KR20000016183U - 흡수식 히트펌프의 애너라이저 충진재 - Google Patents

Abstract

본 고안은 암모니아 흡수식 히트펌프에 관한 것으로 히트펌프의 구성요소중 하나인 애너라이저의 충진재 구조를 변경하여 애너라이저에 용액이 쌓이는 플루딩 현상(Flooding)을 방지하고 이로부터 시스템의 안정성과 성능을 향상시키는 것이다.

본 고안의 흡수식 히트펌프의 애너러이저 충진재는 냉매증기와 강용액이 접촉되는 임의의 면적을 가지며, 이 면적은 스파이어럴 형상의 연속적인 간극으로 형성되어 외부면을 형성하는 스프링 충진재로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 애너라이저에 용액이 쌓이는 현상을 줄여 시스템의 안전성과 성능의 신뢰성이 향상된다.

Description

흡수식 히트펌프의 애너라이저 충진재{The packing material for analyzer of absorption heat pump}

본 고안은 암모니아 흡수식 히트펌프에 관한 것으로서, 더 상세하게는 히트펌프의 구성요소중 하나인 애너라이저의 충진재 구조를 변경하여 애너라이저에 용액이 쌓이는 플루딩 현상(Flooding)을 방지하고 이로부터 시스템의 안정성과 성능을 향상시키는 것이다.

일반적으로 암모니아 흡수식 히트펌프 사이클은 도 1과 같이 재생기(1), 응축기(2), 증발기(3), 용액가열재생기(4), 애너라이저(5), 수냉흡수기(6), 용액냉각흡수기(7), GAX흡수기/재생기(8), 냉매열교환기(9)로 크게 구성되며 작동원리는 다음과 같다.

재생기(1) 에서는 냉매인 암모니아를 분리 시키는데 버너(10)의 열을 가해주면 암모니아 농도가 약한 용액인 약용액이 얻어진다.

이 용액은 GAX흡수기/재생기(8) 상단부로 보내지기 전에 용액가열재생기(4)를 지나면서 재생과정의 일부를 담당하게 되는데, 이러한 과정을 통하여 재생기(1)에서 냉매 재생에 필요한 열량이 감소하게 된다.

재생기(1) 에서 발생된 냉매 증기에는 암모니아와 물의 비등점 차가 크지 않은 관계로 수분이 상당량 포함되어 있으므로 용액가열재생기(4), 애너라이저(5)를 차례로 지나면서 재생기 칼럼 상부로 부터 떨어지는 강용액과 접촉하면서 1차적으로 냉매 증기의 순도가 높아지며, 정류기(11)에서 암모니아 냉매 증기의 농도를 보다 증가시켜 응축기(2)로 보낸다. 이 냉매 증기는 응축기(2)에서 냉각수에 의해 응축되어 액냉매로 되어진다.

한편 응축기(2)로 부터 냉매열교환기(9)를 지난 액냉매는 증발기(3)에서 다시 증발되어 냉매 증기를 생성하는데 이때 필요한 열량은 실내기로 부터 냉방을 수행하고 온도가 상승되어 들어오는 냉수로 부터 공급받게 된다.

그리고 열량을 빼앗긴 냉수는 다시 온도가 떨어진 후 실내기로 보내져 냉방을 수행하게 된다. 증발된 냉매 증기는 냉매열교환기(9)를 거쳐 수냉흡수기(6) 하부로 유입되어 흡수기 상부로 부터 액막을 이루면서 떨어지는 약용액에 흡수되어 진다.

이 흡수기는 수냉흡수기(6), 용액냉각흡수기(7), GAX흡수기/재생기(8) 세부분으로 구성되며, 수냉흡수기(6)는 냉각수에 의해 약용액에 흡수되면서 발생하는 흡수열을 외기로 방출하며, 용액냉각흡수기(7)는 재생기(1)로 부터 보내져 온 약용액과 열교환을 하여 재생기(1)로 유입되는 강용액의 온도를 높여주며, GAX흡수기/재생기(8)는 "A" 부분에서 분지된 용액과 약용액과의 열교환에 의해 냉매 증기를 일부 발생시켜 재생기(1)에서 냉매 발생에 필요한 열량을 감소시켜 준다.

그리고 흡수기 하단부에서는 흡수가 완료된 강용액은 용액탱크(12)로 보내지며 용액펌프(13)에 의해 다시 펌핑되어 정류기로 보내진다. 또한 냉매열교환기(9)는 응축기(2)로 부터 나온 액냉매와 증발기(3)로 부터 나온 냉매 증기와의 열교환을 통하여 액냉매를 증발기(3)내의 증발온도에 가깝게 내려주고 흡수현상을 원활하게 한다.

도 2는 애너라이저(5)의 개략도 이다. 애너라이저(5)에는 충진재(14)가 채워져 있으며, 이 애너라이저(5)측으로는 재생기(1)에서 발생된 냉매 증기 C1이 용액가열재생기(4)를 지나 애너라이저(5) 하단부로 유입되며, 용액냉각흡수기(8)를 지난 강용액 P1이 애너라이저(5) 상단부에서 유입된다. 따라서 하단부에서 상승하는 냉매 증기 C1과 열 및 물질 전달을 통하여 냉매 증기의 농도를 1차적으로 높여서 정류기로 보낸다.

한편 애너라이저(5)를 지난 강용액 P1은 충진재(14)를 거쳐 밑으로 내려와 용액가열재생기(4)로 유입된다. 이때 애너라이저(5) 안에 있는 분배판(15)은 애너라이저(5) 상단부에서 강용액 P1을 충진재(14) 위로 고르게 분배하여 흐르게 하는 역할을 한다.

애너라이저(5)에 채워지는 종래의 충진재(14)는 도 3과 같이 조각링(Raschig Ring) 형태의 특성을 갖는다.

암모니아 흡수식 히트펌프에서는 소형화가 주요 과제인데, 그중에서도 애너라이저(5)의 높이가 시스템의 높이를 결정하는 중요한 요소이며, 특히 냉매의 유속이 빠른 경우 그 만큼 유량이 많아져 플루딩 현상이 나타난다.

이에따라 애너라이저(5)의 증기 유량은 플루딩 유량의 50-80%의 범위내에서 설계하며, 또한 플루딩 현상에 영향을 주는 인자는 내부에 충진되는 충진재(14)가 대표적이다. 따라서 충진재(14)의 선정은 대단히 중요한 요인으로 취급한다.

재생기(1) 에서 발생된 냉매 증기 C1과 애너라이저(5) 상부에서 떨어지는 강용액 P1과의 충분한 열전달 및 물질 전달 접촉 면적을 확보하기 위하여 채워지는 종래의 충진재(14)의 형태는, 길이 6mm, 공극률 79%,단위체적당 표면적 790㎡인 조각 링 모양의 충진재를 사용한다.

실험적으로 애너라이저의 내경이 95.7㎜ 이고 냉매유량 55㎏/h, 강용액 유량 55㎏/h의 조건에서 애너라이저 상단부 위로 용액이 쌓이는 플루딩 현상이 발생 하였는데, 이는 충진재(14)의 형상이 뚫려 있지만 격막을 가지고 있으므로 그만큼 용액의 유동에 순응성을 주지 못하고 장애를 주어서 일어나는 것으로 예측할 수 있다.

애너라이저 상단부 위로 용액이 쌓이는 플루딩 현상의 심화는 시스템의 운전을 불안정하게 하며, 용액이 응축기로 역류하여 시스템의 성능에 치명적인 영향을 미친다.

그러나 애너라이저 충진재로 사용하는 종래의 충진재 형태는 기본적으로 냉매증기와 용액의 충분한 열 및 물질 전달 접촉 면적을 확보하기 위해 제공 되었음에도 불구하고 그 형태가 조각링의 형태로서 유체 유동에 간섭을 일으켜 유속과 유량 변동에 따라 용액이 쌓이는 플루딩 현상을 일으키는 문제점이 있었다.

따라서 본 고안의 목적은 에너라이저 내부에 충진되는 충진재의 형태를 바꿔 용액이 쌓이는 플루딩 현상을 방지하는 것이다.

도 1은 일반적인 흡수식 히트펌프 사이클 개략도.

도 2는 종래 흡수식 히트펌프의 애너라이저 개략도.

도 3은 종래의 애너라이저 충진재의 모형도.

도 4는 본 고안에 따른 애너라이저 개략도.

도 5는 본 고안에 따른 애너라이저 충진재의 모형도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

1:재생기 2:응축기

3:증발기 4:용액가열재생기

5:애너라이저(analyzer) 6:수냉흡수기

7:용액냉각흡수기 8:GAX흡수기/재생기

11:정류기 14:조각링 충진재(Rasching Ring Packing)

15:분배판 16:간극

17:외부면 18:스프링 충진재(Spring Packing)

이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안의 특징은, 냉매 증기와 용액의 열 및 물질 전달 접촉 면적을 확보하기 위해 애너라이저 내부에 충진재를 채워서 이루어지는 흡수식 히트펌프의 애너라이저 충진재에 있어서;

상기 충진재는,

냉매 증기와 강용액의 열 및 물질전달 면적을 가지는 스파이어럴 형상의 연속적인 간극으로 형성되는 외부면으로 이루어지는 스프링 충진재인 것을 특징으로 한다.

선택적으로 스프링 충진재는 길이 8㎜, 공극률 86%, 단위체적당 표면적 983㎡인 것을 특징으로 한다.

이와같이 흡수식 히트펌프 애너라이저 내부에 스프링 충진재를 충진 시키면 에너라이저에 용액이 쌓이는 플루딩 현상을 줄일 수 있어 시스템의 안정성과 성능을 향상시킬 수 있다.

본 고안의 실시예에 의한 흡수식 히트펌프의 애너라이저 충진재 형태는 도 4와 같으며, 도 5는 충진재의 확대 모형 이다.

애너라이저(5)에 채워지는 충진재(18)의 형태는 냉매 증기와 강용액의 열 및 물질 전달 면적을 가지는 스파이어럴 형상의 연속적인 간극(16)으로 형성되는 외부면(17)이 있고, 이 간극(16)이 유체 접촉에 따라 수축/팽창하는 스프링 충진재(18)의 형태로서, 이 스프링 충진재(18)는 길이 8㎜, 공극률 86%, 단위체적당 표면적 983㎡인 형태로 만든다.

도 4와 같이 재생기(1)에서 발생된 냉매 증기가 용액가열재생기(4)를 지나 애너라이저(5) 하단부로 유입되고, 용액냉각흡수기(7)를 지난 강용액 P1이 애너라이저(5) 상단부에서 유입되어 하단부를 통해 상승하는 냉매 증기 C1과 열 및 물질전달을 통하여 냉매 증기의 농도를 1차적으로 높여서 정류기(11)로 보낼 경우, 애너라이저(5)에 충진된 스프링 충진재(18)는 재생기에서 발생된 냉매 증기 C1과 애너라이저 상부에서 떨어지는 강용액 P1과의 충분한 열 및 물질전달 접촉 면적을 확보하게 된다.

이 스프링 충진재(18)는 길이 6mm, 공극률 79%, 단위체적당 표면적 790㎡인 조각링 모양의 종래 충진재(14)와 비교할 때 열 및 물질전달 접촉 면적이 동일한 조건에서 적어질 수 있지만 더 많은 공극률과 표면적 그리고 길이를 조절한 길이 8㎜, 공극률 86%, 단위체적당 표면적 983㎡인 형태로 만들었을 때, 플루딩 현상을 줄이면서 안정된 열 및 물질전달 접촉 면적을 확보할 수 있었다.

스프링 충진재(18)는 스파이어럴 형상에 의해 임의의 간극(16)을 만들어 이 간극(16)을 통한 용액의 유동이 가능하도록 되어 있으며, 애너라이저(5) 안에서 유속과 유량에 따라 간극(16)이 줄어들거나 신장될 수도 있다. 따라서 조각링 형태로 경직된 충진재의 모형 보다는 유속이나 유량 변동에 순응성 충진재로 쓰일 수 있다.

그러나 간극(16)의 수축/팽창은 일어나지 않아도 된다. 간극(16) 사이로의 액의 유동성만 주면 용액 쌓임이 심화되는 현상을 줄일 수 있기 때문이다.

이와같이 본 고안은 애너라이저 내부에 스프링 충진재를 충진 시켜 애너라이저에 용액이 쌍이는 현상을 방지하고 이로 인해 시스템의 안전성을 높히고 시스템 성능의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 냉매증기와 용액의 열 및 물질 전달 접촉 면적을 확보하기 위해 애너라이저 내부에 충진재를 채워서 이루어지는 흡수식 히트펌프의 애너러이저에 있어서;

   상기 충진재는 냉매증기와 강용액이 접촉되는 임의의 면적을 가지며, 이 면적은 스파이어럴 형상의 연속적인 간극으로 형성되어 외부면을 형성하는 스프링 충진재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡수식 히트펌프의 애너라이저 충진재.
2. 제 1 항에 있어서,

   길이 8㎜, 공극률 86%, 단위체적당 표면적 983㎡인 흡수식 히트펌프의 애너라이저 충진재.