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(1) 물측 전열관벽 오염원인
수냉식 응축기의 전열관 내부(물측) 표면에 발생하는 오염은 냉각수의 성분 및 운전 조건에 따라 다양한 원인으로 발생하며, 주로 다음과 같은 종류가 있습니다.
- 결정형 스케일 (Crystallization Fouling / Scaling): 냉각수 중에 용해되어 있는 무기염류(주로 칼슘, 마그네슘 등의 경도 성분)가 온도, pH 등의 변화에 따라 용해도를 초과하여 전열면(특히 온도가 높은 부분)에 석출·부착되어 형성됩니다. 탄산칼슘(CaCO₃), 황산칼슘(CaSO₄), 규산염(Silica) 등이 대표적입니다. 특히 탄산칼슘은 온도 상승 시 용해도가 감소하는 특성이 있어 응축기 전열관 표면에 쉽게 스케일화됩니다.
- 침전물 오염 (Particulate Fouling / Sedimentation): 냉각수 중에 부유하고 있는 모래, 진흙, 먼지, 녹(부식 생성물) 등의 불용성 입자들이 유속이 느린 곳이나 전열면에 침강·부착되어 형성됩니다. 냉각탑에서 유입되는 외부 먼지나 배관 시스템 내부의 부식 생성물이 주된 원인이 됩니다.
- 부식 오염 (Corrosion Fouling): 전열관 재질 자체가 냉각수의 수질(pH, 용존산소, 염소 이온 등)에 의해 부식되고, 그 부식 생성물이 표면에 쌓여 오염층을 형성하는 경우입니다. 부식 자체도 문제지만, 부식 생성물이 쌓여 열전달을 방해합니다.
- 생물 오염 (Biological Fouling / Biofouling): 냉각수 중의 박테리아, 조류(Algae), 곰팡이 등의 미생물이 번식하여 슬라임(Slime) 형태의 점착성 막을 형성하는 오염입니다. 특히 개방형 냉각탑 시스템에서 햇빛, 공기 접촉 등으로 발생하기 쉬우며, 이 슬라임은 다른 부유물질을 흡착하여 오염을 가중시키기도 합니다.
(2) 시간에 따른 오염계수의 변화
오염계수(Fouling Factor, )는 오염층이 열전달에 미치는 저항을 나타내는 값으로, 시간이 지남에 따라 일반적으로 다음과 같은 경향을 보이며 변화합니다.
- 초기 지연 단계 (Initiation / Delay Period): 운전 시작 후 일정 기간 동안은 오염 물질의 부착이 거의 일어나지 않거나 매우 느리게 진행되어 오염계수의 변화가 거의 없는 단계입니다. 전열면의 상태, 유체의 조건 등에 따라 이 기간의 길이는 달라집니다.
- 성장 단계 (Growth Period): 오염 물질이 전열면에 부착되기 시작하면서 오염층의 두께가 점차 증가하고, 이에 따라 오염계수()도 증가하는 단계입니다. 초기에는 비교적 빠른 속도로 증가하다가 점차 증가율이 둔화될 수 있습니다. 이 단계의 오염 속도는 유속, 온도, 수질 등에 큰 영향을 받습니다.
- 평형 또는 점근 단계 (Equilibrium / Asymptotic Period): 오염층이 어느 정도 두꺼워지면, 유체의 흐름에 의한 전단응력(Shear Stress)으로 인해 오염층 표면에서 일부가 떨어져 나가는 제거 속도(Removal Rate)가 오염 물질이 부착되는 부착 속도(Deposition Rate)와 같아지는 시점이 옵니다. 이 상태에 도달하면 오염층의 두께가 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유지되며, 오염계수()도 특정 값으로 수렴하여 안정화됩니다. 모든 오염이 이 단계를 보이는 것은 아니며, 조건에 따라 계속 증가할 수도 있습니다.
따라서 오염계수는 시간이 지남에 따라 초기 지연 후 증가하다가 특정 조건 하에서는 일정한 값으로 수렴하는 S자 또는 점근 곡선 형태를 보이는 것이 일반적입니다.
(3) 콜게이트관(Corrugated Tube) 표면에서 오염이 발생하기 어려운 이유
콜게이트관은 표면에 나선형 홈이나 물결 모양의 주름이 가공된 전열관으로, 평활관(Smooth Tube)에 비해 오염 발생이 억제되는 경향이 있습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.
- 난류 촉진 및 경계층 파괴: 콜게이트관의 요철 구조는 관 내부를 흐르는 유체(냉각수)의 흐름에 강한 선회류(Swirl Flow)나 와류를 유발하여 난류를 촉진시킵니다. 이는 관 벽면 근처의 온도 경계층 및 속도 경계층을 얇게 만들어 열전달 성능 자체를 향상시키는 동시에, 오염 물질이 침착하기 쉬운 정체 영역을 줄여줍니다.
- 높은 벽면 전단응력 (Increased Wall Shear Stress): 강화된 난류와 선회류는 관 벽면에 작용하는 유체의 전단응력을 증가시킵니다. 이 높은 전단응력은 오염 입자나 스케일 결정이 벽면에 부착되는 것을 방해하고, 이미 약하게 부착된 오염 물질을 씻어내는 자가 세정(Self-Cleaning) 효과를 발휘합니다.
- 주기적인 유동 변화: 골(Valley)과 마루(Peak)를 따라 흐르는 유체는 국소적으로 속도와 압력이 주기적으로 변하게 되어, 오염 물질이 한 곳에 안정적으로 머무르며 성장하기 어렵게 만듭니다.
이러한 복합적인 작용으로 인해 콜게이트관은 동일한 유량 조건에서도 평활관보다 오염 물질의 부착 속도가 느리고, 평형 오염계수 값도 낮게 유지되는 경향이 있어 오염 발생이 상대적으로 어렵습니다.
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