KR101634345B1 - 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치 - Google Patents

압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압축식 냉동기의 폐열을 흡수식 냉방장치의 열원으로 이용하는 흡수식 냉방장치에 관한 것으로서, 보다 상세하면, 압축식 냉동기에서 버려지는 응축열을 흡수식 냉동기의 재생기의 열원으로 사용하고, 흡수식 냉동기에서 방출하는 응축열 및 흡수열을 지열교환기를 이용하여 지중에 방출하여, 열에너지의 효율을 향상시킨 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치에 관한 것이다.
또한 본 발명은 흡수식 냉동기와 압축식 냉동기를 병합하여 압축식 냉동기의 응축기에서 방출되는 응축열을 흡수식 냉동기의 재생기의 열원으로 이용할 수 있는 효과를 얻을 수 있고; 압축식 냉방장치의 응축기에서 방출되는 응축열을 흡수식 냉동기의 재생기 열원으로 이용하기 때문에, 응축열이 폐열로 방출되지 않아 응축기 주변의 더위를 야기하는 문제를 해결하는 효과를 얻을 수 있고; 지열교환기를 병합할 경우에는, 흡수식 냉동기의 응축열, 흡수열을 지중에 방출시켜 응축열, 흡수열을 방출시키기 위한 별도의 냉각열이 불필요한 효과를 얻을 수 있다.

Description

압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치{Absoption chiller using waste heat of compression type refrigerator}
본 발명은 압축식 냉동기의 폐열을 흡수식 냉방장치의 열원으로 이용하는 흡수식 냉방장치에 관한 것으로서, 보다 상세하면, 압축식 냉동기에서 버려지는 응축열을 흡수식 냉동기의 재생기의 열원으로 사용하고, 흡수식 냉동기에서 방출하는 응축열 및 흡수열을 지열교환기를 이용하여 지중에 방출하여, 열에너지의 효율을 향상시킨 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치에 관한 것이다.
종래, 발전이나 난방 등을 위한 에너지를 얻기 위해, 기존에는 석탄이나 석유와 같은 화석연료가 많이 사용되어 왔으며, 또한, 최근에는 보다 고효율의 에너지원으로서 원자력 에너지도 많이 사용되고 있다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 화석연료나 원자력 에너지는, 환경오염을 유발하는 문제로 인해 기존의 화석연료나 원자력을 대신할 수 있는 대체에너지에 대한 요구가 날이 갈수록 높아지고 있으며, 아울러, 최근 잇달아 일어나고 있는 원자력 발전 관련 사고들로 인해, 이러한 환경오염 등의 부작용으로부터 안전한 청정에너지에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다.
이에 대하여 종래에는 상기와 같이 생산된 전기를 이용하여 냉방을 하는 냉방장치를 가동하기 위하여, 흡수식 냉동장치 또는 압축식 냉동장치를 많이 이용하고 있는 실정이다.
구체적으로 상기 종래의 흡수식 냉동장치 중, 중온수 흡수식 냉동장치에서는 공급열원으로 유입된 약 95℃의 온수에 의해 고압의 재생기 내에서 흡수액(브롬화리튬용액)을 가열비등시켜 냉매증기를 발생시키고 공급열원의 온수는 약 80℃정도로 회수된다.
또한 상기 고압의 재생기에서 냉매증기를 발생시키고, 재생기에서 고농도로 만들어진 흡수액은 열교환기에서 흡수기로부터 유입되는 저농도 흡수액과 열교환한 후 저압의 흡수기로 유입된다. 한편 재생기에서 발생된 냉매증기는 응축기로 유입되어 응축기내의 냉각수에 의해 응축 액화된다.
아울러 응축기에서는 냉매증기를 응축 냉각시킨 후 저압상태의 증발기로 보낸다. 고압의 응축기에서 저압의 증발기로 유입된 냉매액은 냉수에 의해 가열 비등된 후 다시 냉매증기로 바뀌어 증발기와 동일압력의 흡수기로 유입된다. 이때 응축기 및 흡수기에서 사용되는 냉각수 온도는 약 32℃에서 유입되어 37℃로 나온다.
한편 증발기의 열원으로 사용된 냉수는 온도가 내려가 차가워지고 차가워진 냉수를 냉방의 열원으로 사용한다. 또한 저압상태의 증발기에서 유입된 냉매증기는 증발기와 동일 압력상태의 흡수기로 유입된 고농도의 흡수액에 흡수되어 다시 저농도의 흡수액으로 된다.
아울러 흡수기에서 냉매증기를 흡수하여 저농도 흡수액으로 된 흡수액은 흡수액펌프에 의해 상기 열교환기를 거쳐 다시 고압상태의 재생기로 유입된다. 이후, 고압상태의 재생기로 유입된 저농도 흡수액은 처음상태와 같이 다시 약 95℃의 온수에 의해 가열비등된 후 냉매증기를 발생시키므로써 하나의 냉동사이클이 이루어진다.
즉, 흡수액은 재생기→열교환기→흡수기→열교환기→재생기의 순서로 유동되고, 냉매는 재생기→응축기→증발기→흡수기→재생기의 순서로 유동된다.
또한 종래 압축식 냉동장치는 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기로 구성되어 있으고, 일반적으로 프레온 냉매를 사용한다. 더불어 액체의 프레온 냉매는 증발기에서 냉방을 하기 위해 실내의 열을 흡수하여 약 0℃에서 증발을 하고 상변이하여 가스화된다.
이때, 증발기에서 가스화된 프레온 냉매는 압축기에서 압축되어 과포화 상태인 약 50℃의 응축온도(약 토출온도 100℃)로 되어 응축기로 보내진다. 또한 응축기에서는 응축기 팬에 의해 실외 공기와 과포화 상태의 프레온 냉매 가스를 열교환시켜 프레온 냉매 가스를 약 50℃의 응축 냉매 액체로 상변이시킨다.
이후 액체상태로 된 프레온 냉매는 팽창변을 거쳐 감압되고 온도가 내려가면서 증발기로 유입되므로써, 하나의 냉동사이클이 이루어진다.
즉, 프레온 냉매는 증발기→압축기→응축기→팽창변→증발기의 순서로 유동된다.
다음은 흡수식 냉동장치를 이용한 대표적인 종래기술이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1392707호는 흡수식 냉난방기에 관한 것으로서, 흡수기, 재생기, 응축기, 증발기, 실내기를 포함하는 흡수식 냉난방기에 있어서, 냉방 운전시 냉각수가 상기 흡수기와 상기 응축기를 차례로 통과하도록 연결하여, 상기 흡수기에서 열을 흡수한 냉각수를 상기 응축기로 안내하는 냉각수 순환유로와; 상기 냉방 운전시 상기 증발기와 상기 실내기를 연결하여, 상기 증발기에서 냉각된 냉수를 상기 실내기로 공급하고, 상기 실내기에서 열을 흡수한 냉수를 상기 증발기로 공급하는 냉방유로와; 난방 운전시 상기 냉각수 순환유로에서 바이패스되어, 상기 흡수기에서 발생된 흡수열을 흡수한 후 상기 응축기에서 발생된 응축열을 흡수한 냉각수 중 적어도 일부를 상기 실내기로 공급한 후 상기 흡수기로 순환시키는 난방유로를 포함하는 흡수식 냉난방기를 제시하였다.
또한 상기 종래기술은 여름철 등 실내의 냉방이 필요할 경우 냉방 운전이 가능하고, 겨울철 등 실내의 난방이 필요할 경우 난방으로 전환이 가능한 이점이 있었으나, 재생기에서 필요한 열원은 항상 별도로 생성되어 공급되어야 하기 때문에 에너지 효율이 다소 떨어지는 문제가 발생하여, 이를 해결하기 위한 지속적인 연구개발이 요구되는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1392707호(2014.04.30.) 대한민국 등록특허공보 제10-1435585호(2014.08.22.) 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0057730호(2014.05.14.)
본 발명은 냉방장치의 종래기술에 따른 문제점들을 개선하고자 안출된 기술로서, 종래 흡수식 냉방장치는 재생기에서 물(본 발명의 제1냉매)를 증발시키기 위하여 별도의 열원이 필요하고, 그에 따른 에너지가 더 소요되는 문제가 발생하였고;
종래 압축식 냉방장치는 냉방성은 우수하나 응축기에서 방출되는 응축열로 인하여 주변의 온도는 더욱 상승하여, 응축기 주변의 찜통 더위를 야기하는 문제가 발생하였으며;
지열교환기를 이용한 지열 냉방장치는 냉방성이 미흡한 문제가 발생하였기 때문에, 이에 대한 해결점을 제공하는 것을 주된 목적으로 하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 소기의 목적을 실현하고자,
재생기, 증발기, 흡수기 및 응축기가 순차적으로 연결되어 흡수액과 제1냉매가 유동되고, 상기 증발기에서 냉각된 냉수를 냉방장치의 냉기열원으로 이용하는 흡수식 냉동기와; 압축기, 팽창변 및 증발기가 순차적으로 연결되어 제2냉매가 유동되는 압축식 냉동기;를 포함하여 구성되고, 상기 압축식 냉동기의 압축기에서 압축된 제2냉매는 흡수식 냉동기의 재생기에 응축열을 방출하고, 흡수식 냉동기의 재생기는 상기 제2냉매의 응축열을 열원으로 이용하도록 구성되는 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치를 제시하고,
상기 흡수식 냉동기의 흡수기에는 지열교환기와 연결되되, 제3냉매를 유동시키는 제3냉매 순환관이 통과되고, 상기 흡수식 냉동기의 흡수기에서 생성된 흡수열은 제3냉매에 전달되어 제3냉매를 가열시키고, 가열된 제3냉매는 지열교환기로 유입된 후 냉각되어 흡수식 냉동기로 재유입되도록 구성되는 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치를 제시한다.
상기와 같이 제시된 본 발명에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치는 흡수식 냉동기와 압축식 냉동기를 병합하여 압축식 냉동기의 응축기에서 방출되는 응축열을 흡수식 냉동기의 재생기의 열원으로 이용할 수 있는 효과를 얻을 수 있고;
압축식 냉방장치의 응축기에서 방출되는 응축열을 흡수식 냉동기의 재생기 열원으로 이용하기 때문에, 응축열이 폐열로 방출되지 않아 응축기 주변의 더위를 야기하는 문제를 해결하는 효과를 얻을 수 있고;
지열교환기를 병합할 경우에는, 흡수식 냉동기의 응축열, 흡수열을 지중에 방출시켜 응축열, 흡수열을 방출시키기 위한 별도의 냉각열이 불필요한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치의 구성 간 연결상태를 나타내는 블럭도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치의 냉기열원인 냉수의 유동을 나타내는 순환도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치의 제2냉매의 유동을 나타내는 순환도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치의 저농도 흡수액 및 흡수액의 유동을 나타내는 순환도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치의 제1냉매의 유동을 나타내는 순환도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치의 제3냉매의 유동을 나타내는 순환도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치의 흡수식 냉동기의 재생기와 응축기를 나타내는 모식도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치의 제3열교환기를 나타내는 모식도.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치에 지열교환기가 포함되는 경우를 나타내는 순환도.
도 10a는 종래 흡수식 냉동장치에 의한 듀링선도.
도 10b는 본 발명에 바람직한 실시예에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치에 의한 듀링선도.
본 발명은 압축식 냉동기의 폐열을 흡수식 냉방장치의 열원으로 이용하는 흡수식 냉방장치에 관한 것으로서, 재생기(11), 응축기(14), 증발기(12), 흡수기(13)가 상호 연결되어 흡수액과 제1냉매가 유동되고, 상기 증발기(12)에서 냉각된 냉수를 냉방장치의 냉기열원으로 이용하는 흡수식 냉동기(10)와; 압축기(21), 팽창변(22) 및 증발기(23)가 상호 연결되어 제2냉매가 유동되는 압축식 냉동기(20);를 포함하여 구성되고, 상기 압축식 냉동기(20)의 압축기(21)에서 압축된 제2냉매는 흡수식 냉동기(10)의 재생기(11)에 응축열을 방출하고, 흡수식 냉동기(10)의 재생기(11)는 상기 제2냉매의 응축열을 열원으로 이용하도록 구성되는 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치에 관한 것이다.
우선, 종래 흡수식 냉동기(10)는 재생기(11), 응축기(14), 증발기(12), 흡수기(13)가 상호으로 연결되고, 상기 재생기(11), 응축기(14), 증발기(12), 흡수기(13) 간은 배관으로 연결되어 브롬화리튬용액과 같은 흡수액과 물과 같은 냉매가 독립 또는 혼합된 상태로 순환하는 구조를 한다. 이에 관한 구체적인 설명은 상기 배경기술에 기재된 흡수식 냉동기(10)에 관한 설명으로 대신하겠다.
또한 종래 압축식 냉동기(20)는 압축기(21), 응축기(14), 팽창변(22) 및 증발기(23)가 순차적으로 연결되고, 상기 압축기(21), 응축기(14), 팽창변(22) 및 증발기(23) 간은 배관으로 연결되어 프레온 가스와 같은 냉매가 상변이하며 순환하는 구조를 한다. 이에 관한 구체적인 설명은 상기 배경기술에 기재된 압축식 냉동기(20)에 관한 설명으로 대신하겠다.
이에 대하여, 본 발명에 적용되는 흡수식 냉동기(10)는 이하의 설명에서 특별히 언급하지 않는 이상 종래기술에 의한 흡수식 냉동기(10)에 관한 기술사항을 적용할 수 있다.
또한 본 발명에 적용되는 압축식 냉동기(20)는 압축기(21), 팽창변(22) 및 증발기(23)가 순차적으로 연결되는 구성을 하여 종래 압축식 냉동기(20)의 응축기(14) 미포함되는 구성을 하고, 압축기(21)에서 생성된 고온ㆍ고압의 제2냉매는 응축기(14)를 대신하여 흡수식 냉동기(10)의 재생기(11)로 유입된 후 인출되어 응축열을 방출한다. 이에 관한 구체적인 설명은 하기에서 다시 하겠다.
이하 본 발명의 실시예를 도시한 도면 1 내지 9를 참고하여 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
구체적으로, 상기 흡수식 냉동기(10)는 재생기(11), 응축기(14), 증발기(12), 흡수기(13)가 상호 연결되어 흡수액과 제1냉매가 유동되고, 상기 증발기(12)에서 냉각된 냉수를 냉방장치의 냉기열원으로 이용하는 구성이다.
즉, 흡수식 냉동기(10)의 브롬화리튬용액과 같은 흡수액의 순환과정을 중심하면, 흡수액은 재생기(11), 흡수기(13), 재생기(11)의 순서로 순환되고, 열교환기가 더 포함되는 경우에는 재생기(11), 열교환기(제1, 2열교환기), 흡수기(13), 열교환기기(제1, 2열교환기), 재생기(11)의 순서로 순환된다.
또한 흡수식 냉동기(10)의 물과 같은 제1냉매의 순환과정을 중심하면, 제1냉매는 재생기(11), 응축기(14), 증발기(12), 흡수기(13), 재생기(11)의 순서로 순환되고, 열교환기가 더 포함되는 경우에는 응축기(14), 열교환기(제3열교환기(42)), 증발기(12), 흡수기(13), 재생기(11)의 순서로 순환되거나, 흡수기(13)에서 상기 흡수액과 혼합된 상태로 흡수기(13), 열교환기(제1, 2열교환기), 재생기(11)의 순서로 순환된다.
아울러 상기 흡수액과 제1냉매의 열에너지 상태 및 상변이 상태는 종래 흡수식 냉동기(10)의 흡수액과 냉매와 동일하다.
더불어 흡수식 냉동기(10)의 주된 냉각매체(본 발명에 있어서는 '냉수'라 칭함.)는 증발기(12)에서 제1냉매에 의하여 냉각되고, 냉각매체는 본 발명에 의한 냉각장치의 주된 냉기열원으로 이용되어 피냉각물의 온도(실내온도)를 떨어뜨리는 용도로 사용된다.
또한 흡수식 냉동기(10)에는 하나 이상의 열교환기(40, 41, 42)가 포함되어 제1냉매, 흡수액, 저농도 흡수액 간의 열을 서로 교환할 수 있도록 구성할 수 있다.
즉, 흡수식 냉동기(10)에 포함될 수 있는 제1열교환기(40)는 흡수기(13)에서 배출되어 재생기(11)로 이송되는 저농도 흡수액과 흡수식 냉동기(10)의 재생기(11)를 통과하여 팽창변(22)으로 이송되는 제2냉매 간의 열을 교환시킬 수 있다. 이때, 상기 저농도 흡수액은 제2냉매로부터 열을 얻을 수 있고, 상기 제2냉매는 저농도 흡수액에 열을 방출시킬 수 있다.
아울러 흡수식 냉동기(10)에 포함될 수 있는 제2열교환기(41)는 재생기(11)에서 제2냉매의 응축열을 흡수하여 저농도 흡수액으로부터 분리된 흡수액(저농도 흡수액으로부터 분리된 흡수액과 제1냉매 중 흡수액)과 흡수식 냉동기(10)의 흡수기(13)에서 배출되어 재생기(11)로 이동되는 저농도 흡수액 간의 열을 교환시킬 수 있다.
또한 흡수식 냉동기(10)에 포함될 수 있는 제3열교환기(42)는 응축기(14)에서 응축되어 증발기(12)로 이송되는 제1냉매와 압축식 냉동기(20)의 증발기(23)에서 기화열을 흡수하고 압축기(21)로 이송되는 제2냉매 간의 열을 교환시킬 수 있다.
이때, 상기 제1열교환기(40), 제2열교환기(41) 또는 제3열교환기(42)는 어느 하나 이상의 것이 흡수식 냉동기(10)에 포함될 수 있음은 자명할 것이다.
또한 상기 구성의 제1열교환기(40)와 제2열교환기(41)가 모두 구비된 경우, 상기 흡수식 냉동기(10)의 흡수기(13)에서 배출되어 재생기(11)로 유동되는 저농도 흡수액은, 흡수식 냉동기(10)의 재생기(11)에서 응축열을 방출하고 팽창변(22)으로 유입되는 제2냉매가 통과되는 제1열교환기(40)를 통과한 후 제2열교환기(41)로 유입되도록 구성되는 것이 바람직하다.
더불어 상기 구성의 제1열교환기(40)와 제2열교환기(41)가 모두 구비되는 경우, 상기 재생기(11)를 통과한 제2냉매는 제1열교환기(40), 팽창변(22) 및 압축식 냉동기(20)의 증발기(23)를 순차적으로 통과한 후 제3열교환기(42)를 통과하도록 구성되는 것이 바람직하다.
아울러 상기 압축식 냉동기(20)는 압축기(21), 팽창변(22) 및 증발기(23)가 상호 연결되어 제2냉매를 유동시키는 구성으로서, 프레온 가스와 같은 제2냉매를 중심하면, 제2냉매는 압축기(21), 흡수식 냉동기(10)의 증발기(12), 팽창변(22), 증발기(12), 압축기(21)의 순서로 순환되고, 열교환기가 더 포함되는 경우에는 증발기(12), 팽창변(22), 증발기(12), 열교환기(제3열교환기(42)), 압축기(21)의 순서로 순환된다.
또한 상기 제2냉매의 열에너지 상태 및 상변이 상태는 종래 압축식 냉동기(20)의 냉매와 동일하다.
상기 구성의 압축식 냉동기(20)는 압축기(21)에서 생성된 고온ㆍ고압의 상태로 기체화된 제2냉매를 액화시키는 종래 응축기(14)가 미포함되고, 응축기(14)의 기능을 흡수식 냉동기(10)의 재생기(11)가 대신하는 구성을 한다.
즉, 압축식 냉동기(20)의 압축기(21)에서 생성된 고온ㆍ고압의 상태로 기체화된 제2냉매는 외부에 열을 방출하여야 식으면서 액화되는데(응축열 생성), 이때, 생성된 응축열은 흡수식 냉동기(10)의 재생기(11) 열원으로 사용된다.
이때, 상기 재생기(11)는 흡수기(13)에서 제1냉매가 흡수되어 농도가 묽어진 흡수액(이하, '저농도 흡수액'이라 칭함.)에 열을 가하여 제1냉매를 저농도 흡수액에서 증발시킴으로서 고농도의 흡수액을 재생시키는 구성이다.
즉, 재생기(11)에서 응축열에 의하여 가열된 저농도 흡수액은 제1냉매가 증발되고, 제1냉매가 증발된 저농도 흡수액은 다시 고농도의 흡수액을 재생되어 흡수액 순환관(30')을 통하여 흡수식 냉동기(10)의 흡수기(13)로 이송된다.
더불어 상기와 같이 저농도 흡수액에서 증발된 제1냉매는 기체상태로 흡수식 냉동기(10)의 응축기(14)로 이동되어 응축되어 액체상태로 상변이된 후 제1냉매 순확관(30)을 통하여 흡수식 냉동기(10)의 증발기(12)로 이송된다.
상기와 연관하여, 상기 흡수식 냉동기(10)의 재생기(11)는 저농도 흡수액에 열을 가하여 저농도 흡수액에서 제1냉매를 증발 분리시킬 수 있으면 다양한 형태로 구성될 수 있고, 보다 바람직하게는 도 2와 같이 응축기(14)와 한 몸체로 되어 있으며 재생기(11)와 응축기(14) 사이에 엘리미네이터(43)가 설치되어있어 증발되어 기체상태인 제1냉매가 유동될 수 있도록 통기되도록 구성되고, 저농도 흡수액에서 분리된 흡수액이 포집되는 재생기(11) 내부의 하부에는 제1냉매와 흡수액이 섞이지 않도록 칸막이로 분리되는 구성을 할 수 있다.
또한 재생기(11) 내부에는 압축식 냉동기(20)의 압축기(21)에서 이송되는 제2냉매와 저농도 흡수액 간의 열교환을 용이하게 실현하기 위하여, 만액식 코일(11a) 또는 유하액막식 코일(11b) 중 어느 하나 이상의 재생기 코일을 구비하고, 상기 압축식 냉동기(20)의 압축기(21)에서 배출된 제2냉매는 상기 재생기 코일과 연결된 제2냉매 순환관(31)을 통하여 유동된 후 재생기(11)에 응축열을 방출하도록 구성될 수 있다.
즉, 압축식 냉동기(20)에서 생성되는 고온ㆍ고압의 제2냉매는 흡수식 냉동기(10)의 열원으로 사용되도록 재생기 코일 내부를 지나면서 재생기 코일 표면에 유하하는 저농도 흡수액과 열교환하여 저농도 흡수액을 가열하여 비등시키고 저농도 흡수액에 포함된 제1냉매를 증발시켜 제1냉매 증기를 발생시킨다.
이때, 상기 재생기(11)는 과포화된 고온의 제2냉매의 현열(약 100℃)을 먼저 제거하고 다음으로 약 50℃ 정도의 응축열을 제거하는 방식으로 제2냉매에서 열을 방출시킨다.
상기와 연관하여, 상기 재생기 코일은 만액식 코일(11a) 또는 유하액막식 코일(11b) 중 어느 하나 이상의 것으로 구성할 수 있는데, 제2냉매와 저농도 흡수액의 온도차가 클 때는 완전 향류 방식의 만액식 코일(11a)을 배치하고 만액식 코일(11a)의 재질은 고온에 강한 백동관을 사용하며, 제2냉매와 저농도 흡수액의 온도차가 작거나 작아질수록 작은 온도차에서도 높은 열유속을 발생시키고 유지할 수 있는 대향류 방식의 유하액막식 코일(11b)을 구성할 수 있다. 이때, 상기 유하액막식 코일(11b)은 열전도도가 우수한 인탈산 동관을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 재생기(11)에 상기 구성의 만액식 코일(11a)과 유하액막식 코일(11b)을 모두를 구성하는 경우에는 도 7과 같이 유하액막식 코일(11b)을 저농도 흡수액의 분사지점과 인접된 부분에 구성하고, 만액식 코일(11a)을 저농도 흡수액의 분사지점에서 먼 부분(재생기(11) 내부의 하부)에 구성할 수 있다.
더불어 상기 유하액막식 코일(11b)은 제2냉매의 상태에 따라 다양한 형태의 것을 이용할 수 있고, 보다 바람직하게는 외경이 16~30mm의 크기를 가지는 대구경 코일모듈(11b-1) 또는 외경이 5~16mm의 크기를 가지는 소구경 코일모듈(11b-2) 중 어느 하나 이상의 코일모듈을 포함하는 구성을 할 수 있다.
즉, 상기 구성의 유하액막식 코일(11b)은 제2냉매가 기체 및 액체 혼합 상태일 때에는 외경이 16~30mm의 크기를 가지는 대구경 코일을 사용하고, 완전 액체 상태일 때에는 외경이 5~16mm의 크기를 가지는 소구경 코일을 사용하여 제2냉매가 최적의 유속을 가지고 효율적인 열교환가능하도록 할 수 있다.
아울러 상기 재생기 코일을 통과한 제2냉매는 흡수식 냉동기(10)의 흡수기(13)에서 배출된 제1냉매를 흡수한 흡수액인 저농도 흡수액이 통과되는 제1열교환기(40)를 통과한 후 팽창변(22)으로 유입되도록 구성될 수 있다. 이에 관한 구체적인 설명은 상기 제1열교환기(40)에 관한 설명으로 대신하겠다.
또한 상기 흡수식 냉동기(10)의 응축기(14)는 재생기(11)와 엘리미네이터(43)를 통해 연결되어 있고, 재생기(11)에서 증발된 제1냉매가 엘리미네이터(43)를 통해 응축기(14)로 유입되어 냉각수(이하, '제3냉매'라 칭함.)가 유동되는 응축기(14) 코일에 의해 응축 냉각된다.
이때, 상기 응축기(14) 코일은 도 6과 같이 수평관이 지그재그한 구조를 가지도록 구성되고, 응축된 제1냉매가 포집되는 응축기(14) 내부의 하부에는 제1냉매 순환관(30)이 연결되어 포집된 제1냉매가 증발기(12)로 이송될 수 있도록 한다. 또한 상기 제1냉매 순환관(30)은 U자형관(30') 형태로 구성되어 U자형관(30')의 내측에 제1열교환기(40) 또는(및) 제2열교환기(41)가 위치될 수 있도록 구성될 수 있다.
더불어 제1냉매 순환관(30)이 U자형관(30') 형태로 구성되는 경우, 응축기(14)에서 응축 냉각된 제1냉매는 증발기(12)와 연결된 U자형관(30')을 통해 압력이 감압되어 응축 냉각된 제1냉매의 온도가 내려가 저압의 증발기(12)로 보다 용이하게 유입될 수 있는 효과를 발휘한다.
즉, 상기 응축기(14) 코일은 외부에서 제3냉매를 공급받아 응축기(14)로 유입된 기체상의 제1냉매를 응축시키는 구성이고, 상기 제3냉매는 냉각된 제3냉매가 외부에서 지속적으로 공급될 수 있으면 다양한 방법으로 냉각된 것을 이용할 수 있고, 보다 바람직하게는 하기의 지열교환기(50)를 통하여 냉각된 후 응축기(14)로 순환되는 구성을 할 수 있다. 상기 지열교환기(50)에 관한 구체적인 설명은 하기에서 다시 하겠다.
아울러 상기 응축기(14) 코일은 외부의 제3냉매 공급수단(일예로 지열교환기(50))으로부터 지속적으로 제3냉매를 공급받아 응축기(14)를 통과시키면 다양한 형태 및 순환구조로 구성될 수 있고, 보다 바람직하게는 도 9와 같이 흡수기(13)에 구비되어 흡수액이 제1냉매를 흡수할 때 방출된 열(흡수열)을 흡수하는 흡수기(13) 코일과 연결될 수 있다.
즉, 상기 구성의 응축기(14) 코일과 흡수기(13) 코일은 제3냉매 순환관(32)으로 단일화되어 구성될 수 있다(물론 상기 제3냉매 순환관(32)은 별도로 구성되어 각각 응축기(14) 코일과 흡수기(13) 코일과 연결되고, 제3냉매를 응축기(14)와 흡수기(13)로 각각 공급할 수도 있다.).
구체적으로, 상기 구성의 제3냉매 순환관(32)은 외부의 제3냉매 공급수단과 연결되어 응축기(14), 흡수기(13)를 순차적으로 통과하도록 구성되어, 제3냉매가 응축기(14) 코일, 흡수기(13) 코일을 순차적으로 유동된 후 제3냉매 공급수단으로 재인입되거나 외부로 배출될 수 있도록 구성될 수 있다.
더불어 상기 제3냉매 순환관(32)은 외부의 제3냉매 공급수단과 연결되어 흡수기(13)를 통과한 후 응축기(14)로 유입되고, 응축기(14)에서 인출되어 다시 흡수기(13)로 인입ㆍ인출되도록 구성되고, 제3냉매가 흡수기(13) 코일, 응축기(14) 코일, 흡수기(13) 코일을 순차적으로 유동된 후 제3냉매 공급수단으로 재인입되거나 외부로 배출될 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 구성의 제3냉매 순환관(32)은 제3냉매에 의한 흡수기(13)의 열교환의 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
아울러 상기와 같이 제3냉매 순환관(32)은 흡수기(13)에서 제1냉매를 흡수한 흡수액, 즉 저농도 흡수액의 온도를 가능한 낮추는 효과를 발휘하여, 압축식 냉동기(20)의 압축기(21)에서 생성되어 흡수식 냉동기(10)의 재생기(11)로 이송된 제2냉매를 가능한 낮은 압력과 온도에서 응축시킬 수 있도록 하고, 그 결과 압축식 냉동기(20)의 효율성을 향상시킬 수 있다.
제1냉매의 순환구조를 살펴보면, 저농도 흡수액에 포함된 상태의 제1냉매는 재생기(11)에서 제2냉매의 응축열을 흡수한 저농도 흡수액에서 분리되어 기체상태로 증발되어 응축기(14)로 유입되고, 응축기(14)로 유입된 기체상태의 제1냉매는 과포화상태의 증기로서 응축기(14)에서 기체상태로 온도가 내려가면 응축기(14)의 포화압력에 상당하는 온도에서 제1냉매가 응축되어 액체상태의 제1냉매로 상변이된다.
이후 액체상태로 상변이된 제1냉매는 응축기(14) 내부의 하부로 포집되어 제1냉매 순환관(30)을 통하여 증발기(12)로 이송된다. 이때, 제1냉매 순환관(30)은 제3열교환기(42)가 연결되어 증발기(12)로 이송되는 제1냉매와 압축식 냉동기(20)의 증발기(23)에서 압축기(21)로 이송되는 제2냉매 간의 열교환을 실현할 수도 있다.
또한 제3냉매의 순환구조를 살펴보면, 제3냉매 공급수단에서 제3냉매 순환관(32)을 통하여 공급되는 제3냉매는 응축기(14) 코일과 흡수기(13) 코일(또는 흡수기(13) 코일, 응축기(14) 코일 및 흡수기(13) 코일)을 순차적으로 통과하면서, 응축열 및 흡수열을 흡수하여 온도가 높아지고, 온도가 높아진 제3냉매는 제3냉매 공급수단으로 재인입되거나 외부로 배출되는 구성을 한다.
아울러 흡수식 냉동기(10)의 증발기(12)는 제1냉매를 증발시켜 제1냉매의 증발시에 흡수되는 기화열을 본 발명에 의한 냉방장치의 냉기열원으로 이용한다.
즉, 증발기(12) 내부는 제1냉매의 증발을 활성화시키기 위하여 진공상태와 같이 낮은 압력상태를 유지하는 것이 바람직하고, 제1냉매가 증발하는 증기압이 진공상태를 깨트려 온도를 낮추기 힘들기 때문에 브롬화리튬용액과 같은 흡수액을 흡수기(13)에서 분사한다.
또한 상기와 같이 제1냉매의 기화열에 의하여 증발기(12) 내부의 온도가 낮아지면 증발기(12) 내부에 인입된 증발기(12) 코일을 냉각되고, 냉각된 증발기(12) 코일의 내부로 유동되는 냉수는 냉각되어 냉방장치의 주된 냉기열원으로 이용된다.
더불어 상기 증발기(12) 코일은 제1냉매와의 열교환이 용이한 구조이면 다양한 형태로 구성될 수 있고, 보다 바람직하게는 유하액막식 구조의 코일로 구성될 수 있다.
또한 증발기(12)로 유입된 후 증발기(12) 코일의 표면에서 기화되지 못한 제1냉매는 증발기(12) 내부의 하부에 구비된 순환관을 통하여 재순환되어 증발기(12)로 유입된 후 다시 증발이 시도될 수 있다.
이때, 일단은 응축기(14)의 하부에 연결되고 타단은 증발기(12)의 상부와 연결되는 제1냉매 순환관(30)에는 제3열교환기(42)가 연결되어 증발기(12)로 이송되는 제1냉매(약 22~27℃)와 압출식 냉동기의 증발기(23)에서 압축기(21)로 이송되는 제2냉매(약 0℃) 간의 열교환을 실현하여, 증발기(12) 내의 에너지 손실을 줄여 흡수식 냉동기(10)의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
상기와 연관하여, 상기 제3열교환기(42)는 도 8과 같이 흡수식 냉동기(10)의 제1냉매의 유량이 작은 것(약5~6kg/hr)을 고려하여, 제2냉매를 중공에 유동시키는 실린더(42a)와; 상기 실린더(42a)의 중공에 내입되고, 외주에서는 제1냉매가 유동되는 냉각코일(42b)이 감겨지는 중앙지지바(42c);를 포함하는 구성을 할 수 있다.
즉, 상기 구성의 제3열교환기(42)는 헬리컬 구조의 이중 열교환기 방식으로 구성되어 열교환기의 성능을 향상시키는 효과를 실현할 수 있다.
아울러 상기 흡수기(13)와 증발기(12)는 하나의 몸체서 구성될 수 있고, 흡수기(13)와 증발기(12) 사이에는 엘리미네이터(43)가 구비되어 증발기(12)에서 생성된 기체상태의 제1냉매는 엘리미네이터(43)를 통하여 흡수기(13)로 유입되도록 구성될 수 있다.
더불어 상기 흡수기(13)는 재생기(11)에서 공급받은 흡수액을 분사하고, 증발기(12)에서 생성된 기체상태의 제1냉매를 흡수액에 흡수시켜 저농도 흡수액을 생성시키는 구성으로서, 제3냉매가 유동되는 흡수기(13) 코일은 상기 증발기(12)에 구비된 증발기(12) 코일과 동일한 형태로 구성될 수 있다. 또한 흡수기(13)에서 생성된 저농도 흡수액은 흡수기(13)의 하부에 구비된 저농도 흡수액 순환관(33)을 통하여 재생기(11)로 이송된다.
아울러 상기 구성의 흡수식 냉동기(10)의 흡수기(13)에는 지열교환기(50)와 연결되되, 제3냉매를 유동시키는 제3냉매 순환관(32)이 통과되고, 상기 흡수식 냉동기(10)의 흡수기(13)에서 생성된 흡수열은 제3냉매에 전달되어 제3냉매를 가열시키고, 가열된 제3냉매는 지열교환기(50)로 유입된 후 냉각되어 흡수식 냉동기(10)로 재유입되도록 구성될 수 있다.
즉, 상기 구성의 제3냉매 순환관(32)은 상기에서 설명한 바와 같이 흡수기(13)에 구비된 흡수기(13) 코일과 연결되거나 흡수기(13)에 내입된 부분은 흡수기(13) 코일 자체의 기능을 하여, 흡수액에 제1냉매가 흡수되면서 생성되는 흡수열을 흡수하여 외부로 방출시키는 역할을 한다.
이때, 상기 지열교환기(50)는 흡수기(13)에서 흡수열을 흡수한 제3냉매의 열을 지중에 방출시켜 제3냉매를 냉각시키고, 냉각된 제3냉매를 다시 흡수기(13)로 재유입시켜 지속적으로 흡수기(13)에서 생성된 흡수열을 제거하는 역할을 한다.
더불어 제3냉매의 열을 지열교환기(50)를 이용하여 지속적으로 방출시키면, 제3냉매의 열을 제거하기 위한 별도의 에너지가 요구되지 않아 본 발명에 의한 냉각장치의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 지열교환기(50)와 연결된 상기 제3냉매 순환관(32)은 흡수식 냉동기(10)의 흡수기(13)를 통과한 후 응축기(14)를 통과하며, 응축기(14)에서 흡수기(13)로 재인입된 후 통과하도록 구성될 수 있다.
즉, 상기 지열교환기(50)를 통하여 냉각된 제3냉매는 직접 흡수기(13)의 흡수기(13) 코일로 공급될 수 있으나, 상기에서 설명한 바와 같이 응축기(14)를 먼저 통과한 후 흡수기(13)로 공급될 수 있고, 흡수기(13)를 통과한 후 응축기(14)를 통과하고 이후에 흡수기(13)로 재공급되어 응축열과 흡수열을 최대한 흡수할 수 있도록 구성될 수도 있다.
도 10a의 종래 흡수식 냉동장치에 의한 듀링선도와 비교하여, 상기 구성을 하는 본 발명에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치는 도 10b와 같이 흡수식 냉동기의 재생기에 압축식 냉동기의 제2냉매에 의한 응축열이 가해지기 때문에, 종래 흡수식 냉동장치의 재생기의 온도보다 낮은 온도(저농도 흡수액이 42℃에서 48℃로 상승)에서 저농도 흡수액에서 제1냉매와 흡수액이 분리될 수 있도록 하는 효과를 발휘한다.
또한 재생기에서 분리되어 응축기로 유입되는 제1냉매 역시 종래보다 낮은 온도로 재생기에서 분리되고 응축기에서 보다 낮은 온도로 응축되기 때문에, 종래 응축기에서 증발기로의 유동시(39℃->5℃)보다 더 적은 에너지(22℃->5℃)로서 증발기에서 증발될 수 있는 효과를 발휘한다.
더불어 재생기에서 흡수기로 유동된 흡수액 역시 종래보다 낮은 온도로 재생기에서 분리되고 흡수기에서 보다 낮은 온도를 가지기 때문에, 종래 재생기에서 흡수기로의 유동시(84℃->40℃)보다 더 적은 에너지(48℃->26℃)로서 흡수기에서 제1냉매를 흡수할 수 있는 효과를 발휘한다.
즉, 본 발명에 의한 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치는 흡수식 냉동장치를 단독적으로 운용할 때보다 더 우수한 에너지 효율을 발휘할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
상기는 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 설명하였으며, 상기의 실시예에 한정되지 아니하고, 상기의 실시예를 통해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경으로 실시할 수 있는 것이다.
10 : 흡수식 냉동기 11 : 재생기
11a : 만액식 코일 11b : 유하액막식 코일
11b-1 : 대구경 코일모듈 11b-2 : 소구경 코일모듈
12 : 증발기 13 : 흡수기
14 : 응축기 20 : 압축식 냉동기
21 : 압축기 22 : 팽창변
23 : 증발기 30 : 제1냉매 순환관
30' : 흡수액 순환관 31 : 제2냉매 순환관
32 : 제3냉매 순환관 33 : 저농도 흡수액 순환관
40 : 제1열교환기 41 : 제2열교환기
42 : 제3열교환기 42a : 실린더
42b : 냉각코일 42c : 중앙지지바
43 : 엘리미네이터 50 : 지열교환기

Claims (10)

  1. 재생기(11), 응축기(14), 증발기(12), 흡수기(13)가 상호 연결되어 흡수액과 제1냉매가 유동되고, 상기 증발기(12)에서 냉각된 냉수를 냉방장치의 냉기열원으로 이용하는 흡수식 냉동기(10)와; 압축기(21), 팽창변(22) 및 증발기(23)가 상호 연결되어 제2냉매가 유동되는 압축식 냉동기(20);를 포함하여 구성되고, 상기 압축식 냉동기(20)의 압축기(21)에서 압축된 제2냉매는 흡수식 냉동기(10)의 재생기(11)에 응축열을 방출하고, 흡수식 냉동기(10)의 재생기(11)는 상기 제2냉매의 응축열을 열원으로 이용하도록 구성되고;
    상기 재생기(11)에서 제2냉매의 응축열을 흡수하여 저농도 흡수액으로부터 분리된 흡수액과 제1냉매 중 상기 흡수액은, 흡수식 냉동기(10)의 흡수기(13)에서 배출되어 재생기(11)로 유동되는 저농도 흡수액이 통과되는 제2열교환기(41)를 통과한 후 흡수기(13)로 유입되도록 구성되며;
    상기 흡수식 냉동기(10)의 흡수기(13)에서 배출되어 재생기(11)로 유동되는 저농도 흡수액은, 흡수식 냉동기(10)의 재생기(11)에서 응축열을 방출하고 팽창변(22)으로 유입되는 제2냉매가 통과되는 제1열교환기(40)를 통과한 후 제2열교환기(41)로 유입되도록 구성되며;
    상기 응축기(14)에서 응축된 제1냉매는,
    압축식 냉동기(20)의 증발기(23)에서 배출되어 압축기(21)로 유동되는 제2냉매가 통과되는 제3열교환기(42)를 통과한 후 증발기(12)로 유입되도록 구성되며;
    상기 제3열교환기(42)는,
    제2냉매를 중공에 유동시키는 실린더(42a)와; 상기 실린더(42a)의 중공에 내입되고, 외주에서는 제1냉매가 유동되는 냉각코일(42b)이 감겨지는 중앙지지바(42c);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 흡수식 냉동기(10)의 흡수기(13)에는,
    지열교환기(50)와 연결되되, 제3냉매를 유동시키는 제3냉매 순환관(32)이 통과되고,
    상기 흡수식 냉동기(10)의 흡수기(13)에서 생성된 흡수열은 제3냉매에 전달되어 제3냉매를 가열시키고, 가열된 제3냉매는 지열교환기(50)로 유입된 후 냉각되어 흡수식 냉동기(10)로 재유입되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3냉매 순환관(32)은,
    흡수식 냉동기(10)의 흡수기(13)를 통과한 후 응축기(14)를 통과하며, 응축기(14)에서 흡수기(13)로 재인입된 후 통과하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치.
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