KR102146202B1 - 공랭식 열교환기 - Google Patents

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KR102146202B1 KR1020190134399A KR20190134399A KR102146202B1 KR 102146202 B1 KR102146202 B1 KR 102146202B1 KR 1020190134399 A KR1020190134399 A KR 1020190134399A KR 20190134399 A KR20190134399 A KR 20190134399A KR 102146202 B1 KR102146202 B1 KR 102146202B1
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김정환
박현도
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 공랭식 열교환기 주변에 물을 분사함으로써, 주변 공기 온도를 낮추어 열교환 효율을 향상시키는 공랭식 열교환기에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 공랭식 열교환기에 있어서: 유체가 통과하면서 열교환이 일어나는 열교환부(10)와, 상기 열교환부 하부에 위치하고 열교환부를 향해 공기를 전달하는 팬(11)과, 상기 팬의 일측에 구비되는 모터(12)를 포함하는 열교환기(1); 상기 열교환기 하부에 위치하고 물을 대기 중에 분사하는 복수개의 노즐(20)과, 상기 노즐이 구비되는 파이프(21)와, 상기 노즐에 물을 공급하는 펌프(22)를 포함하는 물분사장치(2); 상기 열교환부 주변 상태를 측정하는 센서부(3); 및 상기 센서부로부터 측정된 상태 값을 수신받고 상기 펌프(22) 압력을 제어하는 제어부(4);를 포함하고, 상기 제어부(4)는 센서부(3)에 의해 측정되는 상태값에 따라 실시간으로 펌프(22) 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 공랭식 열교환기를 제공하고자 한다.

Description

공랭식 열교환기{Air Cooled Heat Exchanger}
본 발명은 공랭식 열교환기 주변에 물을 분사함으로써, 주변 공기 온도를 낮추어 열교환 효율을 향상시키는 공랭식 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 열교환기는 대형 플랜트에서의 폐열회수, 가열 및 냉각공정에서의 고효율 에너지 변환 및 이송, 공기조화 및 냉동장치 등에서의 열전달 핵심부품으로 사용되고 있으며, 기상이나 액상의 유체(작동유체, 원재료, 반제품, 제품 등)가 포함되고 있는 열을 Tube 또는 Plate의 형태를 지닌 전열면을 통해 유체 상호간에 전달시켜 가열, 냉각, 응축, 증발 등의 기능을 수행하는 장치이며, 크게 수랭식과 공랭식으로 구분되어진다.
상기 공랭식 열교환기는 특히 석유화학 플랜트, 정유플랜트 및 발전소 등과 같은 다양한 산업플랜트에서 에너지의 효율적 이용을 위한 중요한 시설로 인정받고 있으며, 공기를 이용하는 냉각방식으로 인해 부식 문제, 용수 공급 문제, 해수온난화 현상으로 인한 환경문제 등을 야기하지 않는 친환경적인 기술이다.
그러나, 공랭식 열교환기는 냉각유체로 주변 공기를 사용하기 때문에 주변 온도와 습도 영향을 많이 받으며, 특히 하절기 또는 지구온난화로 인한 기온상승으로 인해 주변 공기의 온도가 상승하는 경우 공랭식 열교환기의 열교환 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
KR 100900504 B1
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전술한 바와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여, 열교환 효율을 향상시키는 공랭식 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해, 공랭식 열교환기에 있어서: 유체가 통과하면서 열교환이 일어나는 열교환부(10)와, 상기 열교환부 하부에 위치하고 열교환부를 향해 공기를 전달하는 팬(11)과, 상기 팬의 일측에 구비되는 모터(12)를 포함하는 열교환기(1); 상기 열교환기 하부에 위치하고 물을 대기 중에 분사하는 복수개의 노즐(20)과, 상기 노즐이 구비되는 파이프(21)와, 상기 노즐에 물을 공급하는 펌프(22)를 포함하는 물분사장치(2); 상기 열교환부 주변 상태를 측정하는 센서부(3); 및 상기 센서부로부터 측정된 상태 값을 수신받고 상기 펌프(22) 압력을 제어하는 제어부(4);를 포함하고, 상기 제어부(4)는 센서부(3)에 의해 측정되는 상태값에 따라 실시간으로 펌프(22) 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 공랭식 열교환기를 제공하고자 한다.
이때, 상기 열교환부(10)는, 복수개의 튜브(1000)가 일정한 간격으로 배치되는 튜브번들부(100)와, 상기 튜브번들부 일측에 구비되는 유입부(101)와, 상기 튜브번들부 타측에 구비되는 유출부(102)를 포함하고, 상기 튜브는 핀튜브 형상으로 제작되어 열전달 면적을 넓힐 수 있다.
또한, 상기 열교환기(1)를 바닥면으로부터 소정의 거리만큼 이격하여 지탱하는 복수개의 기둥(50)과, 상기 열교환기 하부에 위치하며, 상기 기둥을 따라 승하강하는 판(51)과, 상기 판의 일측에 결합되어 판과 열교환기간의 거리를 조절하는 승하강 장치(52)를 포함하는 구동부(5);를 더 포함하고, 상기 판(51)은 파이프(21)와 결합될 수 있다.
아울러, 상기 승하강 장치(52)는, 상기 판의 상단에 위치하며 상기 기둥의 일측면에 구비되는 제 1 와이어 권선장치(520)와, 상기 판의 하단에 위치하며 상기 제 1 와이어 권선장치와 대응관계를 이루고, 제 1 와이어 권선장치가 구비되는 기둥의 일측면에 제 1 와이어 권선장치로부터 소정의 거리만큼 이격하여 구비되는 제 2 와이어 권선장치(521)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 판(51)의 일측은 와이어에 고정되고, 와이어 권취 및 권출에 따라 판이 승하강될 수 있다.
그리고, 상기 구동부(5)는 상면이 개방되고, 측면은 소정의 크기를 가진 구멍을 제외하고 외부로부터 막힌 형태이며, 상기 구멍을 통해 건조한 공기를 공급하는 건조 공기 공급 장치(6);를 더 포함하고, 상기 건조 공기 공급 장치는 대기 중의 수증기를 제거한 건조한 공기를 상기 구동부 내로 공급할 수 있다.
이때, 상기 건조 공기 공급 장치(6)는, 상기 센서부(3)에 의해 측정된 열교환부 주변의 상태 값에 따라 작동될 수 있다.
본 발명에 의한 공랭식 열교환기는, 열교환기 주변 온도 및 습도에 따라 펌프 압력을 제어하여 열교환기 주변에 분사되는 물의 유량과 물의 액적 직경을 조절하여 물의 증발율을 향상시키고,
아울러, 외부 환경으로 인해 열교환기 주변의 습도가 높을 시 건조 공기 공급장치를 이용하여 열교환기 주변에 건조한 공기를 공급하여 분사되는 물의 증발율을 향상시킬 수 있다.
또한, 열교환기 주변에 분사된 물이 증발하여 대기 온도를 낮춤으로써, 냉각된 공기와 열교환기 내부에 위치하는 유체간의 열교환 효율을 향상시키고,
펌프 압력에 따라 노즐에 의해 물이 분사되는 거리가 가변하므로, 노즐과 공랭식 열교환기 간의 거리를 실시간으로 조절하여 장비에 직접적으로 물을 닿는 것을 방지하여 장비 부식률을 저하시킬 수 있다.
또한, 대기 온도 및 습도에 따라 증발률을 향상시키기 위해 분사되는 유량을 조절하므로 물을 절약할 수 있고,
상기 열교환 효율 향상으로 인해 에너지를 절감하여 운전비용 및 탄소배출을 줄일 수 있으며, 변동성이 큰 에너지 가격 및 환율의 영향을 적게 받아 안정적인 공정 운영을 할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 공랭식 열교환기의 정면도이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 공랭식 열교환기의 평면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공랭식 열교환기의 사시도이다.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 공랭식 열교환기가 복수개 설치되는 것을 나타내는 정면도이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 "포함 한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에서 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
공랭식 열교환기에 있어서: 도 1에서 보는 바와 같이, 유체가 통과하면서 열교환이 일어나는 열교환부(10)와, 상기 열교환부 하부에 위치하고 열교환부를 향해 공기를 전달하는 팬(11)과, 상기 팬의 일측에 구비되는 모터(12)를 포함하는 열교환기(1); 상기 열교환기 하부에 위치하고 물을 대기 중에 분사하는 복수개의 노즐(20)과, 상기 노즐이 구비되는 파이프(21)와, 상기 노즐에 물을 공급하는 펌프(22)를 포함하는 물분사장치(2); 상기 열교환부 주변 상태를 측정하는 센서부(3); 상기 센서부로부터 측정된 상태 값을 수신받고 상기 펌프(22) 압력을 제어하는 제어부(4); 및 상기 열교환기(1)를 바닥면으로부터 소정의 거리만큼 이격하여 지탱하는 복수개의 기둥(50)과, 상기 열교환기 하부에 위치하며, 상기 기둥을 따라 승하강하는 판(51)과, 상기 판의 일측에 결합되어 판과 열교환기간의 거리를 자동으로 조절하는 승하강 장치(52)를 포함하는 구동부(5);를 포함하고, 상기 제어부(4)는 센서부(3)에 의해 측정되는 상태값에 따라 실시간으로 펌프(22) 압력을 제어하고, 상기 판(51)은 파이프(21)와 결합될 수 있는 것을 특징으로 하는 공랭식 열교환기를 제공하고자 한다.
이때, 상기 열교환부(10)는, 도 2에서 보는 바와 같이, 하나 이상의 튜브(100)와, 상기 튜브 일측에 구비되는 유입부(101)와, 상기 튜브 타측에 구비되는 유출부(102)를 포함하고, 상기 튜브는 핀튜브 형상으로 제작되어 열전달 면적을 넓힐 수 있다.
아울러, 튜브(100) 내 유체와 공기 간의 열교환 시간을 늘리기 위해 도 3에서 보는 바와 같이, 튜브(100)가 지그재그 형태로 구비될 수 있다.
또한, 상기 노즐(20)이 열교환기(1)를 향해 물을 분사하는 경우 팬(11)과 모터(12) 표면에 물이 맺히게 되어 부식이 일어나므로, 도 4의 X를 보는 바와 같이, 팬과 모터 표면에 발수코팅을 하여 물과의 접촉면적을 작게함으로써, 장비 부식률을 저하시킬 수 있다.
상기 센서부(3)는 열교환부 주변 상태를 측정하기 위한 습도센서와, 온도센서를 포함할 수 있고, 상기 측정된 온도 및 습도 값을 제어부(4)로 전송할 수 있다.
상기 제어부(4)는 센서부(3)로부터 전송받은 온도 값을 통해 하기 표 1과 같이 해당 온도에 따른 포화수증기량을 도출하고, 전송받은 습도 값과 상기 도출된 포화수증기량을 통해 현재 수증기량을 계산하여 분사 가능한 시간당 물의 유량을 도출할 수 있다.
기온(℃) 10 15 20 25 30 35 40
포화수증기량(g/kg) 7.63 10.65 14.69 20.07 27.18 36.55 48.53
예를 들어, 열교환부(10)의 주변 온도 값이 40℃이고, 습도 값이 60%일 경우 포화수증기량은 48.53g/kg, 현재 수증기량은 29.12g/kg이다. 열교환부 주변의 목표 온도가 35℃인 경우, 증발 가능한 물의 양은 7.43g/kg이며, 팬(11)에 의해 유동되는 공기 유량이 12,288,000kg/hr일 경우 열교환부(10) 주변에서 증발 가능한 시간당 물의 유량은 91,299.8kg/hr이다.
압력(bar) 20 30 40 50 60 70 80
물 유량(L/hr) 3.90 5.55 6.90 7.50 8.40 9.45 10.35
상기 표 2는 본 발명의 실시예에 따른 펌프(22) 압력에 따라 가변되는 물의 유량을 나타낸 것으로, 제어부(4)는 상기 도출된 시간당 물 유량 이하의 유량이 분사될 수 있도록 펌프 압력을 제어할 수 있다. 아울러, 실시간으로 측정되는 열교환부 주변의 온도 및 습도 값에 따라 상기 펌프 압력도 조절될 것이다.
상기 승하강 장치(52)는, 도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이 상기 판의 상단에 위치하며 상기 기둥의 일측면에 구비되는 제 1 와이어 권선장치(520)와, 상기 판의 하단에 위치하며 상기 제 1 와이어 권선장치와 대응관계를 이루고, 제 1 와이어 권선장치가 구비되는 기둥의 일측면에 제 1 와이어 권선장치로부터 소정의 거리만큼 이격하여 구비되는 제 2 와이어 권선장치(521)를 포함할 수 있고, 상기 판(51)의 일측은 와이어에 고정되고, 와이어 권취 및 권출에 따라 판이 승하강될 수 있다.
자세하게는, 제 1 와이어 권선장치(520)가 와이어를 권취하고 제 2 와이어 권선장치(521)가 와이어를 권출할 시 승하강 판(51)은 상승한다.
이때, 제 1 와이어 권선장치와 제 2 와이어 권선장치는 같은 속도로 권취 또는 권출하여 와이어 장력을 유지하는 것이 바람직할 것이다.
승하강 장치(52)의 또 다른 실시예로는 기둥(50)의 일측에 구비되는 직선운동을 실시하는 실린더를 포함할 수 있고, 상기 실린더는 승하강 판(51)의 일측에 결합되어 실린더의 직선운동에 의해 승하강 판이 승하강할 수 있다.
30bar 40bar 50bar 60bar
30cm 28.3㎛ 26.0㎛ 25.2㎛ 24.9㎛
40cm 29.3㎛ 27.0㎛ 26.0㎛ 25.3㎛
50cm 28.1㎛ 28.0㎛ 27.2㎛ 26.9㎛
60cm 29.4㎛ 29.1㎛ 29.0㎛ 28.3㎛
상기 표 3은 본 발명의 실시예에 따른 펌프(22) 압력과 측정거리에 따라 변화하는 물 입자크기를 나타낸 것이다.
노즐(20)에서 분사된 물 입자는 공중에서 다시 결합하여 입자(액적 직경)의 크기가 커지게 되므로, 물 입자들이 다시 결합하기 전에 팬(11) 영향 범위 안으로 들어가게 해야한다. 따라서, 펌프 압력에 따라 결합이 일어나는 위치가 다르므로, 상기 승하강 장치(52)를 이용하여 노즐과 팬 사이의 거리를 조절하여 물 입자 크기를 작게함으로써, 증발량을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 6에서 보는 바와 같이 상기 구동부(5)는 상면이 개방되고, 측면은 소정의 크기를 가진 구멍을 제외하고 외부로부터 막힌 형태일 수 있으며, 상기 구멍을 통해 건조한 공기를 공급하는 건조 공기 공급 장치(6);를 더 포함할 수 있고, 상기 건조 공기 공급 장치는 대기 중의 수증기를 제거한 건조한 공기를 상기 구동부 내로 공급할 수 있다.
아울러, 상기 구동부(5)는 건조 공기 공급 장치(6)가 구비되는 해당 측면을 제외한 측면은 사용자 조작에 의해 자동으로 개폐되는 도어장치를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 건조 공기 공급 장치(6)는 외부로부터 유입되는 공기를 모터를 통해 압축하는 압축기와, 상기 압축된 공기를 냉각하는 냉각기와, 상기 냉각된 공기를 물과 공기로 분리하는 기수분리기와, 상기 분리된 공기를 건조시키는 건조기와, 상기 건조된 공기를 저장하는 공기탱크를 포함할 수 있다.
상기 건조 공기 공급 장치(6)는 사용자에 의해 작동되거나 센서부(3)에 의해 측정된 열교환부 주변의 상태 값에 따라 작동될 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 공랭식 열교환기는 도 7에서 보는 바와 같이, 팬(11)과 모터(12)를 복수개 설치할 수 있다.
또한, 공랭식 열교환기를 이용하여 대기 온도를 낮추는 방법에 있어서: 센서부를 통해 열교환부 주변의 상태를 측정하여 제어부로 송신하는 데이터 송신단계; 상기 데이터 송신단계 이후, 제어부는 송신된 상태 값을 통해 펌프 압력 값을 도출하는 압력 도출단계; 상기 압력 도출단계 이후, 펌프 압력 값에 따라 펌프를 작동하여 파이프에 물을 공급하는 분사단계;를 포함하는 공랭식 열교환기 이용 방법를 제공한다.
상기 데이터 송신단계는 열교환부 주변의 온도 및 습도를 측정할 수 있다.
그리고 상기 압력 도출단계는 상기 측정된 온도 값에 따른 포화수증기량을 도출하는 도출1단계와, 측정된 습도 값과 상기 포화수증기량을 이용하여 현재 수증기량을 도출하는 도출2단계와, 팬의 공기유량과 상기 현재 수증기량을 이용하여 증발가능한 물의 유량(이하, '분사가능유량'이라고 한다.)을 도출하는 도출3단계를 포함할 수 있다.
상기 분사단계는 분사가능유량과 기설정된 펌프 압력에 따른 물의 유량(이하 '분사유량'이라고 한다.)을 비교하여, 분사유량이 상기 분사가능유량 이하이면서 가장 근접한 유량에 해당하는 펌프 압력 값으로 펌프를 작동시킬 수 있다.
아울러, 물의 증발로 인해 열교환부 주변의 온도 및 습도는 실시간으로 변화하므로, 상기 펌프 압력도 상기 온도 및 습도 값에 따라 실시간으로 변화하는 것이 바람직할 것이다.
10 : 열교환부 5 : 구동부
100 : 튜브 50 : 기둥
101 : 유입부 51 : 판
102 : 유출부 52 : 승하강 장치
11 : 팬 520 : 제 1 와이어 권선장치
12 : 모터 521 : 제 2 와이어 권선장치
20 : 노즐 6 : 건조 공기 공급 장치
21 : 파이프

Claims (8)

  1. 공랭식 열교환기에 있어서:
    유체가 통과하면서 열교환이 일어나는 열교환부와,
    상기 열교환부의 하부에 위치하고 열교환부를 향해 공기를 전달하는 팬과,
    상기 팬의 일측에 구비되는 모터를 포함하는 열교환기;
    상기 열교환기의 하부에 위치하고 물을 대기 중에 분사하는 복수개의 노즐과,
    상기 노즐이 구비되는 파이프와,
    상기 노즐에 물을 공급하는 펌프를 포함하는 물분사장치;
    상기 열교환부의 주변 습도 및 온도를 측정하는 센서부;
    상기 열교환기를 바닥면으로부터 소정의 거리만큼 이격하여 지탱하는 복수개의 기둥과,
    상기 열교환기의 하부에 위치하며, 상기 파이프와 결합되어 상기 기둥을 따라 승하강하는 판과,
    상기 판의 일측에 결합되어 판과 열교환기간의 거리를 조절하는 승하강 장치를 포함하는 구동부; 및
    상기 센서부로부터 측정된 습도 및 온도 값을 수신받고 상기 펌프의 압력을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 승하강 장치는 상기 펌프의 압력에 따라 상기 노즐과 팬 사이의 거리를 조절하여 물의 증발량을 향상시키고,
    상기 승하강 장치는 상기 판의 상단에 위치하며 상기 기둥의 일측면에 구비되는 제 1 와이어 권선장치와,
    상기 판의 하단에 위치하며 상기 제 1 와이어 권선장치와 대응관계를 이루고, 제 1 와이어 권선장치가 구비되는 기둥의 일측면에 제 1 와이어 권선장치로부터 소정의 거리만큼 이격하여 구비되는 제 2 와이어 권선장치를 포함하는 공랭식 열교환기
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환부는,
    복수개의 튜브가 일정한 간격으로 배치되는 튜브번들부와,
    상기 튜브번들부 일측에 구비되는 유입부와,
    상기 튜브번들부 타측에 구비되는 유출부를 포함하고,
    상기 튜브는 핀튜브 형상으로 제작되어 열전달 면적을 넓히는 것을 특징으로 하는 공랭식 열교환기
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 판의 일측은 와이어에 고정되고, 와이어 권취 및 권출에 따라 판이 승하강되는 것을 특징으로 하는 공랭식 열교환기
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 구동부는 상면이 개방되고, 측면은 소정의 크기를 가진 구멍을 제외하고 외부로부터 막힌 형태이며,
    상기 구멍을 통해 건조한 공기를 공급하는 건조 공기 공급 장치;를 더 포함하고,
    상기 건조 공기 공급 장치는 대기 중의 수증기를 제거한 건조한 공기를 상기 구동부 내로 공급하는 것을 특징으로 하는 공랭식 열교환기
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 건조 공기 공급 장치는,
    상기 센서부에 의해 측정된 열교환부 주변 습도 및 온도 값에 따라 작동되는 것을 특징으로 하는 공랭식 열교환기
  8. 청구항 1의 공랭식 열교환기를 이용하는 방법에 있어서:
    센서부를 통해 열교환부 주변 습도 및 온도를 측정하여 제어부로 송신하는 데이터 송신단계;
    상기 데이터 송신단계 이후, 제어부는 송신된 습도 및 온도 값을 통해 펌프 압력 값을 도출하는 압력 도출단계;
    상기 압력 도출단계 이후, 펌프 압력 값에 따라 펌프를 작동하여 파이프에 물을 공급하는 분사단계;를 포함하는 공랭식 열교환기 이용 방법
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