KR100373314B1 - 물소모가 감소되는 폐쇄 회로식 열교환 시스템 및 방법 - Google Patents

물소모가 감소되는 폐쇄 회로식 열교환 시스템 및 방법 Download PDF

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KR100373314B1
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Abstract

본 발명은 열추출 시스템과 방법들을 제공한다. 상기 시스템은 유체 냉각기 혹은 유체 응축기로서 구성될 수 있다. 3개의 열교환부들이 제공되고: 건조 간접 접촉식 열교환부; 습식 혹은 건식모드 각각으로 작동가능한 제 2간접 접촉식 열교환부; 및 직접 접촉식 열교환부들이다. 유체 냉각기로서, 연결흐름통로는 상기 건조 간접 접촉식 열교환부를 제 2간접 접촉식 열교환부에 연결한다. 바이패스 흐름통로는 상기 건조 간접 접촉식 열교환부로부터 상기 작동유체 배출구로 연장한다. 조절밸브가 배출구에 위치되어 상기 작동유체가 상기 건조 간접 접촉식 열교환부 단독으로부터, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부에 직렬을 이루는 제 2간접 접촉식 열교환부로부터, 혹은 상기 건조 및 제 2 간접 접촉식 열교환부 모두로 부터 그리고 혼합된 상태로 선택적으로 인출되어질 수 있다. 개별적인 공기흐름들은 건조 간접 접촉식 열교환부로 유입되기 전에, 제 2간접 및 직접 접촉식 열교환부들을 통과한다. 응축기로서, 작동유체는 단독의 건조 간접 접촉식 열교환부로, 혹은 병렬을 이루는 건조 및 제 2 간접 접촉식 열교환부로 상기 작동유체 공급라인의 밸브들에 의해서 향하게 된다. 다른 실시예에서, 상기 작동유체는 건조 및 제 2 간접 접촉식 열교환부로부터 직렬로 흐른다. 상기 시스템은 다른 모드에서 작동가능하여 년간 물 소비에 관련하여 가장 효과적인 방식으로 작동유체로부터 열을 추출한다. 낮은 온도에서, 상기 시스템은 건조 간접 접촉식 열교환부에 의해서 수행된 최초 열추출 작동으로 건식으로 작동한다. 보다 높은 온도에서, 상기 공기 흐름들은 증발액체에의해서 단열적으로 포화되어 그들이 건조 간접 접촉식 열교환부로 유입하기 전에 건구온도이하로 예비냉각시킨다. 그리고, 아직 높은 온도에서, 상기 장치는 제 2간접 접촉식 열교환부에 의해서 수행된 최초 열추출의 습식모드에서 작동가능하다. 열은 작동유체로부터 추출되고, 이는 상기 증발액체를 선택적으로 제 2간접 접촉식 열교환부 상부에 분배시키거나 혹은 분배시키지 않을 동안에 이루어진다. 프럼 형성이 방지되어지며, 이는 배출공기가 열교환 장치를 떠나기 전에 건조 간접 접촉식 열교환부에 접촉되어 가열되기 때문이다.

Description

물소모가 감소되는 폐쇄 회로식 열교환 시스템 및 방법{CLOSED CIRCUIT HEAT EXCHANGE SYSTEM AND METHOD WITH REDUCED WATER CONSUMPTION}
본 발명은 열교환기들에 관한 것으로, 보다 상세히는 폐쇄 회로식 증발형 열교환기들과 조합형 직접 및 간접 폐쇄 회로식 증발형 열교환기들에 관한 것이다.
폐열(waste heat)은 건식 혹은 감열(sensible heat)식 열교환기에 의해서 대기로 방출되어질 수 있다. 이러한 건식 혹은 감열식 열교환기에서는, 2가지 유체: 공기흐름과 작동유체 흐름이 있다. 폐쇄식 시스템에서는, 상기 작동 유체흐름이 밀폐되어 공기흐름과 작동유체 흐름사이에서는 아무런 접촉이 없고; 상기 작동유체 흐름은 대기에 노출되지 않는다. 이러한 포위 구조체는 튜브형 코일일 수 있다. 감열(sensible heat)은 공기 흐름이 작동유체 흐름을 포위하고 있는 구조체 위를 통과하는 때에 교환된다. 당업계에서, 이러한 구조체들은 "소형 열교환기"들로서 알려져 있다.
대부분의 기후조건하에서, 증발식 열교환기들은 건식 열교환기들 보다 현저히 작동 효율을 개선시킨다. 증발식 열교환기의 한가지 방식은 직접 증발식 열교환기이다. 이러한 직접식 열교환기에서는, 단지 공기흐름과 증발식 액체흐름만이 사용되고; 상기 증발식 액체흐름은 통상적으로 물이며, 상기 2개의 흐름들은 서로 직접 접촉된다.
증발식 열교환기의 다른 방식은 간접 폐쇄 회로식 증발형 열교환기이고, 여기서는 3종류의 유체흐름이 사용되며: 공기흐름, 증발식 액체흐름 및 포위된 작동유체흐름이다. 상기 포위된 유체흐름은 최초로 간접식 열전달을 통하여 상기 증발 액체와 감열 교환하고, 이는 증발 액체와 직접적으로 접촉하지 않기 때문이며, 다음으로는 공기 흐름과 증발식 액체가 서로 접촉하는 때에 열 및 질량들을 교환한다.
증발식 열교환기의 다른 방식은 조합형 직접 및 간접 폐쇄 회로식 증발형 열교환기이다. 조합형 시스템들의 일례들이 Carter 에게 부여된 미국 특허 제 5,435,382(1995) 및 5,816,318(1998)호에 개시되어 있다.
건식 및 증발형 열교환기들 모두는 냉각기 혹은 응축기로서 열을 배출하도록 통상적으로 사용된다. 증발식 냉각기들은 보다 낮은 대기 습구 온도들에 도달하는 온도에서 열을 배출시키지만, 건식 냉각기들은 보다 높은 대기 건구온도들에 도달하는 것으로 제한된다. 여러 기후조건하에서, 대기 습구온도는 대기 설계 건구온도아래의 20 내지 30℉가 일반적이다. 따라서, 증발식 냉각기에서, 상기 증발식 액체흐름은 대기 건구온도보다 현저하게 낮은 온도에 도달하여 냉각공정의 효율을 향상시키고 전체 공정 에너지 수요를 낮추는 기회를 제공할 수 있다. 증발식 응축기들도 향상된 효율 및 보다 낮은 에너지 수요에 관련된 유사한 가능성을 제공한다. 공정효율을 증대시키고 전체 공정 에너지 수요를 낮추는 이와 같은 가능성에도 불구하고, 증발 냉각 및 증발 응축은 저온 기후에서 작동 도중에는 증발 액체의 증발로 인한 물 소비와 결빙 위험의 관점에서 종종 사용되지 못한다.
그리고, 감열 및 증발열 교환기들은 전형적으로 가장 큰 열 부담시에 그들의 필요한 열방출작동을 수행하도록 된 크기를 갖는다. 이러한 설계조건은 하절기 설계 습구 혹은 건구온도로서 전형적으로 표현된다. 이러한 설계 조건에서 상기 열 방출 장치들이 필요한 열량을 방출할 수 있도록 하는 것은 종종 중요한 사항일수 있지만, 이러한 상승된 대기온도의 지속기간은 상기 장치의 작동시간의 1% 정도로 적은 것일 수 있다. 이러한 시간의 나머지 부분동안에, 상기 장치는 필요이상으로 큰 용량을 갖게 되고, 이는 에너지 및 증발유체의 낭비결과를 초래한다.
본 발명은 증발 액체를 보존하면서 동시에 증발식 열교환의 효율을 갖는 열 추출에 관한 것이다.
도 1은 폐쇄 회로식 열교환 시스템을 도시한 것으로서, 열교환기의 내부를 도시하기 위하여 열교환 장치의 하우징의 일부가 제거되고, 부품들이 개략적으로 도시된 측면도;
도 1a는 제 2 간접식 열교환부로 향한 유입 흐름통로와 간접식 열교환부로 부터의 작동유체 바이패스 흐름통로를 도시하는 제 2간접 접촉식 열교환부의 일부분을 도시하는 확대 사시도;
도 2a는 본 발명의 열교환기가 제 1건조모드로 작동되는 경우, 작동 유체(process fluid)와 공기 흐름의 온도 변화를 개략적으로 도시하는 온도 그래프도;
도 2b는 본 발명의 열교환기가 단열 포화(adiabatic saturation)의 제 2모드로 작동되는 경우, 작동 유체(process fluid)와 공기 흐름의 온도 변화를 개략적으로 도시하는 온도 그래프도;
도 2c는 본 발명의 열교환기가 변조된(modulated) 작동유체 흐름의 제 3모드로 작동되는 경우, 작동 유체(process fluid), 공기 흐름 및 증발 액체의 온도 변화를 개략적으로 도시하는 온도 그래프도;
도 3a는 어느 한 선택 도시에 대하여 건구온도와 습구온도를 도시하고, 각각의 작동 모드에서 본 발명에 따른 열교환기의 작동을 도시하는 전형적인 연간 온도 그래프도;
도 3b는 종래의 폐쇄 회로식 증발형 냉각탑의 물 소비와 본 발명의 예상 물 소비를 비교한 그래프도;
도 4는 폐쇄 회로식 열교환 시스템의 제 2실시예를 도시한 것으로서, 열교환기의 내부를 도시하기 위하여 열교환 장치 하우징의 일부가 제거되고 부품들이 개략적으로 도시된 측면도;
도 5는 폐쇄 회로식 열교환 시스템의 제 3실시예를 도시한 것으로서, 열교환기의 내부를 도시하기 위하여 열교환 장치 하우징의 일부가 제거되고 부품들이 개략적으로 도시된 측면도;
도 6은 폐쇄 회로식 열교환 시스템의 제 4실시예를 도시한 것으로서, 열교환기의 내부를 도시하기 위하여 열교환 장치 하우징의 일부가 제거되고 부품들이 개략적으로 도시된 측면도;
도 7은 본 발명에 따른 폐쇄 회로식 열교환기에 사용될 수 있는 건조 간접 접촉식 열교환 장치 혹은 소형 열교환기의 사시도;
도 8은 본 발명에 따른 열교환기의 제 2간접식 열교환부에 사용 가능한 하나의 사형(serpentine) 회로를 도시한 전면도;
도 9는 본 발명에 따른 열교환기에 사용 가능한 제 2간접식 열교환부를 도시한 측면도;
도 10은 인접한 회로들과, 유입 및 배출 헤더의 구성사이의 어긋난(staggered) 관계를 도시하는 제 2간접식 열교환부의 전면도;
도 11은 폐쇄 회로식 열교환 시스템의 다른 실시예로서, 열교환기의 내부를 도시하기 위하여 열교환 장치 하우징의 일부분이 제거되고, 부품들이 개략적으로 도시되며, 본 발명의 원리가 응축기내에 사용되는 것을 도시하는 측면도;
도 12는 폐쇄 회로식 열교환 시스템의 다른 실시예로서, 열교환기의 내부를 도시하기 위하여 열교환 장치 하우징의 일부분이 제거되고, 부품들이 개략적으로 도시되며, 응축기의 다른 실시예를 도시하는 측면도;
도 13은 본 발명의 원리를 적용하는 열교환기의 외부를 도시한 외관 사시도; 및,
도 14는 도 13의 열교환기의 외측 다른 부분을 열교환기의 반대측 모서리로부터 절취하여 도시한 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
8..... 열교환 시스템 10..... 열교환 장치
12.... 작동유체 유입구 14..... 작동유체 배출구
16.... 열교환부 22..... 유체회로
24.... 유입 헤더 28..... 간접 접촉식 열교환부
32.... 공기 배출구측 36..... 코일 조립체
40.... 상측 유체헤더 46..... 분배 시스템
50.... 분배 파이프 시스템 54..... 수조
64.... 바이패스 흐름통로 66..... 흐름제어 메카니즘
70.... 온도 센서 72..... 프로그램 가능한 논리요소
76.... 직접 접촉식 열교환부 78..... 공기 유입구측
84.... 공간 90..... 밸브
94.... 하우징 95..... 개구부
102... 댐퍼 104.... 모터
110... 공기흐름 200.... 작동유체 공급흐름 통로
204... 연결회로 208.... 공통용기
218... 연결회로 222.... 체크제어밸브
이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.
열교환 시스템(8)의 제 1실시예가 도 1에 도시되어 있다. 상기 시스템(8)은 작동 유체로부터 열을 추출하기 위한 열교환 장치(10)를 포함한다. 상기 열교환 시스템(8)은 외부장치(미도시), 예를들면 제조공정의 장치로부터 작동 유체를 받도록 연결된 작동 유체 유입구(12)를 포함한다. 열교환 장치(10)내의 작동 유체로부터 열이 방출된 후, 상기 작동 유체는 작동 유체 배출구(14)를 통하여 배출된다.
상기 작동 유체는 예를 들면, 상기 유입구(12)를 통하여 일정온도에서 받고 보다 낮은 온도에서 배출구(14)를 통하여 배출되는 물과 같은 단상 액체( a single-phase liquid)를 포함할 수 있다. 다르게는, 상기 작동 유체는 상기 유입구(12)를 통하여 일정온도에서 받고, 보다 낮은 온도에서 배출구(14)를 통하여 배출되는 단상 가스( a single-phase gas)를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 열교환 시스템은 유체 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 유체냉각 시스템이 도 1및 4-6에 도시되어 있다. 상기 열교환 시스템(8)은 응축 시스템을 포함할 수도 있으며, 이 경우에, 상기 작동 유체는 단상 액체 혹은 다상 유체(a multi-phase fluid)에 대한 액체 및 가스의 혼합물로서 상기 배출구(14)로부터 배출되는 2상 혹은 다상 유체를 상기 유입구(12)에서 포함할 수 있다. 유체응축 시스템이 도 11-12에 도시되어 있다. 이러한 작동 유체들의 일례들은 단시 예시적인 것이며, 본 발명은 청구범위에 기재되어 있는 것 외의 특정 타입 혹은 상(phase)의 작동 유체에 제한되는 것이 아님을 알아야 한다.
상기 도시된 열교환 장치(10)는 밀폐 회로식 열교환기이다. 상기 작동 유체는 유입구(12)와 배출구(14)사이에서 포위되어 대기로의 작동 유체의 노출은 없으며, 상기 장치(10)내에서 상기 작동 유체 흐름과 공기 혹은 증발 액체의 어떠한 흐름 사이에 직접적인 접촉은 없다.
도 1, 4-6 및 11-12의 열교환 시스템(8)은 열교환 장치(10)의 범위내에, 그리고 열교환 장치의 외측에 다양한 요소들을 포함한다. 이하에서 설명되어지는 시스템의 다양한 요소들은 다르게 기재되어 있지 않는 한, 상기 열교환 장치의 내측 혹은 외측에 위치되어질 수 있음을 알아야 한다. 여기에, 그리고 청구범위에 기재되어 있는 바와 같이, "열교환 시스템"이란 표현은 열교환 장치내의 얼마간의 요소들과 상기 장치 외측의 얼마간의 요소들을 포함하는 열교환 시스템과 하나 이상의 열교환 장치들을 사용하는 열교환 시스템 및 상기 장치 범위내의 특징을 갖는 열교환 장치 모두를 포함하도록 광범위하게 해석되어야 하고; 여기서 참조부호 18은 일반적으로 열교환 시스템을 통칭하는 것으로 사용된다.
도 1실시예의 열교환 시스템(8)은 건조 간접 접촉식 열교환부(16)를 포함한다. 이와 같은 건조부(16)는 공기 유입구측(18), 공기 배출구측(20) 및 도 1에서 22로 도시된 작동 유체회로들을 갖는다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 도시된 유체회로(22)는 유입헤더(24), 배출헤더(25) 및 다수의 튜브(26)들을 갖추고, 각각의 튜브는 상기 튜브의 외측에 연결되는 다수의 핀(fin)(27)들을 갖는다. 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)는 Richmond Virginia의 Super Radiator Coils에 의하여 판매되는 상업적으로 구입 가능한 외부 핀장착형 열전달 코일을 포함할 수 있고, 이는 5/8인치 X 0.020 인치의 벽 구리 튜브들과 0.008인치의 알루미늄 핀(평편형)을 구비한 도 7에 도시된 바와 같은 24개의 회로들 일 수 있다.
이와 같은 열전달 코일은 단시 예시적인 것이며, 본 발명은 이와 같은 특정 열전달 코일에 한정되는 것은 아님을 알아야 한다. 상업적으로 유용한 2이상의 코일들이 열을 지어 혹은 평행으로 연결가능하여 건조 간접 접촉식 열교환부(16)를 포함할 수 있다. 도 1 및 11-12는 2개의 이와 같은 코일들의 평행 구조들을 도시하고 있다. 이와 같은 코일들의 조합은 제조품 크기에 따라서 다르게 될 수 있다.
다른 외부 핀 장착형 구조체들이 사용가능하고, 예를 들면 외측에 나선형으로 감싸여진 핀들을 구비한 튜브 혹은 " 소형 열교환기"들로서 분류된 다른 형태의 조합체들이 사용 가능함을 알아야 하고; 상기 건조 간접식 열교환부에 대한 구조체가 단지 예시적으로 제공되어 있다. 예를 들면, 도 1 및 4에 도시된 바와 같은 열교환 시스템에 대하여, 코일을 가로지르는 압력 강하를 최적화 하기 위한 건조식 열교환 코일들을 구축할 필요가 있을 수 있다. 예를 들면, 상기 건조식 열교환 부의 면적(face area)이 공기 흐름에 최적화되어 경제적이고 효율적인 작동을 이룰 수 있다. 외부 혹은 내부 핀 장착형의 어떠한 상업적 방식의 코일 구조도 사용가능하며, 예를 들면, 원형 혹은 주름진 핀을 갖는 코일들과, 상기 건식 모드(dry mode)에서 작동하는 다른 적절한 방식의 열교환기들이 사용가능하고, 상기 열교환기들은 압력강하가 과도하지 않도록 구축되어야 한다. 외부 핀들은 최소한의 필요한 공기측 압력강하를 이루면서 상기 건조식 열교환부(16)의 작동 효율을 증대시킬 것이 기대된다.
상기 건조 간접접촉식 열교환부(16)의 보충으로, 제 2간접 접촉식 열교환부 (28)가 제공되고; 이러한 두 번째 부(28)는 건조식 혹은 증발식 열교환을 위하여 선택적으로 작동가능하다. 이러한 제 2 간접접촉식 열교환부(28)는 공기 유입측 (30), 공기 배출측(32)및 작동 유체회로(34)들을 포함한다. 상기 도시된 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 작동 유체 회로(34)는 미국특허 제 5,435,382호에 기재되고 도시된 방식의 단일 코일 조립체(36)를 포함한다. 도 8-10에 도시된 바와 같이, 상기 코일 조립체(36)는 일반적인 직사각형 형상을 갖추고, 사형의 수평 밀폐형의 이격된 평행 회로(38) 열들을 갖는다. 이 모든 회로(38)들은 상부측 유체헤더(40)에 연결된 상단부와 하부 유체헤더(42)에 연결된 하단부를 갖는다. 상기 도시된 첫 번째 실시예에서, 상기 하부 유체헤더(42)는 유입헤더를 포함하고, 상기 상부유체헤더(40)는 상기 열교환 시스템이 유체 냉각기로서 사용될 때, 배출헤더를 포함한다. 상기 유입 및 배출 헤더(42)(40)들은 상기 열교환 시스템들이 도 11-12에 도시된 바와 같이, 유체 냉각기 대신에 응축기로서 사용된다면, 바뀔 수 있다. 그리고, 상기 헤더(40)(42)와 사형 회로(38)들은 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 작동 유체회로(34)를 포함한다.
미국 특허 제 5,435,382호와 5,816,318호에 개시된 그리고 도 8-10에 도시된 바와 같이, 상기 코일 조립체(36)내의 각각의 개별회로(38)는 단일의 연속적인 길이의 코일 튜브들로 이루어지고, 이들은 몇몇의 U 형 열 A-E의 튜브를 형성하는 절곡작업을 거쳐서, 결과적으로 사형 형상의 각각의 회로(38)들을 제공함으로서 서로에 대하여 수직으로 등간격을 유지하게 된다.
상기 제 2 간접 접촉식 열교환부의 코일은 최대 건식 및 습식 성능과 낮은 유체 압력강하를 바람직하게 갖는다. 상기 제 2 간접 접촉식 열교환부(28)는 강재 프레임 작업을 통한 강재 튜브들을 포함하여, 예를 들면 Maryland, Baltimore 의 Baltimore Aircoil company로부터 상업적으로 구입 가능한 밀폐 회로식 냉각탑 1500 시리즈 및 증발식 응축기 1500 시리즈들에 사용되는 것들을 포함할 수 있다. 상기 제 2 증발식 열교환부(28)에 다른 구조체들이 사용되어 질 수 있음을 알아야 한다. 예를 들면, 상기 코일의 튜브들이 건식 모드로 사용되는 경우, 보다 효과적인 열전달을 위하여 외부에 핀이 장착될 수 있고, 혹은 상기 튜브들은 당업계에서 알려진 바와 같이, 마이크로 핀(microfins) 혹은 그 밖의 유사한 구조를 구비한 내부 핀 장착형일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 열교환 시스템(8)들은 제 2증발식 열교환부내에서 선택적인 건조 및 증발 열교환을 위하여 제 2간접 접촉식 열교환부(28)에 증발 액체를 선택적으로 분배시키기 위한 분배 시스템(46)도 포함한다. 상기 도시된 제 1실시예에서, 이러한 분배시스템(46)은 상기 제 2간접 접촉식 열교환부(28) 상부측에 배치된 다수의 스프레이 노즐(48)들을 포함한다. 상기 스프레이 노즐(48)은 제 2간접 접촉식 열교환부 상부측에 배치된 분배 파이프 시스템(50)에 연결되고, 수직 분배파이프(52)에 연결된다. 상기 수직 분배 파이프(52)는 펌프(54)에 연결되어 상기 제 2 간접 접촉식 열교환부 하부측에 위치된 수조(56)로부터 증발 액체를 흡인하도록 연결된다. 상기 펌프 이외의 장치가 사용되어 상기 수조(54)로부터 벤튜리와 같은 스프레이 노즐(48)로 증발 액체를 이동시키도록 사용가능하다. 상기 도시된 분배 시스템(46)은 단지 예시를 위한 것이며, 본 발명은 상기 부품이 청구항에 기재되어 있는 것 외에 여기에서 도시된 부품들에 한정되지 않는 다는 것을 알아야 한다.
상기 분배 시스템(46)은 상기 장치로 증발액체를 유입시키기 위하여 회로 (47), 밸브(49) 혹은 다른 적절한 장치를 포함할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같은 상기 실시예에서는, 상기 증발 액체가 수조(56)내로 유입된다. 센서(51)가 상기 수조(56)내에 위치되어 상기 증발 액체의 레벨이 사전에 결정된 레벨 아래로 떨어지는지를 판단하여 펌프를 작동시키거나, 혹은 밸브(49)를 열어 상기 증발 액체의 보급을 보충하게 된다. 상기 증발 액체는 물일 수 있다.
상기 도시된 첫 번째 열교환 시스템(8)은 상기 건조 간접 접촉식 열교환부의 작동유체 회로(22)로부터 제 2 간접 접촉식 열교환부의 작동 유체회로(34)로 향한 작동유체 연결통로(60)를 포함한다. 본 실시예에서, 상기 제 2간접 접촉식 열교환부(28)로부터 작동유체 배출구(14)로 향한 작동유체 배출흐름 통로(62)와, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부 작동유체 회로(22)로부터 작동유체 배출구(14)로 향한 작동유체 바이패스 흐름통로(64)가 있다. 모든 흐름 통로(60)(62)(64)들은 예를 들면, 표준재료, 즉 외측면이 도금된 강재 파이프, 혹은 스테인레스 강재 파이프등의 표준 직경의 파이프들, 혹은 회로들을 포함할 수 있다. 상기 연결 통로(60)와 바이패스 흐름통로(64)들은 도 1a에 보다 상세히 도시되어 있다.
흐름제어 메카니즘(66)이 제공되어 작동유체의 흐름을 제어함으로서 상기 작동유체 배출구(14)를 통하여 배출되는 작동유체가 몇몇의 혼합온도 Tfo(도 2a-2c 참조)에서 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)와 제 2 간접 접촉식 열교환부(28)로부터 선택적으로 흡입되어질 수 있다. 상기 흐름제어 메카니즘(66)은 상기 작동유체가 건조 간접 접촉식 열교환부(16)만으로부터, 그리고 상기 건조 간접접촉식 열교환부에 직렬을 이룬 제 2간접 열교환부(28)로부터, 혹은 상기 건조 및 제 2간접 접촉식 열교환부(16)(28)들 모두로부터 동시에 그리고, 혼합되어 흡입되도록 할 수 있다. 상기 흐름 제어 메카니즘(66)은 예를 들면 조절 밸브등과 같은 3방향 밸브를 포함할 수 있다. 상기 조절 밸브는 작동유체 흐름을 제어할 수 있도록 놓여져서 상기 건조 간접 접촉식 열교환부 유체회로(22)를 빠져 나가는 작동유체가 상기 제 2 간접 접촉식 열교환부(28)의 유체회로를 완전하게 바이패스하거나, 혹은 부분적으로 바이패스하거나 혹은 진입하도록 할 수 있다. 상기 조절 밸브는 Wisconsin, Milwaukee의 Johnson Controls, Inc.로부터 상업적으로 유용한 3방향 VF 시리즈 버터플라이 밸브등과 같이 동일한 동력원으로부터 사용가능한 공압 혹은 전기식 액튜에이터를 구비한 서보 밸브들을 포함할 수 있다.
다른 흐름 제어 장치(66)들이 사용가능하고, 본 발명은 청구범위에 기재된 사항을 제외하고는 어느 특정 타입의 흐름제어장치에 제한되고자 하는 의도는 아닌 것이다. 예를 들면, 적용 예에 따라서, 수동식 3방 밸브가 사용가능하며, 혹은 동력식 혹은 수동식 밸브의 조합체들이 사용되어 상기 작동유체가 건식 및 제 2간접식 열교환부(16)(28)를 통하여 선택적으로 흐르도록 하는 결과를 얻을 수 있다. 따라서, 상기 작동유체 배출구를 나가는 작동유체가 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)와 제 2 간접접촉식 열교환부(28)로부터 선택적으로 흡입되어질 수 있도록 상기 작동유체의 흐름을 제어하는 메카니즘(66)은 수동식 3 방향 밸브, 다수의 동력식 혹은 수동식 밸브, 3방향 조절 혹은 혼합밸브, 혹은 그 밖의 적절한 장치 혹은 장치들의 조합체들을 포함할 수 있다. 상기 흐름제어장치 혹은 장치(66)들은 원하는 효과를 얻기에 필요한 어느 곳에도, 예를 들면 상기 작동유체 배출구(14)와 제 2간접접촉식 열교환부(28) 사이 혹은 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 상류측에 위치되어 도 1에 도시된 바와 같이 바이패스 흐름통로(64)와 연결흐름통로(60)로의 흐름을 제어할 수 있다. 적절한 밸브들도 공통의 혼합탱크에 조합되어 상기 바이패스 흐름통로(64)와 배출흐름통로(62) 모두로부터 유입물을 받고, 상기 작동유체 배출구(14)에 연결된 드레인(drain)을 구비할 수 있다. 도 11-12의 실시예에 관련하여 이하에서 설명하는 바와 같이, 밸브들이 간접 접촉식 열교환부(16)(28)의 모두의 상류측에 위치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 2간접접촉식 열교환부(28)의 습식 작동 도중에, 상기 제 2간접 접촉식 열교환부(28)을 통한 작동유체의 흐름은 최소화되어 증발 열전달을 최소화하고 그에 따라서 증발작동에서 증발액체의 손실을 최소화한다. 상기 흐름제어 메카니즘(66)은 바람직하게 상기 건조 간접식 열교환부(16)의 사용을 최대화하여 증발 액체를 보존한다.
상기 열교환 시스템(8)은 온도 센서(70)를 포함하여 상기 작동유체 배출구(14)를 통하여 배출되는 작동 유체의 온도를 결정하도록 연결될 수 있다. 상기 온도 센서(70)는 상기 흐름제어 메카니즘(66)이 자동식인 경우, 상기 작동유체 배출구(14)를 빠져 나가는 상기 작동유체의 온도에 대응하여 흐름제어 메카니즘(66)의 작동을 제어하도록 연결될 수 있다. 상기 온도 센서(70)는 예를 들면, Wisconsin, Milwaukee의 Johnson Controls, Inc.로부터 상업적으로 유용한 SET189A 시리즈 온도센서와 필요한 배관 장착 구조품들을 포함할 수 있다. 이러한 장치는 단지 예시적으로 기재된 것이고, 본 발명은 이와 같이 청구범위에 기재된 사항을 제외한 이와 같은 장치에 제한되는 것은 아니다. 다른 중요한 제어밸브 제작자들의 다른 유사한 온도 센서들도 동일하게 사용 가능하다. 다르게는, 상기 흐름 제어 메카니즘(66)이 상기 작동유체 배출구(14)에서 작업자에 의해서 취해진 온도 판독값에 기초하여 수동으로 조작될 수 있고, 혹은 다른 변수(parameter)에 기초하여 수동으로 조작되거나 혹은 자동으로 제어될 수 있다. 예를 들면, 어떤 상황하에서는, 대기의 기후조건에 따라서 상기 변조 밸브(66)를 제어하는 것이 바람직 할 수 있고; 온도 센서가 위치되어 상기 열교환부중의 하나로 유입하기 전에, 도 11-12에 관련하여 아래에서 설명하는 바와 같이, 대기온도를 측정할 수 있다. 그리고, 센서가 사용되어 상기 작동 유체의 다른 특성, 예를 들면 압력들을 검출하도록 사용될 수 있고, 작동유체의 압력에 대응하여 작동하는 흐름제어 메카니즘(66)을 구비할 수 있다. 자동 작동은 최적의 성능을 위하여 바람직할 것이다.
상기 작동유체 온도센서(70)는 상기 흐름제어 메카니즘(66), 혹은 도 1에서 상기 센서(70)와 제어 메카니즘(66)사이의 점선으로 도시된 바와 같이 상기 흐름제어 메카니즘(66)의 프로그램 가능한 논리 요소(programmable logic element), 혹은 공장의 자동화된 제어 시스템 혹은 단독 거치식 컴퓨터 시스템등에 직접 연결될 수 있다. 공장제어 시스템의 일부분인, 혹은 단독 거치식 컴퓨터 시스템의 일부분인 프로그램 가능한 논리 요소(72)가 사용되어 몇몇의 서보 메카니즘을 제어하도록 활용될 수 있다. 어떠한 적절한 프로그램 가능한 논리 요소(72)들도 상기 시스템(8)의 일부로서 포함되어 온도 센서(70)로 부터의 입력값을 받고 상기 온도 판독값에 기초하여 여러 가지 모터, 밸브 및 펌프들의 작동을 제어할 수 있다. 적절한 프로그램 가능한 논리 요소의 한가지 예가 Wisconsin, Milwaukee의 Johnson Controls, Inc.로부터 상업적으로 유용한 시스템 350 A350P 전자 비례식 플러스 일체형 온도 제어기이다. 콘트롤러 설계, 선택 및 실행분야의 당업자등은 최적의 프로그램 가능한 논리 요소들을 선택하고 실행함에 있어 최적의 결과들을 얻기 위하여 조언을 받을 것이 예상된다. 부가적인 입력값(74)들이 상기 프로그램 가능한 논리 요소(72)들에 제공되어, 작업자로 부터의 입력값 혹은 대기온도를 결정하거나 혹은 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16), 제 2간접 접촉식 열교환부(28) 혹은 직접 접촉식 열교환부(76)들로 유입하는 공기흐름의 온도들을 결정하기 위하여 세트된 온도센서와 같은 부가적인 센서들로 부터의 입력값이 제공된다. 다른 방식의 센서들이 사용되어 상기 작동 유체의 다른 물리적인 특성들을 검출하도록 사용 가능하다. 예를 들면, 도 11-12의 유체 응축기에 대하여 아래에서 설명되는 바와 같이, 압력 센서들이 사용되어 작동 유체의 압력을 결정하도록 사용가능하고, 압력 판독값들이 상기 프로그램 가능한 논리 요소(72)에 입력될 수 있다.
증발식 액체분배 시스템(46)의 일부로서 동력식 혹은 수동식 작동밸브(미도시)를 포함하는 것이 바람직 할 수 있다. 상기 밸브는 제 2간접식 열교환부(28)의 코일들로 분사되어지는 증발 액체의 체적, 흐름 기간 혹은 유속등을 제어하기 위하여 사용 가능하다. 상기 밸브는 프로그램 가능한 논리 요소(72)에 연결되어 상기 밸브의 작동이 작동유체 온도 혹은 다른 변수들에 근거하도록 할 수 있다. 그러나, 습식 모드로 작동되는 경우, 상기 증발식 액체의 흐름은 상기 분사노즐들에 적합하고, 그리고 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 튜브 열(banks)들을 전체적으로 커버하기에 충분한 흐름 범위내에 유지되어야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 열교환 시스템(8)은 공기 유입측(78), 공기 배출측(80) 및 충진 매체(82)를 갖는 직접 접촉식 열교환부(76)도 포함할 수 있다. 상기 도시된 실시예에서, 상기 직접부(76)와 공기 유입측(78)은 대기가 상기 장치(10)내부로 흡인되어질 수 있도록, 그리고 상기 공기 배출측(80)이 공간(84)으로 개방되도록 위치된다. 그리고, 상기 공간(84)은 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 배출측(32)으로부터 공기를 받는다. 상기 직접 접촉식 열교환부(76)내의 충진 매체(82)는 플라스틱 충진재와 같은 표준 충진 매체와, 나무 혹은 세라믹 충진 매체, 혹은 당업계에서 알려진 다른 타입의 충진 매체들일 수 있다.
직교류식 흐름(cross flow)에 대하여, 상기 충진 매체는 Carter et al.에게 부여된 미국 특허 제 4,361,426호(1982)에 개시된 바와 같은 것일 수 있고; 대향류 흐름(counter flow)에 대하여, 상기 충진 매체는 Korenic에게 부여된 미국특허 제 5,724,828호(1998)에 개시된 바와 같은 사다리꼴형 시트로 이루어질 수 있다. 상업적으로 유용한 직교류식 흐름의 PVC 충진재, 즉 Pennsylvania, Reading의 Brentwood Industries로부터 상업적으로 유용한 "Accu-PAC CF 1900 냉각탑 필름"의 충진재가 사용가능하다. 도 1의 상기 도시된 제 1실시예에서, 상기 직접 접촉식 열교환부(76)는 제 2간접 접촉식 열교환부(28)로부터 증발 액체를 받도록 위치되며; 그러나, 증발액체 분배 시스템은 상기 직접 접촉식 열교환부(76)의 상부측에 제공되어 증발 액체가 상기 제 2간접 접촉식 열교환부(28)를 통하여 먼저 통과하지 않고 상기 직접부(76)에 분배되어질 수 있음을 알아야 한다.
상기 직접 접촉식 열교환부(76)는 단열 포화기(adiabatic saturator)로서, 그리고 상기 증발액체를 냉각시키기 위한 증발식 열교환기로서 작용하고, 바람직하게는 증발 액체를 보존하기 위하여 증발식 열교환기로서 최소한으로 사용된다. 연중 대부분에서, 상기 열교환 시스템이 건식 모드로 작동하는 때에, 상기 직접 접촉식 열교환부(76)는 정지한다.
수조(56)가 상기 직접 접촉식 열교환부(76)의 하부측에 위치된다. 그리고, 상기 열교환 시스템(8)은 수조(56)로부터 분사 배출구(48)로 증발 액체를 선택적으로 이동시키기 위한 메카니즘(54)을 포함한다. 상기 메카니즘(54)은 이하에서 설명되는 바와 같이, 선택시간에 작동하도록 제어되는 표준 펌프를 포함할 수 있다. 상기 펌프(54)는 예를 들면, 온도 혹은 압력 센서에 연결되어 증발액체가 온도 혹은 압력 판독값에 기초하여 제 2간접 접촉식 열교환부(28), 직접 접촉식 열교환부(76) 각각에 혹은 그 모두에 분배되어지도록 할 수 있다. 상기 온도 혹은 압력 판독값은 상기 작동유체의 온도 혹은 압력에 기초한, 즉 건조 간접 접촉식 열교환부(16)의 하류측 작동유체의 온도 혹은 압력, 즉 작동유체 배출구(14)에 인접한 것과 같은 것에 근거될 수 있다. 따라서, 상기 증발식 액체는 작동 유체의 온도 혹은 압력에 근거하여 분배되거나 혹은 분배되지 않을 수 있다. 콘트롤러가 이러한 목적을 위하여 사용될 수 있고; 상기 콘트롤러는 펌프를 위한 온-오프 스위치를 단순히 포함하여 상기 온도 혹은 압력 센서로 부터의 입력값을 받도록 연결되어질 수 있고, 혹은 보다 복잡한 콘트롤러, 즉 프로그램 가능한 논리 요소를 채용한 것이 사용가능하다. 상기 콘트롤러는 상기 센서(70)로부터 온도 혹은 압력 판독값들을 활용하는 상기 시스템의 일부로서 포함되는 중앙식 프로그램 가능한 논리요소의 일부분일 수 있고, 혹은 상기 프로그램 가능한 콘트롤러는 전체적인 공장 콘트롤러의 일부 혹은 단독 거치식 컴퓨터의 일부일 수 있다.
상기 수조(56)는 전형적으로 드레인(88)을 포함하여 상기 시스템으로부터 증발액체가 배출되어 년중 일정 기간, 즉 동절기에 결빙을 방지하게 된다. 상기 드레인(88)은 온도 센서에 의해서 제어되는 솔레노이드 밸브와 같은 제어 메카니즘(90)을 포함하므로서 대기온도가 예를 들면, 결빙온도 아래로 강하되면 드레인(88)이 개방될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 밸브(90)는 프로그램 가능한 중앙 논리요소(72)에 의해서 제어되도록 연결될 수 있고, 혹은 그 자신의 검지 시스템 혹은 장치에 의해서 수동으로 작동되거나 혹은 제어될 수도 있다. 솔레노이드 밸브(미도시)는 작동유체의 온도가 결빙점에 근접하도록 낮아지면, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16) 혹은 제 2간접 접촉식 열교환부(28) 각각의 코일을 자동으로 드레인시키도록 사용가능하다.
상기 제 2 간접식 및 직접식 열교환부들 각각에 대한 별도의 수조 및 펌프들이 있을 수 있다. 각각의 펌프는 Thomas P. Carter 및 Branislav Korenic에 의해서 공동으로 제출되고, " LOW PROFILE HEAT EXCHANGE SYSTEM AND METHOD WITH REDUCED WATER CONSUMPTION "으로 제목이 부여되었으며, 그 전체 개시내용이 여기에 전체로서 참조로 수록된 미국특허 출원 내용중에 개시된 바와 같이, 단독으로 작동하도록 제어될 수 있다. 다르게는, 단일 펌프가 2개의 별도의 분사시스템과, 상기 증발유체를 제 2간접 접촉식 열교환부 혹은 직접식 열교환부의 분사노즐들 각각으로 향하게 하는 밸브들을 갖고서 사용되어질 수 있다. 별도의 수조들을 갖고, 제 2간접식 열교환부용 수조가 상기 직접 열교환부의 상부측으로 상승 위치되거나 혹은 직접식열교환부 아래에 위치되어질 수 있다.
그리고, 상기 열교환 시스템(8)은 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16), 제 2간접 접촉식 열교환부(28), 직접 접촉식 열교환부(76), 공간(84) 및 분사노즐(48)들을 거의 에워싸는 하우징(94)을 갖추어, 이 모든 요소들이 상기 열교환 장치(10)내에 위치된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(94)은 직접 접촉식 열교환부 공기 유입측(78)에 일치하는 개구(95)를 갖는다. 루버(louvers)(97)는 개구(95)를 분리한다. 상기 도시된 개구(95)는 공기의 직교류형 흐름이 직접 접촉식 열교환부(76)의 공기 유입측(78)을 통하여 들어가고, 공기 배출측(80)을 통하여 배출되며 공간(84)을 통하여 유입하도록 하고; 상기 직접 접촉식 열교환부(76)를 통한 공기 흐름이 도 1과 5-6에서 96으로 도시되어 있다. 도 1과 13에 도시된 바와 같이, 하우징(94)은 제 2간접 접촉식 열교환부(28) 상부측에서, 그리고 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 공기 유입측(30)으로 향하는 개구(99)도 갖는다. 도 1과 5-6에 도시된 바와 같이, 제 2간접 접촉식 열교환부(28)를 통한 공기 흐름은 증발 액체의 흐름과 동시적으로 일어날 수 있으며, 상기 공간(84)으로 제 2간접 접촉식 열교환부를 빠져 나가며; 상기 제 2간접 접촉식 열교환부(28)를 통한 공기흐름이 도 1과 4-6에 도시되어 있다. 상기 제 2간접 및 직접 접촉식 열교환부(28)(76) 모두의 공기 유입측(30)(78)들은 다르게 배치되어 제 2간접식 열교환부(28)을 통하는 직교류식 흐름 혹은 대향류식 흐름을 제공하거나, 혹은 직접 접촉식 열교환부(76)를 통한 병행류(concurrent flow) 혹은 대향류를 허용할 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 2간접 접촉식 열교환부(28)내의 공기 흐름은 증발액체 흐름통로에 대한 대향류일 수 있다. 본 발명은 미국특허 제 5,435,382호 및 미국특허 제 5,724,828호 내에 기재된 장치의 어느 것과도 함께 사용될 수 있음을 알아야 하고, 이들 전체 내용은 여기에 전체로서 참조로 수록되어 있다.
상기 건조 간접접촉식 열교환부(16)를 통하여 흐르는 공기흐름은 도 1,4-6 및 11-14내에 110로 부여되어 있다. 상기 공기 흐름(110)은 1차(primary) 공기 흐름(98)과 2차 공기 흐름(96)의 조합이다. 상기 장치(10)는 건조 간접 접촉식 열교환부로 부터의 공기흐름 배출측에 도 13-14에서 105로 도시된 바와 같은 강선 스크린( wire screen )을 가질 수 있다.
도 1, 11-12 및 14에 도시된 바와 같이, 상기 열교환장치 하우징(94)은 건조 간접 접촉식 열교환부 공기 유입구(18)의 상류측 공간(84)으로 향하는 보조 공기 개구(100)를 가질 수 있다. 상기 보조 개구(100)는 제 2간접 접촉식 열교환부(28) 혹은 직접 접촉식 열교환부(76)를 먼저 통과하지 않고도 공간(84)으로 유입하는 대기 흐름(101)용 유입구를 제공한다. 댐퍼(102)가 제공되어 상기 보조 개구(100)를 선택적으로 밀폐시킬 수 있다. 댐퍼(102)는 도 1에서 104로 도시된 바와 같은 표준 규격의 하나 혹은 그 이상의 서보 모터들에 연결될 수 있고, 상기 모터(104)는 중앙논리요소(72) 혹은 다른 제어장치인 제어 메카니즘에 연결되어 상기 댐퍼가 예를 들면 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)의 하류측 작동유체의 온도나 혹은 그 밖의 인자(factor)들에 의존하여 자동으로 개폐가 이루어질 수 있는 것이다. 일반적으로, 유체 냉각기에 대하여, 댐퍼(102)는 상기 열교환 시스템이 습식 모드로 작동되는 경우 닫치고, 상기 열교환 시스템이 건조 모드로 작동하는 때에는 개방된다. 상기 댐퍼(102)는 반드시 모터가 장착될 필요는 없고, 수동으로 작동되어질 수 있는 것이다.
열교환 장치(10)의 부분들을 통하여 공기 흐름(96)(98)(101)(110)을 이동시키기 위해서는, 본 발명은 또한 공기이동장치(10)8를 포함한다. 상기 공기이동장치(10)8는 제 2 간접 접촉식 열교환부의 공기 유입구측(30)으로 대기를 이동시키고, 직접 접촉식 열교환부의 공기 유입구측(78)으로 대기를 이동시키며; 도 1,5-6 및 11-12의 실시예에서, 상기 대기는 공기 이동장치(108)에 의해서 열교환부로 흡인되어진다. 상기 공기이동장치(108)는 상기 제 2간접 및 직접 접촉식 열교환부(28)(76)를 통하여 공기흐름(98)을 이동시키고, 그들 공기 배출구측(32)(80)을 나가서 공간(84)으로 유입되고, 여기서 두 가지의 공기흐름(96)(98)은 혼합되어 도 1에서 110으로 도시된 하나의 혼합된 공기흐름(110)을 생성하며, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)를 통해 유입하고 통과한다. 만일, 상기 열교환장치가 도 1에 도시된 바와 같은 보조 공기개구(100)를 갖는다면, 상기 공기이동장치(108)는 대기를 상기 공간(84)으로 선택적으로 흡인시켜 조합된 공기흐름(110)으로 혼합되도록 한다. 상기 도시된 첫 번째 실시예에서는, 공기이동장치(108)가 상기 공간(84)의 하류측 및 건조 간접 접촉식 열교환부(16)의 상류측에서 상기 장치 하우징(94)내에 위치된 모터 장착형 팬으로 이루어져 제 2간접 접촉 및 직접 접촉부 (28)(76)를 통하여 공기 흐름(98)(96)을 흡인하고, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)를 통하여 공기흐름(110)이 강제적으로 흐르도록 한다. 상기 장치에 대한 이러한 장치와 위치들은 단시 예시적으로 기재된 것임을 알아야 한다. 다른 공기이동장치 혹은 시스템들이 도시된 위치에 혹은 다른 위치에서 사용되어 질 수 있고, 예를 들면 미국특허 제 5,724,828호 혹은 제 5,435,382호등에 도시되고 개시된 원심형 혹은 프로펠러형의 강제 통풍식 팬일 수 있는 것이다. 물론, 다른 공기 이동시스템도 사용 가능하다. 팬 혹은 다른 공기이동장치는 제어 메카니즘을 구비한 가변속도장치로 이루어져 팬의 속도를 변경시킬 수 있는 것이다. 상기 제어 메카니즘은 작동유체의 온도를 결정하기 위하여 연결된 온도 센서(70) 혹은 중앙논리 요소(72)로부터 입력값을 받도록 연결되어 상기 팬의 속도가 작동유체 온도에 따라서 변화되어질 수 있다. 예를 들면, 상기 작동유체가 보다 낮은 유속으로 필요한 온도범위까지 냉각되어져야 하는 때, 상기 팬을 보다 낮은 속도로 작동시킴으로서 에너지를 보존하는 것이 바람직할 수 있다. 그리고, 증가된 부하시에는 작동 가능한 보조 공기이동장치를 주 공기이동장치에 제공하는 것이 바람직 할 수 있다.
도 1의 열교환 장치는 미국특허 제 5,435,382호에 개시된, 그리고 Maryland Baltimore의 Baltimore Aircoil Company로부터 시리즈 1500 밀폐회로식 냉각탑 및 시리즈 1500 증발식 콘덴서로서 상업적으로 구입가능한 방식의 열교환 장치에 상업적으로 구입 가능한 표준 건조 간접식 열교환부를 부가함으로서, 그리고 작동유체 연결 흐름통로(60), 작동유체 배출흐름통로(62) 및 작동유체 바이패스 유체흐름 통로(64)와 흐름제어 메카니즘(66)들을 부가함으로서 제작되어질 수 있다. 상기 온도센서(70)와 프로그램 가능한 논리요소(72)는 열교환장치에 개장장치(retrofit)로서 부가될 수 있다. 다르게는, 상기 열교환장치는 단독으로 제작될 수 있다.
단상 유체 냉각기로 사용되면, 본 발명의 열교환 시스템은 3개의 모드로 작동 가능하다. 모드 1에서, 대략 15℃ 혹은 대략 59℉이하의 온도와 같은 낮은 온도에서, 냉각되어야할 고온의 작동유체는 작동유체 유입구(12)를 통하여 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)의 유입 헤더(24)로 공급된다. 상기 유입 헤더(24)로부터, 상기 작동유체는 그 스스로가 작동유체 회로(22)의 튜브(26)들을 통하여 분배되어 상기 작동유체는 건조 간접 접촉식 열교환부(16)의 하나 혹은 그 이상의 코일 조립체들을 포함하는 전체 회로들내에서 거의 균일한 유속으로 흐른다. 상기 작동 유체가 건조 간접 접촉식 열교환부(16)의 유체 회로(22)들을 가로지르는 경우, 상기 공기이동장치(18)는 튜브(26)와 핀 27들 위로 공기 흐름(110)을 이동시켜 작동유체를 냉각시킨다. 상기 공기흐름(110)은 건조 간접식 열교환부로 유입하기 전에 상기 제 2 간접식 열교환부(28)와 공간(84)을 통과한 1차 공기흐름(98)과, 상기 직접 접촉식 열교환부(76)와 공간(84)을 먼저 통과한 2차 공기흐름(96), 상기 보조 개구(100)와 공간(84)을 통과한 대기(101)의 보조흐름 및, 이러한 흐름(96)(98)(101)들의 혼합체를 포함할 수 있다. 상기 작동유체가 냉각되고, 배출 헤더(25)내에 받아진 후, 상기 전체 작동유체 흐름은 바이패스 흐름통로(64)로 유입하고 상기 제 2 간접식 열교환부(28)로 유입함이 없이 상기 작동유체 배출구(14)로 흐른다. 상기 전체 작동유체는 흐름제어 메카니즘(66)의 작동을 통하여 바이패스 흐름통로(64)로 향해진다.
상기 장치 혹은 시스템으로부터 배출하는 작동유체의 온도는 센서(70)에 의해서 검출될 수 있고, 만일 온도가 필요한 것보다 높다면, 상기 흐름제어 메카니즘(66)은 조정되어 상기 작동유체의 다소 혹은 전체가 작동유체 연결 흐름통로(60)를 통하여 유입되고, 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 유입 헤더(42)내로 유입되도록 한다. 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 유입헤더(42)로부터, 상기 작동유체는 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 코일 조립체(36)의 사형 유체흐름 회로(38)들을 통하여 그 스스로가 분배될 수 있다. 상기 작동유체가 제 2 간접식 열교환부(28)의 유체 회로(34)를 가로지르는 경우, 상기 공기이동장치(108)는 코일 조립체(36)위로 1차 공기 흐름(98)을 이동시켜 작동유체를 냉각시킨다. 이러한 첫 번째 모드의 작동에서, 상기 제 2 간접 접촉식 열교환부(28)는 건식 열교환기로서 작동하고, 그리고 상기 작동유체는 코일 조립체(36)위를 이동하는 공기(98)흐름에 의해서 더욱 냉각된다. 작동유체는 건조식 핀이 구비된 간접 접촉식 열교환부(16)내에서 주로 냉각되고, 건조 제 2간접 접촉식 열교환부(28)내에서 부분적으로 냉각된다. 상기 건조 제 2 간접 접촉식 열교환부는 이러한 작동모드에서 대략 6-15%의 냉각작용을 부가할 수 있는 것이다. 비-작동(non-active) 직접 접촉식 열교환부(76)로부터 시스템의 압력강하를 감소시키고, 상기 건조 간접접촉식 열교환부(16)로 보다 많은 공기를 제공하기 위하여, 상기 모터 장착식 댐퍼(102)는 자동으로 개방되어 부가적인 공기흐름 (101)을 보조 개구(100)를 통하여 공간(84)으로 유입시키게 된다.
모드 1에서 시스템의 작용효과가 도 2a에서 온도 구배로 그래프로서 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 작동 유체는 초기 유입온도 Tfi에서 작동유체 유입구(12)로 유입하고, 보다 낮은 최종 배출온도 Tfo에서 작동유체 배출구(14)를 빠져 나간다. 만일 작동유체가 제 2간접 접촉식 열교환부(28)를 바이패스 한다면, 상기 최종배출온도 Tfo는 도 2a 에서의 온도 Tf*로 도시된 바와 같이, 건조 간접접촉부(16)의 배출구에서의 작동유체온도에 동일할 것이다. 만일 작동유체가 제 2간접접촉식 열교환부(28)로 유입한다면, 상기 작동유체 온도는 온도 Tf*로부터 온도 Tfo로 강하할 것이다.
상기 최초 공기흐름(98)은 도 2a-2c에서 Tdbi로 부여된 최초의 건구온도에서 제 2간접 접촉식 열교환부(28)로 유입하고, 상기 2차 공기흐름은 이와 동일한 최초 건구온도 Tdbi에서 직접 접촉식 열교환부(76)로 유입한다. 2차 공기흐름(96)의 건구온도는 도 2a에서 수평실선으로 도시된 바와 같이, 상기 건조 직접 접촉식 열교환부(76)내에서 상대적으로 일정하게 유지된다. 만일, 아무런 작동유체도 제 2간접식 열교환부(28)내로 유입되지 않는다면, 최초 공기흐름(98)의 온도는 거의 일정하게 유지될 것이고, 도 2a 내의 수평선을 따르게 될 것이다. 만일 작동유체가 제 2간접식 열교환부(28)의 코일 조립체(36)를 통하여 흐른다면, 상기 최초 공기흐름(98)의 건구온도는 상승 경사선으로 도시된 바와 같이 제 2간접 접촉식 열교환부(28)를 통하여 이동하고 공간(84)으로 유입하는 경우, 상승된다. 상기 공간(84)에서, 공기흐름(98)은 건조 간접 접촉식 열교환부(76)로부터 받은 보다 찬 공기흐름(96)에 혼합된다. 따라서, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)으로 유입하는 공기흐름(110)은 예비냉각 될 수 있다. 상기 공기 흐름(110)의 건구온도는 공기흐름(110)과 작동유체가 상기 건조 간접접촉식 열교환부(16)내에서 열교환을 이루는 때에 상승한다. 만일, 상기 열교환장치가 모터 장착식 댐퍼(102)와 보조 개구(100)를 장착하고 있다면, 상기 댐퍼는 이러한 첫 번째 작동 모드에서 개방되어 보다 낮은 건구온도의 보다 많은 량의 대기를 유입하여 상기 최초 공기흐름(98)에 혼합시킴으로서 상기 공기흐름(110)이 Tdbi에 보다 근접된 온도에서 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)로 유입하게 된다. 다르게는, 압력강하를 감소시키기 위하여, 상기 보조 공기흐름 (101)이 2차 공기흐름(96)에 대체되어질 수 있다. 그리고, 도 2a 는 상기 열교환 시스템의 부분들에서 공기흐름의 해당 습구 온도들을 점선으로 도시하여 이러한 작동모드에서, 상기 공기 흐름의 건구온도가 구동력이라고 하는 것을 나타내고 있다. 가열되어지는 동안 상기 공기흐름은, 일정한 절대 공기습도로 유지된다.
도 2a-2c에서, 수평축을 따른 상기 열교환부(16)(28)(76)의 상대 영역들이 척도(scale)를 부여하여 도시되어 있지 않음을 알아야 한다. 상기 건조 간접 접촉부(16)내에서 유용한 실제 열교환 영역이 제 2간접 접촉식 열교환부(28)에 대하여 도시된 것보다는 매우 클 것으로 예상된다. 또한, 상기 직접 접촉식 열교환부(76)내의 열전달 영역은 제 2 간접접촉식 열교환부(28)의 열전달 영역에 동일하지 않을 것이며, 도시된 바와 같이 보다 클 것이다.
제 2작동 모드에서, 예를 들면 대기온도가 대략 15℃ 혹은 59℉를 넘은 높은 온도이고, 제 2간접 접촉식 열교환부(28) 및 직접 접촉식 열교환부(76)의 각각 혹은 모두가 상기 공기흐름이 공간(84)으로 유입하기 전에 그들 각각의 공기 흐름(98)(96)을 단열적으로 포화시킨다. 이러한 모드에서, 상기 증발액체 분배시스템(46)은 작동되어 통상적으로 물인 증발 액체가 제 2간접 열교환부(28) 혹은 직접 접촉식 열교환부(76) 혹은 그 모두 위로 상기 분배 시스템의 구조에 따라서 분사되어진다.
도 1에 도시된 실시예에서, 제 2작동모드의 상기 증발액체는 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 코일 조립체(36)위로 분사되고, 상기 직접 접촉식 열교환부(76)내의 충진 매체(82)로 그리고 수조(56)로 하향 낙하된다. 수조(56)로부터, 상기 증발액체는 펌핑되고 분배시스템을 통하여 재순환된다. 이와 같은 작동모드에서, 상기 증발액체의 온도는 Twbi로 도시된 대기흐름의 최초 습구온도에 동일하고 일정하게 유지된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 흐름제어 메카니즘(66)은 조정되어 상기 바이패스 유체흐름 통로(64)를 완전하게 개방시킴으로서 아무런 작동유체도 제 2 간접 접촉식 열교환부(28)를 통하여 흐르지 않게 된다.
아무런 작동유체가 제 2 간접 접촉식 열교환부(28)를 통하여 흐르지 않을 때, 상기 증발 액체는 제 2간접 접촉식 열교환부(28)와 상기 직접 접촉식 열교환부(76)를 통하여 상기 작동유체로 부터의 아무런 열부하도 없이 순환할 것이다. 대신, 상기 증발 액체의 순환은 각각의 제 2간접 및 직접 접촉식 열교환부(28)(76)에서 최초 및 2차 공기흐름(98)(96)을 포화시킬 것이다.
공기 흐름(98)(96)이 포화되면, 제 2간접 및 직접 접촉식 열교환부(28)(76)에서의 공기흐름 온도는 최초 건구온도 Tdbi로부터 보다 낮은 습구온도 Twbi로 강하할 것이다. 상기 공기 흐름(96)(98)의 절대 습도는 그들이 상기 습구 온도 Twbi를 따라서 포화되는 때 증가한다. 상기 최초 공기흐름(98)은 도 2b에서 실선 98으로 도시된 바와 같이, 아마 100% 포화를 이루지 못할 것이며, 그 온도는 상기 습구 온도보다 높을 것이다. 그러나, 상기 직접 접촉식 열교환부(76)내에는 보다 밀도 높은 매체가 있을 수 있기 때문에, 2차 공기흐름(96)의 온도는 도 2b에서 96의 하향 경사선으로 도시된 바와 같은 습구온도 Twbi에 도달하거나 혹은 보다 근접되게 추정할 수 있을 것이다.
단열적으로 냉각된 공기흐름(98)(96)이 팬(108)에 의하여 공간(84)으로 이동된다. 상기 2개의 공기흐름(96)(98)은 상기 공간내에서 혼합될 것이고, 상기 혼합된 공기흐름의 온도는 도 2b에서 "혼합(mix)"으로 도시된 바와 같이, 최초 및 2차 공기흐름(98)(96)의 온도 사이에 놓일 것이다. 상기 혼합온도는 상기 공기흐름의 량이 일정하지 않을 것이기 때문에, 2차 공기흐름(96)의 온도에 보다 근접될 것이다. 공간(84)으로부터, 상기 조합된 공기흐름(110)은 건조 간접 접촉식 열교환부(16)의 핀(27) 및 튜브(26)위로 이동될 것이다.
상기 조합된 공기흐름(110)의 건구온도는 도 2b에서 실선으로 도시된 바와 같이, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)에서의 작동인자( operative factor )일 것이다. 상기 조합된 공기흐름(110)의 건구 및 습구온도들은 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)내에서 증가할 것이지만, 절대 습도는 일정하게 유지될 것이다. 모터 장착식 댐퍼(102)는 닫쳐져서 보다 더운 대기의 건조공기흐름(101)이 보조 개구(100)를 통하여 공간(84)으로 유입되는 것이 차단된다.
증발액체가 상기 1차 및 2차 공기 흐름을 거의 포화시키기 때문에, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)로 유입하는 모든 공기는 대기의 건구온도 Tdbi아래로 예비 냉각되고, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)내의 냉각작용이 증진된다. 그리고, 상기 증발 액체가 상기 작동 유체로부터 아무런 열부하를 수반하지 않기 때문에, 증발을 통한 증발 액체의 손실이 최소화되어 증발 액체를 보존한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 작동유체는 건조 간접 접촉식 열교환부(16)내에서 초기의 유입 온도 Tfi로부터 온도 Tf*로 냉각된다. 아무런 작동유체도 제 2간접 접촉식 열교환부(28)를 통하여 흐르지 않기 때문에, 상기 작동유체의 배출구 온도 Tfo는 온도 Tf*에 거의 동일할 것이다.
대기 온도가 더욱 높아지는 경우, 혹은 작동유체의 배출구 온도가 설정점을 초과하는 경우, 상기 열교환 시스템은 모드 3으로 작동가능하다. 이러한 제 3모드 작동에서 온도 프로파일이 도 2c에 도시되어 있다. 이 모드에서, 상기 흐름제어 메카니즘(66)은 작동유체 흐름을 변조하도록 작동하여 상기 작동유체의 일부 혹은 모두가 작동유체 연결 흐름통로(60)로 유입하고, 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 작동유체 회로를 통과하여 흐른다. 상기 흐름제어 메카니즘(66)은 자동으로 혹은 수동으로 작동되어 상기 작동유체가 상기 건조 및 제 2간접 접촉식 열교환부(16)(28) 모두로부터 선택적으로 흡인되어 혼합된다. 외기 혹은 대기온도가 상대적으로 낮은 때에는, 즉 모드 2의 온도범위에 근접하는 때에는, 작은 량의 작동유체가 상기 연결 흐름통로(60)를 통하여 제 2간접식 열교환부 작동유체 회로(34)로 유입할 것이다.
결과적으로, 열적 공정은 상기 모드 2의 단열 포화 공정으로부터 조금만 벗어나게 되고, 증발 액체의 온도는 냉각 한계(유입공기 습구온도)보다 다소 높아 질 것이다. 당업자에게 이해될 수 있는 바와 같이, 상기 제 2간접식 및 직접 접촉식 열교환부의 공기 배출구 측(32)(80)을 빠져 나가는 공기 흐름(98)(96)의 온도는 다소 증가할 것이고, 증발액체의 소비도 다소 증가할 것이다. 이러한 온도 범위에서, 상기 제 2간접 접촉식 열교환부(28)는 건조 간접 접촉식 열교환부(16)를 보조하여 작동 유체를 원하는 온도까지 냉각시키는 것이다.
하절기에 대기온도가 상승하면, 흐름제어 메카니즘(66)은 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 유체 회로로 유입하는 작동유체량을 증가시킬 것이다. 하절기의 피크 온도에서, 즉, 설계 피크 온도에서, 모든 혹은 거의 모든 작동유체가 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 유체회로(34)를 통하여 진행될 것이다. 피크부하에서, 제 2간접 접촉식 열교환부(28)는 열부하의 상당부분을 부담하고, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)는 상기 설계 열부하를 충족하기 위한 보조 열교환기로서 작동한다. 이러한 단계에서 열 공정은 단열포화공정과는 현저하게 다르다. 상기 증발액체 온도는 모드 2에서 보다 현저하게 높으며, 상기 제 2간접 접촉식 열교환부(28)를 빠져 나가는 공기 흐름(98)의 온도는 모드 2에서 보다 현저하게 높지만, 건조 간접 접촉식 열교환부(16)가 효과적인 냉각을 수행하도록 하기에 충분할 정도로 아직은 낮다. 이러한 모드에서, 상기 직접 접촉식 열교환부(76)는 미국특허 제 5,435,382호와 5,724,828호에 개시된, 그리고 Maryland, Baltimore의 Baltimore Aircoil Company로부터 상업적으로 구입가능한 시리즈 1500 밀폐회로식 냉각탑 및 시리즈 1500 증발식 콘덴서내의 충진부들로서 거의 작동하여 증발액체를 냉각시킨다.
모드 3 작동의 효과들이 도 2c 의 온도 프로파일로서 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 작동유체는 건조 간접 접촉식 열교환부(16)내에서 최초 온도 Tfi로부터 건조부 배출구에서의 온도 Tf*로 냉각되고, 그렇지만 이는 다른 작동 모드에서와 같은 정도는 아니다. 상기 배출구(14)에서 작동유체의 온도는, 만일 대부분의 작동유체가 도 2c에서 수평선으로 도시되고 "바이패스 부분"으로 표시된 바와 같이 제 2간접 접촉식 열교환부(28)를 바이패스 한다면, 건조 간접 접촉식 열교환부(16)로 부터의 배출구 온도이거나 혹은 그것에 근접한 것일 것이다. 만일, 모든 작동유체가 연결 통로(60)를 통하여 흐르고, 제 2간접 접촉식 열교환부(28)를 통하여 배출구(14)로 통과된다고 하면, 상기 배출구(14)에서의 작동유체 온도는 도 2c에서 도시되고 "코일통과"로 표시된 보다 낮은 레벨로 낙하할 것이다. 양측 열교환부(16)(28)로부터 작동유체 혼합물을 인출하는 흐름제어 메카니즘(66)의 작동은 건조 간접 접촉식 열교환부(16)로부터 취해진 작동유체 50%와 제 2간접 접촉식 열교환부(28)로부터 취해진 작동유체 50%의 혼합물(mixture)에 대해서는 도 2c에서 "혼합"으로 도시된 바와 같이, 다른 배출구 온도들 사이에 위치한 배출구 온도 Tfo를 초래할 것이다. 상기 50-50의 혼합물은 단지 예시적인 것임을 알아야 하며; 상기 유체들의 실제 상대비율(percentages)은 흐름제어 메카니즘(66)의 작동에 따라서 변화할 것이고, 따라서 상기 혼합점은 상하 이동할 것이며; 예를 들면, 설계 피크 부하에서, 100%의 작동유체가 제 2간접 접촉식 열교환부의 코일로 들어가면, 상기 작동유체의 배출구 온도가 보다 낮은 점에 있을 것이라는 것이 예측된다.
이러한 제 3모드의 작동에서, 1차 공기흐름(98)의 건구온도는 제 2간접 접촉식 열교환부(28)내에서 그 습구 온도가 Twbi로부터 Twbo로 상승하는 경우에, Tdbi로부터 Tdbo로 강하할 것이다. 상기 2차 공기흐름(96)의 건구온도는 직접 접촉식 열교환부(76)내에서 그 습구 온도가 Twbi로부터 Twbo로 상승하는 경우에, Tdbi로부터 Tdbo로 강하할 것이다. 이러한 작동모드에서, 제 2공기흐름(96)의 배출구 건구 및 습구 온도들은 1차 공기흐름의 것들 보다 서로 근접되며, 그 이유는, 상기 2차공기흐름(98)이 1차 공기흐름(96)보다 더욱 포화되기 때문이다. 상기 2개의 공기흐름(96)(98)은 배출구 온도에서 "혼합"으로 표시된 바와 같이, 공간(84)내에서 혼합되어 1차 및 2차 공기흐름의 배출구 온도사이의 혼합온도에 도달한다. 다음, 상기 혼합된 공기흐름(110)은 건조 간접 접촉식 열교환부(16)를 통하여 통과되고, 상기 공기흐름(110)의 습구 및 건구온도들은 열이 작동유체로부터 추출되는 경우, 높아진다. 제 2간접 및 직접 접촉식 열교환부(28)(76)에서, 상기 공기흐름들의 습구온도들은 도 2c에서 실선으로 도시된 바와 같은 온도들이고, 상기 건구온도는 점선으로 도시된 바와 같은 온도들이다. 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)에서, 공기 흐름(110)의 건구온도는 실선으로 도시된 바와 같은 온도이고, 상기 습구 온도는 점선으로 도시된 것이다.
이러한 모드 3의 작동에서, 제 2간접 접촉식 열교환부(28)내의 증발액체의 온도는 공기흐름들의 습구온도와 상기 제 2간접 접촉식 열교환부로부터 배출된 작동유체 온도사이의 최초 온도 Twi로부터 상승할 것이다( 도 2c에서 "코일통과" 참조). 상기 최초 온도는 도 2c에서 도시되고 "제순환 증발액체"로 표시되며, 화살표 28로 표시된 온도 Two로 상승될 것이다. 상기 더운 증발액체는 다음으로 직접 접촉식 열교환부(76)로 유입하고, 여기서 온도 Two로부터, 도 2c에서 "재순환 증발액체"로서 표시되고 화살표(76)로서 도시된 선을 따른 온도 Twi로 냉각될 것이다.
본 발명의 물 절약효과는 도 3a와 도 3b를 비교함으로서 파악될 수 있다. 도 3a는 임의의 위치에서 통상적인 1년에 걸쳐서 본 발명의 열교환 시스템과 방법의 사용을 도시하고 있다. 이와 같은 예시를 위하여, 독일 Stuttgart/Echterdingen AB 용 건구 및 습구온도 프로파일들이 사용된다. 온도는 세로좌표 혹은 Y-축을 따라서 표시되고, 시간 수는 가로좌표 혹은 X-축을 따라서 표시된다. 따라서, 이러한 위치에서의 건구 온도는 봄, 가을 및 겨울동안의 한해의 70.3%에 대하여 15℃ 혹은 59℉이하임을 알 수 있다. 일년의 대략 17.7%에 대하여, 건구 온도는 15℃ 혹은 59℉ 이상이지만, 습구온도는 15℃ 혹은 59℉이하이다. 상기 건구온도와 습구온도들은 모두 일년의 대략 12% 동안 15℃ 혹은 59℉이상이다. 본 발명에서, 열교환 시스템은 아무런 증발액체가 사용되지 않고, 70.3%의 시간동안 건조식 장치로서 모드 1로서 작동되어질 수 있다. 대기 건구온도가 15℃ 혹은 59℉이상이지만 습구온도가 15℃ 혹은 59℉이하인 때에는, 열교환 시스템(8)이 단열포화로서 증발액체의 최소한의 손실을 이루면서 모드 2로서 작동가능하다. 상기 습구 및 건구 대기온도들 모두가 15℃ 혹은 59℉이상인 때에는, 열교환 시스템(8)과 공정들이 모드 3으로 작동가능하다. 상기 여러 가지 모드에서의 작동에 대한 특정 차단온도(cut-off temperatures)들은 단지 예시적인 것임을 알아야 한다. 여러 가지 모드의 작동에서의 실제 차단값들은 그 대신에 건조 간접접촉식 열교환부(16) 하류측의, 즉 작동유체 배출구(14)에서의 작동유체 온도와 압력수요에 직접적으로 의존할 수 있다. 상기 차단 작동유체의 온도와 압력들은 대기 온도들과 상호 관련되어 각각의 작동모드에 대한 사용기간들이 도 3a에 도시된 비율을 따라야만 할 것이다. 각각의 작동모드의 실제 비율의 작동가능한 시간은 상기 위치에 대한 특정 연간 온도 프로파일과 상기 열교환 시스템이 크기를 정하기 위한 설계 차단온도 및 압력들( 즉 공기 건구온도 설계 차단값)에 의존할 것이다. 각각의 모드사이의 변경들은 상기 설명한 바와 같이 자동제어를 통하여 혹은 수동제어를 통하여 이루어질 수 있고, 상기 조절밸브와 작동유체 온도센서의 사용이 바람직하다.
유체 냉각기에 대한 잠재적인 증발액체 절감효과가 도 3b에 그래프상으로 도시되어 있고, 열방출 부하가 당해 년에 걸쳐서 일정하다고 가정한다. 전형적인 밀폐회로식 증발 냉각탑에서, 증발액체 소모량은 특정 대기 기후조건들과는 본질적으로 무관하고, 대략 방출 열 1000 BTU's 당 물 1.2 파운드이다. 이러한 소비가 도 3b에서 상부측 수평 점선으로 도시되어 있다. 본 발명의 물 소비는 하부측 실선으로서 도 3b로 도시되어 있다. 이러한 특정 예에 대하여, 본 발명의 사용은 종래의 증발식 장치내에서 사용되는 물의 대략 90%의 절감 결과를 얻을 수 있다. 일반적으로, 상기 열방출 부하는 연중 일정하지 않을 수 있으나, 상당한 물절감 효과는 얻을 수 있을 것이다.
도 4-6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환 시스템(8)의 구조에서 많은 가능한 변경구조가 있을 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 열교환 시스템은 도 1에 도시된 방식의 직접 접촉식 증발 열교환부(76)를 가질 필요가 없고, 공기이동장치(108)는 강제 통풍식 프로펠러 팬 혹은 다른 방식의 팬을 포함할 수 있다. 따라서, 현존하는 대향류 강제 통풍식 간접 냉각탑은 본 발명의 이익을 얻기 위하여 상대적으로 적은 개조구조로서 개장될 수 있다. 도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 2개의 건조 간접 접촉식 열교환부들 혹은 장치(16)들이 복수의 코일 조립체(36)와 복수의 직접 접촉식 열교환부(76)들을 구비한 열교환장치에 부가되어질 수 있다. 도 5의 실시예에 도시된 바와 같이 직접 접촉식 열교환부(76)내의 대향류식(counterflow) 공기와 증발 액체흐름들을 갖는, 그리고 도 6의 실시예에서와 같이 직교류식(cross-current) 공기 및 증발액체 흐름을 갖는 열교환 장치(10)들은 적절한 밸브(66)들, 작동유체 연결흐름 통로(60)들, 작동유체 바이패스 흐름통로(64)들 및 작동유체 배출 통로(62)들과 함께 하나 혹은 그 이상의 건조 간접 접촉식 열교환기(16)들이 장착되어질 수 있고, 만일 필요하다면, 적절한 센서(70)(74)들과 프로그램 가능한 논리요소(72)들이 구비될 수 있다. 비록 상기에서 도시된 실시예들이 병행류 증발액체 및 공기흐름(도 1,5 및 6)와 제 2간접 접촉식 열교환부(28)내의 증발액체 및 공기 흐름에 대한 대향류 흐름(도 4)을 도시하고 있지만, 본 발명은 증발액체를 통한 공기흐름(98)의 직교류 흐름(cross-flow)을 사용하는 열교환 시스템(8)에도 적용 가능한 것이다. 비록 도 5와 6들이 단지 변조 밸브 66들과 작동유체 흐름통로(60)(64)들에 연결된 복수의 건식 및 제 2 간접 접촉식 열교환부중의 단지 하나만을 도시하지만, 이러한 복수의 부분들이 직렬(in series)로, 병렬(in parallel)로, 혹은 별도로 배치되도록 연결되어질 수 있음을 알아야 한다. 뿐만 아니라, 도 5-6에 도시된 바와 같이, 건조 간접 접촉식 열교환부(16)들은 도 1의 실시예에서와 같이 하류측이라기 보다는 공기이동장치(108)의 상류측에 위치되어질 수 있다. 그리고, 비록 도 1 및 4-6에 도시된 실시예들이 개조되어진 밀폐 회로식 열교환장치들의 일례들이지만, 다른 열교환 장치들이 개조되어 질 수 있고, 본 발명의 부품들의 다른 구성들이 최초 장치의 일부로서 이루어질 수 있음을 알아야 한다. 어느 한 클레임에 특별하게 기재되어 있지 않는 한, 본 발명은 어느 특정부품들에 제한되는 것이 아니고, 현재의 열교환기들의 개조에 제한되는 것은 아니다.
어떠한 열교환 시스템들도 표준 구조, 예를 들면 공기 배출구로부터 빠져나가는 물방울을 최소화하거나 혹은 제거하기 위한 드리프트 제거기(drift eliminators)(114)들을 포함할 수 있다. 상기 드리프트 제거기(114)들은 가깝게 이격 되어진 금속, 플라스틱 혹은 나무 슬레이트(slats) 혹은 루버들을 포함할 수 있고, 이들은 공기흐름이 관통하여 흐르도록 하지만, 공기중의 미세 물방울들을 수집할 것이다. 다른 표준 장치들이 본 발명과 함께 사용가능하다.
부품들을 선택함에 있어서, 건조 간접 접촉식 열교환부(16)와 제 2간접 접촉식 열교환부(28)들에 사용되어지는 특정장치들이 표준 엔지니어링 설계원리들에 근거하여 선택되어질 수 있다. 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)는 건조모드에서 대부분의 열 부하(thermal duty)를 달성하도록 그 크기가 정해지고; 이러한 모드에서는, 그 크기에 따라서, 제 2간접 접촉식 열교환부(28)는 예를 들면, 6-15%의 열 용량을 부가시킬 것이지만, 지배적인 열교환기는 건조 간접 접촉식 열교환부(16)의 핀 장착형 튜브(26)들일 것이다. 그러나, 습식 작동 모드에서, 제 2간접 접촉식 열교환부(28)들은 열부하의 60-70%를 처리할 것이고, 핀이 장착된 코일(26)은 나머지 40-30%를 담당할 것이다. 각각의 부분에 대한 실제 열부하 비율(percentages)은 이들 열교환기(16)(28)들의 상대적인 크기에 의존할 것이다. 만일 적용예가 년간 전체에 걸쳐서 동일한 열부하를 요구한다면, 큰 건조 간접 접촉식 열교환부(16)와 상대적으로 적은 제 2간접 접촉식 열교환부(28)를 선택하여야 할 것이다. 만일, 하절기, 그리고 습식 작동이 동절기 부하 및 건조 작동보다 큰 것으로 예상되는 경우, 보다 큰 제 2 간접 접촉식 열교환부(28)가 선택되어질 것이다.
그리고, 열교환 시스템 및 방법을 사용하는 효과가 유체 냉각에 대하여 설명되었지만, 상기 열교환 시스템 및 방법들은 다른 열 추출 작동, 예를 들면 증기응축(vapor condensing)등에 사용되어질 수도 있음을 알아야 한다. 증발응축에 관해서는, 작동 유체 흐름의 방향이 미국 특허 제 5,435,382호 및 5,816,318호에 기재된 바와 같이, 그리고 도 11 및 12에 관련하여 이하에서 설명되는 바와 같이, 상기 설명된 것과는 다르게 변경되어질 수 있다. 도 11 및 12에서, 동일한 참조부호들이 도 1 및 4-6의 실시예에 대하여 상기에서 설명된 동일부분에 부여되어 있다. 도 11은 응축기로서 사용된 열교환 시스템(8)을 도시하고 있으며, 이는 건조 간접 접촉식 열교환부(16)와 제 2간접접촉식 열교환부(28)를 통하여 흐르는 병렬 냉매흐름을 갖는다. 도 12는 응축기로서 사용되어지는 열교환 시스템(8)을 도시하며, 이는 건조 간접 접촉식 열교환부(16)와 제 2간접접촉식 열교환부(28)를 통하여 흐르는 직렬 냉매흐름을 갖는다. 도 11-12의 모든 실시예에서, 건조 간접식 열교환부(16)는 도 7에 도시된 방식의 그리고 상기에서 설명한 바와 같은 병렬로 연결된 2개의 열교환 장치를 포함할 수 있다. 도 1 및 5-6의 실시예에서와 같이, 도 11 및 12의 열교환 시스템들 각각은 직접 접촉식 열교환부(76)를 포함한다. 도 11-12의 응축기들의 모든 열교환부(16)(28)(76)들은 공기 유입측(18)(30)(78)과 공기 배출측 (20)(32)(80)을 갖는다. 상기 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 구조들은 도 11-12의 실시예들에 대하여 도 8-10에 도시된 바와 같이, 도 1 및 4-6에 도시된 것들과 동일할 수 있다.
전의 실시예에서와 같이, 도 11 및 12의 응축기들은 하우징(94)과 공간(plenum)(84)들을 갖는다. 상기 공간에서 하우징의 벽들은 보조 공기 개구부 (100)와 댐퍼(102)들을 갖추어 보조 공기흐름(101)이 상기 공간으로 유입되어 제 2간접 접촉식 열교환부(28) 혹은 직접 접촉식 열교환부(76) 각각을 통하여 먼저 통과함이 없이 건조 간접 접촉식 열교환부(16)의 공기 유입구측(18)으로 이동될 수 있다. 상기 보조 대기흐름(101)은 상기 설명한 바와 같이, 다른 공기흐름에 혼합되어 공통의 공기흐름(110)으로 되어질 수 있다. 댐퍼(102)가 제공되어 상기 보조 공기 개구부(100)를 선택적으로 폐쇄시킬 수 있다. 상기 댐퍼(102)들은 도 11-12에서 104로 도시된 바와 같이, 어떠한 표준 방식의 하나 혹은 그 이상의 서보 모터들에 연결되어질 수 있고, 상기 모터(104)들은 중앙 논리요소(72) 혹은 그 밖의 제어장치들에 연결가능한 제어 메카니즘에 연결되어 상기 댐퍼들이 예를 들면, 건조 간접 접촉식 열교환부(16)의 하류측 작동 유체의 온도와 압력등 혹은 다른 인자들에 따라서 자동으로 개폐되어질 수 있다. 일반적으로, 응축기들에 대하여, 상기 댐퍼(102)들은 열교환 시스템이 습식 모드로 작동하는 경우에는 닫쳐지고, 상기 열교환 시스템이 건식 모드로 작동하는 경우에는 개방되어야 한다. 도 1의 실시예에서와 같이, 상기 댐퍼(102)들은 동력화되지 않아도 되며, 수동으로도 작동 가능한 것이다.
도 11-12의 응축기들의 외관은 도 13-14에 도시된 것과 유사할 수 있으며, 하우징의 내측으로 개구부(95)에서 루버(97)들이 위치되는 것이다. 상기 하우징은 도 13-14에 도시된 바와 같이, 건조 간접 접촉식 열교환부로부터 빠져 나가는 공기흐름에 강선 스크린(wire screen) (105)를 가질 수 있다. 외측 배관은 도 13에 도시된 것과는 다소 다를 것이다. 도 11 및 12의 응축기들은 건식 모드 및 습식 모드 모두에 적용 가능하다. 바람직하게는, 상기 응축기들이 가능한 한 긴 시간동안 건식 모드로 작동되어 증발 액체의 사용을 최소화하고, 그에 따라 증발액체를 보존한다. 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)는 따라서 그 크기가 정해지며; 년간 대부분의 기간동안 습식 혹은 증발 모드로 제 2간접식 열교환부(28)의 사용없이 작동유체를 응축시키기 위한 충분한 용량을 가져야 한다.
도 11 및 12의 응축기의 동력 팬(108)은 바람직하게는 2 속도의 동력 팬 혹은 가변속도 동력 팬중의 하나이다. 각각의 경우에, 설계 대기 건구온도에서, 상기 팬(108)은 최대 속도로 작동할 것이고, 상기 응축기는 건식 모드로 작동할 것이다. 만일 댐퍼(102)가 제공되어진다면, 건조 간접 접촉식 열교환부(16)를 통한 공기흐름을 최대화하기 위하여 완전 개방된다. 보다 낮은 건구 온도에서, 팬 속도는 감소되고, 댐퍼들은 닫친다. 상기 습식 작동 모드에서, 펌프(54)가 작동되어 증발 액체가 파이프(52)를 통하여 분배 파이프 시스템(50)과 분사노즐(48)로 이동되고, 제 2 간접 열교환부(28)위로 분배된다. 설계습구 온도에서, 상기 팬(108)은 최대 속도로 작동하고, 댐퍼(102)들은 폐쇄되어 제 2간접식 열교환부(28)와 직접 접촉식 열교환부(76)를 통한 공기흐름을 최대화한다. 상기 습구 온도들이 설계레벨 이하로 강하하는 경우, 상기 팬(108)의 속도는 감소되어질 수 있다.
도 11의 병렬 흐름 응축기에서, 상기 도시된 실시예는 다수의 공급흐름 통로들과 다양한 흐름 통로내의 다수의 밸브들을 사용한다. 제 1 작동유체 공급흐름통로(200)는 작동유체 유입구(12)로부터 건조 간접 접촉식 열교환부의 상부측 유입구 (24)로 이어진다. 상기 작동유체가 작동유체 회로(34)들을 통하여 흐른 후, 상기 작동 유체는 하부측 배출구(25)로 흐르고, 그리고 건조 간접 접촉식 열교환부(16)로 부터 작동유체 배출구(14)로 이어지는 제 1작동유체 배출흐름 통로(202)로 흐른다. 상기 제 1작동유체 배출흐름통로(202)는 연결회로(204), 공통회로(206) 및 공통 용기(receiver)(208)를 포함한다. 상기 연결회로(204)는 건조 간접 접촉식 열교환부(16)로부터 공통 용기(208)로 이어진다. 상기 공통 용기(208)는 탱크를 포함한다. 상기 탱크는 금속 혹은 다른 적절한 물질로 이루어질 수 있다. 상기 공통 회로 (206)는 로우 레렐(low lever)부근에서 공통 용기(208)내에 일단부를 가지고, 공통용기(208) 외측에서 타단부를 갖는다. 연결회로(204)의 라인에는 제 1제어밸브(210)이 있다. 연결회로(204)의 라인에는 체크 밸브(212)가 위치되어 상기 공통용기(208)내의 보다 고압의 작동 유체가 응축기(16)로 향한 연결회로내로 유입되는 것을 방지하며, 그렇지 않으면 낮은 대기온도에서는 발생될 수도 있다.
도 11의 실시예에서, 제 2공급 흐름통로(214)는 작동유체 유입구(12)로부터 제 2간접 접촉식 열교환부(28)의 상부 유체 헤더(40)로 이어진다. 작동유체가 상기 작동 유체회로(34)를 통하여 흐른 후, 상기 작동 유체는 하부유체 헤더(42)로 유입하고, 제 2 간접 접촉식 열교환부(28)로 부터 작동유체 배출구(14)로 이어지는 제 2작동유체 배출구 흐름통로(216)로 흐른다. 상기 제 2 작동유체 배출구 흐름통로 (216)는 연결회로(218), 공통회로(206) 및 공통 용기(208)를 포함한다. 상기 연결회로(218)는 제 2간접 접촉식 열교환부(28)로부터 공통 용기(208)로 이어진다. 제 2연결회로(218)의 라인에는 제 2밸브(220)가 있다. 연결회로(218)의 라인에도 체크제어밸브(222)가 있어서 공통용기(208)내의 보다 높은 작동유체 압력이 응축기(28)로 이어지는 연결회로 내로 역으로 미치는 것을 방지하게 되며, 이러한 현상은 상기 체크밸브 없이는 저온의 대기온도에서 발생될 수 있다.
작동유체 유입구(12)로부터 공통용기(208)로 이어지는 제 3 작동유체 공급통로(224)가 있다. 제 3제어밸브(226)는 상기 제 3 작동유체 공급통로(224)에 있다. 상기 3개의 제어밸브(210)(220)(226)들은 작동유체의 흐름을 제어하기 위한 메커니즘을 제공함으로서 상기 작동유체 배출구(14)를 빠져 나가는 작동유체가 건조 간접 접촉식 열교환부(16)와 제 2 간접 접촉식 열교환부(28)로부터 선택적으로 인출될 수 있도록 하여준다. 이와 같은 제어밸브들은 공통 용기(208)로 유입하는 유체의 제어를 허용함으로서 이와 같은 선택을 제공하게 되고; 만일 제어 밸브(210)가 개방되고, 제어밸브(220)가 닫쳐지면, 공통 용기(208)내의 작동 유체는 건조 간접 접촉식 열교환부(16)을 통하여 흐른 유체를 포함할 것이다. 만일 열교환기가 상당한 시간동안 이러한 모드에서 작동한다면, 공통 도관(206)을 통하여 공통 용기(208)로부터 팽창밸브로 인출된 작동유체는 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)를 통하여 흐른 그러나 제 2간접 접촉식 열교환부(28)를 통해서는 흐르지 않은 작동유체의 대부분으로 이루어질 것이다. 만일 상기 제어밸브(210)와(220)들이 개방된다면, 공통 용기(208)내의 작동유체는 2개의 간접 접촉식 열교환부(16)(28)를 통하여 흐른 유체들의 혼합물을 포함할 것이고, 상기 공통 회로(206)를 통하여 인출된 작동 유체는 혼합물을 포함할 것이다. 만일 제 3제어밸브(226)가 개방되고 다른 제어밸브 (210)(220)가 폐쇄된다면, 공통 용기(208)내의 작동 유체는 각각의 간접 접촉식 열교환부(16)(28)를 통하여 통과하지 않은 유체를 포함할 것이다.
이러한 3개의 제어밸브(210)(220)(226)들은 자동적으로 개폐되도록 설정될 수 있다. 이러한 제어밸브들은 도 11-12내에서 프로그램 가능한 논리 요소(72)와 같은, 그리고 전체 공장의 컴퓨터식 제어시스템의 일부분, 열교환 장치(10)의 일부분 혹은 단독 거치식 컴퓨터의 일부분일 수 있는 콘트롤러에 연결되어질 수 있다. 상기 프로그램 가능한 제어 요소(72)는 도 11-12내에서 74로 도시된 온도 센서로부터 입력값을 받을 수 있다. 적절한 서보 메카니즘이 상기 콘트롤러(72)에 그리고 밸브(210)(220)(226)에 연결가능하여 상기 밸브들이 대기온도에 따라서 개폐되어진다. 예를 들면, 상기 밸브(226)들은 예를 들면 40℉이하의 어떤 최소 대기온도범위에서만 단지 개방되어지고, 밸브(210)(222)들은 이 온도에서 닫쳐진 상태로 설정되어질 수 있다. 상기 대기 온도가 예를 들면, 대략 50℉로 상승하는 경우, 상기 밸브(226)는 닫치고, 밸브(210)는 개방되며, 밸브(220)는 닫쳐진 상태로 유지되어 상기 시스템이 단지 작동유체로부터 단지 열을 방출시키기만 하는 건조 간접 접촉식 열교환부(28)를 사용하도록 할 수 있다. 상기 대기 온도가 다른 설정점, 예를 들면 70℉위로 상승을 시작하는 경우, 상기 밸브(220)는 다소의 작동 유체가 제 2간접 접촉식 열교환부(220)로 흐르도록 개방되기 시작할 것이다. 대략 80℉의 설정 대기온도에서, 밸브(210)(220)들 모두는 완전히 개방되어 상기 건조 및 제 2 간접 접촉식 열교환부(16)(28)들이 완전하게 작동 가능하도록 될 것이다.
바람직하게는, 상기 제어밸브(210)(220)(226)들은 압력 밸브들이고, 각각의 라인에서 작동유체의 응축압력을 검출하며, 상기 검출된 압력과 각각의 제어밸브들을 위하여 설정된 각각의 압력 설정점들에 근거하여 개폐되어진다. 따라서, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부(16)로부터 이어지는 제어밸브(210)는 바람직하게는 작동유체용 최소응축 온도에 일치하는 최소 작동응축압력으로 바람직하게 설정된다. 상기 밸브(210)의 상류측 작동유체 압력이 이와 같은 최소 설정점을 초과하는 한, 제어밸브(210)는 개방상태로 유지되고, 작동유체는 건조 간접 접촉식 열교환부(16)로부터 공통 용기(208)로 흐른다. 이러한 모드에서의 작동은 상당시간 동안 바람직하게 이루어지고, 건조 간접식 열교환부(16)는 그에 따라서 그 크기가 정해져야 한다.
상기 제 2 제어밸브(220)는 작동유체용의 보다 높은 응축 압력과 온도에 일치하는 보다 높은 압력에서 개방하도록 설정될 수 있다. 만일 밸브(220)의 상류측 흐름 통로(214)내에서 작동유체의 압력이 제 2제어밸브(220)용 설정점에 도달하거나 혹은 초과하는 경우, 상기 제 2제어밸브(220)는 개방된다. 상기 제 1 및 제 2제어밸브(210)(220)모두가 개방된 상태에서, 상기 작동유체는 건조 및 제 2간접 접촉식 열교환부들 모두를 통하여 흐르고, 그리고 작동유체의 모든 흐름은 공통 용기(208)로 흐른다. 상기 제 2 간접 접촉식 열교환부(28)는 건조 혹은 증발 모드 각각으로 작동가능하다. 상기 열교환 시스템은 상기 밸브(220)가 건조모드에서 작동하는 어느 하나의 온도에서 개방되고, 증발모드에서는 펌프(54)가 다른 높은 온도에서 작동하도록 설정되어질 수 있다.
상기 제 3 제어밸브 226는 제 1 및 제 2제어밸브(210)(220)에 대한 설정점들 보다 낮은 압력에서 개방하도록 설정된다. 따라서, 저온의 대기온도에서 그리고 이 시스템의 시동도중과 같이, 만일 작동유체 압력이 낮다면, 제 3제어밸브(226)는 개방되고, 제 1 및 제 2 제어밸브(210)(220)들은 닫친다. 상기 작동 유체는 각각의 간접식 열교환부(16)(28)들을 통하여 통과함이 없이 공통 용기(208)로 직접 흘러서 공통 용기(208)를 신속하게 가압시킬 것이다.
상업적으로 구입 가능한 밸브들이 상기 제어밸브(210)(220)(226)에 사용 가능하다. 적절한 상업적으로 유용한 밸브의 일례가 Illinois, Broadview 의 Refrigerating Specialties Company 로 부터의 Type A4A Liquid Drain Regulator와 같은 조절밸브이다.
물 보존은 도 11의 실시예에서 예를 들면 증발액체의 사용을 대기 건구온도에 의지함으로서 얻어질 수 있다. 상기 온도센서(74)도 콘트롤러(72)에 연결가능하고, 이는 대기 건구온도가 설정점을 초과하는 때에 물 펌프(54)를 작동시키게 된다. 댐퍼(102)는 또한 이와 같은 설정 대기 건구온도가 도달되는 때에 닫쳐질 수 있다.
밸브(220)가 닫쳐져서 공기흐름(96)(98)들이 건조 간접 접촉식 열교환부(16)로 유입하기 전에, 이들을 냉각시키는 동안 분배 시스템(46)을 작동시키는 것이 바람직할 것이다. 이러한 모드에서, 상기 증발 액체는 작동유체로부터 어떠한 열부하도 빼앗지 못할 것이다.
도 12의 직렬 흐름 응축기에서, 상기 작동유체와 냉매증기(refrigerant vapor)는 작동유체 유입구(12)로 들어가서 열이 부분적으로 추출되는 건조 간접 접촉식 열교환부(16)로 흐르는 것이다. 다음, 작동유체는 연결통로(60)를 통하여 제 2간접 접촉식 열교환부(28)로 흐르는 냉매 증기와 액체의 혼합물을 포함하게 되며, 여기서 나머지 냉매증기는 액체로 응축한다. 건조모드의 작동도중에, 열추출 공정은 건조 및 제 2간접 접촉식 열교환부(16)(28)를 통과한 공기량에 의해서 제어된다. 상기 건조모드의 설계 건구 차단온도(cut off temperature)에서, 공기흐름이 그 최대 유속으로 제공된다.
상기 공기 온도가 설계 차단점(cut off point)이하로 강하하는 경우, 액체 배출 라인 62의 응축 압력은 강하하고, 동시에 그 응축 온도도 강하한다. 이러한 변화는 제 2 간접 접촉식 열교환부(28)로 부터의 배출 라인(62)에서 온도 혹은 압력 센서일 수 있는 센서(70)에 의해서 검출된다. 상기 센서(70)는 콘트롤러(72)로의 입력값을 제공하기 위하여 연결된다. 상기 콘트롤러(72)가 상기 센서(70)로부터 작동유체의 응축압력 혹은 응축 온도가 감소되어진 신호를 받은 때, 상기 콘트롤러 (72)는 팬(108)의 속도를 낮추라 하는 신호를 송신한다. 2가지 속도의 팬에 대해서, 상기 속도는 고속에서 저속으로 변화되고; 가변속도의 팬에 대해서는, 모터 속도가 고속에서 저속으로 점차적으로 변화된다.
대기 온도가 설계 차단점 이상으로 상승하면, 액체 배출 라인(62)의 응축 압력은 그 응축 온도와 함께 강하한다. 이러한 변화는 만일 대기온도가 사용되면, 센서(74)에 의해서 검출되고, 만일 응축 압력이 사용되면, 센서(70)에 의해서 검출되며, 적절한 신호가 콘트롤러(72)로 송신된다. 상기 콘트롤러는 펌프(54)를 작동시킴으로서 반응한다. 따라서, 증발 액체는 노즐(48)까지 펌핑되어 상승되고, 증발응축을 위하여 제 2간접 열교환부(28)위로 스프레이된다. 상기 콘트롤러(72)는 최대이하의 공기온도에서 저속으로 팬(108)을 가동시킴으로서, 그리고 하절기의 피크온도가 도달하는 경우에는 팬 속도를 증가시킴으로서 공기흐름을 제어할 수 있다.
설계 변경(design variations)도 가능하다. 예를 들면, 공기 댐퍼(102)들은 상기 가변 혹은 2속도의 팬들에 조합될 수 있다. 공기흐름을 조절하기 위한 공기 댐퍼(102)들이 고정속도 팬들과 함께 사용 가능하다. 이는 도 1의 유체 냉각기에서 및 도 12의 설계에서와 같이 바이패스 흐름통로를 포함하거나 혹은 도 11 설계에서의 연결흐름 통로를 포함하는 것이 바람직 할 수 있다.
그리고, 본 발명은 작동 유체로부터 열을 추출하는 방법을 제공한다. 하나으 태양(aspect)으로서, 작동유체는 열교환 시스템(8)으로 통과되고, 그 동안 공기흐름은 열교환 시스템(8)을 통하여 이동된다. 상기 열교환 시스템은 건조 간접 접촉식 열교환부(16), 제 2간접 접촉식 열교환부(28), 직접 접촉식 열교환부(76) 및, 제 2간접 접촉식 열교환부 상부측의 증발 액체 분배 시스템(46)를 포함한다. 상기 증발 액체는 제 2간접 접촉식 열교환부(28)에 선택적으로 분배되거나 혹은 분배되어지지 않는다. 상기 증발 액체를 분배하거나 혹은 분배하지 않는 대체 구조는 압력 혹은 온도와 같은 작동 유체의 물리적인 특성에 기인될 수 있고, 이러한 경우에, 상기 방법은 작동 유체의 물리적인 특성을 측정하기 위한 단계를 포함할 것이다. 상기 증발 액체를 분배하거나 혹은 분배하지 않는 대체구조는 다르게는 대기온도에 기인될 수 있으며, 이러한 경우는 상기 방법이 대기온도를 측정하는 단계를 포함하는 것이다.
상기 작동유체 온도 혹은 압력은 건조 간접 접촉식 열교환부(16)의 하류측 위치에서, 예를 들면 작동유체 배출구(14)에서 측정되어질 수 있다.
다른 태양(aspect)에서, 본 발명의 방법은 작동유체를 제공하는 단계와, 증발액체를 제공하는 단계 및 열교환 시스템(8)을 제공하는 단계들을 포함하여 작동유체로부터 열을 추출하는 방법을 제공한다. 상기 열교환 시스템(8)은 증발액체용 분배시스템(46), 건조 간접 접촉식 열교환부(16), 제 2간접 접촉식 열교환부(28) 및 직접 접촉식 열교환부(76)들을 포함한다. 상기 방법은 제 2간접 접촉식 열교환부(28)을 통하여 공기 흐름을 이동시키는 단계를 포함하고, 제 2간접 접촉식 열교환부(28)위로 증발 액체를 분배시켜 상기 공기흐름을 대기 건구온도 이하의 온도로 냉각시키는 것이다. 상기 냉각된 공기흐름은 건조 간접 접촉식 열교환부(16)를 통하여 이동되고, 상기 작동유체는 건구 간접 접촉식 열교환부(16)를 통과한다.
따라서, 본 발명의 열교환 시스템과 방법은 증발 액체와 에너지 모두가 보존된다. 그리고, 상기 열교환 장치를 통하여 배출된 어떠한 공기 흐름도 배출되기 바로 전에 상기 건조 간접 접촉식 열교환부를 통하여 흐르기 때문에, 상기 배출 공기흐름은 가온되어 프럼(plume) 형성을 감소시키거나 혹은 제거시킨다.
본 발명의 특정 실시예들이 상기에서 설명되고 도시되었지만, 다양한 부가구조와 개선구조들이 이루어질 수 있고, 대체구조들이 본 발명의 다양한 요소들에 대해 이루어질 수 있음은 물론이다. 따라서, 첨부된 클레임의 의도는 이 모든 부가 구조, 개선구조 및 대체 구조들을 포함하여 본 발명의 진정한 범위내에 포함될 수 있도록 하는 것이다.
따라서, 본 발명은 증발 액체를 보존하면서 증발식 열교환의 효율을 갖는 열 추출시스템 및 방법을 제공한다.

Claims (11)

  1. 작동유체 유입구;
    작동유체 배출구;
    공기 유입구측, 공기 배출구측 및, 상기 작동유체 유입구로부터 작동 유체를 받는 작동유체 회로등을 갖는 건조 간접 접촉식 열교환부;
    공기 유입구측, 공기 배출구측 및 작동유체 회로등을 갖는 제 2간접 접촉식 열교환부;
    상기 건조 간접 접촉식 열교환부의 작동유체 회로로부터 제 2간접 접촉식 열교환부 작동유체 회로로 이어지는 작동유체 연결흐름통로;
    상기 제 2 간접 접촉식 열교환부로부터 작동유체 배출구로 이어지는 작동유체 배출구 흐름통로;
    상기 작동유체의 흐름을 제어하여 상기 작동유체 배출구를 빠져 나가는 작동 유체가 상기 건조 간접 접촉식 열교환부와 제 2 간접 접촉식 열교환부로부터 선택적으로 인출될 수 있도록 하는 메카니즘; 및
    상기 증발 액체를 제 2간접 접촉식 열교환부로 선택적으로 분배시키는 분배시스템;을 포함하는 작동유체로부터 열을 추출하기 위한 열교환 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부의 작동유체 회로로부터 상기 작동유체 배출구로 이어지는 작동유체 바이패스 흐름통로를 추가 포함함을 특징으로하는 열교환 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 공기 유입구측, 공기 배출구측 및 충진 매체들을 갖는 직접 접촉식 열교환부를 추가 포함하고, 상기 직접 접촉식 열교환부는 제 2간접 접촉식 열교환부로부터 증발 액체를 받기 위하여 배치되며, 상기 직접 접촉식 열교환부로부터 증발액체를 받기 위한 수조를 추가 포함하고, 상기 분배 시스템은 다수개의 스프레이 배출구와 상기 수조로부터 스프레이 배출구로 증발 액체를 선택적으로 이동시키는 메카니즘을 포함함을 특징으로 하는 열교환 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 작동유체의 흐름을 제어하기 위한 메카니즘은 조절 밸브를 포함하고, 상기 조절 밸브는 작동유체의 흐름제어를 허용하여 상기 작동유체가 제 2간접 접촉식 열교환부로 유입되거나, 혹은 상기 제 2간접 접촉식 열교환부를 완전히 우회하거나, 혹은 상기 제 2간접 접촉식 열교환부를 부분적으로 우회하도록 하고, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부 작동유체 회로와 제 2간접 접촉식 열교환부 작동유체 회로의 하류측 작동유체의 온도를 결정하기 위하여 연결된 온도센서 메카니즘을 추가 포함함을 특징으로 하는 열교환 시스템.
  5. 작동유체 유입구;
    작동유체 배출구;
    공기 유입구측, 공기 배출구측 및, 상기 작동유체 유입구로부터 작동 유체를 받는작동유체 회로등을 갖는 건조 간접 접촉식 열교환부;
    공기 유입구측, 공기 배출구측 및 작동유체 회로등을 갖는 제 2간접 접촉식 열교환부;
    상기 건조 간접 접촉식 열교환부로부터 작동유체 배출구로 이어지는 작동유체 흐름통로;
    상기 제 2 간접 접촉식 열교환부로부터 작동유체 배출구로 이어지는 작동유체 흐름통로;
    상기 작동유체의 흐름을 제어하여 상기 작동유체 배출구를 빠져 나가는 작동 유체가 상기 건조 간접 접촉식 열교환부와 제 2 간접 접촉식 열교환부로부터 선택적으로 인출될 수 있도록 하는 메카니즘; 및
    상기 증발 액체를 제 2간접 접촉식 열교환부로 선택적으로 분배시키는 분배시스템;을 포함하는 작동유체로부터 열을 추출하기 위한 열교환 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부로부터 상기 작동유체 배출구로 이어지는 작동유체 흐름통로는 상기 건조 간접 접촉식 열교환부의 유체 회로로부터 작동유체 배출구로 향한 바이패스 흐름통로를 포함하고, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부로부터 제 2간접 접촉식 열교환부의 작동유체 회로로 이어지는 연결흐름통로를 추가 포함함을 특징으로 하는 열교환 시스템.
  7. 제 5 또는 6항에 있어서, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부의 공기 유입구측과 상기 제 2간접식 열교환부 및 직접 접촉식 열교환부의 공기 배출구측들 사이의 하나의 공통 공간과, 상기 직접 접촉식 열교환부와 공간을 실질적으로 에워싸는 하우징을 추가 포함하고, 상기 하우징은 직접 접촉식 열교환부의 공기 유입구측에 일치하는 개구부, 상기 공간으로 향한 보조 공기 개구부 및, 상기 보조 공기 개구부를 선택적으로 닫기 위한 댐퍼들을 포함함을 특징으로 하는 열교환 시스템.
  8. 작동유체를 제공하는 단계;
    증발액체를 제공하는 단계;
    증발액체를 위한 분배시스템, 건조 간접 접촉식 열교환부, 제 2간접 접촉식 열교환부 및 직접 접촉식 열교환부를 제공하는 단계;
    제 2 간접 접촉식 열교환부를 통하여 공기흐름을 이동시키면서 제 2간접 접촉식 열교환부를 통하여 작동유체를 통과시키는 단계;및,
    상기 제 2간접 접촉식 열교환부 상부에 선택적으로 증발 액체를 분배시키거나 혹은 분배시키지 않도록 하는 단계;를 포함하는 작동유체로부터 열을 추출하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 작동유체의 물리적인 특성을 측정하는 단계를 추가 포함하고, 상기 제 2 간접 접촉식 열교환부 상부에 증발 액체를 선택적으로 분배시키거나 혹은 분배시키지 않는 단계는 작동유체의 측정된 물리적 특성에 기인됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 측정된 물리적인 특성은 작동유체의 온도 및 대기 온도중의 적어도 하나임을 특징으로 하는 방법.
  11. 작동유체를 제공하는 단계;
    증발액체를 제공하는 단계;
    증발액체를 위한 분배시스템, 건조 간접 접촉식 열교환부, 제 2간접 접촉식 열교환부 및 직접 접촉식 열교환부를 제공하는 단계;
    제 2 간접 접촉식 열교환부와 직접 접촉식 열교환부중의 적어도 하나를 통하여 공기흐름을 이동시키면서 상기 열교환부 상부로 증발액체를 분배시켜 공기흐름을 대기 건구온도이하의 온도로 냉각시키는 단계;및,
    상기 건조 간접 접촉식 열교환부를 통하여 냉각된 공기흐름을 이동시키면서, 상기 건조 간접 접촉식 열교환부를 통하여 작동유체를 통과시키는 단계;를 포함하는 작동유체로부터 열을 추출하는 방법.
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