KR101271602B1

KR101271602B1 - 흡수식 냉동시스템

Info

Publication number: KR101271602B1
Application number: KR1020130034888A
Authority: KR
Inventors: 이규태
Original assignee: 태광메카텍(주)
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2013-06-11

Abstract

본 발명은 다수의 열교환기 및 펌프가 구비되어 냉동장치의 부하에 따라 폐열과 냉매의 흐름이 제어되는 흡수식 냉동시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의한 흡수식 냉동시스템은, 묽은용액을 가열하여 냉매를 분리하는 재생기(100)와; 응축기(300) 및 증발기(320)와; 상기 응축기(300)로부터 오는 응축 냉매액을 저장하고, 증발기(320)에서 배출되는 냉매와의 열교환을 통해 냉매가 과냉각 상태로 되도록 하는 수액열교환기(310)와; 팽창밸브(330)와; 상기 수액열교환기(310)로부터 유입는 냉매가 상기 재생기(100)로부터 유입되는 흡수제에 흡수되도록 하는 흡수기(400)와; 상기 흡수기(400)의 일측에 구비되며, 상기 흡수기(400)로부터 나오는 용액이 상기 응축기(300)를 통과한 냉각수와 열교환하도록 하는 흡수열교환기(380)와; 냉동장치의 냉동능력과 냉수온도의 부하 변동에 따라 냉매와 유체의 흐름과 양을 제어하는 제어기(500) 등으로 이루어진다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 냉각시스템의 효율이 극대화되는 이점이 있다.

Description

흡수식 냉동시스템{ABSORPTION REFRIGERATING SYSTEM}

본 발명은 흡수식 냉동시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부 유체와 냉매 사이에 열교환이 일어나는 다수의 열교환기와 냉매를 순환시키는 다수의 펌프가 구비되어 냉동장치의 부하에 따라 폐열과 냉매의 흐름이 제어되는 흡수식 냉동시스템에 관한 것이다.

선박 등과 같이 해양에 사용되는 냉동장치 등에서는 외부로부터 에너지의 유입이 어려우므로 폐열의 이용이 반드시 필요하다.

따라서, 최근에는 암모니아 흡수식 냉동시스템이 다양한 분야에 적용되고 있으며, 이는 과다한 에너지를 사용하여야 하는 압축식 냉동시스템에 비해 상대적으로 저렴한 비용으로 유지 및 관리될 수 있기 때문이다.

이러한 암모니아 흡수식 냉동시스템은 전기에너지 대신 엔진, 제철소 등에서 배출되는 냉각수 등 이와 같이 버려지는 폐열(waste heat) 또는 태양열, 지열, 바이오에너지 등 신재생에너지를 이용하여 압축기 대신 재생기의 묽은용액을 가열하여 구동하므로 운전비용을 절대적으로 절감할 수 있고 또한 이산화탄소 배출량을 줄임으로서 지구환경 보존에 기여할 수 있는 장점이 있다.

특히 선박의 경우는 선박엔진 냉각수의 폐열을 이용하여 암모니아 흡수식 냉동시스템을 구동하므로 발전기 및 연료탱크를 줄일 수 있고, 연료비를 최소화 할 수 있으며, 냉동 창고의 냉동 및 냉장뿐만 아니라 객실 냉방을 할 수 있으므로 그 활용도가 대단히 높다고 할 수 있다.

그러나, 이러한 다양한 냉동시스템이 개발되고 있으나, 전체적인 냉방효율 향상이 제대로 이루어지지 못하는 문제점이 있다. 즉, 본 출원인에 의해 개시된 한국 특허등록 제10-1095601호에 기재된 '선박 엔진의 폐열을 이용하는 흡수식 냉동시스템'에서도 냉매의 원활한 흐름과 열에너지의 낭비방지가 다소 부족한 문제점이 있다.

특허 제10-1095601호

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선박 등의 폐열이 다수의 열교환기를 통하여 열교환을 함으로써 냉매의 열교환 효율이 극대화되도록 하는 흡수식 냉동시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 다수의 펌프와 제어기 및 온도센서 등을 통하여 냉동장치에서 요구되는 부하에 따라 효과적으로 전체 작동이 제어되는 흡수식 냉동시스템을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명에 의한 흡수식 냉동시스템은, 폐열 또는 외부로부터 유입되는 열을 이용하여 묽은용액을 가열하여 냉매를 분리하는 재생기와; 상기 재생기의 일측에 구비되며, 상기 재생기로부터 분리된 냉매를 외부로부터 유입된 냉각수와의 열교환을 통해 냉각시키는 응축기와; 상기 응축기의 일측에 구비되며, 냉매를 냉동장치로부터 유입된 냉수와의 열교환을 통하여 증발시켜 냉동장치가 필요로 하는 냉수를 얻게하는 증발기와; 상기 응축기의 일측에 구비되며, 상기 응축기로부터 오는 응축 냉매액을 저장하고, 증발기에서 배출되는 냉매와의 열교환을 통해 냉매가 과냉각 상태로 되도록 하는 수액열교환기와; 상기 증발기의 일측에 구비되며, 상기 수액열교환기를 경유한 냉매를 팽창시켜 감압하는 팽창밸브와; 상기 재생기의 일측에 구비되며, 상기 수액열교환기로부터 유입되는 냉매가 상기 재생기로부터 유입되는 흡수제에 흡수되도록 하는 흡수기와; 상기 흡수기의 일측에 구비되며, 상기 흡수기로부터 나오는 용액이 상기 응축기를 통과한 냉각수와 열교환하도록 하는 흡수열교환기와; 상기 흡수열교환기와 흡수기 사이에 구비되며, 상기 흡수기의 용액이 상기 흡수열교환기를 경유하여 다시 흡수기로 유입되도록 강제하는 순환펌프와; 상기 흡수기의 일측에 구비되며, 상기 재생기를 경유하면서 냉매가 분리된 용액(흡수제)이 상기 흡수열교환기를 경유한 용액과 혼합된 다음 상기 흡수기로 유입되도록 하는 혼합기와; 상기 재생기의 일측에 구비되며, 냉동장치의 냉동능력과 냉수온도의 부하 변동에 따라 냉매와 유체의 흐름과 양을 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 재생기와 흡수기 사이에는, 저온의 용액과 고온의 용액을 서로 교차하도록 하여 열교환이 일어나도록 하는 용액열교환기와, 상기 흡수기로부터 재생기로 보내지는 사이클 용액의 순환량과 상기 재생기의 용액 레벨을 조절하는 유량조절기가 더 구비됨을 특징으로 한다.

상기 흡수기의 일측에는, 상기 흡수기의 용액을 고압의 상기 재생기로 공급되도록 강제하는 용액펌프가 더 구비됨을 특징으로 한다.

상기 재생기는, 열교환이 일어나는 하측의 열교환부와, 냉매의 분리가 일어나는 상측의 냉매분리부로 이루어지며; 상기 열교환부에는, 외부의 열(온수)이 유입되는 제1배관이 상단부에 연결되고, 하단부에는 열교환부로부터 배출되는 열(온수)을 안내하는 제2배관이 연결되고; 상기 제1배관과 제2배관 사이에는 바이패스관이 더 구비되며, 상기 제2배관과 바이패스관의 연결부에는 용량조절밸브가 구비되고, 상기 용량조절밸브는 상기 제2배관과 바이패스관의 개폐를 제어하여 상기 재생기로 유입되는 열(온수)의 입열량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 응축기와 흡수열교환기 사이에는 냉각수의 흐름을 안내하는 배관이 더 구비되어, 상기 응축기를 경유하면서 열을 흡수한 외부의 냉각수가 상기 흡수열교환기를 연이어 경유하도록 열을 다시 흡수하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 흡수식 냉동시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에서는 다수의 열교환기가 구비된다. 즉, 폐열을 이용하는 재생기는 물론, 해수를 이용하는 응축기와 흡수열교환기 및 증발기를 비롯하여 수액열교환기와 용액열교환기 등도 구비된다. 따라서, 냉매의 가열과 냉각이 지속적으로 이루어짐과 동시에 배출되는 열기가 완벽히 이용되므로 효율이 극대화되는 장점이 있다.

또한, 본 발명에서는, 바이패스관과 용량제어밸브 및 유량조절기 등이 구비된다. 따라서, 냉각장치의 부하용량에 따라 미리 제어기에서 폐열의 유입용량과 냉매의 흐름 등을 바로 제어하게 되므로 시스템의 작동이 원활하고 냉각장치의 운전이 정지되는 것이 미연에 방지되는 효과가 있다.

뿐만 아니라 본 발명에서는, 수액열교환기와 혼합기 등의 구비로 인하여, 냉매의 열교환 효율이 향상됨은 물론, 흡수제와 냉매의 혼합이 원활하게 이루어진다. 따라서, 냉각시스템의 효율이 증대되는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 흡수식 냉동시스템의 바람직한 실시예의 구성도.

이하 본 발명에 의한 흡수식 냉동시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명에 의한 흡수식 냉동시스템의 일 실시예의 구성이 개략적으로 도시되어 있다.

이에 도시된 바와 같이, 선박 등에서 사용되고 남은 폐열이나 외부로부터 유입되는 신재생에너지 등을 이용하여 냉동을 수행하는 본 발명에 의한 흡수식 냉동시스템은, 재생기(100), 응축기(300), 증발기(320), 및 흡수기(400) 등으로 이루어진다.

상기 재생기(100)는, 외부로부터 유입되는 따뜻한 폐열이나 기타 열에너지로부터 묽은용액이 열을 흡수하도록 하는 열교환 기능을 한다.

구체적으로 살펴보면, 상기 재생기(100)는, 수직형 구조로 설계되어 상하로 길게 형성된 원통 형상을 가진다.

그리고, 이러한 재생기(100)는 외부 폐열과 묽은용액이 서로 열교환을 하는 열교환기능을 통해 묽은용액 속에 포함된 냉매를 분리시켜 냉매를 재생시키는 역할을 하게 된다. 따라서, 상기 재생기(100)의 하측에는 열교환이 일어나는 열교환부(110)가 형성되고, 열교환부(110)의 상측에는 묽은용액 속의 냉매가 효과적으로 분리되도록 하는 냉매분리부(150)가 형성된다.

또한, 상기 냉매분리부(150)의 내측에는 원형의 평판으로 이루어지는 차단판(160)이 다수 설치된다. 이러한 차단판(160)은 선박의 롤링 등으로 상기 재생기(100)가 기울어지는 경우에 묽은 용액이 응축기로 넘어가는 것을 방지하는 효과를 가지도록 함과 동시에 냉매의 분리가 보다 효과적으로 이루어지도록 하는 기능을 하게 된다. 즉, 이러한 차단판(160)으로 인하여 선박의 롤링 및 피칭에도 전열효율을 증대시켜 주게 되는 것이다.

한편, 상세히 도시되지는 않았지만, 상기 차단판(160)의 중앙부나 외측 테두리 부분에는 상하로 관통되는 홀(hole)이나 홈이 더 형성되는 것이 바람직하다. 이는 하측의 묽은용액으로부터 증발되어 상측으로 이동하는 냉매의 유동 통로를 형성함과 동시에 증발되는 수증기를 걸러내어 하측으로 낙하하도록 하고 냉매증기만 상측으로 이동하여 응축기(300)로 보내지도록 하기 위함이다.

상기 열교환부(110)는, 쉘&튜브 형상으로 이루어진다. 따라서, 튜브 내부로 묽은용액이 흐르고, 쉘 측으로는 폐열 즉, 외부로부터 유입된 열(온수 등과 같이 열에너지를 가지는 고온의 유체나 기체)가 흐르도록 하며, 전열효율을 증대하기 위해 여러 개의 배플(baffle)을 가지도록 구성하였다.

상기 재생기(100)에서는 선박 엔진에서 발생된 외부 폐열을 이용한 열교환이 이루어진다. 따라서 상기 재생기(100)에는 엔진오일을 냉각시키기 위해 사용된 뜨거운 열(온수 등)이 출입되는 배관이 연결된다. 즉, 도시된 바와 같이, 상기 재생기(100)의 열교환부(110) 상하에는 열(예를 들면, 온수나 엔진오일을 냉각시키는데 사용된 냉각수)이 유입되는 제1배관(L1)이 상단부에 연결되고, 하단부에는 다시 열교환부(110)로부터 배출되는 온수를 안내하는 제2배관(L2)이 연결된다.

그리고, 상기 제1배관(L1)과 제2배관(L2) 사이에는 바이패스관(200)이 구비되어, 상기 제1배관(L1)을 통해 유입되는 온수가 불필요한 경우에는 제2배관(L2)을 통해 바로 배출되도록 구성된다.

상기 제2배관(L2)과 바이패스관(200)의 연결지점에는 용량조절밸브(210)가 더 구비된다. 상기 용량조절밸브(210)는, 상기 바이패스관(200)과 제2배관(L2)의 개폐를 제어하여 상기 재생기(100)로 유입되는 온수의 용량을 제어하게 된다.

한편, 상기 제1배관(L1)과 제2배관(L2)에는 각각 온도센서(T8,T9)가 구비된다. 이러한 온도센서(T8,T9)는 상기 제1배관(L1)과 제2배관(L2)을 통해 흐르는 물의 온도를 측정하여 아래에서 설명할 제어기(500)로 공급하는 역할을 하게 된다.

상기 재생기(100)에는 응축기(300)가 연결 설치된다. 따라서, 상기 재생기(100)와 응축기(300) 사이에는 기화된 냉매를 안내하는 제3배관(L3)이 구비된다.

상기 응축기(300)는, 일반적인 응축기(凝縮器)에서와 같이 증기를 식혀서 온도를 낮추는 역할을 한다. 즉, 상기 재생기(100)를 통해 기체로 된 냉매를 냉각/응축시키는 기능을 한다. 따라서, 이러한 응축기(300)에는 외부로부터 냉수가 유입된다.

상기 응축기(300)로 유입되는 냉각수로는, 해수가 사용되거나 냉각탑 등에 의해 냉각된 냉각수가 사용되는 것이 바람직하다. 즉, 외부로부터 냉각수가 제4배관(L4)을 통해 유입되어 상기 응축기(300)에서 냉매과 열교환을 하게 된다.

상기 응축기(300)에는 수액열교환기(310)가 제5배관(L5)에 의해 연결된다.

상기 수액열교환기(310)는, 상기 응축기(300)로부터 유입되는 냉매를 더 냉각시키기 위한 것으로, 상기 응축기(300)로부터 오는 응축 냉매액을 저장하고 증발기(320)에서 흡수기(400)로 가는 냉매증기와 열교환하여 냉매를 과냉매액 상태로 만들어 주는 역할을 하게 된다.

상기 수액열교환기(310)의 내부에는 원통형상의 열교환코일(312)이 구비된다. 상기 열교환코일(312)은 증발기(320)를 경유한 냉매가 수액열교환기(310) 내부에서 열교환을 위해 유동하는 통로가 된다.

상기 수액열교환기(310)에는 상기 응축기(300)로부터 유입된 냉매가 배출되는 제6배관(L6)이 연결되며, 이러한 제6배관(L6)은 분배되어 제7배관(L7)과 제8배관(L8)으로 나누어진다.

상기 제7배관(L7)은 상기 수액열교환기(310)를 경유하여 배출된 냉매가 증발기(320)로 유입되도록 안내하는 것으로, 여기에는 팽창밸브(330)가 설치된다.

상기 팽창밸브(330)는, 냉매를 팽창시켜 압력을 강하하여 온도를 낮추는 기능을 한다. 즉, 상기 팽창밸브(330)는, 상기 수액열교환기(310)로부터 오는 냉매액을 감압하여 증발기(320)에서 냉매가 잘 증발되도록 하는 역할을 하게 된다. 따라서, 이러한 팽창밸브(330)를 통과한 냉매는 저온저압의 기체가 된다.

상기 증발기(320)에서는 열교환이 일어나며, 이러한 열교환을 통해 냉매는 증발하게 되고, 외부로부터 유입된 상대적으로 따뜻한 유체 즉, 냉수는 온도가 낮아진다.

그리고, 상기 증발기(320)에는 냉동장치(도시되지 않음)가 연결되는데, 냉동장치와 증발기(320) 사이에는 제9배관(L9)과 제10배관(L10)이 연결된다. 즉, 냉동장치로부터 냉수가 유입되는 제9배관(L9)이 구비되고, 상기 증발기(320)에서 열교환을 하여 냉각된 냉수가 다시 냉동장치로 복귀하는 제10배관(L10)이 구비된다.

상기 증발기(320)는 다시 상기 수액열교환기(310)와 제11배관(L11)에 의해 연결된다. 보다 상세하게는 상기 제11배관(L11)은, 상기 수액열교환기(310) 내부의 열교환코일(312)과 증발기(320) 사이를 연결한다. 따라서, 상기 증발기(320)를 경유한 냉매가 상기 수액열교환기(310) 내부의 열교환코일(312)의 하단으로 유입된다.

상기 열교환코일(312)의 상단은 흡수기(400)와 연결된다. 따라서, 상기 수액열교환기(310)와 흡수기(400) 사이에는 냉매의 유동을 안내하는 제12배관(L12)이 더 구비된다.

따라서, 상기 흡수기(400)로는 상기 제8배관(L8)과 제12배관(L12)이 각각 연결되어, 상기 수액열교환기(310)로부터 배출되는 냉매를 상기 흡수기(400)로 각각 안내하게 된다.

상기 흡수기(400)는 수직형 몸체를 가지며 내부에 흡수제가 포함된 용액을 수용하고 있다. 즉, 상기 흡수기(400)는, 선박의 롤링 및 피칭에도 효율 감소가 없는 제습탑(Packing Tower) 구조로 구성된다.

그리고, 상세히 도시되지는 않았지만, 이러한 흡수기(400) 내부에는 다수개의 교반부재가 구비된다.

교반부재는, 흡수기(400) 내의 흡수용액을 분산시키면서 냉매가 흡수용액에 더 잘 흡수되도록 하는 기능을 가진다. 따라서 흡수용액의 분산의 효과를 높이기 위해 교반부재는 다수의 구멍이 형성된 프레임(뼈대) 구조로 이루어져, 다수의 구멍 속으로 흡수용액이 통과하면서 분산되도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 흡수기(400)의 내부에는 상기 재생기(100)로부터 온 진한용액을 균일하게 분사하여 주는 분배판(410)과, 증발기(320)로부터 중간지점을 통해 내부로 흘러들어오는 냉매증기를 균일하게 분배하여 주는 냉매분배판(도시되지 않음), 그리고 혼합용액에 냉매증기가 잘 흡수되도록 하여주고 흡수면적을 크게 하는 기능을 가지는 교반부재 및 흡수용액을 저장하여 주는 용액탱크 등으로 구성된다.

특히, 선박과 같이 흔들림이 있는 상태에서는 자연스럽게 본 발명의 선박 엔진의 폐열을 이용한 냉동시스템이 흔들리기 때문에, 교반부재들은 요동하면서 서로 충돌하여 흡수용액을 교반하기 때문에 효과가 배가될 수 있다. 결과적으로 상술한 교반부재는 전체 시스템의 크기를 줄일 수 있도록 해준다.

상기 흡수기(400)의 상단에는 도시된 바와 같이 분배판(410)이 구비되어 용액의 분사를 용이하게 하며, 하반부에는 용액탱크(도시되지 않음)가 구비되어 냉매와 흡수제가 혼합된 흡수용액을 저장하는 역할을 한다. 그리고, 이러한 흡수기(400)의 하단은 제13배관(L13)에 의해 용액펌프(340)와 연결된다.

상기 용액펌프(340)는, 상기 흡수기(400) 내부의 흡수용액을 용액열교환기(350)를 통해 상기 재생기(100)로 공급되도록 강제하는 역할을 한다. 즉, 상기 용액펌프(340)는, 상기 흡수기(400)로부터 묽어진 용액을 고압의 재생기(100)로 보내는 역할을 하게 된다. 따라서, 상기 용액펌프(340)는 제14배관(L14)에 의해 용액열교환기(350)와 연결된다.

상기 용액열교환기(350)는, 흡수기(400)에서 재생기(100)로 가는 상대적으로 저온의 용액과, 재생기(100)에서 흡수기(400)로 가는 상대적으로 고온의 용액을 열교환시킴으로써 내부 열 회수를 통하여 열효율을 높여주는 역할을 한다. 즉, 상기 용액열교환기(350)는, 고온의 용액과 저온의 용액이 서로 열교환하도록 하여 시스템효율을 증가시켜 주는 기능을 한다.

상기 용액열교환기(350)를 경유하여 상대적으로 따뜻하게 된 묽은용액은, 유량조절기(360)를 거쳐 상기 재생기(100)로 유입된다.

따라서, 상기 용액열교환기(350)와 유량조절기(360) 사이에는 제15배관(L15)이 구비되고, 상기 유량조절기(360)와 재생기(100) 사이에는 제16배관(L16)이 구비되어 묽은용액의 유동을 안내하게 된다.

상기 유량조절기(360)에서는, 냉동장치의 용량이나 온도 등에 따라 상기 재생기(100)로 공급되는 묽은용액의 양을 조절하게 된다. 즉, 상기 유량조절기(360)는 상기 흡수기(400)로부터 재생기(100)로 보내지는 사이클 용액 순환량을 조절하여 주고, 상기 재생기(100)의 용액 레벨(수위)을 조절하여 주는 역할을 한다.

상기 제16배관(L16)을 통해 재생기(100)로 유입된 묽은용액은, 상기에서 설명한 바와 같이 열교환부(110)에서 열교환이 일어나게 되어 냉매가 분리된 다음, 흡수재가 포함된 상대적으로 진한 용액만 상기 유량조절기(360)로 제17배관(L17)을 통해 다시 유입된다.

상기 유량조절기(360)와 재생기(100) 사이에는, 도시된 바와 같이, 상기 제16배관(L16)과 제17배관(L17)이 각각 연결되어 묽은용액과 진한 용액(냉매가 분리된 용액)을 각각 안내하고 있다. 상기 제16배관(L16)은 상기 재생기(100)로 유입되는 묽은용액을 안내하는 것으로, 상기 열교환부(110)의 하단에 연결된다.

반면, 상기 제17배관(L17)은 상기 열교환부(110)의 하단과 유량조절기(360)를 연결하도록 설치되어, 열교환부(110)를 통해 냉매가 증발된 고온의 진한 용액을 다시 유량조절기(360)로 안내하게 된다.

상기 유량조절기(360)와 용액열교환기(350) 사이에는 상기에서 설명한 제15배관(L15) 외에 제18배관(L18)이 더 구비된다. 따라서, 상기 제18배관(L18)을 통해 상기 유량조절기(360)로 복귀한 고온의 진한 용액이 상기 용액열교환기(350)로 다시 유입된다.

한편, 상기 용액열교환기(350)에는 혼합기(370)가 더 연결 설치된다. 상기 혼합기(370)는, 상기 재생기(100)를 경유하면서 냉매가 분리된 진한 용액이 흡수열교환기(380)에서 냉각된 묽은 용액과 홉합하여 흡수기(400) 내부로 잘 흐르도록 하는 역할을 한다. 따라서, 상기 혼합기(370)와 용액열교환기(350) 사이에는 제19배관(L19)이 설치되어, 용액열교환기(350)를 통과하면서 냉각된 진한용액이 혼합기(370)로 유입되도록 안내하게 된다.

한편, 상기 혼합기(370)에는 제20배관(L20)이 더 연결되며, 이러한 제20배관(L20)의 다른 일단은 흡수열교환기(380)와 연결된다.

상기 흡수열교환기(380)는 상기 응축기(300)를 경유하면서 열을 흡수한 냉각수가 다시 묽은용액과 열교환을 하여 냉각되도록 하는 것이다. 즉, 상기 흡수열교환기(380)에서는 상기 흡수기(400) 내부의 묽은용액이 냉각수와의 열교환을 하여 묽은용액을 냉각시킨다. 이와 같은 흡수열교환기(380)는 상기 흡수기(400)에서 발생된 흡수열을 제거하는 역할을 한다.

구체적으로 살펴보면, 도시된 바와 같이 상기 응축기(300)와 흡수열교환기(380) 사이에는 제21배관(L21)이 구비되어, 상기 응축기(300)를 경유하면서 냉각수가 상기 흡수열교환기(380)로 유입되도록 안내하게 된다.

그리고, 상기 흡수열교환기(380)를 통과하면서 냉각수는 제22배관(L22)을 통해 나가게 된다.

상기 흡수열교환기(380)와 상기 흡수기(400)의 하단은 제23배관(L23)에 의해 연결된다. 따라서, 상기 흡수기(400) 하단의 묽은용액이 상기 제23배관(L23)을 통해 상기 흡수열교환기(380)를 통과하면서 온도가 낮아진 다음, 상기 혼합기(370)로 유입된다.

상기 제23배관(L23)에는 순환펌프(390)가 더 설치된다. 상기 순환펌프(390)는, 상기 흡수기(400) 내부의 묽은용액을 강제로 인출한 다음 상기 흡수열교환기(380)로 송출하게 된다. 즉, 상기 순환펌프(390)는, 흡수기(400) 내부의 묽은용액을 상기 흡수열교환기(380)를 거쳐 다시 흡수기(400)로 순환시켜 주는 것이다. 따라서, 이러한 순환펌프(390)의 강제 송출에 의해 상기 흡수열교환기(380)를 경유한 묽은용액은 상기 혼합기(370)를 통해 다시 흡수기(400)로 유입되는 것이다.

한편, 상기 혼합기(370)에서는 온도와 농도가 다른 용액이 서로 섞이게 되고, 이러한 섞인 용액은 제24배관(L24)을 통해 상기 흡수기(400)의 상단으로 유입되어 분사된다.

그리고, 별도의 제어기(500)가 더 구비되어 전체적인 시스템의 작동을 제어하게 된다. 즉, 제어기(500)는 상기에서 설명한 펌프와 용량조절밸브(210)의 제어는 물론, 팽창밸브의 개폐를 제어하여 전체 냉매유동을 제어하고 각 부분에 설치된 온도센서에 의해 시스템을 제어한다. 이와 같이, 상기 제어기(500)는, 본 발명에 의한 흡수식 냉동시스템을 안정적으로 운전하고, 냉동장치(도시되지 않음)가 추구하는 냉동능력과 냉수온도를 부하의 변동에 따라 정밀하게 제어하여 주는 기능을 가진다.

미설명 부호 T1 내지 T7은 온도센서이며, 이러한 온도센서에서 측정된 온도는 상기 제어기(500)로 전달되어, 타 부분의 제어에 정보로 활용된다.

이하에서는 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 흡수식 냉동시스템의 작용에 대해 도 1을 참조하여 살펴본다.

전체적으로는 묽은용액을 구성하는 흡수제에 포함된 냉매가 상기 재생기(100)에서 분리되어 응축기(300)에서 응축된 다음, 증발기(320)에서 냉각대상물질(냉동장치의 냉수 등)과 열교환을 수행하고 흡수기(400)에서 흡수제에 흡수된다.

본 발명에 의한 흡수식 냉동시스템은 이러한 과정을 반복하는 순환 과정이다.

구체적으로 설명하면, 먼저 재생기(100)에서 묽은 용액(weak solution; 냉매가 혼합된 용액)으로부터 냉매가 증기상태로 분리된다. 묽은 용액은, 냉매가 흡수제에 흡수된 묽은 용액으로 흡수기(400)로부터 제15배관(L15) 등을 통해 제공된다.

상기 재생기(100)로 유입된 묽은용액이 재생기(100)에서 엔진 냉각수와 같은 폐열과 열교환을 함으로써, 냉매가 증발하여 묽은용액으로부터 분리된다.

상기 흡수기(400)로부터 제공되는 묽은용액은 재생기(100)의 하부로 유입되어 다수 개의 전열관(도시되지 않음) 내부로 채워진다. 그리고, 폐열 즉, 온수는 제1배관(L1)을 통해 재생기(100)로 유입되어 쉘 측 내부를 흐른 후, 하부에 연결된 제2배관(L2)을 통해 배출된다.

이와 같이 묽은용액과 온수는, 재생기(100)의 열교환기(11)부에서 열교환을 하게 된다

본 발명에서 이용되는 폐열, 즉 온수는 대략 60℃ 내지 95℃이며, 이와 같은 폐열에 의해 묽은용액에 흡수된 냉매가 증기상태로 분리된다. 그 냉매는 상부에 있는 냉매분리부(150)를 통과하면서 냉매는 완전히 분리되고, 증기상태의 냉매만 제3배관(L3)을 따라 응축기(300)로 보내진다.

상기 제3배관(L3)를 따라 이동하는 포화냉매 증기는 응축기(300)에서 냉각되어 대부분 액상 냉매가 된다.

상기 응축기(300)에서 이용되는 냉각수로는 냉각탑으로부터 오는 냉각수 또는 해수를 사용할 수 있으며, 이러한 냉각수는 제4배관(L4)을 따라 응축기(300)로 유입되어 냉매증기와 열교환을 통하여 냉매를 냉각 및 응축하도록 한다.

상기 응축기(300)에서 액화된 냉매는 제5배관(L5)을 따라 수액열교환기(310)로 보내진다. 수액열교환기(310)에서는 냉매가 증발기(320)로부터 오는 차가운 냉매증기와 다시 열교환을 하여 과냉각된 후 제6배관(L6) 및 제7배관(L7)을 통해 팽창밸브(6)로 보내진다.

상기 팽창밸브(330)는 증발기(320)의 출구 냉매온도 또는 냉매액 레벨에 따라 냉매유량을 조정하고, 고온고압의 액상 냉매를 팽창시켜 냉동장치가 요구하는 온도까지 냉매온도를 낮추어 증발기(320)로 보낸다.

액상 냉매(증기가 포함될 수 있음)는 증발기(320)에서 냉수와 같은 냉동매체와 열교환을 하면서 다시 증기상태로 된다.

냉동매체 즉, 냉동장치(도시되지 않음)의 냉수는 제9배관(L9)을 통해 상기 증발기(320)로 유입되어 냉매와 열교환을 수행한 다음 더욱 냉각되어, 제10배관(L10)을 통해 안내되어 냉동장치로 다시 돌아간다.

상기 증발기(320)에서 증발한 냉매증기는 제11배관(L11)을 따라 수액열교환기(310)로 보내지고, 상기 응축기(300)를 경유하여 유입되는 고온의 냉매와 열교환 후 제12배관(L12)을 통해 상기 흡수기(400)로 유입된다.

상기 흡수기(400)에서 냉매증기는, 상기 재생기(100)로부터 온 진한용액에 흡수되어 묽은 용액(냉매가 혼합된 용액)으로 변화된다.

여기서 사용되는 흡수제는 티오산나트륨(NaSCN)이다. 따라서 본 발명의 흡수식 냉동시스템에서는 냉매는 암모니아(NH3)이며, 흡수제는 티오산나트륨(NaSCN)이다.

기존에 사용되고 있는 흡수식 냉동기의 H2O(물)-LiBr(리튬브로마이드)를 냉매 및 흡수제로 사용하고 있는 흡수 냉동장치는 물의 우수한 열역학적 특성과 무독성, 안정성 등의 장점이 있으나, 증발온도가 0℃ 이하로는 불가능하며 묽은용액의 결정화 문제로 낮은 냉수 온도 및 높은 냉각수온도에서는 적용이 불가능하다.

또한, 물의 비체적이 크기 때문에 시스템의 용적이 상대적으로 커진다는 단점이 있다. 이에 비해 냉매(NH3)-흡수제(H2O) 조합은 암모니아 자체의 독성과 작동압력이 고압이라는 약점이 있으나, 환경 친화적 자연냉매이며 결정화 문제가 없어 저온의 증발온도를 얻을 수 있어 저온획득이 용이하다는 장점이 있지만, 재생기의 상부에 흡수제(H2O)의 증발을 막기 위한 크고 긴 정류기가 구비되어야 한다.

이러한 정류기는 제품의 크기를 크게 할 뿐만 아니라 고비용 장치이기도 하고, 발생되는 소음이 매우 크다.

반면에, 본 발명에 채용되는 냉매(NH3)-흡수제(NaSCN)의 조합은, 기존의 H2O-LiBr 조합 보다 냉각할 수 있는 온도가 더 낮으며, NH3-H2O의 방식보다 냉동기 효율을 나타내는 성능계수(COP : Coefficient Of Performance)가 30% 정도 더 높다.

또한, 상술한 바와 같이 물을 흡수제로 사용할 경우에 재생기(100) 상부에 물의 증발을 막기 위해 정류기가 설치되어야 하지만, 본 시스템은 흡수제로서 NaSCN을 사용하므로 정류기 설치가 필요 없어 비용도 줄이며 소음도 줄일 수 있다는 장점이 있다.

상기 증발기(320)에서 증발한 냉매증기는 흡수기(400)에서 흡수용액(진한용액)에 의해 흡수된다.

상기 흡수기(400)에서 냉매가 진한용액에 흡수되어 묽은 용액이 되고, 묽은 용액은 용액펌프(340)에 의해 제14배관(L14)과 제15배관(L15), 제16배관(L16)을 통해 상기 용액열교환기(350) 및 유량조절기(360)를 거쳐 재생기(100)로 전달된다.

상기 재생기(100)에서는 상술한 바와 같이 냉매가 분리된 후, 진한용액은 유량조절기(360) 및 용액열교환기(350)를 거쳐 제19배관(L19)과 혼합기(370)를 거쳐 흡수기(400)로 복귀한다.

또한, 상기 흡수기(400)에서 냉매가 용액에 흡수될 때 발생하는 열과 재생기(100)로부터 온 진한용액의 열을 제거하여 주기 위해 흡수기(400)의 묽은 용액을 제23배관(L23)을 따라 순환펌프(390)에 의해 흡수열교환기(380)로 보내진다.

상기 흡수열교환기(380)에서 용액은 냉각수에 의해 열을 빼앗기고, 제20배관(L20)을 통해 혼합기(370)로 들어간 다음 다시 흡수기(400)로 보내진다.

또한, 상기 용액열교환기(350)는 상기 흡수기(400)에서 재생기(100)로 가는 상대적으로 저온의 묽은용액과, 상기 재생기(100)에서 흡수기(400)로 가는 상대적으로 고온의 진한용액을 열교환 시킴으로써 내부 열 회수를 통하여 열효율을 높여주는 기능을 하게 된다.

상기 제어기(500)은 흡수식 냉동 시스템을 안정적으로 운전하고, 냉동시스템이 추구하는 냉동능력과 냉수온도를 부하의 변동에 따라 정밀하게 제어하여 주는 기기이다.

여기서 냉동시스템의 부하제어는, 냉동장치로 되돌아가는 출구온도(T5) 또는 냉동장치로부터 유입되는 입구온도(T4)에 따라 제어기(500)의 마이크로프로세스 제어장치에 의해 용량조절밸브(14)를 PID 제어방식에 의해 안정되고 정밀하게 제어한다.

그리고, 본 발명에서는 흡수식 냉동시스템을 안정적으로 운전하고, 냉동장치에서 추구하는 냉동능력과 냉수온도를 부하의 변동에 따라 예지기능을 갖추어 용량조절밸브(210)를 정밀하게 제어하여 주는 PID 제어시스템을 채용한다. 따라서, 재생기(100)의 고온 또는 고압, 흡수기(400)의 용액 고온, 응축기(300)의 냉매 고온에 의해 냉동장치(냉동기)가 정지되기 전에 미리 예지하여 상기 용량조절밸브(210)를 제어하는 기능 및 기타 안전제어 기능을 갖춘 마이크로프로세스 제어시스템을 채용한다.

또한, 상기 흡수기(400) 및 재생기(100)의 용액 온도(T1, T2), 응축기(300)의 냉매온도(T3)에 의한 정보로부터 용량조절밸브(210)를 제한하여 냉동시스템이 안전하게 운전되도록 한다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당 업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

100. 재생기 110.열교환부
120. 냉배분리부 200. 바이패스관
210. 용량제어밸브 300. 응축기
310. 수액열교환기 320. 증발기
330. 팽창밸브 340. 용액펌프
350. 용액열교환기 360. 유량조절기
370. 혼합기 380. 흡수열교환기
390. 순환펌프 400. 흡수기
500. 제어기

Claims

폐열 또는 외부로부터 유입되는 열을 이용하여 묽은용액을 가열하여 냉매를 분리하는 재생기(100)와;
상기 재생기(100)의 일측에 구비되며, 상기 재생기(100)로부터 분리된 냉매를 외부로부터 유입된 냉각수와의 열교환을 통해 냉각시키는 응축기(300)와;
상기 응축기(300)의 일측에 구비되며, 냉매를 냉동장치로부터 유입된 냉수와의 열교환을 통하여 증발시켜 냉동장치가 필요로 하는 냉수를 얻게하는 증발기(320)와;
상기 응축기(300)의 일측에 구비되며, 상기 응축기(300)로부터 오는 응축 냉매액을 저장하고, 증발기(320)에서 배출되는 냉매와의 열교환을 통해 냉매가 과냉각 상태로 되도록 하는 수액열교환기(310)와;
상기 증발기(320)의 일측에 구비되며, 상기 수액열교환기(310)를 경유한 냉매를 팽창시켜 감압하는 팽창밸브(330)와;
상기 재생기(100)의 일측에 구비되며, 상기 수액열교환기(310)로부터 유입되는 냉매가 상기 재생기(100)로부터 유입되는 흡수제에 흡수되도록 하는 흡수기(400)와;
상기 흡수기(400)의 일측에 구비되며, 상기 흡수기(400)로부터 나오는 용액이 상기 응축기(300)를 통과한 냉각수와 열교환하도록 하는 흡수열교환기(380)와;
상기 흡수열교환기(380)와 흡수기(400) 사이에 구비되며, 상기 흡수기(400)의 용액이 상기 흡수열교환기(380)를 경유하여 다시 흡수기(400)로 유입되도록 강제하는 순환펌프(390)와;
상기 흡수기(400)의 일측에 구비되며, 상기 재생기(100)를 경유하면서 냉매가 분리된 용액(흡수제)이 상기 흡수열교환기(380)를 경유한 용액과 혼합된 다음 상기 흡수기(400)로 유입되도록 하는 혼합기(370)와;
상기 재생기(100)의 일측에 구비되며, 냉동장치의 냉동능력과 냉수온도의 부하 변동에 따라 냉매와 유체의 흐름과 양을 제어하는 제어기(500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 재생기(100)와 흡수기(400) 사이에는,
저온의 용액과 고온의 용액을 서로 교차하도록 하여 열교환이 일어나도록 하는 용액열교환기(350)와, 상기 흡수기(400)로부터 재생기(100)로 보내지는 사이클 용액의 순환량과 상기 재생기(100)의 용액 레벨을 조절하는 유량조절기(360)가 더 구비됨을 특징으로 하는 흡수식 냉동시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 흡수기(400)의 일측에는,
상기 흡수기(400)의 용액을 고압의 상기 재생기(100)로 공급되도록 강제하는 용액펌프(340)가 더 구비됨을 특징으로 하는 흡수식 냉동시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 재생기(100)는,
열교환이 일어나는 하측의 열교환부(110)와, 냉매의 분리가 일어나는 상측의 냉매분리부(150)로 이루어지며;
상기 열교환부(110)에는, 외부의 열(온수)이 유입되는 제1배관(L1)이 상단부에 연결되고, 하단부에는 열교환부(110)로부터 배출되는 열(온수)을 안내하는 제2배관(L2)이 연결되고;
상기 제1배관(L1)과 제2배관(L2) 사이에는 바이패스관(200)이 더 구비되며, 상기 제2배관(L2)과 바이패스관(200)의 연결부에는 용량조절밸브(210)가 구비되고, 상기 용량조절밸브(210)는 상기 제2배관(L2)과 바이패스관(200)의 개폐를 제어하여 상기 재생기(100)로 유입되는 열(온수)의 입열량을 제어하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 응축기(300)와 흡수열교환기(380) 사이에는 냉각수의 흐름을 안내하는 배관이 더 구비되어, 상기 응축기(300)를 경유하면서 열을 흡수한 외부의 냉각수가 상기 흡수열교환기(380)를 연이어 경유하도록 열을 다시 흡수하도록 하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동시스템.