KR102329430B1

KR102329430B1 - 듀얼 응축기를 가지는 하이브리드 흡착식 냉동기 및 이의 구동 방법

Info

Publication number: KR102329430B1
Application number: KR1020200160778A
Authority: KR
Inventors: 김효상; 김광영; 우성민; 이수용
Original assignee: 삼중테크 주식회사
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2021-11-22
Also published as: KR102329430B9

Abstract

본 발명의 하이브리드 흡착식 냉동기는 적어도 하나 이상의 냉각탑, 적어도 2개 이상의 흡착탑, 흡착식 증발기, 흡착식 응축기를 포함하는 흡착식 유닛부, 증발기, 압축기, 제1 응축기, 제2 응축기 및 팽창밸브를 포함하는 전기 압축식 유닛부를 포함하고, 흡착식 유닛부의 흡착식 증발기는 전기 압축식 유닛부의 제2 응축기에 냉수를 공급하여, 전기 압축식 유닛부의 제1 응축기로부터 응축된 냉매를 과냉각 시키는 것을 특징으로 한다.

Description

듀얼 응축기를 가지는 하이브리드 흡착식 냉동기 및 이의 구동 방법 {HYBRID ADSORPTION CHILLER HAVING DUAL CONDENSORS AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}

본 발명은 듀얼 응축기를 가지는 하이브리드 흡착식 냉동기 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흡착식 냉동기와 전기 압축식 냉동기를 효과적으로 결합하여 구동하는 듀얼 응축기를 가지는 하이브리드 흡착식 냉동기 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.

흡착식 냉동기는 일반적으로 상부의 응축기, 하부의 증발기 및 중간 부분에 두 개 이상의 흡착탑으로 구성된다. 일반적으로 쌍으로 구성되는 제1 흡착탑과 제2 흡착탑, 증발기, 응축기 사이에는 다수의 증기밸브와 수라인 밸브 등이 설치되며, 제1 흡착탑 및 제2 흡착탑이 각각 흡착, 탈착을 번갈아 운용하는 싸이클을 가지며 운전된다.

흡착식 냉방이 운전되는 원리는 다음과 같다. 먼저 하나의 흡착탑에서 진행되는 흡착 싸이클에서는, 흡착식 냉방에 이용되는 냉수가 증발기의 전열관을 통과하며 냉매의 증발 잠열에 의하여 열을 빼앗기면서 냉각된다. 이때 발생하는 냉매증기는 흡착사이클로 구동되고 있는 흡착탑으로 유입되고, 흡착탑 표면에 코팅된 흡착제에 흡수된다. 이때 발생하는 흡수열은 흡착탑 튜브내에 흐르는 냉각수에 의하여 제거되어, 흡착탑 내부의 압력이 5~10mmHg로 일정하게 유지되어 증발기의 냉매증발 작용이 지속적으로 이루어지게 된다.

한편 흡착탑은 약 5~10분 정도 흡착 사이클이 유지가 가능한 용량이 설치되며, 따라서 보통 5~10분마다 흡착 사이클이 완료된 흡착탑은 탈착 사이클로 전환되고, 탈착 사이클이 완료된 흡착탑은 흡착 사이클로 전환된다.

흡착 사이클이 종료되어 냉매증기를 최대치로 흡수한 흡착탑은 탈착 사이클이 진행된다. 이 때에는 흡착탑 내부의 튜브로 공급되는 약 70℃이하의 온수에 의하여 가열되어 냉매증기가 발생된다. 이때 발생된 냉매증기는 응축기로 유입되고 응축기 전열관 내부에 순환되는 냉각수에 의하여 액화되어 증발기로 순환하게 된다.

적어도 두 개 이상의 흡착탑이 설치되며, 하나의 흡착탑이 흡착 싸이클로 운전될 때에, 다른 흡착탑은 탈착 싸이클로 운전되며, 서로 번갈아 가면서, 흡착 및 탈착 싸이클이 운전된다.

이때에, 제1 흡착탑과 제2 흡착탑에 사용되는 흡착탑은 흡착제를 열교환기에 코팅하여 만들어지며, 사용되는 흡착제는 실리카겔, 제올라이트, 유무기하이브리드(MOF) 등을 이용한 흡착제가 사용된다.

이러한 흡착식은 흡착제에 따라 성능과 효율의 차이가 있으나, 보통의 경우 COP(Coefficient of Performance, 냉방 효율)는 0.4~0.6의 수준이다. 이것은 국내 표준 냉방조건인 7도 온도의 냉수 생산시 COP는 더욱 떨어지는 것으로 알려져 있다. 또한 흡착탑의 체적이 크고 가격이 비싸며, 효율이 낮아 냉각수 펌프 및 냉각탑이 커지는 한계점이 단점으로 지적되어 왔다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 듀얼 응축기를 가지는 하이브리드 흡착식 냉동기를 제공하는 것이다. 이것은 흡착식 유닛과 전기 압축식 유닛을 결합한 하이브리드 흡착식 사이클을 고안하여 냉동기를 구성한 것으로, 40~60% 미만의 저부하 또는 부분부하에서는 온수로만 구동되어 냉수를 생산하고, 40~60% 이상의 고부하에서는 흡착식 유닛에서 만들어진 냉열을 압축식 사이클의 냉각수로 적용하도록 사이클이 자동 변환되는 흡착식 냉동기의 구성에 관한 것이다.

또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 듀얼 응축기를 가지는 하이브리드 흡착식 냉동기를 구동하는 방법을 제공하는 것이다. 이것은 흡착식 유닛과 전기 압축식 유닛을 결합한 하이브리드 흡착식 사이클을 고안하여 냉동기를 구성한 것으로, 40~60%이하의 부분부하에서는 70℃ 이하의 저온수를 이용하고, 40~60% 이상의 고부하에서는 추가로 전기 에너지를 이용하는 듀얼 응축기를 가지는 하이브리드 흡착식 냉동기의 구성에 관한 것이다.

본 발명에서 제공하는 하이브리드 흡착식 냉동기는 적어도 하나 이상의 냉각탑(20), 적어도 2개 이상의 흡착탑(3, 4), 흡착식 증발기(1), 흡착식 응축기(2)를 포함하는 흡착식 유닛부, 증발기(5), 압축기(8), 제1 응축기(7), 제2 응축기(6) 및 팽창밸브(9)를 포함하는 전기 압축식 유닛부를 포함한다. 흡착식 유닛부의 흡착식 증발기(1)는 전기 압축식 유닛부의 제2 응축기(6)에 냉수를 공급하여, 전기 압축식 유닛부의 제1 응축기(7)로부터 응축된 냉매를 과냉각 시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 흡착식 유닛부의 흡착식 증발기(1)와 전기 압축식 유닛부의 제2 응축기(6)사이에는, 흡착식 증발기(1)에서 냉각된 냉수를 제2 응축기(6)로 공급하는 냉각 입구 배관(210), 제2 응축기(6)에서 배출되는 냉수를 다시 흡착식 증발기(1)로 공급하는 냉각 출구 배관(220), 냉각 입구 배관(210) 및 냉각 출구 배관(220)의 냉수를 순환시키는 냉각열원 순환펌프(101), 및 흡착식 증발기(1)와 제2 응축기(6) 사이의 냉수를 제어하는 냉각제어밸브(V11)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 냉각탑(20)와 흡착식 응축기(2) 간의 냉각수를 전달하는 냉각수 메인 배관(110, 120), 냉각수 메인 배관(110, 120)에서 분기되어 제1 응축기(7)에 냉각수를 전달하는 압축식 냉각수 메인 배관(130, 140), 및 압축식 냉각수 메인 배관(130, 140) 내의 냉각수의 흐름을 제어하는 압축식 냉각수 제어 밸브(V12),를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 부하측(31, 32, 33)에 냉수를 전달하는 냉수 메인 입구 배관(160) 및 냉수 메인 출구 배관(170), 증발기(5)와 냉수 메인 입구 배관(160)을 연결하는 압축식 냉수 입구 배관(150), 증발기(5)와 냉수 메인 출구 배관(170)을 연결하는 압축식 냉수 출구 배관(200), 흡착식 증발기(1)와 냉수 메인 입구 배관(160)을 연결하는 흡착식 냉수 입구 배관(180), 흡착식 증발기(1)와 냉수 메인 출구 배관(170)을 연결하는 흡착식 냉수 출구 배관(190), 압축식 냉수 입구 배관(150), 흡착식 냉수 입구 배관(180) 및 냉수 메인 입구 배관(160) 사이의 냉수의 흐름을 제어하는 냉수 입구 3방 제어 밸브(V10), 압축식 냉수 출구 배관(200), 흡착식 냉수 출구 배관(190) 및 냉수 메인 출구 배관(170) 사이의 냉수의 흐름을 제어하는 냉수 출구 3방 제어 밸브(V9), 냉수 메인 입구 배관(160)을 통과하는 냉수의 온도를 측정하는 냉수 입구 온도 센서(S1), 및 냉수 메인 출구 배관(170)을 통과하는 냉수의 온도를 측정하는 냉수 출구 온도 센서(S2),를 더 포함하고, 냉수 입구 온도 센서(S1) 및 냉수 출구 온도 센서(S2)에서 측정되는 냉수의 온도차에 따라 냉수 입구 3방 제어 밸브(V10) 및 냉수 출구 3방 제어 밸브(V9)가 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 압축식 냉각수 메인 배관(130, 140)의 냉각수 온도를 측정하는 냉각수 온도센서(S4), 냉각 입구 배관(210) 및 냉각 출구 배관(220)의 냉수 온도를 측정하는 냉수 온도센서(S3)를 더 포함하고, 측정된 냉각수 또는 냉수의 온도에 따라 흡착식 유닛부의 구동을 제어하여 제2 응축기(6)상의 과냉각을 방지하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서 제공하는 하이브리드 흡착식 냉동기의 구동 방법은 적어도 2개 이상의 흡착탑(3, 4), 흡착식 증발기(1), 흡착식 응축기(2)를 포함하는 흡착식 유닛부, 증발기(5), 압축기(8), 제1 응축기(7), 제2 응축기(6) 및 팽창밸브(9)를 포함하는 전기 압축식 유닛부, 적어도 하나 이상의 냉각탑(20),를 포함하는 하이브리드 흡착식 냉동기에 있어서, 흡착식 유닛부 및 전기 압축식 유닛부가 동시에 구동되는 전체 구동 단계(S100)를 포함한다. 동시 구동 단계에서는, 흡착식 유닛부의 흡착식 증발기(1)는 전기 압축식 유닛부의 제2 응축기(6)에 냉수를 공급하여, 전기 압축식 유닛부의 제1 응축기(7)로부터 응축된 냉매를 과냉각 시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 부하측(31, 32, 33)에 공급되는 냉수 입구 온도 및 부하측(31, 32, 33)으로부터 회수되는 냉수 출구 온도를 측정하여 냉동기 부하를 측정하는 부하 측정 단계(S200), 및 부하 측정 단계(S200)에서 부분 부하 상태로 판정되는 경우 전기 압축식 유닛부를 중지하고, 흡착식 유닛부로만 구동하는 부분 구동 단계(S300)을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 부분 구동 단계(S300)의 부분 부하 상태는, 부하 측정 단계(S200)에서 측정된 냉수 입구 온도와 냉수 출구 온도의 차이가 2내지 3도씨이내인 상태인 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 부하 측정 단계(S200)에서 냉수 입구 온도 또는 냉수 출구 온도의 상승 추세가 확인되면, 전체 구동 단계(S100)로 전환되는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 흡착식 유닛부의 싸이클을 제어하여, 제2 응축기(6)상의 과냉각을 방지하는 과냉각 방지 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 듀얼 응축기를 가지는 하이브리드 흡착식 냉동기 및 이의 구동 방법은 70℃ 이하 온수에 해당하는 미활용 저온열원을 효율적으로 활용하며, 기존 흡착식 냉동기의 단점인 낮은 효율과 큰 부피를 해결할 수 있다.

큰 용량의 냉방을 위해 흡착식 냉동기만을 적용하는 경우 흡착식 유닛의 크기가 크게 증가하고 가격이 상승하는 단점이 있고, 전기 압축식 냉동기만을 사용하는 경우 열원 구동 방식의 냉동기에 비해 전력사용이 매우 커지는 단점이 있다. 따라서, 흡착식 유닛과 전기 압축식 유닛을 결합하는 하이브리드 방식으로 흡착식 냉동기를 구동하여 부하의 정도에 따라 이를 효과적으로 배분하여 구동할 수 있게 된다.

특히, 하이브리드 흡착식 냉동기의 효율 향상과 저온열원의 최대 활용 및 전력의 최소화를 위하여 40~60%미만의 부분부하에서는 흡착식 유닛의 단독 사이클로만 구동되어 흡착식 증발기에서 생산된 냉수를 냉방수요처에 공급하여 냉방을 실현하고, 40~60% 이상의 고부하에서는 흡착식 유닛과 압축식 유닛의 동시 운전으로 하이브리드 사이클로 구동하여, 단순히 인버터 방식으로 제어하는 것 이상의 효과적인 부분 부하 구동을 실현할 수 있다.

특히, 흡착식 증발기에서 생산된 냉수가 압축식 유닛의 제2 응축기로 공급되어 압축식 냉동 사이클의 과냉도를 증대시키고 응축압력을 감소시키는 역할을 수행하여, 압축식의 전력을 최소화하면서 냉각능력을 향상시키는 고효율 전기 압축 사이클이 가능하도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 흡착식 냉동기의 구성도이다.
도 2는 도1의 실시예에 따른 하이브리드 흡착식 냉동기 구동 방법의 순서도이다.
도 3a는 도 1의 실시예에 따른 하이브리드 흡착식 냉동기의 전체 구동을 나타내는 구성도이다.
도 3b는 도 1의 실시예에 따른 하이브리드 흡착식 냉동기의 부분 구동을 나타내는 구성도이다.
도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브라드 흡착식 냉동기의 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

하이브리드 흡착식 냉동기의 이중 구성

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 흡착식 냉동기의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 하이브리드 흡착식 냉동기(1000)는 흡착식 유닛부와 전기 압축식 유닛부로 나누어 구성된다. 이 때에, 흡착식 유닛부와 전기 압축식 유닛부는 하나의 냉각탑(20)을 공유하여 사용하거나, 별개의 냉각탑(20)을 각각 가질 수 있다. 본 실시예에서는 하나의 냉각탑(20)을 공유하는 것으로 설명한다.

흡착식 유닛부는 흡착식 증발기(1), 흡착식 응축기(2), 제1 흡착탑(4), 제2 흡착탑(3)을 포함한다. 또한, 압축식 유닛부는 증발기(5), 제1 응축기(7), 제2 응축기(6), 압축기(8), 팽창밸브(9)를 포함한다. 각 장치는 세부적으로 냉수라인 배관, 냉각수라인 배관, 온수라인 배관과 각종 자동 제어밸브 및 각부 온도센서, 흡착식과 압축식 간의 냉각열원 순환펌프 등이 추가된다. 또한, 외부 냉방시스템으로 냉수펌프(102), 냉각수 펌프(103), 냉각탑(20)과 FCU 또는 공조기와 같은 부하(31, 32, 33)가 구성된다.

본 실시예에 따른 흡착식 냉동기(1000)의 세부 구성을 살펴보면, 제1 흡착탑(4)은 제1 흡착탑으로 온수를 공급하는 온수 입구관을 제어하는 제1 제어 밸브(V1), 제1 흡착탑으로 냉각수를 공급하는 냉각수 입구관을 제어하는 제2 제어 밸브(V2), 제1 흡착탑으로부터 제공된 온수를 배출하는 온수 출구관을 제어하는 제3 제어 밸브(V3), 제1흡착탑으로 냉각수를 배출하는 냉각수 출구관을 제어하는 제4 제어밸브(V4)를 포함한다.

마찬가지로, 제2 흡착탑(3)은 제2흡착탑으로 온수를 공급하는 온수 입구관을 제어하는 제5 제어 밸브(V5), 제2 흡착탑으로 냉각수를 공급하는 냉각수 입구관을 제어하는 제6 제어 밸브(V6), 제2 흡착탑으로부터 제공된 온수를 배출하는 온수 출구관을 제어하는 제7 제어 밸브(V7), 제2 흡착탑으로 냉각수를 배출하는 냉각수 출구관을 제어하는 제8 제어밸브(V8)를 포함한다.

제1 흡착탑이 흡착 사이클로 구동되는 경우 제1 제어밸브(V1) 및 제3 제어밸브(V3)가 폐쇄되고, 제2 및 제4 제어밸브(V2, V4)가 개방되어, 냉각수가 공급된다. 동시에 제2 흡착탑이 탈착 사이클로 구동되는 경우 제5 및 제7 제어 밸브(V5, V7)이 개방되고, 제6 및 제8 제어밸브(V6, V8)가 폐쇠되어, 온수가 공급된다. 제1 및 제2 흡착탑(4, 3)이 각각 반대 사이클로 구동되는 경우에는 반대의 조건으로 각 제어밸브가 제어된다. 이로써, 제1 흡착탑 및 제2 흡착탑(4, 3)은 번갈아 흡착 및 탈착 사이클로 교체되어 구동될 수 있다.

본 실시예에서는 한 쌍의 흡착탑이 마련되었으나, 경우에 따라서 3개의 흡착탑들이 번갈아 구동될 수 있으며, 각각 여러 쌍의 흡착탑이 적용되는 것도 가능하다.

앞서 설명한 바와 같이, 흡착 유닛은 제1 및 제2 흡착탑(4, 3), 흡착식 증발기(1), 흡착식 응축기(2) 및 냉각탑(20)으로 구성된다. 제1 및 제2 흡착탑(4, 3)은 흡착식 응축기(2)와 흡착식 증발기(1) 사이를 번갈아 전달되는 배관이 구성되고, 흡착식 응축기(2)와 냉각탑(20) 사이는 냉각수가 전달되는 냉각수 메인 배관(110, 120)이 구성된다. 또한, 흡착식 증발기(1)는 냉방 부하(31, 32, 33)에 냉수를 공급하는 냉수 메인 입구 배관(160) 및 냉수 메인 출구 배관(170)과 연결되어 냉수를 공급한다.

구체적으로 흡착식 증발기(1)는 냉각된 냉수를 냉각 출구 배관(220)을 통하여, 냉수 메인 출구 배관(170)을 연결과 연결되는 흡착식 냉수 출구 배관(190)으로 전달한다. 이로써, 냉수 메인 출구 배관(170)을 통해 냉방 부하(31, 32, 33)에 공급된다. 공급된 냉수는 다시 냉수 메인 입구 배관(160)으로 배출되어, 흡착식 냉수 입구 배관(180)을 거쳐 냉각 입구 배관(210)을 통해 다시 흡착식 증발기(1)로 회수된다. 이로써 흡착 유닛의 단독 냉동 싸이클이 완료된다.

한편, 전기 압축식 유닛부는 증발기(5), 압축기(8), 제1 응축기(7), 제2 응축기(6) 및 팽창밸브(9)를 포함하여 구성된다. 본 실시예에서는 제1 응축기(7)와 제2 응축기(6)의 두 개의 듀얼 응축기 시스템을 채택하고, 제1 응축기는 냉각탑(20)으로부터 냉각된 냉각수가 유입되고, 제2 응축기(6)는 흡착식 증발기(1)로부터 냉수를 공급받아, 제1 응축기(7)에서 응축된 냉매를 과냉각 시키는 역할을 담당한다.

제1 응축기는 냉각수 메인 배관(110, 120)에서 분기되는 압축식 냉각수 메인 배관(130, 140)을 통하여 상기 냉각탑(20)에서 냉각된 냉각수를 전달받는다. 또한 증발기(5)에서 냉각된 냉수는 냉수 메인 출구 배관(170)과 연결된 압축식 냉수 출구 배관(200)을 통해 냉방 부하(31, 32, 33)로 공급되고, 다시 냉수 메인 입구 배관(160)을 연결하는 압축식 냉수 입구 배관(150)을 통해 증발기(5)로 회수된다. 이로써 전기 압축 유닛의 개별 냉동 싸이클이 완료된다.

하이브리드 흡착식 냉동기의 구동 방법

도 2는 도1의 실시예에 따른 하이브리드 흡착식 냉동기 구동 방법의 순서도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 흡착식 냉동기 구동 방법은 전체 구동 단계(S100), 부하 측정 단계(S200) 및 부분 구동 단계(S300)를 포함한다. 또한 후술될 과냉각 방지 단계를 더 포함할 수 있다.

전체 구동 단계(S100)에서는 상기 흡착식 유닛부 및 전기 압축식 유닛부가 동시에 구동되어, 신속한 냉방 성능과 많은 냉방 용량으로 구동한다.

각 구동 단계 사이에는 냉방 부하의 정도를 측정하는 부하 측정 단계(S200)가 실시된다.

부하 측정 단계(S200)에서는 부하측(31, 32, 33)에 공급되는 냉수 출구 온도 및 상기 부하측(31, 32, 33)으로부터 회수되는 냉수 입구 온도를 측정하여 냉동기 부하를 측정한다. 냉수 입구 온도와 냉수 출구 온도를 이용하여, 부분 부하인지를 판단하고(S210), 전체 구동 단계(S100)에서 부분 구동 단계(S300)으로 전환한다.

부하 측정 단계(S200)에서 상기 냉수 입구 온도 또는 상기 냉수 출구 온도의 상승 추세가 확인되면(S220), 부분 구동 단계(S300)에서 다시 전체 구동 단계(S100)로 전환된다. 이를 반복적으로 수행하면서, 효과적인 냉방을 구동한다.

하이브리드 흡착식 냉동기의 전체 구동(S100)

도 3a는 도 1의 실시예에 따른 하이브리드 흡착식 냉동기의 전체 구동을 나타내는 구성도이다. 도 3a를 참조하여, 본 실시예에 따른 하이브리드 흡착식 냉동기(1000)의 전체 구동을 설명한다.

본 실시예에 따른 하이브리드 흡착식 냉동기가 냉방 구동되는 경우, 실내 부하측의 신속한 냉방효과를 달성하기 위하여 하이브리드 흡착식 사이클로 구동된다. 따라서 흡착식 유닛부와 전기 압축식 유닛부가 모두 구동된다.

보다 상세히 기술하면, 시스템의 최초 냉방 운전 지령이 개시되면, 전체 구동 단계(S100)로 구동되며, 냉수펌프(102)와 냉각수 펌프(103)가 기동 된다. 냉수 메인 입구배관(160) 상에 설치된 냉수 입구 3방 제어 밸브(V10)와 냉수 메인 출구배관(170) 상에 설치된 냉수 출구 3방 제어 밸브(V9)는 압축식 증발기(5)로 냉수 유로를 형성하여 실내 부하측으로부터 순환되는 냉수가 압축식 증발기(5)로 유입된다.

한편, 냉각수 메인배관(120)에 분기되어 있는 압축식 제1 응축기(7)와 연결되는 압축식 냉각수 메인 배관(130, 140)에 설치된 압축식 냉각수 제어 밸브(V12)가 열려 제1 응축기(7)로 냉각탑에서 순환되는 냉각수가 유입되게 된다.

이 과정에서는 흡착식 유닛부와 전기 압축식 유닛부가 모두 구동되는데, 먼저 흡착식 유닛부를 설명하면, 흡착식 유닛부의 제1 및 제2 흡착탑(3, 4) 중 흡착과정이 실시되는 흡착탑에는 냉각수가 유입되고, 탈착과정이 실시되는 흡착탑에는 온수가 유입되며, 흡착과정의 흡착탑과 흡착식 증발기(1)과 연통되어 흡착식 증발기에서는 냉각효과가 발생되며, 탈착과정의 흡착탑은 흡착식 응축기(2)와 연통되어 냉매증기를 응축하여 흡착탑 증발기(1)로 재순환하는 흡착식 냉동사이클이 구현된다.

이때의 흡착식 증발기(1)에서의 냉각효과로 발생되는 중간온도의 냉수는 냉각출구배관(220)과 냉각입구배관(210) 관로상의 냉각열원 순환펌프(101)에 의하여 전기 압축식 유닛부의 제2 응축기(6)로 유입되어 제1 응축기(7)에서 응축된 압축식 냉매를 과냉각하게 된다. 상기 중간 온도의 냉수는 바람직하게는 약 18~22℃에 해당한다. 이때 냉각입구배관(210) 상에 설치되는 2방 자동제어 밸브(V11) 열리게 되어 내부순환 유로를 형성한다.

한편 압축식 유닛부의 압축기(8)는 냉매증기를 압축하여 고압의 증기상태의 냉매를 제1 응축기(7)로 순환시킨다. 제1 응축기(7)에서 냉각수에서 응축 액화된 후 제2 응축기(6)로 냉매액이 순환될 때에, 흡착식 증발기(1)에서 발생된 냉각열수에 의하여 이러한 냉매액이 과냉각 된다. 이 냉매액은 그후 팽창밸브(9)로 유입되어 저압의 상태로 증발기(5)로 유입된다. 증발기(50)에서는 증발잠열에 의하여 냉수를 생성한다.

특히, 전기 압축식 유닛부의 제2 응축기(6)에서는 이러한 하이브리드 흡착식 사이클로 인하여 과냉각 과정을 거치므로, 압축식 유닛의 COP(Coefficient of Performance, 냉방효율)는 대폭 향상되며, 고효율, 고용량의 냉방효과를 가져와 전력의 절감을 효과적으로 달성할 수 있다.

하이브리드 흡착식 냉동기의 부분 구동(S300)

도 3b는 도 1의 실시예에 따른 하이브리드 흡착식 냉동기의 부분 구동을 나타내는 구성도이다.

한편 실내부하가 줄어들어, 부분적으로 구동하여야 하는 부분 구동 단계(S300)로 운전이 되는 경우는 아래와 같이 측정된다. 냉수 입출구 메인배관(160, 170)에 설치된 냉수 입구 온도 센서(S1) 및 냉수 출구 온도 센서(S2)에 의해 온도를 계측한다. 냉수 입구 온도와 냉수 출구 온도의 편차를 확인하여, 냉방 시스템에 미리 설정된 편차의 범위를 미달되는 것을 부분 부하 조건으로 판단한다. 약 50%이하의 부하 조건에 부합하는 온도 편차에 해당하면, 흡착식 유닛부의 단독 사이클로 자동전환 한다.

보다 상세히 기술하면, 냉수 입구 온도 센서(S1) 및 냉수 출구 온도 센서(S2)의 계측값이 시스템상 미리 설정된 냉수목표온도에 도달한 후, 냉수 입구온도와 차이가 약 2~3℃이내로 편차가 줄어들면 부분부하라고 스스로 판단한다.

이때에는 전기 압축 유닛부를 정지시키고, 냉수 메인 입구배관(160)에 설치된 냉구 입구 3방 제어 밸브(V10)와 냉수 메인 출구 배관(170)에 설치된 냉수 출구 3방 제어 밸브(V9)의 유로가 흡착식 증발기로 연결되도록 조정되게 된다. 이와 동시에 냉각열원 순환펌프(101)는 정지하고, 내부 유로 배관(210, 220)에 설치된 냉각 제어 밸브(V11)은 닫히게 된다. 전체 시스템의 냉수가 결과적으로 흡착식 유닛의 증발기(1)로만 순환되게 된다.

또한 냉각수 메인 배관(110, 120)에 분기되는 압축식 냉각수 배관(130, 140)에 설치된 압축식 냉각수 제어 밸브(V12)는 닫히게 되어 압축식 유닛으로 냉각수의 유입을 차단한다. 이러한 일련의 과정으로 압축식 유닛부는 완전히 정지하고, 흡착식 유닛부만 가동되어 저온의 온수만을 이용하여 냉수를 생산하여 실내 부하(31, 32, 33, …측으로 공급되게 된다.

또한, 흡착식 유닛 단독 냉방모드에서 실내부하측의 냉방수요부하가 늘어나게 되는 경우(S220)에는 하이브리드 흡착식 사이클로 자동 전환되게 된다.

보다 상세히 기술하면 실내부하측의 냉방수요부하가 늘어나게 되면, 흡착식 유닛 단독으로는 냉수목표온도의 유지가 힘들어지게 되고 냉수 입구 및 출구 온도가 상승하게 된다. 따라서 냉수 입구 온도 센서(S1) 및 냉수 출구 온도 센서(S2)에서 측정되는 온도의 상승 추세가 감지되게 되며, 일정시간의 냉수 추이를 확인하여 미리 설정된 목표온도 대비 상승추세가 확인되면, 앞서 서술한 하이브리드 흡착식 사이클로 다시 구동되어 냉방이 실현된다. 이 때에는 즉각적으로 온도의 상승 추세를 결정하는 것이 아니라, 바람직하게는 흡착식 2~4사이클 정도의 일정 기간의 추세로 판단한다.

통상적으로 냉방부하는 보통 서서히 변하고 부분부하가 대부분이다. 고부하 냉방으로 하이브리드 흡착식 사이클로 구동되는 경우라도, 이러한 전체 구동 및 부분 구동의 제어 방법 뿐 아니라 별도의 제어 방법을 더 추가할 수 있는데, 예를 들어 전체 구동 단계에서도, 전기 압축식 유닛부의 압축기(8)를 인버터 제어를 통해 최적 Hz로 제어함으로써, 전력의 소비를 최소화할 수 있는 방법을 추가적으로 실시할 수 있다.

하이브리드 흡착식 냉동기의 과냉각 방지 실시예

도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브라드 흡착식 냉동기의 구성도이다.

상기와 같은 하이브리드 흡착식 냉동기의 압축식 유닛의 냉매는 지구온난화지수(GWP; Global Warming Potentioal)가 낮은 R1234ze 또는 현재 가장 널리 사용되는 R134A, R410A 등이 사용된다. 특히 R1234ze의 경우, 과냉각도가 너무 과도하게 되면, 팽창밸브와 압축기의 소손이 가능하므로 적정한 범위에서의 과냉각의 제어가 필수적으로 요구된다.

따라서 혹서기가 아닌 경우에는 냉각탑의 냉각수는 일반적으로 25~30도 수준으로 유입되는 경우가 많으므로, 흡착탑 유닛부의 흡착식 증발기(1)에서 만들어진 냉각열수는 적어도 12~15도 이상 유지되도록 제어하여야 한다. 그러므로 메인 냉각수 배관(130, 140)에 전기 압축식 유닛부의 제1 응축기(7)로 분기되는 냉각수 온도센서(S4)를 감지하고, 흡착식 증발기(1)와 제2 응축기 사이에 연결되는 냉각열수 배관(220) 사이에 설치된 냉각열수 온도센서(S3)을 통해 각각의 온도를 감지한다. 이를 감지하여 필요한 경우 흡착탑(3, 4)의 냉각열량을 제어하여, 제2 응축기(6)의 과도한 과냉을 방지할 수 있다.

이러한 과정은 우선 제1 응축기(7)의 냉각수 온도가 과도하게 저하되면 제1 응축기(7) 압력이 감소되고 제2 응축기(6)로 유입되는 냉매액의 온도와 압력이 감소하여, 작은 냉각 열량으로도 과냉도가 과도해질 수 있기 때문에, 제2 응축기(6)의 압력과 냉매온도를 기준하여 일정한 과냉 온도로 유지하여야 한다.

흡착식 유닛부의 흡착사이클을 제어하여, 흡착식 증발기(1)에서 발생되는 냉각열수 온도를 상승시키게 한다. 이러한 흡착식 유닛부의 제어 동작은 흡착식 유닛부의 냉방 효과를 감소시키는 방법이면 다양하게 적용이 가능하다. 예를 들어, 흡착식 유닛부에서 흡착 과정의 흡착탑과 탈착과정의 흡착탑의 교번시의 절환시간을 길게 제어할 수 있다. 또는 흡착탑(3, 4)의 흡착시간을 연장하는 조치를 통하여, 냉각열수의 온도를 제어할 수 있다.

이상에서 보듯이 본 발명에 의한 시스템은 기존의 과도한 부피와 비싼 가격의 흡착식 냉동기에서 벗어나, 압축식 시스템과의 효율적인 용량 분배와 사이클 구성을 통하여 보다 낮은 각종 배온수를 최대로 활용하면서도 높은 효율과 안정성을 달성할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1000 : 하이브리드 흡착식 냉동기
1 : 흡착식 증발기
2 : 흡착식 응축기
3 : 제2 흡착탑
4 : 제1 흡착탑
5 : 증발기
6 : 제2 응축기
7 : 제1 응축기
8 : 압축기
9 : 팽창 밸브
20 : 냉각탑

Claims

적어도 하나 이상의 냉각탑(20);
적어도 2개 이상의 흡착탑(3, 4), 흡착식 증발기(1), 흡착식 응축기(2)를 포함하는 흡착식 유닛부;
증발기(5), 압축기(8), 제1 응축기(7), 제2 응축기(6) 및 팽창밸브(9)를 포함하는 전기 압축식 유닛부;
를 포함하고,
상기 흡착식 유닛부의 흡착식 증발기(1)는 상기 전기 압축식 유닛부의 제2 응축기(6)에 냉수를 공급하여, 상기 전기 압축식 유닛부의 제1 응축기(7)로부터 응축된 냉매를 과냉각 시키는 것을 특징으로 하고,

상기 흡착식 유닛부의 상기 흡착식 증발기(1)와 상기 전기 압축식 유닛부의 상기 제2 응축기(6)사이에는,
상기 흡착식 증발기(1)에서 냉각된 상기 냉수를 상기 제2 응축기(6)로 공급하는 냉각 입구 배관(210);
상기 제2 응축기(6)에서 배출되는 상기 냉수를 다시 상기 흡착식 증발기(1)로 공급하는 냉각 출구 배관(220);
상기 냉각 입구 배관(210) 및 냉각 출구 배관(220)의 상기 냉수를 순환시키는 냉각열원 순환펌프(101); 및
상기 흡착식 증발기(1)와 상기 제2 응축기(6) 사이의 상기 냉수를 제어하는 냉각제어밸브(V11)를 더 포함하고,

상기 냉각탑(20)와 상기 흡착식 응축기(2) 간의 냉각수를 전달하는 냉각수 메인 배관(110, 120);
상기 냉각수 메인 배관(110, 120)에서 분기되어 상기 제1 응축기(7)에 상기 냉각수를 전달하는 압축식 냉각수 메인 배관(130, 140); 및
상기 압축식 냉각수 메인 배관(130, 140) 내의 상기 냉각수의 흐름을 제어하는 압축식 냉각수 제어 밸브(V12);를 더 포함하고,

부하측(31, 32, 33)에 냉수를 전달하는 냉수 메인 입구 배관(160) 및 냉수 메인 출구 배관(170);

상기 증발기(5)와 상기 냉수 메인 입구 배관(160)을 연결하는 압축식 냉수 입구 배관(150);
상기 증발기(5)와 상기 냉수 메인 출구 배관(170)을 연결하는 압축식 냉수 출구 배관(200);

상기 흡착식 증발기(1)와 상기 냉수 메인 입구 배관(160)을 연결하는 흡착식 냉수 입구 배관(180);
상기 흡착식 증발기(1)와 상기 냉수 메인 출구 배관(170)을 연결하는 흡착식 냉수 출구 배관(190);

상기 압축식 냉수 입구 배관(150), 상기 흡착식 냉수 입구 배관(180) 및 상기 냉수 메인 입구 배관(160) 사이의 상기 냉수의 흐름을 제어하는 냉수 입구 3방 제어 밸브(V10);
상기 압축식 냉수 출구 배관(200), 상기 흡착식 냉수 출구 배관(190) 및 상기 냉수 메인 출구 배관(170) 사이의 상기 냉수의 흐름을 제어하는 냉수 출구 3방 제어 밸브(V9);

상기 냉수 메인 입구 배관(160)을 통과하는 상기 냉수의 온도를 측정하는 냉수 입구 온도 센서(S1); 및
상기 냉수 메인 출구 배관(170)을 통과하는 상기 냉수의 온도를 측정하는 냉수 출구 온도 센서(S2);를 더 포함하고,

상기 냉수 입구 온도 센서(S1) 및 상기 냉수 출구 온도 센서(S2)에서 측정되는 냉수의 온도차에 따라 상기 냉수 입구 3방 제어 밸브(V10) 및 냉수 출구 3방 제어 밸브(V9)가 제어되는 것을 특징으로 하고,

상기 압축식 냉각수 메인 배관(130, 140)의 상기 냉각수 온도를 측정하는 냉각수 온도센서(S4);
상기 냉각 입구 배관(210) 및 상기 냉각 출구 배관(220)의 상기 냉수 온도를 측정하는 냉수 온도센서(S3);를 더 포함하고,
상기 측정된 냉각수 또는 냉수의 온도에 따라 상기 흡착식 유닛부의 구동을 제어하여 상기 제2 응축기(6)상의 과냉각을 방지하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 흡착식 냉동기.
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적어도 2개 이상의 흡착탑(3, 4), 흡착식 증발기(1), 흡착식 응축기(2)를 포함하는 흡착식 유닛부;
증발기(5), 압축기(8), 제1 응축기(7), 제2 응축기(6) 및 팽창밸브(9)를 포함하는 전기 압축식 유닛부;
적어도 하나 이상의 냉각탑(20);를 포함하는 하이브리드 흡착식 냉동기에 있어서,
상기 흡착식 유닛부 및 전기 압축식 유닛부가 동시에 구동되는 전체 구동 단계(S100)를 포함하고,
상기 전체 구동 단계에서는,
상기 흡착식 유닛부의 흡착식 증발기(1)는 상기 전기 압축식 유닛부의 제2 응축기(6)에 냉수를 공급하여, 상기 전기 압축식 유닛부의 제1 응축기(7)로부터 응축된 냉매를 과냉각 시키는 것을 특징으로 하고,

상기 하이브리드 흡착식 냉동기는,
부하측(31, 32, 33)에 냉수를 전달하는 냉수 메인 입구 배관(160) 및 냉수 메인 출구 배관(170);
상기 증발기(5)와 상기 냉수 메인 입구 배관(160)을 연결하는 압축식 냉수 입구 배관(150);
상기 증발기(5)와 상기 냉수 메인 출구 배관(170)을 연결하는 압축식 냉수 출구 배관(200);
상기 흡착식 증발기(1)와 상기 냉수 메인 입구 배관(160)을 연결하는 흡착식 냉수 입구 배관(180);
상기 흡착식 증발기(1)와 상기 냉수 메인 출구 배관(170)을 연결하는 흡착식 냉수 출구 배관(190);
상기 압축식 냉수 입구 배관(150), 상기 흡착식 냉수 입구 배관(180) 및 상기 냉수 메인 입구 배관(160) 사이의 상기 냉수의 흐름을 제어하는 냉수 입구 3방 제어 밸브(V10);
상기 압축식 냉수 출구 배관(200), 상기 흡착식 냉수 출구 배관(190) 및 상기 냉수 메인 출구 배관(170) 사이의 상기 냉수의 흐름을 제어하는 냉수 출구 3방 제어 밸브(V9);
상기 냉수 메인 입구 배관(160)을 통과하는 상기 냉수의 온도를 측정하는 냉수 입구 온도 센서(S1); 및
상기 냉수 메인 출구 배관(170)을 통과하는 상기 냉수의 온도를 측정하는 냉수 출구 온도 센서(S2);를 더 포함하고,
상기 냉수 입구 온도 센서(S1) 및 상기 냉수 출구 온도 센서(S2)에서 측정되는 냉수의 온도차에 따라 상기 냉수 입구 3방 제어 밸브(V10) 및 냉수 출구 3방 제어 밸브(V9)가 제어되는 것을 특징으로 하고,

부하측(31, 32, 33)에 공급되는 냉수 입구 온도 및 상기 부하측(31, 32, 33)으로부터 회수되는 냉수 출구 온도를 측정하여 냉동기 부하를 측정하는 부하 측정 단계(S200); 및
상기 부하 측정 단계(S200)에서 부분 부하 상태로 판정되는 경우 상기 전기 압축식 유닛부를 중지하고, 상기 흡착식 유닛부로만 구동하는 부분 구동 단계(S300)을 더 포함하는 것을 특징으로 하고,

상기 부분 구동 단계(S300)의 상기 부분 부하 상태는,
상기 부하 측정 단계(S200)에서 측정된 상기 냉수 입구 온도와 상기 냉수 출구 온도의 차이가 2내지 3도씨이내인 상태인 것을 특징으로 하고,

상기 흡착식 유닛부의 싸이클을 제어하여, 상기 제2 응축기(6)상의 과냉각을 방지하는 과냉각 방지 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 흡착식 냉동기의 구동 방법.
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제6항에 있어서,
상기 부하 측정 단계(S200)에서 상기 냉수 입구 온도 또는 상기 냉수 출구 온도의 상승 추세가 확인되면, 상기 전체 구동 단계(S100)로 전환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 흡착식 냉동기의 구동 방법.
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