KR100297053B1 - 흡수식냉난방시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡수식 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 특히 기액분리기 주위의 사영역을 최소화함과 동시에 재생기로부터 발생되는 폐연소 가스의 열량을 회수하여 많은 유효 에너지를 확보하는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 원통형의 쉘 내에 튜브코일 형상의 열교환기가 구비된 용액열교환기와, 상기 용액열교환기에 모인 강용액이 유입되어 버너의 가열에 따라 이 강용액으로부터 냉매증기와 약용액을 발생시키는 핀-튜브형 재생기를 채용한 흡수식 냉난방 시스템에 있어서, 상기 용액열교환기의 쉘을 하방향으로 연장하여 이 연장 부위에 재생기로부터 발생되어 유입된 2상냉매(냉매증기+약용액)를 냉매증기와 약용액으로 각각 분리시키기 위한 기액분리장치를 형성하고, 상기 재생기 내에는 용액열교환기로부터 유입되는 강용액을 버너의 폐 연소가스를 이용하여 미리 가열하기 위한 예열장치를 설치한 것이다.

Description

흡수식 냉난방 시스템

본 발명은 보일러 타입의 버너와 핀-튜브형 열교환기를 재생기로 사용한 흡수식 냉난방 시스템에 관한 것으로, 기액분리기 주위의 사영역을 최소화함과 동시에 재생기로부터 발생되는 폐연소 가스의 열량을 회수하여 많은 유효 에너지를 확보하기 위한 흡수식 냉난방 시스템에 관한 것이다.

일반적인 흡수식 냉난방 시스템은 암모니아 흡수식인 경우와 LiBr 흡수식인 경우로 대별되는데, 다른 점은 암모니아 흡수식인 경우에는 작동유체가 암모니아 수용액이고, LiBr 흡수식인 경우에는 작동유체가 LiBr 수용액이 되며, 냉매로서는 암모니아 흡수식인 경우 암모니아가, LiBr 흡수식인 경우에는 물이 사용된다.

즉, 재생기에서 암모니아 흡수식인 경우는 냉매로 암모니아와 흡수매체로 농도가 낮은 약용액이 만들어지고, LiBr 흡수식인 경우는 냉매로 물과 흡수 매체로 농도가 높은 농용액이 분리된다.

또한, 작동 압력 범위는 암모니아 흡수식인 경우는 고압에서 형성되고, LiBr 흡수식인 경우는 저압에서 형성된다는 점이 다르다.

이하에서는 암모니아 흡수식을 기준으로 설명하며, LiBr 흡수식의 경우는 각각의 유체를 암모니아 흡수식의 경우와 매칭하여 생각하면 될 것이다.

보일러 타입 버너와 열교환기를 재생기로 사용한 경우의 암모니아 흡수식 냉난방 시스템은 도1 에 도시된 바와 같이, 열을 발생시키는 버너(1)와, 상기 버너(1)로부터 발생되는 열을 가해줌으로써 강용액으로부터 냉매증기와 약용액을 생성하는 재생기(2)와, 상기 재생기(2)에서 생성된 냉매증기와 함께 증발되는 물을 응축시켜 고농도의 냉매증기로 정류하는 정류기(3)와, 상기 정류기(3)로부터 전달된 고농도의 냉매증기를 냉각시켜 액체상태의 냉매로 응축시키는 응축기(4)와, 상기 응축기(4)로부터 응축된 액냉매를 증발기(6)의 증발온도 가까이 과냉시키는 냉매열교환기(5)와, 상기 냉매열교환기(5)를 지나면서 더욱 과냉된 액냉매를 증발시키는 증발기(6)와, 상기 증발기(6)에서 증발된 냉매가 냉매열교환기(5)를 지나면서 응축기(4)에서 증발기(6)로 흐르는 상대적으로 고온의 액냉매와 열교환을 실시한 후 열을 얻어 흡수기(7)의 포화온도 가까이 올라간 상태의 냉매증기 및 재생기(2)로부터 생성된 약용액이 유입되는 흡수기(7)와, 상기 흡수기(7)로 유입된 냉매증기가 약용액에 흡수된 상태의 강용액을 정류기(3)로 펌핑하는 용액펌프(8)와, 상기 재생기(2)에서 생성된 약용액과 흡수기(7)에서 생성된 강용액을 서로 열교환시키는 용액열교환기(9)로 구성된다.

그리고, 냉매열교환기(5)와 증발기(6)의 사이 및 흡수기(7)와 용액열교환기(9)의 사이에는 고압부와 저압부의 압력차를 보상하는 리스트릭터(Restrictor)(10)가 위치하고, 상기 응축기(4), 증발기(6), 흡수기(7)로부터 냉매와 열교환을 하여 온도가 낮아지거나 높아진 냉/난방수가 냉/난방을 위해 이동하는 실내기(11) 및 실외기 코일(도면상에 미도시)이 구비된다.

또한, 상기 재생기(2)는 도2와 같이, 강용액이 유동하는 튜브(2a)와, 상기튜브(2a)의 외경에 접촉하여 수직으로 설치된 핀(2b)으로 구성된 핀-튜브 열교환기형상이고, 상기 튜브(2a)의 토출측에는 재생기(2)로부터 생성되는 2상의 냉매를 냉매증기와 약용액 상태로 분리시키는 기액분리기(12)가 연결되며, 이 기액분리기(12)의 증기관(12a) 및 액관(12b)은 용액열교환기(9)에 연결된다.

도면상의 미설명 부호 13은 연소실이고, 14는 연소가스 배출기이며, 15는 연소가스 배기관이다.

이와 같이 구성된 종래의 암모니아 흡수식 냉난방 시스템은 먼저, 재생기(2)로 강용액이 유입되면 이 강용액은 튜브(2a)내를 흐르면서 연소부인 버너(1)에 의해 가열되어 2상 냉매(냉매증기+약용액) 상태가 되고, 튜브(2a)의 토출측에 연결된 기액분리기(12)로 유입되어 냉매증기와 약용액으로 분리된다.

이 중 냉매증기는 기액분리기(12)의 증기관(12a)을 통해, 약용액은 기액분리기(12)의 액관(12b)을 통해 용액열교환기(9) 내로 유입된다.

상기 용액열교환기(9)는 원통(9a) 내에 열교환을 위한 코일(9b)이 삽입되어 있는 형상으로 기액분리기(12)의 액관(12b)은 코일(9b)에 연결되어 있고, 증기관(12a)은 원통(9a)에 연결되어 있다.

이와 같이, 기액분리기(12)로부터 분리된 약용액은 용액열교환기(9)의 코일(9b) 내로 유입되어 유동하게 되고, 냉매증기는 코일(9b)의 외부에서 이와 접촉하면서 상승하게 된다.

이때, 용액열교환기(9)의 상부로 강용액(정류기로부터)이 공급되면 코일(9b)의 표면을 적시면서 얇은 막 형태로 흐르게 되고, 약용액은 시스템내에서 최고온이므로 이 강용액을 가열하여 냉매증기를 발생시키며, 기액분리기(12)로부터 유입되어 원통(9a) 내부를 상승하는 냉매증기는 이에 의해 순도가 높아진 상태로 정류기(3)로 유입된다.

상기 정류기(3) 내로 유입된 냉매증기는 흡수기(7)로부터 용액펌프(8)의 펌핑을 통해 정류기(3)의 내부로 유입되는 강용액과 열교환을 한 후 재생기(2)에서 함께 증발된 물을 응축시켜 고농도의 냉매증기로 정류되어 진다.

한편, 기액분리기(12)에서 분리된 약용액은 용액열교환기(9)의 코일 내부를 거쳐 흡수기(7)로 유입된다.

상기 정류기(3)에서 정류된 고농도의 냉매증기는 응축기(4)로 유입되어 응축기(4)에서 격리된 유로로 흐르는 저온의 냉각수와 열교환을 하여 액냉매 상태로 응축되고, 이 액냉매는 냉매열교환기(5)를 지나면서 증발기(6)에서 생성된 상대적으로 온도가 낮은 냉매증기와 열교환하여 증발기(6)의 증발온도 가까이 과냉되어 증발기(6)로 유입된다.

상기 증발기(6)내로 유입된 액냉매는 증발기(6) 주위를 흐르는 상대적으로 고온의 냉수와 열교환을 하여 냉매증기가 되고, 이 냉매증기는 다시 냉매열교환기(5)를 지나면서 상대적으로 고온인 액냉매와 열교환을 하여 흡수기(7)의 포화온도 가까이 올라간 상태로 흡수기(7)로 유입된다.

상기 흡수기(7)로 유입된 냉매증기는 용액열교환기(9)로부터 유입된 약용액에 흡수되어 강용액이 생성되고, 이때 발생되는 흡수열은 흡수기(7) 주위를 흐르는 저온의 냉각수에 의해 상쇄된다.

이때, 상기 흡수기(7)에서 생성된 강용액은 용액펌프(8)의 펌핑에 의하여 정류기(3)로 유입되었다가 용액열교환기(9)로 유입되고, 이 강용액은 코일(9b)내를 흐르는 약용액과 열교환을 하여 온도가 상승된 후 다시 재생기(2)로 유입되어 상기와 같은 작동을 순차적으로 반복하게 된다.

여기서, 시스템의 특성상 재생기(2)와 응축기(4)는 고압부를 형성하고, 증발기(6)와 흡수기(7)는 저압부를 형성하게 되는데, 이러한 압력의 차이는 다수의 리스트릭터(10)를 이용하여 해결하게 된다.

이와 같이, 상기 리스트릭터(10)는 유로의 단면적을 줄여줌으로써 압력손실을 유발, 양단의 압력차가 생기도록 하는 것이다.

이러한 흡수식 냉난방 사이클은 냉방 및 난방 기능의 히트펌프로서, 냉방의 경우에는 증발기(6)에서 냉매의 증발잠열로부터 냉방수를 얻을 수 있고, 난방의 경우에는 응축기(4)의 응축잠열 및 흡수기(7)의 흡수열로부터 난방수를 얻을 수 있다.

이와 같은 동작은 시스템이 작동하는 동안 평형이 이루어진 상태에서 연속적으로 순환되면서 이루어진다.

그러나 이러한 종래의 흡수식 냉난방 시스템은 재생기 연소부 내의 고온의 연소 가스(약 200℃)의 열에너지를 최대한 이용하지 못하며, 기액분리기가 별도로 설치되어 있어 구조가 복잡할 뿐만 아니라 외부유로 등으로 인하여 기액분리기의 주위에 크기에 비해 필요 이상의 사영역이 존재하게 되었다.

또한 기액분리기 하단의 경우 약용액 내에서 냉매증기가 계속해 발생할 뿐만 아니라 약용액이 계속해서 유입되기 때문에 담겨져 있는 약용액이 계속 출렁거려 약용액 유동이 원활하지 않게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 제안된 것으로, 용액열교환기의 하부를 연장하여 기액분리장치를 형성하고, 상기 기액분리장치와 용액열교환기의 사이에 강용액 받침대를 마련하며, 재생기내에 폐연소가스를 이용해 강용액을 가열하기 위한 예열장치를 설치함으로써, 기액분리기의 주위의 사영역을 최대한 활용할 수 있고, 많은 유효에너지를 확보할 수 있도록 한 흡수식 냉난방 시스템을 제공하는데 그 목적이 있습니다.

도1은 일반적인 흡수식 냉난방 시스템의 사이클 구성도.

도2는 종래 흡수식 냉난방 시스템의 재생기와 용액열교환기로서,

(a)는 전체구성도.

(b)는 재생기 상세도.

도3은 본 발명에 의한 흡수식 냉난방 시스템의 재생기와 용액열교환기로서,

(a)는 전체구성도.

(b)는 재생기의 사시도.

(c)는 재생기의 측면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

101 : 버너 102 : 재생기

103 : 기액분리기 104 : 용액열교환기

104a : 쉘 104b : 튜브코일

105 : 강용액 받침대 106 : 분배판

107 : 강용액 출관 108 : 배플

109 : 약용액 출관 110 : 연소실

111 : 핀 튜브형 열교환기 112 : 예열부

113 : 강용액 분배 모관 114 : 용액 지관

115 : 용액 합류 출관 116 : 냉매증기 탱크

117 : 2차 냉매증기 출관 118 : 냉매증기 출관

119 : 연소가스 배출기 120 : 연소가스 배기관

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 흡수식 냉난방 시스템은, 원통형의 쉘 내에 코일 튜브형의 열교환기를 가지는 용액열교환기와, 상기 용액열교환기에 모인 강용액이 유입되며 버너의 가열에 의해 상기 강용액으로부터 냉매증기와 약용액을 생성하는 핀튜브형 재생기를 포함하고 있는 흡수식 냉난방 시스템에 있어서, 상기 용액열교환기에는 재생기로부터 발생되어 유입되는 2상냉매를 각각 분리하기 위하여, 쉘의 하방향으로 연장되는 기액분리장치가 형성되고, 상기 용액열교환기와 기액분리장치 사이에는 상기 용액열교환기에서 하강되는 강용액과 기액분리장치의 하부에 있는 약용액을 분리하기 위한 강용액받침대가 마련되며, 상기 강용액받침대의 하부에는 강용액을 상기 재생기로 유입시키기 위한 강용액 출관이 형성되고, 상기 재생기에는 상기 용액열교환기로부터 유입되는 강용액을 버너의 폐연소가스를 이용하여 예열하기 위한 예열장치가 설치된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도3은 본 발명에 의한 흡수식 냉난방 시스템의 재생기와 용액열교환기를 나타낸 것으로서, 원통형의 쉘(104a) 내에 튜브코일(104b)이 구비된 용액열교환기(104)와, 상기 용액열교환기(104)에 모인 강용액이 유입되어 버너(101)의 가열에 따라 이 강용액으로부터 냉매증기와 약용액을 발생시키는 핀-튜브형 재생기(102)를 채용한 흡수식 냉난방 시스템에 있어 상기 용액열교환기(104)의 쉘(104a)을 하방향으로 연장하여 이 연장 부위에 재생기(102)로부터 발생되어 유입된 2상냉매(냉매증기+약용액)를 냉매증기와 약용액으로 각각 분리시키기 위한 기액분리기(103)를 일체로 형성하고, 상기 재생기(102) 내에는 용액열교환기(104)로부터 유입되는 강용액을 버너(101)의 폐 연소가스를 이용하여 미리 가열하기 위한 예열부(112)를 형성한 것이다.

이를 아래에서 구체적으로 설명한다.

먼저, 상기 용액열교환기(104)의 하부에 쉘(104a)을 공유하는 기액분리기(103)가 용액열교환기(104)와 일체로 형성되며, 상기 용액열교환기(104)의 상부로부터 하강하는 강용액과 기액분리기(103)의 하부에 모이는 약용액을 분리시키기 위해 용액열교환기(104)와 기액분리기(103)의 사이에는 강용액 받침대(105)가 형성된다.

상기 강용액 받침대(105)는 상부의 분배판(106)에 의해 용액열교환기(104) 전체에 고르게 분배되어 하강하는 강용액을 한 곳으로 모을 수 있도록 그 단면이 역사다리꼴 형상으로 구성되며, 상기 강용액 받침대(105)의 하단부에는 강용액을 재생기(102)로 유입시키기 위한 강용액 출관(107)이 구비된다.

또한, 상기 기액분리기(103)의 하부에는 유입되는 약용액의 안정적인 유동을 도모하기 위하여 배플(108)이 지그재그 형상으로 벽면에 설치되며, 상기 기액분리기(103)의 하부에 모인 약용액을 용액열교환기(104)의 튜브코일(104b)에 유입시키기 위해 상기 튜브코일(104b)의 하단부로부터 강용액 받침대(105)와 배플(108)을 관통하여 기액분리기(103)의 하단부까지 약용액 출관(109)이 연장된다.

한편, 재생기(102)는 연소실(110) 내에 가열수단인 버너(101)와, 상기 버너(101)로부터 발생되는 연소열에 의해 가열되는 핀 튜브형 열교환기(111)와, 상기 핀 튜브형 열교환기(111)의 상단에 설치되는 예열부(112)로 구성된다.

상기 예열부(112)는 크게 3부분으로 나누어지는데, 용액열교환기(104)로부터 유입되는 강용액을 모아 다수의 방향으로 분배하는 강용액 분배 모관(113)과, 상기강용액 분배 모관(113)으로부터 다수의 방향으로 분배되어 유동하면서 하부로부터 상승하는 연소가스에 의해 가열되는 다수의 용액 지관(114)과, 다수의 용액 지관(114)으로부터 유입되는 강용액을 모아 핀 튜브 열교환기(111)로 이송하는 용액 합류 출관(115)으로 이루어진다.

이때, 강용액의 원활한 흐름을 위해 상기 강용액 분배 모관(113)은 용액 합류 출관(115) 보다 높게 위치하며, 이에 의해 다수의 용액 지관(114)은 일정각 경사되어 강용액 분배 모관(113)과 용액 합류 출관(115)의 사이에 위치하게 된다.

또한, 용액열교환기(104)의 강용액 출관(107)과 재생기(102)의 강용액 분배모관(113)은 서로 연통되고, 그 사이에는 다수의 용액 지관(114)에서 발생되는 냉매증기를 모아두기 위해 냉매 유로관 보다 높이가 크고 일정 체적을 갖는 냉매증기탱크(116)가 형성되며, 상기 냉매증기 탱크(116)의 최상부에는 용액열교환기(104)와 통하는 2차 냉매증기 출관(117)이 구비되고, 상기 강용액 분배 모관(113)과 용액 합류 출관(115)의 양단 상부에는 냉매증기 탱크(116)의 상부와 통하는 냉매증기 출관(118)이 구비된다.

도면상의 미설명 부호 119는 연소가스 배출기이며, 120은 연소가스 배기관이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 용액열교환기(104)의 강용액 받침대(105)에 고인 강용액은 강용액 출관(107)을 통해 강용액 분배 모관(113)으로 유입되고, 이 곳에 모인 강용액은 다수의 용액 지관(114)으로 분배되어 유동하게 되며, 재생기(102)의 핀 튜브형 열교환기(111)와 열교환을 마친 고온의 연소가스와 미리 대부분의 열교환을 수행하게 된다(엄밀히 말하면 폐연소 가스를 이용한 2차 열교환이다).

이때, 용액 지관(114)을 유동하는 강용액은 하부로부터 상승하는 고온의 연소가스에 의해 미리 가열되면서 냉매증기를 발생하게 되고, 이 냉매증기가 예열부(112)로 유입되는 강용액의 원활한 흐름을 방해하는 문제가 발생된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 강용액 출관(107)과 강용액 분배 모관(113) 사이에 냉매증기 탱크(116)와, 상기 냉매증기 탱크(116)와 통하도록 강용액 분배 모관(113)과 용액 합류 출관(115)의 양단에 냉매증기 출관(118)을 구비하게 된 것으로서, 이 냉매증기 출관(118)은 용액열교환기(104)의 강용액 출관(107)과 재생기(102)의 강용액 분배 모관(113) 사이의 냉매증기 탱크(116)와 연통되어 있으므로 하부로부터 상승하는 고온의 연소가스에 의해 용액 지관(114)을 흐르는 강용액이 가열되어 냉매증기가 발생되면 이 냉매증기가 재생기(102)의 냉매증기 출관(118)을 통해 냉매증기 탱크(116)에 모이고, 다시 2차 냉매증기 출관(117)을 통해 용액열교환기(104)로 유입되는 냉매증기에 합해질 수 있도록 해줌으로써 강용액의 흐름을 냉매증기가 방해하지 않도록 한 것이다.

한편, 상기 용액 지관(114)을 흐르면서 고온의 연소가스와 열교환을 통해 포화상태(saturation)에 이른 강용액은 용액 합류 출관(115)에 다시 모여 핀 튜브형 열교환기(111)로 이송되고, 핀 튜브형 열교환기(111)를 지나면서 버너(101)에 의해 다시 가열되어 주열교환을 수행하게 되며, 이에 따라 2상 냉매(냉매증기+강용액) 상태가 되어 용액열교환기(104) 하부의 기액분리기(103)로 유입된다.

상기 기액분리기(103)로 유입된 2상 냉매는 이 곳에서 냉매증기와 약용액으로 각각 분리되어 냉매증기는 상승하고 약용액은 기액분리기(103) 하부에 일정 수두를 유지하면서 고이게 되는데, 이 약용액이 기액분리기(103)의 벽면에 지그재그로 설치된 배플(108)에 의해 구획된 유로를 따라 흐르게 되어 안정적인 유동을 도모할 수 있는 것이다.

이후, 약용액이 일정량 이상 고이게 되면 흡수기(도면상에는 도시되지 않음)와의 압차에 의해 기액분리기(103) 하단부의 약용액 출관(109)을 통해 용액열교환기(104)의 튜브코일(104b)로 유입되며 이 튜브코일(104b)을 유동하면서 강용액과 열교환한 후 튜브코일(104b)을 나와 흡수기로 유입되는 과정이 반복된다.

이후의 과정은 종래와 동일하므로 생략하며, 이러한 과정은 시스템이 작동하는 동안 평형이 이루어진 상태에서 계속된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 연소실의 상단 빈 공간에 재생기로 유입되는 강용액을 미리 가열할 수 있는 예열장치를 설치함으로써 보일러 타입의 연소부 및 열교환기를 흡수식 냉난방 시스템의 재생기용으로 사용할 때 공용화가 가능하게 되고, 이에 따라 기존의 보일러 버너 타입을 재생기용으로 사용할 때 연소부 공간의 사이즈 증가 없이 시스템의 재생기에서 요구되는 열교환 전열 면적을 확보할 수 있으며, 폐열을 이용함으로써 고온의 연소가스 유효에너지를 최대한 활용할 수 있어 시스템의 효율이 증가되는 효과가 있다.

또한, 용액열교환기와 기액분리기를 일체화함으로써 구조 및 용액 유로의 단순화가 가능해질 뿐만 아니라 기액분리기 주위의 사영역이 최소화되며, 기액분리기 하부에 배플을 지그재그로 설치함으로써 약용액의 유입 및 냉매증기 발생으로 인한 약용액 출렁거림이 방지되는 효과도 있다.

Claims (3)

1. 원통형의 쉘 내에 코일 튜브형의 열교환기를 가지는 용액열교환기와, 상기 용액열교환기에 모인 강용액이 유입되며 버너의 가열에 의해 상기 강용액으로부터 냉매증기와 약용액을 생성하는 핀튜브형 재생기를 포함하고 있는 흡수식 냉난방 시스템에 있어서, 상기 용액열교환기에는 재생기로부터 발생되어 유입되는 2상냉매를 각각 분리하기 위하여, 쉘의 하방향으로 연장되는 기액분리장치가 형성되고, 상기 용액열교환기와 기액분리장치 사이에는 상기 용액열교환기에서 하강되는 강용액과 기액분리장치의 하부에 있는 약용액을 분리하기 위한 강용액받침대가 마련되며, 상기 강용액받침대의 하부에는 강용액을 상기 재생기로 유입시키기 위한 강용액 출관이 형성되고, 상기 재생기에는 상기 용액열교환기로부터 유입되는 강용액을 버너의 폐연소 가스를 이용하여 예열하기 위한 예열장치가 설치된 것을 특징으로 하는 흡수식 냉난방 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 강용액 받침대는 단면이 역사다리꼴 형상으로 형성되어, 강용액이 상기 용액열교환기 전체에 분배되도록 된 것을 특징으로 하는 흡수식 냉난방 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 예열장치는 상기 용액열교환기로부터 유입되는 강용액을 고르게 분배하고 강용액받침대에 연결되는 강용액 분배모관; 상기 강용액분배모관에 일단이 연결되는 다수의 용액지관; 상기 다숭의 용액지관의 타단에 연결되고, 상기 다수의 용액지관으로부터 유입되는 강용액을 재생기로 이송하기 위한 용액 합류출관을 포함하는 것으로, 상기 다수의 용액지관은 강용액이 중력방향으로 유동되도록 상기 강용액 분배모관에서 상기 용액합류출관 쪽으로 일정한 경사를 가지고 형성되는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉난방 시스템.