KR101799342B1 - 연안 설비에서 실내 공기를 제습하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연안 설비내의 내부 공기를 제습하고 탈염하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 단순화된 장치가 제공되며, 과포화되고 및 습한 소금 입자 내에 풍부한 수분을 함유하는 외부 흡입 공기가 제습 및 탈염 유닛에 진입하기 전에 건조하고 무염인 전처리 공기로 전처리 되고, 흡입 공기는 탈염되고 제습된 배기로서 제습 및 탈염 유닛으로부터 배출된다. 이 탈염되고 제습된 배기의 일부는 이후 전처리 공기의 역할을 하기 위해 흡입 공기 유로로 재순환됨으로써, 구성을 단순화하고 제습 및 탈염 유닛의 수명을 향상시킨다.

Description

연안 설비에서 실내 공기를 제습하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND ARRANGEMENT FOR DEHUMIDIFYING INTERIOR AIR IN OFF-SHORE INSTALLATIONS}
본 발명은 연안 설비에서 실내 공기를 제습하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
연안 설비, 특히 연안 풍력 터빈은 특히 염분과 수분으로 인해 부식에 유난히 노출되어 있다. 특히, 염분은 이의 흡습(hygroscopic) 특성과 부식 반응에서 전자를 수송하는 타고난 능력으로 인해 문제가 된다.
연안 설비의 외부는 구성요소를 보호하도록 설계되어야 하는 반면, 대다수 설비는 연안 설비가 생존해 내야만 하는 가혹한 환경에 대처하는데 곤란을 겪고 있다. 특히, 가동시간과 생산 경제를 확보하기 위해 현대의 연안 설비에서 염분 및 결합된 물의 부식의 영향이 효과적으로 다루어져야 한다.
설비의 외부 피복에서의 누출이 건축 의도에 의해 또는 결함에 의해 존재하는지 간에, 염분과 수분은 특히 이러한 누출을 통해 연안 설비의 내부로 침투할 것이다. 물방울로부터의 공기중 염분 또는 흰 파도와 부딪쳐 깨지는 파도로부터의 분무는 특히 연안 설비 내의 민감한 장비에 큰 피해를 줄 수 있다.
연안 풍력 터빈에서, 내부 부품을 냉각시키기 위해 외기가 사용될 때, 공기중 염분은 누출에 의해, 또는 종종 "고의로" 타워와 나셀(nacelle) 모두의 내부로 진입하는 것으로 알려져 있다. 얼마 후, 내부 구조는 물을 끌어들이는 염분층에 의해 덮일 것이고 부식이 가속화될 것이다.
부식의 속도는 주로 1) 상대 습도, 2) 염도, 및 3) 온도, 이 세 가지 요인에 의해 지배된다. 이들 중 상대 습도는 가장 큰 기여 요인이다.
많은 연구들은 연안 환경에서 습도와 부식율 간의 상관관계를 설명하기 위해 시도했다. 일반적으로 이들 연구는 상대 습도가 낮아짐에 따라 부식 속도가 감소되는 것을 보여준다. 40-45%의 상대 습도에서는 염분이 존재해도 부식은 없다.
또한 ISO 9223:2011은 상관관계를 지적하며 이를 기반으로 무해한 C1에서부터 매우 가혹한 해양 환경에서의 C5X까지 여섯 등급으로 분류한다.
분류는 풍력 터빈의 제조 비용에 중요하다. 높은 분류는 재료, 표면 처리 등에 더욱 많은 요구사항을 추가한다. 따라서, 특히 풍력 터빈 내부의 분류를 줄일 수 있는 가능성은 풍력 터빈의 가격에 상당한 영향을 미칠 것이다.
부식에 대해 풍력 터빈을 보호하기 위한 경제적인 방법은 제습기, 예를 들어, 건식 제습기(desiccant dehumidifier)에 의해 상대 습도를 줄이는 것이다. 이러한 시스템은 공지되어 있으며, 예를 들어, WO 2011/091863 또는 EP 1736665와 같은 여러 특허 출원에 개시되어 있다.
예를 들어, 건식 제습기와 같은 흡착식 제습기는 이를 통과하는 소정량의 공기로부터 물을 제거한다. 이 공정의 핵심은 통과하는 공기 내의 수분을 구성하는 물 분자를 흡수하는 특수 물질로 제조되거나 코팅된 흡착 로터(adsorption rotor)일 수 있다. 로터가 물을 흡수하면, 로터의 흡착 능력을 회복하기 위해 흡수된 물을 제거할 필요가 있다. 로터 내의 습도를 제거하기 위해, 로터는 가열된 공기로 건조되는 재생 영역 걸쳐 회전된다. 따뜻하고 습한 재생 공기는 배출되고, 로터는 또 다시 물 분자를 흡수할 준비가 되어 있다. 이 작업은 연속적이거나 단계적일 수 있다.
도 1은 연안 풍력 터빈 내에 일반적으로 설치되는 제습 시스템을 도시하고 있다. 도시된 구성에서, 가공 공기(건조될 공기)와 재생 공기(로터로부터 수분을 제거하기 위한 공기)의 두 개의 별도의 공기 흐름이 존재한다. 이는 일반적으로 바람직한 구성이고; 이러한 구성은 압력이 상압이고 또한 연안 풍력 터빈 응용에 바람직할 수 있기 때문에, 시스템이 외부에서 유입되는 재생 공기를 필요로 하는 문제만을 갖는다. 외기는 염분을 포함하는 물방울, 연무, 비말 등과 함께 소금기가 있다. 일반적으로, 필터가 젖음에 따라, 보통의 필터에서는 염분을 적절하게 포획하는 것이 매우 어려우며, 소금물이 통과할 것이다. 이는 소금 입자가 이를 통과할 수 있는 높은 위험과 함께 필터의 효율을 감소시킨다. 또한, 바닷물이 포획되면, 염분은 끈적거릴 것이고, 필터는 차단될 위험에 놓이게 된다.
도 2는 연안 풍력 터빈 내에 일반적으로 설치되고 풍력 터빈 내에서 과압(over-pressure)을 형성하도록 구성된 제습 시스템을 도시하고 있다. 이는 무엇보다도 내부 부품(기어, 발전기, 스위치 등)을 냉각시키기 위해 타워와 터빈 나셀 내부로의 누출 등을 통한 습한 부식성 공기의 유입을 줄이는 장점을 갖는다는 것이다.
도 2에서, 외기가 제습되어 풍력 터빈으로 송풍된다. 이는 과압을 형성할 것이다. 도면에서, 재생 공기는 외부에서 유입되지만, 내부에서도 유입될 수 있고, 정상 압력 구성에서와 같이, 도시된 과압 구성은 또한 염분으로 인해 비효율적인 필터 및 필터 막힘 등의 문제를 가질 것이다.
EP 1736665는 습한 공기 유입구와 건조 공기 배출구를 거쳐 내부 공간과 연결되고 이들 사이에 배치된 제습 장치를 구비한 풍력 발전소의, 공기 교환에 대해 밀봉된 또는 적어도 실질적으로 밀봉된 내부 공간의 건조 방법을 개시하고 있으며, 이에 따르면 습한 공기 유입구를 통해 내부 공간으로부터 공기를 흡출함으로써 내부 공간 내에 저압(under-pressure) 영역이 형성되고, 건조 공기 배출구를 통해 건조 공기를 내부 공간으로 배출시킴으로써 내부 공간 내에 과압 영역이 형성되며, 습한 공기 유입구와 건조 공기 배출구가 공기 덕트에 의해 적어도 일정 거리를 유지된다.
WO 2011/091863은 실내 공기의 처리, 특히 풍력 발전소의 타워의 내부 공간의 실내 공간의 처리를 위한 시스템을 개시하고 있으며, 상기 시스템은, 흡착 로터의 적어도 하나의 제습부로부터 건조한 또는 건조된 공급 공기가 상기 내부 공간으로 전달되고, 상기 흡착 로터의 적어도 하나의 재생부는 상기 공간의 외부로부터 공기 유입구를 통해 습하고 소금기 있는 외부 공기를 재생 공기로 공급받으며, 상기 흡착 로터의 제습부 내에 흡착된 수분은 공기 배출구를 통해 상기 공간의 외부로 방출되는 흡착 시스템을 구비하고, 서로 밀폐된 공기 도관을 구비하는 재생 공기용 열 교환기를 특징으로 하고, 상기 공기 도관 중 제 1 공기 도관은 입구 측에서 상기 공기 유입구에 연결되고 출구 측에서 상기 흡착 로터의 상기 재생부에 연결되며, 제 2 공기 도관은 입구 측에서 상기 제습부의 상기 출구 및/또는 상기 흡착 로터의 상기 재생부의 상기 출구에 연결되고 상기 공기 배출구의 출구 측 및/또는 상기 공간에 연결된다.
WO 2011/091863은 공기흐름이 흡착 로터에 도달하기 전에 공기흐름의 방향으로 열 교환기의 하류에 위치한 소금 필터의 사용을 추가적으로 예상한다.
그러나, 외부의 염분, 즉, 풍력 터빈의 외부로부터 제습 시스템으로 진입하는 염분으로 인한 문제는 염분이 습한 상태에 있고 따라서 포획하기가 어렵다는 것이다. 이는 염분이 필터를 통과할 수 있는 위험 및 설치된 소금 필터의 수명 감소로 이어지고, 종래 기술에서 설명한 것과 같은 제습 시스템의 원치 않는 수리 및 정지시간으로 이어진다.
따라서, 본 발명의 목적은 연안 설비, 특히 연안 풍력 터빈의 내부를 제습하기 위한 시스템 및 방법을 사용할 수 있게 함으로써 종래 기술을 개선하기 위한 것이며, 이러한 제습 시스템의 일부로서 설치된 소금 필터의 효율과 수명이 상당히 개선되고, 따라서 이러한 연안 설비에 대한 유지 비용과 수리를 위한 정지시간이 감소된다.
도 1은 상압의 내부 공기흐름을 생성하는 연안 풍력 터빈에서의 설치를 위한 표준 제습 시스템의 개략도이다.
도 2는 과압의 내부 공기흐름을 생성하는 연안 풍력 터빈에서의 설치를 위한 표준 제습 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제습 시스템의 예시적인 실시형태의 개략도이다.
도 4는 열 교환기 유닛에 연결된, 본 발명에 따른 제습 시스템의 예시적인 실시형태의 개략도이다.
도 5는 제습 시스템은 냉각기 유닛에 연결된 본 발명에 따른 제습 시스템의 예시적인 실시형태의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 시스템이 설치될 수 있는 것이 고려되는 풍력 터빈 타워(A), 나셀(C) 또는 이둘 모두(B)에서의 다양한 위치의 개략도이다.
종래 기술의 소금 필터의 문제점은 이들이 연안 설비의 공기 제습용 시스템의 일부로 설치될 때 이러한 필터와 관련된 짧은 수명 및 염의 필터 막힘으로 인한 필터의 감소된 효율이다.
본 발명은 종래의 제습 시스템을 구조적으로 간단하게 변경함으로써 이러한 문제를 극복하며, 이에 따라 소금 필터의 효율과 수명이 증가되고 연안 설비 내의 전반적인 염의 확산 위험 및 소금 필터를 갖는 제습기가 설치된 연안 설비에 대한 유지 시간 및 보수 비용이 감소된다.
해양 환경에서 외부 염분의 처리와 관련된 근본적인 문제는 상대 습도의 함수로서 염분의 물리 화학적 특성에 관한 것이다. 상대 습도에 따라, 염분의 상태는 건조, 과포화, 또는 습윤 상태일 수 있다. 보통 이 모든 상태들은 동시에 해양 환경에서 공기 중에 존재하며, 과포화되고 및 습한 소금 입자는 매우 자주 상황을 지배한다.
건조 소금 입자 또는 건조 표면을 갖는 소금 입자는 처리될 소금 입자의 크기에 맞춘 표준 필터(일반적으로 필터 등급 F8 이상)에서 통상적으로 처리될 수 있다.
과포화된 그리고 특히 습한 소금 입자는 필터에 더욱 까다롭다. 입자가 습할 때, 염분은 필터 상에 습한 막을 형성함으로써 염분 분무가 아무런 제약 없이 필터를 통과할 수 있는 위험을 증가시키고 이는 필터 효율을 감소시킨다. 또한, 이들 입자는 필터를 막히게 하는 경향을 갖는다. 이는 이러한 소금 필터의 설계에 대한 요구를 증가시킬 뿐만 아니라 불량한 여과 위험 및 잦은 부품 교체를 유발한다.
본 발명은 제습기 유닛에서 생성되는 제습된 공기의 일부를 사용하고 공급 공기가 소금 필터에 도달하기 전에 이 제습된 공기를 공급 공기로 재순환시키는 것을 제안한다. 건조 공기로 공급 공기를 전처리함으로써, 유입 공기의 상대 습도는 소금 필터에 도달하기 전에 이미 낮아질 것이고, 따라서 과포화된 또는 습한 물리 화학적 상태에 있는 소금 입자의 가능성이 낮아지며, 이는 일반적으로 소금 입자의 용이한 여과 및 소금 필터의 증가된 수명을 야기한다.
습도를 낮추기 위한 다른 수단을 소금 필터로 공급되는 공기에 적용시켜, 공급 공기가 소금 필터에 도달하기 전에, 예를 들어, 공급 공기를 가열함으로써 상대 습도를 줄일 수 있다는 것을 숙련자는 알 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명자들은 재순환 흐름을 생성함으로써, 처리가 특히 용이하고, 유지 필요성이 적으며, 및 에너지 효율적인 연안용 시스템이 형성되는 것을 발견하였다.
연안 설비(2a, 2b), 특히 풍력 발전소의 내부를 제습하기 위한 장치(1)가 개시되며, 상기 내부는 상기 연안 설비(2a, 2b)의 외부와의 공기 교환에 대해 밀봉되고 또는 적어도 실질적으로 밀봉되고, 상기 제습 장치(1)는, 상기 연안 설비(2a, 2b)의 외부로부터 공기의 흡입을 위한 공기 유입구(4), 소금 필터(11), 제습기 (12), 상기 흡입 공기를 상기 필터(11)를 통해 상기 공기 유입구(4)로부터 상기 제습기(12)로 안내하는 흡입 공기 유로, 상기 제습기(12)로부터 상기 연안 설비(2a, 2b)의 내부로 탈염되고 제습된 공기를 안내하는 유로(9), 상기 제습기(12)를 통해 상기 내부로부터 상기 연안 설비(2a, 2b)의 외부를 향하는 공기 배출구(5)로 공기를 안내하는 재생 유로(8b)를 포함하고, 상기 제습 장치(1)는, 상기 소금 필터(11) 상류의 상기 흡입 공기 유로에 위치한 공기 혼합 유닛(10), 및 상기 탈염되고 제습된 공기 흐름의 일부를 상기 제습기(12)로부터 상기 혼합 유닛(10)으로 전달하도록 구성되는 귀환 유로(6)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 문단에 따른 본 발명의 예시적인 실시형태가 도 3에 도시되어 있으며, 상기 제습기는 건식 회전 흡착 장치의 형태로 개시되어 있으며, 상기한 구성요소 이외에, 장치를 통해 공기를 이동시키기 위한 팬(13, 16)과 함께 재생 유로(8b)의 일부로서 공기 필터(14)와 히터(15)가 도시되어 있다. 이 예시적인 실시형태에서, 공기는 단일 유로(7)를 따라 제습기(12)를 빠져 나오고 제습기(12)와 팬(13) 하류의 유로(6, 8a 및 9) 사이에서 분리된다. 이 장치는 바람직하지만 본 발명은 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 일부 응용에 있어서는 공기를 이동시키는 팬으로 도입되기 전에 유로를 분할하는 것이 유리할 것이다.
또한 개시되고 도 3에 도시된 상기한 장치는 상기 탈염되고 제습된 공기 흐름의 일부를 상기 제습기(12)로부터 상기 재생 유로(8b)로 전달하도록 구성되는 제 2 재순환 유로(8a)를 더 포함한다.
제습 및 탈염 공정이 시스템으로부터 저장 에너지의 일부를 방출함에 따라, 제습기(12)를 떠난 공기는 유입 공기보다 따뜻할 것이다. 공기가 연안 설비 내에서 냉각을 위해 사용되도록 예정된 경우, 상기한 장치는, 예를 들어, 플레이트 열 교환기와 같은 열 교환기의 사용을 통해 확장되거나 또는 냉각기를 사용하여 단순하게 냉각될 수 있다는 것이 고려된다. 내부 공기에서의 염분의 제거로 인해, 반드시 연안용으로 특정되지 않은 산업적 품질의 냉각기가 그럼에도 장치에서 사용될 수 있다.
플레이트 열 교환기의 사용은 외부 공기를 이용한 냉각을 필요로 할 것이지만, 반드시 무염(salt free)일 필요는 없고; 반면에, 시스템 유지에서 정기적인 전체 유닛 교체를 위해 열 교환기를 설계하는 것이 유리할 수 있다.
본원에 개시되고 도 4에 도시된 상기한 장치는 탈염되고 제습된 공기를 위한 상기 유로(9) 내에 상기 제습기(12) 하류에 배치된 열 교환기(17)를 더 포함한다.
도 4에 도시된 본 발명의 예시적인 실시형태에서, 유로(9)를 통해 열 교환기(17)로 진입한 공기는 유로(18)를 통해 열 교환기를 빠져 나오는 동안, 냉각수 유로(19)는 팬(20)에 의해 열 교환기를 통해 이동된다.
또한 개시되고 도 5에 도시된 상기한 장치는 탈염되고 제습된 공기를 위한 상기 유로(9) 내에 상기 제습기(12) 하류에 배치된 냉각기(22)를 더 포함한다.
마지막으로, 상기한 장치를 포함하는 제습 유닛 및 적어도 하나의 제습 유닛을 포함하는 연안 설비가 개시된다.
또 다른 실시형태에서, 제습기(12)는 건식 회전 흡착 유닛, 응축기 유닛 또는 가열 유닛이다.
또한, 혼합 유닛(10)은 혼합 덕트, 혼합 챔버, 또는 예를 들어, 팬과 같은 공기 흐름을 혼합하기 위한 능동적인 수단을 갖는 혼합 유닛일 수 있다. 또한, 혼합 유닛은 예를 들어 수동적인 오거(auger)에 의한 수동적인 혼합 수단으로 구성될 수 있다.
상기한 바와 같이, 장치, 제습 유닛 및 연안 설비는, 여과되고 제습된 공기가 부식 방지 수단, 연안 설비를 냉각 또는 가열하는 수단, 또는 신선한 공기와 깨끗한 공기를 이를 필요로 하는 연안 설비 내의 추가의 설비 및 유닛으로 공급하기 위한 수단을 제공하는 것을 포함하는 여러 장점을 제공한다.
도 6은 본 발명에 따른 장치 또는 유닛을 설치하기 위한 가능한 위치의 예시적인 실시형태를 도시하고 있다. 장치 또는 유닛은 해수면에서 더 멀리 설치되며, 여기는 흡입 공기의 염분 함유량이 낮다. 이는 일부 응용에 유리할 수 있는 반면, 다른 응용에서는 장치 또는 유닛을 연안 설비 내에서 해수면에 가깝게 설치하는 것이 바람직하다. 일부 응용에 있어서, 유지를 위한 장치로의 접근성을 향상시키기 위해, 예를 들어, 인접한 창고와 같이 연안 설비 외부에 장치를 설치하는 것이 심지어 유리할 수 있다.
청구항에서 사용되는 "포함하는"이란 용어는 다른 구성요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 청구항에서 사용되는 "하나"라는 용어는 복수를 배제하지 않는다. 청구항에서 사용되는 참조 번호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명이 설명의 목적으로 상세하게 설명되었지만, 이러한 세부 사항은 오로지 그러한 목적을 위해서이며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 기술분야의 숙련자에 의해 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (8)

  1. 연안 설비(2a, 2b)의 내부를 제습하기 위한 장치(1)에 있어서, 상기 내부는 상기 연안 설비(2a, 2b)의 외부와의 공기 교환에 대해 밀봉되고 또는 적어도 실질적으로 밀봉되고, 상기 제습 장치(1)는,
    - 상기 연안 설비(2a, 2b)의 외부로부터 공기의 흡입을 위한 공기 유입구(4),
    - 소금 필터(11),
    - 제습기(12),
    - 상기 흡입 공기를 상기 필터(11)를 통해 상기 공기 유입구(4)로부터 상기 제습기(12)로 안내하는 흡입 공기 유로,
    - 상기 제습기(12)로부터 상기 연안 설비(2a, 2b)의 내부로 탈염되고 제습된 공기를 안내하는 유로(9),
    - 상기 제습기(12)를 통해 상기 내부로부터 상기 연안 설비(2a, 2b)의 외부를 향하는 공기 배출구(5)로 공기를 안내하는 재생 유로(8b)를 포함하고,
    상기 제습 장치(1)는,
    - 상기 소금 필터(11) 상류의 상기 흡입 공기 유로에 위치한 공기 혼합 유닛(10), 및
    - 상기 탈염되고 상기 제습기(12)를 거치면서 제습 및 가열된 공기 흐름의 일부를 상기 제습기(12)로부터 상기 혼합 유닛(10)으로 전달하도록 구성되는 귀환 유로(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈염되고 제습된 공기 흐름의 일부를 상기 제습기(12)로부터 상기 재생 유로(8b)로 전달하도록 구성되는 제 2 재순환 유로(8a)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈염되고 제습된 공기를 위한 상기 유로(9) 내에 상기 제습기(12) 하류에 배치된 열 교환기(17)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈염되고 제습된 공기를 위한 상기 유로(9) 내에 상기 제습기(12) 하류에 배치된 냉각기(22)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제습기(12)는 건식 회전 흡착 유닛 또는 가열 유닛인 것을 특징으로 하는 장치(1).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 유닛(10)은 혼합 덕트, 수동적인 공기 혼합 수단을 갖는 혼합 챔버, 또는 능동적인 공기 혼합 수단을 갖는 혼합 챔버인 것을 특징으로 하는 장치(1).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는 제습 유닛(3).
  8. 제 7 항에 따른 적어도 하나의 제습 유닛(3)을 포함하는 연안 설비.
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