응축기 - 종류(수냉식, 공냉식, 증발식), 냉각탑
개요
응축기는 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매 과열증기를 공기나(공냉식) 물(수냉식) 그리고 물과 공기를 합친 방법(증발식)
을 통해 냉각시켜 여전히 고온 고압상태의 액으로 액화시키는 열교환기의 일종이다.
응축기 입구에서는 과열증기가 건포화 증기로 변한 다음 습증기로 변한 후 포화액 혹은 과냉각액(완전한 액상태)이 되어 팽창밸
브로 보내진다.
응축기의 열전달
(1) 응축기 발열량
냉매가 응축기를 통과할 때 유속은 유량에 따라 결정되며 유속에 따라서 열전달율이 크게 변화하여 열통과율을 감소시킨다. 응축
기 내부에서의 냉매온도가 일정하다고 가정하면 대수평균 온도차를 이용하여 응축기 발열량은 다음과 같이 구한다.
여기서, K : 열통과율(열전달계수, 열관류율)
A : 전열면적(㎡)
△tm : 응축온도 - 냉각수 입출구 평균온도
(냉매와 냉각수와의 평균 온도차(℃))
(2) 평균 온도차
① 산술 평균 온도차
② 대수 평균 온도차 ( = LMTD (Logarithm Mean Temperature Difference))
여기서, △t1 : 응축기 입구에서 냉매와 냉각수(공기)와의 온도차
△t2 : 응축기 출구에서 냉매와 냉각수(공기)와이 온도차
응축기의 종류
응축기는 냉매의 종류나 응축기의 구조, 용량, 열교환 방법, 재질의 종류 등 여러 가지로 구별하는데 크게 분류하면
수냉식, 공냉식, 증발식 등이 있다.
(1) 수냉식 응축기(water cooled type)
1) 입형 쉘 앤 튜브식(vertical shell & tube type) 응축기
수냉식 응축기 중 암모니아 냉동기로 가장 많이 사용하는 형식으로 소요냉각 수량은 20L/min 로서 많은 편이며 구조로는 냉각수가
관 위에서 관 내부로 흐르면서 쉘 내부로 유입되는 냉매가스를 냉각시키고 아래방향으로 유출되도록 되어 있다. 특징으로는 냉각관
의 길이는 보통 4~5m 정도로 대용량의 응축기이며 냉각수 출입구의 온도차는 3~4℃, 열통과율이 750kcal/㎡·k·h℃ 로 적고 전
열면적은 1.2㎡/RT 정도이다.
장점 ① 설치면적이 적어도 된다.(세로로 세워져 있기 때문)
② 옥외 설치가 가능하다.
③ 운전 중에도 냉각관 청소가 가능하다.
④ 전열이 양호하고 과부하에 잘 견딘다.
단점 ① 냉각수 소비량이 크다.(수냉식 중 가장 많다)
② 냉각관의 부식이 빠르다.
③ 냉각수와 냉매가 평행으로 흐르므로 과냉각이 불량하다.
2) 횡형 쉘 앤 튜브식(horizental shell & tube type) 응축기
현재 가장 많이 사용하고 있는 형식으로 주로 암모니아용과 프레온용으로 구분되고 있다. 이 응축기는 쉘 내부에 많은 관이 있고
관 내부에는 냉각수가 흐르고 쉘 내부 즉, 관 외부에는 냉매가 흐르게 되어 있으며 밑부분에는 응축액화된 냉매액을 저장할 수 있
는 공간이 있어서 수액기의 역할도 겸할 수 있게 되어 있다.
특히, 암모니아를 사용할 경우 1RT 당 냉각수량은 12L/min 정도를 기준으로 하며 열통과율은 600~900kcal/㎡·k·h℃ 정도
이지만 냉각수의 유속에 의해 많은 변화가 있다. 즉, 냉각수의 유속을 높여 열통과율을 높이게 되면 냉각수의 펌프동력이 증가하
되는 결과를 초래하게 된다. 냉각수의 유속은 보통 암모니아 강관인 경우는 0.6~1.0m/s, 프레온 동관인 경우는 1.0~1.5m/s 정
도가 알맞다.(핀 튜브인 경우는 2m/s가 적당하다)
(여기서, 프레온 동관의 유속 1.0~1.5m/s 가 적당한 이유는 유속이 너무 빨라지면 소음이 발생하기 때문이다)
특징 ① 프레온 및 암모니아에 관계없이 소형에서 대형까지 사용 가능하다.
② 수액기를 겸용할 수 있다.
③ 입구, 출구에 수실이 있으며 콘덴싱 유닛(condensing unit) 조립으로 가능하다.
④ 프레온용인 경우는 로우 핀 튜브(low fin tube)를 사용하고 크기에 비해 설치면적이 적다.
장점 ① 냉각수의 소비가 적다.(증발식, 응축기 다음)
② 설치장소가 좁아도 가능하다.
③ 전열효과가 양호하다.
④ 냉각능력이 우수하여 소형이 가능하다.
단점 ① 과부하에 약하다.
② 냉각관이 부식이 빠르고 청소가 곤란하다.
3) 7통로식(7 pass type) 응축기
이 응축기는 횡형 응축기의 구조와 흡사한데 직경 200mm 정도, 길이를 4m 정도의 냉각관을 7개 삽입한 쉘을 한 조로 하여
여러단을 중첩한 형식이다. 횡형 응축기의 원리와 같다.
냉매는 쉘 위에서 유입되고 냉각관의 외부를 통과하면서 응축되고 냉각수는 아래부분의 냉각관으로 들어가 7개의 냉각관을
흐른다. 특징으로는 주로 암모니아용으로 사용하며 냉동능력에 따라 적당한 댓수를 조립하여 사용하고 열통과율은 1,000
kcal/㎡·k·h℃ 로 양호하다.
장점 ① 전열효과가 양호하다.
② 설치면적을 적게 차지한다.
③ 냉동능력에 따라서 조립사용이 가능하다.
단점 ① 냉각관의 청소가 곤란하다.
② 구조가 복잡하고 1대로 대용량 사용이 어렵고 설비가 비싸다.
4) 이중관식 응축기(tube within tube type)
이 응축기는 원형관 내부에 또 다른 관을 삽입하여 수평관 내측에 냉각수를 외측에는 냉매가 서로 대향류로 흐르게 한 형식이다.
관속에서의 냉각수 유속은 1~2m/s 정도이며 냉각수량은 12L/min 정도로 비교적 적은 편이다. 특징으로는 주로 소형 프레온용
및 중소형 암모니아용이며 패키지 에어컨에 사용하며 서로 대향류로 흐르는 구조로 설계되어 역류형 응축기라고도 한다.
장점 ① 전열이 양호하다.(900kcal/㎡·k·h℃)
② 냉매와 냉각수가 대향류이므로 과냉각이 좋다.
③ 냉각수량이 적다.(12L/min)
④ 설치장소가 좁아도 된다.(뱀이 똬리 튼 모습이기 때문)
단점 ① 냉각관 청소가 매우 곤란하다.
② 대형에는 사용이 어렵다.
③ 냉각관의 부식 발견이 어렵다.
④ 냉매누설 발견이 어렵다.
5) 지수식(submerged type) 응축기
이 응축기는 쉘 앤 코일(shell & coil type) 응축기라고도 하는데 나선묘양의 코일에 냉각수를 통과시키고 쉘 내부에는 냉매증기
를 흐르게 하는 형식인데 그 반대일 경우도 가능하다.
특징 ① 소용량의 프레온이나 암모니아 냉동기에 주로 사용한다.
② 비교적 양질의 냉각수를 얻을 수 있는 장소에서 사용이 가능하다.
③ 열통과율은 500kcal/㎡·k·h℃ 정도, 전열면적은 0.8~1.0㎡/RT, 냉각수량은 12L/min 이다.
장점 ① 소형화 및 경량화가 가능하다.
② 제작비가 적고 냉각수량이 적다.
단점 ① 냉각관 청소가 곤란하다.
② 냉각관의 교환이 곤란하다.
6) 대기식(atmospheric type) 응축기
이 응축기는 냉각수의 감열 및 증발잠열을 이용하여 냉매를 응축 액화시키는 원리로서 직경 2inch 정도, 길이 2~6m 정도의 수평관
을 상하 6~16단을 직렬로 연결하여 냉각수를 상단에 설치한 수조에서 균일하게 관의 표면을 따라 흘러내리게 한다.
특징 ① 암모니아 중대형 냉동기에 사용한다.
② 냉각수는 일반적으로 지하수 및 하천수를 사용한다.
③ 하부에 가스입구가 있고 응축된 액을 중간 4단 정도에서 배출한다.
④ 열통과율은 600kcal/㎡·k·h℃, 전열면적은 1.4㎡/RT, 냉각수량은 15L/min·RT 정도이다.
장점 ① 냉각관의 청소가 용이하다.
② 대용량의 제작이 가능하다.
③ 수질이 나쁜 곳에서도 사용이 가능하다.
단점 ① 튜브가 길어지면 압력강하가 크다.
② 냉각수량이 많고 냉각관의 부식성이 크다.
③ 설치 장소가 크다.
(2) 증발식(evaporative type) 응축기
증발식 응축기는 수냉식과 공냉식을 혼합한 형식으로 냉각관에 냉각수를 분무시키고 강제를 공기를 불어주면 냉각수가 증발
하여 냉각관에서 증발열을 흡수하므로 냉각수와 냉매의 온도차와 증발열에 의한 냉각작용을 동시에 받게 된다.
"냉각탑"과 구조가 거의 유사하다.
특징 ① 주로 암모니아 냉동기에 사용하지만 중형 프레온 냉동기에도 사용한다.
② 냉각수의 증발로 냉매는 응축하지만 냉각수의 입출구 온도는 동일하다.
③ 물의 증발열을 이용하므로 냉각수가 적게 소요된다.(물회수율 95% 정도)
④ 외기 습구온도에 영향(외기 습구온도가 높으면 냉각능력이 저하)을 받는다.
⑤ 수냉식은 물 1L 당 4~6kcal/kg의 현열, 증발식에서는 600kcal/kg의 증발열을 뺏는다.
(수냉식보다 이론적 순환수량은 1% 정도)
⑥ 송풍기에 의한 물이 비산을 방지하기 위해 엘리미네이터(eliminator)를 설치한다.
⑦ 열통과율 200~280kcal/㎡·k·h℃, 전열면적 1.3~1.5㎡/RT, 냉각수 순환수량 8L/min, 보급수량은 0.1L/min·RT 이다.
⑧ 관의 길이가 길고 가늘어지면 냉매의 압력강하가 크다.
⑨ 팬, 노즐, 펌프 등 부속설비가 많다.
장점 ① 물을 사용하는 응축기 중 냉각수량이 가장 적다.
② 냉각탑을 별도로 사용하지 않는다.(냉각탑과 구조가 거의 같다)
③ 옥외설치가 가능하다.
단점 ① 압력강하가 크다.(고압측 배관에 주의)
② 구조가 복잡하고 설비비가 비싸다.
③ 일반 수냉식에 비해 전열이 나쁘다.
④ 청소 및 보수가 곤란하다.
(3) 공냉식(air cooled type) 응축기
공냉식 응축기에는 자연 대류식과 강제 대류식이 있다.
1) 자연 대류식 (fan이 없다)
자연 대류식은 공기의 자연 대류를 이용하여 냉매를 냉각시키는 방법으로 주로 소형 프레온 냉동기에 사용하는데 전열효과를
좋게 하기 위하여 핀을 부착한다.
2) 강제 대류식 (fan이 있다)
강제 대류식은 자연 대류식과 마찬가지로 냉각된 외부에 얇은 핀을 부착하고 약 풍속 3m/s 정도를 강제로 송풍시키는 방법이다.
냉각탑 (cooling tower)
냉각탑의 구조는 증발식 응축기와 비슷한데 수냉식 응축기와 연게하여 사용한다. 즉, 수냉식 응축기에서 온도가 높아진 냉각수를
냉각탑으로 보내어 송풍기로 외부공기를 흡입하여 증발잠열을 이용하여 냉각시켜서 다시 사용할 수 있도록 하는 일종의 냉각수
재생장치이다.
특징으로는 ① 수원이 풍부하지 못하거나 냉각수를 절약할 때 사용한다.
② 물의 증발잠열을 이용하므로 외기 습구온도의 영향을 받는다.(외기 습구온도 이하로는 냉각할 수 없다)
(1) 냉각탑의 종류
1) 송풍방식에 따른 구분 (=위치에 따른)
① 흡입식 : 팬(fan)이 냉각탑의 공기 출구측에 위치해 있는 것
② 압입식 : 팬(fan)이 냉각탑의 공기 입구측에 위치해 있는 것
2) 공기 흐름에 따른 구분 (=열전달에 따른)
① 대향류형 : 충전부(=충진재)에서 공기의 흐름이 수직방향으로 움직여 냉각수와 마주 교차하며 열교환되는 형태
② 직교류형 : 충전부에서 공기의 흐름이 수평방향으로 움직여 냉각수와 직각으로 교차하며 열교환되는 형태
3) 충진재(=충전재) 종류에 따른 구분
물이 떨어지면서 온도를 5℃ 낮추기 위해 플라스틱 미끄럼틀처럼 만든 것이다.
① 필름형 : 표면적을 넓힌 수직형태의 충진재를 사용해서 냉각수가 그 표면에 얇은 막을 형성하며 흘러 내리도록 한 것으로 재질
은 PVC로 내열시험온도 60℃ 정도이며 설치된 상태에서 100kgf/㎡의 하중에 변형이 없어야 한다.
② 비말형 : 충진재를 평행되게 상하로 교차시키는 방법 등으로 물이 표면을 적시며 반복적으로 방해받아 낙하하면서 작은 물방울
로 흩뿌려지게 하는 형식의 것으로 재질은 방부처리 목재 및 PVC로 두께 1mm 이상의 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌
으로 충진재는 수평을 유지하여 설치한다.
4) 열전달 방법에 따른 구분
① 개방형 : 냉각수와 공기가 직접 접촉하며 냉각수의 증발이 수반되어 열교환하는 형태
② 밀폐형 : 냉각수와 공기가 간접 접촉하여 열교환하는 형태
(2) 냉각탑의 냉각능력
1) 냉각톤 (cooling ton = CRT)
냉각탑 입구공기의 온도가 27℃ 냉각수 입구수온이 37℃ , 출구온도가 32℃ , 순환수량이 13L/min 조건일 때 이 냉각탑의 냉각
능력을 냉각톤이라고 하며 1 냉각톤은 3,900kcal/h이다.
2) 쿨링 레인지 (cooling range)
냉각탑 냉각수 입구수온과 냉각수 출구수온의 차로 쿨링 레인지는 클수록 좋다.
· 쿨링레인지 = 냉각탑 입구수온 - 냉각탑 출구수온
= 37℃ - 32℃ = 5℃
3) 쿨링 어프로치 (cooling approach)
냉각탑 출구수온과 입구공기의 습구온도와의 차로 쿨링어프로치는 적을수록 좋다.
· 쿨링어프로치 = 냉각탑 출구수온 - 입구공기의 습구온도
= 32℃ - 27℃ = 5℃
※ PC 버전으로 보시는 것을 추천드립니다.
부족한 글 읽어주셔서 감사합니다! 다음에 더 좋은 글로 찾아뵙겠습니다.