KR20110018869A - Ｌｇｗｐ 냉매를 사용한 흡수식 냉각 사이클 - Google Patents

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Abstract

하나 이상의 하이드로플루오로올레핀 혹은 하이드로클로로플루오로올레핀 냉매를 포함하는 냉매 및 폴리알킬렌 글리콜 오일, 폴리 알파 올레핀 오일, 미네랄 오일, 및 폴리올에스테르 오일로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 오일을 사용하는 흡수식 냉각 방법이 제공된다.

Description

ＬＧＷＰ 냉매를 사용한 흡수식 냉각 사이클{Absorption Refrigeration Cycles Using a LGWP Refrigerant}
본 발명은 낮은 지구온난화지수(global warming potential, GWP) 및 낮은 오존 파괴지수(ozone depletion potential; ODP)을 갖는 냉매를 사용하는 경제적인 흡수식 냉각 시스템에 관한 것이다.
물 혹은 다른 저렴한 열(예를들어, 태양열) 공급원이 이용가능한 경우에 흡수식 냉각은 압축 냉각에 대한 보다 경제적인 대안이다. 흡수식 냉각기 및 증기 압축 냉각기 모두 매우 낮은 비점을 갖는 냉매를 사용한다. 두 가지 타입에서, 상기 냉매가 증발하거나 끓을 때, 열을 취하며, 냉각 효과를 제공한다. 그러나, 흡수 냉각(absorption refrigeration) 및 증기 압축냉각(vapor compression refrigeration)은 사이클이 반복되도록 상기 냉매가 가스에서 다시 액체로 전환되는 방식이 다르다. 상기 증기 압축 냉각기는 전기력이 가하여지는 콤프레셔(compressor)를 사용하여 가스에 대한 압력을 증가시킨 다음에 쿨런트(coolant)(일반적으로 에어)를 사용한 열 교환으로 뜨거운 고압 가스가 다시 액체가 되도록 응축한다. 흡수식 냉각은 단지 저-파워 펌프(low-power pump) 혹은 임의로 단지 열만을 필요로 하는 다른 방법을 사용하여 가스가 다시 액체로 변화되도록 하며, 따라서, 이동 부재(moving parts)를 필요로 하지 않는다.
냉각 사이클의 일반적인 예는 음식물 냉각기 및 냉동기 및 에어 컨디셔너이다. 열 편의시설을 제공하기 위한 가역-사이클 열 폄프는 또한 냉매가 증발 및 응축하는 물리적 특성을 활용하여 작동된다. 가열, 환기(ventilation) 및 냉각(heating, ventilation and cooling; HVAC)에서, 일반적으로 열 펌프는 열 흐름의 방향이 바뀔 수 있도록 교환 밸브(reversing valve) 및 최적화된 열 교환기(optimized heat exchanger)를 포함하는 냉각 디바이스를 말한다. 가장 일반적으로, 가열 사이클 도중에, 열 펌프는 에어, 혹은 토양 혹은 심지어 물에서 열을 인출한다.
통상적으로, 흡수식 냉각 시스템은 암모니아/물 및 리튬 브로마이드/물을 가공유(working fluids)로 사용한다. 암모니아의 독성 및 가연성 및 리튬 브로마이드의 부식성으로 인하여, 이러한 시스템은 전형적으로 단지 산업용 세팅에만 사용된다. 이러한 통상의 시스템과 관련된 다른 문제는 증발기(evaporator) 및 흡수기(absorber)가 전형적으로 대기압보다 낮은 압력에서 가동되며, 이는 이러한 장치가 특히 낮은 압력에서도 안전하게 가동되도록 디자인되어야 하므로 시스템의 비용이 증가된다.
따라서, 흡수-타입 냉각 시스템에 대한 보다 안전하고 친환경적인 냉매가 요구된다.
특정한 하이드로플루오로올레핀 및/또는 하이드로클로로플루오로올레핀, 특히 냉매로 사용하기에 적합한 하이드로플루오로올레핀 및/또는 하이드로클로로플루오로올레핀은 오일, 예컨대 폴리알킬렌 글리콜 오일, 폴리 알파 올레핀 오일, 미네랄 오일 및 폴리올 에스테르 오일에 적어도 부분적으로 가용성이다. 이들 냉매 및 오일 용액은 상기 냉매가 흡수-타입 냉각 시스템에 가공유(working fluid)로 사용되도록 함을 발견하였다. 많은 이들 냉매는 저-GWP(즉, CO2에 비하여 < 1000, 그리고 바람직하게는 < 100), 낮거나 혹은 인지할 수 없는 오존파괴지수를 가지며, 비-독성 및 비-가연성을 갖는 것이 특징적이다.
따라서, 본 발명의 일 견지는 (a) 하나 이상의 하이드로플루오로올레핀, 하나 이상의 하이드로클로로플루오로올레핀 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 냉매를 포함하는 제 1 액상(liquid-phase) 냉매 스트림을 증발시켜서 저압 증기상 냉매 스트림을 생성하는 단계, 상기 증발은 냉각되어야 하는 시스템으로 부터 열을 운반하며; (b) 실질적으로 상기 증기상 냉매 스트림의 모든 냉매가 제 1 액상 용매 스트림의 용매에 효과적으로 용해되는 조건하에서, 상기 저압 증기상(vapor-phase) 냉매 스트림을 폴리알킬렌 글리콜 오일, 폴리 알파 올레핀 오일, 미네랄 오일, 폴리올에스테르 오일 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 용매를 포함하는 제 1 액상 용매와 접촉시켜서 냉매-용매 용액 스트림을 생성하는 단계; (c) 상기 냉매-용매 용액 스트림의 압력 및 온도를 증가시키는 단계; (d) 상기 냉매-용매 용액 스트림을 고압 증기상 냉매 스트림 및 제 2 액상 용매 스트림으로 열역학적으로 분리하는 단계; (e) 상기 제 2 액상 용매 스트림을 상기 (b) 단계로 재순환시켜서 상기 제 1 액상 용매 스트림을 생성하는 단계; (f) 상기 고압 증기상 냉매 스트림을 응축하여(condensing) 제 2 액상 냉매 스트림을 생성하는 단계; 및 (g) 상기 제 2 액상 냉매 스트림을 상기 (a) 단계로 재순환시켜서 상기 제 1 액상 냉매 스트림을 생성하는 단계를 포함하는 냉각 제공방법을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "저-압 증기상 냉매(low-pressure vapor-phase refrigerant)" 및 "고압 증기상 냉매(high-pressure vapor-phase refrigernat)"는 서로 상대적이다. 즉, 저-압 증기상 냉매는 0 psia보다 높지만 고압 증기상 냉매 보다 낮은 압력을 갖는다. 마찬가지로, 고압 증기상 냉매는 조성물의 임계점(critical point) 보다 낮지만, 상기 저압 증기상 냉매 보다 높은 압력을 갖는다.
본 명세서에서, 조성물에 대하여 사용된 용어 "실질적으로 모든" 이란 상기 조성물의 총 주량을 기준으로 최소 약 90중량%를 의미한다.
다른 견지에서, 본 발명은 (a) 하나 이상의 하이드로플루오로올레핀, 하나 이상의 하이드로클로로플루오로올레핀 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 냉매; (b) 폴리알킬렌 글리콜 오일, 폴리 알파 올레핀 오일, 미네랄 오일, 폴리올에스테르 오일 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 용매; (c) 상기 냉매를 증발시키기에 적합한 증발기; (d) 상기 냉매와 상기 용매의 혼합에 적합하며, 상기 증발기에 유동적으로 연결된(fluidly connected) 믹서; (c) 용액을 생성하도록 상기 냉매의 최소 일부를 상기 용매에 용해시키기에 적합하며, 상기 믹서에 유동적으로 연결된 흡수기(absorber); (f) 상기 흡수기에 유동적으로 연결된 펌프; (g) 상기 펌프에 유동적으로 연결된 열 교환기; (h) 상기 용액을 증기 냉매 성분 및 액체 용매 성분으로 열역학적으로 분리하기에 적합하며, 상기 열 교환기에 유동적으로 연결된 세퍼레이터; (i) 상기 세퍼레이터 및 상기 믹서에 유동적으로 연결된 오일 리턴 라인; 및 (j) 상기 증기 냉매 성분의 응축에 적합하며, 상기 세퍼레이터 및 상기 증발기에 유동적으로 연결된 콘덴서를 포함하는 흡수식 냉각 시스템을 제공한다.
본 발명의 특정한 구현에서, 상기 흡수 공정은 이중 혹은 삼중 효과(작용)을 갖는다. 따라서, 본 발명에 의한 다른 견지에서 (a) 하나 이상의 하이드로플루오로올레핀, 하나 이상의 하이드로클로로플루오로올레핀 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 냉매; (b) 폴리알킬렌 글리콜 오일, 폴리 알파 올레핀 오일, 미네랄 오일, 폴리올에스테르 오일 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 용매; (c) 상기 냉매의 증발에 적합한 증발기; (d) 상기 냉매의 응축에 적합한 콘덴서; (e) 상기 용매에 용해되어 있는 냉매를 포함하는 용액을 증기 냉매 성분 및 액체 용매 성분으로 열역학적으로 분리하기에 적합한 세퍼레이터; 및 (f) 상기 냉매와 상기 용매를 혼합하기에 적합한 믹서, 용액을 생성하도록 상기 냉매의 최소 일부를 상기 용매에 용해시키기에 적합한 흡수기, 펌프 및 열 교환기를 포함하며, 상기 믹서는 상기 흡수기에 유동적으로 연결되며, 상기 흡수기는 상기 펌프에 유동적으로 연결되며, 그리고 상기 펌프는 상기 열 교환기에 유동적으로 연결되는 적어도 하나의 가스-용해 서브시스템(gas-dissolving subsystem)을 포함하며; 상기 가스-용해 서브시스템은 상기 증발기, 상기 세퍼레이터 및 다른 가스-용해 서브시스템으로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 적어도 2개의 유니트와 유체 연통(fluid communication)되며, 단, 적어도 하나의 서브시스템은 상기 증발기와 유체 연통되며, 적어도 하나의 서브시스템은 상기 세퍼레이터와 유체 연통되는 흡수식 냉각 시스템을 제공한다.
본 발명은 친환경적이며, 경제적인 냉각 공정이다.
본 발명의 바람직한 구현에서, 하이드로플루오로올레핀, 및/또는 하이드로클로로플루오로올레핀 냉매가 흡수-타입 냉각 시스템에 가공유(working fluid), 즉, 열역학적 사이클을 통해서 기체에서 액체 상태로 혹은 그 역으로 상태를 변화시키는 유체로 사용된다. 상기 상 변화(phase change)는 상기 증기상 냉매를 오일 용매에 용해시켜서 용액을 형성하므로써 용이하게 된다. 바람직하게, 펌프 및 열 교환기가 용액의 압력 및 온도를 각각 효과적으로 증가시키도록 사용된다. 그 후, 가압 및 가열된 용액은 고압의 냉매 증기를 생성하도록 플래쉬(flash)된다. 그 후, 상기 고압 증기는 냉각되어야 하는 시스템으로 부터 열을 전달하도록 콘덴서 및 증발기를 통하여 통과한다.
본 발명에 바람직한 냉매로는 화학식 CwHxFyClz (식중 w는 3 내지 5의 정수이며, x는 1 내지 3의 정수이며, z는 0 내지 1의 정수이며, y = (2·w)-x-z 임)인 하이드로플루오로올레핀 및 하이드로클로로플루오로올레핀을 포함한다. 특히 바람직한 냉매는 하이드로할로프로펜, 보다 바람직하게는 테트라할로프로펜, 보다 더 바람직하게는 테트라플루오로프로펜 및 모노-클로로-트리플루오로프로펜, 보다 더 바람직하게는 -CF3 부분을 갖는 테트라할로프로펜 및 가장 바람직하게는 트랜스-1,3,3,3-테트라플루오로프로펜, 시스-1,3,3,3-테트라플루오로프로펜, 트랜스-1-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜, 시스-1-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜과 같은 이들의 모든 입체 이성질체를 포함하는 1,1,1,2-테트라플루오로프로펜, 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜, 1-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜 및 3,3,3-트리플루오로프로펜을 포함한다. 특정한 유용한 냉매는 또한, 둘 이상의 하이드로플루오로올레핀, 하이드로클로로플루오로올레핀의 혼합물 뿐만 아니라, 하이드로플루오로올레핀과 하이드로클로로플루오로올레핀 모두의 혼합물을 포함한다.
본 발명에 유용한 용매는 폴리알킬렌 글리콜 오일, 폴리 알파 올레핀 오일, 미네랄 오일 및 폴리올에스테르 오일로 구성되는 그룹으로 부터 바람직하게 선택된다. 상기 선택된 오일은 일반적으로 열적으로 안정하며, 매우 낮은 증기압을 가지며 비-독성 및 비-부식성이다. 이들 기준에 적합하고 상기한 다양한 올레핀과 사용될 수 있는 바람직한 오일은 폴리-에틸렌 글리콜 오일, 폴리올 에스테르 오일, 폴리프로필렌 글리콜 디메틸 에테르-베이스 및 미네랄 오일이다.
바람직하게, 상기 냉매 및 용매는 냉매가 용매에 용해되어 용액을 형성하기에 효과적인 비율 및 조건에서 혼합된다. 바람직하게 상기 냉매 및 용매의 혼합물은 상기 용매와 혼합되는 냉매의 상당한 부분 그리고 보다 바람직하게는 실질적으로 전부가 상기 용매에 용해되는 비율이다. 즉, 상기 용매와 혼합되는 상기 냉매의 양은 냉매 시스템의 작동 온도 및 압력에서 용매의 포화점(saturation point) 보다 낮은 것이 바람직하다. 냉매 농도를 포화점 보다 낮게 유지하므로써 증기 냉매가 캐비테이션(cavitation)이 유발될 수 있는 펌프에 도달할 가능성이 감소된다.
바람직하게, 상기 냉매 및 용매는 믹서로 혼합된다. 바람직한 믹서로는 고정식 믹서(static mixer) 및 아스퍼레이터(aspirators)(즉, 벤튜리 펌프)를 포함한다. 특정한 구현에서, 상기 믹서는 T-피팅(T-fitting)과 같은 난기류 흐름(turbulent flow)를 형성하는 두개의 트랜스퍼 라인(예를들어, 파이프, 튜브, 호스 등)의 단순한 연결(junction)이다.
오일 옹매에서 저-압 증기상 냉매의 분해(dissolution)는 약 - 10℃ 내지 약 30℃, 보다 바람직하게는 약 0℃ 내지 약 10℃의 냉매 온도에서 바람직하게 일어난다.
바람직하게 용매에서 상기 냉매의 분해는 흡수기(absorber)에서 적어도 대부분 일어난다. 상기 흡수기는 냉매가스를 오일-베이스 용매에 용해시키기에 적합한 어떠한 타입일 수 있다. 흡수기의 예로는 열 교환기를 통해 혹은 열 교환기 주위에서 냉각 매질(cooling medium)이 순환되는 열 교환기를 포함한다.
냉매 및 용매를 포함하는 용액은 용액의 압력 증가에 대한 저항 수단에 대하여 펌핑된다. 높은 작동 압력에 대한 액체 용액의 펌핑은 압축기(compressor)를 사용한 증기 냉매의 압축(compressing)에 비하여 현저하게 적은 에너지를 전형적으로 필요로한다. 적은 에너지를 소비할 뿐만 아니라, 펌프는 압축기에 비하여 설치 및 유지 비용이 전형적으로 훨씬 적다. 상기 에너지 및 비용 절감은 통상의 압축-타입 냉각 시스템에 비하여 본 발명에 의한 구별되는 장점이다.
상기 용액은 또한 가열되며, 바람직하게는 가압된 후에 가열된다. 바람직하게 가열은 열 교환기, 예컨대 쉘-및-튜브 열 교환기 및 플레이트 열 교환기 혹은 증류 컬럼을 사용하여 행하여진다. 바람직한 구현에서, 용액의 가열은 폐-열 회수 유니트(waste-heat recovery unit, WHRU)(즉, 가스 터빈으로 부터의 배가스, 솔러 콜렉트(solar collector)에서 발생되는 열 혹은 발전소 혹은 정제공장에서의 폐 가스(waste gas)와 같은 뜨거운 가스 혹은 액체 스트림으로 부터 열을 회수하는 열 교환기)를 포함한다. WHRU 가공 매질(working medium)은 바람직하게는 순수한 물 혹은 트리에틸렌 글리콜(TEG)와 물, 열유(thermal oil) 혹은 열 전달에 전도성이 있는 다른 매질이다. 다른 구현에서, 상기 용액의 가열은 지열, 태양에서 유래된 열 혹은 프로판과 같은 연료의 연소에 의한 직접적인 가열의 사용을 포함한다.
용액이 가열 및 가압된 후에, 증기 냉매 부분 및 액체 용매 부분이 생성되도록 열역학적 분리 공정이 행하여진다. 이러한 열역학적 분리 공정의 예로는 컬럼 증류 및 플래싱(flashing)을 포함한다. 상기 두 부분이 다른 상(phase)이므로, 이들은 쉽게 분리될 수 있다.
바람직하게, 액체 용매 상은 믹서로 다시 재순환되며, 상기 냉매를 포함하는 증기상은 콘덴서로 이동하며, 콘덴서에서 냉매의 최소 일부 그리고 바람직하게는 실질적으로 냉매의 전부가 증기상에서 액체상으로 전환된다.
본 발명에 유용한 콘덴서의 타입은 하이드로플루오로올레핀 혹은 하이드로클로로플루오로올레핀 냉매를 응축(condensing)하기에 적합한 한 특히 제한되지 않는다. 콘덴서의 예로는 수평 혹은 수직 인-쉘(in-shell) 콘덴서 및 수평 혹은 수직 인-튜브 콘덴서를 포함한다.
바람직하게 상기 액상 냉매는 냉매의 압력을 낮추도록 팽창 밸브(expansion valve)를 통해 통과하며 이에 따라, 상기 냉매가 냉각된다. 냉각, 교축된(throttled) 냉매는 액상, 증기상 혹은 혼합된-상(mixed-phase)일 수 있다.
그 후, 상기 냉매는 증발기를 통과하며, 증발기에서는 증발되는 동안 냉각하려는 시스템에서 열을 추출(즉, 냉장)하기 위해 냉매의 냉각 능력(cooling capacity)이 사용된다.
바람직하게, 시스템에서 냉각되는 물질은 물이며, PEG와 같은 열 전달 첨가제가 사용되거나 혹은 사용되지 않을 수 있으며, 상기 물은 예를들어, 에어 컨디셔닝용 분배 시스템에서 에어 핸들러(air handlers)로 순환되는 냉각된 물로 사용될 수 있다. 그러나, 냉각되는 물질은 또한 에어 컨디셔닝에 직접적으로 사용되는 에어일 수 있다. 더욱이, 외부 물질(external material)은 냉각을 필요로하는 어떠한 유동성있는(flowable) 물질일 수 있으며, 물 또는 에어이면, 냉각되는 물질은 에어 컨디셔닝 이외의 목적에 사용될 수 있다 (예를들어, 음식물 혹은 다른 물품의 냉각).
액상 냉매를 증발시키기 위해 사용되는 증발기의 타입은 하이드로플루오로올레핀 혹은 하이드로클로로플루오로올레핀 냉매를 증발시키기에 적합한 한 특히 제한되지 않는다. 유용한 증발기의 예로는 강제 순환 증발기(forced circulation evaporators), 자연 순환 증발기(natural circulation evaporators), 긴-관형 수직 증발기(long-tube vertical evaporator) 및 짧은-관형 수직 증발기(short-tube vertical evaporator), 강하막 증발기(falling film evaporator), 수평 관형 증발기(horizontal tube evaporator) 및 플레이트 증발기(plate evaporators)를 포함한다.
냉매가 증발된 후에는 온도가 바람직하게는 약 30℃ 내지 약 60℃, 보다 바람직하게는 약 40℃ 내지 약 50℃인 저-압 증기상 냉매가 된다. 바람직하게 상기 저-압 증기-상 냉매는 상기 믹서로 다시 재순환된다.
바람직하게, 본 발명의 방법은 냉매 및 용매 모두가 재순환되는 폐쇄-루프 시스템이다. 바람직하게, 본 발명에 의한 흡수 냉각 시스템은 단일, 이중 혹은 삼중 작용 흡수 냉각 공정을 포함한다. 단일 및 이중 작용 공정은 후술하는 실시예 및 도면에 기술된다.
[실시예]
실시예 1:
Ford Motor 크라프트 오일(craft oil)(Ford 상세 WSH-M1C231-B를 만족하는 PAG 냉매 압축기 오일)에 대한 트랜스-1,3,3,3-테트라플루우로프로펜(1234ze(E))의 용해도를 마이크로-밸런스(micro-balance) 수단으로 측정하였다. Non-Random Two Liquid ("NRTL") 활성 계수 모델(activity coefficient model)을 사용하여 데이타를 보정하여 측정된 용해도를 도 1에 나타내었다(Renon H., Prausnitz J.M., "Local Composition in Thermodynamic Excess Functions for Liquid Mixtures," AIChE J., 14(1), S. 135-144, 1968). 상기 데이타로 부터, Ford Motor 크라프트 오일은 거의 무시할 수 있을 정도의 증기압을 가지며, NRTL 모델은 상기 데이타를 정확하게 나타냄을 알 수 있다.
실시예 2:
실시예 1로 부터의 데이타를 사용하여 단일 작용(single effect) 흡수 사이클을 행하였다. 본 발명의 단일 작용 흡수식 시스템의 대표적인 개략도를 도 2에 나타내었다.
도 2에서, 라인 10으로 부터의 Ford Motorcraft 폴리프로필렌 글리콜 디메틸 에테르-베이스 오일과 라인 4로 부터의 액체 1234ze(Z) 냉매가 폐쇄된 믹서 20 (이는 라인 4 및 10을 라인 5에 연결하는 간단한 "T" 죠인트일 수 있음.)에서 혼합된다. 상기 혼합물은 라인 5를 통하여 흡수기 22로 이동하며 흡수기 22에서 기상 1234ze(Z)가 상기 오일에 용해된다. 상기 액체 혼합물은 라인 6을 통해 펌프 24로 흐르며 펌프 24는 상기 혼합물을 가압하고 혼합물이 라인 7을 통과하여 열 교환기/보일러 26으로 향하도록 한다. 보일러 26에서, 혼합물과 열 교환된다. 열 공급원은 상기 열 교환기 외부의 산업적 오퍼레이션 (예를들어, 발전(power generation))으로 부터의 폐 열(waste heat)일 수 있다. 상기 혼합물의 온도는 상기 1234ze(Z) 냉매가 상기 오일로 부터 분리될 수 있는 온도로 상승된다. 가열된 혼합물은 상기 열 교환기로 부터 라인 8을 통해 제거되어 세퍼레이터 28에 도입되며, 이에 따라, 냉매는 실질적으로 액체 상태로 남아있는 오일로 부터 실질적으로 증기 상태로 분리된다. 그 후, 상기 오일은 라인 9 및 오일 밸브 30을 통해 되돌아가며 이때, 이의압력이 라인 4의 압력과 매치되도록 감소된다. 밸브 30으로 부터, 오일은 라인 10을 경유하여 믹서 20으로 되돌아가며, 믹서 20에서 오일은 냉매와 다시 혼합되어 상기 공정이 반복된다.
세퍼레이터 28로 부터, 냉매 증기는 액화되도록 라인 1을 통해 콘덴서 32로 향한다. 상기 액체는 라인 2 및 팽창 밸브 34을 통과하며, 상기 액체 냉매는 냉매가 냉각되도록 교축(throttling)된다. 냉각, 교축된 냉매는 오퍼레이터의 선택에 따라, 액체, 증기, 혹은 이들의 조합일 수 있다. 냉각된 냉매는 증발기 36을 통과하며, 이에 따라, 냉매의 냉각 성능이 증발기 36과 열-교환 관계에 있는 물질(물 혹은 에어)의 냉각에 사용된다. 그 후, 상기 냉매는 라인 4를 통해 증발기 36으로 부터 믹서 20으로 되돌아가며, 믹서 20에서 냉매는 다시 상기 오일과 혼합되어 상기 공정을 다시 반복한다.
도 2의 단일 작용 흡수 사이클에 대한 입력 파라미터는:
1) 증발기 28: 2℃
2) 콘덴서 32: 40℃
3) 보일러 26에 공급되는 3000 kJ/hr
4) 흡수기 22에서 배출되는 포화액
5) 라인 4를 통해 증발기 36에서 방출되는 과열(superheat): 3℃
6) 스트림 8의 조성물은 오일 90wt% 및 냉매 10wt%임.
상기 파라미터로, 1234ze(Z) 및 Ford 모터 크라프트 오일을 사용하여 계산된 성능 계수("COP" coefficient of performance)는 4.56이다.
실시예 3
이중 작용 흡수(double effect absorption)의 개략도는 도 3에 나타내었다.
도 3에서, 라인 17로 부터의 Ford Motorcraft 폴리프로필렌 글리콜 디메틸 에테르-베이스 오일과 라인 4로 부터의 액체 1234ze(Z) 냉매가 폐쇄된 믹서 40 에서 혼합된다. 상기 혼합물은 라인 5를 통하여 제 1 흡수기 42로 향하며 흡수기 42에서 기상 1234ze(Z)가 상기 오일에 용해된다. 상기 혼합물은 라인 6을 통해 제 1 펌프 44로 흐르며 펌프 44는 상기 혼합물을 가압하고 혼합물은 라인 7을 통과하여 제 1 열 교환기/보일러 46으로 향한다. 보일러 46에서, 혼합물과 열이 교환된다. 열 공급원은 상기 열 교환기 46 외부의 산업적 오퍼레이션 (예를들어, 발전(power generation))으로 부터의 폐 열(waste heat)일 수 있다. 상기 혼합물의 온도가 상승된다. 상기 가열된 혼합물은 상기 열 교환기 46으로 부터 라인 8을 통해 제거되어 제 2 믹서 48에 도입되고 제 2 믹서 48에서 라인 15로 부터의 오일과 혼합된다. 믹서 48로 부터의 혼합물은 라인 9를 통해 취하여지고 제 2 흡수기 50에 도입되어 1234 ze(Z) 전부가 상기 오일에 용해된다. 제 2 흡수기 50으로 부터, 상기 혼합물은 라인 10을 통해 제 2 펌프 52로 인출되며, 제 2 펌프 52는 상기 혼합물을 제 2 보일러 54로 펌핑하며, 제 2 보일러 54에서 상기 혼합물의 온도는 상기 1234ze(Z) 냉매가 상기 오일로 부터 분리될 수 있는 온도로 상승된다. 보일러 54에 대한 열 공급원이 상기 사항이 달성되도록 제공되며, 공급원은 상기한 타입일 수 있다.
제 2 보일러 54에서 취하여진 상기 혼합물은 라인 12를 통해 세퍼레이터 56으로 향하며, 여기서 냉매는 실질적으로 액체 상태로 남아있는 오일로 부터 실질적으로 증기 상태로 분리된다. 그 후, 상기 오일은 라인 13을 통해 티(tee) 58로 되돌아가며, 티 58에서 라인 14 및 16로 나뉜다. 라인 14는 오일을 제 2 오일 밸브 60 및 라인 15를 통해 제 2 믹서 48로 보낸다. 라인 16은 오일을 제 1 오일 밸브 62 통해 보내며, 여기서, 압력이 라인 4의 압력과 매치되도록 감소된다. 그 후, 상기 오일은 라인 17을 통해 믹서 40으로 향하며 믹서 40에서 오일은 냉매와 다시 혼합되어 상기 공정을 반복한다.
분리기 56으로 부터, 상기 냉매 증기는 액화되도록 라인 1을 통해 콘덴서 64로 향한다. 상기 액체는 라인 2 및 팽창 밸브 66를 통과하며, 상기 액체 냉매는 냉매가 냉각되도록 교축(throttling)된다. 냉각, 교축된 냉매는 오퍼레이터의 선택에 따라, 액체, 증기, 혹은 이들의 조합일 수 있다. 냉각된 냉매는 증발기 68을 통과하며, 이에 따라, 냉매의 냉각 성능이 증발기 68의 외부 물질(물 혹은 에어)을 냉각하도록 사용된다. 그 후, 상기 냉매는 라인 4를 통해 증발기 68로 부터 믹서 40으로 되돌아가며, 믹서 40에서 냉매는 다시 상기 오일과 혼합되어 상기 공정을 다시 반복한다.
도 3의 이중 작용 흡수 사이클에 대한 입력 파라미터는:
1) 증발기 68: 2℃
2) 콘덴서 64: 40℃
3) 펌프 44에서 배출되는 압력은
Figure pct00001
임.
4) 보일러 46에 공급되는 1500 kJ/hr
5) 흡수기 42 및 흡수기 50 모두에서 배출되는 포화액
6) 증발기 68에서 배출되는 과열: 3℃
7) 티 58은 흐름을 30%는 스트림 14로 그리고 70%는 스트림 16으로 나눔.
8) 스트림 12의 조성물은 오일 90wt% 및 냉매 10wt%임.
상기 파라미터로, 1234ze(Z) 및 Ford 모터 크라프트 오일을 사용하여 계산된 COP는 5.04이다.
이 기술분야의 기술자는 실시할 수 있는 상기한 흡수식 냉각 시스템의 다른 변형이 있음을 이해할 것이다. 예를들어, Perry's Chemical Engineers' Handbook; Green. D.W.; Perry, R.H.; McGraw-Hill(2008) pg 11-90-11-93은 본 발명자들이 사용한 것과 다른 액체를 사용하는 흡수식 냉각 사이클의 다른 변형을 개시하고 있지만, 많은 이들 변형이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다.
더욱이, 다양한 첨가제가 본 발명의 냉각 시스템에 첨가될 수 있다. 예를들어, 사용도 중 올레핀 냉매의 중합이 방지되도록, 안정화제가 첨가될 수 있다. 이러한 안정화제는 알려져 있으며 예를들어, 테르펜, 옥사이드 등을 포함한다. 상기 냉매에 첨가될 수 있는 다른 임의의 첨가제로는 다음을 포함한다.
1. 산화방지예, 예, BHT와 같은 페놀 베이스
2. 극압 첨가제(extreme pressure additives)-염소화된 물질, 인 베이스 물질- 트리크레실 포스페이트, 황 베이스 물질
3. 기포형성 방지 첨가제 (예, 실리콘)
4. 유성 첨가제(oiliness additives) (예, 유기산 및 에스테르)
5. 산 캐쳐(acid catchers)(예, 에폭사이드)

Claims (10)

  1. a. 하나 이상의 하이드로플루오로올레핀, 하나 이상의 하이드로클로로플루오로올레핀 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 냉매를 포함하는 제 1 액상 냉매 스트림을 증발시켜서 저압 증기상 냉매 스트림을 생성하며, 상기 증박은 냉각되어야 하는 시스템으로 부터 열을 운반하는 단계;
    b. 실질적으로 증기상 냉매 스트림의 모든 냉매가 상기 제 1 액상 용매 스트림의 용매에 효과적으로 용해되는 조건하에서, 상기 저압 증기상 냉매 스트림을 폴리알킬렌 글리콜 오일, 폴리 알파 올레핀 오일, 미네랄 오일, 폴리올에스테르 오일 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 용매를 포함하는 제 1 액상 용매 스트림과 접촉시켜서 냉매-용매 용액 스트림을 생성하는 단계;
    c. 상기 냉매-용매 용액 스트림의 압력 및 온도를 증가시키는 단계;
    d. 상기 냉매-용매 용액 스트림을 고압 증기상 냉매 스트림 및 제 2 액상 용매 스트림으로 열역학적으로 분리하는 단계;
    e. 상기 제 2 액상 용매 스트림을 상기 (b) 단계로 재순환시켜서 상기 제 1 액상 용매 스트림을 생성하는 단계;
    f. 상기 고압 증기상 냉매 스트림을 응축하여(condensing) 제 2 액상 냉매 스트림을 생성하는 단계; 및
    g. 상기 제 2 액상 냉매 스트림을 상기 (a) 단계로 재순환시켜서 상기 제 1 액상 냉매 스트림을 생성하는 단계를 포함하는 냉각 제공방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 냉매는 화학식 CwHxFyClz (식중 w는 3 내지 5의 정수이며, x는 1 내지 3의 정수이며, z는 0 내지 1의 정수이며, y= 2w-x-z 임)인 적어도 하나의 화합물을 포함하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 냉매는 1,1,1,2-테트라플루오로프로펜, 트랜스-1,3,3,3-테트라플루오로프로펜, 시스-1,3,3,3-테트라플루오로프로펜, 트랜스-1-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜, 시스-1-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜, 및 3,3,3-트리플루오로프로펜 중 하나 이상으로 부터 선택되는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 용매는 폴리-에틸렌 글리콜 오일, 폴리올 에스테르 오일, 폴리프로필렌 글리콜 디메틸 에테르-베이스 및 미네랄 오일로 구성되는 그룹으로 부터 선택되는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 단계 (c)에서 상기 용액의 온도 증가는 지열, 태양열 혹은 산업 폐기열을 상기 용액에 전달하는 것을 포함하는 방법.
  6. a. 하나 이상의 하이드로플루오로올레핀, 하나 이상의 하이드로클로로플루오로올레핀 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 냉매;
    b. 폴리알킬렌 글리콜 오일, 폴리 알파 올레핀 오일, 미네랄 오일, 폴리올에스테르 오일 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 용매;
    c. 상기 냉매의 증발에 적합한 증발기;
    d. 상기 냉매와 상기 용매의 혼합에 적합하며, 상기 증발기에 유동적으로 연결된(fluidly connected) 믹서;
    e. 용액을 생성하도록 최소 일부의 상기 냉매를 상기 용매에 용해시키기에 적합하며, 상기 믹서에 유동적으로 연결된 흡수기;
    f. 상기 흡수기에 유동적으로 연결된 펌프;
    g. 상기 펌프에 유동적으로 연결된 열 교환기;
    h. 상기 용액을 증기 냉매 성분 및 액체 용매 성분으로 열역학적으로 분리하기에 적합하며, 상기 열 교환기에 유동적으로 연결된 세퍼레이터;
    i. 상기 세퍼레이터 및 상기 믹서에 유동적으로 연결된 오일 리턴 라인; 및
    j. 상기 증기 냉매 성분의 응축에 적합하며, 상기 세퍼레이터 및 상기 증발기에 유동적으로 연결된 콘덴서를 포함하는 흡수식 냉각 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 세러페이터는 증류 컬럼 혹은 플래싱 세러페이터(flashing separator)인 시스템.
  8. a. 하나 이상의 하이드로플루오로올레핀, 하나 이상의 하이드로클로로플루오로올레핀 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 냉매;
    b. 폴리알킬렌 글리콜 오일, 폴리 알파 올레핀 오일, 미네랄 오일, 폴리올에스테르 오일 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 용매;
    c. 상기 냉매의 증발에 적합한 증발기;
    d. 상기 냉매의 응축에 적합한 콘덴서;
    e. 상기 용매에 용해되어 있는 냉매를 포함하는 용액을 증기 냉매 성분 및 액체 용매 성분으로 열역학적으로 분리하기에 적합한 세퍼레이터; 및
    f. 상기 냉매와 상기 용매를 혼합하기에 적합한 믹서, 용액을 생성하도록 상기 용매의 적어도 일부를 상기 용매에 용해시키기에 적합한 흡수기, 펌프 및 열 교환기를 포함하며, 상기 믹서는 상기 흡수기에 유동적으로 연결되며, 상기 흡수기는 상기 펌프에 유동적으로 연결되며, 그리고 상기 펌프는 상기 열 교환기에 유동적으로 연결되는 적어도 하나의 가스-용해 서브시스템(gas-dissolving subsystem)을 포함하며,
    상기 가스-용해 서브시스템은 상기 증발기, 상기 세퍼레이터 및 다른 가스-용해 서브시스템으로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 적어도 2개의 유니트와 유체 연통(fluid communication)되며, 단, 적어도 하나의 서브시스템은 상기 증발기와 유체 연통되며, 적어도 하나의 서브시스템은 상기 세퍼레이터와 유체 연통되는 흡수식 냉각 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 시스템은 2개의 가스-용해 서브시스템을 포함하는 시스템.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 시스템은 3개의 가스-용해 서브시스템을 포함하는 시스템.
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