KR101879361B1

KR101879361B1 - 에너지 절약형 냉각탑

Info

Publication number: KR101879361B1
Application number: KR1020170106530A
Authority: KR
Inventors: 이상구
Original assignee: 유니엔스(주)
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2018-07-18

Abstract

본 발명은 에너지 절약형 냉각탑에 관한 것이다.
본 발명은 유체를 저장하는 수용공간을 포함하는 몸통부, 몸통부의 내부에 설치되어 나선방향으로 유체를 이동시키는 스파이럴 케이싱, 스파이럴 케이싱의 상단에 위치한 냉각팬의 구동축과 연결되는 크라운과 유체를 수용공간으로 배출하는 중앙홀을 갖는 밴드 및 크라운과 밴드 사이에 배치되어 상기 구동축을 중심으로 나선 방향으로 굴절된 복수 개의 블레이드를 포함하는 러너모듈을 포함한다.

Description

에너지 절약형 냉각탑{Cooling tower for energy saving}

본 발명은 에너지 절약형 냉각탑에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수력으로부터 발생 되는 반동력으로 구동하며 고온의 외부 설비 등을 냉각시키는 에너지 절약형 냉각탑에 관한 것이다.

냉각탑은 고온의 설비와 연결되어, 냉각수를 순환시키며 설비를 냉각시키는 열교환 장치이다. 이러한 냉각탑은 빌딩, 공장 등의 다양한 기계에서 발생하는 열을 제거하기 위하여 사용된 물을 냉각시키며 기계나 빌딩 등의 주변을 냉각시킨다.

최근 들어, 공장 및 빌등 등에서 고온의 발생시키는 기계의 사용이 증가함에 따라 건물을 냉각시킬 수 있는 냉각탑 설치가 많아 지고 있다.

냉각탑 설치 수용의 증가로 인해, 각 설치 장소에 적합한 다양한 구조의 냉각탑이 개발 및 고안되고 있다. 일례로, 대한민국 등록실용신안 20-0328775에는 냉각수의 배출이 용이한 향루형 냉각탑이 개시되어 있다.

그러나 개발 및 고안된 대다수의 냉각탑은 냉각수 배출에 대한 용이성 또는 구조적 안정성에 관한 것일 뿐이며, 구동 효율이 높지 못한 문제를 가지고있다.

따라서, 냉각탑의 높은 작동성 및 높은 안정성뿐 아니라 높은 구동 효율을 높일 수 있는 냉각탑이 필요한 실정이다.

대한민국 등록실용신안 제20-0328775호 (2003.09.23)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 외부에서 유입되는 온열수가 낙하하며 발생시키는 동력으로 냉각팬을 구동시켜 공기를 유입해 온열수를 냉각하고, 냉각수를 순환시키며 고온의 외부 설비를 냉각시키기 위한 것이다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 에너지 절약형 냉각탑은 유체를 저장하는 수용공간을 포함하는 몸통부;

상기 몸통부의 내부에 설치되어 나선방향으로 유체를 이동시키는 스파이럴 케이싱;

상기 스파이럴 케이싱의 상단에 위치한 냉각팬의 구동축과 연결되는 크라운과 상기 유체를 상기 수용공간으로 배출하는 중앙홀을 갖는 밴드 및 상기 크라운과 상기 밴드 사이에 배치되어 상기 구동축을 중심으로 나선 방향으로 굴절된 복수 개의 블레이드를 포함하는 러너모듈을 포함한다.

상기 블레이드의 비속도(

)는

= N(

) / (

) 산식으로 정의되고, 상기 N(수차 회전수)는 60~120rpm이 되고, Q(순환 수량)는 0.1~0.5

가 되며, H(낙차)는 10~20m가 될 수 있다.

상기 러너모듈의 입구의 직경(D1)은

산식으로 형성되고, 상기 입구의 직경의 산식에서 C_S는 0.65 내지 0.7로 설정되며, 상기 러너모듈의 출구의 직경(D2)는

이 된다.

상기 블레이드는 상기 크라운과 접하는 입구각(β₁)과 상기 밴드와 접하는 출구각(β₂)과 전체 형상의 길이(l)가 β₁+(β₁+β₂)*(상기 블레이드의 구하고자 하는 길이까지의 길이(l_i)/ 상기 블레이드의 전체 길이(l)의 계산식을 통해 상기 블레이드의 구하고자 하는 길이(l_i)의 각도가 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 의한 에너지 절약형 냉각탑은 외부에서 유입되는 온열수가 낙하하며 발생시키는 동력으로 냉각팬을 구동시켜 공기를 유입해 온열수를 냉각할 수 있다. 그리고 냉각수를 순환시키며 고온의 외부 설비를 냉각시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 온열수가 낙하하며 발생되는 동력으로 온열수를 냉각시키며, 온열수 냉각에 냉각팬 구동에 사용되는 전기 사용을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 절약형 냉각탑에 관한 사시도이다.
도 2는 도 1의 에너지 절약형 냉각탑의 종단면도이다.
도 3은 도 1의 러너모듈의 단면도와 블레이드의 평면도를 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 블레이드와 본 발명의 블레이드를 나타낸 사시도이다.
도 5는 러너모듈의 입구와 출구에서의 유체 속도 삼각형에 관한 도면이다.
도 6은 종래의 블레이드와 본 발명의 블레이드에 가해지는 압력의 상태를 나타낸 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

또한, 본 발명은 청구항을 비롯해 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재된 내용을 기반하여 용이하게 유추될 수 있는 것을 포괄할 수 있다. 아울러, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 냉각탑에 관해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 절약형 냉각탑에 관한 사시도이다.

에너지 절약형 냉각탑(1)은 외부에서 유입되는 온열수를 낙하시켜 동력을 발생시키며 냉각팬(40)을 구동시킨다. 그리고 구동되는 냉각팬(40)을 통해 외부에서 공기를 유입해 낙하되는 온열수를 냉각시킨다.

이와 같은 에너지 절약형 냉각탑(1)은 온열수를 냉각시킬 때, 별도의 냉각장치를 구동시키지 않으면서, 온열수 냉각에 사용되는 전기 사용량을 줄일 수 있다.

다시 말해, 에너지 절약형 냉각탑(1)은 온열수의 위치에너지 변화로 발생되는 에너지로 온열수를 냉각시키며, 온열수 냉각에 사용되는 전기에너지 사용을 줄일 수 있다.

이러한 특징을 갖는 에너지 절약형 냉각탑(1)은 유체를 저장하는 몸통부(10), 몸통부의 주입구에 나선방향으로 설치된 스파이럴 케이싱(20)과 냉각팬(40)과 연결되어 유체의 유입에 의해 블레이드를 회전시키며 냉각팬(40)을 회전시키는 러너모듈(30)을 포함한다.

이하, 도 2를 참조하여, 에너지 절약형 냉각탑을 구성하는 요소들에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

몸통부(10)는 상단부에서 하단부로 낙하되는 유체의 낙차가 10m 내지 20m 될 수 있는 높이의 형상으로 형성될 수 있다. 일례로, 몸통부(10)는 높이가 10~20m가 되는 높이의 직육면체의 형상으로 형성되어, 내부의 하단부에 유체를 수용하는 수용공간부(11)를 포함하고, 중간부에 유체의 충격을 흡수하는 충진재(15)를 포함하며 상단부에 스파이럴 케이싱(20) 및 냉각팬(40)을 수용하는 배출통부(14)를 포함할 수 있다.

여기서, 배출통부(14)는 상단부에 직경의 형상이 상단부에서 중간부로 가면서 점차 좁아진 후, 중간부에서 하단부로 가면서 다시 점차 넓어지는 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같은 배출통부(14)는 내부에서 작동하는 냉각팬(40)으로 통해 배출되는 유체의 압력을 낮추면서 속력을 증가시켜 배출 속도를 높일 수 있다.

몸통부(10)의 충진재(15)와 수용공간부(11) 사이의 외측면에는 복수 개의 홀(16)이 타공되어 외부에서 공기가 원활히 유입될 수 있도록 한다. 이때, 유입되는 공기는 스파이럴 케이싱(20)을 통해 배출되는 유체를 냉각시킬 수 있다.

아울러, 스파이럴 케이싱(20)은 유입되는 수량이 0.1 내지 0.5 m³/s가 될 수 있는 직경으로 형성될 수 있다. 스파이럴 케이싱(20)은 유입구(12)와 연결되어 외부에서 유체를 공급받아 내부에 설치된 복수 개의 블레이드(34)를 구동시킬 수 있다.

아울러, 도시되어 있지는 않지만 유입구(12)와 배출구(13) 사이에는 순환관, 복수 개의 분기관, 복수 개의 밸브, 펌프 및 열교환부가 설치될 수 있다. 이를 통해, 수용공간부(11)에서 배출되는 냉각수를 이용해 고온의 설비를 냉각시키고, 고온의 유체를 다시 유입구(12)를 통해 스파이럴 케이싱(20)으로 유입시키며, 유체가 에너지 절약형 냉각탑(1) 및 고온의 설비를 계속해서 순환할 수 있도록 한다.

여기서, 순환관은 배출구(13)에 연결되어 배출구(13)에서 배출된 냉각수를 순환시킬 수 있다.

스파이럴 케이싱(20)은 나선형으로 형성되고 유입구(12)와 연결되어, 유입구(12)를 통해 유입된 유체를 나선형으로 이동시킬 수 있다. 이러한 스파이럴 케이싱(20)은 배출통부(14)의 하단부에 위치하며, 상부에 냉각팬(40)이 설치될 수 있는 형상으로 형성될 수 있다.

아울러, 스파이럴 케이싱(20)의 내부에는 크라운(32), 밴드(33) 및 블레이드(34)로 형성된 러너모듈(30)가 설치된다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 러너모듈에 대해 상세히 설명한다.

도 3은 도 1의 러너모듈의 단면도와 블레이드의 평면도를 나타낸 도면이고, 도 4는 종래의 블레이드와 본 발명의 블레이드를 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 4의 본 발명의 블레이드의 횡단면이다.

러너모듈(30)은 크라운(32), 밴드(33) 및 크라운(32)과 밴드(33) 사이에 배치된 복수 개의 블레이드(34)를 포함한다.

여기서, 크라운(32)은 스파이럴 케이싱의 상단에 위치한 냉각팬의 구동축과 연결되고, 밴드(33)은 유체를 수용공간으로 배출하는 중앙홀을 갖는다. 그리고 블레이드(34)는 밴드(33) 및 크라운(32)과 밴드 사이에 배치되며 구동축을 중심으로 나선방향으로 굴절된다.

이때, 크라운(32)은 길이(D1)는

가 될 수 있고, 실험계수인 C_S는 0.65 내지 0.7가 될 수 있으며, 중력가속도 g는 9.8m/s^2가 될 수 있으며, 밴드(33)의 중앙홀의 길이(D2)는

가 될 수 있다.

러너모듈(30)은 전술한 바와 같은 크라운(32), 밴드(33)로 형성되며, 크라운(32)과 밴드(33) 사이에 블레이드(34)가 복수 개 설치되는 구조로 형성될 수 있다. 이때, 블레이드(34)는 냉각팬의 구동축을 중심으로 일정하게 이격 되어 형성될 수 있다.

블레이드(34)는 스파이럴 케이싱(20)을 통해 유입되는 유체에 의해 회동한다. 그리고 구동축과 연결된 냉각팬(40)을 회동시킬 수 있다. 블레이드(34)는 60 내지 120의 rpm으로 회전하며, 냉각팬(40)을 회전시킬 수 있다. 이와 같은 블레이드(34)의 비속도(n_s: specfic speed)는

가 된다.

일례로, 산식을 이용해 블레이드의 회전속도가 60rpm, 낙차가 10m, 순환 수량이 0.1

이 되는 경우, 블레이드(34)의 비속도는 3.307이 된다. 그리고 블레이드의 회전속도가 120rpm, 낙차가 20m, 순환 수량이 0.5

이 되는 경우, 블레이드(34)의 비속도는 8.971이 된다.

다시 말해, 블레이드(34)는 회전속도가 60 내지 120이고, 낙차가 10 내지 20이며, 순환 수량이 0.1 내지 0.5 이하일 때 비속도가 10 미만으로 형성된다.

또한, 블레이드(34)는 도 5에 도시된 바와 같은 크라운(32)과 접하는 일단의 입구각(β₁)이 82.6도, 유체와 접하는 일단의 입사각(α1)이 48.2도가 되고, 밴드(33)와 접하는 타단의 출구각(β₂)이 19.6도, 유체와 접하는 타단의 입사각(α2) 80.2도가 되도록 유선형으로 형성될 수 있다.

특히, 블레이드(34)는 입구각 및 출구각이 결정되며, 하기와 같은 계산식1에 의해 구하고자 하는 부분까지의 각도(β_i)가 결정될 수 있다.

이때, l: 전체 유선(stream line)길이, l_i: 구하고자 하는 지점의 유선 길이가 된다. 계산식 1

이와 같은 계산식에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 비속도가 10 미만이 되는 블레이드(34)로 형성될 수 있다.

이하, 도 6을 참조하여 종래의 블레이드와 본 발명의 블레이드에 가해지는 압력분포에 대해 설명한다.

도 6은 종래의 블레이드와 본 발명의 블레이드에 가해지는 압력의 상태를 나타낸 도면이다.

본 발명에서는 종래의 블레이드와 본 발명의 블레이드에 분포되는 압력상태를 정확히 파악하기 위해 나비에-스토크스(Navier-stokes) 방정식과 케이-오메가(

)난류 모델을 이용한 수치해석을 사용하였다.

도 6의 (a)는 종래의 블레이드(A)와 본 발명의 블레이드(34)의 압력면(pressure side)을 나타낸 그림이고, 도 6의 (b)는 종래의 블레이드(A)와 본 발명의 블레이드(34)의 배면(suction side)을 나타낸 그림이다.

도 6을 참조하여, 종래의 블레이드(A)와 본 발명의 블레이드(34)의 전후면 압력분포 수치계산을 비교해보면 종래의 블레이드는 전연(leading edge)부분에서 유체의 흐름을 균일하게 안내하지 못하면서, 특정부분에 캐비테이션을 발생시킨다. 종래의 블레이드는 이러한 캐비테이션에 의해 국부적으로 진동되며 손상되는 문제가 있다.

반면, 본 발명의 블레이드(34)는 전연 부분에서 유체의 균일한 흐름을 안내하면서 전연부분에 균일한 압력이 분포될 수 있도록 한다. 즉, 본 발명의 블레이드(34)는 캐비테이션의 발생을 방지시킨다.

또한, 종래의 블레이드(A)는 배면의 후연(trailing edge)쪽에서 음압을 발생시키며 유체의 원활한 배출을 방해시키는 반면, 본 발명의 블레이드(34)는 배면의 후연쪽에서 음압을 발생시키지 않으며, 유체의 원활한 배출을 돕는다.

다시 말해, 전술한 바와 같이 형성된 블레이드(34)는 유입되는 유체에 의해 캐비테이션 없이 구동하며 유체를 원활하게 배출시킬 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

1: 에너지 절약형 냉각탑
10: 몸통부 11: 수용공간부
12: 유입구 13: 배출구
14: 배출통부 15: 충진재
20: 스파이럴 케이싱 30: 러너모듈
32: 크라운
33: 밴드 34: 블레이드
40: 냉각팬

Claims

유체를 저장하는 수용공간을 포함하고, 상기 유체의 낙차가 10 내지 20m가 되는 높이로 형성된 몸통부;
상기 몸통부의 내부에 설치되어 나선방향으로 유체를 이동시키되, 유입되는 수량이 0.1 내지 0.5
가 될 수 있는 직경인 스파이럴 케이싱;
상기 스파이럴 케이싱의 상단에 위치한 냉각팬의 구동축과 연결되는 크라운과 상기 유체를 상기 수용공간으로 배출하는 중앙홀을 갖는 밴드 및 상기 크라운과 상기 밴드 사이에 배치되어 상기 구동축을 중심으로 나선 방향으로 굴절되어, 전연(leading edge)부분에서 균일한 압력이 분포되고, 후연(trailing edge)쪽에서 음압이 발생되지 않도록 하는 복수 개의 블레이드를 포함하는 러너모듈을 포함하되,
상기 블레이드의 비속도(
)는
= N(
) / (
) 산식으로 정의되고,
상기 N(수차 회전수)는 60~120rpm이 되고, Q(순환 수량)는 0.1~0.5
가 되며, H(낙차)는 10~20m가 되어, 상기 블레이드의 비속도(
)는 10 미만으로 형성되고,
상기 러너모듈의 상단부 길이(D1)는
산식으로 형성되고, 상기 상단부의 길이의 산식에서 C_S는 0.65 내지 0.7로 설정되며, 상기 러너모듈의 하단부의 길이(D2)는
이 되고,
상기 블레이드는 상기 크라운과 접하는 입구각(β1)과 상기 밴드와 접하는 출구각(β2)과 전체 형상의 길이(l)가 β1+(β1+β2)*(상기 블레이드의 구하고자 하는 길이까지의 길이(l_i)/ 상기 블레이드의 전체 길이(l)의 계산식을 통해 상기 블레이드의 구하고자 하는 길이(l_i)의 각도가 결정되는 에너지 절약형 냉각탑.
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