KR101441486B1 - 흡수식 냉동기 및 제습 냉방기를 이용한 냉방 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡수식 냉동기 및 제습 냉방기를 이용한 냉방 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일측면에 의하면, 흡수제가 분사되어 수분 흡수가 이루어지는 흡수기, 상기 흡수기 내의 희석된 흡수제를 재생시키키는 재생기, 상기 흡수기와 연통되며 냉매의 증발이 이루어지는 증발기, 상기 재생기와 연통되며 냉매의 응축이 이루어지는 응축기, 및 상기 흡수기 및 응축기 내부를 냉각하기 위한 냉각수단,을 포함하는 흡수식 냉동기; 및 내부에 제습 채널 및 재생 채널이 구비되는 케이스, 상기 제습 및 재생 채널 사이에서 회전하면서 수분의 흡수 및 재생이 이루어지는 제습로터, 상기 제습로터를 통과하여 제습이 이루어진 공기를 냉각하는 제1 열교환기, 및 상기 제습로터로 공급될 재생공기를 가열하는 제2 열교환기,를 포함하는 하나 또는 복수의 제습 냉방기;를 포함하고, 상기 증발기에서 생성된 냉수가 상기 제1 열교환기로 공급되고, 외부로부터 상기 재생기로 온수가 공급되는 것을 특징으로 하는 냉방장치가 제공된다.

Description

흡수식 냉동기 및 제습 냉방기를 이용한 냉방 장치{COOLING APPARATUS USING AN ABSORPTION REFRIGERATOR AND A DESICCANT COOLING SYSTEM}

본 발명은 흡수식 냉동기 및 제습 냉방기를 이용한 냉방 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 대형 건물에 사용하기 적합한 냉방 장치에 관한 것이다.

흡수식 냉동기는 흡수제의 온도 변화에 의해 냉매를 흡수 및 분리하여 응축 및 증발시킴으로써 냉수 등을 생성하는 냉동기로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 흡수식 냉동기(10)에 구비된 증발기(13)에서 냉매의 증발에 의해 발생하는 저온의 열원을 건물의 냉방 등 다양한 냉각 필요처에 사용하고, 재생기(11)에 필요한 열원은 지역 난방열이나 혹은 가스를 연소시켜 발생하는 열을 이용한다. 또한, 흡수기(14)와 응축기(12)에서 발생하는 고온의 열은 냉각탑(15)을 순환하는 냉각수를 이용하여 냉각시키게 된다.

여기서, 중온수 흡수식 냉동기는 90 ~ 110℃ 정도의 중온수를 열원으로서 사용하며, 열병합 발전소 등에서 공급되는 온수를 열원으로 사용하는 지역냉방 시스템이 최근 보급되고 있다. 이러한 중온수 흡수식 냉동기는 가스 직화식 흡수식 냉동기의 재생온도인 120 ~ 200℃에 비해 낮은 온도를 갖는 온수를 열원으로 사용하고 있어 가스 직화식 흡수식 냉동기에 비해 낮은 성적계수를 갖게 된다. 즉, 흡수제를 재생하는 온도, 즉 재생온도가 낮으면 흡수제의 고농도 농축이 어려워 저온을 얻기 어려우며, 재생열의 효율적인 활용이 어려워 성적계수가 감소하게 되는 것이다. 구체적으로, 가스 직화식 흡수식 냉동기의 성적계수는 1.1 ~ 1.4 정도인데 반해, 중온수 흡수식 냉동기의 성적계수는 0.6 ~ 0.7 정도로 절반 정도에 불과한 실정이다. 이로 인해, 중온수 흡수식 냉동기의 성적계수가 낮아 지역 냉방의 보급이 활성화되지 못하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 열병합 발전소 등에서 공급되는 중온수를 활용하여 효율적으로 지역 냉방에 사용할 수 있는 냉방 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 흡수제가 분사되어 수분 흡수가 이루어지는 흡수기, 상기 흡수기 내의 희석된 흡수제를 재생시키키는 재생기, 상기 흡수기와 연통되며 냉매의 증발이 이루어지는 증발기, 상기 재생기와 연통되며 냉매의 응축이 이루어지는 응축기, 및 상기 흡수기 및 응축기 내부를 냉각하기 위한 냉각수단,을 포함하는 흡수식 냉동기; 및 내부에 제습 채널 및 재생 채널이 구비되는 케이스, 상기 제습 및 재생 채널 사이에서 회전하면서 수분의 흡수 및 재생이 이루어지는 제습로터, 상기 제습로터를 통과하여 제습이 이루어진 공기를 냉각하는 제1 열교환기, 및 상기 제습로터로 공급될 재생공기를 가열하는 제2 열교환기,를 포함하는 하나 또는 복수의 제습 냉방기;를 포함하고, 상기 증발기에서 생성된 냉수가 상기 제1 열교환기로 공급되고, 외부로부터 상기 재생기로 온수가 공급되는 것을 특징으로 하는 냉방장치가 제공된다.

본 발명의 상기 측면에서는 종래의 흡수식 냉동기가 잠열 및 현열부하를 모두 담당함으로써 중온수를 사용하는 경우에 성적계수가 낮아지는 문제를 개선하기 위해서, 흡수식 냉동기는 현열부하를 담당하도록 하고 잠열부하는 제습 냉방기가 담당하도록 하여 열병합 발전소 등에서 제공되는 중온수를 이용하더라도 성적계수를 적정 범위로 유지시킬 수 있도록 하고 있다.

일반적으로 제습 냉방기는 표면에 제습제가 도포된 제습로터를 이용하여 유입되는 공기를 제습한 후 증발식 냉각기를 이용하여 건조공기를 냉각하여 실내 공간을 냉방하는 원리를 가지며, 제습이 이루어진 제습로터를 재생하기 위해서 온수를 이용하게 된다. 이러한 제습 냉방기는 가정용 등 소용량에 적합하고, 70℃의 저온 열원을 이용하더라도 0.8 ~ 1.0 정도의 높은 성적계수를 얻을 수 있는 특성을 갖는다. 다만, 공기를 직접 제습 / 냉각하는 방식이기 때문에 대형 건물과 같은 대용량 기기에는 적합하지 않아서 건물용 지역난방에 사용하기에는 적합하지 않으나, 냉방사용 시간 및 시기가 다양한 공동주택에 주로 사용되어 왔다.

본 발명자는 상기와 같은 제습 냉방기의 특성에 주목하여 이를 활용하여 흡수식 냉동기의 효율을 향상시키고자 연구한 결과 본 발명에 도달하게 되었다. 즉, 상기와 같이 대형 건물용 냉방장치를 흡수식 냉동기와 제습 냉방기의 특징을 일부 차용하여 새로운 형태를 갖도록 구성함으로써 열병합 발전소 등에서 제공되는 중온의 온수를 이용하더라도 충분한 정도의 성적계수를 갖도록 하였다.

여기서, 상기 제습로터와 상기 제1 열교환기 사이에 예냉수단이 추가적으로 설치될 수 있으며, 일 예로 상기 예냉수단은 재생증발식 냉방기일 수 있다.

또한, 상기 예냉수단은 상기 냉각수단으로부터 냉각수가 공급되는 열교환기일 수 있다.

또한, 상기 온수는 열병합 발전소로부터 제공된 열원에 의해 생성되도록 할 수 있다.

또한, 상기 온수는 90 ~ 110℃의 온도를 갖도록 할 수 있다.

상기와 같은 구성을 포함하는 본 발명의 측면들에 의하면, 흡수식 냉동기는 현열부하를 담당하고 잠열부하는 제습 냉방기가 담당함으로써, 흡수식 냉동기에 가해지는 부하를 줄임으로써, 열병합 발전소 등에서 제공되는 중온수를 이용하더라도 양호한 성적계수를 얻을 수 있게 된다. 이로 인해서, 낮은 효율로 인해 활성화되지 못했던 열병합 발전소로부터 제공되는 온수를 흡수식 냉방장치에 적용한 지역냉방을 활성화시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래의 일반적인 흡수식 냉동기의 일예를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉방장치의 제1 실시예를 도시한 블럭도이다.
도 3은 상기 제1 실시예가 적용된 지역 냉방시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 냉방장치의 제2 실시예를 도시한 블럭도이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 냉방장치의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 냉방장치의 제1 실시예의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 상기 제1 실시예는 앞서 도 1에 도시한 바와 같은 흡수식 냉동기(10)를 포함한다. 상기 흡수식 냉동기(10)는 열병합 발전소 등으로부터 제공되는 90 ~ 110℃의 온도를 갖는 중온수를 흡수제를 재생하기 위한 열원으로서 활용한다. 이는 열병합 발전소와 연결되는 중온수 공급관(20)을 통해 공급되며, 상기 중온수 공급관(20)은 도 1 중 재생기(11)의 내부를 통과하면서 희석된 흡수제가 재생될 수 있도록 열 에너지를 공급하도록 구성된다.

이렇게 공급된 열 에너지를 활용하여, 상기 흡수식 냉동기(10)는 냉수를 생성하게 되고, 생성된 냉수는 냉수 공급관(120)을 통해 후술할 제습 냉방기(100, 100') 측으로 공급된다.

아울러, 상기 중온수 공급관(20)은 열 교환기(110)의 내부를 통과하면서, 온수 공급관(130)을 통과하는 온수를 가열하게 된다. 상기 온수 공급관(130)을 따라 흐르는 온수는 상기 제습 냉방기(100, 100')의 내부로 공급되는 데 이에 대해서는 후술한다.

여기서, 상기 흡수식 냉동기(10)에 대해서 설명한다. 다만, 상기 흡수식 냉동기(10)의 구조는 반드시 도시된 것에 한하지 않으며 종래에 흡수식 냉동기로서 알려진 임의의 형태의 것을 사용할 수 있음은 물론이고, 이하에서 설명되는 흡수식 냉동기는 도 1에 설명되었던 흡수식 냉동기와 동일한 것이다.

도 1을 참조하면, 상기 재생기(11)의 내부로 상기 중온수 공급관(20)이 통과하면서 재생기(11)로부터 하향으로 분사되는 희석된 흡수제를 재생시키게 된다. 도 1에서 재생기 외부로부터 대략 U자 형태로 재생기 내부를 관통하는 관이 상기 중온수 공급관(20)에 해당한다. 상기 희석된 흡수제가 재생되면서 농축된 흡수제는 재생기(11)의 하부에 포집된 후 후술할 흡수기(14)로 공급된다. 그리고, 상기 재생기(11)와 연통되는 응축기(12)의 내부로 흡수제로부터 증발된 수증기가 이동하게 되고, 이렇게 이동된 수증기는 냉각탑(15)으로부터 공급된 냉각수에 의해 응축되면서 증발기(13)에 냉매로서 공급된다.

여기서, 상기 증발기(13)의 내부는 진공에 가깝게 유지되므로, 낮은 온도에서도 냉매가 증발하게 되고, 냉매의 증발잠열만큼 증발기(13)의 내부를 통과하는 냉수로부터 열이 전달된다. 즉, 상기 냉수 공급관(120)이 상기 증발기의 내부를 관통하면서 냉수를 생성하게 된다. 증발과정에서 생성된 수증기는 흡수기(14)로 이동하면서, 흡수제에 의해 흡수되어 증발기에서 연속적으로 증발이 일어날 수 있도록 한다. 그리고, 상기 흡수기 내부에서 흡수제가 수증기를 흡수하게 되면 열이 발생되는데, 지나치게 고온으로 상승하게 되면 흡수제의 흡수 성능이 저하되므로 이를 막기 위해 상기 냉각탑으로부터 냉각수가 흡수기(14)의 내부를 통과하도록 구성된다.

이제, 상기 제습 냉방기(100)에 대해서 설명한다. 여기서, 상기 두 개의 제습 냉방기는 냉방이 필요한 장소마다 별도로 설치될 수 있는 것이지만, 서로 동일한 구조를 가지기 때문에 하나의 제습 냉방기에 대해서만 설명하도록 한다.

상기 제습 냉방기(100)는 내부에 두 개의 채널을 구비하는 케이스(102)를 구비하는데, 편의상 상기 두 개의 채널을 제습 채널(100a) 및 재생 채널(100b)로 명명한다. 그리고, 상기 제습 채널(100a)과 재생 채널(100b) 사이에서 회전하도록 장착되는 제습 로터(105)가 추가적으로 설치된다. 상기 제습 로터(105)는 공기가 관통하도록 하는 다수의 통기공이 형성되어 있고, 상기 통기공의 표면에는 제습제가 도포되어 통기공을 통과하는 공기 중에 포함된 수분을 흡수하거나 제습제로부터 수분이 공기 중으로 증발할 수 있도록 한다. 구체적으로, 제습 채널(100a)을 통과하는 공기 중에 포함된 수분은 제습 로터를 통과하면서 제습제에 흡수되고, 이렇게 수분을 포함한 제습제는 제습 로터의 회전에 의해 재생 채널로 이동한 후 재생공기와 접촉하면서 수분이 증발, 즉 재생되게 된다.

상기 제습 채널(100a)의 내부에는 상기 냉수 공급관(120)으로부터 분지되는 냉수 분지관(122)과 연결되는 제1 열교환기(107)가 구비된다. 상기 제1 열교환기(107)는 냉수 분지관(122)으로부터 공급되는 냉수에 의해 제습 로터를 통과하여 제습이 이루어진 공기를 냉각하는 역할을 하게 된다. 그리고, 상기 제습 채널(100a) 내부에서 공기가 흐를 수 있도록 제1 송풍기(106)가 제습 채널의 내부에 구비된다. 상기 제1 열교환기(107)에 의해 냉각된 공기는 냉방 대상인 실내로 공급되게 된다.

한편, 상기 재생 채널(100b)의 내부에는 상기 온수 공급관(130)으로부터 분지되는 온수 분지관(132)과 연결되는 제2 열교환기(103)가 구비된다. 상기 제2 열교환기(103)는 제2 송풍기(104)에 의해 재생 채널로 유입되는 외부공기를 가열하는 역할을 하게 된다. 이렇게 가열된 공기는 상기 제습 로터(105)를 통과하면서 제습제에 흡수된 수분을 증발시켜, 제습제를 재생시키게 된다.

따라서, 상기 제1 실시예에서는 종래에 흡수식 냉동기 하나를 이용하여 현열 부하 및 잠열 부하를 모두 처리하던 것에 비해서, 흡수식 냉동기는 열병합 발전소 등에서 공급되는 중온수를 이용하여 현열 부하를 처리하고, 제습 냉방기가 잠열 부하를 처리하도록 함으로써 전체 시스템의 효율을 향상시키게 된다. 즉, 상기와 같이 흡수식 냉동기와 제습 냉방기를 함께 사용함으로써 흡수식 냉동기로부터 생성되는 냉수의 온도를, 흡수식 냉동기만을 사용하는 경우에 비해서 5 ~ 10℃ 정도 상승시켜도 원하는 수준의 냉방이 가능하게 된다. 이로 인해서, 대략 15 ~ 30% 정도의 성적계수 증가 효과를 얻을 수 있어 에너지 효율을 크게 개선할 수 있다.

도 3은 상기 제1 실시예가 열병합 발전소와 연계된 지역 냉방시스템을 개략적으로 도시된 개념도이다. 도 3을 참조하면, 열병합 발전소(P)에서 제공되는 중온수를 중온수 공급관(20)을 통해서 대상 건물(A)에 구비된 흡수식 냉동기(10)로 공급할 수 있고, 흡수식 냉동기(10)와 각각의 개별공간에 설치되는 제습 냉방기(100, 100')를 이용하여 효율적으로 지역 냉방시스템을 운용할 수 있게 된다.

한편, 상기 제1 실시예는 반드시 도시된 형태에 한하지 않으며, 냉방 성능 또는 효율을 더욱 개선하기 위해서 다양한 형태로 변형하여 실시할 수 있다. 도 4는 이러한 변형예를 도시한 것으로서, 도 4에 도시된 제2 실시예에서는 각각의 제습 냉방기(100, 100')의 제습 채널의 내부에 재생증발식 냉방기(140)를 추가적으로 구비하고 있다.

상기 재생증발식 냉방기는 본 출원인의 대한민국 특허출원 제10-2006-0054547호 또는 10-2011-0133683호 등에 개시된 바와 같이, 건채널과 습채널 사이에서 흐르는 공기 사이에서 열전달을 일으켜 건채널을 통과하는 공기를 냉각하는 방식으로 작동하는 냉방기이다. 구체적으로, 건채널을 통과하는 공기의 일부를 습채널로 추기하고, 습채널에 증발수를 공급하면 증발잠열에 의해 습채널이 냉각되면서 열전달 수단에 의해 건채널을 통과하는 공기를 냉각하게 된다. 따라서, 상기 제2 실시예에서 상기 제습 로터(105)를 통과한 공기를 상기 재생증발식 냉방기(140)의 건채널로 유입시키면 공기는 재생증발식 냉방기 및 제2 열교환기를 통과하면서 2단계로 냉각되어 제1 실시예에 비해서 더욱 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

구체적으로, 상기 재생증발식 냉방기(140)는 일종의 예냉 수단으로서 작용하게 되므로, 상기 제2 열교환기에서 담당하는 현열부하를 더욱 경감할 수 있어 효율 향상에 기여하게 된다.

또한, 냉방부하가 크지 않은 간절기에는 중온수 흡수식 냉동기를 운용하지 않고, 상기 제습 냉방기 및 재생증발식 냉방기만으로도 냉방 수요를 감당할 수도 있다. 이 경우, 상기 열병합 발전소에서 제공되는 중온수가 갖는 열에너지가 전적으로 상기 제습 냉방기로 공급되게 된다.

또한, 상기 제습로터와 재생증발식 냉방기 등을 포함하는 제습 공조기로서 활용할 수 있는데, 상기 제습 공조기는 외기도입 공기를 처리하는 외조기 전용으로 운영할 수 있다. 상업용 건물에서 잠열부하의 대부분은 외기도입과 관련된 것이므로, 외기도입 공기를 제습공조기를 이용하여 처리하면 에너지 효율적인 처리가 가능하며 외기도입량을 크게 유지할 수 있어 실내 공기질을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 예냉 수단으로서 상술한 흡수식 냉동기에 구비되는 냉각탑을 활용하는 방안도 고려할 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이 상기 흡수식 냉동기가 응축기 및 흡수기 내부의 온도를 낮추기 위해서 냉각탑을 구비하고 있는데, 일반적인 환경에서 상기 냉각탑을 통과하는 냉각수의 온도는 대략 31℃ 정도이고, 상기 제습로터를 통과한 제습공기의 온도는 40℃ 이상이 된다. 따라서, 상기 냉각탑과 연결되는 냉각수 공급관의 일부가 상기 제습채널을 통과하도록 하거나, 상기 냉각수각 내부를 통과하는 별도의 열교환기를 상기 제습채널에 추가적으로 설치하여 예냉수단으로서 활용할 수 있게 된다. 이 경우 예냉을 위한 별도의 에너지 소모가 없기 때문에 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 흡수제가 분사되어 수분 흡수가 이루어지는 흡수기,
   상기 흡수기 내의 희석된 흡수제를 재생시키키는 재생기,
   상기 흡수기와 연통되며 냉매의 증발이 이루어지는 증발기,
   상기 재생기와 연통되며 냉매의 응축이 이루어지는 응축기, 및
   상기 흡수기 및 응축기 내부를 냉각하기 위한 냉각수단,을 포함하는 흡수식 냉동기; 및
   내부에 제습 채널 및 재생 채널이 구비되는 케이스,
   상기 제습 및 재생 채널 사이에서 회전하면서 수분의 흡수 및 재생이 이루어지는 제습로터,
   상기 제습로터를 통과하여 제습이 이루어진 공기를 냉각하는 제1 열교환기, 및
   상기 제습로터로 공급될 재생공기를 가열하는 제2 열교환기,를 포함하는 하나 또는 복수의 제습 냉방기;를 포함하고,
   상기 증발기에서 생성된 냉수가 상기 제1 열교환기로 공급되고, 외부로부터 상기 재생기로 온수가 공급되는 것을 특징으로 하는 냉방장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제습로터와 상기 제1 열교환기 사이에 예냉수단이 추가적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 냉방장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 예냉수단은 재생증발식 냉방기인 것을 특징으로 하는 냉방장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 온수는 열병합 발전소로부터 제공된 열원에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 냉방장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 온수는 90 ~ 110℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 냉방장치.
6. 제2항에 있어서,
   상기 예냉수단은 상기 냉각수단으로부터 냉각수가 공급되는 열교환기인 것을 특징으로 하는 냉방장치.

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