KR102595047B1 - 흡착 기반 히트 펌프 - Google Patents

Abstract

HVAC 및 냉각기와 같은 용례를 위해 냉동 및 냉각/가열에 유용한 흡착 기반 히트 펌프가 개시된다. 흡착은 고체 물질(흡착제)이 기체 또는 용액(냉매 또는 피흡착제) 분자를 그 표면에 끌어 당기는 표면 현상이다. 피흡착제의 잠열은 가열/냉각 효과를 제공한다. 신규한 흡착 히트 펌프는 피흡착제 내외로의 열 및/또는 질량 전달을 개선시킨다. 일 실시예는 적어도 하나의 증발기, 적어도 하나의 탈착기(흡착제 가열 장치), 적어도 하나의 흡착제 냉각 장치 및 적어도 하나의 응축기를 포함한다. 실시예는 열 및/또는 질량 전달을 개선시키기 위해 여러 기술을 채용한다.

Description

흡착 기반 히트 펌프{An Adsorption-Based Heat Pump}

본 발명은 흡착 기반 히트 펌프 및 흡착 기반 히트 펌프를 사용한 담수화 방법에 관한 것이다.

흡착 기반 히트 펌프(또는 간단히 "흡착 히트 펌프")는 흔히 흡착 냉동/냉각/가열 시스템으로서 또는 그 일부로서 사용된다. 통상적인 흡착 히트 펌프는 주로 고체 흡착제 베드, 증발기 및 응축기를 포함한다. 흡착 시스템은 흡착제와 피흡착제(또는 냉매) 사이의 인력을 활용한다. 채용된 흡착제-피흡착제는 작업 쌍으로 명명된다. 흡착 현상은 작업 쌍 사이의 인력이 반 데르 발스 유형인 물리적 흡착으로 명명된다. 대안적으로, 화학적 흡착에서, 작업 쌍 사이에 화학 반응이 발생한다. 일부 통상적인 작업 쌍은 활성탄-메탄올, 활성탄-암모니아, 제올라이트-물, 실리카겔-물, 염화칼슘-암모니아이다. 채용된 작업 쌍은 흡착 시스템의 온도 범위 및 효율에 영향을 준다. 더욱이, 복합 흡착제는 열 및 질량 전달을 개선시키거나 흡착량을 증가시키도록 채용될 수 있다.

흡착 히트 펌프의 작동은 다음 단계로 설명될 수 있다: 첫째, 흡착제 베드를 가열하면 작업 쌍의 압력 및 온도가 증가된다. 둘째, 흡착제를 더 가열하면 탈착이 초래된다. 탈착된 냉매 증기는 냉매로부터의 열 전달이 액화를 초래하는 응축기로 이송된다. 셋째, 흡착제 베드가 응축기로부터 분리된다. 따라서, 흡착제를 냉각시키면 온도와 압력이 감소된다. 넷째, 증발기의 응축된 냉매는 낮은 압력과 온도에서 증발을 시작한다. 증발기가 흡착제 베드에 연결되어 있기 때문에, 흡착제 베드의 고체 흡착제가 증발기로부터 나오는 냉매 증기를 끌어 당겨, 냉매의 압력과 온도를 감소시키는 데에 도움을 준다.

전술한 사이클에 대한 여러 설계가 제안되었다. 이들 설계는 시스템의 효율과 실용성을 높이기 위한 것이다. 이들 여러 흡착 시스템 설계를 구별하는 요인은 연속 대 간헐 작동, 열 및/또는 질량 회수 방법, 열 및 질량 전달 개선 방법, 저등급 또는 녹색 열원의 사용이다. 냉동 시스템에서 고려해야 하는 2개의 중요한 파라미터는, 공급된 열에 대한 냉각 용량의 비율인 성능 계수(coefficient of performance) 또는 COP 및 흡착제 질량에 대한 냉각 용량의 비율인 특정 냉각력(specific cooling power) 또는 SCP이다.

흡착 디바이스의 한가지 일반적인 특징은 흡착제가 유닛 또는 베드에 고정되고 냉매의 유동 및 순환이 사이클을 수행한다는 것이다. 최초의 흡착 시스템은 단일의 흡착제 베드만 채용했기 때문에, 간헐 사이클로만 작동할 수 있었다.

이후의 설계는 연속 냉각을 제공하고 COP 및 SCP를 개선시키기 위해 2개 또는 다수의 베드를 활용하였다(Yonezawa 등, US 4,881,376호)(Yonezawa, Y. 등, US 5,024,064호)(Sato, Tanaka, Honda, Fujiwara, US 5,775,126호). 이들 설계에서, 하나의 흡착제 베드는 활성 상태이고 나머지는 비활성 상태이다. 흡착제 베드들 사이에 교체함으로써, 냉동이 임의의 긴 중단없이 계속 작동할 수 있다.

다수의 베드를 사용하면 또한 불활성 베드로부터 열 에너지의 회수가 용이하게 된다. 열 회수를 가능하게 하고 개선시키는 몇 가지 설계가 제안되었다. 한 가지 기술은 열 파동(thermal wave)으로도 명명되는 온도 구배를 흡착제 베드에 생성하는 것을 기반으로 한다(Shelto, US 4,610,148호)(Tchernev, US 4,637,218호). 또 다른 방법은 흡착제를 가열 및 냉각하기 위해 냉매의 강제 대류를 사용하는 것을 제안한다. 이 방법은 강제 대류 열 파동 사이클(forced convective thermal wave cycle)로 명명된다(Critoph 및 Thorpe, US 5,845,507호). 그러나, 진공 상태에서 이 방법을 구현하는 데에 큰 도전 과제가 존재한다.

또 다른 설계는 열 회수를 용이하게 하는 회전 흡착제 베드 세트를 기반으로 한다(Ebbeson, US 5,431,716호)(Critoph, US 6,629,432호). 추가적으로, 일부 설계는 다수의 베드를 활용하고 흡착제 베드들 사이의 열 전달 매체를 제어함으로써 탈착된 베드에 저장된 열을 사용하고 흡착된 베드를 예열한다(Paulussen, US 2011/0167842호). 유사하게, 일시적 열 저장 매체를 채용하여 열 에너지를 회수할 수 있다(Sommer 및 Dassler, US 2014/0298832호). 열 전달을 용이하게 하는 다수의 고정식 흡착제 베드가 있는 다양한 설계가 있다(Mittelbach, US 2011/0138824호)(Garner, US 2014/0033760 A1호)(Dassler, Mittelbach, WO 2015/014772호).

물론, 응축기로부터 더 많은 열을 회수할 수 있다. 또 다른 효율적인 접근법은 흡착 시스템이 증기 압축 사이클과 같은 다른 냉동 시스템과 결합되는 하이브리드 시스템을 채용하는 것이다. 대안적으로, 고온 사이클의 폐열을 채용하여 저온 사이클을 구동하는 2개의 상이한 흡착 사이클이 결합된다(Akisawa, US 2009/0095012호).

더욱이, 열원으로서 저등급 열 또는 태양 에너지의 사용을 개시하는 수많은 종래 기술의 참고 문헌이 있다.

따라서, 전술한 문제 중 적어도 일부를 극복하는 개선된 흡착 기반 히트 펌프가 매우 요망된다.

다음은 본 발명의 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 발명의 일부 양태 또는 실시예의 단순화된 요약을 제시한다. 이 요약은 본 발명의 광범위한 개요가 아니다. 본 발명의 핵심 또는 중요한 요소를 식별하거나 본 발명의 범위를 기술하기 위한 것이 아니다. 그 유일한 목적은 본 발명의 일부 실시예를 나중에 제시되는 보다 상세한 설명에 대한 서곡으로서 단순화된 형태로 제시하는 것이다.

일반적으로, 본 발명은 혼합 및 대류 메커니즘을 통해 흡착제/건조제의 개선된 열 및 질량 전달을 활용하는 새로운 유형의 흡착 기반 히트 펌프에 관한 것이다.

흡착 기반 히트 펌프의 주요 문제는 탈착 및 흡착 사이클 동안 흡착제/건조제 내외로의 열 전달이다. 전통적으로, 건조제는 전도성 금속 베드 상에 분사되어 전도성 열 특성을 증가시킨다. 열 전달에는 전도, 대류 및 복사의 세 가지 형태가 있다. 전도에만 의존하는 대신, 본 발명의 실시예는 흡착제/건조제를 가온 및/또는 냉각시키기 위해 또한 대류(및 또한 복사)를 사용하는 메커니즘을 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 흡착 냉동 시스템은 적어도 하나의 증발기, 적어도 하나의 탈착기, 적어도 하나의 응축기 및 적어도 하나의 분말(과립) 냉각 장치를 포함한다. 여기에 설명된 실시예 중 일부에서, 흡착제 분말 또는 과립은 정지되거나 베드에 고정되지 않고 증발기, 탈착기 및 냉각 장치 사이에서 운반된다.

보다 구체적으로, 고체 흡착제는 스크류 컨베이어, 등가 분말-변위 디바이스와 같은 운반 수단을 통해 또는 일부 경우에는 심지어는 중력에 의해 운반된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 스크류 컨베이어(또는 기능적으로 동등한 메커니즘)를 채용하면 흡착제 분말의 운반을 용이하게 할 뿐만 아니라 흡착제의 혼합을 도와, 열 및/또는 질량 전달을 개선시킨다. 흡착제의 열 전달 방식을 순수 전도에서 전도, 대류 및 복사의 조합으로 변경하는 것이 본 발명의 일 양태이다.

더욱이, 열 전달 효과는 특정 분말이나 흡착제의 속성에 의해 제한되지 않기 때문에, 방법은 상이한 흡착제에 쉽게 적용될 수 있다. 혼합 및 대류 인자는 물리적 흡착 또는 화학적 흡착 모두에서 효과적이다. 따라서, 본 방법은 분말-애그노스틱(powder-agnostic)이다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 흡착제 분말 또는 과립을 열 교환기 전체에 걸쳐 통과시키면 열 전달이 개선된다. 열 교환기는 복수의 파이프, 튜브 또는 도관으로 구성될 수 있고, 열 전달 유체는 이들을 통해 유동하고 분말이 쏟아져 파이프 위와 둘레를 통과할 수 있다. 대안적으로, 열 교환기는 히트 싱크가 열을 외부 매체로 전달하는 히트 싱크에 연결된 핀 및 판을 포함할 수 있다. 흡착 산업에서 종래의 열 교환기와는 달리, 도 1에 예로서 도시된 본 발명의 열 교환기에서, 분말(또는 과립)은 낙하하여 핀, 판 또는 파이프의 좁은 통로를 통해 이동한다. 분말(또는 과립)의 이동은 고온의 분말과 저온의 분말이 혼합되고 또한 고온/저온 판에 대한 그 위치를 변경하도록 설계된다. 이 혼합 및 이동은 분말의 온도 프로파일을 파괴하여 바람직한 대류 효과를 촉진시킨다. 따라서, 탈착기 부품이나 냉각 장치에 벌크 고체 열 교환기를 채용하면 시스템의 실용성이 개선될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 흡착제 분말 또는 과립을 회전 혼합기 블레이드로 혼합하면 열 전달이 개선된다. 따라서, 탈착기 부품이나 냉각 장치에 회전(또는 왕복) 혼합기를 채용하면 시스템의 실용성이 개선될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 이 히트 펌프의 개방 사이클은 물 담수화 용례에 사용될 수 있다. 담수화 방법에서, 용존 미네랄 농도가 낮거나 높은 물(또는 염분 함유 액체)은, 물이 증발하여 흡착제에 흡착되는 증발기에 진입할 수 있다. 이어서, 탈착기에서, 물이 증발된 다음 응축될 것이다. 이 기술은 불순물이 많은 물이나 액체를 담수화할 수 있는 비접촉식(무접촉) 담수화 프로세스를 가능하게 한다. 사이클은 진공 또는 양압에 관계 없이 여러 압력 하에 작동할 수 있다.

본 개시내용의 다른 발명적 양태는 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해질 수 있다.

이제, 실시예를 도면을 참조하여 예로서만 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 탈착기, 분말 냉각 열 교환기, 증발기 및 응축기를 포함하는 흡착 냉동 시스템을 예시한다.
도 2는 도 1의 냉동 시스템의 여러 부분에서 재료, 흡착제 및 냉매의 운반을 예시하는 도면이다.
도 3은 테스트에 채용된 실험용 탈착기를 보여주는 사진이다.
도 4는 냉각 유체가 순환되는 엇갈린 통로를 갖는 열 교환기 판을 갖는 분말(또는 과립) 냉각 장치를 예시한다.
도 5a는 냉각 효과를 외부로 전달하기 위해 흡착제를 증기 및 열 교환기에 노출시키도록 둘레에 메시가 있는 흡착제 용기를 갖는 증발기의 등각 부분 투명도이다.
도 5b는 도 5a의 증발기의 측면도이다.
도 5c는 증발기, 흡착제 용기 및 열 교환기의 내부를 보여주는 사진이다.
도 6은 온수가 알루미늄 스크류 컨베이어 내부와 알루미늄 튜브 외부에서 모두 순환하는 제1 경우와 온수가 알루미늄 스크류 컨베이어 내부만을 순환하는 제2 경우에 대한 탈착기의 출력 온수 온도 및 분말 온도 대 시간의 측정 값을 플로팅한 그래프이다.
도 7a는 분말 열 교환기에서 엇갈린 파이프의 배열을 개략적으로 도시한다.
도 7b는 실험용 분말 열 교환기를 보여주는 사진이다.
도 8은 다른 실험용 분말 열 교환기를 보여주는 사진이다.
도 9는 분말(흡착제) 온도 및 수온을 보여주는, 테스트중인 증발기의 측정값을 플로팅한 그래프이다.
도 10은 분말이 증기를 흡착하고 냉각을 생성할 때 증발기 내부의 물(냉매) 및 증발기 내부의 순환수의 온도를 보여주는, 전체 시스템 테스트의 측정값을 플로팅한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 흡착 냉동 시스템을 도시한다.

흡착 기반 히트 펌프 시스템은 냉동, 냉각 또는 가열 목적으로 흡착 프로세스를 용이하게 하는 기계 시스템이다. 도 1에서 예로서 예시된 실시예는 적어도 하나의 증발기, 적어도 하나의 탈착기(흡착제 가열 디바이스), 적어도 하나의 흡착제 냉각(열 소산) 장치 및 적어도 하나의 응축기를 포함한다. 예시된 실시예는 흡착제 운반 및/또는 혼합 메커니즘(예를 들어, 스크류 컨베이어) 및/또는 분말 혼합기 및/또는 교반기 및/또는 분말 열 교환기를 채용하여 흡착제를 운반하고 및/또는 열 및/또는 질량 전달을 개선시킨다. 따라서, 효율적인 흡착 냉동 또는 히트 펌프를 제공할 수 있다. 도 2는 도 1의 시스템의 기초가 되는 주요 기능 요소를 개략적으로 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 시스템은 탈착기, 응축기, 냉각 장치 및 증발기 및 흡착제를 증발기로부터 탈착기로 운반하기 위한 운반 수단(예를 들어, 스크류 컨베이어)을 포함한다.

도면에 예시된 예시적인 실시예에서, 실리카겔-물 쌍이 채용되었다. 다른 흡착제-피흡착제 작업 쌍이 이 시스템에 쉽게 사용될 수 있다. 일부 예로는 제올라이트-물, MOF(metal-organic-framework)-물 및 활성탄-메탄올이 있다. 나노-다공성 물질은 100 나노미터 이하 범위의 공극 크기를 갖는 규칙적인 다공성 구조를 지원하는 규칙적인 유기 또는 무기 프레임워크를 갖는다. 나노-다공성 물질의 일부 예는 제올라이트, 활성탄 및 MOF이다. 그러나, 작업 온도는 이에 따라 변경될 것이다. 본 발명의 일 실시예가 도 1에 예시되어 있지만, 다른 메커니즘, 시스템 또는 부품의 배열이 또한 흡착제 분말 또는 과립 내외로의 열 전달 및/또는 질량 전달을 개선시키기 위해 동일하거나 실질적으로 유사한 혼합 및/또는 대류 효과를 제공할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 포화된 흡착제 분말은 2개의 스크류 컨베이어(101, 107)를 사용하여 운반되고 탈착기에서 혼합된다. 제1 스크류 컨베이어(101)는 분말을 전방으로, 예를 들어 이 특정 메커니즘에서 실질적으로 수평으로 구동한다. 이 제1 스크류 컨베이어(101)는 제1 모터, 예를 들어 커플러(102)를 통해 전기 모터(103)에 의해 또는 임의의 다른 등가의 또는 적절한 구동 수단에 의해 구동된다. 모터(103)와 제1 스크류 컨베이어(101) 사이의 커플러(102)는 탈착기 내부의 진공 압력 유지를 용이하게 하기 위해 임의의 적절한 유형의 밀봉된 샤프트 토크 커플링일 수 있다. 제2 스크류 컨베이어(107)는 탈착기 유닛의 일부이다. 도 1에 도시된 특정 메커니즘에서, 제2 스크류 컨베이어(107)는 실질적으로 수직이고, 즉 제1 스크류 컨베이어(101)에 직교한다. 그러나, 실시예는 제1 및 제2 스크류 컨베이어에 대해 다른 배향 또는 기하형상을 사용할 수 있다. 탈착기 유닛에서, 습식 흡착제 분말은 가열되어 흡착제 분말로부터 냉매를 분리한다. 가열 절차는 본 명세서에 설명된 바와 같이 고온 유체 순환에 의해 또는 다른 적절한 가열 방법을 사용하여 수행될 수 있다. 제2 스크류 컨베이어(107)는 분말을 혼합하고 운반할 뿐만 아니라 내부의 고온 유체 순환(108)으로 인해 분말의 가열을 돕는다. 제2 스크류 컨베이어(107)의 바닥에서, 밀봉된 유체 순환 장치(예를 들어, 기계적 시일을 갖는 디바이스)(113)는 제2 스크류 컨베이어(107)가 자유롭게 회전하게 하면서 고온 유체의 입구 및 출구 통로를 제공한다. 고온 유체 입구는 유체를 제2 스크류 컨베이어(107)의 상단으로 운반하는 파이프, 튜브 또는 도관에 연결된다. 고온 유체 출구는 파이프 둘레에 통로를 제공한다. 유체 순환 장치의 밀봉된 베어링으로 인해, 유체 출구는 스크류 컨베이어의 회전을 방해하지 않는다. 제2 스크류 컨베이어(107)는 밀봉된 샤프트 토크 커플링(109)을 통해 제2 모터, 예를 들어 별도의 전기 모터(110)에 연결된다. 제1 및 제2 스크류 컨베이어에 별도의 제1 및 제2 모터를 사용하면 흡착제의 유동과 혼합을 독립적이고 정밀하게 제어할 수 있다. 탈착기에서 제2 스크류 컨베이어(107)만 회전하면, 분말을 출구로 이송하지 않고도 여전히 혼합을 제공할 수 있다. 고온 유체 순환(112)을 갖는 외부 튜브는 또한 흡착제의 가열에 기여한다. 고온 유체는, 예를 들어 유입 유체(114)로서 진입하여 외부 튜브 및/또는 제2 스크류 컨베이어(107) 내부에서 순환하고 유출 유체(115)로서 출구 파이프로부터 빠져나가는 75℃의 물일 수 있다. 실험은, 도 3에 도시된 실험 장치에서, 분말은 몇 분 안에 65℃에 도달할 수 있다는 것을 보여준다. 아래에 설명되는 바와 같이, 고온 유체는 내부, 외부 또는 내부와 외부 모두에서 순환될 수 있지만, 상이한 배열이 탈착기의 성능에 영향을 미칠 것이다. 스크류 컨베이어 내부에서 순환하는 고온 유체와 외부 재킷에서 순환하는 고온 유체는 동일한 유체이거나 상이한 유체일 수 있다는 점이 추가되어야 한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 외부 재킷에서 순환하는 유체는 고온 가스일 수 있고 스크류 컨베이어 내부를 순환하는 유체는 고온 액체일 수 있다. 탈착기의 상단에서, 수증기를 응축기(140)로 이송하는 오리피스가 있다. 응축기에서, 수증기는 액화된다. 응축기(140)에서의 냉각은 팬에 의해 송풍되는 주변 공기를 사용하거나 응축기의 외부 표면 상의 냉수 또는 임의의 다른 적절한 유형의 유체 순환을 사용하여 수행될 수 있다. 응축된 물은 팽창 밸브 또는 모세관을 통과하는 물 유입 파이프를 통해 증발기로 운반된다. 탈착기로부터 빠져나온 고온 분말은 밸브(151)를 개방함으로써 냉각 장치(150)를 통해 낙하할 수 있다. 이 실시예에서 예시되었지만, 이 밸브는 설계의 필수 부분이 아님을 이해해야 한다. 이 밸브가 없으면, 탈착된 분말은 냉각 장치로 직접 이송된다.

도 4에 또한 도시된 바와 같이, 냉각 장치(150)는 전도 및 대류를 통해 분말 및 벌크 고체를 냉각하도록 설계된 열 교환기이다. 분말은 열 교환기 핀(153) 또는 파이프의 표면 위로 이동되고 혼합되며 열 에너지를 열 교환기 둘레를 순환하는 냉각 유체(예를 들어, 물)(154)로 운반한다. 도 1 및 또한 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 냉각 장치는 분말을 저장하고, 증발기 위의 밸브(171)를 개방함으로써, 저온 분말이 증발기 분말 용기(172)로 낙하한다. 증발기는 분말 용기, 응축기로부터의 냉매(예를 들어, 물) 입구, 열 교환기, 및 분말을 수집하는 깔때기를 포함한다. 분말 용기는 흡착제 분말을 증발기의 증기에 노출시키는 미세한 메시 및/또는 구멍으로 덮인 넓은 표면적을 갖는다. 분말 용기는 상이한 형상을 가질 수 있다. 그러나, 분말 용기의 최적 형상은 주어진 체적당 최대 표면적을 갖는 것이다. 이 예시적인 실시예에서, 증기 노출을 허용하기 위해 작은 간극으로 분리된 직사각형 프리즘이 사용된다. 설계 사양 및 작업 쌍에 따라, 분말 용기는 열 전도성 재료(예를 들어, 알루미늄 또는 구리) 또는 열 전도율이 열악한 재료(예를 들어, 플라스틱)로 제조되어 그 내부의 분말 온도를 관리할 수 있다. 깔때기는 분말 용기 아래에 위치되어 흡착된 분말을 수집한다. 깔때기 둘레의 폐쇄 영역은 분말을 액체 물로부터 분리한다. 따라서, 수면은 항상 깔때기 레벨 아래에 있도록 제어되어 흡착제와 직접 접촉하지 않는다. 단시간에, 분말은 다량의 증기를 흡수하므로 증발이 수면에서 계속되고 열 교환기(173)로부터 열을 흡수한다. 냉각 효과는 냉각수(또는 다른 전달 유체)를 통해 유닛 외부로 전달될 수 있다. 냉각 효과 전달 유체의 입구(174) 및 출구(175)가 도 1에 도시되어 있다. 포화로 인해 흡착이 느려지면, 밸브(191)가 개방되어 포화된 분말을 탈착기로 배출한다. 여기서 다시, 제1 스크류 컨베이어(101)는 분말을 전방으로 밀고 따라서 사이클은 연속적으로 작동할 수 있다.

가열/냉각 유체 순환 및 재킷형 트로프가 있는 스크류 컨베이어는 열 스크류 프로세서라고도 명명될 수 있다는 점을 명확하게 해야 한다. 게다가, 열 스크류 프로세서는 가열/냉각 유체가 통과하는 중공 플라이트를 가질 수 있다. 임의로, 스크류 컨베이어는 적절한 코팅, 예를 들어 마그네슘 코팅을 가질 수 있다.

일부 실시예에서, 탈착기의 외벽은 집속된 태양 복사로부터 복사 열 전달을 수용하기 위해 투명한 벽으로 대체될 수 있다는 것이 추가되어야 한다. 대안적으로, 마이크로파 복사와 같은 다른 유형의 전자기 복사가 탈착기의 가열을 개선하기 위해 채용될 수 있다.

프로토 타입 흡착 냉동 시스템의 모듈의 예시적인 측정:

탈착기는 가열에 필요한 시간을 측정하도록 테스트되었다. 탈착기는 길이가 5'이고 직경이 4"인 알루미늄 튜브로 제조되었다(도 3). 알루미늄 스크류 컨베이어가 체적의 일부를 점유하였고 튜브 내부의 나머지 체적은 4.2 kg의 미세 실리카겔 분말로 채워졌다. 온수기를 사용하여 물을 약 75℃로 가열하였다. 스크류 컨베이어는 ~20rpm의 속도로 회전하고 있다. 출력 수온과 분말 온도는 2개의 경우에 대해 측정되었다: 첫째, 온수가 스크류 컨베이어를 통해서만 순환되는 경우와, 내부 루프에 추가하여 온수가 또한 알루미늄 튜브 외부에서 순환되는 다른 경우이다. 온도 대 시간은 도 6의 그래프에 도시되어 있다.

다양한 구성의 분말 열 교환기 또는 혼합기의 적합성을 테스트하기 위해 냉각 모듈에서 일련의 측정이 수행되었다.

한 세트의 실험에서, 파이프 열 교환기는 대류 열 전달을 개선시키기 위해 엇갈린 형태(도 7a의 예로서 도시됨)로 배치된 176개의 구리 파이프(¼" 파이프)로 설계되었다. 수돗물(21℃의 온도)이 파이프 내 및 냉각 장치(도 7b에 도시됨)의 2개의 벽 둘레에서 순환되었다. 500 g의 양의 실리카겔 분말을 장치 상단의 깔때기에 위치시키고, 밸브를 개방시킴으로써, 분말을 낙하시켜 열 교환기의 엇갈린 파이프를 통해 혼합하였다. 분말의 평균 배출 속도는 6.25 g/s(80초에 500 g 배출)이었다. 분말 온도는 초기에 80℃이었다. 12" 길이의 열 교환기를 통과한 후, 수온은 40℃에 도달하였다.

분말 냉각 프로세스에서 주변 공기의 영향을 추정하기 위해, 동일한 온도의 분말을 동일한 거리에서 공기를 통해 부었다. 이 경우, 온도가 80℃에서 66℃로 떨어지는 것이 관찰되었다.

또 다른 실험에서, 판 형상을 갖는 2개의 컴퓨터 히트 싱크를 채용하였다(도 8에 도시됨). 대류 열 전달을 개선시키기 위해, 히트 싱크를 서로 수직으로 설치하여 더 뜨겁고 차가운 분말이 핀을 통과하면서 열을 교환하도록 하였다. 위에서 언급한 깔때기를 사용하여 유사한 분말 유동을 제공하였다. 분말은 열 교환기의 판들 사이의 통로를 통과하였다. 히트 싱크의 온도는 저온 표면에 접촉함으로써 제어하였다. 한 세트의 실험에서, 분말 온도는 평균 온도가 18℃인 5" 길이의 열 교환기 판을 통과시킴으로써 78℃에서 43℃로 떨어졌다. 유사한 실험이 분말 온도가 71℃에서 41℃로 떨어지고 판의 평균 온도가 16℃인 진공 설정에서 수행되었다.

열 전달을 개선시키는 또 다른 방법은 분말에 혼합기 헤드를 사용하는 것이다. 이 방법의 효과를 보여주기 위해 실험이 수행되었다. 500 g의 양의 분말을 스테인리스강 용기에 위치시키고 물을 채운 더 큰 용기에 위치시켰다. 더 큰 용기는 또한 물 입구와 출구 연결을 통해 물 순환을 촉진하였다.

스테인리스강 및 플라스틱 페인트 혼합기 헤드뿐만 아니라 플라스틱 스크류 컨베이어(나선형 프로파일을 가짐)와 같은 다양한 혼합기 헤드가 채용되었다. 모든 혼합기 헤드가 열 전달을 개선시키는 데에 매우 효과적이라는 것이 밝혀졌다.

또한, 증발기 부분에 대한 광범위한 실험을 수행하였다. 분말을 오븐에서 탈착한 다음 진공 하에 실온으로 냉각하였다. 분말을 저장하는 용기는 증발기 상단의 밸브를 통해 증발기에 연결되었다. 증발기에 물을 채운 다음 진공화하였다. 앞서 언급한 바와 같이, 물의 레벨은 액체와 메시 사이에 직접적인 접촉이 없도록 하기에 충분히 낮았다. 연결된 밸브를 개방함으로써, 분말이 증발기 내부의 분말 용기를 채우기 시작했으며 이때 흡착 프로세스가 시작되었다. 증발 및 흡착 프로세스를 입증하기 위해 물과 분말 온도를 기록하였다. 1.2 kg의 물과 696 g의 분말을 채용하는 하나의 경우, 5분 안에 물과 분말의 온도가 각각 30℃에서 24℃로 그리고 25℃에서 47℃로 변경되었다. 1 kg의 물을 채용하는 또 다른 테스트에서, 4분 안에 물과 분말의 온도가 각각 15℃에서 14℃로 그리고 18℃에서 75℃로 변경되었다. 도 9는 이 경우에 대한 온도 대 시간의 변화를 예시한다.

마지막으로, 전체 시스템에서 실험을 수행하고, 실리카겔을 75℃에서 물로 탈착하여 25℃로 냉각한 다음, 증발기로 이송하였다. 도 10은 실리카겔이 증기를 흡착하여 더 많은 증발을 유도하고 냉각을 발생시킬 때 증발기 내부의 냉각수와 증발기 내부의 순환수 온도를 도시한다.

열 및 질량 전달을 개선시키기 위해 혼합기/스크류 컨베이어/교반기를 사용하여 동일하거나 실질적으로 유사한 냉각 흡착 사이클을 수행하도록 본 명세서에 설명된 본 발명의 개념을 사용하여 다른 실시예가 고안될 수 있다. 혼합 및/또는 교반은 사이클의 여러 단계 동안 필요한 흡착제 내외로의 대류 열 및 질량 전달을 유도한다. 명확화의 목적을 위해, 일부 예가 여기에 설명된다. 하나의 대안 실시예에서, 혼합기 또는 열 스크류 프로세서는 여러 챔버들 사이에서 흡착제 분말/과립을 운반하지 않는다. 동일한 혼합 시스템을 가진 하나 이상의 챔버가 채용될 수 있다. 이 실시예에서, 가열 및 냉각 유체는 각각 가열 및 냉각의 목적을 위해 혼합기/교반기/스크류 컨베이어 내부에서 순환한다. 따라서, 동일한 챔버가 상이한 시간에 탈착기와 냉각 장치로서 동작한다. 챔버가 탈착기로서 작동하면, 가열 유체가 혼합기/교반기/스크류 컨베이어를 통해 순환하고 챔버를 응축기에 연결하는 밸브가 개방되고 챔버를 증발기에 연결하는 밸브가 폐쇄된다. 챔버가 소산(냉각) 장치로서 작동하면, 냉각 유체가 혼합기/교반기/스크류 컨베이어(즉, 흡착제에 작용하는 기계 디바이스)를 통해 순환하고 응축기와 증발기 밸브가 모두 폐쇄된다. 분말을 냉각시킨 후, 증발기 밸브가 개방되어 냉각된 분말이 흡착 프로세스를 시작하게 한다. 증발기에 대한 챔버의 연결부에는 증기가 챔버로 나아가게 하는 동안 분말이 증발기로 들어가는 것을 방지하는 메시가 장착되어 있다. 이 단계에서, 냉각 유체는 혼합기/교반기/스크류 컨베이어를 통해 계속 순환하여 흡착 속도를 개선시킬 수 있다. 시스템이 단 하나의 챔버를 포함하면, 동일한 챔버가 탈착기와 냉각 장치로서 교대로 작동한다. 시스템이 2개 이상의 챔버를 포함하면, 시스템은 순차적으로 작동하여, 제1 챔버가 탈착할 때, 제2 챔버는 분말을 냉각시키고 임의적인 제3 챔버가 증발기에 연결된다. 일 실시예에서, 스크류 컨베이어 또는 오거(auger) 또는 혼합기는 용기가 챔버 내부에서 회전하는 용기 내부에 정지 상태로 있으므로, 혼합 및 대류를 유도한다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 흡착 냉동 시스템을 예시한다. 도 11에 도시된 시스템은 응축기(240), 증발기(270), 및 챔버(212)를 포함한다. 챔버(212)는 교대로 냉각 및 가열할 뿐만 아니라 교대로 흡착제의 흡착 및 탈착을 하도록 설계된다. 혼합기(207) 또는 교반기는 전기 모터(210) 또는 임의의 다른 기계적 토크 소스에 의해 구동된다. 가열 또는 냉각 유체는 입구(214)를 통해 챔버로 진입하고 출구(215)를 통해 챔버를 빠져나간다.

더욱이, 탈착기 및/또는 열 소산(냉각) 장치 및/또는 증발기의 분말 바스켓 부분이 운반 및 열/질량 전달 개선 모두를 위해 스크류 컨베이어(예를 들어, 열 스크류 프로세서)를 채용하는 다른 실시예가 사용될 수 있다. 스크류 컨베이어는 한 부분에서 다른 부분으로 분말의 운반을 용이하게 하도록 경사진 위치(경사진 배향)에 배치될 수 있다. 또한, 소산(냉각) 장치와 증발기 분말 바스켓이 하나의 유닛으로 통합될 수 있으며, 여기서 스크류 컨베이어의 일부는 냉각 유체가 스크류 컨베이어 내부 및/또는 외부 재킷에서 순환하는 냉각 장치로서 동작하며 이에 연속하여 혼합기/스크류 컨베이어는 분말을 혼합하고 외부 재킷이 부분적으로(또는 전체적으로) 분말을 증발기로부터의 냉매 증기에 노출시키는 흡착을 개선시킨다. 대안적으로, 증발기가 열 소산(냉각) 장치와 탈착기 사이에 위치되고, 분말은 냉각 부분으로부터 증발기로 언로딩될 수 있고, 부분적 또는 완전 흡착 후에, 탈착기로 언로딩될 수 있는, 설명된 제1 실시예와 유사한 별도의 증발기 시스템이 채용될 수 있다. 따라서, 이러한 배열은 적어도 2개의 경사진 스크류 컨베이어를 사용하여 구현할 수 있다. 경사진 스크류 컨베이어는 45°이하의 각도로 작동할 수 있거나, 다른 실시예에서 스크류 컨베이어 중 하나 이상이 45°보다 큰 각도로 작동할 수 있다. 각도가 45°이하인 스크류 컨베이어를 사용하는 이점은 컨베이어를 급송할 필요가 없다는 것이다. 따라서, 스크류 컨베이어 각도가 45°보다 큰 배열의 경우, 수평 급송 컨베이어를 채용해야 할 수 있다. 수평 급송 컨베이어는 설계에 쉽게 추가될 수 있지만, 제품 비용을 증가시킨다. 짧은(2/3) 피치 또는 절반(1/2) 피치와 같은 더 작은 피치 크기를 채용하거나, 스크류 컨베이어와 파이프 사이의 간극을 감소시키는 것과 같이, 수평 급송 컨베이어에 대한 필요성을 피하기 위해 재료 취급 산업에서 사용할 수 있는 다른 해결책이 있다. 이들 기술은 경사진 스크류 컨베이어에서도 재료 취급의 효율을 증가시킬 수 있으므로 설명된 설계에 사용될 수 있다.

탈착기 및 냉각(열 소산) 부분의 파이프/튜브는 열 전달을 개선시키기 위해 순환하는 유체가 있는 외부 재킷을 가질 수 있다. 이 설계의 응축기는 제1 설계와 유사하며 탈착기 상단으로부터 증기를 수집하고, 주변 공기 및/또는 냉각 유체로의 열 전달을 통해 증기를 냉각시키며, 액화된 냉매를 증발기로 운반한다. 응축기와 증발기 사이에 팽창 밸브가 위치되어 유체 압력을 감소시키는 데에 도움을 줄 수 있다. 더욱이, 낮은 균열 압력의 체크 밸브가 응축기와 탈착기 사이에 위치될 수 있다.

위에서 언급한 설계에서, 탈착기와 냉각 부품 모두는 동일한 설계 및 크기의 스크류 컨베이어뿐만 아니라 동일한 경사각 또는 상이한 각도/크기를 사용할 수 있다는 것을 명확히 해야 한다. 따라서, 일부 실시예는 상이한 설계 및/또는 크기의 스크류 컨베이어 및/또는 상이한 경사각을 사용할 수 있다.

설명된 바와 같이, 이들 모든 설계의 공통적인 양태가 냉각 또는 담수화의 목적을 위해 나노-다공성 물질(흡착제 분말 또는 과립)을 혼합 및/또는 이송(운반)하는 여러 구성이 채용될 수 있다.

임의로, 시스템은 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 컴퓨터, 프로그래밍 가능 로직 등을 갖는 컴퓨터 제어 시스템에 의해 마이크로프로세서-제어될 수 있다. 시스템은 기계 학습 코드를 실행하는 프로세서를 임의로 포함할 수 있다. 따라서, 프로세서는 하나 이상의 센서로부터의 피드백 신호에 기초하여 시스템의 작동을 최적화하는 방법을 학습할 수 있는 인공 지능(artificial intelligence)(AI)을 제공하기 위해 코드에서 알고리즘을 실행할 수 있다. AI 기반 제어 시스템은, 예를 들어 스크류 컨베이어의 회전 속도, 냉매 유량, 밸브 작동 등과 같은 다양한 작동 파라미터를 조정하도록 학습할 수 있다.

단수 형태, "a", "an" 및 "the"는 문맥상 달리 명확하게 지시되지 않는 한 복수 대상을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들어, "디바이스"에 대한 언급은 그러한 디바이스들 중 하나 이상에 대한 언급, 즉 적어도 하나의 디바이스가 있다는 것을 포함한다. 용어 "포함하는(comprising), "갖는(having)", "포함하는(including)" 및 "함유하는(containing)"은 달리 명시되지 않는 한, 개방형 용어(즉, "포함하지만 이에 제한되지 않는"을 의미함)로서 해석되어야 한다. 본 명세서에 설명된 모든 방법은 본 명세서에서 달리 지시되거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 예 또는 예시적인 언어(예를 들어, "~와 같은")의 사용은 단지 본 발명의 실시예를 더 잘 예시하거나 설명하기 위한 것이며 달리 청구되지 않는 한 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.

본 개시내용에서 여러 실시예가 제공되었지만, 개시된 시스템 및 방법은 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 많은 다른 특정 형태로 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 고려되어야 하며, 의도는 본 명세서에 주어진 세부 사항으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 다양한 요소들 또는 구성요소들은 다른 시스템에서 결합 또는 통합될 수 있거나 특정 피처가 생략되거나 구현되지 않을 수 있다.

또한, 다양한 실시예에서 개별 또는 별개로 설명되고 예시된 기술, 시스템, 서브 시스템, 및 방법은 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 다른 시스템, 모듈, 기술 또는 방법과 결합되거나 통합될 수 있다. 결합되거나 직접 결합되거나 서로 통신하는 것으로 도시되거나 설명된 다른 항목은 간접적으로 결합되거나 전기적, 기계적 또는 다른 방식으로 일부 인터페이스, 디바이스 또는 중간 구성요소를 통해 통신할 수 있다. 변형, 대체 및 변경의 다른 예는 본 기술 분야의 숙련자에 의해 확인될 수 있으며 본 명세서에 개시된 본 발명의 개념(들)을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

Claims (8)

1. 흡착 기반 히트 펌프로서,
   냉매를 액화시키는 응축기;
   증발 냉각용 증발기;
   흡착제의 가열 및 냉각 및 흡착이 상이한 시간에 발생하는 혼합기를 갖는, 흡착제를 함유하는 적어도 하나의 챔버;
   적어도 하나의 챔버와 응축기를 분리시키는 제1 밸브;
   적어도 하나의 챔버와 증발기를 분리시키는 제2 밸브;
   를 포함하는, 흡착-기반 히트 펌프.
2. 제1항에 있어서, 탈착기 및 냉각 장치로서 교대로 작동하는 단일 챔버를 포함하는, 흡착-기반 히트 펌프.
3. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 분말인, 흡착-기반 히트 펌프.
4. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 나노-다공성 물질인, 흡착-기반 히트 펌프.
5. 제1항에 있어서, 탈착기와 냉각 장치와 흡착기로서 순차적으로 작동하는 적어도 2개의 챔버를 포함하는, 흡착-기반 히트 펌프.
6. 제1항에 있어서, 증발기와 응축기는 서로 다른 압력에서 작동하는, 흡작-기반 히트 펌프.
7. 제1항에 있어서, 챔버는 열교환 유체를 위한 유체 입구와 유체 출구를 포함하는, 흡착-기반 히트 펌프.
8. 물 담수화 방법으로서,
   염수를 받는 단계;
   제1항의 흡착 기반 히트 펌프를 사용하여 물을 증발시켜 염을 제거하는 단계
   를 포함하는, 방법.