KR102036107B1 - 흡수식 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡수식 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 최적 효율로 운전되는 흡수식 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 증발기, 흡수기, 고온재생기, 저온재생기 그리고 상기 흡수기에서 상기 고온재생기로 흡수액을 공급하는 펌프를 포함하는 흡수식 시스템에 있어서, 상기 펌프의 인버터 주파수값을 피드백 제어를 통해 연산하고, 상기 연산된 인버터 주파수값을 상기 펌프에 인가하여, 상기 흡수식 시스템의 효율(COP)에 비례하는 냉수 입출구 온도차가 최대가 되도록 제어하는 제어부를 포함하는 흡수식 시스템이 제공될 수 있다.

Description

흡수식 시스템 및 이의 제어 방법{absoption system and a controlling method of the same}

본 발명은 흡수식 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 최적 효율로 운전되는 흡수식 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

흡수식 시스템은 흡수식 냉온수기, 흡수식 냉동기 그리고 중온수 냉동기를 포함한다고 할 수 있다.

구체적으로 흡수식 시스템은, LPG, LNG 등과 같은 가스 또는 연료를 열원으로 하고 흡수액(예를 들어, 리튬브로마이드(LiBr) 수용액)을 이용하여 냉매(예를 들어, 증류수)를 흡수, 재생, 응축, 증발하는 사이클을 수행하고, 그 과정에서 부하측(예를 들어, 실내기)을 순환하는 냉수 또는 냉각수를 이용하여 냉방이나 냉난방에 이용하는 장치라 할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 일반적인 흡수식 시스템(1)에 대한 개략적인 계통도이다.

도시된 바와 같이, 흡수식 시스템(1)은 고온재생기(20)와 저온재생기(30)를 포함할 수 있다. 즉, 2 개의 재생기가 구비될 수 있고, 이를 "2중 효용" 흡수식 시스템이라 할 수 있다. 또한, 흡수식 시스템(1)은 흡수액 사이에서 열교환이 이루어지는 저온 열교환기(60)와 고온 열교환기(70)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 흡수식 시스템(1)은 흡수기(10), 고온재생기(20), 저온재생기(30), 응축기(40) 및 증발기(50)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이러한 구성들 및 후술하는 배관들의 상하 좌우 위치는 실질적으로 도 1에 도시된 바와 같을 수 있다.

흡수 시스템(1)의 사이클을 설명하면 다음과 같다.

흡수기에서 나온 저농도 흡수액(즉, 물을 많이 포함하는 흡수액)은 저농도 배관(13)을 통해 저온 열교환기(60) 및 고온 열교환기(70)를 경유하여 고온재생기(20)로 들어간다. 고온재생기(20)에 들어간 저농도 흡수액은 버너(21) 등에 의해 가열됨에 따라 상기 흡수액에서 냉매 증기가 증발하여 분리된다. 즉, 고온재생기(20) 내부에서 흡수액에서 냉매 증기가 분리되어 재생되기 때문에, 흡수액의 농도는 짙어진다. 이를 중농도 흡수액이라 할 수 있다.

즉, 흡수액과 냉매를 분리하는 것을 재생이라 할 수 있으며, 상기 재생은 냉매의 증발시켜 냉매 증기를 분리하는 것을 포함한다. 아울러, 상기 재생은 분리된 냉매 증기를 더욱 가열하여 과열 증기를 생성하는 것을 포함할 수 있다.

고온재생기(20)에서 얻어진 중농도 흡수액은 중농도 배관(22)을 통해 고온 열교환기(70)를 경유하여 고온재생기(20)로 들어오는 저농도 흡수액을 미리 가열한 다음 저온재생기(30)로 유입된다. 그리고 고온재생기(20)에서 재생된 냉매 증기는 냉매 증기관(23)을 통해 저온재생기(30) 내부에 배열된 전열관(heat tranfer pipe(tube))군(群)(31) 안을 흐르면서 저온재생기(30) 내부로 유입된 중농도 흡수액을 가열한다. 따라서, 중농도 흡수액에서 냉매 증기가 재생되어 고농도 흡수액이 생성된다. 그리고, 열교환된 냉매 증기는 전열관군 내에서 응축되어 출구 배관(33)을 통해 응축기(40)로 유입된다.

상기 저온재생기(30)에서 생성되는 고농도 흡수액은 고농도 배관(32)을 따라 저온 열교환기(60)를 경유하면서 흡수기(10)로부터 나오는 저농도 흡수액을 미리 가열한 후 흡수기(10)로 유입된다.

상기 흡수기(10)에서 상기 고농도 흡수액은 증발기(50)로부터 유입되는 수증기를 흡수하여 저농도 흡수액으로 변하며, 그 과정에서 발생하는 흡수열은 흡수기측 냉각수 전열관군(11)에 의해 냉각된다. 그리고 흡수기 하부에 고인 저농도 흡수액은 펌프(P1)를 통해서 배출되어, 전술한 사이클을 반복하게 된다.

냉각수는 냉각수 배관(81)을 따라 흡수기(10)로 유입되고, 흡수기(10) 내의 냉각수 전열관군(11) 안을 흐르면서 전술한 고농도 흡수액을 냉각시키고, 응축기(40)로 유입된다. 상기 냉각수는 응축기 내의 냉각수 전열관군(41) 안을 흐르면서, 상기 저온재생기(30)로부터 유입되는 냉매 증기를 응축시킨 후, 냉각수 배관(81)을 통해 응축기에서 배출된다. 따라서, 흡수식 시스템(1)으로 유입되는 냉각수는 냉각수 배관(81)을 따라 온도가 상승하게 된다.

구체적으로, 저온재생기(30)에서 중농도 흡수액으로부터 재생된 냉매 증기는 저온재생기(30)와 응축기(40) 사이의 엘리미네이터(35)를 통과하여 응축기(40)로 유입된다. 상기 응축기(40) 내로 유입된 냉매 증기(상기 출구 배관(33)을 통해 유입되는 냉매 증기 포함)는 냉각수 전열관군(41)에 의해 응축된다. 그리고, 상기 응축기(40) 내에서 응축된 응축수와 상기 출구 배관(33)을 통해 유입되는 응축수는 상기 응축기(40) 하부에 저수될 수 있다.

상기 응축기(40)로부터 응축수가 응축수 배관(42)을 통해 증발기(50)로 유입되고, 상기 증발기(50) 내부에서 상기 응축수가 증발하면서 증발기(50) 내부의 냉수 전열관군(51)을 흐르는 냉수를 냉각시킨다. 증발기에 고인 냉매는 냉매 순환관(52)을 통해 다시 증발기 상부에서 산포되어 증발이 계속 유도된다.

상기 증발기(50)에서 발생되는 냉매 증기는, 증발기(50)와 흡수기(10) 사이에 배치된 엘리미네이터(15)를 통과하여 흡수기(10)로 들어가서, 흡수기에서 산포되는 고농도 흡수액에 흡수된다. 이 과정에서 발생하는 흡수열은 흡수기측 냉각수 전열관군(11)에 의해 냉각된다.

구체적으로, 냉수는 냉수 배관(53)을 통해 흡수식 시스템(1)으로 유입된 후 배출된다. 상기 냉수 배관(53)은 증발기 내부의 냉수 전열관군(51)을 포함하므로, 상기 냉수는 상기 냉수 전열관군(51)을 따라 흐르면서 온도가 낮아진다고 할 수 있다.

따라서, 흡수식 시스템은, 온도가 낮아진 냉수 또는 온도가 높아진 냉각수를 통해 냉동 또는 냉난방이 가능하게 된다. 다시 말하면, 재생(흡수액에서 냉매의 분리), 냉매 증기의 응축, 냉매의 증발 그리고 흡수의 순환 사이클을 통해 발생되는 잠열을 이용하게 된다.

일반적으로 흡수식 시스템의 효율은 COP(Coefficient of Performance)를 통해 나타내며, COP는 재생기로 입열되는 가열량에 대한 냉동 능력(열량)의 비로 표시한다. 따라서, COP가 높을수록 시스템의 효율이 좋다고 할 수 있다.

하지만, 상기 COP는 통상 최대 부하(full load)에서의 시스템 효율, 즉 최대 냉방 능력 운전 시의 시스템 효율의 의미한다. 그러므로, COP는 부분 부하 운전에서의 시스템 효율을 대변하지 못한다.

실제 시스템이 설치되는 필드에서는, 부분 부하(예를 들어, 최대 부하의 25%, 50% 또는 75%)에서 시스템이 운전되는 빈도가 최대 부하에서 시스템이 운전되는 빈도보다 많다.

이러한 부분 부하를 고려한 시스템 효율을 IPLV(Integrated part load value)라 한다. 따라서, 부분 부하(part load)에서의 시스템 효율, 즉 IPLV를 높이는 것이 중요하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 흡수식 시스템은, 고온 재생기 및 냉각수 입구온도의 함수로 설정되어 있는 인버터 주파수로 펌프(P1)를 운전한다. 즉, 시스템의 효율에 간접적인 연관이 있는 고온 재생기의 온도와 냉각수 온도를 감지하여 흡수액 순환량을 제어한다.

여기서, 흡수액 순환량은 실질적으로 펌프(P1)를 통해서 저농도 흡수액을 고온 재생기로 이송되는 유량을 의미한다. 따라서, 이상적으로는 현재의 부하에 최적이 되는 유량을 펌프(P1)를 통해 고온 재생기로 이송해야 한다.

그러나, 종래의 흡수식 시스템에 있어서, 부분 부하 운전시 임의의 순환량 상태로 펌프(P1)가 운전되어 부분 부하에서의 효율이 현저히 감소하는 문제가 있다. 즉, 현재의 부하에 최적이 되는 유량을 펌프(P1)를 통해 고온 재생기로 이송하지 못하는 문제가 있다.

구체적으로, 종래의 흡수식 시스템은, 모델별 특성, 예를 들어, COP, 용량이나 운전 조건이 다른 경우에도, 도 2에 도시된 함수를 통해서, 획일적으로 정해진 흡수액 순환량으로 운전된다. 즉, 센싱되는 냉각수 입구 온도와 고온재생기 온도에 따라 정해지는 인버터 주파수 맵, 즉 룩업(look-up) 테이블에서 인버터 주파수가 결정된다. 물론, 상기 룩업 테이블은 도 2에 도시된 함수를 토대로 작성된다고 할 수 있다.

따라서, 시스템의 효율이 최적이 되는 점을 벗어나 소요 에너지 및 비용이 불필요하게 증가하는 문제가 있다. 왜냐하면, 전술한 모델별 특성이나 운전 조건에 따라서 상기 인버터 주파수가 결정되지 않고, 단순히 냉각수 입구 온도와 고온재생기 온도에 따라 상기 인버터 주파수가 결정되기 때문이다.

한편, 이러한 최적점을 갖는 순환량 제어를 위해, 모델별로 설계 및 시험을 할 경우 막대한 비용 및 시간이 소요되는 문제가 있다.

따라서, 흡수식 시스템의 효율, 특히 IPVL을 개선할 수 있는 흡수식 시스템 또는 이의 제어방법이 제공될 필요가 있다. 아울러, 모델에 따라 달라지는 순환량 제어방법이 아닌, 모델과 무관하게 범용으로 적용할 수 있는 순환량 제어방법이 제공될 필요가 있다.

본 발명은 기본적으로 전술한 문제를 해결하고자 함을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예를 통하여, 흡수식 시스템에 적용될 수 있는 범용 제어 로직을 제공하고자 한다. 따라서, 모델별로 흡수액 순환량을 제어하는 제어 로직의 신규 개발 필요성을 줄이고자 한다.

본 발명의 실시예를 통하여, 흡수식 시스템의 IPLV를 효과적으로 개선할 수 있는 흡수식 시스템 및 이를 포함하는 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예를 통하여, 연속적인 피드백 제어를 가능하게 하여 순환량을 보다 정밀하게 제어할 수 있는 흡수식 시스템 및 이를 포함하는 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예를 통하여, 고온재생기 내부 액위의 가변에 따른 안전 제어를 병행할 수 있어서, 신뢰성 및 효율 증진이 가능한 흡수식 시스템 및 이를 포함하는 제어방법을 제공하고자 한다.

전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 증발기; 상기 증발기로 냉수를 유입시켜 열교환 후 상기 증발기에서 상기 냉수를 배출시키는 냉수 배관; 상기 증발기로부터 유입되는 냉매 증기를 흡수액에 흡수시키는 흡수기; 상기 흡수기로부터 유입되는 저농도 흡수액을 가열하여 냉매 증기와 중농도흡수액으로 분리하여 재생시키는 고온재생기; 상기 흡수기로부터 상기 저농도 흡수액을 상기 고온재생기로 공급하는 펌프; 상기 고온재생기로부터 유입되는 중농도 흡수액을 가열하여 냉매 증기와 고농도 흡수액으로 분리하여 재생시키는 저온재생기; 그리고 상기 냉수 배관의 입출구 온도차를 통하여, 상기 입출구 온도차가 기설정된 온도차를 만족하도록, 상기 펌프의 인버터 주파수값을 가변 제어하는 제어부를 포함하는 흡수식 시스템을 제공할 수 있다.

상기 제어부는 피드백 제어를 통하여 상기 주파수값을 연산하여 상기 펌프에 인가할 수 있다. 아울러, 상기 피드백 제어는 PID 제어일 수 있다.

상기 온도차는 특정값이 아닌 선형적으로 연속적인 값일 수 있다. 따라서, 피드백되는 온도차는 연속적인 값일 수 있다. 물론, 최저 온도차와 최고 온도차 사이를 얼만큼 세분화하는냐의 문제는 있을 수 있다. 세분화의 정도가 크다면 더욱 정밀한 제어가 가능할 것이다.

이러한 연속적인 온도차값을 통해서 주파수값을 연속적으로 연산하는 것이 가능하다. 따라서, PID 제어를 수행할 수 있고, 이를 통해서 보다 정밀하게 순환량을 제어하는 것이 가능하게 된다.

전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 증발기, 흡수기, 고온재생기, 저온재생기 그리고 상기 흡수기에서 상기 고온재생기로 흡수액을 공급하는 펌프를 포함하는 흡수식 시스템에 있어서, 상기 펌프의 인버터 주파수값을 피드백 제어를 통해 연산하고, 상기 연산된 인버터 주파수값을 상기 펌프에 인가하여, 상기 흡수식 시스템의 효율(COP)에 비례하는 냉수 입출구 온도차가 최대가 되도록 제어하는 제어부를 포함하는 흡수식 시스템을 제공할 수 있다.

전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 증발기, 흡수기, 고온재생기, 저온재생기 그리고 상기 흡수기에서 상기 고온재생기로 흡수액을 공급하는 펌프를 포함하는 흡수식 시스템에 있어서, 상기 흡수식 시스템의 효율(COP)에 비례하는 냉수 입출구 온도차가 최대가 되도록 흡수액 순환량을 제어하기 위하여, 피드백 제어를 통해 상기 펌프의 인버터 주파수값을 연산하여 상기 펌프로 인가하는 제어부를 포함하는 흡수식 시스템을 제공할 수 있다.

상기 피드백 제어는 PID 제어임이 바람직하다.

전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 증발기, 흡수기, 고온재생기, 저온재생기 그리고 상기 흡수기에서 상기 고온재생기로 흡수액을 공급하는 펌프를 포함하는 흡수식 시스템의 제어방법에 있어서, 상기 고온재생기의 운전 단계; 상기 증발기로 냉수를 유입시켜, 열교환 후 상기 증발기에서 상기 냉수를 배출시키는 냉수 배관의 입출구 온도차를 판단하는 온도 판단 단계; 그리고 피드백 제어를 통하여 상기 펌프의 인버터 주파수값을 연산하고, 상기 연산된 인버터 주파수값을 상기 펌프에 인가하는 주파수 제어 단계를 포함함을 특징으로 하는 흡수식 시스템의 제어방법을 제공할 수 있다.

상기 온도 판단 단계와 상기 주파수 제어 단계는 소정 시간마다 반복됨이 바람직하다.

상기 운전 단계 초기, 소정 시간 경과 전에는 상기 냉수 배관의 입구 온도를 소정값으로 고정하여, 상기 온도 판단 단계가 수행됨이 바람직하다.

상기 고온재생기 내부의 흡수액 액위을 센싱하고, 센싱 결과에 따라 상기 펌프의 작동 정지, 재작동, 상기 펌프의 주파수 제어 그리고 상기 흡수식 시스템 전체의 작동 정지 중 어느 하나를 수행함이 바람직하다.

상기 흡수액 액위가 최고 액위로 센싱되는 경우, 상기 펌프의 작동을 정지할 수 있다.

상기 펌프의 작동 정지 후, 상기 흡수액 액위가 중간 액위로 센싱되는 경우, 상기 펌프를 재작동할 수 있다.

상기 흡수액 액위가 최저 액위로 센싱되는 경우, 상기 흡수식 시스템 전체의 작동을 정지할 수 있다.

상기 펌프의 작동 중, 상기 흡수액 액위가 상기 최고 액위과 최저 액위 사이로 센싱되는 경우, 상기 펌프를 주파수 제어를 통해 운전함이 바람직하다.

따라서, 정상 상태의 제어 로직과 이상 상태의 제어 로직을 병행하여 수행할 수 있다.

본 발명의 실시예를 통하여, 흡수식 시스템에 적용될 수 있는 범용 제어 로직을 제공할 수 있다. 따라서, 모델별로 흡수액 순환량을 제어하는 제어 로직의 신규 개발 필요성을 줄일 수 있다.

본 발명의 실시예를 통하여, 흡수식 시스템의 IPLV를 효과적으로 개선할 수 있는 흡수식 시스템 및 이를 포함하는 제어방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예를 통하여, 연속적인 피드백 제어를 가능하게 하여 순환량을 보다 정밀하게 제어할 수 있는 흡수식 시스템 및 이를 포함하는 제어방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예를 통하여, 고온재생기 내부 액위의 가변에 따른 안전 제어를 병행할 수 있어서, 신뢰성 및 효율 증진이 가능한 흡수식 시스템 및 이를 포함하는 제어방법을 제공할 수 있다.

도 1은 종래 또는 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 흡수식 시스템의 계통도;
도 2는 종래의 펌프 제어를 위한 인버터 주파수 맵을 도시한 그래프;
도 3은 순환량과 냉수 입출구 온도차의 상관 관계를 도시한 그래프;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 흡수식 시스템의 간략한 블럭도;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 흡수식 시스템의 제어 계통도; 그리고
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 흡수식 시스템의 제어 플로우 차트이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 실시예는 흡수액의 순환량을 제어하는 방법 및 이를 이용하는 흡수식 시스템에 관한 것이다. 따라서, 본 실시예에서는 기본적으로 전술한 흡수식 시스템 구성들과 동일하거나 유사한 구성들을 이용하는 것이 가능할 것이다. 따라서, 각 구성들에 대한 중복되는 설명은 생략될 수 있을 것이다.

COP는 전술한 바와 같이, 재생기 입열량에 대한 냉동열량의 비로 나타낼 수 있다. 재생기 입열량은 재생기로 입열되는 가열량을 의미하고, 냉동열량은 냉수 발생에 소요된 열량을 의미한다.

구체적으로, 냉동열량은 냉수 유량과 냉수 입출구 온도차(냉수 입구 온도 - 냉수 출구 온도)에 직접적으로 비례한다고 할 수 있다. 따라서, 냉수 입출구 온도차는 COP, 즉 시스템의 효율에 직접적인 연관이 있는 인자라고 할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는, 이러한 냉수 입출구 온도차를 기반으로 하여 시스템의 효율을 증진시킬 수 제어방법 및 이를 이용한 흡수식 시스템이 제공될 수 있다. 즉, 시스템의 효율에 간접적인 연관이 있는 고온재생기 온도와 냉각수 온도가 아닌, 직접적인 연관이 있는 냉수 입출구 온도차를 기반으로 하기 때문에, 직접적으로 시스템 효율을 높일 수 있을 것이다.

도 3은 흡수식 시스템에서, 흡수액 순환량과 냉수 입출구 온도차의 관계를 도시한 그래프이다.

흡수액 순환량은, 도 1에 도시된 펌프(P1)를 통해 고온재생기(20)로 제공되는 흡수액의 단위 시간당 질량(Kg/sec)라 할 수 있다. 냉수 입출구 온도차는, 증발기(50)으로 유입되는 냉수 온도와 증발기(50)에서 배출되는 냉수 온도의 차이(℃)라 할 수 있다. 즉, 증발기(50)에 대한 냉수 배관(53)의 입구 온도와 출구 온도의 차이라 할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 냉수 입출구 온도차는 순환량이 증가할수록 커지지만, 일정 수치 이후에는 감소하는 경향이 나타난다. 즉, 순환량에 따라 냉수 입출구 온도차가 가장 크게 되는 최적 구간 도는 최적점(A)이 존재하게 된다. 이는 시스템의 모델이나 운전 조건과는 무관한 시스템의 고유 특성이라 할 수 있다.

이는, 순환량이 과소 또는 과다한 경우에 냉수 입출구 온도차가 최적 구간을 벗어남을 의미한다. 아울러, 냉수 입출구 온도차가 작아진다는 것은 전술한 바와 같이 COP가 작아짐을 의미한다. 따라서, COP를 높이기 위해서는 냉수 입출구 온도차가 최적 구간에서 시스템이 운전되도록 순환량을 제어할 필요가 있게 된다.

한편, 도 3은 특정 부하에 대한 운전 조건에서의 냉수 입출구 온도차와 순환량과의 관계를 도시한 것이다. 즉, 운전 조건이 가변됨에 따라 상기 그래프는 좌우로 이동될 수 있으며, 이에 따라 최적 구간을 갖는 순환량도 달라질 수 있다.

예를 들어, 도 3의 그래프가 50%의 부분 부하에서의 냉수 입출구 온도차와 순환량과의 관계를 도시한 것이라면, 75%의 부분 부하 조건에서 상기 그래프는 우측으로 이동될 수 있다. 마찬가지로, 25%의 부분 부하 조건에서 그래프는 좌측으로 이동될 수 있다. 왜냐하면, 부하가 커질수록 일반적으로 순환량이 많아져야 하기 때문이다.

따라서, 운전 조건이나 모델이 달라지더라도, 냉수 입출구 온도차가 가장 커지는 최적 구간에서 시스템이 운전되도록, 순환량을 제어하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 왜냐하면, 냉수 입출구 온도차가 가장 크다는 것은 각각의 운전 조건에서 COP가 직접적으로 커짐을 의미하기 때문이다.

실제, 흡수식 시스템은 최대 부하가 아닌 부분 부하로 운전되는 빈도가 많다. 따라서, 이를 고려하여 IPLV를 높이는 것이 중요하다. IPLV (integrated part load value), 즉 부분 부하를 고려한 시스템 효율은 각 부분 부하에서의 효율에 운전 빈도를 곱하여 산출될 수 있다.

일례로, 최대 부하(100%)에서는 0.01(1% 사용 빈도), 75% 부분 부하에서는 0.42(42% 사용 빈도), 50% 부분 부하에서는 0.45(45% 사용 빈도) 그리고 25% 부분 부하에서는 0.12(12% 사용빈도)를 각각 곱하여, IPLV를 산출할 수 있다. 따라서, 빈도 수가 많은 운전 조건에서의 시스템 효율이 IPLV에 더 큰 영향을 미침을 알 수 있다. 아울러, 각각의 부분 부하에서 최대 효율을 갖는다면, IPLV도 최대가 됨을 알 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 각각의 부분 부하에서도 최적의 COP를 얻을 수 있으므로, 전체적으로 최적의 IPLV를 얻을 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 실시예를 구현하기 위한 시스템의 간략한 블럭도를 도시하고 있다.

제어부(100)는 고온재생기의 연소를 제어하여 고온재생기에서 냉매가 재생되도록 제어한다.

상기 고온재생기(20) 내부에는 흡수액의 액위를 센싱하는 액위 센서(200)가 구비될 수 있다. 상기 액위 센서(200)에서 센싱된 액위에 따라, 상기 제어부(100)는 펌프(P1)의 운전이나 시스템 전체의 운전을 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기 액위 센서에 따른 펌프와 시스템 운전 제어는 시스템의 안전과 관련이 있으며, 이에 대한 상세한 사항은 후술한다.

제어부(100)는 펌프(P1)의 인버터 주파수를 제어하여, 펌프(P1)를 통해 고온재생기(20)로 제공되는 흡수액의 양, 즉 순환량을 제어한다. 구체적으로는, 냉수 입출구 온도차에 기반하여 펌프(P1)의 인버터 주파수를 가변 제어할 수 있다.

이를 위하여, 냉수 배관(53)의 입구 온도를 센싱하는 온도 센서(400)와 냉수 배관(53)의 출구 온도를 센싱하는 온도 센서(300)가 구비될 수 있다. 상기 센서(300, 400)들을 통해 센싱된 온도를 통하여, 상기 제어부(100)는 입출구 온도차를 연산하게 된다. 그리고, 상기 제어부(100)는 상기 연산된 온도차를 이용하여, 온도차가 최대값이 되도록 순환량을 제어하게 된다. 즉, 펌프의 인버터 주파수를 가변 제어하여, 현재 운전 조건에서 최대 효율을 갖도록 순환량을 제어하게 된다.

특정 인버터 주파수로 펌프를 운전하여 최적 순환량을 갖게 되면, 운전 조건이 가변되지 않는 한, 상기 특정 인버터 주파수가 고정될 수 있을 것이다. 그리고, 이후 운전 조건이 변경, 즉 부하의 증감이 발생되면, 다시 최적 순환량을 갖기 위하여 인버터 주파수를 가변 제어할 수 있을 것이다.

최적 순환량을 갖도록 펌프의 인버터 주파수를 제어하는 방법은 도 3을 통해서 설명될 수 있다.

먼저, 순환량이 과소인 경우, 제어부(100)는 순환량이 점차 증가하도록 펌프(P1)를 제어할 수 있다. 물론, 온도차를 피드백 받은 후 온도차가 최대값이 될 때까지 순환량이 점차 증가하도록 제어할 수 있다.

반대로, 순환량이 과대인 경우, 제어부(100)는 순환량이 점차 감소하도록 펌프(P1)를 제어할 수 있다. 마찬가지로, 온도차를 피드백 받은 후 온도차가 최대값이 될 때까지 순환량이 점차 감소하도록 제어할 수 있다.

여기서, 순환량이 과소 또는 과다인 것은 피드백되는 온도차와 주파수 가변과의 상관 관계를 통해 용이하게 파악할 수 있다. 예를 들어, 주파수를 증가시킴에도 불구하고 온도차가 작아지면, 이는 순환량이 과대임을 알 수 있다. 또한, 주파수를 감소시킴에도 불구하고 온도차가 작아지면, 이는 순환량이 과소임을 알 수 있다.

따라서, 온도차가 증가하도록 순환량을 가변 제어할 수 있고, 이를 통해 최대 온도차를 갖는 순환량이 되도록 펌프의 운전을 제어할 수 있다.

전술한 펌프의 주파수 제어, 즉 냉수 출입구 온도차에 기반하는 펌프의 주파수 제어는, 정상 상태의 운전 시 수행됨이 바람직하다. 다시 말하면, 비정상 상태의 운전 로직이 상기 펌프의 주파수 제어를 통한 정상 상태의 운전 로직과 병행함이 바람직하다.

다시 말하면, 현재 시스템이 정상 상태로 운전되는지 또는 비정상 상태로 운전되는지 여부를 판단하여, 판단된 결과에 따라 정상 상태 운전 로직 또는 비정상 상태 운전 로직 중 어느 하나로 시스템 운전을 제어함이 바람직하다.

도 5는 정상 상태와 비정상 상태에서의 흡수식 시스템의 제어 로직을 도시하고 있다.

이중효용 흡수식 시스템에서,는 고온재생기(20) 내의 중농도 흡수액의 액위를 일정 범위 내로 제어해야 한다. 전술한 바와 같이, 펌프(P1)를 통하여 흡수액이 순환된다. 운전 조건에 따라 순환량이 달라지므로, 이상적으로는 정상 상태에 해당하는 순환량이 흡수기(10)로부터 고온재생기(20)로 이송되도록, 펌프(P1)를 통해 공급되는 흡수액의 유량이 조절되어야 한다.

그러나, 일반적으로 고온재생기(20)는 고온 환경이기 때문에 연속적인 액위 측정이 매우 어렵다. 따라서, 특정 위치만 검출하는 액위 스위치가 실제 제품에 적용된다.

구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 일반적으로 3개의 액위를 검출하는 액위 스위치가 사용될 수 있다. 최고(제1 레벨), 중간(제2 레벨) 그리고 최저(제3 레벨)을 검출할 수 있는 액위 스위치가 사용될 수 있다. 이러한 액위 스위치는 전극봉을 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 액위 스위치에 대한 사항은 당업자에게 자명하므로, 구체적인 설명은 생략한다.

상기 액위 스위치를 통한 액위 정보가 제어부(100)에 전달되고, 상기 제어부(100)는 액위 정보를 바탕으로 하여, 펌프(P1)와 시스템 전체의 운전을 제어할 수 있다.

정상 상태는 액위가 최대와 최소 사이에서 운전되는 것을 의미한다. 정상 상태에서는 전술한 냉수 출입구 온도차에 기반하여 펌프의 인버터 주파수를 가변하여 펌프를 운전하게 된다. 따라서, 시스템 효율에 직접 연관이 있는 냉수 출입구 온도차가 최대가 되도록 순환량을 제어할 수 있다.

그러나, 액위 정보가 연속적으로 피드백 되지 않는다. 다시 말하면, 액위 정보를 통해서 3개의 액위 정보만 파악할 수 있을 뿐, 구체적으로 최대 액위와 최소 액위 사이의 연속적인 액위 정보를 파악할 수 없다.

따라서, 정상 상태 운전에서, 고온재생기에 공급된 유량과 고온재생기에서 배출되는 유량 사이의 오차가 누적될 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 종래의 정상 상태 운전 방식(냉각수 입구 온도와 고온재생기 온도에 따른 주파수 맵을 이용하는)에 비하여, 상기 오차가 현저히 줄어들 수 있다. 왜냐하면 도 3에 도시된 바와 같이, 최대 효율을 갖는 것과 최적 유량이 공급되는 것 사이에는 매우 강한 상관 관계가 있기 때문이다.

한편, 오차가 누적되어 고온재생기 내의 액위가 최고 액위에 도달하게 되면, 제어부(100)은 펌프(P1)의 구동을 정지하게 된다. 즉, 레벨 1이 센싱되면 제어부(100)는 펌프(P1)의 구동을 정지한다. 펌프의 구동 정지 후에는 액위가 점차 감소하게 되어, 액위가 레벨 2에 도달하게 된다. 즉, 레벨 2가 센싱되면, 제어부(100)는 펌프(P1)을 재가동하며, 이 후 전술한 바와 같이, 정상 상태 운전, 즉 펌프 주파수 제어를 수행하게 된다.

또한, 오차가 누적되어 고온재생기 내의 액위가 최저 액위에 도달할 수 있다. 이는, 시스템에 이상이 발생한 것이라 할 수 있다. 따라서, 제어부(100)는 최저 액위(레벨 3)가 센싱되면, 시스템 전제의 구동을 정지하게 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 정상 상태에서는 냉수 출입구 온도차에 기반하여 펌프의 인버터 주파수를 가변 제어한다. 아울러, 고온재생기 내의 액위 레벨에 기반하여, 이상 상태에서 펌프의 작동 정지, 재작동 그리고 시스템 작동을 제어하게 된다. 물론, 상기 정상 상태 또한 고온재생기 내의 액위 레벨을 기반으로 판단될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(100)은 액위 정보에 따라 스위칭을 통해, 펌프와 시스템의 운전을 제어하는 것이 가능하다. 즉, 간단한 스위칭 회로를 통하여 시스템을 달리 운전할 수 있다.

즉, 펌프(P1)의 온(on) 또는 펌프(P1) 온(on) 상태에서의 주파수 제어, 펌프(P1)의 오프(off) 그리고 시스템 작동 정지(shut down)를 용이하게 구현할 수 있다.

이하에서는, 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 정상 상태 운전에 대한 제어 플로우에 대해서 상세히 설명한다.

시스템 작동이 시작(S10)되면, 고온재생기의 작동이 시작된다. 즉, 고온재생기에서 연료를 연소하여 냉매를 재생하기 시작한다(S20). 물론, 이때 초기 세팅된 펌프의 인버터 주파수로 상기 펌프가 구동을 시작할 것이다.

연소 시작과 펌프의 기동 후, 소정 시간 경과(S30) 후에 냉수의 입출구 온도를 검출(S40)한다. 즉, 냉수 배관 출구 온도센서(300)와 냉수 배관 입구 온도센서(400)를 통하여 각각의 온도를 검출한다. 그리고, 검출된 온도들을 통해 냉수 입출구 온도차를 연산(S50)한다. 이를 온도 판단 단계(S40, S50)라 할 수 있다.

제어부(100)는 상기 연산된 온도차를 기반으로 하여 펌프(P1)를 구동하는 인버터 주파수를 연산(S60)한다. 즉, 상기 연산된 온도차가 최대가 되도록 인버터 주파수를 연산하게 된다. 그리고, 연산된 주파수를 펌프(P1)에 인가(S70)하여 펌프의 운전을 제어한다. 따라서, 펌프의 인버터 주파수값을 연산하고, 연산된 인버터 주파수값을 상기 펌프에 인가하는 것을 주파수 제어 단계(S60, S70)라 할 수 있다.

여기서, 상기 주파수 연산(S60)은 피드백 제어를 통하여 수행될 수 있다. 즉, 피드백되는 온도차를 통하여 이를 최대가 되도록 주파수를 가변할 수 있다.

예를 들어, 냉수 입구 온도가 12℃로 검출되고 냉수 출구 온도가 9℃로 검출될 수 있다. 이 경우 연산되는 온도차는 3℃이다. 이때, 제어부(100)는 연산되는 온도차를 바탕으로 하여 온도차가 높아지도록, 펌프에 인가되는 주파수값을 일정값 증가하도록 연산하고, 연산된 주파수값을 펌프(P1)에 인가할 수 있다.

연산된 주파수값으로 펌프(P1)를 운전하다가 소정 시간 경과(S30) 후 다시 온도차를 피드백 받을 수 있다. 이 경우, 피드백된 냉수 입출구 온도차가 4℃일 수 있다.

따라서, 전술한 온도 판단 단계와 주파수 제어 단계는 소정 시간마다 반복됨이 바람직하다. 다시 말하면, 냉수 입구 온도와 냉수 출구 온도의 검출은 소정 시간 경과 후 수행됨이 바람직하다.

펌프의 운전 주파수가 가변되는 것은 순환량이 가변됨을 의미한다. 따라서, 이러한 순환량의 가변이 냉수의 입출구 온도차의 가변으로 전환되기 위해서는, 충분한 시간이 필요하게 된다. 즉, 순환량의 가변이 충분히 시스템에 영향을 미치기까지 충분한 시간이 필요하게 된다. 이를 위해서, 상기 온도 판단 단계와 주파수 제어 단계는 소정 시간마다 반복됨이 바람직하다.

한편, 상기 온도 판단 단계와 주파수 제어 단계의 반복은 온도차가 최대가 될 때까지 수행될 수 있다. 상기 최대 온도차는 5℃로 기설정될 수 있고, 시스템에 따라 가변될 수도 있다. 아울러, 다른 인자 또는 시스템의 부하 상태에 따라, 효율이 최적점이 되는 온도차가 5℃ 보다 작을 수 있다. 따라서, 상기 최대 온도차는 현재의 부하에서 주파수값을 가변하여 운전함으로써 다른 값으로 결정될 수 있을 것이다.

시스템의 부하는 고정되지 않고 가변될 수 있다. 예를 들어, 75%의 부분 부하로 운전되다가 50% 부분 부하로 운전 조건이 바뀔 수도 있고, 이러한 부하의 증감이 반복적으로 발생될 수도 있다.

따라서, 상기 온도 판단 단계와 주파수 제어 단계는, 정상 상태에서, 소정 시간마다 지속적으로 반복됨이 바람직하다. 그리고, 상기 소정 시간은 시스템의 규모, 모델, 운전 환경(부하의 가변 빈도 등)에 따라 달라질 수 있을 것이다.

상기 소정 시간 경과 여부를 판단하는 시간 판단 단계(S30)는 운전 초기 여부에 따라 다른 형태로 수행될 수 있다.

즉, 시스템의 운전 단계 초기(S10, S20) 직후에는 냉수 입출구 온도차가 현재 시스템의 효율을 대변하지 못할 수 있다. 왜냐하면, 시스템의 운전이 정상 상태로 도달되기 전이기 때문이다.

따라서, 운전 단계 초기, 운전 시작 후 소정 시간 경과 전이라고 판단되면, 냉수 입구 온도를 12℃로 고정(S35)하여 냉수 입출구 온도차를 연산(S50)함이 바람직하다. 왜냐하면, 운전 초기에는 냉수 입구 온도가 통상 바람직한 냉수 입구 온도인 12℃ 보다 훨씬 높을 수 있기 때문이다. 따라서, 실제 냉수 입구 온도를 이용하여 온도차를 연산하고 이를 이용하여 주파수값을 연산하면, 주파수값의 오차가 현저히 높아질 수 있다. 이러한 문제를 미연에 방지하기 위하여, 운전 단계 초기에는 냉수 입구 온도를 12℃로 고정하여, 온도차를 연산함이 바람직하다.

한편, 시스템이 정상 상태로 운전될 때, 상기 시간 판단 단계(S30)에서는 주파수값을 가변시켜 입력한 후, 소정 시간 경과 여부를 판단함이 바람직하다. 따라서, 주파수값의 가변 입력은 소정 시간마다 반복될 수 있게 된다.

상기 주파수 제어 단계(S60, S70) 후에는, 운전 여부를 판단하는 단계(S80)가 수행될 수 있다.

상기 운전 여부 판단 단계는, 전술한 바와 같이, 이상 상태 여부를 판단하는 단계라고 볼 수도 있다. 아울러, 정상 상태 여부를 판단하는 단계라고 볼 수도 있다.

고온재생기(20)의 액위가 최소와 최고 사이로 검출되면, 전술한 온도 판단 단계(S40, S50)와 주파수 제어 단계(S60, S70)가 수행될 수 있다. 즉, 정상 상태로 판단되면 온도 판단 단계(S40, S50)와 주파수 제어 단계(S60, S70)가 반복되어 수행될 수 있다.

고온재생기(20)의 액위가 최소로 검출되면, 시스템의 구동을 정지(S90)하게 된다.

한편, 고온재생기(20)의 액위가 최고로 검출되면, 펌프의 구동을 정지하게 된다. 시간이 경과하여 상기 판단 단계(S80)에서 제2 레벨이 검출되면, 직전 주파수 또는 초기 설정 주파수를 통하여 펌프의 운전을 재개할 수 있다.

따라서, 이상 상태에서의 안전 제어 로직과 정상 상태에서의 펌프 제어 로직이 병행하여 수행될 수 있다.

전술한 실시예에 따르면, 정상 상태에서 효율이 극대화될 수 있도록 펌프의 인버터 주파수가 제어될 수 있다. 따라서, 순환량이 많아짐으로 하여 액위가 최고 레벨로 검출될 가능성이 매우 낮아진다. 아울러, 액위가 최저 레벨로 검출된 가능성도 매우 낮아진다.

그러므로, 시스템 전체를 안정적으로 운전할 수 있고, 이상 상태가 발생되더라도 안전 제어가 가능하게 된다.

10 : 흡수기 20 : 고온재생기
30 : 저온재생기 40 : 응축기
50 : 증발기 P1 : 흡수액 순환 펌프
100 : 제어부 200 : 액위 센서
300 : 냉수 배관 출구 온도센서 400 : 냉수 배관 입구 온도센서

Claims (15)

1. 증발기;
   상기 증발기로 냉수를 유입시켜 열교환 후 상기 증발기에서 상기 냉수를 배출시키는 냉수 배관;
   상기 증발기로부터 유입되는 냉매 증기를 흡수액에 흡수시키는 흡수기;
   상기 흡수기로부터 유입되는 저농도 흡수액을 가열하여 냉매 증기와 중농도흡수액으로 분리하여 재생시키는 고온재생기;
   상기 흡수기로부터 상기 저농도 흡수액을 상기 고온재생기로 공급하는 펌프;
   상기 고온재생기로부터 유입되는 중농도 흡수액을 가열하여 냉매 증기와 고농도 흡수액으로 분리하여 재생시키는 저온재생기; 그리고
   상기 냉수 배관의 입출구 온도차를 통하여, 상기 입출구 온도차가 최대값이 되도록, 상기 펌프의 인버터 주파수값을 가변 제어하여 흡수액 순환량을 제어하는 제어부를 포함하며,
   상기 순환량 제어는, 상기 입출구 온도차가 흡수액 순환량이 증가함에 따라 커지다가 상기 최대값을 지나서 감소하는 특성을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 흡수식 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는 피드백 제어를 통하여 상기 주파수값을 연산하여 상기 펌프에 인가함을 특징으로 하는 흡수식 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 피드백 제어는 PID 제어임을 특징으로 하는 흡수식 시스템.
4. 증발기, 흡수기, 고온재생기, 저온재생기 그리고 상기 흡수기에서 상기 고온재생기로 흡수액을 공급하는 펌프를 포함하는 흡수식 시스템에 있어서,
   상기 펌프의 인버터 주파수값을 피드백 제어를 통해 연산하고, 상기 연산된 인버터 주파수값을 상기 펌프에 인가하여, 상기 흡수식 시스템의 효율(COP)에 비례하는 냉수 입출구 온도차가 최대가 되도록 흡수액 순환량을 제어하는 제어부를 포함하며,
   상기 순환량 제어는, 상기 입출구 온도차가 흡수액 순환량이 증가함에 따라 커지다가 상기 최대값을 지나서 감소하는 특성을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 흡수식 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 피드백 제어는 PID 제어임을 특징으로 하는 흡수식 시스템.
6. 증발기, 흡수기, 고온재생기, 저온재생기 그리고 상기 흡수기에서 상기 고온재생기로 흡수액을 공급하는 펌프를 포함하는 흡수식 시스템에 있어서,
   상기 흡수식 시스템의 효율(COP)에 비례하는 냉수 입출구 온도차가 최대가 되도록 흡수액 순환량을 제어하기 위하여, 피드백 제어를 통해 상기 펌프의 인버터 주파수값을 연산하여 상기 펌프로 인가하는 제어부를 포함하며,
   상기 순환량 제어는, 상기 입출구 온도차가 흡수액 순환량이 증가함에 따라 커지다가 상기 최대값을 지나서 감소하는 특성을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 흡수식 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 피드백 제어는 PID 제어임을 특징으로 하는 흡수식 시스템.
8. 증발기, 흡수기, 고온재생기, 저온재생기 그리고 상기 흡수기에서 상기 고온재생기로 흡수액을 공급하는 펌프를 포함하는 흡수식 시스템의 제어방법에 있어서,
   상기 고온재생기의 운전 단계;
   상기 증발기로 냉수를 유입시켜, 열교환 후 상기 증발기에서 상기 냉수를 배출시키는 냉수 배관의 입출구 온도차를 판단하는 온도 판단 단계; 그리고
   피드백 제어를 통하여 상기 펌프의 인버터 주파수값을 연산하고, 상기 연산된 인버터 주파수값을 상기 펌프에 인가하여 상기 입출구 온도차가 최대가 되도록 흡수액의 순환량을 제어하는 주파수 제어 단계를 포함하고,
   상기 순환량 제어는, 상기 입출구 온도차가 흡수액 순환량이 증가함에 따라 커지다가 상기 최대값을 지나서 감소하는 특성을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 흡수식 시스템의 제어방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 온도 판단 단계와 상기 주파수 제어 단계는 소정 시간마다 반복됨을 특징으로 하는 흡수식 시스템의 제어방법.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 운전 단계 초기, 소정 시간 경과 전에는 상기 냉수 배관의 입구 온도를 소정값으로 고정하여, 상기 온도 판단 단계가 수행됨을 특징으로 하는 흡수식 시스템의 제어방법.
11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온재생기 내부의 흡수액 액위을 센싱하고, 센싱 결과에 따라 상기 펌프의 작동 정지, 재작동, 상기 펌프의 주파수 제어 그리고 상기 흡수식 시스템 전체의 작동 정지 중 어느 하나를 수행함을 특징으로 하는 흡수식 시스템의 제어방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 흡수액 액위가 최고 액위로 센싱되는 경우, 상기 펌프의 작동을 정지함을 특징으로 하는 흡수식 시스템의 제어방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 펌프의 작동 정지 후, 상기 흡수액 액위가 중간 액위로 센싱되는 경우, 상기 펌프를 재작동함을 특징으로 하는 흡수식 시스템의 제어방법.
14. 제 11 항에 있어서,
    상기 흡수액 액위가 최저 액위로 센싱되는 경우, 상기 흡수식 시스템 전체의 작동을 정지함을 특징으로 하는 흡수식 시스템의 제어방법.
15. 제 11 항에 있어서,
    상기 펌프의 작동 중, 상기 흡수액 액위가 최고 액위과 최저 액위 사이로 센싱되는 경우, 상기 펌프를 주파수 제어를 통해 운전함을 특징으로 하는 흡수식 시스템의 제어방법.

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