KR20010101303A - 화학 열 펌프 - Google Patents

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Abstract

화학 열 펌프에서는, 열 펌프가 의도되는 온도 범위내에서 고상 및 액상 간의 전이를 갖는 물질이 사용된다. 이런 물질은 태양 구동 화학 열 펌프를 위해 마그네슘 클로라이드 헥사하이드레이트를 함유한다. 열 펌프의 어큐뮬레이터 부에서, 열 교환기(21)는 망(23)으로 밀봉되도록 제공된다. 고상은 주로 열 교환기와 접촉하여 망내에 배치되는 반면에, 액상은 망에서 흐르고, 열 교환기 아래의 스페이스(24')내에 수집된다. 이런 스페이스로부터, 액상은 펌프되어, 스프레이 바(25)로부터 열 교환기에 걸쳐 스프레이된다. 이에 의해, 액상과 고상 간의 평행이 유지된다. 이에 의해, 고체 물질의 비교적 큰 에너지 함유량 및 일정한 온도 단계(△T)를 포함하는 잇점이 액체 물질의 고 전력과 결합된다. 그런 화학 열 펌프는 특히 태양 에너지와 같은 저급 열 에너지를 냉각 상태로 변환하기에 적당하고, 어떤 경우에는 열을 동시에 생성시키기에 적당하다.

Description

화학 열 펌프{A CHEMICAL HEAT PUMP}
화학 열 펌프의 동작 원리에 대해서는 공지되어 있고, 예컨대 미국 특허 제5,440,889호, 제5,056,591호, 제4,993,239호, 제4,754,805호 및 공개된 국제 특허 출원 제WO 94/21973호가 참조된다. 화학 열 펌프에서, 능동 물질, 즉 흡수제(absorbent)는 열 펌프의 프로세스를 수행하고, 휘발성 매체, 즉 피흡수질(absorbate) 또는 흡수질(sorbate)과 함께 동작하는데 사용되며, 이런 휘발성 매체는 보통 쌍극 액체, 대부분의 경우에는 물이다. 공지된 기술에 따르면, 동작하는 능동 물질로서, 고체 물질 또는 액체 물질이 사용될 수 있다. 고체 물질은, 일정한 냉각 온도 및 비교적 큰 축열량을 위한 완전 방전 공정 동안에 증기압이 일정하게 유지되는 잇점을 가지고 있다. 냉각 에너지로서 카운트되는 흡수질로서의 물을 가진 고체 물질의 통상적인 축열량의 값은 약 0.3 kWh/l 물질이다. 고체 물질가 관련된 다른 잇점은 시스템내에 어떤 이동 가능한 성분을 필요로 하지 않는다는 것이다. 이런 물질과 균질 접촉하여 층상(lamellar) 열 교환기 또는 판 열 교환기를 통해 열은 상기 물질로 전달되거나 그로부터 전도된다. 고체 물질과 관련된 결점은 고체 물질의 열 전도율의 불량으로 인해 전력이 제한될 수 있다는 것이다.시스템의 충전 시간이 예컨대 태양 에너지를 이용하여 주간에 6 시간의 충전 시간에 상응하고, 그의 방전 시간이 예컨대 빌딩을 냉각시키는 12 시간의 주기에 상응하는 시스템에 대해서는 어떤 주요 문제가 제공되지 않는다. 그러나, 낮밤에 연속 냉각을 위하고, 태양 에너지에 따라, 서로 병행하여 동작하는 2개의 설비가 요구된다.
액체 물질은 고 전력의 잇점을 갖는데, 그 이유는 이런 물질이 충전 및 방전 시에 열 교환기에 뿌려져, 제각기 효율적으로 냉각되거나 가열될 수 있기 때문이다. 액체 물질의 결점은 냉각 용량이 흡수질의 희석 함수로서 감소한다는 것이다. 이는 사실상 동작 구간을 상당히 제한하는데, 그 내에서 이런 물질이 사용될 수 있고, 게다가 저장 용량을 감소시키는 것은 리터 물질 당 냉각 에너지 만큼 상향 카운트될 수 있다는 것이다. 화학 열 펌프에 사용된 대부분의 액체 물질 또는 흡수제는 양호하게도 물의 상당한 흡습성 무기염의 액을 포함하며, 이와 함께 물은 휘발성 액체, 즉 흡수질로서 사용된다. 그 후, 용해 물질이 결정화될 수 없다는 사실로 다른 제한이 수반된다. 결정화는 스프레이 노즐 및 펌프내에서 문제를 발생시킨다. 따라서, 액체 물질의 사용은 어느 열을 저장하지 않고 열 에너지를 냉각 상태로 변환시키는 것으로 제한되고, 그에 대한 시스템은 일반적으로 알려져 있고, 이용된다. 그런 공정, 즉, 가열될 시에, 희석액에서 고농도액으로 통과하도록 증발되는 리튬 브로마이드 수용액이 사용될 수 있다. 이는 기류를 이용하여 저압 또는 대기압으로 화학 열 펌프에서 행해질 수 있다. "충전된" 농도액이 전혀 저장되지 않으므로 동작 물질의 량은 비교적 작다. 그 후, 열 농도액은 냉각되어, 열 교환기에서증발되는 흡수질을 흡수하도록 만들어지고, 그의 열은 예컨대 냉각될 룸(room)에서 취해진다. 이런 공지된 시스템의 결점은, 열 농도액이 연속적으로 냉각될 필요가 있고, 이러한 것은 사실상 결과적으로 에너지 손실을 유발시켜, 열을 공급하지 않을 시간 주기 동안에 냉각이 이루어지지 않을 수 있다는 것이다. 따라서, 그런 시스템은 밤에 공기 조화(air-conditioning)를 수행할 수 없다.
William W. Seay에 의한 미국 특허 제925,039호에는 냉동 공정이 개시되어 있다. 암모니아는, 흡수기/생성기 탱크내에서 고체염, 암모늄 또는 알카리 금속의 티오시안산염에 의해 흡수되어 액을 형성하고, 이런 탱크는 열 교환기를 통과하는 냉수에 의해 냉각된다. 흡수 시에, 암모니아를 용해하는 것이 에너지를 필요로 하거나 소비하고, 암모니아 가스의 증발/응축의 모든 잠열(latent heat)이 사용되는 흡열 공정이다. 이는 용해가 에너지를 라이브레이트(liberate)하는 공정에 비해 흡수 공정에서 요구된 외부 냉각 전력을 감소시키며, 전자의 경우는 공정이 또한 열 발생을 위해 의도될 시에 유리하다. 그 후, 이런 액은 열 교환기를 통해 온수를 통과시켜 가열된다. 암모니아는 이런 액에서 라이브레이트되어, 냉각되도록 다른 열 교환기를 통과시켜 수용 탱크내에 응축시킨다. 암모니아의 대부분이 응축된 후에, 밸브는 이를 평창시키도록 개방되어, 평창할 시에 암모니아 가스에 의해 열이 발생되는 제 3 열 교환기 또는 냉동기 소자를 통과한다. 그 후, 평창된 가스는 새로운 사이클을 개시하도록 흡수기/ 생성기로 통과한다.
본 발명은 화학 열 펌프에 관한 것이다.
이하, 본 발명은 첨부한 도면을 참조로 비제한 실시예에 의해 기술된다.
도 1은 화학 열 펌프의 개략도이다.
도 2는 화학 열 펌프의 흡수측의 개략적인 입면도이다.
도 3은 물의 LiCl의 포화액의 온도 함수로서의 특징적인 온도차의 다이어그램이다.
도 4는 도 3에서와 동일한 액의 온도 함수로서 증기 압력을 하부 곡선으로 도시하고, 온도 함수로서 물의 증기 압력을 상부 곡선으로 도시한 로그 다이어그램이다.
도 5는 LiCl, LiCl의 모노 하이드레이트 및 물을 포함하는 반응 시스템의 온도 함수로서 특징적인 온도차를 도시한 반응 다이어그램이다.
도 6은 화학 열 펌프의 흡수측의 다른 실시예의 개략적인 입면도이다.
도 7은 열-화학 어큐뮬레이터(accumulator)를 포함한 설비를 설명한 개략적인 다이어그램이다.
도 8은 도 7의 열-화학 어큐뮬레이터의 개략적인 입면도이다.
본 발명의 목적은 태양 에너지에 의해 구동될 수 있는 화학 열 펌프를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고체 물질 시스템과 관련된 잇점이 액체 물질 시스템의 잇점과 결합되는 화학 열 펌프를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액상과 열 교환기 간의 효율적인 열 교환을 달성하는 화학 열 펌프를 제공하기 위한 것이다.
또한, 휘발성 액체가 고체로 되는 고체 물질을 사용한 시스템에서, 휘발성 액체의 일정한 반응 압력은 휘발성 액체의 증기를 흡수할 시에 이런 물질의 일정한 온도로 유지된다. 모든 물질이 제 1 고상(solid phase)에서 제 2 고상으로 전달되었을 때까지 반응 압력은 일정하게 된다. 인용된 미국 특허에서 제시된 바와 같이, 방전 공정 시에 증기가 물질에 의해 흡수되도록 선택된 물질을 가진 시스템에 대해, 제 1 상(phase)은 고체이고, 제 2 상은 액체, 즉 액상이며, 마찬가지로, 흡수질의 일정한 반응 압력은 일정한 반응 온도 동안에 유지된다. 그 후, 이런 물질은 고체 상태에서 액체 상태로 연속적으로 변환된다. 이런 공정은, 모든 물질이 액체 상태로 이동될 때까지 일정한 반응 압력을 계속한다. 동일한 방식으로, 충전 공정의 최종 부분의 반응 압력은 일정한 온도 동안에 일정한데, 이때, 물질은 액체에서 고체형으로 변환되고, 증기는 액에서 라이브레이트된다. 충전 공정의 제 1 부분에서, 액상만이 가열되고, 어떤 증기도 라이브레이트되지 않는다. 따라서, 고체 및 액체 상태 간의 상 전이를 이용한 그런 열 펌프에 대해, 고체 물질 시스템의 잇점은 액체 물질 시스템의 잇점과 결합될 수 있다.
이런 물질을 방전시킬 시에, 즉 휘발성 액체를 흡수할 시에, 고상 및 액상에서 증기 상태로 존재하는 휘발성 액체의 물질의 약간 희석된 액으로 더욱 더 용해되도록 물질이 만들어진다. 따라서, 생성된 액은 잔여 고체 물질을 통해 트리클(trickle)하도록 만들어져, 고체 물질에서 분리되도록 필터 또는 망(net)을 통해 통과된다. 그 후, 포화된 액은 증기의 응축 시와, 물질내의 증기를 예컨대 외기(outdoor air)에 의해 냉각되는 열 교환기로 용해할 시에 발생된 열을 라이브레이트한다. 이는 열 교환기를 통해 액이 통과되게 하는 펌프를 가짐으로써 달성될 수 있다. 그 후, 이런 액은 증기를 흡수하는데에 다시 관계하도록 어떤 표면 확장 수단에 의해 퍼지거나 분포된다. 이런 표면 확장 수단은 어떤 적당한 재료에서 만들어진 볼, 봉, 망, 광섬유를 포함할 수 있다. 열 교환기 및 표면 확장 수단은 한 유니트에 결합될 수 있다.
따라서, 3-상 시스템이 이용되는 공정에서, 어느 증기내에 고체 능동 물질 및 이런 능동 물질의 포화액이 동시에 존재한다. 방전 단계에서는 이런 3개의 구성 요소가 항상 존재한다. 이에 의해, 일정한 온도 동안에 일정한 증기 압력이 유지된다. 따라서, 이런 공정을 개시할 시에, 물질의 주요부는 고체 상태로 존재한다. 물질의 포화액내에는 미소 부분이 존재한다. 방전 공정에서, 고체 물질의 양과 액의 양 간의 비율은 이런 공정의 끝에 물질의 주요부가 포화액으로 존재하도록 변화된다. 고체 물질의 단결정이 반응기내에 남아 있는 한, 3-상 규칙은 충족되어, 증기 압력이 일정한 온도 동안에 일정하다. 더욱이, 펌프를 통과하기 전과, 열 교환 단계를 통과하기 전에 고체 물질 및 포화액을 서로 분리하도록 설비가 설계된다. 따라서, 열 교환은 액상에서 완전히 수행되어, 열 교환이 효율적일 수 있다. 물질의융해는 사용되지 않는다. 포화액과, 포화액의 노출 영역의 사이즈 및 시스템내의 압력 강하에 의존하는 증기 간의 반응 및 열 교환기의 용량에 의해 공정의 효율이 결정된다.
충전 공정에서도, 상응하는 방식으로, 3-상 시스템이 고려되어야 한다. 두 증기, 고체 물질 및 포화액이 동시에 존재할 수 있다. 충전은 고체 물질 및 포화액의 비율이 더욱 고체 물질로 변화된다는 것을 포함한다. 모든 3개의 구성 요소 또는 상이 방전 시에서와 동일한 방식으로 동시에 존재할 시에, 증기 압력은 온도가 일정할 경우에 일정하다. 포화액과 고체 물질의 입자는 망 또는 필터에 의해 서로 분리되고, 액상에서는 열 교환이 행해진다. 이런 액은 큰 영역에 걸쳐 분포되어 휘발성 액체의 증기를 라이브레이트한다.
따라서, 충전 시의 공정은 완전한 가역성이 있고, 방전 시에서와 동일한 기본 설정을 이용한다. 그러나, 충전 공정 시에, 고온으로 인해, 충전 시점에 액상에서 거의 완전히 존재하는 물질은, 충전 공정의 부분 동안에 액에 남아 있는 것으로 관측되는데, 그 이유는 물질의 용해도가 온도에 따라 증가하여 시스템이 2개의 상만을 가지기 때문이다. 충전 공정 시의 어떤 시간에, 액의 부분은 고체 물질로 변환되기 시작하여, 시스템이 다시 3-상을 갖는다. 상이한 온도에서의 상이한 용해도는 어떤 의미로는 온도 눈금의 작은 상승이 콘덴서에서 보다 더 높도록 증기 압력을 증가시킬 필요가 있게 행해진다는 것을 의미한다.
포화액을 점차 결정화시켜, 주어진 온도 동안에 일정한 증기 압력을 획득함으로써, 충전 공정이 용이하게 되는데, 그 이유는 결정화가 개시된 후에 반응 온도를 더 이상 증가시킬 필요가 없기 때문이다. 대신에, 정상 흡수 냉동 공정에서와 같이, 물질이 액체 상태로 남아있었을 경우에, 최종 충전 온도는 통상적인 염/물 시스템에 대해서는 130℃ 이상의 높게 되지만, 여기에 이용된 바와 같이, 이는 100℃ 이하, 종종 70℃ 내지 85℃의 범위내에 유지될 수 있다.
예컨대, LiBr의 액을 사용하는 종래의 흡수 냉동 시스템에서는 결정화가 공정 기술 이유로 방지되어야 한다. 그런 공정에서는 액내의 휘발성 액체, 물은 온도가 100℃ 이상으로 높게 상승하도록 한다. 이는 흡수 공정을 이용하여 태양 구동 냉각 설비로부터 냉동을 획득할 시에 생기는 기본 문제이다. 이런 문제에 대한 해결책은, 온도를 상승시키는 단계 동안에, 수증기가 자유롭게 방출되게 하여 고체 물질, 하이드레이트의 결정을 남기게 할 수 있다. 이런 것이 생길 시에, 즉, 결정이 형성되기 시작할 시에, 3-상 상태가 입력된다. 그 후, 온도는, 비결정화액(액체 물질 시스템)을 이용하여 상응하는 흡수 냉동 공정 보다 상당히 낮은 값으로 일정하게 된다. 이런 상당한 저온에서, 태양 에너지를 이용하여 충전이 더욱 양호하고, 집중 진공 태양 패널을 값비싸게 이용하지 않고 달성될 수 있다. 게다가, 열 저장에 이용될 수 있는 버퍼를 구성하는 고체 물질, 수화염에 의한 잇점이 획득된다.
마찬가지로, 동시에 충전이 일어날 시에, 흡수 냉동 공정 동안, 즉, 태양이 비치지 않을 시에 미래의 필요를 위해 고체 물질을 축적하여 충전을 행하면서 낮시간에 냉동을 행할 수 있을 동안에 시스템내에 존재하는 포화액을 사용할 수 있다.
일반적으로, 능동 물질은 다음과 같은 특성을 가져야 한다: 제 1 저온에서는, 휘발성 액체, 대부분의 경우에 그의 증기상을 흡수할 시에 부분이 액체상 또는액상으로 직접 통과하는 고체 상태를 가지고, 제 2 고온에서는, 증기로 이동되는 휘발성 액체를 방출할 시에 부분이 고체 상태로 직접 통과하는 액상에 존재하거나 액체 상태를 가져야 한다. 수증기와 함께 동작하는 양호한 능동 물질은 통상적으로 고체 상태에서 결정 물을 함유한 각종 금속염을 포함한다. 이들 중에서, 양호하게도 염화 마그네슘이 주지될 수 있지만, 브롬 마그네슘 및 염화 리튬과 어떤 다른 염이 작업할 수 있다.
휘발성 액체의 증기 압력은 양호하게도 상당히 낮은 냉각 온도가 획득될 만큼 낮아야 한다(이는 아래에 정의된 양 △T이 큰 조건과 동일함). 더욱이, 증기와 고체 물질의 반응 시의 에너지 함유량은 의도된 응용에서 중요할 만큼 상당히 많아야 한다. 즉 고체 물질은 액의 최종 볼륨마다 충분한 양의 물을 흡수해야 한다.
전술된 요건을 충족할 경우에, 염의 혼합물인 고체 물질도 사용될 수 있다. 그런 혼합물의 일례는 염화 리튬의 미소 부분, 즉 약 10%(웨이트)와 혼합된 염화 칼슘의 디하이드레이트이다.
열 펌프의 연속 동작을 성취하기 위하여, 각종 공정 단계는 개별 스페이스에서 행해질 수 있다. 따라서, 제 1 스페이스는, 단지 물질을 충전하기 위해, 즉 고체 물질 및/또는 포화액을 생성하도록 물질의 액상을 가열하기 위해 사용될 수 있고, 제 2 스페이스는, 증기를 냉동하기 위해서만 사용될 수 있으며, 제 3 스페이스는, 단지 방전하기 위해, 즉 포화액 및 고체 물질 흡수 증기를 형성하기 위해 사용될 수 있고, 제 4 스페이스는 증발하기 위해서만 사용될 수 있다. 가스 도관은, 증기가 제 1 및 2 스페이스 사이와 제 3 및 4 스페이스 사이에서 자유롭게 이동할 수있다. 도관 및 펌프는 액 및 휘발성 액체를 제각기 제 1 및 2 스페이스 사이와 제 3 및 4 스페이스 사이로 이동하기 위해 제공된다.
도 1에서, 냉각 또는 가열을 발생시키기 위한 화학 열 펌프가 개략적으로 도시된다. 도시된 화학 열 펌프는 물질(2)을 포함하는, 흡수기/생성기라 부르는 제 1콘테이너(1) 또는 어큐뮬레이터를 가지며, 흡수제는 흡수질, 보통 물을 발열적으로 흡수하고, 흡열적으로 탈착(desorb)할 수 있다. 제 1 콘테이너(1)는 고정 가스 연결부(4)를 통해 응축기/증발기라 부르는 제 2 콘테이너(3)에 연결되는데, 상기 연결부(4)는 그의 단부에서 상기 콘테이너의 상부측에 연결된 파이프형을 갖는다. 제 2 콘테이너(3)는, 제 1 콘테이너(1)내의 물질(2)이 흡수질을 흡열적으로 탈착할 시에는 기체 흡수질(6)을 액체 흡수질(5)로 응축하는 응축기로 작용하고, 제 1 콘테이너(1)내의 물질(2)이 흡수질을 발열적으로 흡수할 시에는 기체 흡수질(6)로의 액체 흡수질(5)의 증발기 역할을 한다.
시스템, 즉 서로 유체 연결부내에 있는 제 1 및 2 콘테이너(1,3) 및 가스 도관(4)내의 내부 스페이스는 완전히 기밀(gas-tight)하고, 가스(16)를 제외한 모든 가스로부터 진공 상태로 되며, 상기 가스(16)는 화학 공정에 관계하고, 보통 수증기이다. 어큐뮬레이터(1)내의 물질(2)은 이런 어큐뮬레이터내의 제 1 열 교환기(7)와 직접 접촉한다. 제 1 열 교환기는 액체 흐름부(8)를 통해 환경으로부터 열을 수납하거나 열을 이런 환경으로 공급할 수 있다. 증발기/응축기 부(3)내의 액체(5)도 마찬가지로 증발기/응축기내로의 제 2 열 교환기(9)와 직접 접촉한다. 액체 흐름부(10)를 통해 제 2 열 교환기에서 환경으로 또는 환경에서 제 2 열 교환기로 열을 공급할 수 있다.
시스템의 상이한 구성 요소는, 잇점으로 용기(1 및3)가 이런 용기를 분할 벽으로 분리하여 형성되도록 De Beijer 등에 의한 상기 인용한 미국 특허 제5,440,899호에서 설명된 바와 같은 단일 외부 용기내에 배치될 수 있다.
열 펌프내의 물질(2)은, 여기서 열 펌프가 의도되는 온도로 고체 및 액체 상태 간의 전이로 동작할 수 있도록 선택된다. 따라서, 어큐뮬레이터(1)내의 반응은 물질(2)의 고상 상태와 액상 상태 간에 일어난다. 흡수질이 물질에 의해 흡수될 시의 방전 공정에서, 제 1 상은 고체이고, 제 2 상은 액체이며, 흡수질의 일정한 반응 압력은 일정한 온도로 유지된다. 그 후, 이런 물질은 고체 상태에서 액체 상태로 연속하여 통과한다. 이런 공정은, 모든 물질이 고체 상태에서 액체 상태로 통과했을 때까지 일정한 온도 동안에 일정한 반응 압력으로 계속한다. 동일한 방식으로, 물질이 액체 상태에서 고체 상태로 통과할 때, 반응 압력은 충전 공정의 부분에서 일정하다.
도 2에서, 고체 및 액체 상태 간의 전이를 갖는 그런 물질(2)에 적당한 어큐뮬레이터(1)가 도시된다. 이런 물질은 고체 형태(21)로 도 1의 열 교환기(7)에 상응하는 열 교환기(22)의 한 표면에 배치된다. 열 교환기(22)는 플레이트로서 설계되는데, 이런 플레이트는 예컨대 고체 물질(21)이 배치되는 그의 앞 측면 상의 표면 확장 수직 플랜지를 갖는다. 열 교환기(22)의 뒷 측면은 열을 공급하거나 열을 멀리 보내는 외부 매체와 접촉한다. 더욱이, 물질의 고체 형태(21)와 함께 열 교환기(22)는 모든 방향에서 밀집-메쉬 망(close-meshed net)(23)으로 완전히 밀봉되고, 이를 통해 매우 작은 입자만이 통과할 수 있고, 액체 및 기체는 자유롭게 통과할 수 있다. 물질의 액체 상태를 형성하는 액(24)은 어큐뮬레이터 용기(1)의 바닥에 위치되고, 열 교환기(22) 바로 밑의 자유 스페이스(24')내에 수집된다. 이런 스페이스는 펌프(26)와 관련하여 출구(24")를 갖는다. 액체 분산 시스템(25)은 열 교환기(22) 위의 망(23)내에 배치되고, 도관(25')을 통해 펌프(26)에 연결됨으로써, 펌프(26)는 열 교환기(22)에 걸쳐 액을 분산시킬 수 있다. 액체 분산 시스템은 스프레이 바(spray bar)로서 구성될 수 있지만, 고압을 필요로 하고, 그 내의 작은 구멍은 형성된 결정에 의해 쉽게 막힐 수 있다. 대신에, 큰 구멍을 가진 회전관이 잇점으로 사용될 수 있다.
이제, 일례로서 고체 물질에 대한 염 MgCl2.6H2O을 가진 어큐뮬레이터부(1)에서의 공정이 기술되어, "충전" 단계에서, 예컨대 태양 에너지가 사용될 수 있다. 물질(2)은 초기에 "충전"되어, "방전"되는 것으로 추정된다. 그 후, 이는 고상으로 존재하고, 열 교환기(22)와 접촉한 (21)로 배치된다. 물질의 고체 형태(21)는 미세 결정으로 존재하거나, 다소 고체 케이크(cake)로 소결될 수 있고, 어느 경우에는 망(23)을 통과할 수 없다. 그 후, 열 교환기(22)는 예컨대 주변 온도, 예컨대 약 30℃와 같은 실외 온도를 가지고, 또한, 응축기(3)내의 응축액(5)은 동일한 온도를 가질 수 있다. 수증기가 물질의 고체 형태(21)에 의해 흡수될 시에, 어큐뮬레이터(1)내에는 에너지가 발생되어, 그의 온도는 상승되지만, 보통 열은 이동되고, 즉 물질은 열 교환기(22)내에 흐르는 매체에 의해 냉각된다. 증발기/응축기(3)내에서 증발시키기 위해 에너지가 소비되는데, 그의 온도는 낮아져, 열 교환기(22)를 통해 예컨대 하우스내의 실내를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 그 후, 이런 물질의 고체 형태(21)는 부분적으로 열 교환기(22)에서 흐르고, 밀폐 망 바스켓 밖으로 흐르는 액(24)으로 변환된다. 액(24)은, 열 교환기(2) 아래의 자유 스페이스(24')내에 수집되고, 어느 스페이스에서 출구(24")를 통한 펌프(26)에 의해 열 교환기의 표면 위로 퍼뜨려지는 열 교환기(22)의 상부측에서 분산 시스템(25)으로 이동된다. 그 후, 액(24)은 물질의 고체 형태(21)를 통해 세류(trickle)하여, 항상 포화되는데, 이때, 그것은 어큐뮬레이터의 바닥에 도달하여, 분산 바(25)에 의해 열 교환기(22)의 상부 위로 분산된다. 열 교환기(22)의 상부는 곧 고체 물질(21)로 자유롭게 되고, 그 후 양호한 열이 이동하여, 고 효율의 흡수 공정이 획득될 수 있다. 이는 실질적으로 모든 고체 형태(21)가 액(24)으로 변환되었을 때까지 계속한다.
물질(2)을 "충전"할 시에, 이런 물질은 초기 상태에서는 액(24)으로 존재하도록 되어 있다. 어큐뮬레이터(1)내의 열 교환기(22)는, 아래에 기술되는 바와 같이, 태양 에너지에 의해 적당한 온도, 예컨대 적어도 50℃로 가열되지만, 증발기/응축기는 주변, 예컨대 실내 또는 실외 온도, 즉 많아야 약 30℃로 유지된다. 그 후, 액(24)은 자유 열 교환기(22) 주위로 펌프되어 그 위로 퍼뜨려진다. 액(24)이 열 교환기와 접촉하여 가열될 시에, 흡수질은 응축기(3)로 해제되고, 액(24)은 집중된다. 그러나, 물질의 용해도는 저온에서보다 고온에서 상당히 더 높아, 충전이 고농도의 액상으로 구동될 수 있다.
결정화, 즉 고체 상태로의 물질의 변환은 그때 액(24)에서 자연스럽게 일어나고, 미세 결정은 더 이상 망(23)을 통과할 수 없을 때까지 성장하여 형성되며, 그 후, 이런 결정은 열 교환기(22)의 바닥부에 수집된다. 최고 바람직한 농도를 위해, 시스템이 다시 방전되어 냉각을 위해 사용될 준비가 되어 있을 시에, 펌프(26)는 정지되어 역전됨으로써, 스페이스(24')내의 잔여액(24)이 열 교환기(22) 주변의 스페이스로 압축된다. 동시에, 열 교환기(22)는 예컨대, 주변, 예를 들어 약 30℃의 실외 또는 실내 온도로 냉각되고, 액체 형태(24)의 모든 잔여 물질(2)은 결정화한다. 이런 시스템은, 방전 단계에서 증발기/응축기(3)내의 열 교환기(9)가 하우스 또는 아파트내의 실내에 배치될 경우에 실내를 냉각시키는데 사용될 수 있다.
열 교환기(22)의 벽은 잇점으로 예컨대 Teflon에 의해 처리되어, 결정이 너무 높은 범위까지 구축되는 것을 방지함으로써, 형성된 결정이 망(23)내에서 실질적으로 자유롭게 이동할 수 있도록 한다. 물질의 모든 고체 형태(21)가 액상으로 변환되었을 시에 열 교환기(22)내의 액(24)의 레벨은 열 교환기의 높이의 많아야 약 2/3을 포함하는 것으로 추정된다.
따라서, 화학 열 펌프에 대해 기술된 화학 반응기는 동일한 콘테이너내에 배치되고, 도 2에 도시되지 않은 응축기/증발기 부와 결합되는 것으로 추정된다. 그것은 원형 또는 플랫형의 플레이트 열 교환기를 포함하도록 설계되고, 열 교환기 표면의 적어도 부분상의 모세관 흡입 재료나 분산 시스템 및 펌프가 구비되어, 분무에 의해서와 같이 분산하여, 증발 공정에서 열 교환기의 표면을 적신다.
전술된 형의 설비는, 양호하게도 반응기가 바닥부에 배치되고, 상부에는 응축기/증발기가 배치되도록 설계됨으로써, 액체 상의 물질의 오버플로우 및 스플래시(splash)가 응축기/증발기 측으로 쉽게 이동되지 않도록 한다. 그러나, 이는 여전히 강한 가스 흐름 때문에 일어날 수 있어, 증발기/응축기 부내의 물이 시간에 맞게 너무 고농도의 물질을 획득할 수 있는 위험이 존재한다. 이를 방지하기 위하여, 소량의 물만이 증발기내에 남아 있을 시의 각 방전 공정 후에, 도시되지 않은 밸브는 증발기의 바닥부내에서 개방될 수 있고, 이를 통해 이런 최종 잔여 물은 반응기내로 자유롭게 흐르게 되도록 한다. 이런 식으로, 응축기/증발기 부내의 물질의 누적은 방지된다. 기계적으로 해제된 이런 물은 잇점으로 이를 세척하도록 반응기 펌프를 통과하게 할 수 있다. 동일한 방식으로, 방전 공정 후에, 순수한 물이 펌프를 통해 배향으로 역류되게 하고, 동일한 밸브를 통해서는 반응기/어큐뮬레이터의 최종 냉각 전에 농축액을 제거하도록 할 수 있다.
반응기 또는 흡수기/생성기(1)의 약간 다른 설계는 도 6에 도시되어 있다. 충전 단계에서, 온수는 적절히 설정된 밸브(63) 및 도관(61)을 통해 도시되지 않은 태양 패널에서 재킷(64)으로 흐르는데, 이런 재킷(64)은 펌프(66)를 외부 열 교환기(67)의 한 측면에 연결한 도관(66') 및 펌프(66)를 밀봉한다. 이런 온수는 외부 열 교환기(67)의 다른 측면에 들어가, 그로부터 도관(68)을 통해 태양 패널로 계속 들어간다. 포화액은, 외부 열 교환기(67)의 상기 한 측면을 통해 펌프 모터(65)에 의해 구동된 펌프(66)에 의해 프로펠(propel)되어 분산 파이프(69)로 흐르고, 이로부터 상기 액은 반응기내의 스페이스의 상부내에 배치된 표면 확장 수단(70) 및 이의 아래의 내부 열 교환기(71)에 걸쳐 흩뜨리는데, 상기 내부 열 교환기(71)는 표면 확장 수단 바로 아래에 배치되지만, 작은 수직 연장부만을 가지며, 이런 단계에서 능동적으로 가열 또는 냉각되지 않는다. 반응기의 상부에서, 가스 필터(72)가 배치되고, 그를 통해 포화액에서 배출된 증기는 도 6에 도시되지 않은 응축기에 연결된 가스 도관(73)으로 통과한다. 증발 시에, 잔여액과 함께 내부 열 교환기(71)에서와 그를 지나 바스켓내에 수집되는 필터 또는 망 바스켓(74)의 바닥부로 하향 통과하는 결정이 형성된다. 포화액은 망(74)의 바닥 아래의 스페이스내의 반응기의 바닥에 수집된다.
표면 확장 수단은 상부 필터(72) 아래의 반응기 스페이스의 상부에서 망 구조내에 배치된 10 cm의 직경을 가진 Teflon 볼을 포함할 수 있다. 설명된 실시예에서, 충전 공정 시에 바람직하지 않은 장소에 형성된 결정의 위험이 우선 펌프로부터의 도관 및 펌프 주변의 온수의 흐름 때문에 근본적으로 감소된다. 그렇지 않으면한, 결정이 이런 소자내에서 생성되어, 결과적으로 포화액의 흐름을 정지시킬 수 있다. 또한, 액을 가열할 시에 밀폐된 외부 열 교환기(67)를 이용함으로써, 증기가 형성될 수 없고, 열 교환기내에 있는 결정의 위험은 방지된다.
방전 단계에서, 입구 밸브(63)를 세트시킴으로써, 외기에 의해 냉각된 물과 같은 어떤 히트 싱크(heat sink)로부터 냉수의 흐름은 파이프(62)만을 통해 내부 열 교환기(71)로 직접 통과하여, 외부 교환기를 바이패스시키고, 다시 출구 파이프(68)를 통해 외부 열 교환기(67)는 방전 공정 시에 능동적으로 가열 또는 냉각되지 않는다. 포화액은 불활성 외부 열 교환기(67) 또는 도시되지 않은 개별 바이패스(by-pass) 도관을 통해 분산 파이프(69) 및 그 아래의 표면 확장 수단(70)으로 펌프된다. 그 후, 액은 열을 발생시키는 증기를 흡수한다. 이런 열은 내부 열 교환기(71)내로 이동되고, 그 후, 액은 망 바스켓(74)의 바닥으로 통과시켜 잔여 결정과 접촉하여 다시 포화되도록 한다. 그 후, 그것은 바스켓을 통해 통과하여, 다시 상부로 펌프된다. 무심코 형성된 결정의 위험은 방전 단계에서는 작은데, 그이유는 액 및 결정이 물을 흡수하기 때문이다.
물과 함께 동작하는 능동 물질으로서, 하이드레이트가 사용될 수 있다. 이런 물질은 공정 시에 존재하는 모든 온도를 초과하는 융해점을 갖는다. 휘발성 액체, 양호하게는 그의 증기를 흡수할 시에, 물질은 휘발성 액체 그 자체 보다 상당히 낮은 증기 압력을 포화액으로 변환시킨다. 이런 증기 압력은 사용된 충전 온도 및 바람직한 냉각 온도가 특정한 설비의 사용을 위한 요건을 충족할 만큼 낮아져야 한다. 상이한 사용은 상이한 물질을 필요로 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 예컨대 MgCl2.6H2O, 마그네슘 클로라이드 헥사하이드레이트일 수 있는, 공정 시에 사용된 물질은, 흡수질(물)을 흡수할 시에 즉시 고체 상태로 되어 있을 경우, 부분적으로 액체 상태로 변환된다. 마그네슘 클로라이드 헥사하이드레이트는 100℃ 이상의 융해점을 갖지만, 즉시 액, 즉 액체 형태로 변환되는데, 이때, 더욱 많은 물이 흡수된다. 포화액에 대한 반응 헥사하이드레이트의 평행 압력은 20℃의 온도에서는 20℃의 △T에 상응하는 약 4.6 mm이다. 여기서, △T는 평행 압력에서 3 상, 즉 고체 물질, 포화액 및 증기와, 응축기/증발기내의 휘발성 액체 사이에 존재하는 온도차이다. 흡수질로서의 물/ 수증기를 포함하는 태양 구동 시스템에 대해 적당한 △T는 20℃ 내지 40℃의 범위내에 있다. 따라서, 이런 반응은, 방전 공정 시에 증발기내의 흡수질을 물질의 현재 온도 이하의 약 20℃로 냉각시킬 수 있다. 예컨대, 이런 물질이 방전 공정 시에 30℃의 실외 온도로 냉각된 상태로 유지될 경우, 실내를 위한 냉각수는 공기 조화 시스템에 매우 적절한 10℃의 온도로 생성될 수 있다. 동일한 방식으로, 충전 공정 시에, 응축기가 30℃의 실외 온도로 유지된다면, 물질은 단지 (30 + 20)℃ = 50℃를 초과하는 온도로 가열되어야 한다.
리터 물질 마다 kWh 냉각 에너지의 저장 용량은 우선 흡수질의 물질의 용해도에 의존한다. 일 몰 마그네슘 클로라이드 헥사하이드레이트는 리터 최종 액 마다 약 0.25 kWh 냉각 에너지에 상응하는 액으로 진행하도록 30℃에서 3.5 몰 물을 흡수한다. 에너지 함유량 및 온도차 △T는 상이한 물질 간에 상당히 변한다. LiCl.H2O, 염화 리튬의 단일 하이드레이트에 대한 상응하는 계산치는 32℃의 온도차 △T 에 대한 0.3 kWh/l 이상이다. 사용 가능한 물질의 수는 제한된다. 적당한 물질은 LiCl, LiBr, LiI, MgCl2,MgBr2, MgI2, CaCl2, CaBr2, CaI2, SrI2, KOH, NaOH, ZnCl2, ZnBr2, ZnI2, AlCl3, AlBr3및 AlI3를 포함하고, 이들 중에서, MgCl2,MgBr2, LiCl, CaCl2, CaBr2, ZnCl2및 NaOH이 특히 적절한 것으로 고려될 수 있다.
또한, 염의 혼합물이 사용될 수 있다. 따라서, 염화 칼슘 CaCl2는 4 하이드레이트, 모노-, 디-, 테트라- 및 헥사하이트레이트를 형성한다. 헥사하이트레이트는 수증기로 노출될 시에 직접 액으로 변환된다. 그러나, 에너지 차 △T는 너무 작고, 에너지 함유량은 작다. 헥사하이트레이트는 약 30℃에서 이미 녹아, 너무 낮은 용융점으로 인해 부적당한데, 그 이유는 방전 공정 시에 온도가 종종 30℃ 이상으로 높아지기 때문이다. 이런 물질은 보통 외기에 의해 냉각된다. 온도가 30℃ 이상이고, 헥사하이트레이트의 결정이 형성될 수 없다면, 헥사하이트레이트는 수증기를 흡수하여, 포화액으로 직접 변환된다. 테트라하이드레이트의 용융점은 약 45℃이다. 그러나, 온도차 △T 및 에너지 함유량은 너무 작다.
그러나, 예컨대, 약 10%(웨이트) LiCl은 디하이드레이트와 혼합될 경우, 모든 하이드레이트의 용융점은 낮아진다. 헥사하이트레이트 및 테트라하이드레이트는 둘 다 여기서 고려된 방전 온도 이하의 융용점을 갖는다. 그 후, 이런 공정은 개시 고체 물질로서 (LiCl로 도핑된) 디하이드레이트를 사용하여 실행될 수 있다. 이제, 30℃의 물질 온도 동안에 26℃와 동일한 에너지 차 △T가 획득된다. 냉가 에너지로 카운트된 에너지 함유량은 리터 최종액 마다 0,3 kWh 이상이다.
타입 (고체 물질) →(고체 물질 + 증기)의 3-상 반응 시에, 이런 공정이 일정한 온도에서 일어날 경우에 일정한 반응 증기 압력을 유지한다. 더욱이, △T는 상이한 온도 동안에 상당히 일정하다. 이는, 상이한 온도에서의 반응의 증기 압력이 실질적으로 휘발성 액체, 즉 양호한 경우에 물의 증기 압력의 기울기에 뒤따른다는 것으로 의미한다. △T는, 반응 혼합물에 걸친 압력과 동일한 물 표면에 걸친 압력에 대한 곡선 간의 차를 나타내고, 물과 반응 혼합물의 온도차는 △T이다. 이런 조건은 물 및 물질의 온도 레벨과 무관하게 일정하다.
여기서 고려된 타입 (고체 물질) →(포화액 + 증기)의 3-상 반응의 조건은 조금 더 복잡하게 된다. 상 성분 포화액은 가변 파라미터이다. 상이한 온도에서 포화된 액은 용해된 물질의 상이한 농도를 포함한다. 이는, 결과적으로 제 1 일정한 온도에서 충전할 시의 △T가 제 2 일정한 온도에서 방전할 시의 △T와 다르게 한다. 반응 LiCl.H2O →(LiCl.H2O + LiCl의 포화액 + 수증기)의 상이한 온도에 대한 △T의 변화에 대해서는 도 3의 다이어그램에서 설명된다. 상응하는 증기 압력은 도 4의 로그 다이어그램에 도시되어 있는데, 여기서, 하부 곡선은 상기 반응에 대해 나타내고, 상부 곡선은 H2O에 대해 나타낸다. 따라서, △T는 물질이 30℃로 냉각될 시에 방전을 위한 32℃이다. 80℃에서 충전하기 위해서는 △T가 45℃ 이상이다. 결과적으로, 예컨대 32℃와 동일한 일정한 △T로는 62℃ 약간 위에서 충전이 행해지지만, 30℃의 응축 온도에 대해서는 75℃ 이하에서 행해질 수 없다. 그러나, 저 냉동 온도는 실외 온도가 높을 지라도 사용될 수 있다.
그러나, 대충 계산을 위해, △T는 많은 경우에 일정한 것으로 고려될 수 있다. 물질 온도 및 △T의 함수로서 충전 및 방전 시에 물질의 상이한 상 상태를 나타내기 위하여, 도 5에 도시된 반응 다이어그램이 도움이 될 수 있다. 이런 다이어그램은 LiCl에 관계하고, 수평축에서는 몰 LiCl 당 몰 H2O를 나타내고, 수직축에서는 △T를 나타낸다. 이런 다이어그램의 좌측축에서 0 몰 H2O에 대해, 드라이(dry) LiCl의 상태가 도시된다. 0 및 1 몰 H2O 간의 범위에서, 모노하이드레이트와 혼합된 드라이 LiCl가 도시되는데, 여기서, △T = 60℃이다. 여기에 기술된 바와 같은 열 펌프의 동작 범위는 수직 라인 1 몰 H2O/몰 LiCl의 우측이다. 반응은 30℃의 온도에서 고체 모노하이드레이트를 방전시킴으로써 개시한다. 이런 반응은 우측 화살표 방향으로의 하위 수평 라인에 뒤따른다. 그 후, 전술된 바와 같이, △T는 약 32℃이다. 반응은 모든 3 상이 동시에 존재하는 한 이런 라인에서 일어난다. 이런 라인의 끝에서, 모노하이드레이트는 소비되었고, 모든 물질은 포화액에 있다. 따라서, 시스템은 더 이상 3-상 반응이 아니고, 충전이 개시될 시에 그렇게 남아 있다. 그 후, 좌측으로 상향한 사선 "포화액"이 뒤따른다. 포화액이 가열될 시에, LiCl의 용해도는 증가하고, 즉 이런 용해도는 온도에 따라 증가한다. 동시에, 액의 △T는 수증기가 액에서 라인브레이트됨에 따라 증가한다. 주어진 몰도(molarity)에서, 액은 초포화되고, 모노하이드레이트의 결정은 생성되기 시작한다. 그 후, 시스템은 다시 3-상 반응으로 동작하고, △T는 80℃의 물질 온도에 대해 46℃와 동일하게 도시된 예에 있다. 따라서, 3-상 반응으로 복귀하는 시스템에 대해, 충전 온도는 비교적 저 레벨로 제한된다. 모든 포화액이 모노하이드레이트로 변환된 후, 물질은 30℃로 냉각될 수 있어, 사이클은 반복된다. 모노하이드레이트와 포화액 간의 영역은 방전 시에 리터 최종 포화액 당 약 0,3 kWh의 상당한 냉각 능력을 나타낸다.
상기 설명에 따른 완전한 화학 열 펌프는, 주지된 바와 같이, 태양 에너지를 공기 조화를 위한 냉각으로 변화시키는데 사용될 수 있다. 냉각을 위한 요구 사항이 단지 주간에만 충족될 경우에, 간헐적으로 구동되는 비교적 작은 2개의 설비가 결합된다. 그런 모든 설비가 공급하는 고 전력에 의해, 순환 시간은 매우 짧게 될 수 있다. 적당한 순환 시간은 약 1 시간일 수 있다. 이른 아침에, 설비 중 하나가 1 시간 동안 충전된 후에, 이는 방전 상으로 교환되고, 공기 조화가 개시할 수 있다. 이런 설비가 방전되는 시간 동안, 다른 설비는 충전된다. 그 후, 이런 과정은 하루 동안에 간헐적으로 반복된다. 반응기내의 물질의 10 및 20 리터 간의 단지 2kW의 냉각 전력을 가진 계획된 완전한 이중 설비를 위해서는 응축기/증발기 부의 약 10 리터 물의 스페이스가 요구된다.
또한, 밤에 공기 조화를 획득하기 위하여서는 수개의 기술적인 액이 고려될 수 있다. 예컨대, 낮밤에 공기 조화를 획득하는 한 가능성으로, 상술한 종류의 작은 열 펌프 설비가 밤에 냉각을 위한 저장 조건을 취급하는 동일한 종류의 큰 설비와 결합될 수 있다. 다른 가능성은, 밤에 냉각을 위한 에너지를 저장하는 상술한 종류의 단일한 큰 설비만을 사용하지만, 충전 공정과 동일한 시간에, 포화액의 흐름을 전환하고, 전환된 액을 개별적으로 냉각시켜, 이런 액이 유사하게 분리한 증발기로부터 수증기를 흡수하도록 할 수 있다. 이런 경우에, 태양 패널은 냉각을 위한 에너지가 또한 낮에 획득되므로 고 전력을 취급하도고 크기가 정해져야 한다. 이런 에너지는 또한 도래하는 밤 동안에 냉각을 위한 큰 설비를 충전하기에 충분하다.
따라서, 도 6에 따르고, 도 7의 개략도에서 설명된 바와 같은 열-화학 어큐뮬레이터를 포함한 설비는 년중 종일 냉각, 가열 및 더운 담수를 제공할 수 있다. 그런 설비에서, 주 유닛(91)은 하나 이상의 종속 유닛(92)과 결합되어, 전기 어큐뮬레이터와 유사한 특성을 제공한다. 태양 패널로부터의 과도한 충전열이 저장되는 주 유닛(91)은 도 1, 2 또는 6과 관련하여 기술된 종류의 큰 설비를 포함한다. 저장 용량은, 날씨가 맑지 않을 시의 낮의 부분 동안에 하우스의 충분한 냉각, 더운 담수 또는 가열을 위한 에너지 소비에 적합하다. 종속 유닛(92)은 주 유닛(81)보다 작고, 더운 계절 동안에 냉각을 연속적으로 생성시켜, 추운 계절 동안에 열을 생성시킬 수 있다.
단일 종속 유닛을 가진 그런 설비의 기능은 다음과 같다: 낮에, 태양 패널(93)로부터의 열은 가열된 물로 운반되는데, 이런 가열된 물은 펌프(94)에 의해 폐쇄 루프로 프로펠되어, 먼저 물을 가열시키는 담수 히터(95)로 통과시킨 후에, 주 유닛의 반응기(97)의 열 교환기(96)로 통과시킨다. 주 유닛의 증발기/응축기(98)내에서 응축이 행해지고, 그의 열 교환기(99)는 펌프(101)에 의해 구동된 냉각수를 사용하여 실외 냉각기(100)에 의해 냉각된다. 동시에, 독립적으로, 또한 실외 냉각기(100)에서 종속 반응기의 열 교환기(102')로 순환하는 열 교환기의 물에 의해 냉각되는 종속 유닛(92)의 반응기(102)는 방전된다.종속 유닛(92)의 증발기(103)는 종속 반응기(102)에 수증기를 분출시켜, 열 교환기(104) 및 실내 냉각기(105)를 통해 충분한 냉각을 전달한다. 반면에, 주 반응기(95) 및 주 응축기/증발기(98)는 미래 저장 필요를 위한 물 및 물질의 주요부를 제공하고, 종속 유닛(92)은 소량의 물질로 동작한다. 따라서, 물은 주 증발기(98)로부터 종속 증발기(103)로 간헐적으로 입력되고, 방전된 액은 충전된 후에 종속 반응기(92)에서 주 반응기(95)로 공급되며, 더운 포화액은 다시 냉각되는 종속 반응기(92)로 공급되는데, 여기서 결정이 형성되고, 결정 및 포화액은 둘 다 종속 증발기로부터 증기를 흡수한다. 그의 반복 주기는 약 10 분 내지 2 시간일 수 있다.
따라서, 도 7의 시스템에서, 물질의 동작 범위는 도 2와 관련하여 기술된 공정에 비해 약간 신장된다. 또한, 포화액은 적어도 사용된 어떤 물질에 대해 증기를 흡수할 수 있다. 이는, 포화액이 흡수 공정에서 어떤 효율을 획득하도록 상당한 저증기 압력을 갖는다는 것을 전제로 한다. ZnCl2와 같은 어떤 물질은 고체-액체 반응 시에 너무 큰 △T를 가져, 액상에서만 사용되는 것이 좋을 수 있다. 저장 능력은 더욱 낮아지고, △T는 변하는 레벨에 있지만, 이들은 여기에 기술된 바와 같이 열-화학 반응기에서 우수하게 동작할 수 있다.
냉각 또는 더운 담수를 생성시킬 시에 소비되지 않는 에너지는 주 유닛(91)내에 저장된다. 태양 에너지가 더 이상 사용할 수 없을 시에, 종속 유닛(92)은 종전대로 계속 동작하여, 저장 에너지를 소비한다. 이제 더 이상 충전되지 않는 주 반응기(95)는 시스템의 평행 상태가 통과된 후에 방전 상태로 자동으로 진행한다. 이는 여름에 약 60℃에서 일어난다. 따라서, 이제 더운 담수를 위한 열은 주 반응기(96)에 의해 발생되고, 종속 반응기(92)가 냉각을 생성시킬 동안, 열 교환 물의 흐름은 이제 밸브(106)를 설정하여 담수 히터(95)만을 통과하고, 태양 패널(93)을 통과하지 않는다.
소량의 충전 물질 및 물을 종속 유닛(92)으로 전환하는 방법은 결과적으로 주 반응기(95)가 충분한 냉각을 생성시키는 단계로 진행하도록 변환, 즉 냉각되지 않아야 하는데, 그 이유는 필요한 냉각은 종속 유닛에 의해 제공되기 때문이다. 대신에 주 반응기(95)가 더운 상태, 방전 상태(평행 상태)로 유지된다는 사실은 반응기내의 의도되지 않은 장소에 형성되는 결정의 위험을 더욱 더 감소시킨다. 주 응축기/증발기(98)는 실외 냉각기에 의해 계속 냉각된다. 일반적으로, 설비는 흐름을 스위치하기 위한 최소의 밸브를 필요로 한다.
종속 유닛(92)은 한 방향, 즉 방전 상태로 동작하는데, 이는 바람직하지 않은 결정 형성에 관하여 가장 양호한 방향이다. 겨울에, 주 유닛(91)은 기술된 방식으로 동작하고, 밤에는 평행 상태에 있는데, 평행 온도는 약 35℃ 내지 40℃이다. 이는 밤에는 담수를 미리 가열시키는데, 담수는 도시되지 않은 전기 저항 히터에 의해 고온으로 가열된다. 추운 계절에, 종속 유닛의 열 교환기(102')는 도 7에 도시된 것과 반대의 연결부를 갖는데, 이런 연결부는 도시되지 않는다. 따라서, 실외 냉각기(100)는 그때 종속 반응기로 가열하기 위해 사용되는 실내 냉각기(105) 및 종속 증발기에 연결된다. 그 후, 종속 유닛은 실내 냉각기(105)를 이용하여 실내를 가열하기 위한 35℃ 내지 40℃의 온도를 가진 물을 생성시킨다.
도 7의 전체 열-화학 열 어큐뮬레이터에서, 상이한 형의 열 교환기가 사용되어, 외부 플레이트 열 교환기(67)와 도 6의 내부 관 열 교환기(70)를 비교할 수 있다. 플레이트 열 교환기는 모든 열을 교환하기 위해 사용되는데, 이때 열 운반 매체는, 반응기내에서의 충전 시와 증발기내에서의 방전 시와 같은 순환하는 물이다. 그 후, 액/물만이 용기의 바닥에서 상부까지 꽤 가열된다. 대신에 방전 공정에서, 긴 수평관과 함께 지그재그 식으로 위치된 관을 가진 관 열 교환기는 반응기내에 사용된다. 종속 반응기(102)는 단지 방전 시에만 동작하여, 관 열 교환기인 내부 열 교환기만을 필요로 한다. 반응기내의 충전 단계에서, 액은 그때 어떤 증기도 리버레이트될 수 없는 폐쇄 스페이스내에 가열된다. 용해도는 결정 형성을 방지하는 것을 증가시킨다. 액이 분산관이 표면 확장 수단을 통해 흐르게 할 시에만, 증기는 리버레이트될 수 있어, 결정이 형성될 수 있다. 내부 열 교환기내에서 행해진 상응하는 공정은 열 교환기의 더운 표면 상에 염 결정을 축적하는 위험을 내포하고 있다. 반응기내에서의 방전 시에, 열 교환기는 냉각되고, 결정의 명백한 위험을 제공하는 것이 폐쇄된 플레이트 열 교환기내에 형성된다. 반응기내의 개방관 열 교환기에서, 액은 냉각되고, 동일한 형태로 수증기로 노출된다. 이에 의해, 물의 흡수 및 냉각은 동시에 행해져, 결정이 냉각에도 불구하고 쉽게 형성될 수 없다.
라이트-웨이트 콘크리트(light-weight concrete)로부터 구축되고, 200 m2의 영역을 가진 Mediterranean 영역내의 단일 패밀리를 위한 하우스에 대해 도7에 따른 설비는 25 m2의 태양 패널 영역, 50 kWh 냉각 또는 65 kWh 열의 저장 용량을 필요로 할 수 있다. 최대 충전 전력은 15 kW이고, 최대 냉각 전력은 6 kW이다. 주 유닛 및 종속 유닛을 포함하는 열-화학 어큐뮬레이터는 열 절연을 포함하는 약 800 mm 및 1800 mm의 높이를 가질 수 있다.
도 8에서, 도 7에 따른 주 유닛(91) 및 종속 유닛(92)을 포함하는 열-화학 어큐뮬레이터는 더욱 상세히 도시되는데, 주 유닛은 실질적으로 도 6에 도시된 바와 같이 구축된 반응기(95)를 갖는다. 주 반응기(95)내의 펌프로부터 펌프(66) 및 도관(64') 주변의 가열 재킷(64)과, 외부 열 교환기(67) 및 내부 열 교환기(71)가 관측된다. 방전 시의 주 유닛(91)만이 열을 내부 열 교환기(71)를 통해 담수 히터에 공급하므로, 이런 열 교환기는 소형으로 만들어지고, 반응기(95)의 상부내에 배치되며, 통상적으로 어떤 지그재그 패턴으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 실질적으로 수평인 다수의 파이프를 포함한다. 통상적으로, 수 kW만이 요구된다. 주 전력은충전 시에 외부 열 교환기(67)내로 전송되는데, 여기서 전력은 통상적으로 15 kW 정도이다. 종속 증발기(103)도 마찬가지로 주 응축기/증발기(98)로 구성되고, 펌프(107), 분산 파이프(108) 및 표면 확장 수단(109)을 포함하는데, 이런 표면 확장 수단은 분산 파이프 바로 아래의 내부 스페이스의 상부에 배치된다. 종속 증발기의 열 교환기(104)는 6 kW 냉각 전력을 위한 크기의 외부 플레이트 열 교환기이며, 이런 열 교환기는 단지 증발기의 바닥부에서 분산 바로 펌프(107)에 의해 펌프된 응축 흡수질을 냉각시킨다. 방전 시에만 동작하는 종속 반응기(102)는 약 8 kW의 용량을 가지고, 종속 반응기내에 배치되는 큰 지그재그형 관 열 교환기(102')를 갖는다. 이런 열 교환기는, 펌프(111)에 의해 종속 반응기의 바닥으로부터 펌프될 시에 분산관(110)으로부터 액을 수납하는 표면 확장 수단으로 작용을 한다. 2-웨이 밸브(112)는 펌프와 분산관 사이의 도관내에 연결되고, 정상 상태 동안 방전 시에 바닥으로부터의 액만이 분산 바로 통과하게 하도록 설정된다. 밸브의 다른 출구는 주 반응기의 펌프(66)의 입구에 연결된 도관을 통함으로써, 그의 설정을 변경할 시에 밸브는 소비된 액이 주 반응기(95)로 펌프되게 한다. 주 반응기의 바닥으로부터의 더운 포화액의 입구는 온/오프 밸브(114)를 가진 도관(113)을 통해 형성되고, 상기 밸브는 양자 모두 입구 밸브(63)로부터의 더운 물이 통과하는 재킷(115)를 갖는다. 종속 증발기(103)에서는 물만이 소비된다. 새로운 물은 주 응축기/증발기로부터의 도관(116)을 통해 공급되고, 상기 도관은 펌프(119)에서 주 응축기/증발기(98)의 열 교환기(99)로 상기 도관내에 연결된 2-웨이 밸브(117)에서 끝난다. 도관(117')은 주 응축기/증발기의 바닥 스페이스를 온/오프 밸브(118)를통해 주 반응기(95)의 상부측에 연결하는데, 주 응축기/증발기는 주 반응기(95) 위에 배치된다. 밸브(117)의 적당한 설정을 위해, 종속 증발기의 펌프(107)는 아마 물질에 의해 다시 주 응축기/증발기에 "오염된" 물을 펌프할 수 있다. 개방 밸브(118)에 대해, 그런 "오염된" 잔여물은 주 응축기/증발기로부터 주 반응기로 탭(tap)될 수 있고, 이런 밸브는 정상적으로 폐쇄된다.
이런 오염물은 충전 시에 가스 필터를 지나 가스의 흐름에 동반하여, 물에 모여지는 나머지 능동 염을 포함한다. 이런 것이 많은 사이클 동안에 계속할 경우, 물의 증기 압력은 감소되고, 냉각 온도는 증가하며, 더운 담수의 온도는 낮아진다. 따라서, 응축된 담수는 시스템이 방전될 시에 형성되어, 예컨대, 10 사이클 마다 주 응축기/증발기(98)내의 소량의 물을 포함한다.
주 응축기/증발기(98)는, 종속 증발기의 열 교환기(104)와 유사하지만 대용량을 가진 외부 열 교환기(99)에 의해 가열된 도관을 통해 응축기/증발기 내부의 스페이스의 바닥에서 그 상부에 있는 분산관(120)으로 물을 펌프하는 펌프(119)를 가지며, 상기 상부로부터 물은 또한 상부에 있는 표면 확장 수단(121)을 통해 증발되는 충전 단계에서 응축기/증발기의 바닥으로 하향 흐른다. 주 반응기(95)의 가스 연결부(73)는 응축기/증발기의 상부에 연결되고, 이는 도 8에 도시되어 있지 않다. 유사한 가스 도관 또는 연결부(122)는 종속 반응기(102) 및 종속 증발기(103)를 서로 연결한다.
4개의 2-웨이 밸브(123, 124, 125, 126)의 세트는 실외 냉각기 및 실내 냉각기/히터를 종속 반응기 및 종속 증발기에 연결하는 도관내에 연결된다. 여름에 냉각을 위해 이런 밸브를 적당히 설정하기 위하여, 실외 냉각기는 종속 반응기의 열 교환기(102')에 연결되고, 실내 냉각기/히터는 종속 증발기의 열 교환기(104)에 연결된다. 추운 계절에 열을 전달하기 위하여, 실외 냉각기가 종속 증발기의 열 교환기에 연결되고, 실내 냉각기/히터는 종속 반응기의 열 교환기에 연결되도록 밸브를 설정한다.
일반적으로, 상술한 바에 따라 고체-액체 상 전이 시에 고체 물질과만 동작하는 큰 설비 및, 동일한 형의 상 전이가 이용되는 물질에 따른 작은 설비 양자를 포함하는 다수의 결합 가능성이 존재하는 것으로 관측될 수 있다. 시스템의 사이즈, 기능 및 비용을 고려한 공기 조화 요구를 가장 잘 해결하는 형의 시스템을 선택하는 것은 사용자에게 달려 있다. 해당 온도 범위에서, 고체 및 액체 상태 간의 상 전이를 갖는 물질이 사용되는 상술한 공정은 공기 조화 목적을 위해 태양 에너지를 상업적으로 이용하는 가능성에 상당히 기여한다.
여기에 기술된 바와 같은 화학 열 펌프는 태양 에너지의 사용으로 제한되는 것이 아니라, 어느 열 소스, 특히 너무 높지 않은 온도의 열을 제공하는 저 열 소스를 사용할 수 있다. 또한, 화학 열 펌프에 의해 발생된 냉각 또느 열은 냉각 또는 가열 하우스로 제한하는 것이 아니라. 예컨대 냉각 박스 또는 백 과 냉동기 및, 엔진에서 소산된 열을 이용한 공기 조화를 위한 자동차에서와 같은 냉동 필요가 있는 곳에 사용될 수 있다.
상술한 바와 같은 열-화학 어큐뮬레이터는, 사실상 년중 내내 하우스에 더운담수, 완전한 냉각 및 열의 필요성을 제공할 수 있는 완전한 화학 열 펌프인 정교한 태양 구동 냉각 열 펌프이다. 그것은 열의 축적 및, 열 및 냉각으로의 가장 저급 열의 변환 양자를 단일 유닛에 재공한다. 이런 유닛은 하우스내의 설비를 위한 모든 밸브 및 순환 펌프 와 제어 프로세서를 조절하고, 단지 하우스내의 마루 영역의 작은 부분을 점유한다.

Claims (20)

  1. 제 1 스페이스내에 위치된 능동 물질 및 휘발성 액체를 포함하는데, 그의 증기 상은 방전 단계에서는 제 1 온도에서 능동 물질에 의해 흡수되고, 충전 단계에서는 제 2 고온에서 능동 물질에 의해 탈착되는 화학 열 펌프로서, 상기 능동 물질은, 제 1 온도에서는, 휘발성 액체의 증기 상을 흡수할 시에 능동 물질이 액체 상태 또는 액상으로 직접 부분적으로 통과하는 고체 상태를 가지고, 제 2 온도에서는, 액체 상태를 가지거나 액상에 존재하며, 이로부터 충전 단계에서 휘발성 액체를 탈착할 시에 능동 물질이 고체 상태로 직접 부분적으로 통과하며, 상기 능동 물질에 의해 탈착된 후에 충전 단계에서 휘발성 액체의 증기 상은 제 1 도관을 통해 제 1 스페이스와의 유체 연결 상태에 있는 제 2 스페이스내의 액상으로 응축되고, 휘발성 액체의 액상은 방전 단계에서 능동 물질이 증기 상을 흡수할 동안 증기 상으로 변환되며, 제 1 열 교환기는, 휘발성 액체를 흡수할 동안 능동 물질이 연속적으로 고체 상태에서 액체 상태로 통과시킬 시에 방전 단계에서 제 1 온도에서의 고체 상태 및 액체 상태로 능동 물질을 유지하기 위해 제 1 스페이스내의 표면을 가지는 화학 열 펌프에 있어서,
    상기 액체 상태 또는 액상의 능동 물질에서 고체 상태의 능동 물질을 분리하는 제 1 스페이스내의 분리 수단 및, 상기 액체 상태 또는 액상의 분리된 능동 물질을 형성하는 분산 수단은 고체 상태의 능동 물질 및 제 1 열 교환기의 상기 표면과 접촉하여 통과하는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 수단은 상기 제 1 열 교환기의 상기 표면의 적어도 부분을 밀봉하는 망 또는 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분리 수단은 상기 표면의 적어도 하부를 밀봉한 망을 포함하고, 상기 액체 상태 또는 액상의 능동 물질을 수납하기 위해 상기 망의 바닥 아래에 구획을 형성하는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 망은 상기 제 1 스페이스의 벽에 부착되는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 분리 수단은 상기 표면의 상부에 배치된 필터를 포함하는데, 상기 제 1 스페이스를 상기 휘발성 액체의 증기를 허용하는 2개의 구획으로 분할하는 상기 필터는 상기 표면에서의 영역과 도관 사이로 통과하는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분산 수단은 상기 표면의 상부에 위치되어, 상기 제 1 열 교환기의 상부에 걸쳐 상기 액체 상태 또는 액상의 능동 물질을 분산하는 분산기에 결합된 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 분산기는 개구를 가진 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 열 교환기는 내부 및 외부를 포함하는데, 상기 내부는 상기 표면을 가지고, 상기 외부는 상기 분산 수단을 통과하기 직전에 액체 상태 또는 액상의 능동 물질과 열을 교환하는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 스페이스내에 액상의 휘발성 액체를 형성하는 제 2 스페이스에 대한 제 2 열 교환기 및 분산 수단은 제 2 열 교환기를 통과하여 제 2 스페이스내에 분산되도록 하는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 분산 수단은 상기 제 2 열 교환기의 상기 표면의 상부에 위치된 분산기에 결합된 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 분산기는 개구를 가진 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 스페이스는 제 1 스페이스 위에 위치되고, 제 2 스페이스의 바닥은 밸브를 가진 제 3 도관을 통해 제 1 스페이스의 상부와 유체 연결 상태에 있는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 스페이스의 바닥부는, 유체 상의 휘발성 액체가 제 2 상태에서 가능한 능동 물질을 제거하도록 제 1 스페이스로 전달될 수 있는 제 3 도관을 통해 제 1 스페이스와 유체 연결 상태에 있는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 3 스페이스 및 제 4 스페이스는 서로 유체 연결 상태로 제 2 도관을 통하는데, 상기 제 3 스페이스는 제 2 온도에서 액체 상태 또는 액상의 능동 물질을 상기 제 1 스페이스로부터 간헐적으로 수납하여, 액체 상태 또는 액상의 능동 물질을 제 1 스페이스로 복귀시키도록 배치되고, 상기 제 4 스페이스는 액상의 휘발성 액체를 상기 제 2 스페이스로부터 간헐적으로 수납하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  15. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 능동 물질은 고체 상태에서 결정수를 포함하는 금속염을 포함하고, 상기 휘발성 액체는 물을 포함하는데, 상기 금속염은 수증기를 흡수할 시에 열을 리버레이트하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 금속염은 열을 리버레이트하는 물로 용해되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 능동 물질은 염화 칼슘, 브롬 칼슘, 염화 마그네슘, 브롬 마그네슘, 염화 리튬, 2염화 아연 및 수산화 나트륨 중에서 선택된 염을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
  18. 방전 시에 능동 물질은, 제 1 온도에서는, 휘발성 액체의 증기 상을 흡수하여 방전된 능동 물질을 액체 상태 또는 액상으로 생성하도록 형성되고, 충전 시에는 제 2 온도에서 휘발성 액체의 증기 상을 탈착하여 충전된 능동 물질을 고체 상태로 생성하도록 형성되는데, 상기 증기 상은 응축된 액체를 생성하도록 개별적으로 응축되어, 충전된 능동 물질에 의해 흡수되도록 하는 냉각 및/또는 가열 방법에 있어서,
    상기 충전된 능동 물질은 상기 방전된 능동 물질에서 분리되는데, 상기 방전된 능동 물질은 열 교환 표면 및 충전된 능동 물질에 걸쳐 분산되는 것을 특징으로 하는 냉각 및/또는 가열 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 능동 물질에 의해 휘발성 액체를 흡수 또는 탈착할 시에, 액체 상태 또는 액상으로 존재하는 능동 물질의 부분은 고체 상태로 존재하는 능동 물질의 부분과 접촉하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 및/또는 가열 방법.
  20. 능동 물질 및 휘발성 액체를 포함하는데, 그의 증기 상은 방전 시에 방전된 능동 물질을 생성시키도록 제 1 온도에서 능동 물질에 의해 흡수되고, 충전 시에는충전된 능동 물질을 생성시키도록 제 2 고온에서 능동 물질에 의해 탈착되는 화학 열 펌프로서, 상기 능동 물질은 제 2 온도에서 액체 상태를 가지거나 액상으로 존재하며, 상기 능동 물질에 의해 탈착된 후에 충전 시의 휘발성 액체의 증기 상은 액상으로 응축되고, 휘발성 액체의 액상은 방전 단계에서 능동 물질이 증기 상을흡수할 동안 증기 상으로 변환되는 화학 열 펌프에 있어서,
    제 1 스페이스 및 제 2 스페이스는 서로 유체 연결 상태로 제 1 도관을 통하고, 제 3 스페이스 및 제 4 스페이스는 서로 유체 연결 상태로 제 2 도관을 통하는데, 상기 제 1 스페이스는 충전된 능동 물질을 생성시키도록 제 2 온도에서 증기 상을 탈착하는 능동 물질을 포함하고, 상기 제 2 스페이스는 상기 증기 상으로부터 응축된 휘발성 액체를 포함하며, 상기 제 3 스페이스는 상기 제 1 스페이스로부터 제 2 온도를 가져, 이를 제 1 온도로 냉각시키는 능동 물질을 간헐적으로 수납하도록 배치되고, 상기 제 4 스페이스는 상기 제 2 스페이스로부터 액상의 휘발성 액체를 간헐적으로 수신하도록 배치되어, 상기 액상의 수납된 휘발성 액체를 증발되게 하여, 제 3 스페이스에서 충전된 능동 물질과 평행 상태로 증기를 생성시키며, 제 3 스페이스에서의 충전된 능동 물질은 증기를 흡수하여 방전된 능동 물질을 생성시키고, 방전된 능동 물질은 제 1 스페이스로 간헐적으로 이동되어 충전된 능동 물질이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 화학 열 펌프.
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