공조냉동기계기술사/132회 기출문제 풀이

4-1. 공기 냉각에서 냉수형 코일에 대하여 다음을 설명하시오.(1) 핀(fin)형상에 따른 분류(2) 유로의 배열에 따른 분류(3) 냉각공기와 관내 물 유속의 설계 시 주의 사항(4) 냉수코일 열수의 산출식

onha09 2025. 4. 22. 12:33
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(1) 핀(fin) 형상에 따른 분류

코일의 전열 성능은 공기와 접촉하는 면적에 크게 좌우됩니다. 공기 측의 열전달률은 물 측보다 훨씬 낮기 때문에, 공기와의 접촉 면적을 넓혀 열 교환 효율을 높이기 위해 핀(fin)을 사용합니다. 핀의 형상에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

  • 평판 핀 (Plate Fin): 가장 일반적으로 사용되는 형태로, 여러 장의 얇은 금속판(Plate)에 구멍을 뚫어 여러 개의 전열관(Tube)을 관통시키는 방식입니다. 제작이 용이하고 비교적 저렴합니다.
  • 나선형 핀 / 스파이럴 핀 (Spiral Fin): 각각의 전열관 주위에 얇은 금속 리본을 나선형으로 감아 부착한 형태입니다. 관과 핀의 밀착성이 중요합니다.
  • 파형 핀 / 주름 핀 (Wavy Fin / Corrugated Fin): 평판 핀의 표면에 물결 모양이나 주름을 주어 공기의 난류를 촉진시키고 전열 면적을 증가시켜 열전달 효율을 높인 형태입니다.
  • 슬릿 핀 / 루버 핀 (Slit Fin / Louvered Fin): 평판 핀 표면에 특정 형상의 절개(Slit)나 루버(Louver)를 내어 공기의 흐름 방향을 바꾸거나 경계층을 파괴하여 난류를 촉진함으로써 열전달 성능을 향상시킨 형태입니다.

(2) 유로의 배열에 따른 분류

코일 내에서 냉수가 흐르는 관(유로)의 배열 방식, 즉 물의 흐름 방향과 공기의 흐름 방향의 관계에 따라 분류할 수 있습니다. 실제 코일에서는 공기는 주로 관군에 직각으로 흐르는 직교류(Cross Flow) 형태가 됩니다. 물의 흐름은 다음과 같은 회로(Circuit) 구성으로 나뉩니다.

  • 직교류 (Cross Flow): 공기가 코일 내의 관군에 대해 수직 방향으로 흐르는 방식입니다. 대부분의 공조용 코일이 이 형태를 기본으로 합니다.
  • 회로 구성 (Circuiting): 관 내를 흐르는 냉수의 경로 구성 방식입니다.
    • 단일 회로 / 완전 회로 (Single Serpentine / Full Circuit): 냉수가 코일 입구로 들어가 모든 관을 차례대로 한 번씩 거쳐 출구로 나가는 방식입니다. 유속을 높게 유지할 수 있으나 압력 손실이 큽니다.
    • 다중 회로 / 반회로, 병렬 회로 등 (Multiple Serpentine / Half Circuit, Double Circuit, etc.): 냉수가 들어오는 입구 헤더에서 여러 개의 병렬 경로로 나뉘어 흐른 뒤 출구 헤더에서 합쳐지는 방식입니다. 유량을 많이 흘릴 수 있고 압력 손실을 줄일 수 있습니다. 회로 수에 따라 Half Circuit (2회로), Third Circuit (3회로) 등으로 불립니다.

참고: 이상적인 열교환기 분류인 대향류(Counter Flow, 공기와 물이 반대 방향)나 평행류(Parallel Flow, 공기와 물이 같은 방향)는 코일의 복잡한 구조상 완벽하게 구현되기는 어려우나, 회로 구성을 통해 대향류에 가깝게 설계하여 효율을 높이려 합니다.

 

(3) 냉각공기와 관내 물 유속의 설계 시 주의 사항

  • 냉각공기 유속 (Air Velocity):
    • 너무 빠를 경우:
      • 코일 통과 시 공기 저항(정압 손실)이 커져 송풍기 동력이 증가합니다.
      • 소음이 발생할 수 있습니다.
      • 응축수가 공기 흐름에 의해 비산(Carryover)되어 덕트 내부나 실내로 유입될 수 있습니다. (일반적으로 비산 한계 풍속은 2.5~2.8 m/s 정도입니다.)
    • 너무 느릴 경우:
      • 공기 측 열전달률이 저하되어 코일의 효율이 떨어집니다.
      • 동일한 냉각 용량을 위해 더 큰 크기의 코일이 필요하게 되어 설치 공간 및 비용이 증가합니다.
    • 적정 범위: 일반적으로 코일의 정면(face) 통과 풍속 기준으로 1.5 ~ 3.0 m/s 범위 내에서 설계하며, 2.5 m/s 이하로 권장되는 경우가 많습니다.
  • 관내 물 유속 (Water Velocity):
    • 너무 빠를 경우:
      • 관 내부 마찰 저항이 커져 펌프 동력이 증가합니다.
      • 관 내부 침식(Erosion)이나 소음의 원인이 될 수 있습니다.
    • 너무 느릴 경우:
      • 물 측 열전달률이 저하되어(층류에 가까워짐) 코일 효율이 떨어집니다.
      • 관 내부에 이물질(스케일, 슬러지 등)이 침적되기 쉬워져 성능 저하 및 수명 단축의 원인이 됩니다.
    • 적정 범위: 일반적으로 0.6 ~ 1.8 m/s 범위 내에서 설계하며, 최적 효율과 유지관리를 고려하여 0.9 ~ 1.5 m/s 범위가 선호되기도 합니다.

(4) 냉수코일 열수(열교환량)의 산출식

냉수 코일에서 공기와 냉수 사이에 교환되는 열량(), 즉 코일의 열교환량(Heat Duty)은 공기 측 또는 물 측에서 계산할 수 있습니다. 정상 상태에서 열손실이 없다고 가정하면 두 값은 같습니다.

  • 공기 측 기준: 공기가 코일을 통과하며 잃은 엔탈피 변화량으로 계산합니다. (현열 및 잠열 포함) 여기서,
    • : 열교환량 (kW 또는 kcal/h)
    • : 공기의 질량 유량 (kg/s 또는 kg/h) = (: 공기 밀도, : 공기 체적 유량)
    • : 코일 입구 공기의 엔탈피 (kJ/kg 또는 kcal/kg)
    • : 코일 출구 공기의 엔탈피 (kJ/kg 또는 kcal/kg)
  • 물 측 기준: 냉수가 코일을 통과하며 얻은 열량으로 계산합니다. 여기서,
    • : 열교환량 (kW 또는 kcal/h)
    • : 냉수의 질량 유량 (kg/s 또는 kg/h) = (: 물 밀도, : 물 체적 유량)
    • : 물의 비열 (약 4.186 kJ/kg·K 또는 1 kcal/kg·°C)
    • : 코일 입구 냉수 온도 (°C)
    • : 코일 출구 냉수 온도 (°C)
  • 총괄 열전달 기준: 열교환기의 기본 원리를 이용한 계산식입니다. 여기서,
    • : 총괄 열전달 계수 (W/m²·K 또는 kcal/m²·h·°C)
    • : 전열 면적 (m²)
    • (Log Mean Temperature Difference, 대수 평균 온도차): 공기와 물 사이의 평균적인 온도차 (°C 또는 K)

실제 설계나 성능 평가 시에는 주로 공기 측 엔탈피 변화나 물 측 온도 변화를 이용하여 열교환량을 계산합니다.

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