KR930002765B1 - 저온 가열에 의한 흡착냉각/조절방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

저온 가열에 의한 흡착냉각/조절방법

제 1 도는 본 발명에 의한 공정을 수행할 수 있는 기지의 ACCS의 블록공정 계통도(block flow diagram)를 나타낸 것이다.

본 발명은 흡수성 염용액(liquid hygroscopic salt solution)을 기본으로하는 작업매질(working medium)을 사용해서 수분흡착/탈착을 통해 실내의 흡착냉각/조절방법에 관한 것이며, 흡착냉각/조절을 위한 작업매질로서 염용액의 이용 및 염용액의 조성물에 관한 것이다.

흡착냉각/조절 계(ACCS)는 이미 알려져 있고, 특히, 수분흡착/탈착을 기본으로하는 열린 열화학계는 작업매질로서 수분과 결합할 수 있는 흡착제를 이용한다. 현재까지 연구되어온, 열화학계에 적절한 일반적인 흡착제에는 염화리튬 또는 염화칼슘 같은 염, 황산 또는 인산 같은 산 또는 실리카 및/또는 알루미나를 기초로 하는 흡착제, 특히, 실리카겔 또는 합성에 의하거나 천연적으로 산출되는 제올라이트 같은 실리케이트가 있다.

지금까지 사용된 흡착제들은 많은 단점을 가지고 있다. 고체 흡착제(예 : 제올라이트)는 보통 "고정된 작업 매질"로서만 적절하여, 흡착 및 재생에 대해 불연속적 과정만을 허용한다. 따라서, 만일 연속적 재생공정에서 "순환하는 작업 매질"로 사용하고자 한다면, 흡착제의 운반이 필요하므로 큰 밀도 및 마모저항(바람직하게는 둥근모양)을 만들어내는데 필요한 장치(예 : 압축공기 운반)를 충족시켜 주어야 한다. 반면에, 액체 작업 매질은 펌프로 품어 올릴 수 있다는 장점이 있다. 하지만 그런 액체 작업 매질을 흡착 냉각/조절에 이용하기 위해서는 작업 매질에서 고농도의 용해된 염이 필요하다. 그런데 이러한 고농도 염용액은 염을 침전시키는 경향이 증가하고, 공정방법에 제한을 가하며, 사용함에 있어 신뢰도를 감소시킨다. 특히, 낮과 밤 동안 에어컨디션닝을 필요로하고 밤온도가 내려갈 수 있는(예 : 20℃)분야에 사용할 때, 작업 매질이 고체화할 위험이 있으며, 그 결과 에어컨디션닝 유닛(unit)은 장기간 사용할 수 없게 될 것이다.

그리하여, 고농도 염용액은 염의 낮은 침전 온도와 결부된 문제를 수반한다. 적당한 작업 매질은 주위온도에서(흡착공정)는 낮은 부분 증기압을, 약간 높은 온도(60-80℃, 탈착공정 또는 재생)에서는 높은 부분 압력을 가져야 하며, 가능한 한 주변에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 성분들로 이루어져야 한다.

본 발명의 목적은 상기 선행기술의 단점을 극복하고자 하는 것이며, 이런 목적은 본 발명에 의한 공정, 사용, 염 용액에 의해 성취될 수 있다.

본 발명은 흡수성 염 용액을 기초로 한 작업 매질을 사용해서 수분 흡착/탈착을 통해 실내의 흡착 냉각/조절을 위한 공정에 관한 것이며, 다음 단계로 이루어져 있다.

a) 수분을 함유하고 있는, 임의로 예비 냉각된 기류로부터 작업매질로 수분을 흡착시킴으로써 건조기류를 생성한다.

b) 건조 기류에 의해 수분이 흡수되는 증기냉각을 경유하며 조절한다.

c) 저온가열과 외기(ambient air)를 사용하여 수분 탈착에 의해 수분을 함유하는 작업 매질을 재생한다.

하기의 %는 특별한 언급이 없는한 중량비로 나타낸다.

a)에서 작업 매질로 사용되는 염 용액은 중량비로 염화칼슘 40%-43%, 질산칼슘 15%-25%, 바람직하게는 18%-22% 및 폴리하이드록시 유기화합물 0.5%-5%, 바람직하게는 2%-4%, 총 100%가 되도록 물을 함유한다.

본 발명에 의한 공정은 흡착냉각 조절/순환 공지된 그 자체로 수행되는데, 작업 매질은 흡수성 염 용액이며, 재생상태에서 염화칼슘 40%-43%, 질산칼슘 15%-25% 및 폴리하이드록시 유기화합물 0.5%-5%을 함유하고, 재생상태의 작업 매질의 총 구성 성분이 100%가 되도록 물이 함유된다.

본 발명에 의한 공정의 바람직한 변형에서, 이용되는 작업 매질은 염화칼슘 40%-43%, 질산칼슘 18%-22%, 폴리하이드록시 유기화합물 2%-4%, 총 100%가 되도록 물로 구성되는 염 용액이다. 한 예에서, 염화칼슘 42%, 질산칼슘 20%, 폴리하이드록시 유기화합물 3%, 물 35%로 구성되는 염 용액이 사용된다. 이용 가능한 폴리하이드록시 유기화합물에는 디에틸렌글리콜 또는 트리에틸렌글리콜, 폴리글리콜 같은 글리콜, 포도당 및 젖당 같은 폴리하이드록시알데히드, 과당 같은 폴리하이드록시케톤, 글리세롤, 소르비톨 및 마니톨 같은 설탕 알콜이 있다. 본 발명의 한 실시예에서는 폴리하이드록시 유기화합물로서 글루코스를 사용한다. 제 1 도에는, 본 발명에 의한 공정을 수행할 수 있는 실시예를 통해 기지의 ACCS의 블록 공정계통도(block flow diagram)를 나타냈다. 냉각/조절이 가능한 방 1(room 1)로부터 라인 2 및 3, 운반체 4를 경유하여, 작업 매질로 채워질 칼럼 5로 기류를 공급한다. 이 칼럼에서는 탈수되고 즉 에너지적으로 만재된(energetically loaded), 작업 매질과 접촉하게 함으로써 들어오는 함수기류로부터 수분이 회수된다.

이러한 흡착 단계는 가능한 한 등온적으로 이루어져야 하는데, 그러한 목적을 위해서는 라인 5를 경유하여 칼럼에 공급된 후, 작업 매질 과 열교환 접촉을 하는 유동성 열교환 매질을 통해 컬럼 5에서 발생되는 흡착열을 제거해야 한다. 라인 7을 경유하여 컬럼 5를 나가는 건조기류의 온도는 칼럼 5에 들어가는 기류의 온도와 같거나 약간 높다. 온도차는 기류의 유속 및 열교환 강도에 근본적으로 좌우된다. 건조기류가가 라인 8 및 9를 경유하여 습윤화 방(humidification chamber) 10으로 통한다. 물을 라인 11 및 분사장치 12를 경유하여 이 방으로 도입한다. 과량의 물을 라인 13 및 수송수단 14를 경유하여 재순환시킬 수 있다. 방 10에 들어가는 건조기류는 기화현상의 결과로 단열적으로(adiabatically) 수증기를 흡수하여, 포화되면서 냉각이되어, 차고 습기가 있는 기류가 방 10을 나가서 라인 15를 경유하여 방 1로 공급된다.

본 발명에 의한 공정의 한 변형예에서, 방 1에서 제거될 공기 즉, 방출구 공기(room exit air)가 별개의 기화기(vaporizer)를 거쳐 통과할 수 있다. 일반적으로 상대 습도 55%, 쾌적온도 약 22℃에서 편안함을 느낄수 있는 습도, 방출구 공기를 상대습도가 100%되도록 이 기화기에 적재하여, 냉각효과가 더 진행된다.

또 다른 변형예에서 열 교환기 22를 사이에 끼워, 공기가 나가는 방 1에 라인 21을 경유하여 완전히 또는 부분적으로 공급하고, 라인 23을 경유하여 되돌아오며 건조 기류와 열교환 접촉을 한다. 건조기류를 공급 및 방출하는 동안, 열교환기 22가 라인 71 및 72와 연결되어, 그것을 통해 건조기류를 완전히 또는 부분적으로 통과시킬 수 있다.

컬럼 5에서 에너지적으로 비적재된 작업 매질 즉, 물로 적재된 작업 매질은 기지의 자체방법에 의해 탈수되고, 에너지적으로 적재된다. 이러한 탈수는 2개 또는 그 이상의 컬럼 5 및 적어도 하나의 컬럼을 적재 및 비적재가 일어날 때 연결함으로써 불연속적으로 일어날 수 있다. 그런, 바람직하게는 적재 및 비적재가 연속적으로 작용함이 좋다. 가능성 있는 구체예는 칼럼 5를 통해 기류와 역방향으로 작업 매질을 통과시키고 재싱(regeneration) 칼럼 52를 통해 라인 51을 경유하여 회전시키고 라인 53을 경유하여 컬럼 5로 다시 돌려보낸다. 재생칼럼 52에서, 작업 매질은 물로 탈착과 역류하는 주위 공기를 라인 54를 경유하여 공급함으로서 재생된다. 이 목적에 필요한 탈착열을 라인 55를 경유한 재생 칼럼에 공급되어 작업 매질과 열교환 접촉을 하는 유동성 열교환 매질을 경유하여 재생 칼럼 52에 공급한다.

작업 매질의 에너지 적재(재생)에는 여러가지 열에너지 근원이 이용된다. 일차 에너지(primary energy) 또는 전기를 이용하여 통상적인 방법으로 직접 가열하거나 통상의 가열장치 또는 내부 연소엔진으로부터의 소모열을 이용할 수도 있으며, 태양 에너지 같은 환경으로부터 얻는 에너지를 직접 이용 또는 열펌프에의해 전환 후 이용할 수 있다. 예컨대, 60℃-80℃의 저온 가열은 본 발명에 의한 공정에 적절하다. 그 공정의 한 예에서, 작업 매질의 재생은 약 50℃에서 이미 수행된다. 이 공정은 개방된, 압력이 가해지지 않는 공기 순환으로 진공, 휘발성 냉각제 및 독성물질을 필요로 하지 않은 채 작동된다.

본 발명은 실내의 흡착 냉각/조절을 위한 작업 매질로서 하기의 조성(% 중량비)을 갖는 흡수성 염 수용액의 이용에 관한 것이다. 염화칼슘 40-43%, 질산칼슘 15%-25%, 바람직하게는 18-22%, 폴리하이드록시 유기화합물 0.5%-5%, 바람직하게는 2-4%, 나머지는 물로 채워 중량비 100%가 되도록 하는 조성.

본 발명에 의한 작업 매질은 통상의 작업 매질을 능가하는 많은 장점들에 의해 구분된다.

한편, 주위 온도에서 낮은 부분 증기압(흡착과정), 예컨대, 20℃에서 400Pa를 가지고 증가된 온도(60℃-80℃)에서는 높은 부분 증기압(탈착과정)을 갖는다.

본 발명에 의한 작업 매질을 사용하여, 약 50℃정도의 저온가열을 매우 효과적으로 유용하게 이용할 수 있었다. 이리하여, 흡수 냉각/조절 유닛(unit)의 높은 수행계수(high coefficient of performance, COP)를 허용하는데, 다시말해 저온가열에 의해 공급된 열 효율(power)에 대한 냉각 효율의 비가 상당히 양호함을 의미한다. 흡착 냉각/조절 유닛의 정상적인 작동 조건하에서 적절한 COP값인 1에 도달할 수 있다. 냉각/조절은 증발 냉각을 경유하여 바라는 온도에서만 일어나고 물흡수에 의해 온도가 내려가기 때문에 흡착 냉각/조절 유닛의 흡입 라인 및 배출 라인은 열절연을 필요로 하지 않는다. 이리하여, 약 13℃에서 수증기로 포화된 차가운 공기가 형성되고, 냉각/조절이 가능한 방으로 직접 흘러간다. 냉각/조절을 제어하는 동안, 도한, 더 뜨거운 건조 기류가 수증기로 포화된 차가운 공기와 첨가적으로 혼합될 수 있고 조절온도 및 습도를 가진 이 기류만이 방으로 공급될 수 있다. 이리하여, 조절기능이 용이한 시스템을 얻을 수 있고, 그 시스템을 이용하여 상쾌한 방 온도 및 안락한 상대습도를 설정할 수 있다. 지금까지 흡착에 의한 공기 조절에 사용되었던 고체 작업 매질과 비교할대, 본 발명에 의한 액체 작업 매질은 쉽게 끌어올려지고, 에어콘디숀 장치를 작동하는 동안 아무런 문제없이 계속해서 작업 매질을 재생할 수 있기 때문에, 공정공학적으로 장점을 가지고 있다.

게다가, 염 용액 및 폴리하이드록시 유기화합물의 혼합물 때문에 염 용액의 부식성이 갑자기 감소한다. 이리하여 폴리하이드록시 유기화합물이 없은 20℃의 염 용액에서 알루미늄 시트(sheet)가 빨리 부식되는 반면, 예컨대, 글루코스 같은 폴리하이드록시 유기화합물을 함유하는 염 용액에서는 수개월 후 조차도 약간의 부식의 조짐이 관찰될 뿐이다.

하지만, 본 발명에 의한 작업 매질의 가장 우수한 장점은 20℃ 이하의 낮은 침전 온도를 가진다는 것이다. 예컨대, 폴리하이드록시 유기화합물로서 글루코스를 첨가할 대, 침전온도가 약 14℃ 정도로 낮아진다. 이것은 많은 응용에 환경과 양립할 수 있는(클로로 플로로 탄화수소가 없는)매질을 압력이 가해지지 않는 흡착/냉각 유닛의 작동을 위해 흡수성 액체로서 이용할때 신뢰도를 제공한다.

하기의 실시예들은 본 발명을 상세하게 설명하기 위한 것이지, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

[실시예 1]

본 발명에 의한 작업 매질을 제 1 도에 나타낸 ACCS에서 사용해서 냉각/조절 효과를 조사했다.

순환 장치 4를 이용해서, 작업 매질(실시예 4)로 채워지고 통과하는 동안 수증기 함량으로부터 유리된 흡착 칼럼 5로 흡한 방공기(방 1로부터)를 불어 보낸다. 발생한 흡착열이 내부 열교환기 6에 의해 제거된다. 온도증가가 없는 건조기류가 가습 방 10으로 공급되는데, 그곳에서 냉각과 동시에 포화될 때까지 물의 단열기화에 의하여 수증기를 흡수한다. 냉각되고 습한 기류는 방 1로 공급되어서 냉각/조절할 수 있다. 동시에, 흡착매질은 재생회로(계통)내에 있는 탈착컬럼을 통하여 통과된다.

탈착컬럼내에서, 작업 매질은 주변기류에 역류하여 진행하며, 이는 유용성 있는 열 장치에 의하여 가열된다. 따뜻한 기류는 흡수제로부터 수증기를 제거하며, 흡착회로(계통)에 다시 사용할 수 있다. 재생된 흡착매질은 흡착칼럼 5로 다시 공급된다. 공정이 진행되는 동안에, 외부의 조건은 외부온도 31℃ 외부 상대 습도 50% 탈착온도 약 50℃로 미리 조절한다. 이 조건하에서 상대습도 100%에서 냉각된 공기이 온도는 13℃로 된다. 이 냉각되고 습한 기류를 방 1로 공급하므로서, 실온은 22℃로 조절되며, 상대습도는 55%로 된다. 상술한 조건하에서 COP는 1이다. COP=1에서 작업 매질은 에너지 저장용량 750KWh/㎥를 갖는다.

[실시예 2]

[발명에 의한 것이 아님]

본 발명에 의한 공정에 적합한 작업 매질은 20℃에서 수증기 부분압을 약 400Pa(Pa=파스칼)을 가져야만 한다. 이 값을 조절하기 위하여, 수용액 100g중 염화칼슘 50g이 필요하다. 40℃에서 중량비로 60%인 수용성 포화 염화칼슘용액을 만들 수 있으며, 또 이들 20℃ 준 안정상태의 용액으로 냉각시킬 수 있으며, 또 20℃에서 이 과포화용액의 수증기 부분압을 측정할수도 있다. 적당한 수증기 부분압에도 불구하고, 이러한 준 안정상태의 용액은 작업 매질로서 사용될 수 없으며, 가끔은 장시간 후이긴 하지만, 여분의 염은 결정으로 석출된다.

[실시예 3]

[발명에 의한 것이 아님]

중량비로 염화칼슘 42%와 질산칼슘 20%로 혼합된 이성분염으로 이루어진 62% 수용성염용액을 제조한다. 이 이성분염혼합물의 수증기 부분압은, 실제적으로는 20℃에서 안정하지만, (염이 석출되지 않지만), 20℃에서 400Pa 범위내이라 틀림업시 이 이성분염 혼합물은 다소 이용하는데 적당하다. 그러나 20℃ 보다 낮은 침전온도는 이러한 이성분염 혼합물로서 이루어질 수가 없다.

[실시예 4]

본 발명에 의한 수용성 염 용액은 중량비로 염화칼슘 42%, 질산칼슘 20%, 글루코스 3%로 제조된다. 글루코스를 첨가한 이 이성분염 혼합물의 수증기 부분압은 20℃에서 400Pa 범위내이다. 글루코스를 첨가한 이 이성분염 혼합물은 14℃로 온도를 내려주면 안정하며, 즉 염이 결정으로 석출되지 않는다. 따라서 글루코스를 첨가한 이 이성분염 혼합물은 흡착/조절 냉각 유닛(unit)을 위한 작업 매질로서 아주 현저하게 적합하다.

Claims (3)

1. 다음의 a)b)c)단계를 포함하고, 흡수성 염용액을 기초로 한 작업 매질을 사용하여 수분 흡착/탈착을 통해 실내의 흡착 냉각/조절을 위한 공정으로서, a) 수분을 함유하고 있는, 임의로 예비냉각된 기류로 부터 작업 매질로 수분을 흡착시키므로서 건조기류를 생성하고 b) 건조기류에 의하여 수분이 흡수되는 증기냉각을 통하여 조절되고, c) 저온-가열과 가변공기(외기)를 사용하여 수분탈착에 의해 수분을 함유하는 작업 매질을 재생하는 것으로서 a)에서 작업 매질로서 사용되는 염 용액은 염화칼슘을 중량비로 40-43%, 질산칼슘 15-25%, 바람직하게는 18-22% 포함하고, 폴리하이드록시 유기화합물 0.5-5%, 바람직하게는 2-4%, 나머지는 총계 100%가 되도록 물로서 된 염 용액인 것을 특징으로 하는 실내의 흡착 냉각/조절을 위한 방법.
2. 실내의 흡착 냉각/조절을 위한 작업 매질로서 중량비로 염화칼슘 40-43%, 질산칼슘 15-25%, 바람직하게는 18-22%, 폴리하이드록시 유기화합물 0.5-5%, 바람직하게는 2-4%, 나머지는 전체가 100%가 되게 물을 함유하고 있는 흡수성 염 용액을 이용하는 방법.
3. 염화칼슘 중량비로 40-43%, 질산칼슘 15-25%, 바람직하게는 18-22%, 폴리하이드록시 유기화합물 0.5-5%, 바람직하게는 2-4%, 나머지는 100%가 되도록 물을 함유하는 저온 가열에 의한 실내의 흡착 냉각/조절을 위한 작업 매질.

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