KR20000055050A - 흡수식 열펌프의 운전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 응축기로 유입되는 냉매증기의 온도를 통해 추정된 냉매의 농도에 따라 정류기에서의 열교환 량을 변화시킴으로써 냉매증기를 고순도, 고농도로 유지시켜 안정되고 높은 성능계수(COP)가 획득되도록 한 흡수식 열펌프의 운전방법에 관한 것이다.

개시된 본 발명은, 정류과정을 거친 냉매증기의 온도를 측정하는 단계와, 측정된 온도와 기 설정된 온도와의 비교로 정류과정 이후의 냉매 농도를 추정하는 단계와, 추정된 냉매 농도에 기인하여 정류과정에서 강용액과 냉매증기와의 열교환 량을 조절하여 주는 단계를 포함하며,

냉매증기의 농도가 일정 이하로 저하되면 정류과정에서 강용액의 유량과 온도 중 적어도 어느 하나를 조절하여 준다.

Description

흡수식 열펌프의 운전방법{Operating method of absorption heat pump}

본 발명은 흡수식 열펌프의 운전방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 응축기로 유입되는 냉매증기의 온도를 통해 추정된 냉매의 농도에 따라 정류기에서의 열교환 량을 변화시킴으로써 냉매증기를 고순도, 고농도로 유지시켜 안정되고 높은 성능계수(Coefficient Of Performance; COP)가 획득되도록 한 것이다.

주지와 같이, 흡수식 열펌프는 전기를 에너지원으로 사용하는 증기압축식 열펌프와는 달리 액화천연가스(LNG), 액화프로판가스(LPG), 석유 등을 열원으로 사용하며, 이 열원의 연소열을 이용하는 열구동 방식으로 냉수 또는 난방수(온수)를 만들어 냉방 또는 난방 및 급탕을 하는 시스템이다.

이러한 흡수식 열펌프의 일예로서, 도 1에는 일반적인 암모니아 GAX(Genera -tor Absorber Heat Exchanger) 흡수식 열펌프의 구성을 도시하였으며, 도시된 암모니아 GAX 흡수식 열펌프가 냉방 사이클 운전되는 과정을 아래에 설명하기로 한다.

먼저, 버너(도시 생략됨)에서 발생된 열이 발생기(1)에 가해지면 이 발생기(1)내에 있는 작동용액인 강용액이 비등하여 냉매증기와 약용액으로 생성되며, 이때 생성된 냉매증기는 상승하면서 용액 열교환기(2)를 거쳐 냉매순도를 높이는 애너라이저(3)와 정류기(4)로 유입된다.

여기서, 암모니아와 물과의 비등점 차가 크지 않아 암모니아와 함께 물도 비등되므로, 애너라이저(3)와 정류기(4)는 냉매증기 중의 수증기 성분을 제거하는 정류과정을 수행한다. 즉 용액 열교환기(2)를 거친 냉매증기는 그 내부가 충진물질로 채워진 애너라이저(3)로 상승되어 수냉 흡수기(5)에서 정류기(4)를 거쳐 애너라이저(3)의 상부로 공급되는 저온의 강용액과 접촉되어 수증기 성분이 응축되며, 이렇게 농축된 냉매증기는 정류기(4)내로 상승되어 수냉 흡수기(5)에서 용액펌프(6)를 통해 정류기(4)로 공급되는 저온의 강용액과의 열교환으로 애너라이저(3)에서 미처 응축되지 않은 수증기 성분이 응축되어 최종적으로 농축된다.

이러한 정류과정을 거쳐 응축기(7)로 유입되는 냉매증기는 냉각수와의 열교환으로 액냉매로 응축되어 예냉각기(8)로 유입되며, 이미 증발기(9)를 거친 냉매증기와의 열교환으로 그 온도가 증발기(9)내의 증발온도에 가깝게 강하된 후 팽창변(14)을 통과하면서 압력이 강하되어 기액 이상류 상태로 증발기(9)에 유입되고, 실내기에서 온도가 상승되어 증발기(9)로 유입되는 냉수와의 열교환으로 다시 냉매증기로 증발된다. 이때 증발잠열에 의해 온도가 강하된 냉수는 실내기로 보내져 실내 공기의 온도를 낮춰 냉방을 수행한다.

이후, 증발기(9)에서 증발된 냉매증기는 예냉각기(8)로 유입되어 응축기(7)에서 응축된 액냉매와의 열교환으로 그 온도가 응축기(7)를 나오는 응축액의 온도 가까이 상승되며, GAX(10)와 용액냉각 흡수기(12) 및 수냉 흡수기(5)로 유입된다.

또한, 발생기(1)에서 냉매증기를 생성하고 남은 용액, 즉 암모니아 농도가 낮은 약용액은 용액 열교환기(2)로 공급되어 상부에서 하강하는 강용액과의 열교환으로 온도가 강하되며, 감압변(11)을 거쳐 압력이 강하된 상태로 GAX(10)로 유입되어 GAX(10)와 용액냉각 흡수기(12) 및 수냉 흡수기(5)를 통과하면서 증발기(9)로부터 유입되는 냉매증기를 흡수하여 암모니아 농도가 높은 강용액으로 생성된다.

이때, GAX(10)와 용액냉각 흡수기(12)에서 냉매증기를 흡수한 약용액은 이미 수냉 흡수기(5)를 거쳐 용액펌프(6)에 의해 순환되는 강용액과의 열교환으로 온도가 강하되며 수냉 흡수기(5)에서는 방열기(도시 생략됨)를 거친 냉각수와의 열교환으로 더욱 온도가 강하된다.

그리고, 수냉 흡수기(5)에서 생성된 강용액은 용액펌프(6)에 의해 정류기(4)로 공급되며, 유량조절 삼방변(13)에 의해 적절히 유량이 조절되어 용액냉각 흡수기(12) 또는 애너라이저(3)의 상부로 유입된다.

그러면, 용액냉각 흡수기(12)측으로 유입된 강용액은 용액냉각 흡수기(12) 및 GAX(10)에서 냉매증기가 약용액에 흡수될 때에 발생하는 흡수열에 의해 가열·비등되어 기액 이상류 상태로 용액 열교환기(2)의 상부에 공급되며, 그 일부가 용액 열교환기(2)내를 유동하는 약용액과의 열교환으로 온도가 상승하면서 발생기(1)측으로 하강되어 다시 재생에 사용된다.

그리고, 애너라이저(3)의 상부로 유입된 강용액은 발생기(1)로부터 상승하는 냉매증기와 접촉하는 동안 그 냉매증기 중에 포함된 수증기를 일부 흡수하여 정류시키면서 발생기(1)측으로 하강되어 다시 재생에 사용되며, 이상과 같은 과정은 시스템이 작동하는 동안 평형이 이루어진 상태에서 연속적으로 순환되며 이루어진다.

한편, 난방 사이클 운전 시에는 냉수의 유동 방향이 전환되어 증발기(9)를 거쳐 실외기의 방열기로 순환되고, 냉각수는 응축기(7) 및 수냉 흡수기(5)를 각각 거친 후에 실내기로 유동되며, 이때 응축열과 흡수열을 회수한 고온의 난방수가 실내기에서 방열하여 실내 공기의 온도를 높여 난방을 수행하게 된다.

전술한 바와 같은 흡수식 열펌프는, 정류기에서 응축기로 유입되는 냉매증기의 농도에 따라 냉방 COP 및 난방 COP가 크게 변화된다. 즉 도 2에 나타낸 바와 같이 냉매로 사용되는 암모니아 농도가 97%일 때에 냉방 COP는 0.65, 난방 COP는 1.55인데 반하여 암모니아 농도가 99%일 때에는 냉방 COP가 0.74, 난방 COP가 1.64가 된다. 이와 같이 2%의 암모니아 농도 상승으로 냉방 COP는 13% 정도, 난방 COP는 5% 정도로 향상되는 것이다.

따라서, 우수한 성능을 확보하기 위해서는 정류과정을 수행하여 냉매순도를 높이는 정류기의 역할이 매우 큰 비중을 차지하며, 주로 냉매순도는 99.5% 이상이 되도록 설계된다.

그런데, 부하의 변동 및 외기온도의 변동 등이 발생되면 암모니아 농도, 즉 냉매순도가 저하되어 결국에는 시스템의 COP가 감소되는 문제점이 있었다.

또한, 증발기의 입구에서부터 출구까지의 사이에서 냉매증기와 액냉매의 농도 변화 특성을 살펴보면 도 3에 나타낸 바와 같다. 이와 같이 냉매농도가 낮으면 증발기로 유입된 액냉매 중에는 물(H₂O) 성분이 많이 포함된다.

그러므로, 냉매가 열교환 코일의 하단측으로 유입하여 상단측으로 유동하는 증발기 구조에서는, 시스템을 장시간 운전하면 하단에 물 성분이 축적되어 유입되는 냉매의 순도를 저하시켜서 증발기의 성능이 급격히 저하되는 블리딩(bleeding) 현상이 발생되며, 결국 하단에 고인 물을 인위적으로 제거하여야 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로서, 응축기로 유입되는 냉매증기의 온도를 통해 추정된 냉매의 농도에 따라 정류기에서의 열교환 량을 변화시킴으로써,

부하의 변동 및 외기온도의 변동 등이 발생되더라도 냉매증기를 고순도, 고농도로 유지시켜 안정되고 높은 COP가 획득되도록 한 흡수식 열펌프의 운전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 암모니아 GAX 흡수식 열펌프의 구성도이고,

도 2는 암모니아 농도와 시스템 성능계수와의 관계 그래프이며,

도 3은 증발기에서 냉매의 농도 변화 특성 그래프이고,

도 4는 본 발명에 따른 흡수식 열펌프의 운전방법을 수행하기 위한 흡수식 열펌프 및 그 제어장치의 구성도이며,

도 5는 냉매의 농도와 온도와의 관계 그래프이다.

＜ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ＞

3 : 애너라이저, 4 : 정류기, 5 : 수냉 흡수기, 6 : 용액펌프, 7 : 응축기, 13 : 유량조절 삼방변, 101 : 서미스터, 103 : 메모리, 104 : 마이크로 프로세서, 105 : 냉각 팬, 106 : 냉각수 펌프, 107 : 부하 구동부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 흡수식 열펌프의 운전방법은, 냉매의 정류, 응축, 증발, 흡수과정을 통해 냉난방을 수행하는 운전방법에 있어서:

(1) 상기 정류과정을 거친 냉매증기의 온도를 측정하는 단계;

(2) 상기 측정된 온도와 기 설정된 온도와의 비교로 상기 정류과정 이후의 냉매 농도를 추정하는 단계; 및

(3) 상기 추정된 냉매 농도에 기인하여 상기 정류과정에서 강용액과 냉매증기와의 열교환 량을 조절하여 주는 단계를 포함한다.

바람직하기로, 상기 냉매증기는, 상기 응축과정 이전의 냉매증기인 것을 특징으로 한다.

바람직하기로, 상기 열교환 량 조절은, 상기 강용액의 유량과 강용액의 온도 중에서 적어도 어느 하나를 조절하여 주는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 강용액 유량은, 냉매증기와 간접 접촉되어 열교환하는 유량인 것을 특징으로 한다.

이와 같이 하면, 정류기에서 응축기로 유입되는 냉매증기의 온도가 일정 온도 이하로 저하될 경우에 냉매의 농도 저하가 추정되며, 이러한 경우에 정류과정에서 강용액과 냉매증기와의 열교환 량이 증대되게 운전시키면, 냉매증기의 온도가 강하되므로 고순도, 고농도의 냉매증기가 획득됨을 알 수 있다.

그 결과, 부하의 변동 및 외기온도의 변동 등이 발생되더라도 냉매증기를 고순도, 고농도로 유지시킴으로써, 항상 안정되고 높은 COP가 획득되는 이점이 있다.

본 발명의 실시 예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 가장 바람직한 실시 예에 따른 흡수식 열펌프의 운전방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

이 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 기술은 냉매의 정류, 응축, 증발, 흡수과정을 통해 냉난방을 수행할 수 있는 여러 가지의 제품에 적용할 수 있다.

그래서, 설명에 사용되는 도 4는 특정한 흡수식 열펌프가 아니고 냉난방을 수행할 수 있는 여러 가지의 흡수식 시스템에서 착안한 도면이다.

그리고, 설명에 사용되는 도면에 있어서, 도 1과 같은 구성성분에 관해서는 동일한 참조부호를 부여하여 표시하고 그 중복되는 설명을 생략하는 것도 있다.

또한, 이하에서는 설명의 이해를 돕기 위해 암모니아 GAX 흡수식 열펌프에 사용한 예를 고려한다.

도 4는 본 발명에 따른 흡수식 열펌프의 운전방법을 수행하기 위한 흡수식 열펌프 및 그 제어장치의 구성도이다.

동 도면에 도시된 흡수식 열펌프의 제어장치는, 정류기(4)에서 응축기(7)로 유입되는 냉매증기의 온도 변화에 따라 저항값이 변화되는 서미스터(101)와, 이 서미스터(101)의 출력신호를 파형 정형하는 신호 처리부(102)와, 이 신호 처리부(102)로부터 입력되는 상기 냉매증기의 온도 측정신호와 메모리(103)에 기 저장된 온도 기준데이터와의 비교로 상기 냉매증기의 농도를 추정하며 이에 기인한 각종 제어신호를 출력하는 마이크로 프로세서(104)와, 수냉 흡수기(5)의 하단에서 정류기(4)로 강용액을 펌핑하는 용액펌프(6)와, 정류기(4)를 거친 강용액을 용액냉각 흡수기(12)와 애너라이저(3)로 분지하는 유량조절 삼방변(13)과, 수냉 흡수기(5)의 강용액과 열교환하는 냉각수의 열을 방열하는 냉각 팬(105)과, 상기 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프(106)와, 마이크로 프로세서(104)의 제어에 따라 상기한 부하들을 구동하는 부하 구동부(107)로 구성된다.

이와 같이 구성된 제어장치에 의해 구현되는 본 발명에 따른 열펌프의 운전방법은 다음과 같다.

압력이 일정한 상태에서 정류기(4)로부터 응축기(7)로 유입되는 냉매(냉매증기)의 농도가 저하되는 경우는 그 냉매가 과열된 상태이다. 즉 도 5에 그래프로 나타낸 측정 데이터를 살펴보면, 압력이 21 bar인 상태에서 냉매의 농도가 99.7%일 때에 그 온도는 약 70℃이며, 냉매의 농도 저하에 따라 온도가 2차 함수적으로 증가되어 냉매의 농도가 97.5%일 때에 그 온도는 약 100℃에 도달된다.

따라서, 본 발명에서는 정류기(4)에서 응축기(7)로 유입되는 냉매증기의 온도를 파악한 후에 상기와 같은 농도와 온도와의 관계 특성을 이용하여 냉매증기의 농도를 추정하며, 정류기(4) 및 애너라이저(3)의 정류과정에서 유발되는 열교환 량, 즉 강용액과 냉매증기와의 열교환 량을 적절히 변화시켜 냉매증기를 고순도, 고농도로 유지시키게 된다.

먼저, 정류기(4)와 응축기(7)와의 사이에 설치된 서미스터(101)가 이용되어 정류과정을 거친 냉매증기의 온도가 측정된다. 즉 냉매증기의 온도에 따라 서미스터(101)는 소정의 저항값을 가지며, 이 저항값에 의한 서미스터(101)의 출력신호는 신호 처리부(102)에서 파형 정형되어 마이크로 프로세서(104)로 인가된다.

그러면, 마이크로 프로세서(104)는 신호 처리부(102)로부터 입력되는 냉매증기의 온도 측정신호와 메모리(103)에 기 저장된 온도 기준데이터와의 비교로 정류과정을 거친 냉매증기의 농도를 추정하며, 이에 기인한 각종 제어신호를 부하 구동부(107)로 출력하여 부하들을 구동한다.

이때, 부하의 변동 및 외기온도의 변동 등에 의해 냉매증기의 농도가 일정 이하로 저하된 경우에, 마이크로 프로세서(104)는 정류기(4)와 애너라이저(3)에서 유발되는 강용액과 냉매증기와의 열교환 량을 적절히 증대시키기 위해 용액펌프(6), 유량조절 삼방변(13), 냉각 팬(105), 냉각수 펌프(106) 중에서 적어도 하나 이상의 부하를 별도 제어하게 된다.

여기서, 용액펌프(6)의 회전수가 증가될 경우에는 수냉 흡수기(5)의 하단에서 정류기(4)로 펌핑되는 저온 강용액의 유량이 증가되어 애너라이저(3)를 거쳐 상승하는 냉매증기와 강용액과의 열교환 량이 증대된다.

그리고, 유량조절 삼방변(13)의 애너라이저(3)측 개도율이 증가될 경우에도 정류기(4)를 거쳐 애너라이저(3)의 상부로 분지되는 강용액의 유량이 증가되어 용액 열교환기(2)를 거쳐 상승하는 냉매증기와 강용액과의 열교환 량이 증대된다.

또한, 냉각 팬(105)의 회전 속도가 증가될 경우에는 방열기(도시 생략됨)를 거치는 냉각수의 방열량이 증대되어 냉각수의 온도가 강하되므로 수냉 흡수기(5)의 강용액과 냉각수와의 열교환 량이 증대되며, 수냉 흡수기(5)의 하단에서 정류기(4)로 펌핑되는 강용액의 온도 또한 강하되어 결국 정류기(4)의 냉매증기와 강용액과의 열교환 량이 증대된다.

역시, 냉각수 펌프(106)의 회전수가 증가될 경우에도 방열기(도시 생략됨)를 거치는 냉각수의 유속이 증가되어 수냉 흡수기(5)의 강용액과 냉각수와의 열교환 량이 증대되며, 수냉 흡수기(5)의 하단에서 정류기(4)로 펌핑되는 강용액의 온도 또한 강하되어 결국 정류기(4)의 냉매증기와 강용액과의 열교환 량이 증대된다.

이와 같이 정류과정에서 유발되는 열교환 량이 증대되면 정류기(4)에서 응축기(7)로 유입되는 냉매증기는 그 온도가 강하되므로 고순도, 고농도로 유지되며, 항상 안정되고 높은 시스템의 COP가 획득된다.

상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명의 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.

이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 정류과정의 열교환 량이 적절히 조절되어 정류기에서 응축기로 유입되는 냉매증기가 고순도, 고농도로 유지되므로, 항상 안정되고 높은 시스템의 COP가 획득되는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 냉매의 정류, 응축, 증발, 흡수과정을 통해 냉난방을 수행하는 운전방법에 있어서:

   (1) 상기 정류과정을 거친 냉매증기의 온도를 측정하는 단계;

   (2) 상기 측정된 온도와 기 설정된 온도와의 비교로 상기 정류과정 이후의 냉매 농도를 추정하는 단계; 및

   (3) 상기 추정된 냉매 농도에 기인하여 상기 정류과정에서 강용액과 냉매증기와의 열교환 량을 조절하여 주는 단계를 포함하여 된 흡수식 열펌프의 운전방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉매증기는, 상기 응축과정 이전의 냉매증기인 것을 특징으로 한 흡수식 열펌프의 운전방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 열교환 량 조절은, 상기 강용액의 유량과 강용액의 온도 중에서 적어도 어느 하나를 조절하여 주는 것을 특징으로 한 흡수식 열펌프의 운전방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 강용액 유량은, 냉매증기와 간접 접촉되어 열교환하는 유량인 것을 특징으로 한 흡수식 열펌프의 운전방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 강용액 유량은, 냉매증기와 직접 접촉되어 열교환하는 유량인 것을 특징으로 한 흡수식 열펌프의 운전방법.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 강용액 온도는, 상기 흡수과정의 강용액과 냉각수와의 열교환 량을 변화시켜 조절하는 것을 특징으로 한 흡수식 열펌프의 운전방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 열교환 량은, 상기 냉각수의 유량과 냉각수의 온도 중에서 적어도 어느 하나를 변화시켜 주는 것을 특징으로 한 흡수식 열펌프의 운전방법.