KR20180095848A - 하이브리드 증기압축-흡착 사이클을 가지는 장치 및 그의 실행을 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 결합된 하이브리드 기계적인 증기압축-흡착 사이클을 가지는 장치, 특히 예를 들면 HVAC 적용품과 같은 냉장 또는 열펌프 사이클과 결합되거나 또는 구체화하는 습기 또는 온도제어 어플리케이션에 사용되는 장치를 제공한다. 본 발명에 있어서, 흡착과정으로부터의 열 및/또는 흡착사이클의 응축과정으로부터의 열은 탈착과정으로 보내진다. 따라서, 이러한 신규의 하이브리드 결합된 사이클은 부분적 또는 전체적으로 전기로 구동되는 열펌프 사이클로 된다.

Description

하이브리드 증기압축-흡착 사이클을 가지는 장치 및 그의 실행을 위한 방법
본 발명은 하이브리드 증기압축-흡착 (compression-adsorption) 사이클을 가지는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉장 또는 열펌프의 사이클들에 결합되거나 구체화하는 습도 또는 온도 제어기구 내에서 사용되는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 있어서, 흡착사이클의 흡착과정 및/또는 응축과정으로부터의 열은 탈착 (desorption) 과정으로 공급된다. 따라서, 이러한 신규의 하이브리드 복합화된 사이클은 부분적으로 또는 전체적으로 전기로 구동되는 열펌프 사이클로 된다.
본 발명의 한 적용예로서는, 종래의 기계적인 증기압축 사이클을 흡착사이클과 결합함으로써 냉장장치의 현재의 냉각 성능을 현저하게 개선 및 증진함을 목적으로 하는 냉장장치 분야라고 할 수 있다.
본 발명은, 출원서에 기재된 최초의 2명의 발명자에 의하여 새롭게 하이브리드화된 기계적 증기압축-흡착 사이클을 만들어낸 것에 있다. 이러한 새로운 하이브리드 복합화된 사이클은 인용의 편의상, 특히 "사하-투 (Saha-Thu) 사이클"이라고 칭한다. 이러한 새롭게 만들어진 사이클은, HVAC 분야와 같이, 열펌프 사이클 및 흡착사이클을 포함하는 습도 또는 온도 제어 이용분야에서 사용되는 다양한 장치에 적용가능한 융통성을 가진다.
응축기 (condenser) 유니트와 증발기 (evaporator) 유니트가 전기 압축기 및 냉매라인을 통하여 상호간에 접속되어 있으며 기계적인 냉장 사이클 상에서 작동하는 냉장 유니트는 주지되어 있다. 증기압축 시스템은, 필수적으로 작동유체를 냉각하고 그 유체를 피냉각될 대기/공간과 직접적인 열접촉 관계에 있는 증발기 유니트로 순환시키기 위한 응축기 유니트를 포함한다. 사용되는 작동유체는 전기 압축기 유니트를 통하여 응축기 유니트로 돌아가서 재활용된다 [참고문헌 1 내지 4].
작동 원리로서 증기 흡수 또는 증기 흡착을 이용하는 열작동 냉각시스템 또한 본 기술분야에 주지되어 있다 [참고문헌 5 내지 8]. 그러한 시스템들은 일반적으로 응축기 유니트 및 증발기 유니트가 반드시 하나의 동일한 하우징 내에 마련되는 일체형 유니트로서만 알려져 있다. 그러한 시스템 내에서 이용되는 흡착 또는 흡수 사이클은, 기계적인 냉장 사이클의 압축기를 흡수기 (absorber) 또는 흡착기 (adsorber) 기반의 열교환기들로 대체하는 것을 포함한다 [참고문헌 5, 9 및 10]. 종래의 기계적인 증기압축 사이클을 흡착사이클와 결합하고 시스템의 작동을 위하여 그 시스템 상에서 생성된 열을 이용함으로써 열이용 및 냉각성능을 제고한다고 하는 시도는 보여진 적이 없다.
WO 2009/145278호에는 증기압축 냉장사이클 내의 기계적인 작업부하가 감소되는 하이브리드 냉장시스템이 개시되어 있다. 하이브리드 냉장시스템은 압축기, 응축기, 확장기 및 증발기를 가지는 증기압축 냉장사이클과, 냉매를 흡착하는 한편 흡착된 냉매를 동시적으로 제거하고 다음의 사이클에서 교호적으로 스위칭되는 적어도 한 쌍의 흡착기를 가지는 흡착냉장 사이클의 조합을 포함한다. 흡착냉장 사이클은 증기압축 냉장사이클과 결합됨으로써 증기압축 냉장사이클 내의 압축기의 압축압력이 감소된다. 이러한 기술은 흡착시스템을 가지는 압축기에 대한 압축 부하를 감소함으로써 기계적인 증기압축 냉장기의 효율을 개선하는 것과 관련이 있다. 흡착시스템은 흡착과정용 냉각과 제거과정용 가열을 별도로 필요로 한다. 다시 말해서, 2개의 시스템인, 기계적인 증기압축 (mechanical vapour compression: MVC) 및 흡착 (AD)이 직렬로, 즉 냉매의 이동이 기계적 및 열적 압축기들을 가로질러서 직렬로 이어지게 된다. 냉각 에너지는 MVC의 증발기로부터 추출되는 한편, 압축비에 있어서의 감소는 기계적인 압축기의 배출압력을 감소함으로써 달성된다.
EP 2775236호에는, 가정용 냉장고 내의 증기압축 사이클과 흡착사이클을 더함으로써 냉장고의 현존하는 냉각성능을 증가하기 위한 시스템이 개시되어 있다. 이러한 개시 내용은, 증기압축 사이클에 부가하여 시스템에 더해지고 증기압축 사이클과는 완전히 독립적으로 작동하는 폐쇄 루프 및 가정용 냉장고 내에서 사용되는 흡착시스템을 제공한다. 이러한 개시내용은, 2개의 증발기, 즉 ① MVC 증발기 및 ② AD 증발기를 사용하는 가정용 냉장고의 증발효율의 제고에 초점을 맞추고 있다. 흡착 및 응축 과정용으로 별도의 냉각이 요구된다. 흡착과정과 제거과정 사이의 스위칭은 기술되어 있지 않으며, 제시되어 있는 도면들 (도 1, 2 및 3)도 그 과정들을 가능하게 하지 않는다.
증기압축 사이클과 흡착사이클을 하이브리드화하려는 시도가 행해진 본 기술분야에서의 개시내용은 다수 있다. 예를 들어, 미국 특허 9,239,177호는, 응축된 1차 냉매 내의 냉각매체로부터의 열추출을 위하여 1차 증발기 내에서 냉장효과를 제공하는 증기압축 시스템이 증기흡착 시스템과 함께 사용되는 하이브리드 흡착-압축 냉각기를 제공한다. 그러나 이 개시 내용은 증기압축 사이클 및 흡착사이클에만 초점을 맞추고 있고, 하이브리드 결합된 기계적인 증기압축-흡착 사이클에 대해서는 어떠한 언급도 없다.
미국특허 7,926,294호에는, 난방 및 냉방의 양자를 제어하도록 접속된 제어 메커니즘 및 증기압축 시스템 내의 열전기적 장치를 사용함으로써 한 구역을 원하는 온도로 유지하는 난방 및 냉방 시스템이 개시되어 있다. 이 개시내용은 냉각 성능을 제고하기 위하여 열전기적인 수단을 사용하는 것에 초점을 맞추고 있다.
일본특허공보 2012-037203호에는 전자장치의 폐열을 냉각 및 회수하기 위한 시스템이 개시되어 있다. 이 시스템은 난방장치의 직접 냉난방 요소용 증발기와, 흡착제를 가지는 흡착제 냉동기를 가지는 증기압축형 냉동기이다. 증기압축형 냉동기의 응축기와 흡착제 냉동기의 탈착용 흡수제는, 열회수 파이프 내를 순환하는 열수와 같은 열매체를 통하여 상호간에 열적으로 결합된다. 따라서, 탈착제에 의한 증기탈착 과정이 형성된다. 흡착을 위한 수증기가 흡착제에 의해 흡착되도록 생성되는 증발기에 있어서, 수증기는 동반되는 기화열의 냉각작용에 의하여 냉각되어 냉각수를 생성하게 된다. 이러한 냉각수는 냉각에 이용된다. 하지만, 동 개시내용에 있어서는 에너지가 외부적으로 회수되고, 시스템은 외부 냉각원에 의존하게 된다.
현재에 이르기까지의 종래 기술에 있어서의 시도는 증기압축 사이클의 성능을 개선 또는 제고하기 위하여 흡착사이클을 기계적인 증기압축 사이클과 결합하는 것에 주안점을 두고 있다. 발명자들이 알고 있는 한, 종래의 기계적인 증기압축 사이클을 흡착사이클과 결합함으로써 열펌프 사이클 운전에 있어서의 흡착사이클 성능을 개선함으로써 습도 또는 온도 제어 운전에서 사용되는 장치의 전체 범위에 걸쳐서 성능의 효율을 개선한다는 관점에서 유리한 장점을 제공할 수 있는 시도는 이루어지지 않았다. 예를 들어, 흡착사이클에서 사용된 흡착제를 재활용하기 위하여 흡착사이클에서의 외부가열 또는 냉각회로에 대한 필요성을 없애거나 또는 최소화하기 위해 기계적인 증기압축 사이클을 사용하는 것에 대한 개시 내용은 보이지 않는다.
상기의 선행기술들에 대한 개시 내용은 냉장 장비를 예로 들었지만, 본 기술의 범위는 냉방, 난방, 및/또는 습도 제어장비 및, 상기 기술의 어느 하나 또는 양자가 요구되는 기타의 장비에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 원리는 담수화 장치에도 적용할 수 있다. 냉방, 난방, 및/또는 습도 제어장치에 있어서의 종래의 기계적인 증기압축 및 흡착 사이클의 조합/하이브리드화의 이용에 관한 한, 어떠한 선행자료도 검색되지 않았다.
본 발명의 주된 목적은, 냉방, 냉동 또는 난방에 있어서 제고된 성능을 가능하게 하는 종래의 기계적인 증기압축 사이클과 흡착사이클을 결합/하이브리드화한 열펌프 사이클을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 기계적인 증기압축 사이클을 흡착사이클과 결합/하이브리드화 함으로써 냉장 장비의 현재의 냉각성능을 증가하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 표준 증기압축 사이클을 냉각 및 난방원으로서 사용함에 부가하여, 시스템 내에 일체화되어 있는 흡착사이클을 위하여 응축기 유니트로부터의 덜 이용되거나 또는 이용되지 않은 열을 이용함으로써 그 장치의 성능을 보다 효율적으로 하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 압축기의 파워 및 응축기의 효율과 같은 사이클 특성을 변경하지 않고서 시스템의 냉각성능을 제고함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 목표로 하는 냉매가 HFO 블렌드 (HFO-1234ze 및 HFO-1234yf) 및 HFC-32 등과 같은 천연/저기구온난화 포텐셜 기반 화합물이어서 환경친화적인 방식으로 운용되도록, 기계적인 증기압축 사이클을 흡착사이클과 결합 및/또는 하이브리드화함으로써 냉각성능을 제고함에 있다.
본 발명의 목적들은 상술한 바와 같은 방식으로 종래의 기계적인 증기압축 사이클이 흡착사이클과 결합된 하이브리드 증기압축 사이클을 이용함으로써 달성될 수 있으며 사하-투 사이클이 사용될 수 있는 장치에서 실행된다.
따라서, 본 발명은 기계적인 증기압축 사이클과 흡착사이클의 조합을 포함하는 냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치로서,
흡착수단 내에서 흡착 및/또는 탈착될 수 있는 제1 작동유체를 포함하며,
상기 흡착수단은 2개 이상의 흡착/탈착상(床)을 포함하고,
상기 흡착/탈착상은, 하나 이상의 전용의 방향 전환수단을 통하여 증발기 수단 및 응축기 수단에 접속되고, 교호적인 방식으로 작동될 수 있으며,
제2 작동유체인 MVC 냉매를 압축하고, 기계적인 증기압축 유니트의 응축기 및 증발기로서 교호적으로 작동하는 상기 2개 이상의 흡착/탈착상에 접속되며, 응축기는 흡착부의 탈착상에 재생열을 제공하고, 증발기는 흡착부의 흡착상에 냉각을 제공하는 증기압축 유니트를 또한 포함하며,
열펌프 사이클은 흡착사이클을 위하여 흡착열 및/또는 탈착열을 포함하는 열을 내부적으로 재순환하도록 되어 있는 냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 기계적인 수단은 부분적으로 또는 전체적으로 열을 내보내도록 마련된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 기계적인 수단은 전체적으로 또는 부분적으로 열재순환 모드에서 흡착상으로부터 탈착상으로 열을 내보내도록 마련된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 장치에는 탈착을 위하여 흡착기 수단 및 응축기 수단으로부터의 열을 내보내기 위한 수단이 마련되며, 필요한 경우 물 또는 공기냉각 기술을 통한 외부회로를 이용하여 과잉 에너지는 배출된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 기계적인 증기압축 사이클 냉매는, 탈착과정으로 내보내지도록, 열 내보내기 구성에서는 부분적으로 흡착열을, 또한 열재순환 모드에서는 전체적으로 응축열을 운반한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 흡착사이클용 흡착제 쌍은 실리카 겔 + 물, 활성탄 + 에탄올 및 활성탄 + HFC 로 구성되는 군으로부터 선택되고, 운전압력은 진공 내지 고압의 범위이다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 흡착사이클에서 열을 재순환하도록 채택되는 기계적인 펌프는, 원심 압축기, 스크류 압축기, 왕복 압축기 및 스크롤 압축기로 구성되는 군으로부터 선택된다.
본 발명의 다른 실시예에서, MVC 내의 냉매는 종래의 냉매 또는 종래 냉매들의 혼합물을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, MVC 냉매의 흐름을 교호적으로 바꿈으로써 흡착과 탈착상 사이에서의 방향전환을 가능하게 하는 전용 방향전환 수단은, 바람직하게는 4-방향 밸브이다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 필요하다면, 열교환기를 통하여 물 또는 공기와 같은 외부 냉각 메커니즘이 냉매 서브냉각 (sub-cooling)용으로 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 필요하다면, 열교환기를 통하여 흡착사이클의 증발기로부터의 냉각 에너지의 일부가 냉매 서브냉각용으로 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 필요하다면, 흡착사이클과 MVC 의 사이에서의 열교환을 가능하게 하도록 열전달회로 또는 에너지 저장수단이 마련된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 에너지 저장수단은 액체 또는 상변화물질과 같은 열교환 매체를 가지는 냉각/열 탱크를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, MVC 내에서의 냉매 흐름의 방향을 조정함으로써 흡착 과정의 제어를 가능하게 하기 위한 수단이 마련된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 흡착상과 탈착상 및 응축기 수단과 증발기 수단을 접속하는 냉매 흐름 제어수단의 제어를 통하여 흡착기와 탈착기의 운전을 제어하는 수단이 마련된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 흡착사이클로부터의 응축기 열은 냉각수에 의하여 외부적으로 배출된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 흡착사이클로부터의 응축기 열은 공기에 의하여 외부적으로 배출된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 장치는 냉각장치 (chiller device), 분리형 에어컨디셔닝 유니트, 냉장 유니트 등으로부터 선택된다.
또한, 본 발명은 기계적인 증기압축 사이클과 흡착사이클의 조합을 포함하는 냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치 내에서의 열펌프 운전방법을 제공하며, 이때 상기 장치는,
흡착수단 내에서 흡착 및/또는 탈착될 수 있는 제1 작동유체를 포함하며,
상기 흡착수단은 2개 이상의 흡착/탈착상(床)을 포함하고,
상기 흡착/탈착상은, 하나 이상의 전용의 방향 전환수단을 통하여 증발기 수단 및 응축기 수단에 접속되고, 교호적인 방식으로 작동될 수 있으며,
제2 작동유체인 MVC 냉매를 압축하고, 기계적인 증기압축 유니트의 응축기 및 증발기로서 교호적으로 작동하는 상기 2개 이상의 흡착/탈착상에 접속되며, 응축기는 흡착부의 탈착상(床)에 재생열을 제공하고, 증발기는 흡착부의 흡착상에 냉각을 제공하는 증기압축 유니트를 또한 포함하며,
열펌프 사이클은 흡착사이클을 위하여 유용한 열효과 (탈착과정을 위하여 흡착열을 내보냄)를 제공하고,
상기 방법은, 내부의 흡착제를 재생하기 위하여 흡착과정으로 가는 과정 중에 열을 내보내고 그에 의하여 제고된 효과/출력을 제공하는 증기압축 수단을 채택한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 열은 부분적으로 또는 전체적으로 기계적인 수단에 의하여 내보내진다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 전체적으로 또는 부분적으로 열재순환 모드에서의 탈착을 위하여 흡착열이 기계적으로 보내진다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 흡착기 및 응축기 수단 양자로부터의 열이 탈착을 위하여 보내진다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 전체적으로 또는 부분적으로 흡착열 및, 열재순환 모드에서는 전체적으로 응축열이 냉매를 통하여 탈착과정으로 보내진다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 흡착사이클용 흡착제 쌍은 실리카 겔 + 물, 제올라이트 + 물, 활성탄 + 에탄올, 활성탄 + 메탄올 (낮은 압력 또는 부분 진공에서의 운전), 및 활성탄 + HFC, 활성탄 + 프로판, 활성탄 + n-부탄 (고압운전) 으로 구성되는 군으로부터 선택되고, 운전압력은 진공 내지 고압의 범위이다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 흡착사이클로부터의 열을 재순환하는 기계적인 펌프는, 원심 압축기, 스크류 압축기, 왕복 압축기 및 스크롤 압축기로 구성되는 군으로부터 선택된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 냉매는 R134a, R410a, CO2, HFO-1234ze(E) 및 HFO-1234yf 등과 같은 종래의 냉매 또는 종래 냉매들의 혼합물을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 흡착과 탈착상 사이에서의 열펌프 방향전환은 냉매 흐름용의 전용 방향전환 수단을 통하여 행해진다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 필요하다면, 냉매는 열교환기를 통하여 물 또는 공기와 같은 외부냉각 메커니즘으로 서브냉각에 처해진다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 필요하다면, 흡착사이클과 기계적인 증기압축 사이클 사이에서의 열교환이, 액체 또는 상변화물질과 같은 열교환 매체를 가지는 냉각/열 탱크와 같은 열전달회로 또는 에너지 저장수단을 통하여 행해진다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 냉매 흐름 및 흡착 과정은 전용 제어수단을 통하여 제어가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 방법은 에너지 회수 및 압축기의 보호를 위하여 기계적인 증기압축 (MVC) 사이클의 고압 및 저압 측의 사이에서의 압력평형을 유지하는 것을 마련한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 방법에 있어서 냉매의 서브냉각은 서브 냉각 열교환기를 가로질러 지나가는 냉각수를 통하여 흡착사이클의 증발기로부터의 냉각 에너지의 일부를 사용함으로써 얻어진다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 방법에 있어서 냉매의 서브냉각은 서브냉각 열교환기를 통한 공기를 사용함으로써 얻어진다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 방법에 있어서 냉매의 서브냉각은 열교환기와 서브냉각 열교환기를 가로질러 지나가는 열매체 회로와 흡착사이클의 증발기 내부에 침지된 별개의 열교환기를 가지는 흡착사이클의 증발기로부터 냉각 에너지의 일부를 사용함으로써 얻어진다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 방법에 있어서 냉매의 서브냉각은 MVC 사이클의 냉매 일부를 팽창시킴으로써 얻어진다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 방법에 있어서는 액체 또는 상변화물질과 같은 열교환매체를 가지는 냉각/열탱크와 같은 열전달회로 또는 에너지 저장부와 같은 중간 매체/매체가 흡착사이클과 MVC 사이클의 사이에서의 열교환에 사용된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 방법에 있어서 흡착과정에 대한 운전 간격/타이밍은 MVC 사이클의 냉매 흐름방향의 조정에 의하여 제어된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 방법에 있어서 흡착기와 탈착기의 사전에 정해진 간격 또는 스케쥴은 흡착 열교환기들과 흡착사이클의 각 증발기 및 응축기를 연통하는 증기밸브들의 절환을 통하여 제어된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 흡착사이클로부터의 응축기 열은 냉각수에 의하여 외부적으로 배출된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 흡착사이클로부터의 응축기 열은 공기에 의하여 외부적으로 배출된다.
본 발명의 상술한 실시예 및 기타 본 명세서에서 명시적으로 논의되지 않은 실시예들은 첨부된 이하의 기술내용 및 예들과 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
본 발명의 실시예들의 상세한 내용에 대해서는 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 방식으로 기술된다.
도 1은 흡착사이클을 기계적 증기압축 (MVC) 사이클과 하이브리드화한 열펌프 사이클의 개략적 도면으로서, MVC 사이클은 흡착기 상 및 응축기로부터의 열을 내부적으로 하프사이클 운전으로 탈착상으로 내보낸다.
도 2는 흡착사이클을 기계적 증기압축 (MVC) 사이클과 하이브리드화한 열펌프 사이클의 개략적 도면으로서, MVC 사이클은 흡착기 상 및 응축기로부터의 열을 내부적으로 스위칭 운전 및 다른 하프 사이클 운전으로 탈착상으로 내보낸다.
도 3은 사이클 운전동안 실험적으로 검증된 결과를 근거로 한 하이브리드 사이클의 주된 구성부들의 온도 프로파일을 나타낸다.
도 4는 스위칭 운전 시의 하이브리드 사이클의 주된 구성부들의 온도 프로파일을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 개략적인 도면으로서, 흡착사이클의 흡착상으로부터의 열이 압축사이클을 이용하여 탈착상으로 내보내진다.
도 6은 본 명세서에서 언급되는 사하-투 사이클의 에너지 흐름 및 온도 다이어그램을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 기계적 증기압축과 흡착사이클을 하이브리드화하는 냉장 또는 열펌프 사이클을 이용하는 것에 관련한다. 개별적으로 각 사이클의 낮은 듯한 효율은 상호간의 합동에 의하여 극복된다. 기계적인 증기압축 사이클은 흡착사이클의 흡착기 상 및/또는 응축기로부터 탈착기 상으로의 내부적인 열펌핑을 위하여 채택되는 반면, 냉각 에너지는 흡착사이클의 증발기로부터 생성된다. 종래의 기술에서 요구되었던 것과 같은 외부 가열원 (예를 들면, 열수 회로)은 더 이상 흡착제의 재생을 위하여 필요하지 않게 된다. 이는, 이미 가용한 전기가 압축기를 운전하도록 이용될 수 있기 때문에 사이클을 효과적으로 만들어준다. 이것이 본 발명의 현저한 장점 중의 하나이다.
본 발명은 기본적으로, 한정적인 것은 아니지만 냉방, 냉장, 탈습, 난방 또는 담수화 등과 같은 유용한 효과를 제공하고, 본 열펌프 사이클을 이들 기술분야에서 이용되는 장치/장비내에 채택하기 위하여 흡착과정이 사이클로서 제공되는 반면에, 기계적인 증기압축 (MVC) 사이클이 흡착사이클 내에서 열을 내보내거나 또는 재순환하도록 채택된다. 이러한 본 발명의 단계들은 무엇보다도 흡착사이클 내에서 내부적으로 열을 전달함에 있어서 기계적인 증기압축 사이클을 조합 및 적용함에 있다.
본 발명의 첫번째 태양에 따르면, 그 사이클은, 반드시 한정되는 것은 아니지만 실리카겔 + 물, 활성탄 + 에탄올, 활성탄 + 메탄올, 활성탄 + HFC 와 같은 다수의 흡착질 + 흡착제 쌍을 이용하는 한편, 운전압력은 진공으로부터 고압의 범위에 있는 흡착 열펌프를 포함한다. 흡착사이클 내의 열은, 한정되는 것은 아니지만, 원심 압축기, 스크류 압축기, 왕복 압축기 및 스크롤 압축기를 포함하는 기계적 수단에 의하여 재순환되는 한편, 어떠한 종류 또는 혼합물의 냉매도 작동유체로서 채택될 수 있다. 열 재순환은 기계적인 증기압축 (MVC) 사이클 냉매가 흡착/탈착 과정에서 직접적인 열전달 상태에 있는 직접 수단 또는 열전달기나 저장 설비와 같은 매개체를 사용하는 간접 수단에 의하여 성취될 수 있다.
열펌프 사이클은 열교환기를 포함한다. 예를 들어, 한 측은 냉각수 또는 공기와 같은 냉각매체와 직접 소통/접촉 상태에 있고 흡착 과정에서의 냉매가 증발하게 되는 냉각부하의 추출을 위하여 한 개의 열교환기가 마련된다. 두 개의 열교환기들은, 흡착제가 열 소통 상태에 있는 반면 다른 측은 MVC 사이클의 냉매의 증발/응축 측과 열 상호반응 하에 있게 되는 흡착상 (adsorber beds) 및, 흡착사이클의 냉매의 응축용 열교환기처럼 기능하게 된다. 흡착기 열교환기의 열교환 측은 변환될 수 있는데, 즉 MVC 사이클의 냉매가 셀 (shell) 사이드의 튜브측에 있고 흡착제 물질은 열교환기의 반대 측에 있을 수도 있다. 이 실시예에서, 팽창/압축 균형장치를 경유하여 사이클의 증발기로 재순환되는 냉매를 응축하기 위하여 외부 냉각원이 흡착사이클용으로 채택된다.
흡착제 물질은 바람직하게는, 분리밸브를 통하여 흡착주기의 응축기 및 증발기와 소통상태에 있는 챔버/컴퍼트먼트의 내부에 수납된 흡착 열교환기의 한측에서 열교환면의 둘레에 도포 또는 충진된다. 흡착 열교환기의 다른 측은 흡착과정 중에 흡착기로서 기능하는 한편, 기계적 증기압축 사이클에 대한 탈착과정에서는 응축기로서 기능한다.
흡착 및 탈착 과정들은 사전에 설정된 시간 또는 포화조건까지 수행된다. 이 과정 후에는, 이전에 흡착과정을 수행한 흡착상이 가열되는 반면, 그의 상대편은 냉각되는 스위칭 과정이 있게 되며, 여기에서 난방과 냉방의 양자가 기계적 증기압축 사이클에 의하여 달성되며, 이러한 사이클내에서의 스위칭은 4-방향 밸브 및 팽창장치를 조정함으로써 처리된다. 각 과정의 제1 단계에 있어서, 열교환기의 흡착측은 그의 증발기 및 응축기로부터 분리된다. 여기에서 사이클 시간은 기계적 증기압축 (MVC) 사이클 내의 4-방향 밸브의 작용에 의하여 제어되는 반면, 스위칭 시간은 흡착기 측을 증발기 및 응축기와 소통시키는 증기밸브의 조정에 의하여 제어된다.
MVC 의 응축기측 및 증발측의 압력은, 바람직하게는 4-방향 밸브의 스위칭 전에 균일해진다. 이러한 균압화는 MVC 사이클의 다수의 밸브 조정에 의하여 달성되거나 또는 제어밸브와 함께 별개의 균압화 라인을 사용함으로써 달성되는 반면, 이 과정은 짧은 시간동안만 있게 되거나 또는 균등화된 또는 바람직한 압력조건이 얻어질 때까지 일어나게 된다.
다른 실시예는 흡착 및 응축 과정으로부터의 열을 흡착사이클의 탈착과정으로 내보내는 MVC 사이클을 채택한다. 흡착기 열교환기 구성은 앞서의 실시예와 유사한 반면, 흡착기 사이클의 응축기 열교환기의 한 측은 이제는 MVC 사이클과 열 소통 상태에 있게 된다. 초과 에너지는 공기 또는 냉각수의 수단에 의하여 열교환기를 통해 배출된다.
필요하다면, 흡착기 열교환기의 출구에서 냉매의 서브냉각이 열교환기를 경유하여 냉각수 회로를 사용하는 외부냉각에 의하여 이루어진다. 냉매는, 어느 쪽의 흡착 열교환기로부터의 서브냉각이 한 개의 열교환기를 사용하여 행해지도록 배치될 수 있다.
탈착기로부터의 냉매의 서브냉각을 위한 냉각원은 흡착사이클의 냉각 에너지로부터 추출된다. 이는 냉각수의 일부를 추출하고 서브냉각 열교환기를 가로질러 흐르게 함으로써 달성된다.
서브냉각용 냉각 에너지는, 바람직하게는 일부가 증발기 내에 삽입/침지되고 에너지 전달 매체는 서브냉각 열교환기를 지나가게 되는 별도의 열전달회로를 이용하는 흡착사이클의 증발기로부터 추출된다.
선택적으로, 냉매의 서브냉각은 팽창장치 또는 모세관과 같은 별도의 기구를 사용하는 MVC 사이클로부터의 냉매를 팽창함으로써 이루어진다.
첨부된 도면은 본 발명의 실시예들 중의 일부를 예시하는 것이다:
도 1은 흡착사이클을 기계적 증기압축 (MVC) 사이클과 하이브리드화하는 열펌프 사이클의 개략도를 나타낸다. 이 시스템은 유용한 효과를 위한 흡착사이클 (냉각, 냉장, 탈습, 난방 및 담수화) 및, 기계적 수단에 의하여 흡착사이클 내에서 내부적으로 열을 재순환하기 위한 MVC 사이클을 포함한다.
흡착사이클은, 냉각효과 (냉각수 또는 냉장)가 흡착사이클로부터의 냉매의 증발로부터 추출되는 증발기(1)를 포함한다. 흡착사이클은, 셀 (shell)측이 핀 (fin) 및 튜브면 상에 흡착제 물질(4)로 피복된 2개의 흡착 반응기 또는 상(床)(2) (3)을 포함한다. 작동 흡착제 + 흡착질의 쌍은 실리카 겔 + 물, 활성탄 + 에탄올, 활성탄 + 메탄올, 활성탄 + HFC 로 구성되는 군으로부터 선택되고, 운전압력은 선택된 쌍의 작동 성격에 따라서 진공 내지 고압의 범위일 수 있다. 또한 흡착사이클은 흡착사이클의 냉매를 응축하기 위한 응축기(5)로 구성된다.
흡착기 상들/챔버들은 증기 밸브(6)(7)(8)(9)를 경유하여 증발기(1) 및 응축기(5)와 직접적인 증기소통 상태에 있다. 특정시간에 흡착 또는 탈착만을 수행할 수 있는 흡착제 물질의 특성상, 2개의 흡착기 상/챔버(2)(3)은 선택적으로 흡착 및 탈착 과정을 수행하도록 채택된다. 여기에서, 흡착기 상(3)은 증기밸브(7)를 통하여 증발기와 소통하게 되는 흡착과정을 수행하게 되고, 그 동안 증기밸브(9)를 폐쇄함으로써 응축기(5)로부터는 분리된다. 흡착기 상/챔버(3) 내로 흡착제 물질에 의하여 흡수된 증기는, 냉각, 냉장 및/또는 탈습과 같은 유용한 효과가 추출될 수 있는 증발기(1)의 내부에서 냉매의 증발을 촉발한다. 흡착과정 또는 증기흡수과정은 발열성 과정이므로 흡착과정을 유지하기 위하여는 흡착열이 흡착기 상(3)으로부터 제거되어야만 한다.
동시에, 바로 전까지 흡착과정에 있었던 것으로 가정되는 다른 흡착기 상/챔버(2)는, 밸브(6)를 폐쇄함으로써 증발기(1)로부터 분리되지만 증기밸브(8)를 통하여 응축기와는 접속되어 있다. 탈착과정은 흡열과정이므로, 열의 형태로 된 에너지를 공급함으로써 촉발될 수 있다. 탈착된 증기는 응축열을 배출함으로써 응축되며, 액체냉매는 균압라인 또는 U-튜브(10)를 통하여 증발기로 환류된다.
흡착/탈착 과정의 지속시간 또는 사이클 시간은 흡착기 상이 포화되거나 또는 탈착기 상이 불포화로 되거나 또는 유용한 효과의 생성이 현저하게 될 때까지의 시간으로 될 수 있다. 다음 사이클에 있어서, 포화된 흡착기 상(3)은, 이제는 재생이 필요한 반면, 재생된 상(2)은 관련된 증기밸브를 조정함으로써 흡착과정을 수행하게 된다. 그러나, 상(3)의 내부 압력은 냉매 증발의 포화압력에 있는 증발기 압력에 있는 반면, 흡착기 상(2)의 내부 압력은 증발압력과 비교할 때 상대적으로 더 높은 응축기(5) 압력에 있게 된다. 따라서, 이들 흡착기 상들의 압력은 각 증발기 또는 응축기에 노출되기 전에 사전에 조건이 맞추어져야할 필요가 있다. 이러한 과정은 통상 상(2)(3)들이 증발기(1) 및 응축기(5)로부터 분리되는 동안인 스위칭 시간으로 기간이 정해진다.
이 사이클에 있어서, 흡착열 및 응축열들은 기계적인 증기압축 사이클에 의하여 흡착과정으로 보내진다. 물 또는 공기냉각 기구에 의한 초과 에너지 배출은 여기에서는 나타내지 않았다. 기계적인 증기압축 (MVC) 시스템은, 흡착과정 중에 있는 흡착기 상(3) 및 응축기(5)로부터의 흡착열을 탈착과정을 수행하는 탈착기 상(2)으로 내보낸다. 이러한 구성에 있어서, MVC 사이클의 냉매는 흡착기 열교환기(2)(3)의 튜브측으로 흘러 들어간다. 냉매는 확장장치(12)를 통하여 흡착기 열교환기(3) 및 응축기(5)의 튜브측으로 팽창된다. 냉매는 초가열된 증기 및 흐름으로 변환되는 응축 및 흡착의 열을 끄집어 내거나 또는 4-방향 밸브(13)를 통하여 압축기(11)로 빨아들여진다. 압축기(11)로부터 배출된 냉매는, 냉매로부터의 열이 탈착과정을 위하여 채택되는 흡착기 상(2)으로 보내진다. 흡착기 열교환기(2)로부터의 냉매는, 서브냉각 열교환기(16)에 의하여 다른 팽창장치(14)를 통하여 액체 냉매의 일부를 팽창시킴으로써 더욱 서브냉각된다. 그리고 냉매는 팽창장치를 통하여 팽창되고 사이클은 완료된다.
흡착 및 탈착 과정들을 위한 사이클 시간은 4-방향 밸브 위치의 경과기간에 의하여 설정된다. 사이클 운전의 마지막에, 흡착기 상들/챔버들(2)(3)은 증기밸브(6)(7)(8)(9)를 폐쇄함으로써 증발기(1) 및 응축기(5)로부터 먼저 분리된다. MVC 사이클의 냉매측, 즉 흡착기 챔버/상(2)(3)의 튜브측들의 압력은 수초 동안 균압라인 및 밸브(18)를 통하여 균등해진다. 그 후 4-방향 밸브(13)가 스위치되고 모든 3-방향 밸브(19)들이 그들의 위치를 바꾼다.
도 2는 운전의 다음 단계에 대한 개략적 도면을 나타낸다. 여기에서, 흡착기 상(2)은 압축기(11)의 흡인측에 접속되고, 다른 흡착기 상의 튜브측(3)에는 배출측에 마련된다. 하지만, 증기밸브(6)(7)(8)(9)는 흡착기 상/챔버의 셀측 내의 압력이 냉매의 증발 및 응축압력에 도달할 때까지 폐쇄된 채로 있게 된다 (흡착사이클). 사이클은 미리 설정된 사이클 시간을 얻을 때까지, 흡착기 상/챔버(2)(3)과, 증발기(1), 또는 응축기(5) 사이를 접속하는 각 증기밸브를 개폐함으로써 계속된다.
도 3은 MVC 사이클 및 흡착사이클을 하이브리드화하는 열펌프 사이클의 온도 프로파일을 나타낸다. 이는 실험적으로 측정된 작동 쌍의 등온선 (isotherm) 및 운동 특성과 함께 질량 및 에너지 보존법칙을 이용한 하이브리드 사이클의 프로파일링에 근거한 것이다. 여기에서는 흡착사이클용의 작동매체로서 실리카 겔 + 물이 선택된 반면, MVC 사이클용 냉매는 R134a 이다. 흡착기 상의 온도 및 냉매의 증발온도는, 급속한 흡착과정 및 후속하는 흡착 제품의 더 높은 열에 기인하여 초기에 증가된다. 흡착과정이 지나감에 따라 흡착제는 포화되고, 흡착제 상의 온도는 점진적으로 낮아진다. 흡착사이클의 증발온도는 303.15K의 초기 조건으로부터 약 293K로 떨어진다. 탈착상의 온도는 탈착과정의 초기에 매우 낮은데, 그 이유는 초기 흡착과정으로의 에너지 공급이 다소 크고 그 기간동안에 급속하기 때문이다. 탈착기의 온도는 사이클 시간이 시작됨에 따라 점차적으로 증가하는데, 이는 상이 점차적으로 비포화로 되기 때문이다. 일정한 탈착과정은 응축기 온도 프로파일에 반영된다.
도 4는 스위칭 동작 동안에 MVC 사이클의 흡착기, 탈착기, 응축기 (흡착사이클) 및 증발기의 일시적인 온도 프로파일들을 나타낸다. 흡착기 상은 예비냉각될 필요가 있음에 비하여, 탈착기 상은 다음 사이클을 시작하기 전에 예비가열될 필요가 있다. MVC 사이클의 증발기에 있어서의 갑작스러운 온도의 급등은, 4-방향 밸브에 의한 흡착기로부터 탈착기 상으로 즉각적인 스위칭 때문에 스위칭 동작의 초기에 검출된다. MVC 사이클의 탈착기 및 증발기 양자의 온도는 스위칭 시간이 시작됨에 따라 낮아진다. 예비가열된 흡착기 상의 온도는 180초 후에 306K로부터 거의 320K로 상승한다. 흡착기와 탈착기의 튜브측 사이의 균압 설계에 대해서는 여기에서는 시행되지 않으며, 따라서 필요한 스위칭 시간은 바람직한 온도 및 압력 조건을 얻기 위하여 비교적 길어짐에 주목해야 한다.
본 발명의 일 실시예는 도 5에 도시된 바와 같이 수행된다. 도 5에 있어서, 흡착기 사이클의 흡착상으로부터의 열은 기계적인 증기압축 (MVC) 사이클을 사용하여 탈착상으로 보내진다. 다시 말해서, MVC 사이클의 증발과정은 발열성 과정인 흡착과정을 유지하는데 이용된다. 흡착사이클로부터의 응축열 및 기계적인 증기압축 사이클로부터의 에너지, 즉 압축에너지는 물 또는 공기로 냉각된 열교환기를 통하여 대기 중으로 버려지는 반면, 외부냉각을 통한 서브냉각을 실현하게 된다. 이러한 실시예의 기능은 상술한 도 1 및 도 2를 참조하여 기술된 것과 유사하다.
현재 사이클의 에너지 흐름 및 온도 다이어그램은 도 6에 도시되어 있다. 이 사이클은 탈착과정(101), 흡착과정(102) 및 MVC 과정(103)으로 구성된다. 흡착제의 작업 포텐셜 또는 화학적 포텐셜은 탈착 온도에서의 가열원(104)를 사용하여 재생과정, 즉 탈착과정(101)에 의하여 생성되는 반면, 재생된 증기는 응축기 히트싱크(105)에서 응축된다. 2개의 온도저장소 사이의 열엔진 운전이라고 할 수 있는 이러한 탈착과정(101)은 가상적인 일(Wads)을 생성한다. 기본적으로 열펌프 사이클인 흡착사이클(102)에 있어서, 일(Wads)은 상기 흡착사이클(101)에 의하여 생성된 일(Wads)을 이용하여 TEVAP 에 있는 열원으로부터의 열을 Tads에 있는 히트싱크로 전달하도록 채택된다. 여기에서 흡착제의 화학적인 포텐셜은 증기흡수에 의하여 파괴된다. 또 다른 열펌프 사이클, 즉 MVC 과정(103)은, Tads에 있는 열저장소로부터의 열을 TDES 의 온도와 함께 히트싱크로 내보내도록 채택된다. 여기에서 외부의 전기적 일이 이러한 내보냄 동작을 달성하는데 필요하며, MVC 과정(103)은 흡착사이클 내부에서 열을 재순환하게 된다. 그 후에 사이클이 완료되며, 따라서 외부의 열원이 없는 전기적 피동 열펌프 사이클로 된다.
본 발명 내에서 구체화되는 사하-투 사이클은 난방 또는 냉방이나 혹은 양자에 대하여 사용되는 광범위한 장치들에 적용될 수 있다. 오로지 필요한 것은 그러한 장치들이 흡착사이클을 필수적으로 기반으로 하는 열펌프 사이클 또는 냉장 사이클을 이용하는 것이라는 점이다. 기계적인 증기압축 사이클과 흡착사이클을 조합하는 것은 그러한 장비/장치들의 성능을 현저하게 증강시키고, 귀중한 에너지를 절약할 수 있도록 해준다.
실시예:
본 발명에 있어서, 기계적인 증기압축 사이클의 응축과정은 흡착모드에서의 흡착사이클 작업의 재생과정에 대한 열원을 제공한다. 따라서, 조합된 사이클은 필수적으로 종래의 흡착사이클의 흡착기 상에 대한 냉각 및 가열회로를 제거하게 되고, 시스템은 현저하게 콤팩트하고, 운반이 쉬우며 전기적으로 구동되는 압축기에 의하여 운전할 수 있게 된다.
흡착사이클의 흡착, 응축 및 재생에 대한 냉각 및 가열방법은 어떠한 종류의 흡착제 + 흡착질 쌍에도 적용될 수 있다.
상기에서 논의된 조합 하이브리드 사이클 및 본 발명의 형성 부분은 종래의 증기압축 사이클 또는 흡착사이클만을 비교할 때 탁월한 성능계수 (coefficient of performance: COP)를 제공한다.
현재의 사이클은 종래의 기계적인 증기압축 사이클 또는 흡착 또는 흡수 사이클과 비교할 때 탁월한 성능을 제공한다. 따라서, 이 사이클은 HVAC 시스템, 주거/상업용 냉방과 같은 모든 현존하는 냉방제품 적용물 및 자동차의 적용부분을 대체할 수 있는 잠재력을 가진다.
실시예 1
실시예 1은 본 사이클을 열대기후 조건에서의 상업용 건물에 대한 냉각수 시스템에 적용한 것을 평가한 것이다. 그러한 적용분야에 대한 냉각수 공급온도는 AHRI 기준에 따르면 통상 7℃로 유지되며, 반면에 응축기 냉각수 온도는 약 30℃로 유지된다. 만약 동일한 냉각수 온도에서 65℃의 열원 온도에 의하여 구동되는 흡착 냉각기에 의하여 냉각이 제공되어야 한다면, 최대 가능한 또는 카르노 (Carnot) COP는 약 0.72 인 것으로 알려져 있다. 여기에서, 증발온도는 6℃로 취해진다 (실험적으로 검증된 근접치는 1℃임). 만약 R134a로 종래의 기계적인 증기압축 사이클이 적용된다면, 최대 가능한 COP는 약 6.4이며 실험적으로 측정된 증발온도는 약 -1.2℃ (증발기 압력 = 2.8bar 및 6.2℃의 과열)이고 응축온도는 약 41℃ (응축기 압력 = 10.5bar)이다. 만약 본 발명의 사이클이 적용된다면, 흡착사이클에 대한 동일한 재생 및 흡착온도를 유지하면서 최대 가능한 COP 는 9.6 인 것으로 확인되었다. 본 발명의 사이클은 이러한 맥락에서 매우 탁월한 에너지 효율을 제공한다.
카르노 COP 를 사용하는 흡착 및 기계식 증기압축 사이클과 비교하여, 본 발명의 COP에 대한 단순한 계산을 이하의 표 1에 나타내었다. MVC 사이클의 응축온도는 80℃로 설정된 반면, 증발온도는 35℃이다. 따라서, 탈착기의 측정 평균 온도편차 (log mean temperature difference: LMTD)를 5℃라고 가정하면 흡착온도의 재생온도는 약 75℃이다. 유사하게, 흡착온도는 약 40℃이다. 이러한 흡착 및 탈착온도와, 실리카겔 + 물과 같은 전형적인 흡착제 + 흡착질 쌍에 있어서, 흡착사이클로부터 추출될 수 있는 냉각수의 온도는 약 7℃인 반면, 흡착사이클의 증발온도는 약 6℃ 이다.
하이브리드 사이클의 COP 계산
하이브리드 MVC-AD 사이클 MVC 냉각기
MVC 사이클 흡착사이클
Tcond (K) 353.15 Tdes (K) 348.15 Tcond 314.799
Tevap (K) 308.15 Tads (K) 313.15 Tevap 272.6753
LMTDc (K) 5 TcondAD (K) 305.15 　 　
LMTDe (K) 5 TevapAD (K) 279.15 　 　
Superheat (K) 7 　 　 　 　
Subcool (K) 5 　 　 　 　
　 　 　 　 　 　
COP_C ( - ) 7.85 　 1.01 　 6.47
COP_Overall ( - ) 7.96 　 6.47
이들 온도를 사용하면, MVC 및 흡착사이클의 양자에 대한 카르노 COP들은 각각 7.85 및 1.01인 것으로 발견되었고, 반면에 제안된 하이브리드 사이클의 전체적인 COP는 약 7.96이었다. 한편, 냉매 R134a 를 사용하여 7℃의 냉각수를 생산하기 위한 MVC 시스템의 카르노 COP는 약 6.47로 계산된다.
제안된 하이브리드 MVC-AD 사이클은 종래의 MVC 또는 AD 사이클과 비교하여 더 나은 COP 를 제공하는 것으로 관찰되었다.
현저하게 높은 COP는 전형적으로 65℃와 80℃ 사이의 낮은 재생온도에서 흡착제 + 흡착질 쌍에 대한 사이클로부터 실현된다. 한편, 열교환기 물질 상의 흡착제에 개선된 열 및 질량 전달물질을 피복하는 방법은 재생온도를 내릴 수 있다.
본 발명은 3상(床) 또는 4상과 같은 다상 시스템에 대하여 2개의 흡착제 상을 가지는 흡착사이클에 적용가능하다. 다상 적용에 있어서, 냉각 및 가열을 위한 냉매는 그에 따라 흡착제 상에 분포될 수 있으며, 따라서 흡착 및 탈착과정을 실현하게 된다.
다양한 물질의 쌍 (물-실리카 겔, 물-제올라이트 등)이 본 발명의 흡착사이클 내에서 사용될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 흡착사이클은 진공에서 운전된다. 이는 현재의 시스템 (증기압축 사이클)으로부터 독립된 시스템이다. 이러한 사이클 시스템은 대기중으로 폐기될 응축기로부터의 열을 온전히 사용한다. 냉매액체는 상호간에 결코 혼합되지 않는다. 본 발명은 흡착사이클에 종래의 기계적인 증기압축 사이클을 더하는 것이다.
본 발명은 완전히 흡착기 상을 냉각하고 탈착기 상을 가열함으로써 흡착기 용의 외부냉각 및 가열원을 제거하는 기계적 증기압축 시스템을 이용한다. 냉각 부하는 흡착사이클의 증발기로부터 추출된다. MVC 사이클의 증발온도는 흡착온도 (29℃ 내지 34℃)로 상승되는 반면, 냉장응축은 탈착온도에서 발생한다. 본 시스템은 2개의 별개의 냉매회로, 즉 한개는 흡착사이클용, 또 한개의 MVC 사이클용으로 가지게 된다.
본 발명의 주된 장점은,
① 사이클은 외부 가열원에 의존하지 않고 완전히 자립적이며,
② 기계적인 증기압축 사이클이 더 간단하면서도 효과적인 스위칭 메커니증를 제공하기 때문에 복잡성이 덜하고 최소한의 물 밸브 및 펌프들을 가지며,
③ 0.5 Rton과 같은 작은 용량으로부터 메가와트 크기에 이르기까지의 시스템의 확장성 및,
④ 기계적 증기압축 사이클 및 흡착사이클 양자를 위한 냉매가 물 또는 기타 환경보호 냉매와 같은 자연 냉매로부터 유래하는 것이므로 친환경적이다.
상술한 기재내용에 대한 변경 및 수정은 본 명세서에 포함되는 것으로 간주되며 본 발명의 일부를 구성하는 것으로 이해되어야 한다.
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Claims (43)

  1. 기계적인 증기압축 사이클과 흡착사이클의 조합을 포함하는 냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치로서:
    흡착수단 내에서 흡착 및/또는 탈착될 수 있는 제1 작동유체를 포함하며,
    상기 흡착수단은 2개 이상의 흡착/탈착상(床)을 포함하고,
    상기 흡착/탈착상은, 하나 이상의 전용(專用) 방향전환수단을 통하여 증발기 수단 및 응축기 수단에 접속되고, 교호적인 방식으로 작동될 수 있으며,
    제2 작동유체인 기계적인 증기압축 (mechanical vapour compression: MVC) 냉매를 압축하고, 기계적인 증기압축 유니트의 응축기 및 증발기로서 교호적으로 작동하는 상기 2개 이상의 흡착/탈착상에 접속되며, 응축기는 흡착부의 탈착 상(床)에 재생열을 제공하고, 증발기는 흡착부의 흡착 상(床)에 냉각을 제공하는 기계적인 증기압축 유니트를 또한 포함하며,
    열펌프 사이클은 흡착사이클에 대하여 유용한 흡착열 및/또는 탈착열을 제공하는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    부분적으로 또는 전체적으로 흡착 및/또는 탈착열을 내보내도록 기계적인 수단이 마련되는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    전체적으로 또는 부분적으로 열재순환 모드에서 흡착용 열을 탈착상으로 내보내도록 하는 기계적인 수단이 마련되는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    탈착을 위하여 흡착기 및 응축기 수단의 양자로부터의 열을 내보내기 위한 수단이 마련되는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    기계적인 증기압축 사이클 냉매는, 탈착과정으로 내보내지도록, 열펌핑 구성에서는 부분적으로 흡착열을, 또한 열재순환 모드에서는 전체적으로 응축열을 운반하는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    흡착사이클용 흡착제 쌍은 실리카 겔 + 물, 활성탄 + 에탄올, 활성탄 + 메탄올 및 활성탄 + HFC로 구성되는 군으로부터 선택되고, 운전압력은 진공 내지 고압의 범위에 있는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    흡착사이클에서 열을 재순환하도록 사용되는 기계적인 펌프는, 원심 압축기, 스크류 압축기, 왕복 압축기 및 스크롤 압축기로 구성되는 군으로부터 선택되는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    MVC 내의 냉매는 공지되어 있는 냉매 또는 공지되어 있는 냉매들의 혼합물을 포함하는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    MVC 냉매의 흐름을 교호적으로 바꿈으로써 흡착과 탈착상 사이에서의 방향전환을 가능하게 하는 전용 방향전환 수단이 바람직하게는 4-방향 밸브인,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  10. 제 1 항 내제 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    필요한 경우, 열교환기를 통하여 물과 같은 외부냉각 메커니즘이 냉매의 서브냉각 (sub-cooling)용으로 제공되는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    필요한 경우, 흡착사이클과 증기압축 사이클 사이에서의 열교환을 가능하게 하도록 열 반송회로 또는 에너지 저장수단이 제공되는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    에너지 저장수단은 냉각/열 탱크를 포함하는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    기계적인 증기압축 사이클 내에서 냉매의 흐르는 방향의 조정에 의하여 흡착과정의 제어를 가능하게 하는 수단이 제공되는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    흡착상과 탈착상 및 응축기 수단과 증발기 수단을 접속하도록 마련된 냉매 흐름 제어수단의 제어를 통하여 흡착기와 탈착기의 운전을 제어하는 수단이 제공되는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    흡착사이클은 2개 이상의 흡착기 상(床)을 포함하는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    냉각 및 가열을 위한 냉매를 흡착기 상으로 분배함으로써 흡착 및 탈착 과정을 실현하기 위한 수단이 제공되는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    흡착사이클로부터의 응축기 열이 냉각수에 의하여 외부적으로 배출되는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    흡착사이클로부터의 응축기 열이 공기에 의하여 외부적으로 배출되는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 냉각장치 (chiller device), 분리형 에어컨디셔닝 유니트, 냉장 유니트 등으로부터 선택되는,
    냉장 또는 열펌프 사이클을 가지는 장치.
  20. 기계적인 증기압축 사이클과 흡착사이클의 조합을 포함하는 냉장 또는 열 펌프 사이클을 가지는 장치 내에서의 열펌프 운전방법으로서, 상기 장치는:
    흡착수단 내에서 흡착 및/또는 탈착될 수 있는 제1 작동유체를 포함하며,
    상기 흡착수단은 2개 이상의 흡착/탈착상(床)을 포함하고,
    상기 흡착/탈착상은, 하나 이상의 전용(專用) 방향전환수단을 통하여 증발기 수단 및 응축기 수단에 접속되고, 교호적인 방식으로 작동될 수 있으며,
    제2 작동유체인 기계적인 증기압축 (MVC) 냉매를 압축하고, 기계적인 증기압축 유니트의 응축기 및 증발기로서 교호적으로 작동하는 상기 2개 이상의 흡착/탈착상에 접속되며, 응축기는 흡착부의 탈착 상(床)에 재생열을 제공하고, 증발기는 흡착부의 흡착상에 냉각을 제공하는 증기압축 유니트를 또한 포함하며,
    열펌프 사이클은 흡착사이클을 위하여 유용한 흡착열 및 탈착열 효과를 제공하고,
    상기 열펌프 운전방법은, 내부의 흡착제를 재생하기 위하여 흡착과정으로의 과정들 내에서 열을 내보내고 그에 의하여 제고된 성능을 제공하는 기계적 증기압축 수단을 채택하는,
    열펌프 운전방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    열은 부분적으로 또는 전체적으로 기계적인 수단에 의하여 내보내지는,
    열펌프 운전방법.
  22. 제 20항 또는 제 21 항에 있어서,
    전체적으로 또는 부분적으로 열재순환 모드에서의 탈착을 위한 흡착기 열이 기계적으로 보내지는,
    열펌프 운전방법.
  23. 제 20 항 내지 제 22 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    흡착기 및 응축기 수단의 양자로부터의 열이 탈착을 위하여 보내지는,
    열펌프 운전방법.
  24. 제 20 항 내지 제 23 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    전체적으로 또는 부분적으로 흡착열 및, 열재순환 모드에서는 전체적으로 응축열이, 냉매를 통하여 탈착과정으로 보내지는,
    열펌프 운전방법.
  25. 제 20 항 내지 제 24 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    흡착사이클용 흡착제 쌍은 실리카 겔 + 물, 활성탄 + 에탄올, 활성탄 + 메탄올 및 활성탄 + HFC로 구성되는 군으로부터 선택되고, 운전압력은 진공 내지 고압의 범위인,
    열펌프 운전방법.
  26. 제 20 항 내지 제 25 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    흡착사이클로부터의 열을 재순환하는 기계적인 펌프는, 원심 압축기, 스크류 압축기, 왕복 압축기 및 스크롤 압축기로 구성되는 군으로부터 선택되는,
    열펌프 운전방법.
  27. 제 20 항 내지 제 26 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    냉매는 R134a, R410a, CO2, HFO-1234ze(E) 및 HFO-1234yf 등과 같은 공지되어 있는 냉매 또는 공지되어 있는 냉매들의 혼합물을 포함하는,
    열펌프 운전방법.
  28. 제 20 항 내지 제 27 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    흡착상과 탈착상 사이에서의 열펌프의 방향전환은 냉매 흐름용의 전용 방향전환 수단을 통하여 행하여지는,
    열펌프 운전방법.
  29. 제 20 항 내지 제 28 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    필요한 경우, 냉매는 열교환기를 통하여 물 또는 공기와 같은 외부냉각 메커니즘으로 서브냉각되는,
    열펌프 운전방법.
  30. 제 20 항 내지 제 29 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    필요한 경우, 흡착사이클과 기계적인 증기압축 사이클 사이에서의 열교환은, 냉각/열 탱크와 같은 열전달 회로 또는 에너지 저장수단을 통하여 행하여지는,
    열펌프 운전방법.
  31. 제 20 항 내지 제 30 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    냉매 흐름 및 흡착 과정을 전용 제어수단을 통하여 제어할 수 있는,
    열펌프 운전방법.
  32. 제 20 항 내지 제 31 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    에너지 재생 및 압축기의 보호를 위하여 기계적인 증기압축 (MVC) 사이클의 고압 측 및 저압 측의 사이에서 균압을 유지하는,
    열펌프 운전방법.
  33. 제 20 항 내지 제 32 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    냉매의 서브냉각은 서브냉각 열교환기를 가로질러 지나가는 냉각수를 통하여 흡착사이클의 증발기로부터의 냉각에너지의 일부를 사용함으로써 이루어지는,
    열펌프 운전방법.
  34. 제 20 항 내지 제 33 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    냉매의 서브냉각은 열교환기와 서브냉각 열교환기를 가로질러 지나가는 열매체 회로와 흡착사이클의 증발기 내부에 침지된 별개의 열교환기를 가지는 흡착사이클의 증발기로부터의 냉각에너지의 일부를 사용함으로써 이루어지는,
    열펌프 운전방법.
  35. 제 20 항 내지 제 34 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    냉매의 서브냉각은 MVC 사이클의 냉매 일부를 팽창시킴으로써 이루어지는,
    열펌프 운전방법.
  36. 제 20 항 내지 제 35 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    냉각/열탱크와 같은 열전달 회로 또는 에너지 저장부와 같은 중간 매체/매체들이 흡착사이클과 MVC 사이클의 사이에서의 열교환에 사용되는,
    열펌프 운전방법.
  37. 제 20 항 내지 제 36 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    흡착과정에 대한 운전 간격/타이밍은 MVC 사이클의 냉매 흐름방향의 조정에 의하여 제어되는,
    열펌프 운전방법.
  38. 제 20 항 내지 제 37 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    흡착기와 탈착기의 사전에 정해진 간격 또는 스케쥴은 흡착 열교환기들과 흡착사이클의 각 증발기 및 응축기를 연통하는 증기밸브들의 스위칭을 통하여 제어되는,
    열펌프 운전방법.
  39. 제 20 항 내지 제 38 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    흡착사이클은 2개 이상의 흡착기 상들을 포함하는,
    열펌프 운전방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    흡착 및 탈착 효과용의 가열 또는 냉각의 각각이 각 흡착기 상에 분배되는,
    열펌프 운전방법.
  41. 제 20 항에 있어서,
    흡착사이클로부터의 응축기 열이 냉각수에 의하여 외부로 배출되는,
    열펌프 운전방법.
  42. 제 20 항에 있어서,
    흡착사이클로부터의 응축기 열이 공기에 의하여 외부로 배출되는,
    열펌프 운전방법.
  43. 제 20 항 내지 제 42 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    냉매의 서브냉각은 서브냉각 열교환기를 통하여 공기를 이용함으로써 이루어지는,
    열펌프 운전방법.
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