1) 원리 및 구조
증발식 응축기(Evaporative Condenser)는 냉동 시스템에서 냉매가 응축 과정에서 방출하는 열을 제거하는 장치입니다. 물과 공기 두 가지 매체를 동시에 활용하여 응축 효율을 극대화하는 특징을 가집니다.
원리:
증발식 응축기의 작동 원리는 물의 증발 잠열을 이용하는 것입니다. 고온 고압의 냉매 증기는 응축 코일 내부를 통과하면서 코일 외부로 분사되는 물과 열교환을 합니다. 일부 분사된 물은 증발하면서 냉매로부터 열을 흡수하고 증기 상태로 공기 중으로 날아가고, 남은 물은 하부 물받이로 떨어져 재순환됩니다. 이때, 코일 외부로 공기를 강제적으로 흐르게 하여 증발을 촉진시키고 열교환 효율을 높입니다. 결과적으로 냉매는 응축되어 액체 상태로 변환되고, 응축 과정에서 방출된 열은 증발된 물과 함께 공기 중으로 배출됩니다.
구조:
증발식 응축기는 크게 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다.
- 응축 코일 (Condensing Coil):
- 고온 고압의 냉매 증기가 통과하는 코일 튜브입니다. 일반적으로 구리 또는 알루미늄 재질로 제작되며, 핀을 부착하여 열전달 면적을 넓히기도 합니다.
- 냉매 증기는 코일 내부를 흐르면서 열을 외부로 전달하고 응축됩니다.
- 살수 장치 (Spray System):
- 응축 코일 외부에 물을 분사하는 장치입니다. 노즐, 스프레이 헤더, 펌프 등으로 구성됩니다.
- 노즐은 균일하게 물을 분사하여 코일 표면을 적시고 증발 면적을 최대화하는 역할을 합니다.
- 펌프는 물받이(Basin)에 모인 물을 다시 살수 장치로 순환시키는 역할을 합니다.
- 송풍 장치 (Air Handling Unit):
- 응축기 내부로 공기를 강제적으로 흐르게 하는 장치입니다. 팬(Fan), 모터, 케이싱 등으로 구성됩니다.
- 축류 팬(Axial Fan) 또는 원심 팬(Centrifugal Fan)이 주로 사용되며, 공기 흐름을 생성하여 물의 증발을 촉진시키고 열교환 효율을 높입니다.
- 물받이 (Basin):
- 응축 코일에서 떨어지는 물과 미증발된 살수수를 모아 저장하는 탱크입니다.
- 재질은 부식에 강한 스테인리스강 또는 FRP(Fiberglass Reinforced Plastic) 등이 사용됩니다.
- 수위 조절 장치, 블로우다운 (Blowdown) 장치, 보충수 공급 장치 등이 설치될 수 있습니다.
- 물 분리 장치 (Drift Eliminator):
- 송풍 장치에서 배출되는 공기 중으로 물방울이 비산되는 것을 방지하는 장치입니다.
- 루버(Louver) 형태 또는 필터 형태로 제작되며, 물 손실을 줄이고 주변 환경 오염을 방지합니다.
- 케이싱 (Casing):
- 응축기 외부를 감싸는 외함으로, 내부 구성 요소를 보호하고 외부 환경으로부터 영향을 최소화합니다.
- 강판, FRP 등 내후성이 강한 재질이 사용됩니다.
- 점검 및 유지보수를 위한 출입문, 점검창 등이 설치됩니다.
2) 열전달 메커니즘
증발식 응축기의 열전달 메커니즘은 크게 현열 전달과 잠열 전달 두 가지 방식으로 구성됩니다. 하지만 증발식 응축기의 핵심은 물의 증발 잠열을 이용한 열 제거에 있습니다.
- 현열 전달 (Sensible Heat Transfer):
- 고온의 냉매 증기와 상대적으로 저온의 살수수 및 공기 간의 온도 차이에 의해 열이 직접적으로 이동하는 현상입니다.
- 냉매 증기의 현열이 살수수와 공기로 전달되어 온도를 상승시킵니다.
- 현열 전달은 전체 열전달량에서 차지하는 비중은 상대적으로 작지만, 초기 열교환 과정에서 중요한 역할을 합니다.
- 잠열 전달 (Latent Heat Transfer, 증발 냉각):
- 액체 상태의 살수수가 증발하면서 주변으로부터 증발 잠열을 흡수하는 현상입니다.
- 살수수가 응축 코일 표면에서 증발하면서 코일 표면 온도를 낮추고, 냉매 증기로부터 더 많은 열을 효과적으로 흡수합니다.
- 잠열 전달은 증발식 응축기 전체 열전달량의 대부분을 차지하며, 높은 냉각 효율을 가능하게 하는 핵심 메커니즘입니다.
- 증발량은 공기의 온도, 습도, 풍속, 살수량 등에 영향을 받습니다. 특히 공기의 습도가 낮고 온도가 높을수록 증발량이 증가하고 냉각 효과가 커집니다.
열전달 과정 상세 설명:
- 냉매 증기 열 방출: 고온 고압의 냉매 증기는 응축 코일 내부를 흐르면서 응축 과정에서 현열과 잠열을 방출합니다.
- 살수수 현열 흡수: 응축 코일 표면에 분사된 살수수는 냉매 증기로부터 현열을 흡수하여 온도가 상승합니다.
- 살수수 증발 및 잠열 흡수: 온도가 상승한 살수수 일부는 코일 표면에서 증발하면서 증발 잠열을 흡수합니다. 이 과정에서 코일 표면 온도가 낮아지고 냉매 증기와의 온도 차이가 더욱 커져 열전달이 촉진됩니다.
- 공기 현열 흡수 및 증발 촉진: 송풍 장치에 의해 유도된 외부 공기는 코일 표면 및 살수수와 접촉하면서 현열을 흡수하여 온도가 상승하고, 살수수의 증발을 더욱 촉진시킵니다.
- 열 방출 및 냉매 응축: 증발된 수증기와 데워진 공기는 송풍 장치를 통해 응축기 외부로 배출되고, 냉매 증기는 열을 잃고 액체 상태로 응축됩니다.
열전달 성능에 영향을 미치는 요소:
- 공기 속도: 공기 속도가 빠를수록 증발량이 증가하고, 열전달 계수가 증가하여 냉각 성능이 향상됩니다. 하지만 과도한 풍속은 송풍기 동력 증가 및 소음 증가를 유발할 수 있습니다.
- 살수량: 살수량이 적절할수록 코일 표면이 충분히 적셔져 증발 면적이 최대화되고, 냉각 성능이 향상됩니다. 하지만 과도한 살수량은 물 낭비 및 펌프 동력 증가를 유발할 수 있습니다.
- 살수수 온도: 살수수 온도가 낮을수록 냉매 증기와의 온도 차이가 커져 열전달 성능이 향상됩니다. 하지만 너무 낮은 살수수 온도는 결빙 문제를 야기할 수 있습니다.
- 공기 습도: 공기 습도가 낮을수록 증발량이 증가하고 냉각 성능이 향상됩니다. 하지만 외기 습도가 높은 날씨에는 증발량이 감소하여 냉각 성능이 저하될 수 있습니다.
- 코일 표면적: 코일 표면적이 넓을수록 열전달 면적이 증가하여 냉각 성능이 향상됩니다. 핀 코일 등을 사용하여 표면적을 넓힐 수 있습니다.
- 수질 관리: 살수수에 스케일, 부식, 미생물 등이 발생하면 열전달 효율을 저하시키므로, 적절한 수질 관리가 필요합니다.
3) 타 형식과 비교
증발식 응축기는 다른 형식의 응축기 (공냉식, 수냉식) 와 비교하여 다음과 같은 장단점을 가집니다.
① 공냉식 응축기 (Air-Cooled Condenser):
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구분
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증발식 응축기 (Evaporative Condenser)
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공냉식 응축기 (Air-Cooled Condenser)
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열전달 매체
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물 + 공기
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공기
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냉각 효율
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높음
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낮음
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에너지 소비
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펌프 + 팬 (수냉식 < 증발식 < 공냉식)
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팬 (증발식 < 공냉식)
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설치 면적
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작음
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큼
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초기 투자비
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중간
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저렴
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유지보수
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수질 관리, 살수 장치 점검 필요
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간단 (팬, 코일 청소)
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수자원 소비
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소량 (증발량)
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없음
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소음
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팬 + 살수 소음
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팬 소음
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적용 분야
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중대형 냉동 시스템, 수자원 제약 지역
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소형 냉동 시스템, 수자원 풍부 지역
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- 장점 (증발식 대비 공냉식):
- 초기 투자비 저렴: 별도의 살수 시스템 및 수처리 설비가 필요 없어 초기 투자비가 저렴합니다.
- 유지보수 간편: 수질 관리 필요 없고, 유지보수가 비교적 간단합니다.
- 수자원 소비 없음: 물을 사용하지 않아 수자원 소비가 없습니다.
- 단점 (증발식 대비 공냉식):
- 냉각 효율 낮음: 공기만을 열전달 매체로 사용하므로 열전달 효율이 증발식에 비해 낮습니다. 특히 고온 환경에서 효율 저하가 심합니다.
- 에너지 소비 높음: 동일한 냉각 용량을 위해 더 많은 팬 동력이 필요하며, 냉동 시스템 전체 에너지 소비량이 증가할 수 있습니다.
- 설치 면적 큼: 효율을 높이기 위해 열교환 면적이 넓어야 하므로, 설치 공간이 넓게 필요합니다.
② 수냉식 응축기 (Water-Cooled Condenser) + 냉각탑 (Cooling Tower):
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구분
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증발식 응축기 (Evaporative Condenser)
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수냉식 응축기 + 냉각탑 (Water-Cooled Condenser + Cooling Tower)
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열전달 매체
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물 + 공기
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냉각수 (밀폐 순환) + 공기 (냉각탑)
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냉각 효율
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높음 (수냉식과 유사)
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매우 높음 (저온 냉각수 공급 가능)
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에너지 소비
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펌프 + 팬 (수냉식 < 증발식 < 공냉식)
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냉각수 펌프 + 냉각탑 팬 (증발식 < 수냉식)
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설치 면적
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작음 (냉각탑 대비)
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큼 (응축기 + 냉각탑)
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초기 투자비
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중간
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높음 (응축기 + 냉각탑 + 배관)
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유지보수
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수질 관리, 살수 장치 점검 필요
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응축기 + 냉각탑 각각 유지보수 필요, 수질 관리 중요
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수자원 소비
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소량 (증발량)
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소량 (냉각탑 증발량, 블로우다운)
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소음
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팬 + 살수 소음
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응축기 + 냉각탑 각각 소음 발생
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적용 분야
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중대형 냉동 시스템, 공냉식 대비 효율 중시
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대용량 냉동 시스템, 고효율 시스템 구축, 수자원 확보 용이 지역
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- 장점 (증발식 대비 수냉식+냉각탑):
- 높은 냉각 효율: 냉각탑을 통해 더 낮은 온도의 냉각수를 응축기에 공급할 수 있어 냉각 효율을 극대화할 수 있습니다.
- 에너지 소비 낮음: 냉각탑 냉각 방식은 증발 냉각 효과가 높아 증발식 응축기보다 에너지 소비량이 더 낮을 수 있습니다 (시스템 구성 및 운전 조건에 따라 다름).
- 단점 (증발식 대비 수냉식+냉각탑):
- 설치 면적 큼: 응축기와 냉각탑을 별도로 설치해야 하므로, 설치 공간이 넓게 필요합니다.
- 초기 투자비 높음: 응축기, 냉각탑, 냉각수 펌프, 배관 등 초기 투자비가 증발식에 비해 높습니다.
- 유지보수 복잡: 응축기와 냉각탑 각각 유지보수가 필요하며, 냉각수 수질 관리도 중요합니다.
- 수자원 소비량 많음: 냉각탑 증발량 및 블로우다운 등으로 인해 수자원 소비량이 증발식 응축기보다 많을 수 있습니다.
결론:
증발식 응축기는 공냉식 응축기보다 냉각 효율이 높고 설치 면적이 작지만, 초기 투자비와 에너지 소비량은 중간 수준입니다. 수냉식 응축기 + 냉각탑 시스템에 비해서는 냉각 효율은 다소 낮지만, 설치 면적이 작고 초기 투자비가 저렴하며 유지보수가 간편합니다.
따라서 증발식 응축기는 중대형 냉동 시스템에서 공냉식 응축기의 낮은 효율과 수냉식 응축기 + 냉각탑 시스템의 높은 투자비를 절충하는 합리적인 선택이 될 수 있습니다. 특히 수자원이 제한적인 지역, 설치 공간 제약이 있는 경우, 에너지 효율과 초기 투자비 간의 균형을 중요시하는 경우에 효과적인 대안이 될 수 있습니다. 시스템 설계 시에는 냉동 시스템의 용량, 운전 조건, 설치 환경, 에너지 효율 목표, 경제성 등을 종합적으로 고려하여 최적의 응축기 형식을 선정해야 합니다.