KR20010006731A - 감소된 물 소모를 갖는 높이가 낮은 열교환 시스템 및 방법 - Google Patents

감소된 물 소모를 갖는 높이가 낮은 열교환 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

열을 방출시키기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 3개의 열교환부; 건조 간접접촉식 열교환부, 습식 또는 건식모드중 하나로 작동되는 제 2 간접접촉식 열교환부 및, 직접접촉식 열교환부가 사용된다. 이 3개의 교환부들은 장치의 전체 높이를 감소시키도록 장치내측에 서로 인접하게 위치된다. 상기 건조 및 제 2 간접접촉식 열교환부들은 열을 지어 또는 평행한 상태로 작동유체를 수용한다. 분리된 대기흐름들은 건조 간접접촉식 열교환부에 혼합되고 유입되기 전에, 상기 제 2 간접 및 직접접촉식 열교환부를 통하여 흐른다. 시스템이 건조모드일 때, 다른 대기흐름이 상기 건조 간접접촉식 열교환부의 상류(upstream)측에서 합쳐진다. 2개의 독립적인 증발액체 분배시스템들이 포함된다. 하나는 상기 제 2 간접접촉식 열교환부위로 증발액체를 선택적으로 분배한다. 다른 하나는 상기 직접접촉식 열교환부위로 증발액체를 선택적으로 분배한다. 분리된 수조들, 펌프들 및 관들이 상기 제 2 간접 및 직접접촉식 열교환부에 제공된다. 상기 시스템은 물 소비량을 줄이기 위하여 최대로 효율적인 방법으로 작동유체로 부터 열을 방출토록 다른 모드로 작동될 수 있다. 보다 낮은 온도에서 상기 시스템은 건조 간접접촉식 열교환부에 의해 이루어 지는 기본 열방출을 갖는 건식으로 작동된다. 보다 높은 온도에서, 증발액체는 제 2 간접접촉식 열교환부위로 분배되지만, 상기 직접접촉식 열교환부위로는 분배되지 않는다. 가장 높은 온도에서는 증발액체가 제 2 간접 및 직접접촉식 열교환부 모두에서 분배된다. 작동유체 온도 또는 압력을 기초로 장치의 작동이 이루어 지도록 온도 또는 압력센서가 제공될 수 있다. 바람직하게는 작동은 대기 온도를 기초로 이루어 지는 것이다.

Description

감소된 물 소모를 갖는 높이가 낮은 열교환 시스템 및 방법{LOW PROFILE HEAT EXCHANGE SYSTEM AND METHOD WITH REDUCED WATER CONSUMPTION}
본 발명은 열 교환기에 관한 것으로 이는 특히, 폐쇄 회로식 증발형 열교환 시스템들과, 조합된 직접 및 간접(direct and indirect) 폐쇄 회로식 증발형 열교환 시스템들에 관한 것이다.
폐열(waste heat)은 건조(dry) 또는 감열식 열교환기(sensible heat excha nger)에 의하여 대기로 방출될 수 있다. 건조 또는 감열식 열교환기에 있어서, 두 가지 유체: 공기흐름과 작동유체흐름이 있다. 폐쇄식 시스템에서, 상기 작동유체 흐름은 포위되어 공기흐름과 작동유체흐름 사이에서는 어떠한 직접적인 접촉도 없다; 상기 작동유체 흐름은 대기에 노출되지 않는다. 상기 포위구조체는 튜브 코일일 수 있다. 감열은 공기흐름이 작동유체흐름을 포위하고 있는 구조체 위를 통과함으로서 교환된다. 종래기술에서 이와 같은 구조체들이 '소형 열교환기' 로 알려져 있다.
대부분의 기후조건하에서는, 증발형 열교환기들이 건조식 열교환기보다 현저하게 개선된 작동 효율을 제공한다. 증발형 열교환기중 하나의 방식은 직접 증발형 열교환기이다. 이와 같은 직접식 열교환기에 있어서는, 단지 공기흐름과 증발 액체흐름만을 포함할 뿐이다; 상기 증발액체흐름은 일반적으로 물이고, 상기 두 흐름들은 서로 직접 접촉하게 된다.
증발액체 열교환기의 다른 방식은 간접 폐쇄 회로식 증발형 열교환기이며, 3가지의 유체흐름들; 공기흐름, 증발액체흐름 및, 포위된 작동유체흐름들이 포함된다. 상기 포위된 유체흐름은 처음에는 간접식 열전달을 통하여 상기 증발액체와 감열 교환하고, 이는 증발액체와 직접적으로 접촉하지 않기 때문인데, 상기 공기흐름과 증발액체흐름이 서로 접촉하는 때에 열 및 질량들이 교환된다.
증발형 열교환기의 다른 방식은 조합된 직접 및 간접 폐쇄 회로식 증발형 열 교환기이다. 이와같은 조합된 시스템들은 Carter에게 부여된 미국특허 제 5,435 ,382(1995) 및 동 5,816,318(1998)에서 개시되고 있다.
일반적으로 건조 및 증발식 열교환기들 모두는 열을 방출하기 위하여 냉각기(coolers) 및 응축기(condensers)를 사용한다. 건조식 냉각기들은 보다 높은 대기의 건구 온도들에 도달되는 것이 제한되는 반면에, 증발식 냉각기들은 보다 낮은 대기의 습구 온도들에 도달하는 온도에서 열을 방출한다. 다양한 기후조건하에서는, 대기의 습구 온도는 대기 설계 건구 온도 이하인 20℉ 에서 30 ℉ 가 일반적이다. 따라서, 증발식 냉각기에 있어서, 증발액체흐름은 대기의 건구온도 보다 현저히 더 낮은 온도에 도달하여, 냉각공정의 효율성을 높이며 전체 공정에너지 수요를 낮추도록 하는 기회를 제공한다. 공정 효율성을 향상시키고 전체 공정 에너지 수요를 낮추는 이와 같은 기회에도 불구하고, 증발식 냉각작동은 증발액체의 증발로 인한 물소비와 추운날씨중의 결빙 위험으로 인하여 종종 사용되지 않는다.
더하여, 감열식 증발형 열교환기들은 일반적으로 최대 열적 부담을 갖는 경우, 그들의 필요한 열 방출작동이 가능하도록 하는 크기로 된다. 이와 같은 설계조건은 하절기의 설계 습구 또는 건구 온도로서 통상 표시된다. 이와 같은 설계조건에서 열 방출장치가 필요한 양만큼의 열을 방출할 수 있도록 하는 것은 종종 중요한 일이지만, 이와 같은 상승된 대기온도의 지속시간은 장치 작동시간의 1 % 정도 보다도 적을 것이다. 이러한 시간의 나머지 부분동안, 장치들은 필요 이상의 열처리 용량을 갖게 되고, 이는 에너지와 증발액체의 낭비를 초래하게 한다.
또한, 증발식 냉각탑(tower)의 전체 높이는 냉각탑이 제한된 공간에서 사용될 수 있도록, 그리고 증발액체용 펌프가 크기가 감소된 펌핑헤드를 갖도록 제한되는 것이 바람직하다.
본 발명은, 증발액체를 보존하면서도 증발식 열교환기의 효율성은 갖는 열교환 시스템 및 방법을 제공한다. 더하여, 본 발명은 높이가 낮은 열교환 시스템을 제공한다.
도 1은 열교환 시스템의 내부를 도시하기 위하여 하우징이 일부 제거되고 부품들이 개략적으로 도시된 폐쇄회로식 열교환 시스템의 측면도
도 2는 열교환기의 내부를 도시하기 위하여 하우징이 일부 제거되고 부품들이 개략적으로 도시된 폐쇄회로식 열교환기의 제 2 실시예를 도시한 측면도
도 3은 본 발명의 열교환기가 제 2 간접접촉식 열교환부에서 사용되는 경우 단일 사행곡선(serpentine) 형태의 회로를 도시한 정면도
도 4는 본 발명의 열 교환기에서 사용될 수 있는 제 2 간접접촉식 열교환부를 도시한 측면도
도 5는 인접 회로들과 입,출구관의 배열사이에 엇갈림 관계를 나타내는 제 2 간접접촉식 열교환부를 도시한 정면도
도 6은 본 발명의 폐쇄회로식 열교환기에서 사용될 수 있는 건조 간접접촉식 열교환장치 또는, 소형 열교환기를 도시한 사시도
도 7은 도 1-2 에서 도시한 바와 같은 열 교환장치를 도시한 사시도
도 8은 도7의 '8-8'선에 따른 도 7의 열 교환장치를 도시한 사시도
도 9는 제 1 작동모드로 도시된 도 1의 열 교환장치의 개략도
도 10은 제 2 작동모드로 도시한 도 1의 열 교환장치의 개략도
도 11은 제 3 작동모드로 도시된 도 1의 열 교환장치의 개략도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
8.... 열교환 시스템 10.... 열교환장치
12.... 작동유체 입구 14.... 작동유체 출구
16.... 건조 간접접촉식 열교환부 22,34.... 작동유체 회로
24.... 입구헤더 25.... 출구헤더
26.... 튜브 28.... 제 2 간접접촉식 열교환부
36.... 코일 조립체 38.... 회로들
50.... 직접접촉식 열교환부 56.... 충진 매체(fill media)
58.... 공간(plenum) 60.... 하우징
74.... 댐퍼(damper) 80,82.... 수조
84.... 하부벽(low wall) 104,106.... 분배 시스템
130.... 공기 이동장치
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 따라 상세하게 설명하면 다음과 같다.
작동유체(process fluid)로 부터 열을 추출하기 위한 열교환 시스템(heat exchange system) 8 은 도 1 에서 도시된다. 상기 시스템 8은 제조공정설비와 같은 외부장치(미도시)로 부터 작동유체를 받도록 연결된 작동유체 입구(inlet) 12를 갖는 열 교환장치 10 을 포함한다. 작동유체로 부터 열이 방출된 후, 상기 작동유체는 출구 14를 통하여 배출된다.
상기 작동유체는 입구 12를 통하여 일정온도에서 받아지고, 보다 낮은 온도에서 출구 14를 통하여 배출되는 단-상 액체(single-phase liquid), 예를 들어 물과 같은 액체로서 이루어 질 수 있다. 바람직하게는, 작동유체는 일정온도에서 입구 12를 통하여 받아지고, 보다 낮은 온도에서 출구 14 를 통하여 배출되는 단-상 가스(single-phase gas)로서 이루어 질 수 있다. 따라서, 상기 열교환 시스템은 유체 냉각 시스템(fluid cooling system)을 포함할 수 있다. 유체 냉각 시스템은 도 1 에서 도시되고 있다. 또한, 상기 열교환 시스템 8은 응축 시스템(condensing system)을 포함할 수 있는데, 이 경우에 작동유체는 단상 액체 또는 다상액체를 위한 액체와 가스의 혼합물로서 상기 출구 14로부터 배출되는 2 상(two-phase) 또는 다상(multi-phase) 유체를 입구 12에서 포함할 수 있다. 유체 응축 시스템은 도 2에서 도시된다. 작동유체의 이와 같은 여러 일례(samples)들은 단지 도면으로 설명하기 위한 목적으로 제공된 것일 뿐, 본 발명이 청구범위내에 기재되어 있는 것 외에 작동유체의 형태(type) 또는 상(phase)으로 제한되지 않는 다는 것을 알아야 한다.
상기 도시된 열교환 장치 10은 폐쇄 회로식 열교환기이다. 상기 작동유체는 입구 12 와 출구 14 사이에서 포위되어 대기로 노출되는 부분이 전혀 없고, 이로 인하여 장치 10내에서 작동유체흐름과 대기 또는 증발액체의 흐름사이에는 어떠한 직접적인 접촉이 없다.
도 1 및 도 2 의 열 교환 시스템 8 들은 열교환장치 10의 범위내에 그리고 열교환장치들의 외부의 다양한 요소들(elements)을 나타낸다. 이후 설명되는 시스템의 여러 요소들은 다르게 설명되지 않는 한, 상기 열교환장치의 내부 또는 외부에 위치될 수 있다는 것을 알아야 한다. 여기에 그리고 청구범위에서 기재되듯이, '열교환 시스템' 이라는 표현은, 장치의 범위내 특징들과 열교환장치의 내부 및 외부 일부 요소들을 포함하는 열교환 시스템 및, 하나 이상의 열교환장치를 사용하는 열교환 시스템 양쪽 모두를 포함하는 것으로 넓게 설명된다는 것을 알아야 한다.
도 1 및 도 2의 양 실시예들의 열교환 시스템들은 건조 간접접촉식 열교환부 16 을 포함한다. 이와 같은 건조 교환부 16은 공기 입구측 18 과 공기 출구측 20 및, 도 6의 22로 도시된 작동유체 회로들을 갖는다. 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16은, 입구 12에서 부터 작동유체를 받을 수 있도록 입구관 92에 평행하게 연결된 2개의 동일한 열교환기들 16a,16b 로서 구성된다. 도시된 여러 실시예들에서, 건조 간접접촉식 열교환부 16은 열교환 장치 10 내에 위치된다.
도 6 에서 도시된 바와 같이, 각 도시된 유체회로 22 는 입구헤더(inlet header) 24, 출구헤더 25, 및 다수의 튜브 26 들을 포함하며, 이와 같은 각 튜브는 튜브외측으로 연결되는 다수의 핀(fin) 27 들을 구비한다. 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16은, RICHMOD VERGINIA의 SUPER RADIATOR COILS에 의해 판매되는 상업적으로 유용한 외부핀(fin)을 갖는 열전달 코일(heat transfer coil)로서 구성될 수 있고, 5/8 × 0.020 인치 벽 구리 튜브들과 0.008 인치의 알루미늄 핀(평판)을 구비한 도 6에서 도시된 바와 같은 24개의 회로들은 갖는 48×69-6R-5CW-L-R 일수 있다.
이와 같은 열 전단코일은 단지 설명을 위한 것일뿐 본 발명은 이러한 특정 열전달 코일로서 한정되는 것이 아님을 인식해야 한다. 이와 같은 상업적으로 이용 가능한 둘 또는 그 이상의 코일들은 건조 간접접촉식 열교환부 16을 이루도록 열을 지어 또는 평행하게 연결될 수 있다. 도 1은 이와 같은 수평 배열되고 열교환장치의 중앙에 V 형상으로 위치된 두 개의 코일들을 도시한다. 이와 같은 코일들의 결합은 제품 크기에 따라 변경될 수 있다.
다른 외부 핀(fin) 구조 즉, 외측에서 나선형 형태로 감싸여진 핀들을 갖는 튜브들 또는, '소형 열교환기'로서 나타나는 어떤 조합체등이 사용될 수도 있는데; 상기 건조 간접접촉식 열교환부를 위해 도시된 구조는 단지 하나의 일례로서 제공된 것이다. 도 1 에서 도시된 바와 같은 열교환 시스템을 위해서는, 예를 들어 코일들을 가로 질러 아래방향으로 가해지는 압력을 이용하는 건조 열교환부를 구성하는 것도 바람직 할 것이다. 예를 들어, 건조 간접접촉식 열교환부의 표면은 공기흐름에 최적화되어 경제적이고 효율적인 작동을 제공할 수 있다. 내부 또는 외부의 핀 또는 그 둘 모두의 핀들을 갖는 적당한 상업적으로 이용 가능한 코일의 형태는 원형 또는 주름형태의 핀들을 갖는 열교환기, 예를 들어 건조모드(dry mode)로 작동하는 어떤 다른 형태의 열교환기가 사용될 수 있지만, 상기 열교환기는 압력강하(pressure drop)가 과도하지 않도록 구성되어야 한다. 외부 핀들은 최소한의 공기-측 압력강하상태에서, 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16의 작동 효율을 높일 것이라고 기대된다.
상기 건조 간접접촉식 열교환부 16을 보충하기 위하여, 도 1 및 도 2의 실시예들 각각은 건조 또는 증발식 열교환을 위하여 선택적으로 작동될 수 있는 제 2의 건조 간접접촉식 열교환부 28을 제공한다. 비록 하나의 교환부가 도시되고 있지만, 이후에는 그 양쪽 실시예들 모두에 적용하여 설명된다는 것을 알아야 한다. 도시된 실시예들에서, 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28은 열교환장치 10 내부에 위치된다. 상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 18는 공기 입구측 30과 공기 출구측 32 및, 작동유체회로 34를 포함한다. 상기 도시된 제 2 간접접촉식 열교환부 28의 직동유체회로 34는, 미국 특허 5,435,382 및 5,816,318 에서 개시된 형태의 단일 코일 조립체(single coil assembly) 36을 포함한다. 상기 코일 36은 일반적인 직사각형 형상을 갖추어 사형형상의 일련의 수평 일폐형으로 이격된 평행회로 38들을 갖는다. 상기 모든 회로 38 들은 상부 유체헤더 40 에 연결되는 상단부와 하부 유체헤더 42에 연결되는 하단부를 갖는다. 첫 번째로 도시된 실시예에서, 상기 하부 유체헤더 42는 입구헤더를 포함하고, 상부 유체헤더 40은 출구헤더를 포함하는데, 이때 상기 장치는 유체 냉각기로서 사용된다. 상기 입구 및 출구헤더 40,42 는 도 2에서 도시된 응축기(condenser) 뒤쪽에 위치되어 상기 상부 유체헤더 40 은 입구헤더를 포함하고, 하부헤더 42는 출구헤더를 포함한다. 이와 함께, 상기 헤더들 40,42 과 사행형상의 회로 38은 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28의 작동유체 회로 34를 포함한다.
미국 특허 5,435,382 와 5,816,318에서 개시되고, 도 3 - 도 5 에서 도시된 바와 같이, 상기 코일 조립체 36내의 각각의 개별회로 38는 단일의 연속적인 길이의 코일 튜브들로 이루어 지고, 여러 U 자형 열 A-E의 튜브를 형성하는 절곡작업을 통하며, 결과적으로 사형형상의 각각의 회로 38들을 제공함으로서 서로에 대하여 수직으로 그리고 등간격을 유지하게 된다.
상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28은 Maryland, Baltimore Aircoil Company 로부터 상업적으로 이용 가능한 시리즈 1500 폐쇄 회로식 냉각탑과 시리즈 1500 증발식 응축기(Evaporative Condensers)를 포함할 수 있다. 다른 구조가 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28을 위하여 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 상기 코일의 튜브들은 건조모드로 작동될 때, 더 효율적인 열 전달을 위한 외부의 핀들을 갖출 수 있고, 또는 상기 튜브들은 당업계에서 알려진 마이크로핀 (microfin) 또는 다른 유사한 배열로 된 일체형 핀들을 갖출 수도 있다.
또한, 도 1 및 도 2 에서 도시된 바와 같이, 각 열교환 시스템 8은 공기 입구측 52, 공기 출구측 54 및, 충진 매체(fill media) 56 을 갖는 직접접촉식 열교환부 50을 포함한다. 설명된 실시예들에 있어서, 상기 직접접촉식 열교환부 50 은 열 교환장치 10 내부에 위치되고; 상기 공기 입구측 52는 대기 공기가 장치 10 내로 들어가도록 위치되며, 상기 공기 출구측 54는 공간(plenum) 58 내에서 개방한다. 또한, 상기 공간 58은 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28의 출구측 32으로 부터 공기를 받는다. 상기 직접접촉식 열교환부 50내의 충진 매체 56은 플라스틱 충진재 뿐만 아니라, 나무 또는 세라믹 충진 매체등과 같은 어떠한 통상적인 충진 매체일 수 있다. 상기 충진 매체는 미국특허 4,361,426(1982)에서 개시되고 있는데, 예를 들어 Pennsylvania, Reading Brentwood Industries 의 " ACCU-PAC CF 1900 냉각탑 필름" 과 같은 상업적으로 이용 가능한 직교류식 흐름의 PVC 충진재일 수 있다.
설명된 실시예들에 있어서, 장치는 건조 간접접촉식 열교환부 16를 포위하는 하우징 60, 상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28 및, 상기 직접접촉식 열교환부 50를 구비한다. 상기 하우징 60은 어떤 적당한 재질 즉, 스틸시트 또는 수지재가 강화된 섬유 혹은, 각각의 재질로 만들어진 부품들로서 만들어 질 수 있다. 도 7-8에서 도시한 바와 같이, 상기 하우징 60의 상부는 상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28 내로 대기를 유입토록 하나 또는 그 이상의 개구 59들을 구비한다. 이와 같은 개구 59들은 보호용 스크린 또는 격자들로서 덮여진다. 대기 흐름 61은 상기 상부개구 59들을 통하여 열교환장치 10내로 유입되고, 상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28를 통하여 흐른다. 도 1-2 및 도 7에서 도시된 바와 같이, 일측벽 62는 러버 66 들을 갖는 개구 64 또는 개구 64의 보호용 쇠격자를 갖는다. 따라서, 다른 대기흐름 68은 상기 개구 64들을 통하여 열교환장치에 유입되고, 상기 직접접촉식 열교환부 50를 통하여 흐른다. 또한, 도 1-2,8 및 도 9-11 에서 도시된 바와 같이, 각각의 도시된 하우징 60은, 건조 간접접촉식 열교환부 28 또는 직접접촉식 열교환부 50 중 하나를 통하여 최초 흐름 (passing) 없이 공간 58내로 다른 대기 공기흐름 72를 위한 입구를 제공하는 보조 개구 70들을 포함한다. 댐퍼(damper) 74 들이 상기 보조 개구 70들을 선택적으로 폐쇄토록 제공된다. 상기 댐퍼 74 들은 도 1-2 에서 76 으로 도시된 일반적인 형태의 하나 또는 그 이상의 서보모터에 연결될 수 있고, 상기 모터 76들은 중앙의 논리요소(logic element)와 같은 제어 메카니즘 또는 다른 제어장치들과 열결되고, 이에 따라 상기 댐퍼 74들은 예를 들어, 건조 간접접촉식 열교환부 16 의 작동유체 하류 온도 또는 다른 인자(factor)에 따라서 자동적으로 개방 및 폐쇄될 수 있다. 상기 댐퍼 74들은 모터장착 없이 수동으로 작동될 수도 있다.
또한, 각각의 도시된 열 교환장치 10들은 직접접촉부의 수조 80 및 간접접촉부의 수조 82 를 각각 포함한다. 상기 직접접촉부의 수조 80은 충진 매체 56의 아래에 위치되고, 상기 간접접촉부의 수조 82는 상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28 아래에 위치된다. 상기 수조 80,82 들 모두는 상기 하우징 60내에 포함되고, 상기 수조들은 하부벽 84에 의하여 서로 분리된다. 상기 하부벽 84는 증발액체가 두 펌프가 다르다는 조건하에서 일 수조에서 다른 수조까지 흐를 수 있도록 두 수조들의 다른 벽들보다 더 낮게 된다. 아래에서 설명되듯이, 직접접촉식 열교환부까지의 흐름이 조절되거나 또는 그렇지 않은 경우의 설계에 따라 이러한 흐름들은 서로 일치하지는 않는다.
도시된 실시예들에 있어서, 상기 직접접촉식 열교환부 50와 그 수조 80은 상기 열교환장치 10의 일측 86에 위치되고, 상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28와 그 수조 82는 상기 열교환장치 10의 타측 88에 위치된다. 상기 공간 58과 건조 간접접촉식 열교환부 16은 상기 직접접촉식 열교환부 50 과 상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28사이에 위치된다. 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16의 공기 유입면 18은 상기 공간 58 내에 있으며, 두 개의 건조 간접접촉식 열교환부16a,16b는 상기 수조 80,82위의 공간에 고정된다.
또한, 도시된 각 실시예들에 있어서, 열교환 시스템 8은 작동유체 입구 12, 건조 간접접촉식 열교환부 작동유체 회로 22, 상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 작동유체 회로 34 및, 상기 작동유체 출구 14를 연결하는 작동유체 통로 90를 포함한다. 도시된 실시예들에 있어서, 상기 유체 통로 90는 열교환장치 10내에 위치한다.
도 1의 유체 냉각기 실시예에 있어서, 상기 유체통로 90은, 작동유체 입구 12 와 연결되며, 각각의 건조 간접접촉식부 열교환기 16a,16b 들을 위한 입구헤더 24a,24b 들에 연결되도록 분할하는 입구관 92를 포함한다. 상기 작동유체는 두 개의 건조 간접접촉식 열교환기 16a,16b 들를 통하여 평행하게 흐르고, 상기 출구 96a,96b 들를 통하여 중간 연결관 98 까지 잔존한다. 상기 중간 연결관 98은 신장되고 상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28의 하부 유체헤더 42에 연결된다. 작동유체는 하부 유체헤더 42를 통하여 유입되어, 상부 유체헤더 40까지 하류방향으로 흐르고, 상기 유체 출구 14에 연결된 배출관 100에 유입된다.
도 2의 유체 응축기 실시예에 있어서, 작동유체가 입구관 92을 통하여 유입되는데, 이때 상기 입구관은 두 개의 분류관 92a,92b 으로 나누어 진다. 하나의 분류관 92a 는 다시 분류되어, 상기 건조 간접접촉식 열교환기 16a,16b들의 각각을 위하여 입구헤더 24a,24b 들에 연결된다. 작동유체는 상기 건조 간접접촉식 열교환기 16a,16b를 통하여 평행하게 흐르고, 출구관 96a,96b을 통하여 중간 연결관 98 까지 잔존한다. 입구관의 다른 분류관 92b 는 신장하고 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 유체회로 34의 상부 유체헤더 40 에 연결된다. 상기 작동유체는 상부 유체헤더 40에 유입되어 하부 유체헤더 42 까지 하류방향으로 흐르고 배출관 100에 유입된다. 또한, 상기 배출관은 상기 작동유체 출구 14의 상류흐름 접점 102에서 중간 연결관 98과 결합하는데, 이에 따라 두 개의 평향한 작동유체 흐름이 작동유체 출구 14의 상류측 흐름과 만나게 된다.
도 1-2 의 양 실시예들에 있어서, 상기 작동유체 흐름 통로 90 들은 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16와 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28 모두를 통하여 작동유체가 연속적으로 충분하게 흐르도록 제공된다. 바꾸어 말하면, 상기 열교환 시스템 8에 유입되는 모든 작동유체는 상기 유체 출구 14를 통하여 시스템 외부로 배출되기 전까지는, 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16와 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28을 통하여 흐른다. 상기 두 건조 간접접촉식 열교환부 16,28 에는 그로부터 작동유체의 흐름을 제한 또는 차단하기 위한 어떠한 밸브들도 없다. 응축기에 있어서, 각 교환부에 대한 작동유체의 질량 유동량은 자기-조절상태 즉, 열을 방출하기 위한 열교환부의 용량을 갖는 상태하에서는 일정하지 않고 변동될 것이라는 것을 알아야 한다.
또한, 도 1-2 에서 도시된 바와 같이, 각각의 열교환 시스템 8은, 선택적인 건조를 위한 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28 까지의 선택적인 증발액체 분배와 제 2 건조 간접접촉식 열교환부내의 증발식 열교환을 위한 간접접촉부 분배시스템 104을 포함한다. 양 실시예들에 있어서, 상기 간접접촉식부 분배시스템 104는 장치 10 내에 위치된다. 또한 각각의 열교환 시스템은 직접접촉식 열교환부 50까지 증발액체를 선택적으로 분배하기 위한 분리되고 독립적인 직접접촉부 분배시스템 106을 포함한다. 양 실시예들에 있어서, 상기 직접접촉부 분배시스템들은 상기 열교환 장치 10 내에 위치된다.
설명된 양 실시예들에 있어서, 상기 간접접촉부 분배시스템 104는 상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28위에 배치된 다수의 간접접촉부 증발액체 출구 108를 포함한다. 양 실시예들에 있어서, 상기 직접접촉부 분배시스템 106은 직접접촉식 열교환부 50 위로 증발액체를 분배하도록 배치되는 다수의 직접접촉부 증발액체 출구 110를 포함한다. 상기 직접 및 간접 접촉부 증발액체 출구 108,110 들은 상기 설명된 실시예들에서의 스프레이 노즐들을 포함한다. 상기 증발액체는 보통 물이다.
각각의 실시예들에 있어서, 상기 직접접촉부 증발액체 분배시스템 106은 제 1 펌프 112 및, 상기 간접접촉부 수조 82와 직접접촉부 증발액체 출구 110 사이에 연결된 제 1 증발액체 흐름통로 114를 포함한다. 상기 제 1 펌프 112는 상기 흐름통로 114를 통하여 상기 간접접촉부 수조 82 로부터 상기 직접접촉부 증발액체 출구 110 까지 증발액체를 이동시킨다. 따라서, 상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28로 부터 모아진 증발액체는 상기 직접접촉식 열교환부 50내에서 공기흐름 68을 갖는 증발식 열교환을 위하여 상기 충진 매체 56 위로 선택적으로 분배될 수 있다. 상기 흐름통로 114는 상기 펌프 112와 출구 110 사이에 연결된 관 115 및, 상기 간접접촉부 수조 82내의 드레인으로 부터 상기 제 1 펌프 112 까지 신장한 드레인 관 120을 포함한다.
상기 각각의 실시예들에 있어서, 상기 간접접촉부 증발액체 분배시스템 104는 제 2 펌프 116 및, 상기 직접접촉부 수조 80 와 간접접촉부 증발액체 출구 108 사이에 연결된 제 2 증발액체 흐름통로 118를 포함한다. 상기 제 2 펌프 116는 상기 흐름통로 118를 통하여 상기 직접접촉부 수조 80 로부터 상기 간접접촉부 증발액체 출구 108 까지 증발액체를 이동시킨다. 따라서, 증발액체는 상기 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28 위로 선택적으로 분배될 수 있다. 상기 흐름통로 118은 상기 제 2 펌프 116와 출구 108 사이에 연결된 관 119 과, 상기 직접접촉부 수조 80에서 부터 상기 제 2 펌프 116 까지 신장한 드레인관 122를 포함한다. 상기 양 실시예들에 있어서, 상기 펌프 112,116 들과 흐름통로 114,118 들은 열교환장치 10 내에 위치된다.
상기 제 2 펌프 116 은 바람직하게는 건조식 열교환기 또는, 증발식 열교환기와 같은 제 2 간접접촉식 열교환부 28의 선택적인 작동을 위하여 설정된 시간으로 온(on) 및 오프(off) 되는 일정한 속도를 갖는 펌프로서 이루어 진다. 상기 제 1 펌프 112는 조건들에 종속하는 가변적인 속도를 갖는 펌프로서 구성되고, 이에 따라 상기 직접접촉부 충진 매체 56위로 분배되는 증발액체의 양은 가변될 수 있다. 또한 직접접촉식 열교환부 50위로 분배되는 어떤 증발액체도 없을 때에, 상기 제 1펌프 112는 작동이 중지된다. 바람직하게는 상기 제 1 펌프 112가 일정한 속도를 갖는 펌프로서 구성되고, 밸브 124가 상기 직접접촉부 증발액체 출구 110까지 증발액체의 흐름을 제어하도록 제 1 증발액체 흐름통로 114 내에 삽입되는 것이다.
증발액체 방울이 간접 및 직접접촉식 열교환부 28,50 에서 상기 공간 58내로 들어 가는 것을 방지하기 위하여, 편류(drift) 제거기 126,128 과 같은 통상의 구조체가 제 2 간접 및 직접접촉식 열교환부 28,50의 출구측 32,54 과 공간 58사이에 위치된다. 상기 편류 제거기 126, 128 은 긴밀한 간격을 갖는 재질, 플라스틱 또는 나무조각(slat) 또는 루버(louver)들을 포함할 수 있는데, 이는 그곳을 통하여 공기가 흐르는 것을 허용하지는 않지만 공기내의 물 방울은 양호하게 모이게 할 것이다. 또한 다른 일반적인 장치는 본 발명에서와 같이 사용될 수 있다.
또한, 설명된 상기 두 열교환 시스템 8들의 각각은, 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28 와 직접접촉식 열교환부 50 을 통하고, 건조 간접접촉식 열교환부 16 내부로 공기흐름 61,68 을 이동시키기 위한 공기 이동장치 130을 포함한다. 도시된 실시예들에 있어서, 상기 공기 이동장치 130는, 상기 열교환장치 10내에 위치된다. 또한 각각의 실시예에서, 상기 공기 이동장치 130는 공간 58내로 보조 공기흐름 72를 이동시키기 위하여 사용된다. 상기 공간 58내에서, 모든 대기흐름 61,68 및 72들은 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16내로 그리고, 이를 통하여 이동되는 하나의 공기흐름 132과 합쳐진다. 상기 공기 이동장치 130은 모터 장착 팬(fan)들을 포함한다. 설명된 실시예들에 있어서, 상기 모터 장착 팬들은 하우징 60 내부의 건조 간접접촉식 열교환부 16, 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28, 직접접촉식 열교환부 50 및, 보조 개구 70들과 댐퍼 74들의 하류측으로 위치된다. 따라서 상기 모터 장착 팬들은 공간 58 내로 공기 흐름 61,68 및 72 들을 유입시키도록 통풍구(draft)들을 안내하고, 이때 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16 내부로 그리고 이를 통하는 합쳐진 공기 흐름 132를 유입시키고, 상기 장치 10의 상부에 있는 개구 133 들을 통하여 합쳐진 공기 흐름을 밀게 된다. 상기 댐퍼 74 들이 닫혀있다면, 상기 합쳐진 공기 흐름 132 는 제 2 간접접촉식 열교환부 28 와 직접접촉식 열교환부 50 으로 부터 상기 공간 58 내부에 수용되는 일정한 공기 흐름 61 및 68 로서 이루어 질 것이다. 상기 모터 장착 팬은 두 종류의 속도를 갖는 팬 또는, 에너지 효율을 위한 가변적인 속도를 갖는 팬이면 바람직하다.
증발액체의 효율 및 보존을 최대로 하기 위하여, 설명된 열교환 시스템 8은 도 1-2 의 78로서 도시된 제어기를 포함한다. 상기 제어기 78은 열 교환장치 10의 일부분일 수 있는 컴퓨터 또는 프로그램될 수 있는 논리요소(logic element) 혹은, 열교환장치 10에 연결되는 별도로 설치된 컴퓨터 또는, 열 교환장치 10에 연결된 전체적으로 컴퓨터화 된 공장의 제어시스템의 일부로 될 수 있다. 상기 제어기 78은 도 1-2에서 개략적으로 도시한 바와 같이, 적어도 하나의 입력장치 138 로 부터 입력신호를 받는다. 상기 입력장치 138 은, 데이터의 수동입력 또는 시스템의 작동 제어를 위하여 수용되거나, 또는 온도 혹은 압력센서와 같은 센서일 수 있다. 상기 입력장치 138가 온도센서로서 이루어 진다면, 예를 들어 상기 온도센서는 대기의 공기온도 또는 작동유체의 온도들을 포함한다. 도 1에서 상기 입력장치 138은 배출관 100 내부에 연결되고; 도 2의 실시예에서 온도센서는 배출관 100 과 중간 연결관 98의 접점 102 하류측에 위치된다. 따라서 상기 설명된 온도센서 138은 시스템에 남아있는 작동유체의 온도를 감지할 수 있고, 작동유체의 냉각 또는 응축후에는 다음에 설명하는 시스템에 대한 제어를 위한 제어기 78에 대한 데이터를 제공한다. 상기 온도센서 138은 예를 들어, 배관 장착 도구를 갖는 Wisconsin, Milwaukee의 Johnson Controls ,Inc. 로부터 구할 수 있는 SET 189A 시리즈 온도센서일 수 있다.
이와 같은 부품은 단지 설명을 위한 것일 뿐, 본 발명의 청구범위에서 기재되어 있지 않다 해서이러한 부품으로서 한정되는 것이 아님을 알아야 한다. 다른 어떤 제조사로 부터 유사한 온도센서들이 바람직하게 사용될 수도 있다.
상기 작동유체의 물리적 특성 또는 성질은 작동유체의 압력 등으로 부터 감지될 수 있음을 알아야한다. 따라서, 상기 센서 138는 압력센서를 포함할 수 있다. 다양한 입력장치가 함께 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 작동유체의 온도와 대기의 온도가 입력되고, 그리고 시스템 자동조작을 위해 조작자가 입력하는 것을 가능하게 하는 것도 바람직 할 것이다.
제어기 78 로부터의 다양한 출력들이 증발액체의 효율 및 보존를 최대로 하도록 사용될 수 있다. 도 1 - 2에서 도시된 바와 같이, 상기 시스템은 팬모터의 작동을 제어하도록 연결되는 하나의 출력 139을 구비한다. 따라서 상기 팬 130의 속도는 예를 들어, 대기의 온도 또는 작동유체의 온도 중 하나를 기초로 가변될 수 있다. 상기 하우징 60 내의 보조 개구 70 들에 있는 댐퍼 74 들을 개방 및 폐쇄시키도록 또는, 상기 접점위치까지 댐퍼 74들을 이동시키도록 연결된 모터 76에 대한 다른 출력 140이 제어기 78로 부터 얻을수 있다. 또한, 펌프들의 작동이 대기의 온도 또는 작동유체의 온도를 기초로 제어될 수 있도록 상기 제 1 및 제 2 펌프 112,116 들에 대한 출력 144,146 이 있을수 있다. 밸브 124 가 사용된다면, 상기 밸브작동을 위한 서보 메케니즘(servo mechanism)에 따른 제어기로부터의 추가적인 출력 148 즉, 상기 직접접촉식 열교환부 50 에 대한 증발액체의 흐름속도를 조정하기 위한 출력이 있을 수 있다. 또한 피이드백(feedback)이 각각의 제어된 요소들로 부터 제어기에 제공될 수 있다.
적당하게 프로그램된 논리요소 78의 일예는, Wisconsin, Milwaukee의 Johnson Controls ,Inc. 사로 부터 구입 가능한 System 350 A350P 전자 비례식 플러스 일체형 온도 제어기( Electronic Proportional Plus Integral Temperature Control) 이다. 바람직하게는 상기 프로그램된 논리요소가 모든 공장 제어시스템에 포함될 수 있다. 여하간에, 제어기 설계, 설정 및 실행에 대해 숙련된 당업자는 적당하게 프로그램된 논리요소를 최적의 결과를 갖도록 설정 및 실행할 수 있다는 것을 알수 있다.
상술한 상기 열교환 시스템 8의 작동은 다음과 같다.
하나의 시스템 작동이 설명될 것이지만, 다음의 작동설명은 특별한 어떠 차이를 제외하고는 다른 시스템에도 적용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 도 9에서 개략적으로 도시된 제 1 작동모드(mode)에 있어서, 15℃ (59 ℉) 및 그 이하와 같은 대기의 건구온도 설정범위내에서, 상기 열교환 시스템 8은 건조모드로 작동된다. 양쪽 펌프 112,116은 오프(off)되고, 어떤 증발액체도 흐르지 않는다: 상기 건조 간접접촉식 열교환부 28는 건조모드로 작동하고, 그리고 상기 직접접촉식 열교환부 50 는 어떠한 열부하도 수반되지 않는다. 상기 댐퍼 74들은 충분하게 개방되고, 보조 공기흐름 72은 공간 58내에서 흐른다. 상기 직접 및 제 2 간접접촉식 열교환부 50,28를 통한 공기는 최소로 되고, 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16를 통한 공기는 최대로 된다. 상기 작동유체는 건조 간접접촉식 열교환부 16 및 제 2 건조 간접접촉식 열교환부 28를 통하여 흐른다. 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16는 이와 같은 모드에서 기본적인 열 방출원(source)이 된다.
공기온도가 작동중지 설정온도인 15℃ (59 ℉)를 초과할 때, 상기 열교환 시스템 8은 원하는 출력 온도 Tfo또는 압력 Pfo까지 작동유체를 냉각시키지 않을 것이다. 상기 열교환 시스템은 도 10에서 개략적으로 도시된 제 2 작동모드로 진행된다. 제어기는 도 10의 158 로 도시된 바와 같이, 증발액체가 상기 간접접촉부 분배시스템 104의 제 2 흐름통로 118를 통하여 이동하고, 그리고 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28위로 간접접촉부 분배시스템 108을 통하여 배출되도록 상기 제 2 펌프 116를 작동시킨다. 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28를 통한 증발액체의 낙하 물방울 또는 흐름은 도 10의 160으로 도시되고 있다. 상기 증발액체는 간접접촉식부 수조 82내에 모이고, 하부벽 84를 넘쳐 직접접촉부 수조 80으로 흐른다. 상기 직접접촉부 수조로 부터, 증발액체는 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28 위에까지 재 분배될 수 있다. 상기 작동유체는 건조 및 간접접촉부 열교환부 16,28 를 통하여 흐른다. 댐퍼 74들은 어떤 보조 공기흐름이 없도록 폐쇄되며: 대신에 상기 제 2 간접 및 직접접촉부 열교환부들에서 부터 대기흐름은 공간 58내에 합쳐지고, 이때 공기흐름 132 로서 건조 간접접촉부 열교환부에 유입된다. 상기 제 2 간접접촉부 28에 의해 수행된 작동유체로 부터의 열 방출은 증가하고, 배출 작동유체 온도 Tfo또는 압력 Pfo은 설정밸브까지 되돌려진다. 상기 직접접촉식 열교환부 50 은 이와 같은 모드(mode)에서 어떠한 열부하도 수반되지 않고: 상기 제 1 펌프 112는 작동중지 상태에 있게 된다.
추가로 외부의 대기온도가 올라가게 되면, 상기 제 1 분사펌프 112는 도 11에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 제 3 작동모드로 시작토록 작동된다. 상기 제 1 스프레이 펌프 112는 도 11에서 162 로 도시된 바와 같이, 상기 직접접촉부 분배시스템 106의 흐름통로를 통하여 간접접촉부 수조 82로 부터 증발액체를 이동시키고, 상기 증발액체는 도 11에서 164로 도시된 바와 같이, 충진 매체 56위로 배출된다. 증발액체가 상기 충진 매체를 통하여 낙하 또는 흐르게 됨으로서, 증발액체는 공기흐름에 열 및 질량을 전달하고, 상기 증발액체는 상기 충진 매체 56 아래의 직접접촉부 수조 80에 떨어지기 전에 냉각된다. 이때 상기 직접접촉식부 수조 80에서 냉각된 증발액체는, 160으로 도시된 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28 위로 분배되는 증발액체 출구 108까지 상기 흐름통로 118를 통하여 제 2 펌프 116로서 펌핑된다.
상기 제 3 작동모드에 있어서, 상기 직접접촉식 열교환부 50에서 냉각하는 증발액체는 상기 제 2 간접접촉식 열교환부에서 열방출을 단속하도록 작동하며, 상기 증발액체의 상당량은 증발된다. 따라서, 증발액체를 보존하기 위하여, 본 발명은 상기 직접접촉식 열교환부 50에 대한 증발액체의 흐름을 조정하는데, 이를 위하여는 효율적인 흐름속도가 상기 증발액체 및 작동유체를 냉각토록 유지되어야 한다. 그러나, 증발액체의 불필요한 증발을 피하기 위하여 과도한 흐름속도는 피해야 한다. 일반적으로, 외부 공기 습구 온도가 높으면 높을수록, 상기 직접접촉부 열교환부 50위로 배출되는 증발액체의 양은 증가된다. 마찬가지로, 상기 흐름속도가 배출 작동유체 온도 또는 압력에 종속된다면, 측정된 Tfo또는 Pfo및, 설정 Tfo또는 Pfo사이의 불일치는 크게 되고, 상기 직접접촉부 50에 대한 증발액체의 흐름속도는 증가되고: 측정 Tfo또는 Pfo는설정 Tfo또는 Pfo에 도달함으로서 상기 증발액체의 흐름속도는 감소할 것이다.
바람직하게는, 상기 증발액체의 흐름속도는 제어기 78로서 제어되며, 이에 따라 상기 직접접촉식 열교환부 50에 대한 흐름속도는 대기온도 또는 물리적 특성 혹은 작동유체의 성질과 같은 어떤 측정변수의 함수가 되는 것이다. 상기 흐름속도는 가변적인 속도를 갖는 펌프 112 또는, 일정한 속도를 갖는 펌프라면 펌프가 달린 밸브 124의 제어중 하나를 통하여 조절된다. 상기 증발액체의 흐름속도는 작동유체 출구 14에서 조작자에 의한 온도수치 또는 압력수치를 기초로 제어되거나 혹은 대기의 온도 수치를 기초로 제어되는 조작기일 수 있다. 그러나, 최적상태를 위해서는 자동 작동이 바람직할 것이다.
상기 직접접촉식 열교환부에 대한 증발액체 흐름속도가, 상기 간접접촉식 열교환부에 대한 증발액체의 흐름속도보다 작다면, 상기 하부벽 84는 모아진 증발액체가 상기 간접접촉부 수조 82 를 넘어서 직접접촉부 수조 80로 흐르는 것을 가능하게 한다.
본 발명은, Baltimore Aircoil Company 에 양도되고, " 물소모가 감소된 폐쇄 회로식 열교환 시스템과 방법"(CLOSED CIRCUIT HEAT EXCHANGE SYSTEM AND METHOD WITH REDUCED WATER CONSUMPTION)의 명칭으로 Branislv Korenic 및 Thomas P. Carter 에 의하여 본 발명과 같은 날에 출원되고 그 전체부분내에 참고자료로서 합쳐져 완전하게 개시된 미국특허출원의 특징들을 이용하고 있다. 그러나, 상기 특허출원의 도 1,4-6 및 도 11-12 에서 도시된 열교환 시스템들과는 달리, 본 출원발명의 열교환 시스템들은 공기흐름의 단열포화를 제공하지 않으며, 상기 제 2 간접접촉식 열교환부와 직접접촉식 열교환부위의 증발유체 흐름 이상으로 독립적인 제어모드로 작동한다.
본 발명의 열교환 시스템 8 은 다른 특징들을 포함하고 있다. 예를 들어 수조 80,82는 일반적인 분리형 드레인(미도시)을 포함함으로서 증발액체는 연중 동절기에서 결빙되는 것을 방지토록 시스템에서 부터 드레인될 수 있다. 상기 드레인은 예를 들어, 대기의 온도가 일정온도 아래로 떨어질 때, 드레인이 개방되도록 온도센서에 의하여 제어되는 솔레노이드 밸브와 같은 제어장치(미도시)를 포함한다. 상기 밸브는 중앙의 프로그램된 논리요소 78 에 연결될 수 있고 또는, 그 자체의 감지장치 혹은 감지 시스템으로서 작동 또는 제어될 수 있다. 또한 솔레노이드 밸브는 작동유체의 온도가 빙점에 근접하게 떨어지는 시점에서 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16 또는, 제 2 간접접촉식 열교환부 28 중 하나의 코일들을 자동 드레인 하도록 사용된다. 본 발명의 물을 절약할 수 있는 잇점은, 예를 들어 독일, Stuttgart/Echterdingen AB 와 같은 특정위치를 위한 건구와 습구 온도 프로파일(profile)을 감안하여 설명될 수 있다. 이와 같은 위치를 위한 상기 건구온도는 봄, 가을 및 겨울의 일년중 70.3 % 동안 15℃ 또는 59 ℉ 아래에 있어야 한다. 연중 대략 17.7 % 동안 건구 온도는 15℃ 또는 59 ℉ 이상이지만, 상기 습구온드는 15℃ 또는 59 ℉ 이하이다. 상기 건구 및 습구 온도는 연중 대략 12 % 는 15℃ 또는 59 ℉ 이상이다. 본 발명에 따르면, 어떤 사용된 증발액체없이 그 때의 70.3 %에 대하여, 상기 열교환 시스템은 건조장치로서 모드(Mode) 1 로서 작동될 수 있다. 주위 건구 온도가 15℃ 또는 59 ℉ 이상이지만, 습구 온도가 15℃ 또는 59 ℉ 이하일 때, 상기 열교환 장치 10는 증발액체의 손실을 최소로 하면서 모드(Mode) 2 로서 작동된다. 상기 습구 및 건구 온도 모두가 15℃ 또는 59 ℉ 이상 일 때, 상기 열 교환 시스템은 모드(Mode) 3 으로서 작동된다. 다양한 모드에서의 작동을 위한 특정 조절 온도는 단지 설명을 위한 목적으로 제시된다는 점을 알아야 한다. 대신에 다양한 모드에서의 작동을 위한 실제 제어 온도는, 작동유체 출구 14와 같이 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16의 하류측 작동유체의 온도 또는 압력 요구값에 직접적으로 연관될 수 있다. 상기 조절유체의 온도와 압력은 대기의 온도로서 폭넓게 연관되어야 하며, 이는 작동 모드의 각각에 대하여 사용기간이 상술된 백분율을 따라야 하기 때문이다. 작동을 위한 각 모드의 실제 백분율 작동시간은 그 위치를 위한 특정 연간 온도 프로파일 및, 장치가 측정되는 제어온도(공기 건구 온도 설계치)에 따르게 될 것이다.
구성요소들의 선택에 있어서, 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16 와 제 2 간접접촉식 열교환부 28를 위해 사용되는 특정장치는 표준 공학 설계기준에 근거하여 선택될 수 있다. 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16는 건조모드( 도 9의 모드 1)에서 대부분의 열효율을 이루도록 크기가 결정되고; 이와 같은 모드에서 그 크기에 따르는 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28는 같은 열용량을 추가할 것이지만, 주된 열 교환기는 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16의 핀(fin)형 튜브 26들일 것이다. 그러나, 습식 작동모드(도 10-11의 모드 2, 3)에서, 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28은 열효율의 대부분을 이루게 될 것이고, 그 나머지는 상기 튜브 코일 16들이 수행할 것이다. 각 부의 실제 열효율 백분율은 상기 열교환기 16,28의 크기에 따라 다를 것이다. 상기 출원에서 전체 일년의 일정 열효율을 나타내고 있다면, 하나는 크기가 큰 건조 간접접촉식 열교환부 16와 비교적 작은 다른 하나의 제 2 간접접촉식 열교환부 28를 선택할 것이다. 하절기의 열효율 및 습식 작동이 동절기의 건조 작동보다 더 크게 될거라고 예상된다면, 이때 상기 보다 큰 제 2 간접접촉식 열교환부 28가 선택될 것이다.
또한, 본 발명은 작동유체로 부터의 열방출 방법을 제공한다. 또한, 상기 대기흐름 132가 건조 간접접촉식 열교환부 16을 통과하는 동안, 상기 작동유체는 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16을 통하게 된다. 또한 상기 제 2 공기흐름 61이 제 2 간접접촉식 열교환부 28를 지나가는 동안, 상기 작동유체는 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28를 통과한다. 상기 제 3 공기흐름 68은 상기 직접접촉식 열교환부 50를 통하여 통과한다. 상기 제 2 및 제 3 공기 흐름 61,68은 상기 간접접촉식 열교환부 16의 상류측 주 공기흐름 132을 형성하도록 서로 혼합된다. 제 4 공기흐름 72는 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16의 상류측 제 2 및 제 3 흐름 61, 68과 선택적으로 혼합된다.
방법에 있어서, 증발액체가 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28 을 통하여 지나가는 동안에, 상기 증발액체는 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28 위에 선택적으로 분배된다. 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28로 부터의 증발액체는 모아지고 상기 직접접촉식 열교환부 50 위로 선택적으로 분배된다. 상기 직접접촉식 열교환부 50으로 부터 증발액체는 모아지고, 모아진 증발액체는 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28 위로 선택적으로 분배된다.
상기 직접접촉식 열교환부 50 위로 모아진 증발액체의 선택적인 분배작동은 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28위로 선택적으로 분배하는 증발액체의 작동과는 관계가 없고: 상기 증발액체는 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28, 상기 직접접촉식 열교환부 50 및 그 모두위로 동일한 또는 다른 흐름속도로서 별도로 분배될 수 있다. 상기 하부벽 84는 상기 증발액체가 상기 작동모드에 따라 일 수조로 부터 다른 수조로 흐르는 것과 두 펌프의 균형이 어떻게 조정되는 지를 가능하게 한다. 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28까지의 증발액체 흐름이 상기 직접접촉식 열교환부 50 까지의 증발액체 흐름을 초과할 때, 상기 증발액체는 상기 간접접촉부 수조 82 로 부터 상기 직접접촉부 수조 80까지 하부벽을 넘어서 흐를 수 있고, 상기 직접접촉식 열교환부 50까지의 증발액체 흐름이 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28 까지의 증발액체 흐름을 초과할 때, 상기 직접접촉부 수조 80에서 부터 간접접촉부 수조 82로 하부벽을 넘어서 흐를 수 있다. 비록 하부벽 84가 하부벽으로서 도시되고 설명되었지만, 예를 들어 수조 80,82 사이의 증발액체 흐름과 같은 것을 위하여 허용되는 어떠한 다른 구조체도 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
상기 열교환 시스템 8의 작동중, 상기 제 2 및 제 3 흐름 61,68은 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 및 직접접촉식 열교환부 28, 50를 통하여, 이들 열교환부 28,50내 증발액체 분배의 유,무를 모두 갖는 상태에서 연속적으로 흐른다. 작동유체는 상기 간접 및 제 2 간접접촉식 열교환부 16, 28 모두를 통하여 상기 제 2 간접 및 직접접촉식 열교환부 16,50 내에서 증발액체 분배의 유무를 모두 갖는 상태에서 흐른다.
상기 방법은 대기 온도를 감지하는 작동을 포함한다. 감지작동은 온도 센서를 통하여 또는 온도계를 관측하는 작동기로서 이루어 질 수 있다. 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 16 위로 증발액체를 선택적으로 분배하고, 그리고 상기 직접접촉식 열교환부 50위로 증발액체를 선택적으로 분배하는 작동들은 상기 감지된 대기의 온도를 기초로 이루어 질 수 있다.
상기 방법은, 작동유체 출구 14의 상류와 같이, 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16의 작동유체 하류의 물리적 특성 또는 성질을 감지하는 작동을 포함할 수 있다. 감지된 물리적 특성은 온도 또는 압력일 수 있다. 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 위로 증발액체를 선택적으로 분배하고, 그리고 상기 직접접촉식 열교환부 위로 증발액체를 선택적으로 분배하는 작동들은 상기 감지된 온도 또는 압력을 기초로 이루어 질 수 있다.
본 발명의 시스템과 방법은 가장 효과적인 시점까지 증발액체의 사용을 제한하기 때문에, 본 발명은 증발액체를 보존하는 증발식 열교환기의 잇점을 제공한다. 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 28은 상기 직접접촉식 열교환부 50의 위에 있지 않기 때문에, 상기 직접접촉식 열교환부 50의 크기와 높이는 장치의 전체 높이에 대해 추가되지 않고 최대한 활용될 수 있고; 보다 큰 직접접촉식 열교환부 50가 사용될 수 있다. 더하여, 서로 나란한 3개의 열교환부를 갖고 있기 때문에, 장치의 전체 높이는 최소로 줄일 수 있고, 그리고 펌핑헤드는 증발액체용으로 감소된다. 따라서 백업(back-up) 펌프의 비용이 저감된다. 상기 직접 및 제 2 간접접촉식 열교환부까지 증발액체를 이동시키기 위한 분리형 파이프로 된 배관들은 각 접촉부의 열교환 능력을 최적화하는 것을 가능하게 하며: 더하여, 상기 직접접촉식 열교환부 위로 스프레이 흐름이 독립적으로 조절되는 동안, 전체 스프레이 흐름은 스케일(scale) 형성 가능성(potential)을 최소화하도록 상기 제 2 간접접촉식 열교환부위로 유지될 수 있다. 본 발명의 다른 잇점은, 공기 흐름들이 증발액체를 통하여 통과한 후에 그리고 장치내에 잔존하기 전에, 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16를 통하여 흐른다는 점이며: 상기 공기흐름은 장치에 잔존하기 전에 건조 간접접촉식 열교환부에 의하여 재 가열되고, 따라서 배출시의 연기(plume) 발생을 제한한다.
비록 설명된 실시예들은 열교환 시스템의 여러 구성요소를 나타내고 있지만, 하나의 장치, 다수의 구성요소들이 분리형 장치내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 건조 간접접촉식 열교환부 16를 설치한 장치내에 공간 58에 연결된 관으로서, 상기 직접접촉식 열교환부 50은 분리형 장치내에 설치될 수 있다. 상술된 바와 같이, 제어기 78은 장치의 일부분, 공장 전체의 공기 시스템 또는 컴퓨터 터미널과 같은 별도의 제어기가 될 수 있다.
추가적인 요소들이 본 발명의 시스템에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1-2에서 도시된 바와 같이, 벽 150 들이 공기흐름의 제어와 스프레이 노즐 108로 부터의 증발액체 보존 등을 위하여 제공될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들이 설명되고 도시되었지만, 다양한 추가 구성와 변경이 실시예들에서 이루어 질수 있고, 전용(substitution)이 본 발명의 여러 요소들에서 이루어 진다는 것을 알수 있다. 따라서 첨부된 첨구범위에서의 본 발명은 본 발명의 실제 범위내에서 이와 같은 모든 추가구성, 변경 및 전용을 포함한다.

Claims (10)

  1. 작동유체 입구 및 작동유체 출구;
    공기입구측, 공기출구측 및, 작동유체 회로를 갖는 건조 간접접촉식 열교환부;
    공기입구측, 공기출구측 및, 작동유체 회로를 갖는 제 2 간접접촉식 열교환부;
    공기입구측, 공기출구측 및, 충진 매체를 갖는 직접접촉식 열교환부;
    상기 작동유체 입구, 상기 건조 간접접촉식 열교환부 작동유체 회로, 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 작동유체 회로 및, 작동유체 출구를 연결하며, 상기 건조 간접접촉식 열교환부 및, 상기 제 2 간접접촉식 열교환부 모두를 통하여 거의 연속적인 작동유체의 흐름을 제공하는 작동유체 흐름통로;
    상기 제 2 간접접촉식 열교환부위로 증발액체를 분배토록 위치되는 다수의 간접접촉부 증발액체 출구들;
    상기 직접접촉식 열교환부위로 증발액체를 분배토록 위치되는 다수의 직접접촉부 증발액체 출구들;
    상기 제 2 간접접촉식 열교환부로 부터 증발액체를 모으도록 위치되는 간접접촉부 수조;
    상기 직접접촉식 열교환부로 부터 증발액체를 모으도록 위치되는 직접접촉부 수조;
    상기 증발액체가 충진 매체위로 선택적으로 분배될 수 있도록 상기 간접접촉부 수조에서 부터 상기 직접접촉부 증발액체 출구들까지 증발액체를 이동시키기 위하여, 상기 간접접촉부 수조와 직접접촉부 증발액체 출구들 사이에 연결되는 제 1 펌프와 제 1 증발액체 흐름통로;
    상기 증발액체가 상기 제 2 간접접촉식 열교환부위로 선택적으로 분배될 수 있도록 상기 직접접촉부 수조에서 부터 상기 간접접촉부 증발액체 출구들까지 증발액체를 이동시키기 위하여, 상기 직접접촉부 수조와 간접접촉부 증발액체 출구 들사이에 연결되는 제 2 펌프와 제 2 증발액체 흐름통로; 및,
    상기 건조 간접접촉식 열교환부, 제 2 간접접촉식 열교환부 및, 직접접촉식 열교환부를 통한 공기흐름을 이동시키기 위한 공기이동장치;를 포함하는 작동유체로 부터 열을 방출시키기 위한 열교환 시스템
  2. 제 1항에 있어서, 상기 작동유체 흐름통로는 상기 건조 간접접촉식 열교환부 작동유체 회로와 그 다음 제 2 간접접촉식 열교환부 작동유체 회로 및, 그 다음 작동유체출구까지 연이어 작동유체 입구들을 연결하는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템
  3. 제 1항에 있어서, 상기 작동유체 흐름통로는, 상기 건조 간접접촉식 열교환부와 제 2 간접접촉식 열교환부에 병렬로 작동유체 입구와 출구를 연결하는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템
  4. 제 1항에 있어서, 상기 건조 간접접촉식 열교환부는 직접접촉식 열교환부와 제 2 간접접촉식 열교환부 사이에 배치되고;
    상기 건조 간접접촉식 열교환부, 제 2 간접접촉식 열교환부 및, 직접접촉식 열교환부를 포위하는 하우징을 추가로 포함하고, 상기 하우징은 직접접촉식 열교환부가 일측면이고, 상기 제 2 간접접촉식 열교환부가 타측면인 두 개의 측면들을 구비하며;
    상기 하우징은 각 측면상의 개구를 구비하며, 일측 개구는 대기를 상기 제 2 간접접촉식 열교환부내로 이동시키도록 제 2 간접접촉식 열교환부의 공기 입구측에 근접하며, 타측 개구는 대기를 상기 직접접촉식 열교환부내로 이동시키도록 직접접촉식 열교환부의 공기 입구측에 근접하고, 상기 건조 간접접촉식 열교환부의 공기 입구측은 제 2 간접접촉식 열교환부와 직접접촉식 열교환부로 부터의 공기흐름이 건조 간접접촉식 열교환부내로 이동하도록 상기 제 2 간접접촉식 열교환부와 직접접촉식 열교환부의 공기 출구측들 하류에 위치되고;
    상기 하우징은 대기 공기의 유입을 위한 보조개구와 상기 개구를 선택적으로 폐쇄하는 댐퍼를 추가로 포함하고, 상기 개구는 상기 제 2 간접접촉식 열교환부와 건조 간접접촉식 열교환부로 부터 이격 위치되고, 상기 보조개구는 대기흐름이 건조 간접접촉식 열교환부내로 이동되도록 하는 통로를 제공하며;
    상기 하우징은 건조 간접접촉식 열교환부의 공기 입구측 상류와 제 2 간접접촉식 열교환부와 직접접촉식 열교환부의 공기 출구측 하류 및, 상기 보조 개구들의 하류에 위치한 공간(plenum)을 추가로 구비하고, 상기 공간은 상기 제 2 간접접촉식 열교환부, 직접접촉식 열교환부 및 보조개구로 부터의 공기 흐름들이 건조 간접접촉식 열교환부에 유입되기 전에 상기 공간을 통하여 흐르도록 건조 간접접촉식 열교환부의 공기 입구측에 대하여 개방되는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템
  5. 제 1항에 있어서, 제 1 및 제 2 펌프들의 작동을 제어하기 위한 제어기를 추가로 구비하며, 상기 제어기는 제 1 및 제 2 펌프들의 독립적인 작동을 가능하게 하고, 상기 제어기에 입력값을 제공하기 위하여 연결된 센서를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 펌프들은 일정속도를 갖는 펌프들과 가변적인 속도를 갖는 펌프들을 구성하는 그룹으로 부터 선택됨을 특징으로 하는 열교환 시스템
  7. 상기 건조 간접접촉식 열교환부를 통하여 주(main) 공기흐름을 통과시키는 동안, 건조 간접접촉식 열교환부를 통하여 작동유체를 통과시키고;
    상기 제 2 간접접촉식 열교환부를 통하여 제 2 공기흐름을 통과시키는 동안, 제 2 간접접촉식 열교환부를 통하여 작동유체를 통과시키며;
    상기 직접접촉식 열교환부를 통하여 제 3 공기흐름을 통과시키고, 상기 건조 간접접촉식 열교환부의 상류측에 주 공기흐름을 형성토록 상기 제 2 및 제 3 공기흐름들을 함께 합치고;
    상기 제 2 간접접촉식 열교환부를 통하여 작동유체를 통과시키는 동안, 상기 제 2 간접접촉식 열교환부위로 증발액체를 선택적으로 분배하며;
    상기 제 2 간접접촉식 열교환부로 부터 증발액체를 모으고;
    상기 직접접촉식 열교환부위로 모아진 증발액체를 선택적으로 분배하는 단계들을 포함하며,
    상기 직접접촉식 열교환부위로 모아진 증발액체를 선택적으로 분배하는 작동은 상기 제 2 간접접촉식 열교환부위로 증발액체를 선택적으로 분배하는 작동과는 독립적으로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 작동유체로 부터의 열 방출 방법
  8. 제 7항에 있어서, 상기 건조 간접접촉식 열교환부의 상류측에서 제 2 및 제 3 공기 흐름에 제 4 공기 흐름을 선택적으로 합치는 작동을 추가로 포함하며, 상기 제 4 공기흐름은 대기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 방출 방법
  9. 제 7항에 있어서, 상기 대기 온도를 감지하는 작동을 추가로 포함하고, 상기 제 2 간접접촉식 열교환부위로 증발액체를 선택적으로 분배하는 작동들 및, 상기 직접접촉식 열교환부위로 모아진 증발액체를 선택적으로 분배하는 작동은 감지된 대기의 온도를 근거로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 열 방출 방법
  10. 제 7항에 있어서, 상기 건조 간접접촉식 열교환부의 하류측 작동유체의 물리적 특성을 감지하는 작동을 추가로 포함하며, 상기 제 2 간접접촉식 열교환부위로 증발액체를 선택적으로 분배하는 작동들 및, 상기 직접접촉식 열교환부위로 모아진 증발액체를 선택적으로 분배하는 작동은 상기 작동유체의 감지된 물리적 특성을 근거로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 열 방출 방법
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