Green Energy/Heat Pump

흡수식 냉온수기 개념

행복지구 2013. 10. 25. 21:29


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1. 흡수식 설비 


흡수식 설비에는 흡수식 냉동기, 흡수식 냉온수기, 흡수식 히트펌프로 나눌 수 있다. 


  • 흡수식 냉동기(Absorption chiller) : 냉방 및 냉동이 목적인 흡수식 설비
  • 흡수식 냉온수기(Absorption chiller-heater) : 냉방과 난방을 한 설비로 할 수 있다는 장점이 있음. 난방 할때는 일반 보일러와 구동방식이 거의 비슷함. 
  • 흡수식 히트펌프(Abssorption heat pump) : 난방을 주 목적으로 하는 흡수식 설비. 기본 구성은 흡수식 냉동기와 동일하지만, 작동 온도와 냉각수 연결하는 것이 다르다. 



2. 흡수식 관련 용어  

물(H2O)이 냉매이고 리튬브로마이드(LiBr)가 흡수용액인 흡수식 냉동기를 사례로 



물(H2O)이 냉매이고 리튬브로마이드(LiBr)가 흡수용액인 흡수식 냉동기를 사례로 

흡수식 냉동기의 원리를 이해해보자 


필수 용어부터 살펴보자

  • 냉수(chilled water) : 흡수식 냉동기에서 생산하고자 하는 차가운 물. 건물로 들어가 냉방하는 데 쓰인다.
  • 냉각수(cooling water, coolant) : 흡수식 냉동기의 열적 사이클을 유지하기 위해(흡수식 냉동기를 냉각하기 위해) 공급되는 물
  • 냉매(refrigerant) - 흡수식 냉동기 열적 사이클에서 상변화를 하며 열을 전달하는 물질
  • 흡수제(absorbent) : 냉매를 흡수하는 물
  • 농용액(strong solution), 진한 흡수액 : 흡수제에 냉매가 적게 섞여 있어 흡수제 농도가 진한 용액(solution)
  • 희용액(weak solution), 묽은 흡수액 : 흡수제에 냉매가 많이 섞여 있어 흡수제 농도가 옅은 용액(solution)
  • 흡수기(Absorber) : 흡수제가 냉매를 흡수하는 곳. 흡수제가 냉매를 흡수해 희용액이 되면서 열을 발생. 
  • 재생기(Generator) : 외부에서 열을 공급해 흡수제와 냉매를 분리하는 곳. 냉매는 기화되어 날아가 흡수제만 남아 농용액으로 재생되는 곳
  • 응축기(condenser) : 냉매가 기체상태에서 액체상태로 응축되는 열교환기. 냉매가 주변으로 열을 방출하면서 가열효과 발생. 
  • 증발기(evaporator) : 냉매가 액체상태에서 기체상태로 증발되는 열교환기. 냉매가 주변 열을 흡수해 증발되면서 냉각효과 발생.



3. 흡수제와 냉매

압축식 히트펌프의 냉매와 다르게 

흡수식 냉온수기와 흡수식 히트펌프의 냉매는 흡수제와 조화가 잘 맞아야 한다. 


그렇다면 흡수제는 무엇인가?


흡수제 : 냉매를 흡수한다. 흡수를 하면 열이 발생이 된다. 

            끓는점이 냉매보다 높아 흡수용액의 온도가 올라가면 냉매는 기화되고 흡수제는 액상으로 남아 분리된다. 


냉매 : 흡수, 비등 응축 과정을 반복하기 때문에 흡수제와 혼화성이 중요


흡수용액 : 흡수제와 냉매가 혼합되어 있는 용액


흡수식 작동유체로 주로 사용되고 있는 것은 H2O/LiBr(물/리튬브로마이드)와 NH3/H2O(암모니아/물)이다. 

냉매(Refrigerant) - H2O, 용액(solution) - LiBr  

냉매(Refrigerant) - NH3, 용액(solution) - H2O  


LiBr(흡수제)/H2O(냉매)을 가지고 다시 설명해 보면,
LiBr(흡수제)가 H2O(냉매)를 흡수하는 성질을 가지고 있다.
리튬브로마이드의 수증기 압이 물의 수증기 압에 비해 상당히 낮기 때문에 리튬브로마이드가 물에 잘 흡수되는 것이다. 
 


흡수식냉온수기는 종래에 사용되는 전기를 이용한 압축식냉동방식과 달리 가스나 연료를 이용함으로써 여름철에 전력소비를 감소시켜 전체적인 에너지의 이용평준화를 이룰 수 있어, 점차 이에 관한 연구개발이 활성화되어 가고 있다. 


흡수식 냉온수기는 이런 패캐지 형식으로 상용화 되어 있다.



흡수식 냉온수기과 압축식 히트펌프의 차이

흔히 히트펌프는 압축기를 이용하여 냉매를 고온고압으로 만들어 구동하는 압축식 히트펌프를 지칭하는 것이 보편적이다. 


흡수식 히트펌프는 압축식 히트펌프와 구동방법이 다르다. 

압축식 히트펌프와 흡수식 히트펌프가 무엇이 다른지 살펴보자.


 

 압축식 히트펌프

(기계식 히트펌프)

흡수식 냉온수기, 흡수식 히트펌프

(화학식 히트펌프)

 개략도








승온방법

압축기 이용하여 고온고압 냉매 생성

화학반응 

시스템 

구동 

에너지

전력 

(압축기에서 소비) 

가스 (재생기 가열용) 

태양열, 지열, 폐열 (증발기 열원으로 활용)  

 

전기히트펌프(EHP; Electric Heat Pump) 

가스히트펌프(GHP; Gas driven Heat Pump)

흡수식 냉온수기 (Absorption chiller/heater)

흡수식 히트펌프 (Absorption Heat pump)



흡수식 냉온수기는 흡수제를 사용하는 설비이다. 

흡수식 냉온수기 냉매의 증기압 차에 의하여 냉매 증기가 흡수되는 원리를 이용,

전기에너지 대신 LNG, 폐열 등을 구동열원으로 사용하여 냉난방을 한다. 


흔히 알고있는 압축식 히트펌프의 압축기를 대신하여 흡수기와 발생기(재생기)가 있다. 

발생기와 흡수기가 핵심적인 요소기기이다.


흡수식 냉온수기의 장점

1. 구성부분이 간단

2. 기계구동부분이 펌프, 팬(Fan)뿐이라 소요동력이 작고, 소음이 적음

3. 오존층 파괴위험이 없음 (자연냉매를 쓰기 때문)

4. 발생기 열원으로 태양열, 지열, 폐열회수 등 사용 가능


흡수식 냉온수기의 단점

1. 비교적 큰 전열면적이 필요해 제작비용이 많이 듦

2. 냉방의 경우 증기압축식보다 성능계수가 낮음

3. 냉매가 낮은 온도가 비등하여야 하므로 진공이 요구

4. 냉매 누설 시 시스템에 악영향



덧붙이기

압축/흡수식 하이브리드 히트펌프 (VCCSC ; Vapor Compression Cycle with Solution Circuit)

시스템은 증기압축식 사이클에 비해 성능계수가 낮아 이를 보완하기 위해 개발

스웨덴, 스위스을 비롯한 몇몇 국가에서 주도적으로 개발 중


[각주:1]





흡수식 냉온수기 분류



1. 효용


흡수식 냉온수기를 분류할 때 효용이라는 단어가 등장한다.

효용은 시스템 내부에서 재생기 수를 말한다. 


재생기를 하나 가진 것은 일중효용(single effect) 흡수식 냉온수기이고

두개를 가진 것은 이중효용(double effect) 흡수식 냉온수기이다. 


1.1. 일중효용(single effect) 흡수식 냉온수기

열교환기, 발생기, 응축기, 증발기, 흡수기와 용액 열교환기로 구성되며, 

성적계수 COP는 0.7~1.0 정도이다.


1.2. 이중효용(Double effect) 흡수식 냉온수기

구동열원이 고온발생기(first stage generator)로 공급되며, 고온 발생기에서 발생한 냉매증기는 저온발생기(second stage generator)에 공급되어 용액의 농축에 사용된다.

이중효용은 일중효용보다 높은  COP 1.0 ~ 1.5 정도의 성적계수를 가진다.


1.3. 삼중 효용 흡수식 냉온수기


[각주:2]


2중효용 기기에 고온/고압재생기를 추가한 것으로 COP가 1.5~1.7 정도 형성되는 것으로 알려져있다.






2. 직렬형과 평행형


용액 분배방식 즉, 재생기의 계통에 따라 직렬형과 평행형으로 구분할 수 있다.


2중 효용 흡수식 냉온수기는 평행형, 직렬형이 있고

3중 효용 흡수식 냉온수기는 평행형, 직렬형, 역흐름, 변형역흐름형으로 구분할 수 있다.  



2.1. 직렬형



이중효용 직렬흐름(직렬형)


용액의 분배가 없이, 저온, 중온용액열교환기를 거쳐 바로 고온재생이로 들어간다.





2.2. 병렬형


흡수기를 나온 희용액이 저온용액 열교환기를 거쳐 분배되어 저온재생기와 중온용액열교환기를 거쳐 나누어져 들어가며, 중온용액열교환기를 지난 희용액은 고온재생기로 들어가게 된다. 

고온재생기를 통과하여 분리된 냉매가 저온재생기에서 열원 역할을 하게 된다. 



이중효용 병렬효용







3. 제1종 흡수식 히트펌프, 제2종 흡수식 히트펌프


제 1종과 제 2종 흡수식 히트펌프는 동일한 구성이지만 전혀 다른 운전특성을 보인다. 



[각주:3]


[각주:4]


제 1종 흡수식 히트펌프는 저온(20~60도)의 폐열을 회수하여, 50~95도의 온수를 얻을 수 있다.
제 2종 흡수식 히트펌프는 중온(60~80도)의 폐열을 회수하여, 100~150도의 고온수 또는 증기를 얻을 수 있다.



[각주:5]






흡수식 히트펌프, 흡수식 냉온수기의 Issue



1. 주요 기술분야별 현황


흡수식 냉온수기의 경우 많은 장점에도 불구하고 다른 냉난방장치에 비하여 열효율이 낮다는 취약점

효율이 높으면서, 가정에서 이용될 수 있는 장치의 개발이 무엇보다 중요



1) 공랭식


1990년대 초반에는 주로 2개의 팬을 설치하여 효율향상을 도모하였지만, 이러한 방식은 장치의 규모가 커지는 문제점

2000년도 초반에는 이를 개선하여 1개의 팬을 이용하되 한번 순환된 냉각수를 별도의 용액펌프에 의하여 재순환시킴으로써 2개의 팬을 설치한 것과 같은 효과를 얻을 수 있는 기술이 개발되었다.


2) 작동유체 


흡수식 냉동기용 냉매/흡수제 중에서 현재 실용화된 것은 물/리튬브롬과 암모니아/물의 2가지 종류뿐이다. 


물/리튬브롬의 경우 

비등점이 높은 물이 냉매이기 때문에 시스템의 공냉화가 어려우며, 0°C 이하의 저온을 얻을 수 없으며부식성이 강해 용액관리가 어렵다. 


이에 반해 암모니아를 냉매로 하는 경우 

비등점이 낮아 소형 공랭식에 쉽게 사용될 수 있으나, 

암모니아가 가지는 유동성, 가연성, 폭발성등의 치명적인 문제점이 있어 종래에는 사용되지 못하다가 


최근 이를 극복한 GAX(흡수기/발생기 열교환기)등의 개발로 암모니아를 냉매로 하는 방식이 크게 선호되고 있다.

  

다만, 이러한 암모니아/물 방식의 경우 물/리튬브롬방식에 비하여 작동유체간의 비등점 차이가 적어 양자를 분리하는데 어려움이 많다. 


3)  3중효용 방식


흡수식 냉온수기의 경우 재생기의 개수에 따라 1중효용, 2중효용, 3중효용 및 다중효용으로 나누어지며, 현재 흡수식냉온수기에서는 1중효용방식이 사용되지 않고 있으며, 대부분 2중효용방식이 많이 사용되고 있다. 


3중효용방식의 경우 효율이 2중효용에 비하여 1.5배정도 개선되지만, 

고온재생기에서의 압력과 온도가 2중효용에 비하여 훨씬 높게 되어 압력용기의 선택이 곤란하고 용기의 부식우려가 있다.

  

따라서, 특허출원의 대부분이 이러한 고온, 고압에서도 냉동장치가 원활하게 작동되도록 하는 기술

예를 들면, 고온 재생기에서 발생하는 고온고압증기의 일부 또는 전부를 중온재생기 또는 저온재생기로 우회시켜 운전 중의 고온 재생기내의 압력, 온도를 종래의 2중 효용 흡수식 냉온수기와 같은 수준으로 유지하도록 하는 것이 있다. 


이외에도 각각의 재생기내부에 있는 용액의 농도를 조정하여 부식등을 방지하려고 하는 것이 있다.


이러한 고온고압에서도 원활하게 작동하는 기술에 관한 연구는 향후에도 계속될 것으로 보인다.


4)  흡수기


흡수기는 염화리튬을 흡수액으로 사용하고 물을 냉매로 하는 경우 염화리튬의 강한 흡수력을 이용하여 냉온수기내의 수증기를 흡수하고 이에 따라 냉온수기내의 압력을 일정하게 유지하게 하는 장치이다. 


이에 관한 특허기술로는 흡수기내부에서 흡수액이 결정화되는 것을 방지하는 기술과, 흡수액이 충분하게 수증기를 흡수할 수 있도록 하는 냉매흡수능력 향상에 관련된 기술개발이 많이 이루어지고 있다. 


특히 흡수기 표면을 만곡된 주름판등으로 하거나, 열교환튜브의 직경과 길이를 최적으로 함으로써 흡수기의 성능향상을 도모하는 기술 등이 최근 꾸준하게 이루어지고 있으며, 앞으로도 이러한 고성능화, 소형화에 관련된 기술개발이 지속될 것으로 보인다.


5)  증발기


증발기는 전열관 외부표면에 냉매를 균일하게 분사하여 전열관내부를 흐르는 냉수로부터 잠열을 빼앗아 냉매는 증발하고, 냉수는 냉각하게 하는 장치이다. 이러한 증발기는 증발기의 열전달을 향상하는 기술이 중요하여 이와 관련된 기술개발이 주로 이루어지고 있으며, 특허출원도 이에 관련기술이 증가하고 있다. 


증발기의 표면적을 최대한 넓게 하여 증발능력을 향상시키는 등의 형상에 관련된 기술과, 

냉수가 전열관 내부에서 와류유동하여 열전달능력을 향상시키는 것과 같은 기술이 현재 진행되고 있으며, 향후 이와 같이 최적의 형상을 이용하여 증발능력을 향상하는 기술이 계속될 것으로 보인다.


6)  재생기


흡수기에서 냉매를 흡수하여 농도가 낮아진 용액을 열로 가열하여 냉매와 고농도의 흡수액으로 분리하는 장치가 재생기이다. 90년대 초반에는 발생기내부의 온도가 일정정도 이상 올라가지 않도록 하는 과열방지장치등에 대한 개발이 이루어 졌으나, 

현재는 재생기내부의 열을 충분히 흡수하면서도 연소실체적이 작은 구조에 관련된 기술과, 

용액의 유동경로의 연장 및 열접촉면적을 넓혀 우수한 열전도율을 갖는 기술에 관련된 특허가 출원되고 있다. 


7) 응축기 


재생기에서 증발한 냉매가 응축기 전열관내부를 흐르고 있는 냉각수에 의하여 냉매액으로 응축되게 하는 장치가 응축기이다. 응축기의 기술개발은 증발기와 같이 열전도율향상과 소형화에 중점을 맞춰 이루어 지고 있으며 이에 관한 연구가 지속될 전망이다.


8) 열교환장치


열교환장치는 흡수식냉온수기의 일반구성요소인 흡수기,증발기, 응축기에 포함되어 있는 열교환장치외에 요소를 말하고 있으며, 대부분은 일반구성요소들 사이에 위치하여 폐열을 회수하는 역할을 수행하고 있다. 


이러한 열교환장치에 관련된 기술도 일반구성요소와 같이 접촉표면적을 보다 넓게 하여 열전달의 성능을 향상시키는 기술이 중점을 이루고 있으며, 향후 이에 관한 기술개발이 계속적으로 진행될 것이다. 


 9) 추기장치


흡수식냉온수기는 전체가 고진공 시스템이 되고 있기 때문에, 용접등에 의해 기밀성을 높이고 있지만, 핀홀이나 접속부등에서의 대기 성분의 침입은 불가피하며, 시간의 경과와 함께 질소나 산소등의 대기성분도 증가하게 된다. 


이러한 불필요한 가스(불응축가스)의 농도가 높아지면, 냉매의 증발이 억제되어 냉동능력이 저하되므로 불응축가스 제거는 전체 시스템의 효율향상에 중요하다.




이러한 추기장치에 관해서 

80년대에는 파라디움셀에 의하여 잔여불응축 가스 중 수소가스를 배출하는 기술에 대한 개발이 이루어 졌으나, 

90년대와 최근에는 수소배출이외에도 다른 불응축가스를 제거하는 새로운 방식에 관한 기술개발이 이루어지고 있으며, 

파라디움셀에 의한 방식의 경우도 전체장치가 보다 소형화될 수 있도록  부품수의 저감과 부착공간의 생략등에 관한 기술개발이 이루어지고 있다.




10) 결정방지장치


흡수식냉온수기의 용액은 용액의 농도와 온도에 따라 리튬브롬이 결정으로 석출되게 되는데, 특히 용액의 농도가 일정기준치 이하가 되면, 이러한 결정화현상이 발생하게 된다. 이와 같이 결정화가 진행되면 각각의 순환유로를 막아 용액이 원활하게 흐르지 못하게 되며, 이에 따라 전체시스템의 효율도 낮아지게 된다. 


이러한 결정화를 방지하기 위한 기술의 경우 과거에는 용액의 온도를 지속적으로 감지하여 기준치이하가 되는 지를 판단하는 온도측정기술에 관한 것이었으나, 최근에는 정전 등에 대비한 기술개발이 이루어지고 있다. 

특히, 정전시 솔레노이드밸브등이 작동하여 고농도의 용액을 일정한 장소로 이동시켜 용액을 저농도로 만드는 기술과 응축기에 있는 액체를 고농도의 용액이 있는 재생기등으로 보내어 용액을 희석하는 기술등 다양한 기술개발이 이루어 지고 있으며, 앞으로도 정전이나 전원차단으로 인하여 용액이 결정화되는 것을 막기 위한 기술이 꾸준히 개발될 전망이다.




1. 분리식 난방기술

난방시 고온재생기와 냉동부분이 완전히 분리되어 복잡한 냉동기로부터 간단한 진공보일러로 변화. 

기존 난방방식에 비해 효율적인 난방을 공급할 수 있고 

급탕기능도 가능하며 온수공급온도를 95 까지 높일 수 있다. 


동절기에 증발흡수기는 기동되지 않아 기기수명이 2배로 증가되고 펌프등 회전부품이 정지상태로 고장율이 70% 감소.


2. 판형 열교환기

기존 Shell & Tube형 열교환방식과 달리 판형 열교환기술을 적용하여  

열교환 후 용액온도차가 3~6℃(기존방식20℃이상)로 형성. 에너지효율 향상


3. 용액 분사노즐 막힘 - 용액 상단분사방식, 완벽한 여과

용액 분사노즐이 동관 상단에 위치하고 있어 용액속의 스케일등에 의해 노즐이 막히는 경우가 영구적으로 발생하지 않음. 

장비내 펌프입구측, 냉각수등 외부배관 입구에는 모두 필터가 설치되어 있어 

장비내부가 항상 청결하여 세관 주기를 대폭 연장하고 수 년간 냉방 능력저하가 발생하지 않음.


4. 용액결정 - 결정 자동해정 시스템

부하의 급격한 변화, 정전, 진공불량등 이상으로 용액결정 문제 발생. 

결정발생을 탐지하고 2중튜브, 용액역류등의 방식으로 자동해정되는 시스템을 개발하여 용액결정의 문제점을 해결.




5. 진공관리기술 - 자동 추기 및 배기 시스템

LiBr/H2O 시스템 진공상태에서 운전되므로 시스템의 진공도 유지를 위한 추기계통 및 누설방지 기술은

장비 수명과 효율성에 가장 중요한 요소.


낙차식 자동추기라는 기술로 안정적이고 정밀한 진공추기를 진행하여 장비효율을 항상 유지하는 동시에 

배기시스템으로 불응성가스를 자동으로 외기에 배출시켜 진공펌프로 추가작업을 할 필요가 없게되어 관리 편리성을 대폭 향상




6. 냉매 오버플로우 방지

냉매측에 3개의 센서가 있어 2개는 냉매펌프를 기동/정지하고 하나는 버너를 제어. 

부하가 낮거나 진공불량이 있을 경우 냉매는 남게 되는데. 센서로 냉매 레벨을 탐지하여 냉매펌프, 버너를 제어합니다. 

이런 제어가 없다면 냉매가 항상 오버플로우⇔버너 연소되는 순환에 있게되어 에너지가 과다 낭비 



7. 부식방지기술


8. 사이클 개선에 의한 성능향상 기술


9. 발생기와 흡수기 사이에 열교환이 이루어지는 GAX 열교환기의 설계기술 (NH3/H2O 시스템)


10. 암모니아의 부식 및 고압에 견딜수 있는 용액펌프의 제작기술 (NH3/H2O 시스템)


11. 시스템의 작동조건이 LiBr의 결정화 영역에 근접하므로 결정화 방지기술 및 고효율 공랭형 흡수기의 설계·제작기술 (소형·공랭형 시스템 )





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2013. 10. 25 작성

2014. 05. 13 제1종과 제2종 추가

2014. 11. 19 희용액, 농용액 수정

2016. 12. 13 용어 수정




  1. 증기압축식/흡수식 하이브리드 히트펌프 사이클에 관한 최적화 연구, 2001, 전관택, 인하대학교 석사학위논문 p14 [본문으로]
  2. 일본의 고효율 흡수식 냉온수기, 윤정인, 이호생, 설비공학회 제38권 제8호 [본문으로]
  3. 폐열이용 흡수식 냉동기 및 히트펌프, 김광제, 1994, 공기조화 냉동공학 제23권 제4호 p.299-305 [본문으로]
  4. 폐열이용 흡수식 냉동기 및 히트펌프, 김광제, 1994, 공기조화 냉동공학 제23권 제4호 p.299-305 [본문으로]
  5. 폐열이용 흡수식 냉동기 및 히트펌프, 김광제, 1994, 공기조화 냉동공학 제23권 제4호 p.299-305 [본문으로]

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