어서: 냉각구 출입구(11)(12)를 구비하는 중앙공간과, 용액 유입구(13) 및 냉매 유입구(14)를 구비하는 하부공간과, 혼합용액 배출구(15)를 구비하는 상부공간으로 구획되는 통형의 몸체(10); 상기 몸체(10)의 중앙공간을 통과하며 하부공간과 상부공간을 연통하도록 장착되는 관다발(20); 및 상기 용액 유입구(13)와 냉매 유입구(14)의 유로가 구분된 경로를 통해 연통되도록 상기 관다발(20)의 하단에 장착되는 분배기(30)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 몸체(10)는 중앙공간의 유로 길이를 연장하여 냉각수의 체류시간을 증가시키도록 복수의 격판(18)을 더 구비한다.

또한, 상기 분배기(30)는 용액 유입구(13)와 연통되는 제1통공판(33)과, 냉매 유입구(14)와 직접 연결되는 제2통공판(34)을 구비한다.

이와 같이 하여 본 발명은 쉘 앤 튜브 형식의 열교환방식을 기본으로 하고 기포분사형 흡수방식 및 2중 기포 분배방식을 혼합한 형태의 흡수기를 암모니아-물 흡수식 단효용 열펌프 시스템에 적용하게 된다.

이하 본 발명의 구성을 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 암모니아-물 흡수식 열펌프용 흡수기의 내부구성도이고, 도 2는 도 1의 각각 A-A 및 B-B 부분을 절단하여 나타내는 단면도이다.

본 발명은 냉각수, 냉매, 냉매 흡수용액의 순환으로 물질전달과 열전달이 동시에 수행되도록 하는 열흡수식 열펌프 시스템에 관련되고, 특히 암모니아-물 흡수식 단효용 열펌프에 적용하기 위한 기포분사 방식의 쉘 앤 튜브(Shell Tube)형 흡수기를 요지로 한다. 도 1은 1.5RT급의 소형 열펌프에 사용될 수 있도록 제작된 것으로 종래의 1.5RT용 박막모드 흡수기와 열교환 면적이 동일하도록 제작된 예를 나타낸다.

본 발명에 따른 몸체(10)는 중앙공간, 하부공간, 상부공간으로 구획된 통형 구조이다. 냉각수가 순환되는 중앙공간의 부피가 가장 크고, 하부 및 상부공간은 크기가 비슷하다. 중앙공간에는 냉각구 출입구(11)(12)가 구비되고, 하부공간에는 용액 유입구(13) 및 냉매 유입구(14)가 구비되고, 상부공간에는 혼합용액 배출구(15)가 구비된다.

또, 본 발명에 따르면 상기 몸체(10)의 중앙공간을 통과하며 하부공간과 상부공간을 연통하도록 관다발(20)이 설치된다. 관다발(20)은 몸체(10)의 중앙공간상에서 그 중심축과 평행하게 복수로 배치되도록 몸체(10)의 하부공간과 상부공간을 구분하는 판에 연결된다. 관다발(20)에 의해 하부공간과 상부공간이 연통되고 여기에 냉매와 냉매 흡수용액이 유동된다.

또, 본 발명에 따르면 상기 용액 유입구(13)와 냉매 유입구(14)의 유로가 구분된 경로를 통해 연통되도록 상기 관다발(20)의 하단에 분배기(30)가 장착된다. 서로 다른 경로로 순환되어 유입되는 냉매와 냉매 흡수용액은 분배기(30)를 통하여 합류된 다음 관다발(20)을 통과한다.

이때, 본 발명의 몸체(10)는 중앙공간의 유로 길이를 연장하여 냉각수의 체류시간을 증가시키도록 복수의 격판(18)을 더 구비한다. 격판(18)은 몸체(10)의 중심축과 직교하는 방향으로 평행하게 설치된다. 격판(18)은 전체적으로 접합되지 않고 일측면이 개방되는데, 개방된 부분이 지그재그로 교차하도록 배열되어 냉각수의 유동이 난류화되도록 한다. 이와 같이 하여 격판(18)은 관다발(20)과의 열교환 효율을 증대시키는 역할을 수행한다.

한편 몸체(10)에서 상부공간에 연결되는 미설명 부호 16은 압력계, 온도계 등을 설치하기 위한 연결구이다.

도 2 (a)에서, 본 발명의 분배기(30)는 용액 유입구(13)와 연통되는 제1통공판(33)과, 냉매 유입구(14)와 직접 연결되는 제2통공판(34)을 구비한다. 제1통공판(33)은 용액 유입구(13)와 직접 연결되지는 않으나 용액 유입구(13)로 들어온 용액이 몸체(10)의 하부공간에서 분배기(30)의 제1통공판(33)을 거쳐 관다발(20)에 이른다. 냉매 유입구(14)는 몸체(10)의 외부에서 하부공간으로 들어온 후 제2통공판(34)까지 연장되어 연결된다. 도시하는 바와 같이 제2통공판(34)은 제1통공판(33)의 중앙으로 배치된다.

도 2 (b)에서, 본 발명의 관다발(20)은 몸체(10) 상에 대칭적으로 배치할 필요는 없다. 도시에서 냉각구 출입구(11)(12) 측에 보다 큰 틈새가 형성되도록 관다발(20)이 편중적으로 배치되는 상태를 알 수 있다.

작동에 있어서, 본 발명의 흡수기 하류에 배치되는 발생기에서부터 나온 용액은 용액 유입구(13)로 유입되며 마찬가지로 흡수기 하류에 배치되는 증발기로부터 유입되는 암모니아 냉매는 냉매 유입구(14)로 유입된다. 유입된 냉매는 제1통공판(33)과 제2통공판(34)으로 이루어진 이중 구조의 분배기(30)를 통하여 흡수단위체인 관다발(20)로 효과적으로 유동된다. 분배기(30)는 유입냉매를 수직축 방향으로 한번 분배한 이후 다시 수평축 방향으로 분배할 수 있도록 설계되어 냉매를 복수의 경로로 분기시킨다. 냉각수는 몸체(10)의 측면에 고정된 냉각구 출입구(11)(12)를 통해 유입ㆍ배출된다.

도 3은 본 발명에 따른 흡수기 단위체를 이용하여 물질전달 및 열전달을 실험하기 위한 시스템의 개략도이다. 흡수기와 연결되는 냉각수, 용액 및 냉매의 배관 상에 각각 온도 측정기구을 위한 서모커플(Thermocouple)과 샘플을 측정하기 위한 샘플포트(Sample port)를 설치한다. 도 1의 관다발(20) 대신 하나의 도관을 몸체(10) 상에 일체화시킨다. 용액의 유로는 흡수기 상부 및 하부에 중복적으로 구성하고 밸브(3way 밸브)를 설치하여 필요에 따라 용액의 흐름을 반전시킨다. 냉매인 암모니아 가스는 탱크(봄베)를 이용하여 공급한다. 이에 따라 종래의 박막모드 흡수기 단위체와 본 발명에 따른 기포분사형 흡수기 단위체의 물질전달 및 열전달에 대한 비교 실험이 가능하다.

도 4는 본 발명 및 종래의 흡수기 단위체에서 물질전달 및 열전달의 비교결과를 나타내는 그래프이다. 각각의 흡수기 단위체를 동일 조건으로 작동시키며 물질전달 및 열전달에 대한 비교결과 자료를 얻는다. 물질전달과 열전달의 비교는 물질전달 계수 및 열전달 계수를 계산하여 산술적으로 수행한다.

도 4a에서, 물질전달에 있어서는 각각 종래 및 본 발명에 따른 두가지 형태의 흡수모드가 기체의 유입량이 증가하자 물질전달계수가 증가하며 용액의 변화에는 큰 영향이 나타나지 않는 비슷한 경향성을 보이고 있으며, 대부분의 실험조건에서 냉매 및 용액의 유속과 상관없이 기포분사형 흡수기가 5-10% 물질전달계수가 더 우수한 것으로 나타나고 있다.

도 4b에서, 열전달에 있어서는 두가지의 모드가 서로 다른 경향성을 보임을 알 수 있다. 종래의 박막모드는 용액의 유속이 증가함에 따라 열전달계수가 빠르게 증가하며, 기체의 증가에는 큰 영향을 받지 않는다. 반면 본 발명의 기포모드의 경우 용액의 유속 증가에 따라 열전달계수가 증가하긴 하나 그 증가폭이 박막모드에 비해 크지는 않고 기체의 유속 증가에 따라 확연한 증가를 나타낸다. 또한 이 결과에서도 알 수 있듯이 실험영역의 대부분에서 박막모드에 비해 기포모드가 열전달이 더 우수하다.

이하 본 발명의 구체적인 방법을 실시예를 들어 단계별로 설명하고자 하지만 본 발명의 권리범위는 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예

도 5는 본 발명에 따른 흡수기를 암모니아-물 흡수식 단효용 열펌프 시스템에 적용하는 배관도이다. 1.5RT급의 소형 규모로 암모니아-물 흡수식 열펌프를 구성하되, 흡수기(absorber)와 발생기(generator) 사이에 열교환기(heat exchanger)가 1개 설치되는 단효용 열펌프 시스템을 적용한다. 박막을 적층한 형태의 박막형 흡수기 및 셀튜브(ShellTube)형 기포분사방식의 흡수기는 상호 비교를 위해 열교환 면적을 동일하게 제작하고 교체를 위해 분리가 용이한 구조로 설치한다.

일반적인 압축식 냉동 사이클과 흡수식 냉동 사이클을 비교하면 응축기(condenser)와 증발기(evaporator)는 두 사이클 모두 필요한 요소이다. 즉 응축기를 통과하는 냉매는 저온, 고압으로 밸브를 통과하여 다시 저온, 저압의 냉매가 되어 증발기에 도달하게 된다. 냉동능력을 증발기에서 발휘한 이후 압축식 냉동 사이클의 경우 압축기(compressor)에서 다시 고온 고압의 기체 냉매를 만들어 응축기로 공급하게 되며 이때 압축기에서 전기에너지를 소모하게 된다. 그런데 흡수식에서는 전기에너지를 사용하는 압축기의 역할을 하기 위한 좀 더 복잡한 구조의 단위체가 추가된다. 그러나 냉매가 고온, 고압 상태로 다시 응축기로 보내지는 것에는 압축식과 다를바가 전혀 없다.

본 발명의 암모니아-물식 흡수식 열펌프의 경우 증발기에서 나온 저온, 저압의 암모니아 기체 냉매는 흡수기(absorber)에서 흡수액(연한 암모니아수)에 흡수되고, 흡수액(짙은 암모니아수)은 펌프를 통하여 재생기(generator)로 보내지고, 열에너지를 가하여 증발된 고온, 고압의 암모니아 냉매 기체는 응축기로 보내지고, 암모니아 냉매를 방출한 흡수액은 다시 흡수기로 순환된다.

본 발명은 흡수기의 설계가 주목적이며 암모니아의 흡수가 잘 일어나도록 흡수기의 냉각 효과를 뛰어나게 하여 낮은 온도로 유지하였으며, 암모니아 기체의 흡수가 잘 일어날 수 있도록 기포분사모드의 형식을 사용한다.

도 5에 따른 암모니아-물 흡수식 열펌프 시스템에서, T11→T14→T13→T12를 순환하는 라인은 흡수액의 유동을 나타내며, T21→T22→T23→T14→T13을 순환하는 라인은 암모니아 냉매의 유동을 나타낸다. T31∼T36은 모두 개별적인 냉각수 유동을 나타낸다. 먼저 냉매의 흐름을 살펴보면 응축기(condenser)에서 저온, 고압의 냉매가 밸브를 거쳐 증발기(evaporator)에 도달한 후 냉동 능력을 발휘하고 흡수기로 보내진다. 흡수기(absorber)에서는 흡수용액에 냉매가 완전히 흡수된 다음 발생기 또는 재생기(generator)에 이르러 열이 가해진다. 다시 증발 분리된 냉매는 응축기로, 연한 흡수액은 흡수기로 돌아가 냉동 사이클이 수행된다.

실험결과로서, 발생기에 동일한 열원을 주입하는 동시에 흡수기에서의 냉각수 유량을 동일하게 하는 조건으로 시스템을 작동하였을 때의 각 부분의 압력, 온도 및 COP에 대한 데이터를 수집한다.

표 1은 전열면적을 상호 동일하게 한 종래의 박막형 흡수기 및 본 발명에 따른 기포분사형 흡수기를 실제 시스템에 설치하고 작동한 결과를 비교하여 나타내는 데이터이다.

[표 1]

	종래 박막형 흡수기 부착시	본발명 기포분사형 흡수기 부착시
고압부압력(발생기)	13 bar	12.8 bar
저압부압력(증발기)	8 bar	7.5 bar
발생기 입구 용액온도	353.1K	351.1K
발생기 출구 용액온도	423.1K	421.1K
응축기 출구 냉매온도	306.1K	305.5K
증발기 출구 냉매온도	292.1K	289.1K
흡수기 입구 용액온도	360.8K	360.1K
흡수기 출구 용액온도	303.1K	302.4K
발생기 주입 열량	5.60kJ/s	5.60kJ/s
증발기 부하 열량	1.80kJ/s	1.97kJ/s
COP	0.321	0.352

표 1에서, 기포분사형 흡수기를 사용하였을 때 저압부의 압력이 0.5bar 이상 낮아지며, 증발기의 온도가 하강하고 COP의 증대 효과가 있다. 상기 결과는 종래의 흡수기와 비교하여 물질전달 효과가 더 커 흡수기의 압력은 낮아지며 동일 열교환 면적에서의 열전달 효과는 COP 증대에 기여함을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명 암모니아-물 흡수식 단효용 열펌프 시스템에서 흡수기에 쉘 앤 튜브 형식의 열교환방식, 기포분사형 흡수방식 및 2중 기포 분배방식을 도입하여 열 및 물질전달 능력이 향상되어 시스템의 고효율화에 기여하며 흡수식 열펌프의 상용화, 소형화 및 고효율화로 인한 적용범위를 확대하므로 대체 시스템으로서의 흡수식 열펌프산업상 매우 유용하다.

Claims (3)

1. 냉각수, 냉매, 냉매 흡수용액의 순환으로 물질전달과 열전달이 동시에 수행되도록 하는 열흡수식 열펌프 시스템에 있어서:

   냉각구 출입구(11)(12)를 구비하는 중앙공간과, 용액 유입구(13) 및 냉매 유입구(14)를 구비하는 하부공간과, 혼합용액 배출구(15)를 구비하는 상부공간으로 구획되는 통형의 몸체(10);

   상기 몸체(10)의 중앙공간을 통과하며 하부공간과 상부공간을 연통하도록 장착되는 관다발(20); 및

   상기 용액 유입구(13)와 냉매 유입구(14)의 유로가 구분된 경로를 통해 연통되도록 상기 관다발(20)의 하단에 장착되는 분배기(30)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 단효용 열펌프 시스템의 흡수기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 몸체(10)는 중앙공간의 유로 길이를 연장하여 냉각수의 체류시간을 증가시키도록 복수의 격판(18)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 단효용 열펌프 시스템의 흡수기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 분배기(30)는 용액 유입구(13)와 연통되는 제1통공판(33)과, 냉매 유입구(14)와 직접 연결되는 제2통공판(34)을 구비하는 것을 특징으로 하는 암모니아-물 흡수식 단효용 열펌프 시스템의 흡수기.