KR101076919B1 - 액분배 장치 및 이를 포함하는 흡수식 냉온수기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡수식 냉온수기의 액분배 장치에 관한 것으로서, 전열관의 상부에 배치되어 냉매액 또는 흡수액을 상기 전열관에 산포하도록 복수 개의 분배구가 형성되는 1단 이상의 트레이를 포함한다. 여기서, 상기 트레이 간의 교차영역 또는 상기 트레이와 상기 전열관 간의 교차영역을 타겟 영역이라고 하고, 상기 타겟 영역 내에 위치하는 상기 분배구의 평균직경의 절반만큼 상기 타겟 영역보다 작은 영역을 유효 영역이라고 정의할 때, 상기 분배구는 상기 타겟 영역 내에 위치하고, 상기 타겟 영역 내의 최외곽에 위치하는 분배구를 연결하는 면적은 상기 유효 영역의 50%이상을 차지한다. 또한, 상기 분배구의 위치 및 면적 조건을 만족하는 분배구는 상기 흡수식 냉온수기의 전체 트레이에서 85% 이상을 차지한다.

Description

액분배 장치 및 이를 포함하는 흡수식 냉온수기{LIQUID DISTRIBUTOR AND ABSORPTION CHILLER INCLUDING THE SAME}
본 발명은 흡수식 냉온수기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 증발기 및 흡수기 등에 설치되는 전열관에 냉매액 또는 흡수액을 산포시키는 액분배 장치에 관한 것이다.
흡수식 냉온수기는 리튬브로마이드(LiBr) 수용액의 증기 흡수 특성을 이용하여 냉ㆍ난방을 구현하는 시스템으로서, 그 성능 확보를 위해 기내 고진공 상태를 유지한다. 또한, 흡수식 냉온수기는 전기를 에너지원으로 사용하는 냉온수기와는 다르게 LPG, LNG 등과 같은 가스를 열원으로 사용하기 때문에 하절기에 과다한 전력부하를 해소하고, 폐열을 이용한 열병합 시스템의 활용 등과 같은 다양한 장점을 가지고 있다.
도 1은 일반적인 흡수식 냉온수기를 나타낸 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 흡수식 냉온수기(1)는 증발기(31)와 흡수기(32)를 일체로 구비하는 증발 및 흡수 본체(30) 및 버너(11)가 수용되는 고온 재생기(10)를 구비한다. 상기 흡수기(32)에서 상기 고온 재생기(10)로 연장된 희박용액 배관(83)에는 흡수액 펌프(72), 저온 열교환기(40) 및 고온 열교환기(50)가 순서대로 설치된다.
또한, 종래 흡수식 냉온수기(1)는 응축기(21)와 저온 재생기(23)를 일체로 구비하는 재생 및 응축 본체(20)를 포함한다.
상기 고온 재생기(10)에서 저온 재생기(23)로는 냉매 증기관(81)이 연장되고, 상기 응축기(21)에서 상기 증발기(31)로는 냉매액 유하(流下)관(82)이 연장된다. 상기 흡수기(32)로 유입되어 나가는 관은 온수관(86)이고, 상기 응축기(21)로 유입되어 나가는 관은 냉각수관(88)이다.
상기와 같은 구성의 흡수식 냉온수기(1)의 운전 시, 상기 고온 재생기(10)의 버너(11)에서 연료가스(LPG, LNG)가 연소되면, 상기 흡수기(32)에서 흘러온 리튬브로마이드 수용액(계면활성제 포함)과 같은 희박용액이 가열되어 냉매증기가 희박용액에서 분리된다. 희박용액이 가열됨에 따라, 희박용액은 농축되어 농도가 보다 진한 중간용액으로 된다. 한편, 냉매증기는 냉매 증기관(81)을 따라 이동하여 상기 저온 재생기(23)로 유입된다. 그리고, 상기 고온 재생기(10)에서 저온 재생기(23)로 들어온 중간용액은 저온 재생기(23)에서 재가열된다. 상기 응축기(21)에서는 상기 저온 재생기(23)로부터 흘러들어온 냉매증기가 응축된 후 냉매액이 되어 상기 증발기(31)로 이동한다.
상기 증발기(31)에서는 냉매펌프(71)의 작동에 의해서 냉매액이 상부로 이송된 후, 증발기 분배장치(36)에 의해 전열관인 냉각수관(88)으로 산포된다. 상기 증발기(31)에서 기화한 냉매증기는 상기 흡수기(32)로 흘러 산포되는 흡수액에 흡수된다. 한편, 상기 고온 재생기(10)에서 냉매증기가 분리되어 농도가 상승한 중간용액은 중간용액 배관(84), 고온 열교환기(50)를 거쳐서 상기 저온 재생기(23)로 흐른다.
상기 중간용액은, 상기 고온 재생기(10)로부터 유입된 냉매증기가 내부에 흐르고 있는 가열기(25)에 의해서 가열된다. 그리고, 상기 중간용액으로부터 냉매증기가 분리되어 흡수액의 농도는 더욱 상승한다. 상기 저온 재생기(23)에서 가열된 농후용액은 농후용액 배관(85)에 유입되고 상기 저온 열교환기(40)를 거쳐서 상기 흡수기(32)로 흘러 흡수기 분배장치(35)에서 상기 온수관(86)에 적하된다.
그리고, 흡수액은 상기 증발기(31)를 경유하여 들어오는 냉매증기를 흡수하여 농도가 낮아진다. 농도가 낮아진 흡수액은 상기 흡수액 펌프(72)의 구동력에 의하여 저온 열교환기(40) 및 고온 열교환기(50)에서 예열되어 고온 재생기(10)로 유입된다. 도면에 미설명된 도면부호 13은 버너에 연료를 공급하는 연료탱크이며, 15는 버너로 연소공기를 공급하는 송풍기이다.
상기와 같은 종래 흡수식 냉온수기(1)의 분배장치(35, 36)는 전열관 위로 냉매액 또는 흡수액을 산포시키도록 하부에 복수 개의 구멍이 형성된 트레이를 구비한다. 그런데, 종래 흡수식 냉온수기(1)의 분배장치(35, 36)는 냉매액 또는 흡수액을 일정한 유량으로 골고루 전열관에 산포할 수 있도록 트레이 구멍의 위치 및 크기가 설계되지 않아 열전달 성능을 저하시키는 문제점이 있다.
또한, 종래 흡수식 냉온수기(1)의 분배장치(35, 36)는 트레이로 유입되는 냉매액 또는 흡수액이 트레이에서 넘쳐 흐르거나, 튀어 외부로 빠져나가 열전달 성능을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 트레이에 유입되는 액체가 넘치지 않고 일정한 유량으로 정확하게 전열관으로 적하되어 전열관과 액체 사이의 열전달 성능을 최적화할 수 있는 트레이를 구비하는 흡수식 냉온수기의 액분배 장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 흡수식 냉온수기의 액분배 장치로서, 전열관의 상부에 배치되어 냉매액 또는 흡수액을 상기 전열관에 산포하도록 복수 개의 분배구가 형성되는 1단 이상의 트레이를 포함한다. 여기서, 상기 트레이 간의 교차영역 또는 상기 트레이와 상기 전열관 간의 교차영역을 타겟 영역이라고 하고, 상기 타겟 영역 내에 위치하는 상기 분배구의 평균직경의 절반만큼 상기 타겟 영역보다 작은 영역을 유효 영역이라고 정의할 때, 상기 분배구는 상기 타겟 영역 내에 위치하고, 상기 타겟 영역 내의 최외곽에 위치하는 분배구를 연결하는 면적은 상기 유효 영역의 50%이상을 차지한다. 또한, 상기 분배구의 위치 및 면적 조건을 만족하는 분배구는 상기 흡수식 냉온수기의 전체 트레이에서 85% 이상을 차지한다.
또한, 상기 트레이의 높이를 H(m), 상기 분배구의 면적을 A(m2), 상기 트레이의 개수를 N, 상기 흡수식 냉온수기의 냉동 능력을 RT(usRT)라고 할 때, 상기 흡수식 냉온수기의 액분배 장치는 하기의 식(1)을 만족할 수 있다.
H ＞ 2.8×10-12×RT2/(A2×N2) .............(1)
또한, 상기 트레이는 상부 트레이 및 상기 상부 트레이와 교차하는 하부 트레이를 포함할 수 있다. 이때, 상기 하부 트레이의 높이를 H2(m), 상기 하부 트레이의 분배구의 면적을 A2(m2), 상기 흡수식 냉온수기의 냉동 능력을 RT(usRT), 상기 상부 트레이의 분배구의 면적을 A1(m2), 상기 트레이의 개수를 N이라고 할 때, 상기 흡수식 냉온수기의 액분배 장치는 하기의 식(2)를 만족할 수 있다.
H2 ＞ (1 + 4.8×10-6×RT/(A1×N))0.5×1.2×10-12×RT2/(A22×N2) .....(2)
또한, 상기 분배구의 직경을 D(mm), 상기 트레이의 높이를 H(mm)라고 할 때, 상기 흡수식 냉온수기의 액분배 장치는 하기의 식(3)을 만족할 수 있다.
0.9 ＜ D ＜ 0.45×H ....................(3)
또한, 본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상기와 같은 구성을 갖는 액분배 장치를 포함하는 흡수식 냉온수기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 흡수식 냉온수기의 액분배 장치는 분배구의 위치 및 크기 및 트레이의 높이를 최적으로 설계함으로써, 트레이로 유입된 액체를 넘치지 않고 일정한 유량으로 전열관에 적하시켜 전열관의 젖음율을 상승시키고, 그에 따른 열전달 성능도 향상시킨다.
도 1은 일반적인 흡수식 냉온수기를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흡수식 냉온수기의 액분배 장치의 부분 사시도이다.
도 3 내지 도 5는 다양한 분배구의 배열을 나타낸 도면이다.
도 6은 분배구의 크기에 따른 액체의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 분배구의 크기에 따른 유량의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 흡수식 냉온수기의 액분배 장치에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흡수식 냉온수기의 액분배 장치의 부분 사시도이고, 도 3 내지 도 5는 다양한 분배구의 배열을 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 액분배 장치(90)는 상부가 개방되는 장방형의 트레이(91)를 구비한다. 트레이(91)의 바닥면에는 하부에 배열되는 전열관(92)으로 액체를 흘려보내기 위한 복수 개의 분배구(93)가 간격을 두고 형성된다. 분배구(93)의 형상은 원형, 다각형 등 다양하게 변형될 수 있으나, 원형이 바람직하다.
트레이(91)는 액체가 1차적으로 유입되는 상부 트레이(911) 및 이 상부 트레이(911)의 하부에 교차하도록 배열되는 하부 트레이(912)로 이루어진다. 따라서, 상부 트레이(911)에 유입된 액체는 하부 트레이(912)로 전달된 후 전열관(92)에 산포된다. 본 발명의 실시예에서는 트레이가 2단으로 배열되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 그 단수는 다양하게 증감될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액분배 장치(90)가 흡수식 냉온수기의 증발기에 적용되면 트레이(91)에는 냉매액이 유입되고, 흡수기에 적용되면 트레이(91)에는 흡수액이 유입된다. 본 발명의 실시예에 따른 액분배 장치(90)는 흡수식 냉온수기 뿐만 아니라 액체를 분배 및 산포하는 모든 곳에 적용될 수 있다.
상기와 같이, 트레이(91)에는 복수 개의 분배구(93)가 소정 영역에 걸쳐 분포하는데, 이 분배구(93)의 위치에 따라 액체가 전열관(92)을 적시는 비율이 달라져 전열관(92)의 열전달 성능에 많은 영향을 미친다. 따라서, 분배구(93)는 전열관(92)을 충분히 적시면서 열전달 성능을 최적으로 유지할 수 있는 위치에 형성되어야 한다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 트레이(911, 912) 간의 교차 영역 및 트레이(91)와 전열관(92) 간의 교차 영역을 타겟 영역(S1)이라고 정의하면, 분배구(93)는 타겟 영역(S1) 내에 위치한다. 또한, 타겟 영역(S1) 내에 위치하는 분배구(93)의 평균직경을 D라고 할 때, 타겟 영역(S1)보다 D/2만큼 작은 영역을 유효 영역(S2)이라고 정의할 수 있다. 여기서, 타겟 영역(S1) 내의 최외곽에 위치하는 분배구(93)를 서로 연결하는 영역(S3)은 적어도 유효 영역(S2)의 50% 이상을 차지한다.
상기와 같은 분배구(93)의 위치 및 면적 조건을 만족하는 분배구(93)가 전체 트레이(91)에서 85%이상을 차지하면, 트레이(91)에서 산포되는 액체와 전열관(92) 간의 충분한 접촉이 이루어져 전열관(92)의 열전달 성능을 확보할 수 있다.
그리고, 액체를 전열관(92)으로 산포하는 트레이(91)는 액체를 분배구(93)만을 통하여 하부로 전달해야 하며, 유입되는 액체를 넘치게해서는 안된다. 액체가 트레이(91)에서 넘치는 경우에는, 트레이(91) 아래의 전열관(92) 또는 다른 트레이(91)로 설계 유량을 보낼 수 없어 전열관의 열전달 성능 저하를 일으키고, 넘친 액체가 전열관(92) 또는 다른 트레이(91)로 원하지 않게 유입되어 액체의 흐름을 방해하여 전열관의 열전달 성능 저하를 일으킨다. 따라서, 트레이(91)는 유입되는 액체를 넘치지 않게 하는 최소의 높이를 가져한다.
출원인은 트레이(91)의 높이가 트레이(91)의 개수, 분배구(93)의 면적 및 흡수식 냉온수기의 냉동능력에 관계되는 것에 착안하여, 다음과 같이 트레이(91)의 최소 높이를 산정하였다.
상기 트레이(91)의 높이를 H(m), 상기 분배구(93)의 총 면적을 A(m2), 상기 트레이(91)의 개수를 N, 흡수식 냉온수기의 냉동 능력을 RT(usRT)라고 할 때, 액분배 장치(90)는 하기의 식(1)을 만족한다.
H ＞ 2.8×10-12×RT2/(A2×N2) .............(1)
즉, 상기 식(1)을 만족하는 액분배 장치(90)는 유입되는 액체를 넘치지 않게 하부로 분배할 수 있다. 상기 식(1)은 상부 트레이(911) 및 하부 트레이(912)에 모두 적용될 수 있다. 여기서, 트레이(91)의 개수(N)는 각 단에서의 트레이 개수를 의미한다. 예를 들어, 도 2에서와 같이, 트레이가 2단으로 이루어져 있는 경우, 상부 트레이(911)는 2개가 있으므로 N은 2가 되고, 하부 트레이(912)는 8개가 있으므로 N은 8이 된다.
또한, 상부 트레이(911)에서 하부 트레이(912)로 액체가 흐를 때, 하부 트레이(912)로 떨어지는 액체가 하부 트레이(912) 밖으로 튀어 나가면, 앞서 설명한 바와 같이, 액체가 전열관(92)으로 원하지 않게 유입되어 액체의 흐름을 방해하여 전열관의 열전달 성능 저하를 일으킨다. 따라서, 하부 트레이(912)는 떨어지는 액체가 외부 튀어나가지 않게 하는 최소의 높이를 가져한다.
상기 하부 트레이(912)의 높이를 H2(m), 상기 하부 트레이(912)의 분배구(93)의 면적을 A2(m2), 흡수식 냉온수기의 냉동 능력을 RT(usRT), 상부 트레이(911)의 분배구(93)의 면적을 A1(m2), 상기 트레이(91)의 개수를 N이라고 할 때, 액분배 장치는 하기의 식(2)를 만족한다.
H2 ＞ (1 + 4.8×10-6×RT/(A1×N))0.5×1.2×10-12×RT2/(A22×N2) .....(2)
즉, 상기 식(2)를 만족하는 하부 트레이(912)는 떨어지는 액체가 트레이 외부로 튀어나가는 것을 방지한다. 여기서, 트레이(91)의 개수(N)는 각 단에서의 트레이 개수를 의미한다.
그리고, 트레이(91)는 액체를 다음 트레이(91) 또는 전열관(92)으로 산포시킬 때, 원하는 유량으로 일정하게 보내줄 수 있어야 한다. 이는 트레이(91)의 분배구(93)의 크기와 관련이 있으며, 트레이(91)의 분배구(93)의 크기는 일정한 조건을 만족해야 한다.
도 6은 분배구의 크기에 따른 액체의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 7은 분배구의 크기에 따른 유량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 분배구(93)의 직경(D)이 너무 작으면 액체가 방울 형태로 나오게 되면서 연속적인 흐름이 이루어지지 않을 뿐만 아니라 방울의 생성시간차가 커서 원하는 유량을 얻기 어렵고(도 6의 (a)), 분배구(93)의 직경(D)이 너무 크면, 액체가 분배구(3)를 전부 채워서 나오지 않기 때문에 분배구(93)가 복수 개로 형성된 경우 분배구(93)마다 균일하게 액체를 보내지 못하고 한쪽의 분배구(93)에 더 많은 액체가 산포되어 분배구(93)마다 액체의 분포량이 불균일해진다(도 6의 (b)). 따라서, 분배구(93)의 직경(D)을 적절하게 설계하여 모든 분배구(93)마다 균일하게 일정한 유량으로 액체를 산포시킬 필요가 있다(도 6의 (c)).
출원인은 트레이(91)의 높이를 H(mm)라고 할 때, 분배구(93)의 직경(D, mm)이 하기의 식(3)을 만족하는 경우에 분배구(93)마다 균일하게 일정한 유량으로 액체를 보낼 수 있다는 것을 발견하였다.
0.9 ＜ D ＜ 0.45×H ....................(3)
도 7에 도시된 바와 같이, 분배구(93)의 직경(D)이 0.9 mm보다 작으면 액체의 유량(Q)이 급격히 감소하여 전열관(92)을 충분히 적시지 못하고, 분배구(93)의 직경(D)이 0.45×H mm보다 크면 유량이 너무 증가하여 전열관 상의 액막두께가 두꺼워져 전열관의 열전달 성능을 저하시킨다. 따라서, 트레이(91)의 높이(H)는 식(3)을 만족하는 범위를 갖는 것이 전열관(92)의 최고의 성능을 유지시킨다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (5)

  1. 흡수식 냉온수기의 액분배 장치로서,
    전열관의 상부에 배치되어 냉매액 또는 흡수액을 상기 전열관에 산포하도록 복수 개의 분배구가 형성되는 1단 이상의 트레이를 포함하고,
    상기 트레이 간의 교차영역 또는 상기 트레이와 상기 전열관 간의 교차영역을 타겟 영역이라고 하고, 상기 타겟 영역 내에 위치하는 상기 분배구의 평균직경의 절반만큼 상기 타겟 영역보다 작은 영역을 유효 영역이라고 정의하며,
    상기 분배구는 상기 타겟 영역 내에 위치하고,
    상기 타겟 영역 내의 최외곽에 위치하는 분배구를 연결하는 면적이 상기 유효 영역의 50%이상을 차지하며,
    상기 분배구의 위치 및 면적 조건을 만족하는 분배구가 상기 흡수식 냉온수기의 전체 트레이에서 85% 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉온수기의 액분배 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트레이의 높이를 H(m), 상기 분배구의 면적을 A(m2), 상기 트레이의 개수를 N, 상기 흡수식 냉온수기의 냉동 능력을 RT(usRT)라고 할 때, 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉온수기의 액분배 장치.
    H ＞ 2.8×10-12×RT2/(A2×N2)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트레이는 상부 트레이 및 상기 상부 트레이와 교차하는 하부 트레이를 포함하고,
    상기 하부 트레이의 높이를 H2(m), 상기 하부 트레이의 분배구의 면적을 A2(m2), 상기 흡수식 냉온수기의 냉동 능력을 RT(usRT), 상기 상부 트레이의 분배구의 면적을 A1(m2), 상기 트레이의 개수를 N이라고 할 때, 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉온수기의 액분배 장치.
    H2 ＞ (1 + 4.8×10-6×RT/(A1×N))0.5×1.2×10-12×RT2/(A22×N2)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분배구의 직경을 D(mm), 상기 트레이의 높이를 H(mm)라고 할 때, 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉온수기의 액분배 장치.
    0.9 ＜ D ＜ 0.45×H
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 액분배 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉온수기.
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