KR20030045175A

KR20030045175A - 물-암모니아 흡수 시스템용 상변화 열전달 커플링

Info

Publication number: KR20030045175A
Application number: KR10-2003-7006279A
Authority: KR
Inventors: 랜스디 키롤; 폴 사르키시안; 우에 록큰펠러
Original assignee: 록키 리서치
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2003-06-09
Also published as: CN1474922A; CA2426526A1; AU2002211857A1; MXPA03004061A; ATE313052T1; WO2002039034A1; HK1055458B; ES2255573T3; DE60115949D1; DE60115949T2; CA2426526C; EP1332323B1; IL155142A0; JP2004513325A; HK1055458A1; EP1332323A1; US6631624B1

Abstract

실내 공간을 냉방하기 위한 물-암모니아 흡수 냉방 시스템 또는 냉난방 겸용 시스템의 작동방법에 있어서, 상기 시스템은, 냉방 또는 난방 될 상기 실내 공간의 외부에 위치한 제 1 열교환기(24, 24', 39)와, 암모니아가 아닌 상변화 냉매를 사용하며 상기 실내 공간의 내부에 열전달 가능하게 노출되어 있는 제 2 열교환기(26)를 구비하는 열교환 조립체(35, 35', 75)를 포함하며, 열교환기 내에서 스스로 증발하기 위한 열 부하 전달에 필요한 것 보다 많은 양의 액상의 상변화 냉매를, 냉매 응축용 열교환기로부터 냉매 증발용 열교환기로 펌핑한다. 본 발명은 상술한 방법을 실행하기 위한 장치를 포함한다.

Description

물-암모니아 흡수 시스템용 상변화 열전달 커플링{Phase-change Heat Transfer Coupling For Aqua-ammonia Absorption Systems}

흡수식 난방 및 냉방 시스템, 특히 암모니아가 냉매로 그리고 물이 흡수제로 사용되는 공기조화기와 히트 펌프는, 통상적인 증기 압축식 공기조화 및 히트 펌프 시스템과 통상적인 가열로(Furnace)에 비하여 더 효율적이고 비용이 저렴한 것으로 알려져 있다. 천연가스의 연소에 의해 구동되는 물-암모니아 시스템의 비용 저감 효과는, 상대적으로 고가인 전기적인 힘에 의해 구동되는 통상의 시스템에 비하여 현저하다. 더욱 발전된 물-암모니아 흡수시스템의 예들로서, 모달(Modahl) 등의 1988년 논문 "상업적으로 발전된 흡수식 히트 펌프 회로판의 가치평가"와, 미국특허 Re. 36,684호 및 5,367,884호에 개시된 고효율 발생기 흡수식 열 교환 사이클(GAX) 장치들을 들 수 있다. 그러나, 이러한 암모니아 냉방 시스템들에서는, 암모니아가 실내에서 직접 팽창식 증발기 또는 실내 응축기에 사용되는 것이 배제되므로, 열이나 냉기를 주거 공간으로 이송하기 위한 순환수식 열전달 커플링(hydronic heat transfer coupling) 또는 다른 열교환 조립체의 사용이 필요하다. 암모니아는 미국공조냉동학회(ASHRAE)에 의해 안전그룹 B2의 냉매와, 미국 규격 UL에 의해 그룹 Ⅱ의 가스로 분류된다. 더욱이, 다수의 지역 및 국가의 법령과 규칙들은 실내 또는 다른 밀폐된 거주 공간에 노출된 장비에서, 소량을 제외하고는, 암모니아의 사용을 금지하고 있다.

물-암모니아 흡수 시스템과 마찬가지로, 조화 공간 내에서의 사용이 제한되거나 금지된 작동 유체를 사용하는 다른 난방 또는 냉방 시스템들은, 열 또는 냉기를 부하에 전달하기 위하여 고립된 열전달 조립체를 구비하여야만 한다. 물-암모니아 시스템을 연결하기 위한 열교환 조립체와, 다른 냉방 또는 난방 시스템들은, 양수 현열(pumped sensible heat) 루프와, 상변화 루프를 구비한다. 양수 현열 루프는 물, 물-글리콜(glycol) 용액, 해수(brine)와 같은 열전달 유체를 사용한다. 순환수식(물 계통) 루프는 통상 단일의 물-암모니아 흡수 시스템에 사용된다. 상변화 및 양수 시스템들은 모두 단점들을 가지고 있다. 통상적으로 냉기 및 열기를 물-암모니아 시스템으로부터 조화 영역으로 전달하기 위한 순환수식 열전달 커플링들은 물 용액과, 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 또는 프로필렌 글리콜(propylene glycol)과 같은 열전달 유체를 포함하는 양수 루프를 사용한다. 이러한 물 계통 열전달 커플링 루프를 사용하는 데에는 여러 가지 문제점이 존재한다. 물 계통 열전달 유체를 펌핑하는 데 필요한 전력은 작동 비용을 현저히 증가시킨다. 현존하는 건물의 물-암모니아 공기조화 설비를 개량하는 것은, 통상적으로 상변화 냉매용으로 설계되어 액체 열교환용에 적합한 크기와 형태를 갖지 않는 실내코일과 배관의 교체가 필요하므로, 어렵고 비용이 많이 들게 된다. 조화 영역과 실외측 시스템 사이에서의 열교환이 이루어지는 동안 물 계통 유체의 온도 활강은 열역학적 사이클을 증가된 온도 상승에 작용하도록 강제함으로써, 시스템 효율을 저하시킨다.아울러, 액체 열교환용으로 설계된 열교환기들은 통상적으로 상변화 유체와 함께 사용되는 것들보다 크기가 크다.

종래의 상변화 조립체들은, 냉매가 스스로 상변화 함으로써 열 부하를 이송하는데 필요한 것보다 많은 양의 냉매를 순환시킬 수 없는 열사이폰(thermosyphon)과 히트 파이프(heat pipe)를 구비한다. 과잉공급(또는 오버펌핑)은 열부하를 위하여 필요한 것보다 많은 양의 냉매를 상변화 시스템 내에서 순환시키는 방법이다. 과잉공급은 통상적으로 압축기 입구에서 분리 탱크로 되돌아가는 액상 냉매를 구비한 산업용 및 상업용 냉매 시스템의 증발기 루프에는 이용되지만, 압축기와 직접 연통되지 않은 고립식 열전달 조립체에는 이용되지 않는다. 오버펌핑(Overpumping)은, 요구되는 열전달면을 감소시키고, 펌프 동력을 저감하고, 부품들의 상대적인 높이의 제한을 완화하거나 제거할 수 있는 등의 장점이 있다. 히트 파이트와 열사이폰은 모두 순환을 중력에 의존하여 행하므로, 부품들의 방향과 위치가 중요하다.

도 1은 본 발명에 따른 조화 영역을 위한 상변화 열전달 커플링을 나타낸 것으로서, 물-암모니아 흡수식 냉방장치의 개략도;

도 2는 난방 공간에 상변화 커플링을 이용한 물-암모니아 난방 전용 설비의 개략도;

도 3은 상변화 커플링을 구비한 물-암모니아 GAX(발생기 흡수기 열교환; Generator Absober Heat Exchange) 난방 전용 설비의 개략도;

도 4는 본 발명에 따른 조화 영역을 위한 상변화 열전달 커플링를 나타낸 것으로서, 냉방 모드에서 물-암모니아 흡수 시스템 히트 펌프 작동을 나타낸 개략도;

도 5는 본 발명에 따른 상변화 열전달 커플링을 구비한 물-암모니아 GAX 냉방장치의 개략도;

도 6은 냉매 응축기 바이패스를 구비한 상변화 커플링을 포함하는 물-암모니아 GAX 냉/난방장치의 개략도;

도 7은 상변화 커플링을 구비하며 발전기로의 냉매의 중력 회귀를 이용하는 다른 GAX 냉방/난방장치의 개략도; 및

도 8은 본 발명에 따른 열전달 커플링에서 오버 펌핑 액체 상변화 냉매의 장점을 나타내는 그래프.

본 발명은 종래의 상변화 커플링의 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 현재 물-암모니아 흡수 시스템에 사용되는 순환수식 커플링의 문제점을 해결할 수 있는 개선된 열전달 커플링을 제공한다. 본 발명에 따른 방법 및 장치에서는, 물-암모니아 시스템과 실내 또는 조화되어야할 주거 공간 사이에서 열을 교환시키기 위한 사용이 금지되거나 실질적으로 제한되지 않는 상변화 냉매를 사용한다. 본발명에서는, 스스로 상변화 함으로써 열교환 부하를 전달하는 데 필요한 것보다 많은 양의 액상의 상변화 냉매를 열전달 커플링의 열교환기로 오버펌핑(over-pumping)한다. 오버펌핑되는 양수 상변화 루프는, 양수 현열 루프와 순수한 상변화 루프의 결합으로 이루어지며, 이들의 단점은 피하면서 장점들을 갖게 된다. 본 발명에 따른 장치의 각 구성요소와 본 발명에 따른 방법의 실시예들은 이하에서 상세하게 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 조화 영역을 위한 상변화 열전달 커플링을 구비한 물-암모니아 흡수식 냉방장치의 개략도이다. 물-암모니아 흡수식 냉방장치는 흡수기 조립체(10)와 발생기 조립체(11)를 포함한다. 상기 흡수기 조립체(10)는 흡수기 열교환부(13)와 공냉 흡수기(12)를 구비한다. 상기 발생기 조립체(11)는 발생기 열교환부(18)와, 환류 코일(17)을 가지는 정류부(16)를 구비한다. 공냉 응축 코일(28)은 상기 발생기로부터 유입된 암모니아 증기를 응축시키며, 응축액은 보조 냉각기(23)를 통하여 열교환기(24)로 흘러가 증발된다. 펌프(21)는 물-암모니아 용액을 상기 흡수기로부터 상기 발생기로 압축하여 보낸다. 상변화 열전달 커플링(35)에서는 액체 상태의 상변화 냉매가 냉매 펌프(19)에 의하여 압축되어 실내코일(26)로 보내진다. 열교환기(24)를 통과한 액체 상태의 상변화 냉매는 부하로부터 열을 흡수하고 뜨겁게 노출된 공간을 냉방하도록 실내코일(26)에서 증발된다. 실내코일(26)을 통과한 상변화 냉매는 열교환기(24)로 흘러가며, 이러한 비(非)암모니아 냉매는 응축기(28)와 보조 냉각기(23)로부터 액체 상태로 열교환기(24)로 공급되는 증발 암모니아와의 열접촉에 의해 응축된다.

도 2는 난방되어야 할 공간에 열을 공급하기 위하여 본 발명의 상변화 커플링을 구비한 난방 전용 물-암모니아 흡수 설비의 개략도이다. 발생기 조립체의 구성요소들은 도 1에 도시된 조립체와 유사하거나 실질적으로 동일하다. 흡수기 조립체는 흡수기 열교환기(13)와, 액상의 상변화 유체로 흡수열을 전달하는 열교환기(24)를 구비한다. 또한 흡수기 조립체는 에어 코일 암모니아 증발기(27)도 구비한다. 물-암모니아 흡수 유체는 용액 펌프(21)에 의하여 화살표로 도시한 바와 같은 방향으로 흐르도록 가압된다. 상변화 열전달 커플링(35')는 상변화 냉매 열교환기(24')를 구비한다. 열교환기(24)는 액체 상태의 상변화 냉매를 흡수 열교환기(13)로부터의 흡수 물-암모니아 용액과의 열교환에 의하여 증발시킨다. 이후 상변화 냉매는, 발생기 조립체의 정류부(16)를 통과한 응축 암모니아 증기와의 열교환에 의하여 더 가열 및 증발되도록, 열교환기(24)로부터 열교환기(24')로 흐르게 된다. 실내코일(26)에서 상변화 냉매가 응축됨으로써, 난방대상 공간이 데워지게 된다. 종종 상변화 유체가 열교환기(24')를 먼저 통과한 다음 열교환기(24)를 통과하도록 상기 열교환기들(24, 24')의 순서가 바뀔 수도 있다. 또한 열교환기(24, 24')들은, 상변화 유체의 일부는 열교환기(24)를 통과하고 나머지 부분들은 열교환기(24')를 통과하도록, 병렬로 배치될 수도 있다.

도 3은 난방 영역을 위한 상변화 열전달 커플링을 구비한 GAX(발생기 흡수기 열교환) 난방 전용 설비를 나타낸 도면이다. 도시된 물-암모니아 흡수 시스템은 흡수기 열교환기(13)를 구비한 흡수기와, GAX 열교환기(53)와, 열교환기(24)를 포함한다. 발생기 조립체(11)는 상술한 경우와 실질적으로 동일하며, 정류부(13)와발생기 열교환기 및 보일러부(18) 사이에 단열부(15)를 구비한다. 흡수기 열교환기로부터의 고농도 암모니아 흡수 유체(용액)의 일부를 GAX 흡수기를 통하여 발생기 단의 고온부를 향하게 하고 나머지 일부는 발생기 단의 냉각부를 향하게 하는 방식으로 분배하는 것을 포함한 GAX 구성요소들의 작동은, 본 발명이 속하는 기술분야에 널리 알려져 있는 것으로서, 예를 들어 상술한 모달(Modahl) 등의 간행물과 미국특허 제5,367,884호에 기재되어 있다. 흡수기 열교환기 이전의 고농도 암모니아 흡수 유체의 흐름을, 일부는 직접 발생기로 흐르게 하고, 나머지는 흡수기 열교환기를 통하여 GAX 흡수기로 흐른 다음, 발생기 단의 고온부로 향하도록 분배하는 것도 역시 일반적이다. 상변화 열전달 커플링 조립체(35')의 구성요소들 및 작동은 위의 도 2에서 설명한 것과 같다.

도 3에서는 고농도 암모니아 용액에 의한 발생기-흡수기 열교환(GAX)을 달성하는 수단을 도시하고 있다. 열은 흡수기를 위하여 흡수기 열교환기(13)와 GAX 열교환기(53)에서 고농도 용액으로 전달된다. 상기 GAX 열교환기에서, 고농도 용액의 온도는 끓는점 이상으로 상승하여, 부분적인 증발과 탈착(desorption)이 일어난다. 이러한 종류의 GAX를 통상 고농도액(rich-liquor) 또는 강액(strong-liquor) GAX라고 한다. 발생기-흡수기 열교환을 달성하기 위한 다른 방법들은 이미 알려져 있다. 이러한 방법들에서는 발생기로부터의 암모니아 저농도 용액을 발생기-흡수기 열전달 유체로 이용하며, 이를 희박액(weak-liquor) GAX라고 한다. 또한 분기된 열전달 루프 내의 유체(물과 같은)는 통상 상기 흡수기로부터 상기 발생기로 열을 전달한다. 비록 도 3, 4, 5 및 6에 도시된 GAX 열전달 구성요소들은 강액 GAX를 나타내는 것이지만, 오버 펌핑(over-pumping)과 병행하여 조화 영역을 위하여 상변화 열전달 커플링을 사용하는 본 발명은, 희박액 또는 보조 유체 GAX와 같은 것을 포함한 모든 GAX 열전달 방법들에 적용될 수 있다.

또한, 상변화 열전달 커플링은 물-암모니아 히트 펌프와 함께 사용될 수 있다. 이러한 장치는 조화 영역에 난방 또는 냉방을 선택적으로 제공한다. GAX 또는 이하에서 설명될 비(非)-GAX일수 있는 물-암모니아 흡수 시스템의 흡수기 조립체와 발생기 조립체와, 상변화 열전달 커플링에 더하여, 상기 히트 펌프 조립체는 흡수 사이클을 선택적으로 역전시키기 위한 장치들, 즉 하나 이상의 밸브 및/또는 일방향 또는 가역 펌프 및 효과적인 사이클 선택을 위한 적절한 배관과 같은 장치들과 함께 사용된다. 냉방의 경우, 상기 물-암모니아 흡수 시스템은 응축된 암모니아를 제공하여 상변화 열전달 커플링의 열교환기에서 증발되도록 하며; 난방의 경우, 암모니아 증기는 상기 흡수 시스템으로부터 흘러나와 상기 열전달 커플링에서 응축되며, 흡수 열은 상기 상변화 열전달 커플링 루프에 의해 포획된다.

도 4는 상변화 열전달 커플링을 실내 또는 조화 영역에 사용하는 물-암모니아 흡수식 히트 펌프의 개략도이다. 도시된 물-암모니아 흡수식 히트펌프는 미국특허 Re. 36,684호 공보에 개시되어 있다. 상변화 열전달 커플링은 미국특허 제5,579,652호 공보에 개시된 바와 같이 순환수적으로 역전된 것들과 같은 형태의 히트 펌프에도 사용될 수 있지만, 미국특허 Re. 36,684호 공보에 개시된 바와 같이, 모든 열이 한 점에서 방사되는 시스템에서 특히 유용하다. 도 4에 도시된 시스템은 흡수기(10)와, 정류기를 가지는 발생기(14)를 구비한다. 도시된 환류 코일대신에 분배기가 사용될 수도 있다. 펌프(30)는 저장조(22)로부터 암모니아를 펌핑하며, 이 대신에 미국특허 Re. 36,384호에 개시된 것과 같은 액상 암모니아 냉매를 위한 중력 구동방식이 사용될 수도 있다. 저장조(22)으로부터 펌핑된 응축 암모니아 냉매는 스플리터(Splitter)(29)를 통하여 하부 흡수기 열교환기(37)와 정류기(16) 쪽으로 분배되어 흘러가며, 이후 그 흐름은 밸브(45)에 의해 조정된다. 정류기와 흡수기 열교환기 로부터 흘러나온 암모니아(거의 증기 상태인)는 이후 리버싱 밸브(reversing valve)(25)로 흘러간다. 도시된 실시예는 냉방 모드 작동을 나타낸 것으로서, 암모니아는 리버싱 밸브(25)에 의해 실외 코일(28)로 안내되어 응축된 다음, 체크플로우레이터(checkflowrator)(33) 또는 일방향 열동식 팽창밸브(one-way thermostatic expansion valve)(TXV) 또는 다른 유량 제한장치를 통하여 저장조(22)로 흘러간다. 액상 암모니아는 저장조(22)로부터 체크플로우레이터(31)를 통하여 상변화 열전달 커플링 조립체(35)로 흘러가는데, 이에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명한다. 체크플로우레이터(31, 33)들은 도시된 화살표 방향으로 거의 제한 없이 완전히 개방되며, 반대 방향에서 팽창 장치로서 기능하게 된다. 흡수식 히트 펌프의 구체적인 형태는, 통상의 상업적으로 유용한 단일 효과(single-effect)를 가지는 발생기 흡수기 열교환(GAX)과 GAX 냉방장치를 포함하는, 미국 특허 Re. 36,684호에 개시된 시스템들 중에서 선택될 수 있다.

상변화 열전달 커플링 조립체(35)는 암모니아와 비암모니아 상변화 냉매 사이에서 열이 전달되도록 열교환기(24)를 구비한다. 히트 펌프가 냉방 모드로 작동하는 경우, 암모니아는 리버싱 밸브(25)와, 저장조(22)에 대한 응축기로서 작동하는 실외 코일(28)과, 팽창 장치(31)를 순차적으로 경유하여 열교환기(24)로 흐르게 된다. 상기 열전달 커플링 조립체(35)는, 실내 공간 또는 기타 조화 대상 영역의 내부로 노출되어 열을 전달하는 실내코일(26)과, 4-방향 밸브(18)와, 액상의 상변화 냉매를 상기 실내코일로 보내거나 실내코일로부터 배출시키기 위한 배관(20) 및 일방향 펌프(19)를 구비한다. 냉방 모드에서, 상기 4-방향 밸브(18)와 펌프(19)는 액상의 상변화 냉매를 열교환기(24)로부터 실내코일(26)로 흐르게 하며, 액상 냉매는 실내코일(26)에서 증발하여 증기 상태로 열교환기(24)로 되돌아간다. 난방 모드에서는, 열전달 커플링 조립체(35) 내에서의 상변화 냉매의 흐름이 반대방향으로 이루어진다. 필요한 경우, 상기 4-방향 밸브(18) 및 일방향 펌프는 가역 펌프로 대치될 수 있으며, 상기 4-방향 밸브는 2-방향 및/또는 3-방향 밸브들의 적절한 조합으로 대치될 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 열전달 커플링 조립체(75)가 적용된 물-암모니아 GAX(발생기 흡수기 열교환) 냉방장치를 개략적으로 나타낸 것이다. GAX 냉방 시스템의 주요한 구성요소로는, 흡수기(12)와 흡수기 열교환부(50)를 구비하는 흡수기 조립체(10)를 들 수 있다. 흡수기 열교환부(50)는 흡수기 열교환기(51)와 GAX 열교환기(53)를 구비한다. 발생기 조립체(11)는 발생기 열교환기(35), 보일러(46), 단열부(15) 및 정류부(16)을 구비한다. 응축기(28)는 증발된 암모니아를 응축시키고 예냉(precooling)을 위하여 보조냉각기(45)로 보낸다. 정류기(16)는 용액 또는 물에 의해 냉각될 수 있는데 반하여, 상기 흡수 및 응축 열교환기들은 공기 또는 물에 의해 냉각될 수 있다. 통상적인 GAX 냉방기는 예로서 미국특허 제5,490,393호 및 제5,367,884호 등에 의하여 주지되어 있으며, 상술한 모달(Modahl) 등의 논문에도 개시되어 있다. 그리고, 통상적인 GAX 냉방기의 작동에 대해서는 2000. 1. 5. 출원된 미국특허출원 제09/479,277호에 상세하게 개시되어 있다. 상기 열전달 커플링 조립체(75)는 앞에서 도면을 통하여 설명했던 것과 실질적으로 동일하게 작동한다. 열교환기(39)는 상변화 냉매의 응축을 위한 응축기로서 작동하며, 응축액은 냉매 펌프(19)에 의하여 펌핑되어 실내코일(26)로 보내진다. 실내코일(26)은 부하(조화영역)로 노출된 상태에서 증발기로 작동함으로써, 부하를 냉방한다.

도 6에는 GAX 냉/난방 시스템이 도시되어 있다. 도시된 장치는 바이패스(by-pass) 동작이 가능한 것으로서, 발생기(11)로부터의 암모니아 증기가 응축기(28)를 바이패스할 수 있으며, 따라서 증발된 암모니아는 파이프(72)를 통하여 열교환기(39)로 흐르게 된다. 밸브(55)는 응축기(28)로의 암모니아 흐름을 선택적으로 차단하고, 솔레노이드 작동밸브(74)는 파이프(72)를 선택적으로 개방 또는 밀폐한다. 난방 기능의 제공을 위하여, 발생기로부터 흘러나온 암모니아 증기는 열전달 커플링 조립체(75) 내의 증기 상태의 냉매를 가열하기 위한 응축기로서 작동하는 열교환기(39)를 통과한다. 열전달 커플링 내의 상변화 냉매는 열교환기(39)에서 가열되어 증발하며, 증기 상태의 냉매는 노출되어 있는 공간을 난방하기 위한 응축기로서 작동하는 실내코일(26)을 통과한다. 가역펌프(32)는 열전달 커플링 조립체 내의 액상의 냉매를 펌핑하는데 이용된다. 필요에 따라서는, 도 4에 도시된 것과 같은 하나 이상의 리버싱 밸브와 일방향 펌프가 사용될 수도 있다. 실내코일(26)을 증발기로 작동하게 함으로써 냉방을 제공하기 위하여, 상기밸브(55 및 74)들은 암모니아 증기가 선택적으로 응축기(28)를 통과하도록 작동될 수 있으며, 이렇게 하면 바이패스 파이프(72)는 폐쇄되고 본 실시예의 장치는 도 5에서 도시하고 설명한 것과 같은 냉방장치로 기능하게 된다. 상변화 냉매의 오버 펌핑(over-pumping)은 여기에서 설명한 것과 같이 이루어질 것이다. GAX 냉/난방기 조립체의 구성요소들의 동작은 상술한 미국특허출원 제09/479,277호에 모두 개시되어 있다.

도 7은 통합된 냉난방 시스템의 다른 실시예를 도시한 것으로서, 본 실시예에서는 중력을 이용하여 암모니아 냉매를 열교환기(39)로부터 파이프(82)와 솔레노이드 작동 밸브(84)를 통하여 발생기(11)로 회수함으로써, 펌프와 암모니아를 위하여 펌프를 작동시키는 동력의 사용이 필요하지 않게 된다. 난방 모드로 작동하는 경우, 응축기와 흡수기는 동작하지 않으며, 시스템을 통하여 펌핑되는 흡수 유체도 없다. 대신에, 암모니아는 발생기(11)에서 간단히 가열되고 증발되며, 바이패스 파이프(72)를 통하여 열교환기(39)로 직접 흘러, 열전달 커플링 조립체(39) 내의 냉매에 열을 제공할 수 있도록 응축된다. 그리고, 이러한 물-암모니아 흡수 시스템의 작동은 상술한 2000년 1월 5일 출원된 미국특허출원 제09/479,277호에 상세하게 개시되어 있다.

본 발명에 의하면, 냉방 또는 난방 모드에서, 냉매의 증발만으로 실내코일에 열부하를 전달할 때 필요한 것보다 많은 양의 액상의 상변화 열전달 유체가 실내코일에 유입되게 된다. 소위 오버 펌핑(over-pumping)이라고 하는 이러한 과정은, 상변화 냉매를 고정된 온도에 근접하도록 증발시키는데 필요한 열전달면의 양의 감소, 및/또는 상기 과정이 얼마만큼 최적화되는 가에 의존하는 펌프 동력의 감소를 가져온다. 상기 열전달면은 실내코일 내에서 완전히 말라버리기 때문에, 열전달면 증가에 필요한 열전달률은 감소한다. 액체 오버 펌핑은 실내코일의 열전달면 내의 건조 면적을 제거한다. 그러나, 과도한 오버 펌핑은 열전달률의 감소를 막을 수 없다.

본 발명에서, 액체 오버 펌핑 양(量)은 대략 1% 내지 100% 사이의 과잉액이며, 바람직하게는 대략 2% 내지 25% 과잉액이다.

또한, 난방 모드에서, 오버 펌핑은 요구되는 펌프 동력을 최소화하는데 유용하다. 난방 모드에서, 상변화 냉매는 실내코일에서 응축되고, 열교환기에서 증발한다. 그리고, 도 6과 같은 난방 모드에서, 펌프(32)는 열교환기(39)에서 증발될 양보다 더 많은 냉매를 실내코일(26)로부터 펌핑하여 열교환기(39)로 보낸다.

도 8은 냉방 모드 작동시 실내코일에 대한 액상 냉매의 오버 펌핑 효과를 나타낸 그래프이다. 도 8은 오버 펌핑 작용에 필요한 펌프 동력을 보여준다. 이들 데이터는 R22 냉매와 특정의 코일 및 배관 사이즈에 대한 분석과 특성에 기초한 것으로서, 2 내지 10% 오버 펌핑 범위에서의 요구되는 최소 펌프 동력을 나타낸다. 액상 냉매 오버 펌핑의 특정 범위는, 실내코일, 상변화 유체 선택, 코일 설계, 공정 온도들에 의해 요구되는 열전달 부하에 따라 결정된다. 예를 들어, 선택된 상변화 냉매가 100 Btu/lb의 상변화 에너지를 가지는 경우, 36,000 Btu/h의 설계부하, 360 lb/hr의 최소 순환률이 필요하게 된다. 그러나, 더 일반적으로는 365 내지 750 lb/hr의 순환률이 사용될 것이다.

열전달 커플링에 사용되는 특정의 상변화 냉매는 R22, R134a, R404a, R410a, R502, R123 및 R507 등과 같은 HFC 및 HCFC를 포함한다. 공기조화 시스템(HVAC)에 일반적으로 사용되는 대부분의 냉매들이 상변화 커플링에 사용될 수 있는데, 이러한 냉매들은 손쉽게 상업적으로 이용할 수 있으며, 안전하고, 보통의 배관 재료에 적합하며, 또한 사용자와 공기조화 엔지니어 및 기술자에게 친숙하기 때문이다.

바람직하게는 냉매로서 미국공조냉동학회(ASHRAE)의 안전그룹 A1 또는 A2, 그리고 미국규격 UL 그룹 4, 5 및 6의 냉매 조성물을 사용한다. 이러한 HVAC 허용 냉매를 사용하면 냉방 및 냉방 온도에서의 해당 압력이 지나치게 높거나 낮아지는 것이 방지된다. 본 발명에 따른 상변화 열전달 커플링을 사용의 사용은, 물과 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 또는 기타 부동액의 용액을 포함하는 순환수식 시스템에 효과적이다. 상술한 바와 같이, 상변화 냉매를 실내코일로 펌핑하는데 필요한 전력은 실질적으로 낮다. 중앙 에어컨 또는 히트 펌프를 구비한 가정들에는, 통상적으로 냉매의 증발에 적합한 크기의 실내코일과, 실외 유닛과 실내코일 사이를 연결하며 상변화 냉매의 이송에 적합하도록 설계되고 그에 적합한 크기를 가지는 배관 접속이 구비되어 있으므로, 개조 비용은 실질적으로 저렴하다. 일반적으로, 가정 내에 존재하는 배관은, 본 발명의 시스템에 사용되는 물-암모니아 공기조화 또는 히트 펌프와 통합된 상변화 열전달 커플링에 사용될 수 있다. 더욱이, 기존의 배관을 사용함과 아울러, 비록 팽창장치(냉매 제한기)의 제거 및 분배기의 개조와 같은 약간의 개조가 필요하긴 하지만, 기존의 실내 코일도 사용할 수 있다. 그러나, 기존 실내코일이 사용될 수 없다고 하더라도, 단지 실내코일을 교환하고기존의 배관을 실외 유닛과 새로운 실내코일 사이에 사용함으로써, 경제적이고 간편하게 개조를 할 수 있다.

본 발명에 따른 열전달 커플링에는 다양한 형태와 구조의 열교환기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 열교환기로서 하나의 대형 외측 튜브의 축에 거의 평행하게 배열되는 복수의 내측 튜브로 이루어진 "단일 튜브 내 복수 튜브(tubes-in-a-tube) " 형태를 가진 것이 채용될 수 있다. 이러한 형태는 상대적으로 저렴하며, 열교환기 내부에서 압력 강하가 작다는 장점이 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 열전달 커플링(35)에 사용되는 증기 상태의 비암모니아 상변화 냉매는 응축된 암모니아 냉매와 반대방향으로 유동하며, 암모니아 냉매는 열 교환기를 통과하면서 증발된다. 열교환기의 또 다른 유용한 형태로서, 하나의 외측 튜브와 동축적으로 연장된 하나의 내측 튜브를 이용한 "단일 튜브 내 단일 튜브(a tube-in-a-tube)" 형태가 있다. 단일 튜브 내 단일 튜브 방식 열교환기의 단점은, 유체들 사이의 충분한 열교환을 위하여 상당한 정도의 배관 길이가 필요하다는 데 있다. 통상, 배관 길이는 외측 튜브의 직경보다 훨씬 크다. 배관길이 대 직경비는 통상적으로 대략 200 이상이다. 열교환기의 또 다른 형태는 쉘(Shell)형 열교환 구조물 내에 하나의 코일 튜브가 배치된 형태이다. 이러한 형태에서는, 하나의 유체는 쉘의 고리형 내부를 따라 연장되는 내측의 코일 튜브를 따라 흐르며, 다른 유체는 상기 쉘을 통과한다. 또 다른 열교환기에서는 내측 튜브가 외측 튜브 내에서 나선형으로 감겨지며 동축적으로 연장된 트위스트 튜브(twisted tube) 형태가 채용될 수 있다. 아울러, 커버 플레이트들 사이에서 통상 서로 평행하게 배열된 복수의 플레이트로 이루어진판형 열교환기 형태도 사용될 수 있다. 이러한 열 교환기는 크기가 작으므로, 공간이 협소한 경우에 유용하다. 단점으로는 넓은 작동 온도 범위를 필요로 하는 열교환 구성요소들에 의한 열응력(thermal stress)이다. 본 발명에는 이 밖에 다른 형태의 열교환기들도 사용될 수 있다. 사용될 열교환기의 형태는, 본 발명이 속한 기술분야의 당업자라면 각각의 장점 및 단점을 고려하여 용이하게 선택할 수 있을 것이다.

Claims

실내 공간을 냉방 또는 난방하기 위한 물-암모니아 흡수 냉방 시스템 또는 냉난방 겸용 시스템의 작동방법에 있어서,

상기 시스템은, 냉방 또는 난방 될 상기 실내 공간의 외부에 위치한 제 1 열교환기(24, 24', 39)와, 상기 실내 공간의 내부에 열전달 가능하게 노출되어 있는 제 2 열교환기(26)와, 상기 제 1 열교환기와 제 2 열교환기 사이에서의 유동 소통을 가능하게 하며 그 내부에 암모니아가 아닌 상변화 냉매를 구비하는 배관과, 상기 상변화 냉매를 상기 제 1 및 제 2 열교환기 사이에서 펌핑하는 펌프를 구비하는 열교환 조립체(35, 35', 75)를 포함하며,

액상의 상변화 냉매를, 냉매의 응축이 이루어지는 열교환기로부터 냉매의 증발이 이루어지는 열교환기로, 상기 열교환기 내에서 상기 상변화 냉매 스스로 증발하기 위한 열 부하 전달에 필요한 것 보다 많은 양으로 펌핑하는 것을 특징으로 하는 작동방법.
제 1 항에 있어서,

상기 상변화 냉매 증발용 열교환기로 펌핑된 액상의 상변화 냉매의 양은 상기 열 부하 전달에 필요한 양보다 1% 내지 100% 많은 것을 특징으로 하는 작동방법.
제 1 항에 있어서,

상기 상변화 냉매 증발용 열교환기로 펌핑된 액상의 상변화 냉매의 양은 상기 열 부하 전달에 필요한 양보다 2% 내지 25% 많은 것을 특징으로 하는 작동방법.
제 1 항에 있어서,

탄화불소(fluorocarbon) 또는 염화불화탄소(chlorofluorocarbon)의 상변화 냉매, 또는 그 혼합물을 펌핑하는 것을 특징으로 하는 작동방법.
제 1 항의 방법을 실행하기 위한 장치로서,

상기 흡수 시스템은, 흡수기 조립체(13)와, 발생기 조립체(11)와, 상기 실내 공간을 냉방하는데 필요한 것보다 많은 양의 상변화 냉매를 상기 제 2 열교환기(26)로 펌핑하는 펌프(19)를 포함하는 물-암모니아 냉방기이며,

상기 실내 공간의 냉방을 위하여, 상기 제 1 열교환기(24)는 상기 상변화 냉매용 응축기로 기능하고, 상기 제 2 열교환기(26)는 상기 상변화 냉매용 증발기로 기능하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항의 방법을 실행하기 위한 장치로서,

상기 흡수 시스템은,

발생기(11);

흡수기(12)와, 흡수기 열교환기(51)와, 발생기/흡수기 열교환기(53)를 구비하는 흡수기 조립체(10);

고농도 암모니아 흡수 용액의 적어도 일부분을 상기 흡수기로부터 상기 흡수기 열교환기를 통하여 상기 발생기로 흐르게 하기 위한 배관;

상기 발생기/흡수기 열교환기로부터 상기 발생기로 열에너지를 전달하기 위한 장치; 및

상기 실내 공간을 냉방하는데 필요한 것보다 많은 양의 상변화 냉매를 상기 제 2 열교환기(26)로 펌핑하는 펌프(19)를 포함하는 물-암모니아 냉방기이며,

상기 실내 공간의 냉방을 위하여, 상기 제 1 열교환기(24)는 상기 상변화 냉매용 응축기로 기능하고, 상기 제 2 열교환기(26)는 상기 상변화 냉매용 증발기로 기능하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항의 방법을 실행하기 위한 장치로서,

상기 흡수 시스템은, 흡수기 조립체(13)와, 발생기 조립체(11)와, 상기 실내 공간을 난방하기 위한 열전달 부하에 맞도록 상변화 냉매를 증발시키는데 필요한것보다 많은 양의 상변화 냉매를 상기 제 2 열교환기(26)로부터 상기 제 1 열교환기로 펌핑하는 펌프(19)를 포함하는 물-암모니아 히터이며,

상기 실내 공간의 난방을 위하여, 상기 제 1 열교환기(24)는 상기 상변화 냉매용 증발기로 기능하고, 상기 제 2 열교환기(26)는 상기 상변화 냉매용 응축기로 기능하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항의 방법을 실행하기 위한 장치로서,

상기 흡수 시스템은,

발생기(11);

흡수기와, 흡수기 열교환기(13)와, 발생기/흡수기 열교환기(53)를 구비하는 흡수기 조립체(10);

고농도 암모니아 흡수 용액의 적어도 일부분을 상기 흡수기로부터 상기 흡수기 열교환기를 통하여 상기 발생기로 흐르게 하기 위한 배관;

상기 발생기/흡수기 열교환기로부터 상기 발생기로 열에너지를 전달하기 위한 장치; 및

상기 실내 공간을 난방하기 위한 열전달 부하에 맞도록 상변화 냉매를 증발시키는데 필요한 것보다 많은 양의 상변화 냉매를 상기 제 2 열교환기로부터 상기 제 1 열교환기로 펌핑하는 펌프(19)를 포함하는 물-암모니아 히터이며,

상기 실내 공간의 난방을 위하여, 상기 제 1 열교환기(24, 24')는 상기 상변화 냉매용 증발기로 기능하고, 상기 제 2 열교환기(26)는 상기 상변화 냉매용 응축기로 기능하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항의 방법을 실행하기 위한 장치로서,

상기 물-암모니아 흡수 시스템은,

흡수기 조립체;

발생기 조립체;

흡수 유체를 상기 흡수기 조립체와 상기 발생기 조립체 사이에서 순환시키기 위한 흡수 유체 루프;

조화되어야 할 실내 공간을 선택적으로 난방 또는 냉방하기 위하여, 선택적으로 증발기 및 응축기로 기능할 수 있으며 상기 실내 공간의 외부에 위치하는 제 1 열교환기(24) 및 상기 실내 공간으로 열전달 가능하게 노출되어 있는 제 2 열교환기(26)와, 액상의 상변화 냉매를 순환시키는 펌프(19)와, 냉매의 순환 방향을 역전시키기 위한 장치(18)를 포함하는 상변화 냉매 열교환 조립체(35);

상기 물-암모니아 흡수시스템과 상기 제 1 열교환기 사이에서 열을 교환하기 위한 장치; 및

물-암모니아 흡수 사이클을 선택적으로 역전시키기 위하여, 냉매 루프와 협력하는 하나 이상의 밸브(25) 및/또는 펌프를 구비하는 사이클 리버싱 장치를 포함하는 히트 펌프이며,

상기 제 1 및 제 2 열교환기들은 상기 실내 공간을 난방 또는 냉방하기 위하여 상기 상변화 냉매용의 응축기 및 증발기로 기능할 수 있으며, 상기 펌프(19)는 상기 실내 공간을 난방 또는 냉방하기 위하여 증발하는데 필요한 것보다 많은 양의 액상의 상변화 냉매를 상기 제 1 열교환기 또는 상기 제 2 열교환기로 각각 펌핑하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 흡수기 조립체는, 흡수기와, 흡수기 열교환기 및 발생기/흡수기 열교환기를 구비하며,

고농도 암모니아 흡수 용액의 적어도 일부분을 상기 흡수기로부터 상기 흡수기 열교환기를 통하여 상기 발생기로 흐르게 하기 위한 배관과, 상기 발생기/흡수기 열교환기로부터 상기 발생기로 열에너지를 전달하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,

액상의 상변화 냉매를 순환시키기 위한 상기 펌프는 가역 펌프인 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,

상기 열교환 조립체(35)는 하나 이상의 리버싱 밸브(18)를 포함하며, 액상의 상변화 냉매를 순환시키기 위한 상기 펌프는 일방향 펌프인 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항의 방법을 실행하기 위한 장치로서,

상기 물-암모니아 흡수 시스템은,

흡수기 조립체(10);

발생기 조립체(11);

흡수 유체를 상기 흡수기 조립체와 상기 발생기 조립체 사이에서 순환시키기 위한 흡수 유체 루프;

조화되어야 할 실내 공간을 선택적으로 난방 또는 냉방하기 위하여, 선택적으로 증발기 및 응축기로 기능할 수 있으며 상기 실내 공간의 외부에 위치하는 제 1 열교환기(24) 및 상기 실내 공간으로 열전달 가능하게 노출되어 있는 제 2 열교환기(26)를 포함하는 열교환 조립체(35);

증발기 및 응축기로 선택적으로 기능하는 제 3 열교환기를 구비하는 실외코일(28);

암모니아를 상기 제 1 열교환기, 상기 실외코일, 상기 흡수기 및 상기 발생기 사이에서 순환시키기 위한 제 1 냉매 루프; 및

상기 제 1 열교환기와 상기 제 2 열교환기 사이에서 암모니아가 아닌 상변화 냉매를 함유하며, 열 교환 부하 전달에 필요한 것보다 많은 양의 액상의 상변화 냉매를 상기 제 2 열교환기로 펌핑하는 펌프(19)를 구비한 제 2 냉매 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 13 항에 있어서,

응축된 암모니아용 저장조(22)를 포함하며,

상기 제 1 냉매 루프는, 응축된 암모니아를 상기 실외코일(28)로부터 상기 저장조로, 그리고 상기 저장조로부터 상기 제 1 열교환기로 흐르게 하기 위한 배관을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 13 항에 있어서,

상기 제 1 냉매 루프와 함께, 암모니아를 상기 제 1 또는 상기 실외코일로 선택적으로 흐르게 하고, 암모니아를 상기 제 1 열교환기 또는 상기 실외코일로부터 상기 흡수기로 흐르게 하기 위한 리버싱 밸브(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 15 항에 있어서,

상기 리버싱 밸브는 4-방향 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 13 항에 있어서,

상기 흡수기 조립체는, 흡수기와, 흡수기 열교환기 및 발생기/흡수기 열교환기를 구비하며,

고농도 암모니아흡수 용액의 적어도 일부분을 상기 흡수기로부터 상기 흡수기 열교환기를 통하여 상기 발생기로 흐르게 하기 위한 배관과, 상기 발생기/흡수기 열교환기로부터 상기 발생기로 열에너지를 전달하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 13 항에 있어서,

상기 펌프는 가역 펌프인 것을 특징으로 하는 장치.
제 13 항에 있어서,

상기 제 2 냉매 루프는 하나 이상의 리버싱 밸브(18)를 포함하며, 상기 펌프는 일방향 펌프인 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항의 방법을 실행하기 위한 장치로서,

상기 물-암모니아 흡수 시스템은,

흡수기 조립체(10);

발생기 조립체(11);

흡수유체를 상기 흡수기 조립체와 상기 발생기 조립체 사이에서 순환시키기 위하여, 고농도 암모니아 흡수용액을 상기 흡수기 조립체로부터 상기 발생기 조립체로 흐르게 하기 위한 제 1 배관과, 저농도 암모니아 흡수용액을 상기 발생기 조립체로부터 상기 흡수기 조립체로 흐르게 하기 위한 제 2 배관을 구비하는 흡수유체 루프;

응축기(28);

응축기 또는 증발기로 선택적으로 기능하는 제 1 열교환기(39);

암모니아를 상기 발생기 조립체, 응축기, 제 1 열교환기 및 흡수기 조립체 사이에서 순환시키기 위한 제 1 냉매 루프;

암모니아가 상기 응축기를 지나지 않고 상기 발생기 조립체로부터 상기 제 1 열교환기로 흐르도록 하기 위한 냉매 바이패스 배관(72); 및

암모니아가 아닌 상변화 냉매를 이송하고, 조화되어야 할 실내 공간을 선택적으로 냉난방하며, 상기 실내 공간으로 열전달 가능하게 노출되어 증발기 및 응축기로 선택적으로 기능할 수 있는 제 2 열교환기(26)를 구비하는 제 2 냉매 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 20 항에 있어서,

상기 냉매 바이패스 배관에 구비되어, 상기 바이배스 배관을 선택적으로 개폐하는 하나 이상의 작동밸브(55, 74)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 20 항에 있어서,

상기 흡수기 조립체는 흡수기와 흡수기 열교환기를 구비하며, 상기 흡수유체 루프는 열전달을 위하여 흡수유체를 상기 흡수기 열교환기로 안내하고, 그로부터 다시 상기 발생기 조립체로 안내하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 20 항에 있어서,

상기 흡수기 조립체는 흡수기, 흡수기 열교환기 및 발생기/흡수기 열교환기를 구비하며, 상기 흡수유체 루프는 고농도 암모니아 흡수용액의 적어도 일부분을 상기 흡수기 열교환기로 안내하고, 그로부터 다시 상기 발생기와, 상기 발생기/흡수기 열교환기로부터 상기 발생기로 열에너지를 전달하는 장치로 안내하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 20 항에 있어서,

응축된 냉매가 중력에 의하여 상기 제 1 열교환기로부터 상기 냉매 배관을 통하여 상기 발생기 조립체로 흐를 수 있도록, 상기 제 1 열교환기는 상기 발생기 조립체보다 위쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 24 항에 있어서,

상기 냉매 바이패스 배관에 구비되어, 상기 바이배스 배관을 선택적으로 개폐하는 하나 이상의 작동밸브(55, 74)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 6 항, 제 8 항, 제 10 항, 제 7 항 또는 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 발생기/흡수기 열교환기로부터 상기 발생기로 열에너지를 전달하는 장치는, 암모니아 흡수용액의 일부가 상기 발생기로 흐르기 전에, 상기 발생기/흡수기 열교환기로 흐르게 하는 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.