KR100426572B1 - 흡수식냉난방시스템의재생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡수식 냉난방 시스템의 재생기에 관한 것으로서, 특히 연소가스의 유효에너지를 최대한 활용하는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 연소실 내에 구비된 버너; 상기 버너의 상측에 배치된 핀 튜브 열교환기; 상기 연소실의 일측 상방에 배치된 용액 열 교환기; 일단부는 상기 용액 연 교환기와 관통되고 타탄부는 폐쇄되어 상기 용액 열 교환기의 강용액이 유입되는 강용액 분배모관, 상기 강용액 분배모관의 길이 방향으로 그 일단부가 관통 설치되며 강용액 분배모관의 강용액이 분배 유입되는 지관, 상기 지관의 타단부와 관통 설치되며 상기 지관을 통하여 유입된 강용액을 상기 열 교환기측으로 이송 합류시키도록 핀 튜브 열 교환기와 관로를 형성하는 용액 합류출관으로 이루어진 프리 히팅부;를 포함하는 흡수식 냉난방 시스템의 재생기에 있어서, 상기 강용액 분배관과 상기 용액 합류출관의 사이에 설치된 상기 지관은 상기 강용액 분배관의 용액 흐름을 원활하게 하도록 상기 분배 모관에서 상기 용액 합류출관측을 향하여 하측으로 경사지게 배열된다.

Description

흡수식 냉난방 시스템의 재생기

본 발명은 보일러 타입의 버너와 열교환기를 재생기로 사용한 흡수식 냉난방 시스템에 관한 것으로, 특히 많은 유효 에너지를 얻기 위한 흡수식 냉난방 시스템의 재생기에 관한 것이다.

일반적인 흡수식 냉난방 시스템은 암모니아 흡수식인 경우와 LiBr 흡수식인 경우로 대별되는데, 다른 점은 암모니아 흡수식인 경우에는 작동유체가 암모니아 수용액이고, LiBr 흡수식인 경우에는 작동유체가 LiBr 수용액이 되며, 냉매로서는 암모니아 흡수식인 경우 암모니아가, LiBr 흡수식인 경우에는 물이 사용된다.

즉, 재생기에서 암모니아 흡수식인 경우는 냉매로 암모니아와 흡수매체로 농도가 낮은 약용액이 만들어지고, LiBr 흡수식인 경우는 냉매로 물과 흡수 매체로 농도가 높은 농용액이 분리된다.

또한, 작동 압력 범위는 암모니아 흡수식인 경우는 고압에서, LiBr 흡수식인 경우는 저압에서 형성된다는 점이 다르다.

이하에서는 암모니아 흡수식을 기준으로 설명하며, LiBr 흡수식의 경우는 각각의 유체를 암모니아 흡수식의 경우와 매칭하여 생각하면 될 것이다.

보일러 타입 버너와 열교환기를 재생기로 사용한 경우의 암모니아 흡수식 냉난방 시스템은 도 1 에 도시된 바와 같이, 열을 발생시키는 버너(1)와, 상기 버너(1)로부터 발생되는 열을 가해줌으로써 강 용액으로부터 냉매증기와 약 용액을생성하는 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 냉각시켜 액체상태의 냉매로 응축시키는 응축기(4)와, 상기 응축기(4)로부터 응축된 액냉매를 더욱 과냉시키는 냉매열교환기(5)와, 상기 냉매열교환기(5)를 지나면서 더욱 과냉된 액냉매를 2상 상태(액상+기상)의 냉매로 비등시키는 증발기(6)와, 상기 증발기(6)에서 증발된 2상 상태의 냉매가 냉매열교환기(5)를 지나면서 응축기(5)에서 증발기(6)로 흐르는 상대적으로 고온의 액냉매와 열교환을 실시한 후 더욱 비등하여 냉매증기 상태로 되고, 이 냉매증기 및 재생기(2)로부터 생성된 약용액이 유입되는 흡수기(7)와, 상기 흡수기(7)로 유입된 냉매증기와 약용액 간의 접촉으로 흡수현상이 발생하여 원래의 재생기(2) 초기 농도의 강용액이 생성되고, 이 강용액을 정류기(3)로 펌핑하는 용액펌프(8)와, 상기 재생기(2)에서 생성된 약용액과 흡수기(7)에서 생성된 강용액이 열교환하는 용액열교환기(9)로 구성된다.

그리고, 냉매열교환기(5)와 증발기(6)의 사이 및 흡수기(7)와 용액열교환기(9)의 사이에는 고압부와 저압부의 압력차를 보상하는 리스트릭터(Restrictor)(10)가 위치하고, 상기 응축기(4), 증발기(6), 흡수기(7)로부터 냉매와 열교환을 하여 온도가 낮아지거나 높아진 냉방수 또는 난방수가 냉방 또는 난방을 위해 이동하는 실내기(11) 및 실외기 코일(도면상에 미도시)이 구비된다.

또한, 상기 재생기(2)는 도 2 와 같이, 강 용액이 유동하는 튜브(2a)와, 상기 튜브(2a)의 외경에 접촉하며 일부 겹쳐지게 수직으로 설치된 핀(2b)으로 구성된 핀-튜브 열교환기 형상이고, 상기 튜브(2a)의 토출측에는 재생기(2)로부터 생성되는 2상의 냉매를 냉매증기와 약용액 상태로 분리시키는 기액분리기(12)가 연결되며, 이 기액분리기(12)의 증기관(12a) 및 액관(12b)은 용액열교환기(9)에 연결된다.

도면상의 미설명 부호 13은 연소실이고, 14는 연소가스 배출기이며, 15는 연소가스 배기관이다.

이와 같이 구성된 종래의 암모니아 흡수식 냉난방 시스템은 먼저, 재생기(2)로 강용액이 유입되면 이 강용액은 튜브(2a)내를 흐르면서 연소부인 버너(1)에 의해 가열되어 2상 냉매(냉매증기+약용액) 상태가 되고, 튜브(2a)의 토출측에 연결된 기액분리기(12)로 유입되어 냉매증기와 약용액으로 분리된다.

이 중 냉매증기는 기액분리기(12)의 증기관(12a)을 통해, 약용액은 기액분리기(12)의 액관(12b)을 통해 용액열교환기(9) 내로 유입된다.

상기 용액열교환기(9)는 원통(9a) 내에 열교환을 위한 코일(9b)이 삽입되어 있는 형상으로 기액분리기(12)의 액관(12b)은 코일(9b)에 연결되어 있고, 증기관(12a)은 원통(9a)에 연결되어 있다.

이와 같이, 기액분리기(12)로부터 분리된 약용액은 용액열교환기(9)의 코일(9b)내로 유입되어 유동하게 되고, 냉매증기는 코일(9b)의 외부에서 이와 접촉하면서 상승하게 된다.

이때, 용액열교환기(9)의 상부로 강용액(정류기로부터)이 공급되면 코일(9b)의 표면을 적시면서 얇은 막 형태로 흐르게 되고, 약용액은 시스템내에서 최고온이므로 이 강용액을 가열하여 냉매증기를 발생시키며, 기액분리기(12)로부터 유입되어 원통(9a) 내부를 상승하는 냉매증기는 이에 의해 순도가 높아진 상태로 정류기(3)로 유입된다.

상기 정류기(3) 내로 유입된 냉매증기는 흡수기(7)로부터 용액펌프(8)의 펌핑을 통해 정류기(3)의 내부로 유입되는 강용액과 열교환을 한 후 재생기(2)에서 함께 증발된 물을 응축시켜 고농도의 냉매증기로 정류되어 진다.

한편, 기액분리기(12)에서 분리된 약용액은 흡수기(7)로 유입된다.

상기 정류기(3)에서 정류된 고농도의 냉매증기는 응축기(4)로 유입되어 응축기(4)에서 격리된 유로로 흐르는 저온의 냉각수와 열교환을 하여 액냉매 상태로 응축되고, 이 액냉매는 냉매열교환기(5)를 지나면서 증발기(6)에서 생성된 상대적으로 온도가 낮은 냉매증기와 열교환하여 더욱 과냉 상태의 액냉매가 되어 증발기(6)로 유입된다.

상기 증발기(6)내로 유입된 액냉매는 증발기(6) 주위를 흐르는 상대적으로 고온의 냉수와 열교환을 하여 2상의 냉매로 비등하고, 이 2상의 냉매는 다시 냉매열교환기(5)를 지나면서 상대적으로 고온인 액냉매와 열교환을 하고 더욱 비등하여 냉매증기가 되어 흡수기(7)로 유입된다.

상기 흡수기(7)로 유입된 냉매증기는 기액분리기(12)로부터 유입된 약용액과 에 흡수되어 강용액이 생성되고, 이때 발생되는 흡수열은 흡수기(7) 주위를 흐르는 저온의 냉각수에 의해 상쇄된다.

이때, 상기 흡수기(7)에서 생성된 강용액은 용액펌프(8)의 펌핑에 의하여 정류기(3)로 유입되었다가 용액열교환기(9)로 유입되고, 이 강용액은 코일(9b)내를 흐르는 약용액과 열교환을 하여 온도가 상승된 후 다시 재생기(2)로 유입되어 상기와 같은 작동을 순차적으로 반복하게 된다.

여기서, 시스템의 특성상 재생기(2)와 응축기(4)는 고압부를 형성하고, 증발기(6)와 흡수기(7)는 저압부를 형성하게 되는데, 이러한 압력의 차이는 다수의 리스트릭터(10)를 이용하여 해결하게 된다.

이와 같이, 상기 리스트릭터(10)는 유로의 단면적을 줄여줌으로써 압력손실을 유발, 양단의 압력차가 생기도록 하는 것이다.

이러한 흡수식 냉난방 사이클은 냉방 및 난방 기능의 히트펌프로서, 냉방의 경우에는 증발기(6)에서 냉매의 증발잠열로부터 냉방수를 얻을 수 있고, 난방의 경우에는 응축기(4)의 응축잠열 및 흡수기(7)의 흡수열로부터 난방수를 얻을 수 있다.

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

그러나 이러한 종래의 흡수식 냉난방 시스템에 있어 자체 재생기 연소부를 제작할 경우, 기존의 타제품의 연소부 생산 설비를 크게 수정해야 하므로 이에 따른 막대한 비용 소모로 인해 보일러 타입의 버너와 열교환기의 공용화 차원에서 같은 형태의 연소부를 사용할 때 기존 생산 규격에 따른 열교환기 사이즈에 한계가있게 되고, 이로 인해 재생기 출구에서의 냉매증기와 약용액 상태를 원하는 상태로 만드는 것이 어렵게 된다.

또한, 재생기 연소부 내의 고온의 연소 가스의 열에너지를 최대한 이용하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 재생기의 연소실 상단에 프리히팅(preheating)부를 형성함으로써 고온의 연소가스 유효에너지를 최대한 활용하는 데 그 목적이 있다.

도 1 은 일반적인 흡수식 냉난방 시스템의 사이클도.

도 2 는 종래 흡수식 냉난방 시스템의 재생기로서,

(가)는 연소부 구성도.

(나)는 열교환부 상세도.

도 3 은 본 발명에 의한 흡수식 냉난방 시스템의 재생기로서,

(가)는 연소부 구성도.

(나)는 열교환부 사시도.

(다)는 열교환부 측면도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

101 : 연소실 102 : 버너

103 : 핀 튜브 열교환기 104 : 프리히팅부

105 : 용액열교환기 106 : 강용액 분배 모관

107 : 용액 지관 108 : 용액 합류출관

109 : 냉매증기 탱크 110 : 냉매증기 출관

111 : 기액분리기 112 : 연소가스 배출기

113 : 연소가스 배기관

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연소실 내에 구비된 버너; 상기 버너의 상측에 배치된 핀 튜브 열교환기; 상기 연소실의 일측 상방에 배치된 용액 열 교환기; 일단부는 상기 용액 연 교환기와 관통되고 타단부는 폐쇄되어 상기 용액 열 교환기의 강용액이 유입되는 강용액 분배모관, 상기 강용액 분배모관의 길이 방향으로 그 일단부가 관통 설치되며 강용액 분배모관의 강용액이 분배 유입되는 지관, 상기 지관의 타단부와 관통 설치되며 상기 지관을 통하여 유입된 강용액을 상기 열 교환기측으로 이송 합류시키도록 핀 튜브 열 교환기와 관로를 형성하는 용액합류출관으로 이루어진 프리 히팅부;를 포함하는 흡수식 냉난방 시스템의 재생기에 있어서, 상기 강용액 분배관과 상기 용액 합류출관의 사이에 설치된 상기 지관은 상기 강용액 분배관의 용액 흐름을 원활하게 하도록 상기 분배 모관에서 상기 용액 합류출관측을 향하여 하측으로 경사지게 배열된 것을 특징으로 하는 흡수식 냉난방 시스템의 재생기를 제공한다.

바람직한 실시 예로는, 상기 강용액 분배 모관의 일측에는 상기 지관으로부터 생성되어 관을 따라 상승하는 냉매증기를 저장하였다가 용액 열교환기로 유출시키는 냉매증기 탱크가 설치되며, 상기 냉매증기 탱크는 하부는 강 용액 분배모관과 연통되고, 상부는 냉매증가 출관에 의해 상기 냉매증기 탱크와 용액 열교환기가 연통 설치된 것을 특징으로 하는 상기 흡수식 냉난방 시스템의 재생기.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3 은 본 발명에 의한 흡수식 냉난방 시스템의 재생기 구성도로서, 연소실(101) 내에 가열수단인 버너(102)와, 상기 버너(102)로부터 발생되는 연소열에 의해 가열되는 핀 튜브 열교환기(103)와, 상기 핀 튜브 열교환기(103)의 상단에 설치되는 프리히팅부(104)로 구성된다.

상기 프리히팅부(104)는 크게 3부분으로 나누어지는데, 용액열교환기(105)로부터 유입되는 강용액을 모아 다수의 방향으로 분배하는 강용액 분배 모관(106)과, 상기 강용액 분배 모관(106)으로부터 다수의 방향으로 분배되어 유동하면서 하부로부터 상승하는 연소가스에 의해 가열되는 다수의 용액 지관(107)과, 다수의 용액 지관(107)으로부터 유입되는 강용액을 모아 핀 튜브 열교환기(104)로 이송하는 용액 합류출관(108)으로 이루어진다.

이때, 강용액의 원활한 흐름을 위해 상기 강용액 분배 모관(106)은 용액 합류출관(108) 보다 높게 위치하며, 이에 의해 다수의 용액 지관(107)은 15°정도 경사 설치되어 강용액 분배 모관(106)과 용액 합류출관(108)의 사이에 위치하게 된다.

상기와 같이 용액 지관(107)을 경사지게 설치한 이유는 후술하는 강용액 분배 모관으로 유입된 강용액을 관로의 기능을 하는 다수의 용액 지관에서 분배된 후 용액 합류출관 측으로 원활하게 흘러서 이동되도록 하기 위함이다.

물론, 경사 정도는 임의로 조절이 가능하지만, 큰 경사를 줄 경우에는 강용액의 흐름은 원활한 반면 공간확보의 어려움이라는 문제를 제기할 수 있고, 15°의 각도보다 더욱 낮은 각도로 설치할 경우 기존과 별 차이점이 없기 때문이다.

이때, 용액 지관(107)에서 발생되는 냉매증기가 용액열교환기(105)로부터 유입되는 강용액의 흐름에 방해되지 않도록 냉매증기 탱크(109)와 냉매증기 출관(110)을 구비하게 된다.

도면상의 미설명 부호 111은 기액분리기이고, 112는 연소가스 배출기이며, 113은 연소가스 배기관이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 용액 열교환기(105) 하단에 고인 강용액은 연소실 상단부에 설치된 프리히팅부(104)의 강용액 분배 모관(106)으로 유입되고, 이 곳에 모인 강용액은 다수의 용액 지관(107)으로 분배되어 유동하며, 재생기의 핀 튜브 열교환기(103)와 열교환을 마친 고온의 연소가스와 대부분의 열교환을 수행하게 된다.

이때, 용액 지관(107)에서 발생되는 냉매증기가 용액열교환기(105)로부터 유입되는 강용액의 흐름에 방해되지 않도록 냉매증기 탱크(109)와 냉매증기 출관(110)을 구비하게 된다.

즉, 하부로부터 상승하는 고온의 연소가스에 의해 용액 지관(107)을 흐르는 강용액이 가열되어 냉매증기가 발생하게 되면 이 냉매증기가 냉매증기 탱크(109)에 모이고, 냉매증기 출관(110)을 통해 용액열교환기(105)로 유입되는 냉매증기에 합해질 수 있도록 해줌으로써 프리히팅부(104)로 흐르는 강용액의 흐름을 프리히팅부(104)에서 발생한 냉매증기가 방해하지 않도록 한 것이다.

상기 용액 지관(107)을 흐르면서 고온의 연소가스와 열교환을 통해 포화상태(saturation)에 이른 강용액은 용액 합류출관(108)에 다시 모이게 되고, 이 강용액이 핀 튜브 열교환기(103)로 이송되며, 이러한 과정은 시스템이 작동하는 동안 평형이 이루어진 상태에서 반복된다.

이후의 동작은 종래와 동일하므로 생략하기로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 연소실의 상단 적은 빈 공간에 재생기로 유입되는 강용액을 미리 가열할 수 있는 프리히팅부를 설치함으로써 보일러 타입의 연소부 및 열교환기를 흡수식 냉난방 시스템의 재생기용으로 사용할 때 공용화가 가능하게 되고, 이에 따라 기존의 보일러 버너 타입을 재생기용으로 사용할 때 연소부 공간의 사이즈 증가 없이 시스템의 재생기에서 요구되는 열교환 전열 면적을 확보할 수 있으며, 폐열을 이용함으로써 고온의 연소가스 유효에너지를 최대한 활용할 수 있어 시스템의 효율이 증가되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 연소실 내에 구비된 버너; 상기 버너의 상측에 배치된 핀 튜브 열교환기; 상기 연소실의 일측 상방에 배치된 용액 열 교환기; 일단부는 상기 용액 연 교환기와 관통되고 타단부는 폐쇄되어 상기 용액 열 교환기의 강용액이 유입되는 강용액 분배모관, 상기 강용액 분배모관의 길이 방향으로 그 일단부가 관통 설치되며 강용액 분배모관의 강용액이 분배 유입되는 지관, 상기 지관의 타단부와 관통 설치되며 상기 지관을 통하여 유입된 강용액을 상기 열 교환기측으로 이송 합류시키도록 핀 튜브 열 교환기와 관로를 형성하는 용액합류출관으로 이루어진 프리 히팅부; 를 포함하는 흡수식 냉난방 시스템의 재생기에 있어서,

   상기 강용액 분배관과 상기 용액 합류출관의 사이에 설치된 다수의 상기 지관은 상기 강용액 분배관의 용액 흐름을 원활하게 하도록 상기 분배 모관에서 상기 용액 합류출관 측을 향하여 하측으로 경사지게 배열된 것을 특징으로 하는 흡수식 냉난방 시스템의 재생기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 강용액 분배 모관의 일측에는 상기 지관으로부터 생성되어 관을 따라 상승하는 냉매증기를 저장하였다가 용액 열교환기로 유출시키는 냉매증기 탱크가 설치되며, 상기 냉매증기 탱크는 하부는 강 용액 분배모관과 연통 설치되고 상부는 냉매증기 출관에 의해 상기 용액 열교환기가 연통 설치된 것을 특징으로 하는 상기흡수식 냉난방 시스템의 재생기.

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