KR101071919B1 - 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템 - Google Patents

흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스를 압축하기 위한 압축 시스템에서 흡수식 냉동기를 냉각원으로 활용하는 가스 압축 시스템에 관한 것이다.
보다 구체적으로는 본 발명은 압축기를 통과하며 압축에 의해 가열된 냉각 대상가스가 갖는 열에너지와 외부로부터 공급되는 열원을 가열원으로 사용하고, 흡수제와 냉매가 혼합된 혼합물을 가열하여 상기 냉매와 상기 흡수제를 분리시켜 추출하는 재생기; 상기 재생기로부터 분리된 기상의 상기 냉매를 냉각수를 이용하여 응축시키는 응축기; 상기 응축기에서 응축된 액상의 상기 냉매를 저압에서 증발시켜 외부로부터 열에너지를 흡수하는 증발기; 상기 증발기에서 증발된 상기 냉매를 상기 흡수제로 흡수하여 상기 혼합물을 생성시키되, 상기 혼합물의 생성 반응에 적합한 온도를 유지하도록 상기 냉각수를 이용하여 냉각하며 상기 혼합물을 생성시키는 흡수기; 를 포함하여 이루어지되, 상기 증발기는 상기 증발기의 주변을 통과하는 상기 냉각 대상가스로부터 열에너지를 흡수하고, 상기 증발기의 주변을 통과하며 열에너지를 방출한 상기 냉각 대상가스는 상기 압축기로 유동시켜 압축하는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020090092667
흡수식 냉동기, 가스 압축, 가스 압축 시스템, 수냉식

Description

흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템{High efficient Gas Compression System using Absorption refrigeration}
본 발명은 가스를 압축하기 위한 압축 시스템에서 흡수식 냉동기를 냉각원으로 활용하는 가스 압축 시스템에 관한 것이다.
도 1 은 종래의 흡수식 냉동기의 개략적인 구성을 나타낸 구조도를 나타낸다.
도 1 을 참조하면 종래의 일반적인 흡수식 냉동기(10)는 증발기(13)에서 냉매의 증발에 의해 발생하는 저온의 열원을 건물의 냉방 등 다양한 냉각 필요처에 사용하고, 재생기(11)에 필요한 열원은 지역 난방열이나 혹은 가스를 연소시켜 발생하는 열을 이용하였다. 또한, 흡수기(14)와 응축기(12)에서 발생하는 고온의 열을 냉각시키기 위해 냉각탑(15)에서 냉각수를 순환시키는 방식을 활용하였다.
도 2 는 종래의 냉각탑을 이용한 가스 압축 공정을 나타내는 구조도를 나타낸다.
도 2 를 참조하면 종래의 일반적인 냉각탑을 이용한 가스 압축 공정에서는 상온 저압의 가스를 압축기(20)로 유입시켜 압축하면 압축에 의해 가스의 밀도가 높아지면서 고온 고압의 가스가 발생한다. 고온 고압의 가스는 냉각탑(23)으로부터 순환되는 냉각수를 이용하여 냉각한 후, 상온 고압의 가스가 되어 액적 분리기(22)를 거쳐 저장된다. 고온 고압의 가스 냉각에 사용된 고온의 냉각수는 다시 상기 냉각탑(23)으로 유입되어 냉각한 후 재사용된다.
종래의 문제점을 살펴보면,
첫째, 기존의 가스 압축 공정에서는 압축으로 인한 열을 냉각시키기 위해 해수(海水)를 사용하기 어려운 단점이 있었다. 해수(海水)를 냉각수로 사용할 경우, 해수(海水)에 포함된 염분이 고온(약 65 ℃ 이상)이면 열전달을 방해하는 스케일을 형성시키기 때문이다. 이에 따라, 풍부한 자원인 해수(海水)를 냉각수로 사용하지 못하고 담수를 냉각탑이나 해수로 다시 한 번 더 냉각하는 방식을 채용해 왔다.
둘째, 담수를 공기나 해수로 냉각하는 방식은 추가적인 비용 소모를 초래하므로 경제적이지 못하다. 예를 들어, 냉각탑을 이용한 수냉식 가스 압축 공정에서는 고온의 압축 가스를 냉각탑에서 순환되는 냉각수로 직접 냉각해야 하므로, 냉각수의 냉각을 위한 에너지 소모가 큰 문제가 있다.
셋째, 도 1 에서 도시한 종래의 흡수식 냉동기(10)는 상기 재생기(11)의 열원을 별도의 연소 장치에 의해 얻게 되므로 별도의 에너지를 소모해야 하는 단점이 있다.
따라서, 가스 압축을 위한 압축기와 압축된 가스를 냉각하기 위한 냉각 장치의 과부하를 방지하고 가스 압축 공정에서 에너지를 효율적으로 소모하며 냉각원으로 해수(海水)를 활용할 수 있는 가스 압축 시스템의 개발이 요구된다.
본 발명은 흡수식 냉동기를 이용하여 가스 압축의 전 단계에서 증발기에 의해 가스를 냉각하여 밀도를 높여 압축 효율을 높이고 압축 후 고온의 가스를 재생기의 열원으로 활용하여 가스의 냉각 효율을 높인 고효율 가스 압축 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 물(H2O)이나 암모니아(NH3)와 같은 자연 냉매를 활용하여 친환경적인 흡수식 냉동기를 구비한 가스 압축 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 흡수식 냉동기와 보조 냉각기에서 해수(海水)를 냉각원으로 활용할 수 있는 경제적인 가스 압축 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 가스를 압축하기 위한 가스 압축 시스템에 있어서, 압축기(170)를 통과하며 압축에 의해 가열된 냉각 대상가스(160)가 갖는 열에너지를 열원으로 사용하고, 흡수제(141)와 냉매(131)가 혼합된 혼합물(142)을 가열하여 상기 냉매(131)와 상기 흡수제(141)를 분리시켜 추출하는 재생기(110); 상기 재생기(110)로부터 분리된 기상의 상기 냉매(131)를 냉각수(151)를 이용하여 응축시키는 응축기(120); 상기 응축기(120)에서 응축된 액상의 상기 냉매(131)를 저압에서 증발시켜 외부로부터 열에너지를 흡수하는 증발기(130); 상기 증발기(130)에서 증발된 상기 냉매(131)를 상기 흡수제(141)로 흡수하여 상기 혼합물(142)을 생성시키되, 상 기 혼합물(142)의 생성 반응에 적합한 온도를 유지하도록 상기 냉각수(151)를 이용하여 냉각하며 상기 혼합물(142)을 생성시키는 흡수기(140); 를 포함하여 이루어지되, 상기 증발기(130)는 상기 증발기(130)의 주변을 통과하는 상기 냉각 대상가스(160)로부터 열에너지를 흡수하고, 상기 증발기(130)의 주변을 통과하며 열에너지를 방출한 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 압축기(170)로 유동시켜 압축하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 재생기(110)에서 상기 흡수기(140)로 이동하는 상기 흡수제(141)와 상기 흡수기(140)에서 상기 재생기(110)로 이동하는 상기 혼합물(142)이 상호 열교환 되도록 상기 흡수기(140)와 상기 재생기(110)간 유동 경로 상에 구비되는 제 1 열교환기(143)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 재생기(110)의 주변을 통과하며 열에너지를 방출한 상기 냉각 대상가스(160)의 냉각을 보조하기 위해, 상기 재생기(110)의 주변을 통과한 상기 냉각 대상가스(160)가 이동하는 경로 상에 보조 냉각기(180)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 증발기(130)의 주변을 통과하며 열에너지를 방출한 상기 냉각 대상가스(160)가 상기 압축기(170)로 유동하는 경로에는 상기 냉각 대상가스(160)의 냉각에 의해 발생한 응축물을 제거하기 위해 응축물 제거기(190)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 재생기(110)에서 상기 혼합물(142)의 가열에 사용되는 열원을 보조하기 위해, 상기 재생기(110)에는 상기 재생기(110)로 열에너지의 공급을 보조하기 위한 보조 열교환기(111)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 보조 냉각기(180)는 상기 냉각수(151)를 이용하여 냉각하되, 상기 냉각수(151)는 해수인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 냉각수(151)가 유동되는 냉각 라인(150)에는 상기 흡수기(140), 상기 응축기(120), 상기 보조 냉각기(180)에서 냉각에 사용된 상기 냉각수(151)의 열에너지를 이용하기 위한 제 2 열교환기(152)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 흡수제(141)와 상기 냉매(131)는 상기 흡수제(141)로 물(H2O)을 사용하고 상기 냉매(131)로 암모니아(NH3)를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 흡수제(141)와 상기 냉매(131)는 상기 흡수제(141)로 브롬화리튬(LiBr)을 사용하고 상기 냉매(131)로 물(H2O)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 압축기(170)는 제 1 압축기(171), 제 2 압축기(172), 최종 압축기(179)를 포함한 다수개로 구비되며, 최초로 상기 증발기(130)의 주변을 통과하는 상기 냉각 대상가스(160)가 제 1 압축기(171)로 유입되고, 상기 제 1 압축기(171)를 통과하는 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 재생기(110)의 주변을 통과하며 열에너지를 방출하는 제 1 압축 과정을 수행하고, 상기 제 1 압축 과정을 완료한 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 증발기(130), 상기 제 2 압축기(172), 상기 재생기(110)를 차례로 거치는 제 2 압축 과정을 수행하며, 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 증발기(130), 다수개의 상기 압축기(170), 상기 재생기(110)를 거치며 압 축 과정을 반복하여 순환하되, 최종 압축 과정에서 상기 냉각 대상가스(160)가 최종적으로 유입되는 상기 최종 압축기(179)를 통과한 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 재생기(110)의 주변을 통과한 후 압축가스 탱크(165)로 저장되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템은,
첫째, 압축기에서 가스를 압축하기 전에 흡수식 냉동기의 증발기에서 가스를 냉각하여 가스의 밀도를 높여주므로 압축 효율이 뛰어나고 압축을 위한 에너지 소모가 적어 경제적이다.
둘째, 가스를 압축한 후 고온의 가스를 냉각시키기 위해 흡수식 냉동기의 재생기에서 열원으로 활용하여 가스를 1차적으로 냉각시켜주므로 냉각 효율이 뛰어나고 보조 냉각기에서 냉각을 위한 에너지 소모가 적은 장점이 있다.
셋째, 자연 친화적인 냉매를 활용할 수 있으므로 친환경적이다.
넷째, 응축기와 흡수기 및 보조 냉각기에서 사용한 고온의 냉각수를 열원으로 재활용할 수 있어, 에너지를 효율적으로 활용할 수 있다.
다섯째, 종래의 냉각 방식보다는 상대적으로 저온인 가스를 냉각하므로, 냉각수로 해수(海水)를 활용하더라도 열전달면에 스케일이 발생하지 않아 경제적이다.
일반적으로 흡수식 냉동기는 냉매가 증발되는 증발기, 흡수제에 의해 냉매가 흡수되는 흡수기, 흡수된 냉매를 가열하여 냉매를 재생하는 재생기, 냉매를 응축하는 응축기를 배관 접속하여 구성될 수 있다. 이러한 흡수식 냉동기는 상기 흡수기에서 흡수제가 냉매를 흡수하는 경우 발생되는 열을 제거하고, 증발된 냉매를 응축시킬 수 있도록 냉각 장치가 구비된다.
또한 가스를 냉각시키는 대표적인 방법으로 공랭식과 수냉식을 들 수 있다. 가스 압축 시스템에서는 가스의 압축에 따른 가스 밀도 변화로 인해 가스의 온도가 상승하게 되므로 가스 냉각이 필수적으로 요구된다. 공랭(空冷)은 기계장치 등에서 발생된 열을 공기로 냉각하는 방법으로 공랭식은 다시 자연적으로 공기와 접촉해 열을 식히는 자연공랭식과, 팬을 사용해 냉각하는 강제공랭식으로 분류될 수 있다. 공랭식은 수냉식에 비해 비교적 간단한 구조로 형성될 수 있다는 장점이 있으나, 냉각 효율이 떨어지며 이에 따라 냉각량이 많은 경우 에너지 소모가 크다는 단점이 있다. 이에 비해 수냉식은 기계장치 등에서 발생된 열을 물 또는 액체를 활용하여 냉각하는 방법이다.
종래 가스 압축 시스템에서 압축된 고온의 가스를 냉각하기 위한 방법으로 공랭식과 냉각탑을 이용한 수냉식을 많이 사용하였으나 모두 에너지 소모가 크므로 효율이 떨어지는 문제가 있다. 이하에서는 본 발명인 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템에 대해 도면을 참조하여 일실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3 은 본 발명에 의한 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 구조도를, 도 4 는 본 발명에 의한 압축기가 복수개로 구비된 다중 효용 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템의 예시적인 구성을 나타내는 구조도를 나타낸다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 흡수식 냉동기를 이용한 가스 압축 시스템(100)은 재생기(110), 응축기(120), 증발기(130), 흡수기(140), 압축기(170)를 포함할 수 있고, 보조 냉각기(180), 응축물 제거기(190), 제 1 열교환기(143), 제 2 열교환기(152)를 선택적으로 구비할 수 있다. 이하에서는 상기 흡수식 냉동기를 이용한 가스 압축 시스템(100)에서의 냉매(131)의 흐름에 따라 먼저 설명한 후, 냉각 대상가스(160)의 흐름에 따라 설명하기로 한다. 도 3 및 도 4 에서 점선은 냉각수(151)의 유동을 나타내는 냉각 라인(150)을 나타내고, 실선은 상기 냉매(131)의 유동을 나타내며, 굵은 실선은 상기 냉각 대상가스(160)의 흐름을 나타낸다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 재생기(110)는 상기 압축기(170)를 통과함에 따라 압축에 의해 가열된 고온의 상기 냉각 대상가스(160)에 포함된 열에너지를 열원으로 사용할 수 있다. 또한, 상기 재생기(110)의 열원으로 상기 압축기(170)를 통과하며 압축에 의해 가열된 고온의 상기 냉각 대상가스(160)에 포함된 열에너지만으로 부족할 경우를 대비하여, 외부로부터 공급되는 열원을 추가하여 구비할 수 있다. 따라서 상기 재생기(110)에서 상기 혼합물(142)의 가열에 사용되는 열원을 보조하기 위해, 상기 재생기(110)에는 상기 재생기(110)로 열에너지의 공급을 보조 하기 위한 보조 열교환기(111)가 선택적으로 더 구비되는 실시예를 고려할 수 있다. 상기 보조 열교환기(111)의 경우 연속적으로 동작하지 않고 상기 재생기(110)에서 상기 혼합물(142)을 가열하여 상기 냉매(131)와 상기 흡수제(141)로 분리시켜 추출하기 위한 열에너지가 부족한 경우에만 필요에 따라 선택적으로 운용할 수 있다. 상기 보조 열교환기(111)는 수냉식 또는 공랭식일 수 있으며, 다양한 형태의 열교환기일 수 있다. 상기 보조 열교환기(111)의 열에너지를 활용한 온수 또는 고온의 가스나 스팀 등이 상기 재생기(110)로 유입될 수 있도록 배관이 연결될 수 있다. 상기 재생기(110)는 상술한 열원으로 흡수제(141)와 상기 냉매(131)가 혼합된 혼합물(142)을 가열하여 상기 냉매(131)와 상기 흡수제(141)를 분리시켜 추출하는 역할을 수행한다. 즉, 상기 재생기(110)는 상기 냉매(131)를 흡수하여 농도가 묽어져 흡수 능력이 저하된 상기 혼합물(142)을 가열하여 상기 흡수제(141)를 진한 농도의 흡수제 용액으로 만드는 곳이다. 동시에 상기 압축기(170)를 통과한 고온 고압의 상기 냉각 대상가스(160)를 1차적으로 냉각시켜 후술하게 될 상기 보조 냉각기(180)의 부하를 줄이고 냉각 효율을 높이기도 한다.
상기 재생기(110)의 내부에는 상기 압축기(170)를 통과함에 따라 압축에 의해 가열된 고온의 상기 냉각 대상가스(160)에 포함된 열에너지를 열원으로 활용하여 상기 혼합물(142)을 가열할 수 있는 재생기 내부 열교환기(도면번호 미부여)가 구비될 수 있다. 상기 재생기 내부 열교환기(도면번호 미부여)에는 고온의 상기 냉각 대상가스(160)에 포함된 열에너지를 열원으로 활용한 온수 또는 고온의 가스나 스팀이 유입 및 유출될 수 있도록 배관이 각각 연결될 수 있다. 상기 재생기(110) 의 상부에는 상기 혼합물(142)을 가열하여 분리된 상기 냉매(131)가 유동될 수 있도록 냉매 배관(도면번호 미부여)이 연결될 수 있고, 상기 냉매 배관(도면번호 미부여)을 통해 분리된 상기 냉매(131)는 상기 응축기(120)로 이동하게 된다. 상기 재생기(110)에는 상기 혼합물(142)을 가열하여 분리된 상기 흡수제(141)를 상기 흡수제(141)로 이송시키기 위한 흡수제 배관(도면번호 미부여)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 재생기(110)에는 상기 흡수기(140)에서 이송되는 상기 혼합물(142)이 유입될 수 있도록 혼합물 배관(도면번호 미부여)이 연결될 수 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 응축기(120)는 상기 재생기(110)에서 가열에 의해 분리된 기체 상태의 상기 냉매(131)를 상기 냉각수(151)를 이용하여 응축시키는 장치이다. 상기 냉매(131)는 냉매의 종류에 따라 다르나 상기 재생기(110)에서 가열에 의해 증발시켜 분리된 것으로 고온 고압의 상태인 것이 일반적이다. 상기 응축기(120)의 하단에는 응축된 액체 상태의 상기 냉매(131)를 상기 증발기(130)로 유동시킬 수 있도록 냉매 배관(도면번호 미부여)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 응축기(120)의 내부에는 상기 냉각수(151)가 유동할 수 있도록 응축기 내부 열교환기(도면번호 미부여)가 구비될 수 있다. 상기 응축기(120)내에서 상기 냉각수(151)의 유동에 대한 설명은 후술하기로 한다. 그 밖에 상기 응축기(120)에 대한 내용은 일반적인 흡수식 냉동기에서의 응축기와 동일하므로 생략한다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 증발기(130)는 상기 응축기(120)에서 응축된 액체 상태의 상기 냉매(131)를 저압에서 증발시켜 외부로부터 열에너지를 흡수하는 장치이다. 상기 증발기(130)는 설계에 따라 상기 흡수기(140)와 함께 단일의 동체 내부에 구비될 수 있다. 상기 증발기(130)의 내부에는 증발기 내부 열교환기(도면번호 미부여)가 구비되는 것이 바람직하다. 상기 증발기(130)는 저압의 상태를 유지하여 상대적으로 낮은 온도에서 상기 냉매(131)가 증발하도록 유도한다. 상기 냉매(131)가 증발하면서 상기 증발기(130)의 주변을 통과하는 상기 냉각 대상가스(160)로부터 열에너지를 흡수하여 상기 냉각 대상가스(160)를 냉각시키는 역할을 한다. 상술한 바와 같이 상기 냉각 대상가스(160)가 상기 압축기(170)로 유입되어 압축되기 전에 상기 증발기(130)의 주변을 통과하여 1차적으로 냉각되며 냉각에 따라 상온일 경우보다 밀도가 높아져 상기 압축기(170)에서의 압축 효율을 높여주고 에너지 소모를 감소시킨다. 상기 증발기 내부 열교환기(도면번호 미부여)는 상기 응축기(120)를 통과한 액체 상태의 상기 냉매(131)를 계속적으로 증발시켜 냉각 작용을 하며, 증발된 기체 상태의 상기 냉매(131)는 상기 흡수기(140)로 이송된다. 상기 냉각 대상가스(160)에 대해서는 후술하기로 한다. 그 밖에 상기 증발기(130)에 대한 내용은 일반적인 흡수식 냉동기에서의 증발기와 동일하므로 생략한다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 흡수기(140)는 상기 증발기(130)에서 증발된 상기 냉매(131)를 상기 흡수제(141)로 흡수하여 상기 혼합물(142)을 생성시키는 장치이다. 상기 흡수제(141)가 상기 냉매(131)를 흡수하는 과정은 일반적으로 발열 과정이므로, 상기 흡수제(141)가 상기 냉매(131)를 지속적으로 흡수할 수 있도록 적정 온도를 유지해야 한다. 이를 위해 상기 흡수기(140)의 내부에는 흡수기 내부 열교환기(도면번호 미부여)가 구비되는 것이 바람직하다. 상기 흡수기 내부 열교환기(도면번호 미부여)는 상기 흡수제(141)가 상기 냉매(131)를 흡수할 때 발생하는 열을 상기 냉각수(151)를 이용하여 상쇄하는 역할을 한다. 따라서 상기 흡수기(140)는 상기 혼합물(142)의 생성 반응에 적합한 온도를 유지하도록 상기 냉각수(151)를 이용하여 냉각하며 상기 혼합물(142)을 생성시킨다. 상기 흡수기(140)내를 유동하는 상기 냉각수(151)의 유동에 대한 설명은 후술하기로 한다. 상기 흡수기(140)의 상부에는 고농도의 상기 흡수제(141) 용액이 상기 재생기(110)로부터 유입될 수 있도록 상기 흡수제 배관(도면번호 미부여)이 연결될 수 있다. 상기 흡수기(140)의 하부에는 기체 상태로 증발된 상기 냉매(131)를 흡수하여 농도가 묽어진 흡수제 용액인 상기 혼합물(142)을 상기 재생기(110)로 유동시키도록 상기 혼합물 배관(도면번호 미부여)이 연결되는 것이 바람직하다. 상기 혼합물 배관(도면번호 미부여)에는 설계에 따라 상기 혼합물(142)을 상기 재생기(110)로 이송시키기 위한 펌프(도면 미도시)가 포함될 수 있다. 그 밖에 상기 흡수기(140)에 대한 내용은 일반적인 흡수식 냉동기에서의 흡수기와 동일하므로 생략한다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 흡수식 냉동기를 이용한 가스 압축 시스템(100)은 상기 제 1 열교환기(143)을 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 제 1 열교환기(143)는 상기 재생기(110)에서 분리되어 상기 흡수제(141)로 돌아가는 상기 흡수제(141)와 상기 흡수기(140)에서 상기 재생기(110)로 이송되는 상기 혼합물(142)을 상호 열교환 시키는 장치이다. 즉, 상기 재생기(110)에서 가열에 의해 분리된 상기 흡수제(141)에 포함된 열에너지를 상기 흡수기(140)에서 혼합된 상기 혼합물(142)로 전달시켜 상기 혼합물(142)을 가열하는 과정이다. 따라서, 상기 제 1 열교환기(143)는 상기 흡수기(140)와 상기 재생기(110)간 상기 흡수제(141)와 상기 혼합물(142)의 유동 경로 상에 구비되는 것이 바람직하다. 열효율 측면을 고려하면 상기 혼합물(142)이 상기 흡수기(140)로부터 상기 재생기(110)로 유동될 때, 상기 제 1 열교환기(143)에서 예비적으로 상기 혼합물(142)을 가열하면 상기 재생기(110)에서의 분리 추출이 용이해지는 장점이 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 흡수식 냉동기를 이용한 가스 압축 시스템(100)은 상기 보조 냉각기(180)를 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 보조 냉각기(180)는 상기 재생기(110)를 통과하며 열에너지를 방출한 상기 냉각 대상가스(160)를 추가로 냉각하기 위한 장치이다. 따라서 상기 보조 냉각기(180)는 상기 재생기(110)의 주변을 통과하며 1차로 냉각된 상기 냉각 대상가스(160)를 추가로 냉각하기 위한 것이므로, 상기 재생기(110)의 주변을 통과한 상기 냉각 대상가스(160)가 이동하는 경로에 구비되는 것이 바람직하다.
도 3 에서는 1중 효용 흡수식 냉동기를 이용한 가스 압축 시스템을 도시하고 있고, 도 4 에서는 다중 효용 흡수식 냉동기를 이용한 가스 압축 시스템을 도시하고 있다. 도 3 에서 도시한 시스템의 경우, 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 재생기(110)의 주변을 통과한 후 압축가스 탱크(165)로 유동되어 저장되므로, 상기 보조 냉각기(180)는 상기 냉각 대상가스(160)가 상기 재생기(110)로부터 상기 압축가스 탱크(165)로 유동되는 경로 상에 구비되는 것이 바람직하다. 도 4 에서 도시한 다중 효용 시스템의 경우, 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 재생기(110)의 주변을 통과하며 열에너지를 방출한 후, 다시 증발기(130)의 주변을 통과하며 차회 압축 과정을 위한 준비 단계에 들어간다. 따라서 이 경우 상기 보조 냉각기(180)는 상기 냉각 대상가스(160)가 상기 재생기(110)로부터 상기 증발기(130)로 유동되는 경로 상에 구비되는 것이 바람직하다. 다만, 도 4 에 도시한 다중 효용 시스템의 경우라도 최종 압축 단계를 마친 경우에는 도 3 에 도시한 경우와 마찬가지로 상기 보조 냉각기(180)는 상기 냉각 대상가스(160)가 상기 재생기(110)로부터 상기 압축가스 탱크(165)로 유동되는 경로 상에 구비될 수 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 흡수식 냉동기를 이용한 가스 압축 시스템(100)은 상기 응축물 제거기(190)를 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 응축물 제거기(190)는 상기 냉각 대상가스(160)가 상기 증발기(130)의 주변을 통과하며 열에너지를 방출하는 경우 냉각에 의해 발생한 응축물을 제거하기 위한 장치이다. 따라서, 상기 응축물 제거기(190)는 상기 냉각 대상가스(160)가 상기 증발기(130)의 주변을 통과한 후 상기 압축기(170)로 유입되는 경로 상에 구비되는 것이 바람직하다. 도 4 에서 도시한 다중 효용 시스템의 경우, 상기 응축물 제거기(190)는 각 압축 과정마다 각각 구비되는 실시예를 고려할 수 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 보조 냉각기(180)는 상기 냉각수(151)를 냉각원으로 활용할 수 있다. 상기 보조 냉각기(180)는 실시예에 따라 상기 냉각수(151)를 냉각원으로 이용하는 경우와 별도의 냉각원을 활용하는 경우를 고려해 볼 수 있다. 상기 냉각수(151)는 해수(海水)일 수 있다. 상기 냉각수(151)로 해수(海水)를 이용하는 경우 별도의 냉각수를 필요 없어 경제적인 장점이 있다. 다만 해수(海水)를 냉각수로 활용하는 경우, 냉각 대상물이 온도가 높으면 스케일을 발생시켜 열에너지 교환을 방해하므로 스케일을 주기적으로 세정해야 하는 불편이 있 었다. 도 2 에 도시한 종래의 냉각탑을 이용한 가스 압축 공정에서 냉각수로 해수(海水)를 사용하기 어려웠던 원인도 상술한 바와 같다. 이에 비해 본 발명에서 상기 냉각수(151)로 해수(海水)를 사용할 수 있으며, 본 발명에서 상기 냉각수(151)가 사용되는 부분을 각각 확인해보기로 한다.
상기 흡수기(140)에서는 상술한 바와 같이 상기 흡수제(141)가 상기 냉매(131)를 흡수하는 발열 과정을 수행하기 위해 적정 온도를 유지할 목적으로 상기 냉각수(151)가 활용될 수 있다. 따라서, 상기 냉각수(151)가 냉각해야 할 냉각 대상물은 상대적으로 온도가 높지 않아 해수(海水)를 활용하더라도 불편함이 없다. 상기 응축기(120)에서는 상술한 바와 같이 상기 재생기(110)에서 가열에 의해 분리된 상기 냉매(131)를 응축시키기 위해 상기 냉각수(151)를 활용할 수 있다. 이 경우에도 기체 상태의 상기 냉매(131)를 액체 상태로 변환하면 되므로, 상기 냉각수(151)가 냉각해야 할 냉각 대상물은 상대적으로 온도가 높지 않아 해수(海水)를 활용하더라도 불편함이 없다. 상기 보조 냉각기(180)의 경우 상술한 바와 같이 상기 재생기(110)를 통과하며 열에너지를 방출한 상기 냉각 대상가스(160)를 보조적으로 냉각하기 위한 장치이다. 따라서 이 경우에도 역시 상기 냉각수(151)가 냉각해야 할 냉각 대상물은 상대적으로 온도가 높지 않아 해수(海水)를 활용할 수 있다. 또한, 상기 냉각수(151)로 해수(海水)를 사용하여 스케일이 발생하는 경우에는 고온의 매체 냉각을 위해 담수(淡水)를 사용하고 해수(海水)로 다시 이 담수(淡水)를 냉각하는 방법을 고려할 수 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 응축기(120), 상기 흡수기(140), 상기 보조 냉각기(180)에서는 냉각을 위한 상기 냉각수(151)가 유동하게 된다. 상기 냉각수(151)가 유동되는 상기 냉각 라인(150)을 살펴보면, 냉각수 탱크(155)에 수용된 상기 냉각수(151)는 상기 응축기(120)와 상기 흡수기(140)에 구비된 각각의 상기 응축기 내부 열교환기(도면번호 미부여)와 상기 흡수기 내부 열교환기(도면번호 미부여)로 이송되고, 상기 보조 냉각기(180)의 내부에 구비되는 냉각기 내부 열교환기(도면번호 미부여)로도 상기 냉각수(151)가 이송될 수 있다. 상기 응축기 내부 열교환기(도면번호 미부여), 상기 흡수기 내부 열교환기(도면번호 미부여), 상기 냉각기 내부 열교환기(도면번호 미부여)에서 냉각에 활용된 상기 냉각수(151)는 열에너지를 흡수한다. 이러한 상기 냉각수(151)의 열에너지를 활용하기 위해 제 2 열교환기(152)가 구비될 수 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 흡수식 냉동기를 이용한 가스 압축 시스템(100)은 상기 제 2 열교환기(152)를 선택적으로 구비할 수 있다. 상기 제 2 열교환기(152)는 상기 냉각수(151)가 유동되는 상기 냉각 라인(150)에 구비되며, 상기 흡수기(140)와 상기 응축기(120) 및 상기 보조 냉각기(180)에서 냉각에 사용되며 열에너지를 흡수한 상기 냉각수(151)의 열에너지를 이용하기 위해 구비될 수 있다. 상기 제 2 열교환기(152)에서 얻은 열에너지를 열원으로 활용하여 난방을 위한 난방열 등 필요에 따라 다양한 분야에서 이를 활용할 수 있음은 물론이다.
상기 흡수식 냉동기를 이용한 가스 압축 시스템(100)에 사용되는 상기 냉매(131)와 상기 흡수제(141)는 다양할 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 냉각 대상가스(160)의 종류에 따라 상기 냉매(131)와 흡수제(141)가 달라질 수 있다. 다만, 환경 친화적 요소를 고려하여 상기 흡수제(141)로 물(H20)을 사용하는 경우 상기 냉매(131)로 암모니아(NH3)를 사용할 수 있다. 또한, 상기 흡수제(141)로 브롬화리튬(LiBr)을 사용하는 경우 상기 냉매(131)로 물(H2O)을 사용할 수 있다.
도 4 에서 도시한 다중 효용 흡수식 냉동기를 이용한 가스 압축 시스템은 상기 냉각 대상가스(160)의 압축 과정이 반복되는 경우이다. 이 경우 상기 압축기(170)는 제 1 압축기(171), 제 2 압축기(172), 최종 압축기(179)를 포함한 다수개로 구비될 수 있다. 상기 냉각 대상가스(160)가 최초로 상기 증발기(130)의 주변을 통과하며 냉각된 후 상기 제 1 압축기(171)로 유입된다. 상기 제 1 압축기(171)를 통과하는 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 재생기(110)의 주변을 통과하며 열에너지를 방출하는 제 1 압축 과정을 수행한다. 상기 제 1 압축 과정을 완료한 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 증발기(130), 상기 제 2 압축기(172), 상기 재생기(110)를 차례로 거치는 제 2 압축 과정을 수행할 수 있다. 이와 같이 상기 냉각 대상가스(160)의 압축 과정이 상기 증발기(130), 다수개의 상기 압축기(170), 상기 재생기(110)를 거치며 순환하여 반복된 후, 최종 압축 과정에 이르면 상기 냉각 대상가스(160)가 최종적으로 유입되는 상기 최종 압축기(179)를 통과한다. 상기 최종 압축기(179)를 통과한 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 재생기(110)의 주변을 통과한 후 압축가스 탱크(165)로 저장되어 압축 과정이 완료될 수 있다.
본 발명에 의한 상기 흡수식 냉동기를 이용한 가스 압축 시스템(100)의 가스 압축 과정을 순차적으로 다시 정리하면 다음과 같다. 다중 효용 시스템의 경우 가스 압축 과정에 대해 상술한 바 있으므로, 도 3 에서 도시한 1중 효용 시스템을 중 심으로 설명한다.
(a) 저압 상태로 유지되는 상기 증발기(130)에서 상기 냉매(131)의 지속적인 증발에 의해 상기 냉각 대상가스(160)를 냉각시키고 밀도를 높인다. 냉각된 상기 냉각 대상가스(160)는 선택적으로 상기 응축물 제거기(190)를 통과하며 응축물을 제거한 후, 상기 압축기(170)로 이송된다. 증발된 기체 상태의 상기 냉매(131)는 상기 흡수기(140)로 이송된다.
(b) 상기 흡수기(140)에서 상기 흡수제(141)가 상기 냉매(131)를 흡수하여 상기 혼합물(142)이 생성된다. 이러한 흡수 과정에서 적정 온도를 유지하기 위해 상기 냉각수(151)를 활용할 수 있다.
(c) 상기 흡수기(140)에서 생성된 상기 혼합물(142)은 선택적으로 상기 제 1 열교환기(143)를 거치며 가열된 후 상기 재생기(110)로 이송된다. 상기 재생기(110)에서는 상기 압축기(170)를 통과하며 압축에 의해 가열된 상기 냉각 대상가스(160)가 갖는 열에너지를 열원으로 활용하여 상기 혼합물(142)을 가열하고 상기 냉매(131)와 상기 흡수제(141)를 분리시켜 추출함과 동시에 상기 냉각 대상가스(160)를 1차적으로 냉각한다.
(d) 상기 재생기(110)에서 분리된 고온고압의 상기 냉매(131)는 상기 응축기(120)로 이송되어 응축된다. 상기 재생기(110)에서 분리된 상기 흡수제(141)는 상기 흡수기(140)로 되돌아간다.
(e) 상기 응축기(120)에서 응축된 상기 냉매(131)는 상기 증발기(130)로 돌아간다. 상기 냉매(131)는 이와 같이 (a) ~ (e) 과정을 순환하게 된다.
(f) 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 증발기(130)를 거쳐 1차적으로 냉각되며 냉각에 의해 밀도가 높아진다. 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 압축기(170)를 통과하며 압축되고, 고온 고압 상태의 상기 냉각 대상가스(160)는 선택적으로 상기 보조 냉각기(180)를 거쳐 추가로 냉각된다. 냉각된 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 압축가스 탱크(165)로 이송되어 저장된다.
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
도 1 은 종래의 흡수식 냉동기의 개략적인 구성을 나타낸 구조도.
도 2 는 종래의 냉각탑을 이용한 가스 압축 공정을 나타내는 구조도.
도 3 은 본 발명에 의한 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 구조도.
도 4 는 본 발명에 의한 압축기가 복수개로 구비된 다중 효용 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템의 예시적인 구성을 나타내는 구조도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 흡수식 냉동기 11 : 재생기
12 : 응축기 13 : 증발기
14 : 흡수기 15 : 냉각탑
20 : 압축기 21 : 열교환기
22 : 액적 분리기 23 : 냉각탑
100 : 흡수식 냉동기를 이용한 가스 압축 시스템
110 : 재생기 111 : 보조 열교환기
120 : 응축기 130 : 증발기
131 : 냉매 140 : 흡수기
141 : 흡수제 142 : 혼합물
143 : 제 1 열교환기
150 : 냉각 라인 151 : 냉각수
152 : 제 2 열교환기 155 : 냉각수 탱크
160 : 냉각 대상가스 165 : 압축가스 탱크
170 : 압축기 171 : 제 1 압축기
172 : 제 2 압축기 179 : 최종 압축기
180 : 보조 냉각기 190 : 응축물 제거기

Claims (10)

  1. 가스를 압축하기 위한 가스 압축 시스템에 있어서,
    압축기(170)를 통과하며 압축에 의해 가열된 냉각 대상가스(160)가 갖는 열에너지를 열원으로 사용하고, 흡수제(141)와 냉매(131)가 혼합된 혼합물(142)을 가열하여 상기 냉매(131)와 상기 흡수제(141)를 분리시켜 추출하는 재생기(110);
    상기 재생기(110)로부터 분리된 기상의 상기 냉매(131)를 냉각수(151)를 이용하여 응축시키는 응축기(120);
    상기 응축기(120)에서 응축된 액상의 상기 냉매(131)를 저압에서 증발시켜 외부로부터 열에너지를 흡수하는 증발기(130);
    상기 증발기(130)에서 증발된 상기 냉매(131)를 상기 흡수제(141)로 흡수하여 상기 혼합물(142)을 생성시키되, 상기 혼합물(142)의 생성 반응에 적합한 온도를 유지하도록 상기 냉각수(151)를 이용하여 냉각하며 상기 혼합물(142)을 생성시키는 흡수기(140);
    를 포함하여 이루어지되,
    상기 증발기(130)는 상기 증발기(130)의 주변을 통과하는 상기 냉각 대상가스(160)로부터 열에너지를 흡수하고, 상기 증발기(130)의 주변을 통과하며 열에너지를 방출한 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 압축기(170)로 유동시켜 압축하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 재생기(110)에서 상기 흡수기(140)로 이동하는 상기 흡수제(141)와 상기 흡수기(140)에서 상기 재생기(110)로 이동하는 상기 혼합물(142)이 상호 열교환 되도록 상기 흡수기(140)와 상기 재생기(110)간 유동 경로 상에 구비되는 제 1 열교환기(143)를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 재생기(110)의 주변을 통과하며 열에너지를 방출한 상기 냉각 대상가스(160)의 냉각을 보조하기 위해, 상기 재생기(110)의 주변을 통과한 상기 냉각 대상가스(160)가 이동하는 경로 상에 보조 냉각기(180)가 구비되는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 증발기(130)의 주변을 통과하며 열에너지를 방출한 상기 냉각 대상가스(160)가 상기 압축기(170)로 유동하는 경로에는 상기 냉각 대상가스(160)의 냉각에 의해 발생한 응축물을 제거하기 위해 응축물 제거기(190)가 구비되는 것을 특징 으로 하는 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 재생기(110)에서 상기 혼합물(142)의 가열에 사용되는 열원을 보조하기 위해, 상기 재생기(110)에는 상기 재생기(110)로 열에너지의 공급을 보조하기 위한 보조 열교환기(111)가 구비되는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 보조 냉각기(180)는 상기 냉각수(151)를 이용하여 냉각하되, 상기 냉각수(151)는 해수인 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉각수(151)가 유동되는 냉각 라인(150)에는 상기 흡수기(140), 상기 응축기(120), 상기 보조 냉각기(180)에서 냉각에 사용된 상기 냉각수(151)의 열에너지를 이용하기 위한 제 2 열교환기(152)가 구비되는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 흡수제(141)와 상기 냉매(131)는
    상기 흡수제(141)로 물(H2O)을 사용하고 상기 냉매(131)로 암모니아(NH3)를 사용하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 흡수제(141)와 상기 냉매(131)는
    상기 흡수제(141)로 브롬화리튬(LiBr)을 사용하고 상기 냉매(131)로 물(H2O)을 사용하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기(170)는 제 1 압축기(171), 제 2 압축기(172), 최종 압축기(179)를 포함한 다수개로 구비되며,
    최초로 상기 증발기(130)의 주변을 통과하는 상기 냉각 대상가스(160)가 제 1 압축기(171)로 유입되고, 상기 제 1 압축기(171)를 통과하는 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 재생기(110)의 주변을 통과하며 열에너지를 방출하는 제 1 압축 과정을 수행하고,
    상기 제 1 압축 과정을 완료한 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 증발기(130), 상기 제 2 압축기(172), 상기 재생기(110)를 차례로 거치는 제 2 압축 과정을 수행하며,
    상기 냉각 대상가스(160)는 상기 증발기(130), 다수개의 상기 압축기(170), 상기 재생기(110)를 거치며 압축 과정을 반복하여 순환하되, 최종 압축 과정에서 상기 냉각 대상가스(160)가 최종적으로 유입되는 상기 최종 압축기(179)를 통과한 상기 냉각 대상가스(160)는 상기 재생기(110)의 주변을 통과한 후 압축가스 탱크(165)로 저장되는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기를 이용한 고효율 가스 압축 시스템.
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