KR200372276Y1 - 순환수계통의 스케일방지 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 냉각탑과 열교환기가 구비된 순환수계를 이용하는 열교환 시스템에 있어서: 하부를 원추형으로 하는 원통으로 형성하고, 그 내부에 다수의 전극판(30)을 고정한 반응조(20); 상기 반응조(20)의 내벽 및 전극판(30)에 각각 교번 또는 일정하게 전압을 인가하는 제어기(40); 및 상기 반응조(20)의 하단에 벤추리관(36)을 개재하여 연결되고, 제어기(40)로 온오프되는 전자밸브(45)를 구비하는 배수관(23);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 스케일 방지제를 사용하지 않고 간편하고 용이하게 냉각수계로부터 경도성분을 제거하여 냉각수계의 열교환기, 개방형 냉각탑 및 배관 내부 등의 스케일 장해나 기타 수계의 스케일 장해를 방지하는 효과가 있다.

Description

순환수계통의 스케일방지 장치 {Apparatus for preventing scale of cooling water system}

본 고안은 수계통의 스케일(Scale) 방지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 스케일 방지제나 수계통내의 세정액에 의한 환경훼손의 염려가 없고 간편하고 용이하게 수계통으로부터 경도성분을 제거함으로써 열교환기, 개방형 냉각탑 또는 배관내부 등의 냉각수계통에 있어서 스케일 장해나 기타 수계통 스케일 장해를 방지하는 장치에 관련된다.

각종 공장이나 연구소 등의 다방면의 분야에 기계장치 등의 피열교환체를 냉각하기 위한 열교환 설비가 설치된다. 열교환에 의해 수온이 상승한 냉각수는 개방형 냉각탑에서 공기와 접촉하여 방열하며, 물의 증발열로 수온이 하강된 상태로 다시 열교환기로 반복 순환되는 냉각수계통을 이룬다.

이때의 냉각수가 개방형 냉각탑에서 일부 증발과 함께 비산되어 냉각수계통 밖으로 방출되기 때문에 경제적인 측면을 고려하여 순환 냉각수계에는 공업용수 또는 지하수 등을 활용한다. 그러나 공업용수(지하수)는 칼슘이온 및 마그네슘이온의 함유량이 비교적 많은 경수(硬水)이므로 보충수 중의 경도성분이 순환 냉각수계에 축적되어 경도성분의 농도가 점차 높아지게 되고 개방형 냉각탑 열교환기의 전열면 또는 배관내에 스케일 장해를 유발한다.

이를 방지하기 위해 개방형 냉각탑의 수조로부터 농축된 물의 일부를 이른바 블로우다운(Blow Down)하여 수계통 밖으로 흘러 보낸다. 에너지 절약 및 자원 절약의 입장에서 볼 때 블로우(Blow) 수량을 적게 하는 것이 바람직스럽지만 블로우 수량이 적을수록 용해된 경도성분이 농축되어 전열면의 부식이 촉진되는 동시에 배관상의 계측기나 센서(Sensor)의 일부가 오작동하여 열교환기나 보일러의 운전에 중대한 에러를 초래할 수 있다.

다른 방법으로서는 냉각수에 여러 가지 스케일 방지제를 첨가하는 방법이 있으나, 약품에 의존하는 수처리 방법은 블로우되는 물에 유해한 약제가 포함되므로 이의 재처리가 필요하게 된다. 그래서 스케일 방지제를 사용하지 않는 방법으로서 물속에 침적한 하나의 전극에 직류 전압을 인가하여 물속에 함유된 경도성분을 전극의 표면에 고체 상태로 부착시키고 그 다음에 전극의 극성을 반전시켜 부착물을 박리시켜 침전조 또는 여과기로서 회수 제거하는 방법이 제안된다.

그러나 이러한 방법은 장치가 대형이므로 경비가 증가하는 어려움이 있어 개선책이 요구된다.

이에 본 고안은 스케일 방지제를 사용하지 않고 간편하고 용이하게 냉각수계로부터 경도성분을 제거하여 냉각수계의 열교환기, 개방형 냉각탑 및 배관 내부 등의 스케일 장해나 기타 수계의 스케일 장해를 방지하는 것이 가능한 순환수계통의 스케일방지 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 고안에 따른 장치의 주요부를 나타내는 구성도이고,

도 2는 도 1의 반응조의 내부를 나타내는 평단면도이고,

도 3은 도 1의 반응조의 외부를 나타내는 정면도이고,

도 4는 본 고안의 장치가 적용된 일 시스템의 공정계통도이고,

도 5는 본 고안의 장치가 적용된 다른 시스템의 공정계통도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10: 냉각탑 14: 보충수관

15: 열교환기 20: 반응조

21: 입수관 22: 출수관

23: 배수관 30: 전극판

35: 절연대 36: 벤추리관

40: 제어기 45: 전자밸브

이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안은 냉각탑과 열교환기가 구비된 순환수계를 이용하는 열교환 시스템에 있어서: 하부를 원추형으로 하는 원통으로 형성하고, 그 내부에 다수의 전극판(30)을 고정한 반응조(20); 상기 반응조(20)의 내벽 및 전극판(30)에 각각 교번 또는 일정하게 전압을 인가하는 제어기(40); 및 상기 반응조(20)의 하단에 벤추리관(36)을 개재하여 연결되고, 제어기(40)로 온오프되는 전자밸브(45)를 구비하는 배수관(23);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

좀더 구체적으로 본 고안은 원통의 하부가 원추형상을 한 반응조(20)의 내부에 전극판(30)을 설치한 경도성분 제거장치를 완성하여 피처리수를 통수하고 전극판(30)에 양극(+)전압을 반응조(20)의 내벽에 음극(-)전압을 인가하여 본체 내벽에 피처리수 중의 경도성분을 부착시키고 그 다음에 직류전압의 극성을 반전시켜 부착물을 박리시키고 박리된 물질은 하부의 배수관(23)의 배출하는 것을 특징으로 하는 순환수계통의 스케일방지 장치를 제공한다.

이때, 상기 반응조(20)는 외주면에 접선 방향으로 연결되는 입수관(21)과, 상면의 중심에 수직 방향으로 연결되는 출수관(22)을 구비한다.

또한, 상기 반응조(20)는 경도성분의 제거량을 피처리수의 경도성분 농도의 4~15% 범위로 하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 장치의 주요부를 나타내는 구성도이고, 도 2는 도 1의 반응조의 내부를 나타내는 평단면도이고, 도 3은 도 1의 반응조의 외부를 나타내는 정면도이다.

본 고안의 반응조(20)는 액체 원심분리기(Cyclone)처럼 하부를 원추형으로하는 원통으로 형성하고, 그 내부에 2개 혹은 다수개의 전극판(30)을 대칭적으로 고정하여 구성된다.

상기 반응조(20)는 외주면에 접선 방향으로 연결되는 입수관(21)과, 상면의 중심에 수직 방향으로 연결되는 출수관(22)을 구비한다. 입수관(21)이 접선방향으로 연결되면 반응조(20) 내에서 순환수의 흐름이 유발되므로 경도성분을 제거하는 반응이 촉진된다. 반응조(20)의 중심에는 상대적으로 경도성분이 적으므로 여기에 출수관(22)을 연결하여 청결한 순환수를 내보낸다.

도 2처럼 전극판(30)은 반응조(20)의 내벽에서 절연대(35)를 개재하여 내벽과 소정의 간격을 유지하도록 종 방향으로 설치된다. 도시에는 명확하지 않으나 절연대(35)를 장착하는 위치는 하부보다 상부가 좋다. 전극판(30)은 2개, 4개, 또는 6개의 어느 형태를 선택하더라도 간격은 통상 3~10cm의 범위에서 선정한다. 전극판(30)은 단순한 평판으로 하거나 평판의 양단을 절곡한 형태로 한다. 물론 반응조(20)의 내벽과 전극판(30) 사이에서 흐름이 원활하도록 전극판(30)을 약간의 곡면(원호형)으로 할 수도 있다.

전극판(30)의 재질은 도전성의 물체라면 특별한 제한은 없고, 서로 다른 재료를 사용할 수도 있다. 이를테면 동, 니켈, 철, 알루미늄, 몰리브덴, 크롬, 티타늄, 탄소강, 스텐레스강 등을 들 수 있다. 전극판(30)의 크기나 형상은 반응조(20)의 크기나 형상에 따라 적절하게 선정한다. 예를 들면 폭 4~16cm 길이 30~100cm 두께 2~10mm의 범위에서 선정된 판형, 망형, 격자형의 것으로 그 표면은 평활한 것이나 다공질이나 무방하다.

이러한 반응조(20)의 내벽 및 전극판(30)에 각각 양극(+)의 직류 전압 또는 음극(-)의 직류전압을 인가하기 위하여 제어기(40)가 접속된다. 인가하는 직류 전압은 특별히 제한은 없으나 인체에 대하여 안전성을 고려하여 40V 이하로 하는 것이 바람직하며 통상 3~30V 바람직한 것으로서는 6~24V의 범위에서 결정한다.

설정하는 전류치는 목표 경도성분의 제거속도에 대응하는 것으로서 처리수의 전기전도도가 목표치가 되도록 설정하지만 통상 2~100A, 바람직하기는 3~20A의 범위에서 선정한다.

또, 본 고안의 배수관(23)은 상기 반응조(20)의 하단에 벤추리관(36)을 개재하여 연결되고, 제어기(40)로 온오프되는 전자밸브(45)를 구비한다. 벤추리관(36)은 출수관(22)에서 배수관(23)으로 바이패스되는 관로상에 설치하고, 벤추리관(36)의 목부를 반응조(20)의 하단에 연결한다. 벤추리관(36)의 하류에는 전자밸브(45)를 설치하고, 제어기(40)의 출력포트에 전자밸브(45)를 연결한다. 이에 따라 전자밸브(45)가 유로를 개방하면 출수관(22)에서 배수관(23)으로 바이패스되는 물에 의해 벤추리관(36)에서 반응조(20)의 침강물에 대한 흡인력이 증대된다.

도 3에서, 반응조(20)의 하부는 침강물을 배수관(23)으로 유도하는 작용이 있는 것이면 좋다. 도 1에 나타낸 원추형 외에도 원통의 하단이 원호형상으로 좁아지고 그 하단에서 다시 원호형상으로 좁혀지는 구조(도 3a), 원추형의 후단에 소형의 원통과 원추가 2단으로 연결되는 구조(도 3b), 경사면이 완만한 곡면으로 되는 구조 등이 포함된다.

작동에 있어서, 반응조(20)의 입수관(21)으로 피처리수를 연속적으로 공급한후 제어기(40)를 작동하여 양극(+)의 직류전압을 전극판(30)에 인가하고, 음극(-)의 직류전압을 반응조(20)의 내벽에 인가한다. 이렇게 하면 음극(-)인 내벽 표면에 피처리수 중의 경도성분이 고체상태로 부착되고, 경도성분이 감소된 청정한 피처리수는 출수관(22)을 통하여 연속적으로 배출된다.

이후 제어기(40)에서 직류전압의 극성을 반전시켜 전극판(30)에 음극(-)의 직류전압을 반응조(20)의 내벽에 양극(+)의 직류전압을 인가하면 내벽면에 부착된 물질이 박리된다. 직류 전압의 극성을 반전하는 간격은 피처리수중의 경도성분의 농도와 처리수증의 농도에 따라 다르지만 정상적인 통전간격은 5~60분의 범위에서 선정하고 반전하는 시간은 3~60초의 범위에서 선정한다. 극성의 반전에 의해 박리된 물은 와류에 의해 하부의 출구 부근에 용이하게 침강한다. 침강물은 극성의 반전회수 5~30회에 1회의 비율로 전자밸브(45)를 개방하는데 따라 배수관(23)을 통하여 배출된다. 이러한 일련의 조작은 제어기(40)를 통하여 자동 제어되는 것이 바람직스럽다.

본 고안의 경도성분의 제거량은 피처리수의 경도성분 농도의 3%이상이지만 바람직스럽기는 4~15%로 하는 것이 좋다.

도 4는 본 고안의 장치가 적용된 일 시스템의 공정계통도이다.

도 4에서, 본 고안의 반응조(20)는 열교환기(15)와 개방형 냉각탑(10)을 연통하는 배관(11)(12)과 독립적으로 설치된다. 열교환기(15)에서 온도가 상승한 냉각수는 배관(11)을 통하여 개방형 냉각탑(10)에 보내져서 공기와의 접촉에 의해 냉각되고 다시 배관(12)을 통하여 열교환기(15)에 보내지는 순환수계를 형성한다.

이때, 개방형 냉각탑(10)에서 증발한 물과 비산한 물을 보충하기 위한 보충수는 보충수관(14)을 통해 반응조(20)에 유입되고 경도 성분 농도가 저감된 후 출수관(22)을 통하여 개방형 냉각탑(10)으로 공급되므로 순환수계의 경도성분 농도가 목표 범위 내에서 유지된다.

반응조(20)는 도 1에서 설명한 바와 같이 전극판(30)과 반응조(20)의 내벽간에 인가하는 직류 전압의 극성을 반전시키는 것에 의하여 보충수 중의 경도성분을 분리 침강한다. 침강물은 배수관(23)을 거쳐 다른 배관(13)으로 배출된다.

도 5는 본 고안의 장치가 적용된 다른 시스템의 공정계통도이다.

도 4와 달리 열교환기(15)와 개방형 냉각탑(10)을 연결하는 배관(11)(12) 상에 반응조(20)가 입수관(21)과 출수관(22)에 의한 바이패스(Bypass) 유로를 형성하도록 설치되는 점에 차이가 있다. 즉 배관(12)을 흐르는 순환수의 일부가 입수관(21)으로 분기되어 반응조(20)에 들어오게 되고 여기에서 경도성분 농도가 저감 된 후 출수관(22)을 통하여 배관(12)으로 되돌아간다. 되돌아온 물은 순환수와 합쳐져서 열교환기(15), 냉각탑(10)을 차례로 유동한다. 보충수관(14)을 통한 보충수는 직접 반응조(20)에 공급된다. 한편 반응조(20)에서 생성된 경도성분의 침강물은 배수관(23)을 통하여 배출된다.

이상과 같이 반응조(20)를 보충수관(14) 상에 설치하는 경우와 주 배관(11)(12) 상에서 분기하도록 설치하는 경우에 대하여 설명하였으나, 순환수를 순환수계통 외부로 배출하는 블로우(Blow) 배관(13)에 설치할 수도 있다. 또한 반응조(20)는 보급수의 수질이나 개방형 냉각탑(10)의 용량에 따라 복수개소에 설치하든지 또는 복수개를 직렬 또는 병렬로 설치할 수 있다.

다음 실시예들은 본 고안을 한층 더 구체적으로 설명하지만, 본 고안이 이 실시예들에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

(1）열교환기(15): 직경 550mm, 길이 3700mm의 동관 열교환기로서 전열면적 38㎥의 다관식

(2）개방형냉각탑(10)：환기 팬(Fan) 부착형, 순환수량 300㎥/hr, 냉각 온도차 5℃

(3）반응조(20)： 높이1.1m, 직경30cm, 내벽표면적　9650㎠, 전극판(30)은 폭5.8cm, 길이70cm, 두께 2mm의 철제금속 4매, 벽과의 간격 50mm

(4）보급수의 경도성분 농도：140mg CaCO₃/ℓ

(5）순환수계의 전 보유수량：60㎥

상기 사양의 장치를 도 4에 보였던 계통도처럼 배치하고 6개월간 연속운전을 했다. 운전 방법은 보충수관(14)으로 보충수를 연속적으로 공급하면서 반응조(20)의 전극판(30)에 24V 직류 전압의 양극(+)을 인가하고 반응조(20)의 내벽에 음극(-)을 인가했다. 그런 다음 20분 후에 직류전압의 극성을 10초간 반전시킨다. 이런 조작을 순차적으로 반복해서 행한다. 전극에 흐르는 전류치는 5암페어가 되도록 제어한다. 반응조(20)에 생성되는 경도 성분의 침전물은 극성의 반전 20회에 1회의 비율로 배수관(23)을 통하여 계외로 배출한다.

매월 1회 열교환기(15)의 전열면상의 스케일의 부착상황을 관찰했지만 운전에 지장을 초래할 만큼의 스케일의 부착이 육안상으로 인지되지 않았다. 개방형 냉각탑(10) 내부에 있어서도 소정의 시험편을 부착한 동판에 새로운 스케일의 부착이 인지되지 않았다.

[실시예 2]

실시예 1과 동일 장치를 도 4에 보였던 계통도와 같이 배치하고 입수관(21)을 폐쇄상태로 연속 운전을 했다. 약 6개월 후 개방형 냉각탑(10)내에 스케일이 널리 퍼졌다. 다음에는 입수관(21)을 개방한 상태로 순환수의 일부 10300㎥/hr를 반응조(20)에 도입시킨 후 전극판(30)에 24V의 직류 전압의 양극(+)을 인가하고 반응조(20)의 내벽에 음극(-)을 인가한다. 이어서 20분 후에 직류전압의 극성을 10초간 반전시키며, 이런 조작을 순차로 반복해서 행한다. 전극에 흐르는 전류는 5암페어가 되도록 제어한다. 반응조(20)에 생성되는 경도 성분의 침전물 극성의 반전 20회에 1회의 비율로 배수관(23)을 통하여 계외로 배출한다. 개방형 냉각탑(10)내의 스케일은 대략 1개월 후부터 감소되기 시작하여 6개월 후에는 스케일 부착이 인지되지 않게 되었다.

본 고안 방법에 따르면 내부에 전극을 설치한 액체 원심분리기(Cyclone)에 통수하고 전압을 인가해서 수중의 경도성분을 내벽면에 고체로 부착시켜 제거하고 경도성분의 농도가 저감된 물을 순환수계로 공급한다. 그러므로 스케일 방지제를 쓰지 않고 장기간 간편하고 안전하게 경도성분(칼슘, 마그네슘, 크롬, 철, 납, 수은, 아연)을 낮추어 순환수계통의 스케일을 방지하는 것이 가능하다.

또한 본 고안의 장치는 다른 세정 시스템과 조합하여 함께 실시할 경우 더욱 장기간 스케일 장해를 일으키지 않고 보충수의 사용량도 줄일 수 있다. 또한 블로우수도 줄일 수가 있으므로 비용절감에 크게 기여할 수 있다.

본 고안의 반응조(20)의 실제 적용 사례에 있어서 설치전, 설치1개월, 설치2개월후 주요 성분의 변화량은 다음의 표와 같다.

분석항목	단위	보충수	순환수
			설치전	설치1개월	설치2개월
수소이온농도	pH	7.7	8.8	8.7	8.8
전기전도도	㎲/㎝	336	1400	450	540
Na	ppm	-	2.6	13	78
Mg	ppm	-	39	20	19
Ca	ppm	52	82	48	50
Cl	ppm	42	220	100	97
SO4	ppm	-	190	120	90
Silica	ppm	26	160	98	42

본 고안은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 고안의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 고안의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

상술한 본 고안의 구성 및 작용에 의하면 스케일 방지제를 사용하지 않고 간편하고 용이하게 냉각수계로부터 경도성분을 제거하여 냉각수계의 열교환기, 개방형 냉각탑 및 배관 내부 등의 스케일 장해나 기타 수계의 스케일 장해를 방지하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 냉각탑과 열교환기가 구비된 순환수계를 이용하는 열교환 시스템에 있어서:

   하부를 원추형으로 하는 원통으로 형성하고, 그 내부에 다수의 전극판(30)을 고정한 반응조(20);

   상기 반응조(20)의 내벽 및 전극판(30)에 각각 교번 또는 일정하게 전압을 인가하는 제어기(40); 및

   상기 반응조(20)의 하단에 벤추리관(36)을 개재하여 연결되고, 제어기(40)로 온오프되는 전자밸브(45)를 구비하는 배수관(23);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 순환수계통의 스케일방지 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반응조(20)는 외주면에 접선 방향으로 연결되는 입수관(21)과, 상면의 중심에 수직 방향으로 연결되는 출수관(22)을 구비하는 것을 특징으로 하는 순환수계통의 스케일방지 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 반응조(20)는 경도성분의 제거량을 피처리수의 경도성분 농도의 4~15% 범위로 하는 것을 특징으로 하는 순환수계통의 스케일방지 장치.