KR101768673B1 - 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑 - Google Patents

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Abstract

내부로 유입되는 외기와 분사되는 냉각수가 서로 접촉되면서 이루어지는 열 교환에 의해 상기 냉각수를 냉각시키는 충진재를 포함하는 냉각탑에 있어서, 상기 충진재의 후방에 배치되어, 상기 충진재를 통과한 상기 외기와 열 교환을 하는 열교환기; 및 상기 냉각탑에 전기를 공급하고, 상기 열교환기에 온수를 제공하는 연료전지유닛;을 더 포함하는 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑를 제공한다.

Description

연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑{COOLING TOWER TO PREVENT GENERATION OF WHITE SMOKE INTEGRATED FUEL CELL}
본 발명은 냉각탑에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각수를 공기로 냉각하여 재사용하는 과정에서 냉각탑의 전원으로 연료 전지가 활용되는 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑에 관한 것이다.
냉동, 냉장 장치 등의 공기 조화 설비에서 냉각탑은 응축기의 냉매와 열 교환이 이루어지면서 온도가 상승한 냉각수의 폐열을 대기 중으로 방출한다. 이를 위해, 냉각탑은 그 내부에 충진재, 송풍기 등이 설치되어 있다.
즉, 냉각탑은 송풍기를 통해 외기를 열 교환기 측으로 강제 송풍하여 냉각수의 냉각 효율을 향상시킨다. 그러나, 유입되는 외기가 저온 다습한 경우 열 교환기를 통해 열 교환을 마친 외기는 고온의 포화 공기(즉, 상대 습도 100%)가 된다. 그리고, 대기 중으로 배출되는 과정에서 저온의 대기와 혼합되면 포화 공기 내의 수분이 응축을 일으켜 백연을 발생시킨다. 백연은 외기 온도가 더 낮을수록, 포화 공기의 상대 습도가 더 높을수록 가시적으로 증가한다.
그러나, 백연은 순수한 수증기에 불과하여 대기 오염원에 해당되지 않지만, 연기와 같은 형상으로 공해나 화재로 오인되기 쉬우며, 주변 미관을 훼손하는 등의 이유로 민원을 유발시킨다. 또한, 동절기 기상 조건이 저기압인 경우 냉각탑 주변은 물론 그 주변의 시설물의 표면을 결빙시키는 문제점도 있다.
또한, 냉각탑을 구동하기 위해서는 전원이 필요하다. 전원은 대개 발전소에서 생산되는 전기 에너지를 이용하는데, 냉각탑에는 정전 등의 비상 상황에 대비하여 보조 전원 등을 더 배치해야 하는 문제점이 있었다.
일본 등록특허 제02807689호 대한민국 공개특허 제10-2004-0042905호 대한민국 공개특허 제10-2010-0060885호 미국 등록특허 제6142219호
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 냉각탑 주변에 전기 생산이 가능한 자체 전원을 마련하되, 공해 배출이 적고, 발전 효율이 높으며, 설치 장소를 최소화할 수 있는 전원을 제공하고자 한다. 또한, 외기 조건에 따라 냉각탑에서 발생되는 백연을 효과적으로 방지하고자 한다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 내부로 유입되는 외기와 분사되는 냉각수가 서로 접촉되면서 이루어지는 열 교환에 의해 상기 냉각수를 냉각시키는 충진재를 포함하는 냉각탑에 있어서, 상기 충진재의 후방에 배치되어, 상기 충진재를 통과한 상기 외기와 열 교환을 하는 열교환기; 및 상기 냉각탑에 전기를 공급하고, 상기 열교환기에 온수를 제공하는 연료전지유닛;을 더 포함하는 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑를 제공한다.
상기 연료전지유닛은 복수 개의 단위전지가 적층되는 구조를 갖는 스택부;를 포함하며, 상기 스택부는 외부에서 공급되는 상온수에 열을 제공하여 상기 상온수를 온수로 전환시킨다.
상기 온수는 분기되어, 상기 열교환기 측으로 유입되는 제1온수와 외부로 공급되는 제2온수로 구성될 수 있다.
상기 제1온수는 상기 열교환기에서 저온수로 전환되어 상기 스택부로 공급될 수 있다.
상기 온수가 분기되기 이전, 상기 온수가 흐르는 배관에는 상기 온수가 혼합 저장되는 버퍼탱크와 상기 버퍼탱크에서 유출되는 혼합온수가 유입되는 온수펌프가 더 설치될 수 있다.
상기 제1온수가 흐르는 배관에는 제1밸브가 설치되고, 상기 제2온수가 흐르는 배관에는 제2밸브가 설치되며, 상기 제1밸브와 상기 제2밸브는 미리 설정되는 개폐조건에 따라 개도량이 각각 제어될 수 있다.
상기 냉각탑의 상측 및 상기 연료전지유닛의 상측 중 적어도 어느 하나 이상에는 태양광발전패널이 설치되어, 상기 냉각탑에 전기를 공급할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
냉각탑 주변에 연료 전지를 설치하여 냉각탑의 주된 전원으로 사용할 수 있다. 연료 전지는 공해 물질의 배출이 거의 없으며, 전기가 필요한 냉각탑 주변에서 바로 전기를 생산할 수 있어 송전 손실 등이 감소된다는 효과를 갖는다.
또한, 연료 전지의 발전 과정에서 발생되는 열을 이용하여 온수를 생산하고 이를 냉각탑 내부에 배치되는 열 교환기 측으로 공급하면 외기 조건에 따라 발생되는 백연 현상을 효율적으로 방지할 수 있다. 또한, 이런 온수를 특히 겨울철 난방이나, 급탕 또는 동파 방지를 위해 필요한 곳으로 공급함으로써 연료 전지의 발전 과정에서 부수적으로 생산되는 열을 효과적으로 활용할 수 있다. 또한, 연료 전지에서 발생되는 잉여 전기를 시중에 판매하여 별도 수입을 창출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑의 개략도.
도 2는 도 1의 스택부에서 발전되는 원리를 보여주는 도면.
도 3은 밸브의 개도량 제어에 따라 제1밸브가 전부 열린 상태에서 온수의 흐름을 나타내는 계통도.
도 4는 밸브의 개도량 제어에 따라 제2밸브가 전부 열린 상태에서 온수의 흐름을 나타내는 계통도.
도 5는 도 1에서 연료전지유닛과 냉각탑의 배치 관계를 보여주는 개략도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑(100)은 케이싱(110), 충진재(120), 열교환기(130), 송풍유닛(140), 연료전지유닛(200), 태양광발전패널 등을 포함한다.
케이싱(110)은 금속 재질로 형성되며, 냉각탑(100)의 종류에 따라 전체적 형상이 달라진다. 예를 들어, 도 1과 같이 직교류형 냉각탑은 수평 방향이 상대적으로 더 길게 형성되는 직육면체 형상을 갖는다. 주로 옥외에 설치되는 케이싱(110)에는 날씨 변화에 대응하고, 대기 오염에 따른 먼지의 유입 방지 및 냉각탑(100)의 운전에 따른 소음 방지 등을 고려하여 방음 등이 가능한 외부 커버(미도시)가 더 설치될 수 있다.
케이싱(110)은 일 측면에 외기가 유입되는 유입구(111)가 형성되고, 타 측면에 유출구(112)가 형성된다. 유입구(111) 및 유출구(112)는 복수 개의 타공으로 형성될 수 있다. 이와 달리, 유입구(111)는 개도량이 조절될 수 있는 댐퍼 구조를 포함할 수 있다. 또한, 유입구(111)나 유출구(112)에는 외부 이물질 등이 유입되는 것을 방지할 수 있는 철망 등이 더 설치될 수 있다.
충진재(120)는 냉각수를 냉각시키는 부분으로 이를 통해 냉각수는 함유하고 있던 열을 대기 중으로 방출하며 냉각된다. 구체적으로, 충진재(120)는 전열 면적을 증가시키기 위해 일정 모양의 각도를 갖는 주름이 형성된 얇은 플레이트가 복수 개 적층되는 형태로 형성된다. 그 결과, 냉각수는 충진재(120)의 표면에 접촉된 상태에서 외기와 열 교환을 통해 냉각된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑(100)은 증발식 냉각탑으로 충진재(120) 상측에는 냉각수를 살수시키는 스프레이유닛(123)이 설치된다. 스프레이유닛(123)은 예를 들어, 'ㄱ'자 형상을 갖는 관에 복수 개 형성되는 수직분사노즐공과 수평분사노즐공을 통해 냉각수를 입체적으로 분사시킨다. 한편, 스프레이유닛(123)에는 냉각수가 공급되는 냉각수공급라인(121)이 연결되어 있다. 여기서, '냉각수'라 함은 '냉수'와 구분되는 개념으로 냉동기와 냉각탑(100) 사이를 순환하는 냉매를 말하는 것이다.
수조(125)는 케이싱(110)의 바닥면에 구비되어 충진재(120)에서 냉각이 이루어진 후에 낙하하는 냉각수를 수용하는 역할을 하며, 수조(125)의 저부면 일 측에는 냉각수배출라인(122)이 연결되어 있다.
또한, 충진재(120)의 일측에는 냉각수의 비산을 방지하여 냉각수의 소비량을 최소화하기 위한 엘리미네이터(150)가 더 설치될 수 있다.
열교환기(130)는 충진재(120)의 후방에 배치되며, 충진재(120)를 통과한 외기와 열 교환을 한다. 열교환기(130)는 내부에 온수가 흐르는 코일부를 통해 외기의 온도를 상승시킨다. 여기서, 온수는 연료전지유닛(200) 측에서 공급된다. 그 결과, 충진재(120)를 통과하여 포화 상태에 있는 외기는 온도의 상승에 따라 상대 습도가 더 낮아질 수 있다. 이는 백연이 발생되는 것을 효과적으로 방지한다.
연료전지유닛(200)은 냉각탑(100)에 전기를 공급하고 열교환기(130)에 온수를 제공한다. 연료전지유닛(200)은 유닛케이싱(205), 개질기(210), 스택부(220), 버퍼탱크(230), 온수펌프(240), 인버터부(250) 등을 포함한다. 유닛케이싱(205)은 전술한 케이싱(110)과 마찬가지로 금속 재질로 형성되며 예를 들어 직육면체 형상을 갖는다. 유닛케이싱(205)은 일 측면에 외기가 유입되는 유닛유입구(206)가 형성되고, 타 측면에 유닛유출구(207)가 형성된다. 유닛유입구(206) 및 유닛유출구(207)는 복수 개의 타공으로 형성될 수 있다.
개질기(210)는 공급되는 화석 연료 예를 들어, 천연가스, 메탄올, 석유 등으로부터 수소를 발생시키는 장치이다. 개질기(210)에 의해 화석 연료로부터 수소를 추출할 수 있다.
도 2는 도 1의 스택부에서 발전되는 원리를 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 스택부(220)는 전기 출력을 얻기 위해 복수 개의 단위전지가 적층되는 구조를 갖는다. 스택부(220)에서 화석 연료 중의 수소와 공기 중의 산소가 화학 반응을 하면 전기와 열 등이 생성된다. 구체적으로, 단위전지에는 수소가 공급되는 양극과 산소가 공급되는 음극이 형성되어 있다. 수소는 양극에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 단위전지 내의 전해질 층을 통해 음극으로 이동하며, 전자는 외부 회로를 통해 음극으로 이동한다. 음극에서 수소 이온과 산소가 만나 결합 반응하면 그 생성물로 전기, 물 및 열 등이 생성된다.
스택부(220)는 외부에서 공급되는 상온수에 열을 제공하여 상온수를 온수로 전환시킨다. 그리고, 전환된 온수는 분기되어, 열교환기(130) 측으로 유입되는 제1온수와 외부로 공급되는 제2온수로 구성된다. 이 때, 제1온수는 충진재(120)를 통과하여 흐르는 외기를 가열시키는 용도를 갖고, 제2온수는 급탕이나, 실내 난방, 동파 방지를 위한 용도를 갖는다.
다만, 온수가 분기되기 이전, 온수가 흐르는 배관에는 온수가 혼합 저장되는 버퍼탱크(230)와 버퍼탱크(230)에서 유출되는 혼합온수가 유입되는 온수펌프(240)가 더 설치될 수 있다. 버퍼탱크(230)는 밀폐형 탱크 구조를 갖는다. 스택부(220)를 통해 공급되는 온수는 그 온도나 공급량이 항상 일정하지 않아 백연의 발생을 방지하는 효과가 간헐적으로 나타날 수 있다.
따라서, 온수를 일단 버퍼탱크(230)에 저장하여 온수를 서로 혼합시키면 시각 별로 공급되는 온수의 온도 차이가 완화되어 비교적 일정한 온도를 갖게 된다. 또한, 버퍼탱크(230)에서 유출되는 온수의 공급량을 적절하게 제어하여 연료전지유닛(200)에서 공급하는 온수의 양을 일정하게 유지할 수 있다.
한편, 제1온수가 흐르는 배관에는 제1밸브(310)가 설치되고, 제2온수가 흐르는 배관에는 제2밸브(320)가 설치되며, 제1밸브(310)와 제2밸브(320)는 미리 설정되는 개폐조건에 따라 개도량이 각각 제어될 수 있다. 뿐만 아니라, 제1밸브(310)와 제2밸브(320)는 개폐조건의 충족 여부와 관계없이 사용자의 의도에 따라 언제라도 즉시 그 개도량이 각각 제어될 수 있다.
도 3은 밸브의 개도량 제어에 따라 제1밸브(310)가 전부 열린 상태에서 온수의 흐름을 나타내는 계통도이고, 도 4는 밸브의 개도량 제어에 따라 제2밸브(320)가 전부 열린 상태에서 온수의 흐름을 나타내는 계통도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 먼저 제1밸브(310)를 완전하게 닫고 제2밸브(320)를 열면 온수는 외부로 공급되어 급탕, 난방, 동파 방지 등 그 용도에 맞게 활용될 수 있다. 이 때, 제2밸브(320)의 개도량은 온수의 필요 유량 등에 따라 달리 제어될 수 있다. 반면, 제2밸브(320)를 완전하게 닫고, 제1밸브(310)를 열면 온수는 열교환기(130) 측으로 공급된다. 마찬가지로, 제1밸브(310)의 개도량은 외기 조건에 따른 온수의 필요 유량 등을 고려하여 제어될 수 있다.
이 때, 열교환기(130)에서 외기와 열 교환이 이루어져 온도가 하강한 온수는 저온수가 되어 열교환기(130) 외측으로 유출된다. 한편, 저온수가 흐르는 배관은 스택부(220)로 공급되는 상온수가 흐르는 배관과 연결되어 스택부(220)로 다시 공급될 수 있다.
인버터부(250)는 스택부(220)에서 발생하는 전기 즉, 직류를 교류 전기로 변환시킨다. 그리고, 이런 교류 전기는 냉각탑(100)의 전원으로 사용된다. 연료전지유닛(200)을 통해 생산되는 교류 전기는 냉각탑(100) 내에 배치되는 제어시스템(미도시)이나, 송풍유닛(140)에 포함되는 모터 등에 공급된다. 또한, 교류 전기는 냉각탑(100)이 설치되는 건물의 전기 설비 등에 공급될 수 있다. 또한, 사용 후 남는 잉여의 교류 전기는 판매될 수 있다.
송풍유닛(140)은 열교환기(130)를 통해 상대 습도가 낮아진 건조 공기를 강제 송풍하여 케이싱(110)의 유출구 측으로 보낸다. 즉, 송풍유닛(140)은 외기의 흐름을 원활하게 하여 냉각 효율을 향상시킨다.
구체적으로, 송풍유닛(140)은 모터, 방진유닛 및 팬부를 포함할 수 있다. 방진유닛은 모터의 하측에 배치되며 모터에서 전달되거나 모터로 전달되는 진동을 최소화시킨다. 그 결과, 모터의 내구성은 향상되고 소음 발생은 감소될 수 있다. 그리고, 팬부는 다수 개의 날개를 포함하며 모터에 직접 또는 간접 결합되어 회전한다.
송풍유닛(140)은 모터의 축 회전 속도를 달리하여 외기의 흐름 속도를 조절할 수 있다. 즉, 외기의 유량을 제어할 수 있다. 이를 위해, 모터는 모터용제어부를 더 포함한다. 모터용제어부는 충진재(120)의 작동 유무, 냉각수 온도 및 외기 조건 등을 고려하여 축 회전 속도를 가변적으로 제어할 수 있다. 여기서, 외기 온도는 케이싱(110)의 외측면에 설치되는 온도센서로부터 측정될 수 있다. 그 결과, 송풍유닛(140)은 모터를 효과적으로 구동하여 전기 에너지를 절감할 수 있다.
도 5는 도 1에서 연료전지유닛과 냉각탑의 배치 관계를 보여주는 개략도이다. 도 5를 참조하면, 연료전지유닛(200)은 냉각탑(100)의 상부면에 배치된다. 다만, 배치 구조가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 연료전지유닛(200)은 냉각탑(100)의 내부나 하측 공간에 설치될 수도 있다. 즉, 연료전지유닛(200)은 냉각탑(100)과 인접하여 배치되는 일체형 구조를 갖는 바, 건물 내외부의 사용 가능한 공간을 효과적으로 활용할 수 있도록 한다. 또한, 연료전지유닛(200)의 상측에는 태양광발전유닛(400)이 더 설치될 수 있다. 태양광발전유닛(400)은 냉각탑(100)에 전기를 공급할 수 있다. 즉, 냉각탑(100) 내의 제어시스템이나 송풍유닛(140)의 모터 등에 전기를 제공할 수 있다. 이와 달리, 태양광발전유닛(400)은 냉각탑(100)의 상측 및 연료전지유닛(200)의 상측 중 적어도 어느 하나 이상에 설치될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
100: 냉각탑 200: 연료전지유닛
110: 케이싱 120: 충진재
130: 열교환기 140: 송풍유닛
210: 개질기 220: 스택부
230: 버퍼탱크 240: 온수펌프
250: 인버터부 310: 제1밸브
320: 제2밸브 400: 태양광발전유닛

Claims (7)

  1. 내부로 유입되는 외기와 분사되는 냉각수가 서로 접촉되면서 이루어지는 열 교환에 의해 상기 냉각수를 냉각시키는 충진재를 포함하는 냉각탑에 있어서,
    상기 충진재의 후방에 배치되어, 상기 충진재를 통과한 상기 외기와 열 교환을 하는 열교환기; 및
    상기 냉각탑에 전기를 공급하고, 상기 열교환기에 온수를 제공하는 연료전지유닛;을 포함하며,
    상기 온수는 분기되어, 상기 열교환기 측으로 유입되는 제1온수와 외부로 공급되는 제2온수로 구성되며, 상기 온수가 분기되기 이전, 상기 온수가 흐르는 배관에는 상기 온수가 혼합 저장되는 버퍼탱크와 상기 버퍼탱크에서 유출되는 혼합온수가 유입되는 온수펌프가 더 설치되고,
    상기 연료전지유닛은 상기 전기를 직류에서 교류로 변환시켜 상기 냉각탑에 공급하기 위한 인버터부;를 포함하는 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지유닛은 복수 개의 단위전지가 적층되는 구조를 갖는 스택부;를 포함하며, 상기 스택부는 외부에서 공급되는 상온수에 열을 제공하여 상기 상온수를 상기 온수로 전환시키는 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1온수는 상기 열교환기에서 저온수로 전환되어 상기 스택부로 공급되는 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1온수가 흐르는 배관에는 제1밸브가 설치되고, 상기 제2온수가 흐르는 배관에는 제2밸브가 설치되며,
    상기 제1밸브와 상기 제2밸브는 미리 설정되는 개폐조건에 따라 개도량이 각각 제어되는 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각탑의 상측 및 상기 연료전지유닛의 상측 중 적어도 어느 하나 이상에는 태양광발전패널이 설치되어, 상기 냉각탑에 전기를 공급하는 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑.
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