KR20010095539A - 흡수식 히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프에 관한 것으로서, 증발기 상단으로 냉매를 유입시켜서 증발기 내부에 액상냉매가 정체되는 것을 방지하도록 구성된 흡수식 히트펌프에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 냉매를 가열하는 히터가 일측에 구비된 재생기와, 상기 재생기 상단에 정류기를 통해 연결되어 냉매증기를 응축시키는 응축기와, 상기 재생기 하단에 연결되어 액냉매를 흡수하는 흡수기와, 상기 흡수기에서 배출된 냉매가 냉매 저장조를 거쳐, 다시 상기 재생기로 순환하도록 가압하는 압축기와, 상기 응축기와 상기 흡수기에 연결되어, 열교환 작용과 유하액막 형태로 상기 냉매를 증발시키는 작용을 하는 과냉각기와, 상기 과냉각기에서 흡입되어 다시 상기 과냉각기로 배출되도록 연결되어, 열교환 작용과 유하액막 형태로 상기 냉매를 증발시키는 작용을 하는 증발기를 구비한 흡수식 히트펌프가 제공된다.

Description

흡수식 히트펌프{Absorption heat pump}

본 발명은 흡수식 히트펌프에 관한 것으로서, 특히 증발기 내부에 액냉매가 정체되어 상기 증발기의 성능이 저하되는 것을 방지하기 위해 히트펌프의 구성을 개선한 것에 관한 것이다.

일반적인 흡수식 히트펌프는 도 1에 나타낸 바와 같이, 재생기(1), 정류기(2),응축기(3),과냉각기(4),팽창밸브(11,12),증발기(5),수냉각흡수기(6),용액냉각흡수기(7), 냉매 저장조(9), 압축기(8), 히터(10)등이 구비된다.

상기와 같은 흡수식 히트펌프의 작동과정을 살펴보면 다음과 같다.

상기 재생기(1)에서 히터(10)에 의해 가열 생성된 저농도의 증기는 상기 정류기(2)를 통과하면서 고농도의 냉매로 변화하여, 상기 응축기(3)에서 냉각수(13)에 의해 냉각되고, 상기 과냉각기(4)를 통과하면서 저온의 액상냉매가 된다.

그리고, 상기 액상냉매는 상기 팽창밸브(11)와 상기 증발기(5)를 통과하면서 증기로 팽창된다.

이 경우, 상기 증발기(5)에서는 냉각수(15)와 열교환이 일어나서, 냉방용 냉각수(15)를 공급하게 되고, 증기와 액체상태의 냉매는 상기 과냉각기(4), 수냉각흡수기(6), 냉매저장조(9), 압축기(8), 정류기(2)와 용액 냉각흡수기(7)를 거쳐 다시 상기 재생기(1)로 유입된다.

그리고, 도 2(a)에서와 같이, 상기 증발기(5)는 상기 과냉각기(4) 하부에 위치하여, 상기 과냉각기의 하부에서 냉각된 액냉매가 팽창밸브(11)를 통해 상기 증발기의 하부로 유입되도록 구성된다.

한편, 상기 증발기의 내부는 플레이트형 열교환기로 구성되어 있다.

따라서, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 상기 증발기 내에서 상기 냉매는 증발하여 증기상의 체적이 증가하면, 플레이트(30)의 면에서 기액 계면의 전단력에의해 액상냉매를 상부로 끌고 올라가도록 되어 있다.

그런데, 상기와 같은 경우, 증발기 내부에서 액상냉매가 충분히 증발하면 액상냉매가 상기 증발기 내부에서 정체되는 현상이 발생하지 않는다.

하지만, 외기온 변화에 의해 상기 증발기로 유입되어 증발된 냉기의 속도가 불충분해지거나, 상기 냉매인 암모니아에서 비등점이 낮은 성분만이 증발하게 되면, 상기 증발기(5) 내부에 저농도의 암모니아 수용액이 정체되는 블리딩 (bleeding)(20) 현상이 발생하게 된다.

즉, 상기 정류기 내에서 정류가 불충분하여 저농도의 암모니아 냉매가 응축기로 유입되거나 외기온이 매우 낮아서, 상기 열교환에 사용되는 냉수의 온도가 낮아질 경우, 상기 액냉매의 온도가 매우 낮아지므로 증발기에서 증발이 제대로 일어나지 못하여, 증발기 하부에 액상의 냉매가 정체되게 된다.

따라서, 상기 블리딩 현상에 의해 상기 증발기에서 열전달이 일어나는 유효 면적이 감소되어, 냉매 증발량이 감소에 의한 증발기의 성능이 저하와, 상기 냉매가 증발기로 집중되어 일부 장치에는 냉매부족현상이 발생할 수 있는 문제점이 있었다.

한편, 종래에는 상기 블리딩이 발생하는 경우, 상기 증발기에 잔류한 용액의 농도를 높여 모두 증발시키는 방법으로, 기기를 적절히 운전하여 고농도의 암모니아 용액을 증발기로 공급하거나, 상기 증발기의 냉수측 온도를 높여서 저농도의 암모니아 용액을 증발시켰다.

또는, 정상운전모드에서 장시간 기기를 운전하여 정체된 용액의 농도를 높여 완전 증발시키는 방법이 사용되었다.

하지만, 상기와 같은 방법은 특수한 모드의 운전이 요구되는 단점과, 블리딩 현상이 발생한 상태에서 기기를 장시간 운전하더라도, 외기온이나 기기의 운전조건에 의해 기기의 정상화가 불가능한 경우도 있다.

또한, 상기 증발기의 하단에서 상기 수냉각흡수기로 연결된 관에 밸브를 설치하여 주기적으로 액냉매를 배출하는 방법은 대형 시스템에서는 이용되고 있으나, 주기적 관리가 어려운 소형기기에는 적용하는데 난점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출한 것으로서, 상기 증발기 내부에 냉매가 정체되는 것을 방지하기 위해, 히트펌프내에 증발기와 과냉각기의 구성을 변경하고, 상기 증발기와 과냉각기의 내부 구조를 개선함을 그 목적으로 한다.

도 1은 종래의 흡수식 히트펌프의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도.

도 2(a)는 도 1의 증발기와 과냉각기의 구성을 나타낸 요부 사시도.

도 2(b)는 도 1의 증발기의 플레이트 각 채널에서 냉매의 흐름을 나타낸 상태도.

도 3은 본 발명에 의한 흡수식 히트펌프의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도.

도 4는 도 3의 증발기와 과냉각기의 구성을 나타낸 요부 사시도.

도 5는 도 3의 증발기의 플레이트 각 채널에서 냉매의 흐름을 나타낸 상태도.

도 6은 도 3의 증발기와 과냉각기의 결합상태를 측면에서 나타낸 단면도.

도면의 주요부분에 대한 설명

200. 증발기 202. 용액분배기

204. 플레이트 210. 팽창밸브

220. 과냉각기

이를 위해, 본 발명은 냉매를 가열하는 히터가 일측에 구비된 재생기와, 상기 재생기 상단에 정류기를 통해 연결되어 냉매증기를 응축시키는 응축기와, 상기 재생기 하단에 연결되어 액냉매를 흡수하는 흡수기와, 상기 흡수기에서 배출된 냉매가 냉매 저장조를 거쳐, 다시 상기 재생기로 순환하도록 가압하는 압축기와, 상기 응축기와 상기 흡수기에 연결되어, 열교환 작용과 유하액막 형태로 상기 냉매를 증발시키는 작용을 하는 과냉각기와, 상기 과냉각기에서 흡입되어 다시 상기 과냉각기로 배출되도록 연결되어, 열교환 작용과 유하액막 형태로 상기 냉매를 증발시키는 작용을 하는 증발기를 구비한 흡수식 히트펌프가 제공된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 흡수식 히트펌프의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 의한 흡수식 히트펌프의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 4는 도 3의 증발기와 과냉각기의 구성을 나타낸 요부 사시도이며, 도 5는 도 3의 증발기의 플레이트 각 채널에서 냉매의 흐름을 나타낸 상태도이고, 도 6은 도 3의 증발기와 과냉각기의 결합상태를 측면에서 나타낸 단면도이다.

도 3에서와 같이, 상기 재생기(100)는 상단과 하단에 각각 배출구와, 상단에 흡입구를 구비하고, 상기 재생기 상단의 배출구를 통해 상기 정류기(110)와 연결되어 있다.

그리고, 냉매유로를 따라 응축기(120)와 과냉각기(220)로 연결되며, 상기 응축기(120)는 외부에서 냉각수(121)가 유입, 유출되어 열전달 하도록 구성되어 있다.

또한, 상기 과냉각기(220)의 하단에서 팽창밸브(210)를 거쳐 상기 증발기(200)로 냉매유로가 연결되며, 다시 상기 증발기의 상단을 통해 상기 과냉각기로 연결되어 있고, 이 경우 상기 증발기는 외부의 냉각수(201)와 열교환하도록 구성되어 있다.

한편, 상기 과냉각기는 상기 수냉각흡수기(300)측과 연결되고, 상기 수냉각흡수기의 하단에 연결된 냉매유로를 통해, 상기 냉매저장조(330), 압축기(320)와 연결되고, 상기 정류기(110)와 상기 용액냉각흡수기(310)의 내부를 거쳐서, 상기 재생기(100)의 상단의 유입구로 연결되어 있다.

한편, 상기 히터펌프의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

상기 히터(130)에 의해 상기 재생기(100) 내부의 냉매는 가열되어, 저농도 냉매증기와 액상냉매를 생성한다.

이 경우, 상기 저농도 냉매증기는 상기 재생기(100)의 상단의 배출구와 연결된 정류기(110)로 상승 이동하며, 상기 정류기(110)에서는 상기 압축기(320)를 통해 들어온 냉매와의 열교환에 의해 응축 열전달되어 고농도 냉매증기로 변하게 된다.

그리고, 상기 액상냉매는 용액냉각 흡수기(310)로 이동하게 된다.

한편, 상기 고농도의 냉매증기는 상기 응축기(120)로 전달되어, 내부를 흐르는 냉각수(121)와 열교환에 의해 고농도의 액상냉매로 변화되고, 상기 과냉각기(220)로 이동하게 된다.

그리고, 상기 과냉각기(220)에서는 상기 증발기(200)에서 나온 저온의 냉매와 열교환하도록 구성되어, 상기 고농도의 액상냉매를 더욱 과냉시키게 된다.

또한, 상기 액상냉매는 팽창밸브(210)를 거쳐서, 상기 증발기(200)로 전달되어 증발기내를 흐르는 유체(201)와 열교환하여, 상기 액상냉매는 기체와 액체의 이상(two phase)으로 비등하게 되며, 상기 유체(201)는 냉각되어 냉방에 필요한 저온유체(201)가 된다.

그리고, 상기 증발기(200)를 나온 냉매는 상기 과냉각기(220)로 다시 유입되고, 상기 과냉각기에서 열교환되어 고온으로 상승하여, 상기 수냉각흡수기(300)의 하단으로 유입된다.

한편, 상기 이상의 냉매는 상기 용액냉각흡수기(310)로 유입된 고온의 액냉매와 혼합되며, 이 경우 발생된 흡수열은 상기 흡수기내를 흐르는 냉각수(301)에 의해 흡수 제거된다.

상기 과정후, 상기 냉매는 냉매저장조(330)와 압축기(320)를 거쳐, 상기 정류기(110)와 상기 용액냉각흡수기(310)의 내부에 구비된 유로를 통해서, 다시 재생기(100)로 유입된 후, 상기 과정을 반복 순환하게 된다.

한편, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 증발기(200)는 상기 과냉각기(220)의 상부에 위치하여, 상기 증발기를 통과한 액상냉매가 상기 증발기의 하부를 통해 상기 과냉각기로 유입되도록 구비되어 있다.

또한, 상기 증발기(200)와 상기 과냉각기(220)의 내부는 플레이트형 열교환기로 구성되며, 상기 증발기의 상부는 상기 플레이트형 열교환기의 각 채널로 냉매를 분배하기 위한 용액분배기(202)가 구비된다.

한편, 도 5에서와 같이, 상기 플레이트형 열교환기로 구비된 상기 증발기 내부에서, 상기 과냉각기를 통해 상기 증발기의 상단으로 유입되는 액냉매는 상기 플레이트면(204)에서 유하액막을 형성하며 흘러내리면서 증발되게 된다.

그리고, 상기 증발기 내에서 증발되지 않는 액냉매는 증발기 하단에 체적되고, 상기 증발기 하부에 위치한 과냉각기로 연결된 냉매유로를 따라서 자연스럽게 이동된다.

이 경우, 증기 냉매도 상기 액냉매와 혼합되어 이동되며, 상기 과냉각에서 상기 액냉매는 상기 유하액막 형태로 동일한 과정을 거쳐 증발되게 된 후, 상기 과냉각기의 하부에 있는 냉기유로를 통해 배출되게 된다.

하지만, 상기 유하액막형 형태의 상기 증발기와 상기 과냉각기는 블리딩 측면에서 종래의 방식에 비하여 유리하지만, 상기 증발기 상부로 유입되는 액냉매를 상기 플레이트의 각채널로 균일하게 분배하는 수단이 필요하다.

따라서, 노즐, 또는 다공이 형성된 튜브등과 같은 용액분배기를 구비하여 상기 냉매를 균일하게 분배함이 가능하다.

한편, 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 증발기(200)의 플레이트의 각채널이 상기 과냉각기(220)의 플레이트의 각채널과 일체로 연결 제작됨으로, 상기 증발기의 상부에서 상기 과냉각기의 하부로 상기 냉매가 자연스럽게 흘러내릴 수 있다.

따라서, 상기 과냉각기(220)의 상부에는 상기 증발기에서 전달된 냉매를 분배하기 위한 용액분배기가 별도로 필요하지 않게 되며, 상기 증발기와 과냉각기에서 상기 냉매의 증발효과를 더욱 상승시킬 수 있게 된다.

또한, 일체형으로 제작되지 않고 종래와 같이 단일 냉매유로를 통해 연결된 경우에도, 상기 과냉각기 상부로 유입되는 액체와 증기의 혼합냉매중 증기냉매의 체적이 매우 크므로 상기 과냉각기 내에 별도의 용액분배기가 없어도, 상기 과냉각기의 플레이트의 각 채널로 분배되는 것이 가능하다.

상기와 같이, 본 발명은 상기 증발기와 상기 과냉각기내에서 상기 냉매가 상부에서 하부쪽으로 흘러 내리도록 구성되고, 각각 하부측에서 다른기관으로 상기 냉매가 전달되기 때문에, 액냉매가 일부 증발하지 않는 경우에도 증발기와 과냉각기에 잔류하지 않고 흡수기측으로 유출되게 된다.

따라서, 상기 증발기 내에서 블리딩 발생의 가능성을 해소할 수 있으며, 외기온이 매우 낮은 조건에서도 증발기에 액냉매가 모이는 현상없이 운전이 가능하다.

그러므로, 상기 흡수식 히트펌프의 성능저하를 방지할 수 있고, 액냉매가 증발기에 모이는 현상이 사라지므로 초기 냉매 충진량을 줄일 수 있다.

Claims (5)

1. 냉매를 가열하는 히터가 일측에 구비된 재생기와,

   상기 재생기 상단에 정류기를 통해 연결되어 냉매증기를 응축시키는 응축기와,

   상기 재생기 하단에 연결되어 액냉매를 흡수하는 흡수기와,

   상기 흡수기에서 배출된 냉매가 냉매 저장조를 거쳐, 다시 상기 재생기로 순환하도록 가압하는 압축기와,

   상기 응축기와 상기 흡수기에 연결되어, 열교환 작용과 유하액막 형태로 상기 냉매를 증발시키는 작용을 하는 과냉각기와,

   상기 과냉각기에서 흡입되어 다시 상기 과냉각기로 배출되도록 연결되어, 열교환 작용과 유하액막 형태로 상기 냉매를 증발시키는 작용을 하는 증발기를 구비한 흡수식 히트펌프.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 증발기는 상기 과냉각기의 상부에 위치하여, 상기 증발기의 하부에서 상기 과냉각기의 상부로 상기 냉매가 유입되도록 구비됨을 특징으로 하는 흡수식 히트펌프.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 증발기와 상기 과냉각기는 플레이트형 열교환기로 구비됨을 특징으로 하는 흡수식 히트펌프.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 증발기의 상부에 각 플레이트로 냉매를 균일 분배하기 위한 분배형 채널(channel)이 구비됨을 특징으로 하는 흡수식 히트펌프.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 증발기의 플레이트의 각 채널이 상기 과냉각기의 플레이트의 각 채널과 일체로 구비됨을 특징으로 하는 흡수식 히트펌프.