이중효용 흡수식시스템, 냉동(냉수) 시스템 요소기술
흡수식 시스템 주설비
o 흡수식 냉동기의 냉매와 흡수제를 기준으로 분류하면 현재 공조용으로 널리 사용되고 있는 물-리튬브로마이드 수용액과 저온용 또는 소규모 고조용으로 일부 사용되고 있는 암모니아-물계로 나눌 수 있다.
o 또한 사이클의 종류에 따라 일중효용, 이중효용 및 흡수식 히트펌프와 삼중효용 및 자기 재생사이클 등으로 분류되며, 사용열원에 따라 온수식, 증기식 및 직화식 등으로 나눌 수 있다.
2. 이중효용 흡수식시스템
1) 원리
o 2중 효용 흡수식 냉동기의 재생기는 고온재생기와 저온재생기로 구분되며, 고온재생기에 서는 중압증기에 의하여 흡수액을 가열하여 냉매증기를 발생시키고, 그 냉매증기가 저온 재생기에서 응축할 때 열을 이용하여 다시 한 번 흡수액을 가열하여 냉매증기를 발생시 킨다.
o 이 냉매 증기는 응축기에서 응축되고, 저온 재생기에서 응축된 냉매액과 함께 증발기로 유입된다.
o 웅축기에서 부하가 1중 효용 흡수식에 비하여 감소하므로 냉각탑의 설비용량을 절감할 수 있으며, 성능계수가 1.2 정도로 우수하다.
o 열원방식별 표준조건, 증기식 7~8kgf/cm², 고온수식 180℃ 이상에 사용
2) 구성
가. 증발기
o 소형 흡수식 냉동기의 경우 냉매는 물, 흡수제는 리튬브로마이드를 사용함. 증발관-냉매산포장치 및 냉매받이로 구성됨.
o 냉매(물)-흡수제(리튬브로마이드)의 경우 증발기에서 냉매인 물이 5℃에서 증발하기 위해 서는 6.5mmHg의 저압이 유지되어야한다. 따라서 외부냉매저장조에서 냉매를 펌프로 퍼 올려진 냉매가 산포 장치에 의해 접촉 유하하기 때문에 냉수에서 열을 빼앗아 냉동 효 과 발생. 냉매를 전열관 외표면에 분사하여 주는 관수형, 증발관 내부는 냉수가 흐름. 이 는 만액식 증발기의 경우 냉매의 높이에 따른 압력이 작용, 증발온도가 높아지기 때문임
o 흡수기와 마찬가지로 전열관 외표면에 냉매를 고르게 분사하기 위해서는 스프레이 노즐 에 의한 분무 방식과 트레이에 의한 적하 방식을 적용한다.
o 응축기를 거친 냉매 물은 증발기 내에서 증발기 튜브 위에 특수노즐을 통해 스프레이됨
o 냉매인 물은 튜브 내의 냉각수를 냉각해 냉수로 만든 후 증발 잠열을 냉수에서 얻으며 증발하여 증기 형태로 엘리미네이터를 통해 흡수기로 흐름. 흡수기 외면에서 흘러내리는 흡수액에 의해 흡수된다. 증발기내는 6~7mmHg(0.01bar)의 진공도에서 3~5℃ 정도로 물 이 증발함. 따라서 관내의 냉수는 6~7℃를 형성할 수 있다.
o 증발기 압력은 정상 상태에서 0.01기압으로 되어 있어서 이 압력에 상당하는 포화온도 4~5℃에서 증발하기 때문에 6~7℃의 냉방용 냉수를 얻을 수 있다.
o 냉수는 12도로 들어와 7도로 냉각되어 나감. 온도 편차는 5℃ 정도임.
나. 흡수기
o 흡수기는 흡수관, 흡수액 산포장치 및 흡수액통으로 구성된다.
o 흡수관의 내부에는 냉각수가 흐르고, 외부에서 저온발생기 및 열교환기를 거친 농흡수액 이 산포 장치에 의하여 접촉 유하하기 때문에 증발기의 냉매 증기를 혼합하여 희흡수액 이 되고, 흡수액 하부의 흡수액통에 모아진다.
o 모아진 희흡수액은 흡수액 펌프에 의하여 열교환기, 고온재생기, 저온재생기로 보내진다.
o 흡수액의 리튬브로마이드 수용액은 농도가 높을수록, 또한 온도가 낮을수록 수증기의 분 압이 내려가므로 흡수액의 수증기 분압을 냉매의 수증기압 보다 낮게 해주면 냉매는 흡 수액에 흡수된다.
o 관속을 흐르는 냉각수는 흡수액에서 냉매증기를 흡수할 때 발생되는 응축열을 제거하 고 흡수액 온도를 낮추어 흡수 능력을 유지하도록 한다.
o 흡수액통의 액면은 부하 변동과 냉각수 온도에 의하여 증감한다.
o 증발기에서 수증기 냉매가 증발하게 되면 증발기 내부 압력이 높아지고, 그 압력에 상당하는 만큼 증발온도가 상승하여 필요로 하는 냉수 온도를 얻지 못하게 된다. 따라서 필 요로 하는 낮은 냉수온도를 얻기 위해서는 증발기 내부의 압력을 요구 냉수 온도보다 낮은 증발온도의 포화압력 이하로 유지시키는 역할을 하는 것이 흡수기이다.
o 냉매(물)-흡수제(리튬브로마이드)의 경우 “흡수기에서의 리튬브로마이드의 결정화 방지” 를 위하여 냉각수 온도는 20℃ 이상, 흡수액의 온도는 최소 30℃ 이상 유지하여야 한다.
o 냉매(물) - 흡수제(리튬브로마이드)의 경우 흡수기에서는 전열관 위에 흡수용액을 산포하 여 전열관 외표면에서 얇은 막을 형성하여 이 용액에 의해 수증기인 냉매를 흡수하게 된다. 용액이 수증기를 흡수하면 열이 발생하는데 이 열은 냉각탑으로부터 전열관 내부 로 흐르는 냉각수에 의하여 제거된다. 전열관에 흡수용액을 분사하는 방식은 스프레이 노즐에 의한 분무 방식이나 트레이에 의한 적하 방식이 적용된다.
o 대개 흡수기와 증발기는 동일한 동체내에 있으며 그 경계선에 흡수용액이 냉매증기와 함께 흡수기로 넘어가 냉동기의 능력이 저하되는 것을 방지하기 위하여 강판 또는 스테 인레스 강판을 절곡한 엘리미네이터를 설치한다.
o 용액 이송장치는 저압의 흡수기로부터 상대적으로 고압인 재생기로 흡수용액을 보내기 위하여 흡수액 펌프가 적용된다.
o 적당한 온도와 농도를 가진 리튬브로마이드 수용액은 흡수기로 증발기 압력보다 약간 낮은 압력으로 유지 3mmHg(0.005bar), 즉 냉매증기는 증발기에서 흡수기로 유입
o 리튬브로마이드 수용액에 수증기는 용해되며 용해열이 발생됨. 이 용해열은 냉각수 냉각 탑에 의해 제거됨
o 냉각탑의 냉각 용량은 흡수기와 응축기의 냉각열량으로 산정된다.
다. 농용액 펌프
o 재생기를 거쳐 나온 리튜브로마이드(LiBr) 묽은 용액을 흡수기로 강제로 펌핑
o 흡수기 위치가 재생기 위치보다 상부에 위치할 경우 중력에 의하여 운반할 수 있으므로 희석용액 펌프의 사용이 필요 없다.
라. 고온발생기(고온 재생기)
o 냉온수기에서는 연소실, 연관을 흡수액이 담겨진 통 속에 넣은 구조로 되어있다.
o 흡수기에서의 열교환기를 거쳐 재생기 유입 흡수액은 저온, 고온 열교환기를 통하여 온 도가 상승되어 보내진다.
o 희 흡수액은 만액식 열교환기의 구조로 되어있는 연소가스에 의하여 노통 및 연관에서 열을 얻고, 가열 비등해서 냉매 증기를 발생시켜 흡수액에서 냉매를 증발시킨다.
o 고온 재생기에서 발생 냉매 증기는 증기관을 통해서 저온발생기 관내로 보내진다.
o 흡수액은 냉매 증기를 발생하고 농축되어 중간 농도의 흡수액이 되어 고온 열교환기를 거쳐 저온 발생기로 보내진다. 저온 발생기에서 냉매 증기 잠열을 방출하여 저온발생기 내 흡수액에서 냉매증기를 발생 후 희 흡수액은 저온 열교환기에서 농용액에 열량을 넘겨 준 후 흡수기로 유입된다.
마. 저온발생기 (저온재생기)
o 응축관과 차폐판으로 구성됨.
o 응축관 내에는 흡수기에서 유입된 냉각수가 흐른다.
o 저온 발생기로 흡수액에서 발생된 냉매증기는 엘리미네이터를 통해 응축관군으로 보내 져서 관내를 흐르는 냉각수에 의해 응축 액화되어 냉매수가 된다.
o 통 상부 압력은 냉각수에 의한 응축온도에 따라 결정되며 통상 0.1기압 정도가 유지됨
o 응축기에서 응축된 냉매는 저온 발생기관 내에서 응축된 냉매와 같이 되어 루프관의 액 기둥에 의해 압력이 강하되어 증발기로 보내지게 된다.
o 저온 발생기에서 유입된 냉매 증기를 냉각수로 응축시킴
사. 고온 및 저온 열교환기
o 고온발생기로 보내는 희흡수액은 온도가 높을수록 열효율이 향상되고, 연료 소비량도 적 어진다.
o 흡수기로 되돌려진 농흡수액은 온도가 낮을수록 흡수 능력이 증가한다. 따라서 양자를서로 열교환시킴으로서 열효율이 증가하고 능력이 향상된다.
o 희 흡수액을 저온과 고온 열교한기에 직렬로 통하게 하면 저온 열교환기에서는 농흡수 액으로부터, 고온 열교환기에서는 중간 농도 흡수액으로 부터 열을 취해 온도가 상승하 여 고온 발생기로 보내지고, 중간 농도의 농흡수액은 온도가 저하하여 저온 발생기와 흡 수기로 보내지게 된다.
A. 직렬식 2중 효용 방식
o 흡수기에서 나온 희용액이 용액펌프에 의해 저온열교환기와 고온열교환기를 거쳐 고온 재생기로 유입됨.
o 고온재생기에서 냉매를 발생시킨 후 응축기로 보내고, 중간용액은 고온열교환기에서 저 온의 희용액과 열교환 후 저온 재생기에서 다시 냉매를 발생시킨 후 농용액 상태가 되 어 저온 열교환기를 거쳐 흡수기로 되돌아오는 방식
B. 병렬식 2중 효용 방식
o 흡수기에서 냉매증기를 흡수하고 묽어진 희액(농도 59%, 온도 38℃)은 저온열교환기를 거치면서 고온재생기 및 저온재생기로부터 돌아오는 뜨거운 흡수액에 의해 가열되고 희 액의 50%는 저온재생기로 가고 나머지는 고온열교한기를 거쳐 고온재생기로 유입된다.
o 고온재생기에서는 온도 149도 부터 농축이 시작되어 온도 165도, 농도 64.5%에서 농축 이 종료된 후 고온열교환기를 거치면서 고온재생기로 오는 희용액을 가열하며 냉각된다.
o 저온재생기로 유입된 흡수액은 고온재생기로부터 오는 냉매증기(97℃)에 의해 가열 농축 되고(농도 62%) 고온재생기에서 온 농도 64.5%의 흡수액과 혼합되어 약 63.3%의 흡수 액이 된다.
o 이것은 저온열교환기를 거치면서 고온재생기와 저온재생기로 올라가는 흡수액을 가열하며 냉각되고 흡수기로 유입된다.
o 흡수기에서 노즐을 통해 스프레이 되면서 흡수액 중에 포함된 일부 냉매증기가 증발되 어 농도가 약간 짙어지지만 흡수기를 거치면서 증발기로부터 넘어온 냉매증기를 흡수하 면서 농도는 다시 묽어져 희액이 된다.
o 냉매는 고온재생기에서 증발된 냉매증기는 저온재생기로 유입되어 저온재생기에서 증발 열로 활용하고 최종 저온재생기에서 응축기로 넘어간다.
o 흡수기에서 나온 희용액이 용액펌프에 의해 저온열교환기를 거쳐 일부 희용액은 고온열 교환기를 통해 고온 재생기로, 또 다른 희용액의 나머지는 저온열교환기를 거쳐 직접 저 온재생기로 가서 냉매를 발생시킨 후 농용액(고온재생기)과 중간용액(저온재생기)이 되어 농용액은 고온열교환기를 통하고, 저온 재생기에서 중간용액은 직접 저온 열교환기로 와 서 희용액과 열교환 후 흡수기로 되돌아오는 방식으로 이 경우 결정 방지에 유리하다.
C. 고온열교환기
o 흡수기->고온재생기로 유입되는 희용액을 고온재생기-저온재생기로 유입되는 중간농도 용액의 에너지를 열교환에 의해 묽은 용액의 온도를 상승
o 고온재생기-저온재생기로 유입되는 묽은 용액은 아직 온도가 좋으므로 저온재생기의 재 생기 열원으로 활용한다. Ÿ 저온 열교환기 옆에 위치시킴
아. 추기장치
o 내부에서 발생되는 불응축가스나 공기 등을 배출하는 장치이다.
o 특히 리튬브로마이드+물 방식 시 증발기내에선 냉매인 물이 증발하기 위해서는 상당히낮은 압력을 유지하여야 하므로 내부로 공기 등의 유입 가능성이 가장 높은 위치이므로 증발기 포화액의 온도에 때한 포화압력을 유지하기 위하여 상시 추기장치가 요구된다.
o 추기펌프, 추기 세퍼레이터, 저장실 등으로 구성된다.
3) 이중효용 냉동기 성능(단효용 대비)
o 단일효용 흡수식 냉동기에서 처럼 발생기에서의 냉매열을 응축기에서 바로 버리던 것을 저온 발생기에서 냉매증기(수증기)의 발생에 한번 더 이용하므로 에너지 절약적이며, 흡 수기와 응축기의 냉각수용 냉각탑의 용량을 줄일 수 있다.
- 연료 소비량 65% (-> 발생기 열량)
- cooling tower 규모 75%
- COPc = 1~1.3 (50% 증가)
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냉동(냉수) 시스템 냉동이란 어떤 물체나 공간의 열을 인위적으로 빼앗아 주위의 온도보다 낮은 온도로 만들거나 혹은 저온 상태를 유지하는 것. 이와 유사한 용어로 동결, 냉방, 냉장 등이 있으
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