KR102644755B1 - 통합형 기계화 공기 예냉 시스템을 갖는 공랭식 열전달 장치 - Google Patents

통합형 기계화 공기 예냉 시스템을 갖는 공랭식 열전달 장치 Download PDF

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Abstract

운송 위치로부터 작동 위치로 이동하도록 기계화된, 통합형 공장 설치식 공기 예냉 시스템을 갖는 관류형 건조 단열 냉각기가 개시된다.

Description

통합형 기계화 공기 예냉 시스템을 갖는 공랭식 열전달 장치
본 발명은 공랭식 열전달 장비에 관한 것이다.
공랭식 열교환기는 열을 공기로 전달함으로써 작동 유체로부터 열을 제거한다. 공랭식 열교환기는 일반적으로 핀(fin)에 연결된 튜브(tube)로 구성된다. 작동 유체는 튜브 내부를 통해 전달되고 열은 튜브와 핀 외부로 전달된다. 핀과 튜브를 통과하는 공기는 이 열을 제거하고; 공기를 이동시키기 위해 하나 이상의 팬(fan)이 일반적으로 사용된다. 작동 유체는 액체, 가스, 응축 냉매 또는 열을 제거할 필요가 있는 다른 유체일 수 있다. 튜브는 전형적으로 구리, 알루미늄 또는 스테인레스 스틸로 구성되지만 다른 금속 및 비금속이 사용되었다. 핀은 전형적으로 구리 또는 알루미늄으로 제조되지만 다른 열 전도성 재료가 사용되었다.
작동 유체로부터 열을 제거하기 위해, 작동 유체의 온도는 공기의 온도보다 높아야 한다. 공기와 작동 유체 사이의 온도차가 클수록 열을 제거하기 위해 공기가 덜 필요하고; 따라서 공기를 이동시키기 위해 팬 마력이 덜 필요하다.
외기 온도를 낮추는 공지된 방법은 단열 냉각(adiabatic cooling)에 의한 것이다. 단열 냉각을 이용하여, 일정량의 물이 공기 중에 또는 일부 개방-메쉬 패널(open-mesh panel)에 분무된다. 물은 증발하여 공기를 냉각시키고, 공기 건구(dry-bulb) 온도는 습구(wet-bulb) 온도에 근접한다. 단열 냉각된 공기는 처리되지 않은 공기보다 높은 습도 수준 및 낮은 건구 온도를 가질 것이다. 더 낮은 건구 온도는 더 낮은 기류에서 냉각을 가능하게 하거나 작동 유체를 더 낮은 온도로 냉각시킬 수 있는데, 이 둘 모두 바람직한 효과이다.
공랭식 열교환기의 단열 냉각을 위한 다양한 방법이 존재한다. 하나의 방법에서, 유입되는 외기는 물로 포화된 개방-메쉬 패널을 특히 포함하는 예냉 시스템을 통과한다. 패널은 드립-피드(drip-feed), 분무 또는 패널을 포화시키는 기타 방법에 의해 포화될 수 있다. 유입 공기를 냉각시키는 패널을 공기가 통과할 때 물은 증발한다. 이들 패널의 유형과 위치에는 여러 가지 변형이 있지만, 이들 모두는 물이 포화된 패널을 유입 공기가 통과하게 한다.
이들 예냉 시스템은 종종 애프터마켓용으로 공급되고 이들이 결합된 공랭식 시스템과는 항상 별도로 운송되므로 현장 설치가 필요하다.
본 발명은, 기본 공랭식 열전달 장비에 결합되고 통합되는 공장 설치식 공기 예냉 시스템을 포함하고, 공기 예냉 시스템을 운송 위치(shipping position)로부터 작동 위치(operational position)로 전환하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 공랭식 열전달 장치를 특징으로 한다.
본 발명은 운송 전에 기본 열전달 장비와 공기 예냉 시스템 간의 분리를 제거하면서, 장비를 법이 허용하는 운송 치수 내에 유지하여 장비 설치 노력을 상당히 감소시킨다.
통합형 공기 예냉 시스템을 포함하는 공장 조립식 공랭식 열전달 장치는 바람직하게는 적절한 작동을 가능하게 하고 비-허용 운송 치수를 보장하기 위해 다음의 기본 구성요소를 포함한다: 선회식 배수 헤더(pivoting water distribution header), 제거 가능한 배수 및 단열 패드, 조절 가능한 증분 프레이밍(adjustable incremental framing), 증분 단열 패드 지지 각도(incremental adiabatic pad support angle), 이중-기능 드립 트레이(dual-function drip tray)/단열 패드 바닥 지지대(adiabatic pad bottom support), 다기능 드립 팬(multifunctional drip pan) 및 단열 베이스 프레임 지지대(adiabatic base frame support)/장치 구조 강화(unit structural enhancement).
본 발명의 통합형 공기 예냉 시스템 및 공랭식 열전달 장치는 상당히 높은 방열(heat rejection) 능력을 달성하면서, 비-예냉 공기 장비와 비교하여 공랭식 시스템이 동일한 주위 건구 온도에서 작동할 수 있게 한다. 대안으로, 공기 예냉 시스템을 갖는 공랭식 열전달 장비는 상당히 높은 주변 건구 온도에서 작동하면서 동등한 방열을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 유형의 두 개의 V-형 공랭식 열교환기의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 두 개의 V-형 공랭식 열교환기의 대향 단부의 확대 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 유형의 V-형 공랭식 열교환기의 작동을 나타낸다.
도 4는 단열 패드가 애프터마켓용으로 제공되고 유입 공기를 예냉시키기 위해 현지 장착된 두 개의 V-형 공랭식 열교환기의 사시도를 도시한다.
도 5는 도 3에 도시된 V-형 공랭식 열교환기 중 하나의 확대 측면 절개도를 도시한다.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 단열 예냉을 갖는 V-형 공랭식 열교환기의 작동을 나타낸다.
도 7은 공기 예냉 시스템이 후퇴/운송 위치에 있는 본 발명의 실시형태에 따른 통합형 공장 조립식 공기 예냉 시스템 및 공랭식 열전달 장치의 사시도이다.
도 8은 공기 예냉 시스템이 후퇴/운송 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 확대 사시도를 도시한다.
도 9는 공기 예냉 시스템이 제 1 부분 전개 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 확대 사시도를 도시한다.
도 10은 공기 예냉 시스템이 제 2 부분 전개 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 확대 사시도를 도시한다.
도 11은 공기 예냉 시스템이 제 3 부분 전개 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 확대 사시도를 도시한다.
도 12는 공기 예냉 시스템이 제 4 부분 전개 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 확대 사시도를 도시한다.
도 13은 공기 예냉 시스템이 제 5 부분 전개 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 확대 사시도를 도시한다.
도 14는 공기 예냉 시스템의 상단 브래킷이 후퇴 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 근접 사시도를 도시한다.
도 15는 공기 예냉 시스템의 상단 브래킷이 부분 전개 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 근접 사시도를 도시한다.
도 16은 공기 예냉 시스템의 상단 브래킷이 제 2 부분 전개 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 근접 사시도를 도시한다.
도 17은 공기 예냉 시스템의 단열 패드와 상단 브래킷이 완전 전개 위치에 있고 공기 예냉 시스템의 상단 튜브가 부분 전개 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 근접 사시도를 도시한다.
도 18은 공기 예냉 시스템의 단열 패드와 상단 브래킷이 완전 전개 위치에 있고 공기 예냉 시스템의 상단 튜브가 제 2 부분 전개 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 근접 사시도를 도시한다.
도 19는 공기 예냉 시스템의 단열 패드와 상단 브래킷 및 상단 튜브가 완전 전개 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 근접 사시도를 도시한다.
도 20은 공기 예냉 시스템이 완전 전개/작동 위치에 있는 본 발명의 실시형태에 따른 통합형 공장 조립식 공기 예냉 시스템 및 공랭식 열전달 장치의 사시도이다.
V-형 냉각기의 예가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 프레임은 V-형 구성으로 수평으로 배열된 다수의 핀 튜브(finned tube)를 각각 포함하는 두 개의 코일 다발을 지지한다. 각각의 튜브 다발의 일단에서, 튜브는 입구 단부에서 입구 헤더(inlet header)와 출구 헤더(outlet header)에 연결된다. 각각의 다발의 타단에서, 각각의 수평 튜브는 리턴 벤드(return bend)를 통해 인접한 수평 튜브에 연결된다. 고온 공정 유체는 입구 헤더 연결부를 통해 입구 헤더로 진입하고 이후 입구 헤더로부터 튜브로 분배된다. 냉각된 유체는 출구 헤더를 통해 튜브를 빠져나가고 유체를 이끄는 프로세스/시스템으로 되돌아간다. 프레임은 냉각기 상단에서 다수의 팬을 지지하고, 튜브와 핀을 지나 장치로 그리고 장치 상단으로 외기를 유입시킨다.
도 1 및 도 2에 도시된 유형의 V-형 공랭식 열교환기의 작동 원리는 도 3에 도시되어 있다. 빨간색으로 도시된 고온 공정 유체는 입구 헤더 연결부를 통해 입구 헤더로 진입한다. 입구 헤더로부터, 고온 공정 유체는 대체로 수평에 평행한 열교환기를 가로질러 이동한다. 공정 유체의 열은 코일 튜브 표면을 통해 핀(도시되지 않음)으로 방출된다. 외기는 장치 상단에 배치된 팬에 의해 코일 표면 위로 유입된다. 공정 유체의 열은 공기로 전달되어 대기로 배출된다. 파란색으로 도시된 냉각 공정 유체는 출구 헤더를 통해 장치를 빠져나간다.
단열 예냉 패드를 갖는 V-형 냉각기의 예가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 프레임은 V-형 구성으로 수평으로 배열된 다수의 핀 튜브를 각각 포함하는 두 개의 코일 다발을 지지한다. 각각의 튜브 다발의 일단에서, 튜브는 입구 단부에서 입구 헤더 및 출구 헤더에 연결된다. 각각의 다발의 타단에서, 각각의 수평 튜브는 리턴 벤드를 통해 인접한 수평 튜브에 연결된다. 고온 공정 유체는 입구 헤더 연결부를 통해 입구 헤더로 진입하고 이후 입구 헤더로부터 튜브로 분배된다. 냉각된 유체는 출구 헤더를 통해 튜브를 빠져나가고 유체를 이끄는 프로세스/시스템으로 되돌아간다. 단열 패드는 왼쪽에서 오른쪽으로 그리고 상단에서 하단으로 장치의 양쪽을 따라 이에 걸쳐 장착되어 있다. 배수 시스템은 패드 상단에 물을 떨어뜨려 이를 포화시킨다. 패드에서 증발되지 않은 물은 장치 하단에서 수집되어 배수구로 보내지거나 장치 상단으로 다시 재순환되어 패드로 되돌아간다. 프레임은 냉각기 상단에서 다수의 팬을 지지하고, 포화된 패드를 통해 튜브와 핀을 지나 장치로 그리고 장치 상단으로 외기를 유입시킨다.
유입 공기를 예냉시키기 위한 단열 패드를 갖는 V-형 공랭식 열교환기의 작동 원리는 도 6에 도시되어 있다. 빨간색으로 도시된 고온 공정 유체는 입구 헤더 연결부를 통해 입구 헤더로 진입한다. 입구 헤더로부터, 고온 공정 유체는 대체로 수평에 평행한 열교환기를 가로질러 이동한다. 공정 유체의 열은 코일 튜브 표면을 통해 핀(도시되지 않음)으로 방출된다. 단열 시스템은 코일 앞에 배치된 섬유 패드를 완전히 습윤시킨다. 외기는 장치 상단에 배치된 팬에 의해 단열 예냉 패드를 통해 유입된다. 공기는 단열 패드를 통과할 때 가습되어, 습구 온도의 몇 도 내에서 건구 온도를 감소시킨다. 이 새로운 공기 온도를 하강 건구(depressed dry bulb)라고 한다. 이 예냉된 공기는 이후 튜브와 핀 표면을 통해 유입되어, 방열 기능을 크게 향상시킨다. 공정 유체의 열은 공기로 전달되어 대기로 배출된다. 파란색으로 도시된 냉각 공정 유체는 출구 헤더를 통해 장치를 빠져나간다. 재순환 배수 시스템에서, 단열 패드를 습윤시키기 위해 사용되고 증발되지 않은 물은 장치 하단에서 수집되고 패드 상단에서 배수 시스템으로 재순환된다. 관류형(water-through) 배수 시스템에서, 단열 패드를 습윤시키기 위해 사용되고 증발되지 않은 물은 수집되어 배수구로 보내진다.
통합형 공장 설치식 공기 예냉 시스템을 갖는 V-형 공랭식 열교환기를 포함하는 본 발명의 실시형태의 예가 도 7 및 도 20에 도시되어 있다. 도 7은 운송을 위해 후퇴 위치에 있는 공기 예냉 시스템을 도시하고, 도 20은 완전 전개/작동 위치에 있는 공기 예냉 시스템을 도시하고 있다.
도 8은 통합형 공기 예냉 시스템이 후퇴/운송 위치에 있는 본 발명의 실시형태의 확대 사시도를 도시하고 있다. 제거 가능한 배수 및 단열 패드(3)는 다기능 드립 팬(7) 바로 위의 이중-기능 드립 트레이/단열 패드 바닥 지지대(5)에 얹혀 있는 것으로 도시되어 있다. 선회식 배수 헤더/튜브(9)는 V-형 공랭식 열교환기의 프레임에 선회 가능하게 부착된다. 통합형 공기 예냉 시스템은 또한 V-형 공랭식 열교환기의 프레임에 부착된 프레이밍(11)과, 선회식 중간 단열 지지 요소(13) 및 이동 가능한 상단 단열 지지 요소(15)를 포함한다.
장치가 운송될 준비가 되면, 모든 단열 패드는 도 8에 도시된 위치에 있고, 각각의 상단 및 하단 패드(3)는 서로에 대해 평평하게 놓여서 적층되며, 상단 패드는 하단 패드의 전방/외부에 있다. 배수 튜브(9)는 V-형 공랭식 열교환기의 프레임에 대해 접힌, 후퇴 위치에 있다. 상단 단열 지지 요소(15)는 후퇴/하강 위치에 있고, 중간 지지 요소(13)는 하강/후퇴 위치에 있다. 대안적인 실시형태에 따르면, 상단 단열 지지 요소(15)는 전개/상단 위치에 있을 수 있다(예를 들어, 도 16 참조). 장치는 이 위치에서 운송된다.
장치가 설치 장소에 도달하면, 조작자/설치 기술자에 의해 전개 위치설정 제어 시스템(deployment positioning control system, 17)이 작동되어, 예냉 시스템의 요소들이 자동으로 순차적으로 완전 전개/작동 구성으로 이동하게 된다. 도 9는 상단 단열 패드가 단열 패드 위치설정 메커니즘(19)에 의해 작동 위치를 향해 상승되는 이 과정의 제 1 단계를 도시하고 있다. 이 단계에서, 배수 튜브(9)와 중간 지지 요소(13)는 후퇴 위치에 유지된다. 상단 단열 지지 요소(15)는 하강 위치 또는 최종 위치에 관계없이 운송 위치에 유지된다.
도 10은 상단 단열 패드가 최종 위치로 이동하기 시작하고, 예냉 시스템의 나머지 요소는 운송 상태에 있는 것을 도시하고 있다. 도면은 전개 구성으로 이동하는 한 세트의 패드만을 도시하고 있지만, 실제 작동에서는 모든 상단 패드가 동시에 전개/작동 구성으로 이동된다. 도 11은 상단 단열 패드가 최종 및 작동 위치/구성으로 이동된 것을 도시하고 있다.
상단 패드가 최종 위치로 이동하면, 중간 패드 지지 요소는 패지 지지 요소 위치설정 메커니즘(21)에 의해 최종 작동 구성을 향해 자동으로 상승된다(도 12: 최종 작동 구성을 향해 이동하는 중간 패드 지지 요소 및 도 13: 최종 작동 구성에 도달한 중간 패드 지지 요소 참조).
다음 단계에서, 상단 단열 지지 요소가 아직 완전히 전개되고 상승된 위치에 있지 않은 경우, 자동으로 해당 위치로 이동될 것이다. 도 14는 낮은 구성(선호되는 운송 구성)에 있는 상단 단열 패드 지지 요소를 도시하고 있다. 도 15는 완전히 상승한 작동 구성을 향해 이동하는 상단 단열 패드 지지대 요소를 도시하고, 도 16은 완전히 상승한 작동 위치(및 선택적인, 덜 선호되는 운송 위치)로 이동한 상단 단열 패드 지지대 요소를 도시하고 있다.
상단 단열 패드가 작동 위치에 있고, 상단 및 중간 단열 지지 요소가 마찬가지로 작동 위치에 있으면, 배수 튜브는 배수 튜브 위치설정 메커니즘(23)에 의해 운송 위치에서 작동 위치로 자동으로 회전된다(예를 들어, 도 17 및 도 18을 참조).
단열 패드 위치설정 메커니즘, 단열 패드 지지 요소 위치설정 메커니즘 및 배수 튜브 위치설정 메커니즘은 위치설정 제어 시스템(17)에 의해 연결되고 작동된다.
도 19는 배수 튜브가 단열 패드 상단의 노치(notch)에 수용된, 완전 전개 위치에 있는 공기 예냉 시스템의 상단 단열 패드, 상단 단열 패드 지지 요소 브래킷 및 배수 튜브를 도시하고 있다.
도 20은 공기 예냉 시스템이 완전 전개/작동 위치에 있는, 본 발명의 실시형태에 따른 통합형 공장 조립식 공기 예냉 시스템 및 공랭식 열전달 장치의 사시도이다. 통합형 공기 예냉 시스템이 작동 구성으로 완전히 전개되면, 도 4 내지 도 6과 관련하여 기술한 바와 같이 작동한다.
공기 예냉 시스템의 요소를 운송 위치로부터 작동 위치로 이동시키기 위한 다양한 기계 및 제어 시스템은 당업자가 제조하고 사용하는 능력 내에 있고 본 발명은 그렇게 하기 위한 특정 메커니즘이나 제어 시스템으로 제한되지 않는다.

Claims (2)

  1. 프레임과;
    수직으로 배향된 V-형태로 상기 프레임 내에 배열된 두 개의 튜브 다발과;
    두 개의 상기 튜브 다발 각각은 입구 헤더와 출구 헤더를 갖고, 각각의 상기 입구 헤더는 고온 공정 유체를 수용하고 상기 고온 공정 유체를 해당 튜브 다발로 분배하도록 구성되고 배치되며, 각각의 상기 출구 헤더는 상기 해당 튜브 다발로부터 냉각된 공정 유체를 수용하도록 구성되고 배치되고;
    두 개의 상기 튜브 다발을 통해 공기를 이동시키도록 구성되고 배치된, 적어도 하나의 팬과;
    두 개의 상기 튜브 다발 각각의 공기 흡입 측에 인접한, 상기 프레임 내에 장착된 다수의 상부 단열 패드 및 다수의 하부 단열 패드와;
    두 개의 상기 튜브 다발을 통해 이동되기 전에 상기 공기를 습윤 및 냉각시키도록 구성되고 배치된 하나 이상의 배수 튜브를 포함하는 배수 시스템; 및
    상기 단열 패드 아래에 배치되고 상기 단열 패드로부터 배수되는 물을 모으도록 구성된 집수 트레이(water collection tray);를 포함하고,
    상기 다수의 상부 단열 패드는 상기 다수의 하부 단열 패드의 각각에 측방향으로 인접한 상부 단열 패드 운송 위치와 상기 다수의 하부 단열 패드 각각의 상부에 상부 단열 패드 작동 위치를 갖는, 건조 단열 냉각기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 상부 단열 패드가 각각의 운송 위치로부터 각각의 작동 위치로 이동시키도록 구성된 제어 시스템을 더 포함하는, 건조 단열 냉각기.
KR1020207009944A 2017-09-19 2018-09-19 통합형 기계화 공기 예냉 시스템을 갖는 공랭식 열전달 장치 KR102644755B1 (ko)

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