KR20190006514A - 수착 열펌프 및 제어 방법 - Google Patents

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마이클 에이. 개러브런트
로저 이. 스타우트
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스톤 마운틴 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

흡수 열펌프 시스템, 특히 시스템 시동 중에, 또는 냉각 유체 온도가 낮을 때에 응축기를 통과하는 순환 냉각 유체의 유동을 운용하는 방법이 제공된다. 흡수 열펌프가 최대 냉각 또는 가열 용량에 도달하는 시간을 최소화하기 위해, 고압 측 압력이 최대한 빠르게 상승하고, 저압 측 압력이 최대한 빠르게 감소하는 것이 바람직하다. 고압 측 압력은 응축기로부터 유출되는 냉매의 온도의 함수이므로, 응축기 냉각 유체 온도가 낮으면, 대응하는 고압 측 압력이 낮을 것이고, 이것은 상기 시스템의 고압 측으로부터 저압 측으로의 충분한 작동 유체 유량을 허용하지 않을 수 있다.

Description

수착 열펌프 및 제어 방법
정부 실시권
본 발명은 에너지부에 의해 수여된 그랜트(Grant) DE-EE0006116에 따른 정부 지원을 받아 발명되었다. 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 갖는다.
본 개시내용은 수착 열펌프(sorption heat pump)를 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시내용은 응축기로의 순환 유체(hydronic fluid)의 유동을 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
다양한 작동 유체를 사용하는, 열 작동 흡수 사이클이 오랫동안 냉각, 냉동, 및 가열을 제공하는 데 이용되어 왔다. 흡수 사이클은 증기-압축 열펌프 사이클에 의해 이용되는 (가장 일반적으로 전기 모터에 의해 구동되는 압축기를 사용하는) 역학적인 일 대신에, 주 에너지원으로서 열에너지를 이용한다. 흡수 사이클을 위한 가장 일반적인 작동 유체는 암모니아-물(NH3-H2O) 및 리튬 브로마이드-물(LiBr-H2O)이지만, 많은 다른 적절한 조합이 존재한다.
흡수 열펌프는 하급(저온)의 열을 전달하고, 더 고급의 에너지원(예를 들어, 화석 연료, 태양광, 열 또는 폐열의 연소)을 사용하여, 그것을 더 높은, 더 유용한 온도까지 '펌핑'한다. 그 결과, 가열 사이클 효율은 관련된 사이클 및 온도에 따라 100%보다 큰 수치(전형적으로 150-200%)(또는 더 정확하게, (총 전달 열출력)/(더 고급의 열입력)에 기초하는 성능 계수(coefficient of performance)(COP)로서 표현하면, 1.5-2.0)를 갖는다. 가정용 온수 난방 적용분야에서, 하급 열에너지원은 전형적으로 실내 또는 실외 주변 공기이고(그러나, 지열과 같은 다른 에너지원이 또한 사용될 수 있고), 물은 전형적인 지면 온도(대략 35-80℉)로부터 110-160℉까지 가열된다. 공간 난방 적용분야에 대해, 하급 열에너지원은 실외 주변 공기 또는 지열이고, 건물 내부 난방 시스템에 연결되는 순환 유체는 전형적으로 90-160℉의 온도까지 가열된다.
흡수 열펌프는 일부가 더 높은 압력에서 동작하고, 다른 것이 더 낮은 압력에서 동작하는, 여러 개의 특수 열 교환기, 및 사이클 작동 유체를 저압 측으로부터 고압 측으로 이동시키는 용액 펌프를 포함한다. 냉매는 적절한 열원으로부터의 열에너지를 사용하여 높은 압력에서 탈착기(desorber) 내의 흡수제로부터 탈착된다. 이러한 냉매 증기는 응축기 내에서 액체로 응축된다. 응축기로부터 유출되는 냉매 액체의 포화 온도는 고압 측 압력의 수치를 결정한다(더 낮은 포화 온도는 더 낮은 고압 측 압력에 대응한다). 응축기로부터 유출되는 액체 냉매는 스로틀링 밸브 또는 고정 교축부(오리피스 또는 모세관)를 사용하여 저압 측 압력까지 팽창된 후에 증발기 내로 유입되고 여기서 그것은 하급 에너지원(전형적으로 실외 공기 또는 지열 싱크)에 의해 증발된다. 저압 측 압력이 하급 에너지원보다 낮은 냉매의 비등 온도에 대응하므로, 하급 에너지원의 온도가 저압 측 압력의 수치를 결정한다. 탈착기로부터 유출되는 냉매 내의 희박 흡수제가 또한 스로틀링 밸브 또는 고정 교축부를 사용하여 저압 측 압력까지 팽창되고, 증발기로부터 유출되는 낮은 압력의 냉매와 함께 흡수기 내로 유입되고 여기서 냉매 증기는 흡수제 내로 흡수된다. 흡수기로부터 유출되는 냉매-흡수 액체는 고압 측 압력까지 다시 펌핑되고 여기서 그것은 탈착기 내로 유입되고 그에 따라 사이클을 다시 시작한다.
상기 사이클이 적절하게 기능하기 위해, 열펌프 작동 유체(냉매 및 흡수제)는 계속하여 교축 디바이스를 통해 상기 시스템의 고압 측 압력 부분으로부터 상기 시스템의 저압 측 압력 부분으로(펌프로) 다시 유동하여야 한다. 고압 및 저압 측들 사이의 압력 차이는 이러한 유동을 제공한다. 압력 차이가 충분히 크지 않으면, 작동 유체 유량이 감소할 수 있고, 흡수 시스템이 적절하게 동작하지 못하게 하거나, 동작 문제를 유발할 수 있다.
난방 적용분야에 대해, 유체(전형적으로 물 또는 글리콜-물 혼합물과 같은 순환 유체)는 응축기 및 흡수기를 통해 순환되어 응축열 및 흡수열을 수집하고, 그에 따라 그 온도를 상승시킬 수 있다. 가열된 순환 유체는 이어서 건물 내부의 공기(예를 들어, 공간 난방) 또는 저장 탱크 내의 물(예를 들어, 가정용 온수 난방)일 수 있는, 부하를 가열하는 데 사용될 수 있다. 순환 유체는 직렬, 병렬 또는 그 임의의 조합으로 되어 있는 응축기 및 흡수기를 통해 유동할 수 있다. 사이클 효율을 최대화하기 위해, 흡수기를 최대한 냉각시키고, 고압 측 압력이 최대한 낮은 것이 바람직하다. 흡수 가열 사이클에 대해, 최대 효율은 응축기 및 흡수기를 통과하는 순환 유체의 병렬 유동 구성을 사용하여 획득될 수 있다.
흡수 열펌프의 가열 또는 냉각 용량이 상기 시스템의 시작 후에 최대한 빠르게 증가하고 그에 따라 효율을 최대화하여 최적의 고객 만족을 제공하는 것이 매우 바람직하다. 흡수 시스템이 어느 정도의 시간 동안 오프 모드에 있다가 작동될 때에, 고압 측과 저압 측 사이의 압력 차이는 보통 매우 작거나 0이다. 상기 시스템이 작동되어 열이 탈착 디바이스에 가해질 때에, 고압 측 압력은 냉매 증기가 발생되어 응축기 내로 유입됨에 따라 상승하기 시작할 것이다. 그러나, 냉매 증기의 초기 유량은 (전형적으로 강철로 구성되는) 응축기 열 교환기의 온도에서와 같이, 낮을 수 있고, 그에 따라 고압 측 압력은 보통 매우 서서히 상승할 것이다. 따라서, 고압 측과 저압 측 사이의 압력 차이는 서서히 증가하여, 고압 측과 저압 측 사이에서의 작동 유체의 순환 속도가 낮아지게 하고 시스템 가열 또는 냉각 용량이 요구된 것보다 서서히 증가하게 한다.
난방 적용분야, 특히 열펌프가 저장 탱크 내의 냉수를 가열하는 데 사용되는 가정용 온수 난방 적용분야에 대해, 시스템 시동 시의 순환 유체의 온도가 매우 낮을 수 있다. 공간 난방 적용분야에 대한 시동 시의 순환 유체 온도가 또한 난방 시스템이 긴 시간 동안 오프 모드에 있었던 경우에 매우 낮을 수 있다. 응축기 및 흡수기를 통해 유동하는 순환 유체 온도가 낮을 때에, 응축기로부터 유출되는 냉매 온도가 또한 낮고, 그 결과 고압 측 압력이 낮을 것이다. 이것은 고압 측과 저압 측 사이의 압력 차이가 열펌프를 동작시키기에, 또는 문제없이 동작시키기에 불충분한 상황을 유발할 수 있다. (더운 날씨에서의 가정용 온수 난방과 같이) 순환 유체 온도가 낮고 증발기에 결합되는 하급 열원의 온도가 더 높은 온도인 극단적인 경우에, 고압 측과 저압 측 사이의 포화 압력 차이는 매우 작거나, 잠재적으로 심지어 음수일 수 있다.
순환 유체가 응축기 내로 유입되기 전에 먼저 (순환 유체가 더 높은 온도까지 가열되는) 흡수기를 통과하는, 순환 유체 루프에 대해 직렬 구성을 사용하는 것은 응축기 내로 유입되는 순환 유체 온도를 상승시킴으로써 낮은 순환 유체 온도에서 더 빠른 시동 및 개선된 동작의 이익을 제공한다. 그러나, 이러한 실시는 고압 측 압력이 필요한 것보다 높아지게 함으로써 시동 시간 후에 열펌프의 최대 효율을 감소시킨다. 직렬 구성은 또한 열펌프 구성요소의 최고 동작 압력으로 인해, 순환 유체가 가열될 수 있는 온도를 제한할 수 있다.
응축기 및 흡수기를 포함하는 수착 열펌프를 제어하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 응축기에서 유입 또는 유출되는 순환 유체의 온도를 측정하는 단계; 및 측정된 온도에 따라 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 방법에 의해 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량은 온도가 미리-결정된 수치보다 낮을 때에 총 잠재 유량에 비해 감소된다.
순환 유체를 액체로 응축시키는 응축기; 순환 유체로부터 열을 흡수하는 흡수기; 응축기에 대해 유입 또는 유출되는 순환 유체의 온도를 측정하는 온도 센서; 및 응축기에 대해 유입 또는 유출되는 순환 유체의 온도에 따라 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 제어하는 제어부를 포함하고, 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량은 온도가 미리-결정된 수치보다 낮을 때에 총 잠재 유량에 비해 감소되는, 수착 열펌프 제어 시스템이 또한 제공된다.
응축기 및 흡수기를 포함하는 수착 열펌프를 제어하는 방법이 또한 제공된다. 상기 방법은 오프 모드로부터의 열펌프의 작동 후로부터 미리결정된 시간 동안 총 잠재 유량에 비해 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 감소시키는 단계를 포함한다.
수착 열펌프 제어 시스템으로서, 냉매를 액체로 응축시키고 그에 따라 응축열이 순환 유체로 전달되는 응축기; 흡수기 내로 흡수될 냉매를 제공하고 그에 따라 흡수열이 순환 유체로 전달되는 흡수기; 및 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 시스템에 의해 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량은 오프 모드로부터의 열펌프의 작동 후로부터 미리결정된 시간 동안 총 잠재 유량에 비해 감소되는, 수착 열펌프 제어 시스템이 또한 제공된다.
도 1은 흡수 열펌프 사이클의 개략도이다.
도 2는 제어 밸브를 갖는 예시적인 흡수 열펌프 사이클의 개략도이다.
도 3은 제어 밸브를 갖는 대안적인 예시의 흡수 열펌프 사이클의 개략도이다.
도 4는 2개의 제어 밸브를 갖는 대안적인 예시의 흡수 열펌프 사이클의 개략도이다.
도 5는 우회 라인 내에 제어 밸브를 갖는 대안적인 예시의 흡수 열펌프 사이클의 개략도이다.
도 6은 우회 라인 내에 제어 밸브를 갖는 또 다른 대안적인 예시의 흡수 열펌프 사이클의 개략도이다.
하기의 설명은 도면에 예시하기 위해 선택된 구조의 구체적인 예에 적용되도록 의도되고, 첨부된 청구범위 이외의 부분에서, 본 개시내용을 한정 또는 제한하도록 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다.
응축기 및 흡수기를 포함하는 수착 열펌프를 제어하는 시스템 및 방법으로서, 응축기에 대해 유입 또는 유출되는 순환 유체의 온도를 측정하는 단계; 및 측정된 온도에 따라 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 제어하는 단계를 포함하고, 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량은 온도가 미리-결정된 수치보다 낮을 때에 총 잠재 유량에 비해 감소되는, 시스템 및 방법이 제공된다.
응축기 및 흡수기를 포함하는 수착 열펌프를 제어하는 시스템 및 방법으로서, 오프-모드로부터의 열펌프의 작동 후로부터 미리결정된 시간 동안 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 제어하는 단계를 포함하는, 방법 및 시스템이 또한 제공된다.
간단한, 단일 효과의 흡수 열펌프 사이클(100)이 도 1에 도시된다. 이러한 설명의 목적을 위해, 사이클은 가스-연소 NH3-H2O 사이클인 것으로 가정된다. 그러나, 임의의 개수의 사이클 구성 및 작동 유체 쌍이 있을 수 있고 관련 업계에 널리 공지되어 있다.
고온 열원(도시되지 않음)이 열에너지를 탈착기(DES)(101)에 제공하고, 탈착기(101)는 냉매(NH3)가 고압(전형적으로 약 200-300 psia)에서 NH3-H2O 용액으로부터 증발하게 한다. NH3 증기는 탈착기(101)로부터 유출되어 정류기 NH3 증기 공급 라인(102)에 의해 정류기(RECT)(103)로 전달된다. 정류기(103) 내의 NH3 증기 스트림 내에 존재하는 소량의 수증기는 응축 라인(104)에 의해 제거되어 탈착기(101)로 복귀될 수 있다. 정제된 NH3 증기를 응축기 공급 라인(106)을 통해 응축기(COND)(105)로 전달하여 응축기(105) 내에서 정제된 NH3 증기가 액체로 응축되게 함으로써, 열이 정제된 NH3 증기로부터 제거될 수 있다. 응축기(105) 내의 액체 NH3는 냉매 열 교환기 액체 공급 라인(108)에 의해 냉매 열 교환기(RHX)(107)로 전달될 수 있다. 액체 NH3는 냉매 열 교환기(RHX)(107) 내에서 추가로 냉각되고 이어서 제1 교축 디바이스 입력 라인(110)을 통해 액체 NH3를 냉매 열 교환기(RHX)(107)로부터 제1 교축 디바이스(109)로 전달함으로써 저압(전형적으로 50-150 psia)까지 하강될 수 있다. 저압 액체 NH3는 이어서 제1 교축 디바이스 출력 라인(112)에 의해 증발기(EVAP)(111)로 전달될 수 있다. 저압 액체 NH3는 증발기(EVAP)(111) 내의 하급 에너지원(도시되지 않음)으로부터의 열을 사용하여 증발기(EVAP)(111) 내에서 증발되고, 그에 의해 하급 열원을 냉각시킬 수 있다. 증발된 NH3는 냉매 열 교환기 증기 공급 라인(114)에 의해 증발기(111)로부터 냉매 열 교환기(107)로 전달된다. 냉매 열 교환기(107) 내에서, 냉매 열 교환기 증기 공급 라인(114)으로부터의 증발된 NH3가 가열된다. 가열된 NH3 증기는 이어서 흡수기 공급 라인(116)에 의해 냉매 열 교환기(107)로부터 흡수기(ABS)(113)로 전달될 수 있다.
저농도의 NH3를 갖는 고온, 고압 NH3-H2O 용액(보통 "희(weak)" 용액으로 지칭됨)이 희용액 공급 라인(118)을 통해 탈착기(101)로부터 유출되어 용액 열 교환기(SHX)(115)로 전달된다. 희용액은 용액 열 교환기(SHX)(115) 내에서 냉각될 수 있다. 냉각된 희용액은 이어서 냉각된 희용액을 제2 교축 디바이스 입력 라인(120)을 통해 제2 교축 디바이스(117)로 전달함으로써 저압까지 하강될 수 있다. 저압, 저온의 희용액은 제2 교축 디바이스 출력 라인(122)에 의해 제2 교축 디바이스(117)로부터 흡수기(113)로 전달될 수 있다. 흡수기(113) 내에서, NH3 증기는 희 NH3-H2O 용액 내로 다시 흡수된다. 이것은 발열 공정이고, 흡수열은 바람직하게는 계속하여 제거되고 그에 따라 흡수 공정을 계속하여 진행한다.
흡수기 출력 라인(124)을 통해 흡수기(113)로부터 유출되는 저온, 고농도 NH3 용액(보통 "농(strong)" 용액으로 지칭됨)은 펌프(119)에 의해 고압으로 다시 펌핑되어 농용액 공급 라인(126)에 의해 정류기(103)의 코일(121)로 전달될 수 있다. 농용액은 정류기(121)를 통과하여 NH3 증기를 냉각 및 정제시킨다. 농용액은 이어서 용액 열 교환기 증기 공급 라인(128)에 의해 정류기(121)로부터 용액 열 교환기(115)로 전달될 수 있다. 농용액은 이어서 탈착기 증기 공급 라인(130)을 통해 탈착기(101) 내로 유입되기 전에 용액 열 교환기(115) 내에서 예열되고 그에 따라 공정을 다시 시작할 수 있다.
탄소 연료, 태양광, 폐열 등의 연소가 또한 고급 열을 탈착기(101)에 제공하는 데 사용될 수 있다. 증발기(111)는 공기 핀-튜브 코일 열 교환기에 직접 냉매를 이용하거나, 순환 작동 유체 열 교환기에 간접 냉매를 이용할 수 있다. 간접 방법의 하나의 이점은 총 냉매 충전량의 잠재적인 감소이다.
도 2는 제어부를 갖는 공간 또는 온수 난방을 위해 구성되는, 간단한, 단일 효과의 흡수 열펌프 사이클(200)을 도시한다. 탈착기(201), 정류기(203), 응축기(205), 냉매 열 교환기(207), 증발기(211), 흡수기(213), 및 용액 열 교환기(215)는 도 1에 예시된 바와 같이 배열된다.
그러나, 도 2는 증발기(211)를 통과하여 냉매가 비등하게 하는, 저온 열원으로서 주변 공기(223)를 도시한다. 주변 공기(223)는 증발기 열원 입력 라인(231)에 의해 증발기(211) 내로 유입되어 증발기 열원 출력 라인(232)에 의해 증발기(211)로부터 유출된다. 주변 공기(223)는 건물 외부 또는 내부로부터 공급될 수 있다.
도 2는 열을 흡수 열펌프로부터 가열될 부하로 전달하는 순환 유체(예를 들어 물 또는 글리콜-물 혼합물) 루프(225)를 추가로 도시한다. 도 2는 예를 들어 공간 난방을 위한 공기-결합 열 교환기, 물 탱크에 연결되어 물을 가열하는 열 교환기 등일 수 있는, 실내 코일로서 부하를 특정한다. 부하에 의해 냉각되는, 순환 유체는 우선 순환 유체 입력 라인(233)에 의해 임의적인 응축 열 교환기(CHX)(227)로 전달될 수 있다. 응축 열 교환기(227)는 고온 탈착기(201) 열원을 추가로 냉각시켜, 손실을 감소시키는 역할을 한다(이러한 경우에, 탄소 연료의 연소가 가정된다). 순환 유체 입력 라인(233)으로부터의 순환 유체의 온도가 탈착기(201)로부터 유출되는 연도 가스의 이슬점보다 낮을 때에, 탈착기(201)로부터 유출되는 연도 가스 라인(235) 내의 수증기가 응축되어 응축 열 교환기(227)로 전달되고, 그에 따라 연도 가스로부터의 에너지 손실을 상당히 감소시킬 수 있다.
응축 열 교환기(227)로부터 유출된 후에, 순환 유체는 응축기(205) 및 흡수기(213) 내로 유입되어 열펌프 사이클로부터 응축열 및 흡수열을 수집한다. 순환 유체는 직렬, 병렬, 또는 그 임의의 조합으로 되어 있는 응축기(205) 및 흡수기(213)를 통해 유동할 수 있다. 병렬 구성이 도 2에 도시되고, 여기서 순환 유체 유동의 일부가 응축기 순환 유체 유동 입력 라인(237)을 통해 응축기(205) 내로 유입되고, 한편 나머지 순환 유체 유동은 흡수기 순환 유체 유동 입력 라인(239)을 통해 흡수기(213) 내로 유입된다. 응축기 순환 유체 유동 출력 라인(241) 및 흡수기 순환 유체 유동 출력 라인(243)을 통해 응축기(205) 및 흡수기(213)로부터 유출된 후에, 가열된 순환 유체 유동이 재결합되어 순환 유체 출력 라인(251)을 통해 가열될 부하로 진행한다. 병렬 유동 배열에 대해, 응축기(205)를 통과하는 총 순환 유체 유동의 비율은 보통 선택된 특정 사이클, 또는 특정 적용분야에 의존한다. 일반적으로, 순환 유체 유동 분리 비율은 응축기/흡수기의 가열 용량 비율과 유사하고, 이것은 보통 흡수기에서 약 60%이다.
순환 유체 유동 분리 비율은 밸브(247)를 동작시키는 제어부(245)에 의해 조절될 수 있다. 임의로, 제어부(245)는 응축 열 교환기(227)에 대해 유입 또는 유출되는 순환 유체의 온도에 따라 밸브(247)를 동작시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(245)는 온도가 약 70-90℉의 온도보다 낮은 온도와 같은 미리-결정된 수치보다 낮을 때에 총 잠재 유량에 비해 응축기에 대해 유입 또는 유출되는 응축 유체의 유량을 감소시킬 수 있다. 순환 유체의 온도를 측정하기 위해, 온도 센서(249a)가 응축 열 교환기(227)의 상류에서 순환 유체 입력 라인(233) 내에 채용될 수 있거나, 대안으로서, 온도 센서(249b)가 응축 열 교환기(227)의 하류에서 순환 유체 입력 라인(233) 내에 채용될 수 있다.
도 2는 응축기 순환 유체 유동 입력 라인(237) 내의 밸브(247)를 도시하고, 여기서 그것은 응축기(205) 내로 유입된다. 밸브(247)는 온/오프 또는 가변 위치 타입으로 되어 있을 수 있다. 밸브(247)의 위치(완전 개방, 완전 폐쇄, 또는 그 사이의 중간 위치)는 응축 열 교환기(227)로부터 유출되는(또는 대안으로서, 응축 열 교환기(227) 내로 유입되는) 순환 유체의 온도에 따라 제어부(245)에 의해 제어된다. 온도 센서(249a, 249b)(열전대, RTD, 서미스터 또는 다른 온도 측정 디바이스)는 순환 유체 입력 라인(233)에 부착되고, 그에 따라 응축 열 교환기(227)에 대해 유입 또는 유출되는 순환 유체의 온도가 알려진다.
응축기(205) 내로 유입되는 순환 유체의 온도가 미리-결정된 수치보다 낮을 때에, 제어부(245)는 밸브(247)를 폐쇄하거나, 부분적으로 폐쇄하여 응축기(205)를 통과하는 순환 유체의 유량을 정지 또는 감소시키도록 동작한다. 응축기(205)를 통과하는 순환 유체 유량을 정지 또는 감소시킴으로써, 응축기 순환 유체 유동 출력 라인(241)을 통해 응축기(205)로부터 유출되는 냉매의 온도가 상승되어, 고압 측 압력이 상승하게 한다. 이러한 제어 방법은 고압 측 압력을 최소 수치보다 높게 유지하여, 고압 측 및 저압 측 압력들 사이의 압력 차이가 충분히 커서 작동 유체가 압력 교축 디바이스(209, 217)를 통해 충분히 높은 유량으로 유동하게 하고 그에 따라 열펌프 사이클(200)이 적절하게 동작하도록 유지하는 것을 보증한다.
이러한 방식으로 응축기(205)를 통과하는 순환 유체 유량을 정지 또는 감소시킴으로써, 정상 순환 유체 유량보다 높은 유량이 흡수기(213)를 통과하여, 흡수기 순환 유체 유동 출력 라인(243)을 통해 흡수기(213)로부터 유출되는 농용액이 더 낮은 온도로 유출되게 할 것이다. 열펌프 사이클(200)의 효율이 라인(224) 내에서의 흡수기(213)로부터 유출되는 농용액의 온도의 하강에 따라 증가하므로, 제어부(245)가 밸브를 폐쇄하거나 부분적으로 폐쇄하도록 동작 중인 시간 동안 흡수기(213)를 통과하는 추가적인 유량은 열펌프가 더 높은 효율로 동작하게 할 것이다.
응축기(205)를 통과하는 순환 유체 유량은 간단한 온/오프 밸브, 다중-위치 밸브, 또는 비례 밸브(대체로 247로서 도시됨)를 사용하여, 응축기(205) 내로 유입되는 순환 유체의 온도에 기초하여, 제어될 수 있다. 온/오프 밸브가 가장 간단하고 저렴한 옵션을 제공한다. 온/오프 밸브가 사용되면, 제어부(245)는 순환 유체의 온도에 기초하여, 미리-결정된 간격에 따라 밸브(247)를 온 및 오프하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 순환 유체의 온도가 매우 낮으면, 제어부(245)는 온 상태에 있던 시간보다 긴 시간 동안 밸브를 오프 상태로 유지하도록 동작할 것이다. 순환 유체 온도가 상승함에 따라, 온 및 오프 사이클의 시간 간격은 그에 따라 응축기(205) 내로 유입되는 순환 유체 온도에 기초하여 대략적인 최소 고압 측 압력을 유지하도록 (더 많은 시간을 온 상태로, 더 적은 시간을 오프 상태로 설정하여) 조정될 수 있다. 순환 유체 온도가 미리-결정된 수치까지 상승할 때에, 제어부(245)는 밸브(247)를 항상 개방 상태로 유지하여, "정상" 열펌프 동작을 가능케 할 수 있다. 밸브(247)가 오프(폐쇄된) 상태인 시간 동안, 모든 순환 유체 유동은 응축기(205)를 우회하여 흡수기(213)를 통해 유동한다는 것을 주목하여야 한다.
다중-위치 또는 비례 밸브가 사용될 때에, 제어부(245)는 응축기(205) 내로 유입되는 순환 유체 온도에 기초하여 밸브(247)를 미리결정된 위치에 위치시키도록 동작할 수 있다. 예를 들어, 순환 유체 온도가 매우 낮으면, 밸브는 순환 유체 온도가 더 높을 때에 비해, 더 폐쇄된(그에 따라 더 많은 순환 유체 유동을 흡수기(213)로 우회시키는) 위치로 설정될 수 있다. 순환 유체 온도가 미리 결정된 수치까지 상승할 때에, 제어부(245)는 밸브(247)를 항상 개방 상태로 유지하여, "정상" 열펌프 동작을 가능케 할 수 있다.
흡수 열펌프(200)가 오프될(동작하지 않을) 때에, 보통 고압 및 저압 측 압력은 정상 고압 측과 정상 저압 측 사이의 압력과 균등해진다. 열펌프 작동 유체가 계속하여 냉각됨에 따라, 이러한 균등해진 "시스템" 압력은 냉매 농도 및 주변 온도에 기초하여 포화 압력에 도달할 때까지 계속하여 감쇠될 것이다. 열펌프(200)가 오프-상태로부터 작동될 때에, 고압 측 압력이 최대한 빠르게 상승하고, 저압 측 압력이 최대한 빠르게 하강하고, 그에 따라 열펌프(200)가 최대한 빠르게 최대 가열 또는 냉각 용량에 도달하는 것이 바람직하다.
따라서, 시동 조건(예를 들어, 열펌프 사이클이 작동된 후로부터 최초 5 내지 20분) 동안, 대안적인 밸브 제어 방법이 이용될 수 있다. 응축기(205)를 통과하는 순환 유체 유동이 정지 또는 감소되면 고압 측 압력이 더 빠르게 상승할 것이므로, 제어부(245)가 시동 시간 동안 밸브(247)를 폐쇄하는 것이 바람직하다. 밸브가 폐쇄될 때에, 흡수기(213)를 통과하는 순환 유체 유량이 증가되고, 이것은 저압 측 압력이 더 빠르게 하강하게 할 것이다.
열펌프 시동 시간 동안, 응축기(205) 내로 유입되는 순환 유체 온도에 기초하여 밸브(247)를 온 또는 오프하도록 제어부(245)에 의해 사용되는 시간(또는 다중-위치 또는 비례 밸브가 사용되면 밸브의 위치)은 정상-상태 동작에서의 사용과 상이할 수 있다. 예를 들어, 제어부(245)는 (시간이 순환 유체 온도의 함수일 수 있지만) 순환 유체 온도와 무관하게, 시동 중에 미리-결정된 시간 동안 밸브(247)를 폐쇄(또는 부분적으로 폐쇄)하도록 프로그래밍될 수 있다. 순환 유체 온도의 함수로서의 온/오프 시간(또는 밸브 위치)은 정상-상태 조건에 비해 시동 시간 동안 약간 상이할 수 있고, 그에 따라 열펌프 시스템(200)은 최대한 빠르게 최대 용량 및 효율에 도달한다.
도 3에서, 응축기(305)로의 입구에서 응축기 순환 유체 유동 입력 라인(237) 내에 위치되는 밸브(347), 응축기(305) 내로 유입되는 순환 유체의 온도를 측정하도록 위치되는 온도 센서(349), 및 순환 유체 온도에 따라 밸브(347)의 위치를 제어하도록 구성되는 제어부(345)를 갖는 병렬 구성으로 되어 있는 순환 유체로 냉각되는 응축기(305) 및 흡수기(313)를 갖는 열펌프 사이클(300)의 개략적인 도면이 도시된다. 이러한 배열로써, 응축기(305)를 통과하지 않는 순환 유체 유동의 부분은 흡수기(313)를 통과하여, 흡수기(313) 내의 작동 유체를 추가로 냉각시키고, 그에 따라 열펌프 효율을 증가시킨다.
도 4에서, 유사한 흡수기-응축기 병렬 구성을 갖는 열펌프 사이클(400)이 도시되고, 추가로 제2 밸브(447b)가 흡수기 순환 유체 유동 입력 라인(439) 내에 위치된다. 밸브(447a, 447b)의 둘 모두의 위치는 응축기(405)-흡수기(413) 내로 유입되는 순환 유체 온도를 측정하도록 위치되는 온도 측정 디바이스(449)에 연결되는 제어부(445)에 의해 제어된다. 이러한 배열로써, 흡수기(413)를 통과하는 순환 유체 유동은 순환 유체 온도에 따라 정지 또는 감소될 수 있고, 여기서 흡수기(413)를 통과하지 않는 순환 유체 유동의 부분은 응축기(403)를 통과한다(그에 따라 응축기(403)를 추가로 냉각시켜 고압 측 압력을 하강시키도록 작용한다). 이러한 배열은 부하로의 매우 높은 온도의 순환 유체의 전달을 요구하는 시스템에 유리할 수 있다. 순환 유체 온도가 열펌프 구성요소에 의해 허용가능한 최고 고압 측 압력을 지시하는, 미리-결정된 온도까지 상승할 때에, 제어부(445)는 흡수기(413)를 통과하는 순환 유체 유동을 정지 또는 감소시키도록 동작하고, 그에 따라 응축기(405)가 더 낮은 온도로 동작하게 하여 고압 측 압력을 제한할 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 밸브(447a 및/또는 447b)가 온/오프 타입으로 되어 있으면, 제어부(445)는 순환 유체 온도에 기초하여 밸브(447a 및/또는 447b)를 상이한 시간에 온/오프하도록 동작할 수 있다. 이러한 배열은 흡수기(413)를 통과하는 순환 유체 유동을 감소시킴으로써, 열펌프의 효율을 감소시킬 수 있지만, 그것은 요구에 따라 열펌프가 더 높은 온도의 순환 유체를 부하에 제공하게 할 것이다. 대안으로서, 응축기를 통과하는 유동이 또한 밸브(447b)를 사용하여 제어될 수 있다. 정상 동작 중에, 밸브(447b)는 반개방 위치로 설정된다. 응축기를 통과하는 순환 유체 유동을 통한 유동을 감소시킬 것이 요구될 때에, 밸브(447b)가 개방되고, 그에 따라 응축기 레그(leg)에 비해 흡수기 레그를 통해 유동하는 순환 유체 유동의 압력 손실을 감소시키고, 그에 의해 흡수기를 통과하는 유동을 증가시켜 응축기를 통과하는 유동을 감소시킨다.
열펌프 사이클의 또 다른 예에서, 응축기를 통과하는 유동이 또한 밸브(447b)를 사용하여 제어될 수 있다. 정상 동작 중에, 밸브(447b)는 반개방 위치로 설정된다. 응축기를 통과하는 순환 유체 유동을 통한 유동을 감소시킬 것이 요구될 때에, 밸브(447b)가 개방될 수 있다. 이것은 응축기 레그에 비해 흡수기 레그를 통해 유동하는 순환 유체의 압력 손실을 감소시키고 그에 의해 흡수기를 통과하는 유동을 증가시켜 응축기를 통과하는 유동을 감소시킨다.
도 5는 직렬 구성으로 되어 있는 순환 유체 루프와 관련된 흡수기(513) 및 응축기(505)를 갖는 열펌프 사이클(500)을 도시한다(응축기(505)가 먼저 도시된다). 이러한 경우에, 밸브(547)는 응축기(505) 주위의 우회 라인(553) 내에 위치된다. 정상 동작 중에, 밸브(547)는 폐쇄되고, 그에 의해 모든 순환 유체 유동이 응축기(505)를 통해 강제로 유동하게 할 수 있다. 응축기(505) 내로 유입되는 순환 유체 온도가 미리-결정된 수치보다 낮으면(또는 열펌프 시동 시퀀스 중에), 제어부(545)는 밸브(547)를 개방(또는 부분적으로 개방)하여, 순환 유체 유동의 모두 또는 일부가 우회 라인(553)을 통해 응축기(505)를 우회하게 할 수 있다. 이러한 배열로써, 밸브가 개방되면, 흡수기(513) 내로 유입되는 순환 유체의 온도는 폐쇄된 밸브에 비해 낮아지고, 그에 의해 흡수기(513) 내에서의 냉각을 증가시켜 열펌프 효율을 증가시킬 것이다.
도 6은 직렬 구성으로 되어 있는 순환 유동 루프에 관련된 흡수기(613) 및 응축기(605)를 갖는 열펌프 사이클(600)을 도시한다(흡수기(613)가 먼저 도시된다). 이러한 경우에, 밸브(647)는 응축기(605) 주위의 우회 라인(653) 내에 위치된다. 정상 동작 중에, 밸브(647)는 폐쇄되고, 그에 의해 모든 순환 유체 유동이 응축기(605)를 통해 강제로 유동하게 할 수 있다. 응축기(605) 내로 유입되는 순환 유체 온도가 미리-결정된 수치보다 낮으면(또는 열펌프 시동 시퀀스 중에), 제어부(645)는 밸브(647)를 개방(또는 부분적으로 개방)하여, 순환 유체 유동의 모두 또는 일부가 우회 라인(653)을 통해 응축기(605)를 우회하게 할 수 있다. 이러한 배열로써, 냉각 용량(및 열펌프 효율)은 모든 순환 유체 유동이 먼저 흡수기(613)를 통과할 수 있으므로 밸브의 위치에 의해 영향을 받지 않는다.
상기 장치 및 방법이 그 특정 형태와 연계하여 설명되었지만, 다양한 등가물이 첨부된 청구범위에 설명된 것과 같은 본 개시내용의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 본 명세서에 설명된 특정된 요소를 대체할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (24)

  1. 응축기 및 흡수기를 포함하는 수착 열펌프를 제어하는 방법이며,
    a) 응축기에서 유입 또는 유출되는 순환 유체의 온도를 측정하는 단계; 및
    b) a)에서 측정된 온도에 따라 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 제어하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 방법에 의해 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량은 온도가 미리-결정된 수치보다 낮을 때에 총 잠재 유량에 비해 감소되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, (i) 총 잠재 유량에 비해 감소된 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 감소시키는 것은 흡수기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 비례하여 증가시키고 (ii) 총 잠재 유량에 비해 감소된 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 증가시키는 것은 흡수기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 비례하여 감소시키는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량은 밸브를 적어도 부분적으로 폐쇄하거나 부분적으로 개방함으로써 제어되는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 밸브는 순환 유체를 응축기로 공급하는 공급 라인 내에 있는, 방법.
  5. 제3항에 있어서, 밸브는 순환 유체를 흡수기로 공급하는 공급 라인 내에 있는, 방법.
  6. 제3항에 있어서, 밸브는 응축기를 우회하는 우회 라인 내에 있는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 우회 라인은 응축기를 우회하여 순환 유체를 흡수기로 공급하는, 방법.
  8. 제3항에 있어서, 밸브는 온/오프 밸브, 다중-위치 밸브 및 비례 밸브로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  9. 제3항에 있어서, 밸브는 오프 모드로부터의 열펌프의 작동 후로부터 약 5 내지 약 20분 동안 폐쇄되는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량은 오프 모드로부터의 열펌프의 작동 후로부터 약 5 내지 약 20분 동안 총 잠재 유량에 비해 감소되는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 미리-결정된 수치는 약 70 내지 약 90℉인, 방법.
  12. 수착 열펌프 제어 시스템이며,
    a) 순환 유체를 액체로 응축시키는 응축기;
    b) 순환 유체로부터 열을 흡수하는 흡수기;
    c) 응축기에 대해 유입 또는 유출되는 순환 유체의 온도를 측정하는 온도 센서; 및
    d) 응축기에 대해 유입 또는 유출되는 순환 유체의 온도에 따라 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량은 온도가 미리-결정된 수치보다 낮을 때에 총 잠재 유량에 비해 감소되는, 수착 열펌프 제어 시스템.
  13. 제12항에 있어서, (i) 총 잠재 유량에 비해 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 감소시키는 것은 흡수기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 비례하여 증가시키고 (ii) 총 잠재 유량에 비해 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 증가시키는 것은 흡수기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 비례하여 감소시키는, 수착 열펌프 제어 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 조정하는 밸브를 추가로 포함하는, 수착 열펌프 제어 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 밸브는 순환 유체를 응축기로 공급하는 공급 라인 내에 있는, 수착 열펌프 제어 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 밸브는 순환 유체를 흡수기로 공급하는 공급 라인 내에 있는, 수착 열펌프 제어 시스템.
  17. 제14항에 있어서, 밸브는 응축기를 우회하는 우회 라인 내에 있는, 수착 열펌프 제어 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 우회 라인은 응축기를 우회하여 순환 유체를 흡수기로 공급하는, 수착 열펌프 제어 시스템.
  19. 제14항에 있어서, 밸브는 온/오프 밸브, 다중-위치 밸브 및 비례 밸브로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 수착 열펌프 제어 시스템.
  20. 제14항에 있어서, 밸브는 오프 모드로부터의 열펌프의 작동 후로부터 약 5 내지 약 20분 동안 부분적으로 또는 단속적으로 폐쇄되는, 수착 열펌프 제어 시스템.
  21. 제12항에 있어서, 제어부는 오프 모드로부터의 열펌프의 작동 후로부터 약 5 내지 약 20분 동안 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 제어하는, 수착 열펌프 제어 시스템.
  22. 제12항에 있어서, 미리-결정된 수치는 약 70 내지 약 90℉인, 수착 열펌프 제어 시스템.
  23. 응축기 및 흡수기를 포함하는 수착 열펌프를 제어하는 방법이며, 오프 모드로부터의 열펌프의 작동 후로부터 미리결정된 시간 동안 총 잠재 유량에 비해 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 수착 열펌프 제어 시스템이며,
    a) 냉매를 액체로 응축시키고 그에 따라 응축열이 순환 유체로 전달되는 응축기;
    b) 흡수제 내로 흡수될 냉매를 제공하고 그에 따라 흡수열이 순환 유체로 전달되는 흡수기; 및
    c) 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량을 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 시스템에 의해 응축기 내로 유입되는 순환 유체의 유량은 오프 모드로부터의 열펌프의 작동 후로부터 미리결정된 시간 동안 총 잠재 유량에 비해 감소되는, 수착 열펌프 제어 시스템.
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