KR102272896B1 - 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양열, 산업폐열과 같이 저온의 열원으로 구동될 수 있는 동시에 시스템의 성능계수를 획기적으로 상승시킬 수 있는 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 흡착물질에 의해 유입된 냉매를 흡착하는 흡착모드 및 열원부에서 공급되는 열에 의해 흡착물질에 흡착된 냉매를 배출하는 탈착모드 중 어느 하나가 선택적으로 진행되는 제1 반응기; 흡착물질에 의해 유입된 냉매를 흡착하는 흡착모드 및 열원부에서 공급되는 열에 의해 흡착물질에 흡착된 냉매를 배출하는 탈착모드 중 다른 하나가 선택적으로 진행되는 제2 반응기; 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기 중 탈착모드로 진행되는 반응기와 선택적으로 연결되며, 상기 탈착모드로 진행되는 반응기로부터 배출되는 냉매를 재차 압축시키는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 냉매가 응축되는 응축기; 상기 응축기에서 응축된 냉매가 팽창되는 팽창밸브; 및 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매가 증발되며, 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기 중 흡착모드로 진행되는 반응기와 연결되는 증발기;를 포함하고, 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기 각각은 흡착모드 및 탈착모드가 번갈아가면서 반복 수행되는 특징을 개시한다.

Description

저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템{ADSORPTION HEAT PUMP SYSTEM USING LOW TEMPERATURE HEAT SOURCE}
본 발명은 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 태양열, 산업폐열과 같이 저온의 열원으로 구동될 수 있는 동시에 시스템의 성능계수를 획기적으로 상승시킬 수 있는 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 성질이 있는데, 히트펌프는 반대로 낮은 온도에서 높은 온도로 열을 끌어 올린다 하여 붙여진 이름이며, 처음에는 냉장고, 냉동고, 에어컨과 같이 압축된 냉매를 증발시켜 주위의 열을 빼앗는 용도로 개발되었으나 지금은 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하는 냉방장치, 고온의 열원을 저온으로 전달하는 난방장치, 냉난방 겸용장치를 포괄하는 의미로 쓰인다.
히트펌프는 열을 흡수하고 방열하는 원리의 구분에 따라 압축식, 흡착식으로 크게 분류될 수 있다.
도 1은 압축식 히트펌프 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1을 참조하면, 종래 압축식 히트펌프 시스템은 냉매를 고온 고압으로 압축시키는 압축기(11), 압축기에서 압축된 냉매를 실외 또는 실내 공기와 열교환시켜 저온 고압으로 응축시키는 응축기(12), 응축기에서 응축된 냉매를 저온 저압으로 팽창시키는 팽창밸브(13), 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 실내 또는 실외 공기와 열교환시켜 저온 저압으로 열교환시키는 증발기(14)로 이루어진다. 그리고, 냉매의 흐름을 전환시킴으로서 냉방과 난방을 겸할 수 있게 된다.
하지만, 압축식 히트펌프는 출력 장점에도 불구하고, 에너지 소비의 증가로 인한 에너지 자원의 고갈, 지구온난화, 생태학적 손상 등의 심각한 환경문제가 지적되고, 특히 비가역성으로 인하여 성능계수(COP; Coefficient of Performance)를 획기적으로 상승시키기가 불가하다.
이러한 압축식 히트펌프의 문제 해결과 함께, 산업폐열, 태양열 등과 같이 이용되지 않고 환경으로 배출되는 막대한 양의 저온 에너지를 고온 에너지로 변화시켜 사용하는 방법이 이슈가 되고 있으며, 그 중의 하나가 흡착식 히트펌프이다.
흡착식 히트펌프는 기본적으로 흡착제(adsorbent)가 들어있는 흡착기, 응축기, 증발기, 팽창밸브로 구성되어 있고, 흡착제, 응축기 및 증발기 사이를 피흡작제(adsorbate)인 냉매가 순환하면서 작동한다. 흡착식 히트펌프에서 흡착현상은 기계적 동력의 역할과 같아, 냉매는 기계적 동력 없이 사이클에서 순환될 수 있다.
하지만, 흡착식 히트펌프는 저온의 열원으로 구동될 수 있는 장점이 있으나, 흡착기의 재생에 투입되는 에너지가 많아 성능계수(COP; Coefficient of Performance) 값이 낮은 문제가 있고, 흡착기의 재생을 위한 불연속적 운전모드를 가지는 단점이 있으며, 기계 압축식 히트펌프에 비하여 체적이나 무게가 크다는 단점이 있다.
따라서, 태양열, 산업폐열과 같이 저온의 열원으로 구동될 수 있는 동시에 성능계수를 상승시킬 수 있는 새로운 방식의 히트펌프가 요구된다.
대한민국 등록특허공보 제10-0827570 (2008.05.07.공고)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 기존에 비하여 낮은 온도 조건에서 흡착 및 탈착 반응을 유도할 수 있고, 성능계수를 획기적으로 상승시킬 수 있는 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템을 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템은, 흡착물질에 의해 유입된 냉매를 흡착하는 흡착모드 및 열원부에서 공급되는 열에 의해 흡착물질로부터 탈착된 냉매를 배출하는 탈착모드 중 어느 하나가 선택적으로 진행되는 제1 반응기; 흡착물질에 의해 유입된 냉매를 흡착하는 흡착모드 및 열원부에서 공급되는 열에 의해 흡착물질로부터 탈착된 냉매를 배출하는 탈착모드 중 다른 하나가 선택적으로 진행되는 제2 반응기; 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기 중 탈착모드로 진행되는 반응기와 선택적으로 연결되며, 상기 탈착모드로 진행되는 반응기로부터 배출되는 냉매를 재차 압축시키는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 냉매가 응축되는 응축기; 상기 응축기에서 응축된 냉매가 팽창되는 팽창밸브; 및 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매가 증발되며, 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기 중 흡착모드로 진행되는 반응기와 연결되는 증발기;를 포함하고, 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기 각각은 흡착모드 및 탈착모드가 번갈아가면서 반복 수행되며, 상기 제1 반응기 또는 제2 반응기는 상기 탈착모드에서 상기 냉매를 고온 고압으로 압축하고, 상기 열원부는 매개유체를 이용하여 제1 반응기 또는 제2 반응기의 탈착모드에 필요한 열을 공급하고, 상기 열원부의 매개유체는 상기 증발기에 의해 냉각되는 대상과는 분리되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 압축기는 전기화학적 압축 방식이 적용될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 열원부에 수용되는 매개유체는 신재생 에너지 및 폐열 중 어느 하나로부터 열을 공급받을 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 증발기와 상기 제1 반응기를 연결하는 냉매유로 상에 설치되는 제1 밸브와, 상기 제1 반응기와 상기 압축기를 연결하는 냉매유로 상에 설치되는 제2 밸브와, 상기 증발기와 상기 제2 반응기를 연결하는 냉매유로 상에 설치되는 제3 밸브와, 상기 제2 반응기와 상기 압축기를 연결하는 냉매유로 상에 설치되는 제4 밸브를 더 포함하고, 상기 제1 반응기가 탈착모드로 진행되고, 상기 제2 반응기가 흡착모드로 진행될 경우, 상기 제2 밸브 및 상기 제3 밸브는 개방되고, 상기 제1 밸브 및 상기 제4 밸브는 폐쇄되며, 상기 제1 반응기가 흡착모드로 진행되고, 상기 제2 반응기가 탈착모드로 진행될 경우, 상기 제1 밸브 및 상기 제4 밸브는 개방되고, 상기 제2 밸브 및 상기 제3 밸브는 폐쇄되는 것일 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 열원부와 상기 제1 반응기 및 상기 열원부와 상기 제2 반응기를 연결하는 열공급로 상에 설치되며, 상기 열원부에 수용되는 매개유체를 상기 제1 반응기 또는 상기 제2 반응기 측으로 가압 이송하는 펌프를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 흡착물질은 화학적 흡착물질이 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 반응기 및 제2 반응기의 화학적 흡착 및 탈착 반응을 통하여 저온의 열에너지를 이용하더라도 응축에 필요한 냉매의 고온, 고압 압축이 가능하다.
또한 본 발명에 따르면, 전기화학적 압축 방식의 압축기를 추가함으로서, 탈착모드 진행되는 반응기 내부의 냉매를 응축기 측으로 신속히 압송하여 반응기에서의 반응속도 및 용량을 현저하게 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 화학적 흡착 및 탈착 반응기와 전기화학적 압축기의 최적화를 통하여 탈착 반응 온도를 더욱 떨어트릴 수 있어, 신재생 에너지 및 각종 산업 폐열을 보다 효과적으로 활용할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 요구되는 압축비를 만족하면서도 반응기 및 압축기에서 요구되는 투입에너지가 크게 절감되기 때문에, 시스템의 성능계수를 획기적으로 상승시킬 수 있는 고효율의 시스템 구현이 가능하다.
또한 기존 흡착식 히트펌프에 비하여 흡착 및 탈착 반응속도 및 용량이 현저하게 상승되기 때문에, 반응기의 체적 및 사양도 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 압축식 히트펌프 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흡착식 히트펌프 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에서 제1 반응기는 탈착모드로, 제2 반응기는 흡착모드로 진행되는 경우를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에서 제1 반응기는 흡착모드로, 제2 반응기는 탈착모드로 진행되는 경우를 나타낸 도면이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흡착식 히트펌프 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2에서 제1 반응기는 탈착모드로, 제2 반응기는 흡착모드로 진행되는 경우를 나타낸 도면이며, 도 4는 도 2에서 제1 반응기는 흡착모드로, 제2 반응기는 탈착모드로 진행되는 경우를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템은 제1 반응기(210), 제2 반응기(220), 압축기(230), 응축기(240), 팽창밸브(260), 증발기(270)를 포함할 수 있다.
제1 반응기(210)에는 화학적 흡착물질이 수용될 수 있다. 그리고, 화학적 흡착물질이 흡착 또는 탈착 반응되는 피흡착물질인 냉매가 추가 수용될 수 있다.
본 발명에 따른 제1 반응기(210)에는 화학적 흡착 및 탈착 반응이 수행된다.
기존 물리적 흡착(Physisorption, Physical sorption)은 분자간 정전기적 인력을 이용한 것으로, 물리적 흡착물질에는 활성탄, 실리카(Silic), 제올라이트(Zeolite)계 등의 흡착물질이 사용될 수 있으며, 이러한 물리적 흡착은 에너지 밀도 및 흡착속도가 작아 반응속도 및 반응용량이 떨어지는 문제가 있고, 용량을 늘이기 위해 대형화가 되는 문제가 있다.
이에 반해, 본 발명에 따른 화학식 흡착(Chemisorption, Chemical sorption) 반응은 화학적 결합을 이용한 것으로, 활성화에너지가 요구됨에 따라 어느 정도 이상에서의 온도가 필요하지만, 에너지 밀도 및 흡착속도가 크므로 반응속도 및 반응용량이 증대될 수 있고, 소형화가 가능하다.
본 발명에 따른 화학적 흡착물질로는 NaBr, BaCl2이 적용될 수 있고, 피흡착물질인 냉매는 NH3 이 적용될 수 있다.
NaBr-NH3 혼합물은 상대적으로 낮은 열원온도에서 화학적 흡착 및 탈착 반응이 가능하다. 즉, 기존 Activated Carbon-NH3이나 Silica Gel CaCl2-Water 혼합물의 경우는 95 내지 100도의 열원온도를 가지지만, NaBr-NH3 혼합물의 경우는 62 내지 65도의 열원온도를 가질 수 있다.
또한 본 발명에 따른 화학적 흡착물질에는 흡착물질의 반응속도를 촉진시키거나 지체시키기 위한 다양한 촉매물질이 첨가될 수 있으며, 이러한 촉매물질의 종류 및 용량에 따라, 화학적 흡착 및 탈착 반응속도와 요구되는 열원온도를 다양하게 조정할 수 있다.
예를 들면, BaCl2-NH3 혼합물에 촉매물질로서, 천연의 흑연(Expanded Natural Graphite)을 첨가할 경우에는 화학적 흡착 및 탈착 반응속도를 보다 더 증가시킬 수 있다.
이와 같이 촉매물질이 첨가된 화학적 흡착물질은 표면에너지를 바꾸거나 활성화에너지를 낮추어 반응을 가속화시킬 수 있고, 흡착 및 탈착 반응속도와 필요로 하는 열원온도를 조정할 수 있다.
제1 반응기(210)는 열원부(110)와 열공급로(101)로 연결될 수 있고, 열원부(110)의 열을 포함한 매개유체는 열공급로(101)를 통해 제1 반응기(210)로 유동될 수 있다.
제1 반응기(210)는 열원부(110)와 열회수로(103)로 연결될 수 있고, 제1 반응기(210)에서 사용된 매개유체는 열회수로(103)를 통하여 열원부(110)로 유동될 수 있다.
제1 반응기(210)는 증발기(270)와 냉매유로(201)로 연결될 수 있고, 증발기(270)에서 배출되는 냉매는 냉매유로(201)를 통해 제1 반응기(210)로 유입될 수 있다.
제1 반응기(210)는 압축기(230)와 냉매유로(201)로 연결될 수 있고, 제1 반응기(210)에서 배출되는 냉매는 압축기(230)로 유입될 수 있다.
제1 반응기(210)는 흡착모드 및 탈착모드 중 어느 하나의 모드가 진행될 수 있다.
흡착모드는 화학적 흡착물질이 냉매에 화학적으로 흡착 반응하여 화학적 흡착물질과 냉매가 혼합된 혼합물이 제1 반응기(210)에 저장되는 모드일 수 있다.
탈착모드는 화학적 흡착물질과 냉매가 혼합된 혼합물에서 화학적 흡착물질이 화학적으로 탈착 반응하여 냉매가 배출되는 모드일 수 있다. 이러한 화학적 탈착 반응에서 냉매는 고온, 고압으로 압축될 수 있다.
도시되진 않았지만, 제1 반응기(210)에는 흡착모드 중에 냉열원부(미도시)의 냉열이 공급될 수 있고, 이러한 냉열은 제1 반응기(210)의 흡착과정에서 열교환에 의해 온도가 상승될 수 있으며, 온도가 상승된 열은 수요처에 사용될 수 있다.
제2 반응기(220)는 제1 반응기(210)와 기본적으로 동일하게 구성될 수 있으며, 제2 반응기(220)에는 화학적 흡착물질이 수용될 수 있다. 그리고, 화학적 흡착물질이 흡착 반응 또는 탈착 반응되는 피흡착물질인 냉매가 추가 수용될 수 있다.
제2 반응기(220)는 열원부(110)와 열공급로(101)로 연결될 수 있고, 열원부(110)의 열을 포함한 매개유체는 열공급로(101)를 통해 제2 반응기(220)로 유동될 수 있다.
제2 반응기(220)는 열원부(110)와 열회수로(103)로 연결될 수 있고, 제2 반응기(220)에서 사용된 매개유체는 열회수로(103)를 통하여 열원부(110)로 유동될 수 있다.
제2 반응기(220)는 증발기(270)와 냉매유로(201)로 연결될 수 있고, 증발기(270)에서 배출되는 냉매는 냉매유로(201)를 통해 제2 반응기(220)로 유입될 수 있다.
제2 반응기(220)는 압축기(230)와 냉매유로(201)로 연결될 수 있고, 제2 반응기(220)에서 배출되는 냉매는 압축기(230)로 유입될 수 있다.
제2 반응기(220)는 흡착모드 및 탈착모드 중 어느 하나의 모드가 진행될 수 있다.
제1 반응기(210)가 흡착모드 진행될 때 제2 반응기(220)는 탈착모드 진행될 수 있고, 제1 반응기(210)가 탈착모드 진행될 때 제2 반응기(220)는 흡착모드 진행될 수 있다.
흡착모드는 화학적 흡착물질이 냉매에 화학적으로 흡착 반응하여 화학적 흡착물질과 냉매가 혼합된 혼합물이 제2 반응기(220)에 저장되는 모드일 수 있다.
탈착모드는 화학적 흡착물질과 냉매가 혼합된 혼합물에서 화학적 흡착물질이 화학적으로 탈착 반응하여 냉매가 배출되는 모드일 수 있다. 이러한 화학적 탈착 반응에서 냉매는 고온, 고압으로 압축될 수 있다.
도시되진 않았지만, 제2 반응기(220)에는 흡착모드 중에 냉열원부(미도시)의 냉열이 공급될 수 있고, 이러한 냉열은 제2 반응기(220)의 흡착과정에서 열교환에 의해 온도가 상승될 수 있으며, 온도가 상승된 열은 수요처에 사용될 수 있다.
제1 반응기(210) 및 제2 반응기(220)에서 수행되는 화학적 흡착 및 탈착과정은 물리적 흡착 및 탈착과정과 비교하여, 에너지 밀도 및 흡, 탈착 속도가 우수하기 때문에, 시스템의 용량 및 반응속도가 향상될 수 있다.
특히 제1 반응기(210) 및 제2 반응기(220)의 화학적 탈착모드 시, 탈착 반응 시 요구되는 열에너지(투입에너지)를 줄일 수 있고, 많은 투입에너지가 요구되는 기존 전기구동 방식의 압축기를 배제하거나 압축기에서 요구되는 투입에너지를 크게 줄일 수 있음으로서, 시스템의 성능계수(COP)를 크게 상승시킬 수 있고, 고효율의 시스템 구현이 가능하다.
이처럼 제1 반응기(210) 및 제2 반응기(220)의 탈착모드에 사용되는 열원이 상대적으로 저온의 열에너지가 사용될 수 있기 때문에, 열원부(110)에 수용되는 매개유체는 외기 수준으로까지 낮출 수 있고, 태양광, 지열 등의 신재생 에너지나 각종 산업 폐열로부터 열교환된 열에너지가 적용될 수 있다. 이렇게 저온의 열에너지를 가지는 매개유체를 이용하더라도 제1 반응기(210) 및 제2 반응기(220)의 탈착 반응은 효과적으로 수행될 수 있다.
한편 열원부(110)와 제1 반응기(210) 및 열원부(110)와 제2 반응기(220)를 연결하는 열공급로(101) 상에는 펌프(120)가 포함될 수 있으며, 펌프(120)는 열원부(110)에 수용된 매개유체를 제1 반응기(210) 또는 제2 반응기(220) 측으로 가압 이송할 수 있다.
압축기(230)는 제1 반응기(210) 및 제2 반응기(220) 중 탈착모드로 진행되는 반응기와 선택적으로 연결되며, 탈착모드로 진행되는 반응기로부터 배출되는 냉매를 재차 압축시킬 수 있다.
압축기(230)는 전기구동 방식, 전기화학적 압축 방식 등이 적용될 수 있는데, 바람직하게는 전기화학적 압축 방식이 적용될 수 있다.
전기화학적 압축기(230)(ECC; Electrochemical Compressor)는 애노드, 캐소드, 전해질막를 포함하는 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly) 및 막전극 접합체의 애노드 측으로 수소를 공급하는 수소공급부를 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들어, 막전극 접합체의 입구에 암모니아(NH3)와 수소(H2)가 유입되면, 암모니아(냉매)는 애노드 전극에서 반응식 2NH3 + H2 → 2NH4(+) + 2e(-)에 따라 산화되고, 전해질막을 통과한 암모니아(냉매)는 캐소드 전극에서 반응식 2NH4(+) + 2e(-) → 2NH3 + H2에 따라 환원되어, 막전극 접합체의 출구를 통해 외부로 방출될 수 있다. 이러한 막전극 접합체를 통과하면서 냉매는 압축될 수 있으며, 다단의 막전극 접합체를 조합하는 경우에는 냉매의 다단 압축이 가능하다. 그리고, 전기화학적 압축기(230)는 기계식 압축기(230)와 같이 체적감소에 의한 압축과정이 아니기 때문에, 등온 압축에 근접한 압축이 가능하다. 이러한 전기화학적 압축기(230)는 이미 널리 공지된 기술사항이므로, 이하 자세한 설명은 생략한다.
압축기(230)를 통해 반응기로부터 배출되는 냉매의 재 압축을 수행함으로서, 탈착모드 진행되는 반응기 내부의 냉매를 응축기(240) 측으로 신속하게 압송시킬 수 있는데, 이로 인하여, 반응기에서의 탈착 반응속도 및 용량을 보다 높일 수 있다.
압축기(230)를 통해 투입되는 열에너지의 용량과 무관하게 반응기의 탈착 반응속도를 높일 수 있기 때문에, 반응기로 투입되는 열에너지를 더욱 낮출 수 있다. 다시 말해, 화학적 흡착물질과 냉매가 혼합된 혼합물의 탈착 반응 온도를 더 떨어트릴 수 있게 된다. 이에 따라, 열원부(110)에서 공급되는 열에너지를 외기 수준으로까지 떨어트릴 수 있다.
압축기(230)는 반응기의 화학적 탈착 과정을 거치며 앞서 1차로 압축된 냉매에 대해 재 압축 과정을 구현하기 때문에, 응축기(240)에서 요구되는 온도, 압력을 맞추기 위해서는 상대적으로 적은 에너지로도 압축기(230)의 가동이 가능하고, 이로 인하여, 압축기(230)에서 요구되는 투입에너지도 크게 절감될 수 있다.
더불어 실시예에서와 같이, 전기화학적 압축기(230)를 적용하는 경우에는 압축기(230)에 투입되는 에너지에 비하여 압축 효율을 더욱 높일 수 있게 된다.
계속해서 응축기(240)는 압축기(230)를 통해 압축된 냉매를 응축시킬 수 있으며, 응축 과정에서 방출되는 응축 열은 외부 공기와 열교환될 수 있다.
팽창밸브(260)는 응축기(240)에서 응축된 냉매를 저온, 저압으로 팽창시킬 수 있다.
팽창밸브(260)와 증발기(270) 사이에는 응축기(240)에서 응축 액화된 액체냉매의 일부를 임시 저장할 수 있는 수액기(250)가 더 구비될 수 있다.
증발기(270)는 팽창밸브(260)에서 팽창된 냉매를 중온, 저압으로 증발시킬 수 있다. 증발 과정에서 방출되는 증발 잠열은 외부 공기와 열교환될 수 있다.
한편 열원부(110)와 제1 반응기(210) 및 제2 반응기(220)를 연결하는 열공급로(101) 상에는 제1 전환밸브(102)가 구비될 수 있고, 열원부(110)와 제1 반응기(210) 및 제2 반응기(220)를 연결하는 열회수로(103) 상에는 제2 전환밸브(104)가 구비될 수 있다.
제1 전환밸브(102)가 전환됨에 따라 열공급로(101)의 매개유체는 제1 반응기(210) 또는 제2 반응기(220)로 공급될 수 있고, 제2 전환밸브(104)가 전환됨에 따라 제1 반응기(210) 또는 제2 반응기(220)에서 사용된 매개유체는 열원부(110)로 회수될 수 있다.
한편 증발기(270), 압축기(230), 제1 반응기(210) 및 제2 반응기(220)를 연결하는 냉매유로(201) 상에는 반응기의 흡착모드 및 탈착모드에 따른 냉매유로를 전환하기 위한 밸브가 구비되는데, 밸브는 제1 밸브(202), 제2 밸브(203), 제3 밸브(204), 제4 밸브(205)를 포함할 수 있다.
제1 밸브(202)는 증발기(270)와 제1 반응기(210)를 연결하는 냉매유로(201) 상에 설치될 수 있고, 제2 밸브(203)는 제1 반응기(210)와 압축기(230)를 연결하는 냉매유로(201) 상에 설치될 수 있으며, 제3 밸브(204)는 증발기(270)와 제2 반응기(220)를 연결하는 냉매유로(201) 상에 설치될 수 있고, 제4 밸브(205)는 제2 반응기(220)와 압축기(230)를 연결하는 냉매유로(201) 상에 설치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 첫째 사이클로서, 제1 반응기(210)가 탈착모드로 진행되고, 제2 반응기(220)는 흡착모드로 진행될 경우, 제2 밸브(203) 및 제3 밸브(204)는 개방되고, 제1 밸브(202) 및 제4 밸브(205)는 폐쇄된다. 이때, 제1 전환밸브(102) 및 제2 전환밸브(104)의 전환 작동에 따라 열원부(110)의 매개유체는 제1 반응기(210)를 경유하게 된다.
이에 따라, 열원부(110)의 매개유체는 제1 반응기(210)로 공급되고, 제1 반응기(210)를 경유하며 탈착 반응에 사용된 매개유체는 다시 열원부(110)로 회수된다.
그리고 탈착모드 진행 중인 제1 반응기(210)에서 탈착 반응되면서 배출되는 냉매는 압축기(230), 응축기(240), 팽창밸브(260), 증발기(270)를 순차적으로 거치며 제2 반응기(220)에 저장되며, 제2 반응기(220)에서 흡착 반응됨에 따라 화학적 흡착물질을 포함한 혼합물로 저장된다.
이렇게 첫째 사이클 진행 중 제2 반응기(220)에 화학적 흡착물질 및 냉매를 포함한 혼합물이 채워지게 되면, 제2 반응기(220)는 흡착모드에서 탈착모드로 전환되고, 제1 반응기(210)는 탈착모드에서 흡착모드로 전환된다.
도 4를 참조하면, 두 번째 사이클로서, 제1 반응기(210)가 흡착모드로 진행되고, 제2 반응기(220)가 탈착모드로 진행될 경우, 제1 밸브(202) 및 제4 밸브(205)는 개방되고, 제2 밸브(203) 및 제3 밸브(204)는 폐쇄된다. 이때, 제1 전환밸브(102) 및 제2 전환밸브(104)의 전환 작동에 따라 열원부(110)의 매개유체는 제2 반응기(220)를 경유하게 된다.
이에 따라, 열원부(110)의 매개유체는 제2 반응기(220)로 공급되고, 제2 반응기(220)를 경유하며 탈착 반응에 사용된 매개유체는 다시 열원부(110)로 회수된다.
그리고 탈착모드 진행 중인 제2 반응기(220)에서 탈착 반응되면서 배출되는 냉매는 압축기(230), 응축기(240), 팽창밸브(260), 증발기(270)를 순차적으로 거치며 제1 반응기(210)에 저장되며, 제1 반응기(210)에서 흡착 반응됨에 따라 화학적 흡착물질을 포함한 혼합물로 저장된다.
이와 같이 제1 반응기(210) 및 제2 반응기(220) 각각은 흡착모드 및 탈착모드가 번갈아가면서 반복적으로 수행될 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 흡착식 히트펌프 시스템은 제1 반응기(210) 및 제2 반응기(220)의 화학적 흡착 및 탈착 반응을 통하여 저온의 열에너지를 이용하더라도 응축에 필요한 냉매의 고온, 고압 압축이 가능하다.
더불어, 본 발명에 따른 흡착식 히트펌프 시스템은 전기화학적 압축 방식의 압축기(230)를 추가함으로서, 탈착모드 진행되는 반응기 내부의 냉매를 응축기(240) 측으로 신속히 압송시켜 반응기에서의 반응속도 및 용량을 현저하게 높일 수 있다.
더불어, 본 발명에 따른 흡착식 히트펌프 시스템은 탈착 반응 온도를 더욱 떨어트릴 수 있기 때문에, 신재생 에너지, 산업 폐열을 보다 효과적으로 활용할 수 있다.
더불어, 본 발명에 따른 흡착식 히트펌프 시스템은 요구되는 압축비를 만족하면서도 반응기 및 압축기에서 요구되는 투입에너지가 크게 절감되기 때문에, 시스템의 성능계수를 획기적으로 상승시킬 수 있는 고효율의 시스템 구현이 가능하다.
또한 기존 흡착식 히트펌프에 비하여 흡착 및 탈착 반응속도 및 용량이 현저하게 상승되기 때문에, 반응기의 체적 및 사양도 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
110: 열원부
210: 제1 반응기
220: 제2 반응기
230: 압축기
240: 응축기
260: 팽창밸브
270: 증발기

Claims (6)

  1. 흡착물질에 의해 유입된 냉매를 흡착하는 흡착모드 및 열원부에서 공급되는 열에 의해 흡착물질로부터 탈착된 냉매를 배출하는 탈착모드 중 어느 하나가 선택적으로 진행되는 제1 반응기;
    흡착물질에 의해 유입된 냉매를 흡착하는 흡착모드 및 열원부에서 공급되는 열에 의해 흡착물질로부터 탈착된 냉매를 배출하는 탈착모드 중 다른 하나가 선택적으로 진행되는 제2 반응기;
    상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기 중 탈착모드로 진행되는 반응기와 선택적으로 연결되며, 상기 탈착모드로 진행되는 반응기로부터 배출되는 냉매를 재차 압축시키는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 냉매가 응축되는 응축기;
    상기 응축기에서 응축된 냉매가 팽창되는 팽창밸브; 및
    상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매가 증발되며, 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기 중 흡착모드로 진행되는 반응기와 연결되는 증발기;를 포함하고,
    상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기 각각은 흡착모드 및 탈착모드가 번갈아가면서 반복 수행되며,
    상기 제1 반응기 또는 제2 반응기는 상기 탈착모드에서 상기 냉매를 고온 고압으로 압축하고,
    상기 열원부는 매개유체를 이용하여 제1 반응기 또는 제2 반응기의 탈착모드에 필요한 열을 공급하고, 상기 열원부의 매개유체는 상기 증발기에 의해 냉각되는 대상과는 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압축기는 전기화학적 압축 방식인 것을 특징으로 하는 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열원부에 수용되는 매개유체는 신재생 에너지 및 폐열 중 어느 하나로부터 열을 공급받는 것을 특징으로 하는 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증발기와 상기 제1 반응기를 연결하는 냉매유로 상에 설치되는 제1 밸브와, 상기 제1 반응기와 상기 압축기를 연결하는 냉매유로 상에 설치되는 제2 밸브와, 상기 증발기와 상기 제2 반응기를 연결하는 냉매유로 상에 설치되는 제3 밸브와, 상기 제2 반응기와 상기 압축기를 연결하는 냉매유로 상에 설치되는 제4 밸브를 더 포함하고,
    상기 제1 반응기가 탈착모드로 진행되고, 상기 제2 반응기가 흡착모드로 진행될 경우, 상기 제2 밸브 및 상기 제3 밸브는 개방되고, 상기 제1 밸브 및 상기 제4 밸브는 폐쇄되며,
    상기 제1 반응기가 흡착모드로 진행되고, 상기 제2 반응기가 탈착모드로 진행될 경우, 상기 제1 밸브 및 상기 제4 밸브는 개방되고, 상기 제2 밸브 및 상기 제3 밸브는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열원부와 상기 제1 반응기 및 상기 열원부와 상기 제2 반응기를 연결하는 열공급로 상에 설치되며, 상기 열원부에 수용되는 매개유체를 상기 제1 반응기 또는 상기 제2 반응기 측으로 가압 이송하는 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 흡착물질은 화학적 흡착물질인 것을 특징으로 하는 저온 열원을 이용한 흡착식 히트펌프 시스템.
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