KR20010001524A

KR20010001524A - 냉각탑에 사용되는 친수성 충전재

Info

Publication number: KR20010001524A
Application number: KR1019990020789A
Authority: KR
Inventors: 강병하; 고석근; 김서영
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2001-01-05
Also published as: WO2000075590A1

Abstract

본 발명은 물과 공기의 열 또는 물질 교환에 의하여 고열원의 열부하를 대기로 방출하는 장치인 냉각탑의 구성 요소 중 열 또는 물질 교환의 효율을 결정하는 가장 중요한 요소인 충전재에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 기존의 충전재 대신 이온빔 또는 플라즈마 등에 의해 친수성으로 표면 처리된 충전재에 관한 것이다. 이러한 친수성 충전재의 표면은 반영구적으로 친수성을 유지하며, 이로 인해서 기체와 액체의 직접 접촉 면적이 증가하고 기체의 압력 강하량이 감소하여 냉각탑의 열 또는 물질 전달 성능이 향상된다. 더욱이, 냉각수의 유동성 증가로 스케일 형성이 방지되고 접착 성능이 우수하여 충전재의 팩킹 시공이 종전에 비하여 매우 용이해진다.

Description

냉각탑에 사용되는 친수성 충전재 {HYDROPHILIC FILL PACKINGS USED IN COOLING TOWER}

본 발명은 냉각수가 대기와 직접적인 열교환을 함으로써 냉각수가 운반하는 열을 대기로 배출시키는 냉각탑에 사용되는 충전재에 관한 것으로, 특히 열교환 효율을 향상시키기 위한 충전재에 관한 것이다.

냉각탑은 생산 공정중 제품, 생산 기기 및 공기 조화 기기의 냉각 뿐 아니라 열 산업 기기 및 열원 기기의 열방출 설비로서 산업 전반에서 폭넓게 이용되고 있다. 또한 냉각탑은 고열원의 열부하를 대기로 방출시키는 최종 장치로서 냉각탑에서의 효율적 열교환은 시스템 전체의 성능에도 큰 영향을 미치게 된다. 냉각탑은 공기 유동을 일으키는 방법에 따라서, 공기 유입을 위하여 하나 이상의 팬을 사용하는 기계식 냉각탑과, 어떤 기계적 장치도 이용하지 않는 대기압식 냉각탑과, 이 둘을 조합한 조합형 냉각탑 등으로 분류할 수 있다. 또한, 공기 및 물 흐름의 상대적 관계에 따라, 물이 하방으로 떨어지는 것과는 반대로 공기는 충전재를 통해 상방을 향해 수직으로 움직이는 대향류형과, 충전재를 통하여 물은 하방으로 떨어지고 공기는 이를 가로질러 수평으로 흐르는 직교류형으로 나눌 수 있다.

냉각탑에서의 열교환 효율을 향상시키기 위하여 팬, 전동기, 제거기, 충전재 등의 주요 요소에 대한 기술 개발이 진행되어 왔으며, 그 중 냉각탑 충전재의 재질, 형상, 배치 등은 그 효율에 결정적인 영향을 미친다. 충전재의 형상과 배치는 냉각수의 분포에 영향을 미치며, 이에 대한 연구는 국내외에서 많이 진행되어 왔다. 한편 충전재의 재질로는 습기 저항성이 뛰어난 고분자 재료가 많이 사용되지만, 재료 자체의 성질에 따른 표면의 소수성으로 말미암아 냉각수가 충전재 표면에서 물방울로 맺히게 되어 열효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 위에서 언급한 요구에 따라 이온빔 또는 플라즈마 등을 이용하여 친수성으로 표면 처리된 충전재를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 충전재의 친수성으로 처리된 표면이 냉각수에 씻겨서 친수성이 감소되고 냉각수가 오염되는 것을 방지하기 위하여 내구성을 갖는 충전재를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 냉각수와 공기의 접촉이 직접 이루어져 열 또는 물질 전달을 제공하는 냉각탑 내에 사용되는 친수성 표면 처리된 충전재를 제공함으로써 달성된다. 양호하게는, 이러한 충전재는 이온빔 또는 플라즈마를 이용하여 표면이 친수성 처리된다.

도1은 기계식 냉각탑의 구조를 도시한 도면.

도2는 친수성 충전재의 표면에서 냉각수의 형상 및 분포를 도시한 도면.

도3은 냉각수 입구 온도가 30℃이고, 냉각수 유량이 각각 3.76 및 4.66 ㎥/hr/㎡인 경우에 있어서, 수공비에 따른 냉각탑 충전재의 특성치를 나타내는 그래프.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 공기 출구

2 : 팬

3 : 냉각수 입구

4 : 충전재

5 : 공기 입구

6 : 수조

7 : 냉각수 출구

도1은 대향류형과 직교류형의 기계식 냉각탑의 일반적 구조를 도시한다. 냉각이 요구되는 냉각수는 냉각수 입구(3)로 유입된 후, 도1의 (a) 경우에 분사 노즐(8)에서 작은 액적으로 분사되고, 도1의 (b) 경우에는 바로 중력에 의해서 충전재(4)의 상단으로 공급된다. 냉각수는 충전재(4)를 타고 흘러내리면서, 공기 입구(5)에서 유입된 공기와 열 또는 물질을 전달하게 된다. 이러한 열 또는 물질의 전달을 통하여 냉각된 냉각수는 냉각탑 하단의 수조(6)에 모여져 냉각수 출구(7)를 통해 냉각탑으로부터 배출되며, 습도와 온도가 상승된 공기는 팬(2)에 의해 공기 출구(1)를 통하여 외기로 방출된다. 이때 팬(2)이 공기 입구(5) 측에 위치한 경우를 압송 통풍식, 공기 출구(1) 측에 위치한 경우를 흡입 통풍식이라 한다. 도1에서는 한 예로 흡입 통풍식이 도시되었다.

전술한 바와 같이 냉각탑의 구성 요소 중 충전재(4)는 물과 공기 사이의 실질적인 열 또는 물질 전달이 일어나는 곳으로 냉각탑의 성능을 결정하는 중요한 부분이다. 이에 본 발명에서는 기존의 냉각탑에 비하여 우수한 열 또는 물질 전달 성능을 가진 냉각탑을 구현하기 위하여, 기존의 충전재를 대신하여 이온빔 또는 플라즈마 등에 의해 친수성으로 처리된 충전재를 사용하였다. 이러한 충전재를 사용하여, 위에서 열거한 기계식, 대기압식 및 조합식, 그리고 대향류형 및 직교류형과 같이 충전재를 이용하는 모든 종류의 냉각탑에서 성능 개선이 이루어질 수 있다.

충전재 표면의 친수성 정도에 따른 냉각수의 분포 및 흐름 형태가 도2에 도시되어 있다. 분사 노즐에서 공급된 냉각수는 충전재가 소수성을 띨 경우 그 표면 위에서 물방울로 맺히게 되며, 따라서 공기와의 접촉면적이 넓지 못하고 또한 공기의 흐름을 막아서 열효율을 떨어뜨리고 압력 강하량을 증가시킨다. 반면, 친수성으로 처리된 충전재의 표면 위에서는 냉각수가 넓게 퍼져 흘러내리게 되어, 앞의 문제점을 해결하고 열 또는 물질 전달이 향상된다. 그 뿐만 아니라, 친수성으로 처리된 충전재의 표면 위에서는 냉각수의 유동성의 증가로 스케일의 형성이 방지되어 막힘(clogging) 문제를 해결할 수 있다. 또한, 친수성 표면의 충전재는 이들 상호간의 접착성을 증가시켜 접착제를 사용한 충전재 팩킹 시공이 대단히 용이해진다. 특히, 종래의 방법에 비하여 혁신적 기술인 미국 특허 제5,783,641호 "중합체의 표면을 변경하기 위한 공정 및 이러한 공정에 의해 변경된 표면을 갖는 중합체 (Process for modifying surfaces of polymers and polymers having surfaces modified by such process)"와 국제 출원 제PCT/KR98/00372호 (한국 특허 출원 제1997-61761호) "플라즈마를 이용한 재료 표면상의 다양한 고분자 합성 방법"을 이용하여 충전재를 친수성으로 처리하면, 표면의 손상이 거의 없이 물과 접촉하여도 반영구적으로 친수성을 유지한다.

친수성 충전재의 일 실시예는 상기 미국 특허 제5,783,641호에 기술된 이온빔에 의한 친수성 표면 처리를 이용하여 얻은 것이다. 진공조에 친수성 처리하고자 하는 시료를 시료 고정 홀더에 위치시키고 진공조를 소정의 진공 상태로 유지시킨다. 반응성 기체를 진공조 내의 시료 표면에 직접 불어 넣어주고, 에너지를 갖는 이온 입자, 즉 이온건에 의해 생성된 이온빔을 시료 위에 조사한다. 이때, 시료의 표면은 반응성 가스와 조사된 이온빔에 의해 친수성 표면을 갖게 된다.

친수성 충전재의 다른 실시예는 상기 국제 출원 제PCT/KR98/00372호에 기술된 플라즈마에 의한 친수성 표면 처리를 이용하여 얻은 것이다. 진공조 내에 친수성 처리하고자 하는 절연성 고분자 시료를 양전극(anode) 전방에 위치시킨 후 진공 펌프를 이용하여 상기 진공조를 소정의 진공 상태로 유지한다. 이때, 양전극으로 Al 또는 Cu를 사용하고, 음전극(cathode)은 기존의 방법과 마찬가지로 금속 전극을 사용한다. 진공조 내에는 소정 압력의 탄화수소 기체와 반응성 기체를 유입시킨다. 전극에 전압을 인가하여 DC 방전에 의해, 탄화수소 기체와 반응성 기체의 양이온, 음이온 및 라디칼로 이루어지는 플라즈마를 얻는다. 이와 같은 방법을 이용하여 DC 플라즈마를 형성시킬 경우 고분자 시료의 표면에는 시료의 후면에 놓여 있는 양전극의 영향에 의하여 플라즈마 성분 중 음이온들이 에너지를 띠고 이동한다. 이러한 이온들과 라디칼 등의 반응에 의해 고분자 표면에 기능성 고분자가 중합되어 고분자 시료의 표면은 친수성 처리된다.

본 발명에서 구현한 친수성 충전재와 기존의 충전재를 냉각탑에 사용한 경우 냉각탑의 열 또는 물질 전달 성능을 비교하기 위하여 각각의 충전재 특성치 KaV/L을 실험을 통하여 구하여 비교하였다. 기존의 냉각탑 충전재로는 20RT 이하의 냉각탑에서 사용되는 폴리프로필렌(PP) 재질의 제품을 사용하였다. 친수성 처리된 충전재는 앞서 기술한 국제 출원 제PCT/KR98/00372호에 기술된 이온빔에 의한 친수성 충전재를 사용하였다. 이때, 반응성 기체로서 산소를 사용하고, 이온건에 공급되는 기체로 아르곤을 사용하였다. 진공조는 10^-5torr의 압력이 유지되도록 하였다. 반응성 기체와 이온건에 공급되는 기체의 공급 유량은 각각 6.0 SCCM(Standard Cubic CC per Minute)으로 하였다. 그리고, 1㎸, 0.23±0.1㎂의 전기를 인가하여 얻은 이온빔으로 28초간 충전재의 표면에 조사하여 충전재를 표면 친수성 처리하였다.

충전재 특성치 KaV/L은 실험에서 얻어진 냉각수의 입출구 온도차, 공기의 입출구 온도차 및 습도차를 이용하여 계산된다. 여기서 K는 물질 전달 계수, a는 충전재의 단위 체적당 물과 공기의 접촉면적, V는 충전재의 단위체적, 그리고 L은 냉각수의 질량 유량이다. 실험은 냉각수의 공급 유량과 고온 수조의 온도를 고정한 상태에서 팬 모터의 회전수를 증가시켜 가며 수행하였다. 도3은 냉각수 유량이 각각 3.76 및 4.66 ㎥/hr/㎡이고 냉각수 입구 온도가 30℃인 경우, 기존 충전재와 이온빔에 의해 친수성으로 처리된 충전재의 특성치를 수공비(L/G)에 따라 나타낸 그래프이다. 여기서 G는 공기의 질량 유량이다. 그림에서 볼 수 있듯이, 친수성으로 처리된 충전재를 사용한 냉각탑이, 향상된 열 또는 물질 전달 성능으로 말미암아 기존의 냉각탑에 비하여 충전재 특성치가 최대 15% 이상 증가하여 보다 우수한 성능을 가지는 것을 알 수 있다.

이온빔 또는 플라즈마 등에 의해 친수성으로 처리된 표면은 물과 접촉하여도 반영구적으로 친수성을 유지하는 장점이 있다. 친수성 충전재는 그 표면 위에서 냉각수가 방울을 형성하지 않고 잘 흘러내리도록 한다. 이로써, 공기와의 접촉 면적을 극대화시켜 열 또는 물질 전달이 향상된다. 충전재 표면에 냉각수가 방울을 형성하지 않고 매끈하게 되므로 공기의 유동 압력 강하량(즉, 유동 손실)을 감소시킨다. 또한, 친수성 처리된 충전재의 표면에는 냉각수에 의한 스케일 형성이 잘 일어나지 않아 스케일에 의한 막힘(clogging) 현상을 해결할 수 있다. 더욱이, 친수성 표면의 뛰어난 접착 성능으로 인하여 충전재의 팩킹 시공이 대단히 용이하다. 따라서, 이온빔 또는 플라즈마 등에 의해 친수성으로 처리된 충전재를 사용한 새로운 개념의 냉각탑을 제공하여 성능을 고도화하였다.

Claims

냉각수와 공기의 접촉이 직접 이루어져 열 또는 물질 전달을 제공하는 냉각탑 내에 사용되는 충전재에 있어서,

친수성 표면 처리된 것을 특징으로 하는 충전재.
제1항에 있어서, 상기 충전재는 이온빔을 이용하여 표면이 친수성으로 처리된 것을 특징으로 하는 충전재.
제1항에 있어서, 상기 충전재는 플라즈마를 이용하여 표면이 친수성으로 처리된 것을 특징으로 하는 충전재.