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KR102565093B1 - 공기 컨디셔닝 방법 및 장치 - Google Patents

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KR102565093B1
KR102565093B1 KR1020207000064A KR20207000064A KR102565093B1 KR 102565093 B1 KR102565093 B1 KR 102565093B1 KR 1020207000064 A KR1020207000064 A KR 1020207000064A KR 20207000064 A KR20207000064 A KR 20207000064A KR 102565093 B1 KR102565093 B1 KR 102565093B1
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air
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fluid
heat
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랄프 뇌렌베르크
발터 오퍼
루카츠 카르박키
마티아스 바이크케르트
울리히 뮐러
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바스프 에스이
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Abstract

본 발명은 공기 컨디셔닝 장치, 공기 컨디셔닝 방법, 특히 공기 스트림을 냉각 및/또는 건조하는 방법, 흡착식 공기-공기 직교류 열 교환기 및 통합된 공기 컨디셔닝 장치를 포함하는 외벽 요소에 관한 것이다.

Description

공기 컨디셔닝 방법 및 장치
본 발명은 유체를 컨디셔닝하는 방법, 특히 공기의 스트림을 냉각 및/또는 건조하는 방법, 공기 컨디셔닝(air conditioning) 장치, 흡착식 공기-공기 직교류(adsorptive air-air cross-flow) 열 교환기 및 통합된 공기 컨디셔닝 장치를 포함하는 외벽 요소에 관한 것이다.
공기 컨디셔닝 설비는 현대 건축 기술의 필수 구성 요소이다. 차광(shading) 및 유리 기술과 함께, 이는 외부 조건에 독립적으로, 평균 상대 대기 습도와 20 내지 26℃ 범위의 중간 온도를 가진 실내의 건강한 작업 환경을 생성한다. 기존 건물을 운영하기 위한 에너지 소비는 이제, 인류의 전체 에너지 소비의 약 40%로 증가했고, 이는, 난방된 건물의 단열 불량과 같은 다른 이유 이외에, 주로 공기 컨디셔닝 설비에 인한 것이다. 습하고 열대 기후 지역의 도시화가 증가하고, 운영을 위해 공기 컨디셔닝 설비가 필요한 고층 건물의 연관된 건설로 인해 에너지 효율적인 공기 컨디셔닝 설비 개발의 필요성이 증가하고 있다. 이러한 기후 지역에서 특히, 요구되는 절대 대기 습도에 도달할 때까지 현재 우세한 압축기 기술에 의해 공기가 과냉각되기 때문에 공기의 건조가 가장 큰 에너지 소비를 갖는다. 이 압축기 기술은 통상적으로 할로겐화된, 바람직하게는 부분적으로 플루오르화된 탄화수소를 냉매로서 사용하며, 이는 이의 기후 파괴 잠재성 때문에 압력을 받고 있다. 이산화탄소와 같은 대체 냉매는 이와 관련하여 더 좋지는 않다. 예를 들어 이동식 부품의 자유로운 이동 또는 균형이 맞지 않는 부품의 리밸런싱, 또는 추가 작동 매질 및 소모품의 도입을 보장하기 위해 압축기를 유지 보수할 필요성은, 중앙 단열을 선호하고, 지금까지, 건물에 통합되고 효과적으로 개인화된 환경을 허용하는 분산형(decentralized) 공기 컨디셔닝 설비의 개발을 방지해 왔다. 한편, 레트로피팅(retrofitting)용 분할 장치는 시장에서, 특히 개인용 1-가구 주택에서 확립되었다.
냉방 및 제습에 공기 컨디셔닝 설비가 사용되는 기차나 자동차와 같은 모바일 응용 분야에서, 온-보드(on-board) 네트워크에서의 전기 에너지 사용이 점점 더 중요한 역할을 하고, 전기 자동차의 경우, 공기 컨디셔닝 설비의 작동은 차량의 범위와 직접 경쟁한다.
보다 효율적인 공정은 하이브리드 공기 컨디셔닝으로서, 여기서 건조 단계와 냉각 단계는 별도로 수행된다. 공기의 건조를 위해, 예를 들어, 브롬화 리튬 용액의 흡습성이 대기 습기를 결합시키기 위해 이용되는 흡수 공정이 존재하고; 재순환은 증발 단계를 통해 일어난다. 리튬 브로마이드 및 클로라이드와 같은 최상의 용액의 공격적인 특성으로 인해 산업적 구현에 특수한 비 부식성 재료의 사용이 필요하지만, 이는 시스템을 유지하는 데 비용이 많이 들고 복잡하게 한다. 대안으로서, 대기 습기가 제올라이트 또는 실리카 겔과 같은 일반적으로 고체인 물질에 결합되는 흡착 시스템을 사용할 수 있고(연구 분야(예: 문헌[Y.D. Tu et al, Nature 7, 40437; DOI 10.1038/Srep40437])에서 나노다공성 실리카 중의 리튬 염으로 구성된 제형이 또한 기술되었음); 재순환은 흡착제의 가열에 의해 수행된다. 건조제에서의 물의 반응은, 공기와 그 물질를 가열하고 추가적인 냉각 로드(load)로 이어지는 많은 양의 에너지를 방출한다. 동시에, 흡착제를 다시 재생하기 위해 에너지가 필요하므로, 이러한 공기 컨디셔닝 설비의 에너지 소비가 더 증가된다. 회전 휠에 흡착제가 얇은 층으로 위치하여 공기가 유동하고 회전하는 동안 뜨거운 공기에 의해 흡착제가 재생되는 건조 휠을 사용하는 지능형 공정 절차는 가열, 및 재생에 필요한 추가 에너지를 감소시킬 수 있다(예: 문터스(Munters)의 데시쿨(DesiCool)® 설비). 그러나, 공기의 과다 건조는 공기의 재가습을 필요로 하며, 이는 증발 냉각으로 인해 냉각 스트림을 감소시키지만 액체 물의 사용으로 인해 건강에 해를 끼치는 박테리아의 이식 및 증식이 가능하기 때문에 위생에 대한 우려를 야기할 수 있다. 다수의 회전 부품을 갖는 이들 공기 컨디셔닝 설비용 장치의 관점에서의 지출(outlay)은 유지 보수를 위한 큰 지출의 위험을 초래한다.
EP 1 408 286에는, 2개의 흡착식 공기-공기 열 교환기 또는 회전식 흡착성 열 휠(heat wheel) 및 압축 장치로 구성된 공기 컨디셔닝 설비가 기술되어 있다. 흡착 모드에서, 외부 공기는 흡착식 열 교환기에서 제습된 후, 압축 유닛에서 냉각된다고 언급되어 있다. 또한, 흡착 모드 동안 더 많은 외부 공기가 흡착식 열 교환기를 통해 유동하고 잠열을 흡수하여 열 교환기 및 컨디셔닝될 내부 공기의 가열을 제한한다고 언급되어 있다. 이 가열된 외부 공기는 압축 유닛의 재생 모드에서 추가로 가열되고, 로딩된(loaded) 흡착식 열 교환기를 통과하여 증발된 수증기를 실외로 운반한다. 흡착식 열 교환기가 열 휠로 설계될 때, 흡착 모드 및 재생 모드는 역류 공정으로 설계될 수 있다. 제올라이트, 실리카 겔 및 음이온 교환 수지가 흡착제 물질로서 개시되어 있다.
EP 2 385 318은, 흡착식 공기-물 열 교환기, 및 압축기 유닛 없이 작동하는 공기 열 교환기로 구성된 공기 컨디셔닝 설비를 기술하고 있다. 응축수 형성의 문제점은, 대기 습기가 흡착식 열 교환기에 흡착물로서 저장되고 후속 건조 단계에서 다시 대기 습기로서 방출됨으로써 해결된다. 건조기의 용량, 흡착 엔탈피로 인한 열 발생 및 공기의 과도 건조의 문제점은, 냉수 도관에 의해 총 공기량이 냉각되기 전에, 건조된 공기에 상대적으로 습하고 따뜻한 내부 공기를 혼합함으로써 감소된다. 공기 열 교환기에서의 냉각은 15℃에서 물을 사용하여 수행된다. 흡착물을 배출하기 위해, 재생 모드에서 가열 요소에 의해 내부 공기가 가열되고, 건조 휠의 재생 부분을 통과한다. 친수성 작용기를 갖는 제올라이트, 실리카 겔, 활성탄 또는 유기 중합체가 흡착제 물질로서 개시되어 있다. EP 2 385 318에 개시된 방법의 단점은, 컨디셔닝 동안 외부 공기가 기존 내부 공기의 일부와 혼합되어야 하며, 그 결과 악취 물질 및 병원체가 축적될 수 있다는 것이다.
US 6,199,392는, 2개의 유동 통로, 복수의 열 교환기 및 압축기 유닛을 갖는 회전식 흡착식 열 휠로 구성된 공기 컨디셔닝 설비를 기술하고 있다. 컨디셔닝 방향에서, 외부 공기가 흡착식 열 휠에서 제습되고, 이어서 압축 유닛에서 냉각되고, 재생 방향에서, 외부 공기 또는 사용된 실내 공기가 압축 유닛에서 가열된 후, 부분적으로 열 휠의 로딩된 섹션의 1/2을 통과하고 부분적으로 재가열되고 열 휠의 로딩된 섹션의 다른 1/2을 통과한다. 이러한 단계적 재생에 의해 에너지 소비를 줄임으로써 높은 정도의 재생이 달성될 수 있어서, 건조 휠의 용량이 증가될 수 있다. 흡착제 물질은 언급되지 않았다. 단점은, 흡착식 열 휠에서 흡착열이 이용되지 않는다는 점이다. 또한, 건조된 공기가 너무 건조하여 실내에서 사용하기 위해서는 가습해야 한다.
흡착식 열 교환기가 흡착 동안 가열되지 않도록 하기 위해, DE 10 2009 050 050은, 수착 측면 및 냉각 측면을 갖는 수착 열 교환기를 사용하여 제안하여, 흡착 동안, 발생하는 흡착열이 냉각 유체, 예컨대 에어로졸 형태의 열 전달 매질로 전달되도록 제안한다. 단점은 흡착열이 이용되지 않는다는 것이다.
유사한 의미에서, 쿠보타(Kubota) 등(문헌[Appl. Thermal Eng. 122 (2017) 618-625])은, 흡착물-코팅된 공기-공기 열 교환기에 의해 습한 외부 공기를 건조시킬 수 있는 실험적 설정을 기술한다. 상기 문헌에 공개된 예는, 공기가 흡착제로 코팅된 열 교환기에 의해 건조될 수 있음을 보여준다. 그러나, 상기 공보에는, 흡착제의 재생을 비롯한 외부 공기를 건조 및 냉각시키기 위한 연속 공정이 가능하게 하는 완전한 설정이 기재되어 있지 않다. 또한, 장치의 열 회로로의 흡착열의 가능한 통합에 대해서는 언급된 바가 없다. 상기 공보에 기술된 바와 같이, 코팅된 열 교환기로의 외부 공기를 위한 공급 시설의 긴 도관은 또한 소형 구성을 필요로하는 상업적 용도에서 설립된다.
흡착제-기반 공기 컨디셔닝 설비와 관련된 추가의 과제는, 흡착제의 효율적인 재생을 위해 요구되는 고온이다. 통상적으로 사용되는 제올라이트의 경우, 이는 140 내지 200℃이다. 일부 공보에는, 흡착제의 재생이 저온에서 가능하지만 이 경우 더 많은 양의 공기 및/또는 이전에 건조된 공기를 사용해야 한다고 기술되어 있다(문헌[Kubota et al., Appl. Thermal Eng. 122 (2017) 618-625] 및 [Wang et al. Intern. Journal of Thermal Science 126 (2018) 13-22]).
문헌[Energy Procedia 78 (2015) 3471-3476]에서, 포르티아 머레이(Portia Murray) 등은 회전식 건조 휠과 회전식 열 전달 휠을 사용하는 분산형 공기 컨디셔닝 환기 시설을 기술한다. 그러나, 공기의 건조(잠재 냉각)는 이 설정에서 냉각수 도관에 의해서만 이루어진다.
추가의 문제점은, 열역학적 건조 평형 "흡착제에 결합된 물에 대한 물(기체)"의 흡착제 특성이 종래 기술에서 언급된 흡착제의 경우에 결합된 물의 측면에 강하게 위치하여 과다 건조가 발생하고 추가 단계에서 물을 첨가하여 이를 보충해야 한다는 것이다. 이 제 2 단계는, 장치 및 에너지 집약적인 측면에서 복잡할뿐만 아니라 건강에 해로운 박테리아의 이식 및 증식의 위험이 있다. 또한, 다량의 흡착열이 흡착제-기반 공기 컨디셔닝 설비에서 방출되고, 이는 지금까지 열 회로에 오직 비효율적으로 통합되었다.
WO 99/36733은, 건조제로서, 화학식 Al2O3k(P2O5)(이때, k=1.0 ± 0.2)를 갖는 다공성 알루미늄 포스페이트(사포 제올라이트로 공지됨)를 개시하며, 이는 120-140℃에서 재생될 수 있고 따라서 에너지-효율적 공기 컨디셔닝 설비의 가능성을 제공할 수 있다.
EP 2 230 288에는, 냉/가열 기계용 흡착 물질로서, MOF로 알려진 다공성 금속-유기 골격의 사용이 기술되어 있다. 통상적으로 사용되는 제올라이트와 비교하면, 이들 MOF는 보다 높은 용량 및 보다 낮은 재생 온도를 갖는다.
또한, 환기 시스템에서 흡착 물질로서 다공성 금속-유기 골격의 사용은 유럽 특허 출원 번호 15195166.2에 개시되어 있다.
공기 컨디셔닝 설비에 대한 일반적으로 큰 요건 및 이들 설비를 운영하기 위해 계속 증가하는 에너지 요구로 인해, 장치 측면에서 유리하고 소형으로 유리하게 제조될 수도 있는 보다 에너지-효율적인 공기 컨디셔닝 설비에 대한 관심이 크다.
따라서, 본 발명의 목적은, 가능한 경우, 불필요한 에너지를 소비하는 과도 건조 및 과냉각이 없는 결과로서 공기 컨디셔닝 장치의 열역학적으로 유리한 작동을 달성하는 것이다. 건조는 바람직하게는 등온적으로 달성되어 후속 냉각 요건이 감소된다. 또한, 흡착열은 장치의 열 회로에 통합되어야 한다. 또한, 에너지-집약적 재생은 가능한 효과적으로 실현되어야 한다. 또한, 흡착식 건조, 에너지-효율적인 재생 및 유지 보수 및 액체 물의 회피를 위한 낮은 지출을 결합한 완벽한 시스템이 제공되어야 한다.
본 발명의 추가 목적은, 장치 측면에서 비용이 감소되고 기계적인 요소가 적은 효과적인 작동 모드를 가능하게 하는 공기 컨디셔닝 장치를 제공하는 것이다. 또한, 단순화된 제어가 실현될 수 있어야 한다.
본 발명의 추가 목적은, 공기 스트림, 즉 공정 공기와 내부 폐 공기를 서로 별개로 유지되게 하여 신선한 공기의 100% 유입을 보장할 수 있는 공기 컨디셔닝 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은, 소형이고 유지 보수가 적은 공기 컨디셔닝 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은, 압축기 없이 작동할 수 있는 공기 컨디셔닝 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 유체를 컨디셔닝하기 위한, 특히 외부 공기를 건조 및/또는 냉각시키기 위한 방법에 의해 달성될 수 있으며, 이는 하기 단계를 포함한다:
(a) 제 1 흡착식 열 교환기, 바람직하게는 직교류 열 교환기의 수착 채널을 통해 공정 유체, 유리하게는 외부 공기를 유동시키는 단계,
(b) 상기 제 1 흡착식 열 교환기에서 상기 공정 유체를 건조시키는 단계,
(c) 건조된 상기 공정 유체를 냉원의 저온 측으로 유동시키는 단계,
(d) 건조된 상기 공정 유체를 냉원에서 냉각시키는 단계,
(e) 건조 및 냉각된 상기 공정 유체를 컨디셔닝될 영역으로 유동시키는 단계,
(f) 상기 제 1 흡착식 열 교환기의 열 교환기 채널을 통해 재생 유체, 유리하게는 컨디셔닝될 영역으로부터의 배기 공기를 평행 유동시키는 단계,
(g) 상기 재생 유체에 의해 흡착열을 흡수하는 단계,
(h) 가열된 상기 재생 유체를 열원의 고온 측으로 유동시키는 단계,
(i) 상기 열원에서 상기 재생 유체를 추가로 가열하는 단계,
(j) 가열된 상기 재생 유체를 제 2 흡수식 열 교환기, 유리하게는 직교류 열 교환기의 수착 채널을 통해 유동시키는 단계,
(k) 상기 제 2 흡수식 열 교환기에 위치한 흡착물을 기화시키고, 상기 재생 유체에 의해 이 흡착물을 흡수하는 단계,
(l) 습한 상기 재생 유체를 외부 영역으로 유동시키는 단계.
수착 채널은 흡착 물질을 포함한다. 열 교환기 채널은 유리하게는, 흡착 물질을 갖는 수착 채널의 로딩을 기준으로 5% 미만의 흡착 물질을 포함한다. 열 교환기 채널은 유리하게는 흡착 물질을 갖지 않는다.
흡착 물질은 유리하게는 0.2 내지 2 g/cm³, 바람직하게는 0.3 내지 1.5 g/cm³, 특히 0.3 내지 1 g/cm³의 두께를 갖는다.
유속은 유리하게는 열 교환기의 총 유동 단면의 함수로서 결정된다. 분산형 소형 공기 컨디셔닝 설비의 경우 전형적인 유속은 30 내지 150 m³/시간, 유리하게는 50 내지 100 m³/시간이다. 집중형 대형 공기 컨디셔닝 설비의 경우 전형적인 유속은 1000 내지 30,000 m³/시간, 유리하게는 1500 내지 20,000 m³/시간이다.
공정 유체는 유리하게는, 열 교환기를 통해 유동하기 전에 여과되고/되거나 입자 및/또는 액적이 제거된다.
공정 유체는 유리하게는, 열 교환기를 통해 유동하기 전에 외부 소음을 최소화하기 위해 음향 감쇠 장치를 통해 운반된다.
열원 또는 냉원으로서, 임의적으로 가열 장치, 유리하게는 물 도관 및 흡착 열 펌프(heat pump) 또는 이들의 조합과 함께 압축기 설비에 기초한 열 펌프, 열 또는 전기 구동식, 바람직하게는 태양-열적 구동식 흡수 또는 흡착 설비 또는 물 도관을 사용하는 것이 가능하다. 가열 장치는 유리하게는, 전기적으로 또는 태양-열적으로 작동될 수 있다. 적합한 가열 및 냉각 장치는 또한 펠티어(Peltier) 요소, 자기 열량(magnetocaloric) 요소, 전선 및 영역 가열기와 같은 순수하게 전기적으로 작동되는 구성 요소를 포함한다. 본 발명의 목적을 위해, "열-냉원의 저온 측"은 냉극이고, 압축기 설비의 경우 기화기 측면이다. "열-냉원의 열 측면"은 열극이고, 압축기 설비의 경우 응축기 측면이다.
유체, 바람직하게는 외부 공기의 컨디셔닝은, 효과적인 연속 작동을 달성하기 위해 적어도 2개의 수착 열 교환기가 필요하다. 흡착, 즉 제습은 두 수착 열 교환기 중 하나에서 발생하는 반면, 다른 수착 열 교환기는 평행하게 재생된다. 각각의 경우에, 하나 이상의 수착 열 교환기는 상응하게 흡착 단계에 있고 하나 이상의 수착 열 교환기는 재생 단계에 있다.
수착 열 교환기는 특정한 양의 수분만을 흡수할 수 있고, 로딩이 증가함에 따라 흡착 속도가 감소하기 때문에, 흡착 및 재생 단계는 주기적으로 변경되는 것이 유리하다. 이런 식으로, 효과적으로 연속적인 작동을 보장할 수 있다.
선택된 수착 물질 및 흡착식 열 교환기 영역의 크기를 고려하여, 사이클 시간을 조정함으로써 바람직한 컨디셔닝을 설정하고 따라서 우세한(prevailing) 기후에 적응시킬 수 있다. 바람직한 컨디셔닝은 상이한 기후 지역에서는 상이하고, 즉 해안에 가까운 지역에서는 제습이 우세(predominate)하지만 냉각은 내륙 지역에서 우세하다. 사이클 시간은 전형적으로 5 분 내지 1 시간이다. 온도 및/또는 대기 습도를 측정할 수 있는 센서가, 우세한 날씨로의 전환 시간을 최적화하기 위해 유리하게 사용된다. 이들 센서는 유리하게는 도관에 설치된다.
흡착 단계 전에, 재생된 흡수식 열 교환기는 임의적으로 냉각될 수 있다. 이러한 냉각은 재생 유체의 유동, 유리하게는, 열 교환기를 통해 컨디셔닝될 영역으로부터 공기를 배출하거나, 열 교환기를 통해 건조되고 냉각된 공정 유체, 즉 컨디셔닝된 공기의 유동에 의해 수행될 수 있다. 또한, 이 냉각은 열 교환기를 통한 외부 공기의 유동에 의해 수행될 수도 있다. 유리하게는, 유동은 냉각될 열 교환기의 열 교환기 채널을 통해서만 발생한다. 이 냉각 단계는, 유리하게는, 1 분 내지 5 분이 걸린다. 이 냉각 단계는 유리하게는 사이클의 약 1 내지 20%를 차지한다. 냉각 단계에서, 재생된 흡수식 열 교환기는 유리하게는 80 내지 100℃의 온도에서 25 내지 35℃의 온도로 냉각된다.
제 1 흡수식 열 교환기의 수착 채널을 통한 공정 유체의 유동 및 제 1 흡수식 열 교환기의 열 교환기 채널을 통한 재생 유체의 유동은 유리하게는 제 2 열 교환기의 냉각 단계 전에 중단된다.
임의적인 냉각 단계 후에 다음 단계가 수행된다.
(m) 임의적으로, 제 1 흡착식 열 교환기에서 상기 공정 유체 및 상기 재생 유체의 유동을 중단시키는 단계(이 단계가 아직 일어나지 않았다면),
(n) 상기 제 2 흡수식 열 교환기의 수착 채널을 통해 상기 공정 유체를 유동시키는 단계,
(o) 상기 제 2 흡수식 열 교환기에서 상기 공정 유체를 건조시키는 단계,
(p) 건조된 상기 공정 유체를 냉원의 저온 측으로 유동시키는 단계,
(q) 건조된 상기 공정 유체를 냉원에서 냉각시키는 단계,
(r) 건조 및 냉각된 상기 공정 유체를 컨디셔닝될 영역으로 유동시키는 단계;
(s) 상기 제 2 흡수식 열 교환기의 열 교환기 채널을 통해 재생 유체를 평행 유동시키는 단계,
(t) 상기 재생 유체에 의해 흡착열을 흡수하는 단계,
(u) 가열된 상기 재생 유체를 열원의 고온 측으로 유동시키는 단계,
(v) 상기 열원에서 상기 재생 유체를 추가로 가열하는 단계,
(w) 가열된 상기 재생 유체를 상기 제 1 흡수식 열 교환기의 수착 채널을 통해 유동시키는 단계,
(x) 상기 제 1 흡수식 열 교환기에 위치된 흡착물을 기화시키고, 상기 재생 유체에 의해 이 흡착물을 흡수하는 단계,
(y) 습한 상기 재생 유체를 외부 영역으로 유동시키는 단계.
이들 단계 (m) 내지 (y) 후에, 공정 유체 및 재생 유체의 유동은 바람직하게는 다시 중단된다. 또한, 제 1 흡수식 열 교환기는 단계 (a) 내지 (l)가 다시 진행되기 전에 임의적으로 냉각된다.
공정 유체, 특히 외부 공기는 유리하게는 10 내지 50℃, 바람직하게는 25 내지 35℃의 온도 및 40 내지 100%의 상대 대기 습도를 갖는다. 흡수식 열 교환기에서의 흡착 후, 공정 유체는 유리하게는 20 내지 45℃, 바람직하게는 25 내지 40℃의 온도, 및 25 내지 35%, 바람직하게는 28 내지 33%의 상대 대기 습도를 갖는다. 열-냉원의 저온 측에 의한 컨디셔닝 후에, 공정 유체는 유리하게는 18 내지 25℃, 바람직하게는 22 내지 24℃의 온도 및 40 내지 55%, 바람직하게는 45 내지 55%의 상대 대기 습도를 갖는다.
재생 유체, 바람직하게는 컨디셔닝될 영역으로부터의 배기 공기는 유리하게는 25 내지 30℃의 온도 및 50 내지 80%, 바람직하게는 60 내지 75%의 상대 대기 습도를 갖는다. 흡수식 열 교환기에서의 열 전달 후, 재생 유체는 유리하게는 25 내지 45℃, 바람직하게는 25 내지 40℃의 온도, 및 30 내지 70%, 바람직하게는 35 내지 60%의 상대 대기 습도를 갖는다. 열-냉원의 열 측면에 의한 컨디셔닝 후, 재생 유체는 유리하게는 60 내지 100℃, 바람직하게는 70 내지 95℃의 온도 및 1 내지 10%, 바람직하게는 3 내지 7%의 상대 대기 습도를 갖는다. 제 2 흡수식 열 교환기의 재생 후, 재생 유체는 유리하게는 30 내지 50℃, 바람직하게는 33 내지 45℃의 온도, 및 70 내지 95%, 바람직하게는 80 내지 95%의 상대 대기 습도를 갖는다.
내부 공기는 임의적으로 건조 및 냉각된 공정 유체, 즉 컨디셔닝된 공정 유체에 혼합된 후, 후자는 컨디셔닝될 영역으로 유동될 수 있다. 이러한 혼합의 경우, 내부 공기에 대한 건조 및 냉각된 공정 유체의 비는 유리하게는 1 내지 60, 바람직하게는 10 내지 40이다.
그러나, 100%의 건조 및 냉각된 공정 유체를 컨디셔닝될 영역으로 도입하는 것이 유리하다.
건조되고 냉각된 공정 유체는 임의적으로 컨디셔닝될 영역으로 도입되기 전에 흡착 장치를 통과한다. 이 흡착 장치에 의해 상대 대기 습도의 변동이 균등화될 수 있다.
다양한 유체 스트림의 가능한 루팅(routing)이 도 1에 도시된다.
본 발명에 따른 장치는 전기적으로 작동가능한 밸브 또는 에어 플랩을 제외하고는 이동형, 특히 회전 부품을 포함하지 않는다. 공기의 건조가 발생하는 흡수식 열 교환기, 바람직하게는 직교류 열 교환기, 및 공급 공기 및 재생 공기의 가열/냉각이 발생하는 열-냉원은 오직 연결 단편, 예컨대 강성 파이프 또는 이동식 호스를 통해 서로 연결된다. 예컨대 열 교환기들과 열-냉원들이 강성(rigid) 파이프 및/또는 이동식 호스를 통해 연결된다.
본 발명의 장치는 유리하게는 특히 장치의 소형 단편이다. 본 발명의 목적을 위해, "소형"은 300 cm 내지 60 cm, 바람직하게는 200 cm 내지 80 cm, 바람직하게는 120 cm 내지 100 cm의 길이 치수, 200 cm 내지 50 cm, 바람직하게는 120 cm 내지 60 cm, 바람직하게는 100 cm 내지 70 cm의 제 2 길이 치수, 및 100 cm 내지 25 cm, 바람직하게는 50 cm 내지 25 cm, 바람직하게는 35 cm 내지 25 cm의 제 3 치수를 갖는 특히 작은 구조물을 지칭한다.
좁은 파이프, 즉 유동이 발생하는 단면이 열 교환기의 유동 단면보다 적어도 30% 더 작은 것이 사용될 때, 모든 채널을 통해 유사한 압력하에서 유동이 발생하도록 열 교환기를 통한 공기의 유동 거동을 최적화하는 것이 유리하다. 이 목적을 위해, 공기 유동을 팬 아웃 및/또는 라미나화하는 요소는, 열 교환기 전에 직접, 즉 유리하게는 1 내지 10 cm의 거리에 삽입되는 것이 유리하다. 언급될 수 있는 예는 원뿔형 연결 피스와 함께 임의적으로 사용될 수 있는 필터, 메쉬 및/또는 그리드, 또는 밸브 및/또는 에어 플랩이 장착되고 사이클 동안 열 교환기의 상이한 채널 시스템을 체계적으로 작동시킬 수 있는 다방식 시스템이다. 공기 유동을 라미나화하고 열 교환기를 통과할 준비를 하는, 문헌에 기술된 긴 공급 도관은 이러한 방식으로 생략될 수 있다.
본 발명은 물 이외의 다른 소베이트(sorbate)에도 적용가능하다.
바람직한 흡착제는 기체로부터 극성 증기 분자를 흡착하기 위한 높은 선택성을 나타낸다. 습한 공기에서 수증기를 흡착하는 능력은 다음과 같은 물질에 의해 보유된다: 개질된 탄소(활성탄), 실리카 겔, 활성화된 산화 알루미늄, 활성화된 보크사이트, 분자체 및 금속-유기 골격(MOF), 산화물에 고정된 리튬-염, 예컨대 산화 규소. 흡착 물질이 0.2 내지 2 g/㎤ 의 밀도를 갖고, 수착 채널에서 흡착 물질로서 금속-유기 골격 및/또는 개질된 탄소가 사용될 수 있다.
물-흡착 특성 및/또는 개질된 탄소(활성탄)를 갖는 금속-유기 골격을 사용하는 것이 유리하다.
MOF는 다음과 같은 여러 특성 면에서 실리카 겔 또는 제올라이트와 같은 전통적 흡착제 물질보다 우수하다:
(i) 포화 용량: 제올라이트는 물 1 리터당 10kg의 흡착 물질이 요구되지만 MOF는 물 1 리터당 1 내지 2kg의 흡착 물질이 요구된다.
(ii) 재생 온도: 제올라이트는 140 내지 170℃가 요구되고, MOF는 70 내지 80℃가 요구된다.
(iii) 흡착 엔탈피: MOF는 평균 20 내지 30% 미만의 흡착열을 방출한다.
본 발명의 중요한 이점은 열역학적 건조 평형 "흡착 매질에 결합된 물에 대한 물(기체)"이다: MOF의 경우, 이 평형은 제올라이트에 비해 결합 수(bound water) 측면으로부터 덜 멀다. 따라서, MOF를 사용하면 과도 건조를 피할 수 있다. 또한, 상술한 문제에 의한 재가습을 완전히 피할 수 있다. 또한, 개질된 탄소(활성탄)를 사용할 때 과열을 피할 수 있다.
하기 그룹으로부터의 MOF는 물-흡착 MOF로서 개별적으로 또는 혼합물로서 유리하게 사용될 수 있다: HKUST-1, MOF-804, 바솔라이트 A120, 바솔라이트® A520, MIL-160, MOF-841, UIO-66, DUT-67 및/또는 MOF-801.
물-흡착 MOF는 또한 유리하게는 > 100 000의 사이클 안정성을 가지며, 이때 사이클은 흡착 및 재생 모드로 구성된다.
하기 그룹으로부터의 MOF는 물-흡수 및 사이클링 안정 MOF로서 개별적으로 또는 혼합물로서 유리하게 사용될 수 있다: 바솔라이트® A520, MIL-160, MOF-841, UIO-66, DUT-67 및/또는 MOF-801.
바솔라이트® A520으로 시판되는 알루미늄-푸마레이트 MOF, 및 MIL160이 흡착재로 특히 적합한다.
MOF는 저렴한 시약으로부터 용이하게 생산할 수 있으며 만족스러운 물에 대한 안정성을 가질 수 있다. MOF는 종래 기술에 공지되어 있고, 예를 들어 US 5,648,508, EP-A-0 790 253, 문헌[M. O'Keeffe et al., J. Sol. State Chem., 152 (2000), pages 3-20], [H. Li et al., Nature 402, (1999), page 276], [M. Eddaoudi et al., Topics in Catalysis 9, (1999), pages 105-111], [B. Chen et al., Science 291, (2001), pages 1021 to 1023], DE-A-101 11 230, DE-A 10 2005 053430, WO-A 2007/054581, WO-A 2005/049892 및 WO-A 2007/023134에 기재되어 있다.
흡착 물질, 특히 MOF는 미분(pulverulent) 물질, 과립 물질, 성형체 또는 모놀리스로서 제공될 수 있으며, 예를 들어 하우징에서의 매트릭스, 코팅 또는 패킹, 예를 들어 패킹된 베드 또는 이동 베드로서 배열될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 수착 물질은 기판, 유리하게는 흡착식 열 교환기의 수착 채널의 벽 및/또는 내부에 코팅으로서 침착된다. 수착 물질은 결합제를 사용하여 또는 결합제 없이 코팅될 수 있다. 기판은 유리하게는 금속으로 구성된다.
본 발명은 유체를 컨디셔닝하기 위한, 바람직하게는 공기를 냉각 및/또는 건조시키기 위한 공기 컨디셔닝 장치를 추가로 제공하며, 이는
- 하나 이상의 유동 방향으로 수착 채널을 가지며 하나 이상의 유동 방향으로 열 교환기 채널을 갖는 제 1 흡수식 열 교환기, 바람직하게는 직교류 열 교환기,
- 상기 수착 채널의 유동 방향으로 상기 제 1 흡수식 열 교환기의 하류에 배열된, 열 제거용 열-냉원,
- 상기 열 교환기 채널의 유동 방향으로 상기 제 1 흡수식 열 교환기의 하류에 배열된, 열 흡수용 열-냉원, 및
- 상기 열 흡수용 열-냉원의 하류에 배열되고 하나 이상의 유동 방향으로 수착 채널을 가지며 하나 이상의 유동 방향으로 열 교환기 채널을 갖는 제 2 흡수식 열 교환기, 바람직하게는 직교류 열 교환기로서, 이때 상기 제 2 열 교환기 상의 수착 채널은 상기 제 1 열 교환기의 열 교환기 채널의 유동 방향으로 배열되는, 제 2 흡수식 열 교환기
를 포함한다.
MOF는 유리하게는 흡착 물질로서 사용된다(상기 설명 및 바람직한 실시양태 참조).
필터 및 정제 장치는 유리하게는 흡수식 열 교환기의 상류에 설치된다. 공정 유체의 음향 감쇠를 위한 장치는 유리하게는 흡수식 열 교환기의 상류에 설치된다.
본 발명은, 하나 이상의 유동 방향으로 물-흡수성 금속-유기 골격을 포함하는 수착 채널을 갖고, 하나 이상의 다른 유동 방향으로 열 교환기 채널을 갖는 흡수식 공기-공기 직교류 열 교환기를 추가로 제공하고, 이때 상기 열 교환기 채널은, 흡착 물질을 갖는 수착 채널의 로딩을 기준으로 5% 미만의 흡착 물질을 포함한다.
열 교환기 채널은 유리하게는 흡착 물질을 갖지 않는다.
공기-공기 직교류 열 교환기는 유리하게는, 복수의 병렬 수착 채널 및 복수의 병렬 열 교환기 채널이 존재하도록 구성된다. 여기서, 병렬 배열은, 이들 유동 채널 각각이 조인트 입구 및 조인트 출구를 갖는 것을 의미한다. 수착 열 교환기의 수착 채널 및 열 교환기 채널은 유리하게는 교대로 배열된다. 이러한 교대 배열은 열 교환기 내에서 최적화된 열 전달을 가능하게 한다. 동시에, 유체 스트림의 혼합은 피해야 한다.
채널 폭은 유리하게는 0.5 내지 2 mm, 특히 0.7 내지 1.5 mm이다. 수착 채널 및 열 교환기 채널의 채널 폭은 상이할 수 있다. 수착 채널 및 열 교환기 채널의 유동 저항은 유리하게 동일하다. 따라서, 수착 채널은 유리하게는 흡착 물질의 코팅 두께의 2 배만큼 열 교환기 채널보다 더 넓다.
흡착 재료의 코팅 두께는 유리하게는 10 내지 200 ㎛, 바람직하게는 20 내지 150 ㎛, 특히 25 내지 100 ㎛이다.
본 발명의 공기-공기 직교류 열 교환기는 유리하게는 건물 또는 차량에서 신선한 공기의 컨디셔닝에 사용된다.
유리하게는, 유체를 컨디셔닝하는 방법 및 상응하는 공기 컨디셔닝 장치는 건물 또는 차량, 특히 기차 및 전기 자동차의 공기 컨디셔닝을 위한 공기 컨디셔닝에 사용된다. 이 방법 및 이 장치는, 신선한 공기의 100% 도입이 규정된 병원, 실험실 및 기타 시설의 공기 컨디셔닝에 특히 유리하게 사용된다. 공기 컨디셔닝 장치는 건물 및 차량, 및 병원 및/또는 실험실에서 유체를 컨디셔닝하기 위한 용도로 사용된다.
또한, 본 발명은, 본 발명에 따른 빌트-인 공기 컨디셔닝 장치를 포함하는 외벽 요소를 제공한다. 본 발명의 공기 컨디셔닝 장치의 소형화는 외벽 요소에 설치될 수 있게 하여 분산되고 유연한 공기 컨디셔닝을 가능하게 한다. 또한, 이러한 분산화는 개별적이고 효과적으로 개인화된 공기 컨디셔닝 제어, 예컨대 외벽 요소 당 온도 선택를 가능하게 한다. 이 개별 제어는 예를 들어 앱을 사용하여 수행할 수 있다.
본 발명의 장점은 하기 특징들 사이의 시너지에 있다: (i) 효과적인 흡착 물질, 특히 높은 로딩 용량 및 낮은 재순환 온도를 갖는 흡착 물질의 사용, (ii) 선택된 (재생된) 흡착 물질과의 매우 큰 온도차 및 수분 함량 차이를 갖는 재생 유체의 사용, 및 (iii) 재생을 위한 흡착열의 이용.
과도 건조 및 관련 재가습 문제는 본 발명에 의해 회피될 수 있다. 어느 지점에서도 응축수가 형성되지 않는다. 또한, 2개의 유체 스트림, 즉 외부 공기 및 내부 배기 공기가 전체 공기 컨디셔닝 장치를 통해 분리되어 유지될 수 있다. 본 공기 컨디셔닝 장치는 압축기 유닛의 회피로 인해 유지 보수가 적다. 고용량의 흡착 물질을 사용하기 때문에, 분산형으로 유리하게 건물 내에 통합되는 소형 공기 컨디셔닝 장치를 구축할 수 있다. 소형 공기 컨디셔닝 장치는, 이 유닛을 외벽 요소에 통합하고 분산형 방식으로 제어할 수 있다. 또한, 용량이 크고 재생 온도가 낮은 흡착 물질을 사용함으로써 재생을 단순화할 수 있었다. 본 발명에 따른 재생은, 감소된 재생 요건 때문에 외부 공기로부터 내부 배기 공기로 전환될 수 있다. 내부 배기 공기를 재생 유체로 사용하면, 외부 배출 공기의 경우와 달리 내부 배출 공기의 온도 및 습도의 변동이 좁은 범위로 유지되므로 단순화된 제어 기회를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 공기 컨디셔닝 장치의 요약된 구조를 도시한다.
도 2는 공기-공기 직교류 열 교환기의 구조이다.
도 3은 본 발명의 공기 컨디셔닝 장치의 제 1 루팅 상태를 도시한다.
도 4는 본 발명의 공기 컨디셔닝 장치의 제 2 루팅 상태를 도시한다.
도 5는 실시예에서 측정된 시간에 따른 대기 습도 곡선을 도시한다.
도 6은 알루미늄-푸마레이트 MOF의 흡착 및 탈착 곡선을 도시한다.
도 7은 절대 대기 습도와 공기의 수증기 흡착/탈착 용량의 몰리어(Mollier) 다이어그램이다.
도 1은 공기 컨디셔닝 장치의 요약된 구조이다. 하기 약어가 도 1에서 사용된다.
OL: 외부 공기
KL: 컨디셔닝된 공기
IL: 실내 공기
AL: 배기 공기
10: 흡수기 열 교환기 1
11: 흡수기 열 교환기 2
20: 열 펌프
21: 열 펌프의 열극
22: 열 펌프의 냉극
23: 열 펌프의 구동 에너지
도 2는 공기-공기 직교류 열 교환기의 구조이다. 하기 약어가 도 2에서 사용된다.
50: 흡수제로 코팅된 열 교환기 영역
51: 코팅되지 않은 열 교환기 영역
60: 건조되거나 재생될 유체, 유리하게는 공기의 유동
61: 냉각될 재생 유체, 바람직하게는 배기 공기의 유동
도 3은 본 발명의 공기 컨디셔닝 장치의 제 1 루팅 상태이다.
도 3의 하부에서, 임의적으로 여과된 외부 공기는 장치로 유동하고, 좌측 분지를 통해 본 발명에 따라 코팅된 제 1 열 교환기의 수착 채널 내로 운반된다. 건조된 공기는, 여기에서 예를 들어 펠티어 냉각(Peltier cooling)으로 표시되는 냉각 요소의 방향으로 열 교환기를 상향으로 떠난다. 도면의 좌측 상단에서, 공기는, 내부 공간으로부터 제 1 활성 열 교환기의 열 교환기 채널로 유동하고, 흡착열에 의해 가열되어 후자는, 여기에서 예를 들어 전기 튜브 가열로서 구성된 보조 가열 장치의 방향으로 우측에서 떠난다. 가열된 공기는 위에서부터, 제 2 열 교환기의 수착 채널로 유동하여 재생되고, 재생 공정으로부터 수증기와 함께 장치를 떠난다.
도 4는 본 발명의 공기 컨디셔닝 장치의 제 2 루팅 상태를 도시한다.
도 4의 하부에서, 임의적으로 여과된 외부 공기는 장치로 유동하고 우측 분지를 통해 본 발명에 따라 코팅된 이전에 재생된 열 교환기의 수착 채널 내로 운반된다. 건조된 공기는 여기에서 예를 들어 펠티어 냉각으로 표시되는 냉각 요소의 방향으로 열 교환기를 상향으로 떠난다. 도면의 좌측 상단에서, 공기는, 내부 공간으로부터 활성 열 교환기의 열 교환기 채널로 유동하고, 흡착열에 의해 가열되어 후자는, 여기에서 예를 들어 전기 튜브 가열로서 구성된 보조 가열 장치의 방향으로 좌측에서 떠난다. 가열된 공기는 위에서부터, 재생되는 제 2 열 교환기의 수착 채널로 유동하여 재생되고, 재생 공정으로부터 수증기와 함께 장치를 떠난다.
실시예 1:
EP 2 230 288에 기술된 바와 같이 알루미늄 푸마레이트를 제조하였다.
1300 g의 알루미늄 푸마레이트 및 3300 g의 증류수로 구성된 분산액을 톱니 형(toothed) 디스크 교반기(7 cm 디스크 직경계; 하이돌프(Heidolph) RZR2010)로 570 rpm으로 교반하여 생성하였다. 810 g의 폴리아크릴레이트 분산액(아크로날(Acronal)®엣지, 40% 고체 함량)의 첨가 후에, 교반기 속도를 15 분 동안 740 rpm으로 증가시켰다. 이러한 방식으로 생성된 5 개의 배치를 프로펠러 교반기(직경 10 cm, IKA EURO ST 40DS0000)를 사용하여 혼합하고 12 시간 동안 균질화시켰다. 이어서 발포체(foam)를 제거하고, 천천히 교반하여 분산액을 탈기시켰다. 분산액은 10Hz에서 4 Pa·s의 점도를 가졌다(안톤 파(Anton Paar), MCR102, PP50, 400μm 갭, 25℃를 사용하여 측정).
분산액은 알루미늄(길이 397mm; 높이 172mm; 폭 200mm; 코팅되지 않은 채널 폭 약 1mm; 클링겐부르크(Klingenburg) GS18-200)으로 제조된 역류 열 교환기의 두 채널 시스템 중 하나를 통해 2 회 도입되었고, 그 채널은 공기에 의해 날려졌다(blown away). 열 교환기의 건조 후, 평균 층 두께 96 ㎛에 해당하는 346 g의 총 중량 증가가 수득되었다.
실시예 2:
실시예 1에서와 같이 코팅된 열 교환기는, 27℃에서 90% 상대 대기 습도(OL)를 갖는 공기가, 코팅된 채널 번들(1)을 통과하고 20℃에서 80% 상대 대기 습도(IL)를 갖는 공기는 다른 채널 번들을 통과하도록 연결되었다. 유속은 50 m³/시간였다. 흡착제의 작동 후 처음 5 분 내에, 28℃ 내지 32℃의 온도 및 35% 내지 50%의 상대 대기 습도가 코팅된 채널 번들(KL)의 유출 말단에서 확립되었다. 공기의 엔탈피는 이 목적으로 80 kJ/kg에서 63 kJ/kg로 등온적으로 감소되었다.
코팅되지 않은 채널 번들(AL)로부터의 유출은 30℃로의 온도 상승을 나타냈다. 이 공기 스트림의 엔탈피는 약 51kJ/m³에서 약 63 kJ/m³로 상승했다.
열 교환기가 10°씩 가열되었다. 처음 5 분 내에, 60 kJ/m³가 외부 공기 스트림(OL->KL)로부터 내부 공기 스트림(IL->AL)로 전달되었으며, 이는 알루미늄 푸마레이트상의 물의 흡착 엔탈피의 약 50%에 해당한다.
실시예 3:
실시예 2의 열 교환기를 고온의 건조한 공기(90℃, 3% 상대 대기 습도)로 5 분 동안 플러싱 하였다. 이어서 실시예 2의 실험을 반복하였다. 코팅된 채널 번들의 유출 말단에서 처음 5 분 내에 27℃ 내지 33℃ 범위의 온도 및 40 내지 50% 범위의 상대 대기 습도를 측정하였다.
실시예 4:
쿠보타(Kubota) 등의 것과의 비교
Figure 112020000209018-pct00001
최대값의 1/2까지의 흡착 시간:
외부 공기(ODA)가 새로 재생된 열 교환기를 통과할 때에, 이는 매우 빨리 건조된다. 여기에 포함된 흡착 엔탈피는 온도 증가를 생성한다. 물에 흡수제의 로딩이 증가함에 따라 수분 흡수 및 흡착 엔탈피가 감소된다. 따라서, 배출 공기(SUP)는 시간 증가에 따라 대기 습도 및 온도와 관련하여 외부 공기에 접근한다. 그런 다음, 작업을 다른 사이클로 전환해야 한다. 흡착 개시로부터 온도 또는 대기 습도가 외부 공기 조건의 최대값의 1/2과 같은 시점까지의 시간은, 교대로 작동하는 2개의 코팅된 열 교환기를 갖는 설정의 사이클 시간의 특성 척도로서 선택된다. 이러한 조건 하에서, 이는, 신속하게 이용가능한 양의 흡착제가 로딩되고 흡착 엔탈피의 분포가 상당히 결론지어진 것으로 가정될 수 있다.
측정된 곡선 평가에 대한 설명: 도 5
60m³/시간의 측정 곡선 평가. 외부 공기(ODA)의 대기 습도는 20g/kg이며, 공급 공기(SUP)의 습도는 흡착제의 포화 상태에 따라 변한다. 재생된 흡착제의 경우, 대기 습도는 5 g/kg이며 오랜 시간이 지나면 외부 공기에 근접한다. 곡선은 최대값의 1/2까지의 시간을 특징으로 할 수 있으며, 여기서 13g/kg 및 약 350 초의 선으로 표시된다.
도 6: 알루미늄-푸마레이트 MOF의 흡착 및 탈착 곡선.
그래프는, 상대 대기 습도의 함수로서 물에 MOF의 로딩의 평형 상태를 보여준다. 제올라이트에 대한 전형적인 유사 측정과는 달리, MOF는 두-부분 곡선을 나타낸다: 상대 대기 습도가 20% 미만이면, MOF는 수증기를 흡수하지 않으며, 즉 이는 공기를 과도하게 건조시키지 않는다. 상대 대기 습도가 20-40% 범위이면, MOF는 공기로부터 자체 중량의 최대 30% 습기를 흡수한다. 더 높은 상대 대기 습도에서, 물의 추가 연속 흡수가 발생한다.
몰리어(Mollier) 다이어그램, 도 7에 대한 설명:
그래프는 절대 대기 습도와 온도의 가능한 조합을 보여준다. 이 도면에서, 공기 밀도에 대한 대기 습도의 영향은 무시되었다(이 효과는 등온선(같은 온도의 상태)이 좌측에서 우측으로 약간 증가할 수 있게 한다).
수증기의 공기 흡수 용량은, 온도가 증가함에 따라 증가한다. 포화 곡선은 100% 상대 대기 습도로 표시된다. 이 온도 미만에서 대기 수분은 미스트로 응축된다. 이러한 이유로 "미스트 곡선"이라고도 한다.
사무실 공간의 안락 범위는 40%의 상대 대기 습도/20℃ 내지 60%의 상대 대기 습도/26℃이다.
덥고 습한 기후에서 외부 조건의 전형적인 예는 30℃ 및 80% 상대 대기 습도(약 23g/수증기 kg)를 갖는 지점이다. 실내 안락의 범위에 들어가기 위해, 특히 공기가 건조되어야 한다. 확립된 공기 컨디셔닝 기술에서, 이는 약 10℃로 냉각함으로써 달성되며, 따라서 절대 대기 습도가 약 10-12 g/kg(미스트 곡선)이 될 때까지 공기 중의 습기가 응축된다.
공기는, 냉각되지 않고 본 발명의 코팅된 열 교환기에 의해 실질적으로 등온 적으로 건조될 수 있다.
열 교환기 부재 하의 건조는, 응축 엔탈피의 방출 및 물의 흡착의 결과로서 공기 온도의 상승을 초래할 것이다.

Claims (21)

  1. 유체를 컨디셔닝하는 방법으로서,
    (a) 제 1 흡수식 열 교환기의 수착(sorption) 채널을 통해 공정 유체(process fluid)를 유동시키는 단계,
    (b) 상기 제 1 흡수식 열 교환기에서 상기 공정 유체를 건조시키는 단계,
    (c) 건조된 상기 공정 유체를 냉원(cold source)의 저온 측(cold side)으로 유동시키는 단계,
    (d) 건조된 상기 공정 유체를 냉원에서 냉각시키는 단계,
    (e) 건조 및 냉각된 상기 공정 유체를 컨디셔닝될 영역으로 유동시키는 단계,
    (f) 상기 제 1 흡수식 열 교환기의 열 교환기 채널을 통해 재생(regeneration) 유체를 평행 유동시키는 단계,
    (g) 상기 재생 유체에 의해 흡착열(heat of adsorption)을 흡수하는 단계,
    (h) 가열된 상기 재생 유체를 열원(heat source)의 고온 측(hot side)으로 유동시키는 단계,
    (i) 상기 열원에서 상기 재생 유체를 추가로 가열하는 단계,
    (j) 가열된 상기 재생 유체를 제 2 흡수식 열 교환기의 수착 채널을 통해 유동시키는 단계,
    (k) 상기 제 2 흡수식 열 교환기에 위치한 흡착물(adsorbate)을 기화시키고, 상기 재생 유체에 의해 이 흡착물을 흡수하는 단계, 및
    (l) 습한(moist) 상기 재생 유체를 외부 영역으로 유동시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 흡수식 열 교환기는, 하나 이상의 유동 방향으로, 흡착 물질로서 물-흡착성 금속-유기 골격을 포함하며 0.5 내지 2 mm의 채널 폭을 갖는 수착 채널을 갖고, 하나 이상의 다른 유동 방향으로 열 교환기 채널을 가지며, 상기 흡착 물질의 코팅 두께는 10 내지 200 ㎛이고, 상기 열 교환기 채널은, 흡착 물질을 갖는 수착 채널의 로딩(loading)을 기준으로 5% 미만의 흡착 물질을 포함하는, 유체를 컨디셔닝하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨디셔닝될 영역으로부터의 배기 공기(exhaust air)가 재생 유체로서 사용되는, 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    이어서,
    상기 제 2 흡수식 열 교환기를 냉각시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 흡수식 열 교환기를 냉각시키는 단계가, 상기 제 2 열 교환기용 재생 유체, 컨디셔닝된 공정 유체 및/또는 상기 열 교환기를 통해 유동되는 외부 공기에 의해 달성되는, 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법이 주기적으로 실시되는, 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    열원 또는 냉원으로서, 압축기 설비에 기초한 열 펌프가 사용되는 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    단계 (a) 내지 (l)에 이어서 다음 단계들이 수행되는, 방법:
    (n) 상기 제 2 흡수식 열 교환기의 수착 채널을 통해 상기 공정 유체를 유동시키는 단계,
    (o) 상기 제 2 흡수식 열 교환기에서 상기 공정 유체를 건조시키는 단계,
    (p) 건조된 상기 공정 유체를 냉원의 저온 측으로 유동시키는 단계,
    (q) 건조된 상기 공정 유체를 냉원에서 냉각시키는 단계,
    (r) 건조 및 냉각된 상기 공정 유체를 컨디셔닝될 영역으로 유동시키는 단계;
    (s) 상기 제 2 흡수식 열 교환기의 열 교환기 채널을 통해 재생 유체를 평행 유동시키는 단계,
    (t) 상기 재생 유체에 의해 흡착열을 흡수하는 단계,
    (u) 가열된 상기 재생 유체를 열원의 고온 측으로 유동시키는 단계,
    (v) 상기 열원에서 상기 재생 유체를 추가로 가열하는 단계,
    (w) 가열된 상기 재생 유체를 상기 제 1 흡수식 열 교환기의 수착 채널을 통해 유동시키는 단계,
    (x) 상기 제 1 흡수식 열 교환기에 위치된 흡착물을 기화시키고, 상기 재생 유체에 의해 이 흡착물을 흡수하는 단계, 및
    (y) 습한 상기 재생 유체를 외부 영역으로 유동시키는 단계.
  8. - 하나 이상의 유동 방향으로 수착 채널을 가지며 하나 이상의 유동 방향으로 열 교환기 채널을 갖는 제 1 흡수식 열 교환기,
    - 상기 수착 채널의 유동 방향으로 상기 제 1 흡수식 열 교환기의 하류에 배열된, 열 제거용 열-냉원(heat-cold source),
    - 상기 열 교환기 채널의 유동 방향으로 상기 제 1 흡수식 열 교환기의 하류에 배열된, 열 흡수용 열-냉원, 및
    - 상기 열 흡수용 열-냉원의 하류에 배열되고 하나 이상의 유동 방향으로 수착 채널을 가지며 하나 이상의 유동 방향으로 열 교환기 채널을 갖는 제 2 흡수식 열 교환기로서, 이때 상기 제 2 열 교환기 상의 수착 채널은 상기 제 1 열 교환기의 열 교환기 채널의 유동 방향으로 배열되는, 제 2 흡수식 열 교환기
    를 포함하는, 유체를 컨디셔닝하기 위한 공기 컨디셔닝 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열 교환기들과 상기 열-냉원들이 강성(rigid) 파이프 및/또는 이동식 호스를 통해 연결되는, 공기 컨디셔닝 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 장치가 회전 부품을 포함하지 않는 것인, 공기 컨디셔닝 장치.
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 열 교환기들의 상류에, 기류(airflow)를 부채꼴로 펼치고(fan out)/펼치거나 층류화(laminarize)하는 요소가 삽입되는, 공기 컨디셔닝 장치.
  12. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    흡착 물질이 0.2 내지 2 g/㎤ 의 밀도를 갖고, 상기 수착 채널에서 흡착 물질로서 금속-유기 골격 및/또는 개질된 탄소가 사용되는, 공기 컨디셔닝 장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 수착 채널에서 흡착 물질로서 바솔라이트(BASOLITE)® A520, MIL-160, MOF-841, UIO-66, DUT-67 및/또는 MOF-801이 사용되는, 공기 컨디셔닝 장치.
  14. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    직교류(cross-flow) 열 교환기가 사용되는, 공기 컨디셔닝 장치.
  15. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    건물 및 차량, 및 병원 및/또는 실험실에서 유체를 컨디셔닝하기 위한 용도로 사용되는 공기 컨디셔닝 장치.
  16. 흡수식 공기-공기 직교류 열 교환기로서,
    상기 열 교환기는, 하나 이상의 유동 방향으로, 흡착 물질로서 물-흡착성 금속-유기 골격을 포함하며 0.5 내지 2 mm의 채널 폭을 갖는 수착 채널을 갖고, 하나 이상의 다른 유동 방향으로 열 교환기 채널을 가지며,
    상기 흡착 물질의 코팅 두께는 10 내지 200 ㎛이고,
    상기 열 교환기 채널은, 흡착 물질을 갖는 수착 채널의 로딩(loading)을 기준으로 5% 미만의 흡착 물질을 포함하는, 흡수식 공기-공기 직교류 열 교환기.
  17. 제 8 항 또는 제 9 항에 따른 공기 컨디셔닝 장치를 포함하는 외벽 요소(outer wall element).
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