KR100343129B1 - 증기압축기를포함하는삼중효용흡수식냉방기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 증기압축기를 포함하는 삼중효용 흡수식 냉방기에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 중온, 고온의 재생기 또는 증발기에 하나 혹은 그 이상의 증기압축기를 장착시킴으로써, 재생기 또는 증발기에서 발생하는 냉매증기를 압축하여 고온 재생기의 온도를 170℃ 이하로 유지시키고, 하나의 용액순환 사이클을 가지는 삼중효용 흡수식 냉방기에 관한 것이다. 따라서, 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기는 고온 운전에 따른 용액에 의한 부식문제를 해결하여 실용화를 가능케 한다.
Description
본 발명은 증기압축기를 포함하는 삼중효용 흡수식 냉방기에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 중온, 고온의 재생기 또는 증발기에 하나 혹은 그 이상의 증기압축기를 장착하여 고온 재생기의 온도를 170℃ 이하로 유지시키고, 하나의 용액순환 사이클을 가지는 삼중효용 흡수식 냉방기에 관한 것이다.
일반적으로, 흡수식 냉방기는 LPG, LNG 등의 가스나 폐열, 태양열 등을 에너지원으로 사용하여 흡수용액/냉매로 구성된 작동유체를 순환시키는 재생기, 흡수기, 응축기, 증발기 등으로 이루어진 사이클을 운전하여 냉방효과를 얻는 장치이다. 이러한 흡수식 냉방기는 전기를 에너지원으로 하는 종래의 압축식 냉방장치와는 달리 열을 에너지원으로 이용하기 때문에, 하절기 과다한 전력부하의 해소 및 CFC 사용규제에 따른 문제점을 해결하기 위한 적절한 대안이 되고 있다.
상기 흡수식 냉방기에 중·고온·재생기를 추가로 장착시킨 삼중효용 흡수식냉방기는 높은 온도의 고온 재생기로부터 생성된 냉매증기를 중온 재생기의 열원으로 사용하고, 중온 재생기에서 발생된 냉매증기를 저온 재생기의 열원으로 사용하여, 에너지 효율을 극대화시킨 형태의 흡수식 냉방기이다. 이러한 삼중효용 흡수식 냉방기는 하나의 고온 재생기만을 추가로 포함하는 종래의 상용화된 이중효용유수식 냉방기보다 약 30% 정도의 성능향상을 기대할 수 있는 것으로 알려져 있다.
그러나, 삼중효용 흡수식 냉방기는 고온 재생기의 온도를 약 200℃ 이상으로 유지하여야 하나, 이때 사용되는 무기염 흡수용액(예를 들면, 브롬화리튬계 흡수용액)은 그의 온도가 약 170℃ 이상이 될 경우, 부식으로 인한 장치의 손상 및 불응축 가스 발생에 따른 사이클의 성능저하 등을 유발시키는 것으로 보고되고 있다.
일중, 이중, 삼중효용 흡수식 냉방기의 성능증가 또는 삼중효용 흡수식 냉방기의 부식문제 해결을 위해 발표된 내용을 요약하면 다음과 같다:
미합중국 특허 제 4,520,634호 및 제 5,205,136호, 그로스만(Grossman) 등의문헌(참조: Grossman, G. et al., ASHRAE Trans., 100(1):452-462(1994))에는 효율 증가를 위한 이론적인 고성능 다중효용 흡수식 냉방기의 개발에 대한 내용이 개시되어 있으나, 고온 운전에 따른 용액에 의한 부식문제의 해결방법이 없어 상기 냉방기의 실용화가 어렵다.
또한, 미합중국 특허 제 4,732,008호에는 삼중효용 흡수식 냉방기의 고온 운전에 따른 부식문제를 해결하기 위하여 두 개의 용액 사이클을 운전하는 내용이 기재되어 있다. 오위메트(Ouimette) 등은 종래 이중효용 흡수식 냉방기에 부식유발 특성이 적은 새로운 용액을 순환시키는 하나의 고온 사이클을 추가함으로써, 삼중효용 흡수식 냉방기의 고온 부식문제를 해결하고자 하였다(참조: Ouimette, M.S. and Herold, K.E., Proc. International Absorption Heat Pump Conference AES vol.31, American Society of Mechanical Engineers, p233-241, 1993).
아울러, 미합중국 특허 제 4,171,619호 및 사와다(Sawada) 등의 문헌(참조: Sawada, N. et al., Proc. International Absorption Heat Pump Conference AES vol. 31, American Society of Mechanical Engineers, p471-476, 1993)에는 일중효용 흡수식 냉방기의 성능향상을 위해 여러 가지 방법으로 증기압축기를 적용한 내용이 개시되어 있고, 보어(Boer) 등의 문헌에는 메탄올-글리세롤을 작동유체로 사용하는 이중효용 흡수식 냉방기의 성능향상을 위해 증기압축기를 사용하는 내용이 기재되어 있다(참조: Boer, D. et al., Proc, International Absorption Heat Pump Conference AES vol. 31, American Society of Mechanical Engineers, p483-486, 1993).
이와 같은 기술배경하에, 본 발명자들은 흡수식 냉방기에 가장 효과적인 종래의 무기염(흡수용액)-물(냉매)을 작동유체로 사용하고 하나의 용액순환 사이클을 가지는 삼중효용 홉수식 냉방기의 성능을 저하시기지 않으면서도, 고온운전에 따른용액에 의한 부식문제를 해결하기 위하여 예의 연구노력한 결과, 중·고온의 재생기 또는 증발기에 하나 혹은 그 이상의 증기압축기를 장착하여,상기재생기 또는 증발기에서 발생하는 냉매증기를 압축함으로써, 고온 재생기의 온도를 170℃ 이하로 유지시켜 용액에 의한 부식을 방지할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국, 본 발명의 목적은 증기압축기를 포함하는 삼중효용 흡수식 냉방기를 제공하는 것이다.
도 1a는 종래의 직렬형 삼중효용 흡수식 냉방기의 개략적인 구성도이다.
도 1b는 중온 재생기에 증기압축기가 장착된 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기의 개략적인 구성도이다.
도 1c는 고온 재생기에 증기압축기가 장착된 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기의 개략적인 구성도이다.
도 1d는 증발기에 증기압축기가 장착된 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기의 개략적인 구성도이다.
도 2a는 도 1a에 도시된 종래의 직렬형 삼중효용 흡수식 냉방기의 삼중효용 냉방사이클을 온도-압력-농도(T-P-X)의 선도상에 나타낸 그래프이다.
도 2b는 도 1b에 도시된 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기의 삼중효용 냉방사이클을 온도-압력-농도(T-P-X)의 선도상에 나타낸 그래프이다.
도 2c는 도 1c에 도시된 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기의 삼중효용 냉방사이클을 온도-압력-농도(T-P-X)의 선도상에 나타낸 그래프이다.
도 2d는 도 1d에 도시된 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기의 삼중효용 냉방사이클을 온도-압력-농도(T-P-X)의 선도상에 나타낸 그래프이다.
도 3은 증기압축비에 따른 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기의 고온 재생기온도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 고온 재생기의 온도강하에 따른 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기의 성능계수를 나타내는 그래프이다.
도 5는 고온 재생기의 온도강하에 따른 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기의 흡수기 입·출구에 표시되는 흡수용액의 농도를 나타내는 그래프이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
1...흡수기 2... 저온 재생기
3...응축기 4...증발기
5,8,9...열교환기 6... 중온 재생기
7... 고온 재생기 10...증기압축기
이하, 종래의 직렬형 삼중효용 흡수식 냉방기 및 본 발명에 따른 변형된 삼중효용 흡수식 냉방기의 바람직한 예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1a는 흡수기(1), 저온 재생기(2), 중온 재생기(6), 고온 재생기(7), 응축기(3), 증발기(4) 및 열교환기(5,8,9)로 이루어지고, 브롬화리튬계 수용액을 작동유체로 사용하는 종래의 전형적인 직렬형 삼중효용 흡수식 냉방기의 개략적인 구성도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 흡수기(1)에서 유출된 묽은 용액은 세 개의 열교환기(5,8,9)에서 차례로 열교환된 후, 고온 재생기(7)에서 열원(QGH)의 유입으로 냉매증기를 발생시키고, 다시 열교환기(9)를 통과하여 중온 재생기(6)로 유입된다. 한편,상기고온 재생기(7)에서 발생된 냉매증기는 응축하여 발생되는 잠열(QGN)을중온 재생기(6)에 제공하고, 이때 제공된 잠열은 고온 재생기(7)로부터 중온 재생기(6)에 유입된 용액에서 추가적인 냉매증기를 발생시기기 위한 열원으로 사용된다. 상기 중온 재생기(6)로 유입된 용액은 열교환기(8)을 거쳐 저온 재생기(2)로 유입되고,상기중온 재생기(6)에서 발생된 냉매증기는 응축하고, 이는 고온 재생기(7)에서 발생 후 응축된 냉매액체와 합쳐져 발생되는 잠열(QGL)을 저온 재생기(2)에 제공하고, 이때 제공된 잠열은 중온 재생기(6)로부터 저온 재생기(2)에 유입된 용액에서 추가적인 냉매증기를 발생시기기 위한 열원으로 사용된다. 그리고, 저온 재생기(2)에서 발생된 냉매증기는 중·고온 재생기(6,7)에서 발생 후 응축된 냉매 액체와 합쳐져 응축기(3)에서 응축된 후, 증발기(4)로 유입되고 증발하여 주변으로부터 열을 빼앗아 냉방효과(QE)를 얻는 한편, 저온 재생기(2)에서 유출된 진한용액은 열교환기(5)를 거쳐 흡수기(1)로 유입되고, 이 용액은 증발기(4)로부터 흡수기(1)로 유입된 냉매증기를 흡수하여 다시 묽은 용액이 된다. 따라서, 중·고온 재생기(6,7)로부터 발생된 냉매증기의 응축잠열이 활용되기 위해서는 각 재생기의 온도가 충분히 높아야 하며, 이는 온도가 가장 높은 고온 재생기(7)에서의 심각한 부식문제를 야기시킨다.
본 발명에서는 중·고온 재생기(6,7) 혹은 증발기(4)에서 발생하는 증기의 압력을 압축기를 사용하여 일정한 저도 상승시키면, 고온 재생기의 온도가 상대적으로 낮더라도 삼중효용 사이클의 구현이 가능하다는 것에 착안하여 개발된 다음과 같은 세 가지 형태의 변형된 흡수식 냉방기를 제공한다.
도 1b, 1c 및 1d는 중온 재생기(6), 고온 재생기(7) 및 증발기(4)에서 각각 발생된 냉매증기를 압축하는 증기압축기(10)가 장착된 본 발명의 삼중효용 흡수식냉방기의 개략적인 구성도이다. 도 1b에 도시된 삼중효용 흡수식 냉방기의 경우에는 중온 재생기(6)의 온도 및 압력을 낮추어, 도 1c에 도시된 삼중효용 흡수식 냉방기의 경우에는 고온 재생기(7)의 온도 및 압력을 낮추어, 도 1d에 도시된 삼중효용 흡수식 냉방기의 경우에는 흡수기(1)의 압력을 높여서, 결과적으로 모두 고온 재생기(7)의 온도를 170℃ 이하로 저하시키는 효과를 얻는다. 이러한 효과는 후술하는 도 2a 내지 2d, 도 3에서 명백히 지지되고 있다.
도 2a는 도 1a에 도시된 종래의 삼중효용 흡수식 냉방기의 작동 사이클을 사용되는 작동유체의 온도-압력-농도(T-P-X) 선도상에 도시한 그래프이다. 도 2b, 2c 및 2d는 도 1b, 1c 및 1d에 각각 도시된 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기의 작동 사이클을 사용되는 작동유체의 온도-압력-농도(T-P-X) 선도상에 도시한 그래프이다.
결국, 본 발명의 증기압축기를 포함하는 삼중효용 흡수식 냉방기는 하나의 용액순환 사이클을 가지는 종래의 삼중효용 흡수식 냉방기를 구성하는 중·고온 재생기 또는 증발기에 증기압축기를 하나 또는 그 이상으로 장착시킴으로써, 재생기 또는 증발기에서 발생하는 냉매증기를 압축하여 고온 재생기의 온도를 170℃ 이하로 유지시킨다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예: 증기압축기를 포함하는 삼중효용 흡수식 냉방기의 고온 재생기 내 온도, 성능계수 및 흡수기 입·출구의 농도 조사
본 발명에서 고안된 새로운 형태의 삼중효용 사이클의 고온 재생기 내 온도 및 그의 성능을 조사하기 위하여, 종래의 직렬형 삼중효용 사이클 및 본 발명의 변형된 삼중효용 사이클을 모사할 수 있는 컴퓨터 프로그램을 완성하고, 전형적인 흡수식 냉방기 작동조건에서 성능특성을 조사하였다. 성능모사에 사용된 작동유체는 브롬화리튬 수용액이며, 그 밖에 사용된 가정 및 고정 변수들은 각각 하기 표 1 및 2에 나타내었다.
[표 1]
[표 2]
도 3은 컴퓨터를 이용한 사이클 모사를 통하여, 증기압축기에 의한 압축비(P는 증기압축 이전의 압력, P'는 증기압축 이후의 압력)에 따른 고온 재생기의 온도 변화를 계산하여 나타낸 그래프이다. 도 3에서, 1), 2), 3)은 각각 도 1b, 1c 및 1d에 도시된 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기를 나타내고, 증기 압축비(P'/P)의 값 1은 압축기를 사용하지 않은 종래의 직렬형 삼중효용 흡수식 냉방기의 고온재생기 온도를 나타낸다.
도 3에서 보듯이, 증기압축기를 사용하지 않은 종래 냉방기의 고온 재생기 온도는 약 203.5℃로서 매우 높은 반면에, 증기압축기를 사용하는 본 발명의 3가지삼중효용 흡수식 냉방기의 고온 재생기 온도는 증기 압축의 정도가 증가함에 따라 실용화가 가능한 170℃ 이하로 감소함을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기는 효과적인 작동 유체로 알려진 브롬화리튬계 수용액에 의한 고온 재생기의 부식없이,상기수용액을 충분히 사용할 수 있음을 확인하였다.
도 4는 상기의 성능모사 프로그램을 사용하여, 고온 재생기의 온도 감소에 따른 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기의 성능계수(COP)를 나타내는 그래프이다. 흡수식 냉방기의 성능계수는 고온 재생기에 열원으로 유입된 열량(QGH)과 증발기에서 주변으로부터 빼앗을 열량(QE), 즉 유입에너지와 냉방용량의 비(QE/QGH)를 말하며, 성능계수의 값이 클수록 적은 열원으로 많은 냉방능력을 얻을 수 있음을 의미한다. 성능계수의 계산에는 증기압축에 필요한 일의 량이 유입에너지에 추가적으로 포함되어 있다. 증기압축에 필요한 일의 량은 등엔트로피 압축과정을 가정하여 계산된 이상적인 일을 일반적인 압축기효율 0.7로 나누어 얻어진 값을 사용하였다. 도 4에서, 1), 2), 3)은 각각 도 1b, 1c 및 1d에 도시된 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기를 나타내고, 증기압축기에 의한 고온 재생기의 온도 강하가 없는 경우의 성능계수는 약 1.62로서, 이는 일반적인 삼중효용 사이클의 모사에서 얻어지는 성능계수와 유사한 값이다.
도 4에서 보듯이, 삼증효용 사이클의 성능계수가 일반적으로 종래의 실용화된 이중효용 사이클의 성능계수 약 1.2보다 훨씬 크다는 것을 알 수 있고: 1), 2)의 경우에는 고온 재생기의 온도를 낮추기 위하여 증기압축을 위한 더 많은 일을 필요로 함에 따라, 성능계수가 소폭 감소함을 알 수 있으며; 3)의 경우에는 고온 재생기의 온도 강하를 위해서 더 많은 일을 필요로 하였음에도 불구하고, 증기압축에 의한 사이클 자체의 성능향상으로 오히려 성능계수가 증기압축기 적용 이전보다 증가하였음을 알 수 있었다. 따라서, 증기압축기를 포함한 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기들은 종래의 이론적 삼중효용 사이클과 비교할 때에, 성능계수의 큰 저하 없이 혹은 다소 증가된 성능계수를 가지면서 고온 재생기의 온도를 낮추어, 고성능 삼중효용 흡수식 냉방기의 실용화를 가능케 함을 알 수 있었다.
도 5는 상기의 성능모사 프로그램을 사용하여, 고온 재생기의 온도 감소에 따른 본 발명 냉방기의 흡수기 입(XGL)·출(XA)구에 표시되는 흡수용액의 농도를 나타내는 그래프이다. 흡수식 냉방기에서 흡수기의 성능은 매우 중요한 고려사항이고, 이는 흡수기 입·출구의 농도 및 그 차이와 깊은 관련이 있다. 도 5에서, 1), 2), 3)은 각각 도 1b, 1c 및 1d에 도시된 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기를 나타내고, 증기압축기에 의한 고온 재생기의 온도 강하가 없는 경우(증기압축기를 적용하지 않은 종래 삼중효용 흡수식 냉방기의 경우)의 흡수기 입구의 농도는 약 61%, 출구의 농도는 약 57.5%로서, 각 농도값 및 농도 차이는 일반적인 삼중효용흡수식 냉방기에서 얻어지는 값들과 유사하다.
도 5에서 보듯이, 1), 2)의 경우에는 증기압축기를 적용하지 않은 기본 사이클과 동일한 농도값을 나타내고; 3)의 경우에는 고온 재생기의 온도 강하에 따라 흡수기 입·출구의 농도가 감소함을 알 수 있었다. 따라서, 1), 2)에 해당하는 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기는 종래 일반적인 삼중효용 흡수식 냉방기와 유사한 성능을 나타낼 것으로 기대할 수 있으며, 3)에 해당하는 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기는 흡수기 입·출구의 농도 감소로 인해, 실제 장치에서는 다소간의 흡수기 성능의 저하가 예상된다.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 증기압축기를 포함하는 삼중효용 흡수식 냉방기를 제공한다. 본 발명의 냉방기는 종래의 삼중효용 흡수식 냉방기를 구성하는 중·고온 재생기 또는 증발기에 증기압축기를 하나 또는 그 이상으로 장착시킴으로써, 재생기 또는 증발기에서 발생하는 냉매증기를 압축하여 고온 재생기의 온도를 170℃ 이하로 유지시킨다. 따라시, 본 발명의 삼중효용 흡수식 냉방기는 고온 운전에 따른 용액에 의한 부식문제를 해결하여 실용화를 가능케 한다.
Claims (1)
- 흡수기, 저온 재생기, 중온 재생기, 고온 재생기, 응축기, 증발기 및 열교환기로 이루어진 하나의 용액순환 사이클을 가지는 삼중효용 흡수식 냉방기에 있어서,브롬화 리튬흡수용액과물냉매로 구성된 작동 유체를 순환시키는 재생기 또는 증발기에서 발생하는 냉매증기를 압축하여 고온 재생기의 온도를 170℃ 이하로 유지시키기 위한 증기압축기가 중온 재생기, 고온 재생기 또는 증발기에 하나 또는 그 이상으로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 증기압축기를 포함하는 삼중효용 흡수식 냉방기.
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