KR20160054652A - 증기분사 진공 냉각장치의 하이브리드 시스템 - Google Patents

Abstract

지구 온난화로 점차 길어지는 여름철 장치 산업의 과부하로 냉각수온도 상승에 대하여, 기존의 냉각설비인 쿨링타워(냉각탑)의 냉각성능한계 및 핀튜브 공기 냉각기만으로 냉각 기능의 저하로 생산 공정의 생산성 저하의 주요 원인으로 지적되고 있다.
본 발명은 각종 장치산업의 열기기에 필요한 냉각수를 냉각시키는 냉각설비로서, 냉각설비의 가장 일반적 냉각탑과는 달리 증기 이젝터를 이용한 증발식 냉각설비에 관한 것이다. 특히 본 발명은 폐증기를 이젝터의 구동원으로 냉각 조건을 만드는 것과; 이젝터 응축기를 별도의 냉각수 대신 대기 공기를 이용한 핀튜브 공냉식 응축기를 사용한 것과; 설비 내에 안정적인 진공유지 및 불응축가스 제거를 위하여 수봉식 진공펌프를 사용하며; 증발증기와 액적의 비산 등이 대기로 무 배출 되는 과정; 사용되어진 폐증기와 증발증기의 100% 재활용 되는 것으로 공지된 냉각설비와 비교하여 효율성, 환경성 등의 효과가 우수한 장치의 시스템에 관한 것이다.

Description

증기분사 진공 냉각장치의 하이브리드 시스템{Hybrid system of steam jet vacuum cooling unit}

본 발명은 각종 장치산업의 열기기에 필요한 냉각수를 냉각시키는 냉각설비로서, 냉각설비의 가장 일반적 냉각탑과는 달리 증기 이젝터를 이용한 증발식 냉각설비에 관한 것이다. 특히 본 발명은 폐증기를 이젝터의 구동원으로 냉각 조건을 만드는 것과; 이젝터 응축기를 핀튜브 공냉식 응축기를 사용한 것과; 설비 내에 안정적인 진공유지 및 불응축가스 제거를 위하여 수봉식 진공펌프를 사용하여; 증발증기와 액적의 비산 등이 대기로 무 배출 되는 과정; 사용되어진 폐증기와 증발증기의 100% 재활용 되는 것으로 공지된 냉각설비와 비교하여 효율성, 환경성 등의 효과가 우수한 증기분사 진공 냉각장치의 하이브리드 시스템에 관한 것이다.

지구 온난화로 점차 길어지는 여름철 장치 산업의 과부하로 냉각수온도 상승에 대하여 기존의 냉각설비인 쿨링타워(냉각탑)의 냉각성능한계 및 핀튜브 공기 냉각기만으로 냉각 기능의 저하로 생산 공정의 생산성 저하의 주요 원인으로 지적되고 있다.

통상적인 냉각탑은 냉각수를 최대 대기온도까지 낮추는데 있다. 전동기의 동력으로 팬을 돌려 대기바람을 흡입하여 냉각수와 직접접촉 열교환 후 대기로 배출되는 과정에서 증발증기와 액적의 비산으로 순환수량의 약 2%가 대기로 날아가게 된다. 또한 고온의 물을 냉각 시킬 경우 다량의 백연 발생으로 민원의 대상이 될 수 있으므로 별도의 방지시설이 필요하기도 하다.

또한 핀 튜브 공기냉각기인 경우 일반적인 공업용수 순환 냉각기로는 저 효율 성능으로 잘 적용되지 않으나, 최근 물 부족 및 대기환경 규제로 중동지역이나 고온수(50도 이상)의 냉각수를 배출하는 공정 등에 사용되고 있다.

본 발명은 장치산업 및 에너지 다소비업체 등에서 필요로 하는 대용량 냉각수 순환시스템의 냉각수 냉각 장치로, 본 설비의 핵심 기기로 사용되는 증기 이젝터는 장치산업의 대형화, 공학적인 신뢰도가 높은 이유로 저효율에도 불구하고 각종 산업 플랜트에 많이 적용되고 있다.

통상적인 다단 이젝터 진공장치의 종래기술을 도 4과 도 5에서 도시하고 있으며, 도 4은 표면접촉식 응축기(20)를 사용하는 단단 증기이젝터(10)을 보여주고 있으며, 도 5의 종래기술 또한 직접접촉식 응축기(60)(바로메타릭 응축기)를 사용하는 다단 증기이젝터(10) 진공장치를 보여주고 있다. 증기 이젝터를 이용한 진공장치는 압축비의 한계로 진공도가 높을수록 단수가 늘어나게 된다. 또한 다단 증기이젝터 시스템에는 전단 이젝터와 후단 이젝터 사이에 중간 응축기 설치가 요구되는데, 이는 후단 이젝터의 흡입 용량을 줄여주는 목적으로 사용된다. 이와 같은 중간 응축기의 본체 내부 압력은 진공 상태이므로 응축수를 자중으로 배출하기 위하여 다단 증기이젝터 시스템은 지상에서 10미터 이상 높은 곳에 설치되어야 한다. 또한 증기이젝터를 이용한 진공장치에서 이젝터와 냉각수를 이용한 응축기 그리고 수봉식 진공펌프의 조합의 하이브리드 시스템은 이미 산업체에 오래전부터 적용하고 있다.

이와 같이 종래기술의 진공발생장치는 구동증기 소모량이 많으며, 설치의 제약과 냉각시켜야 할 냉각수만큼 별도의 냉각수가 필요한 점 등의 문제로 산업용 냉각수를 냉각하기 위하여 부적합하여 적용된 사례는 거의 없었다.

공개특허공보 제10-2012-0052302호에 증발수단, 응축수단, 이젝터 등을 포함하는 공조용 냉동시스템으로 공지되어 있고, 공개특허공보 제10-2010-0120915호는 터빈 발전시스템에서 배출된 증기를 수직원통형의 하우징 내부에 유입시켜, 냉각응축수와 접촉시켜 응축시키는 직접 접촉방식의 증기 응축방법이 공지되어 있으며, 공개특허공보 제10-2013-0120974호에 수증기 응축과정에서 수증기가 미세한 물방울로 응축되어 하얀 연기처럼 보이는 백연이 밖으로 토출되는 것을 경감하기 위하여, 냉각탑 내부에 소형 팬을 설치하여 냉각탑 내부 100% 습도공기를 낮은 습도공기와 혼합하여 백연을 경감하는 시스템이 공지되어 있다.

본 발명은 계절에 관계없이 산업체에서 냉각수의 필요한 온도를(예: 32)만들어 각종 장치산업의 열기기에 냉각수로 공급하고 다시 열을 받은 고온냉각수(예: 42)를 받아 냉각하는 증발기, 증기이젝터, 공냉식응축기, 분리탱크(응축수탱크), 수봉식 진공펌프 등과 결합된 밀폐형 냉각장치로서 대용량(500RT~5000RT)의 냉각수 처리에 유리하며, 대기로 증기(백연)방출이 없고, 폐 에너지 활용성이 높은 환경 친화적인 증기분사 진공 냉각장치의 하이브리드 시스템으로, 이러한 본 발명과는 상기 언급된 종래기술들은 목적이 다를 뿐 아니라 구성 및 작용효과가 상이한 것이다.

본 발명은 한 여름에 필요로 하는 대용량의 냉각수 온도를 순간 냉각하여 연속적이고 안정적으로 생산 가능한 냉각설비로서 (1) 증발기의 한정된 공간에서 표면 진공증발의 효과 극대화와 단면적 확보를 위한 원추식 트레이 증발기와; (2)비교적 높은 엔탈피을 보유한 폐증기 또는 여름철 잉여 증기를 구동유체로 하는 증기 이젝터를 진공유지용으로 사용하여 일정한 진공압력 하에서 대용량의 증발증기를 안정적으로 흡입 토출 가능한 것과; (3)이젝터에서 토출되는 혼합가스를 응축하기 위한 응축기를 핀튜브 공랭식 응축기를 사용하여 혼합가스 응축에 별도의 냉각수가 필요치 않은 것. 그리고 후단 이젝터를 대신해서 수봉식 진공펌프와 조합하여 증기 소모량을 줄이고 진공발생의 효율성을 높인 것과; (4) 잠열만 회수된 양질의 응축수는 별도 처리 없이 보일러 용수로 사용하는 것과; (5) 증발에 의해 냉각된 냉각수는 진공으로 탈 가스 되어 산소 혼입이 극히 희박하게 되어 배관 부식을 현저히 저감시키는 증기분사 진공 냉각장치의 하이브리드 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 냉각수 냉각설비는 증기분사 증발식으로 액체 표면의 원자나 분자가 끓는점 미만에서 기화하는 현상으로 액체의 표면에서 일어나는 기화현상(증발)의 공정을 냉각기에 적용한 것이다. 즉 순환되는 냉각수가 장치 내의 압력-온도 관계에서 높은 압력에서 보다 낮은 압력에서 액체의 비등점(Boiling Point)이 낮다는 것이 본 장치의 발명에 기본원리이다.

본 발명의 냉각설비는 증기이젝터(100), 증발기(200), 핀튜브 공냉식응축기(300)와 수봉식 진공펌프(500)로 구성된다.

보조 구성 요소로는 응축수탱크(기액분리탱크 400), 냉각수 순환 펌프(201), 응축수 배출펌프(401), 압력 및 유량 조절 밸브 그리고 제어 부품으로 유량계, 압력계, 온도계 등을 포함한다.

도 1은 주요 구성품의 흐름을 나타내는 블록 다이아그램으로 나타내며, 도 2는 구성부분의 배치를 보여주고 있다.

본 발명에서 진공발생장치는 증기실(steam chest, 101), 흡입실(suction chamber,102), 분사노즐(jet nozzle,103), 디퓨져(diffuser,104)의 주요 구성으로 설비의 진공유지로 저온 증발상태를 만들어 증발증기를 흡입하는 증기이젝터(100)와;

상기 증기이젝터(100)란 구동증기가 보유하는 에너지를 이용하여 노즐(103)에서 고속 분출시켜(마하 2~3의 속도) 증기흡입관(208)을 통하여 증발기(200) 내부를 소정의 압력과 온도까지 형성되게 하는데 이용된다.

냉각수에서 증발되는 증기가 증기흡입관(208)을 통하여 증기이젝터(100)의 흡입실(102)로 유입되면서 냉각수가 냉각되도록 형성되며, 유출된 증발증기량을 보충하기 위한 보충수가 유입되는 보충수유입관(206)이 형성된 증발기(200)와;

상기 증기이젝터(100)의 디퓨저(104)에서 나오는 구동증기와 증발증기의 혼합증기는 공랭식응축기(300)의 증기헤드(301)에서 다관의 핀튜브(302) 내부에 유입되며, 외부 팬(304) 가동으로 대기 공기를 흡입 핀튜브(302) 외부 표면에 접촉시켜 튜브 내부의 증기를 응축시키는 공냉식응축기(300)와;

상기 공랭식응축기(300)에서 응축된 응축수는 자중으로 흘러 응축수와 불응축가스를 분리 저장하는 기 액 분리탱크(400) 및;

상기 분리탱크(400) 내의 불응축 가스와 동반 수증기를 흡입하여 공랭식응축기(300)의 핀튜브 내의 압력(증기이젝터(100)의 토출압력)을 유지하게 하는 수봉식 진공펌프(500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기분사 진공 냉각장치의 하이브리드 시스템에 관한 것이다.

상기 분리탱크(400)에 저장되는 응축수의 일부는 증발기와 응축탱크의 압력차로 증발기의 보충수유입관(206)으로 증발량만큼 보충수로 사용되고, 나머지 응축수를 보일러 용수로 사용할 수 있다.

상기 수봉식 진공펌프(500)에 흡입된 불응축 가스와 동반 수증기 그리고 진공펌프에 유입된 봉수량은 최종 분리기로 통하여 불응축 가스는 불응축가스 배출구(505)로 대기 방출되고, 액체는 드레인(506)관으로 배출된다.

상기 증발기(200)의 고온냉각수관(205)으로 유입 된 고온냉각수는 증발 잠열에 의해 순간 증발되고 남은 액체는 증발열의 방출로 열을 빼앗겨 평균 운동 에너지가 낮아져 온도가 내려간다. 따라서 낮은 온도의 액체를 생산하기 위하여 외부에서 높은 열량을 보유한 액체(고온냉각수)가 보충되면 증발은 계속 일어나게 되며, 증발기 하부의 저온냉각수관(202)과 연결된 냉각수 순환 펌프(201)로 연속적으로 저온냉각수를 생산하여 각종 생산 공정 열기기의 냉각공정에 사용되며, 이에 열을 받은 고온냉각수는 본 냉각 설비의 증발기로 재순환하는 냉각수 공급 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 증기분사 진공 냉각장치의 하이브리드 시스템은 증기이젝터(100), 증발기(200), 공랭식응축기(300), 분리탱크(400) 및 수봉식 진공펌프(500)의 개별적 구성요소의 특성을 최적의 상태로 결합한 시스템이며, 이러한 개별 구성요소의 최적상태 결합에 의해 여름철에 처리 곤란한 폐증기 또는 잉여증기를 이젝터 구동증기로 사용하여 냉각수를 안정적으로 생산 공급하는 에너지 활용성이 높은 냉각시스템인 것이다.

또한 본 발명의 냉각 설비는 밀폐 시스템이므로 냉각수가 외부로 유출 될 경우가 거의 발생하지 않으므로 별도로 냉각수 보충이 필요 없다. 특히 높은 열을 가진 냉각수 처리하는 과정에서도 대기로 방출되는 증기가 없기 때문에 백연발생과 같은 대기환경 문제를 유발하지 않은 매우 친환경적인 시스템 구현인 것이다.

본 발명의 시스템이 하이브리드 시스템이 것은, 구성품 중에 공급되는 액체의 온도와 증발기 내의 압력으로 작동되는 증발기(200)와 증기를 구동원으로 작동되는 증기분사 이젝터(100)와 같이 유체의 물리적인 에너지로 작동하는 것과 이들과 결합하는 핀튜브 공냉식 응축기(300)의 팬(304)과 수봉식 진공펌프 그리고 냉각수 순환 펌프, 응축수 배출펌프와 같은 회전체 기기로 전동기 가동으로 작동되는 시스템의 구성부분이다. 이와 같이 주기기의 작동 동력원이 유체의 물리적인 구동과 전기를 사용하여 가동되는 전동기와 조합으로 이루는 장치가 하이브리드이며, 따라서 본 발명의 냉각설비는 하이브리드 시스템인 것이다.

본 발명은 버려지는 폐증기(2~3bar)나 여름철 잉여증기를 구동증기로 사용하는 것과, 설비의 진공발생기를 이젝터를 사용하므로 대용량 그리고 고온의 냉각수를 처리하기가 용이한 것과, 증발기내의 원추형 트레이를 설치하여 표면증발에 필요한 단위 면적을 극대화 시킨 것과, 이젝터 응축기를 핀튜브 공랭식을 적용하여 별도의 냉각수 공급이 필요 없을 뿐 아니라, 증기이젝터에 상용된 증기와 증발증기의 응축수는 보일러용수 또는 냉각수 보충수 등으로 재활용할 수 있도록 구성되어 에너지효율성이 높은 하이브리드 냉각수 공급 시스템을 제공하는 효과가 있다.

또한 본 발명의 시스템은 고온의 냉각수를 냉각하는 과정에서 외부로 방출되는 증발증기 또는 액적이 없어 백연발생으로 같은 대기환경의 문제를 유발하지 않은 친환경적인 냉각수 공급 시스템인 것이다.

또한 본 냉각설비는 진공 증발의 원리로 냉각하므로 증발잠열에 의한 냉각과정에서 통상적인 대기공기의 직접접촉으로 냉각하는 냉각탑과는 달리 냉각수 내에 존재하는 용존산소와 수처리시 사용되는 화학물질 등을 증기이젝터로 완전 탈 가스 시킴으로써 냉각수를 사용하는 각종 열기기 및 배관 등의 산화방지에 탁월하여 장치의 부식을 방지하여 보수 기간을 연장할 수 있도록 해 주는 효과가 있다.

도 1: 본 발명의 블록 다이아그램으로 흐름을 개략적으로 도시한 것이다
도 2: 본 발명을 정면에서 바라본 구성을 도시한 것이다.
도 3: 본 발명을 한 측면에서 바라본 구성을 도시한 것이다.
도 4: 본 발명의 실시 예의 기본설계의 흐름 결과를 나타낸 것이다.
도 5: 종래기술의 표면응축기와 다단 이젝터 시스템을 도시한 것이다.
도 6: 종래기술의 직접접촉응축기와 다단이젝터 시스템을 도시한 것이다.

본 발명의 일 실시예를 도면을 참고로 설명코자 한다.

본 발명의 일 실시예의 구성과 기본설계 결과를 도 4에 나타낸 것으로, 먼저 장치산업의 각종 열기기에서 열교환 되어 온도를 가진 냉각수는 증발기(200)의 고온냉각수관(205)을 통하여 유량제어를 위해 설치된 냉각수 노즐(204)에서 분사된다. 아래는 설계 예시에 냉각장치의 열 그리고 질량의 평행에 대한 기본설계와 결과이다.

열 그리고 질량의 평행설계

1) 순환냉각수유량(W₂) : 200,000 kg/hr

2) 순환냉각수 입구온도(고온냉각수;T2) : 42℃

3) 저온냉각수 출구온도 (Tr) : 32℃

4) Wi : 보충수 유량

5) Ti : 응축수 온도

6) 증발압력(흡입압력 ; Ps) 47.56 mbar

7) 구동증기(Pm) 3 barg

8) 토출압력(핀튜브 공랭식 응축기 입구압력 Pd) : 150 mbar

9) 증발 잠열(hv) : 579.2 kcal/kg

10) 냉각수 비열(C_P) : 1 kcal/kg·℃

11) 냉각용량(Q_R)

= 2010500 kcal/hr

12) 증발량(W_V)

= 3469.8 kg/hr

여기서 증발증기의 량이 약 3470(kg/hr) 이므로 순환냉각수에서 증발된 만큼 보충이 필요하므로 증발기에 설치된 레벨센스(203)에 의해서 지정한 레벨 범위에서 간헐적으로 보충수가 증발기내에 유입된다. 설계에서는 일정한 수량이 공급한다고 가정하여 약 3500(kg/hr)로 정한다. 보충수의 유입 온도는 공랭식응축기에서 응축된 온도 즉, 포화압력에서 상변화의 응축수 온도(52.5℃)를 최대 온도로 설계하였다.

상기 조건은 진공장치의 증기 이젝터가 흡입압력을 유지하면서 증발증기량을 흡입 할 경우에 가능하다.

증기 이젝터(100)의 성능은 구동증기의 압력과 흡입압력의 비(이상 팽창비)와 토출압력과 흡입압력의 비(이상 압축비) 그리고 흡입유량과 구동유량의 비(이상 유량비)와 같은 무차원의 3가지 인자가 좌우한다.

팽창비의 경우 100에서 1000이상이 이젝터 설계에서 유리 할 수 있으나, 본 발명에서는 저압의 구동증기를 사용 하므로 40~80 정도의 팽창비로 안정적인 성능을 보장하는 것은 수봉식 진공펌프(500)와 조합으로 낮은 압축비의 설계로 가능하게 하였다.

200(m3/hr) 냉각수량을 32로 공급하기 위해서는 증발기내의 증발조건을 47.56 mbar의 압력을 유지하여 고온의 냉각수(42)가 증발기에 유입되어 증발기에 설치된 트레이(207)의 표면에서 증발열의 발생으로 온도를 낮추게 한다. 이와 같이 증발은 액체표면에서 시작되므로 한정된 공간의 증발기에서 최대의 표면면적을 확보하기 위하여 트레이를 원추형으로 설계되었다.

한편 증기 이젝터에서 구동증기와 흡입한 증발증기의 양 유체는 혼합하여 핀튜브 공냉식 응축기(300)의 상부 증기헤드(301)에 토출되어 다관의 핀튜브(302) 내부로 분포된다.

핀튜브 공냉식 응축기(300)는 일반적으로 설치면적과 열효율 면에서 A형이 유리하며, 전동기에 의한 팬 구동으로 대기공기로 열교환된다.

팬 구동으로 흡입된 대기공기는 핀튜브 외벽에 접촉하여 튜브내의 증기의 상태를 온도(52.5℃)와 압력(150mbar)의 변화 없이 열의 방출로 응축시키다. 다관 핀튜브에서 상태변화된 응축수는 응축수 헤드(303)에서 자중으로

분리탱크(응축수탱크 400)에 유입된다.

설비에서의 미량의 공기누수 또는 냉각수에서 용존산소 그 외 화학적인 불응축가스는 분리탱크에서 응축수와 분리되어 불응축가스는 수봉식 진공펌프에 흡입되어 대기로 방출되고 응축수의 일부는(증발기에서 증발된 량) 증발기 보충수로 사용되고 일부(구동증기량)는 분리탱크의 레벨센스(401)의 제어로 응축수 배출펌프(402)로 보일러 급수용으로 이송된다.

이상과 같이 대용량의 냉각수를 필요로 하는 에너지 다소비업체의 생산량 증가 또는 부하변동이 심한 한 여름철에도 안정적으로 냉각수 공급이 가능한 냉각설비이며, 증발 압력의 제어로 생산 공정에 필요한 냉각수 온도 변화 범위를 쉽게 변경할 수 있다.

본 발명은 냉각수를 냉각하기 위하여 폐증기 사용과, 증기이젝터(100)와 증발기(200) 그리고 핀튜브 공랭식응축기(300)와 수봉식 진공펌프(500)의 최적화한 대용량 냉각수처리의 하이브리드 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 구성은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 통상의 기술범주에서 실시할 수 있는 다양한 실시 예를 포함하는 것이다.

100:증기이젝터 101:구동 증기실 102:흡입실 103:증기노즐 104:디퓨져 200:증발기 201: 냉각수순환펌프 202:저온냉각수관 203:레벨 게이지/센스 204: 냉각수 노즐 205:고온냉각수관 206:보충수유입관 207: 원뿔형트레이 208:증기흡입관 209:유량조절용밸브 300:공냉식응축기 301:증기헤더 302:핀튜브 303:응축수헤드 304:팬/전동기 400:분리탱크 401:레벨게이지/센스 402:응축수 배출펌프 403:진공펌프흡입관 500:수봉식 진공펌프 501:모터 502:진공펌프 503:분리기 504:봉수입구 505:불응축가스배출구 505:드레인 600:생산 공정의 열기기
도 5, 도 6
10,50:다단 증기이젝터 20,60:표면접촉식/직접접촉식 응축기 30,70: 응축수 저장조 41,81:구동증기 공급관 43,82:증기흡입관 44,83:냉각수 공급관 46,86: 불응축가스 배출구

Claims (1)

1. 진공발생장치의 구동원을 폐증기 또는 잉여증기를 구동증기로 사용하고, 냉각수 대용량(500RT~5000RT)을 42이상의 고온냉각수에서 32이하의 저온냉각수로 냉각하는 대용량의 증발증기 내부에 안정적인 진공증발 상태를 형성하는 증기이젝터(100)와;
   
   상기 증기이젝터(100)로 증발기(200) 내부를 음압 형성하여 표면적이 넓게 형성된 원추형 트레이 표면을 따라 표면진공증발의 발생으로 고온냉각수가 순간 냉각되고, 냉각수에서 증발로 유출된 수량만큼 핀튜브 공랭식응축기(300)에서 나온 응축수를 보충수로 사용하여 냉각과정의 냉각수 손실이 제로가 유지되도록 형성된 증발기(200)와;
   
   상기 증기이젝터(100)의 구동증기와 흡입된 증발증기의 응축과정에서 별도의 냉각수를 사용하지 않고 전동기에 의한 팬(304)구동으로 대기공기로 응축하는 상변화 핀튜브 공냉식응축기(300)와;
   
   상기 증기이젝터(100)와 조합으로 2~4bar의 구동증기로 고진공 유지를 가능하게 하는 수봉식 진공펌프(500) 및;
   
   응축탱크(400) 내의 불응축가스를 분리하고 상온보다 높은 온도를 보유한 응축수는 보일러 용수로 사용되도록 형성되어 버려지는 응축수가 없도록 형성된 것을 특징으로 하는 증기분사 진공 냉각장치의 하이브리드 시스템.

Images