KR101949679B1 - 폐열흡수 타입 냉동 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증발기, 흡수기, 재생기, 응축기로 구성되는 흡수식 냉동 시스템에 관한 것으로서, 내부에 물을 저장하고 물을 증발시키는 증발기; 상기 증발기와 연통되고, 내부에 흡수액을 담지하여 상기 증발기로부터 생성되는 수증기를 흡수하여 증발기 내부를 저온 진공상태가 되도록 하는 흡수기; 상기 흡수기와 연결되어, 수증기가 흡수된 흡수액을 수용하여 이를 가열함으로써 흡수액을 재생시켜 다시 흡수기로 재생된 흡수액을 토출하는 재생기; 및 상기 재생기 및 증발기와 연결되어, 상기 재생기로부터 가열된 흡수액에서 발생되는 수증기를 수용하고, 수용된 수증기를 냉각수와 열교환하여 물로 응축시켜 다시 증발기로 토출하는 응축기;를 포함하여 구성되고, 상기 재생기는 내부에 상변화유동액이 순환하는 폐열회수 매니폴드; 상기 폐열회수 매니폴드와 연결되어 상변화유동액을 저장하는 폐열저장탱크; 상기 폐열저장탱크와 연결되어 저장된 상변화유동액을 유동시키고, 상기 재생기 내부의 흡수액과 상변화유동액을 열교환시키도록 하는 폐열리사이클 매니폴드;를 포함하여, 상기 재생기의 흡수액 재생을 위한 가열 시, 상변화유동액이 가열시 발생하는 폐열을 일부 흡수하고, 폐열을 흡수한 상변화유동액을 상기 폐열저장탱크에 저장하였다가 재생기에서 재가열 시, 폐열리사이클 매니폴드를 이용하여 재생기내부의 흡수액을 사전 가열하여 가열에 필요한 에너지소모를 저감하는 것을 특징으로 한다.

Description

폐열흡수 타입 냉동 시스템{Refrigeration system of recycling wasted heat type}

본 발명은 압축식 냉동기의 폐열을 흡수식 냉방장치의 열원으로 이용하는 폐열흡수 타입 냉동 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 압축식 냉동기에서 버려지는 폐 응축열을 흡수식 냉동기의 재생기의 열원으로 사용하여 열에너지의 효율을 향상시킬 수 있는 폐열흡수 타입 냉동 시스템에 관한 것이다.

최근 온난화와 같은 기후 변화 및 산업성장으로 인하여 가정용 냉난방 및 산업용 냉동/가열 시스템에 의한 에너지수요가 급증하고 있으며, 이를 위한 에너지를 얻기 위해, 화석연료나 원자력 에너지의 사용량이 점차 급증하여, 이로 인해 유발되는 환경오염이 심각해짐에 따라 각 국가에서는 전력사용에 큰 비중을 차지하는 산업용 전기 에너지를 저감하기 위한 고효율 냉동/가열 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다.

그 중, 종래의 냉동 시스템은 크게 흡수식 냉동 및 압축식 냉동의 두가지 타입을 주로 사용하고 있다.

구체적으로 상기 종래의 흡수식 냉동장치 중, 사용비중이 높은 중온수 흡수식 냉동장치에서는 공급열원으로 유입된 온수에 의해 고압의 재생기 내에서 흡수액(브롬화리튬용액)을 가열비등시켜 냉매증기를 발생시키고 공급열원의 온수가 회수된다.

또한 상기 고압의 재생기에서 냉매증기를 발생시키고, 재생기에서 고농도로 만들어진 흡수액은 열교환기에서 흡수기로부터 유입되는 저농도 흡수액과 열교환한 후 저압의 흡수기로 유입된다.

즉, 흡수액은 재생기→열교환기→흡수기→열교환기→재생기의 순서로 유동되고, 냉매는 재생기→응축기→증발기→흡수기→재생기의 순서로 유동된다.

다음으로, 종래 압축식 냉동장치는 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기로 구성되어 있고, 일반적으로 프레온 냉매를 사용한다.

더불어 액체의 프레온 냉매는 증발기에서 냉방을 하기 위해 실내의 열을 흡수하여 약 0℃에서 증발하고 상변이하여 가스화된다.

즉, 프레온 냉매는 증발기→압축기→응축기→팽창변→증발기의 순서로 유동된다.

이 중, 산업현장에서 주로 사용되는 흡수식 냉동장치의 재생기에서 필요한 열원은 항상 별도로 생성되어 공급되어야 하기 때문에 이러한 열원을 생성하기 위해 추가로 에너지를 필요로 하므로 에너지 효율이 떨어져 냉동시스템 유지를 위한 전력이 심대하게 소모되는 문제점이 있었다.

따라서, 이러한 흡수식 냉동장치의 에너지 효율을 개선하여 에너지 소모량을 저감할 수 있는 기술의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-0827570호 "흡착식 냉동기의 폐열 재활용을 위한 히트펌프 장치" 대한민국 등록특허공보 제10-1634345호 "압축식 냉동기의 폐열을 이용한 흡수식 냉방장치"

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은, 흡수식 냉동장치의 재생기에서 흡수액의 재상을 위한 가열 시 일부 사용되고 대부분 버려져 에너지 낭비를 유발하는 문제점을 개선하여 버려지는 폐열을 이용해 재생기 가열 시 재이용되도록 하여 흡수액 재생에 사용되는 에너지를 저감할 수 있도록 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐열흡수 타입 냉동 시스템은, 내부에 물을 저장하고 물을 증발시키는 증발기; 상기 증발기와 연통되고, 내부에 흡수액을 담지하여 상기 증발기로부터 생성되는 수증기를 흡수하여 증발기 내부를 저온 진공상태가 되도록 하는 흡수기; 상기 흡수기와 연결되어, 수증기가 흡수된 흡수액을 수용하여 이를 가열함으로써 흡수액을 재생시켜 다시 흡수기로 재생된 흡수액을 토출하는 재생기; 및 상기 재생기 및 증발기와 연결되어, 상기 재생기로부터 가열된 흡수액에서 발생되는 수증기를 수용하고, 수용된 수증기를 냉각수와 열교환하여 물로 응축시켜 다시 증발기로 토출하는 응축기;를 포함하여 구성되고, 상기 재생기는 내부에 상변화유동액이 순환하는 폐열회수 매니폴드; 상기 폐열회수 매니폴드와 연결되어 상변화유동액을 저장하는 폐열저장탱크; 상기 폐열저장탱크와 연결되어 저장된 상변화유동액을 유동시키고, 상기 재생기 내부의 흡수액과 상변화유동액을 열교환시키도록 하는 폐열리사이클 매니폴드;를 포함하여, 상기 재생기의 흡수액 재생을 위한 가열 시, 상변화유동액이 가열시 발생하는 폐열을 일부 흡수하고, 폐열을 흡수한 상변화유동액을 상기 폐열저장탱크에 저장하였다가 재생기에서 재가열 시, 폐열리사이클 매니폴드를 이용하여 재생기내부의 흡수액을 사전 가열하여 가열에 필요한 에너지소모를 저감하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명은 증발기, 흡수기, 재생기, 응축기로 구성되는 흡수식 냉동 시스템에서 흡수액 재생을 위해 흡수액을 가열하는 재생기가 폐열회수 매니폴드, 폐열저장탱크, 폐열리사이클 매니폴드를 부가함으로써, 흡수액 가열 시 발생하는 폐열을 비열이 높은 상변화유동액이 저장하여 이를 다시 재생기로 보냄으로, 흡수액 가열전 사전 가열을 폐열리사이클 매니폴드를 통해 수행하여 최종적으로 재생기에서 흡수액 재생을 위한 에너지 소모를 저감할 수 있도록 하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열흡수 타입 냉동 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡수기 내부의 다단구조를 보여주는 단면도이다;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열회수 매니폴드 및 폐열리사이클 매니폴드의 내부를 나타낸 단면도이다;

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1은 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열흡수 타입 냉동 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡수기 내부의 다단구조를 보여주는 단면도가 도시되어 있으며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열회수 매니폴드 및 폐열리사이클 매니폴드의 내부를 나타낸 단면도이다.

상기 도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 폐열흡수 타입 냉동 시스템은, 내부에 물을 저장하고 물을 증발시키는 증발기(100); 상기 증발기(100)와 연통되고, 내부에 흡수액을 담지하여 상기 증발기(100)로부터 생성되는 수증기를 흡수하여 증발기 내부를 저온 진공상태가 되도록 하는 흡수기(200); 상기 흡수기(200)와 연결되어, 수증기가 흡수된 흡수액을 수용하여 이를 가열함으로써 흡수액을 재생시켜 다시 흡수기로 재생된 흡수액을 토출하는 재생기(300); 및 상기 재생기(300) 및 증발기(100)와 연결되어, 상기 재생기(300)로부터 가열된 흡수액에서 발생되는 수증기를 수용하고, 수용된 수증기를 냉각수와 열교환하여 물로 응축시켜 다시 증발기(100)로 토출하는 응축기(400);를 포함하고, 부가적으로 상기 재생기(300)는 내부에 상변화유동액이 순환하는 폐열회수 매니폴드(310); 상기 폐열회수 매니폴드(310)와 연결되어 상변화유동액을 저장하는 폐열저장탱크(320); 상기 폐열저장탱크(320)와 연결되어 저장된 상변화유동액을 유동시키고, 상기 재생기(300) 내부의 흡수액과 상변화유동액을 열교환시키도록 하는 폐열리사이클 매니폴드(330);를 포함하는 구성을 가진다.

보다 상세하게 살펴보면, 먼저 본 발명이 기본적으로 취하고 있는 흡수식 냉동시스템은, 크게 증발기(100), 흡수기(200), 재생기(300), 응축기(400)로 구성되는데, 증발기(100)에서는 내부에 냉매가 유동하는 매니폴드를 구비하고, 이러한 매니폴드 표면에 분무되거나, 증발기 내부에 담지되는 물의 기화가 이루어져 물의 기회시 발생하는 기화열을 통해 냉매를 냉각한다.

이러한 기화를 촉진하고, 증발기(100) 내부를 6.5㎜Hg 정도의 진공상태로 만들기 위하여 상기 증발기(100)와 연통되고, 내부에 흡수액을 담지하는 흡수기(200)를 구비하게 된다.

이러한 흡수기(200)의 흡수액은, 친수성이 극도로 높아 수증기를 흡수하는 성질이 강한 리튬브로마이드(LiBr) 수용액을 사용하는 것이 바람직한데, 본 발명에서는 리튬브로마이드(LiBr) 50 내지 70 wt%의 농축액을 사용함으로써 수증기의 흡수를 극대화할 뿐아니라, 흡수액을 단순히 담지하는 것이 아닌 다중 노즐을 이용하여 흡수기(200)내에 분무함으로써 수증기와 흡수액의 접촉면적을 극대화 하거나, 흡수기(200) 내부에 흡수액 담지공간을 다단으로 구성하고, 상기 흡수액을 상단으로부터 흘려 하단의 담지공간으로 이송되도록하여 접촉면적을 확대하도록 한다.

흡수기(200) 내부에 다중으로 흡수액을 비산시키는 구조를 취하여 증발기(100)로부터 이송되는 수증기와 흡수액의 접촉면적을 크게 확산시킴과 동시에, 흡수액의 단순 분무보다 흡수액의 비산시간을 늘려 접촉시간의 확대를 가져올 수 있어 효과적으로 흡수액이 수증기를 흡수할 수 있도록 한다.

다음으로, 상기와 같이 수증기를 흡수한 흡수액은 물을 과량으로 함유하여 점차 수증기 흡수력이 떨어지게 되는데, 이러한 수증기를 과량으로 흡수한 흡수액을 상기 재생기(300)로 이송하게 된다.

이러한 재생기(300)는 가열을 통하여 수증기를 흡수한 흡수액을 승온시켜, 수증기를 기화해 흡수액과 분리하는 것으로, 가스나 전기를 이용한 가열방법을 주로 사용한다.

그러나, 이러한 흡수액 승온을 위한 에너지는 대부분 대기 중으로 손실되므로, 시스템 전체에 에너지낭비를 불러온다.

이에 본 발명은, 도 1에서 보는 바와 같이, 재생기(300) 내부 하단 및 중앙에 흡수액 승온을 위한 에너지를 일부 리사이클링 하기 위한 매니폴드를 구비한다.

보다 구체적으로 살펴보면, 일반적으로 재생기(300)하단으로부터 가열에너지를 공급하므로, 도 1에서와 같이, 재생기(300) 저면에 폐열회수 매니폴드(310)를 구비하게 되는데, 이러한 폐열회수 매니폴드(310)는 내부에 형성된 유로에 상변화유동액을 담지하고 있다.

이러한 상변화유동액은, 파라핀계(Paraffin)와 비파라핀계(Fatty Acids)를 포함하는 유기계 상변화 물질(Organic PCM)를 사용할 수 있고, 바람직 하게는 25 내지 35 중량% 또는 32 중량%의 MgBr2·H2O, 55 내지 75 중량% 또는 65 중량%의 SrBr2·H2O 및 1 내지 5 중량% 또는 3 중량%의 물의 혼합물을 사용하여 유동이 원활하면서 상변화를 통한 높은 수준의 축열이 가능한 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.

따라서, 상기와 같이 축열을 수행하여 상변환된 상변화유동액을 연결된 폐열저장탱크(320)로 이송하여 저장하였다가, 이후 재생기가 재작동 시, 도 1에서 보는바와 같이, 재생기(300) 중앙에 위치한 폐열리사이클 매니폴드(330)로 보내 폐열리사이클 매니폴드(330) 내를 유동하는 축열된 상변화유동액과 흡수액이 열교환하여 1차적으로 사전 가열되고, 이 후 재생기(300)를 가열함으로써 흡수액 승온에 필요한 열에너지 저감을 수행하도록 한다.

이때, 상기 폐열회수 매니폴드(310)는, 표면에 다수의 미세그루브를 형성하여 재생기(300) 내부와의 열교환면적을 확장하도록 하여 충분한 열에너지를 흡수할 수 있도록 할 수 있으며, 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 폐열리사이클 매니폴드(330)는, 내부를 유동하는 상변화유동액의 유동시간 지연을 위한 내부 버퍼패널(Buffer panel) 또는 유로 내벽을 따라 형성되어 상변화유동액의 난류를 유도하는 스파이럴 홈을 형성함으로써, 직관을 통해 상변화 유동액이 빠르게 흘러가는 것이 아닌, 일정한 지연시간을 갖도록 함으로써 열교환이 원활히 이루어질수 있도록 함과 동시에 열교환 면적을 최대로 가질 수 있도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 증발기(100), 흡수기(200), 재생기(300), 응축기(400)로 구성되는 흡수식 냉동 시스템에서 흡수액 재생을 위해 흡수액을 가열하는 재생기(300)가 폐열회수 매니폴드(310), 폐열저장탱크(320), 폐열리사이클 매니폴드(330)를 부가함으로써, 흡수액 가열 시 발생하는 폐열을 비열이 높은 상변화유동액이 저장하여 이를 다시 재생기(300)로 보냄으로, 흡수액 가열전 사전 가열을 폐열리사이클 매니폴드(330)를 통해 수행하여 최종적으로 재생기(300)에서 흡수액 재생을 위한 에너지 소모를 저감할 수 있도록 하는 효과를 가진다.

본 발명은, 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다고 할 것이다.

100 : 증발기 200 : 흡수기
300 : 재생기 310 : 폐열회수 매니폴드
320 : 폐열저장탱크 330 : 폐열리사이클 매니폴드
400 : 응축기

Claims (8)

1. 내부에 냉매가 유동하는 매니폴드를 구비하되 상기 매니폴드 표면에 분무되거나, 증발기 내부에 담지되는 물의 기화가 이루어져 물의 기회시 발생하는 기화열을 통해 냉매를 냉각하는 증발기, 상기 증발기 내부를 6.5㎜Hg 정도의 진공상태로 만들기 위해 상기 증발기와 연통되되 내부에 흡수액을 담지하는 흡수기, 재생기, 응축기로 구성되는 흡수식 냉동 시스템에 관한 것으로서,
   내부에 물을 저장하고 물을 증발시키는 증발기;
   상기 증발기와 연통되고, 내부에 흡수액을 담지하여 상기 증발기로부터 생성되는 수증기를 흡수하여 증발기 내부를 저온 진공상태가 되도록 하는 흡수기;
   상기 흡수기와 연결되어, 수증기가 흡수된 흡수액을 수용하여 이를 가열함으로써 흡수액을 재생시켜 다시 흡수기로 재생된 흡수액을 토출하는 재생기; 및
   상기 재생기 및 증발기와 연결되어, 상기 재생기로부터 가열된 흡수액에서 발생되는 수증기를 수용하고, 수용된 수증기를 냉각수와 열교환하여 물로 응축시켜 다시 증발기로 토출하는 응축기;를 포함하여 구성되고,
   상기 재생기는 상기 흡수기에 의해 수증기를 과량으로 흡수한 흡수액을 가스나 전기를 이용한 가열방법으로 승온시켜, 수증기를 기화해 흡수액과 분리하는 것이되, 흡수액 승온을 위한 에너지를 일부 리사이클링 하기 위한 것으로서 내부에 상변화유동액이 순환하는 폐열회수 매니폴드; 상기 폐열회수 매니폴드와 연결되어 상변화유동액을 저장하는 폐열저장탱크; 상기 폐열저장탱크와 연결되어 저장된 상변화유동액을 유동시키고, 상기 재생기 내부의 흡수액과 상변화유동액을 열교환시키도록 하는 폐열리사이클 매니폴드;를 포함하여,
   상기 재생기의 흡수액 재생을 위한 가열 시, 상변화유동액이 가열시 발생하는 폐열을 일부 흡수하고, 폐열을 흡수한 상변화유동액을 상기 폐열저장탱크에 저장하였다가 재생기에서 재가열 시, 폐열리사이클 매니폴드를 이용하여 재생기내부의 흡수액을 사전 가열하여 가열에 필요한 에너지소모를 저감하되,
   상기 흡수액은 리튬브로마이드(LiBr) 50 내지 70 wt% 수용액을 사용하여 수증기의 흡수를 극대화하되, 흡수액을 다중 노즐을 이용하여 흡수기내에 분무함으로써 수증기와 흡수액의 접촉면적을 극대화 하고,
   상기 상변화유동액은, 파라핀계(Paraffin)와 비파라핀계(Fatty Acids)를 포함하는 유기계 상변화 물질(Organic PCM)로서, 25 내지 35 중량% 또는 32 중량%의 MgBr2·H2O, 55 내지 75 중량% 또는 65 중량%의 SrBr2·H2O 및 1 내지 5 중량% 또는 3 중량%의 물의 혼합물이며,
   상기 폐열회수 매니폴드는, 상기 재생기 내부 저면에 부착되어, 상기 상변화유동액이 재생기의 저면으로부터 가해지는 열에너지 일부를 흡수하여 폐열저장탱크로 이송되되, 표면에 다수의 미세그루브를 형성하여 재생기 내부와의 열교환면적을 확장하고, 내부를 유동하는 상변화유동액의 유동시간 지연을 위한 내부 버퍼패널(Buffer panel) 또는 유로 내벽을 따라 형성되어 상변화유동액의 난류를 유도하는 스파이럴 홈을 구비하고,
   축열을 수행하여 상변환된 상변화유동액은 연결된 폐열저장탱크로 이송하여 저장되었다가, 재생기가 재작동 시 상기 재생기 중앙에 위치한 폐열리사이클 매니폴드로 보내 폐열리사이클 매니폴드 내를 유동하는 축열된 상변화유동액과 흡수액이 열교환하여 1차적으로 사전 가열되고, 이후 재생기를 가열함으로써 흡수액 승온에 필요한 열에너지 저감을 수행하도록 한 것을 특징으로 하는 폐열흡수 타입 냉동 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

Images