KR101906042B1 - 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프 - Google Patents

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Abstract

다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프가 제시된다. 일 실시예에 따른 흡수기, 열교환기, 재생기, 응축기 및 증발기가 구성되는 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프에 있어서, 상기 재생기는 3개 이상의 재생기를 포함하는 다단 재생기로 이루어지고, 상기 다단 재생기 중 고온의 재생기에 주입되는 상기 흡수기로부터 제공된 용액을 분지시켜 저온의 재생기에 주입시킬 수 있다.

Description

다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프{ABSORPTION HEAT PUMP WITH MULTI-GENERATOR}
아래의 실시예들은 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 3개 이상의 재생기에 용액 흐름을 분지하는 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프에 관한 것이다.
흡수식 열펌프는 하나의 기기로 냉방과 난방이 가능하며, 천연가스를 연소시켜 냉방을 하므로 하절기 냉방 전력 피크를 크게 감소시킬 수 있다. 이러한 흡수식 열펌프는 기존의 압축식과는 달리 효율이 낮기 때문에 성능 향상을 위한 많은 모델이 제안되고 있다. 흡수식 열펌프는 전기 에너지에 의해 구동되는 압축식과 달리, 가스의 연소열이나 온수, 냉매 증기의 열을 이용하여 열을 펌핑하는 것으로 대용량의 냉난방을 제공하는 곳에 주로 사용된다. 일반적으로 흡수식 열펌프는 1중 효용 흡수식 열펌프와 2중 효용 흡수식 열펌프로 나누어진다.
도 7은 기존의 1중 효용 흡수식 열펌프의 예를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 기존의 1중 효용 흡수식 열펌프는 하나의 재생기(30) 및 하나의 열교환기(20)를 포함하여 이루어질 수 있다. 더 구체적으로 기존의 1중 효용 흡수식 열펌프는 흡수기(10), 열교환기(20), 재생기(30), 응축기(40) 및 증발기(50)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 냉각탑 등의 냉각기(60)를 더 포함할 수 있다.
여기에서 기존의 1중 효용 흡수식 열펌프는 성능계수(Coefficient of Performance, COP)가 0.6 내외이며, 재생기의 온도는 대략 90~100℃이고, 압력은 0.09~0.1bar이다. 그리고 리튬브로마이드(LiBr)의 농도는 묽은 용액/농용액이 48%/ 52%이다.
도 8은 기존의 2중 효용 흡수식 열펌프의 예를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 기존의 2중 효용 흡수식 열펌프는 2개의 재생기 및 2개의 열교환기를 포함하여 이루어질 수 있다. 2개의 재생기는 고온 재생기(31) 및 저온 재생기(32)로 구성될 수 있으며, 2개의 열교환기는 저온 열교환기(21) 및 고온 열교환기(22)로 구성될 수 있다. 더 구체적으로 기존의 2중 효용 흡수식 열펌프는 흡수기(10), 저온 열교환기(21), 고온 열교환기(22), 고온 재생기(31), 저온 재생기(32), 응축기(40) 및 증발기(50)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 냉각탑 등의 냉각기(60)를 더 포함할 수 있다.
기존의 2중 효용 흡수식 열펌프는 흡수기(10)에서 나온 LiBr 묽은용액(58.5%)을 제1, 2 열교환기(21, 22)를 거친 후 고온 재생기(31)에서 가열시켜 수증기(1)를 발생시킬 수 있다. 이 수증기(1)로 고온 재생기(31)에서 배출되는 지점 2의 LiBr 중간용액(61.3%)을 저온 재생기(32)에서 재가열 할 수 있다. 이 때 냉매 수증기(3)가 추가 발생되면서 수증기(1)는 응축되어 물이 되어 응축기(40)로 유입될 수 있다. 중간용액은 지점 4의 농용액(63%)이 되어 흡수기(10)로 유입될 수 있다.
여기에서 기존의 2중 효용 흡수식 열펌프는 COP가 1.2 내외이며, 재생기의 온도는 대략 150℃이고, 압력은 1bar 내외이다. 그리고 LiBr의 농도는 묽은 용액/농용액이 58%/ 62~63%이다.
최근 흡수식 열펌프의 성능을 개선하기 위한 3중 효용 흡수식 열펌프에 대한 연구가 진행 중이다. 기존의 3중 효용 흡수식 열펌프는 2중 효용 흡수식 열펌프에 추가적인 재생기 및 열교환기를 추가한 것으로, 고온 재생기의 온도는 200℃, 압력은 2bar 내외이며 COP는 1.6 정도가 된다.
기존의 3중 효용 흡수식 열펌프는 3개의 재생기 및 3개의 열교환기를 포함하여 이루어질 수 있으며, 냉매의 흐름에 따라 직렬흐름, 병렬흐름, 역흐름, 및 변형 역흐름의 네 종류의 흐름으로 구분될 수 있다. 3개의 재생기는 고온 재생기, 중온 재생기, 및 저온재생기로 이루어질 수 있으며, 3개의 열교환기는 고온 열교환기, 중온 열교환기, 및 저온 열교환기로 이루어질 수 있다.
표 1은 대표적인 3중 효용 용액의 흐름 방식을 나타낸다.
[표 1]
Figure 112017028359874-pat00001
도 9a는 기존의 병렬연결 3중 효용 흡수식 열펌프의 예를 나타낸다.
도 9a를 참조하면, 기존의 병렬연결 3중 효용 흡수식 열펌프는 흡수기의 출구를 빠져 나온 용액이 고온 재생기, 중온 재생기, 및 저온재생기로 동시에 분지된다. 이 경우, 높은 COP를 갖지만 고온 재생기의 용액 온도가 높아 부식 문제를 유발할 수 있다.
도 9b는 기존의 직렬연결 3중 효용 흡수식 열펌프의 예를 나타낸다.
도 9b를 참조하면, 기존의 직렬연결 3중 효용 흡수식 열펌프는 흡수기의 출구를 빠져 나온 용액이 고온 재생기, 중온 재생기, 및 저온재생기를 순차적으로 흐른다. 그러나 이러한 직렬연결 사이클은 네 가지의 3중 효용 용액의 흐름 방식 중 COP나 고온 재생기의 용액 온도 면에서 큰 장점이 없는 것으로 평가되었다.
기존의 3중 효용 흡수식 열펌프는 COP가 1.6 정도이며, 고온 재생기의 온도는 대략 200℃정도이고, 압력은 2bar 내외이다. 그리고 LiBr의 농도는 묽은 용액/농용액이 58.3%/ 62~63%이다.
그러나 기존의 3중 효용 흡수식 열펌프는 고온으로 냉매인 수증기 발생량이 증가하나, LiBr 용액은 160℃ 이상이 되면 부식성이 높아 LiBr에 의하여 급격한 부식이 발생하게 되고, 고온이 되면 LiBr의 농도가 짙어져 결정화 문제가 발생하게 된다. 이에 따라 3중 효용의 내구성을 향상시키기 위하여 새로운 부식 억제제, 핵심요소 기술인 고양정 펌프, 고압용 열교환기 등의 개발이 필요하므로 온도가 낮으면서도 효율을 향상시킬 수 있는 기술이 요구되고 있다.
한국공개특허 10-2012-0074203호는 이러한 배기 가스열 회수기 및 흡수식 냉동기에 관한 것으로, 전열관 내에 있어서의 흡수액의 유동성의 향상을 도모한 배기 가스열 회수기 및 흡수식 냉동기를 제공하는 기술을 기재하고 있다.
실시예들은 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 2중 효용 흡수식 열펌프에 재생기를 추가하여 3개 이상의 재생기에 용액 흐름을 분지하는 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프에 관한 기술을 제공한다.
실시예들은 2중 효용 흡수식 열펌프의 효율을 향상시키고 3중 효용 흡수식 열펌프의 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 2중 효용 흡수식 열펌프에 재생기를 1개 이상 추가하여 흡수용액을 분지 유입시키고, 2중 효용과 동일한 온도에서 발생한 수증기열을 추가된 재생기의 흡수용액 가열에 사용함으로써 성능을 크게 개선한 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 흡수기, 열교환기, 재생기, 응축기 및 증발기가 구성되는 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프에 있어서, 상기 재생기는 3개 이상의 재생기를 포함하는 다단 재생기로 이루어지고, 상기 다단 재생기 중 고온의 재생기에 주입되는 상기 흡수기로부터 제공된 용액을 분지시켜 저온의 재생기에 주입시킬 수 있다.
상기 다단 재생기는, 상기 흡수기로부터 제공된 용액이 분지되어 주입되는 제1 재생기; 상기 제1 재생기의 용액이 제공되는 제2 재생기; 및 상기 흡수기로부터 제공된 용액이 분지되어, 분지된 일측은 상기 제1 재생기에 주입되고 타측이 주입되는 제3 재생기를 포함할 수 있다.
상기 열교환기는 저온의 제1 열교환기 및 고온의 제2 열교환기를 포함하고, 상기 흡수기로부터 제공된 용액이 상기 제1 열교환기를 거친 후 분지되며, 분지된 일측은 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 제1 재생기에 주입될 수 있다.
상기 열교환기는 저온의 제1 열교환기 및 고온의 제2 열교환기를 포함하고, 상기 흡수기로부터 제공된 용액이 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기를 거친 후 분지되며, 분지된 일측은 상기 제1 재생기에 주입되고 타측은 상기 제3 재생기에 주입될 수 있다.
상기 흡수기로부터 제공된 용액이 상기 열교환기를 거치기 이전에 분지되며, 분지된 일측은 상기 제1 재생기 및 상기 제2 재생기 중 적어도 어느 하나 이상에 주입되고 타측은 상기 제3 재생기에 주입될 수 있다.
고온의 상기 제1 재생기에는 가열 열원을 주입하고, 중온의 상기 제2 재생기에는 상기 제1 재생기에서 기화된 수증기를 이용하여 가열하며, 저온의 상기 제3 재생기에는 상기 제2 재생기에서 기화된 수증기를 열원으로 사용하여, 상기 제2 재생기에서 발생한 수증기는 상기 제3 재생기를 가열하면서 물이 될 수 있다.
상기 제2 재생기에서 용액을 가열한 후 응축되어 상기 응축기로 흐르는 응축수와 상기 제3 재생기는 상기 흡수기로부터 제공된 용액이 분지되어 주입되는 용액의 열교환을 위한 제3 열교환기를 포함하고, 상기 제3 재생기는 상기 흡수기로부터 제공된 용액이 분지되어 주입되되, 상기 제2 재생기에서 용액을 가열한 후 응축되어 상기 응축기로 흐르는 응축수와 열교환 후 주입될 수 있다.
상기 다단 재생기 중 고온의 재생기에 유입되는 용액을 분지시키는 경우, 상기 고온의 재생기의 열원의 온도가 150℃ 내외(전형적으로는 153℃이다)로 유지될 수 있다.
실시예들에 따르면 2중 효용 흡수식 열펌프에 재생기를 추가하여 3개 이상의 재생기에 용액 흐름을 분지함으로써 온도를 높이지 않고도 수증기 생성량을 증가시키는 동시에 3중 효용 흡수식 열펌프의 고온, 고압의 문제를 해결하면서 COP는 1.6 내외로 3중 효용과 동일한 성능을 가지는 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 제공할 수 있다.
실시예들에 따르면 2중 효용 흡수식 열펌프에 재생기를 추가하여 흡수용액을 분지 유입시킴으로써 성능을 크게 개선한 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 제3 재생기로의 흐름에 따른 성능 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 기존의 1중 효용 흡수식 열펌프의 예를 나타낸다.
도 8은 기존의 2중 효용 흡수식 열펌프의 예를 나타낸다.
도 9a는 기존의 병렬연결 3중 효용 흡수식 열펌프의 예를 나타낸다.
도 9b는 기존의 직렬연결 3중 효용 흡수식 열펌프의 예를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
아래의 실시예들은 앞에서 설명한 종래 기술을 개선하고자 하는 것으로, 재생기의 온도가 150℃(2중 효용 흡수식 열펌프) 정도로 매우 낮은 경우에도 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 실시예들에 따르면 2중 효용 흡수식 열펌프에 하나의 재생기를 추가하여 3개의 재생기에 용액 흐름을 분지시킴으로써 온도를 높이지 않고도 수증기 생성량을 증가시킬 수 있고, 3중 효용 흡수식 열펌프의 2bar 고압의 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(100)는 용액 분지식 3단 가열 공정에 관한 것으로, 2중 효용 흡수식 열펌프에 하나의 재생기를 추가하고 고온 재생기에 주입되는 용액(흡수용액)을 분지시켜 추가되는 제3 재생기(133)에 주입함으로써, 용액의 최고 온도를 3중 효용 흡수식 열펌프의 200℃가 아닌 2중 효용 흡수식 열펌프의 온도인 150℃로 유지시킬 수 있다.
기존의 3중 효용 흡수식 열펌프는 효율 향상을 위하여 200℃의 고온과 2bar의 고압이 필요한 반면, 일 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(100)는 150℃의 2중 효용 흡수식 열펌프와 동일한 공정에 제3 재생기(133)를 추가하여 구현할 수 있다.
일 실시예에 따른 흡수기(110), 열교환기, 재생기, 응축기(140) 및 증발기(150)가 구성되는 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프에 있어서, 재생기는 3개 이상의 재생기를 포함하는 다단 재생기로 이루어지고, 다단 재생기 중 고온의 재생기에 주입되는 흡수기로(110)부터 제공된 용액을 분지시켜 저온의 재생기에 주입시킬 수 있다.
여기에서, 다단 재생기는 흡수기(110)로부터 제공된 용액이 분지되어 주입되는 제1 재생기(131), 제1 재생기(131)의 용액이 제공되는 제2 재생기(132), 및 흡수기(110)로부터 제공된 용액이 분지되어 분지된 일측은 제1 재생기(131)에 주입되고 타측이 주입되는 제3 재생기(133)를 포함할 수 있다.
그리고 열교환기는 저온의 제1 열교환기(121) 및 고온의 제2 열교환기(122)를 포함할 수 있다. 흡수기(110)로부터 제공된 용액이 제1 열교환기(121)를 거친 후 분지되며, 분지된 일측은 제2 열교환기(122)를 거쳐 제1 재생기(131)에 주입될 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(100)의 각 구성에 대해 보다 자세히 설명한다.
일 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(100)는 흡수기(110), 제1 열교환기(121), 제2 열교환기(122), 제1 재생기(131), 제2 재생기(132), 제3 재생기(133), 응축기(140) 및 증발기(150)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 냉각탑 등의 냉각기(160)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어 제1 열교환기(121)는 저온 열교환기이고, 제2 열교환기(122)는 고온 열교환기일 수 있고, 제1 재생기(131)는 고온 재생기이고, 제2 재생기(132)는 중온 재생기이며, 제3 재생기(133)는 저온 재생기일 수 있다. 그리고 사용되는 재생기는 3개뿐 아니라 3개 이상의 다수개의 재생기가 적용될 수 있고, 다수개의 재생기로 인하여 냉매 발생량이 증가하게 되어 효율이 보다 증가될 수 있다.
일 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(100)는 흡수기(110)에서 나온 용액이 배관을 통해 저온의 제1 열교환기(121)를 거친 후 분지되어 제1 재생기(131)와 제3 재생기(133)로 흐르도록 할 수 있다. 더 구체적으로 흡수기(110)에서 나온 용액이 저온의 제1 열교환기(121)를 거친 후 분지되어, 일측은 고온의 제2 열교환기(122)를 거쳐 제1 재생기(131)로 흐르고, 타측은 제3 재생기(133)로 흐를 수 있다. 여기에서 용액의 흐름은 각 구성간 연결된 배관을 통해 이루어질 수 있다.
한편, 용액은 묽은 용액으로 예컨대 리튬브로마이드(LiBr)의 묽은 용액일 수 있으나 다른 유사한 특성의 용액도 가능하다. 이러한 묽은 용액은 고온의 제1 재생기(131)에서 가열되어, 묽은 용액으로부터 냉매 증기(수증기)가 분리되어 중간 농도의 흡수액인 중간 용액이 될 수 있다. 고온의 제1 재생기(131)에서 얻어진 중간 용액은 고온의 제2 열교환기(122)를 거쳐 가열 후 중온의 제2 재생기(132)로 흐를 수 있다.
여기에서 고온의 제1 재생기(131)에는 가열 열원을 주입하고, 중온의 제2 재생기(132)에는 제1 재생기(131)에서 기화된 수증기를 이용하여 가열할 수 있다(#22). 그리고 저온의 제3 재생기(133)에는 제2 재생기(132)에서 기화된 수증기를 열원으로 사용할 수 있다(#12). 다시 말하면 제1 재생기(131)의 수증기가 제2 재생기(132)의 용액을 가열하고, 제2 재생기(132)에서 발생한 수증기는 제3 재생기(133)를 가열하면서 자신은 물이 될 수 있다.
한편, 제1, 2, 3 재생기(131, 132, 133)에 유입되는 용액 흐름(#3, #6, #14)은 직렬, 병렬 등 다양한 흐름을 구성할 수 있다.
제2 재생기(132) 및 제3 재생기(133) 중 적어도 어느 하나 이상에서 용액이 가열되어 냉매가 증발, 분리되어 응축기(140)로 유입될 수 있다. 제2 재생기(132) 및 제3 재생기(133) 중 적어도 어느 하나 이상에서 냉매가 증발, 분리되어 농후한 농도로 이루어진 농용액은 흡수기(110)로 유입될 수 있다. 한편, 냉각기(160)의 냉각수는 냉각 배관을 따라 흡수기(110)로 유입되어 상기의 농용액을 냉각시킨 후 다시 응축기(140)로 유입되어 냉매 증기를 응축시킬 수 있다. 농용액은 흡수기(110)에서 산포되어 냉각되며, 그 과정에서 증발기(150)로부터 유입되는 수증기를 흡수하여 묽은 용액으로 변할 수 있다.
실시예들은 2중 효용 흡수식 열펌프의 효율을 향상시키고 3중 효용 흡수식 열펌프의 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 2중 효용 흡수식 열펌프에 재생기를 1개 이상 추가하여 흡수용액을 분지 유입시키고 종래 2중 효용의 저온 재생기에서 증발한 수증기의 열을 추가된 재생기의 흡수용액 가열에 사용함으로써 성능을 크게 개선시킬 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(200)는 용액 분지식 3단 가열 공정에 응축수의 열을 이용하는 것으로, 2중 효용 흡수식 열펌프에 하나의 재생기를 추가하고 고온 재생기에 주입되는 용액을 분지시켜 제3 재생기(233)에 주입함으로써, 용액의 최고 온도를 3중 효용 흡수식 열펌프의 200℃가 아닌 2중 효용 흡수식 열펌프의 온도인 150~153℃ 내외(전형적으로는 153℃이다)로 유지시킬 수 있다. 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(200)는 흡수기(210), 제1 열교환기(221), 제2 열교환기(222), 제3 열교환기(223), 제1 재생기(231), 제2 재생기(232), 제3 재생기(233), 응축기(240) 및 증발기(250)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 냉각탑 등의 냉각기(260)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어 제1 열교환기(121)는 저온 열교환기이고, 제2 열교환기(122)는 고온 열교환기일 수 있고, 제1 재생기(131)는 고온 재생기이고, 제2 재생기(132)는 중온 재생기이며, 제3 재생기(133)는 저온 재생기일 수 있다. 그리고 사용되는 재생기는 3개뿐 아니라 3개 이상의 다수개의 재생기가 적용될 수 있고, 다수개의 재생기로 인하여 냉매 발생량이 증가하게 되어 효율이 보다 증가될 수 있다.
다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(200)는 흡수기(210)에서 나온 용액이 배관을 통해 저온의 제1 열교환기(221)를 거친 후 분지되어 제1 재생기(231)와 제3 재생기(233)로 흐르도록 할 수 있다. 더 구체적으로 흡수기(210)에서 나온 용액이 저온의 제1 열교환기(221)를 거친 후 분지되어, 일측은 고온의 제2 열교환기(222)를 거쳐 제1 재생기(231)로 흐르고, 타측은 제3 재생기(233)로 흐를 수 있다.
흡수기(210)로부터 나와 저온의 제1 열교환기(221)를 거친 후 분지되어 제3 재생기(233)로 흐르는 용액은, 제2 재생기(232)에서 용액을 가열한 후 응축되어 응축기(240)로 흐르는 응축수(수증기가 아닌 물, #13')와 열교환 후 제3 재생기(233)에 주입될 수 있다. 여기에서 응축기(240)로 흐르는 응축수(수증기가 아닌 물, #13')는 제2 재생기(232)에서 용액을 가열한 후 응축된 응축수이며, 제3 재생기(233)에서 용액을 가열한 후 응축된 응축수를 더 포함할 수 있다.
한편 용액은 묽은 용액으로, 예컨대 리튬브로마이드(LiBr)의 묽은 용액이나 다른 유사 용액일 수 있다. 이러한 묽은 용액은 고온의 제1 재생기(231)에서 가열되어, 묽은 용액으로부터 냉매 증기(수증기)가 분리되어 중간 농도의 흡수액인 중간 용액이 될 수 있다. 고온의 제1 재생기(231)에서 얻어진 중간 용액은 고온의 제2 열교환기(222)를 거쳐 가열 후 중온의 제2 재생기(232)로 흐를 수 있다.
여기에서 고온의 제1 재생기(231)에는 가열 열원을 주입하고, 중온의 제2 재생기(232)에는 제1 재생기(231)에서 기화된 수증기(22)를 이용하여 가열할 수 있다. 그리고 저온의 제3 재생기(233)에는 제2 재생기(232)에서 기화된 수증기(12)를 열원으로 사용할 수 있다. 여기에서, 제1 재생기(231)에서 기화된 수증기(22)는 제1 재생기(231)와 제2 재생기(232)를 연결하는 수증기 이동 배관을 통해 제1 재생기(231)에서 제2 재생기(232)로 이동됨으로써 제2 재생기(232)를 가열할 수 있다. 그리고 제2 재생기(232)에서 기화된 수증기(12)는 제2 재생기(232)와 제3 재생기(233)를 연결하는 수증기 이동 배관을 통해 제2 재생기(232)에서 제3 재생기(233)로 이동됨으로써 제3 재생기(233)를 가열할 수 있다. 다시 말하면 제1 재생기(231)의 수증기가 제2 재생기(232)의 용액을 가열하고, 제2 재생기(232)에서 발생한 수증기는 제3 재생기(233)를 가열하면서 수증기는 물이 될 수 있다.
제1, 2, 3 재생기(231, 232, 233)에 유입되는 용액 흐름(#3, #6, #14)은 직렬, 병렬 등 다양한 흐름을 구성할 수 있으며, 용액은 적어도 하나 이상의 제1, 2, 3 재생기(231, 232, 233)에 분지 유입될 수 있다.
제2 재생기(232)에서 용액이 가열되어 냉매가 증발, 분리되어 응축기(240)로 유입될 수 있다. 이 때, 제3 재생기(233)에서 용액이 가열되어 냉매가 증발, 분리되어 제2 재생기(232)에서 나온 용액과 함께 제3 열교환기(223)를 통과 후 응축기(240)로 유입될 수 있다. 그리고 제2 재생기(232) 및 제3 재생기(233) 중 적어도 어느 하나 이상에서 냉매가 증발, 분리되어 농후한 농도로 이루어진 농용액은 흡수기(210)로 유입될 수 있다. 한편, 냉각기(260)의 냉각수는 냉각 배관을 따라 흡수기(210)로 유입되어 상기의 농용액을 냉각시킨 후 다시 응축기(240)로 유입되어 냉매 증기를 응축시킬 수 있다. 농용액은 흡수기(210)에서 산포되어 냉각되며, 그 과정에서 증발기(250)로부터 유입되는 수증기를 흡수하여 묽은 용액으로 변할 수 있다.
이와 같이 재생기에 유입되는 흡수용액을 분지시키는 경우, 재생기의 열원 Qg의 온도가 2중 효용 흡수식 열펌프와 동일하게 150℃로 유지될 수 있다. 이 때 재생기를 3단 혹은 다단으로 구성할 수 있다. 이에 따라 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프는 3중 효용 흡수식 열펌프와 동일한 효과를 얻게 된다.
3중 효용 흡수식 열펌프는 200℃ 내외의 고온으로 인하여 부식 및/또는 고압에 대처한 설비 등 제반 문제가 발생하나, 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프는 2중 효용 흡수식 열펌프의 온도, 압력 및 농도 조건으로 3중 효용 흡수식 열펌프의 효과를 얻을 수 있다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(300)는 고온의 제2 열교환기(322)를 거친 후 분지되어 제1 재생기(331)와 제3 재생기(333)로 흐르도록 할 수 있다. 여기에서 또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(300)의 구성은 도 1에서 설명한 일 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(100)와 동일하며 분지 지점의 차이만 있으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(300)는 흡수기(310)에서 나온 용액이 저온의 제1 열교환기(321) 및 고온의 제2 열교환기(322)를 거친 후 분지되어, 일측은 제1 재생기(331)로 흐르고 타측은 제3 재생기(333)로 흐를 수 있다.
한편, 또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(300)는 도 2에서 설명한 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(200)에도 적용 가능하다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(400)는 저온의 열교환기(420)를 거치기 이전에 분지되어 제1 재생기(431)와 제3 재생기(433)로 흐르도록 할 수 있다. 여기에서 또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(400)의 구성은 도 1에서 설명한 일 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(100)와 동일하며 분지 지점의 차이만 있으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(400)는 흡수기(410)에서 나온 용액이 열교환기(420)를 거치기 이전에 분지되어, 일측은 열교환기(420)를 거친 후 제1 재생기(431) 및 제2 재생기(432)로 흐르고 타측은 제3 재생기(433)로 흐를 수 있다.
한편, 또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(400)는 도 2에서 설명한 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프(200)에도 적용 가능하다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 흡수기(510)로부터 나와 저온의 제1 열교환기(521)를 거친 후 분지되어 제3 재생기(533)로 흐르는 용액은, 제2 재생기(532)에서 용액을 가열한 후 응축되어 응축기(540)로 흐르는 응축수(수증기가 아닌 물, #13)와 열교환 후 제3 재생기(533)에 주입될 수 있다. 여기에서 응축기(540)로 흐르는 응축수(수증기가 아닌 물, #13)는 제2 재생기(532)에서 용액을 가열한 후 응축된 응축수이다.
제2 재생기(532) 및 제3 재생기(533)에서 용액이 가열되어 냉매가 증발, 분리되어 응축기(540)로 유입될 수 있다. 그리고 제2 재생기(532) 및 제3 재생기(533) 중 적어도 어느 하나 이상에서 냉매가 증발, 분리되어 농후한 농도로 이루어진 농용액은 흡수기(510)로 유입될 수 있다.
한편, 제1 재생기(531)에서 나오는 용액의 일부를 제3 재생기(533)에 주입할 수 있다(#37). 더 구체적으로 제1 재생기(531)에서 나오는 용액의 일부를 흡수기(510)로부터 나와 저온의 제1 열교환기(521)를 거친 후 분지되어 제3 재생기(533)로 흐르는 용액과 함께 제3 재생기(533)에 주입함으로써, COP를 상승시킬 수 있다. 이 때, 제1 재생기(531)에서 나오는 용액의 일부와 흡수기(510)로부터 나와 저온의 제1 열교환기(521)를 거친 후 분지되어 제3 재생기(533)로 흐르는 용액은 제2 재생기(532)에서 용액을 가열한 후 응축되어 응축기(540)로 흐르는 응축수와 열교환 후 제3 재생기(533)에 주입될 수 있다.
상기와 같이, 실시예들에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프는 2중 효용 흡수식 열펌프의 성능을 개선한 것으로, 재생기에 유입되는 흡수용액이 분리되어 고온의 제1 재생기 및 저온의 제3 재생기에 유입될 수 있다. 이 때 실시예들에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프에서 2개 또는 3개의 열교환기가 사용될 수 있다.
그리고, 실시예들에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프는 고온의 제1 재생기의 온도 및 압력이 2중 효용 흡수식 열펌프와 동일한 조건에서 구동됨으로써, 재생기의 열원 Qg의 온도가 2중 효용 흡수식 열펌프와 동일하게 150℃로 유지될 수 있어 고온으로 인하여 부식 및 고압에 대처한 설비 등 제반 문제가 발생되지 않는다.
또한, 실시예들에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프는 2중 효용 흡수식 열펌프의 변형으로 COP가 3중 효용 흡수식 열펌프와 같이 높은 효과를 얻을 수 있다.
[표 2]
Figure 112017028359874-pat00002
표 3은 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프의 대표적 흐름 분지율에 따른 효율 변화를 설명하기 위한 것이다.
[표 3]
Figure 112017028359874-pat00003
본 대표적 해석 공정은 열원의 온도가 153℃로 낮은 2중 효용 흡수식 열펌프 경우에 맞추어 해석한다.
흡수기에서 재생기로 흐르는 LiBr 묽은 용액(1)의 주 흐름(#3)이 70%, 응축기로의 흐름 #11가 30%인 경우의 각 지점을 해석한 것이며, 성능계수 COP는 표 2를 참조하여 아래 식과 같이 나타낼 수 있다.
[식 1]
Figure 112017028359874-pat00004
여기에서, m은 질량 흐름(Mass(kg/s))이고, h는 엔탈피(h(kj/kg))를 의미한다.
기존의 2중 효용 흡수식 열펌프는 재생기 가열 온도가 150℃ 내외이며, 최대 COP는 1.2 정도이다. 실시예들에 따른 공정은 2중 효용 흡수식 열펌프와 1중 효용 흡수식 열펌프를 합한 하이브리드(hybrid) 공정으로 낮은 온도에서도 매우 큰 3중 효용 흡수식 열펌프의 COP 성능을 얻을 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 제3 재생기로의 흐름에 따른 성능 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 다른 실시예에 따른 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프에서 저온의 제3 재생기로의 흐름(#11)에 따른 성능 변화를 확인할 수 있다. 이는, 표 3을 그래프로 나타낸 것이다.
고온 재생기의 동일 온도에 기준한 동일 공정의 2중 효용 흡수식 열펌프(배관 #11의 흐름이 없는 공정)의 이론적 COP는 1.1815이다.
COP 증가율은 2중 효용 흡수식 열펌프 대비 38.6% 향상될 수 있다. 이와 같이 고온 재생기의 온도가 200℃가 아닌 150℃ 만으로 3중 효용 흡수식 열펌프 동일 성능 취득하는 것을 확인할 수 있다.
여기에서 도 6의 #11의 흐름율이 증가할 경우 효율이 감소하며, 최적 용액 분지율이 존재한다. 이 때 용액 분지율은 30% 내외에서 최적률이 되고 30% 이상에서는 배관 #11측 LiBr 용액이 가열 후 고농도가 되어 결정화가 된다. #11 용액 흐름이 차단되는 경우, 제3 재생기에 주입되는 흐름이 없어지게 되어 제3 재생기의 기능이 없어짐으로써 2중 효용 흡수식 열펌프 공정이 된다.
이 경우, 또 다른 공정으로 배관 #3에서 분지하여 제3 재생기에 일부가 유입되는 공정을 구성할 수 있다. 이와 같이 다양한 형태의 용액 흐름 변형이 가능하게 된다.
한편, 기존의 3중 효용 흡수식 열펌프의 경우 COP가 1.6임에도 200℃의 매우 큰 가열에너지가 필요하며 설비의 부식 문제가 있으나, 실시예들에 따르면 기존의 2중 효용 흡수식 열펌프의 150여도의 저온에도 COP가 35% 이상 향상되고 부식 문제도 해결할 수 있다.
기존의 3중 효용 흡수식 열펌프는 압력이 증발기는 1/100bar, 재생기 측은 고압인 2bar가 적용되나, 실시예들에 따르면 기존의 2중 효용 흡수식 열펌프와 동일한 압력으로 증발기 1/100bar, 재생기 측은 0.99bar가 적용된다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (8)

  1. 흡수기, 열교환기, 재생기, 응축기 및 증발기가 구성되는 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프에 있어서,
    상기 재생기는 3개 이상의 재생기를 포함하는 다단 재생기로 이루어지고,
    상기 다단 재생기 중 고온의 재생기에 주입되는 상기 흡수기로부터 제공된 용액을 분지시켜 저온의 재생기에 주입시키고,
    상기 흡수기로부터 제공된 용액이 저온의 제1 열교환기를 거친 후 분지되고,
    상기 제1 열교환기를 거쳐 분지된 일측이 고온의 제2 열교환기를 거쳐 고온 재생기인 제1 재생기에 주입되고,
    상기 제1 재생기에서 얻어진 용액이 상기 제2 열교환기를 거쳐 가열된 후 중온 재생기인 제2 재생기로 주입되고,
    상기 제1 열교환기를 거쳐 분지된 타측과 함께 상기 제1 재생기에서 얻어진 용액의 일부가 저온 재생기인 제3 재생기로 주입되고,
    상기 제2 재생기와 상기 제3 재생기에서 용액이 가열되어 냉매가 증발, 분리되어 상기 응축기로 유입되고,
    상기 제2 재생기에서 용액을 가열한 후 응축되어 상기 응축기로 흐르는 응축수와 상기 흡수기로부터 제공된 용액이 분지되어 상기 제3 재생기로 주입되는 용액의 열교환을 위한 제3 열교환기
    를 포함하고,
    상기 제3 재생기는 상기 흡수기로부터 제공된 용액이 분지되어 주입되되, 상기 제2 재생기에서 용액을 가열한 후 응축되어 상기 응축기로 흐르는 응축수와 열교환 후 주입되고,
    상기 제2 재생기와 상기 제3 재생기 중 적어도 하나에서 가열되어 냉매가 증발, 분리된 용액이 상기 흡수기로 유입되고,
    상기 흡수기로 냉각수가 유입되어 상기 흡수기로 유입된 용액을 냉각시킨 후 다시 상기 응축기로 유입되어 냉매 증기를 응축시키고,
    상기 응축기에서 응축된 냉매가 상기 증발기로 유입되고,
    상기 흡수기로 유입된 용액이 상기 흡수기에서 산포되어 냉각되는 과정에서 상기 증발기로부터 유입되는 수증기를 흡수하는 것
    을 특징으로 하는 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    고온의 상기 제1 재생기에는 가열 열원을 주입하고, 중온의 상기 제2 재생기에는 상기 제1 재생기에서 기화된 수증기를 이용하여 가열하며, 저온의 상기 제3 재생기에는 상기 제2 재생기에서 기화된 수증기를 열원으로 사용하여, 상기 제2 재생기에서 발생한 수증기는 상기 제3 재생기를 가열하면서 물이 되는 것
    을 특징으로 하는 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다단 재생기 중 고온의 재생기에 유입되는 용액을 분지시키는 경우, 상기 고온의 재생기의 열원의 온도가 150~153℃로 유지되는 것
    을 특징으로 하는 다단 재생기를 적용한 흡수식 열펌프.
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