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  냉각탑 외기 조건(습구온도)에 따른 효율의 변화 문의 건
  글쓴이 : Stemp   고유ID : friend018     날짜 : 18-12-19 13:40     조회 : 105    
   https://www.scribd.com/doc/298127547/%EB%83%89%EA%B0%81%ED%83%91 (26)
항상 도움을 많이 받고 있음에 감사드리며,

올해 하절기 외기온도 상승으로 많이 무더워 냉각탑/냉동기 설비 운영에 많은 어려움이 있었습니다. 냉각탑 KS 설계 기준인 Wb = 27℃ (습구온도)가 훌쩍 넘었었죠. 그 덕택인지 냉각수 온도가 평년 및 설계대비 많이 올랐습니다. 그에 따라 냉동기 응축압력도 PSV (Pressure Safety Valve) Setting 압력 근처까지 올랐습니다. 냉매 유실 및 서징현장을 방지하고자 냉각탑 증설을 고려 중인데, Wb가 올랐다고 해서 왜 쿨링 레인지까지 줄어든 것 인지 납득이 되질 않습니다. 열량 계산 시 열량은 그대로 이니까요. 공조냉동기사 책을 찾아봐도 그에 관한 내용은 없더군요. 냉각탑 Capa. 산정 근거식은 (공조냉동기사 참조) Q = 냉각탑 순환수량 (L/hr) x 쿨링레인지 (냉각수 입구 수온 - 냉각수 출구 수온)으로 알고 있습니다. 상기의 식으로는 공기 Wb 변화에 따른 냉각수 입구/토출 수온에 대한 관계식을 알 수 없어 어렵네요. 링크 사이트는 냉각탑 설계 간 참고할 때 쓰는 자료 입니다. (5Page 참조) Wb에 따라 냉각탑 Capa가 바뀌는 것을 Table에서 알 수 있는데, 이것을 식으로 표현 해놓은 것은 하나도 없네요... (제가 못 찾는 거겠죠)

전제조건 : 어프로치 온도 5℃ = 냉각수 토출 온도 32℃ - 공기 Wb 27℃
               쿨링 레인지 5℃ = 냉각수 입구 온도 37℃ - 냉각수 토출 온도 32℃
               냉각탑 Capa = 400 CRT (1CRT = 3,900 Kcal/hr)
               Fan 풍량 = 2500CMM (m3/min)
               냉각탑 Pump 유량 = 312m3/hr
               하절기 공기 온/습도 = 36~39℃ / 50 ~ 60% (Wb = 30 ~ 31.5℃)

1) 상기 전제 조건 사항(설계 사항)일 때, 하절기 Wb 증가에 따른 냉각수 입구/토출 온도의 변화를 식으로 알고 싶습니다.

2) 만약, 1)에서 어프로치 온도가 5℃ 고정이고 공기 Wb가 27℃ → 30℃로 증가했을 시 냉각수 토출 온도가 35℃가
    되는 것인지? 그렇게 되면 냉각수 입구-토출은 40-35℃가 되어야 하는데 실제 현장은 그렇질 않습니다. 궁극적으로 궁금한 것은
    '왜 쿨링레인지가 변화하냐?' 입니다.
    (하절기 때 현장 냉각수 쿨링 레인지 2℃ = 냉각수 인입 온도 39℃ - 냉각수 토출 온도 37℃)

3) 외기 온습도에 따른 냉각탑 설계하는 기본식을 알 고 싶습니다.

기타 궁금하신 사항이나 필요하신 사항 적어주시면 답변 드리겠습니다.
감사합니다.

스테파노 Stefano   18-12-23 20:02
(0) 인터넷 오류로 답글들이 접속이 안되거나 올린 답글이 사라져 버리는 바람에 다시 답글을 올립니다.

(1) 질문에 대한 답을 먼저 하자면..  습구온도(Wb)에 따라 Capacity가 달라지는 것을 단번에 알아보는 것은 어렵습니다.  대신 Dry Bulb의 온도와 Wet Bulb의 온도로부터 Approach에 따라 냉각탑을 설계하는 방법으로 계산이 되어야 하기 때문이지요.

(2) 건구온도가 동일할때 습구온도가 높아지면 상대습도가 높아져 냉각탑에서 평형(포화상태)에 도달할 때까지 증발될 수 있는 수분의 양이 줄어들어 냉각탑 성능은 크게 떨어지는 것은 당연합니다. 

건구온도와 함께 습구온도가 함께 올라가 상대습도가 동일하다고 할 경우,  건구온도의 상승으로 인하여 물의 포화증기압이 상승함으로써 냉각탑에서 증발될 수 있는 수분의 양이 늘어나 냉각탑 성능은 동일하고 동일 Approach 온도 (질문에서 5도)로 운전할 수 있다고는 하지만 이는 냉각탑에서의 이야기이고  공정, 공조시스템에서는 냉각수의 순환온도가 올라가기때문에 냉각기나 냉동기의 성능은 크게 떨어집니다. 

습구온도와 함께 건구온도가  함께 올라감으로써 상대습도가 동일하다고 가정하고 Approach가 동일하게  5도를 적용한다고 하면 그조건으로 운전은 가능할 것이고 냉각탑의 성능이 늘어난다고 해도 공정에서 냉각부하를 감당할 수 없는 상황이 된다는 뜻입니다.

공정(공조)장치에서 냉각수의 온도가 올라가면 LMTD가 줄어들어 냉각성능이 줄어들게 되는데 냉각부하를 유지하기위해 자동제어장치가 냉각수량을 늘이도록 신호를 발한다고 하면 어느 정도 LMTD를 유지할 수는 있겠지만 전체적 부하의 증가로 인하여  냉각탑 유량을 늘이는 것은 펌프와 배관이나 냉각기 저항등의 한계로 인하여 부하를 따라갈수가 없는 경우가 발생하지요. 

Wb가 27℃-->30℃로 올가가고 Approch 5℃를 적용하여 운전하는 것은 가능하고 또한 냉각수 순환온도에 따라 냉각탑 능력은 나타낼 수 있겠지만  공정이 못따라 간다는 뜻이지요.

(4) 냉각탑 성능을 알아보기 위해,  질문에서 인용한 수식과 같은 수식을 살펴보면..
냉각탑 용량 Q, [kcal/h] = 냉각탑 순환유량 F [m3/h] x 비열 Cp, [1000 kcal/m3-℃] x 온도차 Δt, [℃]  .....(1)

이 수식으로도 Wb가 달라짐에 따른 온도차 변화를 알 수 있다면 냉각탑 용량(성능)이 간단히 계산될 수 있지만 이 온도차를  알아내는 것은 아주 복잡해서 냉각탑 설계계산을 하는 정도의 계산이 요구됩니다.

Wb 27도에서 냉각수 유량이 동일하다고 하고 냉각탑에서  37도에 유입되어 32도로 온도차로 운전하다가 Wb가 32도로 올라가 냉각탑 순환온도가 42도로 유입 37도로 흘러가더라도 냉각탑은 동일 성능이겠지만  실제 공정부하는 그리운전되지 않지요

공정(공조)에서 냉각기의 부하는

Qc = U * A * LMTD ...............................(1)

와 같이 계산되는데 유량변화가 크지 않다면 U값은 거의 동일하고, 전열면적 A도 고정인데 LMTD가 줄어들어 그 냉각기(응축기)를 냉각수가 거치면서 미처 열을 가지고 나올 수 없어서 냉각기가 성능을 나타내지 못하는 것이지요.

(5) 공정측 온도가 130도에 유입되어 80도로 냉각되도록 Counter Current로 흐르도록 설계된 냉각기에서 냉각수가 32-->37도로 순환될 때 냉각탑용량은 (1)식으로 운전되고 있고 이 때 해당 응축기는

LMTD는  {(130-37)-(80-32)}/ln[(130-32)/(80-32)] = 68.04℃

반면 응축온도는 동일하고 냉각수가 35-->40도로 순환된다면 냉각탑에 요구하는 용량은 (1)식으로 동일하지만 해당응축기의 LMTD는  {(130-35)-(130-40)}/ln[(130-35)/(130-40)] =64.92℃ 

위 냉각기는 성능이 4.66% 떨어지게 됩니다 

이를 보완하기 위해 온도조절밸브가 달려있어 35도에서 공급되는 냉각수 유량을 무한대로 늘여 냉각기 출구온도(CWR)를 35도가 되도로 해도 LMTD는 66.9도로 설계치보다 1.7%  낮습니다.  냉각수 펌프에 한계가 있고 냉각수관도 한계가 있다는 것을 생각하면 부하감소는 어쩔수 없습니다.

(6) 따라서 냉각탑 설계문제가 아니라 냉각기가 재설계 되어야 하지요.    냉각탑 설계식은 차후 알아보도록 하지요.
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