KR20190107460A - 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑을 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 본 발명의 구성은 냉각탑 하우징(10); 상기 냉각탑 하우징(10)에 구비되어 외기를 유입하는 외기 유입부(20); 상기 냉각탑 하우징(10)의 내부에 배치되어 외기와 냉각수를 접촉시켜 열교환이 이루어지도록 하는 충진부(30); 상기 충진부(30)의 내부를 냉각수와 열교환되는 외부 공기와 상기 고온의 냉각수와 열교환되지 않는 외부 공기로 구획하는 구획부(40); 상기 구획부(40)의 상부에서 냉각수를 살수하는 살수부(50); 상기 살수부(50)의 상부에서 열교환 된 공기와 분리 유입된 외부공기의 혼합이 이루어지도록 하는 자가응축부(70);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑{Water saving cooling tower system with self condensation means utilizing outer air}

본 발명은 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자가응축 수단을 활용하여 용수를 절약할 수 있는 새로운 구성의 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑에 관한 것이다.

산업체 및 대형건물 등에서는 산업기기 및 냉동공조설비의 열방출용 설비로서 냉각탑을 사용하고 있는데, 고열원의 열부하를 대기로 방출하는 최종장치로서 냉각탑에서의 효율적인 열교환은 산업기기 및 냉동공조설비 전체 시스템의 성능을 좌우하게 된다.

냉각탑(Cooling tower)은 통상 냉동기의 응축기에 사용하는 냉각용수를 재차 사용하기 위하여 실외공기와 직접 접속시켜 이 물을 냉각하는 일종의 열교환장치로서, 주위에 다량 존재하는 공기를 사용하여 물과 직접 접촉시켜 냉각하는 장치를 말한다. 그 냉각작용은 물과 공기의 온도차를 이용하는 열전달에 의한 감열과 물 자신의 증발을 이용하는 물질 전달에 의한 잠열의 두가지 작용으로 행하여지는데, 그중 특히 효과가 큰 것은 물의 증발이며 이러한 효과를 최대한으로 발휘하기 위한 여러 가지 방식으로 대향류형, 직교류형, 증발형 등이 주로 적용되고 있다.

한편, 현재 국내에서 생산되고 있는 냉각탑(冷却塔, Cooling tower)에 사용되는 필러(Filler)는 플레이트형 필러인데, 플레이트형 필러는 외부의 냉동기로부터 냉각수유입관을 통해 유입되는 응축수인 물(냉각수)이 냉각수분배기를 통해 낙하되면서 공기와의 접촉으로 열교환이 이루어진다. 즉, 냉각수가 필러의 표면으로 흘러내리면서 공기와의 열교환을 통해 증발이 이루어지는 것이다.

또한, 여러 냉각탑 중의 하나인 카운터 플로우(Counter Flow)방식의 냉각탑의 경우, 공기기 충전제를 통과하면서 위쪽을 향하여 수직방향으로 움직이고, 물은 수직방향으로 떨어지면서 공기에 의해 포함하고 있던 열을 방출하여 열교환이 이루어진다. 즉, 냉각타워의 아래에 수조가 위치되고, 냉각타워의 최상부 위치에는 공기 흡입을 위한 흡입팬이 설치되고, 이 흡입팬 아래에 위치되도록 엘리미네이터와 냉각수관이 상측에서 하측으로 순차적으로 설치되고, 냉각수관에는 분사 노즐이 구비되며, 분사 노즐 아래 위치와 수조 사이에는 충전재가 구비된 구조를 갖는 것으로, 흡입팬 작동에 의해 냉각탑 아래와 수조 사이의 공간으로 공기가 유입되어 충전재와 엘리미네이터를 통과하여 냉각타워 상측으로 빠져나가고 물은 분사 노즐을 통해 충전재 위로 분사되어 충전재를 통과하면서 수조로 떨어지고, 이러한 과정에서 열교환이 이루어져서 냉매의 냉각에 필요한 온도를 가지게 된다. 즉, 냉각탑에서 높은 온도의 물과 낮은 온도의 공기를 접촉시키면 물이 일부 증발되면서 열을 빼앗기므로 냉각이 되는 것이다.

국내등록특허 제10-0736822호(2007.07.02 등록) 국내등록특허 제10-1103656호(2012.01.02 등록) 국내등록실용신안 제20-0178891호(2000.02.07 등록) 국내등록특허 제10-1451644호(2014.10.01 등록)

본 발명의 목적은 가동시에 외기를 이용함과 더불어 자가응축 수단을 활용하여 용수를 절약할 수 있는 새로운 구성의 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑을 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 냉각탑 하우징; 상기 냉각탑 하우징에 구비되어 외기를 유입하는 외기 유입부; 상기 냉각탑 하우징의 내부에 배치되어 외기와 냉각수를 접촉시켜 열교환이 이루어지도록 하는 충진부; 상기 충진부의 내부를 냉각수와 열교환되는 외부 공기와 상기 고온의 냉각수와 열교환되지 않는 외부 공기로 구획하는 구획부; 상기 구획부의 상부에서 냉각수를 살수하는 살수부; 상기 살수부의 상부에서 열교환 된 공기와 분리 유입된 외부공기의 혼합이 이루어지도록 하는 자가응축부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑이 제공된다.

상기 살수부를 통과한 공기의 혼합을 원활하게 하기 위한 혼합배플; 상기 혼합부의 상부에서 온도차에 의해 생성된 수분입자를 포집하는 기액분리부; 상기 기액분리부를 통과한 미세수분입자를 상기 기액분리부 상부에서 포집하는 포집부;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 포집부의 상부에 설치되어 열교환된 공기를 배출하는 최종 배출하는 배출부;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑은 가동시에 외기를 이용함과 더불어 자가응축 수단(즉, 냉각탑 하우징의 내부에 형성된 자가응축부)를 활용하여 공기의 수분 입자가 커지게 되면서, 응축이 이루어지도록 함으로써 용수를 절약할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 의한 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑의 구조를 개략적으로 보여주는 정면도
도 2는 도 1에 도시된 주요부인 구획부와 살수부의 구조를 개략적으로 보여주는 사시도
도 3은 도 2의 정면도
도 4는 본 발명에 의한 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑의 내부에서 자가응축이 일어나는 과정을 개략적으로 보여주는 정면도
도 5는 도 4에 도시된 냉각탑의 내부에서 자가응축이 일어나는 과정의 상관 관계를 보여주는 그래프

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 의한 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑은 외기 유입부(20)가 구비된 냉각탑 하우징(10)과, 상기 냉각탑 하우징(10) 내부에 배치되어 유입된 외기와 고온의 냉각수를 접촉시켜 열과 물질을 이동시켜 열교환하는 충진부(30)와, 상기 충진부(30) 내부와 상부에서 살수되는 고온의 냉각수를 열교환 되는 외부공기와 열교환 하지 않는 외부 공기를 분리 구획하는 구획부(40)와, 상기 구획부(40)의 상부에서 고온의 냉각수를 살수하는 살수부(50)와, 고온수를 살수부(50)에 원활하게 공급 구획하기 위한 살수 구획부(40)와, 살수부(50)를 통과한 공기의 혼합을 원활하게 하기 위한 혼합배플(55)과, 살수부(50) 상부에서 열교환 된 고온다습 공기와 분리 유입된 외부공기의 혼합을 원활하게 하는 자가응축부(70)와, 자가응축부(70)의 상부에서 온도차에 의해 생성된 큰 수분입자를 포집 하는 기액분리부(80)와, 기액분리부(80)를 통과한 미세수분입자를 기액분리부(80) 상부에 설치되어 포집하는 포집부(90)와, 상기 포집부(90) 후단에 설치되어 최종 배출하는 배출부(95)를 포함한다.

질문 사항 : 고온의 냉각수라 함은 외기에 비하여 높은 온도라서 고온의 냉각수라 하는 것인지요?

질문 사항 : 위에서 기술한 고온수는 고온의 냉각수와 같은 것으로 이해하면 되는지요?

본 발명의 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑의 주요부인 냉각탑 하우징(10)(10)에는 통상의 냉각탑과 마찬가지로 팬(12)과 냉각수 분배기(13)(복수개의 냉각수 분배홀이 구비된 냉각수 분배관의 구조를 취할 수 있음)와 필러 및 물탱크(16)가 구비되어, 냉각수 분배기(13)를 통해 낙하되는 냉각수가 필러(15)를 접촉 및 통과되면서 열교환 작용이 이루어진다. 상기 팬은 미도시된 모터(4)의 모터축이 풀리와 벨트 등의 동력전달수단에 의해 연결되어, 모터(4)의 모터축 회전시 팬(12)이 회전하게 된다. 상기 필러는 본 발명에서 충진부(30)라 할 수 있다. 복수개의 필러가 모여서 충진부(30)를 형성한다. 각 열의 필러는 후술하는 구획판(42)에 의해 구획된 공간부에 배치될 수 있다.

상기 냉각탑 하우징(10)의 하부에 수조가 구비되고, 상기 수조의 위쪽에 배치되도록 외기 유입부(20)가 냉각탑 하우징(10)에 구비된다. 냉각탑 하우징(10)의 패널에 홀 형태의 외기 유입부(20)가 구비된다.

상기 충진부(30)는 외기 유입부(20)의 위쪽에 배치되도록 냉각탑 하우징(10)에 내장된다. 충진부(30)는 냉각탑 하우징(10)의 내부에 일정 높이의 층으로 형성된다.

상기 구획부(40)는 충진부(30)의 내부에 구비된다. 구획부(40)는 충진부(30)의 내부에 일정 간격으로 나란하게 세워진 복수개의 구획판(42)에 의해 형성된다. 상기 구획부(40)를 형성하는 각각의 구획판(42) 사이에 구획 공간부가 형성된다.

상기 구획부(40)의 상부에서는 살수부(50)에 의해서 고온의 냉각수를 살수한다. 상기 살수부(50)는 구획부(40)의 상부에 배치된 살수관(52)으로 구성될 수 있다. 상기 살수관(52)에는 복수개의 노즐이 구비된다. 상기 살수관(52)은 각각의 구획판(42)에 의해 형성된 각각의 구획 공간부와 마주하는 위치에 각각 노즐이 배치된 구조이다. 상기 살수관(52)은 구획판(42)의 위쪽에 복수개로 구비된다. 복수개의 살수관(52)이 복수개의 구획판(42)의 상부에 수평 방향으로 나란하게 배치될 수 있다.

냉각탑의 구조상 상부 노즐에서 고온수가 살수되면 열교환이 이루어지는 충진부(30)에서 혼합이 발생하게 되는데, 상기 구획판(42)들에 의해 형성된 구획 공간부는 공기와 고온수(냉각수)와 혼합되는 혼합 구획 공간부와, 공기와 냉각수의 혼합이 이루어지지 않는 비혼합 구획 공간부로 나뉜다. 혼합 구획 공간부와 비혼합 구획 공간부는 서로 인접하도록 배치된다. 예를 들어, 구획 공간부를 한쪽 측면에서 다른 측면으로 가면서, 제1열 구획 공간부, 제2열 구획 공간부, 제3열 구획 공간부, 제4열 구획 공간부와 같이 설정하면, 상기 제1열 구획 공간부와 제3열 구획 공간부가 혼합 구획 공간부로 형성되고, 상기 제2열 구획 공간부와 제4열 구획 공간부는 비혼합 구획 공간부로 형성된다. 즉, 홀수 열의 구획 공간부가 혼합 구획 공간부이면, 짝수 열의 구획 공간부는 비혼합 구획 공간부가 된다. 반대로, 홀수 열의 구획 공간부가 비혼합 구획 공간부이면, 짝수 열의 구획 공간부는 혼합 구획 공간부가 된다. 혼합 구획 공간부는 살수부(50)를 구성하는 살수관(52)의 노즐에서 냉각수가 살수되어 공기와 냉각수가 혼합되는 공간이고, 비혼합 구획 공간부는 살수부(50)를 구성하는 살수관(52)의 노즐에서 냉각수가 살수되지 않아서 공기와 냉각수가 혼합되지 않는 공간을 의미한다.

상기 냉각탑 하우징(10)의 구조상 상부 노즐에서 고온수가 살수가 되는데, 상기 살수부(50)는 고온수가 살수되는 냉각탑 하우징(10) 내부의 상기 노즐 부분부터 열교환이 시작되는 충진부(30)와 최초 접촉이 이루어지는 부분이다.

상기 살수 구획부(40)는 냉각탑의 노즐에 공급 되는 고온의 냉각수를 열교환되는 부분과 외기가 직접 혼입되는 부분에 구분 공급하기 위하여 노즐에 공급되는 냉갹수(고온수)를 분리 공급하는 장치이다. 다시 말해, 살수 구획부(40)는 살수관(52)에 구비된 노즐을 통하여 혼합 구획 공간부에는 냉각수를 공급하고, 비혼합 구획 공간부에는 냉각수가 공급되는 것을 차단한다. 상기 살수 구획부(40)는 구획부(40)에서 외기와 냉각수의 열교환이 이루어지는 혼합 공간부와 외기와 냉각수의 열교환이 이루어지지 않는 비혼합 공간부로 분리 공급하는 것이다.

상기 혼합배플(55)은 살수부(50)의 위쪽에 배치된다. 살수부(50)를 구성하는 각각의 살수관(52)에 혼합배플(55)이 장착될 수 있다. 상기 혼합배플(55)은 충진부(30)에서 냉각수(고온수)와 열교환 된 고온다습한 공기와 열교환 되지 않고 충진부(30)를 통과한 저온저습한 공기가 혼합이 원활하게 이루어지도록 하는 기구물이다. 혼합배플(55)은 다공판 형태로 구성된 공기 믹서라 할 수 있다.

상기 자가응축부(70)는 살수부(50)의 위쪽에 형성된다. 냉각탑 하우징(10)의 내부에서 자가응축부(70)가 살수부(50)의 위쪽에 형성된다. 기액분리부(80)와 살수부(50) 사이에 자가응축부(70)가 형성된다.

상기한 구성의 본 발명에 의하면, 상기 외기 유입부(20)를 통해서 냉각탑 하우징(10)의 내부로 들어온 외기(외부 공기)가 충진부(30)를 거쳐서 구획부(40)를 지나가게 되는데, 상기 구획부(40)는 냉각수가 살수되는 혼합 구획 공간부와 냉각수의 살수가 이루어지지 않는 비혼합 구획 공간부로 분리되어 있어서, 상기 공기가 부상하여 구획부(40)의 각각의 혼합 구획 공간부와 비혼합 구획 공간부를 통과하게 된다.

도 5에 도시된 그래프에서 Saturation curve는 습공기 선도상의 상대습도 100%를 의미한다. 공기중에 포함되어 있는 수분은 상대습도 100%가 넘으면 응축되어 입자로 형성되기 때문에 Saturation curve라고 한 것이다.

본 발명에서 1차 응축은 공기 혼합과정에서 ②에서 ③으로 변화하면서 응축이 일어나게 되고 ③에서 ④는 포집부(90)에서 응축이 일어나는 것을 의미한다. 도 4에서 볼 때에 ③으로 표시된 공간이 자가응축부(70)로서, 이러한 자가응축부(70)에서 응축이 일어나는 것이다.

또한, 도시된 곡선그래프에서 Critical Line의 의미는 ①상태의 외기와 냉각탑에서 토출되는 습공기가 접촉하거나 혼합했을 경우 공기중의 수분을 응축할 수 없는 상태를 선으로 표시한 것이다.

본 발명에서는 냉각탑 열교환이 이루어지면서 충진부(30)를 통과한 고온다습한 공기와 열교환 없이 충진부(30)를 통과한 저온저습의 공기가 혼합되면서 전체 공기온도가 저하되고 온도 저하시 포화습도를 넘어 과포화 되면서 공기의 수분 입자가 조대화(커지고) 되고 응축이 이루어진다. 상기 자가응축부(70)에서 이러한 응축이 이루어지는 것이다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

10. 냉각탑 하우징 20. 외기 유입부
30. 충진부 40. 구획부
50. 살수부 60. 살수 구획부
70. 자가응축부

Claims (3)

1. 냉각탑 하우징(10);
   상기 냉각탑 하우징(10)에 구비되어 외기를 유입하는 외기 유입부(20);
   상기 냉각탑 하우징(10)의 내부에 배치되어 외기와 냉각수를 접촉시켜 열교환이 이루어지도록 하는 충진부(30);
   상기 충진부(30)의 내부를 냉각수와 열교환되는 외부 공기와 상기 고온의 냉각수와 열교환되지 않는 외부 공기로 구획하는 구획부(40);
   상기 구획부(40)의 상부에서 냉각수를 살수하는 살수부(50);
   상기 살수부(50)의 상부에서 열교환 된 공기와 분리 유입된 외부공기의 혼합이 이루어지도록 하는 자가응축부(70);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 살수부(50)를 통과한 공기의 혼합을 원활하게 하기 위한 혼합배플(55);
   상기 혼합부의 상부에서 온도차에 의해 생성된 수분입자를 포집하는 기액분리부(80);
   상기 기액분리부(80)를 통과한 미세수분입자를 상기 기액분리부(80) 상부에서 포집하는 포집부(90);를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 포집부(90)의 상부에 설치되어 열교환된 공기를 배출하는 최종 배출하는 배출부(95);를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외기를 이용한 자가응축 수단을 구비한 용수절감 냉각탑.

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