KR20100060885A - 백연경감 냉각탑, 이를 이용한 백연경감 방법 및 이를 위한백연경감 냉각탑의 운영시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 백연경감 냉각탑에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건식부 및 습식부를 포함하는 백연경감 냉각탑에 있어서, 건식부로의 도입유량제어를 위한 조절부재의 자동제어, 부가적으로 습식부로의 도입유량제어를 위한 조절부재의 개방정도를 대기의 상태(대기압, 건구온도 및 상대습도)에 따라 냉각탑의 토출공기의 상태(건구온도 및 상대습도) 변화에 영향을 주는 관련인자에 의거하여 공기량을 자동제어하고, 아울러 건식부 및 습식부를 통과한 서로 다른 상태의 두 공기를 혼합하는 수단인 공기혼합 조절부재의 장착각도를 유입되는 공기의 유속에 대응하여 자동제어함으로써, 백연을 경감시킬 수 있는 백연경감 냉각탑 및 이를 이용한 백연경감 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 습식부와 습식부 상부 외측에 건식부를 포함하는 백연경감 냉각탑에 있어서, 상기 습식부 측부에 형성되는 하나 이상의 하부 외기도입구로의 도입 공기량을 조절하기 위한 하부 도입공기 조절부재; 건식부 측부에 형성되는 하나 이상의 상부 외기도입구로의 도입 공기량을 조절하기 위한 상부 도입공기 조절부재; 상기 건식부 내에 위치되어 하부 및 상부외기도입구로 도입되는 공기를 혼합하기 위한 공기혼합 조절부재; 및 상기 각 조절부재를 제어하여 도입되는 공기량을 제어할 수 있도록 통제하는 중앙통제부를 포함하는 백연경감 냉각탑을 제공한다.

냉각탑, 건식부, 습식부, 조절부재, 공기혼합기, 백연자동제어, 온습도감지기

Description

백연경감 냉각탑, 이를 이용한 백연경감 방법 및 이를 위한 백연경감 냉각탑의 운영시스템 {PLUME ABATEMENT COOLING TOWER, PLUME ABATEMENT METHOD USING THE SAME AND OPERATION SYSTEM OF PLUME ABATEMENT COOLING TOWER}

본 발명은 백연경감 냉각탑의 건식부 및 습식부로 외부로부터 유입되는 공기량을 대기의 상태에 따라 냉각탑 토출공기의 상태변화에 영향을 주는 관련인자에 의거하여 공기량을 자동제어하고, 부가하여 건식부와 습식부를 통과한 서로 다른 상태의 두 공기를 혼합하는 공기혼합 조절부재의 장착각도를 유입되는 공기의 유속에 대응하여 자동 제어함으로써, 백연을 경감시킬 수 있는 백연경감 냉각탑, 이를 이용한 백연경감 방법 및 이를 위한 백연경감 냉각탑의 운영시스템에 관한 것이다.

일반적으로 냉각탑은 석유화학플랜트, 철강플랜트 등과 같은 생산 공정이나 냉동기를 비롯한 각종 기계장치에서 발생된 열을 수냉식 열교환장치에서 물로 직접 냉각시킬 때 공정유체의 열을 전달 받아 데워진 물을 대기의 공기와 직접 접촉시켜 물의 증발 잠열을 이용하여 원하는 온도로 냉각시켜 주는 기계장치이다.

냉각탑에서 토출되는 공기의 상대습도는 98~100%로 거의 포화상태의 습공기로 냉각탑 주변의 공기와 만나서 희석되는 과정에서 토출 습공기가 노점이하로 내려 갈 때, 습공기 중의 수증기가 미세한 물방울로 응축되면서 하얀 연기처럼 보이는 자연적인 현상인 백연이 발생된다. 이러한 백연 현상은 년 중 발생되는 것이 아니라 냉각탑 주변 온도가 낮으면서 상대습도가 높은 날에 주로 발생한다.

백연은 순수한 수증기 성분으로 공해물질은 아니지만 공정에서 발생되는 배출가스로 오인될 수 있는 시각적 공해문제와 더불어 다음과 같은 환경 영향을 초래할 수 있다.

첫째, 주택 밀집 지역, 또는 도심 중심지에서의 백연 방출은 시각적 공해, 시야 방해에 의한 민원 제기, 화재 스모크(smoke)로의 오인 등의 문제를 일으키며,

둘째, 공항 주변에 설치된 냉각탑에서 방출되는 백연의 상승으로 인해 항공기 시계의 간섭문제를 일으킬 수 있으며 고속 도로 등 도로 옆에 설치된 경우에도 자동차 운행에 문제를 일으키며,

셋째, 저기압 기상에서는 백연의 상승이 억제되어 냉각탑 주변은 물론 경계 영역 밖까지 떨어지는 물방울로 인해 주변 도로의 결빙문제를 초래하여 안전사고를 유발한다.

상기 백연을 감소시키기 위해 백연경감 냉각탑이 개발되었다. 도 1은 통상적인 백연경감 냉각탑의 개략적인 종단면도로서, 이를 참조하여 통상적인 백연경감 냉각탑에 대하여 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 백연경감 냉각탑은 냉각탑(301)의 양측 부(304) 하부에 구성되는 한 쌍의 습식부 공기흡입구(305); 열 교환기로 구성되는 한 쌍의 건식부 공기흡입구(311); 상기 건식부 공기흡입구(311)에 설치되는 열 교환기(313); 건식부 공기흡입구(311)와 면하는 공기 완충영역에 구성되는 공기혼합기(314); 공기 토출영역에 속하는 팬 스택(315); 팬 스택(315)내에 설치되는 구동부(316); 열 교환기(311)와 냉각탑(301)의 양측부에 마련되는 한 쌍의 수로(308); 한 쌍의 수로(308)와 연결되어 냉각탑(301) 내부 습식 열교환부 (307) 상부에 설치되는 물 분배관(309); 물 분배관(309) 상부에 배치되는 비산제거기(310); 습식 열교환부(307)의 하부에 집수조(302)로 구성된다. 여기에서, 상기 건식부 공기흡입구(311)에는 유입되는 공기량을 조절하는 댐퍼(317)가 설치된다.

그러나 상기와 같은 종래의 백연경감 냉각탑은 건식부를 통과한 저습의 공기와 습식부를 통과한 포화공기를 혼합하는 공기혼합기(314)가 고정형이었기 때문에, 냉각탑 중심부에서 이들 두 공기가 혼합이 불완전하여 백연을 완전히 줄이는데 한계가 있었다.

또한, 상기와 같은 종래의 백연경감 냉각탑은 건식부 공기흡입구(311)로 유입되는 공기량을 조작자의 판단에 의해 댐퍼(317)를 수시로 조작해야 하는 번거로움이 있었다.

한편, 댐퍼 조작자는 댐퍼 조작을 수시로 해야 하는 번거로움이 많아 댐퍼(317)를 항상 개방하려는 경향이 있는 반면에, 냉각탑 운전자는 댐퍼의 개방 시, 냉각탑의 냉각능력이 감소되기 때문에 원하는 온도의 냉각수를 얻을 수 없게 되어 백연이 발생하는 기간에만 댐퍼를 조작하도록 요구하는 일이 빈번히 일어나 효과적 인 냉각탑 관리가 어려운 실정이었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유입되는 공기의 유속에 대응하여 공기혼합 조절부재의 장착각도를 자동 제어함으로써 백연을 더욱 효과적으로 경감시킬 수 있도록 하고, 자동제어에 의하여 건식부 및 습식부의 공기량 조절부재의 개방정도를 자동 제어하여 백연경감을 보다 정확하게 제어함으로써 효율적인 냉각탑 관리를 가능하게 하는데 목적이 있다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 하부에 습식부와 상부에 건식부를 구비하는 백연경감 냉각탑에 있어서, 상기 습식부 측부에 형성되는 하나 이상의 하부 외기도입구로의 도입 공기량을 조절하기 위한 습식부 도입공기 조절부재; 건식부 측부에 형성되는 하나 이상의 상부 외기도입구로의 도입 공기량을 조절하기 위한 건식부 도입공기 조절부재; 상기 건식부 내에 위치되어 하부 및 상부외기도입구로 도입되는 공기를 혼합하기 위한 공기혼합 조절부재; 및 상기 각 조절부재를 제어하여 도입되는 공기량을 제어할 수 있도록 통제하는 중앙통제부를 포함하는 백연경감 냉각탑을 제공한다.

본 발명에 따른 제1 실시형태에서, 상기 공기혼합 조절수단은 일정간격을 갖는 다수의 습식부 혼합관; 상기 습식부 혼합관의 길이방향에 대하여 경사각이 조절가능하게 설치되는 건식부 혼합관; 및 상기 중앙통제부의 제어에 의해 상기 건식부 혼합관의 경사각이 변경되게 회동시키기 위한 구동수단을 포함하며, 상기 습식부 혼합관과 상기 건식부 혼합관은 반원통형으로 하였다.

또한, 본 발명은 냉각탑 습식부 중앙부위에서 상승되는 포화공기가 건식부를 통과한 공기와의 혼합이 불완전한 것을 보완하기 위하여 습식부 중앙부위에서 상승되는 포화공기를 건식부의 열교환기로 유도하기 위해 공기유도부재를 추가하였다.

상기 중앙통제부는 공기혼합 조절부재의 건식부 혼합관의 경사 정도를 공기의 유속에 대응하여 자동제어하기 위하여 공기유속 감지유닛 및 경사각을 제어하기 위한 제어유닛을 포함하며, 제어유닛은 상기 공기유속 감지유닛에서 감지된 유속에 대응하여 상기 건식부 혼합관을 연직으로부터 20°~ 40°의 범위에서 제어되게 하였다.

본 발명에 따른 제2 실시 형태에서, 본 발명은 건식부 및 습식부의 도입공기량을 제어하기 위해 냉각탑 토출공기의 상태변화에 영향을 주는 관련인자(대기압, 건구온도 및 상대습도)를 감지하는 감지수단을 더 포함하며, 상기 중앙통제부는 상기 감지수단으로부터의 신호를 제공받아 감지된 값이 습공기선도 상의 포화곡선을 초과하는지 여부를 산출하여 상기 건식부와 습식부 중 하나 또는 모두로 유입되는 공기량을 제어한다.

상기 공기량 조절부재는 프레임; 상기 프레임 내에 길이방향 축을 중심으로 회전가능하게 장착되는 다수의 블레이드; 상기 각 블레이드의 축단을 연결하여 일체로 연동하도록 구성되는 연결유닛; 및 상기 연결유닛을 구동시키도록 상기 중앙통제부의 제어에 의해 구동되는 엑츄에이터로 구성된다.

본 발명의 따른 백연경감 냉각탑의 운영시스템에 있어서, 대기 및 냉각탑의 토출공기의 온도 및 습도에 대한 정보를 수신하는 수신부; 상기 수신부에서 수신된 정보를 바탕으로 대기의 상태와 토출공기의 상태를 절대습도 값으로 계산한 후, 대기 온도와 토출공기 온도 구간에서의 절대습도 상태선의 기울기를 연산하는 연산부; 대기의 온도와 냉각탑 토출공기의 온도 구간에서, 포화상태의 절대습도 값을 계산하여 상기 절대습도 상태선과의 절대습도 차를 계산 및 비교하는 비교부; 및 상기 비교부에서 계산된 결과에 따라 건식부와 습식부 중 하나 또는 모두로 유입되는 공기량을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 백연경감 냉각탑의 운영시스템을 제공할 수 있다.

본 발명은 대기의 상태 및 냉각탑 토출공기의 상태를 정밀도 높은 감지기를 사용하여 백연발생 가능여부를 수치적으로 해석하여 공기량을 제어함으로써 백연경감을 최적화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 공기의 유속을 감지하여 공기혼합 조절부재를 조절함으로써 최적의 공기혼합을 통하여 백연경감의 효과를 최대화함과 아울러 냉각탑의 기본 목적인 냉각성능을 저해하지 않는 최적의 효과를 갖게 해 준다.

상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 그 작용 효과에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 백연경감 냉각탑의 개략적인 종단면도로서, 하부에 습식부와 상부에 건식부를 구비하는 백연경감 냉각탑에 있어서, 상기 습식부 측부에 형성되는 하나 이상의 하부 외기도입구로의 도입 공기량을 조절하기 위한 습식부 도입공기 조절부재(또는 댐퍼)(10); 건식부 측부에 형성되는 하나 이상의 상부 외기도입구로의 도입 공기량을 조절하기 위한 건식부 도입공기 조절부재(또는 댐퍼)(20); 상기 건식부 내에 위치되어 하부 및 상부 외기도입구로 도입되는 공기를 혼합하기 위한 공기혼합 조절부재(30); 및 상기 각 조절부재(10, 20, 30)를 제어하여 도입되는 공기량을 제어할 수 있도록 통제하는 중앙통제부(90)를 포함한다.

미설명부호 21은 건식부로 유입되는 공기를 가열하기 위한 열교환기이고, 40은 배기구, 41은 배기구에 설치되는 냉각팬부이다. 50은 냉각탑의 측부에 구비되는 한 쌍의 냉각수 수로이고, 60은 물분배관, 61은 비산제거기이다. 또한, 70은 물분배관 하부에 설치되는 충진재이고, 80은 집수조이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 냉각탑의 기본 동작을 설명하면, 습식부 도입공기 조절부재(10)를 통해 유입된 공기(A)는 충진재(70)를 통과하면서 증발 열교환되어 포화공기(A1)로 되고, 건식부 도입공기 조절부재(20)를 통해 유입되는 공기(B)는 열교환기(21)를 거쳐 습도가 낮은 저습도 공기(B1)로 된다. 이때 포화공기(A1)는 하부로부터, 저습도 공기(B1)는 측부로부터 공기혼합 조절부재(30)를 통 과하면서 혼합되어 포화공기(A1) 보다 낮은 습도의 공기(C)를 냉각팬부(41)에 의해 배기구(40)로 배출된다. 이에 따라 백연 경감 효과를 얻을 수 있다. 여기에서, 상기 각 구성요소별 세부 작동은 그 설명을 생략하기로 한다.

본 발명의 특징은 상기한 바와 같이 기본 동작에서와 같이 백연경감 효과를 더욱 효율적으로 하고자 하는 것으로, 이에 대하여 상세히 설명한다.

상기 조절부재(10, 20)는 개방 정도가 조절될 수 있는 다양한 형태를 적용할 수 있다. 개략적인 구성을 설명하면, 프레임과, 프레임 내에 길이방향 축을 중심으로 회전가능하게 장착되는 다수의 블레이드와, 상기 각 블레이드의 축단을 연결하여 일체로 연동하도록 구성되는 연결유닛, 및 상기 연결유닛을 구동시키도록 상기 중앙통제부의 제어에 의해 구동되는 엑츄에이터를 포함한다. 다른 구체적인 일예로, 상기 조절부재(10, 20)는 도3에 도시된 바와 같이, 프레임(frame)(20c) 내에 다수의 수직 구획대(20d)가 구비되고, 상기 수직 구획대(20d) 사이에 다수의 블레이드(20a)가 하나의 조절유닛(20b)에 의해 그 경사가 조절되도록 하며, 상기 조절유닛(20b)을 구동시키도록 상기 중앙통제부의 제어에 의해 구동되는 엑츄에이터(미도시)를 포함하는 구성을 적용하는 것이 효율적이다.

상기 공기혼합 조절부재(30)는 도4에 나타낸 바와 같이, 일정간격을 갖는 다수의 수평의 습식부 혼합관(32)과 경사각이 조절되게 설치되는 건식부 혼합관(31)으로 구성된다. 보다 구체적으로, 상기 공기혼합 조절부재(30)는 반원통형의 습식부 혼합관(32) 및 회동가능하게 설치되는 건식부 혼합관(31)을 포함한다. 상기 공기혼합 조절부재(30)는 상기 건식부 혼합관(31)을 상기 중앙통제부의 제어에 의하 여 연직으로부터 경사지게 회동시키기 위한 구동수단(미도시)을 더 포함하는데, 상기 건식부 혼합관(31)은 구동수단에 연결되는 연결부(31a)를 구동시켜 힌지축(31b)을 중심으로 회동된다.

상기 중앙통제부(90)는 대기 및 상기 냉각탑의 토출공기의 상태변화에 영향을 주는 관련인자를 감지하는 감지수단(90a, 90b); 및 상기 감지수단으로부터의 신호를 제공받아 상기 조절부재의 개방도를 자동제어하는 회로처리부(90c)를 포함하여, 상기 건식부 조절부재(20), 필요에 따라서는 상기 습식부 조절부재(10)를 감지수단으로부터의 신호에 따라 조절부재(10, 20)의 블레이드의 경사각을 자동 제어한다.

상기 감지수단은 냉각탑 외부공기의 상태변화에 영향을 주는 관련인자(대기압, 건구온도, 상대습도)를 감지하기 위한 외부공기(대기) 감지유닛(90a) 및 냉각탑 에서 토출되는 냉각탑의 토출공기의 상태변화에 영향을 주는 관련인자(건구온도, 상대습도)를 감지하기 위한 토출공기 감지유닛(90b)을 포함한다.

상기 외부공기 감지유닛(90a)은 대기압, 온도 및 상대습도 등 대기의 공기 상태를 감지하는 유닛으로써 통상의 감지센서 등을 적용할 수 있으며, 냉각탑의 외측 일단 또는 냉각탑 외측에 근접한 위치에 설치될 수 있다.

상기 토출공기 감지유닛(90b)은 냉각탑에서 토출되는 공기의 온도, 상대습도 등을 감지하는 유닛으로써, 냉각탑의 배기구(40)에 근접하여 설치하며, 통상의 감지센서를 적용할 수 있다.

상기 회로처리부(90c)는 상기 외부공기 감지유닛(90a) 및 토출공기 감지유 닛(90b)에서 감지된 정보를 바탕으로, 상기 건식부 조절부재(20) 및 습식부 조절부재(10)의 개방정도를 제어하는 유닛으로서, 상기 외부공기 감지유닛(90a)과 토출공기 감지유닛(90b)에서 감지된 값이 습공기선도 상의 포화곡선을 초과하는지 여부를 산출하여 상기 건식부 조절부재(20) 또는 습식부 조절부재(10)의 개방정도를 제어하기 위한 프로그램을 포함할 수 있다.

상기 중앙통제부는 상기 공기혼합 조절부재(30)의 건식부 반원통관의 혼합관의 경사각을 공기의 유속에 대응하여 자동제어하기 위하여 유속감지유닛(91a) 및 혼합관 제어유닛(91b)을 더 포함할 수 있다.

상기 유속감지유닛(91a)은 각 조절부재(10, 20)로 유입되는 공기의 유속을 감지하는 유닛으로써 통상의 감지 센서를 적용할 수 있다.

상기 혼합관 제어유닛(91b)은 상기 유속감지유닛(91a)에서 감지된 공기의 유속에 대응하여 건식부 혼합관(31)을 소정 기울기, 예를 들면 20°~ 40°로 제어하여 공기의 혼합 효율을 증가시킨다.

상기 공기혼합 조절부재(30)는 습식부를 통과한 공기를 강제로 와류를 생성해주는 습식부 혼합관(32)은 고정시키되, 건식부를 통과한 공기를 강제로 와류를 생성해주는 건식부 혼합관(31))의 설치 각도는 유속감지유닛(91a)을 통해 습식부 및 건식부의 입구에서 공기의 유속을 측정하여 최적의 혼합을 위해 설치각도를 혼합관 제어유닛(91b)에 의해 20°~ 40°범위에서 자동제어된다.

여기에서, 냉각탑 상부 측면에 장착되는 건식부 간의 거리가 5m이상일 경우, 건식부를 통과한 공기가 습식부 중앙 부위까지 이르지 못해 부분적으로 공기 혼합 에 문제가 되는 것을 해결하기 위하여 습식부 중앙 상부에 공기유도부재(34), 자세하게는 판상의 공기유도부재를 부가 설치함으로써 습식부 중앙부위에서 상승되는 포화공기를 건식부로 유도하여 공기혼합의 효과를 증대시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 백연경감 냉각탑을 이용한 백연 경감방법에 대해 설명하면 다음과 같다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 백연경감 냉각탑의 동작을 설명하기 위한 설명도이다. 아래의 설명에서 절대습도를 나타내는 단위의 기재에 있어서, kg'으로 기재하였는데, 절대습도는 단위 건공기 무게당 수증기의 무게비를 나타낸 것으로, 여기에서 건공기 의미로 프라임(')임을 붙인 것임을 참조한다.

본 발명에 따른 백연 경감방법은 대기의 상태에 따라 냉각탑의 토출공기의 상태변화에 영향을 주는 관련인자, 즉 대기압, 건구온도 및 상대습도를 포함하는 정보를 대기상태 감지유닛(90a)을 통해 대기의 상태를 감지하고, 냉각탑에서 토출되는 토출공기의 상태에 영향을 주는 관련인자, 즉 토출되는 공기의 건구온도 및 상대습도를 중앙통제부의 회로처리부(90c)에서 감지된 감지정보를 수신한다.

이후, 상기 각 감지된 값을 바탕으로 회로처리부(90c)에서는 대기 중의 습도 및 토출공기 중의 상대습도를 계산하고, 절대습도 상태선에서 습도 기울기를 산출하여 포화 습도를 산출한다. 이후 임계 온도 및 임계습도를 산출하고, 이에 따라 산출된 절대습도차(DHR)에 따라 중앙통제부는 건식부 조절부재(20), 필요에 따라서(즉, 건식부 조절부재(20)에 의해서도 백연이 발생하는 경우) 습식부 조절부재(10)를 조절하여 그 조절부재(10, 20)를 통해 도입되는 공기량을 조절하다.

상기 산출된 절대습도차(DHR)에 따라 조절부재(10, 20)를 조절하는 구현 예 를 설명한다. 중앙통제부에 의해 조절부재 구동수단을 제어하여 조절부재의 개방정도를 제어함에 있어, 포화상태의 절대습도 값과 상기 절대습도 상태선과의 절대습도차가 0.2kg vapor/kg'(수증기량) 보다 작거나 같을 경우, 즉 습공기선도 상의 포화곡선 미만일 경우, 건식부 조절부재(20)를 완전 폐쇄한다.

한편, 포화상태의 절대습도 값과 상기 절대습도 상태선과의 절대습도차가0.05kg vapor/kg' 보다 작거나 같을 경우, 즉 습공기선도 상의 포화곡선 미만일 경우, 습식부 조절부재(10)를 점진적으로 개방한다.

또한, 포화상태의 절대습도 값과 상기 절대습도 상태선과의 절대습도차가 0.05kg vapor/kg' 보다 크고 0.2kg vapor/kg'보다 작을 경우, 즉 습공기선도 상의 포화곡선에 근접하거나 미세하게 초과할 경우, 건식부 조절부재(20)를 점진적으로 개방하여, 백연 발생을 미연에 방지하도록 통제된다.

상기 대기상태를 감지하는 단계 및 토출되는 공기의 온도 및 습도를 감지하는 단계에서, 중앙통제부는 감지된 값을 바탕으로 건식부 조절부재(20) 또는 습식부 조절부재(10)를 제어함에 있어, 상기 각 감지단계에서 감지된 값이 습공기선도 상의 포화곡선을 초과할 경우, 건식부 조절부재(20)의 개방을 확장시키는 구동신호를 송신하게 되며, 상기 건식부 조절부재(10)의 개방이 확장된 후에도 상기 각 감지단계에서 감지된 값이 습공기선도 상의 포화곡선을 초과할 경우, 습식부 조절부재(10)의 개방을 감소시키는 구동신호를 송신하게 된다.

상기와 같이 본 발명에서는 감지수단을 통해 감지된 값을 기초로 습공기선도 상의 포화곡선의 상태와 비교하여 건식부 조절부재(20) 및 습식부 조절부재(10)의 개방정도를 제어하게 된다.

필요에 따라서는, 냉각탑 내부에서 건식부 및 습식부를 통한 공기 간의 혼합을 원할하게 하기 위하여, 각 조절부재(10, 20)를 통해 유입되는 공기의 유속을 감지하고, 감지된 공기 유속에 대응하여 공기혼합 조절부재(30)의 건식부 혼합관(31)의 기울기를 연직으로부터 경사지게 조절한다.

이에 습공기선도와 백연과의 관계 및 상기 습공기선도에 대응하는 건식부 조절부재(20) 또는 습식부 조절부재(10)를 작동시키기 위한 운영시스템에 대해 설명하면 다음과 같다.

습공기의 여러 상태량을 도표로 나타낸 것을 습공기표라 하며, 이 표는 포화공기의 상태값은 정확히 표시하고 있는 반면에, 불포화공기의 상태값은 계산에 의해 구해야 되며 또한 상호관계도 명확하지 않다. 이러한 불편을 해소하기 위해 선도로 나타낸 것이 습공기선도이다.

상기 습공기선도의 종류는, 가로축에 건구온도를 세로축에 절대습도를 경사 축에 엔탈피를 나타낸 i-x 선도, 사용상 편리를 위하여 가로축에 건구온도를 세로축에 절대습도를 나타낸 t-x 선도 및 가로축에 건구온도를, 세로축에 엔탈피를 나타낸 t-i 선도가 있으며, 백연경감 해석을 위해서는 t-x 선도를 이용한다.

도 6a는 t-x 선도의 일 예를 나타낸 그래프로서, 건구온도와 상대습도에 해당되는 점을 찾아 포화공기선과의 교점에서 수평으로 수선을 내려 습구온도를 찾게 된다. 습공기선도와 백연과의 관계에 대해 설명하면, 백연 현상은 냉각탑 주변 온도가 낮으면서 상대습도가 높은 날에 주로 발생되는 것으로, t-x 선도를 이용하여 설명하면 다음과 같다.

도 6b 내지 도 6g는 냉각탑의 설계조건에 따른 습공기선도와 백연과의 관계를 나타내는 그래프로써, 도시된 CaseⅠ내지 Ⅴ는 냉각탑의 설계조건이다.

도 6b에 도시된 Case Ⅰ의 경우, 건구온도가 31.691℃ 이고 상대습도가 70%인 대기의 공기를 냉각탑 내부로 유입하면, 42.0℃의 냉각수가 32.0℃ 로 냉각되면서 냉각수의 폐열이 공기로 전달되어 20.8731 kg vapor/kg'의 냉각탑 입구 공기의 절대습도가 44.9363 kg vapor/kg'로 증가되어 냉각탑을 떠나게 되는 것을 나타낸다. 냉각탑을 떠난 포화공기는 건구온도가 31.691℃ 이고 상대습도가 70%인 냉각탑 주변공기와 희석되면서 서서히 대기와 같은 상태로 돌아가게 된다. Case Ⅰ의 절대습도 변화선을 보면 냉각탑에서 토출된 공기가 대기와 같은 상태로 냉각될 때 t-x 선도의 100%인 포화곡선 아래에 있음을 알 수 있다. 이 의미는 건구온도가 31.691℃ 이고 상대습도가 70%인 대기 상태에서는 냉각탑 토출공기가 노점 이하로 내려가지 않는다는 것을 의미함으로 백연이 발생되지 않음을 알 수 있다.

도 6c에 도시된 Case Ⅱ의 경우, 동일한 설계조건의 냉각탑을 건구온도가 21.762℃이고 상대습도가 70%인 대기 상태에서 운전할 경우 수공비(L/G)는 1.6521에서 1.5946으로 변화되고, 냉각수 온도는 36.43℃에서 26.43℃로 냉각되며, 공기의 절대습도는 11.4494 kg vapor/kg'에서 32.8985 kg vapor/kg'로 증가하게 된다. Case Ⅱ의 절대습도 변화선을 보면 냉각탑에서 토출된 공기가 대기와 같은 상태로 냉각될 때 t-x 선도의 100%인 포화곡선에 근접하고 있음을 볼 수 있으나 백연이 발생할 가능성은 매우 적다.

도 6d에 도시된 Case Ⅲ의 경우, 절대습도 변화선을 보면 냉각탑에서 토출된 공기가 대기의 공기와 희석되면서 그 온도가 약 18.3℃에 이르기 까지 포화곡선을 넘어선 과포화상태에 있음을 보여주고 있다. 따라서 냉각탑 토출공기는 토출되면서 부터 대기의 공기와 희석되어 18.3℃로 냉각될 때 까지 백연 현상이 발생함을 의미한다. 냉각탑 토출공기가 18.3℃ 이하로 냉각되면 토출공기로 부터 대기로 재증발이 일어나면서 눈에 보이지 않는 수증기 상태로 변하기 때문에 백연 현상은 살아지게 된다.

도 6e에 도시된 Case Ⅳ의 경우, 대기온도가 높은 여름철에 우천으로 상대습도가 95%로 높은 상태에서 냉각탑을 운전하였을 경우 토출된 냉각탑 공기가 t-x 선도의 100%인 포화곡선 대부분을 초과하여 과포화영역(안개영역)에 있음을 보여주고 있다. 이는 상대습도가 높으면 토출된 포화공기가 대기공기와 희석되면서 33.3℃로 냉각될 때 까지는 백연발생 상태임을 나타낸다.

도 6f에 도시된 Case Ⅴ의 경우, 백연 현상은 Case Ⅲ 경우와 같이 낮은 대기온도 상태에서 상대습도가 높은 경우이거나, Case Ⅳ와 같이 대기온도가 높으면서 상대습도가 높은 우기 시에 발생될 수 있음을 나타낸 것이다. Case Ⅴ의 경우는 대기 온도가 낮더라도 상대습도가 매우 낮으면 백연은 발생되지 않음을 나타낸 것이다.

도 6g은 상기 Case Ⅰ내지 Case Ⅴ에 대한 습공기선도를 하나의 선도에 나타낸 것으로써, 상기 상기 Case Ⅰ내지 Case Ⅴ에 대한 습공기선도를 통해 알 수 있듯이, 백연이 발생되는 대기의 조건은 상대습도에 좌우된다.

따라서 냉각탑에서 토출되는 공기의 상대습도를 가능한 낮추어 불포화공기 상태로 대기로 방출하면 대기의 공기와 희석되어 냉각되는 과정에서 노점이하 온도로 떨어지는 것을 현저하게 줄일 수 있음으로 토출공기 중의 수증기의 응축을 막아 백연현상을 막을 수 있는 것이다.

냉각탑 본연의 목적인 냉각수를 냉각시키면서 냉각탑 토출공기 중의 수증기 응축을 막아 백연현상을 줄이기 위해서는 냉각수를 충진재를 통과시켜야 된다.

충진재를 통과한 포화공기를 가열하여 온도를 높임으로서 상대습도를 낮추거나 충진재를 통과한 포화공기와 상대습도가 매우 낮은 공기를 혼합하여 토출온도 및 상대습도를 낮추는 방법으로 백연현상을 줄일 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 습공기선도의 변화를 나타낸 그래프로서, 습공기선도에 대응하는 건식부 조절부재(20) 또는 습식부 조절부재(10)의 작동방법에 대해 설명하면, 점 ①은 대기의 공기 상태점 (건구온도 0℃, 상대습도 70%)이며, 충진재를 통과하는 공기는 선 ① - ③을 따라 감열과 잠열에 의해 온도, 즉 절대습도가 상승된다.

열교환기를 통과하는 공기는 선 ① - ②를 따라 수증기량의 증감 없이 감열에 의해 온도가 상승된다(일반적으로 냉각부하의 20% 정도가 열교환기에서 냉각됨). 이들 둘 공기가 선 ② - ③을 따라 혼합되어 점 ④가 되고, 냉각탑에서 토출되어 점 ①의 대기와 희석되어 선 ④ - ①을 따라 대기 공기상태로 냉각이 된다. 선 ④ - ①은 포화곡선 아래에 있음으로 백연현상이 아주 작거나 발생되지 않는다. 선 ④ - ①이 포화곡선과 멀리 떨어질수록 백연발생 가능성은 줄어든다.

이를 본 발명에 따른 백연 경감방법에 적용해 볼 때, 건식부 조절부재(20)를 개방하여 공기량을 늘릴 경우, 습도가 증가되어 ②의 위치가 증가되며, 이에 따라 ④의 위치는 감소되고, 선 ④ - ①이 포화곡선 아래로 이동하여 백연현상이 감소된다.

한편, 상기 건식부 조절부재(20)의 개방을 확장하였음에도 불구하고, 상기 선 ④ - ①이 포화곡선을 초과할 경우, 습식부 조절부재(10)의 개방정도를 감소시켜 건식부로의 공기량을 늘려 줌으로써 건식부를 통과하는 공기의 습도를 더욱 감소시킴으로써, ③의 위치는 하부로 이동되고, ④의 위치가 감소되며 이로 인해 선 ④ - ①이 포화곡선 아래로 이동하여 백연현상이 감소된다.

아울러, 상기 공기혼합 조절부재(30)의 장착각도를 제어하는 단계는, 상기 건식부 조절부재(20)의 작동에 의해 유입되는 공기와 습식부 조절부재(10)의 작동에 의해 유입되는 공기의 유속에 대응하여, 수평의 습식부 혼합관(32)에 수직으로 장착된 건식부 혼합관(31)의 기울기를 제어하는 것으로써, 유속이 증가할수록 공기혼합영역을 넓히고 유속이 감소할수록 공기혼합영역을 줄일 수 있도록 20°~ 40°로 제어하는 것이 효과적인 것으로 나타났다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 백연경감 냉각탑의 운영시스템을 나타낸 흐름도로서, 본 발명에 따른 백연경감 냉각탑의 운영시스템은 수신부, 연산부, 비교부 및 조절부재 구동부로 구성되며, a) 수신부를 통해 대기상태 감지유닛과 토출공기 감지유닛에서 감지된 정보를 수신하고, b) 연산부를 통해 상기 수신부에서 수신된 정보를 바탕으로 대기의 상태와 토출공기의 상태를 절대습도 값으로 계산한 후, 대기 온도와 토출공기 온도 구간에서의 절대습도 상태선의 기울기를 연산하고, c) 대기의 온도와 냉각탑 토출공기의 온도 구간에서, 비교부를 통해 포화상태의 절대습도 값을 계산하여 절대습도 상태선과의 절대습도 차를 계산 및 비교하고, d) 조절부재 구동부를 통해, 상기 비교부에서 계산된 결과에 따라 조절부재의 구동신호를 출력하여 조절부재를 통해 유입되는 공기량을 제어한다.

상기의 계산 값 및 그에 따른 조절부재 개방정도는 냉각탑 운전자에게 시각화될 수 있도록 도 9에 도시된 바와 같이 비주얼 베이직(Visual Basic) 등으로 프로그램화하여 디스플레이할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 일반적인 백연경감 냉각탑의 개략적인 종단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백연경감 냉각탑의 개략적인 종단면도.

도 3은 일 실시형태에 따른 조절부재의 구성도.

도 4는 일 실시형태에 따른 공기혼합 조절부재의 상세도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 백연경감 냉각탑의 동작을 설명하기 위한 설명도.

도 6a는 t-i 선도의 일 예를 나타낸 그래프.

도 6b 내지 도 6g는 냉각탑의 설계조건에 따른 습공기선도와 백연과의 관계를 나타내는 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 습공기선도의 변화를 나타낸 그래프.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 백연경감 냉각탑의 운영시스템을 나타낸 구성도.

도 9는 도 비주얼 베이직으로 프로그램화하여 구현한 디스플레이의 일부를 캡쳐한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 습식부 도입공기 조절부재 20: 건식부 도입공기 조절부재

30: 공기혼합 조절부재 31, 32: 혼합관

40: 배기구 41: 냉각팬부

50: 냉각수 수로 60: 살수부

61: 비산제거기 70: 충진재

80: 집수조 90 : 중앙통제부

90a: 외부공기 감지유닛 90b: 토출공기감지유닛

90c : 회로처리부 91a: 유속감지유닛

91b : 혼합관 제어유닛

Claims (10)

1. 하부에 습식부와 상부에 건식부를 포함하는 백연경감 냉각탑에 있어서,

   상기 습식부 측부에 형성되는 하나 이상의 공기도입구로의 도입 공기량을 조절하기 위한 습식부도입공기 조절부재;

   건식부 측부에 형성되는 하나 이상의 공기도입구로의 도입 공기량을 조절하기 위한 건식부도입공기 조절부재;

   상기 건식부 내에 위치되어 공기도입구로 도입되는 공기를 혼합하기 위한 공기혼합 조절부재; 및

   상기 각 조절부재를 제어하여 도입되는 공기량을 제어할 수 있도록 통제하는 중앙통제부

   를 포함하는 백연경감 냉각탑.
2. 제1항에 있어서,

   상기 공기혼합 조절부재는

   일정간격을 갖는 다수의 습식부 혼합관;

   상기 습식부 혼합관의 길이방향에 대하여 경사 정도가 조절가능하게 설치되는 건식부 혼합관; 및

   상기 중앙통제부의 제어에 의해 상기 건식부 혼합관을 연직으로부터 경사지 게 회동시키기 위한 구동수단을 포함하는

   백연경감 냉각탑.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 중앙통제부는

   대기 및 상기 냉각탑의 토출공기의 상태변화에 영향을 주는 관련인자를 감지하는 감지수단; 및

   상기 감지수단으로부터의 신호를 제공받아 공기도입량을 제어하기 위해 상기 조절부재의 개방정도를 자동제어하는 회로처리부를 포함하는

   백연경감 냉각탑.
4. 제3항에 있어서,

   상기 회로처리부는

   상기 감지수단에서 감지된 값이 습공기선도 상의 포화곡선을 초과하는지 여부를 산출하여 상기 습식부도입공기 조절부재와 건식부도입공기 조절부재 중 하나 또는 모두의 개방정도를 제어하는

   백연경감 냉각탑.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 중앙통제부는 상기 공기혼합 조절부재의 건식부 혼합관의 경사 정도를 공기의 유속에 대응하여 상기 건식부 혼합관을 연직으로부터 20°~ 40°의 경사로 제어하는

   백연경감 냉각탑.
6. 제1항에 있어서,

   상기 습식부 중앙부위에서 상승되는 포화공기를 건식부로 유도하여 공기혼합의 효과를 증대시키기 위한 공기유도부재를 더 포함하는

   백연경감 냉각탑.
7. 하부에 습식부와 상부에 건식부, 및 건식부 내에 위치되어 습식부 및 건식부로 도입되는 공기를 혼합하기 위한 공기혼합 조절부재를 포함하는 백연경감 냉각탑의 백연 경감방법에 있어서,

   상기 공기혼합 조절부재는 일정간격을 갖는 다수의 습식부 혼합관과, 연직으로부터 경사 정도가 조절가능하게 설치되는 건식부 혼합관 및 상기 건식부 혼합관을 경사지게 회동시키기 위한 구동수단을 포함하고,

   대기 및 냉각탑의 토출공기의 상태의 변화에 영향을 주는 인자를 감지하고;

   상기 각 감지된 값이 습공기선도 상의 포화곡선을 초과하는지 여부를 산출하여 상기 건식부와 습식부 중 하나 또는 모두로 유입되는 공기량을 제어하며;

   상기 건식부로 유입되는 공기와 상기 습식부로 유입되는 공기의 유속에 대응하여 상기 건식부 혼합관을 연직으로부터 경사지게 제어하는

   백연경감 냉각탑의 백연 경감방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 감지단계에서 감지된 값이 습공기선도 상의 포화곡선을 초과할 경우, 상기 건식부로 유입되는 공기량을 증가시키는

   백연경감 냉각탑의 백연 경감방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 건식부로 유입되는 공기량을 증가시킨 후에도 상기 감지단계에서 감지된 값이 습공기선도 상의 포화곡선을 초과할 경우, 상기 습식부로 유입되는 공기량을 감소시키거나 폐쇄하는

   백연경감 냉각탑의 백연 경감방법.
10. 제1항에 따른 백연경감 냉각탑의 운영시스템에 있어서,

    대기 및 냉각탑의 토출공기의 온도 및 습도에 대한 정보를 수신하는 수신부;

    상기 수신부에서 수신된 정보를 바탕으로 대기의 상태와 토출공기의 상태를 절대습도 값으로 계산한 후, 대기 온도와 토출공기 온도 구간에서의 절대습도 상태선의 기울기를 연산하는 연산부;

    대기의 온도와 냉각탑 토출공기의 온도 구간에서, 포화상태의 절대습도 값을 계산하여 상기 절대습도 상태선과의 절대습도 차를 계산 및 비교하는 비교부; 및

    상기 비교부에서 계산된 결과에 따라 건식부와 습식부 중 하나 또는 모두로 유입되는 공기량을 제어하기 위한 제어부를 포함하는

    백연경감 냉각탑의 운영시스템.

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