KR200441997Y1

KR200441997Y1 - 냉매기화열을 이용한 전력구/터널 냉각시스템

Info

Publication number: KR200441997Y1
Application number: KR2020060030511U
Authority: KR
Inventors: 임성황
Original assignee: 임성황
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2008-09-26
Also published as: KR20080001467U

Abstract

본 고안은 전력구/터널(25) 내부 온도보다 낮은 비등점을 갖는 냉매를 전력구/터널(25) 내부의 관형열교환기(42)에서 기화시켜 그 기화열을 이용하여 전력구/터널 내부 열을 냉각시키는 냉매기화열을 이용한 전력구/터널 냉각시스템에 관한 것이다.

전력구/터널(25)의 내부온도를 분석해 보면 출입구(24) 근처가 가장 온도가 낮고 통풍이 잘 안되고 출입구(24)에서 먼 중앙부위가 가장 온도가 높다. 특히 전력구의 경우 중앙부위의 온도는 40℃를 넘어 순시자의 건강을 위협하고, 포설된 케이블의 용량을 줄어들게 하여 설비투자의 효과를 반감시키는 경우가 있다. 이 점을 해결하기 위하여 이미 전력구를 냉각시키는 방안이 고안 되었지만 이 방법은 다수의 수냉각관(16)을 전력구 내의 출입구(24)에서 다음 출입구(24)까지 균등하게 배열하여 폐회로를 형성하고, 찬 냉각수를 출입구(24)부터 열교환이 되도록 하여 앞 부위에서 온도가 높아진 냉각수가 중앙부위에서 열교환을 하도록 하여 중앙 부위의 냉각에는 비효율적이므로 냉각용량이 커지고 냉각수를 순환시켜야 하는 문제점이 있다.

본 고안에서는 전력구/터널 내부 온도분포에 따라 온도가 높은 부위에 열교환 단면적이 넓은 열교환기를 배치하여 열교환면적을 넓히고 냉매를 물이 아닌 비등점이 낮은 냉매를 사용하여 냉매가 전력구 내부 열에 의해 기화하면서 기화열을 흡수한다. 상용화되고 있는 전력구/터널(25)의 내부온도보다 낮은 비등점을 갖는 냉매는 R114 3.8℃, R123 27.9℃, K141b 32.11℃이다. 기화된 기체상태의 냉매를 지상의 응축기에서 액화시켜 순환시킴으로써 냉매를 강제 순환시키지 않아도 폐열에 의해 순환되는 효율적인 냉각시스템을 제시한다.

전력구, 터널, 케이블, 냉매, 기화열, 발전사이클

Description

냉매기화열을 이용한 전력구/터널 냉각시스템{omitted}

도 1은 전력구 내부 설명용 단면도이다.

도 2는 전력구 위치별 온도분포 설명도이다.

도 3은 일방향밸브 설명도이다.

도 4는 본 고안의 냉매기화열을 이용한 전력구/터널 냉각시스템 설명도이다.

도 5는 관형열교환기 설명도이다.

도 6은 트라프 내부에 관형열교환기를 설치한 사례 설명도이다.

도 7은 관형열교환기를 폐회로로 연결하는 세부 설명도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

11 : 전력구/터널박스 12 : 수직지지대

13 : 수평지지대 14 : 케이블

15 : 트라프 16 : 수냉각관

17 : 냉각수회수관 18 : 배수로

19 : 통로 21 : 온도곡선

22 : 한계온도 23 : 온도한계초과구간

24 : 출입구 25 : 전력구/터널

31 : 일방향밸브 32 : 마개

33 : 턱 34 : 마개연결축

35 : 걸림대 36 : 무게추

40 : 기체관 41 : 액체관

42 : 관형열교환기 43 : U자관

44 : 응축기 45 : 냉매통

46 : 량조절밸브 47 : 냉매주입구

51 : 반U자관 52 : 결합플랜지

53 : 볼트 54 : 확관볼트

55 : 열교환관 56 : 핀

57 : 냉기공급팬 61 : 판형핀

62 : 고정클리트 63 : 곡면형핀

71 : 열교환기연결밸브

전력구/터널(25)의 내부온도를 분석해 보면 출입구(24) 근처가 가장 온도가 낮고 통풍이 잘 안되고 출입구(24)에서 먼 중앙부위가 가장 온도가 높다. 우리나라의 경우에는 케이블을 설치한 역사가 짧아 아직 전력구를 냉각시키는 방법이 보편화 되지 않지만 최근에 전력구 중앙부위의 온도가 40℃를 넘는 등 문제점을 유발시키고 있다. 케이블을 먼저 사용한 일본이 사용중인 전력구 냉각방법은 다수의 수냉 각관(16)을 전력구 내의 출입구(24)에서 다음 출입구(24)까지 균등하게 배열하는 방법을 택하고 있어 비효율적이고, 냉각수를 강제순환시키는 부담이 있다. 비등점이 전력구/터널(25) 내부 온도보다 낮은 냉매의 경우 전력구 내부열로 기화가 가능하고 기화를 할 때 기화열로 전력구 내부는 열을 빼앗기고 기화된 냉매는 상대적으로 온도가 낮은 응축기(44)로 유입되어 다시 액화되므로 냉매의 강제순환의 필요성이 없어 강제순환 설비와 강제순환시 소요되는 에너지를 절감할 수 있다.

본 고안은 전력구/터널 내부의 온도분포를 감안하여 온도가 높은 중앙부위에서 많은 열교환이 일어나도록 하고, 물을 냉매로 사용하는 대신 전력구 내부온도에서 비등할 수 있는 냉매를 사용할 수 있도록 하여 냉매의 강제순환 필요성을 없애고 전력구내 폐열에 의해 냉매가 순환될 수 있도록 한다.

도 1은 전력구 내부 설명용 단면도이다. 전력구/터널박스(11) 내부 벽면에 수직지지대(12)가 일정간격으로 양측면에 설치되고, 수직지지대(12)와 직각으로 수평지지대(13)가 수직지지대(12) 상하로 다수 설치된다. 케이블(14)은 수평지지대(13) 위에 그냥 포설되거나 트라프(15)에 포장되어 포설된다. 트라프(15)는 화재시 케이블을 보호하는 역할을 한다. 수냉각관(16)은 상부 여유 있는 공간 또는 트라프(15)내에 설치되고, 열교환을 하여 더워진 냉각수는 냉각수회수관(17)을 통하여 회수된다. 배수로(18)는 전력구 내부로 유입된 물을 집수정으로 모으는 수로 역할을 한다. 통로(19)를 통하여 순시자는 순시하며 전력구 내부의 이상 유무를 점검 한 다.

도 2는 전력구 위치별 온도분포 설명도이다. 출입구(24) 부근에는 통풍에 의한 열교환이 많아서 온도가 낮은 편이고, 전력구/터널(25) 중앙부위는 통풍이 여의치 않아 온도가 한계온도(22)를 넘는 온도한계초과구간(23)이 발생할 수 있다. 따라서 전력구/터널 냉각시스템의 핵심은 중앙부위의 높은 온도구간을 효율적으로 냉각시키는데 있다.

도 3은 일방향밸브 설명도이다. 일방향밸브(31)는 원통형이며 중앙 내부는 내경이 좁은 원통형이고 상부와 하부는 중앙보다 넓은 원통형이다. 따라서 내경이 좁은 중앙 부위의 상하에는 턱(33)이 형성된다. 걸림대(35)와 수직으로 아래에는 마개연결축(34)이 연결되며 마개연결축(34) 아래에는 마개(32)가 연결되고 마개(32) 아래에는 무게추(36)가 연결된다. 작동원리는 다음과 같다. 중력에 의해 무게추(36)가 내려가면 걸림대(35)는 상부 턱(33)에 걸리게 되고 마개(32)와 턱(33) 사이에는 공간이 형성되므로 상부에서 냉매가 내려 올 수 있다. 하부에서 냉매가 기화하여 올라오면 냉매의 힘에 의해 마개(32)는 위로 올라와 아래 턱(33)에 걸려 하부의 기체가 상부로 유입되는 것을 막는다. 기체가 마개(32)를 원활하게 밀어주기 위하여 일방향밸브(31) 아래의 관을 U자관으로 만들어 항시 액체 냉매가 차 있도록 할 수도 있다. 일방향밸브(31)에 의해 상부의 액체냉매는 하부로 유입되지만 하부의 기체냉매는 상부로 유입되지 않도록 하여 냉매순환 방향을 결정지을 수 있다. 기존에 상용화된 일방향밸브를 대체할 수도 있다.

도 4는 본 고안의 냉매기화열을 이용한 전력구/터널 냉각시스템 설명도이다. 출입구(24)에서 다음 출입구(24)까지의 냉각을 한 출입구 쪽의 냉각장치에서 담당한다. 필요에 따라서는 양쪽 출입구에 냉각시스템을 구성하여 절반씩 냉각시킬 수도 있다. 온도가 높은 부위(주로 중앙부위)에는 열교환관(55)이 많은 관형열교환기(42)를 배치하여 열교환 면적을 늘리고 상대적으로 온도가 낮은 양쪽 출입구(24) 쪽에는 열교환관(55)이 적은 관형열교환기(42)를 배치하여 열교환 면적을 줄인다. 이것은 필요 없는 출입구의 냉각을 억제하여 응축기(44)의 용량을 줄이기 위함이다. 배치된 관형열교환기(42)를 U자관으로 상호 연결하여 열교환기열을 형성한다. 응축기(44)가 있는 쪽의 출입구(24) 부근에 위치하는 열교환기열의 말단을 형성하는 관형열교환기(42)에 액체관(41)을 연결하고 반대쪽의 출입구(24) 부근에 위치하는 열교환기열 말단의 관형열교환기(42)에 기체관(40)을 연결한다. 액체관(41) 관로상에 위로 올라가면서 직렬로 일방향밸브(31), 량조절밸브(46), 냉매통(45), 응축기(44)를 연결하고 응축기 상부는 기체관(40) 끝이 연결되도록 하여 냉매순환 폐회로를 형성한다. 냉매는 전력구/터널(25) 내부온도보다 낮은 비등점을 갖는 냉매를 택한다. 예를 들면 냉매의 비등점은 R114 3.8℃, R123 27.9℃, K141b 32.11℃이다. 냉매통(45) 상부에는 냉매주입구(47)가 설치된다. 작동원리는 다음과 같다. 냉매통(45)에 수용된 액체냉매는 량조절밸브(46)를 통하여 일방향밸브(31)를 지나 액체관(41)을 타고 연속으로 연결된 관형열교환기(42)열로 유입된다. 일방향밸브(31)가 냉매공급을 원활하게 하지 못하면 대신 냉매공급펌프를 대신 설치하여 사용할 수 있다. 열교환기열로 유입된 냉매는 비등점이 전력구/터널(25) 내부온도보다 낮아서 기화를 한다. 이 때 기화열을 빼앗아 가므로 전력구/터널(25)은 냉각된다. 기 화된 냉매는 액체관(41)과 기체관(40) 양쪽으로 올라오지만 액체관(41)에서는 일방향밸브(31)에 의해 막히므로 센 압력을 일으키면서 기체관(40)을 통하여 응축기(44)로 유입되어 열을 빼앗기고 응축기(44)에서 액화되어 냉매통(45)으로 유입된다. 기체냉매가 응축기(44)로 잘 유입되지 않을 경우 응축기(44) 입구에 압축기(미도시)를 설치할 수 있다. 응축기(44)로 기체냉매가 유입되어 열교환기열 속의 압력이 어느 정도 낮아지면 일방향밸브(31)의 무게추(36)가 중력에 의해 아래로 내려가 냉매통(45)의 액체냉매는 량조절밸브(46), 일방향밸브(31)를 거쳐 액체관(41)으로 유입되어 다시 새로운 순환을 이어 간다. 이것은 일종의 발전사이클이며 발전기가 생략된 것과 동일하다. 냉매의 순환은 전력구/터널(25) 내부의 온도와 응축기(44)의 온도와의 온도차이에 의한 발전사이클에 따라 이루어지므로 냉매를 강제순환시킬 필요가 없다. 전력구/터널(25)이 완전한 수평을 이룰 수 없고 고저차를 갖기 때문에 모든 관형열교환기(42)에 냉매를 동일하게 공급할 수 없는 경우 열교환기열에 액체냉매를 가득 채운 상태에서 가동을 하면 열교환기열을 형성하는 모든 관형열교환기(42)에서 냉매의 비등이 일어나고 열교환기열 내부에서 발생한 기체냉매 압력에 의해 액체관(41) 쪽은 일방향밸브(31)에 의해 흐름이 차단되므로 뜨거워진 기체 및 액체 냉매가 함께 기체관(40)을 타고 응축기로 유입되어 냉각에 더욱더 효과적이다. 응축기(44)는 공랭식 뿐 만 아니라 수냉식 또는 냉동냉각을 하는 방법을 택할 수 있다.

도 5는 관형열교환기 설명도이다. 관형열교환기(42) 양쪽에는 반U자관(51)이 180도 점대칭 형태로 설치된다. 반U자관(51) 한쪽은 막혔으며 한쪽은 다음 관형열 교환기(42)의 또 다른 반U자관(51)과 연결하기 위하여 결합플랜지(52)가 설치되며 볼트(53)에 의해 결합플랜지는 상호 연결된다. 원통형 열교환관(85)은 열교환면적이 크게 사각관 형태로 변경하여 만들어 질 수 있다. 양쪽 2개의 반U자관(51) 사이에는 설치될 위치에 적합한 수의 열교환관(55)이 병렬로 설치된다. 열교환관(55)에는 핀(56) 또는 판형핀(61) 또는 곡면형핀(63)이 설치되어 열교환량을 늘려 준다. 반U자관(51)과 열교환관(55)은 용접으로 연결시키든지 설치작업과 보수작업을 용이하게 하기 위하여 확관볼트(54)를 이용하여 연결시킨다. 양쪽 2개의 반U자관(51)에 의해 유입점에서 유출점으로 이동하는 냉매의 이동경로 거리는 어떤 열교환관(55)을 거쳐 오더라도 동일하므로 병렬로 설치된 열교환관(55)의 온전히 활용할 수 있다.

도 6은 트라프 내부에 관형열교환기를 설치한 사례 설명도이다. 트라프(15) 내부에 관형열교환기(42)를 내장할 경우 케이블이 손상될 수 있으므로 열교환기관(55)에 수직으로 설치되는 핀(56)을 설치할 수 없고 열교환관(55)에 수평으로 케이블(14) 상부에 설치되는 판형핀(61) 또는 케이블(14)과 고정클리트(62)를 감싸는 형태의 곡면형핀(63)을 설치한다. 트라프(15) 없이 설치되는 케이블(14)에도 판형핀(61)또는 곡면형핀(63)을 설치하여 열교환 효과를 높일 수 있다.

도 7은 관형열교환기를 폐회로로 연결하는 세부 설명도이다. 관형열교환기(42) 양단에 설치된 반U자관(51)은 결합되는 다른 관형열교환기(42)의 반U자관(51)과 사이에 열교환기연결밸브(71)를 두고 결합되어 완전한 U자관을 만든다. 열교환기연결밸브(71) 양단 관의 길이를 조절하면 관형열교환기(42)의 설치위치를 조절할 수 있다. 특정 관형열교환기(42)에 고장이 발생한 경우 그 관형열교환기(42) 양단의 열교환기연결밸브(71)를 잠그고 바이패스관(미도시)을 통하여 냉각시스템을 연결하고 작동시켜 고장난 관형열교환기(42)를 수리할 수 있도록 한다. 직렬로 연결되는 열교환기열 양단에 액체관(41)과 기체관(40)이 연결된다. 본 고안에 사용되는 냉매가 전력구/터널(25) 내부에 유출되는 것을 막기 위하여 사용되는 모든 관을 2중관으로 하는 것도 본 고안의 범위에 포함된다.

본 고안에서는 전력구/터널(25) 내부 온도분포에 따라 온도가 높은 부위(주로 중앙부위)에 많은 열교환관(55)이 병렬로 연결된 관형열교환기(42)를 배치하여 열교환 단면적을 넓혀 효율적인 냉각을 유도하였다.

또한 물을 냉매로 사용하지 않고 전력구/터널(25) 내부의 온도보다 낮은 비등점을 갖는 냉매를 사용함으로써 제거시켜야 할 전력구/터널(25) 내부의 폐열로 냉매를 순환시켜 물을 사용할 때와 같은 냉매 순환장치나 순환에 필요한 에너지 사용이 소요되지 않아서 매우 경제적이다.

Claims

온도가 높은 위치에 설치될 관형열교환기(42)에 열교환관(55)이 많도록 하는 방법으로 다수의 관형열교환기(42)를 전력구/터널(25) 내부 또는 전력구/터널(25) 내의 트라프(15) 내부에 연속 배치하여 인접한 관형열교환기(42)의 반U자관(51)끼리 완전한 U자를 형성하도록 상호 연결한 열교환기열과: 전력구/터널(25) 상부에 설치되는 응축기(44)와; 열교환기열의 한쪽 끝의 반U자관(51)과 응축기(44) 상부 배관을 연결하는 기체관(40)과; 응축기(44) 하부배관에 관으로 연결되며 응축기 하부이면서 전력구/터널(25) 상부에 설치되는 냉매통(45)과; 냉매통(45) 상부 일측에 설치되는 냉매주입구(47)와; 냉매통(45) 내부에 채워지는 비등점이 전력구/터널(25) 내부온도 보다 낮은 냉매와; 냉매통(45) 하부에 연결되는 량조절밸브(46)와; 량조절밸브(46)에 연결되는 일방향밸브(31)와; 일방향밸브(31) 다른 쪽 출구와 전력구/터널(25) 내부 또는 전력구/터널(25) 내부의 트라프(15)에 설치된 열교환기열의 다른 한 쪽 끝의 반U자관(51)을 연결하는 액체관(41)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉매기화열을 이용한 전력구/터널 냉각시스템.