KR100375689B1 - 밀폐식 증발형 냉각탑 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대형 공기조화장치를 수냉식으로 방열시킬 때 사용되는 냉각탑에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 냉각탑본체(20)의 내부로는 공조기를 순환한 물이, 냉각수분배기(22)에 의하여 분사된다. 그리고 냉각탑본체(20) 내부에서 일부의 물이 증발하면서 내부의 공기는 1차수증기분리기(24) 및 2차수증기분리기(32)를 거쳐서 에젝터(34)로 공급된다. 에젝터(34)에는, 에젝터펌프(36)에 의하여 공급되는 급수탱크(50)의 물에 의하여 형성되는 부압에 의하여 상기 냉각탑본체(20)에서 공기가 빠지면서 진공에 가깝게 된다. 이러한 과정에서, 냉각탑본체(20)의 내부의 일부의 물이 증발하는데 필요한 잠열은, 나머지의 물에서 얻기 때문에 물이 냉각되어, 다시 공기조화장치의 내부로 공급되어 사용할 수 있게 된다.

Description

밀폐식 증발형 냉각탑{Evaporative and enclosed cooling tower}

본 발명은 냉각탑에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각을 위한 냉각수의 순환을 밀폐식으로 구성하는 냉각탑에 관한 것이다.

대형 공기조화시스템의 경우에는 냉매를 냉각하기 위하여 냉각탑(cooling tower)가 주로 사용되고 있다. 구체적으로는 공기조화시스템에서, 순환하는 냉매를 액상으로 변환시키는 응축기에서 발생하는 열을 방열시키기 위한 수냉식의 냉각탑이 일반적으로 사용되고 있다고 할 수 있다. 이와 같은 냉각탑은 최소한의 전기 에너지를 사용하여 가장 경제적으로 폐열을 제거할 수 있는 매체로서, 냉각수를 사용하고 있으며, 이러한 냉각수는 순환하는 것에 의하여 재사용될 수 있도록 구성하고 있다.

그러나 냉각탑은, 공조시스템의 설비에 비하여, 그다지 중요성에 대한 관심을 끌지 못하고 있다. 실제의 경우 냉동장치와 냉각탑의 전력소비율을 살펴보면, 제품의 특성과 운전방식에 따라 약간의 차이는 있으나, 대략 92:8 정도로 냉동기 본체에서 소요되는 동력이 압도적이다.

그러나 냉각탑의 에너지 절약을 위해서는, 전체적인 동력이 차이도 중요하지만, 냉각탑이 정상적인 성능을 발휘하지 못하여 야기되는 에너지손실도 고려하지 않으면 안된다. 예를 들어, 공조시스템을 냉각시키기 위한 냉각수의 온도가 1.5℃ 상승하게 되면, 압축기에소 소요되는 전력은 거의 10% 정도 상승하게 된다. 따라서 공조시스템의 효율적인 운전을 위해서는, 냉각수의 온도도 매우 중요한 것임을 알 수 있다. 그리고 일반적으로 냉각탑으로 유입되는 냉각수의 온도는 공조기의 크기 및 용량에 따라서 차이는 있지만, 대략 37℃ 정도로서, 냉각탑을 통과하여 실내에 설치된 공조기로 유입되는 온도는 약 31~32℃로서, 약 5~6℃ 정도의 차이가 존재하고 있다.

이와 같은 냉각탑의 작동원리를 살펴보면, 수냉식 응축기에 사용되는 냉각수를 재사용하기 위해서, 냉각수와 공기를 접촉시키는 것에 의하여 냉각수를 재사용 가능한 온도까지 냉각시키고 있다. 냉각탑의 종류는, 향류형(counter flow type)과, 직교류형(cros flow type) 및 양자를 복합한 하이브리드형(hybrid type)으로 대별된다.

향류형 냉각탑의 구성에 있어서는, 물을 상부의 살포장치에 의하여 살포하고, 공기는 아래로부터 팬에 의하여 유입되면서 상부를 향하여 분사된다. 살수된 물은 충전재 표면을 공기와 향류시켜 낙하하면서 일부의 물을 증발시키고 나머지 물의 온도를 내릴 수 있도록 구성되고 있다.

그리고 직교류형 냉각탑의 구성에 의하면, 냉각시키고자 하는 물은 상부에 살수되고, 차가운 공기는 측면에서 유입되어, 낙하되는 물에 대하여 직교하도록 구성되어 있다. 그리고 상술한 향류형과 같이 일부의 물을 증발시켜 나머지 물의 온도를 내리는 구조로 되어 있다.

그리고 하이브리드형의 경우에 있어서는, 열교환장치에 사용되고 있는 향휴형 및 직교류형 냉각탑의 구조를 조랍하여 하이브리드화함으로써 냉각탑의 효율을 극대화한 것으로, 현재 가장 널리 사용되고 있는 형태이다.

그러나 상술한 바와 같은 기존의 냉각탑에 있어서는, 냉각수가 외기에 직접 노출되어 있기 때문에, 여러가지 문제점이 지적된다.

외부의 공기와의 접촉에 의하여 냉각수가 냉각되기 때문에, 외기의 영향에 의하여 냉각효율이 크게 좌우되는 단점이 있다.

그리고 냉각수의 액적의 분무로 인한 레지오넬라균(legionella disease)의 발생에 대한 대책이 필요하기 때문에, 현재에는 별도의 약품을 투입하고 있는 실정이다. 이와 같은 균에 의한 위생상의 문제도 있거니와, 별도의 약품투입이라는 번거로운 단점이 있는 것이다.

그리고 상술한 바와 같은 기존의 장치에 의하면, 그 외에도 대형의 팬을 사용해야 하기 때문에 전기적 고정과 에너지 소비가 큰 단점이 있음과 동시에, 대형화에 따르는 구조의 복잡성, 또한 옥외에 노출되는 것에 의하여 외부 미관상의 문제점 및 소음의 문제점, 그리고 물의 소비량이 많은 단점 등이 뒤따르는 실정이다.

본 발명은, 냉각을 위하여 순환하는 냉각수를 밀폐식으로 구성함과 동시에 증발잠열을 이용하여 냉각수를 저온화시키는 것에 의하여, 보다 효율적인 냉각탑을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 냉각탑의 구성을 보인 개략도.

도 2는 본 발명의 1차수증기분리기의 내부 구성도.

도 3은 본 발명의 2차수증기분리기의 내부 구성도.

도 4는 본 발명의 에젝터의 내부 구성도.

도 5는 도 4의 A-A선 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

12 ..... 냉동공조장치 14 ..... 순환펌프

20 ..... 냉각탑본체 22 ..... 냉각수분배기

24 ..... 1차수증기분리기 32 ..... 2차수증기분리기

34 ..... 에젝터 36 ..... 에젝터펌프

40 ..... 급수원 50 ..... 급수탱크

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 냉각탑은 냉동공조장치의 내부 부품을 냉각시키기 위한 것으로; 냉동공조장치의 내부를 순환한 물이 내부로 유입되는 밀폐된 냉각탑본체와; 상기 냉각탑본체 내에서, 증발하는 일부의 물을 포함하는 공기에서 수증기 입자를 분리하여 형성되는 물을 상기 냉각탑본체로 보내는 수증기분리장치와; 상기 수증기분리장치를 통과한 공기를 흡입하여 진공시키는 에젝터; 그리고 급수탱크에서의 물을 상기 에젝터를 경유하여, 다시 급수탱크로 보내는 공급하기 위한 에젝터펌프를 포함하여 구성되어; 상기 에젝터에서 물의 순환시걸리는 부압에 의하여, 냉각탑본체 내부에 진공이 걸리면서 증발이 수행되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의한 냉각탑은, 밀폐식으로 냉각수를 외기와 접촉없이 저온화시킨 다음, 다시 냉동공조장치 측으로 공급하게 되는 장점이 있다.

다음에는 도면에 도시한 본 발명의 실시예에 기초하면서, 본 발명에 의한 밀폐식 냉각탑의 구성에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 의한 냉각탑의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 냉동공조장치(12)의 내부(예를 들면 응축기) 등에서 발생하는 열을 방열시키기 위하여, 냉각수 순환펌프(14)를 통하여 냉각수를 순환시키고 있다.

상기 냉각수 순환펌프(14)에 의하여 순환되는 물은, 상기 냉동공조장치(12)를 거치면서 그 내부의 열을 방열시키게 되고, 다시 냉각탑본체(20)의 내부로 순환하게 되도록 구성된다.

그리고 상기 순환펌프(14)에 의하여 냉각탑본체(20)의 내부로 유입된 물은, 냉각수분배기(22)에 의하여 스프레이되어, 냉각탑본체(20)의 내부에 전체적으로 분사될 것이다. 이러한 냉각수분배기(22)는, 스프레이장치와 같은 것으로, 냉각시키고자 하는 냉각수를 분사하는 것에 의하여, 냉각수의 전체 표면적을 높이게 되어, 보다 쉬운 증발이 가능하게 하기 위한 것이다.

상기 냉각수분배기(22)에서 분사되는 물의 일부는 증발되는데, 이러한 일부의 물을 증발시키는데 필요한 잠열은, 실질적으로 증발되지 않는 나머지의 물에서 흡수될 것이다. 이 때 물의 증발량은, 물과 공기와의 접촉면적과 접촉시간, 공기와 물의 상대온도 등에 의하여 좌우될 것이다.

이와 같이 일부의 물을 증발시키는데 필요한 잠열은, 실질적으로 상기 냉각탑본체(20)의 내부에서 흡수되기 때문에, 증발하지 않는 나머지의 물은 열을 빼앗기는 것에 의하여, 상대적으로 저온화될 수 있게 된다. 이렇게 저온화되는 물은, 다시 냉동공조장치(12)의 내부로 공급되어 응축기 등을 방열시키는 것에 의하여, 냉동공조장치(12)가 효율적으로 운전될 수 있도록 한다.

다음에, 상기 냉각탑본체(20)의 내부에서 증발되는 물은, 1차수증기분리기 (24)를 경유한 다음 파이프(Pa)를 통하여 배출된다. 1차수증기분리기(24)는, 상기 냉각탑본체(20)의 내부에서 증발하는 물에 포함된 증기성분을 완전히 분리하기 위한 것이다. 즉, 상기 1차수증기분리기(24)는 후술하는 에젝터펌프(36)에 의하여, 상기 냉각탑본체(20)의 내부에 진공이 형성되면, 수분과 물이 함께 이송되는 것을 방지하기 위하여 1차적으로 순수한 공기만을 배출하도록 하기 위한 것이다.

상기 1차수증기분리기(24)의 내부구조가 도 2에 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 상기 1차수증기분리기(24)의 내부에는, 복수개의 격벽(24a)이 설치되어 있으며, 상기 격벽(24a)는 그 내부를 통과하는 공기와의 접촉면적을 충분히 넓히기 위하여, 주름진 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 격벽(24a)에는, 복수개의 통기공(24b)이 성형되어 있는데, 이러한 통기공(24b)은, 서로 일치하지 않도록 함으로써, 그 내부를 지나는 공기가 지그재그 형태로 통과하도록 구성하고 있다.

이와 같은 1차수증기분리기(24)의 내부를 통과하는 공기중에 포함된 수증기입자는, 실질적으로 상기 격벽(24a)에 맺히게 된다. 그리고 상기 격벽(24a)에 맺힌 수증기는, 지속적인 공기의 순환에 의하여 일정한 크기의 물방울로 성장한 후, 자중에 의하여 낙하하게 된다. 그리고 이렇게 낙하하는 물방울은, 실질적으로 상기 냉각탑본체(20)의 하단부에 고이게 된다.

그리고 상기 1차수증기분리기(24)를 통과한 공기는, 파이프(Pa)를 통하여 2차수증기분리기(32)로 유입된다. 2차수증기분리기(32)는, 상기 1차수증기분리기와 유사한 원리로, 냉각탑본체(20)에서 배기되는 공기중에 포함된 수증기입자를 포집함으로써, 순수한 공기만을 배기시키기 위한 것이다.

도 3에는 2차수증기분리기(32)의 내부 구성이 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 2차수증기분리기(32)의 내부로 유입되는 공기는, 파이프(Pa)의 하단부를 통하여 나오게 된다. 상기 파이프(Pa)의 하단부를 빠져나온 공기는, 다시 상부로 이동하게 되는데, 이 때 복수개의 격벽(32a)를 거치게 된다. 상기 격벽(32a)에는 복수개의 통기공(32b)이 성형되어 있어서, 공기는 이러한 통기공(32b)을 거치는 동안에, 공기중에 포함되어 있는 수증기입자는 상기 격벽(32a)에 맺히게 되고, 일정한 시간의 경과와 함께, 맺힌 수증기는 물방울로 성장하게 된다. 일정한 크기로 성장한 물방울은, 상기 2차수증기분리기(32)의 하방으로 떨어지게 되고, 이러한 물은, 파이프(Pc)를 통하여 다시 상기 냉각탑본체(20)의 내부로 공급된다. 여기서 상기 2차수증기분리기(32)의 내부 구성의 기본적인 원리는 1차수증기분리기(23)의 것과 동일함을 알 수 있다. 따라서 이와 같은 기본적인 원리 내에서, 그 내부의 격벽(32a) 및 통기공(32b)의 구성에 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

그리고 상기 격벽(32a)을 통하여 수증기입자가 포집된 후, 공기는 파이프(Pb)를 통하여 빠져나가게 된다. 상기 파이프(Pb)를 통하여 빠져나가는 공기는 에젝터(34)의 내부로 유입된다.

여기서 도 4를 참조하면서, 에젝터(34)와 에젝터펌프(36)의 구성 및 기능에 대하여 살펴보기로 한다.

상술한 바와 같이, 상기 냉각탑본체(20)의 내부는 진공상태로 유지하고 있다. 이러한 진공상태를 유지하기 위해서는, 상기 1차수증기분리기(24) 및 2차수증기분리기(32) 등을 통하여 공기를 빼내는 것이 필요하게 된다. 이러한 기능을 수행하는 것이 에젝터(34) 및 에젝터펌프(36)이다.

먼저 에젝터펌프(36)는, 급수원(40)과 연결되어 있는 급수탱크(50) 내부의 물을 파이프(Pd)를 통하여 상기 에젝터(34)의 내부로 공급시키는 것에 의하여, 물을 순환시키게 된다. 여기서 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 에젝터(34)는 파이프(Pd)를 통하여 물이 공급된다. 그리고 이렇게 공급되는 물은 에젝터(34)의 오리피스부(34a)를 거치게 되는데, 이 때 상기 오리피스부(34a)의 직경이 상대적으로 작기 때문에, 실질적으로 유속은 빨라지게 되면서, 이와 동시에 압력은 떨어지게 된다.

이렇게 상기 오리피스(34a) 부분에서의 압력이 낮아지게 되면, 에젝터(34)의 내부와 연통하는 파이프(Pc)를 통하여, 파이프(Pc) 내부의 공기가 상기 오리피스(34a) 부분으로 유입되게 된다. 상기 파이프(Pc) 내부의 공기가에젝터(34)로 유입되게 되면, 실질적으로 파이프(Pa)를 통하여 냉각탑본체(20) 내부의 공기가 외부로 빠지는 것으로 되기 때문에, 상기 냉각탑본체(20)의 내부의 공기가 빠지게 되어, 진공상태로 될 수 있게 된다.

그리고 도 5에는 도 4의 A-A선 단면도가 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 에젝터의 오리피스(34a) 부분에 선회류를 성형할 수 있는 핀(34f)을 성형하면, 보다 양호한 부압을 형성하는 것이 가능하게 될 것이다. 그리고 상기 에젝터(34a)의 확대관의 편심각도는 4°정도가 적당하다.

그리고 상기 에젝터(34)의 내부로 빠지는 파이프(Pc)의 공기 및, 파이프(Pd)를 통한 물은, 다시 상기 급수탱크(50)의 내부로 공급될 것이다.

그리고 상기 에젝터펌프(36)과 에젝터(34) 사이에는 밸브(60)가 설치되어 있으며, 이러한 밸브(60)는 파이프(Pg)를 통하여 냉각탑본체(20)와 연결되어 있다. 상기 밸브(60)는, 제어에 의하여 상기 에젝터(34)로 물을 공급할 것인지, 또는 상기 냉각탑본체(20)로 물을 공급할 것인지를 제어할 수 있게 된다. 따라서 냉각탑본체(20) 내부의 수위가 낮으면, 수위감지센서(Sa)에 의하여 감지되고, 이러한 감지신호에 기초하여 상기 밸브(60)는 상기 급수탱크(50)의 물을 상기 냉각탑본체(20)로 공급할 수 있도록 제어될 것이다.

그리고 급수탱크(50) 내부의 수위가 낮아지면 수위감지센서(Sb)에 의하여 감지되어, 급수원(40)에서 물이 공급될 수 있도록 밸브(62)가 제어될 것이다.

이상과 같이 구성되는 냉각탑에 있어서, 물이 냉각되는 원리는 다음과 같다.

상기 냉각탑본체(20)의 내부에서, 냉각수분배기(22)에 의하여 분사되는 물의일부는 증발하게 되는, 이 때 증발에 필요한 잠열은 냉각탑본체(20)의 내부에서 얻게 된다. 따라서 냉각탑본체(20) 내부에서 분사되어, 그 하부에 고이는 물은 잠열을 빼앗기는 것에 의하여 저온으로 냉각화된다. 그리고 이렇게 냉각된 물은 다시 냉동공조장치(12)의 내부로 공급되어, 응축기의 방열에 사용될 것이다.

이상에서 본 바와 같은 본 발명에 의하면, 냉각수가 밀폐된 폐공간 내에서 순환하게 되는 것임을 알 수 있다. 그리고 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는, 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

이상과 같이 구성되는 본 발명에 의한 밀폐식 증발형 냉각탑의 구성에 의하면 다음과 같은 장점을 기대할 수 있게 된다.

먼저 본 발명에 의하면, 냉각을 위하여 순환하는 냉각수가 외부공기와의 접촉기 없기 때문에, 외기온도가 높은 하절기에도 냉각수를 충분히 저온상태로 유지하는 것이 가능하게 된다. 따라서 외기의 온도와 관계없이, 충분한 냉각수를 제공할 수 있게 되는 장점을 기대할 수 있게 된다.

그리고 냉각수가 외기와 접촉이 없기 때문에, 레지오넬라균이 침투하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 위생적으로도 매우 안전한 시스템을 구현할 수 있게 된다.

또한 외부 전원에 의한 구동은 에젝터펌프 하나이기 때문에, 전체적으로 에너지의 효율이 높은 시스템으로 구현할 수 있을 것이다.

또한 본 발명에 의한 시스템은, 구조가 상대적으로 간단함은 물론이고, 옥내에서도 설치가 가능하여 미관적인 측면 및 소음의 측면에서도 매우 유리한 결과를 가져올 것이고, 물의 소비량이 적은 장점을 기대할 수 있게 된다.

Claims (7)

1. 냉동공조장치의 내부 부품을 냉각시키기 위한 것으로;

   냉동공조장치의 내부를 순환한 물이 내부로 유입되는 밀폐된 냉각탑본체와;

   상기 냉각탑본체 내부로 유입된 물을 스프레이 방식으로 분사하는 냉각수분배기;

   상기 냉각탑본체 내에서 냉각수분배기에 의하여 분사되어, 증발하는 일부의 물을 포함하는 공기에서 수증기 입자를 분리하여 형성되는 물을 상기 냉각탑본체로 보내는 수증기분리장치와;

   상기 수증기분리장치를 통과한 공기를 흡입하여 진공시키는 에젝터; 그리고

   급수탱크에서의 물을 상기 에젝터를 경유하여, 다시 급수탱크로 보내는 공급하기 위한 에젝터펌프를 포함하여 구성되어;

   상기 에젝터에서 물의 순환시 걸리는 부압에 의하여, 냉각탑본체 내부에 진공이 걸리면서 증발이 수행되는 것을 특징으로 하는 밀폐식 증발형 냉각탑.
2. 제1항에 있어서, 냉동공조장치에서 상기 냉각탑본체의 내부로 유입되는 물은 냉각수분배기에 의하여, 분사되어 표면적을 최대로 하는 것을 특징으로 하는 밀폐식 증발형 냉각탑.
3. 제1항에 있어서, 상기 수증기분리기는;

   냉각탑본체의 내부에 설치되는 1차수증기분리기와;

   상기 1차수증기분리기에서 파이프로 연결되어 냉각탑본체의 외부에 설치되는 2차수증기분리기로 구성되는 것을 특징으로 하는 밀폐식 증발형 냉각탑.
4. 제3항에 있어서, 상기 수증기분리기는, 복수개의 통기공이 성형된 복수개의 격벽이 설치되어 있어서, 상기 격벽에 수증기가 착상되는 것을 특징으로 하는 밀폐식 증발형 냉각탑.
5. 제4항에 있어서, 상기 격벽은 표면적을 높이기 위하여 주름진 형태로 성형되는 것을 특징으로 하는 밀폐식 증발형 냉각탑.
6. 제5항에 있어서, 상기 각각의 격벽에 성형되는 통기공은, 서로 어긋나는 형태로 성형되어 있어서, 공기는 지그재그 방향으로 통과하는 것을 특징으로 하는 밀폐식 증발형 냉각탑.
7. 제3항에 있어서, 상기 에젝터와 에젝터펌프 사이의 파이프에는, 냉각탑본체와 연결될 수 있는 밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 밀폐식 증발형 냉각탑.