KR20100080552A - Non-vacuum absorption refrigeration - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 대체로 흡수 냉동의 분야에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 진공을 요구하지 않고 증발기, 흡수기 및 농축기 기능을 수행하기 위해 멤브레인 증류(membrane distillation)를 사용하는 흡수 냉동 시스템에 관한 것이다.The present invention relates generally to the field of absorption refrigeration. More specifically, the present invention relates to an absorption refrigeration system using membrane distillation to perform evaporator, absorber and concentrator functions without requiring vacuum.
기본적인 흡수 사이클은 냉매 및 흡수제를 채용한다. 전형적으로, 물이 냉매로서 사용되고, 리튬 브롬화물/물 용액(LiBr/H2O)이 흡수제로서 사용된다. 이들 유체는 흡수 사이클 중에 분리 및 재결합된다.The basic absorption cycle employs a refrigerant and an absorbent. Typically, water is used as the refrigerant and lithium bromide / water solution (LiBr / H 2 O) is used as the absorbent. These fluids separate and recombine during the absorption cycle.
흡수 사이클에서, 냉매 증기가 흡수제 내로 흡수되고, 그에 의해 대량의 열을 방출한다. 희석된(묽은) 흡수제 용액의 농도는 55 중량% 이상일 수 있다. 묽은 흡수제 용액은 고온 보일러로 펌핑된다. 가해진 열은 묽은 흡수제 내의 냉매가 흡수제로부터 방출되어 증발되게 한다. 증기는 열이 방출되는 응축기로 유동되고, 액체로 응축된다. 액체는 증발기 내의 저압부로 계량되어 유입되며, 이러한 저압부에서 액체가 열을 흡수함으로써 증발되어 유용한 냉각을 제공한다. 보일러 내의 잔여 액체 흡수제는 증발기로부터 복귀되는 냉매 증기와 재결합하여 사이클이 반복될 수 있다.In the absorption cycle, refrigerant vapor is absorbed into the absorbent, thereby releasing a large amount of heat. The concentration of the diluted (dilute) absorbent solution may be at least 55% by weight. The dilute absorbent solution is pumped into the hot boiler. The heat applied causes refrigerant in the dilute absorbent to be released from the absorbent and evaporated. The steam flows to a condenser where heat is released and condenses into a liquid. The liquid is metered into the low pressure section in the evaporator, where the liquid is evaporated by absorbing heat to provide useful cooling. The residual liquid absorbent in the boiler may be recombined with the refrigerant vapor returned from the evaporator and the cycle may be repeated.
흡수 공정은 고진공 하에서 동작된다. 예컨대, 5℃(41 ˚F)에서의 물의 포화 증기압에 해당하는 0.85 ㎪(6.35 ㎜Hg)의 진공이 증발기/흡수기 섹션에서 사용된다. 46℃(115 ˚F)에서의 물의 포화 응축 압력에 해당하는 10.2 ㎪(76.2 ㎜Hg)의 진공이 보일러 및 응축기 섹션에서 사용된다. 이들 2개의 주위 압력-이하의 압력(sub-ambient pressure)이 보일러/응축기 및 증발기/흡수기 형태의 설계를 갖는 흡수 사이클을 유지하는 데 사용되어야 한다.The absorption process is operated under high vacuum. For example, a vacuum of 0.85 kPa (6.35 mmHg), corresponding to the saturated vapor pressure of water at 5 ° C. (41 ° F.), is used in the evaporator / absorber section. A vacuum of 10.2 kPa (76.2 mmHg), corresponding to the saturated condensation pressure of water at 46 ° C (115 ° F), is used in the boiler and condenser sections. These two sub-ambient pressures should be used to maintain an absorption cycle with a design in the form of a boiler / condenser and an evaporator / absorber.
증발기/흡수기 및 보일러/응축기 섹션이 진공 내에서 동작되기 때문에, 이들은 고압 및 기밀 설계를 요구한다. 두꺼운 금속 벽이 용기 섹션 상의 외부 압력을 견디는 데 필요하다. 그러나, 흡수제 용액은 금속에 대해 상당히 부식성이다. 억제제 약품(inhibitor chemical)이 부식을 제어하는 데 사용된다. 흡수제 용액 내에서의 알칼리성 및 억제제 약품 농도에 대한 주기적인 화학적 분석이 흡수 냉각기의 정상 동작을 유지하는 데 요구된다.Since the evaporator / absorber and boiler / condenser sections are operated in a vacuum, they require a high pressure and hermetic design. Thick metal walls are needed to withstand the external pressure on the vessel section. However, the absorbent solution is quite corrosive to metals. Inhibitor chemicals are used to control corrosion. Periodic chemical analysis of alkaline and inhibitor drug concentrations in the absorbent solution is required to maintain normal operation of the absorption chiller.
본 발명자들은 증발기 및 흡수기 그리고 보일러 및 응축기 기능을 수행하기 위해 멤브레인 증류를 사용하여 진공 없이 동작되는 흡수 냉동 시스템을 갖는 것이 바람직할 것이라는 것을 발견하였다. 진공의 부재는 저압의 저렴한 내식성 배관 및 용기의 사용을 가능하게 하고 이는 부식에 민감한 용기 및 배관에 관련한 정비 수요를 감소시킨다. 또한 플라스틱 같은 내식성 재료의 사용은 총 시스템 중량을 감소시킨다.The inventors have found that it would be desirable to have an absorption refrigeration system operated without vacuum using membrane distillation to perform evaporator and absorber and boiler and condenser functions. The absence of a vacuum enables the use of low pressure, low cost corrosion resistant tubing and vessels, which reduces the maintenance requirements associated with corrosion sensitive vessels and tubing. The use of corrosion resistant materials such as plastics also reduces the total system weight.
본 발명의 하나의 태양에 따른 비-진공식 흡수 냉동 시스템은, 냉매 유체를 냉각시켜 냉매 증기를 발생시키고, 흡수 용액을 운반하여 냉매 증기를 흡수하고, 그에 의해 냉매-흡수(묽은) 용액을 생성시키는 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)와; 묽은 용액으로부터 냉매를 제거하고, 그에 의해 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)를 위해 농축된 흡수 용액을 제공하는 멤브레인 접촉기(농축기)를 포함한다.A non-vacuum absorption refrigeration system according to one aspect of the present invention cools a refrigerant fluid to generate refrigerant vapor, carries an absorption solution to absorb refrigerant vapor, thereby producing a refrigerant-absorbing (dilute) solution. A membrane contactor (evaporator / absorber); A membrane contactor (concentrator) which removes the refrigerant from the dilute solution and thereby provides a concentrated absorbent solution for the membrane contactor (evaporator / absorber).
또 다른 태양의 비-진공식 흡수 냉동 시스템에서, 비-부식성 재료가 시스템 배관 및 용기 구성을 위해 사용된다.In another aspect of the non-vacuum absorption refrigeration system, non-corrosive materials are used for system piping and vessel construction.
또 다른 태양의 비-진공식 흡수 냉동 시스템에서, 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기) 및 멤브레인 접촉기(농축기)는 직접 접촉 멤브레인 증류, 공기 간극 멤브레인 증류, 운반 가스(sweep gas) 멤브레인 증류 및 진공 멤브레인 증류를 포함하는 멤브레인 증류를 위해 설계 및 동작된다.In another embodiment of the non-vacuum absorption refrigeration system, the membrane contactor (evaporator / absorber) and the membrane contactor (concentrator) are used for direct contact membrane distillation, air gap membrane distillation, sweep gas membrane distillation and vacuum membrane distillation. It is designed and operated for including membrane distillation.
또 다른 태양의 비-진공식 흡수 냉동 시스템에서, 멤브레인 접촉기는 소수성의 내부 및 외부 표면을 갖는 미소공성 멤브레인을 포함한다.In another aspect of the non-vacuum absorption refrigeration system, the membrane contactor comprises a microporous membrane having a hydrophobic inner and outer surface.
또 다른 태양의 비-진공식 흡수 냉동 시스템에서, 공극 크기 및 소수성은 흡수제 용액 및 냉매가 멤브레인 공극을 관통하지 않도록 되어 있다.In another embodiment of the non-vacuum absorption refrigeration system, the pore size and hydrophobicity are such that the absorbent solution and refrigerant do not penetrate the membrane pores.
또 다른 태양의 비-진공식 흡수 냉동 시스템에서, 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)의 열 효율(ηA)은 50% 초과이다.In another embodiment of the non-vacuum absorption refrigeration system, the thermal efficiency (η A ) of the membrane contactor (evaporator / absorber) is greater than 50%.
본 발명의 또 다른 태양은 비-진공식 흡수 냉동을 위한 방법을 제공한다. 본 발명의 이러한 태양에 따른 방법은, 냉매 유체 유동에 냉매를 첨가하는 단계와; 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)를 통해 농축된 흡수제 용액 및 냉매 유체 유동을 순환시키는 단계와; 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기) 내에서 냉매 증기를 발생시켜 냉매 유체 유동을 냉각시키는 단계와; 냉매 증기를 흡수하고 그에 의해 냉매-흡수(묽은) 용액을 생성시키는 단계와; 멤브레인 접촉기(농축기)를 통해 묽은 용액 및 냉매를 순환시키는 단계와; 멤브레인 접촉기(농축기) 내에서 묽은 용액으로부터 냉매 증기를 발생시키는 단계와; 냉매 내로 냉매 증기를 흡수하는 단계와; 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)를 위해 농축된 흡수제 용액을 제공하고 이 용액을 냉각시키는 단계를 포함한다.Another aspect of the invention provides a method for non-vacuum absorption refrigeration. A method according to this aspect of the invention comprises the steps of adding a refrigerant to a refrigerant fluid flow; Circulating a concentrated absorbent solution and refrigerant fluid flow through a membrane contactor (evaporator / absorber); Generating refrigerant vapor in the membrane contactor (evaporator / absorber) to cool the refrigerant fluid flow; Absorbing the refrigerant vapor thereby producing a refrigerant-absorbing (dilute) solution; Circulating the dilute solution and refrigerant through a membrane contactor (concentrator); Generating refrigerant vapor from the dilute solution in a membrane contactor (concentrator); Absorbing refrigerant vapor into the refrigerant; Providing a concentrated absorbent solution for the membrane contactor (evaporator / absorber) and cooling the solution.
본 발명의 1개 이상의 실시예의 세부 사항이 첨부 도면 그리고 아래의 상세한 설명 내에 기재되어 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점이 상세한 설명 및 도면으로부터 그리고 특허청구범위로부터 명확해질 것이다.The details of one or more embodiments of the invention are set forth in the accompanying drawings and the description below. Other features, objects, and advantages of the invention will be apparent from the description and drawings, and from the claims.
도 1은 예시의 흡수 냉동 기계이다.
도 2는 멤브레인 증류를 사용하는 예시의 비-진공식 흡수 냉동 시스템이다.
도 3은 예시의 미소공성 멤브레인 접촉기이다.
도 4는 다공질 소수성 중합체 멤브레인 벽 내에서 일어나는 증기 교환의 단면도이다.
도 5는 다른 섬유를 갖는 부분 튜브-외피 증발기/흡수기 장치 내에서의 단일의 미소공성 멤브레인 단면의 현미경 사진이다.
도 6은 도 5에 도시된 유사한 미소공성 멤브레인의 벽의 단면의 현미경 사진이다.1 is an exemplary absorption refrigeration machine.
2 is an exemplary non-vacuum absorption refrigeration system using membrane distillation.
3 is an exemplary microporous membrane contactor.
4 is a cross-sectional view of vapor exchange taking place within the porous hydrophobic polymer membrane wall.
5 is a micrograph of a single microporous membrane cross section in a partial tube-envelope evaporator / absorber device with different fibers.
FIG. 6 is a micrograph of a cross section of the wall of the similar microporous membrane shown in FIG. 5.
본 발명의 실시예가 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이며, 이러한 첨부 도면에서 동일한 부면 부호가 도면 전체에 걸쳐 동일한 요소를 나타낸다. 본 발명의 실시예가 상세하게 설명되기 전에, 본 발명은 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시되어 있는 예의 세부 사항에 대한 그 적용 면에서 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하고, 다양한 적용 분야에서 그리고 다양한 방식으로 실시 또는 수행될 수 있다. 또한, 여기에서 사용되는 용어(phraseology and terminology)는 설명의 목적을 위한 것이고 제한으로서 간주되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다. 여기에서의 "포함하는(including)", "구성되는(comprising)" 또는 "갖는(having)" 그리고 그 파생어의 사용은 그 후에 나열되는 항목 및 그 등가물 그리고 추가의 항목을 망라하는 것으로 의도된다. 용어 "장착되는(mounted)", "연결되는(connected)" 및 "결합되는(coupled)"은 넓은 의미로 사용되고, 직접 및 간접 장착, 연결 그리고 결합의 모두를 망라한다. 추가로, "연결되는(connected)" 및 "결합되는(coupled)"은 물리적 또는 기계적 연결 또는 결합으로 제한되지 않는다.Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals designate like elements throughout the drawings. Before embodiments of the present invention are described in detail, it should be understood that the present invention is not limited in its application to the details of examples described in the following detailed description or illustrated in the drawings. The invention is capable of other embodiments and of being practiced or carried out in various applications and in various ways. Also, it is to be understood that the phraseology and terminology used herein is for the purpose of description and should not be regarded as limiting. The use of "including", "comprising" or "having" and derivatives thereof herein is intended to encompass the items listed thereafter and their equivalents and additional items. The terms "mounted", "connected" and "coupled" are used in a broad sense and encompass both direct and indirect mounting, connection and coupling. In addition, “connected” and “coupled” are not limited to physical or mechanical connections or couplings.
배경으로서, 흡수 냉동은 압축 냉동과 상이한 공정이다. 흡수 공정은 전력 또는 샤프트 동력 대신에 구동력으로서 열을 사용한다.As background, absorption refrigeration is a different process than compression refrigeration. Absorption processes use heat as driving force instead of power or shaft power.
도 1은 단순화된 흡수 냉각기 기계(101)를 도시하고 있다. 이 기계(101)는 증발 섹션(103) 및 흡수 섹션(105)을 포함한다.1 shows a simplified
이러한 예에서의 냉매(107)는 증발기 섹션(103) 내로 계량되어 유입되는 물이다. 냉매 순환 펌프(109)가 냉각된 물의 튜브 다발(113) 위에 분무되도록 분무 헤드(111)를 통해 물을 순환시킨다. 이것은 냉각수 시스템으로부터 순환되는 물이 통과하는 튜브 다발(113)을 침윤시킨다. 냉각수 시스템(113)으로부터의 열은 냉매(107)를 증발시켜 도면 부호 115로 개략적으로 도시된 수증기를 생성시킨다. 물은 계속하여 증발되므로 보충되어야 한다.The
흡수 섹션(105)에서, 흡수제(LiBr) 용액(117)은 증발기 섹션(103)으로부터 증발된 물보다 낮은 증기압을 갖고, 용액(117) 내로 수증기(115)를 용이하게 흡수한다. LiBr 용액(117)은 더 큰 표면적을 용액에 제공하여 수증기(115)를 유인하기 위해 분무 헤드(121)를 통해 LiBr 용액 순환 펌프(119)를 거쳐 재순환된다. 용액(117)이 물을 흡수함에 따라, 용액(117)이 희석된다. 물이 제거되지 않으면, 용액(117)은 더 이상 어떠한 유인 잠재력도 갖지 않고 흡수 공정이 정지될 정도로 희석될 것이다. 또 다른 펌프(123)가 용액(117)의 일부를 계속하여 제거하고, 농축기(125)로 용액(117)의 일부를 펌핑한다. 농축기(125)로 펌핑된 용액은 증발기(105)로부터 흡수된 물을 함유하기 때문에 묽은 용액으로서 호칭된다.In the
농축기(발생기)(125)는 보일러(127) 및 응축기(129)를 포함한다. 보일러(127)는 증기 또는 고온의 물(131) 중 어느 한쪽일 수 있는 열원을 요구한다. 응축기(129)는 대개 냉각 타워 시스템(133)으로부터의 냉각수의 스트림을 요구한다. 묽은 용액은 농축기(125) 내로 펌핑되며, 이러한 농축기(125) 내에서 묽은 용액이 비등된다. 비등 작용은 흡수제 용액을 남긴 상태로 물을 증기로 변화시키고, 수증기가 응축기 코일(129)로 유인된다. 물은 수집되어 오리피스(135)를 통해 증발기 섹션(103)으로 재차 계량되어 유입되는 액체로 응축된다. 흡수제 용액은 농축된 흡수제 용액(137)이 되고, 흡수제 펌프(119)에 의한 순환을 위해 흡수 섹션(105)으로 라인(139)을 통해 재차 배수된다.Thickener (generator) 125 includes a
흡수 공정(101)은 유일한 가동 부분이 펌프 모터 및 펌프 임펠러라는 것을 고려하면 간단하다. 흡수 냉각기는 단일-단계 설계보다 효율적인 흡수 기계를 가져오는 1개 초과의 단계를 포함할 수 있다.The
도 2는 진공 하에서 동작되지 않으므로 배관 및 용기를 위해 비-부식성 재료를 사용할 수 있는 비-진공식 흡수 냉동 시스템(201)을 도시하고 있다. 이 시스템(201)은 농축기(125)에서 사용되는 보일러(127) 및 응축기(129) 그리고 증발기(103) 및 흡수기(105)를 대체하기 위해 멤브레인 증류를 사용한다. 멤브레인 증류는 저온의 열을 채용하여 멤브레인 접촉기의 일측으로부터 물을 증발시키고, 멤브레인 접촉기의 타측 상의 수증기를 응축시킨다. 증발로 인해, 멤브레인 증류는 물을 냉각시킬 수 있다. 이 시스템(201)은 멤브레인 접촉기(농축기)(203) 및 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)를 사용한다.FIG. 2 illustrates a non-vacuum
멤브레인 접촉기는 액체가 멤브레인을 통과하지 않고도 2개의 상이한 액체와 접촉되는 멤브레인의 2개의 측면들 사이에서의 냉매 증기 운반을 가능케 하는 장치이다.Membrane contactors are devices that enable the transport of refrigerant vapor between two sides of the membrane where the liquid is in contact with two different liquids without passing through the membrane.
냉매(207) 순환 루프는 냉매 순환 펌프(209), 냉매 열 교환기(냉매 냉각기)(211), 계량 오리피스(213) 및 멤브레인 접촉기(농축기)(203) 튜브측에 의해 형성된다. 흡수제 용액(215) 순환 루프는 흡수제 용액 순환 펌프(217), 1차의 흡수제 용액 열 교환기(복열기)(219), 묽은 흡수제 용액 가열기(221), 멤브레인 접촉기(농축기)(203) 외피측, 2차의 흡수제 용액 열 교환기(복열기)(219), 1차의 또 다른 흡수제 용액 열 교환기(용액 냉각기)(223) 그리고 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205) 외피측에 의해 형성된다. 외피측 또는 튜브측은 어떠한 기능의 손실 없이 교환될 수 있다. 복열기는 시스템 효율을 증가시키기 위해 희석된 저온 흡수제 용액(231)으로써 고온 흡수제 용액(241)으로부터의 열을 회수하는 데 사용된다. 예시의 실시예에서 사용된 흡수제 용액은 LiBr/H2O이지만, 다른 흡수제가 사용될 수 있다. 예시의 실시예에서 사용된 냉매는 물이지만, 다른 냉매가 사용될 수 있다.The refrigerant 207 circulation loop is formed by the
(냉각 목적을 위해 사용될) 또 다른 냉매 유동(225)이 계량된 냉매 유동(227)과 결합되어 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)에 의해 냉각될 냉매 유동(229)을 생성시킨다. 냉매 유동(229)은 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205) 튜브측에 결합된다. 본 발명은 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205) 내에서 냉매 유동(229)을 냉각시키고 멤브레인 접촉기(농축기)(203)에 의해 가열된 묽은 흡수제 용액(237)을 농축하기 위해 멤브레인 증류를 사용한다.Another refrigerant flow 225 (to be used for cooling purposes) is combined with the metered
열이 멤브레인 접촉기(205)의 튜브측을 통해 유동되는 유체(229)로부터 냉매(207)의 증발을 통해 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)를 통해 유동되는 냉매 유체(229)로부터 제거된다. 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205) 외피측에서, 흡수제 용액(215)은 멤브레인의 튜브측 상의 냉매 유체(229)보다 낮은 증기압을 갖는다. 흡수제 용액(215)은 멤브레인 공극을 통해 운반된 냉매 유체(229)의 증기를 흡수한다. 이 흡수는 멤브레인 접촉기 내부측의 냉매 유체(229)의 더 큰 증발을 유도한다.Heat is removed from the
유사하게, 농축기 내의 외피측으로부터의 냉매 증기압이 농축기 내의 튜브측 상의 냉매보다 높도록 된 온도까지 희석된 흡수제 용액이 가열될 때에, 냉매 증기가 흡수제 용액측으로부터 냉매측으로 운반될 것이다. 흡수제 용액은 냉매를 느슨하게 하고, 농축된다.Similarly, when the absorbent solution diluted to a temperature such that the refrigerant vapor pressure from the skin side in the concentrator is higher than the refrigerant on the tube side in the concentrator, the refrigerant vapor will be transported from the absorbent solution side to the refrigerant side. The absorbent solution loosens the refrigerant and concentrates.
도 3은 멤브레인 접촉기(농축기)(203) 및 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)를 위해 사용될 수 있는 전형적인 멤브레인 접촉기(301) 구성의 절결도이다. 멤브레인 접촉기(301)는 소수성 미소공성 멤브레인으로 구성된 튜브가 배열되는 튜브-외피 교환기와 유사한 구성을 갖고, 그에 의해 하나의 유체가 유동되는 입력 및 출력 튜브측 단부(303, 305)가 결합되고, 또 다른 유체가 외피 입력부 및 출력부(307, 309)를 통해 튜브를 거쳐 유동된다. 미소공성 멤브레인의 표면은 소수성이므로, 멤브레인은 액체 물 또는 LiBr/H2O 용액이 멤브레인의 양쪽 측면으로 공극을 통과하게 하지 않을 것이다. 접촉기[(농축기) 및 (증발기/흡수기)]의 양쪽 모두 내의 미소공성 멤브레인은 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 순수의 표면 장력보다 낮은 표면 에너지를 갖는 다른 재료로 제작될 수 있다. 또는, 재료 또는 재료들로 제작된 멤브레인은 순수 또는 냉매의 표면 장력보다 낮은 표면 에너지를 갖는다.3 is a cutaway view of a
도 4는 멤브레인 접촉기[(농축기)(203) 및 (증발기/흡수기)(205)] 내의 멤브레인 벽(401)의 단면도이다. 멤브레인 벽(401)은 멤브레인(403) 및 미소공성 외피(405)를 포함한다. 멤브레인 표면(407)은 소수성이다. 공극(409)에는 가스가 충전되고, 2개의 계면 즉 액체 냉매 및 냉매 증기 계면(411) 그리고 액체 흡수제 용액 및 냉매 증기 계면(413)을 형성한다. 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)에서, 흡수제 용액(245)이 튜브 위(외피측)에서 유동되고, 냉매 유체(229)가 튜브 내(튜브측)에서 유동된다. 멤브레인 접촉기(농축기)(203)에서, 고온 흡수제 용액(237)이 튜브 위(외피측)에서 유동되고, 저온 냉매(207)가 튜브 내(튜브측)에서 유동된다.4 is a cross-sectional view of the
도 5는 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205) 내의 하나의 중공 섬유 튜브의 예시의 단면도이다. 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)에서, 저온 흡수제 용액(245)은 외피측에서 중공 섬유 튜브를 횡단하여 유동되는 것으로 도시되어 있다. 냉매 유체(229)는 각각의 중공 섬유 내에서 유동되는 것으로 도시되어 있다. 도 6은 도 5에 도시된 중공 섬유 벽의 확대도이며, 여기에는 외부측보다 큰 수증기압을 갖는 용액에 대한 증발로부터 응축으로의 전이가 도시되어 있다.5 is a cross-sectional view of an example of one hollow fiber tube in membrane contactor (evaporator / absorber) 205. In the membrane contactor (evaporator / absorber) 205, the cold
미소공성 멤브레인은 약 0.1 내지 0.6 ㎛의 범위 내의 공극 크기 그리고 50% 초과의 공극률을 갖는다. 멤브레인은 흡수제 용액 및 냉매 유체의 2개의 상태 사이의 배리어로서 작용한다. 멤브레인의 표면 에너지는 흡수제 용액의 표면 장력 또는 냉매 유체의 표면 장력 중 더 낮은 것보다 충분히 낮다. 멤브레인은 공정 파라미터와 연계하여 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205) 내의 냉매 유체(229)로부터의 냉매 그리고 멤브레인 접촉기(농축기)(203) 내의 묽은 흡수제 용액(237)으로부터의 냉매를 증발시킨다. 멤브레인은 냉매 증기가 멤브레인을 통해 전달되게 한다. 구동력은 멤브레인을 횡단한 증기압 차이이다.The microporous membrane has a pore size in the range of about 0.1 to 0.6 μm and a porosity greater than 50%. The membrane acts as a barrier between the two states of the absorbent solution and the refrigerant fluid. The surface energy of the membrane is sufficiently lower than either the surface tension of the absorbent solution or the surface tension of the refrigerant fluid. The membrane evaporates the refrigerant from the
멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205) 튜브측 상에서, 냉매 유체(229)로부터의 냉매가 멤브레인 공극의 입구 근처에 형성되는 메니스커스(meniscus)로부터 증발될 것이다(도 4). 증기는 외피측으로 멤브레인 공극을 통해 운반될 것이다. 수증기는 외피측 상의 멤브레인 공극 입구 근처의 흡수제 용액 메니스커스에 의해 흡수된다.On the tube contactor (evaporator / absorber) 205 tube side, the refrigerant from the
냉매 증기압 차이가 멤브레인 증류에서의 구동력이기 때문에, 증발 및 흡수가 진공 없이 지속될 수 있다. 큰 접촉 면적과 결합된 이러한 표면 증발은 중공 섬유 멤브레인 접촉기를 사용하여 성취된다. 냉매 흡수는 증발을 통해 냉각된 냉매 유체(229)를 생성시키기 위해 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205) 외피측 내의 농축된 흡수제에 의해 그리고 묽은 흡수제 용액(237)을 농축하기 위해 멤브레인 접촉기(농축기)(203) 내의 튜브측 상에서 유동되는 더 저온의 물에 의해 지속될 수 있다.Since the refrigerant vapor pressure difference is the driving force in the membrane distillation, evaporation and absorption can be continued without vacuum. This surface evaporation combined with a large contact area is achieved using hollow fiber membrane contactors. Refrigerant absorption is effected by concentrated absorbent in the membrane contactor (evaporator / absorber) 205 shell side to produce cooled
저온의 농축된 흡수제 용액(245)은 56.8 중량% 농도 그리고 그에 대응하는 예컨대 흡수제 용액측 상의 멤브레인 접촉기(205)의 입구에서의 0.31℃(31.44℉)에서의 0.57 ㎪(4.3 ㎜Hg)의 냉매 증기압 vp증발기/흡수제를 가질 수 있다. 이러한 증기압은 멤브레인 접촉기(205)의 냉매 출구에서의 7.22℃(45℉)에서의 냉매 유체(229)의 증기압인 0.95 ㎪(7.1 ㎜Hg)보다 낮다. 멤브레인 접촉기(205)를 통과한 후에, 농축된 흡수제 용액이 56%까지 희석되고, 온도가 8.27℃(46.9℉)까지 상승된다. 멤브레인 접촉기(205)의 흡수제 용액의 출구에서, 냉매 증기압은 멤브레인 접촉기(205)의 냉매측의 입구에서 12.77℃(55℉)에서 1.51 ㎪(11.3 ㎜Hg)인 냉매 유체(229)로부터의 냉매 증기압보다 낮은 1.48 ㎪(11.1 ㎜Hg)이다. 이러한 증기압 차이는 멤브레인 접촉기(205) 내부측의 흡수제 용액(245)에 의한 냉매 유체(229)로부터의 냉매 증기의 흡수를 보증한다.The low temperature concentrated
멤브레인 접촉기(205) 내의 냉매 유체(229) 온도 t˚증발기/냉매-유체는 냉매 증기압 vp증발기/냉매-유체를 결정한다. 냉매 유체(229)를 냉각시키기 위해, 냉매 유체(229)의 증기압은 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205) 내의 흡수제 용액(245)의 증기압보다 높아야 한다.The
vp증발기/냉매-유체 > vp증발기/흡수제 (1)vp Evaporator / Refrigerant-Fluid > vp Evaporator / Absorbent (1)
흡수제 용액의 중량% 농도가 알려져 있고, 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205) 내에서의 중량% 농도 및 용액 온도 t˚증발기/흡수제를 사용하여, 흡수제 용액 증기압 vp증발기/흡수제가 구해질 수 있다. 온도 및 농도로부터 증기압으로의 변환은 수학식 또는 메모리 검색 테이블 중 어느 한쪽을 사용하여 수행될 수 있다.The weight percent concentration of the absorbent solution is known, and using the weight percent concentration in the membrane contactor (evaporator / absorber) 205 and the solution temperature t ° evaporator / absorbent , the absorbent solution vapor pressure vp evaporator / absorbent can be obtained. . The conversion from temperature and concentration to vapor pressure can be performed using either an equation or a memory lookup table.
흡수제 용액 냉각기(223)는 주어진 용량의 흡수 냉동 시스템에 대한 소정 증기압 vp증발기/흡수제에 대응하는 소정 온도 t˚증발기/흡수제로 흡수제 용액(245)을 출력하도록 구성되고, 그에 의해 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)가 그 용량까지 기능하는 것을 보증한다. 시스템 변화가 일어나고 증기압 관계 (1)이 충족되지 않으면, 흡수제 용액 냉각기(223)는 예컨대 흡수제 용액 온도 t˚증발기/흡수제가 하강되고 그에 따라 흡수제 용액 증기압 vp증발기/흡수제를 하강시키도록 자동 온도 조절 방식으로 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 관계 (1)은 임의의 시스템 변화에도 유지될 것이다.The absorbent solution cooler 223 is configured to output the
흡수제 용액(231)이 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205) 외피측을 통과한 후에, 흡수제 용액(231)의 농도는 흡수제 용액(245)이 냉매 유체(229)로부터 냉매를 흡수한 것으로 인해 흡수제 용액(245)보다 낮고, 그에 의해 그 흡수 용량을 감소시킨다. 흡수제 용액(245)은 희석된 흡수제 용액(231)이 되고, 이러한 흡수제 용액(231)은 묽은 흡수제 용액으로서 호칭된다.After the
묽은 흡수제 용액(231)은 더 고온의 농축된 흡수제 용액(241)에 의해 묽은 용액(231)을 예열하는 흡수제 복열기(219)로 순환된다. 복열기(219)에 의해 출력된 예열된 묽은 용액(233)은 묽은 용액 가열기(221) 내에서 가열된다. 묽은 용액 가열기(221)는 고온의 물 또는 증기 공급원(235)을 사용하여 약 95℃(203℉)까지 가열된다. 가열된 묽은 흡수제 용액(237)은 멤브레인 접촉기(농축기)(203) 외피측으로 입력된다.The dilute
고온의 묽은 흡수제 용액(237)은 56 중량% 농도 그리고 그에 대응하는 예컨대 95℃(203℉)에서의 16.67 ㎪(125 ㎜Hg)의 증기압 vp농축기/묽은 용액을 가질 수 있다. 묽은 흡수제 용액(237)의 증기압은 예컨대 냉매 냉각기(211)를 통과한 후에 36℃(96.8℉)에서 13.20 ㎪(99 ㎜Hg)일 수 있는 냉매(239) 증기압 vp농축기/냉매보다 높아야 한다.The hot dilute
증기압 차이는 멤브레인 공극을 통한 증기 운반을 구동시킨다. 멤브레인의 묽은 흡수제 용액측은 멤브레인의 냉매측 상의 냉매보다 높은 증기압을 발생시킬 정도로 충분히 높은 온도에 있다.The vapor pressure difference drives the vapor transport through the membrane pores. The dilute absorbent solution side of the membrane is at a temperature high enough to generate a higher vapor pressure than the refrigerant on the refrigerant side of the membrane.
멤브레인 접촉기(203) 내의 냉매 온도 t˚농축기/냉매는 냉매 증기압 vp농축기/냉매를 결정한다. 묽은 흡수제 용액을 농축하기 위해, 묽은 흡수제 용액의 증기압은 멤브레인 접촉기(203) 내의 냉매의 증기압보다 높아야 한다.The refrigerant temperature t ° concentrator / refrigerant in the
vp농축기/묽은 용액 > vp농축기/냉매 (2)vp thickener / dilute solution > vp thickener / refrigerant (2)
묽은 흡수제 용액(237)의 중량% 농도가 알려져 있고, 멤브레인 접촉기(203) 내에서의 중량% 농도 및 묽은 용액 온도 t˚농축기/묽은 용액을 사용하여, 묽은 용액 증기압 vp농축기/묽은 용액이 구해질 수 있다. 온도 및 농도로부터 증기압으로의 변환은 수학식 또는 메모리 검색 테이블 중 어느 한쪽을 사용하여 수행될 수 있다.The weight percent concentration of the dilute
묽은 용액 가열기(221) 및 냉매 냉각기(211)는 주어진 용량의 흡수 냉동 시스템에 대한 소정 증기압 vp농축기/묽은 용액 및 vp농축기/냉매에 대응하는 소정 온도 t˚농축기/묽은 용액 및 t˚농축기/냉매로 묽은 용액(237) 그리고 저온 냉매(239)를 출력하도록 구성되고, 그에 의해 멤브레인 접촉기(농축기)(203)가 그 용량까지 기능하는 것을 보증한다. 시스템 변화가 일어나고 증기압 관계 (1)가 충족되지 않으면, 묽은 용액 가열기(221)는 예컨대 묽은 용액 온도 t˚농축기/묽은 용액이 상승되고 그에 따라 묽은 흡수제 용액 증기압 vp농축기/묽은 용액을 상승시키도록 자동 온도 조절 방식으로 제어될 수 있다. 역으로, 관계 (1)가 충족되지 않으면, 냉매 냉각기(211)는 예컨대 냉매 t˚농축기/냉매가 하강되고 그에 따라 냉매 증기압 vp농축기/냉매를 하강시키도록 자동 온도 조절 방식으로 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 관계 (1)는 임의의 시스템 변화에도 유지될 것이다. 묽은 용액 가열기(221) 및 냉매 냉각기(211)의 양쪽 모두를 제어하는 제어 장치가 제공될 수 있다.The
멤브레인 접촉기(농축기)(203)를 통과한 후의 묽은 흡수제 용액은 농축된 흡수제 용액(241)이 되고, 그에 의해 그 흡수 용량을 회복한다. 흡수제 용액(241)은 흡수제 용액 복열기(219)를 통해 흡수제 용액 순환 펌프(217)에 의해 순환되며, 이러한 복열기(219) 내에서 흡수제 용액이 예냉되고(243) 그 다음에 흡수제 용액 냉각기(223)에 통과됨으로써, 흡수제 용액 사이클이 완료된다.The dilute absorbent solution after passing through the membrane contactor (concentrator) 203 becomes a concentrated
냉매 펌프(209)는 냉각 타워의 물(243)에 의해 냉각되는 냉각기(211)를 통해 냉매(239)를 순환시킨다. 냉각된 냉매(238)의 일부가 멤브레인 접촉기(203)에 통과되며, 냉매의 잔여부가 증발기/흡수기(205)로 보내진다.The
이해될 수 있는 것과 같이, [멤브레인 접촉기(205)에 의한] 흡수 용액(231) 순환 루프 내로 흡수 용액(245)에 의해 흡수되는 냉매 유체(229) 내의 냉매는 [멤브레인 접촉기(203)에 의한] 냉매(207) 순환 루프로 재차 복귀된다. 일어날 수 있는 냉매(207) 손실이 (도시되지 않은) 헤드 또는 저장 탱크를 사용하여 보충될 수 있다.As can be appreciated, the refrigerant in the
멤브레인 접촉기(203)는 외피측 내의 묽은 흡수제 용액(237)으로부터 물을 증발시키기 위해 낮은 온도의 열을 채용할 수 있고, 냉매(207)가 순환되는 튜브측 내의 증기를 응축시킨다. 가열된 냉매(239)는 냉각 타워의 물(243)을 사용하여 냉매 냉각 열 교환기(211)에 의해 냉각된다.The
본 발명의 멤브레인 접촉기를 사용한 비-진공식 흡수 냉동 시스템(201)은 높은 성능 계수(COP: coefficient of performance)를 성취할 수 있다. 시스템의 성능 계수는 흡수 사이클을 구동시키도록 공급된 열의 양에 대한 냉각의 양의 비율이다.Non-vacuum
비-진공식 흡수 냉동 시스템(201)은 증발기/흡수기(205) 및 농축기(203) 내에서 멤브레인 접촉기를 사용한다. 각각의 멤브레인 접촉기(203, 205)에 대한 열 효율(η)이 계산된다.Non-vacuum
멤브레인 접촉기(농축기)(203)에 대한 열 효율은 다음의 수학식과 같이 정의된다:The thermal efficiency for the membrane contactor (concentrator) 203 is defined by the following equation:
(3) (3)
여기에서, ηG는 멤브레인 접촉기(농축기)(203)의 열 효율이고, QHV는 흡수제 용액(237)으로부터의 물에 대한 증발 열이고, QCG는 농축기(203) 내의 멤브레인의 흡수제 용액측으로부터 농축기(203) 내의 멤브레인의 냉매측으로의 전도를 통한 열 손실이다.Where η G is the thermal efficiency of the membrane contactor (concentrator) 203, Q HV is the heat of evaporation for water from the
멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)에 대한 열 효율은 다음의 수학식과 같이 정의된다:The thermal efficiency for the membrane contactor (evaporator / absorber) 205 is defined by the following equation:
(4) (4)
여기에서, ηA는 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)의 열 효율이고, QHV는 냉매 유체(229)로부터의 물의 증발 열이고, QCA는 멤브레인 접촉기(205) 내의 멤브레인의 흡수제 용액측으로부터 멤브레인 접촉기(205) 내의 멤브레인의 냉매측으로의 열 손실이다.Where η A is the thermal efficiency of the membrane contactor (evaporator / absorber) 205, Q HV is the heat of evaporation of water from the
전도 열 QCA는 높은 열 효율을 갖도록 최대한 작아야 한다. QCG도 유사하다.The conduction heat Q CA should be as small as possible to have high thermal efficiency. Q CG is similar.
증발기/흡수기(205)에서, 냉매 유체(229)로부터의 냉매(207)의 증발은 냉각 작용을 제공한다. 그러나, 멤브레인의 저온 흡수제 용액(245)측 상에서의 냉매(207)의 응축은 흡수제 용액이 묽어짐에 따라 흡수제 용액을 가열한다. 증발기/흡수기(205) 멤브레인 재료는 그 단열 능력을 위해 선택되어야 한다.In the evaporator /
비-진공식 흡수 냉동 시스템(201)에 대한 성능 계수(COP)는 다음의 수학식으로서 유도될 수 있다:The coefficient of performance (COP) for the non-vacuum
(5) (5)
여기에서, ηA는 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)의 열 효율이고, ηG는 멤브레인 접촉기(농축기)(203)의 열 효율이고, F는 흡수제 용액(241)으로부터 흡수제 용액(233)으로의 흡수제 용액 복열기(219)를 통한 열 에너지 회수의 백분율이다.Where η A is the thermal efficiency of the membrane contactor (evaporator / absorber) 205, η G is the thermal efficiency of the membrane contactor (concentrator) 203, and F is the
수학식 (5)로부터 이해될 수 있는 것과 같이, 비-진공식 흡수 냉동 시스템(201)이 냉매 유체(229)를 냉각시키기 위해, 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)의 열 효율(ηA)은 50% 초과이어야 한다:As can be appreciated from equation (5), the thermal efficiency (η A ) of the membrane contactor (evaporator / absorber) 205 for the non-vacuum
ηA > 50% (6)η A > 50% (6)
멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)의 열 효율(ηA)이 50% 미만이면, 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205)는 냉매 유체(229)를 냉각시키지 않고 냉매 유체를 가열할 것이다. 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)(205) 내의 멤브레인 재료는 수학식 (6)을 충족시켜야 한다.If the thermal efficiency η A of the membrane contactor (evaporator / absorber) 205 is less than 50%, the membrane contactor (evaporator / absorber) 205 will heat the refrigerant fluid without cooling the
비-진공식 흡수 냉동 기계의 장점은 모든 금속 부품을 없애고 그에 따라 플라스틱 등의 비-부식성 재료를 사용함으로써 흡수제 용액의 부식 성질로 인한 부식을 없애는 것을 포함하며, 이러한 비-부식성 재료는 중량 및 크기를 또한 상당히 감소시킨다. 멤브레인 증류의 사용은 냉매로부터 흡수제 용액을 격리함으로써 기존의 문제점을 없앤다.Advantages of non-vacuum absorption refrigeration machines include eliminating corrosion due to the corrosive properties of the absorbent solution by eliminating all metal parts and thus using non-corrosive materials such as plastics, which are non-corrosive materials Also considerably reduces. The use of membrane distillation obviates existing problems by isolating the absorbent solution from the refrigerant.
본 발명의 1개 이상의 실시예가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 변형이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고도 수행될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예가 또한 다음의 특허청구범위의 범주 내에 포함된다.
One or more embodiments of the invention have been described. Nevertheless, it will be understood that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, such other embodiments are also within the scope of the following claims.
Claims (26)
묽은 용액으로부터 냉매를 제거하고, 그에 의해 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)를 위해 농축된 흡수 용액을 제공하는 멤브레인 접촉기(농축기)
를 포함하는 비-진공식 흡수 냉동 시스템.A membrane contactor (evaporator / absorber) that cools the refrigerant fluid and generates refrigerant vapor, and carries the absorption solution to absorb the refrigerant vapor, thereby producing a refrigerant-absorbing (dilute) solution;
Membrane contactor (concentrator) which removes the refrigerant from the dilute solution and thereby provides a concentrated absorbent solution for the membrane contactor (evaporator / absorber).
Non-vacuum absorption refrigeration system comprising a.
흡수 용액 순환 루프 및 냉매 유체가 멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)를 통해 유동되고,
냉매 순환 루프 및 흡수 용액 순환 루프는 멤브레인 접촉기(농축기)를 통해 유동되고,
계량된 냉매 유동은 냉매 유체 유동에 결합되는
비-진공식 흡수 냉동 시스템.6. The method of claim 5, further comprising an absorption solution circulation loop, a refrigerant circulation loop, and a metered refrigerant flow,
Absorbent solution circulation loop and refrigerant fluid flow through the membrane contactor (evaporator / absorber),
The refrigerant circulation loop and the absorbent solution circulation loop flow through the membrane contactor (concentrator),
The metered refrigerant flow is coupled to the refrigerant fluid flow
Non-vacuum absorption refrigeration system.
멤브레인 접촉기(농축기) 내로 진입되기 전에 사전 설정된 온도까지 냉매를 냉각시키도록 구성되는 냉각기와;
멤브레인 접촉기(증발기/흡수기) 내로 진입되기 전에 사전 설정된 온도까지 농축된 흡수제 용액을 냉각시키도록 구성되는 냉각기
를 추가로 포함하는 비-진공식 흡수 냉동 시스템.12. The apparatus of claim 11, further comprising: a heater configured to heat the dilute absorbent solution to a predetermined temperature before entering the membrane contactor (concentrator);
A cooler configured to cool the refrigerant to a predetermined temperature prior to entering the membrane contactor (concentrator);
A cooler configured to cool the concentrated absorbent solution to a predetermined temperature prior to entering the membrane contactor (evaporator / absorber)
Non-vacuum absorption refrigeration system further comprising.
냉매 유체 유동에 냉매를 첨가하는 단계와;
멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)를 통해 농축된 흡수제 용액 및 냉매 유체 유동을 순환시키는 단계와;
멤브레인 접촉기(증발기/흡수기) 내에서 냉매 증기를 발생시키고 냉매 유체 유동을 냉각시키는 단계와;
냉매 증기를 흡수하고 그에 의해 냉매-흡수(묽은) 용액을 생성시키는 단계와;
멤브레인 접촉기(농축기)를 통해 묽은 용액 및 냉매를 순환시키는 단계와;
멤브레인 접촉기(농축기) 내에서 묽은 용액으로부터 냉매 증기를 발생시키는 단계와;
냉매 내로 냉매 증기를 흡수하는 단계와;
멤브레인 접촉기(증발기/흡수기)를 위해 농축된 흡수제 용액을 제공하고 이 용액을 냉각시키는 단계
를 포함하는 방법.A method for non-vacuum absorption refrigeration,
Adding a refrigerant to the refrigerant fluid flow;
Circulating a concentrated absorbent solution and refrigerant fluid flow through a membrane contactor (evaporator / absorber);
Generating refrigerant vapor and cooling the refrigerant fluid flow in a membrane contactor (evaporator / absorber);
Absorbing the refrigerant vapor thereby producing a refrigerant-absorbing (dilute) solution;
Circulating the dilute solution and refrigerant through a membrane contactor (concentrator);
Generating refrigerant vapor from the dilute solution in a membrane contactor (concentrator);
Absorbing refrigerant vapor into the refrigerant;
Providing a concentrated absorbent solution for the membrane contactor (evaporator / absorber) and cooling the solution
How to include.
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