KR100731834B1 - 폐쇄 회로 증발 열 교환기 - Google Patents

Abstract

폐쇄 회로 증발 열 교환기는 공기 분배 플리넘, 물을 상기 플리넘에 분무하기 위한 분무 수단 및 상기 플리넘 안으로 분무된 물의 증발되지 않은 부분을 수집하는 수집면을 포함한다. 물은 실질적으로 상기 수집면에 머무르지 않고 상기 플리넘 안의 웅덩이 안으로 배수된다.

Description

폐쇄 회로 증발 열 교환기{CLOSED CIRCUIT EVAPORATIVE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 냉각 시스템에 관한 것이며, 더 구체적으로는 강제 통풍 구성의 폐쇄 회로 증발 열 교환기를 포함하는 냉각 시스템에 관한 것이다.

폐쇄 회로 증발 열 교환기는 다양한 산업 환경에서 냉매를 냉각 또는 응축시키도록 사용된다. 대체로, 냉각될 영역으로부터 열을 빼내어 열 교환기로 전달하면서 다시 냉각되는 냉각 유체에 의해 냉각이 이루어진다. 냉매 응축 시스템의 경우, 냉각 공정의 일부로서, 증기 냉매가 열 교환기에 들어가서 응축되어 액상 냉매가 열 교환기에서 나온다. 양쪽의 경우에, 공기는 열 교환기 코일 위로 송풍되어 액체 또는 증기로부터 열을 제거한다. 물의 일부가 기류에 의해 증발되도록 물을 코일에 분무하여 냉각 공정을 향상시킨다.

그와 같은 시스템에서, 공기 분배 플리넘(plenum) 내의 열 교환기 코일에 분무된 물의 대부분은 증발되지 않고 흘러 내려 공기 분배 플리넘의 바닥에 웅덩이(sump)를 형성한다. 물은 이 웅덩이로부터 스트레이너(strainer)를 통해 분무 노즐로 다시 펌핑되어 재사용된다. 전형적으로 증발 열 교환기 제품은 폐쇄 회로 및 개방형 냉각 탑 양쪽에 공통인 부품을 사용한다. 따라서 종래의 폐쇄 회로 탑의 웅덩이는 폐쇄 회로 구성뿐만 아니라 개방형 탑에서도 사용될 수 있는 충분히 큰 용량을 갖는다.

전술한 바와 같이, 열 교환기에 의해 제공된 냉각은 열 교환기의 코일에 물을 분무하면 개선된다. 하지만, 냉각 개선이 항상 필요한 것은 아니다. 예컨대, 겨울 기간 중에는 물의 증발 효과 없이도 충분한 냉각을 달성할 수 있다. 즉, 이른바 “건식 작업”이 가능하다.

하지만, 건식 작업은 위쪽의 저온 공기의 강제 흐름에 의해 웅덩이의 물이 얼어 시스템을 손상시킬 수 있으므로 배수용 웅덩이의 제거를 필요로 한다. 웅덩이를 배수하고 보충하는 것은 일반적으로 몇 시간이 걸리는 시간 소비형 일이므로 이는 문제가 된다. 또한, 메이크업 밸브 플로트(make-up valve float), 레벨 제어 등을 확보함으로써 건식 또는 습식 작업을 준비하기 위해, 보통 적어도 일부의 배수 또는 보충 기간 중에 냉각 시스템을 잠글 필요가 있다. 따라서 웅덩이를 매일 배수하고 보충하는 것은 실용성 또는 경제성을 고려할 때 적절한 것으로 여겨지지 않는다. 이는 건식 작업이 주간에도 온도가 “습식” 작업이 필요 없을 정도로 충분히 낮은 것으로 단정되는 일 년 중의 짧은 기간에만 수행될 수 있다는 것을 의미한다. 그 결과 물웅덩이와 여하의 웅덩이 히터를 작동시키는데 필요한 물 또는 에너지의 절감 능력이 심각하게 손상됨을 이해할 수 있다.

일부 폐쇄 회로 증발 열 교환기 시스템에서 공기 분배 플리넘으로부터 원거리에 배치된 웅덩이를 제공하는 것도 역시 알려져 있다. 증발하지 않은 물의 대부분은 습식 작업 중에 원거리의 웅덩이로 계속해서 배수되거나 펌핑된 다음 원거리의 웅덩이로부터 다시 펌핑되어 열 교환기 코일에 다시 분무된다. 이와 같은 원거리 웅덩이의 장점은 공기 분배 플리넘에 물이 작은 양만 남고 이는 비교적 신속히 배수될 수 있기 때문에 물 전체를 공기 분배 플리넘의 웅덩이로부터 배수할 필요가 없다는 것이다. 원거리 웅덩이의 물은 공기 분배 플리넘의 저온 기류에 놓이지 않으므로 적절한 히터에 의해 냉각되지 않도록 방지될 수 있다.

하지만 원거리 웅덩이에는 몇 가지 단점이 있다. 먼저, 이를 수용할 추가의 공간이 필요하고, 이는 보통 고가이다. 두 번째로, 물이 펌핑되어야 하는 추가의 정적 높이를 고려할 때 더 강력한 펌프가 요구된다. 세 번째, 필요한 전체 부품의 수와 설치비도 역시 증가한다. 이들 인자는 합쳐지면 비용 절감보다 훨씬 중요하며 물 소비와 분무 펌프 에너지에 대해 시스템을 더 효율적으로 작동시킬 수 있다. 하지만 원거리 펌프는 건식 작업을 허용하면서 일부 환경에서 과냉각을 방지하는데 필요할 수 있다.

종래의 폐쇄 회로 증발 열 교환기 구성의 다른 문제점은 공기 분배 플리넘 내부의 부품의 검사, 기능 시험, 소제 등과 같은 일상적인 유지보수를 수행하기 위해 시스템의 작동을 정지해야할 필요가 있다는 것이다. 이는 웅덩이와 물 보충 시스템(water make-up system)의 설비도 역시 영향을 받으므로 원거리 웅덩이가 없는 종래의 시스템에서 특히 문제가 된다. 시스템 운전의 그와 같은 정규적인 중단은 명백히 방해가 되고 비용이 든다.

본 발명의 목적은 전술한 문제를 적어도 부분적으로 경감시키는 증발 열 교환기를 제공하는 것이다.

제1 특징으로서, 본 발명은 공기 분배 플리넘, 물을 상기 플리넘에 분무하기 위한 분무 수단 및 상기 플리넘 안으로 분무된 물의 증발되지 않은 부분을 수집하는 수집면을 포함하며, 상기 수집면은 물이 실질적으로 상기 수집면에 머무르지 않고 상기 플리넘 안의 웅덩이 안으로 배수되도록 구성된다.

따라서, 웅덩이가 주 공기 분배 플리넘 안에 여전히 제공되지만, 웅덩이를 사용하여 증발하지 않은 물을 수집하는 것이 아니라 물이 수집면으로부터 웅덩이로 배수된다는 것을 당업자라면 알 수 있다. 이는 웅덩이가 플리넘의 주요부로부터 적어도 부분적으로 열적으로 격리될 수 있음을 의미한다. 이렇게 하면, 주위 기온이 어는점보다 낮을 때 그 안의 물이 어는 것을 방지할 수 있지만, 이것은 플리넘 내의 기류에 노출되는 종래의 웅덩이 구성에서는 가능하지 않다. 이러한 구성은 웅덩이를 원거리에 배치하는 불리함 없이도 신속하고 필요한 만큼 자주 습식 작업과 건식 작업을 서로 교환할 수 있다는 실질적인 실행 능력의 장점을 갖는다.

웅덩이는 그 안의 물이 혹한 작업 중에 얼지 않도록 구성된다. 이는 충분한 정도의 열적 격리를 확보하고 바람직하게는 온도조절방식으로 제어되는 가열 수단을 제공하여 달성할 수 있다. 이렇게 하면, 주위 온도를 변화시키는 것도 역시 고려할 수 있다.

수집면은 아래쪽의 웅덩이로 배수되도록 간단히 구성될 수 있다. 즉, 이 구성은 종래의 것과 실질적으로 유사하지만, 웅덩이를 덮는 리드가 있고 배수구(들)를 포함할 수 있다. 이 경우, 리드의 상면은 수집면을 형성한다.

하지만 수집면과 웅덩이 사이에 불균일한 기압이 유지될 수 있도록, 수집면과 웅덩이 사이의 배수 계면이 둘 사이에 액체 록을 형성하도록 구성되면 바람직하다. 이 특징의 이점은 웅덩이가 실질적으로 대기압에서 유지될 수 있지만 플리넘의 주요부는 강제 기류에 의해 압력이 상승된다는 것이다. 웅덩이 내부를 주 공기 분배 플리넘의 내부로부터 물리적으로 격리시키면, 분무수와의 접촉도 역시 피한다. 이러한 두 개의 인자에 의해, 결합된 팬이 작동하는 시스템의 동작 중에라도 유지보수를 위해 적어도 웅덩이에 접근할 수 있다. 일상적인 유지보수를 위해서도 작업을 멈추어야 하는 종래 기술에 따른 시스템보다 현저한 장점을 제공할 능력이 있다는 것을 이해할 수 있다.

웅덩이에 의해 분무 순환 시스템에 사용되는 물의 양은 종래 기술의 경우 개방형 탑 냉각 시스템에 사용되는 웅덩이에서와 유사한 부피이다. 하지만, 본 발명에 따르면, 새로운 형태의 웅덩이가 고안되므로, 웅덩이 모듈 사이의 조화라는 덜 중요한 이점이 상실되지만, 공통 웅덩이를 사용함에 따른 부피 제한이 더 이상 적용되지 않고 실제로 더 적은 물을 사용하고도 추가의 장점을 달성할 수 있다는 것을 출원인은 알게 되었다.

따라서, 바람직한 실시예에서, 증발 물 분무 시스템은 습식 작업을 위해 충분한 만큼의 물로 작동되도록 구성된다. 예시적인 실시예에서, 시스템은 코일 면적의 평방미터 당 약 90 리터의 물로 작업한다. 이는 (표준 크기의 웅덩이의 사용에서 일관되게 나타나는) 약 240 L/m2의 물이 사용되는 종래 시스템과 대조된다.

현저히 감소한 부피의 물을 사용하여 물을 절약할 뿐만 아니라, 웅덩이가 다른 경우보다 더 작고, 어는 것을 방지하도록 덜 강력한 히터가 필요하며, 더 적은 화학적인 수처리가 요구된다는 것을 의미하며, 이들은 모두 비용 절감에 도움이 된다.

전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 증발 공정에 필요한 최소 부피의 물을 사용한다. 실제로, 이러한 최소량은 배관, 임의의 시간에 공기 분배 플리넘을 통해 떨어지는 물의 비율 및 절적하게 작동하도록 펌핑 시스템에 요구되는 최소 수량을 비롯한 물 분배 시스템의 용량에 의존한다. 이는 습식 작업용의 최소량보다 훨씬 더 많은 부피를 사용하고 실제로 이전에 이러한 최소 요구량을 고려하지 않았던 종래 기술과 대조된다.

실제로 본 발명에 따르면, 증발을 통해 손실된 물을 보충하기 위한 물 보충 수단이 제공되는 것을 알 수 있다. 플로트 작동형 밸브, 전기 센서, 광학 센서와 같은 업계에 공지된 어떠한 수단도 역시 사용할 수 있다. 그러한 물 보충은 임의의 시간에 시스템의 물의 실제 부피가 미리 정해진 최대량과 최소량 사이에서 순환할 수 있도록 일정한 고유한 이력현상을 가질 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 예로서 기술한다.

도 1은 참조 목적으로 도시한 종래의 폐쇄 회로 증발 열 교환기의 일부 절단 한 도면이다.

도 2a와 2b는 각각 본 발명에 따른 폐쇄 회로 증발 열 교환기의 일부 절단한 측면도 및 단부도이다.

먼저 도 1에는 종래 기술에 따른 폐쇄 회로 증발 열 교환기가 도시된다. 액체 냉매가 지나가는 밀봉된 열 교환기 코일(A)이 공기 분배 플리넘(B)에 제공된다. 모터(D)에 의해 구동되는 팬 시스템(C)이 플리넘(B)의 일단에 제공된다. 플리넘(B)의 상부에는 열 교환기 코일(A) 위에 물을 분무하도록 일련의 노즐(E)이 배열되어 있다. 플리넘(B)의 바닥에는 코일 면적의 평방미터 당 240 리터의 용량을 갖는 웅덩이(F)가 제공되고, 물을 웅덩이(F)로부터 분무 노즐(E)로 퍼 올리도록 펌프(G)가 제공된다. 물 보충 시스템(H)은 플로트 밸브를 사용하여 최소량의 물이 웅덩이(F)에 유지되도록 해준다.

작업할 때, 액체 냉각제 또는 증기 냉매가 열 교환기 코일(A)에 공급되며, 해당 업계에 알려진 바와 같이, 열이 추출되어 냉각 또는 응측되어 복귀한다. 팬(C)은 빠른 기류를 공기 분배 플리넘(B) 내의 열 교환기 코일(A) 위로 강제로 흐르게 하여 유체 또는 증기 냉각제로부터 열을 추출한다. 증발 냉각은 펌프(G)를 사용하여 웅덩이(F)로부터 물을 퍼오는 물 분무 시스템에 의해 제공된다. 노즐(E)에서 분무되는 물의 일부가 증발하게 된다. 나머지 물은 웅덩이(F)에 모여 스프레이 노즐(E)로 다시 재순환된다. 증발로 손실된 물은 물 보충 시스템(H)에 의해 보충 된다.

검사 및 유지보수를 위해 웅덩이(F)에 접근하기 위해서는, 시스템을 정지시키고 팬(C)의 스위치를 꺼야하므로, 실제로 수행될 수 있는 횟수가 제한된다. 또한, 주위 온도가 물 분무 시스템의 추가의 냉각 효과를 더 이상 필요로 하지 않을 정도라면, 모든 물을 웅덩이(F)로부터 배수하여 강제된 저온 기류의 냉각 효과에 따라 냉동되는 것을 방지해야 한다. 이는 너무 시간 소비적이어서 상당한 시간( 즉 하루보다 긴 기간) 동안 습식 작업이 필요할 만큼 온도가 다시 증가하지 않을 것이라고 작업자가 확신한 때에만 수행된다.

이하 본 발명의 실시예가 도 2a와 2b에 도시된다. 도 1을 참조하여 기술한 장치에서와 같이, 폐쇄 회로 증발 열 교환기는 공기 분배 플리넘(4)에 배치되어 파이프 커플링(6)에 의해 냉각될 영역(도시 생략)에 출입하도록 유체 냉각제 또는 냉매를 운반하는 열 교환기 코일(2)을 포함한다. 공기 분배 플리넘(4)의 일단에는 벨트(12)를 경유해 모터(10)로 구동되는 팬(8)이 있다. 팬(8)의 날개들은 케이싱(14) 안에 수납되므로 도 2a에 도시하지 않았다.

도 1에 도시한 시스템과 달리, 공기 분배 플리넘(4)의 바닥에는 개방된 웅덩이가 없다. 대신에, 웅덩이(16)는 공기 분배 플리넘(4)의 일단의 하부에 경사진 배플 벽(18)에 의해 형성된다. 본 실시예에서, 웅덩이는 코일 면적의 평방미터 당 90 리터의 용량을 갖지만, 이는 순전히 예일 뿐이며 이 형상은 예컨대 코일 길이에 의존한다. 배플 벽(18)은 플리넘(4)의 후단 벽(20)으로부터 하향 연장한다. 배플 벽(18)의 단부와 웅덩이(16)의 바닥 사이에 간격이 남는다. 배플 벽(18)은 플리넘(4)의 두 개의 대향된 측벽 사이로 즉 도 2a의 평면에 수직으로 또는 도 2b의 좌에서 우로 연장된다.

웅덩이(16)가 차지하지 않는 공기 분배 플리넘(4)의 하부 면적은 경사 바닥(22)으로서 형성된다. 바닥(22)은 배플 벽(18) 쪽으로 경사지지만 배플 벽(18)에 못 미쳐 끝나므로, 바닥(22)과 배플 벽(18) 사이에 작은 간격(24)이 생기며, 이 간격(24)은 플리넘(4)의 한쪽 측벽으로부터 다른 측벽으로 연장된다. 바닥(22)은 간격(24)이 플리넘(4)의 폭을 따라 이어지도록 두 개의 측벽 사이로도 역시 연장된다. 배플 벽(18)과 바닥(22)은 각각 열 교환기 코일(2)에서 떨어지는 물이 모이는 수집면을 형성한다.

웅덩이(16) 안에는 웅덩이(16)의 최소 수면(W)을 유지하기 위해 입구 구멍(28)에 연결된 플로트 작동형 밸브(26)가 있다. 이러한 수면(W)은 (시스템의 나머지 부분의 파이프 등의 용량을 고려할 때) 열 교환기의 습식 작업에 필요한 최소량으로 설정된다. 웅덩이(16)의 바닥에는 스트레이너(30)가 있어서, 이를 통해 웅덩이의 물이 펌프(32)에 의해 배수되어 플리넘의 후단(20)의 외측에서 수직관(34)으로 올려지고, 물은 물 분배관(36)을 채우도록 플리넘(4)에 다시 들어간다.

펌프(32)에 의해 가해진 압력에 의해 물이 열 교환기 코일(2)에 나선형으로 강제 분무되도록, 일련의 노즐(38)이 물 분배관(36)을 따라 이격된다. 노즐(38)의 하나가 위쪽의 발췌 상세도로 더욱 명확히 도시된다. 물 분배관(36) 위에는 일련의 드리프트 제거기(40)가 있고, 이들 중의 하나도 역시 위의 발췌 상세도에서 더욱 명확히 도시된다. 이들 개별적인 물방울은 열 교환기에서 나오는 기류에 동반되어 시스템에서 손실되는 것이 방지된다.

최종적으로, 한 쌍의 접근 문(42)이 플리넘의 단부 벽(20)의 하부에 제공되어 웅덩이(16) 내부로 외부에서 접근할 수 있다.

이어서 장치의 동작을 기술한다. 종래 기술의 시스템에서와 같이, 팬(8)은 공기를 열 교환기 코일(2) 위로 강제로 흐르게 하여 그 안의 유체 냉매로부터 열을 추출한다. 추가의 냉각이 필요한 경우, 펌프(32)가 작동하여 스트레이너(30)를 통해 웅덩이(16)의 물을 빼내고 이 물을 노즐(38)을 통해 강제 주입하여 열 교환기 코일 위에 미세한 분무를 형성한다. 물의 일부가 증발하여 현저한 냉각 효과를 얻는다. 증발하지 않은 물은 공기 분배 플리넘(4)의 바닥과 배플 벽(18) 또는 경사 바닥(22)에 의해 형성된 수집면으로 떨어진다. 떨어지는 물은 이들 부분(수집면)에 머무르지 않고 이들 사이의 작은 간격(24)을 통해 웅덩이(16) 안으로 배수된다.

도 2a로부터 알 수 있듯이, 웅덩이의 수면(W)은 간격(24)의 적어도 일부가 물로 채워지는 높이로 형성된다. 이렇게 하면 공기 분배 플리넘(4)과 웅덩이(16) 사이에 워터 록(water lock)이 형성된다. 이러한 워터 록은 플리넘(4)의 대부분과 웅덩이(16) 사이에 차등 기압이 유지될 수 있게 함으로써, 주 팬(8)은 여전히 동작하고 시스템이 동작되는 동안 예컨대 검사와 유지보수를 위해 웅덩이(16)에 대한 접근을 허용한다.

건식 작업 중에, 펌프(32)는 꺼지고 나머지 물은 간격(24)을 통해 웅덩이(16)로 배수된다. 웅덩이(16) 안에서 물은 팬(12)에 의해 발생된 기류와 더 이상 직접 접촉하지 않는다. 따라서 공기 분배 플리넘(4)의 대부분에 물이 남아 있지 않아 저온 기류와 접촉하지 않으므로 물이 얼거나 하는 것은 현저히 감소하는 것을 알 수 있다.

비록 도 2a에 도시하지 않았지만, 웅덩이(16)의 물의 온도를 어는점보다 높게 유지하도록 온도조절방식으로 제어되는 히터가 제공된다. 하지만, 웅덩이(16)는 분배 플리넘(4)에 비해 상당히 작고 배플 벽(18)에 의해 저온 기류로부터 분리되므로, 그러한 히터에 필요한 동력은 비교적 낮다.

웅덩이(16)의 물의 양은 도 1의 웅덩이(F)의 것보다 현저히 적다는 것도 역시 알 수 있다. 설비에 채워질 물의 양 뿐만 아니라 물이 냉각되지 않도록 방지하는데 필요한 화학적 처리 비용과 요구되는 열량도 역시 절감된다.

전술한 실시예는 요구되는 습식 또는 건식 모드 양쪽에서 작동될 수 있고 이들 모드 사이에서 매우 신속하게 전환될 수 있는 충분히 실행 가능한 장점을 제공한다.

예

도 2a와 2b를 참조하여 전술한 것과 유사한 시작 장치를 제조하고 시험하였다. 시험 장치의 웅덩이 물 부피는 860 리터였고 팬은 열 교환기 코일 위에 초당 72 입방미터의 기류를 공급했다. 하지만, 워터 록 덕분에 웅덩이 내부에는 정상적인 대기압이 유지되었다.

증발 냉각 시스템의 펌프가 꺼져 주위 온도가 -10℃로 감소한 경우, 웅덩이와 워터 록은 웅덩이 히터로부터의 4KW의 작은 열 입력으로 얼음이 전혀 없는 상태를 유지하였다.

Claims (3)

1. 공기 분배 플리넘;

   물을 상기 플리넘에 분무하기 위한 분무 수단; 및

   경사진 수집면에 의해 상기 플리넘의 일단의 하부에 형성된 웅덩이를 포함하며,

   상기 수집면은 상기 플리넘 안으로 분무된 물의 증발되지 않은 부분을 수집하여 증발되지 않은 물이 실질적으로 상기 수집면에 머무르지 않고 상기 웅덩이 안으로 배수되도록 하고,

   상기 수집면과 상기 웅덩이의 내부 사이에는 액체 록(liquid lock)이 되는 배수 계면이 형성되어 상기 수집면과 상기 웅덩이 내부 사이에 불균일한 기압을 유지하며,

   상기 웅덩이는 상기 웅덩이 안의 물을 상기 공기 분배 플리넘의 기류에 노출시키지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 폐쇄 회로 증발 열 교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 물 분무 수단은 상기 열 교환기의 습식 운전에 충분한 만큼의 물로 운전되도록 구성된 것을 특징으로 하는 폐쇄 회로 증발 열 교환기.
3. 제2항에 있어서, 코일 면적의 평방미터 당 약 90 리터의 물로 운전되도록 구 성된 것을 특징으로 하는 폐쇄 회로 증발 열 교환기.

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