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[글로벌이슈기술] ‘탱크 없는 DI 워터 히터장치’ 신기술 개발
이름 관리자 waterindustry@hanmail.net 작성일 2017.07.06 조회수 456
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Global Issue Technology


“컬리건, 물량·부식 문제 해결한 ‘DI 워터 히터장치’ 개발
탱크 없이 벽면 부착되는 구조…소규모 설치면적 만족”


316L 코일 사용한 열교환기로 고온 저항력 강화하고 유량변화에 신속 대응
WiFi 통신 연결한 차세대 무탱크 히터, 모바일 앱 통해 온도·유량 확인 가능

 

 

‘탱크 없는 DI 워터 히터장치’ 신기술 개발

 

산업계 플랜트에서 관리자들은 물이나 폐수를 관리, 히팅(heating) 및 처리하는 데 있어 복잡하지만 기능적인 장비를 필요로 한다. 주로 공조 설비, 구조물, 히터 및 보일러 등 모든 장치에 이러한 사실이 적용된다. 따라서 충분히 상업화되지 않은 장치들은 산업계의 지나친 요구 조건에서 살아남을 수 없다. 이에 전자제품 제조용으로, 의약품 용해용으로 혹은 샴푸·화장품 원료 등으로 ‘DI 워터(deionized water)’를 사용하는 많은 산업체 분야에서의 새로운 기술개발을 소개하려 한다. 인텔리핫 그린 테크놀로지스(Intellihot Green Technologies)사의 제이슨 스미스(Jason Smith)와 발레리 데이브스(Valerie Daves)가 ‘다음 세대 DI 워터 무탱크 히터’를 주제로 『Water Technology』 2017년 3월호에 기고했다. 그 내용을 번역했다. 

[자료제공·번역 = 김덕연 본지 편집위원]


DI 워터의 소개(Deionized Water)


‘DI 워터(deionized water)’는 글자 그대로 모든 이온물질이 제거된 물을 말한다. 이온은 물속에서 전하를 지닌 원자 또는 분자 물질로 존재하며 양극 혹은 음극 특성을 갖는다. 양이온(cations)은 양극 전하물질을 가진 이온이며, 음이온(anions)은 음극 전하물질을 가진 이온이다. 물속에서 이러한 이온 물질의 함유비율에 따라 물이나 용액이 산성인지 알칼리성인지 결정된다.

많은 산업계 제조 공정에서 린스세척용 혹은 혼합물 용도로 이온물질이 분리된 순수한 물을 사용해야 하며, 물속의 이온물질을 제거하기 위해서는 DI 워터가 필요하다. 이러한 이온물질은 해당 공정에서 불순물로 분류되며 공정의 역할 기능을 하기 위하여 사전에 제거되어야 한다.


   
▲ 농축수 및 배연가스가 같은 방향으로 흘러 잔류물질을 없애고 부식을 방지함으로써 열교환기 장치는 자체적으로 스케일을 제거한다. 사진은 컬리건 시설에 설치된 두 개의 DI 워터 히터 장치.

DI(deionization) 장치는 이온교환 공정을 통하여 이러한 이온물질의 양을 매우 낮은 수준으로 절감하는 장치이다. 물속 양극 전하 성질의 양이온은 양이온 교환 수지에 의하여 제거되며 나트륨, 칼슘, 마그네슘 및 기타 양이온 물질을 수소이온(hydrogen ions, H+)으로 변환시킨다. 이러한 변화로 생성되는 산성 물질은 음이온 교환수지 작용으로 중성화된다. 


이온 제거용으로 사용되는 두 가지 형태의 음이온 교환 수지는 약염기성수지(weak base resin) 및 강염기성수지(strong base resin)가 있다. 약염기성수지가 강산성 물질을 흡수하는 반면, 강염기성수지는 염산, 황산 및 알칼리이온 물질을 수산기이온(hydroxide ions, OH-)으로 변환시킨다. 양이온 교환 공정에서의 수소이온은 음이온 교환 공정에서의 수산기이온과 결합하여 물(HOH 혹은 H2O)이 형성된다. 즉 공정의 마지막 단계에서 오염물질 및 다수의 용존성 고형물질이 제거된 순수한 물을 얻을 수 있다.

이러한 과정을 거쳐 이온이 제거된 물이 물순환 배관이나 히팅 과정에서 문제가 되지 않는다고 가정하는 것은 잘못되었으며 실제로 그 반대의 가정이 진실이 될 수 있다. 즉, 이온화 과정으로 생산된 물은 주변 장치들(배관재, 밸브, 난방기 등)과의 반응으로 심각한 문제를 일으킬 수 있으며, 이온이 제거된 물에서 특정 이온의 결핍은 금속성 물질에 부식을 발생시킬 수 있다.

역삼투(RO)를 이용한 기술은 물속에서 오염물을 제거하는 관점에서 이온교환 수지에 의한 이온제거 공정과 유사하다. RO 공정에서는 반투막 멤브레인 양단에 부과되는 압력에 의하여 물을 밀어내는 작용으로 물속 대부분의 오염물질이 제거된다.

즉, 물속에 함유된 용존성 이온물질, 입자물질, 콜로이드 물질, 유기물질, 박테리아 및 발열물질 등 99% 이상의 대부분의 물질이 제거된다. 그러나 이온교환 수지에 의한 DI 워터와 마찬가지로 RO 생산수 역시 반응성이 매우 높으며 물을 이송하고 히팅하는 장치들에 유사한 문제를 일으킬 수 있다.

DI 워터 및 RO 생산수의 이러한 폐단을 조절할 수 있는 방법으로 내구성 재질로 만들어진 특별한 장치의 사용이 해결책이 될 수 있다. 주거용, 사무실용, 상업용 및 공업용 수처리 분야의 세계적인 선도기업인 컬리건(www.culligan.com)이 개발한 가스 연소식 이온 제거 히터장치는 좁은 공간에 설치 가능하고 탱크가 불필요한 히터장치로, 산업계의 마감처리 및 세척공정, 전자부품 제조, 식품가공, 수질정화, 항공과학, 화장품, 제약, 유리가공 산업 등 다양한 분야에서 효과적이며 일정한 성능을 제공하기 위해 제작되었다. 


As the name implies, deionized water is water with all the ions removed. Ions are electrically charged atoms or molecules found in water that have either a positive or negative charge.

Cations are the ions that have a positive charge, and anions are the ions with a negative charge. The ratio of these ions in the water can affect whether the water or solution is acidic or basic. Many industrial processes need to create deionized water to rid it of these ions, especially processes that use this water as a rinse or ingredient in a more complex chemical system. The ions are labeled as impurities and need to be removed from the water for the process to function as intended.

Deionization can reduce the amounts of these ions to very low levels through the ion exchange process. Positively charged cations are removed by cation exchange resin. It replaces sodium, calcium, magnesium and other cations with hydrogen ions (H+). This exchange produces acids, which must be removed or neutralized by anion exchange resin. Two general types of anion resin are used for deionization: weak base resin and strong base resin.

Weak base resin adsorbs strong acids, while strong base resin exchanges chloride, sulfate and alkaline anions for hydroxide ions (OH-). The hydrogen ions from the cation exchange process combine with the hydroxide ions from the anion exchange process to form water (HOH or H2O). At the end of the process, this water is free from impurities and many dissolved solids, also known as total dissolved solids, that are present in standard tap water.

Assuming a lack of impurities in water indicates that deionized water presents no issues in delivery or heating is a common misunderstanding. However, the opposite is actually true. This type of water tends to be more severe in regards to the make-up water? reaction to materials (such as piping, valves and heaters) because of the process of deionization. The lack of certain ions in the deionized water can make the water extremely corrosive to many metals or materials.

The reverse osmosis (RO) process is similar to the deionization process because it removes contaminants from water. However, RO removes a majority of contaminants from water by pushing the water under pressure through a semipermeable membrane. RO is capable of removing up to 99 percent of the dissolved salts (ions), particles, colloids, organics, bacteria and pyrogens from water. Similar to deionized water, RO water is highly reactive and can cause similar problems for the equipment that heats and transports the water.

Only specific equipment that is designed with durable materials can handle the rigors of deionized and RO water. A gas-fired, deionized, on-demand water heater with capacities up to 251,000 British thermal units per hour (BTU/hr) can be installed in small spaces. This tankless water heater type is built to deliver efficient, consistent performance in diverse applications like industrial finishing and cleaning, electronic parts fabrications, food processing, water purification, aerospace, cosmetics, pharmaceuticals, and glass industries. It also can be installed in processes and applications that use water treated by RO.

컬리건사의 초기 검토 및 과제
(Case study & The challenge)


   
▲ 미국 일리노이(Illinois)주 로즈몬트(Rosemont)에 소재한 컬리건(Culligan)사는 주거용·상업용 수요를 위한 필터링 시스템 및 음용수 시스템 분야에 전문화된 국제적인 수처리 회사이다. 사진은 컬리건 본사 전경.

 

미국 일리노이(Illinois)주 로즈몬트(Rosemont)에 소재한 컬리건(Culligan)사는 주거용·상업용 수요를 위한 필터링 시스템 및 음용수 시스템 분야에 전문화된 국제적 수처리 회사이다. 미국과 캐나다에서 600개 이상의 딜러(dealer)를 운영하고 있으며, 전 세계 90개 이상 국가에 제품을 판매하고 있다. 1936년에 설립된 후, “Call your Culligan Man”이라는 슬로건으로 컬리건 브랜드가 잘 알려지게 되었다.

컬리건사는 2015년 미국 인디애나주의 주도인 인디애나폴리스에 2만5천ft²(제곱피트) 규모의 수처리 장치를 설치하였으며, 물 저장조의 세척 공정에 사용되는 매우 많은 DI 워터 수요에 대응하기 위하여 내구성 재질을 가진 장치의 설치가 필요했다.

초기에는 매우 제한된 공간 내에서 산업체의 요구를 만족하는 DI 워터의 효과적 히팅이 요구되었는데, DI 워터의 많은 물량 및 부식의 문제점으로 인하여 이는 쉬운 결정이 아니었다. 일반적으로 히터에 사용되는 열교환기는 산업체의 요구 수준을 충족시킬 만한 것은 아니었다.

컬리건 현장에서의 핵심 임무는 설치공간을 줄일 수 있는 적절한 설계와 높은 수준의 세척 조건에 부합되도록 DI 워터를 히팅하는 성능을 갖추는 것이었다. 결국 생산출력은 최대로 하면서 설치 부지를 작게 하는 해결책을 찾아야 했다.


Culligan is an international water treatment company specializing in water filtration systems and bottled water for residential and office applications. The company currently has more than 600 dealers in the U.S. and Canada and sells its products in more than 90 countries. Since it was founded in 1936, the brand has become well-known because of its slogan, “Call your Culligan man.”


Culligan built a new, 25,000-square-foot water treatment plant in Indianapolis. During construction planning in 2015, the managers needed durable equipment that could keep up with the plant’s high demand for deionized water for use in its water bottle cleaning process. The process needed an efficient way to heat deionized water at an industrial level that also had a small footprint for the installed equipment. With the demands and corrosion problems deionized water can present, this was not an easy decision. Many water heaters use heat exchangers that can fail and that are not engineered to withstand the demands of industrial applications.

The daily obligations for this Culligan facility included the heating of deionized water for heavy-duty cleaning demands while maintaining a small footprint to save valuable floor space. The property was looking for a small solution with a large output.


컬리건사의 해결방안(The solution)


세척 과정 중 DI 워터가 즉시 히팅되도록 2기의 히터장치를 한 쌍으로 배열해 직렬로 설치하였으며 SS(stainless-steel)재질의 열교환기는 히팅된 DI 워터의 일일 수요량을 맞출 수 있도록 준비되었다. 또한 벽면에 부착할 수 있는 구조로 설계하여 소규모 설치면적 요구에 대응하였다.

그러나 저장조 탱크의 준비는 플랜트의 비용 증가로 이어질 수 있는 상황이었다. 이에 컬리건사는 DI 워터 무(無)탱크(deionized tankless) 히팅 시스템 설치에 대해 결정할 때, DI 워터 히팅에 SS재질의 히터 장치를 검토한 결과 수요에 적합한 히팅 능력을 보유하고 있으며 작은 부지면적이 소요됨을 알고 2대를 설치했다.

이온분리 장치는 커다란 불량 없이 고온의 일정한 요구조건에 적합하다. 각 모델은 상업용 모델의 열교환기가 사용되는데 이는 316L 코일로, 유량변화에 신속히 대응가능하며 열에 의한 충격에 저항력이 있다. 한편, 고정되지 않은 코일은 가혹한 운전조건에서도 탄력성을 가지며 웰딩(welding) 가공이 없으므로 부식에 의한 크래킹(cracking) 문제가 발생하지 않는다. 농축수 및 배연가스가 같은 방향으로 흘러 잔류물질을 없애고 부식을 방지함으로써 열교환기 장치는 자체적으로 스케일을 제거하는 기능을 한다.


 
▲ 컬리건사가 개발하여 판매하고 있는 역삼투(RO) DI 워터 시스템.

 또한 이 장치는 불량 발생의 위험을 해소시켜주는 캐스케이드 컨트롤(cascade control) 기능이 있다. 따라서 이러한 설계 덕분에 250만BTU/시간 용량을 위하여 10기 이상의 장치를 동시에 직렬 캐스케이드 배치할 수 있다. 각각의 장치는 독자적으로 운영 가능한 내부 로직회로가 구비되어 있어 수시로 점검하거나 서비스 필요 시 유연하게 작동된다. 이러한 총체적인 설계로 컬리건 플랜트는 갑작스런 중단 없이 운전 가능하며 비상용 히터를 별도로 준비할 필요가 없다. 


이러한 유지기능의 설비로 플랜트는 실제적으로 96%의 효율성을 가지며 운전비용을 절감할 수 있다. 또한 수요에 적합한 기술 선택으로 필요 시 물을 히팅함으로써 과도한 사이클 운전을 완화시키며 최대 물량을 얻을 수 있다. 이들의 응축특성으로 정확한 온도 컨트롤이 가능하며 효율개선과 동시에 손실을 크게 줄일 수 있다.

탱크를 사용하는 시스템에서 일반적으로 볼 수 있는 퍼징(purging) 현상이나 스탠바이 설비, 열교환기의 손실 없이 클리닝(cleaning) 공정에 사용되는 DI 워터 히팅에 보다 많은 투자와 개발이 진행되고 있다.


Two deionized water heaters were installed and cascaded together to instantaneously heat deionized water for the cleaning process. The ¾-inch, stainless-steel heat exchangers met the plant’s daily demand for deionized hot water. The wall-hung units were also mounted within a small footprint in the plant, allowing for elevated installation and much needed extra square footage. Accommodating a storage tank would have cost the facility more per square foot.

When asked about the decision to buy a deionized, tankless water heating system, Jack Wintrow, commercial sales manager for Culligan in Indianapolis, said, “We were looking for an all stainless-steel water heater to heat deionized water for our drinking water bottling cleaning process. After reviewing … literature, we learned about on-demand water heating technology and the small footprint it provides. We purchased two units and installed them ourselves.”

The deionized units withstand consistent, high-temperature demands without catastrophic failures. Each model uses commercial-grade heat exchangers. The 316L, low-mass coils enable rapid responses to varying flow rates and are resistant to thermal shock.

The floating coils are resilient against harsh cycles and, with no welds on the water side, eliminate stress corrosion cracking issues. The condensate and flue gasses flow in the same direction to wash away residues and prevent corrosion, creating a heat exchanger that is self-descaling.

The units also include masterless cascade controls that eliminate the risk of single-point failures. With this design, up to 10 units can be cascaded together for a combined capacity of more than 2.5 million BTU/hr. Every unit has enough internal logic to operate independently, allowing it to function smoothly if a heater needs to be checked or serviced. This technology allows the Culligan facility to operate without interruption and eliminates the need for back-up heaters.

The sustainable equipment also provides the plant with 96 percent real-world efficiency, which offers measurable operational savings. Because of their on-demand technology, the units have the capacity to meet peak draws while alleviating excessive cycling by only heating water when needed. Their condensing nature presents precise temperature control and greatly reduces losses while improving efficiency. Without the purging, standby and heat exchanger losses that are typically seen in a system that uses a tank, more money and energy go toward heating the deionized water on which Culligan depends for its cleaning process.


탱크가 필요하지 않는 시스템의 향후 개선
(Further tankless improvements)

    

 
▲ 와이파이(Wi-Fi) 및 3G·4G 통신연결이 가능한 차세대 DI 워터 무탱크 히터는 모바일 앱을 통해 원격 조정, 원격 모니터링으로 온도·유량 확인이 가능하다. 사진은 인텔리핫 그린 테크놀로지스(Intellihot Green Technologies)사가 국제전시회에 출품한‘DI 워터 무탱크 히터’전시부스.

 

와이파이(Wi-Fi) 및 3G·4G 통신연결의 특성을 가진 차세대 DI 워터 무탱크(deionized tankless) 히터가 현재 사용 가능하다. 각각의 장치는 무선라우터 혹은 인터넷 허브와 연결되며, 원격 조정, 원격 모니터링이 가능하다. 이러한 새로운 기술을 통해 직관의 터치스크린 인터페이스를 사용하여 일별·주별·월별 사용 데이터, 고장탐구 사전 신호정보 및 부품 성능주기의 모니터링 정보를 습득할 수 있다.

또한 대부분의 장치는 모바일 앱(mobile app)을 사용하여 모니터링할 수 있고 개인 스스로 물의 유입·유출 온도, 유량, 배연가스 온도 및 연소율을 확인할 수 있다. 물속의 이온물질 분리는 복잡한 과정으로 인식될 수 있으나 히팅 작업은 비교적 손쉬운 방법이며 탱크가 없는 설비로, 플랜트는 지속적으로 고품질 제품 생산에 집중할 수 있다. 보다 상세한 사항은 intellihot.com을 방문하여 얻을 수 있다.


Next-generation deionized tankless water heaters, which include additional features such as Wi-Fi and 3G/4G connectivity, are now available. Each unit can be connected to a wireless router or through a proprietary internet hub. This enables remote access and monitoring of all the equipment. This new technology uses intuitive, touchscreen interfaces and allows for accessing daily, weekly and monthly usage data, troubleshooting info and monitoring the life of parts.

Most new equipment can be monitored using mobile apps. They allow personnel to check water inlet/outlet temperatures, flow rates, flue gas temperatures and combustion rates from mobile devices. While the deionization of water may seem like a complicated concept, heating it should be easy. With tankless units, a facility can continue to focus on delivering high-quality products to and not water-heating challenges.

Jason Smith is an applications engineer at Intellihot Green Technologies Inc. He became a licensed Professional Engineer in 2006 and has been involved in the design process of most types of building mechanical systems for more than 15 years, including plumbing and hydronic heating systems, both from the manufacturer and the specifying engineering perspectives.

Valerie Daves leads business development efforts at Intellihot Green Technologies Inc. She helps customers save energy and space, reduce operating and capital expenses and increase reliability with the company’s tankless, on-demand water heating technology. For more information on the equipment detailed in this article, visit intellihot.com. 


[『워터저널』 2017년 7월호에 게재]

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