KR102526411B1

KR102526411B1 - 저온 배가스용 재생기 배가스관을 이용하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템

Info

Publication number: KR102526411B1
Application number: KR1020220143590A
Authority: KR
Inventors: 이수용; 우성민; 김광영
Original assignee: 삼중테크 주식회사
Priority date: 2022-11-01
Filing date: 2022-11-01
Publication date: 2023-04-27

Abstract

본 발명의 고효율 흡수식 냉난방 시스템은 상단 증발기(EV1, 01), 중단 증발기(EV2, 02), 하단 증발기(EV3)를 포함하는 증발 유닛, 상단 증발기(EV1, 01), 중단 증발기(EV2, 02), 하단 증발기(EV3)와 각각 대응되는 상단 흡수기(AB1, 04), 중단 흡수기(AB2, 05), 하단 흡수기(AB3, 06)를 포함하는 흡수 유닛, 흡수 유닛에서 배출되는 희용액을 농축하는 저온재생기(LG, 07), 재생기 배가스관(81)을 포함하고, 흡수 유닛에서 배출되는 희용액을 농축하는 고온재생기(HG, 08), 저온재생기(LG, 07)에 인접하여 배치되고, 공급되는 냉매를 응축하는 응축기(CO, 09), 흡수 유닛에서 배출되는 희용액의 흐름을 제어하는 제1 펌프(17), 고온재생기(HG, 08) 및 저온재생기(LG, 07)에서 배출되는 농용액의 흐름을 제어하는 제2 펌프(18), 증발 유닛에서 배출되는 냉매의 흐름을 제어하는 제3 펌프(19) 및 배가스를 생성하여 배출하는 배가스 생성부(21),를 포함하고, 고온재생기(HG, 08)의 재생기 배가스관(81)은 복수개의 핀튜브 열교환부(162) 및 핀튜브가 설치되지 않은 공백부(161)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저온 배가스용 재생기 배가스관을 이용하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템{ HIGH-EFFICIENCY ABSORPTION HEATING AND COOLING SYSTEM USING GENERATOR EXHAUST GAS PIPE FOR LOW-TEMPERATURE EXHAUST GAS }

본 발명은 저온 배가스를 이용하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 시동 단계에서 즉시 배압을 최대치로 공급할 수 있는 고효율의 흡수식 냉난방을 구현하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템에 관한 것이다.

도 1은 종래의 저온 배가스 활용 흡수식 냉난방 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하여, 종래의 연료전지 등에서 발생되는 300℃수준의 저온 배가스 활용 흡수식 냉난방 시스템을 설명한다.

종래의 저온 배가스 활용 흡수식 냉난방 시스템(A)은, 증발기(EV), 흡수기(AB), 재생기 (GEN), 응축기(CO) 및 용액 열교환기(HEX)를 포함한다. 이 저온 배가스 활용 흡수식 냉난방 시스템은 1중 효용 흡수식 냉난방기가 적용된다.

이때 1중 효용 흡수식 냉난방기의 증발기(EV) 및 흡수기(AB)는 동일 쉘에 좌우로 구성된다. 냉수 입구로 유입되는 냉수는 12℃로 유입되어 7℃로 배출되며, 증발온도는 약 4℃로 유지되며 냉방 성능이 발휘된다.

증발온도가 약 4℃이므로 이에 상응하는 증발포화 압력은 6.0mmHg.abs이고 이때 흡수기에는 32℃의 냉각수가 유입되므로, 흡수기 출구의 용액 가능 농도 범위는 56~57%가 된다. 한편 배가스를 활용하는 재생기(GEN)에서는 300℃수준의 배가스를 이용하여 흡수기에서 공급되는 56~57%의 용액을 약 60%로까지 재생하게 된다.

흡수기에서 공급되는 용액 농도가 상기와 같이 다소 높은 56% 수준인 부분과 배가스의 유입압력이 낮아 차압을 극도로 작게 하기 위하여 재생기의 전열관의 배치를 넓게 구성하든지 차압이 작은 나관의 전열관을 채용하기 때문에 재생 효율이 감소하여 용액농도가 60% 수준으로만 재생이 가능하게 된다.

사이클 작동 농도차가 약 3~4% 수준에 불과하여, 용액 순환량이 크게 늘어나므로 현열손실이 매우 증대되어 COP가 낮아지게 된다. 따라서 상기 사이클에서 확보가능한 COP는 약 0.7수준이 되며, 투자비 대비 냉방성능이 매우 낮은 시스템이 된다.

도 2는 종래의 고온 배가스 활용 흡수식 냉난방 시스템의 구성도이다. 도 2를 참조하여, 종래의 고온 배가스 활용 흡수식 냉난방 시스템을 설명한다. 종래의 고온 배가스 활용 흡수식 냉난방 시스템은 가스 엔진 등에서 발생하는 500℃이상의 배가스를 활용한다.

기존의 고효율 배가스 활용 흡수식 냉난방 시스템은, 2개 상하 구역으로 작동 압력 구분된 상부 및 하부 증발기(EV1, EV2), 상부 및 하부 흡수기(AB1, AB2) 와 고온재생기(HG, 08), 저온재생기(LG, 07), 응축기(CO, 09), 저온열교환기(LX, 10), 고온열교환기(HX, 11), 배가스 현열열교환기(EX, 13), 냉매응축열교환기(RX, 12), 펌프류(17, 18, 19)로 구성된다.

고효율화를 위해 흡수기(AB1, AB2)와 재생기(LG, HG)간 농도차를 3~4%가 아닌 8%수준으로 크게 구동하여 용액순환량을 줄임과 동시에 현열손실을 방지하여 COP1.3~1.47까지 성능이 향상된 사이클이다.

보다 자세히 설명하면 하부 증발기(AB2)에 12℃의 냉수가 공급되어, 약 9.5℃로 배출되고, 상부 증발기(EV1)로 유입되며 상부 증발기(EV1)에서 다시 7℃로 배출된다. 이때 하부 증발기(EV2)의 증발온도는 약 7~7.5℃이고, 상부 증발기(EV1)의 증발온도는 약 4~5℃수준이 된다. 이에 상응하는 증발 포화 압력은 하부 증발기는 약 7.5~7.7mmHg.abs이고, 상부 증발기는 약 6.0mmHg.abs가 된다.

이때 하부 흡수기(AB2)에는 32℃의 냉각수가 유입되므로, 흡수기 출구 용액의 가능 농도 범위는 54~54.5%가 된다. 한편 배가스를 활용하는 고온 재생기(HG, 08)에서는 500℃이상의 배가스를 이용하여 흡수기(AB1, AB2)에서 공급되는 54~54.5%의 용액을 약 62%로까지 재생하게 된다. 이때 고온재생기(HG, 08)를 거쳐 배가스는 약 200℃로 배출되어, 배가스 현열열교환기(EX, 13)로 유입되며, 여기서 흡수기(AB1, AB2) 출구에서 공급된 후 고온열교환기(HX, 11)를 거쳐 공급되는 희용액과 열교환되어 최종 140~150℃로 낮아져 대기로 방출된다.

가스엔진에서 발생되는 배기가스는 일반적으로 500℃이상의 고온이며, 배출압력도 최대 1,000mmAq 수준이므로 일반적인 고온재생기 배압수준인 150~200mmAq보다 월등히 크기 때문에 별도의 장치 없이 각종 고효율 핀튜브 등을 사용한 전통적인 핀튜브식 쉘앤튜브(Shell&Tube) 열교환기의 설계가 가능하다. 따라서 가스엔진 등에서 발생하는 고온의 배가스를 이용한 종래의 고효율 흡수식 냉난방기는 효율이 높고, 합리적인 비용으로 설계가 가능하나, 이것은 고온의 배기가스인 경우에만 구현이 가능하다는 단점이 있다.

만일 이 시스템에서, 300℃수준의 배가스를 활용하게 되면, 고온재생기 출구 배가스의 온도는 약 130~140℃수준으로 낮아지고, 고온열교환기를 거쳐 유입되는 희용액의 온도도 약 110~120℃로 낮아지게 된다. 따라서 배가스 열교환기에서 배가스와 희용액의 온도차가 매우 작아지므로 배가스 열교환기의 열회수 효율이 낮아져 COP가 매우 감소하게 된다.

특허 등록 제10-0910429호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 과제는 낮은 온도의 배가스를 이용하여 고효율을 구현할 수 있으며, 시동 단계에서 즉시 최대 부하로 구동할 수 있는 저온 배가스를 이용하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 흡수식 냉방시스템은 상단 증발기(EV1, 01), 중단 증발기(EV2, 02), 하단 증발기(EV3)를 포함하는 증발 유닛, 상단 증발기(EV1, 01), 중단 증발기(EV2, 02), 하단 증발기(EV3)와 각각 대응되는 상단 흡수기(AB1, 04), 중단 흡수기(AB2, 05), 하단 흡수기(AB3, 06)를 포함하는 흡수 유닛, 흡수 유닛에서 배출되는 희용액을 농축하는 저온재생기(LG, 07), 재생기 배가스관(81)을 포함하고, 흡수 유닛에서 배출되는 희용액을 농축하는 고온재생기(HG, 08), 저온재생기(LG, 07)에 인접하여 배치되고, 공급되는 냉매를 응축하는 응축기(CO, 09), 흡수 유닛에서 배출되는 희용액의 흐름을 제어하는 제1 펌프(17), 고온재생기(HG, 08) 및 저온재생기(LG, 07)에서 배출되는 농용액의 흐름을 제어하는 제2 펌프(18), 증발 유닛에서 배출되는 냉매의 흐름을 제어하는 제3 펌프(19), 및 배가스를 생성하여 배출하는 배가스 생성부(21),를 포함하고,

고온재생기(HG, 08)의 재생기 배가스관(81)은 복수개의 핀튜브 열교환부(162) 및 핀튜브가 설치되지 않은 공백부(161)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 배가스 생성부(21)에서 생성된 배가스의 배출되는 양을 제어하는 바이패스 밸브(16), 배가스 생성부(21)에서 생성된 배가스가 고온재생기(HG, 08)로 유입되는 양을 제어하는 배가스 도입밸브(15), 및 고온재생기(HG, 08)의 후단에 위치하고, 유입되는 배가스의 압력을 제어하는 배가스 흡입장치(14),를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 재생기 배가스관(81)의 복수개의 핀튜브 열교환부(162)는 고온재생기(HG, 08) 내에서 배기가스 흡입장치(14)와 인접한 후단에 설치되고, 재생기 배가스관(81)의 핀튜브가 설치되지 않은 공백부(161)는 고온재생기(HG, 08) 내에서 배가스 도입밸브(15)와 인접한 전단에 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 고온재생기(HG)는, 재생기 배가스관(81)의 공백부(811) 상단에는 설치된 엘리미네이터(821),를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 고온재생기(HG)는, 핀튜브 열교환부(812)의 상단에 설치되고, 서로 중앙부가 상승되는 방향으로 배치되는 제1 베플 플레이트(831) 및 제2 베플 플레이트(832)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 배가스 생성부(21)는 연료전지를 포함하며, 배가스 생성부(21)에서 배출되는 배가스는 연료전지에서 전력을 생산하면서 부수적으로 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 배가스 생성부(21)에서 생성되는 배가스는 300℃ 내지 400℃인 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 냉난방 시스템이 부분부하인 경우, 배가스 흡입장치(14)의 가동정도에 따라 부분부하가 조절되며, 배가스 생성부(21) 내의 압력이 유지되도록, 배가스 흡입장치(14)의 가동정도에 종속되어 바이패스 밸브(16)의 개폐율이 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 배가스 생성부(21)는 연료전지를 포함하고, 배가스 생성부(21) 내에서 유지되는 압력은 연료전지의 유효 발전 압력 이내인 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 흡수식 냉난방 시스템의 시동 단계에서, 배기가스 도입밸브(15)을 최대로 개방하고, 배기가스 흡입장치(14)를 최대 부하로 구동되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 고효율 흡수식 냉난방기는 저압의 배가스의 도입을 위하여, 배가스 흡입장치를 포함하고, 이러한 배가스 흡입장치의 구동이 연료전지의 생산에 영향을 미치지 않도록 바이패스 밸브와 연계하여 구동하여, 저압의 배가스를 이용하면서도, 고효율의 냉난방 시스템을 구현할 수 있고, 연료전지의 전력 생산에 영향이 없는 구동이 가능하다.

특히, 핀튜브가 설치되지 않은 공백부를 포함하는 재생기 배가스관을 적용하여, 냉난방기를 구동할 때에, 즉시 최대부하로 구동하여도, 냉매오염을 원천적으로 방지할 수 있어, 저온 배가스를 이용하는 흡수식 냉난방기의 경우에도 빠른 구동이 가능한 효과가 발생된다.

도 1은 종래의 저온 배가스 활용 흡수식 냉난방 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래의 고온 배가스 활용 흡수식 냉난방 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 흡수식 냉난방기의 구성도이다.
도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고효율 흡수식 냉난방기의 일부를 나타내는 구성도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 명세서에서 모듈이라 함은, 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및 상기 하드웨어를 구동하기 위한 소프트웨어의 기능적, 구조적 결합을 의미할 수 있다. 예컨대, 상기 모듈은 소정의 코드와 상기 소정의 코드가 수행되기 위한 하드웨어 리소스의 논리적인 단위를 의미할 수 있으며, 반드시 물리적으로 연결된 코드를 의미하거나, 한 종류의 하드웨어를 의미하는 것은 아님은 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가에게는 용이하게 추론될 수 있다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 발명은 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 하기 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 단지 예시로 제시하는 것이며, 본 기술 사상을 통해 구현되는 다양한 실시예가 있을 수 있다. 이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

고효율 흡수식 냉난방기의 구성

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 흡수식 냉난방 시스템의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예의 따른 고효율 흡수식 냉난방 시스템은 연료전지 등에서 발생되는 300℃ 내지 400℃ 수준의 배가스를 활용하여 냉난방을 제공한다. 본 실시예의 고효율 흡수식 냉난방 시스템은 3개 상하 구역으로 작동 압력이 구분된 상단, 중단, 하단 증발기(EV1, EV2, EV3) 및 상단, 중단, 하단 흡수기(AB1, AB2, AB3)과 고온재생기(HG, 08), 저온재생기(LG, 07), 응축기(CO, 09), 저온열교환기(LX, 10), 고온열교환기(HX, 11), 배가스 열교환기(EX, 13), 응축냉매열교환기(RX, 12), 펌프류(17, 18, 19)로 구성된다.

300℃ 내지 400℃ 수준의 저온 배가스를 이용하면서도 고효율화를 달성하기 위해 흡수기(AB1, AB2, AB3)-재생기(LG, HG)간 농도차를 약 8% 수준으로 크게 하여 사이클을 작동시킴으로써, 용액 순환량을 줄임과 동시에 현열손실을 방지하여 COP 향상이 가능하다.

보다 자세히 설명하면, 하단 증발기(EV3, 03)에 12℃의 냉수가 공급되어, 약 10.4℃로 배출되고, 중단 증발기(EV2, 02)로 유입되고 다시 약 8.7℃로 상단 증발기(EV1, 01)로 유입되며 최종적으로 7℃로 배출된다. 이때 하단 증발기(EV3)의 증발온도는 약 7.9~8.4℃이고, 이에 상응하는 증발 포화 압력은 약 8.0~8.2mmHg.abs 수준이 가능하게 된다.

이때 하단 흡수기(AB3)에는 약 32℃의 냉각수가 유입되므로, 흡수기 출구의 용액 농도의 가능 농도 범위는 약 52~52.5%가 된다. 따라서 본 발명에 의하여 흡수기 출구 희용액의 농도가 낮아지므로 용액순환 농도차를 크게 하여 COP를 향상할 수 있는 사이클을 제공할 수 있다.

한편 고온재생기(HG, 08) 출구 배가스의 온도는 약 120~130℃수준이 되므로, 배가스 열교환기에서 효율적으로 열을 회수 하기 위하여, 본 발명에서는 흡수기 출구의 희용액의 공급 회로에 대하여, 총 4구간에서의 열교환을 실시한다.

좀 더 상세히 설명하면, 하단 흡수기(AB3) 출구의 희용액이 흡수기 최상단 용액냉각 전열관 열교환기(AX, 20)를 거친 후 저온열교환기(LX, 10)와 응축냉매 열교환기(RX, 12)를 병렬로 통과하며 승온되어 배출되고, 배가스 열교환기(EX, 13)로 유입되어 약 120~130℃수준의 배가스에서 열을 회수한 후 약 50% 유량비로 분기되어 저온재생기(LG, 07)와 고온열교환기(HX, 11)로 공급된다.

고온열교환기(HX, 11)로 공급된 희용액은 고온재생기(HG)에서 농축된 고온의 농용액과 열교환하여 고온재생기(HG)로 유입된다. 이때 저온 열교환기(LX, 10) 및 응축냉매 열교환기(RX, 12)에서 병렬로 승온된 희용액의 온도 범위는 약 50~70℃이므로 고온재생기 출구 120~130℃배가스와 효과적인 열교환이 가능하며, 열회수에 의한 COP 향상을 도모 할 수 있다.

그리고 연료전지 등에서 발생되는 약 300℃의 배가스는 유입 배관을 통하여 고효율 2중 효용 흡수식 냉난방기의 고온재생기로 공급된다. 이때 연료전지에서 발생되는 배가스의 배압은 10~50mmAq로 매우 낮은 수준이므로, 고온재생기의 효율 유지를 위하여 바람직한 차압 범위인 150~200mmAq로 설계할 수 없다. 따라서 자연적으로 흡수식 냉난방기의 고온재생기로 공급 및 배출되기는 매우 어렵다.

따라서 고온재생기의 효과적인 재생효율 증대와 콤팩트화를 달성하기 위하여 흡수식 냉난방기 말단에 배가스 흡입장치(14)를 구성하고 냉방부하를 감지하여 인버터를 활용한 회전수 제어 및 배가스 도입 밸브(15), 배가스 바이패스 밸브(16)를 통해 최적 배가스량을 도입할 수 있다. 이와 함께 바람직한 고온재생기 고효율 구조를 형성할 수 있어 비용 증대를 최소화 할 수 있다.

고효율 흡수식 냉난방기의 구동

구체적인 흡수식 냉난방기의 구동을 살펴보면, 냉난방 정지 단계, 냉난방 시동 단계, 냉난방 운전 단계, 냉난방 종료 단계로 나뉘어 지며, 냉난방 운전 단계는 다시 최대 부하 운전 단계, 부분 부하 운전 단계, 최소 부하 운전단계 및 강제 정지 단계를 포함한다.

각 단계의 구동에 대해서 간단히 언급하면, 냉난방 정지 단계는 흡수식 냉난방기(100)가 구동되지 않는 단계이다. 이 단계에서는 배가스를 냉난방 구동에 사용하지 않기 위해서, 바이패스 밸브(16)을 모두 개방하고, 배기가스 도입밸브(15)를 모두 폐쇄한다. 또한, 배기가스 흡입장치(14)는 정지된 상태로 유지된다. 배가스 생성부(21)에서 발생되는 모든 배기가스는 외부로 배출된다.

냉난방 시동 단계에서는 흡수식 냉난방기(100)가 시동된다. 배기가스 도입밸브(15)을 최대로 개방하고, 배기가스 흡입장치(14)를 최대 부하로 구동한다. 냉난방 종료 단계에서는 냉난방이 종료되는 단계이며, 냉난방 정지 단계의 구동 조건과 동일하다.

냉난방 운전 단계에서는 가동 환경에 따라 각각 다른 방식으로 운전을 제어한다. 최대 부하 운전 단계에서는 연료전지의 정격 출력이 유지되어야 하고, 냉난방부하를 최대한으로 가동하는 조건으로 구동된다. 배가스 도입밸브(15)를 최대한 개방하고, 동시에 바이패스 밸브(16)은 거의 0에 가깝게 닫히며, 배기가스 흡입장치(14)는 설정된 고부하 운전 Hz범위내에서 허용된 최대값으로 구동된다.

부분 부하 운전 단계는 배가스 생성부(21)의 전력 부하는 정격 부하로 운전되나, 냉난방부하가 부분 부하일 경우이다. 흡수식 냉난방기(100)에서 냉난방부하를 읽어 들여 배기가스량을 조절하게 되며, 우선적으로 배가스 흡입장치(14)의 출력을 조절하고, 연료전지의 발전효율 및 배기가스압력(P1)를 기준으로 바이패스 밸브(16)을 조절하여, 냉난방부하 조절 및 배기가스 흡입장치(14)의 전력 소모를 최소화 할 수 있다.

최소 부하 운전 단계는 냉난방부하가 최소부하로 운전되는 경우이며, 이 경우에는 배기가스 흡입장치(14)는 정지하거나 최소 Hz로 구동되고, 배기가스 도입밸브(15)의 제어를 통하여 최소 부하를 유지시킨다.

강제 정지 단계는 흡수식 냉난방기의 과농축을 방지하기 위한 단계이다. 과농축이 발생될 우려가 있는 경우, 냉난방기는 강제 정지된다. 바이패스 밸브(16)가 완전 개방되며, 배가스 도입밸브(15)이 폐쇄되고, 배기가스 흡입장치(14)는 정지된다.

연료전지 배기가스를 위한 재생기 배가스관

도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고효율 흡수식 냉난방기의 일부를 나타내는 구성도이다.

도 4는 본 발명에 의하여 연료전지 등에서 발생되는 약 300℃ 내지 400℃의 배가스를 냉난방에 활용하는 고온재생기 및 배가스 흡입, 배출 시스템의 구성도이다.

배기가스 흡입장치에서 배기가스 흡입압력이 과도하게 작동될 경우, 연료전지 스택의 압력이 낮아지고, 발전효율이 저하할 수 있어, 연료전지의 배압의 유지는 매우 중요한 부분이 된다.

또한 배기가스의 풍량은 연료전지의 발전부하에 의하여 결정되어 지지만, 흡수식 냉난방기에서 요구하는 풍량과 일치하지는 않기 때문에, 흡수식 냉난방기는 설정된 냉수 출구 목표온도와 현재의 냉수 입/출구 온도를 읽어 들여 냉방부하를 감지하고, 이에 상응하는 배가스량의 도입을 제어한다. 이러한 제어 수단으로는 흡입 장치의 인버터 회전수 제어와 배가스 바이패스 밸브(16) 및 배가스 도입 밸브(15)를 활용한다.

도3의 실시예에서는 바이패스 밸브(16)와 배가스 도입밸브(15)를 2방 제어밸브 2개로 구성하였지만, 3방 밸브 1개로 구성도 당연히 가능하다. 또한 기존의 배가스 흡수식 냉난방기의 문제점인 운전 초기 특히 심화 발생되는 고온재생기에서의 저농도 용액 비등으로 인하여 냉매와 함께 미스트 상태의 용액이 증발기로 유입되어 성능이 저하되는 냉매오염을 방지하는 구조도 본 발명에서 제안하고 있다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 흡수식 냉방시스템의 고온재생기(HG)는 재생기 배가스관(81)은 후단에만 핀튜브 열교환부(812)가 위치하고, 전단에는 핀튜브가 설치되지 않은 공백부(811)를 포함한다.

공백부(811)의 상단에는 수평부분 엘리미네이터(821)가 설치되며, 핀튜브 열교환부(812)의 상단에는 서로 중앙부가 상승되는 방향으로 설치되는 제1 베플 플레이트(831) 및 제2 베플 플레이트(832)가 포함된다.

기존의 배기가스 흡수식의 고온재생기는 수직 핀튜브를 설치하여 관 외부에 배가스가 지나며 열을 전달하고 관 내부의 희용액을 비등 시켜 냉매증기(증류수)와 진한 용액으로 분리한다.

다만 운전 초기에는 공급되는 희용액의 농도가 낮아 비등점이 낮아지므로 매우 격렬하게 비등하게 되므로, 핀튜브 내부의 희용액이 비등하며 급격한 온도차에 의해 밀도차 발생으로 인한 대류, 즉 상승되는 힘이 강하게 된다. 이것은 미스트 상태의 용액이 크게 비등됨으로써 증기 통로를 따라 유입 가능성이 더욱 높아진다. 이것은 성능의 저하와 직결되는 단점이 있었다.

한편, 이를 극복하기 위하여 배가스 도입밸브(15)를 서서히 열어 배가스와 희용액의 열전달을 지연시켜 비등을 감소시키는 등의 방법으로 냉매오염을 방지하였으나, 이것은 흡수식 냉난방기의 초기 냉방부하 대응속도가 매우 지연되는 문제점이 있었다.

본 실시예에서는 핀튜브 열교환부(812)를 후단으로 위치시키기 때문에, 배기가스가 도입되는 초입부인 공백부(811)에서는 열교환이 발생되지 않기 때문에, 대류에 의한 상승폭을 최소화된다.

여기에 제1 및 제2 베플 플레이트(831, 832)를 지붕 형태의 2중으로 구성하고, 수평부분 엘리미네이터(821)를 공백부(811) 상단에 설치하여 미스트 상태의 용액이 증기 통로로 유입되는 것을 완전히 방지한다. 따라서 운전 초기 배기가스를 빠르게 유입 시킬 수 있어, 초기 냉방부하에 신속하게 대응이 가능한 장점이 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 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 청구범위의 범위에 속한다.

1000 : 고효율 흡수식 냉난방 시스템
EV1, 01 : 상단 증발기
EV2, 02 : 중단 증발기
EV3 , 03: 하단 증발기
AB1, 04 : 상단 흡수기
AB2, 05 : 중단 흡수기
AB3, 06 : 하단 흡수기
LG , 07 : 저온재생기
HG, 08 : 고온재생기
CO, 09 : 응축기
LX, 10 : 저온열교환기
HX, 11 : 고온열교환기
RX, 12 : 응축냉매열교환기
EX, 13 : 배가스열교환기
14 : 배가스 흡입장치
15 : 배가스 도입밸브
16 : 바이패스밸브
17 : 제1 펌프
18 : 제2 펌프
19 : 제3 펌프
AX, 20 : 용액냉각 전열관 열교환기
21 : 배가스 생성부

Claims

상단 증발기(EV1, 01), 중단 증발기(EV2, 02), 하단 증발기(EV3)를 포함하는 증발 유닛;
상기 상단 증발기(EV1, 01), 상기 중단 증발기(EV2, 02), 상기 하단 증발기(EV3)와 각각 대응되는 상단 흡수기(AB1, 04), 중단 흡수기(AB2, 05), 하단 흡수기(AB3, 06)를 포함하는 흡수 유닛;

상기 흡수 유닛에서 배출되는 희용액을 농축하는 저온재생기(LG, 07);
재생기 배가스관(81)을 포함하고, 상기 흡수 유닛에서 배출되는 희용액을 농축하는 고온재생기(HG, 08);
상기 저온재생기(LG, 07)에 인접하여 배치되고, 공급되는 냉매를 응축하는 응축기(CO, 09);

상기 흡수 유닛에서 배출되는 상기 희용액의 흐름을 제어하는 제1 펌프(17);
상기 고온재생기(HG, 08) 및 저온재생기(LG, 07)에서 배출되는 농용액의 흐름을 제어하는 제2 펌프(18);
상기 증발 유닛에서 배출되는 상기 냉매의 흐름을 제어하는 제3 펌프(19); 및
배가스를 생성하여 배출하는 배가스 생성부(21);를 포함하고,

상기 고온재생기(HG, 08)의 상기 재생기 배가스관(81)은 복수개의 핀튜브 열교환부(812) 및 상기 핀튜브가 설치되지 않은 공백부(811)를 포함하는 것을 특징으로 하고,

상기 배가스 생성부(21)에서 생성된 상기 배가스의 배출되는 양을 제어하는 바이패스 밸브(16);
상기 배가스 생성부(21)에서 생성된 상기 배가스가 고온재생기(HG, 08)로 유입되는 양을 제어하는 배가스 도입밸브(15); 및
상기 고온재생기(HG, 08)의 후단에 위치하고, 유입되는 상기 배가스의 압력을 제어하는 배가스 흡입장치(14);를 포함하고,

상기 재생기 배가스관(81)의 상기 복수개의 핀튜브 열교환부(162)는 상기 고온재생기(HG, 08) 내에서 상기 배가스 흡입장치(14)와 인접한 후단에 설치되고,
상기 재생기 배가스관(81)의 상기 핀튜브가 설치되지 않은 공백부(161)는 상기 고온재생기(HG, 08) 내에서 상기 배가스 도입밸브(15)와 인접한 전단에 설치되는 것을 특징으로 하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 고온재생기(HG, 08)는,
상기 재생기 배가스관(81)의 공백부(811) 상단에는 설치된 엘리미네이터(821);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템.
제1항에 있어서,
상기 고온재생기(HG, 08)는,
상기 핀튜브 열교환부(812)의 상단에 설치되고, 서로 중앙부가 상승되는 방향으로 배치되는 제1 베플 플레이트(831) 및 제2 베플 플레이트(832)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배가스 생성부(21)는 연료전지를 포함하며,
상기 배가스 생성부(21)에서 배출되는 상기 배가스는 상기 연료전지에서 전력을 생산하면서 부수적으로 생성되는 것을 특징으로 하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배가스 생성부(21)에서 생성되는 상기 배가스는 300℃ 내지 400℃인 것을 특징으로 하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템.
제1항에 있어서,
상기 냉난방 시스템이 부분부하인 경우,
상기 배가스 흡입장치(14)의 가동정도에 따라 상기 부분부하가 조절되며,
상기 배가스 생성부(21) 내의 압력이 유지되도록, 상기 배가스 흡입장치(14)의 가동정도에 종속되어 상기 바이패스 밸브(16)의 개폐율이 조절되는 것을 특징으로 하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템.
제8항에 있어서,
상기 배가스 생성부(21)는 연료전지를 포함하고,
상기 배가스 생성부(21) 내에서 유지되는 상기 압력은 상기 연료전지의 유효 발전 압력 이내인 것을 특징으로 하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템.
제1항에 있어서,
상기 흡수식 냉난방 시스템의 시동 단계에서,
배기가스 도입밸브(15)을 최대로 개방하고, 배기가스 흡입장치(14)를 최대 부하로 구동되는 것을 특징으로 하는 고효율 흡수식 냉난방 시스템.