KR101878562B1 - 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑, 그 냉각탑을 갖는 열교환시스템 및 그 작동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리막을 이용한 배기덕트, 백연저감 냉각탑, 그 냉각탑을 갖는 열교환시스템 및 그 작동방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 유체가 유입되는 유입부와, 유입부를 통해 유입된 유체의 비산액적과 수증기일부가 제거된 형태로 배출되는 배출부를 갖는 본체와, 상기 유입부와 상기 배출부 사이에 유체가 통과하도록 설치되며, 상기 유체의 습도를 낮추는 건조타워와, 상기 유입부와 상기 배출부 사이에 유체가 통과하도록 설치되며, 유동되는 상기 유체로부터 수분을 선택적으로 흡수분리하는 분리막 모듈을 갖는 수분제거기를 갖는 배기덕트; 내부로 냉각용 공기를 유입시키기 위해 본체 일측에 구비되는 공기 유입부; 냉각용으로 사용되어 냉각용 열교환기에서 고온화된 냉각수를 상기 배기덕트의 본체의 내부 하단으로 분사하는 다수의 분사부를 갖는 냉각수 배출관; 및 상기 냉각수 배출관 하단에 구비되어, 분사된 냉각수가 상기 냉각용 공기와 열교환되어 습증기 형태로 변화하도록 하는 충진층;을 포함하고, 수분제거기는 배출부에 구비된 배기팬 하부측, 건조타워의 상단 및 상기 건조타워과 상기 냉각수 배출관 사이 중 적어도 어느 하나에 구비되어, 상기 습증기로부터 수분을 선택적으로 흡수분리하여 분리유체 수집관을 통해 배출시키는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 백연저감기능을 갖는 냉각탑에 관한 것이다.

Description

분리막을 이용한 백연저감 냉각탑, 그 냉각탑을 갖는 열교환시스템 및 그 작동방법{plume reducing cooling tower using membrane, and heat exchanging system having the cooling tower}

본 발명은 분리막을 이용한 배기덕트, 백연저감 냉각탑, 그 냉각탑을 갖는 열교환시스템 및 그 작동방법에 대한 것이다.

냉각탑은 거의 모든 산업분야와 건물 등의 열발생 기기의 안정적 운전과 및 공조시설의 기본 성능 유지를 위해 필요한 냉각장치에서 열을 흡수하여 최종적으로 대기로 방출시키는 필수적인 열교환설비로 인식되어지고 있다.

대표적인 냉각탑의 형태는 기기의 온도조절 또는 열교환을 위한 냉매로써 조달이 원활한 물을 사용하고 공기와의 접촉에 의한 기화(증발)현상을 이용해 냉매(냉각수)의 온도를 대기온도에 가까운 수준으로 낮추는 공냉식의 형태를 지니고 있다.

냉각용 공기의 유입 방식에 따라 강제통풍식과 자연대류식 냉각탑으로 분류되며 국내에서 운영되는 대부분의 냉각탑은 냉각탑의 상부에 냉각용 공기 유입팬이 설치되어 있는 강제통풍식 냉각탑이 적용되고 있다 .

냉각탑은 비교적 단순한 구조이나 냉매로 사용되는 물이 공기와의 접촉에 의해 이루어지는 증발 잠열을 주로 이용하여 냉각작용을 하게 되므로 대량의 물과 고속 공기흐름의 접촉을 피할 수 없게 되며 물과의 접촉에 의해 열교환이 이루어진 공기는 대기중으로 방출되는데 이때 증발된 다량의 수분을 동반하게 된다.

냉각탑에서 증발된 수분은 냉각용 공기에 혼합되어 배출되는데 이와 같이 냉각탑에서 배출되는 공기(가스)는 포화상태에 가까우므로 주변 공기와 접촉하여 혼합될 때 기온이 낮아서 상대습도가 높아지는 조건에서는 쉽게 물방울이 되어 백연으로 나타나게 된다. 도 1은 백연이 발생되는 복합화력발전소 사진을 나타낸 것이다.

냉각탑에서 발생하는 백연은 순수한 수분의 증발 및 비산에서 비롯되고 있으므로 기존의 대기오염물질들처럼 성분으로 인한 환경유해성은 없으나 주변지역 사람들에게는 흔히 오염물질로 오인되고 있으며 주변지역의 일조량 감소, 지면에서의 동결 등 간접적인 피해가 확인되고 있으며 종종 민원이 대상이 되고 있어서 냉각탑 운영주체로서는 냉각탑의 백연저감이 설비의 안정적인 운전과 주변지역과의 마찰을 피하기 위해 필수적인 과제로 대두되고 있다.

도 2는 통상의 냉각수 흐름 및 증발량을 나타낸 500MW 급 화력발전소(1)의 구성도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 보일러(20)에서 연소되어 발생되는 연소배가스에 의해 전열관(30)을 유동하는 유동매체가 가열되면서 압력이 상승하게 되고, 고온 고압으로 증기화된 유동매체는 발전기에 연결된 터빈(40)을 구동하여 전력을 생산하게 된다. 터빈(40)을 거친 유동매체는 냉각용 열교환기(400)에서 냉각수에 의해 냉각되어 응축된 후, 순환펌프(50)에 의해 다시 보일러(20) 내의 전열관(30)으로 순환되게 된다. 또한, 냉각수는 냉각수 순환펌프(410)에 의해 순환되며, 냉각용 열교환기(400)를 통과한 고온화된 냉각수는 냉각탑(2) 내로 연결되는 냉각수 배출관(420)의 분사부(421)를 통해 분사되게 된다. 이러한 분사부(421)를 통해 분사되는 냉각수는 흡입팬을 통해 공급되는 외부 냉각용 공기에 의해 냉각된 후, 충진층(140)을 거친 후 냉각탑(2) 하단에 저장된 후, 냉각수 순환펌프(410)에 의해 냉각용 열교환기(400)로 유입되게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 500MW급 화력발전소(1)의 터빈(40)에서 배출되는 보일러(20) 증기수 응축을 위한 냉각수량은 시간당 6만여톤에 이르며 그중 1-2% 정도가 증발 또는 비산에 의해 최대 1200톤/시간 정도가 대기중으로 방출되어 방출지점의 대기조건에 따라 백연 발생은 피할 수 없으며 엄청난 수자원이 대기중으로 유실되고 있으므로 냉각탑(2)에는 그 만큼의 물이 보충되어야 한다.

도 3은 백연제거 원리를 설명하기 위한 습도선도(Psychrometric Chart)를 도시한 것이다. 도 3을 참고하여 냉각탑에서의 백연을 제어하는 방법을 설명하면, 도 3의 (a)에 나타난 바와 같이, 냉각이나 제습을 통해 상대습도를 낮추고 포화선으로부터 먼 조건으로 이동하는 방법과, (b)에 나타난 바와 같이, 온도변화없이 수분만 제거하는 방법, (c)와 같이 가열과 제습을 통해 상대습도를 낮추고 포화선으로부터 먼 조건으로 이동하는 방법, (d)와 같이 가열을 통해 상대습도를 낮추는 방법 등을 이용할 수 있으나 이중 효과가 큰 방법으로는 (b), (c) 방법을 고려할 수 있다. 그러나 가열과 제습을 혼용하는 방법은 효과에 비해 에너지 소모가 큰 문제점이 존재하게 된다.

또한, 이와 같은 원리를 이용하여 종래 냉각탑에서의 백연저감형 냉각탑들이 개발되어 왔다. (a) 상대적으로 건조한 공기를 혼입시킴으로써 상대습도를 떨어뜨리는 방법, (b) 냉각탑에서 냉각시키게 될 온수를 이용하여 외부의 공기를 가열하여 혼입시키는 방법으로 온도상승과 공기혼입을 통해 상대습도 저하효과를 증대시키는 방법, (c) 냉각탑 상부에 외부공기를 혼입시키는 곳에 응축용 열교환기를 설치하여 수분을 응축시키는 방법으로 외기온도가 낮은 계절에 유효한 방법이 될 수 있다.

그러나 이와 같은 방법들은 냉각탑 내부에서의 부식을 촉진시키거나 공기흐름을 방해하여 냉각탑으로서의 기본성능을 저해하고 에너지 사용량이 증가하는 등의 문제가 있을 뿐만 아니라 무엇보다 백연저감 효과가 크지 않음이 밝혀지고 있어서 적용이 제한적이다.

기존 백연저감형 냉각탑 특허로서, 등록특허 10-1456446(백연과 동력을 저감하는 고효율 대향류형 냉각탑 및 그 제어방법)은, 백연저감 대향류형 냉각탑에 관한 것으로서 습식냉각운전, 백연저감운전, 건식냉각운전 및 냉각고온유체우회유동운전을 효율적으로 제어할 수 있는 백연과 동력을 저감하는 고효율 대향류형 냉각탑 및 그 제어방법에 대해 기재하고 있다.

또한, 등록특허 10-1197283(백연 발생 방지장치 및 이를 구비한 냉각탑)은, 백연 발생 방지장치에 관한 것으로서, 고온다습한 배출 공기를 냉각시켜 수증기를 제거하는 냉각부, 및 냉각부에 의해 냉각된 배출공기를 냉매가 냉각부에서 얻은 열과 에너지공급부에 의해 공급받은 에너지로써 가열하여 건조시키는 가열부가 구비됨으로써, 배출 공기에 포함된 수증기량은 감소시키고 백연 발생에 필요한 최소 수증기량은 증가시켜 백연발생을 효과적으로 방지할 수 있으면서도, 배출 공기를 가열하는 데에 필요한 에너지의 일부로 냉각부가 얻은 열을 이용하는 방법에 대해 기재하고 있다.

그리고, 등록특허 10-1349114에 따른 백연 저감 냉각탑은 내부가 중공이며, 하부에 형성되어 외부 공기가 유입되는 하부 공기 유입구 및 상부에 형성되어 배출 공기를 배출하는 상부 공기 배출구를 포함하는 하우징에서 코로나 방전에 의하여 냉각수와 외부 공기의 접촉에 의하여 형성되는 수증기에 포함되어 있는 미스트를 대전시켜 포집하는 방법에 대해 기재하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 냉각탑에서 배출되는 수분은 냉각탑 내에서 공기와의 접촉에 의해 증발되는 수증기, 증발된 수증기의 재응축에 의해 생성되는 미세액적, 냉각수와 공기의 접촉과정에서 발생되는 미세 액적으로 구성되며 수증기로 배출되는 수분의 양은 증발손실(Evaporation loss), 미세액적으로 배출되는 수분은 비산손실(Drift loss)로 분류된다.

이러한, 증발 및 비산 손실의 총량은 냉각수 내 순환수량의 1~2%로 알려지고 있으며 그 중 비산손실은 냉각수 내 총 순환수량의 0.1 % 정도로 알려지고 있다.

앞서 언급한 기존의 백연저감 냉각탑 관련 특허는 에너지 투입에 의한 가열, 습공기의 냉각을 통한 응축, 코로나 방전에 의한 미세액적의 대전효과를 통한 포집 등의 기술이 적용되고 있으나 에너지 투입량, 공정 및 제어가 복잡하다는 단점과 운전 여건 및 대기조건에 따라 효과가 미미한 경우가 있었고 냉각탑 배출수분의 10% 정도가 미세액적 형태로 배출되므로 코로나 대전에 의한 방법도 효과가 제한적이다.

본원발명의 발명자들은 고분자 분리막을 이용하는 다양한 분리기술을 개발하고 있으며 그중에서도 수분분리 분야는 근래에 주목받고 있는 기술에 해당한다. 도 4a 및 도 4b는 수분회수 원리를 나타낸 고분자 분리막 공정의 모식도를 도시한 것이다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 분리막을 이용한 분리기술은 기체 및 액체 혼합물에 막(selective barrier between phases)을 설치하고 주어진 구동력에 의하여 여러 가지 기체들이 선택적 장벽인 막을 통과할 때 나타내는 기체들의 용해(분배) 및 이동 속도(확산도)의 차이를 이용하여 선택적으로 분리하는 기술에 해달한다.

수분의 경우 O₂, N₂, CO₂ 대표적인 기체 성분들에 비해 뛰어난 용해도로 인해 투과속도가 월등히 수천~수만배 높으므로 분리막을 이용하는 경우 분리가 상대적으로 용이하다. 수분에 대한 선택도와 투과도가 우수한 고분자을 도입한다면 냉각탑 배출가스와 같이 고농도의 수분이 함유된 기체로부터 수분을 분리하는 분야에 응용이 용이할 것으로 평가되고 있다.

또한, 본원발명의 발명자들은 고도의 코팅소재와 기술을 도입하여 수분분리 특성이 우수한 복합중공사막을 개발하여 왔으며 그와 같은 중공사막을 모듈화하여 냉각탑 내의 수분을 직접적으로 제거하는 저에너지형 냉각탑 백연저감 기술에 관한 특허(백연제거가 가능한 배기덕트, 공개특허 10-2016-0021597)를 출원한 바 있으며 다양한 관련기술을 보유하고 있으며 수분분리 성능 향상과 적용분야 확대를 위한 다양한 후속기술이 지속적으로 개발되고 있는 실정이다.

한국등록특허 제1462153호 한국등록특허 제1357243호 일본공개특허 제2000-88475호 한국등록특허 제1340172호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 증발수분(수증기)과 비산액적으로 구성되는 냉각탑의 배출 수분 특성을 고려하여 비산액적은 건조타워를 통해 포집하고, 증발수분은 수분분리 특성이 우수한 모듈형 중공사막 수분분리기를 설치하여 추가적으로 제거함으로써 백연 발생을 근본적으로 방지함을 추구하고 회수된 수분은 냉각탑 보충수 외에 다양한 용도로 재활용 가능한, 분리막을 이용한 배기덕트, 백연저감 냉각탑, 그 냉각탑을 갖는 열교환시스템 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 분리막의 성능, 위치에 따른 습도, 온도 등에 따라 분리막으로 구성된 수분제거기의 설치 위치를 변경할 수 있으며, 분리막을 통해 회수된 수분을 응축용 열교환기에 주입하여 고순도의 물로 변화시켜 회수 수분에 따른 백연현상의 발생을 방지할 수 있으며, 회수된 수분을 냉각탑 보충수용 응축기에 주입하여 응축기에서 변환된 물을 냉각탑 보충수로 활용하여 기존의 냉각탑 보충수 양을 줄여 경제적이고, 또는 회수된 수분은 습식타워 측에 주입하여 고습도의 회수 수증기와 물이 만나 액체인 물로 변환되어 보충수로 활용가능한 분리막을 이용한 배기덕트, 백연저감 냉각탑, 그 냉각탑을 갖는 열교환시스템 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 유체가 유입되는 유입부와, 유입부를 통해 유입된 유체의 비산액적과 수증기일부가 제거된 형태로 배출되는 배출부를 갖는 본체; 상기 유입부와 상기 배출부 사이에 유체가 통과하도록 설치되며, 상기 유체의 습도를 낮추는 건조타워; 및 상기 유입부와 상기 배출부 사이에 유체가 통과하도록 설치되며, 유동되는 상기 유체로부터 수분을 선택적으로 흡수분리하는 분리막 모듈을 갖는 수분제거기;를 포함하고, 상기 수분제거기는, 상기 배출부에 구비된 배기팬 하부측, 상기 건조타워의 상단 및 상기 건조타워의 하단 중 적어도 어느 하나에 구비되는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 배기덕트로서 달성될 수 있다.

그리고, 상기 건조타워는, 응축용 공기가 유입되어 통과되는 상기 유체를 응축시켜 습도를 낮추는 응축용 열교환기로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 수분제거기는, 상기 유체가 유통하는 공간을 구성하는 하우징; 상기 하우징에 연결되고 상기 하우징 내부의 공간과 격리되며 분리유체수집관이 설치되는 부압챔버; 및 상기 하우징 내부에 설치되고, 일단부 또는 양단부가 상기 부압챔버 내부와 연통되며 복수의 중공사막을 갖는 다수의 분리막 모듈을 포함하여, 상기 분리막 모듈에 의해 흡수분리된 수분은 상기 부압챔버의 분리유체수집관을 통해 분리배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 수분제거기는, 복수의 분리막 모듈과, 상기 복수의 분리막 모듈에 연결되고, 분리유체수집관이 설치된 부압챔버를 포함하며,상기 분리막 모듈은, 분리막이 내장되고, 일단은 폐쇄되고, 양단부에 유체가 이동가능한 관통홀이 각각 형성되며, 타단은 분리된 수분을 부압챔버 측을 공급하는 분리유체공급관과 연결되는 분리막케이싱; 상기 분리막케이싱의 일단부에 외주면의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱의 길이방향으로 개방되는 제1개방홀이 형성되며, 상기 제1개방홀과 상기 관통홀이 연통되도록 제1연통공간을 가지는 제1연통케이싱; 및 상기 분리막케이싱의 타단부에 외주면의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱의 길이방향으로 개방되는 제2개방홀이 형성되며, 상기 제2개방홀과 상기 관통홀이 연통되도록 제2연통공간을 가지고, 상기 분리유체공급관이 관통되도록 배치되는 제2연통케이싱을 포함하고, 상기 복수의 분리막 모듈은 인접하는 제1연통케이싱이 서로 연결되고, 인접하는 제2연통케이싱이 서로 연결되어 상기 분리막케이싱이 서로 평행하게 배치되며, 상기 분리막케이싱의 사이에는 공극이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 분리막은 복수의 중공사막으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 분리막은 평막이고, 한 쌍의 평막이 양측에 배치되는 평막스페이서와 내부에 유체가 이동하는 공급스페이서가 상기 분리막케이싱의 내부에서 분리공이 형성된 중심관의 주위로 감겨지고, 상기 중심관은 상기 평막스페이서에만 연통되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 배기덕트를 이용하여 유입된 유체의 수분을 제거하기 위한 방법에 있어서, 본체 일측에 구비된 유입부를 통해 유체가 내부로 유입되는 단계; 상기 유입부와 상기 배출부 사이에 유체가 통과하도록 설치된 건조타워에 의해, 상기 유체의 습도를 낮추는 단계; 및 습도가 낮춰진 상기 유체가 본체 타측에 구비된 배출부를 통해 배출되는 단계;를 포함하고, 상기 유체의 습도를 낮추는 단계 전 또는 후에, 유체가 통과하도록 설치된 분리막 모듈로 구성된 수분제거기에 의해 유동되는 상기 유체로부터 수분을 선택적으로 흡수분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 배기덕트의 작동방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 백연저감 기능을 갖는 냉각탑에 있어서, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 배기덕트; 내부로 냉각용 공기를 유입시키기 위해 본체 일측에 구비되는 공기 유입부; 냉각용으로 사용되어 냉각용 열교환기에서 고온화된 냉각수를 상기 배기덕트의 본체의 내부 하단으로 분사하는 다수의 분사부를 갖는 냉각수 배출관; 및 상기 냉각수 배출관 하단에 구비되어, 분사된 냉각수가 상기 냉각용 공기와 열교환되어 습증기 형태로 변화하도록 하는 충진층;을 포함하고, 수분제거기는 배출부에 구비된 배기팬 하부측, 건조타워의 상단 및 상기 건조타워과 상기 냉각수 배출관 사이 중 적어도 어느 하나에 구비되어, 상기 습증기로부터 수분을 선택적으로 흡수분리하여 분리유체 수집관을 통해 배출시키는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 백연저감기능을 갖는 냉각탑으로서 달성될 수 있다.

그리고, 상기 본체 내부 하단과 상기 냉각용 열교환기 사이를 연결하는 냉각관과, 상기 냉각관 일측에 구비되는 냉각수 순환펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 분리유체 수집관을 통해 배출되는 회수 수분을 응축시키기 위한 응축기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 본체 하단 일측과 보충수 저장탱크 사이에 구비되어 상기 본체 내로 냉각수를 보충시키는 보충수 공급관과, 상기 보충수 공급관 일측에 구비되는 보충수 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 분리유체 수집관을 통해 배출되는 회수 수분을 응축기로 유입시키는 부압펌프를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 응축기를 통해 상기 수분이 응결분리되어, 응축수는 응축수 탱크로 유입되고, 수증기량이 감소된 기체는 상기 유입부로 유입되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 보충수는 상기 응축기를 거쳐 상기 보충수 공급관을 통해 상기 본체 내로 유입되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 분리유체 수집관을 통해 배출되는 회수 수분을 상기 냉각수 배출관의 분사부 측으로 공급하는 회수수분 분사관을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제4목적은, 냉각탑을 이용하여 분사되는 고온화된 냉각수를 냉각하고, 수분을 제거하기 위한 방법에 있어서, 본체 일측에 구비된 공기 유입부를 통해 냉각용 공기가 내부로 유입되는 단계; 냉각용으로 사용되어 냉각용 열교환기에서 고온화된 냉각수가 다수의 분사부를 갖는 냉각수 배출관을 통해 상기 본체의 내부 하단으로 분사되는 단계; 상기 냉각수 배출관 하단에 구비된 충진층에서, 분사된 냉각수가 상기 냉각용 공기와 열교환되어 습증기 형태로 변화되는 단계; 상기 본체에 유체가 통과하도록 설치된 건조타워에 의해, 상기 습공기의 습도를 낮추는 단계; 및 습도가 낮춰진 습공기가 본체 타측에 구비된 배출부를 통해 배출되는 단계;를 포함하고, 상기 습공기의 습도를 낮추는 단계 전 또는 후에, 습공기가 통과하도록 설치된 분리막 모듈로 구성된 수분제거기에 의해 유동되는 상기 습공기로부터 수분을 선택적으로 흡수분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 냉각탑의 작동방법으로서 달성될 수 있다.

또한, 냉각수 순환펌프의 구동에 의해 상기 본체 내부의 냉각수가 냉각관을 통해 냉각용 열교환기로 유입되어 유동매체를 냉각하여 고온화된 후, 상기 냉각수 배출관의 분사부를 통해 냉각탑 하단으로 분사되어 순환되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 수분제거기의 분리유체 수집관을 통해 배출되는 회수 수분을 응축기가 응축시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 보충수 저장탱크에 저장된 보충수가 보충수 펌프의 구동에 의해 보충수 공급관을 통해 응축기를 통과한 후, 상기 본체 내로 유입되어 냉각수를 보충시키는 단계를 더 포함하고, 부압펌프에 의해 분리유체 수집관을 통해 배출되는 회수 수분이 응축기로 유입되고, 상기 응축기를 통해 상기 수분을 응결분리시켜 응축수는 응축수 탱크로 유입되고, 수증기량이 감소된 기체는 냉각용 공기와 함께 상기 유입부로 유입되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 회수수분 분사관을 통해 상기 분리유체 수집관에서 배출되는 회수 수분을 냉각수 배출관의 분사부 측으로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제5목적은, 열교환시스템에 있어서, 연료가 투입되어 연소에 의해 발생되는 연소배가스에 의해, 전열관 내를 유동하는 유동매체를 가열하는 보일러; 가열된 유동매체에 의해 전력을 생산하는 터빈; 상기 터빈을 통과한 유동매체를 냉각시키기 위한 냉각용 열교환기; 및 앞서 언급한 제3항에 따른 냉각탑;을 포함하는 것을 특징으로 하는 백연저감 열교환시스템으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 증발수분(수증기)과 비산액적으로 구성되는 냉각탑의 배출 수분 특성을 고려하여 비산액적은 건조타워를 통해 포집하고, 증발수분은 수분분리 특성이 우수한 모듈형 중공사막 수분분리기를 설치하여 추가적으로 제거함으로써 백연 발생을 근본적으로 방지함을 추구하고 회수된 수분은 냉각탑 보충수 외에 다양한 용도로 재활용 가능한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 분리막의 성능, 위치에 따른 습도, 온도 등에 따라 분리막으로 구성된 수분제거기의 설치 위치를 변경할 수 있으며, 분리막을 통해 회수된 수분을 응축용 열교환기에 주입하여 고순도의 물로 변화시켜 회수 수분에 따른 백연현상의 발생을 방지할 수 있으며, 회수된 수분을 냉각탑 보충수용 응축기에 주입하여 응축기에서 변환된 물을 냉각탑 보충수로 활용하여 기존의 냉각탑 보충수 양을 줄여 경제적이고, 또는 회수된 수분은 습식타워 측에 주입하여 고습도의 회수 수증기와 물이 만나 액체인 물로 변환되어 보충수로 활용가능하여 경제적인 장점이 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 백연이 발생되는 복합화력발전소 사진,
도 2는 통상의 냉각수 흐름 및 증발량을 나타낸 500MW 급 화력발전소의 구성도,
도 3은 백연제거 원리를 설명하기 위한 습도선도(Psychrometric Chart),
도 4a 및 도 4b는 수분회수 원리를 나타낸 고분자 분리막 공정의 모식도,
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 배기팬 하단에 수분제거기가 설치된 분리막을 이용한 배기덕트의 구성도,
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 건조타워 상단에 수분제거기가 설치된 분리막을 이용한 배기덕트의 구성도,
도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 건조타워 하단에 수분제거기가 설치된 분리막을 이용한 배기덕트의 구성도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 건조타워가 응축용 열교환기로 구성된 분리막을 이용한 배기덕트의 구성도,
도 7 및 도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 분리막 모듈로 구성된 수분제거기의 사시도,
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 분리막 모듈로 구성된 수분제거기의 사시도,
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 수분제거기에 적용되는 분리막 모듈의 부분절개사시도,
도 11은 도 10의 분해사시도,
도 12는 도 10의 단면도,
도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 분리막 모듈을 적층한 상태의 사시도,
도 14는 본 발명의 제4실시예에 따른 분리막 모듈의 부분절개사시도,
도 15는 도 14의 분해사시도,
도 16은 도 14의 단면도를 도시한 것이다.
도 17a는 본 발명의 일실시예에 따른 배기팬 하단에 수분제거기가 설치된 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑의 구성도,
도 17b는 본 발명의 일실시예에 따른 건조타워 상단에 수분제거기가 설치된 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑의 구성도,
도 17c는 본 발명의 일실시예에 따른 건조타워 하단에 수분제거기가 설치된 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑의 구성도,
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 회수 수분이 응축기를 통해 응축된 후 배출되는 상태를 나타낸 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑의 구성도,
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑의 구성도,
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 회수 수분이 냉각수 배출관 측으로 분사되는 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑의 구성도,
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 분리막을 이용한 배기덕트(10)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 분리막을 이용한 배기덕트(10)의 구성도를 도시한 것이다.

이러한 배기덕트(10)는 수분을 포함하는 유체를 배출하는 굴뚝, 냉각탑 등을 포함하는 개념으로, 수증기와 액적이 함유된 기체의 흐름으로부터 물방울과 수증기를 동시에 제거할 수 있게 된다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 분리막을 이용한 배기덕트(10)는 본체(110)와, 본체(110) 내에 설치되는 건조타워(300)와, 수분제거기(200) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.

본체(110)의 하단 일측에 구비된 유입부(120)를 통해 수증기와 액적을 포함하는 유체가 유입되며, 유입부(120)를 통해 유입된 유체의 액적과 수증기 일부가 제거된 형태로 본체(110)의 상단에 구비된 배출부(111)를 통해 배출되게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 수분제거기(200)는 유입부(120)와 배출부(111) 사이에 유체가 통과하도록 설치되며, 유동되는 유체로부터 수분을 선택적으로 흡수분리하는 분리막 모듈로 구성되게 된다. 이러한 분리막 모듈의 구체적인 구성은 후에 상세하게 설명하도록 한다.

또한, 이러한 수분제거기는 도 5a에 도시된 바와 같이, 배출부에 설치된 배기팬의 하단에 설치되어 질 수도 있지만, 필요에 따라 건조타워(300)의 상단 또는 건조타워(300)의 하단 측에 설치되어 질 수 있다. 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 건조타워(300) 상단에 수분제거기가 설치된 분리막을 이용한 배기덕트의 구성도를 도시한 것이고, 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 건조타워(300) 하단에 수분제거기가 설치된 분리막을 이용한 배기덕트의 구성도를 도시한 것이다. 이러한 이유는, 후에 설명되는 바와 같이, 분리막으로 구성되는 수분제거기의 물 투과도(water flux) 성능은 습도(humidity) 및 온도(temperature) 등에 따라 달라지는데, 이러한 성능(습도, 온도)은 각 위치마다 각기 다르기 때문이다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 건조타워(300)는 응축용 열교환기(310)로 구성되어질 수 있다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 건조타워(300)가 응축용 열교환기(310)로 구성된 분리막을 이용한 배기덕트의 구성도를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 응축용 열교환기(310) 내로 건조한 냉각공기가 유입되어 유체 일부를 응축시키고 습도를 낮추게 됨을 알 수 있다.

이하에서는 본체(110) 내에 설치되어 유체 내의 수분, 수증기를 선택적으로 분리하여 제거하기 위한 분리막모듈로 구성된 수분제거기(200)의 구성에 대해 설명하도록 한다. 수분제거기(200)는 유체가 유통하는 공간을 가지는 하우징(201)과, 상기 하우징(201)에 연결되고 상기 하우징(201) 내부의 공간과 격리되며 분리유체수집관(271)이 설치되는 부압챔버(270)와, 상기 하우징(201) 내부에 설치되고 일단부가 상기 부압챔버(270) 내부와 연통되는 분리막 모듈을 포함하여 이루어진다.

도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 분리막 모듈로 구성된 수분제거기(200)의 사시도를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 분리막 모듈(210)은 복수의 중공사막(211)과, 상기 중공사막(211)의 양단부에 설치된 커넥터(212)을 포함한다. 상기 커넥터(212)는 상기 중공사막(211)의 내부와 연통된다. 따라서, 상기 커넥터(212)와 상기 부압챔버(270)를 연통시키면, 상기 부압챔버(270)는 상기 중공사막(211)의 내부와 연통될 수 있다. 따라서, 상기 부압챔버(270)를 도 7에 도시된 바와 달리, 상기 하우징(201)의 상하에 모두 설치하고, 서로 연결시키는 것도 가능하다.

상기 중공사막(211)은 수분에 대한 우수한 선택성을 지닌 속이 빈 섬유와 같은 구조로 제조되는 고분자막 섬유(이하 중공사막(211))를 일정 길이로 절단한 것이며, 도 7에 도시된 바와 같이, 이러한 중공사막(211) 각각 복수개를 커넥터(212)에 의해 균일하게 분포시킨 군집 형태를 구성한 후 그 양단을 고정하여 모듈화함으로써 분리막 모듈을 구성하게 된다. 이와 같은 분리막모듈(210)은 군집화된 중공사막과 중공사막의 내부에 부압을 작용시킬 수 있는 부압챔버(270)가 필수적인 구성요소로서 반드시 복수개의 커넥터로 구성되어야 하는 것은 아니며 부압챔버(270)도 군집화된 중공사막(211)의 양단에 위치시키는 것도 가능하다.

수분제거기(200)에 구비되는 분리막모듈(210)을 구성하는 상기 중공사막(211)은 수분투과도 및 선택도를 향상시키는 코팅층을 가질 수 있다. 코팅층은 예를 들어 폴리디메틸실록산 용액와 같은 공지의 코팅제를 이용하여 건조된 중공사 표면을 코팅하여 형성할 수 있다. 이러한 중공사막(211)에서 가스 중의 H2O 투과도(2,000 Barrer)는 N2(0.25 GPU)에 8,000배가 크므로 매우 손쉽게 수분을 분리할 수 있다.

도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 분리막 모듈로 구성된 수분제거기(200)의 사시도를 도시한 것이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 수분제거기(200)는 하우징(201), 부압챔버(270), 분리관(271)의 형태는 제1실시예에 따른 수분제거기(200)와 동일하나, 중공사막(211)의 양단에 설치되는 커넥터(212)가 모두 상기 부압챔버(270)에 연통되는 차이가 있다.

도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 수분제거기(200)에 적용되는 분리막 모듈의 부분절개사시도를 도시한 것이다. 도 11은 도 10의 분해사시도를 도시한 것이고, 도 12는 도 10의 단면도를 도시한 것이다. 또한, 도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 분리막 모듈을 적층한 상태의 사시도를 도시한 것이다.

본 발명의 제3실시예에 따른 수분제거기(200)는 복수의 분리막 모듈과, 상기 복수의 분리막 모듈에 연결되는 부압챔버(270)를 포함하여 이루어진다. 분리막 모듈은 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 중심부에 배치되고 복수의 중공사막(211)이 내장되는 분리막케이싱(220)과, 상기 분리막케이싱(220)의 양단부에 설치되는 제1연통케이싱(230) 및 제2연통케이싱(240)을 포함하여 이루어진다.

중공사막(211)은 앞서 언급한 제1,제2실시예에 기재된 중공사막(211)과 동일하다. 분리막케이싱(220)은 일단은 폐쇄되고, 타단에는 분리유체공급관(260)이 연결된다. 상기 분리막케이싱(220)의 일단은 밀폐커버(234)에 의해 폐쇄되거나, 상기 분리막케이싱(220)이 일단이 폐쇄되고 타단이 개방된 관 형태로 구성되는 것도 가능하다. 그리고, 상기 분리막케이싱(220)의 양단부에는 유체가 이동가능한 관통홀이 각각 형성된다. 상기 관통홀이 형성된 영역인 제1설치면(221)과 제2설치면(224)에 상기 제1연통케이싱(230) 및 상기 제2연통케이싱(240)이 각각 설치된다.

관통홀은 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 분리막케이싱(220)의 원주면을 따라 방사상을 이루는 것과 동시에 상기 분리막케이싱(220)의 길이방향을 따라 복수개가 배치되어, 유체의 유입이 균일하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

제1연통케이싱(230)은 상기 분리막케이싱(220)의 일단부에서 상기 제1설치면(221)의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱(220)의 길이방향으로 개방되는 제1개방홀(232)이 형성된다. 이 결과, 상기 제1개방홀(232)과 상기 관통홀을 연통시키는 제1연통공간(231)이 형성된다.

상기 제1연통케이싱(230)의 일측에는 상기 분리막케이싱(220)이 삽입되고, 상기 분리막케이싱(220)의 외주면에 고정되는 제1삽입홀(233)이 형성된다.

상기 커버(234)는 상기 분리막케이싱(220)에 형성된 나사부(223)에 나사결합되거나, 끼움결합, 또는 용접 등의 다양한 방법으로 결합될 수 있다. 또는, 상기 제1연통케이싱(230)에 일체로 고정된 상태로 상기 분리막케이싱(220)의 일단에 결합되는 것도 가능하다.

상기 제2연통케이싱(240)은 상기 분리막케이싱(220)의 타단부에서 상기 제2설치면(224)의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱(220)의 길이방향으로 개방되는 제2개방홀(242)이 형성된다. 이 결과, 상기 제2개방홀(242)과 상기 제1관통홀(222)을 연통시키는 제2연통공간(241)이 형성된다.

제2연통케이싱(240)의 일측에는 상기 분리막케이싱(220)이 삽입되고, 상기 분리막케이싱(220)의 외주면에 고정되는 제2삽입홀(243)이 형성된다. 그리고, 상기 제2연통케이싱(240)의 상기 제2개방홀(242)을 통해 상기 분리유체공급관(260)이 돌출되어 연장되도록 배치된다.

분리유체공급관(260)은 상기 분리막케이싱(220)에 형성된 나사부(223)에 나사결합되거나, 끼움결합, 또는 용접 등의 다양한 방법으로 결합될 수 있다.

앞서 언급한 제1실시예에 따른 수분제거기(200)를 구성하는 분리막 모듈의 유체의 이동경로를 설명하면 다음과 같다. 먼저, 상기 제1연통케이싱(230)을 통하여 유체가 상기 제1연통공간(231)을 경유하여 상기 제1관통홀(222)로 유입된다. 그리고, 상기 분리막케이싱(220)의 내부로 유입된 유체는, 도 12에 도시된 바와 같이, 중공사막(211) 주위의 공극을 지나면서 중공사막(211)에 의해 수분이 흡수, 분리되고, 타측의 제2관통홀(225)을 통해 상기 제2연통케이싱(240)의 제2연통공간(241)을 경유하여 수분 일부가 제거된 유체가 배출된다. 반면 분리된 수분은 상기 분리유체공급관(260)을 통해 부압챔버(270)로 유입되어 분리유체수집관(271)을 통해 배출된다.

이 결과, 유체가 상기 분리막 모듈(210)의 길이방향으로 유입되어, 상기 분리막 모듈(210)의 길이방향으로 배출되므로 유체의 흐름방향이 유입전후가 동일한 방향성을 가지는 특징이 있다.

도 13은 상기 분리막케이싱(220)을 적층하여 수분제거기(200)를 구성한 모습이며, 분리유체공급관(260) 이후의 구성요소에 대해서는 생략하였다. 따라서, 상기 제1연통케이싱(230)과 상기 제2연통케이싱(240)은 적층이 용이하도록 단면이 다각형, 더욱 바람직하게는 직사각형 또는 정사각형으로 형성될 수 있다.

도 14는 본 발명의 제4실시예에 따른 분리막 모듈의 부분절개사시도를 도시한 것이다. 도 15는 도 14의 분해사시도를 도시한 것이고, 도 15는 도 14의 단면도를 도시한 것이다.

본 발명의 제4실시예에 따른 분리막 모듈은 앞서 언급한 제1 내지 제3실시예에 따른 분리막 모듈과 달리 평막(251)을 이용한다.

상기 분리막 모듈(210)은 중심부에 배치되고 평막어셈블리(250)가 내장되는 분리막케이싱(220)과, 상기 분리막케이싱(220)의 양단부에 설치되는 제1연통케이싱(230) 및 제2연통케이싱(240)을 포함하여 이루어진다.

상기 평막어셈블리(250)는 한쌍의 평막(251)이 양측에 배치되는 평막스페이서(255)와 내부에 유체가 이동하는 공급스페이서(254)가 상기 분리막케이싱(220)의 내부에서 분리공(253)이 형성된 중심관(252)의 주위로 감겨져 이루어진다. 이때, 상기 중심관(252)은 상기 평막스페이서(255)에만 연통된다.

상기 평막(251)은 공지의 기술에 따른 평막을 사용할 수 있으며, 여기서는 자세한 설명은 생략한다. 또한, 상기 공급스페이서(254)와 상기 평막스페이서(255)도 공지의 스페이서를 사용할 수 있다.

상기 분리막케이싱(220)은 일단은 폐쇄되고, 타단에는 분리유체공급관(260)이 연결된다. 상기 분리막케이싱(220)의 일단은 밀폐커버(234)에 의해 폐쇄되거나, 상기 분리막케이싱(220)이 일단이 폐쇄되고 타단이 개방된 관 형태로 구성되는 것도 가능하다. 그리고, 상기 분리막케이싱(220)의 일단부에는 유체가 이동가능한 제1관통홀(222)이 형성되고, 타단부에는 제2관통홀(225)을 가지는 관통커버(256)가 연결된다. 상기 제2관통홀(225)은 상기 중심관(252)에 근접하여 배치되고, 상기 관통커버(256)의 중심부는 상기 중심관(252)과 연통되도록 분리유체공급관(260)이 배치된다. 상기 분리막케이싱(220)의 양단부에는 상기 제1연통케이싱(230) 및 상기 제2연통케이싱(240)이 각각 설치된다.

상기 제1관통홀(222)은 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 분리막케이싱(220)의 원주면을 따라 방사상을 이루는 것과 동시에 상기 분리막케이싱(220)의 길이방향을 따라 복수개가 배치되어, 유체의 유입이 균일하게 이루지도록하는 것이 바람직하다. 또, 상기 제2관통홀(225)은 복수개가 상기 중심관(252)의 주위로 근접하여 방사상으로 배치된다. 이 결과, 상기 제1관통홀(222)을 통과한 유체가 상기 공급스페이서(254)를 경유하면서 상기 평막(251)에 의해 분리되어 상기 평막스페이서(255)로 이동되는 충분한 체류 시간과 평막(251)과의 접촉면적을 제공할 수 있다.

상기 제1연통케이싱(230)은 상기 분리막케이싱(220)의 일단부에서 상기 제1설치면(221)의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱(220)의 길이방향으로 개방되는 제1개방홀(232)이 형성된다. 이 결과, 상기 제1개방홀(232)과 상기 관통홀을 연통시키는 제1연통공간(231)이 형성된다.

상기 제1연통케이싱(230)의 일측에는 상기 분리막케이싱(220)이 삽입되고, 상기 분리막케이싱(220)의 외주면에 고정되는 제1삽입홀(233)이 형성된다. 상기 밀폐커버(234)는 상기 분리막케이싱(220)에 형성된 나사부(223)에 나사결합되거나, 끼움결합, 또는 용접 등의 다양한 방법으로 결합될 수 있다. 또는, 상기 제1연통케이싱(230)에 일체로 고정된 상태로 상기 분리막케이싱(220)의 일단에 결합되는 것도 가능하다.

상기 제2연통케이싱(240)은 상기 분리막케이싱(220)의 타단부에서로 설치되고, 상기 분리막케이싱(220)의 길이방향으로 개방되는 제2개방홀(242)이 형성된다. 이 결과, 상기 제2개방홀(242)과 상기 제2관통홀(225)을 연통시키는 제2연통공간(241)이 형성된다.

상기 제2연통케이싱(240)의 일측에는 상기 분리막케이싱(220)이 제2삽입홀(243)을 통해 삽입되어 고정된다. 따라서, 상기 제2연통공간(241)과 상기 분리막케이싱(220)의 상기 제1 및 제2연통케이싱(240)에 삽입되지 않고 노출되는 표면은 제1 및 제2연통공간(241)과 격리상태가 된다. 그리고, 상기 제2연통케이싱(240)의 상기 제2개방홀(242)을 통해 상기 분리유체공급관(260)이 돌출되어 연장되도록 배치된다.

분리유체공급관(260)은 상기 관통커버(256)에 나사결합되거나, 끼움결합, 또는 용접 등의 다양한 방법으로 결합될 수 있다.

상술한 바와 같이 구성되는 분리막 모듈(210)의 공기의 이동경로를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 제1연통케이싱(230)을 통하여 유체가 상기 제1연통공간(231)을 경유하여 상기 관통홀로 유입된다. 그리고, 상기 분리막케이싱(220)의 내부로 유입된 유체는, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 분리막어셈블리(250)의 공급스페이서(254)의 외주측으로부터 중심측까지 지나면서 상기 평막(251)에 의해 목적하는 유체가 분리되고, 분리된 유체는 분리공(253)을 가지는 중심관(252)을 거쳐서 상기 제2관통홀(225)을 통해 상기 제2연통케이싱(240)의 제2연통공간(241)을 경유하여 클린 챔버 측으로 배출된다. 분리된 수분은 상기 분리유체공급관(260)을 통해 부압챔버(270)로 유입되어 분리유체수집관(270)을 통해 배출된다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 이러한 냉각탑(100)은 앞서 언급한 배기덕트(10)의 하나의 바람직한 예로서, 전술한 배기덕트(10)의 구성을 포함한다. 도 17a는 본 발명의 일실시예에 따른 배기팬 하단에 수분제거기가 설치된 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑의 구성도를 도시한 것이고, 그리고, 도 17b는 본 발명의 일실시예에 따른 건조타워(300) 상단에 수분제거기가 설치된 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑의 구성도를 도시한 것이고, 도 17c는 본 발명의 일실시예에 따른 건조타워(300) 하단에 수분제거기가 설치된 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑의 구성도를 도시한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑(100)은 본체(110)의 유입부(120)를 통해 본체(110) 내부로 고온화된 냉각수를 냉각시키기 위한 냉각용 공기를 유입시키기 위한 동력을 제공하는 흡기팬을 포함하여 구성된다.

또한, 냉각수 배출관(420)에 구비된 다수의 분사부(421)를 통해, 냉각용으로 사용되어 냉각용 열교환기(400)에서 고온화된 냉각수가 본체(110)의 내부 하단으로 분사되게 된다.

그리고, 충진층(140)은 이러한 냉각수 배출관(420) 하단에 구비되어, 분사된 냉각수가 냉각용 공기와 열교환되어 습증기 형태로 변화하도록 한다.

따라서 앞서 언급한 건조타워(300)는, 상기 습증기의 습도를 낮추게 되고, 수분제거기(200)는 습증기로부터 수분을 선택적으로 흡수분리하여 분리유체 수집관(271)을 통해 배출시키게 된다.

이러한 수분제거기는 도 17a 내지 도 17c에 도시된 바와 같이, 배기팬의 하단에 설치되어 질 수도 있지만, 상황에 따라서 건조타워(300)의 상단이나 습식타워인 냉각수 배출관 상단에 위치할 수도 있음을 알 수 있다. 이러한 이유는 수분제거기를 구성하는 분리막의 물 투과도(water flux) 성능은 습도(humidity) 및 온도(temperature) 등에 따라 달라지는데, 이러한 성능(습도, 온도)은 각 위치마다 각기 다르기 때문에 어느 곳이 가장 좋은 성능을 내는지 알 수 없기 때문이다. 물 투과도는 일반적으로 습도 및 온도가 높을수록 높은 값을 보이므로, 습도가 가장 높은 습식타워 위쪽에 설치하는 것이 바람직할 수도 있다. 다만, 냉각탑의 구조상 설치가 어려울 경우에는 건조타워(300) 위쪽이나 배기팬 밑에 설치할 수도 있을 것이다.

또한, 냉각된 냉각수는 본체(110) 하단에 저장되고, 냉각관(430) 일측에 구비된 순환펌프(410)의 구동에 의해 냉각된 냉각수가 다시 냉각용 열교환기(400) 측으로 유입되어 순환되게 된다.

즉, 냉각수 순환펌프(410)의 구동에 의해 본체(110) 내부의 냉각수가 냉각관(430)을 통해 냉각용 열교환기(400)로 유입되어 유동매체를 냉각하여 고온화된 후, 냉각수 배출관(420)의 분사부(421)를 통해 냉각탑(100) 하단으로 분사되어 순환되게 된다.

도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 회수 수분이 응축기를 통해 응축된 후 배출되는 상태를 나타낸 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑의 구성도를 도시한 것이다. 또한, 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 회수 수분이 냉각수 배출관 측으로 분사되는 분리막을 이용한 백연저감 냉각탑의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

앞서 언급한 본 발명에 적용되는 백연저감용 분리막으로 구성되는 수분제거기는 수증기에서 수분만을 선택적으로 분리하여 습도를 낮춤으로써 백연 현상을 방지하는 것이다. 이렇게 선택적으로 분리된 회수 수분은 매우 습도가 높은 수증기 또는 액체 물인 상태로 존재할 것이며, 이들로부터 백연 현상이 발생하지 않도록 하기 위해서는 이들을 외부로 잘 배출해야 한다.

이러한 수분제거기에 의해 회수되어 유체분리수집관을 통해 배출되는 회수수분을 도 20에 도시된 바와 같이, 응축용 열교환장치(응축기(500))를 통해 물로 변화시켜 배출하는 방법을 고려할 수 있다. 즉, 분리막을 통과해 나온 수분을 응축하게 되면 액체인 물을 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 물은 분리막을 통과해 나왔기 때문에 이온크기가 큰 염들이 대부분 배체된 고 순도, 저 전도도 물을 얻을 수 있다. 그러므로 이러한 고순도 물을 사용하고자 한다면 응축용 열교환기(응축기(500))를 통과시켜 기체인 수증기를 액체인 물로 변화시킬 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 도 20에 도시된 바와 같이, 응축기(500)와, 보충수 펌프(520), 응축수 탱크(510) 등을 더 포함하여 구성될 수 있다.

본체(110) 하단 일측과 보충수 저장탱크 사이에 구비된 보충수 공급관(530)은 보충수 펌프(520)의 구동에 의해 본체(110) 내로 냉각수를 보충시키게 된다.

또한, 진공펌프로 구성되는 부압펌프(280)에 의해, 분리유체 수집관(271)을 통해 배출되는 회수 수분이 응축기(500)로 유입되게 된다. 회수 수분은 수증기를 포함하는 기체에 해당하며, 이러한 응축기(500)를 통과하면서 응축기(500)를 통해 수분을 응결분리시켜 분리된 응축수는 응축수 탱크(510)로 유입되고, 수증기량이 감소된 기체는 도 20에 도시된 바와 같이, 냉각용 공기와 함께, 유입부(120)로 유입되게 된다.

그리고, 보충수는 응축기(500)를 거쳐 보충수 공급관(530)을 통해 본체(110)의 보충수 유입부(130)에 의해 내부로 유입되게 된다.

즉, 보충수 저장탱크에 저장된 보충수가 보충수 펌프(520)의 구동에 의해 보충수 공급관(530)을 통해 응축기(500)를 통과한 후, 상기 본체(110) 내로 유입되어 냉각수를 보충시키게 된다. 반면, 부압펌프에 의해 분리유체 수집관을 통해 배출되는 회수 수분이 응축기(500)로 유입되고, 상기 응축기(500)를 통해 상기 수분을 응결분리시켜 응축수는 응축수 탱크(510)로 유입되고, 수증기량이 감소된 기체는 냉각용 공기와 함께 본체(110)의 유입부(120)로 유입되게 된다.

즉, 냉각수의 일부는 수증기로 변하여 없어지기 때문에 이들 냉각수를 보충하기 위한 설비가 구비되어 있다. 그러므로 유체분리수집관(271)을 응축기(500)에 주입하게 되면 이들 수분이 응축기(500)에서 액체인 물로 변하여 냉각탑 보충수로 활용될 것이다. 이 경우에는 기존의 냉각탑 보충수 양을 줄일 수 있어 경제적인 효과도 기대할 수 있다.

또한, 도 20에 도시된 바와 같이, 냉각탑 보충수용 응축기에 주입하는 것이 여건상 어려울 경우에는 회수수분 분사관(600)을 통해 습식타워의 냉각수 배출관 측으로 주입하는 방안도 있을 수 있다. 고습도의 수증기는 물을 만나 액체인 물로 변할 것이며, 이 경우에는 보충수의 양이 늘어나게 되기 때문에 경제적인 효과도 기대할 수 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:복합화력발전소
2:냉각탑
10:분리막을 이용한 배기덕트
20:보일러
30:전열관
40:터빈
50:순환펌프
100:분리막을 이용한 백연저감 냉각탑
110:본체
111:배출부
112:배기팬
120:유입부
130:보충수 유입부
140:충진층
150:제어부
200:수분제거기
201:하우징
210:분리막 모듈
211:중공사막
212:커넥터
220:분리막케이싱
221:제1설치면
222:제1관통홀
223:나사부
224:제2설치면
225:제2관통홀
230:제1연통케이싱
231:제1연통공간
232:제1개방홀
233:제1삽입홀
234:밀폐커버
240:제2연통케이싱
241:제2연통공간
242:제2개방홀
243:제2삽입홀
250:평막어셈블리
251:평막
252:중심관
253:분리공
254:공급스페이서
255:평막스페이서
256:관통커버
260:분리유체공급관
270:부압챔버
271:분리관
280:부압펌프
300:건조타워
310:응축용 열교환기
400:냉각용 열교환기
410:냉각수 순환펌프
420:냉각수 배출관
421:분사부
430:냉각관
500:응축기
510:응축수 탱크
520:보충수 펌프
530:보충수 공급관
600:회수수분 분사관

Claims (21)

1. 백연저감 기능을 갖는 냉각탑에 있어서,
   유체가 유입되는 유입부와 유입부를 통해 유입된 유체의 비산액적과 수증기일부가 제거된 형태로 배출되는 배출부를 갖는 본체와, 상기 유입부와 상기 배출부 사이에 유체가 통과하도록 설치되며, 상기 유체의 습도를 낮추는 건조타워와, 상기 유입부와 상기 배출부 사이에 유체가 통과하도록 설치되며, 유동되는 상기 유체로부터 수분을 선택적으로 흡수분리하는 분리막 모듈을 갖는 수분제거기를 포함하는 분리막을 이용한 배기덕트;
   내부로 냉각용 공기를 유입시키기 위해 본체 일측에 구비되는 공기 유입부;
   냉각용으로 사용되어 냉각용 열교환기에서 고온화된 냉각수를 상기 배기덕트의 본체의 내부 하단으로 분사하는 다수의 분사부를 갖는 냉각수 배출관; 및
   상기 냉각수 배출관 하단에 구비되어, 분사된 냉각수가 상기 냉각용 공기와 열교환되어 습증기 형태로 변화하도록 하는 충진층;을 포함하고,
   수분제거기는 배출부에 구비된 배기팬 하부측, 건조타워의 상단 및 상기 건조타워과 상기 냉각수 배출관 사이 중 적어도 어느 하나에 구비되어, 상기 습증기로부터 수분을 선택적으로 흡수분리하여 분리유체 수집관을 통해 배출시키고,
   상기 건조타워는, 응축용 공기가 유입되어 통과되는 상기 유체를 응축시켜 습도를 낮추는 응축용 열교환기로 구성되며,
   상기 수분제거기는, 상기 유체가 유통하는 공간을 구성하는 하우징; 상기 하우징에 연결되고 상기 하우징 내부의 공간과 격리되며 분리유체수집관이 설치되는 부압챔버; 및 상기 하우징 내부에 설치되고, 일단부 또는 양단부가 상기 부압챔버 내부와 연통되며 복수의 중공사막을 갖는 다수의 분리막 모듈을 포함하여, 상기 분리막 모듈에 의해 흡수분리된 수분은 상기 부압챔버의 분리유체수집관을 통해 분리배출되고,
   상기 본체 내부 하단과 상기 냉각용 열교환기 사이를 연결하는 냉각관과, 상기 냉각관 일측에 구비되는 냉각수 순환펌프와, 상기 분리유체 수집관을 통해 배출되는 회수 수분을 응축시키기 위한 응축기를 포함하고,
   상기 본체 하단 일측과 보충수 저장탱크 사이에 구비되어 상기 본체 내로 냉각수를 보충시키는 보충수 공급관과, 상기 보충수 공급관 일측에 구비되는 보충수 펌프를 포함하며,
   상기 분리유체 수집관을 통해 배출되는 회수 수분을 응축기로 유입시키는 부압펌프를 포함하고,
   상기 응축기를 통해 상기 수분이 응결분리되어, 응축수는 응축수 탱크로 유입되고, 수증기량이 감소된 기체는 상기 유입부로 유입되며, 보충수는 상기 응축기를 거쳐 상기 보충수 공급관을 통해 상기 본체 내로 유입되고,
   상기 분리유체 수집관을 통해 배출되는 회수 수분을 상기 냉각수 배출관의 분사부 측으로 공급하는 회수수분 분사관을 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 백연저감기능을 갖는 냉각탑.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 분리막 모듈은,
   분리막이 내장되고, 일단은 폐쇄되고, 양단부에 유체가 이동가능한 관통홀이 각각 형성되며, 타단은 분리된 수분을 부압챔버 측을 공급하는 분리유체공급관과 연결되는 분리막케이싱;
   상기 분리막케이싱의 일단부에 외주면의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱의 길이방향으로 개방되는 제1개방홀이 형성되며, 상기 제1개방홀과 상기 관통홀이 연통되도록 제1연통공간을 가지는 제1연통케이싱; 및
   상기 분리막케이싱의 타단부에 외주면의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱의 길이방향으로 개방되는 제2개방홀이 형성되며, 상기 제2개방홀과 상기 관통홀이 연통되도록 제2연통공간을 가지고, 상기 분리유체공급관이 관통되도록 배치되는 제2연통케이싱을 포함하고,
   상기 복수의 분리막 모듈은 인접하는 제1연통케이싱이 서로 연결되고, 인접하는 제2연통케이싱이 서로 연결되어 상기 분리막케이싱이 서로 평행하게 배치되며, 상기 분리막케이싱의 사이에는 공극이 형성되는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 백연저감기능을 갖는 냉각탑.
   
5. 삭제
6. 제 4항에 있어서,
   상기 분리막모듈은 평막이고,
   한쌍의 평막이 양측에 배치되는 평막스페이서와 내부에 유체가 이동하는 공급스페이서가 상기 분리막케이싱의 내부에서 분리공이 형성된 중심관의 주위로 감겨지고, 상기 중심관은 상기 평막스페이서에만 연통되는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 백연저감기능을 갖는 냉각탑.
   
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8. 삭제
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11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 제 1항에 따른 냉각탑을 이용하여 분사되는 고온화된 냉각수를 냉각하고, 수분을 제거하기 위한 방법에 있어서,
    본체 일측에 구비된 공기 유입부를 통해 냉각용 공기가 내부로 유입되는 단계;
    냉각용으로 사용되어 냉각용 열교환기에서 고온화된 냉각수가 다수의 분사부를 갖는 냉각수 배출관을 통해 상기 본체의 내부 하단으로 분사되는 단계;
    상기 냉각수 배출관 하단에 구비된 충진층에서, 분사된 냉각수가 상기 냉각용 공기와 열교환되어 습증기 형태로 변화되는 단계;
    상기 본체에 유체가 통과하도록 설치된 건조타워에 의해, 상기 습증기의 습도를 낮추는 단계; 및
    습도가 낮춰진 습증기가 본체 타측에 구비된 배출부를 통해 배출되는 단계;를 포함하고,
    상기 습증기의 습도를 낮추는 단계 전 또는 후에,
    습증기가 통과하도록 설치된 분리막 모듈로 구성된 수분제거기에 의해 유동되는 상기 습증기로부터 수분을 선택적으로 흡수분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 냉각탑의 작동방법.
    
17. 제 16항에 있어서,
    냉각수 순환펌프의 구동에 의해 상기 본체 내부의 냉각수가 냉각관을 통해 냉각용 열교환기로 유입되어 유동매체를 냉각하여 고온화된 후, 상기 냉각수 배출관의 분사부를 통해 냉각탑 하단으로 분사되어 순환되는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 냉각탑의 작동방법.
    
18. 제 17항에 있어서,
    상기 수분제거기의 분리유체 수집관을 통해 배출되는 회수 수분을 응축기가 응축시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 냉각탑의 작동방법.
    
19. 제 17항에 있어서,
    보충수 저장탱크에 저장된 보충수가 보충수 펌프의 구동에 의해 보충수 공급관을 통해 응축기를 통과한 후, 상기 본체 내로 유입되어 냉각수를 보충시키는 단계를 더 포함하고,
    부압펌프에 의해 분리유체 수집관을 통해 배출되는 회수 수분이 응축기로 유입되고, 상기 응축기를 통해 상기 수분을 응결분리시켜 응축수는 응축수 탱크로 유입되고, 수증기량이 감소된 기체는 냉각용 공기와 함께 상기 유입부로 유입되는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 냉각탑의 작동방법.
    
20. 제 18항에 있어서,
    회수수분 분사관을 통해 상기 분리유체 수집관에서 배출되는 회수 수분을 냉각수 배출관의 분사부 측으로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 냉각탑의 작동방법.
    
21. 열교환시스템에 있어서,
    연료가 투입되어 연소에 의해 발생되는 연소배가스에 의해, 전열관 내를 유동하는 유동매체를 가열하는 보일러;
    가열된 유동매체에 의해 전력을 생산하는 터빈;
    상기 터빈을 통과한 유동매체를 냉각시키기 위한 냉각용 열교환기; 및
    제 1항에 따른 냉각탑;을 포함하는 것을 특징으로 하는 백연저감 열교환시스템.

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