KR20040041690A - 냉각탑 유출수를 응축하는 공기/공기 대기 열교환기 - Google Patents

Abstract

주위의 공기의 흐름을 수납하는 제1 세트의 통로(14)와 따뜻한 물을 갖는 공기의 흐름을 수납하는 제2 세트의 통로(16)를 갖는 열교환기 팩(10)이 개시된다. 제1 세트의 통로(14) 및 제2 세트의 통로(16)는 분리되고 주위의 공기의 흐름에 의해 따뜻한 물을 갖는 기류가 냉각되도록 따뜻한 물을 갖는 기류로부터 물이 응축될 수 있다. 유출수 연기기둥 감소를 달성하고, 냉각탑 저수조 또는 정화수의 공급원으로 교환을 위해 유출수의 일부를 포획하기 위해 열교환기 팩을 포함하는 냉각탑 구성이 개시된다.

Description

냉각탑 유출수를 응축하는 공기/공기 대기 열교환기{AIR-TO-AIR ATMOSPHERIC HEAT EXCHANGER FOR CONDENSING COOLING TOWER EFFLUENT}

증기 발전식 터빈을 이용한 발전에서, 전기를 생성하도록 터빈을 구동하는 증기를 생성하기 위해 버너에 의해 물이 가열된다. 이 공정에 필요한 청정수의 양을 최소화하기 위해서, 증기는 다시 물로 변환되어야 하므로, 열을 제거함으로써 물은 공정에 재이용될 수 있다. 대규모 빌딩용 공기조화시스템에서, 빌딩 내부의 공기가 냉각된 냉매 가스를 포함하는 코일을 강제로 통과하여 빌딩 내부로부터의 열을 냉매 가스에 전달하게 된다. 따뜻한 냉매는 과도한 열을 냉매로부터 제거되어야 하는 빌딩 외부로 파이프를 통해 배출되므로 냉매 가스를 재냉각할 수 있어 냉각 공정이 계속된다.

상기 양자의 전술한 공정, 및 과다한 열을 발산하는 단계가 필요한 각종 다른 공정에서, 냉각탑이 적용된다. 습식 냉각탑에서, 펌프로 퍼올려진 물이 가열된증기, 냉매, 다른 가열된 액체 또는 기체를 포함하는 응축기 코일을 통과하여, 물에 열을 전달한다. 물은 냉각탑의 상부까지 퍼올려지고 얇은 시이트의 재료 또는 스플래시 바아(splash bar)로 구성된 냉각탑 매체 위에 분사된다. 물이 냉각탑 매체 아래로 흐를 때, 외기는 가열된 물을 강제로 통과되고 열은 현열 및 증발열 전달에 의해 물에서 공기로 전달된다. 그후 공기는 냉각탑으로부터 강제로 배출되어 외기로 발산된다.

냉각탑은 이런 과도한 열을 발산하는 매우 효율적이고 저렴한 수단이고 이 목적에 폭넓게 사용된다. 그러나, 냉각탑에 인식된 문제점으로, 특정 대기 조건 하에서 냉각탑의 상부에 실행되는 기류로 증발하는 가열된 물 공급원으로부터의 습기에 의해 연기기둥이 생성될 수 있다는 것이다. 발전소의 경우와 같이, 냉각탑이 매우 크고, 연기기둥은 냉각탑 부근에 낮게 놓이는 안개를 유발할 수 있다. 연기기둥은, 또한 차가운 온도가 연기기둥에서의 습기가 응결하는 냉각탑 부근의 도로에 결빙을 유발할 수 있다.

따라서, 냉각탑에 의해 유발된 연기기둥을 제한하거나 제거하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이런 노력의 실시예는 하기의 미국 특허에서 발견될 수 있다.

바우치(Vouche)의 미국 특허 제6,247,682호는, 외기가 냉각탑의 바닥에 발생하고 온수가 필 팩(fill pack)에 분무될 때 필 팩을 통해 강제로 상방으로 지향할 뿐만 아니라, 온수 분무 헤드 아래 절연된 열전도성 통로를 통해 냉각탑에 발생하는 연기기둥 감소의 냉각탑을 개시한다. 알루미늄, 구리 등과 같은 열전도성 재료로 이루어진 이런 통로는 공기로 증발되는 습기 이외에 일부의 열을 외기가 흡수하도록 한다. 냉각탑의 상부에 습기를 갖는 가열된 공기와 건조한 가열 공기가 혼합되므로 연기기둥이 감소하게 된다.

하우렛(Howlett)의 미국 특허 제4,361,524호는, 냉각탑에 공급되기 이전에 온수가 부분적으로 냉각되는 연기기둥 방지 시스템을 개시한다. 공기 또는 물과 같은 별도의 냉각 매체로 동작하는 별도의 열교환기를 이용하여 온수의 부분 냉각이 실행된다. 상기 특허에 토의된 바와 같이, 별도의 열교환기는 냉각탑의 효율을 감소하므로 냉각탑에 의해 연기기둥을 생성하는 대기 조건이 존재할 때만 적용되어야 한다.

습식 냉각탑에서 연기기둥을 감소하도록 설계된 시스템의 다른 실시예는, 냉각탑 협회 1993 연례 회의의 "기술 논문 번호 TP93-01", 폴 에이, 린달 2세 등(Paul A. Lindahl, Jr. et al.)의 "습식/건식 냉각탑에 의한 연기기둥 감소 및 물 보존(Plume Abatement and Water Conservation with the Wet/Dry Cooling Tower)" 에서 찾을 수 있다. 이 논문에 기술된 시스템에서, 먼저 온수는, 흐름에 연결된 열교환 핀을 공기가 강제로 횡단되는 건조 공기 냉각부를 통해 퍼올려진다. 부분적으로 냉각된 물은 건조 공기 냉각부 아래에 위치된 필 팩 위에 분사된 후 공기는 필 팩을 강제로 통과하여 물을 추가로 냉각한다. 습공기는 냉각탑 내에 상방으로 강제 이동된 후 건조냉각과정에서의 가열된 건조 공기와 혼합되어 냉각탑의 상부로 강제 배출된다.

전술한 장치는 습식 냉각탑 연기기둥 문제에 유용한 해결을 제공하지만, 복잡하고 값비싼 습공기와 건조 공기 열전달 메카니즘의 구성이 필요하다. 냉각탑으로부터 유출하기 이전에 건조한 가열 공기와 습기를 갖는 가열 공기가 혼합되어 연기기둥을 감소할 수 있는 간단하고 저렴한 습공기와 건조 공기 냉각 메카니즘은 계속해서 요구된다.

냉각탑이 갖는 다른 인식된 문제점은, 냉각에 사용된 물이 오염물과 서로 농축될 수 있다는 것이다. 냉각탑으로부터 물이 증발할 때, 부수적인 물이 추가되지만 오염물이 증발에 의해 제거되지 않기 때문에 물의 오염물은 보다 농축되는 것이 용이하게 인식될 것이다. 물을 처리하기 위해 냉각수에 화학물질이 추가된다면, 이들 화학물질은 주변 환경으로 배출될 경우 바람직하지 않을 수 있는 고농축이 될 수 있다. 증발된 물을 대신하기 위해 신선한 물을 이용할 수 없거나 값이 비싼 통상적인 경우 해수 또는 폐수를 사용하면, 물속의 염류와 고형물(solid)이 냉각수 회로에 축적될 수 있다. 이런 오염물이 보다 농축될 때 얇은 증발 시이트 사이에 두껍게 뭉쳐져 냉각탑 효율을 감소할 수 있다.

전술한 문제점을 방지하기 위해서 농축된 오염물을 갖는 물의 일부를 "블로우다운(blowdown)"하여 저수조로부터 신선한 물로 교체하는 것이 일반적이다. 이는 냉각탑 물의 오염물이 과다하게 농축되는 것을 방지하지만, 블로우다운 공정 동안 방출수에 대한 환경적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 냉각탑에서의 물 소비를 감소하기 위한 노력이 이루어지고 있다.

후 등(Houx, et al.)의 미국 특허 제4,076,771호는 냉각탑에서의 물 소비를 감소하는 당분야의 현 상태를 개시한다. 이 특허에 개시된 시스템에서 냉각탑 증발 열전달 매체와 코일부 양자가 동일 시스템에 제공되어 있다. 코일의 현열 전달은 공정수의 냉각을 제공하지만 물을 소비하지 않은 것은 아니다.

상기 특허가 종래 기술 냉각탑에 대한 상당한 진보를 나타내지만, 연기기둥으로부터 다시 교환을 위해 현열 전달에 코일부가 필요하지 않은 냉각탑 물 저수조로 물을 다시 재포획하기 위한 메카니즘이 발전되는 경우 바람직할 수 있다.

주목된 별도의 문제는 해수의 탈염(desalination)이며, 휴대용 음용수를 생성하기 위한 다른 물의 정화를 공급한다. 습공기 기류로부터 정화된 물을 제거하기 위한 각종 접근법이 개발되고 있다. 주요한 상업적 공정으로는 다단계 플래시 증류(Multi-Stage Flash Distillation), 멀티플 이펙트 증류(Multiple Effect Distillation), 증기 압축 증류(Vapor Compression Distillation), 및 역삼투(Reverse Osmosis) 등을 포함한다. 국제탈염협회(International Desalination Association)의 오. 케이. 부로스(O.K. Buros)에 의해 준비되고, 1990년 염수변환협회 연구부(Research Department Saline Water Conversion Corporation)에 의해 재생된 "탈염 에이비씨(The Desalting ABC's)" 참조. 탈염을 위한 저온수 또는 폐열을 이용하는 시스템의 실시예는 다음을 포함한다.

2000년 8월, ADA 북아메리카 격년 컨퍼런스 및 박람회의 회보, 루 등(Lu et al.)의 "탈염 방출 제로(Zero Discharge Desalination)". 이 논문은 찬 공기 기류로부터 신선한 물과 저급 폐열원으로부터 따뜻한 습공기 기류를 생산하는 장치에 관한 정보를 제공한다. 신선한 물은 두개의 공기 기류를 분리하는 벽을 따라 응축된다. 또, 냉각수는 따뜻한 습공기에 분사되어 응축을 향상한다.

탈염 및 물 재이용의 국제 심포지움, 1991년 Vol. 4, 바움가트너등(Baumgartner et al.)의 "Open Multiple Effect Desalination with Low Temperature Process Heat". 이 논문은 플라스틱 관의 내부에 흐르는 냉각수와 관의 외부를 흐르는 따뜻한 습공기를 이용하여 탈염에 사용되는 플라스틱 관 열교환기에 관한 정보를 제공한다. 응축액은 냉각관의 외부에 형성한다.

상기한 바와 같이 해수, 또는 높은 수준의 오염물을 함유하는 다른 공급수를, 순수한 물 공급으로 변환하기 위한 탈염 시스템에 대한 필요를 개시한다. 따라서, 물의 공급원으로서 냉각탑의 유출수를 응축하는 간단하고 저렴한 수단이 바람직하다.

본 발명은 일반적으로 냉각탑 유출수 또는 다른 방열장치로부터의 물의 재이용에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 청정수의 공급원을 제공하고, 냉각탑의 물 소비량을 감소하고/감소하거나 냉각탑 연기기둥(plume)을 감소하기 위해 냉각탑 유출수로부터 물을 재이용하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태의 열교환기의 일부의 사시도이다.

도 2는 도 1의 열교환기의 단면을 상세히 확대 도시하는 사시도이다.

도 3은 열교환기의 습공기선도 그래프이다.

도 4는 연기기둥 감소 과정에 대한 습공기선도 그래프이다.

도 5는 습기 응축하는 열교환기에 의한 연기기둥 감소 과정에 대한 습공기선도의 그래프이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 냉각탑의 개략적인 구성도이다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따른 냉각탑의 개략적인 구성도이다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따른 냉각탑의 개략적인 구성도이다.

도 9는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따른 냉각탑의 개략적인 구성도이다.

도 10은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따른 냉각탑의 개략적인 구성도이다.

도 11은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따른 냉각탑의 개략적인 구성도이다.

도 12는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따른 냉각탑의 개략적인 구성도이다.

도 13은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따른 냉각탑의 개략적인 구성도이다.

도 14는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따른 냉각탑의 개략적인 구성도이다.

도 15는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 관 형상 열교환기의 도면이다.

도 16은 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따른 냉각탑의 개략적인 구성도이다.

도 17은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따른 냉각탑의 개략적인 구성도이다.

본 발명의 일 관점에서 제1 기류를 수용하는 제1 세트의 통로를 갖는 열교환기가 제공된다. 제2 기류를 수용하는 제2 세트의 통로가 또한 열교환기에 제공되고, 제2 기류는 상기 제1 기류보다 따뜻하다. 제1 세트의 통로의 각 통로는 분리되지만 제2 세트의 통로 중 적어도 하나의 통로에 인접하므로 상기 제2 기류로부터의 열은 제1 기류에 의해 흡수된다. 상기 제2 기류로부터 응축하는 습기를 포획하는 저수조가 또한 제공된다.

본 발명의 다른 관점에서 제1 기류의 통로를 허용하는 구멍을 갖도록 구성된 두 개의 대향 벽을 갖는 열교환기가 제공된다. 제1 벽의 구멍과 통과하는 제1 기류에 홈을 형성하고 제2 벽에 대응하는 구멍 사이에 관이 제공된다. 하나의 벽의 적어도 두 개의 평행한 엣지와 상기 제2 벽의 대응하는 평행한 엣지 사이에 제공된 벽은, 제2 기류가 상기 관을 통하여 제2 기류로부터 응축된 습기가 통과하도록 홈을 형성하는 것을 확보한다.

본 발명의 또 다른 관점에서 10 내지 80 pda/ft²/min(분당 제곱 피트당 파운드의 건조 공기: pounds of dry air per square foot per minute) 사이의 유속과 90% 이상의 상대습도를 갖는 제1 기류가 제1 세트의 통로를 통해 지향되는 기류의 수분함량을 감소하는 방법을 제공한다. 10 내지 80 pda/ft²/min 사이의 유속과 적어도 5℉ 이하의 건구(dry bulb) 온도를 갖는 제2 기류가 제2 세트의 통로를 통해 지향된다. 상기 제1 세트의 통로의 각 통로가 얇은 열전도성 재료에 의해 제2 세트의 통로 중 적어도 하나의 통로로부터 분할된다. 제2 기류로부터의 열이 제1 기류에 흡수되고 제2 기류로부터 응축된 물이 포획된다. 본 발명의 또 다른 실시형태에서, 대향류형 증발 매체(counterflow evaporative media)와 대향류형 증발 매체에 대해 온수를 분배하는 물 분배 시스템을 갖는 냉각탑이 제공된다. 제1 기류로부터 제2 기류로 열을 흡수하는 열교환기가 또한 제공되고, 이 열교환기는 제1 세트의 통로와 제2 세트의 통로를 갖는다. 냉각탑의 팬은 상기 제1 기류를 생성하도록 대향류형 증발 매체를 통해 공기를 지향하고, 10 내지 80 pda/ft²/min 사이의 유속과 90% 이상의 상대습도를 갖는 제1 기류를 제1 세트의 통로를 통해 지향한다. 팬은 또한 10 내지 80 pda/ft²/min 사이의 유속과 적어도 5℉ 이하의 건구온도를 갖는 제2 기류가 제2 세트의 통로를 통해 지향된다. 제1 세트의 통로의 각 통로는 얇은 열전도성 재료에 의해 제2 세트의 통로 중 적어도 하나의 통로로부터 분리된다. 제1 기류로부터 응축된 물을 포획하는 저수조가 제공된다.

본 발명의 또 다른 관점에서 냉각탑 내부에 부압(negative pressure)을 생성하기 위해 냉각탑의 최상부에 팬을 갖는 냉각탑이 제공된다. 온수를 대향류형 증발 매체에 분사하는 분사 헤드를 따라 대향류형 증발 매체가 제공된다. 냉각탑 외부로부터 냉각탑의 중앙으로 기류를 통과하기 위한 제1 세트의 통로와 증발 매체로부터의 유출된 기류를 통과하는 제2 세트의 통로를 갖는 열교환기가 또한 제공된다. 냉각탑 외부로부터의 기류는 유출된 기류로부터의 열을 흡수하여 유출수로부터 물을 응축한다.

본 발명의 또 다른 관점에서, 냉각탑에는 냉각탑 내부에 부압을 생성하기 위해 냉각탑의 상부에 팬이 제공된다. 직교류형 증발 매체(crossflow evaporative media)에 온수를 분무하는 직교류형 증발 매체와 온수 분배장치가 제공된다. 냉각탑 외부로부터 냉각탑의 중앙으로 제1 기류를 통과하는 제1 세트의 통로와 상기 증발 매체로부터 유출수 기류를 통과하는 제2 세트의 통로를 갖는 열교환기가 제공된다. 냉각탑 외부로부터의 기류는 유출수 기류로부터의 열을 흡수하여 유출수로부터의 열을 응축한다.

이와 같이 다소 광범위하게 약술하였고, 이후의 상세한 설명에서 순서 있게 기술하는 본 발명의 보다 중요한 특징이 잘 이해될 것이며, 종래 기술에 대한 현재의 기여가 보다 인식될 것이다. 물론, 본 발명의 추가적 특징은 이후에 기술하고 여기에 첨부된 클레임의 주제를 형성한다.

이 점에 있어서, 본 발명의 적어도 하나의 실시형태를 상세히 설명하기 이전에, 본 발명은 이후 상세한 설명에 개시하거나 도면에 도시한 구성의 상세한 설명과 요소의 배열에 그 응용을 한정하는 것은 아니라는 것이 이해될 것이다. 본 발명은 다른 실시형태가 가능하고 각종 방법으로 실행 및 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서뿐만 아니라 요약서에 사용된 문체와 용어는 설명의 목적을 위한 것이고 한정하는 것은 아니라는 것이 이해될 것이다.

그 결과, 당분야 당업자는 이 개시 내용에 기초한 개념은 본 발명의 여러 목적을 실행하는 다른 구조, 방법 및 장치의 설계에 대한 기초로 용이하게 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 지금까지의 이런 등가 구조를 포함하는 특허청구범위는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 것으로 간주한다.

열교환기 팩

동일 참조번호가 동일요소를 지시하는 도면을 지금 참조하면, 도 1에서는 증기 응축하는 열교환기 팩(10)이 도시되어 있다. 이 열교환기 팩(10)은 두 개의 상이한 기류에 대해 제1 통로(14)와 제2 통로(16)를 갖는 팩을 형성하기 위해 서로 결합된 얇은 시이트(12)로 구성되어 있다. 바람직한 실시형태에서, 두 개의 기류는 서로에 대해 직각으로 열교환기 팩(10)에 유입하고 얇은 시이트(12)에 의해 별도로 유지된다.

얇은 시이트(12)는 통로(14)를 통과하는 가열된 물을 갖는 기류로부터 증기를 응축하고 통로(16)를 통과하는 냉각 기류에 열을 전달하는 것을 보조하도록 형성되는 비교적 얇은 합성수지 재료로 이루어진다. 바람직한 실시형태에서, 재료의 두께는 0.005 내지 0.040 인치이지만 0.015 내지 0.020 인치의 두께가 바람직하다. 표면(18)은 최소의 저항량으로 각각의 기류에 나타나는 확장된 표면적을 기류 흐름에 제공하도록 구성되어 있다. 이런 이용에 적합한 텍스츄어 패턴(texture pattern)의 실시예는 킨니 2세 등(Kinney, Jr. et al.)의 미국 특허 제5,944,094호 및 캣츠(Cates)의 미국 특허 제3,995,689호에서 알 수 있고, 그 내용은 본원에 참고로 인용된다. 다른 텍스츄어 패턴이 포함될 수 있지만 골프공 텍스츄어와 유사한 딤플(dimple)과 플라스틱 시이트에 엠보싱 처리된 스크린 패턴과 유사한 격자 텍스츄어(gridded texture)에 한정하는 것은 아니다. 이 증가된 표면적은 얇은 시이트의 열전달 능력을 향상하고 시이트 표면 근방의 속도 변동을 증가하여, 별도의 기류의 국부적 혼합을 향상한다. 기류의 증가된 변동과 발생하는 국부적 혼합은 또한 시이트의 열전달 능력을 향상한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 열교환 공정 동안 두 기류가 혼합되는 것을 방지하기 위해서, 제1 엣지의 합성수지 얇은 시이트에 시일(seal)(20)이 형성된다. 이 시일은 공기 통로(14)의 중앙에서 만나는 얇은 시이트(12)의 하나의 엣지, 즉 통로(14)의 폭의 절반 만큼 융기된 얇은 시이트 재료(12)의 융기된 엣지(22)에 의해 형성된다. 이 엣지 시일(20)은 공기 통로(16)에 평행한 공기 통로(14)의 길이방향을 따라 연장한다.

동일하게, 공기 통로(16)의 중앙에서 만나는 시일(20)에 수직한 엣지에, 즉 통로(16)의 폭의 절반 만큼 융기된 얇은 시이트 재료(12)의 융기된 엣지(26)에 의해 시일(24)이 형성된다. 이 엣지 시일(24)은 공기 통로(14)에 평행한 공기 통로(16)의 길이방향을 따라 연장한다.

도시하지 않지만, 시일(20)에 평행한 엣지와 시일(24)에 평행한 엣지는 동일하게 결합된다. 이처럼, 수직한 통로(14, 16)가 열교환기 팩 내부에 형성된다.

하나의 융기된 엣지(26)는 형성된 시이트를 상방으로 연장하고 다른 엣지(22)는 아래쪽으로 또는 하방으로 연장한다. 이 배열에서 전체 열교환기 팩의 기초를 형성하기 위해 단일 시이트 성분이 사용될 수 있다. 이는 서로의 상부에 시이트(12)를 적층하고 다른 시이트를 뒤집고 이전 시이트에 위치함으로써 팩 조립시 실행된다. 세 개의 통로만을 도시하지만, 사용시 열교환기 팩은 다수의 수직방향 통로를 갖고 본원에 개시한 바와 같이 시이트(12)를 이용하여 다수의 통로가 형성될 수 있다는 것이 용이하게 인식되어야 한다.

공기 통로의 개구를 유지하기 위해서, 스페이서 노브(spacer knobs) 또는 버튼이 얇은 시이트 재료에 형성된다. 이들 버튼은 엣지 시일에 동일하게 이격되고 공기 통로 개구의 폭의 절반 거리로 형성된 시이트로부터 상방으로(28) 또는 형성된 시이트로부터 하방으로(30) 연장한다. 바람직한 실시형태에서, 상방으로 연장된 버튼(28)의 형상은 통로(16)를 통해 흐르는 기류의 방향에서 볼 때 평탄한 상부면을 갖는 원뿔 곡선체(conoidal)이다. 서로 놓여질 때 하나의 시이트의 버튼의 평탄한 표면은 인접한 시이트에 버튼의 평탄 표면으로 대향 배열된다. 각각의 상방으로 돌출하는 버튼(28)은 기류의 방향에 평행한 얇은 시이트의 길이방향을 따라 연장한다. 바람직한 실시형태에서, 하방으로 돌출하는 버튼(30)은 상방으로 돌출하는 버튼(28)과 동일 형상을 갖지만 방향이 수직하고 있다. 다시, 하나의 시이트에서 하방으로 돌출하는 버튼(30)은 인접한 시이트의 하방으로 돌출하는 버튼에 대향 배열된다. 시이트를 위치하고 상호 체결하는 교대의 스페이서 실시형태는 킨니의 미국 특허 제5,944,094호에서 알 수 있다.

전술한 특징은 공기 통로의 일관된 폭을 유지하고 차압이 두 통로 사이에 인가될 때 통로 붕괴에 견뎌내도록 설계되어 있다. 버튼의 구성은 또한 통로의 붕괴에 대한 충분한 구조적 저항을 제공하면서 기류에 최소 저항력을 제공하도록 설계된다.

냉각 기류 또는 증기를 갖는 기류 중 어느 하나에 대한 각각의 통로의 폭은 특정 임무의 설계 조건에 따라 다양화될 수 있다. 또, 냉각공기 통로(16) 및 증기를 갖는 공기 통로(14)는 반드시 동일한 폭을 갖지는 않는다. 실제로, 본 발명의 특정 임무에 대해서, 통로 폭은 최소 0.5 인치의 폭과 최대 3.0 인치의 폭으로 이루어질 수 있고 바람직한 폭은 1.0인치와 1.5인치 사이이다.

얇은 시이트의 완성된 팩의 전체 치수는 또한 본 발명에 연관된 특정 설계 임무에 의존한다. 그러나, 설계를 위해 고려된 최소한의 팩 크기는 2 피트 x 2 피트이고 최대 6 피트 x 24 피트이다.

열교환기 팩의 표면에 유입하는 공기는 전체 표면적에 대한 질량흐름을 특징으로 한다. 통상적으로 이는 pda/ft²/min(분당 제곱 피트당 파운드의 건조 공기:pounds of dry air per square foot of area per minute)으로 표현된다. 바람직한 실시형태에서, 각 세트의 공기 통로는 약 10 pda/ft²/min 내지 약 60 pda/ft²/min 사이의 질량유속을 갖는다.

물 보존, 정수, 및 연기기둥 감소의 세 과정의 바람직한 실시형태에 대한 따뜻한 습공기 기류의 온도는 냉각탑과 폐열 방출 장치에 의해 경험되는 것이 통상적이다. 이들 온도는 최대 약 150℉에서 최소 약 40℉ 사이의 범위이다. 증발 냉각탑은 통상적으로 포화되거나 거의 포화된 (약 100% 상대습도) 공기를 방출한다. 약 90% 이상의 상대습도를 갖는 공기를 공급하는 동일한 증발 장치가 본 발명에 실행 가능하다. 약 90% 이하의 상대습도를 갖는 기류는 각각의 이슬점까지 기류를 냉각하도록 상당한 현열 전달이 필요하다. 기류가 이슬점의 포화곡선에 도달한 후에만 응축이 발생할 수 있다.

바람직한 실시형태에 관해서 열교환기 팩의 동작 압력은 +/- 6 밀리바아의 범위에서 통상적인 냉각탑 동작 압력과 대략 동일하다. 일반적인 냉각탑은 대기압에 또는 대기압 부근에서 동작한다. 냉각탑은 팩킹 매체를 통해 흐름을 발생하도록 대기압으로부터 약간의 변화를 생성하는 원심력 팬으로 알려진 축방향 팬 및/또는 송풍기, 스프레이, 및 표류 배제기(drift eliminator)를 갖는다. 이들 다른 요소는 마찰과 속도차에 의해 기류를 제한하며 즉 공기를 냉각탑에 강제로 공급하도록 대기로부터의 압력 변화가 요구된다. 통상적으로 이들 압력은 축방향 팬 시스템에 대해 +/- 3밀리바아의 범위이며 송풍기를 갖는 시스템에 대해 +/- 6 밀리바아이다. 상대적으로 작은 압력차에 동작하는 이런 냉각탑 시스템을 대기압에서 동작하는 것으로 고려하는 것이 관례이다.

일반적인 응축 공정

기술한 바와 같이, 증기 응축하는 열교환기는 두 개의 다른 기류에 대한 통로를 갖는 팩으로 배열된다. 통로(16)에서 냉각공기가 외부 공급원에서 또는 주위의 외기 덩어리로부터 이송된다. 냉각공기를 얻는 방법은 장치에 대한 특정 응용에 의존한다. 통상적인 냉각공기온도는 대향하는 통로(14)에서 기류의 공기질량온도 이하로 상당히 낮다. 대향하는 통로(14)에서 따뜻한 습공기는 통로로 이송된다. 따뜻한 습공기는 통상적으로 수증기로 포화되거나 습구온도에 또는 습구온도 부근의 건구온도를 갖는다. 이 공기 질량은 공정으로부터 폐열을 방출하는데 사용되는 냉각탑에 의해 발생되는 것과 동일하다. 그러나, 동일한 따뜻한 습공기를 발생하는 다른 공정 및 방법은 증발 응축기와 같은 장치에 입력을 위해 사용될 수 있다.

도 3의 습공기선도에 도시한 바와 같이, 따뜻한 습공기는 도시한 포화곡선의포인트(32)에 놓여진다. 따뜻한 습공기를 지시하는 포화곡선의 포인트(32)의 위치는 고온에서 수증기로 100% 포화된 것을 지시한다. 다른 통로로 유입하는 냉각공기는 포화곡선(34) 아래의 포인트에 위치된다. 습공기선도의 냉각공기의 위치는 유입하는 따뜻한 공기보다 낮은 온도인 것을 지시한다. 이 기류에 연관된 수분함량은 일반적으로 장치의 기능성에 관련이 없다. 그러나, 연기기둥 감소의 경우에서, 유입하는 공기의 수분함량은 "혼합"의 수분함량뿐만 아니라, 혼합라인의 접촉을 유발한다.

두 기류가 열교환기를 통과할 때 따뜻한 기류는 냉각되고 냉각 기류는 온도가 증가한다. 두 기류가 물리적으로 서로 접촉하지 않기 때문에, 냉각 기류는 습기가 첨가되거나 기류로부터 제거되는 방법으로 가열된다. 이는 기류의 현열로 알려져 있다. 습공기선도에 주목한 바와 같이, 열교환기를 유출시 냉각공기의 온도는 증가하지만 수분함량은 일정하게(36) 유지된다.

따뜻한 습공기는 포화곡선의 그 초기 포인트(32)에서 낮은 온도로 냉각된다. 따뜻한 습공기 질량이 냉각될 때 기류의 수분함량은 감소되어야 한다. 기류가 100% 포화되기 때문에, 물은 기류로부터 응축되며 결과적인 온도 감소는 새로운 냉각 온도(38)로 100% 포화곡선을 추종하게 된다. 따뜻한 포화 기류에서 손실된 열의 양은 냉각 건조 공기 기류에서 얻어진 열의 양과 동일해야만 한다.

탈염 연구(desalination research)는 공기/공기 열교환기의 유출하는 건조 공기가 기대보다 상당히 높다는 우연한 발견을 유도하였다. 이 발견은 이전에 부적절하게 가정된 장치에 의해 연기기둥 감소를 가능하게 한다. 연기기둥 감소에대한 공기/공기(air-to-air) 열교환기에 제안된 종래 지혜는 킨니의 미국 특허 제5,944,094호에 개시된 코일 또는 플라스틱 열교환기 등의 물/공기(water-to-air) 열교환기보다 상당히 덜 효과적이다. 냉각 대기공기는 냉각탑의 외부로부터 유도되고 현저히 가열된다. 이 공기를 가열하는 열원은 공기에 대한 물에 유리한 것으로 보여지는데 이는 상당히 큰 질량 때문이다. 예컨대 미국 특허 제5,944,094호의 플라스틱 열교환기는, 통상적으로, 20 gpm/sf 이상의 유속을 갖는다. 질량유속은 통상적으로 20 gpm/sf x 8.33 lbm/gallon = 167 lbm/sf/min 이상이다. 전술한 바와 같이 공기/공기 열교환기는 10 내지 80 pda/sf/min 의 범위에서 동작한다. 총 질량흐름은 건조 공기 속도배(1+w_s)(여기서 w_s는 습도비이다)를 곱해서 결정된다. 100℉ 포화공기라 가정하면, 습도비(w_s)는 0.0432이다. 이 기류의 질량은 10.4 내지 83.5 lbm/sf/min까지 다양하다. 따라서, 미국 특허 제5,944,094호 플라스틱 열교환기의 물 흐름 질량은 통상적으로 본 발명의 기류 질량보다 수 배 크다. 건조 열의 비교가능 양에 대하여 공기/공기 열교환기는 미국 특허 제5,944,094호 열교환기에서 수류의 온도보다 수 배의 기류의 온도 변화가 필요한 것으로 보인다. 동일한 열전달을 완수하기 위해 표면이 물/공기 열교환기의 표면적에 수 배로 증가하지 않는다면 이것은 가능하다고 생각되지 않는다. 따라서, 공기/공기 열교환기의 크기는 관리하기 어렵거나 비경제적인 부분까지 증가하는 것으로 보인다. 그러나, 이전에 기술한 도 1의 열교환기(10)를 이용하여, 따뜻하고 습공기 기류가 응축 공정으로 될 수 있다. 응축 공정에서, 따뜻한 공기가 냉각면에 접촉하고 물은 공기로부터 응축한다. 이 과정에서 민감한 잠열이 방출되고 절대습도가 감소된다. 민감한 잠열이 장치에 전달되기 때문에 이전에 가능한 생각보다 보다 효율적으로 된다.

따뜻한 습공기의 통로(14)에서, 증기가 냉각 통로의 냉각면과 접촉할 때, 응축액의 액적이 따뜻한 습공기 기류의 통로의 표면에 형성된다. 이 액적은 냉각되는 따뜻한 습공기와 기류의 최종 습기 감소의 생성물이다. 이 액적은 시이트에 유착하고 시이트의 따뜻한 습공기 기류 통로 표면 아래에 흐른다. 시이트에 응축하는 습기는 시이트의 베이스에 수집되거나 원래 공급원으로 복귀될 수 있다. 이 물의 이용은 이하에 추가로 토의한다.

열교환기의 공정

A. 냉각탑의 물 보존 공정

상기 부분에서 언급한 바와 같이, 열교환기 통로를 통과한 따뜻한 습공기가 냉각되어 수분함량(moisture content)이 감소된다. 따뜻한 공기의 수분함량의 감소는 시이트의 따뜻한 공기 통로에 액적이 형성되게 한다. 이들 액적은 합체하여 시이트의 바닥으로부터 떨어진다. 습공기 기류로부터 재이용된 물은 냉각탑 장치의 물 소비량을 감소시키는데 사용될 수 있다.

냉각탑은 증발 공정을 통해 공정수(process water)의 온도를 감소시키며, 이에 의해 시스템으로부터 열을 제거하는 장소를 제공한다. 감소된 열은 통상 다른 공정에 사용될 수 없으며, "저급 폐열"로 분류되어, 주위 대기로 방출된다. 냉각탑 공정을 통해, 시스템을 통해 순환하는 공정수의 특정 퍼센트가 증발에 기인하여손실된다. 증발 공정을 통한 물의 손실량은 통상 전체 유속의 0.5% 내지 3% 사이이다. 일반적으로, 물의 손실량은 공정수의 매 10℉의 냉각에 대해 약 0.8%이다. 물의 손실은 냉각탑 장치의 운영자에게는 큰 손실일 수 있다.

증발을 통해 냉각탑을 떠난 물이 순수 증기 상태에 있으므로, 고체, 유용성 고체 및 염류 등과 같은 다른 오염물이 공정수에 남게 된다. 시간이 지나, 순수한 물이 제거됨에 따라, 이들 오염물이 공정수에 모이게 된다. 오염물을 감소시키기 위해서, 특정 퍼센트의 공정수가 연속적으로 제거된다. 시스템으로부터 제거된 물은 블로우다운(blowdown)으로 불린다. 그러므로, 냉각탑을 작동시키기 위해, 물의 증발과 요구되는 블로우다운을 보충하기 위해 양자에 물을 넣어야만 한다. 다수의 예에서, 이 물은 화학약품을 갖는 물의 수질과 방출수와 관련된 규제(regulation)의 증가 때문에, 자연환경에 직접 방출하기 어렵다. 그러므로, 경제적으로 현저한 이점을 위해서는 블로우다운의 양을 감소시켜야 한다.

도 1의 공기/공기 열교환기(10)에 있어서, 따뜻한 습공기 기류로부터 재이용된 전술한 물이 시스템에 다시 넣어질 수 있다. 이는 냉각탑의 증발과 시스템의 요구되는 블로우다운의 양자를 감소시키는데 효과적이다. 이 열교환기에 내장된 냉각탑의 구조는 하기에 기술된다. 냉각탑 시스템에 복귀된 물은 거의 순수한 물이기 때문에, 다수의 예에서, 이 물은 원래의 보급수(make-up water)보다 훨씬 더 양호한 수질을 가질 수도 있다. 이 개선된 수질은 냉각탑 공정에 요구되는 화학제품의 양을 감소시킬 수 있는 가능성도 있다.

열교환기를 효과적으로 작동시키고 물을 시스템에 다시 복귀시키기 위해서는, 냉각 공기 통로로 유입하는 공기 온도는 대향측 통로에 유입하는 따뜻한 공기이하이어야 한다. 물 보존 장치에서, 2개의 온도가 동일한 값에 근접함에 따라, 집수지(basin)에 복귀되는 물의 양은 적어진다. 열교환기의 냉각측이 외기 온도로 공급되어 다른 수단에 의해 냉각되지 않는다면, 열교환기는 온도가 더 냉각되거나 또는 겨울철에 작동중일 때, 더 많은 물이 복귀할 수 있다. 열교환기를 여름철에 작동할 때에는, 더 적은 물이 복귀된다. 집수지에 다시 복귀되는 물의 일반 값은 겨울철에 증발된 물의 40%로부터 여름철에 증발된 물의 3%까지의 범위에 있다. 연간 복귀되는 물은 지역에 따라 약 10% 내지 30%이다. 표 1은 여름과 겨울에 다양한 지역에서 재이용된 물의 증발 퍼센트를 도시한다. 제공된 숫자는 지역적인 조건과 25℉ 범위의 발전소의 효율을 기초로 냉각탑 유출수로부터 재이용된 물의 최대치를 나타낸다.

	와이오밍	네바다	플로리다	뉴욕	사우디아라비아
여름	15%	3%	11%	16%	3%
겨울	40%	23%	21%	32%	14%

B. 정수(water purification) 및 탈염 공정

냉각탑은 증발/방열 공정중 따뜻한 습공기를 발생시킨다. 이 따뜻한 습공기는 거의 순수한 증기를 함유하고 있으며, 고형물, 용존 고형물(dissolved solids), 염류 및 화학물질과 같은 대부분의 오염물을 갖고 있지 않다. 이러한 형식의 열교환기가 적용될 때, 이 순수 증기의 상당 부분이 회수될 수 있다. 또한, 냉각탑 저수조 내에서 물을 다시 재활용하기 위해서는, 물 상태로 다시 변환될 때, 순수한 증기가 청정수 공급원을 필요로 하는 다른 적용에 이용될 수 있다. 냉각탑용 공정수의 제공과 관련된 비용 때문에, 종종 보급수는 해수원으로부터의 염수 또는 공업적 공정으로부터의 폐수 중 어느 하나를 사용한다. 물 재이용 장치로서 이 열교환기가 적용되면, 열교환기는 수질 때문에 바람직하지 않은 다른 물을 변환할 수 있다.

순수하지는 않지만, 결과로서 생긴 물은 불순물을 거의 갖고 있지 않다. 바이러스, 생물학적 불순물, 및 소량의 용존 고형물이 증기로 혼입(entrain)될 수도 있다. 또한, 소량의 냉각수 처리량은 습공기 기류로 혼입되어 응축수를 오염시킬 수 있다. 이러한 형식의 캐리 오버(carry over)는 냉각탑 산업분야에서는 "드리프트(drift)"로 불린다. 2차 정수 공정이 소망하는 수질 수준을 더 얻기 위해 적용될 수 있다. 본 공정에 의해 제공되는 이점은 휴대용 물을 만들기 위한 해수 탈염의 경우에 확인될 수 있다. 해수 탈염의 경우에, 가장 값비싼 공정 단계중 하나가 염류를 제거하는 것이다. 전술한 냉각탑 재이용 공정은, 물의 최종 정수에 비싸지 않은 공정이 사용될 수 있도록 염분함량을 상당히 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 최종 정수 공정에 사용될 수 있는 공정의 예시로는 역삼투 공정(reverse osmosis)이 있다.

다른 용도로 물을 회수하는 공정은, 열교환기 팩으로부터 회수된 물이 별도의 베이슨에 모여질 수 있는 것을 제외하고는 상기 물 보존부에서 이미 기술된 것과 본질적으로 동일하다. 회수 베이슨을 갖는 냉각탑의 적용의 상세한 설명은 하기에 기술한다.

물 보존탑과 같이, 외기가 냉각측 온도원으로서 사용된다면, 여름철에 공기 온도가 증가함에 따라, 정수의 생산이 감소된다. 이 시스템으로부터 회수된 물은 통상 연간 증발된 전체 물의 20% 내지 25% 범위에 있다. 냉각 공기 또는 물 중 하나가 근원으로서 사용될 수 있다면, 더 많은 물이 시스템으로부터 재이용될 수 있다. 예컨대, 찬 해수원이 사용될 수 있다면, 이는 열교환기의 냉각 통로에 유입하는 공기를 냉각시키는데 사용될 수 있다. 열교환기 시이트의 따뜻한 측과 차거운 측 사이에서 온도차가 증가함에 따라, 응축이 증가함으로 더 많은 정수가 발생된다. 찬 해수원이 사용될 수 있을 때, 정수의 생산률이 증가되는 구조를 하기에 설명한다.

정수 장치는 따뜻한 습공기의 발생 때문에 냉각탑에서 사용하기가 매우 적합하지만, 따뜻한 습공기를 발생시키는 다른 장치가 본 장치에 결합되어 사용될 수 있다.

C. 냉각탑의 연기기둥 제거(plume abatement) 공정

본 발명의 열교환기는 냉각탑의 가시적인 연기기둥을 감소시키는데 사용될 수도 있다. 이 공정은 물 보존 공정과 본질적으로 동일한 공정이다. 단지 차이점으로는 냉각측 통로에서 가열된 냉각 공기가 따뜻한 물을 갖는 기류와 혼합된다는 것이다. 이들 2개의 기류의 혼합은 전형적인 연기기둥 제거탑과 다른 접근법에 의해 가시적인 연기기둥의 존재를 효과적으로 감소시킬 수 있다.

냉각탑의 가시적인 연기기둥을 감소시키기 위해 사용되는 전형적인 방법이 도 4의 습공기선도(psychrometric chart)에 도시되어 있다. 습공기선도에 도시된 바와 같이, 냉각탑의 증발부로부터 유출된 공기는 100% 포화된 따뜻한 공기(40)이다. 또한, 열원으로부터 따뜻한 물이 냉각탑의 측면에 위치된 다른 열교환기 또는 코일을 통해 보내진다. 따뜻한 물은 외기(42)를 가열하는데 사용된다. 이후, 공기는 증발열부와 물/공기 열교환기 양자를 통해 끌어 당겨진다. 물/공기 열교환기를 통해 흐르는 외기(42)는 수분함량(즉, 현열 전달(sensible heat transfer)(44)의 어떠한 변화 없이 가열된다. 이후, 따뜻한 건조 공기(44)가 공기/물 열교환기로부터 나온다.

공기/물 열교환기를 나온 따뜻한 건조 공기 기류(44)가 냉각탑의 증발부를 나온 습공기 기류(40)와 혼합된다. 이들 2개의 기류의 혼합은 냉각탑을 나올 때, 기류(46)의 온도와 외기 온도(42)가 습공기선도상의 선으로 연결되고, 연결 선(48)은 100% 포화 곡선을 넘지 않는 특성을 기류(46)가 갖게 한다. 만약 외기와 나오는 공기가 혼합될 때, 연결 선(48)이 100% 포화 곡선을 넘게 된다면, 증발부의 기류로부터 수증기의 응축이 가시적인 연기기둥 또는 안개의 생성을 발생시킬 수 있다. 100% 포화 곡선 위의 영역은 과포화 영역(super saturated area)이며, 또한 안개 영역으로도 부른다. 그러므로, 냉각탑을 나온 공기덩어리(air mass)의 특성과 외기 공기덩어리의 특성이 혼합될 때, 가시적인 연기기둥이 주어진 설계 상태에서 발생하지 않도록 시스템이 설계된다.

본 발명의 도 1의 공기/공기 열교환기(10)를 사용하면, 통상의 공정은 증발부로부터 기류의 수분함량을 감소시키고, 연기기둥을 감소시키기 위해 따뜻한 건조 열원을 제공함으로써 변형된다. 따뜻한 습공기 기류의 수분의 감소는 기류의 절대습도의 감소이다. 냉각탑의 증발부로부터 공기의 수분함량은 전술한 바와 같이 공기/공기 열교환기를 사용함으로써 감소된다. 따뜻한 건조 공기원은 냉각 공기 통로로부터 열교환기에서 가열되는 외기이다.

본 발명의 공기/공기 열교환기에 의한 연기기둥 제거 공정이 도 5의 습공기선도에 도시되어 있다. 냉각탑 증발부(40)로부터 나온 공기가 열교환기를 통과함에 따라, 온도와 수분함량이 감소된다(50). 외기(42)가 대향 통로에서 가열되어, 더 따뜻한 건조 공기 기류(52)로 된다. 2개의 기류가 서로 혼합되어 포화 곡선 아래에서 합성 공기덩어리(54)를 형성한다. 외기 공기덩어리(42)가 냉각탑의 2개의 기류(54)의 혼합으로부터 공기덩어리와 혼합될 때, 곡선의 과포화 영역 또는 안개 영역으로 특성이 바뀌지는 않는다. 이는 습공기선도 상에서 외기 공기덩어리(42)와 혼합된 공기덩어리(54)를 연결하는 선(56)으로 도시된다.

전술한 연기기둥의 제거 방법은, 연기기둥을 형성할 수 있는 습기가 주위 외기 상태에 유입하기 전에 냉각탑으로부터 부분적으로 제거되기 때문에, 연기기둥의 감소에 매우 효과적이다. 이 방법은 또한 열교환기 시스템에서 어떠한 물도 사용하고 있지 않기 때문에 복잡하지 않다. 열교환기에서 어떠한 물도 사용되고 있지 않기 때문에, 냉각탑의 다른 배관 시스템을 설치하는 복잡성이 제거된다.

냉각탑 구조

전술한 열교환기를 적용하는 냉각탑(58)의 제1 바람직한 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 이 구조에서, 열교환기(10)는 대향류형 배열로 증발 매체(60) 위에 위치된다. 열교환기의 이 배치는 물 보존과 연기기둥 제거 구조에 가장 적합하다. 이 냉각탑에 적용된 공정을 하기에 설명한다.

열원으로부터 온수가 분무 헤드(62)를 갖는 도관을 통해 펌프로 퍼올려져 증발 매체(60) 위에 분무된다. 축 팬(또는 팬들)(64)이 증발 매체를 통한 냉각 외기(66)의 기류를 돕는다. 증발 매체(60)에서, 공기가 가열되어 습기가 기류 내로 증발된다. 이후, 가열된 물을 갖는 공기가 열교환기(10)의 기류 통로(14)를 향한다. 또한, 외기(68)가 가열된 물을 갖는 공기의 흐름과 수직한 열교환기의 별도의 통로(16)를 향한다. 냉각 외기(68)는 증기를 응축하기 위해 증기의 열교환기(10) 상에 냉각 표면을 발생시킨다. 응축수(condensate)(15)가 열교환기로부터 냉각탑의 주집수 영역(main water collection area)으로 다시 떨어진다. 응축수의 액적의 크기는 명쾌함을 위해서 도면에 과장되게 도시되어 있다. 열교환기(10)를 나온 2개의 기류(70, 72)가 팬 입구 근처에서 화합된다.

냉각탑에 공기/공기 열교환기(10)가 내장될 때, 팬(64)에 저항을 발생시킨다. 증가된 저항은, 열교환기(10)의 추가에 의해 냉각부를 통해 동일한 유속을 유지하기 위해 팬(64)에 동력의 증가를 필요로 한다. 도 7a와 도 7b에 도시된 바와 같이, 작동중에, 냉각탑의 성능이 더 요구될 때, 냉각탑에 위치된 통기 도어(74)가 개방될 수 있다. 이들 통기 도어(74)를 개방할 때, 상당량의 공기가 열교환기(10)를 우회하여 팬(64)에 직접 도달할 수 있다. 이는 열교환기(10)에 의해 발생된 공기 저항을 감소시키고 냉각탑 매체(60)를 통해 흐르는 공기량을 증가시킨다. 냉각탑 매체(60)를 통과한 기류가 증가함으로써, 냉각탑의 성능이 증진된다. 그러나, 열교환기(10)를 우회할 때, 물 보존, 정수, 및 연기기둥의 제거 공정이 정지된다.

통기 도어의 선택적인 실시예가 도 8a와 도 8b에 도시되어 있다. 이 구조에서, 통기 도어(76)는 따뜻한 습공기가 열교환기(10)를 우회하게 하는 방법 뿐만아니라, 열교환기의 냉각측을 막는 방법도 제공한다. 요컨대, 댐퍼 도어(damper door)가 된다.

열교환기(10)의 저항을 감소시키기 위한 또다른 방법은 열교환기 팩의 흐름 영역을 증가시키는 것이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 2개의 상이한 기류(따뜻한 습공기와 차가운 외기)를 냉각탑의 단일 팬(64)을 통해 흐르게 하기 위해서는, 냉각탑 매체로부터 흐름 영역의 일부가 차단된다. 흐름 영역의 일부가 차단되기 때문에, 기류의 속도가 적절하게 증가되어야만 한다. 이 증가된 흐름 속도는 열교환기(10)를 통과할 때, 더 많은 저항을 발생시킨다. 저항을 감소시키기 위해서는, 열교환기 흐름 영역이 차단량에 따라 팽창된다. 이 구조에서, 열교환기 팩(10)은 사실상 냉각탑 매체(60)를 지나서 외팔보로 작용한다(cantilevered). 이는 열교환기를 통과한 따뜻한 습공기의 속도를 감소시키며 시스템의 압력 강하량을 감소시킨다.

도 10에 도시된 바와 같이, 열교환기(10)를 구성하는 제3의 방법은 팬(64)을 향해 상방으로(80) 열교환기 팩(10)을 경사시키는 것이다. 이 구조는 열교환기에 증가된 흐름 영역을 제공하고, 이미 기술된 바와 같이 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 통로의 출구가 팬(64)을 향해 더 위치되기 때문에, 구조는 또한 열교환기(10)의 안쪽을 향하는 부분(68)에 흐르는 공기에 대한 개선된 공기 통로(냉각 통로)를 제공할 수도 있다. 개선된 공기 통로는 열교환기 냉각측에 저항과 압력 강하를 작게 한다. 열교환기(10)를 경사지게 하는 것은, 냉각탑 매체(60)를 지나서 열교환기(10)의 외팔보 작용 없이 이루어질 수도 있다.

도 11의 구조에서, 열교환기 팩(10)의 길이가 상부(82)에서 감소되어 있다. 이 구조에서, 따뜻한 습공기가 열교환기를 덜 통과하여 이동하기 때문에, 시스템의 압력 강하가 감소될 수 있다. 이는 또한, 습공기 기류와 건조 공기 기류의 혼합을 더 좋게 할 수 있다. 따뜻한 습공기가 안개를 형성하도록 찬 외기와 혼합되지 않는 것을 보장하기 위해서는, 2개의 기류의 혼합이 연기기둥 제거 공정에서 중요하다. 유사하게, 도 12에 도시된 바와 같이, 열교환기 팩(10)의 하부가 압력 강하를 감소시키기 위해서 감소(84)될 수 있다.

냉각탑의 선택 실시예에서는, 도 13에 도시된 바와 같이 직교류형 매체(86)가 대향류형 증발 매체를 대신한다. 열교환기 매체(10)는 직교류형 냉각탑의 플레넘(plenum)에서 나가는 습공기 기류의 통로에 위치된다. 이 구조에서의 열교환기(10)와 증발 매체(86)의 배치는 정수와 연기기둥 제거 공정에 가장 적합하다. 이 냉각탑의 작동을 하기에 설명한다.

열원으로부터 온수가 물 분배 시스템(88)으로 펌프로 퍼올려져 직교류형 증발 매체(86) 위에 분배된다. 축 팬(64)은 외기(90)의 기류가 증발 매체(86)와 열교환기(10)의 안쪽을 향하는 패널(16)을 통과하는 것을 돕는다. 증발 매체(86)를 나온 기류는 증기 응축 매체(열교환기)(10)의 바깥쪽을 향하는 패널(14)을 통해 윗쪽을 향한다. 냉각 외기(90)는 바깥쪽을 향하는 패널 상에서 증기를 응축한다. 응축수가 다른 용도로 모여지거나 열교환기로부터 주순환수 시스템(main circulating water system)으로 다시 복귀될 수 있는 저수 탱크(92)로 응축수가 떨어진다. 안쪽을 향하는 패널과 바깥쪽을 향하는 패널(94, 96)의 양자로부터 기류가 팬 입구 근처에서 혼합된다.

이는 대향류형 냉각탑에 대해 도 7a, 도 7b, 도 8a, 및 도 8b에서 도시된 바와 같은 통기 도어(74, 76)가 직교류형 냉각탑 구조에 쉽게 내장될 수 있다는 것을 더 알 수 있다. 또한, 대향류형 냉각탑에 대해 도 10, 도 11, 및 도 12에 도시된 바와 같은 열교환기 팩(10)의 경사와 열교환기 팩(10)의 단차(stepping)가 직교류형 냉각탑에 쉽게 내장될 수 있다.

정수 또는 탈염 시스템과 같은 시스템의 작동중, 외기 온도가 응축 공정으로부터 정수의 소망하는 산출량을 제공할 정도로 충분히 냉각되지 않을 수도 있다. 열교환기(10)로부터 정수의 산출량을 증가시키기 위해서, 열교환기(10)의 냉각측으로 유입하는 온도를 감소시키기 위해 제2 시스템이 요구될 수도 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 냉각탑 열전달 매체의 또다른 뱅크(bank)(98)가 열교환기(10)의 냉각측 입구의 전방에 배치될 수도 있다. 냉각탑 열전달 매체(98)에 유입 공기를 냉각시키기 위해 냉각수가 분무될 수 있다. 가능한 냉각수원은 외기 건구온도보다 더 차가운 해수원 또는 다른 큰 수원일 수도 있다. 습구 온도가 낮다면, 냉각수원은 외기 건구온도다도 상당히 냉각되어야할 필요는 없다. 이후, 공기가 냉각탑 매체에 유입하여, 열교환기의 냉각측에 유입하기 이전에 공기의 온도가 감소된다.

도 15에 도시된 선택 실시예에서, 관형상 열교환기(100)가 얇은 시이트 합성수지(thin resin synthetic sheet) 팩(10)을 대신하여 사용된다. 이 관형상 열교환기는 얇은 시이트 합성수지 팩과 동일한 형식의 열역학적 특성(thermodynamic property)을 제공한다. 관형상 열교환기의 관(102)은 전술한 열교환기와 같은 얇은 합성수지 재료 또는 아연도금된 스토브파이프(galvanized stovepipe)와 같은 내식 금속(corrosion resistant metal)으로부터 만들어질 수 있다. 이들 관(102)은 파이프(106) 내부를 흐르는 냉각 외기가 파이프(108) 위를 흐르는 따뜻한 습공기로부터 분리되도록 구멍을 갖는 시이트(104)에 부착된다. 바람직한 실시예에서, 관(102)은 직경이 6인치이다. 이러한 형식의 열교환기(100)에 사용된 냉각탑 구조는 이전에 도시된 것과 동일하다.

도 16의 대향류형 냉각탑과 도 17의 직교류형 시스템의 선택 실시예에서, 외부 외기가 하나 이상의 덕트(110)를 통해 플레넘 영역에 위치된 열교환기 팩(10)에 덕트될 수도 있다. 통상, 열교환기 팩은 엇갈림된 대각선(staggered diagonal) 패턴이다. 이 패턴에서, 열교환기 팩은 직상에 서로 적층되지 않으며, 이에 의해 시스템의 전체 압력 강하가 감소한다. 이 실시예는 각각의 열교환기부에 냉각 외기를 공급함으로써 각각의 열교환기부에 최대 열전달을 생성하여 요구되는 열교환기(10)의 전체 수량을 감소시킨다. 이 구조에서, 기하학(geometry)은 2개의 기류를 섞음(intermingling)으로써 더 낳은 혼합을 제공한다. 이는 연기기둥 감소를 돕는다.

2개의 상이한 가스 흐름 사이에서 열을 전달하는 가스-가스 열교환기가 산업및 발전 공정에서 일반적으로 사용된다. 가스-가스 열교환기 형식중 하나는 플레이프 핀(plate-fin) 열교환기이다. 이들 열교환기는 대개 금속으로 제작되고, 직렬의 주름 시이트(corrugated sheet)로 분리된 평평한 시이트로 구성된다. 주름 시이트는 열교환기에 구조적 지지를 제공하고, 경계층에서 흐름 구조를 변화시킴으로써 증가된 열 전달과 개별 판(핀)에 증가된 열 전도를 제공하도록 작용한다. 분할 시이트로도 공지된 개별 시이트는 2개의 기류를 분리하고, 열 전도에 의해 2개의 가스 흐름 사이에 열을 전달한다. CRC Press, Inc의 1994년 판 휴이트(Hewitt), 샤이어(Shires), 및 보트(Bott)의 "열전달 공정(Process Heat Transfer)" 을 참조한다.

본 발명의 열교환기의 이점은 열교환기의 무게가 가볍다는 것이다. 도 16에 도시된 바람직한 실시예에서, 6개의 베이(bay)를 갖는 냉각탑의 동작 중량(operating weight)은 약 1100 파운드이다. 킨니의 미합중국 특허 제5,994,094호와 같이 등가로 실행하는 플라스틱 열교환기의 동작 중량은 약 2200 파운드이다. 또한, 미합중국 특허 제5,994,094호는 무게가 아웃보드(outboard) 기둥에 집중하는 반면, 도 16의 열교환기의 무게는 3개의 베이에 퍼져 있다. 이는 각각의 기둥에 가해지는 하중의 양을 감소시킨다. 지진 설계(seismic design)에도 적은 중량 또는 질량(mass)이 바람직하다.

본 발명은 종래의 연기기둥 제거와 물 보존에 대한 경제적인 이점을 제공한다. 전술한 바와 같이, 공기/공기 열교환기는 냉각탑의 건조부에 온수를 배관하는 비용을 회피한다. 배관 비용이 회피되는 것 뿐만아니라, 건조부에 대해 물을 펌핑하는 추가 비용이 회피된다. 그러나, 팬이 공기/공기 열교환기를 통과한 습공기 기류를 끌어당기기 때문에, 팬은 증가된 정압(static pressure)을 받는다. 본 발명은 헤드를 최소화하기 위해 사이펀 루프(siphon loop)를 갖는 종래의 2개의 통과 코일과 비교할 때, 대략 동일한 전력량을 필요로 하거나 또는 단일 통과 코일 또는 킨니의 미합중국 특허 제5,994,094호의 발명과 비교할 때, 더 적은 전력량을 필요로 한다. 후자의 경우에, 절약된 전체 전력량은 200,000gpm(gallon per minute) 냉각탑 흐름을 위해 약 900마력의 헤드 15개에 해당한다. $0.03/kw-hr로서, 이는 연간 약 $175,000를 절약하는 것이다.

전력의 절약보다 더 중요한 것은 유지보수와 요구되는 수질의 비용을 절약하는 것이다. 통상, 코일은 1인치 내지 1.25인치 직경의 관을 갖는다. 통상, 요구되는 열전달에 더 큰 관이 필요하지 않다. 수질은 관의 더러워짐(fouling)과 막힘(plugging)을 방지하기에 충분해야 한다. 해수 또는 염수의 경우에, 종래의 핀형상 관은 고급 재료로 제작되어야 했다. 이는 본 명세서에 참조로 내재된 킨니의 미합중국 특허 제5,994,094호에 개시된 바와 같은 플라스틱 열교환기를 사용함으로서 회피될 수 있다. 그러나, 킨니의 미합중국 특허 제5,994,094호의 열교환기 물 통로는 코일보다 더 제한적이다. 수질이 충분하지 않다면, 여과 또는 화학적 공정이 수질을 개선하고 유지하기 위해 적용되어야만 한다. 이는 비용을 증가시킬 수 있다. 본 발명은 수질의 개선과 유지비용을 회피한다. 습공기 기류의 습기가 공기/공기 열교환기를 오염시키지 않게 거의 순수하게 된다. 연기기둥 제거 또는 물 보존을 가능하게 한다고 생각되는 것보다 저급한 수질이 본 발명에 사용될 수있다.

또한, 다수의 냉각탑의 적용분야에서 통로를 막을 수 있는 열교환기 통로보다 더 큰 부스러기(debris)를 갖는 물을 가질 수도 있다. 예시로서, "관류(once through)" 방식 발전 적용분야에서는, 강이나 다른 수원으로부터 취수하여, 응축기를 통과함으로써 물이 가열되고, 이후 수원으로 다시 방출되기 전에 냉각탑으로 보내진다. 냉각탑의 습식부는 본 출원인에 의해 특허허여된 미합중국 특허 제4,700,893호에 개시된 바와 같은 스플래시 필(splash fill)과 오리피스가 큰(large orifice) 물 분배 노즐을 가질 수도 있다. 미합중국 특허 제4,700,893호는 1.875인치와 2.5인치 직경의 오리피스로 상품화되어 있으며 이론적으로는 더 클 수도 있다. 그러므로, 연기기둥 제거에 가능하다고 이미 생각된 것보다 더 큰 부스러기를 갖는 물이 사용될 수 있다.

냉각탑의 습식부는 참조로서 본 명세서에 내재된 버글러(Bugler)에 특허허여된 미합중국 특허 제4,700,893호에 개시된 바와 같은 스플래쉬 필과 오리피스가 큰 물 분배 노즐을 가질 수도 있다. 이에 의해 오염의 관리와 수질 개선 비용이 회피된다. 이는 대형 발전탑에서 연간 $1,000,000 이상의 경제적인 효과를 얻을 수 있다.

마지막으로, 본 발명의 초기 자본 비용은 종래 기술의 초기 자본 비용보다 더 적게 든다. 연기기둥 제거탑은 통상 종래의 습식 탑 만의 비용보다 2배 내지 3배의 비용이 든다. 대형 발전탑 설비에서, 연기기둥 제거탑은 $6,000,000 이상의 비용이 들 수 있다. 본 발명은 종래의 코일 기술에 대해 $1,000,000 이상을 절약할 수 있다.

물 1000 갤런당 탈염 비용은 $4의 다단계 플래쉬 탈염과 $3의 역삼투 방식에 비해 약 $1.5이다. 본 발명은 휴대용 물을 생산하기 위한 제2 공정을 필요로 한다. 이는 물 1000 갤런당 약 $0.5를 추가한다. 매일 5,000,000 갤런을 생산하는 설비에서는, 이 공정은 하루당 $5,000 내지 $7,500 또는 연간 약 $2,000,000를 절약할 수 있다.

본 발명은 탈염을 위한 냉각탑의 설계로서 어떠한 비용도 없이 연기기둥 제거를 제공한다. 교대로, 연기기둥 제거를 필요로 하는 냉각탑 적용분야에서, 탈염은 본 발명을 적용함으로써 컬렉션에 거의 비용 없이 부산물로 될 수 있다. 본 발명의 다수의 특징 및 이점이 명세서의 상세한 설명으로부터 명확하며, 이에 따라, 본 발명의 사상 및 범주 내에 있는 본 발명의 모든 특징 및 이점을 포함하도록 첨부된 청구범위에서 의도된다. 또한, 다수의 변형 및 변경예가 당업자에 의해 용이하게 발생할 수 있기 때문에, 본 발명을 도시되고 설명된 정확한 구조와 작동으로 한정하는 것은 바람직하지 않으며, 따라서 적절한 모든 변형 및 변경예와 동등한 것이 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 재분류될 수도 있다.

본 발명에 따라, 청정수의 공급원을 제공하고, 냉각탑의 물 소비량을 감소하고/감소하거나 냉각탑 연기기둥을 감소하기 위해 냉각탑 유출수로부터 물을 재이용할 수 있다.

Claims (26)

10 내지 80 pda/ft²/min(분당 제곱 피트당 파운드의 건조공기; pounds of dry air per square foot per minute) 사이의 유속과 90% 이상의 상대 습도를 갖는 제1 기류를 제1 세트의 통로를 통해 지향하는 단계,

상기 제1 세트의 통로의 각 통로가 얇은 열전도성 재료에 의해 상기 제2 세트의 통로 중 적어도 하나의 통로로부터 분리되고, 10 내지 80 pda/ft²/min 사이의 유속과 적어도 5℉ 이하의 건구(dry bulb) 온도를 갖는 제2 기류를 제2 세트의 통로를 통해 지향하는 단계,

상기 제2 기류로부터 상기 제1 기류로 열을 흡수하는 단계, 및

상기 제2 기류로부터 응축된 물을 포획하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기류의 수분함량을 감소하는 방법.

제1항에 있어서,

상기 제1 기류를 지향하는 단계와 상기 제2 기류를 지향하는 단계는 단일의 공기지향장치를 이용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.

제2항에 있어서,

상기 공기지향장치는 팬인 것을 특징으로 하는 방법.

제3항에 있어서,

각각의 제1 통로와 각각의 제2 통로 내부의 압력은 양의 6 밀리바아와 음의 6 밀리바아 사이인 것을 특징으로 하는 방법.

제4항에 있어서,

각각의 제1 통로와 각각의 제2 통로 내부의 압력은 양의 3 밀리바아와 음의 3 밀리바아 사이인 것을 특징으로 하는 방법.

제4항에 있어서,

상기 제1 기류는 냉각탑 유출수로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.

제6항에 있어서,

상기 제2 기류는 냉각탑 외부의 주위의 공기로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.

제6항에 있어서,

포획된 물을 냉각탑 저수조로 복귀하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

제6항에 있어서,

포획된 물을 정화하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

제9항에 있어서,

상기 포획된 물을 정화하는 단계는 역삼투 공정(reverse osmosis process)을 이용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항에 있어서,

제2 세트의 통로는 원통관을 통해 형성되며 제2 세트의 통로는 원통관 둘레 공간인 것을 특징으로 하는 방법.

제1 세트의 통로와 제2 세트의 통로를 갖고, 제1 기류로부터 제2 기류로 열을 흡수하는 흡수수단,

10 내지 80 pda/ft²/min 사이의 유속과 90% 이상의 상대 습도를 갖는 제1 기류를 제1 세트의 통로를 통해 지향하는 동시에, 상기 제1 세트의 통로의 각 통로가 얇은 열전도성 재료에 의해 상기 제2 세트의 통로 중 적어도 하나의 통로로부터 분리되고 10 내지 80 pda/ft²/min 사이의 유속과 적어도 5℉ 이하의 건구(dry bulb) 온도를 갖는 제2 기류를 제2 세트의 통로를 통해 지향하는 지향수단,

상기 제2 기류로부터 응축된 물을 포획하는 포획수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기류의 수분함량을 감소하는 장치.

제12항에 있어서,

각각의 제1 통로와 각각의 제2 통로 내부의 압력은 양의 6 밀리바아와 음의 6 밀리바아 사이인 것을 특징으로 하는 장치.

제13항에 있어서,

상기 제1 기류는 냉각탑 유출수로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 장치.

제14항에 있어서,

포획된 물을 냉각탑 저수조로 복귀시키는 복귀수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.

제14항에 있어서,

포획된 물을 정화하는 정화수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.

제16항에 있어서,

상기 포획된 물을 정화하는 정화수단은 역삼투 공정을 실행하는 것을 특징으로 하는 장치.

제12항에 있어서,

상기 제2 세트의 통로는 원통관을 통해 형성되고 상기 제2 세트의 통로는 원통관 주위 공간인 것을 특징으로 하는 장치.

제12항에 있어서,

상기 제1 세트의 통로와 제2 세트의 통로는 얇은 시이트를 서로 끼워서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.

제19항에 있어서,

얇은 시이트 재료의 두 개의 평행한 엣지를 따라 상방으로 융기된 엣지와, 이 상방으로 융기된 엣지를 갖는 엣지에 수직한 얇은 시이트의 두 개의 평행한 엣지를 따라 하방으로 융기된 엣지를 추가로 포함하고,

상기 제1 통로는 두 개의 시이트를 뒤집어 일측에 상방으로 융기된 엣지와 타측에 하방으로 융기된 엣지를 서로 접합함으로써 형성되며,

상기 제2 통로는 두 개의 시이트를 뒤집어 일측에 하방으로 융기된 엣지와 타측에 상방으로 융기된 엣지를 서로 접합함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.

제20항에 있어서,

상기 제1 통로는 얇은 시이트의 세트에서 하방으로 융기된 엣지와 상방으로 융기된 엣지를 교대로 접합함으로써 상기 제2 통로에 수직방향으로 지향될 수 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.

제21항에 있어서,

상기 제1 통로와 상기 제2 통로 사이의 압력차 하에서 통로를 개방 유지하기 위해 얇은 시이트에 상방으로 및 하방으로 형성된 버튼을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.

제22항에 있어서,

제1 시이트에 상방으로 형성된 버튼은 제1 인접 시이트에 상방으로 형성된 버튼에 대해 가압하고 하방으로 형성된 버튼은 제2 인접 시이트에 하방으로 형성된 버튼에 대해 가압하는 것을 특징으로 하는 열교환기.

제23항에 있어서,

상기 상방으로 형성된 버튼은 제1 방향으로 제1 기류의 흐름에 대한 저항을 감소하도록 구성되며 상기 하방으로 형성된 버튼은 제2 방향으로 제2 기류의 흐름에 대한 저항을 감소하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.

제24항에 있어서,

상기 얇은 시이트는 합성수지막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.

제25항에 있어서,

상기 얇은 시이트는 PVC 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.