KR101021816B1 - 가변 비산방지장치가 설치된 냉각탑 집합체의 냉각부하 조절방법 - Google Patents

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Abstract

냉각수 비산량을 조절하는 장치를 갖춘 냉각탑의 집합적 배열구성과 주위환경변수를 고려한 냉각탑의 개별 운전제어를 통해, 실질적인 냉각비용을 절감시키는 냉각부하 조절 시스템의 운전방법이 개시된다.
본 발명의 냉각부하 조절방법은 계절별, 일중 시간대별, 일간 날씨별로 요구 냉각부하와 냉각수 비산 허용량이 달라지는 것을 감안하여 비산량 조절이 가능한 중소 용량의 냉각탑을 집합체(군체)로 배열하고 제어모듈을 통해 비산량과 흡입동력, 냉각수분배를 통합적으로 제어함으로써 결과적으로 전체 설비의 수명을 연장시키고 요구 냉각부하 대비 냉각비용을 최소화 할 수 있는 냉각탑 운전방법이 특징이다.
본 발명은 증발에 따른 냉각수 손실량에 비해 비산에 따른 냉각수 손실량은 상대적으로 미미하다는 점에 착안하여 주위 환경에 미치는 피해정도와 냉각탑 내 충진재의 태양광 노출방지 측면을 제외하면 필요에 따라 일시적으로 비산량을 증가시킨다. 이는 동일한 냉각수 증발량 대비 상대적으로 냉각탑의 팬 소모동력을 줄일 수 있는 결과로 이어진다.
다음으로 본 발명은 동일한 기후조건하에서 비산에 따른 냉각탑 주변 대기의 습도량에 좌우된다는 점에 착안하여 비산된 냉각수 입자의 이동속도와 이동방향을 고려하되 필요에 따라 특정 위치의 개별 냉각탑의 비산량을 증가시키거나 감소시킴으로써 냉각탑 집합체 주변 대기의 전체 상대습도 분포를 최적화한다. 이는 결과적으로 동일한 투입 동력 대비 상대적으로 증가된 전체 냉각수 증발량으로 이어진다.
본 냉각부하 조절방법에 따르면 온습도와 풍향풍속, 태양광도에 따른 개별 냉각탑의 다양한 운전조건을 지능적 냉각용수 배분을 통해 여러 개의 집합체로 통합 운전할 수 있어 폭넓은 운전부하에 유연하게 대처할 수 있으므로 결과적으로 냉각탑 집합체의 전체수명이 증가되고 요구 냉각부하의 미세한 변화에도 필요한 냉각량 만을 넘치지 않고 정확하게 공급할 수 있어 년간 누적 기준으로 실질적인 냉각비용이 절감되는 추가적 효과가 있다.

Description

가변 비산방지장치가 설치된 냉각탑 집합체의 냉각부하 조절방법 {Method of refrigeration ton control for cooling tower aggregation system equipped with variable geometric eliminator}
본 발명은 흡수식 냉온수기 등 대량의 냉각수를 필요로 하는 설비에 있어서, 냉각수 비산량을 조절할 수 있는 냉각탑을 집합체로 배열하고 주위환경변수를 고려하여 이들을 개별 운전제어 함으로써, 냉각 요구부하 대비 실질적인 냉각비용을 절감시키는 냉각탑 시스템의 장치구성 및 그 운전방법에 관한 것이다.
리튬브로마이드(LiBr) 수용액의 고온/저온 재생사이클을 이용해서 냉수와 온수를 모두 생산할 수 있는 흡수식 냉온수기는 이전의 흡수식 냉동기와 비교하여 냉방, 난방이 모두 가능하고 연료비용이 적게 들어 대형 건물의 냉난방 공조장치로서 갈수록 그 수요가 늘어나고 있다.
흡수식 냉동 시스템은 사이클의 특성상 재생과정이 연중 내내 이루어지며, 재생과정에서 증발된 냉매증기는 응축기에서 냉각수와 열교환되어 액화되는데 이때 응축기의 응축열을 냉각시키는데 필요한 냉각수는 주로 건물의 옥외에 설치되어 역시 연중 내내 구동되는 냉각탑에 의해 얻는다.
흐르는 물은 충진재(filler or Layer)를 따라 표면적이 극대화된 상태에서 찬 공기와 접촉되면 일부의 물이 나머지 물에게서 증발잠열에 필요한 열을 빼앗으면서 증발하고 이 과정에서 흐르는 물의 전체 온도를 떨어뜨린다. 냉각탑은 이러한 현상을 이용한 것이다. 일반적으로 널리 쓰이는 강제통풍식 대향류형 냉각탑은 탑 내부의 충진재 위에서 살수장치를 통해 넓게 뿌려 낙하시키고 외부의 공기를 탑 상단의 흡입팬으로 밑에서 위로 흡입하여 배출하는 구조로 되어 있다.
물과 공기와의 접촉면적을 증가시키는 역할을 하는 충진재의 재료로는 목재, 합성수지, 금속박판 등이 사용된다. 한편, 한번 사용한 냉각용수를 버리고 새로운 냉각용수를 계속해서 얻기는 힘들므로 응축기에서 열교환된 냉각수는 순환회로를 거쳐 다시 냉각탑으로 공급되어 재 냉각된다.
통상의 대향류형 냉각탑은 냉각 공기의 공급을 위해 충진재의 하부가 개방되어 있으며 이곳을 통해 낙수에 의한 수적음이 발생한다. 따라서 대형의 냉각탑일수록 상기 수적음을 포함해 팬소음이나 충진재를 따라 흐르는 물의 소음 등 전체 발생소음이 크며, 증발되지 않은 채 공기의 흐름을 따라 탑 상단의 공기 배출구로 비산되는 냉각수의 양 또한 많아진다. 또한 보통 건물의 옥상에 설치되는 냉각탑은, 옥상층 바닥의 구조적 강도와 면적에 따라 설치 가능하중이 결정되며 백연현상(포화상태의 공기가 냉각탑 주변의 공기와 만나서 희석되는 과정에서 토출 습공기가 노점이하로 내려 갈 때 습공기 중의 수증기가 미세한 물방울로 응축되면서 하얀 연기처럼 보이는 현상)을 발생시키는 등 때에 따라 주위 지역을 오염시키는 원인이 된다. 따라서 건물옥상의 면적과 지지가능하중, 그리고 주위의 소음기준과 비산허용량 등을 고려할 때, 하나의 대용량 냉각탑보다는 설치면적당 설비하중과 발생소음을 낮추고 낮은 단위 흡입동력에 의해 전체 흡입공기의 유속을 낮추어 총 비산량을 억제하는 두 개 이상의 중용량 냉각탑으로 설치하여야 할 필요가 있다. 더구나 대형 건물에 설치된 흡수식 냉온수기와 같이 사시사철 작동해야 하는 중요한 장치에서는 예비용 냉온수기 설비가 필요하며 그에 따른 냉동능력(CRT)의 변화에 대처하기 위해서도 보조 냉각탑이 추가 구비될 필요가 있다.
위와 같은 이유로 대형건물의 옥상에는 보통 두 세 개의 냉각탑이 설치되며 건물 지하의 냉온수 설비는 응축기(또는 열교환기)로부터 열교환을 끝낸 뜨거운 냉각수를 분배배관에 의하여 둘 이상의 냉각탑에 나누어 공급하고, 각 냉각탑들은 냉각이 완료된 냉각수를 다시 모아서 하나의 배관으로 재차 응축기로 보내게 된다.
한편 냉각수의 비산에 따른 손실과 주위환경 오염을 줄이기 위하여 냉각탑 내부에는 보통 비산방지판(엘리미네이터) 이라는 차단 부재가 설치된다. 비산방지판은 일반적으로 흡입팬과 살수장치의 중간에 위치하며, 충진재에서 증발되지 않고 냉각탑 밖으로 비산되어 날아가는 냉각수(물입자)를 포집하여 재차 충진재 쪽으로 낙하시키는 역할을 하는데 이러한 기본적 역할 이외에도 충진재를 응달지게 하여 햇볕 노출에 따른 충진재의 경화 및 균열손상을 막고 결과적으로 충진재의 가용 수명을 늘리는 중요한 역할을 한다. 반면에 비산방지판의 두께와 밀도가 커질수록 냉각탑 내부 상승기류의 관로저항은 커지기 마련이므로 과도한 비산방지판 장착은 냉각탑 구동동력의 증가와 더불어 높은 습도를 가진 흡입공기의 유속을 떨어뜨리고 충진재 내부에서 정체시켜 냉각효율을 저하시킨다.
아래에 소개한 다수의 선행기술 문헌은 다양한 냉각유형을 가진 냉각탑, 거기에 탑재되는 두 종류 이상의 비산방지판(엘리미네이터), 냉각탑 운전시에 필요한 용수의 보충방법 등을 소개하고 있으나, 대부분 주어진 냉각탑 설계 내에서 최대의 고정 냉동능력을 이끌어내는 기술에 대한 것이며, 상기 고정 냉동능력을 유지하면서 냉각 요구조건의 변화에 대응하여 냉각탑 구조를 변화시키고 이를 통해 고정 냉동능력 자체를 가변적이고 능동적으로 변화시키는 기술은 찾아보기 어렵다.
등록특허 10-0742528호 ; 냉각수 온도나 건물의 진동 및 화재경보에 대응하여 동작하는 냉각탑의 제어장치. 등록특허 10-0938556호 ; 증발손실에 따른 냉각수 보급량을 제어하는 제어밸브에 관한 것. 등록특허 10-0756384호 ; 중공사막필터를 이용한 비산방지장치에 관한 것. 등록특허 10-0377507호 ; 대향류형의 충진재 하부에 직교류형의 충진재를 추가 배치하고 비산방지판을 공유한 조합유동형 냉각탑 구조.
공개실용신안 실2001-0002231호 ; 깊이에 따른 변화된 단면구조를 갖는 비산방지판에 관한 것. 등록실용신안 20-0169550호 ; 충진재에 추가 열교환관을 삽입하여 냉각수의 오염을 방지한 밀폐식 냉각탑 구조. 등록실용신안 20-0412707호 ; 냉각수의 출구온도와 냉각탑 수조의 수위를 검출하여 냉각탑을 제어하는 제어시스템에 관한 것. 등록실용신안 20-0388478호 ; 충진재 상하부에 모두 배치된 비산방지판과 적층된 블레이드를 따라서 포집수를 흐르게 하는 비산방지 블레이드 구조에 관한 것. 등록실용신안 20-0178891호 ; 직교류형 냉각탑에 있어서 수직으로 배치된 비산방지판 구조.
본 발명의 해결과제는 개폐량이 조절되는 가변 비산방지장치를 냉각탑 내부에 설치하여 비산방지판의 중요한 역할인 충진재의 햇볕 노출억제능력을 그대로 유지하면서 비산방지판이 불필요하게 유발시키는 흡입저항을 줄임으로써, 냉각효율 저하를 막고 동력소모량을 최소화하여 주위 환경에도 피해를 주지 않도록 냉각수 비산량을 지능적으로 조절할 수 있는 냉각탑을 구현하는 것이다.
본 발명의 또 다른 해결과제는 대형 건물의 흡수식 냉온수기 설비와 같이 사시사철 연속운전이 필요한 냉난방 겸용 설비에 있어서 계절별, 일중 시간대별, 일간 날씨별로 요구 냉각부하와 냉각수 비산 허용량이 달라지는 것을 감안하여 비산량 조절이 가능한 중소 용량의 냉각탑을 집합체(군체)로 배열하고 제어모듈을 통해 개별 비산량과 개별 흡입동력, 중앙 냉각수분배를 통합적으로 제어함으로써 결과적으로 전체 설비의 수명을 연장시키고 요구 냉각부하 대비 냉각비용을 최소화 할 수 있는 냉각탑 운전방법을 구현하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명이 기존 냉각탑 구성과 차별화될 수 있는 가장 큰 착안의 포인트는 다음과 같다.
먼저 단일 냉각탑의 실질 냉각효과는 증발효과로부터 일어나며 증발에 따른 냉각수 손실량에 비해 비산에 따른 냉각수 손실량은 상대적으로 미미하다는 점에 착안하였다. 따라서 주위 환경에 미치는 피해정도와 냉각탑 내 충진재의 태양광 노출방지 측면을 제외하면 필요에 따라 일시적으로 비산량을 증가시키는 것이 같은 양의 팬 동력으로도 냉각탑 내 대향류의 흐름을 증가시킬 수 있다. 이는 동일한 냉각수 증발량 대비 상대적으로 냉각탑의 팬 소모동력을 줄일 수 있는 결과로 이어진다.
다음으로 복수의 냉각탑 군체의 전체적인 실질 냉각효과는 냉각탑 주변을 둘러싼 대기의 상대습도에 좌우되며 대기의 상대습도는 계절별, 일중 시간대별, 날씨 별로 달라질 수 있으나 동일한 기후조건이라면 비산에 따른 냉각탑 주변 대기의 습도량에 좌우된다는 점에 착안하였다. 따라서 비산된 냉각수 입자의 이동속도와 이동방향을 고려하여 필요에 따라 특정 위치의 개별 냉각탑의 비산량을 증가시키거나 감소시키는 것이 냉각탑 군체 주변 대기의 전체 상대습도 분포를 최적화할 수 있다. 이는 동일한 투입 동력 대비 상대적으로 증가된 전체 냉각수 증발량으로 이어지며 결과적으로 냉동 효율의 향상으로 이어진다.
위와 같은 구성을 효과적으로 작동시키기 위하여 냉각탑에 작용하는 주위 환경을 감지, 분석하는 수단이 도입된다. 주요 감지 분석 수단은 냉각탑의 공기배출구에 작용하는 태양광의 광량과 위도를 감지하는 태양광센서(31), 흡입루버(24) 주변 대기의 풍향과 풍속을 감지하는 풍향풍속계(32), 흡입루버(24) 주변 대기의 습구온도와 상대습도를 감지하는 온습도계(33) 등이다. 이들 환경 분석수단들은 센서값 처리부(34)로 입력된다.
추가로 상기 냉각탑 주위환경 분석을 바탕으로 냉각탑의 운전을 최적으로 제어하는 조절수단이 도입된다. 냉각탑 제어시스템(300)은 입력 받은 환경데이터를 기반으로 냉각탑 공기배출구의 비산방지 개폐량을 조절하는 가변 비산방지장치(100)를 특정 개폐량으로 작동시키며, 그에 따른 냉각부하의 변동은 각 냉각탑에 공급되는 냉각용수의 시간당 공급량을 조절하는 조절밸브(Vn)와 회전속도를 조절할 수 있는 흡입팬(22)을 통해 추가로 더 조절될 수 있다.
이때 본 발명의 핵심 구성이 되는 가변 비산방지장치(100)는 다음과 같은 착안점과 기술적 바탕 위에서 설계되었다.
먼저 습공기의 흐름을 인위적으로 정체시켜 비산되는 물분자의 속도를 떨어뜨리고 다시 물방울 형태로 돌아가게 하는 종래 비산방지구조의 기본적인 단면 구조를 고려하였다. 이러한 단위 비산방지구조는 꺾어진 단위 저항판의 배치 간격이 좁거나 넓으면 안되며 일정한 간격을 유지하여야 한다. 따라서 대부분의 비산방지판은 직선형의 꺾어진 단위 저항판을 일정 간격으로 나란히 이어 붙인 사각 격자형을 이루고 있다. 위와 같은 구조로는 장방형태 외에 다른 형태로 단위 비산방지판을 설계하기는 어려우며 결과적으로 개폐면적이 조절되는 부채꼴 형태로 단위 비산방지판을 설계하기에는 더욱 어렵다.
본 발명에서는 단위 비산방지판(11)을 단순히 직선형으로 나란히 배열하지 않고, 또한 배출구 중심에서 배출구 가장자리로 뻗어나가는 방사상으로도 배열하지 않았다. 다시 말해서 본 발명에 적용된 단위 비산방지판(11)은 배출구의 형상(주로 원형)에 맞게 원호 형상으로 일정 간격 나란히 이어 붙인 형태로 되어 있으며 이를 여러 장 잘라서 부채꼴로 형성하였다. 이렇게 하면 좁은 부채꼴 면적의 단위 비산 방지판 형상과 무관하게 단위 비산방지구조가 그대로 유지되어 원래의 물입자 포집 역할을 훌륭히 수행할 수 있으며, 부채꼴을 원형의 계단식으로 배치하여 접었다 펼침으로써 완전히 펼쳤을 때에는 공기배출구(20)가 완전히 폐쇄된 원판형 비산방지판이, 완전히 접었을 때에는 공기배출구(20)가 대부분 개방된 프로펠러형 비산방지판이 형성된다.
다음으로 상기 가변 비산방지장치(100)의 지지와 구동 및 단위 비산방지판간 밀폐를 막기 위해서 비산방지판의 수평이동을 구동 및 지지하는 액츄에이터(13)와 격판이 형성된 단위 지지대(12) 구성을 도입하였다. 이들은 흡입팬 구동축이나 살수장치 구동축에 연결되어 지지될 수 있으며, 역시 상기 구동축에 연결된 감속기(14=예컨대 상용 구매 가능한 가동식 클러치를 구비한 싸이클론식 동축 감속기 등)로부터 쉽게 비산방지장치 개폐에 필요한 구동력을 공급받을 수 있다.
위와 같은 구성을 통해 얻어지는 이익은 최대 냉각 부하에서 비산량이 일시적으로 최대가 되게 하거나, 최소 냉각부하에서 비산량을 일시적으로 최소가 되게 하는 등 주위환경에 나쁜 영향을 끼치지 않는 범위에서 일시적으로 비산량을 조절할 수 있는 시스템 유연성으로 이어지며 전체 운전구간(연간단위 또는 계절단위 등)에 걸쳐 총 누적 비산량을 일정하게 유지하면서도 단위 구간별 단위 냉각효율의 향상을 달성할 수 있고 결과적으로 전체 운전구간에서 소모되는 총 누적 동력을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 대기의 상대습도나 온도가 낮은 시간대에 집중적으로 고효율의 냉각탑 운전이 가능하며, 바람의 방향과 세기에 따라 여분으로 얻어지는 실질 냉각부하 감소효과를 실제 운전동력의 절감으로 연결시킬 수 있다.
또한 본 발명은 태양광의 조사각도와 광량에 따라 냉각탑 내부에 탑재된 충진재를 적절히 보호할 수 있으므로 통상의 비산방지판이 장착된 냉각탑과 비교하여 동등한 수명을 가지면서 더 뛰어난 냉각효율을 발휘할 수 있다.
마지막으로 본 발명은 온습도와 풍향풍속, 태양광도에 따른 개별 냉각탑의 다양한 운전조건을 지능적 냉각용수 배분을 통해 여러 개의 집합체로 통합 운전할 수 있어 폭넓은 운전부하에 유연하게 대처할 수 있으므로 결과적으로 냉각탑 집합체의 전체수명이 증가되고 요구 냉각부하의 미세한 변화에도 필요한 냉각량 만을 넘치지 않고 정확하게 공급할 수 있어 연간 누적 기준으로 실질적인 냉각비용이 절감되는 추가적 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 핵심 구성 중 하나인 냉각탑(200)의 전체 단면 구조를 나타낸 도면.
도 2a는 도 1 에서 가변 비산방지장치(100)를 따로 도시한 측면도.
도 2b는 도 1 에서 가변 비산방지장치(100)를 따로 도시한 측면분해도.
도 3a는 가변 비산방지장치(100)를 펼친 상태의 평면도.
도 3b는 가변 비산방지장치(100)를 접은 상태의 평면도.
도 4는 단위 비산방지판과 단위 지지대 및 액츄에이터를 따로 도시한 평면조립도.
도 5a는 가변 비산방지장치(100)를 내측 원주방향을 따라 전개한 측면 전개도.
도 5b는 가변 비산방지장치(100)를 외측 원주방향을 따라 전개한 측면 전개도.
도 6는 본 발명이 적용된 냉각탑(200) 집합체와 냉온수 설비 및 연결배관을 나타낸 냉각부하 조절 시스템 구조도.
도 7은 본 발명이 적용된 냉각부하 조절장치의 처리흐름도.
도 8a는 본 발명이 적용된 냉각탑(200) 집합체와 연결배관의 최소부하(겨울) 작동상태를 나타낸 평면도.
도 8b는 본 발명이 적용된 냉각탑(200) 집합체와 연결배관의 중간부하(봄가을) 작동상태를 나타낸 평면도.
도 8c는 본 발명이 적용된 냉각탑(200) 집합체와 연결배관의 중간부하(여름 오전) 작동상태를 나타낸 평면도.
도 8d는 본 발명이 적용된 냉각탑(200) 집합체와 연결배관의 최대부하(여름 낮) 작동상태를 나타낸 평면도.
상술한 본 발명의 과제 해결수단을 기술적으로 뒷받침하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 일 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.
다만 아래의 특정 실시예에서 특정 전문용어를 포함한 구성요소들과 이들의 결합구조가 본 발명에 포괄적으로 내재된 기술적 사상을 제한하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명이 핵심 구성 중 하나인 냉각탑(200)의 전체 단면 구조를 나타낸 것이다. 도시된 냉각탑은 가격 대 성능 면에서 우수하여 가장 널리 쓰이는 전형적인 흡입방식 대향류형 원형 냉각탑이다.
대향류형 냉각탑은 흡입팬(22)에 의한 외부 공기의 흐름이 측면의 흡입루버(24)로부터 유입되어 충진재를 거쳐 상부의 공기배출구(20)로 수직 상승하는 방식으로서 물과 공기가 서로 반대방향으로 접촉하므로 용적 대비 열교환 효율이 좋고 이론적 해석이 쉽다. 또한 구동축(23)을 중심 지지축으로 하여 충진재와 살수장치(21), 비산방지장치(100), 흡입팬(22) 등이 동축 수직선상에 있어 설치면적이 줄어들고 설치높이는 높아진다. 따라서 구조적으로는 본 발명이 적용되기에 가장 적합하다. 한편 충진재와 하부 냉수조의 간격이 커서 낙수로 인한 소음이 크고, 흡입공기가 토출되는 공기배출구(20)와 흡입공기가 유입되는 흡입루버(24)간 간격이 멀어 자기 자신이 토출시킨 습공기가 재유입될 가능성이 비교적 적으나 여러 개의 냉각탑을 집합체로 사용할 경우 인접한 냉각탑이 토출시킨 습공기가 흡입루버로 재유입 될 가능성은 높은 편이어서 토출공기 재유입에 따른 인접 냉각탑의 냉각효율은 수시로 점검하여야 할 필요가 있다.
도 2 ~ 도 5는 도 1의 냉각탑에서 가변 비산방지장치(100)를 따로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 단위 비산방지판(11)은 배출구의 형상(주로 원형)에 맞게 원형으로 일정 간격 나란히 이어 붙인 형태로 되어 있으며 이를 여러 장 잘라서 단위 비산방지구조의 밀도가 훼손되지 않는 부채꼴로 형성하고, 상기 단위 비산방지판 4장 ~ 6장을 수평이동 가능하도록 비산방지판 가운데를 관통 지지하는 부채꼴 모양의 단위 지지대(12)들에 의해서 형태가 유지된다.
도면을 참조하면 단위 지지대(12)의 배열은 방사상이며 비산방지판의 단위 방지구조를 이루는 > 형 블레이드는 원호 형상으로 배열된 것을 알 수 있다.
이러한 결합 구조는 본 발명의 유효한 성능을 입증하는 중요한 핵심구성이며 예컨대 > 자형 블레이드를 방사상으로 배열하였다면 비산통로의 간격을 일정하게 유지하기 위해서 매우 복잡한 형상으로 블레이드를 커팅해야 한다. 물론 지지대 역시 액츄에이터에 직접 연결되어야 하므로 방사상으로 뻗어나가야 하며 따라서 지지대가 위치한 곳에서의 블레이드 간 간격은 메워져 비산 방지효과는 기대할 수 없는 점을 감안한다면 방사상 블레이드 배열 구조에서 실질적인 비산 방지효과를 유발하는 비산통로는 크게 줄어드는 셈이다. 이렇게 해서는 흡입저항만 증가할 뿐 가변식으로 접었을 때에나 펼쳤을 때 뚜렷한 비산량 변화를 기대하기 어렵다. 반면 본 발명에서와 같이 원호 형상의 등간격으로 > 형 블레이드를 배열한다면 단위 지지대(11)가 접힘과 펼침과정에서의 지지대 역할은 물론 블레이드 간 간격유지 부재로서의 역할도 같이 겸하게 되는 것이다. 따라서 본 발명의 가변식 비산방지장치(100)는 종래 기술의 고정식 비산방지판(Eliminator)와 비교하여 약간의 중량 증가만이 있을 뿐, 완전히 펼쳤을 때 실질적으로 동일한 성능(흡입저항 저하 대비 비산량 포집능력)을 갖게 된다.
위와 같이 구성된 단위 비산방지 모듈은 도 5a, 5b에 도시된 바와 같이 작동 홈이 계단식 모양을 갖는 액츄에이터(13)에 의해 원형의 계단식으로 배치되어 수평 이동 방향으로 접혀졌다가 펼쳐지게 되며, 완전히 펼쳐졌을 때에는 공기배출구(20)를 완전히 덮는 형태의 원형 비산방지판이, 완전히 접혀졌을 때에는 공기배출구(20)가 대부분 개방되는 프로펠러 모양의 비산방지판이 형성된다.
한편 단위 비산방지판(11)의 지지와 구동을 담당하는 단위지지대(12)의 수평이동 작용은 감속기(14)와 단위지지대(12)를 기구학적으로 연결하는 액츄에이터(13)가 수행한다. 감속기(14)는 흡입팬 구동축이나 살수장치 구동축에 연결되어 가변비산방지장치(100) 전체를 지지하고 회전에 필요한 동력을 공급 받을 수 있다.
그리고 단위 지지대를 통해 상기 액츄에이터(13)에 연결된 단위 비산방지판 중, 상기 단위 비산방지판(11)들이 완전히 펼쳐졌을 때 최 외측이자 최 상측 비산방지판에는 수직 격판(15) 구성이 더 결합될 수 있다. 물론 상기 수직 격판(15)은 가변 비산방지장치(100) 전체의 펼침과 접힘 과정에서 어떠한 영향도 주지 않으므로 직접 액츄에이터에 결합될 수도 있다. 이러한 수직격판 구성은 도 5b의 펼침상태에서와 같이 최소한의 두께와 최소한의 중량으로 펼쳐진 비산방지판의 수직간극을 완전히 메운다.
부채꼴 모양의 단위 비산방지판(11)은 공기배출구(20)의 반지름(R)보다 같거나 큰 반지름(r)을 가지며 원주 방향으로 비산방지구조가 형성된 부채꼴 모양으로써 중심각(θ)이 15° ~ 30° 범위로 설정되어 접었을 때 지나치게 두껍지 않으면서 최대한 공기배출구를 많이 개방하도록 설정된다. 도면 상 실시예에서는 원형의 공기배출구(20)를 총 16장으로 완전히 덮을 수 있도록 설계되었으며 비산방지판 한 장 당 중심각 22.5°로 4장으로 90°를 커버한다. 따라서 도면 실시예를 기준으로 완전히 접었을 때의 비산량은 완전히 펼쳤을 때의 비산량 보다 300% 추가 증가된다. 물론 접었을 때에는 추가되는 비산량 만큼 흡입저항은 줄어들고 배출유속은 빨라지며 충진재 표면에서는 더욱 원활한 증발이 일어난다. 그러므로 보충수 공급이 쉬운 계절이나, 태양이 충진재 바로 위로 작열하지 않을 때, 그리고 주위 대기의 습도가 낮을 때에는 비용과 수명유지 측면에서 효과적이면서 주위 환경에 영향을 끼치지 않으므로 일시적으로 비산량을 늘리는 것이 유효하다.
도 6은 냉각탑(200) 집합체와 냉온수 설비 및 연결배관, 그리고 제어시스템(300) 등으로 구성된 본 냉각부하 조절장치의 냉각수 배관회로 및 감지제어 구성을 개념적으로 나타낸 것이다.
냉각탑 군체의 대략 중앙부에는 냉각탑에 작용하는 주위 환경을 감지, 분석하는 환경센서가 자리잡는데, 구체적으로는 냉각탑의 공기배출구에 작용하는 태양광의 광량과 위도를 감지하는 태양광센서(31), 흡입루버(24) 주변 대기의 풍향과 풍속을 감지하는 풍향풍속계(32), 흡입루버(24) 주변 대기의 습구온도와 상대습도를 감지하는 온습도계(33) 등을 구비하며 이들 환경 분석수단들은 센서값 처리부(34)로 입력되고 냉각탑 제어시스템(300)은 각 냉각탑에 공급되는 냉각용수의 시간당 공급량을 조절하는 조절밸브(Vn)와 회전속도를 조절할 수 있는 흡입팬(22)을 통해 냉각부하를 조절한다. 도시된 실시도면과 아래의 도 7의 제어 실시예에 따르면 대기의 상대습도나 온도가 낮은 시간대에 집중적으로 고효율의 냉각탑 운전이 가능하며, 바람의 방향과 세기에 따라 여분으로 얻어지는 실질 냉각부하 감소효과를 실제 냉각수 순환량의 절감 및 냉각탑 운전동력의 절감으로 연결시킬 수 있다.
위의 내용에 추가하여 본 발명의 핵심 구성 중 하나인 비산방지판의 펼침량 조절이 추가된다. 비산방지판의 펼침 또는 접힘 량은 흡입저항의 감소를 유발하여 동일한 흡입속도라면 상대적으로 배출 속도도 빨라지므로 비산거리는 늘어난다. 이는 주위 냉각탑 흡입루버 근처의 상대습도 감소를 가져와 전체적인 냉각효율 향상을 가져온다. 반면 동일하지 않은 흡입속도 예컨대 감소된 흡입팬 속도라면 주위 냉각탑 흡입루버 근처의 상대습도 증가를 유발한다. 따라서 비산량도 늘이고(비산방지 장치를 접고) 흡입팬 속도도 낮추는 것은 습도가 매우 낮은 봄가을이나 겨울에 시도해야 한다.
한편 비산방지장치의 펼침 또는 접힘 여부가 냉각수의 보급수량 측면에서 차이를 가져오지는 않는다. 시간당 냉각수 순환량 780 ㎥/h, 냉각수온 변화범위 입구측 37℃, 출구측 32℃이고 물의 증발잠열 630kcal/kg℃를 적용한 냉각탑의 경우에, 증발량 = 780 * 1000 * (37 - 32) / 630 = 6190.5 kg/h 이다. 그리고 최소비산비율을 순환수량의 0.02%로 가정한 경우(비산방지장치를 최대로 펼쳐서 비산을 억제한 경우)에, 비산량 = 780 * 1000 * 0.02 / 100 = 156 kg/h 이다. 당해 기술분야의 통상의 냉각탑 실시예들을 참고하면, 비산방지장치가 없는 냉각탑에서도 순환수량의 0.1% 이하로 비산되므로 결국 평균적인 비산량을 순환수량의 0.02~0.1%의 중간값으로 가정하여도 냉각수의 증발량은 비산량보다 십수배~수십배 많다.
따라서 비산에 따른 보급수의 비용을 고려하기 보다는 증발효과나 흡입팬 동력소모, 주위 대기의 습도에 따른 비산수 피해문제 등의 측면에서 비용대비 효과를 고려하고 주위 대기의 온도와 습도가 비산된 물을 원활히 흡수할 수 있는 조건에서는 비산량을 회수 처리하는 과정에서 일어나는 냉각탑 주변 습공기의 정체를 피하기 위해 강하고 멀리 비산시킬 필요가 있다.
도 7은 상술한 측면에서 최적의 효율을 발휘할 수 있도록 냉각탑 제어시스템을 비롯한 본 발명 냉각부하 조절장치의 처리단계를 도시한 것이다.
제1단계에서는 냉각탑(200)의 공기배출구(20)에 작용하는 태양광의 광량과 위도를 감지하고 이를 광량/위도 기준치와 비교한다. 예컨대 밤시간이나 아침 또는 해질녘이라면 냉각탑 측면 외피가 충진재를 태양광으로부터 자연스럽게 차단할 수 있으므로 이 때의 비산방지판은 접혀지는 것이 유리하다. 같은 맥락으로 비가 오는 날씨이거나 매우 흐린 날씨라면 태양광의 광량이 적으므로 이 때 역시 비산방지판은 접혀지는 것이 유리하다.
제2단계는 냉각탑(200)의 흡입루버(24) 주변 대기의 풍향과 풍속을 감지하여 이를 기준치와 비교하고 제3단계는 냉각탑(200)의 흡입루버(24) 주변 대기의 습구온도와 상대습도를 감지하여 기준치와 비교한다. 앞서 설명한 바와 같이 주위 습도가 낮으면 증발이 원활하므로 비산량을 늘리더라도 타격이 적다. 마찬가지로 건조한 바람이 강하게 불면 냉각탑 주위의 습기가 날아가므로 비산량을 늘릴 수 있다.
제4단계는 제1~제3단계 중 설정된 초과값(Xn) 또는 설정된 미달값(Yn)을 추출하는 단계이다. 제4단계의 초과값(Xn)의 추출 수와 초과량에 따라 냉각수의 비산량이 감소하도록, 가변 비산방지장치(100)를 펼침 작동시키는 제5-1단계와 제4단계의 미달값(Yn)의 추출 수와 미달량에 따라 냉각수의 비산량이 증가하도록, 가변 비산방지장치(100)를 접힘 작동시키는 제5-2단계가 이어지고, 여기에 추가적인 조치로써, 상기 제4단계의 초과값(Xn)의 추출 수와 초과량에 따라 공기배출량이 증가하도록 상기 흡입팬(22)의 속도를 증가시키거나, 또는 냉각수 순환량이 감소하도록 조절밸브(Vn)를 통해 냉각용수의 시간당 공급량을 줄이는 제6-1단계와 상기 제4단계의 미달값(Yn)의 추출 수와 미달량에 따라 공기배출량이 감소하도록 상기 흡입팬(22)의 속도를 감소시키거나, 또는 냉각수 순환량이 증가하도록 조절밸브(Vn)를 통해 냉각용수의 시간당 공급량을 늘리는 제6-2단계가 이어질 수 있다. 각 단계에서 파란색 선으로 그려진 부분은 냉각탑 제어시스템(300)의 제어회로 설정상 복귀 후 재시도 혹은 복귀 후 누적처리가 가능한 부분이다.
도 8a~d는 본 발명이 적용된 냉각탑(200) 집합체와 연결배관이 다양한 환경 조건에서 어떤 식으로 최적 운전을 할 수 있는지를 나타낸 몇 가지 예이다.
도 8a는 겨울철 최소부하 작동상태를 나타낸다. 북서풍이 강하게 부는 조건에서 바람을 직접 맞는 1개의 냉각탑이 비산방지판을 접은 채로 저속 운전하고 있다. 이때 약간의 보충수 비용으로 겨울철 건조한 주위 환경에 피해를 주지 않으면서 1개의 팬 만을 저속 작동시키므로 최대한 동력이 절감된다.
도 8b는 봄 가을철 중간부하 작동상태를 나타낸다. 서풍이 비교적 강하게 부는 조건에서 바람을 직접 맞는 2개의 냉각탑이 비산방지판을 접은 채로 저속 운전하고 있다. 이때에도 약간의 보충수 비용으로 봄가을의 건조한 주위 환경에 피해를 주지 않으면서 2개의 팬 만을 저속 작동시키므로 최대한 동력이 절감된다.
도 8c는 또 다른 중간부하(여름 오전) 작동상태를 나타낸다. 남동풍이 약하게 부는 조건에서 바람을 직접 맞는 1개의 냉각탑은 비산방지판을 펼친 채, 그리고 상기 냉각탑 내부의 증발에 따른 영향권에 들어있는 나머지 3개의 냉각탑은 비산방지판을 접은 채로 운전하고 있다. 흡입저항이 증가된 남동쪽 냉각탑의 흡입팬은 증발효과를 유지하기 위하여 고속 운전한다. 나머지 3개의 흡입팬은 중간 속도로 운전된다. 이 경우는 상대적으로 불쾌지수가 덜한 아침 저녁 때, 또한 태양광이 작열하지 않는 시간대를 피해 충진재의 수명도 유지하면서 일시적으로 비산량을 늘려 투입동력 대비 냉각 효율을 극대화 하는 상태이다. 주위 환경에는 약간의 피해를 유발할 수 있으므로 팬 속도는 중속 이하로 유지하는 것이 좋다.
도 8d는 여름철 낮의 최대부하 작동상태를 나타낸 것이다. 바람이 없고 습하며 강한 햇볕이 내리쬐는 최대 부하의 조건이다. 모든 냉각탑은 비산방지판을 펼친 채로 흡입팬속도는 고속으로 운전된다. 특정 건물을 건축할 때 건물에 필요한 흡수식 냉온수기 시스템 성능과 상기 조건에서 발생 가능한 냉각용량에 맞추어 냉각탑의 개수와 개별 용량을 매칭시키면 시스템 구현 비용 대비 최대의 효과를 갖는 공조냉동 설비를 설계할 수 있다.
이상 본 발명이 구체화된 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예에만 국한되지 않는다.
다시 말해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 명세서 및 도면이 내포하고 있는 기술적 사상을 활용하여 필요에 따라 본 발명의 명세서 및 도면에 미처 포함되지 않은 단순 변경 및 간단 확장 사례를 구현할 수도 있으나, 이 또한 이하의 청구범위로 표현되는 본 발명 기술적 사상의 범위에 자명하게 포함된다.
본 발명은 중소형의 냉각탑 군체로 중대형의 2중효용 흡수식 냉온수 유니트를 최적 제어하는 데에 중점을 두고 있으나 기본적으로 단위 냉각탑의 냉각용량이 작을수록, 또는 냉각탑 군체의 총 냉각탑 개수가 많을수록 더욱 뛰어난 효과를 발휘한다. 그러므로 동절기 난방용 가스수요의 감소나 하절기 냉방용 전력수요의 감소를 위한 하나의 대안으로 생각되고 있는 소규모 집단가구의 초소형 1중효용 흡수식 냉난방기 분야를 발전시키는 데 있어서, 기술적 도약은 물론 상용화의 발판이 될 수 있다.
100: 가변 비산방지장치
11: 단위 비산방지판
12: 단위 지지대
13: 액츄에이터
14: 감속기
15: 수직 격판
θ: 단위 비산방지판의 중심각
200: 냉각탑
20: 공기배출구
21: 살수장치
22: 흡입팬
23: 구동축
24: 흡입루버
Vn: (냉각수) 조절밸브
300: 냉각탑 제어시스템
31: 태양광센서
32: 풍향풍속계
33: 온습도계
34: 센서값 처리부
Xn: 감지범위 초과값
Yn: 감지범위 미달값
An: 액츄에이터(장치넘버)
Mn: 모터(장치넘버)

Claims (4)

  1. 냉각탑(200)의 공기배출구(20)에 작용하는 태양광의 광량과 위도를 감지하는 제1단계;
    냉각탑(200)의 흡입루버(24) 주변 대기의 풍향과 풍속을 감지하는 제2단계;
    냉각탑(200)의 흡입루버(24) 주변 대기의 습구온도와 상대습도를 감지하는 제3단계;
    상기 제1~제3단계 중 설정된 초과값(Xn) 또는 설정된 미달값(Yn)을 추출하는 제4단계; 및
    상기 제4단계의 초과값(Xn)의 추출 수와 초과량에 따라 냉각수의 비산량이 감소하도록,
    중심각(θ)이 15° ~ 30° 범위이고 공기배출구(20)의 반지름(R)보다 같거나 큰 반지름(r)을 가지며 원주 방향으로 비산방지구조가 형성된 부채꼴 모양의 단위 비산방지판(11)들과, 상기 단위 비산방지판 4장 ~ 6장을 수평이동 가능하도록 지지하는 부채꼴 모양의 단위 지지대(12)들과, 상기 단위 지지대에 결합되며 상기 단위 비산방지판이 수평이동 방향으로 펼치지거나 접어지도록 하는 계단식 모양의 액츄에이터(13)와, 살수장치(21) 또는 흡입팬(22)에 연결되어 동력을 공급하는 구동축(23)과, 일측이 상기 구동축(23)에 연결되고 타측이 상기 액츄에이터(13)에 연결되어 상기 구동축으로부터 동력을 공급받아 상기 액츄에이터에 양 방향 구동력을 전달하는 감속기(14)를 포함하여 구성되고, 상기 양 방향 구동력에 의해 상기 단위 비산방지판(11)들이 완전히 펼쳐지거나 또는 완전히 접어짐으로써 상기 공기배출구(20)를 대부분 폐쇄하거나 또는 적어도 4분의3에서 6분의5 가량 개방되도록 하는 것을 특징으로 하는 가변 비산방지장치(100)를 펼침 작동시키는 제5-1단계;를 포함하여 구성되는 적어도 하나의 냉각탑(200) 냉각부하 조절방법.
  2. 제1항에 있어서 상기 제5-1단계 이후에는,
    상기 제4단계의 초과값(Xn)의 추출 수와 초과량에 따라 공기배출량이 증가하도록 상기 흡입팬(22)의 속도를 증가시키거나, 또는 냉각수 순환량이 감소하도록 조절밸브(Vn)를 통해 냉각용수의 시간당 공급량을 줄이는 제6-1단계;를 더 포함하여 구성되는 적어도 하나의 냉각탑(200) 냉각부하 조절방법.
  3. 냉각탑(200)의 공기배출구(20)에 작용하는 태양광의 광량과 위도를 감지하는 제1단계;
    냉각탑(200)의 흡입루버(24) 주변 대기의 풍향과 풍속을 감지하는 제2단계;
    냉각탑(200)의 흡입루버(24) 주변 대기의 습구온도와 상대습도를 감지하는 제3단계;
    상기 제1~제3단계 중 설정된 초과값(Xn) 또는 설정된 미달값(Yn)을 추출하는 제4단계; 및
    상기 제4단계의 미달값(Yn)의 추출 수와 미달량에 따라 냉각수의 비산량이 증가하도록,
    중심각(θ)이 15° ~ 30° 범위이고 공기배출구(20)의 반지름(R)보다 같거나 큰 반지름(r)을 가지며 원주 방향으로 비산방지구조가 형성된 부채꼴 모양의 단위 비산방지판(11)들과, 상기 단위 비산방지판 4장 ~ 6장을 수평이동 가능하도록 지지하는 부채꼴 모양의 단위 지지대(12)들과, 상기 단위 지지대에 결합되며 상기 단위 비산방지판이 수평이동 방향으로 펼치지거나 접어지도록 하는 계단식 모양의 액츄에이터(13)와, 살수장치(21) 또는 흡입팬(22)에 연결되어 동력을 공급하는 구동축(23)과, 일측이 상기 구동축(23)에 연결되고 타측이 상기 액츄에이터(13)에 연결되어 상기 구동축으로부터 동력을 공급받아 상기 액츄에이터에 양 방향 구동력을 전달하는 감속기(14)를 포함하여 구성되고, 상기 양 방향 구동력에 의해 상기 단위 비산방지판(11)들이 완전히 펼쳐지거나 또는 완전히 접어짐으로써 상기 공기배출구(20)를 대부분 폐쇄하거나 또는 적어도 4분의3에서 6분의5 가량 개방되도록 하는 것을 특징으로 하는 가변 비산방지장치(100)를 접힘 작동시키는 제5-2단계;를 포함하여 구성되는 적어도 하나의 냉각탑(200) 냉각부하 조절방법.
  4. 제3항에 있어서 상기 제5-2단계 이후에는,
    상기 제4단계의 미달값(Yn)의 추출 수와 미달량에 따라 공기배출량이 감소하도록 상기 흡입팬(22)의 속도를 감소시키거나, 또는 냉각수 순환량이 증가하도록 조절밸브(Vn)를 통해 냉각용수의 시간당 공급량을 늘리는 제6-2단계;를 더 포함하여 구성되는 적어도 하나의 냉각탑(200) 냉각부하 조절방법.
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