KR20180068437A - 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템 - Google Patents

냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1중 효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트 펌프시스템을 결합한 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 1중효용 흡수식 냉동기의 응축기(CON), 재생기(GEN)과 2종 1단 흡수식 히트 펌프 시스템의 응축기(CON), 재생기(GEN) 작동 영역(흡수액 온도, 농도, 압력)은 유사한 작동 범위를 갖고 있으므로, 응축기(CON), 재생기(GEN)을 공통으로 한 1중효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트 펌프를 결합한 하이브리드 타입 흡수식 시스템을 제공하는 것이다.
이는 산업 공정에서 버려지는 80° 내지 90° C 의 폐온수를 가지고 1 대의 기기로 산업 공정에서 필요한 7°C 냉수와 120°C 스팀을 동시에 만들어 산업 공정에 공급 가능한 흡수식 하이브리드 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

Description

냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템{Hybrid system of absorption type refrigeration and heat pupm for supplying cooling and steam simultaneously}
본 발명은 1중 효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트 펌프시스템을 결합한 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 1중효용 흡수식 냉동기의 응축기(CON), 재생기(GEN)과 2종 1단 흡수식 히트 펌프 시스템의 응축기(CON), 재생기(GEN) 작동 영역(흡수액 온도, 농도, 압력)은 유사한 작동 범위를 갖고 있으므로, 응축기(CON), 재생기(GEN)을 공통으로 한 1중효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트 펌프를 결합한 하이브리드 타입 흡수식 시스템을 제공하는 것이다.
이는 산업 공정에서 버려지는 80° 내지 90° C 의 폐온수를 가지고 1 대의 기기로 산업 공정에서 필요한 7°C 냉수와 120°C 스팀을 동시에 만들어 산업 공정에 공급 가능한 흡수식 하이브리드 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
산업체에서 버려지는 에너지 열원을 회수하거나 재활용 할 필요가 있으며, 공장폐열 및 코제너레이션 폐열의 이용 기술개발은 각 방면으로 실시되어 폐열의 회수에 따른 유효적 이용이 진행되고 있다. 이를 위하여 산업체에서 사용하는 열수나 스팀등의 열을 일부 이용하여 버려지는 폐열을 흡수식 히트펌프를 이용하여 적극적으로 재활용하고 있다.
일반적인 흡수식 히트펌프는 압축식 히트펌프에서 압축 행정 대신에 흡수액의 가열에 의한 냉매의 고압증발 프로세스를 이용한 것이다. 보통 냉매로는 물, 흡수액으로는 주로 리튬브로마이드(LiBr: Lithium Bromide)가 이용된다. 냉매(물) 증기를 흡수하여 묽어진 LiBr 수용액은 펌프에 의하여 재생기로 이송되며, 여기에서 열을 가하여(버너, 폐열 등) 냉매(물)를 증발시키고 수용액은 다시 농축된다. 이 농축된 수용액은 다시 증발기에서 증기를 흡수하는 과정을 반복하는 것이다.
흡수식 히트펌프의 특징으로는, 전기 에너지에 의해 구동되는 압축식 히트펌프와 달리, 가스의 연소열이나 온수, 증기의 열을 이용하여 열을 펌핑하는 것으로 대용량의 열을 회수하는 곳에 주로 사용되며, 공급하는 열량의 40%를 폐열의 회수열로 이용할 수 있어 결과적으로 에너지 비용의 40%를 절약할 수 있고, 공급하는 온수의 온도를 히트펌프 방식에 따라 압축식에서는 불가능한 95°C의 온수와 120 °C 이상의 증기를 생산할 수 있어서, 난방과 급탕, 산업의 공정용으로까지 널리 이용할 수 있다.
일반적인 1중 효용 흡수식 냉동기는 도 1a에 나타난 바와 같이, 5개의 주요 열교환기, 즉 재생기(Generator), 응축기(Condenser), 증발기(Evaporator), 흡수기(Absorber)와 용액열교환기(Solution Heat Exchanger)로 이루어지며 다음과 같은 작동원리로 운전된다.
증발기에서 발생한 증기가 흡수기에서 LiBr 수용액에 흡수되어, LiBr수용액은 저농도 용액(희용액)에서 고농도 용액(농용액)으로 된다. 이때 흡수과정에서 흡수열이 발생하여 용액의 온도가 상승하므로 증기의 흡수력이 감소하게 된다. 그러므로 지속적인 흡수과정을 위하여 흡수기는 냉각수나 공기에 의하여 지속적인 냉각이 필요하다. 따라서 냉각수가 필요한데 일반적으로 냉각수는 냉각탑(Cooling Tower)에서부터 나와 25°C 내지 32°C 로 흡수기와 응축기를 냉각한 후 다시 냉각탑으로 가는 과정을 겪는다.
흡수기내의 고농도 용액은 용액펌프(Solution Pump)를 통하여 용액 열교환기(Solution Heat Exchanger)에서 온도가 상승한 후 재생기로 흘러간다. 재생기에서는 80°C 내지 90°C 열원을 이용하여 저농도의 용액을 가열하여 흡수제인 LiBr와 냉매인 물의 비등점 차이를 이용하여 냉매증기를 발생시킨 후, 고농도 용액으로 만든다. 고온 고농도의 LiBr수용액은 용액 열교환기에서 냉각된 후 교축밸브(EV)를 지나 흡수기로 되돌아온다. 재생기에서 발생한 냉매증기는 응축기에서 열을 방출하여 액체가 된 후 증발기에서 증발하면서 냉동효과를 낸다.
도 1b에 나타난 바와 같이, 도 1a의 과정을 듀링선도에 나타낸 것으로, 전체 흐름과 각 부분의 상태는 LiBr수용액의 온도, 농도, 증기압의 관계를 나타낸 사이클을 나타내었다.
도 1b에서 1-2-5-3은 냉매인 물의 경로를 나타내고 있으며, 6-2-5-4는 리튬브로마이드수용액의 경로는 나타내고 있다. 흡수액은 시계 방향으로 순환하게 된다. 재생기, 응축기압력과 증발기, 흡수기 압력은 각각 5~7mmHg, 45~60mmHg 정도가 된다. 희용액과 농용액 농도는 각각 56 내지 58%, 60내지 62% 정도가 된다.
흡수식 히트펌프의 종류로서는, 1) 제1종 흡수식 히트 펌프이며, 도 2에 나타난 바와 같이, 제1종 흡수 히트펌프는 냉매와 용액의 평형온도관계를 나타내는 듀링 선도상에 시계 방향의 용액 사이클을 형성하게 된다.
흡수식 냉동기보다 온도레벨이 높은 제1종 흡수 히트펌프는 고온의 열원을 이용해 폐열온도를 상승시킨 것으로 흡수냉동기의 사이클 전체로 고온측으로 이동하고 있다.
예를 들면 증발기에 35°C 정도의 폐온수를 공급하고, 열원에는 가스 혹은 증기를 이용해 75°C 정도의 온수를 제조해 이용한다면, 연료 발열량의 1.5~1.6배의 열량을 온열 할 수 있고 온열을 증량해 이용하는 것을 증량형 흡수 히트펌프라고 하고 있다.
도 2의 하부는 폐열원에서 얻을 수 있는 온수의 온도를 시스템 구성도에 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 흡수식 히트펌프시스템에서는 38 °C 정도의 폐열원을 이용하여 75°C 정도의 고온수를 얻을 수 있으며, 전체 시스템의 효율도 COP= 1.7을 얻을 수 있어 매우 유용한 열회수 시스템이 된다.
제1종 흡수식 히트펌프의 열수지와 성적계수
Figure pat00001
Figure pat00002
:증발기의 폐열 회수열량
Figure pat00003
:흡수기에서 온수 가열에 쓰이는 열량
Figure pat00004
:재생기에서 필요한 열량
Figure pat00005
:응축기에서 온수 가열에 쓰이는 열량
제1종 흡수식 히트펌프의 경우 외부에서 가한 구동열원은 QG이고, 온수가열에 이용하는 열은 QA와 QC 이므로, 이때 성적계수는 다음과 같다.
Figure pat00006
= 1.6 내지 1.7
여기서 제 1종 흡수식 히트펌프의 성적계수는 항상 1보다 크게 되며, 또한 이 성적계수는 QE/QG, 즉 증발기에서 흡열되는 저온 열량의 열량이 크면 좋게 되는 것이다.
일반적으로 QE는 전 열량의 40% 내지 45%를 차지하고 있어 히트펌프를 사용하면 기존 보일러는 사용할 경우보다 약 40% 내지 45%의 에너지를 절약할 수 있다.
또한, 2) 제2종 흡수식 히트펌프이며, 이느 중온의 폐열에너지를 구동열 에너지로 사용하여 고온의 에너지와 저온의 에너지를 생산하는 시스템으로 고온의 에너지를 이용하고 저온의 에너지를 배출하는 것이다.
히트 트랜스포머(Heat Transformer)라고 불리기도 하며, 도 3에서 보듯이 중간 온도에서 열이 공급되면 일부는 고온으로 변환되고, 나머지는 저온으로 변환되어 2종 흡수식 히트펌프는 산업폐열을 회수하는데 매우 유용한 방식이다. 특히 고온의 스팀을 얻는데 유리하다.
작동원리 및 사이클로서는 , 도 4에서 보듯이 작동원리는 재생기에 있는 희용액이 80~90온도의 폐온수에 의해 가열되어 냉매증기를 발생시킨다. 발생된 냉매증기는 응축기로 흐르며, 응축기에서 냉각수에 의해 응축된다. 응축된 냉매액은 냉매 펌프에 의해 증발기로 압송되고 증발기에서 폐온수의 일부에 의해 냉매가 증발한다.
고온재생기로부터 공급된 농용액이 증발기에서 발생된 증기를 흡수기에서 흡수하면 증기 흡수열이 발생한다. 이때 흡수기 전열관 내를 지나는 온수가 고온으로 가열되어 고급의 사용 가능한 열로 변환된다. 흡수기에서 냉매증기를 흡수하여 저농도가 된 흡수액은 용액열교환기를 거쳐 재생기로 공급된다. 재생기에서 농용액이 된 용액은 흡수액 펌프에 의해 흡수기로 압송된다.
폐온수의 경로를 중심으로 사이클을 살펴보면, 일부의 폐온수는 재생기에서 냉매를 발생하는데 사용되어진 후 온도가 낮아진 상태로 되고, 나머지 폐온수는 증발기로 공급되어 냉매증기를 발생시키는 것으로 사용되고 온도가 낮아진다. 흡수기를 통과하는 온수의 경우는 온도가 높아서 고급의 열로 변환되고 산업현장의 목적에 따라 승온되어 온수를 플래시 탱크를 통하여 소정 압력의 증기로 자가 증발시켜 저압증기를 공급할 수 있다. 횡형의 셸과 튜브형 흡수기를 이용해 관외용액 흡수열로 관내의 기 액혼합 상태의 물을 가열해 흡수기 관내에서 직접 증기를 발생시킨다. 발생증기량을 많게 하기 위해서는 어느 정도의 수분을 갖게 한 후 기액 분리기에서 증기를 분리하고 액을 재순환 시키게 된다
상기와 같은 과정은 도 5에서 전체 흐름과 각 부분의 상태는 LiBr수용액의 온도, 농도, 증기압의 관계를 나타낸 사이클을 나타내었다. 흡수액은 반시계 방향으로 순환하게 된다. 재생기, 응축기압력과 증발기, 흡수기 압력은 각각 45~60mmHg, 350~400mmHg 정도가 된다. 희용액과 농용액 농도는 각각 56~58%, 60~62% 정도가 된다.
2종 히트 펌프는 재생기와 증발기에는 80°C 내지 90°C 의온수폐열을, 응축기는 냉각탑에서 25°C 내지 32°C 의 냉각수를 공급해 흡수기에서 120, 포화압력 0.2MPa(A)의 증기를 발생시키는 사이클이 된다.
제2종 흡수식 히트펌프의 열수지와 성적계수로서는, 제 2종 흡수식 히트펌프 전체적인 열수지는 히트펌프에 들어오는 열량 QE+QG,히트펌프로 나가는 열량 QA+QC사이에서 이루어지게 된다.
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
:증발기의 폐온수 회수 열량(구동열원)
Figure pat00010
:흡수기에서 온수 가열에 쓰이는 열량
Figure pat00011
:재생기에 필요한 폐온수 회수열량(구동열원)
Figure pat00012
:응축기에서 냉각수에 의해 방열되는 열량
제2종 흡수식 히트펌프의 경우 외부에서 가한 구동 열원은
Figure pat00013
이고, 온수가열에 이용하는 열은
Figure pat00014
이다.
Figure pat00015
는 냉각수에 의해 방열되는 열량으로, 이때 성적계수는 다음과 같다.
Figure pat00016
대한민국 특허공보 10-0337208 대한민국 특허공보 10-1052776
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 1중효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트 펌프시스템을 결합한 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 1중효용 흡수식 냉동기의 응축기(CON), 재생기(GEN)과 2종 1단 흡수식 히트 펌프 시스템의 응축기(CON), 재생기(GEN) 작동 영역(흡수액 온도, 농도, 압력)은 유사한 작동 범위를 갖고 있으므로, 응축기(CON), 재생기(GEN)을 공통으로 한 1중 효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트 펌프를 결합한 하이브리드 타입 흡수식 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 냉매를 수용하는 저온 증발기에서 발생한 증기가 저온 흡수기에서 LiBr 수용액에 흡수되어, 고농도 용액에서 저농도 용액으로 변환되며; 상기 저온 흡수기내의 저농도 용액을 용액펌프 3에 의해 저온용액 열교환기를 지나서 재생기로 공급되고; 상기 재생기의 농용액의 일부는 상기 저온용액 열교환기를 지나서 교축밸브를 거쳐 다시 저온 흡수기로 유입되고, 나머지 농용액은 용액펌프 2에 의해 고온용액 열교환기를 지나서 고온흡수기로 유입되고; 상기 고온 흡수기내의 용액은 상기 고온용액 열교환기를 거쳐 다시 재생기로 유입되고; 상기 재생기에서 발생된 냉매증기는 응축기에서 열을 방출하여 액체냉매로 되고, 팽창밸브를 거쳐 상기 저온 증발기로 유입되고, 나머지 냉매는 냉매펌프 1 에 의해 고온증발기로 유입되고; 상기 고온증발기에서 발생된 증기가 고온 흡수기에서 LiBr 수용액에 흡수되어, 고농도 용액에서 저농도 용액으로 변환되도록; 이루어진 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템을 제공하는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 산업 공정에서 버려지는 80° 내지 90° C 의 폐온수를 가지고 1 대의 기기로 산업 공정에서 필요한 7°C 냉수와 120°C 스팀을 동시에 만들어 산업 공정에 공급 가능한 흡수식 하이브리드 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 필요에 의하여, 시스템의 밸브개폐의 조작에 의하여 냉동기 시스템 또는 히트펌프 시스템 을 선택하여 각각 별개로 사용하거나, 또는 상기 2개의 시스템을 연결하여, 하이브리드 시스템으로 동시에 사용하는 효율적인 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
도 1a은 일반적인 1중 효용 흡수식 냉동기 시스템을 나타낸 개략도.
도 1b는 1중 효용 흡수식 냉동기 시스템의 듀링 사이클 선도를 나타낸 개략도.
도 2는 일반적인 1종 히트펌프 에너지 평형 및 듀링 사이클 선도를 나타낸 개략도.
도 3은 2종 히트펌프 에너지 평형을 나타낸 개략도.
도 4는 일반적인 2종 1단 흡수식 히트펌프 시스템을 나타낸 개략도.
도 5는 2종 1단 흡수식 히트펌프 시스템 듀링사이클 선도를 나타낸 개략도.
도 6은 본 발명의 냉방 및 증기 공급 흡수식 냉동 및 히트펌프 하이브리드 시스템의 실시예 1를 나타낸 개략도.
도 7은 본 발명의 냉방 및 증기 공급 흡수식 냉동 및 히트펌프 하이브리드 시스템 듀링사이클 선도를 나타낸 개략도.
도 8은 본 발명의 냉방 및 증기 공급 흡수식 냉동 및 히트펌프 하이브리드 시스템의 실시예 2를 나타낸 개략도.
도 9는 본 발명의 냉방 및 증기 공급 흡수식 냉동 및 히트펌프 하이브리드 시스템의 실시예 3을 나타낸 개략도.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템을 살펴보면,
냉매를 수용하는 저온 증발기(100)에서 발생한 증기가 저온 흡수기(110)에서 LiBr 수용액에 흡수되어, 고농도 용액에서 저농도 용액으로 변환되며;
상기 저온 흡수기(110)내의 저농도 용액을 용액펌프 3(115)에 의해 저온용액 열교환기(120)를 지나서 재생기(130)로 공급되고;
상기 재생기(130)의 농용액의 일부는 상기 저온용액 열교환기(120)를 지나서 교축밸브(131)를 거쳐 다시 저온 흡수기(110)로 유입되고, 나머지 농용액은 용액펌프 2(135)에 의해 고온용액 열교환기(140)를 지나서 고온흡수기(150)로 유입되고;
상기 고온 흡수기(150)내의 용액은 상기 고온용액 열교환기(140)을 거쳐, 교축밸브(131)를 지나서, 다시 재생기(130)로 유입되고;
상기 재생기(130)에서 발생된 냉매증기는 응축기(160)에서 열을 방출하여 액체냉매로 되고, 팽창밸브(162)를 거쳐 상기 저온 증발기(100)로 유입되고, 나머지 냉매는 냉매펌프 1(165)에 의해 고온증발기(170)로 유입되고;
상기 고온증발기(170)에서 발생된 증기가 고온 흡수기(150)에서 LiBr 수용액에 흡수되어, 고농도 용액에서 저농도 용액으로 변환되도록; 이루어진 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
또한, 상기 저온증발기(100) 및 고온증발기(17)의 하부에 냉매저장탱크(180)를 형성시켜서, 순환펌프 4 및 5(175, 105)로 재 순환시켜서, 증발기를 이루는 전열관에 냉매를 공급하여, 증발기의 열전달을 촉진시키도록;이루어진 것이다.
또한, 상기 재생기(130)하부에 용량조절밸브(133)를 부가하여, 저온흡수기(110)로 유입되는 흡수액 공급량이 조절되도록 하고,
상기 응축기(160)하부에 냉매조절밸브(161)를 부가하여, 저온증발기(100)로 유입되는 냉매 유량을 조절하도록;이루어진 것이다.
또한, 상기 고온증발기(170)과 응축기(160)사이에 냉매 열교환기(190)를 부가하여, 상기 응축기(160)에서 고온증발기(170)로 유입되는 냉매와 상호 열교환되어, 고온증발기(170)로 공급되는 냉매의 온도를 높여서 증발량을 높이도록;이루어진 것이다.
또한, 상기 저온 흡수기(110) 및 응축기(160)로 저온열원의 냉각수 또는 공기가 직렬로 유입되거나, 또는 각각의 구성으로 병렬로 유입되고,
상기 재생기(130)와 고온 증발기(170)는 고온열원의 냉각수 또는 공기가 직렬로 유입되거나, 또는 각각의 구성으로 병렬로 유입되도록; 이루어진 것이다.
또한, 상기 용액펌프 1 및 2(165,135)의 작동용량에 의하여, 상기 하이브리드 시스템의 성능을 변화되며, 수요처에서 냉방열량 혹은 증기 요구량에 따라 비례적으로 흡수액 공급량이 제어되어 두 시스템의 용량 제어가 가능하도록; 이루어진 것이다.
또한, 저온증발기(100), 저온흡수기(110), 재생기(130), 응축기(160)를 포함하는 구성요소는 1중 효용 흡수식 냉동기 시스템이며,
고온증발기(170), 고온흡수기(150), 상기 재생기(130), 상기 응축기(160)를 포함하는 구성요소는 2종 1단 흡수식 히트펌프 시스템으로서,
상기 응축기(160), 재생기(130) 작동 영역(흡수액 온도, 농도, 압력)은 상기 1중 효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트펌프 시스템이 동일한 작동 범위를 갖고 있으므로, 상기 응축기(160), 재생기(130)을 공통으로 한 1중효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트 펌프를 결합한 하이브리드 타입 흡수식시스템을 형성하고;
상기 냉동기 시스템 또는 히트펌프 시스템을 선택하여 각각 별개로 사용하거나, 또는 상기 2개의 시스템을 연결하여, 하이브리드 타입 흡수식 시스템으로 동시에 사용하도록;이루어진 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 시스템을 상세히 설명하도록 한다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 이는 본 발명의 실시예 1로서, 1중 효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트 펌프시스템을 결합한 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템을 유기적으로 결합한 시스템을 특징으로 하는 것이다.
이를 위하여, 1중효용 흡수식 냉동기의 응축기(CON), 재생기(GEN)과 2종 1단 흡수식 히트 펌프 시스템의 응축기(CON), 재생기(GEN) 작동 영역(흡수액 온도, 농도, 압력)은 유사한 작동 범위를 갖고 있으므로, 응축기(CON), 재생기(GEN)을 공통으로 한 1중효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트 펌프를 결합한 하이브리드 타입 흡수식 시스템을 제공하는 것이다.
보다 구체적인 시스템을 설명하면, 다음과 같다.
냉매를 수용하는 저온 증발기(100)에서 외부에서 12℃ 정도의 저온열원을 공급받아서, 이로 인하여 발생한 증기가 저온 흡수기(110)에서 LiBr 수용액에 흡수되어, 고농도 용액에서 저농도 용액으로 변환되며, 상기 저온열원은 7℃ 정도의 냉수가 만들어 지며, 이를 외부의 필요공급처 및 냉방부하에 공급하는 것이다.
상기 저온 흡수기(110)내에서 만들어진 저농도 용액을 용액펌프 3(115)에 의해 저온용액 열교환기(120)를 지나서 재생기(130)로 공급되고;
상기 재생기(130)의 농용액의 일부는 상기 저온용액 열교환기(120)를 지나서 교축밸브(131)를 거쳐 다시 저온 흡수기(110)로 유입되는 것이며, 이로 인하여 수용액는 상호 열교환되어, 시스템 효율을 증가시키는 것이다.
나머지 농용액은 용액펌프 2(135)에 의해 고온용액 열교환기(140)를 지나서 고온흡수기(150)로 유입되고;
상기 고온 흡수기(150)내의 용액은 상기 고온용액 열교환기(140)을 거쳐, 교축밸브(131)를 지나서, 다시 재생기(130)로 유입되며, 외부의 온수는 110℃ 고온으로 가열되어, 난방부하가 발생되는 공급처 또는 필요처에 공급되는 것이다.
상기 재생기(130)에서 발생된 냉매증기는 응축기(160)에서 열을 방출하여 액체냉매로 되고, 팽창밸브(162)를 거쳐 상기 저온 증발기(100)로 유입되고, 나머지 냉매는 냉매펌프 1(165)에 의해 고온증발기(170)로 유입되는 것이다.
상기 고온증발기(170)에서 발생된 증기가 고온 흡수기(150)에서 LiBr 수용액에 흡수되어, 고농도 용액에서 저농도 용액으로 변환되도록; 이루어진 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
물/LiBr 흡수액은 재생기(130)의 농용액 출구를 일부는 1중효용 흡수식 냉동기 시스템을 형성하기 위하여 저온 용액 열교환기(120) 입구를 지나 저온 흡수기 (110)로 유입되게 되는 것이다.
반면 재생기(GEN,130)의 농용액 출구 나머지 유량은 2종 1단 흡수식 히트 펌프시스템을 형성하기 위하여 흡수액 펌프(P2,135)에 의해 고온 용액 열교환기 (HHX,140) 입구를 지나 고온 흡수기 (ABS(H),150)로 유입되게 된다.
냉매인 물은 응축기(CON,160)출구 일부는 1중효용 흡수식 냉동기 시스템을 형성하기 위하여 팽창밸브 (EV,161)를 지나 증발기 (EVA(L),100)로 유입되게 된다.
반면 응축기(CON,160)의 냉매출구 나머지 유량은 2종 1단 흡수식 히트 펌프시스템을 형성하기 위하여 냉매 펌프(P1,162)에 의해 고온 증발기 (EVA(H),170)로 유입되게 된다.
냉매펌프(P1,162) 및 용액펌프 2(P2,135)의 의하여 2종 1단 흡수식 히트 펌프 시스템의 냉매 및 흡수액 양이 결정되므로 2종 1단 흡수식 히트 펌프 시스템 성능에 중요한 변수가 되는 것이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 1중효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트 펌프시스템에서 응축기와 저온 흡수기(ABS(L))의 냉각수 및 재생기(GEN) 와 고온 증발기 (EVA(H)) 온수공급은 각각 두 요소를 묶어서 직렬로 공급할 수 도 있고 요소별로 병렬 방식으로 공급할 수도 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 이는 하단부와 상단부로 나눌수 있으며, 상기 하단부는 1중효용 흡수식 냉동기 시스템을 나타내며 흡수액 기준으로 재생기와 흡수기 사이의 용액순환은 시계방향의 순환을 이룬다. 저압부인 저온 증발기와 저온 흡수기의 압력은 약 5~7mmHg의 저 압력을 형성 하며, 응축기와 재생기는 45~60mmHg의 중간 압력을 형성한다. 농도는 희용액은 56%~ 58% 정도가 되며 농용액은 60~62% 정도가 형성된다.
또한, 상기 상단부는 2종 1단 흡수식 히트 펌프 시스템을 나타내며 흡수액 기준으로 재생기와 고온 흡수기 사이의 용액순환은 반시계방향의 순환을 이룬다. 고압부인 고온 증발기와 고 흡수기의 압력은 약 350~400mmHg의 저 압력을 형성 하며, 응축기와 재생기는 45~60mmHg의 고 압력을 형성한다. 농도는 희용액은 56%~ 58% 정도가 되며 농용액은 60~62% 정도가 형성된다. 재생기로 유입되는 각각 사이클의 흡수액 희용액 농도와 온도는 다를 수 있지만 재생기 출구의 농도와 온도는 같게 된다.
도 8은 본 발명의 실시예 2를 나타낸 개략도로서, 고온 증발기와 저온 증발기의 구성은 증발기로 유입된 냉매를 바로 증발기 전열관이나 열교환기에 투입되는 것이 아니라 증발기 하부에 냉매 저장 탱크를 만들어 냉매 순환 펌프(P4,P5)로 재순환시켜 유하 액막식 증발기와 같이 전열관 적절한 냉매 공급으로 증발 전열관 열전달을 촉진을 시키도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이를 위하여, 상기 저온증발기(100) 및 고온증발기(17)의 하부에 냉매저장탱크(180)를 형성시켜서, 순환펌프 4 및 5(175, 105)로 재 순환시켜서, 증발기를 이루는 전열관에 냉매를 공급하도록 ;이루어진 것이다.
아울러, 상기 재생기(130)하부에 용량조절밸브(133)를 부가하여, 저온흡수기(110)로 유입되는 흡수액 공급량이 조절되도록 하고; 상기 응축기(160)하부에 냉매조절밸브(161)를 부가하여, 저온증발기(100)로 유입되는 냉매 유량을 조절하도록;이루어진 것이다.
도 9에 나타난 바와 같이, 이는 본 발명의 실시예 3으로서, 냉방/ 스팀 공급 흡수식 냉동 및 히트 펌프 하이브리드 시스템의 사이클 성능계수(COP) 를 높이기 위한 실시예를 나타낸 것이다.
도 9에 나타난 바와 같이, 응축기와 고온 증발기 사이에 냉매 열교환기 (RHX, 190)를 설치하면 히트 펌프시스템에서 고온 증발기로 공급되는 냉매의 온도를 높여 냉매 증발량을 높일 수 있게 되어 흡수식 히트펌프의 성능계수를 높일 수 있게 된다.
이를 위하여, 상기 고온증발기(170)과 응축기(160)사이에 냉매 열교환기(190)를 부가하여, 상기 응축기(160)에서 고온증발기(170)로 유입되는 냉매와 상호 열교환되어, 고온증발기(170)로 공급되는 냉매의 온도를 높여서 증발량을 높이도록;이루어진 것이다.
또한, 실시예 1 내지 3에서, 상기 저온 흡수기(110) 및 응축기(160)로 저온열원의 냉각수 또는 공기가 직렬로 유입되거나, 또는 각각의 구성으로 병렬로 유입(미도시)되고,
상기 재생기(130)와 고온 증발기(170)는 고온열원의 냉각수 또는 공기가 직렬로 유입되거나, 또는 각각의 구성으로 병렬(미도시)로 유입되도록; 이루어진 것이다.
또한, 상기 용액펌프 1 및 2(165,135)의 작동용량에 의하여, 상기 하이브리드 시스템의 성능을 변화되도록; 이루어진 것이다.
이는 용액펌프 1 및 2(P1, P2)의 의하여 2종 1단 흡수식 히트 펌프 시스템의 냉매 및 흡수액 양이 결정되므로 2종 1단 흡수식 히트펌프 시스템 성능에 중요한 제어변수가되기 때문이다.
또한, 저온증발기(100), 저온흡수기(110), 재생기(130), 응축기(160)를 포함하는 구성요소는 1중 효용 흡수식 냉동기 시스템이며,
고온증발기(170), 고온흡수기(150), 상기 재생기(130), 상기 응축기(160)를 포함하는 구성요소는 2종 1단 흡수식 히트펌프 시스템으로서,
상기 응축기(160), 재생기(130) 작동 영역(흡수액 온도, 농도, 압력)은 상기 1중 효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트펌프 시스템이 동일한 작동 범위를 갖고 있으므로, 상기 응축기(160), 재생기(130)을 공통으로 한 1중효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트 펌프를 결합한 하이브리드 타입 흡수식시스템을 형성하고;
상기 냉동기 시스템 또는 히트펌프 시스템을 선택하여 각각 별개로 사용하거나, 또는 상기 2개의 시스템을 연결하여, 하이브리드 타입 흡수식 시스템으로 동시에 사용하도록;이루어진 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
이는 필요에 따라 시스템에 나타난 각 구성요소에 설치된 밸브 개도를 제어 조절하여 냉동기 혹은 히트 펌프 시스템을 선택하여 쓰거나 동시에 사용할 수 있게 되며 냉동기와 히트 펌프의 열량 부하 비중도 조절이 가능할 수 있게 되는 것이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.
100 : 저온 증발기 110: 저온 흡수기
105: 순환펌프 5 115: 용액펌프 3
120: 저온용액 열교환기 130: 재생기
131: 교축밸브 133:용량조절밸브,
135: 용액펌프 2
140: 고온용액 열교환기 150: 고온 흡수기
160: 응축기 162: 팽창밸브
161: 냉매조절밸브 165:냉매펌프 1
170: 고온증발기
175: 순환펌프 4
180: 냉매저장탱크 190: 냉매 열교환기

Claims (7)

  1. 냉매를 수용하는 저온 증발기(100)에서 발생한 증기가 저온 흡수기(110)에서 LiBr 수용액에 흡수되어, 고농도 용액에서 저농도 용액으로 변환되며,
    상기 저온 흡수기(110)내의 저농도 용액을 용액펌프 3(115)에 의해 저온용액 열교환기(120)를 지나서 재생기(130)로 공급되고,
    상기 재생기(130)의 농용액의 일부는 상기 저온용액 열교환기(120)를 지나서 교축밸브(131)를 거쳐 다시 저온 흡수기(110)로 유입되고, 나머지 농용액은 용액펌프 2(135)에 의해 고온용액 열교환기(140)를 지나서 고온흡수기(150)로 유입되고,
    상기 고온 흡수기(150)내의 용액은 상기 고온용액 열교환기(140)을 거쳐, 교축밸브(131)을 지나서,다시 재생기(130)로 유입되고,
    상기 재생기(130)에서 발생된 냉매증기는 응축기(160)에서 열을 방출하여 액체냉매로 되고, 팽창밸브(162)를 거쳐 상기 저온 증발기(100)로 유입되고, 나머지 냉매는 냉매펌프 1(165)에 의해 고온증발기(170)로 유입되고;
    상기 고온증발기(170)에서 발생된 증기가 고온 흡수기(150)에서 LiBr 수용액에 흡수되어, 고농도 용액에서 저농도 용액으로 변환되도록; 이루어진 것을 특징으로 하는 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저온증발기(100) 및 고온증발기(170)의 하부에 냉매저장탱크(180)를 형성시켜서, 순환펌프 4 및 5(175, 105)로 재 순환시켜서, 증발기를 이루는 전열관에 냉매를 공급하여, 증발기의 열전달을 촉진시키도록;이루어진 것을 특징으로 하는 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 재생기(130)하부에 용량조절밸브(133)를 부가하여, 저온흡수기(110)로 유입되는 흡수액 공급량이 조절되도록 하고,
    상기 응축기(160)하부에 냉매조절밸브(161)를 부가하여, 저온증발기(100)로 유입되는 냉매 유량을 조절하도록;이루어진 것을 특징으로 하는 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온증발기(170)과 응축기(160)사이에 냉매 열교환기(190)를 부가하여, 상기 응축기(160)에서 고온증발기(170)로 유입되는 냉매와 상호 열교환되어, 고온증발기(170)로 공급되는 냉매의 온도를 높여서 증발량을 높이도록;이루어진 것을 특징으로 하는 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 저온 흡수기(110) 및 응축기(160)로 저온열원의 냉각수 또는 공기가 직렬로 유입되거나, 또는 각각의 구성으로 병렬로 유입되고,
    상기 재생기(130)와 고온 증발기(170)는 고온열원의 냉각수 또는 공기가 직렬로 유입되거나, 또는 각각의 구성으로 병렬로 유입되도록; 이루어진 것을 특징으로 하는 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 용액펌프 1 및 2(165,135)의 작동용량에 의하여, 상기 하이브리드 시스템의 성능을 변화되며, 수요처에서 냉방열량 혹은 증기 요구량에 따라 비례적으로 흡수액 공급량이 제어되어 두 시스템의 용량 제어가 가능하도록; 이루어진 것을 특징으로 하는 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템.
  7. 저온증발기(100), 저온흡수기(110), 재생기(130), 응축기(160)를 포함하는 구성요소는 1중 효용 흡수식 냉동기 시스템이며,
    고온증발기(170), 고온흡수기(150), 상기 재생기(130), 상기 응축기(160)를 포함하는 구성요소는 2종 1단 흡수식 히트펌프 시스템으로서,
    상기 응축기(160), 재생기(130) 작동 영역(흡수액 온도, 농도, 압력)은 상기 1중 효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트펌프 시스템이 동일한 작동 범위를 갖고 있으므로, 상기 응축기(160), 재생기(130)을 공통으로 한 1중효용 흡수식 냉동기 시스템과 2종 1단 흡수식 히트 펌프를 결합한 하이브리드 타입 흡수식시스템을 형성하고;
    상기 냉동기 시스템 또는 히트펌프 시스템을 선택하여 각각 별개로 사용하거나, 또는 상기 2개의 시스템을 연결하여, 하이브리드 타입 흡수식 시스템으로 동시에 사용하도록;이루어진 것을 특징으로 하는 냉방 및 증기 동시공급 흡수식 냉동/히트펌프 하이브리드 시스템.
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