뜰 앞의 잣나무

제 5 장 응축기 (Condenser)

   압축기에서 토출된 고온 · 고압의 냉매가스를 상온 이하의 물이나 공기를 이용하여 냉매가스 중의 열을 제거하여 응축, 액화시키는 장치로 과열 제거, 응축 · 액화 · 과냉각의 3대 작용으로 이루어지며 공냉식과 수냉식, 증발식 등이 있다.

Ⅰ. 응축방식에 따른 분류

1. 공냉식 응축기
(1) 자연 대류식
   공기의 비중량차에 의한 순환 즉, 자연대류에 의해 응축시키는 방법으로 전열이 불량하여 Fin을 공기측에 부착하여 전열성능을 향상시킨다.
(2) 강제 대류식
   Fan이나 Blower(송풍기) 등을 이용하여 강제로 공기를 불어 응축시키는 방법이다.


(3) 특징
   ① 프레온용으로 주로 소형 (0.5~50RT)에서 사용한다.
   ② 관내에 냉매가스를 보내 공기와 열교환시켜 냉매를 응축시킨다.
   ③ 냉각수가 필요 없으므로 냉각수 배관 및 배수시설이 필요없다.
   ④ 응축온도가 수냉식에 비해 높고, 응축기 형상이 커진다(냉매와 공기의 온도차 15~20 ℃ 정도, 수냉식은 7~8 ℃ 정도).
   ⑤ 열통과율 20~25 ㎉ / ㎡ h ℃, 풍속은 2~3m/s, 전열면적은 12~15㎡ / RT 정도이다.

2. 수냉식 응축기
(1) 응축기의 종류
   ① 입형 쉘 앤 튜브식 응축기 (Vertical Shell & Tube Condenser)


      ㉠ 특징
         ⓐ 쉘(Shell)내에 여러개의 냉각관을 수직으로 세워 상하 경판에 용접한 구조이다.
         ⓑ Shell 내에는 냉매가, Tube 내로는 냉각수가 흐른다.
         ⓒ 냉각수가 흐르는 수실내에는 스월(Swirl)이 부착되어 냉각수가 관벽을 따라 흐른다(유효 냉각면적 증대).
         ⓓ 주로 대형의 암모니아 냉동장치에 사용한다.
         ⓔ 열통과율 750 ㎉ / ㎡ h ℃, 냉각수량 20 ℓ / min · RT로 수량이 풍부하고 수질이 좋은 곳에 사용한다.
      ㉡ 장점
         ⓐ 대용량이므로 과부하에 잘 견딘다.
         ⓑ 운전 중 냉각관 청소가 용이하다.
         ⓒ 설치면적이 적게 들고, 옥외설치가 가능하다.
      ㉢ 단점
         ⓐ 수냉식 응축기 중에서 냉각수 소비량이 가장 많다.
         ⓑ 냉매와 냉각수가 평행으로 흐르므로 과냉각이 어렵다.
         ⓒ 냉각관 부식이 쉽다.
   ② 횡형 쉘 앤 튜브식 응축기 (Horizontal Shell & Tube Condenser)


      ㉠ 특징
         ⓐ Shell 내에는 냉매가, Tube 내로는 냉각수가 역류되어 흐르도록 되어 있다.
         ⓑ 입 · 출구에 각각의 수실이 있으며, 판으로 막혀있다.
         ⓒ 콘뎅싱 유니트 (Condensing Unit) 조립에 적합하다.
         ⓓ 프레온 및 암모니아에 관계없이 소형, 대형에 사용이 가능하다.
         ⓔ 열통과율 900 ㎉ / ㎡ h ℃, 냉각수량 12 ℓ / min · RT로 냉각탑(Cooling Tower)와 함께 사용할 수 있다.
         ⓕ 수액기 역할을 할 수 있으므로, 수액기를 겸할 수 있다.
      ㉡ 장점
         ⓐ 전열이 양호하며 입형에 비해 냉각수가 적게 든다.
         ⓑ 설치장소가 협소해도 된다.
         ⓒ 능력에 비해 소형, 경량화가 가능하다.
      ㉢ 단점
         ⓐ 과부하에 견디지 못한다.
         ⓑ 냉각관 부식이 쉽다.
         ⓒ 냉각관 청소가 어렵다.
   ③ 2중관식 응축기 (Double Tube Condenser)


      ㉠ 특징
         ⓐ 내관과 외관 2중관으로 제작되어 중소형이나 패키지 에어콘에 주로 사용한다.
         ⓑ 내축관에 냉각수, 외측관에 냉매가 있어 역류하므로 과냉각이 양호하다.
         ⓒ 열통과율 900 ㎉ / ㎡ h ℃, 냉각수량 10~12 ℓ / min · RT로 냉각수가 적게 든다.
      ㉡ 장점
         ⓐ 고압에 잘 견딘다(관경이 작으므로).
         ⓑ 냉각수량이 적게 든다.
         ⓒ 과냉각이 우수하다.
         ⓓ 구조가 간단하고, 설치면적이 적게 든다.
      ㉢ 단점
         ⓐ 냉각관 청소가 어렵다.
         ⓑ 냉각관의 부식 발견이 어렵다.
         ⓒ 냉매의 누설 발견이 어렵다.
         ⓓ 대형에는 관이 길어지므로 부적합하다.
   ④ 7통로식 응축기 (7 Pass Shell & Tube Condenser)


      ㉠ 특징
         ⓐ 1개의 Shell 내에 7개의 Tube가 내장되어 있다.
         ⓑ Shell 내에는 냉매가, Tube 내로는 냉각수가 흐른다.
         ⓒ 암모니아 냉동장치에 주로 사용하며, 냉동능력에 따라 적당한 대수를 조립하여 사용할 수 있다.
         ⓓ 열통과율 1,000 ㎉ / ㎡ h ℃ (1.3 m/s), 냉각수량 10~12 ℓ / min · RT 정도이다.
      ㉡ 장점
         ⓐ 전열이 가장 우수하다.
         ⓑ 벽면 설치가 가능하여 설치면적이 적게 든다.
         ⓒ 호환성이 있어 수리가 용이하다.
         ⓓ 냉동능력에 따라 조립사용이 가능하다.
      ㉢ 단점
         ⓐ 운전 중 냉각관 청소가 어렵다.
         ⓑ 구조가 복잡하여 설비비가 비싸다.
         ⓒ 압력강하 때문에 1대로 대용량의 것을 제작하기 어렵다.
   ⑤ 쉘 앤 코일식(지수식) 응축기 (Shell & Coil Condenser)


      ㉠ 특징
         ⓐ 원통내에 나선모양의 코일이 감겨져 있는 구조이다.
         ⓑ Shell 내에는 냉매가, Tube 내로는 냉각수가 흐른다.
         ⓒ 소용량의 프레온 냉동장치에 사용한다.
         ⓓ 열통과율 500~900 ㎉ / ㎡ h ℃ (1.3 m/s), 냉각수량 12 ℓ / min · RT 정도이다.
      ㉡ 장점
         ⓐ 소형이므로 경량화할 수 있다.
         ⓑ 제작비가 적게 든다.
         ⓒ 냉각수량이 적게 든다.
      ㉢ 단점
         ⓐ 냉각관 청소가 어렵다.
         ⓑ 냉각관의 교환이 어렵다.
   ⑥ 대기식 응축기 (Atmospheric Condenser)


      ㉠ 특징
         ⓐ 물의 현열과 증발잠열에 의해 냉각된다.
         ⓑ 하부에 가스입구가 있고, 응축된 냉매액은 냉각관 중간에서 수액기로 보내진다.
         ⓒ 상부 스프레이 노즐(Spray Nozzle)에 의해 냉각수가 고르게 산포된다.
         ⓓ 겨울철에는 공냉식으로 사용이 가능하다.
         ⓔ 암모니아용 중 · 대형의 냉동장치에 주로 사용한다.
         ⓕ 열통과율 600 ㎉ / ㎡ h ℃ (1.3 m/s), 냉각수량 15 ℓ / min · RT 정도이다.
      ㉡ 장점
         ⓐ 대기중에 노출되어 있어 냉각관의 청소가 용이하다.
         ⓑ 수질이 나쁜 곳에서도 사용이 가능하다.
         ⓒ 대용량 제작이 가능하다.
      ㉢ 단점
         ⓐ 관이 길어지면 압력강하가 크다.
         ⓑ 냉각관의 부식이 크다.
         ⓒ 횡형에 비해 냉각수 소비가 많다.
        ⓓ 설치장소가 넓어야 한다.

3. 증발식 응축기 (Evaporative Condenser : Eva-Con)


(1) 특징
   ① 물의 증발잠열을 이용하므로 냉각수 소비량이 적다(물회수율 95%).
   ② 외기의 습구온도 영향을 많이 받는다(습도가 높으면 물의 증발이 어려워 응축능력이 감소한다).
   ③ 관이 가늘고 길기 때문에 냉매의 압력강하가 크다.
   ④ 겨울철에는 공냉식으로도 사용이 가능하다.
   ⑤ 주로 암모니아 냉동장치와 중형의 프레온 냉동장치에 사용한다.
   ⑥ 열통과율 200~280 ㎉ / ㎡ h ℃ (1.3 m/s), 전열면적 1.3~1.5 ㎡ / RT, 순환수량 8 ℓ / min · RT이고, 보충수량은 0.1~0.16 ℓ / min · RT 정도이다.
   ⑦ 펌프, 팬, 노즐 등의 부속설비가 많다.
(2) 장점
   ① 냉각수가 가장 적게 든다.
   ② 옥외설치가 가능하다.
   ③ 냉각탑을 별도로 설치하지 않아도 된다.
(3) 단점
   ① 일반 수냉식에 비해 전열이 불량하다.
   ② 옥탑이나 지상 설치로 배관이 길어져 압력강하가 크다.
   ③ 청소 및 보수가 어렵다.
   ④ 구조가 복잡하고, 설비비가 비싸다.

      엘리미네이터 (Eliminator) : 냉각관에서 산포되는 냉각수의 일부가 배기와 함께 대기중으로 날아가는 것을 방지하여 냉각수소비량을 최소화하기 위하여 냉각탑 배기부분에 설치하는 장치

      ① 열통과율이 가장 좋은 응축기 : 7통로식 응축기
      ② 냉각수가 가장 적게 드는 응축기 : 증발식 응축기
      ③ 대기의 습구온도에 영향을 받는 응축기 : 증발식, 대기식 응축기

Ⅱ. 응축기에서의 계산

1. 응축기 방열량 (응축부하 : Q₁)
   응축기에서 냉매가 물이나 공기를 통해서 시간당 방출하는 열량 (㎉ / h)
(1) 냉동장치에서의 계산
    Q₁= Q₂+ Aw             Q₁: 응축부하 [㎉ /h], Q₂: 냉동능력[㎉ /h], Aw : 압축열량 [㎉ /h]
(2) 방열계수에 의한 계산
    Q₁= Q₂* C

      방열계수 : 응축기 방열량과 증발기 흡입열량과의 비
      C = Q₁/ Q₂= 1.2 ~ 1.3 [냉장 · 공조 : 1.2, 제빙 · 냉동 : 1.3]

(3) 냉매순환량에 의한 계산
    Q₁= G * q₁= G(i(b) - i(e))
                        G   : 냉매순환량 [㎏ / h]
                        q₁ : 냉매 1 ㎏당 응축기 방열량 [㎉ / ㎏]
                        i(b) : 응축기 입구 냉매가스의 엔탈피 [㎉ / ㎏]
                        i(e) : 응축기 출구 냉매가스의 엔탈피 [㎉ / ㎏]
(4) 수냉식응축기에서의 계산
    Q₁= w * C * Δt = w * C * t(w₂ - w₁)
                        w  : 냉각수량 [㎏ /h]
                        C  : 냉각수 비열 [㎉ / ㎏ ℃]
                        Δt  : 냉각수 입 · 출구 온도차 [℃]
(5) 공냉식 응축기에서의 계산
    Q₁= G(A) * C * Δt
         = Q(A) * r * C * Δt
         = Q(A) * 1.2 * 0.24 * Δt
         = 0.29 * Q(A) * Δt
                      G(A) : 냉각풍량 [㎏ / h]
                      Q(A) : 소요풍량 [㎥ / h]
                      r       : 공기의 비중량 [1.2 ㎏ / ㎥]
                      C      : 공기의 비열 [0.24 ㎉ / ㎏ ℃]
                      Δt     : 냉각공기의 입 · 출구 온도차 [℃]

      공냉식 응축기에서의 소요풍량 (Q(A) : ㎥ / h)
         Q(A) = Q₁/ (0.29 * Δt)

(6) 열통과율에 의한 계산
    Q₁= K * F * Δt(m)
            K        : 열통과율 [㎉ / ㎡ h ℃]
            F        : 전열면적 [㎡]
            Δt(m) : 냉매와 냉각수 온도차 (= 응축온도 - 냉각수 평균온도) [℃]

      ① 산술 평균 온도차 (Δt(m))
          Δt(m) = [(t₁ - tw₁) + (t₁ - tw₂)] / 2
                   = t₁- [(tw₁ + tw₂) / 2]
          [t₁: 응축온도, tw₁: 냉각수 입구온도, tw₂: 냉각수 출구온도]
      ② 대수 평균 온도차 (LMTD : Logarithmic Mean Temperature Difference)
          LMTD = (Δt₁ - Δt₂) / {2.3 log(Δt₁/ Δt₂)} = (Δt₁- Δt₂) / ln(Δt₁/ Δt₂)
          [Δt₁: 응축온도 - 냉각수 입구온도, Δt₂: 응축온도 - 냉각수 출구온도]
      ③ 냉각관의 길이 (L : m)
          F = πDL
          L = F / πD [L : 냉각관의 길이 [m], D : 냉각관의 지름 [m], F: 전열면적 [㎡]]

2. 응축온도(t₁)의 계산
   W * C * Δt = K * F * (t₁- (tw₁ + tw₂) / 2) 에서
   t = (W * C * Δt) / (K * F) + (tw₁ + tw₂) / 2

Ⅲ. 냉각탑 (Cooling Tower)

   수냉식 응축기에서 냉매를 응축 액화시키고 열을 흡수하여 온도가 높아진 냉각수를 공기와 접촉시켜 물의 증발잠열을 이용하여 냉각수를 재생시키는 장치이다.

(1) 특징
   ① 물이 풍부하지 못한 곳이나, 냉각수를 절약하고자 할 때 사용한다.
   ② 증발식 응축기(Eva-Con)의 원리와 비슷하다.
   ③ 냉각탑의 냉각효과는 외기습구 온도의 영향을 받으며 외기습구온도는 냉각탑 출구수온보다 낮으며, 냉각수는 외기습구 온도보다 낮게 냉각시킬 수 없다.
(2) 물과 공기의 접촉 유수방향에 의한 분류
   ① 직교류형 (Cross Flow Type)
       물과 공기가 서로 직각이 되어 흐르면서 냉각되는 방식으로 구조가 간단하고, 보수 점검이 쉽고, 여러대를 배열하기가 용이하다.
   ② 대향류형 (Counter Flow Type)
       물과 공기가 서로 반대방향으로 흐르면서 냉각되는 방식으로 냉각효율이 높고, 대 · 소용량에 널리 사용된다.
   ③ 병류형
       물과 공기가 같은 방향으로 흐르면서 냉각되는 방식으로 효율이 떨어져 거의 사용되지 않는다.
(3) 냉각탑의 냉각능력
   ① 냉각탑에서의 제거열량
       Q(ct) = w * C * Δt = w * C * 쿨링레인지
       [Q(ct) : 냉각탑의 냉각능력 [㎉ / h], w : 냉각수 순환수량 [㎏ / h], C : 냉각수 비열 [㎉ / ㎏ ℃], Δt : 냉각수 입 · 출구 온도차 [℃]]



      쿨링 레인지와 쿨링 어프로치
         ① 쿨링레인지 (Cooling Range)
             = 냉각수 입구온도 - 냉각수 출구온도 (냉각탑에서 냉각되는 수온)
         ②  쿨링 어프로치(Cooling Approach)
             = 냉각수 출구온도 - 냉각탑 입구 공기의 습구온도 (냉각수가 최저온도에 얼마나 접근하는가의 정도)
         ③ 쿨링레인지는 클수록, 쿨링 어프로치는 작을수록 냉각탑의 냉각능력이 우수하다.

(4) 1냉각톤
   ① 조건 : 입구공기의 습구온도 : 27 ℃
   ② 냉각수 입구수온 : 37 ℃
   ③ 냉각수 출구수온 : 32 ℃
   ④ 냉각수 순환수량 : 13 ℓ / min · 냉각톤
       Q(ct) = w * C * Δt = 13 * 60 * 1 * 1 * (37 - 32) = 3,900 [㎉ / h]
(5) 증발식 응축기 및 냉각탑의 보급수량 결정
   ① 냉각을 위해 소비되는 증발수량
   ② 캐리오버 (Carry Over) : 송풍기나 팬에 의해 밖으로 날아가는 수량(水量)
   ③ 블로우 다운 (Blow Down) : 냉각수 중 불순물에 의해 생성된 고형물 등을 드레인, 오버플로우 시키는 수량(水量)
   ④ 메이크 업 (Make Up) : Carry Over나 Blow Down에 의해 손실되는 수량만큼 보충시켜 주는 냉각수량
(6) 냉각탑 설치시 주의사항
   ① 먼지가 적고, 고온의 배기에 영향을 받지 않는 장소에 설치한다.
   ② 공기의 유통이 좋고, 인접 건물에 영향을 주지 않는 장소에 설치한다.
   ③ 냉동기로부터 가깝고, 설치 및 보수, 점검이 용이한 장소에 설치한다.
   ④ 팬이나 물의 낙차로 인한 소음으로 주위에 피해가 되지 않는 장소에 설치한다.
   ⑤ 2대 이상을 설치할 때 상호 2m 이상의 간격을 유지한다.

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