KR20190098535A - 다단직교류형냉각탑 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 열교환부는 내측에 특정 피치 간격으로 배열되는 판형 충진재를 구비하되, 상기 충진재들 간의 간격은 다층의 장치공간부 중 하층으로 갈수록 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

다단직교류형냉각탑{Multi-stage cross flow type cooling towers)}

본 발명은 다단직교류형냉각탑에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물리적 화학적 이물질 제거가 가능한 냉각수 순환구조를 구비하는 다단직교류형냉각탑에 관한 것이다.

냉각탑이란 열교환기를 통과한 고온의 냉각수를 인위적인 기계적 작용으로 공기와 접촉시켜 저온수로 냉각시키는 장치이다. 냉각작용은 물과 공기의 온도차를 이용하는 열전달에 의한 감열과 물자신의 증발을 이용하여 냉각하는 잠열을 이용하는 방식 이 두가지로 이루어진다.

냉각탑은 냉각유체(냉각수 또는 냉매)를 이용하는 냉동기나 산업용 열교환기 등에서 수반되는 폐열을 제거하는 폐열 제거장치일 할 뿐만 아니라, 외기 온도가 낮은 동계나 동계와 하계사이의 중간계절(초봄 또는늦가을)에 소비동력이 큰 냉동기 대신 냉수를 생산하여 외기냉수냉방(free cooling)을 하는 가장 경제적인 냉열원 생산장치이기도 하다.

통상 냉방용 냉수를 냉각하는 증발냉각식 냉각탑은 증발냉각식 냉각기(evaporative cooler)라 부르고, 냉매를 응축하는 증발 냉각식 냉각탑은 증발식 냉각식 응축기(evaporative condenser)라 부르기도 하며, 냉각수를 냉각하는 공냉식 냉각탑은 공냉식 냉각기(dry cooler)라 부르고, 냉매를 응축하는 공냉식 냉각탑은 공냉식 응축기(air cooled condenser)라 부르기도 한다.

일반적으로 냉각탑은 냉각공기와 냉각수의 유동 방식에 따라, 냉각공기는 상향으로 유동되고 냉각수는 하향으로 유동되는 대향류형(counter flow type), 냉각공기는 수평으로 유동되고 냉각수는 하향으로 유동되는 직교류형(cross flow type), 냉각공기와 냉각수가 같은 방향으로 유동되는 평행류형(parallel flow type)으로 대분된다.

이와 같은 냉각탑은 냉각의 특성별 다양한 형태, 구성 및 방식을 가지고 냉각을 이루며, 그 형태, 구성 및 방식을 분류함에 있어, 냉각작용은, 액체(냉각수, 냉각오일 등)의 온도를 낮추는 유체냉각(fluid cooling), 기체(냉매가스, 증기 등)를 냉각하여 액체로 응축하는 유체응축(fluid condense)으로 분류될 수 있다.

그리고 냉각 방식(cooling method)은, 습식 냉각 열교환부(wet cooling type heat exchanger)에서 냉각공기와 접촉하며 유동하는 냉각수(cooling water)일부가 증발되면서 발생되는 증발잠열에 의해 냉각수를 냉각하는 증발냉각{(evaporative cooling/ 또는 습식 냉각(wet cooling)}, 건식 냉각 열교환부(dry cooling type heat exchanger)의 밀폐된 전열관(heat transfer tube) 내를 유동하는 냉각유체(cooling fluid)를 전열관의 외표면으로 유동하는 냉각공기의 현열(sensible heat)로 냉각하는 공기냉각(dry cooling), 습식 냉각 열교환부와 건식냉각 열교환부를 조합한 혼식열교환부(hybrid cooling type heat exchanger)를 통해 냉각유체를 냉각하는 혼식냉각(hybrid cooling)으로 분류될 수 있다.

또한 열교환부의 방식은, 충진재(fillers) 내로 냉각수와 냉각공기가 유동하면서 상호 접촉에 의하여 증발 열교환하는 습식 개방형 열교환부(open circuit-wet cooling type heat exchanger), 피 냉각유체(냉각수 또는 냉매)가 관내로 유동하는 밀폐된 전열관의 외표면 상에 냉각수와 냉각공기가 접촉하면서 증발 열교환하는 습식밀폐형 열교환부(close circuit-wet cooling type heat exchanger), 개방형 열교환부와 밀폐형 열교환부를 조합한 혼식 열교환부(hybrid type heat exchanger), 피 냉각유체가 유동하는 밀폐된 전열관의 외표면 상에 냉각공기를 유동시키면서 현열 열교환하는 건식 밀폐형 열교환부(close circuit-dry cooling type heat exchanger)로 분류될 수 있다.

개방형 열교환부의 충진재(fillers)는, 열교환 표면적을 넓힌 다수의 필름시트(film sheet)로 이루어지는 필름형 충진재(film type fillers), 충진 공간내에 특정한 스플래시 형태(splash shape)를 가진 막대(bar)를 상하로 계속 교차하게 배치하여 낙하되는 냉각수를 충돌시키어 잘게 부수고 낙하를 반복적으로 방해하여 미세한 물방울과 공기의 접촉면을 늘리는 다수의 스플래시 막대(splash bar)로 이루어지는 비말형 충진재(splash type fillers)로 분류 될수 있다.

그리고 밀폐형 열교환부는, 피 냉각유체가 유동하는 전열관, 전열관의 일측 단부가 연결되는 냉각유체유입헤더, 전열관의 타측 단부가 연결되는 냉각유체유출헤더로 이루어질 수 있다.

또한, 살수부는, 직교류형냉각탑에 주로 적용되며 상부가 개방된 살수수조(distribution basin or hot water basin)와 살수수조의 바닥을 관통하며 구비되는 다수의 살수구(spray holes or nozzles)를 갖는 중력식 살수부(gravity sprinkle type distribution system)와 대향류형 냉각탑에서 주로 적용되며 냉각수 분배관(distribution pipe)과 냉각수 분배관에 구비되는 다수의 살수구(spray nozzles or holes)을 갖는 압력식 살수부(pressurized sprinkle type distribu tion system)로 분류될 수 있다.

송풍팬은, 흡입통풍 냉각탑(induced draft cooling tower)에 주로 적용되는 축류형 팬(axial type fan)과 압입통풍 냉각탑(forced draft cooling tower)에 주로 적용되는 원심형 팬(centrifugal type fan)으로 분류될 수 있다.

그리고 송풍팬의 구동방식은, 벨트구동식(belt drive type), 감속기구동식(gear reducer [0012] drive type) 또는 직결구동식(direct drive type)으로 분류될 수 있다.

다음으로, 본 발명이 대상으로 하는 직교류형냉각탑은, 대향류형 냉각탑 대비 낮은 펌프 양정(pumping head), 낮은 운전소음, 점검 및 보수의 편리, 설치부지 제약에 따른 냉각부의 수직 확장이 유리한 구조는 물론, 낮은 운전비용 등의 장점으로 공기조화용 냉각수요를 지배하고 있음은 물론 산업용 냉각분야에서도 널리 사용되고 있다.

냉각탑 설치시 공해요소에 대한 검토는 필수불가결 하다. 냉각탑의 공해요소는 진동, 소음, 비산, 백연이며, 설치장소의 밀집화와 환경 안락화 요구에 따라 전통적인 진동, 소음 문제 뿐 아니라 비산, 백연이 점점 더 문제점으로 대두되고 있다.

물의 온도를 떨어뜨리기 위해 송풍기로 강제통풍하여 공기와 냉각수를 직접 접촉시켜 열교환시킨다음 배출시킨다. 비산은 이과정에서 냉각수의 작은 물방울이 공기와 함께 외부로 배출되는 것을 말한다. 단, 증발한 수증기는 포함되지 않는다. 이 비산을 줄이기 위해서는 엘리미네이터를 설치하며, 물방울을 공기와 분리시키는 기능을 한다.

비산은 바람에 의해 물방울이 날리거나, 공기입구의 루바에서 튀어 나가는 낙하수도 포함된다. 다만, 무리하게 비산을 감소시킬 경우 압력손실이 커지게 되고, 압력손실이 커지면, 공기저항의 과다로 팬동력이 커지는 결과를 낳는다.

한편, 순환수가 반복 증발함에 따라 용해물은 전혀 제거되지 않고 더욱 고형물이 농축해서 순환수가 배관의 부식성을 높이고 스케일을 형성하기 쉽게 되므로 순환수의 일부를 버리는 블로우다운(Blow down)을 수행한다. 이외에도 용해되지 않고 부유하는 이물질을 거르기 위하여 다양한 여과장치나 필터들을 활용하고 있는 실정이나, 이러한 필터등의 경우 일회성 사용에 그치기 때문에 경제적인 손실 뿐 아니라 환경오염의 문제까지 대두된다.

본 발명은 복수의 층구조로 형성되는 장치공간부에 각각 구비되는 열교환부를 통과하는 에어의 저항력을 각각의 층별로 달리 형성함으로써 전체적으로 균일한 풍압, 풍속 등을 형성할 수 있는 다단직교류형 냉각탑을 제공한다.

본 발명에 따른 열교환부는 내측에 특정 피치 간격으로 배열되는 판형 충진재를 구비하되, 상기 충진재들 간의 간격은 다층의 장치공간부 중 하층으로 갈수록 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 다단 구조로 구비되는 열교환부 내의 충진재들 간의 간격(피치)을 높이에 반비례하도록 형성하여 열교환부를 통과하는 에어의 저항력을 각각의 층별로 달리 형성함으로써 전체적으로 다층 구조별 균일한 풍압, 풍속 등을 형성할 수 있는 다단직교류형 냉각탑을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단직교류형냉각탑을 수직방향으로 잘라본 개략적인 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 살수부를 수직방향으로 잘라본 개략적인 횡단면도이다.
도 3은 도 1의 살수부 및 집수부를 수직방향으로 잘라본 개략적인 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환부를 나타내는 개략도이다.
도 5는 열교환부의 일 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 6 및 도 7은 일 실시예에 따른 충진재를 나타내는 개략도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단직교류형냉각탑의 개략적인 수직방향으로 잘라본 횡단면도이고, 도 2는 도 1의 살수부에 대한 개략적인 수직방향으로 잘라본 횡단면도이며, 도 3은 도 1의 살수부 및 집수부에 대한 수직방향으로 잘라본 종단면도이다.

본 발명의 제1실시 예의 다단직교류형냉각탑(1a)은, 급기구(13)가 구비되는 장치공간부(14)을 형성하는 측부케이싱(11a)과, 측부케이싱(11a)의 하단부에 구비되는 베이스프레임(50)과 냉각탑기초(160)를 포함한다. 이와 같은 각각의 프레임들은 다층의 장치공간부(14)들을 다층으로 구분하여 형성하게 되며, 각각의 장치공간부(14)에는 개별적으로 열교환부(20)들이 구비되며, 이러한 열교환부(20)에 냉각수를 유입시키고 회수하기 위한 배관들이 각각 구비된다. 이외에 각종 구성부들을 지지하기 위한 구성들과 다단직교류형냉각탑(1a)의 외형을 형성하는 케이싱들에 대한 구성은 선행문헌 1(대한민국등록특허 10-1694122) 등에 유형별로 기재되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 이중에서도 냉각수를 유입시키고 회수하기 위한 순환 경로 및 관련 구성부들이 주요 기술적인 특징들을 구비한다.

한편, 유지 보수를 위한 편의 시설로서 집수조(100) 상부의 측부케이싱(11a)을 개구하여 구비되며 개폐식출입구(115a)가 장착되는 출입구개구(114)와, 개폐식출입구(115a)의 하부 장치공간부(14)에서 장치공간부(14)으로 작업자가 출입할 수 있도록 상기 장치공간부(14)에 구비되는 사다리(140)를 구비한다.

본 발명에 따른 열교환부(20)는 단면 기준으로 사다리꼴 형상의 타입으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지는 않으며 이외에도 상술한 선행문헌 1과 기타 직교류형냉각탑 등에 포함된 다양한 타입의 열교환기가 이용될 수 있다.

열교환부(20)는 장치공간부(14) 내에 배치된다. 열교환부(20)의 외측(장치의 내외를 기준으로 함)에는 루버(23)가 구비되고 내측에는 엘리미네이터(24)가 구비된다.

직교류형 냉각탑(induced draft cross flow)의 경우 공기는 냉각탑 하부에서부터 상부까지 설치되어 있는 루버(23)로 들어가서 충진재(25)와 엘리미네이터(24)를 수평으로 이동하고 FAN을 향하여 이동하여 밖으로 토출된다. 물은 각 배관들을 통하여 분배되어 충진재(25)의 상부로부터 유입되어 충진재(25)를 거쳐 하부수조로 떨어진다.

즉, 공기는 수평으로 이동하고, 물은 수직으로 흐른다. 직교류형 냉각탑 의 경우 산수관 노즐의 분사압이 대향류형 냉각탑에 비하여 낮다.

살수부(30)는 열교환부(20)로 냉각수를 살수한다. 도 2 및 도 3을 참조하여 집수부(100) 및 최하단 집수부(100a)를 설명한다.

집수부(100)는 열교환부(30)로부터 수직방향으로 흐르는 냉각수가 집수되는 구성부이다. 헤더보(32)는 살수되는 냉각수의 이탈과 냉각공기의 우회유동을 방지하기 위하여 열교환부(20)의 상부에 형성되는 살수공간(19)의 일측을 구획하고, 상부가 집수부(100)의 하부에 밀착되게 배치되어 집수부(100)를 지지하며, 상단결합프레임(50b)과 상호 지지한다. 냉각수유입구(31)는 헤더보(32)의 저판을 관통하는 한 쌍으로 구비되며, 헤더보(32)의 외측 측판 상부와 연통하게 형성된다. 살수부(30)는 상판(35)과, 상기 상판(35)과 소정의 간격을 두고 평행하게 구성되며 다수의 살수공으로 형성되는 살수구(34a)가 구비되는 저판(351)과, 상판(35)과 저판(351)사이에 형성되는 3면의 측판과, 상판(35) 상에서 작업하중의 지지력을 강화하기 위하여 상판(35)의 저면에 구비되는 복수의 보강보(37)와, 상판(35)과 저판(351)을 상호 지지하게 구비되는 복수의 지지대(36)로 구성된다.

또한 살수부(30)는 통형상의 살수실(33)이 형성되어 압력 살수식으로 냉각수를 살수할 수 있다. 보수구(46a)는 일측 단부가 상기 헤더보(32)의 내측 측판을 관통하여 결합되고 타측단부에는 플랜지가 구비되는 직사각형의 관상체로 구성된다.

내측의 지지보(51)는 상기 헤더보(32)의 내측 측판 하부에 구비되며, 외측의 지지보(52)는 살수실(33)의 외측 측판의 저부(351)에 구비되어 상부에 결합되는 구성부들을 지지한다. 살수실(33)의 저판 양측에 구비되는 지지보(53)는 하단결합프레임(50e)과 상호 지지한다. 외측구획부재(17a)는 열교환부(20)의 상부와 살수부(30)의 하부사이에 형성되는 살수공간(19)의 타측을 구획한다.

한편, 최하단 집수부(100a)는 최하단 열교환부(20)의 하부에 배치되며, 배수구(104)가 구비된다. 한편, 최하단 집수부(100a)를 제외한 집수부(100)들에 각각 구비되는 여과부(106)는 상기 배수구(104)로 유출되는 냉각수의 부유물질 등의 오염물질을 여과한다.

도 1을 참조하여 설명하면, 냉각수를 공급하기 위한 구성부들은 다음과 같다.

냉각수공급관(80)은 장치공간부(14) 내에 기립배치되며, 하단부에는 냉각수유입구(81)가 구비되어 냉각수를 유입시킨다. 냉각수공급관(80)의 상부에는 상기 살수부(30)로 냉각수를 공급하는 냉각수분기구(미도시)들이 구비되며, 이를 통하여 냉각수공급관(80)을 통하여 유입되는 냉각수가 각 냉각수분배주관(91)으로 공급된다. 냉각수분배주관(91)에 공급된 냉각수는 유량조절밸브(93)와 여과부(94) 등을 통하여 냉각수분배관(92)으로 유입된다.

또한, 냉각수유출관(95)은 집수조(100)로부터 배수구(104)를 통하여 배출되는 냉각수가 최하단 집수조(100a) 또는 배수구(102)에 도달하게 된다.

즉, 냉각탑(1a)이 가동되면 고온의 냉각수가 냉각수유입구(81), 냉각수공급기둥관(82), 냉각수분기구를 통해 냉각수분배주관(91) 및 냉각수분배관(92)에 공급되고, 이후 살수부(30) 각각에 독립적으로 공급된다.

여기서, 시운전시 살수부(30)로 유동하는 냉각수 유량은 유량조절밸브(93)의 조절로 세팅하고, 유지보수 점검에서, 점검창을 통해 살수 유량의 불균형이 확인될시 유량조절밸브(93)를 통해 유량을 다시 조절할 수 있다. 살수부(30)로 공급된 냉각수는 살수되어 열교환부(20)를 통과하면서 열교환을 이루고, 냉각된 냉각수는 최하단 집수부(100a)에 집수된다.

최상단의 살수부(30)로 공급된 냉각수는 살수되어 열교환부(20)를 통과하면서 열교환을 이루고, 열교환된 냉각수는 집수조(100), 배수구(104) 및 냉각수유출관(95)를 통해 최하단 집수부(100a)로 안내된다.

최하단 집수부(100a)에 집수된 냉각수는 배수구(104)를 통해 냉각부하설비(장치)로 공급되고, 냉각부하설비(장치)로부터 열교환을 마치고 폐열을 흡수한 고온의 냉각수는 다시 냉각탑(1a)으로 순환되며 이와 같은 냉각작용은 냉각탑(1a)이 운전되고 있는 한 반복된다.

물의 온도를 떨어뜨리기 위해 송풍기(60)로 강제통풍하여 공기와 냉각수를 직접 접촉시켜 열교환시킨다음 배출시킨다. 송풍기(60)는 수평 또는 상향 경사기류로 유동되는 배기를 수직기류로 전환하여 배출하며, 배기구(16)측과 상부는 개방되고 그 외 3면은 배기구(16)측 측부케이싱(11b')과 일체하는 측벽으로 이루는 배기스택(130)을 더 포함하여 구성한다.

한편, 이후 설명할 취출부는 각 집수부(100)로부터 최하단 집수부(100a)에 이르는 배수경로 상 또는 최하단 집수부(100a)를 통하여 냉각부하설비로 향하는 경로 상 또는 폐열을 회수한 후 상술한 냉각수유입구(81)를 통하여 유입되기 직전의 경로 상에 구비될 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하여 일 실시예에 따른 열교환부를 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환부를 나타내는 개략도이고, 도 5는 열교환부의 일 실시예를 나타내는 개략도이며, 도 6 및 도 7은 일 실시예에 따른 충진재를 나타내는 개략도이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 열교환부는 박스형으로 형성되며, 내부에는 다수의 충진재들을 구비하여 열교환이 이루어지도록 한다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 충진재들은 판형으로 형성되며, 에어 및 물과의 접촉면적을 증가시키기 위해 일측면 또는 양측면이 요철이 형성된다.

본 발명에 따른 열교환부는 도 5에 도시된 바와 같이 내측에 특정 피치 간격으로 배열되는 요철이 형성된 판형 충진재를 구비하되, 충진재들 간의 간격은 다층의 장치공간부 중 하층으로 갈수록 크게 형성된다.

하층의 경우 송풍부, 즉 냉각팬으로부터의 거리가 멀어지기 때문에 풍속이 상층부에 비하여 느려지는 등의 문제가 있다. 본 발명에 따른 열교환부의 경우 충진재 사이의 피치를 하층으로 갈수록 넓게 형성함으로써 에어가 열교환부를 경유하는 경우의 저항력을 줄여주게 된다. 반대로 상층부로 갈수록 충진재 사이의 피치를 좁게 형성함으로써 저항력이 증가하게 된다. 이와 같은 작용에 의하여 전체적인 풍속을 최대한 균일하게 할 수 있는 효과가 있다.

이외에도 냉각팬의 위치 및 냉각팬으로부터의 거리에 따라 충진재 사이의 피치간격을 조절하여 에어 경유 시의 저항력을 조절할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 다단직교류형냉각탑은 둘 이상의 다층 구조로 형성되어 각 층별로 열교환부를 구비할 수 있으며, 이 때 각 층의 열교환부들은 위와 같은 조건의 피치로 배열되는 충진재들을 구비할 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양하게 구현될 수 있다.

900: 취출부
920: 제1 취출부
940: 제2 취출부
922: 단면적확장부
928: 제1 취출관
948: 제2 취출관
950: 와류유도부
958: 제3 취출관

Claims (1)

1. 순환하는 냉각수의 유량을 제어하는 유량제어부;
   다층의 장치공간부를 형성하는 케이싱;
   상기 케이싱에 의하여 구분되는 장치공간부에 각각 구비되고, 상부로부터 공급되는 냉각수와 측부로부터 유입되는 공기의 열교환을 수행하는 복수의 열교환부;
   상기 열교환부에 외부로부터 공기가 유입되도록 공기를 유동시키는 송풍부;
   상기 각각의 열교환부의 상부에 냉각수를 분사하는 살수부;
   상기 열교환부의 하단에 구비되어 상기 열교환부로부터 낙하하는 냉각수가 집수되는 집수부;
   냉각수유입구가 구비되고, 상기 냉각수유입구로부터 상기 살수부에 냉각수를 공급하는 경로를 형성하는 냉각수 공급라인;
   상기 집수부에 집수된 냉각수를 외부의 냉각부하설비를 향하여 배출하는 배수구; 및
   상기 유량제어부의 제어에 따라 상기 집수부로부터 배수되는 냉각수, 상기 배수구를 통하여 배출되는 냉각수, 상기 냉각수유입구를 통하여 유입되는 냉각수 중 적어도 어느 하나의 냉각수로부터 일부를 취출하는 취출부;를 포함하고,
   상기 열교환부는 내측에 특정 피치 간격으로 배열되는 판형 충진재를 구비하고,
   상기 충진재들 간의 간격은 다층의 장치공간부 중 하층으로 갈수록 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 다단직교류형 냉각탑.
   

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